JPH07190737A - Shearing interference measuring method and shearing interferometer - Google Patents

Shearing interference measuring method and shearing interferometer

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JPH07190737A
JPH07190737A JP5332832A JP33283293A JPH07190737A JP H07190737 A JPH07190737 A JP H07190737A JP 5332832 A JP5332832 A JP 5332832A JP 33283293 A JP33283293 A JP 33283293A JP H07190737 A JPH07190737 A JP H07190737A
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JP
Japan
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measured
wavefront
amount
shear
frequency
Prior art date
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Application number
JP5332832A
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Japanese (ja)
Inventor
Hidenori Yamada
秀則 山田
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Fujifilm Business Innovation Corp
Original Assignee
Fuji Xerox Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Abstract

PURPOSE:To judge whether inclination is positive or negative when the inclination of a measured wave surface from a frequency peak is detected. CONSTITUTION:A reference light intensity signal is detected while the quantity of shear S is being altered, and the peak frequency fp of a frequency spectrum making the quantity of shear S a parameter is detected, so that profile information including the inclination W/ x of a measured light surface can be obtained based on the aforesaid peak frequency fp. The optical system of a shearing interferometer is set in such a way that the known specified quantity of frequency shift nu takes place in a frequency spectrum making the quantity of shear S a parameter, the profile information of a measured light surface is obtained using fp=k.(W/ x)+nu (where, k=2pi/lambda), and the quantity of frequency shift nu is set in such a way that the sign of k.(W/ x)+nu shall be positive or zero, or must be negative or zero in the all area of the measured light surface.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光波の干渉現象を利用
し、光波の位相分布,すなわち、光波面形状の測定を通
じて、物体の形状あるいは屈折率分布等の物理特性を測
定するシアリング(shearing)干渉計測方法並
びにシアリング干渉計に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention utilizes the interference phenomenon of light waves to measure the phase distribution of light waves, that is, the shape of the light wave front, to measure the physical characteristics such as the shape of an object or the refractive index distribution. ) It relates to an interference measuring method and a shearing interferometer.

【0002】[0002]

【従来の技術】光波の干渉現象を利用したいわゆる干渉
計は、光の波長すなわちサブミクロン以上の精度で非接
触な測定が可能なため、高精度計測の分野で広く使われ
ている。
2. Description of the Related Art A so-called interferometer utilizing the interference phenomenon of light waves is widely used in the field of high precision measurement because it can perform non-contact measurement with an accuracy of light wavelength, that is, submicron or more.

【0003】例えば、Zygo社のMark IVxp
と呼ばれる干渉計は、波長λ=632.8nmのHe−
Neレーザーを光源として用い、干渉縞画像解析装置を
備え、繰り返し精度λ/300以上の精度で、非接触に
鏡面物体の形状を測定することができる。
For example, Zygo's Mark IVxp
The interferometer called is He- with a wavelength λ = 632.8 nm.
Using a Ne laser as a light source, an interference fringe image analyzer is provided, and the shape of a mirror-finished object can be measured in a non-contact manner with a repeatability of λ / 300 or more.

【0004】しかしながら、現在広く使われている上記
Zygo社のMark IVxpのような通常タイプの
干渉計は、図5に示すように、原器25と呼ばれる高精
度に作成された理想的形状の面で反射された光波と被測
定面26で反射された光波を干渉させて計測を行うた
め、高精度な原器25の作成が困難な形状を基準とする
測定は不可能である。
However, as shown in FIG. 5, a conventional type interferometer such as the Mark IVxp manufactured by Zygo Co., which is widely used at present, has a highly precise and ideally shaped surface called a prototype 25. Since the measurement is performed by causing the light wave reflected by and the light wave reflected by the surface to be measured 26 to interfere with each other, it is impossible to perform measurement based on a shape in which it is difficult to create a highly accurate prototype 25.

【0005】図5(a)の干渉計の構成と作用を簡単に
説明すると、レーザー21から出た光は、エキスパンダ
ーレンズ22により拡大され、半透鏡23を経てコリメ
ータレンズ24により平行光に変換され、原器25に入
射する。原器25は理想的形状の半透面を有し、図5
(b)に図5(a)の破線で囲んだ円内における波面の
様子を示すように、原器25を透過し被測定物26の被
測定面で反射した波面29と原器25の半透面で反射し
た波面28とを合成する。この合成光は、コリメータレ
ンズ24を逆に経て半透鏡23に達し、そこで反射され
て観察面27にて両者の波面28と29の干渉縞が観察
される。
The structure and operation of the interferometer of FIG. 5 (a) will be briefly described. The light emitted from the laser 21 is expanded by the expander lens 22 and is converted into parallel light by the collimator lens 24 via the semi-transparent mirror 23. , Is incident on the prototype 25. The prototype 25 has an ideally-shaped semi-transparent surface, and is shown in FIG.
As shown in (b) of the wavefront in the circle surrounded by the broken line in FIG. 5 (a), the wavefront 29 transmitted through the prototype 25 and reflected by the measured surface of the DUT 26 and the half of the prototype 25 The wavefront 28 reflected by the transparent surface is combined. The combined light reaches the semi-transparent mirror 23 through the collimator lens 24 in the opposite direction, is reflected there, and the interference fringes of both wavefronts 28 and 29 are observed on the observation surface 27.

【0006】以上のように、通常タイプの干渉計は高精
度な原器を必要とするが、現状で実際に作成可能な原器
は平面と球面に限られている。したがって、例えば、非
球面の測定を通常タイプの干渉計で行うことは、非球面
量(球面形状との差異)がごく小さい限られた場合を除
き、一般的には不可能である。
As described above, the normal type interferometer requires a highly accurate prototype, but at present, the prototypes that can actually be produced are limited to flat and spherical surfaces. Therefore, for example, it is generally impossible to measure an aspherical surface with a normal type interferometer, except in a limited case where an aspherical amount (a difference from a spherical surface shape) is very small.

【0007】この点を解決して非球面の干渉計測を行う
第1の方法として、例えば特開平2−24504号公報
に示されているように、理想的非球面形状の光波面を生
成する計算機ホログラムを作成して、これを原器として
使用する方法がある。しかしながら、この方法において
も、計算機ホログラムによって生成される光波面が理想
的形状であるか否かを高精度に検証することができない
ので、根本的解決法とは言えない。
As a first method for solving this point and performing interferometric measurement of an aspherical surface, a computer for generating an optical wavefront having an ideal aspherical surface, as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2-24504. There is a method of creating a hologram and using this as a prototype. However, even this method cannot be a fundamental solution because it is not possible to verify with high accuracy whether or not the optical wavefront generated by the computer generated hologram has an ideal shape.

【0008】そこで、非球面の干渉計測を行う第2の方
法として、例えば特開昭59−90009号公報,特開
昭63−210605号公報,あるいは、「光学技術コ
ンタクト」vol.23,No.12(1985),p
889に示されているように、基準原器を必要としない
シアリング干渉計が利用されてきた。ここではラテラル
シアリング干渉法に基づいて説明するが、後記する本発
明はラテラルシアリング干渉計に限られるわけではな
い。
Then, as a second method for measuring the aspherical surface, for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 59-90009 and 63-210605, or "Optical Technology Contact", vol. 23, No. 12 (1985), p.
Shearing interferometers have been utilized that do not require a reference prototype, as shown at 889. Although the description will be given here based on the lateral shearing interferometry, the present invention described later is not limited to the lateral shearing interferometer.

【0009】シアリング干渉計は、図6に波面の様子を
示すように、被測定光波面そのものを2つに分け、相互
にずらしを与えて干渉させるために、基準原器を必要と
しない。図6において、被測定光波面をW(x)、分け
られずらしを与えられた他方の波面をW(x+S)とす
ると、干渉縞に現れる位相差ΔWは、 ΔW=W(x+S)−W(x)=W(x)+∂W/∂x・S−W(x) =∂W/∂x・S ・・・(1) となる。このように波面をずらすことを「シア(she
ar)」あるいは「シアリング(shearing)」
と言う。シアリングを与える具体的な光学的手段の例を
図7に示す。この例では、入射波面30を半透鏡33に
より2つの波面に分割し、一方を直角プリズム31に他
方を別の直角プリズム32に入射させて再帰反射させて
再び半透鏡33に入射させ、ここで両波面を合成して出
射光波面34とするトワイマン−グリーン干渉計の配置
であり、一方の直角プリズム31を光軸に対して垂直に
S/2だけ移動させることにより、一方の波面にSのシ
アを与えている。
The shearing interferometer, as shown in FIG. 6 showing the state of the wavefront, does not need a reference prototype in order to divide the optical wavefront of the measured light itself into two parts and shift them to interfere with each other. In FIG. 6, assuming that the measured optical wavefront is W (x) and the other wavefront that has been given the offset is W (x + S), the phase difference ΔW appearing in the interference fringes is ΔW = W (x + S) −W ( x) = W (x) + ∂W / ∂x · S−W (x) = ∂W / ∂x · S (1) To shift the wavefront in this way is called "shear".
ar) ”or“ shearing ”
Say An example of a specific optical means for providing shearing is shown in FIG. In this example, the incident wavefront 30 is divided into two wavefronts by a semi-transparent mirror 33, one of which is made to enter a right-angle prism 31 and the other is made to enter another right-angle prism 32 to be retroreflected and made to enter a semi-transparent mirror 33 again. It is an arrangement of a Twyman-Green interferometer that synthesizes both wavefronts into an output light wavefront 34, and by moving one right-angle prism 31 by S / 2 perpendicularly to the optical axis, one wavefront of S She is giving Shea.

【0010】シアリング干渉計で得られる干渉縞は、被
測定光波面の形状そのものの等高線ではなく、図6との
関連で示した上記の式(1)に示すように、被測定光波
面のずらし方向に沿った微係数の等高線である。このた
め、そのままの干渉縞からの直観的な理解は困難であ
り、縞走査法のごとき自動干渉縞解析が不可欠となって
くる。そこで、従来のシアリング干渉法においては、干
渉縞からの位相情報抽出に、例えば特開昭59−900
09号公報、あるいは、「光学技術コンタクト」vo
l.23,No.12(1985),p889に示され
ているように、縞走査法と呼ばれる干渉縞解析技術を採
用している場合が多い。
The interference fringes obtained by the shearing interferometer are not the contours of the shape of the measured light wavefront itself, but the displacement of the measured light wavefront as shown in the above equation (1) shown in relation to FIG. It is the contour line of the differential coefficient along the direction. Therefore, it is difficult to intuitively understand the interference fringes as they are, and automatic interference fringe analysis such as the fringe scanning method is indispensable. Therefore, in the conventional shearing interferometry, for extracting phase information from interference fringes, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 59-900.
09 publication or "optical technology contact" vo
l. 23, No. 12 (1985), p. 889, an interference fringe analysis technique called a fringe scanning method is often adopted.

