JPH0789043B2 - シエアリング干渉計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被検面によつて反射した光束を２つに分ける
ことにより測定波面を２分割し、これらの測定波面を互
いに横にずらしして干渉させるシエアリング干渉計に関
し，特に互いにずらされた２つの測定波面のずれ量，す
なわちシエア量を高精度に測定し得るようにしたもので
ある。

〔従来の技術〕

シエアリング干渉計は，基準参照面を用いず、被測定波
面を２つに分け、横ずらしを与えて自分自身で干渉を起
こさせる干渉計で，参照用原器を必要としないため、干
渉計のコストを低減できる，シエア量を変化させること
によつて得られる干渉縞の本数を調整でき、シエア量を
小さくとれば干渉縞の間隔が混み合つて測定が不可能に
なるようなことがない，全反射鏡を前後に数分の一波長
刻みで動かして縞走査すると、参照光と被検光の位相が
全反射鏡の移動量に応じて変化するため、百分の一波長
程度の読取り精度が得られるなどの優れた特徴を有し，
特にレンズ，鏡等の比較的収差の大きい光学部品の面形
状，例えば球面，非球面の測定に有利とされる。

シエアリング干渉計によつて各種被測定物を測定する場
合，シエア量を測定する必要があり、この測定精度が干
渉計自身の精度を決定する。特に球面からのずれが大き
い非球面を測定する場合，シエア量は小さくなくてはな
らず，シエア量測定の絶対精度を必要とする。しかし、
シエア量は直接測定できず、通常ミラーの傾き状態から
算出しているが，干渉計の周囲温度の変化や，各光学素
子の取付け誤差等により、ミラーの傾き状態に対してシ
エア量が必ずしも対応づけられるとは限らず、このため
シエア量の測定が不正確になり、分割された両測定波面
の実際のシエア量を知ることが難しく，測定誤差が大き
くなる虞れがあつた。

そこで，シエア量を直接測定する方法として、２分され
た後、互いに重ね合わされた２つの光束の位置を測定
し,2分割された両測定波面のずれ量を測定するための位
置センサを設けてなるシエアリング干渉計（特開昭60-1
07507号公報）が提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、位置センサによるシエア量の直接測定
は、エツジがない場合の測定が困難である。すなわち、
一般にシエアリング干渉計による形状測定は、鏡面に限
られており、その反射面に、一般の像のような明るさの
明暗が少ない。このため、第６図（ａ）に示したように
被測定物が測定範囲内にある場合，被測定物の外形によ
り像にエツジができ，シヤツターで光束の片側ずつを隠
すことにより、そのエツジのずれ量を測定し、ずれ量が
わかる。しかし、もし同図（ｂ）に示すように被測定物
の中心部のみを拡大して測定したい場合，測定範囲内に
ズレを表わす標的がなく、測定を困難にする。なお、第
６図において四角で囲つた部分は測定範囲を示す。

また、シエア量の直接測定は，測定精度がセンサのピツ
チに依存するため、余り高い精度が期待できない，従来
方法は特別な位置センサを用意する必要があり、光路中
にシヤツターを組み込む必要があり装置が複雑化するな
どの不都合もあつた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係るシエアリング干渉計は上述したような問題
を解決すべくなされたもので，被検面によつて反射した
光束を２つに分けることにより測定波面を２分割し、こ
れらの測定波面を互いに横ずらしして干渉させるシエア
リング干渉計において，入射光路中に，両測定波面のず
れ量を測定するためのパターンを配置し，撮像素子上に
結像された前記被検面の像の中に前記パターンのピント
が合っていない像を一緒に形成させるようにしたもので
ある。

〔作用〕

本発明においては入射光路中に両測定波面のずれ量を測
定するためのパターンを配置し、撮像素子上に結像され
た被検面の像の中に前記パターンのピントが合っていな
い像を一緒に形成させるようにしたので、このパターン
を横ずらしによる方法，自己相関関数による方法，モア
レ縞解析による方法等により解析することによつて両測
定波面の実際のずれ量を実質的に測定することができ
る。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明に係るシエアリング干渉計の一実施例を
示す光学系の図である。本実施例は光源１から被検面Ｓ
までの光路中，すなわち入射光路中の適宜位置，例えば
コリメータレンズ４と集光レンズ５の間に後述するパタ
ーン14を配置した点に特徴を有している。２は発散レン
ズ,3はビームスプリツタ,6は被測定物,7はビームスプリ
ツタ３からの光束を２つの光束に分割するビームスプリ
ツタ,8は全反射鏡,9は全反射鏡８を光軸方向（矢印方
向）に移動させるピエゾ素子等の駆動装置,10は全反射
鏡,11および12は結像レンズ,13はCCD等の撮像素子であ
る。

