JPH09210619A

JPH09210619A - 光導波路を用いた焦点検出装置

Info

Publication number: JPH09210619A
Application number: JP8015423A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Doi; 正明土肥; Junji Ikeda; 順司池田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-01-31
Filing date: 1996-01-31
Publication date: 1997-08-12

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で簡単な構成の焦点検出装置を提供する。【解決手段】光源２１の出射端面２０３と、ダブルモー
ド導波路２８の端面２０２の中心からわずかにずれた位
置２７とを、偏光マイクロビームスプリッタ２３を挟ん
で共役な位置に配置する。端面２０３から出射された直
線偏光の照明光は、ビームスプリッタ２３で偏向され、
集光レンズ２５により集光される。被検物体２６からの
反射光は、集光レンズ２５により集光され、ビームスプ
リッタ２３を透過してダブルモード導波路２８に入射す
る。ダブルモード導波路に入射した光の位相分布の非対
称性を検出できるように、ダブルモード導波路の長さを
設定することにより、被検物体２６が集光レンズの焦点
に位置する場合と位置しない場合とを検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路を用いた
焦点検出装置または段差測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信、光計測の分野で光導波路
が注目されている。その理由は光導波路を用いることに
よって光学系の小型、軽量化を図ることができ、また、
光軸の調整が不要になるという利点を有しているからで
ある。

【０００３】光導波路を利用した計測器の一つとして、
例えば特開平６−３３１８４１号公報に、焦点を検出す
るためのデバイスが提案されている。

【０００４】特開平６−３３１８４１号公報では、光導
波路としてダブルモード導波路を用い、このダブルモー
ド導波路の端面から集光した光を入射させる。このと
き、入射光の光軸が、ダブルモード導波路の中心からわ
ずかにずれるようにする。集光された光の焦点が、ダブ
ルモード導波路の端面と一致している場合と、一致して
いない場合とでは、ダブルモード導波路に励振されるモ
ードが異なる。このため、ダブルモード導波路を伝搬す
る光の対称性が、入射光の焦点位置で異なる。したがっ
て、ダブルモード導波路を伝搬する光の対称性を検出す
ることにより、入射光の焦点位置を検出するというもの
である。

【０００５】特開平６−３３１８４１号公報では、物体
に照明光を集光するとともに、その反射光を照明光から
分離してダブルモード導波路の端面に集光させるため
に、偏光選択性回折格子と対物レンズとを用いている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特開平６−３３１８４
１号公報に記載されているデバイスの構成では、偏光選
択性回折格子を用いなければならない構成である。しか
しながら、性能の良い偏光選択性回折格子を作製するの
は、困難であるという問題点があった。

【０００７】本発明は、簡単な構成で、小型な焦点検出
装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、照明光を出射する照明光学系と、
前記照明光を集光して被検物体に照射するとともに、そ
の反射光を集光する集光光学系と、前記照明光と反射光
とを分離するために、前記照明光および反射光のうち、
一方を透過し、他方を反射する偏向光学系と、前記偏向
光学系によって分離された前記反射光を端面から入射さ
せて伝搬するためのダブルモード導波路と、前記ダブル
モード導波路を伝搬してきた光の強度分布の対称性を検
出するための対称性検出手段とを有し、前記偏向光学系
は、前記照明光学系と前記集光光学系との間に配置さ
れ、前記ダブルモード導波路の端面の中心からずれた位
置と、前記照明光学系の照明光の出射中心とは、前記偏
向光学系を挟んで共役な位置に配置されていることを特
徴とする焦点検出装置が提供される。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について説
明する。

【００１０】まず、本発明の第１の実施の形態の焦点検
出装置の構成を図２を用いて説明する。

【００１１】ニオブ酸リチウム基板２０には、ダブルモ
ード導波路２８と、これを２分岐する分岐部２０１と、
分岐部２０１に接続された２本の導波路２９、３０が形
成されている。これらは、基板２０にＴｉを拡散するこ
とによって形成されている。ダブルモード導波路２８
は、端部が基板２０の一側面に露出され、入射端面２０
２となっている。また、導波路２９、３０の端部も、基
板２０の一側面に露出され、それぞれ光検出器３２、３
３が取り付けられている。光検出器３２、３３の出力
は、差動増幅器３４に入力される。また、ダブルモード
導波路２８の上には、不図示のバッファ層を介して一対
の電極３１が配置されている。

