JP2002174565A - 収差測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検レンズに大きな収差があっても、該収差
を高精度に測定することができる収差測定装置を得るこ
と。 【解決手段】 光軸上の一点から発散した光束を複数の
開口部を有する第１マスク板、被検レンズ、そして複数
の開口を有する第２のマスク板を介し、又は被検レン
ズ、複数の開口部を有する第１のマスク板、そして複数
の開口部を有する第２のマスク板を介して、受光センサ
ーに導光し、２枚のマスク板の少なくとも一方を光軸と
直交な方向にスキャンさせ、前記第１及び第２のマスク
板の開口部を通過した光束の光強度変化を検出ユニット
で検出し、光軸上の開口部を通過した光束の強度変化と
光軸以外の開口部を通過した光束の強度変化の位相差を
求めることにより、前記被検レンズの収差を測定するこ
とを特徴とした収差測定装置

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学系の諸収差を測
定する収差測定装置に関し、特に単レンズ等の収差量の
大きな光学系の波面収差や横収差の測定に好適なもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、様々な分野において残存収差の少
ない高性能な光学系が要求されている。そのような光学
系においては、残存する波面収差を極力ゼロに近づける
必要がある。そのためには、光学設計上と製造上の両面
から残存収差の低減を図っていく必要がある。

【０００３】光学系の全系の組上がり後の収差を良好に
する為には、全系を構成する数種の単レンズからなるユ
ニット及び単レンズそのものの製造誤差を減らし、設計
値により近い性能を得る必要がある。この単レンズ或い
はユニット状態での波面収差は数１００〜数１０００λ
（λは波長）或いはそれ以上の大きな値となるため通常
の干渉計による測定は困難である。一般には、いわゆる
ＮＵＬＬ法を用いて、この大きな収差量を高精度に測定
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらＮＵＬＬ
法による収差計測方法の場合、以下のような問題点があ
った。 （アー１） 被検レンズの収差量が大きすぎる場合、或
いは収差の特性に大きなクセがある場合にはＮＵＬＬ光
学系の設計が困難となり、干渉計で必要なレベルまで残
存収差を低減することができない。 （アー２） たとえＮＵＬＬ光学系の設計が可能でも、
製造上の誤差に対する許容値が厳しかったり、複数の球
面レンズの組合わせ、あるいは、非球面レンズ、回折光
学素子等が必要となり、構成面でも問題が生じる。

【０００５】本発明はＮＵＬＬ光学系の設計が困難な被
検レンズの場合でも収差の高精度な測定が可能な収差測
定装置の提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の収差測
定装置は光軸上の一点から発散した光束あるいは光軸上
の１点へ収束する光束を複数の開口部を有する第１マス
ク板、被検レンズ、そして複数の開口を有する第２のマ
スク板を介し、又は被検レンズ、複数の開口部を有する
第１のマスク板、そして複数の開口部を有する第２のマ
スク板を介して、受光センサーに導光し、２枚のマスク
板の少なくとも一方を光軸と直交な方向にスキャンさ
せ、前記第１及び第２のマスク板の開口部を通過した光
束の光強度変化を検出ユニットで検出し、光軸上の開口
部を通過した光束の強度変化と光軸以外の開口部を通過
した光束の強度変化の位相差を求めることにより、前記
被検レンズの収差を測定することを特徴としている。

【０００７】請求項２の発明の収差測定装置は光源手段
からの光束を集光レンズで光軸上の一点に集光させ、該
光軸上の一点から発散した光束あるいは光源手段からの
光束を必要に応じて拡大後、集光レンズにより１点に収
束する光束を光軸上に開口部を含む複数の開口部を有す
る第１マスク板と、該第１マスク板の複数の開口部に対
応して複数の開口部を設けた第２マスク板を被検レンズ
を挟んで設け、又は被検レンズの後側に設け、２枚のマ
スク板の少なくとも一方を光軸と直交な方向にスキャン
させ、前記第１及び第２のマスク板の開口部を通過した
光束の光強度変化を検出ユニットで検出し、光軸上の開
口部を通過した光束の強度変化と光軸以外の開口部を通
過した光束の強度変化の位相差を求めることにより、前
記被検レンズの収差を測定することを特徴としている。

