JP5353708B2 - 干渉計 - Google Patents

Description

本発明は、干渉計に関し、特に被検面の面形状または被検光学系の透過波面を測定する干渉計に関するものである。

従来の干渉計では、光源と被検物（被検面、被検光学系）とが非共役関係になっている。例えば、フィゾー（Fizeau）干渉計、トワイマン−グリーン（Twyman-Green）干渉計を含むほとんどのタイプの干渉計では点光源を用いるが、点光源と被検物とが光学的に共役ではない。また、マイケルソン（Michelson）干渉計では面光源を用いるが、面光源と被検物とが共役ではない。

従来の干渉計では、一台の干渉計で測定可能な被検面の曲率半径の範囲が制限される。また、従来の干渉計では、被検面と参照面との面形状の差が大きい場合、干渉縞のピッチが細かくなり過ぎて測定が困難になる。ＣＣＤのようなセンサーで検出する干渉縞のコントラストを向上させるために、ＣＣＤの受光素子の開口を小さくするサブ−ナイキスト（Sub-nyquist）測定法が提案されているが、十分な光量を確保するには受光素子の開口を所要の程度まで小さくすることができないからである。また、従来の干渉計では、研磨された光学面の面形状を測定するが一般的であり、散乱面の面形状の測定が困難である。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、被検面と参照面との面形状の差が大きくても、被検物の面形状を測定することのできる干渉計を提供することを目的とする。また、本発明は、散乱面の面形状を測定することのできる干渉計を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明では、被検物の面形状または透過波面を測定する干渉計において、
低空間コヒーレント特性を有する面光源と、
前記面光源と前記被検物とを光学的に共役に配置する導光光学系と、
前記被検物と光学的に共役な位置に配置された検出面を有する光検出器とを備え、
前記検出面の有効画素数をＮ×Ｍとし、前記有効画素に光学的に対応する前記面光源の有効面積をａ×ｂとするとき、前記面光源上でａ／Ｎ及びｂ／Ｍのうちの小さい方の長さ離れた位置からの光は互いに干渉しないことを特徴とする干渉計を提供する。

本発明の干渉計では、例えば互いに低干渉性を有する多数の微小面光源（以下、単に「小光源」という）からなる面光源すなわち低空間コヒーレント特性を有する面光源と被検面（被検物）とが光学的に共役に配置されているので、各小光源から射出されて被検面の各微小領域で反射された測定光と、同じ小光源から射出されて参照面の対応する微小領域で反射された参照光とが互いに干渉して干渉縞を形成する。したがって、干渉縞の位相を検出することにより、被検面の各微小領域と参照面の対応する微小領域との面形状の差を求め、ひいては被検面の所要領域に亘る全体的な面形状を求めることができる。

以上のように、本発明の干渉計では、被検面の各微小領域と参照面の対応する微小領域との面形状の差に基づいて、被検面の所要領域に亘る全体的な面形状を求める。その結果、本発明の干渉計では、被検面と参照面との面形状の差が大きくても、被検物の面形状を測定することができる。また、被検面が散乱面であっても、その面形状を測定することができる。

本発明の第１実施形態にかかる干渉計の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態の第１変形例にかかる干渉計の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態の第２変形例にかかる干渉計の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態の第３変形例にかかる干渉計の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態の第４変形例にかかる干渉計の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態の第５変形例にかかる干渉計の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態の第６変形例にかかる干渉計の構成を概略的に示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる干渉計の構成を概略的に示す図である。 本発明の第３実施形態にかかる干渉計の構成を概略的に示す図である。 イメージセンサの検出面の有効画素と面光源の有効面積との関係を概略的に示す図である。

符号の説明

５ 回転拡散板
７ ハーフミラー
８，１０ 集光レンズ
９ 被検面
１１ 参照面
１２ 結像レンズ
１３ イメージセンサ（光検出器）
１４ 信号処理系

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態にかかる干渉計の構成を概略的に示す図である。第１実施形態では、被検面の面形状を測定する干渉計に対して本発明を適用している。第１実施形態の干渉計は、例えばマイクロレンズアレイやファイバー等を用いて形成された多数の小光源（不図示）の位置またはその近傍の位置に配置された回転拡散板５を備えている。

