JPH03243803A - シエアリング干渉計 - 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】 し産業上の利用分野］ 本発明は、被検面によって反射した光束を２つに分ける
ことにより測定波面を２分割し、これらの測定波面を互
いに横ずらしして干渉させるシェアリング干渉計に関し
、特にシェア量から計器自体の倍率および被測定物の実
寸測定を可能にしたシェアリング干渉計に間するもので
ある。

［従来の技術］ シェアリング干渉計は、基準参照面を用いず、被測定波
面を２つに分け、横ずらしを与えて自分自身で干渉を起
こさせる干渉計で、参照用原器を必要としないため、干
渉計のコストを低減できる、シェア量を変化させること
によって得られる干渉縞の本数を調整でき、シェア量を
小さくとれば干渉縞の間隔が混み合って測定が不可能に
なるようなことがない、シェアミラーを前後に数分の一
波長刻みで動かして縞走査すると、参照光と被検光の位
相がシェアミラーの移動量に応じて変化するため、百分
の一波長程度の読取り精度が得られるなどの優れた特長
を有し、特にレンズ、鏡等の比較的収差の大きい光学部
品の面形状、例えば球面、非球面の測定に有利とされる
。

このようなシェアリング干渉計によって各種被測定物を
測定する場合、シェア量を測定する必要があり、この測
定精度が干渉計自身の精度を決定する。特に、球面から
のずれが大きい非球面を測定する場合、シェア量は小さ
くなくてはならず、シェア量測定の絶対測定を必要とす
る。しかし、シェア量は直接測定できず、通常ミラーの
傾き状態から算出したり、あるいはまた特開昭６３−１
８２５０６号公報、特開昭６２−１．２９７３２号公報
に開示された方法によって算出することが行なわれてい
る。すなわち、前者の特開昭６２−１２９７３２号公報
に開示されたシェアリング干渉計は、分割された２つの
光路中にシャッタを配置し、これらのシャッタを交互に
開閉することにより、被球面上に２つの開口光量分布を
形威し、この開口光量分布のシェア方向の相関を求める
ことにより、シェア量を検出するもので、後者の特開昭
６３−１８２５０６号公報に開示されたシェアリング干
渉計は、入射光路中に両湧定波面のずれ量を測定するた
めのパターンを配置し、被検面上にできた前記パターン
の斜影を撮像素子上に結像させ、このパターンを構ずら
しによる方法、自己相関関数による方法、モアレ縞解析
による方法等により解析することにより、シェア量を求
めるようにしたものである。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、干渉計はある基準面（原器）からの差として
比較測定を行なう装置として開発されてきた。しかし、
設計値からのずれ等の絶対測定を行なう場合（特に、非
球面形状等の測定の場合〉、干渉計のもつ幾何学的倍率
を知ることが必要不叶欠となる。しかも、倍率の精度は
直接測定精度の誤差として結果に直接寄与する。

したがって、干渉計においては、平面、球面といった容
易に基準面を作成できる被検物に対してはその評価が可
能であるが、非球面の測定や加工へのフィードバックに
対しては非常に使いすらいものであった。これは、■被
測定物の径方向の位置が干渉縞のどの部分に対応してい
るかが明確でない、■球面、非球面を測定する際、基準
となる参照球面の曲率半径が明確でない、という２つの
理由によるものである。これを明確にするためには、■
干渉計の横倍率を精度よく求めること、■原器の集光点
を検出し、その位置から干渉縞の現われる位置までの距
離を測定する必要がある。すなわち、干渉縞のどの位置
が被測定物のどの位置に対応しているのかを明確にする
必要があるわけで、これを以下実寸測定と呼ぶ。

したがって、本発明は上記したような従来の問題点に鑑
みてなされたもので、その目的とするところは、干渉計
自身の倍率と、実寸測定を行い得るようにしたシェアリ
ング干渉計を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するためになされたもので、そ
の第１の発明は、被検面によって反射した光束を２つに
分けることにより測定波面を２分割し、これらの測定波
面を互いに槽ずらしして干渉させるシェアリング干渉計
において、シェアミラーの傾き角とシェア量との関係を
求めることにより、干渉計自身の倍率を測定するように
したものである。

