JP2002213928A - 面形状測定装置、面形状測定方法及びこれらを用いて面形状が測定された光学素子を組み込んでなる投影レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源の姿勢が不安定で測定光の射出方向がず
れた場合であっても精度の高い測定を行うことができる
ようにする。 【解決手段】 光源１１から射出された測定光を被検面
Ｓ上で走査させ、被検面Ｓで反射した反射測定光の傾き
の変化を求めることにより被検面Ｓの形状を測定する。
ここで、測定光を光量がほぼ相等しい第１光と第２光と
に分割し、これら両光を、測定光の射出方向ずれに対し
て第１光は測定光の射出方向ずれと同方向に同量のずれ
を生じるとともに、第２光は第１光とは反対の方向に同
量のずれを生じる状態で被検面Ｓに入射させ、被検面Ｓ
で反射した両光を同一の計測面上に導いて両光それぞれ
の光スポットを形成させる。そして、計測面上に形成さ
れた両光スポットの総合光量重心位置を検出し、この検
出された両光スポットの総合光量重心位置に基づいて反
射測定光の傾きを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源から射出され
た測定光を被検面上で走査させ、被検面で反射した反射
測定光の傾きの変化を求めることにより被検面の形状を
測定する面形状測定装置、面形状測定方法及びこれらを
用いて面形状が測定された光学素子を組み込んでなる投
影レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】光走査型の面形状測定装置は、光源から
射出された測定光を被検面上に導き、この被検面上で反
射した光（反射測定光）を集光して計測面上に光スポッ
トを形成させる。そして、この計測面上に形成された光
スポットの位置を光位置検出素子（ＰＳＤ）により読み
取ることにより、反射測定光の傾きの変化を求めて被検
面の形状を算出することができるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の面形状測定装置においては、光源の姿勢が不
安定であることに起因して測定光の射出方向がずれてし
まう場合があった。このような測定光の射出方向のずれ
分は、検出される反射測定光の傾きに含まれてしまい、
得られる被検面の形状に誤差が生じる場合があった。

【０００４】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであり、光源の姿勢が不安定で測定光の射出方向が
ずれた場合であっても測定結果に影響を及ぼさず、精度
の高い測定を行うことが可能な構成の面形状測定装置、
面形状測定方法及びこれらを用いて面形状が測定された
光学素子を組み込んでなる投影レンズを提供することを
目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、第１の本発明に係る面形状測定装置は、光源か
ら射出された測定光を被検面上で走査させ、被検面で反
射した反射測定光の傾きの変化を求めることにより被検
面の形状を測定する面形状測定装置において、測定光を
光量がほぼ相等しい第１光と第２光とに分割し、これら
両光を、測定光の射出方向ずれに対して第１光は測定光
の射出方向ずれと同方向に同量のずれを生じるととも
に、第２光は第１光とは反対の方向に同量のずれを生じ
る状態で被検面に入射させ、被検面で反射した両光を同
一の計測面上に導いて両光それぞれの光スポットを形成
させる光学系と、計測面上に形成された両光スポットの
総合光量重心位置を検出する光位置検出手段と、光位置
検出手段により検出された両光スポットの総合光量重心
位置に基づいて反射測定光の傾きを算出する光傾き算出
手段とを備える。

【０００６】また、第１の本発明に係る面形状測定方法
は、光源から射出された測定光を被検面上で走査させ、
被検面で反射した反射測定光の傾きの変化を求めること
により被検面の形状を測定する面形状測定方法におい
て、測定光を光量がほぼ相等しい第１光と第２光とに分
割し、これら両光を、測定光の射出方向ずれに対して第
１光は測定光の射出方向ずれと同方向に同量のずれを生
じるとともに、第２光は第１光とは反対の方向に同量の
ずれを生じる状態で被検面に入射させ、被検面で反射し
た両光を同一の計測面上に導いて形成された両光の光ス
ポットの総合光量重心位置に基づいて反射測定光の傾き
を算出する。

【０００７】第１の本発明に係る面形状測定装置及び面
形状測定方法においては、光源から射出された測定光を
第１光と第２光とに分割した後、これら両光を被検面に
入射させ、被検面で反射した両光を同一の計測面上に導
き、これら両光が計測面上に形成する両光スポットの総
合光量重心位置に基づいて反射測定光の傾きを算出す
る。ここで、第１光と第２光の両光は、分割時におい
て、双方の光量がほぼ相等しくなるように調整されてお
り、且つ、測定光の射出方向ずれに対して第１光は測定
光の射出方向ずれと同方向に同量のずれを生じるととも
に、第２光は第１光とは反対の方向に同量のずれを生じ
る状態で被検面に入射されるようになっているので、両
光スポットの総合光量重心位置に基づいて求められた反
射測定光の傾きは、測定光の射出方向ずれによる誤差分
が除かれた正確な値となる。このため、光源の姿勢が不
安定で測定光の射出方向がずれた場合であっても、測定
結果に影響が及ぶことはなく、被検面の形状測定を高精
度に行うことが可能となる。

