JP2000088550A

JP2000088550A - 波面変換素子

Info

Publication number: JP2000088550A
Application number: JP10263675A
Authority: JP
Inventors: Hajime Ichikawa; 元市川; Takashi Genma; 隆志玄間; Shigeru Nakayama; 繁中山; Tetsuji Konuki; 哲治小貫; Masami Ebi; 正美海老
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【解決すべき課題】干渉計測により非球面形状を計
測する場合、波面変換素子より射出される波面と被検面
とを光軸上で位置合わせすることが容易ではない。本願
はこの位置合わせを容易ならしめる波面変換素子を提供
する。【解決手段】被検面の位置を測定するための
波面変換素子が、幾何形状の変化率が異なる二つの状態
を持つようにした。また、このための手段として、異な
る波長の測定光を用いて異なる二つの幾何形状の変化率
を実現した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は原器を基準として
（この原器をレフ原器という）、レンズの面形状を比較
測定する際に用いる波面変換素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】非球面レンズの面形状を高精度に干渉計
測するための方法として、二波面ＭＺＰ（マスターゾー
ンプレート）を用いる方法が特開平６−１１３２３号公
報に開示されている。この方法では、一枚のＺＰ（ゾー
ンプレート）素子に、レンズ被検面の形状を計測するた
めの非球面波を発生させる形状測定用パターン、及び、
被検面をアライメントするための球面波を発生させるア
ライメント用パターンを設け、面形状を測定するための
測定予定位置で被検レンズの頂点近傍に球面波を集光さ
せることによって、被検面の形状測定に必要な被検面の
測定光軸方向の位置決めを被検レンズを極力動かさずに
行えるという特徴を有する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、形状測
定用パターンの有効領域内にアライメント用パターンが
存在する場合、形状測定時にアライメント用の波面がノ
イズとなるため、光路中に遮蔽物を挿入しなければなら
ず、形状測定不能領域が生ずる、即ち、被測定面全体の
測定が不可能になる。また、それを避けるために、形状
測定用パターンの有効領域外、すなわち、ＺＰ素子の外
周部にアライメントパターンを設けた場合にも、非球面
の形状によっては、予定測定位置での被検レンズの頂点
近傍に球面波を集光させるためには、アライメント用パ
ターンの線幅が非現実的な値となってしまうという問題
点があった。

【０００４】本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされ
たもので、被検面全体の形状測定が可能出来、製作が容
易で、被検面の測定光軸方向の位置決めを可能ならしめ
る波面変換素子の提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決する為の手段】本発明では、上記問題点を
解消するために以下の手段を用いている。第１の手段と
して、波面変換素子の光軸に沿って、幾何学形状の変化
率が異なる、少なくともふたつの状態を可能とするよう
にした。このふたつの状態での被検面の位置計測によっ
て正確に被検面を位置決め出来る。

【０００６】第２の手段として、第１の手段の幾何形状
の変化率が異なる状態を可能にするために異なる波長の
光を用いることとした。これにより容易に第１の手段が
実施される

【０００７】

【発明の実施の形態】従来の、同一波長のアライメント
光と測定光をひとつのゾーンプレートによって形成する
ことに代えて、本願発明での基本的な考え方は、レフ原
器を基準としたレフ減算を、異なる二つの幾何形状の変
化率を有する波面に対して、例えば二つの波長の測定光
に対して行うことにより被検面の測定光軸方向の位置決
めを可能ならしめる点にある。

【０００８】図１ａは、本発明の測定原理を説明するも
のである。先ず測定面として、レフ原器のレフ面、及
び、レンズの被検面の、二個の測定面を考える。そし
て、説明の明確化のため、レフ面が設計幾何学形状と寸
分違わず製造されているものと仮定する。一方、被検面
は製造誤差に伴い、レフ面と異なる幾何学形状を有する
ものとする。又、異なる幾何形状の変化率を有する二つ
の状態（波面）を形成する方法として、異なる波長を有
する測定光を用いる。

【０００９】図１ａの右上がりの直線１０１は、干渉計
から射出された測定光が、波面変換素子により、波面変
換素子の光軸方向の所定位置Ａ１において、レフ面の形
状とほぼ等しい（換言すれば、Ａ１にレフ面をおくと干
渉縞がほぼ縞一色になる）幾何学形状を有するヌル波面
に変換され、その所定位置Ａ１から変位するにつれて、
ヌル波面の幾何学形状が変化して行くことを、レフ面の
光軸上の位置（Ｂで表示）を横軸にその時計測されるア
ライメントずれ量を縦軸にして表している。なお、この
直線性は、光軸方向の微小変位に対してのみ成立する
が、通常の非球面形状において干渉縞が出来る領域は、
その前提を満たしている。

