JP3738457B2 - 干渉測定装置及び干渉測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、被検面の形状や透過波面等を測定する干渉測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、被検面（例えば、レンズ等）の形状や透過波面の測定には干渉法を用いた干渉測定装置が用いられている。このような干渉測定装置は非常に高精度な測定をすることができるため、広く利用されている。
図８は、特開平２−１３２３１０号公報に開示されている従来の干渉測定装置の一例を示す概略構成図である。図８の装置はマッハツェンダタイプの干渉測定装置である。この装置は、レーザ光源１０１と３つのビームスプリッタ１０２、１０３、１０８とミラー１０４と圧電素子１０５とスライド機構１０６と平行平面板１０７と受光素子１０９（例えば、ＣＣＤ等のエリアセンサ）と被検面１１０とからなる。レーザ光源１０１を出射した光はレンズＬ１、Ｌ２、ビームスプリッタ１０２、１０３、レンズＬ３を通過した後、被検面１１０で反射する。被検面で反射した光はレンズＬ３を通過した後、ビームスプリッタ１０３によって２つの光に分割される。ビームスプリッタ１０３で分割された一方の光Ｂはビームスプリッタ１０２、１０８を通過した後、レンズＬ４によって受光素子１０９上に照射される。また、ビームスプリッタ１０３で分割された他方の光Ａはミラー１０４で反射した後、平行平面板１０７、ビームスプリッタ１０８を通過し、レンズＬ４によって受光素子１０９上に照射される。ミラー１０４は圧電素子１０５を介してスライド機構１０６に接合されているため、図８の矢印Ｃの方向に微動させることができる。従って、光Ａの位相はミラー１０４で反射する際に変化させることができる。また、ミラー１０４で反射した光Ａは平行平面板１０７を通過することにより一定量シアされる。従って、受光素子１０９上に照射される光Ａと光Ｂは平行平面板１０７によって一定量横ズレが生じているため干渉を起こし、受光素子１０９上では干渉縞ができる。そして、ミラー１０４を微動させることによって光Ａの位相を０、λ／４、λ／２、３λ／４（光源から出射する光の波長をλとする）と変化させて受光素子１０９上で変化する干渉縞の明暗を観察し、被検面の形状等を測定していた。このように、光Ａと光Ｂとの相対的な位相を変化させながら、前記光Ａと光Ｂとの干渉光を測定することをフリンジスキャンと呼ぶ。
【０００３】
このような装置では、例えば被検レンズ（被検面１１０）の反射率が異なる事等により受光素子１０９に入射する光の強度が変化する。このとき、干渉縞の明暗（光の強度）はＣＣＤ等のエリアセンサで観察するが、ＣＣＤ等のエリアセンサは入射する光の強度が一定の値よりも弱いと感度が悪くなり、強すぎるとサチレーションを起こし、測定精度が低くなる。従って、従来の装置は、レーザ光源１０１のパワーを増減させたり、ＮＤ（neutral density）フィルタを挿入することによる光量の調整などで、受光素子１０９に入射する干渉像の明るさを調整していた。
【０００４】
しかしながら、干渉像が非常に暗い画像となるような被検物を測定するような場合、レーザ光源のパワー増減やＮＤフィルタによる光量の調整だけでは、画像読み取りに十分な明るさの干渉像が得られず、結果として画像のＳＮが悪化し、干渉測定装置の精度が落ちる問題があった。
上記のように、干渉像が非常に暗い画像となるような測定には、以下のような場合がある。▲１▼反射防止コートを施したレンズを反射型干渉計で計測した場合、▲２▼紫外線や赤外線のように、画像読み取り部に用いられるイメージセンサの波長感度特性の低い波長の光源を使用した場合、▲３▼作業者の安全性確保の為に、意図的にレーザ光源の出力を下げる場合等である。
【０００５】
そのため、例えば特開平４−２９７８０８号公報で開示されていく干渉測定装置では、測定精度向上のために、２回のフリンジスキャン（縞走査）を行ない、各フリンジスキャン毎に位相計算をし、これらを平均する事で、位相計算に含まれる誤差を補正する方法が行われている。また、参照面（参照光束）と被検面（被検光束）との距離（位相差）が増大する方向と、減少する方向の、両方向のフリンジスキャン（縞走査）で画像を読み取り、２つの方向毎に位相計算した結果の平均位相を計算する事により、位相計算の誤差を補正する方法がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の干渉測定装置では測定精度向上の為にフリンジスキャン（縞走査）の回数と同じ回数の位相計算が必要である。
従来の干渉測定装置で用いられている位相計算は、三角関数を用いた演算である。しかしながら、一般に画像読み取り部（例えば、ＣＣＤ等のエリアセンサ）で読み取られる画像データは、データ数（ポイント数）も多く、三角関数を用いた演算はその演算に要する時間が長いため、この演算を数多く繰り返す従来の方法では、計算に非常に時間が掛かり、一回の干渉測定に長時間を必要とするという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決し、干渉像が非常に暗い画像となるような被検物を測定する場合においても、十分な測定精度が得られ、また位相計算の誤差の低減を、高速に行なうことの可能な干渉測定装置を提供する事を目的とする。
【０００８】
【課題を解決する為の手段】
