JPS63210706A - 縞走査シアリング干渉測定装置 - 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】 （技術分野） 本発明は、縞走査シアリング干渉測定装置に関する。

（従来技術） 縞走査シアリング干渉測定装置では測定光束即ち、被験
面からの反射光束が２光路に分割され。

分割された光束の一方が他方に対して横ずらし即ちシア
される。このシアにおける横すらし量即ちシア量は、測
定精度に直接に影響するので、これを高精度に知る必要
がある。

シアを行う方法として、従来、平行平面ガラスの表裏面
の反射を利用する方法、平行平面ガラスを斜めに透過す
るときの、屈折による横ずれを利−用する方法、コーナ
ーキューブプリズムを用いる方法等が知られている。し
かし、これらは、何れもシアされる光束が平面波であり
、このためこれらを干渉させても干渉縞が生ぜず、この
ため干渉を利用した高精度のシア量測定が出来ない。

（目　　的） 本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、
その目的とするところは、シア量を高精度に知ることが
出来、従って被験面の高精度な測定が可能である新規な
、縞走査シアリング干渉測定装置の提供にある。

（構　　成） 以下、本発明を説明する。

本発明の装置は、縞走査シアリング干渉測定方式で被験
面の形状を測定するための装置である。

この装置は、選択光学系と、１組のア・フォーカルレン
ズ系と、ビームスプリッタ・−と１合流手段と、フリン
ジスキャン手段と、ウェッジプリズムとを有する。

選択光学系は、被験面からの反射光と基準面からの反射
光を、任意に選択するための光学系である。

１ｆｆｉのア・フォーカルレンズ系は、この選択光学系
の選択に従って、被験面もしくは基準面からの反射光を
受光面上に結像させるように配備される。

ビームスプリッタ−は、このア・フォーカルレンズ系の
レンズに挟まれた光路内で、光束を２分割する。

合流手段は、上記２分割された光束を再度合流させる。

フリンジスキャン手段は、分割された一方の光束により
フリンジスキャンを行う。

ウェッジプリズムは、固定もしくは可動であって、分割
された他方の光束を偏向させる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら具体的に説明する。

第１図は、本発明の１実施例を要部のみ説明図的に略示
している。図中、符号１ｏはレーザー光源を示す。レー
ザー光源１ｏがら放射された光束は、ビームエキスパン
ダー１２により、ビーム径を拡大され、ミラー１４によ
り反射されたのち、ビームスプリッタ−１６に入射する
。レーザー光源１ｏ、ビームエキスパンダー１２、ミラ
ー１４は、測定装置の光源光学系を、構成している。

ビームスプリッタ−１６に入射した光束は２光束に分離
され、一方は、被験体Ｏすなわち形状を測定すべき被験
面を有する物体の上記被験面に入射し、他方は、ミラー
Ｎの基準面に入射する。基準面は高精度に仕上げられた
平面である。被験面、基準面からの反射光はビームスプ
リッタ−１６を透過し、もしくはビームスプリッタ−１
６に反射されて、ビームスプリッタ−１６から射出しミ
ラー１８に反射されて測定系へと入射する。ビームスプ
リッタ−１６と被験体Ｏ、ミラーＮの間には、シャッタ
ー　１８Ａ、　１８Ｂが設けられており、これらを選択
的に開閉することにより、上記測定系へ入射する反射光
を選択できる。すなわち、ビームスプリッタ−１６、ミ
ラーＮ、１８．シャッター１８Ａ、　１８Ｂは、この実
施例において、選択光学系を構成し、この選択光学系に
より、被験面からの反射光と基準面からの反射光のうち
の任意の一方を選択して測定系へ入射させることができ
る。

さて、その測定系は、１組のア・フォーカルレンズ系を
構成するレンズ２０Ａ、　２０Ｂと、ビームスプリッタ
−２２と、コーナーキューブプリズム２４．２８と、ピ
エゾ素子２６と、ウェッジプリズム３０と、エリアセン
サー３２とを有している。

