JP2000329535A - 位相シフト干渉縞の同時計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学部品点数ができるだけ少なく、光路長が
短いコンパクトな光学系であり、光学誤差や光学ノイズ
の少ない位相シフト干渉縞の同時計測装置を得るにあ
る。 【解決手段】 光学的無干渉状態の被検面からの試料光
と参照光とを含む直線偏光光束を、光学的無干渉状態を
保ったまま、前記試料光及び参照光の位相に対して互い
に一定量の位相差をもつ３つの出力光束に分割し、これ
らの出力光束の前記試料光と前記参照光をそれぞれ光学
的に干渉させ、これらの干渉により得られる干渉縞画像
を３個の撮像処理手段で同時的に得る位相シフト干渉縞
の同時計測装置において、前記試料光及び参照光を位相
差をもつ３つの出力光束に分割する分割光学系は、ひと
つの前記直線偏光光束を入射されて３つの前記出力光束
を出射する複合プリズム９Ａを有し、前記撮像処理手段
は位置的反転変換部を含む位相シフト干渉縞の同時計測
装置。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は被検面の精密装置に
関し、特に、位相シフトされた複数の干渉縞を用いる計
測装置に関する。 【０００２】 【背景技術】周知のように、被検面の精密な凹凸状態を
知る方法の一つに光の干渉現象を利用した光学干渉縞法
が用いられるが、より高精度の測定のためには、試料光
と参照光との位相差を利用した位相シフト法が利用され
る。つまり、この位相シフト法は試料光と参照光とを位
相差角で精密に比較測定するものであり、一般的には、
参照面を光軸方向へ移動させる等の方法により干渉縞の
位相を経時的に変化させることで複数の干渉縞画面を得
る。 【０００３】しかし、このように経時的に異なった位相
状態を得る位相シフト法では、解析の元となる干渉縞を
取り込む段階で一定の時間を要するから、解析時間が長
くなるばかりでなく、解析結果は、この時間経過中の空
気揺らぎや振動等の影響を受けることになり、解析結果
の信頼性を維持しずらいと共に、被検面が干渉光学系に
対して相対的に移動している場合には解析が困難であっ
た。 【０００４】前述したような位相シフト法の問題を解決
するため、従来では、被検面と参照面からの反射光の波
面の位相を一定量だけ異ならせて得られる多数の干渉縞
画像を同時に撮像する図３のような位相シフト干渉縞の
同時計測装置が、例えば特開平２−２８７１０７号公報
によって提案されている。即ち、「２次元情報取得装
置」と題された図３の位相シフト干渉縞の同時計測装置
においては、レーザ光源Ａからの光はレンズ系Ｂにより
拡大して平行光とされ、偏光半透鏡Ｃにより直交する２
つの直線偏光に分けられる。そして、これらの偏光路上
には１／４波長板Ｄ，Ｅがそれぞれ配置され，円偏光に
なり参照面Ｆ及び被検面Ｇが照明され、これらの参照面
Ｆ及び被検面Ｇからの反射光を再び１／４波長板Ｄ，Ｅ
を通して、入射時と偏光面が９０度回転した直線偏光と
した後、再度、偏光半透鏡Ｃに入射させる所謂”マイケ
ルソン型干渉計”が構成される。 【０００５】また、同”マイケルソン型干渉計”からの
２つの直線偏光光束は、１／４波長板Ｈに通過されて左
回りと右回りの互いに逆回りの円偏光とされ、全体を符
号”Ｉ”で示す位相シフト撮像系の２つのビームスプリ
ッタＢＳ1 ，ＢＳ2 及び全反射ミラーＭでこれらの円偏
光を３つの光束に分割された後、３枚の位相シフトされ
た干渉縞画像が同時的に得られる。即ち、これらの分割
光束は偏光板Ｊ1 ，Ｊ2 ，Ｊ3 に通された後、３台のカ
メラ即ち撮像検出器Ｋ1 ，Ｋ2 ，Ｋ3 に結像される。つ