そのため、本発明は、光源と、光源から射出する光から参照光束と被検光束とを作り出す光学系と、前記参照光束と前記被検光束との位相を相対的に変化させる位相可変部と、前記参照光束と前記被検光束とを干渉させる干渉光学系と、前記干渉光学系によって干渉された干渉光束を観察する画像読み取り部と、前記画像読み取り部からの画像信号を入力し、該画像信号を基に位相を測定する演算部と、を有する干渉測定装置において、前記画像読み取り部からの画像信号を加算する加算部を有し、前記位相可変部は少なくとも一回のフリンジスキャンを行い、前記フリンジスキャンの速度を整数分の１とし、前記画像読み取り部の読み取り速度は変えずに読み取られる複数の画像信号から、前記フリンジスキャン速度の逆整数となり、かつ、少なくとも２以上の連続する前記画像読み取り部からの画像信号を、前記加算部で加算した画像信号を基に前記演算部で位相を測定する（請求項１）。
また、本発明は、光源から射出する光から参照光束と被検光束とを作り出す光速分割工程と、前記参照光束と前記被検光束との位相を相対的に変化させる位相可変工程と、前記参照光束と前記被検光束とを干渉させる干渉工程と、前記干渉光学工程によって干渉された干渉光束を観察する画像読み取り工程と、前記画像読み取り工程からの画像信号を入力し、該画像信号を基に位相を測定する演算工程と、を有する干渉測定方法において、前記画像読み取り工程からの画像信号を加算する加算工程を有し、
前記位相可変工程は少なくとも一回のフリンジスキャンを行い、前記フリンジスキャンの速度を整数分の１とし、前記画像読み取り工程の読み取り速度は変えずに読み取られる複数の画像信号から、前記フリンジスキャン速度の逆整数となり、かつ、少なくとも２以上の連続する前記画像読み取り工程からの画像信号を、前記加算工程で加算した画像信号を基に前記演算工程で位相を測定する（請求項２）。
【０００９】
また、本発明は、光源と、光源から射出する光から参照光束と被検光束とを作り出す光学系と、前記参照光束と前記被検光束との位相を相対的に変化させる位相可変部と、前記参照光束と前記被検光束とを干渉させる干渉光学系と、前記干渉光学系によって干渉された干渉光束を観察する画像読み取り部と、前記画像読み取り部からの画像信号を入力し、該画像信号を基に位相を測定する演算部と、を有する干渉測定装置において、前記画像読み取り部からの画像信号を加算する加算部を有し、前記位相可変部は前記参照光束と前記被検光束との位相差が略同一な位置から少なくとも２回のフリンジスキャンを行い、前記画像読み取り部で読み取られる複数の画像信号のうち、前記位相可変部によって変化する前記参照光束と前記被検光束との位相差が略同一で、かつ、前記読み取り部での測定時間が異なる画像信号を前記加算部で加算した画像信号を基に前記演算部で位相を測定する（請求項３）。
また、本発明は、光源から射出する光から参照光束と被検光束とを作り出す光束分割工程と、前記参照光束と前記被検光束との位相を相対的に変化させる位相可変工程と、前記参照光束と前記被検光束とを干渉させる干渉工程と、前記干渉工程によって干渉された干渉光束を観察する画像読み取り工程と、前記画像読み取り工程からの画像信号を入力し、該画像信号を基に位相を測定する演算工程と、を有する干渉測定方法において、前記画像読み取り部からの画像信号を加算する加算工程を有し、前記位相可変工程は前記参照光束と前記被検光束との位相差が略同一な位置から少なくとも２回のフリンジスキャンを行い、前記画像読み取り工程で読み取られる複数の画像信号のうち、前記位相可変工程によって変化する前記参照光束と前記被検光束との位相差が略同一で、かつ、前記読み取り工程での測定時間が異なる画像信号を前記加算工程で加算した画像信号を基に前記演算工程で位相を測定する（請求項４）。
【００１０】
ならびに、本発明は、光源と、光源から射出する光から参照光束と被検光束とを作りだす光学系と、前記参照光束と前記被検光束との位相を相対的に変化させる位相可変部と、前記参照光束と前記被検光束とを干渉させる干渉光学系と、前記干渉光学系によって干渉された干渉光束を観察する画像読み取り部と、前記画像読み取り部からの画像信号を入力し、該画像信号を基に位相を測定する演算部と、を有する干渉測定装置において、前記位相可変部は前記参照光束と前記被検光束との位相差が増大する方向のフリンジスキャンと、前記参照光束と前記被検光束との位相差が減少する方向のフリンジスキャンを行い、前記位相差が増大する方向のフリンジスキャンによって、前記画像読み取り部で読み取られる画像信号と、前記位相差が減少する方向のフリンジスキャンによって、前記画像読み取り部で読み取られる画像信号と、の２種類の画像信号のうち、前記位相可変部によって変化する前記参照光束と前記被検光束との間の位相差が略同一な画像信号同士を加算する加算部を有し、前記演算部は、前記加算部で加算された画像信号を基に位相を測定する（請求項５）。
【００１１】
さらに、本発明は、光源から射出する光から参照光束と被検光束とを作りだす光束分割工程と、前記参照光束と前記被検光束との位相を相対的に変化させる位相可変工程と、前記参照光束と前記被検光束とを干渉させる干渉工程と、前記干渉光学系によって干渉された干渉光束を観察する画像読み取り工程と、前記画像読み取り工程からの画像信号を入力し、該画像信号を基に位相を測定する演算工程と、を有する干渉測定方法において、前記位相可変工程は前記参照光束と前記被検光束との位相差が増大する方向のフリンジスキャンと、前記参照光束と前記被検光束との位相差が減少する方向のフリンジスキャンを行い、前記位相差が増大する方向のフリンジスキャンによって、前記画像読み取り工程で読み取られる画像信号と、前記位相差が減少する方向のフリンジスキャンによって、前記画像読み取り工程で読み取られる画像信号と、の２種類の画像信号のうち、前記位相可変工程によって変化する前記参照光束と前記被検光束との間の位相差が略同一な画像信号同士を加算する加算工程を有し、前記演算工程は、前記加算工程で加算された画像信号を基に位相を測定する（請求項６）。