ア・フォーカルレンズ系を構成するレンＸ２０Ａ。

２０Ｂの前者の像側焦点と、後者の物体側焦点とは互い
に合致している。そしてこのア・フォーカルレンズ系は
、前述の選択光学系の選択に従って被験面もしくは基準
面からの反射光を受光面すなわちエリアセンサー３２の
受光面に結像する。

ビームスプリッタ？−２２は、ア・フォーカルレンズ系
を構成するレンズ２０Ａ、　２０Ｂに挟まれた光路内で
光束を２分割し、２分割された光束の一方はコーナーキ
ューブプリズム２４に、他方はコーナーキューブプリズ
ム２８に入射する。各コーナーキューブプリズム２４．
２８により折り返された光束はビームスプリッタ−２２
を介して再び合流し、レンズ２０Ｂを介してエリアセン
サー３２に入射する。即ち、この実施例において、コー
ナーキューブプリズム２４．２８　、ビームスプリッタ
−２２は合流手段を構成している。

また、ピエゾ素子２６とコーナーキューブプリズム２４
は、フリンジスキャン手段を構成する。

ウェッジプリズム３０は、くさび状の透明板であって、
ビームスプリッタ−２２とコーナーキューブプリズム２
８との間に配備されている。この例ではコーナーキュー
ブプリズム２８からビームスプリッタ−２２へ折り返さ
れる光束がウェッジプリズム３０を透過するが、ビーム
スプリンター２２からコーナーキューブプリズム２８へ
入射するさいに光束がウッジプリズム３０を透過するよ
うにしてもよい。

測定装置は、これらのほかに、エリアセンサー３２の出
力にたいする演算や測定のプロセスを制御する制御演算
手段としてコンピュタ−システムを有し、さらにコーナ
ーキューブプリズム２８を第１図で左右方向および図面
に直交する方向に変移させる微調整手段を有する。

以下に、第１図の装置による測定に付き説明する。まず
、基準シア量ＳＯにつき説明する。ウッジプリズム３０
における偏向角を第２図に示すようにθとする。また、
レンズ２０Ｂの焦点距離をｆとすると、基準シア量ＳＯ
はｆｔａｎ８で与えられる。このように基準シア量ＳＯ
はウェッジプリズム３０とレンズ２０Ｂとによって定ま
る定数である。偏向角θはどのように計測してもよいが
、次の様にしてきわめて精度良く測定できる。即ち、第
１図において選択光学系により、基準面からの反射光を
選択して測定系に入射させる。そしてレンズ２０Ａ、　
２０Ｂを取りのぞいた状態で光束をエリアセンサー３２
に入射させる。基準面は平面であるから、このときエリ
アセンサー３２に入射する光束は平面波であり。

ウェッジプリズム３０を通った光束の波面は、通らなか
った光束の波面に対して角θだけ傾いている。

このため受光面上では傾き角θに対応する干渉縞が生ず
るので、この干渉パターンをフリンジスキャン手段によ
りフリンジスキャンして縞走査測定を行うことにより、
角θを極めて高精度に測定することができる。この偏向
角θの測定は測定装置の組付は時の未だレンズ２０Ａ、
　２０Ｂが組付けられていない状態で一度行うのみでよ
い。

上記の如＜　ｆ　ｔａｎθで定義される基準シア量ｓ０
は以下の如き意味をもつ。

第１図において、選択光学系で基準面からの反射光を選
択すると、この反射光は平面波であるからア・フォーカ
ルレンズ系を透過したのちも平面波となる。従ってもし
、受光面ＦＡ上における。干渉パターンがワンカラーで
あれば、受光面に合流的に入射する２光束（一方はウェ
ッジプリズム３０を透過しており、他方は透過していな
い）は互いに平行である。そこで、前述の微調整手段に
より、コーナーキューブプリズム２８を第１図において
左右方向へ変位させて、上記ワンカラーの干渉パターン
を実現する。このときの状態を第２図に従って説明する
と、つぎのようになる。

