JP5361268B2 - 斜入射干渉計 - Google Patents
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Description
光源101から照射された光は、レンズ102、コリメートレンズ103を介して光束分割部104に入射し、2つの光束に分割される。この分割された光束の一方を測定対象物Wの表面に斜め方向から照射させる。そして、この測定対象物Wからの反射光と、光束分割部104により分割されたもう一方の光束と、を光束合成部105により合成させる。この合成された光束は、レンズ106を介して撮像素子107に送り込まれ、撮像部107上にて干渉縞画像として撮像される。
測定対象物に対して斜め方向から可干渉光を照射する光源と、
前記光源からの可干渉光を平行光にする平行光化部と、
前記平行光化部からの平行光を測定光と参照光とに分割する光束分割部と、
前記測定対象物で反射された測定光と参照光とを合成する光束合成部と、
前記測定対象物の表面形状を表す干渉縞を撮像する撮像部と、を備えた斜入射干渉計において、
前記測定対象物における光の測定範囲を、当該測定範囲の短軸方向に拡大させる測定範囲拡大手段を備え、
前記測定範囲拡大手段は、
前記平行光化部と前記光束分割部との間に配置され、前記光源からの可干渉光を透過させて当該可干渉光の進行方向を平行移動させる光路シフト部材と、
前記光路シフト部材を回動させる駆動部と、
前記光路シフト部材を連続的に回動駆動させることにより、前記測定対象物上の照射領域を当該照射領域の短軸方向に連続的に平行移動させ、連続的に平行移動する前記照射領域の干渉縞を前記撮像部により前記光路シフト部材の移動周期よりも長い時間積分受光させる制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、平行移動開始前の前記照射領域と、最大距離平行移動した後の前記照射領域とで重複する領域ができるよう、前記照射領域の短軸方向の平行移動量を制御することを特徴とする。
前記駆動部は、前記光路シフト部材を所定角度往復回動駆動させることを特徴とする。
前記駆動部は、前記光路シフト部材を一方向に連続回転させることを特徴とする。
前記光路シフト部材の回転角に応じて開閉されるシャッタを備え、
前記制御手段は、前記シャッタの開閉を制御して、連続的に平行移動する前記照射領域の干渉縞を前記撮像部に選択的に積分受光させることを特徴とする。
測定範囲拡大手段を備えることにより測定対象物上の光の測定範囲を当該測定範囲の短軸方向にも拡大させることができるため、装置を大型化することなく測定範囲を拡大することができる。
図1は、実施形態1の斜入射干渉計1の概略構成図であり、図2は、斜入射干渉計1の測定範囲拡大手段10を示すブロック図である。また、図3は、光路シフト部材13の拡大図である。
なお、以下の説明において、斜入射干渉計1における測定対象物Wの被測定面Hに対して略垂直な方向をZ方向とし、Z方向と直交する2方向をX、Y方向とする。
光源11から出射された光は、光ファイバ11aを介しておよそN.A.0.1で広がって平行光化部12に入射される。
すなわち、光源11から照射された光は、平行光化部12によって平行光とされた後、光路シフト部材13(後述)を介して光束分割部14に入射される。
光束分割部14により分割された2つの光のうち、一方は測定対象物Wの被測定面Hに照射する。この光を測定光とする。測定光は被測定面Hで反射され、光束合成部15に入射する。
また、光束分割部14により分割された2つの光のうち、他方は光束合成部15に入射する。この光を測定の基準となる参照光とする。
そして、平行光化部12から光路シフト部材13に入射した平行光は、連続的に往復回動駆動する光路シフト部材13を透過することでその光路が周期的に屈折されるため、測定対象物W上に照射される測定光の照射領域は当該照射領域の短軸方向に周期的にシフト量Sだけ平行移動するようになっている。即ち、光路シフト部材13は、光源11からの可干渉光を透過させて当該可干渉光の進行方向を平行移動させる。
