JP2010032342A - 斜入射干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化を実現しつつ測定精度の良好な斜入射干渉計を提供する。
【解決手段】被測定面Ｓの法線に対して斜め方向から可干渉光を照射して、被測定面Ｓから反射された測定光を参照光と干渉させて被測定面Ｓの形状を測定する斜入射干渉計１において、可干渉光を照射する光源１１と、光源１１からの可干渉光を、偏光方向が互いに直交する測定光と参照光とに分割する光束分割部１４と、光束分割部１４により分割された測定光を折り曲げて被測定面Ｓに対して所定角度で入射させる第１光束折り曲げ部１５と、被測定面Ｓで反射した測定光を折り曲げる第２光束折り曲げ部１６と、第２光束折り曲げ部１６により折り曲げられた測定光と参照光とを合成する光束合成部１７と、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、加工物表面の形状を測定するための種々の干渉計が知られている。その中でも、大きなうねりを持った被測定面や非鏡面（粗面）の形状の測定を可能とした斜入射干渉計が知られている。斜入射干渉計は、被測定面の法線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装置である。

例えば、特許文献１には、このような斜入射干渉計において、一般的な干渉縞解析方法である位相シフト法に必要な３枚以上の干渉縞を同時に撮像することを可能とする構成が提案されている。
図４に、かかる斜入射干渉計４の構成例を示す。斜入射干渉計４は、照射部１００Ａと検出部３００とを備えて構成されている。照射部１００Ａは、光源１０１、レンズ１０２，１０３、光束分割素子１０４、光束合成素子１０５、及び入射した光の偏光面を回転させる素子１０６を備えている。また、検出部３００は、１／４波長板３０１、レンズ３０２、三分割プリズム３０３、偏光板３０４Ａ〜３０４Ｃ、及び撮像素子３０５Ａ〜３０５Ｃを備えている。
光源１０１から照射された光は、レンズ１０２，１０３を介して光束分割素子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により分割され素子１０６により偏光面の回転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、１／４波長板３０１、レンズ３０２、三分割プリズム３０３、及び偏光板３０４Ａ〜３０４Ｃからなる光学系により位相がシフトされて干渉縞が発生し、撮像素子３０５Ａ〜３０５Ｃにより干渉縞が撮像される。

また、図５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１０７を備える照射部１００Ｂからなる斜入射干渉計５も提案されている。三角プリズム１０７の底面には、例えば、ワイヤーグリッドの偏光板１０８が配置されている。
この斜入射干渉計５は、三角プリズム１０７を透過させて対象物にレーザ光を照射し、三角プリズム１０７の底面の偏光板１０８での反射光と、測定対象物２００表面での反射光とを干渉させるものである。
特開２００８−３２６９０号公報

しかしながら、上記図４に示す斜入射干渉計４の場合、光源１０１や検出部３００等の光学素子を測定光の光軸の延長線上に配置する必要があるのに加え、各光学素子の寸法の影響により、被測定面の法線に対する光の照射角度を大きくするほど装置全体が横長になり、装置が大型化してしまうという問題があった。
また、図５に示す斜入射干渉計５の場合、参照光の消光比があまり高くないことから干渉縞画像のS／N比が低く、測定精度が良好でないという問題があった。
このように、従来の斜入射干渉計において、装置の小型化を実現しつつ測定精度を良好にするのは困難であるという問題があった。

