JPS6350709A - シェアリング干渉計装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、被測定波面を２つに分け、それらを横ずれさ
せた状態で重ね合わせることによって、被測定物体の表
面状態等の光学的測定を行うシェアリング干渉法に関す
るものである。

［従来の技術］ 光の干渉現象を利用して被測定物体における表面状態等
を光学的に測定するために、種々の干渉法が用いられる
か、このうちシェアリング干渉法は、被測定波面に対す
る干渉を行わせるために参照波面を必要としないので、
非球面物体を高精度に測定する際等に好適に用いられて
いる。

かかるシェリング干渉法を実施するために、例えば、第
４図に示したような構成を有する干渉装置が従来から用
いられている。

図中において、１は光源としてコヒーレントなレーザ光
束を照射するレーザ光源、２は表面形状等を光学的に測
定する対象としての被測定物体、３はＣＣＤ　（電荷結
合素子）等からなるエリアセンサをそれぞれ示す。レー
ザ光源１から照射されたレーザ光束はコリメータレンズ
４によって平行光にされて、被測定物体２に向けて照射
されるようになっている。この被測定物体２からの反射
光の光路を２つに分割した上て相互に重ね合わせるため
に、ハーフミラ−等からなるビームスプリッタ５，６．
７が設置されると共に、反射鏡８が設けられており、前
述の反射光はビームスプリッタ５によって反射鏡８を介
する光路Ａと、ビームスプリッタ６を介する光路Ｂとに
分割され、ビームスプリッタフにおいて重ね合わされて
、エリアセンサ３に入射されるようになっている。そし
て、光路Ａにおける波面を光路Ｂにおける波面に対して
横ずらし、即ちシェアリングさせるために、当該光路Ａ
における反射ｆｉ８とビームスプリッタ７との間の位置
には平行平面板９か設置されており、この平行平面板９
を光路Ａに対して所定角度傾けることによって、この光
路Ａにおける波面を、光路Ｂにおける波面に対して、該
平行平面板９の傾き角度に応じた量だけシェアリングさ
せることができるようになっている。

ここで、この干渉装置は、前述したシェアリング干渉法
とプリンシスキャン干渉法とを組合わせたもので、この
フリンジスキャンを行わせるために、反射鏡８には圧電
素子等のアクチュエータからなる光路長微調整手段１０
が連結されており、該光路長機３Ｉ整手段１０によって
反射鏡８は図中に矢印で示した方向に所定のピッチ間隔
で往復移動せしめることかできるようになっている。な
お、図中１１は投光レンズ、１２は結像レンズをそれぞ
れ示す。

前述のようにして構成される干渉装置によって波面の干
渉を行わせるには、平行平面板９を所定角度傾けた状態
に保持し、レーザ光源１からコヒーレントなレーザ光束
をコリメータレンズ４、ビームスプリッタ６．５及び投
光レンズ１１を介して被測定物体２に向けて照射する。

この被測定物体２の被検面２ａからの反射光は投光レン
ズ１１を通過してビームスプリッタ５によって２つの光
路Ａ、Ｂに分割される。光路Ａに沿って進行する光束は
平行平面板９で横ずらしされて、光路Ｂから送られる光
束とビームスプリッタ７で重ね合わせられることにより
、光路Ａにおいて前述のようにシェアリングされた波面
が光路Ｂからの波面に対して干渉することになり、この
両波面の重なり合いに基づいて、エリアセンサ３におい
て干渉縞の結像か行われることになる。この干渉縞は、
シェアリングによる横ずらしを受けた波面と横ずらしを
受けない波面との差であり、被測定波面の微分に相当す
るものであって、このようにして得られた干渉縞情報を
解析すれば、被測定物体２の表面形状等の測定を行うこ
とができる。