各小光源からの光は、回転拡散板５により拡散され、時間コヒーレンシィを保ちつつ空間コヒーレンシィが低減された後、コリメータレンズ６に入射する。多数の小光源はコリメータレンズ６の前側焦点位置に形成され、回転拡散板５はコリメータレンズ６の前側焦点位置またはその近傍に配置されている。したがって、各小光源からの光は、コリメータレンズ６を介して平行光になり、ハーフミラー（ビームスプリッター；光分離素子）７に入射する。

ハーフミラー７で反射された光は、コリメータレンズ６の後側焦点位置に配置された開口絞り１５により制限された後、集光レンズ８を介して被検面（被検物の反射面）９に集光する。すなわち、被検面９は集光レンズ８の後側焦点位置に配置され、被検面９には各小光源の像が形成される。被検面９で反射された測定光、すなわち被検面９に形成された各小光源像からの光は、集光レンズ８を介してほぼ平行光になり、開口絞り１５を通過してハーフミラー７に戻る。

一方、ハーフミラー７を透過した光は、コリメータレンズ６の後側焦点位置に配置された開口絞り１９により制限された後、集光レンズ１０を介して参照面１１に集光する。すなわち、参照面１１は集光レンズ１０の後側焦点位置に配置され、参照面１１には各小光源の像が形成される。参照面１１で反射された参照光、すなわち参照面１１に形成された各小光源像からの光は、集光レンズ１０を介してほぼ平行光になり、開口絞り１９を通過してハーフミラー７に戻る。

ハーフミラー７を透過した測定光およびハーフミラー７で反射された参照光は、結像レンズ１２を介して、例えば二次元ＣＣＤのようなイメージセンサ（光検出器）１３に達し、多数の小光源の像を形成する。こうして、各小光源から射出されて被検面９の各微小領域で反射された測定光と、同じ小光源から射出されて参照面１１の対応する微小領域で反射された参照光とが、イメージセンサ１３の検出面において互いに干渉して干渉縞を形成する。

イメージセンサ１３の出力は、信号処理系１４に供給される。信号処理系１４では、イメージセンサ１３の検出面に形成された干渉縞を解析することにより、被検面９の面形状を測定する。具体的には、信号処理系１４は、干渉縞の位相を検出することにより、被検面９の各微小領域と参照面１１の対応する微小領域との面形状の差を求め、ひいては被検面９の所要領域に亘る全体的な面形状を求める。

第１実施形態の干渉計では、例えばマイクロレンズアレイ等を用いて形成される多数の小光源と回転拡散板５とが、低空間コヒーレント特性を有する面光源を構成している。この面光源はコリメータレンズ６の前側焦点位置に位置決めされ、被検面９は集光レンズ８の後側焦点位置に位置決めされている。したがって、面光源と被検面９とは、コリメータレンズ６と集光レンズ８とからなる導光光学系により光学的に共役に配置されている。こうして、各小光源からの光が被検面９の各微小領域に小光源の像を形成し、同じ小光源からの光が参照面１１の対応する微小領域に小光源の像を形成する。

被検面９の各微小領域の小光源像からの測定光と、参照面１１の対応する微小領域の小光源像からの参照光とは、互いに干渉して干渉縞を形成する。この干渉縞の位相を検出することにより、被検面９の各微小領域と参照面１１の対応する微小領域との面形状の差が求められ、ひいては被検面９の全体的な面形状が求められる。このように、第１実施形態の干渉計では、被検面９の各微小領域と参照面１１の対応する微小領域との面形状の差に基づいて被検面９の全体的な面形状を求めるので、被検面９と参照面１１との面形状の差が大きくても被検物９の面形状を測定することができ、被検面９が散乱面であっても面形状を測定することができる。

具体的に、第１実施形態では、被検面９と集光レンズ８とを光軸に沿って一体的に移動させることにより、被検面９の曲率半径に応じて、干渉縞の本数を減らすことができる。つまり、被検面９の曲率半径と参照面１１の曲率半径とが比較的大きく異なっていても、被検面９と集光レンズ８とを光軸に沿って一体的に移動させることにより、必要に応じて干渉縞の本数を減らすことができ、ひいては干渉縞の測定を可能にすることができる。同様に、参照面１１と集光レンズ１０とを光軸に沿って一体的に移動させても、干渉縞の本数を減らすことができ、ひいては干渉縞の測定を可能にすることができる。また、第１実施形態では、被検面９および参照面１１のうちの少なくとも一方を光軸方向に沿って移動させることにより、干渉縞の位相をシフトさせることができる。

