(57)【要約】【課題】位相計測装置において、簡易な構成を可能とするとともに、振動の影響を抑えることを目的とする。【解決手段】本発明は、第１光源から射出した第１の光を平行もしくは略平行に形成して被計測試料を透過させる手段と、被計測試料位置が前側焦点位置と一致するように配置された対物レンズと、対物レンズからの光束を集光し、被計測試料の像を観察面に結像する結像レンズと、光ファイバを使用して導かれ、かつ、第１の光と可干渉な第２の光を拡散して出射する第２光源と、第１の光、第２の光の一方の透過光と、他方の反射光を結像レンズの光軸上で重ねる半透鏡と、観察面上に置かれた撮像装置と、を備え、観察面には、第１の光と第２の光による干渉像が形成されることを特徴とする。【選択図】図２
2018048989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光源から射出した第１の光を平行もしくは略平行に形成して被計測試料を透過させる手段と、
被計測試料位置が前側焦点位置と一致するように配置された対物レンズと、
対物レンズからの光束を集光し、被計測試料の像を観察面に結像する結像レンズと、
光ファイバを使用して導かれ、かつ、第１の光と可干渉な第２の光を拡散して出射する第２光源と、
第１の光、第２の光の一方の透過光と、他方の反射光を結像レンズの光軸上で重ねる半透鏡と、
観察面上に置かれた撮像装置と、を備え、
観察面には、第１の光と第２の光による干渉像が形成されることを特徴とする
位相計測装置。
【請求項２】
対物レンズの焦点から結像レンズまでの第１光学距離は、第２の光の出射点から結像レンズの間の第２光学距離に等しい、若しくは、略等しいことを特徴とする
請求項１に記載の位相計測装置。
終端処理部
【請求項３】
第２光源は、終端処理部光終端処理部から射出された光を、結像レンズ側からみた出射点として集光するレンズを備えたことを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の位相計測装置。
【請求項４】
半透鏡の反射側、透過側の内、結像レンズが配置されていない側に配置され、対物レンズから出射された光をサブ観察面に集光するサブ結像レンズを備えたことを特徴とする
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の位相計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可干渉な光を干渉させ計測対象物で生じる位相変化を計測することで、屈折率分布などを測定、観察する位相計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は異なる媒質内を透過することで可干渉ビームの位相が変化することを利用して、媒質の特性を計測するものである。ここでは、まず位相計測の原理について、可干渉ビームとして光を利用した場合を例に取って説明を行う。
【０００３】
図１は、従来の位相計測装置３（マハ・ツェンダ干渉計）の構成を示す模式図である。この位相計測装置４では、光源１０から出た可干渉ビームは、第１の半透鏡４５ａによって反射光と透過光に分割される。反射光は第１の反射鏡４６ａにて反射され、被計測試料Ｓを照明する。被計測試料Ｓを透過した光（物体光）は、レンズ４３ａで集光・発散した後、第２の半透鏡４５ｂを透過し、結像レンズ４４を介して観察面４１に被計測試料Ｓの像を結像する。
【０００４】
一方、第１の半透鏡４５ａを透過した光は、第２の反射鏡４６ｂで反射され、レンズ４３ｂで集光・発散の後、第２の半透鏡４５ｂで反射され、結像レンズ４４にて観察面４１を照明する。観察面では、上記物体光と、被計測試料Ｓを透過していない光（参照光）の干渉による像を観察することが可能となる。
【０００５】
特許文献１には、このような原理を使用した屈折率分布測定システムが開示されている。この屈折率分布測定しシステムでは、マッチング液と被検物の屈折率が同程度となった場合や両者の積算位相が波長の整数倍となった場合、被検物の輪郭が把握しづらくなるという課題を解決するため、２つの波長を使用し、１つの波長を使用して被検物の屈折率分布を取得し、他方の波長を使用して被検物の輪郭を取検出することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１０７０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、図１で説明した位相計測装置４、また、特許文献１に開示される屈折率分布測定システムでは、被計測試料Ｓを通過した物体光と、通過していない参照光の２つの光路を使用する必要がある。