JP2015099133A - 厚みの計測方法および計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】被検物の厚みを非破壊で高精度に計測することができる方法および計測装置を提供する。
【解決手段】光源10からの光を参照光と被検光に分割し、被検物を透過した被検光と参照光とを干渉させる干渉計測によって被検物80の厚みを計測する。特定の波長において被検物80の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質70を被検光と参照光の光路上に配置し、被検物80および媒質70を透過した被検光と媒質70を透過した参照光とを干渉させた干渉光を計測し、被検光と参照光の位相差の波長依存性に基づいて特定の波長を決定し、特定の波長に対応する媒質70の群屈折率を被検物80の群屈折率とする。特定の波長に対応する被検物80の光路長を計測し、特定の波長に対応する群屈折率と特定の波長に対応する光路長とを用いて被検物80の厚みを算出する。
【選択図】図1
【解決手段】光源10からの光を参照光と被検光に分割し、被検物を透過した被検光と参照光とを干渉させる干渉計測によって被検物80の厚みを計測する。特定の波長において被検物80の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質70を被検光と参照光の光路上に配置し、被検物80および媒質70を透過した被検光と媒質70を透過した参照光とを干渉させた干渉光を計測し、被検光と参照光の位相差の波長依存性に基づいて特定の波長を決定し、特定の波長に対応する媒質70の群屈折率を被検物80の群屈折率とする。特定の波長に対応する被検物80の光路長を計測し、特定の波長に対応する群屈折率と特定の波長に対応する光路長とを用いて被検物80の厚みを算出する。
【選択図】図1
Description
本発明は、厚みの計測方法および計測装置に関する。
レンズの厚みは光学性能に影響するため、レンズの厚みを計測する技術が必要である。一般的に、レンズの厚みは探針を利用した接触計測によって計測される。接触計測は精度が低く、さらに、レンズを傷つける可能性がある。したがって、レンズの厚みを非破壊で高精度に計測する技術が必要である。
特許文献1は、2枚の透明板の間に被検物を配置した状態で、透明板と被検物との間隙を低コヒーレンス干渉計によって計測し、その計測値と2枚の透明板同士の間隙とから被検物の厚みを算出する方法を提案している。特許文献2は、被検物を2種類の媒質に浸し、透明板同士の間の光路長を2種類の媒質それぞれにおいて低コヒーレンス干渉計によって計測し、その計測値と透明板同士の実距離とから、被検物の厚みを計測する方法を提案している。
特許文献1に開示された方法では、被検物が曲面を有するレンズ等の場合、被検物のパワーや反射面の曲率の影響で小さな干渉信号しか得られず、計測精度が低くなる。特許文献2に開示された方法では、2枚の透明板間における4種類の光路長と2種類の実距離との合計6つの計測値の計測誤差が混入するため、計測精度が低下する。
本発明は、被検物の厚みを非破壊で高精度に計測することができる計測方法および計測装置を提供することを例示的な目的とする。
本発明の計測方法は、光源からの光を被検光と参照光に分割し、前記被検光を被検物に入射させ、前記被検物を透過した前記被検光と前記参照光とを干渉させる干渉計測によって前記被検物の厚みを計測する厚み計測方法であって、特定の波長において前記被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質を前記被検光と前記参照光の光路上に配置し、前記被検物および前記媒質を透過した被検光と前記媒質を透過した参照光とを干渉させた干渉光を計測し、前記被検光と前記参照光の位相差の波長依存性に基づいて前記特定の波長を決定し、前記特定の波長に対応する前記媒質の群屈折率を前記特定の波長に対応する前記被検物の群屈折率として算出する群屈折率計測ステップと、前記被検物の光路長を計測する光路長計測ステップと、前記特定の波長に対応する前記被検物の群屈折率と前記特定の波長に対応する前記被検物の光路長とに基づいて、前記被検物の厚みを算出する算出ステップと、を含むことを特徴としている。
