JP3441508B2 - Phase detection method in semiconductor laser phase shift interferometer - Google Patents

Phase detection method in semiconductor laser phase shift interferometer

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JP3441508B2
JP3441508B2 JP09889994A JP9889994A JP3441508B2 JP 3441508 B2 JP3441508 B2 JP 3441508B2 JP 09889994 A JP09889994 A JP 09889994A JP 9889994 A JP9889994 A JP 9889994A JP 3441508 B2 JP3441508 B2 JP 3441508B2
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正人 野口
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【技術分野】本発明は、半導体レーザの波長変調特性を
利用した位相シフト干渉計において、位相を検出する方
法に関する。 【0002】 【従来技術およびその問題点】例えば、被測定物体の表
面で反射光と、基準面(参照ミラー)での反射光とを干
渉させ、その干渉縞の位相分布によって、被測定物体の
表面形状を測定する方法は、広く知られている。また、
この干渉縞が時間的または空間的に変化したときの位相
に着目した縞画像解析技術も提案されている。例えば、
参照ミラーを光軸と直交させたまま動かして縞画像に位
相変調を与えると、最低3枚の縞画像情報から、物体の
表面形状を測定することができる(位相シフト法)。 【0003】さらに、参照ミラーを動かす代わりに、半
導体レーザへの注入電流を変化させての発振波長を変化
させることにより、被検物表面からの反射光と参照ミラ
ーからの反射光の位相をシフトさせる半導体レーザ位相
シフト干渉計が提案されている。この干渉計は、可動部
分のないという優れた特徴がある。 【0004】これらの位相シフト法は、位相を変化させ
て得られる複数の計測値を元に、特定の位相点における
位相を求める手法であり、この特定の位相点を参照位相
点と呼ぶと、少なくとも参照位相点の前後数点の計測の
間は、光強度は変動なく、また予め想定した通りの位相
シフト量が付与されることが精度を確保した計測を成立
させるための前提である。 【0005】ところが、半導体レーザは、発振波長を変
化させるべく注入電流を変化させると、位相だけでなく
光強度も変化してしまい、縞画像の位相を正確に求める
ことができない。また、注入電流の変化量に対する位相
シフト量の比率が予め想定した通りの比率になるとは限
らないという問題がある。 【0006】 【発明の目的】本発明は、半導体レーザへの注入電流を
制御してその発振波長を変化させる半導体レーザ位相シ
フト干渉計において、光強度が変化し、あるいは位相シ
フトずれがあっても、その変動分を除去し、参照位相点
における位相を正しく求めることができる位相検出方
法、特に位相分布演算用のアルゴリズムを得ることを目
的とする。 【0007】 【発明の概要】本発明は、半導体レーザを光源とする干
渉計であって、該半導体レーザの発振波長を変化させる
波長シフト手段と;干渉の結果生じる縞画像情報を入力
する、二次元画素群を有する縞画像入力手段と;を有す
る半導体レーザ位相シフト干渉計における位相検出方法
において、2πの位相空間を、m個(m≧3)の測定位
相点に分割し、上記波長シフト手段により半導体レーザ
の発振波長をシフトさせながら、各測定位相点において
縞画像情報を求め、合計n枚の縞画像情報I(n≧2
m−1;m≧3、i=0〜n−1、Iは、n枚の縞画
像情報の各二次元画素群における光強度)を得るステッ
プと;これらの実測の縞画像情報Iを、G;I
m+j,I2m+j・・・(j=0〜m−1)からな
るm個のグループに分けるステップと;以上の各グルー
プGにおいて、実測縞画像情報I,Im+j,I
2m+j・・・(j=0〜m−1)に、実測位相点と参
照位相点との位相ずれ量に応じた重みを付して、理想的
な補正縞画像情報I'を推定するステップと;この補
正縞画像情報I'から縞画像の位相Φを求めるステッ
プと;とを有することを特徴としている。 【0008】 【発明の実施例】以下図面について本発明を説明する。
図1は、本発明の縞画像解析方法を適用する装置とし
て、トワイマングリーン干渉計を例示したもので、半導
体レーザ11からの光は、コリメータレンズ系12を介
して平行光束とされたのち、参照ミラー13に照射され
る。コリメータレンズ系12と参照ミラー13の間に
は、ハーフミラー(光束分離手段)15が置かれてい
て、このハーフミラー15で反射した光は、被検物体の
被検面16に入射する。 【0009】ハーフミラー15と参照ミラー13との間
の光路長は、ハーフミラー15と被検面16との間の光
路長よりdだけ長く設定されている。このdは、半導体
レーザ11の基準波長λの例えば100倍に設定される
(λ=780nmのとき、d=100λ=78μm)。 【0010】参照ミラー13の反射光と被検面16での
反射光とは、ハーフミラー15で合成され、結像レンズ
系17を介して干渉縞を作り、二次元イメージセンサ
(縞画像入力手段)18に入力される。二次元イメージ
センサ18は、二次元画素群を有するものである。 【0011】いま、λ=780nm、d=100λ=7
8μmとすると、参照ミラー13は、被検面16より1
00波長だけ遠くに見える。半導体レーザ11の発振波
長が1%大きくなると、参照ミラー13は99波長だけ
遠くに見えることとなり、参照ミラー13は見かけ上、
1波長分ハーフミラー15側に近付いたこととなる。こ
れは参照ミラー13を光軸と直交させる方向にハーフミ
ラー15側に向けて1波長分動かすのと光学的に等価で
あり、可動部なしで位相シフトを実現することができ
る。 【0012】縞画像解析装置20のCPU21は、A/
Dコンバータ22によってA/D変換された二次元イメ
ージセンサ18からの縞画像情報の入力を受け、一方、
D/Aコンバータ23を介して電流制御装置(波長シフ
ト手段)24を制御し、半導体レーザ11への注入電流
を制御する。CPU21は、外部記憶装置26、キーボ
ード27、ディスプレイ28、プリンタ29等に接続さ
れている。 【0013】以上の周知の干渉計は、電流制御装置(波
長シフト手段)24によって半導体レーザ11の発振波
長をその波長の数分の1オーダで変化させると、二次元
イメージセンサ18上に形成されている干渉縞の各点の
光強度が正弦波状に変動する。図2は、その変化の様子
の一例を示したものである。この光強度の変動は、二次
元イメージセンサ18を構成する二次元画素群の各画素
によって捕らえられ、この光強度の変化を観測すること
で、被検面16の参照ミラー13と比較した面精度を検
出することができる。 【0014】この干渉計では、前述のように、半導体レ
ーザ11の波長を変化させると、波長だけでなく、光強
度も変化してしまい、これが位相の検出誤差となる。本
発明の位相検出方法は、半導体レーザ11の波長変化に
伴い光強度が変化したとき、及び位相シフト量(波長シ
フト量)にシフト誤差があったときにも、正確に位相を
検出することができる方法である。その方法の各ステッ
プを説明する。 【0015】本発明方法は、まず、2πの位相空間をm
個(m≧3)の測定位相点に分割し、波長シフト手段2
4により半導体レーザ11の発振波長をシフトさせなが
ら、各測定位相点において合計n枚の縞画像情報Ii
(n≧2m−1)を得る。図3は、位相空間の分割数
(測定位相点)mを3に選び、縞画像情報数nを、位相
空間上を丁度2周分する6に選定した例である。 【0016】この図では、各測定位相点における1周目
の測定結果を〇、2周目の測定結果を●で表わし、これ
