JPH051969A - 光ヘテロダイン干渉装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 参照面と被測定面とのアライメントを干渉縞
を観察しながら容易に行なうことができるようにした光
ヘテロダイン干渉装置を得ること。 【構成】 光源手段より出射した周波数の異なる第１光
波と第２光波のうち偏光ビームスプリッター６を介して
測定光波と、参照光波を得た後、該偏光ビームスプリッ
ターで合成し、該合成した双方の光波に基づく干渉光波
よりビート信号を得て、このうち一方のビート信号を第
１検出手段で検出し、他方のビート信号を第２検出手段
で検出し、このとき得られる信号を利用して、該測定光
波の光学的位相変化を検出する際、該光源手段と該偏光
ビームスプリッターとの間の光路中に所定面上で干渉縞
を観察することができるようにした光学手段を挿脱可能
に設けたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ヘテロダイン干渉装置
に関し、例えば光学レンズやミラー等の被測定物の形状
を、該形状に伴う入射光波の光学的位相変化を検出する
ことにより、測定するようにした光ヘテロダイン干渉装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりレンズ、ミラー等の光学部材の
形状を光波干渉を利用して比較的高精度に測定すること
ができる装置として光ヘテロダイン干渉装置が知られて
いる。例えば米国特許第４１８８１２２号やApplied Op
tics Vol.19.No.1(1980)P.154〜P.160 等に紹介されて
いる。

【０００３】図３は従来の光ヘテロダイン干渉装置の光
学系の要部概略図である。

【０００４】同図ではＫｒイオンレーザ等のレーザ１０
１から出射した光波はミラーＭ１で反射し、ビームスプ
リッター１０２で反射光と透過光に２分割している。こ
のうち透過光（第１光波）はブラックセル１０５ａ、ミ
ラーＭ２そしてλ／２板１０４を介した後、反射光（第
２光波）はブラックセル１０５ｂ、ミラーＭ３を介した
後、ビームスプリッター１０３で合波している。

【０００５】このときブラックセル１０５ａを通った第
１光波は周波数ｆ１の周波数シフトを受け、λ／２板１
０４を通り偏光面が９０度回転されている。又ブラック
セル１０５ｂを通った第２光波は周波数ｆ２の周波数シ
フトを受けている。

【０００６】そして、これらの光波はビームスプリッタ
ー１０３で合波した後、ビームエキスパンダー１０６に
より光束径が拡大し偏光ビームスプリッター１０７に入
射している。このうち周波数ｆ１の第１光波は偏光ビー
ムスプリッター１０７を通過し、λ／４板１０８ｂで円
偏光となり、コリメータレンズ１１０を通って被測定物
１１１に入射する。そして被測定物１１１で反射した被
検波面（測定光波）は元の光路を戻る。このときλ／４
板１０８ｂに再入射するときの光波は入射時に比べて被
測定物１１１で反射した為に逆回りの円偏光となってい
るので、λ／４板１０８ｂを通過したときの偏光方向
（偏光面）は入射時に比べて９０度変位している。この
為、今度は偏光ビームスプリッター１０７で反射する。

【０００７】一方、周波数ｆ２の第２光波は偏光ビーム
スプリッター１０７で反射してλ／４板１０８ａで円偏
光となり、参照平面ミラー１０９で反射した参照波面
（参照光波）は逆回りの円偏光となり元の光路を戻る。
そしてλ／４板１０８ａを通り、入射時とは偏光方向
（偏光面）が９０度変位した直線偏光となり、今度は偏
光ビームスプリッター１０７を通過し、先の被検波面と
合波（合成）している。

【０００８】ここで再び合波した被検波面と参照波面の
２つの光波は直線偏光素子より成る偏光板１１２を介す
ることにより互いに干渉可能の波面として干渉させてい
る。このときの干渉光波を周波数シフト差ｆ１−ｆ２の
ヘテロダイン信号（ビート信号）として光検出器（フォ
トディテクター）１５及び像検出カメラ（イメージディ
セクターカメラ）１１６によって各々検出している。

【０００９】尚、像検出カメラ１１６はコンピュータ１
１８の指令により２次元像の任意の一点を選択し、その
点に入射してくる光の強度信号をリアルタイムで検出可
能なカメラである。

