JP2000088545A

JP2000088545A - 非球面形状の計測方法

Info

Publication number: JP2000088545A
Application number: JP10260169A
Authority: JP
Inventors: Hajime Ichikawa; 元市川; Takahiro Yamamoto; 貴広山本; Yusuke Fukuda; 裕介福田; Takashi Genma; 隆志玄間; Shigeru Nakayama; 繁中山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、測定用光の波面形状と被検非球面の
形状との乖離により発生する残留収差を良好に補正し高
精度な非球面形状の計測方法の提供。【構成】測定用波面形成手段によって形成される所定の
計測用波面を持つ測定用光を被検非球面に照射して、該
被検非球面にて反射された前記測定用光と、所定の参照
用波面を有する参照用光とを互いに干渉させることによ
って生ずる干渉縞の状態に基づいて、前記被検非球面の
形状を計測する方法において、既知の被検非球面の概略
的な形状及び既知の計測用波面の形状に基づいて、前記
測定用光の波面形状と前記被検非球面の形状との乖離に
より発生する残留収差に関する誤差データを求め、前記
被検非球面にて反射された前記測定用光と、前記参照用
光とにより形成される複数の縞からなる干渉縞に基づい
て、前記被検非球面の形状に関する測定データを得て、
その前記測定データを前記誤差データで補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヌル干渉計、フィ
ゾー干渉計あるいはPoint-Diffraction-Interforometer
干渉計（以下、ＰＤＩ干渉計と呼ぶ。）等を用いて、非
球面の面形状を高精度に測定するための非球面形状の計
測方法等に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、非球面形状の計測には、ヌル素子
を用いた所謂ヌル干渉計測が行われている。このヌル素
子としては、主に球面で構成される球面レンズで構成さ
れたヌルレンズや、輪帯状の回折格子が平面板に形成さ
れたゾーンプレートが使用される。図７は、ヌルレンズ
を用いたヌル計測の測定配置図であり、フィゾー干渉計
測の変形版となる。即ち、干渉計１０から射出された平
面波は、フィゾー平面板１１に形成された高精度なフィ
ゾー面１１ａから反射光され、該平面波がヌル素子１２
により、測定の基準位置で所望の非球面設計形状に変換
された測定波面も、該基準位置にセットされた被検物１
３が有する被検面１３ａから反射され、それぞれの反射
光が、干渉計１０の内部に縞一色（所謂、ワンカラー）
の干渉縞を形成し、該干渉縞を図示しないＣＣＤなどの
検知器により検知し、得られた信号を干渉計の情報を処
理する情報処理システムにより解析するものである。ト
ワイマン・グリーン干渉計を用いても、同様の計測が可
能である。

【０００３】この縞一色の干渉状態での、非球面アライ
メント誤差補正に関しては、特願平９−０００７０３号
において提案している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、被検面
の非球面の形状によっては、前記ヌル干渉計測において
も、前記変換された測定波面の、被検面の形状からの乖
離が無視できない場合があることが、各種の実験及び解
析等によって判明した。この乖離は、ヌルレンズの設計
段階から存在する収差（設計残留収差）と、ヌルレンズ
の製造誤差により発生する収差（製造残留収差）の合成
された、所謂「残留収差」であり、この状態では、前述
の特願平９−０００７０３号において提案した縞一色の
干渉状態で適用される非球面アライメント誤差補正が、
そのままでは適用できないと言う問題点が有った。

【０００５】また、基準面を必要としない、ピンホール
による回折波面を基準とするPoint-Diffraction-Interf
orometer干渉計を用いて、ピンホールの回折により生じ
た理想的な球面波を基準波面として、一括全面測定する
場合、もしくは、被検非球面を複数の輪帯状の干渉計測
データを測定し、その重複領域を繋ぎあわせることによ
り全面の非球面形状を求める際にも、同様の問題点が有
った。

【０００６】本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされ
たもので、非縞一色の干渉状態において、測定用光が所
定の基準位置で形成する波面形状とその基準位置に設定
された被検非球面の形状との乖離により発生する残留収
差を良好に補正して、より一層、高精度な非球面を可能
とし得る非球面形状の計測方法を提供することを目的と
している。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明では、測定用波面形成手段によ
って形成される所定の計測用波面を持つ測定用光を被検
非球面に照射して、該被検非球面にて反射された前記測
定用光と、所定の参照用波面を有する参照用光とを互い
に干渉させることによって生ずる干渉縞の状態に基づい
て、前記被検非球面の形状を計測する方法において、前
記被検非球面の概略的な形状および前記測定用波面形成
手段によって形成される前記計測用波面の形状を予め得
る第１工程と、前記第１工程によって得られた前記被検
非球面の概略的な形状及び前記計測用波面の形状に基づ
いて、前記測定用光が所定の基準位置で形成する波面形
状と該基準位置に設定された前記被検非球面の形状との
乖離により発生する残留収差に関する誤差データを求め
る第２工程と、前記測定用光を前記被検非球面に照射す
ることにより前記被検非球面にて反射された前記測定用
光と、前記参照用光とにより形成される複数の縞からな
る干渉縞に基づいて、前記被検非球面の形状に関する測
定データを得る第３工程と、前記第３工程で求められた
前記測定データを前記第２工程で求められた誤差データ
で補正する第４工程とを有することを特徴とする非球面
形状の計測方法を提供する。

