JPH04332808A - 干渉計測システム - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は干渉計を利用した測長シ
ステムのデータ処理の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、干渉計本体と被験物の相互距離を
変え、その最適位置でのモニター値によって、例えば被
験面の球面の曲率半径を測定したり、非球面形状の形状
誤差を特定する事がなされていた。例えば　ＪＩＳ　Ｂ
７４３３　ニュートンゲージにおいては、球面の曲率半
径を査定する際に、フィゾー型干渉計とレーザー干渉測
長器等を用いて行う事が規定されている。以下に図６の
（ａ）と（ｂ）によって簡単に説明する。

【０００３】フィゾー型干渉計の被験光束に例えば凹球
面の被験物５を図６の（ａ）の様にセットする。

【０００４】干渉計本体１と被験物５の相互距離は、図
には示されない機構により、変えられ、又固定できる。 この際の相互距離は図中のレーザー干渉測長器２によっ
てモニターされる。測長器による距離値は相互距離の変
動機構に組み込み、精度の高い位置決め閉ループ機構を
構成する事も既に実施されている。

【０００５】最初に干渉計本体１と被験面の相互位置を
図６の（ａ）のように被験面が丁度フィゾー参照レンズ
４の焦点位置にくるように配すると該参照レンズ４から
出射した光束は被験面で反射折り返して干渉計内に戻る
。従って、干渉縞が観察できるので、その直線性からこ
の近傍において最も焦点に近いと思われる位置を、高精
度に決定する。この位置は焦点反射位置と呼ばれる。 次に相互距離を変えて干渉計本体を被験面から離してい
くと、参照レンズからの出射光が被験面に対し、丁度垂
直に入射・反射して、元の光路をたどり干渉計内に戻る
位置がある。この近傍で焦点反射位置と同様に、干渉縞
の直線性から高精度にこの位置を特定する図６（ｂ）に
示したこの位置は、面反射位置とよばれるが、図から明
らかなように２つの位置の距離Ｚが、即ちこの凹球面の
曲率半径として測定される訳である。

【０００６】ここで問題となるのが、各反射位置で干渉
縞が最も直線となる事の判定である。一般に、これは目
視で行われるが、極めて感応的であり、焦点反射位置の
様に、干渉計の光学系の収差が重畳した干渉縞では、最
適位置でも干渉縞は直線とならない場合が多く、この位
置の査定に大きな誤差を含む事となる。この事はとりも
直さず、測長器によりモニターされたこの座標値により
導かれるＲ値の測定誤差となり、結果として被験面の曲
率半径や形状値に誤差をもたらす。

【０００７】これを改善する方法として、公知文献コニ
カテクニカルレポートＶｏｌ．４（１９９１）の「高精
度多機能干渉計ＡＭＯＳ−１」の中で、以下の手法が述
べられている。

【０００８】査定に用いた干渉縞の直線性とは、被験面
からの戻り光が理想の波面にどの程度近いかを示すもの
であるから、逆に波面収差（波面の悪さ加減）が最小と
なる位置を各反射位置と考える事ができる。従って図５
のように各反射位置近傍で少しずつ距離を変えながら、
波面収差を干渉パターンよりサンプリングした後、尤も
らしい近似曲線を求め、その極値を取る位置を各反射位
置として査定することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この方法は、多くのサ
ンプリング点を用いて、平均自乗法等による近似曲線で
一種の平均化を行うため、前述の目視の場合と比較して
、格段に各反射位置の査定精度が向上する。ここで、干
渉縞の波面収差としては、総Ｗｒｍｓ値を用いており、
視野全体を平均的にみた干渉縞の直線性で判別している
。 しかし総Ｗｒｍｓでなければならなという理由はなく、
目的によっては波面収差解析を行い成分値を算出してこ
れを用いても良い。Ｗｒｍｓの測定精度を高めるために
、実際の機械では各サンプル点でフリンジスキャニング
を行い、位相干渉の手法を用いて、複数の干渉縞から各
干渉縞の位相を精密に特定している。