まり、この光学系では、偏光板Ｊ1 の偏光方向に対して
偏光板Ｊ2 ，Ｊ3 の偏光方向をそれぞれ４５度、９０度
傾けることによって９０度づつ位相の異なる３枚の干渉
縞画像（画面）を得ることができる。 【０００６】しかしながら、この「２次元情報取得装
置」においては、位相シフト撮像系Ｉのビームスプリッ
タＢＳ1 ，ＢＳ2 に対しては、反射光対透過光の正確な
強度比率、透過前・透過後・反射後におけるＰ偏向とＳ
偏向の位相差の保存が要求されるから、実際上の光学設
計が困難である問題があった。また、前述した実際の位
相シフト干渉縞の同時計測装置では、簡単に比較できる
ように撮像画面の干渉縞の大きさを等しくするため、位
相シフト撮像系Ｉの撮像検出器Ｋ1 ，Ｋ2 ，Ｋ3 までの
各分割光束の光路長を同一にする必要があるが、このよ
うな目的から撮像検出器Ｋ1 ，Ｋ2 までの光路長を最大
光路長である撮像検出器Ｋ3 までの距離に合わせた設計
では、結果的に大型の光学系となる。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】言い換えると、このよ
うな大型光学系は、空気の屈折率の揺らぎ等の光学的変
動、構成光学部品自体やこれらの位置精度に対する温度
的外乱、機械的な振動による外乱の悪影響を受けやす
く、これらの外乱の防止対策のために装置価格が非常に
高価になる欠点がある。 【０００８】本発明の目的は、以上に述べたような従来
の位相シフト干渉縞の同時計測装置の問題に鑑み、出力
光束を分割する光束分割手段に用いるビームスプリッタ
の光学設計が容易で、光学部品点数ができるだけ少な
く、光路長が短いコンパクトな光学系であり、光学部品
誤差や光学ノイズの少ない位相シフト干渉縞の同時計測
装置を得るにある。 【０００９】 【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、被検面で反射された試料光と参照面で反
射された参照光とを光学的無干渉状態で同一観測面内に
含む原光束を生成する原光束生成手段と、前記原光束を
３つの出力光束に分割する光束分割手段と、得られた前
記３つの出力光束のそれぞれについて、前記の試料光と
参照光にそれぞれ異なる光学位相差を与えると同時に光
学的に干渉させる複数の干渉手段と、これらの干渉の結
果得られた干渉縞画像を撮像して画像処理する複数の撮
像処理手段と、を含む位相シフト干渉縞の同時計測装置
において、前記光束分割手段は、第１と第２の２つのビ
ームスプリッタのみを含み、前記３つの出力光束の内、
第１出力光束は前記第１ビームスプリッタによる光学的
反射で得て、第２出力光束は前記第１ビームスプリッタ
による光学的透過と前記第２ビームスプリッタによる光
学的反射で得て、第３出力光束は前記第１と第２ビーム
スプリッタによる光学的透過により得る複合ビームスプ
リッタにより構成され、前記撮像処理手段は位置的反転
変換部を含む位相シフト干渉縞の同時計測装置を提案す
るものである。 【００１０】後述する本発明の好ましい実施例の説明に
おいては、 1)前記第１ビームスプリッタは入射される前記直線偏光
光束の光軸に対して約４５度に傾けられ、前記第２ビー
ムスプリッタは同第１ビームスプリッタに対して直角な
角度をもつ構造、 2)前記第１ビームスプリッタは入射される前記直線偏光
光束の光軸に対して約４５度に傾けられ、前記第２ビー
ムスプリッタは同第１ビームスプリッタに対して平行な
状態にある構造が説明される。 【００１１】 【発明の実施の形態】以下、図１から図２について本発
明の実施例の詳細を説明する。 【００１２】図１は同位相シフト干渉縞の同時計測装置
の光学系を示し、”マイケルソン型干渉計”により光学
