JP2008032690A - 斜入射干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度化、高速化され加工現場といった振動が存在する環境下でも測定可能な斜入射干渉計を提供することを目的とする。
【解決手段】測定対象物２０の測定面の法線に対して所定角度で光を照射し、測定対象物２０からの反射光を測定する斜入射干渉計において、光源１１からの光を測定対象物２０に照射する測定光と測定の基準となる参照光とに分割すると共に測定対象物２０で反射した測定光と参照光との偏向方向で直交させた後合成する光束分割素子１４及び光束合成素子１６と、合成光を複数の分割光に分割する三分割プリズム３３と、複数の分割光の各々により形成される複数の干渉縞画像を撮像する撮像部３５Ａ〜３５Ｃと、三分割プリズム３３の入射側及び出射側のいずれか一方に設けられた１／４波長板３１と、撮像部３５Ａ〜３５Ｃの撮像面側に設けられた偏光板３４Ａ〜３４Ｃとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物に対して斜め方向から光を照射して、測定対象物からの反射光を参照光と干渉させ、測定対象物の形状を測定する斜入射干渉計に関する。

斜入射干渉計に対し、通常の垂直入射の干渉計は、光の波長を長さの単位とした高精度な測定手法である反面、波長の半分以上の不連続な段差や、画像の隣り合う画素間で波長の半分以上の高さの変化があるような大きなうねりを持った測定対象物の形状は測定できないという欠点がある。これに対し、大きな凹凸を測定できるものとして、斜入射干渉計が知られている（特許文献１〜３）。この斜入射干渉計では、光を斜め方向から照射し、反射光を得ることで、測定対象物の凹凸に対する波面の変化量を意図的に小さくすることが出来る。このことを利用して、垂直入射の干渉計に比べて大きな凹凸形状の測定を可能としたのが斜入射干渉計である。

ここで、従来の斜入射干渉計の構成例を図１０に示す。この斜入射干渉計は、主に、照射部１００、検出部３００から構成されている。

照射部１００は、光源１０１と、レンズ１０２，１０３と、光束分割素子１０４と，光束合成素子１０５とを備える。

検出部３００は、レンズ３０１と、撮像素子３０２とを備える。

光源１０１から照射された光は、レンズ１０２，１０３を介して、平行光束として光束分割素子１０４に入射し、２つの光束に分割される。この分割された光束の一方を測定対象物２００の表面に斜め方向から照射させる。そして、この測定対象物２００からの反射光と、光束分割素子１０４により分割されたもう一方の光束とを光束合成素子１０５により合成させる。この合成された光束は、レンズ３０１を介し、撮像素子３０２上において、干渉縞画像として撮像される。この光束の分割や合成には、一般的に、ビームスプリッタや回折格子等が用いられる。また、図１１に示すように、光束分割素子１０４及び光束合成素子１０５の代わりに三角プリズム１０６を備える照射部１００’からなる斜入射干渉計も知られている。この斜入射干渉計は、三角プリズム１０６を透過させて対象物にレーザ光を照射し、プリズム面と対象物面との反射光を干渉させる構成を有している。

上記のような斜入射干渉計の場合、測定対象物面の法線方向に対するレーザ光の入射角度をθ、レーザ光の波長をλとすると、斜入射干渉計で得られる干渉縞中の隣り合う縞どうしの高さの差は、λ／（２ｃｏｓθ）となる。このことから、入射角度θの角度を大きくすることによって、通常の垂直入射の干渉計より大きな範囲の測定を行うことが出来る。
特開平４−２８６９０４号公報 特開２０００−１８９１２号公報 特開２００１−１９４１３２号公報

図１０より得られる干渉縞を解析することにより、測定対象物２００の形状を数値データとして取得することができる。ここで、干渉縞を高精度に解析する方法として、一般的に位相シフト法が用いられる。位相シフト法は、参照面からの光束と測定対象物からの光束との間の位相をシフトさせ、複数の干渉縞を撮像し、干渉縞を解析する手法である。図１０のような構成で干渉縞の位相をシフトさせるためには、測定対象物を斜入射干渉計に対して相対的に移動させる処理を行わなければならない。あるいは、参照光束あるいは測定光束のいずれかの光路上に光束を遅延させるための光学素子を配置する、あるいは、光源の波長をシフトさせるなどの処理を行わなければならない。

