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JPH05141935A - Measuring method and measuring device for small displacement quantity - Google Patents

Measuring method and measuring device for small displacement quantity

Info

Publication number
JPH05141935A
JPH05141935A JP5068592A JP5068592A JPH05141935A JP H05141935 A JPH05141935 A JP H05141935A JP 5068592 A JP5068592 A JP 5068592A JP 5068592 A JP5068592 A JP 5068592A JP H05141935 A JPH05141935 A JP H05141935A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
interference fringes
image
inspected
measuring
interference
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP5068592A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Seizo Suzuki
清三 鈴木
Hiroyuki Suhara
浩之 須原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP5068592A priority Critical patent/JPH05141935A/en
Publication of JPH05141935A publication Critical patent/JPH05141935A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide the method and device capable of correctly measuring a small displacement quantity in the optical axis direction on a test surface. CONSTITUTION:The interferable light from a light source 1 is radiated to a test surface 7a and a reference surface 6a to form interference fringes 11 in an interference optical system, and the interference fringes 11 are image-formed on an area sensor 10 by a focusing optical system 9. When the distance between the reference surface 7a and the test surface 6a is continuously changed, the interference fringes 11 are moved in the length direction in response to the change. The area sensor 10 observes the moving state at two or more observation points P1, P2 having the phase difference of npi/2 between the interference fringes 11, where (n) is a natural number. When the inversion of contrast, the number of times, and the timing of the inversion at these observation points P1, P2 are detected, a small displacement quantity can be calculated.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、平面、球面、トロイダ
ル面、シリンドリカル面等の面形状や面精度を測定する
際の、測定面の凹凸や測定面の移動に基づく微小な変位
量を測定する技術に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention measures a minute displacement amount based on unevenness of a measuring surface or movement of the measuring surface when measuring surface shape and surface accuracy such as a flat surface, a spherical surface, a toroidal surface, and a cylindrical surface. It is related to the technology.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザビーム等の可干渉光を利用して干
渉縞を作り、トロイダル面の面形状や面精度を波長以下
の高精度で測定できる技術として、本発明の出願人は、
特願平2−126659号において、図16(a) ,(b)
に示すトロイダル面の測定装置を提案している。
2. Description of the Related Art As a technique for forming interference fringes using a coherent light such as a laser beam and measuring the surface shape and surface accuracy of a toroidal surface with high accuracy of wavelength or less, the applicant of the present invention has
In Japanese Patent Application No. 2-126659, FIGS. 16 (a) and 16 (b)
We have proposed the toroidal surface measuring device shown in.

【0003】同図において、1は光源で、可干渉性の高
いガスレーザ又は半導体レーザ等が使用される。2a,
2bはビームエクスパンダで、光源1からの狭い光束を
適当な大きさに拡げるためのものである。3は空間フィ
ルタで、ゴースト光や反射光等の不要な光をカットす
る。4は光アイソレータでビームスプリッタ4a、λ/
4板4b及び反射面4cを有する。
In the figure, reference numeral 1 is a light source, and a gas laser or a semiconductor laser having high coherence is used. 2a,
2b is a beam expander for expanding a narrow light beam from the light source 1 to an appropriate size. 3 is a spatial filter, which cuts off unnecessary light such as ghost light and reflected light. An optical isolator 4 is a beam splitter 4a, λ /
It has four plates 4b and a reflecting surface 4c.

【0004】ビームエクスパンダ2a,2bで拡大され
た光束は、対物レンズ6を経て、被検体7の被検面とし
てのトロイダル面7aに達する。このトロイダル面7a
は、頂点で直交する主径線AB,CDを有するが、この
うち一方の主径線CDを母線とし、これを他方の主径線
ABに沿って回転して形成したもので、以後母線CDの
ことをG主径線、これと直交する主径線ABのことをR
主径線ということにする。
The light beams expanded by the beam expanders 2a and 2b reach the toroidal surface 7a as the surface to be inspected of the subject 7 through the objective lens 6. This toroidal surface 7a
Has main radial lines AB and CD which are orthogonal to each other at its apex. One of these main radial lines CD is a bus line, which is formed by rotating along the other main radial line AB. G is the main diameter line, and the main diameter line AB orthogonal to this is R
We will call it the main diameter line.

【0005】対物レンズ6の最終面は、半透鏡としての
参照面6aとなっており、その曲率中心は、トロイダル
面7aのG主径線(CD)の仕上がり曲率中心とほぼ一
致する位置に配置される。また、この参照面6a又はト
ロイダル面7aは、x−z断面内で若干シフト及び/又
はチルト可能に配置される。
The final surface of the objective lens 6 is a reference surface 6a as a semi-transparent mirror, and the center of curvature thereof is arranged at a position substantially coincident with the finished curvature center of the G main diameter line (CD) of the toroidal surface 7a. To be done. Further, the reference surface 6a or the toroidal surface 7a is arranged so as to be slightly shiftable and / or tiltable in the xz section.

【0006】そして、この参照面6aで対物レンズ6に
入射する光の一部が反射され、残りが透過してトロイダ
ル面7aを照射し、反射される。
Then, a part of the light incident on the objective lens 6 is reflected by the reference surface 6a, and the rest is transmitted to illuminate the toroidal surface 7a and is reflected.

【0007】8は被検体7を固定する回転台で、トロイ
ダル面7aのR主径線(AB)の曲率中心と一致した回
転軸を有し、図示しないDCサーボモータやステッピン
グモータ等によって駆動され、被検面であるトロイダル
面7a上をR主径線に沿って回転走査可能になってい
る。
Reference numeral 8 denotes a rotary base for fixing the subject 7, which has a rotary shaft coinciding with the center of curvature of the R main diameter line (AB) of the toroidal surface 7a and is driven by a DC servo motor or stepping motor (not shown). The toroidal surface 7a, which is the surface to be inspected, can be rotationally scanned along the R main radius line.

【0008】参照面6a及びトロイダル面7aで反射さ
れた可干渉光は、来た光路を戻り重畳され、参照面6a
の球面とトロイダル面7aとがほぼ平行と見なせるG主
径線に平行なスリット状の測定部分ないし測定断面につ
いて干渉を起こし、図17に示す干渉縞11が光アイソ
レータ4の反射面4cを介して集束レンズ9によってエ
リアセンサ10上に結像される。
The coherent light beams reflected by the reference surface 6a and the toroidal surface 7a are returned and superposed on the incoming optical path, and the reference surface 6a.
The spherical surface and the toroidal surface 7a interfere with each other in a slit-shaped measurement portion or measurement cross section parallel to the G main diameter line that can be regarded as substantially parallel, and interference fringes 11 shown in FIG. An image is formed on the area sensor 10 by the focusing lens 9.

【0009】回転台8を、R主径線に沿って回動する
と、トロイダル面7a全体について面形状及び面精度の
測定ができることになる。また、上記の装置に多少の改
変を施せば、平面や球面の測定も可能である。
When the rotary table 8 is rotated along the R main radius line, the surface shape and surface accuracy of the entire toroidal surface 7a can be measured. In addition, it is possible to measure planes and spheres by making some modifications to the above device.

【0010】ところで、トロイダル面には、上記のよう
に母線(G主径線)が短く、これと直交するR主径線の
長い、いわゆるドーナツ型もしくはノーマル型(以後こ
の型を「NTS」という。)の他に、母線が長くR主径
線の短い樽型(以後「BTS」という。)または鞍型
(以後「KTS」という。)がある。
By the way, on the toroidal surface, the so-called donut type or normal type (hereinafter referred to as "NTS"), in which the busbar (G main diameter line) is short and the R main diameter line orthogonal to this is long, as described above. In addition, there is a barrel type (hereinafter referred to as “BTS”) or a saddle type (hereinafter referred to as “KTS”) having a long main line and a short R main diameter line.

【0011】そして、上記の測定方法を、BTS型やK
TS型のトロイダル面に適用すると、参照面6aの直径
を母線(G主径線)に合わせて大きくする必要があり、
干渉光学系が非常に高価になってしまう。そこで、BT
S型やKTS型のトロイダル面を測定する技術として、
出願人は先願の特願平3−050104号で、図18
(a) (b) に示す装置を提案している。
Then, the above measuring method is applied to the BTS type and the K type.
When applied to the TS type toroidal surface, it is necessary to increase the diameter of the reference surface 6a in accordance with the busbar (G main diameter line),
The interference optical system becomes very expensive. So BT
As a technology to measure the toroidal surface of S type and KTS type,
The applicant is the Japanese Patent Application No. 3-050104, which is a prior application.
We have proposed the devices shown in (a) and (b).

【0012】これは、前述した図16の装置と同様なの
で、相違する点を中心に構成の説明をする。先ず、被検
面7aは、任意の円弧(直線を含む)を回転軸12の周
りに回転して形成したBTSトロイダル面を示してい
る。図16の被検体7とは、G,R主径線が反転してい
ることに注意されたい。
Since this is the same as the apparatus shown in FIG. 16, the configuration will be described focusing on the different points. First, the test surface 7a is a BTS toroidal surface formed by rotating an arbitrary arc (including a straight line) around the rotation axis 12. It should be noted that the G and R main diameter lines are reversed from those of the subject 7 in FIG.

【0013】次の相違点として、この例における併進台
13は回転せず、代わりに被検体7を支持すると共に回
転軸12と平行に併進走査できるものである。そして、
この併進台13は、図示しないDCサーボモータやステ
ッピングモータ等によって駆動される。
The next difference is that the translation table 13 in this example does not rotate, but instead supports the subject 7 and can perform parallel scanning in parallel with the rotation axis 12. And
The translation table 13 is driven by a DC servo motor, a stepping motor or the like (not shown).

【0014】図19は、BTSのトロイダル面7aと参
照面6a及び回転軸12との相互関係を示す図で、Oは
被検体7の中心と回転軸12との交点、O′はG主径線
の曲率中心を示している。併進台13の移動によって、
参照面6aはトロイダル面7aに対して移動するが、そ
の移動する状態を上中下の三箇所で例示的に示してい
る。また、参照面6aの曲率中心O″は常に回転軸12
上に重なり、さらに、対物レンズ6から射出された可干
渉光も、この点O″に集束するように照射される。
FIG. 19 is a diagram showing the interrelationship between the toroidal surface 7a of the BTS, the reference surface 6a and the rotating shaft 12, where O is the intersection of the center of the subject 7 and the rotating shaft 12, and O'is the G main diameter. The center of curvature of the line is shown. By moving the translation table 13,
Although the reference surface 6a moves with respect to the toroidal surface 7a, the moving state is exemplarily shown in three places, that is, upper, lower, and middle. Further, the center of curvature O ″ of the reference surface 6a is always the rotation axis 12
The coherent light which overlaps the upper part and is emitted from the objective lens 6 is also irradiated so as to be focused on this point O ″.

