JPH0617787B2 - 平面度測定用干渉計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の目的） この発明は光学的反射面を形成しているガラス、研磨し
た金属等の平面度を光の干渉を利用して検査、測定する
光学的手段に関するもので、特に対象面のサイズが大き
い場合において検査測定の実施が可能な経済的装置を提
供するのがその目的である。

従来、光の干渉を利用してガラス面、金属面等の平面度
を検査する技術は古くから確立している。即ち、一例を
挙げれば第２図に示すように、試料面Ｓの上方に位置す
るオプチカルフラットＦに入射させた投射光ｌ_０を境界
面Ｆ_ｂにおける反射光である参照光Ｌ_０と境界面Ｆ_ｂを
透過後試料面ＳのＢ点で反射させた試料光Ｌ_ｓとに分割
したとすれば、参照光Ｌ_０と試料光Ｌ_ｓの干渉により明
暗の干渉縞が得られるので、縞の等高状態の変化や縞の
間隔の整、不整によりその箇所の平面度を判定するので
ある。

この場合、Ｂ点における境界面Ｆ_ｂと試料面Ｓとの距離
をｄ、光波長をλとすれば、 であらわされることは周知である。第２図には投射光ｌ
_０の試料面Ｓへの入射角がθである場合について表示さ
れているが、θ＝０である場合、即ち垂直入射の場合は
式(1)から となり、従って、第３図(a)のようにオプチカルフラッ
トＦに対して試料面を僅かに傾け、もし試料面Ｓが完全
平面であれば同図(b)のように、観測者はλ／２ごとに
現れた平行な縞を観測することができる。

もし試料面Ｓが完全平面でなく、第４図(a)に示すよう
に凹面になっているとすれば、観測される縞模様は同図
(b)に示すように干渉縞に変位があり、この場合平面度
は Δｄ＝ｄ_１−ｄ_２ であらわされる。ところで、第３図(a)と同様垂直入射
であれば式(2)を参照し、 とあらわすことができるから、 である。いま ｍ_１−ｍ_２＝△ｍ とおけば となり、第４図の試料面Ｓの平面度△ｄと観測される干
渉縞の変位量△ｍとの関係は式(3)で示される。

式(3)において光波長λは一定であるから、△ｄと△ｍ
は比例の関係にあり、従って△ｄが大きいすなわち、平
面度が不良であれば変位量△ｍも大きく、縞の間隔が狭
小になるので、縞の変位状態を正確に判断し難しくな
る。そこで、第４図(a)において点線で示すように斜入
射で観測する。いま光の入射角をθとすれば式(1)およ
び式(3)を参照して平面度△ｄは であらわすことができる。いま、かりに入射角θ＝８７
゜とすれば すなわち、垂直入射の場合の式(2)に対し、縞の間隔ａ
は１９．１倍に広がるので平面度不良箇所に対応する縞
の変位状態が明確に観測できるようになる。

このように斜入射により平面度を測定する干渉計は斜入
射平面干渉計とよばれ、周知であるが、光分割手段にオ
プチカルフラットを用い、入射角θを大きく設定すれ
ば、入射光の表面反射による光エネルギーの損失が大き
いため、観測視野が著しく暗くなる欠点があるので、多
くはオプチカルフラットにかえて第５図に示すような光
学プリズムＰが使用されている。この場合の参照光Ｌ_０
と試料光Ｌ_ｓは第２図に示したオプチカルフラットＦに
よる場合と光路長に差異があるけれども、プリズムの境
界面Ｐ_ｂと試料面Ｓとの距離ｄはオプチカルフラットＦ
に使用した場合と同じく前記した式(1)であらわされ
る。

このように、斜入射光による場合は光の分割手段として
光学プリズムが用いられるのであるが、経済的に製作可
能な光学リズムはその境界面Ｐ_ｂの大きさがほぼ１５cm
×１５cm程度までであって、それよりも大きいサイズの
ものは製作可能としても極端な高コストとなるため、産
業上現実に利用できないのである。

