JPH0650243B2 - 光波干渉装置 - Google Patents

光波干渉装置

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JPH0650243B2
JPH0650243B2 JP59262734A JP26273484A JPH0650243B2 JP H0650243 B2 JPH0650243 B2 JP H0650243B2 JP 59262734 A JP59262734 A JP 59262734A JP 26273484 A JP26273484 A JP 26273484A JP H0650243 B2 JPH0650243 B2 JP H0650243B2
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    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • GPHYSICS
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、試料および参照面からの光を合成して干渉縞
を発生させ、該干渉縞の光像を受光部で受光して検出さ
れる画像信号に基づいて前記試料の表面の微小凹凸を高
精度に測定する光波干渉装置に関する。
〔発明の背景〕 従来、試料の形状を非接触で光学的に測定する方法とし
てトワイマン干渉計が知られている(例えば、山田;光
学の知識,東京電機大学出版局P256〜257(昭和46−
5)がある。)。ここで試料の形状のみならず表面粗さ
を干渉縞により測定しようとすると対物レンズを試料及
び参照面に対向して設ける必要があると考えられるが、
従来このような対物レンズを組込んだ光波干渉装置及び
それによって生ずる問題点については全く検討されてい
なかった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、試料および参照面に対応して顕微鏡対
物レンズを直交配置して直交光学系を維持してビームス
プリッタにより干渉縞を形成し、該干渉縞の光像を受光
部で受光して検出される画像信号に基づいて前記試料表
面の微小凹凸を測定する光波干渉装置において、光軸合
わせが容易で、前記顕微鏡対物レンズにおける裏面反射
光とビームスプリッタからの反射光とによる干渉縞ノイ
ズ成分を除去して試料表面の微小凹凸を高分解能で高精
度に測定することを可能にした光波干渉装置を提供する
ことにある。
〔発明の概要〕
本発明は、上記目的を達成するために、光源から照射さ
れる照明光をビームスプリッタにより2分割して前記照
明光の光軸方向と直角な方向を有する試料光と前記照明
光の光軸方向と平行な方向を有する参照光とに分け、各
々の光路に光軸が前記ビームスプリッタを基準にして互
いに直角になるように配置した顕微鏡対物レンズを通し
て各々試料の表面と参照面とに照射し、各々の反射光を
前記各顕微鏡対物レンズを通して再び前記ピームスプリ
ッタにより合成光にして干渉縞を形成し、該干渉縞の光
像を受光部で受光して検出される画像信号に基づいて前
記試料の表面の微小凹凸を測定する光波干渉装置におい
て、前記ビームスプリッタを、照明光の入射面および試
料光の出射面の各々を前記照明光の光軸方向および前記
試料光の光軸方向に対して所定の角度傾斜させ、更に前
記照明光の入射面と参照光の出射面を平行にして前記照
明光の入射面と試料光の出射面および参照光の出射面と
合成光の出射面とを各々直交させ、更に反射面を前記照
明光を入射面に入射させて屈折して進行する光線方向と
45°の角度を形成すると共に前記照明光の入射面に対
して45°より大きな角度で傾斜させ、前記反射面を照
明光の入射面および参照光の出射面にのみ交叉させて形
成したことを特徴とする光波干渉装置である。
〔発明の実施例〕
試料の表面粗さを光学的に非接触測定するための光波干
渉装置を第3図に示す。光源1から出た光は照明レンズ
2を通過後ビームスプリッタ4により2分割され、反射
光は対物レンズ7を通ってステージ12にのっている試料
10に集光される。一方ビームスプリッタにおける透過光
は対物レンズ8を通って参照ミラ11に集光される。これ
ら試料と参照ミラからの反射光13は再びビームスプリッ
タ4で合成されて干渉し、その干渉縞像を結像レンズ14
により受光部15に投影する。16はモニタ用TVである。
このTV画面19には例えば第5図に示すように試料と参
照ミラの反射光の干渉縞像26の他に対物レンズの裏面反
射光と他の光学部品の反射光の干渉縞像27-1,27-2等が
検出されるため、本来検出しようとしている干渉縞像26
