CN101469976A - 光波干涉测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光波干涉测量装置，由透射/反射分离面(13a)分成两部分的来自光源(11)的光束，通过分别对应的球面基准透镜(15)、(25)，以担持与被验非球面透镜(17)和参照非球面透镜(27)的表面形状对应的波阵面信息的状态再次被合波，被验非球面透镜(17)相对于参照非球面透镜(27)的波阵面误差成为干涉条纹信息而形成在干涉仪CCD摄像机(31)的摄像面上。球面基准透镜(15)、(25)具有互相相同的曲率的基准球面(15a)、(25a)，基于来自各透镜(17)、(27)的反射光的波阵面信息是基于各透镜(17)、(27)的表面形状和基准球面(15a)、(25a)的表面形状之差的波阵面信息，因此，即使是非球面，也可以同时获得关于整个有效区域的干涉条纹信息。

Description

光波干涉测量装置

技术领域

本发明尤其涉及一种为了测量非球面透镜的非球面形状而使用的光波干涉测量装置。

背景技术

近年，高精度地测量非球面光学元件的非球面形状的要求尤其在透镜设计、制造等的领域非常强。

作为涉及非球面形状的高精度的测量方法的技术，在斐索型的干涉仪中，具有作为被测量非球面的基准的参照非球面的参照用反射元件，与上述被测量非球面接近配置。基于通过由上述参照用反射元件反射而返回被测量非球面的参照光与在上述被测量非球面的反射的物光的光干涉而得到的干涉条纹，测量出被测量非球面的形状。在测量时扫描干涉条纹。所谓干涉条纹扫描法被公知(JP-A-2004-532990)。

进而，作为涉及非球面形状的高精度的测量方法的技术，已知利用JP-A-8-146018、JP-A-2001-133244所公开的所谓的点扫描法、或者USP6,956,657所记载的孔径合成法的方法。

然而，尤其是在JP-A-2004-532990等所记载的方法中，参照非球面(非球面基准面)和被测量非球面的各光轴的偏离对测量影响很大。因此，在呈非球面形状的被验面的整个区域，不能同时得到良好的干涉条纹。结果，为了针对被验体整体得到干涉条纹信息，需要针对各区域在每次出现干涉条纹信息时反复摄像且对这些被摄像的多个干涉条纹信息进行组合等的处理。因此，干涉条纹信息的取得操作变得极其复杂。

从而，在上述所记载的各方法中，均需要庞大的测量时间。

进而，在JP-A-2004-532990中，装置制造成本会变得高价。并且，在USP6,956,657中，装置结构变得复杂。

发明内容

本发明的一以上的实施例，其目的在于，提供一种短时间内以简易且低成本可测量非球面光学元件的表面形状的光波干涉测量装置。

根据本发明的第1观点，光波干涉测量装置具备：光束分离合成机构，将来自光源的光束分为两部分，将一部分作为朝向被验体方向的第1光束，并且，将另一部分作为朝向参照体方向的第2光束，将上述第1光束的来自上述被验体的返回光和上述第2光束的来自上述参照体的返回光合成为干涉光，在被配置于规定位置的摄像体上形成基于上述被验体的表面形状信息的干涉条纹像；第1球面基准透镜，配置在上述光束分离合成机构和上述被验体之间且将将与上述被验体相对的面作为第1基准球面，以使来自上述光束分离合成机构的上述第1光束入射到上述被验体的表面，并且使从上述被验体的表面反射的上述第1光束返回上述光束分离合成机构；和第2球面基准透镜，配置在上述光束分离合成机构和上述参照体之间且具备与上述参照体相对的面是与上述第1基准球面相同的曲率的第2基准球面，以使来自上述光束分离合成机构的上述第2光束入射到上述参照体的表面，并且使从上述参照体的表面反射的上述第2光束返回上述光束分离合成机构；上述被验体是应测量表面形状的非球面光学元件，上述参照体呈应作为上述被验体的基准的形状的非球面光学元件。

根据本发明的第2观点，上述光波干涉测量装置为等光程长型的麦克尔逊型。

根据本发明的第3观点，上述第1光束和上述第2光束通过光反射和光透射得以分离并合成的上述光束分离合成机构的分离面被设置在上述分光镜的单面，上述分光镜构成为剖面是楔形状的板状。