らをG0 (I0 とI3 )、G1 (I1 とI4 )、G2
(I2とI5 )にグループ分けしている。各グループGi
の位相差(つまり測定位相点間の位相差)は、等間隔
(120゜(360゜÷3))とするのが好ましく自然
であるが、厳密に等間隔である必要はない。 【0017】これらの各グループGi の縞画像情報Ii
の値は、半導体レーザ11の波長変化に伴う光強度変
化、及び位相シフト誤差により、同一の値とはならな
い。本発明は、各グループGi の縞画像情報Ii を用い
て、参照位相点における正しい位相を求めるものであ
る。 【0018】いま、半導体レーザ11の光強度が変動
(増加、減少)したとすると、図3の位相空間上では、
漸次径が変化(増加、減少)するスパイラル状の曲線上
に各測定点が表われ、この測定点の縦軸投影成分が光強
度と計測される(図4)。ここで、参照位相点をQと
し、参照位相点における光強度の変動がないとすれば、
光強度は、図3、図4の破線で示される。破線は、図3
では円であり、図4では正弦波曲線である。ところが、
光強度が増加したとすると、実線で示すように、これら
はそれぞれスパイラル曲線、徐々に振幅が増す非正弦波
曲線となる。実測値I0 、I3 を例にとると、これらは
スパイラル曲線、非正弦波曲線上のI0 、I3 として求
められているが、これらは正確には円、正弦波曲線上の
理想強度I0'であるべきである。 【0019】本発明は、このI0'を推定するために、実
測の位相点と参照位相点との位相ずれ量に応じた重みを
付して、補正縞画像情報Ij'を求め、これらから位相Φ
を求めるものである。例えば、I0'は、図3において、 I0'=[( θ3-Δ)I0- (θ0-Δ)I3]/(θ30)・・・・・ と推定できる。ここで、Δは点Qの位相角(図3参照)
である。Δの値はどのような値でもよいが、θ0 〜θm
の平均値が最適値である。I1'、I2'についても同様で
ある。 【0020】θ0 、θ3 は、もともと同じ主値である。
これを敢えて、上述の例では、θ3−θ0 =360゜
(2π)違えて設定しているのは、補正画像情報を得る
ためである。すなわち図4のように、θ0 とθ3 を位相
座標に展開し、360゜異なる変数値を捕らえることに
より、参照位相点Qにおける光強度I0 'を推定すること
が可能となる。推定には例えば内挿法を用いることがで
きる。 【0021】なお、スパイラル曲線が3周以上する場合
は、I0 、I3 、I6 ・・・がグループG1 を形成する
ので、これらを用いて推定すればよい。また、参照基準
点Qが計測点のいずれかに一致する場合は、その点のグ
ループについては、計測点を複数選ぶ必要はない。従っ
て、縞画像情報の数nの最小値は、n=2m−1であ
り、n≧2m−1(m≧3)がnについての条件とな
る。 【0022】次に、半導体レーザ11の注入電流の変化
率に対して位相シフト量の変化率が予め想定した通りの
比率とならない場合を考える。この場合には、図5、図
6のように、各縞画像情報Ii は、円または正弦波曲線
上を、移動する。図5、図6では、光電流は変化せず、
図5の実線と破線では、周期が異なっている。図5の展
開から、I0 (θ0 )、I3 (θ3 )からI1'を次のよ
うに推定することができる。 I0'=[( θ3-Δ)I0- (θ0-Δ)I3]/(θ30) この式は、前述の式と同一である。従って、この式に
よって得たI0 'は強度及び位相シフト量の変化に対して
同時に安定である。I1'、I2'についても同様である。 【0023】そして、以上のようにして求めた補正縞画
像情報Ii'から参照位相点の位相Φを求めるには、 Φ=tan-1 (ΣSii'/ΣCii') 但し、Si 、Ci は、下記の式を連立して求められる値
である。 ΣCi =0 ΣCisinθi =0 ΣSi =0 ΣSicosθi =0 ΣCicosθi +ΣSisinθi =0 (i=0〜m−1) 【0024】以上の式は、2πの位相空間を単にm個に
分割する場合であるが、この分割を等角度で行なう場
合、Ci とSi は、次式で与えられる。この場合、半導
体レーザ11による波長シフトは、2π/mずつ与えら
れる。 Ci=cos (2πi/m) Si=sin (2πi/m) 【0025】また、縞画像の位相Φは、式1で与えられ
る。 【式1】Φ=-tan-1[ΣIi'・sin (2πi/m)]/[ ΣIi'・cos
(2πi/m)] (i=0からm−1まで) から、縞画像の位相Φを求める。 【0026】以上の方法によると、半導体レーザ11の
波長シフトに伴う光強度の変化、あるいは波長シフト誤
差(位相シフト量誤差)があっても、正しい縞画像の位
相Φを求めることができる。 【0027】次に、2πの位相空間をm個に等間隔に分
割して測定位相点とした場合、mとnに具体的な数値を
当て嵌めて得た、Φの具体的なアルゴリズムの例を説明
する。 【0028】1.m=3、n=5、Δ=240゜のと
き、 【式2】 Φ=tan-1[31/2(2I1+I4-I0-2I3)/(6I2-I0-2I1-2I3-I4)] 【0029】2.m=3、n=6、Δ=300゜のと
き、 【式3】Φ=tan-1[31/2(5I2+I5-3I1-3I4)/(2I0-10I5-3
I1-5I2-3I4-I5)] 位相を120゜回転すると、 【式4】Φ=tan-1[31/2(I0+5I3-5I2-I5)/(6I1-6I4-I0-
5I2-5I3-I5)] 【0030】3.m=3、n=9、Δ=480゜のとき
(線型、120゜回転) 【式5】Φ=tan-1[31/2(I0+2I3+3I6-3I6-3I2-2I5-I8)/
(4I1+4I4+4I7-I0-3I2-2I3-2I5-3I6-I8)] 【0031】4.m=4、n=7、Δ=270゜のと
き、 【式6】Φ=tan−1[4I−2I−2I)/
(I+3I−3I−I)] 【0032】5.m=4、n=8、Δ=315゜のと
き、 【式7】 Φ=tan−1[7I+2I−3I−5I)/
(I+7I−5I−3I)] Δ=225゜のとき、 【式8】Φ=tan-1[9I3-I7-5I1-3I5)/(3I0+5I4-7I2-
I6)] 【0033】6.m=4、n=10、Δ=405゜のと
き(G0 、G1 で高次(2次))、 【式9】Φ=tan-1[80I3+48I7-7I9-9I1-126I5)/(126I4+
9I8-7I0-48I2-80I6)] 【0034】7.m=4、n=12、Δ=495゜のと
き 線型 【式10】Φ=tan-1[25I3+16I7+7I11-13I1-16I5-19I9)
/(7I0+16I4+25I8-19I2-16I6-13I0)] 2次 【式11】Φ=tan-1[7I1+33I3+110I7-126I5-9I9-15
I11)/(110I4+33I8+7I10-15I0-9I2-126I6)] 【0035】図7と図8は、位相空間2πを4つに分割
した90゜系において、レーザ光源の光強度に変化があ
ったとき、及び位相シフトずれがあったとき、本発明に
より補正を加えた場合(、)、補正を加えない場合
(、)、及び従来例で補正を加えた場合()をそ
れぞれ示している。図の横軸は、求める位相を示し、縦
軸の左側は、縞本数単位での誤差を示し、同右側は、位
相単位での誤差を示している。 【0036】は従来のアルゴリズムΦ=tan-1[(I3-
I1)/(I0-I2)]であり、強度変化と位相シフトずれのいず
れも変化に対しても、補正効果がない。は従来のアル
ゴリズムΦ=tan-1[2(I3-I1)/(2I2-I0-I4)] であり、こ
のアルゴリズムは、位相シフトずれに対しては補正効果
があるが、強度変化に対しては補正効果がない。も従
来のアルゴリズム(第40回応用物理関係連合講演開予
稿集31A−ZA−7)連動)であり、強度変化に対し
ては安定となっているが、位相シフトずれに対しては
に比して補正効果が低い。 【0037】は、式6を基にした本発明によるアルゴ
リズムによる補正効果を示す。強度変化に対して安定と
なっている上に、位相シフトずれに対してはと同等の
効果がある。は式7を基にした本発明によるアルゴリ
ズムによる補正効果を示す。強度変化に対して安定の上
