JP2009198205A

JP2009198205A - 干渉計

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Publication number: JP2009198205A
Application number: JP2008037585A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Suzuki; 稔明鈴木
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2009-09-03

Abstract

【課題】干渉計において、構成を簡素化することができ、光軸調整後に迅速に干渉縞観察を行うことができるようにする。
【解決手段】レーザ光源２からのレーザ光Ｌ_１を参照レンズ６の参照面６ａと被検体２０の被検面２０ａとに照射し、参照面反射光Ｌ_４と被検面反射光Ｌ_３とを重畳して干渉させて干渉光束を形成し、この干渉光束の干渉縞の像を観察する干渉計１であって、干渉光束の入射方向側の表面が反射面９ｂとされ、その中心部に干渉光束を透過させる開口９ａが形成された絞り板９と、干渉光束の光路上で、絞り板９の反射面９ｂと対向して配置されたハーフミラー面８ａと、絞り板９の開口９ａを透過した光を集光する撮像レンズ１０と、撮像素子１１とを備え、撮像レンズ１０は、ハーフミラー面８ａを介して、反射面９ｂと撮像面１１ａとを共役の関係にするように設けられた構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、干渉計に関する。

従来、同一光源からの可干渉光を参照レンズの参照面と被検体の被検面とに照射し、参照面で反射された参照光と被検面で反射された測定光とを重畳して干渉させて干渉光束を形成し、この干渉光束の干渉縞の像を観察する干渉計が、種々知られている。
例えば、特許文献１には、このような干渉計の一例として、フィゾー干渉計の構成を有するレーザ干渉装置が記載されている。
このレーザ干渉装置は、レーザ光源からのレーザ光をビームスプリッタで反射させて、コリメータレンズで平行光として、基準原器に照射するとともに、基準原器を通して被検体に照射し、基準原器の参照面および被検体の被検面からの反射光をコリメータレンズで集光して、ビームスプリッタを通して半透明のスクリーンに集光させる。スクリーンの背後には、光路上に光点結像用レンズと干渉縞結像用レンズとが入れ替え可能に設けられるとともに、光点結像用レンズの焦点位置に固体撮像デバイスが設けられている。そして、光点結像用レンズによってスクリーン上の光点画像が撮像され、干渉縞結像用レンズによって、スクリーンの貫通孔を透過した光による干渉縞の像が撮像できるようになっている。
このレーザ干渉装置では、基準原器、被検体の光軸の位置関係が調整されていない場合、参照面および被検面からの反射光は、スクリーン上の貫通孔からずれた位置に別々の光点を形成する。そのため、光点結像用レンズを光路上に配置して、これらの光点を撮像し、この画像を見ながら、貫通孔に重なるように、基準原器および被検体の光軸調整を行う。そして、これら光点が貫通孔に重なったら、光点結像用レンズに代えて干渉縞結像用レンズを配置して、干渉縞画像の撮像を行い、干渉縞を観察する。
実開平３−９７６０８号公報

しかしながら、上記のような従来の干渉計には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、光軸調整時に用いる光点結像用レンズと、干渉縞を観察する干渉縞結像用レンズとを備え、これらを光路上で入れ替え可能に配置する必要がある。そのため、構成が複雑になり、部品点数が多くなってしまうという問題がある。
また、光軸調整と干渉縞の観察の間に、毎回、これらのレンズを入れ替える作業が伴うため、被検体を頻繁に代えて測定する場合に、迅速な測定を行うことができないという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、構成を簡素化することができ、光軸調整後に迅速に干渉縞観察を行うことができる干渉計を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、同一光源からの可干渉光を参照レンズの参照面と被検体の被検面とに照射し、前記参照面で反射された参照光と前記被検面で反射された測定光とを重畳して干渉させて干渉光束を形成し、該干渉光束の干渉縞の像を観察する干渉計であって、前記干渉光束の入射方向側の表面が反射面とされ、該反射面の中心部に、前記干渉光束を透過させる開口が形成された絞り板と、前記干渉光束の光路上で、前記絞り板の前記反射面と対向して配置されたハーフミラー面と、該絞り板の前記開口を透過した光を集光する集光光学系と、該集光光学系によって集光された光を撮像する撮像部とを備え、前記集光光学系は、前記ハーフミラー面を介して、前記絞り板の前記反射面と前記撮像部の撮像面とを共役の関係にするように設けられ構成とする。
この発明によれば、参照レンズの参照面と被検体の被検面との光軸が一致している場合には、干渉光束がハーフミラー面および絞り板の開口を透過して、集光光学系によって集光され、撮像部によって、干渉縞の像が撮像される。
一方、参照レンズの参照面と被検体の被検面との光軸が一致していない場合には、参照面で反射された参照光と、被検面で反射された測定光との光軸がずれるため、少なくとも一方の光は、絞り板の反射面に到達して、ハーフミラー面側に反射される成分が発生する。この反射面での反射光成分は、ハーフミラー面に到達して、一部が絞り板の開口を透過し、集光光学系によって集光される。集光光学系は、ハーフミラー面を介して、絞り板の反射面と撮像部の撮像面とを共役の関係にするように設けられているので、撮像部では、絞り板の反射面での反射光成分の像を撮像することができる。このため、撮像部を通して、絞り板の開口に対する参照光および測定光の位置ずれを観察することができる。
したがって、集光光学系を交換することなく、撮像部で撮像された画像に基づいて光軸調整時の観察と干渉縞の観察とを行うことができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の干渉計において、前記絞り板の反射面は、前記ハーフミラー面側に開いた凹面形状を備える構成とする。
この発明によれば、絞り板の反射面がハーフミラー面側に開いた凹面形状を有するため、絞り板の反射面で反射される光が、ハーフミラー面側に向かって効率よく反射され、光軸から離れる方向に反射されることで光量損失となる光を低減することができる。その結果、集光光学系に入射する光量を向上することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の干渉計において、前記参照面および前記被検面に照射される前記可干渉光と、前記干渉光束との間の光路を分岐するビームスプリッタを備え、前記ハーフミラー面は、前記ビームスプリッタの前記干渉光束の出射面に形成された構成とする。
この発明によれば、ハーフミラー面をビームスプリッタの干渉光束の出射面に形成するため、ハーフミラー面をビームスプリッタと別部材上に形成する場合に比べて簡素な構成とすることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の干渉計において、前記絞り板の反射面に前記可干渉光と異なる波長の照明光を照射する補助照明部を備え、前記絞り板は、前記反射面上に前記補助照明部からの照明光によって発光するマークが形成された構成とする。
この発明によれば、補助照明部によって、絞り板の反射面を可干渉光と異なる波長の照明光を照射することによって、マークが発光するので、反射面上での位置の識別をより容易に行うことができ、光軸調整の作業効率を向上することができる。

