WO1999019686A1 - Interferometer - Google Patents
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Abstract
The instability of a signal light beam or a reference light beam in an interferometer is detected and fed back to the interferometer to allow the interferometer to compensate the instability, and the stability is ensured. In an interferometer which measures the information about the displacement of an object (2) which is placed in a light path from a light source (1) which emits a laser beam, incoherent light beam, or the like by using the interference of the light, a phase modulator (3) is provided in the light path to detect the signal light beam and reference light beam. The instability of the light is detected by a photodetector (6) and the detected instability is converted to a voltage or a current through a differential amplifier (7) and the voltage or the current is applied to the phase modulator (3) to stabilize the signal light beam and reference light beam.
Description
¾β 糸田 » ¾β Itoda »
干渉計 技術分野 Interferometer technical field
この発明は被検物体の面精度、 変位等を光の干渉を利用 して 精度良く 計測する光学的干渉計に関するものであって、 信号光 や参照光の不安定度を検出してこれをフ ィ一ドバッ ク させて干 渉計自体で補償し、 安定性を確保する干渉計に関するものであ る。 背景技術 The present invention relates to an optical interferometer that accurately measures surface accuracy, displacement, and the like of a test object by using light interference, and detects instability of a signal light or a reference light and detects the instability. This is related to an interferometer that makes feedback and compensates with the interferometer itself to ensure stability. Background art
従来干渉計は、 高感度のために周囲の振動、 温度変化、 空気 のゆらぎ等による干渉強度の変動を受けやすく 、 そのため温度 コン ト ロールや防振装置を用いてその計測精度を上げている。 Conventional interferometers are susceptible to fluctuations in interference intensity due to ambient vibration, temperature changes, air fluctuations, etc. due to their high sensitivity. Therefore, measurement accuracy is increased by using a temperature control or vibration isolator.
しかしながら これらの温度調整や防振装置は装置が大がかり とな りかつ完全な効果が生じないのが現状である。 そこで干渉 計の内部構造でこれらの振動等を補償する方法があるが、 ミ ラ 一を動かす等の動作を伴い安定化にいまひとつ至らないもので あった。 However, these temperature control and anti-vibration devices are too large and do not produce complete effects at present. Therefore, there is a method of compensating for these vibrations using the internal structure of the interferometer. However, the operation involved in moving the mirror, etc., could not be stabilized.
この発明は上記のよ う な温度調整や防振装置に代えて、 干渉 計における信号光や参照光の不安定度を検出してこれをフィ一 ドバッ ク させて干渉計自体で補償し、 安定性を確保する干渉計 を提供して上記課題を解決する と と もに干渉縞の自動読み取り を可能に した干渉計を提供するものである。 発明の開示 The present invention detects the instability of the signal light and the reference light in the interferometer instead of the temperature adjustment and the vibration isolator as described above, and feeds it back to compensate for the instability of the interferometer itself. It is an object of the present invention to provide an interferometer that ensures the performance and solves the above-mentioned problems, and also provides an interferometer that enables automatic reading of interference fringes. Disclosure of the invention
まず第 1 の発明は、 レーザ一光やイ ンコーヒー レン ト光等か ら成る光源からの光路内におかれた被検物体の変位に関する情 報を、 前記光の干渉を用いて計測する干渉計において、 光路内 に位相変調機を介在させ、 信号光及び参照光を検出してこれら の光の不安定度を検出して これを差動アンプを介して電圧又は 電流に置き換え、 上記位相変調機に当該電圧又は電流を印加さ
せて上記信号光及び参照光を安定化させる、 干渉計と した。 第 1 の発明においては、 光路内に位相変調機を介在させ、 信 号光及び参照光を検出してこれらの光の不安定度を検出してこ れを差動アンプ等を介して電圧又は電流に置き換え、 上記位相 変調機に当該電圧又は電流を印加させて上記信号光及び参照光 を安定化させるため、 構造が極めて簡単でかつ確実であ り、 防 振台等が不要である。 またシヤリ ング干渉計は、 元来安定性が 良いが、 シヤリ ング干渉計にこの発明の位相変調機を設け、 フ イ ー ドバッ ク機構を設けるこ とによ り干渉計のよ り安定化が図 れる。 First, the first invention is an interference measuring device that measures information on the displacement of a test object placed in an optical path from a light source such as a laser beam or an incandescent light by using the interference of the light. In the meter, a phase modulator is interposed in the optical path, the signal light and the reference light are detected, the instability of these lights is detected, and this is replaced with a voltage or a current through a differential amplifier. The voltage or current applied to the In this way, the interferometer stabilizes the signal light and the reference light. In the first invention, a phase modulator is interposed in the optical path, the signal light and the reference light are detected, the instability of these lights is detected, and the voltage or current is detected via a differential amplifier or the like. In order to stabilize the signal light and the reference light by applying the voltage or current to the phase modulator, the structure is extremely simple and reliable, and no vibration isolating table is required. Although the shearing interferometer has good stability by nature, the phase interferometer of the present invention is provided with the phase modulator of the present invention, and the stabilization of the interferometer is further improved by providing a feedback mechanism. It is possible.
