JPS61155902A - 干渉計測装置 - 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】 この発明は、縞走査方式による干渉計測装置において、
干渉縞の位相変調を高精度に行なうことにより、被測定
物の表面形状・光学素子の収差等を精度よく測定するこ
とのできる装置に関するものである。

まず第１図により干渉計測装置の概要について説明する
。可干渉性光源、例えばレーザ光源１ｏから照射された
レーザ光は、コリメータレンズ１２により平行ビーム（
イ）となり、ビームスプリッタ１４により光路（ロ）お
よび光路（ハ）に分離される。光路（ロ）の平行ビーム
は、参照鏡１６により入射方向と反対方向に反射され、
参照波として再びビームスプリッタ１４に帰還する。ま
た、光路（ハ）の平行ビームは、被測定物１８の被検面
により入射方向と反対方向に反射され、被検波として再
びビームスプリッタ１４に帰還する。ビームスプリッタ
１４においては上記の参照波と被検波とが光路（ニ）で
干渉され、その干渉縞２０はテレビカメラ等の撮像装置
２２によって読取られる。この干渉縞２０の明暗はレー
ザ光の波長を入とすれば参照波と被検波との位相差が入
／２ごとに現われる。初期の干渉計測法においては、こ
の干渉縞２０のピーク位置の情報にのみ注目していたた
め、その測定感度は人ないしλ／２であり、それ以上の
測定精度を期待することは出来なかりた。そこで干渉縞
のピーク位置以外の中間の濃度分布にまで注目し、測定
精度をλ１５００とか、さらにはλ／１０００程度まで
高める方式として、縞走査方式とか、あるいはフリンジ
・スキャニング方式と呼ばれる干渉計測法が従来上り提
案されている。

縞走査方式による干渉計測は、上記した参照波の位相を
微小変化させることによって、つまり参照光の光路長を
、１波長内においてλ／Ｎ（λ：レーザ尤の１波長、Ｎ
：データサンプリング回数）づつ変化させることによっ
て、その都度上ずる干渉縞の変化を、撮像装置の各画素
の正弦的出力変化として読み取り、その出力から被測定
物上の各測定点における初期位相差を求めて、これを継
ぎ合わせることにより、被測定面の形状を高精度に測定
しようとするものである。

第２図によりこの縞走査方式による干渉計測法の原理を
説明する。ビームスプリッタト４、参照鏡１６、被測定
物１８および平行ビーム（イ）、光路（ロ）、（ハ）、
（ニ）は第１図に同符号を付して説明した場合と全（同
じである。参照鏡１６には、例えばピエゾ素子のような
駆動装置２４を取付け、その電歪効果を利用して、参照
鏡１６をλ／２Ｎ（＊尾側においてＮｉ１１６）づつ８
回微動させる。そのときの被測定物１８の測定点Ａおよ
びＢに相当す、る干渉縞上のＡ゛点およびＢ゛点の画素
出力は例えば明→暗→明のように一周期分正弦的に変化
する。第３図にその状態を示す。（ａ）図は、被測定物
１８のＡ点に相当する干渉編上のＡ゛点の画素出力強度
（Ｉ）が、参照鏡１６の微小移動（ｎ、、ｎ２・・・・
・・・・ｎ１６）に伴なって正弦的に変化していること
を表わしている。また同様に（ｂ）図は被測定物１８の
Ｂ点に相当する干渉縞上のＢ゛点画素出力強度（Ｉ）が
参照鏡１６の微小移動（ｎ、、ｎ２・・・・・・・・ｎ
’ｓ）に伴なって正弦的に変化していることを表わして
いる。各測定点において参照面に対する光路差があると
きには、上記方法によって求められた各画素の正弦曲線
の初期位相は異なる。すなわち第３図の（ａ）と（ｂ）
とでは、初期位相差はδである。そこで、その他の各測
定点で同様に求められた初期位相差を継ぎ合わせること
により、被測定物の形状等を高精度で測定することがで
きる。

