JPS6055213A - 波面形状測定装置 - 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、波面形状測定装置に関する。

（従来技術） 形状を測定するべき測定波面と、この波面を光の進行方
向に対して横にずらした参照波面とを作り、一方の波面
を作る光の光路長を変化させて。

両者の干渉領域の各点における１両波面の位相差を測定
し、この位相差を加算して、測定波面の形状を特定する
。波面形状測定方式が意図されている。

第１図は、このような波面形状測定方式？利用した。物
体形状測定装置として、提案されたものの１列を示して
いる。

以下、この装置し１］に即して、波面形状測定方式のあ
らまし？、簡単に説明し、あわせて、本発明により解決
しようとする問題点につき説明する。

第１図において、符号ｌはレーザー光源、符号り、、Ｌ
、はコリメーターレンズ、符号２，３はビームスプリッ
タ−１符号４は平面鏡、符号Ｌ３は照明用のレンズ、符
号５は圧電素子、符号６は平行プレート、符号７はビー
ムスプリッタ−１符号Ｌ４は結像レンズ、符号９はエリ
アセンサー、符号工０は被測定物体を、それぞれ示す。

１／−ザー光源１から放射されたレーザー光は。

コリメーターレンズＬ、、Ｌ２　により平行光束となり
、ビームスプリッタ−２，３を透過したのち、照明用の
レンズＬｓ　’！’透過し、一旦集光したのち。

発散性の光束となって、被測定物体の形状測定面に入射
し、同形状測定面により反射される。この反射光は、レ
ンズＬ３？再度、逆方向へ透過し。

ビームスプリッタ−３により、２光束に分離する。

分離した光束の一方は、ビームスプリッタ−２゜７、結
像レンズＬ、Ｙ介して、エリアセンサー９の受光域にい
たる。分離した光束の他方は、平面鏡４　、　平ｈ　プ
レート６、ビームスプリッタ−７゜結１象レンズＬ、７
へて、エリアセンサー９の受光域にいたる。

今、レンズＬ３と結像レンズＬ４　との系を結１象系と
して、被測定物体１０と、エリアセンサー９の受光域と
を、結（象関係としてむすびつけろと、上記受光域にお
ける各光束の波面形状１ま、被測定物体１０形状測定面
の形状と相似形となる。上記結像系の倍率が、形状測定
面と上記波面形状の大きさの比を与えること）まいうま
でもない。

従って、上記波面形状を測定することにより。

被測定物体１０の形状測定面の形状を、特定することが
できる。

ここで、以下の説明において用いられるいくつかの言葉
につき説明？与えておく。

形状な測定されるべき波面の、波面形状の情報２含む光
であって、未だ２光束に分割されていないものを情報光
と呼ぶことにする。

情報光は、２つの波面を得ろために、２光束に分割され
ろ。この２光束の任意の一方を測定光。

他方？参照光と呼ぶ。そして、測定光の与える波面を測
定波面、参照光の与える波面？参照波面と呼ぶ。

第１図１ｃもどると、被測定物体１０からの反射光は情
報光である。この情報光は、ビームスプリッタ−３によ
り、２光束すなわち測定光と参照光に分離される。いず
れを測定光とよび参照光と呼ぶ力は、全く任意であるが
、ここでは１便宜的に、ビームスプリッタ−３かう、ビ
ームスプリンター２．７．結（’！レンズＬ４ヲへて、
エリア七ンｔ　−９にいたる光ｗ　１ｌｌｌ定光と呼び
、ビームスプリッタ−３から、平面鏡４．平行プレート
６、ビームスプリッタ−７、結１象レンズＬ＜ｋ＞４で
エリアセンサー９にいたる光を参照光と呼ぶことにする
。

参照光は、平行プレート６を透過することにより、その
進行方向が、横方向へ微小距離ずれる。

従って、第２図に示すように、測定光２−１　と参照光
２−２とは、エリアセンサー９の受光域９１上で互いＫ
ずれて重なり合い１重なり合った部分では、干渉による
干渉縞２−３　があられれる。干渉縞２−３　のあられ
れる領域を、干渉領域という。

なお、エリアセンサー９は、受光素子を２次元的にアレ
イ配列した固体撮影素子である。

さて、第２図下部に示すように、測定光の波面すなわち
、測定波面１Ｗ（Ｘ）、参照光の波面。

１−なわち、参照波面を、Ｗ（Ｘ＋Ｓ）と表すことにす
る。Ｓは両波面の横方向のずれ量であって、第１図に即
して云えば、乎イ１プレート６による参照光の横ずれ量
によって定まる。

