(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力光の波長λを時間的に変化させ得る光源と、該光源からの光束を平行光束とした後基準面上および被測定面上に導く光学系と、該基準面および該被測定面からの光束の光干渉により得られた干渉縞情報を撮像する撮像手段とを備えた干渉計装置を用い、
前記出力光の波長λを略λ２／ｍＬ（ｍは１測定期間中に取り込む画像の枚数、Ｌは前記基準面と前記被測定面との光軸上での光学的距離）ずつ変化させる毎に、前記撮像手段により干渉縞画像を撮像し、
該撮像して得られた複数の干渉縞画像情報に対し、所定の演算処理を施し、得られた縞位相変化に基づき干渉縞解析を行う干渉縞測定解析方法において、
前記光学系のコリメータレンズのレンズ面と、前記基準面または前記被測定面との光軸上での光学的距離Ｌ１を、前記基準面と前記被測定面との光学的距離Ｌ２に比して大きな値となるように設定し、
前記出力光の波長λを、略λ２／ｍＬ１ずつ異なる範囲毎に連続的に変化せしめ、該範囲毎に所定期間（但し、２π/ｍよりも小さい位相変化範囲に相当する）に亘って前記撮像手段により干渉縞画像を連続的に撮像し、その撮像により得られた該範囲毎のデータを下式（１）に代入して干渉縞画像情報Ｉｉ（ｘ,ｙ）を得、
得られた干渉縞画像情報Ｉｉ（ｘ,ｙ）に対して、前記所定の演算処理を施して干渉縞解析を行うことによって、前記コリメータレンズのレンズ面からの反射光と前記基準面または前記被測定面からの反射光とにより形成される干渉縞ノイズを除去することを特徴とする干渉縞測定解析方法。
【数１】
0004298105.tif 000006
【請求項２】
前記光源がレーザ光源であることを特徴とする請求項１記載の干渉縞測定解析方法。
【請求項３】
前記干渉計装置がフィゾー型であることを特徴とする請求項１または２記載の干渉縞測定解析方法。
【請求項４】
前記コリメータレンズのレンズ面と、前記基準面または前記被測定面との光軸上での光学的距離Ｌ１が、前記基準面と前記被測定面との光学的距離Ｌ２に比して５倍以上とされていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の干渉縞測定解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可干渉性を有する波長可変光源を観察用光源とする干渉計装置において被測定体の位相情報を得るための干渉縞測定解析方法に関し、特に、コリメータレンズ等の光学面からの発生光と基準面や被測定面からの出力光との光干渉によって生じる干渉縞ノイズを除去する干渉縞測定解析方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、精密な光学鏡面やレンズ形状を測定する光学測定装置として、例えばフィゾー型干渉計装置が知られている。
このようなフィゾー型干渉計装置では、被測定面に基準面を接近させ、単色の平面光波で両者を照明し、近接した両面からの反射光により生成される干渉縞を、ＣＣＤカメラ等の撮像装置で撮像し、得られた干渉縞画像を解析して上記被測定面表面の形状（位相変化）を観察測定する。
【０００３】
一方、干渉縞解析を行う際の、凹凸判別等の有効な手法として、最近、光源に波長可変レーザを用いて波長走査する手法が知られている。波長可変レーザを用いて高精度な表面を計測した例として、Philip S Fairman らによる「300-mm-aperture phase-shifting Fizeau interferometer」 1371-1380 Vol38 No8 OPTICAL ENGINEERING 1999 が知られている。しかしこの文献中で述べられている波長走査による位相走査法を通常の干渉装置に適用した場合は、被検体の位相値は求まるが前述した光学面からの発生光と基準面や被測定面からの出力光との光干渉によって生じる干渉縞ノイズを除去することはできなかった。この波長可変レーザを用いた干渉縞解析の原理は以下のようになっている。
【０００４】
