JPH1123216A - 透明薄板測定用干渉計 - Google Patents

透明薄板測定用干渉計

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JPH1123216A
JPH1123216A JP19321997A JP19321997A JPH1123216A JP H1123216 A JPH1123216 A JP H1123216A JP 19321997 A JP19321997 A JP 19321997A JP 19321997 A JP19321997 A JP 19321997A JP H1123216 A JPH1123216 A JP H1123216A
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Seiji Toyama
精二 遠山
Nobuaki Ueki
伸明 植木
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 透明薄板の表面形状を測定するパスマッチ光
学系を備えた干渉計において、2つの偏光板と2つの光
学位相板を所定の光路位置に配し、観察系には被検面の
干渉縞画像を得るために必要な2つの光束(直線偏光)
のみを入射せしめることにより、コントラストの良好な
干渉縞画像を簡易な構成で得る。 【構成】 P偏光を透過する第1の偏光板21を光源1
とハーフミラー4の間に配置して光源1からの光をP偏
光に変換するとともに、パスマッチ光学系の光路中にλ
/2光学位相板22を挿入して、パスマッチ光学系を迂
回した光をS偏光に変換し、ハーフミラー4において、
P偏光のまま直進した光束と合成する。また、基準板1
1と被検板12の間にλ/4光学位相板23を配置して
被検面11aで反射された光をS偏光からP偏光に、も
しくはP偏光からS偏光に変換する。そして、撮像カメ
ラ14の前段にS偏光を透過する第2の偏光板24を配
置してバックグラウンド光となるP偏光の透過を阻止す
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、液晶用ガラス、各
種光学フィルタおよびウインドウ等の透明薄板の表面形
状を干渉計測する干渉計に関し、特に測定光の一部を迂
回させるパスマッチ光学系を設けた透明薄板測定用干渉
計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、フィゾー型干渉計では、被検体
のセッティングを行うために基準面と被検面の間隔をあ
る程度まで大きくする必要があることから、光源からの
光は少なくともこの間隔の2倍程度の可干渉距離を有す
ることが必要である。しかしそのために、被検面からの
反射光との光路差が被検体の厚みの2倍とされた被検体
裏面からの反射光により生じる干渉縞が、本来の干渉縞
上にノイズの干渉縞として重畳するという問題がある。
【0003】本願出願人は、この問題を解決する方策と
して、被検体裏面からの反射光による干渉縞の発生を阻
止し得るパスマッチ光学系を備えた透明薄板測定用干渉
計を既に開示している。すなわち、この干渉計は、光源
からの出力光の可干渉距離Lcを透明薄板の厚み方向の
光学距離ntの2倍よりも小さく設定し、透明薄板に向
かう光のうちの一部を分離して、その余の光よりも基準
面と被検面との距離L(ただし、L>>nt)の2倍に
相当する距離だけ大きい光路長を有するように迂回させ
た後、分離したその余の光と合成させるパスマッチ光学
系を備えている。
【0004】このような構成とすることにより、迂回し
ないで直進した測定光の被検面からの反射光と、迂回し
た測定光の基準面からの反射光との相互干渉による場合
以外は干渉縞が生じないようにしており、この結果、被
検体裏面からの反射光により生じるノイズとなる干渉縞
の発生を阻止することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この干
渉計を用いて透明薄板の観察測定を行うに際し、撮像面
上に形成される干渉縞画像のコントラストをより高くし
て、干渉縞の観察測定の精度を良好なものとしたいとい
う要望がある。この要望を満足するためには上述した干