そこで、フリンジスキャンの手法によって、光路長微調
整手段１０を作動させて、光路Ａの光路長を変化させる
ことにより、当該光路Ａに位相差δを与えるようにする
。この位相差δは、レーザ光の波長を入としたときに、 δ＝入ｉ／Ｎ　　（ｉ　＝０．１，２．・・・Ｎ−１）
を満たすようにＮ段階で変化させるようになし、干渉縞
における光の強度ＩＪを８回測定し、測定結果にｃｏｓ
　（２ｗ　ｉ／Ｎ）とｓｉｎ　（２ｗ　ｉ／Ｎ）の重み
をかけて加算したものの比を取り、これのｊａｎ−’を
計算することによって、被測定波面のそれぞれ位置にお
ける位相φ　（ｘ　、ｙ）を解析することができるよう
になる。

即ち、 ・・・　（Ａ） これが被測定物体２の干渉縞情報であり、従って、この
演算結果を積分すれば、被測定波面の形状か得られるこ
とになる。

［発明が解決しようとする問題点１ ところて、前述したシェアリング干渉を行うに当っては
、光路を２つに分けている関係上両光路間に誤差、即ち
機器上の誤差が生じると正確な干渉縞情報が得られなく
なる。このような機器上の誤差を生じる主な要因として
は、反射鏡８の面の誤差やビームスプリッタ５，６．７
を構成するハーフミラ−の材質内の不拘−及び反射面に
よる誤差等からなる光路Ａと光路Ｂとの間の光路誤差や
各部材の配器誤差に基づいて生じるシェアリング（横ず
らし）、テイルテイング（傾き）誤差等が考えられる。

前述した誤差に基づく測定精度の低下を防止するために
、従来は、反射鏡８やビームスプリッタ５．６．７等の
精度を向上させると共に、これらの配置関係を極めて正
確に行うようにして対処していた。しかしながら、この
誤差は入射させるレーザビームの波長（λ）程度であっ
ても極めて大きな影響を与えることになるために、製品
精度や配と精度の向上には限界があり、前述した如き誤
差を完全には抑制することはできず、高精度な測定が行
うことがてきないといった問題点があった。

そこで、本発明者等は、前述の誤差を除去するために種
々研究を行った結果、前述した光路誤差やシェアリング
誤差か発生すると、シェアリンクを行わない状態におい
ても干渉縞か生じ、この干渉縞に関する情報とシェアリ
ングを行った際において得られる干渉縞情報との間の差
として出力されることになる点に着目して本発明を完成
するに至った。即ち、シェアリングをゼロとした状態に
おいて不可避的に生じる誤差に基づく干渉縞情報をサン
プリングし、然る後に正確に一定賃シエアリングしたと
きに得られる干渉縞情報から前述のシェアリングゼロに
おける干渉縞に関する情報を差し引けば、前述のような
誤差を補正することがてきることになる。

而して、本発明の目的とするところは、シェアリング干
渉による測定を行う装置を構成する上で不可避的に生し
る誤差を有効に補正し、必要とするシェアリンクによる
変化分の情報だけを得ることかできるようにすることに
ある。

Ｌ問題点を解決するための手段］ 前述の目的を達成するために、本発明は、被測定波面と
、それを所定量シェアリングさせた波面との間に干渉を
行わせることにより干渉縞を形成させることによって被
測定物体の光学的測定を行う際において、シェアリング
ゼロの状態における干渉縞情報を作成し、この干渉縞情
報と所定量シェアリングを行った後の干渉縞情報との差
を演算することによって、シェアリングに基づく波面の
変化分に関する情報を得るようにしたことをその特徴と
するものである。

［実施例Ｊ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

まず、第１図に本発明に係るシェアリング干渉法を実施
するためのシェアリング干渉装置の構成を示す。而して
、干渉装置自体の構成は、前述し・た従来技術のものと
格別差異はないので、従来技術と同一または均等な部材
については、同一の符号を付してその説明を省略する。

然るに、シェアリングを行うための平行平面板９にはそ
れを光路Ａに対して正確に直交するシェアリングゼロの
状態と、所定角度傾けたシェアリング状態との間に往復
傾動せしめるモータ２ｏが連結されている。