【００１２】
【作用】
本発明の第１の形態による干渉測定装置では、画像読み取り部で読み取った画像のうち、時間的に連続する複数の画像を加算し、これを１つの画像とすることで、位相計算前の画像の誤差修正を行なう。例えば、反射型干渉計で、位相計算を４分割法で計算し、平均回数を２回とするためには、本発明による位相計算では、図２のように求められ、従来の位相計算では、図９のように求められる。図２及び図９の下側に記載されている式は、それぞれの方法で位相計算を行う式である。図２、９から明らかなように、本発明の画像の加算による平均化は、三角関数を一回しか使用しないのに対して、従来の方法では三角関数を用いた演算を２回使用する。従って、本発明の装置によれば演算に時間のかかる三角関数の演算回数を低減でき、非常に高速な演算が可能である。また、測定精度向上の為に位相計算を何度も行って平均化する程この位相計算時間の短縮は顕著になる。
【００１３】
本発明の第２の形態による干渉測定装置では、画像読み取りに十分な明るさの干渉像が得られない場合に、画像読み取り部に使用するイメージセンサの画像読み取り時間（露光時間）を、必要な出力が得られるだけの露光時間まで長くし、十分な露光量を得ることができる。つまり、十分な露光量を得ることができるということは、フリンジスキャンを一回行う際の測定精度が向上するため位相計算を何度も行うことをしないで済む。従って、本発明の装置によれば、位相計算における三角関数を用いた演算の回数を減らすことができる。従って、この方法においても測定精度を向上しながら位相計算時間の短縮を行うことができる。
【００１４】
本発明の第３の形態による干渉測定装置では、例えば反射型干渉計で、位相計算を４分割法で計算し、平均回数が２回とする場合に位相計算は、図５のように求められる。また、従来の装置による位相計算は、図９のように求められる。本発明による画像の加算による平均化は、図５から明らかなように、三角関数を用いた位相計算を行う前に、各フリンジスキャンにおける参照光束と被検光束との位相関係が同じ画像を加算した後に、三角関数を用いて位相計算を行うため、三角関数を一回しか使用しないで済む。従って、本発明の装置によれば演算に時間のかかる三角関数の演算回数を低減でき、非常に高速な演算が可能である。また、測定精度向上の為に位相計算を何度も行って平均化する程この位相計算時間の短縮は顕著になる。
【００１５】
本発明の第４の形態による干渉測定装置では、例えば反射型干渉計で、位相計算を４分割法で計算し、平均回数が２回の場合に位相計算は、図７のように求められる。また、従来の位相計算は、図９のように求められる。本発明の装置では参照光束と被検光束との相対的な位相差を変化させてフリンジスキャンを行う際に、参照光束と被検光束との位相差が増大する方向のフリンジスキャンと参照光束と被検光束との位相差が減少する方向のフリンジスキャンを行い、各フリンジスキャンにおける位相差が同じ画像を加算し、その後、三角関数を用いて位相計算を行う。従って、本発明の装置では三角関数を用いた位相計算を一回だけ行えば良いので、位相計算に必要な三角関数の演算回数が低減され、位相計算時間が短縮される。
【００１６】
図２、５、７、９のフリンジスキャン波形（参照面と被検面との距離の波形）は一例であり、例えば、実用においては参照面と被検面との距離を必要以上に駆動し（参照光束と被検光束との位相差を必要以上に大きくし）、参照面もしくは被検面を移動させるアクチュエータの、リニアリティ補正を行なうことが多い。
【００１７】
【実施例】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれに限るものではない。
図１は、本発明の第１実施例による画像の加算機能を有する干渉測定装置を示す概略構成図である。尚、第１実施例では位相計算を４分割法で計算し、位相計算の平均回数を２回とした。
【００１８】
レーザ光源１から射出した光は、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２を透過し、測定光学系へ向かう。測定光学系において、ＰＢＳ２を透過した光は、フィゾーレンズ３に達する。フィゾーレンズ３に達した光の一部はフィゾーレンズ３の参照面３’で反射され、その他の光はフィゾーレンズ３を透過した後、被検レンズ４の被検面４’で反射される。第１実施例では、参照面３’で反射される光を参照光束と呼び、被検面４’で反射される光を被検光束と呼ぶ。前記被検光束はフィゾーレンズ３を透過した後、参照光束と再び重ね合わされて、干渉光束となる。この干渉光束は、再び光路を逆進してＰＢＳ２に向かうが、今度はＰＢＳ２で反射され、ＣＣＤカメラ６に向かう。尚、第１実施例では、ＰＢＳ２とフィゾーレンズ３との間の偏光素子や集光光学系等の光学系は一部省略している。
【００１９】
尚、第１実施例では、画像読み取り部であるイメージセンサにＣＣＤカメラ６を使用し、画像データの残像や、像の歪みをなくし、画像の品質向上を行なっているが、撮像管を使用したカメラを使用してもよい。また、第１実施例で用いたＣＣＤカメラ６は、欧州のＴＶ信号規格であるＣＣＩＲ映像信号を出力するカメラであるため、５００×５００ドット以上の解像度が得られた。また、ＣＣＤカメラ６で１枚の画像を読み取る時間は１／２５秒である。また、モニタへ画像信号を出力したい場合も、ＣＣＩＲ専用のモニタＴＶを使用すれば、ＣＣＤカメラ６の解像度に対応した出力信号をモニタに出力することができる。
【００２０】
次に、第１実施例の干渉測定装置における干渉光束の測定方法について説明する。
まず、参照面３’と被検面４’との間の距離が所定の位置となるようにフィゾーレンズ３及び被検レンズ４を配置する。
