JPH0763507A - 干渉測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 位相測定時間の短縮がはかれるとともに、被
測定物及び参照平面ミラーの振動等に対しても測定精度
に対する影響を減少させた干渉測定装置を提供する。 【構成】 被検物からの測定光束と該測定光束とは周波
数を異ならせた参照光束とを重ね合わせて得られた干渉
光波よりヘテロダイン信号を得、前記被検物に関連する
測定光束の光学的位相変化を検出する装置において、前
記干渉光波を検出する光検出手段１３に前記へテロダイ
ン信号の各所定位相部分を独立して前記干渉光波の全検
出域で一括に検出させるように制御するための制御手段
４を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は被測定物体の形状などを
測定する干渉測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりミラー等の光学部品の形状を光
波干渉を利用して比較的高精度に検出することができる
装置として、光ヘテロダイン干渉装置が知られている。
例えばApplied Optics Vol.19 No.1 (1980) p.154-160
にこのような光ヘテロダイン干渉計が紹介されている。

【０００３】図９は従来の光ヘテロダイン干渉装置の光
学系の要部概略図である。同図において、レーザ１から
出射した光波はミラーＭ１で反射し、ビームスプリッタ
ー１７で反射光と透過光に二分されている。このうち透
過光（第１光波）はブラッグセル１８ａ、ミラーＭ２、
そしてλ／２板１９を介した後、反射光（第２光波）は
ブラッグセル１８ｂ、ミラーＭ３を介した後、ビームス
プリッター２０で合成される。

【０００４】このときブラッグセル１８ａを通った第１
光波は周波数ｆ1の周波数シフトを受けて、λ／２板１
９を通って偏光面が９０度回転される。またブラッグセ
ル１８ｂを通った第２光波は周波数ｆ2の周波数シフト
を受けている。

【０００５】そして、これらの光波はビームスプリッタ
ー２０で合成された後、ビームエキスパンダー５により
光径が拡大されて偏光ビームスプリッター６に入射す
る。このうち周波数ｆ1の第１光波は偏光ビームスプリ
ッター６を通過し、λ／４板７ｂで円偏光とされ、コリ
メータレンズ９を通って被測定物１０に入射する。そし
て被測定物１０で反射された測定波面は元の光路を戻
る。このときλ／４板７ｂに再入射するときの光波は入
射時に比べて、被測定物１０で反射されたために逆回り
の円偏光となっているので、λ／４板７ｂを通過したと
きの偏光方向（偏光面）は入射時に比べて９０度変位し
ている。このため、今度は偏光ビームスプリッター６で
反射される。

【０００６】一方周波数ｆ2の第２光波は偏光ビームス
プリッター６で反射され、λ／４板７ａで円偏光とさ
れ、参照平面ミラー８で反射された参照波面は逆回りの
円偏光となり元の光路を戻る。そしてλ／４板７ｂを通
過し、偏光方向（偏光面）が入射時に比べて９０度変位
した直線偏光となり、今度は偏光ビームスプリッター６
を通過し、先の測定波面と合成される。

【０００７】ここで合成された測定波面と参照波面の二
つの光波は、偏光板１１を介することにより互いに干渉
可能な波面とされ、干渉するようになる。このときの干
渉光波は周波数シフト差ｆ1−ｆ2のヘテロダイン信号と
して光検出器２３及び像検出カメラ（イメージディセク
タカメラ）２４によって各々検出される。

【０００８】なお、像検出カメラ２４はコンピュータ１
４の指令により２次元像の任意の一点を選択し、その点
に入射してくる光の強度信号をリアルタイムで検出可能
なカメラである。

【０００９】本装置におけるヘテロダイン信号ｆ1−ｆ2
の位相分布は参照平面ミラー８を仮に理想平面とすれば
コリメータレンズ９によって作られる球面波からの被測
定物１０の形状の誤差を直接表している。そこで光検出
器２３で得られるヘテロダイン信号を参照信号とし、像
検出カメラ２４からの各信号を測定信号として位相計２
５にて参照信号と測定信号との位相差φを検出する。更
に像検出カメラ２４の各測定点をコンピュータ１４から
の指令により２次元操作し、各測定点での測定信号と参
照信号との位相差φの２次元分布を求める。これにより
被測定物１０の形状に基づく波面収差を検出している。
このとき電気信号の位相分解能を０．１°、レーザから
の発信波長をλ＝６３２．８nmとすると （λ／２）・（０．１°／３６０°）＝０．０９nm の分解能で波面収差の測定が可能になる。