に、位相シフトずれに対してもより優れた補正効果が
ある。 【0038】図9と図10は、位相空間2πを3つに分
割した120゜系において、レーザ光源の光強度に変化
があったとき、及び位相シフトずれがあったとき、本発
明により補正を加えた場合(、)、及び、補正を加
えない場合(、)をそれぞれ示している。 【0039】は従来のアルゴリズムΦ=tan-1[(I3-
I1)/(I0-I2)]であり、強度変化と位相シフトずれのいず
れも変化に対しても、補正効果がない。は従来のアル
ゴリズムΦ=tan-1{31/2[I2-I1+(I3-I0)/3]/(I0-I1-I2+
I3)}であり、このアルゴリズムは、位相シフトずれに対
しては補正効果があるが、強度変化に対しては補正効果
がない。 【0040】は、式2を基にした本発明によるアルゴ
リズムによる補正効果を示す。強度変化に対して補正効
果があり、位相シフトずれに対してはと同等の効果が
ある。は式3を基にした本発明によるアルゴリズムに
よる補正効果を示す。強度変化に対しての補正効果を保
ちながら、位相シフトずれに対して、及びより優れ
た補正効果がある。 【0041】図11ないし図13は、補正縞画像情報I
i'の推定法をより一般的に示すものである。図11は、
i の値がグループ内で2点の場合であり、この場合に
は、IJ とIj+m の間を(θj+m −Δ)対(Δ−θj
に内挿した値をI’とする。 【0042】図12、図13は、Ii の値がグループ内
で2点以上の場合を示し、図12は線形推定、図13は
高次推定を示している。図12では、Ij 、Ij-m 、I
j+2m・・・をフィットさせる直線sを最小2乗近似で求
め、その直線のx=Δの値をI’とする。図13では、
j 、Ij-m 、Ij+2m・・・を結ぶ曲線s’を算術的に
求め、その曲線のx=Δの値をI’としている。 【0043】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、半導体レ
ーザへの注入電流を制御してその発振波長を変化させる
半導体レーザ位相シフト干渉計において、発振波長の変
化に伴い、光強度が変化し、位相シフトずれがあって
も、位相を正確に求めることができる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for detecting a phase in a phase shift interferometer using a wavelength modulation characteristic of a semiconductor laser. 2. Description of the Related Art For example, reflected light from the surface of an object to be measured and light reflected from a reference surface (reference mirror) interfere with each other, and the phase distribution of the interference fringes causes the interference between the reflected light and the object to be measured. Methods for measuring the surface profile are widely known. Also,
A fringe image analysis technique that focuses on the phase when the interference fringes change temporally or spatially has also been proposed. For example,
When the reference mirror is moved while being orthogonal to the optical axis to apply phase modulation to the fringe image, the surface shape of the object can be measured from at least three pieces of fringe image information (phase shift method). Further, instead of moving the reference mirror, the phase of the reflected light from the surface of the test object and the phase of the reflected light from the reference mirror are shifted by changing the oscillation wavelength by changing the injection current to the semiconductor laser. Semiconductor laser phase shift interferometers have been proposed. This interferometer has the excellent feature of having no moving parts. [0004] These phase shift methods are methods for obtaining a phase at a specific phase point based on a plurality of measured values obtained by changing the phase. When this specific phase point is called a reference phase point, At least during the measurement at several points before and after the reference phase point, the light intensity does not fluctuate, and the addition of the phase shift amount as assumed in advance is a prerequisite for establishing the measurement with high accuracy. However, in a semiconductor laser, if the injection current is changed to change the oscillation wavelength, not only the phase but also the light intensity changes, and the phase of the fringe image cannot be determined accurately. Further, there is a problem that the ratio of the amount of phase shift to the amount of change of the injection current is not always the ratio expected in advance. An object of the present invention is to provide a semiconductor laser phase shift interferometer for controlling an injection current to a semiconductor laser to change its oscillation wavelength even if the light intensity changes or there is a phase shift deviation. It is an object of the present invention to obtain a phase detection method capable of correctly obtaining a phase at a reference phase point by removing the fluctuation, and in particular, to obtain an algorithm for calculating a phase distribution. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is an interferometer using a semiconductor laser as a light source, a wavelength shift means for changing an oscillation wavelength of the semiconductor laser, and a device for inputting fringe image information resulting from interference. A phase detection method in a semiconductor laser phase shift interferometer having: a fringe image input unit having a two-dimensional pixel group; dividing a 2π phase space into m (m ≧ 3) measurement phase points; While shifting the oscillation wavelength of the semiconductor laser by the wavelength shifting means, fringe image information is obtained at each measurement phase point, and a total of n pieces of fringe image information I i (n ≧ 2)
m-1; m ≧ 3, i = 0~n-1, I i obtains the light intensity) of each two-dimensional pixel group n pieces of fringe image information step and; fringe image information I i of the measured , G j ; I j ,
(M = 0-m-1) where m = j , I 2m + j ... (J = 0 to m-1); in each group G j , measured fringe image information I j , I m + j , I
Estimating ideal corrected fringe image information I j ′ by weighting 2m + j (j = 0 to m −1) according to the amount of phase shift between the actually measured phase point and the reference phase point. And a step of obtaining a phase Φ of the fringe image from the corrected fringe image information I j ′. The present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 exemplifies a Twyman-Green interferometer as an apparatus to which the fringe image analysis method of the present invention is applied. Light from a semiconductor laser 11 is converted into a parallel light beam via a collimator lens system 12. The light is irradiated on the reference mirror 13. Between the collimator lens system 12 and the reference mirror 13, a half mirror (light beam separating means) 15 is placed, and the light reflected by the half mirror 15 is incident on a surface 16 to be inspected of the object. The optical path length between the half mirror 15 and the reference mirror 13 is set to be longer than the optical path length between the half mirror 15 and the test surface 16 by d. This d is set to, for example, 100 times the reference wavelength λ of the semiconductor laser 11 (when λ = 780 nm, d = 100λ = 78 μm). The light reflected by the reference mirror 13 and the light reflected by the surface 16 to be measured are combined by a half mirror 15 to form an interference fringe via an imaging lens system 17 and a two-dimensional image sensor (a fringe image input means). ) 18 is input. The two-dimensional image sensor 18 has a two-dimensional pixel group. Now, λ = 780 nm, d = 100λ = 7
If it is 8 μm, the reference mirror 13 is 1
Seen at a distance of 00 wavelengths. When the oscillation wavelength of the semiconductor laser 11 increases by 1%, the reference mirror 13 appears 99 wavelengths away, and the reference mirror 13 appears to be
This means that one wavelength is closer to the half mirror 15 side. This is optically equivalent to moving the reference mirror 13 by one wavelength toward the half mirror 15 in a direction perpendicular to the optical axis, and can realize a phase shift without a movable part. [0012] The CPU 21 of the fringe image analysis device 20 has an A /
