JPH0484703A - 多波長型干渉計 - 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、波長の異なる複数個の光源を備え、測定面の
平面度、形状等を測定する多波長型干渉計に関するもの
である。

［従来の技術］ 測定物の面形状（平面、球面、非球面等）を測定する場
合、２種類以上の波長を持つレーザ光源を使用した多波
長型干渉計においては、それぞれの波長による干渉縞が
重なり合って和のモアレ縞が生じる０例えば、λ１とλ
２の２波長の場合、生じる和のモアレ縞の間隔は、λ１
とλ２の等価波長λｅ　（−λ１　・λ２／１λ１−λ
２１）による干渉縞と一致する。しかし、このモアレ縞
は大変不鮮明で視認でも観察しずらく、通常の干渉縞の
処理に用いられる方法は使用できない０例えば、λ□−
６３２．８ｎｍ、＾ｚ＝６７０ｎｍとすると、λｅ≠１
１．４μｍとなり干渉縞間隔は約５μｍとなる。

この不鮮明な干渉縞を鮮明にし、通常の干渉縞処理が可
能になると、２つの波長の光を混合して生じる等価波長
での計測が可能となる。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来技術では単波長のレーザ干渉計でのダイナ
ミックレンジは５μｍ位が限界とされていた。また、格
子を使用したモアレ法による干渉計は、鰻小分解能が５
０μｍ〜１００μｍであり、１０μｍ〜１００μｍレベ
ルの変位を測定することができず、この領域での干渉計
の開発が要望されている。

なお、等価波長λｅ≠１１．３９７μｍは炭酸ガスレー
ザの波長と略等しく、したがって２つの光源の代わりに
１つの炭酸ガスレーザを使用することも考えられるが、
その場合は通常の光学素子を使用することができず、高
価なものになると云う問題を含んでいる。

したがって、本発明は上記したような従来の問題点およ
び要望に鑑みてなされたもので、その目的とするところ
は、和のモアレ縞を鮮明度良く画像データとして取り込
むことができ、通常の干渉計では測定困難だった数１０
μｍから数１００μｍの領域での凹凸形状を測定し得る
ようにした多波長型干渉計を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するためになされたもので、そ
の第１の発明は、異なった波長を有する少なくとも２つ
の光源を備え、その各々の干渉縞の重ね合わせにより生
じる不鮮明な和のモアレ縞を縞走査して鮮明化し、等価
波長による干渉縞の強度分布を得るようにしたものであ
る。

また、第２の発明は異なった波長を有する少なくとも２
つの光源を備え、その各々の干渉縞の重ね合わせにより
生じる不鮮明な和のモアレ縞を縞走査して鮮明化し、さ
らに得られた等価波長干渉縞に対して再び縞走査を行い
位相検出することにより、測定面の面精度または形状を
測定するようにしたものである。

［作用］ 異なった２波長λ１、λ２による干渉縞が重なり合うと
、和のモアレ縞が観測され、その縞間隔は、λ１、λ２
による等価波長（λｅ）による干渉縞と一致する。そし
て、和のモアレ縞は大きなうねりの中に細かな強度変化
のあるビート信号のような強度分布をもつ、その大きな
うねりが等価波長での干渉縞である。これはきわめて不
鮮明で、通常の干渉縞処理では不可能とされる。

そこで、不鮮明な等価波長干渉縞を縞走査により鮮明に
する。すなわち、参照面を光軸に沿って動かすと、干渉
縞の強度分布は参照面の移動量に応じて変化する０例え
ば、λ／８の間隔で参照面を光軸に沿って平行に動かす
時の撮像装置上での一点での強度変化をＡ□、Ｂ１、Ｃ
１、Ｄｌとすると、各点での一波長における干渉縞の位
相ωは、・　−・　・　（１） λ で表される。

ここで、その振幅の２乗は、 ＴＨ２−（Ａｔ　　Ｃｔ　）”　＋　（Ｂｔ　　Ｄ□）
２で表される。

そこで、式（３）に着目し、２つの干渉縞の重なり合っ
た状態でλ、もしくはλ２について１周期分の縞走査を
行い、式（３）のＴＨ２の値を求める。２波長における
ＴＨ２の値は、和のモアレ縞の各点における強度に比例
する。つまり、ＴＨ２の値は、等価波長干渉縞の強度変
化に比例していることになる。この動作を２次元の干渉
縞図形において行うと、鮮明な等僅波長干渉縞が得られ
る。

