JP4853938B2 - 波面測定用干渉計装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源部から出射される光ビームの波面測定を行なう波面測定用干渉計装置に関するものである。

従来の波面測定用干渉計装置は、図５に示すようなマッハツェンダ型干渉計の光学系配置を備えたものが一般的である。

図５に示された波面測定用干渉計装置では、光源部１０１から出射された光ビームが、ビームスプリッタ１０２により２つの光束に分離される。この２つの光束の一方は、収束レンズ１０３により収束せしめられ、その収束点に配置されたピンホール１０４に入射する。このピンホール１０４は収束した光束の回折限界よりも小径に構成されており、ピンホール１０４の裏面側からは波面整形された理想的な球面波が射出されるようになっている。この球面波はコリメータレンズ１０５に入射して平面波に変換され、その後ミラー１０６により直角に反射されて、基準光としてビームスプリッタ１０７に入射する。

上記ビームスプリッタ１０２で分離された他方の光束は、ミラー１０８により直角に反射された後、収束レンズ１０９により収束されるが、その収束点にピンホールは配置されていない。このため波面整形は行なわれず、収束レンズ１０９を透過した光束は一旦収束した後に発散しながらコリメータレンズ１１０に入射して平行光とされ、その後ビームスプリッタ１０７に被検光として入射する。

上記基準光と上記被検光とが合波されることにより干渉光が得られ、この干渉光が結像レンズ１１１を介して撮像カメラ１１２内に取り込まれる。この撮像カメラ１１２により撮像された干渉縞に基づき、上記光ビームの波面測定が行なわれるようになっている。

上述したようなピンホールは理想的な球面波を形成する機能を備えているが、形成された球面波はピンホールの裏面側に射出されるようになっている。これに対し、入射光束の一部を理想的な球面波に変換して、これを入射方向と逆向きに反射させる機能を備えたもの（以下、「反射回折部」と称する）も知られている。このような反射回折部は、反射型ピンホール等とも称され、ガラス基板上に微小な反射領域を形成したものや、針状部材の先端に微小な反射領域を形成したもの（下記特許文献１参照）、あるいは通常のピンホールの裏面側直近に反射面を配置したもの（下記特許文献２参照）などが知られている。

特開２０００−９７６１２号公報 特開昭５８−６０５９０号公報

上述したような従来のマッハツェンダ型の波面測定用干渉計装置は、ビームスプリッタやミラー等の光学素子の配置が対称的であり、干渉させる２つの光束はこれらの光学素子をそれぞれの光路において対称的に１回ずつ通過するようになっているため、対称配置される光学素子の光学特性を揃えれば、各々が有する収差等が測定結果に悪影響を及ぼし難いという特徴を有している。このため、マッハツェンダ型の波面測定用干渉計装置は、光ビームの波面測定において汎用性の高い測定装置として一般的に用いられている。

しかしながら、マッハツェンダ型の波面測定用干渉計装置は、光学系の部品点数が多く調整箇所も多岐にわたるため、光学系の調整が非常に難しいという問題がある。また、基準光の光路と被検光の光路を空間的に離して配置しなければならないため、装置が大型化するという問題もある。また、基準光と被検光が別々の光路を通過する構成のため振動の影響を受けやすいことや、位相シフト機構の設置が難しいなどの問題もある。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、構成簡易でコンパクトな光学系を備え、かつ光学系の調整を容易に行なうことが可能な実用性の高い波面測定用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波面測定用干渉計装置は、以下のように構成されている。すなわち、本発明に係る波面測定用干渉計装置は、所定の光源部から出射され、ビームスプリッタの分離面を透過した光ビームを被検光束として入射方向と逆向きに反射する半透過反射面、前記半透過反射面を透過した透過光束を収束させる収束レンズと、該収束レンズの収束点に配置された微小な反射回折部とを有してなり、前記半透過反射面より入射した前記透過光束の一部を波面整形された基準光束に変換し、該基準光束を前記半透過反射面に向けて射出する基準光生成手段、および前記ビームスプリッタを含み、前記基準光束と前記被検光束とが合波されてなる干渉光を前記ビームスプリッタの前記分離面で反射して検出面に導き、該検出面上に干渉縞を形成する結像部を備え、前記検出面上に形成された前記干渉縞に基づき、前記光ビームの波面測定を行なうように構成され、前記基準光生成手段は、互いに大きさの異なる複数の反射回折部を、回転可能な基板上に保持したものであり、これら複数の反射回折部のうちの１つを、該基板を回転させることにより選択的に前記収束点に配置し得るように構成されていることを特徴とするものである。

