JP3540004B2 - 斜入射干渉計 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、光波干渉を利用することにより非接触で三次元形状を測定する干渉計に関する。
【0002】
【従来の技術】
光波干渉による三次元計測では二次元に広げたレーザ光等を何らかの方法で二光波に分け、一方を参照光としてミラーなどの基準面で反射させ、もう一方の光波を測定光として測定したいサンプルで反射させ、両者を再び重ね合わせることによって干渉縞が生じる。
【0003】
図3は従来より用いられているトワイマン・グリーン干渉計を示す。
同図において101はレーザ発振装置、102は参照ミラー、103は測定サンプル、104は半透過ミラー、105は位相シフトを行うための位相シフタとして参照ミラー102を動かすためのピエゾアクチュエータ、106はカメラで結像させるためのレンズ、107は得られた干渉縞を検出するためのCCDカメラ、108はレーザ光を広げた後、平行光にするビームエキスパンダである。
【0004】
前記レーザ発振装置101からのレーザ光はビームエキスパンダ108によって広げられた上で平行光となり、半透過ミラー104によって2光波に分けられる。一方の光波は参照光として参照ミラー102によって反射し、この反射光が半透過ミラー104を透過する。他方の光波は半透過ミラー104を透過して測定サンプル103で反射するが、このとき測定サンプル103の形状に応じた位相差δを有し、半透過ミラー104で反射する。そして、これらの光波が干渉して干渉縞画像を形成し、CCDカメラ107で検出される。この画像データはコンピュータに送られ三次元情報として算出される。ここで光強度Iは数1により算出される。数1において、δは測定サンプルの表面形状によって生じる位相、φは初期位相である。
【0005】
【数1】
【0006】
このときの測定サンプルの高さhは数2で表わされる関係を有している。
数2において、λはレーザ光の波長である。
【0007】
【数2】
【0008】
このようにして得られる干渉縞の明線または暗線はサンプル形状の等高線であるが、これだけではコンピュータによって、面の凹凸の判別と縞の間の高さ情報を得ることができない。
そこで位相シフト法を従来より用いている。この位相シフト法はピエゾアクチュエータなどの電歪素子によって参照ミラー102を既知の量移動させて、測定サンプル103の高さhに対応した位相δを最小自乗法によって求めるものである。なお、かかる参照ミラー102の移動は数1における初期位相φを変化させるものであるが、φが0、π/2、π、3/2πとなる4ステップ法が一般的に用いられている。この一般的な4ステップ法によると位相δは数3で表わされる関係を有する。数3において、I0 ,I1 ,I3 ,I4 はそれぞれφが0,π/2,π,3/2πにおける光強度である。
【0009】
【数3】
【0010】
次に図4は斜入射による干渉縞を得るため従来より用いられているアブラムソン干渉計を示す。同図において、201はレーザ発振装置、202はレーザ光を広げ平行光にするビームエキスパンダ、203は斜入射を行うためのミラー、204はプリズム、205は測定サンプル、206はスクリーン、207はCCDカメラ、208はCCDカメラ207からのデータをコンピュータに転送するためのA/Dコンバータ、209はコンピュータである。この場合の基準面はプリズム204の底面204aである。
【0011】
レーザ発振装置201からのレーザ光はビームエキスパンダ202によって広げられた上で平行光となり、プリズム204への斜入射を行うためミラー203に斜め入射される。この光がプリズム204に入射し、光線の一部はプリズム204の底面204aで反射する。一方、プリズム204を透過した光は、測定サンプル205で反射し、この反射の際にサンプル205の形状に応じた位相差δを有し、再びプリズム204に戻り、プリズム204の底面204aでの反射光と干渉してスクリーンに干渉縞として結像し、これがCCDカメラ207で検出される。この画像データはA/Dコンバータ208を介してコンピュータ209に送られ三次元情報として算出される。
【0012】
ここでプリズム204の底面204aを基準面とした場合、測定サンプル205までの高さhは数4により算出される。数4において、αはプリズム204の底面204aからの出射角、n0 は空気の屈折率であり、通常は1.0となる、nはプリズム204の屈折率、δは干渉縞の位相である。
【0013】
【数4】
【0014】
