JPH0619255B2 - 液晶を用いた光空間位相変調素子による非球面測定用干渉法及び干渉計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は放物面等の非球面を測定するための干渉法及
び干渉計に関するものである。

［従来の技術］ 物体の光学面を高い精度で形状測定することがしばしば
必要である。この測定は従来より種々の方法でなされて
おり、その中で最も一般的な方法は干渉法である。これ
は測定面によって反射されたテスト波面が既知波形の
“標準”波面と干渉し干渉縞をつくり、この干渉縞を分
析してこれらの２つの波面の波形のちがいを、従ってテ
スト波面の形状を知るものである。

［発明が解決しようとする課題］ この測定技術は、平面や球面の表面に使用するのは比較
的容易である。それは“標準”波面として精密な平面波
面や球面波面が生成し易いからである。しかし、放物面
の測定のように非球面の高精度測定への需要が増加して
いるにもかかわらず、この場合の精密な既知“標準”波
面を生成するのは極めて困難である。コンピュータホロ
グラム(Computer Generated Hologram以下ＣＧＨと略記
する）がこれに適用されてある程度の成功を納めてい
る。ここでは、必要な位相分布を有する波面を作るため
に、コンピュータによって生成された非線型回折格子に
おける回折結果が用いられており、この波面は被測定物
と比較される。しかしながら被測定物の形状が変る毎に
光学系からＣＧＨを交換する必要があり、そのために
は、その都度、被測定物に適切なテスト用波面を生成す
るための他のＣＧＨと取替える必要がある。これは不便
であるばかりでなくある種の環境下では測定の重大な失
敗を招く恐れがある。

大口径のホログラムをコンピュータで作り出すこと自体
もまた困難である。ホログラムは通常、サイドバンドモ
ード(Side band mode)で作動するように作られるので回
折光と非回折光を良く分離するために高分解能が要求さ
れている。

大口径の至る所で要求される高分解能を達成するため
に、空間−帯域幅のＣＧＨは非常に大きくならざせるを
えず、この要求に現在の入手可能な記録装置でこたえる
ことは困難である。

この発明は上記の如く事情に鑑みてなされたものであっ
て、種々の異なる被測定物の表面形状の測定に共通して
使用することができ、各種のそれぞれのテストに必要な
各種の標準波面またはテスト波面を生成し得る柔軟性を
持つ非球面測定用干渉法及びそれに使用する干渉計を提
供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この目的に対応して、この発明の液晶を用いた光空間位
相変調素子による非球面測定用干渉法は、標準波面とテ
スト面から反射したテスト波面を干渉させて生じる干渉
縞を解析してテスト面を測定する非球面測定用干渉法で
あって、前記標準波面またはテスト波面を生成する光学
系の光路中に液晶層を配置し、前記液晶層を横断する電
場の空間分布を制御することによって前記液晶層の屈折
率の空間分布を制御し、これによって前記光路を通る光
束の空間位相を変調することを特徴としている。

また、この発明の液晶を用いた光空間位相変調素子によ
る非球面測定用干渉計は、テスト波面を生成するテスト
波面生成光学系と標準波面を生成する標準波面生成光学
系とを有し、前記標準波面生成光学系の光路中に光空間
位相変調素子を配設し、前記光空間位相変調素子は液晶
層と、前記液晶層の両側に位置していて前記液晶層を横
断する電場を形成し得る２つの電極とを有し、前記２つ
の電極のうちの少なくとも一方の電極は前記液晶層に沿
って分布しかつそれぞれ独立して電圧を変化させ得る複
数の小電極からなることを特徴としている。

［作用］ この発明の測定技術においては、標準波面生成光学系ま
たはテスト波面生成光学系を通過する光の空間位相分布
を直接的に変調可能な光空間位相変調素子を使用して各
種の標準波面またはテスト波面を生成することができる
ので、従来技術における各種のＣＧＨを必要としない。
標準波面またはテスト波面の生成に必要な光空間位相分
布の変調は電場によって引き起こされる液晶層内の光路
長変化の結果達成される。光空間位相変調素子は一次回
折によって動作する。

更に、光空間位相分布が電場によって変調されるので、
簡単に電場分布を変えることで標準波面生成光学系また
はテスト波面生成光学系から位相変調素子を除去するこ
となく種々の既知の出力波面（標準波面またはテスト波
面）を生成することができる。このようにして多くの異
なる表面を非常に便利に測定することが可能である。

この光空間位相変調素子はビデオ信号によって付勢され
て、例えば干渉計の標準波面生成光学系から出る既知標
準波面を生成し、この標準波面は干渉計のテスト波面生
成光学系にある測定面からのテスト波面と干渉して干渉
縞をつくる。この干渉縞を分析することにより測定面の
形状が決定される。

