JPH10141912A - 干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来に比して外乱の影響を低減して、測定精度
を向上する。 【解決手段】回折格子１２により被測定光Ｌ２から回折
光Ｌ２１を生成し、この回折光Ｌ２１を一様な位相に変
換して参照光を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、干渉計に関し、例
えば光ピックアップ等の精密光学部品の検討に適用する
ことができる。本発明は、被測定光の回折光を一様の位
相に変換して参照光を生成することにより、従来に比し
て外乱の影響を低減して、測定精度を向上する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光ピックアップ等の精密光学部品
においては、干渉計を使用して種々に評価するようにな
されている。すなわち図６は、この種の光学部分の評価
に使用される干渉計の原理構成を示す略線図である。こ
の種の干渉計１は、ガスレーザー等のレーザー光源より
射出したレーザービームをコリメータレンズにより平行
光線に変換して測定光Ｌ１を生成する。

【０００３】さらにこの種の干渉計１は、この測定光Ｌ
１をビームスプリッタ２により２条の光束に分離し、一
方の光束を被測定対象でなる光学部分に照射する。さら
に干渉計１は、光路を逆に辿って、この光学部品より得
られる反射光を被測定光Ｌ２としてビームスプリッタ２
に入射する。ここでこの被測定光Ｌ２は、被測定対象に
て反射され、この反射された被測定面の形状に応じた位
相によりビームスプリッタ２に入射することになる。す
なわちこの被測定光Ｌ２は、被測定面の微細形状に係る
情報を位相情報として保持することになる。

【０００４】これに対して干渉計１は、ビームスプリッ
タ２により分離された残り１条の測定光を参照平面に照
射し、その反射光を参照光Ｌ３としてビームスプリッタ
２に入射する。ここでこの参照平面は、通常、この測定
光の波長レベルで極めて平坦な面精度に加工されたミラ
ー面により形成され、これにより参照光Ｌ３は、一様な
位相の平面波によりビームスプリッタ２に入射する。

【０００５】干渉計１は、ビームスプリッタ２におい
て、これら被測定光Ｌ２及び参照光Ｌ３の光路を一致さ
せて、所定の方向に射出する。これによりビームスプリ
ッタ２の出射光Ｌ４は、被測定光Ｌ２及び参照光Ｌ３の
干渉により、参照光Ｌ２に対する被測定光Ｌ２の位相に
応じて光強度が変化する干渉縞が観察される。すなわち
被測定光Ｌ２に保持されてなる位相情報に応じて干渉縞
が発生することになる。これによりこの種の干渉計１に
おいては、この干渉縞の形成ピッチ等より被測定波面の
面精度等を評価するようになされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところでこの種の干渉
計１においては、被測定光Ｌ２と参照光Ｌ３の光路が異
なることにより、外乱の影響を受け易い問題がある。

【０００７】すなわち被測定光Ｌ２及び参照光Ｌ３にお
いては、ビームスプリッタ２により測定光Ｌ１が２条に
分離された後、再びビームスプリッタ２において合成さ
れるまでの間、各被測定光Ｌ２と参照光Ｌ３とがそれぞ
れ通過する光路の状態に応じても位相が変化する。この
ような位相の変化は、対流、振動等によって光路上の空
気の密度が変化しただけでも発生し、干渉計１において
は、これによって測定精度が劣化する。

【０００８】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、従来に比して外乱の影響を低減して、測定精度を向
上することができる干渉計を提案しようとするものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め本発明においては、収束光学系により被測定光を収束
光に変換した後、回折格子を透過させ、第２の光選択手
段により、このうちの所定次数の回折光を一様の位相に
変換する。

【００１０】被測定光を回折格子に入射すれば、位相情
報を有してなる複数の回折光を形成することができる。
また被測定光を収束光に変換して回折格子に入射すれ
ば、この収束光の収束位置において、ピンホール、微少
なミラー等により次数の異なる回折光を選択することが
できる。このときピンホール等の大きさを小径に形成し
て、位相情報を有してなる所定次数の回折光を一様の位
相に変換することができる。これにより位相情報を有し
てなる回折光をコモンパスにより別途選択して干渉させ
ることにより、この位相情報を干渉縞により表すことが
できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、適宜図面を参照しながら本
発明の実施の形態を詳述する。