【００１０】位相干渉法は、干渉縞の強度ＩをＩ＝Ａｓ
ｉｎ（θ＋φ）＋ｄと仮定し、最低３つの干渉縞強度Ｉ
とその時に与えた位相変化θ値を用いて、振幅Ａ，ＤＣ
強度ｄ、初期位相φの３変数を計算により確定するもの
で、初期位相φを極めて精度良く求める事ができる。し
かしながら、精度を最高にするには与える位相変化θは
等間隔で丁度１周期分である必要があり、３つの干渉縞
強度で位相干渉法を高精度に行うためには、位相変化θ
のピッチは、干渉縞１周期（λ／２相当）の１／３，即
ちλ／６，４つの干渉縞強度を用いる場合はλ／８，５
つの干渉縞の場合はλ／１０となる。

【００１１】前述のフィゾー干渉計の場合は、フィゾー
参照レンズ４が有するフィゾー参照面と被験物５の間隔
を、各ピッチで変化させれば所望のフリンジスキャニン
グが行われる。トワイマングリーン型では、干渉計本体
と被験物の距離の他に、参照鏡と干渉計本体の距離を変
える事で同様にフリンジスキャニングを行う事ができる
。要は、参照光と被験光の位相を機械的な光学素子や光
学面の光軸方向の微動で変え、フリンジスキャニングを
行う事であって、各干渉計の方式による差はない。

【００１２】そこで前述のフィゾー干渉計で、仮にサン
プル点を１０点とし、位相変化を最低必要な３ステップ
とした場合を例にとって、この様子を図４に示す。

【００１３】これは横軸に干渉計本体と被験物の相対距
離をとり、縦軸にサンプルＮｏ．をとって干渉縞の強度
データ収集を位置づけたものである。例えば、サンプル
Ｎｏ．１の干渉縞の波面収差Ｗｒｍｓ１を算出するため
に、３ステップ法ではｎ１１から始まりλ／６ピッチで
２回送る事でｎ１１，ｎ１２，ｎ１３の３つの干渉縞の
強度データを収集する。 その後、サンプルＮｏ．２の波面収差Ｗｒｍｓ２を得る
ために、その最初の干渉縞の強度データの収集位置ｎ２
１に相対距離を変え、Ｎｏ．１の時と同様にλ／６ピッ
チで２回送ってｎ２１，ｎ２２，ｎ２３の干渉縞の強度
データを収集する。

【００１４】こうして収集した強度データをもとに得ら
れた各波面収差Ｗｒｍｓ１〜Ｗｒｍｓ１０の相対距離上
の位置は、位相の取り方によるが、各開始点（ｎ１１，
ｎ２１，ｎ３１，…，ｎ１０１）の位相変化を０とおけ
ば、それぞれｎ１１，ｎ１２，…ｎ１０１の相対距離位
置となる。この図からこの方法は非常に多くの干渉縞の
強度データと移動回数を必要とする事がわかる。図４の
例では、波面収差が最低となる最適位置を特定するため
に３ステップ×１０点＝３０回もの干渉縞の強度データ
を収集しなければならない。相対距離の移動回数は合計
２９回となる。４ステップ法では当然各サンプル点での
微小移動がλ／８ピッチで３回となるから、４０回の干
渉縞の強度データ収集と合計３９回の相対距離の移動が
必要となる。また、５ステップ法では、これがそれぞれ
５０回と４９回になり、例えば１回のデータ収集に１秒
を要すとすると、これだれで１分近くの時間がかかる事
になりまことに効率的でない。

【００１５】本発明はこのように高精度で干渉縞が直線
となる位置を査定する際、サンプル点を効率よく選ぶこ
とで、必要とするサンプル数とデータ処理回数を減少さ
せ、査定時間を短くするシステムを提供することを課題
目的にする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この目的は次の技術手段
ａ，ｂのいずれかによって達成される。

