| 【発明の名称】 |
斜入射干渉計用光学系およびこれを用いた装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】神田 秀雄
【氏名】渡部 文男
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| 【要約】 |
【課題】
【解決手段】 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 可干渉性を有する光を射出する光源と、この光を平行光線束とするコリメータレンズと、この光線束が入射する入射面と、この入射面から入射した該光線束が斜入射する基準平面を有する基準原器と、前記基準平面から射出され該基準平面と対向配置された被検面で反射された前記光線束と、前記基準平面で内面反射した該光線束とにより生成される干渉縞が投影されるスクリーン部とを備えた斜入射干渉計用光学系において、該基準原器の該入射面と該基準平面とのなす角が10°〜30°の範囲に設定されていることを特徴とする斜入射干渉計用光学系。
【請求項２】 前記基準原器が、前記スクリーン部を付設した射出面を備えていることを特徴とする請求項１記載の斜入射干渉計用光学系。
【請求項３】 前記基準平面と前記スクリーン部とが平行に形成されていることを特徴とする請求項２記載の斜入射干渉計用光学系。
【請求項４】 前記基準原器がプリズムからなることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の斜入射干渉計用光学系。
【請求項５】 請求項１〜４のうちいずれか１項記載の斜入射干渉系用光学系を備えてなることを特徴とする装置。
【請求項６】 前記射出面に正対させたカメラにより前記スクリーン部に投影された干渉縞を観察するように構成されてなることを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】 前記入射面に入射する前記光線束の入射角を変化させる光路変向手段を備えたことを特徴とする請求項５または６記載の装置。
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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、光の干渉作用によって形成される干渉縞を利用して被検面の平面度を測定する干渉計用の光学系に関し、詳しくは基準平面および被検面に対して斜め方向から光を照射することにより、特に粗面の平面度を非接触で測定可能とする斜入射干渉計に用いられる光学系およびこれを用いた装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、加工物表面の平面度を測定するための種々の干渉計装置が知られている。その中でも凹凸差の大きい被検面の平面度を測定し得る装置として、斜入射干渉計装置が知られている。
【０００３】斜入射干渉計装置においては、被検面に対し可干渉光線束を斜めから入射させることにより測定感度を低くすることができるため、非接触での粗面等の平面度測定に用いられている。ここで、測定に使用される光の波長をλ、基準原器の入射面に入射する光の入射角をθとすれば、被検面の凹凸量、すなわち測定感度Δｈは下式で表わされる。
Δｈ＝λ／（２ cosθ）
【０００４】すなわち、入射角θが大きくなり斜め入射の程度が大きくなる程、縞間隔が大きくなり測定感度を低くすることができるので、平面精度が悪い平面を測定することが可能となる。
【０００５】図５は、基準原器として平面基準板を用いた従来構成例である。この斜入射干渉計装置は、平行平面板１１６の基準平面１１６ａと被検体２の被検面２ａとを対向配置し、基準平面１１６ａに斜め方向から、レーザ光源１１１から発せられコリメータレンズ１１４により平行光とされた可干渉光を照射し、この基準平面１１６ａと被検面２ａの距離に基づく光路差に応じた干渉縞をスクリーン１１８に投影し、観察者１１９が観察するようになっている。干渉縞生成の原理を図７の（ａ）に示す。すなわち、基準平面６ａの紙面左上方向から入射した平行光束は、一部が基準平面６ａから射出され被検面２ａに斜入射し被検面２ａにおいて反射され基準平面６ａに再入射し、基準平面６ａで内面反射した光線束との光干渉により干渉縞を生じる。