本発明の課題は、装置の小型化を実現しつつ測定精度の良好な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、
被測定面の法線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被測定面の形状を測定する斜入射干渉計において、
前記可干渉光を照射する光源と、
前記光源からの可干渉光を、偏光方向が互いに直交する前記測定光と前記参照光と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測定光を折り曲げて被測定面に対して所定角度で入射させる第１光束折り曲げ部と
被測定面で反射した前記測定光を前記参照光に向けて折り曲げる第２光束折り曲げ部と、
前記第２光束折り曲げ部により折り曲げられた前記測定光と前記参照光とを合成する光束合成部と、
を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の斜入射干渉計において、
前記光束分割部と前記第１光束折り曲げ部同士、及び前記光束合成部と前記第２光束折り曲げ部同士は、各々近接して配置され、
前記第１光束折り曲げ部により折り曲げられた前記測定光は、再び前記光束分割部を透過して前記被測定面に入射するように構成され、
前記被測定面を反射した前記測定光は、前記光束合成部を透過した後、前記第２光束折り曲げ部により折り曲げられ、再び、前記光束合成部に入射されるように構成されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２記載の斜入射干渉計において、
前記光束分割部と前記第１光束折り曲げ部同士、及び前記光束合成部と前記第２光束折り曲げ部同士は、各々単一の光学素子により構成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の斜入射干渉計において、
前記光束分割部及び前記光束合成部は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の斜入射干渉計において、
前記単一の光学素子は、光学くさびであることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の斜入射干渉計において、
前記光束合成部に合成された合成光を複数の分割光に分割する第２光束分割部と、
前記第２光束分割部により分割された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、
前記第２光束分割部の入射側に設けられた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、
をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、光束分割部により光源からの可干渉光を偏光方向が互いに直交する２つの光に分割し、一方を測定光とし、他方を参照光として使用した光学系であるため、消光比が高くＳ／Ｎ比の高い干渉縞を得ることができ、測定を高精度化することができる。
また、第１光束折り曲げ部及び第２光束折り曲げ部により、測定光の光路を変更することができるため、装置を小型化することができる。
従って、装置の小型化と測定精度とを両立させた斜入射干渉計とすることができる。

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。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示したものである。

［実施形態１］
図１は、実施形態１の斜入射干渉計１の概略構成を示す図である。
図１に示すように、斜入射干渉計１は、照射部１０、及び検出部３０を備えて構成されている。

照射部１０は、光源１１と、レンズ１２，１３と、光束分割部１４と、第１光束折り曲げ部１５と、第２光束折り曲げ部１６と、光束合成部１７とを備える。

光源１１は、光束分割部１４に向かって可干渉光を出射する。本実施形態においては、光源１１は測定対象物２０の被測定面Ｓに対して略垂直に光を照射するように設置されている。
また、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し、斜入射干渉計の光学系に入射した際にｐ偏光とｓ偏光の成分比が時間的に変化しないレーザ光を出射する光源などが好ましい。
光源１１から照射された光は、レンズ１２、１３によってビーム径がより大きな平行光とされた後、光束分割部１４に入射される。

光束分割部１４は、レンズ１２，１３を介して光源１１から入射された平行光を、２つの偏光光束に分割する。
具体的には、光束分割部１４は、例えば、偏光ビームスプリッタなどで構成されている。
偏光ビームスプリッタは、例えば、２枚の板状の光学ガラス板で偏光依存性を持つ偏光膜を挟んで構成されている。偏光膜は、平行光のうちＳ波偏光成分を反射してＰ波偏光成分を透過させる光学特性を有しており、この偏光膜に斜めに入射する光のうち、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射することによって、両偏光に分割する。従って、偏光ビームスプリッタは、様々な偏光成分を有する入射光を、偏光膜において、偏光方向が互いに直交する２つの分割光（垂直直線偏光、水平直線偏光）に分割する。
なお、光束分割部１４として、光学ガラスで形成された２個の直角プリズムで上記偏光膜を挟んで形成した直方体の偏光ビームスプリッタを用いてもよい。

光束分割部１４により分割された２つの光は、それぞれ、第１光束折り曲げ部１５及び光束合成部１７に向かって直進する。以下の説明において、光束分割部１４によって分割された光のうち、第１光束折り曲げ部１５に向かって進んだものを測定対象物２０に照射される測定光とする。また、光束合成部１７に向かって進んだものを測定の基準となる参照光とする。

第１光束折り曲げ部１５及び第２光束折り曲げ部１６は、例えば、反射ミラーなどにより構成されており、入射された光を反射させることでその光路を変更させる。

第１光束折り曲げ部１５は、光束分割部１４により分割された測定光を折り曲げて被測定面Ｓに対して所定角度で入射させる。
具体的には、第１光束折り曲げ部１５は、光束分割部１４からの測定光を被測定面Ｓの法線に対して所定の入射角度θ１で入射させるように設定されている。この入射角度θ１は、第１光束折り曲げ部１５の被測定面Ｓに対する傾き（以下、設置角度θ２という。）を変更することで調整することができるようになっている。
すなわち、設置角度θ２を小さくした場合には入射角度θ１が大きくなり、設置角度θ２を大きくした場合には入射角度θ１が小さくなる。
このとき、測定対象物２０を載置した試料台（図示せず）は昇降可能となっており、被測定面Ｓ上の光の入射位置を調整することができるようになっている。

