JPS6318208A - 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できた。

この種の３次元形状測定装置の中で、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ｌ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は被検面、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は前述の如くスクリーンを示し、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９０６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６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ｒ１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性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ＣＯＤ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。）から差Δで表わ
される。尚、この際参照曲率半径ｒ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く
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ｒ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を有し、所定時刻に前記被検波
面の位相を光強度分布に変換し、前記所定の時刻に於け
る前記被検面の面形状を測定することを特徴としている
。

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、即ち平面域とするビームエキ
スパンダー光学系を構成する。１４はハーフミラ−１１
６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、２
２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、そ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のマウントで、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−１２９，３１
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−２
８，３２、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ＣＣＤ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を支持する支持部材、３６は被検試料３４の面形状
を変化せしめるアクチュエーターを示す。

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１０μ、ｍ以上の大きな場合でも
横ずらし量を適当に調節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、ノへ−フミラー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ノ＼
−フミラー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（ｒ）（ｒ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で表わすこ
とが出来る。

尚、横ずらしの方法は第５図の如くミラーを移動させた
り、第４図に示す如く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針を利用出来る。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
／　Ｏ（Ａｃｏｕｓｔ　　０ｐｔｉｃ）光変調器は第８
図（Ａ）に示す如（テルライトガラスやＴ　ｅ　Ｏ２＋
ＰｂＭｏＯ４等の結晶から成る基板８０１に駆動手段８
０２を用いて８０　Ｍ　Ｈｚ程度の超音波による進行波
８０３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ＯＮ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を透過する光は遮断する様構成する。従
って、駆動手段８０２による駆動の０Ｎ１０ＦＦ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ＡＦ光学系の
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用光束の集光位置、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ＡＦ光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ＡＦ光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
光束が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り
２、他方のセンサからの出力をＤ２とすれば、合焦信号
はＤ２−ＤＩ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、ＡＦ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。

以上説明した各画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１０図は本実施例を用いたシステムの構成例を示して
おり、実際の使用時は以下述べる様なシステムとして使
用する可能性が多い。図中、第４図と同部材には同符番
が符されている。１０１は被検試料３４の被検面形状を
変化せしめる被検物駆動コントローラで、アクチュエー
タ３６に接続されている。

１０２はＡ１０光変調器１１．　１８を駆動、即ちレー
ザ光のスイッチングを制御するＡ１０駆動回路、１０３
゜１０４はステージコントローラで、被検試料３４を支
持する支持部材３５及びレンズ２３のマウント２４の移
動コントロールする。１０５は合焦検知系で、光検出器
２１からの出力信号から例えば前述の如き方法により合
焦信号を得る。１０６はカメラコントローラで、撮像装
置３３を駆動制御する。１０７は中央制御回路で本シス
テムの動作を実質的に全てコントロールする。１０８は
マイクロコンピュータで、中央制御回路１０８．フレー
ムメモリ１０９．入力手段であるキーボード１１１や出
力手段であるプリンタ１１０、ＣＲＴ１１２等に連結さ
れ、夫々の要素と所定の信号の送受信を行う。

第１０図に示す如き３次元形状測定システムに於いて、
オペレータは測定に関する種々の指令をキーボード１１
１で入力する。キーボード入力された指令はマイクロコ
ンピュータ１０８を介して中央制御回路１０７へ伝達さ
れて後述の測定が開始される。

最終的にフレームメモリ１０９に取込まれた干渉縞に関
する画像データはマイクロコンピュータ１０８で処理さ
れ、プリンタ１１０やＣＲＴ１１２により出力されるこ
とになる。

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、説明が解り易い様に以下の説
明では第１０図、第１１図、第１２図も参照する。ここ
で、第１１図は測定手順を示すフローチャート図、第１
２図はその際のタイミングチャート図を示す。

最初に、Ａ１０光変調器１１を制御してレーザｌＯから
のレーザ光をピンホールＩ２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。

