JPH046882B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光源から出射する光を二つに分け、
その一方の光路長を変化していつた時の干渉縞を
利用する表面形状測定方法およびその方法を実施
するための装置に関する。

従来の干渉測定装置は、フイゾウ型干渉装置に
おいてもトワイマン型干渉装置においても、単に
干渉縞の形状や、参照光または被測定物側の光路
を変化させた時の干渉パターン強度の変化情報を
用いて被測定物の形状を測定していた。このよう
な測定方法では、干渉縞（干渉パターン）に不連
続部分が存在すると、不連続部分により分けられ
た被測定物の複数の部分の相対的面位置関係は分
らなくなつてしまうという不都合があつた。すな
わち、第１図ａは一つの面に対して従来の方法に
よつて得られる干渉縞２１，２２，２３を表わ
し、第１図ｂはその面に対して不連続な表面を有
する他の一つの面に対して同じ方法によつて得ら
れる干渉縞２１′，２２′，２３′，２４′を表わ
し、干渉縞の連続曲線は波長λの整数倍（位相差
で2π）、即ち表面の段差では波長λの1/2の整数
倍の不確定数を持つており、第１図ａの一つの
縞、例えば干渉縞２２が第１図ｂのいずれに対応
するのか知ることはできず、被測定物全面に亘り
精密測定を行なうことは不可能であつた。

したがつて、本発明の目的は、面形状の精密測
定において干渉縞に不連続部分が発生しても精密
に表面形状を測定することを可能にする測定方法
を提供することである。

本発明の第２の目的はそのような表面形状測定
方法を実施することを可能にする装置を提供する
ことである。

上記目的を達成するために、本発明による冒頭
に述べた種類の表面形状測定方法は、波長が異な
る複数個の可干渉性光源より出射する光を選択的
に同一光路に導き、ビーム・スプリツタで分離
し、一方を参照光とし、他方を被測定物に照射
し、その反射光または透過光を上記ビーム・スプ
リツタまたは第２のビーム・スプリツタにより再
び同一光路に導き、不連続部分が存在する干渉縞
をそれぞれの波長に対し撮像し、その情報を記憶
するとともに、波長が異なる上記複数の光の１つ
の波長の光を用い、上記参照光と被測定物に照射
する他方の光（物体光）の内の一方の光の光路長
を変化していつたときの干渉縞の変化から被測定
物上に生じる干渉縞の不連続な部分で分離された
被測定物の複数の面の各形状を測定し、他方、不
連続な干渉縞間の関係を上記記憶情報から算出す
ることによつて、干渉縞に不連続部分が生じる被
測定物に対しても、被測定物の測定すべき所望の
面全面に亘つて面形状を測定することを要旨とす
る。

上記第２の目的を達成するために、本発明によ
る表面形状測定装置は、波長が異なる複数個の可
干渉性光源と、該光源から出射する光を所定のビ
ーム径にするためのビーム径調整光学系と、上記
複数個の可干渉性光源から出射する光を選択的に
同一光路に導く光学手段と、上記光をビーム・ス
プリツタにより２分し、一方を参照光路に導き、
他方を被測定物に照射せしめ、被測定物を反射も
しくは透過した光を上記ビーム・スプリツタまた
は第２のビーム・スプリツタにより再び同一光路
に導き、発生する干渉縞をそれぞれの波長の光に
対し別々に撮像する手段と、該撮像手段により得
られた干渉縞の情報を記憶する手段と、参照光路
長または被測定物の光路長の一方を変化せしめる
手段と、上記光路長の変化により生ずる干渉縞の
変化を記憶する手段と、上記干渉縞の変化から被
測定物の面の詳細形状を計算し、上記複数の波長
の光による別々の干渉縞の情報から干渉縞の不連
続部分が生じる被測定物に対しても、被測定物の
測定すべき所望の面全面に亘つて面形状を計算す
る手段とを含むことを要旨とする。

