JP2971977B2 - 被測定物の移動量測定装置 - Google Patents
被測定物の移動量測定装置Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば干渉計に利用
されるピエゾ素子等の被測定物の微小な移動量を正確に
測定することができる測定装置に関するものである。
されるピエゾ素子等の被測定物の微小な移動量を正確に
測定することができる測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光の波長以下のオーダで物体の形状を測
定する方法の一つとして、干渉計を利用したフリンジス
キャン法がある。フリンジスキャン法は、単一光源から
の光束を2分して被測定面と参照面とで反射させ、これ
らの反射光を合成してテレビカメラの撮像面上に干渉縞
を発生させる。そして、被測定面と参照面との一方を光
軸方向に移動させてカメラの各画素毎の光量変化を解析
し、被測定面の面形状を測定する。
定する方法の一つとして、干渉計を利用したフリンジス
キャン法がある。フリンジスキャン法は、単一光源から
の光束を2分して被測定面と参照面とで反射させ、これ
らの反射光を合成してテレビカメラの撮像面上に干渉縞
を発生させる。そして、被測定面と参照面との一方を光
軸方向に移動させてカメラの各画素毎の光量変化を解析
し、被測定面の面形状を測定する。
【0003】光軸方向への移動には、ピエゾ素子等の位
相シフトデバイスが用いられるが、移動の精度によって
測定の精度が決定されるため、正確な制御が要求され
る。
相シフトデバイスが用いられるが、移動の精度によって
測定の精度が決定されるため、正確な制御が要求され
る。
【0004】従来の干渉計システムでは、ピエゾ素子の
作動量を印加電圧の関数として考え、予めキャリブレー
ションを行なって作動量と印加電圧との関係を求めてお
き、印加電圧から参照面の移動量を算出している。
作動量を印加電圧の関数として考え、予めキャリブレー
ションを行なって作動量と印加電圧との関係を求めてお
き、印加電圧から参照面の移動量を算出している。
【0005】従来、PZTの作動量を正確に求めるため
の手段は、例えば、APPLIEDOPTICS Vo
l.22,No.21(文献1)、理研シンポジウム要
旨集87−14(文献2)に記載されている。
の手段は、例えば、APPLIEDOPTICS Vo
l.22,No.21(文献1)、理研シンポジウム要
旨集87−14(文献2)に記載されている。
【0006】文献1の3424ページに記載された
(9)(10)式によれば、通常のデジタル干渉計のシ
ステムのみでPZTの作動量を測定することができる。
また、文献2の31〜34ページに記載された「等間隔
干渉縞の形成とその応用」には、等間隔直線状の干渉縞
の位相を、縞のフーリエ積分の逆正接から求める方法に
ついて記載されており、応用として偏光干渉計を用いた
PZTの移動量測定、移相子のリターデーションの測定
等に言及がある。
(9)(10)式によれば、通常のデジタル干渉計のシ
ステムのみでPZTの作動量を測定することができる。
また、文献2の31〜34ページに記載された「等間隔
干渉縞の形成とその応用」には、等間隔直線状の干渉縞
の位相を、縞のフーリエ積分の逆正接から求める方法に
ついて記載されており、応用として偏光干渉計を用いた
PZTの移動量測定、移相子のリターデーションの測定
等に言及がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
文献1,2に記載された方法は、それぞれ以下に示すよ
うな問題点を有している。
文献1,2に記載された方法は、それぞれ以下に示すよ
うな問題点を有している。
【0008】文献1の方法は、PZTの作動特性を直線
的なものとして仮定しているため、PZTの作動特性が
非線型であるときに正確な測定を行なうことができなく
なり、かつ通常のPZTは一般的に若干の非線型性を有
している。
的なものとして仮定しているため、PZTの作動特性が
非線型であるときに正確な測定を行なうことができなく
なり、かつ通常のPZTは一般的に若干の非線型性を有
している。
【0009】文献2の方法は、この測定の原理となって
いる(2)(3)(4)式から理解できるように、縞の
空間周波数の設定に厳密さが要求され、仮にイメージセ
ンサー上に形成される縞の本数が設定と僅かに異なると
測定の精度が著しく低下してしまう。また、複屈折プリ
ズムのような測定のための特別のデバイスを用いる必要
があり、装置の複雑化を招く。
いる(2)(3)(4)式から理解できるように、縞の
空間周波数の設定に厳密さが要求され、仮にイメージセ
ンサー上に形成される縞の本数が設定と僅かに異なると
測定の精度が著しく低下してしまう。また、複屈折プリ
ズムのような測定のための特別のデバイスを用いる必要
があり、装置の複雑化を招く。
【0010】