【０００８】これにより、測定用光が所定の基準位置で
形成する波面形状と該基準位置に設定された被検非球面
の形状との乖離により発生する残留収差が残存していた
としても、再現性良く高精度のもとで非球面干渉計測を
行うことが可能になる。請求項２に係る発明では、測定
用波面形成手段によって形成される所定の計測用波面を
持つ測定用光を所定の基準のレフ面を持つレフ原器に照
射して、該レフ面にて反射された前記測定用光と、所定
の参照用波面を有する参照用光とを互いに干渉させるこ
とによって生ずる複数の縞からなる干渉縞の状態に基づ
いて、前記レフ原器のレフ面の形状に関する第１測定デ
ータを求める第１工程と、前記測定用光を被検非球面に
照射することにより前記被検非球面にて反射された前記
測定用光と、前記参照用光とにより形成される複数の縞
からなる干渉縞に基づいて、前記被検非球面の形状に関
する第２測定データを得る第２工程と、前記第２工程で
求められた前記第２測定データから前記第１工程で求め
られた第１測定データを減算してレフ減算データを求め
る第３工程と、前記第３工程にて求められた前記レフ減
算データを予め求められた前記レフ面の絶対形状データ
で補正して補正データを得る第４工程と，前記第４工程
にて得られた前記補正データにアライメメント誤差補正
を施すために、前記補正データからアライメント誤差を
減算してアライメント誤差減算データを得る第５工程
と、前記第５工程で得られた前記アライメント誤差減算
データを、前記レフ面と前記被検非球面との光軸方向の
変移に相当する波面変化形状で補正する第６工程とを有
することを特徴とする非球面形状の計測方法を提供す
る。

【０００９】これにより、測定用光が所定の基準位置で
形成する波面形状と該基準位置に設定されたレフ原器の
レフ面の形状との乖離により発生する残留収差が残存し
ていたとしても、再現性良く高精度のもとで非球面干渉
計測を行うことが可能になる。また、測定波面に存在す
る偏りを容易に補正することも可能になる。また、請求
項３に係る発明では、前記測定用波面形成手段は、ヌル
光学系、フィゾー光学系および所定の微小開口を持つピ
ンホールミラーのうちのいずれか１つであることとした
ものである。すなわち、本発明では、非球面形状の計測
する際に、各種の干渉計を用いることが可能であり、ヌ
ル干渉計、フィゾー干渉計あるいはＰＤＩ干渉計等を用
いることができる。

【００１０】また、請求項３に係る発明では、前記請求
項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の非球面形状の
計測方法によって前記被検非球面を求めるための手順を
情報処理装置に実行させるためのプログラムが記憶され
た記録媒体を提供する。すなわち、請求項３に係る発明
による記録媒体を用いれば、ヌル干渉計、フィゾー干渉
計あるいはＰＤＩ干渉計からの出力に基づいて演算処理
等を実行する従来の情報処理装置によっても、再現性良
く高精度のもとで非球面干渉計測を行うことが可能にな
る。

【００１１】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態に係
る非球面形状測定装置の概略的構成を示している。図１
において、１００は干渉計、２００は演算処理装置（情
報処理装置）、３００はモニターである。干渉計１００
は、光学系１０１と、干渉系本体１０２と、干渉縞を撮
像するための干渉縞撮像装置（例えば、ＣＣＤカメラ）
１０３とを備え、干渉縞撮像装置１０３には、演算処理
装置２００及びアライメント用のモニター３００がそれ
ぞれ電気的に接続されている。

【００１３】図１に示す光学系１０１は、例えば、図３
（ａ）に示すヌル干渉を生成するための光学系、あるい
は図３（ｂ）に示すフィゾー干渉を生成するための光学
系で構成されている。ここで、図１に示す光学系１０１
が図３（ａ）に示すヌル干渉を生成するための光学系で
構成されている場合について説明する。

【００１４】光学系１０１は、図３（ａ）に示すよう
に、干渉系本体１０２からの平面波が入射されるフィゾ
ーフラット１と、フィゾーフラット１を通過した光束を
ヌル波面に変換する測定用波面形成手段としてのヌル素
子（ヌルレンズ）２とを備える。３はヌル素子２を通過
した光を反射する被検物体（被検レンズまたは被検反射
鏡）であり、その被検物体３には形状計測の対象となる
非球面形状の被検面３ａが形成されている。被検物体３
は不図示のホルダーによって保持されており、このホル
ダーは、被検物体３の被検面３ａを所定の位置に設定す
るために、光軸方向に沿って移動可能に設けられてい
る。なお、不図示のホルダーは、被検物体３に限らず、
後述する第２の計測の場合には、基準のレフ面を持つレ
フ原器も保持する。

【００１５】また、被検物体３の被検面３ａ（又はレフ
原器の基準のレフ面）の光軸方向での位置の計測は、不
図示の干渉計等の第１位置計測手段によって行われてお
り、この第１位置計測手段からの位置情報を含む出力信
号は、図１に示した演算処理装置２００に入力されてい
る。さらに、被検物体３の被検面３ａの頂点（又はレフ
原器の基準のレフ面の頂点）の位置の計測は、不図示の
オートフォーカス系等の第２位置計測手段によって行わ
れており、この第２位置計測手段からの位置情報を含む
出力信号も、図１に示した演算処理装置２００に入力さ
れている。