本発明の屈折率計測装置は、光源と、前記光源からの光を被検光と参照光に分割し、前記被検光を被検物に入射させ、前記被検物を透過した被検光と前記参照光を干渉させる干渉光学系と、前記被検光と前記参照光の干渉光を検出する検出手段と、前記被検物の光路長を計測する光路長計測手段と、前記検出手段から出力される干渉信号を用いて前記被検物の屈折率を演算し、前記被検物の屈折率と前記被検物の光路長を用いて前記被検物の厚みを演算する演算手段とを有する厚み計測装置であって、前記被検物は、特定の波長において前記被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質中に配置されており、前記干渉光学系は、前記被検物および前記媒質を透過した被検光と前記媒質を透過した参照光とを干渉させる光学系であり、前記演算手段は、前記被検光と前記参照光の位相差の波長依存性に基づいて前記特定の波長を決定し、前記特定の波長に対応する前記媒質の群屈折率を前記特定の波長に対応する前記被検物の群屈折率として算出し、前記特定の波長に対応する前記被検物の群屈折率と前記特定の波長に対応する前記被検物の光路長とを用いて前記被検物の厚みを算出することを特徴としている。
本発明によれば、被検物の厚みを非破壊で高精度に計測することができる計測方法および計測装置を提供することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図1は、本発明の実施例1の計測装置のブロック図である。本実施例の計測装置は、マッハ・ツェンダー干渉計で構成されている。計測装置は、光源10、干渉光学系、媒質と被検物を収納可能な容器60、検出器90、コンピュータ100を有し、被検物80の厚みを計測する。
本実施例では、特定の波長において被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質(例えば、オイル)に被検物を浸すことで、特定の波長における被検物の群屈折率を高精度に計測する。そして、特定の波長における被検物の群屈折率と被検物の光路長とを結びつけることで高精度に被検物の厚みを計測することができる。被検物はレンズや平板などの屈折型光学素子である。
なお、屈折率には、光の等位相面の移動速度である位相速度vp(λ)に関する位相屈折率Np(λ)と、光のエネルギーの移動速度(波束の移動速度)vg(λ)に関する群屈折率Ng(λ)があり、後述する数式2によって相互に変換することができる。
光源10は、複数の波長の光を射出する光源(例えば、スーパーコンティニューム光源)である。干渉光学系は、光源10からの光を、被検物を透過しない光(参照光)と被検物を透過する光(被検光)に分割し、参照光と被検光を重ね合わせて干渉させ、その干渉光を検出器90に導光する。干渉光学系は、ビームスプリッタ20、21、ミラー30、31、40、41、50、51を有する。
ビームスプリッタ20、21は、例えば、キューブビームスプリッタで構成される。ビームスプリッタ20は、界面(接合面)20aにおいて、光源10からの光の一部を透過すると同時に残りを反射する。本実施例では、界面20aを透過した光が参照光、界面20aで反射した光が被検光である。ビームスプリッタ21は、界面21aにおいて、参照光の一部を反射し、被検光の一部を透過する。この結果、参照光と被検光が干渉して干渉光を形成し、干渉光は検出器90に射出される。
容器60は、媒質70と被検物80を収容している。容器内における参照光の光路長と被検光の光路長は、被検物80が容器内に配置されていない状態で一致するのが好ましい。したがって、容器60の側面(例えば、ガラス)は厚みおよび屈折率が均一で、かつ、容器60の両側面が平行であるのが望ましい。容器60は温度調整機構(温度制御手段)を備えており、媒質70の温度の昇降や媒質70の温度分布を制御することができる。
媒質70の屈折率は、不図示の媒質屈折率計測手段によって計測される。媒質屈折率計測手段は、例えば、媒質の温度を計測する温度計測手段と、計測した温度を媒質の屈折率に換算するコンピュータから構成される。媒質屈折率計測手段は、屈折率および形状が既知のガラスプリズム(基準被検物)の透過波面を計測する波面計測センサ(波面計測手段)と、透過波面とガラスプリズムの屈折率および形状から媒質の屈折率を算出するコンピュータから構成してもよい。媒質屈折率計測手段は、位相屈折率を計測してもよいし、群屈折率を計測してもよい。媒質屈折率計測手段によって位相屈折率を計測した場合は、後述する数式2の関係によって群屈折率を算出することができる。
