JP4781702B2

JP4781702B2 - 傾斜測定干渉計装置

Info

Publication number: JP4781702B2
Application number: JP2005102933A
Authority: JP
Inventors: 宗濤 ▲葛▼
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006284303A

Description

本発明は、被検体における複数の光学面の相対傾斜角度等を測定可能な傾斜測定干渉計装置に関し、特に、被検体が光学プリズム等の多層反射物体である場合に好適な傾斜測定干渉計装置に関する。

反射や屈折といった光の性質を利用するために用いられる光学部材の中には、複数の光学面の相対傾斜角度の誤差が光学性能を左右する重要な要因となるため、相対傾斜角度に対して高い精度が要求されるものが知られている。例えば、多角柱状のポリゴンミラー（多面鏡）には、回転テーブル上に設置される底面と、レーザ光を反射させる各反射面との間の面倒れ角度や、隣接する各反射面間の分割角度に対する要求精度が日本工業規格（ＪＩＳ）等により定められている（下記非特許文献１参照）。

従来、ポリゴンミラーにおける面倒れ角度や分割角度を測定する方法としては、下記非特許文献１に記載されているようにオートコリメータを用いるものが知られているが、本願出願人は、光干渉計測によりポリゴンミラー等における複数の光学面の相対傾斜角度を簡易かつ高精度に測定することが可能な測定装置を提案し、特許庁に対し既に開示している（下記特許文献１参照）。

特願２００４−２７９４３７号明細書ＪＩＳハンドブック２４光学機器２００２年度版５２８〜５３０頁（ＪＩＳＢ７４３２）

ところで、所定の形状に形成された光学プリズムや、２つの直角プリズムを組み合わせてなるビームスプリッタ等の光学素子においても複数の光学面の倒れ角度や分割角度の精度は重要となる。また、平行平板ガラスにおいても、表裏両面の平行性の精度が極めて重要となる場合もある。

このような光学プリズムや平行平板ガラスは、一般に、光測定で用いられるレーザ光等の測定光に対して透明性を有する材料で形成されているので、測定光を被検面に照射した際に、被検面から反射された被検光束だけではなく、被検面以外の面からの反射光が被検光束に重畳されて測定系に戻ってくる虞がある。このため、例えば光干渉計測により被検面の傾斜情報を担持した干渉縞を得ようとしても、他の面の傾斜情報がノイズ成分として干渉縞に重畳されてしまうために、被検面の傾斜角度の測定を高精度に行なえないという問題が生じる。なお、本明細書では、測定光を照射した際に、被検光束と重畳される、被検面以外の面からの反射光が生じるような物体を、多層反射物体と称する。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、光学プリズムのような多層反射物体を被検体とした場合でも、被検体が有する複数の光学面の相対傾斜角度を、高精度に測定することが可能な傾斜測定干渉計装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の傾斜測定干渉計装置は、以下のように構成されている。

すなわち、本発明に係る傾斜測定干渉計装置は、被検体が有する複数の光学面の相対傾
斜角度を測定する傾斜測定干渉計装置であって、
低可干渉性の光束を出力する光源部と、
該光源部からの前記光束を、前記被検体に照射される第１の光束と、基準光とされる第
２の光束とに分岐する分岐手段と、
前記被検体を所定の軸線周りに回転可能に支持し、該回転により前記複数の光学面の各
々を前記第１の光束の照射位置に順次移動させ得る回転支持手段と、
該回転支持手段による回転角度を検出する回転角度検出手段と、
前記被検体から反射された前記第１の光束を、前記基準光とされた前記第２の光束と合
波する合波手段と、
前記第２の光束の光路上において該第２の光束の軸線と略直交するように配置され、第１反射面によって前記第２の光束を反射する両面反射ミラーと、該両面反射ミラーを前記第２の光束の前記軸線の方向に移動可能に支持する移動ステージとを有し、前記照射位置に対して前記複数の光学面の各々が移動される毎に、該照射位置に位置した被検面から反射された被検光束と前記基準光とされた前記第２の光束との干渉により前記被検面の傾斜情報を担持した第１の干渉縞が得られるように、前記第１および第２の光束の少なくとも一方の光路長を調整する光路長調整手段と、
前記光源部とは異なる第２の光源から出射する光を、基準面で反射する光束と前記第１反射面に対向する第２反射面で反射する光束に分岐し、干渉させることによって得られる第２の干渉縞に基づいて、前記両面反射ミラーが移動した際の該両面反射ミラーの傾きを検出するミラー傾斜検出手段と、
前記第２の干渉縞から得られた前記両面反射ミラーの傾きを調節し、または前記両面反射ミラーの傾きに応じて補正し、前記複数の光学面それぞれに対応した前記第１の干渉縞に基づき、前記照射位置における前記複数の光学面それぞれの傾きを求め、求められた該傾きと検出された前記回転角度とに基づき、前記相対傾斜角度を求める解析手段と、を備えていることを特徴とする。

