(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から発生した光の進行方向に設けられる第１波長板３７０と、
前記第１波長板３７０を通過した光の一部を第１方向に反射させ、光の一部を第２方向に透過させる第１偏光ビームスプリッタ３１０と、
前記第１方向に反射された光の進行方向に配置される第２波長板３４０と、
前記第２方向に透過された光の進行方向に配置される第３波長板３５０と、
前記第２波長板３４０を通過した光の進行方向に配置される測定対象物３２０と、
前記第３波長板３５０を通過した光の進行方向に配置される基準ミラー３３０と、
前記測定対象物３２０で反射された光が前記第２波長板３４０を通過した後、前記第１偏光ビームスプリッタ３１０を透過した光、及び前記基準ミラー３３０で反射された光が前記第３波長板３５０を通過した後、前記第１偏光ビームスプリッタ３１０で反射された光が進行する方向に配置される第１偏光板３６０と、を含み、
前記第２波長板３４０は、前記測定対象物３２０の乱反射面とミラー面を区分するために光軸を回転させることができることを特徴とする干渉計。
【請求項２】
光源から発生した光の進行方向に設けられる第１波長板３７０と、
前記第１波長板３７０を通過した光の一部を第１方向に反射させ、光の一部を第２方向に透過させる第１偏光ビームスプリッタ３１０と、
前記第１方向に反射された光の進行方向に配置される測定対象物３２０と、
前記第２方向に透過された光の進行方向に配置される基準ミラー３３０と、
前記測定対象物３２０で反射された光の進行方向に配置される第４波長板３４１と、
前記基準ミラー３３０で反射された光の進行方向に配置される第５波長板３５１と、
前記第４波長板３４１及び第５波長板３５１を通過した光の進行方向に配置される第２偏光ビームスプリッタ３１１と、
前記第２偏光ビームスプリッタ３１１を透過した光の進行方向に配置される第１偏光板３６０と、を含むことを特徴とする干渉計。
【請求項３】
前記第１偏光ビームスプリッタ３１０により透過された光と反射された光とは、光量が互いに異なることを特徴とする、請求項１または２に記載の干渉計。
【請求項４】
前記第１波長板３７０は半波長板であり、前記第２波長板３４０及び第３波長板３５０は１／４波長板であることを特徴とする、請求項１に記載の干渉計。
【請求項５】
前記第１波長板３７０、第４波長板３４１、及び第５波長板３５１は半波長板であることを特徴とする、請求項２に記載の干渉計。
【請求項６】
前記第４波長板３４１は、前記測定対象物３２０の乱反射面とミラー面を区分するために光軸を回転させることができることを特徴とする、請求項２に記載の干渉計。
【請求項７】
光源１００と、
請求項１または２に記載の干渉計と、
前記干渉計から出る光を撮像して干渉縞を得る撮像装置４００と、を含むことを特徴とする光学装置。
【請求項８】
前記光源１００と前記干渉計との間に第２偏光板６００が配置されることを特徴とする、請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記光源１００と前記第２偏光板６００との間にビーム幅拡張部２００が配置されることを特徴とする、請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記光源１００はレーザであり、前記レーザは前記ビーム幅拡張部２００と一体に形成されることを特徴とする、請求項９に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記ビーム幅拡張部２００は、凹レンズ２１０及び凸レンズ２２０を含んで構成されることを特徴とする、請求項９または１０に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記光源１００はチューナブルレーザであり、前記撮像装置４００は、前記干渉縞を離散データ（ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｄａｔａ）で測定することを特徴とする、請求項７に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記干渉計により発生する高さが異なる測定対象物間の光路差ｌは、前記離散データを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）した結果に基づいて測定されることを特徴とする、請求項１２に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記高さが異なる測定対象物間の光路差ｌは、下記の数式により算出されることを特徴とする、請求項１３に記載の光学装置。
【数１】
0005990282.tif 000009
（ここで、λ０は平行光の基準波長であり、λａ及びλｂは、それぞれ高さが異なる測定対象物から測定された離散データを高速フーリエ変換して得たそれぞれの波長値である。但し、λａ＞λｂである。） 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉計及びそれを用いた光学装置に関し、より詳細には、撮像装置に到達する干渉光による干渉縞の明暗比を調節することができる干渉計及びそれを用いた光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、偏光ビームスプリッタに入射される光のＰ‐偏光成分及びＳ‐偏光成分の大きさを半波長板（ｈａｌｆ‐ｗａｖｅ  ｐｌａｔｅ）を用いて調節することができる干渉計が知られていた。