本発明の干渉計によれば、集光光学系によってハーフミラー面を介して、絞り板の反射面の画像を撮像することができるので、単一の集光光学系によって光軸調整時の観察および干渉縞の観察を行えるため、構成を簡素化することができ、光軸調整後に迅速に干渉縞観察を行うことができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

本発明の実施形態に係る干渉計について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る干渉計の概略構成を干渉縞観察時の光線とともに示す模式的な構成図である。図２は、本発明の実施形態に係る干渉計に用いる絞り板の図１におけるＡ視の平面図である。

本実施形態の干渉計１は、図１に示すように、被検体２０の被検面２０ａの形状を干渉縞によって観察したり、計測したりするフィゾー干渉計である。
干渉計１の概略構成は、図１に示すように、被検体保持ステージ７、レーザ光源２（光源）、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板４、コリメータレンズ５、参照レンズ６、参照レンズ移動機構１５、偏光板８、絞り板９、撮像レンズ１０（集光光学系）、撮像素子１１（撮像部）、および表示部１３からなる。
このうち、撮像素子１１、撮像レンズ１０、絞り板９、偏光板８、偏光ビームスプリッタ３（ビームスプリッタ）、１／４波長板４、コリメータレンズ５、参照レンズ６、および被検体保持ステージ７は、干渉計１の光軸Ｏに沿って、この順に配列されている。
なお、図１では、一例として、被検面２０ａが凹面の場合の例を描いているが、参照レンズ６を変更することで、凸面や平面など適宜の曲率半径を有する光学素子の干渉縞の観察、計測を行うことができる。

被検体保持ステージ７は、被検体２０を、被検面２０ａが参照レンズ６に対向する状態に保持する保持台であり、例えば送りネジやアクチュエータなどを備えるステージ移動機構１４によって支持されている。
そして、ステージ移動機構１４を手動または自動で駆動することにより、被検体２０の光軸Ｏに沿う方向の位置および光軸Ｏに対する傾斜角を調整できるようになっている。

レーザ光源２は、被検体２０および参照レンズ６に照射するコヒーレントなレーザ光Ｌ_１（可干渉光）を、発散光として発生する光源であり、偏光ビームスプリッタ３の側方に配置されている。レーザ光Ｌ_１の波長は、撮像素子１１に感度を有する波長であれば特に限定されない。
また、レーザ光源２の構成は、特に限定されないが、本実施形態では、偏光方向によって光路の分岐を行うために直線偏光のレーザダイオードを採用し、レーザ光Ｌ_１の偏光方向が図１の紙面垂直方向となるように配置している。

偏光ビームスプリッタ３は、４つの側面３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅがこの順に隣接された四角柱状部材であり、内部には、側面３ｂ、３ｃのなす稜線と側面３ｄ、３ｅのなす稜線を含む平面上に、Ｓ偏光成分を略１００％反射し、Ｐ偏光成分を略１００％透過する偏光反射率特性を有するビームスプリッタ面３ａが形成されている。
偏光ビームスプリッタ３は、側面３ｂ、３ｃが光軸Ｏに対して交差し、レーザ光源２からのレーザ光Ｌ_１が側面３ｃから入射する配置とされている。そして、レーザ光源２、ビームスプリッタ面３ａの位置関係は、側面３ｃから入射したレーザ光Ｌ_１が、ビームスプリッタ面３ａによって反射されて、光軸Ｏに沿って進むように設定されている。
ここで、レーザ光Ｌ_１は、ビームスプリッタ面３ａに対してＳ偏光の光として入射するため、ビームスプリッタ面３ａで略１００％反射され、レーザ光Ｌ_２として側面３ｄから出射される。

１／４波長板４は、レーザ光Ｌ_１の波長光に対する１／４波長板であり、この波長光に対する偏光を、直線偏光を円偏光に、円偏光を直線偏光に変換するものである。
１／４波長板４は、偏光ビームスプリッタ３の側面３ｄに対向するように配置されている。