また、等価波長干渉縞が得られると、この等僅波長の１
周期分を何分割かし、縞走査することにより、等価波長
での位相分布が式（１）から求めることができる。

［実施例］ 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明に係る多波長型干渉計の一実施例を示す
光学系の図である。同図において、多波長型干渉計は、
波長の異なった２つの光源１．２を備えている。第１の
光源１としては、可視、赤外または紫外の光束を発する
ものとして、例えばＨｅ−Ｎｅレーザー（波長λ１−＝
６３２．８ｎｍ）が、第２の光源２として半導体レーザ
ー（波長λ２　＝６７０ｎｍ）がそれぞれ使用される。

３はビームミキサー、４は集光レンズ、５はアナモルフ
ィックプリズム、６は発散レンズ、７はハーフミラ−１
８はコリメータレンズ、９はハーフミラ−からなるメイ
ンミラー、１０は測定面、１１は参照面、１２は参照面
１１を光軸方向に移動させる駆動装置としてのピエゾ素
子、１３はスペーシャルフィルタ、１４は結像レシズ、
１５はＣＣＤ等の撮像装置、１６は画像入力装置、１７
は画像処理するコンピュータである。

第１の光源１、第２の光源２および上記光学素子は光軸
が一致するように調整され、また両光源の光量は、ビー
ムミキサー３以後等しくなるように調整されている。

このような構成において、第１の光源１から発射された
波長λ１のレーザー光は、ビームミキサー３を透過して
発散レンズ６により発散光となり、ハーフミラ−７で反
射され、コリメータレンズ８によって再び平行光とされ
た後、その一部がメインミラー９に当たって反射し測定
面１０を照射する一方、他の一部がメインミラー９を透
過して参照面１１を照射する。測定面１０と参照面１１
に当たってそれぞれ反射した反射光は測定面１０と参照
面１１の形態に応じた形態となっている。そして、これ
らの反射光は同一光路を戻ることにより互いに重ね合わ
され、コリメータレンズ８、ハーフミラ−７、スペーシ
ャルフィルタ１３を通過し、結像レンズ１４によって撮
像装置１５の撮像面に結像されることにより、両反射光
の相互干渉に基づく干渉縞を形成し、これを撮像袋ｆ１
５によって画像化する。

今、メインミラー９から測定面１０までの距離１、とメ
インミラー９から参照面１１までの距離ρ、の差をδ（
＝Ｊ、　−４１，）とすると、測定面１０にて反射した
測定光と、参照面１１に当たって反射した参照光とは往
復２δの光路差を生じる。

この２δの光路差から生じる干渉模様の強度は、Ｉｃｃ
ｃｏｓ２　（２πλ１δ＋φ）　（但し、φは整数） となる。

すなわち、光路差２δがλ１／２の奇数倍の時、２δ＝
λ１／２・（２ｎ−１）　　（但し、ｎは整数）となり
、互いに打ち消し合って暗くなり、λ１／２の偶数倍の
時、２δ−λ１／２・（２ｎ）となり、互いに強め合っ
て明るくなる。この結果、相互干渉に基づく干渉縞から
なる干渉像を形成する。

第２の光源２から発射された波長λ２のレーザー光は、
集光レンズ４およびアナモルフィックプリズム５を通過
してビームミキサー３により反射された後、上記した第
１の光源１の光束と同一の光路を通って測定面１０と、
参照面１１を照射し、その反射光が結像レンズ１４によ
り撮像装置１５の撮像面上に結像されることにより干渉
縞を形成する。

