JP2010025732A - 斜入射干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を大型化することなく測定範囲を拡大できる斜入射干渉計を提供する。
【解決手段】測定対象物Wに対して斜め方向から可干渉光を照射する光源１１と、光源１１からの可干渉光を平行光にする平行光化部１２と、平行光化部１２からの平行光を測定光と参照光とに分割する光束分割部１４と、測定対象物Wで反射された測定光と参照光とを合成する光束合成部１５と、測定対象物Wの表面形状を表す干渉縞を撮像する撮像部１７と、を備えた斜入射干渉計１において、測定対象物Wにおける光の測定範囲を、当該測定範囲の短軸方向に拡大させる測定範囲拡大手段１０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、斜入射干渉計に関する。

従来、測定対象物の被測定面に対して斜め方向から可干渉光を照射して、被測定面から反射された測定光を参照光と干渉させて干渉縞を発生させ、この干渉縞を解析して被測定面の形状を測定する斜入射干渉計が知られている。

図１０は、このような斜入射干渉計の概略構成図である。図１０に示すように、斜入射干渉計１００は、光源１０１、レンズ１０２、コリメートレンズ１０３、光束分割素子１０４、光束合成素子１０５、レンズ１０６、及び撮像素子１０７を備えて構成される。
光源１０１から照射された光は、レンズ１０２、コリメートレンズ１０３を介して光束分割部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W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Wからの反射光と、光束分割部１０４により分割されたもう一方の光束と、を光束合成部１０５により合成させる。この合成された光束は、レンズ１０６を介して撮像素子１０７に送り込まれ、撮像部１０７上にて干渉縞画像として撮像される。

図１１は、上記斜入射干渉計１００の測定範囲を示す図である。図１１においては、測定対象物Wの被測定面Ｈの法線に対してθの角度でレーザ光束（ビーム径：ｄｘ）が斜入射される場合を想定している。この場合、被測定面Ｈの測定範囲は、当該測定範囲の長軸方向（図１１におけるＸ方向）に１／ｃｏｓθだけ引き伸ばされた楕円形状の照射領域となる。つまり、測定領域（Ｄｘ，Ｄｙ）は、Ｄｘ＝ｄｘ／ｃｏｓθ、Ｄｙ＝ｄｘ、となる。従って、斜入射干渉計の測定範囲の長軸方向については、レーザ光束の入射角θに応じて拡大されることとなる。
特開２００８−３２６９０号公報

しかしながら、上記のような斜入射干渉計の場合、短軸方向の測定領域（図１１におけるＹ方向）は入射角θが変化しても変化しない。このため、測定範囲を短軸方向にも拡大させるためには、より径の大きいコリメート光束を作るために、光源からの距離を長くしてより大口径のコリメートレンズを設置する必要があり、よって、装置が大型化するという問題があった。

本発明の課題は、装置を大型化することなく測定範囲をその短軸方向にも拡大できる斜入射干渉計を提供することである。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
測定対象物に対して斜め方向から可干渉光を照射する光源と、
前記光源からの可干渉光を平行光にする平行光化部と、
前記平行光化部からの平行光を測定光と参照光とに分割する光束分割部と、
前記測定対象物で反射された測定光と参照光とを合成する光束合成部と、
前記測定対象物の表面形状を表す干渉縞を撮像する撮像部と、を備えた斜入射干渉計において、
前記測定対象物における光の測定範囲を、当該測定範囲の短軸方向に拡大させる測定範囲拡大手段を備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の斜入射干渉計において、
前記測定範囲拡大手段は、
前記平行光化部と前記光束分割部との間に配置され、前記光源からの可干渉光を透過させて当該可干渉光の進行方向を平行移動させる光路シフト部材と、
前記光路シフト部材を回動させる駆動部と、
前記光路シフト部材を連続的に回動駆動させることにより、前記測定対象物上の照射領域を当該照射領域の短軸方向に連続的に平行移動させ、連続的に平行移動する前記照射領域の干渉縞を前記撮像部により前記光路シフト部材の移動周期よりも長い時間積分受光させる制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の斜入射干渉計において、
前記駆動部は、前記光路シフト部材を所定角度往復回動駆動させることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の斜入射干渉計において、
前記駆動部は、前記光路シフト部材を一方向に連続回転させることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の斜入射干渉計において、
前記光路シフト部材の回転角に応じて開閉されるシャッタを備え、
前記制御手段は、前記シャッタの開閉を制御して、連続的に平行移動する前記照射領域の干渉縞を前記撮像部に選択的に積分受光させることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の斜入射干渉計において、
前記測定範囲拡大手段は、
前記平行光化部と前記光束分割部との間に配置され、前記光源からの可干渉光を透過させて当該可干渉光の径の一方向のみを拡大させる光束径拡大部材であることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の斜入射干渉計において、
前記光束径拡大部材は、アナモルフィックプリズムであることを特徴とする。

