JP2004361136A - 干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、撮像素子が１つでありながらもアライメントずれを高精度に検出可能な干渉計を提供する。
【解決手段】この干渉計は、光源からの射出光束を被検物及び参照物に投光する投光光学系（１１，１２，１３，１４）と、前記被検物からの被検光束（ＬＷ）と前記参照物からの参照光束（ＬＲ）とを所定の観察面（１５ｂ）上に導光する受光光学系（１４，１３，１２，１５ａ）と、前記観察面の光強度分布を検出する撮像素子（１５ｄ）とを備え、前記受光光学系は、前記被検光束及び前記参照光束を前記観察面上に集光するための正の屈折力を有した前側光学系（１４）と、前記前側光学系を通過した前記被検光束及び前記参照光束を略平行光束にする負の屈折力を有し、かつ光路に対し挿脱可能な後側光学系（１５ａ）とを、光束の入射側から順に配置してなる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、干渉計を用いた測定は、高精度な測定手段として広く利用されている。この干渉計は、同一光源から射出した測定光束を被検面と既知形状の参照面とにそれぞれ投光し、被検面にて反射した被検光束と参照面にて反射した参照光束とを受光光学系で所定の観察面に導光し、その観察面に形成される干渉縞を撮像素子で検出するものである。その干渉縞のパターンと参照面の既知形状とから、被検面の形状が求まる。
【０００３】
この干渉計では、被検面の形状を的確に反映した干渉縞を生起させるために、被検面や参照面をアライメントする必要がある。
特許文献１に記載の干渉計におけるアライメント、特許文献２に記載の干渉計におけるアライメントは、それぞれ次のとおりである。
特許文献１の干渉計では、被検光束及び参照光束は一旦集光され、撮像素子はその集光点よりも後側に配置される。アライメントでは、その集光点の像（集光像）は目視観察、若しくは別の撮像素子（モニターカメラ）によって検出される。この撮像素子によって検出される被検光束や参照光束の集光像の位置ずれが、アライメントずれを示す。アライメントは、それらの位置ずれが無くなるよう被検面や参照面の姿勢を調整するものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１５７５３１号公報（図１，図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１の干渉計は、干渉縞の生成位置と集光像の生成位置とが別の面なので、アライメントずれの検出に専用の撮像素子（モニターカメラ）が必要であり、構成要素が多い。
【０００６】
なお、専用の撮像素子を追加しなくとも測定者は、集光像の生成位置に挿入されたスクリーン上でアライメントずれを目視できるが、高精度な検出は困難である。
そこで本発明は、撮像素子が１つでありながらも被検面及び／又は参照面のアライメントずれを高精度に検出可能な干渉計を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の干渉計は、光源からの射出光束を被検物及び参照物に投光する投光光学系と、前記被検物からの被検光束と前記参照物からの参照光束とを所定の観察面上に導光する受光光学系と、前記観察面の光強度分布を検出する撮像素子とを備え、前記受光光学系は、前記被検光束及び前記参照光束を前記観察面上に集光する正の屈折力を有する前側光学系と、前記前側光学系を通過した前記被検光束及び前記参照光束を略平行光束にする負の屈折力を有し、かつ光路に対し挿脱可能な後側光学系とを、光束の入射側から順に配置してなることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の干渉計は、請求項１に記載の干渉計において、前記後側光学系が前記光路から離脱されている状態で前記撮像素子から出力される信号に応じて前記被検物又は／及び前記参照物の姿勢を調整する手段をさらに備えたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
