JPH06294624A

JPH06294624A - 微小変位量の測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH06294624A
Application number: JP5083039A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Suhara; 浩之須原
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-04-09
Filing date: 1993-04-09
Publication date: 1994-10-21

Abstract

(57)【要約】【目的】被検面の面形状を測定するのに必要な、光軸
方向の微小変位量を正確に測定できる方法及び装置を提
供することを目的としている。【構成】同一光源１からの可干渉光を被検面１５と基
準になる参照面１４ａとに照射する。前記被検波と参照
波との偏光をほぼ９０°ずらすために参照面と被検面と
の間に光学異方性材料１４を設ける。重畳された参照波
と被検波とはビームスプリッタ１６で二つに分割され、
一方の光路に光学異方性材料１９を入れて両光路間にｎ
π／２（ｎは自然数）の位相差を与える。偏光子１７，
２０を通ってセンサ１８，２１上にそれぞれ干渉縞像が
結像される。センサ１８，２１は、被検面の同一点から
の反射光を検出する。センサ１８，２１の出力の反転数
と反転タイミングのずれとから、微小変位の方向と量と
を算出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビームを用いて
被検面の面形状や微小な変位量を測定する方法及びその
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザビーム等の可干渉光を利用して干
渉縞を作り、トロイダル面の面形状や面制度を波長以下
の高精度で測定できる技術として、本発明の出願人は、
先願の特開平４−１２７００７号や特開平４−２６９６
０９号で、トロイダル面を測定する技術を開示してい
る。

【０００３】図１３(a) は、前記特開平４−２６９６０
９号に記載の装置で、同図において、１は光源で、可干
渉性の高いガスレーザ又は半導体レーザ等が使用され
る。２，５はビームエクスパンダで、光源１からの狭い
光束を適当な大きさに拡げるためのものである。３は空
間フィルタで、ゴースト光や反射光等の不要な光をカッ
トする。４は光アイソレータでビームスプリッタ４ａ、
λ／４板４ｂ及び反射面４ｃを有する。

【０００４】ビームエクスパンダ２，５で拡大された光
束は、対物レンズ６を経て、被検体７の被検面７ａに達
する。被検面７ａは樽型トロイダル面で、この面は頂点
で直交する曲率半径の相違する主径線のうち、一方の主
経線ＡＢを回転軸１２の回りに回転して形成したもので
ある。

【０００５】対物レンズ６の最終面は、半透鏡としての
参照面６ａとなっており、その曲率中心は、回転軸１２
上に一致する位置に配置される。また、この参照面６ａ
は又は被検面７ａは、ｘ軸回りの回動や、ｙ軸方向への
微小な移動が可能な状態に配置される。

【０００６】そして、この参照面６ａで対物レンズ６に
入射する光の一部が反射され、残りが透過して被検面７
ａに達し、ここで反射される。

【０００７】８は被検体７を固定して回転軸１２に沿っ
て移動させる併進台で、図示しないＤＣサーボモータ
や、ステッピングモータ等によって駆動され、被検面７
ａであるトロイダル面上を走査可能である。

【０００８】参照面６ａ及び被検面７ａで反射された可
干渉光は、来た光路を戻り重畳され、参照面６ａの球面
とトロイダル面とがほぼ平行と見なせるＧ主経線に平行
なスリット条の測定部分ないし測定断面について干渉を
起こし、光アイソレータ４の反射面４ｃで反射され、収
束レンズ９によって図１３(b) に示すように、干渉縞像
１１をセンサ１０上に結像する。

