(57)【要約】【課題】試料の状態、形状、性質や行う操作内容に応じて、光源から発せられる測定光の可干渉距離を自在に調整、変化させることができるようになされた干渉計を提供する。【解決手段】可干渉性を有する測定光１ａを発しこの測定光１ａの可干渉距離が制御可能となされた半導体レーザ１は、可干渉距離制御手段７に制御されることにより、測定光１ａの可干渉距離を無段階に変化させる。また、可干渉距離表示手段１０により、測定光１ａの可干渉距離が表示される。半導体レーザ１から発せられた測定光１ａは、ビームスプリッタ３によって光路を分割され、一方が基準反射面４ａによって反射されて観測面６ａに到達し、他方が試料表面８ａによって反射されて観測面６ａに到達して、干渉縞を形成する。【選択図】　図１
2004144614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可干渉性を有する光束を発し、この光束の可干渉距離が制御可能となされた光源と、
上記光源を制御し、この光源が発する光束の可干渉距離を無段階に変化させる可干渉距離制御手段と、
上記可干渉距離制御手段によって制御されている上記光源から発せられた光束の可干渉距離を表示する可干渉距離表示手段と、
上記光源から発せられた光束の光路を分割する光束分割素子と、
上記光束分割素子により分割された一方の光路の光束が照射され、この光束を反射させて観測面に到達させる基準反射面と、
上記光束分割素子により分割された他方の光路の光束が照射される位置に試料を位置決めして保持する試料保持機構とを備えたことを特徴とする干渉計。
【請求項２】
上記光源は、半導体レーザであって、
上記可干渉距離制御手段は、上記半導体レーザに対する供給電流量を制御する電流制御装置であることを特徴とする請求項１記載の干渉計。
【請求項３】
可干渉距離表示手段は、上記電流制御装置において可干渉距離を長さとして表示する手段であることを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の干渉計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二光束の干渉を利用して試料の表面形状などを測定するために使用される干渉計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、二光束の干渉を利用して試料の表面形状などを測定するために使用される干渉計として、種々の方式のものが提案されている。例えば、マイケルソン型の干渉計は、可干渉性を有する平行光である測定光を、ビームスプリッタ等の光分割素子において参照光と被検光とに分割し、これら参照光及び被検光を基準反射面及び試料の表面で各々反射させ、これらを光分割素子において再び合成して、観測面上において干渉縞を形成させるように構成されている。そして、この干渉計においては、観測面における干渉縞の状態を観測することにより、試料表面の凹凸等、形状の評価を行うことができる。
【０００３】
ところで、このような干渉計における測定光の光源として、レーザ光源を用いると、レーザ光の可干渉距離は長いので、基準反射面に対して試料表面の位置を正確に設定しなくても干渉縞を観測することができ、便利である。
【０００４】
しかし、測定光の可干渉距離が長いと、試料がガラス板等の透明平行薄板である場合には、試料の裏面からの反射光が、試料表面からの反射光や基準反射面からの反射光と干渉を生じてしまい、本来の干渉縞上にノイズ成分の干渉縞が重畳されて発生してしまう。
【０００５】
そこで、薄板ガラス等の表面形状を測定する場合には、赤色発光ダイオード等を光源とする可干渉距離の短い光束を測定光として用いている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平０９−１９６６１２号公報
【特許文献２】
特開平０９−２９８１７５号公報
【特許文献３】
特開平１０−２７４５０５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような干渉計において、試料の状態、形状や性質によって光源を取り換えたり、あるいは、フィルタの抜き差しなどの操作によって測定光の可干渉距離を変化させることは煩雑である。
