JPH0726826B2

JPH0726826B2 - シェアリング干渉計装置

Info

Publication number: JPH0726826B2
Application number: JP61192762A
Authority: JP
Inventors: 正根鈴木; 賢司安田
Original assignee: 富士写真光機株式会社
Priority date: 1986-08-20
Filing date: 1986-08-20
Publication date: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPS6350709A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、被測定波面を２つに分け、それらを横ずれさ
せた状態で重ね合わせることによって、被測定物体の表
面状態等の光学的測定を行うシェアリング干渉計装置に
関するものである。

［従来の技術］光の干渉現象を利用して被測定物体における表面状態等
を光学的に測定するために、種々の干渉法が用いられる
が、このうちシェアリング干渉法は、被測定波面に対す
る干渉を行わせるために参照波面を必要としないので、
非球面物体を高精度に測定する際等に好適に用いられて
いる。

かかるシェリング干渉法を実施するために、例えば、第
４図に示したような構成を有する干渉装置が従来から用
いられている。

図中において、１は光源としてコヒーレントなレーザ光
束を照射するレーザ光源、２は表面形状等を光学的に測
定する対象としての被測定物体、３はCCD（電荷結合素
子）等からなるエリアセンサをそれぞれ示す。レーザ光
源１から照射されたレーザ光束はコリメータレンズ４に
よって平行光にされて、被測定物体２に向けて照射され
るようになっている。この被測定物体２からの反射光の
光路を２つに分割した上で相互に重ね合わせるために、
ハーフミラー等からなるビームスプリッタ5,6,7が設置
されると共に、反射鏡８が設けられており、前述の反射
光はビームスプリッタ５によって反射鏡８を介する光路
Ａと、ビームスプリッタ６を介する光路Ｂとに分割さ
れ、ビームスプリッタ７において重ね合わされて、エリ
アセンサ３に入射されるようになっている。従って、こ
れらビームスプリッタ5,6,7のうち、ビームスプリッタ
５は被測定物体２からの反射光を２つの光路A,Bに分割
するための反射光分割用ビームスプリッタ、ビームスプ
リッタ６はレーザ光源１からの出射光を２つの光路に分
割するための出射光分割用ビームスプリッタ、ビームス
プリッタ７は光路A,Bを通る被測定物体２の被測定波面2
aの波面を重ね合わせための重ね合わせ用ビームスプリ
ッタとしてそれぞれ機能する。そして、光路Ａにおける
波面を光路Ｂにおける波面に対して横ずらし、即ちシェ
アリングさせるために、当該光路Ａにおける反射鏡８と
ビームスプリッタ７との間の位置には平行平面板９が設
置されており、この平行平面板９を光路Ａに対して所定
角度傾けることによって、この光路Ａにおける波面を、
光路Ｂにおける波面に対して、該平行平面板９の傾き角
度に応じた量だけシェアリングさせることができるよう
になっている。

ここで、この干渉装置は、前述したシェアリング干渉法
とフリンジスキャン干渉法とを組合わせたもので、この
フリンジスキャンを行わせるために、反射鏡８には圧電
素子等のアクチュエータからなる光路長微調整手段10が
連結されており、該光路長微調整手段10によって反射鏡
８は図中に矢印で示した方向に所定のピッチ間隔で往復
移動せしめることができるようになっている。なお、図
中11は投光レンズ、12は結像レンズをそれぞれ示す。

前述のようにして構成される干渉装置によって波面の干
渉を行わせるには、平行平面板９を所定角度傾けた状態
に保持し、レーザ光源１からコヒーレントなレーザ光束
をコリメータレンズ４、ビームスプリッタ6,5及び投光
レンズ11を介して被測定物体２に向けて照射する。この
被測定物体２の被検面2aからの反射光は投光レンズ11を
通過してビームスプリッタ５によって２つの光路A,Bに
分割される。光路Ａに沿って進行する光束は平行平面板
９で横ずらしされて、光路Ｂから送られる光束とビーム
スプリッタ７で重ね合わせられることにより、光路Ａに
おいて前述のようにシェアリングされた波面が光路Ｂか
らの波面に対して干渉することになり、この両波面の重
なり合いに基づいて、エリアセンサ３において干渉縞の
結像が行われることになる。この干渉縞は、シェアリン
グによる横ずらしを受けた波面と横ずらしを受けない波
面との差であり、被測定波面の微分に相当するものであ
って、このようにして得られた干渉縞情報を解析すれ
ば、被測定物体２の表面形状等の測定を行うことができ
る。