【0015】前記の例と同様に、光源1からの可干渉光
は、参照面6aと被検面7aとで反射されるが、被検面
7aで反射された可干渉光の内、干渉縞の形成に関与す
る光線は入射光路と反射光路とが重なる光線であり、図
19の三箇所それぞれに矢印を付して示したように、G
主径線の曲率中心としての点O′に向かう光線である。
この光線は、参照面6aの光軸が点Oを通る位置にある
ときは、対物レンズ6の光軸と一致するが、参照面6a
が点Oからhだけ走査すると、この光線も対物レンズ6
の光軸からH′だけ移動することになる。
Similar to the above-mentioned example, the coherent light from the light source 1 is reflected by the reference surface 6a and the surface 7a to be inspected, but among the coherent light reflected by the surface 7a to be inspected, interference fringes are present. The light rays involved in the formation of G are the light rays in which the incident light path and the reflected light path overlap, and as shown by the arrows at the three positions in FIG.
It is a ray traveling toward a point O'as the center of curvature of the principal radius line.
This light ray coincides with the optical axis of the objective lens 6 when the optical axis of the reference surface 6a passes through the point O, but the reference surface 6a
Scans from point O to h, this light beam also passes through the objective lens 6
It will be moved by H'from the optical axis of.

【0016】参照面6aと被検面7aとで反射された参
照波と被検波は重畳され、前述したようにR主径線と平
行な測定断面について干渉を起こし、集束レンズ9によ
りスリット状の干渉縞をエリアセンサ10上に結像す
る。この測定断面を回転軸12の方向に走査するのであ
るが、図19に示すように集束点は常に回転軸12上に
あるから、常にピントの合った状態で走査できることに
なる。
The reference wave and the test wave reflected by the reference surface 6a and the test surface 7a are superposed and interfere with each other in the measurement cross section parallel to the R main diameter line as described above, and the focusing lens 9 causes a slit-like shape. The interference fringes are imaged on the area sensor 10. This measurement cross section is scanned in the direction of the rotation axis 12, but since the focus point is always on the rotation axis 12 as shown in FIG. 19, it is possible to always perform scanning in a focused state.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のBTS
の測定の場合、併進台13の走査に伴って被測定断面が
光軸方向に変位するが、被検面の面精度や面形状を測定
する場合、この光軸方向の変位量の正確な測定が困難で
あった。本発明は、この問題の解決を図ったもので、B
TSの測定において、被検面の光軸方向の微小な変位量
を正確に測定でき、合わせて一般的な被検面における光
軸方向の微小変位量をも正確に測定できる方法及び装置
を提供することを目的としている。
However, the above-mentioned BTS
In the case of the measurement, the cross section to be measured is displaced in the optical axis direction with the scanning of the translation table 13. However, when measuring the surface accuracy and the surface shape of the surface to be measured, accurate measurement of the displacement amount in the optical axis direction Was difficult. The present invention aims to solve this problem.
Provided is a method and apparatus capable of accurately measuring a minute displacement amount of a surface to be inspected in the optical axis direction in TS measurement, and also accurately measuring a minute displacement amount of a general surface to be inspected in the optical axis direction. The purpose is to do.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の測定方法は、同一光源からの可干渉光を被
検面と基準になる参照面とに照射し、これら両面から反
射される参照波と被検波とを重畳して干渉縞を作る工程
と、干渉縞をセンサ上に形成する工程と、被検面を光軸
方向に移動して連続的に前記干渉縞を形成する工程と、
前記センサ上で、干渉縞の位相差がほぼnπ/2(nは
自然数)離れた少なくとも2以上の指定された観測点に
おける強度信号を測定する工程と、これらの観測点で検
知する干渉縞の強度信号の反転数及び干渉縞の移動方向
から、被検面の光軸方向の変位量を算出する工程と、か
らなる構成を特徴としている。
In order to achieve the above object, the measuring method of the present invention irradiates coherent light from the same light source on a surface to be inspected and a reference surface which is a reference, and reflects from both surfaces. A step of forming interference fringes by superposing the reference wave and the test wave to be formed, a step of forming the interference fringes on the sensor, and a step of moving the test surface in the optical axis direction to continuously form the interference fringes. Process,
On the sensor, a step of measuring intensity signals at at least two designated observation points at which the phase difference of the interference fringes is approximately nπ / 2 (n is a natural number), and the interference fringes detected at these observation points And a step of calculating the displacement amount of the surface to be inspected in the optical axis direction from the inversion number of the intensity signal and the moving direction of the interference fringes.

【0019】又は、被検面の一測定断面についてスリッ
ト状の干渉縞を形成し、集束光学系によってエリアセン
サ上に結像する工程と、被検面を干渉縞と交差する方向
に走査して被検面のほぼ全体について連続的にスリット
状の干渉縞を形成する工程と、前記エリアセンサ上で、
干渉縞の位相差がほぼnπ/2(nは自然数)離れた二
以上の指定された観測点における干渉縞の強度を測定す
る工程と、これら各観測点で検知する干渉縞の強度信号
の反転数及び干渉縞の移動方向から走査に伴う被検面の
光軸方向の変位量を測定する工程と、からなる構成を特
徴としている。
Alternatively, a step of forming slit-shaped interference fringes on one measurement cross section of the surface to be inspected and forming an image on the area sensor by a focusing optical system, and scanning the surface to be inspected in a direction intersecting the interference fringes. A step of continuously forming slit-shaped interference fringes on almost the entire surface to be inspected, and on the area sensor,
The process of measuring the intensity of the interference fringes at two or more designated observation points where the phase difference of the interference fringes is approximately nπ / 2 (n is a natural number), and the inversion of the intensity signal of the interference fringes detected at each of these observation points. And a step of measuring the amount of displacement in the optical axis direction of the surface to be inspected due to scanning from the number and the moving direction of the interference fringes.

【0020】なお、該干渉縞をフォトダイオードアレイ
上に結像させ、干渉縞の明暗の変化に対応するフォトダ
イオードアレイの各素子の出力変化をパラレルに検知す
る構成としてもよい。
The interference fringes may be imaged on the photodiode array, and the change in the output of each element of the photodiode array corresponding to the change in the brightness of the interference fringes may be detected in parallel.

【0021】次に、本発明の測定装置は、同一光源から
の可干渉光を被検面と基準になる参照面とに照射し、こ
れら両面から反射される参照波と被検波とを重畳して干
渉縞を作る装置と、干渉縞の像が形成されるセンサと、
被検面を備えた被検体を走査する併進台と、干渉縞の位
相差がほぼnπ/2(nは自然数)離れたセンサ上の少
なくとも2点以上の観測点における干渉縞の強度信号を
検知する観測点出力測定手段と、該各点における強度信
号の反転数を数えるカウント手段と、各観測点の信号出
力から干渉縞の移動方向を検知して被検面の走査方向を
判断する走査方向検知手段と、反転数と移動方向の信号
を受けて前記走査に伴う被検面の光軸方向の変位量を計
算する演算手段と、からなる構成を特徴としている。
Next, the measuring device of the present invention irradiates the coherent light from the same light source onto the surface to be inspected and the reference surface as a reference, and superimposes the reference wave and the wave to be inspected reflected from both surfaces. A device for forming interference fringes, a sensor for forming an image of the interference fringes,
Detects the intensity signals of the interference fringes at at least two or more observation points on the parallel stage that scans the subject with the surface to be inspected and the sensor where the phase difference of the interference fringes is approximately nπ / 2 (n is a natural number). Observation point output measuring means, counting means for counting the number of inversions of the intensity signal at each point, scanning direction for detecting the moving direction of the interference fringes from the signal output of each observation point and determining the scanning direction of the surface to be inspected The present invention is characterized by a configuration including a detection unit and a calculation unit that receives a signal of the number of inversions and a moving direction and calculates a displacement amount of the surface to be inspected in the optical axis direction accompanying the scanning.

【0022】さらに、エリアセンサ中の特定された一群
のラインについて信号を読み取る指定ライン読取手段
と、該指定ライン読取手段の出力から干渉縞の信号を出
力するラインを特定して干渉縞の信号を抽出する干渉縞
信号抽出手段と、該干渉縞信号抽出手段が検知した干渉
縞の信号を出力するラインが、前記一群のラインのほぼ
中心にくるように指定ライン読取手段に指示するライン
指定手段とを備える構成とすることが望ましい。
Further, the specified line reading means for reading the signals of a specified group of lines in the area sensor, and the line for outputting the interference fringe signal from the output of the specified line reading means are specified to obtain the interference fringe signal. An interference fringe signal extracting means for extracting, and a line designating means for instructing the designated line reading means so that the line for outputting the signal of the interference fringe detected by the interference fringe signal extracting means is located substantially at the center of the group of lines. It is desirable to have a configuration including.

【0023】また、上記エリアセンサをフォトダイオー
ドアレイとし、フォトダイオードアレイの各素子の出力
を測定する手段と、各素子の出力の内、最も出力変化の
大きい素子を求めるPV値検出手段と、該PV値検出手
段によりオン・オフされるスイッチアレイと、該素子の
出力変化の回数を数えるパルスカウンタとからなる構成
としてもよい。
Further, the area sensor is a photodiode array, means for measuring the output of each element of the photodiode array, PV value detecting means for obtaining the element with the largest output change among the outputs of each element, A switch array that is turned on / off by the PV value detecting means and a pulse counter that counts the number of changes in the output of the element may be used.

【0024】[0024]

【作用】可干渉光を被検面と参照面とに照射し、干渉縞
を形成してこれを集束光学系によってエリアセンサ上に
結像させる。被検面を干渉縞と交差する方向に走査した
り、光軸方向に移動したりして参照面と被検面との距離
を連続的に変化させると、この変化に応じて干渉縞がそ
の長さ方向に流れる。この流れの状態を干渉縞を結像し
たエリアセンサ上の一点で観測すると、その観測点の明
暗の繰り返しとして認識できる。すなわち、この観測点
の出力を検出していれば、明暗の反転とその回数を容易
に検出できることとなる。そして、可干渉光の波長が既
知であることから、変位量の絶対値を知ることができ
る。
The coherent light is applied to the surface to be inspected and the reference surface to form interference fringes, which are imaged on the area sensor by the focusing optical system. When the surface to be inspected is scanned in the direction intersecting the interference fringes or moved in the optical axis direction to continuously change the distance between the reference surface and the surface to be inspected, the interference fringes are Flow in the length direction. When this state of flow is observed at one point on the area sensor on which the interference fringes are imaged, it can be recognized as repeated light and dark at the observation point. That is, if the output of this observation point is detected, it is possible to easily detect the reversal of light and dark and the number of times. Since the wavelength of the coherent light is known, the absolute value of the displacement amount can be known.

【0025】しかし、観測点が一点では変位量の方向が
分からない。そこで、このような観測点を、明又は暗の
縞の幅のほぼ半分ずれた距離、一般的には干渉縞の位相
差がほぼnπ/2(nは自然数)離れた位置にもう一点
とり、これら二つの観測点で検出する出力変化のタイミ
ングを調べれば、干渉縞の移動方向、すなわち、被検面
が光軸上を近づくのか遠のくのかを識別できる。
However, if there is only one observation point, the direction of displacement cannot be known. Therefore, another such observation point is set at a position displaced by about half the width of the bright or dark fringes, generally at a position where the phase difference of the interference fringes is approximately nπ / 2 (n is a natural number), By examining the output change timings detected at these two observation points, it is possible to identify the moving direction of the interference fringes, that is, whether the surface to be inspected is closer or farther on the optical axis.

【0026】エリアセンサの代わりにフォトダイオード
アレイを設ければ、パラレル処理が可能になり、より一
層の高速化が可能となる。
If a photodiode array is provided in place of the area sensor, parallel processing becomes possible and the speed can be further increased.