【0011】この縞走査法を、図8(a)に示すシアリ
ング干渉計に基づいて説明する。この干渉計において
は、レーザー21から出た光は、ビームエキスパンダB
Eによりその径が拡大され、ミラーMを経てビームスプ
リッタBSに入射し、その半透面で反射された光は、コ
ンバータレンズ35を経て被測定物26の被測定面に入
射し、そこで反射された光は、コンバータレンズ35を
逆に経てビームスプリッタBSに戻り、これを直通し
て、トワイマン−グリーン型の干渉計に入射する。すな
わち、入射光は半透鏡33により2つの波面に分割さ
れ、一方はコーナーキューブプリズム31に他方は別の
コーナーキューブプリズム32に入射し、それぞれ再帰
反射されて再び半透鏡33に入射し、ここで両波面は合
成され、CCD(電荷結合素子)カメラ36により干渉
縞が観察される。図8(b)に、干渉計に入射しそこか
ら出てくる波面の様子を示すが、この干渉計において
は、一方のコーナーキューブプリズム31を光軸に対し
て垂直に移動させて出射波面34に一定量のシアSを与
えている。そして、縞走査法を行う場合には、例えば他
方のコーナーキューブプリズム32を光軸に沿って順次
移動させて、2つの波面に光路差Hを順次変化させなが
ら与える。
This fringe scanning method will be described based on the shearing interferometer shown in FIG. In this interferometer, the light emitted from the laser 21 is the beam expander B.
The diameter of which is enlarged by E, enters the beam splitter BS through the mirror M, and the light reflected by the semi-transparent surface enters the surface under measurement of the object under measurement 26 through the converter lens 35 and is reflected there. The reflected light returns to the beam splitter BS through the converter lens 35 in the reverse direction, directly passes through the beam splitter BS, and enters the Twyman-Green type interferometer. That is, the incident light is split into two wavefronts by the semi-transparent mirror 33, one of which enters the corner cube prism 31 and the other of which enters the other corner cube prism 32, which are retroreflected and again enter the semi-transparent mirror 33. Both wavefronts are combined, and interference fringes are observed by a CCD (charge coupled device) camera 36. FIG. 8B shows the state of the wavefront that enters the interferometer and emerges therefrom. In this interferometer, one of the corner cube prisms 31 is moved perpendicularly to the optical axis to output the wavefront 34. Is given a certain amount of shear S. When the fringe scanning method is performed, for example, the other corner cube prism 32 is sequentially moved along the optical axis to give the two wavefronts while sequentially changing the optical path difference H.

【0012】簡単のために1次元の干渉縞画像で考え
る。シアリングによってずらされた2つの波面の位相差
分布をΔW(x)とすると、干渉縞の光強度分布I
(x,H)は次式で表される。xはX軸方向の位置、H
は光路差、I0 は二つの光路の強度の和を表す。
For simplicity, consider a one-dimensional interference fringe image. Letting ΔW (x) be the phase difference distribution of the two wavefronts shifted by the shearing, the light intensity distribution I of the interference fringes
(X, H) is expressed by the following equation. x is the position in the X-axis direction, H
Is the optical path difference, and I 0 is the sum of the intensities of the two optical paths.

【0013】 I(x,H)=I0 [1+γcos{k(ΔW(x)−H}] ・・・(2) ただし、k=2π/λ(λ:光波の波長、π:円周
率)、γ:振幅比によって決まる定数 この式(2)をさらに変形すると、 I(x,H)=a0 +a1 ・cos(kH)+a2 ・sin(2kH) ・・・(3) ただし、a0 =I0 ・・・(4) a1 =I0 ・γ・cos(2kΔW) ・・・(5) a2 =I0 ・γ・sin(2kΔW) ・・・(6) となる。いま、図8中のコーナーキューブプリズム32
によって、光路差をλ/4ステップで変化させ、その際
に得られた干渉縞画像をI1 ,I2 ,I3 ,I4(それ
ぞれH=0,λ/4,2λ/4,3λ/4)とすると、 I1 =I(x,0)=a0 +a1 ・・・(7) I2 =I(x,λ/4)=a0 +a2 ・・・(8) I3 =I(x,2λ/4)=a0 −a1 ・・・(9) I4 =I(x,3λ/4)=a0 −a2 ・・・(10) となる。したがって、 ΔW(x)=1/2k・arctan{(I1 −I3 )/(I0 −I2 )} ・・・(11) によって位相分布ΔW(x)が得られる。逆正接には2
nπ(nは整数)の任意性があるが、隣接する領域との
間に2πを越える位相の飛びがないように、すなわち、
位相が滑らかにつながるようにΔW(x)を選ぶ。ここ
では、これを位相接続と呼ぶことにする。
I (x, H) = I 0 [1 + γ cos {k (ΔW (x) −H}] (2) where k = 2π / λ (λ: wavelength of light wave, π: circular constant) ), Γ: a constant determined by the amplitude ratio When this equation (2) is further modified, I (x, H) = a 0 + a 1 · cos (kH) + a 2 · sin (2kH) (3) a 0 = I 0 becomes ··· (4) a 1 = I 0 · γ · cos (2kΔW) ··· (5) a 2 = I 0 · γ · sin (2kΔW) ··· (6). Now, the corner cube prism 32 in FIG.
By changing the optical path difference in λ / 4 steps, and the interference fringe images obtained at that time are I 1 , I 2 , I 3 , I 4 (H = 0, λ / 4, 2λ / 4, 3λ / 4), I 1 = I (x, 0) = a 0 + a 1 (7) I 2 = I (x, λ / 4) = a 0 + a 2 (8) I 3 = I (x, 2λ / 4) = a 0 −a 1 (9) I 4 = I (x, 3λ / 4) = a 0 −a 2 (10) Therefore, the phase distribution ΔW (x) is obtained by ΔW (x) = ½k · arctan {(I 1 −I 3 ) / (I 0 −I 2 )} (11). 2 for arctangent
nπ (n is an integer) is optional, but there is no phase jump exceeding 2π between adjacent regions, that is,
Select ΔW (x) so that the phases are smoothly connected. Here, this is called phase connection.

【0014】位相接続の都合上、干渉縞画像の検出は1
縞以上の解像力で行わなければならない。すなわち、空
間的に隣り合う検出画素の間で1周期(2π)以上の位
相の飛びがあってはならない。したがって、非球面量が
大きくなって干渉縞が細かく密になりすぎ、検出器が解
像できなくなると測定が不能になり、これが非球面測定
上の障害となっている。
Due to the phase connection, the detection of the interference fringe image is 1
It must be done with a resolution higher than the stripe. That is, there should be no phase jump of one period (2π) or more between the spatially adjacent detection pixels. Therefore, if the amount of aspherical surface becomes large and the interference fringes become too fine and dense and the detector cannot be resolved, measurement becomes impossible, which is an obstacle in aspherical surface measurement.

【0015】十分小さな開口を持つ点状検出器を空間的
に走査して高い解像度での検出を行えば、2次元検出器
は不要になるが、解析点数が著しく多くなるため、解析
に非現実的なほどの時間がかかるという新たな問題が生
ずる。
If a point detector having a sufficiently small aperture is spatially scanned to detect at a high resolution, a two-dimensional detector becomes unnecessary, but the number of analysis points is remarkably increased, which is unrealistic for analysis. The new problem arises that it takes a reasonable amount of time.

【0016】以上、要するに縞走査法を用いる場合は、
干渉縞が細かく高密度になった場合には、干渉縞からの
位相情報の抽出がほどんど不可能にあるという難点があ
る。非球面量が大きいというのは、本質的に被測定光波
面の凹凸が大きいということであるから、シアリング干
渉計の位相情報抽出に縞走査法を用いるのは、大きな問
題があると言わざるを得ない。
In summary, when the fringe scanning method is used,
When the interference fringes are fine and have a high density, it is difficult to extract the phase information from the interference fringes. Since a large amount of aspherical surface essentially means that the measured wavefront of the optical wave has large irregularities, it must be said that there is a big problem in using the fringe scanning method for extracting the phase information of the shearing interferometer. I don't get it.

【0017】また、縞走査法を用いる場合は、図8のコ
ーナーキューブプリズム32をλ/4ずつ移動するよう
な精密で微小な位置決めをする必要があり、ピエゾポジ
ショナー,ピエゾアクチュエータ,ピエゾステージ等の
圧電素子を使用した位置決め装置のような高価な装置が
必要になるといった欠点がある。
Further, when the fringe scanning method is used, it is necessary to perform precise and minute positioning such that the corner cube prism 32 of FIG. 8 is moved by λ / 4, and a piezo positioner, a piezo actuator, a piezo stage, etc. There is a drawback in that an expensive device such as a positioning device using a piezoelectric element is required.

【0018】そこで、このような縞走査を用いたシアリ
ング干渉法の欠点を解決する手段として、発明者らは、
特願平5−173046号明細書に示すような新しいシ
アリング干渉法およびシアリング干渉計を提案してい
る。即ち、同出願明細書に記載の発明は、上記したよう
な従来のシアリング干渉計の欠点を解決して、精密な光
路長変更手段等を用いずに、粗い密度の干渉光強度信号
検出でも、大きな非球面量等を正確に検出することがで
きるようにするものである。
Therefore, as a means for solving the drawbacks of the shearing interferometry method using such fringe scanning, the inventors have
A new shearing interferometer and a shearing interferometer as shown in Japanese Patent Application No. 5-173046 are proposed. That is, the invention described in the specification of the application solves the drawbacks of the conventional shearing interferometer as described above, and does not use a precise optical path length changing means or the like, even with the interference light intensity signal detection of a coarse density, It is possible to accurately detect a large amount of aspherical surface and the like.

【0019】前記発明者らが既に特願平5−17304
6号として出願中の新しいシアリング干渉計測法及び干
渉計は、本発明の基盤となるものであるから、以下に詳
しく説明する。
The above-mentioned inventors have already filed Japanese Patent Application No. 5-17304.
The new shearing interferometry method and interferometer, which is filed as No. 6, is the basis of the present invention and will be described in detail below.

【0020】前記特願平5−173046号として出願
中のシアリング干渉計測法は、被測定光波面を2分割
し、分割された両波面間に相対的にシアを与えてから両
波面を干渉させ、得られた干渉縞から被測定光波面の形
状情報を得るシアリング干渉計測方法において、前記シ
アの量を変化させながら干渉光強度信号を検出し、この
検出した干渉信号の周波数解析結果に基づいて前記被測
定光波面の形状情報を得るものである。
The shearing interferometry method applied as the above-mentioned Japanese Patent Application No. 5-173046 divides the optical wavefront to be measured into two parts, and relatively gives a shear between the two divided wavefronts, and then causes the two wavefronts to interfere with each other. , In the shearing interference measurement method for obtaining the shape information of the measured light wavefront from the obtained interference fringes, the interference light intensity signal is detected while changing the amount of the shear, and based on the frequency analysis result of the detected interference signal. The shape information of the measured light wavefront is obtained.

