JPH02132310A - シアリング干渉計の補正方法 - 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、レンズからの透過波面の計測や、被験体表面
の粗さ計測、非球面計測等に使用される、フリンジスキ
ャン法が組み合わされたシアリング干渉計に係り、上記
フリンジスキャン時に生じるシア量変化に伴う測定誤差
を補正するためのシアリング干渉計の補正方法に関する
。

（従来の技術） レンズからの透過波面の計測や、被験体表面の粗さ計測
、非球面計測等に使用される干渉計としては、フリンジ
スキャン法が組み合わされたシアリング干渉計が良く知
られている。

このフリンジスキャン法が組み合わされたシアリング干
渉計においては、被験波面を有する光束を２光束に分割
し、分割された２光束の一方側を所定のシア量横ずらし
させ両光束を受光素子の受光面上で干渉させる手段と、
上記２光束の一方側の光路長を変化して位相を変化させ
フリンジスキャンを行なう手段とを備え、上記受光素子
によって検出された干渉縞情報に基づいて被験波面を再
生するように構成されている。

ところで、このように構成されたシアリング干渉系にお
いては、上記２光束の干渉縞から位相を正確に求めるた
め、フリンジスキャン法が組み合わされており、上記２
光束の一方側を信号波面、他方側を参照波面とし、信号
波面又は参照波面の何れか一方側を波長オーダでシフト
し、この波面シフトによる干渉縞の明るさの変化を受光
素子により検出し、検出された干渉縞の明るさの変化情
報から信号波面と参照波面の位相差を計算し、被験波面
を再生するようになっている。

尚、上記シフト量はデータの処理方法によって決まり、
また、受光素子による干渉縞の検出法としては、位相ス
テッピング法、インテグレートパケット法等が適用され
る。

（発明が解決しようとする課題） 法（例えば、特開昭５５−４６１９０号公報，特開昭６
０−　２６３８０１号公報、特開昭６２−２３３７０４
号公報、特開昭６２−２９８７０２号公報等）。

■　シア方向の非独立性によって発生する誤差を補正す
る方法（例えば、特開昭６３−５８１０５号公報等）。

等が提案されているが、上記何れにおいても、シアリン
グ干渉計のフリンジスキャンに伴うシア量変化により発
生する誤差に関する検討はなされていなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、フリ
ンジスキャン法が適用されたシアリング干渉計において
、フリンジスキャンに伴うシア量変化により発生する測
定誤差を低減するための補正方法を提供することを目的
とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明では、被験波面を有す
る光束を２光束に分割し、分割された２光束の一方側を
所定のシア量横ずらしさせ両光束を受光素子の受光面上
で干渉させる手段と、上記ところで、このようなフリン
ジスキャン法が組み合わされるシアリング干渉計として
は、所定の間．隙を隔てて平行に配置された２枚の平行
平面板を用いて、被験波面を有する光束を２光束に分割
し且つ分割された２光束の一方側を所定のシア量横ずら
しさせ干渉させる平行平板タイプのものや、マツハシェ
ンダータイプのものが提案されているが、これらのタイ
プのシアリング干渉計においては、フリンジスキャンを
行なう際に、２光束の相対的なシア量も変化してしまい
、測定誤差が発生するという問題がある。特に、高精度
な測定を行なうような場合には、この誤差は無視できず
、問題である。

尚、干渉計の誤差低減に関して検討している例を調査し
たところ、 ■　光学部品の精度や組み付け精度による測定誤差を補
正する方法（例えば、特開昭５７−６３４０９号公報、
特開昭６１−２３９０２号公報、特開昭６２−２５４０
０ｌ号公報、特開昭６３−５０７０９号公報等）。

■　測定環境の変化による測定誤差を補正する方４一 ２光束の一方側の光路長を変化して位相を変化させフリ
ンジスキャンを行なう手段とを備え、上記受光素子によ
って検出された干渉縞情報に基づいて被験波面を再生す
るシアリング干渉計において、上記２分割された光束の
一方側の光路長を増大及び減少する側に夫々独立にある
いは正弦波的に連続にフリンジスキャンして上記受光素
子により上記２光束の干渉縞を検出し、その検出された
干渉縞情報から両光束の位相差を計算する際に、光路長
を増大する側にフリンジスキャンして得た位相差と、減
少する側にフリンジスキャンして得た位相差との平均位
相差を求め、その平均位相差からもとの被験波面を再生
することにより、上記フリンジスキャン時に生じるシア
量変化に伴う測定誤差を補正したことを特徴とする。

