干渉計

干渉計とは

図1. 干渉計のイメージ

干渉計とは、光を物体に当てた時に生じる干渉現象を測定することにより、物体の表面形状、屈折率、物体のサイズなどを測定する装置です。

干渉現象とは、複数の波の重ね合わせによって強めあったり打ち消し合ったりして新しい波形ができることです。同じ波源から出た波や、同じもしくは近い周波数を持つ波のときに顕著に現れます。

干渉計にはマイケルソン干渉計、マッハツェンダー干渉計、フィゾー干渉計などの種類があります。

干渉計の使用用途

干渉計の主な用途は、ガラス・金属・セラミックなどの平面板をはじめとする物体表面の非接触観測です。例えば、ガラス系では、スマートフォンなどのカバーガラス、液晶用ガラス、色分解光学系に使用されるプリズム、半導体マスク基盤など、金属系では金型やアルミディスクなどが挙げられます。

その他、電子機器用半導体デバイスに用いられるシリコンウェーハや、ハードディスク用基板などの特殊なものも測定することができます。また、電波干渉計は電波望遠鏡による天体観測にも用いられている仕組みです。

干渉計の原理

主要な干渉計は光源から出た光を2つの光に分割し、一方の光をサンプルに透過させ、もう一方の光と干渉させます。このとき、透過させるサンプルの屈折率や距離によって光学的距離が変化し、干渉縞のパターンが現れます。

干渉計ではこの干渉縞のパターンを解析することにより、測定サンプルの表面形状や透過波面形状を測定することが可能です。干渉計で測定できるサイズは大きくても数～十数cm程度になります。測定試料が大きい場合は、切り取るなどの工夫が必要です。

干渉計の種類

干渉計は、ガラス平面、ウェハ、ミラーなどの研磨面平面の測定が行えるもののほか、光学レンズ、鋼球、プラレンズなどの球面測定が可能なものなどがあります。また、2軸や3軸で測定する多軸の干渉計もあり、このような多軸干渉計では、より省スペースで感度の高い測定ができます。

レーザ走査干渉計では、円筒面など平面以外の測定も可能です。ガラス、ファイバ端面、セラミックス、 金属研削面、射出成型品のプラスチックなどの測定に用いられています。様々な種類があるため、用途に合わせて選択することが必要です。

干渉計のその他情報

1. 干渉現象

図2. 干渉縞のイメージ

複数の波が重ね合わされるとき、ある点に新たに生じる波の振幅はその点に影響するすべての波の振幅の和と一致します。このとき、それぞれの波の位相が一致した部分では波が強め合い、位相が逆転している部分では弱めあうことを干渉現象と呼びます。干渉計は、このときに生じる干渉縞の様子を観測することで、物体の様子を観測する装置です。

2. フィゾー干渉計

図3. フィゾー干渉計で光路長差が生じる仕組み

フィゾー干渉計とは、レーザーを光源とする干渉計です。測定の仕組みは下記のようになります。

1. 照射されたレーザー光線は発散レンズ、ビームスプリッター、コリメーターレンズを順に透過して、平行光となります。
2. 基準板である平面ガラス板に光が到達し、一部の光は基準板の下側にある参照面で反射します。一方、残りの光は基準板を透過した後に測定サンプルに到達して反射します。
3. 参照面からの反射光と被検面からの反射光はそれぞれ元の光路を戻り、その光路長差によって干渉縞が発生します。生じた干渉縞を検出器で観測します。

フィゾー干渉計は、簡単な構成で高精度の平面測定、球面測定が行えることが特徴です。

3. 解析

得られた干渉縞を用いて数値解析が行われます。代表的な方法の1つがフーリエ変換です。

フーリエ変換を行うことで、干渉縞から周波数スペクトルを取り出します。取り出したスペクトルを逆フーリエ変換により、測定材料の位相情報が得られます。

参考文献
https://www.fujifilm.com/jp/ja/business/optical-devices/interferometer/knowledge
https://www.global-optosigma.com/jp/application/guide-int01.html
http://www.seof.co.jp/basic/basic_01.html
https://www.tokaioptical.com/jp/technology01/
https://www.toppan.co.jp/electronics/display/anti_reflection_film/
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http://www.material.tohoku.ac.jp/~denko/lecture/ryoshinyumon/kougi_3.pdf
https://www.japansensor.co.jp/faq/969/index.html
https://photonterrace.net/ja/photon/behavior/
https://japanknowledge.com/contents/nipponica/sample_koumoku.html?entryid=649
http://www.nhao.jp/~tsumu/Research/Intr_interferometry/interferometer.html
https://www.nao.ac.jp/research/telescope/alma.html
https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/KAGRA_Nobel/data/KAGRA2_panel.pdf