又、オペレータは被検試料３４をアクチュエータ３６に
取付け、測定の際に用いるべき参照曲率半径ｒをキーボ
ード１１゛から入力する。この時、キーボード１１１か
ら入力された信号を基にマイクロコンピュータ１０８は
中央制御回路１０７へ指令を送り、中央制御回路１０７
から出力された宿号によりステージコントローラ１０４
を介し、キーボード入力された参照曲率半径ｒとなる参
照波面位置にレーザ１７からのＡＦ用光束が集光する様
にレンズ２３のマウント２４を移動させる。尚、この動
作を行なわせる為に予めマウント２４の位置と参照曲率
半径ｒの位置との対応関係は明らかにしておき、所定の
関係に従ってマウント２４を駆動する。

次に、ＡＦ用光束の合焦位置（集光位置）に被検試料３
４の頂点が一致する様に、ステージコントローラ１０３
を介して支持部材３５を移動させる。この際、前述の第
９図を用いて説明した合焦検知方法を使って、合焦検知
系１０５でゼロクロス点を検知するまで支持部材３５の
移動をコントロールする。

ここまでの準備が終了した時点で、被検試料駆動コント
ローラ１０１からの信号によりアクチュエータ３６を駆
動せしめ、被検試料３６の形状を変化させる。被検試料
３６の頂点は形状変化に伴ってその位置を変化させ、合
焦点Ｑと被検試料３６の頂点が一致する毎に合焦、即ち
ゼロクロス点が検知される。又、前述の如くこの系で得
られる信号と被検試料３６の頂点位置とはある範囲内で
線型関係を有しているので、どの頂点位置に於ける被検
試料３６の形状を測定するか、換言すればどの時点の信
号で測定を行うかを予めオペレーターがキーボード１１
１で指示しておく。

合焦検知系１０５を介し予め指示しておいた目的とする
信号が検出される際、Ａ１０光変調器１８を駆動して所
定時間だけ、例えば５０ｍ５ｅｃの間ＡＦ用光束をピン
ホール１９で遮断し、以下述べる干渉縞形成時にＡＦ用
光束が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ｌＯから出射した
光束を所定時間、例えば１００μｓｅｃの間被検試料３
４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゜３２、反射ミラー２９．　３１、平
行平板３０から成るシニアリング干渉計に導き、瞬間的
に干渉縞を撮像装置３３のＣＣＤ上に結像させる。同時
に中央制御回路１０７からフレームメモリ１０９に対し
て画像取込みトリガーを与える。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
リング干渉計により干渉縞の光強度分布になり、更にＣ
ＣＤ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１０９ではトリガー信号によりＣ
ＯＤ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１０９内に記憶された画像デ
ータはマイクロコンピュータ１０８に転送され、マイク
ロコンピュータ１０８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１３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１３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、い
コ　　・　　（１）で表わす事が出来る。ここで、第１
３図（Ｂ）には干渉縞のある１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）
　Ｉ！　Ｘｐ　（２ｒｒ　１ｆｏｘ）十〇”　（ｘ、ｙ
）　ｅＸｐ　（−２ｘ　１ｆｏｘ）　　　　　　　　　
　−（２）となる。ここで、 Ｃ（ｘ、ｙ）　＝ｙ２ｂ　（ｘ、ｙ）　ｅＸｐ　［ｉφ
（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　（ｆ、ｙ）　＋Ｃ（ｆ−ｆｏ、
ｙ）　十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ｒｏ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１３図（Ｄ）の様にキャリアー成
分の−かたまり、例えばＣ（ｆｆｏ、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に関してフーリエ変換を行な
うと、第１３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）］　＝　ｌ　ｏｇ　［３４ｂ
　（ｘ、いコ＋ｉφ（ｘ、ｙ）　　　　”４５）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１３図（Ｅ）で示される如（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＋　ｙ）　＝φｄ　（ｘ、い＋φｏ　（ｘ、　
ｙ）　　　　　　　　−（６）とし、ｋ番目のサンプル
点に於て Δφｄ　（ｘｋ、ｙ）　＝φｄ　（ｘｋ、ｙ）−φｄ　
（ｘｋ−１，ｙ）　　　　・・・（７）を求め、絶対値
が２π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１３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１３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マイクロコンピュータ１０
８で行ない、その処理結果は数値又は画像としてＣＲＴ
１１２、プリンタ１１０によって出力される。