【００１０】また、他の測定方法としてフリンジスキャ
ン干渉装置がある。図１０は従来のフリンジスキャン干
渉装置の光学系の要部概略図である。

【００１１】同図でレーザ１から出射した光波は、ビー
ムエキスパンダー５で光径を拡大され、ビームスプリッ
ター２７で反射光と透過光に二分割される。透過光は参
照平面ミラー８で反射され、参照光となり元の光路を戻
る。反射光は基準となる球面波を作り出すコリメータレ
ンズ９を介して被測定物１０で反射され、測定光となり
もとの光路を戻る。ビームスプリッター２７にて測定光
と反射光は再び重ね合わされ、干渉光波となる。干渉光
波は集光レンズ１２を介して像検出カメラで撮影され、
フレームメモリー２９にて記録される。

【００１２】次に圧電素子２８を使い、参照平面ミラー
８をλ／４だけ動かして、同様に干渉光波をフレームメ
モリー２９に記録する。この後２回同じ動作を行い、計
４回の干渉光波の記録がフレームメモリー２９に記録さ
せる。

【００１３】この干渉光波の記録を４-bucket法などを
使って位相に換算させ、面として復元させれば被測定物
の面形状が測定できることになる。

【００１４】

【発明が解決しようとしている課題】上述のような装置
には以下のような欠点があった。 （１）光ヘテロダイン干渉を利用した装置においては、
位相検出の際、その検出手段としてよく用いられている
像検出カメラは、測定面を２次元操作（スキャン）させ
る必要がある。そのため全点のヘテロダイン信号を検出
し終わるまでには多くの場合数秒から数十秒を要し、そ
のあいだに被測定物や参照平面ミラー等が振動したり傾
いたりすると測定誤差として検出されてしまい、測定精
度が低下してしまう。 （２）フリンジスキャンを利用した干渉測定装置におい
ては、従来位相差を変化させる手段として参照平面ミラ
ーを圧電素子で動かす必要があった。そのため圧電素子
の機械的な動きの精度が誤差要因となってしまい、測定
精度が低下してしまう。

【００１５】本発明の目的は、位相測定時間の短縮がは
かれるとともに、被測定物及び参照平面ミラーの振動や
傾きに対しても測定精度に対する影響を減少させた装置
を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上述目的を達成するため
の本発明の装置は、被検物からの測定光束と該測定光束
とは周波数を異ならせた参照光束とを重ね合わせて得ら
れた干渉光波よりヘテロダイン信号を得、前記被検物に
関連する測定光束の光学的位相変化を検出する装置にお
いて、前記干渉光波を検出する光検出手段に前記へテロ
ダイン信号の各所定位相部分を独立して前記干渉光波の
全検出域で一括に検出させるように制御するための制御
手段を設けている。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の第１実施例である、光学部品
の面形状測定を行う為の干渉計の構成を説明する図であ
る。同図において、１は光源であるレーザ、２はトリガ
信号により開閉自在な高速シャッター、３はレーザから
出射された光から２つの周波数のわずかに異なる直交し
た直線偏光を作り出す電気光学素子、４は電気光学素子
３から出射される２つの直線偏光の周波数差ごとに任意
の幅でトリガを発生するトリガ出力回路、５は光波の径
を拡大するビームエキスパンダー、６は偏光により光波
を分ける偏光ビームスプリッター、７ａ、７ｂは１／４
波長板、８は参照平面ミラー、９は基準となる球面波を
作り出すコリメータレンズ、１０は被測定物、１１は４
５°方位の偏光板、１２は集光レンズ、１３は位相検出
手段である像検出カメラ、１４は位相を演算するコンピ
ュータを、それぞれ示す。

【００１８】レーザ１からの光は高速シャッター２に向
け出射される。高速シャッター２はトリガ出力回路４の
トリガ信号によりシャッターの開閉が制御される。液晶
シャッター２を透過した光は電気光学素子３に入射し、
２つの周波数のわずかに異なる直交した直線偏光に変換
される。またこの周波数ｆ1の第１光波と周波数ｆ2の第
２光波の周波数差ｆ1−ｆ2はパルス発生回路であるトリ
ガ出力回路４にフィードバックされてパルス信号の周期
として用いられている。すなわち電気光学素子４から出
射される第１光波と第２光波はｆ1−ｆ2の周期ごとに任
意の幅で出射できることになる。

【００１９】二つの光波はビームエキスパンダー５で拡
大され、偏光ビームスプリッター６で分割される。分割
された一方の光波はλ／４板７ａを介して参照平面ミラ
ー８で反射され、参照光となる。分割された他方の光波
はλ／４板７ｂを介してコリメータレンズ９を透過し被
測定物１０で反射され測定光となる。