根据本发明的第4观点，在上述分光镜的上述单面侧所射出的光束的光路中所配置的上述球面基准透镜和上述分光镜之间，配置有对上述第1光束和上述第2光束的光程长的差进行补偿的补偿板。

进而，根据本发明的第5观点，在上述参照体的表面附设有可变形镜面。

而且，上述基准球面成为表示上述参照体表面形状的非球面的基准的球面。即，以由周知的非球面式表示上述非球面的情况的曲率C(或者曲率半径R)的值为其曲率(或者曲率半径)的球面。

根据本发明的第6观点，光波干涉测量装置，具备：光束分离合成机构，将来自光源的光束分为两部分，将一部分作为朝向被验体方向的第1光束，并且，将另一部分作为参照光生成用的第2光束，将上述第1光束的来自上述被验体的返回光即被验光和由上述第2光束生成的上述参照光合成为干涉光，在被配置于规定位置的摄像体上形成基于上述被验体的表面形状信息的干涉条纹像，上述被验体是应测量表面形状的非球面光学元件；波阵面形状可变透镜，配置在上述光束分离合成机构和上述被验体之间，且使使上述第1光束的输出波阵面形状变化，以使来自上述光束分离合成机构的上述第1光束以规定角度入射到上述被验体的表面各位置，并且使从上述被验体的表面各位置反射而成的上述被验光可返回上述光束分离合成机构；波阵面形状可变透镜调节部件，向上述波阵面形状可变透镜送出使上述波阵面形状可变透镜的折射力分布变化的波阵面可变指示信号，使来自上述波阵面形状可变透镜的输出光束的波阵面形状变化，以便被形成于上述摄像体上的上述干涉条纹成为零条纹；透镜形状算出部，基于上述干涉条纹成为零条纹时向上述波阵面形状可变透镜送出的波阵面可变指示信号，运算上述被验体的表面形状。

根据本发明的第7观点，是通过上述光束分离合成机构作为基准板、介由其一面所配置的基准面将上述第1光束及上述第2光束分离而成的斐索型。

另外，上述“基于干涉条纹成为零条纹时的……波阵面可变指示信号”除仅基于成为零条纹时刻的输出信号值的情况以外，包括基于从规定时刻起至成为零条纹时点为止的输出信号值的情况。

并且，上述“零条纹”是指在测量区域的干涉图像面而1个条纹也不存在的状态。(JCSS不確かさ見積もりガイド(平面度)(JCSS不确定性估计指南(平面度))：参照2007年4月修订)

本发明所涉及的光波干涉测量装置通过光束分离合成机构将来自光源的光束分为两部分，将一部分作为朝向被验体方向的第1光束，并且，将另一部分作为朝向参照体方向的第2光束，而且，通过由光束分离合成机构合成从被验体反射的第1光束和从参照体反射的第2光束，可以将其被验体表面形状信息作为干涉条纹信息而得到。

而且，通过光束分离合成机构合成的干涉光是与被验体表面的第1光束的反射光、和在成为该被验体表面形状的基准的参照体表面的第2光束的反射光的之差对应的。但是，上述第1光束的反射光具有基于被验体表面和第1基准球面的形状差的信息(以下，称为形状差信息)。另一方面，上述第2光束的反射光具有参照体表面和第2基准球面的形状差信息。通过两反射光束的干涉形成的干涉条纹是基于上述两个形状差信息的，并且是条纹灵敏度被大大的减小的干涉条纹。由此，可以使干涉条纹良好地形成在摄像体上。进而，可以同时获得在与非球面极其近的被验体表面整个区域所涉及的干涉条纹信息。

从而，根据本发明所涉及的光波干涉测量装置，可以在短时间内以简易且低成本测量非球面光学元件的表面形状。

本发明所涉及的光波干涉测量装置，将波阵面可变指示信号送出到波阵面形成可变透镜，使得被形成在摄像体上的干涉条纹成为零条纹，并且使折射力分布变化，而使从波阵面形状可变透镜输出的第1光束的波阵面形状变化。基于在所得到的干涉条纹成为零条纹时送出到波阵面形状可变透镜的波阵面可变指示信号，运算被验体的非球面表面形状。