また第 2 の発明は、 レーザー光やイ ンコーヒー レン ト光等か ら成る光源からの光路内におかれた被検物体の変位に関する情 報を、 前記光の干渉を用いて計測する干渉計において、 光路内 に位相変調機を介在させ、 信号光及び参照光を検出してこれら の光の不安定度を検出してこれを差動アンプを介して電圧又は 電流に置き換え、 上記位相変調機に当該電圧又は電流を印加さ せて上記信号光及び参照光を安定化させ、 この静止した状態に おいて空間キャ リ ア一法等で干渉縞を 自動的に読み取り 、 被検 物体の表面形状や屈折率分布を三次元的に表示する装置を設け た、 干渉計と した。 Further, a second invention provides an interferometer for measuring information on the displacement of a test object placed in an optical path from a light source such as a laser beam or a coffee lent beam using the interference of the light. In the above, a phase modulator is interposed in the optical path, the signal light and the reference light are detected, the instability of these lights is detected, and this is replaced with a voltage or a current through a differential amplifier. The signal or reference light is stabilized by applying the voltage or current to the surface, and in this stationary state, the interference fringes are automatically read by a spatial carrier method or the like, and the surface shape of the object to be measured is obtained. And an interferometer equipped with a device that displays the refractive index distribution three-dimensionally.
この第 2 の発明においては、 干渉計の安定化に加え、 さ らに 干渉縞の自動読み取 り によ り被検物体の表面形状や屈折率分布 を三次元的に表示するこ とが可能となった。 In the second invention, in addition to stabilizing the interferometer, it is possible to display the surface shape and the refractive index distribution of the test object three-dimensionally by automatically reading interference fringes. became.
また第 3 の発明は、 上記位相変調機が液晶、 電歪又は磁歪素 子の外周に光フ ァイバ一を卷きつけた素子、 電歪又は磁歪素子 の外周に巻き付けた光フ ァイバ一の端部に反射ミ ラー又は位相 共役ミ ラーを設けて光フ ァイバ一を通過した光線を反射させる 素子、 液晶からなる多重反射素子、 又は液晶からなる多重反射 素子であって通過した光線を反射ミ ラ一又は位相共役ミ ラーで 反射させる素子の内の一つである、 上記第 1 の発明又は第 2 の 発明の干渉計と した。 In a third aspect of the present invention, the phase modulator is a device in which an optical fiber is wound around an outer periphery of a liquid crystal, an electrostrictive or magnetostrictive element, or an end portion of an optical fiber which is wound around an outer periphery of an electrostrictive or magnetostrictive element. A reflection mirror or a phase conjugate mirror to reflect light passing through the optical fiber, a multi-reflection element composed of liquid crystal, or a multi-reflection element composed of liquid crystal, which reflects the transmitted light. Alternatively, the interferometer according to the first or second aspect of the present invention is one of the elements that reflect light at the phase conjugate mirror.
この第 3 の発明においては、 上記第 1 の発明又は第 2 の発明 における位相変調機と して、 液晶、 電歪又は磁歪素子の外周に
光フ ァイバ一を巻きつけた素子、 電歪又は磁歪素子の外周に卷 き付けた光ファイバ一の端部に反射ミ ラー又は位相共役ミ ラー を設けて光線を反射させる素子、 液晶からなる多重反射素子、 又は液晶からなる多重反射素子であって通過した光線を反射ミ ラー又は位相共役ミ ラーで反射させる素子を用いるため、 高効 率の位相変調が可能である。 In the third invention, the phase modulator according to the first invention or the second invention is provided on a periphery of a liquid crystal, an electrostrictive or magnetostrictive element. An element in which an optical fiber is wound, an element in which a reflection mirror or a phase conjugate mirror is provided at one end of an optical fiber wound around the outer periphery of an electrostrictive or magnetostrictive element to reflect light, and a multiplex comprising liquid crystal Since a reflective element or an element that is a multiple reflective element made of liquid crystal and reflects a transmitted light beam with a reflection mirror or a phase conjugate mirror is used, highly efficient phase modulation is possible.
また第 4 の発明は、 レーザー光やイ ンコーヒー レン ト光等か ら成る光源からの光路内におかれた被検物体の変位に関する情 報を、 前記光の干渉を用いて計測する干渉計において、 光路内 に位相変調機と して多重反射する液晶を介在させ、 この液晶に 印加する電圧を変えて光の位相を変化させ、 信号光及び参照光 を C C Dカメ ラによ り検出してこれをマイ コン処理し、 干渉縞 を 自動的に読み取り、 被検物体の表面形状や屈折率分布を三次 元的に表示するよう構成した、 干渉計と した。 A fourth invention provides an interferometer for measuring information on the displacement of a test object placed in an optical path from a light source such as a laser beam or a coffee lent beam using the interference of the light. In the optical path, a liquid crystal that performs multiple reflection as a phase modulator is interposed in the optical path, the phase of the light is changed by changing the voltage applied to the liquid crystal, and the signal light and the reference light are detected by the CCD camera. This was processed by microcomputer, and the interference fringes were automatically read, and the interferometer was configured to display the surface shape and refractive index distribution of the test object three-dimensionally.
この第 4 の発明においては位相変調機と して多重反射する液 晶を用い、 位相変調を容易確実にする と ともに、 マイ コンを用 いて極めて簡単に干渉縞を 自動的に読み取り、 被検物体の表面 形状や屈折率分布を三次元的に表示するこ とができる。 In the fourth invention, a liquid crystal that performs multiple reflections is used as a phase modulator, phase modulation is easily and reliably performed, and interference fringes are automatically read out very easily using a microcomputer, and the object to be inspected is measured. The surface shape and refractive index distribution can be displayed three-dimensionally.
