JP2011123018A - Fringe scanning interference fringe measuring method, and interferometer - Google Patents

Fringe scanning interference fringe measuring method, and interferometer Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To facilitate quick and highly-accurate shape measurement by using a simple constitution, concerning a fringe scanning interference fringe measuring method and an interferometer. <P>SOLUTION: The fringe scanning interference fringe measuring method acquires n interference fringe images by shifting one phase increment Δϕ at a time and calculates the shape of a surface to be measured. The method includes: a candidate image acquisition step (step S1) of acquiring a candidate image by being shifted by a phase amount for subdividing the phase increment Δϕ; a brightness change acquisition step (step S2) of acquiring a brightness change on the same position of each candidate image; a phase change calculation step (step S3) of calculating a phase change by using the brightness change; a selection process of an image for interpolation operation (step S4) of selecting as the image for interpolation operation, a plurality of peripheral candidate images having respective phase amounts shown as Δϕ(k-1) (k=1, ..., n); and an interference fringe image calculation step (step S5) of calculating n interference fringe images, by performing interpolation operation by using the image for interpolation operation. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、フリンジスキャン干渉縞計測方法および干渉計に関する。   The present invention relates to a fringe scan interference fringe measuring method and an interferometer.

従来、光学素子のレンズ面、反射面、透過面などの形状を測定するために、被測定面と参照面に光束を照射して、それぞれを反射または透過した光による干渉縞画像を取得し、干渉縞画像を解析して被測定面の面形状を計測する干渉計が種々知られている。
干渉縞画像の解析方法としては、被測定面と参照面とを相対移動することで光路差の位相をシフトさせて複数の干渉縞画像を取得し、各干渉縞画像の同一位置における輝度変化から位相変化を求め、被測定面の形状を算出するフリンジスキャン法が知られている。
例えば、特許文献1には、各干渉縞画像の位相シフト量が、0、π/2、π、3π/2、2πである5枚の画像を用いたフリンジスキャン法(5バケット法)、また位相シフト量が、0、π/2、π、3π/2、2π、5π/2、3πである7枚の画像を用いたフリンジスキャン法(7バケット法)、また位相シフト量が、0、π/4、2π/4、3π/4、…、12π/4である13枚の画像を用いたフリンジスキャン法(13バケット法)を行うための干渉計およびその解析式が記載されている。また、特許文献2には、さらに7枚、9枚などの干渉縞画像を用いたフリンジスキャン法である7バケット法、9バケット法に用いる解析式が記載されている。
Conventionally, in order to measure the shape of a lens surface, a reflective surface, a transmission surface, etc. of an optical element, a light beam is irradiated on a measured surface and a reference surface, and an interference fringe image by light reflected or transmitted is obtained. Various interferometers that measure the surface shape of a surface to be measured by analyzing an interference fringe image are known.
As an analysis method of interference fringe images, a plurality of interference fringe images are acquired by shifting the phase of the optical path difference by relatively moving the measured surface and the reference surface, and from the luminance change at the same position of each interference fringe image A fringe scan method is known in which the phase change is obtained and the shape of the surface to be measured is calculated.
For example, Patent Document 1 discloses a fringe scan method (five bucket method) using five images in which the phase shift amount of each interference fringe image is 0, π / 2, π, 3π / 2, 2π, A fringe scan method (7 bucket method) using seven images with phase shift amounts of 0, π / 2, π, 3π / 2, 2π, 5π / 2, 3π, and a phase shift amount of 0, An interferometer for performing a fringe scanning method (13 bucket method) using 13 images of π / 4, 2π / 4, 3π / 4,..., 12π / 4 and its analytical expression are described. Further, Patent Document 2 describes analytical expressions used for the 7-bucket method and the 9-bucket method, which are fringe scanning methods using seven or nine interference fringe images.

米国特許第5473434号公報US Pat. No. 5,473,434 特開平11−173808号公報JP-A-11-173808

しかしながら、上記のような従来のフリンジスキャン干渉縞計測方法および干渉計には、以下のような問題があった。
フリンジスキャン法は、各干渉縞画像の位相シフト量が所定値からずれていると、測定誤差が発生する。例えば、特許文献1に記載の技術では、ピエゾ素子によって、参照面を有するレンズを被測定面に対して移動するので、ピエゾ素子によりλ/8ずつの高精度な移動を行う必要がある。
しかるに、ピエゾ素子の印加電圧と伸縮量との関係は、例えば、図10の曲線200によって一例を示すような個別の非線形特性を有し、またヒステリシス特性も伴うため、印加電圧を線形に変化させて駆動すると、移動誤差が発生し、測定精度に影響するという問題がある。
したがって、一般には、印加電圧と伸縮量との関係を常に厳密に校正しておくことが必要となるので、校正費用などのメンテナンス費用が発生し、しかも校正期間中には測定ができなくなるという問題がある。
特許文献2に記載の技術では、特許文献1よりも干渉縞画像の数を増やすため、ある程度は測定精度が向上することができるものの、ピエゾ素子の移動精度を高精度に保つ必要があることは特許文献1と同様である。
また、参照面の相対移動量を検出するため、これらの干渉計に、例えば静電容量センサなどの測長手段を設けるなどしてピエゾ素子の伸縮量をフィードバック制御することも考えられるが、この場合には装置構成や制御方法が複雑となり、装置が大がかりで高価なものとなってしまうという問題がある。
However, the conventional fringe scan interference fringe measuring method and interferometer as described above have the following problems.
In the fringe scanning method, a measurement error occurs when the phase shift amount of each interference fringe image deviates from a predetermined value. For example, in the technique described in Patent Document 1, since a lens having a reference surface is moved with respect to a surface to be measured by a piezo element, it is necessary to perform high-precision movement of λ / 8 by the piezo element.
However, the relationship between the applied voltage and the expansion / contraction amount of the piezo element has, for example, individual nonlinear characteristics as shown by a curve 200 in FIG. 10 and also has a hysteresis characteristic. Therefore, the applied voltage is changed linearly. Driving, there is a problem that a movement error occurs and affects the measurement accuracy.
Therefore, in general, it is necessary to always calibrate the relationship between the applied voltage and the amount of expansion / contraction, so maintenance costs such as calibration costs are incurred, and measurement is not possible during the calibration period. There is.
In the technique described in Patent Document 2, the number of interference fringe images is increased from that in Patent Document 1, so that the measurement accuracy can be improved to some extent, but the movement accuracy of the piezo element needs to be kept high. This is the same as Patent Document 1.
In order to detect the relative movement amount of the reference surface, it may be possible to feedback control the expansion / contraction amount of the piezo element by providing a length measuring means such as a capacitance sensor in these interferometers. In this case, there is a problem that the device configuration and the control method become complicated, and the device becomes large and expensive.

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成を用いて、容易かつ高精度な形状測定を迅速に行うことができるフリンジスキャン干渉縞計測方法および干渉計を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a fringe scan interference fringe measurement method and an interferometer that can easily and accurately perform shape measurement using a simple configuration. The purpose is to do.

上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明では、同一の光束を、被測定面で反射または透過された測定光と、参照面の形状に対応した波面を有する参照光とに分割し、前記測定光と前記参照光とにより干渉縞を形成して、干渉縞画像を取得し、さらにこの状態から、前記測定光と前記参照光との間の位相差を、略一定の位相増分Δφずつシフトされた、合計n個(nは3以上の整数)の干渉縞画像を取得し、これらn個の干渉縞画像に基づいて被測定面の形状を算出するフリンジスキャン干渉縞計測方法であって、
前記n個の干渉縞画像を取得するために、前記測定光と前記参照光との位相差を、位相増分Δφを細分する大きさで0からΔφ・(n―1)以上までシフトさせてn個より多い干渉縞画像を取得して、前記n個の干渉縞画像の候補画像として記憶する候補画像取得工程と、該候補画像取得工程で取得された各候補画像の同一位置における輝度を、前記各候補画像の位相シフト量の大きさの順に配列したときの輝度変化データから、前記各候補画像の位相変化を算出する位相変化算出工程と、該位相変化算出工程で算出された位相変化に基づいて、前記候補画像のうちから、位相量が、Δφ・(k−1)(ただし、k=1,…,n)の近傍の複数の候補画像を補間演算用画像としてする補間演算用画像選択工程と、該補間演算用画像選択工程で選択された前記補間演算用画像を用いて補間演算を行うことにより、前記n個の干渉縞画像を取得する干渉縞画像算出工程と、を備える方法とする。
In order to solve the above-described problems, in the invention described in claim 1, the same light beam is measured light reflected or transmitted by the surface to be measured and reference light having a wavefront corresponding to the shape of the reference surface. An interference fringe is formed by dividing the measurement light and the reference light to obtain an interference fringe image, and from this state, the phase difference between the measurement light and the reference light is set to a substantially constant phase. A fringe scan interference fringe measuring method that acquires a total of n (n is an integer of 3 or more) interference fringe images shifted by increments Δφ and calculates the shape of the surface to be measured based on these n interference fringe images. Because
In order to obtain the n interference fringe images, the phase difference between the measurement light and the reference light is shifted from 0 to Δφ · (n−1) or more in a size that subdivides the phase increment Δφ, and n A candidate image acquisition step of acquiring more interference fringe images and storing them as candidate images of the n interference fringe images, and the luminance at the same position of each candidate image acquired in the candidate image acquisition step, Based on the luminance change data when arranged in order of the magnitude of the phase shift amount of each candidate image, based on the phase change calculation step for calculating the phase change of each candidate image, and the phase change calculated in the phase change calculation step Then, among the candidate images, an interpolation calculation image selection that uses a plurality of candidate images in the vicinity of a phase amount of Δφ · (k−1) (where k = 1,..., N) as interpolation calculation images. Process and image selection process for interpolation calculation By performing an interpolation operation was the interpolation operation for image using the interference fringe image calculation step of obtaining the n interference fringe image, and a method comprising.

請求項2に記載の発明では、請求項1に記載のフリンジスキャン干渉縞計測方法において、前記干渉縞画像算出工程は、前記候補画像から、前記位相量がΔφ・(k−1)以下であって、Δφ・(k−1)に最も近い候補画像である候補画像FIkと、前記位相量がΔφ・(k−1)より大きくΔφ・(k−1)に最も近い候補画像である候補画像FIk+1を用い、前記候補画像FIk、Ik+1の前記位相量が、それぞれ、Δφ・(k−1)−A、Δφ・(k−1)+Bであるとき、次式(1)に基づく線形補間によって、前記n個の干渉縞画像を干渉縞画像Gとして算出する方法とする。
=(FIk×B+FIk+1×A)/(A+B) ・・・(1)
ここで、G、FIk、FIk+1は、ぞれぞれの干渉計画像の2次元画像データを表すものとする。
According to a second aspect of the present invention, in the fringe scan interference fringe measuring method according to the first aspect, the interference fringe image calculating step is configured such that the phase amount is Δφ · (k−1) or less from the candidate image. Thus, a candidate image FIk that is a candidate image closest to Δφ · (k−1) and a candidate that is a candidate image whose phase amount is larger than Δφ · (k−1) and closest to Δφ · (k−1). When the image F Ik + 1 is used and the phase amounts of the candidate images F Ik and F Ik + 1 are Δφ · (k−1) −A k and Δφ · (k−1) + B k , respectively, by linear interpolation based on), the method of calculating the n-number of the interference fringe image as an interference fringe images G k.
G k = (F Ik × B k + F Ik + 1 × A k) / (A k + B k) ··· (1)
Here, G k , F Ik , and F Ik + 1 represent two-dimensional image data of each interferometer image.

請求項3に記載の発明では、請求項1または2に記載のフリンジスキャン干渉縞計測方法において、前記候補画像取得工程は、前記参照光の前記測定光に対する光路差を一定方向に連続的に変化させつつ、前記位相増分Δφを細分する大きさの位相量に対応するサンプリング周期で、前記候補画像を取得するようにした方法とする。   According to a third aspect of the present invention, in the fringe scan interference fringe measuring method according to the first or second aspect, the candidate image acquisition step continuously changes an optical path difference of the reference light with respect to the measurement light in a fixed direction. In this case, the candidate image is acquired at a sampling period corresponding to a phase amount of a size that subdivides the phase increment Δφ.