【００１６】後述するが、演算処理装置２００内部の補
正処理部では、第１及び第２位置計測手段からの被検物
体３の被検面３ａ及び被検面３ａの頂点（又はレフ原器
の基準のレフ面及びレフ面の頂点）の位置情報に基づい
て、被検物体３の被検面３ａ（又はレフ原器の基準のレ
フ面）のアライメント誤差等が補正される。干渉系本体
１０２からの射出された平面波は、フィゾーフラット１
の高精度平面１ａにおいて、参照波面を有する参照光と
しての反射光と計測光としての透過光とに分割される。
反射光は干渉系本体１０２に戻り、透過光はヌル素子２
を透過して計測用波面としてのヌル波面となる。ヌル波
面は被検物体３の被検面３ａにて反射された後、再び干
渉系本体１０２に戻る。

【００１７】干渉系本体１０２は、可干渉光の光源、ビ
ームエキスパンダ、ビームスプリッター等を内蔵し、高
精度平面１ａでの反射光（参照光）と、被検面３ａでの
反射光とが互いに干渉して形成された干渉縞を干渉縞撮
像装置１０３の撮像面に結像させる。干渉縞撮像装置１
０３は、撮像面に形成された干渉縞を撮像し、得られた
画像情報を演算処理装置２００及びモニター３００に出
力する。

【００１８】本発明の第１の手法による演算処理装置２
００は、被検非球面３ａの概略的な形状及びヌル素子２
の光学設計上において求められた所定の計測位置（被検
非球面３ａが設定される基準位置）でのヌル波面の形状
等の情報を不図示のコンソール等の入力手段を介して記
憶する記憶部、この記憶部からの記憶情報に基づいて所
定の基準位置で形成するヌル波面形状とその基準位置に
設定された被検非球面３ａの形状との乖離により発生す
る残留収差に関する誤差データを求める誤差データ算出
部と、干渉縞撮像装置１０３にて得られる被検非球面３
ａからの計測データ（生データ）及び誤差データ算出部
からの誤差データを取り込み、この２つの情報に基づい
て上記計測データを補正する（上記計測データから上記
誤差データ分を減算処理する）補正処理部と、この補正
処理部にて補正された計測データに基づいて被検非球面
３ａの形状を求める形状検出部を備えている。

【００１９】なお、上記補正処理部は、残留収差に関す
る誤差データによる補正に加え、さらに、不図示の位置
計測手段によって得られる被検物体３の設定誤差（光軸
方向のずれ、チィルト、横シフト等）に伴うアライメン
ト誤差に関する情報を取り込み、干渉縞撮像装置１０３
にて得られる被検非球面３ａからの計測データを補正す
ることもできる。

【００２０】また、本発明による第１の手法による演算
処理装置２００において、上記誤差データ算出部を取り
除き、外部の演算によって、被検非球面３ａの概略的な
形状及びヌル素子２の光学設計上において求められたヌ
ル波面の形状等の情報から残留収差に関する誤差データ
を求め、その誤差データを不図示のコンソール等の入力
手段を介して記憶部にて記憶させても良い。この場合、
補正処理部は、記憶部にて記憶された誤差データ及び干
渉縞撮像装置１０３にて得られる被検非球面３ａからの
計測データに基づいて、上記計測データを補正すること
ができる。

【００２１】また、本発明の第２の手法による演算処理
装置２００は、干渉縞撮像装置１０３にてそれぞれ得ら
れるレフ原器のレフ面の形状に関する第１測定データ及
び被検非球面の形状に関する第２測定データに基づい
て、第２測定データから第１測定データを減算してレフ
減算データを求めるレフ減算データ算出部と、そのレフ
減算データ算出部からのレフ減算データを取り込み，そ
のレフ減算データを予め求められた前記レフ面の絶対形
状データで補正して補正データを得る補正データ算出部
と、その補正データ算出部からの補正データを取り込
み，その補正データからアライメント誤差を減算してア
ライメント誤差減算データを得るアライメント誤差減算
データ算出部と、そのアライメント誤差減算データ算出
部からのアライメント誤差減算データを取り込み，その
アライメント誤差減算データを、前記レフ面と前記被検
非球面との光軸方向の変移に相当する波面変化形状で補
正する補正処理部と、この補正処理部にて補正されたデ
ータに基づいて被検非球面３ａの形状を求める形状検出
部を備えている。

【００２２】なお、本発明の第２の手法による演算処理
装置２００は、前述した第１及び第２位置計測手段によ
って得られる被検物体３又はレフ原器の設定誤差（光軸
方向のずれ、チィルト、横シフト等）に伴うアライメン
ト誤差に関する情報を取り込み、干渉縞撮像装置１０３
にて得られる被検非球面３ａからの計測データを補正し
ている。〔本発明による非縞一色干渉計測用アライメント誤差補
正の説明〕以下、図２を用いて本発明のアライメント誤
差補正について説明する。図２は、前述した残留収差が
小さく、被検面の全面の干渉縞の解析が一括して可能な
場合である。

【００２３】図２の「ＮＵＬＬ１」は、ヌル素子により
形成された非球面形状であり、該非球面形状の頂点の、
ヌル素子からの光軸方向の位置が、基準位置として別途
校正された、既知のヌル波面形状である。「ワーク＠
１」は被検物の有する非球面の形状であり、略設計形状
に形成された既知の形状である。また、加工途中で該設
計形状からの乖離が大きい場合には、別途、座標測定器
等の形状計測装置によりその概略形状（面精度を規定す
る形状）を予め測定することにより、既知とすることが
可能である。

