JPH0719842A - 表面形状の光学的測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】簡易な構成で測定の精度向上を図る。 【構成】表面形状の光学的測定装置を、光源８と干渉計
と検出器２０とコンピュータ２３とにより構成する。干
渉計は、位相変調手段１０と、ビームエキスパンダ１１
と、偏光ビームスプリッタ１３と参照平面２とから成
る。位相変調手段１０は、光軸と平行な軸に対して回転
自在な１／２波長板１４と、固定の１／４波長板１５
と、上記１／２波長板１４の回転を制御する制御器１６
とから成る。光源８から出射した光束が、この１／２波
長板１４と１／４波長板１５とを通過する事により、上
記光束の互いに直交する偏光成分の間に位相差が生じ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鏡面仕上げを施した金
属表面の表面粗さ等、被測定物表面の微小な凹凸等の表
面形状を非接触状態で定量的に測定する表面形状の光学
的測定装置に関し、上記表面形状を高精度に検出できる
装置を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属表面の微細な傷や段差等、被測定物
の表面形状を測定する場合、上記被測定物表面を傷付け
る恐れのない、非接触式の表面形状測定装置が従来から
広く使用されている。非接触式の表面形状測定装置は、
被測定物の表面形状を光学的に測定するもので、例え
ば、図３に示す様な測定装置が、従来から使用されてい
る。

【０００３】この図３に示した測定装置は、トワイマン
・グリーン干渉計、フィゾー干渉計等の２光束干渉計を
利用した測定装置で、位相変調干渉法（フリンジスキャ
ン干渉法）と称される測定方法により、被測定物の表面
形状を測定する。

【０００４】即ち、この測定装置は、図示しない光源手
段と、ビームスプリッタ１と、参照平面２と、この参照
平面２を微動させる微動手段３と、検出器４とを備えて
いる。上記微動装置３は、図示しない制御器により制御
する。上記光源手段としては通常、単色レーザー光を使
用する。ビームスプリッタ１は、上記レーザー光を、そ
れぞれ被測定物５と参照平面２とに向かう２光束に分割
する。これら各光束は、それぞれ被測定物５並びに参照
平面２で反射し、ビームスプリッタ１を介して検出器４
に入射する。被測定物５の表面形状を測定する場合、微
動手段３を構成する圧電素子７に通電し、参照平面２を
微動させる事により、この参照平面２で反射する光束の
光路長を、この光束の波長（λ）のＮ分の１（λ／Ｎ）
ずつ変化させる。これに伴なう、検出器４が検出する干
渉縞強度分布から、コンピュータ６により、上記測定物
５の表面形状が求められる。

【０００５】又、上述した図３に示す装置の他、２種類
の半導体レーザーの周波数変調を用いた２波長位相変調
干渉法による、表面形状の光学的測定装置も、例えば日
本光学会発行の『光学、vo121、No1、1992』に記載されて
いる様に、研究されている。この２波長位相変調干渉法
は、波長の異なる２つの半導体レーザーを用いて干渉縞
のモアレ縞を造り、次いで、それぞれの半導体レーザー
の注入電流を、段階的に、且つ互いに逆方向に変化さ
せ、互いに逆方向で等しい量の位相変調を与える事で、
上記モアレ縞を走査し、干渉計測を行なうものである。

【０００６】この方法によれば、被測定物の表面に急峻
な傾斜、或は段差が存在する場合でも、その表面形状を
観察する事が可能になる。即ち、前記図３に示した装置
に於いては、被測定物表面に、光源手段から出射した光
束の波長の１／４の大きさを越える傾斜、或は段差が存
在した場合、検出器を構成する複数の画素の内、隣り合
う画素同士の間の位相差がπを越えてしまい、位相の接
続を正確に行ない難い。これに対して、２波長位相変調
干渉法によれば、２種類の異なる波長をそれぞれλ₁ 、
λ₂ とした場合に、上記モアレ縞の位相は、次式に示す
合成波長λ_egで与えられる。