本発明によれば、測定対象物に対して斜め方向から光を照射する斜入射干渉計において、
測定範囲拡大手段を備えることにより測定対象物上の光の測定範囲を当該測定範囲の短軸方向にも拡大させることができるため、装置を大型化することなく測定範囲を拡大することができる。

以下、本発明に係る斜入射干渉計について、図面を用いて具体的な態様を説明する。

［実施形態１］
図１は、実施形態１の斜入射干渉計１の概略構成図であり、図２は、斜入射干渉計１の測定範囲拡大手段１０を示すブロック図である。また、図３は、光路シフト部材１３の拡大図である。
なお、以下の説明において、斜入射干渉計１における測定対象物Ｗの被測定面Ｈに対して略垂直な方向をＺ方向とし、Ｚ方向と直交する２方向をＸ、Ｙ方向とする。

図１、２に示すように、斜入射干渉計１は、光源１１、平行光化部１２、光路シフト部材１３、光束分割部１４、光束合成部１５、レンズ１６、撮像部１７、及び制御部１８等を備えて構成されている。

また、斜入射干渉計１は、測定対象物Wにおける光の測定範囲を、当該測定範囲の短軸方向に拡大させる測定範囲拡大手段１０を備えており、この測定範囲拡大手段１０は、光路シフト部材１３、駆動部１３１、撮像部１７、及び制御部１８等から構成されている。

光源１１は、測定対象物Wに対して斜め方向からレーザ等の可干渉光を照射するものである。光源１１としては、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等、良好な可干渉性を有するレーザ光を出力するレーザ光源が使用可能である。
光源１１から出射された光は、光ファイバ１１ａを介しておよそＮ．Ａ．０．１で広がって平行光化部１２に入射される。

平行光化部１２は、例えば、コリメートレンズであり、光源１１からの 可干渉光をビーム径がより大きな平行光とする。
すなわち、光源１１から照射された光は、平行光化部１２によって平行光とされた後、光路シフト部材１３（後述）を介して光束分割部１４に入射される。

光束分割部１４は、平行光化部１２から光路シフト部材１３を透過して入射された平行光を、２つの光束に分割する。光束分割部１４は、例えば、ビームスプリッタや回折格子などを用いることができる。
光束分割部１４により分割された２つの光のうち、一方は測定対象物Wの被測定面Ｈに照射する。この光を測定光とする。測定光は被測定面Ｈで反射され、光束合成部１５に入射する。
また、光束分割部１４により分割された２つの光のうち、他方は光束合成部１５に入射する。この光を測定の基準となる参照光とする。

光路シフト部材１３は、平行光化部１２と光束分割部１４との間の光路に設置され、例えば、平行平面状の光学ガラスからなる。光路シフト部材１３は、その一端に回動軸１３２、及び回動軸１３２を回動させる駆動部１３１を備えている。光路シフト部材１３は、回動軸１３２の回動に連動して連続的に所定角度往復回動駆動する。
そして、平行光化部１２から光路シフト部材１３に入射した平行光は、連続的に往復回動駆動する光路シフト部材１３を透過することでその光路が周期的に屈折されるため、測定対象物W上に照射される測定光の照射領域は当該照射領域の短軸方向に周期的にシフト量Ｓだけ平行移動するようになっている。即ち、光路シフト部材１３は、光源１１からの可干渉光を透過させて当該可干渉光の進行方向を平行移動させる。

駆動部１３１は、例えば、ガルバノメータやモータなどであり、制御部１８からの制御信号に基づいて回動駆動されて、光路シフト部材１３を所定角度だけ往復回動駆動させる。

図４は、光路シフト部材１３と測定対象物W上の照射領域との関係を示す図である。なお、図４では、光束分割部１４及び光束合成部１５は省略する。
図４に示すように、光路シフト部材１３の入射面１３ａに対して平行光化部１２からの光（ビーム径：ｄｘ）が入射角０°で入射した場合、光は直進して光束分割部１４で分割され、測定光は測定対象物Wの位置P１に照射され、撮像部１７の撮像面１７ａ上の位置ｐ１にて干渉縞画像として撮像される。
一方、光路シフト部材１３が角度θ゜回動して入射面１３ａに対して平行光化部１２からの光が入射角θ°で入射した場合、光は光路シフト部材１３への入射時・出射時に屈折しシフト量ＳだけＹ方向に平行移動する。平行移動して光路シフト部材１３から出射した光は、光束分割部１４で分割され、測定光は測定対象物Wの位置P２に照射され、撮像部１７の撮像面１７ａ上の位置ｐ２にて干渉縞画像として撮像される。