（作　　　用） 本発明においては、光路長を増大する側にフリンジスキ
ャンして得た位相差と、減少する側にフリンジスキャン
して得た位相差との平均位相差を求め、その平均位相差
からもとの被験波面を再生するようにしたことにより、
光路長を増大する側にフリンジスキャンした時のシア量
の変化量と、光路長を減少する側にフリンジスキャンし
た時のシア量の変化量とが相殺され測定誤差が低減され
る。

（実　施　例） 以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。

先ず、本発明が実施されるに適したシアリング干渉計に
ついて説明する。

第１図は２枚の平行平面板によって被験波面を有する光
束を２光束に分割すると共に所定量シアさせる平行平面
板タイプのシアリング干渉計の一例を示しており、第１
図において、符号１及び符号２は平行平面板を夫々示し
ており、両平行平面板１，２は所定の間隙Ｔを隔てて平
行に配置されており、且つ、一方側の平行平面板２は圧
電素子３を介してスライド機構４に平行移動可能に支持
されており、他方の平行平面板１は測定装置空間に固定
的に配置されている。

ここで、入射光束６側に位置する第１の平行平７一 イド機構４に固定された圧電素子３に固定されており、
フリンジスキャン（縞走査）を行なうときには、圧電素
子３によりその厚み方向（図中Ａ方向）へ微小距離ずつ
段階的に移動されるようになっている。

ここで、被験波面Ｗを持つ光束６を図示の如く第１の平
行平面板１の反射防止膜を設けた面１ａから有限の入射
角φで入射させると、光束６は面１ａから入射し、一部
は面１ｂで反射されて受光素子（例えば、ＣＣＤ等のエ
リアセンサー）５の側へ向かって進む。以下、この光束
を測定光束（若しくは信号光束）と呼び、その波面を被
験波面Ｗとする。一方第１の平行平面板１を透過した光
束は第２の平行平面板２の面２ａで反射された後、再び
第１の平行平面板１を透過して同じく受光素子５の方向
へ向かう９以下、この光束を参照光束と呼び、その波面
を参照波面Ｗ′と呼ぶ。

両平行平面板１，２により２分割された測定光束と参照
光束とは、受光素子５の受光面上で干渉し、干渉縞が生
じる。そして、この時の被験波面面板１は両面を高度に
平面仕上げされ、且つ両面が高度に平行化された透明板
であり、光束６入射側の面１ａには該面部による反射を
防止するため、反射防止膜が形成されるが、間隙Ｔ側に
位置する面１ｂには反射防止膜の形成は行なっていない
。尚、この第１の平行平面板１としては、例えば平行平
面ガラスが利用される。

また、圧電素子３に固定された第２の平行平面板２は、
上記第１の平行平面板１と同様の材質で形成されている
が、間隙Ｔ側の面２ａには反射防止膜は形成されず光反
射面として作用する。尚、他方の面２ｂには通常反射防
止膜が形成され、該面部２ｂによる光反射が防止されて
いる。

尚、上記両平行平面板１，２は、反射防止膜の設けられ
ていない側の面１ｂ，　２ａが互いに対向しあうように
所定間隙Ｔ隔てて平行配置されている。

また、第１図に示した構成のシアリング干渉計において
は、第１の平行平面板１は前述したように測定装置空間
に固定的であり、第２の平行平面板２の方は、上記測定
装置空間に固定されたスラＷと参照波面Ｗ′とは、原理
的には同一の波面形状であるが両者はシア量Ｓだけ互い
に横ずれしている。このシア量は、面１ｂ，　２ａ間の
間隙の大きさをＴとすると、２７ｓｉｎφで与えられる
。したがって、シア量Ｓの調整は、間隙Ｔの大きさをス
ライド機構４によって変えることにより行なうことがで
きる。

