JPH07270115A - 干渉計装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フィゾー型の干渉計装置において、基準面か
らの参照光と被検面からの物体光との光路差をキャンセ
ルする光路差調整光学系を設けることにより、可干渉性
があまり良好でない光を用いても鮮明度に優れた干渉縞
を得ることができるようにする。 【構成】 偏光ビームスプリッタ５と結像レンズ11との
間にビームスプリッタ13および２つの反射ミラー14a,b
からなる光路差調整光学系15を備えている。ビームスプ
リッタ13をＴＶカメラ12方向に最初に透過した光と、２
つの反射ミラー14a,b により反射され、これらミラー14
a,b の間を１往復した後ビームスプリッタ13からＴＶカ
メラ12方向に射出された光とがちょうど基準平面8aと被
検面9aとの距離により生じた物体光と参照光の光路差Ｌ
に等しい光路差を有するように設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は被検体の表面形状を干渉
縞により観察し得る干渉計装置に関し、詳しくはこの被
検面と基準面とが対向するように配されたフィゾー型の
干渉計装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】球面あるいは非球面の表面形状を精密に
測定するための手法として干渉法が知られている。

【０００３】干渉法による形状測定は、精度の高い基準
面（干渉原器）に対して被検面がどの程度変位している
かを、それぞれの面から反射した光を干渉させ発生した
干渉縞に基づき求めようとするものである。

【０００４】干渉法は非接触で全面の形状精度を瞬時に
確認できるという利点があり、この中でもフィゾー型の
干渉計装置を用いた干渉法は装置構成が簡便であること
から種々の表面形状測定に用いられている。

【０００５】一般的なフィゾー型の干渉計装置としては
図７に示すようにレーザ光源101 と、レーザビーム102
を発散光105 に変換する発散レンズ104 と、ビームスプ
リッタ106 と、コリメータレンズ107 と、この平行光10
8 をこの平行光に対して垂直に配された、半透鏡基準平
面109aにより一部反射せしめるとともにその残りの平行
光108 を透過せしめて被検体110 の被検面110aに照射せ
しめる基準板109 と、基準面109aから反射された参照光
と被検面110aから反射された物体光との干渉により形成
される干渉縞を観察するためのＴＶカメラ111 を備えて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようにフィゾー型
の干渉計装置は構造的に簡易な構成とされているが、そ
の反面、上記物体光と参照光が基準平面109aと被検面11
0aの距離の２倍の光路差を有しているため、光源として
可干渉性の高い光を照射し得るレーザ光源等を用いる必
要があり、また主に基準板109 の基準平面109aとは逆側
の表面からの反射光により不要な干渉縞が発生し易いと
いう問題があった。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みなされたも
のであり、コンパクトな構成を有するフィゾー型の干渉
計装置の利点を有しつつ、可干渉性の余り良好でない照
射光を用いても鮮明度の高い干渉縞が得られる干渉計装
置を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願発明の第１の干渉計
装置は、可干渉光を、基準板の基準面を介して被検体の
被検面に入射せしめ、該可干渉光の、該被検面における
反射により生じた物体光と前記基準面における反射によ
り生じた参照光との光干渉により生じる干渉縞を所定の
干渉縞形成面上に形成する干渉計装置において、前記物
体光と、この物体光と重ね合わされた前記参照光を互い
に分離し、この後これら物体光と参照光を再び重ね合わ
せるまでにこの参照光が前記物体光よりも、前記基準面
と前記被検面との距離の２倍に相当する光路長Ｌだけ長
い光路長を有するように前記物体光と前記参照光を導く
光路差調整光学系を前記基準板と前記干渉縞形成面との
間に配設したことを特徴とするものである。

【０００９】また、本願発明の第２の干渉計装置は、上
記第１の干渉計装置の光路差調整光学系が、前記物体光
および前記参照光のうちいずれか一方を透過し、他方を
側方に反射せしめるビームスプリッタと、このビームス
プリッタから射出された前記参照光を照射されて該参照
光を該ビームスプリッタ方向に反射せしめる第１の反射
鏡と、この第１の反射鏡により反射され該ビームスプリ
ッタから射出された該参照光を照射されてこの参照光を
該ビームスプリッタ方向に反射せしめる第２の反射鏡と
を、前記光路長Ｌの１／２に等しい光学距離だけ光路上
で互いに離れた位置に配設してなる反射鏡ペアとからな
り、前記第２の反射鏡により反射され前記ビームスプリ
ッタから射出された前記参照光が前記ビームスプリッタ
から射出された前記物体光と重なり合うように構成され
てなることを特徴とするものである。

