JPS60196612A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、被測定物の表面形状な干渉測定により測定
するための、表面形状測定装置に関する。

（従来技術） 精密加工技術の発達に伴い、加工部品の形状測定にも高
精度化が要求されてきている。特に光学加工部品、精密
加工部品では、平面１球面、非球面の表面形状の測定Ｖ
ｃｔｉｚめで高い測定精度か要求されるようになってき
ている。

被測定物の非球面の表面形状を高ＩＷ　ｍｌに測定でき
る測定方式として、従来、縞走査／エアリフグ干渉方式
が提案されている。

１・６図は、上記縞走畳ンエアリ／グ干渉方式の光学系
の１例を示している。以下、この例に即して、縞走五ン
エアリノグ干渉方式のあらましについて説明し、あわせ
て、本発明により解決しｊつとする問題点につきのべろ
。

牙３図において、符号１は光源たるレーザー光源、符号
２はコリメーターレンズ、符号６，４゜５はビームスプ
リッタ−１符号６は平面鏡、符号７はコンバーターレン
ズ、符号８は透明な平行平面板、符号９は結像レンズ、
符号１０はエリアセ７サー、符号１１はピエゾ素子、符
号Ｏ○　は被測定物を、それぞれ示す。

レーザー光源１から発せられたコヒーレントな光は、コ
リメーターレンズ２によって所定の光束径の平行光束と
され、ビームスグリツタ−６，４を介し′（コノバーク
ーレ／ズ７Ｖｃ入射し、一旦集束したのち、球面波とし
て発散しつつ、被測定物Ｏｂ　の被測定ｉ？ｉｉ　ｖｃ
入射し、反射される。上記被測定面による反射光は、被
測定面の形状に対する情報な含んでいるので、この反射
光な情報光と称する。

被測定物Ｏｂ　の被測定面に入射１−るときの球面波の
波面’ｌｉ’Ｗｏ＋被測友而をＷｌ　面すれば、上１己
情報光の波面ＷＫ対し、Ｗ　−ｗ（、−ン（Ｗｌ−Ｗｏ
）となる。Ｗｏ　は光学系の設定条件に応じて知られる
から、結局、情報光の被測定面におけろ波面形状Ｗを知
ることにより、被測定面の形状Ｗ１　を知ることかでき
る。

ざて、清報光はコンバーターレンズ７を介して、ビーム
スブリック−４に入射し、このビームスグリツタ−４に
よって２光路に分割されろ。このように２分割された清
報光の任意の一方を測定光、他方な参照元と呼ぶ。ここ
では仮に、ビームスプリッタ−４も・透過する情報光成
分を測定光と呼ぶことにする。測定光は、ビームスグリ
ツタ−６゜５な介して、結［象しノズ９に入射し、エリ
アセンサー１０の受光域上に結１象し、同受光域上に、
情報光の波面Ｗを、所定の倍率で再現１−ろ。

一方、参照元の方は、平面鏡６、平行平面板８、ビーム
スグリツタ−５を介して結像レンズ９に入射し、これま
たエリアセンサー１０の受光域上に結１家し、＠記波面
Ｗを所定倍率で再境才る。平行平面板８は、参照光元軸
に対して１頃いており、参照元は、この平行十囲°板８
を透過すると同平面板８の屈折作用により光軸が、これ
に直交する方向へ微小距離Ｓｏ　だけずれる。このため
、エリアセンサー上で結１象する」１１定光と参照光と
は互いに微小距離Ｓたけずれることになる。この微小距
離Ｓを７エア量という。

そこで、エリアセンサー１０の受光域で測定光により再
現される波面をＷ　（ｘ　）とすわば、参照光［ｊり再
現される波ｒｉｒ　ハ、Ｗ（ｘ　＋　ｓ　）　テア’）
、両波面の位相差すなわち、ΔＷ　（ｘ　）　＝　Ｗ　
（ｚ　＋Ｗ 従って、△Ｗ（ｘ）が知れると、Ｗ（Ｘ）は、５−Ｗ（
ｘ）＝ｆ△ｗ　（ｘ　）　ｄｘすなわち、Ｗ（Ｘ）＝−
ｆ△Ｗ　（ｘ　）　ｄｘ なる演算に、１′って知ることができる。

さて、測定光、参照光はコヒーレントであるから、エリ
アセンサー１０上で互いに重なり合う部分では干渉ＶＣ
Ｘる干渉縞が生ずる。この干渉縞を利用して、上記位相
差へＷ　（ｘ　）を知ることができる。

