JP2002181517A - 曲面形状測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 任意の自由曲面形状に対しても、回折光学素
子などのような高精度な参照波面を生成する手段を用い
ずに、光学特性に影響を大きく与える特定周波数帯域の
形状を面として測定する測定方法及び装置を提供する。 【解決手段】 可干渉光を被検物面３に照射し、上記被
検物面３からの反射波面のうち、一部の空間周波数帯域
の波面を光学的に抽出し、上記被検物面３からの反射波
面と上記抽出した波面とから干渉縞を生成させ、上記干
渉縞から上記被検物面３の特定周波数帯域の形状の情報
あるいは面精度の情報を得る

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラスチックレン
ズ等の被検物の面形状や面精度を測定するための曲面形
状測定方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にプラスチックレンズ等の面形状を
光の干渉を利用して測定する場合、被検物面の設計形状
に対応した波面を有する測定光を生成し、測定光の被検
物面からの反射光と参照光を干渉させることによって、
被検物面と測定光の波面の差を測定するレーザー干渉計
等が知られている。被検物面が非球面の場合、波面形成
手段としては、容易に非球面波を得ることができるゾー
ンプレート等の回折光学素子、あるいは回折光学素子と
レンズの組合せが用いられる。特開平１０−２６００２
４号公報には、被検物面の面形状に対応した非球面波
と、球面波をそれぞれ発生するゾーンプレートを用いた
非球面形状測定装置及び方法が開示されている。このよ
うな測定方法では、非球面波面を高精度に測定しておく
か、あるいは、他の測定手段によって予め高精度に形状
測定された設計形状とほぼ一致した面を参照原器とし、
当該参照原器と被検面との比較測定を行う必要がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、非球面
波面を高精度に測定することや、高精度に測定された非
球面参照原器を得ることは容易ではないため、非球面形
状を高精度に測定することは困難であり、従来から非球
面形状の測定については盛んに研究されているものの、
いずれの方式も課題が多く、実用化には至っていない。

【０００４】また、書込走査光学系に使用される走査レ
ンズは、ビームスポット径の小径化に伴い、要求精度が
ナノメートルオーダーと厳しくなり、かつ近年では自由
曲面が採用されているため、面としての測定が極めて困
難になっている。さらに、走査レンズの入射ビームはレ
ンズを部分的に通過するため、面全体のゆるやかな形状
よりも、むしろ空間的に高周波数成分のうねりといっ
た、部分的な領域での形状誤差を高精度に測定する要求
が高まっている。

【０００５】本発明は以上のような従来技術の問題点を
解消するためになされたもので、任意の自由曲面形状に
対しても、回折光学素子などのような高精度な参照波面
を生成する手段を用いずに、光学特性に影響を大きく与
える特定周波数帯域の形状を面として測定する測定方法
及び装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
可干渉光を被検物面に照射し、上記被検物面からの反射
波面のうち、一部の空間周波数帯域の波面を光学的に抽
出し、上記被検物面からの反射波面と上記抽出した波面
とから干渉縞を生成させ、上記干渉縞から上記被検物面
の特定周波数帯域の形状の情報あるいは面精度の情報を
得ることを特徴とする。

【０００７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、被検物面からの反射波面のうち、一部の空
間周波数帯域の波面を光学的に抽出するために、フーリ
エ変換面近傍に配置した偏光素子を用いたことを特徴と
する。

【０００８】請求項３記載の発明は、請求項２記載の発
明において、偏光素子は、被検物面からの反射波面の、
一方向の偏光成分の低周波成分を透過させるための開口
を有することを特徴とする。

【０００９】請求項４記載の発明は、請求項１記載の発
明において、被検物面からの反射光を略平行とする対物
レンズを用いて干渉縞を生成させることを特徴とする。

【００１０】請求項５記載の発明は、請求項１記載の発
明において、コモンパス干渉により干渉縞を生成させる
ことを特徴とする。

【００１１】請求項６記載の発明は、請求項１記載の発
明において、被検物面からの反射波面の、一方向の偏光
成分の位相を可変する機構を用いて干渉縞解析を行うこ
とを特徴とする。