なお、第１実施形態において、被検面９で反射された測定光は、開口絞り１５を通過しない限り、イメージセンサ１３に到達しない。換言すれば、被検面９の面形状によっては、被検面９のある微小領域で反射されてイメージセンサ１３に達すべき測定光が開口絞り１５により遮られることが考えられる。図２に示す第１変形例では、被検面９の各微小領域で反射された測定光が被検面９の面形状に依存することなく確実にイメージセンサ１３に到達するように構成されている。

第１変形例にかかる干渉計では、各小光源からの光がコリメータレンズ６を介して平行光になり、コリメータレンズ６の後側焦点位置に配置された開口絞り２１により制限された後、ハーフミラー７に入射する。ハーフミラー７で反射された光は、集光レンズ８を介して、被検面９に各小光源の像を形成する。被検面９に形成された各小光源像からの測定光は、集光レンズ８、ハーフミラー７、および結像レンズ１２を介して、イメージセンサ１３に達する。

ハーフミラー７を透過した光は、集光レンズ１０を介して、参照面１１に各小光源の像を形成する。参照面１１に形成された各小光源像からの参照光は、集光レンズ１０、ハーフミラー７、および結像レンズ１２を介して、イメージセンサ１３に達する。こうして、各小光源から射出されて被検面９の各微小領域で反射された測定光と、同じ小光源から射出されて参照面１１の対応する微小領域で反射された参照光とが、イメージセンサ１３の検出面において互いに干渉して干渉縞を形成する。

図２の第１変形例では、図１の実施形態とは異なり、被検面９からイメージセンサ１３までの光路中および参照面１１からイメージセンサ１３までの光路中に開口絞りが配置されていない。したがって、被検面９の各微小領域で反射された測定光が、被検面９の面形状に依存することなく、確実にイメージセンサ１３に到達する。その結果、被検面９と参照面１１との面形状の差の傾斜成分が大きくても、イメージセンサ１３の検出面において正確な干渉縞を得ることができる。

但し、被検面９の面形状と参照面１１の面形状との差が大きいと、イメージセンサ１３の検出面に形成される干渉縞のピッチが細かくなる。その場合には、イメージセンサ１３の各ピクセルの表面にピクセルの面積より小さい開口を持つマスクを敷くことにより、干渉縞のコントラストを向上させることができる。図２の第１変形例では、集光レンズ８と開口絞り２１との間隔を調整することにより、被検面９の曲率と参照面１１の曲率とが比較的大きく異なっていても測定が可能である。すなわち、参照面１１が平面状であっても、被検面９の球面形状を測定することが可能である。

また、図３に示す第２変形例の構成に基づいて、被検面９の各微小領域で反射された測定光を、被検面９の面形状に依存することなく確実にイメージセンサ１３に到達させることができる。図３を参照すると、第２変形例にかかる干渉計では、図示を省略したレーザー光源からの光が、回転拡散板５を介して、レンズ３１に入射する。回転拡散板５は、レンズ３１の前側焦点位置に配置されている。レンズ３１を経た光は、レンズ３１の後側焦点位置に配置された開口絞り３２を照明する。

開口絞り３２を通過した光は、レンズ３３を介して、低空間コヒーレント特性を有する面光源３４を形成する。開口絞り３２はレンズ３３の前側焦点位置に配置されており、面光源３４はレンズ３３の後側焦点面に形成される。面光源３４は連続的な面光源であるが、互いに低干渉性を有し且つ稠密配列された多数の微小面光源（小光源）により面光源３４が形成されているものと見なすことができる。

面光源３４を構成する各小光源からの光は、コリメータレンズ６、ハーフミラー７、および集光レンズ８を経て、被検面９に入射する。被検面９で反射された光は、集光レンズ８、ハーフミラー７、および結像レンズ１２を経て、開口絞りで制限されることなくイメージセンサ１３に達する。また、各小光源からの光は、コリメータレンズ６、ハーフミラー７、および集光レンズ１０を経て、参照面１１に入射する。参照面１１で反射された光は、集光レンズ１０、ハーフミラー７、および結像レンズ１２を経て、開口絞りで制限されることなくイメージセンサ１３に達する。

なお、図４に示すように、被検面９および参照面１１とイメージセンサ１３との間の光路中において測定光および参照光を開口絞りにより制限する変形例も可能である。図４に示す第３変形例にかかる干渉計では、被検面９からの測定光が、集光レンズ８、ハーフミラー７、およびレンズ４１を経て、レンズ４２に入射する。レンズ４２を経た測定光は、レンズ４２の後側焦点位置に配置された開口絞り４３により制限された後、結像レンズ１２を介してイメージセンサ１３に達する。