【発明の目的】この発明は、上述した従来技術の課題に
鑑みてなされたものであり、干渉計の基本的な構成以外
に測定のための特別の部材を用いることなく、しかも、
高い精度で被測定物の移動量を測定することができる装
置を提供することを目的とする。
鑑みてなされたものであり、干渉計の基本的な構成以外
に測定のための特別の部材を用いることなく、しかも、
高い精度で被測定物の移動量を測定することができる装
置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】この発明にかかる被測定
物の移動量測定装置系は、上記の目的を達成させるた
め、参照面と被測定物とから導かれる波面をティルトさ
せて重ね合わせて測定する干渉光学系と、ティルトによ
る空間キャリアを含む干渉縞を瞳内の複数箇所で測定
し、各測定結果に空間フリンジスキャン法を適用し、互
いの波面間の位相差の成分から被測定物の移動量を検出
する移動量検出手段とを有することを特徴とする。
物の移動量測定装置系は、上記の目的を達成させるた
め、参照面と被測定物とから導かれる波面をティルトさ
せて重ね合わせて測定する干渉光学系と、ティルトによ
る空間キャリアを含む干渉縞を瞳内の複数箇所で測定
し、各測定結果に空間フリンジスキャン法を適用し、互
いの波面間の位相差の成分から被測定物の移動量を検出
する移動量検出手段とを有することを特徴とする。
【0012】
【実施例】以下、この発明を図面に基づいて説明する。
図1及び図2は、この発明にかかる被測定物の移動量測
定装置の一実施例を示したものである。
図1及び図2は、この発明にかかる被測定物の移動量測
定装置の一実施例を示したものである。
【0013】図1の光学系において、光源1から発する
発散光は、コリメータレンズ2で平行光束にされ、ハー
フミラー3により固定ミラー4と被測定物である可動ミ
ラー5、に向けて分割される。各ミラーで反射された光
束は、ハーフミラー3で重ね合わされ、結像レンズ6を
介して瞳と共役な瞳面に配置されたCCDカメラ7の撮
像面に結像する。
発散光は、コリメータレンズ2で平行光束にされ、ハー
フミラー3により固定ミラー4と被測定物である可動ミ
ラー5、に向けて分割される。各ミラーで反射された光
束は、ハーフミラー3で重ね合わされ、結像レンズ6を
介して瞳と共役な瞳面に配置されたCCDカメラ7の撮
像面に結像する。
【0014】可動ミラー5は、予め光軸に対してティル
トして設けられており、ピエゾ素子(PZT)8により
光軸方向に移動自在に支持されている。したがって、C
CDカメラ7の撮像面上には、ティルトによる空間キャ
リアを含む細かい干渉縞が形成される。
トして設けられており、ピエゾ素子(PZT)8により
光軸方向に移動自在に支持されている。したがって、C
CDカメラ7の撮像面上には、ティルトによる空間キャ
リアを含む細かい干渉縞が形成される。
【0015】なお、可動ミラー5は、角度を調整できる
よう傾斜自在に設けられている。また、波面をティルト
させるためには、可動ミラー5を,ティルトさせる代わ
りに、ハーフミラー3と可動ミラー5との間の光路中に
くさび形のプリズムを挿入してもよい。
よう傾斜自在に設けられている。また、波面をティルト
させるためには、可動ミラー5を,ティルトさせる代わ
りに、ハーフミラー3と可動ミラー5との間の光路中に
くさび形のプリズムを挿入してもよい。
【0016】CCDカメラ7のアナログ画像出力は、A
/Dコンバータ9によリデジタルデータに変換され、イ
ンターフェース10を介して画像バッファ11に記憶さ
れる。CPU12は、干渉縞の強度データを読み込んで
処理する機能と、D/Aコンバータ13、ドライバ14
を介してPZT8を制御する機能とを有している。
/Dコンバータ9によリデジタルデータに変換され、イ
ンターフェース10を介して画像バッファ11に記憶さ
れる。CPU12は、干渉縞の強度データを読み込んで
処理する機能と、D/Aコンバータ13、ドライバ14
を介してPZT8を制御する機能とを有している。
【0017】また、CPU12は、空間フリンジスキャ
ン法により干渉縞を周期内の複数の点で解析する。この
解析を波面内の座標が異なる複数の干渉縞について行
い、測定した波面を瞳内で平均し、平均値を可動ミラー
の移動量とする。そして、PZT8への印加電圧を変え
ながら測定を繰り返し、印加電圧とPZTの作動量との
関係を求め、キャリブレーションカーブを求める。
ン法により干渉縞を周期内の複数の点で解析する。この
解析を波面内の座標が異なる複数の干渉縞について行
い、測定した波面を瞳内で平均し、平均値を可動ミラー
の移動量とする。そして、PZT8への印加電圧を変え
ながら測定を繰り返し、印加電圧とPZTの作動量との
関係を求め、キャリブレーションカーブを求める。
【0018】このような解析を行う場合、瞳内での測定
点が多いほど精度は向上する。空間フリンジスキャン法