【００１７】（ａ）干渉計本体と被験物の相互距離を変
えられ、固定できる手段と、その相互距離をモニターで
きる手段を持った干渉計測システムにおいて、干渉計本
体と被験物の相互距離を繰り返し変えて、その度に位相
干渉法を用いて干渉縞情報を得る際にそのサンプル点間
の相互距離の変化量を、位相干渉法のフリンジスキャニ
ングの移動量と同一として干渉縞データを収集する機能
を有することを特徴とする干渉計測システム。

【００１８】（ｂ）ａ項において、その相互距離の変化
ピッチを位相干渉法のフリンジスキャンニングのピッチ
の整数倍にしたことを特徴とする干渉計測システム。

【００１９】

【実施例】本発明により干渉縞が直線となる最適な位置
の査定をするに当たって、本発明によりその干渉縞のデ
ータ収集を行う様子を図１に示す。図４と同様に横軸に
相対距離をとり、縦軸にサンプルＮｏ．をとる。収集デ
ータも同様に３ステップの位相干渉法より１０点のサン
プル点を得るものとしているが、これは３ステップに限
らず、４ステップ，５ステップ，１０ステップでも良く
、サンプル点も勿論１０点に限った説明ではない。

【００２０】まずＮｏ．１のサンプル点を、λ／６をピ
ッチ２回送って、３つの干渉縞データｎ１１，ｎ１２，
ｎ１３を収集する。これでサンプルＮｏ．１における波
面収差Ｗｒｍｓ１が求められる。次に、さらにλ／６で
１回移動させて、干渉縞データをｎ２３として収集する
。このサンプルＮｏ．２のＷｒｍｓ２を求めるには、２
ピッチの位置変化における干渉縞データｎ２１，ｎ２２
が必要であるが、それぞれｎ２１はｎ１２，ｎ２２はｎ
１３を用いる。従って新たには距離の移動及びデータ収
集を行わない。これでサンプルＮｏ．２のＷｒｍｓ２が
求められる。以下、順にこれを繰り返していくと干渉縞
の強度データは、合計１２回の収集で良く、相対距離の
移動は、１１回で済む。これは前述の図４の場合の１／
３に近い数である。

【００２１】同様の事を４ステップ法で行うと、データ
収集回数は１３回、移動は１２回、５ステップ法ではそ
れぞれ１４回と１３回になり、前述の場合の１／４近い
数で済んでしまう事になる。つまり、本発明である所の
サンプル間の移動ピッチと位相干渉法のフリンジスキャ
ンピッチを一致させる事で、干渉縞の強度データを効率
良く複数回使えるため、大幅なデータ収集時間の削減が
可能となった訳である。

【００２２】次に各干渉縞の強度データの扱いについて
図２に示す。位相ステップ数及びサンプル点数について
は図１の例と同じである。

【００２３】３ステップ法のため３つのフレームメモリ
ーを使用するが、サンプルＮｏ．１においては順に収集
した干渉縞強度データを、ｎ１１はフレームメモリー１
に、ｎ１２はフレームメモリー２に、ｎ１３はフレーム
メモリー３へ入力、Ｗｒｍｓ１を求めるための処理を行
う。

【００２４】次にサンプルＮｏ．２においては、まずフ
レームメモリー２の内容（ｎ１２）をフレームメモリー
１へ転送し、完了後フレームメモリー３の内容（ｎ１３
）をフレームメモリー２へ転送する。こうしておいて、
新規収集データ（ｎ２３）をフレームメモリー３へ入力
すれば、Ｎｏ．１と全く同じ処理を行う事によりＷｒｍ
ｓ２が精度良く求められる。以下、この操作を繰り返す
ことで全く機械的にＷｒｍｓ１０まで求める事ができる
。

【００２５】さて、本発明の方法は、相対距離の移動ピ
ッチが、位相ステップ数に依存するため、例えば被験物
のＮＡが小さい場合、得られたＷｒｍｓの変化量が小さ
くて、その最小位置の特定が難しくなる場合がある。こ
の場合は、サンプル点数を多くして、相対距離の移動範
囲を広くすれば良いがＷｒｍｓの変化量に比して、過剰
なサンプル数となるため、データ処理時間が増加してや
や効率が悪い。

