JP3000518B2 - 偏光波面3分割光学装置 - Google Patents

偏光波面3分割光学装置

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JP3000518B2 JP8120947A JP12094796A JP3000518B2 JP 3000518 B2 JP3000518 B2 JP 3000518B2 JP 8120947 A JP8120947 A JP 8120947A JP 12094796 A JP12094796 A JP 12094796A JP 3000518 B2 JP3000518 B2 JP 3000518B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、偏光干渉計を用い
て光の位相のずれを高精度かつ高速に検出・計算して、
超精密加工製品等の面形状、温度分布、屈折率分布、プ
ラズマ密度等を実時間で測定する2次元情報取得装置の
特に偏光波面分割光学系部分に関する。
【0002】
【従来の技術】試料面の凹凸を参照面と比較して測定す
るとか、試料の屈折率を精密に測定するのに干渉計が用
いられるが、干渉計で測定できるのは試料光と参照光の
位相差で半波長程度、試料面と参照面との高低差で1/
4波長程である。より高精度の測定には試料光と参照光
の位相差を位相差角で精密に測定する必要があり、偏光
干渉計が使用される。偏光干渉計は試料面の形状測定の
場合はマイケルソン型、試料の屈折率分布とか温度分布
の測定にはマッハツェンダー型が用いられる。偏光干渉
計では光源の光を2光束に分割する際、偏光方向が互に
直交する2光束に分割する。この2光束即ち試料光と参
照光を会合させると一般に楕円偏光になっているので、
その長軸の方位と楕円偏光の最大最小振幅の比を測定し
て試料光と参照光との位相差を算出する。このため干渉
計からの出射光を偏光子を通して測定系に導き、偏光子
を回転させながら偏光子の方位と測定出力との関係を測
定する必要があるので、試料について2次元的な測定を
行う場合は、テレビカメラを用い、その前面で偏光子を
回転させながら干渉パターンを撮像し、偏光子の方位の
一定角度飛びの位置の撮像データをメモリに格納し、後
で各画素毎に測光値の最大とそのときの偏光子の方位お
よび測光値の最小を索出して計算を行う必要があり、多
量のメモリスペースを要する上、機械的な回転部分があ
り、計算量も多いので、高速の測定ができず、変化する
試料の変化状態を経時的に追跡するような実時間測定は
できなかった。
【0003】そこで特開平2−287107号のような
提案がなされている。この提案は干渉計の出射光を回転
偏光にした後、3方向の直線偏光成分を取出し、夫々の
干渉パターンを3台のテレビカメラで撮像し、3つの映
像信号に順次演算処理を行って、その結果をリアルタイ
ムでテレビ画面に2次元的に表示するものである。図3
にこの提案の一実施例を示す。これは干渉計としてマイ
ケルソン型を用いている。光源のレーザ11から出た光
を偏光ビームスプリッターPBSで偏光方向が互いに直
交する2つの直線偏光に分け、一方は参照光として参照
面15に入射させ、もう一方は試料光として被測定面1
4に照射し、再び偏光ビームスプリッターPBSで1本
の光束にする。しかしこのままでは参照光と試料光は互
いに直交しているため、干渉は起こさない。そこでx
軸、y軸から45度の方向に設定された1/4波長板Q
WP3 を透過させて2つの直線偏光をそれぞれ左右の円
偏光に変換し、偏光波面分割光学系16で3光束に分け
さらに偏光子P1 ,P2 ,P3 を通すことによって干渉
縞を作る。偏光ビームスプリッターPBSのP偏光方向
およびS偏光方向をそれぞれx軸、y軸にとり、被測定
波面のxおよびy方向の振幅と位相成分をそれぞれa、
bとφx、φyとすると、透過軸方向をθに設定した偏
光子を透過した光の透過光強度は I=(a2 +b2 )/2+absin(φx−φy+2θ) となる。偏光子の方向θを0度、45度、90度に設定
すると、透過光強度はそれぞれ I1 =(a2 +b2 )/2+absin(φx−φy) I2 =(a2 +b2 )/2+abcos(φx−φy) I3 =(a2 +b2 )/2−absin(φx−φy) となるので、参照光と試料光の間の位相差は φx−φy=tan-1{(I1 −I2 )/(I2 −I3 )}+π/4 で与えられる。すなわち位相が90度ずつ異なる3つの