［第１実施形態］
図１、図２、図３を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
本実施形態は、干渉計の実施形態である。
図１は、本実施形態の干渉計の構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態の干渉計は、干渉計本体１にフィゾーレンズ２をセットしてなるフィゾー型干渉計である（なお、本発明は、トワイマン・グリーン型などの他のタイプの干渉計にも適用できるが、ここでは代表してフィゾー型干渉計について説明する。）。
【００１１】
被検物３は、その被検面（以下、設計形状が球面である被検面とする。）３Ａがフィゾーレンズ（請求項における参照物に対応。）２の最終面である参照面２Ａに対向するよう配置される。
干渉計には、可干渉性の高いレーザ光源１１ａ、スペイシャルフィルタを成す集光レンズ１１ｂ及びピンホール１１ｃ、偏光ビームスプリッタ１２、１／４波長板１３、正レンズ（請求項における前側光学系に対応。）１４、負レンズ（請求項における後側光学系に対応。）１５ａ、スクリーン１５ｂ、結像レンズ１５ｃ、撮像素子１５ｄなどが備えられる。
【００１２】
このうち、レーザ光源１１ａ、集光レンズ１１ｂ、ピンホール１１ｃ、偏光ビームスプリッタ１２、１／４波長板１３、正レンズ１４が投光光学系を構成している。
また、正レンズ１４、１／４波長板１３、偏光ビームスプリッタ１２、負レンズ１５ａが受光光学系を構成している。
【００１３】
これらの投光光学系及び受光光学系に兼用された正レンズ１４は、投光光学系においてコリメータの働きをし、受光光学系において集光レンズの働きをする。受光光学系としての正レンズ１４の後側焦点面（投光光学系としての正レンズ１４の前側焦点面）は、スクリーン１５ｂの配置面に一致している。
また、受光光学系の負レンズ１５ａは、図１中（Ａ）及び（Ｂ）で示したように光路に対し挿脱可能である（なお、挿脱の方向については、図示したものに限られない）。
【００１４】
本実施形態の干渉計では、この負レンズ１５ａが挿入された状態（図１中（Ａ））で測定が行われ、負レンズ１５ａが離脱された状態（図１中（Ｂ））でアライメントが行われる。
以下、負レンズ１５ａが挿入された状態（Ａ）を「測定モード」、負レンズ１５ａが離脱された状態（Ｂ）を「アライメントモード」という。これらを順に説明する。
【００１５】
先ず、測定モードでは、レーザ光源１１ａから射出した偏光ビームスプリッタ１２の偏光分離膜に対してＳ偏光の光束は、集光レンズ１１ｂ及びピンホール１１ｃを介して発散しつつ偏光ビームスプリッタ１２に入射し、その偏光ビームスプリッタ１２にて反射する。偏光ビームスプリッタ１２にて反射した光束は、１／４波長板１３を介して正レンズ１４に入射し、適当な口径の平行光束となってフィゾーレンズ２に投光される。
【００１６】
フィゾーレンズ２に投光された光束の一部は参照面２Ａで反射し、他の一部は参照面３Ａを透過して被検物３に投光され、被検面３Ａで反射する。
フィゾーレンズ２の参照面２Ａで反射した参照光束ＬＲ、及び被検物３の被検面３Ａで反射した被検光束ＬＷは、入射光路をそれぞれ反対向きに戻り、正レンズ１４、及び１／４波長板１３を介して集光しつつ偏光ビームスプリッタ１２に入射する。
【００１７】
この入射した参照光束ＬＲ及び被検光束ＬＷは、１／４波長板１３を往復したのでＰ偏光になっており、偏光ビームスプリッタ１２を透過する。
偏光ビームスプリッタ１２を透過した参照光束ＬＲ及び被検光束ＬＷは、負レンズ１５ａにより平行光束に近づけられた状態で、スクリーン１５ｂ上に干渉縞Ｆを形成する。
【００１８】
この干渉縞Ｆのパターンが、参照面２Ａを基準とした被検面３Ａの形状に対応している。
この干渉縞Ｆの像は、結像レンズ１５ｃを介して適当なサイズに変換されてから、撮像素子１５ｄにより撮像される（なお、結像レンズ１５ｃの位置に倍率の異なる複数の結像レンズを選択的に挿入可能に構成したり、結像レンズ１５ｃをズームレンズにしたりすれば、所望の倍率で干渉縞Ｆの像を撮像することができる。）。