渉計について、光干渉を生じる反射光に、光干渉を生じ
ない反射光がバックグラウンド光として重畳されること
を防止することが課題となる。
【0006】すなわち、上記干渉計では、前述のとお
り、迂回しないで直進した測定光の被検面からの反射光
と、迂回した測定光の基準面からの反射光とが相互干渉
して生じた干渉縞を観察測定して被検面評価を行う。し
かし観察系にはそれ以外にも、迂回しないで直進した測
定光の基準面や被検体裏面各々からの反射光、さらには
迂回した測定光の被検面や被検体裏面各々からの反射光
が入射し、バックグラウンド光とされるため、画像全体
が明るくなってしまい、干渉縞のコントラストが低下す
る。干渉縞のコントラストが低下すると観察測定の精度
を低下させることになり、特に、干渉縞から被検面の形
状を自動的に解析する解析装置の使用が困難なものとな
る。
【0007】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、被検面についての干渉縞画像の測定を
行うために必要となる反射光だけを観察系に入射させる
とともに、それ以外の反射光がその測定用反射光のバッ
クグラウンド光として観察系に入射することを阻止し、
コントラストの良好な干渉縞画像を簡易な構成で得るこ
とのできる透明薄板測定用干渉計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】本発明の透明薄板測定用
干渉計は、光源から射出される光の可干渉距離を、透明
薄板よりなる被検体の厚みの2倍に相当する距離よりも
小さく設定し、該被検体に向かう前記光のうちの一部を
第1の光分離手段により分離して、該一部の光を、その
余の光よりも基準面と被検面との距離の2倍に相当する
距離だけ大きい光路長を有するように迂回させた後、光
合成手段により該その余の光と合成させるパスマッチ光
学系を備え、この合成された光の、該基準面からの反射
光である第1の反射光と、この基準面を透過した該合成
された光の、前記被検面からの反射光である第2の反射
光との光干渉により生じる干渉縞に基づき、該被検面の
表面形状を測定する透明薄板測定用干渉計であって、前
記光源から前記第1の光分離手段に到る光路内に、前記
光源からの光のうち所定の振動面を有する偏光成分のみ
を透過する第1の偏光手段を配置し、前記第1の光分離
手段から前記光合成手段に到る、前記一部の光と前記そ
の余の光のうちのいずれか一方の光路内にλ/2光学位
相板を配置し、前記基準面が形成された基準板と前記被
検体の間にλ/4光学位相板を配置し、前記光源と該基
準板の間に前記第1および前記第2の反射光を観察系に
導くための第2の光分離手段を配置し、この第2の光分
離手段と該観察系との間に、前記一部の光による前記第
1の反射光および前記その余の光による前記第2の反射
光を構成する、所定の振動面を有する偏光成分のみを透
過させる第2の偏光手段を配置してなることを特徴とす
るものである。
【0009】また、前記基準板の前記被検体側の面に前
記λ/4光学位相板を密着形成することも可能である。
また、前記パスマッチ光学系が、前記光源からの光の一
部を反射し、その余の光を透過せしめる光分離手段と、
該光分離手段からの反射光もしくは透過光を少なくとも
1回反射せしめる光反射部材と、前記光分離手段からの
透過光もしくは反射光と該光反射部材からの反射光を合
成せしめる光合成手段とから構成されるのが望ましい。
【0010】さらに、前記光源と前記パスマッチ光学系
との間に所定の波長の光を選択透過する波長選択フィル
タを配設するのがより望ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を用いて説明する。図1は、本発明の透明薄板測定
用干渉計に係る実施形態を示す概略図である。この干渉
計において、白色光等の広域帯な波長成分を有する光を
出力する光源1から出力された測定光はコリメータレン
ズ2により平行光とされ、コンデンサレンズ8およびコ
リメータレンズ10によってビーム径を拡大され、透明
な基準板11および薄板ガラスの被検体12に照射され
る。
【0012】基準板11の基準面11aおよび被検体1