换而言之，波阵面形状可变透镜构成为基于来自波阵面形状可变透镜调节部件的波阵面可变指示信号，使折射力分布变化。至所得到的干涉条纹成为零条纹为止，继续输入上述波阵面可变指示信号。并且，所得到的干涉条纹成为零条纹时，第1光束垂直入射到被验体的各表面位置。由此，在此时的从波阵面形状可变透镜调节部件输出的第1光束的波阵面形状成为与被验透镜的表面形状对应的形状之际，基于被输入到波阵面形状可变透镜的波阵面可变指示信号，可以运算该被验透镜的表面形状。

其他的特征及效果根据实施例记载及所附的权利要求是清楚的。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的光波干涉测量装置的结构的简略图。

图2是表示本发明的第2实施方式所涉及的光波干涉测量装置的结构的简略图。

图3是表示本发明的第3实施方式所涉及的光波干涉测量装置的结构的简略图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。图1是简略地表示本发明的第1实施方式所涉及的光波干涉测量装置的结构的图。

如图1所示，该装置10具备：光源11；准直透镜12，使来自光源11的光束成为平行光束；分光镜13(光束分离合成机构)，通过透射/反射分离面13a将来自该准直透镜12的平行光束分为两部分；高NA球面基准透镜(第1球面基准透镜)15，将由该透射/反射分离面13a反射的第1平行光束照射在被验非球面透镜17上，并且，使来自被验非球面透镜17的反射光返回透射/反射分离面13a；高NA球面基准透镜(第2球面基准透镜)25，将透射该透射/反射分离面13a的第2平行光束照射在参照非球面透镜27上，并且，使来自参照非球面透镜27的反射光返回透射/反射分离面13a；干涉仪CCD摄像机31，拍摄在透射/反射分离面13a的由来自被验非球面透镜17的反射光和来自参照非球面透镜27的反射光的干涉所产生的干涉条纹；和成像透镜29，使被合波的上述两反射光的干涉条纹成像在干涉仪CCD摄像机31的摄像面上。

另外，上述分光镜13为了防止由来自与透射/反射分离面13a相反侧的面的反射光产生干扰干涉条纹，而将相对的两面以相互不平行的方式构成为楔形状。

并且，光束通过分光镜13中的次数，相对于由第1平行光束的只有1次，而由第2平行光束的有3次。为了使相互的光程长一致而设置补偿板14，补偿板14与分光镜13并列地配置，以大致相同的楔形状构成。并且，补偿板14和分光镜13的楔方向相同。

另外，高NA球面基准透镜(第1球面基准透镜)15和高NA球面基准透镜25(第2球面基准透镜)是仅仅示意地描绘主要部分，各凹面成为基准球面15a、25a，形成为互相相同的曲率。

即，该基准球面15a、25a使被入射的平行光束从该基准球面15a、25a垂直射出，因此，构成为对作为被验非球面透镜17和参照非球面透镜27的基准的假想球面垂直入射。但是，由于被验非球面透镜17及参照非球面透镜27其表面形状为任意的非球面，因此光束对这些透镜17、27的入射角不是0度，而具有一些角度。

并且，在高NA球面基准透镜25附设有压电元件41，可以采用众所周知的相移法。

而且，被验非球面透镜17，一般相对于作为形状基准的参照非球面透镜27具有一些形状误差。该光波干涉测量装置10定量地测量这种被验非球面透镜17的形状误差。

即，在透射/反射分离面13a分为两部分的来自光源11的光束，通过分别对应的高NA球面基准透镜15、25，以担持被验非球面透镜17和参照非球面透镜27的表面形状的差对应的波阵面信息的状态再次被合波。被验非球面透镜17相对于参照非球面透镜27的波阵面的相对误差成为干涉条纹信息而形成在干涉仪CCD摄像机31的摄像面上。此时，使来自这些两个透镜17、27的两反射光相互合波，就可将相对于参照非球面透镜27的形状的被验非球面透镜17的形状作为干涉条纹信息而求出。