【００１９】
撮像素子１５ｄからの出力信号は、必要に応じて不図示のコンピュータにおいて解析される。
次に、アライメントモードでも、レーザ光源１１ａからの射出光束は、測定モードと同様に参照面２Ａ及び被検面３Ａに入射する。
【００２０】
また、参照面２Ａで反射した参照光束ＬＲ、被検面３Ａで反射した被検光束ＬＷは、それぞれ測定モードと同様に集光しつつ偏光ビームスプリッタ１２を透過する。
但し、アライメントモードでは、光路から負レンズ１５ａが離脱されているので、それらの参照光束ＬＲ及び被検光束ＬＷは、スクリーン１５ｂ上にそれぞれ集光する。
【００２１】
よって、スクリーン１５ｂ上には、参照光束ＬＲによる集光像ＣＲ、及び被検光束ＬＷによる集光像ＣＷが形成される。
これら集光像ＣＲ，ＣＷは、結像レンズ１５ｃを介して撮像素子１５ｄにより撮像される。
撮像素子１５ｄからの出力信号は、必要に応じて不図示のモニタなどに送出され、集光像ＣＲ，ＣＷは、測定者によって観察される。
【００２２】
ここで、集光像ＣＲの形成位置は、参照光束ＬＲが光軸に対し平行な方向に進行した場合には光軸上となり、平行な方向からずれて進行した場合にはそのずれに応じて光軸上からずれる。
このため、撮像素子１５ｄの中心を予め光軸に一致させておけば、参照光束ＬＲの集光像ＣＲの中心からの位置ずれ方向及びずれ量が、フィゾーレンズ２のアライメントずれ、すなわち、フィゾーレンズ２の傾斜方向及び傾斜量を示す。
【００２３】
同様に、集光像ＣＷの形成位置は、被検光束ＬＷが光軸に対し平行な方向に進行した場合には光軸上となり、平行な方向からずれて進行した場合にはそのずれに応じて光軸上からずれる。
このため、撮像素子１５ｄの中心を予め光軸に一致させておけば、被検光束ＬＷの集光像ＣＷの中心からの位置ずれ方向及びずれ量が、被検物３のアライメントずれ、すなわち、被検物３の傾斜方向及び傾斜量を示す。
【００２４】
よって、アライメントでは、測定者は、２つの集光像ＣＲ，ＣＷが撮像素子１５ｄの略中心に重なるよう、フィゾーレンズ２、及び被検物３の傾斜方向及び傾斜量を調整すればよい。
また、そのアライメント後、フィゾーレンズ２を固定して被検物３のみを交換したときには、集光像ＣＷが集光像ＣＲに重なるよう、被検物３の傾斜方向及び傾斜量を調整すればよい。
【００２５】
以上説明した本実施形態の干渉計は、光束の入射側から順に配置された正レンズ１４と負レンズ１５ａとにより受光光学系が構成されているので、その負レンズ１５ａを光路から離脱させるだけで、測定モードからアライメントモードへと移行できる。
しかも、正レンズ１４の後側焦点面がスクリーン１５ｂの配置面に一致するので、アライメントモードにおける集光像ＣＲ，ＣＷは、測定モードにおける干渉縞Ｆの形成面と同じ面に形成される。このため、アライメントモードにおける集光像ＣＲ，ＣＷの検出に、干渉縞Ｆの検出用の撮像素子１５ｄを兼用できる。
【００２６】
したがって、本実施形態の干渉計は、光学系がシンプルな構成であり、撮像素子も１つであるが、被検物３及びフィゾーレンズ２のアライメントずれを高精度に検出可能であり、価格も低くすることができる。
（その他）
なお、図１では、測定モードにおいてスクリーン１５ｂ上に入射する参照光束ＬＲ及び被検光束ＬＷがそれぞれ平行光束となっている。すなわち、負レンズ１５ａの前側焦点面がスクリーン１５ｂ上にあり、受光光学系（ここでは、正レンズ１４，及び負レンズ１５ａ）がアフォーカル光学系となっている。
【００２７】
しかし、図２（Ａ’），又は図２（Ａ”）に示すように、負レンズ１５ａの前側焦点面をスクリーン１５ｂ上からずらして、スクリーン１５ｂ上に入射する参照光束ＬＲ及び被検光束ＬＷを非平行な光束としてもよい。
また、図１、図２では、前側光学系（ここでは、正レンズ１４）、後側光学系（ここでは、負レンズ１５ａ）がそれぞれ単一レンズであるかのごとく示したが、それぞれ正の屈折力、負の屈折力を有しているのであれば、複数枚のレンズから構成されていてもよい。