干渉縞I1 、I2 、I3を周波数同期したテレビカメラ
Tv1 〜Tv3 で同時に撮影し、信号処理装置17でそ
れらのビデオ信号の差信号を求めた後に逆正接を求める
ことによって、屈折率分布、温度分布やプラズマ密度な
どの被測定物の2次元的な位相分布を実時間で測定し、
表示装置18に画像化して表示することができる。以上
のような測定を行なう光学系のうち1/4波長板QWP
3より後の偏光波面分割光学系16は第1と第2の2個
のビームスプリッターBS1、BS2と反射鏡M1個と
それぞれの光学素子に付随する3つの偏光子P1 〜P3
からなり、干渉計、1/4波長板を透過した光は、まず
第1のビームスプリッターBS1で透過光と反射光の2
光束に分けられ、透過光はさらに第2のビームスプリッ
ターBS2で2光束に分けられ、さらに第2のビームス
プリッターBS2の透過光は最後の反射鏡Mで反射され
る。3つの反射光はそれぞれ適当な方位に設定された偏
光子P1 〜P3 を経てI1 、I2 、I3 として、3台の
テレビカメラTv1 〜Tv3 で撮影される。位相差φx
−φyを正確に求めるには、偏光子に入射する前の3つ
の反射光がそれぞれ等しい強度でなければならないが、
そのためには第1のビームスプリッターBS1の透過光
強度対反射光強度の比が2:1で、第2のビームスプリ
ッターBS2の透過光強度対反射光強度の比が1:1
で、反射鏡の反射率が100%でなければならない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、ビームスプ
リッターBS1、BS2の反射前後や透過前後あるいは
反射鏡Mの反射前後においてP偏光とS偏光の間に位相
のとびが生じるので偏光子P1 〜P3 の調整が非常にや
っかいになる。すなわち式において位相差φx−φy
のほかに位相のとびがよけいに加わってくるので、偏光
子透過後の光の強度を〜のような形にするには偏光
子の透過軸方向θと位相のとびがお互いにキャンセルす
るように偏光子P1 〜P3 を調整しなければならない。
位相のとびがあらかじめわかっていれば偏光子P1 〜P
3 の設定方位はおおまかに見当がつくが、位相のとびが
わかっていないときには全くの手さぐりになって調整は
非常に困難になる。仮にビームスプリッターBS1、B
S2や反射鏡Mは反射や透過の前後で位相のとびが起こ
らない、いわゆる無位相無偏光ビームスプリッターや無
位相無偏光反射鏡とするにしても、BS2 の反射光から
45゜の方位の偏光を取出すので透過光対反射光の強度
比の制約条件のほかに透過光と反射光の両方に無位相無
偏光の条件が加わってくるので、従来の偏光波面分割光
学系に用いられるビームスプリッター膜や反射膜は設計
の段階からむつかしいものであり、製作してみても必ず
しも十分な光学特性が得られるとは限らないのである。
【0005】また第1のビームスプリッターBS1 の反射
面から第1のカメラTv1 へ至る光学的距離と第2のカ
メラTv2 へ至る光学的距離と第3のカメラTv3 へ至
る光学的距離とを全て等しくとらなければ十分なコント
ラストが得られず、特にコヒーレンシーの悪い光源を使
うときには得られる位相分布が全くでたらめになってし
まう。したがって偏光波面分割光学系の光学調整を各光
学素子ごとばらばらに行なったのでは調整は困難をきわ
める。偏光波面分割光学系は本来それ自身で1つの独立
したシステムであり、異なる干渉計にもつけかえて使用
することができる。ところが従来のような偏光波面分割
光学系では3台のテレビカメラTv1 〜Tv3 は構成上
どうしても必要であり、ビームスプリッターや反射鏡等
の光学素子をいくら小さくしても装置がおおがかりにな
ることは避けられず、実際には異なる干渉計でつけかえ
て使用したりすることは困難である。あるいはまたスペ
ースが限られている場所や装置内で手軽に使うこともで
きなかった。
【0006】本発明は上記従来の偏光波面分割光学系の
欠点にかんがみ、まずビームスプリッター膜等の光学薄
膜に対する制約条件を少なくして偏光波面分割の光学特
性の向上をはかり、次にやっかいな光学調整の部分を極
力減らし、さらに1台のテレビカメラで3台分の性能を
発揮できるようなテレビカメラとの結合構成を含めた小
型化を提案し、それによって干渉計のつけかえが手軽に
でき、限られたスペースにおいても従来品と同等以上の
性能を発揮するような複合プリズムおよび偏光波面分割
