JP3495861B2 - Aspherical shape measuring method and device - Google Patents

Aspherical shape measuring method and device

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JP3495861B2
JP3495861B2 JP30871996A JP30871996A JP3495861B2 JP 3495861 B2 JP3495861 B2 JP 3495861B2 JP 30871996 A JP30871996 A JP 30871996A JP 30871996 A JP30871996 A JP 30871996A JP 3495861 B2 JP3495861 B2 JP 3495861B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、干渉計を用いて光
学部品の形状や屈折率の分布を測定する非球面形状測定
方法及び装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an aspherical surface shape measuring method and apparatus for measuring the shape and distribution of refractive index of an optical component using an interferometer.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、光の干渉現象を利用して光の
波面形状を干渉縞パターンとして検知する装置としての
干渉計が、レンズやミラー等の光学部品形状を精密に測
定したり、ガラスの屈折率分布を精密に測定するために
広く工業用に使用されており、特に最近は干渉縞パター
ンを画素毎の位相情報として数値化することによって、
非常に精密な測定が可能となっている。そして、この干
渉縞パターンを位相情報として数値化する手法として、
1992年度精密工学会春季大会論文集p.371−3
72に位相シフト電子モアレ法が開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an interferometer, which is an apparatus for detecting the wavefront shape of light as an interference fringe pattern by utilizing the phenomenon of light interference, has been used to precisely measure the shape of optical parts such as lenses and mirrors, It is widely used for industrial purposes to accurately measure the refractive index distribution of, and recently, by digitizing the interference fringe pattern as phase information for each pixel,
Very precise measurement is possible. Then, as a method of digitizing this interference fringe pattern as phase information,
Proceedings of the 1992 JSPE Spring Conference p. 371-3
72 discloses a phase shift electronic moire method.

【0003】図6は位相シフト電子モアレ法解析装置の
構成図を示し、干渉縞画像を入力するCCDカメラ1の
出力は、1画面分のビデオ信号を抽出する画像入力手段
2に接続され、画像入力手段2の出力と1画面分の情報
を記憶する3つの画像メモリ3a、3b、3cのそれぞ
れの出力とは、2つの画像間の乗算を行う3つの乗算器
4a、4b、4cにそれぞれ接続され、更に画像中の空
間周波数の高いものを除去し、低いものだけを通過する
特性を有する3つのローパスフィルタ5a、5b、5c
にそれぞれ接続されている。ローパスフィルタ5a、5
bからの出力は2つの画像間の減算を行う減算器6a
に、ローパスフィルタ5b、5cの出力は減算器6bに
それぞれ接続され、2つの減算器6a、6bの出力は2
つの画像間の除算を行う除算器7に接続され、更にアー
クタンジェントを演算する非線形演算器8に接続されて
いる。
FIG. 6 is a block diagram of a phase shift electronic moire analysis apparatus. The output of a CCD camera 1 for inputting an interference fringe image is connected to an image input means 2 for extracting a video signal for one screen, and an image is displayed. The output of the input means 2 and the outputs of the three image memories 3a, 3b, 3c for storing information for one screen are respectively connected to three multipliers 4a, 4b, 4c for multiplying between two images. In addition, the three low-pass filters 5a, 5b, 5c having the characteristic of removing high spatial frequencies in the image and passing only low spatial frequencies
Respectively connected to. Low-pass filters 5a, 5
The output from b is a subtractor 6a that performs the subtraction between the two images.
Further, the outputs of the low-pass filters 5b and 5c are respectively connected to the subtractor 6b, and the outputs of the two subtractors 6a and 6b are 2
It is connected to a divider 7 that divides between two images, and is further connected to a non-linear calculator 8 that calculates an arc tangent.

【0004】干渉計から発生した干渉縞は、参照面を傾
けることにより故意に多数の縞を発生させた上で、適当
なレンズを用いてCCDカメラ1に撮像され、画像入力
手段2により1画面分の情報が抽出される。一方、画像
メモリ3a、3b、3cにはそれぞれ予め多数の縞画像
に相当する情報が書き込まれており、この情報は各画像
メモリ3a、3b、3c毎に縞の初期位相がそれぞれπ
/4、3π/4、5π/4だけずれている。CCDカメ
ラ1で撮像した被測定画像信号は、画像メモリ3a、3
b、3cの信号とそれぞれ乗算器4a、4b、4cにお
いて画像間の乗算が行われ、この演算により空間周波数
の低い一種のモアレ縞が発生し、このモアレ縞が被測定
画像縞の曲がり具合を表している。
Interference fringes generated from the interferometer are intentionally generated by inclining the reference plane to generate a large number of fringes, which are then picked up by the CCD camera 1 using an appropriate lens, and the image input means 2 displays one screen. Minute information is extracted. On the other hand, information corresponding to a large number of striped images is written in advance in each of the image memories 3a, 3b, 3c, and the initial phase of the striped lines is π for each of the image memories 3a, 3b, 3c.
It is shifted by / 4, 3π / 4, 5π / 4. The measured image signal captured by the CCD camera 1 is stored in the image memories 3a, 3
The signals of b and 3c are respectively multiplied by the images in the multipliers 4a, 4b and 4c, and a kind of moire fringe having a low spatial frequency is generated by this calculation, and the moire fringes show the degree of bending of the image fringe to be measured. It represents.

【0005】従って、ローパスフィルタ5a、5b、5
cにおいてキャリアである多数の縞の信号をカットする
ことにより、干渉計において参照面を傾けずに粗い干渉
縞を出した状態と等価な画像が得られる。このとき、基
準とする画像メモリ3a、3b、3cの画像中の縞の初
期位相がπ/4、3π/4、5π/4だけずれているた
めに、ローパスフィルタ5a、5b、5cを通って得ら
れる粗い干渉縞を出した状態に相当する画像も、初期位
相がπ/4、3π/4、5π/4だけずれている。
Therefore, the low-pass filters 5a, 5b, 5
By cutting the signals of a large number of fringes that are carriers in c, an image equivalent to a state in which rough interference fringes are produced without tilting the reference surface in the interferometer can be obtained. At this time, since the initial phases of the stripes in the images of the reference image memories 3a, 3b, 3c are shifted by π / 4, 3π / 4, 5π / 4, they pass through the low-pass filters 5a, 5b, 5c. The initial phase of the image corresponding to the state in which the rough interference fringes are obtained is also shifted by π / 4, 3π / 4, and 5π / 4.

【0006】求める干渉縞の位相分布をφ(x,y) とする
と、それぞれの画像は次式のように表すことができる。
When the phase distribution of the interference fringes to be obtained is φ (x, y), each image can be expressed by the following equation.

【0007】 J1(x,y) =sin{φ(x,y) +π/4} ={ sinφ(x,y) + cosφ(x,y)}/√2 …(1) J2(x,y) =sin{φ(x,y) +3π/4} ={− sin(x,y) + cosφ(x,y)}/√2 …(2) J3(x,y) =sin{φ(x,y) +5π/4} =( − sin(x,y) − cosφ(x,y)}/√2 …(3) [0007]     J1 (x, y) = sin {φ (x, y) + π / 4}             = {Sinφ (x, y) + cosφ (x, y)} / √2… (1)     J2 (x, y) = sin {φ (x, y) + 3π / 4}             = {-Sin (x, y) + cos φ (x, y)} / √2 (2)     J3 (x, y) = sin {φ (x, y) + 5π / 4}             = (− sin (x, y) − cos φ (x, y)} / √2… (3)

【0008】そして、次のように演算を行うことにより
位相分布φ(x,y) を計算することができる。
Then, the phase distribution φ (x, y) can be calculated by performing the following calculation.

