JPH07181005A - 多波長位相干渉法及び多波長位相干渉計 - Google Patents
多波長位相干渉法及び多波長位相干渉計Info
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- JPH07181005A JPH07181005A JP32832193A JP32832193A JPH07181005A JP H07181005 A JPH07181005 A JP H07181005A JP 32832193 A JP32832193 A JP 32832193A JP 32832193 A JP32832193 A JP 32832193A JP H07181005 A JPH07181005 A JP H07181005A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 多波長干渉計において、装置を複雑にせず、
測定に要する時間もほとんど増加させることなしに、不
連続部分の段差の大きさが一義的に決定できる範囲を拡
大できるようにする。 【構成】 光を分割して被測定物の表面と参照鏡で反射
させた後合成して干渉させる干渉光学系で複数の異なる
波長の光を選択的に干渉させ、各波長の光による干渉縞
の位相差より干渉縞の縞次数を決定するようにした多波
長干渉法において、被測定物の表面又は前記参照鏡を、
光路長が前記合成波長分づつ変化するように移動させ、
干渉縞の可視度が最大になる時に、合成波長の縞次数を
ゼロであると判定する。
測定に要する時間もほとんど増加させることなしに、不
連続部分の段差の大きさが一義的に決定できる範囲を拡
大できるようにする。 【構成】 光を分割して被測定物の表面と参照鏡で反射
させた後合成して干渉させる干渉光学系で複数の異なる
波長の光を選択的に干渉させ、各波長の光による干渉縞
の位相差より干渉縞の縞次数を決定するようにした多波
長干渉法において、被測定物の表面又は前記参照鏡を、
光路長が前記合成波長分づつ変化するように移動させ、
干渉縞の可視度が最大になる時に、合成波長の縞次数を
ゼロであると判定する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、近接した複数の異なる
波長の光を使用して一義的に光路長差を測定できる範囲
を拡大した多波長干渉法及び多波長干渉計に関し、特に
干渉縞の可視度を測定することにより、一義的に光路長
差を測定できる範囲を更に拡大した多波長干渉面の表面
形状も測定可能にした多波長干渉法及び多波長干渉計に
関する。
波長の光を使用して一義的に光路長差を測定できる範囲
を拡大した多波長干渉法及び多波長干渉計に関し、特に
干渉縞の可視度を測定することにより、一義的に光路長
差を測定できる範囲を更に拡大した多波長干渉面の表面
形状も測定可能にした多波長干渉法及び多波長干渉計に
関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、光波干渉を用いた形状計測におい
て、干渉縞解析の方法として位相シフト法が注目されて
いる。この位相シフト法は、参照面（物体面でもよい
が、通常は参照面。）を既知量移動、すなわち参照光路
を既知量変化させた時に得られる複数個の干渉図形から
位相差を求める方法である。位相シフト法は、比較的簡
単であり、干渉縞の読取誤差が波長の１／１００程度と
高精度であるという特徴を有する。
て、干渉縞解析の方法として位相シフト法が注目されて
いる。この位相シフト法は、参照面（物体面でもよい
が、通常は参照面。）を既知量移動、すなわち参照光路
を既知量変化させた時に得られる複数個の干渉図形から
位相差を求める方法である。位相シフト法は、比較的簡
単であり、干渉縞の読取誤差が波長の１／１００程度と
高精度であるという特徴を有する。
【０００３】しかし、通常のレーザ光による干渉計測で
は、図７の（１）に示したような段差のある不連続な面
を有する部分については、不連続な部分での干渉縞が図
７の（２）に示すように不連続になるため、段差の大き
さを特定できず面形状を完全には測定できないという問
題がある。このような問題を解決するため、近接した２
種類の波長の光を使用する２波長法と呼ばれる干渉測定
法がある。この２波長法は、測定に使用する２種類の波
長から実質的により長い波長を生成して測定範囲を拡大
する方法と、２つの波長の光を用いて測定された位相か
ら干渉縞の縞次数を決定する方法がある。以下、縞次数
決定法による２波長干渉法について簡単に説明する。
は、図７の（１）に示したような段差のある不連続な面
を有する部分については、不連続な部分での干渉縞が図
７の（２）に示すように不連続になるため、段差の大き
さを特定できず面形状を完全には測定できないという問
題がある。このような問題を解決するため、近接した２
種類の波長の光を使用する２波長法と呼ばれる干渉測定
法がある。この２波長法は、測定に使用する２種類の波
長から実質的により長い波長を生成して測定範囲を拡大
する方法と、２つの波長の光を用いて測定された位相か
ら干渉縞の縞次数を決定する方法がある。以下、縞次数
決定法による２波長干渉法について簡単に説明する。
【０００４】まず、２つの波長をλ１、λ２とし、それ
ぞれの波長による干渉縞を解析することにより測定され
るある点の位相をφ１、φ２とする。そして縞次数をｎ