【００２８】
また、本実施形態では、受光光学系の集光レンズ（ここでは、正レンズ１４）を投光光学系のコリメータに兼用し、かつビームエキスパンダを省略した干渉計を説明したが、受光光学系の集光レンズ（ここでは、正レンズ１４）を投光光学系のコリメータに兼用していない干渉計や、ビームエキスパンダを備えた干渉計にも本発明は適用可能である。
【００２９】
因みに、図３に示す干渉計は、受光光学系の集光レンズ（ここでは、正レンズ１４）を投光光学系のコリメータに兼用せず、かつビームエキスパンダを備えた干渉計に本発明を適用したものである。
この干渉計では、投光光学系にコリメータとしての正レンズ１１ｄ、受光光学系に集光レンズとしての正レンズ１５ｅがそれぞれ備えられる。また、ビームエキスパンダ１７が追加されている。
【００３０】
この場合も、受光光学系としての正レンズ１５ｅの後側焦点面は、スクリーン１５ｂの配置面に一致している。
［第２実施形態］
図４を参照して本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態も、干渉計の実施形態である。ここでは、第１実施形態の干渉計との相違点についてのみ説明する。相違点は、アライメントが自動化された点にある。
【００３１】
なお、ここでは、簡単のため、フィゾーレンズ２はアライメントされた状態で固定されており、被検物３のみアライメントする場合について説明する。
図４は、本実施形態の干渉計の構成を示す図である。
図４において、符号５で示すのは負レンズ１５ａを光路に対し挿脱する挿脱機構、符号４で示すのは被検物３を支持するステージ、符号７で示すのは、干渉計内のレーザ光源１１ａや撮像素子１５ｄなどを駆動したり撮像素子１５ｄの出力信号を取り込んだりする回路部である（なお、これら挿脱機構５、ステージ４、回路部７は、図１、図２、図３に示した各干渉計にも同様に備えられるが、これらの図では省略してある。）。
【００３２】
本実施形態の回路部７は、レーザ光源１１ａ、撮像素子１５ｄの他、少なくともステージ４、挿脱機構５を駆動する。
測定者が被検物３を干渉計にセットすると、回路部７は以下のとおりアライメントの手順を実行する。
先ず、挿脱機構５が駆動され、負レンズ１５ａが光路から離脱され、干渉計がアライメントモードに設定される。
【００３３】
この状態で、レーザ光源１１ａ及び撮像素子１５ｄが駆動され、撮像素子１５ｄの出力信号が回路部７に取り込まれる。
回路部７は、撮像素子１５ｄの出力信号から、被検光束ＬＷによる集光像ＣＷの形成位置の撮像素子１５ｄ上の座標を認識する。
回路部７は、その座標と、参照光束ＬＲによる集光像ＣＲの形成位置の撮像素子１５ｄ上の座標との間のずれを算出する。その座標のずれは、被検物３のアライメントずれを示している。
【００３４】
なお、参照光束ＬＲによる集光像ＣＲの座標については、フィゾーレンズ２のアライメント時などに予め測定することができる。通常、フィゾーレンズ３のアライメントにより、集光像ＣＲの座標は、撮像素子１５ｄ上の中心座標に一致している。
次に、回路部７は、前記算出した座標のずれを０とするために必要なステージ４の駆動量を求め、ステージ４をその駆動量だけ駆動する。
【００３５】
なお、算出した座標のずれと最適な駆動量との関係は、回路部７が予め記憶している。その関係は、干渉計の設計データや測定データなどから予め求められる。
その後、挿脱機構５が駆動され、負レンズ１５ａが光路に挿入され、干渉計が測定モードに設定される。これにより、アライメントが終了する。
以上、本実施形態の干渉計によれば、アライメントずれの高精度な検出結果がアライメントの自動化に有効利用される。
【００３６】
なお、上述した回路部７の動作の一部又は全部は、干渉計に接続されたコンピュータに実行させることもできる。さらに干渉縞の解析結果に基づきより高精度のアライメントを行うことも可能である。