請求項4に記載の発明では、請求項1〜3のいずれかに記載のフリンジスキャン干渉縞計測方法において、前記位相増分Δφが、π/2である方法とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the fringe scan interference fringe measuring method according to any one of the first to third aspects, the phase increment Δφ is π / 2.

請求項5に記載の発明では、請求項1〜3のいずれかに記載のフリンジスキャン干渉縞計測方法において、前記位相増分Δφが、π/4である方法とする。   The invention according to claim 5 is the fringe scan interference fringe measuring method according to any one of claims 1 to 3, wherein the phase increment Δφ is π / 4.

請求項6に記載の発明では、同一の光束を、被測定面で反射または透過された測定光と、参照面の形状に対応した波面を有する参照光とに分割し、前記測定光と前記参照光とにより干渉縞を形成する干渉計測光学系と、前記干渉縞の画像を撮像する撮像部と、前記測定光に対する前記参照光の光路差を変化させるために、前記干渉計測光学系に含まれる光学素子を移動する光学素子移動機構と、該光学素子移動機構が前記光学素子を移動させて、前記光路差の位相がΔφ・(n−1)(nは3以上の整数)以上まで変化する間に、前記光路差の位相がΔφを細分するような増分量でシフトされたn個より多い複数の干渉縞画像を、前記撮像部から取得する画像取得部と、該画像取得部が取得した前記複数の干渉縞画像の同一位置における輝度を、前記複数の干渉縞画像の位相シフト量の大きさの順に配列したときの輝度変化データから、前記複数の干渉縞画像の位相変化を算出する位相変化算出部と、該位相変化算出部で算出された位相変化に基づいて、前記画像取得部が取得した前記複数の干渉縞画像から、位相量が、Δφ・(k−1)(ただし、k=1,…,n)の近傍の複数の候補画像を補間演算用画像として選択する補間演算用画像選択部と、該補間演算用画像選択部で選択された前記補間演算用画像を用いて補間演算を行うことにより、前記n個の干渉縞画像を取得する干渉縞画像算出部と、を備え、該干渉縞画像算出部で算出された前記n個の干渉縞画像から被測定面の形状を算出する構成とする。   In the invention according to claim 6, the same light beam is divided into measurement light reflected or transmitted by the surface to be measured and reference light having a wavefront corresponding to the shape of the reference surface, and the measurement light and the reference Included in the interference measurement optical system for changing an optical path difference of the reference light with respect to the measurement light, an interference measurement optical system that forms an interference fringe with light, an imaging unit that captures an image of the interference fringe An optical element moving mechanism that moves the optical element, and the optical element moving mechanism moves the optical element, and the phase of the optical path difference changes to Δφ · (n−1) (n is an integer of 3 or more) or more. In the meantime, an image acquisition unit that acquires from the imaging unit a plurality of interference fringe images more than n shifted in increments such that the phase of the optical path difference subdivides Δφ, and the image acquisition unit acquires The luminance at the same position of the plurality of interference fringe images The phase change calculation unit that calculates the phase change of the plurality of interference fringe images from the luminance change data when arranged in order of the magnitude of the phase shift amount of the plurality of interference fringe images, and calculated by the phase change calculation unit From the plurality of interference fringe images acquired by the image acquisition unit based on the phase change, a plurality of candidates whose phase amount is near Δφ · (k−1) (where k = 1,..., N) An n-interference fringe image is obtained by performing an interpolation calculation using an interpolation calculation image selection unit that selects an image as an interpolation calculation image and the interpolation calculation image selected by the interpolation calculation image selection unit. An interference fringe image calculation unit that acquires the shape of the surface to be measured from the n interference fringe images calculated by the interference fringe image calculation unit.

本発明のフリンジスキャン干渉縞計測方法および干渉計によれば、位相が順次変化した干渉縞画像を候補画像として取得し、この候補画像に補間演算を行うことにより位相シフト量が0から略Δφずつ増大されたn個の干渉縞画像を算出することができるので、位相シフト量を高精度に制御する手段を用いることなく、簡素な構成を用いて、容易かつ高精度な形状測定を迅速に行うことができるという効果を奏する。   According to the fringe scan interference fringe measuring method and the interferometer of the present invention, an interference fringe image whose phase has been sequentially changed is acquired as a candidate image, and an interpolation calculation is performed on the candidate image, so that the phase shift amount is approximately Δφ from 0. Since the increased n interference fringe images can be calculated, easy and highly accurate shape measurement can be quickly performed using a simple configuration without using a means for controlling the phase shift amount with high accuracy. There is an effect that can be.

本発明の実施形態に係る干渉計の概略構成を示す模式構成図である。It is a schematic block diagram which shows schematic structure of the interferometer which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る干渉計の制御手段の機能構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the function structure of the control means of the interferometer which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るフリンジスキャン干渉縞計測方法の測定フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the measurement flow of the fringe scan interference fringe measuring method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るフリンジスキャン干渉縞計測方法の候補画像取得工程の動作について説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining operation | movement of the candidate image acquisition process of the fringe scan interference fringe measuring method which concerns on embodiment of this invention. 候補画像取得工程で取得する候補画像の模式図である。It is a schematic diagram of the candidate image acquired at a candidate image acquisition process. 本発明の実施形態に係るフリンジスキャン干渉縞計測方法の位相変化算出工程における近似曲線の一例を示す模式的なグラフである。It is a typical graph which shows an example of the approximated curve in the phase change calculation process of the fringe scan interference fringe measuring method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るフリンジスキャン干渉縞計測方法の補間演算用画像選択工程について説明するための模式的なグラフ、およびそのA部の拡大図である。It is the typical graph for demonstrating the image selection process for interpolation calculations of the fringe scan interference fringe measuring method which concerns on embodiment of this invention, and the enlarged view of the A section. 測定例1における被検面の干渉縞画像、本発明の実施形態のフリンジスキャン干渉縞測定方法に基づいて算出した測定例1の波面算出結果の画像表示、および比較例1のフリンジスキャン干渉縞測定方法に基づいて算出した波面の画像表示である。Interference fringe image of the test surface in measurement example 1, image display of the wavefront calculation result of measurement example 1 calculated based on the fringe scan interference fringe measurement method of the embodiment of the present invention, and fringe scan interference fringe measurement of comparative example 1 It is the image display of the wave front calculated based on the method. 測定例2における被検面の干渉縞画像、本発明の実施形態のフリンジスキャン干渉縞測定方法に基づいて算出した測定例2の波面算出結果の画像表示、および比較例2のフリンジスキャン干渉縞測定方法に基づいて算出した波面の画像表示である。Interference fringe image of the test surface in Measurement Example 2, image display of the wavefront calculation result of Measurement Example 2 calculated based on the fringe scan interference fringe measurement method of the embodiment of the present invention, and fringe scan interference fringe measurement of Comparative Example 2 It is the image display of the wave front calculated based on the method. ピエゾ素子の印加電圧と伸縮量との関係の一例を示す模式的なグラフである。It is a typical graph which shows an example of the relationship between the applied voltage of a piezoelectric element, and the expansion-contraction amount.

以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In all the drawings, even if the embodiments are different, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals, and common description is omitted.

本発明の実施形態に係る干渉計について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る干渉計の概略構成を示す模式構成図である。図2は、本発明の実施形態に係る干渉計の制御手段の機能構成を示す機能ブロック図である。
An interferometer according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of an interferometer according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a functional block diagram showing a functional configuration of the control unit of the interferometer according to the embodiment of the present invention.

本実施形態の干渉計50は、本発明の実施形態に係るフリンジスキャン干渉縞計測方法を実施することができるものである。干渉計を構成する干渉計測光学系は、本実施形態ではフィゾー型の光学系を用いる場合の例で説明する。また、被測定面5としては、適宜の形状を測定できるが、以下では、凹面形状を測定する場合の構成例を用いて説明する。
干渉計50の概略構成は、図1に示すように、レーザー光源1、コリメートレンズ2、ビームスプリッタ3、フィゾーレンズ4(干渉計測光学系に含まれる光学素子)、集光レンズ6、CCD7(撮像部)、ピエゾ素子8(光学素子移動機構)、ピエゾ素子コントローラ9、測定制御部10、および表示部11からなる。
The interferometer 50 of this embodiment can implement the fringe scan interference fringe measuring method according to the embodiment of the present invention. The interference measurement optical system constituting the interferometer will be described as an example in the case where a Fizeau optical system is used in this embodiment. In addition, although an appropriate shape can be measured as the measured surface 5, a description will be given below using a configuration example in the case of measuring a concave shape.
As shown in FIG. 1, the schematic configuration of the interferometer 50 includes a laser light source 1, a collimating lens 2, a beam splitter 3, a Fizeau lens 4 (an optical element included in the interference measuring optical system), a condensing lens 6, and a CCD 7 (imaging). Part), a piezo element 8 (optical element moving mechanism), a piezo element controller 9, a measurement control part 10, and a display part 11.

レーザー光源1は、干渉縞を形成するためのコヒーレント光を発生する光源で、本実施形態では、波長λのレーザー光を発散光として発生する光源を採用している。レーザー光源1によって発生された発散光は、コリメートレンズ2によって平行光30aとされ、ビームスプリッタ3に入射される。
ビームスプリッタ3は、平行光30aを反射してフィゾーレンズ4の光軸上に導くとともに、フィゾーレンズ4側から入射する後述の被測定面反射光30c、参照面反射光30dを透過する光分岐素子である。
The laser light source 1 is a light source that generates coherent light for forming interference fringes. In this embodiment, a light source that generates laser light having a wavelength λ as divergent light is employed. The divergent light generated by the laser light source 1 is converted into parallel light 30 a by the collimator lens 2 and is incident on the beam splitter 3.
The beam splitter 3 reflects and guides the parallel light 30a onto the optical axis of the Fizeau lens 4, and transmits a measurement surface reflected light 30c and a reference surface reflected light 30d, which will be described later, incident from the Fizeau lens 4 side. It is.

フィゾーレンズ4は、光軸上に入射された平行光30aの一部をフィゾー面4aで反射して、参照面反射光30d(参照光)を形成し、光軸上に入射された平行光30aの他の部分を透過光30bとして透過し、透過光30bを集光するレンズである。
フィゾー面4aの形状は、被測定面5の理想的な形状に併せて精度よく仕上げられており、干渉縞計測の参照面を構成している。
The Fizeau lens 4 reflects a part of the parallel light 30a incident on the optical axis by the Fizeau surface 4a to form reference surface reflected light 30d (reference light), and the parallel light 30a incident on the optical axis. It is a lens that transmits the other part as transmitted light 30b and condenses the transmitted light 30b.
The shape of the Fizeau surface 4a is accurately finished in accordance with the ideal shape of the surface 5 to be measured, and constitutes a reference surface for measuring interference fringes.

被測定面5は、少なくとも被測定面5の面形状の測定を行う際には、被測定面5の光軸をフィゾーレンズ4の光軸に一致させるとともに、被測定面5の曲率中心が、フィゾーレンズ4による透過光30bの集光位置に一致するように配置される。
このような配置を実現するため、フィゾーレンズ4と被測定面5とは、不図示の移動機構により相対的な位置関係が調整可能となっている。
被測定面5に入射された透過光30bは、被測定面反射光30cとして反射される。このとき、被測定面5、フィゾーレンズ4の光軸が一致するとともに、被測定面5の曲率中心がフィゾーレンズ4の集光位置に一致しているため、透過光30bの光線が被測定面5の法線に沿って入射し、被測定面反射光30cは、透過光30bと同一の光路を逆進して、フィゾーレンズ4に再入射し、ビームスプリッタ3に向けて透過される。
When measuring the surface shape of at least the surface to be measured 5, the surface to be measured 5 has the optical axis of the surface to be measured 5 coincident with the optical axis of the Fizeau lens 4, and the center of curvature of the surface to be measured 5 is It arrange | positions so that it may correspond with the condensing position of the transmitted light 30b by the Fizeau lens 4. FIG.
In order to realize such an arrangement, the relative positional relationship between the Fizeau lens 4 and the measured surface 5 can be adjusted by a moving mechanism (not shown).
The transmitted light 30b incident on the measured surface 5 is reflected as the measured surface reflected light 30c. At this time, since the optical axes of the surface to be measured 5 and the Fizeau lens 4 coincide with each other, and the center of curvature of the surface to be measured 5 coincides with the condensing position of the Fizeau lens 4, the light beam of the transmitted light 30b is reflected on the surface to be measured. 5, the measured surface reflected light 30c travels backward along the same optical path as the transmitted light 30b, reenters the Fizeau lens 4, and is transmitted toward the beam splitter 3.