【００１０】同図におけるヘテロダイン信号ｆ１−ｆ２
の位相分布は参照平面ミラー１０９を仮に理想平面とす
ればコリメータレンズ１１０によって作られる球面波か
らの被測定物１１１の形状の誤差を直接表わしている。

【００１１】即ち、このときの被測定物１１１の形状に
基づく位相分布φ（ｘ，ｙ）は被測定物１１１の形状誤
差分布ε（ｘ，ｙ）を表わしており、その関係は次式で
表わされる。

【００１２】 ε（ｘ，ｙ）＝φ（ｘ，ｙ）・λ／４π ‥‥‥‥（１） ただし λは測定光の波長 そこで光検出器１１５で得られるヘテロダイン信号を参
照信号Ｒとし、像検出カメラ１１６からの各信号を測定
信号Ｓとして位相計１１７にて参照信号Ｒと測定信号Ｓ
との位相差φを検出する。更に像検出カメラ１１６の各
測定点をコンピュータ１１８からの指令により２次元的
走査し、各測定点での測定信号Ｓと参照信号Ｒとの位相
差φ（ｘ，ｙ）の２次元分布を求める。これにより被測
定物１１１の形状に基づく位相分布ε（ｘ，ｙ）を検出
している。例えば（１）式において電気的な位相測定を
１度程度の精度で行なえばｎｍ以下の精度で形状誤差の
分布を検出することができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】一般に光波干渉計で
は、参照面と被測定面のアライメントを精密に行なう必
要がある。この為、多くの場合参照面からの光束と被測
定面からの光束の干渉による干渉縞を見ながら双方のア
ライメントを行なっている。

【００１４】しかしながら光ヘテロダイン干渉装置で
は、検出手段面上で非常に速い速度で干渉縞が振動して
いるために、干渉縞を見ることができない。この為干渉
縞を可視化するためには、何らかの手段が必要となって
いる。前記従来の光ヘテロダイン干渉装置においては、
２つのブラッグセルに与えるＲＦ信号の周波数を等しく
することにより単一の周波数の光束として干渉縞を静止
させて、該干渉縞を観察している。

【００１５】しかしながら、この方法では光源手段であ
るレーザーがそもそも２周波を発振しているゼーマンレ
ーザーには用いることができず、またブラッグセルを１
つだけ用いることによって２つの周波数の光を得るよう
な使い方ではブラッグセルのＲＦ信号入力を止めると、
回折が起こらなくなりレーザー光のアライメントが崩れ
るという問題点があった。

【００１６】本発明は光ヘテロダイン干渉装置におい
て、光源手段と偏光ビームスプリッターとの間の光路中
に所定の光学作用を有する光学手段を挿脱可能に設ける
ことにより、容易にしかも良好に参照面と被測定面との
アライメントを行なう為の干渉縞を所定面上で観察する
ことができるようにした光ヘテロダイン干渉装置の提供
を目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の光ヘテロダイン
干渉装置は、光源手段より出射した周波数の異なる第１
光波と第２光波のうち偏光ビームスプリッターを介して
一方の光波を被測定物に入射させて測定光波を得、他方
の光波を参照面を介して参照光波を得た後、該偏光ビー
ムスプリッターで双方の光波を合成し、該合成した双方
の光波に基づく干渉光波よりビート信号を得て、このう
ち一方のビート信号を第１検出手段で検出し、他方のビ
ート信号を第２検出手段で検出し、該第１、第２検出手
段で得られる信号を利用して、該測定光波の光学的位相
変化を検出する際、該光源手段と該偏光ビームスプリッ
ターとの間の光路中に所定面上で干渉縞を観察すること
ができるようにした光学手段を挿脱可能に設けたことを
特徴としている。

【００１８】この他本発明では、前記光学手段は前記光
源手段から出射した周波数の異なる第１光波と第２光波
のうち一方の光波のみを通過させる光学的作用を有して
いることや、前記光学手段は偏光ビームスプリッター又
は偏光板を有していることや、前記干渉光波の光路中に
該干渉光波を用いて干渉縞を観察するようにした干渉縞
観察手段を設け、前記光学手段の光路中への挿着に同期
させて該干渉縞観察手段に該干渉光波を導光する導光部
材を光路中に挿着するようにしたこと等を特徴としてい
る。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。