【００１０】さて、被検面はレフ面とは幾何学形状が異
なると仮定したため、Ａ１とは異なる光軸方向の位置Ｂ
１において、干渉縞密度が最小となる。逆に本発明にお
いては、幾何学形状の差異を干渉縞密度が最小点となる
光軸上の位置に差異と定義する。従って、干渉縞が縞一
色では無く、残存干渉縞が存在しても、その縞密度が最
小となる位置がＡ１のままで有れば、それは同一の幾何
学形状とする。

【００１１】この縞密度最小となるＡ１、Ｂ１の位置を
厳密に確定するためには所謂アライメント誤差補正が必
要であり、特願平−１８１３８で開示した演算手法はそ
の一例である。このアライメント誤差補正により、レフ
面はＡ１の位置に、被検面はＢ１の位置に、再現性良く
アライメントされる。ただし、測定面をレフ面から被検
面に交換した際に、両者の光軸方向位置が同じか否かの
判断能力は、通常の干渉計は持たないことに注意する必
要がある。それを明確にするために、被検面もまたＢ１
の位置で、干渉縞がほぼ縞一色の状態であったと仮定す
る。すなわち、ヌル波面１の直線１０１に沿って干渉計
測が可能な測定面は、同類項である。

【００１２】さて、図１ａの直線の傾斜（幾何学形状変
化率）が本発明のポイントであり、波面変換素子を設計
する際にヌル波面１が所望のヌル波面の形状となるにし
た波長を実際の測定に使用すると仮定すると、その時の
傾斜は１に等しい。なぜならば、例えばレフ面をＡ１
（光軸方向位置座標ｒ１）からＢ１（光軸方向位置座標
ｈ１）まで動かした場合、それが干渉縞の解析できる範
囲内であるならは、アライメント誤差補正により、アラ
イメントずれがｈ１−ｒ１であることが分かるからであ
る。以上で、第一の波長で定義されるヌル波面１に対す
る、レフ面、及び、被検面の挙動の説明を終わる。

【００１３】次に、第二の波長で定義されるヌル波面２
に対する説明を行う。先ず、図１ａでは、レフ面がヌル
波面２に対して縞密度最小となる位置も同様に、Ａ１に
確定されたと仮定している。この仮定は、あくまでも説
明の簡略化のために過ぎず、この状態は前記定義から、
Ａ１における残存干渉縞が二つの波長で異なることを暗
示している。光の直進性から、この波面の残存干渉縞
が、ヌル波面２の幾何学形状変化率が１から乖離させる
作用をもたらしている。したがって、幾何学形状が球面
の場合よりも非球面の場合の方が、容易にこの乖離を実
現できることが期待できる。この残存干渉縞の縞密度
は、干渉計に固有のダイナミックレンジ内にあると同時
に、充分に傾斜を１から乖離させる必要があり、両者は
トレードオフの関係にあることになる。

【００１４】被検面をヌル波面１に対してＡ１の位置に
アライメントした状態で、測定波長を１から２に切り換
えた時、図１ａのＢ１〜Ｂ２で表される残存干渉縞が観
測されることになる。この状態にヌル波面１の幾何学形
状で決まるアライメント誤差補正係数を用いてアライメ
ント誤差補正をかけると、光軸方向位置ｈ２に被検面が
位置していると判断してしまうことになる。１ａでは、
このｈ１−ｈ２の距離が、ヌル波面２の幾何学形状変化
率（直線１０２の傾斜）を決めている。

【００１５】このように、同一の測定面に対して波長を
違えた場合には、同一のヌル波面に対して測定面を違え
た場合と異なり、今度は当然のことながら、干渉計はこ
の位置の微妙なずれを読み取ることが可能となる。すな
わち、それぞれのヌル波面が安定していれば、両者の相
対関係が変わらないため、測定面をそれぞれのヌル波面
の幾何学形状で決まるアライメント誤差補正係数を用い
てアライメント誤差補正をかけることにより、両者の相
関がとれることになる。

