JP2001227908A - 光学測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】対向する２つのレンズ面の面形状を２つの光学
ヘッドを用いて同時に高速度に計測することができる光
学測定装置を得ること。 【解決手段】光学部材の面情報を干渉を利用して測定す
る光学ヘッドを該光学部材の対向する少なくとも２つの
面に各々１つずつ設けた光学測定装置において、各光学
ヘッドの光路中又は各光学ヘッドから該光学部材の各面
までに至る光路中に、互いに偏光方位を直交させた位相
板を配置し、一方の光学ヘッドからの光束が他方の光学
ヘッドの光検出手段に入射しないようにしていること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光を利用して、光学
面の面形状等を測定する光学測定装置に関し、例えばフ
ィルム用カメラ，ビデオカメラ，半導体製造装置等の光
学機器に用いられるレンズ，プリズム等の光学部材の面
形状を計測する際に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、カメラや半導体機器等の高精
度の光学機器に用いられるミラーや、レンズの面形状を
計測・評価する手段としては光波干渉計が広く用いられ
ている。このうちレンズのように両面形状を測定する場
合、一般的には被測定レンズの第１面を測定した後、被
測定レンズを反転させて第２面を測定している。

【０００３】しかしながら、非常に高精度に製造された
レンズの場合、レンズの測定位置を反転させて保持し直
すとレンズの形状が変化する場合がある。

【０００４】特にレンズを水平に保持した場合には反転
することで重力方向が逆になるため、自重変形分が誤っ
て測定されてしまう場合がある。

【０００５】これに対して本出願人は特開平１１−５１
６２４号公報において、２つの測定ヘッドを対向させて
配置し、レンズの保持状態を変えないで両面を測定する
面形状測定装置を提案している。

【０００６】具体的には、被測定物を対称軸回りに移動
可能な割り出しテーブルと被測定物の対称軸に直交する
方向に移動可能な直線スライダと、該直線スライダ上に
あって、該被測定物の対称軸と直線スライダの移動軸に
直交する軸廻りに回転可能な回転テーブルと、該回転テ
ーブル上にあって被測定物表面までの距離を光学的に測
定する測定ヘッドを有し、該被測定物の表面形態を該直
線スライダの位置と該回転テーブルの回転角と該測定ヘ
ッドからの測定距離、そして該割り出しテーブルの回転
角の４つの測定データから演算により求めている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本出願人が先に提案し
た、対向する２頭の測定ヘッドを用いた面形状測定装置
の構成において、両面を同時に測定する、または片面づ
つ測定する時でも被測定面側のデータを振動補正などに
用いる場合、互いに反対側の測定ヘッドからの透過光が
反射測定光に混入すると、測定不能もしくは著しい測定
誤差を引き起こす場合がある。

【０００８】本発明は、レンズ，プリズム等の光学部材
の両面の面形状を同時に高精度に測定することができる
光学測定装置の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の光学測
定装置は、光学部材の面情報を干渉を利用して測定する
光学ヘッドを該光学部材の対向する少なくとも２つの面
に各々１つずつ設けた光学測定装置において、各光学ヘ
ッドの光路中又は各光学ヘッドから該光学部材の各面ま
でに至る光路中に、互いに偏光方位を直交させた位相板
を配置し、一方の光学ヘッドからの光束が他方の光学ヘ
ッドの光検出手段に入射しないようにしていることを特
徴としている。

【００１０】請求項２の発明の光学測定装置は、光学部
材の面情報を干渉を利用して測定する光学ヘッドを該光
学部材の対向する少なくとも２つの面に各々１つずつ設
けた光学測定装置において、各光学ヘッドの光路中又は
各光学ヘッドから該光学部材の各面までに至る光路中
に、互いに分光特性の異なる光学フィルターを有し、一
方の光学ヘッドからの光束が他方の光学ヘッドの光検出
手段に入射しないようにしていることを特徴としてい
る。

【００１１】請求項３の発明の光学測定装置は、光学部
材の面情報を干渉を利用して測定する光学ヘッドを該光
学部材の対向する少なくとも２つの面に各々１つずつ設
けた光学測定装置において、各光学ヘッドは光路中に所
定のシフト周波数を与える直交２周波光を作り出す周波
数シフタと、測定信号処理系の一部に所定の周波数範囲
の信号を取り出す電気フィルタとを有していることを特
徴としている。

【００１２】請求項４の発明の光学測定装置は、偏光を
利用して検出光の分岐方向を制御する制御手段を用い
て、同時に光学部材の２つ以上の物理量を測定する光学
測定装置において、１つの物理量の検出光にその他の物
理量の検出光が混入するのを防止する為に、光路中に、
位相板をその高速軸方位が直交するように配置している
ことを特徴としている。