【数１】 従って、被測定物表面に急峻な傾斜や段差が存在する場
合に於いても、これら傾斜や段差の高さが、上記合成波
長λ_egの１／４の大きさ以下であれば、これら傾斜や段
差を正確に測定する事が可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の表面形状の光
学的測定装置は、被測定物表面の測定をより高精度に行
なえる様にするものである。

【０００８】前述した図３に示す測定装置、及び上述し
た２波長位相変調干渉法を利用した測定装置の何れに於
いても、被測定物の表面の測定をより高精度に行なう為
の解決すべき課題が存在する。先ず、前記図３に示した
装置に於いては、参照平面２を、光源手段の波長λの１
／Ｎずつ変位させるが、高精度な測定を行なう為には、
参照平面２を正確にλ／Ｎずつ変位させ、変位に伴う誤
差を極力小さくしなければならない。この為、微動装置
４の精度を向上させなければならず、微動装置４並びに
制御器が複雑になってしまう。

【０００９】次に、２波長位相変調干渉法を用いた測定
装置に於いては、２種類の半導体レーザーの発振周波数
を変化させる事により、位相変調を行なうが、この発振
周波数を変化させるのに、前述した様に注入電流を変化
させる事で行なう。この注入電流の変化は、注入電流の
変化に対し、発振周波数が線形に変化する領域に於いて
行なう為、参照光路と測定光路との光路差を十分に大き
くする必要がある。この様に、上記光路差を大きく取る
結果、空気の擾乱、床面の振動等、当該装置の周囲の環
境の影響を受け易く、被測定物表面を高精度に測定する
上での障害となっている。

【００１０】更に、それぞれの半導体レーザーによる位
相変調を、互いに逆方向で且つ大きさを等しくする為、
校正用の光学系、光電変換素子、電気回路等を要し、装
置全体が複雑になってしまう。又、半導体レーザーの注
入電流を変化させる事に伴い、発振周波数のみならず半
導体レーザーの光強度も変化してしまう。この様な光強
度の変化は位相検出の誤差要因となり、測定精度の低下
を招いてしまう。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る表面形状の
光学的測定装置の内、請求項１に記載した装置は、光源
手段と、この光源手段から出射した光束を、互いに直交
する偏光成分の間で位相差を生じさせる位相変調手段
と、この光束を、測定光と参照光との２光束に分割する
偏光ビームスプリッタと、被測定物で反射した測定光と
参照面で反射した参照光とによって形成される干渉縞の
強度分布を検出する検出器と、この検出器によって検出
された干渉縞の強度分布により、被測定物の表面形状を
算出する演算装置とを備えている。そして、上記位相変
調手段を、光軸と平行な軸を中心として回転自在な１／
２波長板と、この１／２波長板の後方に固定の１／４波
長板と、上記１／２波長板の回転を制御する制御器とか
ら構成している。

【００１２】又、請求項２に記載した装置は、互いに異
なる波長の光束を出射する第一、第二の光源手段と、こ
れら第一、第二の光源手段から出射した第一、第二の各
光束を、それぞれ互いに直交する偏光成分の間で位相差
を生じさせる、第一、第二の位相変調手段と、第一、第
二の光束を、それぞれ測定光と参照光との２光束に分割
する偏光ビームスプリッタと、上記第一の光束を分割し
て得られ、それぞれ被測定物表面並びに参照面で反射し
た測定光及び参照光によって形成される干渉縞の強度分
布の変化を検出する第一の検出器と、上記第一、第二の
各光束をそれぞれ分割して得られ、それぞれ被測定物表
面並びに参照面で反射した、測定光及び参照光によって
形成されるそれぞれの干渉縞の重なりにより形成される
モアレ縞の強度分布を検出する第二の検出器と、これら
第一、第二の検出器によって検出された干渉縞或はモア
レ縞の強度分布により、被測定物の表面形状を算出する
演算装置とを備えている。そして、上記第一、第二の各
位相変調手段を、光軸を中心として回転自在な第一、第
二の１／２波長板と、この第一、第二の１／２波長板の
後方に固定の第一、第二の１／４波長板と、上記第一、
第二の１／２波長板の回転を制御する制御器とから構成
している。