すなわち、基準面からの反射光と被測定面からの反射光により生成される干渉縞の位相差は、光源の波長がλであるとき、良く知られているように光路長Ｌを波長λで割った値、すなわち２πＬ／λとなる。波長がわずかな量δλだけ変化すると、この位相は２πＬ／λから２πＬ／（λ＋δλ）となりα≒（２πＬ／λ２）δλだけ変化することになる。この位相変化量αは、干渉縞が生成されるための反射面間の光路長Ｌに比例している。
【０００５】
ここで、撮像手段で撮像される干渉縞情報は、ノイズを考えなければ、下式（２）で表される。
【０００６】
【数２】
0004298105.tif 000002
【０００７】
この干渉計装置は、位相シフト量αが、それぞれ、例えば０、π／２、π、３π／２となるように波長変化量δλを選択し、画像データＩｒ（例えばｒ＝０、１、２、３）を記録し、例えば４ステップアルゴリズム（後述する）等で位相値２πＬ／λを求めて、被測定面の形状を決定するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような波長を可変とし得るレーザ光源を用いた波長走査フィゾー型干渉計装置における代表的な系統誤差要因として、平行光束を生成するコリメータレンズと基準面あるいは被測定面との間の干渉縞ノイズが知られている。
このノイズにより測定結果には、被測定面の中央部に、実際には存在しない凸部（または凹部）があたかも存在するように解析されてしまう。
【０００９】
すなわち、基準面からの反射光と被測定面からの反射光の他に、コリメータレンズ等の光学面からの反射光がノイズ光としてＣＣＤカメラ等の撮像手段に入射し、それぞれが基準面からの反射光や被測定面からの反射光との間で干渉縞を形成するために、干渉縞に余分なノイズ縞（コヒーレントノイズ）が加わり、縞強度測定の精度を低下させる原因となっていた。
そして、特に高精度な被測定面を測定する場合には大きな問題となっていた。
【００１０】
なお、このような問題はフィゾー型干渉計装置に限られるものではなく、マイケルソン型やマッハツェンダ型等の他の波長走査型干渉計装置においても生じている問題である。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、波長走査型干渉計装置において、コリメータレンズ等の光学面と、基準面および/または被測定面からの出力光との光干渉によって生じる干渉縞ノイズを良好かつ簡易にその解析結果から除去し得る干渉縞測定解析方法を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の干渉縞測定解析方法は、出力光の波長λを時間的に変化させ得る光源と、該光源からの光束を平行光束とした後基準面上および被測定面上に導く光学系と、該基準面および該被測定面からの光束の光干渉により得られた干渉縞情報を撮像する撮像手段とを備えた干渉計装置を用い、
前記出力光の波長λを略λ２／ｍＬ（ｍは１測定期間中に取り込む画像の枚数、Ｌは前記基準面と前記被測定面との光軸上での光学的距離）ずつ変化させる毎に、前記撮像手段により干渉縞画像を撮像し、
該撮像して得られた複数の干渉縞画像情報に対し、所定の演算処理を施し、得られた縞位相変化に基づき干渉縞解析を行う干渉縞測定解析方法において、
前記光学系のコリメータレンズのレンズ面と、前記基準面または前記被測定面との光軸上での光学的距離Ｌ１を、前記基準面と前記被測定面との光学的距離Ｌ２に比して大きな値となるように設定し、
前記出力光の波長λを、略λ２／ｍＬ１ずつ異なる範囲毎に連続的に変化せしめ、該範囲毎に所定期間（但し、２π/ｍよりも小さい位相変化範囲に相当する）に亘って前記撮像手段により干渉縞画像を連続的に撮像し、その撮像により得られた該範囲毎のデータを下式（１）に代入して干渉縞画像情報Ｉｉ（ｘ,ｙ）を得、
得られた干渉縞画像情報Ｉｉ（ｘ,ｙ）に対して、前記所定の演算処理を施して干渉縞解析を行うことによって、前記コリメータレンズのレンズ面からの反射光と前記基準面または前記被測定面からの反射光とにより形成される干渉縞ノイズを除去することを特徴とするものである。