另外，来自被验非球面透镜17的反射光担持有基于被验非球面透镜17的表面和第1基准球面15a的形状差的形状差信息。另一方面，来自参照非球面透镜27的反射光担持有基于参照非球面透镜27的表面和第2基准球面25a的形状差的形状差信息。为此，由两反射光束的干涉所形成的干涉条纹是基于这两个形状差信息之间的差信息的。由此，因为可以大大的减小条纹灵敏度，所以可以同时获得整个有效区域的形状。

从而，与部分地求出被验体的各区域的干涉条纹信息后还需要相互组合的以往的非球面光学元件的干涉条纹形状测量相比，可以大幅减少测量分析时间。并且，可以简易地作出分析软件，还可以减少测量所需的成本。

另外，本实施方式装置构成为可构建等光程长型的麦克尔逊型。并且，因为利用补偿板14补偿随着分光镜13中的光束通过所发生的光程长之差，所以可以将来自光源11的输出光设为低相干性干涉光。由此，可以避免基于来自光路中的其他的光学面的反射光的干扰干涉条纹的发生。

而且，补偿板14由与分光镜13同样的玻璃材料形成，折射率及色散值相同。并且，形状也同样地被形成。但是，补偿板14的折射率、色散值及形状也不未必与分光镜13一致。总而言之，可以补偿在光路中通过插入分光镜13所产生的上述两光路的光程长的差。

图2是简略地表示本发明的第2实施方式所涉及的光波干涉测量装置的结构的图。

如该图2所示的装置10a与图1所示的装置10的基本的结构大致相同。对于表示与图1所示的装置10相同的功能的部件，附上相同的符号，省略其详细的说明。

该图2所示的装置10a与图1所示的装置10相比，在参照非球面透镜27的表面附设有(例如粘贴)可变形镜27a。

可变形镜27a为反射型的光调制装置，通过电信号可以变更空间性光相位分布。即，构成为多个镜器件的位置或倾斜度通过施加电压分别可变动。由多个镜器件形成的曲面也能变形。对于这样的可变形镜27a，通过输入时间性地变动的电信号，可以使参照非球面透镜27的表面形状以成为理想的基准形状的方式变形微小量。由此，不用极其高精度地加工参照非球面透镜27，而可以形成理想的基准形状的参照非球面透镜27。

而且，在图2中，担持有基于参照非球面透镜27的表面和第2基准球面25a的形状差的形状差信息的波阵面示意地被描绘。

以上，对本发明的第1和第2实施方式进行了说明，但是，本发明不限于上述实施方式，可以变更为各种方式。

例如，上述方式利用低相干性光束进行测量，由此可以得到高精度的测量结果，但是，也可以利用高相干性光束进行测量。此时，不必使光学系统的两个光路的光程长高精度地相互一致，可以实现光学系统调节的简易化。

图3是简略地表示本发明的第3实施方式所涉及的光波干涉测量装置的结构的图。

如图3所示，该装置110构成为斐索型的干涉仪装置，其包括：光源111，输出激光；透镜112，调节来自光源111的光束的收敛发散，半反射镜113，具有反射来自该透镜112的光束的一部分的半反射镜面113a；准直透镜122，使由半反射镜113反射的发散光束成为平行光束；基准板125(光束分离合成机构)，来自准直透镜122的平行光束中的一部分由基准面125a反射，并且使其余透射；波阵面形状可变透镜115，使透射基准面125a的光束入射到被验非球面透镜117的各表面位置，并且，使来自被验非球面透镜117的反射光即被验光返回半反射镜113a；干涉仪CCD摄像机131，对来自被验非球面透镜117的反射光即被验光和来自基准面125a的反射光即参照光在基准面125a进行干涉从而由该干涉所产生的干涉条纹进行摄像；成像透镜129，使基于被合波的上述两反射光的干涉条纹成像在干涉仪CCD摄像机131的摄像面上；和控制运算部151。

