JP2006349382A - 位相シフト干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速かつ高精度にワーク表面高さを測定する位相シフト干渉計を提供する。
【解決手段】 照明光学系２００と、無干渉光束生成手段３００と、位相シフト干渉縞取得部４００と、を備える。無干渉光束生成手段３００は、照明光学系２００からの光をワーク表面への照射光とリファレンス面への入射光との二光束に分割する。さらに、無干渉光束生成手段３００は、ワークＷからの物体光とリファレンス面からの参照光とを無干渉状態で合波して無干渉光束とする。位相シフト干渉縞取得部４００は、無干渉光束生成手段３００からの無干渉光束を３以上の光束に分割する。さらに、位相シフト干渉縞取得部４００は、分割された各無干渉光束に含まれる物体光と参照光とを分割された光束ごとに異なる位相で干渉させて異なる位相の干渉縞を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、位相シフト干渉計に関し、位相が異なる複数の干渉縞に基づいてワークの高さ情報を得る位相シフト干渉計に関する。

ワークからの反射光である物体光と参照面からの反射光である参照光とが干渉して生成される干渉縞に基づいてワークの表面形状を測定する干渉計において、位相が異なる複数の干渉縞を得るとともにこれらの位相が異なる干渉縞に基づいてワークの表面形状を高分解能で測定する位相シフト干渉計が知られている。
図４に従来の位相シフト干渉計１０の構成を示す。なお、この図４に示される位相シフト干渉計１０は、いわゆるミロー型の干渉計である。

図４の位相シフト干渉計１０は、照明光学系２０と、干渉縞生成部３０と、干渉縞撮像部４０と、ビームスプリッタ５０と、を備えている。
照明光学系２０は、光源２１と、コリメートレンズ２２と、を備え、光源からの光はコリメートレンズ２２によって平行光束となった状態で、ビームスプリッタ５０に入射する。
干渉縞生成部３０は、ワークＷに対する高さ位置が固定可能な固定部３１と、この固定部３１に対して変位可能な可動部３２と、固定部３１と可動部３２との間に配設されて伸縮によって可動部３２を固定部３１に対して変位させる圧電素子３７と、を備え、さらに可動部３２内には対物レンズ３３と、リファレンス面３５と、ハーフミラー３６と、が配設されている。
対物レンズ３３、リファレンス面３５およびハーフミラー３６は、可動部３２内において互いの位置は固定的である。
リファレンス面３５は、光透過性板材３４の一面に設けられた反射板であり、対物レンズ３３とハーフミラー３６との間に配設されている。
そして、リファレンス面３５は対物レンズ３３の焦点位置に配置されている。すなわち、対物レンズ３３を通った光はハーフミラー３６を透過する光とハーフミラー３６で反射される光とに分割されるところ、ハーフミラー３６からの反射光が焦点を結ぶ位置にリファレンス面３５が配設される。
なお、平行リンク機構３８によって可動部３２の変位方向が固定部３１から応力を受ける直線的な一方向に限定されている。
干渉縞撮像部４０は、結像レンズ４１と、ＣＣＤカメラ４２と、を備えている。
ビームスプリッタ５０は、照明光学系２０からのレーザー光を干渉縞生成部３０に向けて反射するとともに干渉縞生成部３０からの干渉光を干渉縞撮像部４０に向けて透過する。

このような構成において、光源２１から発射された光Ｌ２１は、コリメートレンズ２２によって平行光束とされた状態でビームスプリッタ５０に入射する。ビームスプリッタ５０に入射した光の一部は、ワークＷに向けて反射（Ｌ２２）される。ビームスプリッタ５０からワークＷに向けて反射された光（Ｌ２２）は、対物レンズ３３から光透過性板材３４を透過してハーフミラー３６に入射する。ハーフミラー３６に入射した光は、透過光（Ｌ２３）と反射光（Ｌ２４）とに分割され、透過光（Ｌ２３）はワーク表面に照射され、反射光（Ｌ２４）はリファレンス面３５に入射する。

ワーク表面に照射された光はワーク表面にて反射され、物体光として再びハーフミラー３６に再帰し、一部はハーフミラー３６を透過する。一方、ハーフミラー３６にて反射してリファレンス面３５に入射した光は、リファレンス面３５で反射され、参照光としてハーフミラー３６に再帰し、一部はハーフミラー３６にて反射される。
このとき、ワークＷからの反射光である物体光とリファレンス面３５からの反射光である参照光とが干渉する。
物体光と参照光との干渉光Ｌ２５は対物レンズ３３からビームスプリッタ５０を介して結像レンズ４１に入射する。
そして、結像レンズ４１からの干渉縞の像（Ｌ２６）がＣＣＤカメラ４２で撮像される。

