JPH051968A - 光ヘテロダイン干渉装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 干渉光波の有効利用を図ることにより、被測
定物の形状を高精度に測定することできる光ヘテロダイ
ン干渉装置を得ること。 【構成】 周波数の異なる第１光波と第２光波より偏光
ビームスプリッター４を介して測定光波と参照光波を得
た後、該偏光ビームスプリッターで合成し、該合成した
互いに直交する直線偏光の測定光波と参照光波を入射光
の偏光方位により異った角度で出射して分離する偏光光
学素子９を介して２つに分割すると共に同じベクトル成
分を干渉させてビート信号を得て、このうち一方のビー
ト信号を第１検出手段１１で検出し、他方のビート信号
を第２検出手段１３で検出し、このとき得られる信号を
利用して、該測定光波の光学的位相変化を検出するよう
にしたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ヘテロダイン干渉装置
に関し、例えば光学レンズやミラー等の被測定物の形状
を、該形状に伴う入射光波の光学的位相変化を検出する
ことにより、測定するようにした光ヘテロダイン干渉装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりレンズ、ミラー等の光学部材の
形状を光波干渉を利用して比較的高精度に測定すること
ができる装置として光ヘテロダイン干渉装置が知られて
いる。例えば米国特許第４１８８１２２号やApplied Op
tics Vol.19.No.1(1980)P.154〜P.160 等に紹介されて
いる。

【０００３】図４は従来の光ヘテロダイン干渉装置の光
学系の要部概略図である。

【０００４】同図ではＫｒイオンレーザ等のレーザ１０
１から出射した光波はミラーＭ１で反射し、ビームスプ
リッター１０２で反射光と透過光に２分割している。こ
のうち透過光（第１光波）はブラックセル１０５ａ、ミ
ラーＭ２そしてλ／２板１０４を介した後、反射光（第
２光波）はブラックセル１０５ｂ、ミラーＭ３を介した
後、ビームスプリッター１０３で合波している。

【０００５】このときブラックセル１０５ａを通った第
１光波は周波数ｆ１の周波数シフトを受け、λ／２板１
０４を通り偏光面が９０度回転されている。又ブラック
セル１０５ｂを通った第２光波は周波数ｆ２の周波数シ
フトを受けている。

【０００６】そして、これらの光波はビームスプリッタ
ー１０３で合波した後、ビームエキスパンダー１０６に
より光束径を拡大し偏光ビームスプリッター１０７に入
射している。このうち周波数ｆ１の第１光波は偏光ビー
ムスプリッター１０７を通過し、λ／４板１０８ｂで円
偏光となり、コリメータレンズ１１０を通って被測定物
１１１に入射する。そして被測定物１１１で反射した被
検波面（測定光波）は元の光路を戻る。このときλ／４
板１０８ｂに再入射するときの光波は入射時に比べて被
測定物１１１で反射した為に逆回りの円偏光となってい
るので、λ／４板１０８ｂを通過したときの偏光方向
（偏光面）は入射時に比べて９０度変位している。この
為、今度は偏光ビームスプリッター１０７で反射する。

【０００７】一方、周波数ｆ２の第２光波は偏光ビーム
スプリッター１０７で反射してλ／４板１０８ａで円偏
光となり、参照平面ミラー１０９で反射した参照波面
（参照光波）は逆回りの円偏光となり元の光路を戻る。
そしてλ／４板１０８ａを通り、入射時とは偏光方向
（偏光面）が９０度変位した直線偏光となり、今度は偏
光ビームスプリッター１０７を通過し、先の被検波面と
合波（合成）している。

【０００８】ここで再び合波した被検波面と参照波面の
２つの光波は直線偏光素子より成る偏光板１１２を介す
ることにより互いに干渉可能の波面として干渉させてい
る。このときの干渉光波を周波数シフト差ｆ１−ｆ２の
ヘテロダイン信号（ビート信号）として光検出器（フォ
トディテクター）１５及び像検出カメラ（イメージディ
セクターカメラ）１１６によって各々検出している。

【０００９】尚、像検出カメラ１１６はコンピュータ１
１８の指令により２次元像の任意の一点を選択し、その
点に入射してくる光の強度信号をリアルタイムで検出可
能なカメラである。

【００１０】同図におけるヘテロダイン信号ｆ１−ｆ２
の位相分布は参照平面ミラー１０９を仮に理想平面とす
ればコリメータレンズ１１０によって作られる球面波か
らの被測定物１１１の形状の誤差を直接表わしている。