在此，上述控制运算部151向波阵面形状可变透镜115送出波阵面可变指示信号(以下，也称为透镜形状控制信号)，使得形成在摄像体上的上述干涉条纹成为零条纹。具有波阵面形状可变透镜调节功能(波阵面形状可变透镜调节部件)，该调节功能可以改变上述透镜115的折射力分布以使从该波阵面形状可变透镜115输出的第1光束的波阵面形状变化。进而，具有基于干涉条纹成为零条纹时向波阵面形状可变透镜115送出的波阵面可变指示信号来运算被验非球面透镜117的非球面表面形状的透镜形状运算功能(透镜形状运算部件)。

并且，波阵面形状可变透镜115是仅仅示意地描绘主要部分，被构成为基于来自控制运算部151的波阵面可变指示信号而使折射力分布变化且可调节其输出光的波阵面的结构。

另外，在基准板125上附设有压电元件141，可以采用众所周知的相移法。

并且，被验非球面透镜117被设置在5轴方向(X、Y、Z的各轴万向，X轴、Y轴的各轴围绕方向)可调节的5轴载物台152。

以下，对上述的本实施方式装置的作用进行说明。即，在该装置110中，来自光源111的激光光束在半反射镜113中被反射一部分，在准直透镜122成为平行光束而被照射到基准板125。在基准板125的基准面125a，一部分作为参照光束被反射，其余被透射。透射基准面125a的光束被入射到波阵面形状可变透镜115且受到折射作用以使所输出的上述光束在被验非球面透镜117的各表面位置能以所希望的角度入射。上述光束由被验非球面透镜117反射而成被验光，返回上述基准面125a。在基准面125a，该被验光与上述参照光相互干涉，由此产生的干涉条纹通过干涉仪CCD摄像机131而被拍摄。而且，该被拍摄的干涉条纹信息输入到控制运算部151，其干涉条纹应该成为零条纹，向波阵面形状可变透镜115输出透镜形状控制信号，由此形成反馈控制。

即，波阵面形状可变透镜115通过该反馈控制使折射力分布变化，使输出的上述光束垂直入射到被验非球面透镜117的各表面位置。由此，被验光从这些各表面位置被垂直反射，沿与往路一致的路径行进到达半反射镜113a。并且，此时，从波阵面形状可变透镜115输出的光束的波阵面，即，波阵面形状可变透镜115的折射力分布对应于被验非球面透镜117的表面形状。从而，在成为上述光束垂直入射到被验非球面透镜117的各表面位置的状态时，基于从控制运算部151(波阵面形状可变透镜调节部件)对波阵面形状可变透镜115所输出的透镜形状控制信号，由控制运算部151(透镜形状运算部件)进行规定的运算，运算被验非球面透镜117的非球面表面形状。而且，基于从规定时刻到成为零条纹时刻为止的透镜形状控制信号值的总和，可以运算被验非球面透镜117的非球面表面形状。

接着，对上述的波阵面形状可变透镜115的具体的结构进行说明。例如，作为波阵面形状可变透镜115可以使用2液性透镜元件(two—liquid type lens element)，在该2液性透镜元件中，在光轴方向的两端面为透明的筒状容器中封入折射率互不相同的导电性水溶性液体和非导电性的油性液体，根据向上述容器的施加电压的变化，通过表面张力使水溶性液体和油性液体的分界面形状变化，而使折射力分布变化。具体地，例如，可以使用公知的荷兰飞利浦公司制造的Fluid Focus透镜。

而且，作为波阵面形状可变透镜115的其他的方式，例如可举出如下元件等：<a>液晶透镜元件，以光轴为中心按同心圆状对区域进行分割，根据施加电压的变化使上述被分割的各区域的特性变化，由此可以使折射力分布变化；<b>微细粒子电泳元件，由沿光轴方向配置的2个透明介质挟持将微细粒子分散在液体中形成的微细粒子分散液而构成，根据向上述微细粒子分散液的施加电压的切换，改变上述微细粒子分散液中的微细粒子的电泳的状态而使上述微细粒子分散液的折射率变化，由此可以使折射力分布变化；<c>液晶透镜元件，由与光轴方向邻接配置的两个介质构成，上述介质的至少一方由液晶元件构成，根据对上述液晶元件的施加电压的变化使上述一方的液晶区域的折射率变化，由此可以使折射力分布变化。

