JP4151159B2 - 媒質の測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学的に透明な薄板や薄膜等の媒質の厚さ及び屈折率の光学的同時測定に係り、装置の小型安定化及び測定の自動化を可能とする媒質の測定装置および測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、薄膜や光ガラス等の透明試料の厚さを測定する手段として、低コヒーレンス干渉法やレーザ光を試料にスポット照射する方法などが知られている。
【０００３】
低コヒーレンス干渉法を用いる光学測定系としては、例えば、特開平１０−２８５５号公報（以下、イ号公報と呼ぶ。）に開示されたものが知られている。イ号公報に開示の光学測定系は、積層構造体に対して光を照射する点光源と、この点光源と積層構造体との間に順に配列されたビームスプリッタおよび対物レンズと、点光源と積層構造体とを結ぶ直線上において、ビームスプリッタの一方に配置された参照光ミラーと、ビームスプリッタの他方に配置した検出器を備えたものである。上記イ号公報に開示されたような光学測定系の基本的な構成は、低コヒーレンス干渉法を利用するものではごく一般的なものとして従来から広く知られている。
【０００４】
低コヒーレンス干渉法の基本原理は、光学的に透明な測定対象に平行なビーム又は集光されたビームを照射し、測定対象である媒質の前面又は後面からのそれぞれの反射信号光と参照光との光路差が等しくなるように参照光ミラーの２点の位置を特定し、これらの２点の位置の間隔から測定対象の前面と後面の光路差を測定するというものである。
【０００５】
しかし、測定対象の前面と後面との間の光路差は、測定対象の群屈折率と厚さの積で表される光学的厚さであり、このような低コヒーレンス干渉法による測定では、測定対象である媒質の位相屈折率と群屈折率を分離して測定することは容易ではない。
【０００６】
そこで、媒質の位相屈折率及び複屈折率と厚さの分離測定を可能とするとともに位相屈折率を群屈折率の測定を可能とする光干渉法を利用した測定方法及びその装置として、特開平１０−３２５７９５号公報（以下、ロ号公報と呼ぶ。）が開示されており、また、特願平１０−１５４２９５号（以下、ハ号出願と呼ぶ。）が開示されている。以下、これらに記載された媒質の測定方法及び測定装置について説明する。
【０００７】
図６はロ号公報に開示の光学測定系のシステムを示す模式図である。
【０００８】
図６において、５１は低コヒーレンス光を照射する発光素子、５２は発光素子５１に対峙して配設されその光軸方向に移動可能としたステージである。ステージ５２には測定対象である測定対象物Ｍが保持搭載されている。５３は発光素子５１から照射される低コヒーレンス光をコリメートするコリメートレンズ、５４は発光素子５１の光軸上に配設されコリメートレンズ５３によってコリメートされた低コヒーレンス光（以下、平行光線と呼ぶ。）を該光軸方向と該光軸に垂直な方向に二等分するビームスプリッタ、５５は発光素子５１の光軸上に配設されビームスプリッタ５４により二等分された平行光線を集光する集光レンズ、５５ａはステージ５２と同じ方向に平衡移動可能に配設され集光レンズ５５を搭載するステージ、５６はビームスプリッタ５４内で発光素子５１の光軸と垂直方向に分割された平行光線（以下、直交平行光線と呼ぶ。）の光軸上に該光軸に垂直に配設された平面鏡からなる参照光ミラー、５６ａは参照光ミラー５６を搭載し発光素子５１の光軸と直交する方向に平行移動自在に配設されたステージ、５６ｂはステージ５６ａに固定され参照光ミラー５６を加振する振動手段、５７は直交平行光線の光軸上のビームスプリッタ５４に対して参照光ミラー５６と逆側に配設された受光素子、５７ａは直交平行光線の光軸上のビームスプリッタ５４と受光素子５７の間に配設され直交平行光線を受光素子５７上に集光するレンズである。これらの光学系は、全ては剛性の高い定盤（図示せず）上に配置される。
【０００９】
受光素子５７はその前面側に配置した集光レンズ５７ａからの光を受け、その検出信号を検出回路（図示せず）に出力する。また、制御装置等を利用した操作端末（図示せず）を備え、操作端末は検出回路からのデジタル信号を受けてデータ処理するとともに、ステージコントローラ（図示せず）に信号を入力してステージ５２，５６ａ，５５ａの移動方向及び移動量を制御する。
【００１０】
発光素子５１からの低コヒーレンス光はコリメートレンズ５３によってコリメートされた後ビームスプリッタ５４によって二等分され、その光の一方は集光レンズ５５を通過して測定対象Ｍに集光され、他方の光は参照光ミラー５６側へ進む。測定対象物Ｍからの反射光はビームスプリッタ５４から受光素子５７へ進む。振動手段５６ｂによりある周波数で所定の振幅の振動を加えられた参照光ミラー５６からの反射光は、参照光ミラー５６の振動により位相変調され受光素子５７へ入射する。受光素子５７においては、これらの２つの入射光によって干渉信号が得らる。ステージコントローラは、干渉信号強度が最大となるようにステージ５２又はステージ５５ａ及び５６ａの位置を制御する。
【００１１】
以上のように構成された媒質の測定装置において、以下その測定方法について説明する。
【００１２】
まず、発光素子５１からの低コヒーレンス光が測定対象物Ｍの前面に焦点を持つようにステージ５２の位置を設定する。次に、ステージ５６ａを移動させ、参照光ミラー５６の位置を、検出回路による干渉信号強度が最大となる位置に移動する。次いで、発光素子５１からの低コヒーレンス光が測定対象の測定対象物Ｍの後面に焦点を持つように、ステージ５２により測定対象物Ｍを集光レンズ５５側へ移動さる。このときの測定対象物Ｍの移動量（すなわち、ステージ５２の移動量）をｚとする。
【００１３】
以上の設定の後、ステージ５６ａにより、参照光ミラー５６をビームスプリッタ５４から離れる向きに移動させ、受光素子５７により受光される、参照光ミラー５６からの反射光と測定対象物Ｍの後面６３からの反射光との干渉光の強度が、再び最大となる位置に参照光ミラー５６の位置を設定する。このときの参考光ミラー５６の移動量（すなわち、ステージ５６ａの移動量）をΔＬとする。
【００１４】
これらの各ステージの移動量であるｚとΔＬの値から、測定対象の測定対象物Ｍの位相屈折率ｎと厚さｔとを以下のようにして導出することができる。
【００１５】
低コヒーレンス光を測定対象物Ｍに対して集光させる集光レンズ５５の開口数をＳ、測定対象物Ｍの位相屈折率をｎ、測定対象物Ｍの屈折率波長分散量をΔｎとする。波長分散量Δｎ＜＜１の近似の下では、上記の移動量であるΔＬとｚを用い、測定対象物Ｍの位相屈折率ｎは（数１）により算出することができる。
【００１６】
【数１】
【００１７】
また（数１）中の波長分散量Δｎも上記のΔＬとｚと定数ａおよびｂを用いて、（数２）により算出することができる。
【００１８】
【数２】
【００１９】
ここで定数ａおよびｂは、実験的に得られる値であり、固体に対してはａが０．０２４１、ｂが１．６９となり、液体に対してはａが０．０４６０、ｂが１．５３となる。
【００２０】
さらに、測定対象の測定対象物Ｍの厚さｔは、ここで求められた媒体Ｍの位相屈折率ｎ、波長分散量Δｎと、上記の上記のΔＬとｚを用いて（数３）により算出することができる。
【００２１】
【数３】
【００２２】
以上のように、上記測定により、測定対象物Ｍの位相屈折率ｎと厚さｔを同時に光学的な測定によって得ることができる。
【００２３】
また、同様の測定方法を用い、測定対象物Ｍのサンプルホルダーを使用することにより、媒体Ｍの位相屈折率ｎp，群屈折率ｎg及び厚さｔの測定を行うことができる。
【００２４】
図７はハ号出願に係る明細書に記載の媒質の測定装置および測定法に用いる測定対象物を固定するホルダーの側面図である。
【００２５】
図７において、Ｍは屈折率と厚さの測定の測定対象の測定対象物、５５は測定対象物Ｍの前面６２側の測定対象物Ｍに入射される平行光線の光軸上に配設され平行光線を光軸上に集光する集光レンズ、６０，６１は測定対象物Ｍの両側に平行に間隔ｔ0で配設された２枚の透明板からなる前側透過板及び後側反射板、６１ａは前側透過板６０の後面、６２は測定対象物Ｍの前面、６３は測定対象物Ｍの後面、６１ａは後側反射板６１の前面である。測定対象物Ｍは前側透過板６０，後側反射板６１の間に所定の間隔ｔ1，ｔ2の空気層を設けて挟持されている。また、前側透過板６０，後側反射板６１及び測定対象物Ｍは、前側透過板６０の後面６０ａ，測定対象物Ｍの前面６２及び後面６３，後側反射板６１の前面６１ａは、入射される平行光線の光軸に垂直となるように配設される。入射された平行光線は、集光レンズ５５により集光され前側透過板６０側から測定対象物Ｍに入射する。２枚の前側透過板６０，後側反射板６１の間隔ｔ0は、使用する集光レンズ５５の焦点距離によって任意に決定される。
【００２６】
測定光学系の構成は図６と同様であるが、図６の集光レンズ５５の位置に、図７の集光レンズ５５が配設され、測定対象物Ｍの両側には２枚の前側透過板６０，後側反射板６１が配設された構成とされる。
【００２７】
以上のように構成された媒質の測定装置において、以下その測定方法について説明する。
【００２８】
まず、ロ号公報に開示の測定方法において説明した動作と同様にして、前側透過板６０の後面６０ａ，測定対象物Ｍの前面６２，後面６３及び後側反射板６１の前面６１ａの４面において、各々、ｚとΔＬを決定する。後面６０ａと前面６２、及び後面６３と前面６１ａとの間は空気層なので、位相屈折率ｎp＝群屈折率ｎg＝１である。従って、後面６０ａと前面６２、及び後面６３と前面６１ａとの間で測定される各々のｚはｔ1，ｔ2となり、ΔＬは０となる。これにより、前記４面（後面６０ａ，前面６２，後面６３，前面６１ａ）の各々の測定から、前側透過板６０の後面６０ａと測定対象物Ｍの前面６２との間の空気層の厚さｔ1、測定対象物Ｍの前面６２，後面６３におけるｚとΔＬ、及び測定対象物Ｍの後面６３と後側反射板６１の前面６１ａとの間の空気層の厚さｔ2が得られる。また、前側透過板６０の後面６０ａと後側反射板６１の前面６１ａの間隔ｔ0は、前もって測定しておけば既知である。従って、（数４）により、測定対象物Ｍの厚さｔが求められる。
【００２９】
【数４】
【００３０】
このようにｔが測定できるので、（数５）及び（数６）により、位相屈折率ｎpおよび群屈折率ｎgを求めることができる。
【００３１】
【数５】
【００３２】
【数６】
【００３３】
以上のように、測定対象物Ｍを固定するホルダーとして、測定対象物Ｍを２枚の前側透過板６０，後側反射板６１に間隙を設けて挟持できる媒質ホルダーを用いることにより測定対象物Ｍの厚さｔ及び位相屈折率ｎpと群屈折率ｎgに分離して測定することができる。
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の媒質の測定方法及び測定装置では、以下のような課題を有していた。
（１）低コヒーレンス光を利用した干渉法による媒質の測定においては、参照光ミラー５６を介する参照光の光路長と測定対象物（測定対象物Ｍ）を介する信号光の光路長とを等しく設定することが測定のための条件である。即ち、例えば、図６に示したようなマイケルソン型干渉光学系の例では、ビームスプリッタ５４から測定対象物（測定対象物Ｍ）へ向かうまでの光路長と、ビームスプリッタ５４から参照光ミラー５６へ向かうまでの光路長の、それぞれの長さを等しく設定することが必要となる。従って、ステージ５２とステージ５６ａの移動量の制御は厳しく精度管理する必要がある。また、光学測定に必要なステージ走査範囲を持たせるために、それぞれの機器の配置も制約を受ける。故に、発光素子５１、測定対象（測定対象物Ｍ）を保持搭載するステージ５２等の構成要素部品の配置については、測定光学系の光路長を基準とした配置とする必要があり、これら構成要素部品が占有する面積の縮小も制限され、測定装置の小型化が難しいという課題を有していた。
（２）上記従来の測定原理で測定対象物Ｍの屈折率及び厚さの同時測定を行う場合、第一に集光レンズ５５からの光が集光する測定対象物Ｍの前面および後面位置の特定を行い、その後、それら前後面の集光位置に対応する参照光ミラー５６の位置を干渉信号強度から決定する必要があるが、従来の光学系の構成では、媒体の前後面での集光位置の特定が困難であり、時間がかかる。すなわち、ステージ５２とステージ５６ａを交互に走査し、干渉信号が検出される位置を探すことになるため、自動測定には膨大な時間を要するという課題を有していた。
【００３５】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、測定装置の各構成要素部品の配置の自由度を増すことにより、装置の小型化が可能であり、更に、装置の安定化および測定の高速化が可能で、高精度な測定対象物の屈折率と厚さの同時自動測定が可能となる媒質の測定装置を提供することを目的とする。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の媒質の測定装置は、低コヒーレンス光を出射する光源と、光源より出射された低コヒーレンス光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに空間的に分離し２つの光路に分割する光路分割手段と、光路分割手段により分離される検査光を集光し測定対象物に照射する対物集光レンズと、測定対象物を保持搭載し検査光の光軸方向に移動する測定対象物駆動手段及び／又は対物集光レンズを保持搭載し検査光の光軸方向に移動する対物集光レンズ駆動手段と、光路分割手段により分離される参照光の光路長を調節する参照光光路長調節手段と、参照光を位相変調する位相変調手段と、位相変調された参照光と測定対象物からの検査光の反射光である信号光とを干渉させ干渉光を生成する干渉光生成手段と、干渉光生成手段により生成された干渉光の強度を検出する受光素子と、を備え、位相変調手段が、参照光の光路内に挿入された透明板と、透明板に周期的な角度変位を与えることの可能な振動手段と、を備えた構成より成る。
【００３８】
この構成により、測定装置の各構成要素部品の配置の自由度が増えるため、装置の小型化が可能であり、更に、装置の安定化および測定の高速化が可能で、高精度な測定対象物の屈折率と厚さの同時自動測定が可能となる媒質の測定装置を提供することができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の媒質の測定装置は、低コヒーレンス光を出射する光源と、光源より出射された低コヒーレンス光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに空間的に分離し２つの光路に分割する光路分割手段と、光路分割手段により分離される検査光を集光し測定対象物に照射する対物集光レンズと、測定対象物を保持搭載し検査光の光軸方向に移動する測定対象物駆動手段及び／又は対物集光レンズを保持搭載し検査光の光軸方向に移動する対物集光レンズ駆動手段と、光路分割手段により分離される参照光の光路長を調節する参照光光路長調節手段と、参照光を位相変調する位相変調手段と、位相変調された参照光と測定対象物からの検査光の反射光である信号光とを干渉させ干渉光を生成する干渉光生成手段と、干渉光生成手段により生成された干渉光の強度を検出する受光素子と、を備え、位相変調手段が、参照光の光路内に挿入された透明板と、透明板に周期的な角度変位を与えることの可能な振動手段と、を備えた構成としたものである。
【００４２】
この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）光源より出射された低コヒーレンス光は、コリメートレンズでコリメートされた後、光路分割手段により検査光と参照光とに分割される。検査光は照射手段の対物集光レンズに入射され、対物集光レンズにより集光され、測定対象物に照射される。検査光は、測定対象物において反射され、信号光として対物集光レンズに入射の後、干渉光生成手段に入射される。一方、参照光は、参照光光路長調節手段を介して干渉光生成手段に入射される。この際、参照光の光路中において、参照光は位相変調手段により所定の周波数で位相変調される。干渉光生成手段に入射された信号光と参照光とは、干渉光生成手段で合波され、干渉光として出射され、受光素子に入射され、その強度を検出される。この際、参照光は位相変調手段により位相変調されているため、参照光と信号光とを干渉させることによりヘテロダイン検波が行われる。参照光の光路長は、参照光光路長調節手段により、変化させることが可能である。また、対物集光レンズにより集光される検査光の焦点の測定対象物に対する相対位置は、測定対象物又は対物集光レンズを検査光の光軸に沿って測定対象物駆動手段又は対物集光レンズ駆動手段により移動させることで、任意の位置に調節することが可能である。これにより、後述のサンプル走査法やレンズ走査法により、非接触で測定対象物の屈折率と厚さの分離、同時測定ができる。
（２）ビームスプリッタ（光路分割手段及び干渉光生成手段）を用いることにより、媒質の測定装置を構成する光学系に使用する構成部材の配置の自由度が増加するため、小型化が可能となる。
【００４３】
ここで、光源としては、可干渉距離△ｌc（＝（（ｌｎ（２））×（２／π）×（（λc 2）／△λ））／２）が概ね３０μｍ以下の低コヒーレントな光源であればよく、スーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、白色光源（ハロゲンランプやキセノンランプ）からの光をモノクロメータにより特定波長域のみ分光した光源、閾値以下の注入電流で駆動されるレーザダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード等、が使用される。
【００４４】
光源の出力は、変動なく安定でかつ、測定対象物からの信号光および参照光を合波および干渉し、検波する受光素子の感度に合わせることが、測定を安定して行うことができるので好ましい。
【００４５】
光源の波長は特に限定されるものではなく、紫外光から赤外光まで、幅広く使用することができる。従って、白色光源とモノクロメータの組み合わせによる光源を用いて、短波長から長波長まで光波長の走査を行い、測定対象物の波長特性（例えば波長分散）を測定することが可能である。また、白色光源をモノクロメータによって分光した光を光源を用いるものと同様に、発振中心波長が異なる複数個のレーザダイオード等を併用することによって、波長特性を測定することも可能である。
【００４６】
測定対象物としては、検査光を完全に吸収しない媒質であればよく、ガラス（例えば、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等）や高分子（例えば、ポリメチルメタアクリレート、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、メチルメタアクリレート、エポキシ樹脂、ポリフロロアクリレート、シリコン樹脂、メラミン樹脂、紫外線硬化樹脂、電子線硬化樹脂、触媒硬化樹脂、熱硬化樹脂等）や結晶材料（例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイヤ、ＫＤＰ、ＡＤＰ、方解石等）や透明容器中の液体材料および生体組織（例えば、角膜、水晶体、爪等）等が挙げられる。また、測定対象物の前面および後面は、必ずしも鏡面である必要はなく、粗面であってもよい。また、測定対象物としては、上記のガラスや高分子や結晶材料に限定されるものではなく、これらの多層膜であっても良い。更に、測定対象物は、光を完全に吸収しない媒質であれば良く、媒質の中に散乱体が介在しているような散乱媒質であっても、反射直進光（信号光）のみを抽出して測定することが可能である。また、測定対象物は、必ずしも平行平板である必要はなく、前面または後面に若干の傾斜もしくは曲率を持った媒質であっても、測定が可能である。
【００４７】
光路分割手段，干渉光生成手段としては、無偏光ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ（即ちＰＢＳ）、クロムハーフミラー、アルミハーフミラー、誘電体多層膜ハーフミラー、シングルモード光ファイバカプラ、光導波路、方向性結合器等のビームスプリッタが好適に用いられる。構成が簡単で光強度の損失が少なく、光学系をコンパクトに構成することが可能であるからである。また、ビームスプリッタには、入射する光の反射をできるだけ小さくし、透過光量を大きくするため、反射防止（以降ＡＲ）コートを施したものが望ましい。ＡＲコートとしては、多層膜コートが好ましい。
【００４８】
尚、光路分割手段，干渉光生成手段としては、光束を分波・合波又は合波・干渉できるものであればよく、ハーフミラー、シングルモード光ファイバカプラ等も使用できる。特に、シングルモード光ファイバカプラを使用すると、干渉光学系全体を光ファイバ化することができ、光学系に使用する構成部材の配置の自由度が極めて大きくなり、光学系をコンパクトに構成することが極めて容易となる。但し、ここでシングルモード光ファイバカプラや方向性結合器等を使用すると、カプラ部分の分散により、分割後の光源の特性が変化することを考慮する必要がある。また、光源の使用波長により、これらのビームスプリッタを使用波長に対して、吸収および損失が最小となるように最適化する必要があることは言うまでもない。
【００４９】
コリメートレンズ，対物集光レンズとしては、ガラス、光学結晶等の無機物、又はポリメチルメタアクリレート、ポリカーボネート等の高分子材料（有機物）の平凸レンズ、両凸レンズ、円筒レンズ、球レンズ等が使用される。中でも、可視域および近赤外域の波長に対して、透過率が極めて良いＢＫ７を用いた集光レンズや、紫外域および可視，近赤外域の波長に対する透過率が良く熱膨張係数も小さく温度に対して安定した性質を持つ石英を用いた集光レンズなどの無機物の集光レンズが好適に用いられる。また、これらの集光レンズには、入射する光の反射をできるだけ小さくし、透過光量を大きくするため、ＡＲコートを施すことが望ましい。ＡＲコートとしては、多層膜コートが好ましい。尚、透過率等が良好な集光レンズとして、金属顕微鏡用の対物レンズを使用してもよい。
【００５０】
参照光光路長調節手段としては、参照光をその光軸方向と平行に入射方向と逆向きに反射する参照光ミラーを移動させることによる光路長の調節手段が好適に用いられる。この際、参照光ミラーとしては、クロム全反射ミラー、アルミ全反射ミラー、誘電体多層膜全反射ミラー等が使用されるが、特にこれらに限定されるものではない。また、形状に関しても平面ミラーや直角プリズム、コーナーキューブプリズム（リトロリフレクター）等が使用され、特に形状が限定されるものではなく、干渉光学系の構成から最適な形状および特性を持ったものを選択することが望ましい。この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）参照光は、光路分割手段から参照光ミラーを介して干渉光生成手段に入射され、参照光の光路長は、参照光ミラー駆動手段により参照光ミラーを参照光の光軸方向に移動させることにより、変化させることが可能である。
（２）参照光ミラー駆動手段の移動量と参照光の光路長の変化量が比例するため、参照光の光路長の制御が容易となる。
【００５１】
測定対象物駆動手段，対物集光レンズ駆動手段としては、正確に移動距離を測定可能なものであればよく、パルスステージ、リニアモータステージ等の微動ステージや、超音波リニアモータアクチュエータ、圧電リニアアクチュエータ等の微動アクチュエータが使用される。これらの微動ステージや微動アクチュエータは、測定精度を向上させるため、分解能１μｍ以下、繰り返し位置決め精度±１μｍ以下、真直度１μｍ以下、平行度１μｍ以下、ヨーイング５ｓｅｃ以下、ピッチング５ｓｅｃ以下の特性を持ったものが望ましい。尚、測定対象物駆動手段，対物集光レンズ駆動手段としては、上述の微動ステージや微動アクチュエータに限られるものではなく、上記特性を満足できるものであれば、どのようなものを用いてもよい。
【００５２】
位相変調手段として、参照光の光路内に挿入された透明板と、透明板に周期的な角度変位を与えることの可能な振動手段と、を備えた構成にすることにより、以下のような作用が得られる。
（１）振動手段が透明板に対し周期的な角度変位を与え、この振動により透明板を透過する参照光の光路長が周期的に変化し、参照光が位相変調される。これにより、ヘテロダイン検波を行うことが可能となり、干渉光信号の処理を安定化し、高精度に表裏面の位置決めができる。