【００１２】基板２０は、ダブルモード導波路２８の端
面２０２が被検物体２６の方を向くように配置されてい
る。端面２０２と被検物体２６との間には、偏光方向に
よって光を反射および透過させる微小なサイズのマイク
ロビームスプリッタ２３、１／４波長板２４、対物レン
ズ２５が順に配置されている。また、マイクロビームス
プリッタ２３により、端面２０２と被検物体２６とを結
ぶ光軸から分離される光軸上には、偏波面保存ファイバ
２２の端面２０３が配置されている。ファイバ２２の他
方の端面には、直線偏光の照明光を出射する光源２１が
取り付けられている。

【００１３】光源２１から出射された直線偏光の照明光
は、偏波面保存ファイバ２２を偏光方向を保存された状
態で伝搬し、端面２０３から出射される。マイクロビー
ムスプリッタ２３は、端面２０３から出射された直線偏
光の照明光を反射し、これと直交する偏光方向の光を透
過するように配置される。１／４波長板は、マイクロビ
ームスプリッタ２３で反射された直線偏光の照明光を円
偏光に変換するように配置される。一方、被検物体２６
による照明光の反射光は、１／４波長板２４を通過する
ことにより、照明光とは直交する偏光方向に変換される
ため、マイクロビームスプリッタ２３を透過する。

【００１４】対物レンズ２５は、光ファイバ２２の端面
２０３から出射された照明光を集光し結像させるととも
に、結像面に被検物体２６が位置する場合には、その反
射光がだぶるモード導波路２８の端面の幅方向の中心か
らわずかにずれた位置２７に結像させるように配置され
ている。すなわち、光ファイバー２２の出射端面２０３
の中心と、ダブルモード導波路２８の入射端面２０２の
中心からわずかにずれた位置２７とが、マイクロビーム
スプリッタ２３を挟んで、共役な位置関係となるように
構成する。

【００１５】つぎに、図２の焦点検出装置の動作につい
て説明する。

【００１６】光源２１から出射された直線偏光の照明光
は偏波面保存ファイバ２２を伝搬してマイクロビームス
プリッタ２３に導かれる。マイクロビームスプリッタ２
３は、光源２１から出射される直線偏光の照明光を反射
する構成であるため、照明光は、マイクロビームスプリ
ッタ２３で反射し、１／４波長板２４で円偏光に変換さ
れる。そして、対物レンズ２５により集光され、被検物
体２６に照射される。被検物体２６で反射した光は、再
び対物レンズ２５で集光され、１／４波長板２４で照明
光の直線偏光とは直交する直線偏光に変換され、マイク
ロビームスプリッタ２３を透過して、ダブルモード光導
波路の端面２０２の中心からわずかにずれた位置２７に
集光される。

【００１７】このとき被検物体２６が照明光の結像面に
一致する位置にあった場合には、その反射光は、対物レ
ンズ２５によってダブルモード導波路２８の端面２０２
の位置２７に図５（ａ）のように結像する。一方、被検
物体２６が照明光の結像面に一致する位置にない場合に
は、その反射光は、図５（ｂ）のように、ダブルモード
導波路２８の端面２０２の位置２７には結像しない。

【００１８】反射光が、ダブルモード導波路２８の端面
２０２の位置２７に結像した場合には、図５（ａ）から
わかるように、反射光が端面２０２に達した時点での光
の波面５１が端面２０２に平行になる。このため、図５
（ａ）の場合には、ダブルモード導波路２８に、ダブル
モード導波路２８の幅方向について位相分布が対称な光
が入射した場合と等価であり、ダブルモード導波路２８
には０次モード光と１次モード光が励起される。

【００１９】また、反射光がダブルモード導波路２８の
端面２０２の位置２７に結像しなかった場合には、図５
（ｂ）から明らかなように、反射光が端面２０２に達し
た時点での光の波面５１は、端面２０２と非平行にな
る。このため、図５（ｂ）の場合には、ダブルモード導
波路２８に、ダブルモード導波路２８の幅方向について
位相分布が非対称な光が入射した場合と等価であり、ダ
ブルモード導波路２８には、０次モード光と１次モード
光が励起される。

【００２０】ダブルモード導波路を伝搬する０次モード
光は、偶モードであるため、光強度分布は、導波路の幅
方向に対して対称である。これに対し、０次モード光と
１次モード光とが励起されると、両モード光は、導波路
内で干渉し、干渉光は、導波路内を蛇行しながら伝搬す
るため、導波路中の光強度分布に非対称性が生じること
が知られている。

