(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する偏光方向を有するかもしくは互いに逆方向の回転方向を有する第１偏光と第２偏光とを発射する照明光学系と、
前記照明光学系から被検面への光路中に配設されたコリメートレンズと、
前記コリメートレンズと前記被検面との間の光路中に配設され、前記第１偏光および前記第２偏光の一部を反射するとともに前記第１偏光および前記第２偏光の一部を前記被検面に向けて透過させる参照ハーフミラーと、
前記コリメートレンズを間にして前記被検面とは反対側において前記コリメートレンズから焦点距離の位置に配設されたピンホールを有するピンホールプレートと、
前記被検面からの反射光である物体光および前記参照ハーフミラーからの反射光である参照光のうち前記ピンホールを通過する光束に含まれる前記物体光と前記参照光とを３以上の異なる位相で干渉させて異なる位相の干渉縞を得る位相シフト干渉縞取得部と、を備え、
前記第１偏光については前記参照ハーフミラーからの反射光である参照光のみが前記ピンホールを通過して前記被検面からの反射光である物体光は前記ピンホールプレートにて遮断され、かつ、前記第２偏光については前記被検面からの反射光である物体光のみが前記ピンホールを通過して前記参照ハーフミラーからの反射光である参照光は前記ピンホールプレートにて遮断される
ことを特徴とする位相シフト干渉計。
【請求項２】
請求項１に記載の位相シフト干渉計において、
前記照明光学系は、前記第１偏光と前記第２偏光とを所定間隔離間させて発射し、
前記参照ハーフミラーは、前記コリメートレンズの光軸に対して所定角度傾斜して配設されている
ことを特徴とする位相シフト干渉計。
【請求項３】
請求項２に記載の位相シフト干渉計において、
前記照明光学系は、第１偏光を前記コリメートレンズの光軸からずれた点から発射し、かつ、第２偏光を前記コリメートレンズの光軸に沿って発射する
ことを特徴とする位相シフト干渉計。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の位相シフト干渉計において、
前記位相シフト干渉縞取得部は、
前記ピンホールを通過した光の光路上に配設された１／４波長板と、
光路中に配設され、透過軸角度が互いに異なる３以上の偏光板と、を備える
ことを特徴とする位相シフト干渉計。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の位相シフト干渉計において、
前記照明光学系は、
一つのレーザー光源と、
レーザー光源からの光を偏光にする偏光板と、
半波長板と、
前記レーザー光源からの光を互いに直交する偏光方向を有する前記第１偏光と前記第２偏光とに分割する光束分割手段と、を備え、
前記半波長板を回転させることにより半波長板の主軸角度を前記光束分割手段の主軸角度に対して相対的に調整可能である
ことを特徴とする位相シフト干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相シフト干渉計に関する。特に、フィゾー型の位相シフト干渉計に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検面の凹凸を測定するための測定装置として、位相シフト干渉計が知られており、広い面の凹凸を測定する際に図１３に示されるフィゾー型の干渉計を利用できることが知られている（例えば、特許文献１）
図１３に示されるフィゾー型の位相シフト干渉計における光の光路について説明する。
図１３において、光源１１から発射された光（Ｌ１０）は、コリメートレンズ系１２によって平行光束となり、途中のハーフミラー１３を通過（Ｌ１１）してワーク表面に照射される。
光源１１からは直線偏光が発射（Ｌ１０）されるとする。
ここで、ハーフミラー１３とワークとの間にはリファレンス面を兼ねる１／４波長板１４が配設されている。
光源１１からこの１／４波長板１４に入射する光（Ｌ１１）のうち一部は反射され、残りは透過する。
１／４波長板１４にて反射される光（Ｌ１２）は参照光としてハーフミラー１３に再帰する。
１／４波長板１４を透過する光（Ｌ１３）はワーク表面に照射され、ワーク表面にて反射されて物体光（Ｌ１４）として１／４波長板１４に再帰した後、１／４波長板１４を透過してハーフミラー１３に入射する。
このとき、ワーク表面からの物体光（Ｌ１４）は１／４波長板を２回通過するので振動方向が９０度回転され、参照光（Ｌ１２）に対して直交する偏光方向を有する。
従って、参照光（Ｌ１２）と物体光（Ｌ１４）とは干渉することなく無干渉光束として共通の光路でハーフミラー１３に再帰する。
ハーフミラー１３に再帰した無干渉光束は、ハーフミラー１３で反射（Ｌ１６）されたのち、反射ミラー１５で反射されて、さらに１／４波長板１６を通過する（Ｌ１７）。
無干渉光束がこの１／４波長板１６を通過することにより、無干渉光束に含まれる互いに直交方向の振動方向を有する物体光（Ｌ１４）と参照光（Ｌ１２）とが互いに反対の回転方向である円偏光となる。
１／４波長板１６を通過した光（Ｌ１７）は、光路上に配設された第１ハーフミラー１７、第２ハーフミラー１８および反射ミラー１９によって３つの光束（Ｌ１８、Ｌ１９、Ｌ２０）に分割される。
分割された各光束（Ｌ１８、Ｌ１９、Ｌ２０）の光路上には偏光板２０、２１、２２およびＣＣＤカメラ２３、２４、２５が配設されている。
ここで、第１ハーフミラー１７にて反射された第１光束（Ｌ１８）の光路上に配設される第１偏光板２０と、第２ハーフミラー１８にて反射された第２光束（Ｌ１９）の光路上に配設される第２偏光板２１と、反射ミラー１９で反射された第３光束（Ｌ２０）の光路上に配設される第３偏光板２２と、はそれぞれ透過軸角度が異なっている。
