JPH05141915A

JPH05141915A - 位相差可変素子

Info

Publication number: JPH05141915A
Application number: JP3307886A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Tabata; 誠一郎田端; Susumu Takahashi; 進高橋
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1991-11-22
Filing date: 1991-11-22
Publication date: 1993-06-08

Abstract

(57)【要約】【目的】干渉する偏波間の位相差可変素子を提供し、
干渉計の光路長差が微量であっても、偏波間の位相差を
変化さすことが出来て、位相シフト法を実現できるよう
にする。【構成】互いに直交する偏光間に屈折率差を与える複
屈折部材と、光の波長を時間的に変えて偏波間の位相差
を変化させる波長可変手段とからなる位相差可変素子で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源の波長シフトを用
いた位相シフト干渉計に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、干渉計によって位相測定を行う
場合には、位相シフト法と呼ばれている手法を用いて高
分解化を図ることが出来る。実際に位相シフトを行う技
術としては、参照面を移動させて位相差を変化させる方
法や、光源の波長をシフトして位相差を変化させる方法
ある。特に後者は、光学素子の位置変動がないため前者
に比べ高精度の測定が可能になる。

【０００３】図９に波長シフトを利用した位相シフト法
トワイマングリーン干渉計を示す。この干渉計は被検面
の位相分布を測定するものである。石井行弘、『半導
体レーザ位相測定干渉計を利用した波面測定』、光技術
コンタクトVol.26 No.2p.116(1988)

【０００４】半導体レーザ光源１からの光はコリメート
レンズ２で平行となり、偏光ビームスプリッタ３に入射
する。そして、この光は偏光ビームスプリッタ３で透過
光と反射光に分かれる。これらの光はそれぞれ参照面４
と被検面５で反射して再び偏光ビームスプリッタ３に入
射する。このとき２光はλ/4板 6を２度通過しているた
め、参照面４からの被検面は透過、被検面５からの光は
反射する。そして、偏光板７により同一偏波成分だけが
取り出されてＣＣＤセンサ等の検出器８上で干渉する。
この干渉計における光路長差は、偏光ビームスプリッタ
３からそれぞれの面までの距離の差の２倍である。今、
この干渉計の平均光路長差をｄとすると、検出器８上に
結合する干渉強度分布はI(x,y,d)は、次式で与えられ
る。ここで、A(x,y)は平均光強度、B(x,y)は干渉強度、λは
光源の発振波長、ωは被検面5 の位相分布を表してい
る。

【０００５】次に駆動装置9 により注入電流を変化させ
る。このとき波長がλ＋△λに変化したとすると、この
ときの干渉強度分布I'は次式で与えられる。この式は、光源の波長が△λシフトすると干渉縞の強度
分布は位相成分が△φだけ変化することを表している。即ち、波長を線形にシフトさせて行くと、干渉強度分布
の明暗はCos 函数状に変化する。位相シフト法では、干
渉強度分布の明暗を線形またはステップ状に１周期移動
させ、結局、位相差を２π変化させ、このときの干渉強
度分布の明暗の変化を検出器８で取り込む。いま、位相
差△φが、０、π／２、π、３π／２と変化するよう
に、コンピュータ１０で半導体レーザ駆動装置９の制御
を行って波長を変化させると、そのときの干渉強度分布
はそれぞれ次の通りとなる。これらの画像を光検出器８で取り込みコンピュータ１０
へ伝送する。そして、コンピュータ１０で、の計算を行えば、位相分布ωの情報だけを得ることが出
来る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】（３）式より、位相変
化量△φ＝２πを得るために必要な波長シフト量△λは
次の式で与えられる。この（６）式は波長シフト量△λが光路長差（２ω＋
ｄ）に反比例することを表している。つまり、光路長差
の少ない干渉計では２πだけ位相差を変化させるために
必要な波長変化量はかなり大きくなる。この波長シフト
量△λの増大は光学材料における色分散の問題を招く。
また、波長シフト量△λが波長λに対して無視できない
大きさになると、（２）式の近似式は成り立たなくなり
位相変化は波長変化に対して線形ではなくなる。従っ
て、（５）式を用いて得た結果には誤差が含まれること
になる。また、光源として半導体レーザを用いる場合に
は、波長が突然大きく変化するモードホッピングと呼ば
れる現象が生じる。このとき波長は不安定かつ不連続的
に大きく変化し、このため波長制御が困難になる。ま
た、注入電流の変化量が大きいため発振光強度も大きく
変化してしまい、位相分布ω（ｘ，ｙ）の情報だけを得
ることは出来なくなる。これらのことを考慮すると、波
長シフト量△λを少ない値に、つまり光路長差（２ω＋
ｄ）を大きくしなくてはならない。