【００２１】これを利用して、ダブルモード導波路２８
の長さＬを適切な長さにし、ダブルモード導波路を伝搬
してきた光の強度分布の対称性を検出することにより、
ダブルモード導波路に入射した位相分布の非対称性を検
出できることも知られている。（Ｈ．Ｏｏｋｉａｎｄ
Ｊ．Ｉｗａｓａｋｉ，ＯｐｔｉｃｓＣｏｍｍｕｎｉ
ｃａｔｉｏｎｓ８５（１９９１）１７７）。このダブ
ルモード導波路２８の適切な長さＬとは、完全結合長
（０次モードと１次モードの位相差がπとなる長さ）Ｌ
ｃに対して、Ｌ＝Ｌｃ（２ｍ＋１）／２（ｍ＝０，１，２，・・
・）を満たすような長さである。

【００２２】ただし、実際には、分岐部２０１において
も導波路間隔が狭い部分では、ダブルモードで光が伝搬
するので、ダブルモード導波路２８および分岐部２０１
を含めて実質的にダブルモードで光が伝搬可能な長さを
Ｌとする必要がある。

【００２３】本実施の形態では、電極３１からダブルモ
ード導波路２８に電圧を印加することにより、電気光学
効果により、完全結合長Ｌｃを調節し、ダブルモード導
波路２８の長さＬが上式を満たすようにしている。

【００２４】したがって、被検物体２６が、対物レンズ
による照明光の結像面に位置する場合には、上述のよう
に、ダブルモード導波路２８に、波面が端面２０２と平
行な光が入射し、ダブルモード導波路２８には０次モー
ド光と１次モード光とが励振される。ダブルモード導波
路２８に励振された０次モード光と１次モード光は、干
渉しながら伝搬する。ダブルモード導波路の長さＬは、
位相分布の非対称性を検出するように上式のように設定
されているので、分岐部２０１において、導波路２９、
３０に均等に分岐される。したがって、光検出器３２、
３３には、等しい光量が検出される。

【００２５】一方、被検物体が、対物レンズによる照明
光の結像面に位置していない場合には、ダブルモード導
波路２８に、波面が端面２０２と非平行な光が入射し、
ダブルモード導波路２８には０次モード光と１次モード
光とが励振される。０次モード光と１次モード光は干渉
し、干渉光が蛇行しながら伝搬し分岐部２０１に至る。
このとき、ダブルモード導波路２８の長さＬは、上述の
式を満たしているため、干渉光は、ダブルモード導波路
２８の幅方向の左右いずれかに偏っており、分岐部２０
１で、導波路２９、３０に分岐される光量には差が生じ
る。したがって、光検出器３２、３３で検出される光量
は等しくない。

【００２６】従って、光検出器３２、３３で検出される
光量の差を、差動増幅器３４で検出することにより、被
検物体２６が対物レンズ２５による照明光の結像面に位
置するかどうか、すなわち、対物レンズ２５の焦点に位
置するかどうかを検出することができる。

【００２７】上述してきたように、本実施の形態では、
ダブルモード導波路の端面２０２の中心からわずかにず
れた位置２７と、照明光を出射する光ファイバ２２の端
面２０３の出射中心とを、マイクロビームスプリッタ２
３を挟んで、共役な位置に配置することにより、簡単な
構成で焦点検出装置を構成することができた。また、マ
イクロビームスプリッタ２３は、数ｍｍ角の小さなサイ
ズの光学部品である。さらに、本実施の形態では、マイ
クロビームスプリッタ２３をダブルモード導波路２８の
端面に取り付けることができるため、光路長を短くでき
るとともに、アライメントや取り付け作業が容易にな
る。したがって、簡単な構成で小型な焦点検出装置を、
効率よく製造することが可能である。

【００２８】上述の実施の形態では、電気光学効果を有
するニオブ酸リチウム基板２０を用いたが、ＧａＡｓの
ような電気光学効果を有する他の材料や、電気光学効果
を有しないＳｉなどの材料を用いることができる。

【００２９】また、電気光学効果を有しない材料を用い
る場合、幾何学的にダブルモード導波路２８の長さＬを
調節して製造すればよい。電気光学効果を用いない場
合、電極３１は不要である。