【０００９】センサ１０に例えばＣＣＤリニアセンサを
使用し、ＦＦＴ処理をすれば、一測定断面についての面
精度を測定できる。併進台８を回転軸１２に沿って走査
し、各測定断面について同様の測定をすれば、被検面７
ａ全体について面形状及び面精度の測定ができることに
なる。上記のＦＦＴ処理や面全体の測定については、前
述した特開平４−１２７００７号に記載されている。ま
た、上記の装置によりドーナツ型等の他のトロイダル面
を含む回転面、平面、球面等の測定も可能である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の測定装
置では、併進台８の走査に伴って被測定断面が光軸方向
に変位するが、被検面の面精度や面形状を測定する場
合、この光軸方向の変位量の正確な測定が困難であっ
た。本発明は、上記の問題の解決を図ったもので、光軸
方向の微小変位量を正確に測定できる方法及び装置を提
供することを目的としている。本発明の別の目的は、微
小変位量と合わせて、被検面が光軸上を遠ざかるのか、
近づくのかを判断できる測長器を提供することを目的と
している。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の方法は、同一光源からの可干渉光を被検面
と基準になる参照面とに照射し、これらから反射される
光束を重畳して干渉縞像を作り、該干渉縞像の一点を観
測点として参照面と被検面との距離を連続的に移動して
該観測点を通過する干渉縞の縞本数をカウントして参照
面と被検面との間の距離の変位量を測定する方法におい
て、前記重畳された光束を二つに分割し、一方の光束は
直接、他方の光束は別の光学異方性材料を通過させるこ
とにより両光束間にｎπ／２（ｎは自然数）の位相差を
設け、それぞれの光束の偏光方向を偏光子により揃えて
干渉させて二つの干渉縞像を結像させ、被検面の同一点
に対応する上記二つの干渉縞像の観測点におかれたセン
サから、干渉縞の強度信号を取り出し、該強度信号の反
転数から被検面の光軸方向の変位量を算出する構成を特
徴としている。

【００１２】また、本発明の装置は、同一光源からの可
干渉光性の偏光を被検面と基準になる参照面とに照射
し、これら両面から反射される光束を重畳して干渉縞像
を作る装置と、重畳された光束を二つに分割するビーム
スプリッタと、該二つの光束間にｎπ／２（ｎは自然
数）の位相差を与えるための光学異方性材料と、被検面
の同一点からの反射光を検出するために、前記二つの光
路における各干渉縞像の結像面に設けられたセンサとか
らなる構成を特徴としている。

【００１３】また、これらの方法及び装置において、参
照面と被検面との間に光学異方性材料を設けて被検波の
偏光と参照波の偏光とを交差させる構成としてもよい。

【００１４】

【作用】同一の光源から射出される可干渉光は、一部が
参照面で反射されて参照波となり、残りが光学異方性材
料を通過した後被検面で反射されて被検波となる。光束
は、前記光学異方性材料の作用により、偏光面が９０°
ずれた偏光となって重畳される。この重畳された光束
を、ビームスプリッタ等により二つに分け、一方の光束
は、偏光子を通過することによって偏光面が一致するの
で干渉を起こし、干渉縞像を結像する。他方の光束は、
前記とは別の光学異方性材料を通過して前記一方の光束
とｎπ／２の位相差をつけられた後、偏光子で偏光面を
一致させられて干渉縞像を結像する。これら二つの干渉
縞像は、同一の被検面について形成されるもので、かつ
ｎπ／２の位相差がつけられたものである。したがっ
て、二つの干渉縞像において、被検面の同一点に対応す
る観測点におかれたセンサから、干渉縞の強度信号を取
り出し、これによるリサージュ波形を描けば、その回転
方向から微小変位の方向を知ることができ、リサージュ
波形の回転数から変位量を算出することができる。

【００１５】

【実施例】以下に、図面を用いて本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明の測定装置の構成を示す図で、コ
モンパス率が高く、外乱の影響を受けにくいフィゾーの
干渉計を基本とした構成となっている。同図に示す光源
１は、直線偏光を射出する。１３はビームスプリッタ
で、そのハーフミラー１３ａを透過した光束は、λ／４
板１４に達する。λ／４板１４の光源側の面は、参照面
１４ａとなっており、ここで入射光の一部を参照波とし
て反射し、他を透過する。λ／４板１４を透過した光束
は、円偏光となって鏡面となった被検面１５に達し反射
されて被検波となる。被検波は再びλ／４板１４を通過
するが、結局偏光面が９０°ずれ、参照波と直交する直
線偏光となって重なり合う。

【００１６】重畳された参照光と被検光は、ハーフミラ
ー１３ａに戻って、その一部がビームスプリッタ１６に
向けて反射され、その反射面１６ａで図の左方と下方に
向かう二つの光束に分割される。

【００１７】左方に向かう光束は、偏光子１７を通過す
ることにより、参照波と被検波の偏光面を一致させて干
渉を起こし、第１センサ１８上に干渉縞像を結像する。

【００１８】下方に向かう光束は、λ／４板１９を通過
し、偏光子２０を経て第２センサ２１上に干渉縞像を結
像する。

【００１９】第１と第２センサ１８，２１上に結像した
干渉縞像は、共に同一の被検面１５についてのものであ
るが、第２センサ２１に至る光路内にλ／４板１９が入
っているので、９０°位相のずれた干渉縞となる。つま
り、第１センサ１８に結像した干渉縞像１１が図２の左
に示す状態とすれば、第２センサ２１に結像する干渉縞
像１１′は、図２の右に示す状態となり干渉縞が半分ず
れている。このとき、センサ１８，２１は、被検面１５
の同一点からの面情報を受けるように配置されている。
ただし、この干渉縞像のずれは、９０°＝π／２に限ら
れず、一般にｎを自然数としてｎπ／２の差ができれば
良い。

