JPH07146212A - 光路補正装置および光学測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】光路補正装置１Ａは、偏光ビームスプリッタ
２、1/4 波長板４及び対物レンズ５がこの順に同軸上に
配置され、偏光ビームスプリッタ２の左側面側に反射鏡
６が設置された構成である。被検面７が角θだけ傾斜し
ている場合、入射光束８は、偏光ビームスプリッタ２及
び1/4 波長板４を透過後、対物レンズ５により被検面７
上に集光され、その被検面７での１回目の反射光束９
は、入射光束８と別の経路で、対物レンズ５及び1/4 波
長板４を通過し、偏光分離面３で反射され、更に反射鏡
６にて反射されて同経路を戻り、対物レンズ５にて被検
面７上の前記と同じ集光点７２に集光される。この集光
光の２回目の反射光束１０は、被検面７の傾斜角度θに
かかわらず、入射光束８と同一の経路を逆行する。 【効果】簡易な構成で、光路のずれを正確に補正するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被検面の傾きによる光
路のずれを補正する光路補正装置およびこれを備えた光
学測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学系のコンパクト化、レンズ枚
数の低減化、高機能化等に伴い、非球面レンズが多く用
いられるようになり、また、精密加工技術の進歩によ
り、自由な曲面形状の金型が製造され、これを用いて成
形されるプラスチックレンズ等は、高精度の面形状が自
由に製造できるようになってきた。

【０００３】一方、それに伴い、非接触で高精度に面形
状を測定する種々の方法が用いられている。例えば、光
ディスク装置等で用いられている焦点検出法を用いて、
測定光が常に被検面に合焦するように被検面の測定点と
対物レンズとの距離を一定に保つように制御し（オート
フォーカス）、その制御信号の大小から面形状を求める
方法（第１の方法）や、被検面にオートフォーカスをか
けながら、被検面からの反射光と参照光とを重ね合せ、
被検面の面形状により発生する位相変化量を干渉信号と
して検出し、これを解析して被検面の面形状を求める方
法（第２の方法）が知られている。

【０００４】ところで、このような方法で面形状を測定
する際、被検面が傾斜していると被検面への入射光束と
被検面からの反射光束とが別の経路を通るため、両光束
にずれが生じる。例えば、図１７に示すように、被検面
７の法線７１が対物レンズ５の光軸５１に対して角θだ
け傾斜していた場合、対物レンズ５の焦点距離をｆとす
ると、入射光束１００とその被検面７での反射光束２０
０とのずれＳは、Ｓ＝ｆ・ sin２θとなる。

【０００５】このため、前記第１の方法では、オートフ
ォーカス信号を検出すべき光検出器上において、光束の
ずれによりオートフォーカス信号に誤差が入り、また、
前記第２の方法では、参照光と被検面からの反射光とが
互いにずれて重なるため、干渉信号が正しく得られない
という問題がある。

【０００６】このような問題を解決するものとして、特
開昭６２−９２１１号公報に記載された光学測定装置が
ある。この光学測定装置は、被検面からの反射光の一部
を４分割光検出器で受けて被検面の傾斜を検出し、４分
割光検出器から得られる信号に基づき、集光レンズ、対
物レンズ、偏光プリズム等を移動して入射光の位置を対
物レンズの光軸と垂直な方向に移動し、入射光と被検面
からの反射光とが同一経路を通るように制御するもので
ある。

【０００７】しかしながら、この光学測定装置では、被
検面の傾斜を検出するための光検出部、集光レンズ、対
物レンズ、偏光プリズム等を移動するための高精度なサ
ーボ機構、およびそれらの制御手段等を必要とするた
め、装置が複雑化、大型化し、高価になるという欠点が
ある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、機械
的可動部を用いることなく簡単な構成で適正な光路補正
が可能であり、被検面を高精度に測定することができる
光路補正装置および光学測定装置を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（２０）の本発明により達成される。

【００１０】（１） 光路変更手段と、入射光束を被検
面上に集光させる対物レンズと、前記入射光束の光路を
遮断しない位置に設置された反射鏡とを有し、前記入射
光束に対する前記被検面の傾きにかかわらず、前記入射
光束の少なくとも一部を前記対物レンズにて前記被検面
上に集光させ、その光の前記被検面での１回目の反射光
束を、前記光路変更手段により前記入射光束の光路とは
異なる経路に導き、この光束を前記反射鏡で反射して、
前記１回目の反射光束と同経路で前記被検面上に再び集
光させ、その光の被検面での２回目の反射光束を前記入
射光束と同経路で逆行させることを特徴とする光路補正
装置。

【００１１】（２） 前記光路変更手段は、偏光子と、
前記偏光子を通過後の偏光状態を変化させる偏光変化部
材とで構成される上記（１）に記載の光路補正装置。

【００１２】（３） 前記偏光子は、偏光ビームスプリ
ッタであり、前記偏光変化部材は、位相子または旋光子
である上記（２）に記載の光路補正装置。

【００１３】（４） 前記位相子は１／４波長板であ
り、前記旋光子はファラデー素子である上記（３）に記
載の光路補正装置。

【００１４】（５） 前記入射光束、前記１回目の反射
光束、その反射鏡での反射光束および２回目の反射光束
が前記偏光変化部材を順次通過する上記（２）ないし
（４）のいずれかに記載の光路補正装置。