【００１０】さらに、本願発明の第３の干渉計装置は、
上記第２の干渉計装置であって、この第１および第２の
反射鏡の少なくとも一方に前記ビームスプリッタ方向に
振動するよう駆動される反射鏡振動手段が取り付けられ
てなることを特徴とするものである。

【００１１】なお、本明細書において光路長とは真空中
において換算した長さをいう。

【００１２】

【作用】上記第１の干渉計装置によれば、フィゾー型の
干渉計装置において、基準面からの参照光と被検面から
の物体光との、これら両面間距離に基づく光路長の差を
キャンセルする光路差調整光学系を設けており、これに
より干渉縞形成面上で重なり合う上記物体光と参照光
の、光源における射出タイミングが略等しくなり、可干
渉性がそれ程良好でない光を射出する光源を用いた場合
にも上記干渉縞形成面上に鮮明度に優れた干渉縞を形成
することが可能となる。

【００１３】また、上記光路長の差をキャンセルするこ
とにより、基準板の基準面とは反対側の面からの反射光
等により形成される不要な干渉縞が軽減されるという利
点もある。

【００１４】また上記第２の干渉計装置は、ビームスプ
リッタと２枚の反射鏡により、参照光を上記基準面と上
記被検面の面間距離に基づく光路長の差に等しい光路長
だけ迂回させてから物体光と重なり合うようにしてお
り、いわばマイケルソン型の干渉計装置の特徴をフィゾ
ー型の干渉計装置に取り入れることにより簡単な構成
で、干渉縞形成面上における参照光と物体光の光路差が
キャンセルされるようにしている。

【００１５】また、上記第３の干渉計装置は、上記物体
光と参照光の光路差をキャンセルするための光路差調整
光学系の２つの反射鏡のうちいずれか一方にピエゾ素子
等の反射鏡振動手段を取り付け、該反射鏡をビームスプ
リッタ方向に振動させることにより、干渉縞形成面にお
ける物体光と参照光の光路差を微小に変化せしめて干渉
縞を変化せしめているので、これに基づきいわゆるフリ
ンジスキャニング法（位相シフト法とも称され、参照光
と物体光の位相差を変動させた際に縞がどの方向に移動
するかを観察して被検面の凹凸を検出する方法）を適用
することが可能となる。従来のフィゾー型の干渉計装置
においては、フリンジスキャニング法を適用するために
被検面もしくは基準面を光軸方向に振動させていたた
め、振動用の駆動機構が大型化し、装置の大型化を招い
ていたが、本願発明装置ではパスマッチ用の反射鏡を振
動させることにより同様の効果が得られるので反射鏡振
動手段および振動駆動機構の小型化ひいては装置の小型
化を促進することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００１７】図１は本発明の一実施例に係る干渉計装置
を示す概略図である。この干渉計装置はコヒーレント長
の短い光を発する光源１と、この光源１から射出された
光２を平行光４とするコリメータレンズ３と、この平行
光４を90°回転した方向に反射せしめる偏光ビームスプ
リッタ５と、この反射された平行光４のビーム径を拡大
するビームエクスパンダ６と、このビーム径を拡大され
た平行光７を垂直に照射される極めて平面度の高い半透
鏡平面である基準平面8aを下面に有する基準板８と、基
準平面8aから反射された光の残りの平行光７が照射され
る被検面9aを有する被検体９を載設保持し、この被検面
9aが基準平面8aと平行となるように調整し得る台10を備
えており、略平面とれさた被検面9aの微小な表面形状を
観察するために用いられる。

