JP3010088B2 - ホログラム干渉計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は被測定体表面の、理想形
状からのずれを測定するホログラム干渉計に関し、詳し
くはコンピュータ合成ホログラムを用いたフィゾー型の
ホログラム干渉計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】球面あるいは非球面の表面形状を精密に
測定するための手法として干渉法が知られている。

【０００３】干渉法による形状測定は、精度の高い参照
面（干渉原器）に対して被検面がどの程度変位している
かを、それぞれの面から反射した光を干渉させ発生した
干渉縞に基づき求めようとするものである。

【０００４】干渉法は非接触で全面の形状精度を瞬時に
確認できるという利点があり、この中でもコンピュータ
合成ホログラムを用いた干渉法は特殊な形状の被測定体
を測定できるため注目されている。

【０００５】一般にコンピュータ合成ホログラムは、ガ
ラス基板上に塗布されたフォトレジストを電子ビームで
走査して所定の干渉縞を露光し、この後現像することに
より干渉縞を顕在化せしめたものである。この所定の干
渉縞とは物体波と参照波の干渉縞であって、この干渉縞
に対して参照波と同じ再生波を入射すると物体波が再生
されることとなる。

【０００６】従来、このようなホログラムを用いた干渉
計としては図２に示す如く構成されたものが知られてい
る。

【０００７】すなわち、この干渉計ではレーザ光源21か
ら射出されたレーザビーム22はミラー23で反射されコン
デンサレンズ24でビーム径を絞り込まれて、ビーム発散
機能を有するピンホール25で発散光26とされる。この後
この発散光26はハーフミラー27を透過し、ミラー28によ
り反射されコリメータレンズ29により平行光30に変換さ
れて参照レンズ31に入射する。この参照レンズ31は凸レ
ンズの作用をするレンズであって、平行光30を光軸上の
一点Ｐに収束せしめ、この後、発散光を被測定面33上に
照射せしめる。

【０００８】この被測定面33は非球面を有した凹面鏡で
あって、反射光が入射光の経路を戻るように位置調節さ
れている。したがって被測定面33によって反射された反
射光は参照レンズ31、コリメータレンズ29およびミラー
28を介してハーフミラー27に入射する。

【０００９】また、参照レンズ31の、被測定面33に対向
する参照面31a には特殊なコーティングが施されてお
り、半分程度の光量が透過され、残りが反射されるよう
になっており、この参照面31a で反射された参照光であ
る反射光も、この参照レンズ31に入射された入射光の経
路を戻るように形成されている。これら２つの反射光
は、一定の割合でハーフミラー27により反射されホログ
ラム34、視野レンズ35、結像レンズ36、ミラー37および
空間フィルタ38を介してＴＶカメラ39に入射する。

【００１０】ところで、ホログラム34は所定の非球面波
を球面波に変換する作用を有している。すなわち、参照
面31a により反射された反射光は球面波であるが、非球
面である被測定面33から反射された物体波である反射光
は非球面波であり、これらの光をそのまま干渉させたと
きに得られる干渉縞はこれら２つの波面の差に応じた極
めて細かいものとなり、その測定が困難となる。参照面
31a を非球面形状として参照波を物体波に応じた非球面
波とすれば粗い干渉縞を得ることが可能ではあるが、参
照面31a の製作が難しいという問題が生じる。そこで非
球面波である物体波をこのホログラムに通すことで球面
波に変換し、この球面波と、参照面31aから反射してき
た球面波である参照波とを干渉させることにより球面波
同志の粗い干渉縞を形成し、これによりＴＶカメラ39で
の観察が容易となるようにしている。

【００１１】なお、被測定面33が凸面の場合にはホログ
ラム34に代え、このホログラム34の配設位置と共役な位
置にホログラム34a を配設する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、ホログラムを用いることで参照面を非球面ではなく
球面とすることを可能としており、これによりその製作
をある程度容易なものとしている。

【００１３】しかしながら、精度の高い球面の参照面を
製作することは必ずしも簡単とはいえない。このため、
参照面の製作が容易で、装置の製作に要する時間の短縮
化およびコストの低廉化を図り得るホログラム干渉計が
望まれていた。

【００１４】本発明はこのような事情に鑑みなされたも
のであり、参照面の製作が極めて容易で、装置の製作に
要する時間の短縮化およびコストの低廉化を図り得る、
測定精度が良好なホログラム干渉計を提供することを目
的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のホログラム干渉
計は、レーザ光を出力する光源と、該光源から出力され
たレーザビームを発散させるビーム発散手段と、該ビー
ム発散手段から出力されたレーザビームを平行光に変換
するコリメータレンズと、該コリメータレンズから出力
された平行光が垂直に入射する半透鏡平面を有するとと
もに、該半透鏡平面から入射した平行光を屈折光と、被
測定体に照射される透過回折光とに分離してこれら２つ
の光を異なる方向に射出するホログラム面を有するホロ
グラム光学素子とを備えてなり、前記被測定体から反射
され、前記ホログラム面で再回折されて前記ホログラム
光学素子を透過した透過回折光と前記半透鏡平面により
反射された反射光が互いに干渉し得るように構成されて
なることを特徴とするものである。