【０００６】しかしながら、この構成では、図７の（ｂ）に示すような干渉ノイズが発生しやすい。この干渉ノイズは、平面板の基準平面でない面（入射面であり射出面である）での反射光によるもので、この面に反射防止コーティングを施すことである程度は解決できる。しかし、入射角が大きいので反射率の小さいコーティングを施すことには困難がある。
【０００７】図６は、基準原器として直角二等辺三角形プリズムを用いた、アブラムソン型と呼ばれる従来構成例である。図６において、図５に示す斜入射干渉計装置と同様の部材には下二桁を一致させた符号を付している。この装置では、スクリーン２１８に投影された干渉縞をＴＶカメラ２１９により撮影し観察するように構成されている。このアブラムソン型の装置によれば、図７の（ｂ）のような表面反射による干渉ノイズは防止することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図７の（ｃ）に示すような、被検面と基準平面との間の多重反射光による干渉ノイズの問題は残る。これを除去するためには、被検面と基準平面との間を多重反射した光と基準平面で内面反射した光とが干渉してスクリーン面に到達しないような構成としなければならない。これを光学部材の相対配置をもって除去する場合には、例えば基準平面を被検面に対して２倍以上のサイズに設定する手法が有効である。直角二等辺三角形プリズムを用いたこの従来構成例では、基準平面を大きくするためにプリズム自体も非常に大きく重いものとなってしまうことが問題となっている。
【０００９】また、コリメータレンズから被検面に向かう光束は被検面への入射光と参照光部分をカバーしなければならないものであるが、直角二等辺三角形プリズムを用いたこの従来構成例ではプリズム入射面への入射角が小さいために、光束径の大きい平行光束を入射させることが必要となる。そのため、コリメータレンズも大きくなり干渉計全体が大型化してしまうことも問題である。さらに、プリズムの基準平面において内部反射した光束が干渉光と同一方向に射出され、スクリーン上においてこの内部反射光に基づくノイズが重畳されてしまうという問題がある。
【００１０】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、被検面への入射角が大きく縞感度が緩い斜入射干渉計において、干渉ノイズを低減するとともに、光学系の小型化が可能で、干渉計装置の軽量小型化を可能とする斜入射干渉計用光学系およびこれを用いた斜入射干渉計装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明に係る斜入射干渉計用光学系は、可干渉性を有する光を射出する光源と、この光を平行光線束とするコリメータレンズと、この光線束が入射する入射面と、この入射面から入射した該光線束が斜入射する基準平面を有する基準原器と、前記基準平面から射出され該基準平面と対向配置された被検面で反射された前記光線束と、前記基準平面で内面反射した該光線束とにより生成される干渉縞が投影されることがスクリーン部とを備えた斜入射干渉計用光学系において、該基準原器の該入射面と該基準平面とのなす角が10°〜30°の範囲に設定されていることを特徴とするものである。
【００１２】また、前記基準原器が、前記スクリーン部を付設した射出面を備えていることが好ましい。また、前記基準平面と前記スクリーン部とが平行に形成されていることが好ましい。また、前記基準原器はプリズムからなることが好ましい。
【００１３】本発明に係る装置は、前記斜入射干渉系用光学系を備えてなることを特徴とするものである。また、前記射出面に正対させたカメラにより前記スクリーン部に投影された干渉縞を観察するように構成されてなることが好ましい。また、前記入射面に入射する前記光線束の入射角を変化させる光路変向手段を備えていることが好ましい。
【００１４】
【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参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る平面度測定装置１０を示す側面図である。この斜入射干渉計装置１０は、光の干渉作用によって形成される干渉縞を利用して被検体２の被検面２ａの表面形状を測定する装置であって、可干渉性を有する光を射出する半導体レーザ光源１１と、この光を平行光線束とするコリメータレンズ１４と、被検面２ａと対向配置された基準平面１６ａを有する透明ガラス製の基準原器１６と、干渉縞が投影されるスクリーン１８とを備えた斜入射干渉計用光学系、ならびにＴＶカメラ１９から構成されている。