上記したことからも明らかなように、縞走査方式による
干渉計測においては、高精度の測定は、いかに参照波の
位相をＡ／Ｎづつ高精度に変化させることが出来るかに
かかっている。そこで従来よりこの参照波の位相を高精
度に変化させる方法、例えば参照鏡１６の微小移動を高
精度に行なう方法が種々提案されている。その１つは、
参照鏡１６の移動量を浮型容量センサ等により読取り、
その移動を制御する方法である。この方法は、参照鏡の
移動量を直接読取り制御するため、リアルタイムでの計
測制御という点では優れているが、静電容量センサ自体
を、他の高精度な測定器でキャリブレーションしなけれ
ばならないという煩雑さがある上に、ドリフトによる誤
差もあり、必ずしも満足できるものではない。また従来
の他の方法として、ピエゾ素子に対する印加電圧と移動
量との関係を予め求めておき、それにより参照鏡を制御
する方法がある。例えば第２図の被測定物１８の位置に
充分精度の良い平面鏡を置き、当該ピエゾ素子に適宜な
印加電圧を与えたときに生ずる印加電圧と参照鏡の移動
量との関係を、撮像装置上の干渉縞の変位から計算して
求め、実際の測定に際しては予め計算によって求められ
た電圧を逐次印加して、参照鏡の微少移動を制御する方
法である。しかし、この方法は、実際に被測定物を測定
しているときの参照鏡の移動量を測定しているものでは
ない。従って、リアルタイムの計測制御が出来ず、また
クローズトループ制御ができないため参照鏡の移動精度
が悪く、被測定物の高精度な測定が出来なかった。

本願発明は、これら従来方法における上記したような欠
点を解決し、参照波の微小変位を正確に行なうことによ
って、干渉縞の位相変調を高精度に行ない、もって被測
定物の高精度な測定を可能とした干渉計測装置を提供す
るものである。

以下第４図により、本願発明をトワイマングリーン型と
通称される干渉計に適用した第１実施例について説明す
る。３０はレーザ光源、３２は参照鏡であって、本願発
明はこれを被測定物の形状を測定するための測定用干渉
計と、参照鏡の微小移動量を測定するための干渉計とに
共用し、参照鏡の微小移動量を測定することによって、
参照鏡を駆動させる駆動装置を制御するよう構成されて
いる。

そこでまず被測定物の形状測定用干渉計について説明す
る。レーザ光源３０から照射されたレーザ光は、平行ビ
ーム（イ）となり、第１ビームスプリツタ３４により、
光路（ロ）および（）））に分離される。

分離された一方の光路（ロ）の平行ビームは、さらに第
２ビームスプリツタ３６により、光路（ホ）および（へ
）に分離される。光路（ホ）の平行ビームは、参照１１
ｔ３２により入射方向と反対方向に反射され、参照波と
して再び＄２ビームスプリッタ３６に帰還する。この参
照波は、第２ビームスプリツタ３６により直進する光路
（ト）と直角に反射されて光路（ロ）上を逆方向に進ん
で、前記第１ビームスプリツタ３４に帰還する光路とに
分離される。一方路１ビームスプリッタ３４により分離
されて直進した光路（ハ）の平行ビームは、被測定物３
８により入射方向と反対方向に反射され、被検波として
再び第１ビームスプリツタ３４に帰還する。第１ビーム
スプリツタ３４においては、上記の参照波と被検波とが
光路（ニ）で干渉され、その干渉縞はテレビカメラ等の
撮像装置４０によって読取られ、さらに干渉縞位相解析
システム４２に干渉縞の各画素のデータが取込まれる。

干渉縞位相解析システム４２において、後述する方法に
より参照鏡３２が微小移動する毎に生ずる変調された干
渉縞のデータが逐次取込まれると、電子計Ｋｆｉ４４に
よりそのデータが演算処理されて、各測定点における初
期位相差が求められ、これを継ぎ合わせることにより被
測定物３８の形状等を知ることができる。

