JPS61202102A - 光波干渉顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は光波干渉顕微鏡に係り、特に光学部品などの測
定試料の表面形状や粗さを高精度に測定するに好適な光
波干渉顕微鏡に関するものである。

〔発明の背景〕

まず、従来の光波干渉顕微鏡を説明する。

光波干渉顕微鏡に用いられる光学系として、たとえば、
光学の知識（山田、東京電機大学出版局。

ｐ２５６．昭４６−５）に記載されているような、トワ
イマン干渉計が知られている。

これは干渉縞の明暗の変化がλ／４（λ：光の波長）に
対応することから、参照面に対する測定試料の形状を測
定するものである。しかし、この測定法だけではλ／４
を上まわる測定分解能を得ることが非常に難しいもので
ある。

そこで、この測定分解能を向上させる手段として、参照
光路中に楔ガラスを挿入したものが発明されている（特
開昭５９−５８３０５号公報）。

第２図は、トワイマン干渉計を応用した、従来の光波干
渉顕微鏡の一例を示す略本図である。

この光波干渉顕微鏡は、参照光路中に挿入した楔ガラス
を光軸と直角方向に移動させることによって参照光の位
相を変化させながら、高精度測定を行なうものである。

この第２図の光学系において、１はレーザ光源、２はコ
リメータまたは照明レンズであり、ビームスプリッタ１
３により分かれたレーザ光は参照ミラ１６と、ステージ
２０上の測定試料１９に別々に照射し、それぞれの反射
光により生じる干渉縞像をＴＶカメラ２３で検出する。

ここで撲ガラス６を光軸と直角方向（矢印方向）に移動
させていくと、干渉縞像のある一点の画素の明るさは楔
ガラス６の移動とともに正弦波的に変化する。そこで各
画素間の正弦波形の位相差を測定すれば、画素間の段差
が換算でき、測定試料１９の試料測定面の表面形状をこ
の手順により測定することができる。

表面形状の代りに表面粗さを測定するものとして、第３
図に示す光波干渉顕微鏡がある。

第３図は、トワイマン干渉計を応用した、従来の光波干
渉顕微鏡の他の例を示す略本図である。

この光波干渉顕微鏡は、対物レンズ１５．１８を参照ミ
ラ１６．測定試料１９に対向させて置き、測定面の横方
向の分解能を向上させたものである。

そして、参照ミラ側の対物レンズ１５に隣接させて梗ガ
ラス６を置き、この楔ガラス６を光軸と直角方向（矢印
方向）に移動させながら参照光の位相を変化させること
により、表面粗さを測定する゛　ものである。２２は結
像レンズである。しかしこの方法では、ビームスプリッ
タ１３と対物レンズ１５との間隔が狭いため、楔ガラス
６の支持機構や駆動機構がこれらの光学部品の支持部に
ぶつかってしまうという問題が生じる。そこで、ビーム
スプリッタ１３と対物レンズ１５との間隔を必要以上に
広げると、本来光波干渉顕微鏡がもっている収差等の光
学的仕様が満たされなくなり、観察像が歪んだり、ピン
トがぼけたりしてしまうという改善すべき問題点があっ
た。

なお第３図において、光源はレーザ光源以外の白色光源
でもよく、その場合は照明レンズ２の後に干渉フィルタ
１２を挿入する必要がある。

また、第３図に係る光波干渉顕微鏡には、もう一つの改
善すべき問題点がある。これを、第４図を用いて説明す
る。

第４図は、第３図における楔ガラスの光路長変化図であ
る。一般に顕微鏡光学系において対物レンズに入射する
照明光は平行光とならず、第３図に示すように収束光と
なる。また対物レンズからの出射光も一般には収束光と
なる。したがって第４図に示すように、参照ミラ１６か
らの反射光はいろいろの角度で対物レンズ１５に戻って
くるため、楔ガラス６には平行光ａの他に同図に示すよ
うな斜め入射光ａ／　　（入射角−β）が戻ってくる。

これら平行光ａ、斜め入射光ａ′に対する光路長の変化
量は次のようになる。

平行光ａに対する楔ガラス６の厚さをＷ、斜め入射光ａ
′に対する撲ガラス６の厚さをＷ′とすると、楔ガラス
６の楔角度をα、屈折率をｎとして、 の関係があり、楔ガラス６の移動による各々の光路長変
化量ΔＷ、ΔＷ／には の関係がある。したがって、αまたはβの角度が大きい
場合にはΔＷ′がΔＷより大きい値を示すため、光路長
の変化量は総ての光線に対して等しくはならず、測定誤
差を生ずる結果となる。

