(57)【要約】      （修正有）【課題】  低可干渉性の光源を用いた干渉計において、バイアス成分を低減して干渉縞信号をＳ／Ｎ比よく取得する干渉計を提供する。【解決手段】  光源１１２と、光源１１２からの光束の一部を参照光とし、残りの光束を被検面１３０ａに照射する測定光とするための参照手段１１４と、光源１１２からの光束、もしくは参照光と被検面１３０ａで反射した測定光とを再び重ね合わせた計測光束に対し、該光束の直交する２つの直線偏光成分間に光路長差Ｂを与える光路長調整手段１１８と、参照光および／または測定光から特定方向の直線偏光成分を除去するための除去手段１２０と、計測光束に含まれる参照光および測定光から共通の偏光成分を抽出して、参照光と測定光とを干渉させる偏光成分抽出手段１２８と、干渉縞を撮像する撮像手段１１６と、を備え、光路長調整手段１１８にて光路長差Ａが相殺されない直線偏光の成分を、参照光および／または測定光から除去する。【選択図】      図３
2006064451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源からの光束の一部を参照光とし、残りの光束を被検面に照射する測定光とするための参照手段と、前記参照光と前記被検面にて反射した測定光との干渉によって生じる干渉縞を撮像する撮像手段と、を備え、前記撮像手段によって撮像された干渉縞情報から前記被検面の形状を測定する干渉計において、
前記光源からの光束、もしくは前記参照光と前記被検面にて反射した測定光とを再び重ね合わせた計測光束に対し、該光束の直交する２つの直線偏光成分間に光路長差Ｂを与える光路長調整手段と、
前記参照光および／または測定光から特定方向の直線偏光成分を除去するための除去手段と、
前記計測光束に含まれる参照光および測定光から共通の偏光成分を抽出して、参照光と測定光とを干渉させる偏光成分抽出手段と、を備え、
前記光路長調整手段は、参照光が辿る光路長と測定光が辿る光路長との間の光路長差Ａを、前記光路長調整手段にて与えられる光路長差Ｂによって相殺して、参照光の一つの直線偏光成分と、それに直交する測定光の直線偏光成分との間の光路長差を前記光源の可干渉距離より小さくし、前記計測光束を前記偏光成分抽出手段を通すことで干渉光を生じさせ、
前記除去手段により、前記光路長調整手段にて光路長差Ａが相殺されない直線偏光の成分を、前記参照光および／または測定光から除去することを特徴とする干渉計。
【請求項２】
請求項１に記載の干渉計において、
前記光路長調整手段は、偏波面保存光ファイバによって構成され、該偏波面保存光ファイバに光束を通すことで、該偏波面保存光ファイバの複屈折性により直交する直線偏光成分間に前記光路差Ｂを与えることを特徴とする干渉計。
【請求項３】
請求項１または２に記載の干渉計において、
前記参照手段と前記被検面が同一光軸上に配置されるフィゾー型のものであることを特徴とする干渉計。
【請求項４】
請求項３に記載の干渉計において、
前記除去手段は、前記参照手段と前記被検面との間に配置されることを特徴とする干渉計。
【請求項５】
請求項１〜４に記載の干渉計において、
前記偏光成分抽出手段として、偏光板および／または偏光ビームスプリッタを用いることを特徴とする干渉計。
【請求項６】
請求項１〜５に記載の干渉計において、
前記除去手段として、偏光板を用いることを特徴とする干渉計。
【請求項７】
請求項１〜６に記載の干渉計において、
前記参照光と測定光との間に相対的な位相差を付与する位相シフト手段を備え、異なる位相差を持つ複数の干渉縞を撮像し、該複数の干渉縞から位相シフト法により被検面の形状を算出することを特徴とする干渉計。
【請求項８】
請求項７に記載の干渉計において、
前記参照光と測定光とからなる計測光束を複数の光束に分割するための光分割手段と、を備え、前記位相シフト手段は、分割された光束に異なる位相差を付与し、前記撮像手段は分割された複数の光束の干渉縞をそれぞれ撮像するために複数設置されたことを特徴とする干渉計。
【請求項９】
請求項８に記載の干渉計において、
前記位相シフト手段は、前記光分割手段の前段に設置された１／４波長板を含み、
前記１／４波長板によって、参照光と測定光とをそれぞれ異なる向きの円偏光にし、前記光分割手段によって分割された複数の光束のそれぞれに対し、前記偏光抽出手段によって異なる方向の偏光成分を抽出することで、異なる位相シフトの干渉縞を得ることを特徴とする干渉計。
【請求項１０】
請求項８に記載の干渉計において、
前記位相シフト手段として、分割された光束の光路上に複屈折性の媒質を設置することで、参照光と測定光とに相対的な位相差を付与することを特徴とする干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の被検面の形状測定を行うための干渉計、特にその干渉縞の検出機構の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