すなわち、本発明においては、波長が異なる２
個以上の可干渉性光源より出射する光を用いる。
この２個以上の光の光路が同一であれば、得られ
た干渉縞は、第１図ａ，ｂに対応する第３図ａ，
ｂに示すように、波長λ₁に対しては実線で示すよ
うに２１，２２……２５；２０′，２１′，……２
４′が得られ、波長λ₂に対しては点線で示すよう
に２０１，２０２……２０４；２００′，２０
１′……２０４′が得られる。第３図に見られるよ
うに、両波長に対し得られる縞はほぼ平行で、縞
のピツチは波長により異なる。二つの波長に対す
る縞が互に近いものに対し、第３図に示すように
その縞間の距離をΔ（λ₁の縞からλ₂の縞を測り＋
ｊ方向を正とする）とし、λ₁の光に対する縞ピツ
チをｐとする。同様に不連続な第３図ｂに対して
もΔ′，p′を求め、Δ／ｐとΔ′／p′がほぼ等しいも
のが互に連続していると見做せる干渉縞であると
判断できる。すなわち第１図の一つの波長の光を
用いた干渉縞では第１図ａの縞２２と連なる第１
図ｂの縞は２２′か、２３′か２４′か不明である
が第３図ではａの２１と連なるｂの縞は２１′で
あることが分かる。ａとｂの面の段差が大きいと
きはさらにもう一つの波長λ₃を用いればよい。以
上のようにしてａとｂの面の相対関係の概要はつ
かめるが、この方法は面間距離の測定方法として
ブロツクゲージの測定等で既に公知である。本発
明においては、このようにして得られたａ，ｂの
位置関係を基にして、精密にａ，ｂの面の仮想平
面（あるいは仮想二次曲面）からのずれを測定す
ることを可能ならしめている。すなわち第２図に
示すように、一方の波長のみを用い、参照光路中
の楔ガラス６をわずかに移動することにより参照
光の光路長（位相）を変化させ、これに伴い変化
する干渉縞強度を全測定領域に亘り求め、それぞ
れの面での平面からのずれを求める（特願昭55−
28066号）。この結果はａおよびｂのそれぞれの面
に対しては精密な測定結果を与えているが、ａ，
ｂの相対関係は、縞が不連続なため不明であるの
で、上記の二つ以上の波長を用いる測定結果を用
いることにより、全測定領域（被測定物の全面）
に亘り精密測定を行なうことが可能となる。

以下に実施例を用いて本発明を一層詳細に説明
するが、それらは例示に過ぎず、本発明の枠を越
えることなしにいろいろな改良や変形があり得る
ことは勿論である。

第２図は本発明の不連続表面形状の測定方法を
説明するための図式図であり、測定装置の構成を
示す。１は不連続表面形状を有する被測定物であ
る。凹形の最上面の２面の全体に亘る平面度を測
定しようとしている。２は干渉パターンを撮像す
る撮像面であり、第４図のごとくｉ，ｊ番地の撮
像絵素を有する。３および３′はそれぞれ波長λ₁，
λ₂の光源、３１，３１′はシヤツタ、８，８′はコ
リメータ・レンズ、９は波長選択ビーム・スプリ
ツタであり、λ₁は透過、λ₂は反射する。４はビー
ム・スプリツタ、５は基準反射鏡である。１０は
被測定物をあおる（傾ける）機構である。２１は
被測定物を撮像面上に結像する光学系である。６
は楔ガラスであり、矢印で示すように微動され、
参照光の位相が変えられる。撮像面で取り込まれ
た干渉縞の情報は制御記憶および演算処理機能を
有する制御回路７に送られる。

第２図の本発明の不連続表面形状の測定装置を
用いた測定方法を以下に示す。

シヤツタ３１′を閉じ、シヤツタ３１を開き、
波長λ₁の光を用いる。あおり機構１０を調整し、
第３図に示すように、左右の測定領域に３〜10本
程度左右方向に向いた縞が表われるようにする。
縞の最も暗い部分（または明るい部分）の座標を
求める。その座標を（i_lon，j_lon）とする。ここで
ｌは１，２、（または１，２……）で波長の種類
を表わしているので、波長λ₁の場合は１である。
ｎは１，２，３……で上から何番目の縞かを表わ
し、ｍは１，２，３……で分離された測定領域の
何番目かを表わす（第１図、第３図の場合にはａ
が１、ｂが２）。すなわち第３図の波長λ₁での左
側の一番上の縞２１は（i₁₁₁，j₁₁₁）となり、これ
が撮像面上では第４図のごとくになるとすれば、 （i₁₁₁，j₁₁₁）＝｛（４，８），（５，８）， （６，８），（７，８）， （８，８），（９，７）， （10，７），（11，７）， （12，７），（13，７）｝ ……(1) となる。つぎにシヤツタ３１′を開け、３１を閉
じ、波長λ₂の光を用いる。あおり機構は上記λ₁で
の測定と同一条件で、縞の測定を行なう。上記と
同様に（i_2o′_n′，j_2o′_n′）が得られる。

（i_1on，j_1on）および（i_2o′_n′，j_2o′_n′）が求ま
れ
ば、制御回路７で、（i_1o1，j_1o1）と（i_2o′₁，j_2o′₁
）
で符号が正かつ最も近いペアを求める。すなわち
第３図で２１と２０１である。同様に（i_1o2，
j_1o2）と（i_2o′₂，j_1o′₂）で符号が正かつ最も近いペ
アを求める。すなわち第３図で２１′と２０１′で
ある。これが求まれば、つぎの座標を制御回路に
記憶しておく。