したがって、被測定面反射光30c、参照面反射光30dは、いずれも、同一の光束である平行光30aがフィゾー面4aによって分割されて形成された光束である。そして、被測定面反射光30cは、被測定面5で反射されることで被測定面5の形状に応じて波面が変化した測定光となっている。一方、参照面反射光30dは、フィゾー面4aで反射されることでフィゾー面4aの形状に対応した波面を有する参照光となっている。また、被測定面反射光30cは、被測定面5で反射されて同一光路を逆進することで、参照面反射光30dに対して、フィゾー面4aと被測定面5との間の光路長の2倍の光路差を有している。そのため、被測定面反射光30cと参照面反射光30dとは、フィゾー面4a上で、被測定面5とフィゾー面4aとの間の形状誤差に対応する光路差による干渉縞を形成する。   Therefore, the measured surface reflected light 30c and the reference surface reflected light 30d are both light beams formed by dividing the parallel light 30a, which is the same light beam, by the Fizeau surface 4a. Then, the measured surface reflected light 30 c is reflected by the measured surface 5 to be measured light whose wavefront has changed according to the shape of the measured surface 5. On the other hand, the reference surface reflected light 30d is reflected by the Fizeau surface 4a, thereby becoming reference light having a wavefront corresponding to the shape of the Fizeau surface 4a. Further, the measured surface reflected light 30c is reflected by the measured surface 5 and travels backward in the same optical path, so that the optical path length between the Fizeau surface 4a and the measured surface 5 with respect to the reference surface reflected light 30d. The optical path difference is twice that of. Therefore, the measured surface reflected light 30c and the reference surface reflected light 30d form interference fringes due to the optical path difference corresponding to the shape error between the measured surface 5 and the Fizeau surface 4a on the Fizeau surface 4a.

このように、コリメートレンズ2、ビームスプリッタ3、およびフィゾーレンズ4は、フィゾー型の干渉計を構成し、同一の光束を、被測定面で反射または透過された測定光と、参照面の形状に対応した波面を有する参照光とに分割し、測定光と参照光とにより干渉縞を形成する干渉計測光学系の一例をなしている。   As described above, the collimating lens 2, the beam splitter 3, and the Fizeau lens 4 constitute a Fizeau interferometer, and the same light flux is reflected or transmitted by the surface to be measured and the shape of the reference surface. This is an example of an interference measurement optical system that is divided into reference light having a corresponding wavefront and that forms interference fringes by the measurement light and the reference light.

集光レンズ6は、被測定面反射光30c、参照面反射光30dによる干渉縞を、CCD7の撮像面7a上に結像するものである。
CCD7は、撮像面7a上に結像された干渉縞画像を所定のビデオレートで光電変換する撮像素子である。ビデオレートとしては、必要に応じて適宜の値を採用することができるが、例えば、30fpsのものを好適に採用することができる。
CCD7は、測定制御部10に電気的に接続されており、測定制御部10によって撮像動作を制御され、CCD7で撮像した画像信号は測定制御部10に送出される。
The condensing lens 6 forms an image of the interference fringes caused by the measured surface reflected light 30c and the reference surface reflected light 30d on the imaging surface 7a of the CCD 7.
The CCD 7 is an image sensor that photoelectrically converts an interference fringe image formed on the imaging surface 7a at a predetermined video rate. As the video rate, an appropriate value can be adopted as necessary. For example, a video rate of 30 fps can be preferably adopted.
The CCD 7 is electrically connected to the measurement control unit 10, the imaging operation is controlled by the measurement control unit 10, and the image signal captured by the CCD 7 is sent to the measurement control unit 10.

ピエゾ素子8は、フィゾー面4a上における被測定面反射光30cと参照面反射光30dとの間の光路差を微小量ずつ変化させるために、フィゾーレンズ4を光軸に沿って移動する光学素子移動機構である。
ピエゾ素子8の移動量は、ピエゾ素子8に電気的に接続されたピエゾ素子コントローラ9によって印加電圧を変化させることで制御される。
The piezo element 8 is an optical element that moves the Fizeau lens 4 along the optical axis in order to change the optical path difference between the measured surface reflected light 30c and the reference surface reflected light 30d on the Fizeau surface 4a by a minute amount. It is a moving mechanism.
The amount of movement of the piezo element 8 is controlled by changing the applied voltage by a piezo element controller 9 electrically connected to the piezo element 8.

ピエゾ素子コントローラ9は、測定制御部10からの制御信号に基づいて、ピエゾ素子8に印加する電圧を制御し、ピエゾ素子8の伸縮量を制御するものである。
ピエゾ素子コントローラ9の概略構成は、図2に示すように、演算部25、タイマー26、D/A変換部27、およびアンプ部28からなる。
演算部25は、測定制御部10から送出される立ち上がり時間、指令電圧の制御信号に応じて、立ち上がり時間内に印加電圧を0Vから指令電圧まで直線的に増大する印加電圧データを生成し、測定制御部10からの移動開始信号によって、印加電圧データを順次D/A変換部27に供給するものである。
タイマー26は、演算部25から適宜周期で印加電圧データを送出するための基準クロックを供給するものである。
D/A変換部27は、演算部25によって供給される印加電圧データを電圧信号に変換するものである。この電圧信号は、アンプ部28により増幅されて、ピエゾ素子8を駆動する印加電圧としてピエゾ素子8に出力される。
このように、本実施形態のピエゾ素子コントローラ9によれば、測定制御部10からの移動開始信号に応じて、ピエゾ素子8を一定方向に連続的に駆動する印加電圧が供給することができるようになっている。
The piezo element controller 9 controls the voltage applied to the piezo element 8 based on a control signal from the measurement control unit 10 and controls the expansion / contraction amount of the piezo element 8.
As shown in FIG. 2, the schematic configuration of the piezo element controller 9 includes a calculation unit 25, a timer 26, a D / A conversion unit 27, and an amplifier unit 28.
The calculation unit 25 generates applied voltage data that linearly increases the applied voltage from 0 V to the command voltage within the rise time in accordance with the rise time and command voltage control signal sent from the measurement control unit 10, and performs measurement. The applied voltage data is sequentially supplied to the D / A converter 27 in accordance with a movement start signal from the controller 10.
The timer 26 supplies a reference clock for sending applied voltage data from the arithmetic unit 25 at appropriate intervals.
The D / A converter 27 converts the applied voltage data supplied by the calculator 25 into a voltage signal. The voltage signal is amplified by the amplifier unit 28 and output to the piezo element 8 as an applied voltage for driving the piezo element 8.
Thus, according to the piezo element controller 9 of the present embodiment, an applied voltage for continuously driving the piezo element 8 in a certain direction can be supplied in accordance with the movement start signal from the measurement control unit 10. It has become.

測定制御部10の機能ブロック構成は、図2に示すように、画像取得部20、演算処理部21、移動制御部22、および画像記憶部23からなる。
画像取得部20は、CCD7から送出される画像信号を、演算処理部21から指示されたタイミングで画像フレームごとに取り込んで、輝度データに変換し、2次元の画像データとして演算処理部21に送出するものである。
演算処理部21は、画像取得部20から送出される画像データを取り込んで取得し、取得順序の情報とともに、画像記憶部23に記憶するとともに、画像記憶部23に記憶された画像データに演算処理を施して、干渉縞の解析を行い、被測定面5の形状を算出するものである。算出された被測定面5の形状は、必要に応じてこの解析に伴うグラフや中間演算結果などとともに、表示部11に表示されるようになっている。
また、演算処理部21は、移動制御部22を介して、ピエゾ素子コントローラ9に立ち上がり時間、指令電圧の情報を送出してピエゾ素子8の伸縮量の条件設定を行い、移動開始信号を送出する。
また、移動制御部22では、ピエゾ素子コントローラ9による移動が終了したことを検知して演算処理部21に通知する。
このような測定制御部10は、本実施形態では、CPU、メモリ、入出力インターフェース、外部記憶装置などからなるコンピュータから構成され、このコンピュータにより適宜の制御プログラムを実行することでこれらの機能を実現している。
As shown in FIG. 2, the functional block configuration of the measurement control unit 10 includes an image acquisition unit 20, an arithmetic processing unit 21, a movement control unit 22, and an image storage unit 23.
The image acquisition unit 20 takes in the image signal sent from the CCD 7 for each image frame at the timing instructed by the calculation processing unit 21, converts it into luminance data, and sends it to the calculation processing unit 21 as two-dimensional image data. To do.
The arithmetic processing unit 21 captures and acquires the image data sent from the image acquisition unit 20, stores it in the image storage unit 23 together with information on the acquisition order, and performs arithmetic processing on the image data stored in the image storage unit 23. Then, the interference fringes are analyzed, and the shape of the measured surface 5 is calculated. The calculated shape of the measured surface 5 is displayed on the display unit 11 together with a graph, an intermediate calculation result, and the like accompanying this analysis as necessary.
Further, the arithmetic processing unit 21 sends the rise time and command voltage information to the piezo element controller 9 via the movement control unit 22, sets conditions for the expansion / contraction amount of the piezo element 8, and sends a movement start signal. .
Further, the movement control unit 22 detects that the movement by the piezo element controller 9 has been completed, and notifies the arithmetic processing unit 21 of it.
In the present embodiment, such a measurement control unit 10 is configured by a computer including a CPU, a memory, an input / output interface, an external storage device, and the like, and these functions are realized by executing appropriate control programs by the computer. is doing.

次に、干渉計50の動作について、本発明の実施形態に係るフリンジスキャン干渉縞計測方法を中心として説明する。
図3は、本発明の実施形態に係るフリンジスキャン干渉縞計測方法の測定フローを示すフローチャートである。図4は、本発明の実施形態に係るフリンジスキャン干渉縞計測方法の候補画像取得工程の動作について説明するフローチャートである。図5は、候補画像取得工程で取得された候補画像の模式図である。図6は、本発明の実施形態に係るフリンジスキャン干渉縞計測方法の位相変化算出工程における近似曲線の一例を示す模式的なグラフである。ここで、横軸は時間、縦軸は輝度を示す。図7(a)は、本発明の実施形態に係るフリンジスキャン干渉縞計測方法の補間演算用画像選択工程について説明するための模式的なグラフである。ここで、横軸は時間、縦軸は位相変化量を示す。図7(b)は、図7(a)のA部の拡大図である。
Next, the operation of the interferometer 50 will be described focusing on the fringe scan interference fringe measurement method according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart showing a measurement flow of the fringe scan interference fringe measurement method according to the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation of the candidate image acquisition step of the fringe scan interference fringe measuring method according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a schematic diagram of candidate images acquired in the candidate image acquisition step. FIG. 6 is a schematic graph showing an example of an approximate curve in the phase change calculation step of the fringe scan interference fringe measurement method according to the embodiment of the present invention. Here, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents luminance. FIG. 7A is a schematic graph for explaining the image selection process for interpolation calculation of the fringe scan interference fringe measuring method according to the embodiment of the present invention. Here, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the phase change amount. FIG.7 (b) is an enlarged view of the A section of Fig.7 (a).