平面度を測定する干渉計には、一般に、Ｈｅ−Ｎｅレーザーを代表とする可干渉性の高い光源が使用される。ところが、平行なガラス基板を測定する場合、測定したい表面からの反射光と、不要な裏面からの反射光が互いに干渉し、これが干渉ノイズとなる。一方で、可干渉性の低い光源を使用すれば、裏面からの反射による干渉ノイズは防ぐことができる（例えば、特許文献１参照）。しかし、可干渉性の低い光源を使用する場合、被検面からの反射光と参照面からの反射光とを干渉させるために、それぞれの反射光が経てくる光路長をほぼ同じ長さにする必要がある。
【０００３】
フィゾー型干渉計は、参照面と被検面からの反射光束が共通光路であるため、誤差が比較的小さく、平面度測定用干渉計に多く用いられる。また、同じ観測領域を有する他の型の干渉計と比較すると、光学配置の都合上他の型のものと比べ小さく作成できるという利点がある。
図１は従来のフィゾー型干渉計の概略構成図である。同図の干渉計１０は、光源１２と、半透明ミラー等で構成される参照手段１４と、ＣＣＤカメラ等の干渉縞を撮像するための画像検出器１６とを備え、測定対象物の被検面と参照手段１４の参照面が同一光軸上に配置される。
【０００４】
光源１２から出射された光束は、レンズ２２およびピンホール３２を通り、ビームスプリッタ２４へと至る。ビームスプリッタ２４を透過した光は、コリメートレンズ２６によって平行光とされ参照手段１４および測定対象物３０へと向かう。参照手段１４の参照面１４ａへ向かった光の一部は反射されて参照光となり、参照面１４ａを透過した光は測定対象物３０の被検面３０ａに照射され、その反射光が測定光となる。参照光と測定光は再びコリメータレンズ２６を通り、ビームスプリッタ２４で反射され、画像検出器１６へ向かう。そして、参照光と測定光との干渉による干渉縞が画像検出器１６によって撮像される。干渉縞は、参照面１４ａに対する被検面３０ａの相対的な形状の情報を持っており、干渉縞の解析を行うことで被検面の形状を調べることができる。
【０００５】
上述したように、被測定物体が光透過率の高い素材であった場合、測定対象である表面からの反射光のみならず、裏面からの反射光も存在し、裏面からの反射光との干渉による干渉縞も撮像されてしまう。つまり、測定光および参照光以外の光、例えば、装置の他の光学部材からの不必要な反射光や、測定対象でない面からの反射光等の不要な光による干渉ノイズが発生する。
このような干渉ノイズを低減するために、低可干渉性の光源が使用される。低可干渉性の光源を用いれば、不要な光どうしの間の光路長差、不要な光と参照光との間の光路長差、不要な光と測定光との間の光路長差に対し、光源からの光の可干渉距離（コヒーレント長）を小さくすることができ、干渉ノイズは生じない。
しかしながら、図１に示したようなフィゾー型干渉計では参照面と被検面とが同軸光路上にあるため、参照面と被検面の間の距離の分だけ参照光と測定光との間に光路長差が生じ、低可干渉性光源を用いると必要な干渉縞が得られない。つまり、参照面と被検面を同一光軸上に向かい合わせで配置しているため、被検面からの反射光の光路長と、参照面からの反射光の光路長とを等しくすることはこのままでは物理的に不可能である。
【０００６】
ここで、先行文献に目を向けると、低可干渉性の光源を用いたフィゾー型干渉計を構成した例が特許文献２、３に見られる。特許文献２、３に示されるような方式では、光源をビームスプリッタにより２つに分け、直進する光束と迂回する光束に分けて再び重ね合わせる。
図２は特許文献２に示されたフィゾー型干渉計の概略構成図である。図１と同一の部材には同一符号を付け説明を省略する。図２で示した干渉計は光源１２として低可干渉性光源を用い、該光源１２の後段に迂回光路用ビームスプリッタ１８を設けている。迂回光路用ビームスプリッタ１８は幾つかのビームスプリッタを組み合わせて構成され、迂回光路用ビームスプリッタ１８に入射した光は、一部が直線上の光路上を直進し、一部が反射されて迂回した光路（図で点線で示した光路）を通る。
【０００７】
ここで、迂回した光路を通る光と直線上の光路を通る光との光路長差と、参照手段１４の参照面１４ａと測定対象物３０の被検面３０ａとの間の光路長との差を、使用する光の可干渉距離以下にしておく。そして、通常のフィゾー型干渉計と同様に、同軸上に配置した参照面１４ａと被検面３０ａに光を照射し、それぞれの面からの反射光を干渉させて干渉縞を計測する。このとき、ビームスプリッタを透過して直進し、被検面にて反射される光束と、ビームスプリッタにて迂回し参照面で反射する光とが重なりあうとき、両光束の光路長差が可干渉距離よりも短ければ、干渉縞が発生する。その他の光束同士においては、それらの間の光路長差が可干渉距離よりも長くなるように設置することで、ガラス基板の裏面からの反射光による干渉は生じない。つまり、単なるバイアス成分となる。このような手法により、裏面からの不要な反射光による干渉ノイズを防いでいる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−９１２２３号公報