（２）参照光の光路中に簡単に挿入することができ、光軸調整を必要としない。
（３）透明板は、参照光が透過する程度の大きさでよく、光学系全体の小型化が図れる。
ここで、透明板としては、参照光を効率よく透過させる透明平行平板が望ましく、溶融石英板等の各種光学ガラスや光学結晶、高分子材料等を用いることができる。また、透明板は、透過光量を大きくとるため、反射防止（ＡＲ）コートを施したものが望ましい。ＡＲコートとしては、多層膜コートが好ましい。
【００５３】
そして、透明板に周期的な角度変位を与える振動手段としては、ガルバノメータ（ガルバノミラー）に使用されるモータ（ガルバノモータ）、ピエゾ素子等が挙げられる。
振動手段が透明板に与える周期的な角度変位は、その周波数ｆが１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚ、周期的な角度変位により周期的に変化する参照光の光路長の振幅Ａが光源の発振中心波長λｃの１／４〜１／２となるような振動を与えることが好ましい。周波数ｆが１００Ｈｚより低くなるに従い、交流の６０および５０Ｈｚのノイズが検出信号にのりＳ／Ｎ比が低下する傾向があり、周波数ｆが１０ｋＨｚより高くなるに従い、ヘテロダイン検波される信号処理に高速化が要求され、信号処理系が追従できなくなる傾向があり、また、振幅Ａが光源の発振中心波長λｃの１／４より短くなるにつれ、ヘテロダイン検波される信号の振幅（強度）が小さくなる傾向があり、振幅Ａが光源の発振中心波長λｃの１／２より長くなると、ヘテロダイン検波される信号に基本周波数ｆの高調波成分が多く乗り始め、基本周波数ｆの整数倍に同期した検波信号を処理することになるからである。
【００５４】
受光素子としては、ヘテロダイン検波が可能なフォトダイオードであればよく、シリコンフォトダイオード、シリコンＰＩＮフォトダイオード、シリコンアバランシェフォトダイオード、ＧａＡｓＰフォトダイオード（拡散型）、ＧａＡｓＰフォトダイオード（ショットキ型）、ＧａＰフォトダイオード、Ｇｅフォトダイオード、Ｇｅアバランシェフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮフォトダイオード等が使用される。ここで、受光素子は、光源の使用波長、出力強度および位相変調周波数により、最適なものを選定する必要があることは言うまでもない。中でも、光源の波長４００ｎｍから１０００ｎｍの検波においては、シリコンフォトダイオード、また、光源の波長７００ｎｍから１７００ｎｍの検波においては、Ｇｅフォトダイオードが好適に使用される。尚、受光素子としては、上記のものに限定されるものではなく、位相変調手段により、位相変調された参照光と測定対象物からの信号光をヘテロダイン検波できるものであれば良い。
【００５５】
尚、媒質の測定装置の干渉光学系において光路分割手段で分割されてから受光素子に至る２つの光路は、波長分散量が互いに補償されていることが望ましい。従って、上記２つの光束の光路の何れか一方、又は両方に分散補償板，分散補償ブロック又は分散補償ファイバ等の波長分散量補償手段を介在させることが望ましい。
【００５６】
また、更に参照光の光路中にシャッター等の参照光の光路を遮断・解放する参照光遮断手段を配設し、干渉光生成手段と受光素子との光路中に共焦点光学系を構成するための干渉光集光レンズとピンホールとを配設してもよい。外部から電気的な制御が可能な電磁シャッター等が好適である。これにより、自動測定が可能となり、以下の作用が得られる。
（１）参照光遮断手段により、参照光の受光素子への入射が遮断又は解放される。参照光遮断手段を解放したときには、媒質の測定装置の光学系は干渉光学系となり、参照光遮断手段を遮断したときには、媒質の測定装置の光学系は共焦点光学系となる。ピンホールは、対物集光レンズと干渉光集光レンズの共焦点光学系を構成するためのものであり、干渉光集光レンズと受光素子との間の光路中の干渉光集光レンズの焦点位置に挿入されている。これにより、参照光遮断手段で、参照光の受光素子への入射を遮断すると、本光学系は共焦点光学系として動作し、測定対象物若しくは対物集光レンズを測定対象物駆動手段又は対物集光レンズ駆動手段で検査光の光軸方向に移動させ、受光素子の受光強度を検出することにより、対物集光レンズを介して集光される検査光の焦点位置が測定対象物の反射面に一致する測定対象物若しくは対物集光レンズの位置（以下、各反射面に対する合焦点位置と呼ぶ。）を特定（フォーカスサーチ）することができる。
（２）ア．最初に、参照光遮断手段により参照光の受光素子への入射を遮断し、共焦点系による測定対象物の反射面のフォーカスサーチにより、各反射面に対する合焦点位置のおよその位置を特定する。イ．その後、参照光遮断手段を解放し、干渉光学系として動作させ、共焦点系により特定した表裏面の位置近傍で、各々参照光ミラーを走査、干渉信号強度が最大になる参照光ミラーの位置を特定する。ウ．上記ア．で共焦点系により特定した表裏面の位置は、あくまで概略座標であるため、イ．で決定した移動量（ｚ，△Ｌ）の確度を上げるため、再度イ．の座標近傍で測定対象物若しくは集光レンズと参照光ミラーを走査し、干渉信号強度が極大になる各々の座標を決定する。ここで、本干渉系は、低コヒーレンス干渉系であるため、測定対象物の表面に集光している場合において干渉信号が極大になる測定対象物もしくは集光レンズと参照光ミラーの位置関係は１点に決定でき、同様に裏面においても１点と決定されます。この表裏面における各々のステージの差がｚ（測定対象物もしくは集光レンズの移動距離）と△Ｌ（参照光ミラーの移動距離）となる。これにより、各反射面に対する合焦点位置を探す時間が短縮され、媒質の測定に要する時間が短縮される。
干渉光集光レンズとしては、コリメートレンズや対物集光レンズと同様、ガラス、光学結晶等の無機物、又はポリメチルメタアクリレート、ポリカーボネート等の高分子材料（有機物）の平凸レンズ、両凸レンズ、円筒レンズ、球レンズ等が使用される。
ここで、ピンホールの径（ピンホール径）は、１００μｍ以下とすることが好ましく、使用する干渉光集光レンズの特性、及び参照光を解放し干渉光学系として動作させたときの受光素子の干渉信号強度の感度によって最適化することが望ましい。
【００５９】
上記した参照光ミラー駆動手段としては、測定対象物駆動手段，対物集光レンズ駆動手段と同様、正確に移動距離を測定可能なものであればよく、パルスステージ、リニアモータステージ等の微動ステージや、超音波リニアモータアクチュエータ、圧電リニアアクチュエータ等の微動アクチュエータが使用される。
【００６０】
また、参照光光路長調節手段は、参照光の光軸方向に移動自在に配設され参照光を同軸逆向きに反射する参照光ミラーと、参照光ミラーを参照光の光軸方向に移動可能に保持搭載する参照光ミラー駆動手段と、光路分割手段から入射される参照光を参照光ミラーに出射するとともに参照光ミラーから反射される参照光を光路分割手段から入射される参照光と空間的に分離して出射する参照光分岐手段と、を備えた構成としてもよい。
【００６１】
この参照光光路長調節手段の構成により、以下のような作用が得られる。
（１）参照光は、光路分割手段から参照光分岐手段を介して参照光ミラーへ入射され、参照光ミラーで反射された参照光は同軸逆向きに参照光分岐手段に入射され、光路分割手段から入射された参照光と空間的に分離された後、干渉光生成手段に入射される。参照光の光路長は、参照光ミラー駆動手段により参照光ミラーを参照光の光軸方向に移動させることにより、変化させることが可能である。
（２）参照光ミラー駆動手段の移動量と参照光の光路長の変化量が比例するため、参照光の光路長の制御が容易となる。
（３）参照光ミラーに入射する参照光と参照光ミラーで反射された参照光の光軸は同軸とすることができるため、１本のシングルモード光ファイバにより、参照光ミラーへ向かう参照光及び参照光ミラーで反射された参照光を導波させることが可能であり、光学系を更にコンパクト化することが可能となる。
（４）構成部材を少なくすることができる。
【００６２】
ここで、参照光分岐手段としては、光路分割手段，干渉光生成手段と同様、無偏光ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ（即ちＰＢＳ）、クロムハーフミラー、アルミハーフミラー、誘電体多層膜ハーフミラー、シングルモード光ファイバカプラ、光導波路、方向性結合器等のビームスプリッタが好適に用いられる。
【００６８】
ところで、光源からコリメートレンズに至る光路中、コリメートレンズから光路分割手段に至る光路中、光路分割手段から干渉光生成手段に至る参照光の光路中、光路分割手段から対物集光レンズに至る検査光の光路中、対物集光レンズから干渉光生成手段に至る信号光の光路中のうちの少なくとも一つの光路中に配設された１乃至複数のシングルモード光ファイバを備えた構成とするのがよい。
【００６９】
この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）複数のビームスプリッタと光路に配設されたシングルモード光ファイバとを用いることにより、干渉光学系に使用する構成部材の配置の自由度を増し、小型化が可能になると共に、非接触に測定対象物の屈折率と厚さの分離、同時測定ができる。
（２）シングルモード光ファイバの条長を調整することにより、信号光および参照光アームの波長分散量のアンバランスを補償することができる。
（３）シングルモード光ファイバを用いることにより、光路を直線的な引き回しから、曲線での引き回しが可能となり、光学系のハンドリングが良くなる。
【００７０】
ここで、シングルモード光ファイバとしては、偏波面保存光ファイバ等が使用される。
【００７１】
尚、信号光の光路中にシングルモード光ファイバを介設した場合は、対物集光レンズを介して測定対象物から入射される信号光がシングルモード光ファイバ内を導波する際、信号光は、シングルモード光ファイバによりフィルタリングされ、干渉光集光レンズとピンホールとを組み合わせた場合と同様の作用により、受光素子へ導かれるため、干渉光集光レンズを用いる場合には、干渉光集光レンズと受光素子との間の光路中にピンホールをあえて挿入する必要はない。
【００７６】
ここで、シングルモード光ファイバを偏波面保存光ファイバとすることで、以下のような作用が得られる。
（１）光ファイバ内を伝搬する光の偏波面が回転しないため、光源の偏波特性をそのまま保持することができ、安定した測定ができる。
（２）偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）との組み合わせにより、ＴＥおよびＴＭモードの分離も可能となり、測定対象物の複屈折測定ができる。
【００８８】
また、本発明の請求項１に記載の媒質の測定装置は、参照光又は検査光若しくは信号光の光路中に配設された波長分散量補償手段を備え、波長分散量補償手段は、参照光と信号光との波長分散の量を互いに補償する構成としてもよい。
【００８９】
この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）分散補償手段は、光路分割手段で分割された参照光の光路（以下、参照光アームと呼ぶ。）と検査光及び信号光の光路（以下、信号光アームと呼ぶ。）での波長分散量のアンバランスを補償するものであり、参照光アーム又は信号光アームの光路中に、両アームの波長分散量のアンバランスに見合う透明部材を挿入し、波長分散のアンバランスをキャンセルする。
（２）干渉信号の包絡線の半値全幅を光源のコヒーレンス長まで狭くすることができ、光源本来の特性を活かして、高精度に前後面の位置決めができる。
【００９０】
ここで、分散補償手段としては、ガラス、光学結晶等の無機物およびポリメチルメタアクリレート、ポリカーボネート等の高分子材料（有機物）等で構成される分散補償ブロックが使用される。これら、分散補償ブロックの光軸方向の厚さは、参照光アームと信号光アームとの波長分散のアンバランスの補償に見合う厚さとすることは言うまでもない。また、分散補償ブロックには、入射する光の反射をできるだけ小さくし、透過光量を大きくするため、ＡＲコートを施したものが望ましい。ＡＲコートとしては、多層膜コートが好ましい。更に、参照光、及び／又は検査光及び／又は信号光の光路中にシングルモード光ファイバが配設されている場合は、各々の光路に配設されたシングルモード光ファイバの丈長を調整することにより、波長分散量のアンバランスをキャンセルすることが可能であり、シングルモード光ファイバを分散補償手段として使用することもできる。
【００９３】
ところで、本発明の請求項１に記載の媒質の測定装置は、測定対象物を保持するサンプルホルダを備え、サンプルホルダは、測定対象物と対物集光レンズとの間に測定対象物と所定の間隔をあけて配設された透明板からなる前側透過板と、測定対象物をはさんで前側透過板に対向して測定対象物と所定の間隔をあけて配設された反射板からなる後側反射板と、を備えた構成としてもよい。
【００９４】
この構成により、媒体Ｍの位相屈折率ｎp、群屈折率ｎgおよび厚さｔの測定を行うことができるという作用が得られる。
【００９５】
上記目的を達成するために本発明の請求項１に記載の媒質の測定装置を使った測定方法は、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに空間的に分離し、検査光を対物集光レンズにより測定対象物の各反射面に集光するとともに参照光を位相変調し、測定対象物からの検査光の反射光である信号光と位相変調された参照光とを干渉させ干渉光を生成し、参照光の光路中に配設され、入射される参照光をその光軸に平行逆向きに反射する参照光ミラーを、参照光の光軸方向に変位させることにより参照光の光路長を変化させ、干渉光の強度を測定する媒質の測定方法であって、参照光の光路を遮断する参照光遮断手順と、参照光が遮断された状態で測定対象物を検査光の光軸方向に走査させるとともに信号光の強度を測定する測定対象物走査手順と、測定対象物走査手順において信号光の強度の極大となる測定対象物の位置を検査光が測定対象物の各反射面上に集光する測定対象物のおよその合焦点位置として特定する測定対象物概略位置特定手順と、参照光の光路を開放し位相変調された参照光を信号光と干渉させ干渉光を生成する参照光開放手順と、測定対象物の各反射面に対し測定対象物をおよその合焦点位置に移動し、およその合焦点位置の近傍で測定対象物を走査しそれと交互して参照ミラーを微小範囲で走査し、干渉光の強度が最大となる測定対象物の位置ｘ i と参照光ミラーの位置ｗiとを求める測定対象物位置特定手順と、各反射面に対する測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｗiとに基づき測定対象物の屈折率と厚さを求める換算手順と、を備えた構成としたものである。
【００９６】
この構成により、あらかじめ共焦点光学系により、測定対象物の前後面の集光位置を特定するため、簡便にかつ短時間で測定対象物の屈折率と厚さを測定できるという作用が得られる。
【００９７】
ここで、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに分離する方法としては、ビームスプリッタ、ハーフミラー、シングルモード光ファイバカプラ等による光路分割の方法が用いられる。
【００９８】
参照光を位相変調する方法としては、参照光の光路中に参照光を反射する反射鏡（参照光ミラー等）を挿入し、参照光ミラーを加振することで位相変調を行う方法や、参照光の光路内に透明板を挿入し参照光を該透明板に透過させ、該透明板に周期的な角度変位を与えることにより参照光の位相変調を行う方法や、参照光の光路内に電気光学結晶を挿入し参照光を該電気光学結晶に透過させ、該電気光学結晶に周期的な電界により屈折率変化を与えることにより参照光の位相変調を行う方法が用いられる。
【００９９】
位相変調された参照光と信号光とを干渉させ干渉光を生成する方法としては、位相変調された参照光と信号光とをビームスプリッタ、ハーフミラー、シングルモード光ファイバカプラ等に入射し合波することにより干渉光を生成する方法が用いられる。
【０１００】
参照光の光路を遮断／開放する方法としては、シャッターを用いる方法や、参照光の光路中に介設された反射鏡の反射面を回転させ光路を変える方法等が用いられる。
【０１０１】
信号光の強度は受光素子を使用して測定される。
【０１０２】
測定対象物の各反射面に対する測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｚiとを求める方法としては、後述のサンプル走査法などが用いられる。
【０１０３】
請求項１に記載の媒質の測定装置を使った測定方法は、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに空間的に分離し、検査光を対物集光レンズにより測定対象物の各反射面に集光するとともに参照光を位相変調し、測定対象物からの検査光の反射光である信号光と位相変調された参照光とを干渉させ干渉光を生成し、参照光の光路中に配設され、入射される参照光をその光軸に平行逆向きに反射する参照光ミラーを、参照光の光軸方向に変位させることにより参照光の光路長を変化させ、干渉光の強度を測定する媒質の測定方法であって、参照光の光路を遮断する参照光遮断手順と、参照光が遮断された状態で対物集光レンズを検査光の光軸方向に走査させるとともに信号光の強度を測定する対物集光レンズ走査手順と、対物集光レンズ走査手順において信号光の強度の極大となる対物集光レンズの位置を検査光が測定対象物の各反射面上に集光する対物集光レンズのおよその合焦点位置として特定する対物集光レンズ概略位置特定手順と、参照光の光路を開放し位相変調された参照光を信号光と干渉させ干渉光を生成する参照光開放手順と、測定対象物の各反射面に対し対物集光レンズをおよその合焦点位置に移動し、およその合焦点位置の近傍で対物集光レンズを走査しそれと交互して参照ミラーを微小範囲で走査し、干渉光の強度が最大となる対物集光レンズの位置ｙiと参照光ミラーの位置ｗiとを求める測定対象物位置特定手順と、各反射面に対する対物集光レンズの位置ｘiと参照光ミラーの位置ｗiとに基づき測定対象物の屈折率と厚さを求める換算手順と、を備えた構成としたものである。
【０１０４】
この構成により、あらかじめ共焦点光学系により、測定対象物の前後面の集光位置を特定するため、簡便にかつ短時間で測定対象物の屈折率と厚さを測定できるという作用が得られる。
【０１０５】
ここで、測定対象物の各反射面に対する測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｚiとを求める方法としては、後述のレンズ走査法などが用いられる。
【０１０６】
請求項１に記載の媒質の測定装置を使った測定方法は、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに空間的に分離し、検査光を、透明板からなる前側透過板と反射板からなる後側反射板との間に所定の間隔をあけて固定された測定対象物の各反射面に、対物集光レンズにより前側透過板を通して集光するとともに、参照光を位相変調し、測定対象物からの検査光の反射光である信号光と位相変調された参照光とを干渉させ干渉光を生成し、参照光の光路中に配設され、入射される参照光をその光軸に平行逆向きに反射する参照光ミラーを、参照光の光軸方向に変位させることにより参照光の光路長を変化させ、干渉光の強度を測定する媒質の測定方法であって、参照光の光路を遮断する参照光遮断手順と、参照光が遮断された状態で測定対象物を検査光の光軸方向に走査させるとともに信号光の強度を測定する測定対象物走査手順と、測定対象物走査手順において信号光の強度の極大となる測定対象物の位置を検査光が測定対象物の各反射面上又は前側透過板の反射面上若しくは後側反射板の反射面上に集光する測定対象物のおよその合焦点位置として特定する測定対象物概略位置特定手順と、参照光の光路を開放し位相変調された参照光を信号光と干渉させ干渉光を生成する参照光開放手順と、測定対象物の各反射面及び前側透過板の反射面並びに後側反射板の反射面に対し測定対象物をおよその合焦点位置に移動し、およその合焦点位置の近傍で測定対象物を走査しそれと交互して参照ミラーを微小範囲で走査し、干渉光の強度が最大となる測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｗiとを求める測定対象物位置特定手順と、各反射面及び前側透過板の反射面並びに後側反射板の反射面に対する測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｗiとに基づき測定対象物の屈折率と厚さを求める換算手順と、を備えた構成としたものである。
【０１０７】
この構成により、あらかじめ共焦点光学系により、測定対象物の前後面の集光位置を特定するため、簡便にかつ短時間で測定対象物の屈折率と厚さを測定できるという作用が得られる。
【０１０８】
ここで、測定対象物の各反射面及び前側透過板の反射面並びに後側反射板の反射面に対する測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｚiとを求める方法としては、後述のサンプル走査法などが用いられる。
【０１０９】
請求項１に記載の媒質の測定装置を使った測定方法は、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに空間的に分離し、検査光を、透明板からなる前側透過板と反射板からなる後側反射板との間に所定の間隔をあけて固定された測定対象物の各反射面に、対物集光レンズにより前側透過板を通して集光するとともに、参照光を位相変調し、測定対象物からの検査光の反射光である信号光と位相変調された参照光とを干渉させ干渉光を生成し、参照光の光路中に配設され、入射される参照光をその光軸に平行逆向きに反射する参照光ミラーを、参照光の光軸方向に変位させることにより参照光の光路長を変化させ、干渉光の強度を測定する媒質の測定方法であって、参照光の光路を遮断する参照光遮断手順と、参照光が遮断された状態で対物集光レンズを検査光の光軸方向に走査させるとともに信号光の強度を測定する対物集光レンズ走査手順と、対物集光レンズ走査手順において信号光の強度の極大となる対物集光レンズの位置を検査光が測定対象物の各反射面上又は前側透過板の反射面上若しくは後側反射板の反射面上に集光する対物集光レンズのおよその合焦点位置として特定する対物集光レンズ概略位置特定手順と、参照光の光路を開放し位相変調された参照光を信号光と干渉させ干渉光を生成する参照光開放手順と、測定対象物の各反射面及び前側透過板の反射面並びに後側反射板の反射面に対し対物集光レンズをおよその合焦点位置に移動し、およその合焦点位置の近傍で対物集光レンズを走査しそれと交互して参照ミラーを微小範囲で走査し、干渉光の強度が最大となる対物集光レンズの位置ｙ i と参照光ミラーの位置ｗiとを求める測定対象物位置特定手順と、各反射面及び前側透過板の反射面並びに後側反射板の反射面に対する対物集光レンズの位置ｘiと参照光ミラーの位置ｗiとに基づき測定対象物の屈折率と厚さを求める換算手順と、を備えた構成としたものである。
【０１１０】
この構成により、あらかじめ共焦点光学系により、測定対象物の前後面の集光位置を特定するため、簡便にかつ短時間で測定対象物の屈折率と厚さを測定できるという作用が得られる。
【０１１１】
ここで、測定対象物の各反射面及び前側透過板の反射面並びに後側反射板の反射面に対する測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｚiとを求める方法としては、後述のレンズ走査法などが用いられる。
【０１２４】
以下に本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【０１２５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の媒質の測定装置の構成図である。
【０１２６】
