JPH0777413A - シェアリング干渉計測方法並びにシェアリング干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 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。 【構成】 測定光波面を２分割し、分割された両波面間
に相対的にシェ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ェアリ
ング干渉計測方法において、シェアの量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
の信号のシェア量Ｓを変数とする周波数スペクトルのピ
ーク周波数ｆ_P 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。 ｆ_P ＝ｋ・（∂Ｗ／∂ｘ） ただし、ｘはシェア方向に沿った位置座標、Ｗは被測定
波面の形状を表す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光波の干渉現象を利用
して、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
測定するシェアリング干渉計測方法並びにシェアリング
干渉計に関するものである。

【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。

【０００３】例えば、Ｚｙｇｏ社のＭａｒｋ ＩＶｘｐ
と呼ばれる干渉計は、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（λは
光の波長。Ｍａｒｋ ＩＶｘｐに使用されているＨｅ−
Ｎｅレーザーの場合は、６３２．８ｎｍ。）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。

【０００４】しかるに、現在広く使われているＺｙｇｏ
社のＭａｒｋ ＩＶｘｐのような通常タイプの干渉計
は、図１６に示すように、原器５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６
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５の作成が困難な形状を基準とする測定は不可能
である。

【０００５】図１６（ａ）の干渉計の構成と作用を簡単
に説明すると、レーザー１から出た光は、エキスパンダ
レンズ２により拡大され半透鏡３を経てコリメータレン
ズ４により平行光に変換され、原器５に入射する。原器
５は理想的形状の半透面を有し、図１６（ｂ）に図１６
（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５を透過し被測定物６の被測定面で反射した
波面９と原器５のこの半透面で反射した波面８とを合成
する。この合成光は、コリメータレンズ４を逆に経て半
透鏡３に達し、そこで反射されて観察面７にて両者の波
面８と９の干渉縞が観察される。

【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。

【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。しかるに、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。

【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、特開昭６
３−２１０６０５号、あるいは、「光学技術コンタク
ト」ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．１２，（１９８５），ｐ８８
９に示されているように、基準原器を必要としないシェ
アリング干渉計が利用されてきた。シェアリング干渉計
は、図１７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１７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「シェア」ある
いは「シェアリング」と言う。シェアリングを与える具
体的な光学的手段の例を図１８に示す。この例では、入
射波面１０を半透鏡１３により２つの波面に分割し、一
方を直角プリズム１１に他方を別の直角プリズム１２に
入射させて再帰反射させて再び半透鏡１３に入射させ、
ここで両波面を合成して出射光波面１４とするするトワ
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１１を光軸に垂直にＳ／２だけ移動させることによ
り、一方の波面にＳのシェアを与えている。

【０００９】以下、基本的なラテラルシェアリング干渉
法に基づいて説明するが、後記する本発明はラテラルシ
ェアリング干渉計に限られるわけではない。シェアリン
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１７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。ところで、通常の理想原器
を使用する干渉計の場合、得られる干渉縞は原器と被測
定光波面の形状の差の等高線であるため、直観的に理解
でき、必ずしも干渉縞解析を必要としない。ところが、
シェアリング干渉計の場合はこれと異なり、上記のよう
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
あるので、直観的な理解は困難である。そこで、形状の
微係数の情報を形状情報に変換する過程、すなわち、積
分操作が不可欠となってくる。このような積分作業を人
手によって行うことは時間がかかりすぎるため現実的で
なく、コンピュータによって自動実行することが事実上
不可欠である。

【００１０】一方、積分操作をコンピュータによって自
動で行うにしても、干渉縞画像からの位相情報の読み取
りを人手で行うのでは、やはり時間がかってしまうた
め、干渉縞からの位相情報抽出もコンピュータによって
自動で行う必要がある。結局、シェアリング干渉法を実
用化するためには、干渉縞の解析が不可欠であると結論
できる。そこで、従来のシェ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−
９０００９号、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
採用しているケースが多い。

【００１１】この縞走査法を図１９（ａ）に示すシェア
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１から出た光は、ビームエキスパンダＢＥ
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１５を経て被測定物６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１５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１３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１１に他方を別のコー
ナーキューブプリズム１２に入射し、それぞれ再帰反射
されて再び半透鏡１３に入射し、ここで両波面は合成さ
れ、ＣＣＤカメラ１６により干渉縞が観察される。図１
９（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１１を光軸に垂直に移動させて出射波面１
４に一定量のシェア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１２を光軸に沿って順次移動させて、２つの波面に光
路差Ｌを順次変化させながら与える。

【００１２】簡単のために１次元の干渉縞画像で考え
る。シェ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、干渉縞光強度分布Ｉ
（ｘ，Ｌ）は次式で表される。

【００１３】 Ｉ（ｘ，Ｌ）＝Ｉ₀ ［１＋γ cos｛ｋ（ΔＷ（ｘ）−Ｌ）｝］・・・（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，Ｌ）＝ａ₀ ＋ａ₁ ・ cos（ｋＬ）＋ａ₂ ・ sin（２ｋＬ） ・・・（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１９中のコーナーキューブプリズム１
２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Ｌ＝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（位相が滑ら
かにつながるように）選ぶ。ここでは、これを位相接続
と呼ぶことにする。

【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。

【００１５】縞走査法を用いると、縞と縞の間の領域の
位相分布が抽出できる上、等高線の凹凸の判別をするこ
とができる。また、画像のノイズ成分（Ｉ₀ に含まれ
る。）と求める位相分布（ΔＷに含まれる。）を有効に
分離できるので、干渉縞からの位相情報検出精度を１桁
以上高くすることができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、縞走査法の
場合、上記のように、逆正接を求める際に隣接領域との
間に２πを越える位相の飛びがないようにしなければな
らない位相接続の問題がある。このため、干渉縞画像の
検出は、干渉縞の細かさ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。十分小
さな開口を持つ点状検出器を空間的に走査して検出すれ
ば、解像度の高い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に、データ解析に非常に時間が
かかり、測定が事実上不可能になることには変わりがな
い。

