JPS6318207A - 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〕 本発明は、被検面の面形状を測定する装置、特に面形状
が時々刻々変化する動的物体の面形状を高精度に測定出
来る面形状測定装置に関する。

〔従来技術〕

従来から物体の３次元形状や被検面の面形状を測定する
種々の装置があり、被検面又は被検物体の種類や求めら
れる精度に応じて夫々の装置が適用されてきた。

この種の面状測定装置の中で、とりわけ波長オーダの面
形状変化を測定する為には干渉計を利用した装置を用い
るのが一般的であり、フィゾー型、マツハツエンダ−型
、トワイマン型等種々の干渉計を利用した装置が従来か
ら良く知られている。

ここで、第１図〜第３図を用い従来の３次元形状測定装
置の一例として、トワイマン型干渉計による面形状の測
定例を述べる。

第１図はトワイマン型干渉計の概略図を示し、ｌはレー
ザ、２，３はレンズ群で、レーザ１から出射するレーザ
光の光束径を拡大する為にビームエキスパンダー光学系
を構成している。４はハーフミラ−１５はビームエキス
パンダー光学系２．３により平行光束となったレーザ光
を収斂光束に変換する光学系で、平面波が球面波へと波
面変換される。６は被横面、７は平面ミラー、８はハー
フミラ−４により分割され、被検面６及び平面ミラー７
で反射されて再度ハーフミラ−４を介して重ね合わされ
た２光束を後述のスクリーン９に結像する為の結像光学
系、９は前述の如（スクリーンを示し、干渉縞がこの面
に形成されて観察可能となる。

ここで、レーザ１から出射したレーザ光はビームエキス
パンダー光学系２，３を介して光束径が拡大されると共
に平行光束、即ち平面波となる。この平行光束はハーフ
ミラ−４によって２分割され、−方はハーフミラ−４を
通過し他方は反射して９０’光路が変わる。ハーフミラ
−４を通過した光束は光学系５によってその波面を球面
波に変換され収斂光となって被検面６を照射する。被検
面６は頂点近傍の曲率半径と上述の球面波の曲率半径が
大略一致する点に設置されており、これにより所定の曲
率半径を有する球面波の波面と被検面の面形状との相違
がこの曲率半径を基準として最終的に求められることに
なる。尚、この際の球面波を参照球面波Ｒ１所定の曲率
半径を参照曲率半径γ、と以下は記載することにする。

第２図は被検面６による反射波面の形状を示す図で、各
部材は第１図に示す部材と同部材である。図から解る様
に光学系５によって生ずる参照球面波Ｒと被検面６との
光路長差Δが反射波面の形状変化として表われ、この波
面形状は反射による往復分の変化が生じる為に２Δの光
路長差が波面に生ずる。

一方、ハーフミラ−４を反射した光束は平面ミラー７で
全反射されて再びハーフミラ−４に戻り、更に一部の光
束はハーフミラ−４を通過する。従って、前述の反射波
面の内ハーフミラ−４で反射された波面と上述の平面ミ
ラー７からの波面とが重ね合わされて干渉縞を形成する
。

第３図（Ａ）〜（Ｃ）は第１図の干渉計で得られる干渉
縞を基に被検面６の面形状を求める方法を示す模式図で
ある。第３図（Ａ）は干渉縞をＣＣＤ等の撮像素子上に
投影し検出した結果得られた光強度分布であり、第３図
（Ａ）の光強度分布を用いて縞解析を行ない位相差Δφ
を求める。第３図（Ｂ）は第３図（Ａ）の矢印で示すあ
る断面に於ける位相差Δφを示しており、第３図（Ｂ）
のグラフに於ける縦軸は位相差Δφ（即ち前述の光路長
差２Δ）、横軸は第２図に示す様に参照球面波Ｒの曲率
中心を中心として光軸からの回転角θを示している。

従って、被検面の面形状は第３図（Ｃ）に示す様に参照
曲率半径による円弧（図中破線で示す。）からの差Δで
表わされる。尚、この際参照曲率半径γを求める為には
、第２図に示す様に光学系５の焦点位置に被検面６頂点
を一致させて、被検面６の移動量からこの点を原点とし
て求めることが出来る。

以上説明した干渉計を利用した従来の３次元形状測定装
置は、一般に固定された被検面の面形状のみでしか精度
の良い測定が出来ない。例えば、本件出願人による特開
昭６０−８４５０２号公報や特開昭６０−１１１２０１
号公報等に開示される粘弾性体を用いた光学素子の如（
面形状が可変な素子の瞬間的な面形状を測定しようとし
ても、時々刻々と被検面の頂点位置が移動する為に参照
曲率半径γが定まらず、結局被検面の面形状を求めるこ
とが出来なかった。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、動的な表面
形状の測定が可能な、即ち、被検面のある瞬間に於ける
面形状を高精度に測定出来る面形状測定装置を提供する
ことにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る面形状測定装置
は可干渉光束を得る為の光源手段と前記可干渉光束で所
定形状の波面を形成し被検面に指向する光学手段と前記
被検面を介して得られる被検波面の位相を光強度分布に
変換する為の干渉手段と前記被検面の位置を検出する位
置検出手段と前記位置検出手段からの信号により前記被
検波面の波面収差を最小にする調整手段とを有し、前記
被検波面の波面収差が大略最小な状態で被検波面の位相
を光強度分布に変換し、所定時間に於ける前記被検面の
面形状を測定することを特徴とする。