【０００７】然しながら、従来の干渉計のなかには光路
長差が殆ど無いものがあるので例示すると、参照面と被検面をできる限り偏光ビームスプリッタ等
の光分割素子に近付けることにより、参照面と被検面へ
の光路を包む環境を等しくして、測定誤差を少なくした
干渉計。狭小な領域での測定を可能にするために光学系の小型
化を図った干渉計ＩＣとよばれる微小光学系による干渉
計。サリング干渉計のように２光束の光軸ずらしを行った
干渉計。等である。これらの光路長差の少ない干渉計に、波長シ
フトによる位相シフト法を適用しようとすると、波長シ
フト量が増大するという問題が生じる。例えば、光路長
差(2ω＋ｄ) ＝2 mm、光源の波長λ＝0.78μm である干
渉計を考えると、必要な波長シフト量は 600pmとなるの
で、この装置で位相シフト法を適用することが出来な
い。

【０００８】本発明は上記問題に鑑み、これを解決すべ
く創案されたものであって、干渉する偏波間の位相差可
変素子を提供することを目的とするものであって、この
素子を用いることによって、少ない光路長差をもつ干渉
計装置であっても位相シフト法を適用するできるように
したものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の如き実
情に鑑み、これらの欠点を一掃することができる位相差
可変素子であって、光源と、該光源から発し互いに直交
する偏光に対して異なる屈折率を持つ複屈折部材と、前
記光源から発する光の波長を時間的に変化せしめて前記
直交する偏波間の位相差を変化せしめる波長可変手段と
を備えたことを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】以上要するに、本発明は叙述の如く構成された
ものであるから、互いに直交する偏光間に屈折率差を与
える複屈折部材を配置し波長を変化させることにより、
前記部材を透過した直交偏波間の位相が変化する。つま
り、干渉計の光路長差が微量であったとしても、この屈
折率差を与える部材を干渉計の共通光路上に配置するこ
とによって、干渉する偏波間の位相差を変化することが
できるので、位相シフト法を実現することが可能とな
る。

【００１１】この複屈折部材内において２光束が殆ど同
一の光路長差（２ω＋ｄ）を通るため環境憂乱などが起
こった場合でも、２光が同じ影響を受けるので、干渉強
度に強いと云う利点がある。

【００１２】

【実施例】

【００１３】本発明の第１の実施例を図１に基づいて説
明する。光源である半導体レーザ１から発する光はコリ
メートレンズ２によって平行光となった後、戻り光を除
去するために設けてあるアイソレータ１２を通過する。
本実施例では、水晶や方解石やルチルなどの複屈折部材
１１を用い、この複屈折部材１１を光源から干渉計に至
る光路の途中に挿入する。複屈折部材１１は、光軸に垂
直な面内において直交する２方向の屈折率が異なる。
今、この方向をｘ方向、ｙ方向とする。そして、ｘ、ｙ
方向の偏光に対する屈折率をそれぞれｎｘ、ｎｙとし、
複屈折部材１１の厚さをＬとする。ｘ方向、ｙ方向に対
して４５°だけ傾いた直線偏光または円偏光がこの複屈
折部材１１に入射する。ｘ方向の偏光成分とｙ方向の偏
光成分とは等しく、この複屈折部材１１を通過した後の
ｘ偏波とｙ偏波の光路長差はＬ（ｎｘ−ｎｙ）となる。
これらｘ偏波とｙ偏波は、ビームエクスパンダ４３によ
り適当なビーム径に広がって、偏光ビームスプリッタ
３、λ/4波長板 6、参照面４および被検面５によって構
成されているトワイマングリーン干渉計１８に入射す
る。ここで偏光ビームスプリッタ３は、入射するｘ偏波
とｙ偏波のうち、どちらか一方は透過し、他方は反射す
るよう軸調整してある。これら光はそれぞれ参照面４と
被検面５を反射して検出器８の面上で干渉する。この干
渉強度分布の情報をコンピユータ１０へ伝送する。次
に、この状態に対してｘ偏波とｙ偏波の位相差がπ／
２、π、３π／２と変化するように、コンピユータ１０
で半導体レーザ駆動装置９の制御を行って波長を変化さ
せ、そしてその度毎に干渉強度分布の情報をコンピユー
タ１０へ伝送する。そして、これらI₁、I₂、I₃、I₄の４
枚の２次元情報を基に（４）、（５）式を実行すると、
今、求めたい被検面５の位相分布２ω( x,y)を得ること
が出来る。結果として、偏光ビームスプリッタ３からの
距離が参照面４と被検面５とで、殆ど等しい場合でも、
２光の光路長差は、複屈折部材１１を伝播したときに生
じたｄ（ｎｘ─ｎｙ）だけあることになる。また、複屈
折部材１１内に伝播する２光は同一の光路を通るため、
従来の干渉計と異なり、環境憂乱が起こった場合であっ
ても、２光が受ける環境の影響は殆ど等しく、干渉強度
には何ら影響を来さない。

