JPH1096603A - 干渉計測装置 - Google Patents
干渉計測装置Info
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- JPH1096603A JPH1096603A JP27156396A JP27156396A JPH1096603A JP H1096603 A JPH1096603 A JP H1096603A JP 27156396 A JP27156396 A JP 27156396A JP 27156396 A JP27156396 A JP 27156396A JP H1096603 A JPH1096603 A JP H1096603A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 搬送波を乗せて干渉縞密度が高くなる方向に
高分解能で測定画像を検出でき、しかも全体のデータ数
を従来のものより増やさず、処理系の負荷が従来と変わ
らない位相シフト電子モアレ法を用いた干渉計測装置を
得ること。 【解決手段】 干渉計により多数の干渉縞を発生させて
空間的な搬送波を生じせしめた被測定干渉縞画像を2 次
元撮像デバイスを介して入力し、該被測定干渉縞画像と
該搬送波の空間周波数とほぼ等しい周波数の干渉縞をも
ち、且つ夫々初期位相の異なる複数の参照画像との演算
によって該被測定干渉縞画像の位相分布を得る位相シフ
ト電子モアレ法を用いた干渉計測装置において、該2 次
元撮像デバイスの撮像面の縦横サイズは異なり、該被測
定干渉縞画像を偏倍手段により該撮像面上に縦横の結像
倍率を変えて投影している。
高分解能で測定画像を検出でき、しかも全体のデータ数
を従来のものより増やさず、処理系の負荷が従来と変わ
らない位相シフト電子モアレ法を用いた干渉計測装置を
得ること。 【解決手段】 干渉計により多数の干渉縞を発生させて
空間的な搬送波を生じせしめた被測定干渉縞画像を2 次
元撮像デバイスを介して入力し、該被測定干渉縞画像と
該搬送波の空間周波数とほぼ等しい周波数の干渉縞をも
ち、且つ夫々初期位相の異なる複数の参照画像との演算
によって該被測定干渉縞画像の位相分布を得る位相シフ
ト電子モアレ法を用いた干渉計測装置において、該2 次
元撮像デバイスの撮像面の縦横サイズは異なり、該被測
定干渉縞画像を偏倍手段により該撮像面上に縦横の結像
倍率を変えて投影している。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は干渉計測装置に関
し、特に干渉計を用いて光学部品の形状や屈折率の分布
等を測定する際に好適なものである。
し、特に干渉計を用いて光学部品の形状や屈折率の分布
等を測定する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】干渉計は光の干渉現象を利用して光の波
面形状を干渉縞のパターンとして検知するものであり、
レンズやミラー等の光学部品形状を精密に測定したり、
ガラスの屈折率分布を精密に測定する方法として、広く
工業用に使用されている。特に、最近では干渉縞のパタ
ーンを画素ごとの位相情報として数値化することによ
り、非常に精密な測定が可能になっている。
面形状を干渉縞のパターンとして検知するものであり、
レンズやミラー等の光学部品形状を精密に測定したり、
ガラスの屈折率分布を精密に測定する方法として、広く
工業用に使用されている。特に、最近では干渉縞のパタ
ーンを画素ごとの位相情報として数値化することによ
り、非常に精密な測定が可能になっている。
【０００３】干渉縞パターンを位相情報として数値化す
る手法のひとつとして、1992年度精密工学会春季大会論
文集p.371-372 に開示されたような位相シフト電子モア
レ法がある。
る手法のひとつとして、1992年度精密工学会春季大会論
文集p.371-372 に開示されたような位相シフト電子モア
レ法がある。
【０００４】図5 は従来の位相シフト電子モアレ法を用
いた干渉計測装置の要部概略図である。同図において10
0 は干渉計であり、形状測定面等から干渉縞を発生す
る。１は2 次元画像検出手段であり、例えば電荷結合素
子(CCD) を2 次元撮像デバイスとするCCD カメラで構成
し、干渉縞画像を入力する。2 は1 画面分のビデオ信号
を抽出する画像入力手段、3a、3b、3cは1 画面分の参照
画像情報を記憶する参照画像メモリ、4a、4b、4cは2 つ
の画像間の乗算を行う乗算器、5a、5b、5cは画像中の空
間周波数の高いものを除去し、低いものだけを通過させ
る特性を持つローパスフィルター(LPF) 、6a、6bは2 つ
の画像間の減算を行う減算器、7 は2 つの画像間の除算
を行う除算器、 8はアークタンジェントを演算する非線
形演算器である。
いた干渉計測装置の要部概略図である。同図において10
0 は干渉計であり、形状測定面等から干渉縞を発生す
る。１は2 次元画像検出手段であり、例えば電荷結合素
子(CCD) を2 次元撮像デバイスとするCCD カメラで構成
し、干渉縞画像を入力する。2 は1 画面分のビデオ信号
を抽出する画像入力手段、3a、3b、3cは1 画面分の参照
画像情報を記憶する参照画像メモリ、4a、4b、4cは2 つ
の画像間の乗算を行う乗算器、5a、5b、5cは画像中の空
間周波数の高いものを除去し、低いものだけを通過させ
る特性を持つローパスフィルター(LPF) 、6a、6bは2 つ
の画像間の減算を行う減算器、7 は2 つの画像間の除算
を行う除算器、 8はアークタンジェントを演算する非線
形演算器である。
【０００５】干渉計100 で発生させる干渉縞像は、干渉
計の被測定面又は参照面を傾けることにより、故意に多
数の縞を生じさせた上で、適当な結像レンズを用いて2
次元画像検出手段1 にて撮像され、画像入力手段2 で１
画面分の情報が抽出される。一方参照画像メモリ3a,3b,
3cにはあらかじめ多数の縞の参照画像に相当する画像情
報を書き込んである。ただし、各参照画像メモリ3a,3b,