波長λ２による干渉縞は、上記波長λ！と同様に２δ＝
λｚ／２（２ｎ−１）の時、暗くなり、２δ＝λｚ／２
（２ｎ）の時、明るくなる。

波長λｌによる干渉縞の強度分布と、波長λ２による干
渉縞の強度分布が撮像袋ｆ１５の撮像面上に重なり合う
と、その強度分布は両干渉縞による和のモアレ縞となる
。

つまり、２つの光源１．２の光束を混合した状態で測定
面ｌＯを照射すると、観測される干渉縞は和のモアレ縞
である。このモアレ縞の間隔は、λｌ、λ２による等債
波長（λや）による干渉縞の間隔と一致することが原理
的に明らかで、以後このモアレ縞のことを等価波長干渉
縞という。

第２図（ａ）は波長λ、による干渉縞を示す図である。

干渉縞の間隔はλ、／２岬０．３μｍである。同（ｂ）
図は波長λｌの干渉縞と波長λ２の干渉縞の重ね合わせ
による和のモアレ縞を示す図である。

第３図（ａ）は２つの波長λ１、λ２の干渉縞を示す図
で、波の低い部分が暗、高い部分が明を表している。同
（ｂ）図は２つの干渉縞の重ね合わせによる波の「うね
り」を示す図であり、この図から明らかなように２つの
干渉縞が重なり合うと、明暗が激しく入れ替わる部分と
明暗の変化のない部分が生じ、例えばこの明暗変化がな
く中間の明るさのところをつないだものがモアレ縞ＭＯ
（第２図（ｂ）の白い部分に対応〉だと云える。

このモアレ縞ＭＯは第３図（ｂ）から明らかなように大
きなうねりの中に細かな強度変化のあるビート信号のよ
うな強度分布をもつため、コントラストが著しく悪く、
目視でも観察しずらく、通常の干渉縞処理は不可能であ
る。

■　不鮮明な和のモアレ縞の鮮明化 そこで、不鮮明な干渉縞から和のモアレ縞による強度分
布のみを縞走査によって取出し、鮮明な等価波長干渉縞
の強度分布を得る。すなわち、ピエゾ素子１２によって
参照面１１を光軸に沿って動かすと、ρ、が変化し、δ
が変わる。したがって、干渉縞の強度分布は参照面１１
の移動景に応じて変化する。これを縞走査と云う。

第４図は波長λ１　（もしくはＡ２）のみの光により生
じた干渉縞の撮像面上の１点での強度変化をプロットし
たものであり、縦軸は光景、横軸はピエゾ素子１２への
印加電圧である。第４図のようにピエゾ素子１２を用い
て参照面１１を光軸方向に例えばＡ１／８ずつ４回（光
路長に対してＡ１／４ずつ）変化させた時の撮像面上の
一点での強度変化をＡ□、Ｂ、　、Ｃ，、Ｄ、とすると
、各点での一波長における干渉縞の位相ωは、・　・　
・　・　（１） Ａｌ で表される。

ここで、その振幅の２乗は ＴＨ２＝　（Ａ、、−Ｃ１）２　＋　（Ｂ、−Ｄ、）　
２で表される。

式（３）に着目し、第２図（ｂ）の写真のように２つの
干渉縞の重なり合った状態で波長λｌについて１周期分
の縞走査を行い、式（３）のＴＨ２の値を求める。

つまり、ＴＨ２の値は等価波長干渉縞の強度変化に比例
していることになる。この動作を２次元の干渉縞図形に
おいて行なうと、第２図（ｃ）に示すような２つの干渉
縞の重ね合わせから鮮明な等価干渉縞が得られる。

第３図（Ｃ）はこの時の等債波長干渉縞の強度分布を示
す図であり、こまかな縞が清えモアレ縞が鮮明化したこ
とを示している。

■　等価波長干渉縞による測定面の形状測定第３図（ｃ
）に示すように等債波長干渉縞の強度分布が得られると
、この等値波長の１周期を何分割かし、縞走査すること
により等価波長での位相分布を式（１）から求めること
ができる。