また、第２の発明は上記第■の発明において、被測定物
の原器の集光点からの位置を測定することにより、被測
定物の直交座標系における被測定物の実寸測定を行なう
ようにしたものである。

［作用］ 本発明において、シェアミラーの傾き角（シェア角）ｄ
ｅを横軸にとり、実測したシェア量ｄｓを縦軸にとって
グラフ上にプロットすると、成る傾き（α〉をもった直
線が得られ、この傾きαを最少自乗法等で算出すると、
この傾きαは干渉計の倍率Ａに比例した値となる。そし
て、倍率Ａは次式で表される。

ｓ Ａ＝に α 但し、Ｋは比例定数である。

干渉計の倍率Ａが分かり、被測定物の原器の集光点から
の位置を測定すると、直交座標系における被測定物の実
寸測定が可能となる。

［実施例］ 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明に係るシェアリング干渉計の一実施例を
示す光学系の構成図、第２図は要部の斜視図である。こ
れらの図において、１は光源、２は発散レンズ、３はビ
ームスプリッタ、４はコリメータレンズ、５は集光レン
ズからなる干渉計の原器、６は被測定物、７はビームス
プリッタ３からの光束を２？の光束に分割するビームス
プリッタ、８は全反射鏡、９は全反射鏡８を光軸方向（
矢印方向）に移動させるピエゾ素子等の駆動装置、１０
はシェアミラー、１）および１２は結像レンズ、１３は
ＣＣＤ等の撮像素子、１４は光源ｌから被測定物６の被
検面Ｓまでの光路中の適宜位置、例えばビームスプリッ
タ３と７の間に配設されたパターン、１５はズームレン
ズ、１６はシェアミラーｌＯのシェア角Ｏを変化させる
ピエゾ素子等の駆動装置、１７は画像入出力装置、１８
は圧電素子駆動装置、１９はモータ制御装置、２０はコ
ンピュータ、２１は表示装置、２２はキーボードである
。

光源１としては可視、赤外または紫外の可干渉性のよい
光束を発するものとして例えばＨｅ−Ｎｅレーザーが使
用される。シェアミラーｌＯはビームスプリッタ７によ
って分割された２つの光束のうち該スプリッタ７により
反射した反射光に横ずらしを与えるもので、これに入射
する反射光の中心を通る光線に対して直交しておらず、
この直交する方向から微小角度θだけ傾いており、駆動
装置１６によって直交する２方向に傾斜されるように構
成されている。

このような構成からなるシェアリング干渉計において、
光源ｌから出た光は発散レンズ２およびビームスプリッ
タ３を経てコリメータレンズ４を透過し、光軸りと平行
光線とされた後、原器５によって焦光点Ｐに集光され、
被検面Ｓを照射する。

ここで反射した光束の波面は被検面Ｓの形態に応じた形
状となっている。そして、この光束は再び原器５、コリ
メータレンズ４およびビームスプリッタ３を透過し、第
２のビームスプリッタ７によって２分され、一部透過し
、一部反射する。そのうち透過光は全反射鏡８によって
反射さ゛れ、再びビームスプリッタ７に戻る。また、ビ
ームスプリッタ７によって反射した反射光はシェアミラ
ー１０によって反射し、該スプリッタフに戻る。この時
、シェアミラー１０は前述した通り微小角度ｅ傾いてい
るため、シェアミラーｌＯに実線で示す如く入射した光
束は、該シェアミラーＩＯにて反射すると、この反射光
は破線で禾す如く進み、入射時の光束と微小量ずれるこ
とになる。したがって、全反射鏡８およびシェアミラー
１０にて反射し、ビームスプリッタ７に戻り、再び重ね
合わされた両光束は横方向に微小量ｄｓだけずれ、干渉
を起こす。

すなわち、被検面Ｓからの光束がビームスプリッタ７に
より２分されることにより、この光束の測定波面が２分
割され、全反射鏡８、シェアミラー１０にてそれぞれ反
射し再びビームスアリツタ７により重ね合わされた両測
定波面はｄｓだけ横方向にシェアされるもので、このｄ
ｓがシェア量である。そして、重ね合わされた光束は結
像レンズ１）．１２を通りズームレンズ１５によって拡
大（または縮小〉された後、撮像素子１３上に結像され
、干渉縞を形成する。干渉縞は撮像素子１３によって電
気信号に変換され、またこの電気信号は画像入出力装Ｗ
１７によって画像情報に変換され、これをコンピュータ
２０により縞解析することで、被検面Ｓの面形状が測定
される。