１、ｎ２とする。これによりその点の高さＨは式（１）
で表される。 Ｈ＝（ｎ１＋φ１／２π）λ１／２ ＝（ｎ２＋φ２／２π）λ２／２ …（１） いま高さＨの変化に対する位相φ１、φ２だけの変化を
それぞれの波長について示すと図８のようになる。図よ
り明らかなようにそれぞれの波長について位相の変化周
期が異なるため、位相の差が徐々に拡大し、ある周期で
元通り一致することがわかる。この周期が式（２）で表
される合成波長λｅｑと呼ばれるものである。
ぞれの波長による干渉縞を解析することにより測定され
るある点の位相をφ１、φ２とする。そして縞次数をｎ
１、ｎ２とする。これによりその点の高さＨは式（１）
で表される。 Ｈ＝（ｎ１＋φ１／２π）λ１／２ ＝（ｎ２＋φ２／２π）λ２／２ …（１） いま高さＨの変化に対する位相φ１、φ２だけの変化を
それぞれの波長について示すと図８のようになる。図よ
り明らかなようにそれぞれの波長について位相の変化周
期が異なるため、位相の差が徐々に拡大し、ある周期で
元通り一致することがわかる。この周期が式（２）で表
される合成波長λｅｑと呼ばれるものである。
【０００５】 λｅｑ＝λ１λ２／（λ２−λ１） …（２） 但し、λ２＞λ１であるとする。従って、合成波長λｅ
ｑの範囲内であれば、２つの波長の位相差より縞次数が
決定できる。測定に使用する２種類の波長から実質的に
より長い波長を生成する２波長干渉法は、φ１及びφ２
から直接λｅｑについての位相を算出するものでありビ
ートをとる方法であり、式（２）と同様の合成波長の縞
が得られ、高さが判定できる。
ｑの範囲内であれば、２つの波長の位相差より縞次数が
決定できる。測定に使用する２種類の波長から実質的に
より長い波長を生成する２波長干渉法は、φ１及びφ２
から直接λｅｑについての位相を算出するものでありビ
ートをとる方法であり、式（２）と同様の合成波長の縞
が得られ、高さが判定できる。
【０００６】いずれにしろ２波長干渉法を用いることに
より、一義的に光路長差が測定できる範囲が、合成波長
λｅｑの範囲に拡大される。図９は２波長干渉法におけ
る合成波長の位相変化を示す図である。また、使用する
波長の種類を３つ以上に増加させ、各波長の組み合わせ
による複数の合成波長に対して２波長干渉法の原理を適
用することにより、更に長い合成波長を得ることができ
る。
より、一義的に光路長差が測定できる範囲が、合成波長
λｅｑの範囲に拡大される。図９は２波長干渉法におけ
る合成波長の位相変化を示す図である。また、使用する
波長の種類を３つ以上に増加させ、各波長の組み合わせ
による複数の合成波長に対して２波長干渉法の原理を適
用することにより、更に長い合成波長を得ることができ
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、２波長干渉法
を用いた場合でも、合成波長λｅｑの位相は図９に示す
ように変化しており、合成波長λｅｑ以上の光路長差に
ついては一義的に決定することができない。すなわち、
λｅｑ／２以上の段差については、正しい測定ができな
いという問題がある。また、これは多波長干渉法を用い
た場合でも同様である。
を用いた場合でも、合成波長λｅｑの位相は図９に示す
ように変化しており、合成波長λｅｑ以上の光路長差に
ついては一義的に決定することができない。すなわち、
λｅｑ／２以上の段差については、正しい測定ができな
いという問題がある。また、これは多波長干渉法を用い
た場合でも同様である。
【０００８】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであり、多波長干渉法を用いた多波長位相干渉法及び
多波長位相干渉計において、合成波長λｅｑ以上の光路
長差についても一義的に決定できるようにすることを目
的とする。
のであり、多波長干渉法を用いた多波長位相干渉法及び
多波長位相干渉計において、合成波長λｅｑ以上の光路
長差についても一義的に決定できるようにすることを目
的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の多波長位相干渉法は、光を分割して被測定
物の表面と参照鏡で反射させた後合成して干渉させる干
渉光学系で複数の異なる波長の光を選択的に干渉させ、
各波長の光による干渉縞の位相差より干渉縞の縞次数を
決定することにより、一義的に光路長差を測定できる範
囲を合成波長の範囲に拡大した多波長干渉法において、
参照鏡又は被測定物の表面を、光路長が合成波長分づつ
変化するように移動させ、干渉縞の可視度が最大になる
時に、合成波長の縞次数をゼロであると判定することを
特徴とする。
め、本発明の多波長位相干渉法は、光を分割して被測定
物の表面と参照鏡で反射させた後合成して干渉させる干
渉光学系で複数の異なる波長の光を選択的に干渉させ、
各波長の光による干渉縞の位相差より干渉縞の縞次数を
決定することにより、一義的に光路長差を測定できる範
囲を合成波長の範囲に拡大した多波長干渉法において、
参照鏡又は被測定物の表面を、光路長が合成波長分づつ
変化するように移動させ、干渉縞の可視度が最大になる
時に、合成波長の縞次数をゼロであると判定することを
特徴とする。
【００１０】また、本発明の多波長位相干渉計は、それ
ぞれ所定のコヒーレンス度を有する複数の異なる波長の
光を選択的に放出する光源と、光源からの光を分割して