【００１３】請求項５の発明の光学測定装置は、光を利
用して同時に光学部材の２つ以上の物理量を測定する光
学測定装置において、１つの物理量の検出光にその他の
物理量の検出光が混入するのを防止する為に、光路中に
互いに異なる分光特性の光学フィルタを設けたことを特
徴としている。

【００１４】請求項６の発明の光学測定装置は、ヘテロ
ダイン光を利用して、同時に光学部材の２つ以上の物理
量を測定する光学測定装置において、１つの物理量の検
出光にその他の物理量の検出光が混入するのを防止する
為に、使用するヘテロダイン光のシフト周波数を異なる
ものとすると共に、測定信号処理系に必要な情報を含む
周波数以外を通さない電気的フィルタを挿入することを
特徴としている。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の後述する各実施形態で
は、対向する２頭ヘッドから被測定物に照射される光の
偏光方位を直交させ、透過してきた不要光と、測定すべ
き反射光を分離することで、測定不能もしくは著しい測
定誤差の発生を回避している。

【００１６】また、別の解決手段として対向する２頭ヘ
ッドから被測定物に照射される光の波長を変え、透過し
てきた不要光と、測定すべき反射光を光学フィルタ分離
することで、測定不能もしくは著しい測定誤差の発生を
回避している。

【００１７】さらに別の解決手段として対向する２頭ヘ
ッドから被測定物に照射される光のビート周波数を変
え、透過してきた不要光と、測定すべき反射光を電気フ
ィルタ分離することで、測定不能もしくは著しい測定誤
差の発生を回避している。

【００１８】次に本発明の各実施形態について説明す
る。

【００１９】［実施形態１］図１は本発明の実施形態１
の要部概略図である。同図では同一構成の光学ヘッド
（ヘッド）を２組（Ａ１，Ｂ１）設けており、各部材を
添字ａ，ｂで示している。以下の説明では添字ａ，ｂを
省略している。

【００２０】同図において、１０１は光源であるところ
の直交２周波のゼーマンレーザ、１０２は光源１０１か
らの光の一部を取り出すハーフミラー、１０３は偏光
板、１０４は参照信号用のフォトセンサ、１０５はレー
ザビーム径を拡大するところのビームエキスパンダ、１
０６は反射用のプリズム、１０７は偏光方位により光を
選択的に分岐させる偏光ビームスプリッタ、１０８は参
照面側の偏光状態を変換するλ／４位相板、１０９は参
照平面ミラー、１１０は被測定側の偏光状態を変換する
λ／４位相板、１１１は対物レンズ、１１２は被測定レ
ンズ（被測定物）、１１３は直交する偏光ベクトル成分
から同一ベクトル成分を取り出して干渉させる偏光板、
１１４は集光レンズ、１１５は測定信号用のフォトセン
サ、１１６は被測定物１１２の光軸方向（紙面上下方
向）に移動可能なＺステージ装置、１１７は被測定物１
１２の半径方向（紙面左右方向）に移動可能なＲステー
ジ装置、１１８は前記Ｚステージ装置１１６の位置を示
すためのＺスケール、１１９はＺスケール１１８から位
置信号を読み出すＺスケールセンサ、１２０は前記Ｒス
テージ装置１１７の位置を示すためのＲスケール、１２
１はＲスケール１２０から位置信号を読み出すＲスケー
ルセンサ、１２２は被測定レンズ１１２を光軸まわりに
回転移動させるθステージ装置、１２３は参照信号と測
定信号との位相差を検出する位相測定装置である。

【００２１】なお、光学測定装置Ａ１，Ｂ１の各部材の
数字の後につけたａ，ｂの英字符号は、それぞれ上側ヘ
ッド（測定装置）、下側ヘッド（測定装置）の構成部材
であることを示している。

【００２２】同図では被測定物１１２を挟んで、上下に
同じ構成の２つのヘッド（Ａ１，Ｂ１）が配置されてい
る。

【００２３】上側ヘッドＡ１において、ゼーマンレーザ
１０１ａから射出した光は、偏光方位が直交した２つの
わずかに周波数の異なる光であり、Ｐ、Ｓ偏光それぞれ
の周波数をｆ１，ｆ２とする。

【００２４】その光の一部がハーフミラー１０２ａによ
り反射され、偏光板１０３ａを介して干渉し、参照光用
のフォトセンサ１０４ａにて差周波数ｆ１−ｆ２が参照
信号として検出される。

【００２５】ハーフミラー１０２ａを透過した光は、ビ
ームエキスパンダ１０５ａでビーム径を拡げ、プリズム
１０６ａで９０°反射し折り曲げ、偏光ビームスプリッ
タ１０７ａに入射させる。