ＣＰＵ１１から出力される信号２４及びトリガ信号２５がフリンジスキャン制御回路１３に入力されるとフリンジスキャン制御回路１３から所定の電圧２６がピエゾ素子５に印加され、フリンジスキャンが開始される。尚、信号２４は位相計算の平均回数の値とフリンジスキャン開始信号である。また、信号２４の平均回数の値は外部入力装置からＣＰＵ１１に入力しても良い。尚、トリガ信号２５はＣＣＤカメラ６から出力される信号１４（画像信号とクロック信号）を同期信号分離回路１２に入力し、信号１４からクロック信号のみを取り出されたものである。従って、トリガ信号２５に基づいてＣＣＤカメラ６の画像読み取りの開始に同期させてフリンジスキャンを開始することができる。図２に参照面３’と被検面４’との距離と時間との関係及びＣＣＤ６のある一画素で読み取られる干渉光束の強度と時間との関係を示す。レーザ光源１から射出する光の波長をλとすると、従来のフリンジスキャンでは参照面３’と被検面４’との間の距離が最初の所定の位置からλ／８離れるまで（参照光束と被検光束との位相差がλ／４となるまで）にＣＣＤカメラ６で１つの画像を読み取っていたのに対して、第１実施例ではλ／８離れるまでに２つの画像を読み取るようにピエゾ素子５に電圧２６を印加する。つまり、図２の画像Ｂ１〜Ｂ８の８枚の画像をＣＣＤカメラ６で読み取る間に参照面３’と被検面４’との間の距離はλ／２離れ、１枚の画像を読み取る間に参照面３’と被検面４’との間の距離は１／１６λ離れる。
【００２１】
同期信号分離回路１２は信号１４を入力し、変換クロック信号１５をＡ／Ｄコンバータ７に出力する。上記したように、ＣＣＤカメラ６からの信号１４は、画像信号とクロック信号である。従って、Ａ／Ｄコンバータ７は、同期信号分離回路１２で生成された変換クロック信号１５に同期してＣＣＤカメラ６からの画像信号をデジタル画像信号１６に変換する。
【００２２】
Ａ／Ｄコンバータ７でデジタル変換されたデジタル画像信号１６は、加算回路８に入力される。加算回路８は、ＦＩＦＯメモリ９から出力されるメモリ信号２０とデジタル画像信号１６とを加算し、その加算された加算信号１７をＦＩＦＯメモリ９に書き込む。ＦＩＦＯメモリ９から出力されるメモリ信号２０は加算制御回路１０から出力されるメモリ制御信号２１によって制御される。加算制御回路１０はＣＰＵ１１からの制御信号２２が入力される。この制御信号２２は上記した位相計算の平均回数の値を含んでいる。従って、加算制御回路１０は図２の画像Ｂ１に相当するデジタル画像信号１６が加算回路８に入力する際にはメモリ信号２０を０とし、画像Ｂ２に相当するデジタル画像信号１６が加算回路８に入力する際にはＦＩＦＯメモリ９にメモリされている画像Ｂ１に相当する信号がメモリ信号２０として加算回路８に入力するようにメモリ制御信号２０を出力する。以下、同様にして、画像Ｂ３とＢ４、Ｂ５とＢ６、Ｂ７とＢ８をそれぞれ加算した。尚、２つの画像が加算された４つの加算信号はＦＩＦＯメモリ９に書き込まれた後、加算制御回路１０からのメモリ制御信号２１によって、出力データ信号１８としてＣＰＵ２１にそれぞれ出力される。ＣＰＵ２１では、ＣＣＤカメラ６で読み取られた各画素ごとの位相を以下の数式を用いて計算する。
【００２３】
【数１】

【００２４】
その後、ある１つの画素における位相を基準としてその画素に対して他の画素のどれだけ位相がずれているかを計算し、その結果を信号２３としてモニタ１９に出力する。尚、モニタ１９に出力されるデータは光源１の波長λを考慮して被検面４’の凹凸の絶対的な値にすることも可能である。
上記のようにして、第１実施例では三角関数を用いた演算を一回用いるだけで、位相の平均化を２回行うことができた。尚、位相の平均化を複数回行う場合には、フリンジスキャン制御回路によって、フィゾーレンズ３を移動させる距離を制御し（例えば、第１実施例では参照面３’がλ／８移動するまでの距離を２分割にしているが、平均回数の分だけ分割する）、加算制御回路によって画像信号の加算を複数回行うことによって、簡単に達成することができる。
【００２５】
また、第１実施例ではハードウェアを用いて画像読み取りと同時に画像を加算したため高速な演算を行うことができたが、全てをコンピュータを用いて行うことも可能である。
また、第１実施例では、加算回路は非同期型とし、ＦＩＦＯメモリを使用したことで、メモリのアドレス発生回路や画像データの読み出しと書き込みが、１クロックで同時に行なえた。尚、ＦＩＦＯメモリの変わりに、通常のＲＡＭ（randam access memory）を使用しても、実現は可能である。
【００２６】
また、画像の加算による平均化処理を行うことによって、干渉像が非常に暗い画像となるような測定において、画像のＳＮ比を向上させ、測定精度を向上させることができた（当然ながら明るい画像となる干渉像でも、画像のＳＮ比は向上する）。
ところで、フリンジスキャンを行って位相計算を行う干渉測定装置においては、フリンジスキャンを行い複数の画像を読み取るが、画像読み取り部（ＣＣＤ６）で読み取られる画像の、どの部分に干渉像が映されているか探し、位相計算を実施する範囲（背景を取り除いた部分）を決定する処理（アパーチャ決定処理）を行うことがある。このアパーチャ決定処理は、画像読み取り部の、各画素の信号の変化量が一定以上の部分を探すことで行なわれる。このアパーチャ決定が正確に行なわれないと、干渉像のない背景部分まで干渉測定してしまい、これが測定装置の精度を下げる原因にもなる。従って、第１実施例による干渉測定装置を用いれば画像のＳＮ比を向上させるので、アパーチャ決定精度を向上させ干渉測定装置の精度を向上させることができる。
【００２７】