【０００８】
また、光源を取り換えたり、フィルタを抜き差ししたりすると、測定光の可干渉距離以外の光学系の状態、条件を同一の状態に維持することが困難となり、正確な干渉縞の観測が行えない虞れがある。
【０００９】
さらに、光源の取り換えやフィルタの抜き差しによって測定光の可干渉距離を変える場合には、可干渉距離の変更が段階的なものになってしまうため、適切な可干渉距離の測定光が得られない場合がある。
【００１０】
一方、可干渉距離の長い測定光を用いて観測を行う場合においても、光源から試料表面までの光路長が光源から基準反射面までの光路長に等しい状態（以下、「等光路長の状態」という。）になっていないと、レーザの波長変動によって干渉縞の移動が起こり、干渉縞を用いた形状測定が不正確になる。したがって、可干渉距離の長い測定光を用いて観測を行う場合においても、「等光路長の状態」になっていることが望ましい。そして、測定光の可干渉距離が長いと、「等光路長の状態」になっているかどうかの判別は困難なものとなる。
【００１１】
つまり、試料の状態や性質の違いのみならず、干渉計自体の調整時と干渉縞の観測時とでは、測定光に求められる最適な可干渉距離が異なるのである。
【００１２】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、試料の状態、形状、性質や行う操作内容に応じて、光源から発せられる測定光の可干渉距離を自在に調整、変化させることができるようになされた干渉計を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る干渉計は、可干渉性を有する光束を発しこの光束の可干渉距離が制御可能となされた光源と、この光源を制御しこの光源が発する光束の可干渉距離を無段階に変化させる可干渉距離制御手段と、この可干渉距離制御手段によって制御されている光源から発せられた光束の可干渉距離を表示する可干渉距離表示手段と、光源から発せられた光束の光路を分割する光束分割素子と、この光束分割素子により分割された一方の光路の光束が照射されこの光束を反射させて観測面に到達させる基準反射面と、光束分割素子により分割された他方の光路の光束が照射される位置に試料を位置決めして保持する試料保持機構とを備えて構成される。
【００１４】
そして、この干渉計においては、可干渉距離制御手段により光源から発せられる光束の可干渉距離を充分に短くした状態において、試料保持機構によって試料の位置を調整し、基準反射面により反射されて観測面に到達した光束と試料により反射されて観測面に到達した光束とが干渉して干渉縞を形成することとなる位置に試料を位置させることにより、光源から試料までの光路長を光源から基準反射面までの光路長に等しくすることができる。
【００１５】
また、この干渉計においては、可干渉距離制御手段により光源から発せられる光束の可干渉距離を試料の状態に適した長さとして、観測面に形成される干渉縞の観測を行うことができる。
【００１６】
そして、本発明に係る干渉計は、上述の干渉計において、光源を半導体レーザとし、可干渉距離制御手段は、この半導体レーザに対する供給電流量を制御する電流制御装置であることとしたものである。
【００１７】
さらに、本発明に係る干渉計は、上述の干渉計において、可干渉距離表示手段は、電流制御装置において可干渉距離を長さとして表示するものであることとしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１９】
この実施の形態は、本発明に係る干渉計を、マイケルソン型干渉計として構成したものである。この干渉計は、図１に示すように、測定光１ａの光源となる半導体レーザ１と、光束分割素子となるビームスプリッタ３と、基準反射板４と、撮像装置６と、可干渉距離制御手段となる可干渉距離制御装置７と、試料保持機構９とを備えて構成されている。
【００２０】