被測定物の表面と参照鏡で反射させた後合成して干渉さ
せる干渉光学系と、干渉光学系の検出面で得られる干渉
縞の光信号を電気信号に変換する光電変換手段と、各波
長の光による干渉縞の位相差より干渉縞の縞次数を決定
する縞次数決定手段とを備え、一義的に光路長差を測定
できる範囲を合成波長の範囲に拡大した多波長干渉計に
おいて、干渉光学系の検出面における干渉縞から可視度
を検出する可視度検出手段と、被測定物の表面又は前記
参照鏡を移動させる移動手段とを備え、移動手段により
参照鏡又は被測定物の表面を、光路長が合成波長分づつ
変化するように移動させ可視度検出手段が検出した干渉
縞の可視度が最大になる時に合成波長の縞次数をゼロで
あると判定することを特徴とする。
ぞれ所定のコヒーレンス度を有する複数の異なる波長の
光を選択的に放出する光源と、光源からの光を分割して
被測定物の表面と参照鏡で反射させた後合成して干渉さ
せる干渉光学系と、干渉光学系の検出面で得られる干渉
縞の光信号を電気信号に変換する光電変換手段と、各波
長の光による干渉縞の位相差より干渉縞の縞次数を決定
する縞次数決定手段とを備え、一義的に光路長差を測定
できる範囲を合成波長の範囲に拡大した多波長干渉計に
おいて、干渉光学系の検出面における干渉縞から可視度
を検出する可視度検出手段と、被測定物の表面又は前記
参照鏡を移動させる移動手段とを備え、移動手段により
参照鏡又は被測定物の表面を、光路長が合成波長分づつ
変化するように移動させ可視度検出手段が検出した干渉
縞の可視度が最大になる時に合成波長の縞次数をゼロで
あると判定することを特徴とする。
【００１１】
【作用】検出面における干渉縞の可視度は、２光路の光
路長差ＯＰＤに応じて変化する。図２は２光路の光路長
差ＯＰＤの変化に対する検出面における干渉縞の可視度
の変化具合の例を示す図である。図２に示すように、光
源のコヒーレンス度が高ければ、光路長差に対する干渉
縞の可視度の変化は緩やかであり、光源のコヒーレンス
度が低ければ、光路長差に対する干渉縞の可視度の変化
は急激である。例えば、光源を白色光源と干渉フィルタ
で構成した場合には、干渉フィルタの波長幅が小さいほ
ど光源のコヒーレンス度が高く、干渉フィルタの波長幅
が大きいほど光源のコヒーレンス度が低くなる。
路長差ＯＰＤに応じて変化する。図２は２光路の光路長
差ＯＰＤの変化に対する検出面における干渉縞の可視度
の変化具合の例を示す図である。図２に示すように、光
源のコヒーレンス度が高ければ、光路長差に対する干渉
縞の可視度の変化は緩やかであり、光源のコヒーレンス
度が低ければ、光路長差に対する干渉縞の可視度の変化
は急激である。例えば、光源を白色光源と干渉フィルタ
で構成した場合には、干渉フィルタの波長幅が小さいほ
ど光源のコヒーレンス度が高く、干渉フィルタの波長幅
が大きいほど光源のコヒーレンス度が低くなる。
【００１２】そこで、光源のコヒーレンス度を適当に設
定することにより、合成波長の位相変化と干渉縞の可視
度の変化を図１に示すような状態にすることが可能であ
る。図１において、ＯＰＤがそれぞれａとｂで表される
点があり、その点における合成波長λｅｑの位相は同じ
値ＰａとＰｂであるが、その可視度はＶａとＶｂで異な
る。可視度は次数がゼロの時がもっとも大きくなる。従
って、参照鏡又は被測定物の表面を移動させて各点の可
視度がもっとも大きくなる時を検出すれば、その時が干
渉縞の次数がゼロの時といえる。このようにすれば、合
成波長λｅｑ／２を越えるような段差であっても段差で
分けられる不連続面のそれぞれについてこのような処理
を行えば、段差の大きさを一義的に決定できる。
定することにより、合成波長の位相変化と干渉縞の可視
度の変化を図１に示すような状態にすることが可能であ
る。図１において、ＯＰＤがそれぞれａとｂで表される
点があり、その点における合成波長λｅｑの位相は同じ
値ＰａとＰｂであるが、その可視度はＶａとＶｂで異な
る。可視度は次数がゼロの時がもっとも大きくなる。従
って、参照鏡又は被測定物の表面を移動させて各点の可
視度がもっとも大きくなる時を検出すれば、その時が干
渉縞の次数がゼロの時といえる。このようにすれば、合
成波長λｅｑ／２を越えるような段差であっても段差で
分けられる不連続面のそれぞれについてこのような処理
を行えば、段差の大きさを一義的に決定できる。
【００１３】また、検出面における干渉縞の可視度の測
定は、参照面又は被測定物の表面の位置を正弦波振動さ
せた上で、測定点における干渉縞の光信号をフーリエ変
換して算出することが望ましいが、これに必要な正弦波
振動手段とフーリエ変換演算手段は、通常の干渉計にお
ける干渉縞の解析手段で使用されるものが共用できるた
め、装置が複雑になることもない。
定は、参照面又は被測定物の表面の位置を正弦波振動さ
せた上で、測定点における干渉縞の光信号をフーリエ変
換して算出することが望ましいが、これに必要な正弦波
振動手段とフーリエ変換演算手段は、通常の干渉計にお
ける干渉縞の解析手段で使用されるものが共用できるた
め、装置が複雑になることもない。
【００１４】
【実施例】図３は本発明の第１実施例の干渉計の構成を
示す図である。図３において、参照番号１は白色光源、
２は白色光源１からの光を平行光にするコリメータレン
ズ、３はコリメータレンズ２からの平行光を第１と第２
の光路に分割するハーフミラー、４はミラー、５は中心
