(57)【要約】      （修正有）【課題】堅牢性に優れた光干渉測定装置を提供する。【解決手段】中心波長がλｃの光を放つ光源２０１と、前記光源２０１からの光を分光して参照面２１１と対象物２０９とに入射させるビームスプリッタ２０５と、前記ビームスプリッタ２０５から前記参照面２１１に至る光の光路中に配されたレンズ２１０と、前記参照面２１１で反射又は散乱した光と前記対象物２０９で反射又は散乱した光とが干渉した干渉光が入射するカメラ２１２と、前記カメラ２１２の視野内において前記対象物２０９を第１方向に移動させる移動機構２１４と、前記移動機構２１４による移動前後における干渉光の強度を記憶する記憶部２１５ａと、前記移動前後における干渉光の強度の差分の二乗から前記対象物の画像を生成する処理部２１５ｂと、を備える光干渉測定装置。【選択図】図１
2015203580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心波長がλｃの光を放つ光源と、
前記光源からの光を分光して参照面と対象物とに入射させるビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタから前記参照面に至る光の光路中に配されたレンズと、
前記参照面で反射又は散乱した光と前記対象物で反射又は散乱した光とが干渉した干渉光が入射するカメラと、
前記カメラの視野内において前記対象物を第１方向に移動させる移動機構と、
前記移動機構による移動前後における干渉光の強度を記憶する記憶部と、
前記移動前後における干渉光の強度の差分の二乗から前記対象物の画像を構築する演算部と、を備え、
前記参照面には、前記カメラの視野内において前記第１方向に隣接する第１領域と第２領域とが設けられ、
前記移動機構による移動量は、前記第１領域の前記第１方向における幅と同じであり、
前記レンズと前記参照面との間の媒質の屈折率をｎとした場合に、前記第１領域と前記第２領域とが高さλｃ／４ｎの段差を形成する、光干渉測定装置。
【請求項２】
前記第１領域と前記第２領域との前記第１方向における幅が等しい、請求項１の光干渉測定装置。
【請求項３】
前記第１領域と前記第２領域とが前記第１方向に繰り返し配置される、請求項１又は２の光干渉測定装置。
【請求項４】
前記第１領域と前記第２領域とが格子状に配置される請求項１〜３いずれかの光干渉測定装置。
【請求項５】
前記移動機構による移動前後の前記対象物の同一部位における干渉光の位相差がπである請求項１〜４いずれかの光干渉測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
信号光と参照光との間の光路長差に光の波長程度の位相変調を与えることで、対象物を測定する位相変調式の光干渉測定装置が知られる。（特許文献１）。
【０００３】
図９は特許文献１のリンニック（Ｌｉｎｎｉｋ）干渉計を用いた光干渉測定装置である。光源１００からの光はビームスプリッタ１０１に入射し、光干渉計の各アームに至る。第１アーム１０２にはレンズ１０３と対象物１０４とが配置され、第２アーム１０５にはレンズ１０６と参照面１０７とが配置される。光の波長程度の微細な移動量を与えるために、参照面１０７にはＰＺＴ素子１０８が配される。各アームに送られた光は、対象物１０４および参照面１０７から反射し、カメラ１０９へ入射する。なお、特許文献１ではＰＺＴ素子１０８により干渉光の位相が連続的に正弦変調される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００４−５２８５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術ではＰＺＴ素子の力学的脆弱性に起因する堅牢性に関する問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、堅牢性に優れた位相変調式の光干渉測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光干渉測定装置は、中心波長がλｃの光を放つ光源と、前記光源からの光を分光して参照面と対象物とに入射させるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタから前記参照面に至る光の光路中に配されたレンズと、前記参照面で反射又は