【００１６】すなわち、このホログラム干渉計は透過型
のホログラム光学素子を用い、入射平面で測定光の一部
を参照波として反射させるとともに、射出面で被測定体
に照射する透過回折光を射出せしめるようにしたもの
で、この後この透過回折光を被測定体から物体波として
反射させ上記射出面で再回折させてホログラム光学素子
を透過せしめ、上記入射平面で反射された参照波との間
で干渉せしめるようにしたものである。

【００１７】

【作用および発明の効果】上記構成によれば、測定光は
その一部が入射平面（半透鏡平面）で平行光である参照
光として反射される。一方、ホログラム光学素子に入射
された光の一部はホログラム面で回折作用により被測定
体の表面形状に応じた波面を有する回折光に変換され、
この被測定体により反射されて物体光となる。この物体
光は上記ホログラム射出面に再入射するときに再び平行
光に変換され、この状態でホログラム光学素子を透過す
る。

【００１８】この２つの平行光である物体光と参照光は
互いに干渉をおこすように構成されているから、この
後、この２つの平行光を収束せしめてＴＶカメラあるい
はスクリーンに入射せしめれば被測定体の表面形状に応
じた干渉縞を観察することができる。

【００１９】このように本発明のホログラム干渉計で
は、参照光を生成する面として平面状の反射面とするこ
とが可能となり、非球面あるいは球面の基準反射面を製
作せずともよいから干渉計の製作が極めて容易となる。

【００２０】したがって装置の製作に要する時間の短縮
化およびコストの低廉化を図ることが可能となる。

【００２１】また、本発明のホログラム干渉計ではホロ
グラム光学素子のホログラム射出面において、被測定体
に導かれる透過回折光と、屈折光とを分離し両者を互い
に異なる方向に射出せしめているので被測定体に屈折光
が照射される事態を回避でき測定精度の低下を防止でき
る。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００２３】図１は本発明の一実施例に係るホログラム
干渉計を示す概略図である。このホログラム干渉計はレ
ーザ光源１と、この光源１から射出されたレーザ光２を
絞り込むコンデンサレンズ３と、この絞り込まれたレー
ザビーム２を発散光５に変換するピンホール４と、この
発散光５を90°回転した方向に反射せしめるビームスプ
リッタ６と、この反射された発散光５を平行光８に変換
するコリメータレンズ７と、この平行光８をこの平行光
８に対して垂直となる半透鏡平面9aにより一部反射せし
めるとともにその残りの平行光８の一部をホログラム面
9bにより透過回折せしめてその透過回折光10（１次回折
光）を点Ｏに収束後発散させて被測定体11上に照射せし
めるように機能するホログラム（ホログラム光学素子；
ＨＯＥ）９を備えている。

【００２４】また、透過回折光10が被測定体11で反射さ
れて生成された物体光は入射光路を逆行するように、被
測定体11の反射面の曲率半径の中心が点Ｏと一致するよ
うになっていて、ホログラム面9bにより再度回折される
ようになっており、半透鏡平面9aで反射されて生成され
た参照光とともにコリメータレンズ７を透過してビーム
スプリッタ６に達し、この後このビームスプリッタ６を
透過する。

【００２５】さらに、このホログラム干渉計はこのビー
ムスプリッタ６を透過した参照光と物体光の両者を結像
するための結像レンズ13と、この結像レンズ13の焦点面
上に受光面を有し、参照光と物体光により形成される干
渉縞を観察するためのＴＶカメラ14を備えている。

【００２６】なお、上記ホログラム９の半透鏡平面9aと
ホログラム面9bを非平行状態としたいわゆるくさび型形
状をなし、１次回折光である透過回折光10と屈折光12と
の射出角の角度差が大きくとれるような形状となってお
り、屈折光12が被測定体11に照射されるのを防止してい
る。

【００２７】また、上記ホログラム９の基体は透明度の
高いガラスもしくはプラスチック樹脂からなる。また、
上記半透鏡平面9aは平面性の高い基体の表面にアルミニ
ウムを所定の厚さに蒸着せしめたものであり、また上記
ホログラム面9bは上記アルミニウム蒸着面と対向する表
面にフォトレジストをコーティングし、電子ビームによ
りホログラムパターンを露光し現像してなるものであ
る。

【００２８】このホログラム面9bのパターンは被測定体
11の形状に応じた縞模様形状となっており、例えば被測
定体11がシリンドリカル面である場合には直線を平行に
配列した縞模様のパターンとなっている。

