JP2004101427A

JP2004101427A - 干渉計装置

Info

Publication number: JP2004101427A
Application number: JP2002265722A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Ichikawa; 市川　良一
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】簡単な構成でありながら、入射する光ビームのアライメント作業を容易に行なえる干渉計装置を提供する。
【解決手段】干渉計装置は、干渉計装置本体１と、その上部に取り付けられたＣＣＤカメラ１０と、干渉計装置本体１の下部に取り付けられたスライド機構２２と、スライド機構２２により移動可能に支持されたピンホール２１とを有している。ピンホール２１はスライド機構２２によって光ビームの光路上に適宜配置され得る。干渉計装置本体１は、入射する光ビームを二つに分割するビームスプリッタ３と、ビームスプリッタ３で反射された光ビームの方向を変えるミラー８とミラー９と、ビームスプリッタ３を透過した光ビームから収差を取り除くためのレンズ４とピンホール５とレンズ６と、分割された二つの光ビームを結合させるビームスプリッタ７とを有している。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズやミラー等の光学部品の特性（例えば面形状）や、光ピックアップ等の光学系の特性を調べるために、光学部品や光学系からの光ビームの波面を測定する干渉計装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような光ビームの波面を測定するタイプの干渉計装置は数社から製品として発売されている。その代表的な製品の構成の概略を図５に示す。
【０００３】
干渉計装置は、入射してくる光ビームを二つに分割するビームスプリッタ３と、ビームスプリッタ３で反射された光ビームの方向を変えるためのミラー８とミラー９と、ビームスプリッタ３で反射された光ビームとビームスプリッタ３を透過した光ビームとを結合させるビームスプリッタ７と、ビームスプリッタ３からビームスプリッタ７に至る光路上に配置されたレンズ４とピンホール５とレンズ６と、干渉縞を観測するためのＣＣＤカメラ１０とを有している。
【０００４】
レンズ４とレンズ６は、同じ焦点距離を有しており、焦点距離の二倍の距離を置いて位置し、それらの中央にピンホール５が位置している。このようなレンズ４とピンホール５とレンズ６の組み合わせは、ビームスプリッタ３からの光ビームから収差を取り除く。この種の干渉計装置では、通常、レンズ４とピンホール５とレンズ６を通過して収差の取り除かれた光ビームを参照光ビームと呼び、ビームスプリッタ３で反射された光ビームを測定光ビームと呼んでいる。
【０００５】
このような干渉計装置においては、内部で参照光ビームを生成している関係上、参照光ビームと測定光ビームを結合させるためのアライメント作業は、干渉計装置へ入射する光ビームの位置と角度の調整作業となっており、他のフィゾー型の干渉計装置などと比べて非常に難しい。このため、アライメント作業を簡単に行なうためのアライメント支援機能を搭載しているのが普通である。
【０００６】
アライメントには、光ビームの位置ずれを調整するためのシフト調整と、光ビームの傾きを調整するためのチルト調整とがある。ここで特に重要なのは、チルト調整の方である。シフトが多少ずれていても、光ビームはレンズの焦点位置に集まるため、ピンホールを通過し得る。しかし、チルトが少しでもずれていると、光がレンズの焦点位置に集まらないため、ピンホールを通り抜ける光は極端に減少してしまう。従って、アライメント作業においては、チルトを合せることが重要である。
【０００７】
アライメント支援機構は、例えば、図５の干渉計装置では、レンズ４とピンホール５の間に配置されたビームスプリッタ１７と、ビームスプリッタ１７で反射された光ビームを集光させるレンズ１８と、ピンホール５に対して共役な位置に配置されたフォトディテクタ１９とで構成されている。
【０００８】