また第 5 の発明は、 レーザ一光やイ ンコーヒー レン ト光等か ら成る光源からの光路内におかれた被検物体の変位に関する情 報を、 前記光の干渉を用いて計測するシヤリ ング干渉計におい て、 光路内に多重反射する液晶を介在させ、 この液晶によ り光 の位相を変化させ、 信号光及び参照光を C C Dカメ ラによ り検 出してこれをマイ コン処理し、 干渉縞を 自動的に読み取り、 被 検物体の表面形状や屈折率分布を三次元的に表示するよう構成 した、 干渉計と した。 The fifth invention is a method for measuring information on the displacement of a test object placed in an optical path from a light source such as a laser beam or an incandescent light by using the interference of the light. In the interferometer, a liquid crystal with multiple reflections is interposed in the optical path, the phase of the light is changed by the liquid crystal, the signal light and the reference light are detected by a CCD camera, and these are processed by microcomputer. The interferometer was configured to automatically read interference fringes and display the surface shape and refractive index distribution of the test object three-dimensionally.
この第 5 の発明においては、 シヤリ ング干渉計はも と も と安 定性が良い上に、 多重反射する液晶を用いるこ とによ り、 いま まで不可能であった干渉縞の読み取り によ り被検物体の表面形 状や屈折率分布を三次元的に表示するこ とが極めて容易に可能 となった。 In the fifth aspect of the invention, the shearing interferometer is inherently stable and uses a liquid crystal that reflects multiple reflections to read interference fringes that have been impossible until now. It has become extremely easy to display the surface shape and refractive index distribution of the test object three-dimensionally.
また第 6 の発明は、 レーザ一光やイ ンコーヒー レン ト光等か ら成る光源からの光路内におかれた被検物体の変位に関する情
報を、 前記光の干渉を用いて計測するノ マルスキー微分干渉顕 微鏡において、 光路内に一回透過 · 一回反射或いは多重反射す る液晶を介在させ、 この液晶によ り光の位相を変化させ、 信号 光及び参照光を C C Dカメ ラによ リ検出して これをマイ コン処 理し、 干渉縞を 自動的に読み取り、 被検物体の表面形状や屈折 率分布を三次元的に表示するよう構成した、 干渉計と した。 Further, the sixth invention relates to information on displacement of a test object placed in an optical path from a light source composed of a laser beam, an coffee lent beam, or the like. In a Nomarski differential interference microscope, which measures information using the interference of light, a liquid crystal that transmits once, reflects once or multiple times is interposed in the optical path, and the phase of light is controlled by the liquid crystal. The signal light and the reference light are detected by a CCD camera, processed by microcomputer, and the interference fringes are automatically read, and the surface shape and refractive index distribution of the object to be measured are three-dimensionally changed. An interferometer configured to display.
この第 6 の発明においては、 多重反射する液晶を用いるこ と によ り、 従来不可能とされているノ マルスキ一微分干渉顕微鏡 での干渉縞の自動読み取り によ り被検物体の表面形状や屈折率 分布を三次元的に表示することが可能となった。 図面の簡単な説明 In the sixth aspect of the present invention, the use of a multi-reflection liquid crystal enables the automatic reading of interference fringes using a Nomarski differential interference microscope, which has been impossible in the past. It has become possible to display the refractive index distribution three-dimensionally. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
図 1 はこの発明の第 1 の実施の形態例の干渉計の概略構成図 である。 図 2 はこの発明の第 2 の実施の形態例の干渉計の概略 構成図である。 図 3 はこの発明の第 1 及び第 2 の実施の形態例 の干渉計に使用する位相変調機と しての液晶を示す概略構成図 である。 図 4 はこの発明の第 1 及び第 2 の実施の形態例の干渉 計に使用する位相変調機と しての透過型の多重反射する液晶を 示す概略構成図である。 図 5 はこの発明の第 1 及び第 2 の実施 の形態例の干渉計に使用する位相変調機と しての反射型の多重 反射する液晶を示す概略構成図である。 図 6 はこの発明の第 1 及び第 2 の実施の形態例の干渉計に使用する位相変換機と して の光フ ァイ バ一を用いた素子の概略構成図である。 図 7 はこの 発明の第 1 及び第 2 の実施の形態例の干渉計に使用する位相変 換機と しての反射型の光フ ァイバ一を用いた素子の概略構成図 である。 図 8 は干渉計における干渉縞の読み取り原理を示す説 明図である。 図 9 はこの発明の第 3 の実施の形態例の干渉縞の 読み取り装置における概略構成図である。 図 1 0 はこの発明の 第 4 の実施の形態例のシヤリ ング干渉計の概略構成図である。 図 1 1 はこの発明の第 5 の実施の形態例のノ マルスキー微分干 渉顕微鏡の概略構成図である。 発明をするための最良の形態
以下この発明の実施の形態例を図に基づいて説明する。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an interferometer according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an interferometer according to a second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a liquid crystal as a phase modulator used in the interferometers of the first and second embodiments of the present invention. FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a transmission type multi-reflecting liquid crystal as a phase modulator used in the interferometers of the first and second embodiments of the present invention. FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a reflection type multi-reflecting liquid crystal as a phase modulator used in the interferometers of the first and second embodiments of the present invention. FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an element using an optical fiber as a phase converter used in the interferometers of the first and second embodiments of the present invention. FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an element using a reflection-type optical fiber as a phase converter used in the interferometers of the first and second embodiments of the present invention. Figure 8 is an explanatory diagram showing the principle of reading interference fringes in an interferometer. FIG. 9 is a schematic configuration diagram of an interference fringe reading device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a shearing interferometer according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a Nomarski differential interference microscope according to a fifth embodiment of the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図 1 はこの発明の第 1 の実施の形態例を示す。 これは干渉計 の安定化を図るもので、 レーザー光等の光源 1 からの光の一部 は半透明鏡 B S 1 を通過させて被検物体 2 を通して反射ミ ラー M 2 で反射し、 半透明鏡 B S 1 で反射してピンホール 4 を有す る板 5 に至る。 また光源 1 からの一部の光は上記半透明鏡 B S 1 で反射し位相変調機 3 を通過して反射ミ ラー M l で反射し、 半透明鏡 B S 1 を通過して ピンホール 4 を有する板 5 に至る。 これらの光によ り板 5 の上に干渉縞が現われる。 FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. This is to stabilize the interferometer, and a part of the light from the light source 1, such as laser light, passes through the translucent mirror BS1, passes through the test object 2, is reflected by the reflection mirror M2, and becomes translucent. The light is reflected by the mirror BS 1 and reaches the plate 5 having the pinhole 4. A part of the light from the light source 1 is reflected by the translucent mirror BS1, passes through the phase modulator 3, is reflected by the reflection mirror Ml, passes through the translucent mirror BS1, and has a pinhole 4. Board 5 These lights cause interference fringes to appear on the plate 5.