図３は、本発明の第２実施例による画像読み取り部の画像読み取り時間（露光時間）を変化させることが可能な干渉測定装置を示す概略構成図である。
第２実施例の干渉測定装置における干渉計の構成は第１実施例とほぼ同じである。そのため第１実施例と同様なものについては、同じ符号を付して説明を省略する。尚、第１実施例と同様に第２実施例でも４分割法を用いて位相計算を行った。
【００２８】
ＣＰＵ２９から出力される蓄積時間指示信号３５及び発振回路３１から出力される一定の周波数を持つ信号３６が周波数可変回路３２に入力される。周波数可変回路３２は、蓄積時間指示信号３５に基づいて信号３６の周波数を変化させてクロック信号と同期信号を生成する。ＣＣＤ制御回路２７は周波数可変回路３２から出力されるクロック信号３７を入力し、そのクロック信号３７に基づいてＣＣＤカメラ６の画像を読み取る時間を変化させるための露光制御信号３８を出力する。ＣＣＤカメラ６は露光制御信号３８に基づいて画像を読み取る時間を変化する。尚、第２実施例ではこの画像読み取り時間を１／１０秒とした。つまり、フィゾーレンズ３が最初の所定の位置からλ／８移動する時間が１／１０秒となる。また、カウンタ及びＤ／Ａ変換回路３３は同期信号４１とクロック信号４０を入力し、同期信号４１を基にカウンタでクロック信号４０のパルスを数え、Ｄ／Ａ変換回路でカウンタに入力されたパルスの数に応じた信号を電圧指示信号３４としてフリンジスキャン制御回路３４に出力する。フリンジスキャン制御回路３４はカウンタ及びＤ／Ａ変換回路からの電圧指示信号４２とＣＣＤ制御回路２７からのトリガ信号２５を入力する。トリガ信号２５は、ＣＣＤ制御回路２７に含まれる同期信号分離回路によってＣＣＤカメラ６から出力される信号３９からクロック信号のみを取り出した信号である。フリンジスキャン制御回路３４はトリガ信号２５によってピエゾ素子５に印加する電圧のタイミングを制御し、電圧指示信号４２によってピエゾ素子５に印加する電圧値を制御する。尚、第２実施例では、フィゾーレンズ３を移動させる距離は１／１０秒毎にλ／８であり、一回のフリンジスキャンでλ／２である。ＣＣＤ６からの信号３９は画像信号とクロック信号とを含むものであり、ＣＣＤ制御回路３５内に含まれる同期信号分離回路によって信号３９からクロック信号が生成される。このクロック信号と画像信号は信号４３としてＡ／Ｄ変換回路２８に入力される。Ａ／Ｄ変換回路２８では信号４３のクロック信号に基づいて画像信号をデジタル信号４４としてＣＰＵ３０に出力する。その後、ＣＰＵ３０ではフリンジスキャンをすることによって得られた４つの画像信号Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４を以下の数式
【００２９】
【数２】

【００３０】
を用いて位相を計算する。その後は第１実施例と同様にして得られた位相の信号処理を行う。
第２実施例ではＣＣＤ６で画像を読み取る時間（露光時間）を可変にすることによって、ＣＣＤ６に入射する干渉光の強度が十分ではない場合であっても十分光の強度が得られるまで画像を読み取る時間（露光時間）を長くすることができるため、位相の測定に十分な干渉光の強度が得られる。従って、位相の平均を何度も行うことをせずに画像のＳＮ比を向上し、精度の良い測定結果が得られる。また、ＣＣＤカメラ６に入射する光の強度が強すぎる場合には、画像読み取り時間（露光時間）を短くすることによって精度の良い測定を行うことができる。 また、第１実施例と同様に、画像のＳＮ比を向上させるので、アパーチャ決定精度を向上させ、干渉測定装置の精度を向上させることができる。
【００３１】
図４は、本発明の第３実施例による画像の加算機能を有する干渉測定装置を示す概略構成図である。
第３実施例の干渉測定装置における干渉計の構成は第１実施例とほぼ同じである。そのため第１実施例と同様なものについては、同じ符号を付して説明を省略する。尚、第１実施例と同様に第３実施例でも位相計算を４分割法で計算し、位相計算の平均回数を２回とした。
【００３２】
ＣＰＵ４８から出力される信号６２及び同期信号分離回路１２から出力されるトリガ信号２５はフリンジスキャン制御回路４６に入力される。フリンジスキャン制御回路４６はトリガ信号２５に基づいてＣＣＤカメラの画像読み取り開始に同期してピエゾ素子５に所定の電圧を印加する。尚、第３実施例では、第１実施例と異なり、フィゾーレンズ３の位置は、ＣＣＤカメラ６で一枚の画像が読み取られる時間である１／２５秒でλ／８移動する。そして、フィゾーレンズ３は１／２５秒毎にλ／８、２λ／８、３λ／８、４λ／８と移動していく。そして各位置においてＣＣＤ６で読み取られた画像は、第１実施例と同様にＡ／Ｄ変換回路７を通り、デジタル信号１６に変換され、加算回路８を通り、それぞれＦＩＦＯメモリ９にメモリされる。このときの、参照面３’と被検面４’との距離の関係とそのときＣＣＤ６で読み取られる画像の関係を図５に示す。図５で示される画像Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４は、それぞれフィゾーレンズ３が最初の位置からλ／８、２λ／８、３λ／８、４λ／８の位置に移動した時にＣＣＤ６で読み取られる画像である。ＣＣＤ６で読み取られた４つの画像Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４はそれぞれＡ／Ｄ変換器７でデジタル信号に変換された後、加算回路８を通り、ＦＩＦＯメモリ９にメモリされる。この際、ＦＩＦＯメモリから出力されるメモリ信号５０は加算制御回路４７から出力されるメモリ制御信号５１に従って、常に０となる。つまり、画像Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４に相当する信号がそのままＦＩＦＯメモリ９にメモリされる。