【0021】この場合、与えるシアをラテラルシアと
し、シアの量Sを時間的に一定の割合で変化させながら
干渉光強度信号を検出し、この信号のシア量Sを変数と
する周波数スペクトルのピーク周波数fpを検出し、こ
のピーク周波数から下式によって被測定光波面の形状情
報を得ることができる。
In this case, the shear to be applied is lateral shear, the interference light intensity signal is detected while the amount S of shear is changed at a constant rate over time, and the peak frequency of the frequency spectrum with the amount S of shear of this signal as a variable. fp can be detected, and the shape information of the measured optical wavefront can be obtained from the peak frequency by the following equation.

【0022】 fp=k・(∂W/∂x) ・・・(12) ただし、xはシア方向に沿った位置座標、Wは被測定波
面の形状を表す。
Fp = k · (∂W / ∂x) (12) where x is the position coordinate along the shear direction and W is the shape of the measured wavefront.

【0023】この場合に、シアリング干渉計としてラテ
ラルシアリング干渉計を用いることができる。
In this case, a lateral shearing interferometer can be used as the shearing interferometer.

【0024】前記特願平5−173046号として出願
中のシアリング干渉計測法およびシアリング干渉計にお
いては、シアの量を変化させながら干渉光強度信号を検
出し、この検出した干渉信号の周波数解析結果に基づい
て被測定光波面の形状情報を得るので、干渉縞画像の空
間上のある点の位相情報を隣接領域とは別に独立に求め
ることができる。したがって、従来のシアリング干渉法
では事実上測定が不可能な、非球面量が非常に大きく、
干渉縞が細く高密度になって検出器が解像できない場合
でも、干渉縞の密度よりも粗い密度で干渉光強度信号を
検出することによって、その非球面形状を測定すること
ができる。また、縞走査シアリング干渉法のように、圧
電素子を使用した位置決め装置のような高価な光路長変
更手段を用いずに、干渉縞画像から位相情報を検出する
ことができる。
In the shearing interferometry and the shearing interferometer, which are applied as Japanese Patent Application No. 5-173046, the interference light intensity signal is detected while changing the amount of shear, and the frequency analysis result of the detected interference signal is obtained. Since the shape information of the optical wavefront to be measured is obtained based on, the phase information of a certain point in the space of the interference fringe image can be obtained independently of the adjacent area. Therefore, the amount of aspherical surface, which cannot be measured by the conventional shearing interferometry, is very large,
Even if the interference fringes are thin and have a high density and cannot be resolved by the detector, the aspherical shape can be measured by detecting the interference light intensity signal at a density lower than the density of the interference fringes. Further, unlike the fringe scanning shearing interferometry, the phase information can be detected from the interference fringe image without using an expensive optical path length changing means such as a positioning device using a piezoelectric element.

【0025】以下、前記特願平5−173046号とし
て出願中のシアリング干渉計測法およびシアリング干渉
計の原理を、図面を参照してさらに具体的に説明する。
The principle of the shearing interferometry method and the shearing interferometer, which have been filed as Japanese Patent Application No. 5-173046, will be described below in more detail with reference to the drawings.

【0026】前記先願のシアリング干渉計測技術による
シアリング干渉計の基本的構成を図9に示す。可干渉光
を発する光源41を出た光は、半透鏡42でその一部が
透過してエキスパンダレンズ43に達し、所望の大きさ
まで拡げられた後、ミラー44で光路が折り曲げられ、
コリメータレンズ44で平行光にされ、波面コンバージ
ョンレンズ46によって被測定面に形状にできる限り近
い波面形状となって被測定物47、たとえば、レンズに
照射される。
FIG. 9 shows the basic structure of a shearing interferometer based on the shearing interferometry of the prior application. The light emitted from the light source 41 that emits the coherent light partially passes through the semi-transparent mirror 42 and reaches the expander lens 43, and after being expanded to a desired size, the optical path is bent by the mirror 44.
The collimator lens 44 collimates the light, and the wavefront conversion lens 46 irradiates the measured object 47, for example, a lens with a wavefront shape that is as close as possible to the measured surface.

【0027】光源41から出て被測定物47から反射あ
るいは透過した光ビームは、再び逆方向に波面コンバー
ジョンレンズ46,コリメータレンズ44,ミラー4
4,エキスパンダレンズ43を経て半透鏡42でその一
部が反射され、シアリング干渉手段55に導かれる。
The light beam emitted from the light source 41 and reflected or transmitted from the object to be measured 47 is again in the opposite direction to the wavefront conversion lens 46, collimator lens 44 and mirror 4.
4, a part of the light is reflected by the semi-transparent mirror 42 through the expander lens 43, and is guided to the shearing interference means 55.

【0028】シアリング干渉手段55は、光源41から
出て被測定物47から反射あるいは透過した光波面を2
つに分け、相対的に所望のシアを与えた後に干渉させ、
シアリング干渉を実現する。
The shearing interference means 55 divides the light wavefront emitted from the light source 41 and reflected or transmitted from the DUT 47 into two.
Divided into two parts, and after giving a relatively desired shear, let them interfere,
Achieve shearing interference.

【0029】図9に示したのはシアリング干渉手段の1
例であって、半透鏡48,コーナーキューブプリズム4
9,50等ならびにシア量制御手段51から構成され
る。光源41から出て被測定物47から反射あるいは透
過した光波面は、半透鏡48において一部は反射して一
方のコーナーキューブプリズム49へ、残りは透過して
他方のコーナーキューブプリズム50へ入射する。コー
ナーキューブプリズム50をシア量制御手段(図の場合
はステージ)51を用いて入射光軸に対して垂直な方向
に移動させると、コーナーキューブプリズム50からの
出射光はコーナーキューブプリズム50の移動と同じ方
向へ、コーナーキューブプリズム50の移動量の2倍だ
け移動するから、他方のコーナーキューブプリズム49
を静止させておけば、各々のコーナーキューブプリズム
からの反射光は、半透鏡48に戻ってきたときに互いに
ステージ移動量の2倍だけずらされて重ねられ、シアリ
ング干渉が実現される。半透鏡48で反射された光は、
ミラー32で光路が折り曲げられ、シアリング干渉手段
55から出力される。
FIG. 9 shows one of the shearing interference means.
For example, the semi-transparent mirror 48 and the corner cube prism 4
9, 50, etc. and a shear amount control means 51. The light wavefront emitted from the light source 41 and reflected or transmitted from the DUT 47 is partially reflected by the semi-transparent mirror 48 to enter one corner cube prism 49, and the rest is transmitted to enter the other corner cube prism 50. . When the corner cube prism 50 is moved in the direction perpendicular to the incident optical axis by using the shear amount control means (stage in the figure) 51, the light emitted from the corner cube prism 50 moves with the movement of the corner cube prism 50. Since it moves in the same direction by twice the amount of movement of the corner cube prism 50, the other corner cube prism 49
When the mirror cubes are kept stationary, the reflected lights from the respective corner cube prisms are overlapped with each other by being shifted by twice the stage movement amount when returning to the semi-transparent mirror 48, and shearing interference is realized. The light reflected by the semi-transparent mirror 48 is
The optical path is bent by the mirror 32 and output from the shearing interference means 55.

【0030】シアリング干渉手段55からの出射光は、
結像レンズ53を経て干渉縞光強度信号検出手段54に
導かれる。干渉縞光強度信号検出手段54の検出面上に
は被測定物に対応したシアリング干渉縞が結像される。
干渉縞光強度信号検出手段54はたとえば干渉縞を撮像
するテレビジョンカメラであり、干渉縞光強度信号検出
手段54からの映像信号は計算機56に供給され、この
計算機56での演算処理により後述するように干渉縞光
強度から波面形状が求められる。また、計算機56によ
りシア量制御手段51が制御され、シア量Sが変えられ
る。
The light emitted from the shearing interference means 55 is
It is guided to the interference fringe light intensity signal detection means 54 via the imaging lens 53. The interference fringes corresponding to the object to be measured are imaged on the detection surface of the interference fringe light intensity signal detection means 54.
The interference fringe light intensity signal detecting means 54 is, for example, a television camera for picking up an interference fringe, and the video signal from the interference fringe light intensity signal detecting means 54 is supplied to a computer 56, which will be described later by calculation processing in this computer 56. Thus, the wavefront shape is obtained from the light intensity of the interference fringes. Further, the computer 56 controls the shear amount control means 51 to change the shear amount S.

【0031】干渉光強度信号検出手段54の検出面で生
ずるシアリング干渉縞は、次式で与えられる。
The shearing interference fringe generated on the detection surface of the interference light intensity signal detecting means 54 is given by the following equation.

【0032】 I(x)=I1 (x)+I2 (x)+2{I1 (x)・I2 (x)}1/2 ×cos[k{∂W/∂x)S+φ}] ・・・(13) ここでI1 とI2 はそれぞれシアリング部で分けられた
2つの光波の強度,Wは被測定光波面の形状,Sはずら
し量即ちシア量,φは2つの光波の位相差,kは光の波
数(=2π/λ,λ:光の波長)である。
I (x) = I 1 (x) + I 2 (x) +2 {I 1 (x) · I 2 (x)} 1/2 × cos [k {∂W / ∂x) S + φ}] ... (13) where I 1 and I 2 is the intensity of the two light wave separated by the respective shearing unit, W is the shape of the optical wavefront to be measured, the amount of S is shifted that shear amount, phi two light waves of position The phase difference, k is the wave number of light (= 2π / λ, λ: wavelength of light).

【0033】式から解るように、光強度信号I(x)を
シア量Sを変化させてシア量Sについて等間隔に検出す
る場合、光強度信号I(x)は、シア量Sに対する周波
数k・(∂W/∂x)で振動する。先願発明(特願平5
−173046号)は、この関係を有効に利用すること
に初めて着目したものである。
As can be seen from the equation, when the light intensity signal I (x) is detected at equal intervals by changing the shear amount S, the light intensity signal I (x) has a frequency k with respect to the shear amount S.・ Vibrate at (∂W / ∂x). Prior invention (Japanese Patent Application No. 5)
No. 173,046) focuses on making effective use of this relationship.

【0034】即ち、ここで波数kは既知であるから、干
渉縞光強度信号検出手段54の検出面上のある点におけ
る干渉縞光強度時間変化信号の振動周波数から、光波面
の形状の微分∂W/∂xを検出することができる。
That is, since the wave number k is known here, the differential ∂ of the shape of the light wavefront is calculated from the vibration frequency of the interference fringe light intensity time change signal at a certain point on the detection surface of the interference fringe light intensity signal detecting means 54. W / ∂x can be detected.