そ してこれらの光路において振動等の外乱がある と ピンホー ル 4 を通る光の強さが変動する。 これを ピンホール 4 の後方に 設けた光検出器 6 で検出し、 光の強弱に応じて差動アンプ 7 に よ り電圧に変え、 上記位相変調機 3 にフィ ー ドバッ クする。 従 つて光のみだれに応じて常に当該位相変調機 3 によ り位相を変 化させ安定化を図るものである。 また半透明鏡 B S 1 と ピンホ ール 4 を有する板 5 との間の光路に半透明鏡 B S 2 を設けてこ れらの光を反射させ干渉縞をモニタ ー 8 によ り表示するように している。 If there is a disturbance such as vibration in these optical paths, the intensity of light passing through the pinhole 4 fluctuates. This is detected by a photodetector 6 provided behind the pinhole 4, the voltage is changed by a differential amplifier 7 according to the intensity of light, and the voltage is fed back to the phase modulator 3. Therefore, the phase is constantly changed by the phase modulator 3 in accordance with the direction of the light to stabilize the light. In addition, a translucent mirror BS2 is provided in the optical path between the translucent mirror BS1 and the plate 5 having the pinhole 4, so that these lights are reflected and interference fringes are displayed on the monitor 8. ing.
またこの発明の第 2 の実施の形態例と して、 上記安定化干渉 計において干渉縞の自動読み取り機構を具備した干渉計を図 2 に示す。 上記干渉計を構成する反射ミ ラーの一つ、 例えば反射 ミ ラー M 1 を光軸に対して、 点線で示すごと く 、 多少傾ける と、 被検物体の位相分布 （形状、 屈折率分布） に応じて空間的に変 調を受けた干渉縞が発生する。 それを C C Dカメ ラ 2 2 によ り 検出してこれをマイ コン 2 3 でフー リ エ変換等の処理を行い、 干渉縞を 自動的に読み取って、 被検物体の表面形状や屈折率分 布を三次元的にテレビ画面やプリ ンタ等の表示装置 2 4 で表示 するよう に してある。 As a second embodiment of the present invention, FIG. 2 shows an interferometer provided with an automatic interference fringe reading mechanism in the stabilized interferometer. When one of the reflection mirrors constituting the above interferometer, for example, the reflection mirror M1 is slightly tilted with respect to the optical axis as shown by a dotted line, the phase distribution (shape, refractive index distribution) of the object to be measured is changed. Accordingly, spatially modulated interference fringes occur. This is detected by the CCD camera 22, and this is subjected to processing such as Fourier transform by the microcomputer 23, the interference fringes are automatically read, and the surface shape and refractive index distribution of the object to be measured are distributed. Are three-dimensionally displayed on a display device 24 such as a television screen or a printer.
なお上記第 1 及び第 2 の実施の形態例では光源 1 及び位相変 調機 3 の箇所に、 同じ偏光方向の偏光子 P を設けて偏光から く る誤差をなく しているが、 これらの偏光子 Pはこの装置の必須 要件ではなく 、 偏光した光源を用いかつその方向に液晶の主軸 の回転面が合致しているか又は光フ ァイバ一の中の動作によつ
て偏光が変化しない場合は上記偏光子 P を用いなく てもよい。 上記第 1 及び第 2 の実施の形態例における位相変調機 3 と し ては図 3 乃至図 7 に示す。 図 3 は位相変調機 3 と して液晶を用 いたもので、 （ A ) 図は液晶セル 9 の相対向する各面に透明電 極 9 a を設けた一回透過型を示し、 （ B ) 図は一方の透明電極 9 a の外側面に ミ ラ一 1 0 を設けた一回反射型を示す。 In the first and second embodiments, the polarizer P having the same polarization direction is provided at the position of the light source 1 and the phase modulator 3 to eliminate the error of the polarization. The element P is not an essential requirement of this device, but uses a polarized light source and the direction of rotation of the main axis of the liquid crystal coincides with the direction or the operation in the optical fiber. If the polarization does not change, the polarizer P need not be used. FIGS. 3 to 7 show the phase modulator 3 in the first and second embodiments. FIG. 3 shows a liquid crystal used as the phase modulator 3, and FIG. 3 (A) shows a single transmission type in which transparent electrodes 9a are provided on opposite sides of the liquid crystal cell 9, and FIG. The figure shows a single reflection type in which a mirror 10 is provided on the outer surface of one transparent electrode 9a.