を検出し自動的に信号処理しようとする際に大きな障害
となり正確な試料の表面粗さ、うねり等の測定が不可能
になる。試料の反射率が低くなる程この傾向は強くな
り、例えば試料10が対物レンズと同じガラス材質である
ような場合は、27-1,27-2の干渉縞のノイズ成分の強度
の方が、26の信号成分の干渉縞強度よりも大きくなって
しまうため、試料10の表面粗さ、うねりの測定は全く不
可能となる。
このノイズ成分の干渉縞27-1,27-2が生ずる原因を調べ
てみると、対物レンズ7,9の裏面反射光が関与してい
ることがわかる。対物レンズは例えば第3図に示すよう
に複数枚のレンズ群で構成されており、これら各レンズ
の表裏面で反射がわずかながら生ずる。これらをまとめ
て対物レンズの裏面反射光9で表わす。一方ビームスプ
リッタ4の出射面4-1,4-2においても反射光5,6が生
ずる。検討した結果、試料側対物レンズの裏面反射光9
とビームスプリッタ出射面4-1の反射光5が干渉縞を形
成しており、同様のことが参照ミラ側対物レンズでも生
じていることがわかった。これらの干渉縞ノイズ成分が
第5図27-1,27-2に相当している。
そこで、上記干渉縞ノイズ成分を除去する方策として
は、光軸と直交している対物レンズ7,8に対してビー
ムスプリッタの各面が平行とならないように第6図4′
に示すように傾けてやればよいことが考えられる。しか
るにこの場合、対物レンズ7に向う光は垂直方向からず
れ、試料からの反射光も13に示すように垂直方向からず
れてしまい、光学系の光軸が縦・横直交するような直交
光学系とはならなくなるため装置として不都合が生ず
る。
従来の顕微鏡では照明系に平板状ハーフミラが用いられ
ているが、これを第4図17に示すように干渉装置に組込
んだ場合、参照ミラからの反射光は18に示すようにハー
フミラの裏面でも若干反射され、正規の反射光13に対し
て横ずれを生じてしまうので干渉縞像がだぶってしまい
不具合である。
本発明では上記問題点を解決し、光学部品の裏面反射光
による干渉縞ノイズ成分の発生を防止しかつ直交光学系
となるような光波干渉装置を可能とするものである。以
下本発明の実施例について具体的に第1図及び第2図を
用いて説明する。
第2図は断面形状が長方形のビームスプリッタ20′でそ
の対角線方向に反射面21を有する。このビームスプリッ
タ20′の左右を削って短くし、断面形状を正方形にした
のが第1図のビームスプリッタ20であり、θ≠θ
ある。
第1図において照明光3と試料反射光13とが直交するた
めの条件は、ビームスプリッタ20の照明光3の入射面と
ビームスプリッタ20の試料光の出射面20-1とを直交さ
せ、前記入射面20-1の垂線に対する照明光3の傾き角α
と前記出射面の垂線に対する試料光の傾き角αとの
間においてα=αにさせることが必要である。その
ためには、前記照明光3が入射面で屈折して進行する光
線と反射面21とのなす角度γをγ=π/4=45°にな
るように、前記光線の照明光3の入射面の垂線に対する
屈折角をβとすると入射面に対する反射面の傾き角θ
は、θ=45°+βとなり、45°より大きい角
度にすることが必要となる。その結果前記反射面21から
角度γ=π/4=45°で反射されて試料光の出射面20
-1に出射面の垂線に対して屈折角βで入射され、該出
射面と前記入射面とは直交している(θ+θ=π/
2で、2γ+θ+θ=πになっている。)ため、出
射面で屈折して出射面20-1からは出射面の垂線に対して
傾き角α=αで試料光として出射され、照明光3と
試料光とが直交することになり、顕微鏡対物レンズ7、
8同士の直交光学系に合わせることができる。
ビームスプリッタ20の出射面20-1,20-2で反射された照
明光は破線5,6で示すようになり、試料及び参照ミラ
からの反射光13からそれていくため、受光部には入射せ
ず干渉縞のノイズ成分とならない。そしてビームスプリ
ッタ20または20′の傾斜角αを大きくすればする程反
射光5,6のそれは大きくなることがわかる。
すなわち従来用いられているビームスプリッタ(第3
図,4)は2等辺3角形を2個組合せたものであるため
断面形状は正方形で、第1図においてθ=θとなっ
ている。このためビームスプリッタを傾けると直交光学
系にならなくなる。これに対し本発明では、第1図に示
すようにθ≠θとしているため従来の問題点を解決
することができる。
また本発明第1〜4図においては、ビームスプリッタ入
射面は入射光3に対して傾いているので該入射面におけ
る反射面は光源の方には戻らず、レーザ等のコヒーレン
ト光源の出力を不安定にするという問題は生じない。