【００１２】（１）第１の実施の形態 図１は、本発明の第１の実施の形態に係る干渉計を示す
略線図である。この干渉計１０は、例えばレーザービー
ムを照射して被測定面より反射される被測定光Ｌ２をコ
リメータレンズ１１に入射する。

【００１３】ここでコリメータレンズ１１は、この被測
定光Ｌ２を収束光線に変換して射出する。グレーティン
グ１２は、透過型の回折格子で構成され、コリメータレ
ンズ１１に近接して配置されて、コリメータレンズ１１
より出射される被測定光Ｌ２を回折する。

【００１４】スクリーン１３は、被測定光Ｌ１の収束位
置に配置されて、面上に形成された２つのピンホールに
より、被測定光Ｌ２を構成する０次及び１次（＋１次又
は−１次）の回折光Ｌ２０及びＬ２１を選択透過する。
すなわちグレーティング１２より出射される＋１次又は
−１次の回折光Ｌ２１は、０次の回折光Ｌ２０に対し
て、次式

【数１】 の角度により射出される。ここでｎは、次数であり、Ｐ
は、グレーティング１２のピッチ、λは、被測定光Ｌ２
の波長である。

【００１５】従ってスクリーン１３とグレーティング１
２との間の距離をＤとおくと、スクリーン１３上に、次
式で表される間隔ｄで、０次及び１次の回折光Ｌ２０及
びＬ２１のビームスポットが形成されることになる。

【数２】

【００１６】図２に示すように、スクリーン１３は、こ
の各０次及び１次の回折光Ｌ２０及びＬ２１のビームス
ポット形成位置に、２つのピンホールＰ０及びＰ１が形
成される。さらにこの２つのピンホールＰ０及びＰ１の
うち、１次の回折光Ｌ２１に割り当てたピンホールＰ１
においては、次式

【数３】 の関係式で表されるように、小さな径φ１により形成さ
れ、これにより被測定対象の位相情報を含んでなる回折
光Ｌ２１を、位相が揃った一様の位相により出射する。
なおここでＮは、次式の関係式により示される、グレー
ティング１２における被測定光Ｌ２内の格子本数を示
す。またａは、被測定光Ｌ２の半径であり、Ｋ１は、定
数である。

【数４】

【００１７】すなわちコリメータレンズ１１の開口数Ｎ
Ａより、スクリーン１３上に、次式

【数５】 のスポット径φにより０次及び１次の回折光が集光され
る。これにより次式の関係式で示されるように、スクリ
ーン１３には、１次の回折光Ｌ２１のスポット径φに比
して、小径φ１のピンホールＰ１が形成され、これによ
り１次の回折光Ｌ２１を位相が揃った一様の位相により
出射する。ここでｆ１は、コリメータレンズ１１の焦点
距離である。

【数６】

【００１８】なおこの（６）式に対して、距離Ｄとコリ
メータレンズ１１の焦点距離ｆ１がほぼ等しいとおい
て、（２）、（４）、（５）式の関係式を代入して整理
することにより、（３）式の関係式を得ることができ、
これによりピンホールＰ１は、充分に小径により形成さ
れていることがわかる。

【００１９】これに対して１次の回折光Ｌ２０に割り当
てたピンホールＰ０においては、次式

【数７】 の関係式で表されるように、大きな径φ０により形成さ
れ、これにより被測定対象の位相情報を保持したまま回
折光Ｌ２０を選択的に出射する。なおここでＫ０は、定
数である。なおこの関係式は、上述の（６）式と同様
に、次式の関係式より導くことができる。

【数８】

【００２０】なおこれらの定数Ｋ０、Ｋ１、ピンホール
径φ０、φ１は、次式の関係式を満足するように設定さ
れ、これにより収差の影響を受けない範囲で、０次回折
光Ｌ２０側のピンホールＰ０を大径に形成し、またその
分グレーティング１２のピッチｐを小さく設定するよう
になされている。