ミラー40、41は、例えば、プリズム型ミラーである。ミラー50、51は、例えば、コーナーキューブリフレクターである。ミラー51は、図1の矢印の方向の駆動機構を有する。ミラー51の駆動機構は、例えば、駆動レンジの大きいステージと駆動分解能の高いピエゾステージから構成されている。ミラー51の駆動量は、不図示の測長器(例えば、レーザ変位計やエンコーダ)によって計測される。ミラー51の駆動は、コンピュータ100によって制御されている。参照光と被検光の光路長差は、ミラー51の駆動機構(調整部)によって調整することができる。
検出器90は、ビームスプリッタ21からの干渉光を分光し、干渉光強度を波長(周波数)の関数として検出する分光器などから構成されている。
コンピュータ100はCPUなどから構成されており、検出器90から出力される干渉信号に基づいて被検物80の屈折率や光路長を演算し、被検物80の厚みを演算する演算手段としての機能やミラー51の駆動量を制御する制御手段としての機能を備える。
干渉光学系は、被検物80が容器内に配置されていない状態で、参照光と被検光の光路長が等しくなるように調整されている。調整方法は次のとおりである。
図1の計測装置において、被検物80が容器内に配置されていない状態で参照光と被検光の干渉信号が計測される。このとき、参照光と被検光の位相差φ0(λ)および干渉強度Iφ0(λ)は数式1で表される。
ただし、λは空気中の波長、Δ0は参照光と被検光の光路長の差、I0は参照光の強度と被検光の強度の和、γは可視度(ビジビリティ)である。数式1より、Δ0がゼロでないときは、干渉強度I0(λ)は振動関数となる。したがって、参照光と被検光の光路長を等しくするためには、干渉信号が振動関数とならない位置にミラー51を駆動すればよい。このとき、Δ0がゼロになる。
ここでは、被検光と参照光の光路長が等しくなるように調整される場合(Δ0=0)について説明したが、現在のミラー51の位置がΔ0=0からどれだけシフトしているかが分かれば、被検光と参照光の光路長を等しくする必要はない。被検光と参照光の光路長が等しくなる位置(Δ0=0)からのミラー51の駆動量は不図示の測長器(例えば、レーザ測長器やエンコーダ)によって計測することができる。
図2は、被検物80の厚みを算出する算出手順を示すフローチャートであり、「S」は、Step(ステップ)の略である。
まず、特定の波長において被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質70が、容器60内に満たされる(S10)。このとき、媒質70と被検物80は、被検光が被検物80と媒質70を透過し、参照光が媒質70を透過するように配置される。
一般に、オイルの紫外吸収帯は硝材の紫外吸収帯よりも可視光に近いため、可視光領域の屈折率分散曲線の傾きは、オイルの方が硝材よりも急である。図3(a)は、被検物と媒質それぞれの位相屈折率分散曲線を示す図である。図3(b)は、被検物と媒質それぞれの群屈折率分散曲線を示す図である。位相屈折率n(λ)と群屈折率ng(λ)の関係は、数式2で表される。
被検物の群屈折率と媒質の群屈折率は、図3(b)の交差している点で等しくなる。図3(b)の交差している点の波長λ0が、特定の波長に相当する。高い位相屈折率を有する被検物と低い位相屈折率を有する媒質の組み合わせにおいて、群屈折率マッチングという状態が得られる。尚、媒質は被検物の表面における屈折の効果を低減する役割も担っている。
次に、参照光と被検光の位相差の波長依存性から特定の波長λ0が計測される(S20)。図1の検出器90で計測されるスペクトル領域の干渉信号は図4(a)のようになる。被検光と参照光の位相差φ(λ)および干渉強度I(λ)は数式3で表される。
ただし、nsample(λ)は被検物の位相屈折率、nmedium(λ)は媒質の位相屈折率、Lは被検物の中心部の幾何学厚みである。図4(a)および数式3からわかるとおり、干渉信号は、位相差φ(λ)の波長依存性を反映した振動関数となる。尚、本実施例における屈折率は、空気に対する相対屈折率を意味する。
図4(a)のλ0は、位相差φ(λ)が極値をとる波長を示している。位相差φ(λ)の波長に関する傾き、つまり位相差の微分dφ(λ)/dλは、数式4で表される。
