(57)【要約】【目的】ＬＤと偏光ビームスプリッタとの間の光路上に偏光板を傾けて配置することにより、ＬＤへの戻り光の低減とＬＤの非点隔差の補正を図り、ＬＤからの発散光を直接的に利用できる構成簡易な干渉計装置を得る。【解決手段】ＬＤ１１と偏光ビームスプリッタ１５との間の光路上に、偏光板１３が、ＬＤ１１からの発散光の短径方向に対して所定の傾き角を有するように設置される。この傾き角は、ＬＤ１１からの発散光の短径方向の発散角の１／２以上であって、かつ偏光板１３がこの傾き角を有することによって生じる非点収差により、ＬＤ１１自体が持つ非点隔差が補正されるように設定される。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発散光を出力する半導体レーザ光源と、該半導体レーザ光源からの前記発散光のうち所定の直線偏光成分を基準面および被検体の方向に出射する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタから前記基準面までの光路上に配置された１／４波長板とを備え、前記基準面および前記被検体からの各反射光を互いに合波して干渉光を得るとともに、該干渉光のうち前記発散光の前記直線偏光成分とは振動方向が異なる他の直線偏光成分を、前記偏光ビームスプリッタを介して干渉縞検出面に導くように構成されたＬＤ干渉計装置であって、
前記半導体レーザ光源と前記偏光ビームスプリッタとの間の光路上に、前記半導体レーザ光源から出力された前記発散光の前記直線偏光成分の通過を許容する偏光板を、前記半導体レーザ光源の非点隔差を補正するように傾けて配置してなることを特徴とするＬＤ干渉計装置。
【請求項２】
前記偏光板は、前記発散光の短径方向に対して所定の傾き角を有するように配置されており、該傾き角は、前記発散光の前記短径方向の発散角（半値全角）の１／２以上の傾き角であって、かつ前記偏光板が該傾き角を有したことによって生じる前記発散光の非点収差により、前記非点隔差が補正される傾き角であることを特徴とする請求項１記載のＬＤ干渉計装置。
【請求項３】
前記偏光板が透明な平行平板とみなせるものであり、非点隔差のない光源からの発散光中に前記平行平板を角度θだけ傾けて挿入したときに生じる非点収差ΔＸを規定する下式（１）に基づき、前記偏光板の傾き角が決定されていることを特徴とする請求項１または２記載のＬＤ干渉計装置。
ΔＸ＝（ｄ／（Ｎｃｏｓθ´））×（１−（ｃｏｓθ／ｃｏｓθ´）２）  …（１）
ここで、ｄは前記平行平板の厚み、Ｎは前記平行平板の屈折率を表し、θ´は下式（２）で規定される角度を表している。
θ´＝ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（θ／Ｎ））  …（２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体の表面形状や応力歪等の被検体内部の位相分布などを計測するための干渉計装置に関し、特に半導体レーザ（ＬＤ）を光源として使用するＬＤ干渉計装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検体の表面形状や被検体内部の位相分布など（以下、「被検体の表面形状等」と称する）の波面情報を担持した干渉縞画像を干渉計装置により取得し、得られた干渉縞画像を解析して被検体の表面形状等を測定することが広く行なわれている。このような干渉計装置には、マイケルソン型のような等光路長型のものと、フィゾー型のような不等光路長型のものが知られているが、不等光路長型のものにおいては可干渉距離の長いコヒーレント光を出力する光源として、レーザ光源が広く用いられている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
各種レーザ光源の中でも半導体レーザは、出力光の波長を変えることができる、他のレーザ光源に比べて小型でかつ安価であることなどから、光計測機器や光通信機器など種々の分野で利用されており、半導体レーザを干渉計装置の光源として利用する技術も知られている（下記特許文献２参照）。
【０００４】
