2018 Fiscal Year Annual Research Report

次元変換型マルチビーム角度センサでの多元情報一括検出による次世代光学素子形状計測

Research Project

Project/Area Number	18H01345
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	清水裕樹東北大学, 工学研究科, 准教授 (70606384)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	超精密計測 / 生産工学 / 加工学 / 角度センサ / フェムト秒レーザ
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，次世代半導体露光装置向けX線光学素子などに要求される超精密形状精度実現に必須となる超精密光学自由曲面形状計測技術確立を目的として，フェムト秒レーザと分光素子で生成する多元情報マルチビームを光源として用い，空間領域で一括捕捉した反射光群から周波数領域において各ビーム固有の光周波数をもとにビーム位置および局所的傾斜角情報（スロープマップ）を抽出する，「次元変換型マルチビーム角度センサ」を用いた新たな光学自由曲面形状計測原理を提案する．傾斜角およびビーム位置という空間領域の多元情報を周波数領域で一括取得する，これまでにない発想に基づく高速でロバストな計測原理の確立により，ビーム走査不要の光学自由曲面形状計測を実現し，測定不確かさを極限まで低減することを目的としている．初年度となる30年度は，提案の光学自由曲面形状計測原理実現に向け，主に【Task1】フェムト秒レーザと分光素子による多元情報マルチビーム生成手法の確立，および【Task2】次元変換型マルチビーム角度センサ光学系の最適化設計の２つのタスクに取り組んだ．【Task1】については，光ファイバベースのフェムト秒レーザ光源光学系を構築してフェムト秒レーザの発振を実現するとともに，これに高精度回折格子を組み合わせた多元情報マルチビームを生成光学系を設計し，プロトタイプ光学系を構築した．【TaskⅡ】については，シングルモードファイバと光スペクトラムアナライザで構成する受光ユニットを有する光学式角度センサ光学系を設計・構築するとともに，これを用いて基礎評価実験を行い，構築した光学系が角度センサとして機能することを実験的にも実証できた．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の予定どおりにフェムト秒レーザ光源光学系を構築するとともに，これに高精度回折格子を組み合わせた多元情報マルチビームを生成光学系を設計し，プロトタイプ光学系構築を進めることができたことから，おおむね順調に進展しているものと判断している．
Strategy for Future Research Activity	2年目となる31年度は，提案の光学自由曲面形状計測原理実現に向け，引き続き【TaskⅠ】フェムト秒レーザと分光素子による多元情報マルチビーム生成手法の確立，および【TaskⅡ】次元変換型マルチビーム角度センサ光学系の最適化設計　の２つのタスクに取り組むとともに，【TaskⅢ】スロープマップからの自由曲面形状復元アルゴリズム構築と光学表面形状評価に着手する．【Task I】については，前年度に構築した光ファイバベースのフェムト秒レーザ光源光学系，および多元情報マルチビーム生成光学系を組み合わせたプロトタイプ光学系について，光学系のアライメント最適化手法を検討するとともに，生成したマルチビームの安定性を実験的に検証する．【TaskⅡ】については，前年度に構築したシングルモードファイバと光スペクトラムアナライザで構成する受光ユニットを有する光学式角度センサ光学系について，実現可能な測定分解能および測定レンジを実験的に検討する．さらに，構築した光学系プロトタイプを用いて実験を行い，単一受光部により空間領域で一括取得した反射光群を，光スペクトラムアナライザで周波数領域に次元変換し，ビーム固有の光周波数をもとに各ビームからの位置・姿勢角情報（スロープマップ）を抽出する．【TaskⅢ】については，スロープマップからの自由曲面形状復元アルゴリズム構築に着手し，数値シミュレーションによりその有効性を確認する．