ここでは第４図の等価波長干渉縞の強度分布の１周期を
等分割し、位相を求める方法を、４分割を例に説明する
。

第４図において、点Ａｌ　、Ｂｌ　、Ｃ１，ＤＩの強度
変化から式（１）を用いて等価波長干渉縞の強度分布が
求まることは先に述べた。

次に、この等価波長を４分割し、点Ａ、、Ａ２Ａ３　、
Ａ４の強度変化から式（２）を用いて位相量の計算がで
きる。

（Ａｌ　、Ｂｌ　、ｃ、　、ＤＩ　）から式（１）を用
いて求まる等価波長干渉縞と、（Ａ２　、Ｂ２　、Ｃｚ
　、Ｄ２１から、そして（Ａ、　、Ｂ、　、Ｃ，、Ｄ３
）、（Ａ４　、Ｂ４　、Ｃａ　、Ｄ４１から求まる計４
枚の等価波長干渉縞から、測定面の形状を求めることが
できる。

つまり、４枚の干渉縞図形から１枚の等価波長干渉縞を
得ることができ、この動作を４回繰り返すと、４枚の等
価波長干渉縞が得られる。そしてこの４枚の等優波長干
渉縞から等価波長での位相分布が式（２）から計算でき
、形状を測定できることになる（１周期を４分割する場
合、計１６枚の干渉縞図形を用いる）。

しかし、この動作を実現するためには（Ａ　Ｉ　、Ｂ工
、Ｃ１，Ｄｔ　ｌ、（Ａｚ　、Ｂ２　、Ｃ２、Ｄ２１（
Ａ３、Ｂ３　、Ｃ３、Ｄｓ　）がそれぞれＡ１もしくは
Ａ２の１周期を４分割しており、さらに（ＡＩ　、Ａ２
　、Ａ３　、Ａ４１はＡ１、Ａ２による等価波長λ８の
１周期を４分割していなければならない。

■“　「干渉縞の鮮明化」および「形状測定Ｊを行なう
ための縞走査の方法 上記■で説明した縞走査を繰り返し行い、形状測定のた
めの位相検出をするための方法を次に説明する。

第４図は上述した通り波長λ１による干渉縞の強度変化
を示したグラフで、参照面１１を光軸方向に動かした時
の撮像面上の１点での強度変化である。グラフ上の点（
Ａｌ　、　Ｂｌ　、ＣＩ　、Ｄ　（）は、−波長におけ
る干渉縞の強度変化の１周期分を４分割した位置である
０点（Ａｚ　、Ｂ２　、’Ｃ２、Ｄ２１、（ＡＳ　、Ｂ
３　、Ｃ３、Ｄ３　）、＋Ａ４、Ｂ４−　Ｃ４、Ｄ４１
は１周期の初期位置が異なるだけで、同様に１周期を４
分割した位置である。

この（Ａ＋、Ｂ＋、Ｃ＋、Ｄ＋　）らの位置に参照面１
１を動かすことにより、干渉縞は１／４周期ずつ変化す
る。初期位置（Ａ＋　、　Ａ２　、Ａ３　、Ａ４）は、
等価波長干渉縞の１周期を４等分した位置になる。

第５図は横軸に第４図の強度変化のピーク位置く最大値
、最小値の位置）、縦軸にピエゾ素子１２への駆動電圧
をプロットしたものである。

λ、＝０．６３２８μｍ、Ａ２　＝０．６７０μｍの時
、等価波長λ。は１１．３９７ｚｚｍになる。

Ａ８による干渉縞の強度変化１周期分のうちに、λ□に
よる干渉縞は第３図から明らかなように約１８本台まれ
る。つまり、Ａｌの波長による干渉縞を基準に考えると
、（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）の位置は、Ａ１の波長に
よる干渉縞の本数で（０，４，５，９，１３，５１とな
る。

なお、第４図にプロットした点＋ＡＩ、Ａ２、Ａ、　、
Ａ、ｌの位置は、Ａ１の干渉縞の位置を基準に干渉縞の
本数で決められている。

点（Ａ、、Ｂ、、Ｃ，、Ｄ、　）、（Ａ２　、Ｂ　２、
Ｃ２、Ｄｚ　）・・・・などの位置を決める別の方法と
して、Ａ１、Ａ２の両方の光を混合したままの状態で縞
走査し、和のモアレ縞の強度変化を直接検出することに
より、その強度変化から点（Ａ１、Ｂｌ　−Ｃｔ　＋　
Ｉ）ｉ　ｌ、＋Ａ２　、Ｂ２　、Ｃ２、Ｄ２１　・・・
・などの位置を決めることができる。