ここで、シフト量Ｓの算出方法について詳述する。
図５は、光路シフト部材１３に入射角をθで光が入射した状態を示す図である。なお、光路シフト部材１３の屈折率をｎ、厚みをｔとする。
図５に示すように、光路シフト部材１３に入射する入射光と、光路シフト部材１３を透過した透過光とは、sinθ＝ｎsinθ’（スネルの法則）が成り立つ。従って、透過光は入射光に対し下記式（１）で表されるシフト量Ｓだけ平行移動することとなる。

図６は、光路シフト部材１３の厚みｔ、入射角θ、及びシフト量Ｓの関係を示すグラフである。図６において、縦軸はシフト量（ｍｍ）を示し、横軸は入射角（ｄｅｇ）を示している。なお、図６のデータを測定するにあたり、屈折率は、一般的なガラスの屈折率であるｎ＝１．５を用いた。また、出射時の臨界角のため４１°を超えて入射させることはできない。
図６から、入射角θが増加するにつれてシフト量Ｓが増加することがわかる。また、入射角θが同一の場合、厚さｔが増加するにつれてシフト量Ｓが増加することがわかる。
例えば、入射角θが３０°の場合、シフト量Ｓは、ｔ＝１０ｍｍのとき約１．９ｍｍ、ｔ＝２０ｍｍのとき約３．８ｍｍ、ｔ＝３０ｍｍのとき約５．８ｍｍとなる。
他の角度でも同様に厚さｔが増すにつれてシフト量Ｓが増加する。

光束合成部１５は、被測定面Ｈで反射された測定光と参照光とを合成する。光束合成部１５は、例えば、光束分割部１４と同様にビームスプリッタなどで構成されており、測定光と参照光とを合成し干渉縞を発生させる。

光束合成部１５により合成されて発生した干渉縞はレンズ１６で結像され、測定対象物Wの表面形状を表す干渉縞を撮像部１７により撮像される。
具体的に、撮像部１７は、連続的に平行移動する照射領域の干渉縞を、光路シフト部材１３の移動周期よりも長い時間で積分受光するようになっている。

制御部１８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ（Random Access Memory）（いずれも図示せず）等を備えている。制御部１８は、図２に示すように、駆動部１３１、撮像部１７、等と接続されている。
制御部１８のＲＯＭには、駆動部１３１や撮像部１７を制御するための制御プログラム及び各種処理プログラムが記憶されており、ＣＰＵは、この制御プログラム及び各種処理プログラムとの協働により駆動部１３１や撮像部１７の動作を統括的に制御する。

例えば、制御部１８は、光路シフト部材１３を連続的に回動駆動させることにより、測定対象物W上の照射領域を当該照射領域の短軸方向に連続的に平行移動させ、連続的に平行移動する照射領域の干渉縞を撮像部１７により光路シフト部材１３の移動周期よりも長い時間積分受光させる制御手段として機能する。

具体的には、制御部１８は、駆動部１３１を駆動することによって光路シフト部材１３を所定角度高速往復回動運動させる。
また、制御部１８は、撮像部１７に、測定対象物W上の照射範囲の往復移動に伴って撮像部１７上を高速で移動する干渉縞を、移動周波数（ｆＨｚ）に基づく移動周期よりも十分長い時間で積分受光させる。例えば、干渉縞が撮像部１７上を１ｋＨｚで往復する場合、概ねその１０倍以上の時間（０．０１秒）にわたって積分受光させる。
また、制御部１８は、撮像部１７による積分受光により取得された干渉縞画像に基づいて演算処理を実行させ、測定対象物Wの表面の形状を得る。
なお、得られた干渉縞を数値的に解析する解析方法としては、フーリエ解析法や、位相シフト法などを用いることができる。

次に、このような構成を備えた斜入射干渉計１の機能について説明する。
光源１１から照射された光は、連続的に回動駆動している光路シフト部材１３を透過することで光路シフト部材１３の回動に応じて周期的に屈折するため、光路シフト部材１３からは、周期的にシフト量Ｓだけ光路の移動した光が出射される。
測定対象物Wの被測定面Ｈ上においては、光路シフト部材１３から周期的にシフト量Ｓだけ光路の移動した光が出射されるため、その照射領域も連続的に平行移動する。すなわち、照射領域は、その短軸方向に平行往復移動する。
従って、撮像部１７の撮像面１７ａ上には測定対象物W上の照射範囲の往復移動に伴って高速で移動する干渉縞が現れ、この干渉縞は撮像部１７により積分受光される。