そこで、フリンジスキャンの手法によって、光路長微調
整手段10を作動させて、光路Ａの光路長を変化させるこ
とにより、当該光路Ａに位相差δを与えるようにする。
この位相差δは、レーザ光の波長をλとしたときに、 δ＝λi/N（ｉ＝0,1,2,・・・Ｎ−１）を満たすようにＮ段階で変化させるようになし、干渉縞
における光の強度IjをＮ回測定し、測定結果にcos（２
πi/N）とsin（２πi/N）の重みをかけて加算したもの
の比を取り、これのtan^-1を計算することによって、被
測定波面のそれぞれ位置における位相φ（x,y）を解析
することができるようになる。

即ち、これが被測定物体２の干渉縞情報であり、従って、この
演算結果を積分すれば、被測定波面の形状が得られるこ
とになる。

［発明が解決しようとする問題点］ところで、前述したシェアリング干渉を行うに当って
は、光路を２つに分けている関係上両光路間に誤差、即
ち機器上の誤差が生じると正確な干渉縞情報が得られな
くなる。このような機器上の誤差を生じる主な要因とし
ては、反射鏡８の面の誤差やビームスプリッタ5,6,7を
構成するハーフミラーの材質内の不均一及び反射面によ
る誤差等からなる光路Ａと光路Ｂとの間の光路誤差や各
部材の配置誤差に基づいて生じるシェアリング（横ずら
し）、ティルティング（傾き）誤差等が考えられる。

前述した誤差に基づく測定精度の低下を防止するため
に、従来は、反射鏡８やビームスプリッタ5,6,7等の精
度を向上させると共に、これらの配置関係を極めて正確
に行うようにしていて対処していた。しかしながら、こ
の誤差は入射させるレーザビームの波長（λ）程度であ
っても極めて大きな影響を与えることになるために、製
品精度や配置精度の向上には限界があり、前述した如き
誤差を完全には抑制することはできず、高精度な測定が
行うことができないといった問題点があった。

そこで、本発明者等は、前述の誤差を除去するために種
々研究を行った結果、前述した光路誤差やシェアリング
誤差が発生すると、シェアリングを行わない状態におい
ても干渉縞が生じ、この干渉縞に関する情報とシェアリ
ングを行った際において得られる干渉縞情報との間の差
として出力されることになる点に着目して本発明を完成
するに至った。即ち、シェアリングをゼロとした状態に
おいて不可避的に生じる誤差に基づく干渉縞情報をサン
プリングし、然る後に正確に一定量シェアリングしたと
きに得られる干渉縞情報から前述のシェアリングゼロに
おける干渉縞に関する情報を差し引けば、前述のような
誤差を補正することができることになる。

而して、本発明の目的とするところは、シェアリング干
渉による測定を行う装置を構成する上で不可避的に生じ
る誤差を有効に補正し、必要とするシェアリングによる
変化分の情報だけを得ることができるようにすることに
ある。

［問題点を解決するための手段］前述の目的を達成するために、本発明は、光源と、この
光源からの光の光路を２つに分割するための出射光分割
用ビームスプリッタと、被測定物体からの反射光の光路
を２つに分割するための反射光分割用ビームスプリッタ
と、この反射光分割用ビームスプリッタでの反射光を反
射させる反射鏡と、この反射鏡からの反射光の波面と、
前記反射光分割用ビームスプリッタを透過して、前記出
射光分割用ビームスプリッタで反射した反射光の波面と
を重ねあわせるための重ね合わせ用ビームスプリッタ
と、この重ね合わせ用ビームスプリッタと前記反射鏡と
の間に介装した平行平面板とから構成され、この平行平
面板を光路に対して所定角度傾斜させることによって、
被測定物体の被測定波面と、それをシェアリングさせた
波面との間で干渉を行わせることによって、被測定物体
の光学的測定を行うようにしたものであって、前記平行
平面板には、光路に対して所定角度傾斜させて、被測定
物体の干渉縞情報を取得するシェアリング状態と、光路
に直交する位置に配置して、誤差成分に基く干渉縞情報
を取得するシェアリングゼロ状態との間に傾動させる傾
動手段と、両干渉縞情報の差分を演算する減算手段とを
設ける構成としたことをその特徴とするものである。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