［実施例］ 以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面について説
明する。

第１図において、１０は非球面測定用干渉計であり、非
球面測定用干渉計１０は標準波面生成光学系１１とテス
ト波面生成光学系１２とを備えている。標準波面生成光
学系１１はミラーＭ_１、レンズＬ_３，Ｌ_２，Ｌ_４、ホロ
グラムＨ、ビームスプリッタＢＳ_２、フィルタＦ_２、及
び光空間位相変調素子１を備えている。

テスト波面生成光学系１２は測定対象物である測定面
Ｏ、レンズＬ_１、ビームスプリッタＢＳ_１、ホログラム
Ｈを備えている。なお、Ｌ_５はレンズ、Ｆ_１はフィル
タ、Ｓはスクリーン、ＣＯはコンピュータ及びＩＤは画
像表示装置である。

光空間位相変調素子１は光の空間位相分布を変調するた
めに標準波面生成光学系１１の光路中に配置されてい
る。

第２図及び第３図に示すようにこの光空間位相変調素子
１は２つのガラス板２，３の間に挟まれた液晶層４（約
６μｍ厚）からなっている。これらのガラス板２，３に
は各々電極５，６が設けられてあって、一方のガラス板
３の電極６は小電極からなっており、各小電極の電圧は
個別に可変である。各小電極６は第３図に示すように多
数がマトリックス状に密に配列されており、走査電極駆
動回路７、信号電極駆動回路８によって個別に電場が印
加され得る。これらの小電極６は長方形に整列した１６
０×１２０個のピクセルの中に置かれ、それぞれの電子
回路（走査電極駆動回路７、信号電極駆動回路８）は、
前記液晶層４を横切る電場分布を外部ビデオ信号に従っ
て変調可能なように設備されている。前記各ガラス板
２，３の内面は０〜３６０゜のねじれでねじれたネマチ
ィックモードになるように処理されている。前記ガラス
板２，３の表面における液晶分子の整列は第４図に示さ
れている。

この光空間位相変調素子１は第１図に示す標準波面生成
光学系１１の光路中に置かれている。

レーザ光源から発光され平行化された偏光レーザビーム
２０が干渉計に入り、まずビームスプリッタＢＳ_１に入
る。ここで光の一部分はレンズＬ_１に向けて反射されレ
ンズＬ_１により球面波面にされ、それから測定面Ｏによ
って反射される。戻ってくる拡散波面はレンズＬ_１によ
っておおよそ再平行化され、その一部はビームスプリッ
タＢＳ_１を通過してホログラムＨへ進み、干渉計１０の
１つの出力ビーム（テスト波面）を形成する。

また初めにビームスプリッタＢＳ_１に入った入力光の他
の一部分はビームスプリッタＢＳ_１を通過して第２のビ
ームスプリッタＢＳ_２に達する。ここでその光の一部は
反射されこの部分は干渉計１０の第２の出力ビーム（標
準波面）を生成するのに用いられる。ビームスプリッタ
ＢＳ_２を透過した部分は失われる。ビームスプリッタＢ
Ｓ_２での反射光はまず液晶を用いた光空間位相変調素子
１を通過する。この光空間位相変調素子１は０〜３６０
゜のねじれで捩れたネマティックモードで作用する。こ
の素子の前面に入射する光はその電場ベクトルが液晶分
子の長軸に平行になるように偏光される。液晶層４を横
切る光の電場は液晶層４の入口に近い部分から液晶層を
渡り切る部分までの間にほぼ０〜３６０゜回転され光の
偏光もほぼ０〜３６０゜回転される。液晶分子の配列と
電場のベクトルの関係は第４図に示されている。

第４図は液晶層４における液晶の分子による入射光の偏
光の配向状態を示す説明図である。

図中、２１は液晶層４の前表面における液晶分子の配向
の方向を示している。

２２は液晶層４の後表面における液晶分子の配向の方向
を示している。

２３は液晶層４の前表面から入射した光の電場ベクトル
の配向の方向を示している。

２４は液晶層４の後表面から出射する光の電場ベクトル
の配向の方向を示している（液晶層４を横断する電場は
閾値に設定してある）。

液晶層４を通過後、光はレンズＬ_２によって集光され、
空間フィルタＦ_１を経てレンズＬ_３に達し、それから鏡
Ｍ_１によって反射され、光空間位相変調素子１の液晶層
４を通り再びレンズＬ_３、フィルタＦ_１、及びレンズＬ
_２を経て液晶層４に戻る。この液晶層４を通って戻る途
上、光の偏光は同じ角度だけ回し戻され、液晶層４の前
面からの出射光の偏光は液晶層への入射時とほぼ同じと
なり、液晶の分子の状態に無関係である。