前記第１の干渉縞を得る際に、前記ミラー傾斜検出手段によって検出された前記両面反射ミラーの傾きに基づいて、前記第２の干渉縞がヌル縞状態になるように、前記両面反射ミラーの傾きを調節する傾き調節手段を備えることが好ましい。

前記解析手段は、前記第１の干渉縞と前記ミラー傾斜検出手段によって検出された前記両面反射ミラーの傾きとに基づき、前記両面反射ミラーの傾きの分を補正して前記相対傾斜角度を求めることが好ましい。

本発明に係る傾斜測定干渉計装置は、第１の光束が照射された際、前記照射位置に位置する被検面からの被検光束に重畳される、被検面以外の面からの反射光を発生させる多層反射物体における複数の光学面の相対傾斜角度を測定する場合に好適である。

本発明に係る傾斜測定干渉計装置によれば、光源部から出力される低可干渉性の光束を測定光として用いており、かつ回転支持手段によって照射位置に対する複数の光学面の移動が行なわれる毎に、被検面の傾斜情報を担持した干渉縞が得られるように光路長調整手段による光路長の調整が行なわれるので、被検体が多層反射物体であるために、被検面以外の他の面からの反射光が被検光束と重畳されてしまうような場合でも、この他の面からの反射光が基準光としての第２の光束と干渉することを防止することができる。

したがって、被検面の傾斜情報を担持した干渉縞に他の面の傾斜情報がノイズ成分として重畳されることを防止し得るので、複数の光学面それぞれの傾きを高精度に求めることができ、これらの各傾きと検出された回転角度とに基づき、複数の光学面の相対傾斜角度を高精度に測定することが可能となる。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る傾斜測定干渉計装置の概略構成図であり、図２は本実施形態における相対傾斜角度測定の手順を説明するための模式図である。

〈装置構成〉
図１に示す傾斜測定干渉計装置は、被検体１に関する干渉縞画像を得るためのマイケルソン型の干渉計２と、被検体１を回転可能に支持する回転支持手段３と、ミラー傾斜検出手段としてのフィゾー型の干渉計４と、得られた縞画像の解析等を行なう解析部５とを備えてなる。なお、本実施形態において被検体１は、図２に示すように、三角柱状の２つのプリズムが互いに接合されてなる立方体状のビームスプリッタであり、４つの光学面１１Ａ〜１１Ｄと、光束分岐面１２とを有してなる。

図１に示すように上記干渉計２は、低可干渉性の光束を出力する光源部２１と、該光源部２１から出射された光束を収束させる収束レンズ２２と、該収束レンズ２２を通過した光束の収束点に配されるピンホール２３ａを備えたピンホール板２３と、該ピンホール板２３からの発散光束を平行光束とするコリメータレンズ２４と、該コリメータレンズ２４からの光束を、被検体１に照射される第１の光束と基準光とされる第２の光束とに分岐する平行平板状のビームスプリッタ２５と、上記第２の光束が照射される平行平板状の両面反射ミラー６１を有する光路長調整手段６０とを備えている。

