JPH046402A - 干渉測定器 - 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、光波干渉法を利用した干渉計とレーザー干渉
測長器とを用いて、レンズ等の被検物の表面形状等を計
測あるいはまた干渉縞計測するようにした干渉測定器に
関する。

〔発明の背景〕

レンズ等の被検物の表面形状等を測定するために干渉法
を利用することは、直接被検物の表面に接触することな
く測定できる利点を有する。干渉計としては、例えはト
ワイマレグリーン型、フィゾー型、マツハツエンター型
干渉計や、それぞれの型のホログラム干渉計か紹介され
、二〇らの干渉計は測定器として市場にも提供されて（
・る。

市場に提供される干渉計は、干渉計を構成する光学素子
を単一の筐体内に固定しユニ・７）化したもので、各光
学素子の関係位置を安定して保持するように干渉計ユニ
７トとしｔ：ものか一般の形態である。しかし被検物の
干渉測定には干渉計ユニントと被検物との被検光軸方向
の相対距離を可動とし、かつ、固定することか必要であ
る。一般に提供されている干渉測定器は、干渉計ユニ／
トを固定し、被検物は移動台に載せて、被検光軸方向に
移動及び固定するようにしたもので、普通は簡易な微動
ステージによってミクロンオーターの位置決めと移動量
の測定かできるようになっている。

またリニアへアリングやエアスライドを用いて被検物を
被検光軸方向に可動とする例も見受けられる。この場合
には被検物の大きさや重量の関係から、被検物の移動手
段は干渉計ユニットとは別体となっていて、マグネスケ
ールやレーザー干渉測長システム等を用いた測長システ
ムが用いられることはあるが、該測長システムは干渉計
ユニットとは別体となっている。

第６図に示したのはＪＩＳ　Ｂ−７４３３−１９８９に
記載された干渉測定器を示したもので、左にはフィゾー
１干渉計ユニント９０があって、レーザー光源９１から
のレーザー光は配設されたフィゾー型光学素子ｔ−ｉっ
でフィゾー参照レンズ９２から被検光束りが出光し、被
検物９３に投射する。被検物９３の背後にはレーザー干
渉測長器を用いた測距機構９６があり、被検物９３は架
台９５上に固設されていてべ〉′チ９４上を被検光軸に
沿って移動し、この移動量は前記の測距機構９６によっ
てモニターしている。測距機構９６は被検物９３の背後
から測長を行っているため、干渉計の本体ユニットにこ
れを組込むことは極めて困難で、例えできたとしても大
型で重くなるためユニット化するメリットはない。しか
も上託の干渉測定器では測定環境を２３°Ｃ±１　’Ｃ
と規定し、測定精度を０．２〜ｌｐｍに定めているが、
被検光束り及び測距機構９６による測長光路が長い場合
は、その精度維持が難しく、基本的に誤差か生じ易い光
学配置となっている。

例えば測定中に温度が上昇した場合、干渉計ユニットと
移動レールとは別体であるから、機械部品の熱膨張によ
り干渉計本体に対する被検物位置か遠くなる方向へ変化
するか、それだけでなく被検物の測長光路にも機械的な
熱膨張が生じるため測長値が長くなる。しかもこれらの
変動は被検距離と測長距離とに依存するため定量的には
一致しない。即ち、測定環境変化による干渉計と被検物
との間での相対的な距離変動と、測長値の変動が相補う
ことなく、全く独立に生じるという欠点を有している。

また、被検物を１μｍ以下の距離精度で干渉計本体に対
して可動・固定するのは容易ではなく、何等かの可動及
び固定機構の工夫か必要となる。

〔発明の目的〕

本発明は、干渉計の有している被検面の干渉観察及び計
測の機能に加えて、干渉計と被検物の相対距離情報を精
度よく同時に計測することを可能とし、かつ全体として
の測定系を小型・軽量にし、作業性か向上するようにし
た干渉測定器を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

上記目的は、干渉観察用干渉計のレーザー光源とレーザ
ー干渉測長器のレーザー光源を共用とし、望ましくは前
記干渉計の被検光軸と前記レーザー干渉測長器の測長光
軸とを平行にかつ同一の向きに配設し、更に望ましくは
被検物を除く前記干渉計構成要素と、測長ミラー又はプ
リズムを除く前記レーザー干渉測長器構成要素とを同一
ユニット内に設けたことを特徴とする干渉測定器によっ
て達成される。