【００１６】具体的には、測定面がレフ面の場合は、仮
定から、アライメント誤差補正係数は共通に設定しても
構わないため、光軸方向のアライメント誤差補正量（デ
フォーカス成分）で校正が可能である。また測定面が被
検面の場合には、ヌル波面１の幾何学形状で定まるアラ
イメント誤差補正係数を用いてアライメント誤差補正を
かけると、Ｂ２がＢ１の位置に補正でき、ヌル波面２の
幾何学形状で決まるアライメント誤差補正係数を用いて
アライメント誤差補正をかけると、Ｂ２がＢ３の位置に
補正できることになる。

【００１７】後者の場合、ヌル波面２の傾斜が１から大
きく乖離することにより、Ｂ３の光軸方向位置ｈ３がｈ
１から大きく外れる場合、翻って、元々残存干渉縞が大
きくてｈ２がｈ１から大きく乖離する場合、それらの位
置関係の読み取りは、レーザ測長器などの補助を用いる
必要が生じる。さて、二波長干渉計による測定が可能な
光軸方向の変位量は、前記説明から、ｈ１−ｈ２、若し
くは、ｈ３−ｈ１であることが分かった。この３点のＢ
ｉ（ｉ＝１〜３）で定義される三角形の大きさは、ｈ１
−ｒ１に比例することが、図１ａから容易に見てとれ
る。従って、事前にこの比例係数を校正して置けば、こ
の三角形から、レフ面と被検面の、光軸方向の変位量が
測定可能となる。

【００１８】以上のように、本発明の本質は、波面の幾
何学形状の光軸方向変化率（傾斜）が異なる少なくとも
二個の測定状態を可能ならしめる波面変換素子であり、
この状態を実現するための手段が、波長を違えることに
限定されるもので無いのは言うまでも無い。即ち、偏光
を利用しても良いし、等価な効果を有するような、光学
部材の抜き差し、若しくは、回転でも良い。これらの実
現性は光学検討により、容易に事前に確認が可能であ
る。

【００１９】図１ｂは、図１ａが成立する場合の測定配
置図である。図示しない干渉計から射出された平面の幾
何学形状を有する波面２０１は、波面変換素子２０３に
より、波面変換素子で定義できる光軸を中心とした回転
対称な非球面形状に変換されている。ヌル波面１は、波
長１の平面波が変換されたものであり、ヌル波面２は、
波長２の平面波が変換されたものである。レフ面はヌル
波面１、及びヌル波面２に対して、光軸方向位置Ａ１の
位置で縞密度最小となっている。被検面はヌル波面１、
及びヌル波面２に対して、光軸方向位置Ｂ１、及びＢ３
の位置で、それぞれ縞密度最小となっている。

【００２０】測定面の光軸方向位置は、要すれば、図示
しないレーザ測長器で読み取り可能となっている。波面
変化量次第では、アライメント誤差補正のみで対応可能
である。測定手順としては、先ず測定面としてレフ面を
設置し、二つの波長に対して干渉計測を行い、Ａ１の位
置を確定する。次に測定面を被検面に置き換え、Ｂ１〜
Ｂ２〜Ｂ３の変位量を測定する。そして、事前に校正し
た幾何学形状変化率を基に、Ａ１〜Ｂ１の距離を算出す
る。

【００２１】図２ａ，ｂは、図１ａ，ｂからさらに、レ
フ面の、ヌル波面１、及びヌル波面２に対する光軸方向
位置を違えた、より一般的な例である。この図を用い
て、前記幾何学形状変化率の校正手順を説明する。この
場合、レフ面、及び被検面の光軸方向位置は、適度に離
れているのと同時に、いずれの測定面も、ヌル波面１、
及びヌル波面２に対して縞密度が最小となるようにアラ
イメントした状態での残存干渉縞が、干渉計のダイナミ
ックレンジ内に収まるような、適切な幾何学形状を有し
ていることが望ましい。逆に、これが可能なように、ヌ
ル波面２の幾何学形状（を規定する第二の波長）を選定
して置く必要が有る。説明の一般性を持たせるために、
干渉計のダイナミックレンジが充分にはないものと仮定
する。