【数９】 これによりこの実施の形態では、被測定光Ｌ１より参照
光Ｌ２１を生成する。

【００２１】コリメータレンズ１４は、このピンホール
Ｐ１及びＰ０の透過光を平行光線に変換して、ＣＣＤ固
体撮像素子１５の受光面に出射し、ＣＣＤ固体撮像素子
１５は、回折光Ｌ２０及びＬ２１間の干渉縞を撮像す
る。

【００２２】ところでこのようにしてＣＣＤ固体撮像素
子１５の撮像面に導かれる０次の回折光Ｌ２０は、グレ
ーティングの位相情報をも含んでいることになる。また
コリメータレンズ１４の焦点距離をｆ２とすると、０次
の回折光Ｌ２０は、１次の回折光Ｌ２１との間で、次式

【数１０】 の関係式で表される角度差Δが発生する。

【００２３】これによりＣＣＤ固体撮像素子１５により
観察される干渉縞は、グレーティング１２の各格子に対
応した干渉縞が、被測定対象からの位相情報とこの角度
差Δによる光路差により変位して観察されることにな
る。この実施の形態では、この関係を有効に利用して、
このグレーティング１２の各格子に対応する干渉縞を所
定本数サンプリングしてフーリエ変換することにより、
グレーティング１２のピッチに対応したキャリア信号の
位相変調成分として、被測定光Ｌ２の本来的な位相情報
（すなわち被測定面による位相情報であり、被測定光Ｌ
２の収差である）を検出する。

【００２４】以上の構成において、被測定対象より得ら
れた被測定光Ｌ２は、コリメータレンズ１１により収束
光線に変換された後、続くグレーティング１２により回
折される。このうち０次の回折光Ｌ２０は、集光位置に
形成された大径のピンホールＰ０により、被測定対象に
よる位相情報にグレーティング１２による位相情報が付
加されたまま、スクリーン１３を選択的に通過した後、
続くコリメータレンズ１４により平行光線に変換され、
ＣＣＤ固体撮像素子１５の受光面に導かれる。

【００２５】これに対してグレーティング１２より出射
される１次の回折光Ｌ２１は、集光位置に形成された小
径のピンホールＰ１により、波面が揃った一様な位相に
変換され、スクリーン１３を選択的に通過する。その
後、この回折光Ｌ２１は、続くコリメータレンズ１４に
より平行光線に変換され、０次の回折光Ｌ２０に対して
角度Δ（（１０）式）の角度に保持されてＣＣＤ固体撮
像素子１５の受光面に導かれる。

【００２６】これによりＣＣＤ固体撮像素子１５の撮像
面において、コモンパスを経由した回折光Ｌ２０及びＬ
２１が干渉し、ピンホールＰ１から球面波により射出さ
れた後、コリメータレンズ１４により平面波に変換され
た回折光Ｌ２１との間で干渉縞が観測される。すなわち
グレーティング１２による格子に対応した縞が、０次の
回折光Ｌ２０に対する１次回折光Ｌ２１の角度Δの分だ
け変位して、かつ被測定光Ｌ１が保持してなる位相情報
に応じて変位することになる。これによりこの縞模様を
サンプリングしてフーリエ変換することにより、グレー
ティング１２の格子に対応するキャリア信号の位相変調
成分として、被測定光Ｌ２の位相情報を検出することが
できる。

【００２７】以上の構成によれば、被測定光Ｌ２を収束
光線に変換して回折光を生成し、この回折光より参照用
の回折光Ｌ２１と位相情報を保持してなる回折光Ｌ２０
を生成、選択することにより、共通の光路を使用して干
渉縞を生成することができる。従ってその分従来に比し
て外乱の影響を低減して、測定精度を向上することがで
きる。

【００２８】（２）第２の実施の形態 図３は、本発明の第２の実施の形態に係る干渉計を示す
略線図である。この干渉計２０は、第１の実施の形態と
同様に、被測定光Ｌ２より参照用の回折光を作成する。
このときこの実施の形態では、参照用の回折光と被測定
光でなる回折光との間で光路長が等しくなるように設定
し、被測定光Ｌ２における収差を直観的に把握できるよ
うにする。なおこの図３に示す構成のうち、第１の実施
の形態と同一の構成は、対応する符号を付して示し、重
複した説明は省略する。