上述したように、本発明においては光学部品の裏面反射
光は受光部に戻らないため、第5図において27-1,27-2
のごとき裏面反射光に起因した干渉縞ノイズ成分は除去
され、検出すべき試料と参照ミラの干渉縞26のみを明瞭
に検出し、試料の微細な表面形状を高精度に測定でき
る。しかも直交光学系を維持できるので光学系が容易に
構成でき、従来の光学顕微鏡をそのまま利用することが
できる。
〔発明の効果〕 本発明によれば、試料および参照面に対応して顕微鏡対
物レンズを直交配置して直交光学系を維持してビームス
プリッタにより干渉縞を形成し、該干渉縞の光像を受光
部で受光して検出される画像信号に基づいて前記試料表
面の微小凹凸を測定する光波干渉装置において、ビーム
スプリッタを、照明光の入射面および試料光の出射面の
各々を前記照明光の光軸方向および前記試料光の光軸方
向に対して所定の角度傾斜させ、更に前記照明光の入射
面と参照光の出射面を平行にして前記照明光の入射面と
試料光の出射面および参照光の出射面と合成光の出射面
とを各々直交させ、更に反射面を前記照明光を入射面に
入射させて屈折して進行する光線方向と45°の角度を
形成すると共に前記照明光の入射面に対して45°より
大きな角度で傾斜させ、前記反射面を照明光の入射面お
よび参照光の出射面にのみ交叉させて形成したので、光
軸合わせが容易で、前記顕微鏡対物レンズにおける裏面
反射光とビームスプリッタからの反射光とによる干渉縞
ノイズ成分を除去して試料表面の微小凹凸をナノメータ
オーダの高分解能で高精度に測定することを可能にし、
更にビームスプリッタにおけるエツジ部の欠けによる精
度劣化を防止することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るビームスプリッタを示す図、第2
図は第1図に示すビームスプリッタを完成させる前の状
態を示す図、第3図は従来の干渉計について分解能を向
上させたい新しい光波干渉計を示す図、第4図は従来の
顕微鏡ハーフミラの問題点を説明するための説明図、第
5図は第4図に示す光波干渉計の干渉縞パターン説明
図、第6図は従来のビームスプリッタを傾斜させた場合
の問題点説明図である。 1……光源、2……照明レンズ系 3……照明光 4……プリズムのビームスプリッタ 4-1,4-2……出射面 5,6……出射面からの反射光 7,8……対物レンズ 9……対物レンズ裏面反射光 10……試料、11……参照ミラ 12……ステージ 13……試料及び参照ミラからの反射光 14……結像レンズ、15……受光部 16……TVモニタ 17……平板形状のハーフミラ 18……裏面反射光、19……TV画面 20……台形プリズムのビームスプリッタ 20′……長方形状のビームスプリッタ 21……反射面

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光源から照射される照明光をビームスプリ
    ッタにより2分割して前記照明光の光軸方向と直角な方
    向を有する試料光と前記照明光の光軸方向と平行な方向
    を有する参照光とに分け、各々の光路に光軸が前記ビー
    ムスプリッタを基準にして互いに直角になるように配置
    した顕微鏡対物レンズを通して各々試料の表面と参照面
    とに照射し、各々の反射光を前記各顕微鏡対物レンズを
    通して再び前記ピームスプリッタにより合成光にして干
    渉縞を形成し、該干渉縞の光像を受光部で受光して検出
    される画像信号に基づいて前記試料の表面の微小凹凸を
    測定する光波干渉装置において、前記ビームスプリッタ
    を、照明光の入射面および試料光の出射面の各々を前記
    照明光の光軸方向および前記試料光の光軸方向に対して
    所定の角度傾斜させ、更に前記照明光の入射面と参照光
    の出射面を平行にして前記照明光の入射面と試料光の出
    射面および参照光の出射面と合成光の出射面とを各々直
    交させ、更に反射面を前記照明光を入射面に入射させて
    屈折して進行する光線方向と45°の角度を形成すると
    共に前記照明光の入射面に対して45°より大きな角度
    で傾斜させ、前記反射面を照明光の入射面および参照光
    の出射面にのみ交叉させて形成したことを特徴とする光
    波干渉装置。
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JPS61140802A (ja) 1986-06-27

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