【００２０】λ／４板７ａ、７ｂは光波の偏波面を往路
と復路とで９０°回転させる手段であり、参照光と測定
光波偏光ビームスプリッター６で合成されることにな
る。

【００２１】合成された干渉光波は４５°方位の偏光板
１１を通ると、ヘテロダイン信号を発生することにな
る。このヘテロダイン信号を集光レンズ１２で集光さ
せ、像検出カメラ１３で撮影する。

【００２２】図２に示すように干渉光波を撮影して得ら
れるヘテロダイン信号は前記トリガ信号と同期してい
る。ヘテロダイン信号から位相を検出する方法として
は、一般に知られている４-bucket法を用いればよい。

【００２３】図３に示すように、前記トリガ信号が常に
入力された状態ではヘテロダイン信号はsin波として検
出される。そのときの振幅Ｖ0は干渉光波の内の各エリ
アの光量によって異なる。そこでこのsin波を四等分
し、図４に示すようにsin波の一波長ごとにλ／４（sin
波の一波長の４分の１）の幅で像検出カメラ１３に干渉
光波を取り込ませるように、前記トリガ出力回路４にて
トリガ信号を制御し、高速シャッター２の開閉をコント
ロールして出力Ｖ1を検出する。像検出カメラ１３は例
えば電荷蓄積型の２次元ＣＣＤ等を用い、像検出カメラ
１３が露光されている間はＶ1は積分されることにな
る。このようにして、像検出カメラ１３は各検出点ごと
の出力Ｖ1を一括して検出する。

【００２４】次に前記トリガ信号をλ／４だけシフトさ
せ、同じようにsin波の一波長ごとにλ／４の幅で像検
出カメラ１３に干渉光波を出力Ｖ1の時と同じ時間取り
込み、出力Ｖ2を検出する。同様にしてＶ3、Ｖ4を検出
する。このように所定期間内で各位相部分に対応する出
力を積分することにより、得られる信号は平均化され、
たとえ測定中に光学部材の振動等の誤差要因が発生して
も、その影響を極力除去できる。

【００２５】Ｖ1〜Ｖ4には以下の関係が成り立つ。

【００２６】Ｖ1＝Ｖ0（１＋cosφ） Ｖ2＝Ｖ0（１−sinφ） Ｖ3＝Ｖ0（１−cosφ） Ｖ4＝Ｖ0（１＋sinφ） これらの式を展開すると φ＝Tan-1（（Ｖ4−Ｖ2）／（Ｖ1−Ｖ3）） となる。よって位相は干渉光波の光量に依存せずに検出
できることになる。そこでコンピュータ１４にてＶ1〜
Ｖ4を使って位相φを計算すればよい。

【００２７】検出された位相からは被測定物１０の面形
状がコリメータレンズ９の作り出す球面波の波面からの
ずれ量を意味し、ずれ量ｄ／２、レーザ波長λ、位相を
φとすると、 φ＝２πｄ／λ なる関係がある。

【００２８】干渉光波の各測定点ごとの位相を上述のよ
うにしてそれぞれ計算し、面として復元させれば被測定
物の面形状が測定できることになる。

【００２９】上記実施例は従来の光ヘテロダイン干渉装
置では実施できなかった干渉光波全体を一括して同時に
取り込む行為を可能にした。このことにより位相測定時
間の短縮がはかれるとともに、被測定物及び参照平面ミ
ラーの振動や傾きに対しても、測定精度に対する影響を
減少させることができる。

【００３０】またヘテロダイン信号を使用することで、
フリンジスキャン干渉装置の精度劣化原因となってい
る、位相差を機械的な手段で変化させることが必要なく
なり、誤差要因を減少させることができる。

【００３１】図５は本発明の第２実施例の装置を表す図
である。以下、前述の装置と同様の部材は同じ符番を関
し、説明を省略する。

【００３２】本実施例は第１実施例における高速シャッ
ター２を４５゜方位の偏光板１１と集光レンズ１２の間
に設けたものである。

【００３３】４５゜方位の偏光板１１を通過した干渉光
波はヘテロダイン信号となり高速シャッター２に入射す
る。この高速シャッターではｆ1−ｆ2の周期ごとに任意
の幅でヘテロダイン信号を透過させることになり、集光
レンズ１２を介して像検出カメラ１３でヘテロダイン信
号が撮影される。位相検出方法は第１実施例と同様であ
る。