ここで、ワーク表面の一点を測定するにあたり、圧電素子３７を伸縮させて可動部３２を変位させ、例えば、位相が異なる三つの干渉縞を生成する。
可動部３２が変位した場合、ハーフミラー３６とリファレンス面３５との間の光路長は変化しないのに対し、ハーフミラー３６とワーク表面との間の光路長が変化するので、可動部３２が変位すると参照光と物体光との干渉で生成される干渉縞の位相が違ってくる。そこで、可動部３２を例えば３段階で変位させて、位相が異なる干渉縞を３つ生成し、これらをＣＣＤカメラ４２で撮像する。
そしてＣＣＤカメラ４２で撮像される３つの干渉縞に基づき、ワーク表面の高さが高分解能で算出される。

特開平９−１３３５０５の段落（００１９）および図１

しかしながら、従来の位相シフト干渉計１０では、異なる位相の複数の干渉縞を得るにあたって可動部３２を変位させている。
複数の干渉縞に基づいてワーク表面高さを高精度に算出するには、干渉縞同士の位相シフト量が正確に分かっていなければならないので、可動部３２を既知量ずつ変位させなければならないが、光の波長オーダーで可動部３２を既知量だけ正確に変位させることには非常な困難がある。
また、ワーク表面の一点を測定するのに位相が異なる複数の干渉縞を得るにあたり、可動部３２を複数段階で変位させなければならないので、一点を測定するのに非常に時間がかかる。
そのため、例えば、ワーク表面の形状が液体表面のように時間の経過とともに刻々と変化するような場合には、可動部３２を変位させる間にワーク表面の形状が変わってしまうので、ワーク表面高さを測定することはできない。

本発明の目的は、高速かつ高精度にワーク表面高さを測定する位相シフト干渉計を提供することにある。

本発明の位相シフト干渉計は、光を発射する照明光学系と、前記照明光学系からの光をワーク表面への照射光とリファレンス面への入射光との二光束に分割するとともに、前記ワークからの反射光である物体光と前記リファレンス面からの反射光である参照光とを無干渉状態で合波して無干渉光束とする無干渉光束生成手段と、前記無干渉光束生成手段からの無干渉光束を３以上の光束に分割し、分割された各無干渉光束に含まれる物体光と参照光とを分割された光束ごとに異なる位相で干渉させて異なる位相の干渉縞を得る位相シフト干渉縞取得部と、を備えることを特徴とする。

このような構成において、照明光学系から発射された光は、無干渉光束生成手段により二光束に分割され、ワーク表面にて反射されてワーク表面の位相情報を有する物体光と、リファレンス面にて反射される参照光と、に分割される。さらに、この物体光と参照光とは無干渉状態で合波されて無干渉光束となるところ、この無干渉光束に含まれる物体光と参照光とは干渉せず、それぞれが位相情報を保存したままで合波される。無干渉光束生成手段からの無干渉光束は、位相シフト干渉縞取得部により、まず、３以上の光束に分割される。分割された光束ごとに物体光と参照光とが異なる位相で干渉することで異なる位相の干渉縞が生成される。そして、位相が異なる干渉縞からワーク表面の位相情報が得られ、ワーク表面の高さが解析される。

従来は、一の測定点を測定するにあたって、物体光あるいは参照光の光路長を複数段階で変化させて位相の変化を与えていたので一の測定点の測定のために光路長を何度も変化させる駆動時間を要し、一の測定点の測定に長い時間を要していた。
そのために、形状が刻々と変化するワークに対しては光路長を変化させている間にワーク形状が変化するので対応できなかった。
この点、本発明では、物体光と参照光とが無干渉状態で合波された光束を分割した後に、各分割光束に異なる位相シフトを与えて干渉させることにより、位相が異なる複数の干渉縞を同時に得ることができる。その結果、一の測定点を測定する時間が極めて短くなり、形状が刻々と変化するワーク表面形状であっても測定することができる。

また、例えば、従来のごとく物体光あるいは参照光の光路長を変化させるためのメカニカルな動きを必要とせず、光学的に物体光と参照光との位相をシフトさせるので正確な既知量だけ位相シフトさせた干渉縞を得ることができ、結果として、ワーク表面の形状を高精度に測定することができる。

本発明では、前記無干渉光束生成手段は、前記照明光学系からの光をワーク表面に向けて照射する対物レンズと、前記対物レンズとワークとの間に配設され、かつ、前記照明光学系からの光を所定の偏光方向を有する第１偏光とこの前記第１偏光に直交する偏光方向を有する第２偏光とに分割する光束分割手段と、前記光束分割手段にて分割された第１偏光および第２偏光のいずれか一方が前記対物レンズによって結像する焦点位置に配設され、前記光束分割手段からの入射光を光束分割手段に向けて反射するリファレンス面と、を備えることが好ましい。