さて、以上の構成からなる平行平面板タイプのシアリン
グ干渉計において、被験波面をＷ（ｘ，ｙ）、参照波面
をＷ（ｘ＋ｓ，ｙ）とし、圧電素子３を図中八方向に微
動すると、受光素子５上の参照波面の位相をシフトする
ことができ，位相ステッピング法によるフリンジスキャ
ンを行なうことができる。

すなわち、圧電素子３を図中八方向に沿って右上方向に
微動させると、参照波面は受光素子５に達するまでの光
路長が増加することにより、位相がシフトされる。

ここで、圧電素子３の微動量をΔａとし、第１の平行平
面板１への被験波面の入射角をφとすると、圧電素子３
によるシフト量ｔは、 ｔ＝２−ΔＱ　・ｃｏｓφ　　　　　　　　　−・・（
１）で表せる。

位相ステッピング法により全シフト量を４分割してフリ
ンジスキャンする場合、λを波長として、ｔ＝Ｑ，ｔ＝
λ／４，ｔ＝λ／２，　ｔ　＝３λ／４の４点での干渉
縞の明るさを受光素子５によって検出する。

この時の各シフト点における干渉縞の明るさを夫々Ｉｔ
（Ｘ＋い＋　工ｚ（ｘ＋ｙ），　Ｉ３（ｘ＋ｙＬ　Ｉ４
（ＸＩｙ）とすると、被験波面と参照波面との干渉を生
じさせている光路差（位相差）ΔＷ（ｘ，ｙ）は，ΔＷ
（ｘ，い＝Ｗ（ｘ＋ｙ）　　Ｗ（ｘ＋Ｓ，ｙ）＝（ｄＷ
（ｘ）／ｄｘ）Ｓであり、その位相角α（ｘ，ｙ）は、 となる。よって、求める被験波面Ｗ（ｘ，ｙ）は、Ｗ（
ｘ，ｙ）＝（１／２）／ΔＷ（ｘ，’ｙ）　ｄｘ＝（λ
／２πＳ）ｆａ（ｘ，ｙ）　ｄｘ　　　・・・（３）な
る積分演算により求めることができる。尚、ここで、Ｓ
は前述したシア量である。

ところで、（３）式より明らかなように、シア量Ｓは被
験波面の測定精度に直接関係するが、圧電素子３による
フリンジスキャン時にシア量も変化してしまい、このシ
ア量の変化量ΔＳは、ΔＳ＝２−ΔＡ−ｓｉｎφ　　　
　　　　　−（４）となる。

したがって、（２）式のＬ（ｘ＋ｙ）　−　Ｉ４（Ｘｌ
ｙ）はすべてシア量が異なる干渉縞の明るさの測定値と
なるから、α（ｘ，いは誤差を持つことになる。また、
（３）式においては、シア量Ｓは定数として扱われるか
ら、積分演算式においても誤差を持つことになる。尚、
第３図に示すグラフの（ａ）に曲率半径Ｒ＝３Ｘ１０’
ＩＩｌｍの球面を測定したときの測定誤差を示す。

さて、以上のように、フリンジスキャン法が適用された
シアリング干渉計においては、フリンジスキャン時にシ
ア量Ｓも変化してしまうため、このシア量Ｓ変化に起因
する誤差が発生して問題となる。

そこで、上記測定誤差を低減する方法を以下において説
明する。

本発明による上記測定誤差の補正方法としては，第１図
に示したシアリング干渉計において、圧電素子３を微動
して第２の平行平面板２をシフトし、間隙Ｔを増大若し
くは減少して参照波面側の光路長を増大及び減少する側
に夫々独立にあるいは正弦波的に連続にフリンジスキャ
ンして受光素子５により被験波面と参照波面との位相差
を干渉縞の明るさの変化として検出し、その検出された
干渉縞の明るさの変化から位相差を計算し、被験波面を
求める際に、上記光路長を増大する側にフリンジスキャ
ンして得た位相差と、減少する側にフリンジスキャンし
て得た位相差との平均位相差を求め、その平均位相差か
らもとの被験波面を求めるようにし、フリンジスキャン
時に生じるシア量変化に伴う測定誤差を補正する。