【００２４】このような測定の場合、図２の基準位置に
被検非球面の頂点をセットしても、測定波面と被検面が
形状に乖離を生じる為、干渉計測において、主に輪帯状
の残存干渉縞が観測されることになる。この乖離形状を
残留収差形状と称することとする。この残留収差形状
は、前述した通り、既知の「ワーク＠１−ＮＵＬＬ１」
の形状誤差を、該残存干渉縞を解析する際に、予め減算
しておくことにより、被検面の所望の設計形状からの乖
離の内、偏りの成分が除かれ、面精度データが得られ
る。

【００２５】通常の干渉縞を解析と同様、実際にワーク
を基準位置にセットする際に、ワークの非球面軸をヌル
波面の非球面軸に、また、ワークの頂点を基準位置に、
それぞれ厳密に合致させるのは困難であり、さらには、
ドリフト等により被検面のセッティング状態は常に変化
を受けるため、そのアライメントずれに起因するアライ
メント誤差収差が、上記面精度データには含まれてい
る。この誤差はソフトで補正し、これがアライメント誤
差補正である。

【００２６】図２では、非球面軸は合致したが、光軸方
向にΔＺだけ変位した位置に「ワーク＠２」としてセッ
トされた例であり、ワークの形状は当然変わらない。こ
の場合、「ワーク＠２」の頂点を通るヌル波面「ＮＵＬ
Ｌ２」は、「ＮＵＬＬ１」と比較して、その形状が、頂
点を合致させた状態で「ΔＮＵＬＬ＝ＮＵＬＬ２−ＮＵ
ＬＬ１」の波面変化を受けるため、このデフォーカスの
補正が必要となる。実際には更に、被検面のアライメン
トずれとして、ティルト、及びシフトの姿勢変化を被検
面が受けるため、その補正も同時に必要となる。これら
の補正を干渉縞を解析する際に施すことにより、簡便に
データの再現性を得ることが可能となる。図２ではさら
に、被検面の観測領域も変化する（図では拡大する）こ
とによる干渉計倍率の変化も受ける。干渉計倍率とは、
ＣＣＤが観測する被検面上の領域が、１画素当たり何mm
に相当するかと言う値である。また、ＣＣＤは通常等ピ
ッチに形成されているが、この等ピッチ性が被検面上を
サンプリングする際に歪む（ディストーションを受け
る）。これらの横座標歪みの補正は、ΔＺが小さい（干
渉縞の縞密度が検知器であるＣＣＤの分解能を超えな
い）場合には、通常は無視しても良い。

【００２７】アライメント誤差補正を適用するためのア
ライメント誤差収差の求め方は、前述した特願平９−０
０７０３に開示している。この開示例では、光軸方向の
被検面のずれ（デフォーカス量）ΔＺが小さい場合であ
る。この場合、デフォーカスに関しては、横座標の補正
は省略して、規格量だけΔZ を与えた場合のヌル波面変
化を計算している。また、ティルト、及びシフトに関し
ても、基準位置から光軸方向には位置変化を受けないと
して、設計形状を、その頂点を基準として規格量だけΔ
Ｔ／ΔＳさせることにより、元の位置の設計形状からの
乖離を計算している。

【００２８】アライメント誤差補正の演算としては、前
述したように、残存干渉縞を解析することにより得られ
た生データから、この生データの干渉計倍率を考慮して
該残留収差形状を減算し、得られた面精度データに対し
て、事前に計算したアライメント誤差収差を最小自乗法
で最適フィッティングし、アライメントずれ量を算出す
ると共に、フィッティングで除去しきれない残差を、真
の被検面の面精度（ヌル波面の面精度誤差が無いとした
場合）とするものである。〔非縞一色干渉計測用アライ
メント誤差補正の第一の実施例の説明〕図３（ａ）は、
本発明の第一の実施例であり、ヌル波面として集光レン
ズ２により生成された球面波を用い、球面波からの乖離
が少ない微小非球面（例えば、基準球面に対して数十ｎ
ｍ以下の微小量だけ変位した非球面）を干渉計測する場
合である。図２と同様、残留収差が小さく、被検面３ａ
の全面が一括測定可能な場合である。

【００２９】この場合、ティルト／シフトによるアライ
メント誤差収差の作成は前述した通り、非球面の設計形
状（もしくは、加工段階で測定された座標測定器デー
タ）を用いれば良い。また、デフォーカスによる波面変
化は、基準位置での球面の形状を用いれば良い。さら
に、残留収差の扱いに関しても、図２の場合と同様であ
る。

【００３０】なお、ティルト／シフトに関しては、ティ
ルト誤差とシフト誤差の分離の問題がある。即ち、非球
面のヌル波面に対して非球面の被検面をアライメントす
る場合、非球面の最適近似球面の球心を中心に被検面に
回転を与えるように、被検面にティルト／シフトの操作
を加えると、一般にコマ収差が観測される。この収差形
状に対して、ティルト／シフトのフィッティングを行う
ため、非球面量が小さく球面からの乖離が小さい場合に
は、この分離が困難になる。また、空気揺らぎ等の環境
擾乱に起因する誤差が、この分離誤差に影響を与える場
合がある。この時、ティルト誤差がシフト誤差と誤認さ
れると、例えば、オートアライメントにより随時、この
アライメントずれを無くすように再アライメントする場
合、実際にシフトを与えることによる、アパーチャの変
化が被検面に対して発生し、オートアライメントの収束
性を劣化させる場合がある。特に、アパーチャ周辺部
に、被検面が縁上がり／縁下がり等のくせを有する場合
である。