【００２９】この干渉計２０において、ビームスプリッ
タ２１は、矢印ａにより示すように、被測定光Ｌ２の光
路を折り曲げてグレーティング２２に出射し、また矢印
ｂにより示すように、この出射光とは逆に、グレーティ
ング２２より入射する入射光を透過して出射する。

【００３０】グレーティング２２は、透過型の回折格子
で構成され、ビームスプリッタ２１より入射する被測定
光Ｌ２を回折してコリメータレンズ１１に出射し、また
コリメータレンズ１１から入射する入射光を回折して出
射する。これによりグレーティング２２は、被測定光Ｌ
２の位相情報を保持してなる回折光をコリメータレンズ
１１に出射する。またこの回折光に対応する回折角によ
り、コリメータレンズ１１の出射光より回折光を生成す
る。さらにグレーティング２２は、矢印Ａにより示すよ
うに、格子の繰り返し方向に、次式

【数１１】 で表される振幅ｑ０で変位するように、ステッピングモ
ータ等の簡易な構成の駆動機構により駆動されるように
なされている。

【００３１】ドッテドミラー２３は、コリメータレンズ
１１の焦点位置に配置され、ドット状のミラー面により
コリメータレンズ１１から入射する回折光を選択的に反
射する。すなわち図４に示すように、ドッテドミラー２
３は、入射光の反射を抑制する例えば黒色の平面上に、
第１の実施の形態について上述したピンホールＰ１及び
Ｐ２に対応する形状にて、円形形状のミラー面Ｍ１及び
Ｍ０が形成され、直径φ０でなる大径のミラー面Ｍ０に
より、グレーティング２２で生成された０次の回折光Ｌ
２０を反射する。また直径φ１でなる小径のミラー面Ｍ
１により、グレーティング２２で生成された１次の回折
光Ｌ２１を反射する。

【００３２】これによりドッテドミラー２３は、０次の
回折光Ｌ２０については、位相情報をそのまま保持して
光路を折り返すのに対し、１次の回折光Ｌ２１について
は、一様な位相により光路を折り返す。

【００３３】これにより図５に示すように、この実施の
形態では、この光路が折り返された０次及び１次の回折
光Ｌ２０及びＬ２１が、コリメータレンズ１１を透過し
てグレーティング２２に入射し、０次回折光Ｌ２０より
さらに０次、１次、−１次の回折光Ｌ２００、Ｌ２０
１、Ｌ２０−１を生成し、また１次回折光Ｌ２１よりさ
らに０次、１次、−１次の回折光Ｌ２１０、Ｌ２１１、
Ｌ２１−１を生成するようになされている。

【００３４】かくするにつき、このようにして生成され
る回折光Ｌ２００〜Ｌ２１−１においては、０次回折光
Ｌ２０より生成される−１次の回折光Ｌ２０−１と、１
次回折光Ｌ２１より生成される０次の回折光Ｌ２１０と
が、同一の回折角に保持され、このグレーティング２２
より同一方向に向かって出射されることになる。これに
よりこの−１次の回折光Ｌ２０−１と、０次の回折光Ｌ
２１０とで、以後の光路差を等しく設定できることが判
る。また−１次の回折光Ｌ２０−１においては、測定光
の位相情報を保持し、０次の回折光Ｌ２１０において
は、一様な位相による球面波がコリメータレンズ１１に
より平面波に変換されていることにより、干渉縞を形成
できることが判る。

【００３５】このときグレーティング２２を移動させる
と、各回折光においては、次式

【数１２】 で表される位相差ψｍ（ｑ）だけ位相が変化することに
より、この−１次の回折光Ｌ２０−１と、０次の回折光
Ｌ２１０との位相をそれぞれΛ（０：−１）及びΛ
（１：０）とおくと、次式