【００２６】偏光ビームスプリッタ１０７ａは偏光方位
によって光を分岐させるので、Ｐ偏光であるところの周
波数ｆ１の光は、透過して被測定物１１２に向かい、Ｓ
偏光であるところの周波数ｆ２の光は、反射して参照面
１０９ａに向かう。

【００２７】透過したＰ偏光は、λ／４位相板１１０ａ
により円偏光に変換され、対物レンズ１１１ａにて集光
されて被測定レンズ１１２の上側表面でcat's-eye反射
して元の光路をたどり、対物レンズ１１１ａで平行光に
戻り、λ／４位相板１１０ａで直線偏光に戻るが、この
ときの偏光方位は往きと９０度回転してＳ偏光になって
いるので、偏光ビームスプリッタ１０７ａでは反射さ
れ、測定信号用のセンサ方向１１５ａに進行する。

【００２８】同様に偏光ビームスプリッタ１０７ａで反
射したＳ偏光は、λ／４位相板１０８ａにより円偏光に
変換され、参照面１０９ａ表面で正反射して元の光路を
たどり、λ／４位相板１０８ａで直線偏光に戻るが、こ
のときの偏光方位は往きと９０度回転してＰ偏光になっ
ているので、偏光ビームスプリッタ１０７ａを透過し
て、測定信号用のセンサ方向１１５ａ方向に進行する。

【００２９】これら二つの光は偏光板１１３ａを通過し
て干渉し、やはり差周波数ｆ１−ｆ２ｎの測定信号とし
て、集光レンズ１１４ａを介して、測定信号用のフォト
センサ１１５ａにて検出される。

【００３０】レーザ射出直後にフォトセンサ１０４ａで
得られた参照信号と、上記測定信号は位相測定装置１２
３ａにて高速に位相信号として取り出され、この位相信
号を一定に保つようなサーボをＺステージ１１６ａにか
ける。こうすることにより、上側ヘッドＡ１と被測定レ
ンズ１１２の上面の間隔は一定に保たれるため、Ｒステ
ージ１１７ａを被測定レンズ１１２の中心から半径方向
に移動させながら、θステージ１２２を用いて被測定レ
ンズ１１２を光軸まわりに回転させれば、被測定表面を
スパイラル状に走査する事ができ、その時のＺステージ
１１６ａの位置をＺスケール１１８ａ、Ｚスケールセン
サ１１９ａで読み、Ｒステージ１１７ａの位置をＲスケ
ール１２０ａ，Ｒスケールセンサ１２１ａで読み、θス
テージ１２２の回転角を不図示のエンコーダで読みとれ
ば、被測定レンズ１１２の上面形状がＲ−θ−Ｚの円筒
座標系で計測されることになる。

【００３１】下側ヘッドＢ１についても全く同様に被測
定レンズ１１２の下面形状がＲ−θ−Ｚの円筒座標系で
計測されることになる。

【００３２】被測定レンズ１１２の上下面を同時測定す
る場合や、被測定物の上下面をシリアルに測定する時で
も被測定レンズ１１２の上下動を監視するために反対面
のヘッド信号を使用する場合、上ヘッドＡ１（または下
ヘッドＢ１）から被測定レンズ１１２を透過してくる光
が下ヘッドＢ１（または上ヘッドＡ１）に入り込み、本
来測定したい面からの反射光と混合（光混合）されて、
測定不能となったり著しい測定誤差を引き起こしたりし
てしまう場合がある。

【００３３】そこで本実施形態では、測定に偏光を用い
ていることを利用して上下の光を分離することを実現し
ている。

【００３４】次に図２，３にその構成の説明図を示す。
図２は従来の構成で先述の光混合問題を起こす例、図３
は本発明により光混合の問題を回避した例を示してい
る。

【００３５】図２（ａ）は測定光の偏光状態を示してい
る。

【００３６】同図において偏光ビームスプリッタＡに入
射した光のＰ偏光成分はビームスプリッタＡを透過しλ
／４位相板Ａを通る時、位相板Ａの高速軸は４５°Ｐ偏
光に対して図のように回転させてあるので、光に向かう
方向から見て左回りの円偏光となって被測定レンズＣで
反射され、再び位相板Ａを通りＳ偏光となって偏光ビー
ムスプリッタＡに戻り、今度は反射されて出てゆく。

【００３７】一方図２（ｂ）は対向する光ヘッドからの
透過光の偏光状態を示している。

【００３８】同図において偏光ビームスプリッタＢに入
射した光のＰ偏光成分はビームスプリッタＢを透過しλ
／４位相板Ｂを通る時、位相板Ｂの高速軸は４５°Ｐ偏
光に対して図のように回転させてあるので、光に向かう
方向から見て右回りの円偏光となって被測定レンズＣを
透過し、右回りの円偏光のまま位相板Ａを通りＳ偏光と
なって偏光ビームスプリッタＡに入射し、反射されて出
てゆく。