【0009】 (J1-J2) /(J2-J3) = sinφ(x,y) / cosφ(x,y) = tanφ(x,y) …(4) φ(x,y) =tan-1{(J1 −J2) / (J2−J3)} …(5) (J1-J2) / (J2-J3) = sinφ (x, y) / cosφ (x, y) = tanφ (x, y) (4) φ (x, y) = tan -1 { (J1-J2) / (J2-J3)}… (5)

【0010】従って、式(4) の演算を減算器6a、6b
及び除算器7で行い、式(5) の演算を非線形演算器8で
行えば、位相分布φ(x,y) が出力として得られる。この
ように、1枚の干渉縞原画像から位相分布φ(x,y) を求
めることにより、測定中の機械振動や空気の揺らぎ等に
よる影響を回避することができる。
Therefore, the calculation of the equation (4) is performed by the subtractors 6a and 6b.
And the divider 7 and the calculation of the equation (5) is performed by the non-linear calculator 8, the phase distribution φ (x, y) is obtained as an output. Thus, by obtaining the phase distribution φ (x, y) from one original image of the interference fringes, it is possible to avoid the influence of mechanical vibration during measurement, fluctuation of air, and the like.

【0011】また、非球面形状を測定する方式としてヌ
ルレンズが知られており、通常の干渉計は干渉縞が多す
ぎて解析不可能となるような大非球面量を有する被測定
物に対して、設計上非球面形状に一致する光波面を発生
する特別のレンズを使用して、被測定非球面形状のヌル
テストを行っている。
A null lens is known as a method for measuring an aspherical shape, and a normal interferometer is used for an object to be measured having a large amount of aspherical surface that makes analysis impossible due to too many interference fringes. , Null test of the measured aspherical shape is performed by using a special lens that generates a light wavefront that matches the aspherical shape by design.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例における電子モアレ法は、位相検出手段としては優
れているが、大きな非球面量の被測定物では、干渉縞の
空間周波数帯城が広くなり過ぎて検出不能となる領域が
できてしまったり、撮像デバイスの解像度が制限されて
細かい干渉縞が分解できず、更に画像演算の負荷が大き
く処理装置のコストが高くなるという問題点がある。ま
た、ヌルレンズは設計が非常に難しく、干渉計によるヌ
ルレンズの評価ができないために、完全なヌルレンズの
製作は極めて困難であるという問題がある。
However, although the electronic moire method in the above-mentioned conventional example is excellent as the phase detecting means, in the object to be measured having a large amount of aspherical surface, the spatial frequency band of the interference fringe becomes wide. There is a problem that an undetectable area is formed, a resolution of an image pickup device is limited, and fine interference fringes cannot be resolved, and a load of image calculation is large and a cost of a processing device is high. Further, the design of the null lens is very difficult, and the null lens cannot be evaluated by the interferometer, so that there is a problem that it is extremely difficult to manufacture a perfect null lens.

【0013】本発明の目的は、非球面レンズ等を安定し
て量産する加工現場において、素早く直感的にワーク形
状の良否を判定する簡易な非球面形状測定方法及び装置
を提供することにある。
It is an object of the present invention to provide a simple aspherical surface shape measuring method and apparatus for quickly and intuitively determining the quality of a work surface at a processing site where aspherical lenses and the like are stably mass-produced.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る非球面形状測定方法は、大きな非球面量
を有する被測定光学素子の形状を測定する非球面形状測
定方法において、前記被測定光学素子の非球面形状と略
一致する光波面を光学波面変換素子により発生し、多数
の干渉縞により空間的な搬送波を生ずる被測定干渉縞画
像と、前記搬送波の空間周波数と略等しい周波数を有し
かつ初期位相が異なる複数の参照画像とを演算すること
により、前記被測定干渉縞画像の位相分布を電子モアレ
法により測定し、前記光学波面変換素子が発生する光波
面と、前記被測定光学素子の非球面形状との差に相当す
る微小な形状誤差パターンを、前記電子モアレ法による
干渉縞位相解析の参照画像として書き込むことにより、
被測定光学素子の非球面形状のヌルテストを行うことを
特徴とする。
The aspherical surface shape measuring method according to the present invention for achieving the above object is an aspherical surface shape measuring method for measuring a shape of an optical element to be measured having a large amount of aspherical surface. An interference fringe image to be measured in which an optical wavefront conversion element generates an optical wavefront that substantially matches the aspherical shape of the measured optical element, and a spatial carrier wave is generated by a large number of interference fringes, and a frequency substantially equal to the spatial frequency of the carrier wave. And a plurality of reference images having different initial phases are calculated to measure the phase distribution of the interference fringe image to be measured by an electronic moire method, and the optical wavefront generated by the optical wavefront conversion element, and By writing a minute shape error pattern corresponding to the difference between the aspherical shape of the measurement optical element, as a reference image of the interference fringe phase analysis by the electronic moire method,
It is characterized in that a null test of the aspherical shape of the optical element to be measured is performed.

【0015】また、本発明に係る非球面形状測定装置
は、大きな非球面量を有する被測定光学素子の非球面形
状に略一致する光波面を発生する光学波面変換素子を有
し、多数の干渉縞により空間的な搬送波を生ずる被測定
干渉縞画像と、前記搬送波と略等しい周波数を有しかつ
初期位相が異なる複数の参照画像とを電子モアレ法干渉
縞位相解析により演算して、前記被測定干渉縞画像の位
相分布を測定する非球面形状測定装置において、前記電
子モアレ法干渉縞位相解析における参照画像データとし
て、前記光学波面変換素子が発生する光波面と前記被測
定光学素子の非球面形状との差に相当する微小な形状誤
差パターンを書き込む書込手段により、前記被測定光学
素子の非球面形状のヌルテストを行うことを特徴とす
る。
Further, the aspherical surface shape measuring apparatus according to the present invention has an optical wavefront converting element for generating an optical wavefront substantially matching the aspherical surface shape of the optical element to be measured having a large amount of aspherical surface, and has a large number of interferences. An interference fringe image to be measured which produces a spatial carrier by a fringe and a plurality of reference images having substantially the same frequency as the carrier and different initial phases are calculated by electronic moire interference fringe phase analysis to obtain the measured object. In the aspherical surface shape measuring device for measuring the phase distribution of the interference fringe image, as the reference image data in the electronic moire method interference fringes phase analysis, the optical wavefront generated by the optical wavefront conversion element and the aspherical surface shape of the measured optical element. The null test of the aspherical shape of the optical element to be measured is performed by a writing unit that writes a minute shape error pattern corresponding to the difference between

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】本発明を図1〜図5に図示の実施
例に基づいて詳細に説明する。図1は第1の実施例の構
成図を示し、可干渉性の高い光源であるコヒーレント光
発振器10の前方には、光の偏光状態を任意に変換する
偏光変換手段11、ビーム径を拡大するビームエキスパ
ンダ12、光の進行方向を変化する折曲ミラー13が順
次に配列されている。折曲ミラー13の反射方向には、
光の偏光状態に応じて光を分岐する偏光ビームスプリッ
タ14、偏光状態を直線偏光と円偏光との間で可逆的に
変換する1/4波長板15、光の波面形態を所定形状に
変換するように設計製作されたヌルレンズ16、被測定
非球面ワークT、被測定非球面ワークTを保持すると共
に光軸に対して6方向の自由度で自在に調整可能なワー
クホルダ17が順次に配列されている。なお、T’はヌ
ルレンズ16により変換された光の波面形態を表す波面
の形状を示している。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in FIGS. FIG. 1 shows a block diagram of the first embodiment. In front of a coherent optical oscillator 10 which is a light source with high coherence, a polarization conversion means 11 for arbitrarily converting the polarization state of light, and a beam diameter are enlarged. A beam expander 12 and a bending mirror 13 that changes the traveling direction of light are sequentially arranged. In the reflection direction of the folding mirror 13,
A polarization beam splitter 14 that splits light according to the polarization state of light, a quarter-wave plate 15 that reversibly converts the polarization state between linearly polarized light and circularly polarized light, and a wavefront form of light is converted into a predetermined shape. The null lens 16, the aspherical workpiece T to be measured, and the aspherical workpiece T to be measured, which are designed and manufactured as described above, are sequentially arranged with the work holders 17 that can be freely adjusted in six directions with respect to the optical axis. ing. It should be noted that T'denotes the shape of the wavefront representing the wavefront form of the light converted by the null lens 16.