干渉縞の位相シフトを測定対象物の相対的な変位で行う場合、ナノメートルオーダでの正確な変位を与えなければならず、変位させる精度に応じて誤差が発生する。あるいは、波長可変で位相シフトを行う場合には、測定精度に応じて正確に波長を変化させることが出来る高価な光源が必要となる。また、干渉縞の位相をシフトさせて複数枚の干渉縞画像を取り込む時間が必要である。そればかりか、データを取得する間、測定対象物は、斜入射干渉計に対して静止させていなければならない。そのため、測定の間に、測定環境で振動が発生すると測定不可能になる。

つまり、従来の斜入射干渉計の場合、干渉縞の位相シフトを行う場合にナノメートル精度で移動可能な機構か、あるいは、波長を十分な精度で可変できる高価な光源を必要としていた。このようなことが、装置製作を困難なものとし、その完成物である装置を高価なものとしていた。また、解析に必要な複数枚の干渉縞を取り込む間、測定対象物は、斜入射干渉計に対して、ナノメートルオーダで静止しているものに限定されてしまうため、測定対象物及び使用環境を装置の性質上、限定するものとなっていた。

そこで、本発明は、斜入射干渉計の高精度化と、加えて、高速化されることによって加工現場といった振動が存在するような環境下でも測定可能な斜入射干渉計を安価に提供することを目的とする。

本発明に係る斜入射干渉計は、測定対象物の測定面の法線に対して所定角度で光を照射し、測定対象物からの反射光を測定する斜入射干渉計において、光源と、該光源からの光を測定対象物に照射する測定光と測定の基準となる参照光とに分割すると共に測定対象物で反射した測定光と参照光との偏光方向を直交させた後、合成して合成光とする光束分割合成部と、合成光を複数の分割光に分割する光束分割部と、複数の分割光の各々により形成される複数の干渉縞画像をそれぞれ撮像する複数の撮像部と、光束分割部の入射側及び出射側のいずれか一方に設けられた１／４波長板と、複数の撮像部の各撮像面側に設けられ、互いの偏光軸を異ならせて配置された複数の偏光板と、当該偏光板で位相をシフトさせられた分割光による干渉縞画像に基づき測定対象物の表面形状を算出する演算部とを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、光束分割合成部、光束分割部、１／４波長板、及び偏光板により機械的な可動部分がなく、位相をシフトすることが可能である。そして、瞬時に測定可能であると共に再現性の高い測定が可能となる。また、干渉縞の位相をシフトさせるための微小な平行移動機構や高価な波長可変光源を不要としているので、安価に製造することが可能である。

また、本発明に係る斜入射干渉計は、測定対象物の測定面の法線に対して所定角度で光を照射し、測定対象物からの反射光を測定する斜入射干渉計において、光源と、該光源からの光を測定対象物に照射する測定光と測定の基準となる参照光とに分割すると共に測定対象物で反射した測定光と参照光との偏光方向を直交させた後、合成して合成光とする光束分割合成部と、合成光を複数の分割光に分割する光束分割部と、光束分割部により分割された第１の分割光の光路に挿入され第１の偏光軸を有する第１偏光板と、光束分割部により分割された第２の分割光の光路に挿入され第１の偏光軸と同一象限内に設定された第２の偏光軸を有する第２偏光板と、光束分割部により分割された第３の分割光の光路に挿入され第２の偏光軸とは異なる象限内に設定された第３の偏光軸を有する第３偏光板と、第２の分割光の光路に挿入され合成光の偏光方向と進相軸方位及び遅軸方位が略一致した１／４波長板とを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、光束分割合成部、光束分割部、及び第１〜第３偏光板、及び１／４波長板により機械的な可動部分がなく、位相をシフトすることが可能である。そのため、瞬時に測定可能であると共に再現性の高い測定が可能となる。また、干渉縞の位相をシフトさせるための高精度な微小平行移動機構や高価な波長可変光源を不要としているので、安価に製造することが可能である。

また、上記光束分割合成部は、参照光及び測定光に分割する光束分割素子と、光束分割素子により分割された参照光を測定光に直交する直線偏光に変換する１／２波長板と、参照光と測定対象物から反射された測定光とを合成する光束合成素子とを備える構成であってもよい。

また、上記光束分割合成部は、三角プリズムであってもよい。

また、該三角プリズムは、測定光及び参照光を偏光方向で分割するコートが施されていてもよい。

また、三角プリズムと測定対象物との間に、測定光及び参照光を偏光方向で分割する素子を配置しても良い。

また、測定対象物を測定対象物と略平行な平面内で相対的に平行移動或いは回転移動の少なくとも一方を行う駆動部を備える構成であってもよい。

また、上記光束分割合成部は、光源からの光を偏光面の直交する２つの光線に分割し、光軸が異なりかつ所定の径を有するコリメートされた２つの光束を生成する手段と、該２つの光束の一方を透過させ他方を反射させることにより、測定光と測定の基準となる参照光とに分割すると共に、測定光と参照光とを合成して合成光とする三角プリズムと、合成光を透過させ２つの光束の一方で三角プリズムを反射したノイズ光及び前記２つの光束の他方で前記三角プリズムを透過したノイズ光を遮断する空間フィルタ部と、
を備える構成であってもよい。