Ａ＝（i_1,o,1，j_1,o,1） Ｂ＝（i_2,o′_,1，j_2,o′_,1） Ｃ＝（i_1,o+1,1，j_1,o+1,1） Ｄ＝（i_2,o′_+1,1，j_2,o′_+1,1） Ｅ＝（i_1,o,2，j_1,o,2） Ｆ＝（i_2,o′_,2，j_2,o′_,2） Ｇ＝（i_1,o+1,2，j_1,o+1,2） Ｈ＝（i_2,o′_+1,2，j_2,o′_+1,2） ……(2) ここでＡとＥ，ＢとＦが連なつた縞であり、Ａ
とＢ，ＥとＦが最も近いペアである。ＣとＧおよ
びＤとＨは同じく連なつた縞であり、ＣとＧはＡ
とＥに隣接する波長λ₁の縞、ＤとＨはＢとＦに隣
接する波長λ₂の縞である。

つぎに第２図でシヤツタ３１′を閉じ、３１は
開いてλ₁での測定を行なう。この場合あおり機構
１０をあおつて縞間隔を可能な限り広くする。楔
ガラス６を一定ピツチで動かしては、撮像面２上
の干渉縞強度I_k（ｉ，ｊ）を取り込む。ここでｋ
は楔の移動量に対応するので、参照光の位相変調
量となる。つぎに（ｉ，ｊ）番地の強度I_k（ｉ，
ｊ）のうち最も強度が小さくなるｋを求める。こ
の求め方はI_k（ｉ，ｊ）が最小になるｋの値k₀に
対しk₀の前後の2N＋１の値すなわちI_k-N（ｉ，
ｊ）、I_k-N+1（ｉ，Ｊ）……I_k（ｉ，ｊ）……I_k+N-1
（ｉ，ｊ）、I_k+N（ｉ，ｊ）の値を用い内挿により
真の最小値I_k′₀（ｉ，ｊ）を求める。k′₀に対応す
る位相変調量を（ｉ，ｊ）とする。総ての（ｉ，
ｊ）に対し干渉強度が最小となる位相変調量（楔
移動量）（ｉ，ｊ）を求める。この値が０から
2πまでの値である場合（ｋが１からＫ（最大））
には隣接する絵素で±2πに近い飛びがある時に
は、位相αとα±2πは同一位相であることに着
目し、（ｉ，ｊ）が滑めらかにつながるように
±2πの和算処理を行なう。このようにして得ら
れた位相値₀（ｉ，ｊ）は左および右の測定部分
内ではそれぞれ正しい値であるが、左と右との間
には±2nπの位相差が存在するため、二つの波長
で測定した結果を用いてこのｎ（整数）を決定す
る。以下その方法を示す。

つぎの値Ｇを最大にするａ，ｂ，ｃ，ｄを求め
る。

Ｇ＝ 〓^A,B ｛₀（ｉ，ｊ）−ai−bj−ｃ｝²＋ 〓^E,F ｛₀（ｉ，ｊ）−ai−bj−ｄ｝² ＋ 〓^C,D ｛₀（ｉ，ｊ）−ai−bj−ｃ＋2π｝² ＋ 〓^G,H ｛₀（ｉ，ｊ）−ai−bj−ｄ＋2π｝² ……(3) ただし上式で例えば 〓^A,B は(2)式で示される （ｉ，ｊ）の組について和を取ることを示す。
(3)式を求めるにはＧをＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄについて偏
微分して、その値が０になるようにすれば、ａ，
ｂ、ｃ，ｄに関する４元一次方程式となり、これ
を解けばよい。得られたｄとｃに対し ｜ｄ−ｃ−2πn｜（ｎ＝０，±１，±２……）が
最小となるｎをn₀とすると ′（ｉ，ｊ）＝₀（ｉ，ｊ） 左測定
部₀ （ｉ，ｊ）＋2n₀・π 右測定部 が測定領域全面に亘る面形状を表わしている。

以上説明したように、左と右のそれぞれの測定
結果に、二つ以上の波長を用いて測定した結果を
用いて計算することにより測定面全面に亘る面形
状の精密測定が可能となる。上記実施例において
左右の分離面の関係を求めるに際し、(2)式で示さ
れる縞情報の総てを用いたが、この一部分を用い
ても、すなわち、Ａ，Ｂ〜Ｇ，Ｈの一部のサンプ
ル点のみを用いてもｃとｄの関係が求めることは
云うまでもない。また参照光を位相変調し、干渉
縞強度、I_k（ｉ，ｊ）の最小値を内挿する方法で、
各点の位相₀（ｉ，ｊ）（面形状を表わす）を求
めているが、I_k（ｉ，ｊ）ｋ＝１，２……Ｋを高
速フーリエ変換（FFT）し、その値の絶対値が
最大になる値での位相値から₀（ｉ，ｊ）を求め
てもよい。