次に参照鏡３２の微小移動量を測定するための干渉計に
ついて説明する。参照鏡３２には、これを微小移動させ
るための例えばピエゾ素子のような駆動装置４６が取付
けられている。レーザ光源３０からの平行ビームは、光
路（イ）、（ロ）を通って、前述のように第２ビームス
プリツタ３６により直進する　　　　゛光路（へ）と光
路（ホ）を通って参照ｆｌｔ３２により反射されて直進
する光路（ト）に分離される。光路（へ）の平行ビーム
は、第１の充分に精度のよい反射鏡４８により直角に反
射されて、光路（チ）となって第３ビームスプリツタ５
２に入射される。また、光路（ト）の平行ビームは、第
２の充分に精度のよい反射鏡５０により直角に反射され
て、光路（す）となって第３ビームスプリツタ５２に入
射される。第３ビームスプリツタ５２によって、上記の
反射鏡４８の被検波たる光路（チ）の平行ビームと参照
鏡３２の参照波たる光路（す）の平行ビームとが、光路
（ヌ）で干渉されて、その干渉縞は受光装置５４によっ
て読取られる。受光装置５４としては、例えば公知のモ
アし縞測定装置のように、受光素子を２つ、もしくは４
つ干渉縞が移動する方向に対し９０°づつ位相をずらせ
て配置されたものが使用される。この受光装置５４から
は参照鏡３２が微小移動したときに生ずる干渉縞の変化
が、逐次縞位相測定装置５６に出力され、その信号によ
って参照ｆｉ３２の移動量が測定される。この測定値は
、電子計算＠４４に入力され、電子計算機において予め
設定された量だけ参照鏡３２が移動したか否か等が演算
され、その結果により、駆動装置ドライブ回路５８を介
して、参照鏡３２を駆動する駆動装置４６への印加電圧
の制御が行なわれる。

なお、上記においては、参照波の位相を微小変化させる
方法として、ピエゾ素子のような駆動装置４６を直接参
照＠３２に取付け、参照鏡３２を微動させる場合を例に
説明したが、本願発明はこれに限られるものではない。

すなわち、例えば参照鏡３２は固定とし、光路（ホ）の
中間に２平面がわずかに傾斜した楔状〃ラス板を介装し
、この楔状〃ラス板を光路（ホ）に対し直角方向に微小
移動させて、光路長を変化させることによって参照波の
位相を変化させる方式において、楔状〃ラス板にピエゾ
索子を取付けて微小移動させる場合にも勿論適用可能で
ある。

次に第５図により本願発明をフィゾー型と通称される干
渉計に適用した第２実施例について説明する。第２実施
例の場合においても同一のレーザ光源および参照鏡を被
測定物の形状を測定するための測定用干渉計と、参照波
の位相を微小変化させるための参照鏡の微小移動量を測
定するための干渉計とに共用する。αは同じである。な
お、図において！＠４図と同一符号を付しているものは
全く同一の機能を有するものである。レーザ光源３０か
ら照射されたレーザ光は、平行ビームとなって第１ビー
ムスプリツタ６０、第２ビームスプリツタ６４を透過し
て参照鏡としてのハーフミラ６６に入射する。ハーフミ
ラ６６は光路に対しわずかに傾斜した参照面を有してお
り、この参照面を光路に対し直角に微動させることによ
り、光路長を変えることが出来るようになっている。こ
の参照面に入射された平行ビームの一部は、入射方向と
反対方向に反射されて参照波となる。またハーフミラ６
６を透過した一部の平行ビームは、被測定物３８により
反射されて被検波となって、前記ハーフミラ６６に帰還
し、ここで前記参照波と干渉して干渉縞が生ずる。この
干渉縞は前記＠２ビームスプリッタ６４を介して撮像装
置４０によって読取られ、干渉縞位相解析システム４２
、電子計算［４４により被測定物３８の形状等として測
定されることは第１実施例の場合と全く同様である。