【００３９】従って、測定光と対向ヘッドからの透過光
は同じ方向に出て行くため検出系で区別ができず、著し
い測定誤差原因となる。

【００４０】これに対し図３（ａ）は本発明の実施状態
１での測定光の偏光状態を示している。

【００４１】同図において偏光ビームスプリッタＡに入
射した光のＰ偏光成分はビームスプリッタＡを透過しλ
／４位相板Ａを通る時、位相板Ａの高速軸は４５°Ｐ偏
光に対して図のように回転させてあるので、光に向かう
方向から見て左回りの円偏光となって被測定レンズＣで
反射され、再び位相板Ａを通りＳ偏光となって偏光ビー
ムスプリッタＡに戻り、今度は反射されて出てゆく。

【００４２】一方図３（ｂ）は本発明の実施状態１での
対向する光ヘッドからの透過光の偏光状態を示してい
る。

【００４３】同図において偏光ビームスプリッタＢに入
射した光のＰ偏光成分はビームスプリッタＢを透過しλ
／４位相板Ｂを通る時、位相板Ｂの高速軸は４５°Ｐ偏
光に対して図のように回転させてあるので、光に向かう
方向から見て左回りの円偏光となって被測定レンズＣを
透過し、左回りの円偏光のまま位相板Ａを通りＰ偏光と
なって偏光ビームスプリッタＡに入射し、反射せず透過
して出てゆく。

【００４４】つまり、被測定レンズＣを挟んで対向する
λ／４位相板の高速軸方位が同じであると混合が生じ、
高速軸を直交させると混合が生じないということにな
る。

【００４５】すなわち、本実施形態では偏光を利用して
検出光の分岐方向を制御する光学測定装置において、同
時に２つ以上の物理量を測定する際、１つの物理量検出
光にその他の物理量検出光が混入することで測定不能も
しくは著しい測定誤差を及ぼすという問題を、位相板
Ａ，Ｂの高速軸方位を直交させて配置することで回避し
ている。

【００４６】［実施形態２］図４は本発明の実施形態２
の要部概略図であり、各部材については図１と同様に示
している。

【００４７】同図において、２０１（２０１ａ，２０１
ｂ）はそれぞれ波長λ１，λ２を発する光源であるとこ
ろの直交２周波のゼーマンレーザ、１０２は光源２０１
からの光の一部を取り出すハーフミラー、１０３は偏光
板、１０４は参照信号用のフォトセンサ、１０５はレー
ザビーム径を拡大するところのビームエキスパンダ、１
０６は反射用のプリズム、１０７は偏光方位により光を
選択的に分岐させる偏光ビームスプリッタ、１０８は参
照面側の偏光状態を変換するλ／４位相板、１０９は参
照平面ミラー、１１０は被測定側の偏光状態を変換する
λ／４位相板、２０２（２０２ａ，２０２ｂ）はそれぞ
れ波長λ１，λ２の光を透過させる互いに分光特性の異
なる光学フィルタ、１１１は対物レンズ、１１２は被測
定レンズ、１１３は直交する偏光ベクトル成分から同一
ベクトル成分を取り出して干渉させる偏光板、１１４は
集光レンズ、１１５は測定信号用のフォトセンサ、１１
６は被測定物１１２の光軸方向（紙面上下方向）に移動
可能なＺステージ装置、１１７は被測定物１１２の半径
方向（紙面左右方向）に移動可能なＲステージ装置、１
１８は前記Ｚステージ装置１１６の位置を示すためのＺ
スケール、１１９はＺスケール１１８から位置信号を読
み出すＺスケールセンサ、１２０は前記Ｒステージ装置
１１７の位置を示すためのＲスケール、１２１はＲスケ
ール１２０から位置信号を読み出すＲスケールセンサ、
１２２は被測定レンズ１１２を光軸まわりに回転移動さ
せるθステージ装置、１２３は参照信号と測定信号との
位相差を検出する位相測定装置である。

【００４８】なお、数字の後につけたａ，ｂの英字符号
は、図１と同様それぞれ上側ヘッドＡ１、下側ヘッドＢ
１の構成部材であることを示している。

【００４９】同図では被測定物１１２を挟んで、上下に
同じ構成のヘッドＡ１，Ｂ１が配置されている。

【００５０】上側ヘッドＡ１において、波長λ１のゼー
マンレーザ２０１ａから射出した光は、偏光方位が直交
した２つのわずかに周波数の異なる光であり、Ｐ、Ｓ偏
光それぞれの周波数をｆ１，ｆ２とする。その光の一部
がハーフミラー１０２ａにより反射され、偏光板１０３
ａを介して干渉し、参照光用のフォトセンサ１０４ａに
て差周波数ｆ１−ｆ２が参照信号として検出される。