【００１２】請求項７記載の発明は、可干渉光を被検物
面に照射する手段と、上記被検物面からの反射波面のう
ち、一部の空間周波数帯域の波面情報を光学的に抽出す
る手段と、上記被検物面からの反射波面と上記抽出した
波面とから干渉縞を生成させる手段とを有し、上記干渉
縞から上記被検物面の特定周波数帯域の形状の情報ある
いは面精度の情報を得ることを特徴とする。

【００１３】請求項８記載の発明は、請求項７記載の発
明において、被検物面からの反射波面のうち、一部の空
間周波数帯域の波面情報を光学的に抽出する手段とし
て、フーリエ変換面近傍に配置した偏光素子を用いたこ
とを特徴とする。

【００１４】請求項９記載の発明は、請求項８記載の発
明において、偏光素子は、被検物面からの反射波面の、
一方向の偏光成分の低周波成分を透過させるための開口
を有することを特徴とする。

【００１５】請求項１０記載の発明は、請求項７記載の
発明において、干渉縞を生成させるために、被検物面か
らの反射光を略平行とする対物レンズを有することを特
徴とする。

【００１６】請求項１１記載の発明は、請求項７記載の
発明において、コモンパス干渉により干渉縞を生成させ
ることを特徴とする。

【００１７】請求項１２記載の発明は、請求項７記載の
発明において、干渉縞解析を行うために、被検物面から
の反射波面の、一方向の偏光成分の位相を可変する機構
を有することを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
にかかる曲面形状測定方法及び装置の実施の形態につい
て説明する。図１は、本発明にかかる曲面形状測定装置
の実施の形態を示す光学配置図である。曲面形状測定装
置は、レーザーなどを用いた光源１、レンズＬ１、ビー
ムスプリッタＢＳ、フーリエ変換レンズＬ２、対物レン
ズＬ３、開口付き偏光板４、逆フーリエ変換レンズＬ
４、位相差板５、検光子６、及び受光素子７を有してな
る。光源１と被検物２とを結ぶ線上に、光源１側からレ
ンズＬ１、ビームスプリッタＢＳ、フーリエ変換レンズ
Ｌ２、対物レンズＬ３の順に配置されている。また、光
源１と被検物２とを結ぶ線のビームスプリッタＢＳにお
ける垂直線上に、ビームスプリッタＢＳ側から順に、開
口付き偏光板４、逆フーリエ変換レンズＬ４、位相差板
５、検光子６、及び受光素子７が配置されている。以上
の構成により、曲面形状測定装置はフーリエ変換光学系
を構成している。ただし、位相差板５は、後述する干渉
縞解析を行う場合にのみ用いるものであり、干渉縞解析
を行わない場合には、不要である。

【００１９】光源１から出射されたレーザービームなど
の可干渉光は、レンズＬ１によってビームスプリッタＢ
Ｓの前で一旦絞られたあと広げられ、フーリエ変換レン
ズＬ２でほぼ平行光束とされ、対物レンズＬ３で収束さ
れて被検物面３に照射する。被検物面３からの反射光
は、対物レンズＬ３，Ｌ２を通過してビームスプリッタ
ＢＳによって受光素子７側に９０度折り曲げられ、逆フ
ーリエ変換レンズＬ４、位相差板５、検光子６を通過し
て受光素子７に到達する。

【００２０】図４は、本発明にかかる曲面形状測定方法
で用いる干渉縞の生成方法を示す概要図である。被検物
面ａからの反射波面ｃと、反射波面ｃの空間的に低周波
成分の波面ｄを干渉させると、被検物面ａの高周波成分
の情報が干渉縞ｅとなって現れる。したがって、反射波
面ｃをローパスフィルタ処理して低周波成分を取り出す
手段と、この低周波成分を参照波面ｄとして反射波面ｃ
と干渉させる手段とを用いれば、被検物面ａの形状が未
知で複雑であっても、被検物面ａの高周波成分の形状を
干渉縞ｅから測定できる。ここで、被検物面ａの形状
は、設計形状と形状誤差とからなる。また、図４の符号
ｂは、被検物面ａからの反射光を示す。