同様に、参照面１１からの参照光は、集光レンズ１０、ハーフミラー７、レンズ４１、レンズ４２、開口絞り４３、および結像レンズ１２を介して、イメージセンサ１３に達する。第３変形例では、レンズ４１とレンズ４２との間隔が、レンズ４１の焦点距離とレンズ４２の焦点距離との和に一致するように設定されている。また、イメージセンサ１３の検出面は、結像レンズ１２の後側焦点位置に配置されている。

また、図５に示すように、面光源と被検面９および参照面１１との間の光路および被検面９および参照面１１とイメージセンサ１３との間の光路の双方において開口絞りにより光を制限する変形例も可能である。図５に示す第４変形例にかかる干渉計では、各小光源からの光がコリメータレンズ６を介して平行光になり、コリメータレンズ６の後側焦点位置に配置された開口絞り５１を照明する。開口絞り５１を通過した光は、レンズ５２を介してハーフミラー７に入射する。開口絞り５１は、レンズ５２の前側焦点位置に配置されている。ハーフミラー７で反射された光は、レンズ５３および集光レンズ８を介して、被検面９に各小光源の像を形成する。

ハーフミラー７を透過した光は、レンズ５４および集光レンズ１０を介して、参照面１１に各小光源の像を形成する。レンズ５２とレンズ５３との間隔は、レンズ５２の焦点距離とレンズ５３の焦点距離との和に一致するように設定されている。また、レンズ５２とレンズ５４との間隔は、レンズ５２の焦点距離とレンズ５４の焦点距離との和に一致するように設定されている。

被検面９に形成された各小光源像からの測定光は、集光レンズ８、レンズ５３、およびハーフミラー７を経て、レンズ５５に入射する。レンズ５５を経た測定光は、レンズ５５の後側焦点位置に配置された開口絞り５６を照明する。開口絞り５６を通過した測定光は、結像レンズ１２を介してイメージセンサ１３に達する。参照面１１に形成された各小光源像からの参照光は、集光レンズ１０、レンズ５４、ハーフミラー７、レンズ５５、開口絞り５６、および結像レンズ１２を介して、イメージセンサ１３に達する。

レンズ５３とレンズ５５との間隔は、レンズ５３の焦点距離とレンズ５５の焦点距離との和に一致するように設定されている。また、レンズ５４とレンズ５５との間隔は、レンズ５４の焦点距離とレンズ５５の焦点距離との和に一致するように設定されている。また、開口絞り５６は、結像レンズ１２の前側焦点位置に配置されている。

上述の第１変形例乃至第４変形例においても図１の第１実施形態と同様に、被検面９の曲率半径と参照面１１の曲率半径とが比較的大きく異なっていても、被検面９と集光レンズ８とを光軸に沿って一体的に移動させることにより、必要に応じて干渉縞の本数を減らすことができ、ひいては干渉縞の測定を可能にすることができる。同様に、参照面１１と集光レンズ１０とを光軸に沿って一体的に移動させても、干渉縞の本数を減らすことができ、ひいては干渉縞の測定を可能にすることができる。

また、第１実施形態では、トワイマン−グリーン干渉計に類似した構成の干渉計に対して本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば図６に示すように、フィゾー干渉計に類似した構成の干渉計に対して本発明を適用することもできる。また、マッハ−ゼンター（Mach-Zehnder）干渉計、シェアリング（Shearing）干渉計などに類似した干渉計に対しても、本発明を適用することができる。

図６の第５変形例にかかる干渉計は、図１の第１実施形態にかかる干渉計と類似の構成を有するが、被検面９に近接するように参照面１１を配置している点が第１実施形態と基本的に相違している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、図６の第５変形例の構成および作用を説明する。

図６の第５変形例にかかる干渉計では、各小光源からの光が、回転拡散板５およびコリメータレンズ６を介して、ハーフミラー７に入射する。ハーフミラー７で反射された光は、集光レンズ８を介して、被検面９に集光する。被検面９で反射された測定光は、集光レンズ８を介して、ハーフミラー７に戻る。

被検面９を透過した光は、被検面９の直後に近接配置された参照面１１に集光する。参照面１１で反射された参照光は、被検面９および集光レンズ８を介して、ハーフミラー７に戻る。ハーフミラー７を透過した測定光と参照光とは、結像レンズ１２を介して、イメージセンサ１３の検出面に干渉縞を形成する。信号処理系１４は、イメージセンサ１３からの出力に基づいて、被検面９の面形状を測定する。