【００１５】（６） 光路変更手段と、入射光束を被検
面上に集光させる対物レンズと、前記入射光束の光路を
遮断しない位置に設置された反射鏡とを有し、前記入射
光束に対する前記被検面の傾きにかかわらず、前記入射
光束の少なくとも一部を前記対物レンズにて前記被検面
上に集光させ、その光の前記被検面での１回目の反射光
束を、前記光路変更手段による光路変更および前記反射
鏡による反射により少なくとも１往復させて前記被検面
上に再び集光させ、その光の被検面での反射光束を前記
入射光束に対し逆行させることを特徴とする光路補正装
置。

【００１６】（７） 前記反射鏡は、その反射面の法線
が前記反射面への１回目の入射光束に対し所定角度傾斜
して設置されている上記（６）に記載の光路補正装置。

【００１７】（８） 前記光路変更手段は、ビームスプ
リッタである上記（６）または（７）に記載の光路補正
装置。

【００１８】（９） 前記被検面での特定の反射回数の
反射光束を抽出する反射光束抽出手段を有する上記
（６）ないし（８）のいずれかに記載の光路補正装置。

【００１９】（10） 前記反射鏡は、平面鏡である上記
（１）ないし（９）のいずれかに記載の光路補正装置。

【００２０】（11） 前記反射鏡は、凹面鏡または凸面
鏡である上記（１）ないし（９）のいずれかに記載の光
路補正装置。

【００２１】（12） 前記反射鏡は、位相共役鏡である
上記（１）ないし（９）のいずれかに記載の光路補正装
置。

【００２２】（13） 前記対物レンズは、前記被検面に
対し自動焦点機能を有するものである上記（１）ないし
（12）のいずれかに記載の光路補正装置。

【００２３】（14） 前記光路変更手段と前記反射鏡と
が一体的に形成されている上記（１）ないし（13）のい
ずれかに記載の光路補正装置。

【００２４】（15） 前記入射光束が平行光束である上
記（１）ないし（14）のいずれかに記載の光路補正装
置。

【００２５】（16） 前記入射光束の径が、前記対物レ
ンズの有効径より小さい上記（１）ないし（15）のいず
れかに記載の光路補正装置。

【００２６】（17） 光学的測定により被検面の情報を
得る光学測定装置であって、光源と、測定光学系とを有
し、前記測定光学系は、上記（１）ないし（16）のいず
れかに記載の光路補正装置を備えていることを特徴とす
る光学測定装置。

【００２７】（18） 前記光学測定装置は、さらに参照
光学系と光検出器とを有し、前記光検出器により、前記
参照光学系からの参照光と前記測定光学系からの被検光
とを重ねることにより生じる干渉縞を検出し、被検面の
形状または性状を測定する偏光干渉計である上記（17）
に記載の光学測定装置。

【００２８】（19） 前記参照光と前記被検光との光量
の比を調節する光量調節手段を有する上記（17）または
（18）に記載の光学測定装置。

【００２９】（20） 前記光学測定装置は、さらに自動
焦点手段を有し、前記自動焦点手段は、上記（１）ない
し（16）のいずれかに記載の光路補正装置を備えている
上記（17）ないし（19）のいずれかに記載の光学測定装
置。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の光路補正装置および光学測定
装置を添付図面に示す好適実施例に基づき詳細に説明す
る。

【００３１】図１および図２は、それぞれ、本発明の光
路補正装置の構成例を示す説明図である。このうち、図
１は、被検面７上の集光点７２における被検面の法線が
対物レンズ５の光軸と一致している場合、図２は、被検
面７が傾斜している場合、すなわち被検面７上の集光点
７２における被検面の法線と対物レンズ５の光軸とが角
θ（θ≠０）をなしている場合を示す。なお、図２中で
は、光束の主光線のみが示されている。

【００３２】図１および図２に示すように、本発明の光
路補正装置１Ａは、偏光子である偏光ビームスプリッタ
２と、位相子である１／４波長板（λ／４板）４と、入
射光束を被検面７上に集光する対物レンズ５とが、この
順に同軸上に配置されており、さらに、偏光ビームスプ
リッタ２の図中左側面側に、反射鏡６が設置された構成
である。偏光ビームスプリッタ２は、偏光分離面３を介
して２つの直角プリズムを接合してなるものである。こ
の偏光ビームスプリッタ２と１／４波長板４とで光路変
更手段が構成される。

【００３３】対物レンズ５は、入射光束８を被検面７上
に集光させるためのレンズであり、被検面７との距離の
変化に対応し得るよう、自動焦点（オートフォーカス）
機能を有するのが好ましい。この自動焦点機能は、後述
するような自動焦点手段２５を用い、例えば既知の非点
収差法等の焦点検出法により第２の光検出器３１でフォ
ーカスエラー信号を得、この信号に基づいて、対物レン
ズ５をその光軸方向に移動するような制御を行うことに
より得られる。

【００３４】反射鏡６は、その反射面が平面をなす平面
鏡であり、反射面の法線が、偏光ビームスプリッタ２の
偏光分離面３で反射された反射光束の方向と平行となる
ように設置されている。

【００３５】このような光路補正装置１Ａでは、図示し
ないレーザ光源より発せられ、図示しないビームエキス
パンダにより、ビーム径が例えば１〜８mm程度の平行光
束とされた入射光束８は、偏光ビームスプリッタ２に入
射し、偏光分離面３にて２つの偏光成分に分離され、そ
の一方（Ｐ偏光成分）が透過する（レーザ光源が直線偏
光タイプのものであるなら、適当に偏光ビームスプリッ
タ２への入射光方向を調節すると、全て透過する）。

【００３６】この透過したＰ偏光成分は、直線偏光光束
であり、１／４波長板４を通過して円偏光とされ、対物
レンズ５により被検面７上の集光点７２に、例えばスポ
ット径が１〜１０μm 程度に集光される。