コリメータレンズ５は、側面３ｄから出射され、１／４波長板４を透過したレーザ光Ｌ_２を平行光束にするレンズまたはレンズ群からなる光学系であり、レンズ光軸が干渉計１の光軸Ｏに一致されている。すなわち、コリメータレンズ５の焦点は、１／４波長板４、偏光ビームスプリッタ３、レーザ光源２が配列され、ビームスプリッタ面３ａによって屈曲されてなる光路上で、レーザ光源２の発光点に一致されている。
コリメータレンズ５の構成は、本実施形態では、一例として２枚のレンズからなる場合の例を図示している。

参照レンズ６は、コリメータレンズ５によって平行光束とされたレーザ光Ｌ_２を透過して被検体保持ステージ７上に保持された被検体２０の被検面２０ａに垂直入射させるとともに、被検面２０ａに対向して配置された参照面６ａにおいて一部のレーザ光Ｌ_２を反射して光路を逆進させるようにしたレンズまたはレンズ群である。
以下では、レーザ光Ｌ_２のうち、被検面２０ａで反射された光を被検面反射光Ｌ_３（測定光）、参照面６ａで反射された光を参照面反射光Ｌ_４（参照光）と称する。
参照レンズ６は、被検面２０ａの形状に応じて交換する必要があるため、不図示の保持部材によって着脱可能に保持されている。

参照レンズ移動機構１５は、参照レンズ６を不図示の保持部材を介して移動可能に保持するもので、例えば送りネジやアクチュエータなどを備え、少なくとも、光軸Ｏに対する傾きを調整できるようになっている。

偏光板８は、一定方向の偏光成分を透過させる偏光子であり、偏光ビームスプリッタ３の側面３ｂに対向して配置され、本実施形態では不図示の回転機構によって光軸Ｏ回りに回転可能に保持されている。
また、偏光板８は、絞り板９側の表面（偏光ビームスプリッタ３の側面３ｂに対向する表面と反対側の表面）に、例えば、真空蒸着などによってハーフミラーコートが施されたハーフミラー面８ａが形成されている。
一方、ハーフミラー面８ａの裏面となる偏光ビームスプリッタ３の側面３ｂに対向する表面８ｂには、反射防止コートが施されている。
ハーフミラー面８ａは、レーザ光Ｌ_１の波長光を反射光と透過光とに分割するものであり、反射率、透過率は、文字通り５０％に限定されるものではない。明るい干渉縞の映像を取得するためには、反射率よりも透過率を大きくとる方が望ましい。
ただし、後述するように、ハーフミラー面８ａでの反射光は、干渉計１の光軸調整に用いるので、光軸調整の作業性を考慮して、反射率があまり小さくなりすぎないようにする必要がある。分光特性を変えて試したところ、干渉縞映像の明るさと光軸調整の作業性とのバランスが良好となるようなハーフミラーコートの好ましい分光特性は、反射率が１０％〜２０％、透過率が９０％〜８０％であった。

絞り板９は、図１、２に示すように、偏光板８のハーフミラー面８ａに対向して配置された外径Ｄ_２を有する略円板状部材であり、ハーフミラー面８ａ側には、凹形状の反射面９ｂが形成され、反射面９ｂの中心部に設けられた開口径Ｄ_１を有する円孔からなる開口９ａが形成され、この開口９ａから厚さ方向に拡径して貫通する貫通孔９ｃが形成されている。

開口９ａは光軸Ｏ上のコリメータレンズ５の焦点位置に配置されており、これにより、絞り板９は共焦点光学系を構成している。
開口９ａの大きさは、開口９ａにおける回折の影響と撮像レンズ１０の収差を考慮すると、Ｆナンバーが１０程度となる大きさが好ましい。例えば、撮像素子１１として、１／３インチサイズのデバイスを用いる場合、撮像レンズ１０の焦点距離は、１０ｍｍ程度とすることが多いので、この場合、Ｆナンバーを１０程度にするには、開口９ａの開口径Ｄ_１を約１ｍｍとすればよい。
本実施形態では、一例として、外径Ｄ_２が１５ｍｍ、開口径Ｄ_１が１ｍｍの絞り板９を採用している。

また、本実施形態の反射面９ｂは、偏光板８を透過した光のうち、開口９ａからずれた位置に集光される光を、ハーフミラー面８ａを介することで貫通孔９ｃを通して絞り板９の裏面側に導いて撮像素子１１で観察できるようにするために設けられている。
そのため、反射面９ｂは、ある程度、散乱光が発生する反射面であれば、どのような反射面でもよい。例えば、ガラスミラーに比べて面粗さが粗い反射面や、金属を切削加工して光沢面に仕上げた反射面や、それらの面に反射膜コートを施した反射面や、滑らかな表面を塗装した反射面などを採用することができる。
本実施形態では、金属材料を切削加工して、反射率３５％程度の光沢面に仕上げたものを採用している。

反射面９ｂの曲率半径Ｒは、本実施形態では、開口９ａの中心とハーフミラー面８ａとの距離をｄ_１としたとき、距離ｄ_１の２倍に設定している。この場合、反射面９ｂで反射されてハーフミラー面８ａを介して開口９ａを透過する光路の主光線は、反射面９ｂに対して入射角０°で入射する光線になっており、反射面９ｂに対する入射角が０°近傍の光線は、反射面９ｂ上のどこに入射しても開口９ａを透過できることを意味する。したがって、光軸Ｏに対して０°に近い傾斜をなして反射面９ｂに入射する光束に関しては、反射面９ｂが鏡面であっても、開口９ａに導くことができる。