【００１１】即ち、このときの被測定物１１の形状に基
づく位相分布φ（ｘ，ｙ）は被測定物１１１の形状誤差
分布ε（ｘ，ｙ）を表わしており、その関係は次式で表
わされる。

【００１２】 ε（ｘ，ｙ）＝φ（ｘ，ｙ）・λ／４π ‥‥‥‥（１） ただし λは測定光の波長 そこで光検出器１１５で得られるヘテロダイン信号を参
照信号Ｒとし、像検出カメラ１１６からの各信号を測定
信号Ｓとして位相計１１７にて参照信号Ｒと測定信号Ｓ
との位相差φを検出する。更に像検出カメラ１１６の各
測定点をコンピュータ１１８からの指令により２次元的
走査し、各測定点での測定信号Ｓと参照信号Ｒとの位相
差φ（ｘ，ｙ）の２次元分布を求める。これにより被測
定物１１１の形状に基づく位相分布ε（ｘ，ｙ）を検出
している。例えば（１）式において電気的な位相測定を
１度程度の精度で行なえばｎｍ以下の精度で形状誤差の
分布を検出することができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】一般に光ヘテロダイン
干渉装置では、検出面上における干渉縞が非常に速い速
度で振動している。このためＣＣＤカメラのような光子
蓄積型の受光手段は使えず、応答の早い光子非蓄積型の
受光手段が必要となり、かつ参照光波と測定光波という
２つの信号を取り出すことが必要となる。

【００１４】一般的に光子非蓄積型の受光手段は感度が
低いために、被測定物の反射率が低い場合には、参照信
号と測定信号の双方共にＳ／Ｎ比が悪化してきて測定精
度が低下してくるという問題点がある。

【００１５】しかしながら図４で示す従来の光ヘテロダ
イン干渉装置では測定光波を得る測定系と参照光波を得
る参照系を往復して偏光ビームスプリッター１０７で再
び合成された光束を４５度方向に偏光軸を回転させた偏
光板である直線偏光素子１１２によって同じベクトル成
分だけを取り出して干渉させてビート信号を取り出して
いる。そしてビート信号を更に２つに分割して一方をフ
ォトディテクター１１５で受光し、他方をイメージディ
セクタカメラ１１６で受光している。

【００１６】一般に直線偏光素子の透過率は良いもので
も４０％程度であり、それを更に２分割しているために
従来の光ヘテロダイン干渉装置では受光手段に達する光
量は偏光ビームスプリッター７を出射した光の２０％程
度しか利用することができず、被測定物の反射率が低い
場合には高精度な測定が困難であったり、又必要以上に
大きなパワーを有する光源を用いなければならないとい
う問題点があった。

【００１７】本発明は偏光ビームスプリッターで合成し
た測定光波と参照光波の干渉光束の有効利用を図ること
により、強出力の光源を用いずに被測定物の形状を高精
度に測定することができる光ヘテロダイン干渉装置の提
供を目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の光ヘテロダイン
干渉装置は、周波数の異なる第１光波と第２光波のうち
偏光ビームスプリッターを介して一方の光波を被測定物
に入射させて測定光波を得、他方の光波を参照面を介し
て参照光波を得た後、該偏光ビームスプリッターで双方
の光波を合成し、該合成した互いに直交する直線偏光の
測定光波と参照光波を入射光の偏光方位により異った角
度で出射して分離する偏光光学素子を介して２つに分割
すると共に同じベクトル成分を干渉させてビート信号を
得て、このうち一方のビート信号を参照信号として第１
検出手段で検出し、他方のビート信号を測定信号として
第２検出手段で検出し、該第１、第２検出手段で得られ
る信号を利用して、該測定光波の光学的位相変化を検出
するようにしたことを特徴としている。

【００１９】特に本発明では、前記偏光光学素子は前記
偏光ビームスプリッターからの直線偏光の偏光方位に対
して偏光軸を４５度回転させた偏光ビームスプリッター
又はウォラストンプリズムであることを特徴としてい
る。

【００２０】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図、図２
は図１の一部分の拡大斜視図である。図２において矢印
は矢印の方向に振動する直線偏光を示している。

【００２１】本実施例は図４の従来の光ヘテロダイン干
渉装置に比べて偏光ビームスプリッター４と検出手段
（１１，１３）との間に入射光の偏光方位により異なっ
た角度で分離して出射する偏光光学素子９を配置してい
る点が異なっており、その他の構成は実質的に同じであ
る。