正しくアライメントされていない状態では、レンズ４からの光ビームは、ピンホール５の穴を通過できず、ピンホール５を構成する部材の表面で反射される。ピンホール５で反射された光ビームは、ビームスプリッタ１７で反射され、レンズ１９によりフォトディテクタ１９上に結像される。ピンホール５を通過する光量が最大となる（つまり正しくアライメントされた）ときのフォトディテクタ１９上での結像位置を予め調べておき、その位置に結像するように光ビームのチルトを調整することにより、ピンホールを通過する光量が最大になるようにアライメントされる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようにピンホール５とレンズ４の間にビームスプリッタ１７を配置し、ピンホール５に対してフォトディテクタ１９が共役な位置関係になるように、レンズ１８とフォトディテクタ１９を配置することは、装置を複雑で大型なものとし、また高価なものとする。
【００１０】
本発明の目的は、簡単な構成でありながら、入射する光ビームのアライメント作業を容易に行なえる干渉計装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光学部品や光学系の特性を調べるために、光学部品や光学系からの光ビームの波面を測定する干渉計装置であり、入射する光ビームを二つに分割するための光ビーム分割手段と、光ビーム分割手段で分割された一方の光ビームから収差を取り除いて、収差のない参照光ビームを作り出すための収差除去手段と、光ビーム分割手段で分割されたもう一方の光ビームである測定光ビームと収差除去手段により作り出された参照光ビームとを結合して干渉させるための光ビーム結合手段と、参照光ビームと測定光ビームの結合により生じた干渉縞を観測するための干渉縞観測手段と、収差除去手段を経由しない光路上において、光ビームを部分的に遮って、光ビームの形状を変更するための光ビーム形状変更手段を備えており、干渉縞観測手段上に投影される測定光ビームのスポット像の位置に基づいて、装置に入射する光ビームのチルト調整が行なわれ得る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
第一実施形態
本発明の第一実施形態による干渉計装置を図１に示す。干渉計装置は、干渉計装置本体１と、干渉計装置本体１を支持するスタンド１１と、スタンド１１のベース板の上に設けられた光ビームの傾き調整用の二軸のチルトテーブル１２と、チルトテーブル１２の上に設けられた光ビームのシフト調整用の二軸のシフトテーブル１３とを備えている。
【００１４】
シフトテーブル１３の上には、レーザー光源ユニット１４が載置される。レーザー光源ユニット１４は、レーザーダイオードとコリメートレンズとを含んでいる。レーザーダイオードはレーザー電源１５により駆動されて発散性の光ビームを発し、コリメートレンズはレーザーダイオードからの光ビームを平行光ビームに変える。一般に、レーザー光源ユニット１４から射出される光ビームの波面は理想的な平面波とはならず、コリメートレンズの収差を含んでいる。
【００１５】
本実施形態においては、レーザー光源ユニット１４内のコリメートレンズが、被検物すなわち特性（例えば表面形状）を調べたい光学部品である。
【００１６】
干渉計装置本体１は、レーザー光源ユニット１４からの光ビームを二つに分割するための光ビーム分割手段であるビームスプリッタ３と、ビームスプリッタ３で反射された光ビームの方向を変えるためのミラー８とミラー９と、ビームスプリッタ３からビームスプリッタ７に至る光路上に配置されたレンズ４とピンホール５とレンズ６と、ビームスプリッタ３で反射された光ビームとビームスプリッタ３を透過した光ビームとを結合させる光ビーム結合手段であるビームスプリッタ７とを有している。
【００１７】
レンズ４とレンズ６は、同じ焦点距離を有しており、焦点距離の二倍の距離を置いて位置し、それらの中央にピンホール５が位置している。このようなレンズ４とピンホール５とレンズ６の組み合わせは、一般に収差のある平行光ビームから収差のない平行光ビームを作り出す空間フィルターとして知られており、ビームスプリッタ３からの光ビームから収差を取り除いて、収差のない光ビームを作り出すための収差除去手段を構成している。
【００１８】
以下では、レンズ４とピンホール５とレンズ６を通過して収差の取り除かれた光ビームを参照光ビームと呼び、また、ビームスプリッタ３で反射された光ビームを測定光ビームと呼ぶことにする。