以下、より具体的に説明する。

第３図に示すグラフの（ａ）の測定結果は、先の（３）
式においてシア量Ｓとして、シフト量１＝０の時の値を
使っているが、この時のシア量をＳ。

とすると、１＝０〜ｔ＝３λ／４のシフトに対して、シ
ア量はＳ。−Ｓ　，　＋　（３／４）λ・ｔａｎφ　の
範囲で変化する。そこで、（３）式で定数として用いる
シア量Ｓの値にシア量変化の中心値Ｓ　．＋　＋　（３
／８）λ・ｔａｎφを用いることにより測定誤差を低減
することができる。第３図に示すグラフの（ｂ）はこの
方法による測定誤差の測定結果を示すが、この結果より
明らかなように、シア量Ｓの値としてシア量変化の中心
値Ｓ。＋（３／８）λ・ｔａｎφを用いる方法では、ま
だ無視できない量の誤差が残っているが第３図（ａ）の
場合と比べて誤差は減少している。

次に、（２）式において発生する誤差の低減方法につい
て述べる。

第１図において，通常のフリンジスキャン法では、圧電
素子３による微動の方向は図に対して右上方向か若しく
は左下方向の何れかであり、先の例では、右上方向にシ
フトする場合、すなわち、間隙Ｔを増大し光路長を増大
する向きにシフトする場合のみ示したが、圧電素子３に
より左下方向にシフトする場合、すなわち、間隙Ｔを減
少し光路長を減少する向きにシフトする場合も考えて、
その時のシフト量を１＝０，１＝一λ／４，ｔ＝−λ／
２，ｔ＝−３λ／４とし、夫々のシフト時の干渉縞の明
るさをＩ　ｘ　（Ｌｙ）　ｒ　Ｉ’２　（ＸＩ／）　ｚ
　Ｉ’３　ＣＸｔい，工″。

（ｘ＋いとし、求める位相角をα−（ｘ，ｙ）とすると
、位相角α−（ｘ＋いは、 で求められる。

また、先の例で示した右上方向にシフトする場合に（２
）式で求まる位相角をα＋（ｘ，ｙ）とすると、α，（
ｘ＋ｙ）とα−Ｃｘ，　ｙ）とでは、（４）式より得ら
れるシア量の変化量は等しく、向きが逆であるから、に
よって求めた平均のα±（ｘ，いの方が誤差を小さくす
ることができる。尚、第３図に示すグラフの（ｃ）は，
（６）式の処理をしたときの測定誤差の結果を示してお
り、この結果から明らかなように、被験波面の光路長に
対して参照波面側の光路長を増大する側にフリンジスキ
ャンして得た位相差と、Ｌ４は夫々レンズを示しており
、上記ミラー１１は圧電素子１２により矢印方向に微動
されるように支持されている。

第１図に示す構成のシアリング干渉計においては、レー
ザ光源８より出た光は、レンズＬＬ，　Ｌ２にて平行光
となり、ビームスプリッタ９，１０を透過した後、レン
ズＬ３により球面波に変換され、被測定面１７に照射さ
れる。この被測定面１７からの反射光は再びレンズＬ３
を通過して被測定面ｌ７の形状に応じた被験波面を持っ
た平面波となり、ビームスプリッタ１０により２方向に
分割される。そして、２分割された被験波面の一方側は
ビームスプリッタ９，１５を通って受光素子１６の受光
面上に到る。

また、他方の被験波面は圧電素子１２によって微動され
るミラー１１で反射されると共に位相変調され、さらに
平行平面板１４を通過することによりシアされる。そし
て、このシアされた被験波面は、ビームスプリッタ・１
５を通過して受光素子１６の受光面上に到り、もう一方
の被験波面と重ね合わさり干渉縞が発生する。したがっ
て、上記ミラー１１を圧電減少する側にフリンジスキャ
ンして得た位相差との平均位相差を求め、その平均位相
差からもとの被験波面を求めるように処理することによ
り、フリンジスキャン時に生じるシア量変化に伴う測定
誤差を大幅に低減することができる。

したがって、本発明によれば、シアリング干渉計の測定
誤差を低減することができ、測定精度の向上を図ること
ができる。

尚、以上の説明では、２つの平行平面板を用いたタイプ
のシアリング干渉計に本発明を適用した場合の例につい
て説明したが、本発明による補正方法は、第２図に示す
ような、マツハシェンダタイプのシアリング干渉計にも
同様に適用することができる。

