JP4518360B2 - 斜入射干渉計装置の結像光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、斜入射干渉計装置において被検面から撮像素子よりなる結像面までの間に配され、結像面上に干渉縞が重畳された被検面像を結像する、斜入射干渉計装置の結像光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、可干渉光を被検面に対して斜めに入射し測定感度を低下させることにより、ある程度凹凸の大きい被検面の表面形状を測定可能とした斜入射干渉計装置が知られている。この斜入射干渉計装置の代表的な構成としては、図４に示すものが知られている。
【０００３】
この斜入射干渉計装置は、可干渉光を波面分割手段１０２に入射させて２方向に波面分割し、一方の光線束を被検面２ａに対して斜めに入射させて反射させる測定光とするとともに他方の光線束を参照光とし、これら測定光および参照光を波面合成手段１０４に入射させて波面合成し、この波面合成手段１０４から同一方向に射出される測定光と参照光との光干渉により生じる干渉縞を、結像レンズ１０６を介してテレビカメラ１０８で撮像し、その干渉縞画像に基づいて被検面２ａの形状を測定するようになっている。
【０００４】
しかしながら、このような斜入射干渉計装置においては、被検面２ａの各位置から結像レンズ１０６までの光路長が異なるので、テレビカメラ１０８に撮像された干渉縞画像に台形歪みが生じてしまい、被検面２ａの形状測定を正確に行うことができないという問題がある。電子画像処理により台形歪みを除去する方法も可能ではあるが撮像素子の分解能を補う演算処理は複雑となり、また装置の公差に対する要求も厳しくなるので好ましくない。
【０００５】
このような問題を解決したものとして、図５に示す斜入射干渉計装置が知られている。この装置は、被検面２ａと共役の位置に干渉縞観察スクリーン１１０を配置し、この干渉縞観察スクリーン１１０に形成される被検面像に重畳された干渉縞を、スクリーン１１０に対し垂直に配置されたテレビカメラ１０８で撮像するように構成されている。同図においては、結像レンズ１０６がその第１焦点を被検面２ａに位置させるようにして配置されるとともに、この結像レンズ１０６とアフォーカルにコリメータレンズ１１２が配置され、その第２焦点位置に干渉縞観察スクリーン１１０が配置されている。このような構成により、スクリーン上には被検面と同サイズで被検面に対し略等しい縦横倍率の被検面像を結像させることができ、この像の台形歪みを防止するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成を採用した場合においては干渉計装置の全長が長くなることが問題となる。また、干渉縞観察スクリーン１１０は結像レンズ１０６およびコリメータレンズ１１２に関し被検面２ａと共役の位置に配置されているので、被検面像の台形歪みは防止されているが、このスクリーン１１０は被検面２ａと同サイズのものを配置しなくてはならず、装置のコンパクト化を阻む要因となっている。
【０００７】
したがって、斜入射干渉計装置の結像光学系に対して、台形歪みのない干渉縞の撮像が可能で、かつスクリーンサイズを小さくし装置の小型化が可能なものが要望されている。なお、撮像される干渉縞が重畳された被検面像は、演算処理により補正される必要のない、被検面に対し略等しい縦横倍率の像であることが望ましく、また焦点の合った像であることが望ましい。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、被検面に対し略等しい縦横倍率の被検面像を結像面に結像させ得る結像光学系であり、かつ、装置の小型化を可能とする斜入射干渉計装置の結像光学系を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の斜入射干渉計装置の結像光学系は、光源光の一部を平行光とし被検体の被検面に対して斜め入射される測定光とし、前記光源光のその余の一部を平行光よりなる参照光とし、前記測定光と前記参照光とを合成させ互いに干渉させて、結像面に結像された被検面像に干渉縞を重畳させる斜入射干渉計装置の結像光学系において、
焦点距離の互いに異なる２群のテレセントリックレンズＧ１、Ｇ２よりなり、前記被検面側より順に、相対的に焦点距離の大きな該テレセントリック群Ｇ１および相対的に焦点距離の小さな該テレセントリック群Ｇ２がアフォーカルに配された第１の結像光学系、中間結像面、ならびに焦点距離の互いに異なる２群のテレセントリックレンズＧ３、Ｇ４よりなり、前記被検面側より順に、相対的に焦点距離の大きな該テレセントリック群Ｇ３および相対的に焦点距離の小さな該テレセントリック群Ｇ４がアフォーカルに配された第２の結像光学系よりなり、
前記測定光と前記参照光との前記合成光により前記第１の結像光学系を介して、前記中間結像面に、前記被検面に対し縦横変形比率を有し前記被検面より縮小された第１の被検面像が結像され、
この第１の被検面像が、前記第２の結像光学系により前記結像面に、該第１の被検面像より縮小されかつ前記被検面に対し略等しい縦横比率となるよう補正された第２の被検面像として結像されるように、前記第２の結像光学系が前記中間結像面に対して配置されたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、下記条件式（１）〜（３）を満足するように構成されていることが好ましい。
ｔａｎθ２＝β１ｔａｎθ１ ……（１）
ｔａｎθ４＝β２ｔａｎθ３ ……（２）
ｃｏｓθ１／ｃｏｓθ２＝ｃｏｓθ３／ｃｏｓθ４ ……（３）
ただし、
θ１：被検面の法線が第１の結像光学系の光軸となす角
θ２：中間結像面の法線が第１の結像光学系の光軸となす角
θ３：中間結像面の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
θ４：結像面の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
β１：第１の結像光学系の倍率の絶対値
β２：第２の結像光学系の倍率の絶対値
【００１１】
また、前記中間結像面が、該中間結像面またはその延長面上に回転中心を有して回転するディフューザよりなることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて具体的に説明する。図１は本発明にかかる斜入射干渉計装置の結像光学系の構成を模式的に示す図である。
【００１３】
この斜入射干渉計装置は、光源から射出される可干渉光をコリメータレンズで平行光線束とし、波面分割手段１２に入射させて２方向に波面分割し、一方の光線束を被検面２ａに対して斜めに入射させて反射させる測定光とするとともに他方の光線束を参照光とし、これら測定光および参照光を波面合成手段１４に入射させて波面合成し、この波面合成手段１４から同一方向に射出される測定光と参照光との光干渉により生じる干渉縞を、本発明にかかる結像光学系１を介して撮像面９に結像される被検面像に重畳させ、テレビカメラ１８で撮像し、その干渉縞画像に基づいて被検面２ａの形状を測定するようになっている。
【００１４】
なお、図１において、波面分割手段１２および波面合成手段１４は、回折格子を用いており、入射された平行光線束は波面分割手段１２によって回折し、その回折された回折光のうち例えば＋１次光を被検面２ａにより反射させるとともに、その反射された＋１次光と波面分割手段１２を透過した０次光とを波面合成手段１４によって重ね合わせて干渉させるようにしている。
【００１５】
ここで、本実施形態の斜入射干渉計装置の結像光学系１は、図示されるように、焦点距離の互いに異なるテレセントリックな２枚のレンズ３、４よりなり、被検面側より順に、相対的に焦点距離の大きなレンズ３、相対的に焦点距離の小さなレンズ４がアフォーカルに配された第１の結像光学系、中間結像面であるスクリーン５、および焦点距離の互いに異なるテレセントリックな２枚のレンズ７、８よりなり、被検面側より順に、相対的に焦点距離の大きなレンズ７、相対的に焦点距離の小さなレンズ８がアフォーカルに配された第２の結像光学系からなる。
【００１６】