このような構成によれば、機械的な可動部分がなく、光学系もコンパクトで、かつ、Ｓ/Ｎ比が高い干渉縞を得ることができる。

本発明によれば、斜入射干渉計の高精度化、高速化が図られ、また、加工現場といった振動が存在する環境下でも測定対象となる加工品形状を測定可能なものとし、さらには、安価な斜入射干渉計を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る斜入射干渉計について説明する。なお、図中、両側矢印の記号は、紙面に平行な直線偏光成分を模式的に示したものであり、二重丸の記号は、紙面に垂直な直線偏光成分を、丸矢印記号は、左右の円偏光成分を示したものである。

［第１実施形態］
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る斜入射干渉計について説明する。

図１に示すように、斜入射干渉計は、主に、照射部１０、及び検出部３０から構成されている。

照射部１０は、光源１１と、レンズ１２，１３と、光束分割素子１４と、１／２波長板１５と、光束合成素子１６とを備える。ここで、光源１１からの一部の光は、レンズ１２，１３、及び光束分割素子１４を介して、測定対象物２０の測定面の法線方向に所定角度をもって、照射されるように配置されている。第１実施形態においては、この光束分割素子１４を進路を変えることなく透過し、測定対象物２０に照射される光を測定光とする。また、光束分割素子１４を進路を変えて透過し、λ／２板１５に照射される光を参照光とする。

検出部３０は、１／４波長板３１と、レンズ３２と、三分割プリズム３３と、偏光板３４Ａ〜３４Ｃと、撮像部３５Ａ〜３５Ｃと、撮像部３５Ａ〜３５Ｃにより得られる画像に基づき測定対象物２０の表面形状を演算する演算部３６とを備える。

光源１１から照射された光は、レンズ１２，１３を介して、平行光束として光束分割素子１４に入射し、２つの光束に分割される。この分割された光束の一方（測定光）は、測定対象物２０の表面に斜め方向から照射される。一方、光束分割素子１４により分割された光束の他方（参照光）は、１／２波長板１５により、通過前の偏光成分に直交する偏光成分に変換される。そして、この測定対象物２０から反射された測定光と、光束分割素子１４により分割された参照光とを光束合成素子１６により合成させる。この合成された光束は、１／４波長板３１により、右回り及び左回りの円偏光に変換される。円偏光となった光束は、三分割プリズム３３により３方向に分割される。この３方向に分割された光束は、透過軸の方向を互いに異ならせて配置した偏光板３４Ａ〜３４Ｃを通過して、互いに異なる量だけ位相をシフトした干渉縞を発生させる。この位相シフトさせられた干渉縞画像は、各撮像素子３５Ａ〜３５Ｃで取得される。そして、演算部３６は、各撮像素子３５Ａ〜３５Ｃで取得された干渉縞画像に基づき、公知の位相シフト法に準じた演算処理を施し、測定対象物の表面の形状を得る。

このように本発明の第１実施形態に係る斜入射干渉計によれば、機械的な可動部がないために、再現性の高い測定値が得られる。また、干渉縞解析に必要な干渉縞を瞬時に得ることが出来る為、短い時間での測定が可能である。また、高速シャッタを活用することで、動的な対象物の測定や、生産現場や工作機械上などの振動環境下での形状測定が可能となる。また、位相シフトのための高精度な移動機構や光学素子、あるいは波長可変可能な高価な光源が不要であるため、装置の低価格化が期待できる。

［第２実施形態］
次に、図２を参照して、本発明の第２実施形態に係る斜入射干渉計について説明する。なお、上述した第１実施形態と、同一の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。また、第２実施形態においても、光束分割素子１４を進路を変えることなく透過し、測定対象物２０に照射される光を測定光とする。また、光束分割素子１４を進路を変えて透過し、λ／２板１５に照射される光を参照光とする。