3cに記録している参照画像の縞の初期位相はそれぞれπ
/4、3π/4、5π/4ずれている。
計の被測定面又は参照面を傾けることにより、故意に多
数の縞を生じさせた上で、適当な結像レンズを用いて2
次元画像検出手段1 にて撮像され、画像入力手段2 で１
画面分の情報が抽出される。一方参照画像メモリ3a,3b,
3cにはあらかじめ多数の縞の参照画像に相当する画像情
報を書き込んである。ただし、各参照画像メモリ3a,3b,
3cに記録している参照画像の縞の初期位相はそれぞれπ
/4、3π/4、5π/4ずれている。
【０００６】2 次元画像検出手段1 で撮像した被測定画
像信号は参照画像メモリ3a,3b,3cの参照画像信号とそれ
ぞれ乗算器4a,4b,4cで画像間の乗算演算がおこなわれ
る。この演算により空間周波数の低い一種のモアレ縞が
発生するが、このモアレ縞は被測定画像の縞の曲がり具
合を表わしている。したがって、ローパスフィルター5
a,5b,5cにてキャリアである多数の縞の信号をカットす
れば、干渉計で参照面を傾けないで正確にアライメント
を行って粗く干渉縞を出した状態と等価な画像が得られ
る。
像信号は参照画像メモリ3a,3b,3cの参照画像信号とそれ
ぞれ乗算器4a,4b,4cで画像間の乗算演算がおこなわれ
る。この演算により空間周波数の低い一種のモアレ縞が
発生するが、このモアレ縞は被測定画像の縞の曲がり具
合を表わしている。したがって、ローパスフィルター5
a,5b,5cにてキャリアである多数の縞の信号をカットす
れば、干渉計で参照面を傾けないで正確にアライメント
を行って粗く干渉縞を出した状態と等価な画像が得られ
る。
【０００７】このとき基準としている参照画像メモリ3
a,3b,3cの参照画像中の縞の初期位相が先述したように
π/4、3π/4、5π/4ずれているために、ローパスフィルタ
ー5a,5b,5cを通って得られた粗く干渉縞を出した状態に
相当する画像も初期位相がπ/4、3π/4、5π/4ずれてい
る。
a,3b,3cの参照画像中の縞の初期位相が先述したように
π/4、3π/4、5π/4ずれているために、ローパスフィルタ
ー5a,5b,5cを通って得られた粗く干渉縞を出した状態に
相当する画像も初期位相がπ/4、3π/4、5π/4ずれてい
る。
【０００８】求めたい干渉縞の位相分布をφ(x,y) とす
ればそれぞれの画像は
ればそれぞれの画像は
【０００９】
【数１】 と表わされるから、 (S1-S2)/(S2-S3)=Sinφ(x,y)/Cos φ(x,y)=Tan φ(x,y) ・・・(4) φ(x,y) = Tan-1{(S1-S2)/(S2-S3)} ・・・(5) の演算を行うことにより位相分布が計算出来る。したが
って、式(4) の演算を減算器6a,6b と除算器7 で行い、
式(5) の演算を非線形演算器 8で行えば求めたい位相分
布φ(x,y) が出力として得られることになる。
って、式(4) の演算を減算器6a,6b と除算器7 で行い、
式(5) の演算を非線形演算器 8で行えば求めたい位相分
布φ(x,y) が出力として得られることになる。
【００１０】本方式は1 枚の干渉縞原画像から位相分布
が求まるため、測定中の機械振動、空気揺らぎなどに強
いという特徴をもっている。
が求まるため、測定中の機械振動、空気揺らぎなどに強
いという特徴をもっている。
【００１１】また、本方式は参照画像メモリ3a,3b,3cに
単純な直線の縞ではなく、所定の演算によって計算され
た曲線パターンを記録しておけば非球面形状のヌルテス
トも可能となる特徴を持っている。
単純な直線の縞ではなく、所定の演算によって計算され
た曲線パターンを記録しておけば非球面形状のヌルテス
トも可能となる特徴を持っている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
例では、非球面量の大きな被測定面を測定するとき、物
体光の空間周波数帯域幅が広くなるために、物体光帯域
幅と搬送波周波数の和である最大空間周波数は非常に高
くなる。ところが、干渉縞を検知する2 次元撮像デバイ
ス(CCD) の画素密度の制限により、高い周波数成分の画
像すなわち細かい縞は検出不能となってしまうという問
題がある。
例では、非球面量の大きな被測定面を測定するとき、物
体光の空間周波数帯域幅が広くなるために、物体光帯域
幅と搬送波周波数の和である最大空間周波数は非常に高
くなる。ところが、干渉縞を検知する2 次元撮像デバイ
ス(CCD) の画素密度の制限により、高い周波数成分の画
像すなわち細かい縞は検出不能となってしまうという問
題がある。
【００１３】例えば、説明を簡単にする為に非球面最周
辺部における球面からのずれ量がδの円錐状非球面量を
もつ被測定面を波長λの球面波の光で干渉測定する場
合、アライメントが完全ならば図6(A)に示すように半径
あたりの縞密度が δ/(λ/2) （本／半径） の同心円干渉縞が発生する。そして、参照面または被測
定面を傾斜させることにより撮像面のX 方向に搬送波を
乗せてゆくと、同図(B) の状態を経て、半径あたりの縞
密度がローパスフィルターで区別できる最低搬送波周波
数P(本／半径）以上となる同図(C) の状態まで面を傾斜
させなければならない。
辺部における球面からのずれ量がδの円錐状非球面量を
もつ被測定面を波長λの球面波の光で干渉測定する場
合、アライメントが完全ならば図6(A)に示すように半径
あたりの縞密度が δ/(λ/2) （本／半径） の同心円干渉縞が発生する。そして、参照面または被測
定面を傾斜させることにより撮像面のX 方向に搬送波を
乗せてゆくと、同図(B) の状態を経て、半径あたりの縞
密度がローパスフィルターで区別できる最低搬送波周波
数P(本／半径）以上となる同図(C) の状態まで面を傾斜
させなければならない。
【００１４】この時、最も周波数の高いところの半径あ
たりの縞密度は、 fmax=2×δ/(λ/2)+P （本／半径） となる。具体的な数値を代入して計算して見る。
たりの縞密度は、 fmax=2×δ/(λ/2)+P （本／半径） となる。具体的な数値を代入して計算して見る。