【００２２】次に図４の説明と一部重複するが本発明の
特徴について図１と図２を用いて説明する。

【００２３】１は光源手段であり、例えば２周波レーザ
等から成り、互いに直交する直線偏光の周波数が僅かに
異なるコヒーレントな第１光波（周波数ｆ１）と第２光
波（周波数ｆ２）を出射している。２はＮＤフィルター
であり、通過光量を調整している。

【００２４】３はビームエキスパンダであり、入射光束
径を拡大し射出させている。４は偏光ビームスプリッタ
ーであり、入射光束の偏光状態に応じて反射又は透過さ
せ光の進行方向を変えている。５ａ，５ｂはλ／４板で
あり、入射光束の偏光面を４５度回転させて出射させて
いる。６は参照平面ミラーで参照波面を形成している。
７はコリメータレンズであり、入射光束を集光し、後述
する被測定物８に入射させている。被測定物８はミラー
やレンズ等から成り、それらの３次元形状や材質の均一
性等を検出するものである。

【００２５】９は偏光光学素子であり、入射光の偏光方
位により異なった角度で出射して分離させる光学作用を
有している。この偏光光学素子９は互いに直交する２つ
の直線偏光成分を有する光波から特定の偏光成分の光波
を分割し、干渉させている。本実施例では偏光光学素子
９として入射直線偏光の偏光方位に対して反射面を４５
度傾けて配置した偏光ビームスプリッターより構成して
いる。

【００２６】１０はピンホール板であり、特定の位置に
入射してきた光束を通過させるピンホール１０ａを有し
ている。１１は第１検出手段であり、フォトディテクタ
ーより成り、偏光光学素子９からの干渉光波に基づくビ
ート信号のうちから参照信号を得ている。１２は集光レ
ンズであり、偏光光学素子９からの干渉光波を第２検出
手段１３に集光（結像）している。第２検出手段１３は
イメージディセクタカメラ（像検出カメラ）より成り、
コンピュータ１５によってアドレス指定された位置の光
信号をリアルタイムで読み出している。１４は位相検出
手段（位相測定回路）であり、第１検出手段１１と第２
検出手段１３から入力されてくる２つの信号の位相差を
検出している。コンピュータ１５は位相測定回路１４か
らの信号に基づいて被測定物８の形状を演算し求めてい
る。

【００２７】本実施例では光源手段１から出射した周波
数の異なる偏光方向が互いに直交する直線偏光の第１光
波（周波数ｆ１）と第２光波（周波数ｆ２）の２つの光
束をＮＤフィルター２を介して光量調整をした後、ビー
ムエキスパンダ３に入射させている。

【００２８】そしてビームエキスパンダ３により光束径
を拡大して偏光ビームスプリッター４に入射させてい
る。このうち周波数ｆ１の第１光波は偏光ビームスプリ
ッター４を通過し、λ／４板５ｂで円偏光とし、コリメ
ータレンズ７を通って被測定物８に入射している。そし
て被測定物８で反射した被検波面は元の光路を戻る。こ
のときλ／４板５ｂに再入射するときの光波は入射時に
比べて被測定物８で反射した為に逆回りの円偏光となっ
ているので、λ／４板５ｂを通過したときの偏光方向
（偏光面）は入射時に比べて９０度変位している。この
為今度は偏光ビームスプリッター４で反射する。

【００２９】一方、周波数ｆ２の第２光波は偏光ビーム
スプリッター４で反射してλ／４板５ａで円偏光とな
り、参照平面ミラー６で反射した参照波面は逆回りの円
偏光となり元の光路を戻る。そしてλ／４板５ａを通
り、入射時とは偏光方向（偏光面）が９０度変位した直
線偏光となり、今度は偏光ビームスプリッター４を通過
し、先の被検波面と合波（合成）している。

【００３０】ここで再び合波した被検波面と参照波面の
２つの光波は偏光光学素子９を介することにより互いに
干渉可能の波面として干渉させている。

【００３１】本実施例における偏光光学素子９としての
偏光ビームスプリッターは図２に示すように入射直線偏
光に対して偏光軸（反射面）を４５度傾けて配置し、こ
れにより２つの光波を同じベクトル成分が選択された透
過光と９０度折り曲げられた反射光との干渉光波とに分
割している。これにより偏光光学素子９に入射し、射出
する際の光束の損失を偏光板を用いた場合に比べて少な
くし、光束の有効利用を図っている。そしてこのときの
２つの干渉光波は周波数シフト差ｆ１−ｆ２のヘテロダ
イン信号（ビート信号）として第１検出手段１１と第２
検出手段１３によって各々検出している。