【００１９】
干渉計装置は更に、干渉計装置本体１の上部に取り付けられたＣＣＤカメラ１０と、ＣＣＤカメラ１０からの情報を処理し処理結果を表示するパソコン１６とを有しており、これらは、ビームスプリッタ７による参照光ビームと測定光ビームの結合により生じた干渉縞を観測するための干渉縞観測手段を構成している。
【００２０】
さらに、干渉計装置は、干渉計装置本体１の下部に取り付けられたスライド機構２２と、スライド機構２２により移動可能に支持されたピンホール２１とを有している。ピンホール２１の穴径は干渉計装置本体１に入射する光ビームの径に対して十分に小さく設定されている。ピンホール２１は、スライド機構２２によって、光ビームの光路上に適宜配置され得、また光ビームの光路から適宜退避され得る。これらのピンホール２１とスライド機構２２は、光ビームを部分的に遮って、光ビームの形状を変更するための光ビーム形状変更手段を構成している。
【００２１】
ピンホール２１とスライド機構２２は、本実施形態では、レーザー光源ユニット１４からビームスプリッタ３に至る光路に対して設けられているが、その位置はこれに限定されない。ピンホール２１とスライド機構２２は、ビームスプリッタ３からミラー８とミラー９とビームスプリッタ７を経由してＣＣＤカメラ１０に至る光路のいずれの位置に対して設けられてもよい。
【００２２】
結局、例示的にピンホール２１とスライド機構２２とで構成される光ビーム形状変更手段は、レンズ４とピンホール５とレンズ６とで構成される空間フィルターつまり収差除去手段を経由しない光路上の何処の位置に対して設けられてもよい。
【００２３】
以下、本実施形態の干渉計装置に入射する光ビームのアライメント作業ついて説明する。
【００２４】
アライメント作業の際、ピンホール２１はスライド機構２２により光ビームの光路上に配置される。レーザー電源１５によりレーザー光源ユニット１４内部のレーザーダイオードが点灯される。レーザーダイオードは発散性の光ビームを射出する。発散性の光ビームは同ユニット内のコリメートレンズにより平行光ビームに変えられ、同ユニットの外へ射出される。
【００２５】
レーザー光源ユニット１４から射出された平行光ビームは、その光路上に配置されたピンホール２１に到達する。平行光ビームはピンホール２１によってその一部が遮断される結果、ピンホール２１の穴径に応じたビーム径の平行光ビームとなって干渉計装置本体１の中に入る。
【００２６】
干渉計装置本体１に入射した平行光ビームは、ビームスプリッタ３で二つの平行光ビームに分割される。ビームスプリッタ３で反射された平行光ビームすなわち測定光ビームは、ミラー８とミラー９とビームスプリッタ７とで順次反射されてＣＣＤカメラ１０に到達する。
【００２７】
一方、ビームスプリッタ３を透過した平行光ビームは、レンズ４を経てピンホール５に到達するが、正しくアライメントされていない限り、ピンホール５の穴を通過し得ない。
【００２８】
従って、ピンホール２１が光路上に配置されたアライメント作業時の状態では、実質的に測定光ビームだけがＣＣＤカメラ１０に到達し得る。
【００２９】
ピンホール２１の穴径は干渉計装置本体１に入射する平行光ビームの径に対して十分に小さいため、ピンホール２１を通過した平行光ビームは、平行光ビームのシフトに影響されることなく、そのチルトに応じたＣＣＤカメラ１０上の座標位置にスポット像を写し出す。
【００３０】
この様子をモデル化したものを図２に示す。図２（Ａ）は入射光ビームにシフトもチルトもない状態を示しており、この場合、ＣＣＤカメラのほぼ中央にスポット像が投影される。図２（Ｂ）はシフトはないがチルトがある状態を示しており、この場合、チルトに応じてＣＣＤの中心位置から離れた場所にスポット像が投影される。図２（Ｃ）はシフトもチルトもある状態を示しており、ピンホールを通過した光はシフトの影響は受けず図２（Ｂ）と同様な位置にスポット像が投影される。
【００３１】
従って、ピンホール５を通過する光ビームの光量が最大になるときのＣＣＤカメラ１０上における測定光ビームのスポット像の座標位置を予め調べておき、測定光ビームのスポット像がその位置に投影されるようにチルトテーブル１２で平行光ビームのチルトを調整することにより、干渉計装置に対する光ビームのアライメント作業を容易に行なうことができる。
【００３２】