【００３７】図１に示すように、被検面７が傾斜してい
ない場合には、被検面７上に集光された光束のうち被検
面７で反射した反射光束は、偏光分離面３に至るまでは
入射光束８と同一の経路を逆行する。すなわち、１回目
の反射光束９は、対物レンズ５にて平行光束とされ、再
び１／４波長板４を通過し、偏光分離面３に至る。

【００３８】被検面７での反射により、１回目の反射光
束９は、逆回りの円偏光となるため、１／４波長板４を
通過すると、偏光分離面３を透過後の入射光束と直交す
る直線偏光光束、すなわちＳ偏光となり、よって、偏光
分離面３で反射されて直角方向に屈曲し、光源側には戻
らない。

【００３９】偏光分離面３で反射された１回目の反射光
束９は、反射鏡６の反斜面に対し直交する方向に進み、
反射鏡６にて反射され、同一の経路を通り、再び偏光分
離面３で反射されて直角方向に屈曲し、１／４波長板４
にて円偏光とされ、さらに、対物レンズ５により被検面
７上の前記と同じ集光点７２に集光される。この集光光
の反射光束である２回目の反射光束１０は、入射光束８
と同一の経路を逆行する。すなわち、２回目の反射光束
１０は、対物レンズ５にて平行光束とされ、再び１／４
波長板４を通過し、偏光分離面３に至る。

【００４０】被検面７での反射により、２回目の反射光
束１０は、さらに逆回りの円偏光となるため、１／４波
長板４を通過すると、偏光分離面３を透過後の入射光束
８と同じ直線偏光光束、すなわちＰ偏光となり、よっ
て、偏光分離面３を透過し、入射光束８と同一の経路で
光源側へ逆行する。

【００４１】図２に示すように（ここでは図１の光束の
主光線のみ示す）、被検面７が角θ傾斜していた場合に
は、被検面７上に集光された光の１回目の反射光束９
は、その光軸と入射光束８の光軸とのなす角度が２θと
なる方向に進む。この１回目の反射光束９は、対物レン
ズ５にて平行光束とされ、再び１／４波長板４を通過
し、偏光分離面３に至る。この場合、対物レンズ５を通
過後の１回目の反射光束９は、入射光束８に対し平行に
シフトする。また、１回目の反射光束９は、前記と同様
の原理で、１／４波長板４の通過によりＳ偏光となるた
め、偏光分離面３で反射されて直角方向に屈曲し、光源
側には戻らない。

【００４２】偏光分離面３で反射された１回目の反射光
束９は、反射鏡６の反斜面に対し直交する方向に進み、
反射鏡６にて反射され、同一の経路を通り、再び偏光分
離面３で反射されて直角方向に屈曲し、１／４波長板４
にて円偏光とされ、さらに、対物レンズ５により被検面
７上の前記と同じ集光点７２に同じ角度で集光される。
従って、この集光光束の被検面による反射光束である２
回目の反射光束１０は、被検面７の傾斜角度θにかかわ
らず、入射光束８と同一の経路を逆行する。すなわち、
２回目の反射光束１０は、対物レンズ５にて平行光束と
され、再び１／４波長板４を通過し、偏光分離面３に至
る。

【００４３】このとき、２回目の反射光束１０は、前記
と同様の原理で、１／４波長板４の通過によりＰ偏光と
なるため、偏光分離面３を透過し、入射光束８と同一の
経路で光源側へ逆行する。

【００４４】なお、対物レンズ５や他の光学部品の精度
が良好であれば、被検面７の傾斜の有無または傾斜角度
の大小にかかわらず、光路長は一定となる。

【００４５】このような光路補正装置１Ａでは、入射光
束８の被検面７での１回目の反射光束９は、入射光束８
側へは戻らず、被検面７の傾斜による光路のずれが補正
された２回目の反射光束１０のみが入射光束８側へ戻
り、入射光束８と同一の経路を逆行する。このように、
本発明の光路補正装置は、前記従来技術のように、機械
的可動部有することなく簡単な構成で、かつ正確な光路
の補正をすることができる。

【００４６】また、被検面７を２回反射（２往復）して
いるため、例えば、参照光との干渉による被検面７の面
形状の測定を行う場合、測定の感度が２倍になるという
利点がある。

【００４７】図３、図４、図５、図７、図８、図９、図
１０および図１２は、それぞれ、本発明の光路補正装置
の他の構成例を示す説明図である。以下、これらの図に
示す光路補正装置について順次説明するが、前記光路補
正装置１Ａと同様の事項についてはその説明を省略す
る。

【００４８】図３に示す光路補正装置１Ｂは、光路変更
手段と反射鏡とが一体的に形成されているものである。
すなわち、偏光ビームスプリッタ２の図中下面に１／４
波長板４を接合するとともに、偏光ビームスプリッタ２
の図中左側面を反射面（反射鏡）６１としたものであ
る。