第２光束折り曲げ部１６は、被測定面Ｓで反射した測定光を折り曲げ、光束合成部１７に入射させる。
具体的には、第２光束折り曲げ部１６は、測定対象物２０により反射された測定光を、光束合成部１７によって反射された参照光の光軸と測定光の光軸が重なるように光束合成部１７に向かって反射させる。
また、第２光束折り曲げ部１６も第１光束折り曲げ部１５と同様に、被測定面Ｓに対する傾き（設置角度θ３）を設定することができる。

このような第１光束折り曲げ部１５及び第２光束折り曲げ部１６は、高さ方向の設定位置を同じ高さとし、設置角度θ２、θ３を同一角度とした場合、理想的な部品配置となり好ましい。
なお、第１光束折り曲げ部１５及び第２光束折り曲げ部１６は、高さ方向の設置位置を変更させる構成としても良い。
このように構成した場合には、例えば、設置角度θ２、θ３を大きくした場合には設置位置を高くし、設置角度θ２、θ３を小さくした場合には設置位置を低くすることで、設置角度θ２、θ３に因らず、被測定面Ｓの同じ位置に光が入射されるように調整することができる。

光束合成部１７は、第２光束折り曲げ部１６により折り曲げられた測定光を参照光と合成する。
具体的には、光束合成部１７は、例えば、光束分割部１４と同様の偏光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互いの光軸が重なるように合成し、この合成波を検出部３０に送り込む。

検出部３０は、１／４波長板３１と、レンズ３２と、三分割プリズム（第２光束分割部）３３と、偏光板３４Ａ〜３４Ｃと、撮像部３５Ａ〜３５Ｃとを備えている。
１／４波長板３１は、三分割プリズム３３の入射側に配置され、光束合成部１７からの合成光を円偏光に変換する。
三分割プリズム３３は、例えば、３つのプリズムの平面を貼り合わせて形成されており、プリズム張り合わせ面において光を反射及び透過させることで上記合成光を３つの分割光に分割する。
偏光板３４Ａ〜３４Ｃ及び撮像素子３５Ａ〜３５Ｃは、三分割プリズム３３により互いに異なる３方向に分割された光にそれぞれ対応するよう設置されている。偏光板３４Ａ〜３４Ｃは、偏光軸の方向を互いに異ならせて配置されており、偏光板３４Ａ〜３４Ｃを透過して互いに異なる量だけ位相をシフトさせられた干渉縞の干渉縞画像が撮像素子３５Ａ〜３５Ｃにより撮像されるようになっている。

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は、光束分割部１４に向かって可干渉光を出射する。
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なり光束分割部１４に入射される。入射された光は、光束分割部１４により偏光方向が互いに直交する２つの偏光光束に分割され、それぞれ、第１光束折り曲げ部１５及び光束合成部１７に向かって直進する。
この分割された光束の一方は測定光として利用され、第１光束折り曲げ部１５により折り曲げられ、測定対象物２０の被測定面Ｓに対して所定角度を持って照射される。被測定面Ｓにより反射された測定光は、第２光束折り曲げ部１６によって再度折り曲げられて光束合成部１７に入射する。
一方、光束分割部１４により分割された光束の他方は参照光として利用され、光束合成部１７に入射する。
そして、第２光束折り曲げ部１６からの測定光と、光束分割部１４からの参照光とは光束合成部１７により合成される。

光束合成部１７に合成された合成光は、１／４波長板３１により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、偏光軸の方向を互いに異ならせて配置した偏光板３４Ａ〜３４Ｃを透過して、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。そして、位相シフトさせられた干渉縞画像が各撮像素子３５Ａ〜３５Ｃで取得される。

また、斜入射干渉計１は、図示しない演算部を備えており、各撮像素子３５Ａ〜３５Ｃで取得された干渉縞画像に基づいて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２０の表面の形状を得る。

以上のように、実施形態１の斜入射干渉計１によれば、可干渉光を照射する光源１１と、光源１１からの可干渉光を偏光方向が互いに直交する測定光と参照光とに分割する光束分割部１４と、光束分割部１４により分割された測定光を折り曲げて被測定面Ｓに対して所定角度で入射させる第１光束折り曲げ部１５と、被測定面Ｓで反射した測定光を折り曲げる第２光束折り曲げ部１６と、第２光束折り曲げ部１６により折り曲げられた測定光と参照光とを合成する光束合成部１７と、を備える構成となっている。
すなわち、光源からの光を光束分割部１４により偏光方向が互いに直交する２つの光に分割し、一方を測定光とし、他方を参照光として使用した光学系であるため、消光比が高くＳ／Ｎ比の高い干渉縞を得ることができ、測定を高精度化することができる。また、第１光束折り曲げ部及び第２光束折り曲げ部により、測定光の光路を変更することができるため、装置を小型化することができる。
よって、装置の小型化と測定精度とを両立させた斜入射干渉計とすることができる。