小サイズの光学プリズムを大サイズの試料面上で移動し
てこの試料面の検査、測定を行うこともやむを得ず行わ
れてはいるが、著しく手間がかかるだけでなく、試料面
の平面度の全体像を把握するのは極度に困難である。

従ってこの発明は、現実に入手可能な光学プリズムに対
応するサイズの限度を超えた大サイズ試料面の平面度の
光学的検査、測定を可能とする経済的手段を提供するも
のである。

（発明の構成） まず、第１図によりこの発明の構成を説明すれば、この
発明は２個の半透明鏡ｍ_１，ｍ_２と、２個の全反射鏡Ｍ
_１，Ｍ_２とを部材として有している。

第１の半透明鏡ｍ_１は試料面Ｓに斜入射する平行光束で
ある投射光ｌ_０の光路に挿入されている。

つぎに、第１の全反射鏡Ｍ_１は投射光ｌ_０の半透明鏡ｍ
_１による反射光ｌ_１の光路に直交して設けられている。

つぎに、第２の全反射鏡Ｍ_２は半透明鏡ｍ_１を透過した
投射光ｌ_０を試料面Ｓに入射させて得られる反射光ｌ_３
の光路に設けられている。

最後に、第２の半透明鏡ｍ_２は反射光ｌ_１の全反射鏡Ｍ
_１による反射光ｌ_２が半透明鏡ｍ_１を透過した後の反射
光ｌ_２の光路に挿入されている。

この発明における部材は以上の通りであるが、この発明
によれば、半透明鏡ｍ_１，ｍ_２および全反射鏡Ｍ_２をそ
れぞれ試料面Ｍ_２に対してほぼ垂直に位置させることが
必要である。また、光源Ｏの光がインコヒーレント光で
あるときは、半透明鏡ｍ_１から全反射鏡Ｍ_１をへて半透
明鏡ｍ_２に至る光路長と、半透明鏡ｍ_１から試料面Ｓお
よび全反射鏡Ｍ_２をへて半透明鏡ｍ_２に至る光路長とを
等しく設定するとともに、半透明鏡ｍ_１から試料面Ｓを
へて半透明鏡ｍ_２に至る光路の中間に、半透明鏡の存在
による参照光の光路長の変化を補償する調整板Ｒを挿入
する必要がある。さらに反射光ｌ_３の全反射鏡Ｍ_２によ
る反射光ｌ_４を半透明鏡ｍ_２に入射させるとともに、反
射光ｌ_４の半透明鏡ｍ_２による反射光を干渉計における
試料光Ｌ_ｓとする一方、半透明鏡ｍ_２を透過した反射光
ｌ_２を干渉計における参照光Ｌ_０とし、これら試料光Ｌ
_ｓの光路と参照光Ｌ_０の光路が一致するように前記した
各部材、すなわち半透明鏡ｍ_１，ｍ_２ならびに全反射鏡
Ｍ_１，Ｍ_２のおのおのの位置および角度を設定すること
が必要である。

この発明は以上のようにしてなっているのであるが、投
射光ｌ_０としては、図示の例ではレーザー光源Ｏから光
束拡大し、さらに、コリメーターレンズＱにより平行光
束に直したレーザー光を使用している。もちろん、イン
コヒーレントな白色光や色彩光を使用してもよい。

また、図示の例では、水平な試料面Ｓへの垂線Ｇ上に第
２の半透明鏡ｍ_２を設けるとともに、垂線Ｇに対して左
右対称の位置に第１の半透明鏡ｍ_１と第２の全反射鏡Ｍ
_２を垂直に設けたことにより、前記した投射光ｌ_２およ
び反射光ｌ_２，ｌ_３，ｌ_４によって菱形の光路を形成し
ているが、このような各部材の相対的位置および角度
は、前記したように、全反射鏡Ｍ_２による反射光ｌ_４を
半透明鏡ｍ_２に入射させ、かつ参照光Ｌ_０と試料光Ｌ_ｓ
の光路の一致を容易にするためであり、この発明自体は
図示のような部材配置に限定されない。また参照光Ｌ_０
を試料光Ｌ_ｓとを一致させた光路上にスクリーンＫを設
け、干渉縞模様の観測を容易にしてある。