【００４９】このような構成の光路補正装置１Ｂでは、
装置を小型化することができるとともに、振動、温度変
化等の環境に対する光学系の安定性が向上する。

【００５０】なお、反射面６１を形成する方法として
は、偏光ビームスプリッタ２の側面に反射増加膜をコー
ティングする等の方法が挙げられる。

【００５１】図４に示す光路補正装置１Ｃは、入射光束
が平行光束ではない（有限入射光束）場合の構成例であ
る。すなわち、図示の構成では、点光源１１を用いてい
る。この場合、反射鏡６は、凸面鏡であり、その反射面
６２の曲率中心Ｏは、偏光ビームスプリッタ２の偏光分
離面３に対し、点光源１１と共役（対称）な位置とされ
る。点光源１１より発せられた拡散する入射光束８は、
偏光ビームスプリッタ２および１／４波長板４を順次通
過し、対物レンズ５により被検面７上に集光され、その
１回目の反射光束９は、再び対物レンズ５および１／４
波長板４を通過し、偏光分離面３で反射されて屈曲し、
反射鏡の曲率中心Ｏをめざし反射鏡６へ向かう。反射鏡
６の湾曲する反射面６１で反射された１回目の反射光束
９は、同一の経路を戻り、再び偏光分離面３で反射され
て屈曲し、１／４波長板４を通過後、対物レンズ５によ
り被検面７上の前記と同じスポット照射位置に同じ角度
で集光される。従って、この集光光の反射光束である２
回目の反射光束１０は、入射光束８と同一の経路を逆行
し、点光源１１の位置で再び集光する。

【００５２】図５に示す光路補正装置１Ｄは、前記光路
補正装置１Ｃと同様の機能を有する光路補正装置であっ
て、光路変更手段と反射鏡とが一体的に形成されている
ものである。すなわち、偏光ビームスプリッタ２の図中
下面に１／４波長板４を接合するとともに、偏光ビーム
スプリッタ２の図中左側面に反射鏡６を接合したもので
ある。この場合、反射鏡６は、凹面鏡であり、その反射
面６３の曲率中心Ｏは、偏光ビームスプリッタ２の偏光
分離面３に対し、点光源１１と共役（対称）な位置とさ
れる。

【００５３】また、光路補正装置１Ｄにおいて、図６に
示すように、偏光ビームスプリッタ２の図中左側面自体
を湾曲する凹面とし、この凹面を前記と同様の反射面
（反射鏡）６４とすることもできる。反射面６４を形成
する方法としては、前記と同様、反射増加膜をコーティ
ングする等の方法が挙げられる。

【００５４】このような構成の光路補正装置１Ｄでは、
装置を小型化することができるとともに、振動、温度変
化等の環境に対する光学系の安定性が向上する。

【００５５】図７に示す光路補正装置１Ｅは、前記光路
補正装置１Ａにおいて、１／４波長板４を旋光子である
ファラデー素子１２に代えたものである。このファラデ
ー素子１２は、印加する磁界の強さに比例して旋光能が
変化する特徴を有する。ファラデー素子１２に固有の定
数と、印加する磁界の強さとの設定により、ファラデー
素子１２を１回通過すると入射偏光の偏光方向がπ／４
だけ回転（１往復だとπ／２回転）するように調整され
る。これにより、偏光分離面３を通過した入射光束８の
１回目の反射光束９およびその反射鏡６での反射光束を
偏光分離面３で反射させ、２回の反射光束１０は偏光分
離面３を透過させる機能を発揮する。

【００５６】図８に示す光路補正装置１Ｆは、反射鏡と
して位相共役鏡６５を用いたものである。偏光ビームス
プリッタ２の図中左側面と位相共役鏡６５との間には、
１回目の反射光束９を位相共役鏡６５上に集光するフォ
ーカシングレンズ１３が設置されている。

【００５７】このような構成の光路補正装置１Ｆでは、
位相共役鏡６５を用いたため、途中の光学系の収差が補
正されるという利点がある。

【００５８】図９に示す光路補正装置１Ｇは、対物レン
ズを通過後の被検面への入射光束に対し光路補正を行う
ものである。すなわち、光路補正装置１Ｇでは、対物レ
ンズ５が偏光ビームスプリッタ２の図中上方（光源側）
に設置されている。この場合、反射鏡６は、凹面鏡であ
り、その反射面６６の曲率中心Ｏは、偏光ビームスプリ
ッタ２の偏光分離面３に対し、被検面７上の集光点７２
と共役（対称）な位置とされる。

【００５９】図１０に示す光路補正装置１Ｈは、前記光
路補正装置１Ｇと同様の機能を有する光路補正装置であ
って、光路変更手段と反射鏡とが一体的に形成されてい
るものである。すなわち、偏光ビームスプリッタ２の図
中下面に１／４波長板４を接合するとともに、偏光ビー
ムスプリッタ２の図中左側面に反射鏡６を接合したもの
である。この場合、反射鏡６は、凸面鏡であり、その反
射面６７の曲率中心Ｏは、偏光ビームスプリッタ２の偏
光分離面３に対し、点光源１１と共役（対称）な位置と
される。

【００６０】また、光路補正装置１Ｈにおいて、図１１
に示すように、偏光ビームスプリッタ２の図中左側面自
体を湾曲する凸面とし、この凸面を前記と同様の反射面
（反射鏡）６８とすることもできる。反射面６８を形成
する方法としては、前記と同様、反射増加膜をコーティ
ングする等の方法が挙げられる。

【００６１】このような構成の光路補正装置１Ｈでは、
装置を小型化することができるとともに、振動、温度変
化等の環境に対する光学系の安定性が向上する。

【００６２】図１２に示す光路補正装置１Ｊは、偏光ビ
ームスプリッタ２に代わり、ビームスプリッタ４０を用
いたものであり、１／４波長板４を有さない。なお、図
１２では、光束の主光線が代表的に示されている。ま
た、反射鏡４２は、その反射面４３の法線４３１が反射
面４３へ向かう１回目の入射光束４４に対し所定角度α
傾斜するように設置されている。