かくして、このような多波長型干渉計においては、従来
、波長λよ、Ａ２の干渉縞の重ね合わせによって生じる
和のモアレ縞の強度分布は鮮明度が悪く、形状測定には
用いることが困難とされていたが、式（３）の値をコン
ピュータ１７によって計算することにより、和のモアレ
縞から鮮明な等価波長干渉縞の強度分布が得られるよう
になった。　また、得られた等価波長干渉縞の強度変化
の１周期を４分割するように再び縞走査法を重ねて用い
ることにより、今度は式（２）の値まで計算すると、等
価波長での位相検出ができる。したがって、この位相分
布をつなぎ合わせると、測定面１０の形状が求まる。

Ａ１の波長による干渉縞を基準に考えるとき、強度変化
の１周期分を仮に４等分すると、４×４回、計１６回参
照面１１の位置を変えて干渉縞図形の強度分布および位
相分布を求めることにより、測定面１０の形状を非接触
に高精度で求めることができる。

第２図（ｄ）は位相計算の結果得られた和のモアレ縞を
示す図である。

λ＋　＝６３２．８ｎｍ、λｚ＝６７０ｎｍの時、λｅ
＝１１．３９７μｍとなり、Ａ０による干渉縞は間隔が
λｅ／２＝５．６９９μｎ１となる。これは、λ！によ
る干渉縞間隔λ、／２’＝０．３μｍの約１８倍である
。単純に考えてもＡ１による単波長干渉計の約１８倍の
ダイナミックレンジをもつことが分かる。

なお、本発明者等によって製作された装置では、波長λ
□二６３２．８ｎｍ、Ａ２　＝６７０ｎｍにおいて、有
効径６０ｍｍφの光束において、約２００μｍのダイナ
ミックレンジを確認した。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係る多波長型干渉計は、干
渉縞の重ね合わせにより生じる不鮮明な和のモアレ縞を
縞走査するようにしたので、鮮明な等僅波長干渉縞の強
度分布を得ることができ、またこの得られた等価波長干
渉縞に対して再び縞走査を重ねて行なうことにより、位
相検出を行うようにしたので、測定面の面精度、形状を
良好に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る多波長型干渉計の一実施例を示す
光学系の構成図、第２図（ａ）は波長１による干渉縞、
（ｂ）は波長λ、による干渉縞と波長λ２による干渉縞
の重ね合わせによる和のモアレ縞、（ｃ）は鮮明化され
た和のモアレ縞、（ｄ）は位相計算の結果を示す図、第
３図（ａ）は干渉縞の重ね合わせと等価波長干渉縞を示
す図、（ｂ）は干渉縞の重ね合わせによる波の「うねり
Ｊを示す図、（ｃ）は等価波長干渉縞の強度分布を示す
図、第４図はＨｅ−Ｎｅレーザーの波長λｌによる干渉
縞の強度変化を示すグラフ、第５図は横軸に第４図の強
度変化のピーク位置く最大値、最小値の位置）、縦軸に
ピエゾ素子１２への駆動電圧をプロットした図である。 １．２・・・光源、３・・−ビームミキサー７・・・ハ
ーフミラ−１８・ ズ、９・・・メインミラー。 ＩＩ・・・参照面、１２・・ １５・・・撮像装置、１６・ １７・・・コンピュータ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）異なった波長を有する少なくとも２つの光源を備
   え、その各々の干渉縞の重ね合わせにより生じる不鮮明
   な和のモアレ縞を縞走査して鮮明化し、等価波長による
   干渉縞の強度分布を得るようにしたことを特徴とする多
   波長型干渉計。
2. （２）異なった波長を有する少なくとも２つの光源を備
   え、その各々の干渉縞の重ね合わせにより生じる不鮮明
   な和のモアレ縞を縞走査して鮮明化し、さらに等価波長
   干渉縞に対して縞走査を行い位相検出することにより、
   測定面の面精度または形状を測定するようにしたことを
   特徴とする多波長型干渉計。