レンズ２０Ｂに入射する光束のうち、コーナーキューブ
プリズム２４を経由してくる光束の光軸はア・フォーカ
ルレンズ系の光軸（レンズ光軸）と一致しているが、ウ
ェッジプリズム３０を経由してくる光束のほうは、その
光軸が第２図に示すように、まずコーナーキューブプリ
ズム２８の変位調整により、レンズ光軸にたいし、Δだ
けずれる。つぎに、この光束がウェッジプリズム３０を
透過すると、その光軸はレンズ光軸に対し偏向角θだけ
傾き、あたかも、レンズ２０Ｂの物体側焦点から破線の
如くに出た光のようになってレンズ２０Ｂを透過し、レ
ンズ光軸に平行な平行光束となる。このとき、この、ウ
ェッジプリズム３０を経由した光束のレンズ２０Ｂ以後
の光軸はレンズ光軸に対して、ｓＯだけずれている。換
言すれば、上のようにして、ワンカラーの干渉パターン
が実現されるとき、シア量ｓ。

が実現されている訳である。しかし、現実には上記シア
量ＳＯを実現するのにコーナーキューブプリズム２８に
要求される精度はサブミクロン以下であり、コーナーキ
ューブプリズム２８のみの走査でシア量ＳＯを実現する
ことは困難である。そこで本発明ではコーナーキューブ
プリズム２８によっては、大まかにシア量の調整を行い
、正確なシア量はこれを測定によって決定する。即ち、
第３図を参照すると、符号ＦＣは基準面からの反射光の
うちウェッジプリズム３０を経由した光束の、受光面Ｆ
Ａへ入射する波面をしめす、ウェッジプリズム３ｏを経
由しない光束の波面は受光面ＦＡに平行である。そこで
縞走査干渉測定方式で測定を行うと波面ＦＣを決定でき
る。そこで、この波面ＦＣの解析的な方程式を最小２乗
法で決定して受光面ＦＡとのあいだの傾き角δθを決定
できる。また、レンズ２０Ｂの焦点面ＦＢと受光面ＦＡ
との間の距離を第３図の如くＬとすると、このＬは装置
の定数である。

さて、この状態で選択光学系により被験面からの反射光
を選択すると、受光面ＦＡに入射する２光束の波面は、
例えば波面Ｗｌ　、　Ｗ２であり、ウェッジプリズム３
０を経由した光束の光軸ＡＸは、レンズ光軸とδθだけ
傾いている。従って、この状態におれる。さて、波面ｗ
ｉ　、　ｗｚは本来同一の形状であるが、波面Ｗ２は波
面Ｗ１にたいし、Ｓだけずれており、かつ、δθだけ傾
いている。そこで第３図の上下方向をＸ方向１図面に直
交する方向をＹ方向とすると、Ｗ２（Ｘ）＝Ｗ１（Ｘ＋
ＳＯ÷δＳ）＋Ｘｔａｎδθであり、エリアセンサーで
読みとられる干渉縞は、ΔＷ＝Ｗ２（Ｘ）　−Ｗｌ　（
Ｘ）である、そこで、ΔＷにたいしΔＷ１＝ΔＷ−Ｘｔ
ａｎδθなる補正を行い、このΔＷｌ　（＝Ｗ１　（Ｘ
＋　Ｓ。

÷δＳ）　−Ｗｌ　（Ｘ）　）にたいし。

Ｗ１＝（５Ａ　Ｗｌ　（Ｘ）ｄＸ）／（Ｓｏ＋δＳ）な
る演算を行うことにより、波面Ｗ１のＸ方向の形状が得
られる。Ｙ方向の形状は被験面を光軸に直交する面内で
９０度回転させるか、あるいはウェッジプリズム３０を
光軸のまわりに９０度回転させて上と同様のプロセスを
実行すれば得られ、これら各方向の形状の合成により、
波面形状として被験面の形状を知ることができる。上記
のように、ウェッジプリズムは固定的でもよいし、可動
でもよい。