【００２９】なお、このホログラム面9bのサイズは例え
ば５インチ角に形成される。

【００３０】次に、このホログラム干渉計の作用につい
て説明する。ここでは、被測定体11がシリンドリカル面
を有する反射鏡である場合について説明する。

【００３１】測定光である平行光（平面波）８を入射さ
れたホログラム９は半透鏡平面9aにおいてその一部を反
射して参照光（平面波）を生成する。

【００３２】また、ホログラム９を透過し、ホログラム
面9bに達した平行光８の一部を屈折光12として射出する
とともにこの屈折光12の射出方向とは異なる方向に１次
の透過回折光10を射出する。

【００３３】前述したようにこの被測定体11がシリンド
リカル面をなす反射鏡の場合には、上記パターンはシリ
ンドリカル面の中心軸線方向に平行となる直線を配列し
た縞模様をなす。このように直線の縞模様をなすホログ
ラムパターンに平行光８が照射されると、縞の延びる方
向には収束せず、このホログラム面内であって縞と直交
する方向に収束する透過回折光10が射出されることとな
る。この場合、透過回折光10はシリンドリカル面の中心
軸線上の点Ｏで一旦収束した後発散して被測定体11の全
面に照射される。したがって被測定体11から反射された
物体光（非球面波）は上記透過回折光10の光路を戻るよ
うにしてホログラム面9bに再入射する。物体光はこのホ
ログラム面9bのパターンによって再度平行光となり、上
記半透鏡平面9aで正反射された平行光である参照光と重
なり合って互いに干渉し、ＴＶカメラ14の受光面上に干
渉縞を形成する。すなわち、上記実施例ではホログラム
面9bによって、平面波とシリンドリカル面に対応する非
球面波との変換を行なわせることになる。

【００３４】この干渉縞は平行光同志の干渉の結果生成
されたものであるから粗い縞模様となっており、検出が
可能となる。その検出された縞模様は、被測定体11の理
想的なシリンドリカル面からの歪みを表わしたものとな
っており、この縞模様を測定することによって被測定体
11の形状を検出することが可能となる。

【００３５】また、参照光と物体光の光量が同程度の場
合に効率よく干渉縞を得ることができるから、被測定体
11の反射率に応じた反射率および回折効率を有する半透
鏡平面9aおよびホログラム面9bを形成することが望まし
い。

【００３６】上記説明では被測定体11をシリンドリカル
面を有する反射板としているが、このような形状の被測
定体11であればホログラム面9bのパターンを直線状の縞
模様とし得るから製作が極めて容易である。

【００３７】但し、被測定体11が球面あるいはその他の
非球面形状を有する反射板であっても、このホログラム
面9bのパターンを所定の曲線形状の縞模様とすれば上述
した如きホログラム干渉計によってその形状を測定する
ことが可能である。

【００３８】なお、本発明のホログラム干渉計としては
上述した実施例のものに限られず、その他、種々の態様
の変更が可能である。

【００３９】例えば上記ホログラム９をいわゆるくさび
型形状とせず、半透鏡平面9aとホログラム面9bが平行と
なるいわゆる平板型形状とし、被測定体11に照射する透
過回折光10は軸外光になるようにし、これにより透過回
折光10と屈折光12との分離を行なうことも可能である。
但し、この場合には被測定体11の部分によってその像の
倍率が異なることとなるから、干渉縞が形成される撮像
面等を所定角度傾ける等して上記倍率の補正を行なうよ
うにするのが好ましい。

【００４０】さらに、上記ビームスプリッタ６としては
ハーフミラーを用いてもよいし、このビームスプリッタ
６をコリメータレンズ７とホログラム９の中間に配設す
ることも可能である。

【００４１】また上記ＴＶカメラ14の代わりに、その位
置に記録媒体を置いて干渉縞を記録するようにしてもよ
いし、その位置において目で直接干渉縞を観察するよう
にしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るホログラム干渉計を示
す概略図

【図２】従来技術に係るホログラム干渉計を示す概略図

【符号の説明】

１，21 レーザ光源 ２，22 レーザビーム ３，24 コンデンサレンズ ４，25 ピンホール ５，26 発散光 ６ ビームスプリッタ ７，29 コリメータレンズ ８，30 平行光 ９，34，34a ホログラム 9a 半透鏡平面 9b ホログラム面 10 透過回折光 11，33 被測定体 12 屈折光 14，39 ＴＶカメラ 38 フィルタ 31 参照レンズ 31a 参照面 35 視野レンズ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を出力する光源と、 該光源から出力されたレーザビームを発散させるビーム
   発散手段と、 該ビーム発散手段から出力されたレーザビームを平行光
   に変換するコリメータレンズと、 該コリメータレンズから出力された平行光が垂直に入射
   する半透鏡平面を有するとともに、該半透鏡平面から入
   射した平行光を屈折光と、被測定体に照射される透過回
   折光とに分離してこれら２つの光を異なる方向に射出す
   るホログラム面を有するホログラム光学素子とを備えて
   なり、 前記被測定体から反射され、前記ホログラム面で再回折
   されて前記ホログラム光学素子を透過した透過回折光と
   前記半透鏡平面により反射された反射光が互いに干渉し
   得るように構成されてなることを特徴とするホログラム
   干渉計。