光学装置を実現することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明では以下のようにする。まず複合プリズム本
体は通常使われている3CCDカメラの内部に組み込ま
れているRGB色分割プリズムと同様の形状とする。複
合プリズムは3つのプリズムから構成されるが、第1プ
リズムと第2プリズムの境界には透過光強度対反射光強
度の比が2:1で透過光の位相差のみが保存されるよう
な無位相無偏光ビームスプリッター膜を製作し、第2プ
リズムと第3プリズムの境界には透過光強度対反射光強
度の比が1:1で透過光の位相差のみが保存されるよう
な無位相無偏光ビームスプリッター膜を製作する。そし
て第1プリズムの反射側の出射面にはP偏光(またはS
偏光)を透過させるように偏光子を配置し、第2プリズ
ムの反射側の出射面にはS偏光(またはP偏光)を透過
させるように偏光子を配置し、第3プリズムの出射面に
はS偏光やP偏光から45度回転した方位の偏光成分を
透過させるように偏光子を配置する。3つの偏光子から
の出力はそれぞれ3つのCCDカメラで検出されるが、
第1プリズムのビームスプリッター面から第1のCCD
カメラへ至る光学的距離と第2のCCDカメラへ至る光
学的距離と第3のCCDカメラへ至る光学的距離とが全
て等しくなるようにプリズムの形状は設計され、各素子
の面間距離は調整される。但し上の記述は3CCDカメ
ラを用いたものとなっているが、3CCDカメラのプリ
ズムをそのまま使うと言うことではなく、上の条件を満
たすように構成され3CCDカメラに組み込めればよい
のである。
【0008】複合プリズムに入射した光は第1プリズム
の反射光、第2プリズムの反射光、第3プリズムの透過
光の3光束に分けられる。こゝで特許請求の範囲と以後
の記載で用いられているP偏光,S偏光についての規定
を述べる。偏光干渉計の2光束が展開されている面を規
準面とし、この面と平行な面内で振動する偏光をP偏
光、規準面と垂直な面内で振動する偏光をS偏光とす
る。図1,図2,図3の各図の紙面はこの規準面と平行
な面である。第1プリズムを反射した光はP偏光とS偏
光の間の位相差は保存されていないが、偏光子で取り出
すのはそのうちの一方のP偏光成分だけなので反射時に
おける位相のとびは全く問題にならない。反射光の強度
は最初の入射光の1/3であるが、そのうちP偏光のみ
を取り出すように偏光子が設定されているとすると出力
光強度I1 ′は I1 ′=(a2 +b2 )/6+(ab/3)sin(φx−φy) の形になる。一方第1プリズムを透過した光は位相差は
保存されており、強度は最初の入射光の2/3である。
第2プリズムはそのうち1/2を反射し1/2を透過す
るので、最初の入射光の1/3ずつをわりふることにな
る。第2プリズムの反射前後の位相差は保存されていな
いが偏光子で取り出すのはS偏光だけなので、位相のと
びは全く問題にならない。第2プリズムに付随する偏光
子からの出力光強度I3 ′は I3 ′=(a2 +b2 )/6−(ab/3)sin(φx−φy) の形になる。第2プリズムを透過した光は第3プリズム
を経て出射するが、最初の入射光に対して強度は1/3
で位相差は保存されている。第3プリズムに付随する偏
光子はP偏光やS偏光から45度回転した偏光成分を取
り出すので、出力光強度I2 ′は I2 ′=(a2 +b2 )/6+(ab/3)cos(φx−φy) の形になる。3つの出力I1 ′、I2 ′、I3 ′はそれ
ぞれ3つのCCDカメラで検出されるが、これらの差信
号の逆正接より最初の入射光の位相差は φx−φy=tan-1{(I1 ′−I2 ′)/(I2 ′−I3 ′)}+π/4 で与えられる。このようにして屈折率分布や温度分布等
の被測定物の2次元的な位相情報を実時間で得ることが
できる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下に、本発明を実施例1、実施
例2によって詳細に説明する。 実施形態1 実施例1は1図に示したように、第1プリズムPZM
1、第2プリズムPZM2、第3プリズムPZM3の3
つの3角プリズムとプリズムに付随する3つの偏光子P
1 、P2 、P3 から構成される。この複合プリズムは通
常よく使われる3CCDカメラに内蔵されているRGB
色分解プリズムと同じ形状に設計される。入射光は右円
偏光と左円偏光の合成された光であるが、これはP偏光
とS偏光の直交した2つの偏光成分に分解できる。偏光