【００２０】本実施例は図３の従来の光ヘテロダイン干
渉装置に比べて光源手段１と偏光ビームスプリッター６
との間に干渉縞を可観測にする為の光学手段を設けてい
る点、偏光板１１とビームスプリッター１３との間の光
路中に干渉縞観察手段を配置している点が異なってお
り、その他の構成は実質的に同じである。

【００２１】次に図３の説明と一部重複するが本発明の
特徴について図１を用いて説明する。

【００２２】１は光源手段であり、例えば２周波レーザ
等から成り、互いに直交する直線偏光の周波数が僅かに
異なるコヒーレントな第１光波（周波数ｆ１）と第２光
波（周波数ｆ２）を出射している。

【００２３】２００は光学手段であり、後述するように
所定面上において干渉縞を可観測にする為、光路中に矢
印２００ａの如く挿脱可能に設けている。光学手段２０
０は干渉縞を観察するときのみ光路中に配置している。
光学手段２００は直交する２つの偏光成分のうち、どち
らか一方だけを選択して透過させる偏光ビームスプリッ
ター２と偏光角度を変化させ、後述の偏光ビームスプリ
ッターによって測定系と参照系の２つの系に適当な光量
が振り分けられるように調整する１／２波長板３、そし
て不要なもう一方の光を吸収するアブソーバ４とを有し
ている。

【００２４】５はビームエキスパンダであり、入射光束
径を拡大し射出させている。６は偏光ビームスプリッタ
ーであり、入射光束の偏光状態に応じて反射又は透過さ
せ光の進行方向を変えている。７ａ，７ｂはλ／４板で
あり、入射光束の偏光面を４５度回転させて出射させて
いる。８は参照平面ミラーで参照波面を形成している。
９はコリメータレンズであり、入射光束を集光し、後述
する被測定物１０に入射させている。被測定物１０はミ
ラーやレンズ等から成り、それらの３次元形状や材質の
均一性等を検出するものである。

【００２５】１１は偏光板であり、直交する２つの直線
偏光成分を持つ光波のうちから特定の偏光成分を抽出し
干渉させるものである。偏光板１１は偏光軸を４５度傾
けて配置している。１２はミラーであり、光学手段２０
０の挿着に同期させて光路中に着脱可能に設けており、
偏光板１１からの光束を後述する干渉縞観察手段２０１
に導光している。

【００２６】干渉縞観察手段２０１はミラー１２からの
光束を集光する集光レンズ１４ａと干渉縞を観察するＣ
ＣＤカメラ１４ｂとＴＶモニター１５とを有している。

【００２７】１３はビームスプリッターであり、入射光
束を反射光と透過光の２つの光束に分割している。１７
ｂは集光レンズ、１７はピンホール板であり、特定の位
置に入射してきた光束を通過させるピンホール１７ａを
有している。

【００２８】１６は第１検出手段であり、フォトディテ
クターより成り、ビームスプリッター１３からの干渉光
波に基づくビート信号のうちから参照信号を得ている。
１８ａは集光レンズであり、ビームスプリッター１３か
らの干渉光波を第２検出手段１８ｂに集光（結像）して
いる。第２検出手段１８ｂはイメージディセクタカメラ
（像検出カメラ）より成り、コンピュータ２０によって
アドレス指定された位置の光信号をリアルタイムで読み
出している。１９は位相検出手段（位相測定回路）であ
り、第１検出手段１６と第２検出手段１８ｂから入力さ
れてくる２つの信号の位相差を検出している。コンピュ
ータ２０は位相測定回路１９からの信号に基づいて被測
定物１０の形状を演算し求めている。

【００２９】本実施例において参照平面ミラー８と被測
定物１０とのアライメントを干渉縞を観察しながら行な
う場合には光学手段２００とミラー１２を実線の如く光
路中に挿着する。

【００３０】このような構成において光源手段１より出
射した周波数の異なる互いに直交する直線偏光の第１光
波と第２光波のうち光学手段２００の偏光ビームスプリ
ッター２により、どちらか一方の周波数成分の光のみを
選択して直進している。そしてもう一方の光は折曲げら
れアブソーバ４によって吸収している。直進した光は１
／２波長板３の作用で元の直線偏光から４５度方向に偏
光角度の傾いた光へと変換し、ビームエキスパンダ５で
口径を広げたのち偏光ビームスプリッター６に入射させ
ている。