図６の第５変形例においても図１の第１実施形態と同様に、各小光源から射出されて被検面９の各微小領域で反射された測定光と、同じ小光源から射出されて参照面１１の対応する微小領域で反射された参照光とが互いに干渉して干渉縞を形成する。そして、干渉縞の位相を検出することにより、被検面９の各微小領域と参照面１１の対応する微小領域との面形状の差が求められ、ひいては被検面９の全体的な面形状が求められる。

したがって、図６の第５変形例では、被検面９と参照面１１との面形状の差が大きくても被検物９の面形状を測定することができ、被検面９が散乱面であっても面形状を測定することができる。なお、図６の第５変形例では、参照面１１が被検面９の直後に近接配置されているが、これに限定されることなく、被検面９を参照面１１の直後に近接配置しても良い。

さらに、図７に示すように、被検面９を参照面１１の後側に配置し、一対のレンズ７１および７２により被検面９と参照面１１とを光学的に共役に配置することもできる。図７の第６変形例では、各小光源からの光が、回転拡散板５、コリメータレンズ６、ハーフミラー７、および集光レンズ８を介して、参照面１１に集光する。

参照面１１を透過した光は、レンズ７１および７２を介して、被検面９に集光する。被検面９で反射された測定光は、レンズ７２、レンズ７１、参照面１１、集光レンズ８、ハーフミラー７、および結像レンズ１２を介して、イメージセンサ１３に達する。参照面１１で反射された参照光は、集光レンズ８、ハーフミラー７および結像レンズ１２を介して、イメージセンサ１３に達する。

なお、上述の第１実施形態および各変形例において、被検面９が適切形状（本干渉計での測定に適する形状）から大きく異なる場合、測定光の主光線が必ずしも被検面９の全体に亘って表面と直交するとは限らない。また、面光源からの光が被検面９の全面に亘って同時に結像することができなくなる可能性もある。つまり、被検面９の全面の面形状を一括で高精度に測定することができなくなることがある。この場合、被検面９と集光レンズ８とを一体的に光軸方向に移動（シフト）させることにより、主光線が被検面９の表面に対して垂直になる領域を移動させて、測定に適した領域すなわち条件の良い部分領域のみにおいて測定を行う。被検面９と集光レンズ８とを一体的に光軸方向に移動させつつ部分領域の測定を繰り返すことにより、被検面９の全面の面形状を高精度に測定することができる。

また、被検面９の前側に配置された集光レンズ８を光軸方向に移動させることにより、光源面からの光が被検面９の表面に結像する条件を変化させ、適切な条件のもとで測定することのできる範囲を移動させて部分領域の測定を行い、波面合成技術を用いて被検面９の全面の面形状を測定することができる。更に、被検面９の前側に配置された集光レンズ８を光軸方向に移動させても測定光の光路長が変わらないというメリットがある。被検面９を光軸に対して垂直な方向に移動させたり、光軸方向に対して傾斜させたりすることにより、主光線と被検面との垂直関係、または面光源と被検面との共役関係を調整して、測定に適する部分領域のみで測定を行って、その後波面合成により被検面の全面の面形状を算出することもできる。

また、例えば多数の小光源からなる面光源を光軸と直交する方向に移動させることにより、被検面９の表面に形成される小光源の像が移動し、ひいては被検面９の測定点が移動する。こうして、被検面上の測定点をスキャニングすることにより、測定の横分解能の向上を図ることもできる。

図８は、本発明の第２実施形態にかかる干渉計の構成を概略的に示す図である。第２実施形態では、例えば平行平面板、レンズ、レンズ群のような光透過性の被検光学系（被検物としての光学系）の透過波面を測定する干渉計に本発明を適用している。第２実施形態の干渉計では、図１の第１実施形態と同様に、各小光源（不図示）からの光が、回転拡散板５およびコリメータレンズ６を介して、ハーフミラー７に入射する。

ハーフミラー７で反射された光は、集光レンズ８１を介して、被検光学系８２中で一旦集光する。すなわち、被検光学系８２は集光レンズ８１の後側焦点位置に配置され、被検光学系８２中には多数の小光源の像が形成される。被検光学系８２中に形成された各小光源の像からの光は、コリメータレンズ８３を介してほぼ平行光になり、平面ミラー８４に入射する。平面ミラー８４で反射された光は、コリメータレンズ８３を介して、被検光学系８２中に多数の小光源の像を再び形成する。