【００３０】また、本実施の形態では、ダブルモード導
波路２８、分岐部２０１、導波路２９、３０を基板２０
上に形成しているが、これらを光ファイバーで構成する
ことも可能である。

【００３１】また、本発明の第２の実施の形態として、
図３のような構成を用いることができる。図３の構成
は、図２の構成とほぼ同じであるが、対物レンズ２５を
用いるかわりに、マイクロビームスプリッタ２３に集光
グレーティングレンズ３５を集積している。

【００３２】集光グレーティングレンズ３５は、図４の
ように同心円状のグレーティングにより構成されたもの
で、対物レンズと同様に集光作用を持っている。

【００３３】図３の構成では、照明光は集光グレーティ
ングレンズ３５によって被検物体２６に集光されるとと
もに、被検物体２６からの反射光は、集光グレーティン
グレンズ３５により、ダブルモード導波路２８の端面に
集光される。

【００３４】このような構成により、第１の実施の形態
の対物レンズ２５を用いる場合よりも、より光路長がが
短くなるとともに、光学部品数が少なくなり、光学系が
簡単になる。その他の構成、作用は第１の実施の形態と
同じであるので説明を省略する。

【００３５】次に、本発明の第３の実施の形態の焦点検
出装置を図１を用いて説明する。

【００３６】ニオブ酸リチウム基板２には、第１の実施
の形態と同じくダブルモード導波路２８、分岐部２０
１、導波路２９、３０のほかに、シングルモード導波路
３が形成される。

【００３７】シングルモード導波路３の一方の端面４
は、ダブルモード導波路２８の端面２０２が位置する基
板２の側面に配置される。シングルモード導波路３のも
う一方の端面には、直線へ光の照明光を出射する光源１
が取り付けられている。

【００３８】基板２と被検物体９との間には、コリメー
タレンズ５、複屈折性プリズム６、１／４波長板７、対
物レンズ８が順に配置される。複屈折性プリズム６は、
常光線を直進させ、異常光線を入射軸とは異なる方向に
屈折させるプリズムであり、一般によく用いられるロシ
ョンプリズムを用いる。シングルモード導波路３から出
射される直線偏光の照明光が複屈折プリズム６に対して
常光線となり、照明光とは偏光方向が直交する直線偏光
が、複屈折プリズム６の異常光線となるように複屈折プ
リズム６を配置しておく。また、被検物体９によって反
射された光が、複屈折プリズムで屈折され、この屈折プ
リズムが、コリメータレンズ５でダブルモード導波路２
８の端面２０２の中心からわずかにずれた位置２７に集
光されるように、シングルモード導波路３の端面４と、
ダブルモード導波路２８の端面２０２との間隔を予め定
めて製造しておく。

【００３９】光源１から発せられた直線偏光の光は基板
２上に形成されたシングルモード導波路３を伝搬し、端
面４から出射する。出射した直線偏光の照明光は、コリ
メータレンズ５で平行光となったあと複屈折性プリズム
６に入射する。

【００４０】照明光は、複屈折プリズム６の常光線であ
るため、複屈折性プリズム６を直進する。そして、１／
４波長板７で円偏光に変換され、対物レンズ８で被検物
体９上に集光される。

【００４１】被検物体９で反射した光は再び対物レンズ
８、１／４波長板７を通過することにより、照明光と
は、偏光方向が直交する直線偏光に変換される。この偏
光面は複屈折性プリズム６に対して異常光線となるた
め、複屈折プリズム６で屈折し、光路が変わった光は、
コリメータレンズ５を経てダブルモード導波路２８の端
面２０２の中心からわずかにずれた位置２７に集光され
る。

【００４２】第１の実施の形態と同様に対物レンズ８の
焦点に被検物体９が位置する場合には、ダブルモード導
波路２８に波面が平行な光が入射し、焦点からずれた位
置に被検物体９が位置する場合には、波面が傾いた光が
入射する。ダブルモード導波路の長さを、ダブルモード
導波路に入射した光の位相分布の非対称性を検出する長
さに設定することによって、光検出器３２、３３で検出
される光量の差を差動増幅器３４でとることにより、被
検物体９の焦点位置ずれを知ることができる。

【００４３】第３の実施の形態の構成では、作製が容易
な複屈折プリズムと、コリメータレンズと、対物レンズ
との組み合わせで、焦点検出装置が構成できるため、従
来のように作製の困難な偏光選択性回折格子を用いる必
要がなく、従来よりも製造が容易になる。