【0017】偏光ビームスプリッタ14の左反射方向に
は、1/4波長板18、高精度に平面研磨された参照ミ
ラー19、この参照ミラー19を保持すると共に光軸に
対して微小に傾き調整可能な微動機構を有する参照ミラ
ーホルダ20が配置されており、偏光ビームスプリッタ
14の右反射方向には、直行する偏光成分の光を合成し
干渉させる偏光子21、被測定ワークTの像を適当な大
きさに結像する結像レンズ22、CCDカメラなどの二
次元画像検出器23が順次に配列されている。
In the left reflection direction of the polarization beam splitter 14, a quarter-wave plate 18, a reference mirror 19 which is highly accurately flat-polished, and the reference mirror 19 are held and the tilt can be adjusted minutely with respect to the optical axis. A reference mirror holder 20 having such a fine movement mechanism is arranged, and in the right reflection direction of the polarization beam splitter 14, a polarizer 21 for combining and interfering light of orthogonal polarization components and an image of the work T to be measured are appropriately arranged. An imaging lens 22 for forming an image of a size and a two-dimensional image detector 23 such as a CCD camera are sequentially arranged.

【0018】二次元画像検出器23の出力は、1画面分
のビデオ信号を抽出する画像入力手段24、時間的平
均、空間的平均、背景ノイズの除去、カメラの感度むら
補正、不要領域のマスキング等の前処理を行う前処理手
段25に接続され、前処理手段25と予め計算又は撮影
した多数の縞を含む参照画像を記憶し適宜にビデオレー
トで読み出し可能な参照画像メモリ26との出力は、画
像間の乗算を高速で行う乗算器27に接続され、乗算器
27の出力は画像中の低周波数成分の線のみを通過する
ローパスフィルタ28を介して処理画像を表示するテレ
ビモニタ29に接続されている。
The output of the two-dimensional image detector 23 is image input means 24 for extracting a video signal for one screen, temporal averaging, spatial averaging, background noise removal, camera sensitivity unevenness correction, and unnecessary area masking. The output of the pre-processing means 25 is connected to the pre-processing means 25 for performing pre-processing such as , Is connected to a multiplier 27 that performs multiplication between images at high speed, and the output of the multiplier 27 is connected to a television monitor 29 that displays a processed image through a low-pass filter 28 that passes only the lines of low frequency components in the image. Has been done.

【0019】コヒーレント光源10から射出した光は、
偏光状態が円偏光又は45度近傍に偏光方位を有する直
線偏光となるように偏光変換装置11で調整された後
に、ビームエキスパンダ12により光束径が拡大され、
折り曲げミラー13により進行方向が変化して偏光ビー
ムスプリッタ14に入射する。偏光ビームスプリッタ1
4は入射した光を互いに直交する2つの直線偏光に分離
し、一方の光は偏光ビームスプリッタ14に反射されて
参照光として参照ミラー19へ向かい、他方の光は偏光
ビームスプリッタ14を透過して被検光として被測定ワ
ークTへ向う。
The light emitted from the coherent light source 10 is
After being adjusted by the polarization conversion device 11 so that the polarization state becomes circularly polarized light or linearly polarized light having a polarization azimuth in the vicinity of 45 degrees, the beam expander 12 expands the light beam diameter,
The bending mirror 13 changes the traveling direction and makes it enter the polarization beam splitter 14. Polarizing beam splitter 1
Reference numeral 4 separates the incident light into two linearly polarized lights which are orthogonal to each other. One of the lights is reflected by the polarization beam splitter 14 toward the reference mirror 19 as reference light, and the other light is transmitted through the polarization beam splitter 14. The light to be measured goes to the workpiece T to be measured.

【0020】参照光は 1/4波長板18により偏光状態
が円偏光に変換された後に、参照ミラー19に反射さ
れ、再び 1/4波長板18の作用で偏光状態が直線偏光
に変換されて偏光ビームスプリッタ14に戻るが、この
とき直線偏光の方位が90度回転しているために、偏光
ビームスプリッタ14を直進して二次元画像検出装置2
3へ向かう。一方、被検光は 1/4波長板15により偏
光状態が円偏光に変換された後に、ヌルレンズ16によ
り非球面波面T’に変換され、被測定ワークTの表面で
反射されて再びヌルレンズ16に戻り、 1/4波長板1
5の作用により偏光状態が円偏光に変換されて偏光ビー
ムスプリッタ14に戻るが、このとき直線偏光の方位が
90度回転しているために、偏光ビームスプリッタ14
に反射されて二次元画像検出装置23に向かう。
After the polarization state of the reference light is converted into circularly polarized light by the quarter-wave plate 18, it is reflected by the reference mirror 19 and again converted into linearly polarized light by the action of the quarter-wave plate 18. Returning to the polarization beam splitter 14, however, since the azimuth of linearly polarized light is rotated by 90 degrees at this time, the polarization beam splitter 14 goes straight and the two-dimensional image detection device 2
Head to 3. On the other hand, the test light has its polarization state converted into circularly polarized light by the quarter-wave plate 15 and is then converted into an aspherical wavefront T ′ by the null lens 16 and reflected by the surface of the workpiece T to be measured and returned to the null lens 16. Return, 1/4 wave plate 1
By the action of 5, the polarization state is converted into circularly polarized light and returns to the polarization beam splitter 14, but at this time, since the azimuth of the linearly polarized light is rotated by 90 degrees, the polarization beam splitter 14
Reflected toward the two-dimensional image detecting device 23.

【0021】二次元画像検出装置23に向かう参照光及
び被検光は、偏光ビームスプリッタ14を出射した直後
は偏光方位が互いに直交する光なので干渉を起こさない
が、2つの偏光方位から略45度主軸を傾けた偏光子2
1を通過することにより、偏光方位が一致して干渉を起
こす。この結果、干渉した2つの光はその光波面の位相
が一致するときは強め合い、位相差が180度のときは
弱め合うために、波面の形状に応じた干渉縞パターンが
形成され、適切な結像レンズ22により倍率と結像関係
が満足される状態で、二次元画像検出装置23の撮像面
上に投影される。
Since the reference light and the test light which are directed to the two-dimensional image detecting device 23 are lights having polarization directions orthogonal to each other immediately after they are emitted from the polarization beam splitter 14, they do not cause interference, but approximately 45 degrees from the two polarization directions. Polarizer with tilted main axis 2
Passing 1 causes the polarization directions to coincide with each other, causing interference. As a result, the two light beams that have interfered with each other strengthen each other when the phases of the light wavefronts thereof coincide with each other, and weaken each other when the phase difference is 180 degrees, so that an interference fringe pattern corresponding to the shape of the wavefront is formed, and an appropriate pattern is formed. The image is formed on the imaging surface of the two-dimensional image detecting device 23 in a state where the magnification and the image forming relationship are satisfied by the image forming lens 22.