散乱した光と前記対象物で反射又は散乱した光とが干渉した干渉光が入射するカメラと、前記カメラの視野内において前記対象物を第１方向に移動させる移動機構と、前記移動機構による移動前後における干渉光の強度を記憶する記憶部と、前記移動前後の干渉光の強度の差分の二乗から前記対象物の画像を構築する演算部と、を備え、前記参照面には、前記カメラの視野内において前記第１方向に隣接する第１領域と第２領域とが設けられ、前記移動機構による移動量は、前記第１領域の前記第１方向における幅と同じであり、前記レンズと前記参照面との間の媒質の屈折率をｎとした場合に、前記第１領域と前記第２領域とが高さλｃ／４ｎの段差を形成する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、堅牢性に優れた位相変調式の光干渉測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１における光干渉測定装置の模式図
【図２】実施の形態１における参照面の斜視図
【図３】実施の形態１におけるカメラの視野と第一の位相領域および第二の位相領域および機械式ステージの軸方向との関係の図
【図４】実施の形態１における測定方法を示したフローチャート
【図５】実施の形態１のステップＳ２におけるカメラの視野と対象物の位置関係の図
【図６】実施の形態１のステップＳ４におけるカメラの視野と対象物の位置関係の図
【図７】実施の形態１の多の例である周期状参照面の図
【図８】実施の形態１の多の例である格子状参照面の図
【図９】従来の光干渉測定装置の図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における光干渉測定装置２００の模式図である。
【００１１】
光干渉測定装置２００はリンニック型干渉計の一種である。光源２０１は光を発するユニットであり、ランプ２０２、絞り２０３、コリメートレンズ２０４を具備する。ランプ２０２は例えばハロゲンランプやキセノンアークランプ、水銀ランプ、ＬＥＤなどの低コヒレンス光を発する光源である。また、ランプ２０２の発する光は、例えば中心波長λｃ＝８００ｎｍ、コヒレンス長Ｌｃ＝２μｍである。
【００１２】
光源２０１からの光はビームスプリッタ２０５に入射する。ビームスプリッタ２０５はキューブ型であってもよいし、プレート型でもよい。ビームスプリッタ２０５に入射した光は同一の振幅をもつ信号光と参照光とに分離される。信号光は干渉計の第一のアーム２０６に、参照光は第二のアーム２０７に送られる。
【００１３】
第一のアーム２０６には、第一の対物レンズ２０８と対象物２０９とが配置される。信号光の焦点面は第一の対物レンズ２０８により対象物２０９の内部に合わせられる。焦点面で反射又は散乱した信号光は第一の対物レンズ２０８を通じてビームスプリッタ２０５に戻る。なお、反射とはフレネル反射を含み、散乱とは後方散乱を含む。
【００１４】
一方、第二のアーム２０７には、第二の対物レンズ２１０と参照面２１１とが配置される。参照光の焦点は第二の対物レンズ２１０により参照面２１１上に合わせられる。参照面２１１で反射又は散乱した参照光は第二の対物レンズ２１０を経てビームスプリッタ２０５に戻る。
【００１５】
第一のアーム２０６における信号光の光路長と第二のアーム２０７における参照光の光路長が光源２０１のコヒレンス長Ｌｃの範囲内で一致するとき、ビームスプリッタ２０５に戻った信号光と参照光は光干渉を起こす。干渉した光（干渉光）は、カメラ２１２上に焦点を絞る結像レンズ２１３により結像される。
【００１６】
カメラ２１２は、例えばＣＣＤタイプの２次元状の画素からなるセンサ面を有する。このセンサ面と対象物２０９、並びにセンサ面と参照面２１１は、それぞれ光学的に共役関係になるよう配置されている。つまり、カメラ２１２はその視野の中に対象物２０９と参照面２１１とを重複して収める。なお、光学系収差による測定誤差を低減するために対象物２０９と参照面２１１とを同一の倍率で撮像することが望ましく、波長分散による測定誤差を低減するために同一硝材を用いて倍率を調整することが望ましい。
【００１７】
コンピュータ２１５は、カメラ２１２で取得したデータを記憶する記憶部２１５ａ、データを演算して対象物２０９の画像を構築する演算部２１５ｂ、カメラ２１２のシャッターおよび機械式ステージ２１４に指示を出す指示部２１５ｃを具備している。なお、カメラ２１２のシャッターは、電子式でも機械式でも良い。