【０００８】また、第２の本発明に係る面形状測定装置
は、光源から射出された測定光を被検面上で走査させ、
被検面で反射した反射測定光の傾きの変化を求めること
により被検面の形状を測定する面形状測定装置におい
て、測定光を第１光と第２光とに分割し、これら両光
を、測定光の射出方向ずれ量に対して同量の角度ずれを
生じる状態で被検面に入射させ、被検面で反射した第１
光を第１の計測面上に導いて第１の光スポットを形成さ
せるとともに、被検面で反射した第２光を第２の計測面
上に導いて第２の光スポットを形成させる光学系と、第
１の計測面上に形成された第１の光スポットの光量重心
位置を検出する第１の光位置検出手段と、第２の計測面
上に形成された第２の光スポットの光量重心位置を検出
する第２の光位置検出手段と、第１の光位置検出手段に
より検出された第１の光スポットの光量重心位置に基づ
いて求められる被検面で反射した第１光の傾きから、第
２の光位置検出手段により検出された第２の光スポット
の光量重心位置に基づいて求められる被検面で反射した
第２光の傾きを差し引いて反射測定光の傾きを算出する
光傾き算出手段とを備える。

【０００９】また、第２の本発明に係る面形状測定方法
は、光源から射出された測定光を被検面上で走査させ、
被検面で反射した反射測定光の傾きの変化を求めること
により被検面の形状を測定する面形状測定方法におい
て、測定光を第１光と第２光とに分割し、これら両光
を、測定光の射出方向ずれ量に対して同量の角度ずれを
生じる状態で被検面に入射させ、被検面で反射した第１
光を第１の計測面上に導いて第１の光スポットを形成さ
せるとともに、被検面で反射した第２光を第２の計測面
上に導いて第２の光スポットを形成させ、第１の計測面
上に形成された第１の光スポットの光量重心位置に基づ
いて求められる被検面で反射した第１光の傾きから、第
２の計測面上に形成された第２の光スポットの光量重心
位置に基づいて求められる被検面で反射した第２光の傾
きを差し引いて反射測定光の傾きを算出する。

【００１０】第２の本発明に係る面形状測定装置及び面
形状測定方法においては、光源から射出された測定光を
第１光と第２光とに分割した後、これら両光を被検面に
導き、被検面で反射した第１光を第１の計測面上に導い
て第１の光スポットを形成させるとともに、被検面で反
射した第２光を第２の計測面上に導いて第２の光スポッ
トを形成させ、第１の光スポットの光量重心位置に基づ
いて求められる第１光の傾きから、第２の光スポットの
光量重心位置に基づいて求められる第２光の傾きを差し
引いて反射測定光の傾きを算出する。ここで、第１光と
第２光の両光は、測定光の射出方向ずれ量に対して同量
の角度ずれが生じるようになっているので、第１光の傾
きから第２光の傾きを差し引いて求められた反射測定光
の傾きは、測定光の射出方向ずれによる誤差分が除かれ
た正確な値となる。このため、光源の姿勢が不安定で測
定光の射出方向がずれた場合であっても、測定結果に影
響が及ぶことはなく、被検面の形状測定を高精度に行う
ことが可能となる。

【００１１】また、第３の本発明に係る面形状測定装置
は、光源から射出された測定光を被検面上で走査させ、
被検面で反射した反射測定光の傾きの変化を求めること
により被検面の形状を測定する面形状測定装置におい
て、測定光を光量がほぼ相等しい第１光と第２光とに分
割し、これら両光のうち第１光のみを被検面に入射させ
て反射させ、測定光の射出方向ずれに対して第１光は測
定光の射出方向ずれと同方向に同量のずれを生じるとと
もに、第２光は第１光とは反対の方向に同量のずれを生
じる状態で同一の計測面上に導いて両光それぞれの光ス
ポットを形成させる光学系と、計測面上に形成された両
光スポットの総合光量重心位置を検出する光位置検出手
段と、光位置検出手段により検出された両光スポットの
総合光量重心位置に基づいて反射測定光の傾きを算出す
る光傾き算出手段とを備える。