波面合成手段１４から出射された測定光と参照光との合成光は、第１の結像光学系を介し、スクリーン５に被検面２ａの像１０を結像させ、この被検面像１０に干渉縞が重畳される。ここで、第１の結像光学系は、レンズ４の焦点距離はレンズ３の焦点距離よりも小さいので縮小結像光学系とされる。また、被検面２ａが第１の結像光学系の光軸に対し所定の角度を有するように配置されていることに対応し、スクリーン５も結像される被検面像１０が焦点の合った像となるように、第１の結像光学系の光軸に対し所定の角度を有するように配置されている。これによりスクリーン５上には、被検面２ａに対し所定の縦横変形比率を有し被検面２ａより縮小された第１の被検面像１０が結像される。
【００１７】
スクリーン５に結像された干渉縞が重畳された被検面像１０は、第２の結像光学系を介し、撮像面９に再結像され撮像される。第２の結像光学系も、レンズ８の焦点距離はレンズ７の焦点距離よりも小さいので縮小結像光学系とされる。この第２の結像光学系は、この第２の結像光学系により撮像面９に結像される被検面像１１が、スクリーン上の被検面像１０より縮小されかつ被検面２ａに対し略等しい縦横比率となるよう補正された被検面像１１として結像されるよう、スクリーン５に対し所定の角度を有するように配置されている。また、撮像面９は第２の結像光学系の光軸に対し所定の角度を有するように配置されており、これにより撮像面９上には、被検面像１０に対し所定の縦横変形比率を有し被検面像１０より縮小された被検面像１１が焦点の合った像として結像され、撮像される。
【００１８】
すなわち、本実施形態の結像光学系によれば、第１の結像光学系によりスクリーン５上には、被検面２ａに対して所定の縦横変形比率を有し被検面２ａより縮小された第１の被検面像１０が結像され、第２の結像光学系はこの所定の縦横変形比率を補正するようにスクリーン５に対して配置されているので、撮像面９上には、スクリーン上の被検面像１０より縮小されかつ被検面２ａに対し略等しい縦横比率となるよう補正された被検面像１１が結像され、撮像される。
【００１９】
このように本実施形態の結像光学系によれば、スクリーン５に結像される被検面像１０は被検面サイズよりも縮小されているので、スクリーン５の小型化を可能とするとともに、撮像面９には被検面２ａに対し略等しい縦横倍率の被検面像１１を結像させることができる。また、本実施形態によれば、レンズ４およびスクリーン５の小型化を図ることができるとともにレンズ３とレンズ４との間隔も短くすることができるので、装置としての小型化も可能となる。また、本実施形態によれば撮像面９に結像される被検面像１１とこれに重畳される干渉縞は、台形歪みもなく、被検面２ａに対し略等しい縦横倍率の被検面像１１とされているので、画像処理の必要もなく迅速な測定が可能となる。
【００２０】
ここで、本実施形態による結像光学系を図５に示した従来の結像光学系と比較する。被検面側のレンズ３、１０６のサイズは、入射光束の光束径をカバーする必要があるので本実施形態も従来の結像光学系も略同様となるが、従来例のようにレンズ１１２がレンズ１０６と同サイズのレンズからなる結像光学系の場合はレンズ間隔がより広くなる。さらに、従来例では被検面２ａとスクリーン１１０の位置が共役となるように配置しているので、被検面像は被検面２ａと同サイズになりスクリーン１１０も被検面２ａと同サイズ以上のものが必要となる。一方、本実施形態によれば、図１は説明のために被検面２ａに比べ被検面像１０や後段の部材をかなり大きく描いているが、実際には後述する実施例のように被検面サイズに比べ被検面像１０を１／10以下にまで縮小することが可能であり、この被検面像１０を結像させるためのスクリーン５のサイズも従来例に比べ格段に小型化が可能である。
【００２１】
このように、縮小結像光学系（第１の結像光学系）を介して干渉縞が重畳された被検面像１０をスクリーン５に結像させるという本実施形態の構成は、従来にはない発想である。縮小結像光学系によりスクリーン５に結像された被検面像１０は縦横変形比率を有するため、従来のようにスクリーン５に対し垂直に配置されたテレビカメラで撮像した場合には干渉縞画像は画像処理が必要となり、測定の迅速化を妨げる虞がある。本実施形態によれば、スクリーン５と撮像面９との間に第２の結像光学系を配し、縦横変形比率を有する被検面像１０が被検面２ａに対し略等しい縦横比率となるよう補正されて撮像面９に結像されるように構成されている。したがって、撮像された干渉縞画像は画像処理が不要で、迅速な測定が可能となる。
【００２２】
なお、第１の結像光学系によりスクリーン５上に結像される被検面２ａに対し縦横変形比率を有するように縮小された被検面像１０が、第２の結像光学系によりこの縦横変形比率を補正されるために、本実施形態の結像光学系は上述したとおり、被検面２ａおよびスクリーン５が第１の結像光学系の光軸に対し各々所定の角度を有するように配置され、スクリーン５および撮像面９が第２の結像光学系の光軸に対し各々所定の角度を有するように配置されている。本実施形態の結像光学系は下記条件式（１）〜（３）を満足するように構成されていることが望ましく、これらの条件式（１）〜（３）により、上述した角度関係を規定することができる。
【００２３】
ｔａｎθ２＝β１ｔａｎθ１ ……（１）
ｔａｎθ４＝β２ｔａｎθ３ ……（２）
ｃｏｓθ１／ｃｏｓθ２＝ｃｏｓθ３／ｃｏｓθ４ ……（３）
ただし、
θ１：被検面２ａの法線が第１の結像光学系の光軸となす角
θ２：スクリーン５の法線が第１の結像光学系の光軸となす角
θ３：スクリーン５の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
θ４：撮像面９の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
β１：第１の結像光学系の倍率の絶対値
β２：第２の結像光学系の倍率の絶対値
【００２４】
上記条件式（１）〜（３）について、図２および図３を用いて説明する。図２は第１の結像光学系による被検面２ａと被検面像１０との縮小関係を説明するための図である。図２（ａ）は被検面２ａからスクリーン上の被検面像１０までを、被検面２ａの法線およびスクリーン５の法線を含む面に直交する方向から見た図であり、図２（ｂ）は同部分を図２（ａ）の紙面上方向から見た図である。また、図３は第２の結像光学系によるスクリーン上の被検面像１０と撮像面上の被検面像１１との縮小関係を説明するための図である。図３（ａ）は被検面像１０から被検面像１１までを、スクリーン５の法線および撮像面９の法線を含む面に直交する方向から見た図であり、図３（ｂ）は同部分を図３（ａ）の紙面上方向から見た図である。
【００２５】
まず、図２を用いて第１の結像光学系による縮小関係について説明する。この光学系は斜入射干渉計装置の結像光学系であるので、図示されるとおり、被検面２ａはこの光学系の光軸に対し斜めに配置されている。前述したとおり第１の結像光学系は、焦点距離の互いに異なる２枚のテレセントリックなレンズ３、４がアフォーカルに配されている。一般にこのような結像光学系に関し、斜めに配置された物体平面がピントのボケなく結像面に結像されているとき、下記の関係式が成立することが知られている。
【００２６】
Ａ´＝Ａβ２……（４）
ｔａｎθ´＝βｔａｎθ ……（５）
ω＝ｃｏｓθ／ｃｏｓθ´ ……（６）
ただし、
Ａ：物体平面の縦方向長さの光軸方向成分／２
Ａ´：結像面上の像の縦方向長さの光軸方向成分／２
θ：物体平面の法線が結像光学系の光軸となす角
θ´：結像面の法線が結像光学系の光軸となす角
β：結像光学系の倍率の絶対値
ω：結像面上の像の縦方向長さの圧縮率
【００２７】
なお、上記「結像面上の像の縦方向長さの圧縮率」とは、物体平面と結像面が結像光学系の光軸に対し斜めに配されていることにより光軸の延びる方向にのみ生じる物体平面の縦横比に対する結像面上の像の縦横変形比率のことで、像の横方向長さに対する縦方向長さの圧縮率を示している。なお、「横方向長さ」とは、結像光学系の光軸と結像面の法線を含む面が結像面と交わる線と結像面内において直交する方向の結像面の長さのことを表すものであり、例えば図２においては、（ｂ）の被検面像１０の楕円長軸Ｌ１に相当するものである。また、「縦方向長さ」とは、結像光学系の光軸と結像面の法線を含む面内における結像面の長さのことを表すものであり、例えば図２においては、（ａ）の被検面像１０の楕円短軸ωＬ１に相当するものである。