【００１７】この位相接続の問題は、縞走査法のみに限
られるものではなく、フーリエ変換法や空間的縞走査法
等、干渉縞情報から位相分布情報への変換を行わなけれ
ばならない従来の干渉縞解析技術においては不可避なも
のである。また、縞走査法を用いる場合は、図１９のコ
ーナーキューブプリズム１２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
ショナーのような高価な装置が必要になるといった欠点
がある。

【００１８】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、上記したような従来のシェア
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
ることである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の第１のシェアリング干渉計測方法は、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ェアを与
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ェアリング干渉計測方法にお
いて、前記シェ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ことを特徴と
する方法である。

【００２０】この場合、与えるシェアをラテラルシェア
とし、シェアの量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、この信号のシェア量Ｓを
変数とする周波数スペクトルのピーク周波数ｆ_P 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。 ｆ_P ＝ｋ・（∂Ｗ／∂ｘ） ただし、ｘはシェア方向に沿った位置座標、Ｗは被測定
波面の形状を表す。

【００２１】本発明の第２のシェアリング干渉計測方法
は、被測定光波面を２分割し、分割された両波面間に相
対的にシェ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ェアリング
干渉計測方法において、前記シェアの量の変化に伴う干
渉光強度信号の周波数に対して既知一定量の周波数シフ
トを導入し、前記シェ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ことを
特徴とする方法である。

【００２２】この場合も、与えるシェアをラテラルシェ
アとし、シェアの量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、この信号のシェア量Ｓ
を変数とする周波数スペクトルのピーク周波数ｆ_P 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。 ｆ_P ＝ｋ・（∂Ｗ／∂ｘ）＋ν_sh ただし、ｘはシェア方向に沿った位置座標、ｋは２π／
λ（λ：光波の波長、π：円周率）、Ｗは被測定波面の
形状、ν_shは周波数シフトを表す。

【００２３】このような周波数シフトは、被測定光波面
を干渉計光軸に対して既知量の角度θだけ傾けることに
よってＬ_S ＝ tanθなる既知な量として導入し、ピーク
周波数ｆ_P から下式によって被測定光波面の形状情報を
得ることもできる。 ｆ_P ＝ｋ・｛（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ_S ｝ また、被測定光波面にラテラルシェアを与えながら比例
係数Ｌでラテラルシェア量に比例する光路長変化を与え
ることによってＬなる既知な量として導入し、ピーク周
波数ｆ_P から下式によって被測定光波面の形状情報を得
ることもできる。

【００２４】ｆ_P ＝ｋ・｛（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ｝ また、本発明のシェアリング干渉計は、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ェアを与え
てから両波面を干渉させるシェアリング干渉計におい
て、シェア量を連続的に変化させるシェア量制御手段
と、シェ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
号検出手段とを備えたことを特徴とするものである。

【００２５】この場合に、シェアリング干渉計としてラ
テラルシェアリング干渉計を用いることができる。さら
に、被測定波面を所定量傾ける手段、又は、一方の波面
にシェア量変化に比例して光路長変化を与える光路長変
化量制御手段を有していることが望ましい。

【００２６】

【作用】本発明においては、シェ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
来のシェ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、縞走査シェア
リング干渉法のように、ピエゾステージのごとき高価な
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。

【００２７】さらに、本発明においては、シェアの量の
変化に伴う干渉光強度信号の周波数に対して既知一定量
の周波数シフトを導入するようにすることにより、凹凸
が小さくほぼ平面に近い光波面の形状も測定することが
できる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明のシェアリング干渉計測方法並
びにシェアリング干渉計の原理と実施例を図面を参照に
して説明する。本発明の第１の発明による干渉計の基本
的構成を図１に示す。ここでは、光軸に垂直な方向にず
らしを与えるラテラルシェアリング干渉計を例に説明す
るが、本発明は、ラジアルシェアリング干渉計等、他の
タイプのシェアリング干渉計にも有効に適用できること
は言うまでもない。可干渉光を発する光源２１を出た光
は、半透鏡２２をその一部が透過してエキスパンダレン
ズ２３に達し、光路折り曲げ用ミラー２４を経て径が所
望の大きさまで広げられた後、コリメータレンズ２５で
平行光にされ、波面コンバージョンレンズ２６によっ
て、被測定面形状にできる限り近い波面形状となって被
測定物２７に照射される。

【００２９】光源２１から出て被測定物２７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２６、コリメータレンズ２５、光路折り曲
げ用ミラー２４、エキスパンダレンズ２３を経て、半透
鏡２２でその一部が反射され、シェアリング干渉手段３
５に導かれる。

【００３０】シェアリング干渉手段３５は、光源２１か
ら出て被測定物２７から反射されあるいは透過した光波
面を２つに分け、相対的に所望のシェアを与えた後、干
渉させ、シェアリング干渉を実現するものである。

【００３１】図１に示したのはこのような作用を行うシ
ェアリング干渉手段の一例であって、半透鏡２８、コー
ナーキューブプリズム２９、３０、並びに、シェア量制
御手段３１から構成される。光源２１から出て被測定物
２７から反射あるいは透過した光波面は、半透鏡２８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
２９へ、残りは透過して他方のコーナーキューブプリズ
ム３０へ入射する。コーナーキューブプリズム３０をシ
ェア量制御手段（図の場合は、ステージ）３１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３０からの出射光は、コーナーキュー
ブプリズム３０の移動と同じ方向へその移動量の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２９
を静止させておけば、各々のコーナーキューブプリズム
２９、３０からの反射光は、半透鏡２８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、シェアリング干渉が実現される。

【００３２】シェアリング干渉手段３５からの出射光
は、光路折り曲げ用ミラー３２、結像レンズ３３を経
て、干渉縞光強度信号検出手段３４に導かれる。干渉縞
光強度信号検出手段３４の検出面上には、被測定物２７
に対応したシェアリング干渉縞が結像される。

