JP2527176B2

JP2527176B2 - 縞走査シアリング干渉測定装置

Info

Publication number: JP2527176B2
Application number: JP62051656A
Authority: JP
Inventors: 淳一北林
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1987-03-06
Filing date: 1987-03-06
Publication date: 1996-08-21
Anticipated expiration: 2011-08-21
Also published as: JPS63218802A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、縞走査シアリング干渉測定装置に関する。

（従来技術）縞走査シアリング干渉測定装置では測定光束即ち、測
定波面を有する光束が２光路に分割され、分割された光
束の一方が他方に対して横ずらし即ちシアされる。この
シアにおける横ずらし量即ちシア量は、測定精度に直接
に影響するので、これを高精度に知る必要がある。

シアを行う方法として、従来、平行平面ガラスの表裏
面の反射を利用する方法、平行平面ガラスを斜めに透過
するときの、屈折による横ずれを利用する方法、コーナ
ーキューブプリズムを用いる方法等が知られている。し
かし、これらは、何れもシアされる光束が平面波であ
り、このためこれらを干渉させても干渉縞が生ぜず、こ
のため干渉を利用した高精度のシア量測定が出来ない。

（目的）本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであっ
て、その目的とするところは、シア量を高精度に知るこ
とが出来、従って高精度の測定が可能である新規な、縞
走査シアリング干渉測定装置の提供にある。

（構成）以下、本発明を説明する。

本発明は、縞走査シアリング干渉測定装置である。こ
の装置は、選択光学系と、１組のア・フォーカルレンズ
系と、ビームスプリッターと、２個の平面ミラーと、ピ
エゾ素子と、回転駆動手段とを有する。

選択光学系は、測定波面と基準平面波面とを任意に選
択するための光学系である。

１組のア・フォーカルレンズ系は、測定波面が選択さ
れたとき、測定光束を受光面へリレーするためのレンズ
系である。

ビームスプリッターは、このア・フォーカルレンズ系
のレンズに挟まれた光路内で、光束を２分割する。

２個の平面ミラーは、上記２分割された光束をそれぞ
れ反射し、上記ビームスプリッターを介して再度合流さ
せる。

ピエゾ素子は、平面ミラーの一方を変位させることに
より、フリンジスキャンを行う。

回転駆動手段は、他方の平面ミラーを微小回転させ
る。この微小回転の回転軸は、他方の平面ミラーの鏡面
を通り、この鏡面への入射光軸に直交する。

１組のア・フォーカルレンズ系の集光点位置は、上記
２個の平面ミラーの鏡面に一致する。従って、上記回転
軸は他方の平面ミラーにおける集光点位置を通る。

（実施例）以下、図面を参照しながら具体的に説明する。

第１図は、本発明の１実施例を要部のみ説明図的に略
示している。この実施例は物体の表面形状を測定するた
めの装置である。図中、符号10はレーザー光源を示す。
レーザー光源10から放射された光束は、ビームエキスパ
ンダー12により、ビーム径を拡大され、ミラー14により
反射されたのち、ビームスプリッター16に入射する。レ
ーザー光源10、ビームエキスパンダー12、ミラー14は、
測定装置の光源光学系を構成している。

ビームスプリッター16に入射した光束は２光束に分離
され、一方は、被検体Ｏすなわち形状を測定すべき被検
面を有する物体の上記被検面に入射し、他方は、ミラー
Ｎの基準面に入射する。基準面は高精度に仕上げられた
平面である。被検面、基準面からの反射光はビームスプ
リッター16を透過し、もしくはビームスプリッター16に
反射されて、ビームスプリッター16から射出しミラー18
に反射されて測定系へと入射する。ビームスプリッター
16と被検体Ｏ、ミラーＮの間には、シャッターS1,S2が
設けられており、これらを選択的に開閉することによ
り、上記測定系へ入射する反射光を選択できる。すなわ
ち、ビームスプリッター16,ミラーN,18,シャッターS1,S
2は、この実施例において、選択光学系を構成し、この
選択光学系により、被検面からの反射光として基準面か
らの反射光のうちの任意の一方を選択して測定系へ入射
させることができる。被検面からの反射光は測定光束で
あって測定波面を有する。基準面からの反射光はその波
面が基準平面波面である。