【0035】具体的には、シア量Sを変化させたときの
干渉縞光強度I(x,S)のシア量Sに対するスペクト
ルを求め、スペクトルのピーク周波数fpを検出し、下
式によって被測定光波面の傾き(形状の微分)∂W/∂
xを求めることができる。なお、∂W/∂xを求める過
程の詳細については後述する。但し、kは波数(2π/
λ)である。また、λは光の波長であり、赤い色のHe
−Neレーザーの場合632.8nmで既知である。
Specifically, the spectrum of the interference fringe light intensity I (x, S) when the shear amount S is changed is calculated with respect to the shear amount S, the peak frequency fp of the spectrum is detected, and the measured value is calculated by the following equation. Inclination of light wavefront (differentiation of shape) ∂W / ∂
x can be obtained. The details of the process of obtaining ∂W / ∂x will be described later. However, k is the wave number (2π /
λ). In addition, λ is the wavelength of light, and the red color He
For the Ne laser, it is known at 632.8 nm.

【0036】 fp=k・(∂W/∂x) ・・・(14) さらに、∂W/∂xを全領域xについて積分すれば、被
測定波面の形状W(x)を求めることができる。
Fp = k · (∂W / ∂x) (14) Further, by integrating ∂W / ∂x over the entire area x, the shape W (x) of the measured wavefront can be obtained. .

【0037】2次元的な領域内の形状を求めるには、シ
アの方向として平行でない2方向を採用して同様の測定
を繰り返せば良い。
In order to obtain the shape in the two-dimensional area, it is sufficient to adopt two directions that are not parallel as the direction of the shear and repeat the same measurement.

【0038】以上に述べたこの新しいシアリング干渉計
測技術における被測定波面形状の抽出手順を図10に示
す。この抽出手順は、大きく分けて、測定、干渉縞解
析、積分の三つの処理に分かれており、計算機56によ
り実行される。
FIG. 10 shows the procedure for extracting the wavefront shape to be measured in this new shearing interferometry technique described above. This extraction procedure is roughly divided into three processes of measurement, interference fringe analysis, and integration, and is executed by the computer 56.

【0039】測定工程においては、まずシア量Sを設定
してシアリング干渉縞を生成し (ステップ101)、こ
のシアリング干渉縞の画像を検出・記録する (ステップ
102)。この処理を、シア量Sを変更しながら (ステ
ップ104)、所定回数Nの検出・記録が終了するまで
繰り返す (ステップ103)。図11(a)は、測定工
程において生成された干渉縞を示す。
In the measuring process, first, the shear amount S is set to generate a shearing interference fringe (step 101), and an image of this shearing interference fringe is detected and recorded (step 102). This process is repeated while changing the shear amount S (step 104) until the detection / recording of the predetermined number N is completed (step 103). FIG. 11A shows the interference fringes generated in the measurement process.

【0040】次に、干渉縞解析工程においては、測定領
域中の1点に着目して干渉縞の変化(光強度の変化)を
求める (ステップ104,105)。図11(b)は、
シア量Sに関する光強度Iの変化を示すグラフである。
次に、その点の干渉縞の変化のスペクトルを求める (ス
テップ106)。これは、シア量Sに対するフーリエ変
換に対応している。図11(c)は、フーリエ変換の結
果を示すグラフである。次に、フーリエ変換の結果から
ピーク周波数fpを検出する (ステップ107、図11
(d)参照)。次に、上記した(14)式に基づいて波
面の傾きを計算する (ステップ108)。上記ステップ
101〜105の処理を解析が完了するまで繰り返す
(ステップ109)。解析の完了図11(e)は、位置
Xに対する波面形状の微係数∂W/∂xの変化を示すグ
ラフである。
Next, in the interference fringe analysis step, a change in interference fringes (change in light intensity) is obtained by focusing on one point in the measurement area (steps 104 and 105). FIG. 11B shows
7 is a graph showing a change in light intensity I with respect to the shear amount S.
Next, the spectrum of the change in the interference fringe at that point is obtained (step 106). This corresponds to the Fourier transform for the shear amount S. FIG. 11C is a graph showing the result of Fourier transform. Next, the peak frequency fp is detected from the result of the Fourier transform (step 107, FIG. 11).
(See (d)). Next, the slope of the wavefront is calculated based on the above equation (14) (step 108). Repeat the above steps 101 to 105 until the analysis is completed.
(Step 109). Completion of Analysis FIG. 11E is a graph showing changes in the differential coefficient ∂W / ∂x of the wavefront shape with respect to the position X.

【0041】最後の積分工程においては、フーリエ変換
の結果をシア方向の位置座標(x)で積分する (ステッ
プ110)ことにより、図11(f)に示されるような
波面形状が求められる。
In the final integration step, the result of the Fourier transform is integrated at the position coordinate (x) in the shear direction (step 110) to obtain the wavefront shape as shown in FIG. 11 (f).

【0042】検出面上の一点の干渉光強度信号の周波数
は、その他の場所とは独立に求めることができるため、
たとえ検出器の画素ピッチが干渉縞の持つ空間周波数よ
り粗くても測定を行うことができる。これが縞走査シア
リング干渉法と異なる先願の新しいシアリング干渉計測
技術の第1の特長である。即ち、縞走査シアリング干渉
法の場合、逆三角関数の2nπの任意性を解決する位相
接続を行わなければならないため、検出器は干渉縞を解
像するに充分な細かく高密度な画素を持たなければなら
ないのに対し、この先願のシアリング干渉計測技術の方
法においては、干渉縞の持つ空間周波数より粗な密度の
画素を持つ検出器を用いても測定が可能である。
Since the frequency of the interference light intensity signal at one point on the detection surface can be obtained independently of other places,
Even if the pixel pitch of the detector is coarser than the spatial frequency of the interference fringes, the measurement can be performed. This is the first feature of the new shearing interferometry technique of the prior application, which is different from the fringe scanning shearing interferometry. That is, in the case of the fringe scanning shearing interferometry, since the phase connection for solving the arbitrariness of 2nπ of the inverse trigonometric function must be performed, the detector must have fine and high density pixels sufficient to resolve the interference fringes. On the other hand, in the method of the shearing interferometry technology of this prior application, it is possible to perform measurement even by using a detector having pixels with a density higher than the spatial frequency of the interference fringes.

【0043】この特長を有するが故に、非球面量が大き
くなって干渉縞が細かく高密度になっても、高密度に検
出を行う必要はなく、干渉縞の密度よりも粗い密度の画
素を持った検出器でもシアリング干渉測定を行うことが
できる。
Due to this feature, even if the amount of aspherical surface becomes large and the interference fringes become fine and high in density, it is not necessary to perform high-density detection, and pixels having a density lower than that of the interference fringes are included. Shearing interferometry can also be performed with other detectors.

【0044】また、シア量の制御は一般に、縞走査法に
おける光路長の制御ほどの精度を要しないため、ピエゾ
ステージ等の高価な光路長制御手段が不要になる。この
点がこの新しいシアリング干渉計測技術の第2の特長で
ある。
Further, since the control of the shear amount generally does not require the accuracy as high as the control of the optical path length in the fringe scanning method, an expensive optical path length control means such as a piezo stage becomes unnecessary. This is the second feature of this new shearing interferometry technology.

【0045】ところが、先願のシアリング干渉計測技術
においても、被測定波面の形状が平面に近い場合には、
被測定波面の形状を正確に計測することが困難であると
いう問題があった。
However, even in the shearing interferometry technique of the prior application, when the shape of the measured wavefront is close to a plane,
There is a problem that it is difficult to accurately measure the shape of the measured wavefront.

【0046】被測定波面の形状が被測定波面が平面から
ずれている場合には、図12(b)に示すように、シア
量Sに対する周波数分布のピークは、周波数0から大き
く離れた位置の存在するため、検出対象ピークの周波数
を周波数0の近傍のDC(直流)ノイズから容易に分離
することができる。一方、被測定波面の凹凸が比較的小
さく略平面に近い光波面を測定する場合、下式 fp=k・(∂W/∂x)≒0 (但し、∂W/∂x≒
0) のようにシア量Sに対する周波数分布はほぼ周波数0の
近傍のみに存在する。
When the shape of the measured wavefront is deviated from the plane, as shown in FIG. 12B, the peak of the frequency distribution with respect to the shear amount S is at a position greatly separated from the frequency 0. Since it exists, the frequency of the peak to be detected can be easily separated from the DC (direct current) noise in the vicinity of the frequency 0. On the other hand, when measuring an optical wavefront having relatively small irregularities on the wavefront to be measured, which is close to a substantially flat surface, the following equation fp = k · (∂W / ∂x) ≒ 0 (however, ∂W / ∂x ≒
0), the frequency distribution for the shear amount S exists only near the frequency 0.

【0047】FFT(高速フーリエ変換)をはじめとす
る通常の周波数解析手法は、周波数ピークが0に近い場
合は、図12(a)に示すように、着目する周波数成分
がDC(直流)ノイズに埋もれて周波数解析の精度が落
ちる。すなわち、周波数がゼロに近いDC成分に近い成
分は、データ採取期間内に充分な数の周期が含まれない
ため、精度の高い周波数解析ができない。例えば1周期
が非常に長いものは、データ採取期間が1周期に満たな
いものもあり、そのような成分の周波数推定を行う場
合、通常精度が非常に低くなる。
In a normal frequency analysis method such as FFT (Fast Fourier Transform), when the frequency peak is close to 0, the frequency component of interest becomes DC (direct current) noise as shown in FIG. It is buried and the accuracy of frequency analysis falls. In other words, a component close to a DC component whose frequency is close to zero does not include a sufficient number of cycles within the data collection period, and therefore accurate frequency analysis cannot be performed. For example, when one cycle is very long, there are cases where the data sampling period is less than one cycle, and when the frequency of such a component is estimated, the accuracy is usually very low.

【0048】そこで、先願(特願平5−173046
号)のシアリング干渉計測技術の問題点を解決する方法
として、発明者らは、周波数シフトをいう技法を導入
し、検出対象周波数をDCノイズの近傍から分離する工
夫を、特願平5−261023号に提案している。以
下、先願(特願平5−173046号)のシアリング干
渉計測技術の問題点を解決する技術に基づいて説明す
る。
Therefore, the earlier application (Japanese Patent Application No. 5-173046)
As a method of solving the problem of the shearing interferometry technology of No.), the inventors of the present invention have proposed a technique of introducing a technique called frequency shift and separating the detection target frequency from the vicinity of DC noise. I am proposing to the issue. Hereinafter, description will be made on the basis of a technique for solving the problem of the shearing interferometry technique of the prior application (Japanese Patent Application No. 5-173046).

【0049】既に述べたように、干渉光強度信号検出手
段の検出面で生ずるシアリング干渉縞は、先にも説明し
たように、 I(x)=I1 (x)+I2 (x)+2{I1 (x)・I2 (x)}1/2 ×cos[k{∂W/∂x)S+φ}] ・・・ (13) で表される。この(13)式は、以下に詳細に説明する
周波数シフトの技法を導入しない場合の式である。
As described above, the shearing interference fringes generated on the detection surface of the interference light intensity signal detecting means are, as described above, I (x) = I 1 (x) + I 2 (x) +2 { I 1 (x) · I 2 (x)} 1/2 × cos [k {∂W / ∂x) S + φ}] (13) The expression (13) is an expression when the frequency shift technique described in detail below is not introduced.