【００３３】干渉縞光強度信号検出手段３４は、ＴＶカ
メラのような２次元光センサーであってもよいし、空間
的に走査する機構を備えたフォトマルチプライヤーやフ
ォトダイオードのような点状光センサーであってもよ
い。

【００３４】干渉縞光強度信号検出手段３４の検出面に
生じるシェアリング干渉縞は、次式で与えられる。

【００３５】 Ｉ（ｘ）＝Ｉ₁ （ｘ）＋Ｉ₂ （ｘ）＋２｛Ｉ₁ （ｘ）・Ｉ₂ （ｘ）｝^1/2 × cos［ｋ｛（∂Ｗ／∂ｘ）Ｓ＋φ｝］・・・（12） ここで、Ｉ₁ （ｘ）とＩ₂ （ｘ）はそれぞれシェアリン
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はずらし量すなわちシェア量、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。

【００３６】上記の式（１２）から分かるように、Ｓを
変化させた場合、Ｓの一定量変化毎に検出した光強度信
号は、Ｓに対する周波数（∂Ｗ／∂ｘ）で振動する。本
発明では、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。

【００３７】すなわち、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３４の検出面上のある点
における干渉縞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。

【００３８】具体的には、シェア量Ｓを変化させたとき
の干渉縞光強度Ｉ（ｘ，Ｓ）のシェア量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ｆ_P を検出
し、下式（１３）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（ｋは波数（２
π／λ，λ：光の波長。赤い色のＨｅ−Ｎｅレーザーの
場合、６３２．８ｎｍ。）で既知）。 ｆ_P ＝ｋ・（∂Ｗ／∂ｘ） ・・・（13） 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。以上に
述べた、本発明の第１発明における被測定波面形状の抽
出手順を図２に示す。

【００３９】検出面上の１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、従来の
縞走査シェアリング干渉法と異なる本発明第１の特長で
ある。すなわち、縞走査シェ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
ければならないのに対し、本発明の方法においては、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。

【００４０】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、シェアリング干渉測定を行う
ことができる。

【００４１】また、シェア量の制御は、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。
この点が本発明の第２の特長である。

【００４２】ところで、上記のような第１の発明におい
ても、次のような欠点がある。すなわち、凹凸が比較的
小さくほぼ平面に近い光波面を測定する場合、下式（１
４）のように、シェア量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が、ＦＦＴ（高速フーリエ
変換）を初めとする通常の周波数解析手法では、周波数
ピークが０に近い場合は、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。

【００４３】 ｆ_P ＝ｋ・（∂Ｗ／∂ｘ）≒０ （ｕｎｄｅｒ∂Ｗ／∂ｘ≒０）・・（14） この様子を図３に示す。同図（ａ）は、上記のように、
平面に近い光波面を測定する場合で、検出対象ピークｆ
_P ＝ｋ・（∂Ｗ／∂ｘ）が周波数０のＤＣノイズ近傍に
あり、この中に埋もれてしまう。これに対して、同図
（ｂ）は、光波面が平面からかけ離れている場合で、検
出対象ピークｆ_P ＝ｋ・（∂Ｗ／∂ｘ）はＤＣノイズか
ら離れており、その中に埋もれることはなく、上記第１
の発明により対応できる。

【００４４】このように、周波数がゼロ近傍のＤＣ成分
に近い成分は、データ採取期間内に十分な数の周期が含
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、精度は非常に低くなる。

【００４５】この欠点を解決するためには、検出対象周
波数をＤＣノイズの近傍から分離すればよい。すでに述
べたように、干渉光強度信号検出手段の検出面で生ずる
シェアリング干渉縞の式は前記の式（１２）のように表
される。ここで、式（１２）の位相項（cos の中身）に
既知量の周波数シフトν_shを導入て、結果として、検出
対象の周波数ピークｆ_P 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、この問題は解決される。
その時の式（１２）に代わるシェアリング干渉縞の式は
次式で与えられる。

【００４６】 Ｉ（ｘ）＝Ｉ₁ （ｘ）＋Ｉ₂ （ｘ）＋２｛Ｉ₁ （ｘ）・Ｉ₂ （ｘ）｝^1/2 × cos［｛ｋ（∂Ｗ／∂ｘ）＋ν_sh｝Ｓ＋ｋφ］・・・（15） このように周波数シフトを導入して求めた波面形状か
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。この様子を図４
に示す。同図（ａ）は図３（ａ）に対応する図で、測定
波面が平面に近く、検出対象ピークｆ_P が周波数０近傍
のＤＣノイズ中に埋もれている。このような場合に、同
図（ｂ）に示すように、本発明の第２発明により周波数
シフトν_shを導入することにより、検出対象ピークｆ_P
＝ｋ・（∂Ｗ／∂ｘ）＋ν_shはＤＣノイズから離れ、そ
れから分離することができる。

【００４７】このような周波数シフトν_shを導入する第
２発明の具体的な手段として、次に説明する２つが考え
られる。

【００４８】周波数シフトを与える第１の方法は、次式
（１６）に示すように、被測定光波面を光軸に対してＬ
_S ＝ tanθだけ傾けることである。 ｋ［｛（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ_S ｝Ｓ＋φ］ ・・・（16） （ν_sh＝ｋ・Ｌ_S ） このように被測定光波面を干渉計の光軸に対して傾けた
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。 ｆ_P ＝ｋ・｛（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ_S ｝ ・・・（17） ここで、ｆ_P は、シェア量Ｓについてのスペクトルのピ
ーク周波数を表す。