まず、第１図に本発明に係るシェアリング干渉装置の構
成を示す。而して、干渉計装置の基本構成は、前述した
従来技術のものと格別差異はないので、従来技術と同一
または均等な部材については、同一の符号を付してその
説明を省略する。

然るに、シェアリングを行うための平行平面板９にはそ
れを光路Ａに対して正確に直交するシェアリングゼロの
状態と、所定角度傾けたシェアリング状態との間に往復
傾動させるための傾動手段としてのモータ20が連結され
ている。

次に、エリアセンサ３によって受像された干渉縞におけ
る各点の干渉縞の縞強度に関する情報が該エリアセンサ
３によって電気信号に変換されるようになっており、こ
の信号はCCU（カメラコントロールユニット）21に送ら
れて、該CCU21において増幅等の所定の信号処理される
ように構成されている。そして、CCU21からの出力信号
はA/Dコンバータ22によってデジタル信号に変換され
て、このデジタル信号は順次フレームメモリ23に入力さ
れるようになっている。

前述のフレームメモリ23の干渉縞に関する光の強度信号
はCPU24に伝送される。該CPU24は、刻々入力される画像
信号を取り込むメインメモリ24aと、フリンジスキャン
作動信号を発生するフリンジスキャン信号発生部24b
と、演算処理部24cと、シェアリング処理信号発生部24d
と、減算部24eと、積分器24fとを備え、これら各部の作
動については、制御部24gからの制御信号に基づいて作
動するように構成されている。

而して、フレームメモリ23から送られる当該の画像信号
の取り込みが完了すると、制御部24gからの制御信号が
フリンジスキャン信号発生部24bに発信されるようにな
っており、このフリンジスキャン信号発生部24bからの
信号はD/Aコンバータ25に送られて、このD/Aコンバータ
25の出力信号がコントローラ26に入力され、この入力信
号に基づいて光路長微調整手段10が作動し、フリンジス
キャンが順次行われるようになっている。そして、この
フリンジスキャンが行われる毎にそれぞれの干渉縞にお
ける光の強度に関する情報がメインメモリ24aに格納さ
れることになる。

前述のフリンジスキャンが（Ｎ−１）回だけ行われた後
に、制御部24gからの信号に基づいて、シェアリング信
号発生器24dからのシェアリング信号が発生し、このシ
ェアリング信号がD/Aコンバータ27によってデジタル化
されて、この信号に基づいてモータ駆動回路28が作動し
て平行平面板９を所定量回動させて、シェアリングを行
わせることができるように構成されている。

なお、図中29は、モニタ，プリンタ等からなる形状表示
手段である。

本実施例は前述したような構成を有するもので、次に第
２図に基づいて、その作動について説明する。

まず、初期設定を行い、平行平面板を光路Ａと正確に直
交するシェアリングゼロの状態に保持すると共に、光路
長微調整手段10を原点位置に保持した状態（ステップ
１）で、レーザ光源１からコヒーレントなレーザ光束を
発生させる。このレーザ光束はコリメータレンズ４によ
って平行光となり、ビームスプリッタ6,5を介して、投
光レンズ11から被検面2aの表面に入射されることにな
る。そして、この被検面2aからの反射光は、投光レンズ
11からビームスプリッタ５において分光されて、一部は
光路Ａに向けられると共に、他の一部は光路Ｂに向けら
れることになる。光路Ａに向けられた反射光束は反射鏡
８で反射して、平行平面板９に向けられる。ここで、平
行平面板９は光路Ａに直交する状態となっているので、
光束の横ずらし、即ちシェアリングが行われず、そのま
まビームスプリッタ７に送られることになる。一方、光
路Ｂを進む光束はビームスプリッタ６から90゜光路を変
更し、ビームスプリッタ７に向けられる。