尚、本実施例では合焦検知系１０５から得られる信号に
基づき被検面の位置を検出して干渉縞の検出を行なって
いるが、被検面を変化させる為の駆動系（アクチュエー
タ３６）からの信号に基づき干渉縞の検出を行なっても
良い。

又、可干渉光束を得る為の光源としては、ガスレーザ、
半導体レーザ、マキシマレーザ等各種レーザを使用する
ことが可能で、レーザ光のスイッチングを行なう際の機
構としては、前述のＡ１０光変調器以外にも、Ｅ１０光
変調器やメカニカルな光スィッチが使用出来、又、半導
体レーザ等の様に光源側で光束出射のＯＮ、ＯＦＦを制
御しても構わない。

第１４図は本面形状測定装置の光学系の他の実施例を示
す。図中、第４図と同部材に同符番が符してあり、又、
基本構成は第４図に於ける光学系と同じである。本実施
例に於ける光学系の特徴は光源として半導体レーザ４０
を適用していることにある。

衆知のように半導体レーザ４０の発振波長域は近赤外領
域に存し、又、電流で駆動することが出来る為レーザの
発光時間を電気的に制御出来るという利点がある。従っ
て、第４図の実施例の如（Ａ１０光変調器等のシャッタ
ーを用いる必要がなく構成が簡便になると共に、半導体
レーザ４０自体小型である為に装置のコンパクト化が図
れる。

一方、干渉縞を電気信号に変換する方法としては上述の
様に１次元や２次元のＣＣＤが好適であるが、ＣＯＤの
分光感度は一般的に近赤外にピークを有しており、光源
として半導体レーザ４０を用いることは先負的にも、測
定感度の点から有利となる。

更に、受光素子としてＳＩＴ管（Ｓｉｌｉｃｏｎ　　Ｉ
ｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒＴａｒｇｅｔ　　ｔｕｂｅ）を用
いれば、感度がＣＣＤより２〜３桁近（高い為に更に有
利になる。

第１５図は第４図で示した３次元形状測定装置の変形例
を示す図である。図中、第４図と同じ部材には同符番を
符す。又、４１は偏光ビームスプリッタ−を示し、レン
ズ群１５と光学系１６の平行光束中に配されている。本
実施例に於いては、ＡＦ用光学系を偏光ビームスプリッ
タ−４１を介して装置に組込んでおり、干渉縞形成に使
用されるレーザ１０とＡＦ用のレーザ１７との偏光面が
互いに直交する様に構成されている。即ち、ＡＦ用のレ
ーザ１７から出射するレーザ光はＳ（ｉ光、レーザ１０
から出射したレーザ光はＰ偏光として用いれば、レーザ
１０からの光束は偏光ビームスプリッタ−４１を通過し
、レーザ１７からの光束は偏光ビームスプリッタ−４１
で反射される。従って共通光路を有していても実質的に
２つの光束は分離されており、撮像装置３３にＡＦ用レ
ーザ光が入ることはなく、第４図に於けるＡ１０光変調
器１８やピンホール１９は不要であり、ＡＦ用レーザ光
のスイッチングを行なう機構がなくなり、構成及び測定
時の制御が簡便となる。

第１６図は本発明で用いる干渉計の他の実施例を示す図
である。前記実施例では干渉縞を得る手法としてシェア
リング干渉方式を適用する場合に関して述べているが、
ここでは更に簡便な方式を示す。図中、１７０はレーザ
光を拡大し平行光束にするレンズ、１７１は反射ミラー
で、参照波面を形成する。１７２は被検面６に所定形状
の波面を指向するレンズ、１７３はハーフミラ−１１７
４は集光レンズ、１７５は受光面を示す。