なお、図４に示す干渉計は、図１に示した干渉計のアライメントを自動化したものであるが、本実施形態と同様に、図２、図３に示した干渉計のアライメントを自動化することもできる。
【００３７】
また、本実施形態の干渉計は、被検物３のアライメントが自動化されているが、同様に、フィゾーレンズ２のアライメントを自動化することもできる。
そのアライメントでは、参照光束ＬＲによる集光像ＣＲの形成位置の撮像素子１５ｄ上の座標が中心座標に一致するよう、フィゾーレンズ２を支持するステージ（不図示）が駆動される。
【００３８】
［その他］
図５は、干渉計のバリエーションを説明する図である。
上述した各実施形態では、被検面３Ａの設計形状が球面である場合（図５（Ａ））を説明したが、図５（Ａ’）に示すように平面である場合にも本発明は同様に適用可能である。
【００３９】
なお、図５（Ａ’）には、設計形状が平面である被検面３Ａ’を有した被検物３’、及びそれに対応した平面用フィゾーレンズ２’（平面の参照面２Ａ’を有している。）がセットされた様子を示した。
また、上述した各実施形態の干渉計は、偏光ビームスプリッタ１２と１／４波長板１３との組み合わせにより光量ロスが抑えられているが（図５（Ｂ））、光量ロスを許容できるときなどには、図５（Ｂ’）に示すように、１／４波長板１３を省略すると共に、偏光ビームスプリッタ１２に代えてハーフミラー１２’を用いてもよい。
【００４０】
また、上述した各実施形態の干渉計は、スクリーン１５ｂ上の干渉縞Ｆ、又は集光像ＣＲ，ＣＷを、一旦、スクリーン１５ｂ上に形成し、かつそれを結像レンズ１５ｃなどにより適当なサイズに変換してから撮像素子１５ｄにより撮像しているが（図５（Ｃ））、干渉計のさらなる省スペース化を図るならば、図５（Ｃ’）に示すように、スクリーン１５ｂ及び結像レンズ１５ｃを省略すると共に、撮像素子１５ｄをそのスクリーン１５ｂの配置面に直接配置してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、撮像素子が１つでありながらも被検面及び／又は参照面のアライメントずれを高精度に検出可能な干渉計が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の干渉計の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の変形例を説明する図である。
【図３】第１実施形態の変形例を説明する図である。
【図４】第２実施形態の干渉計の構成を示す図である。
【図５】干渉計のバリエーションを説明する図である。
【符号の説明】
１ 干渉計本体
２ フィゾーレンズ
２Ａ 参照面
３ 被検物
３Ａ 被検面
４ ステージ
５ 挿脱機構
７ 回路部
１１ａ レーザ光源
１１ｂ 集光レンズ
１１ｃ ピンホール
１１ｄ コリメータレンズ
１２ 偏光ビームスプリッタ
１３ １／４波長板
１４ 正レンズ
１５ａ 負レンズ
１５ｂ スクリーン
１５ｃ 結像レンズ
１５ｄ 撮像素子
１５ｅ 集光レンズ
１７ ビームエキスパンダ

Claims (2)

1. 光源からの射出光束を被検物及び参照物に投光する投光光学系と、
   前記被検物からの被検光束と前記参照物からの参照光束とを所定の観察面上に導光する受光光学系と、
   前記観察面の光強度分布を検出する撮像素子とを備え、
   前記受光光学系は、
   前記被検光束及び前記参照光束を前記観察面上に集光する正の屈折力を有する前側光学系と、前記前側光学系を通過した前記被検光束及び前記参照光束を略平行光束にする負の屈折力を有し、かつ光路に対し挿脱可能な後側光学系とを、光束の入射側から順に配置してなる
   ことを特徴とする干渉計。
2. 請求項１に記載の干渉計において、
   前記後側光学系が前記光路から離脱されている状態で前記撮像素子から出力される信号に応じて前記被検物又は／及び前記参照物の姿勢を調整する手段をさらに備えた
   ことを特徴とする干渉計。

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