【０００８】請求項３の発明は請求項１又は２の発明に
おいて前記光軸上の開口部を通過した光束の強度変化と
少なくとも１ヶ所の光軸以外の開口部を通過した光束の
強度変化の検出は同時刻に行われることを特徴としてい
る。

【０００９】請求項４の発明は請求項１，２又は３の発
明において前記位相差は、前記光軸上の光束の強度変化
を参照信号とし、光軸以外の光束の強度変化を被検信号
として位相計に入力して検出することを特徴としてい
る。

【００１０】請求項５の発明は請求項１又は２の発明に
おいて前記第２のマスク板に設けられた複数の開口部は
等間隔で配置されていることを特徴としている。

【００１１】請求項６の発明は請求項１又は２の発明に
おいて前記第１及び第２のマスク板はガラス基板上にＣ
ｒ等の不透過物がパターンニングされていることを特徴
としている。

【００１２】請求項７の発明は請求項１又は２の発明に
おいて前記検出ユニットは複数の受光センサーを２次元
的に配置して構成していることを特徴としている。

【００１３】請求項８の発明は請求項１又は２の発明に
おいて前記検出ユニットは、光軸上に配置された受光セ
ンサーと光軸以外に配置された少なくとも１ヶの受光セ
ンサーにより構成され、光軸上以外の受光センサーは光
軸と直交する２方向に移動可能な移動機構上に配置され
ていることを特徴としている。

【００１４】請求項９の発明は請求項１又は２の発明に
おいて前記光軸上の一点の位置を検出するための焦点検
出手段により、前記第１、第２のマスク板及び被検レン
ズの表面に一旦、焦点合わせ後に所望の位置に移動する
ことにより、前記光軸上の一点、第１，２のマスク板及
び被検レンズの光軸方向の位置出しを行うことを特徴と
している。

【００１５】請求項１０の発明は請求項１又は２の発明
において前記収差測定装置はアライメントマーク観察手
段を有し、前記第１及び第２のマスク板上に設けられた
アライメントマークを観察することにより、第１及び第
２のマスク板の光軸直交方向の位置出しを行うことを特
徴としている。

【００１６】

【発明の実施の形態】（実施形態１） 図１に本発明の
収差測定装置の実施形態１を示す。図１において光源
（光源手段）１からの光束をレンズ２及び３により構成
されるビームエキスパンダーにより所望の光束径に拡大
し、ミラー４、ハーフミラー２７、そしてミラー５によ
り集光レンズ６へと導光する。光源１としては被検レン
ズ８の使用波長に近い波長の光を射出するものであれば
何でもかまわない。光は一旦、レンズ６で集光後にほぼ
無収差の球面波としてマスク板７へと入射させる。ここ
でマスク板７上には図２に示すように、光軸から外れる
に従ってピッチが狭くなる不等間隔の複数の開口部２０
１が設けられている。マスク板７は、例えば透明な平行
平板上にＣｒ等の不透過物を開口部２０１以外につけた
構造、または、ステンレス等の基板を開口部のみ穴加工
する構造などが適用できる。マスク板７の作用により、
被検レンズ８へは、マスク板７上に設けられた開口部２
０１を通過した複数の細い光束が入射する。被検レンズ
８の後には、第２のマスク板９が配置されている。マス
ク板９にもやはりマスク板７と同数の開口部３０１が設
けられている。ここで、マスク板９上の複数の開口部３
０１は等間隔で設けられている。これに対してマスク板
７上の開口位置は、被検レンズ８の製造誤差がない場合
に、集光レンズ６の焦点位置６ａを物点として発散した
光がマスク板９の各開口部３０１中心を通る光線がマス
ク板７上で通過する点が開口２０１中心となるよう設け
られている。つまり、被検レンズ８に製造誤差がなけれ
ばマスク板７の開口部２０１を通過した光束はほぼ全て
マスク板９の開口部３０１を通過する。また、被検レン
ズ８が大きな収差を有すると、マスク板７の開口部２０
１を通過した光束はマスク板９上で不等間隔となり開口
部３０１で一部又は全部が遮光される。マスク板９の開
口部３０１を通過した複数の光束はその背後に図４に示
すような２次元的に配置された複数の光電センサー（受
光センサー）１０ａからなる検出ユニット１０によりそ
れぞれの光強度が検出される。