【００５１】ハーフミラー１０２ａを透過した光は、ビ
ームエキスパンダ１０５ａでビーム径を拡げ、プリズム
１０６ａで９０°反射され折り曲げ、偏光ビームスプリ
ッタ１０７ａに入射させる。

【００５２】偏光ビームスプリッタ１０７ａは偏光方位
によって光を分岐させるので、Ｐ偏光であるところの周
波数ｆ１の光は、透過して被測定物１１２に向かい、Ｓ
偏光であるところの周波数ｆ２の光は、反射して参照面
１０９に向かう。

【００５３】透過したＰ偏光は、λ／４位相板１１０ａ
により円偏光に変換され、光学フィルタ２０２ａを透過
して、対物レンズ１１１ａにて集光されて被測定レンズ
１１２の上側表面でcat's-eye反射して元の光路をたど
り、対物レンズ１１１ａで平行光に戻り、λ／４位相板
１１０ａで直線偏光に戻るが、このときの偏光方位は往
きと９０度回転してＳ偏光になっているので、偏光ビー
ムスプリッタ１０７ａでは反射され、測定信号用センサ
１１５ａ方向に進行する。

【００５４】同様に偏光ビームスプリッタ１０７ａで反
射したＳ偏光は、λ／４位相板１０８ａにより円偏光に
変換され、参照面１０９ａ表面で正反射して元の光路を
たどり、λ／４位相板１０８ａで直線偏光に戻るが、こ
のときの偏光方位は往きと９０度回転してＰ偏光になっ
ているので、偏光ビームスプリッタ１０７ａを透過し
て、測定信号用センサ１１５ａ方向に進行する。

【００５５】これら二つの光は偏光板１１３ａを通過し
て干渉し、やはりｆ１−ｆ２の測定信号として、集光レ
ンズ１１４ａを介して、測定信号用のフォトセンサ１１
５ａにて検出される。

【００５６】レーザ射出直後に得られた参照信号と、上
記測定信号は位相測定装置１２３ａにて高速に位相信号
として取り出され、この位相信号を一定に保つようなサ
ーボをＺステージ１１６ａにかける。こうすることによ
り、上側ヘッドＡ１と被測定レンズ１１２の上面の間隔
は一定に保たれるため、Ｒステージ１１７ａを被測定レ
ンズ１１２中心から半径方向に移動させながら、θステ
ージ１２２を用いて被測定レンズ１１２を光軸まわりに
回転させれば、被測定表面をスパイラル状に走査する事
ができ、その時のＺステージ１１６ａの位置をＺスケー
ル１１８ａ、Ｚスケールセンサ１１９ａで読み、Ｒステ
ージ１１７ａの位置をＲスケール１２０ａ，Ｒスケール
センサ１２１ａで読み、θステージ１２２の回転角を不
図示のエンコーダで読みとれば、被測定レンズ１１２ａ
の上面形状がＲ−θ−Ｚの円筒座標系で計測されること
になる。

【００５７】下側ヘッドＢ１についても全く同様に被測
定レンズ１１２の下面形状がＲ−θ−Ｚの円筒座標系で
計測されることになる。

【００５８】すなわち、本実施形態２では光を利用して
同時に２つ以上の物理量を測定する光学測定装置におい
て、１つの物理量検出光にその他の物理量検出光が混入
することで測定不態もしくは著しい測定誤差を及ぼすと
いう問題を、光源波長を異なるものとし、適切な光学フ
ィルタを用いて分離することで回避している。

【００５９】前記光学フィルタの挿入位置は測定光路中
でなくてもよく、偏光ビームスプリッタ１０７から検出
系１１５までの光路中どこであっても同様の効果があ
る。

【００６０】また、波長の違いで測定光と不要な透過光
を区別することが本発明の本質であるから、不要な光を
選択するための素子としては、前記光学フィルタ以外
に、プリズム、回折格子などを用いて空間的に分離する
ことも当然可能である。