このようにして、一回目のフリンジスキャンが終了すると、フリンジスキャン制御回路から出力されている電圧２６は一旦、０になり、フィゾーレンズ３は最初の所定の位置に戻る。そして、再度上記と同じ様にして、２回目のフリンジスキャンが開始される。２回目のフリンジスキャンの時も１回目のフリンジスキャンの時と同様にして４つの画像が得られる。この時の、参照面３’と被検面４’との距離の関係とそのときＣＣＤ６で読み取られる画像の関係を図５に示す。しかし、今度は、加算制御回路４７からのメモリ制御信号５１の指示に従って、画像Ｂ５がデジタル信号１６として加算回路８に入力する際に、ＦＩＦＯメモリ９からメモリされている画像Ｂ１に相当するメモリ信号５０が加算回路８に入力され加算信号１７は画像Ｂ１と画像Ｂ５とを加算した信号となり、その加算された加算信号１７がＦＩＦＯメモリ９にメモリされる。以下、同様に画像Ｂ２とＢ６、画像Ｂ３とＢ７、画像Ｂ４とＢ８がそれぞれ加算され、ＦＩＦＯメモリ９にメモリされる。そして、２回目のフリンジスキャンが終了すると、ＦＩＦＯメモリにメモリされている２つの画像を加算した４つの信号がデータ信号１８としてＣＰＵ４８に出力される。ＣＰＵ４８は以下の数式
【００３３】
【数３】

【００３４】
を用いて位相を計算する。以後の計算された位相の処理は第１実施例と同様である。
尚、第３実施例では位相の平均を２回する場合について説明したが、フリンジスキャンを３回おこなって、各フリンジスキャンでそれぞれ読み取られた４つの画像をそれぞれ加算すれば位相の平均を３回行うことができることは言うまでもなく、位相の平均は何回でも行うことができる。また、位相の平均を何回行っても、最終的に三角関数を一回だけ用いて位相を計算するため、位相を計算する処理時間が早い。
【００３５】
また、第３実施例では、従来のように、フリンジスキャンをするたびに位相の平均を行わないで済むので、フリンジスキャンを一回行った後に、すぐに次のフリンジスキャンを行うことができる。干渉測定に与える各種の外乱がある場合であっても、各フリンジスキャンの間の時間を短くした状態で、位相計算時間を短くできる。つまり、測定時間を外乱の周期に対して十分短くすることで、外乱の影響を排除し、高精度な干渉測定が可能となる。尚、外乱には、空気の擾乱、空気の温度むら、振動、温度変化等がある。
【００３６】
また、第３実施例ではハードウェアを用いて画像読み取りと同時に画像を加算したため高速な演算を行うことができたが、全てをコンピュータを用いて行うことも可能である。
尚、第３実施例の装置においても画像のＳＮ比を向上させるので、アパーチャ決定精度を向上させ、干渉測定装置の精度を向上させることができる。
【００３７】
図６は、本発明の第４の実施例による画像の加算機能を有する干渉測定装置を示す概略構成図である。
第４実施例の干渉測定装置における干渉計の構成は第１実施例とほぼ同じである。そのため第１実施例と同様なものについては、同じ符号を付して説明を省略する。尚、第１実施例と同様に第４実施例でも位相計算を４分割法で計算し、位相計算の平均回数を２回とした。
【００３８】
ＣＰＵ５６から出力される信号６３及び同期信号分離回路１２から出力されるトリガ信号２５はフリンジスキャン制御回路５４に入力される。フリンジスキャン制御回路５４はトリガ信号２５に基づいてＣＣＤカメラ６の画像読み取り開始に同期してピエゾ素子５に所定の電圧を印加する。尚、第４実施例では、第１実施例と異なり、フィゾーレンズ３の位置は、ＣＣＤカメラ６で一枚の画像が読み取られる時間である１／２５秒でλ／８移動する。そして、フィゾーレンズ３は１／２５秒毎にλ／８、２λ／８、３λ／８、４λ／８と移動していく。そして各位置においてＣＣＤ６で読み取られた画像は、第１実施例と同様にＡ／Ｄ変換回路７を通り、デジタル信号１６に変換され、加算回路８を通り、それぞれＦＩＦＯメモリ９にメモリされる。このときの、参照面３’と被検面４’との距離の関係とそのときＣＣＤ６で読み取られる画像の関係を図７に示す。図７で示される画像Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４は、それぞれフィゾーレンズ３が最初の位置から参照面３’と被検面４’とが離れる方向にλ／８、２λ／８、３λ／８、４λ／８の位置に移動した時にＣＣＤ６で読み取られる画像である。ＣＣＤ６で読み取られた４つの画像Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４はそれぞれＡ／Ｄ変換器７でデジタル信号に変換された後、加算回路８を通り、ＦＩＦＯメモリ９にメモリされる。この際、ＦＩＦＯメモリから出力されるメモリ信号５８は加算制御回路５５から出力されるメモリ制御信号５９に従って、常に０となる。つまり、画像Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４に相当する信号がそのままＦＩＦＯメモリ９にメモリされる。このようにして、一回目のフリンジスキャンが終了すると、被検面３’と被検面４’とが最初の位置から４λ／８離れた位置から被検面３’と被検面４’とが近づく方向に２回目のフリンジスキャンが開始される。このときのフィゾーレンズ３の移動は１回目のフリンジスキャンと同様に１／２５秒毎にλ／８である。２回目のフリンジスキャンの時も１回目のフリンジスキャンの時と同様にして４つの画像（Ｂ５、Ｂ６、Ｂ７、Ｂ８）が得られる。この時の、参照面３’と被検面４’との距離の関係とそのときＣＣＤ６で読み取られる画像の関係を図７に示す。しかし、今度は、加算制御回路４７からのメモリ制御信号５１の指示に従って、画像Ｂ５がデジタル信号１６として加算回路８に入力する際に、ＦＩＦＯメモリ９からメモリされている画像Ｂ４に相当するメモリ信号５０が加算回路８に入力され加算信号１７は画像Ｂ４と画像Ｂ５とを加算した信号となり、その加算された加算信号１７がＦＩＦＯメモリ９にメモリされる。以下、同様に、参照面３’と被検面４’との距離が同一な画像Ｂ３とＢ６、画像Ｂ２とＢ７、画像Ｂ１とＢ８がそれぞれ加算され、ＦＩＦＯメモリ９にメモリされる。そして、２回目のフリンジスキャンが終了すると、ＦＩＦＯメモリ９にメモリされている２つの画像を加算した４つの信号がデータ信号１８としてＣＰＵ４８に出力される。ＣＰＵ４８は以下の数式