【００４９】Ｌ_S ＝ tanθは設定値であって既知なの
で、このｆ_P から被測定波面の微係数が求められる。

【００５０】この第１の方法を実現するための概略の構
成を図５に示す。この配置は、被測定物２７を光軸に対
して傾ける点以外は、図１の場合と同様である。すなわ
ち、可干渉光を発する光源２１を出た光は、半透鏡２２
をその一部が透過してエキスパンダレンズ２３に達し、
光路折り曲げ用ミラー２４を経て径が所望の大きさまで
広げられた後、コリメータレンズ２５で平行光にされ、
波面コンバージョンレンズ２６によって、被測定面形状
にできる限り近い波面形状となって被測定物２７に照射
される。ここで、被測定物２７は、干渉計の光軸に対し
て角度θだけ傾けて置かれているので、入射光波面と被
測定面は互いに全体として角度θだけ傾いていることに
なる。なお、このように被測定物２７を傾けるには、被
測定物２７を載置している図示していない試料台とし
て、その上に載置した試料を少なくとも光軸に直交する
１つの軸の周りで回転調節可能なものを用いればよい。

【００５１】光源２１から出て被測定物２７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２６、コリメータレンズ２５、光路折り曲
げ用ミラー２４、エキスパンダレンズ２３を経て、半透
鏡２２でその一部が反射され、シェアリング干渉手段３
５に導かれる。

【００５２】シェアリング干渉手段３５は、光源２１か
ら出て被測定物２７から反射されあるいは透過した光波
面を２つに分け、相対的に所望のシェアを与えた後、干
渉させ、シェアリング干渉を実現するものである。

【００５３】図５に示したのはこのような作用を行うシ
ェアリング干渉手段の一例であって、半透鏡２８、コー
ナーキューブプリズム２９、３０、並びに、シェア量制
御手段３１から構成される。光源２１から出て被測定物
２７から反射あるいは透過した光波面は、半透鏡２８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
２９へ、残りは透過して他方のコーナーキューブプリズ
ム３０へ入射する。コーナーキューブプリズム３０をシ
ェア量制御手段（図の場合は、ステージ）３１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３０からの出射光は、コーナーキュー
ブプリズム３０の移動と同じ方向へその移動量の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２９
を静止させておけば、各々のコーナーキューブプリズム
２９、３０からの反射光は、半透鏡２８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、シェアリング干渉が実現される。

【００５４】シェアリング干渉手段３５からの出射光
は、光路折り曲げ用ミラー３２、結像レンズ３３を経
て、干渉縞光強度信号検出手段３４に導かれる。干渉縞
光強度信号検出手段３４の検出面上には、被測定物２７
に対応したシェ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３４の検出面に生じるシェアリング干
渉縞は、次式で与えられる。 Ｉ（ｘ）＝Ｉ₁ （ｘ）＋Ｉ₂ （ｘ）＋２｛Ｉ₁ （ｘ）・Ｉ₂ （ｘ）｝^1/2 × cos［ｋ｛（（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ_S ）Ｓ＋φ｝］・・・（18） ここで、Ｉ₁ （ｘ）とＩ₂ （ｘ）はそれぞれシェアリン
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はずらし量すなわちシェア量、φは２つの光
波の位相差、ｋは光の波数（２π／λ，λ：光の波
長）、Ｌ_S ＝ tanθ（θは被測定物を傾けた角度）であ
る。

【００５５】上記式（１８）から分かるように、Ｓを変
化させてＳについて等間隔に光強度信号を検出する場
合、Ｓに対する周波数ｋ・｛（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ_S ｝で
振動する。ここで、波数ｋとＬ_S （＝ tanθ）は既知で
あるから、検出面上のある点における干渉縞強度時間変
化信号の振動周波数から光波面の形状の微分∂Ｗ／∂ｘ
を求めることができる。

【００５６】具体的には、シェア量Ｓを変化させたとき
の干渉縞光強度Ｉ（ｘ，Ｓ）のシェア量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ｆ_P を検出
し、下式（１９）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（ｋは波数（２
π／λ，λ：光の波長。赤い色のＨｅ−Ｎｅレーザーの
場合、６３２．８ｎｍ。）で既知）。 ｆ_P ＝ｋ・｛（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ_S ｝ ・・・（19） 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。２次元
的な領域内の形状を求めるには、シェアｘ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
よい。なお、Ｌ_S ＝ tanθは、ｆ_P が十分ＤＣノイズか
ら分離するように、被測定光波面の形状に合わせて適当
に選ぶ。

【００５７】次に、第２発明の周波数シフトν_shを与え
る第２の方法について説明する。周波数シフトを導入し
たシェアリング干渉の式（１５）の位相項を変形する
と、 ｋ［｛（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ｝Ｓ＋φ］ ・・・（20） となる。ただし、Ｌ＝ν_sh／ｋである。これをさらに変
形すると、 ｋ［｛（∂Ｗ／∂ｘ）Ｓ＋Ｌ・Ｓ＋φ］ ・・・（21） となる。これは、シェアと同時に、比例係数Ｌでシェア
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、シェアと同時に光軸方向の光路
差を与えればよい。シェ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ェアを与える手段を併用し
てもよいが、ラテラルシェアリング干渉計の場合、図６
に示すように、シェアを与えるための一方の直角プリズ
ム１１の移動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、
簡単に実現できる。この場合、シェアさせる方向と光軸
に垂直な方向とのなす角をθとすると、Ｌ＝ sinθが成
り立つ。なお、図６は、入射波面１０を半透鏡１３によ
り２つの波面に分割し、一方を直角プリズム１１に他方
を別の直角プリズム１２に入射させて再帰反射させて再
び半透鏡１３に入射させ、ここで両波面を合成して出射
光波面１４とするするトワイマン−グリーン干渉計の配
置である。

【００５８】このようにして被測定光波面を干渉計の光
軸に対して実質的に傾けた場合、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。 ｆ_P ＝ｋ・｛（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ｝ ・・・（22） ここで、ｆ_P は、シェア量Ｓについてのスペクトルのピ
ーク周波数を表す。

【００５９】式（２２）で、Ｌは設定値であって既知な
ので、このｆ_P から被測定波面の微係数が求められる。

【００６０】この第２の方法を実現するための概略の構
成を図７に示す。可干渉光を発する光源２１を出た光
は、半透鏡２２をその一部が透過してエキスパンダレン
ズ２３に達し、光路折り曲げ用ミラー２４を経て径が所
望の大きさまで広げられた後、コリメータレンズ２５で
平行光にされ、波面コンバージョンレンズ２６によっ
て、被測定面形状にできる限り近い波面形状となって被
測定物２７に照射される。