【００６１】［実施形態３］図５は本発明の実施形態３
の要部概略図であり、各部材については図１と同様に示
している。

【００６２】同図において、３０１は光源であるところ
のレーザ、３０２はレーザ光に所定のシフト周波数を与
えて直交２周波光を作り出す周波数シフタ、１０２は光
源３０１からの光の一部を取り出すハーフミラー、１０
３は偏光板、１０４は参照信号用のフォトセンサ、１０
５はレーザビーム径を拡大するところのビームエキスパ
ンダ、１０６は反射用のプリズム、１０７は偏光方位に
より光を選択的に分岐させる偏光ビームスプリッタ、１
０８は参照面側の偏光状態を変換するλ／４位相板、１
０９は参照平面ミラー、１１０は被測定側の偏光状態を
変換するλ／４位相板、２０２（２０２ａ，２０２ｂ）
はそれぞれ波長λ１，λ２の光を透過させる光学フィル
タ、１１１は対物レンズ、１１２は被測定レンズ、１１
３は直交する偏光ベクトル成分から同一ベクトル成分を
取り出して干渉させる偏光板、１１４は集光レンズ、１
１５は測定信号用のフォトセンサ、１１６は被測定物１
１２の光軸方向（紙面上下方向）に移動可能なＺステー
ジ装置、１１７は被測定物１１２の半径方向（紙面左右
方向）に移動可能なＲステージ装置、１１８は前記Ｚス
テージ装置１１６の位置を示すためのＺスケール、１１
９はＺスケール１１８から位置信号を読み出すＺスケー
ルセンサ、１２０は前記Ｒステージ装置１１６の位置を
示すためのＲスケール、１２１はＲスケール１２０から
位置信号を読み出すＲスケールセンサ、１２２は被測定
レンズ１１２を光軸まわりに回転移動させるθステージ
装置、３０３はセンサからの信号より所定の周波数範囲
の信号を取り出す帯域フィルタ（電気フィルタ）、１２
３は参照信号と測定信号との位相差を検出する位相測定
装置である。

【００６３】なお、数字の後につけたａ，ｂの英字符号
は、図１と同様それぞれ上側ヘッドＡ１、下側ヘッドＢ
１の構成部材であることを示している。

【００６４】同図では被測定物１１２を挟んで、上下に
同じ構成のヘッドＡ１，Ｂ１が配置されている。

【００６５】上側ヘッドＡ１において、レーザ３０１ａ
から射出した光は、周波数シフタ３０２ａによりＰ偏光
にはｆ１１、Ｓ偏光にはｆ１２なる所定の周波数シフト
が与えられ、偏光方位が直交した２つのわずかに周波数
の異なる光に変換される。その光の一部がハーフミラー
１０２ａにより反射され、偏光板１０３ａを介して干渉
し、参照光用のフォトセンサ１０４ａにて差周波数ｆ１
１−ｆ１２が参照信号として検出される。

【００６６】ハーフミラー１０２ａを透過した光は、ビ
ームエキスパンダ１０５ａでビーム径を拡げ、プリズム
１０６ａで９０°反射し折り曲げ、偏光ビームスプリッ
タ１０７ａに入射させる。

【００６７】偏光ビームスプリッタ１０７ａは偏光方位
によって光を分岐させるので、Ｐ偏光であるところの周
波数ｆ１１の光は、透過して被測定物１１２に向かい、
Ｓ偏光であるところの周波数ｆ１２の光は、反射して参
照面１０９に向かう。

【００６８】透過したＰ偏光は、λ／４位相板１１０ａ
により円偏光に変換され、光学フィルタ２０２ａを透過
して、対物レンズ１１１ａにて集光されて被測定レンズ
１１２の上側表面でcat's-eye反射して元の光路をたど
り、対物レンズ１１１ａで平行光に戻り、λ／４位相板
１１０ａで直線偏光に戻るが、このときの偏光方位は往
きと９０度回転してＳ偏光になっているので、偏光ビー
ムスプリッタ１０７ａでは反射され、測定信号用のセン
サ１１５方向に進行する。

【００６９】同様に偏光ビームスプリッタ１０７で反射
したＳ偏光は、λ／４位相板１０８ａにより円偏光に変
換され、参照面１０９ａ表面で正反射して元の光路をた
どり、λ／４位相板１０８ａで直線偏光に戻るが、この
ときの偏光方位は往きと９０度回転してＰ偏光になって
いるので、偏光ビームスプリッタ１０７ａを透過して、
測定信号用のセンサ１１５方向に進行する。

【００７０】これら二つの光は偏光板１１３ａを通過し
て干渉し、やはりｆ１１−ｆ１２の測定信号として、集
光レンズ１１４ａを介して、測定信号用のフォトセンサ
１１５ａにて検出される。

【００７１】レーザ射出直後に得られた参照信号と、上
記測定信号はｄｆ１＝ｆ１１−ｆ１２なる周波数を通過
させる高域カット用のフィルタ３０３ａにて濾波された
後、位相測定装置１２３ａにて高速に位相信号として取
り出され、この位相信号を一定に保つようなサーボをＺ
ステージ１１６ａにかける。