尚、本発明の更なる特徴は以下に示す実施例に記載され
ている。

〔実施例〕

第４図は本発明に係る面形状測定装置の一実施例を示す
概略構成図で、１０．１７はレーザ、１１．　１８はレ
ーザ１０から出射するレーザ光の透過遮断のスイッチン
グを行なう為に配されたＡ１０光変調器、１２．１９は
Ａ１０光変調器１１．　１８からの不要光をカットする
ピンホール、１３．　１５はレンズ群で、レーザ光の光
束径を拡大し且つ平行光束、即ち平面波とするビームエ
キスパンダー光学系を構成する。１４はハーフミラ−１
１６は平面波を球面波に変換する光学系で、実質的に波
面収差が発生しないレンズから成る。２１は光検出器、
２２は反射ミラー、２０．２３はピンホール１９を介し
て得られるＡＦ（オートフォーカス）用レーザ光を受け
るレンズ群での光束径を拡大するビームエキスパンダー
光学系を成す。２４はレンズ群２３を支持する可動ステ
ージで、光軸方向に移動出来る機構を備えている。２５
はハーフミラ−でレーザ１７から出射したレーザ光をハ
ーフミラ−１４へと指向する。２６は偏向ミラー、２７
は被検試料３４の被検面からの反射光を所定の径の平行
光束に変換するレンズ、２８゜３２はハーフミラ−１２
９，３１は反射ミラー、３０は平行平板で、光軸に対し
て傾けて配されている。

尚、本実施例に於いてはハーフミラ−２８，３２、反射
ミラー２９．３１．及び平行平板３０によりマツハツエ
ンダ−型のシェアリング干渉計Ｐを構成している。又、
３３はシェアリング干渉計Ｐで生じた干渉縞を撮像する
撮像装置で、受光面にはＣＯＤ等の撮像素子が配されて
いる。３４は被検試料、３５は被検試料３４を２支持す
る可動ステージ、３６は被検試料の面形状を変化せしめ
るアクチュエータ、３７は可動ステージ２４の移動量を
測長する測長器、３８は可動ステージ３５の移動量を測
長する測長器、３つは撮像装置３３に干渉計部Ｐからの
光束を指向するレンズ、４０は撮像装置３３で得られる
干渉縞の画像データを記憶するフレームメモリ、４１は
フレームメモリ４０にとり込まれた画像データから干渉
縞の位相と次数を計算する為のコンピュータ、Ｐは干渉
計部を示す。

本実施例で用いているシェアリング干渉技術は、被検波
面自体を空間的に横ずらしく５ｈｅａｒ）させて干渉さ
せる方式であり、このシェアリング干渉方式の特徴は例
えば被検面からの反射波面の波面形状の変化が、位相差
（光路長差）にして数１０μｍ以上の大きな場合でも横
ずらし量を適当に調整することで測定し易い干渉稿本数
へ干渉縞を変換出来ることにあり、本発明の如き動的面
形状の測定に際し極めて有効な干渉方式と言える。又、
実際の測定時には横ずらしの他に一方の被検波面に傾き
（ティルト）を与えることでキャリアーを発生させ、干
渉縞の光強度分布を容易に光電変換出来る様にする。

第５図及び第６図はシェアリング干渉方式の原理説明図
で、第５図は本実施例でも用いているマツハツエンダ−
型のシェアリング干渉計の拡大構成図を、第６図は被検
波面を横ずらしして生成した干渉縞の状態を示す模式図
を示す。