この干渉計において、半導体レーザ１から射出された測定光１ａは、コリメータレンズ２によって平行光束とされ、ビームスプリッタ３に入射する。このビームスプリッタ３において、測定光１ａは、このビームスプリッタ３の反射面３ａによって反射された参照光と反射面３ａを透過した被検光とに分割される。
【００２１】
参照光は、基準反射板４の基準反射面４ａによって反射されてビームスプリッタ３に戻り、反射面３ａを透過して、撮像レンズ５により、観測面となる撮像装置６の撮像面（ＣＣＤ）６ａに入射される。そして、被検光は、試料保持機構９に支持された試料８の表面８ａで反射されてビームスプリッタ３に戻り、反射面３ａによって反射されることにより、参照光と合成される。そして、これら参照光及び被検光は、撮像レンズ５を介して、撮像面６ａ上に干渉縞を形成する。
【００２２】
試料保持機構９は、図１中矢印Ａで示すように、試料８を光軸方向に移動操作可能に保持し、この試料８を位置決めする。
【００２３】
ところで、この干渉計においては、半導体レーザ１として、出射光の可干渉距離が無段階に可変制御できる素子が用いられている。そして、この半導体レーザ１は、可干渉距離制御装置７により、供給される駆動電流量を制御されることにより、出射光の可干渉距離を無段階に可変制御される。
【００２４】
可干渉距離制御装置７は、回転操作可能な可干渉距離制御摘み７ａを備えており、この可干渉距離制御摘み７ａの回転角度位置に応じた駆動電流を半導体レーザ１に供給する。半導体レーザ１においては、供給される駆動電流と、出射する測定光１ａの可干渉距離との間には一定の関係がある。したがって、可干渉距離制御装置７の可干渉距離制御摘み７ａを回転操作することにより、測定光１ａの可干渉距離を任意に無段階に可変調整することができる。
【００２５】
そして、可干渉距離制御摘み７ａの周囲には、測定光１ａの可干渉距離を表示する可干渉距離表示手段となる可干渉距離目盛１０が設けられている。この可干渉距離目盛１０は、μｍなどの長さの単位によって表示されており、測定光１ａの可干渉距離を長さの情報として直接読み取ることができる。
【００２６】
また、可干渉距離制御装置７は、図２に示すように、いわゆるパーソナルコンピュータ装置１１を用いて構成することもできる。この場合には、この可干渉距離制御装置７は、パーソナルコンピュータ装置１１に接続されたキーボード１１ａやマウス１１ｂ等の入力インターフェイスを介してなされた入力操作に応じた駆動電流を半導体レーザ１に供給する。そして、パーソナルコンピュータ装置に接続されたディスプレイ１１ｃ等の出力インターフェイスにおいて、測定光１ａの可干渉距離を表示する可干渉距離表示手段となる可干渉距離表示１０が行われる。この可干渉距離表示１０は、μｍなどの長さの単位を用いて表示され、測定光１ａの可干渉距離を長さの情報として直接読み取ることができる。
【００２７】
ここで、半導体レーザ１に対する供給電流量と、この半導体レーザ１から発せられる測定光１ａの可干渉距離との間には、例えば、以下の〔表１〕及び図３に示すように、一定の関係がある。
【００２８】
【表１】
2004144614.tif 000003
【００２９】
すなわち、この半導体レーザにおいては、供給電流量が、１７ｍＡ、２５ｍＡ、２７ｍＡと増加するのに伴って、可干渉距離は、１０μｍ、１６μｍ、２２μｍと長くなってゆく。そして、供給電流量が３０ｍＡのときに、可干渉距離は、４４μｍとなり、供給電流量が３０ｍＡ以上においては、３１ｍＡ、３２ｍＡ、３３ｍＡ、３４ｍＡと供給電流量が増加するのに伴って、可干渉距離は、８２μｍ、３６６μｍ、５２０μｍ、１２８０μｍと長くなってゆく。この半導体レーザにおいては、３０ｍＡ付近がいわゆる閾値電流と考えられるが、この閾値電流の前後においても、供給電流量と可干渉距離との関係は、不連続なものではなく、連続的に変化する関係にある。
【００３０】
このような供給電流量と可干渉距離との関係は、半導体レーザごとの特性や環境温度によって左右されるが、これらの変動要素を取り込んだ制御を行えば、半導体レーザにおいては、供給電流量を制御することによって、出射光束の可干渉距離を制御することができるのである。
【００３１】