１は低コヒーレンス光を照射する光源、１ａは光源１から出射された光をコリメートするコリメートレンズ、２はコリメートレンズ１ａでコリメートされた光源１からの照射光をその光軸上を直進する参照光とそれに垂直な方向に直進する検査光とに二分する光路分割手段であるビームスプリッタ、３はビームスプリッタ２から出射される参照光の光軸上に配設され反射面が直角に曲折する逆Ｖ字状の折平面に形成された直角プリズムミラー、３ａはビームスプリッタ２に対向する直角プリズムミラー３の反射面の一方を構成しビームスプリッタ２より入射される参照光の光軸に対し４５度の角度をなす平面状の鏡面からなる入射側反射面、３ｂは直角プリズムミラー３のもう一方の反射面を構成し入射側反射面３ａに対し直角に曲折する平面状の鏡面からなる出射側反射面、４は直角プリズムミラー３の入射側反射面３ａで反射された参照光の光軸上に配設され反射面が直角に曲折するＶ字状の折平面に形成されたコーナーキューブプリズムからなる参照光ミラー、４ａは入射側反射面３ａに対向する参照光ミラー４の反射面の一方を構成し入射側反射面３ａと平行な平面状の鏡面からなる入射側反射面、４ｂは参照光ミラー４のもう一方の反射面を構成し入射側反射面４ａに対し直角に曲折し出射側反射面３ｂと平行に配設された平面状の鏡面からなる出射側反射面、５は参照光ミラー４に入射する参照光の光軸方向に移動自在に参照光ミラー４を保持搭載する参照光ミラー駆動手段、６は直角プリズムミラー３の出射側反射面３ｂに対向して配設された干渉光生成手段であるビームスプリッタ、７はビームスプリッタ２から出射される検査光の光軸上に配設された全反射ミラー、８は全反射ミラー７から入射される参照光の光軸上のビームスプリッタ６と対向する位置に配設された信号光分離手段であるビームスプリッタ、９はビームスプリッタ８を通過して直進する検査光の光軸上に配設され検査光をその光軸上に集光する対物集光レンズ、１０は対物集光レンズ９に対向して配設された測定対象物、１０ａは測定対象物１０の対物集光レンズ９に対向する側の面である前面、１０ｂは測定対象物１０の測定対象物１０ａと反対側の面である後面、１１ａは測定対象物１０を検査光の光軸に沿って移動自在に保持搭載する測定対象物駆動手段、１１ｂは対物集光レンズ９を検査光の光軸に沿って移動自在に保持搭載する対物集光レンズ駆動手段である。
【０１２７】
ここで、図１ではサンプルホルダーを使用しない構成を示しているが、測定対象物１０を図７に示したサンプルホルダーに挟持して測定対象物駆動手段１１ａに搭載する構成としてもよい。
【０１２８】
光源１から照射された低コヒーレント光は、コリメートレンズ１ａでコリメートされ、ビームスプリッタ２に導かる。ビームスプリッタ２に入射された低コヒーレント光は、ビームスプリッタ２で二等分され、空間的に分離した参照光と検査光の２つの光路に分割される。参照光は光源１からの照射光の光軸上を直進し、直角プリズムミラー３の入射側反射面３ａにより参照光ミラー４の入射側反射面４ａへ導かれる。参照光ミラー４の入射側反射面４ａで反射された参照光は、出射側反射面４ｂで更に反射され、再度、直角プリズムミラー３の出射側反射面３ｂを介して、ビームスプリッタ６へ導かれる。この際、直角プリズムミラー３から参照光ミラー４に入射される参照光の光路と、参照光ミラー４で反射され直角プリズムミラー３に入射される参照光の光路とは平行となる。
【０１２９】
一方、検査光はビームスプリッタ２から全反射ミラー７に進み、全反射ミラー７により反射され光路を直角に曲げられ、ビームスプリッタ８へ導かれる。ビームスプリッタ８を透過し直進する検査光は、対物集光レンズ９により、測定対象物１０に集光される。測定対象物１０に照射された検査光は、測定対象物１０の各反射面（前面１０ａや後面１０ｂ。測定対象物１０が、屈折率の異なる複数の層から構成される場合には、各層間の境界面も反射面となる）において反射される。このうち、対物集光レンズ９により集光された検査光の焦点位置で反射された検査光の反射光は、入射された検査光と同軸の光路で、再び対物集光レンズ９に入射する。
【０１３０】
測定対象物１０からの反射光（以下、信号光と呼ぶ。）は、対物集光レンズ９を介し、ビームスプリッタ８により検査光の光路と空間的に分離され、ビームスプリッタ６へ導かれ、参照光と合波され、干渉光が生成される。すなわち、本実施の形態においては、干渉光学系はマッハツェンダー型干渉系をなして配置されている。
【０１３１】
以下、ビームスプリッタ２から入射側反射面３ａ，入射側反射面４ａ，出射側反射面４ｂ，出射側反射面３ｂを経てビームスプリッタ６へ至る光路を参照光アーム、ビームスプリッタ２から全反射ミラー７，ビームスプリッタ８，対物集光レンズ９，測定対象物１０，ビームスプリッタ８を経てビームスプリッタ６へ至る光路を信号光アームと呼ぶ。
【０１３２】
１２はビームスプリッタ６のビームスプリッタ８と反対側に配設され信号光と参照光との合成された光（以下、干渉光と呼ぶ。）を集光する干渉光集光レンズ、１３は干渉光集光レンズ１２により集光された干渉光を受光しその強度を検出し検出信号を出力する受光素子、１３ａは受光素子１３の受光面前方に配設されたピンホールである。
【０１３３】
１４ａはビームスプリッタ２と直角プリズムミラー３との間の参照光の光路中に配設され周波数ｆでかつ所定振幅の角度変位で回動振動し参照光の位相変調を行う透明板、１４ａ’は透明板１４ａに周期的な角度変位を与える振動手段である。透明板１４ａと振動手段１４ａ’とにより、参照光を位相変調する位相変調手段が構成されている。尚、振動手段１４ａ’には、ガルバノモータ等が使用される。１５は出射側反射面３ｂとビームスプリッタ６との間の参照光の光路中に配設され参照光アームと信号光アームの波長分散のアンバランスを補償する波長分散補償手段である分散補償ブロック、１６は分散補償ブロック１５とビームスプリッタ６との間の参照光の光路中に配設された参照光遮断手段であるシャッターである。
【０１３４】
１８は受光素子１３の検出信号はをデジタル信号に変換する検出回路、１９は検出回路１８から入力されるデジタル信号に変換された検出信号のデータを処理し、参照光ミラー駆動手段５，測定対象物駆動手段１１ａ，対物集光レンズ駆動手段１１ｂ，シャッター１６の動作を制御するパーソナルコンピュータ，ワークステーション，マイコン等からなる制御装置、２０は制御装置１９からの制御信号により測定対象物駆動手段１１ａ，１１ｂの駆動制御を行うステージコントローラ、２１は制御装置１９からの制御信号によりシャッター１６の開閉動作を制御するシャッターコントローラ、２２は透明板１４ａの振動手段１４ａ’に駆動用の交流信号を印加する駆動電源である。尚、図１中に波線で示しているのは、各種制御配線用のケーブルである。
【０１３５】
検出回路１８は、受光素子１３から入力されるアナログ検波（検出）信号をデジタル信号に変換する機能を有するものである。詳細には、検出回路１８は、アンプ、バンドパスフィルタ、サンプルホールド回路、Ａ／Ｄコンバータから構成されている。受光素子１３からの信号は、小信号であることから、Ｓ／Ｎ比を増加するために、増幅回路であるアンプに入力される。その出力は、外部または電源等からのノイズ成分が含まれていることから、このノイズ信号を取り除くためのバンドパスフィルタで、ノイズが除去される。このバンドパスフィルタからの出力は、参照光の一定周期での位相変調に同期して、信号を検出するためのサンプルホールド回路にて必要なアナログ信号をホールドする。このホールドされた信号をＡ／Ｄコンバータにてアナログ信号からデジタル信号に変換することで、所望のデジタル信号が検出可能となる。検出回路１８でアナログ信号からデジタル信号に変換されたデータは、制御装置１９に取り込まれる。尚、ここでは、検出回路１８にＡ／Ｄ変換の機能を入れているが、制御装置１９でＡ／Ｄ変換の機能を行ってもかまわない。また、検出回路１８は、上述した機能に限定されるものではなく、受光素子１３からの検波（検出）信号を制御装置１９に取り込む前段階でのデータ処理を行えれば良い。
【０１３６】
制御装置１９としては、検出回路１８およびステージコントローラ２０からのデータ処理が行え、シャッターコントローラ２１を制御できるものであれば、特に限定するものではない。また、制御装置１９の機能としては、データ処理のみに限定されるものではなく、検出回路１８で行っているアナログ／デジタル変換の機能を行ってもかまわない。
【０１３７】
ステージコントローラ２０は、制御装置１９からの信号により、参照光ミラー駆動手段５，測定対象物駆動手段１１ａ，対物集光レンズ駆動手段１１ｂを高精度にコントロールし、正確な位置情報を得るためのものである。ゆえに、使用する参照光ミラー駆動手段５，測定対象物駆動手段１１ａ，対物集光レンズ駆動手段１１ｂの分解能や位置決め精度等によって、最適なステージコントローラ２０を選択する必要があり、上述した駆動手段５、１１ａ、１１ｂの制御ができるものであれば特に限定されるものではない。また、ステージコントローラ２０は、シャッターコントローラ２１と共に制御用コントローラとして、一体化したものであってもよい。
【０１３８】
シャッターコントローラ２１は、参照光を遮断および解放するシャッター１６を制御装置１９からの信号により、制御するものであり、使用する参照光を遮断および解放する手段の制御ができるものであれば特に機種等を限定するものではない。また、シャッターコントローラ２１は、ステージコントローラ２０と共に制御用コントローラとして、一体化したものであってもよい。
【０１３９】
以上のように構成された本実施の形態の媒質の測定装置において、以下、媒質の測定方法について説明する。
【０１４０】
測定対象物１０の屈折率と厚さの同時測定を行う方法としては、サンプル走査法とレンズ走査法の二つの方法がある。サンプル操作法は、対物集光レンズ９を固定し、測定対象物１０（即ちサンプル）と参照光ミラー４を光軸方向に走査させることにより媒質の厚さ及び屈折率を測定する方法である。レンズ走査法は、測定対象物１０を固定し、対物集光レンズ９と参照光ミラー４を光軸方向に走査させる方法である。以下、図１を参照しながらサンプル操作法、レンズ走査法の順に説明する。
【０１４１】
１）サンプル走査法
サンプル走査法では、まず、シャッター１６により参照光の光路を遮断し、測定対象物駆動手段１１ａにより測定対象物１０を光軸方向に走査させ、受光素子１３からの検出信号の最大となる測定対象物駆動手段１１ａの位置により、対物集光レンズ９により集光される検査光の焦点が測定対象物１０の前面１０ａとなる測定対象物駆動手段１１ａの位置ｘ1’（以下、測定対象物駆動手段１１ａの概略前面合焦点位置ｘ１’と呼ぶ。）及び後面１０ｂとなる測定対象物駆動手段１１ａの位置ｘ2’（以下、測定対象物駆動手段１１ａの概略後面合焦点位置ｘ2’と呼ぶ。）を、ステージコントローラ２０に設定した座標データより検出（即ちフォーカスサーチ）する。次に、シャッター１６を開き参照光の光路を解放し、先に検出した、測定対象物駆動手段１１ａの概略前面合焦点位置ｘ1’に測定対象物駆動手段１１ａを移動させ、対物集光レンズ９により集光された検査光の焦点が測定対象物１０の前面１０ａに位置するように測定対象物１０の位置を設定する。そして、参照光ミラー駆動手段５により参照光ミラー４を光軸方向に走査させることにより、受光素子１３により検出される干渉光が最大になる参照光ミラー４の位置（即ち、参照光ミラー駆動手段５の稼働ステージの位置）ｗ1’（以下、参照光ミラー４の概略前面合焦点位置ｗ１’と呼ぶ。）を検出回路１８からの信号により特定し、概略前面合焦点位置ｗ1’に参照光ミラー駆動手段５を移動させ、参照光ミラー４の位置を調整する。
【０１４２】
この概略前面合焦点位置ｘ1’，ｗ1’の近傍で、測定対象物駆動手段１１ａにより測定対象物１０、及び参照光ミラー駆動手段５により参照光ミラー４を交互に走査させ、測定対象物１０の前面１０ａにおける最大干渉光強度が得られる位置（以下、前面合焦点位置ｘ1，ｗ1と呼ぶ。）を検出する。このときの、最大干渉光強度が得られた測定対象物駆動手段１１ａ及び参照光ミラー駆動手段５の前面合焦点位置を基準位置とする。
【０１４３】
次に、測定対象物駆動手段１１ａにより測定対象物１０を基準位置から概略後面合焦点位置ｘ2’へ移動させ、対物集光レンズ９により集光された検査光の焦点が、測定対象物１０の後面１０ｂとなるようにする。
【０１４４】
次いで、再度、参照光ミラー４を介した参照光と測定対象物１０の後面１０ｂからの反射光（信号光）との干渉光強度が最大となる位置ｗ2’（以下、参照光ミラー４の概略後面合焦点位置ｗ2’と呼ぶ。）に参照光ミラー駆動手段５の位置を調整する。
【０１４５】
この概略後面合焦点位置ｘ2’，ｗ2’の近傍で、測定対象物駆動手段１１ａにより測定対象物１０、及び参照光ミラー駆動手段５により参照光ミラー４を交互に走査させ、測定対象物１０の後面１０ｂにおける最大干渉光強度が得られる位置（以下、後面合焦点位置ｘ2，ｗ2と呼ぶ。）を検出する。このときの測定対象物駆動手段１１ａの基準位置からの移動量（｜ｘ1−ｘ2｜）をｚとし、参照光ミラー駆動手段５の基準位置からの移動量（｜ｗ1−ｗ2｜）をΔＬとする。
【０１４６】
以上のようにして得られた各ステージの移動量（即ち測定対象物１０の保持搭載された測定対象物駆動手段１１ａの可動ステージ及び参照光ミラーの保持搭載された参照光ミラー駆動手段５の可動ステージの移動量）であるｚとΔＬの測定値及び対物集光レンズ９の開口数Ｓを、前述した（数１）、（数２）および（数３）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと厚さｔを算出する。
【０１４７】
また、測定対象物１０を図７に示したサンプルホルダーに挟持して同様な測定を行う場合には、各ステージの移動量であるｚとΔＬの測定値及び対物集光レンズ９の開口数Ｓを、前述した（数４）、（数５）および（数６）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと群屈折率ｎgおよび厚さｔを導出することができる。ここで定数ａおよびｂは、実験的に得られる値であり、固体に対してはａが０．０２４１、ｂが１．６９となり、液体に対してはａが０．０４６０、ｂが１．５３となる。
【０１４８】
２）レンズ走査法
レンズ走査法では、まず、制御装置１９は、シャッター１６により参照光の光路を遮断し、対物集光レンズ駆動手段１１ｂにより対物集光レンズ９を光軸方向に走査させ、受光素子１３からの検出信号が最大となる対物集光レンズ駆動手段１１ｂの位置により、対物集光レンズ９により集光される検査光の焦点が測定対象物１０の前面１０ａとなる対物集光レンズ駆動手段１１ｂの位置ｙ1’（以下、対物集光レンズ駆動手段１１ｂの概略前面合焦点位置ｙ1’と呼ぶ。）及び後面１０ｂとなる対物集光レンズ駆動手段１１ｂの位置ｙ2’（以下、対物集光レンズ駆動手段１１ｂの概略後面合焦点位置ｙ2’と呼ぶ。）を、ステージコントローラ２０に設定した座標データより検出（即ちフォーカスサーチ）する。次に、制御装置１９は、シャッター１６を開き参照光の光路を解放し、先に検出した、対物集光レンズ駆動手段１１ｂの概略前面合焦点位置ｙ1’に対物集光レンズ駆動手段１１ｂを移動させ、対物集光レンズ９により集光された検査光の焦点が測定対象物１０の前面１０ａに位置するように対物集光レンズ９を保持搭載した対物集光レンズ駆動手段１１ｂの可動ステージの位置を設定する。そして、制御装置１９は、参照光ミラー駆動手段５により参照光ミラー４を光軸方向に走査させることにより、受光素子１３により検出される干渉光が最大になる参照光ミラー４の位置（即ち、参照光ミラー駆動手段５の稼働ステージの位置）ｗ1’（以下、参照光ミラー４の概略前面合焦点位置ｗ1’と呼ぶ。）を検出回路１８からの信号により特定し、概略前面合焦点位置ｗ1’に、参照光ミラー駆動手段５を移動させ、参照光ミラー４の位置を調整する。
【０１４９】
この概略前面合焦点位置ｙ1’，ｗ1’で、対物集光レンズ駆動手段１１ｂにより測定対象物１０、及び参照光ミラー駆動手段５により参照光ミラー４を交互に走査させ、測定対象物１０の前面１０ａにおける最大干渉光強度が得られる位置（以下、前面合焦点位置ｙ1，ｗ1と呼ぶ。）を検出する。このときの、最大干渉信号強度が得られた対物集光レンズ駆動手段１１ｂ及び参照光ミラー駆動手段５の前面合焦点位置を基準位置とする。
【０１５０】
次に、対物集光レンズ駆動手段１１ｂにより対物集光レンズ９を基準位置から概略後面合焦点位置ｙ2’へ移動させ、対物集光レンズ９により集光された検査光の焦点が、測定対象物１０の後面１０ｂとなるようにする。
【０１５１】
次いで、参照光ミラー４を介した参照光と測定対象物１０の後面１０ｂからの反射光（信号光）との干渉光の強度が最大となる位置ｗ2’（以下、参照光ミラー４の概略後面合焦点位置ｗ2’と呼ぶ。）に参照光ミラー駆動手段５の位置を調整する。
【０１５２】
この概略後面合焦点位置ｙ2’，ｗ2’の近傍で、対物集光レンズ駆動手段１１ｂにより対物集光レンズ９、及び参照光ミラー駆動手段５により参照光ミラー４を交互に走査させ、測定対象物１０の後面１０ｂにおける最大干渉光強度が得られる位置（以下、後面合焦点位置ｙ2，ｗ2と呼ぶ。）を検出する。このときの対物集光レンズ駆動手段１１ｂの基準位置からの移動量（｜ｙ1−ｙ2｜）をｚとし、参照光ミラー駆動手段５の基準位置からの移動量（｜ｗ1−ｗ2｜）をΔＬとする。
【０１５３】
これらの各ステージの移動量（即ち対物集光レンズ９の保持搭載された対物集光レンズ駆動手段１１ｂの可動ステージ及び参照光ミラーの保持搭載された参照光ミラー駆動手段５の可動ステージの移動量）であるｚとΔＬの値を、（数７）、（数８）及び（数９）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと厚さｔを導出することができる。
【０１５４】
【数７】
【０１５５】
【数８】
【０１５６】
【数９】
【０１５７】
ここで定数ａおよびｂは、先に述べたサンプル走査法と同様、実験的により得られる値（固体に対してはａが０．０２４１、ｂが１．６９、液体に対してはａが０．０４６０、ｂが１．５３）を用いる。
【０１５８】
また、測定対象物１０を図７に示したサンプルホルダーに挟持して同様な測定を行った場合には、前述した（数４）及び以下の（数１０）、（数１１）へ代入することにより、測定対象物１０のハ相屈折率ｎpと群屈折率ｎgおよび厚さｔを導出することができる。
【０１５９】
【数１０】
【０１６０】
【数１１】
【０１６１】
尚、本実施の形態において、分散補償ブロック１５の挿入位置は参照光の光路中に限られるものではなく、両アームの波長分散量のアンバランスを補償するために信号光の光路中、もしくは参照光アームと信号光アームの両光路中に挿入してもよい。また、参照光を位相変調する透明板１４ａ、参照光の光路を遮断および解放するシャッター１６の挿入位置は、図１の位置に限られるものではなく、ビームスプリッタ２からビームスプリッタ６までの参照光の光路中であれば、特に限定するものではない。
【０１６２】
また、直角プリズムミラー３は、２枚の全反射ミラーを光路に対して４５度に傾け組み合わされたものや、ビームスプリッタ２で分けられた一方の光を参照光ミラー４側に導く全反射ミラーと参照光ミラー４からの反射光を受光素子１２側へ導く全反射ミラーを独立に配置したもの等でもよく、特に直角プリズムミラー３に限定するものではない。
【０１６３】
全反射ミラー７は、ビームスプリッタ２で分けられた一方の光を測定対象物１０側へ導くための光路変更用ミラーであればよく、クロム全反射ミラー、アルミ全反射ミラー、誘電体多層膜全反射ミラー等であり、特に限定するものではない。
【０１６４】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２の媒質の測定装置の構成図であり、図３は図２の媒質の測定装置を２階層に分けシングルモード光ファイバよって各階層間の光路を確保して構成した場合の構成図である。
【０１６５】
図２及び図３において、１は光源、１ａはコリメートレンズ、２はビームスプリッタ、４は参照光ミラー、４ａは入射側反射面、４ｂは出射側反射面、５は参照光ミラー駆動手段、６はビームスプリッタ、７は全反射ミラー、８はビームスプリッタ、９は対物集光レンズ、１０は測定対象物、１１ａは測定対象物駆動手段、１１ｂは対物集光レンズ駆動手段、１２は干渉光集光レンズ、１３は受光素子、１４ａは透明板、１４ａ’は振動手段、１５は分散補償ブロック、１６はシャッター、１８は検出回路、１９は制御装置、２０はステージコントローラ、２１はシャッターコントローラ、２２は駆動用電源であり、これらは図１と同様であり、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１６６】
１４ｂは参照光ミラー４を入射する参照光の光軸方向に加振する振動手段、２２ａは振動手段１４ｂを駆動するための交流電圧を印加する駆動用電源、２３はビームスプリッタ２から参照光ミラー４に至る参照光の光路中に配設されたシングルモード光ファイバ、２３ａはシングルモード光ファイバ２３の入射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２３の入射用レンズ、２３ｂはシングルモード光ファイバ２３の出射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２３の出射用レンズ、２４は参照光ミラー４からビームスプリッタ６に至る参照光の光路中に配設されたシングルモード光ファイバ、２４ａはシングルモード光ファイバ２４の入射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２４の入射用レンズ、２４ｂはシングルモード光ファイバ２４の出射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２４の出射用レンズ、２５は入射側端面がビームスプリッタ８に対向して配設され出射側端面が対物集光レンズ９に向けて配設されたシングルモード光ファイバ、２５ａはシングルモード光ファイバ２５の入射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２５の入射用レンズ、２５ｂはシングルモード光ファイバ２５の出射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２５の出射用レンズである。
【０１６７】
本実施の形態では、光源１から照射された低コヒーレント光は、コリメートレンズ１ａでコリメートされ、ビームスプリッタ２に導かれ、ビームスプリッタ２で二等分され、参照光と検査光との空間的に分離した２つの光路に分割される。参照光は、入射用レンズ２３ａに入射されシングルモード光ファイバ２３，出射用レンズ２３ｂを介して参照光ミラー４の入射側反射面４ａへ導かれる。参照光ミラー４の入射側反射面４ａで反射された参照光は、出射側反射面４ｂで更に反射され、入射用レンズ２４ａに入射される。このとき、参照光ミラー４の入射側反射面４ａに入射される参照光の光軸と参照光ミラー４の出射側反射面４ｂからシングルモード光ファイバ２４の入射用レンズ２４ａに入射される参照光の光軸とは平行となるように配設される。シングルモード光ファイバ２４の入射用レンズ２４ａに入射された参照光は、更に、シングルモード光ファイバ２４を通過し、ビームスプリッタ６へ導かれる。
【０１６８】
一方、検査光はビームスプリッタ２を透過して直進し、全反射ミラー７に入射され、全反射ミラー７で反射され光路を直角に曲げられ、ビームスプリッタ８へ導かれる。ビームスプリッタ８を透過し直進した検査光は、シングルモード光ファイバ２５の入射用レンズ２５ａに入射され、シングルモード光ファイバ２５，出射用レンズ２５ｂを介して、対物集光レンズ９に入射され、更に、対物集光レンズ９により、測定対象物１０に集光される。測定対象物１０からの反射光（以下、信号光と呼ぶ。）は、対物集光レンズ９、ビームスプリッタ８を介して、ビームスプリッタ６へ導かれ、参照光と合波され、干渉光が生成される。
【０１６９】
また、シャッター１６はビームスプリッタ２とシングルモード光ファイバ２３との間の参照光の光軸上に配設され、透明板１４ａは出射用レンズ２４ｂとビームスプリッタ６との間の参照光の光軸上に配設され、分散補償ブロック１５は透明板１４ａとビームスプリッタ６との間の参照光の光軸上に配設されている。
【０１７０】
このように、参照光、検査光、信号光の光路中にシングルモード光ファイバ２３，２４，２５を介設することにより、干渉光学系に使用する構成部材の配置の自由度が増し、干渉光学系の小型化が可能になる。また、各シングルモード光ファイバ２３，２４，２５の条長を調整することにより、信号光および参照光アームの波長分散量のアンバランスを補償することもできる。
【０１７１】
以上のような構成の本実施の形態２の媒質の測定装置において、実施の形態１において説明したサンプル走査法又はレンズ走査法と同様の測定方法により、各ステージの移動量であるｚとΔＬを測定し、ｚとΔＬの測定値及び対物集光レンズ９の開口数Ｓを、前述した（数１），（数２）および（数３）、又は、（数７），（数８）及び（数９）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと厚さｔを算出することができる。