すなわち、ピエゾ素子１１に印加する電圧を変えること
により参照元光路長を、λ／２Ｎ（λは、光源からの元
の波長）ぎざみで、Ｎ段階変化させる。このように参照
元の光路長を変化させると、それにともなって、エリア
センサー１０上の干渉縞のパター７が変化する。そこで
、光路長が１段階変化するごとに、エリアセンサー１０
上の各点の干渉縞の光強度Ｉ；　（ｘ）　（Ｊ＝＝、　
１〜Ｎ　）を１ｌｌｌｌ定し、次式ｉ／ｃよって、位相
差△Ｗ　（ｘ）　’、ｒ知るのである。

このようにして、位相差△Ｗ　（Ｘ）が知れれば、これ
な積分することにより、波面Ｗ　（Ｘ）を知ることがで
き、この波面形状からｎ、吉局、被（ｌｆ！Ｉ定物の表
面形状を知ることができる。

なお、実１’、’Ａ　ＶＣは、Ｘ方向の７エアリングに
よる測定と、Ｘ方向に直交するＸ方向へのシェアリング
によるｌｌｌｌＩ足とを行ない、副測定結果から総合的
に被測定物の表面形状な時定するのである、以上が、縞
走亘ンエアリノグ干渉方式による表面形状測定のあらま
しである。

縞走査シェアリング干渉方式は５級測定物の表面形状が
平面であれ、球面でおれ、あるいは非球面であれ、ｄ１
１］定が可能である。しかし、この測定方式は、矛１次
測定値として得られるのか、測定対象の微分情報であっ
て、これを積分して初めて、測定すべき表面形状のｈｔ
報が得られる。このため測定すべき表面形状が平面もし
くは球面の場合には、これらも・直接的に測定できる干
渉測定方式、例えばフィゾー型の干渉！１１１１定方式
に比して、縞走育ンエアリ／グ干渉測定力式は若干精度
が劣るへ（目　的） 本発明の目的は、上述したところして′：ｊイみ、非球
面り測定は縞走）〒７エアリ／グ干干渉式で測定でき、
平面１球面の測定は、縞走査フィゾー干渉方式で測定し
つる新規ＩＩ、表面形状測亜装置の提供にある。

（構　成） 以下、本発明を説明する。

本発明の表面形状ｌ１ｌｌ＋定装置は、矛１および牙２
の光学系と、光学系４ｉＩｉ１１手段と、ンヤノターと
へ・有する。

矛１の光学系は、被測定物の表面形状を、縞走査シェア
リング干渉方式で測定するための光学系であって、１例
なあけるならば、牙ろ図の光学系がこれに当る。

矛２の光学系はオプチカルフラットと、このオプチカル
フラットを光軸方向へＸ　ｉ度に変位させるだめの変位
手段とに↓り構成される。オプチカルフラットはハーフ
ミラ−に形成されている。

光学系移動手段は、上６ｄ闘・２の光学系な、刃・１の
光学系の所定の光路部分に出入するための手段である。

舊・２の光学系が出入する、３′１の光学系の所定の光
路部分とは、光源からコノバーターレンズに到る光路と
、清報元光路との共通光路部分でおり、珂・６図の光学
系のＪ＆Ｚ合であれば、ビームスプリッタ−６とコノバ
ークーレ７ズ７との間の′＃Ｓ路がこれにあたる。

またンヤノターは、矛１の光学系における測定光光路お
よび参照元光路のうちの一方を開閉するために用いられ
る。２・３図の光学系に即していうならば、ンヤノター
は、ヒームスグ’）ツタ　４から平面鏡６なべてビーム
スプリンター５にいたる参照元光路上の適当な位置、ま
たは、測定光光路のウチ、ビームスプリッタ−６と５と
の間の適当な位置に設けられ５る。／ヤノクーをビーム
スブリック−６と５の間に配備する場合は、１１２の光
学系の配備位置はビームスブリック−４とコ／バークー
レ／ズ７との間に制限されることに７よる。