【００６１】光源２１から出て被測定物２７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２６、コリメータレンズ２５、光路折り曲
げ用ミラー２４、エキスパンダレンズ２３を経て、半透
鏡２２でその一部が反射され、シェアリング干渉手段３
５に導かれる。

【００６２】シェアリング干渉手段３５は、光源２１か
ら出て被測定物２７から反射されあるいは透過した光波
面を２つに分け、相対的に所望のシェアを与えた後、干
渉させ、シェアリング干渉を実現するものである。

【００６３】図７に示したのはこのような作用を行うシ
ェアリング干渉手段の一例であって、半透鏡２８、コー
ナーキューブプリズム２９、３０、シェア量制御手段３
１並びに、光路長変化量制御手段３７から構成される。
光源２１から出て被測定物２７から反射あるいは透過し
た光波面は、半透鏡２８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２９へ、残りは透過して他方
のコーナーキューブプリズム３０へ入射する。コーナー
キューブプリズム３０をシェア量制御手段（図の場合
は、ステージ）３１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３０から
の出射光は、コーナーキューブプリズム３０の移動と同
じ方向へその移動量の２倍だけ移動する。一方、一方の
コーナーキューブプリズム２９をピエゾステージ等の光
路長を可変に制御する光路長変化量制御手段３７を用い
て入射光軸に平行な方向に移動させると、このコーナー
キューブプリズム２９からの出射光は、コーナーキュー
ブプリズム２９の移動と同じ方向へ、コーナーキューブ
プリズム２９の移動量の２倍だけ移動する。コーナーキ
ューブプリズム２９と３０の移動を同時に与えると、結
局、各々のコーナーキューブプリズム２９、３０からの
反射光は、半透鏡２８に戻ってきたときに、互いにシェ
アと光路長変化が同時に与えられて重ねられ、シェアリ
ング干渉が実現される。

【００６４】シェアリング干渉手段３５からの出射光
は、光路折り曲げ用ミラー３２、結像レンズ３３を経
て、干渉縞光強度信号検出手段３４に導かれる。干渉縞
光強度信号検出手段３４の検出面上には、被測定物２７
に対応したシェアリング干渉縞が結像される。

【００６５】干渉縞光強度信号検出手段３４の検出面に
生じるシェアリング干渉縞は、次式で与えられる。 Ｉ（ｘ）＝Ｉ₁ （ｘ）＋Ｉ₂ （ｘ）＋２｛Ｉ₁ （ｘ）・Ｉ₂ （ｘ）｝^1/2 × cos［ｋ｛（（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ）Ｓ＋φ｝］・・・（23） ここで、Ｉ₁ （ｘ）とＩ₂ （ｘ）はそれぞれシェアリン
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はずらし量すなわちシェア量、φは２つの光
波の位相差、ｋは光の波数（２π／λ，λ：光の波
長）、Ｌはシェア量に対する光路長変化量の比（Ｌ＝光
路長変化量／Ｓ）である。

【００６６】上記式（２３）から分かるように、Ｓを変
化させてＳについて等間隔に光強度信号を検出する場
合、Ｓに対する周波数ｋ［｛（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ｝Ｓ＋
φ］で振動する。ここで、波数ｋと比例係数Ｌは既知で
あるから、検出面上のある点における干渉縞強度時間変
化信号の振動周波数から光波面の形状の微分∂Ｗ／∂ｘ
を求めることができる。

【００６７】具体的には、シェア量Ｓを変化させたとき
の干渉縞光強度Ｉ（ｘ，Ｓ）のシェア量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ｆ_P を検出
し、下式（２４）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（ｋは波数（２
π／λ，λ：光の波長。赤い色のＨｅ−Ｎｅレーザーの
場合、６３２．８ｎｍ。）で既知）。 ｆ_P ＝ｋ・｛（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ｝ ・・・（24） 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。２次元
的な領域内の形状を求めるには、シェアｘ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
よい。なお、比例係数Ｌは、ｆ_P が十分ＤＣノイズから
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。

【００６８】なお、上記の第１発明及び第２発明を構成
する可干渉光源２１としては、レーザーを用いるのが一
般的であるが、測定に必要な干渉性を持つものならばこ
れに限らない。また、光ビームを被測定面へ導く経路は
各図のものに限るものではなく、要は、被測定面へ対し
て被測定面に近い形状の光波面を照射できればよい。半
透鏡２２の配置もこの通りでなくてもよく、光路中の光
源２１以降、被測定物２７以前であるならば、どこへ挿
入配置してもよい。もちろん、光路折り曲げ用ミラー２
４は適宜挿入配置してもよい。

【００６９】また、各図では、シェアリング干渉手段と
して、トワイマン−グリーン干渉計型のものを示した
が、マッハ−ツェンダー型等他のタイプの干渉光学系を
用いても構わない。また、コーナーキューブプリズムの
代わりに、直角プリズム等を用いてもよい。

【００７０】さらに、ここでは光軸に垂直な方向にずら
しを与えるラテラルシェアリング干渉計を例に説明した
が、この技術はラジアルシェアリング干渉計等、他のタ
イプのシェアリング干渉計にも有効であることはいうま
でもない。

【００７１】何れにしろ、本発明は、これらシェアリン
グ干渉を実現する具体的手段に限定されるものではな
く、要するに、シェアを可変に与える機構を有し、シェ
ア量を順次変化させながらシェアリング干渉を実現でき
るものならば如何なるものでも構わない。

【００７２】また、干渉縞光強度信号検出手段３４は、
ＴＶカメラのような２次元光センサーであってもよい
し、空間的に走査する機構を備えたフォトマルチプライ
ヤーやフォトダイオードのような点状光センサーであっ
てもよい。

