JPH02287107A - ２次元情報取得装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光学的干渉計を用いた精密測定装置に係わり
、特に、偏光干渉計を用いて、光の位相のずれを高精度
かつ高速に検出・計算して、超精密加工製品などの面形
状、温度分布、屈折率分布プラズマ密度等を実時間で測
定する２次元情報取得装置に関する。

（従来技術） 精密機械、電子産業では、超精密加工部品や装置が制作
されており、それらの製品の検査あるいは装置の駆動制
御に係わり、光学的干渉計による測定装置が用いられて
いる。前記従来の測定装置は、干渉測定の自動化や高精
度化を主眼として、例えば、参照面を電気的に微少量変
化させながら干渉縞を計算機に取り込み、それらの複数
枚の干渉縞から光の位相分布を計算して測定するもので
あった。第５図は、面形状を高精度に測定するための従
来装置の構成図である。同図において、測定は以下のよ
うに行われている。レーず一光源５１からの光を半透鏡
５２で分け、被測定物体５３と参照面５４を照明する。

それぞれの面から反射してきた光を再び半透鏡５２で合
わせて干渉縞５５をつくる。この干渉縞強度をテレビカ
メラ５６を用いて計算機５７に入力し計算するが、この
時参照面をピエゾ素子５８などを用いて微少量ずつ変化
させて、位相がずれた干渉縞を計算機に人力し演算・計
算を行う。このような測定システムにより、例えば、面
形状を１／１０００波長程度で高精度測定することがで
きる。

（発明が解決しようとする課題） 前述した従来装置では、テレビカメラの複数フレームを
時系列で計算機に取り込むためにデータの人力時間がか
かり、また−変針算機に記録されたデータをやり取りし
ながら計算するので演算時間がかかり、テレビレートで
の測定は不可能である。被測定物が金属面のように時間
変化のないものは測定時間がある程度かかっても問題は
ないが、例えばプラズマ密度の測定のように時間変化す
るものは実時間測定することが不可欠である。また測定
が実時間で行えれば、その結果を測定系や制御系にフィ
ードバックすることができ、更に多機能なシステム構成
が可能となる。

そこで本発明では、偏光レーザー干渉計を用いて、位相
が異なる複数の干渉縞を同時に形成し、この干渉縞を複
数のテレビカメラで撮像し、テレビレートで光の位相分
布を演算・計測して、被測定物体からの２次元的な物理
量の情報を高精度でかつ実時間で取得することを目的と
する。

（課題を解決するための手段） 上記の目的は、以下本発明によって達成される。

即ち本発明は、２次元的な物理量の変化に応じて直交偏
光間の位相がずれた光を出力する物理量測定光学系と、
この光学系からの出力光の直交偏光間の位相、または右
と左の円偏光の位相を保持したまま３つの波面に分割す
る波面分割光学系と、この分割光学系から出力された３
つの光に対して各々に偏光板および波長板の組み合わせ
を用いて、干渉縞の位相が９０”ずつ異なる干渉縞を同
時に得て、その３枚の干渉縞を周波数同期したテレビカ
メラで影像し、それらからのビデオ信号の差信号を求め
た後に逆正接を求めて、前記被測定直交偏光間の位相分
布を実時間測定するものである。

ビデオ信号の差信号の逆正接を求めるには、あらかじめ
人力の差信号に対する逆正接を計算しておく、ディジタ
ルルックアップテーブル方式により、テレビレートで光
の位相分布を求めることが可能である。