【００１８】また、上記基準平面8aから反射された参照
光と上記被検面9aから反射された物体光とが互いに重な
り合い戻り光となってビームエクスパンダ６および偏光
ビームスプリッタ５を透過することになるが、この戻り
光を結像するための結像レンズ11と、この結像レンズ11
の焦点面上に受光面を有し、上記物体光および参照光に
より形成される干渉縞を観察するためのＴＶカメラ12を
備えている。

【００１９】また、偏光ビームスプリッタ５と結像レン
ズ11との間にビームスプリッタ13および２つの反射ミラ
ー14a,b からなる光路差調整光学系15を備えている。ま
た、このビームスプリッタ13の前段位置には直線偏光を
円偏光とするための１／４波長板20が挿入されている。

【００２０】さらに、コリメータレンズ３の後段には平
行光４を直線偏光とするための偏光板16が、また偏光ビ
ームスプリッタ５のビームエクスパンダ６側には１／４
波長板17が配設されている。

【００２１】次に、本実施例装置の作用について説明す
る。

【００２２】すなわち、光源１からの光２は平行光４と
された後偏光板16によって直線偏光とされ、偏光ビーム
スプリッタ５の反射面において下方に反射される。この
平行光４はビームエクスパンダ６でビーム径が拡げられ
た平行光７とされ、基準平面8aと被検面9aにおける反射
により各々参照光と物体光となる。

【００２３】この後、物体光および参照光は重なり合っ
てビームエクスパンダ６を介して１／４波長板17に入射
する。この１／４波長板17に入射する前の平行光に対
し、この１／４波長板17から射出された物体光および参
照光は偏光面が90°回転した状態となっており、この物
体光および参照光はこの後偏光ビームスプリッタ５の反
射面を透過する直線偏光とされる。次に光路差調整光学
系15に入射するとこの直線偏光は１／４波長板20により
円偏光され、ビームスプリッタ13において、透過する直
線偏光と反射する直線偏光の両者が生成されるようにな
る。

【００２４】ところで、前述したように、上記基準平面
8aと被検面9aとの距離に基づく、上記物体光および参照
光がビームエクスパンダ６に入射する際の両者の光路差
はＬとなっている。

【００２５】上記光路差調整光学系15は上記物体光およ
び参照光の光路差Ｌをキャンセルすることにより、可干
渉性の小さい光によってもＴＶカメラ12の受光面上に干
渉縞画像を形成することが可能となる。

【００２６】すなわち、このビームスプリッタ13に入射
した物体光および参照光はそのハーフミラー面におい
て、透過する光と第１の反射ミラー14a 方向に反射され
る光とに分割され、この後第１の反射ミラー14a から反
射された光はビームスプリッタ13に戻る。この後、第１
の反射ミラー14a からの光の一部は第２の反射ミラー14
b に照射され、この第２の反射ミラー14b により反射さ
れ再びビームスプリッタ13に戻る。この第２の反射ミラ
ー14b から反射された光の一部はビームスプリッタ13の
ハーフミラー面により反射されてＴＶカメラ12方向に射
出される。そして、最初にビームスプリッタ13をＴＶカ
メラ12方向に透過した光と、２つの反射ミラー14a,b に
より反射され、これらミラー14a,b の間を１往復した後
ビームスプリッタ13からＴＶカメラ12方向に射出された
光とはちょうど光路長Ｌに等しい光路差を有するように
設定されている。したがって、最初にビームスプリッタ
13をＴＶカメラ12方向に透過した光のうちの物体光と、
上記２つのミラー14a,b 間を１往復した後ビームスプリ
ッタ13からＴＶカメラ12方向に射出された光のうちの参
照光とは上記基準平面8aと被検面9aとの距離により生じ
た光路差Ｌがキャンセルされて光路差が略０となり、可
干渉性の小さい光によってもＴＶカメラ12の受光面上に
鮮明度（ビジビリティ）の高い干渉縞を形成することが
可能となる。

【００２７】なお、この光路差調整光学系15における参
照光と物体光の光路差は、図２に示す如く、第１の反射
ミラー14a からビームスプリッタ13までの距離をＬ₁ 、
第２の反射ミラー14b からビームスプリッタ13までの距
離をＬ₂ 、ビームスプリッタ13の幅をＬ₃ 、ビームスプ
リッタ13の屈折率をｎとするとき２（Ｌ₁ ＋Ｌ₂ ＋ｎＬ
₃ ）で表わされ、これが上記基準平面8aと被検面9aの距
離の２倍の光路長Ｌと等しくなるように上記光学系15が
位置設定されている。