図4に示すように、光路シフト部材13の入射面13aに対して平行光化部12からの光(ビーム径:dx)が入射角0°で入射した場合、光は直進して光束分割部14で分割され、測定光は測定対象物Wの位置P1に照射され、撮像部17の撮像面17a上の位置p1にて干渉縞画像として撮像される。
一方、光路シフト部材13が角度θ゜回動して入射面13aに対して平行光化部12からの光が入射角θ°で入射した場合、光は光路シフト部材13への入射時・出射時に屈折しシフト量SだけY方向に平行移動する。平行移動して光路シフト部材13から出射した光は、光束分割部14で分割され、測定光は測定対象物Wの位置P2に照射され、撮像部17の撮像面17a上の位置p2にて干渉縞画像として撮像される。
図5は、光路シフト部材13に入射角をθで光が入射した状態を示す図である。なお、光路シフト部材13の屈折率をn、厚みをtとする。
図5に示すように、光路シフト部材13に入射する入射光と、光路シフト部材13を透過した透過光とは、sinθ=nsinθ’(スネルの法則)が成り立つ。従って、透過光は入射光に対し下記式(1)で表されるシフト量Sだけ平行移動することとなる。
図6から、入射角θが増加するにつれてシフト量Sが増加することがわかる。また、入射角θが同一の場合、厚さtが増加するにつれてシフト量Sが増加することがわかる。
例えば、入射角θが30°の場合、シフト量Sは、t=10mmのとき約1.9mm、t=20mmのとき約3.8mm、t=30mmのとき約5.8mmとなる。
他の角度でも同様に厚さtが増すにつれてシフト量Sが増加する。
具体的に、撮像部17は、連続的に平行移動する照射領域の干渉縞を、光路シフト部材13の移動周期よりも長い時間で積分受光するようになっている。
制御部18のROMには、駆動部131や撮像部17を制御するための制御プログラム及び各種処理プログラムが記憶されており、CPUは、この制御プログラム及び各種処理プログラムとの協働により駆動部131や撮像部17の動作を統括的に制御する。
また、制御部18は、撮像部17に、測定対象物W上の照射範囲の往復移動に伴って撮像部17上を高速で移動する干渉縞を、移動周波数(fHz)に基づく移動周期よりも十分長い時間で積分受光させる。例えば、干渉縞が撮像部17上を1kHzで往復する場合、概ねその10倍以上の時間(0.01秒)にわたって積分受光させる。
また、制御部18は、撮像部17による積分受光により取得された干渉縞画像に基づいて演算処理を実行させ、測定対象物Wの表面の形状を得る。
なお、得られた干渉縞を数値的に解析する解析方法としては、フーリエ解析法や、位相シフト法などを用いることができる。
光源11から照射された光は、連続的に回動駆動している光路シフト部材13を透過することで光路シフト部材13の回動に応じて周期的に屈折するため、光路シフト部材13からは、周期的にシフト量Sだけ光路の移動した光が出射される。
測定対象物Wの被測定面H上においては、光路シフト部材13から周期的にシフト量Sだけ光路の移動した光が出射されるため、その照射領域も連続的に平行移動する。すなわち、照射領域は、その短軸方向に平行往復移動する。
従って、撮像部17の撮像面17a上には測定対象物W上の照射範囲の往復移動に伴って高速で移動する干渉縞が現れ、この干渉縞は撮像部17により積分受光される。
また、平行光化部12と光束分割部14との間に光路シフト部材13を備えることにより、光源11と平行光化部12との距離を維持したまま、測定対象物W上の光の測定範囲を当該測定範囲の短軸方向にも拡大させることができるため、装置を大型化することなく測定範囲を拡大することができる。
次に、本発明の実施形態2について実施形態1と異なる点を中心に説明し、同じ箇所には実施形態1と同一の符号を付して説明を省略する。
図7は、実施形態2にかかる斜入射干渉計2の光路シフト部材13と測定対象物W上の照射領域との関係を示す図である。なお、図7では、光束分割部14及び光束合成部15は省略する。
また、図8は、斜入射干渉計2の測定範囲拡大手段20を示すブロック図である。