ここで、第２図において符号８はレーザ光源、符号９，
　１０．　１５はビームスプリツタ、符号１１は反射ミ
ラー、符号１２はＰＺＴ等の圧電素子、符号ｌ３は圧電
素子ｌ２を平行移動可能に支持するスライド機構、符号
１４は平行平面板、符号１６はエリアセンサ等の受光素
子、符号１７は被測定面、Ｌｌ，　Ｌ２，　Ｌ３，素子
１２により微小距離Ｎ段階にシフトしてフリンジスキャ
ンを行ない、各シフト時における干渉縞を受光素子１６
で検出することにより、第１図に示した平行平面板タイ
プのシアリング干渉計と同様の原理で被験波面を求める
ことができる。

ところで、第２図に示すマツハシェンダタイプのシアリ
ング干渉計においても、第１図に示した平行平面板タイ
プと同様に、フリンジスキャン時にシア量が変化してし
まうという問題がある。

そこで、第２図に示すマツハシェンダタイプのシアリン
グ干渉計の場合も第１図に示した平行平面板タイプの場
合と同様に、ビームスプリッタ１０にて分割され、ミラ
ー１１で反射されて受光素子１６に到る光路長に対して
、圧電素子１３を光路長が増大及び減少する側に夫々独
立に、あるいは、正弦波的に連続にフリンジスキャンし
、受光素子１６で干渉縞を検出し、この干渉縞情報から
２分割された被験波面の位相差を計算する際に、光路長
が増大する側にフリンジスキャンして得た位相差と、光
路長が減少する側にフリンジスキャンして得た位相差と
の平均位相差から被験波面を求めるようにすることによ
り、フリンジスキャン時のシア量変化に起因して発生す
る測定誤差を低減することができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によるシアリング干渉計の
補正方法は、平行平面板タイプやマツハシエンダタイプ
等の種々のタイプのシアリング干渉計に適用することが
でき、これらシアリング干渉計のシア量変化に起因する
測定誤差を大幅に低減することができ、シアリング干渉
計の測定精度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は平行平面板タイプのシアリング干渉計の説明図
、第２図はマンハシェンダタイプのシアリング干渉計の
説明図、第３図は第１図に示すシアリング干渉計を用い
てフリンジスキャン法により球面を測定した時のシフト
位置に対する測定誤差を示すグラフである。 １，２・・・・平行平面板、３・・・・圧電素子、４・
・・スライド機構、５・・・・受光素子、６・・・・入
射光束、８・・・・レーザ光源、９，　１０．　１５・
・・・ビームスプリツタ、１ｌ・・・・反射ミラー、１
２・・・・圧電素子、１３・・・スライド機構、１４・
・・・平行平面板、１６・・・・受光素子、１７・・・
・被測定面、Ｌｌ，　Ｌ２，　Ｌ３，　Ｌ４・・・・レ
ンズ、Ｓ・・・・シア量、Ｗ・・・・被験波面、Ｗ′・
・・・参照波面。 −２０一

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被験波面を有する光束を２光束に分割し、分割された２
   光束の一方側を所定のシア量横ずらしさせ両光束を受光
   素子の受光面上で干渉させる手段と、上記２光束の一方
   側の光路長を変化して位相を変化させフリンジスキャン
   を行なう手段とを備え、上記受光素子によって検出され
   た干渉縞情報に基づいて被験波面を再生するシアリング
   干渉計において、上記２分割された光束の一方側の光路
   長を増大及び減少する側に夫々独立にあるいは正弦波的
   に連続にフリンジスキャンして上記受光素子により上記
   ２光束の干渉縞を検出し、その検出された干渉縞情報か
   ら両光束の位相差を計算する際に、光路長を増大する側
   にフリンジスキャンして得た位相差と、減少する側にフ
   リンジスキャンして得た位相差との平均位相差を求め、
   その平均位相差からもとの被験波面を再生することによ
   り、上記フリンジスキャン時に生じるシア量変化に伴う
   測定誤差を補正したことを特徴とするシアリング干渉計
   の補正方法。