【００２８】
すなわち、本実施形態の第１の結像光学系においてこの結像関係が成立するときには、図２に示す各角度および各長さは下記式（４´）〜（６´）を満足していることになる。
Ａ２＝Ａ１β１ ２……（４´）
ｔａｎθ２＝β１ｔａｎθ１ ……（５´）
ω＝ｃｏｓθ１／ｃｏｓθ２ ……（６´）
ただし、
Ａ１：被検面２ａの縦方向長さＬＳの光軸方向成分／２
Ａ２：被検面像１０の縦方向長さＬ１の光軸方向成分／２
θ１：被検面２ａの法線が第１の結像光学系の光軸となす角
θ２：スクリーン５の法線が第１の結像光学系の光軸となす角
β１：第１の結像光学系の倍率の絶対値（Ｌ１／ＬＳ）
ω：被検面像１０の縦方向長さの圧縮率
【００２９】
ここで、上記θ１はこの斜入射干渉計装置において被検面２ａへの測定光の入射角と等しい。また、上記式（５´）に示されるように、この第１の結像光学系に対しピントのボケがなく被検面像１０を結像するようにスクリーン５が配置される角度θ２は、被検面２ａへの測定光の入射角θ１とこの第１の結像光学系の倍率の絶対値β１が特定されれば一義的に決まる値である。また、０＜θ１＜90度、０＜θ２＜90度、および第１の結像光学系が縮小系であることから０＜β１＜１は前提条件であるので、上記式（５´）よりθ２＜θ１となる。
【００３０】
このようにして図２に示されるように、第１の結像光学系により直径ＬＳの円形状の被検面２ａは、スクリーン上で被検面２ａに対し縦横変形比率を有し、スクリーン５の法線ならびに第１の結像光学系の光軸を含む面内における長さ（短軸）がωＬ１(＝ωβ１ＬＳ)、これに直交する方向の長さ（長軸）がＬ１(＝β１ＬＳ)の楕円形状に縮小された被検面像１０として結像される。
【００３１】
つぎに本実施形態の第２の結像光学系において上記結像関係が成立するときには、図３に示す各角度および各長さは下記式（４″）〜（６″）を満足していることになる。
Ａ４＝Ａ３β２ ２……（４″）
ｔａｎθ４＝β２ｔａｎθ３ ……（５″）
ω´＝ｃｏｓθ３／ｃｏｓθ４ ……（６″）
ただし、
Ａ３：被検面像１０の縦方向長さＬ１の光軸方向成分／２
Ａ４：被検面像１１の縦方向長さＬ２の光軸方向成分／２
θ３：スクリーン５の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
θ４：撮像面９の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
β２：第２の結像光学系の倍率の絶対値（Ｌ２／ωＬ１）
ω´：被検面像１１の縦方向長さの圧縮率
【００３２】
前述したようにこの第２の結像光学系は、この第２の結像光学系により撮像面９に結像される被検面像１１が、スクリーン上の被検面像１０より縮小されかつ被検面２ａに対し略等しい縦横比率となるよう補正された被検面像１１として結像されるように、配置される。この補正は、スクリーン５に結像された一方の方向のみ圧縮率ωが乗算された楕円形状の被検面像１０に対して、この第２の結像光学系によりこれと直交する方向にのみ同じωの圧縮率を乗算するようにして行われ得る。第２の結像光学系はその光軸が、スクリーン上の楕円形状の被検面像１０の長軸とスクリーン５の法線とを含む面に対して平行となるように配されることにより、楕円形状の被検面像１０の長軸方向にのみ圧縮率ω´を乗算させることができる。
【００３３】
そして、第２の結像光学系の光軸が上記面に対して平行で、かつ、スクリーン面と結像面とがこの光軸に対し各々所定の角度を有するように配置されているときに、撮像面９において、被検面２ａに対し略等しい縦横比率となるよう補正された被検面像１１を焦点の合った状態で得ることができる。
【００３４】
上述のとおり上記式（６″）に示される圧縮率ω´は第１の結像光学系の圧縮率ωと等しいので、上記式（５″）および（６″）から、この第２の結像光学系に対しピントのボケがなく結像面上で被検面像１１を結像するようにスクリーン５および撮像面９が配置される角度θ３、θ４は、ωの他にこの第２の結像光学系の倍率の絶対値β２が特定されれば一義的に決まる値である。また、上記第１の結像光学系と略同様に０＜θ３＜90度、０＜θ４＜90度、および第２の結像光学系が縮小系であることから０＜β２＜１は前提条件であるので、上記式（５″）よりθ４＜θ３となる。
【００３５】
このようにして図３に示されるように、スクリーン５の法線ならびに第２の結像光学系の光軸を含む面内における長さ（長軸）がＬ１(＝β１ＬＳ)、これに直交する方向の長さ（短軸）がωＬ１(＝ωβ１ＬＳ)の楕円形状の被検面像１０は、第２の結像光学系により撮像面上で、直径Ｌ２(＝ωβ１β２ＬＳ)の、被検面２ａが縦横等倍率で縮小された円形状の被検面像１１として結像される。
【００３６】
このようにして、本実施形態の結像光学系において各面と各結像光学系の光軸との角度関係が規定されることにより、撮像面９には被検面２ａが縦横等倍率で縮小された被検面像１１が、焦点が合った状態で結像される。なお、上記条件式（１）および（２）は第１の結像光学系の結像関係を規定する式（５´）および第２の結像光学系の結像関係を規定する式（５″）であり、上記条件式（３）は第１の結像光学系の結像関係を規定する式（６´）および第２の結像光学系の結像関係を規定する式（６″）から、上述したとおりω＝ω´となるように規定したものである。
【００３７】
また、本実施形態の結像光学系において、図１に示されるように第１の結像光学系により被検面像１０が結像されるスクリーン５は、被検面像１０が結像される部分またはその延長面上に回転中心を有して回転するディフューザよりなることが好ましい。図１においてスクリーン５は、円板状の摺りガラスよりなるディフューザとされ、中心部６にモータの軸部を固定してモータの回転を伝達して回転させ、周辺部の所定位置に干渉縞情報を担持した合成光を入射させて干渉縞が重畳された被検面像１０を結像させるように構成されている。
【００３８】
このような回転ディフューザよりなるスクリーン５を用いることにより、スクリーン５から発生する二次スペックルをあたかも発生していないかのように平均化し、後段で撮像される干渉縞画像に重畳されるスペックルノイズを低減させることができる。従来の結像光学系を用いた場合には、被検面２ａと同サイズ以上の大きさのスクリーン１１０を配設する必要があったために、これをシャッタスピード（サンプリング期間）に対し十分高速に回転させることは困難であった。しかし本実施形態の結像光学系によればスクリーン５を小型にすることができるので、このような回転ディフューザよりなるスクリーン５を用いることが可能となる。
【００３９】
本実施形態においてこのようなスクリーン５の材料としては、摺りガラスやホログラフィックスクリーン、液晶の動的散乱モードを用いた液晶スクリーン等、散乱光を発生させ得る材料が好適である。特に出射する散乱光に指向性を併せ持たせたホログラフィックスクリーンは、光量利得の面から、また動的散乱モードを利用した液晶スクリーンが二次スペックルの低減の面から望ましい。本実施形態の結像光学系において第２の結像光学系の光軸はスクリーン５に対し斜めになるように配されており、この散乱光により撮像面上に被検面像１１を結像させるように構成されている。
【００４０】
また、本実施形態において撮像面９の位置に第２のスクリーンを配し、この第２のスクリーン上に結像された被検面像１１をズームレンズを備えたテレビカメラで撮像することにより、干渉縞が重畳された被検面像１１を倍率を変化させて撮像することが可能となる。
【００４１】
【実施例】
以下、本発明にかかる斜入射干渉計装置の結像光学系の実施例を具体的な数値に基づいて説明する。
【００４２】
この実施例において、斜入射干渉計装置の光源のレーザー波長λ、この光源光を被検面２ａに斜入射させることにより得られる縞感度λ´、円形状の被検面２ａの直径（以下、被検面サイズと称する）ＬＳ、および撮像面９における円形状の被検面像１１の直径（以下、撮像面サイズと称する）Ｌ２は下記のように設定されている。
