JP4853941B2 - 波面測定用干渉計装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検光束の波面情報を担持した干渉光を得るための干渉光学系により得られた干渉光に基づき被検光束の波面測定を行う干渉計装置に関する。

従来、波面測定の対象とされる被検光束を２光束に分離し、一方の光束を波面整形した後に他方の光束と干渉させることにより得られる干渉縞に基づき、被検光束の波面測定を行なう波面測定用の干渉計装置が知られている。この種の干渉計装置としては、干渉させる２つの光束が分岐された別々の光路を通過するマッハツェンダ型の干渉光学系を備えたものがこれまで一般的であったが、本願出願人は、反射型の波面整形手段を用いることにより、干渉させる２つの光束が１つの光軸に沿って通過するフィゾー型の干渉光学系を採ることを可能とした波面測定用の干渉計装置を創案し、既に特許庁に開示している（下記特許文献１、２参照）。

このフィゾー型の干渉光学系を備えた新型の波面測定用干渉計装置は、従来型の波面測定用干渉計装置に比べ、干渉光学系の構成が簡易かつコンパクトであり、またフィゾー型の干渉光学系はマッハツェンダ型のものに比べ振動等の影響を受け難くアライメントも容易に調整することができるので、被検光束の波面測定を容易に実施することができるなどの特徴を備えている。

特願２００４−１６８９６５号明細書 特願２００４−１６８９６６号明細書

しかし、この新型の波面測定用干渉計装置におけるフィゾー型の干渉光学系では、光束分離面で分離された２つの光束が再び光束分離面で合波されるまでに辿る各々の光路長が互いに異なるように設定されているので、被検光束の可干渉距離が長い場合の波面測定には適しているが、被検光束の可干渉距離が短い場合には、被検光束の波面情報が担持された干渉光を得ることが難しいため、波面測定を実施し難いという一面がある。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、構成簡易でアライメントが容易に行なえ、かつ低可干渉性の被検光束の波面測定に適した波面測定用干渉光学系を備えた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では、収束する被検光束の光路上に光束分離手段を配するとともに、この光束分離手段において分離された２光束のうちの、一方の光束の略収束点に反射型の波面整形手段を、他方の光束の略収束点に光束反射手段をそれぞれ配置して、被検光束の可干渉距離が短い場合でも、干渉光が得られるようにしている。

すなわち、本発明に係る波面測定用干渉計装置は、波面測定の対象とされ、光軸上に配されたビームスプリッタの分離面を透過して入射した被検光束を収束させて出力する収束レンズと、
前記収束レンズから出力された前記被検光束の光路上において、入射した該被検光束を該収束レンズの光軸に沿って互いに逆向きに進む２光束に分離し各々を出力する光束分離手段と、
前記光束分離手段から出力された前記２光束のうちの一方の光束の略収束点において、入射した該一方の光束を波面整形して基準光束となし、該基準光束を前記光束分離手段に向けて出力する、微小な反射回折部を有してなる波面整形手段と、
前記光束分離手段から出力された前記２光束のうちの他方の光束の略収束点において、入射した該他方の光束を前記光束分離手段に向けて反射するミラーまたはハーフミラーからなる光束反射手段と、
が前記光軸上において互いに分離した別部材として配設されるとともに、
前記光束分離手段から前記波面整形手段を経て前記光束分離手段に至る光路長と、前記光束分離手段から前記光束反射手段を経て前記光束分離手段に至る光路長との差が、前記被検光束の可干渉距離以下となるように設定され、
前記光束反射手段からの反射光束と前記基準光束とを前記光束分離手段において合波することにより、前記被検光束の波面情報を担持した干渉光を得、該干渉光を前記収束レンズから出力する波面測定用干渉光学系と、
前記ビームスプリッタを含み、前記波面測定用干渉光学系から出力された前記干渉光を前記ビームスプリッタの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系と、
前記検出面上に形成された前記干渉縞の解析を行う解析手段と、
を備えてなることを特徴とする。

前記光束反射手段、前記光束分離手段、および前記波面整形手段は、前記収束レンズの光軸上において、該収束レンズ側よりこの順序で配設することや、波面整形手段、光束分離手段、光束反射手段の順序で配設することができ、後者の配設順序を採る場合には、波面整形手段を、反射回折部が、この収束レンズの、光束分離手段側の面上に設けられた構成とすることができる。

なお、「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により大きさが決められ（望ましくは回折限界よりも小さく構成され）、収束光束を波面整形された理想的な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。