【００１３】
【数３】
0004298105.tif 000003
【００１４】
また、前記コリメータレンズのレンズ面は、例えばコリメータレンズの発散光束側および/または平行光束側のレンズ面とされる。
前記基準面または前記被測定面が光軸の延びる方向に移動可能とされ、前記各光学面に基づくノイズが最小となる位置で前記移動に係る前記基準面または前記被測定面を停止せしめることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の干渉縞測定解析方法は、前記光源がレーザ光源である場合に特に効果的である。
さらに、前記干渉計装置としては、例えばフィゾー型のものが用いられるが、フィゾー型に限られるものではない。
【００１６】
なお、前記「所定倍以上の大きな値」とは、必要な干渉縞画像情報は得られるが、干渉縞ノイズは除去し得る程度に位相変動差が生じる値をいうものとする。
例えば、前記光学的距離Ｌ１が前記光学的距離Ｌ２に比して５倍以上とされていることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る干渉縞測定解析方法について図面を参照しつつ説明する。
図３は本実施形態に係る干渉縞測定解析方法を実施するためのフィゾー型干渉計装置を示すものである。なお、本実施形態においては、ノイズ発生原因となる光学面をコリメータレンズのレンズ面とした場合を例にあげて説明する。
【００１８】
このフィゾー型干渉計装置において、出力光の波長λを可変とし得るレーザダイオード等の単色の波長可変レーザ光源１１から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ１２（入射面を３、出射面を４により示す；コリメータレンズは模式的に示されている）によって平行光束とされ、基準板１３の基準面１および被測定体１４の被測定面２に入射する。基準面１で反射された光束と被測定面２で反射された光束は互いに干渉しつつ光路を逆進し、半透鏡１５で反射され、ＣＣＤカメラ１６の撮像面上に、被測定面２の位相情報を有する干渉縞画像を形成する。
【００１９】
また、本実施形態においてはフリンジスキャンを行って４つの干渉縞画像を得る４バケットのインテグラル・バケット法が採用されており、上記波長可変レーザ光源１１からのレーザ光の波長λを変化させて、略λ２／４Ｌずつ異なる毎に干渉縞画像を得るように構成されている。
ここで得られた４つの干渉縞画像情報についてコンピュータ１７において離散的フーリエ変換等の所定の演算処理が施され、有効かつ高精度な干渉縞解析がなされる。
【００２０】
ところで、このような干渉計装置においては、平行光束を生成するコリメータレンズ１２の入射面３あるいは出射面４と基準面１あるいは被測定面２との間で干渉縞ノイズ（コヒーレントノイズ）が発生し、測定結果には、被測定面２の中央部に、実際には存在しない凸部（または凹部）があたかも存在するように解析されてしまう。
【００２１】
これは、系内においては、基準面１からの反射光と被測定面２からの反射光の他に、上記コリメータレンズ１２の入射面３あるいは出射面４等からの反射光がノイズ光としてＣＣＤカメラ１６に入射し、それぞれが基準面１からの反射光や被測定面２からの反射光との間で干渉縞を形成するために、そして上記コリメータレンズ１２の入射面３あるいは出射面４は光軸付近において最も平面に近い状態となるために、干渉縞の光軸に相当する位置付近に図４に示す如き余分なノイズ縞（コヒーレントノイズ）２０が加わり、縞強度測定の精度を低下させる原因となるものである。
【００２２】
そこで、本実施形態においては、上記コリメータレンズ１２の入射面３あるいは出射面４と、前記基準面１または前記被測定面２との光軸上での光学的距離Ｌ１を、前記基準面１と前記被測定面２との光学的距離Ｌ２に比して少なくとも数倍以上の大きな値となるように設定し、前記出力光の波長λを略λ２／ｍＬ１（ｍは１測定期間中に取り込む画像の枚数）ずつ変化させる毎に、前記撮像手段により干渉縞画像を所定期間に亘り連続的に撮像し、該撮像して得られた複数の干渉縞画像情報Ｉｉ（ｘ,ｙ）に対して、下式（４）に基づくインテグラル・バケット法を用いた演算処理を施して干渉縞解析を行うようにし、上記干渉縞ノイズを除去するようにしている。