図中、５０１はレーザ等の可干渉光源、５０２及び５０
３はレンズで、光源５０１から出射した光束を拡大し且
つ平行光束とするビームエキスパンダー光学系を構成し
ている。５０４はビームエキスパンダー光学系５０２．
　５０３を介して得られる光束を２分割するハーフミラ
−１５０５，５０６はハーフミラ−５０４で分割された
２光束を反射する反射ミラー、５０７は反射ミラーで反
射された夫々の光束を再度重ね合わせる為に配されたハ
ーフミラ−である。ここで、光源５０１から出射した光
束はビームエキスパンダー光学系５０２．５０３で光束
径を拡大され、ハーフミラ−５０４によって透過光と反
射光とに分割される。そして、反射光は反射ミラー５０
６によって全反射されてハーフミラ−５０７へ指向され
、透過光は反射ミラー５０５によって全反射されてハー
フミラ−５０７へ指向され、双方の光束はハーフミラ−
５０７を介して再び重ね合わされることになる。但し、
反射ミラー５０５は測定時に図中の点線位置まで移動せ
しめられ、ハーフミラ−５０４を透過した光束と反射し
た光束とは相対的に横ずれして重なり合う。この様にす
ることでレンズ５０３を通過後の光束の波面形状が重な
り合った部分で生じる干渉縞の形態となって表われ、こ
の干渉縞を測定することで光束の波面形状を求めること
が出来る。第６図はこうして得られる干渉縞を示してお
り、波面Ａと波面ＢとがＳだけ横ずらしくシェア）され
て重なり合い、図示される如き干渉縞が形成されている
。ここで、元の波面、即ちレンズ５０３を通過後の光束
の波面をＷ（γ）（γは空間の任意の位置）とし、干渉
縞の位相をΔφ、横ずらし量をＳとすれば、Ｗ（γ）は で表わすことが出来る。

尚、横ずらしの方向は第５図の如くミラーを移動させた
り、第４図に示す如（平行平板を傾ける等各種方法を用
いることが可能である。又、このシェアリング干渉方式
を適用する干渉計としては、マツハツエンダ−型以外に
も第７図で示す様なトワイマン・グリーンの干渉計やフ
ィゾーの干渉計等各種干渉計を利用出来る。第７図に於
いて、７０２゜７０３はビームエキスパンダー光学系を
成すレンズ、７０４は集光レンズ、７０５．７０６は反
射ミラー、７０７はハーフミラ−を示している。ここで
集光レンズ７０４の焦点位置に反射ミラー７０６が配さ
れて、この反射ミラー７０６を傾けることにより波面の
横ずらしを行なえる。従来技術の項でも述べたが、この
トワイマン・グリーンの干渉計はレンズ７０３を通過し
た光束をハーフミラ−７０７で２分割し、透過光及び反
射光を夫々反射ミラー７０６，７０５で反射して元の光
路を逆行させ、再びハーフミラ−７０７で重ね合わせる
ことにより干渉縞を形成するものであり、可干渉距離の
短い光束を用いても容易に干渉縞を形成出来ることを特
徴としている。

第８図（Ａ）〜（Ｃ）は第４図に示す本実施例に於ける
Ａ１０光変調器１１．　１８の模式的説明図である。Ａ
１０　（Ａｃｏｕｓｔ　　０ｐｔｉｃ）光変調器は第８
図（Ａ）に示す如くテルライトガラスやＴｅＯ２。

ＰｂＭｏ４等の結晶から成る基板８０１に駆動手段８０
２を用いて８０　Ｍ　Ｈｚ程度の超音波による進行波８
０３を発生させ、基板８０１に進行波による位相型の回
折格子を形成させるもので、例えば第８図（Ｂ）。

（Ｃ）に示す様にレーザ光等の光束を基板８０１に入射
させ、駆動０８時に進行波８０３による一次の回折光を
ピンホール１２．１９で選択的に取り出し、駆動ＯＦＦ
時に基板８０１を透過する光を遮断する様に構成する。

従って、駆動手段８０２による駆動の○Ｎ／○ＦＦで光
シヤツターとしての作用を与えることが出来、高速応答
性を有する光変調器である。

次に、第４図で、レーザ１７、Ａ１０光変調器、ピンホ
ール１９、レンズ２０．　２３、光検出器２１、反射ミ
ラー２２により構成されるＡＦ（オートフォーカス）光
学系に関して説明を行う。

第９図（Ａ）〜（Ｃ）は本実施例に於けるＡＦＦ学系の
原理説明図で、第４図と同部材には同符番を符しである
。又、図中ｓ、　ｓ’　、　　ｓ’　は光検出器２１の
受光面上でＡＦ用先光束集光位置、Ｑ、　　Ｑ’　。

Ｑ″′は被検面６の位置を示しており、特にＱ点は合焦
状態に於ける被検面６の位置である。ここで、本実施例
に於るＡＦＦ学系で用いられる光検出器２１の受光面は
２分割センサ、ＰＩＮフォトダイオードアレイ、ＣＣＤ
等の撮像素子で構成されている。

第９図で示される如きＡＦＦ学系で用いられている合焦
信号の検出方式は所謂０ＦＦ−ＡＸＩＳのＡＦ方式と呼
ばれるもので、レンズ２０．２３．　１５．　１６の軸
外をＡＦ用先光束第４図のレーザ１７から出射した光束
）が通過し、被検面６へと指向される。この時、ＡＦ用
先光束系の光軸と交わる点Ｑと被検面６が位置すると、
被検面６で反射された光束は光軸に対して入射光束と対
称な光路を逆進し、レンズ１５、　１６．２３及び反射
ミラー２２を介して光検出器２１の受光面の中心Ｓに集
光する。一方、被検面６がＱ′へ移動する際は受光面上
ではＳ′　に集光し、被検面６がＱ′へ移動する際は受
光面上ではＳ′　に集光する。