【００１３】

【作用】それぞれ上述の様に構成される本発明の表面形
状の光学的測定装置を用いて、被測定物表面を測定する
場合の作用は、それぞれ以下に述べる通りである。

【００１４】先ず、請求項１に記載した表面形状の光学
的測定装置の場合、光源手段から出射した光束は、位相
変調手段を構成する１／２波長板と１／４波長板とを通
過する事で、互いに直交する偏光成分の間に於いて位相
差を生じる。そして、偏光ビームスプリッタを通過する
事により、参照光と測定光とに２分割される。これら参
照光と測定光とは、それぞれ参照平面及び被測定物表面
で反射した後、検出器に入射し、干渉縞を形成する。上
記位相変調手段を構成する１／２波長板は、光軸と平行
な軸を中心として回転している為、上記参照光と測定光
との間に、０〜２π（ｒａｄ）の範囲で位相差を与える
事ができる。上記検出器は、１／２波長板の回転速度に
同期して一定角度毎に干渉縞の強度分布を検出する。こ
の検出値は、演算装置に送られ、この演算装置によって
被測定物表面の形状が算出される。

【００１５】次に、請求項２に記載した表面形状の光学
的測定装置に於いては、第一、第二の各光源手段から出
射した互いに波長の異なる第一、第二の各光束が、それ
ぞれ第一、第二の位相変調手段を構成する、それぞれの
波長に対応する１／２波長板と１／４波長板とを通過す
る事で、各偏光成分間に於いて位相差を生じる。これ
ら、各偏光成分間に於いて位相差の生じた、第一、第二
の光束は、次いで偏光ビームスプリッタを通過する事に
より、それぞれ参照光と測定光とに分割される。

【００１６】第一の光束が２分割されて得られた参照
光、及び測定光はそれぞれ参照平面、及び被測定物表面
で反射した後、第一、第二の検出器に入射し、干渉縞を
形成する。又、第二の光束が２分割されて得られた参照
光、及び測定光は、同じく参照平面、及び被測定物表面
で反射した後、第二の検出器に入射し、干渉縞を形成す
る。

【００１７】上記位相変調手段を構成する１／２波長板
は、それぞれの光軸と平行な軸を中心として回転してい
る為、第一、第二の各光束をそれぞれ２分割して得られ
るそれぞれ参照光と測定光との間に、０〜２π（ｒａ
ｄ）の範囲で位相差を与える事ができる。そして、上記
第一の検出器に於いて、この検出器が干渉縞の強度分布
を検出し、演算装置がこの検出値を基に被測定物の表面
形状を算出するのは、前記請求項１に記載した装置の場
合と同様である。

【００１８】更に、請求項２に記載の測定装置に於いて
は、被測定物表面に急峻な傾斜や段差が存在する場合で
も、正確な測定が可能である。即ち、第二の検出器に於
いては、第一の光束に基づく干渉縞と、第二の光束に基
づく干渉縞とにより、モアレ縞が形成される。そして、
この第二の光検出器は、モアレ縞の強度分布を検出し、
この検出値を基に、上記演算装置が被測定物の表面形状
を算出する。この場合に於いて、モアレ縞の位相は、第
一、第二の各光束の波長よりも大きい合成波長で与えら
れる為、急峻な傾斜や段差にも対応する事が可能とな
る。

【００１９】

【実施例】図１は、請求項１に記載された本発明の第一
実施例を示している。この図１に於いて、８は単一周波
数を有する直線偏光のＨｅ−Ｎｅレーザー等の光源であ
る。この光源８としては、上記Ｈｅ−Ｎｅレーザー等の
ガスレーザーが好ましく使用できる。光源８と被測定物
５との間には、光源８の側から順に、アイソレータ９
と、位相変調手段１０と、ビームエキスパンダ１１と、
ビームスプリッタ１２と、偏光ビームスプリッタ１３と
を配設している。

【００２０】上記アイソレータ９は、光源８から出射し
た光束がこの光源８に向けて逆行する、所謂戻り光が、
この光源８に入射するのを防止する。このアイソレータ
９を設ける事により、光源８から出射する光束の周波
数、並びに光強度が安定する。