【0027】[0027]

【実施例】本発明の実施例を図面を用いて以下に説明す
る。図1(a) は、本発明における測定装置の構成の一実
施例を示すものである。同図に示す装置の大半は図18
で説明した装置と共通するので、相違点について説明す
る。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 (a) shows an embodiment of the configuration of the measuring device according to the present invention. Most of the devices shown in FIG.
Since the apparatus is common to the apparatus described in 1), only the differences will be described.

【0028】符号14は、観測点出力測定手段を示し、
これは、図1(b) に示すエリアセンサに結像している干
渉縞上の二箇所以上の指定された観測点P1 ,P2 につ
いて、エリアセンサから干渉縞の強度信号を検出する手
段である。観測点P1 ,P2相互間の距離は、明又は暗
の縞の幅のほぼ半分ずれた距離、一般的には干渉縞の位
相差でほぼ90°の倍数、又はnπ/2(nは自然数)
だけ離れた距離となっている。符号15は、カウント手
段で、上記観測点の何れか一箇所以上における信号出力
の反転する回数、すなわち、干渉縞がa方向又はb方向
のいずれかに移動して明暗が反転する回数を数える手段
である。
Reference numeral 14 indicates an observation point output measuring means,
This is a means for detecting the intensity signal of the interference fringe from the area sensor for two or more designated observation points P 1 and P 2 on the interference fringe imaged on the area sensor shown in FIG. 1 (b). Is. The distance between the observation points P 1 and P 2 is a distance shifted by about half the width of the bright or dark fringes, generally a multiple of about 90 ° in the phase difference of the interference fringes, or nπ / 2 (n is Natural number)
It is only a distance away. Reference numeral 15 is a counting means for counting the number of times the signal output is inverted at any one or more of the observation points, that is, the number of times the interference fringes are moved in either the a direction or the b direction and the brightness is inverted. Is.

【0029】符号16は、走査方向検知手段で、前記複
数の観測点における信号出力の反転のタイミングから干
渉縞の移動方向、すなわち、被検面が光軸上を近づいて
いるか遠のいているかを検知する手段である。符号17
は、演算手段で、ここには予め可干渉光の波長が入力さ
れていて、これに上記カウント手段15からの反転回数
と、走査方向検知手段16からの移動方向信号とを加え
て被検面7aが光軸上どちらの方向にどれだけ変位した
かを計算する手段である。
Reference numeral 16 is a scanning direction detecting means, which detects the moving direction of the interference fringes, that is, whether the surface to be inspected is closer or farther from the optical axis from the timing of the inversion of the signal output at the plurality of observation points. Is a means to do. Code 17
Is a calculation means, in which the wavelength of the coherent light is input in advance, to which the number of reversals from the counting means 15 and the movement direction signal from the scanning direction detecting means 16 are added, It is a means for calculating in what direction and how much 7a is displaced on the optical axis.

【0030】なお、演算手段17には、併進台13から
走査した距離が入力されるようになっており、走査距離
に対応した変位量を得て被検面の形状を求めることがで
きる。また、以上に説明した14から17の各手段は、
コンピュータ及びそのソフトウェアにより実行される。
The distance scanned by the translating table 13 is input to the computing means 17, and the shape of the surface to be inspected can be obtained by obtaining the displacement amount corresponding to the scanning distance. Further, each of the means 14 to 17 described above is
It is executed by a computer and its software.

【0031】図1(b) 及び図2によって、被検面7aが
平面である場合の本発明による面形状の測定について説
明する。参照面も平面とし、干渉計は図1とほぼ同様な
構成の公知のフィゾー型(マイケルソン型としてもよ
い。ただし、フィゾー型の方が、マイケルソン型に比べ
てコモンパス率が高いため、安定した測定が可能であ
る。)を使用している。干渉縞11は、エリアセンサ1
0上に図1(b) に示すように結像する。この後、被検面
7aを光軸方向に移動すると、移動方向により矢符号a
又はbの方向に干渉縞が移動するように見える。
The measurement of the surface shape according to the present invention when the surface 7a to be measured is a flat surface will be described with reference to FIGS. 1 (b) and 2. The reference surface is also a plane, and the interferometer may be a well-known Fizeau type (Michelson type) having almost the same configuration as that in FIG. 1. However, the Fizeau type has a higher common path ratio than the Michelson type, and thus is stable. It is possible to perform the measurement. The interference fringes 11 are the area sensor 1
An image is formed on 0 as shown in FIG. 1 (b). After that, when the surface 7a to be inspected is moved in the optical axis direction, the arrow symbol a
Or, the interference fringes appear to move in the direction of b.

【0032】ここで、図示の観測点P1 に注目すると、
干渉縞の移動に伴いP1 点の強度信号I1 が時間的に変
化しており、明線から暗線、暗線から明線へと変化する
度に強度信号I1 が反転することになる。そこで、干渉
縞の強度信号Iを縦軸にとり、時間tを横軸にとれば、
時間tの経過に伴う観測点P1 の強度信号I1 の変化を
グラフで示すようになる。そして、干渉縞11がa方向
に移動する場合は、図2(a) のように示すようになる。
このグラフから分かるように、強度信号I1 は、1の明
線から次の明線までを1周期(2π)とするサインカー
ブを描いている。したがって、この出力の反転回数をカ
ウントすれば、可干渉光の波長λは予め分かっているの
で、被検面の光軸方向の変位量を算出することができ
る。
Here, paying attention to the observation point P 1 shown in the figure,
Interference intensity signal I 1 of the P 1 point in accordance with the movement has changed temporally stripe, so that the dark line, the intensity signal I 1 each time the changes from dark to bright lines inverted from bright line. Then, if the intensity signal I of the interference fringes is plotted on the vertical axis and the time t is plotted on the horizontal axis,
The graph shows the change of the intensity signal I 1 at the observation point P 1 with the passage of time t. Then, when the interference fringes 11 move in the a direction, it becomes as shown in FIG. 2 (a).
As can be seen from this graph, the intensity signal I 1 draws a sine curve having one period (2π) from one bright line to the next bright line. Therefore, by counting the number of times the output is inverted, the wavelength λ of the coherent light is known in advance, so that the amount of displacement of the surface to be inspected in the optical axis direction can be calculated.

【0033】しかしながら、観測点が一点のみである
と、干渉縞の移動方向がa方向であるのか、b方向であ
るのかは分からない。したがって、被検体の移動方向が
分からないので、途中で進行方向が逆転する場合など
は、正確に測定できないことになる。
However, if there is only one observation point, it is not known whether the movement direction of the interference fringes is the a direction or the b direction. Therefore, since the moving direction of the subject is not known, accurate measurement cannot be performed when the traveling direction reverses midway.

【0034】そこで、明又は暗の縞の1/2幅だけ、す
なわち、観測点P1から干渉縞の位相でπ/2だけずれ
たP2 点を観測点としてP1 点と同様に強度信号I2
測定しグラフを描くと、図2(b) のようになる。もし、
被検面の移動方向が反対ならば、干渉縞は矢符号b方向
に移動するので、強度信号I2 のグラフは図2(c) のよ
うに(b) とは反転したものとなり、これから走査方向を
検知することができる。
[0034] Therefore, only half the width of the light or dark fringe, i.e., likewise intensity signal and P 1 point of P 2 points shifted by [pi / 2 in phase of the interference fringe from the observation point P 1 as observation points When I 2 is measured and a graph is drawn, it becomes as shown in Fig. 2 (b). if,
If the moving direction of the surface to be inspected is opposite, the interference fringes move in the direction of arrow mark b, so the graph of the intensity signal I 2 is the reverse of that of (b) as shown in FIG. The direction can be detected.

【0035】図1の装置に戻り、観測点P1 ,P2 を決
めて観測点出力測定手段14に入力すれば、該手段14
は、各観測点について図2(a) から(c) に示す出力信号
を発生し、カウント手段15と走査方向検知手段16に
入力する。カウント手段15は一以上の観測点について
反転数をカウントする。
Returning to the apparatus of FIG. 1, if the observation points P 1 and P 2 are determined and input to the observation point output measuring means 14, the means 14
Generates an output signal shown in FIGS. 2 (a) to 2 (c) for each observation point and inputs it to the counting means 15 and the scanning direction detecting means 16. The counting means 15 counts the number of inversions for one or more observation points.

【0036】走査方向検知手段16は、図3に示すよう
に、縦軸に観測点P2 の強度信号I 2 をとり、横軸に観
測点P1 の強度信号I1 をとった平面上に両観測点の強
度信号を示す点P(I1 ,I2 )をディスプレイ上に写
し出す。このようにして得たリサージュ波形において、
干渉縞の移動が、仮にa方向のときにP点が時計回りで
あれば、b方向のときは反時計回りとなるので、被検面
の移動方向を簡単に判別できることになる。
The scanning direction detecting means 16 is as shown in FIG.
, The vertical axis is the observation point P2Intensity signal I 2Take and view on the horizontal axis
Station P1Intensity signal I1The strength of both observation points on the plane
Point P (I1, I2) On the display
Start. In the Lissajous waveform obtained in this way,
If the movement of the interference fringes is in the a direction, point P is clockwise.
If there is, it will be counterclockwise in the b direction, so the surface to be inspected
It is possible to easily determine the moving direction of the.

【0037】なお、図3において、P点がどちらの方向
に何回転したかを計算することによっても被検面の変位
量を測定できるので、移動方向手段16にP点の回転数
を数えるカウント機能を付加した構成としてもよい。
In FIG. 3, the displacement amount of the surface to be measured can be measured by calculating the number of rotations of the point P in either direction. Therefore, the moving direction means 16 counts the number of rotations of the point P. It may be configured to add a function.

【0038】カウント手段15からの反転数信号と、走
査方向手段16からの移動方向信号とは、共に演算手段
17に入力され、ここで、予め入力されている可干渉光
の波長λと合わせてどちらの方向にどれだけ移動したか
を変位量として算出する。この場合、必ずしも、輝点P
としてディスプレイ上に写し出す必要は無く、合成手段
でP点の位置を電気的に検知し、パルスカウンタにより
回転数をカウントすればよい。
The reversal number signal from the counting means 15 and the movement direction signal from the scanning direction means 16 are both inputted to the calculating means 17, where they are combined with the wavelength λ of the coherent light inputted in advance. The amount of movement in which direction is calculated as the displacement amount. In this case, the bright point P is not always
It is not necessary to display on the display as, and the position of the point P may be electrically detected by the synthesizing means, and the number of rotations may be counted by the pulse counter.

【0039】以上の測定において、観測点はP1 ,P2
の2点とし、その間隔をπ/2としたが、観測点を0,
π/2,π,3π/2……と多数にすれば、SN比の向
上を図ることができ、有力な方法となる。また、各観測
点の間隔も、正確にπ/2間隔とする必要もなく、大体
でよいことは容易に理解できるであろう。
In the above measurement, the observation points are P 1 , P 2
, And the interval was π / 2, but the observation point was 0,
By increasing the number of π / 2, π, 3π / 2 ..., the SN ratio can be improved, which is a powerful method. Also, it will be easily understood that the intervals between the respective observation points do not have to be exactly π / 2 intervals, and may be approximately.