【００２２】先ず、ヌル波面１に対して、極力縞密度が
小さくなるようにレフ面をアライメントした状態がＡ１
であり、この状態で干渉計測データを得る。次に、ヌル
波面２に切り換えた状態がＡ２であり、仮定から干渉計
のダイナミックレンジが無いために、縞密度が大きすぎ
て測定不可能な状態である。そこで、この状態からレフ
面をＡ３の位置までレーザ測長器の値を頼りに変位さ
せ、さらにヌル波面２の幾何学形状で決まるアライメン
ト誤差補正係数を用いてアライメント誤差補正をかける
ことにより、最終状態Ａ３（ヌル波面２に対して、極力
縞密度が少なくなるようにレフ面をアライメントした状
態）の位置が決まり、ｒ１−ｒ３の値が求まる。

【００２３】このように、一つの共通した測定面（この
場合はレフ面）を介して、Ａ１の状態のヌル波面１の幾
何学形状と、Ａ３の状態のヌル波面２の幾何学形状が、
完全にトレーサブルとなることが分かる。同様の測定に
より、ｈ１−ｈ３の値が求まる。そして、ｈ１−ｒ１
は、別途レーザ測長器などにより測定することにより、
前記、比例係数が、［数１］比例係数＝（ｈ３−ｒ３）／（ｈ１−ｒ１）−
１で求まる。

【００２４】干渉計システムの図示しない演算装置は、
測定面の情報が予め入力され、演算に必要な係数を測定
に先立って演算し記憶しておく機能と、干渉計本体内の
干渉縞撮像手段（ＣＣＤカメラ）からの画像情報を光路
差データに変換する機能と、前記アライメント誤差補正
係数を基に光路差データを解析処理し、測定面の幾何学
形状誤差、及び面精度誤差を算出する機能と、測定結果
を表示する機能とを有する。

【００２５】測定面と干渉計の基準参照面からの反射光
が干渉縞を形成するように、図示しない保持調整機構に
より測定面のアライメントが行われる。アライメントは
干渉縞撮像手段からの信号を図示しないモニタに送り、
モニタ上の干渉縞を見ながら行われる。測定面は、図示
しない移動機構により、波面変換素子の光軸方向に移動
可能であり、その移動距離が検出手段により検出され
る。検出手段としては、レーザ測長器が一般的であり、
アッベ誤差を除くための配慮がなされている。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る波面変換素
子を採用すれば、球面、非球面を問わず、測定面を交換
した際の、波面に対する位置決めを、簡便に、かつ、高
精度に行うことが可能となる。また、波面変換素子とし
てＺＰを使用し、波長を違えることにより複数の測定状
態を実現する場合には、幾何学形状変化率の制御が容易
になると同時に、ＺＰの製造誤差の解析も可能となる利
点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施例の説明図である。

【図２】本発明に係る第２の実施例の説明図である。

【符号の説明】

１０１・・・・ヌル波面１に対する測定面の移
動量とアライメントずれ量１０２・・・・ヌル波面２に対する測定面の移
動量とアライメントずれ量（ただし、ずれの測定は波面
１のパラメータを用いる）Ａ１・・・・レフ面の波面１に対する、縞一
色状態位置Ｂ１・・・・被検面の波面１に対する縞密度
最小位置Ｂ２・・・・Ｂ１にある被検面の波面２に対
する縞状態より、波面１のパラメータによりアライメン
トずれ量より求めた時の位置Ｂ３・・・・被検面の波面２に対する縞密度
最小位置２０１・・・・干渉計よりの平面波２０３・・・・波面変換素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小貫哲治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)発明者海老正美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） 2F064 AA01 AA09 BB04 CC10 DD08 DD10 EE05 FF06 GG49 HH03 HH08 JJ01 2F065 AA02 AA06 AA20 AA53 BB05 BB22 CC22 DD00 EE00 EE05 FF11 FF52 FF61 GG04 GG23 JJ03 JJ26 LL42 PP02 PP11 QQ00 QQ23 QQ25 QQ26 SS02 SS11 TT02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】干渉計などから射出される位相の揃っ
た波面を測定面とほぼ等しい所望の幾何学形状に変換す
る波面変換素子であって、該波面変換素子の光軸に沿って、該幾何学形状の変化率
が異なる、少なくともふたつの状態を可能とすることを
特徴とする波面変換素子。
【請求項２】請求項１記載の波面変換素子であっ
て、波長を変えることにより該幾何学形状の変化率が異
なる状態を可能にしたことを特徴とする波面変換素子。