【００２１】位相変調手段１０は、光源８から出射した
光束の、光軸に対して互いに直交する２つの偏光成分の
間に位相差を生じさせる為に設けられるもので、光軸と
平行な軸を中心として回転自在な１／２波長板１４と、
この上記１／２波長板１４の後方（図１の右方）に設け
られた固定の１／４波長板１５と、上記１／２波長板１
４の回転及び回転停止、回転速度の調整等を制御する制
御器１６とから構成される。本実施例に於いては、この
位相変調手段１０を、上記アイソレータ９と、ビームエ
キスパンダ１１との間位置に設けているが、当該位置に
限定される事はなく、上記アイソレータ９とビームスプ
リッタ１２の間位置であれば、何れの位置に設けても良
い。

【００２２】ビームエキスパンダ１１は、上記位相変調
手段１０を通過する事により、Ｐ波偏光成分とＳ波偏光
成分との間で位相差を生じた光束を、測定作業に適する
大きさで、且つ平面波に拡大するもので、本実施例の場
合、対物レンズ１７、スペイシャルフィルタ１８、コリ
メートレンズ１９によって構成している。ビームエキス
パンダ１１はコリメータと称される事もある。

【００２３】ビームスプリッタ１２は、ビームエキスパ
ンダ１１を通過した光束を偏光ビームスプリッタ１３に
向けて透過させると共に、後述する参照平面２、被測定
物５表面で反射した各光束を、後述する検出器２０に向
け反射させる。

【００２４】偏光ビームスプリッタ１３は、光源８から
出射し、位相変調手段１０、ビームエキスパンダ１１、
ビームスプリッタ１２を通過した光束を、２分割し、参
照平面２に向かう参照光と、被測定物５に向かう測定光
とするものである。本実施例の場合、Ｐ波偏光成分を測
定光とし、Ｓ波偏光成分を参照光としているが、反対に
Ｐ波偏光成分を参照光とし、Ｓ波偏光成分を測定光とす
る事も可能である。

【００２５】検出器２０は、複数の光電変換素子から構
成されており、上記光源８と上記偏光ビームスプリッタ
１３とを結ぶ光軸に対し、垂直な位置に、ビームスプリ
ッタ１２の反射面に対向する様に配置される。ビームス
プリッタ１２と検出器２０との間には、検光子２１、結
像レンズ２２を設けている。この内の検光子２１は、ビ
ームスプリッタ１２の反射面で反射した光束を、互いに
干渉させる為に設ける。又、上記結像レンズ２２は被測
定物５表面と検出器２０とを、共役な関係にすべく設け
る。従って、検出器２０を構成する各画素で測定する位
相差は、被測定物５表面の各位置に対応する事になる。

【００２６】検出器２０で得られた検出値は、演算装置
であるマイクロコンピュータ２３に送信される。このマ
イクロコンピュータ２３は、上記検出値を用いて演算処
理を行ない、被測定物５の表面形状を算出する。更に、
このマイクロコンピュータ２３は、上記制御器１６との
間で信号を送受信し、１／２波長板１４を所望の状態に
制御すべく各種演算処理を行なえる様にしている。

【００２７】上述の様に構成される本発明の表面形状の
光学的測定装置を用いて、被測定物５の表面形状を測定
する場合の作用は、以下の通りである。

【００２８】Ｈｅ−Ｎｅレーザー等の光源８から光束を
出射させると、この光束はアイソレータ９を経て位相変
調手段１０を構成する回転自在な１／２波長板１４、固
定の１／４波長板１５を通過する。これにより、上記光
束は、互いに直交する偏光ビームスプリッタ１３に対す
るＰ波偏光成分とＳ波偏光成分との間に位相差を生じ
る。この位相差は、固定の１／４波長板１５の進相軸に
対する１／２波長板１４の進相軸の回転角度によって定
まり、１／２波長板１４の進相軸が固定の１／４波長板
１５の進相軸に対し９０度回転した場合、上記位相差は
最大値である２π（ｒａｄ）となる。この様に、本発明
に於いては、位相変調手段１０を構成する１／２波長板
１４を回転自在としている為、上記Ｐ波偏光成分とＳ波
偏光成分との間に、０〜２π（ｒａｄ）の範囲で任意に
位相差を与える事ができる。１／２波長板１４の回転速
度の制御は、制御器１６が行なう。即ち、上記１／２波
長板１４には、ロータリエンコーダ、回転速度センサ等
のセンサを付設しており、このセンサから制御器１６に
送り込まれる検出値に基づいて、上記制御器１６が１／
２波長板１４の回転を制御する。