2の被検面12aからの、上記測定光の反射光は互いに
干渉し合い、ハーフプリズム9のハーフミラー面9aで
直角反射され、イメージングレンズ13を介して、撮像
カメラ14内のCCD素子上に干渉縞画像を形成する。
なお、このCCD素子により光電変換された干渉縞画像
情報に基づき、CRT等の画像表示部(図示されていな
い)上に干渉縞画像が表示される。ところで、本発明の
目的はこの干渉縞画像をよりコントラストの良い状態で
観察測定することであるが、その前提であるパスマッチ
光学系を有する干渉計について、まず説明する。
【0013】一般に、フィゾー型干渉計を用いて薄板ガ
ラスからなる被検体12を測定する場合には、セッティ
ングの都合上基準面11aと被検面12aとの間隔がど
うしても開いてしまう。そのため、干渉距離の大きい測
定光を用いて干渉縞画像を得ることになるが、被検面1
2aからの反射光に対し、被検体12の厚み方向の光学
距離ntの2倍の光路差しか有さない被検体12の裏面
12bからの反射光も、基準面11aからの反射光や該
被検面12aからの反射光と互いに干渉し合うこととな
る。このような被検体12の裏面12bからの反射光に
よって生じた干渉縞は、本来の干渉縞と重畳して測定精
度を低下させる。
【0014】しかし、パスマッチ光学系を有する干渉計
では、この被検体裏面からの反射光による干渉縞を除去
し、本来の干渉縞画像のみを得ることができる。一般
に、このような干渉計においては、前述のとおり、測定
光の干渉距離が大きい場合ノイズの干渉縞を生じてしま
う。そこで、被検体裏面からの反射光による干渉縞の発
生を防止するために、測定光として、可干渉距離Lcが
2ntよりも小となるような光を用い(具体的には光源
1として、ハロゲンランプ(可干渉距離が1μm)等が
用いられる。)、一方、必要な干渉縞を得るためには、
被検面から反射されて観察系に入射する光および基準面
から反射光されて観察系に入射する光各々における光源
から観察系までの光路長の差を可干渉距離Lc以下にす
ることが必要となる。
【0015】この2つの反射光の光路長を等しくするた
めに、パスマッチ光学系が配置される。本実施形態にお
けるパスマッチ光学系は、コリメータレンズ2とコンデ
ンサレンズ8との間の平行光線束領域内に、2つのハー
フミラー4,5と2つの全反射ミラー6,7からなる、測
定光の一部を迂回させる光路で、測定光の一部は、ハー
フミラー4により直角反射されてその余の測定光から分
離され、全反射ミラー6により直角反射され、次いで全
反射ミラー7により直角反射され、さらにハーフミラー
5により直角反射されて、上記その余の測定光と再合成
される。このとき、ハーフミラー4を透過する測定光
の、ハーフミラー4とハーフミラー5間の光路長L1
対し、迂回した測定光の、ハーフミラー4からハーフミ
ラー5に到るまでの光路長L2(L2=l1+l2+l3
は、2つのハーフミラー4,5間の距離L1と2つの全反
射ミラー6,7間の距離が等しいことから、距離l1+l
3(l1=l3)だけ長くなる。これらの距離l1+l3は基
準板11の基準面11aと、被検体12の被検面12a
との距離Lの2倍に相当するので、2つのハーフミラー
4,5間を直進した測定光の被検面12aからの反射光
と、2つのハーフミラー4,5間を迂回した測定光の基
準面11aからの反射光の光路長が全く等しくなり、こ
の2つの反射光は相互に干渉を生じる。
【0016】ところで、このようなパスマッチ光学系を
有する干渉計は、ノイズとなる干渉縞画像を取り除いて
観察測定の精度を向上させたものではあるが、撮像面上
に形成される干渉縞画像のコントラストをより高くし
て、干渉縞の観察測定の精度をより良好なものとしたい
という要望がある。すなわち、上記干渉計では、前述の
とおり、迂回しないで直進した測定光の被検面からの反
射光と、迂回した測定光の基準面からの反射光とが相互
干渉して生じた干渉縞を観察測定して被検面評価を行う
のであるが、観察系にはそれ以外にも、迂回しないで直
進した測定光の基準面や被検体裏面各々からの反射光さ
らには迂回した測定光の被検面や被検体裏面各々からの
反射光が入射していることが次なる問題となる。これら
の反射光は、上記の相互干渉を生じる反射光に対して、