【０００３】
また、光路差を測定するために、入射光の波長を変えながら検査光（ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  ｂｅａｍ）と参照光（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｂｅａｍ）の干渉縞の個数変化を測定する波長走査干渉計（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）が知られていた。
【０００４】
特許文献１には、偏光ビームスプリッタにより入射光から分割した参照光と試料光とを干渉させる「干渉計」が開示されている。特許文献１の干渉計は、入射光の進行方向に沿う軸中心に半波長板が回転することで、ミラー及び試料の方向に入射される光の大きさを調節することができ、上記ミラーで反射した参照光と試料で反射した試料光が１／４波長板を通ることで干渉可能になり（特許文献１の段落番号「００１２」の記載参照）、結像レンズ及び偏光板を通って結像面に干渉縞を形成する。しかし、特許文献１に開示された装置は、ミラーで反射した参照光と試料で反射した試料光が１／４波長板を通って円偏光された後、さらに結像レンズ及び偏光板を通って結像面に干渉縞を形成するため、参照光及び試料光の偏光方向の回転によって、偏光板を通過する平均光量が減少することになる。これにより、結像面に形成される干渉縞が平均的に暗くなるという問題点がある。
【０００５】
特許文献２には、入射光の波長を変えながら検査光及び参照光が形成する干渉縞の個数変化と前記入射光の波長変化量との関係に基づいて光路差を計算する「波長走査干渉計」が開示されている。例えば、波長λでｎ個の干渉縞が検出され、波長を次第に大きくして波長がΔλだけ大きくなった時にｎ−１個の干渉縞が検出されたとすると、光路差には変化がないはずであるため、λ・ｎ＝（λ＋Δλ）・（ｎ−１）が成立され、ｎ＝（λ＋Δλ）／Δλであるため、光路差ｌ＝λ・ｎ＝λ・（λ＋Δλ）／Δλを求めることができる。しかし、特許文献２に開示された装置は、検査光と参照光の大きさを制御することができないため、干渉縞の明暗を調節することができないという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８‐２８５６９７号公報（１９９６年１１月１日）
【特許文献２】米国特許第４７５９６２８号公報（１９８８年７月２６日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、偏光ビームスプリッタに入射される光の偏光を制御することで、撮像装置で対象光及び基準光が形成する干渉縞の明暗を調節することができる干渉計及びそれを用いた光学装置を提供することにある。
【０００８】
本発明が解決しようとする他の課題は、前記偏光ビームスプリッタに入射される光の偏光を制御することができる干渉計の光源としてチューナブルレーザ（ｔｕｎａｂｌｅ  ｌａｓｅｒ）を用い、前記チューナブルレーザの周波数を走査（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｃａｎｎｉｎｇ）することで、光源と干渉計との間の距離による影響を受けないようにして、高精度の制御装置が不要な周波数走査型干渉計（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｉｎｔｅｆｅｒｏｍｅｔｅｒ；ＦＳＩ）及びそれを用いた光学装置を提供することにある。
【０００９】
本発明が解決しようとするさらに他の課題は、前記偏光ビームスプリッタに入射される光の偏光を制御することができる干渉計における波長板の光軸を制御することで、乱反射面またはミラー面を選択して明るく示すことができる干渉計及びそれを用いた光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するための本発明による干渉計は、光源から発生した光の進行方向に設けられる第１波長板と、前記第１波長板を通過した光の一部を第１方向に反射させ、光の一部を第２方向に透過させる第１偏光ビームスプリッタと、前記第１方向に反射された光の進行方向に配置される第２波長板と、前記第２方向に透過された光の進行方向に配置される第３波長板と、前記第２波長板を通過した光の進行方向に配置される測定対象物と、前記第３波長板を通過した光の進行方向に配置される基準ミラーと、前記測定対象物で反射された光が前記第２波長板を通過した後、前記第１偏光ビームスプリッタを透過した光、及び前記基準ミラーで反射された光が前記第３波長板を通過した後、前記第１偏光ビームスプリッタで反射された光が進行する方向に配置される第１偏光板と、を含むことを技術的特徴とする。
【００１１】