このようなアブラムソン干渉計で得られた干渉縞によって凹凸を含む三次元形状の解析を行う場合においては、図3に示すフィゾー干渉計と同様に数4における位相δを求める必要がある。このため数3を用いた位相ソフト法を行うが、斜入射干渉計の場合、フィゾー干渉計と同様にプリズムを電歪素子を用いて上下に移動させるかプリズムとサンプルの間にガス等を用いて屈折率を変化させ、干渉縞をπ/2ごとに変化させてその各々の光強度を検出している。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
アブラムソン干渉計をはじめとして各種の斜入射干渉計に上述した位相ソフト法を適用する場合においては、以下の問題がある。
(1)干渉縞のみを観察することは容易であるが、凹凸の判断や1フリンジの間を読み取ることが困難である。
(2)位相シフト法を適用する場合、位相シフタに参照光の光路を変化させる必要がある。このため、電歪素子であるピエゾアクチュエータを用いて参照ミラーを移動させることによって行っている。ところが、これを斜入射干渉計に適用すると干渉縞画像が移動する不都合がある。また4画面取込み中は振動、温度変化、空気流などの外乱があるが、この外乱に対して安定している必要がある。ガスによって空気の屈折率を変化させる方法ではシフト量の決定が非常に不安定である。加えて、4画面の干渉縞が必要となるところから、算出に大量の画像メモリを必要としている。
【0016】
本発明はこのような問題点を考慮してなされたものであり、1画面の干渉縞画像のみでの位相シフト法を可能とすると共に、1フリンジ以下の干渉縞の読み取りおよび凹凸の判別を可能とし、三次元形状の容易な算出を可能とした斜入射干渉計を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明の斜入射干渉計は、測定物体の測定面に光を斜めに入射させ測定物体からの反射光と基準光とを重ね合わせて干渉させる斜入射干渉計において、干渉縞の画像解析のための空間キャリア周波数を与える機能を備え、ワンステップ位相シフト方式による縞画像解析を行うことを特徴とする。
【0018】
上記構成においては基準プリズムの下にスペーサーを設置し、基準面に既知の傾き情報を与えることで、空間キャリア周波数を与え、これによりワンステップ位相シフトを行うことが可能になる。これによって1フリンジ以下の位相解析および凹凸の判定が可能になる。
【0019】
【実施例】
図1は本発明の一実施例における光学系を示し、レーザ光を発するレーザ発振装置1の出射側にレーザ光を広げると共に平行光とするビームエキスパンダ2が配され、このビームエキスパンダ2の後側にプリズム4へレーザ光を斜入射させるミラー3が配されている。
【0020】
ここでビームエキスパンダ2は、レーザ発振装置1からのレーザ光を対物レンズによって、スペーシャルフィルタとしてのピンホールを介して広げ、波面収差を防ぐように組み合わせたレンズ系によって平行光にしている。ミラー3は、広げられたレーザ光を斜めに反射させて、プリズム4への入射角、すなわち測定サンプル6への入射角の変化を可能にする。
【0021】
プリズム4にはミラー3からのレーザ光が斜めに入射し、このプリズム4を通過したレーザ光が測定サンプル6に入射する。7は干渉縞が結像するスクリーン、8はスクリーンで結像した干渉縞を検出するCCDカメラである。CCDカメラで検出したデータはA/Dコンバータ9を介してコンピュータ10に転送される。
【0022】
図2はプリズム4と測定サンプル6との関係を示し、プリズム4に入射した光の一部は基準面であるプリズム4の底面4aで反射してプリズム4から出射し、他の光はプリズム4を通過し、測定サンプル6で反射した後、プリズム4に戻って出射する。
【0023】
このような図2において、プリズム4の底面4aを基準面としたときの測定サンプルまでの高さ(距離)hは数5の関係を有している。数5において、αはプリズム4の底面4aからの出射角、n0 は空気の屈折率(通常はn0 =1.0)、nはプリズム4の屈折率、δは干渉縞の位相である。
【0024】
【数5】
【0025】
数5において、参照面であるプリズム底面4aからの出射角αを79度とした場合、干渉縞の等高線間隔は1.66ミクロンとなり、斜入射を行わない場合の等高線間隔0.32ミクロンに対して約5倍に感度を低下させることができる。また、この角度を調整することによって、数5に従う任意の等高線間隔を得ることが可能となる。さらに、この干渉系は分離する2光波間が短いために、非常に安定な干渉系を形成しており、振動や大気の揺らぎなどの外乱の影響に非常に強い干渉系とすることができる。
【0026】