第９図（Ｂ）は光検出器２１で得られる出力を示す模式
図で、光検出器２１の受光面が２分割センサであるとす
ると、合焦時の出力Ｓに対し被検面６がＱ′やＱ′に存
する非合焦時の出力はＳ′及びＳ′となる。ここで、図
示する様に２分割センサの一方のセンサからの出力をＤ
ｌ、他方のセンサからの出力をＤ２とすれば、合焦信号
はＤ２−Ｄ、で求められることになり、合焦時の出力は
零となる。

従って、被検面６の光軸方向の位置をＸとし、合焦信号
Ｄ２−Ｄ、との関係を図示すると、第９図（Ｃ）に示す
所謂８字カーブと呼ばれる曲線を描く。依って、この８
字カーブのゼロクロス点を検知することにより合焦検知
が出来ることになる。又、第９図（Ｃ）のグラフから解
る様にゼロクロス点を中心にある範囲内では位置Ｘと合
焦信号Ｄ２−Ｄ、とが線型関係を保有しており、へＦ光
学系による合焦時の光束の集光位置・が既知であれば、
この範囲内に於いて合焦信号Ｄ２−Ｄ、から被検面６の
大略位置Ｘを求めることも可能である。

以上説明した各要素により本実施例に係る３次元形状測
定装置の根幹は構成されているが、実質的に各要素は他
の形式又は変形した態様の要素で構成しても問題はない
。

第４図に戻り、本実施例に係る面形状測定装置の動作原
理を以下に詳述する。尚、説明を解り易（する為に以下
の説明では第１０図も参照して行なう。

ここで、第１０図は本面形状測定装置を用いて測定を行
なう際の手順を示したブロック図である。

最初に、可動ステージ３５を移動させて被検試料３４の
表面の面形状が変化する以前の初期状態に於いて、表面
の平均曲率中心とレンズ１つの焦点位置とを一致させ、
その際の可動ステージ３５の移動量（距離）を測長器３
８で測定する。この時、被検試料３４の面形状は一般に
非球面形状を形成しており、この面形状はシェアリング
干渉方式を用いた干渉計部Ｐによって干渉縞を用いて求
める。

次に、Ａ１０光変調器１１を制御してレーザ１０からの
レーザ光をピンホール１２により遮断し、Ａ１０光変調
器１８を制御してレーザ１７からのレーザ光をピンホー
ル１９を介して出射せしめておく。

ここまでの準備が終了した時点で、アクチュエータ３６
を駆動せしめ、被検試料３４の面形状を変化させる。こ
の時、被検試料３４の被検面で反射されるＡＦ用先光束
光検出器２１で検出し、合焦信号が零になる様に、被検
面の形状変化に伴ってレンズ２３を可動ステージ２４で
移動させ制御する。この際、可動ステージ２４の移動量
が測長器３７で測定され、測定された移動量に関する信
号をもとに被検試料３４を支持する可動７（データ３５
の位置を調整し、常時レンズ１６の焦点位置と被検試料
３４の被検面の平均曲率中心を大略一致させ、被検面を
介して得られる被検波面の波面収差が最小となる様に制
御する。

ここで、被検面のデータを取り込みたい時刻に応じて、
Ａ１０光変調器１８を駆動して所定時間だけ、例えば５
０ｍ５ｅｃの間ＡＦ用先光束ピンホール１９で遮断し、
以下述べる干渉縞形成時にＡＦ用先光束干渉計に入り込
みノイズとなるのを防ぐ。続いて、Ａ１０光変調器１１
を駆動しレーザ１０から出射した光束を所定時間、例え
ば１００μｓｅｃの間被検試料３４に照射し、被検試料
３４で反射した光束をハーフミラ−１４，２５、反射ミ
ラー２６、レンズ２７を介して、ハーフミラ−２８，３
２、反射ミラー２９．３１．から成るシェアリング干渉
計Ｐに導き、瞬間的に干渉縞を撮像装置３３のＣＣＤ上
に結像させる。同時に、フレームメモリ４０に対して画
像取込みトリが−を与える。即ち、所定時間内で形成さ
れた被検試料３４の面形状に対応する波面がシェアリン
グ干渉計Ｐにより干渉縞の光強度分布になり、更にＣＯ
Ｄを成す２次元エリア素子上に電荷分布として形成され
る。フレームメモリ４０ではトリガー信号によりＣＣＤ
からの出力、即ち画像データをメモリ内に取り込み記憶
する。フレームメモリ４０内に記憶された画像データは
コンピュータ４１に転送され、コンピュータ４１内で以
下に述べる方法により被検試料３４の面形状が算出され
る。

第１１図（Ａ）〜（Ｈ）はマイクロコンピュータ１０８
による、画像データを被検試料３４の面形状に変換する
手順の一例を示している。

本発明に於いて、ＣＣＤ上の結像される干渉縞は１００
μｓｅｃ程度の瞬間の画像として得られる為にフリンジ
スキャニング法等の時間的に干渉縞を解析する方法は適
しない。