半導体レーザ光源から出力されるレーザ光は発散光であるが、その光束の広がりは一般に回転対称ではなく、軸方向から光束を見ると長径と短径を有する楕円状（半導体の接合面に垂直な方向が長径、平行な方向が短径となるのが一般的）となっている。また、上記長径方向と短径方向とでは、その発光点位置が光束の軸方向にずれる非点隔差を有しており、このような非点隔差を補正するために透明な平行平板を光路上に傾けて配置する技術も知られている（下記特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１６４９９１号公報
【特許文献２】特開平６−２０１３１６号公報
【特許文献３】特開平８−２４９６６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に干渉計装置においては、測定光の照射領域を拡大するため、レーザ光源から出力された光束を一旦１点に収束させてから発散させる、いわゆる発散光学系が用いられている（上記特許文献１参照）。
【０００７】
これに対し本願発明者は、半導体レーザ光源から出力されるレーザ光が発散光であることから、上記発散光学系を用いずに半導体レーザ光源からの発散光を測定光として直接的に利用することが可能となれば、構成簡易で低コストな干渉計装置を得ることができることに着目した。
【０００８】
しかし、半導体レーザ光源からの発散光を測定光として直接的に利用し、なおかつ高精度な測定を可能とするためには、主に次の２つの課題を解決しなければならない。１つは半導体レーザ光源への戻り光対策であり、もう１つは上述したような半導体レーザ光源の持つ非点隔差の補正である。
【０００９】
半導体レーザ光源に限らず、一般にレーザ光源には、出力光が反射されてレーザ共振器内に戻るとレーザの発信強度や周波数が変動する現象が生じる。上記発散光学系を用いる従来の干渉計装置においては、レーザ光中の高次回折光等を除去するために、レーザ光源から出力された光束の収束点にピンホール板が配置されることがあり（上記特許文献１参照）、この場合にはレーザ光源への戻り光がピンホール板によってかなり低減されることになる。これに対し、発散光学系を用いない場合には、このような構成をとり得ず、戻り光対策を別に講じる必要がある。
【００１０】
これまで、戻り光を低減する技術（例えばレーザ光源部に光アイソレータを設置する方法が知られている。また上記特許文献１には、ピンホール板への戻り光を低減するために、偏光子を光路上に配置する方法が記載されている）、および半導体レーザ光源の持つ非点隔差を補正する技術（例えば上記特許文献３に記載された方法）が、それぞれ個別に提案されている。
【００１１】
しかし、これまで干渉計装置において、発散光学系を介さずに半導体レーザ光源から出力される発散光を測定光として直接的に利用するという試み自体はなされているが（上記特許文献２参照）、半導体レーザ光源への戻り光対策とその非点隔差の補正を、構成簡易かつ低コストで共に実現し得るような技術は知られていない。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、半導体レーザ光源への戻り光の低減および半導体レーザの非点隔差の補正を構成簡易に実現することができ、発散光学系を介さずに半導体レーザ光源から出力される発散光を測定光として直接的に利用することができる構成簡易かつ低コストなＬＤ干渉計装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るＬＤ干渉計装置は、発散光を出力する半導体レーザ光源と、該半導体レーザ光源からの前記発散光のうち所定の直線偏光成分を基準面および被検体の方向に出射する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタから前記基準面までの光路上に配置された１／４波長板とを備え、前記基準面および前記被検体からの各反射光を互いに合波して干渉光を得るとともに、該干渉光のうち前記発散光の前記直線偏光成分とは振動方向が異なる他の直線偏光成分を、前記偏光ビームスプリッタを介して干渉縞検出面に導くように構成されたＬＤ干渉計装置であって、