【００１５】円錐状非球面量δ=5μm 干渉計の波長λ=633nm 最低搬送波周波数 P=10（本／半径） とすれば、δ/(λ/2) = 16（本／半径）となり、fmax=2
×16＋10=42 （本／半径）となる。今、縦横の画素数が
600 ×600 画素の2 次元撮像デバイスを用いてλ/20 の
精度で測定する必要がある場合、許容される最大空間周
波数は flimit< 600/20=30 （本／半径） となり、fmax>flimit であるから、λ/20 の必要精度が
保証されなくなってしまうという問題が発生する。
×16＋10=42 （本／半径）となる。今、縦横の画素数が
600 ×600 画素の2 次元撮像デバイスを用いてλ/20 の
精度で測定する必要がある場合、許容される最大空間周
波数は flimit< 600/20=30 （本／半径） となり、fmax>flimit であるから、λ/20 の必要精度が
保証されなくなってしまうという問題が発生する。
【００１６】逆にλ/20 の必要精度を保証するためには
1 方向について42×20=840画素以上の高密度2 次元撮像
デバイスが必要となり、更に膨大なデータを処理するた
めに処理系に多大の負荷がかり、装置コストも高くする
という問題があった。
1 方向について42×20=840画素以上の高密度2 次元撮像
デバイスが必要となり、更に膨大なデータを処理するた
めに処理系に多大の負荷がかり、装置コストも高くする
という問題があった。
【００１７】本発明の目的は、位相シフト電子モアレ法
を用いた干渉計測装置において、搬送波を乗せて干渉縞
密度が高くなる方向に高分解能で測定画像を検出でき、
しかも全体のデータ数を従来のものより増やさず、処理
系の負荷が従来と変わらない干渉計測装置の提供であ
る。
を用いた干渉計測装置において、搬送波を乗せて干渉縞
密度が高くなる方向に高分解能で測定画像を検出でき、
しかも全体のデータ数を従来のものより増やさず、処理
系の負荷が従来と変わらない干渉計測装置の提供であ
る。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明の干渉計測装置
は、 （１−１） 干渉計により多数の干渉縞を発生させて空
間的な搬送波を生じせしめた被測定干渉縞画像を2 次元
撮像デバイスを介して入力し、該被測定干渉縞画像と該
搬送波の空間周波数とほぼ等しい周波数の干渉縞をも
ち、且つ夫々初期位相の異なる複数の参照画像との演算
によって該被測定干渉縞画像の位相分布を得る位相シフ
ト電子モアレ法を用いた干渉計測装置において、該2 次
元撮像デバイスの撮像面の縦横サイズは異なり、該被測
定干渉縞画像を偏倍手段により該撮像面上に縦横の結像
倍率を変えて投影していること等を特徴としている。
は、 （１−１） 干渉計により多数の干渉縞を発生させて空
間的な搬送波を生じせしめた被測定干渉縞画像を2 次元
撮像デバイスを介して入力し、該被測定干渉縞画像と該
搬送波の空間周波数とほぼ等しい周波数の干渉縞をも
ち、且つ夫々初期位相の異なる複数の参照画像との演算
によって該被測定干渉縞画像の位相分布を得る位相シフ
ト電子モアレ法を用いた干渉計測装置において、該2 次
元撮像デバイスの撮像面の縦横サイズは異なり、該被測
定干渉縞画像を偏倍手段により該撮像面上に縦横の結像
倍率を変えて投影していること等を特徴としている。
【００１９】特に、 （１−１−１） 前記偏倍手段は前記被測定干渉縞画像
を前記撮像面の長手方向に短手方向の結像倍率より大き
い結像倍率で投影している。 （１−１−２） 前記偏倍手段は円筒レンズ及び／又は
円筒ミラーレンズを有す る。（１−１−３） 前記偏倍手段はトーリックレンズ
又はトーリックレンズと円筒ミラーレンズを有する。 （１−１−４） 前記偏倍手段はアナモフィックプリズ
ムペアである。こと等を特徴としている。
を前記撮像面の長手方向に短手方向の結像倍率より大き
い結像倍率で投影している。 （１−１−２） 前記偏倍手段は円筒レンズ及び／又は
円筒ミラーレンズを有す る。（１−１−３） 前記偏倍手段はトーリックレンズ
又はトーリックレンズと円筒ミラーレンズを有する。 （１−１−４） 前記偏倍手段はアナモフィックプリズ
ムペアである。こと等を特徴としている。
【００２０】更に、本発明の干渉計測装置は、 （１−２） 干渉計により多数の干渉縞を発生させて空
間的な搬送波を生じせしめた被測定干渉縞画像を2 次元
撮像デバイスを介して入力し、該被測定干渉縞画像と該
搬送波の空間周波数とほぼ等しい周波数の干渉縞をも
ち、且つ夫々初期位相の異なる複数の参照画像との演算
によって該被測定干渉縞画像の位相分布を得る位相シフ
ト電子モアレ法を用いた干渉計測装置において、該2 次
元撮像デバイスの撮像面の縦横サイズは異なり、該撮像
面は該干渉計の光軸に対して垂直な面より該撮像面の長
手方向に傾いていること等を特徴としている。
間的な搬送波を生じせしめた被測定干渉縞画像を2 次元
撮像デバイスを介して入力し、該被測定干渉縞画像と該
搬送波の空間周波数とほぼ等しい周波数の干渉縞をも
ち、且つ夫々初期位相の異なる複数の参照画像との演算
によって該被測定干渉縞画像の位相分布を得る位相シフ
ト電子モアレ法を用いた干渉計測装置において、該2 次
元撮像デバイスの撮像面の縦横サイズは異なり、該撮像
面は該干渉計の光軸に対して垂直な面より該撮像面の長
手方向に傾いていること等を特徴としている。
【００２１】
【発明の実施の形態】図1 は本発明の実施形態1 の要部
概略図である。同図において、１は2 次元画像検出手段
であり、例えば電荷結合素子(CCD) を2 次元撮像デバイ
スとするCCDカメラで構成し、干渉縞画像を入力する。
本実施形態のCCD はその単一の画素セルがほぼ正方形で
あり、受光面の縦横の寸法及び縦横の画素数が大きく異
なるものを用いている。 2は1 画面分のビデオ信号を抽
出する画像入力手段、12は該ビデオ信号を時間的平均
化、空間的平均化、背景ノイズ除去等の前処理を行うと
ころの前処理手段、3a、3b、3cは1 画面分の参照画像情