また、本発明による干渉計は、光源から発生した光の進行方向に設けられる第１波長板と、前記第１波長板を通過した光の一部を第１方向に反射させ、光の一部を第２方向に透過させる第１偏光ビームスプリッタと、前記第１方向に反射された光の進行方向に配置される測定対象物と、前記第２方向に透過された光の進行方向に配置される基準ミラーと、前記測定対象物で反射された光の進行方向に配置される第４波長板と、前記基準ミラーで反射された光の進行方向に配置される第５波長板と、前記第４波長板及び第５波長板を通過した光の進行方向に配置される第２偏光ビームスプリッタと、前記第２偏光ビームスプリッタを透過した光の進行方向に配置される第１偏光板と、を含むことを技術的特徴とする。
【００１２】
また、本発明による干渉計は、波長板の光軸を回転させることで測定対象物の乱反射面とミラー面を区分することを技術的特徴とする。
【００１３】
また、本発明による光学装置は、光源と、前記干渉計と、撮像装置と、を含むことを技術的特徴とする。
【００１４】
また、本発明による光学装置の光源はチューナブルレーザであり、撮像装置で離散データ（ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｄａｔａ）で干渉縞を測定することを技術的特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による干渉計及び光学装置によれば、干渉計の波長板の光軸を回転させることで、偏光ビームスプリッタに入射される光の偏光方向を制御し、干渉光が偏光板のみを通過するようにすることで、撮像装置で対象光及び基準光が形成する干渉縞の明暗を調節することができる。
【００１６】
また、干渉計にチューナブルレーザの周波数を走査することで、光源が干渉計の外部の任意の位置にある場合にも光路差を測定することができる。これにより、従来に光源及び干渉計の位置を微細調整するために必要であった精密制御用構成要素を除去して、装置の構造を単純化するとともに、コストを低減することができる。
【００１７】
また、追加的な構成要素を取り入れることなく、干渉計内部の波長板を回転させるだけで、乱反射面またはミラー面を選択して明るく示すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施例によるマイケルソン型干渉計を図示した図面である。
【図２】二つの光の干渉現象を図示した概念図である。
【図３】第１偏光ビームスプリッタに入射される光をベクトルとして図示した概念図である。
【図４】図１の光学装置において、半波長板の回転により直線偏光された光の偏光方向を、光の進行方向に垂直な平面上で任意の方向に回転させることができることを図示した概念図である。
【図５】本発明の第２実施例によるマッハツェンダー型干渉計を図示した図面である。
【図６】干渉計の光源としてチューナブルレーザを用いた周波数走査型光学装置を図示した図面である。
【図７】周波数走査型干渉計の原理図である。
【図８】撮像装置で測定した干渉縞のデータである。
【図９】うねりのある測定対象物に適用された周波数走査型干渉計を図示した図面である。
【図１０】図７の周波数走査型干渉計で測定した干渉縞のデータである。
【図１１】図１のマイケルソン干渉計で、第２波長板の回転により乱反射面とミラー面を選択的に強調することができることを図示した概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明による好ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
［実施例１］
図１は、本発明の第１実施例によるマイケルソン型干渉計３００を用いた光学装置である。第１実施例による光学装置は、光源１００と、ビーム幅拡張部２００と、マイケルソン型干渉計３００と、撮像装置４００と、を含む。また、マイケルソン型干渉計３００は、光源から発生した光の進行方向に設けられる第１波長板３７０と、前記第１波長板３７０を通過した光の一部を第１方向に反射させ、光の一部を第２方向に透過させる第１偏光ビームスプリッタ３１０と、前記第１方向に反射された光の進行方向に配置される第２波長板３４０と、前記第２方向に透過された光の進行方向に配置される第３波長板３５０と、前記第２波長板３４０を通過した光の進行方向に配置される測定対象物３２０と、前記第３波長板３５０を通過した光の進行方向に配置される基準ミラー３３０と、前記測定対象物３２０で反射された光が前記第２波長板３４０を通過した後、前記第１偏光ビームスプリッタ３１０を透過した光、及び前記基準ミラー３３０で反射された光が前記第３波長板３５０を通過した後、前記第１偏光ビームスプリッタ３１０で反射された光が進行する方向に配置される第１偏光板３６０と、を含む。
【００２１】
図１を参照すれば、光源１００から発生した光（入射光）は、凹レンズ２１０を通過しながらビーム幅が大きくなり、凸レンズ２２０を通過しながら拡散または収束されることなく平行に進行される。前記凹レンズ２１０及び凸レンズ２２０は、ビーム幅を確張する役割をするため、ビーム幅拡張部２００と称する。光源１００のビーム幅が干渉計を作動させるに十分である場合、すなわち、所定のビーム幅を有する入射光が光源から出る場合には、前記ビーム幅拡張部２００は省略することができる。また、光源自体が、レーザーと前記ビーム幅拡張部２００とが結合された形態であってもよい。