【００１２】また、第３の本発明に係る面形状測定方法
は、光源から射出された測定光を被検面上で走査させ、
被検面で反射した反射測定光の傾きの変化を求めること
により被検面の形状を測定する面形状測定方法におい
て、測定光を光量がほぼ相等しい第１光と第２光とに分
割し、これら両光のうち第１光のみを被検面に入射させ
て反射させ、測定光の射出方向ずれに対して第１光は測
定光の射出方向ずれと同方向に同量のずれを生じるとと
もに、第２光は第１光とは反対の方向に同量のずれを生
じる状態で同一の計測面上に導いて両光それぞれの光ス
ポットを形成させ、計測面上に形成された両光スポット
の総合光量重心位置に基づいて反射測定光の傾きを算出
する。

【００１３】第３の本発明に係る面形状測定装置及び面
形状測定方法においては、光源から射出された測定光を
第１光と第２光とに分割した後、このうち第１光のみを
被検面に入射させ、被検面で反射した第１光と被検面で
反射していない第２光とを同一の計測面上に導き、これ
ら両光が計測面上に形成する両光スポットの総合量重心
位置に基づいて反射測定光の傾きを算出する。ここで、
第１光と第２光の両光は、分割時において、双方の光量
がほぼ相等しくなるように調整されており、且つ、測定
光の射出方向ずれに対して第１光は測定光の射出方向ず
れと同方向に同量のずれを生じるとともに、第２光は第
１光とは反対の方向に同量のずれを生じる状態で同一の
計測面上に導かれるようになっているので、両光スポッ
トの総合光量重心位置に基づいて求められた反射測定光
の傾きは、測定光の射出方向ずれによる誤差分が除かれ
た正確な値となる。このため、光源の姿勢が不安定で測
定光の射出方向がずれた場合であっても、測定結果に影
響が及ぶことはなく、被検面の形状測定を高精度に行う
ことが可能となる。

【００１４】そして、第４の本発明に係る面形状測定装
置は、光源から射出された測定光を被検面上で走査さ
せ、被検面で反射した反射測定光の傾きの変化を求める
ことにより被検面の形状を測定する面形状測定装置にお
いて、測定光を第１光と第２光とに分割し、これら両光
を、測定光の射出方向ずれ量に対して同量の角度ずれを
生じるように導くとともに、これら両光のうち第１光の
みを被検面上に入射させ、被検面で反射した第１光を第
１の計測面上に導いて第１の光スポットと形成させると
ともに、第２光を導いて第２の計測面上に第２の光スポ
ットを形成させる光学系と、第１の計測面上に形成され
た第１の光スポットの光量重心位置を検出する第１の光
位置検出手段と、第２の計測面上に形成された第２の光
スポットの光量重心位置を検出する第２の光位置検出手
段と、第１の光位置検出手段により検出された第１の光
スポットの光量重心位置に基づいて求められる被検面で
反射した第１光の傾きから、第２の光位置検出手段によ
り検出された第２の光スポットの光量重心位置に基づい
て求められる測定光の射出方向ずれ角を差し引いて反射
測定光の傾きを算出する光傾き算出手段とを備える。

【００１５】また、第４の本発明に係る面形状測定方法
は、光源から射出された測定光を被検面上で走査させ、
被検面で反射した反射測定光の傾きの変化を求めること
により被検面の形状を測定する面形状測定方法におい
て、測定光を第１光と第２光とに分割し、これら両光
を、測定光の射出方向ずれ量に対して同量の角度ずれを
生じるように導くとともに、これら両光のうち第１光の
みを被検面上に入射させ、被検面で反射した第１光を第
１の計測面上に導いて第１の光スポットと形成させると
ともに、第２光を導いて第２の計測面上に第２の光スポ
ットを形成させ、第１の計測面上に形成された第１の光
スポットの光量重心位置に基づいて求められる被検面で
反射した第１光の傾きから、第２の計測面上に形成され
た第２の光スポットの光量重心位置に基づいて求められ
る測定光の射出方向ずれ角を差し引いて反射測定光の傾
きを算出する。