撮像レンズ１０は、絞り板９と撮像素子１１との間に光軸Ｏと同軸に配置され、絞り板９の開口９ａを透過した光を集光する集光光学系である。本実施形態では、焦点距離ｆ_ＩＭが１０ｍｍ、結像倍率βが０．２の単玉の結像レンズを採用している。
撮像素子１１は、撮像レンズ１０によって集光された光を光電変換して、撮像するものであり、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ撮像デバイスなどを採用することができる。本実施形態では、一例として、撮像素子１１には、１／３インチサイズのＣＭＯＳ撮像デバイスを採用している。
また、干渉縞のゴースト像を防止するために、撮像素子１１は、撮像面１１ａを覆うカバーガラスを設けないイメージャーのみの構成としている。そして、絞り板９、撮像レンズ１０、および撮像素子１１は、密閉構造を有する撮像ユニット筐体１２内に一体に固定されている。このため、撮像ユニット筐体１２内へのゴミなどの侵入が防止される。

撮像レンズ１０と撮像面１１ａとの位置関係は、撮像レンズ１０が、ハーフミラー面８ａを介して、反射面９ｂと撮像面１１ａとを共役の関係にするように設定される。
本実施形態では、図１に示すように、ハーフミラー面８ａと反射面９ｂとの面間距離をｄ_１、反射面９ｂと撮像レンズ１０の前側主点との距離をｄ_２、撮像レンズ１０の後側主点と撮像面１１ａとの距離をｄ_３とすると、一例として、次式の関係を満足するようにしている。

ｄ_１＝ｆ_ＩＭ／（２・β）・・・（１）
ｄ_２＝ｆ_ＩＭ・・・（２）
ｄ_３＝（１＋β）・ｆ_ＩＭ・・・（３）

本実施形態に採用している例では、ｆ_ＩＭ＝１０（ｍｍ）、β＝０．２であるから、ｄ_１＝２５（ｍｍ）、ｄ_２＝１０（ｍｍ）、ｄ_３＝１２（ｍｍ）となっている。
本実施形態では、上記の式（２）の条件を満足するので、開口９ａの中心からの発散光は、撮像レンズ１０によって平行光とされる。
ただし、式（２）の条件は、ハーフミラー面８ａを介して、反射面９ｂと撮像面１１ａとを共役の関係にするための必須の要件ではなく、開口９ａの中心からの発散光は、撮像レンズ１０によって集光されることで、収束光、発散光のいずれとなっていてもよい。

表示部１３は、撮像素子１１に電気的に接続され、撮像素子１１によって撮像された映像を、表示画面１３ａに表示するモニタである。

次に、本実施形態の干渉計１の動作について説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る干渉計を用いた光軸調整時および干渉縞観察時の光線の様子を示す光線図である。図４は、本発明の実施形態に係る干渉計による光軸調整時の初期の表示画面の様子を示す模式図である。図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る干渉計による光軸調整中の表示画面の様子を示す模式図である。

干渉計１によって、被検体２０の被検面２０ａの干渉縞観察を行うには、まず、被検体２０を被検面２０ａの光軸が、干渉計１の光軸Ｏに略一致するように、被検体保持ステージ７に保持させる。また、被検面２０ａの干渉縞観察を行うための参照レンズ６を選択して、不図示の保持部材に装着する。
そして、被検体２０の被検面２０ａの光軸、および参照レンズ６の参照面６ａの光軸を、干渉計１の光軸Ｏに一致させる光軸調整を行い、その後、干渉縞観察を行う。
すなわち、被検体２０、参照レンズ６を機械的に位置決めして装着した状態では、一般には、光軸Ｏに対して、それぞれの光軸がわずかに傾斜しており、干渉縞を観察できない状態になっている。図３に、被検面２０ａの光軸が光軸Ｏに対して傾斜している場合の光線の一例を実線で示す。

まず、レーザ光源２を点灯して、偏光ビームスプリッタ３に向けてレーザ光Ｌ_１を出射する。
レーザ光Ｌ_１は、偏光ビームスプリッタ３の側面３ｃに入射して、ビームスプリッタ面３ａに到達する。レーザ光Ｌ_１は、ビームスプリッタ面３ａに対してＳ偏光となっているので、レーザ光Ｌ_１は、ビームスプリッタ面３ａで略１００％反射され、レーザ光Ｌ_２として、光軸Ｏ上を進み、側面３ｄから出射されて、１／４波長板４を透過する。
レーザ光Ｌ_２は、１／４波長板４において直線偏光から円偏光に変換される。本実施形態では、進行方向に対して時計回りの円偏光となる。
１／４波長板４を透過して、コリメータレンズ５に入射したレーザ光Ｌ_２は、平行光束として出射され、参照レンズ６に入射する。

参照レンズ６の内部では、レーザ光Ｌ_２が、参照レンズ６の各レンズ面の屈折作用を受けて屈折して進み、参照面６ａにおいて、被検面２０ａに垂直入射する方向に向かって出射される。
ただし、参照面６ａでは、参照面６ａの反射率に応じて、レーザ光Ｌ_２の一部が、参照面反射光Ｌ_４として反射され、コリメータレンズ５側に向かって参照レンズ６内を逆行する。参照面反射光Ｌ_４の光路については後述する。

参照面６ａを透過したレーザ光Ｌ_２は、被検面２０ａに入射して、被検面反射光Ｌ_３として反射されるが、このとき、参照面６ａ、被検面２０ａがともに光軸調整されている状態では、被検面２０ａに対して入射角０°で入射するため、入射時の光路を正確に逆進して進む反射光となる。
以下では、被検面２０ａが傾斜している場合の光路（図３の実線参照）について説明する。