【００２２】
上記のようにビーム幅が拡張された入射光は、第１波長板３７０を通過して第１偏光ビームスプリッタ３１０に到達する。この際、ビーム幅拡張部２００と第１波長板３７０との間に第２偏光板６００を設けて、第１偏光ビームスプリッタ３１０に到達する光が直線偏光を確実に有するようにしてもよい。しかし、光源の直線偏光性が十分である場合には、干渉計の構造を単純化するために、前記第２偏光板６００は省略してもよい構成要素である。
【００２３】
第１偏光ビームスプリッタ３１０は、前記第１波長板３７０を通過した光を偏光方向に沿って透過させるかまたは反射させて、一部は測定対象物（ｏｂｊｅｃｔ）３２０に送り、一部は基準ミラー（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｍｉｒｒｏｒ）３３０に送る。説明の便宜上、図１において第１波長板３７０を通過した光が第１偏光ビームスプリッタ３１０に向かって進行する方向をｚ軸方向と、図１の下側から上側に向かう方向をｘ軸方向と、図１の地面を突き出る方向をｙ軸方向と定義する。第１偏光ビームスプリッタ３１０に到達する光はｚ軸方向に進行するため、ｘ‐ｙ平面上に入射光の偏光成分が位置する。したがって、前記偏光成分は、ｘ軸方向に偏光された成分とｙ軸方向に偏光された成分とに分離することができる。例えば、ｘ軸方向に振動する成分（Ｐ波）が第１偏光ビームスプリッタ３１０で反射されて測定対象物３２０に進行する対象光になると、ｙ軸方向に振動する成分（Ｓ波）は、第１偏光ビームスプリッタ３１０を透過して基準ミラー３３０に進行する基準光になる。
【００２４】
上記のように分割された対象光は第２波長板３４０を通過して測定対象物３２０に入射され、基準光は第３波長板３５０を通過して基準ミラー３３０に入射される。ここで、前記第２波長板３４０及び第３波長板３５０は、対象光及び基準光の偏光を調節する役割をし、第２波長板３４０及び第３波長板３５０は両方とも１／４波長板であることが好ましい。
【００２５】
対象光は測定対象物３２０に進行する前に第２波長板３４０を経て、基準光は基準ミラー３３０に進行する前に第３波長板３５０を経る。これは、もし第２波長板３２０がないと、Ｐ波である対象光は、測定対象物３２０で反射された後にも依然としてＰ波成分のみを有して、第１偏光ビームスプリッタ３１０でさらに反射された後に第１波長板３７０の方向（‐ｚ方向）に消失され、Ｓ波である基準光は、基準ミラー３３０で反射された後にも依然としてＳ波成分のみを有して、第１偏光ビームスプリッタ３１０を透過して第１波長板３７０の方向（‐ｚ方向）に消失されて、撮像装置４００で対象光と基準光を干渉させることができないためである。
【００２６】
したがって、第１偏光ビームスプリッタ３１０で反射された対象光は、測定対象物３２０で反射されてさらに第１偏光ビームスプリッタ３１０に到逹した時に、第１偏光ビームスプリッタ３１０を透過するべきであるため、Ｓ波成分を有しなければならず、第１偏光ビームスプリッタ３１０を透過した基準光は、基準ミラー３３０で反射されてさらに第１偏光ビームスプリッタ３１０に到逹した時に、第１偏光ビームスプリッタ３１０で反射されるべきであるため、Ｐ波成分を有しなければならない。
【００２７】
ところで、対象光がＳ波成分を最も多く有することができる条件は第２波長板３４０が１／４波長板である場合であり、基準光がＰ波成分を最も多く有することができる条件は第３波長板３５０が１／４波長板である場合であるため、以下では、第２波長板３４０と第３波長板３５０が両方とも１／４波長板である場合を説明する。第１偏光ビームスプリッタ３１０と測定対象物３２０との間、第１偏光ビームスプリッタ３１０と基準ミラー３３０との間に、１／４波長板を設ける。その具体的な作用は次のとおりである。１／４波長板は、直線偏光された光を円偏光された光に、円偏光された光を直線偏光された光に、その偏光状態を変えることができる。したがって、第１偏光ビームスプリッタ３１０で反射された対象光は、測定対象物３２０に到達する過程で１／４波長板である第２波長板３４０を１回通過し、測定対象物３２０で反射された後、さらに第１偏光ビームスプリッタ３１０に到達する過程で１／４波長板である第２波長板３４０をさらに１回通過する。すなわち、光の観点では、１／４波長板を２回通過することで、実質的に半波長板を１回通過する効果を経ることになるが、半波長板の光軸と光の偏光方向とが４５゜をなす場合、半波長板を通過する光の偏光は９０゜回転することになる。したがって、Ｐ波である対象光は、第１偏光ビームスプリッタ３１０と測定対象物３２０との間に位置した１／４波長板３４０によりＳ波となり、Ｓ波である基準光は、第１偏光ビームスプリッタ３１０と基準ミラー３３０との間に位置した１／４波長板３５０によりＰ波となって、それぞれ撮像装置４００の方向に進行する。
【００２８】