また図 4 は多重反射素子と して液晶を使用 したもので、 （ A ) 図と （ B ) 図は二種類の透過型の多重反射素子を示す。 これら は液晶セル 9 の相対向する両側面に透明電極 9 a 、 9 a を設け、 これらの透明電極 9 a に対向して夫々 ミ ラ一 1 0 、 1 0 を設け、 当該透明電極 9 a に上記可変電圧をかけて、 図 4 に示すごと く レーザー光等の光を液晶セル 9 に通し、 二つの対向する ミ ラー 1 0 、 1 0の間を多重に反射させるものである。 そ して上記液 晶セル 9 にかける電圧を変化させるこ とによ リ位相が大き く 、 かつ素速く 変化する。 Fig. 4 shows the use of liquid crystal as a multiple reflection element. Figures (A) and (B) show two types of transmission-type multiple reflection elements. These are provided with transparent electrodes 9a, 9a on both opposing sides of the liquid crystal cell 9, and provided with mirrors 10 and 10, respectively, opposed to these transparent electrodes 9a. By applying the variable voltage, light such as laser light is passed through the liquid crystal cell 9 as shown in FIG. 4, and multiple mirrors 10 and 10 are reflected in a multiplex manner. By changing the voltage applied to the liquid crystal cell 9, the phase is large and changes quickly.
また図 5 は多重反射素子と して液晶を使用 したもので、 （A ) 図と （ B ) 図は二種類の反射型の多重反射素子を示す。 （A ) 図においては図 4 と同様な多重反射素子を通過した光線を、 別 途設けた反射ミ ラー 1 1 で反射させ、 入射光線と逆行させるよ う構成したものである。 これによ り反射回数が 2倍に増加する ので、 位相変化も 2倍になる。 また （ B ) 図においては、 上記 反射ミ ラー 1 1 の代わ り に、 位相共役ミ ラ一 1 2 を設けたもの である。 この位相共役ミ ラ一 1 2 はチタ ン酸バリ ウムなどのフ オ ト レフラクティ ブ非線形光学結晶で、 相対する両側からボン プレーザ光 1 2 a 、 1 2 b を当てている。 Fig. 5 shows the use of liquid crystal as the multiple reflection element. Figures (A) and (B) show two types of reflection-type multiple reflection elements. (A) In the figure, the light beam that has passed through the multiple reflection element similar to that in FIG. 4 is reflected by a separately provided reflection mirror 11 and is made to travel in the direction opposite to the incident light beam. As a result, the number of reflections doubles, and the phase change also doubles. Further, in the diagram (B), a phase conjugate mirror 12 is provided in place of the reflection mirror 11. This phase conjugate mirror 12 is a photorefractive nonlinear optical crystal such as barium titanate, and is irradiated with pump laser beams 12a and 12b from opposite sides.
光線は、 途中の空気の揺らぎ、 伝搬による ビームの広がり等 によって、 ビームが乱れるこ とがあ り、 実用上の性能の低下を もたらす。 しかし当該位相共役ミ ラー 1 2 に入射する光線は、 結晶のフォ ト レフラクティ ブ効果によって、 入射光線と共役の 波面をもって反射し、 入射光線に対して逆行する。 これによ り、 途中の空気の揺らぎや伝搬によるビームの乱れが打ち消され、 元の入射光と同様の、 乱れのないビームが再現され、 液晶によ る位相変換の大きさについては、 透過型に比べて 2倍の反射光
が達成できる。 なお上記位相共役ミ ラーのポンプレーザ光はな い場合でも上記作用は可能である。 The light beam may be disturbed by the fluctuation of air on the way and the spread of the beam due to propagation, and the practical performance is degraded. However, the light beam incident on the phase conjugate mirror 12 is reflected with a wavefront conjugate to the incident light beam due to the photorefractive effect of the crystal, and goes backward with respect to the incident light beam. As a result, beam disturbances due to air fluctuations and propagation in the way are canceled out, and a beam without disturbance similar to the original incident light is reproduced. Twice the reflected light compared to Can be achieved. The above operation is possible even when there is no pump laser beam from the phase conjugate mirror.
また図 6 は上記位相変調機と して光フ ァイバ一を使用 したも ので、 電歪又は磁歪素子 1 3 の外周に単一モー ドの光フ ァイバ ― 1 4 を巻き付け、 当該電歪又は磁歪素子 1 3 に可変の電圧又 は電流をかけ、 光フ ァイバ一 1 4 に レーザー光を通す。 そ して 上記の電圧又は電流を変えるこ とによ り位相が大きく 、 かつ素 速く変化する。 Fig. 6 shows an example in which an optical fiber is used as the phase modulator, so that a single mode optical fiber-14 is wound around the electrostrictive or magnetostrictive element 13 and the electrostrictive or magnetostrictive element is used. A variable voltage or current is applied to element 13 and laser light is passed through optical fiber 14. By changing the above voltage or current, the phase is large and changes quickly.
また図 7 は、 図 6 の電歪又は磁歪素子 1 3 の外周に単一モー ドの光フ ァイバ一 1 4 を巻き付けた素子の反射型のものを示す。 その内 （A ) 図は当該光フ ァイバ一 1 4端に反射ミ ラー 1 1 を 設けたもので、 このフ ァイバー 1 4 内を通過した光線を、 当該 反射ミ ラー 1 1 で反射させ、 入射光線と逆行させるよう構成し たものである。 これによ り位相変化も 2倍になる。 また （ B ) 図においては、 上記反射ミ ラー 1 1 の代わ り に、 位相共役ミ ラ — 1 2 を設けたものである。 この位相共役ミ ラー 1 2 はチタ ン 酸バリ ウムなどのフォ ト レフラクティ ブ非線形光学結晶で、 相 対する両側からポンプレーザ光 1 2 a、 1 2 b を当てている。 この場合も上記図 5 の （ B ) 図の多重反射素子と同様な作用を 成す。 FIG. 7 shows a reflection-type element in which a single-mode optical fiber 14 is wound around the outer periphery of the electrostrictive or magnetostrictive element 13 in FIG. The figure (A) shows that the reflection mirror 11 is provided at the end of the optical fiber 14. The light passing through the fiber 14 is reflected by the reflection mirror 11, It is configured to reverse the light beam. This also doubles the phase change. Also, in the figure (B), a phase conjugate mirror 12 is provided in place of the reflection mirror 11. The phase conjugation mirror 12 is a photorefractive nonlinear optical crystal such as barium titanate, and is irradiated with pump laser beams 12a and 12b from opposite sides. In this case, the same operation as the multiple reflection element shown in FIG. 5B is obtained.