【特許文献２】米国特許第４８７２７５５号明細書
【特許文献３】特開平７−２７０１１５号公報
【特許文献４】特開平１１−３３７３２１号公報
【特許文献５】特開平２−２８７１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献２，３等に示された方法において、参照面と被検面を照射する光束には直進するものと、迂回または迂回に相当する遅延の生じたもの２つの光束が存在する。そのため、参照面と被検面より生じる参照光と測定光にはそれぞれ２つづつの光束が発生し、合計４つの光束がＣＣＤカメラ等の画像検出器に到達する。
検出器に到達する４つの光束のうち、迂回光路により生じる光路長Ａと、測定光が参照面と被検面間を往復する際に生じる光路長Ｂが相殺された光束のみが干渉を生じさせる。つまり４つの光束のうち干渉に寄与する光束は２つのみで、残りは計測には不要なバイアス成分となる。
【００１０】
ところが、バイアス成分が大きな従来の測定方法においては、バイアス強度が高い分、干渉強度変化の振幅が小さくなり、測定分解能が低くなる傾向にあることが問題になる。つまり干渉計測においては、干渉にて生じる明暗の振幅を検出器の受光強度レンジにて効率よく検出できる場合に、測定分解能が高く、高精度な測定が可能となる。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的はバイアス成分を低減して干渉縞信号をＳ／Ｎ比よく取得することが可能な干渉計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の干渉計は、光源と、該光源からの光束の一部を参照光とし、残りの光束を被検面に照射する測定光とするための参照手段と、前記光源からの光束、もしくは前記参照光と前記被検面にて反射した測定光とを再び重ね合わせた計測光束に対し、該光束の直交する２つの直線偏光成分間に光路長差Ｂを与える光路長調整手段と、前記参照光および／または測定光から特定方向の直線偏光成分を除去するための除去手段と、前記計測光束に含まれる参照光および測定光から共通の偏光成分を抽出して、参照光と測定光とを干渉させる偏光成分抽出手段と、干渉縞を撮像する撮像手段と、を備える。そして、前記光路長調整手段は、参照光が辿る光路長と測定光が辿る光路長との間の光路長差Ａを、前記光路長調整手段にて与えられる光路長差Ｂによって相殺して、参照光の一つの直線偏光成分と、それに直交する測定光の直線偏光成分との間の光路長差を前記光源の可干渉距離より小さくし、前記計測光束を前記偏光成分抽出手段を通すことで干渉光を生じさせ、前記除去手段により、前記光路長調整手段にて光路長差Ａが相殺されない直線偏光の成分を、前記参照光および／または測定光から除去することを特徴とする。
【００１２】
上記の干渉計において、前記光路長調整手段は、偏波面保存光ファイバによって構成され、該偏波面保存光ファイバに光束を通すことで、該偏波面保存光ファイバの複屈折性により直交する直線偏光成分間に前記光路差Ｂを与えることが好適である。
上記の干渉計において、前記参照手段と前記被検面が同一光軸上に配置されるフィゾー型のものであることが好適である。
上記の干渉計において、前記除去手段は、前記参照手段と前記被検面との間に配置されることが好適である。
上記の干渉計において、前記偏光成分抽出手段として、偏光板および／または偏光ビームスプリッタを用いることが好適である。
上記の干渉計において、前記除去手段として、偏光板を用いることが好適である。
上記の干渉計において、前記参照光と測定光との間に相対的な位相差を付与する位相シフト手段を備え、異なる位相差を持つ複数の干渉縞を撮像し、該複数の干渉縞から位相シフト法により被検面の形状を算出することが好適である。
【００１３】
上記の干渉計において、前記参照光と測定光とからなる計測光束を複数の光束に分割するための光分割手段と、を備え、前記位相シフト手段は、分割された光束に異なる位相差を付与し、前記撮像手段は分割された複数の光束の干渉縞をそれぞれ撮像するために複数設置されることが好適である。
上記の干渉計において、前記位相シフト手段は、前記光分割手段の前段に設置された１／４波長板を含み、前記１／４波長板によって、参照光と測定光とをそれぞれ異なる向きの円偏光にし、前記光分割手段によって分割された複数の光束のそれぞれに対し、前記偏光抽出手段によって異なる方向の偏光成分を抽出することで、異なる位相シフトの干渉縞を得ることが好適である。