上記の過程を経て第１偏光ビームスプリッタ３１０から出た対象光及び基準光は、第１偏光板３６０を経て撮像装置４００で干渉縞を形成する。ここで、第１偏光板３６０をさらに経る理由は、前記偏光ビームスプリッタ３１０から放出された対象光及び基準光がＰ波及びＳ波であって、互いに垂直であるため、干渉現象が発生しないためである。干渉現象は、二つ以上の光が互いに相互作用して発生する現象であって、二つの光の内積（ｉｎｎｅｒ  ｐｒｏｄｕｃｔ）で定義されるため、互いに垂直である二つの光の間の干渉は０となる。例えば、一つの光のベクトルをＥ１、他の一つの光のベクトルをＥ２としたときに、二つの光の干渉はＥ１・Ｅ２＝｜Ｅ１｜｜Ｅ２｜cosθであり、θが９０゜であると干渉が０となることが分かる（θは、二つの光のベクトルの挟角）。
【００２９】
したがって、撮像装置４００に対象光及び基準光が到達する前に、対象光と基準光とが互いに垂直とならないようにしなければならず、その役割をするものが、第１偏光ビームスプリッタ３１０と撮像装置４００との間に位置した第１偏光板３６０である。光が第１偏光板３６０を通過すると、第１偏光板３６０の偏光方向に平行な成分のみが通過する。したがって、対象光及び基準光の偏光方向と第１偏光板３６０の偏光方向とが一致しないように第１偏光板３６０を設けると、第１偏光板３６０を通過した光が互いに平行な成分のみを有することになって、撮像装置４００で一定の明るさの干渉現象を測定することができる。
【００３０】
通常、撮像装置４００は、イメージセンサ４１０と、カメラレンズ４２０と、で構成されるが、本発明の主要技術思想には大きい影響を与えないため、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
図２は二つの光の干渉現象を図示した概念図である。以下で述べる主な内容は、第１偏光ビームスプリッタ３１０により分割される対象光と基準光の大きさをどの比率にする場合に、最終的に撮像装置４００での干渉縞の明暗比が最適になるかについての説明である。
【００３２】
光源から発生した光（入射光）の単位時間当たりのエネルギーが一定であるという仮定の下で、最終的に撮像装置４００に到達する対象光と基準光の干渉縞が鮮明であるほど、すなわち、干渉されたエネルギーが大きいほど、干渉計の性能が向上される。
【００３３】
二つの光の干渉が、二つの光の内積と同一であるということは、上述のとおりである。以下では、一定の単位時間当たりエネルギーを有する入射光を、どのように対象光と基準光とに分割すれば対象光と基準光の内積が最も大きくなるかについて説明する。
【００３４】
説明の便宜上、第１偏光ビームスプリッタ３１０から出る対象光をＥ１、基準光をＥ２、Ｅ１が第１偏光板３６０の偏光方向となす角をφと定義する（Ｅ１及びＥ２はベクトル量である）。そうすると、Ｅ１とＥ２とが互いに垂直であるため、Ｅ２が第１偏光板３６０の偏光方向となす角は９０゜−φである。Ｅ１とＥ２は、第１偏光板３６０を通過しながらそれぞれ｜Ｅ１｜ｃｏｓφと｜Ｅ２｜ｃｏｓ（９０゜−φ）の大きさの成分のみが残り、同じ第１偏光板３６０を通過したため、二つの光の挟角θは０゜である。したがって、最終的に撮像装置４００での干渉は、｜Ｅ１｜ｃｏｓφ・｜Ｅ２｜ｃｏｓ（９０゜−φ）・ｃｏｓ０゜＝｜Ｅ１｜｜Ｅ２｜ｃｏｓφ・ｓｉｎφ＝１／２｜Ｅ１｜｜Ｅ２｜ｓｉｎ２φになる。このことから、対象光ベクトルが第１偏光板３６０の偏光方向となす角が４５゜である場合に最も高い干渉効率が得られることが分かり、この条件では、基準光ベクトルも第１偏光板３６０の偏光方向と４５゜をなすことになる。一方、高い偏光効率を得るためには、｜Ｅ１｜｜Ｅ２｜の値も大きくなければならない。この際、前記値は、対象光ベクトルの大きさと基準光ベクトルの大きさとの積を意味する。
【００３５】
図３は第１偏光ビームスプリッタ３１０に入射される入射光をＰ波成分とＳ波成分とに分けることができることを図示したものである。説明の便宜上、Ｐ波成分をＥＰ、Ｓ波成分をＥＳとすると、入射光はＥ＝ＥＰ＋ＥＳで表される（Ｅ、ＥＰ及びＥＳはベクトル量である）。
【００３６】
先ず、ＥＳは基準ミラー３３０に進行する基準光であるため、第１偏光ビームスプリッタ３１０を透過して、１／４波長板である第３波長板３５０を通過し、基準ミラー３３０で反射されてさらに１／４波長板である第３波長板３５０を通過した後、第１偏光ビームスプリッタ３１０で反射されて撮像装置４００の方に進行する。この際、基準ミラー３３０は殆どの入射光を反射するため、反射率が１に近い。
【００３７】
次に、ＥＰは測定対象物３２０に進行する対象光であるため、第１偏光ビームスプリッタ３１０で反射されて、１／４波長板である第２波長板３４０を通過し、測定対象物３２０で反射されてさらに１／４波長板である第２波長板３４０を通過した後、第１偏光ビームスプリッタ３１０を透過して撮像装置４００の方に進行する。ところが、測定対象物３２０はミラーと異なって、反射率が０と１との間の任意の値であることができるため、測定対象物３２０で反射された後の対象光は、反射される前の対象光に反射率ｒを乗じた値である。すなわち、第１偏光ビームスプリッタ３１０に入射される対象光及び基準光の大きさは、それぞれｒ｜ＥＰ｜及び｜ＥＳ｜である。
【００３８】
ところが、一般に、干渉効果が最大になるためには、二つの光の振幅が同一でなければならない。したがって、本発明において、対象光と基準光の大きさは、ｒ｜ＥＰ｜＝｜ＥＳ｜の相関関係を有しなければならない。ｘ軸と入射光Ｅがなす角をαとすると、ｔａｎα＝｜ＥＳ｜／｜ＥＰ｜＝ｒの関係式を満たす場合に、撮像装置４００での干渉効果が極大化されることが分かる。