【００１５】この基準原器１６は、基準平面１６ａと、この基準平面１６ａに対して10°〜30°（角度α）の鋭角をなすように形成された入射面１６ｂと、基準平面１６ａと平行に形成された射出面１６ｃとを備えている。
【００１６】また、この基準原器１６は、基準平面１６ａが、図示しない被検体ホルダ上に固定保持された被検体２の被検面２ａとわずかな空気間隔を隔てて対向するように配置され、半導体レーザ光源１２およびコリメータレンズ１４は、この半導体レーザ光源１１から射出されコリメータレンズ１４により平行光とされた可干渉光線束Ａが、入射面１６ｂに斜め方向から入射するように配置されてなる。また、射出面１６ｃには砂ずり処理が施されており、これにより該射出面１６ｃに入射する光を乱反射させるスクリーン１８として機能するようになっている。
【００１７】本実施形態に係る平面度測定装置１０においては、入射面１６ｂに斜めに入射した可干渉光線束Ａは、その一部が基準平面１６ａで内面反射する可干渉光線束Ｂ（参照光）となり、残りは、基準平面１６ａから外部へ射出して被検面２ａで反射した後、基準平面１６ａに再入射する可干渉光線束Ｃ（物体光）となる。これら可干渉光線束Ｂおよび可干渉光線束Ｃの一部は互いに干渉し、その光路差に応じた干渉縞がスクリーン１８に投影される。
【００１８】そして、このスクリーン１８の図示上方にテレビカメラ１９等の撮像手段を配設することにより、干渉縞の全体像を観察し、また、記録することも可能である。なお、撮像手段を設ける代わりにスクリーン１８を直接観察することも可能である。
【００１９】次に、本実施形態の作用効果について説明する。本実施形態のように、入射面１６ｂと基準平面１６ａのなす角（角度α）を10°〜30°の範囲に設定することにより、図７（ｂ）、（ｃ）のような不正干渉ノイズを防止しつつプリズムサイズを小さくすることができる。すなわち、干渉ノイズについては、入射面１６ｂと基準平面１６ａが所定の角度を有することにより入射面１６ｂの表面反射による不正干渉を防止するとともに、基準平面１６ａが被検面２ａに対して２倍以上のサイズとなるようにして、被検面２ａと基準平面１６ａとの多重反射光による干渉ノイズを除去している。そして、角度αを10°〜30°の範囲に設定することにより、基準平面１６ａが被検面２ａに対して２倍以上のサイズであっても、プリズムサイズは、直角二等辺三角形プリズムを用いた場合に比べ、小さく軽量なものとすることができる。
【００２０】さらに、角度αを10°〜30°の範囲に設定することにより、入射面１６ｂの表面反射による不正干渉や、被検面２ａと基準平面１６ａとの多重反射光による干渉ノイズを防ぐことに加え、プリズム内部での多重反射によるノイズ除去もできる。
【００２１】すなわち図３に示すとおり、入射面６ｂと基準平面６ａのなす角を10°〜30°の範囲に設定することにより、基準平面６ａでプリズム６内部に反射されたのち入射面６ｂで再反射されるノイズ光Ｄは、干渉縞の射出面６ｃから射出されないので、干渉縞観察に悪影響を及ぼさない。なお、図３（ａ）は入射面１６ｂと基準平面１６ａのなす角が20°、（ｂ）はこの角が30°、（ｃ）はこの角が10°の場合にノイズ光が進む方向を示している。
【００２２】図４は、この角度が本実施形態の範囲を超えている場合のノイズ光の様子を示している。図４（ａ）はこの角度が45°の場合であり、このように角度が30°を超えると、基準平面６ａでプリズム６内部に反射されたのち入射面６ｂで再反射され、射出面６ｃに達するノイズ光Ｄが、干渉縞と同様に射出面６ｃから射出されるため、射出面６ｃにスクリーンを設けた場合にノイズ光Ｄの悪影響を受ける虞がある。
【００２３】また、上述したように基準平面６ａは被検面２ａに対して２倍以上のサイズが求められ、入射面６ｂも所定の入射光束径に対応するサイズが必要なことから、角度が30°を超えるとプリズムサイズが大きくなり重量化も避けられない。
【００２４】また、図４（ｂ）はこの角度が５°の場合であり、このように角度を10°未満にすると、基準平面６ａでプリズム６内部に反射されたのち入射面６ｂで再反射され、再び基準平面６ａで反射されたのち射出面６ｃに達するノイズ光Ｄが、干渉縞と同様に射出面６ｃから射出されるため、射出面６ｃにスクリーンを設けた場合にノイズ光Ｄの悪影響を受ける虞がある。
【００２５】また、被検面２ａへの入射角を変えないとすれば、プリズム１６の入射面１６ｂと基準平面１６ａのなす角を10°〜30°とした場合は、直角二等辺三角形プリズムを用いた場合（α＝45°）に比べ、入射面１６ｂにおける屈折力を大きくすることができる。それにより、必要なコリメート光束幅が小さくなるので、コリメートレンズ１４を小さくすることができる。これによりレンズおよび装置の小型化、軽量化を図ることができる。