Receiving the input of the fringe image information from the two-dimensional image sensor 18 that has been A / D converted by the D converter 22,
The current control device (wavelength shift means) 24 is controlled via the D / A converter 23 to control the injection current to the semiconductor laser 11. The CPU 21 is connected to an external storage device 26, a keyboard 27, a display 28, a printer 29, and the like. The above-mentioned known interferometer is formed on the two-dimensional image sensor 18 when the oscillation wavelength of the semiconductor laser 11 is changed by a fraction of the wavelength by the current control device (wavelength shift means) 24. The light intensity at each point of the interference fringes fluctuates in a sinusoidal manner. FIG. 2 shows an example of the state of the change. This change in light intensity is captured by each pixel of the two-dimensional pixel group constituting the two-dimensional image sensor 18, and by observing the change in light intensity, the surface accuracy of the test surface 16 as compared with the reference mirror 13 is measured. Can be detected. In this interferometer, as described above, when the wavelength of the semiconductor laser 11 is changed, not only the wavelength but also the light intensity changes, which results in a phase detection error. The phase detection method of the present invention can accurately detect the phase even when the light intensity changes due to the wavelength change of the semiconductor laser 11 and when there is a shift error in the phase shift amount (wavelength shift amount). That's the way you can. Each step of the method will be described. According to the method of the present invention, first, the phase space of 2π is set to m
Divided into (m ≧ 3) measurement phase points,
4, while shifting the oscillation wavelength of the semiconductor laser 11, a total of n pieces of fringe image information I i at each measurement phase point.
(N ≧ 2m−1) is obtained. FIG. 3 is an example in which the number of divisions (measurement phase points) m of the phase space is selected to be 3, and the number n of fringe image information is selected to be 6, which exactly divides two times in the phase space. In this figure, the measurement result of the first cycle at each measurement phase point is represented by 〇, the measurement result of the second cycle is represented by ●, and these are represented by G 0 (I 0 and I 3 ) and G 1 (I 1 and I 1 ). I 4 ), G 2
They are grouped into (I 2 and I 5). Each group G i
(That is, the phase difference between the measurement phase points) is preferably equal (120 ° (360 ゜ ÷ 3)), but need not be strictly equal. [0017] The fringe image information I i of each of these groups G i
Are not the same due to a change in light intensity due to a change in the wavelength of the semiconductor laser 11 and a phase shift error. The present invention uses the fringe image information I i of each group G i, and requests the correct phase in the reference phase point. Now, assuming that the light intensity of the semiconductor laser 11 fluctuates (increases or decreases), in the phase space of FIG.
Each measurement point appears on a spiral curve in which the diameter gradually changes (increases or decreases), and the vertical component of the measurement point is measured as the light intensity (FIG. 4). Here, assuming that the reference phase point is Q and there is no change in light intensity at the reference phase point,
The light intensity is indicated by a broken line in FIGS. The dashed line is shown in FIG.