次に、参照鏡の微小移動量を測定するための干渉計につ
いて説明する。前記した、光路に対し傾斜した参照面を
有するバー７ミ２６６には、これを光路に対し直角方向
に微小移動させるための、例えばピエゾ素子のような駆
動装置４６が取付けられている。前記したレーザ光源３
０からの平行ビームは、第１ビームスプリツタ６０によ
って直角に反射される光路と直進する光路に分離される
。直角に反射された平行ビームは、充分に精度のよい反
射鏡７０により、入射方向と反対方向に反射されて、反
射＠７０の被検波として第１ビームスプリツタ６０に帰
還する。また前記ｆＰＪ１ビームスプリッタ６０を直進
する平行ビームは、前記したハーフミラ６６により入射
方向と反対方向に反射され、参照波となって、第１ビー
ムスプリツタ６０に帰還する。上記の反射鏡７０の被検
波とハーフミラ６６の参照波とは、１ｉビームスプリツ
タ６０を介して干渉し、その干渉縞は受光装置５４によ
って読取られる。この受光装置５４によって読取られた
干渉縞の変化から、縞位相測定装置５６によりハーフミ
ラ６６の移動量が測定され、さらに電子計に磯４４によ
り駆動装置ドライブ回路５８を介して駆動装置４６の制
御が行なわれる、αは第１実施例の場合と同様である。

上記の実施例において、参照波の位相を微小変化させる
ための駆動装置としては、光路に対し直角な参照面を有
するハーフミラを用い、このハーフミラをピエゾ素子等
で光路に沿って移動させるようにしても勿論可能である
。なお第５図において偏光板６２とλ／４板６８は、被
測定物３８の被検波が撮像装置４０には入射するが、受
光装置５４には入射しないためのものである。すなわち
直線偏光レーザ３０からの平行ビームは、偏光板６２を
透過することにより偏光面が一つに制限された直線偏光
ビームとなる。

この直線偏光ビームはλ／４板６板金８過すると円偏光
ビームとなりさらに被測定物３８によって反射された後
再びλ／４板６板金８過すると、元の直線偏光ビームに
対して偏光面が９０°ずれた直線偏光ビームとなる。従
ってこの偏光面が９０°ずれた直線偏光ビームは偏光板
６２を透過せず、受光装置５４には入射しないようにな
っている。

以上説明した本願発明の作用を、参照波の位相・を微小
変化させる方法として、参照鏡を光路と同一方向に微小
移動させる第４図の場合を例として説明する。いま駆動
装置４６により参照鏡３２を徐々に移動させると、その
移動量は参照鏡の微小移動量を測定するための干渉計を
介して、縞位相測定装置５６により測定される。参照鏡
３２の移動量が所定量に達しないとき、例えば第３図に
おいて、０位置から移動を始めてｎ、位置まで達してい
ないときには、電子計算機４４の指令により駆動装置ド
ライブ回路５８を介して駆動装置４６が制御され、参照
鏡３２は移動を継続する。参照鏡３２が所定量移動し、
ｎ１位置に達したことが測定されると、指令により参照
鏡３２の移動は停止する。このときの参照鏡３２の参照
波と被測定物３８の被検波とが干渉して出来る干渉縞の
データは、被測定物の形状を測定するための測定用干渉
計により、撮像装置４０を介して干渉縞位相解析システ
ム４２により取込まれる。次いで再び指令により駆動装
置４６が駆動し、参照鏡３２は移動を開始し、参照Ｉ！
３２がｎ２位置に達すると停止して、上記の場合と同様
、位相変調された干渉縞のデータが、干渉縞位相解析シ
ステム４２により取込まれる。こうして第３図の例にお
いては１６回（ｎ＋、１□・・・・・・・・ｎ１６）均
等に参照鏡が微小移動されたときの変ｇ４された干渉縞
のデータがすべて取込まれると、電子計算機４４により
演算処理された各測定点の初期位相差が求められ、これ
から被測定物の形状等を高精度に測定することができる
。