例えば、第１偏光板２０の透過軸角度を０度とすると、第２偏光板２１の透過軸角度は４５度であり、第３偏光板２２の透過軸角度は９０度である。
すると、各ＣＣＤカメラにおいて９０度ずつ位相が異なる３つの干渉縞の像が撮像される。
そして、所定の解析手段に各干渉縞の画像を入力して、干渉縞上の各点における画像強度を３つの干渉縞で対比することにより、ワーク表面の位相情報が得られる。
これにより、ワーク表面の形状が求められる。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３３７３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記に説明した構成によれば、フィゾー型の位相シフト干渉計により、幅の広い平行光束をワーク表面に照射して広い範囲でワーク表面形状を求めることができるのであるが、実際には非現実的な構成である点に問題がある。
上記構成では、物体光と参照光とを無干渉で合波するために１／４波長板１４を光路上に配置し、物体光が１／４波長板１４を２回通過するようにして物体光と参照光とを互いに直交する偏光としている。しかしながら、実際に１／４波長板１４を大きな開口で作成するには非常な困難がある。
すなわち、波長板は複屈折性の結晶を所定方向でカットした平板であるところ、良質な波長板で開口が広いものを得ることは非常に難しく、製作コストが甚大となる。
そのため、実現可能なフィゾー型の位相シフト干渉計が望まれていた。
【０００５】
本発明の目的は、フィゾー型の位相シフト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】
【０００６】
本発明の位相シフト干渉計は、互いに直交する偏光方向を有するかもしくは互いに逆方向の回転方向を有する第１偏光と第２偏光とを発射する照明光学系と、前記照明光学系から被検面への光路中に配設されたコリメートレンズと、前記コリメートレンズと前記被検面との間の光路中に配設され、前記第１偏光および前記第２偏光の一部を反射するとともに前記第１偏光および前記第２偏光の一部を前記被検面に向けて透過させる参照ハーフミラーと、前記コリメートレンズを間にして前記被検面とは反対側において前記コリメートレンズから焦点距離の位置に配設されたピンホールを有するピンホールプレートと、前記被検面からの反射光である物体光および前記参照ハーフミラーからの反射光である参照光のうち前記ピンホールを通過する光束に含まれる前記物体光と前記参照光とを３以上の異なる位相で干渉させて異なる位相の干渉縞を得る位相シフト干渉縞取得部と、を備え、前記第１偏光については前記参照ハーフミラーからの反射光である参照光のみが前記ピンホールを通過して前記被検面からの反射光である物体光は前記ピンホールプレートにて遮断され、かつ、前記第２偏光については前記被検面からの反射光である物体光のみが前記ピンホールを通過して前記参照ハーフミラーからの反射光である参照光は前記ピンホールプレートにて遮断されることを特徴とする。
【０００７】
このような構成において、照明光学系から発射された光は、コリメートレンズを通過した後、参照ハーフミラーに入射する。参照ハーフミラーに入射した光は、参照ハーフミラーにて透過光と反射光とに分割され、透過光は被検面に照射される。参照ハーフミラーにて反射された光は参照光としてコリメートレンズに入射し、さらにピンホールに向かう。被検面からの反射光は物体光として参照ハーフミラーを透過してコリメートレンズに入射し、さらにピンホールに向かう。
すなわち、第１偏光については、参照ハーフミラーにて反射される参照光と被検面にて反射される物体光とがピンホールに向かい、第２偏光についても、参照ハーフミラーにて反射される参照光と被検面にて反射される物体光とがピンホールに向かう。
【０００８】
ここで、第１偏光については、ハーフミラーからの反射光である参照光のみがピンホールを通過する。
第２偏光については被検面からの反射光である物体光のみがピンホールを通過する。つまり、参照光としては第１偏光のみがピンホールを通過し、物体光としては第２偏光のみがピンホールを通過する。そして、第１偏光と第２偏光とは互いに直交する偏光方向であるかもしくは逆方向の回転方向である偏光であるので、第１偏光の参照光と第２偏光の物体光とは干渉し合うことなく無干渉の光束としてピンホールを通過する。
ピンホールを通過した第１偏光の参照光と第２偏光の物体光との無干渉光束は、位相シフト干渉縞取得部に入射する。位相シフト干渉縞取得部は、ピンホールを通過してきた無干渉光束を３以上の異なる位相で干渉させる。
つまり、第１偏光の参照光と第２偏光の物体光とを複数の異なる位相で干渉させて異なる位相の干渉縞を得る。そして、位相が異なる干渉縞から被検面の位相情報が得られ、被検面の高さが求められる。
【０００９】
このような構成によれば、照明光学系から発射された光をコリメートレンズにより幅広の光束として被検面に照射し、被検面の位相情報を有する物体光を参照光と干渉させて被検面の表面形状を測定するフィゾー型の干渉計とし、さらに、第１偏光の参照光と第２偏光の物体光とを異なる複数の位相で干渉させて、位相が異なる複数の干渉縞を同時に得るフィゾー型の位相シフト干渉計を実現することができる。
従来は、フィゾー型の位相シフト干渉計において物体光と参照光とを無干渉の光束とするために１／４波長板を使用する構成が考案されていたところ、幅広の光束に対応するように開口の広い波長板を用意することは困難であった。
この点、本発明では、当初から互いに干渉し合わない第１偏光と第２偏光とを照明光学系から発射するので、物体光と参照光とを無干渉光束とするために開口の広い波長板を必要としない。
【００１０】