第２図の実施例では平面からのずれを測定する
光学系となつているが、ビーム・スプリツタ４と
被測定物１の間に集光レンズ（フオーカス・レン
ズ）を挿入すれば、球面で、二つ以上に分かれて
いる被測定物についても測定可能であることは云
うまでもない。すなわち本発明は、平面．球面．
放物面（一点から出た光を平行光にする）双曲
面、楕円（一点から出る光または一点に集束する
光を他の一点に集光するかまたは他の一点から出
た球面波にする）などの二次曲面に対して適用で
きることは明らかである。また第２図の実施例で
は波長が異なる２種類の光源を用いているが、不
連続に分解される部分間の段差が大きい場合も、
３種以上の波長を用いて形状の精密測定ができる
ことは明らかである。

本発明によれば従来干渉測定による形状測定で
干渉縞に不連続部分があると測定不可能であつた
被測定物に対し、測定領域全体に亘り、精密な面
形状測定が初めて可能になり、その効果は非常に
大である。例えば磁気デイスク・スライダ面は２
〜３本あり、それらは完全に分離した位置にある
ため、従来、各スライダ間の真の面精度は測定不
可能であつたが、本発明により、高精度（λ／
100程度）の測定が全測定面に亘り非接触で可能
となつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の測定で得られる干渉縞、第２図
は本発明の不連続表面形状測定装置の構成図、第
３図は本発明の方法によつて得られる干渉縞を表
わす図、第４図は撮像面上の測定領域と干渉縞位
置を示す図である。 １……不連続表面を有する被測定物、２……干
渉縞を撮像するための撮像面、３，３′……レー
ザ光源、４……ビーム・スプリツタ、５……基準
反射鏡、６……楔ガラス、７……制御回路、８，
８′……ビーム径調節系、９……二つの光路を同
一光路に導く手段である波長選択性ミラー、１０
……あおり機構、２１……被測定物を撮像面上に
結像する光学系、３１，３１′……シヤツタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 可干渉性光源より出射する波長の異なる光の
   各々を分離光学素子にて参照光と物体光とに分離
   し、分離された物体光を被測定物に照射し、該被
   測定物からの反射光又は透過孔と上記分離された
   参照光を参照光路に導くことによつて得られる参
   照光とによつて発生する干渉縞を各々の波長の光
   に対して撮像手段で検出し、検出された各波長に
   よる干渉縞の間の相対的な位置のずれと各波長に
   よる干渉縞内のピツチの情報から上記被測定物の
   測定すべき所望の面全面の中で発生する干渉縞の
   不連続部分で分離される当該被測定物の測定すべ
   き所望の部分面間の相対的形状関係を求めて記憶
   し、記憶された相対的形状関係と上記被測定物上
   の干渉縞の不連続部分で分離される各部分面内で
   検出される干渉縞の強度から被測定物の表面形状
   を測定することを特徴とする表面形状測定方法。 ２ 波長が異なる光を出射する可干渉性光源と、
   該光源より出射する各波長の異なる光を参照光と
   物体光とに分離する分離光学素子と、該分離光学
   素子によつて分離された物体光を被測定物に照射
   せしめ、被測定物からの反射光又は透過光と上記
   分離光学素子によつて分離された参照光を参照光
   路に導くことによつて得られる参照光とによつて
   発生する干渉縞を各々の波長の光に対して検出す
   る撮像手段と、該撮像手段によつて検出された各
   波長による干渉縞の間の相対的な位置のずれと各
   波長による干渉縞内のピツチの情報から上記被測
   定物の測定すべき所望の面全面の中で発生する干
   渉縞の不連続部分で分離される当該被測定物の測
   定すべき所望の部分面間の相対的形状関係を求め
   て記憶する不連続部で分離された面間の相対形状
   関係抽出手段と、上記被測定物上の干渉縞の不連
   続部分で分離される各部分面内で検出される干渉
   縞の強度を検出する干渉縞強度検出手段と、上記
   不連続部で分離された面間の相対形状関係抽出手
   段から求められて記憶された不連続部で分離され
   た面間の相対形状関係と、上記被測定物上の干渉
   縞の不連続部分で分離される各部分面内で検出さ
   れる干渉縞の強度を検出する干渉縞強度検出手段
   から得られる被測定物上の干渉縞の不連続部分で
   分離される各部分面内で検出される干渉縞の強度
   とから被測定物の所望の表面の形状を測定する測
   定手段とを備えたことを特徴とする表面形状測定
   装置。