【００６３】この光路補正装置１Ｊでは、平行光束とさ
れた入射光束８は、ビームスプリッタ４０に入射し、そ
の分離面４１を透過した光束は、対物レンズ５により被
検面７上に集光される。被検面７上に集光された光束の
うち被検面７で反射した１回目の反射光束４４は、対物
レンズ５にて平行光束とされ、その一部は分離面４１で
反射され、さらにこの反射光束４４は、反射鏡４２の反
射面４３にて反射される。このとき、反射面４３が角度
α傾斜しているため、反射面４３における反射の前後の
光束同士は、２αの角度をなしている。反射面４３にて
反射された反射光束４４は、分離面４１で反射され、対
物レンズ５により被検面７上に集光される。この集光点
は、対物レンズ５に最初に入射する入射光束８の被検面
７上の集光点とは僅かに異なる位置にできる。

【００６４】さらに、この集光光の反射光束である２回
目の反射光束４５は、対物レンズ５にて平行光束とさ
れ、その一部は分離面４１を透過し、入射光束８に対し
角度２α傾斜した光路で逆行する。また、分離面４１で
反射された２回目の反射光束４５は、反射鏡４２の反射
面４３にて反射されて戻り、前記と同様にして被検面７
上に集光される。この集光点は、対物レンズ５に最初に
入射する入射光束８の被検面７上の集光点と同じ位置に
ある。

【００６５】さらに、この集光光の反射光束である３回
目の反射光束４６は、対物レンズ５にて平行光束とさ
れ、その一部は分離面４１を透過し、入射光束８に対し
平行な光路で逆行する。すなわち、反射光束４６は、入
射光束８に対し平行にシフトしている。

【００６６】以上のような作用は、被検面７の傾斜の有
無および程度にかかわらず生じる。そして、後述する反
射光束抽出手段により、ビームスプリッタ４０を透過し
てきた特定の反射回数の反射光束を抽出（選択）する。
すなわち、２回目の反射光束４５または３回目の反射光
束４６のいずれか一方のみを抽出（抽出する光束以外の
光束をカット）し、これを補正済の光束として用いる。

【００６７】なお、反射面４３の傾斜角度αは、反射光
束抽出手段により、特定の反射回数の反射光束を必要か
つ十分に抽出し得る程度に適宜設定される。

【００６８】このような構成の光路補正装置１Ｊでは、
抽出する反射光束により、感度を調整することができ
る。すなわち、２回目の反射光束４５を抽出した場合に
は、感度は２倍となり、３回目の反射光束４６を抽出し
た場合には、感度は３倍となる。

【００６９】以上のような光路補正装置の用途は特に限
定されず、各種光学機器に適用することができるが、光
学的測定により被検面の情報を得る光学測定装置の光路
補正装置として用いるのが好ましく、特に、被検面の形
状または性状（例えば表面粗さ）を測定する偏光干渉計
の光路補正装置として用いるのがより好ましい。

【００７０】図１３は、本発明の光路補正装置を備える
偏光干渉計の構成例を示す説明図である。同図に示す偏
光干渉計１４Ａは、可干渉性を有する光を発する光源で
あるレーザ光源１５と、光検出器２４と、レーザ光源１
５からの光束を被検面７へ照射し、その反射光束を光検
出器２４へ導く測定光学系１４１と、レーザ光源１５か
らの光束の一部を利用して参照光を得るための参照光学
系１４２と、自動焦点手段２５とを有しており、参照光
学系１４２で得られた参照光と測定光学系１４１で得ら
れた被検面７からの反射光とを重ねることにより生じる
干渉縞を光検出器２４で検出し、被検面の形状または性
状を測定するものである。

【００７１】測定光学系１４１、参照光学系１４２およ
び自動焦点手段２５は、それぞれ、それらを構成する光
学部品の一部を共有している。すなわち、測定光学系１
４１は、偏光子１６、ビームエキスパンダ１７、コリメ
ートレンズ１８、ビームスプリッタ１９、ダイクロック
ミラー２０、光路補正装置１Ａ、検光子２２および集光
レンズ２３で構成され、参照光学系１４２は、偏光子１
６、ビームエキスパンダ１７、コリメートレンズ１８、
ビームスプリッタ１９、ダイクロックミラー２０、偏光
ビームスプリッタ２、参照鏡２１、検光子２２および集
光レンズ２３で構成され、自動焦点手段２５は、半導体
レーザ２６、第２のコリメートレンズ２７、第２の偏光
ビームスプリッタ２８、第２の１／４波長板２９、ダイ
クロックミラー２０、光路補正装置１４Ａ、シリンドリ
カルレンズ３０、第２の光検出器３１および対物レンズ
５を駆動するレンズ駆動手段（図示せず）で構成されて
いる。

【００７２】このような偏光干渉計１４Ａにおいて、例
えばＨｅ−Ｎｅレーザのようなレーザ光源１５から出射
されたレーザ光は、偏光子１６により所定の偏光方向に
調整された後、ビームエキスパンダ１７およびコリメー
トレンズ１８で構成されるビームコリメータにより平行
光束とされ、ビームスプリッタ１９およびダイクロック
ミラー２０を順次透過した後、光路補正装置１Ａを構成
する偏光ビームスプリッタ２にてその一部（Ｓ偏光成
分）が反射され、参照鏡２１に導かれる。この参照鏡２
１で反射された参照光は、同一経路を戻り、偏光ビーム
スプリッタ２で反射され、ダイクロックミラー２０を透
過し、ビームスプリッタ１９で一部の光束は反射され、
検光子２２によりその偏光方向が選択された後、集光レ
ンズ２３により光検出器２４上に集光される。