Is a circle, and in FIG. 4, it is a sine wave curve. However,
Assuming that the light intensity increases, these become a spiral curve and a non-sinusoidal curve whose amplitude gradually increases, respectively, as shown by the solid lines. Taking the measured values I 0 and I 3 as an example, they are obtained as I 0 and I 3 on a spiral curve and a non-sinusoidal curve. Should be I 0 '. According to the present invention, in order to estimate this I 0 ′, a weight corresponding to the amount of phase shift between the actually measured phase point and the reference phase point is assigned to obtain corrected fringe image information I j ′. From phase Φ
Is what you want. For example, I 0 ', in FIG. 3, I 0' = - can be estimated with [(θ 3 -Δ) I 0 (θ 0 -Δ) I 3] / (θ 3 -θ 0) ····· . Here, Δ is the phase angle of point Q (see FIG. 3)
It is. The value of Δ may be any value, but θ 0 to θ m
Is the optimal value. The same applies to I 1 ′ and I 2 ′. Θ 0 and θ 3 are originally the same principal values.
In the above example, the reason for setting the angle θ 3 −θ 0 = 360 ° (2π) differently is to obtain corrected image information. That is, as shown in FIG. 4, the light intensity I 0 at the reference phase point Q can be estimated by expanding θ 0 and θ 3 into phase coordinates and capturing variable values different by 360 °. For the estimation, for example, an interpolation method can be used. If the spiral curve makes three or more rounds, I 0 , I 3 , I 6 ... Form a group G 1, which can be estimated using these. When the reference reference point Q matches any of the measurement points, it is not necessary to select a plurality of measurement points for the group of the points. Therefore, the minimum value of the number n of the stripe image information is n = 2m-1, and n ≧ 2m−1 (m ≧ 3) is a condition for n. Next, let us consider a case where the rate of change of the amount of phase shift does not reach the rate assumed in advance with respect to the rate of change of the injection current of the semiconductor laser 11. In this case, FIG. 5, as shown in FIG. 6, the fringe image information I i is the upper circle or sinusoidal, moves. 5 and 6, the photocurrent does not change,
The period differs between the solid line and the broken line in FIG. From the development in FIG. 5, I 1 ′ can be estimated from I 00 ) and I 33 ) as follows. I 0 ′ = [(θ 3 −Δ) I 0 − (θ 0 −Δ) I 3 ] / (θ 3 −θ 0 ) This equation is the same as the above equation. Therefore, I 0 obtained by this equation is simultaneously stable against changes in the intensity and the phase shift amount. The same applies to I 1 ′ and I 2 ′. Then, to obtain the phase Φ of the reference phase point from the corrected fringe image information I i ′ obtained as described above, Φ = tan −1 (ΣS i I i ′ / ΣC i I i ′) , S i , and C i are values obtained by simultaneously calculating the following equations. ΣC i = 0 ΣC i sin θ i = 0 ΣS i = 0 ΣS i cos θ i = 0 ΣC i cos θ i + ΣS i sin θ i = 0 (i = 0 to m−1) is a case of dividing the space simply into m, when performing equiangularly this division, C i and S i is given by the following equation. In this case, the wavelength shift by the semiconductor laser 11 is given by 2π / m. C i = cos (2πi / m) S i = sin (2πi / m) The phase Φ of the fringe image is given by equation (1). [Equation 1] Φ = -tan -1 [ΣI i '· sin (2πi / m)] / [ΣI i ' · cos
(2πi / m)] (from i = 0 to m−1), the phase Φ of the fringe image is obtained. According to the above method, even if there is a change in the light intensity due to the wavelength shift of the semiconductor laser 11 or a wavelength shift error (phase shift amount error), the correct phase Φ of the fringe image can be obtained. Next, when the 2π phase space is divided into m equal intervals as measurement phase points, a specific algorithm of Φ obtained by applying specific numerical values to m and n Will be described. 1. When m = 3, n = 5, and Δ = 240 °, Φ = tan −1 [3 1/2 (2I 1 + I 4 -I 0 -2I 3 ) / (6I 2 -I 0- 2I 1 -2I 3 -I 4 )] When m = 3, n = 6 and Δ = 300 °, [Equation 3] Φ = tan −1 [3 1/2 (5I 2 + I 5 -3I 1 -3I 4 ) / (2I 0 -10I 5 − Three
I 1 -5I 2 -3I 4 -I 5 )] When the phase is rotated by 120 °, [Equation 4] Φ = tan -1 [3 1/2 (I 0 + 5I 3 -5I 2 -I 5 ) / (6I 1 -6I 4 -I 0-
5I 2 -5I 3 -I 5 )] When m = 3, n = 9, Δ = 480 ° (linear, 120 ° rotation) [Equation 5] Φ = tan −1 [3 1/2 (I 0 + 2I 3 + 3I 6 -3I 6 -3I 2) -2I 5 -I 8 ) /