波長がλａで透過波長幅Δλが比較的小さい第１干渉フ
ィルタ、６は中心波長がλｂで透過波長幅Δλが比較的
大きい第２干渉フィルタ、７と８は第１と第２の光路の
透過光量を調節するためのＮＤフィルタ、９と１０はコ
ンピュータからの制御で第１と第２の光路を独立に遮断
するシャッタ、１１はミラー、１２は第１と第２の光路
を合成するハーフミラーである。以上の要素で光源が形
成され、この光源からは中心波長の異なる２種類の平行
光が独立に出射される。
示す図である。図３において、参照番号１は白色光源、
２は白色光源１からの光を平行光にするコリメータレン
ズ、３はコリメータレンズ２からの平行光を第１と第２
の光路に分割するハーフミラー、４はミラー、５は中心
波長がλａで透過波長幅Δλが比較的小さい第１干渉フ
ィルタ、６は中心波長がλｂで透過波長幅Δλが比較的
大きい第２干渉フィルタ、７と８は第１と第２の光路の
透過光量を調節するためのＮＤフィルタ、９と１０はコ
ンピュータからの制御で第１と第２の光路を独立に遮断
するシャッタ、１１はミラー、１２は第１と第２の光路
を合成するハーフミラーである。以上の要素で光源が形
成され、この光源からは中心波長の異なる２種類の平行
光が独立に出射される。
【００１５】１３は平行光を分割した後再び合成するハ
ーフミラーであり、１４は分割された光束を反射する高
精度の平面度を有する参照面、１５は参照面１４を正弦
波振動させるＰＺＴ製の第１圧電素子であり、１６は参
照面１４を数十μｍから数百μｍの範囲で移動させるＰ
ＺＴ製の第２圧電素子であり、１７は第２圧電素子の変
位量を検出する変位センサである。第２圧電素子１６に
は機械的な移動機構とモータを組み合わせた移動装置を
使用してもよい。
ーフミラーであり、１４は分割された光束を反射する高
精度の平面度を有する参照面、１５は参照面１４を正弦
波振動させるＰＺＴ製の第１圧電素子であり、１６は参
照面１４を数十μｍから数百μｍの範囲で移動させるＰ
ＺＴ製の第２圧電素子であり、１７は第２圧電素子の変
位量を検出する変位センサである。第２圧電素子１６に
は機械的な移動機構とモータを組み合わせた移動装置を
使用してもよい。
【００１６】１８は被測定物であり、その表面がハーフ
ミラー１３で分割されたもう一方の光束を反射する。参
照面１４で反射された光束と被測定物１８の表面で反射
された光束はハーフミラー１３で合成され、干渉像を生
じる。以上の構成は、トワイマングリーン型干渉計とし
て一般に知られた干渉計の構成である。ここでは、トワ
イマングリーン型干渉計に本発明を適用した例を説明す
るが、本発明はどのような干渉計にも適用可能である。
ミラー１３で分割されたもう一方の光束を反射する。参
照面１４で反射された光束と被測定物１８の表面で反射
された光束はハーフミラー１３で合成され、干渉像を生
じる。以上の構成は、トワイマングリーン型干渉計とし
て一般に知られた干渉計の構成である。ここでは、トワ
イマングリーン型干渉計に本発明を適用した例を説明す
るが、本発明はどのような干渉計にも適用可能である。
【００１７】１９はハーフミラー１３で合成された参照
面１４からの光束と被測定物１８の表面で反射された光
束を結像する結像レンズであり、結像位置にＣＣＤ（Ｃ
ｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等で構成
されたＴＶカメラ２０が配置される。ＴＶカメラ２０上
には、参照面１４で反射された光束と被測定物１８の表
面で反射された光束の干渉縞、すなわち被測定物１８の
表面と参照面１４の表面形状の差に起因する干渉縞が生
成される。ＴＶカメラ２０はこの干渉縞の像を電気信号
に変換して出力する。２１はＡ／Ｄ変換器であり、ＴＶ
カメラ２０からのアナログ電気信号をディジタル信号に
変換する。
面１４からの光束と被測定物１８の表面で反射された光
束を結像する結像レンズであり、結像位置にＣＣＤ（Ｃ
ｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等で構成
されたＴＶカメラ２０が配置される。ＴＶカメラ２０上
には、参照面１４で反射された光束と被測定物１８の表
面で反射された光束の干渉縞、すなわち被測定物１８の
表面と参照面１４の表面形状の差に起因する干渉縞が生
成される。ＴＶカメラ２０はこの干渉縞の像を電気信号
に変換して出力する。２１はＡ／Ｄ変換器であり、ＴＶ
カメラ２０からのアナログ電気信号をディジタル信号に
変換する。
【００１８】参照番号２２乃至３２は、各部の制御及び
ＴＶカメラ２０が捕らえた干渉縞の画像を処理を行うコ
ンピュータを構成する部分である。参照番号２２は中央
処理装置（ＣＰＵ）、２３はメモリ、２４はＣＲＴ等の
表示装置、２５はＡ／Ｄ変換器２１からのディジタル信
号に変換された干渉縞の画像を記憶するフレームメモ
リ、２６は第１圧電素子１５を駆動する第１ＰＺＴドラ
イバ、２７は第２圧電素子１６を駆動する第２ＰＺＴド
ライバ、２８は変位センサ１７の出力を取り込むための
変位センサインターフェイス、２９はハードディスク装
置３０やフロッピーディスク装置３１等の外部記憶装置
とのＳＣＳＩインターフェース、３２はシャッタ９、１
０を駆動するためのシャッタ駆動インターフェイス、３
２はシステムバスである。縞次数決定手段を含む干渉縞
解析手段、可視度検出手段等は、このコンピュータ上に