この干渉計２は、上記被検体１から反射された被検光束としての第１の光束と、上記両面反射ミラー６１の第１反射面６１ａから反射された基準光としての第２の光束とを、合波手段としての上記ビームスプリッタ２５において互いに干渉させることにより、上記光学面１１Ａ〜１１Ｄそれぞれの傾斜情報を担持した各干渉縞を得るように構成されており、得られた干渉縞を結像させる結像レンズ２６と、該干渉縞を撮像する撮像カメラ２７とを、上記構成と共に備えている。なお、上記光源部２１としては、白色光源やＳＬＤ（Super Luminescent Diode）、あるいは高調波が重畳されるように構成された半導体レーザ光源などを用いることができる。

上記光路長調整手段６０は、上記第２の光束の光路上において該第２の光束の軸線Ｌ_２と略直交するように配置された上記両面反射ミラー６１の他に、該両面反射ミラー６１を上記軸線Ｌ_２の方向に移動可能に支持する移動支持手段６２を備えてなり、該移動支持手段６２は、両面反射ミラー６１を保持するホルダ６３と、該ホルダ６３を、圧電素子６４を介して支持するブラケット６５と、該ブラケット６５を上記軸線Ｌ_２の方向に移動可能に保持する移動ステージ６６とを備えてなる。上記圧電素子６４は、いわゆる位相シフト法を用いたフリンジスキャン計測等を行なう際に駆動されるものであり、該駆動により上記両面反射ミラー６１を、上記軸線Ｌ_２の方向に微動させるように構成されている。また、上記移動ステージ６６は、図示せぬ傾き調整機構により、互いに直交する２軸（図１に１点鎖線で示す）の周りに回動可能に構成されており、この回動により両面反射ミラー６１の上記軸線Ｌ_２に対する傾き調整が行なわれるようになっている。

一方、上記回転支持手段３は、被検体１が載置される回転テーブル３１と、該回転テーブル３１を図２に示す軸線Ｒの周りに回転可能に保持する回転保持機構（図示略）とを備えてなり、回転テーブル３１上に載置された被検体１を軸線Ｒの周りに回転させることにより、上記４つの光学面１１Ａ〜１１Ｄの各々を上記第１の光束の軸線Ｌ_１と略直交する照射位置に順次移動させ得るように構成されている。また、この回転支持手段３は、回転角度検出手段としてのロータリエンコーダ（不図示）を備えており、回転テーブル３１の軸線Ｒ周りの回転角度を検出可能に構成されている。

また、図１に示すように上記干渉計４は、高可干渉性の光束を出力する光源部４１と、該光源部４１から出射された発散光束を平行光束とするコリメータレンズ４２と、該コリメータレンズ４２からの平行光束の光路上に配された平行平板状のビームスプリッタ４３（光束分岐面４３ａ）および基準板４４とを備えている。なお、この干渉計４において、上記コリメータレンズ４２からの平行光束の軸線Ｌ_３は、上記第２の光束の軸線Ｌ_２と平行になるように設定されている。

この干渉計４は、上記両面反射ミラー６１の第２反射面６１ｂから反射された光束と、上記基準板４４の基準面４４ａから反射された基準光との干渉により、上記両面反射ミラー６１の傾斜情報を担持した干渉縞を得るように構成されており、得られた干渉縞を結像させる結像レンズ４５と、該干渉縞を撮像する撮像カメラ４６とを、上記構成と共に備えている。

また、図１に示すように上記解析部５は、解析手段としてのコンピュータ５１と、キーボード等の入力装置５２と、表示装置５３とを備えてなる。この解析部５においては、上記撮像カメラ２７において撮像された干渉縞や、上記ロータリエンコーダにより検出された回転角度等の各情報がコンピュータ５１に入力され、これらの情報に基づきコンピュータ５１において、上記照射位置における上記光学面１１Ａ〜１１Ｄそれぞれの傾きが求められ、求められた各傾きと上記回転角度とに基づき、４つの光学面１１Ａ〜１１Ｄの相対傾斜角度が求められるようになっている。また、上記コンピュータ５１においては、上記撮像カメラ４６において撮像された干渉縞に基づき、上記両面反射ミラー６１の傾きを求めることも可能となっている。