(4I 1 + 4I 4 + 4I 7 -I 0 -3I 2 -2I 3 -2I 5 -3I 6 -I 8 )] When m = 4, n = 7 and Δ = 270 °, Φ = tan −1 [4I 3 −2I 1 −2I 5 ) /
(I 0 + 3I 4 -3I 2 -I 6 )]. When m = 4, n = 8, and Δ = 315 °, Φ = tan −1 [7I 3 + 2I 7 -3I 1 -5I 5 ) /
(I 0 + 7I 4 -5I 2 -3I 6)] When delta = 225 DEG, [Formula 8] Φ = tan -1 [9I 3 -I 7 -5I 1 -3I 5) / (3I 0 + 5I 4 - 7I 2-
I 6 )] [0033] 6. When m = 4, n = 10 and Δ = 405 ° (higher order (second order in G 0 and G 1 )), Φ = tan −1 [80I 3 + 48I 7 -7I 9 -9I 1 -126I 5 ) / (126I 4 +
9I 8 -7I 0 -48I 2 -80I 6 )] Linear when m = 4, n = 12, Δ = 495 ° [Formula 10] Φ = tan −1 [25I 3 + 16I 7 + 7I 11 -13I 1 -16I 5 -19I 9 )
/ (7I 0 + 16I 4 + 25I 8 -19I 2 -16I 6 -13I 0 )] quadratic [Equation 11] Φ = tan -1 [7I 1 + 33I 3 + 110I 7 -126I 5 -9I 9 -15
I 11 ) / (110I 4 + 33I 8 + 7I 10 -15I 0 -9I 2 -126I 6 )] FIGS. 7 and 8 show a laser light source in a 90 ° system in which the phase space 2π is divided into four. When there is a change in the light intensity and when there is a phase shift deviation, when the correction is made according to the present invention (,), when no correction is made (,), and when the correction is made in the conventional example ( ) Respectively. In the figure, the horizontal axis indicates the phase to be obtained, the left side of the vertical axis indicates the error in units of the number of stripes, and the right side indicates the error in units of phase. The conventional algorithm Φ = tan -1 [(I 3-
I 1 ) / (I 0 -I 2 )], and there is no correction effect for both the intensity change and the phase shift deviation. Is a conventional algorithm Φ = tan −1 [2 (I 3 −I 1 ) / (2I 2 −I 0 −I 4 )], and this algorithm has a correction effect on the phase shift deviation, There is no correction effect on the intensity change. Is also a conventional algorithm (linked with the 40th Applied Physics Related Lectures Preliminary Proceedings 31A-ZA-7), and is stable with respect to intensity change, but is more effective with respect to phase shift deviation. Low correction effect. Shows the correction effect of the algorithm according to the present invention based on equation (6). In addition to being stable against a change in intensity, there is an effect equivalent to a phase shift deviation. Shows the correction effect by the algorithm according to the present invention based on Equation 7. In addition to the stability against the intensity change, there is a better correction effect on the phase shift deviation. FIGS. 9 and 10 show that, in the 120 ° system in which the phase space 2π is divided into three, when the light intensity of the laser light source changes and when there is a phase shift deviation, the correction according to the present invention is performed. The case where (,) is added and the case (,) without correction are shown, respectively. The conventional algorithm Φ = tan -1 [(I 3-
I 1 ) / (I 0 -I 2 )], and there is no correction effect for both the intensity change and the phase shift deviation. Is the conventional algorithm Φ = tan -1 {3 1/2 [I 2 -I 1 + (I 3 -I 0 ) / 3] / (I 0 -I 1 -I 2 +
I 3 )}, this algorithm has a correction effect on the phase shift deviation, but has no correction effect on the intensity change. Shows the correction effect by the algorithm according to the present invention based on Equation 2. There is a correction effect on the intensity change, and the same effect on the phase shift deviation. Shows the correction effect by the algorithm according to the present invention based on Equation 3. There is a better correction effect on the phase shift deviation while maintaining the correction effect on the intensity change. FIGS. 11 to 13 show the corrected fringe image information I.
This shows a general method of estimating i ′. FIG.
This is the case where the value of I i is two points in the group. In this case, (θ j + m −Δ) vs. (Δ−θ j ) is set between I J and I j + m.
Let I 'be the value interpolated in. 12 and 13 show the case where the value of I i is two or more in the group, FIG. 12 shows the linear estimation, and FIG. 13 shows the higher-order estimation. In FIG. 12, I j , I jm , I
A straight line s for fitting j + 2m ... is obtained by least squares approximation, and the value of x = Δ of the straight line is defined as I ′. In FIG.