図２に示すように、斜入射干渉計は、主に、照射部１０、及び検出部３０’から構成されている。照射部１０は、第１実施形態と同様なので、その説明を省略する。

検出部３０’は、レンズ３２と光束合成素子１６との間の１／４波長板３１が省略される一方、偏光板３４Ｂと三分割プリズム３３との間に新たに１／４波長板３７が配置されている点で、第１実施形態と異なっている。この１／４波長板３７は、その進相軸方位を、参照光及び測定光の一方の偏光方向に、また遅相軸方位を、参照光及び測定光の他方の偏光方向にそれぞれ一致させられており、これにより、偏光板３４Ａ、３４Ｃに入射される参照光及び測定光に対し、偏光板３４Ｂに入射される参照光と測定光に９０°の相対的な位相差を与えるものである。

また、偏光板３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃは、それぞれ透過軸の角度がα、α、α＋９０°に設定される。なお、この角度αは、参照光及び測定光の偏光方位と全く同一でなければどのような値でもよい。これら偏光板の透過軸を設置する際の精度は、干渉縞の解析精度を左右するが、干渉縞の解析誤差が許容できる範囲内の精度であれば良い。

この構成により、撮像部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃでは、それぞれの位相シフト量が０°，９０°，１８０°の干渉縞画像が撮像される。

また、第２実施形態の斜入射干渉計は、第１実施形態と同様に安価に製造可能である。また本干渉計を使用することにより、測定対象となる加工品の形状を加工現場などで高速でかつ高精度に測定することが可能となる。

［第３実施形態］
次に、図３を参照して、本発明の第３実施形態に係る斜入射干渉計について説明する。なお、上述した第１及び第２実施形態と、同一の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。

図３に示すように、斜入射干渉計は、主に、照射部１０’、及び検出部３０から構成されている。検出部３０は、第１実施形態と同様なので、その説明を省略する。

照射部１０’は、光束分割素子１４、１／２波長板１５、及び光束合成素子１６の代わりに、三角プリズム１７を設けた点で第１実施形態と異なっている。

この三角プリズム１７に、ある特定の角度で光束を入射すると、三角プリズム１７の内部と外部の屈折率の関係により、入射光と反射光との光束で作る面内に対して、平行な偏光の光束は透過される。

すなわち、この第３実施形態においては、三角プリズム１７を透過し、測定対象物２０に照射される光が、測定光として機能し、三角プリズム１７を透過することなく、三角プリズム１７の内面において、反射された光が、参照光として機能する。

このように、三角プリズム１７の特性を利用して、測定光束の偏光を参照光束の偏光に対して直交した光束で取り出すことが容易に可能となる。

また、第３実施形態の斜入射干渉計は、第１及び第２実施形態と同様に安価に製造可能である。また本干渉計を使用することにより、測定対象となる加工品の形状を加工現場などで高速でかつ高精度に測定することが可能となる。

［第４実施形態］
次に、図４を参照して、本発明の第３実施形態に係る斜入射干渉計について説明する。なお、上述した第１乃至第３実施形態と、同一の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。

図４に示すように、第４実施形態の斜入射干渉計においては、三角プリズム１７’のみが第３実施形態と異なる。なお、この第４実施形態においても、第３実施形態と同様に、三角プリズム１７’を透過し、測定対象物２０に照射される光が、測定光として機能し、三角プリズム１７’を透過することなく、三角プリズム１７’の内面において、反射された光が、参照光として機能する。

三角プリズム１７’には、測定対象物２０と対向する箇所に、例えば、ワイヤーグリッド偏光板のような透過光と反射光とを直交した偏光で分離するコート１７’ａが施されている。

このように三角プリズム１７’により、さらに効率良く、参照光束と測定光束とを直交偏光で分割することが出来る。

また、三角プリズム１７’にコート１７’aを施す代わりに、対象物との間に、例えばコートを施した光学素子を配置することで、効率よく参照光束と測定光束とを分割することもできる。

また、第４実施形態の斜入射干渉計は、第１〜第３実施形態と同様に安価に製造可能である。また本干渉計を使用することにより、測定対象となる加工品の形状を加工現場などで高速でかつ高精度に測定することが可能となる。

［第５実施形態］
次に、図５を参照して、本発明の第５実施形態に係る斜入射干渉計について説明する。なお、上述した第１乃至第４実施形態と、同一の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。

図５に示すように、斜入射干渉計は、主に、照射部１０、検出部３０、及び測定対象物２０を配置する配置台４０とから構成されている。なお、照射部１０及び検出部３０は、第１実施形態と同様なので、その説明を省略する。

また、第５実施形態においては、第１実施形態と同様に、光束分割素子１４を進路を変えることなく透過し、測定対象物２０に照射される光を測定光とする。また、光束分割素子１４を進路を変えて透過し、λ／２板１５に照射される光を参照光とする。