【００２１】図３（ａ）は、フーリエ変換レンズＬ２の
焦点面近傍ｆの断面図である（ビームスプリッタＢＳと
位相差板５は、記載を省略している）。対物レンズＬ３
を通過して略平行となった被検物面３からの反射光が、
フーリエ変換レンズＬ２に入射すると、フーリエ変換レ
ンズＬ２の焦点面近傍ｆにフーリエ変換像が生じる。フ
ーリエ変換像は、図３（ｂ）に示すように、設計形状に
相当する低周波成分は光軸付近に、加工誤差に相当する
うねり等の高周波成分は光軸から離れたところに集光す
る。

【００２２】フーリエ変換面近傍には、図３（ａ）にお
いて紙面に垂直方向の偏光成分のみを透過させる偏光素
子としての偏光板であって、光軸中心付近に開口４ａを
有する、開口付き偏光板４が配置してある。図３（ｃ）
は、開口付き偏光板４の平面図である。被検物面３から
の反射波面は、開口付き偏光板４において、水平方向の
偏光成分は光軸中心付近の低周波成分のみが透過し、垂
直偏光成分はすべての空間周波数帯域が透過する。図３
（ｄ）は、フーリエ変換面での各偏光方向の透過領域を
示す図である。

【００２３】垂直方向の偏光成分は、逆フーリエ変換レ
ンズＬ４により被検物面３の面精度をそのまま表現した
波面であるのに対して、水平方向の偏光成分は低周波成
分で構成された波面であり、偏光方向を４５度に配置し
た検光子６により被検物面３の低周波成分は差し引かれ
る。したがって、垂直方向の偏光成分の波面と、参照波
面である水平方向の偏光成分の波面が干渉することで、
うねり等の高周波成分の干渉縞が生成される。生成され
た干渉縞は、受光素子７によって観察する。ここで、フ
ーリエ変換レンズＬ２と逆フーリエ変換レンズＬ４を同
じ構成のレンズとするとともに互いに逆向きに配置する
と、レンズの持つ収差が打ち消されるため、干渉縞を生
成する際の収差の影響を良好に抑えることができる。

【００２４】抽出する周波数帯域のカットオフ周波数
は、開口４ａの大きさで決定することができる。また、
開口４ａをリング状にする等、位置や形状を変えること
により周波数帯域を選択することができるので、光学特
性に影響を大きく与える周波数帯域の形状を感度良く測
定することができる。

【００２５】被検物面３からの反射光を略平行とするた
めの対物レンズＬ３は、被検物面３の平均曲率にあわせ
て相対的に移動可能な構成となっている。ここで、対物
レンズＬ３は、球面でも共軸でもよく、被検物面３の形
状に合わせて、例えばシリンダレンズ等を用いて非共軸
波面としてもよい。