そのため、各光路に反射鏡４６ａ、４６ｂ、レンズ４３ａ、４３ｂを配置する必要があり、使用する光学素子の数が多くなる。物体光も参照光も、反射鏡、半透鏡を３枚経由するため、反射鏡、半透鏡の面精度、厚さ精度による変調を３度受けることになる。干渉像は、物体光と参照光の相対的な位相の差によって形成されるので、使用する光学素子の数が多いほど高い計測精度を得ることが難しくなる。また、光学素子を適切な位置に配置する必要があるため、工数も多くなる。また、位相計測装置４に対する振動は、それぞれの光路（例えば、第１の反射鏡４２ａと第２の反射鏡４２ｂ）に異なる位相で作用するため、観察面４１で観察（計測）する干渉像への影響が大きくなることが予想される。
【０００８】
本発明は、このような従来の位相計測装置３について、使用する光学素子の数を抑えることで、より高い計測精度の実現、製造の容易化、製造コスト削減、そして、観察する干渉像への振動の影響を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明に係る位相計測装置は、
第１光源から射出した第１の光を平行もしくは略平行に形成して被計測試料を透過させる手段と、
被計測試料位置が前側焦点位置と一致するように配置された対物レンズと、
対物レンズからの光束を集光し、被計測試料の像を観察面に結像する結像レンズと、
光ファイバを使用して導かれ、かつ、第１の光と可干渉な第２の光を拡散して出射する第２光源と、
第１の光、第２の光の一方の透過光と、他方の反射光を結像レンズの光軸上で重ねる半透鏡と、
観察面上に置かれた撮像装置と、を備え、
観察面には、第１の光と第２の光による干渉像が形成されることを特徴とする。
【００１０】
さらに本発明に係る位相計測装置において、
対物レンズの焦点から結像レンズまでの第１光学距離は、第２の光の出射点から結像レンズの間の第２光学距離に等しい、若しくは、略等しいことを特徴とする。
【００１１】
さらに本発明に係る位相計測装置において、
第２光源は、光ファイバから射出された光を、結像レンズ側からみた出射点として集光するレンズを備えたことを特徴とする。
【００１２】
さらに本発明に係る位相計測装置において、
半透鏡の反射側、透過側の内、結像レンズが配置されていない側に配置され、対物レンズから出射された光をサブ観察面に集光するサブ結像レンズを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上、本発明に係る位相計測装置は、従来の位相計測装置に対して、使用する光学素子の数が抑えられた構成であるとともに、光ファイバの取り回しも容易であるため、計測精度の向上、製造の容易化、製造コスト削減を図るとともに、観察する干渉像への振動の影響を抑えることが可能となる。
【００１４】
さらに本発明に係る位相計測装置は、対物レンズの焦点から結像レンズまでの第１光学距離は、第２の光の出射点から結像レンズの間の第２光学距離に等しい、若しくは、略等しくすることで、被計測試料を通過した物体光と、通過していない参照光の波面の条件（波面の曲率等）を揃えた上で干渉させ、観察対象となる干渉像の精度向上を図ることが可能となる。
【００１５】
さらに本発明に係る位相計測装置において、第２光源は、光ファイバから射出された光を、結像レンズ側からみた出射点として集光するレンズレンズを備えたことを特徴としている。このように出射点位置を焦点とするレンズを使用することで、レンズを移動させることによる微調整を容易にすることが可能となる。
【００１６】
さらに本発明に係る位相計測装置は、半透鏡の反射側、透過側の内、結像レンズが配置されていない側に配置され、対物レンズから出射された光をサブ観察面に集光するサブ結像レンズを備えたことを特徴としている。例えば、サブ結像レンズの倍率を結像レンズの倍率よりも低くしておくことで、サブ結像レンズによる全体像を観察しつつ、結像レンズによる干渉像を観察することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来の位相計測装置（マハ・ツェンダ干渉計）を示す模式図
【図２】第１実施形態の位相計測装置を示す模式図
【図３】第１実施形態の位相計測装置の光学距離を説明するための模式図
【図４】位相計測装置における光学距離の許容範囲を説明する模式図（その１）
【図５】位相計測装置における光学距離の許容範囲を説明する模式図（その２）
【図６】位相計測装置における光学距離の許容範囲を説明する模式図（その３）
【図７】位相計測装置における光学距離の許容範囲を説明する模式図（その４）
【図８】第２実施形態の位相計測装置を示す模式図
【図９】第３実施形態の位相計測装置を示す模式図