ソフトウェアにより実現される。干渉縞を解析するソフ
トウェアは既に実用化されているものがここでも使用さ
れるため、その詳しい説明はここでは省略する。
ＴＶカメラ２０が捕らえた干渉縞の画像を処理を行うコ
ンピュータを構成する部分である。参照番号２２は中央
処理装置（ＣＰＵ）、２３はメモリ、２４はＣＲＴ等の
表示装置、２５はＡ／Ｄ変換器２１からのディジタル信
号に変換された干渉縞の画像を記憶するフレームメモ
リ、２６は第１圧電素子１５を駆動する第１ＰＺＴドラ
イバ、２７は第２圧電素子１６を駆動する第２ＰＺＴド
ライバ、２８は変位センサ１７の出力を取り込むための
変位センサインターフェイス、２９はハードディスク装
置３０やフロッピーディスク装置３１等の外部記憶装置
とのＳＣＳＩインターフェース、３２はシャッタ９、１
０を駆動するためのシャッタ駆動インターフェイス、３
２はシステムバスである。縞次数決定手段を含む干渉縞
解析手段、可視度検出手段等は、このコンピュータ上に
ソフトウェアにより実現される。干渉縞を解析するソフ
トウェアは既に実用化されているものがここでも使用さ
れるため、その詳しい説明はここでは省略する。
【００１９】図３に示した干渉計において、ハーフミラ
ー１３と参照面１４間の距離をＬＲ、ハーフミラー１３
と被測定物１８の表面間の距離をＬＷとすると、光路長
差ＯＰＤは式（３）のようになる。 ＯＰＤ＝２×（ＬＷ−ＬＲ） …（３） シャッタ９、１０を交互に透過状態にすることにより、
波長λａ、λｂについての干渉縞が得られる。これらの
縞をそれぞれ解析し、２波長法により縞次数を決定する
ことにより、式（２）で表される合成波長λｅｑの範囲
について光路長差ＯＰＤを決定することができる。
ー１３と参照面１４間の距離をＬＲ、ハーフミラー１３
と被測定物１８の表面間の距離をＬＷとすると、光路長
差ＯＰＤは式（３）のようになる。 ＯＰＤ＝２×（ＬＷ−ＬＲ） …（３） シャッタ９、１０を交互に透過状態にすることにより、
波長λａ、λｂについての干渉縞が得られる。これらの
縞をそれぞれ解析し、２波長法により縞次数を決定する
ことにより、式（２）で表される合成波長λｅｑの範囲
について光路長差ＯＰＤを決定することができる。
【００２０】前述のように、干渉フィルタを通過した光
の透過波長幅ΔλとＯＰＤとの間には、コヒーレンス度
に関して図２のような関係、すなわち干渉縞の可視度に
関して図２のような関係がある。上記のように、第１光
路の干渉フィルタ５の透過波長幅Δλは小さく、第２光
路の干渉フィルタ６の透過波長幅Δλは大きい。そのた
め、第１光路をシャッタ９で遮断し、第２光路のシャッ
タ１０を透過状態にすると、得られる干渉縞の可視度は
図２の透過波長幅Δλが大きい時の変化をする。
の透過波長幅ΔλとＯＰＤとの間には、コヒーレンス度
に関して図２のような関係、すなわち干渉縞の可視度に
関して図２のような関係がある。上記のように、第１光
路の干渉フィルタ５の透過波長幅Δλは小さく、第２光
路の干渉フィルタ６の透過波長幅Δλは大きい。そのた
め、第１光路をシャッタ９で遮断し、第２光路のシャッ
タ１０を透過状態にすると、得られる干渉縞の可視度は
図２の透過波長幅Δλが大きい時の変化をする。
【００２１】本実施例においては、第２光路の干渉フィ
ルタ６の透過波長幅Δλを適当に選択することにより、
光路長差ＯＰＤの合成波長λｅｑ程度の変化に対して可
視度が、図１のように最高値の７０％程度になるように
している。図４は本実施例における形状測定の処理を示
すフローチャートであり、図５はこの処理を説明するた
めの光路長差ＯＰＤの変化に対する合成波長λｅｑの位
相の変化と可視度の変化を示す図である。以下、本実施
例における測定手順を、図４及び図５を参照しながら説
明する。
ルタ６の透過波長幅Δλを適当に選択することにより、
光路長差ＯＰＤの合成波長λｅｑ程度の変化に対して可
視度が、図１のように最高値の７０％程度になるように
している。図４は本実施例における形状測定の処理を示
すフローチャートであり、図５はこの処理を説明するた
めの光路長差ＯＰＤの変化に対する合成波長λｅｑの位
相の変化と可視度の変化を示す図である。以下、本実施
例における測定手順を、図４及び図５を参照しながら説
明する。
【００２２】まず、工程１０１において、各測定点
（Ｘ，Ｙ）における可視度の最高値Ｖ’（Ｘ，Ｙ）を記
憶する最高可視度レジスタと、可視度の最高値が得られ
た時の合成波長λｅｑの位相φ（Ｘ，Ｙ）に第２圧電素
子１６による移動量（Ｚ方向移動量）を加えた値φ’
（Ｘ，Ｙ）を記憶する最高位置位相レジスタをゼロに初
期化する。それと同時に、第２圧電素子１６による移動
位置が初期位置（ステップ０位置）になるように移動さ
せる。
（Ｘ，Ｙ）における可視度の最高値Ｖ’（Ｘ，Ｙ）を記
憶する最高可視度レジスタと、可視度の最高値が得られ
た時の合成波長λｅｑの位相φ（Ｘ，Ｙ）に第２圧電素
子１６による移動量（Ｚ方向移動量）を加えた値φ’
（Ｘ，Ｙ）を記憶する最高位置位相レジスタをゼロに初
期化する。それと同時に、第２圧電素子１６による移動
位置が初期位置（ステップ０位置）になるように移動さ
せる。
【００２３】工程１０２では、２波長位相干渉法によ
り、ステップ０位置における各測定点での可視度Ｖ
（Ｘ，Ｙ）と合成波長位相φ（Ｘ，Ｙ）を求める。工程
１０３及び１０４では、各測定点（Ｘ，Ｙ）毎に、工程