報を記憶する参照画像メモリ、4a,4b,4cは画像間の乗算
を高速に行う乗算器、5a,5b,5cは画像中の低い周波数成
分の縞のみを通過させるローパスフィルター(LPF) 、6
a,6b は画像間の減算を高速に行う減算器、 7は画像間
の除算を高速に行う除算器、8 は Tan-1を計算する非線
形演算器またはルックアップテーブル、 9は処理画像を
表示するモニタ、10は画像データを処理したりシステム
管理を行うコンピュータ、11は縦横比を補正して自然な
画像を出力するための偏倍補正回路、15は位相の不連続
を解消する位相つなぎ演算器である。
概略図である。同図において、１は2 次元画像検出手段
であり、例えば電荷結合素子(CCD) を2 次元撮像デバイ
スとするCCDカメラで構成し、干渉縞画像を入力する。
本実施形態のCCD はその単一の画素セルがほぼ正方形で
あり、受光面の縦横の寸法及び縦横の画素数が大きく異
なるものを用いている。 2は1 画面分のビデオ信号を抽
出する画像入力手段、12は該ビデオ信号を時間的平均
化、空間的平均化、背景ノイズ除去等の前処理を行うと
ころの前処理手段、3a、3b、3cは1 画面分の参照画像情
報を記憶する参照画像メモリ、4a,4b,4cは画像間の乗算
を高速に行う乗算器、5a,5b,5cは画像中の低い周波数成
分の縞のみを通過させるローパスフィルター(LPF) 、6
a,6b は画像間の減算を高速に行う減算器、 7は画像間
の除算を高速に行う除算器、8 は Tan-1を計算する非線
形演算器またはルックアップテーブル、 9は処理画像を
表示するモニタ、10は画像データを処理したりシステム
管理を行うコンピュータ、11は縦横比を補正して自然な
画像を出力するための偏倍補正回路、15は位相の不連続
を解消する位相つなぎ演算器である。
【００２２】又、101 は光源であるところのレーザー、
102 は集光レンズ、 103は偏光方位により光を透過した
り反射したりする偏光ビームスプリッタ、104 は直線偏
光を円偏光に変換するλ/4板、105 は拡散光を平行光に
変換するコリメータレンズ、106 は集光レンズ、 107は
参照面となるTS面、108 は被測定物、108aは被測定面、
109は干渉縞像をCCD 上に投影する結像レンズである。
この中には光軸を含み互いに直交する2 面内の焦点距離
が異なる偏倍光学系 (偏倍手段) を備えている。111 は
被測定物 108を載置し測定光に対する位置合わせを行う
多自由度ステージである。以上の各要素101〜107,109,1
11 等は干渉計100 の一要素を構成している。
102 は集光レンズ、 103は偏光方位により光を透過した
り反射したりする偏光ビームスプリッタ、104 は直線偏
光を円偏光に変換するλ/4板、105 は拡散光を平行光に
変換するコリメータレンズ、106 は集光レンズ、 107は
参照面となるTS面、108 は被測定物、108aは被測定面、
109は干渉縞像をCCD 上に投影する結像レンズである。
この中には光軸を含み互いに直交する2 面内の焦点距離
が異なる偏倍光学系 (偏倍手段) を備えている。111 は
被測定物 108を載置し測定光に対する位置合わせを行う
多自由度ステージである。以上の各要素101〜107,109,1
11 等は干渉計100 の一要素を構成している。
【００２３】本実施形態の作用を説明する。本実施形態
において、被測定物108 は多自由度ステージ111 上に載
置され、適切なアライメントがなされているものとす
る。この状態で、光源101 から射出した可干渉性の高い
紙面に平行な直線偏光のレーザー光は、集光レンズ102
で一旦集光したのち拡散光束となり、偏光ビームスプリ
ッタ(PBS) 103 に入射する。
において、被測定物108 は多自由度ステージ111 上に載
置され、適切なアライメントがなされているものとす
る。この状態で、光源101 から射出した可干渉性の高い
紙面に平行な直線偏光のレーザー光は、集光レンズ102
で一旦集光したのち拡散光束となり、偏光ビームスプリ
ッタ(PBS) 103 に入射する。
【００２４】この発散光束は紙面に平行な直線偏光であ
るため、PBS103をそのまま透過し、λ/4板104 の作用で
円偏光に変換された後、コリメータレンズ105 にて口径
の大きな平行光に変換され、集光レンズ106 に入射す
る。この光束は、集光レンズ106 中で収束光束となり、
光の波面と面形状が極めてよく一致するように作られて
いるTS面107 を透過して被測定物108 に向かう。ところ
がTS面 107は意図的に反射防止膜をコートしておらず、
通常3〜5%程度の光を反射させるので、入射光の一部は
たどってきた光路を戻り参照光となる。
るため、PBS103をそのまま透過し、λ/4板104 の作用で
円偏光に変換された後、コリメータレンズ105 にて口径
の大きな平行光に変換され、集光レンズ106 に入射す
る。この光束は、集光レンズ106 中で収束光束となり、
光の波面と面形状が極めてよく一致するように作られて
いるTS面107 を透過して被測定物108 に向かう。ところ
がTS面 107は意図的に反射防止膜をコートしておらず、
通常3〜5%程度の光を反射させるので、入射光の一部は
たどってきた光路を戻り参照光となる。
【００２５】一方被測定物108 に向かった光束はやはり
光の波面形状と概略一致する被測定面108aで正反射さ
れ、被測定光としてたどってきた光路を戻る。
光の波面形状と概略一致する被測定面108aで正反射さ
れ、被測定光としてたどってきた光路を戻る。
【００２６】参照光、被測定光の2 つの光束は再びλ/4
板104 に戻り円偏光が直線偏光に変換されるが、最初の
偏光方位とは90゜偏光方位が回転している。従ってPBS1
03に戻った光は、今度はここで反射され、偏倍結像レン
ズ 109によって、CCD カメラ1のCCD 上に干渉縞の像を
結像する。
板104 に戻り円偏光が直線偏光に変換されるが、最初の
偏光方位とは90゜偏光方位が回転している。従ってPBS1