【図１０】第３実施形態の位相計測装置の光学距離を説明するための模式図
【図１１】第４実施形態の位相計測装置を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１実施形態）
図２は、第１実施形態の位相計測装置１を示す模式図である。本実施形態の位相計測装置１は、コリメータレンズ１４、対物レンズ１５を収納した対物レンズユニット１５ａ、半透鏡１６、結像レンズ１７を有する。物体光と参照光を形成するための光源１０には、所定波長の光を出射するレーザー光源を使用している。光源１０から出射された光は、光ファイバ１２ａを通過して、カプラ１１にて２つに分光され、それぞれ、光ファイバ１２ｂ、１２ｃに入射する。光ファイバ１２ｂに入射した光は、終端処理部１３ａからコリメータレンズ１４に向けて出射される。一方、光ファイバ１２ｃに入射した光は、終端処理部１３ｂから半透鏡１６に向けて出射される。光ファイバ１２ｂ、１２ｃに設けられた終端処理部１３ａ、１３ｂは、光ファイバ１２ｂ、１２ｃの先端をそのまま使用すること、あるいは、光ファイバ１２ｂ、１２ｃの先端にファイバヘッドを設けることとしてもよい。終端処理部１３ａ、１３ｂの位置は、略点光源とみなすことができ、この終端処理部１３ａ、１３ｂを出射点として光（拡散光）が拡散して出射される。
【００１９】
終端処理部１３ａから出射された光は、終端処理部１３ａの先端付近を光源（点光源）位置とみなすことのできる光である。終端処理部１３ａから出射された光は、コリメータレンズ１４にて平行な光、あるいは、略平行な光に変換され、図示しない試料ステージ等で固定された被計測試料Ｓを照射する。被計測試料Ｓを透過した光は、被計測試料Ｓによる位相変化を受けた物体光となる。
【００２０】
コリメータレンズ１４から出射された平行な光、あるいは、略平行な光（鎖線）は、所定焦点を有する対物レンズ１５にて集光される。本実施形態では、対物レンズ１５に、市販されている顕微鏡で使用される対物レンズユニット１５ａを使用している。対物レンズユニット１５ａは、流通量が多いため、比較的、安価に入手することが可能である。対物レンズ１５を通過した光は、半透鏡１６を通過した後、結像レンズ１７で観察面２１に投影される。観察面２１の位置には、ＣＣＤ等の撮像素子２２が配置されている。
【００２１】
その際、被計測試料Ｓの１点から散乱した光（一点鎖線）は、対物レンズ１５にて平行な光、あるいは、略平行な光に変換され、半透鏡１６を通過した後、結像レンズ１７で、観察面２１に結像する。このような構成により、被計測試料Ｓから出射された光は、観察面２１で結像し、観察面２１に被計測試料Ｓの像を投影する。一方、被計測試料Ｓを透過した光は、対物レンズ１５の後焦平面（Back focal plane）に集光し、さらに発散光となって結像レンズ１７に至り、レンズ作用を受けて観察面２１に達する。このとき、対物レンズ１５の後焦平面が結像レンズ１７の前焦平面（Front focal plane）に一致していれば、平行光となって観察面２１を照明するが、この条件は、本発明にとって必須ではない。結像レンズ１７と観察面２１の間で収束光あるいは発散光のどちらでも、観察面で必要なビーム径が確保できれば問題無い。
【００２２】
次に、終端処理部１３ｂから出射される光（破線）について説明する。終端処理部１３ｂから出射される光は、終端処理部１３ａと同様、終端処理部１３ｂの先端付近を光源（点光源）位置とみなすことのできる光である。終端処理部１３ｂから出射された光の一部は、半透鏡１６で反射され、一部は半透鏡１６を通過する。半透鏡１６で反射された光は、結像レンズ１７を通過して観察面２１を照射する。このように第１実施形態では、終端処理部１３ａから出射され、半透鏡１６を透過し、観察面２１に結像する光軸（透過光軸）を、被計測試料Ｓを透過した物体光の光路として使用している。また、透過光軸とは異なる角度をなす反射光軸から、終端処理部１３ｂによる参照光を入射させ半透鏡１６で反射させる形態となっている。
【００２３】
図３は、第１実施形態の位相計測装置１の光学距離を説明するための模式図であり、図２中、被計測試料Ｓから結像レンズ１７までの光路中の構成要件を拡大した図である。本実施形態では、対物レンズ１５の後焦点である集光点Ｐ１から結像レンズ１７の基準位置Ｔまでの光学距離を第１光学距離Ｄ１としている。そして、終端処理部１３ｂから出射される光の出射点とみなせる位置Ｐ２（点光源位置）から半透鏡１６で反射して結像レンズ１７の基準位置Ｔまでの光学距離を第２光学距離Ｄ２としている。この第１光学距離Ｄ１と第２光学距離Ｄ２を等しい、もしくは、略等しく設定している。なお、結像レンズ１７の基準位置Ｔは、図３に示すような結像レンズ１７の中点位置とすることに限らず、適宜位置に設定することが可能である。