〔実施例〕

第１図（ａ）は本発明の一実施例を示す構成図で、フィ
ゾー型干渉計１１０を用いた干渉計ユニット１００から
なる干渉測定器を示している。但し、本発明に用いられ
る干渉計はその型式に何等限定されるものではない。フ
ィゾー型干渉計１１０は例えはＨｅ−Ｎｅレーザー或は
半導体レーザー等のレーザー光源Ｉｌｌと、レーザー光
源ｉｌｌよりのレーザー光を集光する集光レンズ１１６
と、集光レンズ１１６の焦点に置かれた干渉縞観察用の
ハーフミラ−１１８と、レーザー光を平行光とするコリ
メーターレンズ１１２と、参照面１１３ａを有するフィ
ゾー参照レンズ１１３とからなり、参照レンズ１１３の
参照面１１３ａより反射した参照光と被検物１３１の被
検面１３１ａより反射した被検光とが干渉して発生する
干渉縞は、ハーフミラ−１１８と結像レンズ１５１とを
経て、例えはＣＣＤ撮像素子よりなる撮像機１５２によ
り撮像され、その表示部であるテレヒ１５０に映し出す
ことかできる。

被検物１３１を除く上記干渉計光学素子は１，１枚の剛
性基板１０１上或はその裏表面上に固設されて干渉計ユ
ニンｌ−１００を構成し、剛性基板１０１は堅固な函型
鋳物ブロック内に取り付けられいわゆるシェル構造を構
成している。

本発明は、この干渉計ユニット１００内に測長ミラー又
は測長プリズムを除くレーザー干渉測長器１２０の干渉
測長要素を設け、レーザー干渉測長器１２０のレーザー
光源を上記レーザー干渉計１１０のレーザー光源１１１
と共用にし、周波数安定レーザーを用いたものである。

このため本実施例では剛性基板１０１上で、レーザー干
渉計１１０のレーザー光源１１、１の直前にハーフミラ
−１１９とミラー１２４を設けてレーザー干渉測長器１
２０にレーザー光を分割誘導するようにしている。また
、剛性基板１０１上には、ビーム整形器１２１、測長用
レシーバ−１２２、測長用干渉プリズム１２３（但し差
動型の場合は固定ミラー）が固設される。

同一の干渉計ユニット１００内に設けＩ；干渉計１１０
の被検光軸と、レーザー干渉測長器１２０の測長光軸と
は平行かつ同一の向きに有るよう調整されたのちこれら
光学要素は固設され、筐体内では測定中に微少な変位も
生じることはない。

一方、被検物１３１と測長ミラー（又はプリズム）１３
２は架台１３０上に取付けられ、被検物１３１と測長ミ
ラー１３２とはそれぞれ被検光軸と測長光軸に正対して
位置していて、架台１３０はベンチ１４０上を光軸に平
行に移動できるようになっている。被検物１３１の被検
面１３１ａの計測は、テレビ１５０を観察しつつ架台１
３０を移動させ、テレビ１５０画面上で干渉計１１０に
よる干渉縞か観察される位置をレーザー干渉測長器１２
０によって測長することによってなされる。

以上の説明から明らかなように、環境変化によって干渉
計ユニット１００と被検物１３１との相対位置が変動し
ても、被検光における被検面の距離と、測長光の被検面
に対する距離がほぼ等しくなるため、精度良く被検面の
距離を計測することかできる。

特に距離精度の厳しい光学面については、？ｌｌｌｌｌ
ｌ−１３２と測長用干渉プリズム１２３の位置を選択設
定することで、被検面１３１ａ中心の被検光路長と測長
光路長とをほぼ等しい距離、また距離差かあっても±２
０ｍｍ以内に設定することによって環境変化に対する影
響は殆と除去することかでき、本発明の光学配置の効果
か大きく認められる。また共用するレーザー光源ｉｌｌ
に周波数安定化レーザーを用いているので、干渉縞のヒ
ジヒリティは良好で、安定した測長精度が得られる。