従って、本実施例では本発明に好適な解析法の一例とし
てフーリエ変換法を用いている。フーリエ変換法とは、
測定する干渉縞にキャリアとしての縞を発生させ、この
縞の光強度分布から得られる画像データをフーリエ変換
し、空間周波数座標軸上でＤＣ成分や光量分布の不均一
性にもとづくノイズ成分を除去した後、実座標軸上に戻
して位相を求めるものである。

第１１図（Ａ）はシェアリングによって生じた干渉縞に
更にティルトを与えてキャリアーを発生させた干渉縞で
ある。この干渉縞の面を（ｘ、　ｙ）座標系にあてはめ
ると、干渉縞の光強度分布ｇ（ｘ＋ｙ）は ｇ　（ｘ、ｙ）　＝ａ　（ｘ、ｙ）　＋ｂ　（ｘ、ｙ）
　ｃｏｓ　［２ｙｒ　ｆｏｘ＋φ（ｘ、ｙ）］　　　−
（１）で表わす事が出来る。ここで、第１１図（Ｂ）に
は干渉縞のあるｌライン上の光強度分布、即ち、例えば
ｇ　（ｘ、　ｈ）　（ｈは定数）を示している。第（１
）式で示す光強度分布は空間周波数ｆ。のキャリア信号
である細かい縞線がφ（ｘ、　　ｙ）によって空間的に
位相変調された結果を示しており、（１）式を変形する
と ｇ　（ｘ、ｙ）　＝ａ　（ｘ、ｙ）　＋Ｃ（ｘ、ｙ）　
ｌ　Ｘｐ　（２π１ｆｏｘ）＋Ｃ”　（ｘ、ｙ）　ｅＸ
ｐ　（−２ｗ　１ｆｏｘ）　　　　　　　　−（２）と
なる。ここで、 Ｃ（ｘ、ｙ）　＝！／Ｈｂ　（ｘ、ｙ）　ｅＸｐ　［ｉ
φ（ｘ、ｙ）］　　　　　　　　　−（３）であり、Ｃ
“（Ｘ＋　　ｙ）は複素共役を示す。

上記（２）式をＸ方向のみ１次元フーリエ変換すると、 Ｇ　（ｆ、ｙ）　＝Ａ　Ｃｆ、ｙ）　＋ｃ　（ｆ−ｆｏ
、ｙ）　＋Ｃ”　（ｆ＋ｆｏ、ｙ）　　　−（４）とな
る。ここで、大文字Ｇ、　　Ａ、　　Ｃ，Ｃ″は空間周
波数スペクトラムを表わす。通常、ａ（ｘ、ｙ）。

ｂ　（ｘ＋　　ｙ）、　φ（ｘ、　ｙ）の変化はキャリ
ア周波数ｆｏより小さい為に、第１３図（Ｃ）に示す様
に高速フーリエ変換によりキャリアー成分とＤＣ成分と
を分離する。ここで、第１１図（Ｄ）の様にキャリアー
成分の−かたまり、例えばＣ（ｆ　　ｆ　ｏ　、ｙ）だ
けを取り出し、ｆｏだけ周波数軸上を原点に向けてシフ
トすることによりＣ（ｆ、ｙ）を得ることが出来る。

このＣ（ｆ、ｙ）を変数ｆに関してフーリエ逆変換を行
なうと、第１１図（Ｅ）に示す様なＣ（ｘ。

ｙ）の複素数データが求まる。更に逆変換されたＣ（ｘ
、　　ｙ）の複素対数を計算すると、ｌ　　ｏｇ　　［
Ｃ（ｘ、ｙ）コ　＝７ｏｇ［シ４ｂ　　（ｘ、ｙ）］　
　＋ｉ　　φ　（ｘ、ｙ）　　　　　　　　・　　　Ｃ
５）となり、位相は実数部と別個に切り離された虚数部
のみから求まる。第１１図（Ｅ）で示される如くφ（ｘ
、　　ｙ）は−π〜πまでの主値域内で２πの位相とび
を有する形で求まる為、これにオフセット位相φ０を加
え、 φｃ　（ｘ、い＝φｄ　（ｘ、ｙ）＋φ０（Ｘ、い　　
　　　−（６）とし、ｋ番目のサンプル点に於て △φｄ　（ｘｋ、ｙ）　＝φｄ　（ｘｋ、ｙ）−φｄ　
（ｘｋ−＋、ｙ）　　　　−（７）を求め、絶対値が２
π以上の時は位相とびが生じたとして、それ以降の位相
分布に対し一様に２π又は−２πを加えることにより第
１１図（Ｆ）に示す連続的な位相分布、即ちシェアリン
グ波面φＣ（Ｘ。