ここで、当然のことながら、第１偏光も第２偏光も参照ハーフミラーにて参照光として反射されるとともに被検面にて物体光として反射されるので、すべての反射光を位相シフト干渉縞取得部で受光していては、第１偏光の参照光と物体光とが干渉し、第２偏光の参照光と物体光とが干渉してしまう。
このように各偏光の参照光と物体光とが干渉してしまうと、位相シフト干渉縞取得部において参照光と物体光とを異なる位相で干渉させて位相が異なる複数の干渉縞を同時に得ることができなくなる。
この点、本発明では、第１偏光については参照ハーフミラーにて反射される参照光のみがピンホールを通過して位相シフト干渉縞取得部に入射するようにし、第２偏光については被検面で反射された物体光のみがピンホールを通過して位相シフト干渉縞取得部に入射するようにする。
このようにピンホールによって位相シフト干渉縞取得部に入射する光束を選択するので、第１偏光の参照光と第２偏光の物体光とが無干渉光束として位相シフト干渉縞取得部に入射する。よって、位相シフト干渉縞取得部において、参照光と物体光とを異なる位相で干渉させて位相の異なる複数の干渉縞を同時に得ることができる。
【００１１】
このように本発明によれば、フィゾー型の干渉計であるので、幅広の光束で被検面の表面形状を測定することができ、かつ、参照光と物体光とを異なる位相で干渉させて同時に複数の干渉縞を得ることができるので位相シフト干渉計であっても測定時間を短縮することができる。そして、参照光と物体光とを無干渉光束とするために波長板（１／４波長板）を用いなくてもいいので、現実的な構成とすることができる。
【００１２】
本発明では、前記照明光学系は、前記第１偏光と前記第２偏光とを所定間隔離間させて発射し、前記参照ハーフミラーは、前記コリメートレンズの光軸に対して所定角度傾斜して配設されていることが好ましい。
【００１３】
このような構成において、第１偏光と第２偏光とが参照ハーフミラーに入射すると、第１偏光も第２偏光も参照ハーフミラーにて反射されるところ、参照ハーフミラーが所定角度傾斜して配設されているので、第１偏光および第２偏光の参照光は参照ハーフミラーの角度に応じた方向に向けて反射される。そして、この第１偏光と第２偏光との参照光がコリメートレンズを通過すると、第１偏光と第２偏光とが所定距離離間して発射されていることから、第１偏光の参照光と第２偏光の参照光とはコリメートレンズによって互いに異なる位置に結像する。また、第１偏光と第２偏光とが参照ハーフミラーに入射すると、第１偏光および第２偏光の一部は共に参照ハーフミラーを透過して被検面に照射される。そして、被検面に照射された第１偏光および第２偏光は、被検面により反射され、第１偏光および第２偏光の物体光はコリメートレンズを通過する。すると、第１偏光と第２偏光とが所定間隔離間して発射されていることから第１偏光の物体光と第２偏光の物体光とはコリメートレンズにより互いに異なる位置に結像する。
【００１４】
ここで、第１偏光の参照光と第２偏光の参照光とは、所定角度傾斜した参照ハーフミラーにて反射されているのに対して、第１偏光の物体光と第２偏光の物体光とは被検面に対して略垂直に照射された光の反射光である。したがって、第１偏光の参照光、第２偏光の参照光、第１偏光の物体光および第２偏光の物体光がコリメートレンズによって結像する位置は、総て異なることになる。よって、ピンホールの配設位置およびピンホールの径を調整することにより、第１偏光については参照光のみ、第２偏光については物体光のみがピンホールを通過するようにできる。
その結果、第１偏光の参照光と第２偏光の物体光とを無干渉の状態で位相シフト干渉縞取得部に入射させることができる。そして、ピンホールによって位相シフト干渉縞取得部に入射する光束を選択するにあたって、第１偏光と第２偏光とを所定間隔離間して発射するとともに、参照ハーフミラーの角度を調整するだけでよいので簡便である。
【００１５】
本発明では、前記照明光学系は、第１偏光を前記コリメートレンズの光軸からずれた点から発射し、かつ、第２偏光を前記コリメートレンズの光軸に沿って発射することが好ましい。
【００１６】
このような構成において、照明光学系から発射された第１偏光はまずコリメートレンズに入射するところ、第１偏光はコリメートレンズの光軸からずれた点から発射されているので、コリメートレンズを通過したのち、コリメートレンズの光軸に対して所定角度傾斜した光束として参照ハーフミラーに入射する。
参照ハーフミラーは所定角度傾斜しているところ、参照ハーフミラーの傾斜角度に所定の調整がなされることで、参照ハーフミラーによる第１偏光の反射光である参照光は、コリメートレンズの光軸に対して平行に反射される。すると、この第１偏光の参照光は、コリメートレンズによってピンホールの位置に焦点を結んで、ピンホールを通過する。
【００１７】
その一方、第１偏光のうち参照ハーフミラーを透過した光は、被検面に照射されるところ、第１偏光は被検面にて所定角度傾斜した光束として照射される。そのため、被検面による第１偏光の反射光である物体光は、コリメートレンズの光軸に対して傾斜した方向に向けて反射される。すると、ピンホールはコリメートレンズの焦点位置に配設されているので、第１偏光の物体光がコリメートレンズによって結像する位置はピンホールからずれた位置となり、第１偏光の物体光はピンホールプレートにて遮断される。
【００１８】
また、照明光学系から発射された第２偏光はコリメートレンズの光軸上の点から発射され、コリメートレンズによってコリメートレンズの光軸に平行な平行光束として参照ハーフミラーに入射する。すると、参照ハーフミラーに入射した第２偏光のうち参照ハーフミラーにて反射される参照光は、参照ハーフミラーが傾斜していることによってコリメートレンズの光軸からずれた方向に反射される。よって、第２偏光が参照ハーフミラーにて反射された参照光は、コリメートレンズによってピンホールからずれた位置に結像し、ピンホールプレートにて遮断される。