またレーザー干渉測長器１２０の光学系を干渉計ユニッ
ト１００に組み込むことで、干渉計本体１１０と被検面
１３１ａとの相対距離を測長する測長光を被検光軸と平
行でしかも同じ向きに、また必要によっては近接して設
けることかでき、その上レーザー光源１１１を共用とし
たので、全体のシステムとして干渉測定器を効率良く小
型にすることができる。

なお、上記説明では干渉計１１０による干渉縞の観察は
結像レンズ１５１と撮像機１５２及びテレビ１５０を用
いて行うようにしたが、観察用スクリーンを設けてこの
上に干渉縞を投影するようにすることも行われる。テレ
ビ１５０等を用いる場合はレーザー干渉測長器１２０に
よる測長値も併せて表示できる利点かある。

第１図（ｂ）は干渉計としてトワイマングリーン型干渉
計１１ＯＡを用いた実施例である干渉計ユニット１００
Ａを示す構成図で、第１図（ａ）の干渉計ユニット１０
０と同一部分は同一符号で表してあり、詳細な説明の重
複する部分は省略する。この実施例ではフィソー参照し
ンス１１３に代わって集光レンズ１．１５か設けられ、
コリメーターレンズ１１２ト集光レンズ１１５との間に
は光軸に対し４５°傾いたハーフミラ−１１４と、参照
ミラー１１７と、集光レンズ１５３が設けられている。

共通光源であるレーザー光源ｉｌｌより発光したレーザ
ー光はコリメーターレン、（１１２により平行光となり
、ハーフミラ−１１４を透過して被検光となり、集光レ
ンズ１．１５により集光したのち被検面１３１ａで反射
し再び集光レンズ１１５を経てハーフミラ−１１４によ
って反射し、集光レンズ１５３で集光される。一方、ハ
ーフミラ−１１４によって反射したレーザー光は参照ミ
ラ〜１１７によって反射しハーフミラ−１１４を透過し
て参照光となる。上記被検光と参照光とはともに集光レ
ンズ１５３により集光され干渉縞を発生する。その干渉
縞は結像レンズ１５１、撮像機１５２を経てテレビ１５
０に映し出される。

第１図（ｃ）は干渉計としてフィゾー型ホログラム干渉
計１１０Ｂを用いた実施例である干渉計ユニット１００
Ｂを示す構成図である。図において、第１図（ａ）、（
ｂ）と同一部分は同一符号で表してあり、１３０は交換
可能に設けられｔ；ホログラムである。共通のレーザー
光源ｉｌｌより発射され、ハーフミラ−１１９，集光レ
ンズ１１６．コリメーターレンズ１１２を経て平行光と
なったレーザー光は、フィゾー参照レンズ１１３で集光
されて被検光となり、被検物１３１の被検面１３１ａで
反射され再びフィゾー参照レンズ１１３を経てハーフミ
ラ−１１４で反射されたのちホログラム１３０に達する
。一方、フィゾー参照レンズ１１３の参照面１１３ａで
反射した参照光はハーフミラ−１１４で反射されホログ
ラム１３０に達し回折される。ホログラム１３０を通っ
た上記被検光の０次光と、ホログラム１３０で回折され
た参照光の１次回折光とは干渉し干渉縞を発生する。こ
の干渉縞は結像レンズ１５１を経て撮像機１５２により
撮像されテレビ１５０に映し出される。ホログラム１３
０を選択することによって、種々の非球面形状の被検面
１３１ａを干渉測定することかできる。

第２図は上述した干渉計ユニット１００，１００Ａ又は
１００Ｂを可動とし、被検物１３１と測長ミラー（プリ
ズム）１３２とを基板１３０に取付は固定し、被検光軸
を水平とした実施例である。

被検物１３１としては通常のプリズムやレンズ等の光学
素子以外に光学面成壓用の金型等があり、大きさについ
ても径１ｍｍ〜１５０ｍｍ、重量についても０．５ｇ〜
２０ｋｇと大きなバラツキがあり、このような大きな差
異のある被検物１３１に対して高精度にに移動・固定し
、また位置決めを行うことは容易ではない。

第２図に示した実施例は、変動要因の大きい被検物１３
１を固定して、一定の大きさ・重量の干渉計ユニット１
００．１００Ａ又は１００Ｂを架台２１０に取付け、ベ
ンチ２２０上を移動・固定し、また位置決めを行う機構
を組込んだもので、第１図（ａ）の実施例に較べ　高精
度に移動・固定し、位置決めすることができる。