【００４４】上述の各実施の形態では、焦点検出装置に
ついて説明したが、同じ構成で、被検物体の段差を測定
することができる。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、小型で簡単な構成の焦
点検出装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第３の実施の形態による焦点検出装置
の構成を説明するブロック図。

【図２】本発明の第１の実施の形態による焦点検出装置
の構成を説明するブロック図。

【図３】本発明の第２の実施の形態による焦点検出装置
の構成を説明するブロック図。

【図４】本発明の第２実施例に用いる集光グレーティン
グレンズの構成を説明する説明図。

【図５】（ａ）、（ｂ）図１の焦点検出装置のダブルモ
ード導波路２８の端面２０２と反射光の結像面との関係
を示す説明図。

【符号の説明】

１、２１・・・光源、２、２０・・・基板、３・・・シ
ングルモード導波路、２２・・・光ファイバ、２３・・
・マイクロビームスプリッタ、２４・・・１／４波長
板、２５・・・対物レンズ、２６・・・被検物体、２８
・・・ダブルモード導波路、２９、３０・・・導波路、
３１・・・電極、３２、３３・・・光検出器、３４・・
・差動増幅器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】照明光を出射する照明光学系と、前記照明光を集光して被検物体に照射するとともに、そ
の反射光を集光する集光光学系と、前記照明光と反射光とを分離するために、前記照明光お
よび反射光のうち、一方を透過し、他方を反射する偏向
光学系と、前記偏向光学系によって分離された前記反射光を端面か
ら入射させて伝搬するためのダブルモード導波路と、前記ダブルモード導波路を伝搬してきた光の強度分布の
対称性を検出するための対称性検出手段とを有し、前記偏向光学系は、前記照明光学系と前記集光光学系と
の間に配置され、前記ダブルモード導波路の端面の中心からずれた位置
と、前記照明光学系の照明光の出射中心とは、前記偏向
光学系を挟んで共役な位置に配置されていることを特徴
とする焦点検出装置。
【請求項２】請求項１において、前記照明光学系は、直
線偏光を出射し、前記偏向光学系は、偏光ビームスプリッタであり、前記偏向光学系と前記被検物体との間には、１／４波長
板が配置されていることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項３】請求項１において、前記照明光学系は、直
線偏光の照明光を出射する光源と、前記照明光を伝搬し
て端面から出射する光ファイバとを有し、前記照明光学系の出射中心は、前記光ファイバの端面で
あることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項４】請求項２において、前記集光光学系は、グ
レーティングレンズであり、前記グレーティングレンズは、前記偏光ビームスプリッ
タに取り付けられ、前記１／４波長板は、グレーティングレンズと被検物体
との間に配置されていることを特徴とする焦点検出装
置。
【請求項５】請求項１において、前記対称性検出手段
は、前記ダブルモード導波路を伝搬してきた光を２分岐
する分岐部と、前記分岐部で２分岐された光の強度差を
検出する検出器とを有することを特徴とする焦点検出装
置。
【請求項６】直線偏光の照明光を出射する照明光学系
と、前記照明光を集光して被検物体に照射するとともに、そ
の反射光を集光する集光光学系と、前記反射光の偏光方向を前記照明光の偏光方向とは異な
る方向に変換する偏光方向変換手段と、前記照明光と反射光とを分離するために、前記照明光お
よび反射光のうち、一方を透過し、他方を屈折させる偏
向光学系と、前記偏向光学系によって分離された前記反射光を端面か
ら入射させて伝搬するためのダブルモード導波路と、前記ダブルモード導波路を伝搬してきた光の強度分布の
対称性を検出するための対称性検出手段とを有し、前記ダブルモード導波路は、前記集光光学系が集光する
前記反射光が、端面の中心からずれた位置に集光するよ
うに配置され、前記偏向光学系は、複屈折を利用したプリズムであり、前記偏光方向変換手段は、前記偏向光学系と被検物体と
の間に配置され、前記照明光学系は、前記偏向光学系の常光線および異常
光線のうちの一方の偏光方向と一致する直線偏光を出射
し、前記偏光方向変換手段は、前記偏向光学系の常光線およ
び異常光線のうちの他方の偏光方向と一致する直線偏光
に前記反射光を変換することを特徴とする焦点検出装
置。