【００２４】
このように、第１光学距離Ｄ１と第２光学距離Ｄ２を等しくする、もしくは、略等しく設定することで、以下に示す２つの点において有益となる。第１には、干渉させる物体光と参照光の波面の条件（波面の曲率等）を揃えることが可能となる点である。位相計測装置１において、観察する干渉像の精度の向上を図るためには、干渉させる物体光と参照光の波面の条件を揃えることが重要である。本実施形態のように、結像レンズ１７に対する仮想光源位置（物体光については対物レンズ５の集光点Ｐ１、参照光については終端処理部１３ｂから出射される光の出射点Ｐ２）までの光学距離を等しくする、もしくは、略等しく設定することで、物体光と参照光の波面の条件を揃え、観察する位相の精度向上を図ることが可能となる。
【００２５】
第２には、光の利用効率において有利となる点である。結像レンズ１７に対する仮想光源位置（物体光については対物レンズ５の集光点Ｐ１、参照光については終端処理部１３ｂから出射される光の出射点Ｐ２）までの光学距離を等しくする、もしくは、略等しく設定することで、観察面２１における物体光と参照光の照射範囲を略同じ範囲とし、光の利用効率の向上を図ることが可能となる。
【００２６】
第１光学距離Ｄ１と第２光学距離Ｄ２は、観察対象となる干渉像を十分に観察できる程度に等しい、もしくは、略等しいことが必要となる。ここでは、第１光学距離Ｄ１と第２光学距離Ｄ２の誤差の許容範囲について厳密に検討しておく。図４は、図３の光学系における可干渉光の波面の様子を示したものである。図の左方から平行な可干渉光が被計測試料Ｓを照明する。光の進行方向は波面の法線方向であるので、平行光の波面は平面であり、これは平面波とも呼ばれる。図には、波長の間隔をもって次々に飛来する波面３１を３枚だけ表現している。
【００２７】
被計測試料Ｓ内では、空間中と屈折率が異なるために、照明光の波長が変化する。このときの波長λは、真空中の波長をλ０、試料の屈折率をｎとして、
λ＝λ０／ｎ
で表される。
【００２８】
従って、屈折率が均一な試料であれば、透過波（すなわち物体波）の波面は、被計測試料Ｓの厚い部分ほど遅れることになり、物体波の波面３２のように平面から試料の厚さに応じて遅れた立体的な波面に変化する。厳密には、平面から変化した部分の光は波面の法線方向に進むので、被計測試料Ｓの透過時から次第に形状が崩れてくるが、ここでは煩雑さを避けるためその効果を無視して表現している。
【００２９】
平行光は対物レンズ１５の後焦点である集光点Ｐ１に集光するので、平面波の波面はＰ１を中心とし、波長を間隔とした同心球状の球面波に変化する。被計測試料Ｓを透過した平面波では、この球状波面の被計測試料Ｓの透過部分が遅れた形状になる。ここでも光の進行方向は波面の法線方向なので、厳密には試料によって変化を受けていない部分の光のみが後焦点Ｆ１に集光し、波面が球面から変化した部分はＰ１を通り光軸に垂直な後焦平面上に分布するが、これも煩雑さを避けるため表現されていない。
【００３０】
後焦平面を通過した後、波面はＰ１を中心とする球面となり、試料を透過した部分は試料の厚さに応じて球面から遅れた形状となる。結像レンズ１７の前側焦点がＰ１に一致する場合、光は平行光になるため、波面は再び平面が部分的に遅れた形状となる。
【００３１】
一方参照波の波面は、出射点Ｐ２を中心とし波長を間隔とする同心球状の球面となる。これが半透鏡１６に達すると、結像レンズ１７の方向に反射し、波面３３のようにＰ１を中心とする球面波となって物体波の波面３２と重なる。この図においては、対物レンズ１５の後焦点Ｆ１と参照光の出射点Ｐ２が、いずれも結像レンズ１７も前側焦点に一致、すなわち共焦点系を構成している。レンズの結像関係の基本式
１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ
によれば、レンズと物体（または１次像）間の距離ａがレンズの焦点距離ｆに等しければ、像（または２次像）は無限遠方に形成されるので、この場合には、観察面２１において、物体波は平面から被計測試料Ｓの透過部が変化した物体波の波面３２、参照波は平面波面の波面３３となる。
【００３２】
干渉計測においては、物体波の波面３２と参照波の波面３３との干渉画像から、物体波の波面３２のずれ量を計測し、試料の厚さの分布、あるいは屈折率の分布をもとめる。従って、図４のように対物レンズ１５と結像レンズ１７が共焦点系であれば、平面波からのずれ量を参照平面から測定するので、波面のずれ量は正確に試料による位相変化に対応している。ちなみに、観察される干渉縞は、観察面２１における参照波面が物体波面を切る切り口である。図４においては、物体波の波面３２とその１波長分先の物体波の波面３２’が参照波の波面３３と交差するので、これらの交線が干渉縞となる。ところで、結像レンズ１７が例えば図の右方向に少しずれていた場合、物体光も参照光も収斂光となり、球面からのずれを球面から測ることになる。