干渉計からの光は第1プリズムPZM1の面1に垂直に
入射し面2へ至る。面2には面3と合わせた透過光のP
偏光、S偏光間の位相差が保存され、かつ透過光強度対
反射光強度の比が2:1となるような無位相無偏光ビー
ムスプリッター膜が誘電体の多層膜により形成されてい
るが、面2の反射光の位相差は保存される必要はない。
面2の反射光は面1で全反射され偏光子P1 へ向かう。
面2と面1で反射される際に位相はとぶが、偏光子P1
はP偏光成分のみを透過させる方向に設定されているの
で位相のとびは全く問題にならない。偏光子P1 を通っ
た光は強度が式で表わされるような干渉縞I1 ′とな
り、CCD1(図外)で検出されRGB信号のうち例え
ばR信号として出力される。一方、面2と面3を透過し
た光は第2プリズムPZM2と第3プリズムPZM3の
境界である面4へ至る。面4では透過光のP偏光、S偏
光間の位相差が保存され、かつ透過光強度対反射光強度
の比が1:1となるような無位相無偏光ビームスプリッ
ター膜が形成されているが、ここでも面2と同様に反射
光の位相差は保存される必要はない。面4の反射光は面
3で全反射され偏光子P2 へ向かう。面4と面3で反射
される際に位相はとぶが、偏光子P2 はS偏光成分のみ
を透過させる方向に設定されているので位相のとびは全
く問題にならない。偏光子P2 を通った光は強度が式
で表わされるような干渉縞I3 ′となり、CCD2(図
外)で検出されRGB信号のうち例えばG信号として出
力される。一方、面4を透過した光は複合プリズムに入
射する前の位相を保存したまま偏光子P3 へ向かう。偏
光子P3 の透過軸方向はx軸から45度回転した偏光成
分を透過させる方向に設定されている。偏光子P3 を通
った光は強度が式で表わされるような干渉縞I2 ′と
なり、CCD3(図外)で検出されRGB信号のうち例
えばB信号として出力される。複合プリズムの入射端面
位置からCCD1へ至る光学的距離とCCD2へ至る光
学的距離とCCD3へ至る光学的距離とは全て等しくな
るようにプリズムの形状は設計され、各素子間の距離は
調整される。面2と面3は多重反射した光がノイズとな
って測定に悪影響を及ぼすことがないように傾けて設置
し、面3の反射光を別の方向へ逃がす。
【0010】
【実施形態2】実施例2では第5図に示したように、三
角プリズムの形および面2、面4に形成される無位相無
偏光ビームスプリッター膜は実施例1と変わらないが、
偏光子P1 〜P3 の設定方向が実施例1と異なる。すな
わち偏光子P1 はS偏光成分のみを透過させる方向に設
定され、偏光子P2 はP偏光成分のみを透過させる方向
に設定され、偏光子P3 の透過軸方向はx軸から135
度回転した偏光成分を透過させる方向に設定されてい
る。このようにP偏光とS偏光は偏光子P1 とP2 によ
って検出されるが、2つの偏光成分はP1 、P2 いずれ
の偏光子で検出しても構わない。いずれの偏光子で検出
しても、P偏光の透過光強度がI1 ′でありS偏光の透
過光強度がI3 ′である。一方偏光子P3 はx軸から4
5度回転した偏光成分を透過させるが、135度回転し
た偏光成分を透過させても構わない。ただしこのとき、
透過光強度I2 ″は I2 ″=(a2 +b2 )/6−(ab/3)cos(φx−φy) ’ となるので、参照光と試料光の間の位相差は φx−φy=−tan-1{(I1 ′−I2 ″)/(I2 ″−I3 ′)}+3π/ 4 ’ で与えられることに注意しなければならない。
【0011】このように偏光子P1 〜P3 の設定方位だ
けで4通りの組み合わせが考えられる。 またPZM
1、PZM2、PZM3の3つのプリズムは必ずしも三
角プリズムに限るものではなく、とにかく入射光を3つ
の波面に分割して3CCDカメラに組み込み、RGB信
号と同様な方式で検出できるもので、入射面から各出射
光の出射面までの光路長が互いに等しくできておれば正
方形、長方形、台形、平行四辺形等、どんな形であって
も構わない。またCCDカメラはカラー用であるから、
これらのプリズムにより色収差が生じないように入射面
と各光の出射面とは光学的に平行になるようにしてある
が、本発明の場合、単色光を用いるので、このような制
約はないのである。
【0012】
【発明の効果】本発明によれば波面分割光学系の第1,
第2の波面分割面での反射光からP偏光とS偏光を取出
し、第2波面分割面を透過した光からP偏光S偏光と4
5°の方位の偏光を取出すようにしたから、第1,第2