ここでこの発明の作用を説明すれば、第６図は第１図に
おいて、投射光ｌ_０が試料面Ｓに入射した部分を拡大し
て描いたもので、試料面Ｓには図示したような凹面が存
在するものとする。

凹面の底のＢ点に入射角θにおいて入射した投射光ｌ_０
は反射して反射光ｌ_３を生じる。この反射光ｌ_３が全反
射鏡Ｍ_２をへて後に試料光Ｌ_ｓとなることは前述の通り
である。試料面Ｓには図示の凹面があるので、Ａ点は前
記したオプチカルフラットの境界面Ｆ_ｂ、光学プリズム
の境界面Ｐ_ｂに対応して仮想した仮想境界面Ｓ_ｂ上の仮
設点であり、Ａ点における反射光は現実にはあり得ない
のであるが、仮想境界面Ｓ_ｂのＡ点に入射した投射光ｌ
_０からは図示の仮想線のように反射光ｌ_３に平行な反射
光（Ｌ_０）が生じるはずである。もしものような仮想線
の反射光が存在するとするならば、この仮想反射光とＢ
点における反射光ｌ_３との間には光路差に基く位相差が
あるので、これらの両反射光から干渉縞が得られるはず
である。

いま、この二つの反射光ｌ_３および（Ｌ_０）の光路差を
△ｌとしこれを図から計算する。ただし、図示のＣ点は
Ａ点と同様な意味での仮設点（反射光ｌ_３と完全平面で
ある仮想境界面Ｓ_ｂとの交点）であり、線分ＣＤはＣ点
から前記した仮想の反射光（Ｌ_０）の光路に下した垂線
とし、凹面の底のＢ点の仮想境界面Ｓ_ｂｂとの距離をｄ
とすれば、光路の差 △ｌ＝ＡＢ＋ＢＣ−ＡＤ………………(5) であるが、 ＡＣ＝２ｄ tanθ であり、従って ＡＤ＝２ｄtanθ・cos（９０゜−θ） であるから、これを式(5)に代入して計算すれば ここで、△ｌは光波長λの整数倍であるｍλに相当する
ので、式(6)を書き直せば ｍλ＝２ｄcosθ ゆえに すなわち式(1)と同一の関係式が得られる。

かくして第６図における試料面Ｓの平面度△ｄは式(4)
を参照し、オプチカルフラットや光学プリズムの場合と
同様に であらわすことができる。

ところで式(7)および式(8)は第６図において点線であら
わした仮想の反射光（Ｌ_０）を使用しての解析から誘導
されたものであるが、この仮想の反射光（Ｌ_０）と位相
の等しい参照光Ｌ_０が第１図において第２の半透明鏡ｍ
_２を透過した後の反射光ｌ_２から得られ、かつこの参照
光Ｌ_０は第６図の反射光ｌ_３に基く第１図の試料光ｌ_ｓ
と光路を一致させることができるので、それらの間には
現実に光干渉が発生し、従って、前掲の式(4)を用いて
試料面Ｓの検査、測定を行うことができるのである。

すなわち、この発明によれば、オプチカルフラットまた
は光学プリズムを用いた干渉計と全く同様な観測、計算
の方法によって平面度の検査、測定が可能であることが
明らかである。特に各半透明鏡および全反射鏡Ｍ_２が試
料面Ｓに対しほぼ垂直に位置しており、かつ試料面Ｓの
反射光ｌ_３を全反射鏡Ｍ_２により再反射させて第２の半
透明鏡ｍ_２に入射させているので、試料面Ｓに対する投
射光ｌ_０の入射角を９０゜に近くまで大きくとることが
でき、その際、通常矩形である試料の片辺と較べ、片辺
の非常に短い短冊形の半透明鏡および全反射鏡を使用す
ることができる。