すなわち、第３図の楔ガラス６において、入射光と反射
光の総てが平行光の場合には測定誤差は生じないが、そ
れ以外の斜め入射光９反射光がある場合には測定誤差を
生ずることになる。

〔発明の目的〕

本発明は、上記した従来技術の問題点を改善して、観察
像が歪んだりピントがぼけたりすることなく、測定試料
の表面形状や粗さを高精度に測定することができる光波
干渉顕微鏡の提供を、その目的とするものである。

〔発明の概要〕

本発明に係る光波干渉顕微鏡の構成は、参照ミラと測定
試料とに光を入射させ、これらからの反射光を互いに干
渉させて前記測定試料の表面粗さを測定する光波干渉顕
微鏡において、平面偏光レーザをハーフミラによって２
分割し、その一方の光をλ／２板と楔ガラスとが配設さ
れた光路を通過させて、前記ハーフミラによって２分割
された他方の光とビームスプリッタによって再び同一光
路上にまとめる照明系と、この照明系からの光を偏光ビ
ームスプリッタによって透過光と反射光とに分割し、そ
の一方の光を、測定試料の前に設けた対物レンズへ、他
力の光を、参照ミラの前に設けた対物レンズへ導く顕微
鏡観察系とを有せしめるようにしたものである。

さらに詳しくは、模ガラスを対物レンズ近傍に置くこと
なく、また、平行光路中に該楔ガラスを置くことを可能
にしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例によって説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る光波干渉顕微鏡を示
す略示図である。

この第１図において、第３図と同一番号を付したものは
同一部分である。

まず、照明系を説明する。３は、レーザ光源１から出て
、照明レンズ２（またはコリメータ）を通過した平面偏
光レーザを２分割し、一方をビームスプリッタ１０へ導
き、他方を反射ミラ４へ導くハーフミラ、５はλ／２板
、６は、とのλ／２板５通過後の平行光路中に配設され
た、駆動部７およびポジションセンサ８を具備した楔ガ
ラス、９は、この楔ガラス６からの光を反射させて、前
記ビームスプリッタ１０へ導く反射ミラであり、このビ
ームスプリッタ１０で同一光路上にまとめられた光は、
照明レンズ１１へ到る。この照明レンズ１１から右側、
すなわち上記した光学系が照明系である。

次に、顕微鏡観察系を説明する。１３′は、照明レンズ
１１からの照明光を、透過光と反射光とに分割する偏光
ビームスプリッタ、１４は、この偏光ビームスプリッタ
１３′と対物レンズ１５との間に配設されたλ／４板、
１７は、偏光ビームスプリッタ１３′と対物レンズ１８
との間に配設されたλ／４板、２１は、偏光ビームスプ
リッタ１３′と結像レンズ２２との間に配設された偏光
板であり、前記した照明レンズ１１から左側が顕微鏡観
察系である。

このように構成した光波干渉顕微鏡の動作を説明する。

レーザ光源１から出た平面偏光レーザは、照明レンズ２
を通過したのち、ビーム径の広い平行光となり、ハーフ
ミラ３により透過光と反射光とに分かれる。この反射光
は反射ミラ４で反射したのち、λ／２板５を通過して偏
光面が９０°ずれる。そして、楔ガラス６を通過した光
は再び反射ミラ９で反射されたのち、ビームスプリッタ
１０により反射される。他方ハーフミラ３を透過した光
はビームスプリッタ−０をも透過する。このようにして
ビームスプリッタ−０で再び両光線は同一光路にまとめ
られるが、偏光面が互に９０゜異なるため干渉はしない
。これらの光は照明レンズ１１を用いることにより、平
行光から任意の角度を有する収束光に変化させることが
できる。

照明系で得られた上記の側照明光線は、偏光ビームスプ
リンタ１３′により透過光と反射光とに分れる。透過光
は対物レンズ１５を経て参照ミラ１６で反射されて再び
対物レンズ１５へ戻りλ／４ｉ４を通過するが、往と復
でλ／４板１４を２回通るため戻り光の偏光面は９０′
回転し、今度は偏光ビームスプリッタ１３′で反射され
る。一方、上記偏光ビームスプリッタ１３′により反射
された照明光は対物レンズ１８に向い、ステージ２０上
の測定試料１９で反射される°。戻り光は対物レンズ１
８を通過後、λ／４板１７を同様に２回通ることになる
ので、今度は偏光ビームスプリッタ１３′を透過する。

