JP4349506B2 - 干渉計装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、可干渉距離の長い測定光を用いて被検体の干渉縞情報を得る干渉計装置に関し、特に、基準板裏面からの干渉縞ノイズを除去し得るフィゾー型等の干渉計装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、干渉計装置としてフィゾー型のものが広く用いられている。このフィゾー型の干渉計装置においては、基準板の基準面で反射した光ビームおよび該基準板を透過した後被検面で反射した光ビームの干渉作用により撮像面上に干渉縞を形成させ、この干渉縞を観察測定することにより被検面評価を行なうようになっている。
【0003】
ところで、フィゾー型の干渉計装置では、一般に、被検体のセッティングを行なうため基準面と被検面の間隔をある程度まで大きくする必要があり、光源からの光は少なくともこの間隔の2倍程度の可干渉距離を有することが必要である。
【0004】
しかし、そのために、被検面からの反射光との光路差が被検体の厚みの2倍とされた被検体裏面からの反射光により生じる干渉縞が、本来の干渉縞上にノイズの干渉縞として重畳するという問題がある。
【0005】
このことを図3を用いて説明する。
【0006】
すなわち、光源1から出力された測定光は発散レンズ2およびピンホール板3によって発散光とされ、偏光ビームスプリッタ4およびλ/4板5を介してP偏光から楕円偏光に変換され、コリメータレンズ6によって平行光とされて基準板7および被検体8に照射される。基準板7の基準面7aおよび被検体8の被検面8aの両面で反射された2光束は互いに干渉し、λ/4板5において楕円偏光からS偏光に変換されるため、偏光ビームスプリッタ4において側方に反射されスクリーン9上に被検面8aの形状情報を担持した干渉縞画像を形成する。
【0007】
この干渉縞画像は前述したように、被検面8aからの反射光と基準面7aからの反射光との干渉によるものであるが、光源1からの測定光の可干渉距離が大きいために、被検面8aからの反射光は基準板7の裏面7bからの反射光とも干渉し合い、それによる干渉光は同一光路を辿ってスクリーン9に達し、このスクリーン9上に本来の干渉縞と識別が困難な干渉縞ノイズを生成してしまう。
【0008】
このような問題解決にあたっては、基準板の表裏面を互いに非平行として、楔形状とすることで、基準板裏面7bからの反射光は観察光路からはずれ、結果としてこの基準板裏面7bからの反射光に係る干渉縞ノイズが観察スクリーン9上に形成されないようにした従来技術が知られている(例えば、富士写真光機(株)製 レーザ干渉計F−601)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、楔形状とした基準板7を配設した場合、基準面7aからの光出射角および基準面7aに対する光入射角は0°となるように規定されているから、光源1からの測定光は、往路、復路共に、基準板7の裏面7bに所定の角度をもって入射し、この面で屈折することとなる。すなわち、装置全体の光軸が基準板裏面7bで折れ曲がった状態となってしまう。このように装置全体の光軸が、途中で折れ曲がった状態となると、このような干渉計装置の全長は長いことから、全体として構成部材が光軸幅方向に大きくずれることとなり、装置筐体および2軸調整台の設計が面倒なものとなる。さらに、装置光学系(光源からスクリーンまで)の調整も面倒となり、光軸調整のためのターゲットの設計も複雑となる。
【0010】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、装置筐体および2軸調整台等の設計および装置光学系の調整を困難なものとする装置全体の光軸の幅方向のずれを防止しつつ、基準面以外の光学面からの反射光による干渉縞ノイズの影響を排除し得る干渉計装置を提供することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の干渉計装置は、光源から射出された光を平行光束とした後、基準板および被検体に照射し、該基準板の基準面と該被検体の被検面両者からの反射光を干渉せしめ、その干渉光を光路中に配したハーフミラーにより分割し、その一方によりスクリーン上に前記被検面の形状情報を担持した干渉縞画像を生成する干渉計装置において、
前記基準板および前記ハーフミラーが、共に、表裏面が非平行で楔形状となるように構成されるとともに、これら両部材における楔の厚い薄いが互いに略逆の配置となるように構成されてなることを特徴とするものである。
【0012】
また、前記基準板およびハーフミラーのうちの一方の楔形状によって屈曲された光路が、他方の楔形状によって補償されるように形成されてなることが好ましい。
【0013】
ここで、「補償されるように」とは、補償された光路が、元の光路に対して少なくとも光学的な角度において略等しくなるようにように、すなわち光学的に略平行となるように設定されることをいう。
【0014】