【００３９】
すなわち、測定対象物３２０の反射率ｒに応じて、入射光Ｅがｘ軸となす角が決定される。測定対象物３２０の種類が多くてｒが随時変動される場合には、入射光Ｅがｘ軸となす角を変動させるために、ビーム幅拡張部２００と第１波長板３７０との間に第２偏光板６００を設けて入射光Ｅの方向に応じて回転させるか、または光源１００自体を回転させなければならない。しかし、第２偏光板６００を回転させる場合には、通過する光量が減少されて全体的な効率が低下し、光源１００を回転させる場合には、精密制御が可能な構成要素が必要となるだけでなく、安全性においても問題が生じる。
【００４０】
したがって、通過する光量は維持しながらも、入射光Ｅの偏光方向のみを変動させることができる装置が必要であり、それが第１波長板３７０である。この際、第１波長板３７０は半波長板であることが好ましい。
【００４１】
図４には、直線偏光された入射光と第１波長板３７０が図示されている。第１波長板３７０を含む波長板は方向に応じて異なる屈折率を有するが、説明の便宜上、ｘ方向に偏光された光が感じる屈折率をｎｅ、ｙ方向に偏光された光が感じる屈折率をｎｏと定義する。この際、ｎｅ＜ｎｏであるため、ｘ軸が進相軸（ｆａｓｔ  ａｘｉｓ）、ｙ軸が遅相軸（ｓｌｏｗ  ａｘｉｓ）になる。
【００４２】
入射光の偏光方向はｘ軸と任意の角をなすことができ、この角をηと定義する。入射光の偏光方向はｘ軸またはｙ軸方向ではないため、入射光のｘ軸方向成分Ｅｘは進相軸に沿って進行し、ｙ軸方向成分Ｅｙは遅相軸に沿って進行する。入射光が第１波長板３７０を通過して出る時には、進相軸成分と遅相軸成分との間に位相差が発生し、その位相差分だけ、遅相軸に沿って進行するｙ軸方向成分Ｅｙが遅延されるため、第１波長板３７０に入射される時と偏光方向が変わることになる。図４は、特に第１波長板３７０が半波長板である場合を図示したものである。第１波長板３７０が半波長板であることが好ましい理由は、入射光Ｅが半波長板を通過した後に、偏光方向が時計方向に２ηだけ回転してＥ´になるためである。
【００４３】
ここで分かることは、第１波長板３７０が半波長板である場合、入射光Ｅの偏光方向を２ηだけ回転させるためには、入射光Ｅの偏光方向と進相軸との間の角であるηのみを調節すれば良いということである。これは、入射光Ｅの偏光方向は固定した状態で、入射光の進行方向を軸として第１波長板３７０を回転させることで解決することができる。
【００４４】
［実施例２］
図５は本発明の第２実施例によるマッハツェンダー型干渉計７００を用いた光学装置である。第２実施例による光学装置は、光源１００と、ビーム幅拡張部２００と、マッハツェンダー型干渉計７００と、撮像装置４００と、を含む。また、マッハツェンダー型干渉計７００は、光源から発生した光の進行方向に設けられる第１波長板３７０と、前記第１波長板３７０を通過した光の一部を第１方向に反射させ、光の一部を第２方向に透過させる第１偏光ビームスプリッタ３１０と、前記第１方向に反射された光の進行方向に配置される測定対象物３２０と、前記第２方向に透過された光の進行方向に配置される基準ミラー３３０と、前記測定対象物３２０で反射された光の進行方向に配置される第４波長板３４１と、前記基準ミラー３３０で反射された光の進行方向に配置される第５波長板３５１と、前記第４波長板３４１及び第５波長板３５１を通過した光の進行方向に配置される第２偏光ビームスプリッタ３１１と、前記第２偏光ビームスプリッタ３１１を透過した光の進行方向に配置される第１偏光板３６０と、を含む。
【００４５】
マッハツェンダー型干渉計７００も、マイケルソン型干渉計３００と同様に、ビーム幅が拡張された入射光が第１波長板３７０を通過して第１偏光ビームスプリッタ３１０に到達するようにする。第１偏光ビームスプリッタ３１０で、入射光の一部は偏光方向に沿って反射されて測定対象物３２０に送られ、一部は透過して基準ミラー３３０に送られる。測定対象物３２０で反射された光は第４波長板３４１を経て第２偏光ビームスプリッタ３１１に入射され、基準ミラー３３０で反射された光は第５波長板３５１を経て第２偏光ビームスプリッタ３１１に入射される。
【００４６】
本発明によるマッハツェンダー型干渉計７００は、第１波長板３７０により測定対象物３２０に送られる光及び基準ミラー３３０に送られる光の大きさを調節するという点はマイケルソン型干渉計の場合と同様であるが、測定対象物３２０及び基準ミラー３３０で反射された光がさらに第１偏光ビームスプリッタ３１０に入射されないため、光路上に第２偏光ビームスプリッタ３１１が位置して、測定対象物３２０で反射された光及び基準ミラー３３０で反射された光が干渉されるようにするという点で、その構造が異なる。また、マッハツェンダー型干渉計７００では、測定対象物３２０に入射される光と基準ミラー３３０に入射される光が、それぞれ測定対象物３２０と基準ミラー３３０で反射された後、入射経路を逆に辿って進行するのではなく、入射経路と９０゜をなして折り曲げられて進行する。そのため、光路上に第１波長板または第２波長板の代わりに第４波長板３４１または第５波長板３５１が位置する。但し、マッハツェンダー型干渉計７００では、第４波長板３４１または第５波長板３５１に光が１回だけ通過する。したがって、第４波長板３４１または第５波長板３５１による位相遅延がそれぞれ第１波長板または第２波長板による位相遅延の２倍にならなければならないため、第４波長板３４１及び第５波長板３５１は半波長板であることが好ましい。