次に、エリアセンサ３によって受像された干渉縞におけ
る各点の干渉縞の縞強度に関する情報か該エリアセンサ
３によって電気信号に変換されるようになっており、こ
の信号はＣＣＵ　（カラーコントロールユニット）２１
に送られて、３１ｃｃｖｚ１において増幅等の所定の信
号処理されるように構成されている。そして、ＣＣＵ２
１からの出力信号はＡ／Ｄコンバータ２２によってデジ
タル信号に変換されて、このデジタル信号は順次フレー
ムメモリ２３に入力されるようになっている。

前述のフレームメモリ２３の干渉縞に関する光の強度信
号はＣＰＵ２４に伝送される。該ＣＰＵ２４は、刻々入
力される画像信号を取り込むメインメモリ２４ａと、フ
リンジスキャン作動信号を発生するフリンジスキャン信
号発生部２４ｂと、演算処理部２４ｃと、シェアリング
処理信号発生部２４ｄと、減算部２４ｅと、積分器２４
ｆとを備え、これら各部の作動については、制御部２４
ｇからの制御信号に基づいて作動するように構成されて
いる。

而して、フレームメモリ２３から送られる当該の画像信
号の取り込みが完了すると、制御部２４ｇからの制御信
号がフリンジスキャン信号発生部２４ｂに発信されるよ
うになっており、このフリンジスキャン信号発生部２４
ｂからの信号はＤ／Ａコンバータ２５に送られて、この
Ｄ／Ａコンバータ２５の出力信号がコントローラ２６に
入力され、この入力信号に基づいて光路長微調整手段１
０が作動し、フリンジスキャンが順次行われるようにな
っている。そして、このフリンジスキャンか行われる毎
にそれぞれの干渉縞における光の強度に関する情報がメ
インメモリ２４ａに格納されることになる。

前述のフリンジスキャンか（Ｎ−１）回だけ行われた後
に、制御部２４ｇからの信号に基づいて、シェアリング
信号発生器２４ｄからシェアリング信号が発生し、この
シェアリング信号がＤ／Ａコンバータ２７によってデジ
タル化されて、この信号に基づいてモータ駆動回路２８
が作動して平行平面板９を所定量回動させて、シェアリ
ングを行わせることができるように構成されている。

なお、図中２９は、モニタ、プリンタ等からなる形状表
示手段である。

本実施例は前述したような構成を有するもので、次に第
２図に基づいて、その作動について説明する。

まず、初期設定を行い、平行平面板を光路Ａと正確に直
交するシェアリングゼロの状態に保持すると共に、光路
長微調整手段１０を原点位置に保持した状態（ステップ
ｌ）で、レーザ光源１からコヒーレントなレーザ光束を
発生させる。このレーザ光束はコリメータレンズ４によ
って平行光となり、ビームスプリッタ６．５を介して、
投光レンズ１１から被検面２ａの表面に入射されことに
なる。

そして、この被検面２ａからの反射光は、投光レンズ１
１からビームスプリッタ５において分光されて、一部は
光路Ａに向けられると共に、他の一部は光路Ｂに向けら
れることになる。光路Ａに向けられた反射光束は反射鏡
８で反射して、平行平面板９に向けられる。ここで、平
行平面板９は光路Ａに直交する状態となっているので、
光束の横ずらし、即ちシェアリングが行われず、そのま
まビームスプリッタフに送られることになる。−方、光
路Ｂを進む光束はビームスプリッタ６か６９０″光路を
変更し、ビームスプリッタフに向けられる。

従って、該ビームスプリッタフにおいて、光路Ａを介し
て送られる光束の波面と光路Ｂの光束による波面とが相
互に干渉することになるが、機器誤差が全くなくこれら
各光路Ａ、Ｂを介して送られるレーザ光の位相及び振幅
か同一になっていると、格別干渉縞が発生することはな
い。しかしながら、例えば反射鏡８の面における誤差や
、ビームスプリッタ５，６．７の材質に茶杓−及び反射
面の誤差がある場合のように機器誤差があったり、これ
ら及び反射鏡８の配置に誤差があったりすると、あたか
もシェアリングがあったかのようにして、この２つの波
面の間に干渉が生じて、それによる干＃縞か形成される
ことになる。そこで、この干渉縞情報をエリアセンサ３
によって受像させるようにすれば、当該干渉縞の各点に
おける縞強度が電気信号に変換されることになる。そし
て。