【0022】この干渉縞画像は二次元画像検出装置23
に検知され、画像入力手段24において1画面分のデジ
タルデータに変換された後に、前処理手段25で必要に
応じて時間的平均、空間的平均、背景ノイズ除去、カメ
ラ感度むら補正、不要領域マスキング等の前処理が行わ
れる。そして、前処理の完了した画像は乗算器26にお
いて、参照画像メモリ27のデータとビデオレートで対
応する画素毎に乗算が行われる。
This interference fringe image is a two-dimensional image detecting device 23.
Is detected by the image input means 24 and converted into digital data for one screen by the image input means 24, and then the preprocessing means 25, if necessary, temporal average, spatial average, background noise removal, camera sensitivity unevenness correction, unnecessary area masking. And the like are preprocessed. Then, the preprocessed image is multiplied in the multiplier 26 for each pixel corresponding to the data in the reference image memory 27 at the video rate.

【0023】いま、二次元画像検出装置で使われるCC
Dカメラの水平方向をx、垂直方向をyとしたときに、
x方向に高い空間周波数Vを有する参照画像を用意すれ
ば、参照画像及び入力画像の輝度信号Ir、Isはそれぞれ
次式で表すことができる。
CC used in a two-dimensional image detecting device now
When the horizontal direction of the D camera is x and the vertical direction is y,
If a reference image having a high spatial frequency V in the x direction is prepared, the luminance signals Ir and Is of the reference image and the input image can be expressed by the following equations.

【0024】 Ir=Asin(Vx+P)+R …(6) Is=Bsin(Wx+Q)+S …(7) [0024]     Ir = Asin (Vx + P) + R (6)     Is = Bsin (Wx + Q) + S (7)

【0025】ここで、A、Bはそれぞれ参照画像、入力
画像の輝度振幅、Vx、Wxはそれぞれ参照画像、入力
画像のx方向の空間周波数、P、Qはそれぞれ参照画
像、入力画像の初期位相、R、Sはそれぞれ参照画像、
入力画像のバイアス成分である。
Here, A and B are the reference image and the luminance amplitude of the input image, Vx and Wx are the reference image and the spatial frequency of the input image in the x direction, P and Q are the reference image and the initial phase of the input image, respectively. , R, S are reference images,
It is the bias component of the input image.

【0026】ここで、式(6) 、(7) を乗算器27で乗算
すると次のように計算される。
Here, when the equations (6) and (7) are multiplied by the multiplier 27, the following calculation is performed.

【0027】 I=Ir・Is=A・Bsin(Vx+P)・sin(Wx+Q)+A・Ssin(Vx+P )+BRsin(Wx+Q)+RS =(A・B/2)[cos{(V−X)x+P−Q} −cos{( V+W)x+P+ Q}]+A・Ssin(Vx+P)+B・Rsin(Wx+Q)+R・S …(8) [0027]     I = Ir ・ Is = A ・ Bsin (Vx + P) ・ sin (Wx + Q) + A ・ Ssin (Vx + P) ) + BRsin (Wx + Q) + RS       = (A · B / 2) [cos {(V−X) x + P−Q} −cos {(V + W) x + P + Q}] + A ・ Ssin (Vx + P) + B ・ Rsin (Wx + Q) + R ・ S (8)

【0028】この式(8) は、V−W、V+W、V、Wの
4つの空間周波数を含む画像となり、このままでは、複
雑な縞パターンを含んでいるために直感的な理解が難し
いのでローパスフィルタ28においてフィルタリングが
行われる。
This expression (8) is an image containing four spatial frequencies of V-W, V + W, V, and W. If it is left as it is, it is difficult to intuitively understand because it contains a complicated fringe pattern, so that it is low-pass. Filtering is performed in the filter 28.

【0029】即ち、ローパスフィルタ28のカットオフ
周波数を例えば縞n本/画面に設定しておき、参照画
像、入力画像のx方向の空間周波数Vx、Wxが縞n本
/画面以上となるように調整すれば、このローパスフィ
ルタ28の作用によってV、W、V+Wの周波数成分は
カットされ、差周波数のV−Wの信号のみがローパスフ
ィルタ28を通過することになり、テレビモニタ29で
観察される画像は次式のようになる。
That is, the cut-off frequency of the low-pass filter 28 is set to, for example, n stripes / screen so that the spatial frequencies Vx and Wx in the x direction of the reference image and the input image are n stripes / screen or more. If adjusted, the action of the low-pass filter 28 cuts the frequency components of V, W, and V + W, and only the V-W signal of the difference frequency passes through the low-pass filter 28, which is observed on the television monitor 29. The image looks like this:

【0030】 Im=(A・B/2)cos {(V‐W)x+P−Q} +R・S …(9) [0030]     Im = (A ・ B / 2) cos {(V−W) x + P−Q} + R · S (9)

【0031】以上の調整は、実際には参照画像のx方向
の空間周波数Vをローパスフィルタ28のカットオフ周
波数に応じて縞n本/画面以上にしておき、検査作業者
がテレビモニタ29上で最も縞を粗く出すように干渉計
のワークホルダ17又は参照ミラーホルダ20の微動機
構を調整して、入力画像の空間周波数Wを参照画像の空
間周波数Vに一致させることにより達成することができ
る。この操作はテレビモニタ29の映像を見ていると、
通常の干渉計で干渉縞を粗く出すようにアライメントす
る作業とほぼ同じであり、作業者は違和感なく操作する
ことができる。
In the above adjustment, the spatial frequency V in the x direction of the reference image is actually set to n stripes / screen or more according to the cutoff frequency of the low-pass filter 28, and the inspection operator sets it on the television monitor 29. This can be achieved by adjusting the fine movement mechanism of the work holder 17 or the reference mirror holder 20 of the interferometer so that the fringes appear most coarsely so that the spatial frequency W of the input image matches the spatial frequency V of the reference image. This operation, when watching the image on the TV monitor 29,
This is almost the same as the alignment work performed by an ordinary interferometer so that the interference fringes are roughly produced, and the operator can operate it without feeling discomfort.

【0032】図2はフィルタリング処理を行うローパス
フィルタ28のブロック回路構成図を示し、入力ビデオ
信号VIは輝度/同期分離回路28a、フィルタ回路28
b、輝度/同期合成回路28cを介してビデオ信号VOが
得られるようになっており、輝度/同期分離回路28a
からの同期信号SSが輝度/同期合成回路28cに出力さ
れている。
FIG. 2 shows a block circuit configuration diagram of a low-pass filter 28 which performs a filtering process. The input video signal VI is a luminance / sync separation circuit 28a and a filter circuit 28.
b, the video signal VO is obtained via the luminance / synchronization synthesis circuit 28c, and the luminance / synchronization separation circuit 28a
The sync signal SS from is output to the luminance / sync synthesizing circuit 28c.

【0033】図3はフィルタリング処理の電気信号のタ
イムチャート図を示し、例えばNTSC規格のビデオ信
号の場合には、水平方向の走査周波数はFh=15.73
4kHz なので、n本/画面の縦縞をフィルタリングす
るためには、Fh・nのカットオフ周波数を有するローパ
スフィルタ28を使用すればよい。いま、nを50本/
画面とすれば、ローパスフィルタ28のカットオフ周波
数はFc=Fh・n=15.734×50=786.7kH
z とすればよいので、これに対して適切な電気処理回路
を構成すれば容易にフィルタリング処理を行うことがで
きる。
FIG. 3 shows a time chart of an electric signal in the filtering process. For example, in the case of an NTSC standard video signal, the horizontal scanning frequency is Fh = 15.73.
Since the frequency is 4 kHz, the low-pass filter 28 having a cut-off frequency of Fh · n may be used to filter the vertical stripes of n lines / screen. Now, 50 / n
On the screen, the cutoff frequency of the low-pass filter 28 is Fc = Fh · n = 15.734 × 50 = 786.7 kHz.
Since z may be set, the filtering process can be easily performed by configuring an appropriate electric processing circuit.