対象物走査用の設置台４０は、測定対象物２０を測定面２０ａ内で平行移動させる駆動機能を有している。

ここで、図６に示すように、測定対象物２０の測定面２０ａの法線に対してθの角度でレーザ光束（ビーム径：ｄｘ，ｄｙ）が斜入射される場合を想定する。この場合、測定面２０ａ上に楕円に広がるレーザ光束の照射スポットの径（Ｄｘ，Ｄｙ）は、Ｄｘ＝ｄｘ、Ｄｙ＝（ｄｙ）／（ｃｏｓθ）となる。つまり、レーザ光束の径よりもＤｙ方向に広がった領域の測定を行うことができる。そのため、大きな平面形状を測定する場合に、Ｄｙ方向へ走査する回数は少なくて良く、大きな領域の形状を短時間で効率的に測定することができる。

また、通常の斜入射干渉計で、複数枚の干渉縞を１つの照射スポットで測定を行う場合、照射スポットの干渉縞を解析するために、その場で、複数枚の干渉縞を１つの撮像素子で取らなければならない。そのため、測定対象物の大きさに応じて、測定回数が増えれば、測定時間も増大する。一方、本実施形態の対象物走査用の設置台４０を用いれば、解析に必要な干渉縞は、連続走査しながら画像の取り込みを瞬時に取得可能であるため、測定時間は従来の方法に比べると飛躍的に短縮される。

また、第５実施形態の斜入射干渉計は、第１〜第４実施形態と同様に安価に製造可能である。また本干渉計を使用することにより、測定対象となる加工品の形状を加工現場などで高速でかつ高精度に測定することが可能となる。

［第６実施形態］
次に、図７を参照して、本発明の第６実施形態に係る斜入射干渉計について説明する。なお、上述した第１乃至第５実施形態と、同一の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。

また、第６実施形態においては、第１実施形態と同様に、光束分割素子１４を進路を変えることなく透過し、測定対象物２０に照射される光を測定光とする。また、光束分割素子１４を進路を変えて透過し、λ／２板１５に照射される光を参照光とする。

図７に示すように、主に、照射部１０と、検出部３０と、及び測定対象物２０を配置する対象物走査用の配置台４０’とから構成されている。なお、照射部１０及び検出部３０は、第１実施形態と同様なので、その説明を省略する。

対象物走査用の設置台４０’は、測定対象物２０を測定面内で回転させる駆動機能を有している。上述したように、光源からの照射スポットは、その光束の入射角度に応じて、測定対象物２０の照射面上で楕円状に広がる。したがって、対象物走査用の設置台４０’により、測定対象物２０を回転させながら、測定を行えば、半径Ｄｙの円形の領域を効率的に走査して、測定することができる。

また、第６実施形態の斜入射干渉計は、第１〜第５実施形態と同様に安価に製造可能である。また本干渉計を使用することにより、測定対象となる加工品の形状を加工現場などで高速でかつ高精度に測定することが可能となる。

［第７実施形態］
次に、図８を参照して、本発明の第７実施形態に係る斜入射干渉計について説明する。なお、上述した第１乃至第６実施形態と、同一の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。

図８に示すように、第７実施形態の斜入射干渉計においては、照射部５０が次のように構成されている。すなわち、光源１１からの光線を偏光面により分割する分割素子５１が、光路上に設けられている。分割素子５１は、光源１１からのコヒーレントなレーザ光線を、偏光面が直交する２つの光線Ｌ１、Ｌ２に分割する。光線Ｌ２はミラー５２で反射される。光線Ｌ１、Ｌ２の光路上には２つの光線Ｌ１、Ｌ２を集光するためのレンズ５３が配置されている。レンズ５３の光路上にはさらにレンズ５４が配置されている。レンズ５３とレンズ５４との組み合わせにより、コリメートされた２つの光束Ｌ１’、Ｌ２’が生成される。ここで、２つの光束Ｌ１’、Ｌ２’は、偏光面が互いに直交しており、光軸がわずかにずれている。２つの光束Ｌ１’、Ｌ２’の光軸は平行でなくともよい。その下流側には、三角プリズム１７が配置されている。三角プリズム１７の更に下流には、レンズ５５が配置されており、三角プリズム１７の斜面で反射した参照光と測定対象物２０の表面２０ａで反射した測定光とが合成した合成光が入射する。レンズ５５の焦点付近には、絞り５６が設けられている。絞り５６の下流側にはコリメートした光束を生成するためのレンズ５７が設けられている。レンズ５５、絞り５６及びレンズ５７は、以下で説明するように、測定に不要な光学的成分を除去するための空間フィルタ部を構成する。レンズ５７の下流側には上記した検出部３０が設けられている。