被検光学系８２中に再形成された各小光源の像からの光、すなわち被検光学系８２中を往復した測定光は、集光レンズ８１を介して、ハーフミラー７に戻る。一方、ハーフミラー７を透過した光は、集光レンズ８５を介して、参照面８６に集光する。すなわち、参照面８６は集光レンズ８５の後側焦点位置に配置され、参照面８６には多数の小光源の像が形成される。参照面８６で反射された参照光は、集光レンズ８５を介してほぼ平行光になり、ハーフミラー７に戻る。

ハーフミラー７を透過した測定光とハーフミラー７で反射された参照光とは、結像レンズ１２を介してイメージセンサ１３に達し、その検出面において互いに干渉して干渉縞を形成する。信号処理系１４は、イメージセンサ１３の検出面に形成された干渉縞を解析することにより、被検光学系８２の透過波面を測定する。

以上のように、第２実施形態の干渉計では、多数の小光源の各々からの光が、被検光学系８２中に小光源の像を形成しつつ被検光学系８２中を往復した後、イメージセンサ１３の検出面において参照光と干渉して干渉縞を形成する。換言すれば、各小光源から射出されて被検光学系８２中の各微小領域を透過した測定光と、同じ小光源から射出されて参照面８６の対応する微小領域で反射された参照光とが干渉縞を形成する。

信号処理系１４は、干渉縞の位相を検出することにより、被検光学系８２中の各微小領域における波面と参照面８６の対応する微小領域における波面との差を求め、ひいては被検光学系８２の透過波面を求める。

なお、第２実施形態では、被検光学系８２および参照面８６のうちの少なくとも一方を光軸方向に沿って移動させることにより、干渉縞の位相をシフトさせることができる。また、被検光学系８２と集光レンズ８１とを光軸に沿って一体的に移動させることにより、干渉計の光学調整を行うことができる。

また、第２実施形態では、トワイマン−グリーン干渉計に類似した構成の干渉計に対して本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、フィゾー干渉計、マッハ−ゼンター干渉計、シェアリング干渉計などに類似した干渉計に対しても、本発明を適用することができる。

図９は、本発明の第３実施形態にかかる干渉計の構成を概略的に示す図である。第３実施形態では、被検面の面形状を測定する干渉計に対して本発明を適用している。第３実施形態の干渉計は、例えば水銀ランプ等の低空間コヒーレント特性を有する面光源１を備えている。

面光源１の各位置から射出された光は、コリメータレンズ６に入射する。面光源１はコリメータレンズ６の前側焦点位置またはその近傍に配置されている。したがって、一例として図中に点線で示すように、面光源１の各位置からの光は、コリメータレンズ６を介して平行光になり、ハーフミラー（ビームスプリッター；光分離素子）７に入射する。

ハーフミラー７で反射された光は、コリメータレンズ６の後側焦点位置に配置された開口絞り１５により制限された後、集光レンズ８を介して被検面（被検物の反射面）９に集光する。すなわち、被検面９は集光レンズ８の後側焦点位置に配置され、被検面９に面光源の像が形成される。被検面９で反射された測定光は、集光レンズ８を介してほぼ平行光になり、開口絞り１５を通過してハーフミラー７に戻る。

一方、ハーフミラー７を透過した光は、コリメータレンズ６の後側焦点位置に配置された開口絞り１９により制限された後、集光レンズ１０を介して参照面１１に集光する。すなわち、参照面１１は集光レンズ１０の後側焦点位置に配置され、参照面１１には面光源１の像が形成される。参照面１１で反射された参照光は、集光レンズ１０を介してほぼ平行光になり、開口絞り１９を通過してハーフミラー７に戻る。

ハーフミラー７を透過した測定光およびハーフミラー７で反射された参照光は、結像レンズ１２を介して、例えば二次元ＣＣＤのようなイメージセンサ（光検出器）１３に達し、面光源、被検面と参照面の像を形成する。こうして、面光源１の各位置から射出されて被検面９で反射された測定光と、面光源１の同じ位置から射出されて参照面１１で反射された参照光とが、イメージセンサ１３の検出面において互いに干渉して干渉縞を形成する。

イメージセンサ１３の出力は、信号処理系１４に供給される。信号処理系１４では、イメージセンサ１３の検出面に形成された干渉縞を、例えばフリンジスキャン法やフーリエ変換法を用いて解析することにより、被検面９の面形状を測定する。具体的には、信号処理系１４は、干渉縞の位相を検出することにより、被検面９と参照面１１の面形状の差を求め、ひいては被検面９の所要領域に亘る全体的な面形状を求める。