【0034】ただし、現実のビデオ信号VIには同期信号
SSが複合しているために、一旦輝度/同期分離回路28
aにおいて輝度信号BSと同期信号SSを分離した後に、輝
度信号BSのみにフィルタ回路28bでフィルタリングを
行って輝度信号BFとし、輝度/同期合成回路28cにお
いて再び同期信号SSと合成してビデオ信号VOとしてテレ
ビモニタ30に送る必要がある。
However, in the actual video signal VI, the synchronization signal
Since SS is compounded, the brightness / sync separation circuit 28
After the luminance signal BS and the synchronizing signal SS are separated in a, the luminance circuit BS filters only the luminance signal BS to obtain the luminance signal BF, and the luminance / synchronization synthesizing circuit 28c synthesizes the luminance signal BS with the synchronizing signal SS again to synthesize the video signal VO. Need to be sent to the television monitor 30.

【0035】被測定物が球面や平面等の単純な形状であ
れば、参照画像として単純な直線縞パターンを用いて形
状の検査が可能であるが、大きな非球面量の被測定ワー
クTに対して、ヌルレンズ16で設計上ほぼ被測定ワー
クTの非球面形状に一致する非球面波を発生させるため
には、ヌルレンズ16の設計、製作を波長オーダ以下で
行うことが必要で、これは非常に困難でありかつコスト
も高くなる。一方、ヌルレンズ16が完全でないと、検
査作業者は歪んだ縞パターンを見て被測定ワークTの良
否を判断することになり、精度の高い判定は不可能であ
る。
If the object to be measured has a simple shape such as a spherical surface or a flat surface, the shape can be inspected by using a simple linear stripe pattern as a reference image. In order for the null lens 16 to generate an aspherical wave that substantially matches the aspherical shape of the workpiece T to be measured by design, it is necessary to design and manufacture the null lens 16 within the wavelength order, which is extremely small. Difficult and costly. On the other hand, if the null lens 16 is not perfect, the inspection operator will judge the quality of the work T to be measured by looking at the distorted fringe pattern, and it is impossible to make a highly accurate judgment.

【0036】このために、ヌルレンズ16が有する誤差
を予め評価しておき、その誤差に応じたパターンを参照
画像データに変換して参照画像メモリ27に書き込んで
おくことにより、画像演算の結果として表示されるテレ
ビモニタ29上の縞パターンが、純粋な被測定ワークT
が有する形状誤差を表現することになる。このようにし
て、検査作業者は歪みの無い直線縞パターンを理想とし
て測定される干渉縞を判定することができるので、通常
の球面、平面の検査と変わらない作業を実施して、高精
度な非球面量の判定を行うことが可能となる。
Therefore, the error of the null lens 16 is evaluated in advance, and a pattern corresponding to the error is converted into reference image data and written in the reference image memory 27, so that the result is displayed as the result of the image calculation. The stripe pattern on the TV monitor 29 that is used is a pure work T to be measured.
Will represent the shape error. In this way, the inspection operator can determine the interference fringes that are measured with the ideal straight fringe pattern having no distortion, so that the inspection operator can perform the same work as the inspection of a normal spherical surface or a flat surface, and perform high-precision operation. It is possible to determine the amount of aspherical surface.

【0037】このヌルレンズ19の誤差を予め評価する
手段としては、例えば別の測定器によって高精度である
ことが保証された非球面マスタワークを本装置に搭載
し、このときヌルレンズ16を通して観測される乗算前
の画像を参照画像メモリ27に保存して、通常の測定で
使用することが考えられる。
As means for preliminarily evaluating the error of the null lens 19, for example, an aspherical master work whose accuracy is assured by another measuring device is mounted on this apparatus, and at this time, it is observed through the null lens 16. It is conceivable to save the image before multiplication in the reference image memory 27 and use it in normal measurement.

【0038】なお、二次元画像検出手段23はCCDカ
メラだけでなく、ビジコンなどの光電撮像管、一次元C
CDの走査装置等でもよく、また画像入力手段25は各
種の撮像手段に対して信号の整合をとるインタフェース
機能を含んでいてもよく、更に参照画像メモリ28はビ
デオレートよりも遅い読出し速度の記憶手段でもよい。
The two-dimensional image detecting means 23 is not limited to a CCD camera, but a photoelectric pickup tube such as a vidicon, a one-dimensional C
It may be a CD scanning device or the like, the image input means 25 may include an interface function for matching signals with various image pickup means, and the reference image memory 28 stores a read speed slower than the video rate. Means may be used.

【0039】また、乗算器26はモアレ縞を観測するだ
けの場合には、加算器又は減算器で置き換えて使用して
もよく、ローパスフィルタ28はコンデンサ、抵抗、演
算増幅器からなるアナログフィルタ、高速計算機による
デジタルフィルタ等を使用することもでき、カットオフ
周波数は固定でも可変でも支障はない。また、ヌルレン
ズ16は計算機ホログラム素子(CGH)等の光の回折
現象を応用して任意の光波面を発生させる特殊光学素子
でもよい。
Further, the multiplier 26 may be replaced with an adder or subtractor when only observing Moire fringes, and the low-pass filter 28 is an analog filter including a capacitor, a resistor, an operational amplifier, and a high speed. It is also possible to use a computer-based digital filter or the like, and there is no problem even if the cutoff frequency is fixed or variable. The null lens 16 may be a special optical element such as a computer generated hologram element (CGH) that applies an optical diffraction phenomenon to generate an arbitrary light wavefront.

【0040】図4は第2の実施例の構成図を示し、図1
と同じ記号は同じ部材を表している。本実施例において
は、光の波面形態をそれぞれの所定形状に変換する複数
のヌルレンズ16a、16b、・・・、16nを設計製
作し、ストッカ30にストックして必要に応じて光路中
に供給可能とされている。また、前処理手段25の出力
は測定時のモードを切換えるモード切換スイッチを有す
るビデオ分岐手段31において2系統に分割され、一方
の出力は第1の実施例と同様の処理を行うように乗算器
27、ローパスフィルタ28、テレビモニタ29に順次
に接続されている。一方、他方の出力は測定や前処理を
行った画像を一旦記憶する入力画像メモリ32、位相解
析処理やグラフィック処理をシリアルに行う汎用のコン
ピュータ33に接続されている。更に、予め複数の参照
画像データを保存するデータ保存手段34が設けられ、
データ保存手段34の出力は参照画像メモリ26、コン
ピュータ33にそれぞれ接続されている。
FIG. 4 is a block diagram of the second embodiment, and FIG.
The same symbol as represents the same member. In this embodiment, a plurality of null lenses 16a, 16b, ..., 16n for converting the wavefront form of light into respective predetermined shapes are designed and manufactured, and the null lenses 16a, 16b, ..., 16n can be stocked in the stocker 30 and supplied into the optical path as needed. It is said that. Further, the output of the preprocessing means 25 is divided into two systems by the video branching means 31 having a mode changeover switch for changing over the mode at the time of measurement, and one output is multiplied by the same processing as that of the first embodiment. 27, a low pass filter 28, and a television monitor 29 are sequentially connected. On the other hand, the other output is connected to an input image memory 32 for temporarily storing an image subjected to measurement and preprocessing, and a general-purpose computer 33 for serially performing phase analysis processing and graphic processing. Further, a data storage means 34 for storing a plurality of reference image data in advance is provided,
The output of the data storage means 34 is connected to the reference image memory 26 and the computer 33, respectively.