これら参照ミラ１６と測定試料１９とからの戻り光は、
このままでは互に偏光面が９０°異なっているため干渉
しない。次の偏光板２１は、該偏光板の偏光方向成分の
光のみを通過させる働きがあるため、上記戻り光は偏光
板２１を通過後干渉して、その干渉縞の像を結像レンズ
２２によりＴＶ右カメラ３上に結像する。

この測定法において、楔ガラス６を駆動部７により光軸
と直角方向に移動させると、参照ミラ１６に向かう参照
光のみの位相が変化し、測定試料１９に向かう試料光の
位相は変化しない。このようにして参照光の位相変化に
伴なう干渉縞パタΔンの強度変化が検出でき、ＴＶ右カ
メラ３の後段の干渉縞パターン信号処理回路により測定
試料１９０表面粗さを測定できる。

以上説明した実施例によれば、楔ガラス６を対物レンズ
から遠くに配置することができ、従来のように顕微鏡の
光学系の中に無理に押し込む必要がないので、本来の顕
微鏡の光学的性能を損なうことなく光波干渉顕微鏡を構
成することができる。

また楔ガラス６を置く光路を完全な平行光路とすること
ができるので光の位相を正確に制御するととができ、測
定試料１９の表面粗さの高精度測定が可能になるという
効果がある。

なお、本実施例においては、偏光ビームスプリッタ１３
′と対物レンズ１５．１８との間に、それぞれλ／４板
１４，１７を配設するようにしたが、これらのλ／４板
１４，１７はなくてもよい。

その場合には、干渉縞の像は、レーザ光源１側に結像さ
れる。

また、レーザ光源を用いても完全な平行光とならない場
合があるが、そのような平行光路でない光路中に楔ガラ
ス６が配設されていても、はぼ所望の測定精度が得られ
るものであるが、喫ガラス６は、平行光路中に設けるの
が最も望ましい。

さらに、参照ミラ１６と測定試料１９との配設位置を交
換してもよい。

また、僕ガラス６は、ハーフミラ３とビームスプリッタ
１０との間に配設するような光学系としてもよく、楔ガ
ラス６とλ／２板５の位置の前後関係は、どちらでもよ
い。

さらにまた、本実施例においては、レーザ光源１を使用
して平行光としたが、白色光源などの散乱光を用いても
、測定精度は若干劣るもののほぼ所望の測定ができるこ
とは言うまでもない。ただし、白色光源を用いた場合に
は、干渉縞のコントラストを向上させるために、光路中
に干渉フィルタを入れる必要がある。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように本発明によれば、観察像が歪
んだりピントがぼけたりすることなく、測定試料の表面
形状や粗さを高精度に測定することができる光波干渉顕
微鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る光波干渉顕微鏡を示
す略示図、第２図は、トワイマン干渉計を応用した、従
来の光波干渉顕微鏡の一例を示す略示図、第３図は、ト
ワイマン干渉計を広角した、従来の光波干渉顕微鏡の他
の例を示す略示図、第４図は、第３図における楔ガラス
の光路長変化図である。 Ｃ１３） １・・・レーザ光源、３・・・ハーフミラ、５・・・λ
／２板、６・・・楔ガラス、１０・・・ビームスプリッ
タ、１３ｔ・・・偏光ビームスプリッタ、１４・・・λ
／４板、１６・・・参照ミラ、１７・・・λ／４板、１
８・・・対物レンズ、１９・・・測定試料。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、参照ミラと測定試料とに光を入射させ、これらから
   の反射光を互いに干渉させて前記測定試料の表面粗さを
   測定する光波干渉顕微鏡において、平面偏光レーザをハ
   ーフミラによつて２分割し、その一方の光をλ／２板と
   楔ガラスとが配設された光路を通過させて、前記ハーフ
   ミラによつて２分割された他方の光とビームスプリツタ
   によつて再び同一光路上にまとめる照明系と、この照明
   系からの光を偏光ビームスプリツタによつて透過光と反
   射光とに分割し、その一方の光を、測定試料の前に設け
   た対物レンズへ、他方の光を、参照ミラの前に設けた対
   物レンズへ導く顕微鏡観察系とを有することを特徴とす
   る光波干渉顕微鏡。 ２、偏光ビームスプリツタにより２分割されたそれぞれ
   の光路中に、λ／４板を設けるようにしたものである特
   許請求の範囲第１項記載の光波干渉顕微鏡。 ３、楔ガラスを平行光路中に設けるようにしたものであ
   る特許請求の範囲第１項記載の光波干渉顕微鏡。