光源１としては可視，赤外または紫外の可干渉性の良い
光束を発するものとして例えばHe-Ncレーザーが使用さ
れる。全反射鏡10はビームスプリツタ７によつて分割さ
れた２つの光束のうち該スプリツタ７により反射した反
射光に横ずらしを与えるもので，これに入射する反射光
の中心を通る光線に対して直交しておらず、この直交す
る方向から微小角度θだけ傾いており、また適宜な傾斜
機構（図示せず）によつて保持されることにより直交す
る２方向に傾斜されるように構成されているものとす
る。

このような構成からなるシエアリング干渉計において、
光源１から出た光は発散レンズ２およびビームスプリツ
タ３を経てコリメータレンズ４を透過し、光軸Ｌと平行
な平行光線とされた後，集光レンズ５によつて焦点Ｐに
焦光され，被検面Ｓを照射する。ここで反射した光束の
波面は被検面Ｓの形態に応じた形状となつている。そし
て、この光束は再び集光レンズ5,コリメータレンズ４お
よびビームスプリツタ３を透過し、第２のビームスプリ
ツタ７によつて２分され，一部透過し、一部反射する。
そのうち透過光は全反射鏡８によつて反射され、再びビ
ームスプリツタ７に戻る。また，ビームスプリツタ７に
よつて反射した反射光は全反射鏡10によつて反射し、該
スプリツタ７に戻る。この時，全反射鏡10は前述した通
り微小角度θ傾いているため、全反射鏡10に実線で示す
如く入射した光束は，該反射鏡10にて反射すると，この
反射光束は破線で示す如く進み，入射時の光束と微小量
ずれることになる。したがつて，各全反射鏡8,10にて反
射し、ビームスプリツタ７に戻り，再び重ね合わされた
両光束は横方向に微小量Δｄだけずれ，干渉を起こす。

すなわち、被検面Ｓからの光束がビームスプリツタ７に
より２分されることにより、この光束の測定波面が２分
割され，全反射鏡8,10にてそれぞれ反射し再びビームス
プリツタ７により重ね合わされた両測定波面はΔｄだけ
横方向にシエアされるもので、このΔｄがシエア量であ
る。そして、重ね合わされた光束は結像レンズ11,12に
よつて撮像素子13上に結像され干渉縞を形成する。干渉
縞は撮像素子13によつて画像情報として電気信号に変換
された後，コンピュータ等で縞解析を行うことで，被検
面Ｓの面形状が測定される。

ここで，球面，非球面等の面形状を測定すためには，互
いにシエアされた両測定波面の直交する２方向のシエア
量を測定することが不可欠となる。

すなわち，第２図に示すようにある波面Ｗ（ｘ）をｘ方
向にΔｄだけ横ずらしした波面をＷ（ｘ＋Δｄ）とす
る。この２つの波面Ｗ（ｘ）,W（ｘ＋Δｄ）を重ね合せ
ると，位相差ΔＷ（ｘ） ΔＷ（ｘ）＝Ｗ（ｘ）−Ｗ（ｘ＋Δｄ） ……（１） に対応した干渉縞が発生し、この干渉縞を撮像素子13で
観測し、解析することでΔＷ（ｘ）を得る。ΔＷ（ｘ）
はＷ（ｘ）の微分情報であり、これを積分することで元
の波面Ｗ（ｘ）を求める。

なお、第２図において、 である。

上記（１）式から明らかなように，シエア量ΔｄはΔＷ
（ｘ）に影響を与える数値である。したがつて、ΔＷ
（ｘ）を求めるにはΔｄをより正確に測定する必要があ
る。しかしながら，従来は前述した理由でこの値を直接
求めることができず，その測定が不正確になるものであ
る。

そこで、本発明は前述した通りコリメータレンズ４と集
光レンズ５の間に両測定波面のずれ量を測定するための
パターン14を配置し、撮像素子13上に結像された被検面
の像の中に前記パターン14のピントが合っていない像を
一緒に形成させ、このパターンを後述する方法によつて
解析することにより、両測定波面の実際のずれ量（Δ
ｄ）を測定するようにしたものである。