03に戻った光は、今度はここで反射され、偏倍結像レン
ズ 109によって、CCD カメラ1のCCD 上に干渉縞の像を
結像する。
【００２７】結像レンズ109 の構成及び作用を説明す
る。図2 は結像レンズ109 とCCD の部分の説明図であ
る。図中、109aは球面レンズ、109bはXZ断面内にのみ正
の屈折力を持つ円筒レンズ、109cはXZ断面内にのみ負の
屈折力を持つ円筒レンズである。
る。図2 は結像レンズ109 とCCD の部分の説明図であ
る。図中、109aは球面レンズ、109bはXZ断面内にのみ正
の屈折力を持つ円筒レンズ、109cはXZ断面内にのみ負の
屈折力を持つ円筒レンズである。
【００２８】2 つの円筒レンズはX 方向のみの焦点距離
を変化させる偏倍結像系を構成し、この方向のみの結像
倍率を変化させ、球面レンズ109aによりx 方向、Y 方向
共に同じ倍率で結像されるべき干渉縞像を図2 のように
縦横共にCCD の撮像面一杯に投影する。これによって、
長手方向には従来よりも高分解能な撮像が可能となるの
である。なお、本明細書においては光軸を含み互いに直
交する2 平面内の倍率を異ならしめて投影することを "
偏倍投影" と呼ぶこととする。
を変化させる偏倍結像系を構成し、この方向のみの結像
倍率を変化させ、球面レンズ109aによりx 方向、Y 方向
共に同じ倍率で結像されるべき干渉縞像を図2 のように
縦横共にCCD の撮像面一杯に投影する。これによって、
長手方向には従来よりも高分解能な撮像が可能となるの
である。なお、本明細書においては光軸を含み互いに直
交する2 平面内の倍率を異ならしめて投影することを "
偏倍投影" と呼ぶこととする。
【００２９】以上の作用により、被測定面108aのアライ
メントを適切に行えば2 つの光の波面はほぼ一致して干
渉縞の像が撮像面をフルに利用して2 次元画像検出手段
1 で取り込まれて観測される。
メントを適切に行えば2 つの光の波面はほぼ一致して干
渉縞の像が撮像面をフルに利用して2 次元画像検出手段
1 で取り込まれて観測される。
【００３０】非球面の測定にあたっては、参照面107 ま
たは被測定面108aを動かして一致した波面を故意にずら
し、該CCD の長手方向(X方向) に干渉縞密度が高くなる
ような搬送波を与える。この干渉縞を多数含む画像は、
画像入力手段2 で1 画面分の情報が抽出され、前処理手
段12でバックグラウンド除去などの処理を受け、被測定
画像として出力される。
たは被測定面108aを動かして一致した波面を故意にずら
し、該CCD の長手方向(X方向) に干渉縞密度が高くなる
ような搬送波を与える。この干渉縞を多数含む画像は、
画像入力手段2 で1 画面分の情報が抽出され、前処理手
段12でバックグラウンド除去などの処理を受け、被測定
画像として出力される。
【００３１】一方参照画像メモリ3a,3b,3cにはあらかじ
めコンピュータ10の演算処理により設計非球面と最も近
似する球面で作る干渉縞パターンにCCD 長手方向の傾斜
干渉縞パターンを重畳させた理論上の干渉縞パターン
(参照画像) に相当する情報を書き込んである。ただ
し、各参照画像メモリ3a,3b,3cの参照画像の縞の初期位
相はそれぞれπ/4、3π/4、5π/4ずれている。
めコンピュータ10の演算処理により設計非球面と最も近
似する球面で作る干渉縞パターンにCCD 長手方向の傾斜
干渉縞パターンを重畳させた理論上の干渉縞パターン
(参照画像) に相当する情報を書き込んである。ただ
し、各参照画像メモリ3a,3b,3cの参照画像の縞の初期位
相はそれぞれπ/4、3π/4、5π/4ずれている。
【００３２】前処理手段12から出力される被測定画像情
報は参照画像メモリ3a,3b,3cの参照画像情報とそれぞれ
乗算器4a,4b,4cで画像間の乗算演算がなされる。この演
算により空間周波数の低い一種のモアレ縞が発生する
が、このモアレ縞は被測定画像縞の理想曲線からのずれ
具合を表わしている。したがって、ローパスフィルター
5a,5b,5cにて搬送波である多数の縞の信号をカットすれ
ば、干渉計で被測定面をヌルテストしている状態と等価
な画像が得られる。
報は参照画像メモリ3a,3b,3cの参照画像情報とそれぞれ
乗算器4a,4b,4cで画像間の乗算演算がなされる。この演
算により空間周波数の低い一種のモアレ縞が発生する
が、このモアレ縞は被測定画像縞の理想曲線からのずれ
具合を表わしている。したがって、ローパスフィルター
5a,5b,5cにて搬送波である多数の縞の信号をカットすれ
ば、干渉計で被測定面をヌルテストしている状態と等価
な画像が得られる。
【００３３】したがってローパスフィルター5a,5b,5cの
うちのいずれかからの出力信号を偏倍補正回路11を通し
て被測定画像の縦横比を本来の比率に復元した後モニタ
9 上に表示させると、あたかも完全にアライメントして
干渉縞を見ているかの如き画像が表示され、作業者は非
球面を意識しないで設計形状からの誤差を干渉縞パター
ンとして認識できる。
うちのいずれかからの出力信号を偏倍補正回路11を通し
て被測定画像の縦横比を本来の比率に復元した後モニタ
9 上に表示させると、あたかも完全にアライメントして
干渉縞を見ているかの如き画像が表示され、作業者は非
球面を意識しないで設計形状からの誤差を干渉縞パター
ンとして認識できる。
【００３４】さて、基準としている参照画像メモリ3a,3
b,3cの参照画像の縞の初期位相が先述したようにπ/4、3
π/4、5π/4ずれているために、ローパスフィルター5a,5
b,5cを通って得られるモアレ縞画像も初期位相がπ/4、3
π/4、5π/4ずれている。
b,3cの参照画像の縞の初期位相が先述したようにπ/4、3
π/4、5π/4ずれているために、ローパスフィルター5a,5
b,5cを通って得られるモアレ縞画像も初期位相がπ/4、3
π/4、5π/4ずれている。
【００３５】求めたいモアレ縞の位相分布をφ(x,y) と
すればそれぞれの画像は、
すればそれぞれの画像は、
【００３６】