【0050】ここで、(13)式の位相項[k{∂W/
∂x)S+φ}]に既知量の周波数シフトνを導入し
て、(15)式を得る。
Here, the phase term [k {∂W /
∂x) S + φ}] is introduced into the equation (15) by introducing a known amount of frequency shift ν.

【0051】 I(x)=I1 (x)+I2 (x)+2{I1 (x)・I2 (x)}1/2 ×cos[{k(∂W/∂x)+ν}S+k・φ」 ・・・ (15) この(15)式において、周波数シフトνの量を適切に
設定して、結果として図12(b)に示すように、検出
対象の周波数ピークがDCノイズと離れたところに出現
するように設定できれば、被測定波面の形状が平面に近
い場合には、被測定波面の形状を正確に計測することが
困難であるという問題は解決される。周波数シフトを導
入して求めた形状から、周波数シフト分の傾きを差し引
けば光波面の形状W(x)を正しく求めることができ
る。
I (x) = I 1 (x) + I 2 (x) +2 {I 1 (x) · I 2 (x)} 1/2 × cos [{k (∂W / ∂x) + ν} S + k .Phi. "(15) In this equation (15), by appropriately setting the amount of frequency shift ν, as shown in FIG. 12 (b), the frequency peak of the detection target is separated from the DC noise. If it can be set to appear everywhere, the problem that it is difficult to accurately measure the shape of the measured wavefront when the measured wavefront has a shape close to a plane is solved. The shape W (x) of the light wavefront can be correctly obtained by subtracting the inclination corresponding to the frequency shift from the shape obtained by introducing the frequency shift.

【0052】この周波数シフトの様子を図13に示す。
被測定波面の形状が平面に近い場合、周波数シフトを行
わない場合には、図13(a)に示すように、検出対象
ピークの周波数νp (=k・(∂W/∂x))とDCノ
イズの周波数成分が近接しているため、検出対象ピーク
がDCノイズの中に埋もれて判別しにくくなるが、νsh
だけ周波数シフトを行った場合には、図13(b)に示
すように、検出対象ピークの周波数νp (=k・(∂W
/∂x)+νsh)とDCノイズの周波数成分が近接して
いるため、DCノイズと検出対象ピークとが分離され、
検出対象ピークを正確に検出することができる。
The state of this frequency shift is shown in FIG.
When the measured wavefront has a shape close to a plane and frequency shift is not performed, as shown in FIG. 13A, the frequency of the peak to be detected ν p (= k · (∂W / ∂x)) since the frequency components of the DC noise are close, but detected peak is hardly discriminated buried in the DC noise, [nu sh
When only the frequency shift is performed, as shown in FIG. 13B, the frequency ν p (= k · (∂W
Since / ∂x) + ν sh ) and the frequency component of DC noise are close to each other, the DC noise and the peak to be detected are separated,
The peak to be detected can be accurately detected.

【0053】上述した周波数シフトを導入する具体的な
手段としては、次の2つが考えられる。
The following two can be considered as specific means for introducing the above frequency shift.

【0054】<手段1>周波数シフトを与える第1の方
法は、被測定光波面を光軸に垂直な方向に対してθだけ
傾けることである。このとき干渉光強度信号は下式で表
される。但し、Ls=tanθである。
<Means 1> A first method of giving a frequency shift is to incline the optical wavefront to be measured by θ with respect to the direction perpendicular to the optical axis. At this time, the interference light intensity signal is expressed by the following equation. However, Ls = tan θ.

【0055】 I(x)=I1 (x)+I2 (x)+2{I1 (x)・I2 (x)}1/2 ×cos[k{(∂W/∂x+Ls)S+φ}] ・・・ (16) このように被測定光波面を干渉計の光軸に垂直な方向に
対して傾けた場合、着目する位置xにおける波面の微係
数は、次式から求められる。
I (x) = I 1 (x) + I 2 (x) +2 {I 1 (x) · I 2 (x)} 1/2 × cos [k {(∂W / ∂x + Ls) S + φ}] (16) When the measured optical wavefront is tilted with respect to the direction perpendicular to the optical axis of the interferometer, the differential coefficient of the wavefront at the focused position x is obtained from the following equation.

【0056】 fp=k(∂W/∂x+Ls) ・・・(17) ここでfpは、シア量Sについてのスペクトルのピーク
周波数を表す。
Fp = k (∂W / ∂x + Ls) (17) Here, fp represents the peak frequency of the spectrum for the shear amount S.

【0057】Ls=tanθは設定値であって、既知な
ので、このfpから被測定波面の微係数が求められる。
このとき、Ls=tanθは、ピーク周波数fpが充分
DCノイズと分離するように、適当に選ぶ。
Since Ls = tan θ is a set value and is known, the differential coefficient of the wavefront to be measured can be obtained from this fp.
At this time, Ls = tan θ is appropriately selected so that the peak frequency fp is sufficiently separated from the DC noise.

【0058】<手段2>周波数シフトを与える第2の方
法を次に説明する。周波数シフトを導入したシアリング
干渉の式(15)式の位相項を変形すると k{(∂W/∂x+L)S+φ} となる。但し、L=ν/k(νは周波数シフト量)であ
る。なお、手段2におけるこの比例係数は、“L”は手
段1における係数“Ls”とは別のものである。これを
更に変形すると、 k{(∂W/∂x)S+L・S+φ} ・・・(18) となる。
<Means 2> A second method for providing the frequency shift will be described below. When the phase term of the equation (15) of shearing interference with frequency shift is modified, k {(∂W / ∂x + L) S + φ} is obtained. However, L = ν / k (ν is the frequency shift amount). Incidentally, in this proportional coefficient in the means 2, "L" is different from the coefficient "Ls" in the means 1. If this is further modified, k {(∂W / ∂x) S + L · S + φ} (18)

【0059】これは、シアと同時に比例係数Lでシア量
Sに比例するL・Sという光路長変化を与えることに相
当する。すなわちシアと同時に光軸方向の光路差を与え
ればよい。シアと光路差を同時に与えることは、光路差
を与える手段とシアを与える手段を併用してもよいが、
ラテラルシアリング干渉計の場合、図14に示すよう
に、シアさせる方向を光軸に垂直な方向から少し傾ける
ことでピエゾアクチュエータ等の高価な追加装置なしに
簡単に実現できる。この場合、シアさせる方向が光軸に
垂直な方向となす角をθとするとL=sinθが成り立
つ。
This corresponds to giving an optical path length change of L · S which is proportional to the shear amount S by the proportional coefficient L at the same time as the shear. That is, the optical path difference in the optical axis direction may be given simultaneously with the shear. To give the shear and the optical path difference at the same time, the means for giving the optical path difference and the means for giving the shear may be used together,
In the case of a lateral shearing interferometer, as shown in FIG. 14, the shearing direction can be easily achieved without tilting the direction perpendicular to the optical axis a little without adding an expensive device such as a piezo actuator. In this case, when the angle formed by the shearing direction and the direction perpendicular to the optical axis is θ, L = sin θ holds.

【0060】このように、シアさせる方向を干渉計の光
軸に垂直な方向に対して傾けた場合、着目する位置xに
おける波面の微係数は、次式から求められる。
In this way, when the shearing direction is inclined with respect to the direction perpendicular to the optical axis of the interferometer, the differential coefficient of the wavefront at the target position x is obtained from the following equation.

【0061】 fp=k・(∂W/∂x+L) ・・・(19) ここでfpは、シア量Sについてのスペクトルのピーク
周波数を表す。
Fp = k · (∂W / ∂x + L) (19) Here, fp represents the peak frequency of the spectrum for the shear amount S.

【0062】Lは設定値であって既知なので、このfp
が被測定波面の微係数が求められる。比例係数Lは、図
13(b)に示すように、ピーク周波数fpが充分DC
ノイズと分離するように、被測定光波面の形状に合わせ
て適当に選ぶ。
Since L is a set value and is known, this fp
Is the differential coefficient of the measured wavefront. As shown in FIG. 13B, the proportional coefficient L is such that the peak frequency fp is sufficiently DC.
It is properly selected according to the shape of the wavefront to be measured so as to be separated from noise.

【0063】以上要するに、凹凸が小さく略平面に近い
光波面を計測する場合でも、先願特願平5−17304
6号で提案したシアリング干渉計測技術に対して、この
先願を改良した出願中の特願平5−261023号で提
案の工夫を加えることにより、着目する周波数成分をD
Cノイズから分離することによって、精度良い測定を行
うことができる。
In summary, even in the case of measuring an optical wavefront having a small unevenness and a nearly flat surface, the prior application Japanese Patent Application No. 5-17304
In addition to the shearing interferometry technique proposed in No. 6, the frequency component of interest is changed to D by applying the device proposed in Japanese Patent Application No. 5-261023, which is an improvement of this prior application.
By separating from C noise, accurate measurement can be performed.

【0064】[0064]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た二つの先願で提案された新しいシアリング干渉法にお
いては、周波数ピークから被測定波面の傾きを検出する
際に、パワースペクトルからだけでは、傾きの正負を判
別することができないという問題があった。
However, in the new shearing interferometry proposed in the above-mentioned two prior applications, when the inclination of the wavefront to be measured is detected from the frequency peak, the inclination of the inclination is detected only from the power spectrum. There was a problem that it was not possible to distinguish between positive and negative.

【0065】即ち、図1に示すように、傾き(∂W/∂
x)が正であっても負であっても、シア量Sのパワース
ペクトルのピーク位置、すなわち、周波数は同じである
ため、シア量Sのパワースペクトルからだけでは傾きの
正負の判別ができない。
That is, as shown in FIG. 1, the inclination (∂W / ∂
Whether x) is positive or negative, the peak position of the power spectrum of the shear amount S, that is, the frequency, is the same, and therefore the positive / negative of the slope cannot be determined only from the power spectrum of the shear amount S.

【0066】そこで本発明は、周波数ピークから被測定
波面の傾きを検出する際に傾きの正負の判別ができるよ
うにすることを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to make it possible to determine whether the inclination of the wavefront to be measured is positive or negative when detecting the inclination of the wavefront to be measured from the frequency peak.