【００４７】
測定対象物３２０で反射された光と基準ミラー３３０で反射された光が撮像装置４００で干渉を起こさなければならないため、半波長板３４１、３５１の光軸と光の偏光方向とが４５゜をなすようにして光の偏光を９０゜ずつ回転させることで、第１偏光ビームスプリッタ３１０を透過した基準光は第２偏光ビームスプリッタ３１１で反射されるようにし、第１偏光ビームスプリッタ３１０で反射された対象光は第２偏光ビームスプリッタ３１１を透過するようにしなければならない。
【００４８】
［実施例３］
図６は干渉計の光源１００としてチューナブルレーザを用いた周波数走査型光学装置を図示したものである。周波数走査型光学装置は、干渉計の光源としてチューナブルレーザを用い、前記チューナブルレーザから放出される光の周波数を変化させながら干渉信号を測定することで光路差を測定する装置である。
【００４９】
図７は周波数走査型干渉計（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）の原理を図示したものである。周波数は波長と反比例の関係にあるため、説明の便宜上、波長を基準として説明する。入射光はλ０を基準波長とし、Δλ間隔で波長を変化させることができる。すなわち、ｋ番目の波長λｋは、λ０＋ｋ（Δλ）である。
【００５０】
通常、撮像装置４００に形成される干渉縞の強度はＩｃｃｄ＝Ｉ０＋Ｉ１ｃｏｓφの形態に従う。この際、二つの光の位相差φと、対象光が経る光路Ｌ１及び基準光が経る光路Ｌ２とは、次の数式１の関係を有する。
【００５１】
【数１】
0005990282.tif 000002
【００５２】
このようなシステムで、入射光の周波数を変化させると、次の数式２のような離散的な干渉縞強度Ｉｃｃｄ，ｋが得られ、二つの光の位相差φｋは、数式３のように近似的に算出することができる。
【００５３】
【数２】
0005990282.tif 000003
【００５４】
【数３】
0005990282.tif 000004
【００５５】
但し、数式３の近似はΔλ＜＜λ０の場合に成立する式であるが、通常のチューナブルレーザはΔλ＜＜λ０を満たすため、計算の便宜上、以下の近似式に基づいて説明する。
【００５６】
図８は撮像装置４００、例えば、ＣＣＤのピクセルに写った干渉縞データを図示したものである。ここで、φｋが０〜２πの１サイクルに該当するためには、ｋ番目の干渉縞の強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）グラフにおいて、有効波長値λｅｆｆが数式４と同一になるべきであることが分かる。
【００５７】
【数４】
0005990282.tif 000005
【００５８】
図９は、うねりのある測定対象物３２０に周波数走査型干渉計を適用した場合を図示したものである。ａ及びｂに同時に周波数走査型干渉計を適用すると、図１０のようなイメージデータが得られる。確認するべきものは各三角関数波形の有効波長値λｅｆｆであるため、ＣＣＤなどにより測定された離散データを活用して各三角関数波形の周波数を算出する。
【００５９】
前記各三角関数波形の周波数を算出する方法としては、高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ；ＦＦＴ）法が代表的である。ＦＦＴ法は、周知慣用の技術であるためその詳細な説明は省略する。説明の便宜上、ＦＦＴ法などを利用して算出した各三角関数波形のλｅｆｆをそれぞれλａ及びλｂとすると、λａ及びλｂは、上記の数式４により次の数式５のように対応される。
【００６０】
【数５】
0005990282.tif 000006
【００６１】
選出しようとする光路差ｌは（Ｌ２ａ−Ｌ２ｂ）であるため、最終的に数式６のように光路差ｌを算出することができる（Ｌ２ａはａ面に反射される場合の光路、Ｌ２ｂはｂ面に反射される場合の光路である）。
【００６２】
【数６】
0005990282.tif 000007
【００６３】
これを用いると、図９で対象物ｂの高さｈはｌ／２であるため、数式７のとおりである。
【００６４】
【数７】
0005990282.tif 000008
【００６５】
［実施例４］
本発明の実施例１に記載のマイケルソン型干渉計３００で、第１偏光ビームスプリッタ３１０と測定対象物３２０との間に位置した１／４波長板である第２波長板３４０を回転させると、乱反射面とミラー面を選択的に強調して示すことができ、その原理は次のとおりである。
【００６６】
図１１は、第２波長板３４０の光軸を、第１偏光ビームスプリッタ３１０から入射される光の偏光方向に平行となるようにした場合及び４５゜の角度差を有するようにした場合を図示したものである。測定対象物３２０の領域ｃでは、乱反射が１００％起こって偏光が消失され、測定対象物３２０の領域ｄでは、乱反射が全くなくミラー面の反射が起こって偏光が維持される。
【００６７】