【００２８】光源１としては可干渉性の小さい光を発す
る光源を使用することが可能であるから、例えば白色ラ
ンプ、キセノンランプ、ＬＥＤあるいはスーパールミネ
ッセンスダイオード（ＳＬＤ）等の使用が可能である。

【００２９】ただし、このようなハーフミラー面を有す
るビームスプリッタ13を用いた光路差調整光学系15内を
光が進む間にその光量が減衰することから、明瞭な干渉
縞を形成するためには参照光を生成する基準平面8aにお
ける反射率を高くしておき、初期段階において参照光の
光量を物体光の光量に比して大きくしておく。

【００３０】また、上記２つの反射ミラー14a,b のうち
少なくとも一方は可動としておき、光路差キャンセル用
の光路の長さを微調整することができるようにしておく
のが望ましい。

【００３１】さらに、上記可動とされたもの以外の反射
ミラーについては筐体等にＡｌ等の金属を蒸着すること
により生成した蒸着ミラーとすることも可能である。

【００３２】また、上記実施例装置は、図１に示すよう
に第１の反射ミラー14a （第２の反射ミラー14b とする
ことも可能）にピエゾ素子18が取り付けられており、所
定のタイミングでピエゾ素子駆動電源19から印加された
所定周波数の、のこぎり波電圧信号に応じてこのピエゾ
素子18が振動し第１の反射ミラー14a が光軸方向（ビー
ムスプリッタ13方向）に振動する。この振動に伴ない干
渉縞が移動し、このときの干渉縞画像をコンピュータに
入力し自動解析させるフリンジスキャニング法を用いる
ことにより被検面の凹凸形状を正確に認識することが可
能となる。

【００３３】本実施例装置においては、光路差調整光学
系15の反射ミラー14a にピエゾ素子18を取り付けて光路
差を微小変化せしめているので、基準板８や被検体９に
ピエゾ素子を取り付けて光路差を微小変化せしめている
従来技術と比べ、ピエゾ素子の駆動電力が小さくてよ
く、また、実際の振動に係る機構部分（例えば、ミラー
保持機構）も簡単となる。さらに、基準板８が大きいた
めに１つのピエゾ素子によっては片持ち構造となり平面
性がくずれるというような従来の問題も生じない。

【００３４】なお、本発明の実施例装置としては上記実
施例のものに限られず、種々の態様の変更が可能であ
る。

【００３５】例えば光路差調整光学系としては参照光を
物体光に対し上記光路長Ｌに相当する光路長だけ迂回せ
しめるものであればよく、例えば図３あるいは図４に示
すような構成であってもよい。

【００３６】図３に示す光路差調整光学系115 は、ビー
ムスプリッタ113aにより光を２系に分割し、反射された
光を２つの反射ミラー114a,bにより反射した後ビームス
プリッタ113bに入射せしめ、このビームスプリッタ113b
において、分割された２系の光を合成するようにしたも
ので、迂回させた系の光が、そのまま直進した系の光に
対して光路長Ｌだけ長くなるように設定されている。

【００３７】また、図４に示す光路差調整光学系215
は、ビームスプリッタ213 により光を２系に分割し、反
射光はそのまま結像レンズ211 を介してＴＶカメラ212
へ、一方透過光は反射ミラー214a、ビームスプリッタ21
3 、反射ミラー214b、ビームスプリッタ213 を経由し、
結像レンズ211 を介してＴＶカメラ212 へ各々入射す
る。このとき、ビームスプリッタ213 から透過された光
は、反射されてそのままＴＶカメラ212 に入射する光に
対して光路長Ｌ（真空中に換算）だけ迂回することとな
るように構成されている。