前記半導体レーザ光源と前記偏光ビームスプリッタとの間の光路上に、前記半導体レーザ光源から出力された前記発散光の前記直線偏光成分の通過を許容する偏光板を、前記半導体レーザ光源の非点隔差を補正するように傾けて配置してなることを特徴とするものである。
【００１４】
前記偏光板は、前記発散光の短径方向に対して所定の傾き角、すなわち前記発散光の前記短径方向の発散角（半値全角）の１／２以上の傾き角であって、かつ前記偏光板が該傾き角を有したことによって生じる前記発散光の非点収差により、前記非点隔差が補正される傾き角を有するように配置することができる。
【００１５】
前記偏光板が透明な平行平板とみなせるものである場合、非点隔差のない光源からの発散光中に前記平行平板を角度θだけ傾けて挿入したときに生じる非点収差ΔＸを規定する下式（１）に基づき、前記偏光板の傾き角を決定することができる。
【００１６】
ΔＸ＝（ｄ／（Ｎｃｏｓθ´））×（１−（ｃｏｓθ／ｃｏｓθ´）２）  …（１）
ここで、ｄは前記平行平板の厚み、Ｎは前記平行平板の屈折率を表し、θ´は下式（２）で規定される角度を表している。
【００１７】
θ´＝ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（θ／Ｎ））  …（２）
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るＬＤ干渉計装置によれば、半導体レーザ光源と偏光ビームスプリッタとの間の光路上に配置された偏光板によって、半導体レーザ光源への戻り光の低減および半導体レーザ光源の非点隔差の補正を図ることが可能となる。
【００１９】
また、半導体レーザ光源と偏光ビームスプリッタとの間の光路上に、半導体レーザ光源の非点隔差を補正するように偏光板を傾けて配置するだけで、半導体レーザ光源からの発散光を直接的に利用することが可能となるので、装置構成を簡易にすることができ低コスト化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係るＬＤ干渉計装置の概略構成図である。
【００２１】
図１に示すＬＤ干渉計装置１０は、半導体レーザ光源（以下「ＬＤ」と称することがある）１１を搭載したフィゾー型の干渉計装置であり、ＬＤ１１から射出された光の進む順に配置された、偏光板１３，偏光ビームスプリッタ１５，１／４波長板１７，コリメータレンズ１９，基準板２１，および偏光ビームスプリッタ１５の図中右側方に配置された結像レンズ２５，およびＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子からなる干渉縞検出面２７を有する撮像手段２９を備えている。また、被検体２３は、その被検面２３ａが上記基準板２１の基準面２１ａと対向するように配置されている。
【００２２】
上記ＬＤ１１は、所定の振動面を有する略直線偏光とされた発散光を、図１に示す光軸Ｌ方向に出力するように配置されている。この発散光の広がりは回転対称ではなく、光軸Ｌ方向から見ると短径と長径を有する楕円状の広がりを有している。また、上記ＬＤ１１は、出力する発散光の短径方向の成分と長径方向の成分との発光点位置が光軸Ｌ方向にずれる非点隔差を有している。
【００２３】
上記偏光板１３はシート状の偏光子（図示略）を透明な２枚の平行平板で挟持した構成を有しており、偏光子の偏光透過軸の向きが上記ＬＤ１１から出力された発散光（略直線偏光）の通過を許容する向きとなるように光路上に配置されている。また、この偏光板１３は、上記基準面２１ａや被検面２３ａあるいは偏光板１３自体からの反射光が上記ＬＤ１１に戻ることを抑制する作用と、ＬＤ１１の上記非点隔差を補正する作用とを奏するように、光軸Ｌに対して所定の傾き角を有するように配置されている。この点が本発明のポイントとなる部分であり、その詳細については後述する。
【００２４】