上記の干渉計において、前記位相シフト手段として、分割された光束の光路上に複屈折性の媒質を設置することで、参照光と測定光とに相対的な位相差を付与することが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の干渉計は、光路調整手段として直交する直線偏光成分間に位相差を与えるものを用い、さらに光路長調整手段にて光路長差Ａが相殺されない偏光成分の光束を、前記参照光および／または測定光から除去する除去手段を設けるという構成をとることによって、撮像する干渉縞のコントラストを高め、干渉信号のＳ／Ｎ比を高めることが可能となった。
さらに、光路長調整手段として偏波面保存光ファイバを用いるという構成としたことにより、光束を迂回させるための光学系を設けることなく、簡単な構成の干渉計を構築することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
実施形態１
図３は、本発明の実施形態にかかる干渉計の概略構成図である。図中の両側矢印の記号は、紙面に平行な直線偏光成分を模式的に示したものであり、二重丸の記号は紙面に垂直な直線偏光成分を模式的に示したものである。
同図に示される干渉計１１０は、光源１１２と、光路長の調整を行う光路長調整手段（偏波面保存光ファイバ１１８）と、光源からの光束を参照光と測定光とに分離する参照手段（参照ミラー１１４）と、被検面から反射した測定光と参照光との干渉によって生じる干渉縞を撮像する撮像手段（画像検出器１１６）とを備える。本実施形態の干渉計１１０はフィゾー型の光学配置のもの、つまり、参照ミラー１１４として半透明ミラーを用い、該ミラー１１４が測定対象物１３０の被検面１３０ａと同一光軸上に配置されるものである。
【００１６】
干渉ノイズを低減するため光源１１２として低可干渉なものを用いており、そのため、参照ミラー１１４で反射した参照光と被検面で反射した測定光との光路長差を相殺する光路長調整手段を設けている。本実施形態の干渉計１１０では、光路長調整手段として偏波面保存光ファイバ１１８を用いており、その複屈折性を利用して、該偏波面保存光ファイバ１１８に光束を通すことで直交する２つの直線偏光成分間に光路長差を与えている。
上記の低可干渉性光源としては、従来公知のものを目的に応じて用いればよい。例として、高輝度発光ダイオード、ハロゲンといったガス光源、これらのガス光源にバンドパスフィルターを通したもの、等が挙げられる。つまり、発光素子や媒体にかかわらず、所望のコヒーレンス長をもつような、適度な広がりの発光スペクトルを持った光源であればよい。
【００１７】
低可干渉性の光源を用いることで、不要な光どうしの間の光路長差、不要な光と参照光との間の光路長差、不要な光と測定光との間の光路長差に対し、光源からの光の可干渉距離（コヒーレント長）を小さくすることができ、干渉ノイズは生じない。
画像検出器１１６の前段には偏光成分抽出手段（偏光子１２８）が設けられており、該偏光子１２８により、参照光と被検面１３０ａで反射した測定光とを再び重ね合わせた計測光束から所定の直線偏光成分を抽出する。これは、本実施形態では干渉縞の形成に用いる参照光および測定光の偏光面が互いに直交しており、それらを干渉させるため参照光と測定光から共通の偏光成分を抽出する必要があるからである。偏光子１２８を通過した干渉光は、ＣＣＤカメラ等の画像検出器１１６で検出され、干渉縞情報が取得される。また、本実施形態では偏光成分抽出手段として直線偏光子を用いたがそれに限定されず、例えば偏光ビームスプリッタ等を用いた構成でもよい。
【００１８】
本実施形態の最も特徴的な部分は、参照光および／または測定光から，干渉縞を形成しない直線偏光成分を除去するための除去手段（直線偏光子１２０）を備えていることである。図３に示した実施形態では偏光子１２０は参照ミラー１１４と被検面１３０ａとの間に設置されており、被検面１３０ａに照射される測定光から所定方向の直線偏光成分を除去する。つまり、偏波面保存光ファイバ１１８で遅延された直線偏光成分を測定光から取り除いている。このため、干渉縞の形成に関係しないバイアス成分を低減することができる。
以上が本実施形態の概略構成であり、以下にその作用を説明する。
【００１９】
まず、本実施形態の干渉計１１０の光路について説明する。光源１１２からの光束はレンズ１２２によって集光され、偏波面保存光ファイバ１１８の一方の端面に入射する。そして、偏波面保存光ファイバ１１８の他方の端面から出射した光は、無偏光ビームスプリッタ１２４を透過して、コリメートレンズ１２６によって平行光とされ、参照ミラー１１４および測定対象物１３０へと向う。この平行光の内、参照ミラー１１４の参照面１１４ａで反射された光が参照光となり、参照ミラー１１４を透過した光が測定光となる。測定光は偏光子１２０を通過し、測定対象物１３０の被検面１３０ａに照射される。被検面１３０ａにて反射された測定光は参照光と再び重ねあわされ、計測光束として再び無偏光ビームスプリッタ２４に向かい、そこで反射されて偏光子１２８へと向う。参照光および測定光は、偏光子１２８にて共通の偏光成分が抽出されて干渉光とされ、画像検出器１１６にて干渉縞が撮像される。
【００２０】