以上詳述したように本願発明によれば、被測定物の形状
測定用の干渉計と、参照波の位相を微小変化させるため
の駆動装置の微小移動量を画定するための干渉計とを有
し、かつ１つのレーザ光源と１つの参照波を両干渉計に
共用する構成としたことを特徴とするものであり、これ
により参照波の微小変化を、当該参照波を微小変化させ
るための駆動装置を組込んだレーザ干渉計で直接測定す
ることができること、その測定結果によりリアルタイム
で参照波の位相変化をクローズトループ制御で行なえる
こと、従って参照鏡等の精度の高い位置決めが可能であ
ること、静電容量センサを用いた場合のようにキャリブ
レーションする必要がないこと、また上記した２つの干
渉計は、レーザ光源と参照鏡以外は互いに独立した光学
系から成り立っており、相互に悪影響を与えることがな
いこと等の優れた効果を奏することが出来だ。

【図面の簡単な説明】

第１図は干渉計測の原理説明図、！＠２図は縞走査方式
による干渉計測の原理説明図。第３図はその出力波形図
、第４図は本願発明の詳細な説明図、第５図は本願発明
の他の実施例説明図。 ３０：レーザ光源　　３２：参照［３８：被測定物４０
：撮像装置　　４４：電子計算機４６：駆動装置５２．
６０：ビームスブリツタ　　５４：受光装置５６：縞位
相測定装置　　６６：ハー７ミラ７０：反射鏡

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　可干渉性光源からの平行ビームの光路上に設け
   られた参照鏡と、前記可干渉性光源からの平行ビームの
   光路上に設置された被測定物と、前記参照鏡により反射
   される参照波の位相を微小変化させる装置と、前記参照
   鏡により反射された参照波と前記被測定物により反射さ
   れた被検波とを干渉せしめる装置とからなり、前記参照
   波の位相を微小変化させたときに前記被検波との間に生
   ずる干渉縞の位相変調情報を撮像装置を介して取込み、
   それを解析することにより被測定物の表面形状等を測定
   するよう構成された縞走査方式による干渉計測装置にお
   いて、前記可干渉性光源からの平行ビームおよび前記参
   照鏡により反射された参照波を入射するビームスプリッ
   タと、前記ビームスプリッタを介して前記平行ビームと
   前記参照波とを干渉せしめて生ずる干渉縞を読取る読取
   装置とからなる参照波の位相変化量を測定する干渉計を
   備え、前記干渉計により測定された参照波の位相変化量
   により、前記参照波の位相を微小変化させる装置を制御
   することを特徴とする干渉計測装置。
2. （２）　前記参照鏡により反射された参照波と前記被測
   定物により反射された被検波とを干渉せしめる装置が、
   可干渉性光源からの平行ビームをビームスプリッタによ
   り分離し、分離された一方の平行ビームを参照鏡により
   反射させて参照波として前記ビームスプリッタに帰還さ
   せ、分離された他の一方の平行ビームを被測定物により
   反射させて被検波として前記ビームスプリッタに帰還さ
   せ、前記ビームスプリッタにおいて前記参照波と前記被
   検波とを干渉せしめる装置であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の干渉計測装置。
3. （３）　前記参照鏡により反射された参照波と前記被測
   定物により反射された被検波とを干渉せしめる装置が、
   可干渉性光源からの平行ビームの光路上に設けられたハ
   ーフミラにより反射される参照波と、前記ハーフミラを
   透過して被測定物により反射され、前記ハーフミラを再
   び透過する被検波とを干渉せしめる装置であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の干渉計測装置。