【０１７２】
また、測定対象物１０を図７に示したサンプルホルダーに挟持して同様な測定を行う場合には、各ステージの移動量であるｚとΔＬの測定値及び対物集光レンズ９の開口数Ｓを、サンプル走査法の場合、前述した（数４）、（数５）および（数６）へ、レンズ走査法の場合、前述した（数４）及び以下の（数１０）、（数１１）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと群屈折率ｎgおよび厚さｔを導出することができる。
【０１７３】
但し、シングルモード光ファイバ２５の出射用レンズ２５ｂと対物集光レンズ９の距離が固定されているような場合、ビームスプリッタ２から対物集光レンズ９までの検査光の光路長は固定されるため、上述のサンプル走査法と同様の条件となる。従って、各ステージの移動量であるｚとΔＬを（数１）、（数２）および（数３）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと厚さｔを導出することができ、また、図７に示したサンプルホルダーを用いた場合は、前述した（数４）、（数５）および（数６）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと群屈折率ｎgおよび厚さｔを導出することができる。
【０１７４】
また、図３のように、図２の干渉光学系の構成部材を２階層に分け、シングルモード光ファイバ２３，２４，２５よって各階層間の光路を確保してもよい。
【０１７５】
尚、図３では、検出回路１８、制御装置１９、ステージコントローラ２０、シャッターコントローラ２１、駆動用電源２２，２２ａについては図示を省略しているが、図２と同様である。
【０１７６】
ここで、階層数および各階層間の光路を確保する手段としては、２階層およびシングルモード光ファイバに限られるものではなく、階層数については構成部材の配置や配置スペースの制限等により、少なくとも１階層の構成にすればよいし、各階層間の光路確保は、複数枚の全反射ミラー等を用いてもよい。また、使用する光源１や測定対象物１０の特性に応じて、偏光子やλ／２板、λ／４板等の波長板の挿入、ビームスプリッタ２、６、８として偏光ビームスプリッタ（即ちＰＢＳ）を用いてもよい。
【０１７７】
（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３の媒質の測定装置の構成図である。
【０１７８】
図４において、１は光源、１ａはコリメートレンズ、２はビームスプリッタ、６はビームスプリッタ、７は全反射ミラー、８はビームスプリッタ、９は対物集光レンズ、１０は測定対象物、１１ａは測定対象物駆動手段、１１ｂは対物集光レンズ駆動手段、１２は干渉光集光レンズ、１３は受光素子、１４ａは透明板、１４ａ’は振動手段、１５は分散補償ブロック、１６はシャッター、１８は検出回路、１９は制御装置、２０はステージコントローラ、２１はシャッターコントローラ、２２は駆動用電源であり、これらは図１又は図２と同様であり、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１７９】
２６はビームスプリッタ２に対向してビームスプリッタ２から出射される参照光の光軸上に配設された参照光分岐手段であるビームスプリッタ、２７は入射側端面がビームスプリッタ２６から出射される参照光の光軸上に該光軸方向に向けて配設されたシングルモード光ファイバ、２７ａはシングルモード光ファイバ２７の入射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２７の入射用レンズ、２７ｂはシングルモード光ファイバ２７の出射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２７の出射用レンズ、４’はシングルモード光ファイバ２７の出射用レンズ２７ｂに対向して配設され反射面が出射用レンズ２７ｂより出射される参照光の光軸に対して垂直に配設された平面鏡からなる参照光ミラー、５’は参照光ミラー４’に入射する参照光の光軸方向に移動自在に参照光ミラー４’を保持搭載する参照光ミラー駆動手段、１４ｂ’は参照光ミラー４’を入射する参照光の光軸方向に加振する振動手段、２２ａ’は振動手段１４ｂ’を駆動するための交流電圧を印加する駆動用電源、２８はビームスプリッタ２６に対向して配設されビームスプリッタ２６からの参照光を直角方向に反射する平面鏡からなる全反射ミラーである。ビームスプリッタ２６は、ビームスプリッタ２から入射される参照光を直角に反射し、シングルモード光ファイバ２７の入射用レンズ２７ａへ出射する。また、参照光ミラー４’で反射されシングルモード光ファイバ２７を通過し入射用レンズ２７ａから入射される参照光は透過直進させ、全反射ミラー２８に出射する。
【０１８０】
本実施の形態では、光源１から照射された低コヒーレント光は、コリメートレンズ１ａでコリメートされ、ビームスプリッタ２に導かれ、ビームスプリッタ２で参照光と検査光とに二等分される。参照光は、ビームスプリッタ２６に入射され光路を直角方向に曲げられ入射用レンズ２７ａに入射される。入射用レンズ２７ａに入射された参照光は、シングルモード光ファイバ２７を通り、出射用レンズ２７ｂより出射され、参照光ミラー４’により反射された後、再び出射用レンズ２７ｂに入射され、シングルモード光ファイバ２７，２７ａを介してビームスプリッタ２６に入射され、ビームスプリッタ２６を透過し、全反射ミラー２８で反射され、ビームスプリッタ６へ導かれる。
【０１８１】
一方、検査光はビームスプリッタ２から直進して全反射ミラー７に進み、全反射ミラー７により反射され光路を直角に曲げられ、ビームスプリッタ８へ導かれる。ビームスプリッタ８を透過した光は、入射用レンズ２５ａに入射され、シングルモード光ファイバ２５，出射用レンズ２５ｂを介して、対物集光レンズ９に入射され、更に、対物集光レンズ９により、測定対象物１０に集光される。測定対象物１０からの反射光（以下、信号光と呼ぶ。）は、対物集光レンズ９、ビームスプリッタ８を介して、ビームスプリッタ６へ導かれ、参照光と合波される。
【０１８２】
また、シャッター１６は全反射ミラー２８とビームスプリッタ６との間の参照光の光軸上に配設され、透明板１４ａはシャッター１６とビームスプリッタ６との間の参照光の光軸上に配設され、分散補償ブロック１５は透明板１４ａとビームスプリッタ６との間の光軸上に配設されている。
【０１８３】
このように、参照光、検査光、信号光の光路中にシングルモード光ファイバ２５，２７を介設することにより、干渉光学系に使用する構成部材の配置の自由度が増し、干渉光学系の小型化が可能になる。また、シングルモード光ファイバ２５，２７の条長を調整することにより、信号光および参照光アームの波長分散量のアンバランスを補償することもできる。更に、ビームスプリッタ２６を参照光の光路中に介設することにより、参照光ミラー４’には平面鏡を使用することができ、更に、参照光ミラー４’に入射する参照光と参照光ミラー４’で反射された参照光の光軸は同軸とすることができるため、１本のシングルモード光ファイバ２７により、参照光ミラー４’へ向かう参照光及び参照光ミラー４’で反射された参照光を導波させることができ、光学系を更にコンパクト化される。
【０１８４】
尚、本実施の形態３の媒質の測定装置においても、実施の形態１において説明したサンプル走査法又はレンズ走査法と同様の測定方法により、各ステージの移動量であるｚとΔＬを測定し、ｚとΔＬの測定値及び対物集光レンズ９の開口数Ｓを、前述した（数１），（数２）および（数３）、又は、（数７），（数８）及び（数９）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと厚さｔを算出することができる。
【０１８５】
また、測定対象物１０を図７に示したサンプルホルダーに挟持して同様な測定を行う場合には、各ステージの移動量であるｚとΔＬの測定値及び対物集光レンズ９の開口数Ｓを、サンプル走査法の場合、前述した（数４）、（数５）および（数６）へ、レンズ走査法の場合、前述した（数４）及び以下の（数１０）、（数１１）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと群屈折率ｎgおよび厚さｔを導出することができる。
【０１８６】
但し、シングルモード光ファイバ２５の出射用レンズ２５ｂと対物集光レンズ９の距離が固定されているような場合、ビームスプリッタ２から対物集光レンズ９までの検査光の光路長は固定されるため、上述のサンプル走査法と同様の条件となる。従って、各ステージの移動量であるｚとΔＬを（数１）、（数２）および（数３）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと厚さｔを導出することができ、また、図７に示したサンプルホルダーを用いた場合は、前述した（数４）、（数５）および（数６）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと群屈折率ｎgおよび厚さｔを導出することができる。
【０１８７】
（実施の形態４）
図５は本発明の実施の形態４の媒質の測定装置の構成図である。
【０１８８】
図５において、１は光源、１ａはコリメートレンズ、４’は参照光ミラー、５’は参照光ミラー駆動手段、９は対物集光レンズ、１０は測定対象物、１１ａは測定対象物駆動手段、１１ｂは対物集光レンズ駆動手段、１２は干渉光集光レンズ、１３は受光素子、１４ａは透明板、１４ｂ’は振動手段、１５は分散補償ブロック、１６はシャッター、１８は検出回路、１９は制御装置、２０はステージコントローラ、２１はシャッターコントローラ、２２，２２ａ’は駆動用電源であり、これらは図１又は図３と同様であり、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１８９】
３０は光源１の光軸上に配設されコリメートレンズ１ａによってコリメートされた低コヒーレンス光を該光軸方向と該光軸に垂直な方向に二等分するビームスプリッタ、３１は入射側端面がビームスプリッタ３０に対峙して光源１の光軸と垂直に配設され、出射側端面が参照光ミラー４’に対峙して配設されたシングルモード光ファイバ、３１ａはシングルモード光ファイバ３１の入射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ３１の入射用レンズ、３１ｂはシングルモード光ファイバ３１の出射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ３１の出射用レンズ、３２は入射側端面がビームスプリッタ３０に対峙して光源１の光軸上に配設され出射側端面が対物集光レンズ９に対峙して配設されたシングルモード光ファイバ、３２ａはビームスプリッタ３０の入射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ３２の入射用レンズ、３２ｂはシングルモード光ファイバ３２の出射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ３２の出射用レンズである。
【０１９０】
本実施の形態においては、干渉光学系はマイケルソン型干渉計をなして配置されている。光源１から照射された低コヒーレント光は、コリメートレンズ１ａでコリメートされ、ビームスプリッタ３０に導かれ、ビームスプリッタ３０で参照光と検査光とに二等分される。参照光は、ビームスプリッタ３０内で反射され光路を直角に曲げられシングルモード光ファイバ３１の入射用レンズ３１ａに入射される。入射用レンズ３１ａに入射た参照光は、シングルモード光ファイバ３１を通り、出射用レンズ３１ｂより出射され、参照光ミラー４’により反射された後、再び出射用レンズ３１ｂに入射され、シングルモード光ファイバ３１，入射用レンズ３１ａを介してビームスプリッタ３０へ導かれ、ビームスプリッタ３０を透過し、干渉光集光レンズ１２を介して、受光素子１３へと入射される。
【０１９１】
一方、検査光はビームスプリッタ３０から直進してシングルモード光ファイバ３２の入射用レンズ３２ａに入射され、シングルモード光ファイバ３２，出射用レンズ３２ｂを通過して、対物集光レンズ９に入射され、更に、対物集光レンズ９により、測定対象物１０に集光される。測定対象物１０からの反射光（以下、信号光と呼ぶ。）は、対物集光レンズ９，出射用レンズ３２ｂ，シングルモード光ファイバ３２，入射用レンズ３２ａを介して、ビームスプリッタ３０へ導かれ、ビームスプリッタ３０で受光素子１３側へ垂直に反射されると共に参照光と合波される。
【０１９２】
また、分散補償ブロック１５は出射用レンズ３１ｂと参照光ミラー４’との間の参照光の光軸上に配設され、透明板１４ａは分散補償ブロック１５と参照光ミラー４’との間の参照光の光軸上に配設され、シャッター１６は透明板１４ａと参照光ミラー４’との間の参照光の光軸上に配設されている。
【０１９３】
このようなマイケルソン型干渉計のにおいても同様の原理で測定対象物１０の位相屈折率ｎと厚さｔを導出することができる。
【０１９４】
【実施例】
（実施例１）
実施例１では、図１に示す実施の形態１の構成により媒質の測定装置を構成した例を示す。
【０１９５】
図１における光源１には、発振中心波長λc＝８５０ｎｍのスーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた。このＳＬＤのスペクトラムの半値全幅（ＦＷＨＭ）はΔλ＝２４ｎｍであり、これによって決まる干渉計の可干渉距離はΔｌc＝６．６μｍである。また、対物集光レンズ９として金属顕微鏡用の２０倍の超長焦点対物レンズ、参照光ミラー駆動手段５、測定対象物駆動手段１１ａ及び対物集光レンズ駆動手段１１ｂとして、０．０４μｍステップのリニアモータステージ、透明板１４ａとして厚さ１ｍｍの溶融石英板、分散補償ブロック１５としてＢＫ−７ガラスブロックを用いた。透明板１４ａには周波数ｆ（＝２５０Ｈｚ）、振幅λc／４に相当する角度変位を与え、参照光を位相変調し、受光素子１３として用いるＳｉフォトダイオードにより、測定対象物１０からの反射光（信号光）と参照光ミラー４を介した参照光を合波・干渉してヘテロダイン検波している。検波された検出信号は、デジタル信号に変換して制御装置１９に取り込みデータ処理を行い、サンプル走査法又はレンズ走査法によりΔＬ、ｚを特定し、位相屈折率ｎpおよび厚さｔを算出する。尚、干渉光集光レンズ１２，コリメートレンズ１ａには、それぞれ２０倍，５倍の対物レンズを用いている。
【０１９６】
この構成では、本干渉光学系が占有している体積は、３０×４０×１５ｃｍ3であった。
【０１９７】
（実施例２）
実施例２では、図１に示す実施の形態１の構成により媒質の測定装置を構成した他の例を示す。
【０１９８】
本実施例２においては、図１における干渉光集光レンズ１２に１０倍の対物レンズを、シャッター１６として電磁シャッターを、ピンホール１３ａにホール径５０μｍのものを使用した以外、実施例１と全く同様の構成としている。この構成により、測定対象物１０をセットした後、制御装置１９で参照光ミラー駆動手段５、測定対象物駆動手段１１ａ、対物集光レンズ駆動手段１１ｂ及びシャッター１６として用いた電磁シャッターを制御し、位相屈折率ｎp及び群屈折率ｎg及び厚さｔの自動測定を行う。
【０１９９】
この構成では、本干渉光学系が占有している体積は、３０×４０×１５ｃｍ3であった。
【０２００】
（実施例３）
実施例３では、図５に示す実施の形態４の構成により媒質の測定装置を構成した例を示す。
【０２０１】
図５における光源１には発振中心波長λc＝８５０ｎｍのスーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた。このＳＬＤのスペクトラムの半値全幅（ＦＷＨＭ）はΔλ＝２４ｎｍであり、これによって決まる干渉計の可干渉距離はΔｌc＝６．６μｍである。対物集光レンズ９として、実施例１と同様の金属顕微鏡用の２０倍の超長焦点対物レンズ、参照光ミラー駆動手段５’、測定対象物駆動手段１１ａ、対物集光レンズ駆動手段１１ｂとして、０．０５μｍステップのパルスモータステージ、透明板１４ａとして厚さ１ｍｍの溶融石英板、シャッター１６として電磁シャッター、シングルモード光ファイバ３１，３２として偏波面保存光ファイバを用い、このシングルモード光ファイバ３１，３２の条長を調整することにより、信号光アーム及び参照光アームの波長分散量のアンバランスを補償した。尚、図５では図示していないが、コリメートレンズ１ａとビームスプリッタ２との間の光路中に偏光子を、シングルモード光ファイバ３１と参照光ミラー４’の間の光路中にλ／４板を、シングルモード光ファイバ３２と対物集光レンズ９の間の光路中にλ／４板を、それぞれ挿入した。透明板１４ａには周波数ｆ（＝２５０Ｈｚ）、振幅λｃ／４に相当する周期的な角度変位を与え、参照光を位相変調し、受光素子１３として用いるＳｉフォトダイオードにより、測定対象物１０からの反射光（信号光）と参照光ミラー４を介した参照光とを合波・干渉してヘテロダイン検波を行った。
【０２０２】
この構成により、測定対象物１０をセットした後、制御装置１９で参照光ミラー駆動手段５’、測定対象物駆動手段１１ａ、対物集光レンズ駆動手段１１ｂ及びシャッター１６として用いた電磁シャッターを制御し、サンプル走査法又はレンズ走査法によりΔＬ、ｚを特定し、位相屈折率ｎp、群屈折率ｎgおよび厚さｔの自動測定を行うことができる。尚、本実施例ではコリメートレンズ１ａ，干渉光集光レンズ１２には、それぞれ２０倍，１０倍の対物レンズを用いている。
【０２０３】
この構成では、本干渉光学系が占有している体積は、３０×３０×１５ｃｍ3であった。
【０２０４】
（実施例４）
実施例４では、図３に示す実施の形態２の構成により媒質の測定装置を構成した例を示す。
【０２０５】
図３における光源１には発振中心波長λc＝８５０ｎｍのスーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた。このＳＬＤのスペクトラムの半値全幅（ＦＷＨＭ）はΔλ＝２４ｎｍであり、これによって決まる干渉計の可干渉距離はΔｌc＝６．６μｍである。対物集光レンズ９として、実施例１と同様の金属顕微鏡用の２０倍の超長焦点対物レンズ、参照光ミラー駆動手段５、測定対象物駆動手段１１ａ、対物集光レンズ駆動手段１１ｂとして、０．０５μｍステップのパルスモータステージ、透明板１４ａとして厚さ１ｍｍの溶融石英板、シャッター１６として電磁シャッター、シングルモード光ファイバ２３，２４，２５としては偏波面保存光ファイバを用い、このシングルモード光ファイバ２３，２４，２５の条長を調整することにより、信号光アーム及び参照光アームの波長分散量のアンバランスを補償した。尚、図３では図示していないが、コリメートレンズ１ａとビームスプリッタ２との間の光路中に偏光子を、シングルモード光ファイバ２４とビームスプリッタ６との間の光路中にλ／２板を、シングルモード光ファイバ２５と対物集光レンズ９との間の光路中にλ／４板をそれぞれ挿入している。透明板１４ａには周波数ｆ（＝２５０Ｈｚ）、振幅λc／４に相当する周期的な角度変位を与え、参照光を位相変調し、受光素子１３として用いるＳｉフHトダイオードにより、測定対象物１０からの反射光（信号光）と参照光ミラー４を介した参照光とを合波・干渉してヘテロダイン検波する。
【０２０６】
この構成により、測定対象物１０をセットした後、制御装置１９で参照光ミラー駆動手段５、測定対象物駆動手段１１ａ、対物集光レンズ駆動手段１１ｂ及びシャッター１６として用いた電磁シャッターを制御し、サンプル走査法又はレンズ走査法によりΔＬ、ｚを特定し、位相屈折率ｎpおよび厚さｔの自動測定を行う。尚、コリメートレンズ１ａ，干渉光集光レンズ１２には、それぞれ２０倍，１０倍の対物レンズを用いている。
【０２０７】
この構成では、本干渉光学系が占有している体積は、２０×３０×１５ｃｍ3であった。
【０２０８】
（実施例５）
実施例５では、本発明の媒質の測定方法により測定を行った例を表１を用いて説明する。
【０２０９】
実施例１の媒質の測定装置において測定対象物１０として厚さ２２μｍの溶融石英板を測定した結果、実施例２の媒質の測定装置において測定対象物１０として厚さ１００８μｍのＢａＣＤ１４を図７に示すサンプルホルダーに固定し自動測定した結果、実施例３の媒質の測定装置において測定対象物１０として厚さ９９７μｍのｚカットサファイヤを図７に示すサンプルホルダーに固定し自動測定した結果、及び実施例４の媒質の測定装置において測定対象物１０として厚さ１０２２μｍのＸカットニオブ酸リチウムを自動測定した結果を（表１）に示す。
【０２１０】
【表１】
【０２１１】
上記実施例１〜実施例４の媒質の測定装置において本発明の媒質の測定方法により測定を行った結果は、（表１）に示す通り、位相屈折率ｎp、群屈折率ｎg及び厚さｔにおける理論値に対しての誤差は、０．５％以下であり、非常に精度よく位相屈折率ｎp、群屈折率ｎg及び厚さｔを測定できた。
【０２１２】
以上、上記実施例において説明した、光源および光源のの中心波長、スペクトラム半値全幅は一例であり、使用する光源に対応した受光素子、ビームスプリッタ、シングルモード光ファイバ等によって光学系を構成し、本実施の形態と同様に対応可能なことは言うまでもない。
【０２１３】
【発明の効果】
以上のように本発明の媒質の測定装置によれば、以下のような有利な効果が得られる。
【０２１４】
請求項１に記載の発明によれば、ビームスプリッタ（光路分割手段及び干渉光生成手段）を用いることにより、媒質の測定装置を構成する光学系に使用する構成部材の配置の自由度が増加するため、小型化が可能であり、前述のサンプル走査法やレンズ走査法により、非接触で測定対象物の屈折率と厚さの分離、同時測定が可能な媒質の測定装置を提供することができる。
【０２２２】
また、ヘテロダイン検波を行うことが可能となり、干渉光信号の処理を安定化し、高精度に表裏面の位置決めが可能な媒質の測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の媒質の測定装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態２の媒質の測定装置の構成図
【図３】図２の媒質の測定装置を２階層に分けシングルモード光ファイバよって各階層間の光路を確保して構成した場合の構成図
【図４】本発明の実施の形態３の媒質の測定装置の構成図
【図５】本発明の実施の形態４の媒質の測定装置の構成図
【図６】ロ号公報に開示の光学測定系のシステムを示す模式図
【図７】ハ号出願に係る明細書に記載の媒質の測定装置および測定法に用いる測定対象物を固定するホルダーの側面図
【符号の説明】
１ 光源
１ａ コリメートレンズ
２ ビームスプリッタ
３ 直角プリズムミラー
３ａ 入射側反射面
３ｂ 出射側反射面
４，４’ 参照光ミラー
４ａ 入射側反射面
４ｂ 出射側反射面
５，５’ 参照光ミラー駆動手段
６ ビームスプリッタ
７ 全反射ミラー
８ ビームスプリッタ
９ 対物集光レンズ
１０ 測定対象物
１０ａ 前面
１０ｂ 後面
１１ａ 測定対象物駆動手段
１１ｂ 対物集光レンズ駆動手段
１２ 干渉光集光レンズ
１３ 受光素子
１３ａ ピンホール
１４ａ 透明板
１４ａ’，１４ｂ，１４ｂ’ 振動手段
１５ 分散補償ブロック
１６ シャッター
１８ 検出回路
１９ 制御装置
２０ ステージコントローラ
２１ シャッターコントローラ
２２，２２’，２２ａ，２２ａ’ 駆動用電源
２３，２４，２５，２７，３１,３２ シングルモード光ファイバ
２３ａ，２４ａ，２５ａ，２７ａ,３１ａ,３２ａ 入射用レンズ
２３ｂ，２４ｂ，２５ｂ，２７ｂ,３１ｂ,３２ｂ 出射用レンズ
２６ ビームスプリッタ
２８ 全反射ミラー
３０ ビームスプリッタ
５１ 発光素子
５２ ステージ
５３ コリメートレンズ
５４ ビームスプリッタ
５５ 集光レンズ
５５ａ，５６ａ ステージ
５６ 参照光ミラー
５６ｂ 振動手段
５７ 受光素子
５７ａ 集光レンズ
６０ 前側透過板
６１ 後側反射板
６０ａ，６３ 後面
６１ａ，６２ 前面
Ｍ 測定対象物
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学的に透明な薄板や薄膜等の媒質の厚さ及び屈折率の光学的同時測定に係り、装置の小型安定化及び測定の自動化を可能とする媒質の測定装置および測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、薄膜や光ガラス等の透明試料の厚さを測定する手段として、低コヒーレンス干渉法やレーザ光を試料にスポット照射する方法などが知られている。
