JP2008196901A - 光波干渉測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成簡易でアライメント調整を容易に行うことができ、かつ平行平面ガラス等の被検体を測定するのに適した光波干渉測定装置を得る。
【解決手段】照明用光束を出力する照射部１と被検体７との間に、第１のハーフミラー２と第２のハーフミラー３を互いに略平行に配置し、被検体７の表面７１からの被検光と、照射部１から出力され第１のハーフミラー２を透過した照明用光束のうち、第２の光束分離基準平面３１、第１の光束分離基準平面２１、および第２の光束分離基準平面３１で順次反射され、さらに第１のハーフミラー２を透過して照射部１に戻る参照光との光路長合わせを、第１および第２のハーフミラー２、３間の距離を調整することにより行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、低可干渉光を用いて、平行平面ガラス等の被検体を測定する光波干渉測定装置に関する。

従来、レーザ光源等の可干渉性の良い光源を搭載したフィゾー型干渉計は、基準面と被検面との間に使用光源の可干渉距離に応じた間隔を空けることが可能となり、ワークスペースが十分にとれるため、使い易い干渉計として広く用いられている。しかし、平行平面ガラスのように被検面（表面）と略平行な裏面を有する被検体を測定解析する場合、使用光源の可干渉距離が長いために、基準面と被検面からの光干渉とともに、基準面と裏面および被検面と裏面からの光干渉が各々生じてしまう。通常、基準面と被検面からの光干渉によって生じる干渉縞以外の干渉縞はノイズとなり、被検面の形状を高精度で測定することが困難となってしまう。

このようなフィゾー型干渉計における問題点を解決する技術として、本願出願人は、下記特許文献１に記載されているようなパスマッチ経路型干渉計を既に開示している。このパスマッチ経路型干渉計によれば、可干渉距離の短い照明用光束の一部を迂回させるパスマッチ経路部を設けて、迂回しないで直進した照明用光束の被検面からの反射光と、迂回した照明用光束の基準面からの反射光による場合以外は光干渉が生じないようにしているため、極めて簡易な構成でノイズのない明瞭な干渉縞画像を得ることが可能となる。

特開平９−２１６０６号公報

しかし、これまでのパスマッチ経路型干渉計では、上記光路長調整部が２つのハーフプリズムと２つの全反射ミラーを組み合わせて複雑に構成されているため、アライメント調整が難しいという一面がある。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、構成簡易でアライメント調整を容易に行うことができ、かつ平行平面ガラス等の被検体を測定するのに適した光波干渉測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明では、照明用光束を出力する照射部と被検体との間に２つのハーフミラーを互いに略平行に配置し、被検体側からの被検光と参照光との光路長合わせを、２つのハーフミラー間の距離を調整することにより行うようにしている。

すなわち、本発明に係る光波干渉測定装置は、可干渉距離が短い低可干渉光を出力する光源部を備えた光波干渉測定装置であって、
前記光源部からの前記低可干渉光を平面波からなる照明用光束に変換して被検体に照射する照射部と、
前記照射部から出力された前記照明用光束の光路上に配置され、該照明用光束の一部を透過しその余を反射する第１の光束分離基準平面を有する第１のハーフミラーと、
前記照明用光束の一部を透過しその余を反射する第２の光束分離基準平面を有し、前記照射部から出力された前記照明用光束の光路上において、前記第２の光束分離基準平面が前記第１の光束分離基準平面と略平行となるように、前記第１のハーフミラーと前記被検体との間に配置される第２のハーフミラーと、
前記照射部から出力され前記第１のハーフミラーおよび前記第２のハーフミラーを透過して前記被検体に照射された前記照明用光束のうち、前記被検体側から反射され前記第２のハーフミラーおよび前記第１のハーフミラーを透過する被検光の光路長が、前記照射部から出力され前記第１のハーフミラーを透過した前記照明用光束のうち、前記第２の光束分離基準平面、前記第１の光束分離基準平面、および前記第２の光束分離基準平面で順次反射され、さらに前記第１のハーフミラーを透過する参照光の光路長と略一致するように、前記第１のハーフミラーと前記第２のハーフミラーとの間の相対的な距離を調整する光路長調整部と、
前記被検光と前記参照光との干渉により得られる干渉縞画像を撮像する干渉縞撮像部と、を備えてなることを特徴とする。