【００１９】
その一方、第２偏光のうち参照ハーフミラーを透過した光は、被検面に照射され、コリメートレンズの光軸に平行な光束として反射される。
よって、第２偏光の物体光は、コリメートレンズによってピンホール位置に結像し、ピンホールを通過する。
このような構成によれば、ピンホールを通過させるべき第１偏光の参照光と第２偏光の物体光とはコリメートレンズの焦点位置にて結像するので、ピンホールはコリメートレンズの焦点位置に合わせて配設すればよい。したがって、ピンホール位置の調整を始めとして干渉計の組立てが簡単化される。
【００２０】
本発明では、前記位相シフト干渉縞取得部は、前記ピンホールを通過した光の光路上に配設された１／４波長板と、光路中に配設され、透過軸角度が互いに異なる３以上の偏光板と、を備えることが好ましい。
【００２１】
このような構成において、第１偏光の参照光と第２偏光の物体光との無干渉光束から位相シフト干渉縞取得部によって複数の異なる干渉縞を得るところ、無干渉光束はまず１／４波長板に入射する。すると、例えば、第１偏光と第２偏光とが互いに直交する偏光方向を有する偏光であった場合、１／４波長板を通過することによって、無干渉光束に含まれる物体光と参照光とが互いに回転方向が異なる円偏光となる。そして、この物体光と参照光との無干渉光束を透過軸角度が異なる偏光板に通すことにより、物体光と参照光とが異なる位相で干渉し、複数の干渉縞が同時に得られる。このような構成によれば、偏光板の透過軸角度を異ならせることで干渉縞の位相を位相シフトさせることができるので、位相が異なる複数の干渉縞を同時に得ることができる。
【００２２】
ここで、透過軸角度が互いに異なる偏光板を光路中に配設するにあたっては、透過軸角度が互いに異なる複数の偏光板を一枚の板状にした複合偏光板を光束中に挿入して、光束の各部分が複合偏光板中の異なる透過軸角度の偏光板部分を通過するようにしてもよい。
あるいは、複数のハーフミラーやプリズムで光束を分割して三つ以上の光束にしてから、それぞれの光束が透過軸角度の異なる偏光板を通過するようにして異なる位相の干渉縞を得てもよい。
【００２３】
本発明では、前記照明光学系は、一つのレーザー光源と、レーザー光源からの光を偏光にする偏光板と、半波長板と、前記レーザー光源からの光を互いに直交する偏光方向を有する前記第１偏光と前記第２偏光とに分割する光束分割手段と、を備え、前記半波長板を回転させることにより半波長板の主軸角度を前記光束分割手段の主軸角度に対して相対的に調整可能であることが好ましい。
【００２４】
このような構成において、半波長板を回転させて半波長板の主軸の角度を調整する。すると、半波長板によって偏光の偏光方向が所定角度回転され、光束分割手段の光軸に対する偏光の偏光方向が変わる。
これにより、光束分割手段による光束の分割によって生成される第１偏光と第２偏光との相対強度を調整することができる。例えば、反射率の低いワークを測定対象とする場合には、物体光が弱すぎて望ましい干渉縞が得られないおそれもあるが、分割される第１偏光と第２偏光との強度を調整してワークからの反射光である物体光の強度とリファレンス面からの反射光である参照光の強度とを略等しくすることで干渉縞を明瞭にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の位相シフト干渉計に係る第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態の全体構成を示す図である。
この位相シフト干渉計１００は、フィゾー型の干渉計であり、互いに直交する偏光であるＳ波（第１偏光）とＰ波（第２偏光）とを発射する照明光学系２００と、照明光学系２００からの光を平行光束にしてワーク表面（被検面）に照射するコリメートレンズ１１０と、コリメートレンズ１１０とワークとの間において所定角度傾斜して配設された参照面としての参照ハーフミラー１２０と、コリメートレンズ１１０を間にしてワークとは反対側においてコリメートレンズ１１０の焦点位置に配設されたピンホール１３１を有するピンホールプレート１３０と、ピンホール１３１を通過した光束を異なる位相で干渉させて異なる位相の複数の干渉縞を得る位相シフト干渉縞取得部３００と、照明光学系２００からの光をワーク表面に向けて反射するとともにワーク表面および参照ハーフミラー１２０からの反射光を位相シフト干渉縞取得部３００に向けて透過させるハーフミラー１４０と、を備える。
【００２６】
照明光学系の構成について図２を参照して説明する。
照明光学系２００は、レーザー光源２１０と、レーザー光源２１０からの光を偏光にする偏光板２２０と、半波長板２３０と、レーザー光源２１０からの光をＰ波とＳ波とに分ける光束分割手段２４０と、光束分割手段２４０からのＰ波とＳ波とを平行光束にする平行光束生成手段２５０と、を備える。
光束分割手段２４０は、偏光ビームスプリッタ２４１と、二枚の反射ミラー２４２、２４３と、を備える。
なお、偏光ビームスプリッタ２４１は、Ｐ波を通過させ、Ｓ波を反射する。
【００２７】
ここで、レーザー光源２１０から発射された光が偏光ビームスプリッタ２４１と２枚の反射ミラー２４２、２４３とによってＰ波とＳ波とに分離され、かつ、所定間隔だけ離間した二光束になるところまでの光路について説明する。
【００２８】