さて、測定系は、１組のア・フォーカルレンズ系を構
成するレンズ20A,20Bと、ビームスプリッター22と、平
面ミラー24,28と、ピエゾ素子26と、回転駆動手段30
と、エリアセンサー32とを有している。

ア・フォーカルレンズ系を構成するレンズ20A,20Bの
前者の像側焦点と、後者の物体側焦点とは互いに合致し
て集光点となっている。そしてこのア・フォーカルレン
ズ系の集光点は、平面ミラー24,28の鏡面に一致してい
る。このア・フォーカルレンズ系により、基準面もしく
は被検面がエリアセンサー32の受光面上に結像する。

ビームスプリッター22は、ア・フォーカルレンズ系を
構成するレンズ20A,20Bに挟まれた光路内で光束を２分
割し、２分割された光束の一方は平面ミラー24に、他方
は平面ミラー28に入射する。各平面ミラー24,28により
折り返された光束はビームスプリッター22を介して再び
合流し、レンズ20Bを介してエリアセンサー32に入射す
る。

また、ピエゾ素子26は平面ミラー24を矢印方向に変位
させて、フリンジスキャンを行う。

回転駆動手段30は、平面ミラー28を入射光軸に直交す
る軸の回りに微小回転させうるようになっていう。この
回転軸は平面ミラー28の鏡面に合致した前述のア・フォ
ーカルレンズ系の集光点を通り、この実施例では図面に
直交する方向となっている。

測定装置は、これらのほかに、エリアセンサー32の出
力にたいする演算や測定のプロセスを制御する制御演算
手段としてコンピュターシステムを有する。

以下に、第１図の装置による測定に付き説明する。ま
ず、シア量Ｓにつき説明する。シャッターS1を閉じ、シ
ャッターS2を開いて、レーザー光源10を発光させると、
前述の如く基準平面波面が選択される。このときレンズ
20A,20Bを光路外へ退避させておくとエリアセンサー32
に入射する光束は平面波である。平面ミラー28の入射光
軸に対する傾き角がθ/2であると、第２図（Ｉ）に示す
ように、平面ミラー28により反射された光束L1は、平面
ミラー24に反射された光束L0に対し、角θだけ傾いてエ
リアセンサー32に入射する。従って、光束L0の波面に対
して、光束L1の波面は角θだけ傾く。このため受光面上
では傾き角θに対応する干渉縞が生ずるので、この干渉
縞パターンをフリンジスキャンして縞走査測定を行うこ
とにより、角θを極めて高精度に測定することができ
る。

この状態で、レンズ20A,20Bを光路中に配備すると、
平面ミラー24,28に反射された光束L01,L10は、レンズ20
Bを透過した後たがいに平行となり、量光束L01,L10のシ
ア量Ｓはレンズ20Bの焦点距離をｆとしてf tan θで与
えられる。

平面ミラー24,28の間の相対的な角度が90度＋θ/2ま
たは90度−θ/2に固定されていれば、シア量は前述の如
くf tan θであって一定であるが、上記相対的角度に要
求される精度は秒オーダー以下であり、実際には上記角
度が支持体系の熱変形等で変化するので、上記相対的角
度を定数として扱うことはできない。しかし、本発明で
は上述の如きシア量測定を、形状測定に先立って行うこ
とにより、各測定ごとに極めて正確なシア量を知ること
ができる。角θの測定は上述の如くフリンジスキャンに
よる縞走査測定で行うが、具体的には、例えば以下のよ
うにする。即ち、縞走査干渉測定方式により、光束L1の
波面の解析的な方程式を最小２乗法で決定して光束L0の
波面との間の傾き角θを決定するのである。なおフリン
ジスキャンの際の平面ミラー24の変位量は、レーザー光
束の波長程度の微小量であるので、平面ミラー24の鏡面
と集光点との間の実質的な位置ずれは生じない。このよ
うにして、シア量がもとまったら、次には被検体Ｏの表
面形状の測定を行う。即ち、第１図でシャッターS2を閉
じて、シャッターS1を開くことによって、被検面からの
反射光を選択すると、選択光学系により測定波面が選択
されたことになって、エリアセンサー32には測定波面を
有する２光束がシア量Ｓだけ互いに横ずれして入射し、
干渉縞を生成する。そこでフリンジスキャンを行って両
光束の位置差ΔＷを測定する。そしてこのΔＷに対し
て、Ｗ（Ｘ）＝（1/S）∫ΔWdX（dXはサンプルピッチ）な
る演算を行うことにより、Ｘ方向即ち、第１図で上下方
向の測定波面の形状が得られる。