上記ＬＤ１１から出力された略直線偏光とされた発散光は、上記偏光板１３を通過して上記偏光ビームスプリッタ１５に入射する。偏光ビームスプリッタ１５の偏光反射面１５ａは偏光板１３を通過した直線偏光（例えば偏光反射面１５ａに対してＰ偏光）を透過するように構成されており、偏光ビームスプリッタ１５に入射された上記発散光は、ほとんど減衰することなく上記１／４波長板１７に向けて射出される。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ１５を通過した上記発散光は、１／４波長板１７において円偏光に変換されて上記コリメータレンズ１９に入射され平行光とされた後に、上記基準板２１に向け出射される。出射された平行光のうち基準面２１ａからの反射光と、基準面２１ａを透過した、被検面２３ａからの反射光は合波されて干渉光とされ、再びコリメータレンズ１９に入射される。
【００２６】
コリメータレンズ１９に入射された干渉光は、収束光とされて再び１／４波長板１７に入射され、偏光ビームスプリッタ１５から射出された上記直線偏光とは振動方向が９０度回転した他の直線偏光（例えば偏光反射面１５ａに対してＳ偏光）に変換されて偏光ビームスプリッタ１５に再び入射される。この他の直線偏光とされた上記干渉光は、偏光ビームスプリッタ１５の上記偏光反射面１５ａにおいて直角に反射され、上記結像レンズ２５を介して上記干渉縞検出面２７上において、被検面２３ａの形状情報を担持した干渉縞の像を形成する。
【００２７】
なお、上記基準面２１ａおよび被検面２３ａから上記偏光ビームスプリッタ１５に戻る干渉光は収束光の状態で偏光反射面１５ａに入射するため、偏光反射面１５ａに対する入射角は、光束の軸上では４５度となるが光束の周辺部においては４５度からかなりずれることとなる。このため、偏光反射面１５ａに入射した干渉光は偏光反射面１５ａにおいて完全には反射されず、一部は偏光反射面１５ａを透過して上記偏光板１３に向けて射出されてしまう。しかし、この戻り光は、偏光板１３が通過を許容する直線偏光とは振動方向が略９０度ずれているので、偏光板１３を通過してＬＤ１１に戻ることは抑制されるようになっている。
【００２８】
次に、図２を用いて、上記偏光板１３の傾き角の設定方法について説明する。図２はＬＤから出力される発散光の広がりおよび非点隔差を模式的に示す図である。
【００２９】
図２に示すようにＬＤ（図示略）から出力される発散光の広がりは回転対称ではなく、発散光の軸方向（図中Ｘ軸の方向）から見た場合、短径と長径を有する楕円状の広がりを有している。また、出力する発散光の短径方向の成分と長径方向の成分との発光点位置がＸ軸方向にずれる非点隔差（図中ΔＦで表示）を有している。なお、図２においては、長径方向をＸ軸と直交するＹ軸の方向にとり、短径方向をＸ軸およびＹ軸と直交するＺ軸の方向にとっている。また、短径方向の発散角（半値全角）をθ１、長径方向の発散角（半値全角）をθ２で表示している。
【００３０】
図１に示す偏光板１３は、ＬＤ１１から出力される発散光の短径方向に対して、所定の傾き角を有するように配置される。この傾き角は、次の２つの条件を満たすように設定される。
【００３１】
第１の条件は、上記傾き角が、上記発散光の短径方向の発散全角の１／２以上となることである。例えば図２において、短径方向の発散角θ１が８度である場合には、Ｙ軸を回転中心としてＺ軸に対して４度以上傾けて配置される。これにより、図１に示すＬＤ１１から出力された発散光のうち偏光板１３で反射された戻り光がＬＤ１１内に戻ることを防止することができる。
【００３２】
第２の条件は、偏光板１３が上記傾き角を有したことによって生じる上記発散光の非点収差により、ＬＤ１１の持つ非点隔差が補正されることである。この条件を満たすための傾き角の算定は、課題を解決する手段の欄に記載した式（１）（以下に再掲する）に基づいてなされる。
【００３３】
この式（１）は、非点隔差のない光源からの発散光中に透明な平行平板を角度θだけ傾けて挿入したときに生じる非点収差ΔＸを規定するものであり、上記偏光板１３を透明な平行平板とみなすことにより、上記第２の条件を満たす傾き角を決定することができる。
【００３４】
ΔＸ＝（ｄ／（Ｎｃｏｓθ´））×（１−（ｃｏｓθ／ｃｏｓθ´）２）  …（１）
【００３５】
なお、式中のｄは上記平行平板の厚み、Ｎは上記平行平板の屈折率を表している。また、式中のθ´は、ガラス内角度とも称されるもので、図３に示すように、光軸（１点鎖線で示す）上の光が透明な平行平板３１に入射したときに、その平行平板３１の内部を進むときの光軸に対する角度のことであり、課題を解決する手段の欄に記載した式（２）（以下に再掲する）により規定される。ここで、図３は式（１）中のθとθ´との関係を示す図である。