【００２０】被検面１５が光軸方向に変位すると、二つ
の干渉縞像１１，１１′は、図２に示す矢符号方向のい
ずれかの方向に同時に流れる。これによってセンサ１
８，２１が受光する光量が周期的に変化するので、その
出力も変化する。

【００２１】図３は、センサの出力から被検面の移動量
を算出する装置の構成を示すもので、この方法は、セン
サ１８，２１の出力からリサージュ波形を得て、その回
転数をカウントする方法であり、図４と合わせて以下に
説明する。図４(a) ，(b) は、センサ１８，２１の出力
を増幅器２２-1，２２-2で増幅した出力をグラフにした
もので、正弦波形を描いている。

【００２２】各正弦波を方形波変換回路２３-1，２３-2
に入力し、正弦波の上下中心を通り時間軸に平行な点線
をスレッシュレベルとして図４(a) は(c) のような方形
波にまた、図４(b) は(d) のような方形波にそれぞれ変
換する。２信号のアップパルス、ダウンパルス及び発生
タイミングのずれよりパルスカウント回路２４で縞の移
動方向と移動本数を検知して、次の被検面移動量算出装
置２５で光軸方向の変位量と変位方向とを算出する。

【００２３】図５は、本発明の装置をトロイダル面の測
定装置に適用した実施例を示す。光源１からの可干渉光
は、ビームエクスパンダ２で拡大され、空間フィルタ３
でゴースト光や反射光等の不要な光をカットされ、ビー
ムスプリッタ１１のハーフミラー１１ａを透過してビー
ムエクスパンダ５で再び拡大され、対物レンズ６を透過
して被検面７ａに達する。被検面７ａは従来例で説明し
たのと同じ樽型トロイダル面である。

【００２４】対物レンズ６に入射した光は、参照面６ａ
で一部が反射され、残りが透過してλ／４板２６を透過
して被検面７ａを照射し、反射される。

【００２５】参照面６ａ及び被検面７ａで反射された可
干渉光は、直交する直線偏光となって重畳され、結像レ
ンズ９を通過し、図１の実施例と同様にして、二つのセ
ンサ１８，２１上にｎπ／２位相のずれた干渉縞像を結
像する。

【００２６】この構成では、被検面７ａを回転軸１２に
沿って併進台８で走査すると、干渉縞像が一定の場所に
結像せず、走査に伴って結像面内を移動する。したがっ
て、センサ１８，２１を干渉縞像の移動に追従させるこ
とになる。

【００２７】図６は、本発明における他の実施例の要部
構成を示す図である。図５におけるビームスプリッタ２
４の部分を二つのビームスプリッタ１６，１６′とし、
分割された光線が平行になるようにし、センサ１８，２
１を同一の支持部材３０に固定した構成としている。被
検面の走査に伴い、干渉縞像を結像する光線が実線から
点線の位置に移動するが、支持部材３０を矢印の方向に
移動して両方のセンサ１８，２１を追従させることがで
きる。このような構成にすれば、偏光子も１７の一つで
良くなり、構成が簡単になる。

【００２８】図７は、センサ１８，２１を一つのリニア
センサ３１に代えた実施例である。リニアセンサ３１
は、図２に示すセンサ１８，２１を結ぶ線上に干渉縞像
１１，１１′と直交するように配置する。リニアセンサ
を使用した構成にすれば、干渉縞像が実線から点線に移
動しても、センサを動かして干渉縞像に追従させる必要
がない。リニアセンサとしては、ＣＣＤリニアセンサ
や、フォトダイオードアレイを使用することができる。

【００２９】図８は、図７においてＣＣＤリニアセンサ
を使用した場合の変位量を算出する装置の構成を示す図
である。このリニアセンサ３１は、各々の画素で発生し
た信号電荷を並列に出力する。そのため、サンプルホー
ルド回路３２-1, ３２-2を用いて、被検面１５の同一点
からの面情報を取り出すことにより、二信号を検出する
ことが可能である。そして、これらの出力を方形波変換
回路２３-1, ２３-2に入力すれば、その後は、図３の実
施例と同様に処理できる。