【0067】[0067]

【課題を解決するための手段】本発明は、被測定光波面
を2分割し、分割された両波面間に相対的にラテラル方
向にシアを与えてから両波面を干渉させ干渉縞を発生さ
せ、この干渉縞から被測定光波面の形状情報を得るシア
リング干渉計測方法であって、前記シアの量Sを変化さ
せながら干渉光強度信号を検出し、この信号のシア量S
を変数とする周波数スペクトルのピーク周波数fpを検
出し、該ピーク周波数fpから前記被測定光波面の傾き
∂W/∂x(但し、Wは被測定光波面の形状、xはシア
方向に沿った成分の位置座標)を含む形状情報を得るよ
うになし、上記シア量Sを変数とする周波数スペクトル
に既知一定量の周波数シフトνを生ずるようにシアリン
グ干渉計の光学系を設定し、下式によって前記被測定光
波面の形状情報を得、 fp=k・(∂W/∂x)+ν 但し、k=2π/λ、λ:光波の波長、π:円周率 前記周波数シフト量νを、k・(∂W/∂x)+νの符
号が被測定波面のいたるところで必ず正または0、もし
くは、k・(∂W+∂x)+νの符号が被測定波面のい
たるところで必ず負または0になるように設定すること
を特徴とする。
According to the present invention, an optical wavefront to be measured is divided into two, a shear is relatively applied in a lateral direction between the divided wavefronts, and then both wavefronts are caused to interfere with each other to generate an interference fringe. A shearing interference measuring method for obtaining the shape information of the measured light wavefront from the interference fringes, wherein the interference light intensity signal is detected while changing the shear amount S, and the shear amount S of this signal is detected.
The peak frequency fp of the frequency spectrum with the variable is detected, and the inclination ∂W / ∂x of the measured light wavefront from the peak frequency fp (where W is the shape of the measured light wavefront, and x is along the shear direction). The shape information including the component position coordinates) is obtained, and the optical system of the shearing interferometer is set so that a known constant amount of frequency shift ν is generated in the frequency spectrum having the shear amount S as a variable. Obtaining the shape information of the measured light wavefront, fp = k · (∂W / ∂x) + ν, where k = 2π / λ, λ: wavelength of light wave, π: circular ratio ν・ The sign of (∂W / ∂x) + ν must be positive or 0 everywhere in the measured wavefront, or the sign of k ・ (∂W + ∂x) + ν must be negative or 0 everywhere in the measured wavefront. It is characterized by setting to.

【0068】また本発明のシアリング干渉計は、被測定
光波面を2分割し、分割された両波面間に相対的にシア
を与えてから両波面を干渉させるシアリング干渉計にお
いて、シア量を連続的に変化させるシア量制御手段と、
シア量の変化に応じて少なくとも干渉空間の特定の1点
における干渉光強度信号を検出する干渉光強度信号検出
手段と、干渉光強度信号に対し周波数シフト量νを与え
る手段を備え、かつ周波数シフト量νを、k・(∂W/
∂x)+νの符号が被測定波面のいたるところで必ず正
または0,もしくはk・(∂W/∂x)+νの符号が被
測定波面のいたるところで必ず負または0となるように
設定する手段を備えていることを特徴とする。
Further, the shearing interferometer of the present invention is a shearing interferometer which divides an optical wavefront to be measured into two and relatively gives a shear between the divided wavefronts and then interferes both wavefronts with each other. The shear amount control means for changing it dynamically,
An interference light intensity signal detecting means for detecting an interference light intensity signal at at least one specific point in the interference space according to a change in the shear amount, and a means for giving a frequency shift amount ν to the interference light intensity signal are provided. Let ν be k · (∂W /
A means to set the sign of ∂x) + ν to be positive or 0 everywhere in the measured wavefront, or to make the sign of k · (∂W / ∂x) + ν be negative or 0 everywhere in the measured wavefront. It is characterized by having.

【0069】[0069]

【作用】傾き(∂W/∂x)の符号をパワースペクトル
から判別するために、本発明では次のような工夫をおこ
なった。すなわち、周波数シフト量νを、k・(∂W/
∂x)+νの符号が被測定波面のいたるところで必ず正
または0になるように、もしくは、k・(∂W/∂x)
+νの符号が被測定波面のいたるところで必ず負または
0になるように設定する。このような設定の下では、測
定されるパワースペクトルのピーク位置fpが|k・
(∂W/∂x)+ν|に対応するものか、−|k・(∂
W/∂x)+ν|に対応するものかは設定によって自明
であり、パワースペクトルのピーク位置から必ずk・
(∂W/∂x)+νを求めることができる。上記設定に
より周波数シフト量νは既知であるから、(∂W/∂
x)即ち被測定波面の傾きの値を、正負の符号を含めて
求めることができる。
In order to determine the sign of the slope (∂W / ∂x) from the power spectrum, the present invention has made the following innovations. That is, the frequency shift amount ν is calculated as k · (∂W /
Make sure that the sign of ∂x) + ν is positive or 0 everywhere on the measured wavefront, or k ・ (∂W / ∂x)
Set the sign of + ν to be negative or zero everywhere in the measured wavefront. Under such a setting, the peak position fp of the measured power spectrum is | k ·
It corresponds to (∂W / ∂x) + ν |, or − | k ・ (∂
Whether it corresponds to W / ∂x) + ν | is obvious depending on the setting, and must be k · from the peak position of the power spectrum.
(∂W / ∂x) + ν can be obtained. Since the frequency shift amount ν is known from the above setting, (∂W / ∂
x) That is, the value of the slope of the measured wavefront can be obtained by including the positive and negative signs.

【0070】[0070]

【実施例】【Example】

<実施例1>本発明を、光学面の形状を測定するシアリ
ング干渉計に応用した実施例を図2に基づいて説明す
る。
Example 1 An example in which the present invention is applied to a shearing interferometer for measuring the shape of an optical surface will be described with reference to FIG.

【0071】He−Neレーザー等からなる光源1から
の光ビームは、半透鏡2及びエキスパンダレンズ3を通
過し、ミラー4で光路を折り曲げられ、コリメータレン
ズ5及び波面コンバージェンスレンズ6を介して被測定
物7(本実施例ではレンズ)に照射される。被測定物7
で反射した光ビームは、再び逆方向に波面コンバージョ
ンレンズ6,コリメータレンズ5,ミラー4,エキスパ
ンダレンズ3を経て半透鏡2でその一部が反射され、シ
アリング干渉部16に導かれる。
A light beam from a light source 1 composed of a He-Ne laser or the like passes through a semi-transparent mirror 2 and an expander lens 3, an optical path is bent by a mirror 4, and a collimator lens 5 and a wavefront convergence lens 6 are used to receive the light beam. The measurement object 7 (lens in this embodiment) is irradiated. DUT 7
The light beam reflected by is passed through the wavefront conversion lens 6, the collimator lens 5, the mirror 4, and the expander lens 3 in the opposite direction again, and a part of the light beam is reflected by the semitransparent mirror 2 and guided to the shearing interference unit 16.

【0072】シアリング干渉部16は、光源1から出て
被測定物7から反射した光波面を2つに分け、相対的に
所望のシアを与えた後干渉させ、シアリング干渉を実現
する。
The shearing interference section 16 divides the light wavefront emitted from the light source 1 and reflected from the object to be measured 7 into two, gives a relatively desired shear, and then causes interference to realize shearing interference.

【0073】シアリング干渉部16は、半透鏡8,コー
ナーキューブプリズム9−1,9−2等ならびにシア量
制御手段としての直進ステージ10等から構成される。
光源1から出て被測定物7から反射した光波面は、半透
鏡2でシアリング干渉部16の内部に導かれ、半透鏡8
において一部は反射して一方のコーナーキューブプリズ
ム9−1へ、残りは透過して他方のコーナーキューブプ
リズム9−2へ入射する。コーナーキューブプリズム9
−2を、シア量制御手段である直進ステージ10を用い
て入射光軸に対して垂直な方向に移動させると、コーナ
ーキューブプリズム9−2からの出射光はコーナーキュ
ーブプリズム9−2の移動と同じ方向へ、コーナーキュ
ーブプリズム9−2の移動量の2倍だけ移動するから、
他方のコーナーキューブプリズム9−1を静止させてお
けば、各々のコーナーキューブプリズムからの反射光
は、半透鏡8に戻ってきたときに互いにステージ移動量
の2倍だけずらされて重ねられ、シアリング干渉が実現
される。半透鏡8で反射された光は、ミラー4で光路が
折り曲げられ、シアリング干渉部16から出力される。
The shearing interference section 16 is composed of a semi-transparent mirror 8, corner cube prisms 9-1 and 9-2, etc., and a rectilinear stage 10 as shear amount control means.
The light wavefront emitted from the light source 1 and reflected from the DUT 7 is guided to the inside of the shearing interference portion 16 by the semi-transparent mirror 2 and is then reflected by the semi-transparent mirror 8.
In the above, a part of the light is reflected to enter one corner cube prism 9-1 and the rest is transmitted to enter the other corner cube prism 9-2. Corner cube prism 9
-2 is moved in the direction perpendicular to the incident optical axis by using the rectilinear stage 10 which is the shear amount control means, the light emitted from the corner cube prism 9-2 moves as the corner cube prism 9-2 moves. Since it moves in the same direction by twice the amount of movement of the corner cube prism 9-2,
If the other corner cube prism 9-1 is kept stationary, the reflected lights from the respective corner cube prisms are shifted by twice the stage movement amount and overlap each other when returning to the semi-transparent mirror 8. Interference is realized. The light reflected by the semi-transparent mirror 8 has its optical path bent by the mirror 4, and is output from the shearing interference unit 16.

【0074】シアリング干渉部16からの出射光は、結
像レンズ11を経て干渉縞光強度信号検出手段であるテ
レビジョンカメラ12に導かれる。テレビジョンカメラ
12の撮像面上には被測定物に対応したシアリング干渉
縞が結像される。
The light emitted from the shearing interference section 16 is guided to the television camera 12, which is an interference fringe light intensity signal detecting means, through the imaging lens 11. Shearing interference fringes corresponding to the object to be measured are formed on the image pickup surface of the television camera 12.

【0075】テレビジョンカメラ12からの映像信号
は、画像入力・処理装置14に供給され、この画像入力
・処理装置14での処理結果がパーソナルコンピュータ
15に供給される。このパーソナルコンピュータ15
は、ステージコントローラ13を介して直進ステージ1
0の位置を制御する。
The video signal from the television camera 12 is supplied to the image input / processing device 14, and the processing result of the image input / processing device 14 is supplied to the personal computer 15. This personal computer 15
Goes straight through the stage controller 13
Control the position of 0.