また、第１光束折り曲げ部１５及び第２光束折り曲げ部１６により被測定面Ｓに照射される光の入射角度θ１を変更することができるため、様々な表面性状の測定対象物２０に対応することができる。
また、被測定面Ｓの上方に光学素子が配置されない光学系であるため、使用する光学素子の配置の自由度が高まり、各光学素子の設置の厳しさに起因する装置破損の危険性を小さくすることができ、実用性及び使い勝手を向上させることができる。

また、光束合成部１７に合成された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それぞれ撮像する複数の撮像部３５Ａ〜３５Ｃと、三分割プリズム３３の入射側に設けられた１／４波長板３１と、複数の撮像部３５Ａ〜３５Ｃ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３４Ａ〜３４Ｃを備えた構成となっている。
このため、干渉縞を位相シフト法で解析するために必要な３枚以上の干渉画像を、機械的な可動部分を持たせることなく瞬時に取り込むことができ、振動や空気の揺らぎの影響が低減され測定のロバスト性が向上させることができる。

［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２は、実施形態１の斜入射干渉計２の概略構成を示す図である。
図２に示すように、斜入射干渉計２は、光束分割部１４と第１光束折り曲げ部１５同士、光束合成部１７と第２光束折り曲げ部１６同士が、各々近接して配置されており、測定光は、光束分割部１４及び光束合成部１７を複数回透過するようになっている。

具体的には、光束分割部１４によって分割された測定光は、第１光束折り曲げ部１５によって反射された後、再び光束分割部１４を透過して被測定面Ｓに照射される。
また、被測定面Ｓから反射した測定光は、先ず光束合成部１７を透過した後に第２光束折り曲げ部１６により折り曲げられ、再び、光束合成部１７に入射され、参照光と重ね合わされる。その後、実施形態１と同様に検出部３０へと取り込まれる。
従って、実施形態２の光路配置では、測定光が光束分割部１４及び光束合成部１７をそれぞれ２回（計４回）透過することとなり、このため、光束分割部１４及び光束合成部１７の性能に起因した測定光に含まれる望まない偏光成分（ノイズ）の割合が低減される。
なお、実施形態１と同様に、被検面への測定光の入射角度は調整することができるように構成されている。

以上のように、本実施形態の斜入射干渉計２によれば、実施形態１と同様の効果が得られるのは勿論のこと、光束分割部１４及び光束合成部１７の透過回数が２倍であるため、測定光に含まれるノイズの割合が低減され、実施形態１の斜入射干渉計１に対して消光比をより高くすることができる。よって、検出部３０にて得られる干渉縞のＳ／Ｎ比をより高くすることができる。
また、光束分割部１４と第１光束折り曲げ部１５との距離、及び光束合成部１７及び第２光束折り曲げ部１６との距離が短くなるため、装置全体をより小型化することができると共に、参照光及び測定光の距離が近くなるため空気揺らぎの影響も低減することができる。

［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２と同一の符号を付して説明を省略する。
図３は、実施形態３の斜入射干渉計３の概略構成を示す図である。
図３に示すように、斜入射干渉計３は、光束分割部１４と第１光束折り曲げ部１５同士、光束合成部１７と第２光束折り曲げ部１６同士が、各々単一の光学素子により構成されている。ここで、単一の光学素子としては、例えば、一面がその一面と対向する他面に対してわずかに傾斜した、くさび状の素子（以下、光学くさびという。）が用いられる。

具体的には、斜入射干渉計３は、実施形態１の光束分割部１４、第１光束折り曲げ部１５、第２光束折り曲げ部１６、及び光束合成部１７の代わりに光学くさび１８、１９を備えて構成されている。
光学くさび１８は、その上面１８ａが光束分割部を構成し、その下面１８ｂが第１光束折り曲げ部を構成している。
光学くさび１９は、その上面１９ａが光束合成部を構成し、その下面１９ｂが第２光束折り曲げ部を構成している。