【００７３】測定対象物理量は、表面形状、屈折率分布
等、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２１
からの光ビームが被測定物２７を透過するのであって
も、被測定物２７表面で反射するのであっても構わな
い。要は、測定対象物理量が光源２１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方法を選択すれ
ばよいのである。

【００７４】以上に述べた本発明の干渉法の効果をまと
めると、シェア量を順次変化させて測定を行い、干渉縞
光強度信号の時間的変動の周波数から被測定波面の形状
情報の抽出を行う本発明の第１の発明、第２の発明によ
って次の効果を得ることができる。

【００７５】まず、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、従来のシェ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。

【００７６】また、縞走査シェアリング干渉法のよう
に、ピエゾステージのごとき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。

【００７７】さらに、第２の発明においては、凹凸が小
さくほぼ平面に近い光波面を計測する場合でも、干渉縞
光強度信号のシェア量Ｓについての周波数ピークを、周
波数０の近傍のＤＣ（直流）ノイズと分離することがで
き、精度の高い計測が可能になる。すなわち、データ採
取期間内に十分な数の周期が含まれるようにできるた
め、精度の高い周波数解析が可能になり、このような光
波面の形状の測定することができる。

【００７８】以下、本発明によるシェアリング干渉計の
いくつかの実施例を説明する。 実施例１ この実施例は、第１の発明の方法を、光学面の形状を測
定するシェアリング干渉計に応用した実施例であり、そ
の構成を図８に示す。基本的構成は図１と同様であり、
Ｈｅ−Ｎｅレーザー４１を出た光は、半透鏡４２をその
一部が透過してエキスパンダレンズ４３に達し、光路折
り曲げ用ミラー４４を経て径が所望の大きさまで広げら
れた後、コリメータレンズ４５で平行光にされ、波面コ
ンバージョンレンズ４６によって、被測定面形状にでき
る限り近い波面形状となって、この場合は被測定物であ
るレンズ４７に照射され、レンズ４７から反射した光ビ
ームは、再び逆方向に波面コンバージョンレンズ４６、
コリメータレンズ４５、光路折り曲げ用ミラー４４、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、シェアリング干渉部５５に導かれる。

【００７９】シェアリング干渉部５５は、半透鏡４８、
コーナーキューブプリズム４９、５０、並びに、シェア
量制御手段を構成する直進ステージ５１から構成されて
おり、被測定物のレンズ４７からの反射光はこのシェア
リング干渉部５５に導かれて、シェアリング干渉縞が作
られ、これを光路折り曲げ用ミラー５２、観察用結像レ
ンズ５３を経てＴＶカメラ５４で観察する。シェアリン
グ干渉部５５において、コーナーキューブプリズム５０
は光軸に対し直角な方向に移動する直進ステージ５１に
載っている。この状態でコーナーキューブプリズム５０
を一定量ずつ移動させると、被測定波面にラテラルシェ
アが一定量ずつ変化させられ、干渉縞は、式（１２）の
ように変化する。ここで、シェア量Ｓはステージ５１の
移動量の２倍となる。Ｓを変化させる毎にシェアリング
干渉縞をＴＶカメラ５４を通じてパーナルコンピュータ
５６に取り込む。すなわち、Ｓを変化させながらＳに関
して等間隔に干渉縞画像検出を行う。

【００８０】縞画像解析は、測定領域中の１点に着目
し、その中の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Ｓについて
の変化から、シェア量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ｆ_P に基づ
いて、式（１３）により測定対象波面の傾きを求める。
これを積分することによって、被測定物のレンズ４７の
形状を求めることができる（図２参照）。

【００８１】なお、図９に示すように、ピンホールを画
素に対応して開けてあるピンホールマスク５９をＴＶカ
メラ５４の撮像面Ｐの前になるべく接近させて配置する
ことによって、干渉縞読み取り精度を向上させ、検出精
度を上げることもできる。

【００８２】実施例２ この実施例の構成を図１０に示す。干渉縞光強度信号検
出手段の点以外は、図８の実施例１と同様である。すな
わち、被測定物のレンズ４７からの反射光はシェアリン
グ干渉部５５に導かれて、シェアリング干渉縞が作ら
れ、これを光路折り曲げ用ミラー５２、観察用結像レン
ズ５３を経て、点状（画素が１つの）フォトダイオード
６０で観察する。シェアリング干渉部５５において、コ
ーナーキューブプリズム５０は光軸に対し直角な方向に
移動する直進ステージ５１に載っている。この状態でコ
ーナーキューブプリズム５０を一定量ずつ移動させる
と、検出位置における干渉縞光強度信号は式（１２）の
ように変化する。ここで、シェア量Ｓはステージ５１の
移動量の２倍となる。Ｓを変化させる毎にシェアリング
干渉縞を検出する。すなわち、Ｓを変化させながらＳに
関して等間隔に、着目する１点における干渉縞画像検出
を行う。

【００８３】縞画像解析は、上記のように取り込んだ測
定領域中の着目する１点のＳの変化に対する光強度変化
を、スペクトル解析装置６１に入力することによって、
シェア量Ｓについて周波数スペクトルを求める。スペク
トルから求められるピーク周波数ｆ_P に基づいて、式
（１３）により測定対象波面の傾きを求める。これを積
分することによって、被測定物のレンズ４７の形状を求
めることができる。

【００８４】２次元干渉縞画像全面の測定を行うために
は、点状フォトダイオード６０を、２次元の測定領域内
で走査して、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。走査の様子を図１１に示す。

【００８５】この実施例においても、図１２に示すよう
に、ピンホールを画素に対応して開けてあるピンホール
マスク６２を点状フォトダイオード６０の受光面Ｐの前
になるべく接近させて配置することによって、干渉縞読
み取り精度を向上させ、検出精度を上げることもでき
る。