１０２で測定した可視度Ｖ（Ｘ，Ｙ）と最高可視度レジ
スタに記憶されたＶ’（Ｘ，Ｙ）とを比較し、Ｖ（Ｘ，
Ｙ）がＶ’（Ｘ，Ｙ）より大きい場合のみ、工程１０５
に進み、Ｖ’（Ｘ，Ｙ）とφ’（Ｘ，Ｙ）を式（４）、
（５）に従って更新する。
り、ステップ０位置における各測定点での可視度Ｖ
（Ｘ，Ｙ）と合成波長位相φ（Ｘ，Ｙ）を求める。工程
１０３及び１０４では、各測定点（Ｘ，Ｙ）毎に、工程
１０２で測定した可視度Ｖ（Ｘ，Ｙ）と最高可視度レジ
スタに記憶されたＶ’（Ｘ，Ｙ）とを比較し、Ｖ（Ｘ，
Ｙ）がＶ’（Ｘ，Ｙ）より大きい場合のみ、工程１０５
に進み、Ｖ’（Ｘ，Ｙ）とφ’（Ｘ，Ｙ）を式（４）、
（５）に従って更新する。
【００２４】 Ｖ’（Ｘ，Ｙ）＝Ｖ（Ｘ，Ｙ） …（４） φ’（Ｘ，Ｙ）＝２πＮ＋φ（Ｘ，Ｙ） …（５） 但し、Ｎ：ステップ位置番号 例えば、図５に示すように、ステップ０の位置ではある
測定点について、合成波長の位相としてＰａ１’、可視
度としてＶａ１が得られたとする。この場合、Ｖ’
（Ｘ，Ｙ）としてＶａ１が、φ’（Ｘ，Ｙ）としてＰａ
１’が記憶される。次のステップ１の位置では、合成波
長の位相としてはＰａ１’にほぼ等しいＰａ２が測定さ
れるが、可視度としてはＶａ１より大きなＶａ２が得ら
れる。従って、最高可視度レジスタと最高位置位相レジ
スタの内容をＶａ２と２πＮ＋Ｐａ２に変更する。
測定点について、合成波長の位相としてＰａ１’、可視
度としてＶａ１が得られたとする。この場合、Ｖ’
（Ｘ，Ｙ）としてＶａ１が、φ’（Ｘ，Ｙ）としてＰａ
１’が記憶される。次のステップ１の位置では、合成波
長の位相としてはＰａ１’にほぼ等しいＰａ２が測定さ
れるが、可視度としてはＶａ１より大きなＶａ２が得ら
れる。従って、最高可視度レジスタと最高位置位相レジ
スタの内容をＶａ２と２πＮ＋Ｐａ２に変更する。
【００２５】工程１０６と１０７で、最終測定位置まで
順次第２圧電素子１６により参照面１４の位置をλｅｑ
／２づつ変化させながら工程１０２乃至１０５を繰り返
す。図５の例では、ステップ１の位置で更新されたレジ
スタの内容は、それ以後の工程で更新されることはない
ので、ステップ１の位置での値がそのまま記憶される。
順次第２圧電素子１６により参照面１４の位置をλｅｑ
／２づつ変化させながら工程１０２乃至１０５を繰り返
す。図５の例では、ステップ１の位置で更新されたレジ
スタの内容は、それ以後の工程で更新されることはない
ので、ステップ１の位置での値がそのまま記憶される。
【００２６】以上の工程で段差で分けられたそれぞれの
不連続部分について、縞次数が決定されるので、工程１
０８でφ’（Ｘ，Ｙ）より各不連続部分の形状を求め、
各不連続部分を合成することにより全体の形状が得られ
る。本実施例においては、可視度の測定及び干渉縞の解
析には、より高精度の解析が可能であるように、「光
学」第１５巻第１号（１９８６年２月）等に開示されて
いる正弦波位相変調干渉法を使用する。この方法につい
て簡単に説明する。
不連続部分について、縞次数が決定されるので、工程１
０８でφ’（Ｘ，Ｙ）より各不連続部分の形状を求め、
各不連続部分を合成することにより全体の形状が得られ
る。本実施例においては、可視度の測定及び干渉縞の解
析には、より高精度の解析が可能であるように、「光
学」第１５巻第１号（１９８６年２月）等に開示されて
いる正弦波位相変調干渉法を使用する。この方法につい
て簡単に説明する。
【００２７】被測定物１８は固定で、参照面１４が第１
圧電素子１５により振幅ａ、角周波数ωc 、初期位相θ
で正弦波振動される。被測定物１８で反射された光（以
下、物体光）と参照面１４反射された光（以下、参照
光）との光路差をＬとすると、ＴＶカメラ２０で捕らえ
た映像状の１点において検出される干渉信号の交流成分
は、式（６）で与えられる。
圧電素子１５により振幅ａ、角周波数ωc 、初期位相θ
で正弦波振動される。被測定物１８で反射された光（以
下、物体光）と参照面１４反射された光（以下、参照
光）との光路差をＬとすると、ＴＶカメラ２０で捕らえ
た映像状の１点において検出される干渉信号の交流成分
は、式（６）で与えられる。
【００２８】
【数１】
【００２９】式（６）において、Ｉ0 は物体光の強度で
あり、Ｉr は参照光の強度であり、Ｒ（Ｌ）は光路差Ｌ
1 ＝Ｌ−２ａからＬ2 ＝Ｌ＋２ａに対する平均的な複素
コヒーレンス度の絶対値である。いま、式（６）の直流
分と交流分を式（７）のようにＢとＳ0 で表すとする
と、式（６）は式（８）のようになる。
あり、Ｉr は参照光の強度であり、Ｒ（Ｌ）は光路差Ｌ
1 ＝Ｌ−２ａからＬ2 ＝Ｌ＋２ａに対する平均的な複素
コヒーレンス度の絶対値である。いま、式（６）の直流
分と交流分を式（７）のようにＢとＳ0 で表すとする
と、式（６）は式（８）のようになる。
【００３０】
【数２】
【００３１】
【数３】
【００３２】この干渉信号Ｓ（ｔ）をフーリエ変換する
と、式（９）のような結果が得られる。
と、式（９）のような結果が得られる。
【００３３】
【数４】
【００３４】ここで、式（７）のＦ（ωc ）とＦ（３ω
c ）から式（１０）が得られる。
c ）から式（１０）が得られる。
【００３５】
【数５】
【００３６】従って、ｒ31とｚの関係はベッセル関数を
演算することにより得ることが可能であり、その関係を
図６に示す。図６からわかるようにｚの範囲がある程度