上記「微小な反射回折部」とは、該反射回折部に収束する光束の回折限界よりも小さく構成され、収束光束の一部を波面整形された球面波として反射する機能を有するものをいう。このような反射回折部としては、種々の構成のものを用いることが可能であるが、具体的態様として例えば、基板上に微小な反射領域を形成したもの、針状部材の先端に微小な反射領域を形成したもの、あるいはピンホールの裏面側直近に反射面を配置したものなどを挙げることができる。

また、本発明の他の波面測定用干渉計装置は、所定の光源部から出射され、ビームスプリッタの分離面を透過した光ビームを被検光束として入射方向と逆向きに反射する半透過反射面、前記半透過反射面を透過した透過光束を収束させる収束レンズと、該収束レンズの収束点に配置された微小な反射回折部とを有してなり、前記半透過反射面より入射した前記透過光束の一部を波面整形された基準光束に変換し、該基準光束を前記半透過反射面に向けて射出する基準光生成手段、および前記ビームスプリッタを含み、前記基準光束と前記被検光束とが合波されてなる干渉光を前記ビームスプリッタの前記分離面で反射して検出面に導き、該検出面上に干渉縞を形成する結像部を備え、前記検出面上に形成された前記干渉縞に基づき、前記光ビームの波面測定を行なうように構成され、前記基準光生成手段は、前記反射回折部を曲面状の基板上に保持したものであり、前記収束レンズを介して該反射回折部の周辺領域に入射した前記透過光束が前記収束レンズへ向けて反射されることを抑制し得るように構成されていることを特徴とするものである。
また、本発明の別の波面測定用干渉計装置は、所定の光源部から出射され、ビームスプリッタの分離面を透過した光ビームを被検光束として入射方向と逆向きに反射する半透過反射面、前記半透過反射面を透過した透過光束を収束させる収束レンズと、該収束レンズの収束点に配置された微小な反射回折部とを有してなり、前記半透過反射面より入射した前記透過光束の一部を波面整形された基準光束に変換し、該基準光束を前記半透過反射面に向けて射出する基準光生成手段、および前記ビームスプリッタを含み、前記基準光束と前記被検光束とが合波されてなる干渉光を前記ビームスプリッタの前記分離面で反射して検出面に導き、該検出面上に干渉縞を形成する結像部を備え、前記検出面上に形成された前記干渉縞に基づき、前記光ビームの波面測定を行なうように構成され、前記反射回折部は、ピンホールと該ピンホールの裏面側直近に配置された反射面とからなるものであり、該ピンホールと該反射面との相対位置を該反射面に沿ってずらし得るように構成されていることを特徴とするものである。

また、本発明において、前記半透過反射面および前記基準光生成手段の少なくとも一方を光軸方向に移動させることにより、これらの間の光学距離を調整する光路長調整手段を備えることもできる。

本発明に係る波面測定用干渉計装置によれば、従来のマッハツェンダ型のものにおいては、２つのビームスプリッタがそれぞれ担っていた別個の機能、すなわち光源部からの光ビームを基準光と被検光とに分波する機能と、これらを合波する機能とを１つの半透過反射面が担っているため、光学系を構成簡易かつコンパクトに配置することが可能であり、また光学系の調整も容易に行なうことができる。したがって、レーザ光等のコヒーレント光に対してその波面測定を容易に実施することができるとともに、装置の設置スペースの確保が容易であるなど実用性が極めて高い。