ステップ２に示したように。この縞強度に関するアナロ
グ電気信号はＣＣＵ　２１を介してＡ／Ｄコンバータ２
２に送られて、デジタル信号に変換され、フレームメモ
リ２３に取り込まれる。このようにしてフレームメモリ
２３における干渉縞に関する情報の取り込みが完了する
と、このデータは、フレームメモリ２３からＣＰＵ２４
に送られて、そのメインメモリ２４ａに格納されること
になる（ステップ３）。

前述の干渉縞に関する情報の取り込みが完了すると、フ
リンジスキャンが行われるが、このフリンジスキャンは
、光路Ａにおける光路長に位相差δを与えるようにする
もので、このフリンジスキャンはδ＝λｉ／Ｎ　　（ｉ
　＝ロ、１，２．・・・Ｎ−１）を満たすようにＮ段階
の位相を変化δを与えるようにすることによって行われ
る。そこで、ステップ４にあるように、１＝Ｎ−１とな
るまでフリンジスキャンが行われるようになっており、
従って１＝Ｎ−１となるまでは、制御部２４ｇからの制
御信号に基づいてフリンジスキャン信号発生部２４ｂか
らフリンジスキャン信号がコントローラ２５に繰返し入
力され、この制御信号に基づいて、ステップ４にあるよ
うに光路長機：Ａ整装置１０が作動し、フリンジスキャ
ンが行われて、このように順次行われるフリンジスキャ
ンによる干渉縞の線強度に関する情報はフレームメモリ
２３によって取り込まれると共に、この情報のメインメ
モリ２４ａへの格納が行われることになる。

フリンジスキャンの回数がｉ　稍−１回とな、るまで原
綿されて、このフリンジスキャンが完了すると、メイン
メモリ２４ａに格納された線強度情報の読み出しか行わ
れ、演算処理部２４ｃにおいて前述した式（Ａ）に基づ
いて位相φ　（ｘ、ｙ）の演算が行われることになり（
ステップ６）、この演算結果は、ステップ７にあるよう
に、シェアリングゼロ状態での各位置の干渉縞における
位相φ＋　（ｘ　、ｙ）としてメインメモリ２４ａに格
納される。

前述のようにして演算が完了すると、ステップ８にある
ように、シェアリングを行うか否かの判定が行われて、
シェアリングを行う場合には、制御部２４ｇからの制御
信号に基づいて、平行平面板９を駆動する光路長微調整
装置１０を原点位置に復帰させると共に、シェアリング
信号発生部２４からモータ駆動回路Ｚ８にシェアリング
作動信号が発信され、このシェアリング作動信号に基づ
いてモータ２０によって平行平面板９が所定角度傾動せ
しめられて、光路Ａの横すらしか行われる（ステップ９
）。このシェアリングが所定量行われると、前述のステ
ップ１〜５と同様にして、ｉ＝０から１＝Ｎ−１までフ
リンジスキャンを行ってそれぞれの干渉縞情報の取り込
みを行う、然る後に、シェアリング後の状態における位
相φ２（Ｘ、ｙ）の演算が行われ、ステップ７と同様に
シェアリング状態の位相情報がメインメモリ２４ａに格
納される。