角度検出部22は、例えば、エンコーダなどであり、光路シフト部材13が一定角度回転する度にパルス信号を発生させる。
制御部28は、駆動部131を制御して回動軸132を駆動させ、光路シフト部材13を一方向に一定速度で高速回転させる。
また、制御部28は、角度検出部22の発生させたパルス信号と連動してシャッタ21を開閉させ、連続的に平行移動する照射領域の干渉縞を撮像部17に選択的に積分受光させる。
一方、制御部28は、光路シフト部材13の入射面13aに対して上記所定範囲の入射角以外で光が入射する間は、シャッタ21を閉じる(図7(a)参照)。
また、回転方向が一方向だけなので機構がシンプルとなり、高速回転させることができる。
次に、本発明の実施形態3について実施形態1と異なる点を中心に説明し、同じ箇所には実施形態1と同一の符号を付して説明を省略する。
図9は、斜入射干渉計3の光束径拡大部材31と測定対象物W上の照射領域との関係を示す図である。なお、図9では、光束分割部14及び光束合成部15は省略する。
具体的には、アナモルフィックプリズムは、2つで一組のプリズム31a,31bから構成されており、入射光束に対する出射光束の倍率を光束断面の特定方向で変化(すなわち、圧縮または伸長)させた上で入射光束と平行な方向に出射するための光学素子である。従って、任意の径のコリメート光束を透過させ、光束の一方向のみ拡大し、これに直交する方向はそのまま透過させることができる。
また、このアナモルフィックプリズムは、2つのプリズム31a,31bの角度や距離を変えることにより、その倍率aを2〜4倍程度まで変えることができるようになっている。
また、本発明の測定範囲拡大手段は、例えば、マッハツェンダー型などの斜入射干渉計にも適用できる。
10、20、30 測定範囲拡大手段
11 光源
12 平行光化部
13 光路シフト部材
13a 入射面
131 駆動部
132 回動軸
14 光束分割部
15 光束合成部
16 レンズ
17 撮像部
18、28 制御部
21 シャッタ
22 角度検出部
31 光束径拡大部材
31a,31b プリズム
W 測定対象物
Claims (4)
- 測定対象物に対して斜め方向から可干渉光を照射する光源と、
前記光源からの可干渉光を平行光にする平行光化部と、
前記平行光化部からの平行光を測定光と参照光とに分割する光束分割部と、
前記測定対象物で反射された測定光と参照光とを合成する光束合成部と、
前記測定対象物の表面形状を表す干渉縞を撮像する撮像部と、を備えた斜入射干渉計において、
前記測定対象物における光の測定範囲を、当該測定範囲の短軸方向に拡大させる測定範囲拡大手段を備え、
前記測定範囲拡大手段は、
前記平行光化部と前記光束分割部との間に配置され、前記光源からの可干渉光を透過させて当該可干渉光の進行方向を平行移動させる光路シフト部材と、
前記光路シフト部材を回動させる駆動部と、
前記光路シフト部材を連続的に回動駆動させることにより、前記測定対象物上の照射領域を当該照射領域の短軸方向に連続的に平行移動させ、連続的に平行移動する前記照射領域の干渉縞を前記撮像部により前記光路シフト部材の移動周期よりも長い時間積分受光させる制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、平行移動開始前の前記照射領域と、最大距離平行移動した後の前記照射領域とで重複する領域ができるよう、前記照射領域の短軸方向の平行移動量を制御することを特徴とする斜入射干渉計。 - 前記駆動部は、前記光路シフト部材を所定角度往復回動駆動させることを特徴とする請求項1に記載の斜入射干渉計。
- 前記駆動部は、前記光路シフト部材を一方向に連続回転させることを特徴とする請求項1に記載の斜入射干渉計。
- 前記光路シフト部材の回転角に応じて開閉されるシャッタを備え、
前記制御手段は、前記シャッタの開閉を制御して、連続的に平行移動する前記照射領域の干渉縞を前記撮像部に選択的に積分受光させることを特徴とする請求項3に記載の斜入射干渉計。
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