〈測定手順〉
以下、上述した傾斜測定干渉計装置による上記被検体１の測定手順について説明する。なお、図２に示した３次元の直角座標系は、上記第１の光束の軸線Ｌ_１に対して設定されたものであり、３つの座標軸のうちのＸ軸が上記軸線Ｌ_１と平行となっている。また、以下の説明では、上記回転テーブル３１の回転の軸線Ｒと、上記第１の光束の軸線Ｌ_１とは、互いに直交するように調整されているものとする。

（１）回転テーブル３１上に被検体１をセットし、回転テーブル３１を軸線Ｒの周りに回転させて、４つの光学面１１Ａ〜１１Ｄのうちの光学面１１Ａが、上記第１の光束の軸線Ｌ_１と略直交する照射位置に位置するようにする。また、このときロータリエンコーダにより検出される回転角度を０度に初期設定する。

（２）光路長調整手段６０により、上記光学面１１Ａの傾斜情報を担持した干渉縞が得られるように、上記第２の光束の光路長を調整する。すなわち、ビームスプリッタ２５の光束分岐面２５ａから光学面１１Ａに至り、さらに光学面１１Ａで反射されて光束分岐面２５ａに戻るまでの上記第１の光束の光路長と、光束分岐面２５ａから両面反射ミラー６１の第１反射面６１ａに至り、さらに第１反射面６１ａで反射されて光束分岐面２５ａに戻るまでの上記第２の光束の光路長とが互いに等しくなるように、移動ステージ６６を用いて両面反射ミラー６１の位置を調整する。

（３）上記干渉計４により、上記両面反射ミラー６１の傾きを検出する。すなわち、干渉計４において、両面反射ミラー６１の第２反射面６１ｂから反射された光束と、上記基準板４４の基準面４４ａから反射された基準光との干渉により、上記両面反射ミラー６１の傾斜情報を担持した干渉縞を得る。この干渉縞を観察することにより、両面反射ミラー６１が傾いているか否かを判断する。すなわち、両面反射ミラー６１が傾いていない場合、上記第２反射面６１ｂと上記基準面４４ａとは互いに平行となるので、得られる干渉縞は、いわゆるヌル縞となる。一方、両面反射ミラー６１が傾いている場合には、その傾きに応じた縞模様が観察されることになる。

（４）観察される干渉縞がヌル縞状態となるように、移動ステージ６６の傾斜調整機構を用いて両面反射ミラー６１の傾きを調整する。

（５）光学面１１Ａを被検面として、その傾斜情報を担持した干渉縞を得る。すなわち、図１に示す干渉計２において、光源部２１から図中左方に出射された低可干渉性の光束が、収束レンズ２２、ピンホール板２３およびコリメータレンズをこの順で通過した後、平行光束としてビームスプリッタ２５に入射し、該ビームスプリッタ２５の光束分岐面２５ａにおいて、図中上方に直角に反射される第１の光束と、図中左方に出射される第２の光束とに分岐される。分岐された第１および第２の光束は、被検体１の光学面１１Ａおよび両面反射ミラー６１の第１反射面６１ａにおいて、それぞれ入射光路を逆進するように反射され、第１の光束は被検光束として、第２の光束は基準光として、ビームスプリッタ２５において互いに合波される。この合波により、光学面１１Ａの傾斜情報を担持した干渉縞が得られ、得られた干渉縞の画像が撮像カメラ２７により撮像される。

なお、第１の光束が光学面１１Ａに照射された際、被検体１からは、光学面１１Ａを通過して光束分岐面１２に至り、該光束分岐面１２で直角に反射されて光学面１１Ｄに入射し、さらに該光学面１１Ｄから反射され光束分岐面１２を経て上記軸線Ｌ_１を逆向きに戻る光束や、同様に光束分岐面１２、光学面１１Ｃ、および光束分岐面１２を経て上記軸線Ｌ_１を逆向きに戻る反射光が発生し、これらの反射光は第２の光束と合波される。しかし、これらは低可干渉性の光束であり、かつこれらの反射光の光路長が第２の光束の光路長と大きく異なるため、これらの反射光と第２の光束とは互いに干渉することがなく、これにより、光学面１１Ａの傾き測定に悪影響を及ぼすことが防止される。