【００３１】これを避けるために、通常の球面測定と同
様、シフトのフィッティングは施さずに、ティルトとデ
フォーカスのみのアライメント誤差補正を施しても良
い。この場合のティルト誤差収差の計算は、非球面形状
に対して行うが、簡便に通常の球面の誤差補正を施して
も良い。この例では、被検面の有効領域（光学的に面精
度が要求される領域）の全面一括測定が可能と言う前提
であり、アパーチャの確定は外周基準で行っても極端な
誤差は生じない。

【００３２】また、図３（ｂ）は、本発明の第一の実施
例の変形例であり、フィゾーレンズ４により生成された
球面波を用い、球面波からの乖離が少ない微小非球面
（基準球面に対して数十ｎｍ以下の微小量だけ変位した
非球面）を干渉計測する場合である。なお、図３（ｂ）
に示す例が図３（ａ）の例と比べて構成上において異な
る点は、図３（ａ）に示すフィゾーフラット１とヌル素
子２の代わりに、フィゾーレンズ４を設けた点である。
この相違点以外は、図３（ａ）に示す例と同じであり、
図１に示す構成も同じである。

【００３３】さて、図３（ｂ）に示す例では、図３
（ａ）と同様、残留収差が小さく、被検面の全面が一括
測定可能な場合である。この場合のアライメント誤差補
正に関しては、図３（ａ）と同様であるが、残留収差を
含めた光軸方向の扱いに別の考えを導入することとす
る。図における測定波面は、被検面の非球面のＺ軸（光
軸）方向の乖離の自乗和が最小となる、所謂「最適近似
球面」を表している。この測定波面の曲率半径の求め方
としては、図の点線の位置被検面の頂点とフィゾーレン
ズの集光点を合致させた、頂点反射による干渉計測状
態）まで被検物を光軸方向に移動させ、該被検面の移動
距離を図示しない測長手段により検出することにより、
該曲率半径が求まる。ただし、実際には被検非球面に
は、残留収差として、測定波面（球面）からの乖離が存
在するため、図の「ｇ」の値は、求まった被検面の面精
度データから読み取り、該移動距離にフィードバックさ
せる必要がある。〔非縞一色干渉計測用アライメント誤差補正の別の形態
の説明〕以下、図４を用いて本発明のアライメント誤差
補正の別の形態について説明する。図４も、前述した残
留収差が小さく、被検面の全面が一括測定可能な場合で
ある。

【００３４】図４の「ＮＵＬＬｒｅｆ」は、ヌル素子に
より形成された非球面測定波面形状の頂点の、ヌル素子
からの光軸方向の位置が、基準位置として後述するレフ
原器により校正された、ただしその面精度は未知のヌル
波面形状である。「Ｒｅｆ面形状」は座標測定器等によ
り正確にその形状成分が校正されたレフ原器の有する非
球面形状であり、設計形状からの乖離が正確に把握され
ていると共に、該基準位置で干渉計測が可能となるよう
に形成されている。

【００３５】図４の「ＮＵＬＬｗｏｒｋ」は、該基準位
置から光軸方向にΔＺだけ変位した位置を頂点とする、
測定波面形状であり、「ワーク面形状」は、被検物が有
する被検面の形状である。被検物を変位はさせる理由
は、例えば、ワーク面形状の中心Ｒがレフ面形状の中心
Ｒと大きく異なるために、該基準位置に被検面をセット
しても縞密度が大きくなりすぎ、干渉縞の解析が不可能
となる場合である。この時は、図のように被検物を光軸
方向にΔＺだけ変位させることにより、縞密度を小さく
なる最適位置まで変位させ、このΔＺを図示しない測長
手段により測定すると共に、干渉計測を行う。

【００３６】この前提では、ヌル波面の面精度誤差は不
明であるが、ワーク面形状の計測データを解析する際
に、レフ面形状の計測データを減算することにより、図
から明らかなように、ヌル波面の面精度誤差が相殺され
る。特にヌル波面のドリフトによる誤差を除去するのに
通常用いられる測定手法であり、アライメント誤差補正
を施さない、生データ同士を減算することにより、精度
向上が図られる。

【００３７】ただし、ワーク面形状の干渉計測を行う際
に、前述した通り、ヌル波面変化「ΔＮＵＬＬ＝ＮＵＬ
Ｌｗｏｒｋ−ＮＵＬＬｒｅｆ」を受けると同時に、干渉
計倍率が変化し、この変化はさらに被検面の形状によっ
ても異なる。例えば、特開平１０−２２１０３１号公報
にて「カメラのアライメント誤差補正」に関して開示し
たような場合や、凸面の被検面の形状測定を凹面のレフ
面で校正するような、意図的にレフ原器の形状をワーク
（設計）形状から乖離させて設定する場合（ΔＺが大き
い場合）は、この補正が必須となる。