第３実施形態の干渉計は、低空間コヒーレント特性を有する面光源１を備えている。この面光源１はコリメータレンズ６の前側焦点位置に位置決めされ、被検面９は集光レンズ８の後側焦点位置に位置決めされている。したがって、面光源１と被検面９とは、コリメータレンズ６と集光レンズ８とからなる導光光学系により光学的に共役に配置されている。こうして、面光源１の各位置からの光が被検面９の各位置に面光源１の各位置の像を形成し、面光源１の同じ位置からの光が参照面１１の対応する各位置に面光源１の各位置の像を形成する。

被検面９の各位置の面光源像からの測定光と、参照面１１の対応する各位置の面光源像からの参照光とは、互いに干渉して干渉縞を形成する。この干渉縞の位相を検出することにより、被検面９と参照面１１の面形状の差が求められ、ひいては被検面９の全体的な面形状が求められる。このように、第３実施形態の干渉計では、被検面９と参照面１１の面形状の差に基づいて被検面９の全体的な面形状を求めるので、被検面９と参照面１１との面形状の差が大きくても被検物９の面形状を測定することができ、被検面９が散乱面であっても面形状を測定することができる。

具体的に、第３実施形態では、被検面９と集光レンズ８とを光軸に沿って一体的に移動させることにより、被検面９の曲率半径に応じて、干渉縞の本数を減らすことができる。つまり、被検面９の曲率半径と参照面１１の曲率半径とが比較的大きく異なっていても、被検面９と集光レンズ８とを光軸に沿って一体的に移動させることにより、必要に応じて干渉縞の本数を減らすことができ、ひいては干渉縞の測定を可能にすることができる。同様に、参照面１１と集光レンズ１０とを光軸に沿って一体的に移動させても、干渉縞の本数を減らすことができ、ひいては干渉縞の測定を可能にすることができる。また、第３実施形態では、被検面９および参照面１１のうちの少なくとも一方を光軸方向に沿って移動させることにより、干渉縞の位相をシフトさせることができる。

なお、第３実施形態では、水銀ランプ等の低空間コヒーレント特性を有する面光源１を用いているが、これに限定されることなく、回転拡散板や、回転拡散板と同様な回転ＣＧＨを用いて低空間コヒーレント特性を有する面光源を構成することもできる。例えばレーザ光を供給する点光源及びマイクロレンズアレイ等を用いて形成される多数の小光源と回転拡散板とで、低空間コヒーレント特性を有する面光源を構成してもよい。

低空間コヒーレント特性の程度は、イメージセンサ１３の検出面の異なる画素に対応する面光源の各位置（部位）から来る光は互いに干渉しない程度である。干渉しないとは、光が互いに全く干渉しないこと、あるいは、干渉しても干渉縞のコントラストが十分小さい（換言すれば、イメージセンサの１諧調より低い、あるいは、測定に対する影響が要求精度より小さい）ことを意味する。

図１０は、イメージセンサの検出面の有効画素と面光源の有効面積との関係を概略的に示す図である。イメージセンサの検出面の有効画素数をＮ×Ｍとし、この有効画素に光学的に対応する面光源の有効面積をａ×ｂとするとき、面光源上でａ／Ｎ又はｂ／Ｍの長さ離れた位置（点Ａ及び点Ｂ、又は点Ａ及び点Ｃ）は、イメージセンサの検出面で隣接する画素に対応する点である。したがって、面光源上でａ／Ｎ及びｂ／Ｍのうちの小さい方の長さ離れた位置及びその長さ以上離れた位置からの光は互いに干渉しないような面光源を低空間コヒーレント特性を有する面光源とすればよい。

面光源が上記の条件を満たさない場合（面光源が高い空間コヒーレント特性を有する場合）、点Ａ及び点Ｂからの光はイメージセンサ上で干渉する可能性がある。なぜならば、面光源上の一点Ａからの光はイメージセンサ上の点Ｘに結像すべきだが、光源の点Ａからの光は回折によって、点Ｘのみではなく所定の領域まで広がるからである。すなわち、面光源上の点Ａに近い他の点Ｂからの光も点Ｘの近隣領域に達すると、面光源が高い空間コヒーレント特性を有する場合、点Ａ及び点Ｂからの光はイメージセンサ上で干渉する。