【００４３】
λ＝1.064μｍ（ＹＡＧレーザー）
λ´＝2.0μｍ
Ｌｓ＝300ｍｍ
Ｌ２＝2.0ｍｍ
【００４４】
上記設定により、波長λの光を縞感度λ´となるように被検面２ａに斜入射させた場合の被検面２ａへの斜入射測定光の入射角度は下記式（７）により規定され、この式により被検面２ａの法線と第１の結像光学系の光軸とがなす角θ１は、θ１≒74.6゜と求められる。
ｃｏｓθ１＝λ／（２λ´） ……（７）
【００４５】
ここで、この斜入射干渉計装置の結像光学系は被検面サイズＬ１を撮像面サイズＬ２として結像する光学系であり、上述したとおり、Ｌ２＝ωβ１β２ＬＳの関係が成り立っている。ＬＳ、Ｌ２は上記設定のとおりであり、ω、β１、β２は縮小系の条件として０＜ω＜１、０＜β１＜１、０＜β２＜１を満足する範囲で、上記関係に基づく相関関係を満足するように任意に設定しうる。ただし、これらにより規定される角度θ１〜θ４は入射角または出射角であるので、０より大きく90度より小さい範囲となる必要がある。また、結像倍率の絶対値β１およびβ２は、一方が極端に小さい値となるよりも双方にある程度配分され、被検面サイズＬＳ、スクリーン上の被検面像サイズＬ１、撮像面上の被検面サイズＬ２が順に縮小されることが好ましい。
【００４６】
このような条件を満足する一例として、本実施例においてはスクリーン上の楕円形状の被検面像１０の長軸(以下、被検面像長軸と称する)Ｌ１を、Ｌ１＝30ｍｍとした場合を例示する。この被検面像長軸は前述したとおり、第１の結像光学系の光軸とスクリーン法線とを含む面がスクリーン面と交わる線とスクリーン面上において直交する方向の、被検面像１０の長さのことである。
【００４７】
Ｌ１とＬＳの値よりβ１＝0.1となり、このβ１と上記θ１により上記条件式（１）からθ２の値θ２≒19.9°を求めることができる。また、このθ１およびθ２により、上記条件式（３）の左辺であるところの被検面像１０の縦方向の圧縮率ωはω≒0.283となる。
【００４８】
第２の結像光学系は、スクリーン上に結像された長軸Ｌ１、短軸ωＬ１の楕円形状の被検面像１０を、撮像面９で直径Ｌ２の円形状の被検面像１１に補正して結像するように配設される。この第２の結像光学系の光軸は、スクリーン法線と被検面像１０の長軸Ｌ１とを含む面に対して平行となる面内に存在する。この第２の結像光学系による縦方向の圧縮率ω´はωと等しくなるので、β２＝Ｌ２／（ωＬ１）よりβ２≒0.236を求めることができる。また、上記条件式（３）の右辺はωと等しいので、このω＝ｃｏｓθ３／ｃｏｓθ４と上記条件式（２）からθ３≒80.7°、θ４≒55.3°を求めることができる。以上説明した本実施例にかかる各数値を下記表にまとめて示す。
【００４９】
レーザー波長λ：1.064μm（ＹＡＧレーザー）
被検面直径ＬＳ：300ｍｍ
測定感度λ´：２μｍ
被検面と第１の結像光学系の光軸がなす角度θ１：74.6度
被検面像１０の縦方向長さの圧縮率ω：0.283
スクリーン法線と第１の結像光学系の光軸がなす角度θ２：19.9度
スクリーン上の被検面像長軸Ｌ１：30ｍｍ
スクリーン法線と第２の結像光学系の光軸がなす角度θ３：80.7度
被検面像１１の縦方向長さの圧縮率ω´：0.283
撮像面法線と第２の結像光学系の光軸がなす角度θ４：55.3度
撮像面上の被検面像サイズＬ２：２ｍｍ
【００５０】
以上、実施例１として示したように、本発明の結像光学系においてはθ１、Ｌｓ、およびＬ２の値が設定された場合には、Ｌ１、θ２、θ３およびθ４は互いに相関関係を持たせながら任意に選択することができる。実際の設計にあたっては被検面像長軸Ｌ１に適応したスクリーン５のサイズや、各部材の配設位置等の条件を勘案し、妥当な構成を選択すればよい。
【００５１】
なお、本発明に係る斜入射干渉計装置の結像光学系としては上記実施例のものに限られるものではなく、種々の態様の変更が可能である。例えば上記実施例においては固定値としたλ、λ´、Ｌｓ、およびＬ２の各値についても、実施例中の値に限られず任意に設定することができる。また、被検面は一般的な形状として円形の場合について説明したがこれ以外の形状の被検面にも勿論適用し得る。
【００５２】
また、本発明にかかる斜入射干渉計装置の結像光学系は、その前段の波面分割手段（または光束分割手段）および波面合成手段（または光束合成手段）の構成を特に限定するものではなく、これらの手段として例えばハーフミラーやハーフプリズムを用いた斜入射干渉計装置の結像光学系としても勿論好適である。また斜入射干渉計装置の構成として、測定光が被検面で反射され参照光が参照面で反射されるような構成とされていてもよい。
【００５３】
また、本発明にかかる斜入射干渉計装置の結像光学系において、第２の結像光学系はスクリーンを透過した散乱光による被検面像を撮像面に結像させるように配されているが、これに限られるものではなく、第２の結像光学系がスクリーンで反射された散乱光による被検面像を撮像面に結像させるような構成とされていてもよい。
【００５４】
また、本発明にかかる斜入射干渉計装置の結像光学系において、第１の結像光学系および第２の結像光学系を構成するテレセントリックなレンズの枚数や形状は、上述したものに限られない。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の斜入射干渉計装置の結像光学系によれば、被検面、２群のテレセントリックレンズ群よりなる第１の結像光学系、中間結像面、２群のテレセントリックレンズ群よりなる第２の結像光学系および結像面の位置関係により、中間結像面に、被検面に対し縦横変形比率を有し被検面より縮小された第１の被検面像が結像され、この第１の被検面像が結像面に、第１の被検面像より縮小されかつ被検面に対し略等しい縦横比率となるよう補正された第２の被検面像として結像される。したがって、結像面に結像される被検面像とこれに重畳される干渉縞は、被検面に対し略等しい縦横倍率で縮小された像となり、かつ、第１の結像光学系が縮小系とされているので中間結像面となるスクリーンの小型化が可能となり、被検面から結像面に至る結像光学系の小型化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる斜入射干渉計装置の結像光学系の構成を模式的に示す図
【図２】第１の結像光学系による被検面とスクリーン上の被検面像との縮小関係を説明する図
【図３】第２の結像光学系によるスクリーン上の被検面像と撮像面上の被検面像との縮小関係を説明する図
【図４】従来の斜入射干渉計装置の構成を示す概略図
【図５】従来の斜入射干渉計装置の構成を示す概略図
【符号の説明】
１ 結像光学系
２ａ 被検面
３、４、７、８ テレセントリックレンズ
５、１１０ スクリーン
６ スクリーン中心部
９ 撮像面
１０ スクリーン上の被検面像
１１ 撮像面上の被検面像
１２、１０２ 波面分割手段
１４、１０４ 波面合成手段
１８、１０８ テレビカメラ
１０６ 結像レンズ
１１２ コリメータレンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、斜入射干渉計装置において被検面から撮像素子よりなる結像面までの間に配され、結像面上に干渉縞が重畳された被検面像を結像する、斜入射干渉計装置の結像光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、可干渉光を被検面に対して斜めに入射し測定感度を低下させることにより、ある程度凹凸の大きい被検面の表面形状を測定可能とした斜入射干渉計装置が知られている。この斜入射干渉計装置の代表的な構成としては、図４に示すものが知られている。
【０００３】
この斜入射干渉計装置は、可干渉光を波面分割手段１０２に入射させて２方向に波面分割し、一方の光線束を被検面２ａに対して斜めに入射させて反射させる測定光とするとともに他方の光線束を参照光とし、これら測定光および参照光を波面合成手段１０４に入射させて波面合成し、この波面合成手段１０４から同一方向に射出される測定光と参照光との光干渉により生じる干渉縞を、結像レンズ１０６を介してテレビカメラ１０８で撮像し、その干渉縞画像に基づいて被検面２ａの形状を測定するようになっている。
【０００４】
