JP2942972B2 - 干渉計測システム - Google Patents

干渉計測システム

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は干渉計を利用した測長シ
ステムのデータ処理の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、干渉計本体と被験物の相互距離を
変え、その最適位置でのモニター値によって、例えば被
験面の球面の曲率半径を測定したり、非球面形状の形状
誤差を特定する事がなされていた。例えば JIS B7433
ニュートンゲージにおいては、球面の曲率半径を査定す
る際に、フィゾー型干渉計とレーザー干渉測長器等を用
いて行う事が規定されている。以下に図6の(a)と
(b)によって簡単に説明する。
【0003】フィゾー型干渉計の被験光束に例えば凹球
面の被験物5を図6の(a)の様にセットする。
【0004】干渉計本体1と被験物5の相互距離は、図
には示されない機構により、変えられ、又固定できる。
この際の相互距離は図中のレーザー干渉測長器2によっ
てモニターされる。測長器による距離値は相互距離の変
動機構に組み込み、精度の高い位置決め閉ループ機構を
構成する事も既に実施されている。
【0005】最初に干渉計本体1と被験面の相互位置を
図6の(a)のように被験面が丁度フィゾー参照レンズ
4の焦点位置にくるように配すると該参照レンズ4から
出射した光束は被験面で反射折り返して干渉計内に戻
る。従って、干渉縞が観察できるので、その直線性から
この近傍において最も焦点に近いと思われる位置を、高
精度に決定する。この位置は焦点反射位置と呼ばれる。
次に相互距離を変えて干渉計本体を被験面から離してい
くと、参照レンズからの出射光が被験面に対し、丁度垂
直に入射・反射して、元の光路をたどり干渉計内に戻る
位置がある。この近傍で焦点反射位置と同様に、干渉縞
の直線性から高精度にこの位置を特定する図6(b)に
示したこの位置は、面反射位置とよばれるが、図から明
らかなように2つの位置の距離Zが、即ちこの凹球面の
曲率半径として測定される訳である。
【0006】ここで問題となるのが、各反射位置で干渉
縞が最も直線となる事の判定である。一般に、これは目
視で行われるが、極めて感応的であり、焦点反射位置の
様に、干渉計の光学系の収差が重畳した干渉縞では、最
適位置でも干渉縞は直線とならない場合が多く、この位
置の査定に大きな誤差を含む事となる。この事はとりも
直さず、測長器によりモニターされたこの座標値により
導かれるR値の測定誤差となり、結果として被験面の曲
率半径や形状値に誤差をもたらす。
【0007】これを改善する方法として、公知文献コニ
カテクニカルレポートVol.4(1991)の「高精度多機能干
渉計AMOS-1」の中で、以下の手法が述べられている。
【0008】査定に用いた干渉縞の直線性とは、被験面
からの戻り光が理想の波面にどの程度近いかを示すもの
であるから、逆に波面収差(波面の悪さ加減)が最小と
なる位置を各反射位置と考える事ができる。従って図5
のように各反射位置近傍で少しずつ距離を変えながら、
波面収差を干渉パターンよりサンプリングした後、尤も
らしい近似曲線を求め、その極値を取る位置を各反射位
置として査定することができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】この方法は、多くのサ
ンプリング点を用いて、平均自乗法等による近似曲線で
一種の平均化を行うため、前述の目視の場合と比較し
て、格段に各反射位置の査定精度が向上する。ここで、
干渉縞の波面収差としては、総Wrms値を用いており、視
野全体を平均的にみた干渉縞の直線性で判別している。
しかし総Wrmsでなければならなという理由はなく、目的
によっては波面収差解析を行い成分値を算出してこれを
用いても良い。Wrmsの測定精度を高めるために、実際の
機械では各サンプル点でフリンジスキャニングを行い、
位相干渉の手法を用いて、複数の干渉縞から各干渉縞の
位相を精密に特定している。
【0010】位相干渉法は、干渉縞の強度IをI=Asin
(θ+φ)+dと仮定し、最低3つの干渉縞強度Iとその時
に与えた位相変化θ値を用いて、振幅A,DC強度d、初
期位相φの3変数を計算により確定するもので、初期位
相φを極めて精度良く求める事ができる。しかしなが
ら、精度を最高にするには与える位相変化θは等間隔で
丁度1周期分である必要があり、3つの干渉縞強度で位
相干渉法を高精度に行うためには、位相変化θのピッチ
は、干渉縞1周期(λ/2相当)の1/3,即ちλ/6,4
つの干渉縞強度を用いる場合はλ/8,5つの干渉縞の場
合はλ/10となる。
【0011】前述のフィゾー干渉計の場合は、フィゾー
参照レンズ4が有するフィゾー参照面と被験物5の間隔
を、各ピッチで変化させれば所望のフリンジスキャニン
グが行われる。トワイマングリーン型では、干渉計本体
と被験物の距離の他に、参照鏡と干渉計本体の距離を変
える事で同様にフリンジスキャニングを行う事ができ
る。要は、参照光と被験光の位相を機械的な光学素子や
光学面の光軸方向の微動で変え、フリンジスキャニング