【００２６】そこで、上述の本発明の方法において、サ
ンプル点間の移動ピッチを、位相干渉法のフリンジスキ
ャンのｎ倍（ｎは整数）に設定して、サンプル点数を増
加させる事なく、同様の精度を効率良く得る方法を、図
３を用いて示す。

【００２７】図３ではｎ＝２、位相ステップ数は４、サ
ンプル点数は１０としているが、それぞれこれに限られ
るものでない事は言うまでもない。

【００２８】まず、サンプルＮｏ．１においてλ／８毎
に３回移動する事で４つの干渉縞強度データｎ１１〜ｎ
１４を得、Ｗｒｍｓ１を求める。次にλ／８ピッチをｎ
（２）回送ってそれぞれの位置でサンプルＮｏ．２にお
けるｎ２３，ｎ２４の干渉縞の強度データを収集し、ｎ
２１，ｎ２２は、それぞれｎ１３，ｎ１４を使用しＷｒ
ｍｓ２を求める。

【００２９】これを繰り返す事でＷｒｍｓ１０まで求め
る事ができ、サンプル数は１０であるにもかわらず、サ
ンプル点間隔がλ／８×ｎ（２）ピッチと、位相ピッチ
のｎ（２）倍になっているため、ｎ＝１の時よりｎ倍広
い相対距離範囲で、干渉縞の強度データ収集した事にな
る。 従って、Ｗｒｍｓを求めるための干渉縞の強度データの
処理回数は１０回、収集データ数は２２回、移動回数は
２１回となり、データ数を２倍にした時のそれぞれ２０
回，２２回，２１回と比較して、明らかにデータ処理時
間を半減できる。

【００３０】この方法のフレームメモリー上での操作は
、図２の場合と全く同様で、転送回数を１回ではなく、
ｎ回行う事、新規データ入力がｎヶ所のフレームメモリ
ー上で行われる事だけである。その意味で、本発明の特
許請求の範囲の請求項１は請求項２におけるｎ＝１の場
合と考える事ができる。

【００３１】表１にサンプル点数１０の時の各位相ステ
ップ数と本発明のｎによる干渉縞強度データの収集数と
移動回数を示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【発明の効果】本発明により干渉計を利用した干渉計測
システムのデータ処理の際の干渉縞の波面収差が最小に
なる位置の特定作業に当って、レーザ干渉測長器の様な
相対位置の検出データ入力回数や該干渉計又は被験物の
移動回数を従来のシステムの１／３から１／２にするこ
とができるようになり、特定時間が短くなり測定効率が
格段に向上するようになった。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の１実施例における干渉計及び被験物間相
対距離とサンプルＮｏ．との関係図。 図２は収集データのメモリー間の転送状態図。 図３は本発明の別の実施例における干渉計及び被験物間
相対距離とサンプルＮｏ．との関係図。 図４は従来における干渉計及び被験物間相対距離とサン
プルＮｏ．との関係図。 図５は干渉計及び被験物間の相対距離と波面収差及びそ
の干渉縞との関係図。 図６は（ａ）はフィゾー型干渉計と被験物が焦点反対位
置にある側面図。 （ｂ）はフィゾー型干渉計と被験物が面反対位置にある
側面図。

【符号の説明】

１…干渉計本体 ２…レーザー干渉測長器 ４…フィゾー参照レンズ ５…被験物

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】干渉計本体と被験物の相互距離を変えられ
   、固定できる手段と、その相互距離をモニターできる手
   段を持った干渉計測システムにおいて、干渉計本体と被
   験物の相互距離を繰り返し変えて、その度に位相干渉法
   を用いて干渉縞情報を得る際にそのサンプル点間の相互
   距離の変化量を、位相干渉法のフリンジスキャニングの
   移動量と同一として干渉縞データを収集する機能を有す
   ることを特徴とする干渉計測システム。
2. 【請求項２】請求項１において、その相互距離の変化ピ
   ッチを位相干渉法のフリンジスキャニングのピッチの整
   数倍にしたことを特徴とする干渉計測システム。