本発明に係る波面測定用干渉光学系によれば、収束手段から出力される被検光束は光束分離手段において２光束に分離され、一方の光束は波面整形手段により波面整形され基準光束として光束分離手段に戻り、他方の光束は反射面で反射されて光束分離手段に戻って、光束分離手段において互いに合波される。

光束分離手段から波面整形手段を経て光束分離手段に至る光路長と、光束分離手段から光束反射手段を経て光束分離手段に至る光路長との差は、被検光束の可干渉距離以下となるように設定されるので、被検光束が低可干渉光束である場合でも、光束反射手段からの反射光束と基準光束とを光束分離手段において合波することにより、被検光束の波面情報を担持した干渉光を得ることが可能となる。

また、光束分離手段、光束反射手段、および波面整形手段は、収束手段の光軸上に配設されるので、全体としてフィゾー型の光学系配置を採ることが可能となる。このため、振動等の影響を受け難くアライメントも容易に調整し得る干渉光学系を、構成簡易かつコンパクトに得ることが可能となる。

また、本発明に係る波面測定用干渉計装置によれば、本発明に係る波面測定用干渉光学系を備えていることにより、被検光束が低可干渉光束である場合でも、その波面測定を容易かつ高精度に実施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波面測定用干渉計装置の概略構成を示す図であり、図２は本発明に係る波面測定用干渉光学系の第１実施形態を示す図である。

〈波面測定用干渉計装置の構成〉
図１に示す波面測定用干渉計装置（以下「本実施形態装置」と称する）は、被検光源１０から出射される被検光束の波面測定を実施するものであり、被検光束の波面情報を担持した干渉光を得るための干渉光学系２０と、得られた干渉光を検出面に導き検出面３４上に干渉縞を形成する結像系３０と、検出面３４上に形成された干渉縞の解析を行なう解析手段４０とを備えてなる。

上記被検光源１０は、例えば、半導体レーザ等の光源本体１１と、コリメータレンズ等のビーム光学系１２とからなり、光ピックアップ用のＬＤ光束を平行光として上記干渉光学系２０に出力するように構成されたものとされる。このような光ピックアップ用のＬＤ光束は、その可干渉距離を短くするために高調波が重畳されて使用される場合があり、本実施形態装置では、このような低可干渉性のＬＤ光束を被検光束とすることを想定している。なお、この被検光源１０は、光ピックアップ装置等に組み込まれて用いられるものであり、本実施形態装置の構成要素ではない。

上記干渉光学系２０は、本発明に係る波面測定用干渉光学系の第１実施形態を構成するものであり、収束手段としての収束レンズ２１と、光束反射手段としての第１のハーフミラー２２と、光束分離手段としての第２のハーフミラー２３と、波面整形手段２４とからなり、被検光源１０から出力された被検光束の波面情報を担持した干渉光を得るように構成されている。なお、この干渉光学系２０の構成および作用は、本実施形態装置における本発明の要点となるものであり、これらについては後述する。

上記結像系３０は、ビームスプリッタ３１と、結像レンズ３２と、撮像カメラ３３とからなり、上記干渉光学系２０により得られた干渉光を、ビームスプリッタ３１の分離面３１ａおよび結像レンズ３２を介して撮像カメラ３３に取り込むように構成されている。この撮像カメラ３３は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子で構成される検出面３４を備えており、上記結像レンズ３２を介して該検出面３４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。

また、上記解析手段４０は、撮像カメラ３３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４１と、該コンピュータ４１による解析結果や画像を表示する表示装置４２と、キーボードやマウス等からなる入力装置４３とからなり、撮像カメラ３３により撮像された干渉縞に基づき、被検光束の波面の測定解析を行なうように構成されている。

〈波面測定用干渉光学系の構成および作用〉
以下、上述した干渉光学系２０の構成および作用の詳細について説明する。図２に示すように、この干渉光学系２０においては、収束レンズ２１、第１のハーフミラー２２、第２のハーフミラー２３、および波面整形手段２４が、収束レンズ２１の光軸上において収束レンズ２１側よりこの順序で配設されている。

上記収束レンズ２１は、図中左方より入射する平行光とされた被検光束を、収束させて図中右方に出力するように構成されており、上記第１のハーフミラー２２、上記第２のハーフミラー２３、および上記波面整形手段２４は、この収束レンズ２１から出力された収束する被検光束の光路上に、それぞれ配設されている。