従って、光学くさび１８に入射した光は、上面１８ａによって測定光及び参照光に分割され、このうち測定光は、下面１８ｂによって反射された後、再び上面１８ａを透過して被測定面Ｓに照射される。
また、被測定面Ｓから反射した測定光は、先ず光学くさび１９の上面１９ａを透過した後に下面１９ｂにより折り曲げられ、再び、上面１９ａに入射され、参照光と重ね合わされる。その後、実施形態１、２と同様に検出部３０へと取り込まれる。

以上のように、本実施形態の斜入射干渉計３によれば、実施形態１、２と同様の効果が得られるのは勿論のこと、一面が光束分割部１４又は光束合成部１７であり、他面が第１光束折り曲げ部１５又は第２光束折り曲げ部１６である単一の光学素子を導入することで、より単純な形で光学系を構成する事ができ、光学素子の数を減らしつつ実施形態２と同様な光路構成ができる。
このため、被測定面Ｓの表面性状が既知でおおよそ一定の場合、被測定面Ｓに対する最適な入射角を選択的に固定することができる。

なお、上記した実施形態１〜３においては、光束折り曲げ部を２つ用いて測定光の光路を折り曲げる構成としているが、光束折り曲げ部の数はこれに限定されるものではない。

また、光源１１は、Ｐ偏光あるいはＳ偏光に直線偏光されたレーザ光を出力する光源を使用することが好ましい。このように構成した場合、光束分割部１４（偏光ビームスプリッタ）に対する偏光角度を調整することで測定対象物２０の被測定面Ｓに照射される光の光量を被測定面Ｓの粗さに応じて調整することができる。例えば、被測定面Ｓの粗さが大きい場合は反射効率が低くなるため、透過光の光量が大きくなるようにすれば良い。

実施形態１の斜入射干渉計の概略構成を示す図である。 実施形態２の斜入射干渉計の概略構成を示す図である。 実施形態３の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を示す図である。 従来の斜入射干渉計の概略構成を示す図である。

符号の説明

１、２、３ 斜入射干渉計
１０ 照射部
１１ 光源
１２，１３ レンズ
１４ 光束分割部
１５ 第１光束折り曲げ部
１６ 第２光束折り曲げ部
１７ 光束合成部
１８ 光学くさび
２０ 測定対象物
Ｓ 被測定面
３０ 検出部
３１ 波長板
３２ レンズ
３３ 三分割プリズム
３４Ａ〜３４Ｃ 偏光板
３５Ａ〜３５Ｃ 撮像部

Claims (6)

1. 被測定面の法線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被測定面の形状を測定する斜入射干渉計において、
   前記可干渉光を照射する光源と、
   前記光源からの可干渉光を、偏光方向が互いに直交する前記測定光と前記参照光と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測定光を折り曲げて被測定面に対して所定角度で入射させる第１光束折り曲げ部と
   被測定面で反射した前記測定光を前記参照光に向けて折り曲げる第２光束折り曲げ部と、
   前記第２光束折り曲げ部により折り曲げられた前記測定光と前記参照光とを合成する光束合成部と、
   を備えることを特徴とする斜入射干渉計。
2. 前記光束分割部と前記第１光束折り曲げ部同士、及び前記光束合成部と前記第２光束折り曲げ部同士は、各々近接して配置され、
   前記第１光束折り曲げ部により折り曲げられた前記測定光は、再び前記光束分割部を透過して前記被測定面に入射するように構成され、
   前記被測定面を反射した前記測定光は、前記光束合成部を透過した後、前記第２光束折り曲げ部により折り曲げられ、再び、前記光束合成部に入射されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の斜入射干渉計。
3. 前記光束分割部と前記第１光束折り曲げ部同士、及び前記光束合成部と前記第２光束折り曲げ部同士は、各々単一の光学素子により構成されていることを特徴とする請求項２記載の斜入射干渉計。
4. 前記光束分割部及び前記光束合成部は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１又は２に記載の斜入射干渉計。
5. 前記単一の光学素子は、光学くさびであることを特徴とする請求項３に記載の斜入射干渉計。
6. 前記光束合成部に合成された合成光を複数の分割光に分割する第２光束分割部と、
   前記第２光束分割部により分割された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、
   前記第２光束分割部の入射側に設けられた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、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の斜入射干渉計。

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