このような構成において、照明光学系からの光は、対物レンズに入射した後、光束分割手段によって第１偏光と第２偏光とに分割される。このとき、第１偏光と第２偏光とは互いに直交する偏光方向を有する偏光である。
光束分割手段で分割された第１偏光と第２偏光とのいずれか一方はリファレンス面で反射されて参照光として光束分割手段に再帰される。また、光束分割手段で分割された第１偏光と第２偏光とのいずれか他方はワーク表面に照射され、ワーク表面にて反射されて物体光として光束分割手段に再帰される。リファレンス面からの参照光とワークからの物体光とがともに光束分割手段に再帰して合波されるところ、参照光と物体光とは互いに直交する偏光方向の光であるので干渉せずに合波される。そして、参照光と物体光とが無干渉の状態で合波された無干渉光が位相シフト干渉縞取得部にて複数に分割されたのち、分割光束ごとに異なる位相で位相シフトされた干渉縞が取得される。

このような構成によれば、光束分割手段は光を第１偏光と第２偏光とで互いに直交する偏光方向を有する光に分割するので、参照光と物体光とが合波されたときに互いが干渉することなく、それぞれがリファレンス面あるいはワーク表面の位相情報を保持したままで合波する。
したがって、参照光と物体光とが無干渉で合波した無干渉光の状態で共通の光路により位相シフト干渉縞取得部に無干渉光を入射させることができる。
そして、位相シフト干渉縞取得部において無干渉光を複数に分割したうえで、分割光束ごとに物体光と参照光とを異なる位相で干渉させることにより異なる位相で位相シフトされた干渉縞を同時に複数得ることができる。

本発明では、前記光束分割手段は、互いに平行に配列された複数のワイヤーを有しこのワイヤーに平行な成分を反射するとともにワイヤーに垂直な成分を透過させるワイヤーグリッド型偏光板であり、前記リファレンス面は、前記対物レンズと前記ワイヤーグリッド型偏光板との間に配設され、前記ワイヤーグリッド型偏光板にて反射された光の焦点位置において光を前記ワイヤーグリッドに向けて反射することが好ましい。

本発明では、前記光束分割手段は、透過光である第１偏光に対して略直交する方向に向けて反射光である第２偏光を反射する偏光ビームスプリッタであることが好ましい。

このような構成において、光束分割手段としてワイヤーグリッド型偏光板を使用するとミロー型の位相シフト干渉計とすることができ、また、第１偏光に対して略直交する方向に向けて第２偏光を反射する偏光ビームスプリッタを使用するとマイケルソン型の位相シフト干渉計とすることができる。
さらに、ワイヤーグリッド型偏光板は、光透過性板材に平行にワイヤーを配列するだけの簡便な構成であり、例えば、複屈折性の媒質に比べると部材コストを格段に安価にすることができる。また、ワイヤーグリッド型偏光板は、複屈折性の媒質に比べて面積を大きくすることができ、測定に使用する光束の幅を大きくすることができる。

本発明では、前記位相シフト干渉縞取得部は、前記無干渉光束生成手段からの無干渉光束に含まれる互いに直交方向の偏光である物体光と参照光とをそれぞれ回転方向が異なる円偏光とする１／４波長板と、前記１／４波長板を通過した無干渉光束の光路中に配設されて、内部の複数の半透過面にて無干渉光束を３以上の光束に分割する無干渉光束分割手段と、前記無干渉光束分割手段にて分割された各光束の光路上に配置され、透過軸角度が所定角度ずつ異なる偏光板と、を備えることが好ましい。

このような構成において、位相シフト干渉縞取得部によって無干渉光束から複数の異なる位相の干渉縞を得るところ、無干渉光束生成手段からの無干渉光束はまず１／４波長板に入射する。すると、無干渉光束に含まれる物体光と参照光とが互いに回転方向が異なる円偏光となる。さらに、１／４波長板を通過した無干渉光束が無干渉光束分割手段によって複数の光束に分割される。そして、分割された各光束は透過軸角度が異なる各偏光板を通過する。この偏光板を通過するときに、各偏光板の透過軸角度が異なっているために、無干渉光に含まれる物体光と参照光とが分割光束ごとに異なる位相で干渉し、異なる位相の干渉縞が得られる。
このような構成によれば、偏光板の透過軸角度を異ならせることで干渉縞の位相を位相シフトさせることができるので、同時に複数の位相が異なる干渉縞を得ることができる。

本発明では、前記位相シフト干渉縞取得部は、前記無干渉光束生成手段からの無干渉光束の光路中に配設された複数のハーフミラーを有する無干渉光束分割手段と、前記無干渉光束分割手段にて分割された各光束の光路中に配設されて各光束に所定の位相遅れを与える複屈折性媒質と、分割された各無干渉光束に含まれる物体光と参照光とを干渉させる偏光板と、を備えることが好ましい。