自体の測定精度は、λ/30程度であるが、100×1
00画素のカメラの画素毎に測定を行なって平均すれ
ば、精度はλ/3000となる。
点が多いほど精度は向上する。空間フリンジスキャン法
自体の測定精度は、λ/30程度であるが、100×1
00画素のカメラの画素毎に測定を行なって平均すれ
ば、精度はλ/3000となる。
【0019】ここで、この発明の測定に用いられる空間
フリンジスキャン法の原理を説明する。
フリンジスキャン法の原理を説明する。
【0020】一般に、干渉縞強度分布I(X,y)は、
以下の(1)式で表される。 I(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)]…(1)
以下の(1)式で表される。 I(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)]…(1)
【0021】ここで、φ(x,y)は被測定面の参照面
に対する位相であり、a(x,y)、b(x,y)は、
干渉計の光量ムラや鏡面での反射率分布の不均一によっ
て生じる空間的な強度分布である。以下、説明を簡単に
するため、強度分布をx方向の一次元で考えることとす
る。干渉縞の強度分布I(x)は、(2)式のように書
くことができる。
に対する位相であり、a(x,y)、b(x,y)は、
干渉計の光量ムラや鏡面での反射率分布の不均一によっ
て生じる空間的な強度分布である。以下、説明を簡単に
するため、強度分布をx方向の一次元で考えることとす
る。干渉縞の強度分布I(x)は、(2)式のように書
くことができる。
【0022】 I(x)=a(x)+b(x)cos[φ(x)] …(2)
【0023】ここで可動ミラーを傾斜させると、干渉縞
の強度分布I(x)は、ミラーの傾きにより生じたティ
ルト成分の空間周波数をνとして、(3)式のとうりと
なり、νを大きく設定するほど干渉縞の周期は短くなる
の強度分布I(x)は、ミラーの傾きにより生じたティ
ルト成分の空間周波数をνとして、(3)式のとうりと
なり、νを大きく設定するほど干渉縞の周期は短くなる
【0024】 I(x)=a(x)+b(x)cos[φ(x)+2πνx]…(3)
【0025】νを十分に大きく設定することにより、干
渉縞の一周期内での位相項cos[φ(x,y)]の変
化と比較してa(x)、b(x)の変化は無視できるほ
ど小さくなり、これらの不要項を定数として扱うことが
可能となる。したがって、所定の領域内での干渉縞強度
分布を(4)式で表すことができる。
渉縞の一周期内での位相項cos[φ(x,y)]の変
化と比較してa(x)、b(x)の変化は無視できるほ
ど小さくなり、これらの不要項を定数として扱うことが
可能となる。したがって、所定の領域内での干渉縞強度
分布を(4)式で表すことができる。
【0026】 I(x)=a+b・cos[φ+2πνx] …(4)
【0027】ティルトによる空間キャリアを含む細かい
干渉縞の周期をT=1/νとし、特定の周期に着目して
N等分し、領域内での縞強度を積分する。簡単のため、
N=4とすると、式(5)が成立する。
干渉縞の周期をT=1/νとし、特定の周期に着目して
N等分し、領域内での縞強度を積分する。簡単のため、
N=4とすると、式(5)が成立する。
【0028】 Ij=aT/4+(b/√2)cos[φ(x)+(π/2)j] …(5)
【0029】したがって、4箇所の位置における強度を
I1,I2,I3,I4として、(6)式により注目す
る部分の波面の位相φを求めることができる。
I1,I2,I3,I4として、(6)式により注目す
る部分の波面の位相φを求めることができる。
【0030】 φ=arctan[(I3−I1)/(I2−I0)] …(6)
【0031】この測定を瞳内の座標が異なる複数の点、
好ましくは波面の全体に対して実行することにより、被
測定面全体の情報を得ることができる。
好ましくは波面の全体に対して実行することにより、被
測定面全体の情報を得ることができる。
【0032】空間フリンジスキャン法は、通常のフリン
ジスキャン法やヘテロダイン法のように可動ミラーを駆
動しなくとも測定を行うことができるため、簡単な構成
で波面の測定を行うことができる。
ジスキャン法やヘテロダイン法のように可動ミラーを駆
動しなくとも測定を行うことができるため、簡単な構成
で波面の測定を行うことができる。
【0033】上記のように干渉縞の周期内の4箇所で強
度を測定する場合には、測定誤差を最小にするために
は、テレビカメラの画素数nとして1/4n本の干渉縞
を発生させることが好ましい。そこで、干渉縞が測定に
適した本数となるように被測定面、あるいは参照面を傾
け、干渉計のアライメントを行っている。ここでは、C
CDカメラの画素数を256とし、縞の本数を64本に
設定する。
度を測定する場合には、測定誤差を最小にするために
は、テレビカメラの画素数nとして1/4n本の干渉縞
を発生させることが好ましい。そこで、干渉縞が測定に