【数２】 と表わされるから、 (S1-S2)/(S2-S3)=Sinφ(x,y)/Cos φ(x,y)=Tan φ(x,y) ・・・(9) φ(x,y) = Tan-1{(S1-S2)/(S2-S3)} ・・・(10) の演算を行うことにより求めたい位相分布φ(x,y) が得
られる。
られる。
【００３７】したがって、式(9) の演算を減算器6a,6b
と除算器7 で行い、式(10)の演算を非線形演算器 8で行
えば求めたい位相分布φ(x,y) が出力として得られる。
と除算器7 で行い、式(10)の演算を非線形演算器 8で行
えば求めたい位相分布φ(x,y) が出力として得られる。
【００３８】さらに、位相つなぎ演算器15で位相分布の
不連続を解消することで、位相分布が滑らかな3 次元的
な波面形状データとしてコンピュータ10に送られ、適切
なデータ解析が可能となる。
不連続を解消することで、位相分布が滑らかな3 次元的
な波面形状データとしてコンピュータ10に送られ、適切
なデータ解析が可能となる。
【００３９】本実施形態において、縦横比の異なるCCD
として350 ×1000画素を用いたとすると、従来例の問題
点で指摘した例と同じ 円錐状非球面量δ=5μm 干渉計の波長λ=633nm 最低搬送波周波数P=10 (本／半径） の測定を行った場合、横方向の最大発生周波数fmax=42
であるからλ/20 の精度で測定する必要があるときの必
要画素数は42×20=840であり、このCCD の横方向画素数
1000以下である。また、縦方向の必要画素数は16×20=3
20であり、このCCD の縦方向画素数350 以下である。し
たがって所望の精度で測定でき、しかも全体のデータ数
は350 ×1000＝350000個であり、従来の正方形CCD の場
合の 600×600=360000とほぼ同じのままであるため、従
来の処理系の負担と変わらない。
として350 ×1000画素を用いたとすると、従来例の問題
点で指摘した例と同じ 円錐状非球面量δ=5μm 干渉計の波長λ=633nm 最低搬送波周波数P=10 (本／半径） の測定を行った場合、横方向の最大発生周波数fmax=42
であるからλ/20 の精度で測定する必要があるときの必
要画素数は42×20=840であり、このCCD の横方向画素数
1000以下である。また、縦方向の必要画素数は16×20=3
20であり、このCCD の縦方向画素数350 以下である。し
たがって所望の精度で測定でき、しかも全体のデータ数
は350 ×1000＝350000個であり、従来の正方形CCD の場
合の 600×600=360000とほぼ同じのままであるため、従
来の処理系の負担と変わらない。
【００４０】本実施形態の偏倍投影の手段は円筒レンズ
であったが、円筒ミラーを用いる反射光学系で偏倍投影
することも可能である。
であったが、円筒ミラーを用いる反射光学系で偏倍投影
することも可能である。
【００４１】また偏倍投影の手段を、円筒レンズ、ミラ
ーと同様の働きをするトーリックレンズ、ミラーを用い
て構成することも可能である。
ーと同様の働きをするトーリックレンズ、ミラーを用い
て構成することも可能である。
【００４２】図3 は本発明の実施形態2 の要部説明図で
ある。本発明の主眼とするところは、電子モアレ法が必
要とする縞密度に縦横の差があることに着目し、処理系
の負荷の大きくない位相シフト電子モアレ法を用いた干
渉計測装置を実現することにあり、その達成手段として
縦横の画素密度及び撮像面の縦横寸法が大きく異なる2
次元撮像デバイスの上に測定画像を偏倍投影することで
縦横方向それぞれについて最適の干渉縞情報を得ようと
するものである。
ある。本発明の主眼とするところは、電子モアレ法が必
要とする縞密度に縦横の差があることに着目し、処理系
の負荷の大きくない位相シフト電子モアレ法を用いた干
渉計測装置を実現することにあり、その達成手段として
縦横の画素密度及び撮像面の縦横寸法が大きく異なる2
次元撮像デバイスの上に測定画像を偏倍投影することで
縦横方向それぞれについて最適の干渉縞情報を得ようと
するものである。
【００４３】本実施形態は実施形態1 に対して結像レン
ズ109 と2 次元画像検出手段1 の構成のみが異なってい
る。本実施形態の結像レンズ109 は球面レンズのみで構
成し、2 次元画像検出手段1 へ向けて縦横の結像倍率が
等しい干渉縞像を投影する。そして本実施形態の2 次元
画像検出手段1 はそのCCD を図3 に示すように干渉計の
光軸に対し傾斜して配置している。
ズ109 と2 次元画像検出手段1 の構成のみが異なってい
る。本実施形態の結像レンズ109 は球面レンズのみで構
成し、2 次元画像検出手段1 へ向けて縦横の結像倍率が
等しい干渉縞像を投影する。そして本実施形態の2 次元
画像検出手段1 はそのCCD を図3 に示すように干渉計の
光軸に対し傾斜して配置している。
【００４４】図3 に示すようにCCD の撮像面を光軸に対
しXZ面内でθの傾斜角をつけて設置することにより、傾
斜をつけないY 方向と該撮像面の長手であるX'方向との
偏倍比は 1:1/cosθ となる。θを適切に選べば干渉縞像を撮像面のX'方向、
Y 方向共に一杯の大きさで投影することができる。
しXZ面内でθの傾斜角をつけて設置することにより、傾
斜をつけないY 方向と該撮像面の長手であるX'方向との
偏倍比は 1:1/cosθ となる。θを適切に選べば干渉縞像を撮像面のX'方向、
Y 方向共に一杯の大きさで投影することができる。
【００４５】本実施形態は2 次元撮像デバイスの撮像面
を干渉計の光軸に対して垂直な面より該撮像面の長手方
向に傾けて配置すると言う簡単な方法によって2 次元撮
像デバイスの縦横方向それぞれについて最適の干渉縞情
報が得られ、従来の処理系と負荷が変わらない干渉測定
装置が得られる。
を干渉計の光軸に対して垂直な面より該撮像面の長手方
向に傾けて配置すると言う簡単な方法によって2 次元撮
像デバイスの縦横方向それぞれについて最適の干渉縞情
報が得られ、従来の処理系と負荷が変わらない干渉測定
装置が得られる。