しかしながら、このような斜入射干渉計装置においては、被検面２ａの各位置から結像レンズ１０６までの光路長が異なるので、テレビカメラ１０８に撮像された干渉縞画像に台形歪みが生じてしまい、被検面２ａの形状測定を正確に行うことができないという問題がある。電子画像処理により台形歪みを除去する方法も可能ではあるが撮像素子の分解能を補う演算処理は複雑となり、また装置の公差に対する要求も厳しくなるので好ましくない。
【０００５】
このような問題を解決したものとして、図５に示す斜入射干渉計装置が知られている。この装置は、被検面２ａと共役の位置に干渉縞観察スクリーン１１０を配置し、この干渉縞観察スクリーン１１０に形成される被検面像に重畳された干渉縞を、スクリーン１１０に対し垂直に配置されたテレビカメラ１０８で撮像するように構成されている。同図においては、結像レンズ１０６がその第１焦点を被検面２ａに位置させるようにして配置されるとともに、この結像レンズ１０６とアフォーカルにコリメータレンズ１１２が配置され、その第２焦点位置に干渉縞観察スクリーン１１０が配置されている。このような構成により、スクリーン上には被検面と同サイズで被検面に対し略等しい縦横倍率の被検面像を結像させることができ、この像の台形歪みを防止するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成を採用した場合においては干渉計装置の全長が長くなることが問題となる。また、干渉縞観察スクリーン１１０は結像レンズ１０６およびコリメータレンズ１１２に関し被検面２ａと共役の位置に配置されているので、被検面像の台形歪みは防止されているが、このスクリーン１１０は被検面２ａと同サイズのものを配置しなくてはならず、装置のコンパクト化を阻む要因となっている。
【０００７】
したがって、斜入射干渉計装置の結像光学系に対して、台形歪みのない干渉縞の撮像が可能で、かつスクリーンサイズを小さくし装置の小型化が可能なものが要望されている。なお、撮像される干渉縞が重畳された被検面像は、演算処理により補正される必要のない、被検面に対し略等しい縦横倍率の像であることが望ましく、また焦点の合った像であることが望ましい。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、被検面に対し略等しい縦横倍率の被検面像を結像面に結像させ得る結像光学系であり、かつ、装置の小型化を可能とする斜入射干渉計装置の結像光学系を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の斜入射干渉計装置の結像光学系は、光源光の一部を平行光とし被検体の被検面に対して斜め入射される測定光とし、前記光源光のその余の一部を平行光よりなる参照光とし、前記測定光と前記参照光とを合成させ互いに干渉させて、結像面に結像された被検面像に干渉縞を重畳させる斜入射干渉計装置の結像光学系において、
焦点距離の互いに異なる２群のテレセントリックレンズＧ１、Ｇ２よりなり、前記被検面側より順に、相対的に焦点距離の大きな該テレセントリック群Ｇ１および相対的に焦点距離の小さな該テレセントリック群Ｇ２がアフォーカルに配された第１の結像光学系、中間結像面、ならびに焦点距離の互いに異なる２群のテレセントリックレンズＧ３、Ｇ４よりなり、前記被検面側より順に、相対的に焦点距離の大きな該テレセントリック群Ｇ３および相対的に焦点距離の小さな該テレセントリック群Ｇ４がアフォーカルに配された第２の結像光学系よりなり、
前記測定光と前記参照光との前記合成光により前記第１の結像光学系を介して、前記中間結像面に、前記被検面に対し縦横変形比率を有し前記被検面より縮小された第１の被検面像が結像され、
この第１の被検面像が、前記第２の結像光学系により前記結像面に、該第１の被検面像より縮小されかつ前記被検面に対し略等しい縦横比率となるよう補正された第２の被検面像として結像されるように、前記第２の結像光学系が前記中間結像面に対して配置されたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、下記条件式（１）〜（３）を満足するように構成されていることが好ましい。
ｔａｎθ２＝β１ｔａｎθ１ ……（１）
ｔａｎθ４＝β２ｔａｎθ３ ……（２）
ｃｏｓθ１／ｃｏｓθ２＝ｃｏｓθ３／ｃｏｓθ４ ……（３）
ただし、
θ１：被検面の法線が第１の結像光学系の光軸となす角
θ２：中間結像面の法線が第１の結像光学系の光軸となす角
θ３：中間結像面の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
θ４：結像面の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
β１：第１の結像光学系の倍率の絶対値
β２：第２の結像光学系の倍率の絶対値
【００１１】
また、前記中間結像面が、該中間結像面またはその延長面上に回転中心を有して回転するディフューザよりなることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて具体的に説明する。図１は本発明にかかる斜入射干渉計装置の結像光学系の構成を模式的に示す図である。
【００１３】
この斜入射干渉計装置は、光源から射出される可干渉光をコリメータレンズで平行光線束とし、波面分割手段１２に入射させて２方向に波面分割し、一方の光線束を被検面２ａに対して斜めに入射させて反射させる測定光とするとともに他方の光線束を参照光とし、これら測定光および参照光を波面合成手段１４に入射させて波面合成し、この波面合成手段１４から同一方向に射出される測定光と参照光との光干渉により生じる干渉縞を、本発明にかかる結像光学系１を介して撮像面９に結像される被検面像に重畳させ、テレビカメラ１８で撮像し、その干渉縞画像に基づいて被検面２ａの形状を測定するようになっている。
【００１４】
なお、図１において、波面分割手段１２および波面合成手段１４は、回折格子を用いており、入射された平行光線束は波面分割手段１２によって回折し、その回折された回折光のうち例えば＋１次光を被検面２ａにより反射させるとともに、その反射された＋１次光と波面分割手段１２を透過した０次光とを波面合成手段１４によって重ね合わせて干渉させるようにしている。
【００１５】
ここで、本実施形態の斜入射干渉計装置の結像光学系１は、図示されるように、焦点距離の互いに異なるテレセントリックな２枚のレンズ３、４よりなり、被検面側より順に、相対的に焦点距離の大きなレンズ３、相対的に焦点距離の小さなレンズ４がアフォーカルに配された第１の結像光学系、中間結像面であるスクリーン５、および焦点距離の互いに異なるテレセントリックな２枚のレンズ７、８よりなり、被検面側より順に、相対的に焦点距離の大きなレンズ７、相対的に焦点距離の小さなレンズ８がアフォーカルに配された第２の結像光学系からなる。
【００１６】
波面合成手段１４から出射された測定光と参照光との合成光は、第１の結像光学系を介し、スクリーン５に被検面２ａの像１０を結像させ、この被検面像１０に干渉縞が重畳される。ここで、第１の結像光学系は、レンズ４の焦点距離はレンズ３の焦点距離よりも小さいので縮小結像光学系とされる。また、被検面２ａが第１の結像光学系の光軸に対し所定の角度を有するように配置されていることに対応し、スクリーン５も結像される被検面像１０が焦点の合った像となるように、第１の結像光学系の光軸に対し所定の角度を有するように配置されている。これによりスクリーン５上には、被検面２ａに対し所定の縦横変形比率を有し被検面２ａより縮小された第１の被検面像１０が結像される。
【００１７】
スクリーン５に結像された干渉縞が重畳された被検面像１０は、第２の結像光学系を介し、撮像面９に再結像され撮像される。第２の結像光学系も、レンズ８の焦点距離はレンズ７の焦点距離よりも小さいので縮小結像光学系とされる。この第２の結像光学系は、この第２の結像光学系により撮像面９に結像される被検面像１１が、スクリーン上の被検面像１０より縮小されかつ被検面２ａに対し略等しい縦横比率となるよう補正された被検面像１１として結像されるよう、スクリーン５に対し所定の角度を有するように配置されている。また、撮像面９は第２の結像光学系の光軸に対し所定の角度を有するように配置されており、これにより撮像面９上には、被検面像１０に対し所定の縦横変形比率を有し被検面像１０より縮小された被検面像１１が焦点の合った像として結像され、撮像される。