以上，对本发明的第3实施方式进行了说明，但是，本发明不限于上述实施方式，可以变更为各种方式。

例如，上述方式是使用高相干性光束的激光光束进行测量，例如，假设装置结构为等光程长型的麦克尔逊型，作为光源使用低相干性光束，从而可以排除光路中的其他面涉及的干扰干涉条纹。

并且，作为被验体，不限于上述非球面透镜，当然可以使用于球面透镜的测量，例如对反射镜等的透镜以外的光学元件的表面形状(球面、非球面、自由曲面等)也可以适用。

Claims (7)

1.一种光波干涉测量装置，其特征在于，具备：

光束分离合成机构，将来自光源的光束分为两部分，将一部分作为朝向被验体方向的第1光束，并且，将另一部分作为朝向参照体方向的第2光束，将上述第1光束的来自上述被验体的返回光和上述第2光束的来自上述参照体的返回光合成为干涉光，在被配置于规定位置的摄像体上形成基于上述被验体的表面形状信息的干涉条纹图像；

第1球面基准透镜，配置在上述光束分离合成机构和上述被验体之间且将与上述被验体相对的面作为第1基准球面，以使来自上述光束分离合成机构的上述第1光束入射到上述被验体的表面，并且使从上述被验体的表面反射的上述第1光束返回上述光束分离合成机构；和

第2球面基准透镜，配置在上述光束分离合成机构和上述参照体之间且具备与上述参照体相对的面是与上述第1基准球面相同的曲率的第2基准球面，以使来自上述光束分离合成机构的上述第2光束入射到上述参照体的表面，并且使从上述参照体的表面反射的上述第2光束返回上述光束分离合成机构；

上述被验体是应测量表面形状的非球面光学元件，上述参照体呈应作为上述被验体的基准的形状的非球面光学元件。

2.根据权利要求1所述的光波干涉测量装置，其特征在于，

上述光波干涉测量装置为等光程长型的麦克尔逊型。

3.根据权利要求1或2所述的光波干涉测量装置，其特征在于，

上述第1光束和上述第2光束通过光反射和光透射得以分离并合成的上述光束分离合成机构的分离面被设置在上述分光镜的单面，

上述分光镜构成为剖面是楔形状的板状。

4.根据权利要求3所述的光波干涉测量装置，其特征在于，

在上述分光镜的上述单面侧所射出的光束的光路中所配置的上述球面基准透镜和上述分光镜之间，配置有对上述第1光束和上述第2光束的光程长的差进行补偿的补偿板。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的光波干涉测量装置，其特征在于，

在上述参照体的表面附设有可变形镜。

6.一种光波干涉测量装置，其特征在于，具备：

光束分离合成机构，将来自光源的光束分为两部分，将一部分作为朝向被验体方向的第1光束，并且，将另一部分作为参照光生成用的第2光束，将上述第1光束的来自上述被验体的返回光即被验光和由上述第2光束生成的上述参照光合成为干涉光，在被配置于规定位置的摄像体上形成基于上述被验体的表面形状信息的干涉条纹像，上述被验体是应测量表面形状的非球面光学元件；

波阵面形状可变透镜，配置在上述光束分离合成机构和上述被验体之间，且使上述第1光束的输出波阵面形状变化，以使来自上述光束分离合成机构的上述第1光束以规定角度入射到上述被验体的表面各位置，使从上述被验体的表面各位置反射而成的上述被验光可返回上述光束分离合成机构；

波阵面形状可变透镜调节部件，向上述波阵面形状可变透镜送出使上述波阵面形状可变透镜的折射力分布变化的波阵面可变指示信号，使来自上述波阵面形状可变透镜的输出光束的波阵面形状变化，以便被形成于上述摄像体上的上述干涉条纹成为零条纹；和

透镜形状算出部，基于上述干涉条纹成为零条纹时向上述波阵面形状可变透镜送出的波阵面可变指示信号，运算上述被验体的表面形状。

7.根据权利要求6所述的光波干涉测量装置，其特征在于，

是通过将上述光束分离合成机构作为基准板、介由其一面所配置的基准面将上述第1光束及上述第2光束分离而成的斐索型。

Images