測定光の可干渉距離よりも大きな光路差を有するのでノ
イズの干渉縞を生じることはないが、干渉縞画像のバッ
クグラウンド光とされるため、画像全体が明るくなって
しまい、干渉縞のコントラストが低下する。干渉縞のコ
ントラストは観察測定の精度に影響し、特に、干渉縞か
ら被検面の形状を自動的に解析する解析装置を使用する
ためには、コントラストの良好な画像を得ることが望ま
しい。
【0017】そこで本実施形態においては、まず、P偏
光を透過する第1の偏光板21を光源1とハーフミラー
4の間に配置する。この偏光板21を透過したP偏光の
測定光はハーフミラー4により分離され、一部はハーフ
ミラー4により直角反射されてパスマッチ光学系を迂回
し、その余の測定光はハーフミラー4からハーフミラー
5へ直進する。直進する光はP偏光のままハーフミラー
5に至る。これに対し、パスマッチ光学系の光路中には
λ/2光学位相板22が挿入されているので、上記迂回
した光はS偏光に変換され、この後ハーフミラー5に至
り、このハーフミラー5により直角反射されて、上記そ
の余の測定光と再合成される。
【0018】この、直進したP偏光とパスマッチ光学系
を経たS偏光の合成光が、各面11a,12aから反射
することにより得られる反射光について考察する。な
お、以下、ハーフミラー5から基準板11の基準面11
aまでの光路長はL3とし、被検体12の屈折率はn、
厚みはtとする。
【0019】ここで、基準面11aからの反射光は、以
下の光路長(ただし、ハーフミラー4から各面11a,
12aを介して基準面11aに到るまでの光路長;以下
同じ)と偏光成分を有する2つの反射光の合成光であ
る。 ハーフミラー4を透過した光の反射光――光路長L1+L3――P偏光 ・・・・(1) ハーフミラー4で反射された光の反射光――光路長L2+L3――S偏光 ・・・・(2)
【0020】次に、被検面12aからの反射光は、基準
板11と被検板12の間に挿入されたλ/4光学位相板
23によって、P偏光はS偏光に、S偏光はP偏光に各
々変換されるため、以下の光路長と偏光成分を有する2
つの反射光の合成光となる。 ハーフミラー4を透過した光の反射光――光路長L1+L3+2L――S偏光 ・・・・(3) ハーフミラー4で反射した光の反射光――光路長L2+L3+2L――P偏光 ・・・・(4)
【0021】ここで、パスマッチ光学系の性質から、 L2=L1+2L・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5) である。したがって、各反射光の光路長を比較すると、
上記反射光(2)と上記反射光(3)の値が全く等し
く、すなわち2つのハーフミラー4,5間を迂回した測
定光の基準面11aからの反射光と、2つのハーフミラ
ー4,5間を直進した測定光の被検面12aからの反射
光の光路長が全く等しくなり、その偏光成分はS偏光成
分で一致している。
【0022】一方、P偏光の2つの反射光は上記反射光
(1)と上記反射光(4)の光路長から明らかなよう
に、他の反射光との光路差および測定光の可干渉距離両
者の関係から、他の反射光との間で干渉縞を生じること
はなく単にバックグラウンド光として干渉縞画像のコン
トラストを低下させることになる。そこで本実施形態の
装置においては、撮像カメラ14の前段にS偏光を透過
する第2の偏光板24を配置し、バックグラウンド光と
なるP偏光を遮光するとともに、目的とする干渉縞画像
の形成に寄与する上記2つのS偏光のみが撮像カメラ1
4に入射するようにしている。
【0023】このようにして、コントラストのよい所望
の干渉縞を撮像カメラ14内のCCD素子上に形成する
ことができ、高精度で薄板ガラスの表面形状を測定する
ことができる。
【0024】また、上記実施形態においては、λ/2光
学位相板22をハーフミラー4,5間のパスマッチ光路
内に配置しているが、これに代え、図2に示すようにハ
ーフミラー4を透過した光の経路内にλ/2光学位相板
22aを配設することも可能である。このように構成し
た場合には、必要となる干渉縞画像の情報を担持した反
射光(上記反射光(2),(3))はP偏光となり、一
方、バックグラウンド光となる反射光(上記反射光