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波面測定用干渉計装置の概略構成図である。

図１に示す波面測定用干渉計装置１０は、光源部１１から出射される光ビームの波面測定を実施するものであり、光源部１１より図中右方に延びる光路上に配置された、ビームスプリッタ１３，半透過反射板１５，基準光生成手段２３、ビームスプリッタ１３の図中下方に配置された結像レンズ２５，撮像カメラ２７を備えている。また、波面測定用干渉計装置１０は、撮像カメラ２７からの画像信号に基づき各種解析を行なうコンピュータ３３，該コンピュータ３３による解析結果や画像を表示する表示装置３４，およびキーボードやマウス等からなる入力装置３５を備えている。なお、本実施形態においては、ビームスプリッタ１３，結像レンズ２５，撮像カメラ２７により、本発明における結像部が構成されている。

また、本実施形態において上記光源部１１は、固体レーザや半導体レーザまたはガスレーザ等からなる光源本体１１ａと、ビームエキスパンダ，コリメータレンズ，シリンドリカルレンズ等のいくつかを適宜に組み合わせてなる（単独で用いることが可能なものについては、単独で用いる場合を含む）ビーム光学系１１ｂとを備え、単一縦モードやマルチ縦モードの光ビームを平行光として図中右方に出射するように構成されている。なお、光源本体１１ａとして、例えば、固体レーザ等からのレーザ光を、光ファイバを介して出力するように構成されたものを用いることもできる。また、この光源部１１は、レーザ光出力装置として各種装置に組み込まれて用いられるものであり、光ビーム測定装置１０の構成要素ではない。

以下、上述した波面測定用干渉計装置１０の構成要素の詳細について説明する。上記半透過反射板１５は、光路長調整手段としてのフリンジスキャンアダプタ３６に保持されている。このフリンジスキャンアダプタ３６は、ホルダ３７および圧電素子３８からなり、該圧電素子３８の駆動により上記半透過反射板１５を光軸方向に移動させ、該半透過反射板１５と上記基準光生成手段２３との間の光学距離を調整するように構成されている。なお、上記圧電素子３８の駆動はドライバ３９を介してコンピュータ３３により制御されるようになっている。

また、上記基準光生成手段２３は、図中左方より入射した平行光束を１点に収束させる収束レンズ１７と、この収束レンズ１７の収束点に配置された反射回折部１９とを備えてなる。この反射回折部１９は、例えば、基板２１上に蒸着等により形成された、金，アルミニューム，クロム等の金属膜からなり、反射回折部１９の大きさは、入射する収束光束の回折限界よりも小さく構成されている。

以下、波面測定用干渉計装置１０の測定時における作用を説明する。上記光源部１１から図中右方に射出された光ビームの一部は、上記ビームスプリッタ１３を介して半透過反射板１５に向かい、該半透過反射板１５の半透過反射面１５ａにおいて、入射方向と逆向きに反射される被検光束と、該半透過反射板１５を透過して上記基準光生成手段２３に向かう透過光束とに分離され、該透過光束は上記基準光生成手段２３の上記収束レンズ１７に入射する。

この収束レンズ１７に入射した上記透過光束は、該収束レンズ１７により収束せしめられ、その収束点に配置された上記反射回折部１９に入射する。この反射回折部１９に入射した上記透過光束の一部は、該反射回折部１９において波面整形された球面波に変換され、上記収束レンズ１７に向けて反射される。この球面波は、収束レンズ１７において平面波に変換され、基準光束として上記半透過反射板１５に向けて射出される。

この基準光束が半透過反射板１５を透過し、上記半透過反射面１５ａで反射された上記被検光束と合波されることにより干渉光が得られる。この干渉光は、上記ビームスプリッタ１３を介して上記結像レンズ２５に入射し、該結像レンズ２５を介して上記撮像カメラ２７に取り込まれる。この撮像カメラ２７は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子で構成される検出面２７ａを備えており、上記結像レンズ２５を介して該検出面２７ａ上に形成された干渉縞を撮像するように構成されている。撮像された干渉縞の画像情報は上記コンピュータ３３に入力され、この画像情報に基づき上記光ビームの波面測定が行なわれる。なお、上記フリンジスキャンアダプタ３６により上記半透過反射面１５ａを光軸方向に微動させ、上記基準光束と上記被検光束との光路長差を少しずつ変動させながら干渉縞を撮像する、いわゆるフリンジスキャン測定を実施することにより、より詳細な波面測定結果を得ることができる。