このような構成において、無干渉光束生成手段からの無干渉光束が複数のハーフミラーを通過する際にその一部が反射されることにより、無干渉光束が複数の光束に分割される。そして、各分割光束が複屈折性媒質を通過することにより各光束に含まれる物体光と参照光との位相が相対的にシフトされる。このように位相シフトされた後に各光束が偏光板を通過することにより参照光と物体光とが干渉し、異なる位相の干渉縞が得られる。
このような構成によれば、複屈折性媒質の屈折率を異ならせることで干渉縞の位相を位相シフトさせることができるので、同時に複数の位相が異なる干渉縞を得ることができる。

本発明では、前記照明光学系は、光源と、この光源からの光を偏光にする偏光板と、半波長板と、を備え、前記半波長板を回転させることにより照明光学系からの光の偏光方向を前記光束分割手段の透過軸角度に対して相対的に調整可能であることが好ましい。

このような構成において、半波長板を回転させて半波長板の主軸の角度を調整する。すると、半波長板によって偏光の偏光方向が所定角度回転され、光束分割手段の光軸に対する偏光の偏光方向が変わる。これにより、光束分割手段による光束の分割によって生成される第１偏光と第２偏光との相対強度を調整することができる。
例えば、反射率の低いワークを測定対象とする場合には、物体光が弱すぎて望ましい干渉縞が得られないおそれもあるが、分割される第１偏光と第２偏光との強度を調整してワークからの反射光である物体光の強度とリファレンス面からの反射光である参照光の強度とを略等しくすることで干渉縞を明瞭にすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の位相シフト干渉計に係る第１実施形態について説明する。
図１は、この位相シフト干渉計１００の構成を示す図である。
位相シフト干渉計１００は、光Ｌ１を発射する照明光学系２００と、物体光と参照光とを無干渉状態で合波して無干渉光とする無干渉光束生成部３００と、無干渉光束を３つの光束に分割するとともにそれぞれ異なる位相で干渉させて異なる位相の複数の干渉縞を取得する位相シフト干渉縞取得部４００と、照明光学系２００からの光を無干渉光束生成部３００に向けて反射するとともに無干渉光束生成部３００からの無干渉光束を位相シフト干渉縞取得部４００に向けて透過させるビームスプリッタ５００を備える。

照明光学系２００は、光源２１０と、コリメートレンズ２２０と、偏光板２３０と、半波長板２４０と、を備える。
半波長板２４０は、回転可能に設けられている。そして、照明光学系２００からの光は、ビームスプリッタ５００に入射し、ビームスプリッタ５００に入射した光の一部が直角に反射されて、無干渉光束生成部３００およびワークＷに向かう。

無干渉光束生成部３００は、対物レンズ３１０と、ワイヤーグリッド３２０と、リファレンス面３３１と、を備えている。
ワイヤーグリッド３２０は、光透過性板材３２１と、この光透過性板材３２１の一面において互いに平行に配列された複数のワイヤー３２２と、を有している。ワイヤー３２２の線幅は例えば６０ｎｍ程度であり、ワイヤー同士の間隔は例えば１４０ｎｍ程度である。そして、ワイヤーグリッド３２０に入射する光のうち、ワイヤー３２２に平行な成分はワイヤーグリッド３２０にて反射され、ワイヤー３２２に垂直な成分はワイヤーグリッド３２０を透過する。

リファレンス面３３１は、光透過性板材３３０の一面に設けられた反射板であり、対物レンズ３１０とワイヤーグリッド３２０との間に配設されている。そして、リファレンス面３３１は対物レンズ３１０の焦点位置に配置されている。すなわち、対物レンズ３１０を通った光はワイヤーグリッド３２０を透過する光とワイヤーグリッド３２０で反射される光とに分割されるところ、ワイヤーグリッド３２０からの反射光が焦点を結ぶ位置にリファレンス面３３１は配設されている。

位相シフト干渉縞取得部４００は、１／４波長板４１０と、結像レンズ４２０と、無干渉光束分割プリズム４３０と、第１から第３の偏光板４４１〜４４３と、第１から第３のＣＣＤカメラ４５１〜４５３と、を備えている。
無干渉光束分割プリズム４３０は、第１の三角プリズム４３１と、第２の三角プリズム４３２と、台形型プリズム４３３と、が貼り合わされて構成されている。
この無干渉光束分割プリズム４３０によって無干渉光は３つの光束に分割される。
ここで、プリズム４３１〜４３３同士の貼り合わせ面が半透過面となっている。

第１から第３の偏光板４４１〜４４３は、無干渉光束分割プリズム４３０から射出される各光束の光路中に挿入されている。第１から第３の偏光板４４１〜４４３の透過軸角度は６０度ずつ異なり、第１偏光板４４１の透過軸角度を０度とすると、第２偏光板４４２の透過軸角度は６０度であり、第３偏光板４４３の透過軸角度は１２０度である。
無干渉光束分割プリズム４３０による光束分割にて生成された第１から第３の光束がそれぞれ第１から第３の偏光板４４１〜４４３を通過することにより、それぞれの光束において物体光と参照光とが異なる位相で干渉し、異なる位相の干渉縞が生成される。
第１から第３のＣＣＤカメラ４５１〜４５３は、各偏光板４４１〜４４３を透過した各干渉縞を撮像する位置に配設されている。