（６）撮像された干渉縞に基づき、光学面１１Ａの上記照射位置における傾きを求める。すなわち、撮像された干渉縞により、図２に示す第１の光束の軸線Ｌ_１に対する光学面１１Ａの傾き（図２に示す、Ｙ軸回りの傾斜角度α_ＹおよびＺ軸回りの傾斜角度α_Ｚ）が、コンピュータ５１において解析される。なお、干渉縞に基づく面の傾きの解析手法としては、本願出願人により提案された、フーリエ変換を用いて被測定面の傾き成分を検出する方法（特開２００２−２５７５２９号公報参照）や、位相シフト法を用いて傾きを測定する従来公知の手法を用いることができる。

（７）回転テーブル３１を軸線Ｒの周りに時計回りに略９０度回転させて、光学面１１Ｂが上記第１の光束の軸線Ｌ_１と略直交するようにする。また、このときロータリエンコーダにより回転角度を検出する。

（８）上記（２）〜（６）の手順を同様に行ない、光学面１１Ｂの上記照射位置における傾きを求める。

（９）上記（７），（８）の手順を繰り返し行ない、光学面１１Ｃ，１１Ｄの上記照射位置における各傾きをそれぞれ求める。

（１０）求められた上記４つの光学面１１Ａ〜１１Ｄそれぞれの上記照射位置における傾きと、回転テーブル３１が回転する毎にロータリエンコーダにより検出された各回転角度とに基づき、４つの光学面１１Ａ〜１１Ｄの相対傾斜角度、例えば、面倒れ角度や分割角度を、コンピュータ５１において求める。なお、その算定方法については、前掲の特許文献１に詳しく記載されている。

上記手順では、被検体１の４つの光学面１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄをこの順に測定するようにしているが、測定の順序は適宜変更することができる。

以上説明したように、本実施形態の傾斜測定干渉計装置によれば、光源部２１から出力される低可干渉性の光束を測定光として用いており、かつ回転支持手段３によって照射位置に対する光学面１１Ａ〜１１Ｄの移動が行なわれる毎に、被検面の位相情報を担持した干渉縞が得られるように光路長調整手段６０による光路長の調整が行なわれるので、被検体１がビームスプリッタのような多層反射物体であっても、被検面以外の他の面からの反射光が第２の光束と干渉することを防止することができる。

したがって、被検面の傾斜情報を担持した干渉縞に他の面の傾斜情報がノイズ成分として重畳されることを防止し得るので、４つの光学面１１Ａ〜１１Ｄそれぞれの傾きを高精度に求めることができ、これらの各傾きと、検出された回転テーブル３１の回転角度とに基づき、４つの光学面１１Ａ〜１１Ｄの面倒れ角度や分割角度を高精度に測定することが可能である。

〈態様の変更〉
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。

例えば、上記実施形態においては、両面反射ミラー６１が移動される毎に、干渉計４により得られる干渉縞に基づき、両面反射ミラー６１の傾き調整が行なわれるようになっているが、傾き調整をその都度行なわずに、得られた干渉縞に基づきコンピュータ５１において両面反射ミラー６１の傾きを求めておき、４つの光学面１１Ａ〜１１Ｄの傾きを求める際に、両面反射ミラー６１の傾きの分を補正するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、両面反射ミラー６１の傾きを干渉計４により検出しているが、オートコリメータ等の他の手段により傾きを検出するようにしてもよい。

また、上記実施形態の干渉計２はマイケルソン型をベースとして構成されているが、測定光としての第１の光束の光路長と、基準光としての第２の光束との光路長とを、互いに等しく調整し得るものであれば、マッハツェンダ型やフィゾー型をベースとした他のタイプの干渉計を用いることも可能である。