前記照明用光束に対して、前記第１の光束分離基準平面の透過率をｔ_１、反射率をｒ_１、前記第２の光束分離基準平面の透過率をｔ_２、反射率をｒ_２、前記被検体の被検面の反射率をｒ_３とするとき、下式（１）を満足するように構成されていることが好ましい。
ｒ_２・ｒ_１・ｒ_２≒ｔ_２・ｒ_３・ｔ_２ …… （１）
ただし、ｒ_１＝１−ｔ_１、ｒ_２＝１−ｔ_２とする。

その場合、さらに、下式（２）、（３）を満足するように構成されていることが好ましい。
ｒ_２≒０．５ …… （２）
ｒ_１≒ｒ_３ …… （３）

本発明に係る光波干渉測定装置によれば、照射部と被検体との間に第１および第２のハーフミラーを互いに略平行に配置しており、被検光と参照光との光路長合わせを、第１および第２のハーフミラー間の距離を調整することにより行うようにしているので、構成が簡易であり、かつアライメント調整も容易に行うことが可能となる。

また、平行平面ガラスのように被検面と略平行な裏面を有する被検体に対しても、被検光と参照光との光路長合わせを行うことにより、裏面からの反射光が測定ノイズとなることを防止できるので、高精度な測定を行うことが可能となる。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る光波干渉測定装置の概略構成図であり、図２は被検光と参照光との光路長合わせの一例を示す図である。

図１に示す光波干渉測定装置は、平行平面ガラスやプラスチック板、石英板等の透明平行平面板からなる被検体７の面形状や厚みむら、内部屈折率分布等を測定するものであり、照射部１と、第１および第２のハーフミラー２，３と、光路長調整部４と、撮像部５と、画像解析制御部６とを備えてなる。

上記照射部１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やスーパー・ルミネッセント・ダイオード（ＳＬＤ）、ハロゲンランプまたは高圧水銀ランプ等の低可干渉性の光源部１１から出力された可干渉距離が短い（例えば、可干渉距離が１μｍ）低可干渉光を、平面波からなる照明用光束に変換して被検体７に照射するものであり、コリメータレンズ１２、ビーム径拡大用の収束レンズ１３、ビームスプリッタ１４、および照明用光束を出力するコリメータレンズ１５を備えてなる。

上記第１のハーフミラー２は、上記照射部１から出力された照明用光束の一部を透過しその余を反射する第１の光束分離基準平面２１（図中左側の面）を有してなり、該照明用光束の光路上に配置されている。なお、第１の光束分離基準平面２１とは、照明用光束の波面形状に影響を及ぼさない程度に高精度に平滑に形成された面をいう。

上記第２のハーフミラー３は、上記照明用光束の一部を透過しその余を反射する第２の光束分離基準平面３１（図中左側の面）を有してなり、上記照射部１から出力された照明用光束の光路上において、第２の光束分離基準平面３１が上記第１の光束分離基準平面２１と略平行となるように、第１のハーフミラー２と被検体７との間に配置されている。なお、第２の光束分離基準平面３１とは、照明用光束の波面形状に影響を及ぼさない程度に高精度に平滑に形成された面をいう。

上記光路長調整部４は、上記第１のハーフミラー２に設置されたパルスステージ等からなり、第２のハーフミラー３に対して第１のハーフミラー２の位置を光軸方向に移動させることにより、被検光と参照光との光路長合わせを行うように構成されている。