ただし、ng sample(λ)は被検物の群屈折率、ng medium(λ)は媒質の群屈折率である。位相差φ(λ)が極値をとる波長λ0とは、数式4の位相差の微分dφ(λ)/dλがゼロとなる波長である。言い換えると、波長λ0は、被検物の群屈折率ng sample(λ)と媒質の群屈折率ng medium(λ)が等しくなる波長(特定の波長)である。数式5は、特定の波長λ0における被検物の群屈折率と媒質の群屈折率の関係を表す。図4(a)の干渉信号の振動周期が長くなる領域の頂点(極値)を計測することで、特定の波長λ0を決定できる(S20)。
次に、媒質70の群屈折率ng medium(λ)が計測される(S30)。本実施例では、媒質の温度を計測する温度計測手段と、計測した温度を媒質の屈折率に換算するコンピュータ100から構成される媒質屈折率計測手段を有しているものとする。ある基準温度T0における媒質70の位相屈折率n0 medium(λ)と、媒質70の屈折率の温度係数dnmedium(λ)/dTを既知として、温度の計測値Tと結びつけて数式6のように媒質70の群屈折率ng medium(λ)が算出される。
S20において計測された特定の波長λ0に対応する媒質70の群屈折率ng medium(λ0)が数式6の関係に基づいて算出される(S40)。数式5に示したとおり、S40において算出された特定の波長λ0に対応する媒質70の群屈折率ng medium(λ0)は、特定の波長λ0における被検物80の群屈折率ng sample(λ0)と等しい。
このように、数式5を用いた被検物の群屈折率計測方法は、被検物の群屈折率が媒質の群屈折率を介して計測されるため、被検物の厚みLに依存しない。したがって、被検物の厚みLが未知でも被検物の群屈折率が計測できる。
なお、媒質70の温度の計測値Tと基準温度T0の温度差が小さい場合は、特定の温度における波長ごとの屈折率のデータを示すルックアップデーブルを用いてもよい。
次に、媒質70を容器60内に配置しない状態で、特定の波長に対応する被検物80の光路長が計測される(S50)。媒質70を容器60内に配置しないときの参照光と被検光の位相差φempty(λ)、位相差の微分dφempty(λ)/dλは、数式7のように表される。位相差φempty(λ)の極値における関係式は数式8で表される。λは空気中の波長なので、空気の屈折率は波長に組み込まれている。ここでは、空気の位相屈折率は空気の群屈折率と等しいと仮定している。
位相差φempty(λ)の極値の波長は、Δ0の値によって変化する。位相差φempty(λ)の極値の波長が、特定の波長λ0に一致するように、Δ0が調整される。本実施例では、極値の波長が特定の波長λ0に一致したときのΔ0=(ng sample(λ0)−1)Lを被検物80の光路長と定義している。図4(b)は、極値の波長が特定の波長λ0に一致したときの干渉信号である。
最後に、特定の波長に対応する被検物の群屈折率と特定の波長に対応する被検物の光路長を用いて被検物80の厚みLを算出する(S60)。厚みLは数式9で表される。
本実施例では、被検物の群屈折率と媒質の群屈折率が等しくなる特定の波長λ0において、媒質の群屈折率を経由して被検物の群屈折率が計測される。媒質の群屈折率は高精度に計測されるため、被検物の群屈折率も高精度に計測される。高精度に計測された被検物の群屈折率と被検物の光路長とが、特定の波長λ0において結びつけられることで、被検物の厚みも高精度に算出される。
本実施例では、振動する干渉信号から特定の波長λ0を計測した。その代わりに、特定の波長の計測方法は、位相シフト法を用いて参照光と被検光の位相差を計測し、その位相差の極値を直接求める方法でもよい。
本実施例では、特定の波長λ0を計測した後に、特定の波長λ0における被検物の光路長を計測した。その代わりに、被検物の光路長計測を行った後に、特定の波長λ0を計測する方法でもよい。まず、媒質70が容器60内に配置されていない状態で、被検物80が配置される。Δ0の変化に対する位相差φempty(λ)の極値の変化を計測することで、被検物80の光路長が波長の関数(数式8)として計測される。次に、媒質70が容器60に満たされ、特定の波長λ0が計測される。波長の関数である被検物80の光路長(数式8)に特定の波長λ0を代入することで、特定の波長に対応する被検物80の光路長が計測される。
本実施例では、容器60内を空(空気)にして被検物の光路長を計測している。空気の代わりに、媒質70の屈折率と異なる屈折率を有する媒質(例えば、水)を用いて被検物の光路長が計測されてもよい。