【００１７】一方、マスク板９は光軸Ｌａと直交する２
方向に移動可能なＰＺＴ素子等からなる２軸微動機構１
８上に配置されている。ここで、２軸微動機構１８によ
り光軸と直交する１方向へ繰り返し往復スキャン（揺
動）することにより光軸上にある開口部３０１ａからの
光束の検出光量は図５の曲線５０１に示すように周期的
に変動を繰り返す。被検レンズ８が理想的な場合は、光
軸Ｌａ上以外の開口からの光束の検出光量も図５の曲線
５０１と全く同じ変動を繰り返す。しかし、被検レンズ
８に製造誤差がある場合は横収差に誤差が生じるためマ
スク9上の各開口に対して入射する光束中心がずれる。
この結果、光軸上以外の開口部からの光束の検出光量の
強度変動は光軸上の変動と比べて、図５の曲線５０２に
示すように位相がずれる。この位相ずれ（Δｔ）を位相
差検出部１１で求め、収差計算部１２で距離に換算する
ことにより被検レンズ８の横収差誤差を得ることができ
る。

【００１８】例えば、マスク板が等速移動をし、その移
動速度をVとすれば、検知された位相ずれ（Δｔ）と横収
差(Δy)の関係は、Δy=V×Δtとなる。

【００１９】等速移動でない場合は、例えば、PZTでさせ
るのであれば、PZTへの印加電圧と位置座標のTableをあ
らかじめ求めておき、軸上光束の強度の極値と軸外光束
の強度の極値それぞれの時刻t0,t1を位置座標y0、y1に変
換し、それらの差分（Δy=y1-y0）を横収差とすればよ
い。

【００２０】光軸外の全ての開口位置における横収差誤
差を求めた後、波面収差誤差が必要な場合は横収差量を
積分すればよい。

【００２１】本実施形態においてマスク板９の代わりに
マスク板７をマスク板９と同様に駆動させても良い。

【００２２】横収差計測の際の強度変動の位相差の検出
は、例えば、相互相関を求めたり、さらに、高精度な計
測を必要とする場合は、光軸上の信号を基準として、光
軸上外の各点の信号の位相を電気的な位相計へ入力すれ
ばよい。この場合、１／１００００周期程度の高精度計
測が可能となる。例えば、開口部３０１の開口径をφ１
ｍｍとすれば、横収差計測制度は、１０００×２／１０
０００＝０．２μｍとなる。この場合、φ１ｍｍからの
回折による広がりは、レーリーリミットの式から概算す
れば、 Δθ＝０．６１×λ／φｓ＝０．０００３８６ｒａｄ
（λ＝０．６３３μｍ、φｓ＝１０００μｍ） ∴例えば、５００ｍｍ遠方での光束の広がりは、Δθ×
５００＝０．１９３ｍｍと開口φ１ｍｍに比べて十分に
小さく、回折の影響による精度劣化はほぼ無視できる。

【００２３】本発明での収差計測法においては、集光レ
ンズ６の光軸Ｌａ及び焦点位置６ａにたいしてマスク板
７、及びマスク板９までの距離、偏心を正確に位置合わ
せしておく必要がある。この位置合わせ方法に関して説
明する。焦点位置６ａからマスク板７又はマスク板９ま
での距離出しは次のように行う。ミラー４と５の間に
は、ハーフミラー２７を介して、集光レンズ６の焦点位
置検出手段２８が設けられている。