【００３９】
【数４】

【００４０】
を用いて位相を計算する。以後の計算された位相の処理は第１実施例と同様である。
また、第４実施例による装置では、干渉測定に与える各種の外乱がある場合、第３実施例の測定装置にも増して、フリンジスキャンを行った後に次のフリンジスキャンを行うまでの時間を短くでき、高精度な干渉測定が可能となる。
【００４１】
さらに、参照面３’と被検面４’との距離が増大する方向と、減少する方向との両方向のフリンジスキャンを行うため、フィゾーレンズ３を波長オーダで移動させるピエゾ素子５（アクチュエータ）の往復動作の軌跡誤差を補正できる。尚、アクチュエータはピエゾ素子が一般的であるが、ボイスコイルモータ、リニアモータなども使用可能である。
【００４２】
また、第４実施例の装置においても画像のＳＮ比を向上させるので、結果としてアパーチャ決定精度を向上させ、干渉測定装置の精度を向上させることができる。
尚、上記した４つの実施例の装置はそれぞれ組み合わせて用いることができ、例えば、第１実施例のように連続する２つの画像を加算しながら、第２実施例のように画像読み取り時間を変化させることもできる。また、第１〜４実施例ではフリンジスキャンを行う際にピエゾ素子に印加する電圧は時間に比例する値としているが、ＣＣＤカメラで画像を読み取る際にフィゾーレンズ３が所定の位置で停止するようにしても良い。
【００４３】
また、第１〜３実施例では参照面３’と被検面４’との距離が増大する方向にフリンジスキャンを行ったが、参照面３’と被検面４’との距離が減少する方向にフリンジスキャンを行っても良い。また、参照面３’と被検面４’との距離が増大する方向と減少する方向の２種類のフリンジスキャンを併用しても良い。
また、第１、２、３、４実施例では４分割法を用いて位相計算を行ったが、位相計算を６分割、８分割、など任意の分割数による方法に有効である。
【００４４】
尚、第１、２、３、４実施例においては、フィゾー型干渉計を例に示したが、本発明はこれに限らず、トワイマン・グリーン型干渉計、シアリング干渉計、マッハツェンダー型干渉計等に代表される各種干渉計においても同様に実施可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、干渉像が非常に暗い画像となるような被検物を測定する場合においても、十分な測定精度が得られ、かつ、干渉測定における位相計算に用いる三角関数の演算回数を低減することができるため、位相計算の誤差の低減を、高速に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による画像の加算機能を有する干渉測定装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施例の装置による、画像読み取りのタイミングを示す説明図である。
【図３】本発明の第２実施例による画像読み取り時間を変化させることの可能な干渉測定装置を示す概略構成図である。
【図４】本発明の第３実施例による画像の加算機能を有する干渉測定装置を示す概略構成図である。
【図５】本発明の第３実施例の装置による画像読み取りタイミングを示す説明図である。
【図６】本発明の第４実施例による画像の加算機能を有する干渉測定装置を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第４実施例の装置による画像読み取りタイミングを示す説明図である。
【図８】従来の干渉測定装置を示す概略構成図である。
【図９】従来の干渉測定装置による画像読み取りタイミングを示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・レーザ光源
２・・・ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）
３・・・フィゾーレンズ（参照レンズ）
４・・・被検レンズ
５・・・ピエゾ素子
６・・・ＣＣＤカメラ
７、２８・・・Ａ／Ｄコンバータ
８・・・加算回路
９・・・ＦＩＦＯメモリ
１０、４７、５５・・・加算制御回路
１１２９、４８、５６・・・ＣＰＵ
１２・・・同期信号分離回路
１３、３４、４６、５４・・・フリンジスキャン（縞走査）制御回路
１９、３０、４９、５７・・・モニタ
２７・・・ＣＣＤ制御回路
３１・・・発振回路
３２・・・周波数可変回路
３３・・・カウンタ及びＤ／Ａ変換回路

Claims (6)

1. 光源と、光源から射出する光から参照光束と被検光束とを作り出す光学系と、前記参照光束と前記被検光束との位相を相対的に変化させる位相可変部と、前記参照光束と前記被検光束とを干渉させる干渉光学系と、前記干渉光学系によって干渉された干渉光束を観察する画像読み取り部と、前記画像読み取り部からの画像信号を入力し、該画像信号を基に位相を測定する演算部と、を有する干渉測定装置において、
   前記画像読み取り部からの画像信号を加算する加算部を有し、