光路調整手段（偏波面保存光ファイバ１１８）では、参照面１１４ａで反射する参照光と被検面１３０ａで反射する測定光との光路長差Ａを相殺するために、光源１１２からの光束の直交する直線偏光間に光路長差Ｂを与えている。例えば、図３に示した例でいうと、偏波保存光ファイバ１１８によって、紙面に垂直な直線偏光成分の位相は紙面に平行な直線偏光成分に対して遅れる。この位相の遅れ（光路長差Ｂ）は、参照面１１４ａと被検面１３０ａとの間の光路長の２倍（光路長差Ａ）と位相の遅れ（光路長差Ｂ）との差が、光束の可干渉距離よりも小さくなるようにとられる。すなわち、参照面１１４ａで反射した参照光のうちの紙面に垂直な直線偏光成分と、被検面１３０ａで反射した測定光のうちの紙面に平行な直線偏光成分とが干渉し得る成分である。
【００２１】
参照ミラー１１４と被検面１３０ａの間には除去手段（偏光子１２０）が設置され、参照ミラー１１４を透過した光のうちの紙面に垂直な直線偏光成分を除去し、紙面に平行な成分のみを透過させる。すなわち、測定光から干渉を生じさせるのに必要な成分のみを残し、バイアスとなる成分を除去している。
次にこのバイアス成分除去の効果の程度をより詳しく見るために、図２に示した従来例と対比して説明を行う。図２の光学系において、光路長調整手段１８を直進して参照面１４ａに到達し、該参照面１４ａにて反射して画像検出器１６に到達する光の電場をＥ１、光路調整手段１８により迂回した光路を通り、参照面１４ａにて反射して画像検出器２０に到達する光の電場をＥ２とする。同様に、光路調整手段１８を直進、迂回するそれぞれの光が被検面にて反射され、画像検出器１６に到達する光の電場をそれぞれＥ３、Ｅ４とする。
【００２２】
これらＥ１からＥ４の電場は次式（１）で表すことができる。
【数１】
2006064451.tif 000003
【００２３】
ここで、波数ｋは光束に含まれる成分の平均値を用いている。画像検出器１６で観測される干渉強度は次式（２）のＩに比例する。
【数２】
2006064451.tif 000004
【００２４】
また、光源の発振周波数幅Δωと、その光の可干渉距離ΔＬとの関係は次式（３）で表される。
【数３】
2006064451.tif 000005
【００２５】
測定に使用する光束の可干渉距離ΔＬに対して、参照面１４ａと被検面３０ａの間の光路長ｌ２−ｌ１が大きく、かつ、遅延光路にて生じる光路長差Δｌと光路長ｌ２−ｌ１との差が可干渉距離ΔＬより小さければ、Ｅ２とＥ３の電場のみが干渉し、電場Ｅ２とＥ３のみに由来する干渉信号が得られる。そして、その他の電場の組み合わせによる光強度変動は生じない。この場合、式（２）で示した干渉強度は次式（４）のように表される。
【数４】
2006064451.tif 000006
【００２６】
ここで、Ｅ１・Ｅ１＊＝Ａ、Ｅ２・Ｅ２＊＝Ｂ、Ｅ３・Ｅ３＊＝Ｃ、Ｅ４・Ｅ４＊＝Ｄとした。
また、バイアス成分に対する光強度振幅の比率を示したコントラストＶＣ（＝振幅／バイアス）は式（５）によって示される。
【数５】
2006064451.tif 000007
【００２７】
コントラストＶＣが１に近いほど、被検面の形状に応じて変化する干渉縞の明暗の強度振幅が大きくなるため、検出器の強度測定レンジが有効に使える。その場合、Ｓ／Ｎ比が向上し、精度の高い測定が可能となる。
しかしながら、従来技術においては、上記のバイアス成分（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が大きいため、干渉縞のコントラストが小さくなり検出器の強度測定レンジが有効に使用できない。その結果、干渉縞信号のＳ／Ｎ比が悪くなる。
それに対して、図３に示す本実施形態の光学系では、光路長調整手段１１８にて遅延された成分のうち（図の紙面に垂直な成分）、参照面１１４ａを透過する成分は除去手段１２０にて除去される。すなわち、従来技術の光学系での上記のＥ４に対応する成分が除去されることとなる。よって、画像検出器で検出される光の電場は以下の式で表される。
【数６】
2006064451.tif 000008
【００２８】
ここで、Ｅ１は図３の紙面に平行な直線偏光成分（光路長調整手段１１８で遅延を受けていない成分）が参照面１１４ａにて反射して画像検出器１１６に到達する光の電場を示し、Ｅ２は紙面に垂直な直線偏光成分（光路調整手段１１８により遅延を受けた成分）が参照面１４ａにて反射して画像検出器１１６に到達する光の電場とする。また、Ｅ３は紙面に平行な直線偏光成分（光路長調整成分１１８で遅延を受けていない成分）が被検面１３０ａにて反射され画像検出器２０に到達する光の電場を示している。
その結果、観測される干渉強度ＩｎｅｗとコントラストＶｃｎｅｗは、
【数７】
2006064451.tif 000009
【数８】
2006064451.tif 000010
と表される。ここで、式（４）と同じく、Ｅ１・Ｅ１＊＝Ａ、Ｅ２・Ｅ２＊＝Ｂ、Ｅ３・Ｅ３＊＝Ｃとした。
【００２９】