第１図で図面に直交するＹ方向の形状は被験面を光軸
に直交する面内で90度回転させるか、あるいは平面ミラ
ー28の回転軸を入射光軸のまわりに90度回転させて上と
同様のプロセスを実行すれば得られ、これら各方向の形
状の合成により、波面形状として被験面の形状を知るこ
とができる。上に説明した実施例ではシア量Ｓを測定す
る際に、ア・フォーカルレンズ系を光路外へ退避させる
必要があった。第３図の実施例はア・フォーカルレンズ
系を光路上から退避させることなくシア量を測定できる
ようになっている。即ち、この実施例では、選択光学系
がビームスプリッター13,15,16,17,ミラー18,シャッタ
ーS3,S4,S5によって構成されている。また、この実施例
では、ビームエキスパンダー12により、光束径を拡大さ
れて射出する平行光束自体が基準平面波面を有する。

シア量を測定するには、シャッターS3,S5を閉じ、シ
ャッターS4を開いてレーザー光源10を発光させればよ
い。このとき、基準平面波面を有する光束は、ビームス
プリッター13,15,22を経て、平面ミラー24,28に入射し
平面ミラー24,28に反射されたのちは、ビームスプリッ
ター22を介して再度合流し、ビームスプリッター15,13,
17を介してエリアセンサー32に入射する。

従って、このとき光束はア・フォーカルレンズ系を通
らないので、波面の平面性を保ったまま、エリアセンサ
ー32に到達するので、先に説明した実施例の場合と同様
にしてシア量Ｓを正確に知ることができる。シア量を測
定した後、シャッターS4を閉じ、シャッターS3,S5を開
けば測定波面が選択され、このときの測定光路の構成は
第１図の実施例と同様になる。従って、第１図の実施例
と同様にして、測定を実行できる。

（効果）以上、本発明によれば、新規な縞走査シアリング干渉
測定装置を提供できる。この装置は上述の如き構成を有
し、シア量を正確に知りうるので、高精度の測定を実現
できる。また、平面ミラーの微小回転の調整によりシア
量を変化させ得るので測定波面形状のうねり量に応じて
シア量を可変でき、しかもシア量の調整は平面ミラーの
回転のみで行い得るから、極めて容易である。なお、回
転駆動手段は公知の種々のものが利用できるが、回転角
が微小であるので、ピエゾ素子を利用したものが、好適
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の１実施例を要部のみしめす図、第２
図は、上記実施例に即して本発明の作用を説明するため
の図、第３図は、本発明の別実施例を説明するための図
である。Ｏ……被験体、Ｎ……基準面を持つミラー、18A,18B…
…シャッター、20A,20B……ア・フォーカルレンズ系を
構成するレンズ、22……ビームスプリッター、24,28…
…平面ミラー、26……ピエゾ素子、30……回転駆動手
段、32……エリアセンサー

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測定波面と基準平面波面とを、任意に選択
できる選択光学系と、測定波面が選択されたとき測定光束を受光面上へリレー
する１組のア・フォーカルレンズ系と、このア・フォーカルレンズ系のレンズに挟まれた光路内
で、光束を２分割するビームスプリッターと、上記２分割された２光束をそれぞれ反射し、上記ビーム
スプリッターを介して再度合流させる２個の平面ミラー
と、これら２個の平面ミラーの一方を変位させてフリンジス
キャンを行うピエゾ素子と、他方の平面ミラーを、その鏡面を通り入射光軸に直交す
る軸のまわりに微小回転させる回転駆動手段と、を有
し、上記ア・フォーカルレンズ系の集光点位置が、上記２個
の平面ミラーの鏡面位置と一致していることを特徴とす
る、縞走査シアリング干渉測定装置。