従って、該ビームスプリッタ７において、光路Ａを介し
て送られる光路の波面と光路Ｂの光束による波面とが相
互に干渉することになるが、機器誤差が全くなくこれら
各光路A,Bを介して送られるレーザ光の位相及び振幅が
同一になっていると、格別干渉縞が発生することはな
い。しかしながら、例えば反射鏡８の面における誤差
や、ビームスプリッタ5,6,7の材質に不均一及び反射面
の誤差がある場合のように機器誤差があったり、これら
及び反射鏡８の配置に誤差があったりすると、あたかも
シェアリングがあったかのようにして、この２つの波面
の間に干渉が生じて、それによる干渉縞が形成されるこ
とになる。そこで、この干渉縞情報をエリアセンサ３に
よって受像させるようにすれば、当該干渉縞の各点にお
ける縞強度が電気信号に変換されることになる。そし
て、ステップ２に示したように、この縞強度に関するア
ナログ電気信号はCCU21を介してA/Dコンバータ22に送ら
れて、デジタル信号に変換され、フレームメモリ23に取
り込まれる。このようにしてフレームメモリ23における
干渉縞に関する情報の取り込みが完了すると、このデー
タは、フレームメモリ23からCPU24に送られて、そのメ
インメモリ24aに格納されることになる（ステップ
３）。

前述の干渉縞に関する情報の取り込みが完了すると、フ
リンジスキャンが行われるが、このフリンジスキャン
は、光路Ａにおける光路長に位相差δを与えるようにす
るもので、このフリンジスキャンはδ＝λi/N（ｉ＝0,
1,2,・・・Ｎ−１）を満たすようにＮ段階の位相を変化
δを与えるようにすることによって行われる。そこで、
ステップ４にあるように、ｉ＝Ｎ−１となるまでフリン
ジスキャンが行われるようになっており、従ってｉ＝Ｎ
−１となるまでは、制御部24gからの制御信号に基づい
てフリンジスキャン信号発生部24bからフリンジスキャ
ン信号がコントローラ25に繰返し入力され、この制御信
号に基づいて、ステップ５にあるように光路長微調整装
置10が作動し、フリンジスキャンが行われて、このよう
に順次行われるフリンジスキャンによる干渉縞の縞強度
に関する情報はフレームメモリ23によって取り込まれる
と共に、この情報のメインメモリ24aの格納が行われる
ことになる。

フリンジスキャンの回数がｉ＝Ｎ−１回となるまで継続
されて、このフリンジスキャンが完了すると、メインメ
モリ24aに格納された縞構造情報の読み出しが行われ、
演算処理部24cにおいて前述した式（Ａ）に基づいて位
相φ（x,y）の演算が行われることになり（ステップ
６）、この演算結果は、ステップ７にあるように、シェ
アリングゼロ状態で各位置の干渉縞における位相φ
_１（x,y）としてメインメモリ24aに格納される。

前述のようにして演算が完了すると、ステップ８にある
ように、シェアリングを行うか否かの判定が行われて、
シェアリングを行う場合には、制御部24gからの制御信
号に基づいて、平行平面板９を駆動する光路長微調整装
置10を原点位置に復帰させると共に、シェアリング信号
発生部24からモータ駆動回路28にシェアリング作動信号
が発信され、このシェアリング作動信号に基づいてモー
タ20によって平行平面板９が所定角度傾動せしめられ
て、光路Ａの横ずらしが行われる（ステップ９）。この
シェアリングが所定量行われると、前述のステップ１〜
５と同様にして、ｉ＝０からｉ＝Ｎ−１までフリンジス
キャンを行ってそれぞれの干渉縞情報の取り込みを行
う。然る後に、シェアリングの後の状態における位相φ
_２（x,y）の演算が行われ、ステップ７と同様にシェア
リング状態の位相情報がメインメモリ24aに格納され
る。