干渉計50に用いるフィゾー型の光学系では、レーザー光源1を点灯すると波長λの発散光が発生し、コリメートレンズ2によって平行光30aが形成され、ビームスプリッタ3で反射されてフィゾーレンズ4の光軸上に入射する。
平行光30aは、フィゾー面4aによって分割され、一部はフィゾー面4aによってビームスプリッタ3の側に反射されて参照面反射光30dとして進む。その他の光は、透過光30bとして透過し、フィゾーレンズ4のレンズ作用により集光され、1点に集光されてから、被測定面5に導かれ、被測定面5の法線方向に入射することにより、被測定面反射光30cとして反射される。そして、被測定面反射光30cは、透過光30bと同一光路を逆進し、フィゾーレンズ4を透過して、ビームスプリッタ3側に出射される。その際、フィゾー面4a上には、被測定面反射光30cと参照面反射光30dとの光路差に応じた干渉縞画像が形成される。
この干渉縞画像は、集光レンズ6により撮像面7aに結像される。そして、この干渉縞画像は、CCD7で光電変換されて画像信号として測定制御部10に送出され、表示部11に表示される。測定者は、測定のために最良の干渉縞が得られる位置に、フィゾーレンズ4と被測定面5との相対位置を調整する。
そして、測定者は測定制御部10を通して、フリンジスキャン干渉縞計測(以下、干渉縞計測と略称する)の開始を指示する。
In the Fizeau type optical system used in the interferometer 50, when the laser light source 1 is turned on, divergent light of wavelength λ is generated, collimated lens 2 forms parallel light 30a, is reflected by beam splitter 3, and is reflected by Fizeau lens 4. Incident on the axis.
The parallel light 30a is divided by the Fizeau surface 4a, and a part thereof is reflected by the Fizeau surface 4a toward the beam splitter 3 and proceeds as reference surface reflected light 30d. Other light is transmitted as transmitted light 30 b, condensed by the lens action of the Fizeau lens 4, condensed at one point, then guided to the measurement surface 5 and incident in the normal direction of the measurement surface 5. By doing so, it is reflected as the measured surface reflected light 30c. The measured surface reflected light 30c travels backward along the same optical path as the transmitted light 30b, passes through the Fizeau lens 4, and is emitted to the beam splitter 3 side. At that time, an interference fringe image corresponding to the optical path difference between the measured surface reflected light 30c and the reference surface reflected light 30d is formed on the Fizeau surface 4a.
The interference fringe image is formed on the imaging surface 7 a by the condenser lens 6. The interference fringe image is photoelectrically converted by the CCD 7 and sent to the measurement control unit 10 as an image signal and displayed on the display unit 11. The measurer adjusts the relative position between the Fizeau lens 4 and the measured surface 5 to a position where the best interference fringes can be obtained for measurement.
Then, the measurer instructs the start of fringe scan interference fringe measurement (hereinafter abbreviated as interference fringe measurement) through the measurement control unit 10.

周知のフリンジスキャン法では、形状測定を行うための干渉縞画像から、参照面と被測定面との光路差の位相を略一定の位相増分Δφずつ変化させて、合計n個(ただし、nは3以上の整数)の干渉縞画像を取得する。これらのn個の干渉縞画像は、位相シフト量が0〜Δφ・(n−1)の間でΔφずつ増大した干渉縞画像となるので、これらの位相シフト量と、各干渉縞画像に共通する位置におけるn個の輝度値との関係を正弦波に当てはめることで、形状測定を行うための干渉縞画像(位相シフト量が0)の輝度値の位相(初期位相)を算出し、それを基に形状測定を行うための干渉縞画像の各位置における位相を算出する。この位相は、参照面の形状からのずれ量に対応するため、被測定面5の面形状を算出することができる。
本干渉縞計測は、これらn個の干渉縞画像を取得する工程に特徴を有する。その他の点については、例えば特許文献1、2などに開示されたような周知の工程を採用することができるので、詳しい説明は省略する。
In the known fringe scanning method, the phase of the optical path difference between the reference surface and the surface to be measured is changed by a substantially constant phase increment Δφ from the interference fringe image for shape measurement, and a total of n (where n is (An integer of 3 or more) interference fringe images are acquired. These n interference fringe images become interference fringe images in which the phase shift amount is increased by Δφ between 0 to Δφ · (n−1). Therefore, these phase shift amounts are common to the interference fringe images. By applying the relationship with the n luminance values at the position to be applied to the sine wave, the phase (initial phase) of the luminance value of the interference fringe image (phase shift amount is 0) for shape measurement is calculated, Based on the interference fringe image for shape measurement, the phase at each position is calculated. Since this phase corresponds to the amount of deviation from the shape of the reference surface, the surface shape of the surface to be measured 5 can be calculated.
The present interference fringe measurement is characterized by a process of acquiring these n interference fringe images. About another point, since the well-known process which was disclosed by patent document 1, 2, etc. can be employ | adopted, detailed description is abbreviate | omitted, for example.

本干渉縞計測では、図3に示すように、ステップS1〜S6を順次実行する。なお、位相増分Δφは、周知のフリンジスキャン干渉縞計測に用いられる位相増分とすればよい。Δφ=π/2、π/4などとすると、干渉縞画像の枚数(個数)が少なくても高精度の計測結果が得られることが知られている。以下では、一例として、Δφ=π/2の場合の例で説明する。
ステップS1は、図4に示すフローにより実現されるもので、ピエゾ素子8によって予め設定された立ち上がり時間Tの間に、フィゾーレンズ4を距離Lだけ一定方向に連続的に移動し、予め設定されたサンプリング周期ΔTごとに、m個(ただし、m>n)の干渉縞画像を順次取得し、画像記憶部23に、それらの取得順序の情報とともに、時系列画像F、F、…、F(図5参照)として記憶する工程(候補画像取得工程)である。
このため、時系列画像Fj(jは、1≦j≦mを満たす整数、以下同じ)は、ピエゾ素子8の伸縮特性にもよるが、被測定面反射光30cと参照面反射光30dとの光路差がおよそ(λ/4)・(n−1)/(m−1)ずつシフトされた状態、すなわち、位相シフト量が、0から(π/2)・(n−1)以上までの間で、およそ(π/2)・(n−1)/(m−1)ずつ増大された状態で取得される。これらの時系列画像F、F、…、Fは、フリンジスキャン法の計算に用いるn個の干渉縞画像の候補画像をなしている。
ここで、測定時間を短縮するためには、サンプリング周期ΔTはできるだけ短いことが好ましい。本実施形態では、サンプリング周期ΔTは、ビデオレートと一致させている。例えば、ビデオレートが30fpsの場合、ΔT=1/30(s)である。
またフィゾーレンズ4の移動距離Lは、光路差が(λ/4)・(n−1)に相当する距離が必要であり、本実施形態のフィゾー型干渉計では、{(λ/4)・(n−1)}/2であるが、ピエゾ伸縮量のバラつきを考慮して、やや(例えば、ピエゾ伸縮量バラつきの3倍等)大きめにするのが好ましい。
また候補画像の個数mは、取得順序が隣り合う候補画像の間の位相の変化を線形近似しても支障ない程度に、位相増分Δφを細分できる大きさとすることが好ましい。本実施形態では、一例として、n=5、m=25を採用している。
In this interference fringe measurement, steps S1 to S6 are sequentially executed as shown in FIG. The phase increment Δφ may be a phase increment used for well-known fringe scan interference fringe measurement. When Δφ = π / 2, π / 4, etc., it is known that highly accurate measurement results can be obtained even if the number (number) of interference fringe images is small. Hereinafter, as an example, a case where Δφ = π / 2 will be described.
Step S1 is realized by the flow shown in FIG. 4, and the Fizeau lens 4 is continuously moved in a fixed direction by a distance L during a rising time T set in advance by the piezo element 8 and set in advance. M (where m> n) interference fringe images are sequentially acquired for each sampling period ΔT, and the time series images F 1 , F 2 ,... it is F m step of storing as (see FIG. 5) (candidate image acquisition step).
For this reason, the time-series image F j (j is an integer satisfying 1 ≦ j ≦ m, the same applies hereinafter) depends on the expansion / contraction characteristics of the piezo element 8, and the measured surface reflected light 30c and the reference surface reflected light 30d The optical path difference is shifted by approximately (λ / 4) · (n−1) / (m−1), that is, the phase shift amount is from 0 to (π / 2) · (n−1) or more. In the state increased by approximately (π / 2) · (n−1) / (m−1). These time-series images F 1 , F 2 ,..., F m are n interference fringe image candidate images used for the calculation of the fringe scan method.
Here, in order to shorten the measurement time, the sampling period ΔT is preferably as short as possible. In the present embodiment, the sampling period ΔT matches the video rate. For example, when the video rate is 30 fps, ΔT = 1/30 (s).
Further, the movement distance L of the Fizeau lens 4 requires a distance corresponding to an optical path difference of (λ / 4) · (n−1). In the Fizeau interferometer of this embodiment, {(λ / 4) · (N-1)} / 2, but considering the variation in the amount of piezo expansion / contraction, it is preferable to make it slightly larger (for example, three times the variation in the amount of piezo expansion / contraction).
In addition, the number m of candidate images is preferably set to a size that can subdivide the phase increment Δφ to such an extent that there is no problem even if a linear change in the phase change between candidate images in the acquisition order is adjacent. In this embodiment, n = 5 and m = 25 are adopted as an example.

まず、ステップS11では、移動制御部22からピエゾ素子コントローラ9の演算部25に向けて、立ち上がり時間T、指令電圧の情報を送出してから、移動開始信号100を送出する。そして、測定制御部10側では、ステップS12に移行する。
ピエゾ素子コントローラ9側では、移動制御部22から立ち上がり時間T、指令電圧の情報を受け取ると、ステップS20を実行する。
本実施形態では、立ち上がり時間Tは、T=(m−1)・ΔTに設定される。例えば、上記の数値例では、T=(25−1)/30=0.8(s)である。
ステップS20では、演算部25によって、立ち上がり時間T内に、0Vから指令電圧まで時間に比例する印加電圧データを出力する設定を行う。そして、移動開始信号を受信すると、タイマー26を初期化し、ステップS21を実行する。
ステップS21では、タイマー26の値に応じて、印加電圧データをD/A変換部27により電圧信号に変換し、アンプ部28で適宜増幅して、ピエゾ素子8に印加する。
ステップS22では、タイマー26の値が、立ち上がり時間Tを超えたかどうか判定し、立ち上がり時間Tを超えていない場合は、ステップS21に移行する。
立ち上がり時間Tを超えた場合は、移動制御部22に、移動終了信号101を送出して移動終了を通知し、電圧出力を停止して、ピエゾ素子8の位置を初期状態に復帰させる。
First, in step S11, information on the rise time T and the command voltage is sent from the movement control unit 22 to the calculation unit 25 of the piezo element controller 9, and then the movement start signal 100 is sent. Then, on the measurement control unit 10 side, the process proceeds to step S12.
On the piezo element controller 9 side, when information on the rise time T and the command voltage is received from the movement control unit 22, step S20 is executed.
In the present embodiment, the rise time T is set to T = (m−1) · ΔT. For example, in the above numerical example, T = (25−1) /30=0.8 (s).
In step S20, the calculation unit 25 performs setting so that applied voltage data proportional to time is output from 0 V to the command voltage within the rising time T. When the movement start signal is received, the timer 26 is initialized and step S21 is executed.
In step S 21, the applied voltage data is converted into a voltage signal by the D / A converter 27 according to the value of the timer 26, amplified appropriately by the amplifier 28, and applied to the piezoelectric element 8.
In step S22, it is determined whether or not the value of the timer 26 has exceeded the rising time T. If the rising time T has not been exceeded, the process proceeds to step S21.
When the rise time T is exceeded, the movement control unit 22 is notified of the movement end by sending the movement end signal 101, the voltage output is stopped, and the position of the piezo element 8 is returned to the initial state.

ステップS12では、サンプリング周期ΔTに同期して、CCD7から干渉縞画像を取得し、画像取得順序の情報とともに、画像記憶部23に記憶する。
ステップS13では、ピエゾ素子コントローラ9からの移動終了信号101の有無を判定し、移動終了信号101が受信されていない場合は、ステップS12に戻る。
移動終了信号101が受信されている場合は、ステップS1の動作を終了し、図3のステップS2に移行する。
このようにして、ステップS12を繰り返すことにより、フィゾーレンズ4がピエゾ素子8によって移動されている間に、m個の時系列画像F、F、…、Fが、画像記憶部23に順次記憶されていく。
In step S12, an interference fringe image is acquired from the CCD 7 in synchronization with the sampling period ΔT, and stored in the image storage unit 23 together with information on the image acquisition order.
In step S13, it is determined whether or not there is a movement end signal 101 from the piezo element controller 9. If the movement end signal 101 is not received, the process returns to step S12.
If the movement end signal 101 has been received, the operation in step S1 is terminated, and the process proceeds to step S2 in FIG.
In this manner, by repeating step S12, m time-series images F 1 , F 2 ,..., F m are stored in the image storage unit 23 while the Fizeau lens 4 is moved by the piezo element 8. It is memorized sequentially.