【０００３】
低コヒーレンス干渉法を用いる光学測定系としては、例えば、特開平１０−２８５５号公報（以下、イ号公報と呼ぶ。）に開示されたものが知られている。イ号公報に開示の光学測定系は、積層構造体に対して光を照射する点光源と、この点光源と積層構造体との間に順に配列されたビームスプリッタおよび対物レンズと、点光源と積層構造体とを結ぶ直線上において、ビームスプリッタの一方に配置された参照光ミラーと、ビームスプリッタの他方に配置した検出器を備えたものである。上記イ号公報に開示されたような光学測定系の基本的な構成は、低コヒーレンス干渉法を利用するものではごく一般的なものとして従来から広く知られている。
【０００４】
低コヒーレンス干渉法の基本原理は、光学的に透明な測定対象に平行なビーム又は集光されたビームを照射し、測定対象である媒質の前面又は後面からのそれぞれの反射信号光と参照光との光路差が等しくなるように参照光ミラーの２点の位置を特定し、これらの２点の位置の間隔から測定対象の前面と後面の光路差を測定するというものである。
【０００５】
しかし、測定対象の前面と後面との間の光路差は、測定対象の群屈折率と厚さの積で表される光学的厚さであり、このような低コヒーレンス干渉法による測定では、測定対象である媒質の位相屈折率と群屈折率を分離して測定することは容易ではない。
【０００６】
そこで、媒質の位相屈折率及び複屈折率と厚さの分離測定を可能とするとともに位相屈折率を群屈折率の測定を可能とする光干渉法を利用した測定方法及びその装置として、特開平１０−３２５７９５号公報（以下、ロ号公報と呼ぶ。）が開示されており、また、特願平１０−１５４２９５号（以下、ハ号出願と呼ぶ。）が開示されている。以下、これらに記載された媒質の測定方法及び測定装置について説明する。
【０００７】
図６はロ号公報に開示の光学測定系のシステムを示す模式図である。
【０００８】
図６において、５１は低コヒーレンス光を照射する発光素子、５２は発光素子５１に対峙して配設されその光軸方向に移動可能としたステージである。ステージ５２には測定対象である測定対象物Ｍが保持搭載されている。５３は発光素子５１から照射される低コヒーレンス光をコリメートするコリメートレンズ、５４は発光素子５１の光軸上に配設されコリメートレンズ５３によってコリメートされた低コヒーレンス光（以下、平行光線と呼ぶ。）を該光軸方向と該光軸に垂直な方向に二等分するビームスプリッタ、５５は発光素子５１の光軸上に配設されビームスプリッタ５４により二等分された平行光線を集光する集光レンズ、５５ａはステージ５２と同じ方向に平衡移動可能に配設され集光レンズ５５を搭載するステージ、５６はビームスプリッタ５４内で発光素子５１の光軸と垂直方向に分割された平行光線（以下、直交平行光線と呼ぶ。）の光軸上に該光軸に垂直に配設された平面鏡からなる参照光ミラー、５６ａは参照光ミラー５６を搭載し発光素子５１の光軸と直交する方向に平行移動自在に配設されたステージ、５６ｂはステージ５６ａに固定され参照光ミラー５６を加振する振動手段、５７は直交平行光線の光軸上のビームスプリッタ５４に対して参照光ミラー５６と逆側に配設された受光素子、５７ａは直交平行光線の光軸上のビームスプリッタ５４と受光素子５７の間に配設され直交平行光線を受光素子５７上に集光するレンズである。これらの光学系は、全ては剛性の高い定盤（図示せず）上に配置される。
【０００９】
受光素子５７はその前面側に配置した集光レンズ５７ａからの光を受け、その検出信号を検出回路（図示せず）に出力する。また、制御装置等を利用した操作端末（図示せず）を備え、操作端末は検出回路からのデジタル信号を受けてデータ処理するとともに、ステージコントローラ（図示せず）に信号を入力してステージ５２，５６ａ，５５ａの移動方向及び移動量を制御する。
【００１０】
発光素子５１からの低コヒーレンス光はコリメートレンズ５３によってコリメートされた後ビームスプリッタ５４によって二等分され、その光の一方は集光レンズ５５を通過して測定対象Ｍに集光され、他方の光は参照光ミラー５６側へ進む。測定対象物Ｍからの反射光はビームスプリッタ５４から受光素子５７へ進む。振動手段５６ｂによりある周波数で所定の振幅の振動を加えられた参照光ミラー５６からの反射光は、参照光ミラー５６の振動により位相変調され受光素子５７へ入射する。受光素子５７においては、これらの２つの入射光によって干渉信号が得らる。ステージコントローラは、干渉信号強度が最大となるようにステージ５２又はステージ５５ａ及び５６ａの位置を制御する。
【００１１】
以上のように構成された媒質の測定装置において、以下その測定方法について説明する。
【００１２】
まず、発光素子５１からの低コヒーレンス光が測定対象物Ｍの前面に焦点を持つようにステージ５２の位置を設定する。次に、ステージ５６ａを移動させ、参照光ミラー５６の位置を、検出回路による干渉信号強度が最大となる位置に移動する。次いで、発光素子５１からの低コヒーレンス光が測定対象の測定対象物Ｍの後面に焦点を持つように、ステージ５２により測定対象物Ｍを集光レンズ５５側へ移動さる。このときの測定対象物Ｍの移動量（すなわち、ステージ５２の移動量）をｚとする。
【００１３】
以上の設定の後、ステージ５６ａにより、参照光ミラー５６をビームスプリッタ５４から離れる向きに移動させ、受光素子５７により受光される、参照光ミラー５６からの反射光と測定対象物Ｍの後面６３からの反射光との干渉光の強度が、再び最大となる位置に参照光ミラー５６の位置を設定する。このときの参考光ミラー５６の移動量（すなわち、ステージ５６ａの移動量）をΔＬとする。
【００１４】
これらの各ステージの移動量であるｚとΔＬの値から、測定対象の測定対象物Ｍの位相屈折率ｎと厚さｔとを以下のようにして導出することができる。
【００１５】
低コヒーレンス光を測定対象物Ｍに対して集光させる集光レンズ５５の開口数をＳ、測定対象物Ｍの位相屈折率をｎ、測定対象物Ｍの屈折率波長分散量をΔｎとする。波長分散量Δｎ＜＜１の近似の下では、上記の移動量であるΔＬとｚを用い、測定対象物Ｍの位相屈折率ｎは（数１）により算出することができる。
【００１６】
【数１】
また（数１）中の波長分散量Δｎも上記のΔＬとｚと定数ａおよびｂを用いて、（数２）により算出することができる。
【００１８】
【数２】
ここで定数ａおよびｂは、実験的に得られる値であり、固体に対してはａが０．０２４１、ｂが１．６９となり、液体に対してはａが０．０４６０、ｂが１．５３となる。
【００２０】
さらに、測定対象の測定対象物Ｍの厚さｔは、ここで求められた媒体Ｍの位相屈折率ｎ、波長分散量Δｎと、上記の上記のΔＬとｚを用いて（数３）により算出することができる。
【００２１】
【数３】
以上のように、上記測定により、測定対象物Ｍの位相屈折率ｎと厚さｔを同時に光学的な測定によって得ることができる。
【００２３】
また、同様の測定方法を用い、測定対象物Ｍのサンプルホルダーを使用することにより、媒体Ｍの位相屈折率ｎp，群屈折率ｎg及び厚さｔの測定を行うことができる。
【００２４】
図７はハ号出願に係る明細書に記載の媒質の測定装置および測定法に用いる測定対象物を固定するホルダーの側面図である。
【００２５】
図７において、Ｍは屈折率と厚さの測定の測定対象の測定対象物、５５は測定対象物Ｍの前面６２側の測定対象物Ｍに入射される平行光線の光軸上に配設され平行光線を光軸上に集光する集光レンズ、６０，６１は測定対象物Ｍの両側に平行に間隔ｔ0で配設された２枚の透明板からなる前側透過板及び後側反射板、６１ａは前側透過板６０の後面、６２は測定対象物Ｍの前面、６３は測定対象物Ｍの後面、６１ａは後側反射板６１の前面である。測定対象物Ｍは前側透過板６０，後側反射板６１の間に所定の間隔ｔ1，ｔ2の空気層を設けて挟持されている。また、前側透過板６０，後側反射板６１及び測定対象物Ｍは、前側透過板６０の後面６０ａ，測定対象物Ｍの前面６２及び後面６３，後側反射板６１の前面６１ａは、入射される平行光線の光軸に垂直となるように配設される。入射された平行光線は、集光レンズ５５により集光され前側透過板６０側から測定対象物Ｍに入射する。２枚の前側透過板６０，後側反射板６１の間隔ｔ0は、使用する集光レンズ５５の焦点距離によって任意に決定される。
【００２６】
測定光学系の構成は図６と同様であるが、図６の集光レンズ５５の位置に、図７の集光レンズ５５が配設され、測定対象物Ｍの両側には２枚の前側透過板６０，後側反射板６１が配設された構成とされる。
【００２７】
以上のように構成された媒質の測定装置において、以下その測定方法について説明する。
【００２８】
まず、ロ号公報に開示の測定方法において説明した動作と同様にして、前側透過板６０の後面６０ａ，測定対象物Ｍの前面６２，後面６３及び後側反射板６１の前面６１ａの４面において、各々、ｚとΔＬを決定する。後面６０ａと前面６２、及び後面６３と前面６１ａとの間は空気層なので、位相屈折率ｎp＝群屈折率ｎg＝１である。従って、後面６０ａと前面６２、及び後面６３と前面６１ａとの間で測定される各々のｚはｔ1，ｔ2となり、ΔＬは０となる。これにより、前記４面（後面６０ａ，前面６２，後面６３，前面６１ａ）の各々の測定から、前側透過板６０の後面６０ａと測定対象物Ｍの前面６２との間の空気層の厚さｔ1、測定対象物Ｍの前面６２，後面６３におけるｚとΔＬ、及び測定対象物Ｍの後面６３と後側反射板６１の前面６１ａとの間の空気層の厚さｔ2が得られる。また、前側透過板６０の後面６０ａと後側反射板６１の前面６１ａの間隔ｔ0は、前もって測定しておけば既知である。従って、（数４）により、測定対象物Ｍの厚さｔが求められる。
【００２９】
【数４】
このようにｔが測定できるので、（数５）及び（数６）により、位相屈折率ｎpおよび群屈折率ｎgを求めることができる。
【００３１】
【数５】
【数６】
以上のように、測定対象物Ｍを固定するホルダーとして、測定対象物Ｍを２枚の前側透過板６０，後側反射板６１に間隙を設けて挟持できる媒質ホルダーを用いることにより測定対象物Ｍの厚さｔ及び位相屈折率ｎpと群屈折率ｎgに分離して測定することができる。
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の媒質の測定方法及び測定装置では、以下のような課題を有していた。
（１）低コヒーレンス光を利用した干渉法による媒質の測定においては、参照光ミラー５６を介する参照光の光路長と測定対象物（測定対象物Ｍ）を介する信号光の光路長とを等しく設定することが測定のための条件である。即ち、例えば、図６に示したようなマイケルソン型干渉光学系の例では、ビームスプリッタ５４から測定対象物（測定対象物Ｍ）へ向かうまでの光路長と、ビームスプリッタ５４から参照光ミラー５６へ向かうまでの光路長の、それぞれの長さを等しく設定することが必要となる。従って、ステージ５２とステージ５６ａの移動量の制御は厳しく精度管理する必要がある。また、光学測定に必要なステージ走査範囲を持たせるために、それぞれの機器の配置も制約を受ける。故に、発光素子５１、測定対象（測定対象物Ｍ）を保持搭載するステージ５２等の構成要素部品の配置については、測定光学系の光路長を基準とした配置とする必要があり、これら構成要素部品が占有する面積の縮小も制限され、測定装置の小型化が難しいという課題を有していた。
（２）上記従来の測定原理で測定対象物Ｍの屈折率及び厚さの同時測定を行う場合、第一に集光レンズ５５からの光が集光する測定対象物Ｍの前面および後面位置の特定を行い、その後、それら前後面の集光位置に対応する参照光ミラー５６の位置を干渉信号強度から決定する必要があるが、従来の光学系の構成では、媒体の前後面での集光位置の特定が困難であり、時間がかかる。すなわち、ステージ５２とステージ５６ａを交互に走査し、干渉信号が検出される位置を探すことになるため、自動測定には膨大な時間を要するという課題を有していた。
【００３５】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、測定装置の各構成要素部品の配置の自由度を増すことにより、装置の小型化が可能であり、更に、装置の安定化および測定の高速化が可能で、高精度な測定対象物の屈折率と厚さの同時自動測定が可能となる媒質の測定装置を提供することを目的とする。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の媒質の測定装置は、低コヒーレンス光を出射する光源と、光源より出射された低コヒーレンス光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに空間的に分離し２つの光路に分割する光路分割手段と、光路分割手段により分離される検査光を集光し測定対象物に照射する対物集光レンズと、測定対象物を保持搭載し検査光の光軸方向に移動する測定対象物駆動手段及び／又は対物集光レンズを保持搭載し検査光の光軸方向に移動する対物集光レンズ駆動手段と、光路分割手段により分離される参照光の光路長を調節する参照光光路長調節手段と、参照光を位相変調する位相変調手段と、位相変調された参照光と測定対象物からの検査光の反射光である信号光とを干渉させ干渉光を生成する干渉光生成手段と、干渉光生成手段により生成された干渉光の強度を検出する受光素子と、を備え、位相変調手段が、参照光の光路内に挿入された透明板と、透明板に周期的な角度変位を与えることの可能な振動手段と、を備えた構成より成る。
【００３８】
この構成により、測定装置の各構成要素部品の配置の自由度が増えるため、装置の小型化が可能であり、更に、装置の安定化および測定の高速化が可能で、高精度な測定対象物の屈折率と厚さの同時自動測定が可能となる媒質の測定装置を提供することができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の媒質の測定装置は、低コヒーレンス光を出射する光源と、光源より出射された低コヒーレンス光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに空間的に分離し２つの光路に分割する光路分割手段と、光路分割手段により分離される検査光を集光し測定対象物に照射する対物集光レンズと、測定対象物を保持搭載し検査光の光軸方向に移動する測定対象物駆動手段及び／又は対物集光レンズを保持搭載し検査光の光軸方向に移動する対物集光レンズ駆動手段と、光路分割手段により分離される参照光の光路長を調節する参照光光路長調節手段と、参照光を位相変調する位相変調手段と、位相変調された参照光と測定対象物からの検査光の反射光である信号光とを干渉させ干渉光を生成する干渉光生成手段と、干渉光生成手段により生成された干渉光の強度を検出する受光素子と、を備え、位相変調手段が、参照光の光路内に挿入された透明板と、透明板に周期的な角度変位を与えることの可能な振動手段と、を備えた構成としたものである。
【００４２】
この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）光源より出射された低コヒーレンス光は、コリメートレンズでコリメートされた後、光路分割手段により検査光と参照光とに分割される。検査光は照射手段の対物集光レンズに入射され、対物集光レンズにより集光され、測定対象物に照射される。検査光は、測定対象物において反射され、信号光として対物集光レンズに入射の後、干渉光生成手段に入射される。一方、参照光は、参照光光路長調節手段を介して干渉光生成手段に入射される。この際、参照光の光路中において、参照光は位相変調手段により所定の周波数で位相変調される。干渉光生成手段に入射された信号光と参照光とは、干渉光生成手段で合波され、干渉光として出射され、受光素子に入射され、その強度を検出される。この際、参照光は位相変調手段により位相変調されているため、参照光と信号光とを干渉させることによりヘテロダイン検波が行われる。参照光の光路長は、参照光光路長調節手段により、変化させることが可能である。また、対物集光レンズにより集光される検査光の焦点の測定対象物に対する相対位置は、測定対象物又は対物集光レンズを検査光の光軸に沿って測定対象物駆動手段又は対物集光レンズ駆動手段により移動させることで、任意の位置に調節することが可能である。これにより、後述のサンプル走査法やレンズ走査法により、非接触で測定対象物の屈折率と厚さの分離、同時測定ができる。
（２）ビームスプリッタ（光路分割手段及び干渉光生成手段）を用いることにより、媒質の測定装置を構成する光学系に使用する構成部材の配置の自由度が増加するため、小型化が可能となる。
【００４３】
ここで、光源としては、可干渉距離△ｌc（＝（（ｌｎ（２））×（２／π）×（（λc 2）／△λ））／２）が概ね３０μｍ以下の低コヒーレントな光源であればよく、スーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、白色光源（ハロゲンランプやキセノンランプ）からの光をモノクロメータにより特定波長域のみ分光した光源、閾値以下の注入電流で駆動されるレーザダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード等、が使用される。
【００４４】
光源の出力は、変動なく安定でかつ、測定対象物からの信号光および参照光を合波および干渉し、検波する受光素子の感度に合わせることが、測定を安定して行うことができるので好ましい。
【００４５】
光源の波長は特に限定されるものではなく、紫外光から赤外光まで、幅広く使用することができる。従って、白色光源とモノクロメータの組み合わせによる光源を用いて、短波長から長波長まで光波長の走査を行い、測定対象物の波長特性（例えば波長分散）を測定することが可能である。また、白色光源をモノクロメータによって分光した光を光源を用いるものと同様に、発振中心波長が異なる複数個のレーザダイオード等を併用することによって、波長特性を測定することも可能である。
【００４６】
測定対象物としては、検査光を完全に吸収しない媒質であればよく、ガラス（例えば、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等）や高分子（例えば、ポリメチルメタアクリレート、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、メチルメタアクリレート、エポキシ樹脂、ポリフロロアクリレート、シリコン樹脂、メラミン樹脂、紫外線硬化樹脂、電子線硬化樹脂、触媒硬化樹脂、熱硬化樹脂等）や結晶材料（例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイヤ、ＫＤＰ、ＡＤＰ、方解石等）や透明容器中の液体材料および生体組織（例えば、角膜、水晶体、爪等）等が挙げられる。また、測定対象物の前面および後面は、必ずしも鏡面である必要はなく、粗面であってもよい。また、測定対象物としては、上記のガラスや高分子や結晶材料に限定されるものではなく、これらの多層膜であっても良い。更に、測定対象物は、光を完全に吸収しない媒質であれば良く、媒質の中に散乱体が介在しているような散乱媒質であっても、反射直進光（信号光）のみを抽出して測定することが可能である。また、測定対象物は、必ずしも平行平板である必要はなく、前面または後面に若干の傾斜もしくは曲率を持った媒質であっても、測定が可能である。
【００４７】
光路分割手段，干渉光生成手段としては、無偏光ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ（即ちＰＢＳ）、クロムハーフミラー、アルミハーフミラー、誘電体多層膜ハーフミラー、シングルモード光ファイバカプラ、光導波路、方向性結合器等のビームスプリッタが好適に用いられる。構成が簡単で光強度の損失が少なく、光学系をコンパクトに構成することが可能であるからである。また、ビームスプリッタには、入射する光の反射をできるだけ小さくし、透過光量を大きくするため、反射防止（以降ＡＲ）コートを施したものが望ましい。ＡＲコートとしては、多層膜コートが好ましい。
【００４８】
尚、光路分割手段，干渉光生成手段としては、光束を分波・合波又は合波・干渉できるものであればよく、ハーフミラー、シングルモード光ファイバカプラ等も使用できる。特に、シングルモード光ファイバカプラを使用すると、干渉光学系全体を光ファイバ化することができ、光学系に使用する構成部材の配置の自由度が極めて大きくなり、光学系をコンパクトに構成することが極めて容易となる。但し、ここでシングルモード光ファイバカプラや方向性結合器等を使用すると、カプラ部分の分散により、分割後の光源の特性が変化することを考慮する必要がある。また、光源の使用波長により、これらのビームスプリッタを使用波長に対して、吸収および損失が最小となるように最適化する必要があることは言うまでもない。
【００４９】
コリメートレンズ，対物集光レンズとしては、ガラス、光学結晶等の無機物、又はポリメチルメタアクリレート、ポリカーボネート等の高分子材料（有機物）の平凸レンズ、両凸レンズ、円筒レンズ、球レンズ等が使用される。中でも、可視域および近赤外域の波長に対して、透過率が極めて良いＢＫ７を用いた集光レンズや、紫外域および可視，近赤外域の波長に対する透過率が良く熱膨張係数も小さく温度に対して安定した性質を持つ石英を用いた集光レンズなどの無機物の集光レンズが好適に用いられる。また、これらの集光レンズには、入射する光の反射をできるだけ小さくし、透過光量を大きくするため、ＡＲコートを施すことが望ましい。ＡＲコートとしては、多層膜コートが好ましい。尚、透過率等が良好な集光レンズとして、金属顕微鏡用の対物レンズを使用してもよい。
【００５０】
参照光光路長調節手段としては、参照光をその光軸方向と平行に入射方向と逆向きに反射する参照光ミラーを移動させることによる光路長の調節手段が好適に用いられる。この際、参照光ミラーとしては、クロム全反射ミラー、アルミ全反射ミラー、誘電体多層膜全反射ミラー等が使用されるが、特にこれらに限定されるものではない。また、形状に関しても平面ミラーや直角プリズム、コーナーキューブプリズム（リトロリフレクター）等が使用され、特に形状が限定されるものではなく、干渉光学系の構成から最適な形状および特性を持ったものを選択することが望ましい。この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）参照光は、光路分割手段から参照光ミラーを介して干渉光生成手段に入射され、参照光の光路長は、参照光ミラー駆動手段により参照光ミラーを参照光の光軸方向に移動させることにより、変化させることが可能である。
（２）参照光ミラー駆動手段の移動量と参照光の光路長の変化量が比例するため、参照光の光路長の制御が容易となる。
【００５１】
測定対象物駆動手段，対物集光レンズ駆動手段としては、正確に移動距離を測定可能なものであればよく、パルスステージ、リニアモータステージ等の微動ステージや、超音波リニアモータアクチュエータ、圧電リニアアクチュエータ等の微動アクチュエータが使用される。これらの微動ステージや微動アクチュエータは、測定精度を向上させるため、分解能１μｍ以下、繰り返し位置決め精度±１μｍ以下、真直度１μｍ以下、平行度１μｍ以下、ヨーイング５ｓｅｃ以下、ピッチング５ｓｅｃ以下の特性を持ったものが望ましい。尚、測定対象物駆動手段，対物集光レンズ駆動手段としては、上述の微動ステージや微動アクチュエータに限られるものではなく、上記特性を満足できるものであれば、どのようなものを用いてもよい。
【００５２】
位相変調手段として、参照光の光路内に挿入された透明板と、透明板に周期的な角度変位を与えることの可能な振動手段と、を備えた構成にすることにより、以下のような作用が得られる。
（１）振動手段が透明板に対し周期的な角度変位を与え、この振動により透明板を透過する参照光の光路長が周期的に変化し、参照光が位相変調される。これにより、ヘテロダイン検波を行うことが可能となり、干渉光信号の処理を安定化し、高精度に表裏面の位置決めができる。
（２）参照光の光路中に簡単に挿入することができ、光軸調整を必要としない。
（３）透明板は、参照光が透過する程度の大きさでよく、光学系全体の小型化が図れる。
ここで、透明板としては、参照光を効率よく透過させる透明平行平板が望ましく、溶融石英板等の各種光学ガラスや光学結晶、高分子材料等を用いることができる。また、透明板は、透過光量を大きくとるため、反射防止（ＡＲ）コートを施したものが望ましい。ＡＲコートとしては、多層膜コートが好ましい。
【００５３】