【００２４】焦点位置検出手段２８としては、例えば、
検出系を、干渉計で構成し、マスク表面からのキャッツ
アイ（頂点反射）波面と参照波面の干渉縞を観察するこ
とによりデフォーカス量を検出する方法や、検出系を、
いわゆるＴＴＬオートフォーカス系で構成する。例えば、
検出系の内部に、光軸に対して偏芯した絞りを配置する
ことにより、集光レンズ６の瞳に対して偏芯した光束を
入射させる。このときのマスク板からの反射光を検出系
の内部に設けられた１次元センサーで位置計測する。１
次元センサー上での光束の移動方向と距離に応じて、マ
スク板のデフォーカス方向と量を検知する方法等が適用
できる。

【００２５】第１のマスク板７と被検レンズ８を配置す
るまえに光軸方向移動機構２０によりマスク板９を集光
レンズ６の焦点６ａ近傍へ移動する。焦点位置検出手段
２８によりマスク板９表面のデフォーカス量を検出し、
光軸方向移動機構２０によりマスク板９表面と焦点位置
６ａを一致させる。次に光軸方向移動機構２０の位置を
計測する為の測長手段のカウンターをリセットする。さ
らに、マスク板９を測長手段の計測値をもとに設計上の
位置まで移動する。

【００２６】偏心に関してはマスク板９上に設けられた
アライメントマークを偏心検出手段２９（２１〜２６）
で観察し、得られた偏心量に基づき、光軸直交方向移動
機構１９により移動し、位置合わせを行う。マスク板９
に設けた偏心検出手段２９はマスク板７に設けた偏心検
出手段２９と同様の構成より成っている。

【００２７】次に、鏡筒１５に組み込まれた被検レンズ
８を配置し位置合わせを行う。光軸方向に関しては、マ
スク板９と同様の方法で行う。偏心に関しては回転機構
１６により被検レンズ８を光軸Ｌａ回りに回転し、例え
ば、電気マイクロ等により鏡筒基準面又はレンズ端面あ
るいはレンズ表面のふれを読取る。被検レンズ８は鏡筒
１５のない状態で配置されてもかまわない。

【００２８】さらに、マスク板７を配置して、マスク板
９の場合の位置合わせと同様の方法で位置合わせを行
う。

【００２９】また、被検レンズ８、マスク板７，９の偏
心の残存分は被検レンズ８の回転機構１６を使って、被
検レンズ８の２方位以上の収差計測を行う、いわゆる回
転法により、被検レンズ８の成分のみを検出し、位置合
わせ誤差の影響を除去することが可能である。

【００３０】また、上述したマスク板の配置とは逆に第
１のマスク７の開口を等間隔とし、第２のマスク板９の
開口を不等間隔としてもかまわない。この場合、受光セ
ンサー１０の大きさを各光束にたいして十分に大きくし
ておくほうが望ましい。なぜなら被検レンズ８の種類に
よりマスク板９上の不等間隔な開口位置が異なるからで
ある。受光センサー１０各々に、光軸と直交する２方向
への移動機構を設け、各被検レンズでの不等間隔な開口
の背後に受光センサー中心がくるようにすればあらゆる
被検レンズへの対応が可能となる。

【００３１】さらに、被検レンズ８は無収差レンズであ
ってもかまわない。この場合は、第１及び第２のマスク
板上の開口はともに等間隔となる。

【００３２】ここで等間隔となるのは、（ア）集光レン
ズ６と被検レンズの前側焦点位置を一致させた場合、あ
るいは、（イ）被検レンズに平行光束を入射させた場合
である。（ア）の場合には集光レンズ６の焦点と第１の
マスク板の距離をΔＬ、被検レンズの焦点距離をｆ、第１
のマスク板のある開口への光束の角度をθとすれば、第
１のマスク板の開口高さ(y1)と第２のマスク板の開口高
さ（y２）は、被検レンズが無収差の場合、 y1=ΔＬ×sin θ y２=f×sin θ ∴y1/y２=ΔＬ/f となる。つまり、第１マスク板と第２マスク板の開口位
置は、比例関係にあるから、第１マスク板が等間隔なら
第２マスク板も等間隔となる。