また、上記実施形態では、被検体１が多層反射物体のビームスプリッタとされているが、本発明の傾斜測定干渉計装置は、光学プリズムや平行平板ガラス等の他の多層反射物体や、多層反射物体以外の、例えば、ポリゴンミラーなど複数の光学面を有する種々の物体を被検体として測定することが可能である。

本発明の一実施形態に係る傾斜測定干渉計装置の概略構成図測定手順を説明するための模式図

符号の説明

１被検体
２干渉計
３回転支持手段
４干渉計（ミラー傾斜検出手段）
５解析部
１１Ａ〜Ｄ光学面
１２，２５ａ，４３ａ光束分岐面
２１（低可干渉性の光束を出力する）光源部
２２収束レンズ
２３ピンホール板
２３ａピンホール
２４，４２コリメータレンズ
２５，４３ビームスプリッタ
２６，４５結像レンズ
２７，４６撮像カメラ
３１回転テーブル
４１（高可干渉性の光束を出力する）光源部
４４基準板
４４ａ基準面
５１コンピュータ（解析手段）
５２入力装置
５３表示装置
６０光路長調整手段
６１両面反射ミラー
６１ａ第１反射面
６１ｂ第２反射面
６２移動支持手段
６３ホルダ
６４圧電素子
６５ブラケット
６６移動ステージ
Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３（光束の）軸線
Ｒ（回転テーブルの）軸線
Ｘ，Ｙ，Ｚ座標軸
α_Ｙ，α_Ｚ傾斜角度

Claims

被検体が有する複数の光学面の相対傾斜角度を測定する傾斜測定干渉計装置であって、
低可干渉性の光束を出力する光源部と、
該光源部からの前記光束を、前記被検体に照射される第１の光束と、基準光とされる第２の光束とに分岐する分岐手段と、
前記被検体を所定の軸線周りに回転可能に支持し、該回転により前記複数の光学面の各々を前記第１の光束の照射位置に順次移動させ得る回転支持手段と、
該回転支持手段による回転角度を検出する回転角度検出手段と、
前記被検体から反射された前記第１の光束を、前記基準光とされた前記第２の光束と合波する合波手段と、
前記第２の光束の光路上において該第２の光束の軸線と略直交するように配置され、第１反射面によって前記第２の光束を反射する両面反射ミラーと、該両面反射ミラーを前記第２の光束の前記軸線の方向に移動可能に支持する移動ステージとを有し、前記照射位置に対して前記複数の光学面の各々が移動される毎に、該照射位置に位置した被検面から反射された被検光束と前記基準光とされた前記第２の光束との干渉により前記被検面の傾斜情報を担持した第１の干渉縞が得られるように、前記第１および第２の光束の少なくとも一方の光路長を調整する光路長調整手段と、
前記光源部とは異なる第２の光源から出射する光を、基準面で反射する光束と前記第１反射面に対向する第２反射面で反射する光束に分岐し、干渉させることによって得られる第２の干渉縞に基づいて、前記両面反射ミラーが移動した際の該両面反射ミラーの傾きを検出するミラー傾斜検出手段と、
前記第２の干渉縞から得られた前記両面反射ミラーの傾きを調節し、または前記両面反射ミラーの傾きに応じて補正し、前記複数の光学面それぞれに対応した前記第１の干渉縞に基づき、前記照射位置における前記複数の光学面それぞれの傾きを求め、求められた該傾きと検出された前記回転角度とに基づき、前記相対傾斜角度を求める解析手段と、
を備えていることを特徴とする傾斜測定干渉計装置。
前記第１の干渉縞を得る際に、前記ミラー傾斜検出手段によって検出された前記両面反射ミラーの傾きに基づいて、前記第２の干渉縞がヌル縞状態になるように、前記両面反射ミラーの傾きを調節する傾き調節手段を備えることを特徴とする請求項１記載の傾斜測定干渉計装置。
前記解析手段は、前記第１の干渉縞と前記ミラー傾斜検出手段によって検出された前記両面反射ミラーの傾きとに基づき、前記両面反射ミラーの傾きの分を補正し、前記相対傾斜角度を求めることを特徴とする請求項１記載の傾斜測定干渉計装置。