適した本数となるように被測定面、あるいは参照面を傾
け、干渉計のアライメントを行っている。ここでは、C
CDカメラの画素数を256とし、縞の本数を64本に
設定する。
【0034】次に、図2に基づいて上述した干渉計の作
用を説明する。ステップ(図中「S.」で示す)1にお
いて、固定ミラー4をセットして干渉計をライメント
し、S.2で可動ミラー5をティルトさせてCCDカメ
ラ7上に細かい干渉縞を発生させる。
用を説明する。ステップ(図中「S.」で示す)1にお
いて、固定ミラー4をセットして干渉計をライメント
し、S.2で可動ミラー5をティルトさせてCCDカメ
ラ7上に細かい干渉縞を発生させる。
【0035】S.3では、PZT8への印加電圧を変化
させて可動ミラー5を光軸方向に移動させ、S.4で干
渉縞画像をサンプリングする。そして、S.5において
サンプリングされた干渉縞画像に空間フリンジスキャン
法を適用し、可動ミラー5の移動量に基づいてPZTの
作動量を求める。
させて可動ミラー5を光軸方向に移動させ、S.4で干
渉縞画像をサンプリングする。そして、S.5において
サンプリングされた干渉縞画像に空間フリンジスキャン
法を適用し、可動ミラー5の移動量に基づいてPZTの
作動量を求める。
【0036】S.6では、画像データを所定枚数サンプ
リングしたか否かを判断し、所定の枚数に達するまで
S.3,S.4,S.5の動作を繰り返す。使用する印
加電圧の範囲で測定が終了すると、所定枚数の画像デー
タがサンプリングされると、S.7においてミラーの移
動量と印加電圧とに基づいてキャリブレーションカーブ
を導出する。
リングしたか否かを判断し、所定の枚数に達するまで
S.3,S.4,S.5の動作を繰り返す。使用する印
加電圧の範囲で測定が終了すると、所定枚数の画像デー
タがサンプリングされると、S.7においてミラーの移
動量と印加電圧とに基づいてキャリブレーションカーブ
を導出する。
【0037】図3は、本発明の方法と文献2の方法とに
よる読み取り時の位相誤差と干渉縞の本数との関係を示
すグラフである。縦軸に表された位相誤差は、干渉縞の
間隔を1とする割合で示されている。×−×線、△−△
線は本発明の方法による読み取り位相誤差を示してお
り、前者はノイズがない場合、後者はSN比10の場合
を示している。また、●−●線、○−○線は、比較のた
め前述した文献2の方法による同様の結果を示してい
る。
よる読み取り時の位相誤差と干渉縞の本数との関係を示
すグラフである。縦軸に表された位相誤差は、干渉縞の
間隔を1とする割合で示されている。×−×線、△−△
線は本発明の方法による読み取り位相誤差を示してお
り、前者はノイズがない場合、後者はSN比10の場合
を示している。また、●−●線、○−○線は、比較のた
め前述した文献2の方法による同様の結果を示してい
る。
【0038】干渉縞の本数が設定通りの64本であれ
ば、何れの方法でも読取位相誤差は同一であり、ノイズ
がなければ0、SN比10のノイズがある場合に0.0
025程度である。
ば、何れの方法でも読取位相誤差は同一であり、ノイズ
がなければ0、SN比10のノイズがある場合に0.0
025程度である。
【0039】干渉縞の本数が設定から外れると、文献2
の方法ではノイズがない場合には誤差が一次関数的に漸
次増加し、干渉縞が65本となると0.004程度に達
する。本発明の方法では、0.001以下に抑えられて
いる。
の方法ではノイズがない場合には誤差が一次関数的に漸
次増加し、干渉縞が65本となると0.004程度に達
する。本発明の方法では、0.001以下に抑えられて
いる。
【0040】SN比10のノイズがある場合には、文献
2の方法では誤差が著しく大きくなるが、本発明の方法
によれば0.004以下に抑えられることが理解でき
る。
2の方法では誤差が著しく大きくなるが、本発明の方法
によれば0.004以下に抑えられることが理解でき
る。
【0041】PZT駆動中の可動ミラーの角度変化は、
干渉縞のティルト成分(1次成分)の変化として捉える
ことができる。また、測定対象が大口径の場合には、可
動ミラーの径も大きくなり、これを駆動するために複数
のPZTが使用される場合もある。このような場合にお
いても、平均と傾きとにより各PZTの移動量を分離し
て捉えることができ、各PZT間の作動量のバラツキを
校正することもできる。
干渉縞のティルト成分(1次成分)の変化として捉える
ことができる。また、測定対象が大口径の場合には、可
動ミラーの径も大きくなり、これを駆動するために複数
のPZTが使用される場合もある。このような場合にお
いても、平均と傾きとにより各PZTの移動量を分離し
て捉えることができ、各PZT間の作動量のバラツキを
校正することもできる。
【0042】可動ミラーが球面である場合には、これを
光軸方向に移動させた場合に中心部の移動量δ1と周辺
部の移動量δ2との間に、図4に示されるようなずれが