前述のようにしてシェアリングゼロ状態における干渉縞
に関する情報とシェアリンク状態の干渉縞に関する情報
とか得られた後に、減算部２４ｅにおいてこれら位相情
報の間の減算が行われる（ステップ１０）。而して、最
初シェアソングゼロ状態における位相φ＋　（ｘ　、ｙ
）に基づいて得られる干渉縞情報Ｌ（ｘ、ｙ）は、 ★＋（ｘ、ｙ）　＝　（Ｗ（ｘ、ｙ）＋δ、（ｘ　、ｙ
）　）−（Ｗ（ｘ＋ｓ、　＋ｙ＋８１）＋８２（ｘ、ｙ
））　”（１）（ここで、δ＋　（ｘ　、ｙ）　、δｚ
（ｘ、ｙ）はそれぞれ光路Ａと光路Ｂとの間の光路誤差
、Ｓ、はシェアリング誤差、　Ｗ（ｘ、ｙ）はシェアリ
ングゼロ時における位相の理論値をそれぞれ示す） て、正確に５またけシェアリングを行った後の状態にお
ける位相φｚ（ｘ、ｙ）に基づいて得られる干渉縞情報
Ｌ（ｘ、ｙ）は、 Ｗ２（ｘ、ｙ）　＝　　（ｗ（ｘ＋ｓｚ、ｙ＋ｓ２）＋
δ＋　（Ｘ　、ｙ）　）−（Ｗ（ｘ＋ｓ、ｔｙ＋ｓ＋）
＋６２（ｘ、ｙ））　　”（２）となって、式（（１）
から式（２）を減算すれば、Ｌ（ｘ、ｙ）−Ｌ（ｘ、ｙ
）＝ （Ｗ（ｘ、ｙ）＋δ＋（ｘ、ｙ））−（Ｗ（ｘ＋ｓ＋、
ｙ＋ｓ＋）÷６２（ｘ、ｙ））−（Ｗ（ｘ、ｙ）＋δＩ
（Ｘ　１３’）−（Ｗ（Ｘ”Ｓ２　＋ｙ”Ｓ２）＋　δ
ｔ（Ｘ、ｙ））＋（★（Ｘ　”　Ｓ　、１　：）’　”
　Ｓ　＋　）÷δ２（ｘ、ｙ））＝　Ｗ（ｘ＋ｓ２．ｙ
＋５２）−Ｗ（ｘ、ｙ）が得られる。従って、この減算
結果は、誤差成分δ＋（ｘ、ｙ）＋　δｚ（ｘ、ｙ）や
Ｓｌを含まない、シェアリングによる変化分に基づく情
報だけの正確なものとなる。

このようにして得た結果をステップ１１において積分器
２４ｆによって積分すると、第３図に示したように被測
定物体２の表面形状か求められ、これを形状表示手段２
９によって表示させることかてきる（ステップ１２）。

而して、前述の被測定物体２の表面形状に関するデータ
は、このシェアリンク干渉法を実施するために構成され
る各機器の誤差の影響を含まないものであるので、この
被測定物体２の表面形状の解析精度か著しく良好となる
。

［発明の効果１ 以上詳述したように、本発明は、シェアリングゼロの状
態の情報からシェアリンク後の状態の情報を差し引くよ
うにしたので、シェアリンク干渉法を実施するための装
置構成に多少の誤差かあっても、この誤差を正確に補正
することがてき、被測定物体の表面状態の解析を高精度
に行うことかてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のシェアリング干渉法を実施するための
装置構成を示す説明図、第２図はフローチャート図、第
３図はシェアリング干渉法の測定例を示す図、第４図は
従来技術によるシェアリンク干渉法を実施するための装
置構成図である。 １：レーザ光源、２：被測定物体、５〜７：ビームスプ
リッタ、８：反射鏡、９：平行平面板、１０：光路長微
調整手段、２０：モータ、２３：フレームメモリ、２４
：ＣＰＵ、２４ａ：メインメモリ、２４ｂ：フリンジス
キャン信号発生部、２４Ｃ：演算処理部、２４ｄ：シャ
リンク信号発生部、２４ｅ：減算部、２４ｆ：積分器、
２４ｇ＝制御部、２６：コントローラ、２８：モータ駆
動回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定波面と、それをシエアリングさせた波面との間に
   干渉を行わせることにより干渉縞を形成させることによ
   り被測定物体の光学的測定を行う際に、シエアリングゼ
   ロの状態における干渉縞情報を作成し、この干渉縞情報
   と所定量シエアリングを行った後の干渉縞情報との差を
   演算することによって、シエアリングに基づく波面の変
   化分に関する情報を得るようにしたことを特徴とするシ
   エアリング干渉法。