すなわち、図２に示すように本実施形態では、上記照射部１から出力され第１のハーフミラー２および第２のハーフミラー３を透過して被検体７に照射された照明用光束のうち、被検体７の表面７１（本実施形態では、該表面７１を被検面としている）から反射され第２のハーフミラー３および第１のハーフミラー２を透過して照射部１に戻る光を被検光とする一方、照射部１から出力され第１のハーフミラー２を透過した照明用光束のうち、第２の光束分離基準平面３１、第１の光束分離基準平面２１、および第２の光束分離基準平面３１で順次反射され、さらに第１のハーフミラー２を透過して照射部１に戻る光を参照光としている。そして、光路長調整部４は、被検光の光路長と参照光の光路長との差が、照明用光束の可干渉距離以下となるように光路長合わせを行い、被検光と参照光とが互いに干渉するようにする。

なお、本実施形態では、被検光と参照光との干渉により得られる干渉縞画像のコントラストを向上させるため、課題を解決するための手段の欄に記載された式（１）〜（３）（以下に再掲）を満足するように構成されている。
ｒ_２・ｒ_１・ｒ_２≒ｔ_２・ｒ_３・ｔ_２ …… （１）
ｒ_２≒０．５ …… （２）
ｒ_１≒ｒ_３ …… （３）

ここで、ｔ_１およびｒ_１は、第１の光束分離基準平面２１の透過率および反射率、ｔ_２およびｒ_２は、第２の光束分離基準平面３１の透過率および反射率、ｒ_３は被検体７の表面７１（被検面）の反射率を示し、ｒ_１＝１−ｔ_１、ｒ_２＝１−ｔ_２としている。また、第１のハーフミラー２の内部および裏面２２の透過率と、第２のハーフミラー３の内部および裏面３２の透過率は、共に１としている。

また、第１および第２のハーフミラー２，３の照明用光束に対する各屈折率をｎ_１，ｎ_２、第１および第２のハーフミラー２の各厚みをＤ_１，Ｄ_２、第１のハーフミラー２と第２のハーフミラー３との間の距離をＬ_１、第２のハーフミラー３と被検体７との間の距離をＬ_２とするとき、上記光路長調整部４による光路長合わせが終了した時点で、下式（４）が成立している。
ｎ_１・Ｄ_１＋Ｌ_１≒ｎ_２・Ｄ_２＋Ｌ_２ …… （４）

また、この光路長調整部４は、フリンジスキャン測定を行う際に上記第１のハーフミラー２を光軸方向に微動し得るように構成されている。

上記撮像部５は、コリメータレンズ５１、ビームスプリッタ５２、干渉縞撮像部５Ａ、およびアライメントスポット撮像部５Ｂを備えてなる。上記干渉縞撮像部５Ａは、上記被検光と上記参照光との干渉により得られる干渉縞画像を撮像するものであり、結像レンズ５３と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子５５を有してなる撮像カメラ５４とからなる。一方、上記アライメントスポット撮像部５Ｂは、上記第１および第２のハーフミラー２，３のアライメント調整を行う際に、上記第１の光束分離基準平面２１や上記第２の光束分離基準平面３１からの各反射光により形成される各スポット像を撮像するものであり、結像レンズ５６と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子５８を有してなる撮像カメラ５７とからなる。

上記画像解析制御部６は、上記撮像カメラ５４，５７からの画像信号に基づき各種解析を行うコンピュータ６１と、該コンピュータ６１による解析結果や画像を表示する表示装置６２と、キーボードやマウス等からなる入力装置６３とからなり、上記撮像カメラ５４により撮像された干渉縞画像に基づき、被検体７の表面７１の形状を測定解析するように構成されている。

また、この画像解析制御部６は、上記撮像カメラ５７により撮像されたスポット像に基づき、上記第１および第２のハーフミラー２，３にそれぞれ設けられた各２軸傾きステージ（図示略）の駆動を制御して、上記第１および第２のハーフミラー２，３のアライメント調整を行うように構成されている。さらに、この画像解析制御部６は、上記光路長調整部４の駆動を制御して、上述の被検光と参照光との光路長合わせを行うように構成されている。