（発明の効果） かくして、この発明によれば、前記のように、オプチカ
ルフラットまたは光学プリズムによる干渉計と同様な観
測、計算の手段により物体の平面度の検査、測定が可能
であるのみならず、この発明によれば、干渉計を構成す
る半透明鏡および全反射鏡のサイズは検査、測定の対象
面のサイズと較べて著しく小型にできるので、従来経済
的に実行不可能であったような大型の面を対象としてそ
の面の平面度の全体像を把握することが容易に可能とな
った。さらにこの発明によれば、部材である半透明鏡や
全反射鏡はオプチカルフラットや光学プリズムに対して
素材である光学ガラスの量が比較にならないほど少量で
あるうえ、ひずみや気泡のない高品質のものが低コスト
で生産されるので、平面度測定用干渉計の生産、利用能
力の向上に寄与するところがきわめて顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる平面度測定用干渉計の一実施
例の部材配置ならびに光路図、第２図はオプチカルフラ
ットを用いて平面度測定を行う場合の光路図、第３図
(a)はオプチカルフラットにより完全平面の試料面を検
査する場合の概念図、同図(b)は同じく観測視野の干渉
縞の態様を示す図、第４図(a)はオプチカルフラットに
より凹面を有する試料面を検査する場合の概念図、同図
(b)は同じく垂直入射による観測視野の干渉縞の態様を
示す図、同図(c)は同じく斜入射による観測視野の干渉
縞の態様を示す図、第５図は光学プリズムを用いて平面
度測定を行う場合の光路図、第６図は第１図における試
料面への投射光の入射点付近の拡大図である。 Ｓは試料面、ｍ_１，ｍ_２は半透明鏡、Ｍ_１，Ｍ_２は全反
射鏡、Ｏは光源、Ｑはコリメーターレンズ、Ｋはスクリ
ーン、Ｒは調整板、Ｇは垂線、ｌ_０は投射光、ｌ_１，ｌ
_２，ｌ_３，ｌ_４は反射光、Ｌ_０は参照光、Ｌ_ｓは試料
光、Ｆはオプチカルフラット、Ｐは光学プリズム、
Ｆ_ｂ，Ｐ_ｂは境界面、Ｓ_ｂは仮想境界面である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源Ｏから試料面Ｓに斜入射する平行光束
   である投射光ｌ_０の光路に挿入した第１の半透明鏡ｍ_１
   と、投射光ｌ_０の半透明鏡ｍ_１による反射光ｌ_１の光路
   に直交して設けた第１の全反射鏡Ｍ_１と、半透明鏡ｍ_１
   を透過した投射光ｌ_０の試料面Ｓによる反射光ｌ_３の光
   路に設けた第２の全反射鏡Ｍ_２と、反射光ｌ_１の全反射
   鏡Ｍ_１による反射光ｌ_２が半透明鏡ｍ_１を透過した後の
   反射光ｌ_２の光路に挿入した第２の半透明鏡ｍ_２とを有
   し、半透明鏡ｍ_１，ｍ_２および全反射鏡Ｍ_２をそれぞれ
   試料面Ｓに対しほぼ垂直に位置させ、光源Ｏの光がイン
   コヒーレント光であるときは、半透明鏡ｍ_１から全反射
   鏡Ｍ_１をへて半透明鏡ｍ_２に至る光路長と、半透明鏡ｍ
   _１から試料面Ｓおよび全反射鏡Ｍ_２をへて半透明鏡ｍ_２
   に至る光路長とを等しく設定するとともに、半透明鏡ｍ
   _１から試料面Ｓ_１および全反射鏡Ｍ_２をへて半透明鏡ｍ
   _２に至る光路の中間に、半透明鏡の存在による参照光の
   光路長の変化を補償する調整板を挿入し、反射光ｌ_３の
   全反射鏡Ｍ_２による反射光ｌ_４を半透明鏡ｍ_２に入射さ
   せるとともに、反射光ｌ_４の半透明鏡ｍ_２による反射光
   からなる試料光Ｌ_ｓの光路と半透明鏡ｍ_２を透過した反
   射光ｌ_２からなる参照光Ｌ_０の光路とが一致するように
   半透明鏡ｍ_１，ｍ_２ならびに全反射鏡Ｍ_１，Ｍ_２の各相
   対位置および相対角度を設定してなる平面度測定用干渉
   計。