ステップS2では、図5に示すように、演算処理部21によって画像記憶部23から各時系列画像Fjを呼び出し、それぞれの干渉縞画像部31上の共通位置である輝度算出位置32における各輝度Pjを取得する。すなわち、ステップS2は、候補画像取得工程で取得されたそれぞれ候補画像の同一位置における輝度変化を取得する輝度変化取得工程を構成している。
図6に時間と輝度Pjとの関係の一例をプロットした。時系列画像Fjは、一定のサンプリング周期で取得され、ピエゾ素子8には、時間に比例した電圧が印加されるが、ピエゾ素子8の伸縮特性は印加電圧に対して非線形であるためフィゾーレンズ4の移動ピッチは等ピッチにはならない。そのため、輝度Pjのグラフは正弦波からずれることになる。
In step S2, as shown in FIG. 5, each time series image Fj is called from the image storage unit 23 by the arithmetic processing unit 21, and each luminance at the luminance calculation position 32 which is a common position on each interference fringe image unit 31 is obtained. Get P j . That is, step S2 constitutes a luminance change acquisition step of acquiring a luminance change at the same position of each candidate image acquired in the candidate image acquisition step.
An example of the relationship between time and luminance P j is plotted in FIG. The time-series image F j is acquired at a constant sampling period, and a voltage proportional to time is applied to the piezo element 8. However, since the expansion and contraction characteristics of the piezo element 8 are nonlinear with respect to the applied voltage, the Fizeau lens. The moving pitch of 4 is not equal. Therefore, the graph of the brightness P j deviates from the sine wave.

次に、ステップS3では、演算処理部21によって、輝度Pjのグラフの近似曲線33(図6参照)を求める。ただし、本実施形態では、ピエゾ素子8の移動量が時間に対して線形であれば、輝度のグラフが時間に関して正弦波となることを利用して、近似曲線33を次の式(2)、(3)の組で表すことにする。
f(i)=D・i+D・i+D・i ・・・(2)
g(i)=A・sin{f(i)}+B・cos{f(i)}+C ・・・(3)
ここで、g(i)は輝度、f(i)はピエゾ素子8の非線形性を3次式で表したものである。また、D、D、D、A、B、Cは、近似式の係数である。また、変数iは、時間に対応する添字jの値をそのまま用いている。f(i)は、立ち上がり時間で無次元化した時間であり、時系列画像Fに対する位相変化量を表す。
係数D、D、D、A、B、Cは、次式(4)のSを最小にするように、例えばニュートン法などの既知の演算処理を行うことによって求めることができる。
Next, in step S3, the operation processing unit 21 calculates an approximate curve 33 (see FIG. 6) of the graph of the luminance P j. However, in the present embodiment, if the movement amount of the piezo element 8 is linear with respect to time, the approximate curve 33 is expressed by the following equation (2) using the fact that the luminance graph is a sine wave with respect to time. It will be represented by the group (3).
f (i) = D 1 · i + D 2 · i 2 + D 3 · i 3 (2)
g (i) = A · sin {f (i)} + B · cos {f (i)} + C (3)
Here, g (i) represents luminance, and f (i) represents the nonlinearity of the piezo element 8 by a cubic equation. D 1 , D 2 , D 3 , A, B, and C are coefficients of the approximate expression. The variable i uses the value of the subscript j corresponding to time as it is. f (i) is the time dimensionless rise time, when representing the phase variation amount with respect to image sequences F 1.
The coefficients D 1 , D 2 , D 3 , A, B, and C can be obtained by performing known arithmetic processing such as Newton's method so as to minimize S in the following equation (4).

このように、ステップS3は、候補画像取得工程で取得されたそれぞれ候補画像の同一位置における輝度変化から位相変化を算出する位相変化算出工程となっている。また、演算処理部21は、位相変化算出部を構成している。
なお、式(2)、(3)を用いれば、図6に示すようなグラフをプロットすることができるので、本実施形態では、近似精度を視覚的に確認できるように輝度Pjの実測値とともに、表示部11に表示するようにしている。
As described above, step S3 is a phase change calculation step of calculating the phase change from the luminance change at the same position of each candidate image acquired in the candidate image acquisition step. Further, the arithmetic processing unit 21 constitutes a phase change calculation unit.
In addition, since a graph as shown in FIG. 6 can be plotted if Expressions (2) and (3) are used, in the present embodiment, an actual measurement value of the luminance P j so that the approximation accuracy can be visually confirmed. At the same time, it is displayed on the display unit 11.

次にステップS4では、位相変化算出工程で算出された位相変化に基づいて、候補画像のうちから、位相量が、Δφ・(k−1)(ただし、k=1,…,n)の近傍の複数の候補画像を補間演算用画像として選択する補間演算用画像選択工程を行う。
本実施形態では、演算処理部21により、ステップS3で求めた式(2)を用いて、f(i)の値が、Δφ・(k−1)以下であって、Δφ・(k−1)に最も近くなるiを算出してIとする。このとき、I+1は、Δφ・(k−1)より大きくΔφ・(k−1)に最も近くなるiになっている。したがって、f(I)≦0<f(I+1)、…、f(I)≦2π<f(I+1)である。
例えば、式(2)が、図7(a)に示す曲線41で表される場合、それぞれ、I=1、I=10、I=15、I=19、I=23として求められる。ただし、本実施形態では、f(1)=0としている。
そして、演算処理部21は、これらのI、I+1の値から、フリンジスキャン法に用いる5個の干渉縞画像を求めるため、時系列画像Fjの中から、5組の補間演算用画像(F,F)、(F10,F11)、(F15,F16)、(F19,F20)、(F23,F24)を選択する。以下、補間演算用画像(FIk,FIk+1)と表す。
このため、演算処理部21は、補間演算用画像選択部を構成している。
なお、本ステップにおいて、表示部11に図7のようなグラフを表示したり、ステップS3で表示された図6のようなグラフ上で選択された時系列画像の輝度値データをハイライトさせたりしてもよい。
Next, in step S4, based on the phase change calculated in the phase change calculation step, the phase amount is in the vicinity of Δφ · (k−1) (where k = 1,..., N) from the candidate images. An interpolation calculation image selection step of selecting a plurality of candidate images as an interpolation calculation image is performed.
In the present embodiment, the value of f (i) is equal to or less than Δφ · (k−1) and is calculated using Δφ · (k−1) by using the expression (2) obtained in step S3 by the arithmetic processing unit 21. I that is closest to) is calculated as I k . At this time, I k +1 is i which is larger than Δφ · (k−1) and closest to Δφ · (k−1). Therefore, f (I 1 ) ≦ 0 <f (I 1 +1),..., F (I 5 ) ≦ 2π <f (I 5 +1).
For example, when Formula (2) is represented by the curve 41 shown in FIG. 7A, I 1 = 1, I 2 = 10, I 3 = 15, I 4 = 19, and I 5 = 23, respectively. Desired. However, in this embodiment, f (1) = 0.
The arithmetic processing unit 21 obtains five interference fringe images to be used for the fringe scan method from these values of I k and I k +1, and therefore, for the five sets of interpolation calculations from the time series image F j . image (F 1, F 2), to select the (F 10, F 11), (F 15, F 16), (F 19, F 20), (F 23, F 24). Hereinafter, it is expressed as an interpolation calculation image (F Ik , F Ik + 1 ).
For this reason, the calculation processing unit 21 constitutes an interpolation calculation image selection unit.
In this step, a graph as shown in FIG. 7 is displayed on the display unit 11, or the brightness value data of the time-series image selected on the graph as shown in FIG. 6 displayed in step S3 is highlighted. May be.

次にステップS5では、演算処理部21によって、ステップS4で選択された5組の補間演算用画像(FIk,FIk+1)を用いて、これらを線形補間する補間演算により、位相量がΔφ・(k−1)となる干渉縞画像Gを算出する。
例えば、図7(b)に示すように、I=10における位相量は、f(I)=π/2−A、I+1=11における位相量は、f(I+1)=π/2+Bであり、これらの間で、位相量は近似的には直線的に変化しているため、干渉縞画像Gは、F10、F11の輝度を比例配分して近似することができる。
そこで、演算処理部21は、次式(1)によって、干渉縞画像Gを算出して、n個の干渉縞画像を取得する。
このため、ステップS5は、補間演算用画像選択工程で選択された補間演算用画像を用いて補間演算を行うことにより、n個の干渉縞画像を取得する干渉縞画像算出工程を構成している。また、演算処理部21は、干渉縞画像算出部を構成している。
Next, in step S5, the arithmetic processing unit 21 uses the five sets of interpolation calculation images (F Ik , F Ik + 1 ) selected in step S4, and performs an interpolation calculation to linearly interpolate these images to obtain a phase amount Δφ · calculating a (k-1) become the interference fringe image G k.
For example, as shown in FIG. 7B, the phase amount at I 2 = 10 is f (I 2 ) = π / 2−A 2 , and the phase amount at I 2 + 1 = 11 is f (I 2 +1). = Π / 2 + B 2 , and the phase amount approximately linearly changes between them, and therefore the interference fringe image G 2 is approximated by proportionally distributing the luminances of F 10 and F 11. be able to.
Therefore, the arithmetic processing unit 21 calculates the interference fringe image G k by the following equation (1), and obtains n interference fringe images.
For this reason, step S5 constitutes an interference fringe image calculation step of acquiring n interference fringe images by performing an interpolation calculation using the interpolation calculation image selected in the interpolation calculation image selection step. . In addition, the arithmetic processing unit 21 constitutes an interference fringe image calculation unit.

=Δφ・(k−1)−f(I) ・・・(5)
=f(I+1)−Δφ・(k−1) ・・・(6)
=(FIk×B+FIk+1×A)/(A+B) ・・・(1)
A k = Δφ · (k−1) −f (I k ) (5)
B k = f (I k +1) −Δφ · (k−1) (6)
G k = (F Ik × B k + F Ik + 1 × A k) / (A k + B k) ··· (1)

ここで、G、FIk、FIk+1は、ぞれぞれの干渉計画像の2次元画像データを表すものとする。例えば、CCD7の長辺方向、短辺方向を、それぞれx方向、y方向とすると、上記の計算は、画素ごとに行う必要があるため、G(x,y)、FIk(x,y)、FIk+1(x,y)と表すべきであるが、簡単のため(x,y)を省略している(以下も同様)。 Here, G k , F Ik , and F Ik + 1 represent two-dimensional image data of each interferometer image. For example, if the long side direction and the short side direction of the CCD 7 are the x direction and the y direction, respectively, the above calculation needs to be performed for each pixel, so that G k (x, y), F Ik (x, y ), F Ik + 1 (x, y), but (x, y) is omitted for the sake of simplicity (and so on).

次にステップS6では、ステップS5で算出された干渉縞画像時系列画像G、G、G、G、Gを用いて、例えば、特許文献1などに開示された演算処理を演算処理部21で行って、面形状に対応する波面を算出する。そして、結果をグラフィック画像として表示部11に表示する(図8(b)、図9(b)参照)。
以上で、干渉縞計測が終了する。
Next, in step S6, using the interference fringe image time series images G 1 , G 2 , G 3 , G 4 , and G 5 calculated in step S5, for example, the arithmetic processing disclosed in Patent Document 1 is calculated. This is performed by the processing unit 21 to calculate a wavefront corresponding to the surface shape. Then, the result is displayed as a graphic image on the display unit 11 (see FIGS. 8B and 9B).
The interference fringe measurement is thus completed.

このように干渉計50による干渉縞計測では、ピエゾ素子8の移動精度や非線形性などの原因で、例えば、5バケット法などの計算に必要な位相増分Δφずつ位相シフトされた干渉縞画像を取得できない場合でも、取得された候補画像を補間演算することで、位相量がΔφ・(k−1)であると推定される干渉縞画像を算出することができる。このため、フリンジスキャン法に用いるn個の干渉縞画像の位相シフト量の誤差を格段に低減することができる。   As described above, in the interference fringe measurement by the interferometer 50, an interference fringe image that is phase-shifted by the phase increment Δφ necessary for the calculation such as the 5-bucket method is acquired due to the movement accuracy or nonlinearity of the piezo element 8. Even if it is not possible, an interference fringe image that is estimated to have a phase amount of Δφ · (k−1) can be calculated by performing an interpolation operation on the obtained candidate images. For this reason, the error of the phase shift amount of n interference fringe images used in the fringe scanning method can be significantly reduced.