従来技術における干渉縞のコントラスト（式（５））と、本実施形態における干渉縞のコントラスト（式（８））の比は、
【数９】
2006064451.tif 000011
となる。すなわち、本実施形態でのコントラストは従来技術のものよりも高い。例えば、Ａ＝Ｂ＝Ｃ＝Ｄとすると、上記の比（式（９））は、
【数１０】
2006064451.tif 000012
となり、従来技術と比べ、およそ３０％コントラストを高めることができる。つまり、光源のレーザー光強度の調整や画像検出器の利得調整を適切に行えば、従来の方式に比べて測定分解能を概略３０％程度向上させることが可能となる。
このように、本実施形態においては光路調整手段として、直交する直線偏光成分間に位相差を与えるものを用い、さらに光路長調整手段にて光路長差Ａが相殺されない偏光成分の光束を、前記参照光および／または測定光から除去する除去手段を設けるという構成をとることによって、撮像する干渉縞のコントラストを高め、干渉信号のＳ／Ｎ比を高めることが可能となった。
【００３０】
また、本実施形態では偏波面保存光ファイバの複屈折性を利用し、光路長調整手段として用いている。偏波面保存光ファイバには、図４に示すように、光の進行する軸に垂直な面において、進相軸と遅相軸と呼ばれる軸が存在する。一般のシングルモードの光ファイバには直交する２つの偏波面のモードが存在するが、さらに偏波面保存光ファイバでは、進相軸および遅相軸と光軸の作る面内でそれぞれ偏波する光は、各偏波モード間の結合が生じ難く、互いに偏波面が保存される。遅相軸に方向に偏波した光は、進相軸方向に偏波した光に対して位相が遅れる。その位相遅れ量は、偏波面保存光ファイバの長さ１ｍに対し、光路長差に換算すると１ｍｍ程度に相当するのが一般的である。例えば、１０ｍの偏波面保存光ファイバを用いれば、該偏波面保存光ファイバ出射時に偏光面が互いに直交する２つの光束の間の光路長差は１０ｍｍ程度相当になる。
【００３１】
つまり、偏波面保存光ファイバに光を通すことで、進相軸方向に偏光する光に対する屈折率と遅相軸方向に偏光する光に対する屈折率との差により、互いに直交する直線偏光成分間に位相遅れを生じさせている。図３に示した実施形態では、光源１１２は、その光の可干渉距離が参照面１１４ａを経る参照光の光路長と被検面１３０ａを経る測定光の光路長との光路長差よりも小さい低可干渉光源を用いており、偏波面保存光ファイバ１１８によって付与される光路長差は、参照光と測定光との光路長差との差が光源１１２からの光の可干渉距離（コヒーレント長）よりも小さくなるように調整されている。参照面１３０ａで反射された光のうち、偏波面保存光ファイバ１１８の遅相軸方向に偏光した直線偏光成分を参照光、測定対象物２８の被検面で反射された光のうち偏波面保存光ファイバ１１８の進相軸方向に偏光した直線偏光成分を測定光として利用すると、参照光と測定光との光路長差が、光のコヒーレント長よりも短くなるため互いの光が干渉できることになる。
【００３２】
さらに、余分な干渉ノイズを生じさせないために、干渉計内にて生じる不要な反射光どうしの光路長差、もしくは不要な反射光と測定光または参照光との光路長差よりも、光源１１２からの光のコヒーレント長を短くする。つまり、測定対象物１３０の裏面からの反射光や、ビームスプリッタ１２４、コリメートレンズ１２６等の他の光学部材からの反射光というような、測定光および参照光以外の不要な光に対して、不要な光どうしの間の光路長差や、不要な光と測定光または参照光との間の光路長差が、コヒーレント長より長くなるようにすればよい。そして、参照光と測定光との干渉縞のみが測定に必要であるため、偏波面保存光ファイバ１１８によって調整された参照光と測定光の光路長差が、コヒーレント長より短くなるように配置調整すればよい。
【００３３】
本実施形態のように光路調整手段として偏波面保存光ファイバを用いることは好適である。なぜなら、光ファイバは測定装置自身を光源と分離して小型化したり、熱源である光源を分離して測定装置の性能を向上させるなどの理由で多用されており、これらの目的に加えて、本発明のように偏波面保存光ファイバの性質を積極的に利用すれば、従来必要であった光束を迂回させるための特別な光学系を必要とすることなく、簡単な構成で低可干渉性光源用のフィゾー型干渉計を構築することが可能となるからである。
また、偏波面保存光ファイバとしては、例えば、光ファイバのコアのある特定の方向に応力を付加した、通称パンダ（ＰＡＮＤＡ：Polarization-maintaining AND Absorption reducing）型と呼ばれる光ファイバ等を用いればよい。直交する２つの偏波面のモードを持ち、入射光と出射光の偏光が維持される光ファイバであれば、他の構造の光ファイバでも問題なく使用できる。
【００３４】