【００７２】こうすることにより、上側ヘッドＡ１と被
測定レンズ１１２上面の間隔は一定に保たれるため、Ｒ
ステージ１１７ａを被測定レンズ１１２の中心から半径
方向に移動させながら、θステージ１２２を用いて被測
定レンズ１１２を光軸まわりに回転させれば、被測定表
面をスパイラル状に走査する事ができ、その時のＺステ
ージ１１６ａの位置をＺスケール１１８ａ、Ｚスケール
センサ１１９ａで読み、Ｒステージ１１７ａの位置をＲ
スケール１２０ａ，Ｒスケールセンサ１２１ａで読み、
θステージ１２２の回転角を不図示のエンコーダで読み
とれば、被測定レンズ１１２の上面形状がＲ−θ−Ｚの
円筒座標系で計測されることになる。

【００７３】下側ヘッドＢ１についても同様に被測定レ
ンズ１１２の下面形状がＲ−θ−Ｚの円筒座標系で計測
されることになるが、下側ヘッドＢ１の周波数シフタ３
０２ｂはｆ２１とｆ２２という、上側ヘッドＡ１で与え
た周波数と異なるシフト周波数を与えるように設定して
あり、上側ヘッドＡ１での差周波数ｄｆ１＝ｆ１１−ｆ
１２と下側ヘッドＢ１から回り込んでくるｆ２１にシフ
トされた光が上側のｆ１１またはｆ１２にシフトさせた
光と干渉して生じる差周波数ｄｆ３＝ｆ２１−ｆ１１ま
たはｄｆ４＝ｆ２１−ｆ１２が高域カットフィルタ３０
３ａで分離できる程度異なるようにしている。また下側
ヘッドＢ１の高域カット用のフィルタ３０３ｂは下側ヘ
ッドＢ１の差周波数ｄｆ２＝ｆ２１−ｆ２２を濾波し上
側ヘッドＡ１から回り込んでくる光によって生じる差周
波数ｄｆ５＝ｆ２１−ｆ１１またはｄｆ６＝ｆ２２−ｆ
１１は通過させないように設計してある。

【００７４】例えば、ｆ１１＝８１ＭＨｚ，ｆ１２＝８
０ＭＨｚ，ｆ２１＝９１ＭＨｚ，ｆ２２＝９０ＭＨｚと
設定したとき、上側ヘッドＡ１で検出すべき信号はｄｆ
１＝ｆ１１−ｆ１２＝８１ＭＨｚ−８０ＭＨｚ＝１ＭＨ
ｚである。

【００７５】これに対し下側ヘッドＢ１から回り込んで
くるＰ波のシフト周波数はｆ２１＝９４ＭＨｚであるか
らｄｆ３＝ｆ２１−ｆ１１＝９１ＭＨｚ−８１ＭＨｚ＝
１０ＭＨｚ，ｄｆ４＝ｆ２１−ｆ１２＝９１ＭＨｚ−８
０ＭＨｚ＝９ＭＨｚであるから検出すべき周波数ｄｆ１
と回り込みに起因する信号ｄｆ３またはｄｆ４とは大き
く隔たりがあるため、上側高域カットフィルタ３０３ａ
のカットオフ周波数を５ＭＨｚ程度に設定しておけば、
下からの回り込みに起因する信号は除去できる。

【００７６】同様に下側ヘッドＢ１の高域カットフィル
タ３０３ｂは下側ヘッドＢ１の差周波数ｄｆ２＝ｆ２１
−ｆ２２＝９１ＭＨｚ−９０ＭＨｚ＝１ＭＨｚを通過さ
せ、上側ヘッドＡ１から回り込んでくるＰ波のシフト周
波数の差周波数ｄｆ５＝ｆ２１−ｆ１１＝９１ＭＨｚ−
８１ＭＨｚ＝１０ＭＨｚまたはｄｆ６＝ｆ２２−ｆ１１
＝９０ＭＨｚ−９１ＭＨｚ＝９ＭＨｚは通過させないよ
うにカットオフ周波数を５ＭＨｚ程度に設定しておけ
ば、上からの回り込みに起因する信号は除去できる。

【００７７】すなわち、本実施形態ではヘテロダイン光
を利用して物理量を検出する光学測定装置において、同
時に２つ以上の物理量を測定する際、１つの物理量検出
光にその他の物理量検出光が混入することで測定不能も
しくは著しい測定誤差を及ぼすという問題を、使用する
ヘテロダイン光のシフト周波数を異なるものとすると共
に、測定信号処理系に必要な情報を含む周波数以外を通
さない電気的フィルタを挿入することで回避する例を示
している。

【００７８】尚、本発明では光学部材の面形状の他に光
学部材の内部の材質の均一性等の物理量を双方（異なっ
た方向）から光束を入射させて測定する場合にも同様に
適用することができる。