レーザー光源２１０から発射された光（Ｌ１）は、偏光板２２０を通過することで所定の偏光方向を有する偏光となる。そして、半波長板２３０によって偏光方向が所定角度で回転された状態で偏光ビームスプリッタ２４１に入射（Ｌ２）する。すると、偏光ビームスプリッタ２４１に入射した光（Ｌ２）のうち、Ｐ波は偏光ビームスプリッタ２４１を通過し、Ｓ波は偏光ビームスプリッタ２４１にて反射される。２枚の反射ミラー２４２、２４３は、偏光ビームスプリッタ２４１からの光（Ｐ波およびＳ波）を三角形状の経路で反射させて偏光ビームスプリッタ２４１に戻すように配設されている。
【００２９】
偏光ビームスプリッタ２４１を透過したＰ波は、第１反射ミラー２４２で反射された後にさらに第２反射ミラー２４３で反射されて偏光ビームスプリッタ２４１に再帰するところ、偏光ビームスプリッタ２４１に再帰する位置は光源から偏光ビームスプリッタ２４１に光が入射する際の入射位置からずれた位置である。そして、第２反射ミラー２４３からのＰ波は偏光ビームスプリッタ２４１を通過して平行光束生成手段２５０に入射する。
【００３０】
また、偏光ビームスプリッタ２４１にて反射されたＳ波は、前述のＰ波とは逆の経路をたどって偏光ビームスプリッタ２４１に再帰される。すなわち、偏光ビームスプリッタ２４１にて反射されたＳ波は、第２反射ミラー２４３で反射された後にさらに第１反射ミラー２４２で反射されて偏光ビームスプリッタ２４１に再帰する。
このとき、第１反射ミラー２４２から偏光ビームスプリッタ２４１に再帰する位置は光源２１０から偏光ビームスプリッタ２４１に光（Ｌ２）が入射する入射位置からずれており、かつ、前述のＰ波とは反対の側にずれる。
そして、第１反射ミラー２４２からのＳ波は偏光ビームスプリッタ２４１にて反射されて平行光束生成手段２５０に入射する。
このように、偏光ビームスプリッタ２４１を透過したＰ波と偏光ビームスプリッタ２４１にて反射されるＳ波とが反対方向の経路で三角形状に反射されることにより、所定間隔離間した二光束となる。
【００３１】
平行光束生成手段２５０は、ウォラストンプリズム２５１と、レンズ２５２と、を備えている。偏光ビームスプリッタ２４１からのＰ波とＳ波とは、互いに平行な光束としてウォラストンプリズム２５１に入射する。すると、このＰ波とＳ波とは直進経路に対して５度ほど傾斜した射出角でウォラストンプリズム２５１から射出される。ウォラストンプリズム２５１から射出されたＰ波およびＳ波は、レンズ２５２を通過することによって、一旦絞られた後に拡散光束として照明光学系２００から発射される。
【００３２】
さらに、レンズ２５２は、ウォラストンプリズム２５１から射出される光が交差する位置に焦点位置を合わせて配設されているところ、レンズ２５２を通過した後のＰ波とＳ波との光軸は互いに平行となる。
このような構成を備える照明光学系２００によって、図３に示されるように、Ｐ波とＳ波とが所定間隔（ｄ）離間された状態で発射される。
【００３３】
次に、照明光学系２００から発射されたＰ波とＳ波とが参照ハーフミラー１２０およびワーク表面に照射されて、参照ハーフミラー１２０およびワーク表面から反射されたそれぞれの光がピンホール１３１を通過するまでの光路について説明する。
まず、照明光学系２００から発射されたＰ波の光路について図４を参照して説明する。
図４は、Ｐ波の光路を示す図である。
【００３４】
照明光学系２００から発射されたＰ波は、ハーフミラー１４０にて反射された後、コリメートレンズ１１０を通過して参照ハーフミラー１２０およびワーク表面に向けて照射される。
参照ハーフミラー１２０にて反射されたＰ波は、まず、コリメートレンズ１１０を通過するところ、Ｐ波の中心軸がハーフミラー１４０に入射する位置はコリメートレンズ１１０の光軸上にある。よって、ハーフミラー１４０にて反射されてコリメートレンズ１１０を通過したＰ波は、平行光束となって参照ハーフミラー１２０およびワーク表面に照射される。
【００３５】
ここで、参照ハーフミラー１２０に照射されたＰ波のうち、一部はこの参照ハーフミラー１２０で反射される。
この参照ハーフミラー１２０で反射される光をＰ波の参照光（ＰＲ）と称する。
また、参照ハーフミラー１２０に照射されたＰ波のうち、一部はこの参照ハーフミラー１２０を透過してワーク表面に照射され、ワーク表面から反射される。
このワーク表面にて反射される光をＰ波の物体光（ＰＭ）と称する。
【００３６】
参照ハーフミラー１２０で反射されたＰ波の参照光（ＰＲ）も、ワーク表面で反射されたＰ波の物体光（ＰＭ）も、コリメートレンズ１１０からハーフミラー１４０を通過してピンホール１３１に向かう。
ここで、参照ハーフミラー１２０は、所定角度傾斜して配設されているので、参照ハーフミラー１２０からの反射光であるＰ波の参照光（ＰＲ）は、コリメートレンズ１１０の光軸に対して所定角度をなす方向に向けて参照ハーフミラー１２０から反射される。そのため、このＰ波の参照光（ＰＲ）がコリメートレンズ１１０によって結像する位置は、コリメートレンズ１１０の焦点位置からずれた位置になる。その一方、ワーク表面にて反射されたＰ波の物体光（ＰＭ）は、コリメートレンズ１１０を通過した後、コリメートレンズ１１０の焦点位置に結像する。
【００３７】
コリメートレンズ１１０を通過したＰ波の参照光（ＰＲ）は、ピンホール１３１からずれた位置に焦点を結ぶのでピンホール１３１を通過せずにピンホールプレート１３０にて遮蔽される（図５参照）。
その一方、コリメートレンズ１１０を通過したＰ波の物体光（ＰＭ）は、ピンホール１３１内に焦点を結ぶので（図５参照）、ピンホール１３１を通過して位相シフト干渉縞取得部３００に向かう。
【００３８】
次に、照明光学系２００から発射されたＳ波の光路について説明する。
図６は、Ｓ波の光路を示す図である。