(1),(4))はS偏光となるので、バックグラウン
ド光の撮像カメラへの入射を防止するためには、上記第
2の偏光板24を、P偏光を透過する偏光板に代えてお
く必要がある。
【0025】なお、上記一連の実施形態の説明では、第
1の偏光板22としてP偏光を透過する偏光板を用いて
いるが、もちろん、第1の偏光板22としてS偏光を透
過する偏光板を用いることが可能であり、このようにし
た場合には、第2の偏光板24も、それに応じた透過特
性を有するよう設定しておく必要がある。
【0026】さらに、図1に示す実施形態においては、
基準板11と被検板12との間にλ/4光学位相板23
を配置しているが、図3に示すように基準板11の被検
体12側に膜状のλ/4光学位相板23aを密着形成し
て、構成することも可能である。この場合の膜は、例え
ば蒸着、スパッタリング等の種々の周知の膜形成手法を
用いて形成することが可能である。λ/4光学位相板2
3aを、基準板11の表面に形成することで、この位相
板23aの保持手段を特別に設ける必要がなくなり、ま
た光学系の組立時におけるこの位相板23aのアライン
メント調整を不要とすることができる。
【0027】また、通常、被検体12によって厚みが異
なることから、上記パスマッチ光学系において、2つの
全反射ミラー6,7を一体的にハーフミラー4,5方向に
微動させて迂回測定光の光路長を微調整可能とするのが
望ましい。
【0028】また、本実施形態においてはコリメータレ
ンズ3とハーフミラー4との間に波長選択フィルタ板3
が配されている。波長選択フィルタ板3は図4に示すよ
うにターレット板上に全波長透過部3a、赤色光選択透
過部3b、緑色光選択透過部3cおよび青色光選択透過
部3dが90゜間隔で形成されていて、ターレット板を
所定角度だけ回転させることにより測定光として所望の
色光を選択できるようになっている。
【0029】これは、所定の波長の光を反射するダイク
ロイックミラーが被検体12である場合のように測定光
として所定の波長の光を選択することが必要となる場合
に有用である。もちろん、このような波長選択フィルタ
が全く不要となる場合には、このフィルタ板3を図1中
矢印A方向に移動せしめて光路外に退避させるようにし
てもよい。
【0030】なお、本発明の透明薄板測定用干渉計とし
ては上記実施形態に限られるものではなく、その他種々
の変更が可能である。例えば、上記パスマッチ光学系に
おいて、2つの全反射ミラー6,7に代え、ハーフミラ
ー4からの測定光をハーフミラー5方向に戻すことが可
能なコーナキューブとすることも可能である。このよう
なコーナキューブを採用することにより、迂回測定光の
光路長を調節する際に、その移動操作が容易となる。ま
た、上記実施形態において、ハ−フミラ−4の透過光を
迂回測定光、反射光を直進測定光というように両者を入
れ替えることも可能である。
【0031】また、上記被検体12の支持手段は、被検
面12a側で支持する場合には固定保持するような構造
としておけばよいが、裏面12b側で支持する場合には
被検体12の厚みに応じてこの被検体12を光軸方向に
移動し得る構造とするのが望ましく、さらに干渉縞を得
る際の被検体12の厚み情報に基づいて被検面12aが
適正な位置まで移動するように、被検体12の移動操作
を自動的に行うようにすることが望ましい。さらに、上
記ハーフプリズム9に代えてハーフミラーを用いること
も可能であるが、本実施形態の如く、発散光線束中には
ハーフプリズム9を用いるようにすることで非点収差を
良好とすることができる。
【0032】もちろん、ハーフミラー4,5を、各々ハ
ーフプリズムに代えることも可能である。なお、本発明
の干渉計の被検体としては、ガラス薄板のみならずプラ
スチック板や石英板等の種々の透明薄板への適用が可能
である。さらに、上記実施例では観察系として撮像カメ
ラ14を用いているが、これに代えて拡散面を有する光
学スクリーンを設け、そのスクリーン上に干渉縞画像を
形成しこれを目視により観察することも可能である。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように本発明の透明薄板測
定用干渉計によれば、測定光の可干渉距離を所定長未満