【0041】発生した干渉縞画像は二次元画像検出装置
23で検知され、画像入力手段24において1画面分の
デジタルデータに変換された後に、前処理手段25にお
いて必要に応じて前処理が行われ、前処理後の画像信号
はビデオ分岐手段31においてアライメントモードと検
出モードに分岐され、ビデオ分岐手段31のa側におい
て参照面と被測定面のアライメント処理が行われる。な
お、通常の干渉計によるアライメントが干渉縞を粗く出
すことを目的としているのに対し、電子モアレ法では予
め決めておいた空間周波数Vに相当する多数の縞を出す
ことを目的としているために、特別な処理を行う必要が
あるので、アライメントモードはビデオ分岐手段31の
a側で実施する。
The generated interference fringe image is detected by the two-dimensional image detection device 23, converted into digital data for one screen by the image input means 24, and then preprocessed by the preprocessing means 25 if necessary. The pre-processed image signal is branched into an alignment mode and a detection mode in the video branching unit 31, and the reference surface and the measured surface are aligned on the a side of the video branching unit 31. It should be noted that, while the alignment by a normal interferometer is intended to roughly produce interference fringes, the electronic moire method is intended to produce a large number of fringes corresponding to a predetermined spatial frequency V. Since it is necessary to perform special processing, the alignment mode is performed on the side a of the video branching unit 31.

【0042】前処理が完了した画像は、予め選択してい
るヌルレンズ16の種類に応じてロードしておいた参照
画像メモリ26のデータと、ビデオレートで対応する画
素毎に乗算器27において乗算が行われる。
The image for which the preprocessing is completed is multiplied by the data in the reference image memory 26 loaded according to the type of the null lens 16 selected in advance, in the multiplier 27 for each pixel corresponding to the video rate. Done.

【0043】第1の実施例と同様に、参照画像、入力画
像の輝度信号Ir、Isはそれぞれ式(6) 、(7) で表され、
乗算器27で演算されて式(8) となる。ここで、ローパ
スフィルタ28のカットオフ周波数を参照画像の空間周
波数Vより稍々低い値に設定しておくと、ローパスフィ
ルタ28の作用により差周波数のV−Wの信号のみが通
過することになり、テレビモニタ29で観察される画像
は第1の実施例と同様に式(9) となる。従って、テレビ
モニタ29上で最も縞を粗く出すように干渉計を調整す
れば、入力画像の空間周波数Wを参照画像の空間周波数
Vに一致させることになり、電子モアレ法におけるアラ
イメントの目的が達成される。
Similar to the first embodiment, the luminance signals Ir and Is of the reference image and the input image are expressed by the equations (6) and (7), respectively.
It is calculated by the multiplier 27 and becomes the formula (8). Here, if the cutoff frequency of the low-pass filter 28 is set to a value that is slightly lower than the spatial frequency V of the reference image, the action of the low-pass filter 28 allows only the V-W signal of the difference frequency to pass. The image observed on the television monitor 29 is given by the equation (9) as in the first embodiment. Therefore, if the interferometer is adjusted so that the stripes appear most coarsely on the television monitor 29, the spatial frequency W of the input image matches the spatial frequency V of the reference image, and the purpose of alignment in the electronic moire method is achieved. To be done.

【0044】この式(9) において、V−Wが0に近くな
ると、参照画像と入力画像の位相差P−Qが縞となって
現れるために、縞模様から概略の波面誤差や屈折率分布
を視覚的に認識することができる。
In this equation (9), when V-W is close to 0, the phase difference P-Q between the reference image and the input image appears as a stripe, so that the wavefront error and the refractive index distribution are approximated from the stripe pattern. Can be visually recognized.

【0045】アライメントが完了した段階で、ビデオ分
岐手段31のb側の検出モードの処理に移り、検出モー
ドでは前処理の完了した画像が入力画像メモリ13に1
画面分だけ保存される。1画面のシャッタ速度は、通常
のCCDカメラでは1/30〜1/1,000秒程度で
あり、特殊なカメラやパルス発光レーザー光源を使用す
れば、1/1,000,000秒以下の短い時間で干渉
縞を凍結させて検出することが可能である。このように
して、測定すべき画像を瞬間的に捉えれば、後の演算処
理は演算モードで徐々に行ってもよい。
When the alignment is completed, the process moves to the detection mode on the b side of the video branching means 31. In the detection mode, the preprocessed image is stored in the input image memory 13 as 1
Only the screen is saved. The shutter speed for one screen is about 1/30 to 1/1000 seconds in a normal CCD camera, and is 1 / 1,000,000 seconds or less if a special camera or pulse emission laser light source is used. It is possible to freeze and detect interference fringes over time. In this way, if the image to be measured is captured instantaneously, the subsequent arithmetic processing may be gradually performed in the arithmetic mode.

【0046】図5は演算処理のフローチャート図を示
し、演算モードは入力画像メモリ32のデータと予め用
意されたデータ保存手段34に保存してある複数の参照
画像データとの演算処理を、汎用のコンピュータ33で
処理するモードである。
FIG. 5 shows a flow chart of the calculation processing. The calculation mode is a general-purpose calculation processing of the data of the input image memory 32 and the plurality of reference image data stored in the data storage means 34 prepared in advance. This is a mode for processing by the computer 33.

【0047】先ず、ステップS1で入力画像データを入力
画像メモリ32からロードし、次にステップS2で選択し
たヌルレンズ16aに応じた第1の参照画像データD1
を、データ保存装置手段34の一部からロードする。こ
のとき、参照画像データD1にはアライメントモードで用
いた参照画像データと同じ空間周波数Vを有する縞模様
が記録されている。
First, in step S1, the input image data is loaded from the input image memory 32, and then the first reference image data D1 corresponding to the null lens 16a selected in step S2.
Is loaded from a part of the data storage device means 34. At this time, a striped pattern having the same spatial frequency V as the reference image data used in the alignment mode is recorded in the reference image data D1.

【0048】参照画像データD1、入力画像メモリ32の
データの輝度信号Ir1 、Isはそれぞれ式(6) 、(7) と同
様にして次式のようになる。
The luminance signals Ir1 and Is of the reference image data D1 and the data of the input image memory 32 are expressed by the following equations similarly to the equations (6) and (7).

【0049】 Ir1 =Asin(Vx+P1)+R …(10) Is=Bsin(Wx+Q)+S …(11)[0049]     Ir1 = Asin (Vx + P1) + R (10)     Is = Bsin (Wx + Q) + S (11)

【0050】ステップS3、S4で式(10)、(11)を画像間の
乗算及びローパスフィルタ処理を行えば、式(8) 、(9)
と同じ計算が成立するので、輝度分布画像Im1 は次のよ
うに計算される。
If the equations (10) and (11) are multiplied by the images and the low-pass filtering is performed in steps S3 and S4, the equations (8) and (9) are obtained.
Since the same calculation is established as, the brightness distribution image Im1 is calculated as follows.

【0051】 Im1=(A・B/2)cos{( V−W)x+P1−Q} +R・S …(12)[0051]     Im1 = (A · B / 2) cos {(V−W) x + P1−Q} + R · S (12)

【0052】x方向の空間周波数(V−W)は、アライ
メントモードにより0又は十分小さい状態に調整されて
いるので、輝度分布画像Im1 は次のようになる。
Since the spatial frequency (V-W) in the x direction is adjusted to 0 or a sufficiently small state by the alignment mode, the brightness distribution image Im1 becomes as follows.

【0053】 Im1 =(A・B/2)cos(P1−Q) +R・S …(13)[0053]     Im1 = (A ・ B / 2) cos (P1−Q) + R ・ S (13)

【0054】そして、ステップS5でこの計算結果を一次
保存する。また、参照画像データは予め複数用意されて
おり、それぞれのデータは同じ空間周波数分布の縞パタ
ーンであるが、初期位相が少しずつずれたデータとなっ
ており、次のような一連のデータが記録されている。
Then, in step S5, the calculation result is temporarily stored. A plurality of reference image data are prepared in advance, and each data has a stripe pattern with the same spatial frequency distribution, but the initial phase is slightly shifted, and the following series of data is recorded. Has been done.