ここで、本実施形態の作用について測定例1、2、比較例1、2に基づいて説明する。
図8(a)は、測定例1における被検面の干渉縞画像である。図8(b)は、本発明の実施形態のフリンジスキャン干渉縞測定方法に基づいて算出した測定例1の波面算出結果の画像表示である。図8(c)は、比較例1のフリンジスキャン干渉縞測定方法に基づいて算出した波面の画像表示である。図9(a)は、測定例2における被検面の干渉縞画像である。図9(b)は、本発明の実施形態のフリンジスキャン干渉縞測定方法に基づいて算出した波面の画像表示である。図9(c)は、比較例2のフリンジスキャン干渉縞測定方法に基づいて算出した波面の画像表示である。
Here, the effect | action of this embodiment is demonstrated based on the measurement examples 1 and 2 and the comparative examples 1 and 2. FIG.
FIG. 8A is an interference fringe image of the test surface in Measurement Example 1. FIG. FIG. 8B is an image display of the wavefront calculation result of Measurement Example 1 calculated based on the fringe scan interference fringe measurement method of the embodiment of the present invention. FIG. 8C is an image display of a wavefront calculated based on the fringe scan interference fringe measuring method of Comparative Example 1. FIG. 9A is an interference fringe image of the test surface in Measurement Example 2. FIG. FIG. 9B is an image display of the wavefront calculated based on the fringe scan interference fringe measuring method of the embodiment of the present invention. FIG. 9C is an image display of a wavefront calculated based on the fringe scan interference fringe measuring method of Comparative Example 2.

測定例1は、本実施形態の候補画像取得工程、位相変化算出工程、補間演算用画像選択工程、および干渉縞画像算出工程を順次行った後、5個の干渉縞画像G、G、G、G、Gの画像データに基づいて、5バケット法によって波面を算出し、図8(b)にグラフィック画像で示すような結果が得られた。
本測定例の被検面5の面精度は、PV=0.12λと一般的な精度のレンズ面であり、滑らかに変化する波面が算出されている。
なお、測定例1では、図8(a)に示すように、被検面5と干渉計50との位置合わせ、光軸合わせを十分に行って、干渉縞本数が最小となる状態(ヌル状態)に調整してから測定している。
なお、本測定例では、レンズの設置状態によって発生する波面の傾きおよびパワーを補正する演算(チルト、パワー補正)を行っている。(以下、比較例1、測定例2、比較例2も同じ)。
In measurement example 1, the candidate image acquisition process, the phase change calculation process, the interpolation calculation image selection process, and the interference fringe image calculation process of the present embodiment are sequentially performed, and then five interference fringe images G 1 , G 2 , Based on the image data of G 3 , G 4 , and G 5 , the wavefront was calculated by the 5-bucket method, and the result as shown in the graphic image in FIG. 8B was obtained.
The surface accuracy of the test surface 5 in this measurement example is a lens surface having a general accuracy of PV = 0.12λ, and a wavefront that changes smoothly is calculated.
In the measurement example 1, as shown in FIG. 8A, the alignment of the test surface 5 and the interferometer 50 and the optical axis are sufficiently aligned to minimize the number of interference fringes (null state). ) To measure.
In this measurement example, calculations (tilt and power correction) are performed to correct the wavefront tilt and power generated by the lens installation state. (Hereinafter, Comparative Example 1, Measurement Example 2, and Comparative Example 2 are the same).

一方、比較例1は、測定例1の候補画像取得工程、および位相変化算出工程を行った後、位相量が0、π/2、π、3π/2、2πにそれぞれ最も近い5個の候補画像を選択し、これらの候補画像の画像データに基づいて、5バケット法によって波面を算出したものである。例えば、図8(a)の例で、A<B、A>B、A>B、A<B、A<Bだった場合に、候補画像として、F、F11、F16、F19、F23を選択し、これら5個の候補画像から波面を算出したもので、図8(c)に示すような結果が得られた。 On the other hand, in Comparative Example 1, after performing the candidate image acquisition step and the phase change calculation step of Measurement Example 1, the five candidates whose phase amounts are closest to 0, π / 2, π, 3π / 2, and 2π, respectively. An image is selected, and the wavefront is calculated by the 5-bucket method based on the image data of these candidate images. For example, in the example of FIG. 8A, if A 1 <B 1 , A 2 > B 2 , A 3 > B 3 , A 4 <B 4 , A 5 <B 5 , F 1 , F 11 , F 16 , F 19 , and F 23 were selected, and the wavefront was calculated from these five candidate images, and the results shown in FIG. 8C were obtained.

図8(b)、(c)によれば、測定例1と比較例1とは、あまり差がない結果が得られている。
これは、本実施形態の候補画像取得工程は、位相増分Δφを十分に細分できる大きさとしているため、補間演算を行わなくても、補間演算を行った場合とあまり変わらない結果になったと考えられる。
According to FIGS. 8B and 8C, the measurement example 1 and the comparative example 1 have a result that is not so different.
This is because the candidate image acquisition process of the present embodiment is set to a size that can sufficiently subdivide the phase increment Δφ, so that the result is not much different from the case of performing the interpolation calculation without performing the interpolation calculation. It is done.

測定例2は、測定例1と同一の被検面5を採用し、図9(a)に示すように、ヌル状態の調整を測定例1ほど十分には行わずに、同様の測定を行ったものである。この場合、干渉縞が縦縞となっていることから分かるように、被検面は図示左右方向にわずかに傾いている状態である。
測定例2で算出された波面は、図9(b)に示すように、図8(b)と、変わらない結果を得ることが出来る。
Measurement example 2 employs the same test surface 5 as measurement example 1, and as shown in FIG. 9 (a), the same measurement is performed without adjusting the null state as sufficiently as measurement example 1. It is a thing. In this case, as can be seen from the fact that the interference fringes are vertical stripes, the test surface is slightly inclined in the horizontal direction in the figure.
As shown in FIG. 9B, the wavefront calculated in the measurement example 2 can obtain the same result as in FIG. 8B.

一方、比較例2は、測定例2の候補画像取得工程、および位相変化算出工程を行った後、位相量が0、π/2、π、3π/2、2πにそれぞれ最も近い5個の候補画像を選択し、これらの候補画像の画像データに基づいて、5バケット法によって波面を算出したものであり、図9(c)に示すような結果が得られた。
図9(c)には、全体として、図9(b)と同様に被検面5の面形状が現れているが、図9(b)とは異なり、算出された波面には、図9(a)の干渉縞の縞位置に対応して、図示左右方向にわたって周期的に変化する形状が現れている。これは、被検面5には元々存在しない擬似的な形状である。
On the other hand, in Comparative Example 2, after performing the candidate image acquisition process and the phase change calculation process of Measurement Example 2, the five candidates whose phase amounts are closest to 0, π / 2, π, 3π / 2, and 2π, respectively. An image was selected, and the wavefront was calculated by the 5-bucket method based on the image data of these candidate images. The result shown in FIG. 9C was obtained.
In FIG. 9C, the surface shape of the test surface 5 appears as a whole as in FIG. 9B, but unlike FIG. 9B, the calculated wavefront includes Corresponding to the fringe positions of the interference fringes in (a), a shape that periodically changes in the horizontal direction in the figure appears. This is a pseudo shape that does not originally exist on the test surface 5.

5バケット法では、位相増分Δφに誤差がある場合、初期位相をθとすると、近似的に次式(16)で表現できる解析誤差ε(θ)が発生する。
ε(θ)=Asin(2θ)+B・cos(2θ)+C ・・・(16)
測定例1、比較例1のような十分なヌル状態では、初期位相θはレンズ全面にわたって略一定となるため、ε(θ)はレンズ全面で略一定の値となり、Δφに誤差があったとしても波面の計算結果への影響は現れにくい。
厳密には、使用した被検面5はPV=0.12λであるため、略一定と言っても初期位相θはレンズの場所によって0.48πの範囲では変わり、式(16)から0.48周期分のうねり成分程度は波面の計算結果へ加算されている。
一方、測定例2、比較例2のような不十分なヌル状態では、初期位相θはレンズの位置によって変わるため、ε(θ)もレンズの位置によって変わり、Δφに誤差がある場合は、波面の計算結果へ影響が現れる。
図9(a)を見ると、横方向に3本の干渉縞があることから、左端と右端では約6πの位相差があり、式(16)から約6周期のうねり成分が波面の計算結果へ加算されており、図9(c)からも読み取ることが出来る。
In the 5-bucket method, when there is an error in the phase increment Δφ, if the initial phase is θ, an analysis error ε (θ) that can be approximately expressed by the following equation (16) occurs.
ε (θ) = Asin (2θ) + B · cos (2θ) + C (16)
In the sufficient null state as in Measurement Example 1 and Comparative Example 1, the initial phase θ is substantially constant over the entire lens surface, so that ε (θ) is approximately constant over the entire lens surface and there is an error in Δφ. However, the influence on the calculation result of the wave front is difficult to appear.
Strictly speaking, since the test surface 5 used is PV = 0.12λ, the initial phase θ varies in the range of 0.48π depending on the location of the lens even though it is substantially constant. The degree of the swell component for the period is added to the calculation result of the wavefront.
On the other hand, in the insufficient null state as in measurement example 2 and comparative example 2, since the initial phase θ varies depending on the lens position, ε (θ) also varies depending on the lens position, and when there is an error in Δφ, the wavefront This will affect the calculation results.
As shown in FIG. 9A, since there are three interference fringes in the horizontal direction, there is a phase difference of about 6π at the left end and the right end. It can be read also from FIG.

なお、比較例1、2は、位相量の誤差ができるだけ少ない干渉縞画像を選択する方法となっているが、位相増分Δφを狙って移動させて、5個の干渉縞画像のみを取得する従来技術の場合、ピエゾ素子8の駆動誤差がそのまま位相量の誤差となり、この誤差を補正することができないため、上記比較例1、2よりもさらに精度が劣る結果となることは明らかである。   Note that Comparative Examples 1 and 2 are methods for selecting an interference fringe image with as little phase amount error as possible, but the conventional method obtains only five interference fringe images by moving the phase increment Δφ. In the case of the technique, the driving error of the piezo element 8 becomes the phase amount error as it is, and this error cannot be corrected. Therefore, it is obvious that the accuracy is inferior to those of the first and second comparative examples.

以上に説明したように、本実施形態のフリンジスキャン干渉縞測定方法によれば、ピエゾ素子8の移動精度などによって、波面計算に必要な位相増分Δφを正確に有する干渉縞画像が取得できない場合であっても、位相増分Δφを細分するように位相をシフトさせて取得した候補画像に補間演算を施すことによって、波面計算に必要な位相増分Δφを有する干渉縞画像を算出することができる。
このため、ピエゾ素子8を校正したり、例えば静電容量センサなどの測長手段を用いてピエゾ素子8の移動量を計測してフィードバック制御したりすることなく、簡素な構成で、容易かつ高精度な測定を行うことができる。
また、ピエゾ素子8の校正が不要となるため、校正費用や、校正のために測定できなくなる期間も発生しないという利点がある。
また、CCD7のビデオレートに同期して候補画像を取得するので、候補画像を増やしても、短時間のうちに測定を行うことができる。
また、ピエゾ素子8は、非線形性の程度が悪いものや非線形性のバラツキが大きいものでも採用することができるので、安価な素子を採用することができる。
また、本実施形態では、ピエゾ素子8を一定方向に連続的に駆動するので、ヒステリシス特性による移動位置のバラツキや、間欠駆動のような停止時の位置振動などが発生しないため、位相シフト量に対応する移動位置が時系列に沿って単調増加する。そのため、候補画像の個数mを増やすことで測定分解能を確実に向上することができる。
As described above, according to the fringe scan interference fringe measurement method of the present embodiment, an interference fringe image having an accurate phase increment Δφ necessary for wavefront calculation cannot be obtained due to the movement accuracy of the piezo element 8 or the like. Even in such a case, an interference fringe image having the phase increment Δφ necessary for the wavefront calculation can be calculated by performing an interpolation operation on the candidate image obtained by shifting the phase so as to subdivide the phase increment Δφ.
Therefore, the piezo element 8 is easily calibrated with a simple configuration without calibrating the piezo element 8 or measuring the amount of movement of the piezo element 8 using a length measuring means such as a capacitance sensor and performing feedback control. Accurate measurement can be performed.
In addition, since calibration of the piezo element 8 is not required, there is an advantage that calibration costs and a period during which measurement cannot be performed due to calibration do not occur.
Further, since candidate images are acquired in synchronization with the video rate of the CCD 7, even if the number of candidate images is increased, measurement can be performed in a short time.
In addition, since the piezoelectric element 8 can be employed even if it has a low degree of nonlinearity or has a large variation in nonlinearity, an inexpensive element can be employed.
Further, in this embodiment, since the piezo element 8 is continuously driven in a certain direction, there is no variation in the movement position due to hysteresis characteristics, no position vibration at the time of stopping such as intermittent driving, etc. The corresponding movement position increases monotonically along the time series. Therefore, the measurement resolution can be reliably improved by increasing the number m of candidate images.