A curve s ′ connecting I j , I jm , I j + 2m ... Is arithmetically determined, and the value of x = Δ of the curve is I ′. As described above, according to the present invention, in a semiconductor laser phase shift interferometer for controlling an injection current to a semiconductor laser to change its oscillation wavelength, an optical signal is generated along with the change of the oscillation wavelength. Even if the intensity changes and there is a phase shift deviation, the phase can be accurately obtained.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明による位相検出方法を適用する半導体レ
ーザ位相シフト干渉計の構成を示すブロック図である。 【図2】図1の装置による干渉縞の変化の様子を示す図
である。 【図3】本発明による半導体レーザ位相シフト干渉計に
おいて、光強度に変化があった場合の本発明の原理を示
す図である。 【図4】図3の展開図である。 【図5】本発明による半導体レーザ位相シフト干渉計に
おいて、位相シフト誤差があった場合の本発明の原理を
示す図である。 【図6】図5の展開図である。 【図7】位相空間2πを4つに分割した90゜系におい
て、レーザ光源の光に光強度変化があったときと、これ
を補正したときの従来方法と本発明方法による干渉縞の
検出位相分布のシュミレーション図である。 【図8】同位相シフトずれがあったときと、これを補正
したときの従来方法と本発明方法による干渉縞の検出位
相分布のシュミレーション図である。 【図9】位相空間2πを3つに分割した120゜系にお
いて、レーザ光源の光に光強度変化があったときと、こ
れを補正したときの従来方法と本発明方法による干渉縞
の検出位相分布のシュミレーション図である。 【図10】同位相シフトずれがあったときと、これを補
正したときの従来方法と本発明方法による干渉縞の検出
位相分布のシュミレーション図である。 【図11】補正縞画像情報Ii'を推定する推定方法の一
例を示すグラフである。 【図12】補正縞画像情報Ii'を推定する推定方法の他
の例を示すグラフである。 【図13】補正縞画像情報Ii'を推定する推定方法のさ
らに別の例を示すグラフである。 【符号の説明】 11 半導体レーザ 12 コリメータレンズ系 13 参照ミラー 15 ハーフミラー 16 被検面 18 二次元イメージセンサ(画像入力手段) 20 縞画像解析装置 21 CPU 24 電流制御装置(波長シフト手段)
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a semiconductor laser phase shift interferometer to which a phase detection method according to the present invention is applied. FIG. 2 is a diagram showing how interference fringes are changed by the apparatus shown in FIG. 1; FIG. 3 is a diagram showing the principle of the present invention when the light intensity changes in the semiconductor laser phase shift interferometer according to the present invention. FIG. 4 is a development view of FIG. 3; FIG. 5 is a diagram showing the principle of the present invention when there is a phase shift error in the semiconductor laser phase shift interferometer according to the present invention. FIG. 6 is a development view of FIG. 5; FIG. 7 shows the detection phase of interference fringes according to the conventional method and the method according to the present invention when the light intensity of the laser light source changes in a 90 ° system in which the phase space 2π is divided into four, and when the light intensity changes. It is a simulation figure of distribution. FIG. 8 is a simulation diagram of a detected phase distribution of interference fringes according to the conventional method and the method of the present invention when the phase shift is shifted and when the phase shift is corrected. FIG. 9 is a diagram illustrating the detection phase of interference fringes according to the conventional method and the method of the present invention when there is a change in the light intensity of the laser light source in a 120 ° system in which the phase space 2π is divided into three, and when this is corrected. It is a simulation figure of distribution. FIG. 10 is a simulation diagram of a detected phase distribution of interference fringes according to the conventional method and the method of the present invention when the phase shift is shifted and when the phase shift is corrected. FIG. 11 is a graph showing an example of an estimation method for estimating correction fringe image information I i ′. FIG. 12 is a graph showing another example of an estimation method for estimating correction fringe image information I i ′. FIG. 13 is a graph showing still another example of an estimation method for estimating the corrected fringe image information I i ′. [Description of Signs] 11 Semiconductor laser 12 Collimator lens system 13 Reference mirror 15 Half mirror 16 Test surface 18 Two-dimensional image sensor (image input means) 20 Stripe image analyzer 21 CPU 24 Current controller (wavelength shift means)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 半導体レーザを光源とする干渉計であっ
て、該半導体レーザの発振波長を変化させる波長シフト
手段と;干渉の結果生じる縞画像情報を入力する、二次
元画素群を有する縞画像入力手段と;を有する半導体レ
ーザ位相シフト干渉計における位相検出方法において、 2πの位相空間を、m個(m≧3)の測定位相点に分割
し、上記波長シフト手段により半導体レーザの発振波長
をシフトさせながら、各測定位相点において縞画像情報
を求め、合計n枚の縞画像情報I(n≧2m−1;m
≧3、i=0〜n−1、Iは、n枚の縞画像情報の各
二次元画素群における光強度)を得るステップと; これらの実測の縞画像情報I を、G;I,I
m+j,I2m+j・・・(j=0〜m−1)からなる
m個のグループに分けるステップと; 以上の各グループGにおいて、実測縞画像情報I
m+j,I2m+j・・・(j=0〜m−1)に、実
測位相点と参照位相点との位相ずれ量に応じた重みを付
して、補正縞画像情報I'を推定するステップと; この補正縞画像情報I'から縞画像の位相Φを求める
ステップと; とを有することを特徴とする半導体レーザ位相シフト干
渉計における位相検出方法。
(57) Claims: 1. An interferometer using a semiconductor laser as a light source, a wavelength shifting means for changing an oscillation wavelength of the semiconductor laser; and inputting fringe image information resulting from the interference. , A fringe image input means having a two-dimensional pixel group, wherein a phase space of 2π is divided into m (m ≧ 3) measurement phase points, While shifting the oscillation wavelength of the semiconductor laser by the shift means, fringe image information is obtained at each measurement phase point, and a total of n pieces of fringe image information I i (n ≧ 2m−1; m)
≧ 3, i = 0~n-1 , I i is a step of obtaining a light intensity) of each two-dimensional pixel group n pieces of fringe image information; a fringe image information I i of these measured, G j; I j , I
(m + j , I 2m + j ) (j = 0 to m−1); dividing into m groups; In each of the above groups G j , measured fringe image information I j ,
I m + j, the I 2m + j ··· (j = 0~m-1), denoted by the weight corresponding to the phase shift amount between the reference phase point and the measured phase point, to estimate the correction pattern image information I j ' Determining a phase Φ of the fringe image from the corrected fringe image information I j ′; and a phase detecting method in the semiconductor laser phase shift interferometer.
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