【0055】 Ir1 =Asin(Vx+P1)+R Ir2 =Asin(Vx+P2)+R ・ ・ Irn =Asin(Vx+Pn)+R …(14)[0055]     Ir1 = Asin (Vx + P1) + R     Ir2 = Asin (Vx + P2) + R                     ・                     ・     Irn = Asin (Vx + Pn) + R (14)

【0056】従って、ステップS6、S7でそれぞれの参照
面像データと入力画像データを乗算及びローパスフィル
タ処理のループにより処理すれば、式(13)と同様の結果
が得られ、次のような輝度分布画像Im1 〜Imn となる。
Therefore, if the reference plane image data and the input image data are processed by the loop of multiplication and low-pass filter processing in steps S6 and S7, the same result as the expression (13) is obtained, and the following brightness is obtained. The distribution images are Im1 to Imn.

【0057】 Im1 =(A・B/2)cos(P1−Q) +R・S Im2 =(A・B/2)cos(P2−Q) +R・S ・ ・ Imn =(A・B/2)cos(Pn−Q) +R・S …(15)[0057]     Im1 = (AB / 2) cos (P1-Q) + RS     Im2 = (A / B / 2) cos (P2-Q) + R / S                     ・                     ・     Imn = (A ・ B / 2) cos (Pn−Q) + R ・ S (15)

【0058】干渉縞の初期位相分布を計算する手法とし
てバケット法が広く知られており、これは正弦波状に変
化する信号の初期位相を3点以上の代表点データから計
算する手法であり、代表点データの位相差を適切に選択
することにより簡単な四則演算で初期位相を求めること
ができる。従って、ステップS8でバケット法に基づく位
相計算を行う。
The bucket method is widely known as a method for calculating the initial phase distribution of interference fringes. This is a method for calculating the initial phase of a signal that changes in a sinusoidal shape from data of three or more representative points. By appropriately selecting the phase difference of the point data, the initial phase can be obtained by simple arithmetic operations. Therefore, in step S8, the phase calculation based on the bucket method is performed.

【0059】いま各代表点のデータを次式のように表
す。
Now, the data of each representative point is expressed by the following equation.

【0060】 I1=Kcos(θ+φ1 )+L I2=Kcos(θ+φ2 )+L ・ ・ In=Kcos(θ+φn )+L …(16)[0060]     I1 = Kcos (θ + φ1) + L     I2 = Kcos (θ + φ2) + L                     ・                     ・     In = Kcos (θ + φn) + L (16)

【0061】ここで、Kは信号の振幅、Lは信号のオフ
セット、φn は位相差、θは求める初期位相である。
Here, K is the amplitude of the signal, L is the offset of the signal, φn is the phase difference, and θ is the initial phase to be obtained.

【0062】例えば、n=3、φ1 =π/4、φ2 =3
π/4、φ3 =5π/4と選べば、次式のようになる。
For example, n = 3, φ1 = π / 4, φ2 = 3
If π / 4 and φ3 = 5π / 4 are selected, the following equation is obtained.

【0063】 I1=Kcos(θ+π/4)+L=(K/√2)( cosθ−sin θ)+L I2=Kcos(θ+3π/4)+L=(K/√2)(− cosθ− sinθ)+L I3=Kcos(θ+5π/4)+L=(K/√2)(− cosθ+ sinθ)+L …(17)[0063]     I1 = K cos (θ + π / 4) + L = (K / √2) (cos θ−sin θ) + L     I2 = Kcos (θ + 3π / 4) + L = (K / √2) (− cos θ− sin θ) + L     I3 = Kcos (θ + 5π / 4) + L = (K / √2) (− cosθ + sinθ) + L                                                                 … (17)

【0064】従って、 cosθ、 sinθは次式のように表
すことができる。
Therefore, cos θ and sin θ can be expressed by the following equations.

【0065】 cosθ=(I1−I2)/(K√2) sinθ=(I3−I4 )/(K√2) …(18)[0065]      cos θ = (I1-I2) / (K√2)      sin θ = (I3−I4) / (K√2) (18)

【0066】そして、初期位相θは次式のようになる。The initial phase θ is given by the following equation.

【0067】 θ=tan-1( sinθ/ cosθ)=tan-1{(I3−I2)/(I1−I2)} …(19)Θ = tan −1 (sin θ / cos θ) = tan −1 {(I3−I2) / (I1−I2)} (19)

【0068】このようにして、振幅KとオフセットLの
影響を消去することができ、初期位相θを求めることが
できる。
In this way, the influence of the amplitude K and the offset L can be eliminated, and the initial phase θ can be obtained.

【0069】n=4、5、…に対応して適切な位相差φ
n を与えることにより、簡単な四則演算とtan-1 の演算
で初期位相θが計算できることが知られており、一般に
nが大きい程測定精度は高くなる。従って、式(15)で表
される本実施例の中間データからも、同様のバケット法
に基づく位相演算によって位相分布を計算することがで
きる。
An appropriate phase difference φ corresponding to n = 4, 5, ...
It is known that by giving n, the initial phase θ can be calculated by simple four arithmetic operations and tan −1 operation. Generally, the larger n is, the higher the measurement accuracy becomes. Therefore, the phase distribution can be calculated by the phase calculation based on the similar bucket method from the intermediate data of the present embodiment represented by the equation (15).

【0070】また、tan-1 の演算で計算された位相分布
は±π/2の範囲しか表現できない。従って、この範囲
を超える位相分布がある場合には、本来では滑らかなは
ずのデータが不連続に見えるので、ステップS9で位相継
ぎ処理という不連続解消の処理を行う。更に、ステップ
S10 、S11 で必要に応じて立体図、等高線図、任意断面
表示等の視覚化処理、直交多項式フィット等のデータ縮
小処理を行うことによって、測定者に理解できる情報と
して表示する。
Further, the phase distribution calculated by the calculation of tan −1 can express only the range of ± π / 2. Therefore, if there is a phase distribution that exceeds this range, the originally supposedly smooth data looks discontinuous, so in step S9, discontinuity elimination processing called phase splicing processing is performed. Further steps
In S10 and S11, if necessary, visualization processing such as stereoscopic drawing, contour drawing, arbitrary section display, etc., and data reduction processing such as orthogonal polynomial fitting, etc., are displayed as information that can be understood by the measurer.

【0071】異なる設計形状の被測定非球面ワークTを
測定する場合には、ヌルレンズ16を適切なものに交換
し、それに応じた参照画像データをデータ保存手段34
からコンピュータ33及び参照画像メモリ26にロード
し、同様の手順で測定を行えばよい。
When measuring an aspherical workpiece T to be measured having a different design shape, the null lens 16 is replaced with an appropriate one, and the reference image data corresponding thereto is stored in the data storage means 34.
From the computer 33 to the reference image memory 26, and the measurement may be performed in the same procedure.

【0072】なお、本実施例においても二次元画像検出
手段23はビジコン等の光電撮像管や一次元CCDの走
査装置でもよく、またアライメントが完了した後の検出
モードでは、これらの光電変換手段で撮像されたものを
記録したビデオ装置や、銀塩カメラで撮像されたものを
スキャナ装置等で読み取って、電気信号に変換したデー
タも使用可能である。更に、ビデオ分岐手段31は分配
器ではなく、入力画像をアライメント側と検出側に切換
えるスイッチでもよく、参照画像データを保存するデー
タ保存手段34は、半導体メモリ装置、ハードディスク
装置、光磁気記憶装置、磁気テープ記録装置などが使用
可能である。
Also in this embodiment, the two-dimensional image detecting means 23 may be a photoelectric image pickup tube such as a vidicon or a one-dimensional CCD scanning device, and in the detection mode after alignment is completed, these photoelectric conversion means are used. It is also possible to use a video device that records the captured image, or data that is captured by a silver salt camera and read by a scanner device or the like and converted into an electrical signal. Further, the video branching means 31 may be a switch for switching the input image between the alignment side and the detection side instead of the distributor, and the data storage means 34 for storing the reference image data may be a semiconductor memory device, a hard disk device, a magneto-optical storage device, A magnetic tape recorder or the like can be used.