また、本実施形態のフリンジスキャン干渉縞測定方法によれば、補正計算用画像の位相量が、波面算出に必要な位相量からずれていても、補間演算により良好な干渉縞画像を推定することができるので、例えば、比較例1、2のように、補間演算を行わずに位相量が近い候補画像を選択する場合に比べて候補画像の取得個数を低減することができる。このため、測定時間をより低減して、迅速な測定を行うことができる。また候補画像の記憶スペースを節減することができるため、安価な装置構成とすることができる。   In addition, according to the fringe scan interference fringe measurement method of the present embodiment, even if the phase amount of the correction calculation image deviates from the phase amount necessary for wavefront calculation, a good interference fringe image is estimated by interpolation calculation. Therefore, for example, as in Comparative Examples 1 and 2, the number of acquired candidate images can be reduced compared to the case where candidate images with close phase amounts are selected without performing an interpolation calculation. For this reason, the measurement time can be further reduced and quick measurement can be performed. Further, since the storage space for candidate images can be reduced, an inexpensive apparatus configuration can be achieved.

[変形例]
次に、本実施形態の変形例について説明する。
本変形例は、上記実施形態の補間演算用画像選択工程の補間演算として、キュービック(Cubic)補間を採用した点が上記実施形態と異なる。以下では、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
[Modification]
Next, a modification of this embodiment will be described.
The present modification is different from the above embodiment in that cubic interpolation is adopted as the interpolation calculation in the image selection process for interpolation calculation in the above embodiment. Below, it demonstrates centering on a different point from the said embodiment.

本変形例の補間演算用画像選択工程では、キュービック補間を行うため、上記実施形態のステップS3で求めた式(1)を用いて、上記実施形態と同様に、各Δφ・(k−1)の位相量について、Iを算出する。そして、上記実施形態のステップS2で取得した候補画像のうちから、補正演算用画像として、FIk−1、FIk、FIk+1、FIk+2を選択し、次式(7)、(8)、(9)に基づいて、干渉縞画像Gを算出する。
なお、式(9)の関数fは、上記式(2)であり、式(7)のαは、式(9)から適宜の数値解法によって求める。
例えば、k=2の場合、図7(b)に示すように、補正演算用画像として、F、F10、F11、F12を選択し、αを用いる。
In the image selection process for interpolation calculation of the present modification, cubic interpolation is performed, and each Δφ · (k−1) is obtained using the equation (1) obtained in step S3 of the above embodiment as in the above embodiment. I k is calculated for the phase amount of. Then, F Ik−1 , F Ik , F Ik + 1 , and F Ik + 2 are selected from the candidate images acquired in step S <b> 2 of the above-described embodiment, and the following equations (7), (8), Based on (9), the interference fringe image Gk is calculated.
In addition, the function f of Formula (9) is the said Formula (2), (alpha) k of Formula (7) is calculated | required by the appropriate numerical solution method from Formula (9).
For example, when k = 2, as shown in FIG. 7B, F 9 , F 10 , F 11 , and F 12 are selected as correction calculation images and α 2 is used.

なお、本変形例では、Ik−1、I、Ik+1、Ik+2が、j=1,…,mの範囲にない場合のため、必要に応じて、次式(9)、(10)に示すようにダミーの候補画像を用意しておく。 In this modification, since I k−1 , I k , I k + 1 , I k + 2 are not in the range of j = 1,..., M, the following equations (9), (10 A dummy candidate image is prepared as shown in FIG.

このように、本変形例では、Δφ・(k−1)に最も近い位相量を有する候補画像(FIkまたはFIk+1)を含む4個の候補画像FIk−1、FIk、FIk+1、FIk+2に基づいて、キュービック補間演算を行って干渉縞画像Gを算出する。
キュービック補間は、1階微分まで連続となる補間になっているため、線形補間に比べて、位相量がよりΔφ・(k−1)に近い干渉縞画像を算出することができるので高精度なフリンジスキャン干渉縞測定を行うことができる。
本変形例は、補間演算用画像選択工程において、線形補間とは異なる補間演算を用いた場合の例になっている。
Thus, in this modification, four candidate images F Ik−1 , F Ik , F Ik + 1 including a candidate image (F Ik or F Ik + 1 ) having a phase amount closest to Δφ · (k−1), based on the F Ik + 2, to calculate the interference fringe image G k by performing the cubic interpolation operation.
Since cubic interpolation is continuous interpolation up to the first-order differentiation, it is possible to calculate an interference fringe image closer in phase amount to Δφ · (k−1) compared to linear interpolation. Fringe scan interference fringe measurement can be performed.
This modification is an example when an interpolation calculation different from linear interpolation is used in the image selection process for interpolation calculation.

ここで、式(7)、(8)の導出について簡単に説明する。
キュービック補間では、式(12)に示すように、制御点Qj(j=1,…,m)が与えられたとき、制御点Qjと3次多項式C(j−t)の積和によって補間値c(t)(ただし、t=2〜m−1)を求める。t<2およびt>m−1の区間はキュービック補間では正しく補間できないが、ダミーの制御点を用意しておくなどしてあらかじめ制御点を増やしておけば良い。
Here, the derivation of the equations (7) and (8) will be briefly described.
In the cubic interpolation, as shown in the equation (12), when a control point Q j (j = 1,..., M) is given, the product sum of the control point Q j and the cubic polynomial C (j−t) is used. An interpolation value c (t) (where t = 2 to m−1) is obtained. The interval of t <2 and t> m−1 cannot be correctly interpolated by cubic interpolation, but it is sufficient to increase the control points in advance by preparing dummy control points.

ここで、多項式C(j−t)が満たす条件は、関数c(t)が制御点Q,…,Qm―1を通り、連続微分(各制御点の右側微分と左側微分が同一)となる条件を満たすことである。そこで、3次多項式として、次式(13)のようにおいて、次式(14)の条件の下に、係数a、…、a、b、…、bを決定する。 Here, the condition that the polynomial C (j−t) satisfies is that the function c (t) passes through the control points Q 2 ,..., Q m−1 , and the continuous differentiation (the right derivative and the left derivative of each control point are the same). Is to satisfy the following condition. Therefore, as a cubic polynomial, coefficients a 0 ,..., A 3 , b 0 ,..., B 3 are determined under the condition of the following expression (14) as in the following expression (13).

式(14)の条件は7つであり、8つの未知数に対して1条件不足しているため、b=Kとおいて他の未知数を解く。これにより次式(15)が得られる。 Since there are seven conditions in equation (14) and one condition is insufficient for eight unknowns, other unknowns are solved by setting b 3 = K. Thereby, the following equation (15) is obtained.

Kの値は適宜設定することができるが、−0.5〜−2の範囲が好ましい。K=−0.5では、ローパス気味に補間され、K=−2では高周波が強調される傾向があり、通常は−1が使われることが多い。
ここまで式(12)の多項式C(X)は全制御点と積和を取るものとして説明して来たが、|X|≧2ではC(X)=0であるため、ある区間t=J〜J+1に注目すると、C(X)と積和が必要な制御点はQj−1,…,Qj+2のみとなり、制御点QjをFj、C(X)をCubic(X)とすれば、式(7)が導出される。
本変形例の式(8)のCubic(X)は、上記式(15)のC(X)において、K=−1とした場合に相当する。
The value of K can be appropriately set, but is preferably in the range of -0.5 to -2. When K = −0.5, interpolation is performed in a low-pass manner, and when K = −2, high frequency tends to be emphasized, and usually −1 is often used.
So far, the polynomial C (X) in the equation (12) has been described as taking the product sum with all control points. However, when | X | ≧ 2, C (X) = 0. Focusing on J to J + 1, the only control points that need to be summed with C (X) are Q j−1 ,..., Q j + 2 , the control point Q j is F j, and C (X) is Cubic (X). Then, Expression (7) is derived.
Cubic (X) in Expression (8) of this modification corresponds to the case where K = −1 in C (X) in Expression (15).

なお、上記の説明では、補間演算として、線形補間演算、およびキュービック補間演算を用いる場合の例で説明したが、補間演算としてはこれらに限定されず、周知のどのような補間演算を用いてもよい。   In the above description, an example in which linear interpolation calculation and cubic interpolation calculation are used as the interpolation calculation has been described. However, the interpolation calculation is not limited to these, and any known interpolation calculation may be used. Good.

また、上記の説明では、候補画像Fの位相量を0とした場合の例で説明したが、ヌル状態を含んで、2π以上の範囲で候補画像を取得しておき、位相量0も含めて、Δφ・(k−1)(k=1,…,n)のすべてを補間演算によって算出してもよい。 Further, in the above description, the phase of the candidate image F 1 as described in example where the 0, including a null state, in advance to obtain the candidate image in the range of more than 2 [pi, also phase amount 0 including Thus, Δφ · (k−1) (k = 1,..., N) may all be calculated by interpolation.

また、上記の説明では、干渉計として、フィゾー型干渉計を用いた例で説明したが、位相シフトされた干渉縞画像が取得できれば、干渉計の種類は、フィゾー型に限定されない。例えば、トワイマングリーン型干渉計、マッハツェンダー型干渉計などを好適に採用することができる。   In the above description, an example using a Fizeau interferometer as an interferometer has been described. However, the type of interferometer is not limited to the Fizeau type as long as a phase-shifted interference fringe image can be acquired. For example, a Twiman Green interferometer, a Mach-Zehnder interferometer, or the like can be preferably used.

また、上記の説明では、干渉計は、一例として、凹面を被計測面として用いる場合のフィゾー型干渉計の構成で説明したが、凸面や平面を被計測面とする場合の干渉計の配置、構成は周知であり、本発明のフリンジスキャン干渉縞計測方法は、いずれの場合にも用いることができる。   In the above description, as an example, the interferometer has been described with the configuration of the Fizeau interferometer when the concave surface is used as the measurement surface, but the arrangement of the interferometer when the convex surface or plane is the measurement surface, The configuration is well known, and the fringe scan interference fringe measuring method of the present invention can be used in any case.

また、上記の説明では、圧電素子に対して印加電圧を時間に比例して印加するようにしたが、印加電圧を時間に対して単調に変化させるのみでもよい。   In the above description, the applied voltage is applied to the piezoelectric element in proportion to time. However, the applied voltage may be simply changed monotonously with respect to time.

また、上記に説明では、候補画像の取得を一定のサンプリング時間ΔTごとに行う場合の例で説明したが、サンプリングタイミングは、取得された候補画像の位相量の変化を適宜の大きさに設定するため、不等間隔に設定してもよい。例えば、n個の干渉縞画像の位相シフト量の近傍でのみ、位相変化が細かく変化するようなサンプリングタイミングを設定してもよい。   In the above description, an example in which candidate images are acquired at regular sampling times ΔT has been described. However, the sampling timing sets the change in the phase amount of the acquired candidate images to an appropriate size. Therefore, it may be set at unequal intervals. For example, the sampling timing may be set so that the phase change changes finely only near the phase shift amount of n interference fringe images.

