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多波長干渉法(MWLI)技術

MWLI法の利点

  • 非接触方式の光学的測定
  • 再現性 2nm以下(2σ)、繰り返し性 1nm以下の超高精度
  • 作動距離と超高精度の両立
  • 動作範囲と超高精度の両立

基本原理

MWLI(Multi WaveLength Inteferometry:多波長干渉法)とは、名前からわかる通り、複数のレーザー波長を使用する干渉法です。
既存のレーザー干渉計にもナノメートルオーダーの精度とピコメートルオーダーの分解能を持つものがあります。
しかし一つの波長のみを用いる干渉方式では、使用する波長の1/2以上の変位が生じる場合には干渉縞の数を常に把握している必要がありました。

図1. これまでの通常の干渉計では一つの波長しか用いないため、波長(λ1)より小さい段差しか検出できず、また1/2λ1の波長を超えた段差ではすぐに絶対位置を見失ってしまい、位置を見つけ出すために再リファレンスが必要でした。

Figure. How the traditional Single WaveLength Interferometry works

MWLI法では複数の離散波長を組み合わせることでこういった問題を解決します。
ここでは複数の波長の独立した干渉計が光路を共有します。もし異なる二つの波長、λ1とλ2が同じ距離の測定を行った場合、二つの測定から独立した干渉信号が得られます。
それぞれの信号は単波長の干渉計と同じだけの高い精度を持ちながら(約λ/2000)、不明瞭区間(それぞれλ1/2およびλ2/2)はより小さくなります。
その区間は合成されたビート波長Λの1/2となり、以下式によって与えられます。

Λ/2=(λ2・λ1)/(λ2-λ1)

この区間ではビームが中断されるような非継続的な信号下でも距離の絶対測定が可能であり、絶対位置を見失わずに測定が可能な測定範囲がこれまでより圧倒的に拡張されました。 Λの値はレーザー光のスペクトルの位置により決定され、より狭い間隔の波長の場合には値が大きくなります。現実的な実装においては数mmのレンジが現時点(2014年)で可能となっています。 ビート波長の純粋に数学的な分析の利点は単波長の干渉計の精度を維持しながら、距離測定が可能な区間を約1000倍にまで増大させられることです。 そのため干渉計はこの区間では光線を中断されても再リファレンスすることなく測定を継続することが可能です。 これにより、大きな段差のある表面、たとえばディフラクティブレンズやDカットレンズといった光学部品や、真円度測定ではカムなどの突起物のある対象ワークの測定が可能になります。

Figure. How the Beat Length is formed

センサ表面から測定対象までの距離を指す作動距離最大30cmを確保しながら、再現性で2nm以下(2σ)、繰り返し性で1nm以下の超高精度を達成しました。
さらに測定機はレーザービームを中断されても再リファレンスが不要な動作範囲として数ミリメートルを確保し、たとえばLUPHOScanシステムでは1.25mmまでの段差を高精度に測定することが可能です。

MWLI probes not needing re-referencing

対象表面

反射率:0.1%~100%
透明体、不透明体、反射面や平滑面、さらに粗い面など研磨や切削など加工工程にこだわらず幅広い表面に対応します。