ｙ）を得る。

この位相分布を前記（１）式に従って積分することによ
り第１１図（Ｇ）に示す波面形状が求まり、この波面形
状は参照球面波からの差Δの２倍である為、結局第１３
図（Ｈ）に示す様に破線で示される参照球面波からの差
として被検試料の面形状が算出される。

以上説明した如き計算処理をコンピュータ４１で行ない
、その処理結果は数値又は画像としてＣＲＴやプリンタ
等によって出力される。

尚、第４図の実施例に於けるシェアリング干渉計では、
波面をシェア（横ずらし）させる方向が一方向のみしか
示されていないが、直交する２方向、即ち第６図で示す
ｘ、　　Ｘ方向に対してシェアさせる如（構成し、第６
図のＸ、Ｘ方向に対してキャリア周波数の縞が流れる方
向をＸ方向に大略平行な状態で与え、この際の干渉縞パ
ターンを同時に取り込むことにより、（ｘ、ｙ）２次元
面の干渉縞パターンで被検面の凹凸を測定することが出
来る。

第１２図はｘ、　　Ｘ方向同時にシェアを行なう様に構
成したシェアリング干渉計の一例を示す概略図である。

尚、この干渉計は第４図の面形状測定装置に於ける干渉
計部Ｐに直接対応させ配置出来るもので、第４図に於け
るレンズ２７以降の光束の進路を詳細に図示している。

図中、第４図と同部材には同符番が符してあり、１２０
．　１２１．　１２４．　１２５゜１３０はハーフミラ
−１１２２，１２８は反射ミラー、１２３．１２９はシ
ェアさせる為の平行平板で、光軸に対してわずかに傾け
ることにより光束をシェアさせることが出来る。尚、平
行平板１２３，１２９は夫々Ｘ方向及びｙ方向に光束を
シェアさせる如く傾けて配されている。又、１２６と１
２８は夫々結像レンズ、１２７と１３２は夫々ＣＣＤ等
の撮像素子を示す。

被検試料３４を介して得られた被検波面は、偏向ミラー
２６、レンズ２７を通り干渉計部Ｐに指向される。被検
波面はハーフミラ−１２０によって２つの光路に分離さ
れた後、夫々の光路に配置されたハーフミラ−１２１，
１２４により夫々の波面が再び２分割される。ハーフミ
ラ−１２１で反射された波面とハーフミラ−１２４で反
射され平行平板１２３によりＸ方向にシェアされた波面
とは、ハーフミラ−１２５、結像レンズ１２６を介して
撮像素子１２７に投影されるっ一方、ハーフミラ−１２
１を透過して反射ミラー１２２で反射された波面とハー
フミラ−１２４を透過して反射ミラー１２８で反射され
平行平板１２９によりｙ方向にシェアされた波面とは、
ハーフミラ−１３０、結像レンズ１３１を介して撮像素
子１３２に投影される。

又、撮像素子１２７及び１３２に投影されＣＣＤ上に形
成された干渉縞には、第４図の実施例同様にキャリアー
が付与されており、同様の手法によって干渉縞の光強度
分布から被波面の位相、即ち、被検試料３４の面形状が
算出される。尚、時間的に変化する被検面のある瞬間の
面形状を測定する際の手順としては第４図の実施例で詳
述した為、ここでは説明を省く、又、キャリアーを付与
する為には一方の波面を傾けてやれば良い。

以上、第１２図に示す様な構成を採ることにより、同時
にＸ１３’方向の位相変化を検出することが出来、測定
時間の短縮化が図れる。

第１３図は本発明に係る面形状測定装！の他の実施例を
示す図で、シェアリング干渉計をトワイマン・グリーン
のタイプで構成した装置を示す。図中、第４図及び第１
０図と同様の部材には同符番を符す。又、１８０．　１
８１．　１８２は反射ミラー、１８３゜１８４はレンズ
、１８５はハーフミラ−１１８６は撮像装置３３からの
干渉縞のモニター、１８７はプリンタ。

ＣＲＴ等の出力装置を示す。

本実施例の装置に於いても、被検試料３４の被検面の位
置情報と干渉計を用いて瞬間的な干渉縞を得、この干渉
縞の光強度分布からある時点での被検面の形状を測定す
る原理は前記実施例と同様である。従って、ここでは測
定法の詳細は省略する。

本実施例に於いて、被検試料３４からの光束をシェア及
びティルトさせる為には反射ミラー１８１又は１８２を
所定量だけ傾ければ良い。又、反射ミラー１８０の反射
率は被検試料３４の反射率と大略等しくしておき、ハー
フミラ−１４を介して重ね合わされる２光束の強度を等
しくするのが干渉縞のコントラスト比を上げる為には好
ましい。