を行う事であって、各干渉計の方式による差はない。
【0012】そこで前述のフィゾー干渉計で、仮にサン
プル点を10点とし、位相変化を最低必要な3ステップと
した場合を例にとって、この様子を図4に示す。
【0013】これは横軸に干渉計本体と被験物の相対距
離をとり、縦軸にサンプルNo.をとって干渉縞の強度デ
ータ収集を位置づけたものである。例えば、サンプルN
o.1の干渉縞の波面収差Wrms1を算出するために、3ス
テップ法ではn11から始まりλ/6ピッチで2回送る事で
n11,n12,n13の3つの干渉縞の強度データを収集する。
その後、サンプルNo.2の波面収差Wrms2を得るために、
その最初の干渉縞の強度データの収集位置n21に相対距
離を変え、No.1の時と同様にλ/6ピッチで2回送って
n21,n22,n23の干渉縞の強度データを収集する。
【0014】こうして収集した強度データをもとに得ら
れた各波面収差Wrms1〜Wrms10の相対距離上の位置は、
位相の取り方によるが、各開始点(n11,n21,n31,…,
n101)の位相変化を0とおけば、それぞれn11,n12,…n
101の相対距離位置となる。この図からこの方法は非常
に多くの干渉縞の強度データと移動回数を必要とする事
がわかる。図4の例では、波面収差が最低となる最適位
置を特定するために3ステップ×10点=30回もの干渉縞
の強度データを収集しなければならない。相対距離の移
動回数は合計29回となる。4ステップ法では当然各サン
プル点での微小移動がλ/8ピッチで3回となるから、4
0回の干渉縞の強度データ収集と合計39回の相対距離の
移動が必要となる。また、5ステップ法では、これがそ
れぞれ50回と49回になり、例えば1回のデータ収集に1
秒を要すとすると、これだれで1分近くの時間がかかる
事になりまことに効率的でない。
【0015】本発明はこのように高精度で干渉縞が直線
となる位置を査定する際、サンプル点を効率よく選ぶこ
とで、必要とするサンプル数とデータ処理回数を減少さ
せ、査定時間を短くするシステムを提供することを課題
目的にする。
【0016】
【課題を解決するための手段】この目的は次の技術手段
a,bのいずれかによって達成される。
【0017】(a)干渉計本体と被験物の相互距離を変
えられ、固定できる手段と、その相互距離をモニターで
きる手段を持った干渉計測システムにおいて、干渉計本
体と被験物の相互距離を繰り返し変えて、その度に位相
干渉法を用いて干渉縞情報を得る際にそのサンプル点間
の相互距離の変化量を、位相干渉法のフリンジスキャニ
ングの移動量と同一として干渉縞データを収集する機能
を有することを特徴とする干渉計測システム。
【0018】(b)a項において、その相互距離の変化
ピッチを位相干渉法のフリンジスキャンニングのピッチ
の整数倍にしたことを特徴とする干渉計測システム。
【0019】
【実施例】本発明により干渉縞が直線となる最適な位置
の査定をするに当たって、本発明によりその干渉縞のデ
ータ収集を行う様子を図1に示す。図4と同様に横軸に
相対距離をとり、縦軸にサンプルNo.をとる。収集デー
タも同様に3ステップの位相干渉法より10点のサンプル
点を得るものとしているが、これは3ステップに限ら
ず、4ステップ,5ステップ,10ステップでも良く、サン
プル点も勿論10点に限った説明ではない。
【0020】まずNo.1のサンプル点を、λ/6をピッチ
2回送って、3つの干渉縞データn11,n12,n13を収集す
る。これでサンプルNo.1における波面収差Wrms1が求め
られる。次に、さらにλ/6で1回移動させて、干渉縞
データをn23として収集する。このサンプルNo.2のWrms
2を求めるには、2ピッチの位置変化における干渉縞デ
ータn21,n22が必要であるが、それぞれn21はn12,n22はn
13を用いる。従って新たには距離の移動及びデータ収集
を行わない。これでサンプルNo.2のWrms2が求められ
る。以下、順にこれを繰り返していくと干渉縞の強度デ
ータは、合計12回の収集で良く、相対距離の移動は、11
回で済む。これは前述の図4の場合の1/3に近い数で
ある。
【0021】同様の事を4ステップ法で行うと、データ
収集回数は13回、移動は12回、5ステップ法ではそれぞ
れ14回と13回になり、前述の場合の1/4近い数で済ん
でしまう事になる。つまり、本発明である所のサンプル
間の移動ピッチと位相干渉法のフリンジスキャンピッチ
を一致させる事で、干渉縞の強度データを効率良く複数
回使えるため、大幅なデータ収集時間の削減が可能とな
った訳である。
【0022】次に各干渉縞の強度データの扱いについて
図2に示す。位相ステップ数及びサンプル点数について
は図1の例と同じである。
【0023】3ステップ法のため3つのフレームメモリ
ーを使用するが、サンプルNo.1においては順に収集し
た干渉縞強度データを、n11はフレームメモリー1に、n
12はフレームメモリー2に、n13はフレームメモリー3
へ入力、Wrms1を求めるための処理を行う。
【0024】次にサンプルNo.2においては、まずフレ
ームメモリー2の内容(n12)をフレームメモリー1へ
転送し、完了後フレームメモリー3の内容(n13)をフ