（作　用） 本発明を図面を用いて更に説明する。

左右円偏光の波面分割光学系を用いる場合を第３Ａ図に
示した。光波センシング用偏光干渉計から出射してきた
被測定波面のＸおよびｙ偏光の振幅と位相成分をそれぞ
れａ、ｂとφＸ、φｙとすると、２波長板ＱＩＡＰ３の
ファスト軸がｘ−ｙ面内にあり、Ｘおよびｙ軸となす角
が４５°とすると、このＸ波長板ΩＷＰ、を通過した被
測定波面のそれぞれの振幅および位相は、右と左の円偏
光にそれぞれ変換される。ここでその波面を３分割した
後、偏光板を透過させるが、この偏光板Ｐ１〜Ｐ、の方
向を２軸に対してθとすると、得られる干渉縞は、１　
＝　（ａ２＋ｂ’）　／　２　＋ａｂ　ｓｉｎ　（φ×
−φｙ＋２θ）となる。従って、θを０．π／４．π／
２とした偏光板Ｐ、−Ｐ、を透過すると、得られる干渉
縞はそれぞれ、 Ｉ　＋　＝　（ａ２＋ｂ２）　／２　＋ａｂ　ｓｉｎ　
（φＸ−φｙ）１２　：　（ａ’　＋ｂ２）　／２　＋
ａｂ　ｃｏｓ　（φＸ−φｙ）［ｚ　＝　（ａ’　＋ｂ
２＞　／２−ａｂ　ｓｉｎ　（φＸ−φｙ）となる。こ
れらの干渉縞は位相が９０’ずつずれている。従ってこ
れらの干渉縞をテレビカメラ７ｙ、　％Ｔｖ、で撮像し
、そのビデオ信号の差を次式により求めて、余弦Ｓ＝１
．−１．と正弦Ｃ＝１．−Ｌ信、号とを得る。この余弦
、正弦信号は上式から、 ５＝１２　　ａｂ　ｓｉｎ　（φＸ−φｙ　−π／４）
Ｃ＝／Ｅ）　　ａｂｃｏｓ（φ×−φｙ　−π／４）と
なるので、これらを用いて逆正接ｊａｎ　−’（Ｓ／Ｃ
）を計算することにより、直交偏光間の位相分布を実時
間で求めることができる。

次に、直交偏光間の位相を保持して測定する場合の波面
分割光学系を第３Ｂ図に示した。入力光のＸおよびｙ偏
光の振幅と位相成分をそれぞれａ、ｂとφｘ１　φｙと
すると、偏光方向が２軸に対して４５°方向に向いてい
る偏光板Ｐ、を透過してきた光の作る干渉縞Ｉ、は、 Ｉ　＋　＝　（ａ２＋ｂ’）　／　２　＋ａｂ　ｃｏｓ
（φＸ−φｙ）となり、この偏光板Ｐ１と偏光方向が９
０°回転した偏光板Ｐ３を透過した干渉縞■、は、！　
ｙ　＝　（ａ’　十ｂ’）　／２−ａｂ　ｃｏｓ　（φ
Ｘ−φｙ）となる。更にス波長板ＱＷＰ、のファスト軸
が２軸と一致し、・検出偏光方向がＰｌと一致する偏光
板Ｐ２を透過した光による干渉縞■２は、Ｉ　２　＝　
（ａ”　＋ｂ’）　／２−５ｉｎ　　（φ×−φｙ）と
なる。干渉縞Ｉ２．Ｉ、の位相はＩｔに対してはそれぞ
れ９０°　　１８０°ずつずれている。これらの干渉縞
をテレビカメラ７ｖ、〜Ｔｖ、で撮像し、差信号Ｃ＝１
＋　　　１２．５＝Ｉａ　　１２を求めると、この正弦
、余弦信号は、 Ｃ＝Ｊ２ａｂ　ｃｏｓ　　（φＸ−φｙ　−π／４）Ｓ
　＝ｊ２ａｂ　ｓｉｎ　　（φ×−φｙ　−π／４）と
なるので、これら差信号の逆正接を計算することにより
、直交偏光間の位相差 （φＸ−φｙ−π／４）が求められる。

（発明の効果） 以上のように、本発明によって、超精密加工製品の面形
状（そり、表面あらさ等）が高精度でかつ実時間で測定
することが可能となる。従って、精密機械の加工工程に
おいて、欠陥製品の発見に時間を要せず、機械を長時間
停止することなく加工条件を変えることができる。また
、測定物体や偏光干渉計に適当なものを選ぶと、被測定
物体の屈折率分布、温度分布やプラズマ密度などの物理
量の定量的測定も実時間でできることになる。更に、こ
の実時間波面測定システムは、すべての偏光干渉計に対
して応用することができるので、従来使用されていた干
渉計の干渉縞検出部分に本発明の検出部分および信号処
理・表示装置を用いることにより、種々の偏光干渉計の
高精度化および実時間化が可能となる。

（実施例） 以下に、本発明を実施例１１実施例２によって詳細に説
明する。

一実施例　１− 第３Ａ図のような装置は、第１図に示すような面形状を
高精度で測定する計測システムに応用することができる
。同図のシステムは左右の円偏光を用いる場合である。