特に、面光源に光量斑を作り出すために、マイクロレンズアレイを使用すると、異なるマイクロレンズで集光された二つのスポットの光は、イメージセンサ上で広がる。面光源が高い空間コヒーレント特性を有する場合、異なるマイクロレンズからの光はイメージセンサ上で重なって干渉する。干渉縞はマイクロレンズの製造誤差の影響も受ける。この場合に、被検面の形状を正しく測定ができなくなる。

各実施形態および各変形例の干渉計では、低空間コヒーレント特性を有する面光源を使用することで、面光源の異なる位置からの光はイメージセンサ上で重なっても干渉しない。したがって、被検面の形状を正しく測定できる。

また、各実施形態および各変形例の干渉計では、面光源はコリメータレンズ６の前側焦点位置に配置され、面光源からの光はコリメータレンズ６を介して平行光になる。したがって、平行光の光路中に配置されたハーフミラー７による収差は発生しない。また、被検面９は集光レンズ８の後側焦点位置に配置され、被検面９で反射された測定光は集光レンズ８を介してほぼ平行光になる。したがって、平行光の光路中に配置されたハーフミラー７による収差は発生しない。さらに、被検面９が傾斜成分を持ち測定光と参照光とが異なる光路を通る場合でも、被検物の面形状等の測定誤差はほとんど発生しない。

これに対し、従来の干渉計では、集光レンズの後側焦点位置に被検面の曲率中心を配置している。したがって、被検面の曲率半径が異なると、被検面と集光レンズとの間隔も異なる。集光レンズを設計するときに、すべての点に対して収差を取る（すなわち収差を小さく抑える）ことができない。被検面が傾斜成分を持つ場合、収差が取れてない位置に被検面が配置されると、被検面で反射された光線は入射光線と異なる光路を通るようになる。そして、参照面が被検面と同じ傾斜成分を持たない場合に、測定光と参照光は異なる光路を通るようになる。この場合に、干渉計の光学部品の収差は測定に影響を与えてしまう。

なお、第３実施形態では、トワイマン−グリーン干渉計に類似した構成の干渉計に対して本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、フィゾー干渉計、マッハ−ゼンター干渉計、シェアリング干渉計などに類似した干渉計に対しても、本発明を適用することができる。

また、各実施形態および各変形例では、例えばＳＬＤのような白色光を供給する光源を用いて、白色干渉法による測定を行うことができる。同様に、光源からの光の波長をチューニングしたり、波長の異なる光を供給する複数の光源を用いたりすることにより、多波長干渉法による測定を行うことができる。

Claims (12)

1. 被検物の面形状または透過波面を測定する干渉計において、
   低空間コヒーレント特性を有する面光源と、
   前記面光源と前記被検物とを光学的に共役に配置する導光光学系と、
   前記被検物と光学的に共役な位置に配置された検出面を有する光検出器とを備え、
   前記検出面の有効画素数をＮ×Ｍとし、前記有効画素に光学的に対応する前記面光源の有効面積をａ×ｂとするとき、前記面光源上でａ／Ｎ及びｂ／Ｍのうちの小さい方の長さ離れた位置からの光は互いに干渉しないことを特徴とする干渉計。
2. 前記面光源は、互いに低干渉性を有する複数の面光源を有することを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
3. 前記導光光学系は、前記面光源からの光を前記被検物に集光する集光レンズを有することを特徴とする請求項１または２に記載の干渉計。
4. 前記被検物と前記集光レンズとは、一体的に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の干渉計。
5. 前記集光レンズは、前記集光レンズの光軸方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の干渉計。
6. 前記被検物は、前記集光レンズの光軸方向に対して垂直な方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の干渉計。
7. 前記被検物は、前記集光レンズの光軸方向に対して傾斜可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の干渉計。
8. 前記面光源は、前記導光光学系の光軸方向に対して垂直な方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の干渉計。
9. 前記導光光学系は、前記面光源からの光を平行光にして前記集光レンズに入射させるコリメータレンズを有することを特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項に記載の干渉計。
10. 前記集光レンズと前記コリメータレンズとの間の光路中に配置された光分離素子を有することを特徴とする請求項９に記載の干渉計。
11. 前記被検物は、前記集光レンズの焦点位置に配置されていることを特徴とする請求項３乃至１０のいずれか１項に記載の干渉計。
12. 前記検出面の各画素の前に、前記画素の面積より小さい開口を持つマスクを備えていることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
    

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