このような構成を備える第１実施形態において光源２１０からの光がＣＣＤカメラ４５１〜４５３に到達するまでの光路について説明する。
光源２１０から発射された光Ｌ１は、コリメートレンズ２２０によって平行光束とされて、さらに、偏光板２３０によって所定の偏光方向を有する偏光となる。そして、半波長板２４０によって偏光方向が所定角度で回転された状態でビームスプリッタ５００に入射する。ビームスプリッタ５００に入射した光の一部は無干渉光束生成部３００に向けて反射（Ｌ２）される。なお、ビームスプリッタ５００は無偏光のビームスプリッタである。

ビームスプリッタ５００で反射された光（Ｌ２）は、対物レンズ３１０から光透過性板材３３０を透過してワイヤーグリッド３２０に入射する。すると、ワイヤーグリッド３２０に入射した光のうち、ワイヤーグリッド３２０のワイヤー３２２に直交する成分はワイヤーグリッド３２０を透過（Ｌ３）する。
ここで、ワイヤーグリッド３２０を透過する方向の偏光をＳ波とする。ワイヤーグリッド３２０を透過したＳ波はワーク表面に照射された後、ワーク表面で反射されて物体光としてワイヤーグリッド３２０に再帰し、ワイヤーグリッド３２０を透過する。

また、対物レンズ３１０からワイヤーグリッド３２０に入射した光のうち、ワイヤーグリッド３２０のワイヤー３２２に平行な成分はワイヤーグリッド３２０にて反射（Ｌ４）される。
ここで、ワイヤーグリッド３２０にて反射される方向の偏光をＰ波とする。
ワイヤーグリッド３２０にて反射されたＰ波はリファレンス面３３１に入射した後、リファレンス面３３１で反射されて参照光としてワイヤーグリッド３２０に再帰し、再びワイヤーグリッド３２０で反射される。

ここで、ワークＷからの反射光である物体光（Ｓ波）とリファレンス面３３１からの反射光である参照光（Ｐ波）とは互いの偏光方向が直交しているので干渉せずに合波され、無干渉光束（Ｌ５）として対物レンズ３１０を透過してビームスプリッタ５００に入射する。
ビームスプリッタ５００に入射した光（無干渉光束Ｌ５）のうちの一部はビームスプリッタ５００を透過して位相シフト干渉縞取得部４００に入射（Ｌ６）する。

ビームスプリッタ５００を透過した光（無干渉光束Ｌ６）は、１／４波長板４１０に入射する。すると、無干渉光束（Ｌ６）に含まれる互いに直交する偏光である物体光（Ｓ波）と参照光（Ｐ波）とがそれぞれ回転方向の異なる円偏光となる。１／４波長板４１０を透過した光は、結像レンズ４２０を通って無干渉光束分割プリズム４３０に入射（Ｌ７）する。

無干渉光束分割プリズム４３０に入射した光は、第１三角プリズム４３１内の内部反射により第１射出面４３１Ａから射出される第１光束（Ｌ８）と、台形型プリズム４３３を透過して第２射出面４３３Ａから射出される第２光束（Ｌ９）と、第２三角プリズム４３２内の内部反射により第３射出面４３２Ａから射出される第３光束（Ｌ１０）と、に分割される。
続いて、第１光束（Ｌ８）が第１偏光板４４１を通過することにより、第１光束（Ｌ８）に含まれる物体光と参照光とが干渉し、この干渉にて生成される第１干渉縞が第１ＣＣＤカメラ４５１にて撮像される。
同様に、第２光束が第２偏光板４４２を通過して第２光束（Ｌ９）に含まれる物体光と参照光とが干渉して、第２干渉縞が第２ＣＣＤカメラ４５２にて撮像され、第３光束（Ｌ１０）が第３偏光板４４３を通過して第３光束（Ｌ１０）に含まれる物体光と参照光とが干渉して、第３干渉縞が第３ＣＣＤカメラ４５３にて撮像される。

ここで、各光束（Ｌ８、Ｌ９、Ｌ１０）が各偏光板４４１〜４４３を通過することにより、各偏光板４４１〜４４３の透過軸角度に対してその２倍の位相シフトされた干渉縞が得られる。
すなわち、第１干渉縞、第２干渉縞および第３干渉縞では、１２０度ずつ位相が異なる干渉縞となる。

そして、所定の解析手段に各干渉縞の画像を入力して、干渉縞上の各点における画像強度を３つの干渉縞で対比することにより、ワーク表面の位相情報が得られる。
これにより、ワーク表面の高さを求めることができる。