本実施例では、複数の波長の光を射出する光源10として、スーパーコンティニューム光源を用いた。その代わりに、スーパールミネッセントダイオード(SLD)やハロゲンランプ、短パルスレーザ等が使われてもよい。連続スペクトル光源の代わりに、マルチライン発振ガスレーザのような、離散スペクトル光源が用いられてもよい。
本実施例では、複数の波長における干渉光を検出器90で分光している。その代わりに、波長掃引方法が使用可能である。波長掃引方法は、例えば、複数の波長の光を射出する光源の直後に分光器を配置して疑似単色光を射出し、その波長の干渉信号をフォトダイオード等の検出器で計測する。そして、波長掃引方法は、この各波長の干渉計測を波長走査しながら行う。複数の波長の光を射出する光源と分光器との組み合わせの代わりに、波長可変ダイオードレーザのような波長掃引光源が用いられてもよい。
波長掃引方法は、ヘテロダイン干渉法と組み合わせることが可能である。ヘテロダイン干渉法は、音響光学素子等で参照光と被検光の間に周波数差を発生させて計測する時間的な位相シフト法である。
媒質70の温度分布は、媒質70の屈折率分布と等価である。媒質70の屈折率分布は、算出する被検物の屈折率に誤差を与える。したがって、媒質70の温度分布が発生しないように温度調整機構(温度調整手段)で制御するのが望ましい。媒質70の屈折率分布による誤差は、屈折率分布の量がわかれば補正できる。そのため、媒質70の屈折率分布を計測するための波面計測装置(波面計測手段)が備わっていると、より望ましい。
本実施例では、被検物80が容器60に配置されていない状態で、被検光と参照光の光路長が等しくなる(Δ0=0)ようにミラー51が調整される。その代わりに、現在の位置がΔ0=0からどれだけシフトしているかが分かればよい。つまり、現在のΔ0の値が特定できれば良い。その場合、参照光と被検光の位相差φ(λ)が、数式3の代わりに数式10のような位相差Φ(λ)に置き換えられればよい。
本実施例では、マッハ・ツェンダー干渉計の構成をとっているが、代わりにマイケルソン干渉計の構成でもよい。また、本実施例では、位相差や屈折率を波長の関数として算出しているが、代わりに周波数の関数として算出してもよい。
図5は、本発明の実施例2の計測装置のブロック図である。媒質70の屈折率を計測する干渉計が実施例の1の計測装置に追加されている。本実施例では、被検物の光路長を波長の関数として計測した後に、特定の波長λ0を計測し、特定の波長λ0における光路長を算出する。被検物は正のパワーを持つレンズである。実施例1と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。
光源10から射出された光は、ビームスプリッタ22で透過光と反射光に分割される。透過光は、被検物80の厚みを計測するための干渉光学系へ進み、反射光は、媒質70の屈折率を計測するための干渉光学系へと導かれる。反射光は、ビームスプリッタ23でさらに透過光(媒質参照光)と反射光(媒質被検光)に分割される。
ビームスプリッタ23で反射した媒質被検光は、ミラー42、52で反射した後に、容器60の側面および媒質70を透過し、ミラー33で反射されてビームスプリッタ24に至る。ビームスプリッタ23を透過した媒質参照光は、ミラー32、43、53で反射した後に、補償板61を透過してビームスプリッタ24へ至る。ビームスプリッタ24へ至った媒質参照光と媒質被検光は、干渉して干渉光を形成し、分光器等で構成される検出器91で検出される。検出器91で検出された信号は、コンピュータ100に送られる。
補償板61は、容器60の側面による屈折率分散の影響を補正する役割を担い、容器60の側面と同一材質かつ同一厚み(=容器60の側面の厚み×2)で構成される。補償板61は、容器60内が空のとき、媒質参照光と媒質被検光の各波長のそれぞれの光路長差を等しくする効果を有する。
ミラー53は、ミラー51と同様の駆動機構を有しており、図5の矢印の方向に駆動する。ミラー53の駆動は、コンピュータ100で制御される。
本実施例の被検物80の厚み算出手順は、次のとおりである。