続いて、入射する光ビームの波面の測定について説明する。
【００３３】
測定の際、ピンホール２１はスライド機構２２により光ビームの光路から外れた位置に移動される。従って、レーザー光源ユニット１４から射出された平行光ビームは、ビーム径が変えられることなく、そのまま干渉計装置本体１の中に入る。干渉計装置本体１に入射した平行光ビームは、ビームスプリッタ３で二つの平行光ビームに分割される。
【００３４】
ビームスプリッタ３で分割された一方の平行光ビーム、すなわちビームスプリッタ３を透過した光ビームは、レンズ４とピンホール５とレンズ６を順次透過することにより収差が取り除かれ、参照光ビームとなり、ビームスプリッタ７に到達する。
【００３５】
また、ビームスプリッタ３で分割されたもう一方の平行光ビーム、すなわちビームスプリッタ３で反射された測定光ビームは、ミラー８とミラー９で順に反射された後、ビームスプリッタ７に到達する。
【００３６】
参照光ビームはビームスプリッタ７を透過してＣＣＤカメラ１０に向かい、一方、測定光ビームはビームスプリッタ７で反射されてＣＣＤカメラ１０に向かう。つまり、参照光ビームと測定光ビームはビームスプリッタ７で結合されてＣＣＤカメラ１０に到達する。
【００３７】
参照光ビームと測定光ビームは互いに干渉してＣＣＤカメラ１０上に干渉縞を形成する。ＣＣＤカメラ１０上に形成される干渉縞は、レーザー光源ユニット１４内部のコリメートレンズにより与えられた収差に依存している。言い換えれば、干渉縞は、コリメートレンズの表面形状を反映している。
【００３８】
干渉縞はＣＣＤカメラ１０で撮像され、その情報はパソコン１６に取り込まれて解析され、干渉縞の画像と解析結果が表示される。
【００３９】
本実施形態の干渉計装置では、アライメント作業の際にピンホール２１を光ビームの光路上に適宜配置する、ピンホール２１とスライド機構２２から成る簡単な機構によって、入射する光ビームのアライメント作業を容易にするアライメント支援機能を実現している。従って、本実施形態によれば、装置の複雑化や大型化や高価格化を招くことなく、入射する光ビームのアライメント作業を容易に行なえる干渉計装置が提供される。
【００４０】
本実施形態では、光ビームを部分的に遮って光ビームの形状を変更するための光ビーム形状変更手段はピンホール２１とスライド機構２２とで構成されているが、スライド機構２２により光ビームの光路上に適宜配置される部材はピンホール２１に限定されるものではなく、光ビームを部分的に遮る部材であればどのようなものであってもよい。
【００４１】
例えば、ピンホール２１に代えて、図３に示すように、光学的に透明な部材に光学的指標が描かれたチャート２３が光ビームの光路上に適宜配置されてもよい。この場合、チャート２３に描かれた光学的指標の模様がＣＣＤカメラ１０上に映し出され、この模様の中心が特定な座標位置に来るようにチルト調整することによりアライメントが行なえる。
【００４２】
また、このようなチャート２３を利用した場合には次のような利点もある。最初に、光ビームの中心がＣＣＤカメラ１０から外れるほど大きくチルトがずれていた場合であっても（ピンホール２１を利用した場合に同様の状況ではそのスポット像をＣＣＤカメラ１０で確認できないが）、模様は比較的大きいので、部分的にではあるがＣＣＤカメラ１０で模様を確認することができ、確認された模様の部分からチルトの調整方向が分かるという利点がある。
【００４３】
第二実施形態
本発明の第二実施形態による干渉計装置を図４に示す。図中、第一実施形態の部材と同一の参照符号を付した部材は同等の部材を示しており、その詳しい説明は記載の重複を避けるために省略する。
【００４４】
本実施形態の干渉計装置は、第一実施形態の干渉計装置からピンホール２１とスライド機構２２を取り除き、代わりに、光学的開口の径を連続的に変更できる可変絞り２４をミラー８とミラー９の間の光路上に配置した構成を有している。可変絞り２４は、その開口径がアライメント作業時に小さく絞られ、測定時に大きく開放される。
【００４５】
本実施形態の干渉計装置において、アライメント作業と測定は第一実施形態の干渉計装置と全く同様にして行なわれる。つまり、開口径が絞られた可変絞り２４は、第一実施形態の干渉計装置における光路上に配置されたピンホール２１と同様の働きをし、開口径が開放された可変絞り２４は、第一実施形態の干渉計装置においてピンホール２１が光路上から外されたことと同様の状態を提供する。従って、本実施形態の干渉計装置は、第一実施形態の干渉計装置と同様の利点を有している。