【００３０】一方、積分回路３４で各画素の出力を積算
し、サンプルホールド回路３５で一旦ホールドし、平均
強度計算回路３６に入力して平均強度を算出することが
できる。こうして求めた平均強度をスレッシュレベルと
して、方形波に変化することができる。

【００３１】図９は、センサとしてフォトダイオードア
レイ３７を使用した実施例を示す。干渉縞像１１，１
１′に対するフォトダイオードアレイ３７の配置は、図
８の場合と同様であるから省略する。図の実施例では、
センサ１８と２１のそれぞれに三つづつの素子を対応さ
せ、これら三つのスイッチの何れかをオンにすることに
よって、干渉縞像の移動を追従する構成となっている。
増幅回路２２-1, ２２-2から被検面移動量算出装置２５
までは、図３の実施例と同様である。

【００３２】積分回路３４，はラインセンサの素子全部
の出力を積分し、平均強度計算回路３６で平均の出力を
算出し、この値をスレッシュレベルとするものである。

【００３３】図１０は、光学異方性材料４１にビームス
プリッタの役目を兼用させた実施例である。光学異方性
材料４１としてλ／８板を使用し、この表面と裏面とで
反射させることにより、ビームスプリッタ１６からくる
光束を二つに分割する。裏面で反射された光はλ／８板
を往復するので、λ／４板を通過したのと同じになる。
ラインセンサ３１以降は、図７の実施例と同様である。
また、遮光部材４２にアパーチャ４２ａを穿設したもの
を設ければ、迷光を防止することができる。干渉縞像が
実線から点線で示すように移動すれば、遮光部材４２を
矢符号のように動かして追従させる。

【００３４】図１１は、図１と同じ構成であるが、ビー
ムスプリッタ４と１６の間にズームレンズ４３を設け、
ビームスプリッタ１４からセンサ１６，１９までを全て
一体の移動台４４上に設けたものである。移動台４４を
矢符号の方向に移動することにより、センサ１８，２１
を干渉縞像に追従させることができる。またズームレン
ズにより干渉縞像の大きさを自在に変えることができ
る。

【００３５】図１２は、図１１とほぼ同じ構造である
が、偏光子１７，２０とセンサ１８，２１との間に、集
光レンズ４５，４６を挿入して集光効率を高め、光量の
蓄積時間を短くして、高速な測定ができるようにしてい
る。また、遮光部材４２にアパーチャ４２ａを穿設した
ものをズームレンズ４３とビームスプリッタ２４との間
に設けて、ここで実線の矢印で示す迷光をカットしてい
る。

【００３６】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
被検面の一点からの反射光を二つに分けて測定している
ために、被検面のセッティングずれや面粗さの影響を受
けずに済み、高精度で微小変位の測定ができる。また、
分割した二つの干渉縞像に設けられた二つのセンサの出
力変化のタイミングを調べることにより、変位の方向を
知ることができる。

【００３７】また、アパーチャを用いる構成とすれば、
不用な光をカットでき、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることがで
きる。干渉縞像の移動に追従する構成とすれば、被検面
の走査により干渉縞像が移動する場合でも、測定するこ
とができ、多様な種類の被検面の面形状を測定できる。

【００３８】ラインセンサを使用する構成とすれば、干
渉縞像の移動に追従するための駆動部を設ける必要がな
くなり、簡単な構成となる。ビームを集光させるレンズ
を使用すれば、光量の蓄積時間が短くでき、高速測定が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定方法を実施する装置の構成を示す
図である。