【００２６】以上説明した干渉は、同一の光路を通過す
る、垂直方向の偏光成分の波面と水平方向の偏光成分の
波面とを干渉させる、コモンパス干渉である。

【００２７】図１に示す実施の形態によれば、可干渉光
を被検物面３に照射し、上記被検物面３からの反射波面
のうち、一部の空間周波数帯域の波面を光学的に抽出
し、上記被検物面３からの反射波面と上記抽出した波面
とから干渉縞を生成させ、上記干渉縞から上記被検物面
３の特定周波数帯域の形状の情報あるいは面精度の情報
を得るようにしたことにより、従来のような被検物面３
の設計形状に合わせた高精度かつ特殊な参照波面を生成
する手段を用いることなく、被検物面３からの反射波面
を用いて参照波面を生成するため、被検物面３の形状あ
るいは面精度の測定に必要な干渉縞を良好に生成するこ
とができ、測定精度を高めることができる。また、対物
レンズＬ３を所定の位置に合わせて被検物面３からの反
射光を略平行とすることにより、受光素子７に干渉縞を
生成させることができる。対物レンズＬ３は略コリメー
トレンズとしての機能を果たせばよいことから、干渉に
必要な波面生成精度が従来に比べてはるかに緩い精度で
あってもよく、容易に参照波面を生成することができ
る。さらに、コモンパス干渉により干渉縞を生成させる
ため、干渉の剛性は強く、外乱の影響をほとんど受けな
い。

【００２８】以上説明したように、生成される干渉縞を
観察することで、被検物面３の大局的なうねり形状を把
握することは可能であるが、干渉縞解析を行うことで、
さらに高精度にうねり形状を測定することができる。干
渉縞解析を行う場合、重なり合う波面の位相を相対的に
シフトする必要があり、コモンパス干渉計を維持したま
ま、干渉縞解析を行う場合には、被検物面からの反射光
の、一方向の偏光成分の位相を可変する機構を追加すれ
ばよい。図１に示すように、位相差板５は、偏光成分の
位相を可変する機構として、逆フーリエ変換レンズＬ４
と検光子６との間に配置してある。

【００２９】なお位相差板５は、位相の異なる複数の位
相差板を用いるようにしてもよい。図２は位相差板５の
一例であり、回転板５０に位相差板５ａ，５ｂ，５ｃ，
５ｄが配置されている。ここで、各位相差板の位相は異
なり、位相差板５ａに対して、位相差板５ｂ，５ｃ，５
ｄはそれぞれπ／２，π，３π／２の位相差を有してい
る。回転板５０を回転させることで、１回転で４回の測
定が可能となる。位相差板５を用いて得た測定結果を公
知の位相シフト法等で解析することにより、被検物面３
の形状を高精度に測定することができる。また、厚さが
連続的に変わる材質を位相差板５に用いることで、位相
差板５の位相差を連続的に可変するようにしてもよい。
この方法は、高速に測定する場合に適している。さら
に、位相差板５の配置場所は、平行光束となる場所がよ
いが、フーリエ変換面に配置して開口付き偏光板４と兼
用してもよい。

【００３０】以上説明した位相差板５を用いた実施の形
態によれば、被検物面３からの反射波面の、一方向の偏
光成分の位相を可変する機構を用いて干渉縞解析を行う
ため、被検物面３の形状をさらに高精度に測定できる。

【００３１】

【発明の効果】請求項１乃至３および７乃至９記載の発
明によれば、可干渉光を被検物面に照射し、上記被検物
面からの反射波面のうち、一部の空間周波数帯域の波面
を光学的に抽出し、上記被検物面からの反射波面と上記
抽出した波面とから干渉縞を生成させ、上記干渉縞から
上記被検物面の特定周波数帯域の形状の情報あるいは面
精度の情報を得るようにしたことにより、従来のような
被検物面の設計形状に合わせた高精度かつ特殊な参照波
面を生成する手段を用いることなく、被検物面からの反
射波面を用いて参照波面を生成するため、被検物面の形
状あるいは面精度の測定に必要な干渉縞を良好に生成す
ることができ、測定精度を高めることができる。

【００３２】請求項４または１０記載の発明によれば、
請求項１または７記載の発明において、被検物面からの
反射光を略平行とする対物レンズを用いて干渉縞を生成
させるので、対物レンズが略コリメートでよいことか
ら、従来に比べてはるかに容易に参照波面を生成するこ
とができる。

【００３３】請求項５または１１記載の発明によれば、
請求項１または７記載の発明において、コモンパス干渉
により干渉縞を生成させるため、干渉の剛性は強く、外
乱の影響をほとんど受けない。