さらに、前記ハーフミラーは平行光束中に配されていることが好ましい。
【0015】
この場合において、前記基準板の屈折率をN、楔角をa、前記ハーフミラーの屈折率をn、楔角をθとするとき、下記条件式を満足することが好ましい。
tanθ={sin(a−b+c)−nsind}/{cos(a−b+c)−ncosd}
ただし、前記光源から出射された測定光の前記ハーフミラー面への入射角をdとし、その測定光の前記ハーフミラー面からの出射角をcとし、その測定光の前記基準板の裏面への入射角をbとし、その測定光の屈折角をaとする。さらに、該測定光は、前記基準面に対して、垂直入射および垂直出射されるものとし、前記ハーフミラーで反射され、撮像面に入射する反射光は、前記光源から射出された測定光の光路、および基準面から被検面に至る測定光の光路に対して90度の角度を有するように設定されるものとする。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態を図面を用いて説明する。
図1は、本実施形態に係る干渉計装置を示すものである。
【0017】
この干渉計装置において、白色光等の広帯域な波長成分を有する光を出力する光源101から出力された測定光は、発散レンズ102およびピンホール板103によって発散光とされ、コリメータレンズ106により平行光とされ、楔形のハーフミラー104を介して、楔形の基準板107および被検体108に照射される。
【0018】
基準板107の基準面107aおよび被検体108の被検面108aからの、上記測定光の反射光は互いに干渉し合い、ハーフミラー104のハーフミラー面104aで側方に反射され、結像レンズ110およびピンホール板111を介して、CCD素子の撮像面(スクリーン)109上に干渉縞画像を形成する。なお、この後CCD素子により光電変換された干渉縞画像情報に基づき、CRT等の画像表示部(図示されていない)上に干渉縞画像が表示される。
【0019】
ところで、本実施形態の干渉計装置においては、ハーフミラー104および基準板107の両部材を、表裏面が非平行となる所定の楔状とし、かつ楔の方向が互いに逆向きとなるように配置することにより、基準面以外の光学面からの反射光による干渉縞ノイズの影響を排除するとともに、光学系の設計および調整が困難なものとなる装置全体の光軸の折れ曲がりを防止している。
【0020】
すなわち、ハーフミラー104と基準板107はいずれも楔形状とされており、被検面108aと基準面107aの両者からの反射光による干渉光であって、ハーフミラー面104aにおいて反射されたもののみが撮像面109に到達するようになっており、被検面108aと基準板裏面107bの両者からの反射光による干渉光や、被検面108aと基準面107aの両者からの反射光による干渉光であっても、ハーフミラー104の裏面104bにより反射されたものは、別方向に反射されて撮像面109に到達できないように、楔角の大きさが設定されている。
【0021】
また、基準板107を楔形状とすると、裏面107bで光軸が屈曲することは避けられないが、本実施形態のものでは、基準板107の裏面107bによって屈曲された光軸をハーフミラー104によって逆方向に屈曲せしめて、被検面108aから基準板107までの光軸は、光源101からハーフミラー104までの光軸と略平行となるようにすることで、装置全体の光軸が実質的に1本とみなしてもさしつかえないようにして光学系の設計および調整の困難性を回避している。
【0022】
このことを、図2を用いて説明する。
ここで、図2における各記号を、下記の如く定義する。
【0023】
すなわち、光源101から出射された測定光のハーフミラー裏面104bへの入射角をfとし、その屈折角をeとし、そのハーフミラー面104aへの入射角をdとし、その出射角をcとし、その基準板裏面107bへの入射角をbとし、その屈折角をaとする。また、基準板107の屈折率をN、楔角をaとし、ハーフミラー104の屈折率をn、楔角をθとする。さらに、測定光は、基準面107aに対して、垂直入射および垂直出射されるものとし、ハーフミラー面104aで反射され、撮像面109に入射する反射光は、上記光源101から出射された測定光の光路および基準面107aから被検面108aに至る測定光の光路に対して90度の角度となるように設定される場合を考えるものとする。
【0024】
このような前提の下、角度aは既値であるから、下式(1)よりbの値が定まる。
【0025】
【数1】
【0026】
次に、下式(2)よりcの値が定まる。
【0027】
【数2】
【0028】
さらに、下式(3)よりdの値が定まる。
【0029】
【数3】
【0030】
次に、下式(4)よりeの値が定まる。
【0031】
【数4】
【0032】
さらに、下式(5)よりfの値が定まる。
【0033】
【数5】
【0034】
また、図2に示す如く、角度の和から下式(6)が定まる。
【0035】
【数6】
【0036】
次に、上記(4)、(5)、(6)の各式から下式(7)が得られる。
【0037】
【数7】
【0038】