【００３３】
図５はこの様子を示したものである。物面側の集光点Ｐ１が結像レンズ１７から遠ざかったため、像面側の結像点は無限遠方から有限の距離の位置Ｐ３まで近づくことになる。結像レンズ１７の物面側では集光点Ｐ１を中心とする球面波であった波面は、像面側では集光点Ｐ３を中心とする球面波となる。観察面２１では、物体波の波面３２と参照波の波面３３が重なるが、このときに計測される干渉縞は、この図の場合には物体波の波面３２および１波長分進行方向の物体波の波面３２’を参照波の波面３３で切った切り口に形成される。この結果、上述した平面波である参照波と平面波状の物体波による干渉縞とはやや異なる干渉縞となる。
【００３４】
従って、対物レンズ１５と結像レンズ１７は共焦点系であることが望ましいが、集光点Ｐ３の位置が遠ければ、すなわち結像レンズ１７と観察面２１間の光束が平行に近ければ、実用上誤差は小さい。これがどの程度であればよいかは実際の光学系、被計測試料Ｓ、および要求される計測精度に依存するので、具体的な数値では表現しがたいが、たとえば結像レンズ１７と集光点Ｐ３の間の距離が、結像レンズ１７と観察面２１の間の距離の数倍程度以上あれば、誤差は十分小さいと予想される。
【００３５】
図６は、図３の光学系において、第１光学距離Ｄ１に対して第２光学距離Ｄ２が短い場合の光路図で、物体光と参照光がそれぞれの集光点Ｐ１、出射点Ｐ２から射出してから結像レンズ１７に入射する直前までの光路を示したものである。線ＱＯＱ’のすぐ先は、結像レンズ１７であり、物体光は平行光となって観察面に至るが、参照光は出射点Ｐ２が近づいたことにより、結像レンズ１７のレンズパワーが不足するため、結像レンズ１７以降も発散光となって広がっていく。
【００３６】
参照光は出射点Ｐ２から射出するが、対物レンズ光軸上の等価な点Ｐ２’から射出すると考えてもよい。第１光学距離Ｄ１と第２光学距離Ｄ２は等しいことが望ましいが、この両者の差がどこまで許されるかは、集光点Ｐ１からの球面波面と出射点Ｐ２からの球面波面のずれがどれだけになるかによって決まる。これを次の図７で説明する。なお、Ｑ、Ｑ’は撮像素子２２の視野の両端に対応する点で、高さＨは視野幅の１／２である。
【００３７】
図７は、第１光学距離Ｄ１と第２光学距離Ｄ２が等しくない場合に、集光点Ｐ１と出射点Ｐ２からの球面波にどれだけのずれが生じるかを説明するための図である。実際には第１光学距離Ｄ１と第２光学距離Ｄ２の差ΔＤは微小であることを想定しているが、図示のために強調して表現している。集光点Ｐ１から出た球面波が結像レンズ直前の光軸上の点Ｏに到達したとき、撮像素子２２のＱ端に到達する光束のＯ点と同位相の波面はＱ１に到達する。
【００３８】
一方、出射点Ｐ２から出た球面波が点Ｏに到達したとき、撮像素子２２のＱ端に到達する光束のＯ点と同位相の波面はＱ２に到達する。このＱ１とＱ２のずれが十分小さく、同一波面と見なすことができれば、Ｑ点以降物体波は平行光、参照波はほぼ平行光となって同一波面と見なせる程度のずれで観察面２１において重畳する。従って、許容されるであろうＱ１とＱ２の差から、許容される光学距離の差ΔＤを見積もる。
線分Ｐ１Ｑ１の距離Ｌは
【数１】
2018048989.tif 000003
と表される。
一方線分ＱＱ１の距離Ｌ１は、
【数２】
2018048989.tif 000004
線分ＱＱ２の距離Ｌ２は同様に
【数３】
2018048989.tif 000005
線分Ｑ１Ｑ２の距離ΔＬは、
【数４】
2018048989.tif 000006
となる。
【００３９】
これが、例えば視野全面にわたって必要とされる計測精度をλ／１００とした場合、
【数５】
2018048989.tif 000007
となるように、第１光学距離Ｄ１と第２光学距離Ｄ２の差を制御すればよい。具体的には、第１光学距離Ｄ１を、一般的な結像レンズ１７の焦点距離としてＤ１=２００［ｍｍ］、Ｈを一般的な撮像素子２２の幅の半分としてＨ＝５［ｍｍ］と見積もると
ΔＤ＝３２λ
となる。すなわち、使用する可干渉光の波長の３２倍程度のずれ内であれば、所望の計測精度（λ／１００）を実現することが可能である。例えば、可視光の範囲０．４５〜０．６５［μｍ］の場合、ΔＤは１５〜２０［μｍ］の範囲で許容される。
【００４０】