先ず、図１１の（ａ）を参照して、１／４波長板である第２波長板３４０の光軸を、第１偏光ビームスプリッタ３１０から入射される光の偏光方向に平行となるようにした場合を説明する。測定対象物３２０の領域ｃで反射される光は乱反射されて、１／４波長板である第２波長板３４０を通過するため、第１偏光ビームスプリッタ３１０を通過する成分を有する。したがって、撮像装置４００に干渉縞を形成する。その反面、測定対象物３２０の領域ｄで反射される光は、１／４波長板である第２波長板３４０の光軸が光の偏光方向と一致するため、直線偏光状態を維持することになる。したがって、第１偏光ビームスプリッタ３１０で反射されて半波長板である第１波長板３７０の方に進行するため、撮像装置４００に干渉縞を形成することができない。すなわち、１／４波長板である第２波長板３４０の光軸を、第１偏光ビームスプリッタ３１０から入射される光の偏光方向に平行となるようにした場合には、乱反射面のみが強調（ｈｉｇｈｌｉｇｈｔ）される。
【００６８】
次に、図１１の（ｂ）を参照して、１／４波長板である第２波長板３４０の光軸が、第１偏光ビームスプリッタ３１０から入射される光の偏光方向と４５゜だけの角度差を有する場合を説明する。この場合にも、測定対象物３２０の領域ｃで反射される光は乱反射されて、１／４波長板である第２波長板３４０を通過するため、第１偏光ビームスプリッタ３１０を通過する成分を有する。したがって、撮像装置４００に干渉縞を形成する。ところで、測定対象物３２０の領域ｄでミラー面で反射される円偏光された光は、１／４波長板である第２波長板３４０を往復して通過しながら、第１偏光ビームスプリッタ３１０から入射される時より偏光方向が９０゜だけ回転され、第１偏光ビームスプリッタ３１０を通過して撮像装置４００に干渉縞を形成する。この際、乱反射された光が第１偏光ビームスプリッタ３１０を通過する光量は、ミラー面で反射された光が第１偏光ビームスプリッタ３１０を通過する光量より小さいため、１／４波長板である第２波長板３４０の光軸が、第１偏光ビームスプリッタ３１０から入射される光の偏光方向と４５゜だけの角度差を有する場合に、乱反射面が抑制され、ミラー面が干渉縞を強く形成して強調される。
【００６９】
すなわち、マイケルソン型干渉計３００では、第１偏光ビームスプリッタ３１０と測定対象物３２０との間に位置する１／４波長板の第２波長板３４０の光軸を適切に回転させることで、乱反射面とミラー面を選択的に強調させることができることが分かる。
【００７０】
［実施例５］
本発明の実施例２に記載のマッハツェンダー型干渉計７００で、第２偏光ビームスプリッタ３１１と測定対象物３２０との間に位置する半波長板の第４波長板３４１を回転させると、乱反射面とミラー面を選択的に強調して示すことができ、その原理はマイケルソン型干渉計と同様であるため、簡単に説明する。
【００７１】
マイケルソン型干渉計３００の場合と同様に、第１偏光ビームスプリッタ３１０で反射された光を測定対象物３２０に入射させると、乱反射面で反射される光は偏光を消失し、ミラー面で反射される光は直線偏光をそのまま有することになる。したがって、第２偏光ビームスプリッタ３１１と測定対象物３２０との間に位置する半波長板の第４波長板３４１の光軸を、ミラー面で反射された光に平行となるようにすると、乱反射面で反射された光の一部のみが第２偏光ビームスプリッタ３１１を通過して干渉縞を形成するため、乱反射面が強調される。反対に、第２偏光ビームスプリッタ３１１と測定対象物３２０との間に位置する半波長板の第４波長板３４１の光軸が、ミラー面で反射された光と４５゜の角をなすように回転させると、乱反射面で反射された光の一部は第２偏光ビームスプリッタ３１１を通過するが、ミラー面で反射された光の大部分は第２偏光ビームスプリッタ３１１を通過して干渉縞を形成するため、ミラー面が強調される。
【００７２】
したがって、マッハツェンダー型干渉計７００では、第２偏光ビームスプリッタ３１１と測定対象物３２０との間に位置する半波長板の第４波長板３４１の光軸を適切に回転させることで、乱反射面とミラー面を選択的に強調させることができることが分かる。
【符号の説明】
【００７３】
１００  光源
２００  ビーム幅拡張部
２１０  凹レンズ
２２０  凸レンズ
３００  マイケルソン型干渉計
３１０  第１偏光ビームスプリッタ
３１１  第２偏光ビームスプリッタ
３２０  測定対象物
３３０  基準ミラー
３４０  第２波長板
３４１  第４波長板
３５０  第３波長板
３５１  第５波長板
３６０  第１偏光板
３７０  第１波長板
４００  撮像装置
４１０  イメージセンサ
４２０  カメラレンズ
６００  第２偏光板
７００  マッハツェンダー型干渉計
【図１】
0005990282.tif 000010
【図２】
0005990282.tif 000011
【図３】
0005990282.tif 000012
【図４】
0005990282.tif 000013
【図５】
0005990282.tif 000014
【図６】
0005990282.tif 000015
【図７】
0005990282.tif 000016
【図８】
0005990282.tif 000017
【図９】
0005990282.tif 000018
【図１０】
0005990282.tif 000019
【図１１】
0005990282.tif 000020