【００３３】また、被検レンズへ平行光束或いは収束光
束を入射させたい場合は集光レンズ６のかわりにビーム
拡大光学系及び大口径集光レンズを配置すればよい。収
束光束の場合は、第２のマスク板を被検レンズから遠方
に置けば小型化が可能となり、さらに、検出ユニットと
してＣＣＤセンサー等の使用が可能となる。その場合
は、ＣＣＤの特定番地の出力にのみ着目してその後の処
理を行えばよい。本実施形態においては図８に示すよう
に第１及び第２のマスク板７，９の両方を被検レンズ８
の後方（検出ユニット側）に配置してもかまわない。そ
して少なくともマスク板を光軸と垂直方向に駆動させて
も同様に被検レンズ８の収差を測定することができる。 （実施形態２） 図６に、本発明の実施形態２の収差測
定装置を示す。本実施形態では実施形態１において受光
センサー１０を２次元的に配置したのに対し、検出ユニ
ットが図７に示すように２つの受光センサー６０１、６
０２により構成され、さらに、光軸以外の光束受光用セ
ンサー６０２は光軸と直交方向に移動可能な２軸移動機
構６０４上に配置されていることを特徴とする。

【００３４】光軸上の光束受光センサー６０１により、
常時、光軸上の強度変化は検出され、同時に光軸外の光
束受光センサー６０２により光軸以外の１本の光束の強
度変化が検出され位相差計算部６０３及び収差計算部１
２において、位相差、横収差さらには波面収差が計算さ
れる。光軸以外の光束受光センサー６０２は２軸移動機
構６０４により光軸以外の全ての光束位置へ移動し順次
光軸上の光束の強度変化と同時に検出し、被検レンズ８
の全面の収差を得ることができる。この構成により、移
動機構６０４が必要となるが、実施形態１に比べて、受
光センサーが２ヶですみ、さらに位相差計算部６０３を
簡易な構成とすることが可能となる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、ＮＵＬＬ光学系の設計
が困難な被検レンズの収差の高精度な測定が可能な収差
測定装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１の概略図

【図２】 実施形態１における第１のマスク板の詳細図

【図３】 実施形態１における第２のマスク板の詳細図

【図４】 実施形態１における検出ユニットの詳細図

【図５】 各センサーの出力の概略図

【図６】 本発明の実施形態２の概略図

【図７】 実施形態２における検出ユニットの詳細図

【図８】 本発明の実施形態１の一部を変更したときの
概略図

【符号の説明】

1：光源 ２：ビームエキスパンダー前群 3：ビームエ
キスパンダー後群 4：ミラー 5：ミラー ６：集光レンズ 7：第１のマ
スク板 8：被検レンズ 9：第２のマスク板 10：検出ユニット 11：位相差検
出部 1２：収差計算部 13：光軸直交方向移動機構 14：光軸方向移動機構 1
5：鏡筒 1６：回転機構 17：光軸方行移動機構 18：光軸直交方向スキャン機構
19：光軸直交方向移動機構 ２0：光軸方向移動機構
２1：光源 ２２：照明光学系 ２3：ハーフミラー ２4：対物レンズ ２5：リレーレンズ ２６：カメラ
２7：ハーフミラー ２8：焦点検出系 ２9：アライメントマーク観察系 ２
01：開口 ２0２：アライメントマーク 301：開口 30
２：アライメントマーク 501：光軸上光束検出光量 50２：光軸外光束検出光量 ６01：光軸上光束受光セン
サー ６0２：光軸上光束受光センサー ６03：位相差
検出部 ６04：光軸直交方向移動機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 隆一 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 2G086 HH06