的に無干渉状態にある試料光及び参照光が作られる。即
ち、レーザ光源１Ａからの光はレンズ系２Ａにより拡大
して平行光とされ、偏光半透鏡３Ａにより直交する２つ
の直線偏光に分けられる。 【００１３】そして、これらの偏光路上には１／４波長
板４Ａ，５Ａがそれぞれ配置され、これらの円偏光が参
照面６Ａ及び被検面７Ａに照射される。また、これらの
参照面６Ａ及び被検面７Ａからの反射光は再び１／４波
長板４Ａ，５Ａに透過され、入射時と偏光面が９０度回
転され、再度、偏光半透鏡３Ａに直線偏光として入射さ
れる。この状態の直線偏光光束は、互いに無干渉状態に
あり、しかも、前記参照面６Ａに対する被検面７Ａの形
状の差に相当する位相情報をもちかつ直交偏光関係にあ
る２つの光束を重ね合わせ状態の光束となる。 【００１４】この後、前記の２つの光束が重ね合わされ
た光束は、１／４波長板に通過され、左回りと右回りの
互いに逆回りの円偏光とされた原光束となる。ここで、
レーザ光源１Ａ、レンズ系２Ａ、偏光半透鏡３Ａ、１／
４波長板４Ａ、５Ａ、参照面６Ａ、被検面７Ａ、１／４
波長板８Ａは、原光束生成手段を構成する。次にこの原
光束は、全体を符号”９Ａ”で示す光束分割手段即ち複
合プリズムにより、これらの円偏光である原光束は３つ
の光束に分割される。即ち、界面９ａから前記原光束を
入射される複合プリズム９Ａは、同原光束の光軸に対し
て４５度の角度をなす第１ビームスプリッタ１０Ａ及び
同第１ビームスプリッタ１０Ａに対して直角に方向付け
された第２ビームスプリッタ１１Ａを内蔵している。 【００１５】前記第１ビームスプリッタ１０Ａはその反
射光の強度”１”に対して透過光の強度を”２”なる比
率で光束分割するもので、同反射光の出射端面９ｂには
光軸に対して垂直に第１偏光板１２Ａが配置され、透過
軸方向はビームスプリッタ１０Ａに入射する光と反射す
る光を含む面の方向と０度に設置され、同第１偏向板１
２Ａを透過した同反射光は干渉を生じる。この時、前記
第１ビームスプリッタ１０Ａを透過する光の横方向成分
であるＰ偏光と縦方向成分であるＳ偏光の位相は保存さ
れている必要があるが、干渉に利用されるのは本ビーム
スプリッタによって反射される参照光と試料光のＳ偏光
だけだから、反射におけるＰ偏光とＳ偏光の位相は保存
されなくてよい。そして、第１ビームスプリッタ１０Ａ
からの透過光が入射される第２ビームスプリッタ１１Ａ
においてはその反射光の強度”１”に対して透過光の強
度を”１”なる比率で光束分割される。 【００１６】また、第２ビームスプリッタ１１Ａからの
反射光が出射される出射端面９ｃには光軸に対して垂直
に第２偏光板１３Ａが配置され、透過軸方向はビームス
プリッタ１１Ａに入射する光と反射する光を含む面の方
向と９０度に設置され、同第２偏向板１３Ａを透過した
同反射光は干渉を生じる。この時、前記第２ビームスプ
リッタ１１Ａを透過する光のＰ偏光とＳ偏光の位相は保
存されている必要があるが、干渉に利用されるのは本ビ
ームスプリッタによって反射される参照光と試料光のＰ
偏光だけだから、反射におけるＰ偏光とＳ偏光の位相は
保存されなくてよい。そして、前述した第２ビームスプ
リッタ１１Ａからの透過光が出射される出射端面９ｄに
は光軸に対して垂直に第３偏光板１４Ａが配置され、透
過軸方向はビームスプリッタ１１Ａに入射する光と反射
する光を含む面の方向と４５度に設置され、同第３偏向
板１４Ａを透過した同透過光は干渉を生じる。この時、
干渉に利用されるのは前記第２ビームスプリッタ１１Ａ
を透過する参照光と試料光のＰ偏光とＳ偏光の両方であ
るので、透過光におけるＰ偏光とＳ偏光の位相は保存さ
れている必要がある。 【００１７】前記第１〜第３偏光板の透過軸方向は、上