被検面２０ａが傾斜した状態で反射された被検面反射光Ｌ_３は、参照レンズ６に入射して平行光とされてから、コリメータレンズ５に入射し、コリメータレンズ５の焦点面で結像されるべく集光されつつ光路を逆行する。ただし、被検面反射光Ｌ_３の反射方向は、光軸Ｏに対する被検面２０ａの光軸の傾斜角の２倍分だけ、光軸Ｏからずれることになる。
また、被検面反射光Ｌ_３は、被検面２０ａへの入射時と円偏光の回転方向が逆転し、進行方向に対して反時計回りの円偏光となっている。このため、被検面反射光Ｌ_３は、参照レンズ６、コリメータレンズ５を透過して、１／４波長板４を透過すると、ビームスプリッタ面３ａに対するＰ偏光に変換され、ビームスプリッタ面３ａを略１００％透過して、側面３ｂから偏光板８に向かって出射される。

ここで、偏光板８は、特定方向の偏光成分のみを透過させるため、偏光板８が選択する偏光方向がＰ偏光であれば、ハーフミラー面８ａの透過率に応じて透過し、Ｓ偏光であれば、透過率が０％となる。このため、偏光板８の回転位置を変えることで、偏光板８を透過する被検面反射光Ｌ_３の光量を調整することができる。
なお、偏光板８の表面８ｂには、反射防止コートが施されているため、表面８ｂで略１００％透過する。このため、干渉縞観察のノイズ光となる表面８ｂでの再反射光を抑制することができる。

偏光板８を透過した被検面反射光Ｌ_３はさらに集光され、コリメータレンズ５の焦点面上の軸外の位置に結像される。このため、被検面２０ａの傾きが非常に小さい場合には、開口９ａを透過するものの、ある程度の大きさの傾きでは、反射面９ｂ上に入射し、反射面９ｂによって絞り板反射光Ｌ_５として反射されることになる。
ここで、予め被検体保持ステージ７の傾斜をステージ移動機構１４によって粗調整しておけば、被検体２０を被検体保持ステージ７に保持した状態でも、被検面反射光Ｌ_３が反射面９ｂからはみ出ることなく結像されるようにすることができる。
本実施形態の場合、コリメータレンズ５の焦点距離をｆ_ＣＯとすると、外径Ｄ_２の反射面９ｂの範囲内に結像されるのは、光軸Ｏに対する傾斜角θが次式を満足する範囲となる。

θ≦ｔａｎ^−１｛Ｄ_２／（４・ｆ_ＣＯ）｝・・・（４）

本実施形態に採用している例では、Ｄ_２＝１５（ｍｍ）だから、ｆ_ＣＯが、１００ｍｍ〜３００ｍｍに対応して、θは、２．１°〜０．７２°となり、光軸調整の初期傾斜角の範囲としては、十分な大きさとなる。
また、このように反射面９ｂに被検面反射光Ｌ_３が結像される範囲では、傾斜角θが０°に近くなっているため、被検面反射光Ｌ_３は、反射面９ｂに対して垂直入射に近い状態となる。

本実施形態では、反射面９ｂは、鏡面ではないため、絞り板反射光Ｌ_５は、主光線の回りにある程度広がりを有する拡散光束として進み、ハーフミラー面８ａに入射し、ハーフミラー面８ａの反射率に応じた分だけ絞り板９側に反射される。このため、絞り板反射光Ｌ_５の一部が、開口９ａを透過して撮像レンズ１０に入射し、撮像面１１ａに結像される。

絞り板９、ハーフミラー面８ａ、撮像レンズ１０、撮像素子１１の位置関係は、上記の式（１）、（２）、（３）の関係を満足するため、撮像レンズ１０によってハーフミラー面８ａを介して、反射面９ｂと撮像面１１ａとが共役の関係にある。その結果、撮像面１１ａ上には、反射面９ｂ上の光点の像が倍率βだけ変倍されて撮像され、この像が光電変換されて表示部１３の表示画面１３ａ上に表示される。
図４に表示画面１３ａの一例を示す。ここで、模式的に表した光点像Ｐは、被検面反射光Ｌ_３による反射面９ｂ上の光点の画像に対応する。

また、本実施形態では、反射面９ｂの曲率半径ＲをＲ＝２・ｄ_１とするので、反射面９ｂ上で垂直入射に近い状態で入射した被検面反射光Ｌ_３は反射面９ｂ上のどこに入射しても、反射面９ｂおよびハーフミラー面８ａで反射された絞り板反射光Ｌ_５の主光線は、開口９ａ上、または開口９ａの近傍に到達する。
このため、曲率半径をより大きくしたり、平面にしたりする場合に比べて、開口９ａに到達する光量が増大し、より明るい光点像Ｐを観察することができる。
また、反射面９ｂの散乱度合いをより低減し、鏡面もしくは鏡面に近い反射面にすることが可能となり、さらに光点像Ｐを明るく観察することができる。

次に、参照面６ａで反射された参照面反射光Ｌ_４の光路について説明する。なお、図３では見易さのため参照面６ａを傾斜させた場合の光線を省略しているが、本質的に同じことなので、参照面６ａを透過後の被検面反射光Ｌ_３の光線が、参照面反射光Ｌ_４の表示も兼用しているものとして説明する。