液晶層４の前揚から出る光はビームスプリッタＢＳ_２を
通過して前記ホログラムＨに向かう。液晶層４を通る光
路長を一定に保ち、なおかつその様な液晶変調素子を低
コストでつくることは大変困難である。従ってこの変調
素子によって持ち込まれた収差は大きくなりがちである
から、前記ホログラムの目的は、これらの収差を修正
し、質の高い出力光ビームを干渉計１０の標準波面生成
光学系１１から出力することである。このホログラムＨ
はまたビーム合併器として作用し、前記干渉計の２つの
ビームを合併する。これらのビームはそれからレンズＬ
_５を通り、スクリーンＳの上に干渉縞パターンを形成す
る。空間フィルタＦ_２は光空間位相変調素子の中のピク
セルの格子構造からの不用な次数の回折光や回折されて
外された光やホログラムＨからの散乱光を除去するため
に用いられている。

スクリーンＳにおける干渉縞パターンを分析することに
より非球面である被測定表面の球面からの隔たりと及び
液晶を使用した光空間位相変調素子による光空間位相変
調分布を知ることができる。

［発明の効果］ このようにこの発明によれば、種々の異なる被測定物の
表面形状の測定に共通して使用することができ、コンピ
ュータからの指令を変えるだけで各種のそれぞれのテス
トに必要な各種の標準波面を生成し得る柔軟性を持つ非
球面測定用干渉法及びそれに使用する干渉計を得ること
ができる。

［他の実施例］ 以上説明した実施例はホログラムを使用した干渉計に本
発明を適用した例であるが、この発明は他の型式の干渉
計にも適用することができる。すなわち第５図はこの発
明をトワイマングリーン(Twyman Green)干渉計に適用し
た例であり、第６図はフィゾー(Fizeau)干渉計に本発明
を適用した例であり、第７図はマッハツエンダー(Mach
Zender)干渉計に適用した例である。

第５図に示すトワイマングリーン干渉計３０ではレーザ
光源１３、顕微鏡対物レンズＭＯ、コリメータンズＣ
Ｌ、ビームスプリッタＢＳ、収斂レンズＣＶＬ_１、参照
球面Ｒ、非球面の測定面Ｏ、収斂レンズＣＶＬ_２、光空
間位相変調素子１、光学平面ＯＦ_１，ＯＦ_２、結像レン
ズＩＬ、画像センサＩＳを備えている。

このトワイマングリーン干渉計では一方の光学系に精度
のよい収斂レンズＣＶＬ_２と完全な参照球面Ｒを有し、
他方の光学系に同様の収斂レンズＣＶＬ_１と測定面Ｏと
光空間位相変調素子１とを配置している。この実施例で
は光空間位相変調素子１の収差は、それに密着している
光学平面ＯＦ_１，ＯＦ_２によって補正される。この補正
方法は後述する他の実施例における光空間位相変調素子
の収差補正にも利用できる。なお、２ＰＩ法位相変調が
液晶についても利用できるのであれば、それで光空間位
相変調素子１の自己収差を補正することができる。

トワイマングリーン干渉計では両光学系に同じレンズが
使用されるので、これらのレンズの収差は打消しとな
る。

また、収差の発生源も１つ少ない。しかし同じレンズを
使用することが必須の要件ではない。光空間位相変調素
子は可変ミラー等と同様に基本的には適当な変調によっ
てシステム中の収差は補正できる。

結像レンズＩＬはカーブミラー表面の平面の像を画像セ
ンサＩＳの上に結像する。画像センサＩＳとして例えば
レンズを使用しないＣＣＤカメラを使用することができ
る。この像は非球面の測定面を干渉縞であらわしたもの
である。

第６図に示すフィゾー干渉計４０ではレーザ光源１３、
顕微鏡対物レンズＭＯ、ビームスプリッタＢＳ、コリメ
ータンズＣＬ、参照球面ＲＦ、光空間位相変調素子１、
収斂レンズＣＶＬ、測定面Ｏ、フィルタＦ、結像レンズ
ＩＬ、画像センサＩＳ、光空間位相変調素子１を駆動す
る画像表示装置ＩＤ、画像表示装置ＩＤを制御するコン
ピュータＣＯを備えている。