【００３８】この補正を行うために、事前に例えば座標
測定器等により正確にレフ面の形状を校正しておく必要
がある。この時、被検物が変わっても随時、該ΔＺさえ
正確に測定しておけば、該基準位置でのヌル波面形状：
ＮＵＬＬｒｅｆとともに、レフ面形状の干渉計測データ
の干渉計倍率を基準として、被検面形状の干渉計測デー
タの干渉計倍率も正確に求まる。

【００３９】この実施例におけるアライメント誤差補正
の演算を行うための、事前の誤差補正データの作成手順
は以下の通りである。先ず、ＮＵＬＬｒｅｆを元に、Δ
Ｚに対応するヌル波面形状：ＮＵＬＬｗｏｒｋを計算す
る。これは、ΔＺが大きい場合の非線形性に起因して、
デフォーカスのアライメント誤差収差を計算するのに、
前述した、ＮＵＬＬｒｅｆを元にΔＮＵＬＬを規格化し
たアライメント誤差収差を、ＮＵＬＬｗｏｒｋにそのま
ま適用するのは、精度が劣化するためである。それを避
けるために、ＮＵＬＬｒｅｆを真値として計算したＮＵ
ＬＬｗｏｒｋを元に、ΔＮＵＬＬを規格化したアライメ
ント誤差収差を演算するものである。

【００４０】このＮＵＬＬｗｏｒｋを計算する際に、Ｎ
ＵＬＬｒｅｆにおけるＸＹ平面において等ピッチ座標上
のＺデータは、波面が等位相進んだＮＵＬＬｗｏｒｋに
おいては、ＸＹ座標の等ピッチ性が崩れてしまう。この
回転対称なディストーション誤差を補正するために、等
ピッチに補間を施すことにより、ＮＵＬＬｗｏｒｋの計
算式を得ても良いし、このＮＵＬＬｗｏｒｋの歪み座標
データに対して補間を施すこと無く、適切な次数の多項
式に最小自乗フィッティングを掛ける、補間レス最適フ
ィッティングを施すことにより、ＮＵＬＬｗｏｒｋの計
算式を得ても良い。

【００４１】また、複雑にはなるが、このようにして正
確に計算されたＮＵＬＬｗｏｒｋを元にΔＮＵＬＬを規
格化した、アライメント誤差収差の非線型性を関数化し
ておいても良い。ティルト／シフトに関しては、ワーク
形状の造り込みが不完全で設計形状から極端に乖離する
ような場合を除き、設計形状を基準に計算すれば良い。
この実施例における演算は、アライメント誤差補正を含
め、以下の通りである。

【００４２】先ず、前述したレフ面の干渉計測データを
生データとして、干渉計の干渉縞を解析するための情報
処理システムである演算器に記憶しておく。次に、被検
面の干渉計測データ（生データ）を測定する際に、同時
に、記憶されたレフデータ（生データ）を減算し、残留
収差も含むヌル波面の面精度誤差を除去した、略縞一色
のレフ減算データを得る。

【００４３】そして、このレフ減算データの干渉計倍率
を、ΔＺから確定し、ＣＣＤが被検面投影座標上を等ピ
ッチにサンプリングしない、所謂「サインコンディショ
ン歪み（回転対称なディストーション）」の横座標誤差
の補正と併せて、収差方向の変換である、縦座標の補正
も行う。最後に、ワーク位置基準のアライメント誤差補
正を施し、さらには、波面平均化等の演算操作により測
定再現性が確保出来た段階で、ヌル波面変化：ΔＮＵＬ
Ｌを補正するものである（ヌル波面変化がドリフトの影
響を受けない場合）。

【００４４】なお、サインコンディション歪みの補正に
関しては、測定されるアパーチャ（外径）で規格化され
た関数を使用した場合、被検面の形状に依存して生じる
光軸方向の変化ΔＺに伴い発生する横座標歪と併せて、
サインコンディション歪みの補正係数が変化してしま
う。このサインコンディション歪みの補正を簡便にする
ために、アライメント誤差補正データを逆に、図５の平
面波２（もしくは、さらにＣＣＤ上）における等ピッチ
座標データに随時変換して、前記レフ減算データにアラ
イメント誤差補正を施しても良い。また、このサインコ
ンディション歪みの補正係数を重みとして、補間レスフ
ィッティングを併用しても良い。

【００４５】また、図５に示すような、レフ形状の絶対
形状誤差（ｄａｔａＲ）の絶対値を補正する場合には、
この補正を有効に作用させるために、ｄａｔａＲの縦横
座標の整合性をとる必要がある。縦座標に関しては、通
常ｄａｔａＲが、座標測定器によるＸＹＺ直交座標上の
測定データであるため、収差方向の変換が必要である。
また、レフ面の干渉計データに含まれるｄａｔａＲの形
状誤差を、ワーク面の干渉計データと対応付けために、
ｄａｔａＲの横座標と、ワーク面形状の干渉計測データ
の横座標との合わせが必要になる。〔非縞一色干渉計測用アライメント誤差補正の第二の実
施例の説明〕測定波面として球面波を用いるものの、第
一の実施例と異なり、残留収差が大きく、被検面全面の
一括測定が不可能な場合である。また、球面波の発生手
段として、ＰＤＩ干渉計による理想的な球面波を用いる
こととする。