【００３１】入射した光は直交する２つの直線偏光に分
割し、一方が参照平面ミラー８側へ、もう一方が被測定
物１０側へと進み、それぞれ１／４波長板７ａ，７ｂを
往復することにより偏光角度が９０度回転した状態で偏
光ビームスプリッター６に戻り共に偏光板１１へ入射す
る。偏光板１１は偏光軸を４５度傾けてあるために２つ
の光は干渉し、干渉縞が観察される状態になり、４５度
に傾けたミラー１２で反射し、集光レンズ１４ａによっ
てＣＣＤカメラ１４へと導光しＴＶモニタ１５で観察し
ている。このときの干渉縞を観察することにより参照平
面ミラー８と被測定物１０とのアライメントを行なって
いる。

【００３２】尚、本実施例において干渉縞観察装置２０
１を用いずに第１検出手段又は第２検出手段面上に干渉
縞を形成し、このときの干渉縞を観察しながら参照平面
ミラーと被測定物とのアライメントを行なっても良い。

【００３３】本実施例ではこの状態で参照平面ミラー８
又は被測定物１０を適当にアライメントし、干渉縞が十
分粗くでるように調整した後、光学手段２００とミラー
１２を光路より抜き去り従来例通りの光ヘテロダイン干
渉装置としている。

【００３４】次に本実施例において光ヘテロダイン干渉
装置として被測定物１０の形状を測定する場合について
説明する。測定方法としては従来の光ヘテロダイン干渉
装置と略同様である。

【００３５】即ち、光源手段１から出射した周波数の異
なる偏光方向が互いに直交する直線偏光の第１光波（周
波数ｆ１）と第２光波（周波数ｆ２）の２つの光束をビ
ームエキスパンダ５に入射させている。そしてビームエ
キスパンダ５により光束径を拡大して偏光ビームスプリ
ッター６に入射させている。このうち周波数ｆ１の第１
光波は偏光ビームスプリッター６を通過し、λ／４板７
ｂで円偏光とし、コリメータレンズ９を通って被測定物
１０に入射している。そして被測定物１０で反射した被
検波面は元の光路を戻る。このときλ／４板７ｂに再入
射するときの光波は入射時に比べて被測定物１０で反射
した為に逆回りの円偏光となっているので、λ／４板７
ｂを通過したときの偏光方向（偏光面）は入射時に比べ
て９０度変位している。この為今度は偏光ビームスプリ
ッター６で反射する。

【００３６】一方、周波数ｆ２の第２光波は偏光ビーム
スプリッター６で反射してλ／４板７ａで円偏光とな
り、参照平面ミラー８で反射した参照波面は逆回りの円
偏光となり元の光路を戻る。そしてλ／４板７ａを通
り、入射時とは偏光方向（偏光面）が９０度変位した直
線偏光となり、今度は偏光ビームスプリッター６を通過
し、先の被検波面と合波（合成）している。

【００３７】ここで再び合波した被検波面と参照波面の
２つの光波は偏光板１１を介することにより互いに干渉
可能の波面として干渉させている。そしてこのときの２
つの干渉光波は周波数シフト差ｆ１−ｆ２のヘテロダイ
ン信号（ビート信号）として第１検出手段１６と第２検
出手段１８ｂによって各々検出している。

【００３８】本実施例におけるヘテロダイン信号ｆ１−
ｆ２の位相分布は参照平面ミラー８を仮りに理想平面と
すればコリメータレンズ９によって作られる球面波から
の被測定物１０の形状の誤差を直接表わしている。

【００３９】そこで例えば第１検出手段１６で得られる
ヘテロダイン信号を参照信号Ｒとし第２検出手段１８ｂ
からの各信号を測定信号Ｓとして位相測定回路１９にて
参照信号Ｒと測定信号Ｓとの位相差φa を検出してい
る。

【００４０】更に第２検出手段１８ｂの各測定点をコン
ピュータ２０からの指令により２次元走査し、各測定点
での測定信号Ｓと参照信号Ｒとの位相差φ_x,yの２次元
分布を求める。これにより被測定物１０全体の形状誤差
を測定している。