上記第２のハーフミラー２３は、その、図中左側を向く面が、収束レンズ２１の光軸と直交する、ハーフミラー面（図２では、ハーフミラー面を「ＨＭ」と表示している。このことは図３〜図５においても同じ）からなる光束分離面２３ａとされており、収束レンズ２１より上記第１のハーフミラー２２を介して入射した被検光束を、この光束分離面２３ａにおいて２光束に分離し、一方の光束を入射の向きと同じ向きに、他方の光束を入射の向きとは逆向きに、それぞれ出力するように構成されている。なお、この第２のハーフミラー２３の裏面２３ｂには反射防止膜（ＡＲコート）処理（図２では、ＡＲコート面を「ＡＲ」と表示している。このことは図３〜図５においても同じ）が施されている。

上記波面整形手段２４は、透明なガラス基板２５と、その表面２５ａ上に設けられた微小な反射回折部２６とからなり、この反射回折部２６が、上記第２のハーフミラー２３から図中右方に出力された上記一方の光束の略収束点に位置するように配されている。この反射回折部２６は、例えば、ガラス基板２５の表面２５ａ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、その大きさは、入射する上記一方の光束の回折限界よりも小さく構成されている。そして、図中左方から入射する上記一方の光束の一部を波面整形して基準光束となし、該基準光束を上記第２のハーフミラー２３に向けて出力するように構成されている。なお、上記ガラス基板２５の表面２５ａには、反射防止膜処理が施されている。

上記第１のハーフミラー２２は、その、図中左側を向く第１面２２ａが、収束レンズ２１の光軸と直交するように、かつ上記第２のハーフミラー２３から図中左方に出力された上記他方の光束の略収束点に位置するように、配されている。この第１面２２ａはハーフミラー面とされており、図中左方から入射する被検光束の一部を透過するとともに、上記第２のハーフミラー２３から入射する上記他方の光束を第２のハーフミラー２３に向けて反射するように構成されている。

また、上記第１のハーフミラー２２、上記第２のハーフミラー２３、および上記波面整形手段２４は、第１のハーフミラー２２を通過して第２のハーフミラー２３の光束分離面２３ａに至り、該光束分離面２３ａにおいて分離された２つの光束、すなわち光束分離面２３ａを透過した後に波面整形手段２４の反射回折部２６を経て光束分離面２３ａに至る一方の光束と、光束分離面２３ａから反射された後に上記第１面２２ａを経て該光束分離面２３ａに至る他方の光束とのそれぞれの光路長の差が、被検光束の可干渉距離以下となるように設定されており、これにより以下のような作用効果を奏する。

すなわち、上記収束レンズ２１から図中右方へ収束するように出力された被検光束は、上記光束分離面２３ａにおいて２光束に分離（分波）され、これら２光束のうち、上記一方の光束の一部は、上記波面整形手段２４の反射回折部２６において波面整形され、基準光束として上記光束分離面２３ａに至る。一方、上記他方の光束の一部は、上記第１のハーフミラー２２の第１面２２ａにおいて反射され、波面整形されていない被検光束として上記光束分離面２３ａに至り、さらにこの光束分離面２３ａにおいて反射されて上記基準光束と合波される。上述のように、互いに合波されるこれら２つの光束は、各々の光路長差が被検光束の可干渉距離以下となるように設定されているので互いに干渉し、被検光束の波面情報を担持した干渉光が得られる。この干渉光は、拡散光として上記第１のハーフミラー２２を介して上記収束レンズ２１に入射した後、該収束レンズ２１により平行光とされて図中左方へと出力され、図１に示す撮像カメラ３３に取り込まれてその干渉縞が撮像される。

このように図２に示す干渉光学系２０によれば、被検光束が低可干渉光束である場合でも、被検光束の波面情報を担持した干渉光を得ることが可能となる。また、この干渉光学系２０では、第１のハーフミラー２２、第２のハーフミラー２３、および波面整形手段２４が、収束レンズ２１の光軸上に配設されており、全体としてフィゾー型の光学系配置となっている。このため、マッハツェンダ型のものに比べ、振動等の影響を受け難くアライメントも容易に調整することが可能となっている。

また、本実施形態装置によれば、上述のような干渉光学系２０を備えていることにより、被検光束が低可干渉光束である場合でも、その波面測定を容易かつ高精度に実施することが可能となっている。また、干渉光学系２０をコンパクトに構成することが可能となるので、装置全体の小型化が図れ、設置スペースの確保も容易となる。