さらに第２図に示した実施例では、被検物１３１を固定
する治具類の可動・固定軸が１つ減って誤差要因か減る
ことと、重量や剛性の制約かなくなるので、ティルティ
ング等の被検物を可動・固定する被検物保持用部材につ
いても精度を高めることか容易となる。

第３図に示す実施例は、第２図の実施例での干渉計ユニ
ット１００．（１００Ａ、１００Ｂ）の直線可動方向を
鉛直としたものである。固定台３１０に対し垂直に立て
た支柱３１［に移動レール３１２を設け、移動レール３
１２に沿って、干渉計ユニット１００．（ｌＯＯＡ、１
００Ｂ）を固定した架台２１０が上下に可動としている
。架台２１０には干渉計ユニット１００．（１００Ａ、
１ｏＯＢ）の重量とほぼ等しいカウンタバランス３１４
を設けることで干渉計ユニット１００．（１００Ａ、１
００Ｂ）の移動と固定の作業を容易にしている。

第３図に示した実施例では、被検物１３１を保持する必
要がなく、固定台３１０のステージ上に置くだけで良く
なるので、干渉計測の作業性は格段に向上する。また被
検物１３１の設置面を基準とした干渉縞計測かできるた
め、従来困難とされていた例えは７ラング部等を基準面
としての被検物を干渉計測・比較することか容易に可能
となる。更にカウンタバランス３１４を設けて実際上は
ユニット重量をゼロとしているので、移動レール３１２
と架台２１０の間にはエアスライドを用いることで、ユ
ニットの移動方向の真直度を格段に向上させ、スティノ
クスリンプ等が生しることかない。本発明者が試作検討
を行ったところでは、エアスライドを用いることで真直
度を１μｍ以下に押さえることは困難でなく、スライド
に伴う振動も１０μｍ以下であって、被検物のステージ
の平面度を１μｍ以下、垂直度を２”以下に収めること
が可能となって、精度の高い計測が寅施可能となる。

本発明者が試作検討を行ったところでは、エアスライド
を用いることで真直度を１μｍ以下に押さえることは困
難でなく、スライドに伴う振動も１０μｍ以下であって
、被検物のステージの平面度を１μｍ以下、垂直度を２
”以下に収めることが可能となって、精度の高い計測が
実施可能となる。

第４図は上記データが得られた干渉測定器の実施例を示
したもので、干渉計ユニット１００．（１００Ａ。

１００Ｂ）の上下移動と停止は電動モータ４０１によっ
て駆動されるようにしたものである。電動モータ４０１
と直結し！二ボールスクリュー４０２は電動モータ４０
１の回転によって回転する。ボールスクリュー４０２の
回転で干渉計ユニット１００．（１００Ａ、１００Ｂ）
は円柱棒４０３に沿って上下動するエアスライド４０４
を案内として上下動と停止がなされる。本実施例では電
動モータ４０１としてパルスモータを用い、手動入力に
よって発生しｔ：パルス発生器４０５からのパルス数に
応じて、モータドライバ４０６を介して電動モータ４０
１は回転するよう構成されたものである。

第５図に示す実施例は電動モータ４０１Ａにサーボモー
タを用い、干渉計ユニット１００．　（１ｏＯＡ、１０
０Ｂ）内に収められたレーザー干渉測長器１２０の測長
値をもとに、差動アンプ５０１を含めたフィードバック
回路を構成するようにしたもので、電動モータ４０１Ａ
に相対位置のフィードバックをかけることにより完全に
クローストなユニットの移動・停止と位置決めシステム
となっている。これにより、測定値ヲいちいちモニター
して、ユニット１００．（１００Ａ、１００Ｂ）と被検
物１３１の相対距離を合わせる作業も不要となって、単
に作業性が改善するたけでなく、被検物１３１をセツテ
ィングするだけで、パソコン５０２と連動させて目標値
を入力することにより差動アンプ５旧によって目標値に
対する測長値のフィードバックがなされて計測の工程そ
のものを自動化することが可能となる。本発明者は第５
図に示した実施例の装置、によって計測したところ、±
１０ｎｍの精度で安定して干渉計ユニット１００．（ｌ
ｏＯＡ、ｉ。