【００８６】実施例３ この実施例は第２の発明を、光学面の形状を測定するシ
ェアリング干渉計に応用した実施例であり、図１３に基
づいて説明する。基本的構成は図５と同様であり、Ｈｅ
−Ｎｅレーザー４１を出た光は、半透鏡４２をその一部
が透過してエキスパンダレンズ４３に達し、光路折り曲
げ用ミラー４４を経て径が所望の大きさまで広げられた
後、コリメータレンズ４５で平行光にされ、波面コンバ
ージョンレンズ４６によって、被測定面形状にできる限
り近い波面形状となって、この場合は被測定物であるレ
ンズ４７に照射され、レンズ４７から反射した光ビーム
は、再び逆方向に波面コンバージョンレンズ４６、コリ
メータレンズ４５、光路折り曲げ用ミラー４４、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、シェアリング干渉部５５に導かれる。ここで、レ
ンズ４７は、干渉計の光軸に対して角度θだけ傾けて置
かれているので、入射光波面と被測定面は互いに全体と
して角度θだけ傾いていることになる。なお、このよう
にレンズ４７を傾けるには、レンズ４７を載置している
図示していない試料台として、その上に載置した試料を
少なくとも光軸に直交する１つの軸の周りで回転調節可
能なものを用いればよい。

【００８７】シェアリング干渉部５５は、半透鏡４８、
コーナーキューブプリズム４９、５０、並びに、シェア
量制御手段を構成する直進ステージ５１から構成されて
おり、被測定物のレンズ４７からの反射光はこのシェア
リング干渉部５５に導かれて、シェアリング干渉縞が作
られ、これを光路折り曲げ用ミラー５２、観察用結像レ
ンズ５３を経てＴＶカメラ５４で観察する。測定対象レ
ンズ４７の光軸は、試料台の角度を調節して干渉計の光
軸とθだけ傾いて置かれている。シェアリング干渉部５
５において、コーナーキューブプリズム５０は光軸に対
し直角な方向に移動する直進ステージ５１に載ってい
る。この状態でコーナーキューブプリズム５０を一定量
ずつ移動させると、被測定波面にラテラルシェアが一定
量ずつ変化させられ、干渉縞は、式（１８）のように変
化する。ここで、シェア量Ｓはステージ５１の移動量の
２倍となる。Ｓを変化させる毎にシェアリング干渉縞を
ＴＶカメラ５４を通じてパーナルコンピュータ５６に取
り込む。すなわち、Ｓを変化させながらＳに関して等間
隔に干渉縞画像検出を行う。

【００８８】縞画像解析は、測定領域中の１点に着目
し、その中の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Ｓについて
の変化から、シェア量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ｆ_P に基づ
いて、式（１９）により測定対象波面の傾きを求める。
これを積分することによって、被測定物のレンズ４７の
形状を求めることができる（図２参照。ただし、波面の
傾き計算には式（１９）を用いる。）。

【００８９】なお、図９に示すように、ピンホールを画
素に対応して開けてあるピンホールマスク５９をＴＶカ
メラ５４の撮像面Ｐの前になるべく接近させて配置する
ことによって、干渉縞読み取り精度を向上させ、検出精
度を上げることもできる。

【００９０】実施例４ 第２発明を光学面の形状を測定するシェアリング干渉計
に応用した第２の実施例を図１４に基づいて説明する。
図１４において、被測定物のレンズ４７からの反射光は
シェアリング干渉部５５に導かれて、シェアリング干渉
縞が作られ、これを光路折り曲げ用ミラー５２、観察用
結像レンズ５３を経て、点状（画素が１つの）フォトダ
イオード６０で観察する。シェアリング干渉部５５にお
いて、コーナーキューブプリズム４９は光軸に平行な方
向に移動する直進ステージ６３に、コーナーキューブプ
リズム５０は光軸に対し直角な方向に移動する直進ステ
ージ５１にそれぞれ載っている。この状態でコーナーキ
ューブプリズム４９と５０を同時に一定量ずつ移動させ
ると、被測定面にラテラルシェ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
号は式（２３）のように変化する。（光路長変化量）／
（シェア量）の比はＬになる。Ｓを一定量変化させる毎
にシェアリング干渉縞を検出する。すなわち、Ｓを変化
させながら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。

【００９１】縞画像解析は、上記のように取り込んだ測
定領域中の着目する１点のＳの変化に対する光強度変化
を、スペクトル解析装置６１に入力することによって、
シェア量Ｓについて周波数スペクトルを求める。スペク
トルから求められるピーク周波数ｆ_P に基づいて、式
（２４）により測定対象波面の傾きを求める。これを積
分することによって、被測定物のレンズ４７の形状を求
めることができる。

【００９２】２次元干渉縞画像全面の測定を行うために
は、点状フォトダイオード６０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１５に示
す。

【００９３】この実施例においても、図１２に示すよう
に、ピンホールを画素に対応して開けてあるピンホール
マスク６２を点状フォトダイオード６０の受光面Ｐの前
になるべく接近させて配置することによって、干渉縞読
み取り精度を向上させ、検出精度を上げることもでき
る。

【００９４】以上、本発明のシェアリング干渉計測方法
並びにシェアリング干渉計の原理といくつかの実施例に
ついて説明してきたが、本発明はこれらに限定されず種
々の変形が可能である。

【００９５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のシェアリング干渉計測方法並びにシェアリング干渉計
によると、シェ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、従来のシェアリング
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、縞走査シェアリング干渉法のよ
うに、ピエゾステージのごとき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。

【００９６】さらに、本発明においては、シェアの量の
変化に伴う干渉光強度信号の周波数に対して既知一定量
の周波数シフトを導入するようにすることにより、凹凸
が小さくほぼ平面に近い光波面の形状も測定することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１発明によるシェアリング干渉計
の基本的構成を示す図。