既知であれば、その範囲でｒ31とｚは１対１に対応して
おり、干渉信号Ｓ（ｔ）のフーリエ変換の結果に従って
ｒ31を算出すれば、ｚが決定される。上記のようにｚは
第１圧電素子１５の振幅ａにより決定されるが、このよ
うな形でｚを算出することにより、ｚをより正確に得る
ことができる。
演算することにより得ることが可能であり、その関係を
図６に示す。図６からわかるようにｚの範囲がある程度
既知であれば、その範囲でｒ31とｚは１対１に対応して
おり、干渉信号Ｓ（ｔ）のフーリエ変換の結果に従って
ｒ31を算出すれば、ｚが決定される。上記のようにｚは
第１圧電素子１５の振幅ａにより決定されるが、このよ
うな形でｚを算出することにより、ｚをより正確に得る
ことができる。
【００３７】また上記のようにしてｚが得られれば、式
（９）におけるＦ（ωc ）の位相項は式（１１）で得ら
れる。
（９）におけるＦ（ωc ）の位相項は式（１１）で得ら
れる。
【００３８】
【数６】
【００３９】すなわち、αの符号によりπの不確定製を
もってθが決定される。更に、式（９）のＦ（ωc ）と
Ｆ（２ωc ）より、式（１２）が得られる。
もってθが決定される。更に、式（９）のＦ（ωc ）と
Ｆ（２ωc ）より、式（１２）が得られる。
【００４０】
【数７】
【００４１】すなわち、Ｆ（ωc ）とＦ（２ωc ）より
αが決定される。以上のようにして、ＴＶカメラで捕ら
えた干渉縞映像の任意の点における参照面との光路長差
を正確に算出することができ、被測定物の表面形状が判
明する。このようにして干渉縞の解析が行われる。式
（９）より、式（７）のＢとＳ0 は式（１３）で表され
る。
αが決定される。以上のようにして、ＴＶカメラで捕ら
えた干渉縞映像の任意の点における参照面との光路長差
を正確に算出することができ、被測定物の表面形状が判
明する。このようにして干渉縞の解析が行われる。式
（９）より、式（７）のＢとＳ0 は式（１３）で表され
る。
【００４２】
【数８】
【００４３】従って、ｚとαが判明すれば、式（７）の
ＢとＳ0 が得られる。また式（７）より、Ｓ0 をＢで除
した結果は式（１４）のようになり、その結果は可視度
Ｒ（Ｖ）を表すことになる。
ＢとＳ0 が得られる。また式（７）より、Ｓ0 をＢで除
した結果は式（１４）のようになり、その結果は可視度
Ｒ（Ｖ）を表すことになる。
【００４４】
【数９】
【００４５】これにより、各測定点における可視度をよ
り正確に測定することが可能になる。以上の説明でも明
らかなように、可視度を検出するために必要な手段は、
ほとんど干渉縞の解析に必要な手段をそのまま使用でき
るため、可視度を検出するために付加するのは簡単な演
算手段と記憶手段のみである。従って、可視度を検出す
るようにしても装置が複雑になることはなく、演算時間
の増加もほとんど無視できる程度である。
り正確に測定することが可能になる。以上の説明でも明
らかなように、可視度を検出するために必要な手段は、
ほとんど干渉縞の解析に必要な手段をそのまま使用でき
るため、可視度を検出するために付加するのは簡単な演
算手段と記憶手段のみである。従って、可視度を検出す
るようにしても装置が複雑になることはなく、演算時間
の増加もほとんど無視できる程度である。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明により、装
置を複雑にせず、測定に要する時間もほとんど増加させ
ることなしに、大きな段差のある表面の測定も行える多
波長位相干渉計が実現できる。
置を複雑にせず、測定に要する時間もほとんど増加させ
ることなしに、大きな段差のある表面の測定も行える多
波長位相干渉計が実現できる。
【図１】本発明の干渉計の原理を説明するための図であ
る。
る。
【図２】光路長差の変化に対する可視度の変化例を示す
図である。
図である。
【図３】実施例の干渉計の構成を示す図である。
【図４】実施例における表面の形状測定の処理手順を示
すフローチャートである。
すフローチャートである。
【図５】実施例における縞次数決定方法を説明するため
の図である。
の図である。
【図６】正弦波位相変調干渉法において、正弦波振動の
振幅に関係するｚとフーリエ変換の角振動周波数とその
３倍の周波数の値の比の関係を示す図である。
振幅に関係するｚとフーリエ変換の角振動周波数とその
３倍の周波数の値の比の関係を示す図である。
【図７】段差の図と段差を測定した時の干渉縞を示す図
である。
である。
【図８】２波長法における各波長の位相変化のずれを示
す図である。
す図である。
【図９】２波長法における合成波長の位相変化を示す図
である。
である。
１…白色光源 ２…コリメータレンズ ５，６…干渉フィルタ ９，１０…シャッタ １３…ハーフミラー １４…参照面 １５…第１圧電素子 １６…第２圧電素子 １７…変位センサ １８…被測定物 ２０…ＴＶカメラ ２１…Ａ／Ｄ変換器 ２２…ＣＰＵ
Claims (3)
- 【請求項１】 光を分割して被測定物の表面と参照鏡で
反射させた後合成して干渉させる干渉光学系で複数の異
なる波長の光を選択的に干渉させ、各波長の光による干
渉縞の位相差より干渉縞の縞次数を決定することによ
り、一義的に光路長差を測定できる範囲を合成波長の範
囲に拡大した多波長干渉法において、 前記被測定物の表面又は前記参照鏡を、光路長が前記合
成波長分づつ変化するように移動させ、干渉縞の可視度