【００２９】位相変調手段１０を通過した光束は、ビー
ムエキスパンダ１１を経てビームスプリッタ１２に向か
う。光束は、このビームエキスパンダ１１を通過する事
により、平行で太いビームに変換される。

【００３０】次いで、上記光束はビームスプリッタ１２
を透過して偏光ビームスプリッタ１３に入射し、この偏
光ビームスプリッタ１３に於いて、参照光と測定光とに
２分割される。本実施例に於いては、光軸上に被測定物
５を支持し、光軸と直交する位置に参照平面２を支持し
ている。この為、前記Ｐ波偏光成分が測定光となり、前
記Ｓ波偏光成分が参照光となる。

【００３１】上記測定光と参照光との内、測定光は被測
定物５の表面で反射し、それまでの光路を逆行して上記
偏光ビームスプリッタ１３に向う。又、参照光は参照平
面２で反射し、それまでの光路を逆行して上記偏光ビー
ムスプリッタ１３に向う。それぞれ反射した測定光と参
照光とは、上記偏光ビームスプリッタ１３で再び重ね合
わされ、ビームスプリッタ１２に向かう。そして、これ
ら測定光、並びに参照光は、上記ビームスプリッタ１２
で反射し、検光子２１、結像レンズ２２を介して検出器
２０に入射する。この検出器２０に於いて、上記光束は
干渉縞を形成する。この干渉縞は、測定光と参照光との
光路長差、即ち参照平面２を基準とした際の被測定物５
の表面形状に対応する。

【００３２】検出器２０は、上記位相変調手段１０を構
成する１／２波長板１４の回転角度に同期して一定角度
毎に、上記測定光と参照光との干渉によって形成される
干渉縞の強度分布を検出する。そして、この検出器２０
が検出する複数枚数の干渉縞のデータは、演算装置であ
るマイクロコンピュータ２３に送られ、このマイクロコ
ンピュータ２３が上記データを基に、被測定物５の表面
形状を算出する。マイクロコンピュータ２３が算出した
被測定物５の表面形状は、図示しない表示装置（ＣＲ
Ｔ）に表示させたり、Ｘ−Ｙプロッタ等の印刷装置によ
り紙面に描いたりする等、観察者が利用し易い様に供さ
れる。

【００３３】本発明の表面形状の光学的測定装置は、上
述の様に構成され作用するが、位相の変調を、前述した
図３に示す従来装置の様に参照平面２の微動によって行
なわせる事なく、光源側で回転する１／２波長板１４を
通過させる事で行なう為、簡易な構成にも拘らず測定誤
差を少なくする事ができる。即ち、参照平面２を微動さ
せる為の微動装置４を必要とせず、外部振動等の影響を
受け難い。又、位相変調の誤差は、１／２波長板１４、
及び１／４波長板１５の光学特性、並びに１／２波長板
１４の回転検出精度によって定まるが、前記微動装置４
により参照平面２を１／Ｎ波長ずつ微動させるのに比較
して誤差は小さくできる。従って、被測定物５の表面形
状を高精度に測定する事が可能となる。

【００３４】次に、図２は請求項２に記載した発明に対
応する本発明の第二実施例を示している。前述の第一実
施例と同様、８ａは単一周波数を有する、直線偏光のＨ
ｅ−Ｎｅレーザー等の第一の光源であり、この光軸上
に、第一の光源８ａの側から順に、第一のアイソレータ
９ａ、第一の位相変調手段１０ａ、第一のビームエキス
パンダ１１ａを配設している。又、８ｂは、上記第一の
光源８ａの波長とは異なる単一周波数を有する第二の光
源であり、この光軸上には、第二の光源８ｂの側から順
に、第二のアイソレータ９ｂ、第二の位相変調手段１０
ｂ、第二のビームエキスパンダ１１ｂを配設している。
これら各部材８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ、１０ａ、１０
ｂ、１１ａ、１１ｂは、それぞれ前記第一実施例に於け
る各部材８〜１１と同等である為、詳細な説明は省略す
る。