このフィゾー干渉計４０は従来のフィゾー干渉計に光源
としてレーザ光源１３を使用し、かつ第２の参照面を光
空間位相変調素子１で置き換えたものである。

この実施例においても、光空間位相変調素子１の収差補
正は光学平面で行うか、または光空間位相変調素子１を
使用して自己収差補正をするか或いは高品質ガラスを使
用する。収斂レンズＣＶＬは測定面Ｏから反射された球
面波を構成する。もしこの測定面Ｏが球面でないならば
反射波面も球面とは違ったものになる。光空間位相変調
素子１は測定面Ｏと完全な球面との位相差が２倍違うよ
うな位相分布を形成する。この位相変調を測定すること
により、測定面Ｏの球面との違いが検出される。結像レ
ンズＩＬは測定面Ｏの画像を画像センサ（例えばＣＣＤ
アレー）の上に干渉縞として形成する。

第７図に示すマッハツエンダー干渉計５０では、レーザ
光源１３、顕微鏡対物レンズＭＯ、コリメータンズＣ
Ｌ、ビームスプリッタＢＳ_１、ミラーＭ_１、測定レンズ
Ｏ（被測定対象物）、ビームスプリッタＢＳ_２、結像レ
ンズＩＬ、フィルタＦ、画像センサＩＳ、光空間位相変
調素子１、収斂レンズＣＶＬ、ミラーＭ_２、光空間位相
変調素子１を駆動する画像表示装置ＩＤ、画像表示装置
ＩＤを制御するコンピュータＣＯを備えている。

この実施例は従来のマッハツエンダー干渉計に光空間位
相変調素子１を組込んだものである。この光空間位相変
調素子１における液晶としてはツイストネマチック型の
ものは不適当である。

被測定対象物である測定レンズＯと光空間位相変調素子
１と高品質の収斂レンズＣＶＬとは出力ビームのスプリ
ッタＢＳ_２と等距離におかれる。結像レンズＩＬは測定
レンズＯの像を画像センサＩＳの上に形成する。測定レ
ンズＯの表面は干渉縞として観察することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係わる干渉計の構成説明
図、第２図は光空間位相変調素子の断面概略説明図、第
３図は光空間位相変調素子の平面概略説明図、第４図は
光空間位相変調素子へ入射した入射光の偏光の配向を示
す説明図、第５図はこの発明をトワイマングリーン干渉
計に適用した例を示す構成説明図、第６図はこの発明を
フィゾー干渉計に適用した例を示す構成説明図、及び第
７図はこの発明をマッハツエンダー干渉計に適用した例
を示す構成説明図である。 １……光空間位相変調素子 ２，３……ガラス板 ４……液晶層 ５……電極 ６……電極 ７……走査電極駆動回路 ８……信号電極駆動回路 １０……非球面測定用干渉計 １１……標準波面生成光学系 １２……テスト波面生成光学系 １３……レーザ光源 ２０……偏光レーザビーム ３０……トワイマングリーン干渉計 ４０……フィゾー干渉計 ５０……マッハツエンダー干渉計 Ｍ_１……ミラー Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４，Ｌ_５……レンズ Ｈ……ホログラム ＢＳ，ＢＳ_１，ＢＳ_２……ビームスプリッタ Ｆ，Ｆ_１，Ｆ_２……フィルタ Ｓ……スクリーン ＭＯ……顕微鏡対物レンズ ＣＬ……コリメータンズ ＣＶＬ，ＣＶＬ_１，ＣＶＬ_２……収斂レンズ Ｏ……測定面 ＯＦ_１，ＯＦ_２……光学平面 ＩＬ……結像レンズ ＩＳ……画像センサ ＲＦ……参照平面 ＣＯ……コンピュータ ＩＤ……画像表示装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】標準波面とテスト面から反射したテスト波
   面を干渉させて生じる干渉縞を解析してテスト面を測定
   する非球面測定用干渉法であって、前記標準波面または
   テスト波面を生成する光学系の光路中に液晶層を配置
   し、前記液晶層を横断する電場の空間分布を制御するこ
   とによって前記液晶層の屈折率の空間分布を制御し、こ
   れによって前記光路を通る光束の空間位相を変調するこ
   とを特徴とする液晶を用いた光空間位相変調素子による
   非球面測定用干渉法
2. 【請求項２】テスト波面を生成するテスト波面生成光学
   系と標準波面を生成する標準波面生成光学系とを有し、
   前記標準波面生成光学系の光路中に光空間位相変調素子
   を配設し、前記光空間位相変調素子は液晶層と、前記液
   晶層の両側に位置していて前記液晶層を横断する電場を
   形成し得る２つの電極とを有し、前記２つの電極のうち
   の少なくとも一方の電極は前記液晶層に沿つて分布しか
   つそれぞれ独立して電圧を変化させ得る複数の小電極か
   らなることを特徴とする液晶を用いた光空間位相変調素
   子による非球面測定用干渉計