【数１３】 によりこの２つの回折光Ｌ２０−１及びＬ２１０の位相
差Δψ（ｑ）を表すことができる。なおここでｑは横ず
らしの距離、ｍは回折次数であり、ψ１（ｑ）、ψ０
（ｑ）、ψ−１（ｑ）は、それぞれ１次、０次、−１次
の回折光の位相である。これにより（１１）式を（１
３）式に代入して、Δψ（ｑ）＝π／２の関係式を得る
ことができる。これによりグレーティング２２は、−１
次の回折光Ｌ２０−１と、０次の回折光Ｌ２１０との位
相差Δψ（ｑ）がπ／２だけ変化するように、矢印Ａに
示す方向に変位するようになされている。

【００３６】コリメータレンズ２４は、ビームスプリッ
タ２１を介して、このようにしてグレーティング２２よ
り出射される回折光を受け、収束光に変換して出射す
る。

【００３７】スクリーン２５は、コリメータレンズ２４
の焦点位置に配置され、２つの回折光Ｌ２０−１及びＬ
２１０を集光位置に形成されたピンホールＰＭにより、
回折光Ｌ２０−１及びＬ２１０を選択的に射出する。こ
こでこのピンホールＰＭは、２つの回折光Ｌ２０−１及
びＬ２１０により形成されるビームスポット径に対し
て、充分に大きな径により形成され、これにより２つの
回折光Ｌ２０−１及びＬ２１０の位相を乱すことなく、
これら２つの回折光Ｌ２０−１及びＬ２１０を選択的に
出射する。

【００３８】コリメータレンズ２６は、このスクリーン
２５の出射光を平行光線に変換し、続くＣＣＤカメラ２
７は、このコリメータレンズ２６の出射光を受光して、
映像信号を出力する。

【００３９】図３に示す構成において、被測定対象より
得られた被測定光Ｌ２は、ビームスプリッタ２１により
光路が折り曲げられた後、グレーティング１２により回
折される。

【００４０】このうち０次の回折光Ｌ２０は、コリメー
タレンズ１１により収束光線に変換された後、被測定対
象による位相情報にグレーティング１２による位相情報
が付加されたまま、集光位置に形成された大径のミラー
面Ｍ０により反射される。さらにこの反射した０次の回
折光Ｌ２０は、コリメータレンズ１１を逆に辿ってグレ
ーティング１２により入射し、ここで回折されて回折光
が生成される。

【００４１】このようにして０次の回折光Ｌ２０より生
成される回折光のうち、−１次の回折光Ｌ２０−１が、
コリメータレンズ２４により収束光に変換された後、ス
クリーン２５のピンホールＰＭにより、他の回折光と分
離される。これにより被測定光Ｌ２の位相情報を保持し
てなる回折光Ｌ２０−１が続くコリメータレンズ２６を
介してＣＣＤカメラ２７に入射される。

【００４２】これに対してグレーティング１２により生
成された１次の回折光Ｌ２１は、コリメータレンズ１１
により収束光線に変換された後、集光位置に形成された
小径のミラー面Ｍ１により反射され、これにより一様な
位相に変換される。さらにこの反射した１次の回折光Ｌ
２１は、コリメータレンズ１１を逆に辿ってグレーティ
ング１２により入射し、ここで回折されて回折光が生成
される。

【００４３】このようにして１次の回折光Ｌ２１より生
成される回折光のうち、回折光Ｌ２０−１の射出方向と
同一方向にグレーティング１２から出射される０次の回
折光Ｌ２１０が、コリメータレンズ２４により収束光に
変換された後、スクリーン２５のピンホールＰＭによ
り、他の回折光と分離される。これにより一様な位相で
なる回折光Ｌ２１０が続くコリメータレンズ２６を介し
てＣＣＤカメラ２７に入射され、回折光Ｌ２０−１と干
渉縞を生成する。

【００４４】このようにして干渉する回折光Ｌ２１０及
び回折光Ｌ２０−１は、グレーティング２２が格子の繰
り返し方向に（１１）式で示す振幅で変位することによ
り、この変位に応じて位相差Δψ（ｑ）が最大π／２だ
け変位し、これによりＣＣＤカメラ２７により観察され
る干渉縞が波長λ／２の位相を単位にして変位し、直観
的に被測定光Ｌ２の収差を判断することができる。また
共に共通の光路を経、さらに同一の回折角によりＣＣＤ
カメラ２７に入射することにより、２つの回折光におけ
る光路差を無くすことができ、その分、図１の干渉計１
０について上述した角度Δによる干渉縞の変位を防止す
ることができる。