【００４６】図4 は本発明の実施形態3 の偏倍手段の説
明図である。本発明の主眼とするところは、電子モアレ
法が必要とする縞密度に縦横の差があることに着目し、
処理系の負荷の大きくない位相シフト電子モアレ法を用
いた干渉計測装置を実現することにあり、その達成手段
として撮像面の縦横寸法が大きく異なる2 次元撮像デバ
イスを用いて、その上に測定画像を偏倍投影することで
縦横方向それぞれについて最適の干渉縞情報を得ようと
するものである。
明図である。本発明の主眼とするところは、電子モアレ
法が必要とする縞密度に縦横の差があることに着目し、
処理系の負荷の大きくない位相シフト電子モアレ法を用
いた干渉計測装置を実現することにあり、その達成手段
として撮像面の縦横寸法が大きく異なる2 次元撮像デバ
イスを用いて、その上に測定画像を偏倍投影することで
縦横方向それぞれについて最適の干渉縞情報を得ようと
するものである。
【００４７】本実施形態は実施形態1 に対して結像レン
ズ109 の構成のみが異なっている。本実施形態の結像レ
ンズ109 は図4 に示すように球面レンズ109aとXZ断面内
でくさび形状を有するプリズム120aとXZ断面内でプリズ
ム120aと反対の向きのくさび形状を有するプリズム120b
から構成している。この1 組のプリズム120a,120b は夫
々Y 軸に平行な軸を中心として回転可能であり、2 つの
プリズムの角度を適切に調節することにより偏倍率 (XZ
面内の結像倍率／XY面内の結像倍率) を無段階に調節可
能な所謂アナモフィックプリズムペアを構成しており、
これが本実施形態の偏倍光学系 (偏倍手段) である。
ズ109 の構成のみが異なっている。本実施形態の結像レ
ンズ109 は図4 に示すように球面レンズ109aとXZ断面内
でくさび形状を有するプリズム120aとXZ断面内でプリズ
ム120aと反対の向きのくさび形状を有するプリズム120b
から構成している。この1 組のプリズム120a,120b は夫
々Y 軸に平行な軸を中心として回転可能であり、2 つの
プリズムの角度を適切に調節することにより偏倍率 (XZ
面内の結像倍率／XY面内の結像倍率) を無段階に調節可
能な所謂アナモフィックプリズムペアを構成しており、
これが本実施形態の偏倍光学系 (偏倍手段) である。
【００４８】2 つのプリズムはXZ面内の結像倍率を変化
させ、球面レンズ109aによりx 方向、Y 方向共に同じ倍
率で結像されるべき干渉縞像を図4 のように縦横共にCC
D の撮像面一杯に投影する。これによって、長手方向に
は従来よりも高分解能な撮像が可能となるのである。
させ、球面レンズ109aによりx 方向、Y 方向共に同じ倍
率で結像されるべき干渉縞像を図4 のように縦横共にCC
D の撮像面一杯に投影する。これによって、長手方向に
は従来よりも高分解能な撮像が可能となるのである。
【００４９】本実施形態は偏倍光学系にアナモフィック
プリズムペアを組み込むと言う簡単な方法によって2 次
元撮像デバイスの縦横方向それぞれについて最適の干渉
縞情報が得られ、従来の処理系と負荷が変わらない干渉
測定装置が得られる。
プリズムペアを組み込むと言う簡単な方法によって2 次
元撮像デバイスの縦横方向それぞれについて最適の干渉
縞情報が得られ、従来の処理系と負荷が変わらない干渉
測定装置が得られる。
【００５０】以上の各実施形態は、位相シフト電子モア
レ法で用いる干渉縞密度に縦横の差があることに着目
し、その達成方法として撮像面の縦横寸法が大きく異な
る2 次元撮像デバイスを用いて、その長手方向に測定画
像を拡大して偏倍投影することにより、搬送波を乗せて
干渉縞密度が高くなる方向に高分解能で測定画像を検出
でき、しかも全体のデータ数を従来のものより増やさ
ず、処理系の負荷が従来と変わらない干渉計測装置とな
っている。本発明の干渉計測装置では低コストでもって
非球面量の大きなレンズやミラーの形状計測が可能であ
る。
レ法で用いる干渉縞密度に縦横の差があることに着目
し、その達成方法として撮像面の縦横寸法が大きく異な
る2 次元撮像デバイスを用いて、その長手方向に測定画
像を拡大して偏倍投影することにより、搬送波を乗せて
干渉縞密度が高くなる方向に高分解能で測定画像を検出
でき、しかも全体のデータ数を従来のものより増やさ
ず、処理系の負荷が従来と変わらない干渉計測装置とな
っている。本発明の干渉計測装置では低コストでもって
非球面量の大きなレンズやミラーの形状計測が可能であ
る。
【００５１】
【発明の効果】本発明は以上の構成により、位相シフト
電子モアレ法を用いた干渉計測装置において、干渉縞パ
ターンを検出する2次元撮像デバイスとして撮像面の縦
横寸法が大きく異なるものを用いて、その長手方向に被
測定干渉縞画像を拡大して偏倍投影することにより、搬
送波を乗せて干渉縞密度が高くなる方向に高分解能で測
定画像を検出でき、しかも全体のデータ数を従来のもの
より増やさず、処理系の負荷が従来と変わらない干渉計
測装置を達成する。
電子モアレ法を用いた干渉計測装置において、干渉縞パ
ターンを検出する2次元撮像デバイスとして撮像面の縦
横寸法が大きく異なるものを用いて、その長手方向に被
測定干渉縞画像を拡大して偏倍投影することにより、搬
送波を乗せて干渉縞密度が高くなる方向に高分解能で測
定画像を検出でき、しかも全体のデータ数を従来のもの
より増やさず、処理系の負荷が従来と変わらない干渉計
測装置を達成する。
【図１】 本発明の実施形態1 の要部概略図
【図２】 実施形態1 の結像レンズ109 とCCD の部分の
説明図
説明図
【図３】 本発明の実施形態2 の要部説明図
【図４】 本発明の実施形態3 の偏倍手段の説明図
【図５】 従来の位相シフト電子モアレ法を用いた干渉
計測装置の要部概略図
計測装置の要部概略図
【図６】 従来の干渉計測装置の問題点の説明図