【００３８】さらに、上記実施例装置においては、光路
差調整光学系15のビームスプリッタ13のハーフミラー面
によって光を分割するものであるが、この場合には前述
したように干渉に寄与する光量分が小さくなってしまう
ので、図５に示すように、分光手段として偏光ビームス
プリッタ13a を使用するようにして上記光量の減少割合
を小さくすることも可能である。この場合には図５に示
すように偏光ビームスプリッタ13a と各反射ミラー14a,
b の間の位置に１／４波長板21a,b を挿入して偏光ビー
ムスプリッタ13a による偏光の透過および反射を切り換
えるようにする。

【００３９】また、偏光ビームスプリッタ13a の前段お
よび後段に各々１／４波長板20および１／４波長板21c
が配設される。

【００４０】すなわち、ビームスプリッタ５を透過し
た、直線偏光の参照光と物体光は上記１／４波長板20に
入射して偏光面が45°回転し、この後偏光ビームスプリ
ッタ13a に入射して、透過する直線偏光と反射する直線
偏光に分離される。この偏光ビームスプリッタ13a によ
り反射された直線偏光は反射ミラー14a により反射され
て偏光ビームスプリッタ13a に戻されるが、この間に１
／４波長板21a を２回通過することとなるため偏光面が
90°回転した直線偏光とされ偏光ビームスプリッタ13a
を透過することとなる。

【００４１】この後偏光ビームスプリッタ13a を透過し
た直線偏光は反射ミラー14b により反射されて再び偏光
ビームスプリッタ13a に戻されるが、この間に１／４波
長板21b を２回通過することとなるため偏光面が90°回
転した直線偏光とされ偏光ビームスプリッタ13a により
干渉縞観察用のＴＶカメラ212 方向に反射されることと
なる。

【００４２】この偏光ビームスプリッタ13a で反射され
た直線偏光は、この偏光ビームスプリッタ13a をそのま
ま透過した直線偏光と重ね合わされる。これら２つの直
線偏光は共に参照光と物体光を合成したものであって、
２つの反射ミラー14a,b 間を往復した直線偏光のうちの
物体光と、偏光ビームスプリッタ13a をそのまま透過し
た直線偏光のうちの参照光との光路長が等しく合わされ
ることとなる。

【００４３】ところが、この光路長を合わされた参照光
と物体光とは偏光面が互いに90°ずれているため、これ
ら両者の偏光面を１／４波長板21c により回転させ、同
一方向の偏光成分を発生させてこの偏光成分により参照
光と物体光を干渉させるようにしている。

【００４４】また、上記実施例装置は、略平面とされた
被検面の表面形状を観察する場合について説明している
が、本発明の干渉計装置は被検面が球面や非球面（回転
楕円面、双曲面、放物面、円筒面等）等の場合について
もその被検面形状に応じた基準板を所定位置に配設する
ことにより適用可能である。

【００４５】例えば、凹状の略球面とされた被検面を観
察する場合には、図６に示す如き装置構成のものを使用
する。すなわち、基準レンズ118 として、被検面119a側
に凹面からなる基準面を向けた、正の屈折力を有するレ
ンズを用いる。

【００４６】この基準面118aは、極めて高精度の凹状の
球面に所定の反射率を有する反射膜を蒸着された半透鏡
球面として形成されてなる。

【００４７】この基準レンズ118 に入射された平行光４
はこの基準レンズ118 によって、点Ｏに収束した後発散
光となって被検面119aに入射する光束に変換される。な
お、凹状の略球面からなる被検面119aを有する被検体11
9 は、この被検体119 と基準レンズ118 のアライメント
を調整し得る台10上に載設保持されている。

【００４８】上記基準レンズ118 および被検体119 は、
基準面118aおよび被検面119aが収束点Ｏを球心とする球
面上に位置するように配設される。

【００４９】これにより、被検面119aに照射された発散
光はこの被検面119aで反射され、収束光となって点Ｏに
収束し、次に発散光となって基準面118aに再入射する。
すなわち、基準面118aから被検面119aに向かう光線束
と、この被検面119aにより反射され、被検面119aから基
準面118aに向かう光線束（物体光）とは互いに重なり合
い、これにより基準面118aにおける反射により形成され
た参照光とこの基準面118aに再入射した物体光とが重な
り合ってこれら２つの光の進む方向を一致させることが
可能となる。