本実施例に係る干渉計は所謂トワイマン型の干渉計であ
るが、ここでは被検面６で反射された光束に対してシェ
アを与えず、即ち被検面から得られる光束自体を横ずら
しすることなく、反射ミラー１７１で反射された参照平
面波とハーフミラ−１７３を介して重ね合わされる。こ
の際、反射ミラー１７１を傾けて参照平面波にティルト
を与え、キャリアーが付与された干渉縞を受光面１７５
上に得ることが出来る。この干渉方式は、特に被検面６
の形状が参照球面波からあまりずれず、波面形状の変化
が例えば２０λ（λは波長）以下程度の場合に有効で、
微小な波面形状変化を検出することが可能である。

第１７図は本発明に係る面形状測定装置の他の実施例を
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、１８０，１８
１，１８２は反射ミラー、１８３゜１８４はレンズ、１
８５．　１８６は夫々支持部材３５及びマウント２４の
移動量を測長する測長器、１８７はハーフミラ−１１８
８は撮像装置３３からの干渉縞のモニターを示す。

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３４０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
８７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。

この干渉縞を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（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マイクロコンピュータ１０
８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。

本発明によれば、凸面や凹面等被検面形状が如何なる形
状でも、その面のある瞬間に於ける面形状を測定出来る
。この際被検面の面形状に従い、第４図に於ける光学系
１６により所定形状の波面を形成する必要があることは
言うまでもない。

又、前記実施例に於けるＡＦ光学系は所謂０ＦＦ−ＡＸ
ＩＳ方式の光学系を用いているが、非点収差方式や臨界
角方式等の各種ＡＦ光学系を適用することが出来る。更
に前述の如（干渉縞パターンを得る為の干渉手段も各種
方式を採ることが可能で、光源にゼマンレーザ等を用い
た光へテロダイン方式でも可能であり、高精度の測定が
可能となる。

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５０　ｍ　ｍ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３５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〜３０ｍｍ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（Ｄｅｖｉａ
ｔｉｏｎ）　ｆｉ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。

ここで、可干渉光源１０として５００　ｍ　’ｖＶのパ
ワーのＡｒレーザ（波長４８８０人）を用い、Ａ　／　
Ｏ光変調器１１のオーブン時間を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５０ｍｍ〜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。

〔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。

【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光学計の原理説明図。 第１０図は第４図の面形状測定装置を用いたシステムの
構成例を示す図。 第１１図は第４図の面形状測定装置を用いて測定を行な
う際の測定手順を示すフローチャート図。 第１２図は第１１図に示す測定手順で測定が行なわれる
際のタイミングチャート図。 第１３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１４図は本発明に係る面形状測定装置の光学系の他の
実施例を示す図。 第１５図は第４図の面形状測定装置の変形例を示す図。 第１６図は本発明に適用される干渉計の他の実施例を示
す図。 第１７図は本発明に係る面形状測定装置の他の実施例を
示す図。 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・・・マウ
ント ２６・・・偏向ミラー ２７・・・レンズ ３０・・・平行平板 ３３・・・撮像装置 ３４・・・被検試料 ３５・・・支持部材 ３６・・・アクチュエータ １０１・・・被検物駆動コントローラ １０２・・・Ａ１０駆動回路 １０３、　１０４・・・ステージコントローラ１０５・
・・合焦検知系 １０６・・・カメラコントローラ １０７・・・中央制御回路 １０８・・・マイクロコンピュータ １０９・・・フレームメモリ １１０・・・プリンタ １１１・・・キーボード ＋１２・・ＣＲＴ 第８図 第９図 （Ａ） （Ｃ）Ｄ′ｌ）ｚ

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変化する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を有し、所定時刻に前記
   被検波面の位相を光強度分布に変換し、前記所定の時刻
   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
   。