【００７３】また、偏光ビームスプリッタ２を透過した
入射光束（Ｐ偏光成分）は、前述したように、１／４波
長板４を透過後、対物レンズ５により、Ｘ−Ｙステージ
３２にセットされた被検物の被検面７上に集光され、そ
の１回目の反射光束９が被検面７の集光点（測定点）７
２と反射鏡６との間を往復した後、２回目の反射光束１
０として再び偏光ビームスプリッタ２を透過し、この反
射光束（被検光）は、さらにダイクロックミラー２０を
透過し、ビームスプリッタ１９で一部の光束は反射さ
れ、検光子２２でその偏光方向が前記参照光と等しくな
るように選択された後、集光レンズ２３により光検出器
２４上に集光され、前記参照光と重ねられて干渉信号を
得る。

【００７４】光検出器２４は、この干渉信号を検出し、
これを解析することにより、被検面７の集光点（測定
点）７２における位相変化量、すなわちＺ方向での高さ
が求められる。そして、Ｘ−Ｙステージ３２を移動し、
被検面７上をＸおよびＹ方向に走査することにより、被
検面７各点の位相変化量、すなわち被検面の形状変化等
を求めることができる。

【００７５】ここで、被検面７からの反射光が被検面の
Ｚ方向の変化、すなわち形状変化によらず光検出器２４
に到達し、干渉信号が得られるように、自動焦点手段２
５により、対物レンズ５をその光軸方向（Ｚ方向）に移
動して、入射光束８の被検面７上への集光に際してのオ
ートフォーカスを行う。すなわち、半導体レーザ２６か
ら出射された自動焦点検出用のレーザ光（レーザ光源１
５から出射されるレーザ光とは周波数が異なる）は、第
２のコリメートレンズ２７にて平行光束とされ、第２の
偏光ビームスプリッタ２８および第２の１／４波長板２
９を透過した後、ダイクロックミラー２０で反射され、
偏光ビームスプリッタ２へ向かう。

【００７６】偏光ビームスプリッタ２を透過した光束
（Ｐ偏光成分）は、前述したように、１／４波長板４を
透過後、対物レンズ５により被検面７上に集光され、そ
の１回目の反射光束９が被検面７上の集光点（測定点）
７２と反射鏡６との間を往復した後、２回目の反射光束
１０として再び偏光ビームスプリッタ２を透過する。

【００７７】この透過光は、さらにダイクロックミラー
２０で反射され、第２の１／４波長板２９を透過し、第
２の偏光ビームスプリッタ２８で反射され、シリンドリ
カルレンズ３０を含んだレンズ系にて所定のビーム形状
に成形されて、複数に分割された受光領域を有する第２
の光検出器３１上に照射される。この場合、フォーカス
エラー信号の検出は、既知の非点収差法により行われ
る。すなわち、各受光領域からの出力信号を所定の組合
せで組み合せ、演算処理することにより、フォーカスエ
ラー信号が得られ、このフォーカスエラー信号に基づい
て、図示しないレンズ駆動手段により、対物レンズ５を
合焦する位置に駆動する。

【００７８】なお、対物レンズ５のフォーカスエラーの
検出は、他の方法、例えば、特開昭６１−２０６９４４
号公報に記載されたスポットサイズ法により行ってもよ
い。

【００７９】図１４は、本発明の光路補正装置を備える
偏光干渉計の他の構成例を示す説明図である。以下、図
１４に示す偏光干渉計１４Ｂについて説明するが、前記
偏光干渉計１４Ａと同様の事項についてはその説明を省
略する。

【００８０】図１４に示す偏光干渉計１４Ｂは、光源と
して、前記レーザ光源１５に代わり、第２の半導体レー
ザ３３を用いたものである。第２の半導体レーザ３３か
ら出射されたレーザ光は、コリメートレンズ１８により
平行光束とされ、ビームスプリッタ１９へ向かう。この
場合、第２の半導体レーザ３３から出射されるレーザ光
の周波数は、半導体レーザ２６から出射されるレーザ光
の周波数とは異なっている。

【００８１】また、コリメートレンズ１８とビームスプ
リッタ１９との間には、光アイソレータ３４が設置され
ている。この光アイソレータ３４は、光路補正装置１Ａ
側から戻り、ビームスプリッタ１９を透過した光が再び
第２の半導体レーザ３３に戻らないようにするためのも
のである。これにより、第２の半導体レーザ３３におけ
る反射雑音が除去される。

【００８２】このような構成の偏光干渉計１４Ｂでは、
光源として半導体レーザを用いたことにより、光学系を
より小型化することができる。

【００８３】図１５は、本発明の光路補正装置を備える
偏光干渉計の他の構成例を示す説明図である。以下、図
１５に示す偏光干渉計１４Ｃについて説明するが、前記
偏光干渉計１４Ａと同様の事項についてはその説明を省
略する。

【００８４】図１５に示す偏光干渉計１４Ｃは、ビーム
スプリッタ１９と集光レンズ２３との間に、第３の１／
４波長板３５と、集光レンズ２３の光軸を中心に回転可
能な第２の検光子３６とが設置されている。

【００８５】第３の１／４波長板３５を通過した参照光
束および被検面７からの反射光束（被検光）は、互いに
逆回りの円偏光となるため、第２の検光子３６の回転角
θの２倍だけ位相がシフトする。これにより、既知の干
渉縞解析法の一つである位相シフトアルゴリズムを使う
ことができ、定量化が容易となるため、被検面７の測定
をより高精度に行うことが可能となる。

【００８６】このとき、例えば図示しない光量調節手段
を参照光側または被検光側に設けて、参照光と被検光の
光量の比を調節し、１に近づける。これにより、干渉信
号のコントラストが向上する。