なお、波面Ｗ　（Ｘ）、　Ｗ　（Ｘ−１−８）シま、本
来、被測定物体１０の形状測定面の形状と、相似的に対
応すべきものであるが、第２図で１″１．、説明？一般
的とするため、一般的な形状が示されている。

さて、測定波面Ｗ　（Ｘ）　と参照波面Ｗ（Ｘ＋Ｓ）と
は、互いに、ずれ量Ｓのため１位相がずれている。

ところで、平面鏡４は圧電素子５の作用によって、鏡面
に直交する方向へ変位し５ろようになっている。これに
より、参照光の光路長を調整しうるようになっている。

平面鏡４をこのように変位させると、参照光は平面鏡４
による反射光の部分が横方向へずれるが、後述するよ５
に、平面鏡４の変位量は、レーザー光の波長の程度の微
小距離であり、従って、平面鏡の変位に起因する参照光
の横すれか、前述のずれ量Ｓに与える影響は無視しつる
。

さて、測定波面Ｗ　（Ｘ）、参照波面Ｗ　＜　Ｘ＋Ｓ　
＞どの間の、位相差を、第２図最下図の如く△Ｗ（Ｘ）
と表す。もちろん、この位相差は、干渉領域においての
み意味を有する。

ところで、この位相差ΔＷ（Ｘ　）は ６ｗ（Ｘ）＝Ｗ（Ｘ＋Ｓ）　−Ｗ（Ｘ）で与えられ、ず
れ量Ｓが小さいときは、Ｓの２次以上の微小頃を切すて
て、 ゛　と与えられろ。従って、α）式が成立つ程度の大き
さに、ずれ量Ｓを設定するならば、測定波面Ｗ凶を実行
することによって、特定することができる。

結局、位相差△Ｗ　（ｘ　）の加算によって５被測定物
体の形状測定面の形状乞特定できるのである。

位相差△Ｗ（Ｘ）’ａ？求めるにシよ、以下の如くする
。

測定光と参照光の光路差ｙｔとすると、エリアセンサー
９の受光域９１　（第２図）上の測定光２−１　は、ａ
を振幅、Ｉを虚数単位、波数に一−λ （λは波長）として、 Ａ（ｘ　）＝ａｅｘｐ　（ｉ２に、　Ｗ（ｘ）’ｌ　（
３）と与えられ、参照光２−２は、ｂを振幅として、Ｂ
　（Ｘ−）−ｓ　）＝ｂ　ｅｘｐ［ｉ２に、　（Ｗ６ｘ
＋ｓ　）＋ｌリ　（４）と与えられる。

これから、干渉領域における、干渉縞２−３の光強度分
布■。（ｘ−２）は、周知の如く、（９ と与えられる。このままでは、とりあつかいが面倒なの
で、（５）式の両辺ｖ　ｃａｔ＋ｂ２）で除して規格化
する。

（６）式を、ｔについてフーリエ変換すると、ξ＝２・
ｋｔ　として。

となる。

（６）式と、（７）式とを比較すると、（６）式は、ｎ
＝２以上の振動成分を含まないから、ｎ＞Ｉの１１に討
一方、（６）式は、△Ｗ　＝　’Ｗ　（ｘ）　−Ｗ　（
ｘ　−１−Ｓ　）であることに着目すると。