光センシング用の干渉計１０としては偏光マイケルソン
干渉計を用いる。

レーザー光源１１からの光をレンズ系１２により拡大し
た後平行光とし、偏光半透鏡１３により２つの直交偏光
に分ける。それぞれの光に区波長板Ωｗｐ、、ＱＷＰ、
を挿入して円偏光とし、物体面１４と参照面１５を照明
する。・各の面で反射してきた光を再び２波長板ＯＷＰ
　ｒ、ＱＷＰ２を通して直線偏光とした後に、再び偏光
半透鏡１３により２つの波面を合わせる。この時Ｘ偏光
とｙ偏光の位相差が被測定面の形状に比例することにな
る。このセンシング光を２波長板ＱＷｈを透過させると
、Ｘおよびｙ偏光は左および右円偏光（ユ））に変換さ
れて、波面分割光学系１６により３つの波面に分割され
る。この分割された光に対して偏光板Ｐ１〜Ｐ３を透過
させて干渉縞工、〜Ｉ、を作る。この時偏光板Ｐ、とＰ
、はＰｌの偏光方向に対してそれぞれ４５°と９０’回
転しである。従って干渉縞１１〜Ｉ、の位相は９０°ず
つずれているので、テレビカメラＴｖ、〜ＴＶＳからの
出力信号の差信号ＣとＳとを例えばオペアンプで求める
ことができる。その後この差信号を信号処理装置１７で
Ａ／Ｄ変換してディジタル信号とした後、ルックアップ
テーブル方式でＣとＳとの逆正接を求め、ると、センシ
ング用干渉計の直交偏光間の位相差が実時間で求められ
る。位相差は表示用のテレビモニター１８に入力され、
位相分布に比例した画像が濃淡パターンとなって表現さ
れる。位相分布が２πラジアンを越えると濃淡パターン
が折り返すので、画面全面での分布を求めるために、位
相の不連続点をディジタル的に補正して表示することも
できる。また、そのデータを用いて位相分布を実時間で
テレビモニター上に第４図に示すような鳥敞図として表
現することもできる。さらに定量的なデータ処理として
、求めた位相値を計算機などの外部の信号処理装置にも
転送できるようにすることができる。これにより被測定
物体の面形状をテレビレートで計測できるので、被測定
物体が高速に替わっても測定が可能であり、欠陥品の非
破壊検査が高速に行える。

以上の方法は定量的な手法であるが、３台のテレビカメ
ラから得られるビデオ信号をカラーのＲＧＢ信号とする
と、カラーモニター１９上には被測定光の位相分布がカ
ラーで表示されることになる。この手法は定量的な測定
はできないが、白色干渉縞と同様に位相の凹凸判定が簡
単に実時間でできると共に、特徴的な欠陥部分などを色
の変化として高速に検出することができる。

一実施例　２− 以上のような実時間波面測定装置（第１図）は、第２図
に示すような偏光マハ・ツエンダ−干渉計１０’に適応
することができ、例えばプラズマ密度などの計測が高速
に行える。

レーザー光源１１から来た光をレンズ１２により平行光
とし、この光を偏光半透鏡１３により２つの直交した偏
光面をもつ光に分ける。第１図では各光路の途中に偏光
方向を直線（＋）と円（◆）で示しである。この一方の
光を被測定物体１９を透過させ、他方の光を参照光とし
、再び偏光半透鏡１３’でこの２つの光を合わせる。被
測定物体の物理量の変化によりＸ偏光の光の位相が変化
している。この光波センシング用偏光干渉計１０′から
出射してきた光を、波面分割光学系１６′により３つに
波面分割し、順番に偏光子Ｐ１からＰ、を挿入する。こ
の時Ｐ、の偏光子はその偏光軸をＰ＋とＰ２に対して９
０°回転させ、更に偏光子Ｐ、の前面にはス波長板ＱＷ
Ｐ４を挿入する。これら３個の偏光子を透過してできた
干渉縞の位相はそれぞれ９０°ずれている。この干渉縞
をテレビカメラＴｖ、〜Ｔｖ、　、例えばＣＣＤカメラ
などで撮像するが、ここで重要なのはこの３枚の画像の
位置合わせである。ここではまず、干渉計１０′の光路
２１を遮断し、一方の光路２２の後方に適当な吸収物体
１９を挿入する。この画像を３個のカメラで撮像し、そ
れらの差信号を見ていると画像の位置が一致すれば、２
つの差信号には分布が生じない。従って、差信号がなる
べく一様になるようにテレビカメラの位置の調節を行っ
て、３枚の画像の位置合わせを正確に行うことができる
。次に、波面分割光学による位相ずれの補正は、干渉縞
を撮像しながら３個の偏光子Ｐ、〜Ｐ、の回転やス波長
板ＱＷＰ、を回転して、２つの差信号のコントラストが
最大になるように調節すれば良い。