【0076】〔測定〕図2(a)に示すように、被測定
物7であるレンズからの反射光は、シアリング干渉部1
6に導かれてシアリング干渉縞が作られ、これをTVカ
メラ12で観察する。測定対象レンズ7の光軸は、干渉
計の光軸とθだけ傾けて置かれている。角度θは、Ls
=tanθとしたとき、k・{(∂W/∂x)+Ls}
の符号が被測定波面のいたるところで必ず正または0,
もしくはk・(∂W/∂x)+νの符号が被測定波面の
いたるところで必ず負または0になるように設定する。
測定前に被測定物の最大傾きを精密に知ることは難しい
が、ある程度余裕をみてθを大きめに設定すれば良い。
シアリング干渉部16において、コーナーキューブプリ
ズム9−2は、光軸に対し直角な方向に移動する直進ス
テージ10に載っている。この状態でコーナーキューブ
プリズム9−2を矢印方向に一定量ずつ移動させると、
被測定波面にラテラルシアが一定量ずつ変化させられ、
干渉縞は下式の干渉縞光強度I(x)で示されるように
変化する。
[Measurement] As shown in FIG. 2A, the reflected light from the lens, which is the DUT 7, is reflected by the shearing interference part 1.
Shearing interference fringes are formed by being guided to 6, and this is observed by the TV camera 12. The optical axis of the lens 7 to be measured is tilted by θ with respect to the optical axis of the interferometer. The angle θ is Ls
= Tan θ, k · {(∂W / ∂x) + Ls}
Is always positive or 0, everywhere on the measured wavefront,
Alternatively, set the sign of k · (∂W / ∂x) + ν to be negative or zero everywhere in the measured wavefront.
It is difficult to accurately know the maximum inclination of the object to be measured before measurement, but it is sufficient to set θ to a large value with some allowance.
In the shearing interference section 16, the corner cube prism 9-2 is mounted on the rectilinear stage 10 that moves in a direction perpendicular to the optical axis. In this state, if the corner cube prism 9-2 is moved by a certain amount in the arrow direction,
Lateral shear is changed by a fixed amount on the measured wavefront,
The interference fringe changes as shown by the interference fringe light intensity I (x) in the following equation.

【0077】[0077]

【数1】 ここでシア量Sは、ステージ移動量の2倍となる。シア
Sを変化させる毎に、シアリング干渉縞をTVカメラ1
2を通じてコンピュータ15に取り込む。即ち、シア量
Sを変化させながらシア量Sに関して等間隔に干渉縞画
像検出を行う。なお、干渉縞画像の取り込みは、TVカ
メラの代わりにCCDセンサ等の1次元イメージセンサ
を用い、これを走査することによって2次元画像を取り
込んでもよい。図2(b)は、1次元イメージセンサ1
2aを用いて干渉縞画像を走査する場合の様子を模式的
に示している。1次元イメージセンサ12aは、干渉縞
画像Aに対向して配置され、1次元イメージセンサ12
aの画素の配列方向、すなわち、長手方向に電気的に主
走査を行い、1次元イメージセンサ12aの画素の配列
方向と垂直方向に移動させて機械的に副走査を行うこと
により2次元画像を取り込む。
[Equation 1] Here, the shear amount S is twice the stage movement amount. Every time the shear S is changed, the shearing interference fringe is displayed on the TV camera 1
2 to the computer 15. That is, the interference fringe image detection is performed at equal intervals with respect to the shear amount S while changing the shear amount S. The interference fringe image may be captured by using a one-dimensional image sensor such as a CCD sensor instead of the TV camera and scanning the two-dimensional image. FIG. 2B shows a one-dimensional image sensor 1
2A schematically shows a case of scanning an interference fringe image using 2a. The one-dimensional image sensor 12a is disposed so as to face the interference fringe image A, and the one-dimensional image sensor 12a
A two-dimensional image is obtained by electrically performing main scanning in the pixel arrangement direction of a, that is, in the longitudinal direction, and moving in the direction perpendicular to the pixel arrangement direction of the one-dimensional image sensor 12a and mechanically performing sub-scanning. take in.

【0078】<縞画像解析>測定領域中の1点に着目
し、その点のシア量Sの変化に対する光強度変化を、取
り込まれた複数枚の干渉縞画像中から求める。そのシア
量Sについての変化から、シア量Sについて周波数スペ
クトルを求め、スペクトルから求められるピーク周波数
fpに基づいて、ピーク周波数fpと光波面の傾き(微
係数)の関係を示す下式
<Stripe image analysis> Focusing on one point in the measurement region, the change in light intensity with respect to the change in the shear amount S at that point is obtained from the plurality of captured interference fringe images. From the change in the shear amount S, a frequency spectrum is obtained for the shear amount S, and based on the peak frequency fp obtained from the spectrum, the following equation showing the relationship between the peak frequency fp and the inclination (derivative coefficient) of the light wavefront.

【数2】 に基づいて測定対象波面の各点での傾きを求める。ここ
でLsは、測定時に設定した被測定レンズの傾きθか
ら、Ls=tanθで与えられる。次にこれを積分する
ことによって、被測定物の形状を求めることができる。
(図10参照) <実施例2>本発明を、光学面の形状を測定するシアリ
ング干渉計に応用した第2の実施例を図3に基づいて説
明する。なお、図2に示す第1の実施例と対応する部分
には同一符号を付している。第2の実施例は、干渉縞画
像の取り込みを点状フォトダイオード12bで行ってい
る点、コーナーキューブプリズム9−1が光軸に平行な
方向に移動する直進ステージ17に載っている点、及
び、被測定レンズが光軸に対して傾いていない点が第1
の実施例と異なっている。
[Equation 2] Based on the above, the slope at each point of the wavefront to be measured is obtained. Here, Ls is given by Ls = tan θ from the inclination θ of the lens under measurement set at the time of measurement. Next, the shape of the object to be measured can be obtained by integrating this.
Second Embodiment A second embodiment in which the present invention is applied to a shearing interferometer that measures the shape of an optical surface will be described with reference to FIG. The parts corresponding to those of the first embodiment shown in FIG. 2 are designated by the same reference numerals. In the second embodiment, the interference fringe image is captured by the point photodiode 12b, the corner cube prism 9-1 is mounted on the linear stage 17 that moves in the direction parallel to the optical axis, and The first point is that the measured lens is not tilted with respect to the optical axis.
Is different from the embodiment described above.

【0079】<測定>被測定物7すなわちレンズからの
反射光は、シアリング干渉部16に導かれてシアリング
干渉縞が作られ、これを点状の、すなわち、画素が1つ
のフォトダイオード12bで観察する。シアリング干渉
部16において、コーナーキューブプリズム9−2は、
光軸に対し直角な方向に移動する直進ステージ10に、
コーナーキューブプリズム9−1は光軸に平行な方向に
移動する直進ステージ17に載っている。この状態でコ
ーナーキューブプリズム9−2と9−1を同時に一定量
ずつ移動させると、被測定波面にラテラルシアと光路長
変化が同時に一定量ずつ与えられ、検出位置における干
渉縞光強度信号I(x)は下式のように変化する。
<Measurement> Reflected light from the object 7 to be measured, that is, the lens is guided to the shearing interference section 16 to form shearing interference fringes, which are observed with a dot-shaped photodiode 12b having one pixel. To do. In the shearing interference section 16, the corner cube prism 9-2 is
On the linear stage 10 that moves in the direction perpendicular to the optical axis,
The corner cube prism 9-1 is mounted on the rectilinear stage 17 that moves in a direction parallel to the optical axis. When the corner cube prisms 9-2 and 9-1 are simultaneously moved by a fixed amount in this state, a lateral shear and an optical path length change are simultaneously applied by a fixed amount to the wavefront to be measured, and the interference fringe light intensity signal I (x ) Changes like the following formula.

【0080】[0080]

【数3】 (光路長変化量/シア量)で示される比Lは、k・
{(∂W/∂x)+L}の符号が被測定波面のいたると
ころで必ず正または0になるように、もしくは、k・
(∂W/∂x)+νの符号が被測定波面にいたるところ
で必ず負または0になるように設定する。測定前に被測
定物の∂W/∂x、すなわち、局所的傾きの最大傾きを
精密に知ることは難しいが、ある程度余裕を見て、Lを
(∂W/∂x)+Lが必ず到るところで正または0、或
いは、負または0になるように、設定すれば良い。シア
量Sを一定量変化させる毎に、シアリング干渉縞を検出
する。即ち、シア量Sを変化させながらシア量Sに関し
て等間隔に着目する1点における干渉縞光強度検出を行
う。
[Equation 3] The ratio L represented by (amount of change in optical path / amount of shear) is k ·
Make sure that the sign of {(∂W / ∂x) + L} is positive or 0 everywhere in the measured wavefront, or k ·
Set so that the sign of (∂W / ∂x) + ν will always be negative or 0 anywhere on the measured wavefront. Before the measurement, it is difficult to know the ∂W / ∂x of the object to be measured, that is, the maximum slope of the local slope precisely, but with some margin, L always reaches (∂W / ∂x) + L. By the way, it may be set to be positive or zero, or negative or zero. Every time the shear amount S is changed by a constant amount, a shearing interference fringe is detected. That is, while changing the shear amount S, the interference fringe light intensity detection is performed at one point focusing on the shear amount S at equal intervals.

【0081】<縞画像解析>測定領域中の1点に着目
し、その点のシア量Sの変化に対する光強度変化を、取
り込まれた複数枚の干渉縞画像中から求める。そのシア
量Sについての変化から、シア量Sについて周波数スペ
クトルを求め、スペクトルから求められるピーク周波数
fpに基づいて、式 fp=k・{(∂W/∂x)+L} に基づいて測定対象波面の各点での傾きを求める。Lは
測定時に設定した(光路長変化量)/(シア量)の比で
ある。次にこれを積分することによって、被測定物の形
状を求めることができる。(図10参照) <空間的走査>2次元干渉縞画像全面の測定を行うため
に、点状フォトダイオード12bを、2次元の測定領域
内でラスタ走査して、上記の測定・解析を繰り返す。走
査中の空間的な検出間隔は、干渉縞の密度(空間周波
数)より粗くても構わない。ラスタ走査の様子を図4に
示す。図4において、Aは干渉縞画像、Bは点状フォト
ダイオード12bの走査経路を示す。
<Stripe image analysis> Focusing on one point in the measurement area, the change in light intensity with respect to the change in the shear amount S at that point is determined from the plurality of captured interference fringe images. From the change in the shear amount S, a frequency spectrum is obtained for the shear amount S, and based on the peak frequency fp obtained from the spectrum, the wavefront to be measured based on the equation fp = k · {(∂W / ∂x) + L} Find the slope at each point of. L is a ratio of (optical path length change amount) / (shear amount) set at the time of measurement. Next, the shape of the object to be measured can be obtained by integrating this. (See FIG. 10) <Spatial Scan> In order to measure the entire surface of the two-dimensional interference fringe image, the point photodiode 12b is raster-scanned within the two-dimensional measurement region, and the above measurement and analysis are repeated. The spatial detection interval during scanning may be coarser than the density (spatial frequency) of interference fringes. The state of raster scanning is shown in FIG. In FIG. 4, A shows an interference fringe image, and B shows a scanning path of the point photodiode 12b.