【００７９】

【発明の効果】本発明によれば、レンズ，プリズム等の
光学部材の両面の面形状を同時に高精度に測定すること
ができる光学測定装置を達成することができる。

【００８０】この他本発明の光学的測定装置において同
時に光学部材の２つ以上の物理量を測定する際、一つの
物理量の検出光にそれ以外の物理量の検出光が混合する
ことで測定不能もしくは著しい測定誤差を及ぼすという
問題を、偏光または光波長またはシフト周波数を異なら
せるとともに、必要な物理量の検出光のみを通過させる
偏光素子または光学フィルタまたは電気フィルタを挿入
することで不要な物理量の検出光を分岐またはカットす
ることにより解決することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の要部概略図

【図２】本発明の実施形態１の作用の説明補助図

【図３】本発明の実施形態１の作用の説明補助図

【図４】本発明の実施形態２の要部概略図

【図５】本発明の実施形態３の要部概略図

【符号の説明】

１０１：直交２周波ゼーマンレーザ １０２：ハーフミラー １０３：偏光板 １０４：参照信号用フォトセンサ １０５：ビームエキスパンダ １０６：プリズム １０７：偏光ビームスプリッタ １０８：λ／４位相板 １０９：参照平面ミラー １１０：λ／４位相板 １１１：対物レンズ １１２：被測定レンズ １１３：偏光板 １１４：集光レンズ １１５：測定信号用フォトセンサ １１６：Ｚステージ装置 １１７：Ｒステージ装置 １１８：Ｚスケール １１９：Ｚスケールセンサ １２０：Ｒスケール １２１：Ｒスケールセンサ １２２：θステージ装置 １２３：位相測定装置 ２０１：レーザ発振器 ２０２：光学フィルタ ３０１：レーザ発振器 ３０２：ＡＯＭ光周波数シフタ ３０３：電気フィルタ装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F064 AA09 BB03 BB04 CC01 FF02 FF06 GG12 GG13 GG22 GG23 GG32 GG38 GG42 GG70 HH01 HH06 JJ00 JJ05 2F065 AA53 CC21 CC22 FF49 FF52 FF65 FF67 GG04 GG23 HH10 HH13 JJ01 JJ05 JJ09 JJ15 LL00 LL04 LL09 LL21 LL33 LL34 LL36 LL37 LL46 NN06 PP12 PP13 QQ00 QQ25 QQ33 2G086 EE08 FF03

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学部材の面情報を干渉を利用して測定
   する光学ヘッドを該光学部材の対向する少なくとも２つ
   の面に各々１つずつ設けた光学測定装置において、 各光学ヘッドの光路中又は各光学ヘッドから該光学部材
   の各面までに至る光路中に、 互いに偏光方位を直交させた位相板を配置し、 一方の光学ヘッドからの光束が他方の光学ヘッドの光検
   出手段に入射しないようにしていることを特徴とする光
   学測定装置。
2. 【請求項２】 光学部材の面情報を干渉を利用して測定
   する光学ヘッドを該光学部材の対向する少なくとも２つ
   の面に各々１つずつ設けた光学測定装置において、 各光学ヘッドの光路中又は各光学ヘッドから該光学部材
   の各面までに至る光路中に、 互いに分光特性の異なる光学フィルターを有し、 一方の光学ヘッドからの光束が他方の光学ヘッドの光検
   出手段に入射しないようにしていることを特徴とする光
   学測定装置。
3. 【請求項３】 光学部材の面情報を干渉を利用して測定
   する光学ヘッドを該光学部材の対向する少なくとも２つ
   の面に各々１つずつ設けた光学測定装置において、 各光学ヘッドは光路中に所定のシフト周波数を与える直
   交２周波光を作り出す周波数シフタと、 測定信号処理系の一部に所定の周波数範囲の信号を取り
   出す電気フィルタとを有していることを特徴とする光学
   測定装置。
4. 【請求項４】 偏光を利用して検出光の分岐方向を制御
   する制御手段を用いて、同時に光学部材の２つ以上の物
   理量を測定する光学測定装置において、１つの物理量の
   検出光にその他の物理量の検出光が混入するのを防止す
   る為に、光路中に、位相板をその高速軸方位が直交する
   ように配置していることを特徴とする光学測定装置。
5. 【請求項５】 光を利用して同時に光学部材の２つ以上
   の物理量を測定する光学測定装置において、１つの物理
   量の検出光にその他の物理量の検出光が混入するのを防
   止する為に、光路中に互いに異なる分光特性の光学フィ
   ルタを設けたことを特徴とする光学測定装置。
6. 【請求項６】 ヘテロダイン光を利用して、同時に光学
   部材の２つ以上の物理量を測定する光学測定装置におい
   て、１つの物理量の検出光にその他の物理量の検出光が
   混入するのを防止する為に、使用するヘテロダイン光の
   シフト周波数を異なるものとすると共に、測定信号処理
   系に必要な情報を含む周波数以外を通さない電気的フィ
   ルタを挿入することを特徴とする光学測定装置。