【００４６】
ただし、本実施形態の干渉計装置では、第一実施形態の干渉計装置におけるピンホール２１の位置と比較して、可変絞り２４がＣＣＤカメラ１０の近くに位置しているので、その分、光ビームのチルト変化に対するＣＣＤカメラ１０上でのスポット画像の位置変化は鈍感であり、その反面、検出範囲は広い。
【００４７】
また、可変絞り２４がミラー８とミラー９の間の光路上に位置しているため、可変絞り２４は、アライメント作業の際に、測定光ビームを部分的に遮るだけで、参照光ビームに対しては何の働きもしない。従って、参照光ビームの径は細くなっていないので、正しくアライメントされたときに、十分な光量の参照光ビームがＣＣＤカメラ１０上に投影される。これに応じて、ＣＣＤカメラ１０で撮像された画像上では急に明るくなる。つまり、参照光ビームによって正しくアライメントされたことをＣＣＤカメラ１０の画像上で確認できる。
【００４８】
本実施形態では、可変絞り２４はミラー８とミラー９の間の光路上に配置されているが、可変絞り２４の配置位置はこれに限定されるものではない。可変絞り２４は、レーザー光源ユニット１４からビームスプリッタ３とミラー８とミラー９とビームスプリッタ７を経由してＣＣＤカメラ１０に至る光路上の何処に配置されてもよい。
【００４９】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、入射する光ビームのアライメント作業を容易にするアライメント支援機能が簡単な機構で実現された干渉計装置が提供される。従って、本発明の干渉計装置では、複雑でも大型でも高価でもないにも関わらず、入射する光ビームのアライメント作業を容易に行なえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態による干渉計装置を示している。
【図２】アライメント作業時に、光ビームのチルトに応じたＣＣＤカメラ上の座標位置にスポット像が投影される様子をモデル化して示している。
【図３】図１の干渉計装置において、ピンホールの代わりに光路上に適宜配置される光学的指標が描かれたチャートを示している。
【図４】本発明の第二実施形態による干渉計装置を示している。
【図５】光ビームの波面を測定するタイプの干渉計装置の代表的な製品の構成を概略的に示している。
【符号の説明】
１　干渉計装置本体
３　ビームスプリッタ
４　レンズ
５　ピンホール
６　レンズ
７　ビームスプリッタ
８　ミラー
９　ミラー
１０　ＣＣＤカメラ
１２　チルトテーブル
１３　シフトテーブル
１４　レーザー光源ユニット
１６　パソコン
２１　ピンホール
２２　スライド機構
２３　チャート
２４　可変絞り

Claims

光学部品や光学系の特性を調べるために、光学部品や光学系からの光ビームの波面を測定する干渉計装置であり、
入射する光ビームを二つに分割するための光ビーム分割手段と、
光ビーム分割手段で分割された一方の光ビームから収差を取り除いて、収差のない参照光ビームを作り出すための収差除去手段と、
光ビーム分割手段で分割されたもう一方の光ビームである測定光ビームと、収差除去手段により作り出された参照光ビームとを結合して干渉させるための光ビーム結合手段と、
参照光ビームと測定光ビームの結合により生じた干渉縞を観測するための干渉縞観測手段と、
収差除去手段を経由しない光路上において、光ビームを部分的に遮って、光ビームの形状を変更するための光ビーム形状変更手段を備えており、
干渉縞観測手段によって観測される測定光ビームのスポット像の位置に基づいて、装置に入射する光ビームのチルト調整が行なわれ得る、干渉計装置。
請求項１の干渉計装置において、光ビーム形状変更手段は、微小な光学的開口を持つピンホールであり、このピンホールは、収差除去手段を経由しない光路上に適宜配置される、干渉計装置。
請求項１の干渉計装置において、光ビーム形状変更手段は、光学的指標の描かれたチャートであり、このチャートは、収差除去手段を経由しない光路上に適宜配置される、干渉計装置。
請求項１の干渉計装置において、光ビーム形状変更手段は、収差除去手段を経由しない光路上に配置された可変絞りである、干渉計装置。