なお、図２に示す態様では、被検光束が図中左方より第１のハーフミラー２２や第２のハーフミラー２３を通過する際に、その一部が、例えば第１のハーフミラー２２の上記第１面２２ａなどにおいて反射され、上記収束レンズ２１に戻る場合がある。このような反射光はノイズ光となるものであるが、収束レンズ２１から図中左方に出力される際には平行光とはならないので、図１に示す撮像カメラ３３まで達する光量はごく微少であり、測定に与える影響は少ない。

〈他の実施形態〉
以下、本発明に係る波面測定用干渉光学系の他の実施形態について説明する。図３〜図５は、本発明に係る波面測定用干渉光学系の第２実施形態〜第４実施形態をそれぞれ示す図である。なお、図３〜図５に示す各実施形態において、上記第１実施形態と共通する構成要素については、図２で用いたものと同一の符号を付してその詳細な説明は省略し、以下では主に第１実施形態と異なる部分について説明する。

図３に示す第２実施形態に係る干渉光学系２０Ａは、図２の態様において用いられている第１のハーフミラー２２に替えて、中央部に光束反射手段としてのミラー面２８（図３では、ミラー面を「Ｍ」と表示している。このことは図４、図５においても同じ）が形成された透明な保持板２７（その表裏面２７ａ，２７ｂは、共にＡＲコート面とされている）を用いている点が上記第１実施形態と異なっている。上記ミラー面２８は、収束レンズ２１の光軸と直交するように、かつ第２のハーフミラー２３の光束分離面２３ａにおいて分離された他方の光束の略収束点に位置するように、配置されるが、その大きさは被検光束の回折限界よりも十分大きく構成されている。すなわち、このミラー面２８は、反射回折部２６とは異なり、入射する光束を波面整形する機能は有していない。

この干渉光学系２０Ａでは、被検光束が保持板２７を透過する際に減衰する光量の割合が、図２に示す第１のハーフミラー２２を通過する際に減衰する光量の割合に比べて少ないという利点がある。なお、基本的な作用効果は、上記第１実施形態と共通している。このことは、以下の第３、第４実施形態についても同じである。

図４に示す第３実施形態に係る干渉光学系２０Ｂは、図２の態様における第１のハーフミラー２２と波面整形手段２４とを、第２のハーフミラー２３に対して互いに入れ替えたような態様となっている。ただし、この干渉光学系２０Ｂでは、第１のハーフミラー２２に替えてミラー２９を光束反射手段として用いている。また、波面整形手段２４のガラス基板２５の裏面２５ｂには、ＡＲコート処理が施されている。

すなわち、この干渉光学系２０Ｂにおいては、波面整形手段２４、第２のハーフミラー２３、およびミラー２９が、収束レンズ２１の光軸上において収束レンズ２１側よりこの順序で配設されている。ミラー２９の反射面２９ａは、収束レンズ２１の光軸と直交するように、かつ第２のハーフミラー２３の光束分離面２３ａにおいて分離された一方の光束の略収束点に位置するように、配置される。

図５に示す第４実施形態に係る干渉光学系２０Ｃは、図４の態様においてはガラス基板２５の表面２５ａ上に設けられていた反射回折部２６が、収束レンズ２１の裏面２１ａ（第２のハーフミラー２３側の面）上に設けられている点が、上記第３実施形態と異なっている。この反射回折部２６が、収束レンズ２１の光軸上で、かつ第２のハーフミラー２３の光束分離面２３ａにおいて分離された一方の光束の略収束点に配置される点は、上記各実施形態と同様である。なお、この第４実施形態では、反射回折部２６を収束レンズが保持しているので、構成をより簡易にすることが可能となる。

なお、上述した各実施形態において反射回折部２６は、ガラス基板２５や収束レンズ２１の面上に微小な反射領域を形成してなるものとされているが、特開２０００−９７６１２号公報に記載されているような、針状部材の先端に微小な反射領域を形成したものや、特開昭５８−６０５９０号公報に記載されているような、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などを、反射回折部として用いることが可能である。

また、前掲の特許文献１、２には、反射回折部に関して種々の態様例が記載されており、そのような各態様のものを反射回折部として用いることも可能である。

また、上述した実施形態では、可干渉距離の短い被検光束として、高調波が重畳された半導体レーザ光束を例示しているが、ＬＥＤ、ＳＬＤ、ハロゲンランプ、高圧水銀ランプ等の一般的な低可干渉光源から出力される光束を被検光束とすることも可能である。もちろん、一般的なレーザ光束のように、可干渉距離の長い光束を被検光束とすることも可能である。