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光軸上の一点から発散した光束あるいは
   光軸上の１点へ収束する光束を複数の開口部を有する第
   １マスク板、被検レンズ、そして複数の開口を有する第
   ２のマスク板を介し、又は被検レンズ、複数の開口部を
   有する第１のマスク板、そして複数の開口部を有する第
   ２のマスク板を介して、受光センサーに導光し、２枚の
   マスク板の少なくとも一方を光軸と直交な方向にスキャ
   ンさせ、前記第１及び第２のマスク板の開口部を通過し
   た光束の光強度変化を検出ユニットで検出し、光軸上の
   開口部を通過した光束の強度変化と光軸以外の開口部を
   通過した光束の強度変化の位相差を求めることにより、
   前記被検レンズの収差を測定することを特徴とした収差
   測定装置。
2. 【請求項２】 光源手段からの光束を集光レンズで光軸
   上の一点に集光させ、該光軸上の一点から発散した光束
   あるいは光源手段からの光束を必要に応じて拡大後、集
   光レンズにより１点に収束する光束を光軸上に開口部を
   含む複数の開口部を有する第１マスク板と、該第１マス
   ク板の複数の開口部に対応して複数の開口部を設けた第
   ２マスク板を被検レンズを挟んで設け、又は被検レンズ
   の後側に設け、２枚のマスク板の少なくとも一方を光軸
   と直交な方向にスキャンさせ、前記第１及び第２のマス
   ク板の開口部を通過した光束の光強度変化を検出ユニッ
   トで検出し、光軸上の開口部を通過した光束の強度変化
   と光軸以外の開口部を通過した光束の強度変化の位相差
   を求めることにより、前記被検レンズの収差を測定する
   ことを特徴とした収差測定装置。
3. 【請求項３】 前記光軸上の開口部を通過した光束の強
   度変化と少なくとも１ヶ所の光軸以外の開口部を通過し
   た光束の強度変化の検出は同時刻に行われることを特徴
   とした請求項１又は２の収差測定装置。
4. 【請求項４】 前記位相差は、前記光軸上の光束の強度
   変化を参照信号とし、光軸以外の光束の強度変化を被検
   信号として位相計に入力して検出することを特徴とした
   請求項１，２、又は３の収差測定装置。
5. 【請求項５】 前記第２のマスク板に設けられた複数の
   開口部は等間隔で配置されていることを特徴とする請求
   項１又は２記載の収差測定装置。
6. 【請求項６】 前記第１及び第２のマスク板はガラス基
   板上にＣｒ等の不透過物がパターンニングされているこ
   とを特徴とした請求項１又は２記載の収差測定装置。
7. 【請求項７】 前記検出ユニットは複数の受光センサー
   を２次元的に配置して構成していることを特徴とした請
   求項１又は２記載の収差測定装置。
8. 【請求項８】 前記検出ユニットは、光軸上に配置され
   た受光センサーと光軸以外に配置された少なくとも１ヶ
   の受光センサーにより構成され、光軸上以外の受光セン
   サーは光軸と直交する２方向に移動可能な移動機構上に
   配置されていることを特徴とした請求項１又は２記載の
   収差測定装置。
9. 【請求項９】 前記光軸上の一点の位置を検出するため
   の焦点検出手段により、前記第１、第２のマスク板及び
   被検レンズの表面に一旦、焦点合わせ後に所望の位置に
   移動することにより、前記光軸上の一点、第１，２のマ
   スク板及び被検レンズの光軸方向の位置出しを行うこと
   を特徴とした請求項１又は２記載の収差測定装置。
10. 【請求項１０】 前記収差測定装置はアライメントマー
    ク観察手段を有し、前記第１及び第２のマスク板上に設
    けられたアライメントマークを観察することにより、第
    １及び第２のマスク板の光軸直交方向の位置出しを行う
    ことを特徴とした請求項１又は２記載の収差測定装置。