次に、本実施の形態の原理について、図面を参照しながら説明する。

レーザ光源１１から出射された光線は、分割素子５１により、偏光面の直交する２つの偏光光線Ｌ１、Ｌ２に分割される。偏光光線の一方のＬ１は直進し、他方のＬ２はミラー５２で反射される。２つの光線Ｌ１、Ｌ２は、レンズ５３で集光された後、レンズ５４を通過してコリメートされた２つの光束Ｌ１’、Ｌ２’となる。２つの光束Ｌ１’、Ｌ２’は、偏光面が互いに直交し、かつ、光軸がわずかにずれて形成される。図８に示すように、例えば、Ｌ１’は紙面に平行方向に偏光し、Ｌ２’は紙面に垂直方向に偏光している。こうして、互いに偏光面の直交する２つのコリメートされた光束Ｌ１’、Ｌ２’は、例えば、Ｌ１’を参照光、Ｌ２’を測定光として、三角プリズム１７に入射する。三角プリズム１７の斜面及び測定対象物２０の表面２０ａで反射した参照光Ｌ１’及び測定光Ｌ２’は、三角プリズム１７で合成され合成波となって出射される。

続いて、空間フィルタ部によりフィルタリングが実行される。すなわち、三角プリズム１７から出射した４つの光束が、レンズ５５を介して絞り５６に入射する。ここで、偏光面が直交する参照光と測定光の２つの光束のみが絞り５６を通過し、それ以外は遮光される。これらの２つの光束はレンズ５７を通じてコリメートされ、上記実施の形態１に示す検出部３０に送られる。検出部３０で、位相をシフトさせた干渉縞を発生させ、カメラにより撮像して解析することにより、測定対象物の表面形状を算出することができる。

ここで、空間フィルタ部でのフィルタリングの原理について説明する。ここで説明する原理は、空間フィルタリングの一例に過ぎず、他の空間フィルタリングを使用することもできる。三角プリズム１７に入射した参照光Ｌ１’は、三角プリズム１７の斜面で反射する参照光束Ｌ１’Ａと、三角プリズム１７を透過して測定対象物２０の表面２０ａで反射する光束Ｌ１’Ｂとに分かれる。同様に、三角プリズム１７に入射した測定光Ｌ２’は、三角プリズム１７の斜面で反射する光束Ｌ２’Ａと、三角プリズム１７を透過して測定対象物２０の表面２０ａで反射する測定光束Ｌ２’Ｂとに分かれる。こうして、４つの光束Ｌ１’Ａ、Ｌ１’Ｂ、Ｌ２’Ａ、Ｌ２’Ｂが三角プリズム１７から出射することになるが、これら４つの光束すべてが測定に必要な訳ではない。すなわち、参照光Ｌ１’の光束Ｌ１’Ｂは測定対象物２０の表面２０ａで反射した光束であるから測定とは無関係であり、ノイズの原因となる。同様に、測定光Ｌ２’の光束Ｌ２’Ａは三角プリズム１７の斜面で反射した光束であるから測定とは無関係であり、やはりノイズの原因となる。したがって、これらの光束Ｌ１’Ｂ及びＬ２’Ａを除去すれば、ノイズが減少し、Ｓ/Ｎ比の高い干渉縞を得ることができる。具体的には、参照光Ｌ１’の参照光束Ｌ１’Ａ及び測定光Ｌ２’の測定光束Ｌ２’Ｂのみが、絞り５６を通過するように、測定対象物２０の表面を所定の角度だけ傾ける。こうすることにより、参照光束Ｌ１’Ａ及び測定光束Ｌ２’Ｂ以外の他の光束（例えば、光束Ｌ１’Ｂ及びＬ２’Ａ）は絞り５６を通過することができず、遮光される。結果として、偏光面が互いに直交した参照光束Ｌ１’Ａ及び測定光束Ｌ２’Ｂのみが検出部３０に送られる。

Ｌ２を参照光、Ｌ１を測定光とする場合には、測定対象物２０の表面２０ａを逆方向に傾けて、Ｌ２’ＡとＬ１’Ｂが絞り５６を通過するように調整すれば良い。参照面と測定面から反射して発生する４つの光束のうち、いずれを参照光とし、いずれを測定光とするかに応じて、測定対象物２０を傾ける方向を変えるだけで、所望のフィルタリングを達成することができる。

第７実施の形態の斜入射干渉計は、測定に不要な成分を幾何光学的に排除しているため、Ｓ/Ｎ比の高い干渉縞を確実に得ることができ、さらなる精度の向上を図ることができる。