【００１４】本実施例では位相差を２πに変化させるた
めには以下の式を満足すれば良い。また、必要な波長シフト量△λは次式により与えられ
る。即ち、このシフト量△λだけ光源の波長を連続的、また
はステップ状に変化させれば、位相シフト法を適用する
ことができる。

【００１５】図１においては、光源から干渉計１８に至
る光路の途中に複屈折部材１１を配置しているが、この
複屈折部材１１は干渉計１８から偏光板７に至る光路の
途中に配置してもよい。また波長可変光源としては、半
導体レーザ１の他にも色素レーザを使用することもでき
る。また、白色光源と可変波長フィルタを組み合わせる
方式もある。これらのことは他の実施例においても同様
である。

【００１６】このような本発明では、少ない波長シフト
量で偏光間の位相差を変化させることができるが、この
ことは、複屈折部材１１を透過後の光の偏波状態を変化
させていると換言できる。ｘ偏波とｙ偏波の位相差が０
からπ／２、π、３π／２と変化するときの偏波状態
は、直線偏波から楕円偏波を経て円偏波へ、そして垂直
方向への直線偏波となり、更に逆回転の円偏波となって
基の直線偏波の状態に戻る。よって、本発明によれば、
波長を制御することによって任意に偏波状態を変化させ
ることが出来、この特徴を活かしてエリプソメータのよ
うに光の偏波状態から測定物の物理量を測定するよな光
学装置にも本発明は利用できる。

【００１７】本発明の第２の実施例を図２に示す。本実
施例では、複屈折部材として偏波面保存ファイバ（以
下、ＰＭＦと略す）１４を用いる。半導体レーザ１から
の光はコリメートレンズ２、アイソレータ１２を通過し
た後、結合レンズ１３によりＰＭＦ１４に入射する。図
３にＰＭＦ１４の断面図を示す。ＰＭＦ１４は、通常の
シングルモードファイバのコア１５の周辺に応力付与部
１６を設けてｘ方向とｙ方向の屈折率に差を生じさせた
ものである。今、ｘ方向、ｙ方向に対し４５°だけ傾い
た直線偏光または円偏波がこのＰＭＦ１４に入射する
と、ＰＭＦ１４を伝播後にはｘ偏光成分とｙ偏光成分と
の間に位相差が生じている。ＰＭＦ１４を伝播した光は
射出レンズ１７により射出し、第１の実施例と同様にト
ワイマングリーン干渉計１８に入射し光検出器８上で干
渉する。そして波長シフトを行うと、干渉縞をｘ偏波と
ｙ偏波間の位相差が変化し、干渉強度の明暗が変化す
る。この干渉強度を検出器８で取り込みコンピュータ１
０で解析すると、被検物の位相分布が分かる。

【００１８】今、ＰＭＦ１４の屈折率差（ｎｘ−ｎｙ）
＝３×１０^-4、波長λ＝0.78μm 、ファイバ長ｄ＝50m
として（８）式に代入すると、必要な波長シフト量△λ
＝40pmとなる。この値は先に示した従来例の場合ときの
値に比べ、かなり小さな値であり、かつ半導体レーザの
モードホッピン現象が起こらない程度の値である。