また、上記の説明では、光学素子移動機構を一定方向に連続的に駆動しているため、候補画像が位相シフト量の大きさの順に順次取得されるが、各干渉縞画像の位相シフト量の大小関係は、位相変化算出工程で並べ替えればよいため、候補画像取得工程では、位相シフト量の大きさの順序に関する情報を取得できれば、候補画像の取得順序は、必ずしも位相シフト量の大小に合わせなくてもよい。   In the above description, since the optical element moving mechanism is continuously driven in a certain direction, the candidate images are sequentially acquired in order of the magnitude of the phase shift amount. Since the magnitude relationship may be rearranged in the phase change calculation step, if the candidate image acquisition step can acquire information related to the order of magnitude of the phase shift amount, the acquisition order of candidate images is not necessarily matched to the magnitude of the phase shift amount. It does not have to be.

また、上記の説明では、位相変化算出工程で算出する位相変化を算出する近似式として、式(1)、(2)を用いる場合の例で説明したが、これらは一例であり、光学素子移動機構の移動特性に応じて、適宜の関数形を有する近似式を採用することができる。例えば、式(1)をiに関して4次以上の近似式としてもよい。また、図6の近似曲線33を1つの近似式で表すようにしてもよい。   In the above description, the examples in the case of using the expressions (1) and (2) as the approximate expressions for calculating the phase change calculated in the phase change calculating step have been described. An approximate expression having an appropriate function form can be adopted according to the movement characteristics of the mechanism. For example, the formula (1) may be a fourth-order or higher order approximation formula for i. Further, the approximate curve 33 in FIG. 6 may be represented by one approximate expression.

また、上記の説明では、光学素子移動機構として、圧電素子を用いた場合の例で説明したが、例えば使用波長の1〜2波長程度の範囲で光学素子を微小量ずつ移動できれば、圧電素子には限定されない。   In the above description, an example in which a piezoelectric element is used as the optical element moving mechanism has been described. However, if the optical element can be moved by a minute amount within a range of, for example, about 1 to 2 wavelengths of use, the piezoelectric element can be moved. Is not limited.

1 レーザー光源
2 コリメートレンズ
3 ビームスプリッタ
4 フィゾーレンズ
4a フィゾー面
5 被測定面
6 集光レンズ
7 CCD(撮像部)
7a 撮像面
8 ピエゾ素子(光学素子移動機構)
9 ピエゾ素子コントローラ
10 測定制御部
20 画像取得部
21 演算処理部(位相変化算出部、補間演算用画像選択部、干渉縞画像算出部)
22 移動制御部
23 画像記憶部
30a 平行光(同一の光束)
30b 透過光
30c 被測定面反射光(測定光)
30d 参照面反射光(参照光)
50 干渉計
時系列画像(候補画像)
干渉縞画像
Ik、FIk+1、FIk―1、FIk+2 補間演算用画像
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser light source 2 Collimating lens 3 Beam splitter 4 Fizeau lens 4a Fizeau surface 5 Surface to be measured 6 Condensing lens 7 CCD (imaging part)
7a Imaging surface 8 Piezo element (optical element moving mechanism)
9 Piezo element controller 10 Measurement control unit 20 Image acquisition unit 21 Calculation processing unit (phase change calculation unit, interpolation calculation image selection unit, interference fringe image calculation unit)
22 Movement control unit 23 Image storage unit 30a Parallel light (same luminous flux)
30b Transmitted light 30c Measurement surface reflected light (measurement light)
30d Reference surface reflected light (reference light)
50 Interferometer F j Time-series image (candidate image)
G k interference fringe image F Ik, F Ik + 1, F Ik-1, F Ik + 2 interpolation operation for image

Claims (6)

同一の光束を、被測定面で反射または透過された測定光と、参照面の形状に対応した波面を有する参照光とに分割し、前記測定光と前記参照光とにより干渉縞を形成して、干渉縞画像を取得し、さらにこの状態から、前記測定光と前記参照光との間の位相差を、略一定の位相増分Δφずつシフトされた、合計n個(nは3以上の整数)の干渉縞画像を取得し、これらn個の干渉縞画像に基づいて被測定面の形状を算出するフリンジスキャン干渉縞計測方法であって、
前記n個の干渉縞画像を取得するために、前記測定光と前記参照光との位相差を、位相増分Δφを細分する大きさで0からΔφ・(n―1)以上までシフトさせてn個より多い干渉縞画像を取得して、前記n個の干渉縞画像の候補画像として記憶する候補画像取得工程と、
該候補画像取得工程で取得された各候補画像の同一位置における輝度を、前記各候補画像の位相シフト量の大きさの順に配列したときの輝度変化データから、前記各候補画像の位相変化を算出する位相変化算出工程と、
該位相変化算出工程で算出された位相変化に基づいて、前記候補画像のうちから、位相量が、Δφ・(k−1)(ただし、k=1,…,n)の近傍の複数の候補画像を補間演算用画像として選択する補間演算用画像選択工程と、
該補間演算用画像選択工程で選択された前記補間演算用画像を用いて補間演算を行うことにより、前記n個の干渉縞画像を取得する干渉縞画像算出工程と、
を備えることを特徴とするフリンジスキャン干渉縞計測方法。
The same light beam is divided into measurement light reflected or transmitted by the surface to be measured and reference light having a wavefront corresponding to the shape of the reference surface, and interference fringes are formed by the measurement light and the reference light. Then, an interference fringe image is obtained, and further, from this state, the phase difference between the measurement light and the reference light is shifted by substantially constant phase increment Δφ in total (n is an integer of 3 or more) A fringe scan interference fringe measuring method for obtaining the interference fringe image and calculating the shape of the surface to be measured based on these n interference fringe images,
In order to obtain the n interference fringe images, the phase difference between the measurement light and the reference light is shifted from 0 to Δφ · (n−1) or more in a size that subdivides the phase increment Δφ, and n A candidate image acquisition step of acquiring more interference fringe images and storing them as candidate images of the n interference fringe images;
The phase change of each candidate image is calculated from the luminance change data when the luminance at the same position of each candidate image acquired in the candidate image acquisition step is arranged in the order of the magnitude of the phase shift amount of each candidate image. A phase change calculating step,
Based on the phase change calculated in the phase change calculation step, a plurality of candidates whose phase amount is in the vicinity of Δφ · (k−1) (where k = 1,..., N) are selected from the candidate images. An interpolation calculation image selection step of selecting an image as an interpolation calculation image;
An interference fringe image calculation step of obtaining the n interference fringe images by performing an interpolation calculation using the interpolation calculation image selected in the interpolation calculation image selection step;
A fringe scan interference fringe measuring method comprising:
前記干渉縞画像算出工程は、
前記候補画像から、前記位相量がΔφ・(k−1)以下であって、Δφ・(k−1)に最も近い候補画像である候補画像FIkと、前記位相量がΔφ・(k−1)より大きくΔφ・(k−1)に最も近い候補画像である候補画像FIk+1を用い、前記候補画像FIk、Ik+1の前記位相量が、それぞれ、Δφ・(k−1)−A、Δφ・(k−1)+Bであるとき、次式(1)に基づく線形補間によって、前記n個の干渉縞画像を干渉縞画像Gとして算出することを特徴とする請求項1に記載のフリンジスキャン干渉縞計測方法。
=(FIk×B+FIk+1×A)/(A+B) ・・・(1)
ここで、G、FIk、FIk+1は、ぞれぞれの干渉計画像の2次元画像データを表すものとする。
The interference fringe image calculation step includes:
From the candidate image, the phase amount is equal to or less than Δφ · (k−1), and the candidate image FIk is the candidate image closest to Δφ · (k−1), and the phase amount is Δφ · (k−). 1) Using a candidate image F Ik + 1 that is a candidate image that is larger and closest to Δφ · (k−1), the phase amounts of the candidate images F Ik and F Ik + 1 are respectively Δφ · (k−1) −A 2. The k interference fringe images are calculated as interference fringe images G k by linear interpolation based on the following equation (1) when k is Δφ · (k−1) + B k. The fringe scan interference fringe measuring method described in 1.
G k = (F Ik × B k + F Ik + 1 × A k) / (A k + B k) ··· (1)
Here, G k , F Ik , and F Ik + 1 represent two-dimensional image data of each interferometer image.
前記候補画像取得工程は、
前記参照光の前記測定光に対する光路差を一定方向に連続的に変化させつつ、前記位相増分Δφを細分する大きさの位相量に対応するサンプリング周期で、前記候補画像を取得するようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載のフリンジスキャン干渉縞計測方法。
The candidate image acquisition step includes
The candidate image is acquired at a sampling period corresponding to a phase amount having a magnitude to subdivide the phase increment Δφ while continuously changing an optical path difference of the reference light with respect to the measurement light in a certain direction. The fringe scan interference fringe measuring method according to claim 1 or 2.
前記位相増分Δφが、π/2であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のフリンジスキャン干渉縞計測方法。   The fringe scan interference fringe measuring method according to claim 1, wherein the phase increment Δφ is π / 2. 前記位相増分Δφが、π/4であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のフリンジスキャン干渉縞計測方法。   The fringe scan interference fringe measuring method according to claim 1, wherein the phase increment Δφ is π / 4. 同一の光束を、被測定面で反射または透過された測定光と、参照面の形状に対応した波面を有する参照光とに分割し、前記測定光と前記参照光とにより干渉縞を形成する干渉計測光学系と、
前記干渉縞の画像を撮像する撮像部と、
前記測定光に対する前記参照光の光路差を変化させるために、前記干渉計測光学系に含まれる光学素子を移動する光学素子移動機構と、
該光学素子移動機構が前記光学素子を移動させて、前記光路差の位相がΔφ・(n−1)(nは3以上の整数)以上まで変化する間に、前記光路差の位相がΔφを細分するような増分量でシフトされたn個より多い複数の干渉縞画像を、前記撮像部から取得する画像取得部と、
該画像取得部が取得した前記複数の干渉縞画像の同一位置における輝度を、前記複数の干渉縞画像の位相シフト量の大きさの順に配列したときの輝度変化データから、前記複数の干渉縞画像の位相変化を算出する位相変化算出部と、
該位相変化算出部で算出された位相変化に基づいて、前記画像取得部が取得した前記複数の干渉縞画像から、位相量が、Δφ・(k−1)(ただし、k=1,…,n)の近傍の複数の候補画像を補間演算用画像として選択する補間演算用画像選択部と、
該補間演算用画像選択部で選択された前記補間演算用画像を用いて補間演算を行うことにより、前記n個の干渉縞画像を取得する干渉縞画像算出部と、
を備え、
該干渉縞画像算出部で算出された前記n個の干渉縞画像から被測定面の形状を算出することを特徴とする干渉計。
The same light beam is divided into measurement light reflected or transmitted by the surface to be measured and reference light having a wavefront corresponding to the shape of the reference surface, and interference that forms interference fringes by the measurement light and the reference light Measuring optics,
An imaging unit that captures an image of the interference fringes;
An optical element moving mechanism for moving an optical element included in the interference measurement optical system in order to change an optical path difference of the reference light with respect to the measurement light;
While the optical element moving mechanism moves the optical element, the phase of the optical path difference changes by Δφ while the phase of the optical path difference changes to Δφ · (n−1) (n is an integer of 3 or more). An image acquisition unit for acquiring a plurality of interference fringe images more than n shifted in increments so as to be subdivided from the imaging unit;
From the luminance change data when the luminance at the same position of the plurality of interference fringe images acquired by the image acquisition unit is arranged in the order of the magnitude of the phase shift amount of the plurality of interference fringe images, the plurality of interference fringe images A phase change calculator for calculating the phase change of
From the plurality of interference fringe images acquired by the image acquisition unit based on the phase change calculated by the phase change calculation unit, the phase amount is Δφ · (k−1) (where k = 1,... n) an image selection unit for interpolation calculation that selects a plurality of candidate images near the image for interpolation calculation;
An interference fringe image calculation unit that obtains the n interference fringe images by performing an interpolation calculation using the interpolation calculation image selected by the interpolation calculation image selection unit;
With
An interferometer that calculates a shape of a surface to be measured from the n interference fringe images calculated by the interference fringe image calculation unit.
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