【図２】 第１発明における被測定波面形状の抽出手順
を示す図。

【図３】 ＤＣノイズの影響を説明するための図。

【図４】 周波数シフト導入によるＤＣノイズの分離の
様子を示す図。

【図５】 本発明の第２発明による第１の方法を実施す
るシェアリング干渉計の基本的構成を示す図。

【図６】 シェアと同時に光路長変化を与える簡便な手
段を示す図。

【図７】 第２発明による第２の方法を実施するシェア
リング干渉計の基本的構成を示す図。

【図８】 実施例１の構成を示す図。

【図９】 実施例１、実施例３において検出精度を上げ
るための配置を示す図。

【図１０】 実施例２の構成を示す図。

【図１１】 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。

【図１２】 実施例２において検出精度を上げるための
配置を示す図。

【図１３】 実施例３の構成を示す図。

【図１４】 実施例４の構成を示す図。

【図１５】 実施例４において点状フォトダイオードの
走査の様子を示す図。

【図１６】 通常の干渉計の１例の構成と作用を説明す
るための図。

【図１７】 シェアリング干渉計における波面の様子を
示す図。

【図１８】 シェアリングを与える具体的な光学的手段
の例を示す図。

【図１９】 縞走査シェアリング干渉計の構成と作用を
説明するための図。

【符号の説明】

１０…入射波面、１１…直角プリズム、１２…直角プリ
ズム、１３…半透鏡、１４…出射光波面、２１…光源、
２２…半透鏡、２３…エキスパンダレンズ、２４…光路
折り曲げ用ミラー、２５…コリメータレンズ、２６…波
面コンバージョンレンズ、２７…被測定物、２８…半透
鏡、２９、３０…コーナーキューブプリズム、３１…シ
ェア量制御手段、３２…光路折り曲げ用ミラー、３３…
結像レンズ、３４…干渉縞光強度信号検出手段、３５…
シェアリング干渉手段、３６…計算機、３７…光路長変
化量制御手段、４１…Ｈｅ−Ｎｅレーザー４１、４２…
半透鏡、４３…エキスパンダレンズ、４４…光路折り曲
げ用ミラー、４５…コリメータレンズ、４６…波面コン
バージョンレンズ、４７…レンズ、４８…半透鏡、４
９、５０…コーナーキューブプリズム、５１…直進ステ
ージ、５２…光路折り曲げ用ミラー、５３…観察用結像
レンズ、５４…ＴＶカメラ、５５…シェアリング干渉
部、５６…パーナルコンピュータ、５７…ステージコン
トローラ、５８…ＴＶ画像入力・処理装置、５９…ピン
ホールマスク、６０…点状フォトダイオード、６１…ス
ペクトル解析装置、６２…ピンホールマスク、６３…直
進ステージ、Ｐ…撮像面、受光面

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定光波面を２分割し、分割された両
   波面間に相対的にシェ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
   シェアリング干渉計測方法において、前記シェアの量を
   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
   の形状情報を得ることを特徴とするシェアリング干渉計
   測方法。
2. 【請求項２】 前記シェアはラテラルシェアであり、前
   記シェアの量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、この信号のシェア量Ｓを変数
   とする周波数スペクトルのピーク周波数ｆ_P を検出し、
   該ピーク周波数から下式によって前記被測定光波面の形
   状情報を得ることを特徴とする請求項１記載のシェアリ
   ング干渉計測方法。 ｆ_P ＝ｋ・（∂Ｗ／∂ｘ） ただし、ｘはシェア方向に沿った位置座標、ｋは２π／
   λ（λ：光波の波長、π：円周率）、Ｗは被測定波面の
   形状を表す。
3. 【請求項３】 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ェ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
   シェアリング干渉計測方法において、前記シェアの量の
   変化に伴う干渉光強度信号の周波数に対して既知一定量
   の周波数シフトを導入し、前記シェ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
   を得ることを特徴とするシェアリング干渉計測方法。
4. 【請求項４】 前記シェアはラテラルシェアであり、前
   記シェアの量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、この信号のシェア量Ｓを変数
   とする周波数スペクトルのピーク周波数ｆ_P を検出し、
   該ピーク周波数から下式によって前記被測定光波面の形
   状情報を得ることを特徴とする請求項３記載のシェアリ
   ング干渉計測方法。 ｆ_P ＝ｋ・（∂Ｗ／∂ｘ）＋ν_ｓｈ ただし、ｘはシェア方向に沿った位置座標、ｋは２π／
   λ（λ：光波の波長、π：円周率）、Ｗは被測定波面の
   形状、ν_ｓｈは周波数シフトを表す。
5. 【請求項５】 前記周波数シフトを、被測定光波面を干
   渉計光軸に対して既知量の角度θだけ傾けることによっ
   てＬ_S ＝ tanθなる既知な量として導入し、前記ピーク
   周波数ｆ_P から下式によって前記被測定光波面の形状情
   報を得ることを特徴とする請求項４記載のシェアリング
   干渉計測方法。 ｆ_P ＝ｋ・｛（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ_S ｝
6. 【請求項６】 前記周波数シフトを、被測定光波面にラ
   テラルシェアを与えながら比例係数Ｌでラテラルシェア
   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
   知な量として導入し、前記ピーク周波数ｆ_P から下式に
   よって前記被測定光波面の形状情報を得ることを特徴と
   する請求項４記載のシェアリング干渉計測方法。 ｆ_P ＝ｋ・｛（∂Ｗ／∂ｘ）＋Ｌ｝
7. 【請求項７】 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ェアを与えてから両波面を干渉させ
   るシェアリング干渉計において、シェア量を連続的に変
   化させるシェア量制御手段と、シェ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を備えたことを
   特徴とするシェアリング干渉計。
8. 【請求項８】 前記シェアリング干渉計がラテラルシェ
   アリング干渉計からなることを特徴とする請求項７記載
   のシェアリング干渉計。
9. 【請求項９】 被測定波面を所定量傾ける手段を有する
   ことを特徴とする請求項７記載のシェアリング干渉計。
10. 【請求項１０】 一方の波面にシェア量変化に比例して
    光路長変化を与える光路長変化量制御手段を有すること
    を特徴とする請求項７記載のシェアリング干渉計。