【００３２】本実施例におけるヘテロダイン信号ｆ１−
ｆ２の位相分布は参照平面ミラー６を仮りに理想平面と
すればコリメータレンズ７によって作られる球面波から
の被測定物８の形状の誤差を直接表わしている。

【００３３】そこで例えば第１検出手段１１で得られる
ヘテロダイン信号を参照信号Ｒとし第２検出手段１３か
らの各信号を測定信号Ｓとして位相測定回路１４にて参
照信号Ｒと測定信号Ｓとの位相差φa を検出している。

【００３４】更に第２検出手段１３の各測定点をコンピ
ュータ１５からの指令により２次元走査し、各測定点で
の測定信号Ｓと参照信号Ｒとの位相差φ_x,y の２次元分
布を求める。これにより被測定物８全体の形状誤差を測
定している。

【００３５】図３は本発明の実施例２の一部分の拡大斜
視図である。本実施例では図１、図２の実施例１に比べ
て入射光の偏光方位により異なった角度で出射し分離す
る偏光光学素子として偏光ビームスプリッターの代わり
にウォラストンプリズム２１を用いている点が異なって
おり、その他の構成は実質的に実施例１と同じである。

【００３６】図３においては偏光光学素子２１によりベ
クトル的に振動面を分解して出射させた干渉光波のうち
参照光波をピンホール板１０を介して第１検出手段１１
で検出し、測定光波を集光レンズ１２を介して第２検出
手段１３で検出している。

【００３７】本実施例では偏光光学素子としてウォラス
トンプリズム２１を用いることにより実施例１と同様に
偏光板を用いた場合に比べて入射光束の損失を少なく
し、光束の有効利用を図っている。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば僅かに周波数の異なる２
つの光を用いる光ヘテロダイン干渉装置により、被測定
物の光路差分布又は３次元形状を求める際、互いに偏光
方向が直交した直線偏光の測定光波と参照光波とを偏光
ビームスプリッターで合波し射出させた後、前述した構
成の偏光光学素子によりベクトル的に振動面を分解し干
渉光波として出射してビート信号が取り出せるようにす
ると共に、一方を参照信号、他方を測定信号として位相
検出に利用することにより光のロスを最小限に抑えるこ
とができ、極めて反射率の低い被測定物に対しても高い
Ｓ／Ｎ比で高精度に形状誤差を測定することができる光
ヘテロダイン干渉装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部概略図

【図２】 図１の一部分の拡大斜視図

【図３】 本発明の実施例２の要部概略図

【図４】 従来の光ヘテロダイン干渉装置の要部概略図

【符号の説明】

１ 光源手段 ２ ＮＤフィルター ３ ビームエキスパンダ ４ 偏光ビームスプリッター ５ａ，５ｂ λ／４板 ６ 参照平面ミラー ７ コリメーターレンズ ８ 被測定物 ９ 偏光光学素子 １０ ピンホール板 １１ 第１検出手段 １２ 集光レンズ １３ 第２検出手段 １４ 位相測定回路 １５ コンピュータ ２１ ウォラストンプリズム

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周波数の異なる第１光波と第２光波のう
   ち偏光ビームスプリッターを介して一方の光波を被測定
   物に入射させて測定光波を得、他方の光波を参照面を介
   して参照光波を得た後、該偏光ビームスプリッターで双
   方の光波を合成し、該合成した互いに直交する直線偏光
   の測定光波と参照光波を入射光の偏光方位により異った
   角度で出射して分離する偏光光学素子を介して２つに分
   割すると共に同じベクトル成分を干渉させてビート信号
   を得て、このうち一方のビート信号を参照信号として第
   １検出手段で検出し、他方のビート信号を測定信号とし
   て第２検出手段で検出し、該第１、第２検出手段で得ら
   れる信号を利用して、該測定光波の光学的位相変化を検
   出するようにしたことを特徴とする光ヘテロダイン干渉
   装置。
2. 【請求項２】 前記偏光光学素子は前記偏光ビームスプ
   リッターからの直線偏光の偏光方位に対して偏光軸を４
   ５度回転させた偏光ビームスプリッター又はウォラスト
   ンプリズムであることを特徴とする請求項１の光ヘテロ
   ダイン干渉装置。