パターン14としては、第３図に示すようにエツジパター
ン（ａ図），ランダムパターン（ｂ図）,,同心円状の規
則パターン（ｃ図）等が用いられる。

パターン14の解析によるシエア量Δｄの検出方法として
は、（１）パターンの横ずらしによる方法，（２）自己
相関関数による方法，（３）モアレ縞解析による方法等
が挙げられ，以下その方法，効果等を述べる。

（１） パターン横ずらしによる方法 第１図の入射光路中に挿入配置した第３図（ａ）に示す
エツジパターン14を，ピエゾ素子等の駆動装置によつて
駆動されるＸ−Ｙステージ（図示せず）に取付け、一方
向にリニアに移動させると，パターン14のエツジ部にあ
たる撮像素子13の出力は、第４図に示すように変動す
る。その変動直線のａ位置が撮像素子13にエツジがかか
つた位置で,6が撮像素子13上からエツジがなくなつた位
置である。そこで、このａおよびｂ点を２つのずれたパ
ターンの各々に対して精度良く検出すれば，その位置の
ずれ量から両測定波面の実際のシエア量を算出すること
ができる。

（２） 自己相関関数による方法 入射光路中に挿入されたパターン14は、全反射鏡10によ
り被検面によつて反射した光束と同様にΔｄだけ横にず
らされ、ビームスプリツタ７により再び重ね合わされた
後，撮像素子13上に結像されるものである。このため，
パターン14として第３図（ｂ）に示すランダムパターン
を使用すると、このランダムパターンが一様にΔｄだけ
横ずれし、重なり合つたパターンが撮像素子13上に形成
される。そこで，そのパターンの自己相関関数を計算す
ると，ピツチの20分の一程度の精度のシエア量Δｄを算
出することができる。

（３） モアレ縞解析による方法 規則正しいパターンを入射光路中に挿入配置すると，そ
のパターンによつては撮像素子13上に横ずれ量に応じた
モアレ縞ができる。そのモアレ縞はパターンの細さによ
り粗さが変化し，微小なシエア量に対して粗い縞が生じ
る。そこで，第３図（ｃ）に示した同心円状のパターン
14を使用すると，第５図（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す
モアレ縞が得られる。この時，放射状に作られる縞はず
れ量に比例して増加するため，これをカウントすること
により微小なずれ量を測定することができる。なお、規
則正しいパターンとしては同心円状のものに限らず、放
射状などのパターンも考えられる。

かくして，パターン14を用いて上記３つの方法のうちい
ずれか一つの方法を実施すれば，シエア量Δｄを従来技
術以上の精度で測定することが可能となる。また、単に
パターン14を入射光路中に配置するだけでよいので、構
造もいたつて簡単である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係るシエアリング干渉計
は、入射光路中に両測定波面のずれ量を測定するための
パターンを配置し、撮像素子上に結像された被検面の像
の中に前記パターンのピントが合っていない像を一緒に
結像させ、この重なり合つた像から実際のシエア量を算
出もしくは測定するようにしているので、構造簡易にし
てシエア量を高精度に測定でき，したがつて干渉計の測
定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係るシエアリング干渉計の一実施例を
示す光学系の図，第２図はシエアリング干渉法を説明す
るための図，第３図（ａ），（ｂ），（ｃ）はパターン
の実施例図，第４図はパターン移動量と撮像素子の光量
との関係を示す図，第５図（ａ），（ｂ），（ｃ）はモ
アレ縞を示す図，第６図（ａ），（ｂ）は鏡面測定にお
ける不都合を説明するため干渉縞像を示す図である。 １……光源,3……ビームスプリツタ,4……コリメータレ
ンズ,5……集光レンズ,6……被測定物,7……ビームスプ
リツタ,8,10……全反射鏡,13……撮像素子,S……被検
面，Δｄ……シエア量。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検面によって反射した光束を２つに分け
   ることにより測定波面を２分割し、これらの測定波面を
   互いに横ずらしして干渉させるシエアリング干渉計にお
   いて、入射光路中に、両測定波面のずれ量を測定するた
   めのパターンを配置し、撮像素子上に結像された前記被
   検面の像の中に前記パターンのピントが合っていない像
   を一緒に形成させることを特徴とするシエアリング干渉
   計。