なお、干渉縞を得るにあたっては、参照光（Ｐ波）と物体光（Ｓ波）との強度が略等しいことが好ましいところ、ワーク表面とリファレンス面３３１とで反射率が違う場合に、ワーク表面とリファレンス面３３１とに同じ強度の光を照射していてはワークＷからの反射光である物体光とリファレンス面３３１からの反射光である参照光とで強度が異なることになる。特に、反射率の低いワークＷを測定対象とする場合には、物体光が弱すぎて望ましい干渉縞が得られないこともある。

このような場合、半波長板２４０を回転させて半波長板２４０の主軸の角度を調整する。
すなわち、半波長板２４０によって偏光の偏光方向を回転させ、例えば、ワイヤーグリッド３２０における光の分割において透過光（Ｓ波）の成分が多く、反射光（Ｐ波）の成分が少なくなるようにする。このようにワイヤーグリッド３２０における光の分割においてＳ波とＰ波との割合を調整して、ワークＷからの反射光である物体光の強度とリファレンス面３３１からの反射光である参照光の強度とを略等しくすることで干渉縞を明瞭にする。

このような第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）物体光（Ｓ波）と参照光（Ｐ波）とが無干渉状態で合波された光束を無干渉光束分割プリズム４３０にて分割した後に、各分割光束に異なる位相シフトを与えて干渉させることにより、位相が異なる複数の干渉縞を同時に得ることができる。その結果、一の測定点を測定する時間が極めて短くなり、形状が刻々と変化するワーク表面形状であっても測定することができる。

（２）従来のごとく物体光あるいは参照光の光路長を変化させるためのメカニカルな動きを必要とせず、位相シフト干渉縞取得部４００において各光束を透過軸角度が異なる偏光板４４１〜４４３を通過させることにより各光束で異なる位相の干渉縞を同時に生成する。すなわち、光学的な手段によって正確な既知量だけ位相シフトさせた複数の干渉縞を同時に得ることができる。その結果、これらの干渉縞に基づいてワーク表面の形状を高精度に測定することができる。

（３）ワイヤーグリッド３２０は光を互いに直交する偏光方向を有する光（Ｐ波とＳ波）に分割するので、参照光（Ｐ波）と物体光（Ｓ波）とが合波されたときに互いが干渉することなく、それぞれがリファレンス面３３１あるいはワーク表面の位相情報を保持したままで合波する。
したがって、参照光（Ｐ波）と物体光（Ｓ波）とが無干渉で合波した無干渉光の状態で共通の光路により位相シフト干渉縞取得部４００に無干渉光を入射させることができる。
そして、位相シフト干渉縞取得部４００において無干渉光を複数に分割したうえで、分割光束ごとに物体光と参照光とを異なる位相で干渉させることにより異なる位相で位相シフトされた干渉縞を同時に複数得ることができる。

（４）ワイヤーグリッド３２０は、光透過性板材３２１に平行にワイヤー３２２を配列するだけの簡便な構成であり、例えば、複屈折性の媒質に比べると部材コストを格段に安価にすることができる。また、ワイヤーグリッド３２０は、複屈折性の媒質に比べて面積を大きくすることができ、測定に使用する光束の幅を大きくすることができる。

（５）半波長板２４０を回転させて半波長板２４０の主軸の角度を調整することにより照明光学系２００からの光（Ｌ２）の偏光方向を調整することができるので、ワイヤーグリッド３２０による光束の分割によって生成されるＰ波（Ｌ４）とＳ波（Ｌ３）との相対強度を調整することができる。
例えば、反射率の低いワークＷを測定対象とする場合には、物体光が弱すぎて望ましい干渉縞が得られないおそれもあるが、Ｐ波（Ｌ４）とＳ波（Ｌ３）との強度を調整してワークＷからの反射光である物体光の強度とリファレンス面３３１からの反射光である参照光の強度とを略等しくすることで干渉縞を明瞭にすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２を参照して説明する。
第２実施形態の基本的構成は、第１実施形態に同様であるが、第１実施形態がミロー型の干渉計であったのに対して、第２実施形態はマイケルソン型干渉計である点に特徴を有する。

すなわち、図２において、無干渉光束生成部６００は、対物レンズ６１０と、偏光ビームスプリッタ６２０と、リファレンス面６３０と、を備える。
ここで、偏光ビームスプリッタ６２０はキューブ型であって、光を二光束に分割するところ、ワークＷに向けて透過する透過光（Ｓ波）とこの透過光に直交する方向に向けて反射する反射光（Ｐ波）とに光を分割する。そして、偏光ビームスプリッタ６２０を透過した光（Ｓ波）は、ワークＷに照射され、物体光としてワークＷから反射される。また、偏光ビームスプリッタ６２０で反射された光（Ｐ波）は、リファレンス面６３０に入射し、参照光としてリファレンス面６３０にて反射される。