【００３４】図６は本発明の第３実施例の装置を示す図
である。同図において１５は液晶シャッターであり、光
波の偏波面により透過、遮断することができる。

【００３５】本実施例では第１実施例における高速シャ
ッター２の代わりに、偏光ビームスプリッター６とλ／
４板７ａの間及び偏光ビームスプリッター６とλ／４板
７ｂの間に液晶シャッター１５を設けたものである。

【００３６】偏光ビームスプリッター６で分けられた一
方の光波は液晶シャッター１５に入射し、ｆ1−ｆ2の周
期ごとに任意の幅で透過できる。通過した光波はλ／４
板７ａを介して参照平面ミラー８で反射され、参照光波
となりλ／４板７ａを通過する。往路と復路で２度λ／
４板７ａを通過した参照光を、偏波面が９０゜回転し、
再び液晶シャッター１５に入射する。液晶シャッター１
５と参照平面ミラー８の距離は、復路経由時に参照光が
常に液晶シャッターを透過できるように合わせておけば
よい。このことにより参照光波ｆ1−ｆ2の周期ごとに任
意の幅で偏光ビームスプリッター６に入射することにな
る。同様にして測定光もｆ1−ｆ2の周期ごとに任意の幅
で偏光ビームスプリッター６に入射する。偏光ビームス
プリッター６で測定光と参照光とが同期して合成され、
干渉光波となる。干渉光波は４５゜方位偏光板１１を通
り、ヘテロダイン信号となり、集光レンズ１２を介して
像検出カメラ１３でヘテロダイン信号が撮影される。位
相検出方法は第１実施例と同様である。

【００３７】第１、第２実施例における高速シャッター
２の代わりに光波の偏波面により透過、遮断できる液晶
シャッターを用いてもよい。

【００３８】図７に本発明の第４実施例の装置を示す。
同図において１６は制御回路であり、電気光学素子３の
作り出す第１光波と第２光波の周波数差ｆ1−ｆ2ごとに
任意の幅でレーザ１から出射する光をコントロールする
ものである。

【００３９】これによりレーザ１から出射して電気光学
素子３から作り出される第１光波と第２光波はｆ1−ｆ2
の周期ごとに任意の幅となり、これで発生するヘテロダ
イン信号を像検出カメラ１３で撮影すればよい。位相検
出方法は第１実施例と同様である。

【００４０】第４実施例における光源を半導体レーザと
して、制御回路１６によってその出射する光をコントロ
ールしてもよい。

【００４１】図８に本発明の第５実施例を示す。本実施
例は、第１、第２実施例における高速シャッター２の代
わりにヘテロダイン信号の検出手段である像検出カメラ
１３がシャッター機能を持ち、制御回路１６によって露
光時間を制御できるようにしてもよい。位相検出方法は
実施例と同じである。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明により、従来
の光ヘテロダイン干渉装置では実現できなかった干渉光
波全体の一括同時取り込みによる位相検出が可能とな
り、位相測定時間の短縮がはかれると共に、被測定物及
び参照平面ミラーなどの振動や傾きに対しても測定精度
に対する影響を減少させることができ、またフリンジス
キャンのように機械的手段による位相差付与を必要とし
ないので、この点でも誤差防止ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成図。

【図２】トリガ信号に同期するビート信号の出力図。

【図３】シャッター解放時のビート信号の出力図。

【図４】４-bucket法を利用した位相算出の説明図。

【図５】本発明の第２実施例の構成図。

【図６】本発明の第３実施例の構成図。

【図７】本発明の第４実施例の構成図。

【図８】本発明の第５実施例の構成図。

【図９】従来例の説明図。

【図１０】従来例の説明図。

【符号の説明】 １ レーザ ２ 高速シャッター ３ 電気光学素子 ４ トリガ出力回路 ８ 参照平面ミラー １０ 被測定物 １３ 像検出カメラ １４ コンピュータ １６ 制御回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検物からの測定光束と該測定光束とは
   周波数を異ならせた参照光束とを重ね合わせて得られた
   干渉光波よりヘテロダイン信号を得、前記被検物に関連
   する測定光束の光学的位相変化を検出する装置におい
   て、前記干渉光波を検出する光検出手段に前記へテロダ
   イン信号の各所定位相部分を独立して前記干渉光波の全
   検出域で一括に検出させるように制御するための制御手
   段を設けたことを特徴とする干渉測定装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は光源と前記光検出手段の
   間の前記測定光束と参照光束の共通光路中、又は前記測
   定光束と参照光束のそれぞれの光路中に設けられたシャ
   ッター手段を有することを特徴とする請求項１の干渉測
   定装置。