以上のように、本実施形態の斜入射干渉計１によれば、測定対象物W上の測定光の照射領域をその短軸方向に平行往復移動させ、この照射範囲の往復移動に伴って撮像部１７上を高速で移動する干渉縞を撮像部１７により積分受光させることにより、測定対象物Wにおける光の測定範囲（Ｄｘ，Ｄｙ）は、Ｄｘ＝ｄｘ／ｃｏｓθ、Ｄｙ＝ｄｘ＋S、となるため、当該測定範囲の短軸方向に擬似的に拡大させることとなる。従って、装置を拡大することなしに、測定範囲を拡大することができる。
また、平行光化部１２と光束分割部１４との間に光路シフト部材１３を備えることにより、光源１１と平行光化部１２との距離を維持したまま、測定対象物W上の光の測定範囲を当該測定範囲の短軸方向にも拡大させることができるため、装置を大型化することなく測定範囲を拡大することができる。

［実施形態２］
次に、本発明の実施形態２について実施形態１と異なる点を中心に説明し、同じ箇所には実施形態１と同一の符号を付して説明を省略する。
図７は、実施形態２にかかる斜入射干渉計２の光路シフト部材１３と測定対象物W上の照射領域との関係を示す図である。なお、図７では、光束分割部１４及び光束合成部１５は省略する。
また、図８は、斜入射干渉計２の測定範囲拡大手段２０を示すブロック図である。

斜入射干渉計２の測定範囲拡大手段２０は、光路シフト部材１３、駆動部１３１、撮像部１７、シャッタ２１、角度検出部２２、及び制御部２８等から構成されている。

シャッタ２１は、撮像部１７の直前の光軸上に設置されており、光路シフト部材１３の回転角に応じて開閉される。
角度検出部２２は、例えば、エンコーダなどであり、光路シフト部材１３が一定角度回転する度にパルス信号を発生させる。
制御部２８は、駆動部１３１を制御して回動軸１３２を駆動させ、光路シフト部材１３を一方向に一定速度で高速回転させる。
また、制御部２８は、角度検出部２２の発生させたパルス信号と連動してシャッタ２１を開閉させ、連続的に平行移動する照射領域の干渉縞を撮像部１７に選択的に積分受光させる。

具体的には、制御部２８は、光路シフト部材１３の入射面１３ａに対して平行光化部１２からの光（ビーム径：ｄｘ）が０°からθ°の所定範囲の入射角で入射して光が平行移動している間、シャッタ２１を開放する（図７（ｂ）（ｃ）参照）。
一方、制御部２８は、光路シフト部材１３の入射面１３ａに対して上記所定範囲の入射角以外で光が入射する間は、シャッタ２１を閉じる（図７（ａ）参照）。

なお、制御部２８は、角度検出部２２の発生させたパルス信号と連動して光路シフト部材１３が所定角度回転した瞬間のみ照射領域の干渉縞を撮像部１７に撮像させるようにしても良い。

以上のように、本実施形態の斜入射干渉計２によれば、測定対象物W上の照射領域を、正負両方向に平行移動させることができるため、測定範囲（Ｄｘ，Ｄｙ）は、Ｄｘ＝ｄｘ／ｃｏｓθ、Ｄｙ＝ｄｘ＋２Sとなって、測定範囲の短軸方向をより拡大することができる。

また、光路シフト部材１３の位置によって、平行移動しない場合は受光しないようにすることにより、干渉縞コントラストを向上させることができる。
また、回転方向が一方向だけなので機構がシンプルとなり、高速回転させることができる。

［実施形態３］
次に、本発明の実施形態３について実施形態１と異なる点を中心に説明し、同じ箇所には実施形態１と同一の符号を付して説明を省略する。
図９は、斜入射干渉計３の光束径拡大部材３１と測定対象物W上の照射領域との関係を示す図である。なお、図９では、光束分割部１４及び光束合成部１５は省略する。