【0082】実施例においては、被測定物理量は表面形
状であったが、被測定物理量としては、屈折率分布など
光波に位相差を与えて光波面形状を変化させる物理量で
あれば、いかなるものでも構わない。また、光源からの
光ビームが被測定物を透過するのであっても、被測定物
表面で反射するのであっても構わない。要は被測定物理
量が光源1からの光波面形状に変化を与えて、干渉測定
を可能にする手法を選択すればよい。
In the examples, the physical quantity to be measured was a surface shape, but the physical quantity to be measured may be any physical quantity such as a refractive index distribution that gives a phase difference to a light wave to change the shape of the light wave front. I do not care. Further, the light beam from the light source may be transmitted through the object to be measured or may be reflected on the surface of the object to be measured. In short, it is only necessary to select a method in which the physical quantity to be measured changes the shape of the light wavefront from the light source 1 and enables interference measurement.

【0083】[0083]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、シアリ
ング干渉計測方法において、被測定波面の傾きを∂W/
∂xとしたとき、シア量Sについての周波数ピークに既
知量のシフトを与え、かつ周波数シフト量νをk・(∂
W/∂x)+νの符号が被測定波面のいたるところで必
ず正または0,もしくはk・(∂W/∂x)+νの符号
が被測定波面のいたるところで必ず負または0になるよ
うに設定することによって、パワースペクトルだけから
傾きの値と正負の判別が可能になる。
As is apparent from the above description, in the shearing interferometry method, the inclination of the wavefront to be measured is ∂W /
When ∂x, a known amount of shift is applied to the frequency peak for the shear amount S, and the frequency shift amount ν is k · (∂
Make sure that the sign of W / ∂x) + ν is always positive or 0 everywhere in the measured wavefront, or that the sign of k · (∂W / ∂x) + ν is always negative or 0 everywhere in the measured wavefront. As a result, it is possible to determine the value of the slope and the positive / negative from the power spectrum alone.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 パワースペクトルからの傾きの正負が判別で
きないことを示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing that it is not possible to determine whether the inclination of a power spectrum is positive or negative.

【図2】 本発明の第1の実施例の構成を示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a first exemplary embodiment of the present invention.

【図3】 本発明の第2の実施例の構成を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a second exemplary embodiment of the present invention.

【図4】 実施例2において点状フォトダイオードの走
査の様子を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing how a dot photodiode is scanned in Example 2;

【図5】 通常の干渉計の1例の構成と作用を説明する
ための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration and operation of an example of a normal interferometer.

【図6】 シアリング干渉計における波面の様子を示す
図である。
FIG. 6 is a diagram showing a wavefront state in a shearing interferometer.

【図7】 シアリングを与える具体的な光学的手段の例
を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing an example of specific optical means for providing shearing.

【図8】 縞走査シアリング干渉計の構成と作用を説明
するための図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining the configuration and operation of a fringe scanning shearing interferometer.

【図9】 本発明の基礎となる新しいシアリング干渉計
測方法の基本構成を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a basic configuration of a new shearing interferometry method which is a basis of the present invention.

【図10】 本発明の基礎となる新しいシアリング干渉
計測方法における被測定波面形状の抽出手順を示す流れ
図である。
FIG. 10 is a flowchart showing a procedure for extracting a measured wavefront shape in a new shearing interferometry method which is a basis of the present invention.

【図11】 被測定波面形状の抽出手順を示す説明図で
ある。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a procedure for extracting a measured wavefront shape.

【図12】 周波数ピークとDCノイズの関係を示す図
である。
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between frequency peaks and DC noise.

【図13】 周波数シフトの効果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an effect of frequency shift.

【図14】 シア量変化と光路長変化を同時に与える簡
便な手段を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a simple means for simultaneously applying a shear amount change and an optical path length change.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…He−Neレーザー、2…半透鏡、3…エキスパン
ダレンズ、4…光路折り曲げ用ミラー、5…コリメータ
レンズ、6…波面コンバージョンレンズ、7…被測定物
(レンズ)、8…半透鏡、9−1,9−2…コーナーキ
ューブプリズム、10…直進ステージ、11…結像レン
ズ、12…TVカメラ、13…ステージコントローラ、
14…TV画像入力・処理装置、15…パーソナルコン
ピュータ、16…シアリング干渉部
1 ... He-Ne laser, 2 ... Semi-transparent mirror, 3 ... Expander lens, 4 ... Optical path bending mirror, 5 ... Collimator lens, 6 ... Wavefront conversion lens, 7 ... DUT (lens), 8 ... Semi-transparent mirror, 9-1, 9-2 ... Corner cube prism, 10 ... Linear stage, 11 ... Imaging lens, 12 ... TV camera, 13 ... Stage controller,
14 ... TV image input / processing device, 15 ... Personal computer, 16 ... Shearing interference unit

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被測定光波面を2分割し、 分割された両波面間に相対的にラテラル方向にシアを与
えてから両波面を干渉させ干渉縞を発生させ、 この干渉縞から被測定光波面の形状情報を得るシアリン
グ干渉計測方法であって、 前記シアの量Sを変化させながら干渉光強度信号を検出
し、 この信号のシア量Sを変数とする周波数スペクトルのピ
ーク周波数fpを検出し、 該ピーク周波数fpから前記被測定光波面の傾き∂W/
∂x(但し、Wは被測定光波面の形状、xはシア方向に
沿った成分の位置座標)を含む形状情報を得るようにな
し、 上記シア量Sを変数とする周波数スペクトルに既知一定
量の周波数シフトνを生ずるようにシアリング干渉計の
光学系を設定し、 下式によって前記被測定光波面の形状情報を得、 fp=k・(∂W/∂x)+ν 但し、k=2π/λ、λ:光波の波長、π:円周率 前記周波数シフト量νを、k・(∂W/∂x)+νの符
号が被測定波面のいたるところで必ず正または0、もし
くは、k・(∂W+∂x)+νの符号が被測定波面のい
たるところで必ず負または0になるように設定すること
を特徴とする干渉計測方法。
1. An optical wavefront to be measured is divided into two, a shear is relatively applied in a lateral direction between the divided wavefronts, and then both wavefronts are caused to interfere with each other to generate interference fringes. A shearing interferometry method for obtaining surface shape information, which detects an interference light intensity signal while changing the amount S of the shear, and detects a peak frequency fp of a frequency spectrum having the amount S of the signal as a variable. From the peak frequency fp, the inclination of the wavefront of the measured light ∂W /
Shape information including ∂x (where W is the shape of the measured optical wavefront, and x is the position coordinate of the component along the shear direction) is obtained, and a known constant amount in the frequency spectrum with the shear amount S as a variable. The optical system of the shearing interferometer is set so as to generate the frequency shift ν of, and the shape information of the measured optical wavefront is obtained by the following equation: fp = k · (∂W / ∂x) + ν where k = 2π / λ, λ: wavelength of light wave, π: circular constant The frequency shift amount ν is a positive or zero sign of k · (∂W / ∂x) + ν everywhere in the measured wavefront, or k · (∂ An interference measuring method characterized in that the sign of W + ∂x) + ν is set to be negative or zero everywhere in the measured wavefront.
【請求項2】 前記周波数スペクトルに既知一定量の周
波数シフトを与える手段として、被測定光波面を干渉計
の光軸に直交する方向に対して既知量の角度θだけ傾け
ることによって、Ls=tanθなる既知な量の周波数
シフトを与え、ピーク周波数fpから下式によって、光
波面の形状情報を得ることを特徴とする特許請求の範囲
第1項の干渉計測方法。 fp=k・{(∂W/∂x)+Ls}
2. As a means for imparting a known fixed amount of frequency shift to the frequency spectrum, Ls = tan θ is obtained by inclining the measured light wavefront with respect to a direction orthogonal to the optical axis of the interferometer by a known amount of angle θ. The interference measuring method according to claim 1, wherein the known amount of frequency shift is given and the shape information of the light wave front is obtained from the peak frequency fp by the following equation. fp = k · {(∂W / ∂x) + Ls}
【請求項3】 前記周波数スペクトルに既知一定量の周
波数シフトを与える手段として、被測定光波面にラテラ
ルシアを与えると共に比例係数Lでラテラルシア量に比
例する光路長変化を与えることによって、Lなる既知な
量の周波数シフトを与え、ピーク周波数fpから下式に
よって、光波面の形状情報を得ることを特徴とする特許
請求の範囲第1項の干渉計測方法。 fp=k・{(∂W/∂x)+L}
3. As a means for imparting a known and fixed amount of frequency shift to the frequency spectrum, a lateral shear is given to the wavefront of the light to be measured, and an optical path length change proportional to the lateral shear amount is given by a proportionality coefficient L to obtain a known L. The interference measurement method according to claim 1, wherein a frequency shift of the amount is given, and the shape information of the light wave front is obtained from the peak frequency fp by the following equation. fp = k · {(∂W / ∂x) + L}
【請求項4】 被測定光波面を2分割し、分割された両
波面間に相対的にシアを与えてから両波面を干渉させる
シアリング干渉計において、 シア量を連続的に変化させるシア量制御手段と、 シア量の変化に応じて少なくとも干渉空間の特定の1点
における干渉光強度信号を検出する干渉光強度信号検出
手段と、 干渉光強度信号に対し周波数シフト量νを与える手段を
備え、 かつ周波数シフト量νを、k・(∂W/∂x)+νの符
号が被測定波面のいたるところで必ず正または0,もし
くはk・(∂W/∂x)+νの符号が被測定波面のいた
るところで必ず負または0となるように設定する手段を
備えていることを特徴とするシアリング干渉計。
4. A shearing interferometer in which a measured optical wavefront is divided into two, and a shear is relatively given between the divided two wavefronts, and then the two wavefronts interfere with each other. Means, an interfering light intensity signal detecting means for detecting an interfering light intensity signal at at least one specific point in the interference space according to a change in the shear amount, and means for giving a frequency shift amount ν to the interfering light intensity signal, In addition, the frequency shift amount ν is always positive or 0 where the sign of k · (∂W / ∂x) + ν is present in the measured wavefront, or the sign of k · (∂W / ∂x) + ν is present in the measured wavefront. By the way, a shearing interferometer characterized in that it is provided with a means for setting it to be always negative or zero.
【請求項5】 前記干渉光強度信号に対し周波数シフト
量νを与える手段が、被測定光波面を干渉計の光軸に対
して既知量の角度θだけ傾ける手段であることを特徴と
する請求項4記載のシアリング干渉計。
5. The means for applying a frequency shift amount ν to the interference light intensity signal is a means for inclining the optical wavefront to be measured by a known angle θ with respect to the optical axis of the interferometer. The shearing interferometer according to Item 4.
【請求項6】 前記干渉光強度信号に対し周波数シフト
量νを与える手段が、被測定光波面にラテラルシアと同
時にラテラルシア量に比例する光路長変化を与える手段
であることを特徴とする請求項4記載のシアリング干渉
計。
6. The means for giving a frequency shift amount ν to the interference light intensity signal is a means for giving a lateral shear and an optical path length change proportional to the lateral shear amount to the optical wavefront to be measured. Shearing interferometer described.
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