【００２６】また、スクリーン１８が射出面１６ｃに付設されていることにより、部材点数を削減し低コスト化、省スペース化を図ることができる。このスクリーン１８と基準平面１６ｃとが平行に形成されていることにより、被検面と相似な形で干渉縞を観察することができる。
【００２７】さらに、本実施形態のように基準原器１６が、入射面１６ｂ、基準平面１６ａ、および射出面１６ｃの３つの面を備えたプリズムとされていることにより、製造が容易で、かつコストも小さくなるという利点がある。
【００２８】つぎに、本実施形態の変形例として、図２に示す斜入射干渉計装置について説明する。この装置は、上述した実施形態に示した斜入射干渉計装置と略同様の構成とされており、同様の作用効果を得ることができる。なお、図２において、上述した実施形態と同様の部材には同一の符号を付している。上述の装置に加えこの装置には、コリメータレンズ１４と基準原器１６との間にミラー１５が配されている。ミラー１５は、図示のとおり、入射面１６ｂに入射する光線束の入射角を変化させるように反射面がその下端を中心として所定の角度だけ回動可能とされている。このようにして入射角を変化させることにより、干渉縞の感度を可変とすることができ、被検面に適した感度により干渉縞を観察することが可能となる。また、図２には、必要な平行光線束を得るために、光源１１とコリメータレンズ１４との間に集光レンズ１２およびピンホール１３が示されている。
【００２９】なお、本実施形態においては種々の態様の変更が可能である。例えば、本実施形態においては、射出面１６ｃに、砂ずり処理を施すことによりスクリーン１８を形成するように構成されているが、それ以外の粗面加工を施すことによってスクリーン１８を形成するようにしてもよい。
【００３０】さらに、この射出面１６ｃ上にスクリーン板が配置されていてもよく、射出面１６ｃを粗面加工した後もしくは射出面１６ｃの平面度を高く維持したまま、蒸着法（あるいはスパッタリング法）によりアルミニウム等の金属薄膜を半透明状態となる程度の厚さに形成してもよい。
【００３１】また、本実施形態のように射出面１６ｃにスクリーン１８を形成する代わりに、射出面１６ｃは平滑面で形成する一方、該射出面１６ｃと所定間隔をおいて該射出面１６ｃから射出する可干渉光線束Ｂおよび可干渉光線束Ｃの光路上に光拡散処理が施された部材からなるスクリーンを配置するようにしてもよい。
【００３２】また、干渉縞の明るさが不十分な場合には、上述したスクリーンを、観察方向に指向性を持たせたホログラム面あるいはフレネル面により形成するようにしてもよい。
【００３３】また、本実施形態においては、光源１１として半導体レーザ光源を用いているが、この光源１１としては適度に干渉性のある光線束を射出する光源であればよく、例えば水銀灯やＬＥＤ等を用いるようにしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る斜入射干渉計用光学系によれば、被検面への入射角が大きく縞感度が緩い斜入射干渉計において、基準原器の入射面と基準平面のなす角を所定の範囲とすることにより、干渉ノイズを低減するとともに、光学系の小型化が可能で、干渉計装置の軽量小型化を可能とする斜入射干渉計用光学系およびこれを用いた装置を得ることができる。
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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１２年１月１１日（２０００．１．１１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９７９８４
【弁理士】
【氏名又は名称】川野 宏
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１９４１３２（Ｐ２００１−１９４１３２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年７月１９日（２００１．７．１９） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２６２６（Ｐ２０００−２６２６） |
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