本実施形態では光路長調整手段（偏波面保存光ファイバ１１８）は、光源１１２の後段、つまり光源１１２と参照ミラー１１４の間の光路、に設置され、被検面１３０ａに測定光を照射する前に光源１１２からの光束に対して光路長差を与える構成としたが、撮像手段（画像検出器１１６）の前段に設置して、参照光と前記被検面１３０ａにて反射した測定光とを再び重ね合わせた計測光束に対して光路長差を与える構成としても良い。
また、本発明はフィゾー型の配置の干渉計に適用することが好適であるが、それに限定されることなく他の配置の干渉計に適用してもよい。
【００３５】
なお、上で述べたように光路長調整手段として偏波面保存光ファイバを使用することが好適であるが、従来技術２、３に示されたような構成を用いてもよい。例えば、図５に示すように、偏光ビームスプリッタ１５０、１５６を組み合わせた構成をとればよい。偏光ビームスプリッタ１５０に入射した光束のうち、紙面に平行な直線偏光成分はそのまま直進し、さらに偏光ビームスプリッタ１５６を透過するという光路をとる。一方、紙面に垂直な直線偏光成分は該ビームスプリッタ１５０にて反射され、ミラー１５２、１５４を経て迂回した光路をとり、さらに偏光ビームスプリッタ１５６で反射され、直進した光束と再び同じ光路に戻る。
【００３６】
実施形態２
図６は位相シフト法による形状測定を行う場合の実施形態である。図３のものと対応する部材には同一符号を付け、説明を省略する。
位相シフト法は、参照光と測定光との間に相対的な位相差を与え、複数の異なった位相シフト量を持つ干渉縞から形状情報を得るというものである。そのため、図５の干渉計１１０には、参照面の移動を行うために参照面駆動手段１３２が備えられている。参照面駆動手段１３２はピエゾ素子などを用いて構成される。
参照面駆動手段１３２によって参照手段１１４の参照面１１４ａを移動させて、測定対象物の被検面１３０ａに対する参照面１１４ａの相対距離を光軸方向に僅かに変化させる。参照面駆動手段１３２は制御手段１３４によってその駆動量が制御される。
また、コンピュータ１３６は、制御手段１３４、画像検出器１１６に接続されており、コンピュータ１３６の記憶部１３８では、参照面の位置情報、撮像した干渉縞の情報等が記憶される。そして、演算部１４０で記憶部１３６に記憶された複数の干渉縞の情報から被検面の形状が算出される。
【００３７】
実施形態３
図７は、位相シフト法による形状測定を行う場合の他の実施形態である。ここで、図３のものと対応する部材には同一符号を付し説明を省略する。また、図中の両矢印記号は、紙面に平行な直線偏光成分を、二重丸の記号は紙面に垂直な直線偏光成分を、丸矢印記号は、左右の円偏光成分を、それぞれ示している。
図７の実施形態では、偏光を利用することで参照面を変位することなく、位相をシフトさせた複数の干渉縞を撮像することができる。このような偏光を利用した位相シフト法についての詳細は、特許文献４、５に記載されている。
本実施形態の干渉計は、参照光および測定光からなる計測光束を複数の光束に分割する光分割手段１４２を備える。本実施形態の光分割手段１４２は、複数の無偏光ビームスプリッタ（１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃ）で構成され、それぞれ画像検出器１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃの前段に設置されている。
【００３８】
参照光と被検面で反射された測定光とからなる計測光束は、無偏光ビームスプリッタ１２４で反射され、その後段に設置された１／４波長板１４４を通り、互いに直交する直線偏光成分が、互いに逆回りの円偏光とされる。つまり、干渉に利用する参照光および測定光の直線偏光成分を互いに逆回りの円偏光に変える。
その後、光分割手段１４２によって複数の光束に分割される。図７では計測光束が３光束に分割される場合を示している。分割された光は偏光成分抽出手段としての偏光板１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃをそれぞれ通り、画像検出器１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃによりそれぞれの干渉縞が撮像される。
図８は偏光板（１２８ａ，１２８ｂ，１２８ｃ）の透過軸の設置角度と干渉縞の位相との関係を示している。図８では、位相シフト量が０°、９０°、１８０°の干渉縞を取り出す場合を示した。
【００３９】
参照光と測定光とは互いに逆回りの円偏光となっているため、偏光板によって取り出す直線偏光成分の方向によって、参照光と測定光との間の位相関係が異なる。偏光板１２８ａの透過軸を０°方向、偏光板１２８ｂの透過軸を４５°方向、偏光板１２８ｃの透過軸を９０°方向となるようそれぞれ設置すると、各偏光子を介して得られる干渉縞は、それぞれ位相シフト量が概略０°、９０°、１８０°のものが得られる。
得られた位相シフト量が異なる干渉縞の情報は、コンピュータ１３６の記憶部１３８に記憶され、演算部１４０により測定対象物の被検面１３０ａの形状が算出される。