【００３５】第一の光源８ａを出射し、第一のアイソレ
ータ９ａ、第一の位相変調手段１０ａ、第一のビームエ
キスパンダ１１ａを通過する第一の光束と、第二の光源
８ｂを出射し、第二のアイソレータ９ｂ、第二の位相変
調手段１０ｂ、第二のビームエキスパンダ１１ｂを通過
する第二の光束とは、本実施例に於いては互いに直交す
る様、これら各部材を配置する。上記第一、第二の各位
相変調手段１０ａ、１０ｂは、前記第一実施例と同様、
それぞれの光軸と平行な軸を中心として回転自在な第
一、第二の１／２波長板１４ａ、１４ｂと、これら第
一、第二の各１／２波長板１４ａ、１４ｂの後方に配置
された、固定の第一、第二の１／４波長板１５ａ、１５
ｂとを備えている。そして、上記第一、第二の各１／２
波長板１４ａ、１４ｂの回転を、単一の制御器１６によ
り制御している。これら第一、第二の各位相変調手段１
０ａ、１０ｂを、それぞれ第一、第二の光源８ａ、８ｂ
と、次述するビーム結合ミラー２７との間位置であれ
ば、任意の位置に設けて良いのは、前記第一実施例と同
様である。尚、１／２波長板１４ａ、１４ｂ及び１／４
波長板１５ａ、１５ｂが、それぞれ第一、第二の光源８
ａ、８ｂから出射する光束の波長に対応しているのは勿
論である。

【００３６】上記第一の光束と第二の光束との交点位置
には、ビーム結合ミラー２７を配置している。このビー
ム結合ミラー２７は、半透鏡であり、第一の光束をその
まま透過させる一方で、第二の光束を第一の光束の進行
方向に向け、反射させるものである。このビーム結合ミ
ラー２７により、各位相変調手段１０ａ、１０ｂで平面
波とされた第一、第二の各光束は、同一方向に伝播す
る。このビーム結合ミラー２７の、第一の光源８ａと反
対側には、前述した第一実施例と同様の、第一のビーム
スプリッタ１２ａ、偏光ビームスプリッタ１３ａを設け
ている。被測定物５、参照平面２を支持する位置も前記
第一実施例の場合と同様である。但し、上記偏光ビーム
スプリッタ１３ａとしては、それぞれ異なる波長の第
一、第二の光束を、それぞれに参照光と測定光とに分割
する、広帯域偏光ビームスプリッタを用いている。

【００３７】第一の検出器２０ａは、複数の光電変換素
子から構成されており、第一のビームスプリッタ１２ａ
の反射面に対向する様に配置される。本実施例に於いて
は、この第一の検出器２０ａを上記第一の光源８ａと偏
光ビームスプリッタ１３ａとを結ぶ光軸に対して垂直な
位置に配置している。この第一の検出器２０ａと上記第
一のビームスプリッタ１２ａとの間には、第一のビーム
スプリッタ１２ａの側から順に、検光子２１、結合レン
ズ２２、第二のビームスプリッタ１２ｂ、干渉フィルタ
２５を配設している。この内、検光子２１並びに結合レ
ンズ２２は前述した第一実施例の場合と同様である。第
二のビームスプリッタ１２ｂは、半透鏡であり、この第
二のビームスプリッタ１２ｂに入射した第一、第二の光
束の内、何れか一方（例えば第一の光束）の一部が透過
して第一の検出器２０ａに向い、上記何れか一方の光束
の残りと他方（例えば第二の光束）の光束とが反射して
後述する第二の検出器２６に向う。干渉フィルタ２５
は、ある特定の波長の光束を透過させ、他の波長の光束
を遮断する機能を有する。