また、これら３枚の干渉縞を３個のテレビカメラで撮像
するが、テレビカメラの前面プレートでの不必要な多重
干渉を取り除くために、この前面プレートに反射防止膜
を取り付ける必要がある。前記３個のビデオ信号は、各
々９０’位相がずれているので、信号処理装置１７でそ
れらの差信号を求めた後、逆正接を計算すると光の位相
分布、例えばプラズマの密度などが求められる。ここで
用いる計算処理は、ディジタル信号処理装置を用いてテ
レビレート、つまり実時間で測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の偏光マイケルソン干渉計を用いた面
形状測定システムの構成図、 第２図は、本発明の偏光マハ・ツエンダ−干渉計を用い
た透明物体測定システムの構成図、第３Ａ図は、左右円
偏光の位相を保持して測定する場合の波面分割光学系を
示す構成図、第３Ｂ図は、直交偏光間の位相を保持して
測定する場合の波面分割光学系を示す構成図、 第４図は、被測定物体の面形状をテレビモニター上に鳥
撤図で表示させた例、 第５図は、従来の干渉縞を用いた面形状測定装置の構成
図である。。 （符号の説明） １０．１０’・・・・・・光波センシング用偏光干渉計
、１１．５１・・・・・・レーザー光源、１２・・・・
・・レンズ系、 １３．１３’、５２・・・・・・偏光半透鏡、１４．５
３・・・・・・被測定面、 １５．５４・・・・・・参照面、 １６．１６’・・・・・・波面分割光学系、１７・・・
・・・信号処理装置、 １８・・・・・・テレビモニター １９・・・・・・カラーモニ９− ２０・・・・・・透明物体、 ２１、−２２・・・・・・光路、 ５５・・・・・・干渉縞、 ５６・・・・・・テレビカメラ、 ５７・・・・・・計算機、 ５８・・・・・・ピエゾ素子、 ＱＩＩＩＰ　、〜ＱＷＰ、・・・・・・ス波長板、Ｔｖ
、〜ＴＶ３・・・・・・テレビカメラ、Ｐ１〜Ｐ３・・
・・・・偏光子、 ■、〜■、・・・・・・干渉縞。 第３Ａ図 銅３Ｂ図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）２次元的な物理量の変化に応じて直交偏光面の位
   相がずれた光を出力する物理量測定光学系、前記物理量
   測定光学系からの光を左右の円偏光に変換する円偏光生
   成手段、この円偏光生成手段からの光のある特定の方向
   の偏光を２次元的に検出する第１の光検出手段、前記あ
   る特定の方向とπ／４異なる方向に偏光した前記円偏光
   生成手段からの光の強度を２次元的に検出する第２の光
   検出手段、前記第１の光検出手段により検出された光と
   π／２異なる方向に偏光した前記円偏光生成手段からの
   光の強度を２次元的に検出する第３の光検出手段を備え
   、前記第１、第２および第３の光検出手段に基づいて前
   記物理量に関する２次元的情報を取得する２次元情報取
   得装置。
2. （２）２次元的な物理量の変化に応じて直交偏光面の位
   相がずれた光を出力する物理量測定光学系、前記物理量
   測定光学系からの光のある特定の方向の偏光を２次元的
   に検出する第１の光検出手段、前記ある特定の方向とπ
   ／２異なる方向に偏光した前記物理量測定光学系からの
   光の強度を２次元的に検出する第２の光検出手段、前記
   第１および第２の光検出手段により検出された光とλ／
   ４位相がずらされ、前記のある特定の方向またはπ／２
   異なる方向に偏光した前記物理量測定光学系からの光の
   強度を２次元的に検出する第３の光検出手段を備え、前
   記第１、第２および第３の光検出手段に基づいて前記物
   理量に関する２次元的情報を取得する２次元情報取得装
   置。
3. （３）前記物理量の２次元的情報がカラー表示されるこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の２次元情報取得装
   置。