したがって、下記正弦定理を用いて上式(7)を展開していくと、最終的に下式(8)が得られる。
【0039】
【数8】
【0040】
すなわち、ハーフミラー104の楔角θを、上記(8)式の左辺により表される式の逆正接関数で表される値θ´とすれば、被検面108aから基準板107までの光軸が、光源101からハーフミラー104までの光軸と略平行となるように設定することができる。
【0041】
すなわち、上記実施形態のものでは、ハーフミラー104の楔角θを、基準板107の屈折率N、楔角aおよびハーフミラー104の屈折率nから特定できることとなる。
【0042】
ただし、実際には光学系の調節範囲が所定量だけ設けられているので、ハーフミラー104の許容される楔角θは、一般に0.9×θ´<θ<1.1×θ´なる式を満足するように設定すればよい。
【0043】
なお、本発明の干渉計装置としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。例えば、上記実施形態においては、CCD素子の撮像面109上に干渉縞画像を形成するようにしているが、これに代えて拡散面を有する光学スクリーンを設け、そのスクリーン上に干渉縞画像を形成し、これを目視により観察することも可能である。
【0044】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の干渉計装置によれば、光源からの測定光を透過させる基準板のみならず干渉光を側方に導くためのハーフミラーが、共に、表裏面が非平行の楔形状となるように構成されているので、基準板の裏面からの反射光による干渉縞ノイズのみならず、基準面からの反射光による干渉光であっても上記ハーフミラーの裏面で反射されてノイズとされるものも、スクリーン上に生成されないようにすることができる。
【0045】
そして、これら両部材において、その楔形状の厚い薄いが、互いに略逆の配置となるように構成することで、2つの楔形状による光路の屈曲方向を互いに逆とし、屈曲による影響を互いに相殺し、これにより装置全体の光軸の折れ曲がりを防止することができる。
【0046】
すなわち、本発明の干渉計装置によれば、従来から知られていた、楔形状化によるノイズ除去という手法を、光学系中で最も干渉縞ノイズを生成しやすい2つの光学部材に採用し、これら2つの光学部材の楔方向を巧みに組み合わせることにより、装置筐体等の設計および光学系の調整を困難なものとする装置全体の光軸の折れ曲がりを防止するという作用効果を得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る干渉計装置を示す概略図
【図2】図1に示す干渉計装置における部分拡大図
【図3】従来の一般的なフィゾー型干渉計装置を示す概略図
【符号の説明】
1、101 光源
2、102 発散レンズ
3、103、111 ピンホール板
4 偏光ビームスプリッタ
5 λ/4板
6、106 コリメータレンズ
7、107 基準板
7a、107a 基準面
7b、107b 基準板裏面
8、108 被検体
8a、108a 被検面
9、109 撮像面(スクリーン)
104 ハーフミラー
104a ハーフミラー面
104b ハーフミラー裏面
110 結像レンズ
Claims (4)
- 光源から射出された光を平行光束とした後、基準板および被検体に照射し、該基準板の基準面と該被検体の被検面両者からの反射光を干渉せしめ、その干渉光を光路中に配したハーフミラーにより分割し、その一方によりスクリーン上に前記被検面の形状情報を担持した干渉縞画像を生成する干渉計装置において、
前記基準板および前記ハーフミラーが、共に、表裏面が非平行で楔形状となるように構成されるとともに、これら両部材における楔の厚い薄いが互いに略逆の配置となるように構成されてなることを特徴とする干渉計装置。 - 前記基準板および前記ハーフミラーのうちの一方の楔形状によって屈曲された光路が、他方の楔形状によって補償されるように形成されてなることを特徴とする請求項1記載の干渉計装置。
- 前記ハーフミラーは平行光束中に配されていることを特徴とする請求項1または2記載の干渉計装置。
- 前記基準板の屈折率をN、楔角をa、前記ハーフミラーの屈折率をn、楔角をθとするとき、下記条件式を満足することを特徴とする請求項3記載の干渉計装置。
tanθ={sin(a−b+c)−nsind}/{cos(a−b+c)−ncosd}
ただし、前記光源から出射された測定光の前記ハーフミラー面への入射角をdとし、その測定光の前記ハーフミラー面からの出射角をcとし、その測定光の前記基準板の裏面への入射角をbとし、その測定光の屈折角をaとする。さらに、該測定光は、前記基準面に対して、垂直入射および垂直出射されるものとし、前記ハーフミラーで反射され、撮像面に入射する反射光は、前記光源から出射された測定光の光路、および基準面から被検面に至る測定光の光路に対して90度の角度を有するように設定されるものとする。
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