まず、被検光路上に被検物80が配置される。Δ0が変化したときの位相差φempty(λ)の極値の波長の変化を計測することで、被検物80の光路長が波長の関数(数式8)として計測される。特定の波長において被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質が参照光と被検光の光路上に配置される。次に、参照光と被検光の位相差の波長依存性から特定の波長が計測される。実施例1では、参照光と被検光の干渉信号から特定の波長を計測した。本実施例では、参照光と被検光の位相差を計測してから特定の波長を計測する。数式3で表される位相差φ(λ)は、次のような位相シフト法で算出される。
ミラー51を微小量ずつ駆動させながら干渉信号が取得される。ミラー51の位相シフト量(=駆動量×2π/λ)がδk(k=0,1,・・・M−1)のときの干渉強度Ik(λ)は数式11で表される。
位相差φ(λ)は、最小二乗法のアルゴリズムを用いて、数式12で算出される。位相差φ(λ)の算出精度を高める指針は、位相シフト量δkをできるだけ小さくし、駆動ステップ数Mをできるだけ大きくすることである。算出された位相差φ(λ)は2πで畳み込まれている。したがって、2πの位相飛びをつなぎ合わせる作業(アンラッピング)が必要である。
数式12で算出された位相差φ(λ)の極値に対応する波長から、特定の波長λ0が計測される。位相差φ(λ)の微分dφ(λ)/dλがゼロとなる波長が、特定の波長λ0である。
位相差φ(λ)は離散データなので、位相差の微分dφ(λ)/dλとして各波長データ間における変化の割合が算出される。一般的に、データの微分量を算出する作業は、ノイズの影響を増幅する。ノイズの影響を低減するためには、元データをスムージングしてから微分量が算出されればよい。もしくは、微分データ自身がスムージングされればよい。
次に、媒質の群屈折率ng medium(λ)が計測される。媒質参照光と媒質被検光の位相差φmedium(λ)と位相差の微分dφmedium(λ)/dλは、数式13で表される。
ただし、Δは媒質70が容器60内に配置されていないときの媒質参照光と媒質被検光の光路長差、Ltankは容器60の側面間の距離(媒質被検光の媒質70内の光路長)であり、既知の量である。位相差φ(λ)の計測方法と同様に、ミラー53の駆動を用いた位相シフト法により、媒質参照光と媒質被検光の位相差φmedium(λ)が計測される。数式13を式変形すると媒質の群屈折率ng medium(λ)が求まる。
数式5のとおり、特定の波長λ0に対応する媒質の群屈折率ng medium(λ0)は特定の波長λ0における被検物の群屈折率ng sample(λ0)と等しい。波長の関数である被検物80の光路長(数式8)に特定の波長λ0を代入して、特定の波長に対応する被検物の光路長Δ0が算出される。最後に、特定の波長λ0における被検物80の群屈折率と光路長を対応付けることで、数式9により被検物80の厚みLが算出される。
図6は、本発明の実施例3の計測装置のブロック図である。波面が2次元センサを用いて計測される。媒質の屈折率を計測するために、屈折率および形状が既知のガラスプリズム(基準被検物)が媒質中の被検光束上に配置されている。実施例1、実施例2と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。
光源10から射出した光は、分光器95で分光され、疑似単色光となってピンホール110に入射する。ピンホール110へ入射させる疑似単色光の波長は、コンピュータ100で制御される。ピンホール110を透過して発散光となった光は、コリメータレンズ120で平行光にコリメートされる。コリメート光は、ビームスプリッタ25で透過光(参照光)と反射光(被検光)に分割される。
ビームスプリッタ25を透過した参照光は、容器60内の媒質70を透過した後、ミラー31で反射してビームスプリッタ26へ至る。ミラー31は、図6の矢印方向の駆動機構を有し、コンピュータ100で制御される。
ビームスプリッタ25で反射された被検光は、ミラー30で反射して、媒質70と被検物80とガラスプリズム130を収容している容器60に入射する。被検光の一部の光は媒質70および被検物80を透過する。被検光の一部の光は媒質70およびガラスプリズム130を透過する。被検光の残りの光は媒質70のみを透過する。容器60を透過したそれぞれの光は、ビームスプリッタ26において参照光と干渉して干渉光を形成し、結像レンズ121を介して検出器92(例えば、CCDやCMOSセンサ)で検出される。検出器92で検出された干渉信号は、コンピュータ100に送られる。検出器92は、結像レンズ121に関して、被検物80およびガラスプリズム130の位置と共役位置に配置されている。