参照面反射光Ｌ_４は、参照面６ａが光軸調整されていない状態では、参照レンズ６内の光路を逆行し平行光とされてから、コリメータレンズ５に入射し、コリメータレンズ５の焦点面で結像されるべく集光されつつ光路を逆行する。ただし、参照面反射光Ｌ_４の反射方向は、光軸Ｏに対する参照面６ａの光軸の傾斜角の２倍分だけ、光軸Ｏからずれることになる。
また、参照面反射光Ｌ_４は、被検面反射光Ｌ_３と同様に、参照面６ａへの入射時と円偏光の回転方向が逆転し、進行方向に対して反時計回りの円偏光となっている。このため、参照面反射光Ｌ_４は、参照レンズ６の内部、コリメータレンズ５を透過して、１／４波長板４を透過すると、ビームスプリッタ面３ａに対するＰ偏光に変換され、ビームスプリッタ面３ａを略１００％透過して、側面３ｂから偏光板８に向かって出射される。
そして、被検面反射光Ｌ_３とまったく同様に、偏光板８を透過して光量が調整され、偏光板８を透過した参照面反射光Ｌ_４はさらに集光され、コリメータレンズ５の焦点面上の軸外の位置に結像される。このため、参照面６ａの傾きが非常に小さい場合には、開口９ａを透過するものの、ある程度の大きさの傾きでは、反射面９ｂ上に入射し、反射面９ｂによって絞り板反射光Ｌ_６としてハーフミラー面８ａ側に反射されることになる。

絞り板反射光Ｌ_６は、参照面６ａおよび被検面２０ａの傾斜角の差による結像位置の差を除けば、絞り板反射光Ｌ_５と同様にハーフミラー面８ａで反射され、その一部が、開口９ａを透過して、撮像面１１ａ上に結像される。
これにより、図４に示すように、表示画面１３ａ上には、参照面反射光Ｌ_４による反射面９ｂ上の光点の画像に対応する光点像Ｑが表示される。

このように本実施形態では、参照面６ａ、被検面２０ａの光軸が、干渉計１の光軸Ｏに対して傾斜している場合、表示部１３の表示画面１３ａにおいて、傾斜角の大きさに応じて開口９ａからずれた位置に光点像Ｐ、Ｑが表示される。
そこで、操作者は、以下のようにして光軸調整を行う。
まず、表示部１３の表示画面１３ａを見ながら参照レンズ移動機構１５を操作して、参照レンズ６の光軸の傾斜を変化させ、光点像Ｑを表示画面１３ａ上で、開口９ａの範囲内に移動させる。
これにより、参照面６ａの光軸が光軸Ｏと一致され、参照面反射光Ｌ_４は、参照面６ａに対して入射角０°で入射するため、入射時の光路を正確に逆進して進む反射光となる。
そして、図１に示すように、偏光板８によって光量が調整された直線偏光光として、開口９ａ内で結像され、拡散しつつ貫通孔９ｃを透過し、撮像レンズ１０で集光され、撮像面１１ａ上で広範囲に広がる円状のスポットが投影される。
このため、表示画面１３ａには、図５（ａ）に示すように、開口９ａを中心とする円状のスポット像ｑが現れる。

次に、表示部１３の表示画面１３ａを見ながら、光点像Ｐが表示画面１３ａ上で開口９ａの内側に移動するように、ステージ移動機構１４によって被検体保持ステージ７を移動させ、被検面２０ａの光軸の傾斜を変化させる。
これにより、被検面２０ａの光軸が光軸Ｏと一致され、被検面反射光Ｌ_３は、被検面２０ａに対して入射角０°で入射するため、入射時の光路を正確に逆進して進む反射光となる。
参照面６ａを透過した後の被検面反射光Ｌ_３は、参照面反射光Ｌ_４と重畳する範囲において、参照面６ａと被検面２０ａとの間の形状誤差などに基づく光路長差に応じて干渉を起こす干渉光束を構成している。
そのため、被検面反射光Ｌ_３が、開口９ａに一部でも入射すると、図５（ｂ）に示すように、表示画面１３ａ上でスポット像ｑと同様に被検面反射光Ｌ_３によるスポット像ｐが現れ、スポット像ｑ、ｐが重なる部分で、干渉縞１６が現れる。
さらに、光軸調整を続けて、スポット像ｑ、ｐとが重なるようにする。これにより、スポット像ｑ、ｐの全域で、干渉縞１６を観察することができる。
以上で、光軸調整が終了する。

次に、操作者は、ステージ移動機構１４によって被検体保持ステージ７を駆動し、被検面２０ａを光軸Ｏに沿って移動させ、最も良好な干渉縞１６が得られるように調整する。これにより干渉縞１６を観察することができる。また、例えば、フリンジスキャン法などによって複数の干渉縞１６の画像を取得し、画像処理演算を行って、被検面２０ａの形状を測定することができる。

このように、本実施形態の干渉計１によれば、撮像レンズ１０によってハーフミラー面８ａを介して、絞り板９の反射面９ｂの画像を撮像することができるので、撮像レンズ１０を交換したりすることなく、単一の撮像レンズ１０によって光軸調整時の観察および干渉縞の観察を行うことができる。このため、光軸調整時と干渉縞観察時とで撮像レンズを切り替える従来の干渉計に比べて、構成を簡素化することができる。
また、表示部１３の画像を見ながら光軸調整を行い、光軸調整終了とともに表示部１３上に干渉縞１６を表示させることができるので、光軸調整と干渉縞観察とをシームレスに行うことができる。干渉縞の観察、測定を迅速かつ円滑に行うことができる。
また、干渉縞観察中に、何らかの原因で、光軸が狂った場合、干渉縞１６が消えると同時に、光点像ＰあるいはＱが現れて、光軸調整に移行することができるので、迅速に調整状態を戻すことが可能となる。