【図２】二つのセンサ上に結像する干渉縞像を示す図で
ある。

【図３】センサの出力変化から被検面の移動量を算出す
る装置の構成を示す図である。

【図４】(a) ，(b) はセンサの出力変化を示す図、(c)
，(d) は正弦波から方形波に変換した状態を示す図で
ある。

【図５】本発明の他の実施例で、被検面が樽形トロイダ
ル面等の回転面である場合に適した装置の構成を示す図
である。

【図６】本発明の他の実施例で、センサが同一の支持部
材に設けられた実施例の図である。

【図７】本発明の他の実施例で、センサが一の支持部材
に設けられたラインセンサである実施例の図である。

【図８】センサがＣＣＤラインセンサである場合のブロ
ック図である。

【図９】センサがフォトダイオードアレイによるライン
センサである場合のブロック図である。

【図１０】光学異方性材料とビームスプリッタとが同一
部材からなる実施例の要部を示す図である。

【図１１】ビームスプリッタからセンサまでを一つの移
動台に設け、干渉縞像の移動に追従して移動台を動かす
実施例の要部を示す図である。

【図１２】図１１と同様の実施例で、集光レンズとアパ
ーチャを設けた実施例の図である。

【図１３】(a) は、従来の測長器の構成を示す図で、
(b) はスクリーン上に干渉縞像が結像した状態を示す図
である。

【符号の説明】

１光源６ａ，１４ａ参照面７ａ，１５被検面８併進台１６ビームスプリッタ１８，２１センサ１９光学異方性材料３１，３７ラインセンサ４１光学異方性材料（ビームスプリッタを兼
ねたもの）４２ａアパーチャ４４移動台４５，４６集光レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一光源からの可干渉光を被検面と基準
になる参照面とに照射し、これらから反射される光束を
重畳して干渉縞像を作り、該干渉縞像の一点を観測点と
して参照面と被検面との距離を連続的に移動して該観測
点を通過する干渉縞の縞本数をカウントして参照面と被
検面との間の距離の変位量を測定する方法において、前記重畳された光束を二つに分割し、一方の光束は直接、他方の光束は別の光学異方性材料を
通過させることにより両光束間にｎπ／２（ｎは自然
数）の位相差を設け、それぞれの光束の偏光方向を偏光子で揃えて干渉させて
二つの干渉縞像を結像させ、被検面の同一点に対応する上記二つの干渉縞像の観測点
におかれたセンサから、干渉縞の強度信号を取り出し、該強度信号の反転数から被検面の光軸方向の変位量を算
出することを特徴とする微小変位量の測定方法。
【請求項２】前記参照面と被検面との間に光学異方性
材料を設けて被検波の偏光と参照波の偏光とを交差させ
ることを特徴とする請求項１記載の微小変位量の測定方
法。
【請求項３】前記各センサ出力の反転タイミングのず
れから被検面の光軸方向の変位方向を併せて求めること
を特徴とする請求項１又は２記載の微小変位量の測定方
法。
【請求項４】前記干渉縞像を被検面の一測定断面に対
応した干渉縞として結像させ、被検面を前記測定断面と
交差する方向に走査して被検面全体を測定することを特
徴とする請求項１から３のいずれかに記載の微小変位量
の測定方法。
【請求項５】干渉縞像が結像面内で移動するのに伴
い、前記アパーチャ及び／又はセンサを干渉縞像に追従
させることを特徴とする請求項１又は４記載の微小変位
量の測定方法。
【請求項６】同一光源からの可干渉光性の偏光を被検
面と基準になる参照面とに照射し、これら両面から反射
される光束を重畳して干渉縞像を作る装置と、重畳された光束を二つに分割するビームスプリッタと、該二つの光束間にｎπ／２（ｎは自然数）の位相差を与
えるための光学異方性材料と、被検面の同一点からの反射光を検出するために、前記二
つの光路における各干渉縞像の結像面に設けられたセン
サとからなることを特徴とする微小変位量の測定装置。
【請求項７】前記被検波と参照波との偏光をほぼ９０
°ずらすために参照面と被検面との間に光学異方性材料
を設けたことを特徴とする請求項６記載の微小変位量の
測定装置。
【請求項８】前記被検面を移動自在に支持する併進台
を設けたことを特徴とする請求項６又は７記載の微小変
位量の測定装置。
【請求項９】前記二つのセンサが干渉縞像の移動に追
従可能なことを特徴とする請求項６又は７記載の微小変
位量の測定装置。
【請求項１０】前記干渉縞像を結像する光路内にアパ
ーチャを設けたことを特徴とする請求項６又は７記載の
微小変位量の測定装置。
【請求項１１】前記センサにラインセンサ又はエリア
センサを使用したことを特徴とする請求項６又は７記載
の微小変位量の測定方法。
【請求項１２】前記光学異方性材料が表面と裏面の双
方で反射して光束を二つに分割してビームスプリッタを
兼ねることを特徴とする請求項６又は７記載の微小変位
量の測定装置。
【請求項１３】前記二つのセンサを単一の支持部材に
設け、干渉縞像の移動に伴い二つのセンサが同時に干渉
縞像に追従できることを特徴とする請求項９記載の微小
変位量の測定装置。
【請求項１４】干渉縞像の結像光路内に集光レンズを
設けたことを特徴とする請求項６記載の微小変位量の測
定装置。