【００１８】
すなわち、本実施形態の結像光学系によれば、第１の結像光学系によりスクリーン５上には、被検面２ａに対して所定の縦横変形比率を有し被検面２ａより縮小された第１の被検面像１０が結像され、第２の結像光学系はこの所定の縦横変形比率を補正するようにスクリーン５に対して配置されているので、撮像面９上には、スクリーン上の被検面像１０より縮小されかつ被検面２ａに対し略等しい縦横比率となるよう補正された被検面像１１が結像され、撮像される。
【００１９】
このように本実施形態の結像光学系によれば、スクリーン５に結像される被検面像１０は被検面サイズよりも縮小されているので、スクリーン５の小型化を可能とするとともに、撮像面９には被検面２ａに対し略等しい縦横倍率の被検面像１１を結像させることができる。また、本実施形態によれば、レンズ４およびスクリーン５の小型化を図ることができるとともにレンズ３とレンズ４との間隔も短くすることができるので、装置としての小型化も可能となる。また、本実施形態によれば撮像面９に結像される被検面像１１とこれに重畳される干渉縞は、台形歪みもなく、被検面２ａに対し略等しい縦横倍率の被検面像１１とされているので、画像処理の必要もなく迅速な測定が可能となる。
【００２０】
ここで、本実施形態による結像光学系を図５に示した従来の結像光学系と比較する。被検面側のレンズ３、１０６のサイズは、入射光束の光束径をカバーする必要があるので本実施形態も従来の結像光学系も略同様となるが、従来例のようにレンズ１１２がレンズ１０６と同サイズのレンズからなる結像光学系の場合はレンズ間隔がより広くなる。さらに、従来例では被検面２ａとスクリーン１１０の位置が共役となるように配置しているので、被検面像は被検面２ａと同サイズになりスクリーン１１０も被検面２ａと同サイズ以上のものが必要となる。一方、本実施形態によれば、図１は説明のために被検面２ａに比べ被検面像１０や後段の部材をかなり大きく描いているが、実際には後述する実施例のように被検面サイズに比べ被検面像１０を１／10以下にまで縮小することが可能であり、この被検面像１０を結像させるためのスクリーン５のサイズも従来例に比べ格段に小型化が可能である。
【００２１】
このように、縮小結像光学系（第１の結像光学系）を介して干渉縞が重畳された被検面像１０をスクリーン５に結像させるという本実施形態の構成は、従来にはない発想である。縮小結像光学系によりスクリーン５に結像された被検面像１０は縦横変形比率を有するため、従来のようにスクリーン５に対し垂直に配置されたテレビカメラで撮像した場合には干渉縞画像は画像処理が必要となり、測定の迅速化を妨げる虞がある。本実施形態によれば、スクリーン５と撮像面９との間に第２の結像光学系を配し、縦横変形比率を有する被検面像１０が被検面２ａに対し略等しい縦横比率となるよう補正されて撮像面９に結像されるように構成されている。したがって、撮像された干渉縞画像は画像処理が不要で、迅速な測定が可能となる。
【００２２】
なお、第１の結像光学系によりスクリーン５上に結像される被検面２ａに対し縦横変形比率を有するように縮小された被検面像１０が、第２の結像光学系によりこの縦横変形比率を補正されるために、本実施形態の結像光学系は上述したとおり、被検面２ａおよびスクリーン５が第１の結像光学系の光軸に対し各々所定の角度を有するように配置され、スクリーン５および撮像面９が第２の結像光学系の光軸に対し各々所定の角度を有するように配置されている。本実施形態の結像光学系は下記条件式（１）〜（３）を満足するように構成されていることが望ましく、これらの条件式（１）〜（３）により、上述した角度関係を規定することができる。
【００２３】
ｔａｎθ２＝β１ｔａｎθ１ ……（１）
ｔａｎθ４＝β２ｔａｎθ３ ……（２）
ｃｏｓθ１／ｃｏｓθ２＝ｃｏｓθ３／ｃｏｓθ４ ……（３）
ただし、
θ１：被検面２ａの法線が第１の結像光学系の光軸となす角
θ２：スクリーン５の法線が第１の結像光学系の光軸となす角
θ３：スクリーン５の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
θ４：撮像面９の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
β１：第１の結像光学系の倍率の絶対値
β２：第２の結像光学系の倍率の絶対値
【００２４】
上記条件式（１）〜（３）について、図２および図３を用いて説明する。図２は第１の結像光学系による被検面２ａと被検面像１０との縮小関係を説明するための図である。図２（ａ）は被検面２ａからスクリーン上の被検面像１０までを、被検面２ａの法線およびスクリーン５の法線を含む面に直交する方向から見た図であり、図２（ｂ）は同部分を図２（ａ）の紙面上方向から見た図である。また、図３は第２の結像光学系によるスクリーン上の被検面像１０と撮像面上の被検面像１１との縮小関係を説明するための図である。図３（ａ）は被検面像１０から被検面像１１までを、スクリーン５の法線および撮像面９の法線を含む面に直交する方向から見た図であり、図３（ｂ）は同部分を図３（ａ）の紙面上方向から見た図である。
【００２５】
まず、図２を用いて第１の結像光学系による縮小関係について説明する。この光学系は斜入射干渉計装置の結像光学系であるので、図示されるとおり、被検面２ａはこの光学系の光軸に対し斜めに配置されている。前述したとおり第１の結像光学系は、焦点距離の互いに異なる２枚のテレセントリックなレンズ３、４がアフォーカルに配されている。一般にこのような結像光学系に関し、斜めに配置された物体平面がピントのボケなく結像面に結像されているとき、下記の関係式が成立することが知られている。
【００２６】
Ａ´＝Ａβ２……（４）
ｔａｎθ´＝βｔａｎθ ……（５）
ω＝ｃｏｓθ／ｃｏｓθ´ ……（６）
ただし、
Ａ：物体平面の縦方向長さの光軸方向成分／２
Ａ´：結像面上の像の縦方向長さの光軸方向成分／２
θ：物体平面の法線が結像光学系の光軸となす角
θ´：結像面の法線が結像光学系の光軸となす角
β：結像光学系の倍率の絶対値
ω：結像面上の像の縦方向長さの圧縮率
【００２７】
なお、上記「結像面上の像の縦方向長さの圧縮率」とは、物体平面と結像面が結像光学系の光軸に対し斜めに配されていることにより光軸の延びる方向にのみ生じる物体平面の縦横比に対する結像面上の像の縦横変形比率のことで、像の横方向長さに対する縦方向長さの圧縮率を示している。なお、「横方向長さ」とは、結像光学系の光軸と結像面の法線を含む面が結像面と交わる線と結像面内において直交する方向の結像面の長さのことを表すものであり、例えば図２においては、（ｂ）の被検面像１０の楕円長軸Ｌ１に相当するものである。また、「縦方向長さ」とは、結像光学系の光軸と結像面の法線を含む面内における結像面の長さのことを表すものであり、例えば図２においては、（ａ）の被検面像１０の楕円短軸ωＬ１に相当するものである。
【００２８】
すなわち、本実施形態の第１の結像光学系においてこの結像関係が成立するときには、図２に示す各角度および各長さは下記式（４´）〜（６´）を満足していることになる。
Ａ２＝Ａ１β１ ２……（４´）
ｔａｎθ２＝β１ｔａｎθ１ ……（５´）
ω＝ｃｏｓθ１／ｃｏｓθ２ ……（６´）
ただし、
Ａ１：被検面２ａの縦方向長さＬＳの光軸方向成分／２
Ａ２：被検面像１０の縦方向長さＬ１の光軸方向成分／２
θ１：被検面２ａの法線が第１の結像光学系の光軸となす角
θ２：スクリーン５の法線が第１の結像光学系の光軸となす角
β１：第１の結像光学系の倍率の絶対値（Ｌ１／ＬＳ）
ω：被検面像１０の縦方向長さの圧縮率
【００２９】
ここで、上記θ１はこの斜入射干渉計装置において被検面２ａへの測定光の入射角と等しい。また、上記式（５´）に示されるように、この第１の結像光学系に対しピントのボケがなく被検面像１０を結像するようにスクリーン５が配置される角度θ２は、被検面２ａへの測定光の入射角θ１とこの第１の結像光学系の倍率の絶対値β１が特定されれば一義的に決まる値である。また、０＜θ１＜90度、０＜θ２＜90度、および第１の結像光学系が縮小系であることから０＜β１＜１は前提条件であるので、上記式（５´）よりθ２＜θ１となる。