の波面分割面は反射透過の強度比が1対2および1対1
となるようにすると共に透過光に対してのみ透過の前後
でS偏光とP偏光の位相差が保持されればよいので、反
射光に対しても位相差保持性を与えるのに比しビームス
プリッター膜の制作が容易であり、偏光波面分割プリズ
ムはそれ自体で1つの独立したシステムとして3CCD
カメラに組み込めるようになったので、これまでのよう
なプリズムの位置調整、偏光子の軸方位の調整、光学距
離の位置設定、といった光学調整を位相差分布測定の現
場で行なう必要がなくなった。従来の波面分割光学系は
おおがかりであったので本来独立したシステムであるは
ずなのに、事実上1つの偏光干渉計に1つの波面分割光
学系を固定させて使用するしかなかったが、本発明の波
面分割光学系は独立していろいろな干渉計につけかえて
使用することができる。手軽に持ち運びができるほどの
大幅な小型化が実現され限られたスペースでも使用でき
るため、今まで実験室レベルでしかできなっかた屈折率
分布、温度分布、プラズマ密度等の物理量の実時間定量
測定も実用レベルで可能となる。位相差分布測定は最も
基本的な物理量測定の1つであるので、偏光顕微鏡、微
分干渉法等、偏光を用いるあらゆる応用分野で有効であ
り、熱分布の計測、結晶成長の観察、相転位の測定、表
面構造の観察、プラズマ診断、プラズマ計測、流体の観
測等、物理、化学、生物、地学、といった基礎的分野か
ら鉄鋼金属、機械産業、誘電体材料、半導体材料、医薬
品、食品、環境計測、分析機器、成膜技術等、にいたる
幅広い産業分野であらゆる応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の平面図
【図2】本発明の他の実施例の平面図
【図3】従来例の平面図
【符号の説明】
PZM1 第1プリズム PZM2 第2プリズム PZM3 第3プリズム 1 第1プリズムの入射端面 2 第1プリズムの出射界面 3 第2プリズムの入射界面 4 第2プリズムと第3プリズムとの境界面 P1 偏光子 P2 偏光子 P3 偏光子
フロントページの続き (72)発明者 柳川 孝二 東京都新宿区西早稲田3丁目30番16号 財団法人 宇宙環境利用推進センター内 (72)発明者 塚本 勝男 仙台市青葉区南吉成2丁目11番10号 (72)発明者 川田 勝 京都市中京区西ノ京桑原町1番地 株式 会社 島津製作所三条工場内 (72)発明者 岡田 繁信 京都市中京区西ノ京桑原町1番地 株式 会社 島津製作所三条工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 9/02 G01B 11/24 G01N 21/45 G02B 27/28

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数のプリズムよりなり、プリズムの境界
    面によって光入射側からみて第1の波面分割面と第2の
    波面分割面が形成されて、入射光を第1の波面分割面で
    反射光と透過光に分割し、この透過光を第2の波面分割
    面で反射光と透過光に分割して全体で3光束に分割する
    ようにしたプリズムの集合で、入射端面から各光束の出
    射端面までの光路長が互に等しく、上記第1の波面分割
    面がプリズムの境界面に形成された誘電体多層膜により
    形成されて反射光強度1に対して透過光強度2の比率で
    波面分割すると共に、透過光に対してS偏光とP偏光の
    位相差が透過前と不変に保たれる面であり、上記第2の
    波面分割面がプリズムの境界面に形成された誘電体多層
    膜で形成されて、反射光強度と透過光強度の比を1対1
    に波面分割すると共に、透過光に対してS偏光とP偏光
    の位相差が透過前と不変に保たれる面であり、上記3分
    割された各光束のうち第1の波面分割面からの反射光の
    出射端面にS偏光或はP偏光の何れかを透過させる偏光
    子を設け、第2の波面分割面からの反射光の出射端面
    に、上記偏光子と直交する偏光子を設け、第2の波面分
    割面を透過した光の出射端面にはS偏光,P偏光に対し
    45°の方位となるよう偏光子を設け、上記各偏光子の
    後方に各光の出射端面に対向させてCCD素子を配置し
    てなることを特徴とする偏光波面3分割光学装置。
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