また従来当該干渉計によ り 図 8 に示す様な被検物体 1 5 の表 面の凹凸を計測したい場合、 半透明鏡 1 6 に光源 1 7 から レー ザ一光を当て通過した光を被検物体 1 5 の表面で反射させてさ らに半透明鏡 1 6 で反射させ、 一方光源 1 7 からの光を半透明 鏡 1 6 で反射させ、 これを ミ ラー 1 8 で反射させて半透明鏡 1 6 を通過させ、 これらの光の干渉縞を 自動的に読み取つている。 この原理は以下の式で表わされる。 In addition, when it is desired to measure the unevenness of the surface of the test object 15 as shown in Fig. 8 with the conventional interferometer, the light that has passed through the semi-transparent mirror 16 from the light source 17 with one laser beam is applied. The light reflected from the surface of the object 15 is further reflected by the translucent mirror 16, while the light from the light source 17 is reflected by the translucent mirror 16, and this is reflected by the mirror 18 to be semi-transparent. They pass through a transparent mirror 16 and automatically read the interference fringes of these lights. This principle is expressed by the following equation.
I ^ A + B c o s ^ A φ = 0 I ^ A + B cos ^ A φ = 0
I z = A - B s i n φ A φ = π / 2 I z = A-B sin φ A φ = π / 2
I 3 = A - B c o s 0 A ψ = π I 3 = A-B cos 0 A ψ = π
I 4 = A + B s i n <> A Φ = 3 π / 2 I 4 = A + B sin <> A Φ = 3π / 2
t a n = ( I 4 - I 2 ) ( I： - I 3 ) tan = (I 4 -I 2 ) (I:-I 3 )
上記△ ø を 9 0 ° づっずら して位相を代えて、 夫々 I を計測
し、 これら を上記式に代入して最終的に△ 0 をだすもので、 上 記 A， Bは定数である。 Change the phase by shifting the above △ ø by 90 ° and measure I respectively. Then, these are substituted into the above equation to finally obtain △ 0, where A and B are constants.
従来、 9 0 ° づっずら して位相を代えるのに上記ミ ラ一 1 8 を動かしていた。 しかしこの様に ミ ラー を動かすのは、 機構も 複雑とな り、 精度の高い構成とするには難しいものであった。 そこでこの発明では上記多重反射する液晶を用い、 この液晶に 印加する電圧を変化させるこ とによ り極めて容易に 9 0 ° 毎の 位相を変化させている。 Conventionally, the mirror 18 was moved to change the phase by 90 °. However, moving the mirror in this way was difficult to achieve with a highly accurate configuration because of the complicated mechanism. Therefore, in the present invention, the phase of every 90 ° is very easily changed by using the liquid crystal having multiple reflections and changing the voltage applied to the liquid crystal.
図 9 はこの発明の第 3 の実施の形態例を示し、 干渉計におけ る干渉縞の自動読み取り装置を示すものである。 レーザー光等 を多重反射液晶素子 1 9 に照射し、 さ らに被検物体 2 0 に通し、 干渉計 2 1 を介 して干渉縞を C C Dカメ ラ 2 2 で読み取 り、 こ れをマイ コン 2 3 にかけてテレビ画面やプリ ンタ等の表示装置 2 4 に被検物体の表面形状や屈折率分布を三次元的に表示する ものである。 FIG. 9 shows a third embodiment of the present invention, and shows an apparatus for automatically reading interference fringes in an interferometer. The multi-reflection liquid crystal element 19 is irradiated with a laser beam or the like, passes through the object to be inspected 20, and the interference fringes are read by the CCD camera 22 via the interferometer 21, and this is read by the microcomputer. The surface shape and the refractive index distribution of the test object are displayed three-dimensionally on a display device 24 such as a television screen or a printer through 23.
またシヤリ ング干渉計は信号光、 参照光が空間的にほぼ同じ 場所を通過するため干渉計そのものが高安定である。 そこで液 晶の位相可変機能を使用するこ とで従来のシャ リ ング干渉計で は不可能であった干渉計の自動読み取 り が可能となった。 図 1 0 はこの発明の第 4 の実施の形態例と して、 シヤリ ング干渉計 に多重反射液晶素子 1 9 を設けたものである。 Moreover, the signal light and the reference light in the shearing interferometer pass through almost the same place spatially, so that the interferometer itself is highly stable. Thus, by using the function of changing the phase of the liquid crystal, it became possible to automatically read the interferometer, which was not possible with a conventional shading interferometer. FIG. 10 shows a fourth embodiment of the present invention, in which a multi-reflection liquid crystal element 19 is provided in a shearing interferometer.