【００３８】第二のビームスプリッタ１２ｂの反射面に
対向する位置には、第二の検出器２６を設けている。こ
の第二の検出器２６は、第二のビームスプリッタ１２ｂ
で反射した、それぞれ第一、第二の光束による干渉縞同
士が重なり合う事で形成されたモアレ縞の強度分布を検
出する為に設けている。

【００３９】上記第一、第二の検出器２０ａ、２６で検
出した各検出値は、演算器であるマイクロコンピュータ
２３に送られる。そして、このマイクロコンピュータ２
３により被測定物５の表面形状が算出される。

【００４０】上述の様に構成される本発明の表面形状の
光学的測定装置を用いて、被測定物５の表面形状の測定
を行なう際の作用は、以下の通りである。

【００４１】即ち、第一の光源８ａから出射した第一の
光束の、互いに直交する偏光成分の間に位相差を生じさ
せ、更に、測定光及び参照光に分割し、第一の検出器２
０ａで形成した干渉縞の強度分布から、被測定物５の表
面形状を算出するのは、前述した第一実施例の場合と全
く同様である。即ち、第一の１／２波長板１４ａを回転
させ、その回転角度に同期させて、一定角度毎に第一の
検出器２０ａで生じた干渉縞の強度分布を、この第一の
検出器２０ａが検出する。そして、複数の検出データ
（干渉縞の画像）により、マイクロコンピュータ２３が
被測定物５の表面形状を算出する。

【００４２】特に、本発明に於いては、被測定物５の表
面に、急峻な傾斜、或は段差が存在した場合でも、この
傾斜、或は段差の測定が可能である。即ち、第二の検出
器２６に於いては、第一の光束によって形成された干渉
縞と、第二の光束によって形成された干渉縞とが合成さ
れる事により、モアレ縞が形成される。上記第二の検出
器２６は、このモアレ縞の強度分布を検出し、この検出
値を基にマイクロコンピュータ２３が被測定物５の表面
形状を算出する。

【００４３】即ち、第一、第二の１／２波長板１４ａ、
１４ｂを同期させ、互いに等しい速度で回転させる。そ
して、第一、第二の各光束に於いて、それぞれのＰ波偏
光成分とＳ波偏光成分との位相差を、互いに符号が反対
で絶対値が等しく変化する様に設定する。この様に、各
位相差が、互いに符号が逆で絶対値が等しくなる様にす
るには、例えば、第一、第二の１／４波長板１５ａ、１
５ｂの進相軸を同一方向に配置し、第一、第二の１／４
波長板１５ａ、１５ｂを通過した第一、第二の光束の直
線偏光の向きを同一方向にする事で絶対値を等しくし、
第一、第二の１／２波長板１４ａ、１４ｂの回転方向を
互いに逆向きにする事により符号を逆にする。これによ
り、上記モアレ縞を位相変調する事ができる。そして、
互いに等速で回転する第一、第二の１／２波長板１４
ａ、１４ｂの一定回転角度毎のモアレ縞の強度分布を検
出し、この検出データ（複数枚の画像データ）からマイ
クロコンピュータ２３が被測定物５の表面形状を算出す
る。

【００４４】上記表面形状は、被測定物５の表面の各位
置に於ける位相分布を算出したものであるが、この位相
分布は上記モアレ縞から求められたものである。この
為、この縞の間隔は（１）式で得られる合成波長λ_egの
半分である。従って、第一の検出器２０ａを用いて得た
表面形状よりも大きな尺度で表面形状を測定する事がで
きる。よって急峻な傾斜、或は段差をも正確に測定でき
る。

【００４５】本発明に於いては、被測定物５の表面で比
較的平坦な部分は第一の検出器２０ａによって測定し、
急峻な傾斜、或は段差が存在する場合には、第二の検出
器２６により測定する。更に、マイクロコンピュータ２
３は、これら第一、第二の検出器２０ａ、２６により得
られた表面形状を合成して観察者に供する。尚、第一、
第二の検出器２０ａ、２６を用いて表面形状を算出する
際の所要時間に差はなく、ほぼ同一時間内に処理できる
のは勿論である。又、本実施例に於いては、２つのビー
ムエキスパンダ１１ａ、１１ｂを用いているが、ビーム
結合ミラー２７をビームエキスパンダ１１ａと１／４波
長板１５ａとの間に配置し、ビームエキスパンダを１組
で共有する事も可能である。