これはかなり厳密な場合の値である。実際にはバックグラウンドの位相分布は、被計測試料Ｓを計測したときのバックグラウンドから、被計測試料Ｓを置かない状態のバックグラウンドを差し引けば補正できるので、視野全面にわたって必要とされる計測精度をλ／１０程度としても、実用上十分高い計測精度を得ることができる。この場合には、第１光学距離Ｄ１と第２光学距離Ｄ２の差の許容値は１５０〜２００［μｍ］ということになる。
【００４１】
一般の干渉系では、干渉系を調整したときに干渉縞のない状態、いわゆるワンカラーの状態になることが要求されることがある。最低限必要な精度がこのワンカラーになることと考えると、上記のΔＬはλ／２であり、
【数６】
2018048989.tif 000008
すなわち、すなわち、使用する可干渉光の波長の１６００倍程度のずれ内であれば、所望の計測精度（λ／２）を実現することが可能である。この場合には、第１光学距離Ｄ１と第２光学距離Ｄ２の許容差は０．７〜１［ｍｍ］程度になる。以上の見積もりから、参照光の出射点Ｐ２の光軸方向の位置は、使用する可干渉光の１６００倍以下、可視光の場合、１［ｍｍ］以下であればよく、一般的には０．０１［ｍｍ］以下の精度は必ずしも必要ない。
【００４２】
一方、参照光の出射点Ｐ２の位置は、光軸と直交する方向でも適切な範囲内に納める必要がある。このずれは、観察面においては物体光と参照光の傾きθであり、一定の間隔ｄの干渉縞となる。２光束の傾きθと干渉縞間隔ｄの関係は、
２ｄｓｉｎθ＝λ
であるが、θは十分小さいので、
２ｄθ＝λ
と書くことが出来る。一方、出射点Ｐ２の光軸からのずれ量をΔＨとすると、
【数７】
2018048989.tif 000009
という式が得られる。通常干渉画像は、ワンカラーでは０本からフーリエ変換法と呼ばれる解析法では２００本といった数の干渉縞で構成される。これからビーム高さＨと干渉縞間隔ｄの関係を求めると、
【数８】
2018048989.tif 000010
となるので、ここでも、Ｄ１=２００［ｍｍ］、Ｈを一般的な撮像素子２２の幅の半分としてＨ＝５［ｍｍ］と見積もると、
【数９】
2018048989.tif 000011
となる、したがって、光軸と直交する面内で、この程度（波長の７９９０倍以内）の精度と範囲で位置合わせができれば、様々な計測および解析法に対応することができる。
【００４３】
以上説明した、第１実施形態の構成により、観察面２１には、終端処理部１３ａから出射され、被計測試料Ｓを通過した第１の光（物体光）と、終端処理部１３ｂから射出され、半透鏡１６で反射した第２の光による干渉像を投影、観察することが可能となる。特に、本実施形態では、図１で説明した従来の位相計測装置３に対して、使用する光学素子の数が抑えられるため設計、製造が容易となる。また、従来の位相計測装置４では、第１の反射鏡４２ａ、第２の反射鏡４２ｂを使用するため、振動に対する影響がシビアとなることが考えられるが、本実施形態の位相計測装置３では、１つの半透鏡１６を使用して物体光と参照光を干渉させるため、振動の影響が少ない構成となっている。
【００４４】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の位相計測装置１を示す模式図である。図２で説明した第１実施形態について、第２の光（参照光）を終端処理部１３ｂから出射する構成としている。ところで、図３で説明したように、観察する位相象の精度、並びに、光の利用効率の向上を図るには、第１光学距離Ｄ１と第２光学距離Ｄ２を等しくする、もしくは、略等しくすることが重要となる。第１光学距離Ｄ１の始点となる対物レンズ１５の集光点Ｐ１については、対物レンズ１５の規格上、予め分かっている数値（焦点距離）を使用して特定することが可能である。しかしながら、終端処理部１３ｂの出射点（点光源）は、特定することが困難となる場合がある。
【００４５】
第２実施形態では、このような事情を考慮し、終端処理部１３ｂから半透鏡１６に向けて直接、第２の光（参照光）を出射する第１実施形態について、２つのレンズ（第１レンズ１８ａ、第２レンズ１８ｂ）を介して、半透鏡１６に第２の光（参照光）を照射する構成としている。図４に示されるように、終端処理部１３ｂから出射された光は、凸レンズからなる第１レンズ１８ａで広がり角度が抑えられ、平行、あるいは、略平行な光に変換される。そして、凸レンズからなる第２レンズ１８ｂに入射して、出射点Ｐ２に集光される。
【００４６】