【００８７】なお、図１３〜図１５の構成において、測
定装置用の光源とオートフォーカス用の光源に対する対
物レンズ５の焦光位置（フォーカスポイント）は同じに
なるように設定されている。

【００８８】また、対物レンズ５への入射光束８は、対
物レンズ５の有効径よりも小さく設定されている。この
ため、被検面７が傾いて被検面７からの反射光束が入射
光束に対しずれても、対物レンズ５でケラレが生ずるこ
とはない。

【００８９】なお、前記各偏光干渉計において、光路補
正装置１Ａに代わり、前記光路補正装置１Ｂ〜１Ｈを適
用してもよい。

【００９０】図１６は、本発明の光路補正装置を備える
偏光干渉計の他の構成例を示す説明図である。以下、図
１６に示す偏光干渉計１４Ｄについて説明するが、前記
偏光干渉計１４Ａと同様の事項についてはその説明を省
略する。

【００９１】図１６に示す偏光干渉計１４Ｄは、前記光
路補正装置１Ｊを用いた偏光干渉計である。この偏光干
渉計１４Ｄでは、測定光学系１４１に設けられた反射光
束抽出手段として、集光レンズ２３と光検出器２４との
間に、ピンホールを有する絞り４７が設置され、自動焦
点手段２５に設けられた反射光束抽出手段として、シリ
ンドリカルレンズ３０と第２の光検出器３１との間に、
スリットを有するスリット板４８が設置されている。こ
のような絞り４７およびスリット板４８の役割は、被検
面７での任意の回数の反射光束を選択的に取り出すこと
にある。

【００９２】なお、本発明において、測定される被検物
としては、被検面７が入射光の少なくとも一部を反射し
得るものであればいかなるものでもよく、例えば、プラ
スチックレンズや、それを成形する金型等が挙げられ
る。また、被検面７の形状も、平面や、球面、非球面の
ような曲面等、いかなるものでもよい。

【００９３】以上のように、本発明の光路補正装置を偏
光干渉計に適用した場合、その測定精度が格段に向上
し、また、装置の構成も複雑化せず、部品点数の増大も
最小限にとどまるので、装置の小型化が図れる。

【００９４】また、対物レンズ５の駆動によるオートフ
ォーカスを行う場合においても、本発明の光路補正装置
により、焦点検出用の光束の光路が補正されるため、よ
り適正なフォーカシングが可能となる。

【００９５】なお、本発明の光路補正装置が適用される
干渉計（光学測定装置）の構成は、図１３〜１６に示す
ものに限定されないことは言うまでもない。

【００９６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の光路補正装
置および光学測定装置によれば、可動部を必要としない
簡易な構成で、被検面の傾斜に伴う光路のずれを正確に
補正することができる。特に、被検面からの複数回目の
反射光束を測定に用いるため、感度が高まり、測定精度
が向上する。

【００９７】また、本発明は、構成が簡易であるため、
部品点数の減少、装置の小型化に寄与する。また、本発
明の光路補正装置を自動焦点手段に適用した場合には、
より正確な自動焦点合わせを行うことができる。以上の
ような効果は、本発明を偏光干渉計に適用した場合に特
に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光路補正装置の構成例を示す説明図で
ある。

【図２】本発明の光路補正装置の構成例を示す説明図で
ある。

【図３】本発明の光路補正装置の他の構成例を示す説明
図である。

【図４】本発明の光路補正装置の他の構成例を示す説明
図である。

【図５】本発明の光路補正装置の他の構成例を示す説明
図である。

【図６】本発明の光路補正装置の他の構成例の一部を示
す説明図である。

【図７】本発明の光路補正装置の他の構成例を示す説明
図である。

【図８】本発明の光路補正装置の他の構成例を示す説明
図である。

【図９】本発明の光路補正装置の他の構成例を示す説明
図である。

【図１０】本発明の光路補正装置の他の構成例を示す説
明図である。

【図１１】本発明の光路補正装置の他の構成例の一部を
示す説明図である。

【図１２】本発明の光路補正装置の他の構成例を示す説
明図である。

【図１３】本発明の光路補正装置を備える偏光干渉計の
構成例を示す説明図である。

【図１４】本発明の光路補正装置を備える偏光干渉計の
他の構成例を示す説明図である。

【図１５】本発明の光路補正装置を備える偏光干渉計の
他の構成例を示す説明図である。

【図１６】本発明の光路補正装置を備える偏光干渉計の
他の構成例を示す説明図である。

【図１７】被検面の傾斜による入射光束と反射光束との
光路のずれを示す原理図である。

【符号の説明】

１Ａ〜１Ｈ、１Ｊ 光路補正装置 ２ 偏光ビームスプリッタ ３ 偏光分離面 ４ １／４波長板 ５ 対物レンズ ５１ 光軸 ６ 反射鏡 ６１〜６４ 反射面 ６５ 位相共役鏡 ６６〜６８ 反射面 ７ 被検面 ７１ 法線 ７２ 集光点（測定点） ８ 入射光束 ９ １回目の反射光束 １０ ２回目の反射光束 １１ 点光源 １２ ファラデー素子 １３ フォーカシングレンズ １４Ａ〜１４Ｄ 偏光干渉計 １４１ 測定光学系 １４２ 参照光学系 １５ レーザ光源 １６ 偏光子 １７ ビームエキスパンダ １８ コリメートレンズ １９ ビームスプリッタ ２０ ダイクロックミラー ２１ 参照鏡 ２２ 検光子 ２３ 集光レンズ ２４ 光検出器 ２５ 自動焦点手段 ２６ 半導体レーザ ２７ 第２のコリメートレンズ ２８ 第２の偏光ビームスプリッタ ２９ 第２の１／４波長板 ３０ シリンドリカルレンズ ３１ 第２の光検出器 ３２ Ｘ−Ｙステージ ３３ 第２の半導体レーザ ３４ 光アイソレータ ３５ 第３の１／４波長板 ３６ 第２の検光子 ４０ ビームスプリッタ ４１ 分離面 ４２ 反射鏡 ４３ 反射面 ４３１ 法線 ４４ １回目の反射光束 ４５ ２回目の反射光束 ４６ ３回目の反射光束 ４７ 絞り ４８ スリット板 １００ 入射光束 ２００ 反射光束