【００４６】

【発明の効果】本発明の表面形状の光学的測定装置は、
上述の様に構成され作用する為、装置を複雑化、大型化
させる事なく、簡易に構成する事が可能であるにも拘ら
ず、測定の精度を向上させる事ができる。しかも、請求
項２に記載の発明の場合、急峻な傾斜や段差にも対応で
き、高精度の測定を正確に行なえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す略図。

【図２】本発明の第二実施例を示す略図。

【図３】従来装置を示す略図。

【符号の説明】

１ ビームスプリッタ ２ 参照平面 ３ 微動手段 ４ 検出器 ５ 被測定物 ６ コンピュータ ７ 圧電素子 ８ 光源 ８ａ 第一の光源 ８ｂ 第二の光源 ９ アイソレータ ９ａ 第一のアイソレータ ９ｂ 第二のアイソレータ １０ 位相変調手段 １０ａ 第一の位相変調手段 １０ｂ 第二の位相変調手段 １１ ビームエキスパンダ １１ａ 第一のビームエキスパンダ １１ｂ 第二のビームエキスパンダ １２ ビームスプリッタ １２ａ 第一のビームスプリッタ １２ｂ 第二のビームスプリッタ １３、１３ａ 偏光ビームスプリッタ １４ １／２波長板 １４ａ 第一の１／２波長板 １４ｂ 第二の１／２波長板 １５ １／４波長板 １５ａ 第一の１／４波長板 １５ｂ 第二の１／４波長板 １６ 制御器 １７ 対物レンズ １８ スペイシャルフィルタ １９ コリメータレンズ ２０ 検出器 ２０ａ 第一の検出器 ２１ 検光子 ２２ 結像レンズ ２３ マイクロコンピュータ ２５ 干渉フィルタ ２６ 第二の検出器 ２７ ビーム結合ミラー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源手段と、この光源手段から出射した
   光束を、互いに直交する偏光成分の間で位相差を生じさ
   せる位相変調手段と、この光束を、測定光と参照光との
   ２光束に分割する偏光ビームスプリッタと、被測定物で
   反射した測定光と参照面で反射した参照光とによって形
   成される干渉縞の強度分布を検出する検出器と、この検
   出器によって検出された干渉縞の強度分布により、被測
   定物の表面形状を算出する演算装置とを備え、上記位相
   変調手段を、光軸と平行な軸を中心として回転自在な１
   ／２波長板と、この１／２波長板の後方に固定の１／４
   波長板と、上記１／２波長板の回転を制御する制御器と
   から構成して成る、表面形状の光学的測定装置。
2. 【請求項２】 互いに異なる波長の光束を出射する第
   一、第二の光源手段と、これら第一、第二の光源手段か
   ら出射した第一、第二の各光束を、それぞれ互いに直交
   する偏光成分の間で位相差を生じさせる、第一、第二の
   位相変調手段と、第一、第二の光束をそれぞれ測定光と
   参照光との２光束に分割する偏光ビームスプリッタと、
   上記第一の光束を分割して得られ、それぞれ被測定物表
   面並びに参照面で反射した測定光及び参照光によって形
   成される干渉縞の強度分布の変化を検出する第一の検出
   器と、上記第一、第二の各光束をそれぞれ分割して得ら
   れ、それぞれ被測定物表面並びに参照面で反射した、測
   定光及び参照光によって形成されるそれぞれの干渉縞の
   重なりにより形成されるモアレ縞の強度分布を検出する
   第二の検出器と、これら第一、第二の検出器によって検
   出された干渉縞或はモアレ縞の強度分布により、被測定
   物の表面形状を算出する演算装置とを備え、上記第一、
   第二の各位相変調手段を、光軸を中心として回転自在な
   第一、第二の１／２波長板と、この第一、第二の１／２
   波長板の後方に固定の第一、第二の１／４波長板と、上
   記第一、第二の１／２波長板の回転を制御する制御器と
   から構成して成る、表面形状の光学的測定装置。