【0040】被検面が図16に示すNTSの場合であれ
ば、干渉縞11は一つの測定断面についてスリット状に
形成され、回転台8を回転して被検体7を干渉縞と交差
する方向に走査することとなる点で相違するが、変位量
が被測定面の面形状を示すことになるだけで、他は平面
の場合と変わることはない。ただし、その場合、回転台
8の回転角から求めた走査量を演算手段17に入力し
て、走査距離と変位量とを対応させることによって被検
面の形状を決定することになる。
If the surface to be inspected is the NTS shown in FIG. 16, the interference fringes 11 are formed in the shape of slits for one measurement section, and the rotary table 8 is rotated to cause the object 7 to cross the interference fringes. The difference is that the scanning is performed in the same manner, but the displacement amount only indicates the surface shape of the surface to be measured, and the others are the same as in the case of a flat surface. However, in that case, the shape of the surface to be inspected is determined by inputting the scanning amount obtained from the rotation angle of the rotary table 8 into the calculating means 17 and associating the scanning distance with the displacement amount.

【0041】被検面が図1に示すBTSの場合、図19
で説明したように干渉する光は、必ずしも対物レンズ6
の光軸と一致してはおらず、被検体7を回転軸12と平
行に走査することにより、スリット状の干渉縞は、図4
に示すようにエリアセンサ10内を左右に移動する。し
たがって、図1(b) に示すように観測点を定点とするこ
とはできない。そこで、1つの干渉縞を結像するたび
に、そのときのエリアセンサ全体の信号を一旦記憶し、
あとから観測点P1 ,P2 を決めてそのデータを取り出
すことになる。
If the surface to be inspected is the BTS shown in FIG.
As described above, the interfering light is not necessarily the objective lens 6
4 does not coincide with the optical axis of FIG. 4, and the slit 7 is formed by scanning the subject 7 in parallel with the rotation axis 12.
As shown in, the area sensor 10 is moved left and right. Therefore, the observation point cannot be fixed as shown in Fig. 1 (b). Therefore, every time one interference fringe is imaged, the signal of the entire area sensor at that time is temporarily stored,
After that, the observation points P 1 and P 2 are determined and the data are extracted.

【0042】しかし、この方法は非常に時間がかかり、
測定できる移動速度に制限ができてしまう。たとえば、
ビデオカメラのCCDイメージセンサを用いた場合、1
フレームを出力する時間は30分の1秒である。一方、
干渉縞の移動を判別するの最低3フレーム分出力する必
要がある。He−Neレーザ光源であるなら、λ=0.63
3 μmで、λ/2が縞1本分に相当するから、被検体の
最大速度は、 (λ/2)/{(1/30)×3}≒3.2μm/sec ということになり、被検体がそれ以上で移動する場合は
測定が困難である。
However, this method is very time consuming and
The moving speed that can be measured is limited. For example,
When using CCD image sensor of video camera, 1
The time to output the frame is 1/30 second. on the other hand,
It is necessary to output at least three frames for determining the movement of interference fringes. If it is a He-Ne laser light source, λ = 0.63
At 3 μm, λ / 2 corresponds to one fringe, so the maximum velocity of the subject is (λ / 2) / {(1/30) × 3} ≈3.2 μm / sec, It is difficult to measure when the subject moves more than that.

【0043】一方、エリアセンサの代わりにラインセン
サを使用することも考えられるが、その場合は、ライン
センサを干渉縞の移動に合わせて動かさなければなら
ず、やはり構成が複雑になる。
On the other hand, it is conceivable to use a line sensor instead of the area sensor, but in that case, the line sensor must be moved in accordance with the movement of the interference fringes, which also complicates the configuration.

【0044】図4は、この問題に対する一つの解決策を
示す実施例である。すなわち、この実施例では、干渉縞
11と直交するように2本のラインセンサ18,18を
設けている。これらのラインセンサ18相互の間隔は、
干渉縞の位相でほぼnπ/2である。また2本に限定せ
ず、多数設けてもよいことは勿論である。この構成によ
れば、観測点P1 ,P2 は必ず各ラインセンサ上に結像
することになるので、これらのラインセンサの出力を監
視していればよくなり、検出速度を上げることができ
る。なお、この実施例では、ラインセンサ18とエリア
センサ10の双方を使用しているが、エリアセンサ10
を無くして、ラインセンサ18のみを結像面においても
よい。
FIG. 4 is an embodiment showing one solution to this problem. That is, in this embodiment, the two line sensors 18, 18 are provided so as to be orthogonal to the interference fringe 11. The distance between these line sensors 18 is
The phase of the interference fringes is approximately nπ / 2. Of course, the number is not limited to two, and a large number may be provided. According to this configuration, the observation points P 1 and P 2 always form an image on each line sensor, so that it suffices to monitor the outputs of these line sensors, and the detection speed can be increased. .. Although both the line sensor 18 and the area sensor 10 are used in this embodiment, the area sensor 10
Alternatively, the line sensor 18 alone may be provided on the image plane.

【0045】図5は、また別の解決策を示すものでもあ
る。この例では、干渉縞11を結像する集束レンズ9に
アナモフィックな光学系として、垂直に組み合わせたシ
ンドリカルレンズL1,L2及びL3,L4を使用して
いる。この構成によれば、走査による干渉縞の移動に関
係なく、干渉縞の像は、光学系の焦線の像としてエリア
センサ上に結像されることになる。したがって、観測点
1 ,P2 をエリアセンサ上の一定の点に決めることが
できる。この場合、エリアセンサの代わりにラインセン
サを置いても検出可能である。
FIG. 5 also shows another solution. In this example, vertical focusing cylindrical lenses L1, L2 and L3, L4 are used as the anamorphic optical system for the focusing lens 9 for forming the interference fringes 11. According to this configuration, the image of the interference fringes is formed on the area sensor as an image of the focal line of the optical system regardless of the movement of the interference fringes due to the scanning. Therefore, the observation points P 1 and P 2 can be set to fixed points on the area sensor. In this case, it is possible to detect even if a line sensor is placed instead of the area sensor.

【0046】図6は、複数のスリットを利用した例であ
る。符号19は干渉縞の結像位置に置かれたスリット板
を示し、ここに、干渉縞の位相でほぼnπ/2の間隔の
スリット19a,19bが干渉縞の移動方向、すなわ
ち、紙面と垂直な方向に形成されている(図4に示すリ
ニアセンサ18と同様の位置になる)。干渉縞の像はス
リット19a,19bと直交する方向に結像し、観測点
に対応する部分だけがスリットを通過してくさび型レン
ズ20に達する。このくさび型レンズ20でスリットの
間隔を拡大した後、集光レンズ21によって各スリット
の像をほぼ点像として結像し、各スリットの像に対応し
て結像位置に設けられた2分割フォトダイオード22の
それぞれの素子に入射し、観測点の信号強度I1 ,I2
が検出されることになる。スリットの間隔が広い場合は
くさび型レンズ21は無くても検出可能である。
FIG. 6 shows an example using a plurality of slits. Reference numeral 19 indicates a slit plate placed at the image forming position of the interference fringes, in which slits 19a and 19b at intervals of nπ / 2 in the phase of the interference fringes are perpendicular to the movement direction of the interference fringes, that is, the paper surface. Are formed in the same direction (at the same position as the linear sensor 18 shown in FIG. 4). The image of the interference fringe is formed in a direction orthogonal to the slits 19a and 19b, and only the portion corresponding to the observation point passes through the slit and reaches the wedge lens 20. After the slit interval is enlarged by the wedge-shaped lens 20, the image of each slit is formed into a substantially point image by the condenser lens 21, and the two-segment photo is provided at the image forming position corresponding to the image of each slit. The signal strengths I 1 and I 2 at the observation points are incident on the respective elements of the diode 22.
Will be detected. When the slit spacing is wide, detection is possible without the wedge lens 21.

【0047】この構成によれば、被検面の走査により干
渉縞が移動しても、観測点は常にスリット19a,19
b上の何処かに結像し、集光レンズ21によってほぼ一
定の位置に結像するので、フォトダイオード22で観測
点の強度信号I1 ,I2 を取り出し可能となるものであ
る。また、フォトダイオードで検出するので、高速検出
が可能になり、干渉縞の移動速度が速くなっても充分な
追従ができる。
According to this structure, even if the interference fringes move due to the scanning of the surface to be inspected, the observation points are always located at the slits 19a, 19a.
Since the image is formed somewhere on b and is formed at a substantially constant position by the condenser lens 21, the intensity signals I 1 and I 2 at the observation point can be taken out by the photodiode 22. Further, since the photodiode is used for detection, high-speed detection is possible, and sufficient tracking can be performed even if the moving speed of the interference fringes is high.

【0048】図7は、結像面にエリアセンサを配置し
て、しかも高速に処理ができる方法の概略を示す図であ
る。エリアセンサは、通常複数のラインからなるが、そ
のうち図7(a) のように干渉縞を中心とした一群のライ
ン(図では5ライン)のみの出力を測定し、図1,2で
説明した方法により被検面の微小変位量を算出する。こ
のとき、もし抽出したラインが図7(b) に示すように左
にずれていたならば、干渉縞が左に移動していることを
意味するので、出力する領域も図7(c) のように左にシ
フトさせればよい。
FIG. 7 is a diagram showing an outline of a method in which an area sensor is arranged on the image forming plane and processing can be performed at high speed. The area sensor usually consists of multiple lines, but as shown in Fig. 7 (a), the output of only a group of lines (5 lines in the figure) centered on the interference fringes is measured and explained with reference to Figs. A small displacement amount of the surface to be inspected is calculated by the method. At this time, if the extracted line is shifted to the left as shown in Fig. 7 (b), it means that the interference fringes are moved to the left, so the output area is also shown in Fig. 7 (c). Shift to the left like this.

【0049】図8は、この方法を実施するための装置の
ブロック図で、この装置及びその動作は、実際には、コ
ンピュータとそのソフトウェアによって自動的に実行さ
れるものである。各構成要素について説明すると、符号
23は指定ライン読取手段を示し、この手段は、エリア
センサを構成する各ラインの内、指定された一群のライ
ンの信号を読み取る。符号24は、干渉縞信号抽出手段
を示し、この手段により一群のラインのどれに干渉縞の
信号が結像しているか判断する。干渉縞の信号が乗った
ラインが決まると、観測点出力測定手段14が、図2に
示す観測点P1 ,P2 について信号強度I1 ,I2 を取
り出し、以降は図1と同様に処理する。
FIG. 8 is a block diagram of an apparatus for carrying out the method, which apparatus and its operation are actually carried out automatically by the computer and its software. Explaining each component, the reference numeral 23 indicates a designated line reading means, and this means reads a signal of a designated group of lines among the respective lines constituting the area sensor. Reference numeral 24 denotes an interference fringe signal extraction means, which determines which of a group of lines the signal of the interference fringes forms. When the line on which the signal of the interference fringes is placed is determined, the observation point output measuring means 14 extracts the signal intensities I 1 and I 2 at the observation points P 1 and P 2 shown in FIG. To do.