以下、本実施形態に係る光波干渉測定装置の作用について説明する。
測定に先立って、上記第１および第２のハーフミラー２，３のアライメント調整を行う。このアライメント調整は、第１のハーフミラー２に関しては、まず、第１の光束分離基準平面２１から反射された光により形成されるスポット像を上記撮像カメラ５７により撮像し、このスポット像の画像平面上での位置を上記コンピュータ６１により求める。次に、スポット像が画像平面の中心位置（光軸位置）に移動するように図示せぬ２軸傾きステージを用いて第１のハーフミラー２の傾きを調整し、第１の光束分離基準平面２１が光軸に対して垂直となるようにする。第２のハーフミラー３に関しては、同様に、まず、第２の光束分離基準平面３１から反射された光により形成されるスポット像を上記撮像カメラ５７により撮像し、このスポット像の画像平面上での位置を上記コンピュータ６１により求める。次に、スポット像が画像平面の中心位置（光軸位置）に移動するように図示せぬ２軸傾きステージを用いて第２のハーフミラー３の傾きを調整し、第２の光束分離基準平面３１が光軸に対して垂直となるようにする。

このアライメント調整後、被検光と参照光との光路長合わせを行う。この光量長合わせは、上記第１および第２のハーフミラー２，３が上式（４）を満足するような配置となるように、上記光路長調整部４を用いて、第１および第２のハーフミラー２，３間の距離を調整することにより行われる。

この光量長合わせにより、第１および第２のハーフミラー２，３を順次透過して被検体７に照射された照明用光束のうち、被検体７の表面７１から反射され第２および第１のハーフミラー３，２を順次透過して照射部１に戻る被検光と、第１のハーフミラー２を透過した照明用光束のうち、第２の光束分離基準平面３１、第１の光束分離基準平面２１、および第２の光束分離基準平面３１で順次反射され、さらに第１のハーフミラー２を透過して照射部１に戻る光を参照光とが互いに干渉するようになり、被検体７の表面７１の形状情報を担持した干渉光が得られる。

この干渉光を、ビームスプリッタ１４を介して干渉縞撮像部５Ａにおいて取込み、その干渉縞画像を撮像カメラ５４によって撮像する。さらに、この干渉縞画像を画像解析制御部６において解析することにより、被検体７の表面７１の形状情報を求める。

このように本実施形態の光波干渉測定装置によれば、照射部１と被検体７との間に第１および第２のハーフミラー２，３を互いに略平行に配置しており、被検光と参照光との光路長合わせを、第１および第２のハーフミラー２，３間の距離を調整することにより行うようにしている。このため、上掲の特許文献２に記載された従来のパスマッチ経路型干渉計に比べて構成が簡易であり、かつアライメント調整も容易に行うことが可能となっている。

また、被検光と参照光との光路長合わせを行うことにより、被検体７の裏面７２からの反射光が測定ノイズとなることを防止できるので、被検体７の表面７１の形状測定を高精度に行うことが可能となっている。

なお、上記実施形態では、被検体７の表面７１の形状を測定する場合を説明しているが、被検体７の裏面７２の形状や被検体７の厚みむら、被検体７の内部屈折率分布等を測定することも可能である。このような測定手法は、例えば、特開２００５−２７４２３６号公報に開示されている。

また、上記実施形態では、第１の光束分離基準平面２１を第１のハーフミラー２の照射部１側の面に設定し、第２の光束分離基準平面３１を第２のハーフミラー３の照射部１側の面に設定しているが、第１の光束分離基準平面を第１のハーフミラー２の被検体７側の面（裏面２２）に設定することや、第２の光束分離基準平面３１を第２のハーフミラー３の被検体７側の面（裏面３２）に設定することも可能である。