Ｉ　（Ｘ＝　１−　）＝１　＋ｒ　ｃｏｓ２に△Ｗ、　
ｃｏｓ２に４＋ｒ　５ｉｎ２に−ΔＷｓｉｎ　２ｋｔ　
（６’ となる。これから。

ａ（、＝＝２．　ａｉ　””γｃｏｓ２にΔｗ、ｂ１＝
γ５ｉｎ２に△Ｗが得られる。従って、 １ ｔ　ａｎ　２に△Ｗ＝　− ａ。

となり、これから１位相差ムＷは。

で与えられる。

ａＩ　ｌｂ＋は、ｎ＞Ｉのｎが全てＯであること、に注
目すると１式（８）　、　（９）から。

ａ、＝　ＪＩ　（Ｘ−ｔ　）　ｃｏｓξｄξ　（８１）
Ｊ　＝５■（ｘ、ｔ）ｓｉｎ、！ｄξ　（９Ｉ）で与え
られる。

この積分は、近似的に以下の如く実行されろ。

すなわち、測定光と参照光との光路差ｔは、先にのべた
ように、圧電素子５によって平面鏡４乞。

）　子５により、平面鏡４をＮ段階に変位させる。

とあられせば、式（８’）、（９’）は、それぞれ、ｊ
＝１ Ｌ　Ｉ　（ｘ、　１」）ｃｏｓ２に勺 ｊ＝ｘ で与えられる。

従って、△Ｗ（Ｘ）′Ｉｒ：得るには１次のようにすれ
ば良い。

すなわち、干渉領域の各点Ｘにおける。光強度１（ｘ−
１ｊ）　’ａ’、エリアセンサー９により測定し、この
測定値にｃｏｓ２ｋｔｊ、　５ｉｎ２ｋｔｊ　Ｙかけて
。

Ｉ　（ｘ−１３）ｃｏｓ２ｋｔｊ＋　Ｉ　（ｘ、１ｊ）
　ｓ＋ｎ２ｋｔｊ　ｋ算出する。圧電素子５による平面
鏡４ＯＮステツプのｘ、　ｔｊ　）　５ｉｎ２ｋｔｊ　
ｋ　４　、’前者で後者を除して、その逆正接関数値ヲ
得、これにｕＫ’かければ１式（１１）％式％ あと（ま、この位相差ΔＷ（ｘ）Ｙ用い、（４式に従っ
て位相差を加算すれば、測定波面Ｗ　（Ｘ）　’ａ’特
定す／ ることかできる。つづいて、平行プレート６を光軸に当
行な軸のまわりに９０度回転させ、測定波面と参照波面
を、Ｘ軸と直交するｙ方向へずらし、ｙ方向に関する同
様の測定を行って、測定波面Ｗ０）ヲ特定しＷ（ｘ）、
Ｗ（ｙ）から、被測定物体１０の形状測定面の形状を特
定することができる。

以上が、波面形状測定方式のあらましである。

例えば１位相差△Ｗ（ｘ）が第３図の上図の如きもので
あったとすれ（／ｆ、これを加算して得られる波面の形
状は、第３図下図の如きものとなる。

第４図に、実際の測定結果の１例？示す。

さて、第１図の波面形状測定装置では、測定光が、ビー
ムスプリッタ−２，７、結１象レンズＬ４を介してエリ
アセンサー９に到り、参照光が平面鏡４．平行プレート
６、ビームスプリッタ−７゜結縁レンズＬ４ヲ介してエ
リアセンサー９に到るようになっているため、測定に際
しては、測定装置に対し、万全の防振対策が必要となる
。すなわち、振動により、測定光、参照光ρ各光路を構
成する光学系の相対的な位置関係がくろうと、測定精度
にただちに悪影響を及ぼすのである。

（目　的） そこで５本発明は、耐振動性にすぐれ、かつコンパクト
な、波面形状測定装置の提供を目的とする。

（構　成） 以下１本発明？説明する。

本発明の波面形状測定装置は、集光レンズと、ハーフミ
ラ−あるいはビームスブリッタート、第１および第２の
平面鏡を有する。

集光レンズは、測定波面の情報を有する情報光を集束さ
せる。

ハーフミラ−Ｊるいはビームスプリッタ−は、集光レン
ズによる集束光束を、集束途上において。

測定光と参照光とに分割する。

第１の平面鏡は、測定光と参照光とに分割された光束の
一方の集束位置において、光束光軸に直交するように配
備される。光束光軸とは、上記集光レンズの光軸を通っ
た光線に合致する光軸をいう・ 第２の平面鏡は、２分割された光束の他方の集束位置に
おいて、光束光軸に対して傾いて配備される。

そして、これら第１ｉよび第２の平面鏡のうちの任意の
一方が、圧電素子により変位させられて、測定光と参照
光の光路長差ｔｙ７変化させろ。

以下、図面を参照しながら、具体的に説明する。

第５図は１本発明の１実施例を示している。なお、繁雑
を避けるため、混同の虞れがないと思わ　゛れるものに
ついては、第１図におけると同一の符号を付した。

図中に新たにあられれた符号につき説明すると。

符号り、は、集光レンズ、符号８　、１１２はビームス
プリッタ−１符号１１は第１の平面鏡、符号１２は第２
の平面鏡を示す。

Ｌ／−ｆ−光源１よりの光は、コリメートレンズＬ、、
Ｌ、により平行光束化され、ビームスプリッタ−１１２
、Ｉ／ンズＬ、７介して、被測定物体１０に照射される
。被測定物体１０からの反射光すなわち情報光は、レン
ズＬ３、ビームスプリッタ−１１２を介して、集光レン
ズＬ、に入射し、同集光レンズＬ、により集束光束とな
ってビームスプリッタ−８に入射し、ビームスプリッタ
−８により、集束途上で２光束に分割され１分割された
光束の一方は。