【0050】図9は、図8に示す装置のフローチャート
である。スタートの指示があると、まずカウンタを0に
して初期状態にする(#1)。次に、ライン指定手段2
5にエリアセンサの指定すべき出力領域の初期値を設定
する(#2)。被検体を移動して(#3)干渉縞をエリ
アセンサ上に結像させる(#4)。指定ライン読取手段
23が指定された一群のラインの信号を読取、画像メモ
リとしての干渉縞信号抽出手段24に転送する(#
5)。干渉縞信号抽出手段24では各ラインの出力の
内、コントラストの最も高いラインに干渉縞が結像して
いるので、そのラインの信号を抽出し、観測点出力測定
手段14に送る(#6)。観測点出力測定手段14で
は、予め指定された観測点P1 ,P2 についての信号強
度を取り出す(#7)と共に、カウント手段15で反転
回数をカウントし、一時記憶しておく(#8)。次に、
ライン指定手段25で干渉縞の乗っている抽出ライン
が、指定した一群のラインの真ん中にあるか否かを確認
し(#9)、真ん中になければ、エリアセンサの出力領
域を変更し(#10)、真ん中に来たら、測定が終了し
ているか否か調べ(#11)、終了していなければ、カ
ウント手段15で記憶している反転の回数を出力し(#
12)、移動方向検知手段16の出力と合わせて演算手
段17で変位量を算出する(#13)。以下、#3から
#11までを、被検体の走査が終わるまで繰り返しつつ
測定する。
FIG. 9 is a flowchart of the apparatus shown in FIG. When the start instruction is given, the counter is first set to 0 to be in the initial state (# 1). Next, the line designation means 2
The initial value of the output area to be designated by the area sensor is set to 5 (# 2). The subject is moved (# 3) and the interference fringes are imaged on the area sensor (# 4). The designated line reading means 23 reads the signals of the designated group of lines and transfers them to the interference fringe signal extracting means 24 as an image memory (#
5). In the interference fringe signal extraction means 24, among the outputs of each line, the interference fringes are imaged on the line with the highest contrast, so the signal of that line is extracted and sent to the observation point output measurement means 14 (# 6). .. In the observation point output measuring means 14, the signal intensities for the observation points P 1 and P 2 designated in advance are taken out (# 7), and the number of inversions is counted by the counting means 15 and temporarily stored (# 8). .. next,
It is confirmed by the line designating means 25 whether or not the extraction line on which the interference fringes are present is in the center of the designated group of lines (# 9), and if it is not in the center, the output area of the area sensor is changed (# 10) When it comes to the center, it is checked whether or not the measurement is completed (# 11). If it is not completed, the number of reversals stored in the counting means 15 is output (#).
12), the displacement amount is calculated by the calculation unit 17 together with the output of the moving direction detection unit 16 (# 13). Hereinafter, # 3 to # 11 are repeatedly measured until the scan of the subject is completed.

【0051】図10(a),(b) は、さらに他の実施例で、
より高速に測定できる装置の構成を示すものである。干
渉計は図1とほぼ同様である。同図に示す装置の大半は
前述の装置と共通するので、相違点について説明する。
FIGS. 10A and 10B show still another embodiment,
It shows a configuration of an apparatus capable of measuring at higher speed. The interferometer is almost the same as in FIG. Most of the devices shown in the figure are common to the above-mentioned devices, and therefore the differences will be described.

【0052】符号34はビームスプリッタで、点線で示
す干渉光(参照面6aからの参照波と、被検面7aから
の被検波の重畳されたもの)を二つの光路に分割する。
二つのうちの一方へ進んだ可干渉光は、エリアセンサ1
0上に干渉縞像11を結像し、他方の可干渉光は、拡大
光学系35としてのシリンドリカルレンズ、光路分割手
段36としてのくさび型プリズムを経てフォトダイオー
ドアレイ37上に干渉縞を結像する。
Reference numeral 34 is a beam splitter, which splits the interference light (in which the reference wave from the reference surface 6a and the test wave from the test surface 7a are superimposed) indicated by a dotted line into two optical paths.
The coherent light traveling to one of the two is detected by the area sensor 1
The interference fringe image 11 is imaged on 0, and the other coherent light is imaged on the photodiode array 37 through the cylindrical lens as the magnifying optical system 35 and the wedge prism as the optical path splitting means 36. To do.

【0053】図11は、図10に示す拡大光学系35、
及び光路分割手段36を使用せず、ビームスプリッタ1
4から直接フォトダイオードアレイ37上に結像した場
合の干渉縞像11とフォトダイオードアレイ37の関係
を示している。同図に示すように、フォトダイオードア
レイ37は、干渉縞像11に対してほぼ直交する方向に
配置されている。
FIG. 11 shows the magnifying optical system 35 shown in FIG.
And the beam splitter 1 without using the optical path splitting means 36.
4 shows the relationship between the interference fringe image 11 and the photodiode array 37 when the image is directly formed on the photodiode array 37 from 4. As shown in the figure, the photodiode array 37 is arranged in a direction substantially orthogonal to the interference fringe image 11.

【0054】この状態で、併進台13により、被測定面
7aをb方向に連続的に移動すれば、測定断面(図10
(a) においては、点線と被検面7aとの交差点として表
されている)は光軸から徐々に離れるので、干渉縞像1
1は、y軸方向に移動する。同時に、被検面7aの測定
断面と参照面6aとの光軸上の距離が変化することにな
るので、干渉縞像11の明暗の縞はx方向に流れる。そ
こで、干渉縞像11の明暗の縞がフォトダイオードアレ
イ17上を横切る数をカウントすれば、被検面7aの光
軸上の微小変位を測定できることになる。
In this state, if the surface 7a to be measured is continuously moved in the b direction by the translation table 13, the measurement cross section (FIG.
In (a), the intersection of the dotted line and the surface to be inspected 7a) is gradually separated from the optical axis.
1 moves in the y-axis direction. At the same time, the distance on the optical axis between the measurement cross section of the surface to be inspected 7a and the reference surface 6a changes, so the bright and dark fringes of the interference fringe image 11 flow in the x direction. Therefore, by counting the number of bright and dark fringes of the interference fringe image 11 crossing over the photodiode array 17, it is possible to measure the minute displacement on the optical axis of the surface 7a to be measured.

【0055】図12は、これをさらに詳しく説明する図
である。同図において、フォトダイオードアレイ37を
構成する各素子をP1,P2……Pi……Pnと表して
いる。38は、電流/電圧変換手段で、複数の電流/電
圧変換器I/V1……I/Vnを各素子に1:1で対応
するように配置している。39は、ハイパスフィルタ手
段で、複数のハイパスフィルタHF1……HFnを、各
電流/電圧変換器I/V1……I/Vnに1:1で対応
するように配置している。40はPV値検出手段で、正
弦波状の強度振幅が最大の素子を検出するためのもので
ある。41は各ハイパスフィルタHF1……HFnに
1:1で対応するように配置されたスイッチアレイで、
42はパルスカウンタである。
FIG. 12 is a diagram for explaining this in more detail. In the figure, the elements forming the photodiode array 37 are represented as P1, P2 ... Pi ... Pn. Reference numeral 38 denotes a current / voltage conversion means, and a plurality of current / voltage converters I / V1 ... I / Vn are arranged so as to correspond to the respective elements 1: 1. Reference numeral 39 denotes a high-pass filter means, in which a plurality of high-pass filters HF1 ... HFn are arranged so as to correspond to the respective current / voltage converters I / V1 ... I / Vn at a ratio of 1: 1. Reference numeral 40 denotes a PV value detecting means for detecting an element having a sine wave-shaped intensity amplitude maximum. 41 is a switch array arranged so as to correspond to each high-pass filter HF1 ...
42 is a pulse counter.

【0056】干渉縞像11は、図12に示すフォトダイ
オードアレイ17のi番目の素子上に位置しているもの
とする。各素子P1,P2……Pi……Pnは光強度に
応じた電流を生じる。そこで、各素子P1,P2……P
i……Pnからの電流を、電流/電圧変換器I/V1…
…I/Vi……I/Vnを通して電圧に変換する。これ
らを通過した電圧信号を、ハイパスフィルタHF1……
HFi……HFnを通すことにより、時間的な強度変化
が大きい素子、即ち干渉縞像11の存在するHFiの前
後の信号のみを出力させる。ハイパスフィルタHF1…
…HFi……HFn通過後の信号は、2系統に分割さ
れ、一方はPV値検出手段40に入力され、他方はスイ
ッチアレイ41に入力される。
The interference fringe image 11 is assumed to be located on the i-th element of the photodiode array 17 shown in FIG. The elements P1, P2 ... Pi ... Pn generate currents according to the light intensity. Therefore, each element P1, P2 ... P
i ... Current from the Pn is converted into a current / voltage converter I / V1 ...
... I / Vi ... Converted to a voltage through I / Vn. The voltage signal that has passed through these is passed through the high-pass filter HF1 ...
By passing HFi ... HFn, only the elements before and after the HFi in which the interference fringe image 11 exists, that is, the element having a large intensity change with time, are output. High-pass filter HF1 ...
.. HFi ... The signal after passing through HFn is divided into two systems, one is input to the PV value detecting means 40 and the other is input to the switch array 41.

【0057】PV値検出手段40は、公知の手段によ
り、干渉縞像11の存在するハイパスフィルタHFiの
出力と、その前後、たとえば図13に示すように、HF
i−1,HFi+1の出力を比較し、最大の振幅である
HFiについてのみスイッチを閉成するようにスイッチ
アレイ41に指示を送る。したがって、パルスカウンタ
22は、最も振幅の大きい素子、すなわち、干渉縞像1
1の存在する素子からのみ信号を受けることができる。
The PV value detecting means 40 is, by a known means, the output of the high-pass filter HFi in which the interference fringe image 11 exists and before and after the output, for example, as shown in FIG.
The outputs of i−1 and HFi + 1 are compared, and the switch array 41 is instructed to close the switch only for HFi having the maximum amplitude. Therefore, the pulse counter 22 has the element with the largest amplitude, that is, the interference fringe image 1
It is possible to receive a signal only from the element in which 1 is present.

【0058】この後、パルスカウンタ42でカウントさ
れた縞の数は、コンピュータのCPU等からなる演算手
段43に入力され、予め与えられている可干渉光の波長
λから被検面7aの微小変位量を算出することになる。
この方法は、干渉縞像11がy軸方向に移動した場合で
も、その移動に追従して干渉縞像の位置を検出し、x軸
方向に流れる縞の数をカウントすることができる。
After that, the number of stripes counted by the pulse counter 42 is input to the arithmetic means 43 composed of a CPU of a computer and the like, and a small displacement of the surface 7a to be inspected from the wavelength λ of the coherent light given in advance. The amount will be calculated.
With this method, even if the interference fringe image 11 moves in the y-axis direction, the position of the interference fringe image can be detected by following the movement and the number of fringes flowing in the x-axis direction can be counted.

【0059】上記の構成においては、フォトダイオード
アレイ37の各素子についての測定が、パラレルに処理
がされることが重要である。すなわち、もしもフォトダ
イオードアレイの代わりにCCDのラインセンサを使用
した場合、CCDでは、ラインセンサを構成する各素子
の信号を、一端から他端にかけて順次に読み取る構成で
あるため、一回の測定に、素子一つに要する処理時間×
素子数だけの時間がかかる。これに対し、フォトダイオ
ードアレイであれば、パラレルな処理ができ、素子一つ
に要する処理時間で一回の測定ができるからである。
In the above structure, it is important that the measurement for each element of the photodiode array 37 be processed in parallel. That is, if a CCD line sensor is used instead of the photodiode array, the CCD has a configuration in which the signals of the respective elements constituting the line sensor are sequentially read from one end to the other end, so that it is possible to perform one measurement. , Processing time required for one element ×
It takes as long as the number of elements. On the other hand, with the photodiode array, parallel processing can be performed, and one measurement can be performed in the processing time required for one element.