対物レンズ１５が高倍率である場合、その焦点距離は短くなるため、対物レンズ１５の後焦平面は結像レンズ１７から遠い位置に移動し、かつそこにおける発散角は大きくなる。従って倍率変更に伴い終端処理部１３ｂを光軸に沿って微動する必要があり、さらに終端処理部１３ｂからの発散角は一定であるので、仮想光源位置においてそれを変化させることがのぞましい。図のごとく共焦点系のレンズを介して仮想光源を形成すれば、光軸に沿って終端処理部１３ｂを微動すれば第２光学距離を変化させることができ、終端処理部と第１レンズを光軸に沿って適切に微動すれば仮想光源の位置は変わらず、そこにおける発散角だけを制御することができる。また第１のレンズと第２のレンズの間に開口径が可変の絞りを設置しても、仮想光源位置における発散角を変化させることができる。
【００４７】
また、撮像素子２２で干渉縞を適切な間隔、形状にするためには、参照光の重ね合わせの角度や横ずれを微調整する必要がある。第２レンズ１８ｂをレンズ軸に垂直な平面内で微動すれば仮想光源を横ずれさせることができ、また終端処理部１３ｂと第１レンズ１８ａをセットで光軸に垂直な面内で微動すれば、仮想光源の位置は変わらずそこにおける傾き角だけを変化させることが可能である。
【００４８】
このように第２実施形態では、特に、光学的特性（焦点距離）が予め分かっている第２レンズ１８ｂを使用することで、第２光学距離Ｄ２を設定するのに重要となる出射点Ｐ２を第１実施形態の場合よりも、更に正確に設定することが可能となる。
【００４９】
（第３実施形態）
第１実施形態、第２実施形態では、半透鏡１６の透過光を第１の光（物体光）として使用し、半透鏡１６の反射光を第２の光（参照光）として使用していた。第３実施形態では、このような形態に代え、半透鏡１６の反射光を第１の光（物体光）として使用し、半透鏡１６の透過光を第２の光（参照光）として使用している。図５は、第３実施形態の位相計測装置１を示す模式図であり、図６は、第３実施形態の位相計測装置１の光学距離を説明するための模式図である。
【００５０】
終端処理部１３ａ、１３ｂから出射される光は、光源１０から出射された光をカプラ１１で分光したものが使用される。終端処理部１３ａから出射された光は、コリメータレンズ１４を経た後、被計測試料Ｓを照射して対物レンズ１５を使用して集光される。第３実施形態では、対物レンズ１５で集光された光（物体光）は、半透鏡１６で反射され、結像レンズ１７にて観察面２１に像を結ぶ。一方、終端処理部１３ｂから出射された光（参照光）は、半透鏡１６を透過して結像レンズ１７に入射し、観察面２１を照明する。このように第３実施形態では、終端処理部１３ｂから出射され、半透鏡１６を透過し、観察面２１に結像する光軸（透過光軸）を参照光の光路として使用している。また、透過光軸とは異なる角度をなす反射光軸から、被計測試料Ｓを透過した物体光を入射させ、半透鏡１６で反射させる形態となっている。
【００５１】
第３実施形態においても第１光学距離Ｄ１と第２光学距離Ｄ２を一致、もしくは、略一致させることで、波面条件を揃えることによる正確な干渉像の形成、並びに、光の利用効率の点で有利となる。第３実施形態の第１光学距離Ｄ１は、対物レンズ１５の集光点Ｐ１から半透鏡１６で反射して結像レンズ１７の基準位置Ｔに至るまでの光学距離である。一方、第２光学距離Ｄ２は、終端処理部１３ｂにおける光の出射点Ｐ２から結像レンズ１７の基準位置Ｔに至るまでの光学距離である。なお、出射点Ｐ２については、第２実施形態と同様、第１レンズ１８ａ、第２レンズ１８ｂ等の光学素子を使用して、正確な位置決めを行うこととしてもよい。
【００５２】
第３実施形態では、第１、第２実施形態と、位相計測装置１に使用する各種構成のレイアウトが異なったものになる。特に、第３実施形態では、終端処理部１３ａから観察面２１までの光路を折り曲げているため、第１、第２実施形態と比して装置の全長を短く抑えることが可能となっている。ただし、半透鏡１６における透過率はその反射率よりも高いことが多いため、被計測試料Ｓを通過した光（物体光）の光量を多くする点においては、第１、第２実施形態が有利となることがある。
【００５３】
（第４実施形態）
図７は、第４実施形態の位相計測装置１の構成を示す模式図である。第１あるいは第２の実施形態との大きな違いは、半透鏡１６を偏光依存型半透鏡１６’としたことである。偏光依存型半透鏡１６’では、入射光のうち偏光方向が入射面（反射面法線と入射方向から決まる平面）に平行な成分（ｐ波と呼ばれる）が透過し、入射面に垂直な成分（ｓ波と呼ばれる）が反射する。
【００５４】
したがって、この図において、物体波のうち紙面に平行な偏光成分が偏光依存型半透鏡１６’を透過して第１結像レンズ１７ａに至り、それと垂直な偏光成分は反射して第２結像レンズ１７ｂ（本発明における「サブ結像レンズ」に相当）に至る。一方参照波は、紙面に平行な偏光成分が偏光依存型半透鏡１６’を透過して第２結像レンズ１７ｂに至り、それと垂直な偏光成分は反射して第１結像レンズ１７ａに至る。