［第８実施形態］
次に、図９を参照して、本発明の第８実施形態に係る斜入射干渉計について説明する。なお、上述した第１乃至第７実施形態と、同一の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。

図９に示すように、第８実施形態の斜入射干渉計においては、照射部６０が次のように構成されている。すなわち、分割した光線Ｌ１、Ｌ２を集光するためのレンズ５３の代わりに、２本の光ファイバ６３、６４が使用されている点で上記第７実施形態と異なっている。２本の光ファイバ６３、６４の上流には、それぞれレンズ６１、６２が設けられている。

分割素子５１により分割された偏光面の直交する２つの光線Ｌ１、Ｌ２のうち、一方の光線Ｌ１は、レンズ６１を介して光ファイバ６３の入射端から入射する。もう一方の光線Ｌ２は、ミラー５２で反射されたのち、レンズ６２を介して光ファイバ６４の入射端から入射する。光ファイバ６３、６４は、偏光方向を保存する機能を有するため、光ファイバ６３、６４の入射端と出射端との間の途中経路のいかんにかかわらず、それぞれの光ファイバ６３、６４の出射端とレンズ５４との位置関係を調整するだけで、光軸がわずかにずれ、かつ、偏光方向が互いに直交するコリメートされた参照光Ｌ１’及び測定光Ｌ２’を得ることができる。

空間フィルタリングの原理については、上記実施形態７と同様なので説明を省略する。

本実施の形態によれば、Ｓ/Ｎ比の高い干渉縞を確実に得ることができるばかりか、斜入射干渉計の光学的設計の自由度が向上し、更なるコンパクト化を図ることもできる。

[その他]
以上、発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、様々な変更、追加、置換等が可能である。例えば、回折格子１４の代わりにビームスプリッタであっても良い。その際、参照光路や測定光路上のそれぞれに、互いに偏光面を直交して透過させる偏光板を用いてもよい。

また、ビームスプリッタとして、透過光と反射光で偏光面を直交させて分離する偏光ビームスプリッタを使用することで、１／２波長板１５を省略することもできる。その際、干渉縞のＳ／Ｎ比に応じて、参照光路及び／または測定光路に偏光板を配置するとよい。

また、三角プリズム１７の代わりに、平面のビームスプリッタやあるいはその代わりをなす、ガラス基板を用いて、参照面としても良い。第５及び第６実施形態においては、照射部１０と、検出部３０を用いた構成としているが、これらに限られるものではなく、第３（第４）実施形態の照射部１０’（１０’’）と、第２実施形態の検出部３０’とに置換することも可能である。また、対象物走査用の設置台４０（４０’）は、平行移動及び回転の駆動機能を共に備える構成であってもよい。また、対象物走査用の設置台４０（４０’）が平行移動及び回転する機構を有することなく、照射部１０（１０’，１０’’）及び検出部３０（３０’）が、測定対象物２０に対して平行移動或いは回転する構成であってもよい。また、絞り５６以外の手段によって空間フィルタリングを行うことも可能である。

本発明の第１実施形態に係る斜入射干渉計の概略構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る斜入射干渉計の概略構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る斜入射干渉計の概略構成を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る斜入射干渉計の概略構成を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る斜入射干渉計の概略構成を示す図である。 測定対象物に斜入射する光束の径と、測定対象物上に形成される照射スポットの径の関係を説明する図である。 本発明の第６実施形態に係る斜入射干渉計の概略構成を示す図である。 本発明の第７実施形態に係る斜入射干渉計の概略構成を示す図である。 本発明の第８実施形態に係る斜入射干渉計の概略構成を示す図である。 従来の斜入射干渉計の概略構成の一例を示す図である。 従来の斜入射干渉計の概略構成の他の一例を示す図である。

符号の説明

１０，１０’，１０’’…照射部、１１…光源、１２，１３…レンズ、１４…光束分割素子、１５…１／２波長板、１６…光束合成素子、１７，１７’…三角プリズム、２０…測定対象物、３０，３０’…検出部、３１，３７…１／４波長板、３２…レンズ、３３…三分割プリズム、３４Ａ〜３４Ｃ…偏光板、３５Ａ〜３５Ｃ…撮像素子、３６…演算部、４０，４０’…対象物走査用の設置台。

Claims (12)