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光路変更手段と、入射光束を被検面上に
   集光させる対物レンズと、前記入射光束の光路を遮断し
   ない位置に設置された反射鏡とを有し、 前記入射光束に対する前記被検面の傾きにかかわらず、
   前記入射光束の少なくとも一部を前記対物レンズにて前
   記被検面上に集光させ、その光の前記被検面での１回目
   の反射光束を、前記光路変更手段により前記入射光束の
   光路とは異なる経路に導き、この光束を前記反射鏡で反
   射して、前記１回目の反射光束と同経路で前記被検面上
   に再び集光させ、その光の被検面での２回目の反射光束
   を前記入射光束と同経路で逆行させることを特徴とする
   光路補正装置。
2. 【請求項２】 前記光路変更手段は、偏光子と、前記偏
   光子を通過後の偏光状態を変化させる偏光変化部材とで
   構成される請求項１に記載の光路補正装置。
3. 【請求項３】 前記偏光子は、偏光ビームスプリッタで
   あり、前記偏光変化部材は、位相子または旋光子である
   請求項２に記載の光路補正装置。
4. 【請求項４】 前記位相子は１／４波長板であり、前記
   旋光子はファラデー素子である請求項３に記載の光路補
   正装置。
5. 【請求項５】 前記入射光束、前記１回目の反射光束、
   その反射鏡での反射光束および２回目の反射光束が前記
   偏光変化部材を順次通過する請求項２ないし４のいずれ
   かに記載の光路補正装置。
6. 【請求項６】 光路変更手段と、入射光束を被検面上に
   集光させる対物レンズと、前記入射光束の光路を遮断し
   ない位置に設置された反射鏡とを有し、 前記入射光束に対する前記被検面の傾きにかかわらず、
   前記入射光束の少なくとも一部を前記対物レンズにて前
   記被検面上に集光させ、その光の前記被検面での１回目
   の反射光束を、前記光路変更手段による光路変更および
   前記反射鏡による反射により少なくとも１往復させて前
   記被検面上に再び集光させ、その光の被検面での反射光
   束を前記入射光束に対し逆行させることを特徴とする光
   路補正装置。
7. 【請求項７】 前記反射鏡は、その反射面の法線が前記
   反射面への１回目の入射光束に対し所定角度傾斜して設
   置されている請求項６に記載の光路補正装置。
8. 【請求項８】 前記光路変更手段は、ビームスプリッタ
   である請求項６または７に記載の光路補正装置。
9. 【請求項９】 前記被検面での特定の反射回数の反射光
   束を抽出する反射光束抽出手段を有する請求項６ないし
   ８のいずれかに記載の光路補正装置。
10. 【請求項１０】 前記反射鏡は、平面鏡である請求項１
    ないし９のいずれかに記載の光路補正装置。
11. 【請求項１１】 前記反射鏡は、凹面鏡または凸面鏡で
    ある請求項１ないし９のいずれかに記載の光路補正装
    置。
12. 【請求項１２】 前記反射鏡は、位相共役鏡である請求
    項１ないし９のいずれかに記載の光路補正装置。
13. 【請求項１３】 前記対物レンズは、前記被検面に対し
    自動焦点機能を有するものである請求項１ないし１２の
    いずれかに記載の光路補正装置。
14. 【請求項１４】 前記光路変更手段と前記反射鏡とが一
    体的に形成されている請求項１ないし１３のいずれかに
    記載の光路補正装置。
15. 【請求項１５】 前記入射光束が平行光束である請求項
    １ないし１４のいずれかに記載の光路補正装置。
16. 【請求項１６】 前記入射光束の径が、前記対物レンズ
    の有効径より小さい請求項１ないし１５のいずれかに記
    載の光路補正装置。
17. 【請求項１７】 光学的測定により被検面の情報を得る
    光学測定装置であって、光源と、測定光学系とを有し、
    前記測定光学系は、請求項１ないし１６のいずれかに記
    載の光路補正装置を備えていることを特徴とする光学測
    定装置。
18. 【請求項１８】 前記光学測定装置は、さらに参照光学
    系と光検出器とを有し、前記光検出器により、前記参照
    光学系からの参照光と前記測定光学系からの被検光とを
    重ねることにより生じる干渉縞を検出し、被検面の形状
    または性状を測定する偏光干渉計である請求項１７に記
    載の光学測定装置。
19. 【請求項１９】 前記参照光と前記被検光との光量の比
    を調節する光量調節手段を有する請求項１７または１８
    に記載の光学測定装置。
20. 【請求項２０】 前記光学測定装置は、さらに自動焦点
    手段を有し、前記自動焦点手段は、請求項１ないし１６
    のいずれかに記載の光路補正装置を備えている請求項１
    ７ないし１９のいずれかに記載の光学測定装置。