述した通り、０度、９０度、４５度に設定されているの
で、それぞれの干渉によって生じる干渉縞の試料光と参
照光の間の位相差は、９０度ずつ異なっている。すなわ
ち、透過軸方向が０度の場合の干渉縞の試料光と参照光
の間の位相差を基準にすると、透過軸方向が光の進行方
向の光軸の回りに対して左回り９０度の場合は、右回り
円偏光光束からは位相が９０度遅れた直線偏光光束が取
り出せ、左回り円偏光光束からは位相が９０度進んだ直
線偏光光束が取り出せる。従って、試料光と参照光の間
の位相差は１８０度となる。又、透過軸方向が光の進行
方向の光軸の回りに対して左回り４５度の場合は、右回
り円偏光光束からは位相が４５度遅れた直線偏光光束が
取り出せ、左回り円偏光光束からは位相が４５度進んだ
直線偏光光束が取り出せる。従って、試料光と参照光の
間の位相差は９０度となる。ここで、第１〜第３偏光板
１２Ａ、１３Ａ、１４Ａは、それぞれ干渉手段を構成す
る。 【００１８】これらの、それぞれ位相の異なる干渉縞
は、ＣＣＤ固体撮像素子等から構成される撮像処理手段
１５Ａ、１６Ａ、１７Ａによってほぼ同時に撮像される
と共に、画像処理が行われる。前記撮像処理手段１５
Ａ、１６Ａで撮像された干渉縞画像に対して、前記撮像
処理手段１７Ａで撮像された干渉縞画像は、左右が反転
することになるため、撮像処理手段１７Ａの位置的反転
変換部によって左右反転処理を行う。前記撮像処理手段
１５Ａ、１６Ａ、１７Ａに含まれるＣＣＤ固体撮像素子
等の撮像面は、前記原光束中心について、前記界面９ａ
からの距離がそれぞれ等しくなるように配置される。 【００１９】図２は本発明の第２実施例による位相シフ
ト干渉縞の同時計測装置を示し、この実施例において
も、第１実施例の場合と同様に、”マイケルソン型干渉
計”により光学的に無干渉状態にある試料光及び参照光
が作られる。即ち、レーザ光源１Ｂからの光はレンズ系
２Ｂにより拡大して平行光とされ、偏光半透鏡３Ｂによ
り直交する２つの直線偏光に分けられることになる。 【００２０】そして、これらの偏光路上には１／４波長
板４Ｂ，５Ｂがそれぞれ配置され、これらの円偏光が参
照面６Ｂ及び被検面７Ｂに照射される。また、これらの
参照面６Ｂ及び被検面７Ｂからの反射光は再び１／４波
長板４Ｂ，５Ｂに透過され、入射時と偏光面が９０度回
転され、再度、偏光半透鏡３Ｂに直線偏光として入射さ
れる。この状態の直線偏光光束は、互いに無干渉状態に
あり、しかも、前記参照面６Ｂに対する被検面７Ｂの形
状の差に相当する位相情報をもちかつ直交偏光関係にあ
る２つの光束を重ね合わせ状態の光束となる。 【００２１】この後、前記の２つの光束が重ね合わされ
た光束は、１／４波長板に通過され、左回りと右回りの
互いに逆回りの円偏光とされた原光束となる。ここで、
レーザ光源１Ｂ、レンズ系２Ｂ、偏光半透鏡３Ｂ、１／
４波長板４Ｂ、５Ｂ、参照面６Ｂ、被検面７Ｂ、１／４
波長板８Ｂは、原光束生成手段を構成する。次にこの原
光束は、全体を符号”９Ｂ”で示す光束分割手段即ち複
合プリズムにより、これらの円偏光である原光束は３つ
の光束に分割される。即ち、界面９ｅから前記原光束を
入射される複合プリズム９Ｂは、同原光束の光軸に対し
て４５度の角度をなす第１ビームスプリッタ１０Ｂ及び
同第１ビームスプリッタ１０Ｂと平行な第２ビームスプ
リッタ１１Ｂを内蔵している。 【００２２】前述した第１実施例の第１ビームスプリッ
タ１０Ａと同様に、前記第１ビームスプリッタ１０Ｂは
その反射光の強度”１”に対して透過光の強度を”２”
なる比率で光束分割するもので、同反射光の出射端面９
ｆには光軸に対して垂直に第１偏光板１２Ｂが配置さ
れ、透過軸方向はビームスプリッタ１０Ｂに入射する光