上述したように本実施形態の波面測定用干渉計装置１０によれば、従来のマッハツェンダ型のものにおいては、２つのビームスプリッタがそれぞれ担っていた別個の機能、すなわち光源部からの光ビームを基準光と被検光とに分波する機能と、これらを合波する機能とを１つの半透過反射面が担っているため、光学系を構成簡易かつコンパクトに配置することが可能であり、また光学系の調整も容易に行なうことができる。したがって、上記光源部１１から出射されるレーザ光等のコヒーレント光に対してその波面測定を容易に実施することができるとともに、装置の設置スペースの確保が容易である。

また、これまで可干渉距離の極めて短いマルチ縦モードレーザ光の波面測定は、基準光束および被検光束の２つの光束の光路長差を高精度にゼロに調整しなければ、コントラストが良好な干渉縞を得ることができないため、光学系の調整が難しい従来の波面測定用干渉計装置による実施が困難であった。これに対し、上記波面測定用干渉計装置１０では、フリンジスキャンアダプタ３６を用いて半透過反射面１５ａの位置を変えることにより、２つの光束の光路長差の調整を容易に行なうことができる。このため、マルチ縦モードレーザ光の波面測定も高精度に実施することが可能である。

以下、反射回折部１９の変形例について、図２〜図４を参照しながら説明する。図２に示す反射回折部１９Ｅは、例えば、球面等の曲面状に形成された基板２１Ｂ上に蒸着等により形成された金属膜からなる。この態様のものでは、基板２１Ｂが曲面状に形成されていることにより、図中左方に配置される収束レンズ（図示略）から該基板２１Ｂ上に入射した収束光束が上記収束レンズに向けて反射されることを抑制し得るようになっており、これによりノイズ光発生の抑制が図られている。

図３に示す反射回折部１９Ａ〜１９Ｄは、例えば、円板状に形成された基板２１Ａ上に蒸着等により形成された金属膜からなり、各反射回折部１９Ａ〜１９Ｄの大きさが互いに異なるように構成されている。また、基板２１Ａは回転軸４４を中心として紙面に沿って回転可能に構成されている。この態様のものでは、測定対象となる光ビームの波長や、紙面手前側に配置される収束レンズのＮＡ等に応じて、該収束レンズの収束点に上記反射回折部１９Ａ〜１９Ｄのうちの１つを選択的に配置し得るようになっている。

図４に示す反射回折部１９Ｆは、入射する収束光束の回折限界よりも小さく形成されたピンホール４５と、該ピンホール４５の裏面側直近に配置された反射面４７とから構成されている。この態様のものでは、ピンホール４５と反射面４７との相対的位置を該反射面４７に沿ってずらしても波面整形の機能が変わらない。このため、反射面４７の、ピンホール４５から臨む部分が破損してその機能が損なわれた場合に、ピンホール４５と反射面４７とを相対的にずらすことにより、容易に機能の修復が図れるという利点がある。

なお、上記実施形態では図１に示すように、ビームスプリッタ１３の紙面内右側に半透過反射板１５および基準光生成手段２３が配置され、光源部１１からビームスプリッタ１３に入射した光ビームのうち分離面１３ａを透過した光束が半透過反射面１５ａに向かうように構成されているが、ビームスプリッタ１３の紙面内上側に半透過反射板１５および基準光生成手段２３を配置して、光源部１１からビームスプリッタ１３に入射した光ビームのうち分離面１３ａで直角に反射された光束が半透過反射面１５ａに向かうように構成してもよい。

本発明の一実施形態に係る波面測定用干渉計装置の概略構成図 反射回折部の変形例を示す図 反射回折部の他の変形例を示す図 反射回折部のその他の変形例を示す図 従来の波面測定用干渉計装置の概略構成図