【００３６】
θ´＝ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（θ／Ｎ））  …（２）
【００３７】
例えば、図２においてＬＤからの発散光の短径方向（Ｚ軸方向）の発散角θ１が８度、非点隔差ΔＦが８μｍである場合を考える。このとき、厚みｄ＝２ｍｍ，屈折率Ｎ＝１．５の平行平板を短径方向に対して４度（上記第１の条件を満たす分）だけ傾けた場合、上式（１）によれば３．６μｍの非点隔差が生じることになる。
【００３８】
一般に、非点隔差を持たない発散光中に平行平板を光軸に対して垂直に挿入すると、発散光の発光点は平行平板に近づくことになるが非点隔差は発生しない。
【００３９】
ここで、平行平板を光軸に対して傾けると、傾けた方向（前述の例ではＺ軸方向）の断面（Ｚ軸とＸ軸のなす平面）での発光点は、傾けた方向と直交する断面（Ｙ軸とＸ軸のなす平面）での発光点より平行平板により近づくことになり、発散光は非点隔差を持つようになる。
【００４０】
上述の例で発生する３．６μｍの非点隔差は、ＬＤ自体が持つ非点隔差を部分的に打ち消す（補正する）ことになり、全体としては、８−３．６＝４．４μｍの非点隔差を持つ光学系となる。
【００４１】
ＬＤの持つ非点隔差８μｍを全て補正する、すなわち上記第２の条件を満たすためには、平行平板の傾き角を６度とし、傾ける方向は短径方向（Ｙ軸まわり）とすればよいことが、上式（１）より求められる。これは上記第１の条件も満たす（６度＞４度）ので、結局この例では、短径方向に対する傾き角が６度となるように平行平板を配置すればよいことになる。
【００４２】
図１に示す偏光板１３は平行平板とみなせる構成を有しているので、上述した手順によって光路中での傾き角を決定することができる。そして、このように偏光板１３を傾けて配置することにより、基準面２１ａおよび被検面２３ａからの反射光および偏光板１３自体からの反射光がＬＤ１１に戻ることを抑制できるとともに、ＬＤ１１の持つ非点隔差を補正することができるので、発振が安定して非点収差も補正されたＬＤ光を得ることができ、これにより高精度な光干渉計測を実施することが可能となる。
【００４３】
なお、図１に示す１／４波長板１７からの反射光がＬＤ１１に戻ることを防止するためには、１／４波長板１７を光軸Ｌに対して傾けて配置することが好ましい。その場合、１／４波長板１７を傾けたことにより非点収差が生じることがあるので、その非点収差の発生の有無についても考慮した上で、上記波長板１３の傾き角を決定することが好ましい。
【００４４】
また、上記実施形態のＬＤ干渉計装置は、平面形状測定用の干渉計装置であるが、本発明は曲面形状測定用あるいは被検体内部の位相分布測定用の干渉計装置にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態に係るＬＤ干渉計装置の概略構成図
【図２】ＬＤから出力される発散光の広がりおよび非点隔差を模式的に示す図
【図３】数式（１）中のθとθ´との関係を示す図
【符号の説明】
【００４６】
１０      ＬＤ干渉計装置
１１      半導体レーザ光源（ＬＤ）
１３      偏光板
１５      偏光ビームスプリッタ
１５ａ    偏光反射面
１７      １／４波長板
１９      コリメータレンズ
２１      基準板
２１ａ    基準面
２３      被検体
２３ａ    被検面
２５      結像レンズ
２７      干渉縞検出面
２９      撮像手段
３１      平行平板
Ｌ        光軸
θ１      ＬＤ発散光の短径方向の発散角
θ２      ＬＤ発散光の長径方向の発散角
θ        平行平板の傾き角
θ´      光軸上光線の平行平板内の進行角度
ΔＦ      非点隔差
Ｘ〜Ｚ    （座標）軸
【図１】
2005207796.tif 000003
【図２】
2005207796.tif 000004
【図３】
2005207796.tif 000005