媒質70の位相屈折率は、ガラスプリズム130を透過した波面の計測によって算出される。ガラスプリズム130を透過した光と参照光の干渉縞が密になりすぎないように、ガラスプリズムは、媒質70の位相屈折率とほぼ等しい位相屈折率を有するものが好ましい。
被検光と参照光の光路長は、被検物80およびガラスプリズム130が被検光路上に配置されていない状態で、等しくなるように調整されている。
本実施例の被検物80の厚み算出手順は、次のとおりである。
まず、特定の波長において被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質が参照光と被検光の光路上に配置される。次に、分光器95による波長走査と、ミラー31の駆動機構を用いた位相シフト法により、被検光と参照光の位相差φ(λ)および媒質70の屈折率nmedium(λ)が計測される。位相差の波長依存性(φ(λ)もしくはdφ(λ)/dλ)から、特定の波長が算出される。媒質70の位相屈折率nmedium(λ)から、数式2を用いて、媒質70の群屈折率ng medium(λ)が計測される。特定の波長に対応する媒質70の群屈折率が被検物80の群屈折率ng sample(λ0)として算出される。容器60から媒質70が取り出され、特定の波長に対応する被検物の光路長が計測される。最後に、特定の波長における被検物80の群屈折率と光路長を用いて被検物80の厚みLが算出される。
以上説明したように、本発明の各実施例の計測装置によれば、被検物の厚みを非破壊で高精度に計測することができる。
10 光源
70 媒質
80 被検物
100 コンピュータ(算出手段)
70 媒質
80 被検物
100 コンピュータ(算出手段)
Claims (16)
- 光源からの光を被検光と参照光に分割し、前記被検光を被検物に入射させ、前記被検物を透過した前記被検光と前記参照光とを干渉させる干渉計測によって前記被検物の厚みを計測する厚み計測方法であって、
特定の波長において前記被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質を前記被検光と前記参照光の光路上に配置し、前記被検物および前記媒質を透過した被検光と前記媒質を透過した参照光とを干渉させた干渉光を計測し、前記被検光と前記参照光の位相差の波長依存性に基づいて前記特定の波長を決定し、前記特定の波長に対応する前記媒質の群屈折率を前記特定の波長に対応する前記被検物の群屈折率として算出する群屈折率計測ステップと、
前記被検物の光路長を計測する光路長計測ステップと、
前記特定の波長に対応する前記被検物の群屈折率と前記特定の波長に対応する前記被検物の光路長とに基づいて、前記被検物の厚みを算出する算出ステップと、
を含むことを特徴とする厚み計測方法。 - 前記光路長計測ステップにおいて、前記媒質を前記被検光と前記参照光の光路上に配置しない状態で前記被検光と前記参照光の位相差を計測し、前記被検光と前記参照光の位相差の極値に対応する波長が前記特定の波長に一致するように前記被検光と前記参照光の光路長差を調整し、調整された前記被検光と前記参照光の光路長差を前記特定の波長に対応する前記被検物の光路長とすることを特徴とする請求項1に記載の厚み計測方法。
- 前記群屈折率計測ステップにおいて、前記被検光と前記参照光の位相差の極値に対応する波長を前記特定の波長として決定することを特徴とする請求項1または2に記載の厚み計測方法。
- 前記群屈折率計測ステップにおいて、前記媒質の温度を計測し、計測された前記媒質の温度を前記媒質の群屈折率に換算することによって前記媒質の群屈折率を算出することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の厚み計測方法。
- 前記群屈折率計測ステップにおいて、前記媒質中に屈折率及び形状が既知の基準被検物を配置し、前記基準被検物に光を入射させて前記基準被検物の透過波面を計測し、前記基準被検物の屈折率および形状と前記基準被検物の透過波面に基づいて、前記媒質の群屈折率を算出することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の厚み計測方法。