平面鏡ｌｌ上に、又、他方は平面鏡１２の上にそれぞれ
集束する。

平面鏡１１は、これに入射する集束光束の光束光軸に直
交的である。従って、この平面鏡１１に反射された光は
、入射方向へと進行し、ビームスプリンター８％結像レ
ンズＬ、＆介して、エリアセンサー９に到る。

一方、平面鏡１２は、これに集束的に入射する光の光軸
に対して、微小角θだけ傾いており、従って、この平面
鏡１２による反射光の光軸方向は。

入射光軸に灯し、２ｅだけ傾く。この反射光はビームス
プリッタ−８、結像レンズＬ、７介してエリアセンサー
９にいたる。なお、平面鏡１２における反射点は、結は
レンズＬ４　の焦点となっているので、エリアセンサー
９に入射する測定光と参照光とはともに光軸が平行とな
っている。

上記°説明でわかるように、本発明の装置においては情
報光を測定光と参照光に分けるのは、ハーフミラ−もし
くは、ビームスプリッタ−１この実施例ではビームスプ
リッタ−８により行なわれる。

また、測定波面と参照波面を、光の進光方向に灯して横
方向へずらすのは、第２の平面鏡によって行なわれる。

平面鏡１１は、圧電素子５によって、鏡面に直交する方
向へ変換させられる。

波面形状の測定は、圧電素子５によって光路長を変化さ
せつつ、エリアセンサー９により、干渉領域における各
点の光強度を測定し、その測定値に所定の演算を施して
位相差ΔＷ（Ｘ）Ｙ得（第（１工）式）、これ乞ｉ２）
式に従って加算することにより行なわれろ。Ｙ方向の測
定は、平面鏡１２を、入射光軸のまわりに９０°回転さ
せて、△Ｗ　（ｙ）　’ｊｒ：得、これを加算する。

第６図は１本発明の他の実施例２示す。第５図に示す実
＃Ａ例では、被測定物体１０の形状を、結像関係により
、波面形状として相似的に再現し。

この波面形状を測定することにより、被測定物体の形状
？特定した。第６図に示す実施例では、被検レンズＬに
よる波面の形状そのものを測定する。

これにより被検レンズＬのレンズ機能を容易にチェック
できる。なお、光路長の変化を、第２の平面鏡の変位で
行うこともできる。また、ビームスプリッタ−にかえて
ハーフミラ−を用いろことができることはいうまでもな
い。

（効　果） 以上、本発明によれば、新規な波面形状測定装置を提供
できる。

この波面形状測定装置では、測定光と参照光とが通過す
る光学系の大部分が互いに共通しており。

従って耐振動性に優れ、又、装置全能のコンパクト化が
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は、波面形状測定方式を説明するた
めの図、第５図は本発明の１実施例を示す図、第６図は
１本発明の別実施例を示す図である。 １・・・レーサー光源、Ｌ２．Ｌ３・・・　コリメータ
ーレンズ、　８，１２ｅ−ビームスプリッタ−１Ｌ３・
・・照明用のレンズ。 Ｌ４・１（ｌレンズ、Ｌ、・・・集光１ノンズ、１１・
°・第１の平面鏡、１２・・・第２の平面鏡、　５・・
・圧電素子、Ｌ・・・被検レンズ 第１図 第乙図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 形状を測定すべき測定波面と、この波面を、光の進行方
   向に対して横にずらした参照波面とを作り、一方の波面
   を作る光の光路長を変化させて。 両者の干渉領域の各点における１両波面の位相差を測定
   し、この位相差を加算して、測定波面の形状を特定する
   、波面形状測定方式において。 測定波面の情報？有する情報光を集束させる集光ｌ／ン
   ズと、 この集光レンズによる集束光束？、集束途上において２
   分割するハーフミラ−もしくはビームスプリッタ−と。 上記ハーフミラ−もしくはビームスプリッタ−により２
   分割された光束の一方の集束位置において、光束光軸に
   直交するように配備される第１の平面鏡と。 上記２分割された光束の他方の集束位置において、光束
   光軸に討し傾いて配備される第２の平面鏡とを有し、 上記第１および第２の平面鏡の任意の一方を。 圧電素子によって変位させて、光路長を変化させるよう
   にしたことを特徴とする、波面形状測定装置。