図 1 0のシヤリ ング干渉計は、 方解石のよう な複屈折性結晶板 Q d による横ずれを利用 して波面にシヤーを与えるもので、 干 渉像を作るため結晶に対して 4 5 度の方向に偏光軸をもつ偏光 子 P と検光子 Aが配置されてお り 、 多重反射液晶素子 1 9 を通 した光を物体 0にあて、 レンズ Lで物体 0の像を投影し、 像面 には常光線による波面 W o と異常光線による波面 W e の間のシ ヤリ ング干渉像が形成され、 これを C C Dカメ ラ 2 2 でと らえ るものである。 なお W p は入射平面波で、 コヒー レン トな波面 であ り、 Wは物体 0 を透過したのちの波面である。 The shearing interferometer shown in Fig. 10 gives shear to the wavefront using the lateral shift caused by a birefringent crystal plate Qd such as calcite, and is oriented at 45 degrees to the crystal to form an interference image. A polarizer P and an analyzer A having a polarization axis are arranged on the object, and the light passing through the multiple reflection liquid crystal element 19 is applied to the object 0, and the image of the object 0 is projected by the lens L. A shearing interference image is formed between the wavefront Wo due to the ordinary ray and the wavefront We due to the extraordinary ray, and this is captured by the CCD camera 22. W p is the incident plane wave, which is a coherent wave front, and W is the wave front after passing through the object 0.
また従来から使用されているノ マルスキー微分干渉顕微鏡に おいても、 上記多重反射する液晶を用いる と、 従来不可能であ つた干渉縞の読み取 りができる。 図 1 1 はこの発明の第 5 の実
施の形態例のノ マルスキー微分干渉計を示し、 偏光子 P及び多 重反射液晶素子 1 9 を透過した照明光は半透明鏡 B Sで反射し . ノ マルスキープリ ズム P n、 対物レンズ O b を経て試料 S を照 明する。 ノ マルスキープリ ズム P nは光学軸が図示のよう なプ リ ズムを貼り あわせたプリ ズムである。 このプリズム P nは実 際には光軸のまわ り に 4 5 ° 回転した方位にある。 従って入射 光線は振幅の等しい常光線と異常光線に分解される。 これら常 光線と異常光線は図示の様に貼り あわせ面で異なる方向に進が プリ ズム P n を透過した後対物レンズ〇 b の焦点 Fで交差する よう に進む。 対物レンズ P n を透過した後は平行にな り試料 S に入射、 ここで反射して同じ光路を逆にたど り再びノ マルスキ 一プリ ズム P n に至る。 プリ ズムを透過した後は同一光路を進 み、 検光子 Aを経て接眼レンズ O c に至る。 像面 I Pには試料 の像が、 上記対物レンズ 0 b の倍率だけ横ずれしたシャリ ング 干渉像が見える。 これを接眼レンズ O c を通して C C Dカメ ラ 2 2 でと らえる。 In addition, even with a conventionally used Nomarski differential interference microscope, it is possible to read interference fringes, which has been impossible in the past, by using the above-mentioned multiple reflecting liquid crystal. FIG. 11 shows a fifth embodiment of the present invention. The Nomarski differential interferometer according to the embodiment is shown. Illumination light transmitted through the polarizer P and the multiple reflection liquid crystal element 19 is reflected by the semi-transparent mirror BS. Nomarski prism Pn, objective lens O Illuminate sample S via b. The Nomarski prism Pn is a prism in which the prism whose optical axis is as shown is attached. This prism Pn is actually in a direction rotated by 45 ° around the optical axis. Therefore, the incident light beam is decomposed into an ordinary light beam and an extraordinary light beam with equal amplitude. The ordinary ray and the extraordinary ray travel in different directions on the bonding surface as shown in the figure, so that they travel through the prism Pn and then intersect at the focal point F of the objective lens 〇b. After passing through the objective lens P n, it becomes parallel and enters the sample S, where it is reflected and travels the same optical path in the opposite direction to reach the Nomarski prism P n again. After passing through the prism, the light travels along the same optical path, passes through the analyzer A, and reaches the eyepiece O c. On the image plane IP, an image of the sample and a shading interference image shifted laterally by the magnification of the objective lens 0b can be seen. This is captured by the CCD camera 22 through the eyepiece O c.
なお上記各実施の形態例における多重反射液晶素子には、 上 述のよう に透過型及び反射型の双方が含まれるものである。 ま た上記ノ マルスキ一微分干渉顕微鏡についての第 5 の実施の形 態例では、 多重反射する液晶を用いたが、 これら限らず一回透 過型の液晶又は一回反射型の液晶によっても干渉縞の自動読み 取 り が可能である。 産業上の利用可能性 The multiple reflection liquid crystal element in each of the above embodiments includes both the transmission type and the reflection type as described above. In the fifth embodiment of the above-mentioned Nomarski differential interference microscope, a multi-reflection liquid crystal is used. However, the present invention is not limited to these, and a single reflection liquid crystal or a single reflection liquid crystal may cause interference. Automatic reading of stripes is possible. Industrial applicability
以上のよう にこの発明は被検物体の面精度、 変位等を光の干 渉を利用 して計測する光学的干渉計に用い られる。
As described above, the present invention is used for an optical interferometer that measures the surface accuracy, displacement, and the like of a test object by using light interference.
Claims
1 . レーザ一光やイ ンコーヒー レン ト光等から成る光源から の光路内におかれた被検物体の変位に関する情報を、 前記光の 干渉を用いて計測する干渉計において、 光路内に位相変調機を 介在させ、 信号光及び参照光を検出してこれらの光の不安定度 を検出してこれを差動アンプを介 して電圧又は電流に置き換え、 上記位相変調機に当該電圧又は電流を印加させて上記信号光及 び参照光を安定化させるこ と を特徴とする、 干渉計。 1. An interferometer that measures the displacement of a test object placed in the optical path from a light source such as a laser beam or an incoherent light beam using the interference of the light, The signal light and the reference light are detected by interposing a modulator, the instability of these lights is detected, and this is replaced with a voltage or a current via a differential amplifier. An interferometer characterized by stabilizing the signal light and the reference light by applying a voltage.