そして、透明板に周期的な角度変位を与える振動手段としては、ガルバノメータ（ガルバノミラー）に使用されるモータ（ガルバノモータ）、ピエゾ素子等が挙げられる。
振動手段が透明板に与える周期的な角度変位は、その周波数ｆが１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚ、周期的な角度変位により周期的に変化する参照光の光路長の振幅Ａが光源の発振中心波長λｃの１／４〜１／２となるような振動を与えることが好ましい。周波数ｆが１００Ｈｚより低くなるに従い、交流の６０および５０Ｈｚのノイズが検出信号にのりＳ／Ｎ比が低下する傾向があり、周波数ｆが１０ｋＨｚより高くなるに従い、ヘテロダイン検波される信号処理に高速化が要求され、信号処理系が追従できなくなる傾向があり、また、振幅Ａが光源の発振中心波長λｃの１／４より短くなるにつれ、ヘテロダイン検波される信号の振幅（強度）が小さくなる傾向があり、振幅Ａが光源の発振中心波長λｃの１／２より長くなると、ヘテロダイン検波される信号に基本周波数ｆの高調波成分が多く乗り始め、基本周波数ｆの整数倍に同期した検波信号を処理することになるからである。
【００５４】
受光素子としては、ヘテロダイン検波が可能なフォトダイオードであればよく、シリコンフォトダイオード、シリコンＰＩＮフォトダイオード、シリコンアバランシェフォトダイオード、ＧａＡｓＰフォトダイオード（拡散型）、ＧａＡｓＰフォトダイオード（ショットキ型）、ＧａＰフォトダイオード、Ｇｅフォトダイオード、Ｇｅアバランシェフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮフォトダイオード等が使用される。ここで、受光素子は、光源の使用波長、出力強度および位相変調周波数により、最適なものを選定する必要があることは言うまでもない。中でも、光源の波長４００ｎｍから１０００ｎｍの検波においては、シリコンフォトダイオード、また、光源の波長７００ｎｍから１７００ｎｍの検波においては、Ｇｅフォトダイオードが好適に使用される。尚、受光素子としては、上記のものに限定されるものではなく、位相変調手段により、位相変調された参照光と測定対象物からの信号光をヘテロダイン検波できるものであれば良い。
【００５５】
尚、媒質の測定装置の干渉光学系において光路分割手段で分割されてから受光素子に至る２つの光路は、波長分散量が互いに補償されていることが望ましい。従って、上記２つの光束の光路の何れか一方、又は両方に分散補償板，分散補償ブロック又は分散補償ファイバ等の波長分散量補償手段を介在させることが望ましい。
【００５６】
また、更に参照光の光路中にシャッター等の参照光の光路を遮断・解放する参照光遮断手段を配設し、干渉光生成手段と受光素子との光路中に共焦点光学系を構成するための干渉光集光レンズとピンホールとを配設してもよい。外部から電気的な制御が可能な電磁シャッター等が好適である。これにより、自動測定が可能となり、以下の作用が得られる。
（１）参照光遮断手段により、参照光の受光素子への入射が遮断又は解放される。参照光遮断手段を解放したときには、媒質の測定装置の光学系は干渉光学系となり、参照光遮断手段を遮断したときには、媒質の測定装置の光学系は共焦点光学系となる。ピンホールは、対物集光レンズと干渉光集光レンズの共焦点光学系を構成するためのものであり、干渉光集光レンズと受光素子との間の光路中の干渉光集光レンズの焦点位置に挿入されている。これにより、参照光遮断手段で、参照光の受光素子への入射を遮断すると、本光学系は共焦点光学系として動作し、測定対象物若しくは対物集光レンズを測定対象物駆動手段又は対物集光レンズ駆動手段で検査光の光軸方向に移動させ、受光素子の受光強度を検出することにより、対物集光レンズを介して集光される検査光の焦点位置が測定対象物の反射面に一致する測定対象物若しくは対物集光レンズの位置（以下、各反射面に対する合焦点位置と呼ぶ。）を特定（フォーカスサーチ）することができる。
（２）ア．最初に、参照光遮断手段により参照光の受光素子への入射を遮断し、共焦点系による測定対象物の反射面のフォーカスサーチにより、各反射面に対する合焦点位置のおよその位置を特定する。イ．その後、参照光遮断手段を解放し、干渉光学系として動作させ、共焦点系により特定した表裏面の位置近傍で、各々参照光ミラーを走査、干渉信号強度が最大になる参照光ミラーの位置を特定する。ウ．上記ア．で共焦点系により特定した表裏面の位置は、あくまで概略座標であるため、イ．で決定した移動量（ｚ，△Ｌ）の確度を上げるため、再度イ．の座標近傍で測定対象物若しくは集光レンズと参照光ミラーを走査し、干渉信号強度が極大になる各々の座標を決定する。ここで、本干渉系は、低コヒーレンス干渉系であるため、測定対象物の表面に集光している場合において干渉信号が極大になる測定対象物もしくは集光レンズと参照光ミラーの位置関係は１点に決定でき、同様に裏面においても１点と決定されます。この表裏面における各々のステージの差がｚ（測定対象物もしくは集光レンズの移動距離）と△Ｌ（参照光ミラーの移動距離）となる。これにより、各反射面に対する合焦点位置を探す時間が短縮され、媒質の測定に要する時間が短縮される。
干渉光集光レンズとしては、コリメートレンズや対物集光レンズと同様、ガラス、光学結晶等の無機物、又はポリメチルメタアクリレート、ポリカーボネート等の高分子材料（有機物）の平凸レンズ、両凸レンズ、円筒レンズ、球レンズ等が使用される。
ここで、ピンホールの径（ピンホール径）は、１００μｍ以下とすることが好ましく、使用する干渉光集光レンズの特性、及び参照光を解放し干渉光学系として動作させたときの受光素子の干渉信号強度の感度によって最適化することが望ましい。
【００５９】
上記した参照光ミラー駆動手段としては、測定対象物駆動手段，対物集光レンズ駆動手段と同様、正確に移動距離を測定可能なものであればよく、パルスステージ、リニアモータステージ等の微動ステージや、超音波リニアモータアクチュエータ、圧電リニアアクチュエータ等の微動アクチュエータが使用される。
【００６０】
また、参照光光路長調節手段は、参照光の光軸方向に移動自在に配設され参照光を同軸逆向きに反射する参照光ミラーと、参照光ミラーを参照光の光軸方向に移動可能に保持搭載する参照光ミラー駆動手段と、光路分割手段から入射される参照光を参照光ミラーに出射するとともに参照光ミラーから反射される参照光を光路分割手段から入射される参照光と空間的に分離して出射する参照光分岐手段と、を備えた構成としてもよい。
【００６１】
この参照光光路長調節手段の構成により、以下のような作用が得られる。
（１）参照光は、光路分割手段から参照光分岐手段を介して参照光ミラーへ入射され、参照光ミラーで反射された参照光は同軸逆向きに参照光分岐手段に入射され、光路分割手段から入射された参照光と空間的に分離された後、干渉光生成手段に入射される。参照光の光路長は、参照光ミラー駆動手段により参照光ミラーを参照光の光軸方向に移動させることにより、変化させることが可能である。
（２）参照光ミラー駆動手段の移動量と参照光の光路長の変化量が比例するため、参照光の光路長の制御が容易となる。
（３）参照光ミラーに入射する参照光と参照光ミラーで反射された参照光の光軸は同軸とすることができるため、１本のシングルモード光ファイバにより、参照光ミラーへ向かう参照光及び参照光ミラーで反射された参照光を導波させることが可能であり、光学系を更にコンパクト化することが可能となる。
（４）構成部材を少なくすることができる。
【００６２】
ここで、参照光分岐手段としては、光路分割手段，干渉光生成手段と同様、無偏光ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ（即ちＰＢＳ）、クロムハーフミラー、アルミハーフミラー、誘電体多層膜ハーフミラー、シングルモード光ファイバカプラ、光導波路、方向性結合器等のビームスプリッタが好適に用いられる。
【００６８】
ところで、光源からコリメートレンズに至る光路中、コリメートレンズから光路分割手段に至る光路中、光路分割手段から干渉光生成手段に至る参照光の光路中、光路分割手段から対物集光レンズに至る検査光の光路中、対物集光レンズから干渉光生成手段に至る信号光の光路中のうちの少なくとも一つの光路中に配設された１乃至複数のシングルモード光ファイバを備えた構成とするのがよい。
【００６９】
この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）複数のビームスプリッタと光路に配設されたシングルモード光ファイバとを用いることにより、干渉光学系に使用する構成部材の配置の自由度を増し、小型化が可能になると共に、非接触に測定対象物の屈折率と厚さの分離、同時測定ができる。
（２）シングルモード光ファイバの条長を調整することにより、信号光および参照光アームの波長分散量のアンバランスを補償することができる。
（３）シングルモード光ファイバを用いることにより、光路を直線的な引き回しから、曲線での引き回しが可能となり、光学系のハンドリングが良くなる。
【００７０】
ここで、シングルモード光ファイバとしては、偏波面保存光ファイバ等が使用される。
【００７１】
尚、信号光の光路中にシングルモード光ファイバを介設した場合は、対物集光レンズを介して測定対象物から入射される信号光がシングルモード光ファイバ内を導波する際、信号光は、シングルモード光ファイバによりフィルタリングされ、干渉光集光レンズとピンホールとを組み合わせた場合と同様の作用により、受光素子へ導かれるため、干渉光集光レンズを用いる場合には、干渉光集光レンズと受光素子との間の光路中にピンホールをあえて挿入する必要はない。
【００７６】
ここで、シングルモード光ファイバを偏波面保存光ファイバとすることで、以下のような作用が得られる。
（１）光ファイバ内を伝搬する光の偏波面が回転しないため、光源の偏波特性をそのまま保持することができ、安定した測定ができる。
（２）偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）との組み合わせにより、ＴＥおよびＴＭモードの分離も可能となり、測定対象物の複屈折測定ができる。
【００８８】
また、本発明の請求項１に記載の媒質の測定装置は、参照光又は検査光若しくは信号光の光路中に配設された波長分散量補償手段を備え、波長分散量補償手段は、参照光と信号光との波長分散の量を互いに補償する構成としてもよい。
【００８９】
この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）分散補償手段は、光路分割手段で分割された参照光の光路（以下、参照光アームと呼ぶ。）と検査光及び信号光の光路（以下、信号光アームと呼ぶ。）での波長分散量のアンバランスを補償するものであり、参照光アーム又は信号光アームの光路中に、両アームの波長分散量のアンバランスに見合う透明部材を挿入し、波長分散のアンバランスをキャンセルする。
（２）干渉信号の包絡線の半値全幅を光源のコヒーレンス長まで狭くすることができ、光源本来の特性を活かして、高精度に前後面の位置決めができる。
【００９０】
ここで、分散補償手段としては、ガラス、光学結晶等の無機物およびポリメチルメタアクリレート、ポリカーボネート等の高分子材料（有機物）等で構成される分散補償ブロックが使用される。これら、分散補償ブロックの光軸方向の厚さは、参照光アームと信号光アームとの波長分散のアンバランスの補償に見合う厚さとすることは言うまでもない。また、分散補償ブロックには、入射する光の反射をできるだけ小さくし、透過光量を大きくするため、ＡＲコートを施したものが望ましい。ＡＲコートとしては、多層膜コートが好ましい。更に、参照光、及び／又は検査光及び／又は信号光の光路中にシングルモード光ファイバが配設されている場合は、各々の光路に配設されたシングルモード光ファイバの丈長を調整することにより、波長分散量のアンバランスをキャンセルすることが可能であり、シングルモード光ファイバを分散補償手段として使用することもできる。
【００９３】
ところで、本発明の請求項１に記載の媒質の測定装置は、測定対象物を保持するサンプルホルダを備え、サンプルホルダは、測定対象物と対物集光レンズとの間に測定対象物と所定の間隔をあけて配設された透明板からなる前側透過板と、測定対象物をはさんで前側透過板に対向して測定対象物と所定の間隔をあけて配設された反射板からなる後側反射板と、を備えた構成としてもよい。
【００９４】
この構成により、媒体Ｍの位相屈折率ｎp、群屈折率ｎgおよび厚さｔの測定を行うことができるという作用が得られる。
【００９５】
上記目的を達成するために本発明の請求項１に記載の媒質の測定装置を使った測定方法は、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに空間的に分離し、検査光を対物集光レンズにより測定対象物の各反射面に集光するとともに参照光を位相変調し、測定対象物からの検査光の反射光である信号光と位相変調された参照光とを干渉させ干渉光を生成し、参照光の光路中に配設され、入射される参照光をその光軸に平行逆向きに反射する参照光ミラーを、参照光の光軸方向に変位させることにより参照光の光路長を変化させ、干渉光の強度を測定する媒質の測定方法であって、参照光の光路を遮断する参照光遮断手順と、参照光が遮断された状態で測定対象物を検査光の光軸方向に走査させるとともに信号光の強度を測定する測定対象物走査手順と、測定対象物走査手順において信号光の強度の極大となる測定対象物の位置を検査光が測定対象物の各反射面上に集光する測定対象物のおよその合焦点位置として特定する測定対象物概略位置特定手順と、参照光の光路を開放し位相変調された参照光を信号光と干渉させ干渉光を生成する参照光開放手順と、測定対象物の各反射面に対し測定対象物をおよその合焦点位置に移動し、およその合焦点位置の近傍で測定対象物を走査しそれと交互して参照ミラーを微小範囲で走査し、干渉光の強度が最大となる測定対象物の位置ｘ i と参照光ミラーの位置ｗiとを求める測定対象物位置特定手順と、各反射面に対する測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｗiとに基づき測定対象物の屈折率と厚さを求める換算手順と、を備えた構成としたものである。
【００９６】
この構成により、あらかじめ共焦点光学系により、測定対象物の前後面の集光位置を特定するため、簡便にかつ短時間で測定対象物の屈折率と厚さを測定できるという作用が得られる。
【００９７】
ここで、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに分離する方法としては、ビームスプリッタ、ハーフミラー、シングルモード光ファイバカプラ等による光路分割の方法が用いられる。
【００９８】
参照光を位相変調する方法としては、参照光の光路中に参照光を反射する反射鏡（参照光ミラー等）を挿入し、参照光ミラーを加振することで位相変調を行う方法や、参照光の光路内に透明板を挿入し参照光を該透明板に透過させ、該透明板に周期的な角度変位を与えることにより参照光の位相変調を行う方法や、参照光の光路内に電気光学結晶を挿入し参照光を該電気光学結晶に透過させ、該電気光学結晶に周期的な電界により屈折率変化を与えることにより参照光の位相変調を行う方法が用いられる。
【００９９】
位相変調された参照光と信号光とを干渉させ干渉光を生成する方法としては、位相変調された参照光と信号光とをビームスプリッタ、ハーフミラー、シングルモード光ファイバカプラ等に入射し合波することにより干渉光を生成する方法が用いられる。
【０１００】
参照光の光路を遮断／開放する方法としては、シャッターを用いる方法や、参照光の光路中に介設された反射鏡の反射面を回転させ光路を変える方法等が用いられる。
【０１０１】
信号光の強度は受光素子を使用して測定される。
【０１０２】
測定対象物の各反射面に対する測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｚiとを求める方法としては、後述のサンプル走査法などが用いられる。
【０１０３】
請求項１に記載の媒質の測定装置を使った測定方法は、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに空間的に分離し、検査光を対物集光レンズにより測定対象物の各反射面に集光するとともに参照光を位相変調し、測定対象物からの検査光の反射光である信号光と位相変調された参照光とを干渉させ干渉光を生成し、参照光の光路中に配設され、入射される参照光をその光軸に平行逆向きに反射する参照光ミラーを、参照光の光軸方向に変位させることにより参照光の光路長を変化させ、干渉光の強度を測定する媒質の測定方法であって、参照光の光路を遮断する参照光遮断手順と、参照光が遮断された状態で対物集光レンズを検査光の光軸方向に走査させるとともに信号光の強度を測定する対物集光レンズ走査手順と、対物集光レンズ走査手順において信号光の強度の極大となる対物集光レンズの位置を検査光が測定対象物の各反射面上に集光する対物集光レンズのおよその合焦点位置として特定する対物集光レンズ概略位置特定手順と、参照光の光路を開放し位相変調された参照光を信号光と干渉させ干渉光を生成する参照光開放手順と、測定対象物の各反射面に対し対物集光レンズをおよその合焦点位置に移動し、およその合焦点位置の近傍で対物集光レンズを走査しそれと交互して参照ミラーを微小範囲で走査し、干渉光の強度が最大となる対物集光レンズの位置ｙiと参照光ミラーの位置ｗiとを求める測定対象物位置特定手順と、各反射面に対する対物集光レンズの位置ｘiと参照光ミラーの位置ｗiとに基づき測定対象物の屈折率と厚さを求める換算手順と、を備えた構成としたものである。
【０１０４】
この構成により、あらかじめ共焦点光学系により、測定対象物の前後面の集光位置を特定するため、簡便にかつ短時間で測定対象物の屈折率と厚さを測定できるという作用が得られる。
【０１０５】
ここで、測定対象物の各反射面に対する測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｚiとを求める方法としては、後述のレンズ走査法などが用いられる。
【０１０６】
請求項１に記載の媒質の測定装置を使った測定方法は、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに空間的に分離し、検査光を、透明板からなる前側透過板と反射板からなる後側反射板との間に所定の間隔をあけて固定された測定対象物の各反射面に、対物集光レンズにより前側透過板を通して集光するとともに、参照光を位相変調し、測定対象物からの検査光の反射光である信号光と位相変調された参照光とを干渉させ干渉光を生成し、参照光の光路中に配設され、入射される参照光をその光軸に平行逆向きに反射する参照光ミラーを、参照光の光軸方向に変位させることにより参照光の光路長を変化させ、干渉光の強度を測定する媒質の測定方法であって、参照光の光路を遮断する参照光遮断手順と、参照光が遮断された状態で測定対象物を検査光の光軸方向に走査させるとともに信号光の強度を測定する測定対象物走査手順と、測定対象物走査手順において信号光の強度の極大となる測定対象物の位置を検査光が測定対象物の各反射面上又は前側透過板の反射面上若しくは後側反射板の反射面上に集光する測定対象物のおよその合焦点位置として特定する測定対象物概略位置特定手順と、参照光の光路を開放し位相変調された参照光を信号光と干渉させ干渉光を生成する参照光開放手順と、測定対象物の各反射面及び前側透過板の反射面並びに後側反射板の反射面に対し測定対象物をおよその合焦点位置に移動し、およその合焦点位置の近傍で測定対象物を走査しそれと交互して参照ミラーを微小範囲で走査し、干渉光の強度が最大となる測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｗiとを求める測定対象物位置特定手順と、各反射面及び前側透過板の反射面並びに後側反射板の反射面に対する測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｗiとに基づき測定対象物の屈折率と厚さを求める換算手順と、を備えた構成としたものである。
【０１０７】
この構成により、あらかじめ共焦点光学系により、測定対象物の前後面の集光位置を特定するため、簡便にかつ短時間で測定対象物の屈折率と厚さを測定できるという作用が得られる。
【０１０８】
ここで、測定対象物の各反射面及び前側透過板の反射面並びに後側反射板の反射面に対する測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｚiとを求める方法としては、後述のサンプル走査法などが用いられる。
【０１０９】
請求項１に記載の媒質の測定装置を使った測定方法は、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに空間的に分離し、検査光を、透明板からなる前側透過板と反射板からなる後側反射板との間に所定の間隔をあけて固定された測定対象物の各反射面に、対物集光レンズにより前側透過板を通して集光するとともに、参照光を位相変調し、測定対象物からの検査光の反射光である信号光と位相変調された参照光とを干渉させ干渉光を生成し、参照光の光路中に配設され、入射される参照光をその光軸に平行逆向きに反射する参照光ミラーを、参照光の光軸方向に変位させることにより参照光の光路長を変化させ、干渉光の強度を測定する媒質の測定方法であって、参照光の光路を遮断する参照光遮断手順と、参照光が遮断された状態で対物集光レンズを検査光の光軸方向に走査させるとともに信号光の強度を測定する対物集光レンズ走査手順と、対物集光レンズ走査手順において信号光の強度の極大となる対物集光レンズの位置を検査光が測定対象物の各反射面上又は前側透過板の反射面上若しくは後側反射板の反射面上に集光する対物集光レンズのおよその合焦点位置として特定する対物集光レンズ概略位置特定手順と、参照光の光路を開放し位相変調された参照光を信号光と干渉させ干渉光を生成する参照光開放手順と、測定対象物の各反射面及び前側透過板の反射面並びに後側反射板の反射面に対し対物集光レンズをおよその合焦点位置に移動し、およその合焦点位置の近傍で対物集光レンズを走査しそれと交互して参照ミラーを微小範囲で走査し、干渉光の強度が最大となる対物集光レンズの位置ｙ i と参照光ミラーの位置ｗiとを求める測定対象物位置特定手順と、各反射面及び前側透過板の反射面並びに後側反射板の反射面に対する対物集光レンズの位置ｘiと参照光ミラーの位置ｗiとに基づき測定対象物の屈折率と厚さを求める換算手順と、を備えた構成としたものである。
【０１１０】
この構成により、あらかじめ共焦点光学系により、測定対象物の前後面の集光位置を特定するため、簡便にかつ短時間で測定対象物の屈折率と厚さを測定できるという作用が得られる。
【０１１１】
ここで、測定対象物の各反射面及び前側透過板の反射面並びに後側反射板の反射面に対する測定対象物の位置ｘiと参照光ミラーの位置ｚiとを求める方法としては、後述のレンズ走査法などが用いられる。
【０１２４】
以下に本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【０１２５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の媒質の測定装置の構成図である。
【０１２６】
１は低コヒーレンス光を照射する光源、１ａは光源１から出射された光をコリメートするコリメートレンズ、２はコリメートレンズ１ａでコリメートされた光源１からの照射光をその光軸上を直進する参照光とそれに垂直な方向に直進する検査光とに二分する光路分割手段であるビームスプリッタ、３はビームスプリッタ２から出射される参照光の光軸上に配設され反射面が直角に曲折する逆Ｖ字状の折平面に形成された直角プリズムミラー、３ａはビームスプリッタ２に対向する直角プリズムミラー３の反射面の一方を構成しビームスプリッタ２より入射される参照光の光軸に対し４５度の角度をなす平面状の鏡面からなる入射側反射面、３ｂは直角プリズムミラー３のもう一方の反射面を構成し入射側反射面３ａに対し直角に曲折する平面状の鏡面からなる出射側反射面、４は直角プリズムミラー３の入射側反射面３ａで反射された参照光の光軸上に配設され反射面が直角に曲折するＶ字状の折平面に形成されたコーナーキューブプリズムからなる参照光ミラー、４ａは入射側反射面３ａに対向する参照光ミラー４の反射面の一方を構成し入射側反射面３ａと平行な平面状の鏡面からなる入射側反射面、４ｂは参照光ミラー４のもう一方の反射面を構成し入射側反射面４ａに対し直角に曲折し出射側反射面３ｂと平行に配設された平面状の鏡面からなる出射側反射面、５は参照光ミラー４に入射する参照光の光軸方向に移動自在に参照光ミラー４を保持搭載する参照光ミラー駆動手段、６は直角プリズムミラー３の出射側反射面３ｂに対向して配設された干渉光生成手段であるビームスプリッタ、７はビームスプリッタ２から出射される検査光の光軸上に配設された全反射ミラー、８は全反射ミラー７から入射される参照光の光軸上のビームスプリッタ６と対向する位置に配設された信号光分離手段であるビームスプリッタ、９はビームスプリッタ８を通過して直進する検査光の光軸上に配設され検査光をその光軸上に集光する対物集光レンズ、１０は対物集光レンズ９に対向して配設された測定対象物、１０ａは測定対象物１０の対物集光レンズ９に対向する側の面である前面、１０ｂは測定対象物１０の測定対象物１０ａと反対側の面である後面、１１ａは測定対象物１０を検査光の光軸に沿って移動自在に保持搭載する測定対象物駆動手段、１１ｂは対物集光レンズ９を検査光の光軸に沿って移動自在に保持搭載する対物集光レンズ駆動手段である。