- 前記群屈折率計測ステップにおいて、前記光源からの光を媒質被検光と媒質参照光に分割し、前記媒質被検光を前記媒質に入射させ、前記媒質を透過した媒質被検光と前記媒質参照光を干渉させた干渉光を計測し、前記媒質参照光と前記媒質被検光の位相差に基づいて前記媒質の群屈折率を算出することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の屈折率計測装置。
- 前記群屈折率計測ステップにおいて、前記媒質の屈折率分布を計測することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の厚み計測方法。
- 前記群屈折率計測ステップにおいて、前記媒質の温度分布を制御することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の厚み計測方法。
- 光源と、前記光源からの光を被検光と参照光に分割し、前記被検光を被検物に入射させ、前記被検物を透過した被検光と前記参照光を干渉させる干渉光学系と、前記被検光と前記参照光の干渉光を検出する検出手段と、前記被検物の光路長を計測する光路長計測手段と、前記検出手段から出力される干渉信号を用いて前記被検物の屈折率を演算し、前記被検物の屈折率と前記被検物の光路長を用いて前記被検物の厚みを演算する演算手段とを有する厚み計測装置であって、
前記被検物は、特定の波長において前記被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質中に配置されており、
前記干渉光学系は、前記被検物および前記媒質を透過した被検光と前記媒質を透過した参照光とを干渉させる光学系であり、
前記演算手段は、前記被検光と前記参照光の位相差の波長依存性に基づいて前記特定の波長を決定し、前記特定の波長に対応する前記媒質の群屈折率を前記特定の波長に対応する前記被検物の群屈折率として算出し、前記特定の波長に対応する前記被検物の群屈折率と前記特定の波長に対応する前記被検物の光路長とを用いて前記被検物の厚みを算出することを特徴とする厚み計測装置。 - 前記光路長計測手段は、前記被検光と前記参照光の光路長差を調整する調整部を含み、前記媒質を前記被検光と前記参照光の光路上に配置しない状態で前記被検光と前記参照光の位相差を計測し、前記被検光と前記参照光の位相差の極値に対応する波長が前記特定の波長に一致するように前記被検光と前記参照光の光路長差を調整し、調整された前記被検光と前記参照光の光路長差を前記特定の波長に対応する前記被検物の光路長とすることを特徴とする請求項9に記載の厚み計測装置。
- 前記演算手段は、前記被検光と前記参照光の位相差の極値に対応する波長を前記特定の波長として決定することを特徴とする請求項9または10に記載の厚み計測装置。
- 前記媒質の温度を計測する温度計測手段を有し、
前記演算手段は、前記温度計測手段により計測された前記媒質の温度を前記媒質の屈折率に換算することによって前記媒質の群屈折率を算出することを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項に記載の厚み計測装置。 - 屈折率および形状が既知の基準被検物と、
前記媒質中に配置された前記基準被検物に入射させた光の透過波面を計測する波面計測手段を有し、
前記演算手段は、前記基準被検物の屈折率および形状と前記基準被検物の透過波面に基づいて、前記媒質の群屈折率を算出することを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項に記載の屈折率計測装置。 - 前記光源からの光を媒質被検光と媒質参照光に分割し、前記媒質被検光を前記媒質に入射させ、前記媒質を透過した媒質被検光と前記媒質参照光を干渉させる干渉光学系と、
前記媒質被検光と前記媒質参照光の干渉光を検出する検出手段を有し、
前記演算手段は、前記媒質参照光と前記媒質被検光の位相差に基づいて前記媒質の群屈折率を算出することを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項に記載の屈折率計測装置。 - 前記媒質の屈折率分布を計測する波面計測手段を有することを特徴とする請求項9乃至14のいずれか1項に記載の屈折率計測装置。
- 前記媒質の温度分布を制御する温度制御手段を有することを特徴とする請求項9乃至15のいずれか1項に記載の屈折率計測装置。
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