ここで、球面、非球面等の面形状を測定するためには、
互いにシェアされた両測定波面の直交する２方向のシェ
ア量を測定することが不可欠となる。

すなわち、第３図に示すようにある波面Ｗ（ｘ）をＸ方
向にｄｓだけ横ずらしした波面をＷ　（ｘ　＋ｄｓ）と
する。２つの波面Ｗ（ｘ）、Ｗ（ｘ＋ｄＳ）を重ね合わ
せると、位相差ΔＷ　（Ｘ　）は、ΔＷ（ｘ）＝Ｗ（ｘ
）−Ｗ（ｘ＋ｄｓ）Ｈ−１））に対応した干渉縞が発生
し、この干渉縞を撮像素子１３で観測し、解析すること
でΔＷ　（ｘ　）を得る。ΔＷ　（ｘ　）はＷ　（ｘ　
）の微分情報であるから、これを積分することで、元の
波面Ｗ　（ｘ　）を求めることができる。

なお、第３図において、 Ａ＝ａ−ｂ、Ｂ＝ｂ−ｃ、Ｃ＝ｃ−ｄ、Ｄ＝ｄｅ、ａ＝
ｏとおくと順次 すニーＡ ｃ＝ｂ−Ｂ＝−（Ａ＋Ｂ） ｄ＝ｃ−Ｃ−−（Ａ−１−Ｂ＋Ｃ） ｅ＝ｄ−Ｄ＝−（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ） である。

上記（１）式から明らかなように、シェア量ｄｓはΔＷ
　（ｘ　）に影響を与える数値である。したがって、Δ
Ｗ　（ｘ　）を求めるにはｄｓをより正確に測定する必
要がある。このシェア量ｄｓを求めるためパターン１４
用いられる。パターン１４としては、第４図（ａ＞、（
ｂ）、（Ｃ）に示すようにエツジパターン（ａ［Ｊ）　
、ランダムパターン（ｂ図）、同心円状の規則パターン
（Ｃ図）等が用いられる。

パターン１４の解析によるシェア量Δｄ（ｄｓ）の検出
方法としては、上記特開昭６２−１２９７３２号公報に
詳しく記載されているので、ここではその方法の一つで
あるパターンの横ずらしによる方法についてのみ説明す
る。

パターン横ずらしによる方法 第１図の入射光路中に挿入配置した第４図（ａ＞に示す
エツジパターン１４を、ピエゾ素子等の駆動装置によっ
て駆動されるＸ−Ｙステージ（図示せず〉に取付け、一
方向にリニアに移動させると、パターン１４のエツジ部
にあたる撮像素子１３の出力は、第５図に示すように変
動する。その変動直線上の点ａの位置が撮像素子１３に
エツジがかかった位置で、点すが撮像素子ｔ３上からエ
ツジが無くなった位置である。そこでこの点ａ、ｂを２
つのずれたパターンの各々に対して精度よく検出すれば
、その位置のずれ量から面測定波面の実際のシェア量Δ
ｄを算出することができる。

このような方法によって算出されたシェア量Δｄはシェ
アミラー１０のシェア角ｄｅによって自由に変えること
ができる。シェアミラー１０の傾き角ｄｅを横軸にとり
、実測したシェア量ｄｓを縦軸にとってグラフにプロッ
トすると、第６図のようにリニアな直線３０が得られる
。実際には横軸にはシェアミラーｌＯを傾けるためのス
テッピングモータあるいはサーボモータのステップ数（
パルス数）または圧電素子の加電電圧とし、縦軸はフレ
ームメモリー上で算出した実際のシェア量を表している
。このグラフ上の直線３０の傾き角αを最少自乗法等で
算出すると、この値は干渉計自身の倍率（Ａ）に比例し
た値となる。したがって、干渉計自身の倍率Ａは次式に
よって算出することができる。