【００３４】請求項６または１２記載の発明によれば、
請求項１または７記載の発明において、被検物面からの
反射波面の、一方向の偏光成分の位相を可変する機構を
用いて干渉縞解析を行うため、被検物面の形状をさらに
高精度に測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる曲面形状測定装置の実施の形態
を示す光学配置図である。

【図２】上記曲面形状測定装置の位相差板の例を示す平
面図である。

【図３】上記曲面形状測定装置の開口付き偏光板の、
（ａ）はフーリエ変換レンズの焦点面近傍の断面図、
（ｂ）は焦点面近傍に生じるフーリエ変換像、（ｃ）は
開口付き偏光板の平面図、（ｄ）はフーリエ変換面での
各偏光方向の透過領域を示す図、である。

【図４】本発明にかかる曲面形状測定方法で用いる干渉
縞の生成方法の例を示す概要図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 被検物 ３ 被検物面 ４ 開口付き偏光板 ５ 位相差板 ６ 検光子 ７ 受光素子 Ｌ１ レンズ Ｌ２ フーリエ変換レンズ Ｌ３ 対物レンズ Ｌ４ 逆フーリエ変換レンズ ＢＳ ビームスプリッタ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可干渉光を被検物面に照射し、 上記被検物面からの反射波面のうち、一部の空間周波数
   帯域の波面を光学的に抽出し、 上記被検物面からの反射波面と上記抽出した波面とから
   干渉縞を生成させ、 上記干渉縞から上記被検物面の特定周波数帯域の形状の
   情報あるいは面精度の情報を得ることを特徴とする曲面
   形状測定方法。
2. 【請求項２】 被検物面からの反射波面のうち、一部の
   空間周波数帯域の波面を光学的に抽出するために、フー
   リエ変換面近傍に配置した偏光素子を用いた請求項１記
   載の曲面形状測定方法。
3. 【請求項３】 偏光素子は、被検物面からの反射波面
   の、一方向の偏光成分の低周波成分を透過させるための
   開口を有する請求項２記載の曲面形状測定方法。
4. 【請求項４】 被検物面からの反射光を略平行とする対
   物レンズを用いて干渉縞を生成させる請求項１記載の曲
   面形状測定方法。
5. 【請求項５】 コモンパス干渉により干渉縞を生成させ
   る請求項１記載の曲面形状測定方法。
6. 【請求項６】 被検物面からの反射波面の、一方向の偏
   光成分の位相を可変する機構を用いて干渉縞解析を行う
   請求項１記載の曲面形状測定方法。
7. 【請求項７】 可干渉光を被検物面に照射する手段と、 上記被検物面からの反射波面のうち、一部の空間周波数
   帯域の波面情報を光学的に抽出する手段と、 上記被検物面からの反射波面と上記抽出した波面とから
   干渉縞を生成させる手段とを有し、 上記干渉縞から上記被検物面の特定周波数帯域の形状の
   情報あるいは面精度の情報を得ることを特徴とする曲面
   形状測定装置。
8. 【請求項８】 被検物面からの反射波面のうち、一部の
   空間周波数帯域の波面情報を光学的に抽出する手段とし
   て、フーリエ変換面近傍に配置した偏光素子を用いた請
   求項７記載の曲面形状測定装置。
9. 【請求項９】 偏光素子は、被検物面からの反射波面
   の、一方向の偏光成分の低周波成分を透過させるための
   開口を有する請求項８記載の曲面形状測定装置。
10. 【請求項１０】 干渉縞を生成させるために、被検物面
    からの反射光を略平行とする対物レンズを有する請求項
    ７記載の曲面形状測定装置。
11. 【請求項１１】 コモンパス干渉により干渉縞を生成さ
    せる請求項７記載の曲面形状測定装置。
12. 【請求項１２】 干渉縞解析を行うために、被検物面か
    らの反射波面の、一方向の偏光成分の位相を可変する機
    構を有する請求項７記載の曲面形状測定装置。