【００１９】本発明の第３の実施例を図４に示す。本実
施例では、複屈折部材として偏光プリズム２１、２２を
用いる。これら偏光プリズム２１、２２の結晶軸は図中
の矢印に示したように光軸に対し４５°傾いており、第
１の偏光プリズム２１と第２の偏光プリズム２２の結晶
軸は９０°異なっている。従って、入射面、つまり紙面
に対して４５°傾いた直線偏波または円偏波が第１の偏
光プリズム２１に入射すると、垂直な偏光成分は平常
光、平行な偏光成分は異常光となって、両偏光の光軸は
平行にずれるが、第２の偏光プリズム２２により２光の
光軸は一致する。そして、第１の実施例と同様に干渉光
を得る。

【００２０】この２枚の偏光プリズム２１、２２で生じ
る光路長差は、平常光に対する屈折率をｎ_o、異常光に
対する屈折率をｎ_e、２枚の偏光プリズムの厚さをｅと
するとした場合、△Ｌは次式で与えられる。今、偏光プリズムの材料を方解石として考え、ｎ_o＝1.
5 、ｎ_e＝1.34、プリズムの厚さｅ＝２cmを(9) 式に代
入すると、光路長差△ｄ＝3.5mm となる。よって、位相
シフトするために必要な波長シフト量は170 pmとなる。
この第２の実施例では、ＰＭＦ１４を使用する構成に比
べ、安価な光学素子で複屈折部材を構成することがで
き、従来のように恒温槽等を設置する必要もないと云う
利点がある。

【００２１】本発明の第４の実施例を図５に示す。本実
施例は、本発明を投影型表面形状計測装置に応用したも
のである。この装置は、直線形の干渉縞を生成し、その
干渉縞を被測定物の表面に投影して、その表面の凹凸を
測定するものである。半導体レーザ１からの光は、第２
の実施例と同様にＰＭＦ１４を伝播する。そして、コリ
メートレンズ２で平行光となった後、ウオラストンプリ
ズムなどの偏光プリズム２３に入射する。このプリズム
２３の結晶軸は、入射する２光のどちらか一方の偏光と
一致している。よって、プリズム２３の異常光に相当す
る偏光は光軸がずれる。そして、第１の実施例と同様に
偏光板７を通過することによって、直線型の干渉縞がで
きる。この干渉縞を投影レンズ３３で被測定物表面に投
影し、ある所定角度を持って配置したＣＣＤカメラ等の
撮像装置２４でこの干渉縞を観察すると、表面の凹凸に
従って歪んだ像を得ることが出来る。そして、これまで
の実施例と同様に波長シフトを行うと、干渉縞を造って
いる２つの光の位相差が変化し、干渉縞が移動する。こ
のときの画像を撮像装置２４で取り込み、コンピュータ
１０で解析すると、被検物表面の凹凸が分かる。この干
渉計装置は、元来光路長差が殆どなく、波長シフトによ
る位相シフト法を適用することはできなかったが、本発
明によって、それが可能となった。

【００２２】本発明の第５の実施例を図６に示す。本実
施例は、本発明を表面粗さ計に応用したものである。第
２、４実施例と同様にＰＭＦ１４を伝播した被検面５
は、明るさ絞り３４と視野絞り３５を通過した後、ハー
フミラー２５で反射して対物レンズ２６に入射する。そ
して、偏光ビームスプリッタ３で参照面４と被検面５に
向かう光に分かれる。そして、それぞれの面で反射した
後、偏光ビームスプリッタ３で重なり合い上方の検出器
８へと向かう。従って、検出器８上では被検面５と参照
面４との光路長差に従った干渉強度分布が生成される。
そして、これまでの実施例と同様に波長シフトを行って
位相シフトを行い、コンピュータ１０で解析すると、被
検物表面の凹凸が分かる。

【００２３】従来の干渉装置では、対物レンズの開口式
（ＮＡ）を大きくしようとすると逆に干渉計部を小さく
しなくてはならないと云う問題があった。また、光路長
差を大きくするために、参照面をずらすと、焦点位置か
らもずれてしまい、適切な干渉分布を得ることが出来な
くなる不便さがあった。そのために干渉計部での光路長
差は非常に小さくて波長シフトによる位相シフト法を適
用できなかったが、本発明により、これらの欠点が解消
され、この装置の使用が可能となった。