α 但し、Ｋは比例定数である。

傾き角αと干渉計自身の倍率Ａの間の比例定数には、原
器５が一定である限り定数となる。したがって、この比
例定数には既に径の分かつているビンゲージのようなも
のを光路中に挿入し、その影の径を測定するなどの方法
で予め測定することができる。原器５毎にこの比例定数
にのみが分かっていれば、シェアミラー１０のシェア角
ｄｅと、実測したシェア量ｄｓとの傾き角αを求めるこ
とにより、ズームレンズ１５のズーム比が変化しても干
渉計の倍率Ａを瞬時に算出することが可能となる。

次に実寸測定について説明する。

第１図および第７図において、干渉計では原器５に入る
前の光線の高さｈに比例して撮像素子１３上の光線の高
さｊが決まるよう設計される。ここで、２つの問題が生
じる。

■光線高さｈに対する撮像素子１３上の高さｊの比例定
数は、干渉計内にあるズームレンズ１５により変化する
ため、その都度正確な測定を行う必要がある。

■光線高さｈに撮像素子１３の位置ｊが対応する。

そのため、原器５を取り付けた後ではその原器５から出
た光線の傾きｅｐに比例して撮像素子１３の位置が対応
することになる。したがって、球面または非球面を測定
する上では被検面Ｓの放射方向の座標系がリニアになら
ない。

更に、全原器５の焦光点ＰよりＬｐの位置に被測定物が
あったとする。この場合、被測定物のＸ９点の形状を測
定する際、撮像素子１３上ではＸｐ１点にその点がある
ように見える。そのため、加工等へのフィードバックを
行うことが困難となる。

この問題は光線高さｈとｊに対する比例定数、原器５の
焦点距離ｆおよび距離Ｌｐを測定することにより計算機
上で補正することができる。

焦点距離をｒ、焦光点Ｐから被測定物までの距離を特徴
とする請求めたい被検面Ｓ上のＸ座標Ｘｐは、 で求められる。

また、干渉縞から求められる光線高さｈにおける球面Ｑ
からのずれがΔＳとすると、ΔＳは球面Ｑに垂直方向の
ずれとして求まるため、Ｙ方向の垂直座標系では となる。

この結果、被検面Ｓ上の点ｙｐの位置を実測（実寸測定
〉でき、非球面の測定や加工へのフィードバックを可能
にする。

［発明の効果１ 以上説明したように本発明に係るシェアリング干渉計に
あっては干渉計自体の倍率と被検面上の任意の点の実寸
測定を行うことができるため、球面、非球面形状の設計
値からのずれ等を正確に計算でき、加工へのフィードバ
ックを容易にする。

また、干渉計自身の持つ収差を予め測定しておき、これ
を測定した倍率に合わせ、縮小、拡大し、測定結果より
差し引くことにより、より高精度の測定を可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るシェアリング干渉計の一実施例を
示す光学系の構成図、第２国は要部の斜視図、第３図は
シェアリング干渉法を説明するための図、第４図（ａ）
、（ｂ）、（Ｃ）はパターンの実施例図、第５図はパタ
ーン移動量と撮像素子の光量との関係を示す図、第６図
はシェア角とシェア量との関係を示す図、第７図は実寸
測定を説明するための図である。 ｌ−・・光源、３−−・ビームスプリッタ、５・・・原
器、６・−・被測定物、７・−・ビームスプリッタ、８
・・・全反射鏡、１０・・・シェアミラー、１３・・−
撮像素子、１５・・・ズームレンズ、ｄＳ・・−、シェ
ア量、ｅ、ｄｅ−−・シェア角、Ｐ・・・焦光点、Ｓ・
−・被検面。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被検面によって反射した光束を２つに分けること
   により測定波面を２分割し、これらの測定波面を互いに
   横ずらしして干渉させるシェアリング干渉計において、
   シェアミラーの傾き角とシェア量との関係を求めること
   により、干渉計自身の倍率を測定するようにしたことを
   特徴とするシェアリング干渉計。
2. （２）請求項（１）記載のシェアリング干渉計において
   、被測定物の原器の集光点からの位置を測定することに
   より、直交座標系における被測定物の実寸測定を行なう
   ようにしたことを特徴とするシェアリング干渉計。