【０１２７】
ここで、図１ではサンプルホルダーを使用しない構成を示しているが、測定対象物１０を図７に示したサンプルホルダーに挟持して測定対象物駆動手段１１ａに搭載する構成としてもよい。
【０１２８】
光源１から照射された低コヒーレント光は、コリメートレンズ１ａでコリメートされ、ビームスプリッタ２に導かる。ビームスプリッタ２に入射された低コヒーレント光は、ビームスプリッタ２で二等分され、空間的に分離した参照光と検査光の２つの光路に分割される。参照光は光源１からの照射光の光軸上を直進し、直角プリズムミラー３の入射側反射面３ａにより参照光ミラー４の入射側反射面４ａへ導かれる。参照光ミラー４の入射側反射面４ａで反射された参照光は、出射側反射面４ｂで更に反射され、再度、直角プリズムミラー３の出射側反射面３ｂを介して、ビームスプリッタ６へ導かれる。この際、直角プリズムミラー３から参照光ミラー４に入射される参照光の光路と、参照光ミラー４で反射され直角プリズムミラー３に入射される参照光の光路とは平行となる。
【０１２９】
一方、検査光はビームスプリッタ２から全反射ミラー７に進み、全反射ミラー７により反射され光路を直角に曲げられ、ビームスプリッタ８へ導かれる。ビームスプリッタ８を透過し直進する検査光は、対物集光レンズ９により、測定対象物１０に集光される。測定対象物１０に照射された検査光は、測定対象物１０の各反射面（前面１０ａや後面１０ｂ。測定対象物１０が、屈折率の異なる複数の層から構成される場合には、各層間の境界面も反射面となる）において反射される。このうち、対物集光レンズ９により集光された検査光の焦点位置で反射された検査光の反射光は、入射された検査光と同軸の光路で、再び対物集光レンズ９に入射する。
【０１３０】
測定対象物１０からの反射光（以下、信号光と呼ぶ。）は、対物集光レンズ９を介し、ビームスプリッタ８により検査光の光路と空間的に分離され、ビームスプリッタ６へ導かれ、参照光と合波され、干渉光が生成される。すなわち、本実施の形態においては、干渉光学系はマッハツェンダー型干渉系をなして配置されている。
【０１３１】
以下、ビームスプリッタ２から入射側反射面３ａ，入射側反射面４ａ，出射側反射面４ｂ，出射側反射面３ｂを経てビームスプリッタ６へ至る光路を参照光アーム、ビームスプリッタ２から全反射ミラー７，ビームスプリッタ８，対物集光レンズ９，測定対象物１０，ビームスプリッタ８を経てビームスプリッタ６へ至る光路を信号光アームと呼ぶ。
【０１３２】
１２はビームスプリッタ６のビームスプリッタ８と反対側に配設され信号光と参照光との合成された光（以下、干渉光と呼ぶ。）を集光する干渉光集光レンズ、１３は干渉光集光レンズ１２により集光された干渉光を受光しその強度を検出し検出信号を出力する受光素子、１３ａは受光素子１３の受光面前方に配設されたピンホールである。
【０１３３】
１４ａはビームスプリッタ２と直角プリズムミラー３との間の参照光の光路中に配設され周波数ｆでかつ所定振幅の角度変位で回動振動し参照光の位相変調を行う透明板、１４ａ’は透明板１４ａに周期的な角度変位を与える振動手段である。透明板１４ａと振動手段１４ａ’とにより、参照光を位相変調する位相変調手段が構成されている。尚、振動手段１４ａ’には、ガルバノモータ等が使用される。１５は出射側反射面３ｂとビームスプリッタ６との間の参照光の光路中に配設され参照光アームと信号光アームの波長分散のアンバランスを補償する波長分散補償手段である分散補償ブロック、１６は分散補償ブロック１５とビームスプリッタ６との間の参照光の光路中に配設された参照光遮断手段であるシャッターである。
【０１３４】
１８は受光素子１３の検出信号はをデジタル信号に変換する検出回路、１９は検出回路１８から入力されるデジタル信号に変換された検出信号のデータを処理し、参照光ミラー駆動手段５，測定対象物駆動手段１１ａ，対物集光レンズ駆動手段１１ｂ，シャッター１６の動作を制御するパーソナルコンピュータ，ワークステーション，マイコン等からなる制御装置、２０は制御装置１９からの制御信号により測定対象物駆動手段１１ａ，１１ｂの駆動制御を行うステージコントローラ、２１は制御装置１９からの制御信号によりシャッター１６の開閉動作を制御するシャッターコントローラ、２２は透明板１４ａの振動手段１４ａ’に駆動用の交流信号を印加する駆動電源である。尚、図１中に波線で示しているのは、各種制御配線用のケーブルである。
【０１３５】
検出回路１８は、受光素子１３から入力されるアナログ検波（検出）信号をデジタル信号に変換する機能を有するものである。詳細には、検出回路１８は、アンプ、バンドパスフィルタ、サンプルホールド回路、Ａ／Ｄコンバータから構成されている。受光素子１３からの信号は、小信号であることから、Ｓ／Ｎ比を増加するために、増幅回路であるアンプに入力される。その出力は、外部または電源等からのノイズ成分が含まれていることから、このノイズ信号を取り除くためのバンドパスフィルタで、ノイズが除去される。このバンドパスフィルタからの出力は、参照光の一定周期での位相変調に同期して、信号を検出するためのサンプルホールド回路にて必要なアナログ信号をホールドする。このホールドされた信号をＡ／Ｄコンバータにてアナログ信号からデジタル信号に変換することで、所望のデジタル信号が検出可能となる。検出回路１８でアナログ信号からデジタル信号に変換されたデータは、制御装置１９に取り込まれる。尚、ここでは、検出回路１８にＡ／Ｄ変換の機能を入れているが、制御装置１９でＡ／Ｄ変換の機能を行ってもかまわない。また、検出回路１８は、上述した機能に限定されるものではなく、受光素子１３からの検波（検出）信号を制御装置１９に取り込む前段階でのデータ処理を行えれば良い。
【０１３６】
制御装置１９としては、検出回路１８およびステージコントローラ２０からのデータ処理が行え、シャッターコントローラ２１を制御できるものであれば、特に限定するものではない。また、制御装置１９の機能としては、データ処理のみに限定されるものではなく、検出回路１８で行っているアナログ／デジタル変換の機能を行ってもかまわない。
【０１３７】
ステージコントローラ２０は、制御装置１９からの信号により、参照光ミラー駆動手段５，測定対象物駆動手段１１ａ，対物集光レンズ駆動手段１１ｂを高精度にコントロールし、正確な位置情報を得るためのものである。ゆえに、使用する参照光ミラー駆動手段５，測定対象物駆動手段１１ａ，対物集光レンズ駆動手段１１ｂの分解能や位置決め精度等によって、最適なステージコントローラ２０を選択する必要があり、上述した駆動手段５、１１ａ、１１ｂの制御ができるものであれば特に限定されるものではない。また、ステージコントローラ２０は、シャッターコントローラ２１と共に制御用コントローラとして、一体化したものであってもよい。
【０１３８】
シャッターコントローラ２１は、参照光を遮断および解放するシャッター１６を制御装置１９からの信号により、制御するものであり、使用する参照光を遮断および解放する手段の制御ができるものであれば特に機種等を限定するものではない。また、シャッターコントローラ２１は、ステージコントローラ２０と共に制御用コントローラとして、一体化したものであってもよい。
【０１３９】
以上のように構成された本実施の形態の媒質の測定装置において、以下、媒質の測定方法について説明する。
【０１４０】
測定対象物１０の屈折率と厚さの同時測定を行う方法としては、サンプル走査法とレンズ走査法の二つの方法がある。サンプル操作法は、対物集光レンズ９を固定し、測定対象物１０（即ちサンプル）と参照光ミラー４を光軸方向に走査させることにより媒質の厚さ及び屈折率を測定する方法である。レンズ走査法は、測定対象物１０を固定し、対物集光レンズ９と参照光ミラー４を光軸方向に走査させる方法である。以下、図１を参照しながらサンプル操作法、レンズ走査法の順に説明する。
【０１４１】
１）サンプル走査法
サンプル走査法では、まず、シャッター１６により参照光の光路を遮断し、測定対象物駆動手段１１ａにより測定対象物１０を光軸方向に走査させ、受光素子１３からの検出信号の最大となる測定対象物駆動手段１１ａの位置により、対物集光レンズ９により集光される検査光の焦点が測定対象物１０の前面１０ａとなる測定対象物駆動手段１１ａの位置ｘ1’（以下、測定対象物駆動手段１１ａの概略前面合焦点位置ｘ１’と呼ぶ。）及び後面１０ｂとなる測定対象物駆動手段１１ａの位置ｘ2’（以下、測定対象物駆動手段１１ａの概略後面合焦点位置ｘ2’と呼ぶ。）を、ステージコントローラ２０に設定した座標データより検出（即ちフォーカスサーチ）する。次に、シャッター１６を開き参照光の光路を解放し、先に検出した、測定対象物駆動手段１１ａの概略前面合焦点位置ｘ1’に測定対象物駆動手段１１ａを移動させ、対物集光レンズ９により集光された検査光の焦点が測定対象物１０の前面１０ａに位置するように測定対象物１０の位置を設定する。そして、参照光ミラー駆動手段５により参照光ミラー４を光軸方向に走査させることにより、受光素子１３により検出される干渉光が最大になる参照光ミラー４の位置（即ち、参照光ミラー駆動手段５の稼働ステージの位置）ｗ1’（以下、参照光ミラー４の概略前面合焦点位置ｗ１’と呼ぶ。）を検出回路１８からの信号により特定し、概略前面合焦点位置ｗ1’に参照光ミラー駆動手段５を移動させ、参照光ミラー４の位置を調整する。
【０１４２】
この概略前面合焦点位置ｘ1’，ｗ1’の近傍で、測定対象物駆動手段１１ａにより測定対象物１０、及び参照光ミラー駆動手段５により参照光ミラー４を交互に走査させ、測定対象物１０の前面１０ａにおける最大干渉光強度が得られる位置（以下、前面合焦点位置ｘ1，ｗ1と呼ぶ。）を検出する。このときの、最大干渉光強度が得られた測定対象物駆動手段１１ａ及び参照光ミラー駆動手段５の前面合焦点位置を基準位置とする。
【０１４３】
次に、測定対象物駆動手段１１ａにより測定対象物１０を基準位置から概略後面合焦点位置ｘ2’へ移動させ、対物集光レンズ９により集光された検査光の焦点が、測定対象物１０の後面１０ｂとなるようにする。
【０１４４】
次いで、再度、参照光ミラー４を介した参照光と測定対象物１０の後面１０ｂからの反射光（信号光）との干渉光強度が最大となる位置ｗ2’（以下、参照光ミラー４の概略後面合焦点位置ｗ2’と呼ぶ。）に参照光ミラー駆動手段５の位置を調整する。
【０１４５】
この概略後面合焦点位置ｘ2’，ｗ2’の近傍で、測定対象物駆動手段１１ａにより測定対象物１０、及び参照光ミラー駆動手段５により参照光ミラー４を交互に走査させ、測定対象物１０の後面１０ｂにおける最大干渉光強度が得られる位置（以下、後面合焦点位置ｘ2，ｗ2と呼ぶ。）を検出する。このときの測定対象物駆動手段１１ａの基準位置からの移動量（｜ｘ1−ｘ2｜）をｚとし、参照光ミラー駆動手段５の基準位置からの移動量（｜ｗ1−ｗ2｜）をΔＬとする。
【０１４６】
以上のようにして得られた各ステージの移動量（即ち測定対象物１０の保持搭載された測定対象物駆動手段１１ａの可動ステージ及び参照光ミラーの保持搭載された参照光ミラー駆動手段５の可動ステージの移動量）であるｚとΔＬの測定値及び対物集光レンズ９の開口数Ｓを、前述した（数１）、（数２）および（数３）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと厚さｔを算出する。
【０１４７】
また、測定対象物１０を図７に示したサンプルホルダーに挟持して同様な測定を行う場合には、各ステージの移動量であるｚとΔＬの測定値及び対物集光レンズ９の開口数Ｓを、前述した（数４）、（数５）および（数６）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと群屈折率ｎgおよび厚さｔを導出することができる。ここで定数ａおよびｂは、実験的に得られる値であり、固体に対してはａが０．０２４１、ｂが１．６９となり、液体に対してはａが０．０４６０、ｂが１．５３となる。
【０１４８】
２）レンズ走査法
レンズ走査法では、まず、制御装置１９は、シャッター１６により参照光の光路を遮断し、対物集光レンズ駆動手段１１ｂにより対物集光レンズ９を光軸方向に走査させ、受光素子１３からの検出信号が最大となる対物集光レンズ駆動手段１１ｂの位置により、対物集光レンズ９により集光される検査光の焦点が測定対象物１０の前面１０ａとなる対物集光レンズ駆動手段１１ｂの位置ｙ1’（以下、対物集光レンズ駆動手段１１ｂの概略前面合焦点位置ｙ1’と呼ぶ。）及び後面１０ｂとなる対物集光レンズ駆動手段１１ｂの位置ｙ2’（以下、対物集光レンズ駆動手段１１ｂの概略後面合焦点位置ｙ2’と呼ぶ。）を、ステージコントローラ２０に設定した座標データより検出（即ちフォーカスサーチ）する。次に、制御装置１９は、シャッター１６を開き参照光の光路を解放し、先に検出した、対物集光レンズ駆動手段１１ｂの概略前面合焦点位置ｙ1’に対物集光レンズ駆動手段１１ｂを移動させ、対物集光レンズ９により集光された検査光の焦点が測定対象物１０の前面１０ａに位置するように対物集光レンズ９を保持搭載した対物集光レンズ駆動手段１１ｂの可動ステージの位置を設定する。そして、制御装置１９は、参照光ミラー駆動手段５により参照光ミラー４を光軸方向に走査させることにより、受光素子１３により検出される干渉光が最大になる参照光ミラー４の位置（即ち、参照光ミラー駆動手段５の稼働ステージの位置）ｗ1’（以下、参照光ミラー４の概略前面合焦点位置ｗ1’と呼ぶ。）を検出回路１８からの信号により特定し、概略前面合焦点位置ｗ1’に、参照光ミラー駆動手段５を移動させ、参照光ミラー４の位置を調整する。
【０１４９】
この概略前面合焦点位置ｙ1’，ｗ1’で、対物集光レンズ駆動手段１１ｂにより測定対象物１０、及び参照光ミラー駆動手段５により参照光ミラー４を交互に走査させ、測定対象物１０の前面１０ａにおける最大干渉光強度が得られる位置（以下、前面合焦点位置ｙ1，ｗ1と呼ぶ。）を検出する。このときの、最大干渉信号強度が得られた対物集光レンズ駆動手段１１ｂ及び参照光ミラー駆動手段５の前面合焦点位置を基準位置とする。
【０１５０】
次に、対物集光レンズ駆動手段１１ｂにより対物集光レンズ９を基準位置から概略後面合焦点位置ｙ2’へ移動させ、対物集光レンズ９により集光された検査光の焦点が、測定対象物１０の後面１０ｂとなるようにする。
【０１５１】
次いで、参照光ミラー４を介した参照光と測定対象物１０の後面１０ｂからの反射光（信号光）との干渉光の強度が最大となる位置ｗ2’（以下、参照光ミラー４の概略後面合焦点位置ｗ2’と呼ぶ。）に参照光ミラー駆動手段５の位置を調整する。
【０１５２】
この概略後面合焦点位置ｙ2’，ｗ2’の近傍で、対物集光レンズ駆動手段１１ｂにより対物集光レンズ９、及び参照光ミラー駆動手段５により参照光ミラー４を交互に走査させ、測定対象物１０の後面１０ｂにおける最大干渉光強度が得られる位置（以下、後面合焦点位置ｙ2，ｗ2と呼ぶ。）を検出する。このときの対物集光レンズ駆動手段１１ｂの基準位置からの移動量（｜ｙ1−ｙ2｜）をｚとし、参照光ミラー駆動手段５の基準位置からの移動量（｜ｗ1−ｗ2｜）をΔＬとする。
【０１５３】
これらの各ステージの移動量（即ち対物集光レンズ９の保持搭載された対物集光レンズ駆動手段１１ｂの可動ステージ及び参照光ミラーの保持搭載された参照光ミラー駆動手段５の可動ステージの移動量）であるｚとΔＬの値を、（数７）、（数８）及び（数９）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと厚さｔを導出することができる。
【０１５４】
【数７】
【数８】
【数９】
ここで定数ａおよびｂは、先に述べたサンプル走査法と同様、実験的により得られる値（固体に対してはａが０．０２４１、ｂが１．６９、液体に対してはａが０．０４６０、ｂが１．５３）を用いる。
【０１５８】
また、測定対象物１０を図７に示したサンプルホルダーに挟持して同様な測定を行った場合には、前述した（数４）及び以下の（数１０）、（数１１）へ代入することにより、測定対象物１０のハ相屈折率ｎpと群屈折率ｎgおよび厚さｔを導出することができる。
【０１５９】
【数１０】
【数１１】
尚、本実施の形態において、分散補償ブロック１５の挿入位置は参照光の光路中に限られるものではなく、両アームの波長分散量のアンバランスを補償するために信号光の光路中、もしくは参照光アームと信号光アームの両光路中に挿入してもよい。また、参照光を位相変調する透明板１４ａ、参照光の光路を遮断および解放するシャッター１６の挿入位置は、図１の位置に限られるものではなく、ビームスプリッタ２からビームスプリッタ６までの参照光の光路中であれば、特に限定するものではない。
【０１６２】
また、直角プリズムミラー３は、２枚の全反射ミラーを光路に対して４５度に傾け組み合わされたものや、ビームスプリッタ２で分けられた一方の光を参照光ミラー４側に導く全反射ミラーと参照光ミラー４からの反射光を受光素子１２側へ導く全反射ミラーを独立に配置したもの等でもよく、特に直角プリズムミラー３に限定するものではない。
【０１６３】
全反射ミラー７は、ビームスプリッタ２で分けられた一方の光を測定対象物１０側へ導くための光路変更用ミラーであればよく、クロム全反射ミラー、アルミ全反射ミラー、誘電体多層膜全反射ミラー等であり、特に限定するものではない。
【０１６４】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２の媒質の測定装置の構成図であり、図３は図２の媒質の測定装置を２階層に分けシングルモード光ファイバよって各階層間の光路を確保して構成した場合の構成図である。
【０１６５】
図２及び図３において、１は光源、１ａはコリメートレンズ、２はビームスプリッタ、４は参照光ミラー、４ａは入射側反射面、４ｂは出射側反射面、５は参照光ミラー駆動手段、６はビームスプリッタ、７は全反射ミラー、８はビームスプリッタ、９は対物集光レンズ、１０は測定対象物、１１ａは測定対象物駆動手段、１１ｂは対物集光レンズ駆動手段、１２は干渉光集光レンズ、１３は受光素子、１４ａは透明板、１４ａ’は振動手段、１５は分散補償ブロック、１６はシャッター、１８は検出回路、１９は制御装置、２０はステージコントローラ、２１はシャッターコントローラ、２２は駆動用電源であり、これらは図１と同様であり、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１６６】
１４ｂは参照光ミラー４を入射する参照光の光軸方向に加振する振動手段、２２ａは振動手段１４ｂを駆動するための交流電圧を印加する駆動用電源、２３はビームスプリッタ２から参照光ミラー４に至る参照光の光路中に配設されたシングルモード光ファイバ、２３ａはシングルモード光ファイバ２３の入射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２３の入射用レンズ、２３ｂはシングルモード光ファイバ２３の出射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２３の出射用レンズ、２４は参照光ミラー４からビームスプリッタ６に至る参照光の光路中に配設されたシングルモード光ファイバ、２４ａはシングルモード光ファイバ２４の入射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２４の入射用レンズ、２４ｂはシングルモード光ファイバ２４の出射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２４の出射用レンズ、２５は入射側端面がビームスプリッタ８に対向して配設され出射側端面が対物集光レンズ９に向けて配設されたシングルモード光ファイバ、２５ａはシングルモード光ファイバ２５の入射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２５の入射用レンズ、２５ｂはシングルモード光ファイバ２５の出射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２５の出射用レンズである。
【０１６７】
本実施の形態では、光源１から照射された低コヒーレント光は、コリメートレンズ１ａでコリメートされ、ビームスプリッタ２に導かれ、ビームスプリッタ２で二等分され、参照光と検査光との空間的に分離した２つの光路に分割される。参照光は、入射用レンズ２３ａに入射されシングルモード光ファイバ２３，出射用レンズ２３ｂを介して参照光ミラー４の入射側反射面４ａへ導かれる。参照光ミラー４の入射側反射面４ａで反射された参照光は、出射側反射面４ｂで更に反射され、入射用レンズ２４ａに入射される。このとき、参照光ミラー４の入射側反射面４ａに入射される参照光の光軸と参照光ミラー４の出射側反射面４ｂからシングルモード光ファイバ２４の入射用レンズ２４ａに入射される参照光の光軸とは平行となるように配設される。シングルモード光ファイバ２４の入射用レンズ２４ａに入射された参照光は、更に、シングルモード光ファイバ２４を通過し、ビームスプリッタ６へ導かれる。
【０１６８】
一方、検査光はビームスプリッタ２を透過して直進し、全反射ミラー７に入射され、全反射ミラー７で反射され光路を直角に曲げられ、ビームスプリッタ８へ導かれる。ビームスプリッタ８を透過し直進した検査光は、シングルモード光ファイバ２５の入射用レンズ２５ａに入射され、シングルモード光ファイバ２５，出射用レンズ２５ｂを介して、対物集光レンズ９に入射され、更に、対物集光レンズ９により、測定対象物１０に集光される。測定対象物１０からの反射光（以下、信号光と呼ぶ。）は、対物集光レンズ９、ビームスプリッタ８を介して、ビームスプリッタ６へ導かれ、参照光と合波され、干渉光が生成される。
【０１６９】
また、シャッター１６はビームスプリッタ２とシングルモード光ファイバ２３との間の参照光の光軸上に配設され、透明板１４ａは出射用レンズ２４ｂとビームスプリッタ６との間の参照光の光軸上に配設され、分散補償ブロック１５は透明板１４ａとビームスプリッタ６との間の参照光の光軸上に配設されている。
【０１７０】
このように、参照光、検査光、信号光の光路中にシングルモード光ファイバ２３，２４，２５を介設することにより、干渉光学系に使用する構成部材の配置の自由度が増し、干渉光学系の小型化が可能になる。また、各シングルモード光ファイバ２３，２４，２５の条長を調整することにより、信号光および参照光アームの波長分散量のアンバランスを補償することもできる。
【０１７１】
以上のような構成の本実施の形態２の媒質の測定装置において、実施の形態１において説明したサンプル走査法又はレンズ走査法と同様の測定方法により、各ステージの移動量であるｚとΔＬを測定し、ｚとΔＬの測定値及び対物集光レンズ９の開口数Ｓを、前述した（数１），（数２）および（数３）、又は、（数７），（数８）及び（数９）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと厚さｔを算出することができる。
【０１７２】
また、測定対象物１０を図７に示したサンプルホルダーに挟持して同様な測定を行う場合には、各ステージの移動量であるｚとΔＬの測定値及び対物集光レンズ９の開口数Ｓを、サンプル走査法の場合、前述した（数４）、（数５）および（数６）へ、レンズ走査法の場合、前述した（数４）及び以下の（数１０）、（数１１）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと群屈折率ｎgおよび厚さｔを導出することができる。
【０１７３】