【００４６】ここで、図６にはＰＤＩ干渉計の概略的構
成を示している。図６に示すように、レーザ光源２１と
被検物体２４との間には、所定の微小開口を有するピン
ホールミラー１３が配置されている。光源１から被検物
体２４へ至る光軸と所定の角度（９０°より小さい）を
なす光軸上に干渉縞を撮像するための干渉縞撮像装置
（例えば、ＣＣＤカメラ）２７が配置されている。レー
ザ光源２１から供給される光はレンズ２２で集光され、
ピンホールミラー２３の開口部を照射する。そして、光
の１部はピンホールミラー２３の開口部を通過し、回折
作用によって理想的な球面波として広がっていく。この
球面波の１部が測定用光束として被検物体２４の被検面
としての微小非球面２４ａに照射され、この微小非球面
２４ａで反射されてピンホールミラー２３に集光され
る。測定用光束はさらにピンホールミラー２３で反射さ
れて、レンズ２６で平行光束に変換されて干渉縞撮像装
置２７の撮像面に到達する。

【００４７】また、ピンホールミラー２３を通過して回
折により広がった理想的な球面波はの他の１部は、参照
光束としてレンズ２６で平行光束に変換されて干渉縞撮
像装置２７の撮像面に到達する。干渉縞撮像装置２７の
撮像面では、参照用光束と微小非球面２４ａで反射され
た計測用光束とが互いに干渉して干渉縞が形成される。
そして、不図示ではあるが、図１に示した同様な演算処
理装置にて微小非球面２４ａの形状が検出される。な
お、被検物体２４は、不図示のホルダーによって保持さ
れ、また、不図示の位置検出手段によって被検物体２４
の位置（例えば、光軸方向の位置）は検出されており、
この被検物体２４の位置情報は不図示の演算処理装置へ
入力されている。

【００４８】さて、図６に示すＰＤＩ干渉計の場合、ア
ライメント誤差補正に関しては、第一の実施例と同様で
あるが、被検面の全面が一括測定できないため、例えば
被検面を、図３と同様に光軸方向にデフォーカスさせ、
観測できる領域を、例えば中央部から周辺部にかけて、
輪帯状に変位させて干渉計測を行い、それぞれの重複す
る領域を矛盾無く繋いで行く手法（輪帯波面合成）を適
用することにより、全面のデータを得ることが可能とな
る。

【００４９】ＰＤＩ干渉計を用いた場合、各部分データ
の測定波面（球面波）の曲率半径の絶対値を特定するの
は、図３（ｂ）のような頂点反射が利用できないため、
例えば、別途正確に測定された曲率半径を有するダミー
球面との比較測定を利用する等の、別の手法が必要とな
る。また、測定球面波のサインコンディション歪みが無
い場合でも、被検面を光軸方向に動かすと言うことは、
各部分データの、前述した最適近似球面の曲率半径が異
なることになり、各部分データをＣＣＤがマッピングす
るＸＹ平面投影座標上での間隔も異なることになり、各
部分データの重複領域の共通領域も、干渉計データとし
ては異なる倍率を有していることになる。

【００５０】図２を用いて換言すれば、各部分データの
重複領域の相関をとる方法としては、発明の別の形態で
述べた生データ同士の減算は、ＣＣＤの画素が、ΔＺの
変位により被検面上の異なる点をマッピングするため、
ＰＤＩのような理想的な球面波が利用できない場合は得
策では無い。ΔＺに対応した干渉計倍率を用いて、各デ
ータから残留収差を正確に補正するとともに、横座標の
整合性も正確にとり、その上で、２個の干渉計測データ
の重複領域を確定し、その差分データをとった方が汎用
性がある。

【００５１】ＰＤＩ干渉計を用いる場合の最大の利点
は、測定波面が理想的であるため、この差分データに測
定波面の誤差に起因する繋ぎ誤差が混入することを防ぐ
ことが出来る点である。それ以外の、参照波面に誤差が
混入した状態での干渉計（例えば、フィゾー干渉計）を
用いる場合には、例えば特願平１０−１３４８４８号に
て提案したような絶対校正を行う必要がある。

【００５２】さて、重複領域を矛盾無く繋ぎあわせる手
順は以下の通りである。参照波面にはＰＤＩ干渉計を用
いることにより、誤差が無いとして説明する。前記、重
複領域の差分データは、アライメント誤差収差に、空気
揺らぎ等に起因するランダム誤差が重畳したものにな
る。したがって、このランダム誤差さえ小さく押さえれ
ば、この差分データにアライメント誤差補正を掛けるこ
とにより、２個のデータのアライメントずれを高精度に
演算することが可能となる。このアライメントずれ量
を、片方（例えば中央部）の干渉計測データを基準とし
て、もう一方の輪帯状データの全面にアライメント誤差
収差を重畳させることにより、２個のデータが矛盾無く
繋がる。

【００５３】なお、２個の干渉計測データの位置合わせ
は、ΔＺの把握による干渉計倍率の合わせを行っておけ
ば、最小自乗法によりフィッティングが可能である。例
えば回転対称な製造上の形状誤差を基準に中心合わせの
フィッティングが可能であり、これにツェルニケ係数に
展開されたランダム誤差を基準として併用しても良い
し、さらには同時に、倍率フィッティングを適用するこ
とも可能となる。このようにして、例えば２個の干渉計
測データの、重複領域を正確に確定することが可能とな
る。