生じる。このようなズレは、干渉縞強度分布に含まれる
デフォーカス成分(2次成分)を測定することにより、
求めることができる。
光軸方向に移動させた場合に中心部の移動量δ1と周辺
部の移動量δ2との間に、図4に示されるようなずれが
生じる。このようなズレは、干渉縞強度分布に含まれる
デフォーカス成分(2次成分)を測定することにより、
求めることができる。
【0043】なお、PZTの用途としては、フリンジス
キャン法による波面解析のほか、バイトの精密制御等に
も応用できる。
キャン法による波面解析のほか、バイトの精密制御等に
も応用できる。
【0044】
【効果】以上説明したように、この発明によれば、簡単
な構成で被測定物の移動量を正確に測定することがで
き、例えば、PZT等の素子の微小な作動量を求めるこ
とができる。
な構成で被測定物の移動量を正確に測定することがで
き、例えば、PZT等の素子の微小な作動量を求めるこ
とができる。
【図1】 この発明の一実施例にかかる測定装置の構成
を示す説明図である。
を示す説明図である。
【図2】 図1の装置の作用を示すフローチャートであ
る。
る。
【図3】 発明の方法と従来の方法とにおける測定誤差
の関係を示すグラフである。
の関係を示すグラフである。
【図4】 球面を測定する場合の説明図である。
1…光源 4…固定ミラー 5…可動ミラー 7…CCDカメラ 8…PZT 12…CPU
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 9/00 - 11/30 102
Claims (4)
- 【請求項1】参照面と被測定物とから導かれる波面をテ
ィルトさせて重ね合わせて測定する干渉光学系と、ティ
ルトによる空間キャリアを含む干渉縞を瞳内の複数箇所
で測定し、各測定結果に空間フリンジスキャン法を適用
し、互いの波面間の位相差の成分から前記被測定物の移
動量を検出する移動量検出手段とを有することを特徴と
する被測定物の移動量測定装置。 - 【請求項2】 前記位相差の成分が平均であることを特
徴とする請求項1に記載の被測定物の移動量測定装置。 - 【請求項3】 前記位相差の成分が平均と傾きとである
ことを特徴とする請求項に記載の被測定物の移動量測定
装置。 - 【請求項4】 前記位相差の成分が平均とピントズレと
であることを特徴とする請求項1に記載の被測定物の移
動量測定装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10992191A JP2971977B2 (ja) | 1991-02-18 | 1991-02-18 | 被測定物の移動量測定装置 |
DE4204857A DE4204857C2 (de) | 1991-02-18 | 1992-02-18 | Verfahren zur Untersuchung einer Oberflächenform mit einem Interferometer |
US08/180,818 US5432606A (en) | 1991-02-18 | 1994-01-10 | Interferometer for the measurement of surface profile which introduces a spatial carrier by tilting the reference mirror |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10992191A JP2971977B2 (ja) | 1991-02-18 | 1991-02-18 | 被測定物の移動量測定装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04264204A JPH04264204A (ja) | 1992-09-21 |
JP2971977B2 true JP2971977B2 (ja) | 1999-11-08 |
Family
ID=14522504
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10992191A Expired - Fee Related JP2971977B2 (ja) | 1991-02-18 | 1991-02-18 | 被測定物の移動量測定装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2971977B2 (ja) |
-
1991
- 1991-02-18 JP JP10992191A patent/JP2971977B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04264204A (ja) | 1992-09-21 |
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