2 . レーザー光やイ ンコーヒー レン 卜光等から成る光源から の光路内におかれた被検物体の変位に関する情報を、 前記光の 干渉を用いて計測する干渉計において、 光路内に位相変調機を 介在させ、 信号光及び参照光を検出してこれらの光の不安定度 を検出して これを差動アンプを介して電圧又は電流に置き換え， 上記位相変調機に当該電圧又は電流を印加させて上記信号光及 び参照光を安定化させ、 この状態において干渉縞を 自動的に読 み取つ り 、 被検物体の表面形状や屈折率分布を三次元的に表示 する装置を設けたこ と を特徴とする、 干渉計。 2. An interferometer that measures the displacement of a test object placed in the optical path from a light source such as a laser beam or an incandescent light, using the interference of the light. Detects signal light and reference light, detects the instability of these lights, replaces them with voltage or current via a differential amplifier, and applies the voltage or current to the phase modulator. In this state, the signal light and the reference light are stabilized, and in this state, a device for automatically reading interference fringes and three-dimensionally displaying the surface shape and refractive index distribution of the test object is provided. And an interferometer.
3 . 位相変調機が液晶、 電歪又は磁歪素子の外周に光フ アイ バーを巻きつけた素子、 電歪又は磁歪素子の外周に巻き付けた 光フ ァイバ一の端部に反射ミ ラ一又は位相共役ミ ラーを設けて 光フ ァイバ一を通過した光線を反射させる素子、 液晶からなる 多重反射素子、 又は液晶からなる多重反射素子であって通過し た光線を反射ミ ラ一又は位相共役ミ ラーで反射させる素子の内 の一つであるこ と を特徴とする、 特許請求の範囲 1 項又は 2項 記載の干渉計。 3. An optical fiber wrapped around a liquid crystal, electrostrictive or magnetostrictive element, or a reflective mirror or phase at the end of an optical fiber wrapped around the electrostrictive or magnetostrictive element. An element that is provided with a conjugate mirror to reflect light passing through the optical fiber, a multi-reflection element made of liquid crystal, or a multi-reflection element made of liquid crystal that reflects the passed light by a reflection mirror or phase conjugate mirror. The interferometer according to claim 1, wherein the interferometer is one of elements that reflect light at a time.
4 . レーザー光やイ ンコーヒー レン 卜光等から成る光源から の光路内におかれた被検物体の変位に関する情報を、 前記光の 干渉を用いて計測する干渉計において、 光路内に位相変調機と して多重反射する液晶を介在させ、 この液晶に印加する電圧を 変えて光の位相を変化させ、 信号光及び参照光を C C Dカメ ラ によ り検出してこれをマイ コン処理し、 干渉縞を 自動的に読み
取り、 被検物体の表面形状や屈折率分布を三次元的に表示する よう構成したこ と を特徴とする、 干渉計。 4. An interferometer that measures the displacement of a test object placed in the optical path from a light source such as a laser beam or an incandescent light by using the interference of the light is phase-modulated in the optical path. A multi-reflection liquid crystal is interposed as a device, the phase of light is changed by changing the voltage applied to the liquid crystal, the signal light and the reference light are detected by a CCD camera, and the signals are subjected to microcomputer processing. Automatically reads interference fringes An interferometer characterized in that the interferometer is configured to three-dimensionally display a surface shape and a refractive index distribution of a test object.
5 . レーザー光やイ ンコーヒー レン ト光等から成る光源から の光路内におかれた被検物体の変位に関する情報を、 前記光の 干渉を用いて計測するシヤリ ング干渉計において、 光路内に多 重反射する液晶を介在させ、 この液晶にによ り光の位相を変化 させ、 信号光及び参照光を C C Dカメ ラによ り検出して これを マイ コン処理し、 干渉縞を 自動的に読み取り、 被検物体の表面 形状や屈折率分布を三次元的に表示するよう構成したこ と を特 徵とする、 干渉計。 5. Information about the displacement of the test object placed in the optical path from the light source consisting of laser light, coffee lent light, etc., is recorded in the optical path by a shearing interferometer that measures the interference using the light. Multi-reflective liquid crystal is interposed, the phase of light is changed by this liquid crystal, signal light and reference light are detected by CCD camera, these are processed by microcomputer, and interference fringes are automatically detected. An interferometer characterized in that it is configured to read and three-dimensionally display the surface shape and refractive index distribution of a test object.
6 . レーザ一光やイ ンコーヒー レン ト光等から成る光源からの 光路内におかれた被検物体の変位に関する情報を、 前記光の干 渉を用いて計測するノ マルスキー微分干渉顕微鏡において、 光 路内に一回透過 · 一回反射或いは多重反射する液晶を介在させ、 この液晶に光の位相を変化させ、 信号光及び参照光を C C D力 メ ラによ り検出して これをマイ コン処理し、 干渉縞を 自動的に 読み取り、 被検物体の表面形状や屈折率分布を三次元的に表示 するよう構成したこ と を特徴とする、 干渉計。
6. In a Nomarski differential interference microscope, which measures information on the displacement of a test object placed in the optical path from a light source such as a laser beam or A liquid crystal that transmits once, reflects once or reflects multiple times is interposed in the optical path, the phase of the light is changed in the liquid crystal, and the signal light and the reference light are detected by a CCD force camera, and these are detected. The interferometer is characterized in that it is configured to automatically process interference fringes and display the surface shape and refractive index distribution of the test object three-dimensionally.
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