この干渉計においては、上述のように、測定光の可干渉距離を制御し、この可干渉距離を試料８の厚さの２倍よりも短くしたときには、試料８の表面８ａからの反射光と基準反射面４ａからの反射光とにより形成される干渉縞上に、試料８の裏面８ｂからの反射光に基づく干渉縞ノイズが重畳しないようにすることができる。
【００３２】
また、測定光の可干渉距離を充分に短くしたときには、参照光及び被検光の光路長が互いに等しい状態（「等光路長の状態」）となるように、試料８の表面８ａの光軸方向についての位置調整、すなわち、試料８の位置合わせを行うことができる。すなわち、図１中の矢印Ｌ０で示す試料８の表面８ａの近傍における干渉縞観測範囲Ｌ０と、半導体レーザ１から射出される測定光１ａの可干渉距離をＬｃとの間には、以下の関係が成立している。
【００３３】
Ｌ０＜（Ｌｃ／２）
半導体レーザ１からの測定光１ａの可干渉距離Ｌｃを充分に短くした場合には、この可干渉距離Ｌｃは、上述したように、２０μｍ以下となる。したがって、干渉縞観測範囲Ｌ０は１０μｍよりも小さい値となる。そして、試料８は、試料保持機構９によって矢印Ａ方向について移動調整され、干渉縞が観測される位置となされることにより、表面８ａがこの干渉縞観測範囲Ｌ０内に位置するように位置決めされることになる。
【００３４】
この干渉計においては、このようにして「等光路長の状態」が達成されるように試料８の位置が調整されるので、その後の干渉縞の観測中において、測定光１ａの可干渉距離Ｌｃの長短に関わらずに干渉縞を観測することができ、また、測定光１ａの波長変動が生じても、観測面となる撮像面６ａ上における干渉縞の移動がほとんど生じない状態に抑えられる。
【００３５】
すなわち、光源の波長変動があった場合の参照光及び被検光の光路長差と干渉縞の移動量との関係は、例えば、測定光の波長が６３３ｎｍであって、０．０１％の波長変動があったとすると、以下の〔表２〕に示すように、光路長差が３．１６５μｍ（１０次数）のときに０．００１０次数の干渉縞の移動が生じ、光路長差が３１６．５μｍ（１０００次数）のときに０．１次数の干渉縞の移動が生ずることになる。
【００３６】
【表２】
2004144614.tif 000004
【００３７】
また、測定光の波長が６３３ｎｍであって、波長変動が０．０００２％であったとしても、以下の〔表３〕に示すように、光路長差が３１６．５μｍ（１０００次数）のときに０．００２１次数の干渉縞の移動が生じ、光路長差が３１６５μｍ（１００００次数）のときに０．０２１次数の干渉縞の移動が生ずることになる。
【００３８】
【表３】
2004144614.tif 000005
【００３９】
なお、このようにして試料８の位置合わせを行うときには、可干渉距離制御装置７によって、測定光１ａの可干渉距離を若干長くしておくことにより、表面８ａの干渉縞観測範囲Ｌ０が広くなり、この干渉縞観測範囲Ｌ０を探し出すことが容易となる。そして、干渉縞の発生を確認しながら、測定光１ａの可干渉距離を徐々に短くしてゆき、この可干渉距離が充分に短くなったときには、干渉縞観測範囲Ｌ０も充分に狭くなっており、試料８の位置を「等光路長の状態」に設定できる。
【００４０】
このようにして試料８の位置決めが完了した後においては、測定光１ａの可干渉距離を、試料８の形状や性質、すなわち、透明か否か及び厚さ等に応じて適宜設定して、干渉縞の観測を行うことができる。
【００４１】
例えば、表面８ａが光軸に対して傾斜している透明な平板状の試料についてや、図４に示すように、表面８ａに凹凸のある透明な平板状の試料８について、表面８ａの近傍における干渉縞観測範囲Ｌ０をこの表面８ａの傾斜量や凹凸量に対応した距離とすることにより、裏面８ｂからの反射光による干渉縞を生じさせずに、表面８ａの凹凸の全てについて干渉縞を観察することができる。また、図５に示すように、表裏面８ａ，８ｂが互いに等しい曲率半径の凸面及び凹面となっている透明な板状の試料８について、表面８ａの近傍における干渉縞観測範囲Ｌ０をこの表面８ａの曲率に対応した距離とすることにより、裏面８ｂからの反射光による干渉縞を生じさせずに、表面８ａの凸面又は凹面の全てについて干渉縞を観察することができる。