【００３０】
このようにして図２に示されるように、第１の結像光学系により直径ＬＳの円形状の被検面２ａは、スクリーン上で被検面２ａに対し縦横変形比率を有し、スクリーン５の法線ならびに第１の結像光学系の光軸を含む面内における長さ（短軸）がωＬ１(＝ωβ１ＬＳ)、これに直交する方向の長さ（長軸）がＬ１(＝β１ＬＳ)の楕円形状に縮小された被検面像１０として結像される。
【００３１】
つぎに本実施形態の第２の結像光学系において上記結像関係が成立するときには、図３に示す各角度および各長さは下記式（４″）〜（６″）を満足していることになる。
Ａ４＝Ａ３β２ ２……（４″）
ｔａｎθ４＝β２ｔａｎθ３ ……（５″）
ω´＝ｃｏｓθ３／ｃｏｓθ４ ……（６″）
ただし、
Ａ３：被検面像１０の縦方向長さＬ１の光軸方向成分／２
Ａ４：被検面像１１の縦方向長さＬ２の光軸方向成分／２
θ３：スクリーン５の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
θ４：撮像面９の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
β２：第２の結像光学系の倍率の絶対値（Ｌ２／ωＬ１）
ω´：被検面像１１の縦方向長さの圧縮率
【００３２】
前述したようにこの第２の結像光学系は、この第２の結像光学系により撮像面９に結像される被検面像１１が、スクリーン上の被検面像１０より縮小されかつ被検面２ａに対し略等しい縦横比率となるよう補正された被検面像１１として結像されるように、配置される。この補正は、スクリーン５に結像された一方の方向のみ圧縮率ωが乗算された楕円形状の被検面像１０に対して、この第２の結像光学系によりこれと直交する方向にのみ同じωの圧縮率を乗算するようにして行われ得る。第２の結像光学系はその光軸が、スクリーン上の楕円形状の被検面像１０の長軸とスクリーン５の法線とを含む面に対して平行となるように配されることにより、楕円形状の被検面像１０の長軸方向にのみ圧縮率ω´を乗算させることができる。
【００３３】
そして、第２の結像光学系の光軸が上記面に対して平行で、かつ、スクリーン面と結像面とがこの光軸に対し各々所定の角度を有するように配置されているときに、撮像面９において、被検面２ａに対し略等しい縦横比率となるよう補正された被検面像１１を焦点の合った状態で得ることができる。
【００３４】
上述のとおり上記式（６″）に示される圧縮率ω´は第１の結像光学系の圧縮率ωと等しいので、上記式（５″）および（６″）から、この第２の結像光学系に対しピントのボケがなく結像面上で被検面像１１を結像するようにスクリーン５および撮像面９が配置される角度θ３、θ４は、ωの他にこの第２の結像光学系の倍率の絶対値β２が特定されれば一義的に決まる値である。また、上記第１の結像光学系と略同様に０＜θ３＜90度、０＜θ４＜90度、および第２の結像光学系が縮小系であることから０＜β２＜１は前提条件であるので、上記式（５″）よりθ４＜θ３となる。
【００３５】
このようにして図３に示されるように、スクリーン５の法線ならびに第２の結像光学系の光軸を含む面内における長さ（長軸）がＬ１(＝β１ＬＳ)、これに直交する方向の長さ（短軸）がωＬ１(＝ωβ１ＬＳ)の楕円形状の被検面像１０は、第２の結像光学系により撮像面上で、直径Ｌ２(＝ωβ１β２ＬＳ)の、被検面２ａが縦横等倍率で縮小された円形状の被検面像１１として結像される。
【００３６】
このようにして、本実施形態の結像光学系において各面と各結像光学系の光軸との角度関係が規定されることにより、撮像面９には被検面２ａが縦横等倍率で縮小された被検面像１１が、焦点が合った状態で結像される。なお、上記条件式（１）および（２）は第１の結像光学系の結像関係を規定する式（５´）および第２の結像光学系の結像関係を規定する式（５″）であり、上記条件式（３）は第１の結像光学系の結像関係を規定する式（６´）および第２の結像光学系の結像関係を規定する式（６″）から、上述したとおりω＝ω´となるように規定したものである。
【００３７】
また、本実施形態の結像光学系において、図１に示されるように第１の結像光学系により被検面像１０が結像されるスクリーン５は、被検面像１０が結像される部分またはその延長面上に回転中心を有して回転するディフューザよりなることが好ましい。図１においてスクリーン５は、円板状の摺りガラスよりなるディフューザとされ、中心部６にモータの軸部を固定してモータの回転を伝達して回転させ、周辺部の所定位置に干渉縞情報を担持した合成光を入射させて干渉縞が重畳された被検面像１０を結像させるように構成されている。
【００３８】
このような回転ディフューザよりなるスクリーン５を用いることにより、スクリーン５から発生する二次スペックルをあたかも発生していないかのように平均化し、後段で撮像される干渉縞画像に重畳されるスペックルノイズを低減させることができる。従来の結像光学系を用いた場合には、被検面２ａと同サイズ以上の大きさのスクリーン１１０を配設する必要があったために、これをシャッタスピード（サンプリング期間）に対し十分高速に回転させることは困難であった。しかし本実施形態の結像光学系によればスクリーン５を小型にすることができるので、このような回転ディフューザよりなるスクリーン５を用いることが可能となる。
【００３９】
本実施形態においてこのようなスクリーン５の材料としては、摺りガラスやホログラフィックスクリーン、液晶の動的散乱モードを用いた液晶スクリーン等、散乱光を発生させ得る材料が好適である。特に出射する散乱光に指向性を併せ持たせたホログラフィックスクリーンは、光量利得の面から、また動的散乱モードを利用した液晶スクリーンが二次スペックルの低減の面から望ましい。本実施形態の結像光学系において第２の結像光学系の光軸はスクリーン５に対し斜めになるように配されており、この散乱光により撮像面上に被検面像１１を結像させるように構成されている。
【００４０】
また、本実施形態において撮像面９の位置に第２のスクリーンを配し、この第２のスクリーン上に結像された被検面像１１をズームレンズを備えたテレビカメラで撮像することにより、干渉縞が重畳された被検面像１１を倍率を変化させて撮像することが可能となる。
【００４１】
【実施例】
以下、本発明にかかる斜入射干渉計装置の結像光学系の実施例を具体的な数値に基づいて説明する。
【００４２】
この実施例において、斜入射干渉計装置の光源のレーザー波長λ、この光源光を被検面２ａに斜入射させることにより得られる縞感度λ´、円形状の被検面２ａの直径（以下、被検面サイズと称する）ＬＳ、および撮像面９における円形状の被検面像１１の直径（以下、撮像面サイズと称する）Ｌ２は下記のように設定されている。
【００４３】
λ＝1.064μｍ（ＹＡＧレーザー）
λ´＝2.0μｍ
Ｌｓ＝300ｍｍ
Ｌ２＝2.0ｍｍ
【００４４】
上記設定により、波長λの光を縞感度λ´となるように被検面２ａに斜入射させた場合の被検面２ａへの斜入射測定光の入射角度は下記式（７）により規定され、この式により被検面２ａの法線と第１の結像光学系の光軸とがなす角θ１は、θ１≒74.6゜と求められる。
ｃｏｓθ１＝λ／（２λ´） ……（７）
【００４５】
ここで、この斜入射干渉計装置の結像光学系は被検面サイズＬ１を撮像面サイズＬ２として結像する光学系であり、上述したとおり、Ｌ２＝ωβ１β２ＬＳの関係が成り立っている。ＬＳ、Ｌ２は上記設定のとおりであり、ω、β１、β２は縮小系の条件として０＜ω＜１、０＜β１＜１、０＜β２＜１を満足する範囲で、上記関係に基づく相関関係を満足するように任意に設定しうる。ただし、これらにより規定される角度θ１〜θ４は入射角または出射角であるので、０より大きく90度より小さい範囲となる必要がある。また、結像倍率の絶対値β１およびβ２は、一方が極端に小さい値となるよりも双方にある程度配分され、被検面サイズＬＳ、スクリーン上の被検面像サイズＬ１、撮像面上の被検面サイズＬ２が順に縮小されることが好ましい。
【００４６】