【００４１】図２は本発明の実施例２の要部概略図であ
る。本実施例では図１の実施例１に比べて光学手段を構
成する偏光ビームスプリッターの代わりに偏光板２１を
用いている点、アブソーバ４を除去した点が異なってお
り、その他の構成は実質的に実施例１と同じである。

【００４２】即ち、本実施例においては光学手段２０１
を光路中に配置し、光学手段２０１の偏光板２１によっ
て互いに直交する直線偏光の第１光波と第２光波のうち
一方の光のみを通過させている。

【００４３】そしてこれにより実施例１と同様に参照平
面ミラー８と被測定物１０からの光による干渉縞をＴＶ
モニター１５で観察しながら参照平面ミラー８と被測定
物１０とのアライメントを行なっている。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば光源手段と偏光ビームス
プリッターとの間の光路中に前述したような光学的性質
を有した光学手段を挿脱可能に設けることにより、容易
にしかも良好に干渉縞を観察しながら参照平面ミラーと
被測定物とのアライメントを行なうことができる光ヘテ
ロダイン干渉装置を達成することができる。

【００４５】特に本発明はいかなる２周波の光源手段を
用いても干渉縞が可観測となり、通常の干渉装置の如く
被測定物のアライメントを容易にし、かつ光学手段を光
路中から挿脱可能に設けることにより、アライメント完
了後に光学手段を光路から抜き去り、高精度なヘテロダ
イン測定を可能としている。

【００４６】更に干渉縞の観察のための専用カメラを設
け、前述の如く光学手段とミラーを光路中に挿脱させる
ことにより、優れた画質での干渉縞の観察と高精度なヘ
テロダイン位相測定を光をロスすることなくスムーズに
切り替えることができる等の特長を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部概略図

【図２】 本発明の実施例２の要部概略図

【図３】 従来の光ヘテロダイン干渉装置の概略図

【符号の説明】

１ 光源手段 ２ 偏光ビームスプリッター ３ １／２波長板 ４ アブソーバ ５ ビームエキスパンダ ６ 偏光ビームスプリッター ７ａ，７ｂ １／４波長板 ８ 参照平面ミラー ９ コリメーターレンズ １０ 被測定物 １１ 偏光板 １２ ミラー １３ ビームスプリッター １４ａ 集光レンズ １４ｂ ＣＣＤカメラ １５ ＴＶモニター １６ 第１検出手段 １７ ピンホール板 １８ａ 集光レンズ １８ｂ 第２検出手段 １９ 位相測定回路 ２０ コンピュータ ２００，２０２ 光学手段 ２０１ 干渉縞観察装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源手段より出射した周波数の異なる第
   １光波と第２光波のうち偏光ビームスプリッターを介し
   て一方の光波を被測定物に入射させて測定光波を得、他
   方の光波を参照面を介して参照光波を得た後、該偏光ビ
   ームスプリッターで双方の光波を合成し、該合成した双
   方の光波に基づく干渉光波よりビート信号を得て、この
   うち一方のビート信号を第１検出手段で検出し、他方の
   ビート信号を第２検出手段で検出し、該第１、第２検出
   手段で得られる信号を利用して、該測定光波の光学的位
   相変化を検出する際、該光源手段と該偏光ビームスプリ
   ッターとの間の光路中に所定面上で干渉縞を観察するこ
   とができるようにした光学手段を挿脱可能に設けたこと
   を特徴とする光ヘテロダイン干渉装置。
2. 【請求項２】 前記光学手段は前記光源手段から出射し
   た周波数の異なる第１光波と第２光波のうち一方の光波
   のみを通過させる光学的作用を有していることを特徴と
   する請求項１の光ヘテロダイン干渉装置。
3. 【請求項３】 前記光学手段は偏光ビームスプリッター
   又は偏光板を有していることを特徴とする請求項２の光
   ヘテロダイン干渉装置。
4. 【請求項４】 前記干渉光波の光路中に該干渉光波を用
   いて干渉縞を観察するようにした干渉縞観察手段を設
   け、前記光学手段の光路中への挿着に同期させて該干渉
   縞観察手段に該干渉光波を導光する導光部材を光路中に
   挿着するようにしたことを特徴とする請求項１の光ヘテ
   ロダイン干渉装置。