【００２３】
【数４】
0004298105.tif 000004
【００２４】
すなわち、本実施形態方法は、出力光波長λを連続的にスキャンする場合には、光干渉を生ぜしめる２つの面間距離が長い程、位相の変化が激しいという事実に着目してなされたものであり、距離が互いに短く設定された基準面１と被測定面２の両面からの反射光により生成された干渉縞は撮像時間をある程度長くとっても干渉縞を認識できるが、距離が互いに長く設定されたコリメータレンズ１２の出射面４と基準面１の両面からの反射光により生成された干渉縞ノイズは位相変動分が大きく、上記撮像時間の期間が干渉縞情報を表す正弦波の複数周期に相当し、これにより干渉縞ノイズはその強度分布が平均化されて撮像されることとなり、撮像された画面上には干渉縞ノイズが消去された状態となる。
【００２５】
図５は、このことを概念的に表したグラフを示すものであって、（ａ）はコリメータレンズ１２の出射面４と基準面１の両面からの反射光により生成された干渉縞ノイズを表す信号であり、一方（ｂ）は基準面１と被測定面２の両面からの反射光により生成された干渉縞を表す信号である。すなわち、図示するように基準面１と被測定面２の両面からの反射光により生成された、各ステップにおける干渉縞の連続撮像時間Ａ内に、コリメータレンズ１２の出射面４と基準面１の両面からの反射光により生成された干渉縞ノイズを表す信号（正弦波）が複数波以上含まれることとなり、したがって、干渉縞ノイズはその強度分布が平均化されて撮像されることとなりノイズであると認識されなくなってしまう。
【００２６】
以下、本実施形態を図１のフローチャートを用いて説明する。
なお、本実施形態では上述したように４バケットのフリンジスキャンが採用されている。
【００２７】
まず、初期設定として、フリンジスキャン開始波長である基準波長をλ1に設定するとともに、各バケットの位相変化幅をπ/２に設定し（Ｓ１）、次に波長λ１を変化させながら連続的に干渉縞画像情報を得る（Ｓ２）。この場合において各バケットは、図２に示されるように、位相が０からπ/２までの範囲の第１バケットＡ、位相がπ/２からπまでの範囲の第２バケットＢ、位相がπから３π/２までの範囲の第３バケットＣ、位相が３π/２から２πまでの範囲の第４バケットＤからなる。
【００２８】
したがって、位相が０からπ/２まで変化する間に取り込まれたデータを上式（４）を用いて演算して干渉縞画像情報Ｉ１（ｘ,ｙ）を得、次に、位相がπ/２からπまで変化する間に取り込まれたデータを上式（４）を用いて演算して干渉縞画像情報Ｉ２（ｘ,ｙ）を得、次に、位相がπから３π/２まで変化する間に取り込まれたデータを上式（４）を用いて演算して干渉縞画像情報Ｉ３（ｘ,ｙ）を得、最後に、位相が３π/２から２πまで変化する間に取り込まれたデータを上式（４）を用いて演算して干渉縞画像情報Ｉ４（ｘ,ｙ）を得る（Ｓ３〜Ｓ７）。
この式（４）における演算処理はコンピュータ１７において行われる。
【００２９】
次に、得られた４つの干渉縞画像情報Ｉ１（ｘ,ｙ）〜Ｉ４（ｘ,ｙ）からコンピュータ１７において離散的フーリエ変換等の下式（５）を用いた周知の演算処理を行って縞位相情報Φ1を得、これをコンピュータ１７内のメモリに格納する（Ｓ８）。
【００３０】
【数５】
0004298105.tif 000005
【００３１】
そして、上記各測定を行った際の基準波長λ１および上記メモリに格納しておいた縞位相情報Φ１の値に基づき、上記コンピュータ１７において、演算処理を行い、被測定面２の表面形状情報を得る（Ｓ９）。
最後に、上記ステップ９（Ｓ９）において得られた表面形状情報を３次元形状として視認可能となるように図示されないモニタに出力する（Ｓ１０）。
【００３２】