【0060】さらに、この方法は、ゴースト光や外乱光
等の影響を受けにくいという優れた特徴を有する。とい
うのは、これらゴースト光や外乱光は、時間的な変化は
少ない。そのため、ハイパスフィルタを通したとき、こ
れらの光をカットすることができるからである。
Furthermore, this method has an excellent feature that it is hardly affected by ghost light, ambient light, and the like. This is because these ghost light and ambient light do not change much over time. Therefore, when passing through the high-pass filter, these lights can be cut.

【0061】ところで、以上の構成では、被検面7aの
微小変位量の絶対値は分かっても、光軸上近づいたの
か、遠のいたのかを知ることはできない。
By the way, with the above configuration, even if the absolute value of the minute displacement amount of the surface 7a to be inspected is known, it is not possible to know whether it is approaching or far from the optical axis.

【0062】図14は、この問題を解決するもので、図
4におけるラインセンサ18の代わりに、フォトダイオ
ードアレイを37a,37bのように二つ平行に配置し
たものである。勿論、相互の間隔が干渉縞の位相差で9
0°ずれるように配置している。そして、図示を省略す
るが、これら二つのフォトダイオードアレイ37a,3
7bのそれぞれについて、図12の電流/電圧変換器3
8、ハイパスフィルタ39、PV値検出手段40及びス
イッチアレイ41を設ける。なお、パルスカウンタ42
の代わりには、両方のスイッチアレイからの出力が入力
される合成手段を設ける(図示省略)。この合成手段で
は、フォトダイオードアレイ37aに対応するスイッチ
アレイからの出力をA相、37bに対応するスイッチア
レイからの出力をB相として両出力を合成し、ディスプ
レイ上に写し出せば図3と同様に点Pがリサージュ波形
を描いて回転するのを観測することができる。
FIG. 14 solves this problem, and two photodiode arrays 37a and 37b are arranged in parallel instead of the line sensor 18 in FIG. Of course, the mutual interval is 9 due to the phase difference of the interference fringes.
They are arranged so that they are offset by 0 °. Although not shown, these two photodiode arrays 37a, 3a
7b for each of the current / voltage converters 3 of FIG.
8, a high pass filter 39, a PV value detecting means 40 and a switch array 41 are provided. The pulse counter 42
Instead of, a combining means (not shown) to which outputs from both switch arrays are input is provided. In this combining means, the output from the switch array corresponding to the photodiode array 37a is the A phase and the output from the switch array corresponding to the 37b is the B phase, and both outputs are combined and displayed on the display as in FIG. It can be observed that point P rotates in a Lissajous waveform.

【0063】そして、図3において、どちらの方向に何
回転したかを計算することによって、被検面の変位量と
方向を測定できる。以上の測定において、フォトダイオ
ードアレイの数を0,π/2,π,3π/2……と多数
にすれば、SN比の向上を図ることは、前述の実施例と
同様である。
Then, in FIG. 3, the displacement amount and direction of the surface to be inspected can be measured by calculating the number of rotations in which direction. In the above measurement, if the number of photodiode arrays is increased to 0, π / 2, π, 3π / 2 ...

【0064】被検面が図16に示すNTSの場合であれ
ば、回転台8を回転して被検体7を走査することとなる
点で相違するが、変位量が被測定面の面形状を示すこと
になるだけで、BTSの場合と基本的には変わらない。
ただし、その場合、回転台8の回転角から求めた走査量
を演算手段23に入力して、走査距離と変位量とを対応
させることによって被検面の形状を決定することにな
る。また、被検面が平面や球面の場合でも、同様に測定
できることは容易に理解できるであろう。
If the surface to be inspected is the NTS shown in FIG. 16, there is a difference in that the rotary table 8 is rotated to scan the object 7, but the displacement amount changes the surface shape of the surface to be measured. It is only shown and is basically the same as the case of BTS.
However, in that case, the shape of the surface to be inspected is determined by inputting the scanning amount obtained from the rotation angle of the rotary table 8 into the calculating means 23 and associating the scanning distance with the displacement amount. It will be easily understood that the same measurement can be performed even when the surface to be inspected is a flat surface or a spherical surface.

【0065】上記の図14に示す実施例においては、予
めフォトダイオードアレイ37aと37bのx方向の間
隔を調整する必要がある。そこで問題となるのは、フォ
トダイオードアレイ自身もx方向にいくらかの幅を有し
ており、干渉縞のピッチが小さいと二つのフォトダイオ
ードアレイを接近させることが困難になる。この解決方
法として、nπ/2のnを大きくする方法も考えられる
が、その場合、被検面の他の要因(面のうねり等)が含
まれる可能性があるので、できれば干渉縞像11の中央
部付近の近接した2点を取り出す方が望ましい。
In the embodiment shown in FIG. 14, it is necessary to previously adjust the distance between the photodiode arrays 37a and 37b in the x direction. The problem is that the photodiode array itself has some width in the x direction, and if the pitch of the interference fringes is small, it is difficult to bring the two photodiode arrays close to each other. As a solution to this problem, a method of increasing n of nπ / 2 can be considered, but in that case, other factors (surface waviness, etc.) of the surface to be inspected may be included. It is desirable to take out two adjacent points near the center.

【0066】また、フォトダイオードアレイ37,37
a,37bの素子の大きさが縞1本の幅より十分小さく
ないと、正確な計測ができないことになる。そのため、
干渉縞像を拡大して縞のピッチを大きくしなければなら
ない場合も生じる。
Further, the photodiode arrays 37, 37
Unless the size of the elements a and 37b is sufficiently smaller than the width of one stripe, accurate measurement cannot be performed. for that reason,
In some cases, the interference fringe image must be enlarged to increase the fringe pitch.

【0067】図15(a) ,(b) は、これらの目的を達成
するために提案された実施例の要部構成を示すものであ
る。すなわち、図10で説明した拡大光学系35として
シリンドリカルレンズを用い、光路分割手段36として
くさび型プリズムを用いた実施例である。拡大光学系3
5としては、通常の球面を持った凹レンズを使用しても
よいが、図示の実施例ではシリンドリカルの凹レンズを
使用している。この方が、x軸方向のみを拡大でき、像
拡大による明るさの低下を小さく抑えることができる。
FIGS. 15 (a) and 15 (b) show the structure of the main part of the embodiment proposed to achieve these objects. That is, this is an example in which a cylindrical lens is used as the magnifying optical system 35 described in FIG. 10 and a wedge prism is used as the optical path splitting means 36. Magnifying optical system 3
Although a concave lens having an ordinary spherical surface may be used as the lens 5, a cylindrical concave lens is used in the illustrated embodiment. This makes it possible to enlarge only in the x-axis direction, and it is possible to suppress a decrease in brightness due to image enlargement.

【0068】光路分割手段35としてのくさび型プリズ
ムは、図15(a) に示すように上下方向からくさびを向
かい合わせたような断面形状を有し、中央部が薄く、両
側が厚くなっている。これは、干渉縞像11の倍率を変
えることなく、干渉縞像を分割し、フォトダイオードア
レイ37a,37b上に結像させるものである。図15
(b) に示すように、干渉縞像11は、光軸の上下に11
a,11bのごとく分割され、90°位相のずれた2点
Pa,Pbの間隔が、くさび型プリズムを使用すること
により、大幅に拡大されるので、フォトダイオードアレ
イ37a,37bの配置が容易になる。
The wedge-shaped prism as the optical path splitting means 35 has a cross-sectional shape such that the wedges face each other in the vertical direction as shown in FIG. 15 (a), and the central portion is thin and both sides are thick. .. This is for dividing the interference fringe image and forming an image on the photodiode arrays 37a and 37b without changing the magnification of the interference fringe image 11. Figure 15
As shown in (b), the interference fringe image 11 is located at the top and bottom of the optical axis.
The distance between the two points Pa and Pb, which are divided like a and 11b and are 90 ° out of phase with each other, is greatly expanded by using the wedge prism, so that the photodiode arrays 37a and 37b can be easily arranged. Become.

【0069】なお、くさび型プリズム35の代わりに、
ビームスプリッタ14等の種々の光路分割手段を使用す
ることも可能である。また、測定条件により、拡大光学
系と光路分割手段の何れか一方の使用でよい場合も、双
方の使用が必要な場合も生じ得る。
Instead of the wedge prism 35,
It is also possible to use various optical path splitting means such as the beam splitter 14. Depending on the measurement conditions, either one of the magnifying optical system and the optical path dividing means may be used, or both may be used.

【0070】[0070]

【発明の効果】以上に説明したことから、請求項1,2
の発明によれば、被検面の光軸方向の微小な変位量を正
確に測定することができる。また、請求項3,5,6,
7の発明によれば、走査によって被検面が移動しても、
干渉縞上の観測点の測定には影響を受けず、正確で速い
測定が可能となる。
As described above, according to claims 1 and 2,
According to the invention, it is possible to accurately measure a minute displacement amount of the surface to be inspected in the optical axis direction. In addition, claims 3, 5, 6,
According to the invention of 7, even if the surface to be inspected moves by scanning,
Accurate and fast measurement is possible without being affected by the measurement of the observation points on the interference fringes.

【0071】さらに請求項4の発明によれば、エリアセ
ンサによる面精度の測定と共に、光軸方向の変位量測定
による面形状の測定が行え、請求項8の発明によれば、
特に光軸方向の変位量測定を、自動的にしかも高速で行
えるという格別の効果を奏する。また、請求項9又は1
1の発明によれば、被検面の光軸方向の微小な変位量を
正確に測定することができる。また、請求項10又は1
2の発明によれば、被検面の微小な変位量とその方向と
を正確に測定することができる。また、請求項13から
16の発明によれば、干渉縞のピッチが小さい場合で
も、正確な被検面の微小変位量とその方向とを正確に測
定できるようになる。
Furthermore, according to the invention of claim 4, the surface accuracy can be measured by the area sensor and the surface shape can be measured by the displacement amount measurement in the optical axis direction. According to the invention of claim 8,
In particular, it has a special effect that the amount of displacement in the optical axis direction can be automatically measured at high speed. In addition, claim 9 or 1
According to the first aspect of the invention, it is possible to accurately measure a minute amount of displacement of the surface to be inspected in the optical axis direction. In addition, claim 10 or 1
According to the second aspect, it is possible to accurately measure the minute displacement amount of the surface to be inspected and its direction. Further, according to the inventions of claims 13 to 16, even when the pitch of the interference fringes is small, it is possible to accurately measure the minute displacement amount of the surface to be inspected and its direction.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】(a) は本発明における微小変位量の測定装置の
構成を示す図で、(b) はエリアセンサと干渉縞及び観測
点を示す図である。
FIG. 1A is a diagram showing a configuration of a measuring apparatus for a minute displacement amount according to the present invention, and FIG. 1B is a diagram showing an area sensor, an interference fringe, and an observation point.