ここで、反射ミラー１８０で反射された光束と被検試料
３４で反射された光束はハーフミラ−１４゜２５、　１
８５及び反射ミラー１８１もしくは１８２、レンズ１８
３．　１８４を介して撮像装置３３の受光面で受光され
る。この際、反射ミラー１８１又は１８２からの反射光
の一方が撮像装置３３に入射しない様に光路上にマスク
等を置いて遮蔽し、上述の２光束による干渉縞を受光面
に形成してモニター１８８で観察することにより、予め
被検試料３４の表面形状の概略を確認できる。当然の事
ではあるがこの場合シェア及びティルトによる干渉縞を
発生させる必要はない。

更に、ハーフミラ−１４と光学系１６との間にマスク等
の遮蔽部材を挿入し、被検試料からの反射光を遮蔽する
ことにより、反射ミラー１８０からの平面波によるシェ
アリング干渉縞が撮像装置３３の受光面に形成される。

この干渉縞は等ピッチのストライブ状の干渉縞であり、
該干渉縞の本数を光強度分布から精確に求めておくこと
により、後に被検試料３４からの反射光によるシェアリ
ング干渉縞を用いて被検試料３４の面形状を測定する際
、干渉縞の光強度分布をもとにコンピュータ４１により
フーリエ変換を行なって位相情報として得る計算プロセ
スでのパラメータとして用いる。

尚、上述のシェアリング干渉縞の本数を精確に求める方
法としては以下の如き方法を用いても構わない。

即ち、シェアリング干渉計Ｐを構成する反射ミラー１８
１，１８２の内、シェアリングの際に傾ける一方の反射
ミラーのあおり角度（傾き角）を正確に測定し、且つこ
の反射ミラーからの反射光がたどる系に於ける光学素子
間、例えば反射ミラー１８２とレンズ１８３、レンズ１
８３とレンズ１８４、レンズ１８４と撮像装置３３の受
光面等の寸法をもとにシェア量を算出し、このシェア量
から干渉縞の本数を知ることが出来る。とりわけ、シェ
アリング干渉縞のシェア量を如何に精確に求めるかによ
り、干渉縞の光強度分布から波面の位相を算出する時の
精度が決まる。

尚、第１３図に於いて、撮像装置３３によって干渉縞パ
ターンを光強度分布に変換し、この光強度分布に関する
画像データを一旦フレームメモリ４゜にとり込んだ後コ
ンピュータ４０で前述の計算処理を行ない被検試料３４
の、ある瞬間に於ける面形状を測定する。ここで得られ
た面形状に関するデータは出力装置１８７によって、画
像もしくは数値データとして出力する。

以下、第４図に示す面形状測定装置を用いて動的面形状
を測定した具体例を示す。

有効径２０φで１秒間に５０ｍｍから３０ｍｍの間で曲
率半径が変化する被検試料３４を用い、可動ステージ３
５に取付けた後、前述の手順で測定を行なった。ここで
、曲率半径が５０ｍｍ〜３０　ｍ　ｍの間で変化したと
しても、第４図に於ける光学系１６と被検面との距離が
常時一定に保たれたまま測定が行なわれる為、シェアリ
ング干渉縞から得られる被検波面の変動成分は、球面（
光学系１６で形成される波面）からのずれ（Ｄｅｖｉｎ
ｔｉｏｎ）量の変動成分のみであり、本具体例では毎秒
数１０μｍ変動する被検波面の読み取りを高精度に行な
った。尚、可動ステージ３５の駆動と測長器３８の測長
精度は１μｍないしサブミクロンのオーダである。

ここで、可干渉光源ＩＯとして５００　ｍ　Ｗのパワー
のＡｒレーザ（波長４８８０人）を用い、Ａ１０光変調
器１１のオープン時間を１ｍ５ｅｃとして干渉縞パター
ンを撮像装置３３にとり込み測定した結果、毎秒平均曲
率半径が５０　ｍ　ｍ〜３０ｍｍに変化する被検面形状
を約０．１μｍの精度で得ることが出来た。

本発明で用いる可干渉光源としては、前述のＡｒレーザ
等のガスレーザの他に、半導体レーザや異波長発振を行
なうゼマンレーザ等を用いることが出来る。とりわけ、
半導体レーザは小型で比較的安価に入手出来る為に有用
であり、電流で駆動出来る為にレーザの発光時間を電気
的に制御することが可能である。従って、第４図の実施
例の如くＡ１０光変調器等のシャッターを用いる必要が
な（構成が簡便となる。更に、撮像素子として代表的な
ＣＣＤは、その感度のピークが近赤外にある為、ＣＯＤ
と組合わせることにより、半導体レーザは測定感度の向
上にも寄与する。

又、ゼマンレーザを用いて、干渉方式として光ヘテロダ
イン方式を用いることにより更に光精度の測定が可能で
ある。尚、光へテロダイン方式や前述のシェアリング干
渉方式以外の、一般の被検波面と参照波面とを重ね合わ
せて干渉縞を形成する方式も本発明に適用可能である。