ＯＢ）と被検物１３１との相対距離を維持することかで
き　Ｉこ　。

以上、干渉計の構成要素をユニット化し、その内にレー
ザー干渉測長器を組み込むことにより生じる様々な実施
例とその効果について説明した。

次に前記した干渉測定器を用いて位相干渉縞計測を行う
例について説明する。これはサーボモータによりユニッ
トと被検物の相対距離を１μｍ程度ずつ微動することに
より、専用の画像処理装置やパソコン等に干渉縞の位相
を変えながら干渉縞画像を複数入力することにより、そ
の時のレーザー干渉測長器の副長値より、各画素の干渉
縞強度をｌｎ＝Ａｓ１ｎ（θ＋４ｙｒ・ｄｎ／λ）＋ｄ
としたときのその画素の位相角θを極めて精度良く計測
できるもので、各画素の位相角θをもとに被検物を高精
度（釘λ／　１０００）に評価できる。

ここでＩｎはｎ番目に取り込んだ干渉画面のある画素の
強度、Ａは干渉縞強度変化の振幅、Ｉｎはその時の微動
量（測長量）、ｄはバックグランドの強度、θは求める
画素の初期位相で、通常はＩｎをλ／８毎に４画面取り
、■１〜Ｉ４の各画素で干渉縞強度をとることで、 によって初期位置θの算出がなされる。

以上のようにユニットの直線可動部を微少送りすること
で、位相の異なる複数の干渉縞画面を画像処理装置に入
力できるようにした本発明の干渉測定器では位相干渉法
を行うことかできる。後処理を含めた数式とその処理に
ついては４バケツト法、５バケツト法といった通常の方
法で計量し評価される。微動を可能とし、その微動量（
測長量）も精度良く計測できるようにした本発明の干渉
測定器では、従来位相縞計測の際用いられるピエゾ素子
による微動装置を用いないでも、前記したような多くの
付加価値か得られることとなった。

〔発明の効果〕

本発明によれば以上説明したように、被検物を除く干渉
計構成要素をユニット化して、このユニット内にレーザ
ー干渉測長器を組み込むようにし、干渉計と干渉測長器
のレーザー光源を共用としたので、干渉計の有している
被検面の干渉観察及び計測の機能に加えて、干渉計と被
検物の相対距離情報を精度よく同時に計測することを可
能とし、かつ全体としての測定系を小型・軽量にし、能
動光学部品が減少する分コストを低減し、メンテナンス
容易な信頼性と作業性が向上した。また共用としたレー
ザー光源には、周波数安定化レーザーが用いられるので
、コヒーレント長は長く、観察される干渉縞のヒジヒリ
ティ（コントラスト）は良好で、安定した測長精度が得
られる干渉測定器が提供されることとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ　）、（ｂ　）、（ｃ　）、第２図、第３図
、第４図、第５図はいずれも本発明の実施例を示す構成
図、第６図は従来の干渉測定器の構成図である。 １００　、　ＩＱＯＡ　、　１００Ｂ・・・干渉計ユニ
ット１１０、ｌｌ０Ａ、１１０Ｂ・・・干渉計１１１・
・・レーザー光源 １１２・・・コリメーターレンズ １１３・・・フィゾー参照レンズ ＩＩ５・・・集光レンズ　１２０・・・レーザー干渉測
長器１２３・・・測長用干渉プリズム １３０．２１０・・・架台　　　１３１・・・被検物１
３１ａ・・・被検面　　　１３２・・・測長ミラー（プ
リズム）１４０．２２０・・・ベンチ　３１０・・・固
定台３１＋・・・支柱３１４−・・カウンタバランス４
０１．４０１Ａ・・・駆動モータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）干渉観察用干渉計のレーザー光源とレーザー干渉
   測長器のレーザー光源を共用としたことを特徴とする干
   渉測定器。
2. （２）前記干渉計の被検光軸と前記レーザー干渉測長器
   の測長光軸とを平行にかつ同一の向きに配設したことを
   特徴とする請求項１記載の干渉測定器。
3. （３）被検物を除く前記干渉計構成要素と、測長ミラー
   又はプリズムを除く前記レーザー干渉測長器構成要素と
   を同一ユニット内に設けたことを特徴とする請求項１又
   は２記載の干渉測定器。