以下、具体的な例に即して説明する。

２・１図は、本発明の１実畑例？要部のみ略示している
。ます、各符号の示すところについて説明すると、符号
２１は光源たるガスレーサー）′ｉ：源、符号２２はコ
リメーターレンズ、符号２６はニュートラルプツシティ
フィルター、符号２４はマスク、７９号２５．２９はビ
ームスプリンター、符号２６は矛２の光学系、杓号７７
はフ７バーターレ／ズ、符号２８はリレーレンズ、符号
３［Ｊ、３１はコーナーキューブ、符号６２はピエゾ素
子、符号３６は語源しノズ、狗号６４ハニュートラルデ
／ンナイフィルター、符号３５　はエリアセンサーを、
それぞれ示す。この光学系かＩ−＋２の光学系２６と、
シャッター６６とを除いたものは、］・１の光学系、す
なわち縞走亙ンエアリング干渉方式の測定用光栄系を構
成する。

なお、ニュートラルプツシティフィルター２３゜６４　
のうち、後者すなわちフィルター３４は固定的であるか
、フィルター２６はｎ］動であって、必要に応じて、光
路中に出入することができる。

矛２の光学系はオプチカルフラット２６１と、ピエゾ素
子として構１戊された変位手段２６ンに↓す４Ａ１戊さ
れている。変位手段２６ンは中窒／す７ダー状に形成さ
れている。オブチカルフラ７　ト２７Ｓ１は透　明な平
行平面板であって、ビームスプリッタ−２５の側の面は
ハーフミラ−となっている。オプチカルフラ７１−２６
１は、変位手段２６ノに一体化され、この変位手段２６
２　Ｋ印加される電圧を変えることにまり、オプチカル
フラット２６１が、光軸方向すなわち、ハーフミラ−の
ミラー面に直交する方向へ高精能で変位させられる。

）・２０光学系ン６は、図示さねない光学系移動手段に
より、実＠に示オ態位と破線で示す態位の間を移動でき
るようになっている。光学系移動手段は公知の任意の移
動手段？適宜用いてぼく、移動は手動で行っても、自動
で行っても↓い。

まず、本装置により縞走査／エアリノブ干渉方式の測定
な行なう櫂１合を説明する。このときは。

副・２０光学系２６な、破線で示す態位へ変位させて、
光路上から退避させる。またツヤツク−６６を開放する
。

被測定物Ｏｂ１を図の如くセットして、ガスレーザー光
源２１からレーザー光な放射させる。この元はまず、コ
リメーターレンズ２２により所定の光束径の平行光束と
され、必要に応じてニュートラルテン／ティフィルター
２６により光強度を補正さね、マスク２４ｖｃよって光
束断面形状を整形されたのち、ビームスフ゛リッター２
５．コ／バーターレンズ２７を介して被測定物ｏｂ＋に
入射し、その表面により反射されて１青報ブＣとなり、
コ／バーク−レンズ２７、ビームスグリツタ−２５、リ
レーレンズ２８ケ介してビームスブリック−２９ニ入射
し、このビームスプリッタ−２９により、測定光と参照
元とに分離する。

シャッター３６の配備されている光路を測定光光路と呼
ぶことにすると、測定光は、コーナーキューブ５Ｕで折
り返され、ビームスプリッタ−２９、結（象しノス３３
　、ニュートラルテン／ティフィルター６４を介してエ
リアセンサー３５に入射する。一方、参照光は、コーナ
ーキューブ５１に−ｒり折返され、ビームスブリック−
２９、結像し／ズ６３、ニュートラルテン／ティフィル
ター６４を介して、エリアセンサー３５に入射する。参
照元の波面と測定光り波面とはコーナーキューブ３０．
３１の位善間係により互いに光軸に直交する方向へすれ
ており、エリアセンサー６５で両光束か重なり合う部分
に干渉パター７が生ずる。

ピエゾ素子３２にＪす、参照光光路を微小距離ずつ変化
させて縞走査も・行ない、エリアセンサー６５の出力１
ｆｃ所定の演′Ｊ４ル′癩して、伏測定物Ｏｏ１の表面
形状？判定する。

さて、被測定物Ｏｂ１の表面形状か球面であるとき目１
、ン「ツク−３６な１）１ざし、牙２の光学系２６を２
・１図の実ａにて示す位１ηゴーなわち、牙１の光学系
の光源からコンバーターレンズに到る光路と、情報う“
６光路との共通光路部分に配備する。このよ５Ｖｃｉ−
ると、光学系は全体として縞７Ｌ套フィゾー型干渉測定
装置になる。