第４図は、可動のウェッジプリズム３０を有する他の実
施例を要部のみ略示している。この例では、ミラー２５
．２７　、ビームスプリッタ−２９が合流手段を構成し
、ミラー２７と、これを微小変位させるピエゾ素子２６
とが、フリンジスキャン手段を構成している。ミラー２
５は固定できであり、ウェッジプリズム３０を光軸方向
へ移動させ干渉状態が実質的にワンカラー状態と成るよ
うにし、上記実施例と同様にして測定を行う、この例で
は、ミラー２５，２７、ビームスプリッタ−２２，２９
の相対的な角度関係がずれると、誤差が生ずる０例えば
、第５図のように、面ＦＤ上でαの角度誤差が発生した
場合、ウェッジプリズム３０を実線の位置から破線の位
置まで移動させて、上記誤差を打ち消しレンズ２０Ｂか
らの射出光束の光軸をレンズ光軸と平行にできる。第１
図の実施例でもコーナーキューブプリズム２８を固定し
てウェッジプリズム３０の光軸方向の変位により、シア
リングを行ってもよい。

最後に、具体的な実測例を挙げる。

第６図に示すような、放物面を被験面として有する被験
体０１の測定を行うため、選択光学系において、シャッ
ター１８Ａと被験体０１との間に集束レンズ（Ｐ点はそ
の焦点）１７を配し、°同しンズ１７による集束球面波
が被験面に最も良くフィツトするように被験面の照明を
行った。この、被験面に最も良くフィツトする球面波の
半径は第６図のＲである。このとき、測定によって得ら
れる波面形状は曲率半径Ｒの球面からの被験面形状のず
れに対応するので、上記波面形状を上記球面で補正する
ことにより求める被験面形状が得られる。

さて、被験面を決定する設計上の放物線の方程式は、Ｙ
　＝　Ｘ’　／　（２Ｒ３）　、　Ｒ３＝２．３ｍｍ　
　、基準シア量ＳＯは、Ｘ方向につき、２７．５０）Ｌ
気、Ｙ方向につき−３，２０ｐｍ、補正シア量δＳはＸ
、Ｙ方向に付きそれぞれ−０，１１Ｈｚ、　０．１０１
−％、　Ｌ　＝、　１７．５７ｎ＋＋ｏ、　ｆ　＝　９
９．８ｍｍである。

第７図（Ｉ）は、測定波面形状と設計波面形状を示す、
同図（ＩＩ）は、上記両波面形状の差である差分形状を
示す、この差分形状における２乗平均は０、０８６８３
５６２、ピークバレーは０．４０２２４４１８−　また
測定個数は３７である。

（効　　果） 以上、本発明によれば、新規な縞走査シアリング干渉測
定装置を提供できる。この装置は上述の如き構成を有し
、シア量を正確に知りつるので、被験面形状を高精度に
測定できる。また、駆動部が簡略であり、ミラー系も有
効径いっばいに使用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は９本発明の１実施例を要部のみしめす図、第２
図および第３図は上記実施例に即して本発明の詳細な説
明するための図、第４図および第５図は１本発明の別実
施例を説明するための図、第６図および第７図は、第１
図の実施例による具体的な実測例を説明するための図で
ある。 ０１１．被験体、Ｎ１０．基準面を持つミラー、１８Ａ
、１８Ｂ、、、シャッター、２０Ａ、　２０Ｂ、　、　
、ア・フォーカルレンズ系を構成するレンズ、２２．　
、　、　　ビームスプリッタ−１２４，２８，、、コー
ナーキューブプリズム、２６８０．ピエゾ素子、　３２
．、、エリアセンサーイア１５し　イ　亡＝コ 売２　因

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 縞走査シアリング干渉測定方式で被験面の形状を測定す
   るための装置であって、 被験面からの反射光と基準面からの反射光を、任意に選
   択できる選択光学系と、 この選択光学系の選択に従って、被験面もしくは基準面
   からの反射光を受光面上に結像させる、１組のア・フォ
   ーカルレンズ系と、 このア・フォーカルレンズ系のレンズに挟まれた光路内
   で、光束を２分割するビームスプリッターと、 上記２分割された光束を再度合流させる合流手段と、 分割された一方の光束によりフリンジスキャンを行うフ
   リンジスキャン手段と、 分割された他方の光束を偏向させる、固定もしくは可動
   のウェッジプリズムと、を有することを特徴とする、縞
   走査シアリング干渉測定装置。