また、撮像レンズ１０を絞り板９、撮像素子１１に対して固定して配置することができるため、撮像ユニット筐体１２内に、撮像レンズ１０を移動させるための可動部を設けなくてもよい。これにより、可動部の機械的な磨耗によって故障することもなく、撮像光学系を密閉構造にすることができる。この結果、外部から進入するほこり、もしくは、可動部の摩滅で生じた粉塵が撮像素子に付着して、画質が悪くなるといった不具合を防止することができる。
このように撮像ユニット筐体１２を密閉構造とすることで、本実施形態のように、カバーガラスのない撮像素子１１を採用することができる。この結果、カバーガラスに起因するノイズ光の発生を防止して、高画質な干渉縞画像を観察することが可能となる。

次に、本発明の実施形態の第１変形例に係る干渉計について説明する。
図６は、本発明の実施形態の第１変形例に係る干渉計の概略構成および光路を示す模式的な光線図である。

本変形例の干渉計１Ａは、図６に示すように、上記実施形態の干渉計１から偏光板８を削除するとともに、偏光ビームスプリッタ３に代えて偏光ビームスプリッタ３Ａを備えるものである。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
偏光ビームスプリッタ３Ａは、偏光ビームスプリッタ３の側面３ｂ上に、上記実施形態の偏光板８と同様のハーフミラー面８ａを形成したものである。
このように、ハーフミラー面８ａは、干渉光束の光路上で、絞り板９の開口９ａと対向する位置であれば、配置位置やハーフミラー面８ａを形成する部材は、特に限定されない。
本変形例は、例えば、撮像素子１１のダイナミックレンジが広いなど、偏光板８による明るさ調整機能が不要となる場合に好適な構成である。

本変形例によれば、ハーフミラー面８ａを偏光ビームスプリッタ３の側面３ｂに形成しているため、部品点数を削減することができ、構成を簡素化することができる。ハーフミラー面８ａ、絞り板９、撮像レンズ１０、撮像素子１１の位置関係は、上記実施形態と同様であるため、上記実施形態と同様にして、光軸調整および干渉縞の観察を行うことができる。

次に、本発明の実施形態の第２変形例に係る干渉計について説明する。
図７（ａ）は、本発明の実施形態の第２変形例に係る干渉計の概略構成および光路を部分的に示す模式的な光線図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）におけるＢ視の側面図である。図８は、本発明の実施形態の第２変形例に係る干渉計による光軸調整時の表示画面の一例を示す模式図である。

本変形例の干渉計１Ｂは、図７（ａ）に示すように、上記第２変形例の干渉計１Ａにおいて、絞り板９に代えて絞り板９Ｂを備え、さらに紫外線ＬＥＤ１７（補助照明部）を追加したものである。以下、上記実施形態および第１変形例と異なる点を中心に説明する。
絞り板９Ｂは、上記実施形態の絞り板９の反射面９ｂ上に、図７（ｂ）に示すような、マーク９ｄ、９ｅを設けたものである。

マーク９ｄ、９ｅは、いずれも反射面９ｂ上にスジ彫りしておき、彫られたスジ上に、紫外線を励起光として可視光を発光する蛍光塗料を刷り込んで形成されている。
マーク９ｄの形状は、開口９ａの中心を通る十字線を形成する４本の直線からなる。これにより、マーク９ｄの発光時に、反射面９ｂにおける開口９ａの中心を原点とする座標軸が形成され、開口９ａ上での周方向の位置関係および反射面９ｂ上の方向を表示画面１３ａ上で容易に識別できるようになる。
マーク９ｅの形状は、開口９ａの近傍に設けられた開口９ａの同心円である。これにより、マーク９ｅの発光時に、開口９ａの位置や大きさを表示画面１３ａ上で容易に識別できるようになる。

紫外線ＬＥＤ１７は、マーク９ｄ、９ｅを発光させるための紫外線を照射するＬＥＤを用いた紫外線光源であり、光軸Ｏの側方から、反射面９ｂの前面を照射することができるように配置されている。
紫外線ＬＥＤ１７は、不図示のスイッチにより操作者が必要に応じて点灯、消灯できるようになっている。

本変形例によれば、紫外線ＬＥＤ１７を点灯することで、撮像素子１１に感度がない紫外線を照射してマーク９ｄ、９ｅを発光させることができるので、図８に示すように、反射面９ｂが暗くて、表示画面１３ａ上で開口９ａの画像がはっきりしない場合でも、マーク９ｄ、９ｅ以外の反射面９ｂの画像輝度を増大させることなく、開口９ａに対する光点像Ｐ、Ｑの位置を容易に識別できる。これにより光軸調整の作業性を向上させることができる。
また、光点像Ｐ、Ｑの光量が低い場合でも、容易に光軸調整を行うことができる。

次に、本発明の実施形態の第３変形例に係る干渉計について説明する。
図９は、本発明の実施形態の第３変形例に係る干渉計に用いる表示部の概略構成を示す模式的な斜視分解図である。

本変形例の干渉計１Ｃは、図１に示すように、上記実施形態の干渉計１において、表示部１３に代えて、表示部１３Ｃを備えるものである。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
表示部１３Ｃは、表示部１３の表示画面１３ａにマーク付きシート１８を貼り付けたものである。
マーク付きシート１８は、表示画面１３ａ上で、開口９ａの中心となるべき位置で直交する２本の直線からなるマーク１８ａが印刷され、表示画面１３ａの表面に密着して貼り付け可能とされた合成樹脂フィルムである。