ガスレーザー光源２１かもの光は、矛２の光学系２６　
に入射すると、１部がオプチカルフラット２６１のハー
フミラ−虻ぷり反射され、他閣１、オプチカルフラット
２６１ｔ、−透ｊ＆４する。オプチカルフラット２６１
ＶＣ反射された元はフィゾー型干渉１ｉ１１定方式にお
けろ参照用の光となり、その波面は平面である。この参
照用の尤は、ビームスブリック−２５、リレーレンズ２
８、ビームスブリック−２９すへて、コーナーキューブ
５１に入射し、コーナーキューブ３１　に反射されると
、再びビームスプリッタ−２９をへて、結１家レノズ３
０、ニュートラルテン／ティフィルター５４す介してエ
リアセンサー３５に入射−４−る。この参照用の元の、
エリアセンサーｂ５上における波面は平面である。

一方、オプチカルフラ７　）　２４１を透過した光は、
コンバーターレンズ２７のレンズ２７１で発散光束とさ
れ、ついで、レンズ２７２により集束性の光束となって
、被測定物Ｏｎ＋の球ＩＪｉ状の破則定面に入射する。

このとき、上ｉｄ級測定面の曲ギ中ノしに向って、上記
集束性の光束が集束するようにしておく。

被測定物ｏｂ＋による反射光は清峠光となって、コンバ
ーターレンズ２７を逆向きに透過し、さらにオプチカル
フラノ）　２６１に透過して、前述の参照用の元と誼く
同一の光路？たどり、エリアセンサー５５ニいたる。か
くして、エリアセンサー６５上で、１吉報元と参照用の
光とＤ・干渉するので、変位手段２６２　Ｋよりオプチ
カルフラット２６１＆：Ｈす１１方向へ高楯度に変位さ
せて縞走査な行／ｆい、被測定物Ｏｏｊの表面形状の球
ｍ　Ｋを測定する。

牙２図には、被測定物Ｏｂ２の測定すべぎ表１■１形状
が平面である場合の例１う示す。この場合は、コンバー
ターレンズ２７′　が用いられろ。コンバーターレンズ
２ノ′に入射する光は、まずしｙス２７１’にＪ１発発
光光とされ、ついでレンズ２７２′　により平行光求と
されて、被測定物の社訓定面に直交するように入射する
。測定の方法は、先に説明した矛１図に示す例の場合と
同じである。なお、工リアセッサー６５の駆動制御ピエ
ゾ素子６２．変位千股２６２の駆動制御、エリアセッサ
ー３５の出力に対する演算処理部はすべて、マイククコ
／ビューターで行うことができる。

（効　果） 以上、本発明によれば、新規な表面形状１１１１１定ｆ
ｆｄケ提供できる。この測定装置では、測定すべき表面
形状が非球面であるときは、縞走愼／ニアリング干渉方
式で測定でき、また測定すべき表１ｔｉｉ形状が平面２
球面であるときは、縞走予１−フィゾー型干渉方式で測
定できるので、測定すべき表面形状に応じて、會」度艮
＜　６１１１定を行うことかできる。

【図面の簡単な説明】

１・１図は、本発明の１冥殉例の、球面形状４１１１定
時の態僚を示す図５３・２図は、上記実捲例の、平面形
状測定時の態様を示す図、牙ろ図は、縞走歪ノエアリ７
グ干渉方ｉ、ｌＸ、の表面形状測定を説明するだめの図
である。 Ｏｂ、、、Ｏｂｌ　、Ｏｂ２　・・・仮測定物、２１・
・ガスレーザー光源、２２・・コリメーターレンズ、２
６・・ニュートラルデンンティフィルター、２４・・・
マスク、２５゜２９・・・ビームスプリッタ−１２６・
・矛２の光学系、２７・・コリメーターレ／ズ、２８・
・リレーレンズ、３０　。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定物の表面形状？、都走査シェアリング干渉方式で
   測定するための牙１の光学系と、ハーフミラ−に形成さ
   れたオプチカルフラットおよび、このオプチカルフラッ
   トを光軸方向へ高Ｔｈ度に変位させるための変位手段に
   より構成される第２の光学系と。 上記牙１の光学系における、光源からコンバーターレン
   ズへ到る光路と、情報光光路との共通ブＣ路部分に、」
   ＝記牙２の光学系？出入するための、光学系移動手段と
   、 上記牙１の光学系における測定元光路および参照光光路
   のうちの一方を開閉するだめのシャック−とな有する、
   表面形状測定装置。