【００２４】本発明の第６の実施例を図７に示す。本実
施例は、レンズの収差を測定するために用いるシアリン
グ干渉計に応用した例である。半導体レーザ１からの光
は、第３の実施例と同様に２枚の偏光プリズム２１、２
２を通過して偏光間の位相差を設ける。そして無収差レ
ンズ２７を通過した後、被検レンズ２８を通過する。こ
こで無収差レンズ２７と被検レンズ２８間の距離は、被
検レンズ２８を通過した光が平行光となるように調整し
てある。また、この光は、ミラー２９を反射して再び被
検レンズ２８、無収差レンズ２７を通過してハーフミラ
ー３０で反射する。そして偏光プリズム３１でこの波面
から光軸が平行にずれた２つの波面を生成して、この波
面を干渉させる。ここで得られた干渉強度分布は、被検
レンズ２８の波面をずらし方向に微分したものに相当し
ており、コンピュータ１０で解析することにより被検レ
ンズ２８の波面を知ることができる。

【００２５】本発明の第７の実施例を図８に示す。本実
施例は、２枚の平行平面板を用いたシアリング干渉計に
応用した例である。前方の平面板４０の裏面には入射す
る光のうちＳ波だけが反射する誘導体多層膜４１が張り
つけられている。また後方の平面板４２の表面はミラー
になっている。よって、被検レンズ２８を通過した光の
うちＳ波はこの誘導体多層膜４１を反射し、Ｐ波は透過
して後方の平面板４２を反射した後、再び前方の平面板
４０を透過する。入射光は、２枚の平面板４０、４２間
の距離に対応してシアされ、そして偏光板７を通過して
検出器８上で干渉する。従来、この型の干渉計では後方
の平面板４２に圧電素子を取り付けて平面板間の距離を
変化させることによって、位相シフトを行ってきた。し
かし、２枚の平面板の平行度を保ちながら平面板を移動
させるこの手法は、非常に精度を要するものであった。
これに対し、本実施例によれば、複屈折部材により、光
路長が長くなるので、波長シフトによる位相シフト法を
適用できるため、従来の問題を解決することが出来る。
尚、上記実施例の第４〜７に使用する複屈折部材は第１
〜３の実施例に示されたの装置のいずれを使用してもよ
い。

【発明の効果】上述したように本発明は、この構成によ
って、干渉計部における光路長差が少ない干渉計でも、
少ない波長シフト量で位相シフトを行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による構成図

【図２】本発明の第２の実施例による構成図

【図３】図２の偏波面保存ファイバ（ＰＭＦ）の断面図
である。

【図４】本発明の第３の実施例による構成図

【図５】本発明の第４の実施例による構成図

【図６】本発明の第５の実施例による構成図

【図７】本発明の第６の実施例による構成図

【図８】本発明の第７の実施例による構成図

【図９】干渉計を用いた波面測定の従来の構成図

【符号の説明】１半導体レーザ（光源）２コリメートレンズ３偏光ビームスプリッタ４参照面５被検面６ λ/4波長板７偏光板８検出器９半導体レーザ駆動装置１０コンピュータ１１複屈折部材１２アイソレータ１３結合レンズ１４ＰＭＦ１５コア１６応力付与部１７射出レンズ１８トワイマングリーン干渉計２１偏光プリズム２２偏光プリズム２３ウオラストンプリズム２４撮像装置２５ハーフミラー２６対物レンズ２７無収差レンズ２８被検レンズ２９ミラー３０ハーフミラー３１偏光プリズム３３投影レンズ３４明るさ絞り３５視野絞り４０前方の平面板４１誘導体多層膜４２後方の平面板４３ビームエクスパンダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、該光源から発し互いに直交する
偏光に対して異なる屈折率を持つ複屈折部材と、前記光
源から発する光の波長を時間的に変化せしめて前記直交
する偏波間の位相差を変化せしめる波長可変手段とを備
えたことを特徴とする位相差可変素子。
【請求項２】光源と、該光源から発し互いに直交する
偏光に対して異なる屈折率を持つ複屈折部材と、前記偏
光を空間的に分割する偏光分割と、前記偏光を干渉せし
める偏光子と、前記偏光より生成した干渉強度分布を検
出する光検出手段と、前記光源から発する光の波長を時
間的に変化せしめて前記直交する偏光間の位相差を変化
せしめる波長可変手段とを備えたことを特徴とする位相
シフト干渉計。