符号の説明

１０ 波面測定用干渉計装置
１１，１０１ 光源部
１１ａ 光源本体
１１ｂ ビーム光学系
１３，１０２，１０７ ビームスプリッタ
１３ａ 分離面
１５ 半透過反射板
１５ａ 半透過反射面
１７，１０３，１０９ 収束レンズ
１９，１９Ａ〜１９Ｆ 反射回折部
２１，２１Ａ，２１Ｂ 基板
２３ 基準光生成手段
２５ 結像レンズ
２７ 撮像カメラ
２７ａ 検出面
３３ コンピュータ
３４ 表示装置
３５ 入力装置
３６ フリンジスキャンアダプタ
３７ ホルダ
３８ 圧電素子
３９ ドライバ
４４ 回転軸
４５，１０４ ピンホール
４７ 反射面
１０６，１０８ ミラー
１０５，１１０ コリメータレンズ
１１１ 結像レンズ
１１２ 撮像カメラ

Claims (4)

1. 所定の光源部から出射され、ビームスプリッタの分離面を透過した光ビームを被検光束として入射方向と逆向きに反射する半透過反射面、
   前記半透過反射面を透過した透過光束を収束させる収束レンズと、該収束レンズの収束点に配置された微小な反射回折部とを有してなり、前記半透過反射面より入射した前記透過光束の一部を波面整形された基準光束に変換し、該基準光束を前記半透過反射面に向けて射出する基準光生成手段、
   および前記ビームスプリッタを含み、前記基準光束と前記被検光束とが合波されてなる干渉光を前記ビームスプリッタの前記分離面で反射して検出面に導き、該検出面上に干渉縞を形成する結像部を備え、
   前記検出面上に形成された前記干渉縞に基づき、前記光ビームの波面測定を行なうように構成され、
   前記基準光生成手段は、互いに大きさの異なる複数の反射回折部を、回転可能な基板上に保持したものであり、これら複数の反射回折部のうちの１つを、該基板を回転させることにより選択的に前記収束点に配置し得るように構成されていることを特徴とする波面測定用干渉計装置。
2. 所定の光源部から出射され、ビームスプリッタの分離面を透過した光ビームを被検光束として入射方向と逆向きに反射する半透過反射面、
   前記半透過反射面を透過した透過光束を収束させる収束レンズと、該収束レンズの収束点に配置された微小な反射回折部とを有してなり、前記半透過反射面より入射した前記透過光束の一部を波面整形された基準光束に変換し、該基準光束を前記半透過反射面に向けて射出する基準光生成手段、
   および前記ビームスプリッタを含み、前記基準光束と前記被検光束とが合波されてなる干渉光を前記ビームスプリッタの前記分離面で反射して検出面に導き、該検出面上に干渉縞を形成する結像部を備え、
   前記検出面上に形成された前記干渉縞に基づき、前記光ビームの波面測定を行なうように構成され、
   前記基準光生成手段は、前記反射回折部を曲面状の基板上に保持したものであり、前記収束レンズを介して該反射回折部の周辺領域に入射した前記透過光束が前記収束レンズへ向けて反射されることを抑制し得るように構成されていることを特徴とする波面測定用干渉計装置。
3. 所定の光源部から出射され、ビームスプリッタの分離面を透過した光ビームを被検光束として入射方向と逆向きに反射する半透過反射面、
   前記半透過反射面を透過した透過光束を収束させる収束レンズと、該収束レンズの収束点に配置された微小な反射回折部とを有してなり、前記半透過反射面より入射した前記透過光束の一部を波面整形された基準光束に変換し、該基準光束を前記半透過反射面に向けて射出する基準光生成手段、
   および前記ビームスプリッタを含み、前記基準光束と前記被検光束とが合波されてなる干渉光を前記ビームスプリッタの前記分離面で反射して検出面に導き、該検出面上に干渉縞を形成する結像部を備え、
   前記検出面上に形成された前記干渉縞に基づき、前記光ビームの波面測定を行なうように構成され、
   前記反射回折部は、ピンホールと該ピンホールの裏面側直近に配置された反射面とからなるものであり、該ピンホールと該反射面との相対位置を該反射面に沿ってずらし得るように構成されていることを特徴とする波面測定用干渉計装置。
4. 前記半透過反射面および前記基準光生成手段の少なくとも一方を光軸方向に移動させることにより、これら半透過反射面および基準光生成手段の間の光学距離を調整する光路長調整手段を備えていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の波面測定用干渉計装置。

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