【００５４】以上の説明は、被検面の頂点を基準として
残留収差を各部分データから予め取り除いたデータに対
する処理手順であるが、各部分データの残留収差を規定
する最適近似球面の相関をとることにより、繋ぎ合わせ
を行っても良い。即ち、各最適近似球面の球心の相関
は、被検面（もしくは、点光源）の移動量と、より厳密
には加えて、アライメント誤差補正により求まるアライ
メントずれ量とから、求まる。そして、各最適近似球面
の曲率半径の相関は、各データの重複領域の差分データ
から算出したアライメントずれ量（主にデフォーカス成
分）から求まる。したがって、例えば中央部の部分デー
タから順次繋ぎ合わせることが可能となる。

【００５５】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る非縞一色干
渉計において残留収差による誤差補正を採用すれば、非
縞一色の干渉状態での非球面干渉計測を、短時間にかつ
高精度に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る非球面形状測定装置
の概略的構成を示す図である。

【図２】本発明に係る非縞一色干渉計測用アライメント
誤差補正の原理説明図である。

【図３】（ａ）は本発明の第１の実施例に係るヌル干渉
を生成させるための光学系の構成を示す図、（ｂ）は本
発明の第１の実施例の変形例に係るフィゾー干渉を生成
させるための光学系の構成を示す図である。

【図４】本発明に係る非縞一色干渉計測用アライメント
誤差補正の別の形態の説明図である。

【図５】本発明に係る非縞一色干渉計測用アライメント
誤差補正のさらに別の形態の説明図である。

【図６】本発明の別の実施の形態に係るＰＤＩ型干渉計
型の非球面形状測定装置の概略的構成を示す図である。

【図７】本発明に係る従来例の説明図である。

【符号の説明】

１・・・・・・・・フィゾー平面板１ａ・・・・・・・・フィゾー面２・・・・・・・・ヌル素子３ａ・・・・・・・・測定波面３・・・・・・・・被検物１００・・・・・・干渉計１０３・・・・・・干渉縞撮像装置（ＣＣＤカメラ）２００・・・・・・演算処理装置（情報処理装置）３００・・・・・・モニター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者玄間隆志東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内 (72)発明者中山繁東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内Ｆターム(参考） 2F065 AA46 AA51 BB05 CC21 DD06 EE08 FF01 FF52 FF61 FF67 GG04 JJ03 JJ19 JJ26 LL00 LL09 LL10 PP12 QQ18 QQ23 QQ25 QQ42 RR08 SS11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定用波面形成手段によって形成される所
定の計測用波面を持つ測定用光を被検非球面に照射し
て、該被検非球面にて反射された前記測定用光と、所定
の参照用波面を有する参照用光とを互いに干渉させるこ
とによって生ずる干渉縞の状態に基づいて、前記被検非
球面の形状を計測する方法において、前記被検非球面の概略的な形状および前記測定用波面形
成手段によって形成される前記計測用波面の形状を予め
得る第１工程と、前記第１工程によって得られた前記被検非球面の概略的
な形状及び前記計測用波面の形状に基づいて、前記測定
用光が所定の基準位置で形成する波面形状と該基準位置
に設定された前記被検非球面の形状との乖離により発生
する残留収差に関する誤差データを求める第２工程と、前記測定用光を前記被検非球面に照射することにより前
記被検非球面にて反射された前記測定用光と、前記参照
用光とにより形成される複数の縞からなる干渉縞に基づ
いて、前記被検非球面の形状に関する測定データを得る
第３工程と、前記第３工程で求められた前記測定データを前記第２工
程で求められた誤差データで補正する第４工程とを有す
ることを特徴とする非球面形状の計測方法。
【請求項２】測定用波面形成手段によって形成される所
定の計測用波面を持つ測定用光を所定の基準のレフ面を
持つレフ原器に照射して、該レフ面にて反射された前記
測定用光と、所定の参照用波面を有する参照用光とを互
いに干渉させることによって生ずる複数の縞からなる干
渉縞の状態に基づいて、前記レフ原器のレフ面の形状に
関する第１測定データを求める第１工程と、前記測定用光を被検非球面に照射することにより前記被
検非球面にて反射された前記測定用光と、前記参照用光
とにより形成される複数の縞からなる干渉縞に基づい
て、前記被検非球面の形状に関する第２測定データを得
る第２工程と、前記第２工程で求められた前記第２測定データから前記
第１工程で求められた第１測定データを減算してレフ減
算データを求める第３工程と、前記第３工程にて求められた前記レフ減算データを予め
求められた前記レフ面の絶対形状データで補正して補正
データを得る第４工程と，前記第４工程にて得られた前
記補正データにアライメメント誤差補正を施すために、
前記補正データからアライメント誤差を減算してアライ
メント誤差減算データを得る第５工程と、前記第５工程で得られた前記アライメント誤差減算デー
タを、前記レフ面と前記被検非球面との光軸方向の変移
に相当する波面変化形状で補正する第６工程とを有する
ことを特徴とする非球面形状の計測方法。
【請求項３】前記測定用波面形成手段は、ヌル光学系、
フィゾー光学系および所定の微小開口を持つピンホール
ミラーのうちのいずれか１つであることを特徴とする請
求項１または請求項２に記載の非球面形状の計測方法。
【請求項４】前記請求項１乃至請求項３のいずれか１項
に記載の非球面形状の計測方法によって前記被検非球面
を求めるための手順を情報処理装置に実行させるための
プログラムが記憶された記録媒体。