【００４５】図３に示す構成によれば、ミラー面Ｍ０及
びＭ１により回折光を折り返して被測定光Ｌ２より参照
用の回折光を作成するようにしても、第１の実施の形態
と同様の効果を得ることができる。さらにこの実施の形
態においては、ミラー面Ｍ０及びＭ１により折り返した
回折光がグレーティング２２に入射して形成される回折
光から、同一回折角の回折光をピンホールＰＭにより選
択し、この選択した回折光をＣＣＤカメラ２７で撮像す
ることにより、被測定光Ｌ２における収差を直観的に把
握することができる。

【００４６】（３）他の実施の形態 なお上述の第１及び第２の実施の形態においては、それ
ぞれコリメータレンズ１１の出射面側及び入射面側にグ
レーティング２２を配置する場合について述べたが、本
発明はこれに限らず、これらとは逆にそれぞれコリメー
タレンズ１１の入射面側及び出射面側にグレーティング
２２を配置してもよい。

【００４７】また上述の第１の実施の形態においては、
０次及び１次の回折光を選択的に使用して干渉縞を生成
する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、必
要に応じて種々の次数による回折光を使用することがで
きる。また同様に第２の実施の形態においても、種々の
次数の回折光を使用することができる。

【００４８】また上述の第１及び第２の実施の形態にお
いては、透過型のグレーティング２２を用いて被測定光
より回折光を生成する場合について述べたが、本発明は
これに限らず、反射型のグレーティングを使用してもよ
い。なおこの場合例えば光路中にビームスプリッタを介
挿してグレーティングの入射光と反射光との光路を分離
することにより実施することができる。

【００４９】さらに上述の第１の実施の形態において
は、大径及び小径のピンホールＰ０及びＰ１により所定
次数の回折光を選択する場合について述べたが、本発明
はこれに限らず、第２の実施の形態と同様に、大径及び
小径のミラー面Ｍ０及びＭ１により所定次数の回折光を
選択してもよい。なおこの場合も例えば光路中にビーム
スプリッタを介挿してミラー面Ｍ０及びＭ１の入射光と
反射光との光路を分離することにより実施することがで
きる。

【００５０】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、被測定光
の回折光を一様な位相に変換して参照光を生成すること
により、参照光を被測定光と同一の光路により生成する
ことができ、その分従来に比して外乱の影響を低減し
て、測定精度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る干渉計を示す
略線図である。

【図２】図１の干渉計のピンホールの説明に供する平面
図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る干渉計を示す
略線図である。

【図４】図２の干渉計のミラーの説明に供する平面図で
ある。

【図５】図２の干渉計におけるグレーティングの入出射
光の説明に供する略線図である。

【図６】従来の干渉計を示す略線図である。

【符号の説明】

１、１０、２０……干渉計、１１、１４、２４、２６…
…コリメータレンズ、１２、２２……グレーティング、
１３、２５……スクリーン、２３……ドッテドミラー、
Ｐ１、Ｐ２、ＰＭ……ピンホール、Ｍ１、Ｍ２……ミラ
ー面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 位相情報を有してなる被測定光を収束光
   に変換する収束光学系と、 前記収束光学系の入射面側、又は収束光学系の出射面
   側、前記収束光の収束位置までの間に配置されて、前記
   被測定光又は前記収束光を回折する回折格子と、 前記収束光の収束位置において、前記回折格子より出射
   される所定次数の回折光を、前記所定次数の回折光の位
   相情報を保持したまま選択的に出射する第１の光選択手
   段と、 前記第１の光選択手段に隣接して配置され、前記第１の
   光選択手段における回折光と異なる次数の回折光を、一
   様の位相に変換して選択的に出射する第２の光選択手段
   とを備えることを特徴とする干渉計。
2. 【請求項２】 前記第１及び第２の光選択手段は、 所定の遮光面に形成された大径及び小径のピンホールで
   なることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。