ワークＷからの反射光である物体光と、リファレンス面６３０からの反射光である参照光と、がそれぞれ偏光ビームスプリッタ６２０に再帰し、偏光ビームスプリッタ６２０にて合波される。このとき、物体光（Ｓ波）と参照光（Ｐ波）との偏光方向が互いに直交しているので、物体光（Ｓ波）と参照光（Ｐ波）とは干渉することがなく、無干渉光束としてビームスプリッタ５００および位相シフト干渉縞取得部４００に入射する。そして、位相シフト干渉縞取得部４００にて無干渉光束が３つに分割されたのち、分割光束ごとに異なる位相の干渉縞が取得される。

このような第２実施形態によれば、上記の効果（１）（２）（５）を奏することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について図３を参照して説明する。
第３実施形態の基本的構成は、第１実施形態に同様であるが、位相シフト干渉縞取得部７００の構成に特徴を有する。
図３において、位相シフト干渉縞取得部７００は、反射ミラー７１０と、第１分光光束系７２０と、第２分光光束系７３０と、第３分光光束系７４０と、を備えている。

第１分光光束系７２０は、反射ミラー７１０にて反射された反射光の光路上に配設された第１無偏光半透鏡７２１と、第１無偏光半透鏡７２１からの反射光を受光して撮像するＣＣＤカメラ７２２と、第１無偏光半透鏡７２１とＣＣＤカメラ７２２との間に配設された偏光板７２３と、を備える。
第２分光光束系７３０は、反射ミラー７１０にて反射された反射光の光路上に配設された第２無偏光半透鏡７３１と、第２無偏光半透鏡７３１からの反射光を受光して撮像するＣＣＤカメラ７３２と、第２無偏光半透鏡７３１とＣＣＤカメラ７３２との間に配設された複屈折性媒質７３３および偏光板７３４と、を備える。
第３分光光束系７４０は、反射ミラー７１０にて反射された反射光を反射する反射ミラー７４１と、反射ミラー７４１からの反射光を受光して撮像するＣＣＤカメラ７４２と、反射ミラー７４１とＣＣＤカメラ７４２との間に配設された複屈折性媒質７４３および偏光板７４４と、を備える。

なお、第２分光光束系７３０に配設された複屈折性媒質７３３と第３分光光束系７４０に配設された複屈折性媒質７４３との屈折率は、互いに異なる。
具体的には、第１分光光束系７２０、第２分光光束系７３０、第３分光光束系７４０の各カメラ７２２、７３２、７４２により、π／２ずつ位相が異なる干渉縞画像が撮像されるように、複屈折性媒質７３３、７４３が適宜選択される。
また、第１無偏光半透鏡７２１および第２無偏光半透鏡７３１により無干渉光束分割手段が構成されている。

このような構成において、無干渉光束生成部６００からの無干渉光束は反射ミラーで反射された後、第１分光光束系７２０、第２分光光束系７３０および第３分光光束系７４０においてπ／２ずつ異なる位相で位相シフトされる。そして、このように位相シフトされたそれぞれの干渉縞画像が各分光光束系７２０、７３０、７４０の各カメラ７２２、７３２、７４２により撮像される

このような第３実施形態によれば、上記の効果（１）から（５）を奏することができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
位相シフト干渉縞取得部の構成は、上記実施形態に示した構成に限らず、無干渉光束生成部にて生成された無干渉光束を複数の光束に分割して、分割光束ごとに異なる位相の干渉縞を得ることができればよい。また、無干渉光束を３つに分割して位相の異なる３つの干渉縞を得る場合を例にして説明したが、３つ以上であれば、４つでも５つでもよい。

本発明は、位相シフト干渉計に利用できる。

本発明の位相シフト干渉計に係る第１実施形態の構成を示す図。 本発明の位相シフト干渉計に係る第２実施形態の構成を示す図。 本発明の位相シフト干渉計に係る第３実施形態の構成を示す図。 従来の位相シフト干渉計の構成を示す図。