また、本発明は、前掲の特許文献２に開示された、被検光束の波面測定と光ビームスポットの特性測定とを同時に実施し得る測定装置に対しても適用することが可能である。

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 本発明に係る波面測定用干渉光学系の第１実施形態を示す図 本発明に係る波面測定用干渉光学系の第２実施形態を示す図 本発明に係る波面測定用干渉光学系の第３実施形態を示す図 本発明に係る波面測定用干渉光学系の第４実施形態を示す図

符号の説明

１０ 被検光源
１１ 光源本体
１２ ビーム光学系
２０ 干渉光学系（波面測定用干渉光学系；第１実施形態）
２０Ａ 干渉光学系（波面測定用干渉光学系；第２実施形態）
２０Ｂ 干渉光学系（波面測定用干渉光学系；第３実施形態）
２０Ｃ 干渉光学系（波面測定用干渉光学系；第４実施形態）
２１ 収束レンズ（収束手段）
２１ａ （収束レンズの）裏面
２２ 第１のハーフミラー（光束反射手段）
２２ａ （第１のハーフミラーの）第１面
２２ｂ （第１のハーフミラーの）第２面
２３ 第２のハーフミラー（光束分離手段）
２３ａ 光束分離面
２３ｂ （第２のハーフミラーの）裏面
２４ 波面整形手段
２５ ガラス基板
２５ａ （ガラス基板の）表面
２５ｂ （ガラス基板の）裏面
２６ 反射回折部
２７ 保持板
２７ａ （保持板の）表面
２７ｂ （保持板の）裏面
２８ ミラー面（光束反射手段）
２９ ミラー（光束反射手段）
２９ａ 反射面
３０ 結像系
３１ ビームスプリッタ
３１ａ 分離面
３２ 結像レンズ
３３ 撮像カメラ
３４ 検出面
４０ 解析手段
４１ コンピュータ
４２ 表示装置
４３ 入力装置
ＨＭ ハーフミラー面
ＡＲ ＡＲコート面
Ｍ ミラー面

Claims (4)

1. 波面測定の対象とされ、光軸上に配されたビームスプリッタの分離面を透過して入射した被検光束を収束させて出力する収束レンズと、
   前記収束レンズから出力された前記被検光束の光路上において、入射した該被検光束を該収束レンズの光軸に沿って互いに逆向きに進む２光束に分離し各々を出力する光束分離手段と、
   前記光束分離手段から出力された前記２光束のうちの一方の光束の略収束点において、入射した該一方の光束を波面整形して基準光束となし、該基準光束を前記光束分離手段に向けて出力する、微小な反射回折部を有してなる波面整形手段と、
   前記光束分離手段から出力された前記２光束のうちの他方の光束の略収束点において、入射した該他方の光束を前記光束分離手段に向けて反射するミラーまたはハーフミラーからなる光束反射手段と、
   が前記光軸上において互いに分離した別部材として配設されるとともに、
   前記光束分離手段から前記波面整形手段を経て前記光束分離手段に至る光路長と、前記光束分離手段から前記光束反射手段を経て前記光束分離手段に至る光路長との差が、前記被検光束の可干渉距離以下となるように設定され、
   前記光束反射手段からの反射光束と前記基準光束とを前記光束分離手段において合波することにより、前記被検光束の波面情報を担持した干渉光を得、該干渉光を前記収束レンズから出力する波面測定用干渉光学系と、
   前記ビームスプリッタを含み、前記波面測定用干渉光学系から出力された前記干渉光を前記ビームスプリッタの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系と、
   前記検出面上に形成された前記干渉縞の解析を行う解析手段と、
   を備えてなることを特徴とする波面測定用干渉計装置。
2. 前記光軸上において、前記光束反射手段、前記光束分離手段、および前記波面整形手段が、前記収束レンズ側よりこの順序で配設されていることを特徴とする請求項１記載の波面測定用干渉計装置。
3. 前記光軸上において、前記波面整形手段、前記光束分離手段、および前記光束反射手段が、前記収束レンズ側よりこの順序で配設されていることを特徴とする請求項１記載の波面測定用干渉計装置。
4. 前記波面整形手段は、前記反射回折部が、前記収束レンズの、前記光束分離手段側の面上に設けられていることを特徴とする請求項３記載の波面測定用干渉計装置。

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