【００５５】
対物レンズ１５の光軸においては、物体波は紙面に平行な直線偏光、参照波は紙面に垂直な直線偏光であるので、このままでは干渉しない。そこで、この両者の偏光方向と４５゜の方向に偏光軸を有する偏光板１９ａを第１結像レンズ１７ａの前（あるいは後ろ）に挿入して干渉計測を可能にする。
【００５６】
また、第４実施形態では、図２で説明した第１実施形態において、結像レンズ１７を第１結像レンズ１７ａとし、終端処理部１３ａから偏光依存型半透鏡１６’を透過して第１観察面２１ａを結ぶ光軸（透過光軸という）を使用する第１計測系とは別に、偏光依存型半透鏡１６’で反射され、第２観察面２１ｂまでの光軸（反射光軸という）を使用する第２計測系が設けられている。第１計測系は、第１実施形態と同様、干渉像を観察するための計測系であって、第１観察面２１ａに配置された第１撮像素子２２ａで干渉像が撮像される。
【００５７】
一方、第２計測系において、被計測試料Ｓを透過した光（物体光）は、対物レンズ１５で集光され、偏光依存型半透鏡１６’で反射され、第２結像レンズ１７ｂに入射し、第２観察面２１ｂに像を結ぶ。本実施形態では、第２結像レンズ１７ｂと第２観察面２１ｂの間に、終端処理部１３ｂから出射した光（参照光）を遮る偏光板１９ｂが配置されており、第２観察面２１ｂでは、被計測試料Ｓを透過した光（物体光）のみが観察される。すなわち、第２観察面２１ｂでは、被計測試料Ｓの干渉像ではなく、通常の光学式顕微鏡と同様の像を観察することが可能となっている。第２観察面２１ｂには、第２撮像素子２２ｂが配置されている。
【００５８】
なお、第２計測系で使用する第２結像レンズ１７ｂの倍率は、第１結像レンズ１７ａの倍率よりも低く設定されている。このような構成により、第２計測系を使用して、被計測試料Ｓの大きな範囲を観察しつつ、被計測試料Ｓのステージを移動させる等して、第１計測系で観察したい範囲を特定することが可能となる。
【００５９】
以上、第４実施形態では、半透鏡１６を透過した物体光を、干渉像を観察するための第１計測系とし、半透鏡１６で反射した物体光を、被計測試料Ｓの大きな範囲の像を観察するための第２計測系としている。このように、第４実施形態の位相計測装置１は、第１実施形態の位相計測装置１に、少数の光学素子（第２結像レンズ１７ｂ、偏光板１９ａ、１９ｂ）を加えるだけで、複数の計測系を設けることを可能としている。なお、第４実施形態では、第１計測系を干渉像の観察に使用し、第２計測系を通常の像の観察に使用しているが、第１計測系を通常の像の観察に使用し、第２計測系を干渉像の観察に使用する、あるいは、第１、第２計測系の両方を干渉像の観察に使用する形態に変更することとしてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１：位相計測装置                          ２１ａ：第１観察面
４：位相計測装置（従来）                  ２１ｂ：第２観察面
５：対物レンズ                            ２２：撮像素子
１０：光源                                ２２ａ：第１撮像素子
１１：カプラ                              ２２ｂ：第２撮像素子
１２ａ〜１２ｃ：光ファイバ                ４５ａ：第１の半透鏡
１３ａ、１３ｂ：終端処理部                ４５ｂ：第２の半透鏡
１４：コリメータレンズ                    ４６ａ、４６ｂ：反射鏡
１５：対物レンズ                          ３３ａ、４３ｂ：レンズ
１５ａ：対物レンズユニット                ４４：結像レンズ
１６：半透鏡                              ４１：観察面
１７：結像レンズ                          Ｄ１：第１光学距離
１７ａ：第１結像レンズ                    Ｄ２：第２光学距離
１７ｂ：第２結像レンズ                    Ｐ１：集光点
１８：偏光板                              Ｐ２：出射点
１８ａ：第１レンズ                        Ｓ：被計測試料
１８ｂ：第２レンズ                        Ｔ：基準位置
２１：観察面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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