【図2】(a) 〜(c) は干渉縞の観測点P1 ,P2 におけ
る信号強度I1 ,I2 を示すグラフである。
2 (a) to (c) are graphs showing signal intensities I 1 and I 2 at observation points P 1 and P 2 of interference fringes.

【図3】被検体の移動方向を検知する方法を説明する図
である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a method of detecting a moving direction of a subject.

【図4】干渉縞の移動に伴い、観測点P1 ,P2 が移動
するのをラインセンサで検知する構成を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration in which a line sensor detects movement of observation points P 1 and P 2 along with movement of interference fringes.

【図5】干渉縞を結像する光学系にシリンドリカルレン
ズを使用した図で、(a) はx−z面図、(b) はy−z面
図である。
5A and 5B are diagrams in which a cylindrical lens is used in an optical system for forming an interference fringe, in which (a) is an xz plane view and (b) is a yz plane view.

【図6】干渉縞の結像面にスリットを設け、観測点の像
を2分割フォトダイオード上に結像させる装置の構成を
示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an apparatus for forming an image of an observation point on a two-divided photodiode by providing a slit on an image plane of interference fringes.

【図7】(a) 〜(c) は、エリアセンサ上の指定された一
群のラインを読み取り、干渉縞像をこの一群の中心に置
く方法を説明する図である。
7 (a) to 7 (c) are diagrams for explaining a method of reading a designated group of lines on an area sensor and placing an interference fringe image at the center of the group.

【図8】図7の方法を実施する装置の構成を示すブロッ
ク図である。
8 is a block diagram showing a configuration of an apparatus for performing the method of FIG.

【図9】図7の方法を実施するフローチャートである。9 is a flow chart implementing the method of FIG.

【図10】本発明における微小変位量の測定装置の構成
を示す図で、(a) はy−z面図、(b) はx−z面図であ
る。
10A and 10B are diagrams showing a configuration of a measuring apparatus for a minute displacement amount according to the present invention, in which FIG. 10A is a yz plane view and FIG. 10B is an xz plane view.

【図11】フォトダイオードアレイ上に結像した干渉縞
を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing interference fringes formed on a photodiode array.

【図12】図10に示す実施例のブロック図である。12 is a block diagram of the embodiment shown in FIG.

【図13】ハイパスフィルタを通過した後のHFi及び
その両側の素子の出力信号を示すグラフである。
FIG. 13 is a graph showing output signals of HFi and elements on both sides thereof after passing through a high-pass filter.

【図14】フォトダイオードアレイを干渉縞の位相で9
0°離して配置した状態を示す図である。
FIG. 14 shows a photodiode array with a phase of interference fringes of 9
It is a figure which shows the state arrange | positioned 0 degree apart.

【図15】(a) は、干渉縞を結像する光学系に拡大光学
系としてのシリンドリカルレンズと光路分割手段として
のくさび型プリズムとを使用した図で、(b) は、干渉縞
像が分割された状態を示す図である。
FIG. 15A is a diagram in which a cylindrical lens as a magnifying optical system and a wedge prism as an optical path dividing unit are used in an optical system for forming an interference fringe, and FIG. It is a figure which shows the state which was divided.

【図16】先願の例で、NTSのトロイダル面の測定装
置を示す図で、(a)はy−z面図、(b) はx−z面図で
ある。
16 is a diagram showing an apparatus for measuring a toroidal surface of NTS in the example of the prior application, (a) is a yz plane view, and (b) is an xz plane view. FIG.

【図17】エリアセンサ上に結像した干渉縞を示す図で
ある。
FIG. 17 is a diagram showing interference fringes formed on an area sensor.

【図18】先願の例で、BTSのトロイダル面の測定装
置を示す図で、(a)はy−z面図、(b) はx−z面図で
ある。
FIG. 18 is a diagram showing a toroidal surface measuring device of a BTS in the example of the prior application, (a) is a yz-plane view, and (b) is an xz-plane view.

【図19】干渉縞が参照面上を移動するのを説明する図
である。
FIG. 19 is a diagram illustrating movement of interference fringes on a reference surface.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源 6 参照レンズ 6a 参照面 7 被検体 7a 被検面 8 回転台 9 集束光学系 12 回転軸 13 併進台 14 観測点出力測定手段 15 カウント手段 16 走査方向検知手段 17 演算手段 18 ラインセンサ 19a,19b スリット 21 集光レンズ 22 フォトダイオード 23 指定ライン読取手段 24 干渉縞信号抽出手段 25 ライン指定手段 35 拡大光学系(シリンドリカルレンズ) 36 光路分割手段(くさび型プリズム) 37,37a,37b フォトダイオードアレイ 38 電流/電圧変換手段 39 ハイパスフィルタ 40 PV値検出手段 41 スイッチアレイ 42 パルスカウンタ 43 演算手段 P1 ,P2 観測点DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 light source 6 reference lens 6a reference surface 7 subject 7a subject surface 8 rotary table 9 focusing optical system 12 rotary shaft 13 translation table 14 observation point output measuring means 15 counting means 16 scanning direction detecting means 17 computing means 18 line sensor 19a, 19b Slit 21 Condenser lens 22 Photodiode 23 Designated line reading means 24 Interference fringe signal extraction means 25 Line designating means 35 Enlarging optical system (cylindrical lens) 36 Optical path splitting means (wedge prism) 37, 37a, 37b Photodiode array 38 Current / voltage conversion means 39 High-pass filter 40 PV value detection means 41 Switch array 42 Pulse counter 43 Arithmetic means P 1 , P 2 Observation points