又、上記実施例では、被検試料の被検面の位置を検出す
る手段として０ＦＦ−ＡＸＩＳ方式のＡＦ光学系を用い
ているが、これ以外の方式、例えば、非点収差法や臨界
角法等を用いた各種ＡＦ光学系、又は被検面を駆動する
アクチュエータ自体を用いることが出来る。

更に撮像装置としてＳＩＴ管（Ｓｉｌｉｃｏｎ　　Ｉｎ
ｔｅｎｓｉｆｉｅｖｔａｒｇｅｔ　　ｔｕｂｅ）を、用
いれば更に測定感度を向上させることが出来る。又、上
記実施例ではＣＯＤ。

撮像管、ＳＩＴ管等で得られる干渉縞パターンを一旦フ
レームメモリに記憶し、その後コンピュータで処理して
いるが、ＣＯＤ、撮像管、ＳＩＴ管等で得られる信号を
直接コンピュータに取り込み（第４図の破線参照）処理
しても構わない。

又、被検波面を得る為の光束とＡＦ用光束との偏光方向
が互いに直交する様にし、偏光ビームスプリッタ−１偏
光板等を用いて光学系を構成することにより、被検波面
から干渉縞を得る際にＡ　Ｆ用光束がノイズ光となるの
を防ぐことが出来、Ａ１０光変調器等の光シヤツターを
除き、例えば撮像装置の駆動のＯＮ、ＯＦＦもしくは撮
像装置の前面にシャッターを配して、所定時間に於ける
被検波面状を測定することも出来る。当然のことながら
、被検波面を得る為の光束を光シヤツター等でスイッチ
ングしても良く、どの場合に於いてもＡＦＦ用光束常時
被検面に指向され、位置情報を検出し続けている。

本面形状測定装置によれば、凸面、凹面等の如何なる面
形状でも測定出来、各種被検面の面形状に従い被検面に
指向する減面形状を変えてやれば、常に精確な測定が可
能である。

又、第４図に於いて、被検波面の波面収差を最小にする
為に、被検試料を載せた可動ステージを移動させ調整し
ているが、例えば、光学系１６を可動にして被検面の曲
率中心と光学系１６の焦点位置とが一致する様に調整し
ても良い。

〔発明の効果〕

以上、本発明に係る面形状測定装置は、時々刻々と変化
する動的面形状のある瞬間、即ち、被検面の所定位置も
しくは所定時間に於ける面形状を高精度且つ高速に測定
することが可能な面形状測定装置である。更に、被検面
から得られる被検波面の波面収差を常時最小に保ったま
ま測定出来る為、より安定した高精度の測定を可能にし
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の面形状測定装置の一例であるトワイマン
型干渉計の概略図。 第２図は被検面による反射波面の形状を示す図。 第３図（Ａ）〜（Ｃ）は第１図の干渉計で得られる干渉
縞から被検面の面形状を求める方法を示す模式図。 第４図は本発明に係る面形状測定装置の一実施例を示す
概略構成図。 第５図及び第６図はシェアリング干渉方式の原理説明図
。 第７図はトワイマン・グリーンの干渉計を示す図。 第８図（Ａ）〜（Ｃ）は第４図の面形状測定装置に於け
るＡ１０光変調器の模式的説明図。 第９図（Ａ）〜（Ｃ）は第４図の面形状測定装置に於け
るＡＦ光学系の原理説明図。 第１０図は第４図の面形状測定装置を用いて測定を行う
際の手順を示すブロック図。 第１１図（Ａ）〜（Ｈ）は画像データを被検試料の面形
状に変換する為の手順の一例を示す図。 第１２図は２次元方向にシェアを行なう様に構成したシ
ェアリング干渉計の一例を示す図。 第１３図は本発明に係る面形状測定装置の他の実施例を
示す概略構成図。 １０．１７・・・レーザ １１、　１８・・・Ａ１０光変調器 １２、　１９・・・ピンホール １３、　１５．　２０．　２３・・・ビームエキスパン
ダー光学系１４、　２５．　２８．　３２・・・ハーフ
ミラ−１６・・・波面変換用の光学系 ２１・・・光検出器 ２２、　２９．　３１・・・反射ミラー２４、　３５・
・・可動ステージ ２６・・・偏向ミラー ２７・・・レンズ ３３・・・撮像装置 ３４・・・被検試料 ３６・・・アクチュエータ ３７、　３８・・・測長器 ３９・・・レンズ ４０・・・フレームメモリ ４１・・・コンピュータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 可干渉光束を得る為の光源手段と前記可干渉光束で所定
   形状の波面を形成し被検面に指向する光学手段と前記被
   検面を介して得られる被検波面の位相を光強度分布に変
   換する為の干渉手段と前記被検面の位置を検出する位置
   検出手段と前記位置検出手段からの信号により前記被検
   波面の波面収差を最小にする調整手段とを有し、前記被
   検波面の波面収差が大略最小な状態で被検波面の位相を
   光強度分布に変換し、所定時間に於ける前記被検面の面
   形状を測定する面形状測定装置。