が最大になる時に、合成波長の縞次数がゼロであると判
定することを特徴とする多波長位相干渉法。 - 【請求項２】 それぞれ所定のコヒーレンス度を有する
複数の異なる波長の光を選択的に放出する光源と、 該光源からの光を分割して被測定物の表面と参照鏡で反
射させた後合成して干渉させる干渉光学系と、 該干渉光学系の検出面で得られる干渉縞の光信号を電気
信号に変換する光電変換手段と、 各波長の光による干渉縞の位相差より干渉縞の縞次数を
決定する縞次数決定手段とを備え、一義的に光路長差を
測定できる範囲を合成波長の範囲に拡大した多波長干渉
計において、 前記干渉光学系の検出面における干渉縞の可視度を検出
する可視度検出手段と、 前記被測定物の表面又は前記参照鏡を移動させる移動手
段とを備え、 該移動手段により前記被測定物の表面又は前記参照鏡
を、光路長が前記合成波長分づつ変化するように移動さ
せ、可視度検出手段が検出した干渉縞の可視度が最大に
なる時に、合成波長の縞次数をゼロであると判定するこ
とを特徴とする多波長位相干渉計。 - 【請求項３】 前記光源が放出する複数の異なる波長の
光の内の少なくとも１つの波長の光は、光路長差が前記
合成波長の１／２を越える付近で検出面における干渉縞
の可視度の変化が大きくなるようなコヒーレンス度を有
し、前記可視度検出手段はこの波長の光の干渉縞で可視
度を検出することを特徴とする請求項２に記載の多波長
位相干渉計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5328321A JP2993835B2 (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | 多波長位相干渉法及び多波長位相干渉計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5328321A JP2993835B2 (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | 多波長位相干渉法及び多波長位相干渉計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07181005A true JPH07181005A (ja) | 1995-07-18 |
| JP2993835B2 JP2993835B2 (ja) | 1999-12-27 |
Family
ID=18208938
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5328321A Expired - Fee Related JP2993835B2 (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | 多波長位相干渉法及び多波長位相干渉計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2993835B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006250853A (ja) * | 2005-03-14 | 2006-09-21 | Fujitsu Ltd | 物体表面形状測定方法及びその装置 |
| JP2009053148A (ja) * | 2007-08-29 | 2009-03-12 | Mitsutoyo Corp | 多波長干渉計 |
| JP2009121828A (ja) * | 2007-11-12 | 2009-06-04 | Anritsu Corp | 三次元形状測定装置 |
| JP2012516453A (ja) * | 2009-01-30 | 2012-07-19 | コーニング インコーポレイテッド | 周波数走査型干渉計による多重表面検査対象物の測定 |
-
1993
- 1993-12-24 JP JP5328321A patent/JP2993835B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006250853A (ja) * | 2005-03-14 | 2006-09-21 | Fujitsu Ltd | 物体表面形状測定方法及びその装置 |
| JP2009053148A (ja) * | 2007-08-29 | 2009-03-12 | Mitsutoyo Corp | 多波長干渉計 |
| JP2009121828A (ja) * | 2007-11-12 | 2009-06-04 | Anritsu Corp | 三次元形状測定装置 |
| JP2012516453A (ja) * | 2009-01-30 | 2012-07-19 | コーニング インコーポレイテッド | 周波数走査型干渉計による多重表面検査対象物の測定 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2993835B2 (ja) | 1999-12-27 |
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|---|---|---|---|
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