レームメモリー2へ転送する。こうしておいて、新規収
集データ(n23)をフレームメモリー3へ入力すれば、N
o.1と全く同じ処理を行う事によりWrms2が精度良く求
められる。以下、この操作を繰り返すことで全く機械的
にWrms10まで求める事ができる。
【0025】さて、本発明の方法は、相対距離の移動ピ
ッチが、位相ステップ数に依存するため、例えば被験物
のNAが小さい場合、得られたWrmsの変化量が小さくて、
その最小位置の特定が難しくなる場合がある。この場合
は、サンプル点数を多くして、相対距離の移動範囲を広
くすれば良いがWrmsの変化量に比して、過剰なサンプル
数となるため、データ処理時間が増加してやや効率が悪
い。
【0026】そこで、上述の本発明の方法において、サ
ンプル点間の移動ピッチを、位相干渉法のフリンジスキ
ャンのn倍(nは整数)に設定して、サンプル点数を増
加させる事なく、同様の精度を効率良く得る方法を、図
3を用いて示す。
【0027】図3ではn=2、位相ステップ数は4、サ
ンプル点数は10としているが、それぞれこれに限られる
ものでない事は言うまでもない。
【0028】まず、サンプルNo.1においてλ/8毎に3
回移動する事で4つの干渉縞強度データn11〜n14を得、
Wrms1を求める。次にλ/8ピッチをn(2)回送ってそ
れぞれの位置でサンプルNo.2におけるn23,n24の干渉縞
の強度データを収集し、n21,n22は、それぞれn13,n14
使用しWrms2を求める。
【0029】これを繰り返す事でWrms10まで求める事が
でき、サンプル数は10であるにもかわらず、サンプル点
間隔がλ/8×n(2)ピッチと、位相ピッチのn
(2)倍になっているため、n=1の時よりn倍広い相
対距離範囲で、干渉縞の強度データ収集した事になる。
従って、Wrmsを求めるための干渉縞の強度データの処理
回数は10回、収集データ数は22回、移動回数は21回とな
り、データ数を2倍にした時のそれぞれ20回,22回,21回
と比較して、明らかにデータ処理時間を半減できる。
【0030】この方法のフレームメモリー上での操作
は、図2の場合と全く同様で、転送回数を1回ではな
く、n回行う事、新規データ入力がnヶ所のフレームメ
モリー上で行われる事だけである。その意味で、本発明
の特許請求の範囲の請求項1は請求項2におけるn=1
の場合と考える事ができる。
【0031】表1にサンプル点数10の時の各位相ステッ
プ数と本発明のnによる干渉縞強度データの収集数と移
動回数を示す。
【0032】
【表1】
【0033】
【発明の効果】本発明により干渉計を利用した干渉計測
システムのデータ処理の際の干渉縞の波面収差が最小に
なる位置の特定作業に当って、レーザ干渉測長器の様な
相対位置の検出データ入力回数や該干渉計又は被験物の
移動回数を従来のシステムの1/3から1/2にすること
ができるようになり、特定時間が短くなり測定効率が格
段に向上するようになった。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明の1実施例における干渉計及び被験物間相
対距離とサンプルNo.との関係図。 図2は収集データのメモリー間の転送状態図。 図3は本発明の別の実施例における干渉計及び被験物間
相対距離とサンプルNo.との関係図。 図4は従来における干渉計及び被験物間相対距離とサン
プルNo.との関係図。 図5は干渉計及び被験物間の相対距離と波面収差及びそ
の干渉縞との関係図。 図6は(a)はフィゾー型干渉計と被験物が焦点反対位
置にある側面図。 (b)はフィゾー型干渉計と被験物が面反対位置にある
側面図。
【符号の説明】
1…干渉計本体 2…レーザー干渉測長器 4…フィゾー参照レンズ 5…被験物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 11/00 - 11/30 101 G01B 9/00 - 9/10 G01M 11/00 - 11/08

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】干渉計本体と被験物の相互距離を変えら
    れ、固定できる手段と、その相互距離をモニターできる
    手段を持った干渉計測システムにおいて、干渉計本体と
    被験物の相互距離を繰り返し変えて、その度に位相干渉
    法を用いて干渉縞情報を得る際にそのサンプル点間の相
    互距離の変化量を、位相干渉法のフリンジスキャニング
    の移動量と同一として干渉縞データを収集する機能を有
    することを特徴とする干渉計測システム。
  2. 【請求項2】請求項1において、その相互距離の変化ピ
    ッチを位相干渉法のフリンジスキャニングのピッチの整
    数倍にしたことを特徴とする干渉計測システム。
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JP2010019750A (ja) * 2008-07-11 2010-01-28 Olympus Corp 曲率半径測定装置
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