   前記位相可変部は少なくとも一回のフリンジスキャンを行い、前記フリンジスキャンの速度を整数分の１とし、前記画像読み取り部の読み取り速度は変えずに読み取られる複数の画像信号から、前記フリンジスキャン速度の逆整数となり、かつ、少なくとも２以上の連続する前記画像読み取り部からの画像信号を、前記加算部で加算した画像信号を基に前記演算部で位相を測定することを特徴とする面もしくは波面の干渉測定装置。
2. 光源から射出する光から参照光束と被検光束とを作り出す光束分割工程と、前記参照光束と前記被検光束との位相を相対的に変化させる位相可変工程と、前記参照光束と前記被検光束とを干渉させる干渉工程と、前記干渉工程によって干渉された干渉光束を観察する画像読み取り工程と、前記画像読み取り工程からの画像信号を入力し、該画像信号を基に位相を測定する演算工程と、を有する干渉測定方法において、
   前記画像読み取り工程からの画像信号を加算する加算工程を有し、
   前記位相可変工程は少なくとも一回のフリンジスキャンを行い、前記フリンジスキャンの速度を整数分の１とし、前記画像読み取り工程の読み取り速度は変えずに読み取られる複数の画像信号から、前記フリンジスキャン速度の逆整数となり、かつ、少なくとも２以上の連続する前記画像読み取り工程からの画像信号を、前記加算工程で加算した画像信号を基に前記演算工程で位相を測定することを特徴とする面もしくは波面の干渉計測方法。
3. 光源と、光源から射出する光から参照光束と被検光束とを作り出す光学系と、前記参照光束と前記被検光束との位相を相対的に変化させる位相可変部と、前記参照光束と前記被検光束とを干渉させる干渉光学系と、前記干渉光学系によって干渉された干渉光束を観察する画像読み取り部と、前記画像読み取り部からの画像信号を入力し、該画像信号を基に位相を測定する演算部と、を有する干渉測定装置において、
   前記画像読み取り部からの画像信号を加算する加算部を有し、
   前記位相可変部は前記参照光束と前記被検光束との位相差が略同一な位置から少なくとも２回のフリンジスキャンを行い、前記画像読み取り部で読み取られる複数の画像信号のうち、前記位相可変部によって変化する前記参照光束と前記被検光束との位相差が略同一で、かつ、前記読み取り部での測定時間が異なる画像信号を前記加算部で加算した画像信号を基に前記演算部で位相を測定することを特徴とする面もしくは波面の干渉測定装置。
4. 光源から射出する光から参照光束と被検光束とを作り出す光束分割工程と、前記参照光束と前記被検光束との位相を相対的に変化させる位相可変工程と、前記参照光束と前記被検光束とを干渉させる干渉工程と、前記干渉工程によって干渉された干渉光束を観察する画像読み取り工程と、前記画像読み取り工程からの画像信号を入力し、該画像信号を基に位相を測定する演算工程と、を有する干渉測定方法において、
   前記画像読み取り部からの画像信号を加算する加算工程を有し、
   前記位相可変工程は前記参照光束と前記被検光束との位相差が略同一な位置から少なくとも２回のフリンジスキャンを行い、前記画像読み取り工程で読み取られる複数の画像信号のうち、前記位相可変工程によって変化する前記参照光束と前記被検光束との位相差が略同一で、かつ、前記読み取り工程での測定時間が異なる画像信号を前記加算工程で加算した画像信号を基に前記演算工程で位相を測定することを特徴とする面もしくは波面の干渉計測方法。
5. 光源と、光源から射出する光から参照光束と被検光束とを作りだす光学系と、前記参照光束と前記被検光束との位相を相対的に変化させる位相可変部と、前記参照光束と前記被検光束とを干渉させる干渉光学系と、前記干渉光学系によって干渉された干渉光束を観察する画像読み取り部と、前記画像読み取り部からの画像信号を入力し、該画像信号を基に位相を測定する演算部と、を有する干渉測定装置において、
   前記位相可変部は前記参照光束と前記被検光束との位相差が増大する方向のフリンジスキャンと、前記参照光束と前記被検光束との位相差が減少する方向のフリンジスキャンを行い、
   前記位相差が増大する方向のフリンジスキャンによって、前記画像読み取り部で読み取られる画像信号と、前記位相差が減少する方向のフリンジスキャンによって、前記画像読み取り部で読み取られる画像信号と、の２種類の画像信号のうち、前記位相可変部によって変化する前記参照光束と前記被検光束との間の位相差が略同一な画像信号同士を加算する加算部を有し、
   前記演算部は、前記加算部で加算された画像信号を基に位相を測定することを
   特徴とする干渉測定装置。
6. 光源から射出する光から参照光束と被検光束とを作りだす光束分割工程と、前記参照光束と前記被検光束との位相を相対的に変化させる位相可変工程と、前記参照光束と前記被検光束とを干渉させる干渉工程と、前記干渉工程によって干渉された干渉光束を観察する画像読み取り工程と、前記画像読み取り工程からの画像信号を入力し、該画像信号を基に位相を測定する演算工程と、を有する干渉測定方法において、
   前記位相可変工程は前記参照光束と前記被検光束との位相差が増大する方向のフリンジスキャンと、前記参照光束と前記被検光束との位相差が減少する方向のフリンジスキャンを行い、
   前記位相差が増大する方向のフリンジスキャンによって、前記画像読み取り工程で読み取られる画像信号と、前記位相差が減少する方向のフリンジスキャンによって、前記画像読み取り工程で読み取られる画像信号と、の２種類の画像信号のうち、前記位相可変工程によって変化する前記参照光束と前記被検光束との間の位相差が略同一な画像信号同士を加算する加算工程を有し、
   前記演算工程は、前記加算工程で加算された画像信号を基に位相を測定することを
   特徴とする干渉測定方法。

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