斜入射干渉計３の測定範囲拡大手段３０は、光源１１からの可干渉光を透過させて当該可干渉光の径の一方向のみを拡大させる光束径拡大部材３１である。

この光束径拡大部材３１は、例えば、アナモルフィックプリズムなどが用いられる。
具体的には、アナモルフィックプリズムは、２つで一組のプリズム３１ａ，３１ｂから構成されており、入射光束に対する出射光束の倍率を光束断面の特定方向で変化（すなわち、圧縮または伸長）させた上で入射光束と平行な方向に出射するための光学素子である。従って、任意の径のコリメート光束を透過させ、光束の一方向のみ拡大し、これに直交する方向はそのまま透過させることができる。
また、このアナモルフィックプリズムは、２つのプリズム３１ａ，３１ｂの角度や距離を変えることにより、その倍率aを２〜４倍程度まで変えることができるようになっている。

以上のように、本実施形態の斜入射干渉計３によれば、光束径拡大部材３１を透過させることで入射方向と直交する方向のみを拡大して測定対象物Wを照射することで、実施形態１、２と同様の効果を得ることができる。また、光学素子を駆動させる必要がなく、より簡単な構成とすることができる。

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。
また、本発明の測定範囲拡大手段は、例えば、マッハツェンダー型などの斜入射干渉計にも適用できる。

実施形態１にかかる斜入射干渉計の概略構成図である。 図１の斜入射干渉計の測定範囲拡大手段１０を示すブロック図である。 実施形態１の測定範囲拡大手段を示す拡大図である。 図１の斜入射干渉計の光路シフト部材と測定対象物上の照射領域との関係を示す図である。 光路シフト部材に入射角θで光が入射した状態を示す図である。 光路シフト部材の厚みｔ及び入射角θと、シフト量Ｓとの関係を示すグラフである。 実施形態２にかかる斜入射干渉計の光路シフト部材と測定対象物上の照射領域との関係を示す図である。 図７の斜入射干渉計の測定範囲拡大手段２０を示すブロック図である。 実施形態３にかかる斜入射干渉計の光束径拡大部材と測定対象物上の照射領域との関係を示す図である。 従来の斜入射干渉計の概略構成図である。 斜入射干渉計の測定範囲を示す図である。

符号の説明

１、２、３ 斜入射干渉計
１０、２０、３０ 測定範囲拡大手段
１１ 光源
１２ 平行光化部
１３ 光路シフト部材
１３ａ 入射面
１３１ 駆動部
１３２ 回動軸
１４ 光束分割部
１５ 光束合成部
１６ レンズ
１７ 撮像部
１８、２８ 制御部
２１ シャッタ
２２ 角度検出部
３１ 光束径拡大部材
３１ａ，３１ｂ プリズム
W 測定対象物

Claims (7)

1. 測定対象物に対して斜め方向から可干渉光を照射する光源と、
   前記光源からの可干渉光を平行光にする平行光化部と、
   前記平行光化部からの平行光を測定光と参照光とに分割する光束分割部と、
   前記測定対象物で反射された測定光と参照光とを合成する光束合成部と、
   前記測定対象物の表面形状を表す干渉縞を撮像する撮像部と、を備えた斜入射干渉計において、
   前記測定対象物における光の測定範囲を、当該測定範囲の短軸方向に拡大させる測定範囲拡大手段を備えることを特徴とする斜入射干渉計。
2. 前記測定範囲拡大手段は、
   前記平行光化部と前記光束分割部との間に配置され、前記光源からの可干渉光を透過させて当該可干渉光の進行方向を平行移動させる光路シフト部材と、
   前記光路シフト部材を回動させる駆動部と、
   前記光路シフト部材を連続的に回動駆動させることにより、前記測定対象物上の照射領域を当該照射領域の短軸方向に連続的に平行移動させ、連続的に平行移動する前記照射領域の干渉縞を前記撮像部により前記光路シフト部材の移動周期よりも長い時間積分受光させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の斜入射干渉計。
3. 前記駆動部は、前記光路シフト部材を所定角度往復回動駆動させることを特徴とする請求項２に記載の斜入射干渉計。
4. 前記駆動部は、前記光路シフト部材を一方向に連続回転させることを特徴とする請求項２に記載の斜入射干渉計。
5. 前記光路シフト部材の回転角に応じて開閉されるシャッタを備え、
   前記制御手段は、前記シャッタの開閉を制御して、連続的に平行移動する前記照射領域の干渉縞を前記撮像部に選択的に積分受光させることを特徴とする請求項４に記載の斜入射干渉計。
6. 前記測定範囲拡大手段は、
   前記平行光化部と前記光束分割部との間に配置され、前記光源からの可干渉光を透過させて当該可干渉光の径の一方向のみを拡大させる光束径拡大部材であることを特徴とする請求項１に記載の斜入射干渉計。
7. 前記光束径拡大部材は、アナモルフィックプリズムであることを特徴とする請求項６に記載の斜入射干渉計。

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