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 同一光源からの可干渉光を被検面と基準
になる参照面とに照射し、これら両面から反射される参
照波と被検波とを重畳して干渉縞を作る工程と、 干渉縞をセンサ上に結像する工程と、 被検面を光軸方向に移動して連続的に前記干渉縞を形成
する工程と、 前記センサ上で、干渉縞の位相差がほぼnπ/2(nは
自然数)離れた少なくとも2以上の指定された観測点に
おける強度信号を測定する工程と、 これらの観測点で検知する干渉縞の強度信号の反転数及
び干渉縞の移動方向から、被検面の光軸方向の変位量を
算出する工程と、 からなることを特徴とする微小変位量の測定方法。
1. A step of irradiating a coherent light beam from the same light source on a test surface and a reference surface as a reference, and superimposing a reference wave and a test wave reflected from these both surfaces to form an interference fringe, A step of forming the interference fringes on the sensor; a step of moving the surface to be inspected in the optical axis direction to continuously form the interference fringes; and a phase difference of the interference fringes of approximately nπ / 2 on the sensor. (N is a natural number) A step of measuring the intensity signals at at least two designated observation points separated from each other, and the inversion number of the intensity signals of the interference fringes detected at these observation points and the moving direction of the interference fringes. And a step of calculating the displacement amount of the surface in the optical axis direction.
【請求項2】 同一光源からの可干渉光を被検面と基準
になる参照面とに照射し、これら両面から反射される参
照波と被検波とを重畳して干渉縞を作る工程と、 被検面の一測定断面についてスリット状の干渉縞を形成
し、集束光学系によってエリアセンサ上に結像する工程
と、 被検面を干渉縞と交差する方向に走査して被検面のほぼ
全体について連続的にスリット状の干渉縞を形成する工
程と、 前記エリアセンサ上で、干渉縞の位相差がほぼnπ/2
(nは自然数)離れた二以上の指定された観測点におけ
る干渉縞の強度を測定する工程と、 これら各観測点で検知する干渉縞の強度信号の反転数及
び干渉縞の移動方向から走査に伴う被検面の光軸方向の
変位量を測定する工程と、 からなることを特徴とする微小変位量の測定方法。
2. A step of irradiating a coherent light beam from the same light source on a test surface and a reference surface as a reference, and superimposing the reference wave and the test wave reflected from these both surfaces to form an interference fringe, The step of forming slit-shaped interference fringes on one measurement cross section of the surface to be inspected and forming an image on the area sensor by the focusing optical system, and scanning the surface to be inspected in the direction crossing the interference fringes A step of continuously forming slit-shaped interference fringes over the entire area, and a phase difference of the interference fringes of approximately nπ / 2 on the area sensor.
(N is a natural number) A step of measuring the intensity of the interference fringes at two or more designated observation points separated from each other, and scanning from the inversion number of the intensity signal of the interference fringes detected at each of these observation points and the moving direction of the interference fringes. A method of measuring a small amount of displacement, comprising a step of measuring the amount of displacement of the surface to be inspected in the optical axis direction.
【請求項3】 前記干渉縞をセンサ又はエリアセンサ上
に結像する工程において、 結像用光学系にアナモフィック光学系を使用して干渉縞
の像を該光学系の焦線として結像し、センサ又はエリア
センサの代わりに設けたラインセンサ上に結像させるこ
とを特徴とする請求項1又は2記載の微小変位量の測定
方法。
3. In the step of forming an image of the interference fringes on a sensor or an area sensor, an anamorphic optical system is used as an image forming optical system to form an image of the interference fringes as a focal line of the optical system, The method for measuring a small amount of displacement according to claim 1 or 2, wherein an image is formed on a line sensor provided instead of the sensor or the area sensor.
【請求項4】 同一光源からの可干渉光を被検面と基準
になる参照面とに照射し、これら両面から反射される参
照波と被検波とを重畳して干渉縞を作る装置と、 干渉縞の像が形成されるセンサと、 被検面を備えた被検体を走査する併進台と、 干渉縞の位相差がほぼnπ/2(nは自然数)離れたセ
ンサ上の少なくとも2点以上の観測点における干渉縞の
強度信号を検知する観測点出力測定手段と、 該各点における強度信号の反転数を数えるカウント手段
と、 各観測点の信号出力から干渉縞の移動方向を検知して被
検面の走査方向を判断する走査方向検知手段と、 反転数と移動方向の信号を受けて前記走査に伴う被検面
の光軸方向の変位量を計算する演算手段と、 からなることを特徴とする微小変位量の測定装置。
4. A device for irradiating a coherent light beam from the same light source on a test surface and a reference surface as a reference, and superimposing a reference wave and a test wave reflected from these both surfaces to form an interference fringe, At least two points on the sensor where the image of the interference fringes is formed, the translation table that scans the subject with the surface to be inspected, and the phase difference of the interference fringes is approximately nπ / 2 (n is a natural number). Observation point output measuring means for detecting the intensity signal of the interference fringe at each observation point, counting means for counting the number of inversions of the intensity signal at each point, and detecting the moving direction of the interference fringe from the signal output at each observation point. A scanning direction detecting means for determining the scanning direction of the surface to be inspected, and an arithmetic means for receiving a signal of the inversion number and the moving direction to calculate a displacement amount of the surface to be inspected in the optical axis direction accompanying the scanning. A characteristic measuring device for minute displacements.
【請求項5】 前記センサの代わりに前記走査方向に延
びる複数のスリットを干渉縞の前記結像面近傍に設け、
各スリット間の間隔を干渉縞の位相差でほぼnπ/2
(nは自然数)とし、各スリットの像をほぼ点像として
結像する集光レンズと、各スリット用に対応して該結像
位置に設けられたフォトダイオードとを設けたことを特
徴とする請求項4記載の微小変位量の測定装置。
5. A plurality of slits extending in the scanning direction are provided in the vicinity of the image plane of interference fringes instead of the sensor,
The spacing between each slit is approximately nπ / 2 due to the phase difference of the interference fringes.
(N is a natural number), and a condensing lens for forming an image of each slit as a substantially point image and a photodiode provided at the image forming position corresponding to each slit are provided. The device for measuring a small amount of displacement according to claim 4.
【請求項6】 前記複数のスリットと集光レンズとの間
にスリットの像間隔を広げる光学素子を入れたことを特
徴とする請求項5記載の微小変位量の測定装置。
6. An apparatus for measuring a small displacement amount according to claim 5, wherein an optical element for widening an image interval of the slits is inserted between the plurality of slits and the condenser lens.
【請求項7】 前記センサの代わりに走査方向とほぼ平
行な複数のリニアセンサを干渉縞の位相差でほぼnπ/
2(nは自然数)離間させて平行に設けたことを特徴と
する請求項4記載の微小変位量の測定装置。
7. A plurality of linear sensors, which are substantially parallel to the scanning direction, are used instead of the sensor, and the phase difference of interference fringes is approximately nπ /.
The measuring device for minute displacement according to claim 4, wherein the measuring devices are provided in parallel with each other at a distance of 2 (n is a natural number).
【請求項8】 同一光源からの可干渉光を被検面と基準
になる参照面とに照射し、これら両面から反射される参
照波と被検波とを重畳して干渉縞を作る装置と、 干渉縞を結像する集束光学系と、 干渉縞の結像位置に設けられ、干渉縞と平行な複数の読
み取りラインを有するエリアセンサと、 被検面を備えた被検体を走査する併進台と、 エリアセンサ中の特定された一群のラインについて信号
を読み取る指定ライン読取手段と、 該指定ライン読取手段の出力から干渉縞の信号を出力す
るラインを特定して干渉縞の信号を抽出する干渉縞信号
抽出手段と、 干渉縞の信号を出力するライン上に指定され、干渉縞の
位相差がほぼnπ/2(nは自然数)離れた2点以上の
観測点における各強度信号を前記干渉縞信号抽出手段か
ら得る観測点出力測定手段と、 該各観測点における強度信号の反転数を数えるカウント
手段と、 各観測点についての信号出力から干渉縞の移動方向を検
知して被検面の走査方向を判断する走査方向検知手段
と、 反転数と移動方向の信号を受けて前記走査に伴う被検面
の光軸方向の変位量を計算する演算手段と、 前記干渉縞信号抽出手段が検知した干渉縞の信号を出力
するラインが、前記一群のラインのほぼ中心にくるよう
に指定ライン読取手段に指示するライン指定手段と、 からなることを特徴とする微小変位量の測定装置。
8. An apparatus for irradiating a coherent light beam from the same light source on a test surface and a reference surface as a reference, and superposing a reference wave and a test wave reflected from these both surfaces to form an interference fringe, A focusing optical system that forms an image of the interference fringes, an area sensor that is provided at the image formation position of the interference fringes and that has a plurality of reading lines that are parallel to the interference fringes, and a translation table that scans the subject with the surface to be examined. A specified line reading means for reading a signal for a specified group of lines in the area sensor, and an interference fringe for extracting a signal of the interference fringe by specifying a line for outputting a signal of the interference fringe from the output of the specified line reading means The signal extraction means and each intensity signal at two or more observation points, which are designated on the line for outputting the signal of the interference fringes and have a phase difference of the interference fringes that are substantially nπ / 2 (n is a natural number) apart, are used as the interference fringe signal. Observation point output measurement obtained from extraction means A step, counting means for counting the number of inversions of the intensity signal at each observation point, and scanning direction detection means for detecting the moving direction of the interference fringes from the signal output at each observation point to determine the scanning direction of the surface to be inspected. The calculation means for calculating the displacement amount in the optical axis direction of the surface to be inspected due to the scanning by receiving the signal of the inversion number and the moving direction, and the line for outputting the signal of the interference fringes detected by the interference fringe signal extracting means are A minute displacement amount measuring device comprising: a designated line reading unit that instructs a designated line reading unit so that the line is located substantially at the center of the group of lines.
【請求項9】 同一光源からの可干渉光を、被検面と基
準になる参照面とに照射し、これら両面から反射される
参照波と被検波とを重畳して干渉縞を作る工程と、 該干渉縞をフォトダイオードアレイ上に結像させる工程
と、 被検面を移動して連続的に前記干渉縞を形成する工程
と、 干渉縞の明暗の変化に対応するフォトダイオードアレイ
の各素子の出力変化をパラレルに検知し、最も変化の大
きい素子の出力を取り出す工程と、 該素子の出力変化数をカウントする工程とからなること
を特徴とする微小変位量の測定方法。
9. A step of irradiating coherent light from the same light source on a surface to be inspected and a reference surface as a reference, and superposing the reference wave and the wave to be inspected reflected from both surfaces to form interference fringes. Forming an image of the interference fringes on a photodiode array, continuously forming the interference fringes by moving a surface to be inspected, and each element of the photodiode array corresponding to a change in brightness of the interference fringes Is detected in parallel and the output of the element having the largest change is taken out, and the number of changes in the output of the element is counted.
【請求項10】 同一光源からの可干渉光を、被検面と
基準になる参照面とに照射し、これら両面から反射され
る参照波と被検波とを重畳して干渉縞を作る工程と、 該干渉縞を、干渉縞の位相差でほぼnπ/2(nは自然
数)離れて相互に平行に配置された少なくとも2本以上
のフォトダイオードアレイ上に結像させる工程と、 被検面を移動して連続的に前記干渉縞を形成する工程
と、 干渉縞の明暗の変化に対応する各フォトダイオードアレ
イの各素子の出力変化をパラレルに検知し、各フォトダ
イオードアレイにおける最も出力変化の大きい素子の出
力をそれぞれ取り出す工程と、 これらの各素子で検知する干渉縞の強度信号を合成して
リサージュ波形を作成し、該リサージュ波形の回転方向
及び回転数から被検面の光軸方向の変位量を算出する工
程とからなることを特徴とする微小変位量の測定方法。
10. A step of irradiating a coherent light beam from the same light source onto a surface to be inspected and a reference surface as a reference, and superimposing a reference wave and a wave to be detected reflected from both surfaces to form interference fringes. , A step of forming an image of the interference fringes on at least two or more photodiode arrays arranged in parallel with each other with a phase difference of the interference fringes being substantially nπ / 2 (n is a natural number); The step of moving to continuously form the interference fringes and the output change of each element of each photodiode array corresponding to the change of the brightness of the interference fringes are detected in parallel, and the maximum output change in each photodiode array is detected. The process of extracting the output of each element, and the intensity signal of the interference fringes detected by each of these elements are combined to create a Lissajous waveform, and the displacement in the optical axis direction of the surface to be inspected based on the rotation direction and rotation speed of the Lissajous waveform. Calculate the amount A method for measuring a small amount of displacement, which comprises:
【請求項11】 同一光源からの可干渉光を、被検面と
基準になる参照面とに照射し、これら両面から反射され
る参照波と被検波とを重畳して干渉縞を作る装置と、 干渉縞の像の結像位置に設けられたフォトダイオードア
レイと、 被検面を走査する併進台と、 フォトダイオードアレイの各素子の出力を測定する手段
と、 各素子の出力の内、最も出力変化の大きい素子を求める
PV値検出手段と、 該PV値検出手段によりオン・オフされるスイッチアレ
イと、 該素子の出力変化の回数を数えるパルスカウンタとから
なることを特徴とする微小変位量の測定装置。
11. A device for irradiating a coherent light beam from the same light source on a test surface and a reference surface as a reference, and superimposing the reference wave and the test wave reflected from both surfaces to form an interference fringe. , The photodiode array provided at the image forming position of the interference fringe image, the translation table for scanning the surface to be inspected, the means for measuring the output of each element of the photodiode array, and the output of each element A minute displacement amount comprising a PV value detecting means for obtaining an element having a large output change, a switch array turned on / off by the PV value detecting means, and a pulse counter for counting the number of times of the output change of the element. Measuring device.
【請求項12】 同一光源からの可干渉光を、被検面と
基準になる参照面とに照射し、これら両面から反射され
る参照波と被検波とを重畳してスリット状の干渉縞を作
る装置と、 干渉縞の位相差でほぼnπ/2(nは自然数)離れて平
行に配置された少なくとも2本以上のフォトダイオード
アレイと、 被検面を走査する併進台と、 各フォトダイオードアレイ中の各素子の出力を測定する
手段と、 各フォトダイオードアレイ中の最も出力変化の大きい素
子を求めるPV値検出手段と、 該PV値検出手段によりオン・オフされるスイッチアレ
イと、 これらの各素子の出力変化からリサージュ波形を合成す
る手段と、 該リサージュ波形の回転方向及び回転数から被検面の光
軸方向の変位量を算出する演算手段とからなることを特
徴とする微小変位量の測定装置。
12. Coherent light from the same light source is applied to a test surface and a reference surface as a reference, and the reference wave and the test wave reflected from both surfaces are superposed to form slit-shaped interference fringes. Device for making, at least two or more photodiode arrays arranged in parallel at a phase difference of interference fringes of approximately nπ / 2 (n is a natural number), a parallel stage for scanning the surface to be inspected, and each photodiode array Means for measuring the output of each element, a PV value detecting means for obtaining the element having the largest output change in each photodiode array, a switch array turned on / off by the PV value detecting means, and each of these. A minute displacement characterized by comprising means for synthesizing a Lissajous waveform from changes in the output of the element, and arithmetic means for calculating the displacement amount in the optical axis direction of the surface to be measured from the rotation direction and rotation speed of the Lissajous waveform. Quantity measuring device.
【請求項13】 前記フォトダイオードアレイに結像す
る前の光路内に光路分割手段を設けたことを特徴とする
請求項12記載の微小変位量の測定装置。
13. An apparatus for measuring a small amount of displacement according to claim 12, wherein an optical path splitting means is provided in an optical path before forming an image on the photodiode array.
【請求項14】 前記光路分割手段が、くさび形プリズ
ムであることを特徴とする請求項12記載の微小変位量
の測定装置。
14. The device for measuring a small amount of displacement according to claim 12, wherein the optical path splitting means is a wedge prism.
【請求項15】 前記ラインセンサに結像する前の光路
内に干渉縞像を拡大する拡大光学系を挿入したことを特
徴とする請求項12から14のいずれかに記載の微小変
位量の測定装置。
15. The measurement of a minute displacement amount according to claim 12, wherein a magnifying optical system for magnifying an interference fringe image is inserted in an optical path before the image is formed on the line sensor. apparatus.
【請求項16】 前記干渉縞像の拡大光学系が、シリン
ドリカルレンズであることを特徴とする請求項15記載
の微小変位量の測定装置。
16. An apparatus for measuring a small amount of displacement according to claim 15, wherein the magnifying optical system for the interference fringe image is a cylindrical lens.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109458934A (en) * 2018-07-04 2019-03-12 重庆大学 A kind of optical micrometric displacement measuring system
CN113566698A (en) * 2021-07-09 2021-10-29 汕头大学 Method and device for counting interference fringes

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