但し、シングルモード光ファイバ２５の出射用レンズ２５ｂと対物集光レンズ９の距離が固定されているような場合、ビームスプリッタ２から対物集光レンズ９までの検査光の光路長は固定されるため、上述のサンプル走査法と同様の条件となる。従って、各ステージの移動量であるｚとΔＬを（数１）、（数２）および（数３）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと厚さｔを導出することができ、また、図７に示したサンプルホルダーを用いた場合は、前述した（数４）、（数５）および（数６）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと群屈折率ｎgおよび厚さｔを導出することができる。
【０１７４】
また、図３のように、図２の干渉光学系の構成部材を２階層に分け、シングルモード光ファイバ２３，２４，２５よって各階層間の光路を確保してもよい。
【０１７５】
尚、図３では、検出回路１８、制御装置１９、ステージコントローラ２０、シャッターコントローラ２１、駆動用電源２２，２２ａについては図示を省略しているが、図２と同様である。
【０１７６】
ここで、階層数および各階層間の光路を確保する手段としては、２階層およびシングルモード光ファイバに限られるものではなく、階層数については構成部材の配置や配置スペースの制限等により、少なくとも１階層の構成にすればよいし、各階層間の光路確保は、複数枚の全反射ミラー等を用いてもよい。また、使用する光源１や測定対象物１０の特性に応じて、偏光子やλ／２板、λ／４板等の波長板の挿入、ビームスプリッタ２、６、８として偏光ビームスプリッタ（即ちＰＢＳ）を用いてもよい。
【０１７７】
（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３の媒質の測定装置の構成図である。
【０１７８】
図４において、１は光源、１ａはコリメートレンズ、２はビームスプリッタ、６はビームスプリッタ、７は全反射ミラー、８はビームスプリッタ、９は対物集光レンズ、１０は測定対象物、１１ａは測定対象物駆動手段、１１ｂは対物集光レンズ駆動手段、１２は干渉光集光レンズ、１３は受光素子、１４ａは透明板、１４ａ’は振動手段、１５は分散補償ブロック、１６はシャッター、１８は検出回路、１９は制御装置、２０はステージコントローラ、２１はシャッターコントローラ、２２は駆動用電源であり、これらは図１又は図２と同様であり、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１７９】
２６はビームスプリッタ２に対向してビームスプリッタ２から出射される参照光の光軸上に配設された参照光分岐手段であるビームスプリッタ、２７は入射側端面がビームスプリッタ２６から出射される参照光の光軸上に該光軸方向に向けて配設されたシングルモード光ファイバ、２７ａはシングルモード光ファイバ２７の入射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２７の入射用レンズ、２７ｂはシングルモード光ファイバ２７の出射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ２７の出射用レンズ、４’はシングルモード光ファイバ２７の出射用レンズ２７ｂに対向して配設され反射面が出射用レンズ２７ｂより出射される参照光の光軸に対して垂直に配設された平面鏡からなる参照光ミラー、５’は参照光ミラー４’に入射する参照光の光軸方向に移動自在に参照光ミラー４’を保持搭載する参照光ミラー駆動手段、１４ｂ’は参照光ミラー４’を入射する参照光の光軸方向に加振する振動手段、２２ａ’は振動手段１４ｂ’を駆動するための交流電圧を印加する駆動用電源、２８はビームスプリッタ２６に対向して配設されビームスプリッタ２６からの参照光を直角方向に反射する平面鏡からなる全反射ミラーである。ビームスプリッタ２６は、ビームスプリッタ２から入射される参照光を直角に反射し、シングルモード光ファイバ２７の入射用レンズ２７ａへ出射する。また、参照光ミラー４’で反射されシングルモード光ファイバ２７を通過し入射用レンズ２７ａから入射される参照光は透過直進させ、全反射ミラー２８に出射する。
【０１８０】
本実施の形態では、光源１から照射された低コヒーレント光は、コリメートレンズ１ａでコリメートされ、ビームスプリッタ２に導かれ、ビームスプリッタ２で参照光と検査光とに二等分される。参照光は、ビームスプリッタ２６に入射され光路を直角方向に曲げられ入射用レンズ２７ａに入射される。入射用レンズ２７ａに入射された参照光は、シングルモード光ファイバ２７を通り、出射用レンズ２７ｂより出射され、参照光ミラー４’により反射された後、再び出射用レンズ２７ｂに入射され、シングルモード光ファイバ２７，２７ａを介してビームスプリッタ２６に入射され、ビームスプリッタ２６を透過し、全反射ミラー２８で反射され、ビームスプリッタ６へ導かれる。
【０１８１】
一方、検査光はビームスプリッタ２から直進して全反射ミラー７に進み、全反射ミラー７により反射され光路を直角に曲げられ、ビームスプリッタ８へ導かれる。ビームスプリッタ８を透過した光は、入射用レンズ２５ａに入射され、シングルモード光ファイバ２５，出射用レンズ２５ｂを介して、対物集光レンズ９に入射され、更に、対物集光レンズ９により、測定対象物１０に集光される。測定対象物１０からの反射光（以下、信号光と呼ぶ。）は、対物集光レンズ９、ビームスプリッタ８を介して、ビームスプリッタ６へ導かれ、参照光と合波される。
【０１８２】
また、シャッター１６は全反射ミラー２８とビームスプリッタ６との間の参照光の光軸上に配設され、透明板１４ａはシャッター１６とビームスプリッタ６との間の参照光の光軸上に配設され、分散補償ブロック１５は透明板１４ａとビームスプリッタ６との間の光軸上に配設されている。
【０１８３】
このように、参照光、検査光、信号光の光路中にシングルモード光ファイバ２５，２７を介設することにより、干渉光学系に使用する構成部材の配置の自由度が増し、干渉光学系の小型化が可能になる。また、シングルモード光ファイバ２５，２７の条長を調整することにより、信号光および参照光アームの波長分散量のアンバランスを補償することもできる。更に、ビームスプリッタ２６を参照光の光路中に介設することにより、参照光ミラー４’には平面鏡を使用することができ、更に、参照光ミラー４’に入射する参照光と参照光ミラー４’で反射された参照光の光軸は同軸とすることができるため、１本のシングルモード光ファイバ２７により、参照光ミラー４’へ向かう参照光及び参照光ミラー４’で反射された参照光を導波させることができ、光学系を更にコンパクト化される。
【０１８４】
尚、本実施の形態３の媒質の測定装置においても、実施の形態１において説明したサンプル走査法又はレンズ走査法と同様の測定方法により、各ステージの移動量であるｚとΔＬを測定し、ｚとΔＬの測定値及び対物集光レンズ９の開口数Ｓを、前述した（数１），（数２）および（数３）、又は、（数７），（数８）及び（数９）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと厚さｔを算出することができる。
【０１８５】
また、測定対象物１０を図７に示したサンプルホルダーに挟持して同様な測定を行う場合には、各ステージの移動量であるｚとΔＬの測定値及び対物集光レンズ９の開口数Ｓを、サンプル走査法の場合、前述した（数４）、（数５）および（数６）へ、レンズ走査法の場合、前述した（数４）及び以下の（数１０）、（数１１）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと群屈折率ｎgおよび厚さｔを導出することができる。
【０１８６】
但し、シングルモード光ファイバ２５の出射用レンズ２５ｂと対物集光レンズ９の距離が固定されているような場合、ビームスプリッタ２から対物集光レンズ９までの検査光の光路長は固定されるため、上述のサンプル走査法と同様の条件となる。従って、各ステージの移動量であるｚとΔＬを（数１）、（数２）および（数３）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと厚さｔを導出することができ、また、図７に示したサンプルホルダーを用いた場合は、前述した（数４）、（数５）および（数６）へ代入することにより、測定対象物１０の位相屈折率ｎpと群屈折率ｎgおよび厚さｔを導出することができる。
【０１８７】
（実施の形態４）
図５は本発明の実施の形態４の媒質の測定装置の構成図である。
【０１８８】
図５において、１は光源、１ａはコリメートレンズ、４’は参照光ミラー、５’は参照光ミラー駆動手段、９は対物集光レンズ、１０は測定対象物、１１ａは測定対象物駆動手段、１１ｂは対物集光レンズ駆動手段、１２は干渉光集光レンズ、１３は受光素子、１４ａは透明板、１４ｂ’は振動手段、１５は分散補償ブロック、１６はシャッター、１８は検出回路、１９は制御装置、２０はステージコントローラ、２１はシャッターコントローラ、２２，２２ａ’は駆動用電源であり、これらは図１又は図３と同様であり、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１８９】
３０は光源１の光軸上に配設されコリメートレンズ１ａによってコリメートされた低コヒーレンス光を該光軸方向と該光軸に垂直な方向に二等分するビームスプリッタ、３１は入射側端面がビームスプリッタ３０に対峙して光源１の光軸と垂直に配設され、出射側端面が参照光ミラー４’に対峙して配設されたシングルモード光ファイバ、３１ａはシングルモード光ファイバ３１の入射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ３１の入射用レンズ、３１ｂはシングルモード光ファイバ３１の出射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ３１の出射用レンズ、３２は入射側端面がビームスプリッタ３０に対峙して光源１の光軸上に配設され出射側端面が対物集光レンズ９に対峙して配設されたシングルモード光ファイバ、３２ａはビームスプリッタ３０の入射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ３２の入射用レンズ、３２ｂはシングルモード光ファイバ３２の出射側端面に固定されたシングルモード光ファイバ３２の出射用レンズである。
【０１９０】
本実施の形態においては、干渉光学系はマイケルソン型干渉計をなして配置されている。光源１から照射された低コヒーレント光は、コリメートレンズ１ａでコリメートされ、ビームスプリッタ３０に導かれ、ビームスプリッタ３０で参照光と検査光とに二等分される。参照光は、ビームスプリッタ３０内で反射され光路を直角に曲げられシングルモード光ファイバ３１の入射用レンズ３１ａに入射される。入射用レンズ３１ａに入射た参照光は、シングルモード光ファイバ３１を通り、出射用レンズ３１ｂより出射され、参照光ミラー４’により反射された後、再び出射用レンズ３１ｂに入射され、シングルモード光ファイバ３１，入射用レンズ３１ａを介してビームスプリッタ３０へ導かれ、ビームスプリッタ３０を透過し、干渉光集光レンズ１２を介して、受光素子１３へと入射される。
【０１９１】
一方、検査光はビームスプリッタ３０から直進してシングルモード光ファイバ３２の入射用レンズ３２ａに入射され、シングルモード光ファイバ３２，出射用レンズ３２ｂを通過して、対物集光レンズ９に入射され、更に、対物集光レンズ９により、測定対象物１０に集光される。測定対象物１０からの反射光（以下、信号光と呼ぶ。）は、対物集光レンズ９，出射用レンズ３２ｂ，シングルモード光ファイバ３２，入射用レンズ３２ａを介して、ビームスプリッタ３０へ導かれ、ビームスプリッタ３０で受光素子１３側へ垂直に反射されると共に参照光と合波される。
【０１９２】
また、分散補償ブロック１５は出射用レンズ３１ｂと参照光ミラー４’との間の参照光の光軸上に配設され、透明板１４ａは分散補償ブロック１５と参照光ミラー４’との間の参照光の光軸上に配設され、シャッター１６は透明板１４ａと参照光ミラー４’との間の参照光の光軸上に配設されている。
【０１９３】
このようなマイケルソン型干渉計のにおいても同様の原理で測定対象物１０の位相屈折率ｎと厚さｔを導出することができる。
【０１９４】
【実施例】
（実施例１）
実施例１では、図１に示す実施の形態１の構成により媒質の測定装置を構成した例を示す。
【０１９５】
図１における光源１には、発振中心波長λc＝８５０ｎｍのスーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた。このＳＬＤのスペクトラムの半値全幅（ＦＷＨＭ）はΔλ＝２４ｎｍであり、これによって決まる干渉計の可干渉距離はΔｌc＝６．６μｍである。また、対物集光レンズ９として金属顕微鏡用の２０倍の超長焦点対物レンズ、参照光ミラー駆動手段５、測定対象物駆動手段１１ａ及び対物集光レンズ駆動手段１１ｂとして、０．０４μｍステップのリニアモータステージ、透明板１４ａとして厚さ１ｍｍの溶融石英板、分散補償ブロック１５としてＢＫ−７ガラスブロックを用いた。透明板１４ａには周波数ｆ（＝２５０Ｈｚ）、振幅λc／４に相当する角度変位を与え、参照光を位相変調し、受光素子１３として用いるＳｉフォトダイオードにより、測定対象物１０からの反射光（信号光）と参照光ミラー４を介した参照光を合波・干渉してヘテロダイン検波している。検波された検出信号は、デジタル信号に変換して制御装置１９に取り込みデータ処理を行い、サンプル走査法又はレンズ走査法によりΔＬ、ｚを特定し、位相屈折率ｎpおよび厚さｔを算出する。尚、干渉光集光レンズ１２，コリメートレンズ１ａには、それぞれ２０倍，５倍の対物レンズを用いている。
【０１９６】
この構成では、本干渉光学系が占有している体積は、３０×４０×１５ｃｍ3であった。
【０１９７】
（実施例２）
実施例２では、図１に示す実施の形態１の構成により媒質の測定装置を構成した他の例を示す。
【０１９８】
本実施例２においては、図１における干渉光集光レンズ１２に１０倍の対物レンズを、シャッター１６として電磁シャッターを、ピンホール１３ａにホール径５０μｍのものを使用した以外、実施例１と全く同様の構成としている。この構成により、測定対象物１０をセットした後、制御装置１９で参照光ミラー駆動手段５、測定対象物駆動手段１１ａ、対物集光レンズ駆動手段１１ｂ及びシャッター１６として用いた電磁シャッターを制御し、位相屈折率ｎp及び群屈折率ｎg及び厚さｔの自動測定を行う。
【０１９９】
この構成では、本干渉光学系が占有している体積は、３０×４０×１５ｃｍ3であった。
【０２００】
（実施例３）
実施例３では、図５に示す実施の形態４の構成により媒質の測定装置を構成した例を示す。
【０２０１】
図５における光源１には発振中心波長λc＝８５０ｎｍのスーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた。このＳＬＤのスペクトラムの半値全幅（ＦＷＨＭ）はΔλ＝２４ｎｍであり、これによって決まる干渉計の可干渉距離はΔｌc＝６．６μｍである。対物集光レンズ９として、実施例１と同様の金属顕微鏡用の２０倍の超長焦点対物レンズ、参照光ミラー駆動手段５’、測定対象物駆動手段１１ａ、対物集光レンズ駆動手段１１ｂとして、０．０５μｍステップのパルスモータステージ、透明板１４ａとして厚さ１ｍｍの溶融石英板、シャッター１６として電磁シャッター、シングルモード光ファイバ３１，３２として偏波面保存光ファイバを用い、このシングルモード光ファイバ３１，３２の条長を調整することにより、信号光アーム及び参照光アームの波長分散量のアンバランスを補償した。尚、図５では図示していないが、コリメートレンズ１ａとビームスプリッタ２との間の光路中に偏光子を、シングルモード光ファイバ３１と参照光ミラー４’の間の光路中にλ／４板を、シングルモード光ファイバ３２と対物集光レンズ９の間の光路中にλ／４板を、それぞれ挿入した。透明板１４ａには周波数ｆ（＝２５０Ｈｚ）、振幅λｃ／４に相当する周期的な角度変位を与え、参照光を位相変調し、受光素子１３として用いるＳｉフォトダイオードにより、測定対象物１０からの反射光（信号光）と参照光ミラー４を介した参照光とを合波・干渉してヘテロダイン検波を行った。
【０２０２】
この構成により、測定対象物１０をセットした後、制御装置１９で参照光ミラー駆動手段５’、測定対象物駆動手段１１ａ、対物集光レンズ駆動手段１１ｂ及びシャッター１６として用いた電磁シャッターを制御し、サンプル走査法又はレンズ走査法によりΔＬ、ｚを特定し、位相屈折率ｎp、群屈折率ｎgおよび厚さｔの自動測定を行うことができる。尚、本実施例ではコリメートレンズ１ａ，干渉光集光レンズ１２には、それぞれ２０倍，１０倍の対物レンズを用いている。
【０２０３】
この構成では、本干渉光学系が占有している体積は、３０×３０×１５ｃｍ3であった。
【０２０４】
（実施例４）
実施例４では、図３に示す実施の形態２の構成により媒質の測定装置を構成した例を示す。
【０２０５】
図３における光源１には発振中心波長λc＝８５０ｎｍのスーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた。このＳＬＤのスペクトラムの半値全幅（ＦＷＨＭ）はΔλ＝２４ｎｍであり、これによって決まる干渉計の可干渉距離はΔｌc＝６．６μｍである。対物集光レンズ９として、実施例１と同様の金属顕微鏡用の２０倍の超長焦点対物レンズ、参照光ミラー駆動手段５、測定対象物駆動手段１１ａ、対物集光レンズ駆動手段１１ｂとして、０．０５μｍステップのパルスモータステージ、透明板１４ａとして厚さ１ｍｍの溶融石英板、シャッター１６として電磁シャッター、シングルモード光ファイバ２３，２４，２５としては偏波面保存光ファイバを用い、このシングルモード光ファイバ２３，２４，２５の条長を調整することにより、信号光アーム及び参照光アームの波長分散量のアンバランスを補償した。尚、図３では図示していないが、コリメートレンズ１ａとビームスプリッタ２との間の光路中に偏光子を、シングルモード光ファイバ２４とビームスプリッタ６との間の光路中にλ／２板を、シングルモード光ファイバ２５と対物集光レンズ９との間の光路中にλ／４板をそれぞれ挿入している。透明板１４ａには周波数ｆ（＝２５０Ｈｚ）、振幅λc／４に相当する周期的な角度変位を与え、参照光を位相変調し、受光素子１３として用いるＳｉフHトダイオードにより、測定対象物１０からの反射光（信号光）と参照光ミラー４を介した参照光とを合波・干渉してヘテロダイン検波する。
【０２０６】
この構成により、測定対象物１０をセットした後、制御装置１９で参照光ミラー駆動手段５、測定対象物駆動手段１１ａ、対物集光レンズ駆動手段１１ｂ及びシャッター１６として用いた電磁シャッターを制御し、サンプル走査法又はレンズ走査法によりΔＬ、ｚを特定し、位相屈折率ｎpおよび厚さｔの自動測定を行う。尚、コリメートレンズ１ａ，干渉光集光レンズ１２には、それぞれ２０倍，１０倍の対物レンズを用いている。
【０２０７】
この構成では、本干渉光学系が占有している体積は、２０×３０×１５ｃｍ3であった。
【０２０８】
（実施例５）
実施例５では、本発明の媒質の測定方法により測定を行った例を表１を用いて説明する。
【０２０９】
実施例１の媒質の測定装置において測定対象物１０として厚さ２２μｍの溶融石英板を測定した結果、実施例２の媒質の測定装置において測定対象物１０として厚さ１００８μｍのＢａＣＤ１４を図７に示すサンプルホルダーに固定し自動測定した結果、実施例３の媒質の測定装置において測定対象物１０として厚さ９９７μｍのｚカットサファイヤを図７に示すサンプルホルダーに固定し自動測定した結果、及び実施例４の媒質の測定装置において測定対象物１０として厚さ１０２２μｍのＸカットニオブ酸リチウムを自動測定した結果を（表１）に示す。
【０２１０】
【表１】
上記実施例１〜実施例４の媒質の測定装置において本発明の媒質の測定方法により測定を行った結果は、（表１）に示す通り、位相屈折率ｎp、群屈折率ｎg及び厚さｔにおける理論値に対しての誤差は、０．５％以下であり、非常に精度よく位相屈折率ｎp、群屈折率ｎg及び厚さｔを測定できた。
【０２１２】
以上、上記実施例において説明した、光源および光源のの中心波長、スペクトラム半値全幅は一例であり、使用する光源に対応した受光素子、ビームスプリッタ、シングルモード光ファイバ等によって光学系を構成し、本実施の形態と同様に対応可能なことは言うまでもない。
【０２１３】
【発明の効果】
以上のように本発明の媒質の測定装置によれば、以下のような有利な効果が得られる。
【０２１４】
請求項１に記載の発明によれば、ビームスプリッタ（光路分割手段及び干渉光生成手段）を用いることにより、媒質の測定装置を構成する光学系に使用する構成部材の配置の自由度が増加するため、小型化が可能であり、前述のサンプル走査法やレンズ走査法により、非接触で測定対象物の屈折率と厚さの分離、同時測定が可能な媒質の測定装置を提供することができる。
【０２２２】
また、ヘテロダイン検波を行うことが可能となり、干渉光信号の処理を安定化し、高精度に表裏面の位置決めが可能な媒質の測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の媒質の測定装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態２の媒質の測定装置の構成図
【図３】図２の媒質の測定装置を２階層に分けシングルモード光ファイバよって各階層間の光路を確保して構成した場合の構成図
【図４】本発明の実施の形態３の媒質の測定装置の構成図
【図５】本発明の実施の形態４の媒質の測定装置の構成図
【図６】ロ号公報に開示の光学測定系のシステムを示す模式図
【図７】ハ号出願に係る明細書に記載の媒質の測定装置および測定法に用いる測定対象物を固定するホルダーの側面図
【符号の説明】
１ 光源
１ａ コリメートレンズ
２ ビームスプリッタ
３ 直角プリズムミラー
３ａ 入射側反射面
３ｂ 出射側反射面
４，４’ 参照光ミラー
４ａ 入射側反射面
４ｂ 出射側反射面
５，５’ 参照光ミラー駆動手段
６ ビームスプリッタ
７ 全反射ミラー
８ ビームスプリッタ
９ 対物集光レンズ
１０ 測定対象物
１０ａ 前面
１０ｂ 後面
１１ａ 測定対象物駆動手段
１１ｂ 対物集光レンズ駆動手段
１２ 干渉光集光レンズ
１３ 受光素子
１３ａ ピンホール
１４ａ 透明板
１４ａ’，１４ｂ，１４ｂ’ 振動手段
１５ 分散補償ブロック
１６ シャッター
１８ 検出回路
１９ 制御装置
２０ ステージコントローラ
２１ シャッターコントローラ
２２，２２’，２２ａ，２２ａ’ 駆動用電源
２３，２４，２５，２７，３１,３２ シングルモード光ファイバ
２３ａ，２４ａ，２５ａ，２７ａ,３１ａ,３２ａ 入射用レンズ
２３ｂ，２４ｂ，２５ｂ，２７ｂ,３１ｂ,３２ｂ 出射用レンズ
２６ ビームスプリッタ
２８ 全反射ミラー
３０ ビームスプリッタ
５１ 発光素子
５２ ステージ
５３ コリメートレンズ
５４ ビームスプリッタ
５５ 集光レンズ
５５ａ，５６ａ ステージ
５６ 参照光ミラー
５６ｂ 振動手段
５７ 受光素子
５７ａ 集光レンズ
６０ 前側透過板
６１ 後側反射板
６０ａ，６３ 後面
６１ａ，６２ 前面
Ｍ 測定対象物
Claims (1)
- 低コヒーレンス光を出射する光源と、前記光源より出射された低コヒーレンス光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートされた低コヒーレンス光を検査光と参照光とに空間的に分離し２つの光路に分割する光路分割手段と、前記光路分割手段により分離される前記検査光を集光し測定対象物に照射する対物集光レンズと、前記測定対象物を保持搭載し前記検査光の光軸方向に移動する測定対象物駆動手段及び／又は前記対物集光レンズを保持搭載し前記検査光の光軸方向に移動する対物集光レンズ駆動手段と、前記光路分割手段により分離される前記参照光の光路長を調節する参照光光路長調節手段と、前記参照光を位相変調する位相変調手段と、位相変調された前記参照光と前記測定対象物からの前記検査光の反射光である信号光とを干渉させ干渉光を生成する干渉光生成手段と、前記干渉光生成手段により生成された干渉光の強度を検出する受光素子と、を備え、前記位相変調手段が、前記参照光の光路内に挿入された透明板と、前記透明板に周期的な角度変位を与えることの可能な振動手段と、を備えたことを特徴とする媒質の測定装置。
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