1. 測定対象物の測定面の法線に対して所定角度で光を照射し、前記測定対象物からの反射光を測定する斜入射干渉計において、
   光源と、
   該光源からの光を測定対象物に照射する測定光と測定の基準となる参照光とに分割すると共に前記測定対象物で反射した測定光と参照光との偏光方向を直交させた後、合成して合成光とする光束分割合成部と、
   前記合成光を複数の分割光に分割する光束分割部と、
   前記複数の分割光の各々により形成される複数の干渉縞画像をそれぞれ撮像する複数の撮像部と、
   前記光束分割部の入射側及び出射側のいずれか一方に設けられた１／４波長板と、
   前記複数の撮像部の各撮像面側に設けられ、互いの偏光軸を異ならせて配置された複数の偏光板と、
   各々の当該偏光板で位相をシフトさせられた分割光による前記干渉縞画像に基づき前記測定対象物の表面形状を算出する演算部と
   を備えることを特徴とする斜入射干渉計。
2. 測定対象物の測定面の法線に対して所定角度で光を照射し、前記測定対象物からの反射光を測定する斜入射干渉計において、
   光源と、
   該光源からの光を測定対象物に照射する測定光と測定の基準となる参照光とに分割すると共に前記測定対象物で反射した測定光と参照光との偏光方向を直交させた後、合成して合成光とする光束分割合成部と、
   前記合成光を複数の分割光に分割する光束分割部と、
   前記光束分割部により分割された第１の分割光の光路に挿入され第１の偏光軸を有する第１偏光板と、
   前記光束分割部により分割された第２の分割光の光路に挿入され前記第１の偏光軸と同一象限内で設定された第２の偏光軸を有する第２偏光板と、
   前記光束分割部により分割された第３の分割光の光路に挿入され前記第２の偏光軸とは異なる象限内で設定された第３の偏光軸を有する第３偏光板と、
   前記第２の分割光の光路に挿入され前記合成光の偏光方向と進相軸方位及び遅軸方位が略一致した１／４波長板と
   を備えることを特徴とする斜入射干渉計。
3. 前記光束分割合成部は、
   前記参照光及び前記測定光に分割する光束分割素子と、
   前記光束分割素子により分割された参照光を前記測定光に直交する直線偏光に変換する１／２波長板と、
   前記参照光と前記測定対象物から反射された測定光とを合成する光束合成素子と
   を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の斜入射干渉計。
4. 前記光束分割合成部は、
   三角プリズムであることを特徴とする請求項１又は２記載の斜入射干渉計。
5. 前記三角プリズムは、
   前記測定光及び前記参照光を偏光方向で分割するコートが施されていることを特徴とする請求項４記載の斜入射干渉計。
6. 前記三角プリズムと前記測定対象物との間に前記測定光と前記参照光を偏光方向で分割する素子を配置することを特徴とする請求項４記載の斜入射干渉計。
7. 前記測定対象物を前記測定対象物と略平行な平面内で相対的に平行移動或いは回転移動の少なくとも一方を行う駆動移動部を備える
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の斜入射干渉計。
8. 前記光束分割合成部は、
   前記光源からの光を偏光面の直交する２つの光線に分割し、光軸が異なりかつ所定の径を有するコリメートされた２つの光束を生成する手段と、
   前記２つの光束の一方を透過させ他方を反射させることにより、測定光と測定の基準となる参照光とに分割すると共に、前記測定光と前記参照光とを合成して合成光とする三角プリズムと、
   前記合成光を透過させ前記２つの光束の一方で前記三角プリズムを反射したノイズ光及び前記２つの光束の他方で前記三角プリズムを透過したノイズ光を遮断する空間フィルタ部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の斜入射干渉計。
9. 前記測定対象物は、前記空間フィルタ部で前記合成光のみが透過する光軸を形成するように、所定の角度だけ傾けて配置されている、
   ことを特徴とする請求項８に記載の斜入射干渉計。
10. 前記２つの光束を生成する手段は、前記光源からの光線を、偏光面の互いに直交する２つの光線に分割する分割素子と、２つの光線を集光するためのレンズと、光軸の異なる２つのコリメートされた光束を形成するためのレンズと、
    から成ることを特徴とする請求項８または９に記載の斜入射干渉計。
11. 前記２つの光束を生成する手段は、前記光源からの光線を、偏光面の互いに直交する２つの光線に分割する分割素子と、前記２つの光線がそれぞれ入射する２本の光ファイバと、光軸の異なる２つのコリメートされた光束を形成するレンズと、
    から成ることを特徴とする請求項８または９に記載の斜入射干渉計。
12. 前記空間フィルタ部は、レンズと、前記レンズの焦点付近に配置された絞りと、前記絞りの下流側に配置されたレンズと、
    から成ることを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載の斜入射干渉計。

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