前述のようにしてシェアリングゼロ状態における干渉縞
に関する情報とシェアリング状態の干渉縞に関する情報
とが得られた後に、減算部24eにおいてこれら位相情報
の間の減算が行われる（ステップ10）。而して、最初シ
ェアリングゼロ状態における位相φ_１（x,y）に基づい
て得られる干渉縞情報W₁（x,y）は、 W_１(x,y)={W(x,y)+δ_１(x,y)} -{W(x+s_１,y+s_１)+δ_２(x,y)} …（１）（ここで、δ_１（x,y），δ_２（x,y）はそれぞれ光路Ａ
と光路Ｂとの間の光路誤差、s₁はシェアリング誤差、Ｗ
（x,y）はシェアリングゼロ時における位相の理論値を
それぞれ示す）で、正確にs₂だけシェアリングを行った後の状態におけ
る位相φ_２（x,y）に基づいて得られる干渉縞情報W
₂（x,y）は、 W_２(x,y)={W(x+s_２,y+s_２)+δ_１(x,y)} -{W(x+s_１,y+s_１)+δ_２(x,y)} …（２）となって、式（（１）から式（２）を減算すれば、 W_１(x,y)-W_２(x,y)= {W(x,y)+δ_１(x,y)}-{W(x+s_１,y+s_１)+δ_２(x,y)} -{W(x,y)+δ_１(x,y)-{W(x+s_２,y+s_２)+δ_１(x,y)} +{W(x+s_１,y+s_１)+δ_２(x,y)} =W(x+s_２,y+s_２)-W(x,y) が得られる。従って、この演算結果は、誤差成分δ
_１（x,y），δ_２（x,y）やs₁を含まない、シェアリング
による変化分に基づく情報だけの正確なものとなる。

このようにして得た結果をステップ11において積分器24
fによって積分すると、第３図に示したように被測定物
体２の表面形状が求められ、これを形状表示手段29によ
って表示させることができる（ステップ12）。而して、
前述の被測定物体２の表面形状に関するデータは、この
シェアリング干渉法を実施するために構成される各機器
の誤差の影響を含まないものであるので、この被測定物
体２の表面形状の解析精度が著しく良好となる。

［発明の効果］本発明によるシェアリング干渉計装置は、前述したよう
に、シェアリングを行うための平行平面板を、傾動手段
により光路に対して所定角度傾斜させたシェアリング状
態から、光路に直交するシェアリングゼロ状態との間に
傾動させて、シェアリングゼロの状態にして得られる干
渉縞情報をシェアリング後の状態の干渉縞情報から差し
引くように構成したので、極めて簡単な構成によって、
たとえ干渉計装置の組立時等に生じる光路誤差や各部材
の配置誤差に基づいて生じるシェアリング誤差，ティル
ティング誤差等があっても、これらの誤差を有効に補正
でき、被測定物体の表面状態の解析を高精度に行うこと
ができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のシェアリング干渉計装置の構成を示す
説明図、第２図はフローチャート図、第３図はシェアリ
ング干渉法の測定例を示す図、第４図は従来技術による
シェアリング干渉計装置の構成図である。 1:レーザ光源、2:被測定物体、５〜7:ビームスプリッ
タ、8:反射鏡、9:平行平面板、10:光路長微調整手段、2
0:モータ、23:フレームメモリ、24:CPU、24a:メインメ
モリ、24b:フリンジスキャン信号発生部、24c:演算処理
部、24d:シャリング信号発生部、24e:減算部、24f:積分
器、24g:制御部、26:コントローラ、28:モータ駆動回
路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、この光源からの光の光路を２つに
分割するための出射光分割用ビームスプリッタと、被測
定物体からの反射光の光路を２つに分割するための反射
光分割用ビームスプリッタと、この反射光分割用ビーム
スプリッタでの反射光を反射させる反射鏡と、この反射
鏡からの反射光の波面と、前記反射光分割用ビームスプ
リッタを透過して、前記出射光分割用ビームスプリッタ
で反射した反射光の波面とを重ね合わせるための重ね合
わせ用ビームスプリッタと、この重ね合わせ用ビームス
プリッタと前記反射鏡との間に介装した平行平面板とか
ら構成され、この平行平面板を光路に対して所定角度傾
斜させることによって、被測定物体の被測定波面と、そ
れをシェアリングさせた波面との間で干渉を行わせるこ
とによって、被測定物体の光学的測定を行うようにした
ものにおいて、前記平行平面板には、光路に対して所定
角度傾斜させて、被測定物体の干渉縞情報を取得するシ
ェアリング状態と、光路に直交する位置に配置して、誤
差成分に基づく干渉縞情報を取得するシェアリングゼロ
状態との間に傾動させる傾動手段と、両干渉縞情報の差
分を演算する減算手段とを設ける構成としたことを特徴
とするシェアリング干渉計装置。
【請求項２】前記反射鏡には、光路長微調整手段を連結
する構成としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載のシェアリング干渉計装置。