と反射する光を含む面の方向と０度に設置され、同第１
偏光板１２Ｂを透過した同反射光は干渉を生じる。この
時、前記第１ビームスプリッタ１０Ｂを透過する光のＰ
偏光とＳ偏光の位相は保存されている必要があるが、干
渉に利用されるのは本ビームスプリッタによって反射さ
れる参照光と試料光のＳ偏光だけだから、反射における
Ｐ偏光とＳ偏光の位相は保存されなくてよい。そして、
第１ビームスプリッタ１０Ｂからの透過光が入射される
第２ビームスプリッタ１１Ｂにおいてはその反射光の強
度”１”に対して透過光の強度を”１”なる比率で光束
分割される。 【００２３】また、第２ビームスプリッタ１１Ｂからの
反射光が出射される出射端面９ｇには光軸に対して垂直
に第２偏光板１３Ｂが配置され、透過軸方向はビームス
プリッタ１１Ｂに入射する光と反射する光を含む面の方
向と９０度に設置され、同第２偏光板１３Ｂを透過した
同反射光は干渉を生じる。この時、前記第２ビームスプ
リッタ１１Ｂを透過する光のＰ偏光とＳ偏光の位相は保
存されている必要があるが、干渉に利用されるのは本ビ
ームスプリッタによって反射される参照光と試料光のＳ
偏光だけだから、反射におけるＰ偏光とＳ偏光の位相は
保存されなくてよい。そして、前述した第２ビームスプ
リッタ１１Ｂからの透過光が出射される出射端面９ｈに
は光軸に対して垂直に第３偏光板１４Ｂが配置され、透
過軸方向はビームスプリッタ１１Ｂに入射する光と反射
する光を含む面の方向と４５度に設置され、同第３偏光
板１４Ｂを透過した同透過光は干渉を生じる。この時、
干渉に利用されるのは前記第２ビームスプリッタ１１Ｂ
を透過する参照光と試料光のＰ偏光とＳ偏光の両方であ
るので、透過光におけるＰ偏光とＳ偏光の位相は保存さ
れている必要がある。 【００２４】前記第１〜第３偏光板の透過軸方向は、上
述した通り、０度、９０度、４５度に設定されているの
で、それぞれの干渉によって生じる干渉縞の試料光と参
照光の間の位相差は、９０度ずつ異なっている。すなわ
ち、透過軸方向が０度の場合の干渉縞の試料光と参照光
の間の位相差を基準にすると、透過軸方向が光の進行方
向の光軸の回りに対して左回り９０度の場合は、右回り
円偏光光束からは位相が９０度遅れた直線偏光光束が取
り出せ、左回り円偏光光束からは位相が９０度進んだ直
線偏光光束が取り出せる。従って、試料光と参照光の間
の位相差は１８０度となる。又、透過軸方向が光の進行
方向の光軸の回りに対して左回り４５度の場合は、右回
り円偏光光束からは位相が４５度遅れた直線偏光光束が
取り出せ、左回り円偏光光束からは位相が４５度進んだ
直線偏光光束が取り出せる。従って、試料光と参照光の
間の位相差は９０度となる。ここで、第１〜第３偏光板
１２Ｂ、１３Ｂ、１４Ｂは、それぞれ干渉手段を構成す
る。 【００２５】これらの、それぞれ位相の異なる干渉縞
は、ＣＣＤ固体撮像素子等から構成される撮像処理手段
１５Ｂ、１６Ｂ、１７Ｂによってほぼ同時に撮像される
と共に、画像処理が行われる。前記撮像処理手段１５
Ｂ、１６Ｂで撮像された干渉縞画像に対して、前記撮像
処理手段１７Ｂで撮像された干渉縞画像は、左右が反転
することになるため、撮像処理手段１７Ｂの位置的反転
変換部によって左右反転処理を行う。前記撮像処理手段
１５Ｂ、１６Ｂ、１７Ｂに含まれるＣＣＤ固体撮像素子
等の撮像面は、前記原光束中心について、前記界面９ｅ
からの距離がそれぞれ等しくなるように配置される。
尚、撮像処理手段のＣＣＤ固体撮像素子等の撮像面を、
正確に光軸の中心位置に設置できない場合は、位置的反
転変換部による左右反転処理を行う前あるいは後に、干
渉縞画像の位置補正処理（上下及び左右のシフトあるい
は回転）を行うのが好ましい。更に、撮像処理手段のＣ