照明光学系２００から発射されたＳ波は、ハーフミラー１４０にて反射された後、コリメートレンズ１１０を通過して参照ハーフミラー１２０およびワーク表面に向けて照射される。ハーフミラー１４０にて反射されたＳ波は、まず、コリメートレンズ１１０を通過するところ、Ｓ波はＰ波から所定間隔離間しており、Ｓ波の中心軸がハーフミラー１４０に入射する位置はコリメートレンズ１１０の主軸からずれる。よって、ハーフミラー１４０にて反射されてコリメートレンズ１１０を通過した光は、所定の傾斜角度をもって参照ハーフミラー１２０およびワーク表面に照射される。
参照ハーフミラー１２０に照射されたＳ波のうち、一部はこの参照ハーフミラー１２０で反射される。
この参照ハーフミラー１２０で反射される光をＳ波の参照光（ＳＲ）と称する。また、参照ハーフミラー１２０に照射されたＳ波のうち、一部はこの参照ハーフミラー１２０は透過してワーク表面に照射され、ワーク表面から反射される。このワーク表面にて反射される光をＳ波の物体光（ＳＭ）と称する。
【００３９】
参照ハーフミラー１２０で反射されたＳ波の参照光（ＳＲ）も、ワーク表面で反射されたＳ波の物体光（ＳＭ）も、コリメートレンズ１１０からハーフミラー１４０を通過してピンホール１３１に向かう。
ここで、コリメートレンズ１１０から参照ハーフミラー１２０に入射するＳ波は所定角度をもって参照ハーフミラー１２０に入射するところ、参照ハーフミラー１２０が所定角度傾斜している。このとき、参照ハーフミラー１２０は、コリメートレンズ１１０の光軸に対して略平行にＳ波の参照光（ＳＲ）を反射する角度で配設されている。
すなわち、Ｓ波の参照光（ＳＲ）はコリメートレンズ１１０を通過した後にコリメートレンズ１１０の焦点位置に結像する。そして、このコリメートレンズ１１０の焦点位置にピンホール１３１が配設されているので、Ｓ波の参照光（ＳＲ）はピンホール１３１を通過して位相シフト干渉縞取得部３００に向かう（図５参照）。
【００４０】
その一方、コリメートレンズ１１０から参照ハーフミラー１２０を通過してワーク表面に照射されるＳ波は、コリメートレンズ１１０の光軸に対して所定角度をなしているので、ワーク表面にて反射されたＳ波の物体光（ＳＭ）はコリメートレンズ１１０の光軸に対して所定角度をなす。よって、Ｓ波の物体光（ＳＭ）はピンホール１３１からずれた位置に焦点を結び、ピンホール１３１を通過せずにピンホールプレート１３０で遮蔽される（図５参照）。
【００４１】
つまり、照明光学系２００からＰ波とＳ波とが発射されるところ、Ｐ波についてはワーク表面での反射光であるＰ波の物体光（ＰＭ）がピンホール１３１を通過し、Ｓ波については参照ハーフミラー１２０での反射光であるＳ波の参照光（ＳＲ）がピンホール１３１を通過する（図５参照）。
ここで、Ｐ波の物体光（ＰＭ）とＳ波の参照光（ＳＲ）とは、互いに直交する偏光方向を有するので、共通の光路をたどってコリメートレンズ１１０からピンホール１３１を通過する際でもＰ波の物体光（ＰＭ）とＳ波の参照光（ＳＲ）とが互いに干渉することはなく、無干渉光束としてピンホール１３１を通過する。
【００４２】
次に、位相シフト干渉縞取得部３００について図７を参照して説明する。
位相シフト干渉縞取得部３００は、レンズ３１０と、１／４波長板３２０と、複合偏光板３３０と、撮像手段としての複合ＣＣＤカメラ３４０と、を備えている。
レンズ３１０は、ピンホール１３１に焦点位置を合わせて配設されている。１／４波長板３２０は、ピンホール１３１からレンズ３１０を介して入射するＳ波の参照光とＰ波の物体光とを互いに回転方向が異なる円偏光にする。複合偏光板３３０は、図８に示されるように、透過軸角度が互いに異なる４つの偏光板３３１〜３３４を一枚の板状にした偏光板であり、光路中に配設されることによって、光束の４つの部分が複合偏光板３３０の異なる透過軸角度の偏光板部分３３１〜３３４を通過する。
複合偏光板３３０を構成する４つの偏光板３３１〜３３４の透過軸角度は４５度ずつ異なり、各偏光板３３１〜３３４の透過軸角度は０度、４５度、９０度、１３５度である。複合ＣＣＤカメラ３４０は、複合偏光板３３０を構成する各偏光板３３１〜３３４に対応して４つのＣＣＤカメラ３４１〜３４４からなる。
【００４３】
ピンホール１３１を通過した光（Ｓ波の参照光ＳＲ、Ｐ波の物体光ＰＭ）が複合ＣＣＤカメラ３４０にて撮像されるまでの光路について説明する。
【００４４】
ピンホール１３１を通過した光は、レンズ３１０を通過することによって平行光束となり、１／４波長板３２０に入射する。すると、Ｐ波の物体光ＰＭとＳ波の参照光ＳＲとは、１／４波長板３２０を通過することにより、回転方向が反対の円偏光となる。そして、回転方向が反対である円偏光の無干渉光束が複合偏光板３３０に入射し、光束の４つの部分がそれぞれ複合偏光板３３０の各偏光板部分３３１〜３３４を通過する。無干渉光束が各偏光板部分３３１〜３３４を通過すると、この無干渉光束に含まれる参照光ＳＲと物体光ＰＭとが干渉して干渉縞の像が生成される。このとき、複合偏光板３３０を構成する各偏光板３３１〜３３４の透過軸角度は４５度ずつ異なるところ、干渉縞としては９０度ずつ位相が異なる４つの干渉縞が生成される。
干渉縞の像は複合ＣＣＤカメラ３４０に入射し、複合ＣＣＤカメラ３４０の各カメラ３４１〜３４４によって撮像される。すると、図９に示されるように、光束を４分割して、各分割部分で異なる位相の干渉縞が取得される。
【００４５】
そして、所定の解析手段に各干渉縞の画像を入力して、干渉縞上の各点における画像強度を４つの干渉縞で対比することにより、ワーク表面の位相情報が得られる。これにより、ワークの表面形状が求められる。
【００４６】
なお、干渉縞を得るにあたっては、参照光（Ｐ波）と物体光（Ｓ波）との強度が略等しいことが好ましいところ、ワーク表面と参照ハーフミラー１２０とで反射率が違う場合に、ワーク表面と参照ハーフミラー１２０とに同じ強度の光を照射していてはワークからの反射光であるＰ波の物体光ＰＭと参照ハーフミラー１２０からの反射光であるＳ波の参照光ＳＲとで強度が異なることになる。特に、反射率の低いワークを測定対象とする場合には、Ｐ波の物体光ＰＭが弱すぎて望ましい干渉縞が得られないこともある。