【００５０】そしてこの場合にも、光路差調整光学系15
において参照光が基準面118aと被検面119aとの距離の２
倍に相当する光路長Ｌだけ迂回せしめられ、ＴＶカメラ
12の受光面上で、光路長がそろえられた参照光と物体光
とにより、被検面119aの表面形状を表わす干渉縞が形成
される。

【００５１】さらに、上記実施例では反射ミラーを振動
せしめる反射鏡振動手段としてピエゾ素子を用いている
が、他の振動素子を用いることも可能である。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の干渉計装
置によれば、フィゾー型の装置を用い、基準面からの光
と被検面からの光との光路差がキャンセルされるように
しているので可干渉性の小さい光によっても鮮明度の高
い干渉縞画像を得ることができる。

【００５３】また、光路差調整光学系の反射鏡に反射鏡
振動手段を取り付けこの反射鏡を振動させるようにし
て、光路差を微小変動させれば、構成簡易かつ小さな駆
動電力によりフリンジスキャニング法による干渉縞解析
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る干渉計装置を示す概略図

【図２】図１に示す干渉計装置の一部を拡大して示す概
略図

【図３】図１に示す干渉計装置の光路差調整光学系の変
更例を示す概略図

【図４】図１に示す干渉計装置の光路差調整光学系の他
の変更例を示す概略図

【図５】図１に示す干渉計装置の光路差調整光学系の他
の変更例を示す概略図

【図６】図１の実施例装置とは異なる実施例装置を示す
概略図

【図７】従来の干渉計装置を示す概略図

【符号の説明】 １，101 光源 ２，102 光 ５，13a ，106 偏光ビームスプリッタ ８，109 基準板 8a，109a 基準平面 ９，110 ，119 被検体 9a，110a，119a 被検面 12，111 ，212 ＴＶカメラ 13，113a，113b，213 ビームスプリッタ 14a ，14b ，114a，114b，214a，214b 反射ミラー 15，115 ，215 光路差調整光学系 17，20，21a ，21b １／４波長板 18 ピエゾ素子 19 ピエゾ素子駆動電源 118 基準レンズ 118a 基準面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可干渉光を、基準板の基準面を介して被
   検体の被検面に入射せしめ、該可干渉光の、該被検面に
   おける反射により生じた物体光と前記基準面における反
   射により生じた参照光との光干渉により生じる干渉縞を
   所定の干渉縞形成面上に形成する干渉計装置において、 前記物体光と、この物体光と重ね合わされた前記参照光
   を互いに分離し、この後これら物体光と参照光を再び重
   ね合わせるまでにこの参照光が前記物体光よりも、前記
   基準面と前記被検面との距離の２倍に相当する光路長Ｌ
   だけ長い光路長を有するように前記物体光と前記参照光
   を導く光路差調整光学系を前記基準板と前記干渉縞形成
   面との間に配設したことを特徴とする干渉計装置。
2. 【請求項２】 前記光路差調整光学系が、前記物体光お
   よび前記参照光のうちいずれか一方を透過し、他方を側
   方に反射せしめるビームスプリッタと、このビームスプ
   リッタから射出された前記参照光を照射されて該参照光
   を該ビームスプリッタ方向に反射せしめる第１の反射鏡
   と、この第１の反射鏡により反射され該ビームスプリッ
   タから射出された該参照光を照射されてこの参照光を該
   ビームスプリッタ方向に反射せしめる第２の反射鏡と
   を、前記光路長Ｌの１／２に等しい光学距離だけ光路上
   で互いに離れた位置に配設してなる反射鏡ペアとからな
   り、 前記第２の反射鏡により反射され前記ビームスプリッタ
   から射出された前記参照光が前記ビームスプリッタから
   射出された前記物体光と重なり合うように構成されてな
   ることを特徴とする請求項１記載の干渉計装置。
3. 【請求項３】 前記第１および第２の反射鏡の少なくと
   も一方に、該少なくとも一方の反射鏡が前記ビームスプ
   リッタ方向に振動するよう駆動する反射鏡振動手段が取
   り付けられてなることを特徴とする請求項２記載の干渉
   計装置。