【００１８】
なお、対象物２０９は機械式ステージ２１４上に設置される。機械式ステージ２１４は、カメラ２１２の視野内において、対象物２０９を駆動軸の方向（第１方向）に移動させる移動機構の一例である。図１において、第１方向とは紙面左右方向のことを言う。なお、機械式ステージ２１４は、対象物２０９を移動させても、信号光の光軸を移動させてもよい。すなわち、機械式ステージ２１４は、カメラ２１２の視野内において対象物２０９を移動させるように構成されればよい。
【００１９】
ここで、図２に参照面２１１の構造を示す。
【００２０】
参照面２１１は鏡面を有する。この鏡面は、第一の位相領域２１１ａ（第１領域）と第二の位相領域２１１ｂ（第２領域）とに分割されている。この鏡面は、例えば矩形のガラス基板にアルミなどの金属をコートした鏡の、特定の部位にのみ金属膜を蒸着して形成される。第一の位相領域２１１ａと第二の位相領域２１１ｂとは段差２１１ｃを形成し、領域毎に異なる位相差を参照光に与える機能を持つ。この参照面２１１は、ＰＺＴ素子により駆動することなく、参照光に位相差を付与できる。このため、堅牢性に優れた位相変調式の光干渉測定装置を実現できる。ちなみに、第一の位相領域２１１ａと第二の位相領域２１１ｂは平行である。
【００２１】
なお、参照面２１１における各領域の作成方法は、機械的な切削加工などでもよいが、光の波長オーダーで段差２１１ｃを設ける必要があることから蒸着を用いることが望ましい。
【００２２】
段差２１１ｃの高さｄは、第一の位相領域２１１ａで反射した参照光と第二の位相領域２１１ｂで反射した参照光との間にπの位相差を発生させるように設計されている。位相変調式の光干渉測定装置を実現するためである。その高さｄは、図１の第二の対物レンズ２１０と参照面２１１の間の媒質の屈折率をｎとすると式（１）で表される。
【００２３】
【数１】
2015203580.tif 000003
【００２４】
ここで、λｃは、光源２０１から放たれる光の中心波長である。例えば、光源２０１の中心波長λｃが８００ｎｍであり、ｎ＝１のとき、ｄ＝２００ｎｍとなる。
【００２５】
参照面２１１は、カメラ２１２の視野内において、図３に示すように配置される。図３はカメラ２１２の視野に映る第一の位相領域２１１ａおよび第二の位相領域２１１ｂを示す。図３中の白抜き矢印は、図１のカメラ２１２の視野内で対象物２０９が機械式ステージ２１４により移動する方向（第１方向）を示す。参照面２１１には、カメラ２１２の視野内において第１方向に隣接するように第一の位相領域２１１ａと第二の位相領域２１１ｂとが設けられる。
【００２６】
ここで、説明を簡単にするため、第１方向をＸ軸、図１の第一の対物レンズ２０８から射出される信号光の光軸をＺ軸、カメラ２１２の結像面をＸＹ平面として、それぞれ座標軸を定義する。なお、ここでは、カメラ２１２の視野を中心に座標を定義するため、第二の対物レンズ２１０から射出する参照光の光軸もＺ軸とする。この場合、カメラ２１２の視野における第一の位相領域２１１ａおよび第二の位相領域２１１ｂのＸ軸方向の幅をそれぞれ図３に示すようにｗａ、ｗｂとする。
【００２７】
第一の位相領域２１１ａと第二の位相領域２１１ｂの間の段差２１１ｃは直線を成している。この直線は第１方向と直行するように、すなわちＹ軸に沿って配置されている。
【００２８】
ここで、光干渉測定装置２００による測定方法について図１と図４とを用いて説明する。図４は当該測定方法を示したフローチャートである。
【００２９】
まず、ステップＳ１では、光路長の調整を行う。具体的には、参照面２１１又は対象物２０９のＺ方向ステージ（図示しない）を調整することで、信号光と参照光の光路長を光源２０１からの光のコヒレンス長λｃ内で一致させる。このＺ方向ステージは、ステッピングモータなど、光路長差がコヒレンス長λｃの範囲内になるよう調整できる機構であればよく、ＰＺＴ素子である必要はない。この工程により、信号光と参照光とが干渉し、干渉光がカメラ２１２に入射する。
【００３０】