【0073】[0073]

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る非球面
測定方法及び装置は、大非球面量を有する被測定物を光
学波面変換素子を用いて観測可能なレベルにまで干渉縞
の空間周波数分布範囲を下げた後に、参照画像として使
用する光学波面変換素子が有する誤差を表示する電子モ
アレ法を適用することにより、直感的に形状の良否を判
定することができ、使用する光学波面変換素子を高精度
に製作する必要がないために、安価なシステムとするこ
とができる。また、適切なデータ解析用コンピュータを
接続して、適切な演算を行うことにより、数値データと
して非球面ワークの形状誤差を表示することが可能であ
り、更に多数の非球面形状を測定する必要があるときで
も、それぞれの形状に応じた光学波面変換素子に交換し
て、それぞれの光学波面変換素子が有する誤差を予め保
存してある対応する参照画像データを呼び出すだけで測
定可能なシステムを形成することができる。
As described above, the aspherical surface measuring method and apparatus according to the present invention can measure the spatial frequency of the interference fringes to a level at which an object having a large amount of aspherical surface can be observed using the optical wavefront conversion element. By applying the electronic moire method of displaying the error of the optical wavefront conversion element used as the reference image after reducing the distribution range, the quality of the shape can be intuitively determined, and the optical wavefront conversion element used Since it is not necessary to manufacture with high precision, an inexpensive system can be obtained. Also, by connecting an appropriate data analysis computer and performing appropriate calculations, it is possible to display the shape error of the aspherical workpiece as numerical data, and it is necessary to measure more aspherical shapes. Even at a certain time, it is possible to form a system that can be measured simply by replacing the optical wavefront conversion element according to each shape and calling the corresponding reference image data in which the error of each optical wavefront conversion element is stored in advance. be able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1の実施例の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment.

【図2】ローパスフィルタのブロック回路構成図であ
る。
FIG. 2 is a block circuit configuration diagram of a low-pass filter.

【図3】フィルタリング処理信号のタイムチャート図で
ある。
FIG. 3 is a time chart diagram of a filtering processed signal.

【図4】第2の実施例の構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of a second embodiment.

【図5】2値化データ処理のフローチャート図である。FIG. 5 is a flowchart of a binarized data process.

【図6】従来例のブロック回路構成図である。FIG. 6 is a block circuit configuration diagram of a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 コヒーレント光発振器 11 偏光変換手段 14 偏光ビームスプリッタ 15、18 1/4波長板 16、16a〜16n 光学波面変換素子 19 参照ミラー 21 偏光子 23 二次元画像検出手段 24 画像入力手段 25 前処理手段 26 参照画像メモリ 27 乗算器 28 ローパスフィルタ 29 テレビモニタ 31 ビデオ信号分岐手段 32 入力画像メモリ 33 コンピュータ 34 データ保存手段 10 Coherent optical oscillator 11 Polarization conversion means 14 Polarizing beam splitter 15, 18 1/4 wave plate 16, 16a to 16n Optical wavefront conversion element 19 Reference mirror 21 Polarizer 23 Two-dimensional image detection means 24 Image input means 25 Pretreatment means 26 Reference image memory 27 multiplier 28 Low-pass filter 29 TV monitor 31 video signal branching means 32 Input image memory 33 computers 34 Data storage means

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 大きな非球面量を有する被測定光学素子
の形状を測定する非球面形状測定方法において、前記被
測定光学素子の非球面形状と略一致する光波面を光学波
面変換素子により発生し、多数の干渉縞により空間的な
搬送波を生ずる被測定干渉縞画像と、前記搬送波の空間
周波数と略等しい周波数を有しかつ初期位相が異なる複
数の参照画像とを演算することにより、前記被測定干渉
縞画像の位相分布を電子モアレ法により測定し、前記光
学波面変換素子が発生する光波面と、前記被測定光学素
子の非球面形状との差に相当する微小な形状誤差パター
ンを、前記電子モアレ法による干渉縞位相解析の参照画
像として書き込むことにより、被測定光学素子の非球面
形状のヌルテストを行うことを特徴とする非球面形状測
定方法。
1. An aspherical surface shape measuring method for measuring a shape of an optical element to be measured having a large amount of aspherical surface, wherein an optical wavefront converting element generates an optical wavefront that substantially matches the aspherical surface shape of the optical element to be measured. , An interference fringe image to be measured which produces a spatial carrier wave by a large number of interference fringes, and a plurality of reference images having a frequency substantially equal to the spatial frequency of the carrier wave and having different initial phases, The phase distribution of the interference fringe image is measured by an electronic moire method, and a minute shape error pattern corresponding to the difference between the optical wavefront generated by the optical wavefront conversion element and the aspherical shape of the optical element under measurement is measured by the electronic An aspherical surface shape measuring method characterized by performing a null test of an aspherical surface shape of an optical element to be measured by writing it as a reference image for interference fringe phase analysis by the Moire method.
【請求項2】 前記光学波面変換素子は1個以上の球面
レンズを組み合わせた構成のヌルレンズとした請求項1
に記載の非球面形状測定方法。
2. The null lens having a structure in which one or more spherical lenses are combined as the optical wavefront conversion element.
The aspherical surface shape measuring method described in.
【請求項3】 前記光学波面変換素子は計算機ホログラ
ム素子とした請求項1に記載の非球面形状測定方法。
3. The aspherical surface shape measuring method according to claim 1, wherein the optical wavefront conversion element is a computer generated hologram element.
【請求項4】 大きな非球面量を有する被測定光学素子
の非球面形状に略一致する光波面を発生する光学波面変
換素子を有し、多数の干渉縞により空間的な搬送波を生
ずる被測定干渉縞画像と、前記搬送波と略等しい周波数
を有しかつ初期位相が異なる複数の参照画像とを電子モ
アレ法干渉縞位相解析により演算して、前記被測定干渉
縞画像の位相分布を測定する非球面形状測定装置におい
て、前記電子モアレ法干渉縞位相解析における参照画像
データとして、前記光学波面変換素子が発生する光波面
と前記被測定光学素子の非球面形状との差に相当する微
小な形状誤差パターンを書き込む書込手段により、前記
被測定光学素子の非球面形状のヌルテストを行うことを
特徴とする非球面形状測定装置。
4. An interference to be measured which has an optical wavefront conversion element for generating an optical wavefront substantially matching the aspherical shape of the optical element to be measured having a large amount of aspherical surface, and which produces a spatial carrier wave by a large number of interference fringes. An aspherical surface for measuring the phase distribution of the interference fringe image to be measured by calculating a fringe image and a plurality of reference images having substantially the same frequency as the carrier wave and different initial phases by electronic moire method interference fringe phase analysis. In the shape measuring apparatus, as reference image data in the electronic moiré method interference fringe phase analysis, a minute shape error pattern corresponding to the difference between the optical wavefront generated by the optical wavefront conversion element and the aspherical shape of the measured optical element. An aspherical surface shape measuring apparatus, characterized in that a nulling test of the aspherical surface shape of the optical element to be measured is performed by a writing means for writing.
【請求項5】 前記光学波面変換素子は1個以上の球面
レンズを組み合わせた構成のヌルレンズとした請求項4
に記載の非球面形状測定装置。
5. The null lens having a configuration in which one or more spherical lenses are combined as the optical wavefront conversion element.
The aspherical surface shape measuring apparatus according to.
【請求項6】 前記光学波面変換素子は計算機ホログラ
ム素子とした請求項4に記載の非球面形状測定装置。
6. The aspherical surface shape measuring apparatus according to claim 4, wherein the optical wavefront conversion element is a computer generated hologram element.
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