1 2 次元画像検出手段 2 画像入力手段 3a,3b,3c 参照画像メモリ 4a,4b,4c 乗算器 5a,5b,5c ローパスフィルター 6a,6b 減算器 7 除算器 8 非線形演算器 9 モニタ 10 コンピュータ 11 偏倍補正回路 15 位相つなぎ演算器 101 光源 103 偏光ビームスプリッタ 104 λ/4板 107 TS面 108 被測定物 109 結像レンズ 109a 球面レンズ 109b,109c 円筒レンズ 111 多自由度ステージ 120a,120b アナモフィックプリズムペア
Claims (6)
- 【請求項１】 干渉計により多数の干渉縞を発生させて
空間的な搬送波を生じせしめた被測定干渉縞画像を2 次
元撮像デバイスを介して入力し、該被測定干渉縞画像と
該搬送波の空間周波数とほぼ等しい周波数の干渉縞をも
ち、且つ夫々初期位相の異なる複数の参照画像との演算
によって該被測定干渉縞画像の位相分布を得る位相シフ
ト電子モアレ法を用いた干渉計測装置において、 該2 次元撮像デバイスの撮像面の縦横サイズは異なり、
該被測定干渉縞画像を偏倍手段により該撮像面上に縦横
の結像倍率を変えて投影していることを特徴とする干渉
計測装置。 - 【請求項２】 前記偏倍手段は前記被測定干渉縞画像を
前記撮像面の長手方向に短手方向の結像倍率より大きい
結像倍率で投影していることを特徴とする干渉計測装
置。 - 【請求項３】 前記偏倍手段は円筒レンズ及び／又は円
筒ミラーレンズを有することを特徴とする請求項１又は
２の干渉計測装置。 - 【請求項４】 前記偏倍手段はトーリックレンズ又はト
ーリックレンズと円筒ミラーレンズを有することを特徴
とする請求項１又は２の干渉計測装置。 - 【請求項５】 前記偏倍手段はアナモフィックプリズム
ペアであることを特徴とする請求項１の干渉計測装置。 - 【請求項６】 干渉計により多数の干渉縞を発生させて
空間的な搬送波を生じせしめた被測定干渉縞画像を2 次
元撮像デバイスを介して入力し、該被測定干渉縞画像と
該搬送波の空間周波数とほぼ等しい周波数の干渉縞をも
ち、且つ夫々初期位相の異なる複数の参照画像との演算
によって該被測定干渉縞画像の位相分布を得る位相シフ
ト電子モアレ法を用いた干渉計測装置において、 該2 次元撮像デバイスの撮像面の縦横サイズは異なり、
該撮像面は該干渉計の光軸に対して垂直な面より該撮像
面の長手方向に傾いていることを特徴とする干渉計測装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27156396A JPH1096603A (ja) | 1996-09-20 | 1996-09-20 | 干渉計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27156396A JPH1096603A (ja) | 1996-09-20 | 1996-09-20 | 干渉計測装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1096603A true JPH1096603A (ja) | 1998-04-14 |
Family
ID=17501832
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27156396A Pending JPH1096603A (ja) | 1996-09-20 | 1996-09-20 | 干渉計測装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1096603A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4880860B2 (ja) * | 2000-08-11 | 2012-02-22 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 光学的測定装置 |
| JP2012145377A (ja) * | 2011-01-07 | 2012-08-02 | Mitsutoyo Corp | 斜入射干渉計 |
| CN106768890A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-05-31 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 用于调制传递函数检测的灰度余弦分布光学目标模拟装置 |
| JP2017150981A (ja) * | 2016-02-25 | 2017-08-31 | パナソニックヘルスケアホールディングス株式会社 | 分光装置 |
-
1996
- 1996-09-20 JP JP27156396A patent/JPH1096603A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4880860B2 (ja) * | 2000-08-11 | 2012-02-22 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 光学的測定装置 |
| JP2012145377A (ja) * | 2011-01-07 | 2012-08-02 | Mitsutoyo Corp | 斜入射干渉計 |
| JP2017150981A (ja) * | 2016-02-25 | 2017-08-31 | パナソニックヘルスケアホールディングス株式会社 | 分光装置 |
| CN106768890A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-05-31 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 用于调制传递函数检测的灰度余弦分布光学目标模拟装置 |
| CN106768890B (zh) * | 2016-12-28 | 2018-10-23 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 用于调制传递函数检测的灰度余弦分布光学目标模拟装置 |
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