なお、本発明の干渉縞測定解析方法としては上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能であり、例えば上記実施形態においては、干渉縞情報から被測定面２の表面形状情報を得る演算手法として４バケットのインテグラル・バケット法を用いているが、これに代えて、５バケット法以上のインテグラル・バケット法を用いることが可能である。
【００３３】
なお、本発明の干渉縞測定解析方法としては、コリメータレンズ表面のみならずその他の干渉縞ノイズの発生原因となる全ての光学面（例えばハーフミラー面）についての適用が可能であり、またコリメータレンズが複数枚よりなる場合には、その全てあるいは一部のレンズ面についての適用が可能である。
【００３４】
また、本発明方法はフィゾー型の干渉計装置を使用する場合のみならず、その他の干渉計装置、例えば、マイケルソン型あるいはマッハツェンダ型等の干渉計装置に適用が可能である。
【００３５】
さらに、上記実施形態においては被測定面２が平面状とされているが、本発明方法は被測定面２が球面状とされている基準レンズにおいても同様の作用効果を得ることができる。すなわち、基準レンズのレーザ光入射側において平行光束を作る部分においては、上述の平面の場合と同様のノイズが発生し、また、基準レンズは、複数のレンズ玉により構成されており、これら各レンズ玉の各表面毎にノイズが発生するため、本発明方法により同様の作用効果を得ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の干渉縞測定解析方法は、波長可変型光源を観察用光源とした干渉計装置において、例えばコリメータレンズ表面等の光学面と、基準面または被測定面との光軸上での光学的距離Ｌ１を、基準面と被測定面との光学的距離Ｌ２に比して大きな値となるように設定し、出力光の波長λを略λ２／ｍＬ１（ｍは１測定期間中に取り込む画像の枚数）ずつ変化させる毎に、撮像手段により干渉縞画像を所定期間に亘り連続的に撮像し、該撮像して得られた複数の干渉縞画像情報Ｉｒ（ｘ,ｙ）に対して、インテグラル・バケット法を用いた演算処理を施して干渉縞解析を行うようにして、上記光学面からの反射光と、基準面または被測定面からの反射光とにより生成される干渉縞ノイズを良好かつ簡易に除去するようにしている。
【００３７】
すなわち、出力光波長λをスキャンする場合には、光干渉を生ぜしめる２つの面間距離が長い程、位相の変化が激しいという事実があり、距離が互いに短く設定された基準面と被測定面の両面からの反射光により生成された干渉縞の撮像時間をある程度長くとっても干渉縞を認識できるが、距離が互いに長く設定されたコリメータレンズの出射面と基準面の両面からの反射光により生成された干渉縞ノイズは位相変動分が大きく、上記撮像時間の期間が干渉縞情報を表す正弦波の複数周期に相当し、これにより干渉縞ノイズはその強度分布が平均化されて撮像されることとなるので、撮像された画面上から干渉縞ノイズを消去することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る干渉縞測定解析方法の一例を説明するためのフローチャート
【図２】本発明の干渉縞測定解析方法において用いられるインテグラル・バケット法を説明するための図
【図３】本発明の干渉縞測定解析方法を実施するための干渉計装置を示す概略図
【図４】本発明の干渉縞測定解析方法により除去する干渉縞ノイズを説明するための図
【図５】本発明の干渉縞測定解析方法を説明するための図
【符号の説明】
１      基準面
２      被測定面
３      レンズ面（入射面）
４      レンズ面（出射面）
１１      波長可変レーザ光源
１２      コリメータレンズ
１３      基準板
１４      被測定体
１５      ハーフミラー
１６      ＣＣＤカメラ
１７      コンピュータ
２０      干渉縞ノイズ
【図１】
0004298105.tif 000007
【図２】
0004298105.tif 000008
【図３】
0004298105.tif 000009
【図４】
0004298105.tif 000010
【図５】
0004298105.tif 000011