符号の説明

１０…位相シフト干渉計、２０…照明光学系、２１…光源、２２…コリメートレンズ、３０…干渉縞生成部、３１…固定部、３２…可動部、３３…対物レンズ、３４…光透過性板材、３５…リファレンス面、３６…ハーフミラー、３７…圧電素子、３８…平行リンク機構、４０…干渉縞撮像部、４１…結像レンズ、４２…ＣＣＤカメラ、５０…ビームスプリッタ、１００…位相シフト干渉計、２００…照明光学系、２１０…光源、２２０…コリメートレンズ、２３０…偏光板、２４０…半波長板、３００…無干渉光束生成部、３１０…対物レンズ、３２０…ワイヤーグリッド、３２１…光透過性板材、３２２…ワイヤー、３３０…光透過性板材、３３１…リファレンス面、４００…位相シフト干渉縞取得部、４１０…１／４波長板、４２０…結像レンズ、４３０…無干渉光束分割プリズム、４３１…第１三角プリズム、４３１Ａ…第１射出面、４３２…第２三角プリズム、４３２Ａ…第３射出面、４３３Ａ…第２射出面、４３３…台形型プリズム、４４１…第１偏光板、４４２…第２偏光板、４４３…第３偏光板、４５１…第１ＣＣＤカメラ、４５２…第２ＣＣＤカメラ、４５３…第３ＣＣＤカメラ、５００…ビームスプリッタ、６００…無干渉光束生成部、６１０…対物レンズ、６２０…偏光ビームスプリッタ、６３０…リファレンス面、７００…位相シフト干渉縞取得部、７１０…反射ミラー、７２０…第１分光光束系、７２１…無偏光半透鏡、７２２…ＣＣＤカメラ、７２３…偏光板、７３０…第２分光光束系、７３１…無偏光半透鏡、７３２…ＣＣＤカメラ、７３３…複屈折性媒質、７３４…偏光板、７４０…第３分光光束系、７４１…反射ミラー、７４２…ＣＣＤカメラ、７４３…複屈折性媒質、７４４…偏光板。

Claims (7)

1. 光を発射する照明光学系と、
   前記照明光学系からの光をワーク表面への照射光とリファレンス面への入射光との二光束に分割するとともに、前記ワークからの反射光である物体光と前記リファレンス面からの反射光である参照光とを無干渉状態で合波して無干渉光束とする無干渉光束生成手段と、
   前記無干渉光束生成手段からの無干渉光束を３以上の光束に分割し、分割された各無干渉光束に含まれる物体光と参照光とを分割された光束ごとに異なる位相で干渉させて異なる位相の干渉縞を得る位相シフト干渉縞取得部と、を備える
   ことを特徴とする位相シフト干渉計。
2. 請求項１に記載の位相シフト干渉計において、
   前記無干渉光束生成手段は、
   前記照明光学系からの光をワーク表面に向けて照射する対物レンズと、
   前記対物レンズとワークとの間に配設され、かつ、前記照明光学系からの光を所定の偏光方向を有する第１偏光とこの前記第１偏光に直交する偏光方向を有する第２偏光とに分割する光束分割手段と、
   前記光束分割手段にて分割された第１偏光および第２偏光のいずれか一方が前記対物レンズによって結像する焦点位置に配設され、前記光束分割手段からの入射光を光束分割手段に向けて反射するリファレンス面と、を備える
   ことを特徴とする位相シフト干渉計。
3. 請求項２に記載の位相シフト干渉計において、
   前記光束分割手段は、互いに平行に配列された複数のワイヤーを有しこのワイヤーに平行な成分を反射するとともにワイヤーに垂直な成分を透過させるワイヤーグリッド型偏光板であり、
   前記リファレンス面は、前記対物レンズと前記ワイヤーグリッド型偏光板との間に配設され、前記ワイヤーグリッド型偏光板にて反射された光の焦点位置において光を前記ワイヤーグリッドに向けて反射する
   ことを特徴とする位相シフト干渉計。
4. 請求項２に記載の位相シフト干渉計において、
   前記光束分割手段は、透過光である第１偏光に対して略直交する方向に向けて反射光である第２偏光を反射する偏光ビームスプリッタである
   ことを特徴とする位相シフト干渉計。
5. 請求項２から４のいずれかに記載の位相シフト干渉計において、
   前記位相シフト干渉縞取得部は、
   前記無干渉光束生成手段からの無干渉光束に含まれる互いに直交方向の偏光である物体光と参照光とをそれぞれ回転方向が異なる円偏光とする１／４波長板と、
   前記１／４波長板を通過した無干渉光束の光路中に配設されて、内部の複数の半透過面にて無干渉光束を３以上の光束に分割する無干渉光束分割手段と、
   前記無干渉光束分割手段にて分割された各光束の光路上に配置され、透過軸角度が所定角度ずつ異なる偏光板と、を備える
   ことを特徴とする位相シフト干渉計。
6. 請求項２から４のいずれかに記載の位相シフト干渉計において、
   前記位相シフト干渉縞取得部は、
   前記無干渉光束生成手段からの無干渉光束の光路中に配設された複数のハーフミラーを有する無干渉光束分割手段と、
   前記無干渉光束分割手段にて分割された各光束の光路中に配設されて各光束に所定の位相遅れを与える複屈折性媒質と、
   分割された各無干渉光束に含まれる物体光と参照光とを干渉させる偏光板と、を備える
   ことを特徴とする位相シフト干渉計。
7. 請求項２から請求項６のいずれかに記載の位相シフト干渉計において、
   前記照明光学系は、光源と、この光源からの光を偏光にする偏光板と、半波長板と、を備え、
   前記半波長板を回転させることにより照明光学系からの光の偏光方向を前記光束分割手段の透過軸角度に対して相対的に調整可能である
   ことを特徴とする位相シフト干渉計。

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