このように、偏光板の透過軸の方向により干渉縞の位相シフト量が決まるため、光分割手段の後段に設置された偏光板の透過軸の方向を異なる方向に設置することにより、参照面変位のための可動部分を設けることなく、位相シフトされた干渉縞を同時に撮像することができる。
【００４０】
実施形態４
図９は、図７の実施形態の変形例である。図７のものと対応する部材には同一符号を付し詳しい説明を省略する。
本実施形態では、参照光および測定光の２つの直交する直線偏光光束を１／４波長板を透過させずにそのまま分割し、偏光板（偏光成分抽出手段）および波長板の組み合わせにより位相シフト量の異なる複数の干渉縞を得ている。
参照光および測定光とからなる計測光束は、光分割手段１４２（無偏光ビームスプリッタ１４２ａ，ｂおよびミラー１４２ｃ）により三つの光束に分割される。分割された光束は、偏光成分抽出手段（偏光板１２８ａ，１２８ｂ，１２８ｃ）を通過して所定の偏光成分が抽出され、画像検出器１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃによってそれぞれの干渉縞が得られる。また、分割した光の光路上に、複屈折性の媒体（１／４波長板１４６）を、偏光成分抽出手段（偏光板１２８ｂ）の前段に設置し、直交する直線偏光間に位相差を与えている。
【００４１】
図１０は図９の実施形態における偏光板の透過軸の設置角度と干渉縞の位相シフト量の関係を示す説明図である。図８のものとは異なり、参照光と測定光とは互いに直交する２つの直線偏光のまま、複数の光束に分割されている。
まず、画像検出器１１６ａでは、位相シフト量が０°の干渉縞が撮像される。ここで、撮像手段１１６ａの前段に設置された偏光板１２８ａ（偏光成分抽出手段）は、その透過軸を所定の方向（角度α）に配置している。この透過軸の方位は、参照光および測定光の偏光方位と全く同じ方向でなければどのような方向をとってもかまわない。
【００４２】
画像検出器１１６ｂでは、１／４波長板１４６を偏光子１２８ｂの前段に設置することで、位相シフト量が９０°の干渉縞画像を得ている。ここで、偏光板１２８ｂの透過軸の方位は偏光板１２８ａの透過軸方位と同じであり、また、１／４波長板１４６の進相軸方位および遅相軸方位を、参照光および測定光の偏光方向に一致させている。このため、参照光と測定光との間に９０°の相対的な位相差を与えることができる。このように、波長板のような複屈折性の媒体を光路上に設置することで、互いに直交する直線偏光である参照光と測定光との間に、相対的な位相差を付与することができる。
また、画像検出器１１６ｃでは、その前段に設置される偏光子１２８ｃの透過軸の方位を角度α＋９０°の方向に、つまり偏光板１２８ａの透過軸方位に対して概略９０°回転させた方向に配置している。すると、画像検出器１１６ａで撮像される干渉縞と比べて、１８０°位相シフトされた干渉縞を得ることができる。
以上のようにして、位相シフト量が概略０°、９０°、１８０°である干渉縞を同時に撮像することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】従来のフィゾー型干渉計の概略構成図
【図２】低可干渉性の光源を用いた従来のフィゾー型干渉計における光路長調整の説明図
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる干渉計の概略構成図
【図４】偏波面保存光ファイバについての説明図
【図５】光路長調整手段の変形例
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる干渉計の概略構成図
【図７】本発明の第３の実施形態にかかる干渉計の概略構成図
【図８】第３の実施形態における偏光子の透過軸と位相シフト量の関係の説明図
【図９】本発明の第４の実施形態にかかる干渉計の概略構成図
【図１０】第４の実施形態における偏光子の透過軸と位相シフト量の関係の説明図
【符号の説明】
【００４４】
１１０        干渉計
１１２        光源
１１４        参照ミラー（参照手段）
１１６        画像検出器（撮像手段）
１１８        偏波面保存光ファイバ（光路長調整手段）
１２０        偏光子（除去手段）
１２８        偏光子（偏光成分抽出手段）
【図１】
2006064451.tif 000013
【図２】
2006064451.tif 000014
【図３】
2006064451.tif 000015
【図４】
2006064451.tif 000016
【図５】
2006064451.tif 000017
【図６】
2006064451.tif 000018
【図７】
2006064451.tif 000019
【図８】
2006064451.tif 000020
【図９】
2006064451.tif 000021
【図１０】
2006064451.tif 000022