ステップＳ２では、カメラ２１２で１度目の干渉光の信号（干渉信号）を取得する。ここで、ステップＳ２実施時におけるカメラ２１２の視野における参照面２１１と対象物２０９との位置関係を図５に示す。図５において、参照面２１１と図１のカメラ２１２の視野とが一致するものとし、参照面２１１として図示する領域がカメラ２１２の視野を表す。対象物２０９はカメラ２１２の視野からはみ出している。なお、ここでは、視野内において、対象物２０９が第一の位相領域２１１ａのみに写り、第二の位相領域２１１ｂには写らない状態を示す。このとき、第一の位相領域２１１ａに対応する干渉信号のみを図１の記憶部２１５ａに保存する。第二の位相領域２１１ｂに対応する干渉信号を取得してもよいが、今後用いることはない。
【００３１】
なお、保存の際、複数回の撮影を行い、その複数画像の積算によりＳ／Ｎ比を向上してもよいし、ＣＣＤの光電変換後のゲインを下げ長時間露光させることでＳ／Ｎ比を向上してもよい。
【００３２】
次に、図４のステップＳ３では、ステージ移動が行われる。詳細には、図１の指示部２１５ｃからの指示により機械式ステージ２１４が移動する。この移動方向はＸ軸方向であり、その移動量はカメラ２１２の視野における第一の位相領域２１１ａのＸ軸方向の幅、すなわち図３におけるｗａと等しい。この移動により、視野内において、ステップＳ２時に第一の位相領域２１１ａにあった対象物２０９の部位は、第二の位相領域２１１ｂに移動する。なお、移動中にはカメラ２１２による撮影は行わない。
【００３３】
ステップＳ４では、カメラ２１２で２度目の干渉光の信号を取得する。ステップＳ４時のカメラ２１２の視野における参照面２１１と対象物２０９との位置関係を図６に示す。視野内において、ステップＳ２時に第一の位相領域２１１ａに写っていた対象物２０９の部位は、第二の位相領域２１１ｂに移動している。このステップＳ４において、カメラ２１２が第一の位相領域２１１ａと第二の位相領域２１１ｂとに対応する干渉信号をそれぞれ取得する。ここでも、ステップＳ２と同様に積算によりＳ／Ｎ比を向上させてもよい。
【００３４】
ステップＳ５では、ステップＳ２において保存された第一の位相領域２１１ａにおける干渉信号と、ステップＳ４において取得された第二の位相領域２１１ｂにおける干渉信号の２つを用い、図１の演算部２１５ｂが後述する（式４）に基づき対象物２０９の画像を構築する。ステップＳ２で取得した第一の位相領域２１１ａ（図２）における干渉信号と、ステップＳ５で取得した第二の位相領域２１１ｂにおける干渉信号とは、同一形状の対象物から得られた位相のみが異なる信号である。これらの信号の位相差は、第一の位相領域２１１ａと第二の位相領域２１１ｂとにより形成された高さｄの段差により与えられ、その値はπである。すなわち、ステップＳ２からπだけ位相変調した干渉光を得られるのがステップＳ５である。つまり、移動機構による移動前後の対象物２０９の同一部位における干渉光の位相差がπである。このように、本手法によれば、ＰＺＴ素子を用いることなく、干渉光に位相差を与えることが可能である。なお、ステップＳ５では、第一の位相領域２１１ａに対応する干渉信号の記憶部２１５ａへの保存が実行される。
【００３５】
ここで、位相の変調された２つの干渉信号を用いた画像構築手法の詳細を説明する。
【００３６】
第一の位相領域２１１ａにおける干渉信号の強度をＥ１、第二の位相領域２１１ｂにおける干渉信号の強度をＥ２とすると（式２）で表される。
【００３７】
【数２】
2015203580.tif 000004
【００３８】
ここで、Ｔはカメラ２１２による積算回数であり、Ｉ1とＩ2はカメラ２１２の各画素における輝度である。
【００３９】
ここで、対象物２０９の３次元の反射率分布をＲsample（ｘ，ｙ，ｚ）、参照面２１１の反射率をＲref、光源２０１のコヒレンス関数をγ2（ｚ）、比例係数をＫとおくと、Ｉ1とＩ2の間の位相差は、参照面２１１の段差によりπで与えられるため（式３）で表される。
【００４０】
【数３】
2015203580.tif 000005
【００４１】
ここで、Ｅ１とＥ２の差の二乗は（式４）で表され、対象物２０９の三次元の反射率分布Ｒsample（ｘ，ｙ，ｚ）と、コヒレンス関数γ2（ｚ）と、定数との積で与えられる。
【００４２】
【数４】
2015203580.tif 000006
【００４３】
この（式４）は、対象物２０９の中で、コヒレンス関数が大きくなるｚ位置のみの信号、すなわち信号光と参照光の光路長が一致するＸＹ面の信号を示す。
【００４４】