ＣＤ固体撮像素子等の設置方向によっては、位置的反転
変換部では左右反転処理に代えて、上下反転処理を行っ
てもよい。 【００２６】 【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の位相シフト干渉縞の同時計測装置によれば、従来の
「２次元情報取得装置」に比較した場合、光学部品が少
なくなり、光路長を等しくする場合にコンパクトな光学
系となる。また、本発明では光学部品点数が少ないこと
から、光学部品誤差や光学ノイズの少ない位相シフト干
渉縞を得ることが出来るので、測定精度向上と共に、画
像処理手段に対する負担も軽減できる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の第１実施例による位相シフト干渉縞の
同時計測装置の光学系説明図である。 【図２】本発明の第２実施例による位相シフト干渉縞の
同時計測装置の光学系説明図である。 【図３】従来の２次元情報取得装置の光学系説明図であ
る。 【符号の説明】 １Ａ，１Ｂ レーザ光源 ３Ａ，３Ｂ 偏光半透鏡 ４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂ １／４波長板 ６Ａ，６Ｂ 参照面 ７Ａ，７Ｂ 被検面 ９Ａ，９Ｂ 光束分割手段 １０Ａ，１０Ｂ 第１ビームスプリッタ １１Ａ，１１Ｂ 第２ビームスプリッタ １２Ａ，１２Ｂ 第１偏光板 １３Ａ，１３Ｂ 第２偏光板 １４Ａ，１４Ｂ 第３偏光板 １５Ａ〜１７Ｂ 撮像処理手段

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F064 AA09 CC01 DD02 DD04 DD05 EE01 GG12 GG22 GG23 GG32 GG38 GG53 HH03 HH06 HH08 JJ00 2F065 AA47 AA49 AA54 DD02 DD04 DD11 DD12 DD14 EE01 FF04 FF49 FF52 GG04 JJ03 JJ05 JJ26 LL12 LL32 LL36 LL37 LL46 QQ31

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項1 】 被検面で反射された試料光と参照面で反
   射された参照光とを光学的無干渉状態で同一観測面内に
   含む原光束を生成する原光束生成手段と、前記原光束を
   ３つの出力光束に分割する光束分割手段と、得られた前
   記３つの出力光束のそれぞれについて、前記の試料光と
   参照光にそれぞれ異なる光学位相差を与えると同時に光
   学的に干渉させる複数の干渉手段と、これらの干渉の結
   果得られた干渉縞画像を撮像して画像処理する複数の撮
   像処理手段と、を含む位相シフト干渉縞の同時計測装置
   において、 前記光束分割手段は、第１と第２の２つのビームスプリ
   ッタのみを含み、前記３つの出力光束の内、第１出力光
   束は前記第１ビームスプリッタによる光学的反射で得
   て、第２出力光束は前記第１ビームスプリッタによる光
   学的透過と前記第２ビームスプリッタによる光学的反射
   で得て、第３出力光束は前記第１と第２ビームスプリッ
   タによる光学的透過により得る複合ビームスプリッタに
   より構成され、 前記撮像処理手段は位置的反転変換部を含むことを特徴
   とする位相シフト干渉縞の同時計測装置。 【請求項２】 前記位置的反転変換部は、前記第３出力
   光束のみ、あるいは前記第１出力光束と前記第２出力光
   束のみの位置的反転変換を行うことを特徴とする請求項
   １に記載の位相シフト干渉縞の同時計測装置。