このような条件を満足する一例として、本実施例においてはスクリーン上の楕円形状の被検面像１０の長軸(以下、被検面像長軸と称する)Ｌ１を、Ｌ１＝30ｍｍとした場合を例示する。この被検面像長軸は前述したとおり、第１の結像光学系の光軸とスクリーン法線とを含む面がスクリーン面と交わる線とスクリーン面上において直交する方向の、被検面像１０の長さのことである。
【００４７】
Ｌ１とＬＳの値よりβ１＝0.1となり、このβ１と上記θ１により上記条件式（１）からθ２の値θ２≒19.9°を求めることができる。また、このθ１およびθ２により、上記条件式（３）の左辺であるところの被検面像１０の縦方向の圧縮率ωはω≒0.283となる。
【００４８】
第２の結像光学系は、スクリーン上に結像された長軸Ｌ１、短軸ωＬ１の楕円形状の被検面像１０を、撮像面９で直径Ｌ２の円形状の被検面像１１に補正して結像するように配設される。この第２の結像光学系の光軸は、スクリーン法線と被検面像１０の長軸Ｌ１とを含む面に対して平行となる面内に存在する。この第２の結像光学系による縦方向の圧縮率ω´はωと等しくなるので、β２＝Ｌ２／（ωＬ１）よりβ２≒0.236を求めることができる。また、上記条件式（３）の右辺はωと等しいので、このω＝ｃｏｓθ３／ｃｏｓθ４と上記条件式（２）からθ３≒80.7°、θ４≒55.3°を求めることができる。以上説明した本実施例にかかる各数値を下記表にまとめて示す。
【００４９】
レーザー波長λ：1.064μm（ＹＡＧレーザー）
被検面直径ＬＳ：300ｍｍ
測定感度λ´：２μｍ
被検面と第１の結像光学系の光軸がなす角度θ１：74.6度
被検面像１０の縦方向長さの圧縮率ω：0.283
スクリーン法線と第１の結像光学系の光軸がなす角度θ２：19.9度
スクリーン上の被検面像長軸Ｌ１：30ｍｍ
スクリーン法線と第２の結像光学系の光軸がなす角度θ３：80.7度
被検面像１１の縦方向長さの圧縮率ω´：0.283
撮像面法線と第２の結像光学系の光軸がなす角度θ４：55.3度
撮像面上の被検面像サイズＬ２：２ｍｍ
【００５０】
以上、実施例１として示したように、本発明の結像光学系においてはθ１、Ｌｓ、およびＬ２の値が設定された場合には、Ｌ１、θ２、θ３およびθ４は互いに相関関係を持たせながら任意に選択することができる。実際の設計にあたっては被検面像長軸Ｌ１に適応したスクリーン５のサイズや、各部材の配設位置等の条件を勘案し、妥当な構成を選択すればよい。
【００５１】
なお、本発明に係る斜入射干渉計装置の結像光学系としては上記実施例のものに限られるものではなく、種々の態様の変更が可能である。例えば上記実施例においては固定値としたλ、λ´、Ｌｓ、およびＬ２の各値についても、実施例中の値に限られず任意に設定することができる。また、被検面は一般的な形状として円形の場合について説明したがこれ以外の形状の被検面にも勿論適用し得る。
【００５２】
また、本発明にかかる斜入射干渉計装置の結像光学系は、その前段の波面分割手段（または光束分割手段）および波面合成手段（または光束合成手段）の構成を特に限定するものではなく、これらの手段として例えばハーフミラーやハーフプリズムを用いた斜入射干渉計装置の結像光学系としても勿論好適である。また斜入射干渉計装置の構成として、測定光が被検面で反射され参照光が参照面で反射されるような構成とされていてもよい。
【００５３】
また、本発明にかかる斜入射干渉計装置の結像光学系において、第２の結像光学系はスクリーンを透過した散乱光による被検面像を撮像面に結像させるように配されているが、これに限られるものではなく、第２の結像光学系がスクリーンで反射された散乱光による被検面像を撮像面に結像させるような構成とされていてもよい。
【００５４】
また、本発明にかかる斜入射干渉計装置の結像光学系において、第１の結像光学系および第２の結像光学系を構成するテレセントリックなレンズの枚数や形状は、上述したものに限られない。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の斜入射干渉計装置の結像光学系によれば、被検面、２群のテレセントリックレンズ群よりなる第１の結像光学系、中間結像面、２群のテレセントリックレンズ群よりなる第２の結像光学系および結像面の位置関係により、中間結像面に、被検面に対し縦横変形比率を有し被検面より縮小された第１の被検面像が結像され、この第１の被検面像が結像面に、第１の被検面像より縮小されかつ被検面に対し略等しい縦横比率となるよう補正された第２の被検面像として結像される。したがって、結像面に結像される被検面像とこれに重畳される干渉縞は、被検面に対し略等しい縦横倍率で縮小された像となり、かつ、第１の結像光学系が縮小系とされているので中間結像面となるスクリーンの小型化が可能となり、被検面から結像面に至る結像光学系の小型化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる斜入射干渉計装置の結像光学系の構成を模式的に示す図
【図２】第１の結像光学系による被検面とスクリーン上の被検面像との縮小関係を説明する図
【図３】第２の結像光学系によるスクリーン上の被検面像と撮像面上の被検面像との縮小関係を説明する図
【図４】従来の斜入射干渉計装置の構成を示す概略図
【図５】従来の斜入射干渉計装置の構成を示す概略図
【符号の説明】
１ 結像光学系
２ａ 被検面
３、４、７、８ テレセントリックレンズ
５、１１０ スクリーン
６ スクリーン中心部
９ 撮像面
１０ スクリーン上の被検面像
１１ 撮像面上の被検面像
１２、１０２ 波面分割手段
１４、１０４ 波面合成手段
１８、１０８ テレビカメラ
１０６ 結像レンズ
１１２ コリメータレンズ
Claims (3)
- 光源光の一部を平行光とし被検体の被検面に対して斜め入射される測定光とし、前記光源光のその余の一部を平行光よりなる参照光とし、前記測定光と前記参照光とを合成させ互いに干渉させて、結像面に結像された被検面像に干渉縞を重畳させる斜入射干渉計装置の結像光学系において、
焦点距離の互いに異なる２群のテレセントリックレンズＧ１、Ｇ２よりなり、前記被検面側より順に、相対的に焦点距離の大きな該テレセントリック群Ｇ１および相対的に焦点距離の小さな該テレセントリック群Ｇ２がアフォーカルに配された第１の結像光学系、中間結像面、ならびに焦点距離の互いに異なる２群のテレセントリックレンズＧ３、Ｇ４よりなり、前記被検面側より順に、相対的に焦点距離の大きな該テレセントリック群Ｇ３および相対的に焦点距離の小さな該テレセントリック群Ｇ４がアフォーカルに配された第２の結像光学系よりなり、
前記測定光と前記参照光との前記合成光により前記第１の結像光学系を介して、前記中間結像面に、前記被検面に対し縦横変形比率を有し前記被検面より縮小された第１の被検面像が結像され、
この第１の被検面像が、前記第２の結像光学系により前記結像面に、該第１の被検面像より縮小されかつ前記被検面に対し略等しい縦横比率となるよう補正された第２の被検面像として結像されるように、前記第２の結像光学系が前記中間結像面に対して配置されたことを特徴とする斜入射干渉計装置の結像光学系。 - 下記条件式（１）〜（３）を満足するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の斜入射干渉計装置の結像光学系。
ｔａｎθ２＝β１ｔａｎθ１ ……（１）
ｔａｎθ４＝β２ｔａｎθ３ ……（２）
ｃｏｓθ１／ｃｏｓθ２＝ｃｏｓθ３／ｃｏｓθ４ ……（３）
ただし、
θ１：被検面の法線が第１の結像光学系の光軸となす角
θ２：中間結像面の法線が第１の結像光学系の光軸となす角
θ３：中間結像面の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
θ４：結像面の法線が第２の結像光学系の光軸となす角
β１：第１の結像光学系の倍率の絶対値
β２：第２の結像光学系の倍率の絶対値 - 前記中間結像面が、該中間結像面またはその延長面上に回転中心を有して回転するディフューザよりなることを特徴とする請求項１または２記載の斜入射干渉計装置の結像光学系。
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