に設定するとともに測定光の一部を迂回させるパスマッ
チ光学系を設けた透明薄板測定用干渉計において、2つ
の偏光板と2つの光学位相板を所定の光路位置に配し、
被検面の干渉縞画像を得るために必要な2つの光束を
P、Sいずれか一方の第1の直線偏光成分とするととも
に、これ以外のバックグラウンド光となる光束をP、S
いずれか他方の第2の直線偏光成分とし、観察系には上
記第1の偏光成分のみが入射するようにしているので、
コントラストの良好な干渉縞画像を簡易な構成で得るこ
とが可能である。これにより、被検面の表面形状の測定
を高精度なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る透明薄板測定用干渉
計を示す概略図
【図2】図1に示す実施形態の一部変更例を示す概略図
【図3】図1に示す実施形態の一部変更例を示す概略図
【図4】図1に示す波長選択フィルタ板を示す正面図
【符号の説明】
1 白色光源 2,10 コリメータレンズ 3 波長選択フィルタ板 4,5 ハーフミラー 6,7 全反射ミラー 9 ハーフプリズム 11 基準板 11a 基準面 12 被検体 12a 被検面 12b 裏面 14 撮像カメラ 21 第1の偏光板 22,22a λ/2光学位相板 23,23a λ/4光学位相板 24 第2の偏光板

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源から射出される光の可干渉距離を、
    透明薄板よりなる被検体の厚みの2倍に相当する距離よ
    りも小さく設定し、該被検体に向かう前記光のうちの一
    部を第1の光分離手段により分離して、該一部の光を、
    その余の光よりも基準面と被検面との距離の2倍に相当
    する距離だけ大きい光路長を有するように迂回させた
    後、光合成手段により該その余の光と合成させるパスマ
    ッチ光学系を備え、この合成された光の、該基準面から
    の反射光である第1の反射光と、この基準面を透過した
    該合成された光の、前記被検面からの反射光である第2
    の反射光との光干渉により生じる干渉縞に基づき、該被
    検面の表面形状を測定する透明薄板測定用干渉計におい
    て、 前記光源から前記第1の光分離手段に到る光路内に、前
    記光源からの光のうち所定の振動面を有する偏光成分の
    みを透過する第1の偏光手段を配置し、 前記第1の光分離手段から前記光合成手段に到る、前記
    一部の光と前記その余の光のうちのいずれか一方の光路
    内にλ/2光学位相板を配置し、 前記基準面が形成された基準板と前記被検体の間にλ/
    4光学位相板を配置し、 前記光源と該基準板の間に前記第1および前記第2の反
    射光を観察系に導くための第2の光分離手段を配置し、 この第2の光分離手段と該観察系との間に、前記一部の
    光による前記第1の反射光および前記その余の光による
    前記第2の反射光を構成する、所定の振動面を有する偏
    光成分のみを透過させる第2の偏光手段を配置してなる
    ことを特徴とする透明薄板測定用干渉計。
  2. 【請求項2】 前記基準板の前記被検体側の面に前記λ
    /4光学位相板が密着形成されてなることを特徴とする
    請求項1記載の透明薄板測定用干渉計。
  3. 【請求項3】 前記パスマッチ光学系が、前記光源から
    の光の一部を反射し、その余の光を透過せしめる前記光
    分離手段と、該光分離手段からの反射光もしくは透過光
    を少なくとも1回反射せしめる光反射部材と、前記光分
    離手段からの透過光もしくは反射光と該光反射部材から
    の反射光を合成せしめる前記光合成手段とからなること
    を特徴とする請求項1もしくは2記載の透明薄板測定用
    干渉計。
  4. 【請求項4】 前記光源と前記パスマッチ光学系との間
    に所定の波長の光を選択透過する波長選択フィルタを配
    設してなることを特徴とする請求項1から3のうちいず
    れか1項記載の透明薄板測定用干渉計。
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