図1に示す構成において、ビームエキスパンダ2によって広げられた平行光は、ミラー3によって一定の角度を与えられてプリズム4に至り、一部は参照光の基準面であるプリズム底面4aで反射して出射し、一方、プリズム4を透過した光波は測定サンプル6の測定面に斜めに入射することによって鏡面のように反射し、再びプリズム4を透過する。この際、空間キャリア周波数を与えるためにプリズム4を傾けることによって基準面(プリズムの底面4a)にティルトを与える。この2光波が干渉して、干渉縞としてスクリーン7に投影される。このスクリーン7への投影ではサンプルへの入射光が斜入射のため、実際の形状倍率が変わって検出されることを防ぐことができる。ワンステップ位相シフトを行うためのキャリア周波数を作るためのプリズム4のティルトの関係は、CCDカメラ8で検出した干渉縞がCCDカメラ8の画素上で干渉縞の明暗の関係が1周期4画素になるように調整することにより行われる。
【0027】
このように空間キャリア周波数を与えることにより、ワンステップ位相シフト法によって測定サンプルの位相分布を求めることができる。ここで、空間的に得られる光強度分布IはCCDカメラ8内の結像面の画素位置(i,j)において数6となる。数6において、i,jはCCDカメラの画素、aは干渉縞バイアス成分、bは干渉縞のコントラスト、φは測定サンプルの形状の高さに対応した位相である。
【0028】
【数6】
【0029】
次に連続する3画素を用いたワンステップ位相シフト法により、位相は数7となる。
【0030】
【数7】
【0031】
この位相情報を用いることにより、三次元形状がコンピュータ10によって算出される。この場合、位相シフト法は悪く見積もっても干渉縞一周期を100分割できるので、約10ナノメールの測定感度を持つ。
【0032】
また、CCDカメラによる干渉縞の検出においてはスクリーンに投影する必要がなく、直接検出することも可能であるし、回転ディフューザ等を用いた強度調節を経て検出することもできるが、これらの場合は斜入射による縦横の倍率を考慮して行われる。
【0033】
さらに、プリズムは一体である必要はなく、プリズムの頂点から二つに分割したものを用いてもよい。また、バーチの斜入射干渉計等に代表されるように回析格子を用いて測定物体に斜入射を与える干渉計に適用することも可能である。なおプリズムの形状も三角形である必要はなく、たとえば四角形のガラス板でもよい。
【0034】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は空間キャリア周波数を導入することにより、ワンステップ位相シフト法を用いて干渉縞の凹凸の判断を含む位相解析を1画面のみで可能にし、従来の干渉計よりも凹凸の大きいものや表面反射率の低い物体の表面形状に対して非接触での三次元測定が可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の構成図。
【図2】空間キャリア周波数を与える側面図。
【図3】トワイマン・グリーン干渉計の構成図。
【図4】アブラムソン干渉計の構成図。
【符号の説明】
1 レーザ発振装置
2 ビームエキスパンダ
3 ミラー
4 プリズム
6 測定サンプル
7 スクリーン
8 CCDカメラ
9 A/Dコンバータ
10 コンピュータ
Claims (1)
- 測定物体の測定面に光を斜めに入射させ測定物体からの反射光と基準光とを重ね合わせて干渉させる斜入射干渉計において、干渉縞の画像解析のための空間キャリア周波数を与える機能を備え、ワンステップ位相シフト方式による縞画像解析を行うことを特徴とする斜入射干渉計。
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JP07421994A JP3540004B2 (ja) | 1994-03-18 | 1994-03-18 | 斜入射干渉計 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07421994A JP3540004B2 (ja) | 1994-03-18 | 1994-03-18 | 斜入射干渉計 |
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JPH07260420A JPH07260420A (ja) | 1995-10-13 |
JP3540004B2 true JP3540004B2 (ja) | 2004-07-07 |
Family
ID=13540867
Family Applications (1)
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JP07421994A Expired - Fee Related JP3540004B2 (ja) | 1994-03-18 | 1994-03-18 | 斜入射干渉計 |
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