【００４７】
このような場合、照明光学系２００において、半波長板２３０を回転させて半波長板２３０の主軸の角度を調整する。すなわち、半波長板２３０によって偏光の偏光方向を回転させ、例えば、偏光ビームスプリッタ２４１における光の分割において透過光（Ｐ波）の成分が多く、反射光（Ｓ波）の成分が少なくなるようにする。
このように偏光ビームスプリッタ２４１における光の分割においてＳ波とＰ波との割合を調整して、ワークからの反射光であるＰ波の物体光ＰＭの強度と参照ハーフミラー１２０からの反射光であるＳ波の参照光ＳＲの強度とを略等しくすることで干渉縞を明瞭にする。
【００４８】
このような構成を備える第１実施形態によれば、次の効果を奏する。
（１）従来は、フィゾー型の位相シフト干渉計において物体光と参照光とを無干渉の光束とするために１／４波長板を使用する構成が考案されていたところ、幅広の光束に対応するように開口の広い波長板を用意することは困難であったが、本実施形態では、照明光学系２００からＰ波とＳ波とを発射するので、物体光と参照光とを無干渉光束とするために開口の広い波長板を必要としない。よって、被検面の表面形状を測定するフィゾー型の干渉計において、Ｓ波の参照光ＳＲとＰ波の物体光ＰＭとを異なる複数の位相で干渉させて、位相が異なる複数の干渉縞を同時に得るフィゾー型の位相シフト干渉計１００を実現することができる。
【００４９】
（２）照明光学系２００から発射されるＰ波とＳ波とを所定間隔離間させており、さらに、参照ハーフミラー１２０を所定角度傾斜させることによってＳ波の参照光（ＳＲ）、Ｐ波の参照光（ＰＲ）、Ｓ波の物体光（ＳＭ）およびＰ波の物体光（ＰＭ）がコリメートレンズ１１０によって結像する位置を総て異ならせることができる。そして、ピンホール１３１によってＳ波については参照光（ＳＲ）のみ、Ｐ波については物体光（ＰＭ）のみを選択的に位相シフト干渉縞取得部３００に入射させることができる。
このようにピンホール１３１によって位相シフト干渉縞取得部３００に入射する光束を選択するので、Ｓ波の参照光（ＳＲ）とＰ波の物体光（ＰＭ）とが無干渉光束として位相シフト干渉縞取得部３００に入射し、位相シフト干渉縞取得部３００において、参照光（ＰＲ）と物体光（ＳＭ）とを異なる位相で干渉させて位相の異なる複数の干渉縞を同時に得ることができる。
【００５０】
（３）半波長板２３０を回転させて半波長板２３０の主軸の角度を調整することにより偏光ビームスプリッタ２４１に入射する光（Ｌ２）の偏光方向を調整することができるので、偏光ビームスプリッタ２４１による光の分割によって生成されるＰ波とＳ波との相対強度を調整することができる。例えば、反射率の低いワークを測定対象とする場合には、物体光（ＰＭ）が弱すぎて望ましい干渉縞が得られないおそれもあるが、Ｐ波とＳ波との強度を調整してワークからの反射光である物体光（ＰＭ）の強度と参照ハーフミラー１２０からの反射光である参照光（ＳＲ）の強度とを略等しくすることで干渉縞を明瞭にすることができる。
【００５１】
（変形例１）
次に、本発明の変形例１について図１０を参照して説明する。
変形例１の基本的構成は第１実施形態に同様であるが、照明光学系の構成に特徴を有する。
図１０において、照明光学系４００は、レーザー光源４１０と、レーザー光源４１０からの光を偏光にする偏光板４２０と、半波長板４３０と、レーザー光源４１０からの光をＰ波とＳ波とに分ける光束分割手段４４０と、光束分割手段４４０からのＰ波とＳ波とを平行光束にする平行光束生成手段４５０と、を備える。
ここで、光束分割手段４４０は、偏光ビームスプリッタ４４１であり、平行光束生成手段４５０は、２つのレンズ４５１、４５３と、２本の光ファイバ４５２、４５４と、を備えて構成されている。
レーザー光源４１０から発射された光（Ｌ１）は、偏光板４２０を通過することで所定の偏光方向を有する偏光となり、半波長板４３０によって偏光方向が所定角度で回転された状態で偏光ビームスプリッタ４４１に入射する（Ｌ２）。すると、偏光ビームスプリッタ４４１に入射した光のうち、Ｐ波は偏光ビームスプリッタ４４１を通過し、Ｓ波は偏光ビームスプリッタ４４１にて反射される。そして、Ｐ波とＳ波とはそれぞれレンズ４５１、４５３を通して光ファイバ４５２、４５４に導入される。光ファイバ４５２、４５４の末端部４５２Ａ、４５４Ａは、所定間隔を隔てて互いに平行に配設されている。これにより、光ファイバ４５２、４５４の末端部４５２Ａ、４５４Ａから発射されたＰ波とＳ波とは所定間隔離間して平行に発射される。
【００５２】
（変形例２）
次に、本発明の変形例２について図１１を参照して説明する。
変形例２の基本的構成は、第１実施形態に同様であるが、照明光学系の構成に特徴を有する。
図１１において、照明光学系５００は、レーザー光源５１０と、レーザー光源５１０からの光を偏光にする偏光板５２０と、半波長板５３０と、レーザー光源５１０からの光をＰ波とＳ波とに分ける光束分割手段５４０と、光束分割手段５４０からのＰ波とＳ波とを平行光束にする平行光束生成手段５５０と、を備える。
ここで、光束分割手段５４０は、サバールプレート５４１であり、平行光束生成手段５５０は、ウォラストンプリズム５５１と、レンズ５５２と、を備えている。
【００５３】
レーザー光源５１０から発射された光は、偏光板５２０を通過することで所定の偏光方向を有する偏光となる。そして、半波長板５３０によって偏光方向が所定角度で回転された状態でサバールプレート５４１に入射する。サバールプレート５４１に光が入射すると、互いに直交する成分を有するＰ波とＳ波とが所定間隔離間するようにずれる。