つまり、カメラ２１２の各画素における輝度からＥ１とＥ２とを取得し、（Ｅ１−Ｅ２）2を算出すれば対象物２０９のＸＹ面画像を構築できる。すなわち、本実施の形態において、演算部２１５ｂ（図１）は、移動前後における干渉信号の強度の差分の二乗に基づき、画像を構築する。また、コヒレンス関数γ2（ｚ）と定数の積となることから、特定のｚ位置での画像を得るには、光源２０１は低コヒレンス光源であることが必要である。なお、光源２０１からの光が対象物２０９を透過する場合は、断層画像を構築できる。以上が、位相変調した干渉信号に基づいて画像を構築する詳細である。
【００４５】
ここで、図４のフローチャートの説明に戻る。ステップＳ６では、所定位置か否かを判定する。所定の位置に達していれば、測定が終了される。所定の位置とは、対象物２０９の端部のことである。所定の位置に達していなければ、ステップＳ２に戻る。その後、所定の位置に達するまで、ステップＳ２からステップＳ５における一連の動作を繰り返すことで、Ｘ軸方向に対象物２０９が移動され、ＸＹ面画像が構築されてゆく。
【００４６】
ただし、上記の繰り返しステップにおいて、ステップＳ２の直前のステップＳ５において第一の位相領域２１１ａに対応する干渉信号は取得済みである。そのため、上記の繰り返しステップにおいては、ステップＳ２を省略してもよい。
【００４７】
なお、ステップＳ５において干渉信号を得られる面積が最大化するよう、図３の第一の位相領域２１１ａと、第二の位相領域２１１ｂの、Ｘ軸方向の幅を等しくするのが好ましい。より詳細には、カメラ２１２の視野内における第一の位相領域２１１ａと第二の位相領域２１１ｂとの面積を等しく構成する。
【００４８】
なお、ｗａが大きいほど図１の機械式ステージ２１４の進直度の低さに起因したＺ位置の誤差が大きくなり、測定ノイズが大きくなる。これを防ぐため、参照面２１１の代わりに、図７に示す周期状参照面２１６を採用してもよい。周期状参照面２１６は、第一の位相領域２１６ａと第二の位相領域２１６ｂとが、繰り返し配置されているようなストライプ構造である。この場合も、カメラ２１２の視野内において、第一の位相領域２１６ａと第二の位相領域２１６ｂのＸ軸方向の幅を等しくする。すなわち第一の位相領域２１６ａと第二の位相領域２１６ｂとをＤｕｔｙ比５０％の矩形形状とすることが望ましい。なお、第一の位相領域２１６ａと第二の位相領域２１６ｂとは、高さｄの段差を形成し、このｄは（式１）で与えられる。
【００４９】
周期状参照面２１６により、図４のステップＳ５において干渉信号を得られる面積を最大化しながら、それでいて、ステップＳ３における移動量を小さくできるため、Ｘ軸方向の移動に対するＺ位置の精度を高められる。
【００５０】
なお、説明の簡単のためＸ軸方向の移動について説明したが、位相差を与える段差と直行する方向への移動であればよい。例えば、参照面２１１の代わりに、図８に示す格子状参照面２１７を採用した場合、Ｙ軸方向に移動させても、干渉光の位相を変調できる。この格子状参照面２１７には、第一の位相領域２１７ａと第二の位相領域２１７ｂとがカメラ２１２の視野内において縦横に分布するよう格子状に配置されている。第一の位相領域２１７ａと第二の位相領域２１７ｂとは高さｄの段差を形成し、このｄは（式１）で与えられる。これにより、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向にも対象物２０９を移動させて、干渉光の位相をπだけ変調できる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、工業分野における測定や、化学分野や医療分野における生体の表層または内層の測定に有用である。
【符号の説明】
【００５２】
２００  光干渉測定装置
２０１  光源
２０２  ランプ
２０３  絞り
２０４  コリメートレンズ
２０５  ビームスプリッタ
２０６  第一のアーム
２０７  第二のアーム
２０８  第一の対物レンズ
２０９  対象物
２１０  第二の対物レンズ
２１１  参照面
２１２  カメラ
２１３  結像レンズ
２１４  機械式ステージ
２１５  コンピュータ
【図１】
2015203580.tif 000007
【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】
2015203580.tif 000013
【図８】
2015203580.tif 000014
【図９】
2015203580.tif 000015