さらに、上記実施形態では、第１のハーフミラー２に光路長調整部４を設けているが、第２のハーフミラー３に光路長調整部４を設けるようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る光波干渉測定装置の概略構成図 被検光と参照光との光路長合わせの一例を示す図

符号の説明

１ 照射部
２ 第１のハーフミラー
３ 第２のハーフミラー
４ 光路長調整部
５ 撮像部
５Ａ 干渉縞撮像部
５Ｂ アライメントスポット撮像部
６ 画像解析制御部
７ 被検体
１１ 光源部
１２，１５，５１ コリメータレンズ
１３ 収束レンズ
１４，５２ ビームスプリッタ
２１ 第１の光束分離基準平面
２２ （第１のハーフミラーの）裏面
３１ 第２の光束分離基準平面
３２ （第２のハーフミラーの）裏面
５３，５６ 結像レンズ
５４，５７ 撮像カメラ
５５，５８ 撮像素子
６１ コンピュータ
６２ 表示装置
６３ 入力装置
７１ （被検体の）表面（被検面）
７２ （被検体の）裏面
ｎ_１ 第１のハーフミラーの屈折率
ｎ_２ 第２のハーフミラーの屈折率
Ｄ_１ 第１のハーフミラーの厚み
Ｄ_２ 第２のハーフミラーの厚み
Ｌ_１ 第１のハーフミラーと第２のハーフミラーとの距離
Ｌ_２ 第２のハーフミラーと被検体との距離

Claims (3)

1. 可干渉距離が短い低可干渉光を出力する光源部を備えた光波干渉測定装置であって、
   前記光源部からの前記低可干渉光を平面波からなる照明用光束に変換して被検体に照射する照射部と、
   前記照射部から出力された前記照明用光束の光路上に配置され、該照明用光束の一部を透過しその余を反射する第１の光束分離基準平面を有する第１のハーフミラーと、
   前記照明用光束の一部を透過しその余を反射する第２の光束分離基準平面を有し、前記照射部から出力された前記照明用光束の光路上において、前記第２の光束分離基準平面が前記第１の光束分離基準平面と略平行となるように、前記第１のハーフミラーと前記被検体との間に配置される第２のハーフミラーと、
   前記照射部から出力され前記第１のハーフミラーおよび前記第２のハーフミラーを透過して前記被検体に照射された前記照明用光束のうち、前記被検体側から反射され前記第２のハーフミラーおよび前記第１のハーフミラーを透過する被検光の光路長が、前記照射部から出力され前記第１のハーフミラーを透過した前記照明用光束のうち、前記第２の光束分離基準平面、前記第１の光束分離基準平面、および前記第２の光束分離基準平面で順次反射され、さらに前記第１のハーフミラーを透過する参照光の光路長と略一致するように、前記第１のハーフミラーと前記第２のハーフミラーとの間の相対的な距離を調整する光路長調整部と、
   前記被検光と前記参照光との干渉により得られる干渉縞画像を撮像する干渉縞撮像部と、
   を備えてなることを特徴とする光波干渉測定装置。
2. 前記照明用光束に対して、前記第１の光束分離基準平面の透過率をｔ_１、反射率をｒ_１、前記第２の光束分離基準平面の透過率をｔ_２、反射率をｒ_２、前記被検体の被検面の反射率をｒ_３とするとき、下式（１）を満足するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の光波干渉測定装置。
   ｒ_２・ｒ_１・ｒ_２≒ｔ_２・ｒ_３・ｔ_２ …… （１）
   ただし、ｒ_１＝１−ｔ_１、ｒ_２＝１−ｔ_２とする。
3. 下式（２）、（３）を満足するように構成されていることを特徴とする請求項２記載の光波干渉測定装置。
   ｒ_２≒０．５ …… （２）
   ｒ_１≒ｒ_３ …… （３）
   

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