【００４２】
上述した干渉計においては、測定光１ａの可干渉距離を短くしたときには、測定光１ａの光出力が下がるので、その分、撮像装置６における画像信号の増幅率を高くするようにしている。すなわち、撮像装置６における画像信号の増幅率を、半導体レーザ１への供給電流量に逆の極性にて連動させることにより、測定光１ａの可干渉距離を調整した場合においても、常に略々等しい明るさの干渉縞を観測することができる。
【００４３】
なお、この干渉計において、試料８の位置決めを行うときには、測定光の可干渉距離を長くしておき、この測定光の波長を意図的に変動させて、干渉縞の移動が生じないようになる位置を探すこととしてもよい。すなわち、半導体レーザ１から試料８の表面までの光路長が半導体レーザ１から基準反射面４ａまでの光路長に等しい「等光路長の状態」になっていない場合には、上述したように、測定光の波長変動によって干渉縞の移動が起こる。したがって、測定光の波長変動があっても干渉縞の移動が生じなくなるように試料８の位置を調整すれば、そのときに「等光路長の状態」が達成されていることになるのである。
【００４４】
また、本発明に係る干渉計において、測定光１ａの可干渉距離を変化させる手段としては、この測定光１ａを、半導体レーザ１からのレーザ光と図示しないＬＥＤ（発光ダイオード）からの光とをプリズム等を用いて合成したものとしておき、これら半導体レーザ１からのレーザ光とＬＥＤからの光との光出力比を変化させることによってもよい。この場合には、半導体レーザ１からのレーザ光とＬＥＤからの光との総量は一定に保ったままで、半導体レーザ１からのレーザ光の占める割合を増減させることにより、測定光１ａの可干渉距離の長短を調整することができる。
【００４５】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る干渉計においては、可干渉距離制御手段により光源から発せられる光束の可干渉距離を充分に短くした状態において、試料保持機構によって試料の位置を調整し、基準反射面により反射されて観測面に到達した光束と試料により反射されて観測面に到達した光束とが干渉して干渉縞を形成することとなる位置に試料を位置させることにより、光源から試料までの光路長を光源から基準反射面までの光路長に等しくすることができる。
【００４６】
また、この干渉計においては、可干渉距離制御手段により光源から発せられる光束の可干渉距離を試料の状態に適した長さとして、観測面に形成される干渉縞の観測を行うことができる。
【００４７】
すなわち、本発明は、試料の状態、形状、性質や行う操作内容に応じて、光源から発せられる測定光の可干渉距離を自在に調整、変化させることができ、また、等光路長の状態を簡易に実現することができるようになされた干渉計を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る干渉計の構成を示す側面図である。
【図２】上記干渉計における可干渉距離制御装置の他の例を示す正面図である。
【図３】上記干渉計の光源として使用される半導体レーザにおける供給電流と出射光の可干渉距離との関係を示すグラフである。
【図４】上記干渉計によって干渉縞を観測される資料の形状の一例を示す縦断面図である。
【図５】上記干渉計によって干渉縞を観測される資料の形状の他の例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１　　半導体レーザ
１ａ　測定光
３　　ビームスプリッタ
４　　基準反射板
４ａ　基準反射面
６　　撮像装置
６ａ　撮像面
７　　可干渉距離制御装置
８　　試料
８ａ　表面
８ｂ　裏面
９　　試料保持機構
１０　　可干渉距離目盛、可干渉距離表示
１１　　パーソナルコンピュータ装置
【図１】
2004144614.tif 000006
【図２】
2004144614.tif 000007
【図３】
2004144614.tif 000008
【図４】
2004144614.tif 000009
【図５】
2004144614.tif 000010