| 【発明の名称】 |
透明薄板測定用干渉計 |
| 【発明者】 |
【氏名】遠山 精二
【氏名】植木 伸明
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| 【要約】 |
【課題】
【解決手段】 |
【特許請求の範囲】
【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。
【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。
【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。
【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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【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１２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１２ａ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に対し、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＋ｌ3（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１１ａ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１４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２３ａ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。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５４３０
【氏名又は名称】富士写真光機株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）７月３日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】川野 宏
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２３２１６ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１月２９日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−１９３２１９ |
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