そして、Ｐ波とＳ波とが所定間隔離間した状態でサバールプレート５４１から射出されてウォラストンプリズム５５１に入射する。すると、このＰ波とＳ波とは直進経路に対して５度ほど傾斜した射出角でウォラストンプリズム５５１から射出される。
ウォラストンプリズム５５１から射出されたＰ波およびＳ波は、レンズ５５２を通過することによって、焦点位置にて一旦絞られた後に拡散光束として照明光学系５００から発射される。さらに、レンズ５５２は、ウォラストンプリズム５５１から射出される光が交差する位置に焦点位置を合わせて配設されているところ、レンズ５５２を通過した後のＰ波とＳ波との光軸は互いに平行となる。
【００５４】
（変形例３）
次に、本発明の変形例３について図１２を参照して説明する。
変形例３の基本的構成は、第１実施形態に同様であるが、照明光学系の構成に特徴を有する。
図１２において、照明光学系６００は、レーザー光源６１０と、レーザー光源６１０からの光を偏光にする偏光板６２０と、半波長板６３０と、レンズ６４０と、サバールプレート６５０と、を備えている。
レーザー光源６１０から発射された光は、偏光板６２０を通過することで所定の偏光方向を有する偏光となる。そして、半波長板６３０によって偏光方向が所定角度で回転された状態でレンズ６４０に入射し、このレンズ６４０によって焦点位置に絞られ、サバールプレート６５０に入射する。サバールプレート６５０に光が入射すると、互いに直交する成分を有するＰ波とＳ波とが所定間隔離間するようにずれる。そして、Ｐ波とＳ波とが所定間隔離間した状態でサバールプレート６５０から射出される。
【００５５】
ここに、サバールプレート６５０により、光束分割手段と平行光束生成手段とが構成される。
【００５６】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、照明光学系の構成としては、上記に説明した構成に限られず、光源からの光をＰ波とＳ波とに分割して所定間隔離間した状態で発射できる構成であればよい。
また、照明光学系から発射する光は直線偏光であるＰ波とＳ波である場合を例にして説明したが、例えば、互いに反対方向の回転方向を有する円偏光であってもよい。
位相シフト干渉縞取得部において、複合偏光板を光束中に挿入して、光束の各部分が複合偏光板中の異なる透過軸角度の偏光板部分を通過することで異なる位相の干渉縞を生成する場合を例にして説明したが、ピンホールを通過してきた無干渉光束を複数枚のハーフミラー等やプリズム等を用いて複数の光束に分割した上で、波長板および偏光板等を用いて各光束が異なる位相で干渉するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、位相シフト干渉計に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の位相シフト干渉計に係る第１実施形態の構成を示す図。
【図２】第１実施形態において照明光学系の構成を示す図。
【図３】照明光学系から発射されるＰ波とＳ波との離間状態を示す図。
【図４】第１実施形態において、Ｐ波の光路を示す図。
【図５】ピンホールを通過する光とピンホールプレートにて遮断される光とを示す図。
【図６】第１実施形態において、Ｓ波の光路を示す図。
【図７】第１実施形態において、位相シフト干渉計の構成を示す図。
【図８】第１実施形態において、複合偏光板の構成を示す図。
【図９】第１実施形態において、位相シフト干渉縞取得部によって取得される干渉縞の例を示す図。
【図１０】変形例１において、照明光学系の構成を示す図。
【図１１】変形例２において、照明光学系の構成を示す図。
【図１２】変形例３において、照明光学系の構成を示す図。
【図１３】従来技術としてのフィゾー型の位相シフト干渉計を示す図。
【符号の説明】
【００５９】
１００…位相シフト干渉計、１１０…コリメートレンズ、１２０…参照ハーフミラー、１３０…ピンホールプレート、１３１…ピンホール、１４０…ハーフミラー、２００…照明光学系、２１０…レーザー光源、２２０…偏光板、２３０…半波長板、２４０…光束分割手段、２４１…偏光ビームスプリッタ、２４２…第１反射ミラー、２４３…第２反射ミラー、２５０…平行光束生成手段、２５１…ウォラストンプリズム、２５２…レンズ、３００…位相シフト干渉縞取得部、３１０…レンズ、３２０…１／４波長板、３３０…複合偏光板、３３１、３３２、３３３、３３４…偏光板、３４０…複合ＣＣＤカメラ、３４１、３４２、３４３、３４４…ＣＣＤカメラ、４００…照明光学系、４１０…レーザー光源、４２０…偏光板、４３０…半波長板、４４０…光束分割手段、４４１…偏光ビームスプリッタ、４５０…平行光束生成手段、４５１、４５３…レンズ、４５２、４５４…光ファイバ、４５２Ａ、４５４Ａ…光ファイバの末端部、５００…照明光学系、５１０…レーザー光源、５２０…偏光板、５３０…半波長板、５４０…光束分割手段、５４１…サバールプレート、５５０…平行光束生成手段、５５１…ウォラストンプリズム、５５２…レンズ、６００…照明光学系、６１０…レーザー光源、６２０…偏光板、６３０…半波長板、６４０…レンズ、６５０…サバールプレート。
【図１】
0004538388.tif 000002
【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】
0004538388.tif 000010
【図１０】
0004538388.tif 000011
【図１１】
0004538388.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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