本変形例によれば、反射面９ｂが暗くて、表示画面１３ａ上で開口９ａの画像がはっきりしない場合でも、開口９ａに対する光点像Ｐ、Ｑの位置を容易に識別できる。これにより光軸調整の作業性を向上させることができる。
また、光点像Ｐ、Ｑの光量が低い場合でも、容易に光軸調整を行うことができる。

なお、上記の説明では、干渉計の例として、フィゾー干渉計の例で説明したが、干渉計の種類は、これに限定されるものではなく、例えば、トワイマン干渉計など他の種類の干渉計であってもよい。

また、上記の説明では、絞り板の反射面が、散乱光を発生させる反射面からなり、かつ凹面形状の場合の例で説明したが、反射面は、反射面に入射された可干渉光の光点をハーフミラー面の反射によって絞り板の開口を介して撮像素子１１で画像を観察できるものであれば、散乱光を発生させない鏡面であってもよいし、形状も平面や凸面であってもよい。
また、絞り板の反射面は、絞り板の表面の全体に設けられている必要はなく、光軸調整を行うために必要な開口周辺の領域に設けられていればよい。

また、上記第２変形例の説明では、補助照明部の照明光が撮像部に感度を有しない波長光である場合の例で説明したが、絞り板の反射面に到達する被検面の反射光および参照面の反射光が、背景から識別できれば、撮像部に感度を有する波長光を用いてもよい。例えば、照明光が可視光であっても、反射光に比べて十分輝度が低い場合や、反射面に照射したときの色が反射光と異なっている場合には、反射光と背景との識別は可能である。
また、このような照明光によって、絞り板の開口が識別できる場合には、補助照明部のみを設け、発光するマークを設けない構成としてもよい。

また、上記第３変形例の説明では、マーク付きシート１８を表示部１３に貼り付けた場合の例で説明したが、例えば、表示部１３がパソコンなどに接続されている場合には、マーク付きシート１８に代えて、パソコンで生成したマーク画像を、表示画面１３ａ上に撮像素子１１からの映像と重ね合わせて表示させてもよい。

また、上記の実施形態、各変形例で説明した構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施することができる。

本発明の実施形態に係る干渉計の概略構成を干渉縞観察時の光線とともに示す模式的な構成図である。本発明の実施形態に係る干渉計に用いる絞り板の図１におけるＡ視の平面図である。本発明の実施形態に係る干渉計を用いた光軸調整時および干渉縞観察時の光線の様子を示す光線図である。本発明の実施形態に係る干渉計による光軸調整時の初期の表示画面の様子を示す模式図である。本発明の実施形態に係る干渉計による光軸調整中の表示画面の様子を示す模式図である。本発明の実施形態の第１変形例に係る干渉計の概略構成および光路を示す模式的な光線図である。本発明の実施形態の第２変形例に係る干渉計の概略構成および光路を部分的に示す模式的な光線図、およびそのＢ視の側面図である。本発明の実施形態の第２変形例に係る干渉計による光軸調整時の表示画面の一例を示す模式図である。本発明の実施形態の第３変形例に係る干渉計に用いる表示部の概略構成を示す模式的な斜視分解図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ干渉計
２レーザ光源（光源）
３、３Ａ偏光ビームスプリッタ（ビームスプリッタ）
３ｂ側面
５コリメータレンズ
６参照レンズ
６ａ参照面
８偏光板
８ａハーフミラー面
９絞り板
９ａ開口
９ｂ反射面
９ｄ、９ｅ、１８ａマーク
１０撮像レンズ（集光光学系）
１１撮像素子（撮像部）
１１ａ撮像面
１３、１３Ｃ表示部
１３ａ表示画面
１４ステージ移動機構
１５参照レンズ移動機構
１６干渉縞
１７紫外線ＬＥＤ（補助照明部）
１８マーク付きシート
２０被検体
２０ａ被検面
Ｌ_１、Ｌ_２レーザ光（可干渉光）
Ｌ_３被検面反射光（測定光）
Ｌ_４参照面反射光（参照光）
Ｏ光軸
Ｐ、Ｑ光点像
ｐ、ｑスポット像
Ｌ_５、Ｌ_６絞り板反射光

Claims

同一光源からの可干渉光を参照レンズの参照面と被検体の被検面とに照射し、前記参照面で反射された参照光と前記被検面で反射された測定光とを重畳して干渉させて干渉光束を形成し、該干渉光束の干渉縞の像を観察する干渉計であって、
前記干渉光束の入射方向側の表面が反射面とされ、該反射面の中心部に、前記干渉光束を透過させる開口が形成された絞り板と、
前記干渉光束の光路上で、前記絞り板の前記反射面と対向して配置されたハーフミラー面と、
該絞り板の前記開口を透過した光を集光する集光光学系と、
該集光光学系によって集光された光を撮像する撮像部とを備え、
前記集光光学系は、前記ハーフミラー面を介して、前記絞り板の前記反射面と前記撮像部の撮像面とを共役の関係にするように設けられたことを特徴とする干渉計。
前記絞り板の反射面は、
前記ハーフミラー面側に開いた凹面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
前記参照面および前記被検面に照射される前記可干渉光と、前記干渉光束との間の光路を分岐するビームスプリッタを備え、
前記ハーフミラー面は、前記ビームスプリッタの前記干渉光束の出射面に形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の干渉計。
前記絞り板の反射面に前記可干渉光と異なる波長の照明光を照射する補助照明部を備え、
前記絞り板は、前記反射面上に前記補助照明部からの照明光によって発光するマークが形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の干渉計。