【００１６】第４の本発明に係る面形状測定装置及び面
形状測定方法においては、光源から射出された測定光を
第１光と第２光とに分割した後、これら両光のうち第１
光のみを被検面に入射させ、被検面で反射した第１光を
第１の計測面上に導いて第１の光スポットを形成させる
とともに、被検面で反射していない第２光を第２の計測
面上に導いて第２の光スポットを形成させ、第１の光ス
ポットの光量重心位置に基づいて求められる第１光の傾
きから、第２の光スポットの光量重心位置に基づいて求
められる測定光の射出方向ずれ角を差し引いて反射測定
光の傾きを算出する。ここで、第１光と第２光の両光
は、測定光の射出方向ずれ量に対して同量の角度ずれを
生じるように導かれているので、第１光の傾きから測定
光の射出方向ずれ角を差し引いて求められた反射測定光
の傾きは、測定光の射出方向ずれによる誤差分が除かれ
た正確な値となる。このため、光源の姿勢が不安定で測
定光の射出方向がずれた場合であっても、測定結果に影
響が及ぶことはなく、被検面の形状測定を高精度に行う
ことが可能となる。

【００１７】ここで、上記面形状測定装置における光学
系は、第１光及び第２光のいずれか一方の光を入射方向
に反射する機能を備えた光学部材を有していることが好
ましい。また、上記第２又は第４の本発明に係る面形状
測定装置における光学系は、第１光を測定光の射出方向
ずれと同方向にずれを生じさせるとともに、第２光を第
１光とは反対の方向にずれを生じさせるようになってい
ることが好ましい。更に上記分割は、偏光ビームスプリ
ッタ又は透過反射部材によりなされるようになっている
ことが好ましい。

【００１８】また、上記面形状測定方法において、測定
光の射出方向ずれに対して第１光が測定光の射出方向ず
れと同方向に同量のずれを生じるとともに、第２光が第
１光とは反対の方向に同量のずれを生じる状態は、第１
光又は第２光を入射方向に反射する機能を備えた光学部
材によりなされるようになっていることが好ましい。更
に、上記第２又は第４の本発明に係る面形状測定方法に
おいては、第１光は測定光の射出方向ずれと同方向にず
れを生じるとともに、第２光は第１光とは反対の方向に
ずれを生じるようになっていることが好ましい。また上
記分割は、偏光ビームスプリッタ又は透過反射部材によ
りなされるようになっていることが好ましい。

【００１９】また、上記面形状測定装置或いは方法を用
いて面形状が測定された光学素子を組み込んでなる投影
レンズは、面形状誤差の少ない非常に高精度な光学部品
となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
ましい実施形態について説明する。先ずは、第１の本発
明に係る面形状測定装置（及び面形状測定方法）につい
て説明する。

【００２１】図１は第１の本発明に係る面形状測定装置
の第１実施形態を示したものである。この面形状測定装
置は、光源１１（例えばレーザー光源）から射出された
測定光を被検面Ｓ上で走査させ、被検面Ｓで反射した測
定光（反射測定光）の傾きの変化を求めることにより被
検面Ｓの形状を測定する構成になっている。ここで、こ
の装置を構成する光学系は、光源１１から射出される測
定光を光量がほぼ相等しい第１光と第２光とに分割し、
これら両光を、測定光の射出方向ずれに対して第１光は
測定光の射出方向ずれと同方向に同量のずれを生じると
ともに、第２光は第１光とは反対の方向に同量のずれを
生じる状態で被検面Ｓに入射させ、被検面Ｓで反射した
両光を同一の計測面（光位置検出素子６０の受光面）上
に導いて両光それぞれの光スポットを形成させるように
組み立てられている。

【００２２】このような装置において、光源１１から射
出された測定光はレンズ１２により集光され、その集光
点に位置したピンホール１３を介してコリメータレンズ
１４に入射される。コリメータレンズ１４により平行光
にされた測定光は偏光ビームスプリッタ２０に入射さ
れ、半透膜を透過するＰ偏光である第１光と、半透膜に
おいて反射するＳ偏光である第２光とに分割される。な
お、ここでは、偏光ビームスプリッタ２０に入射する光
の状態を調整し、第１光と第２光との光量がほぼ相等し
くなるように（光量差が極めて小さくなるように）して
おく。その理由は、後述するように、同一計測面に形成
された第１光の光スポットと第２光の光スポットとによ
り総合光量重心位置を算出するので、各光の光量が相異
なると重心位置がずれるからである。

【００２３】偏光ビームスプリッタ２０を透過した第１
光はそのまま図の下方に進み、ハーフミラー５０の半透
膜を透過した後、被検面Ｓ上に至る。一方、偏光ビーム
スプリッタ２０において反射した第２光は図の左方に進
んで１／４波長板２１及びレンズ２２を透過した後、反
射ミラー２３において反射する。そして、再びレンズ２
２及び１／４波長板２１を透過して偏光ビームスプリッ
タ２０に左方から入射する。ここで、第２光は偏光ビー
ムスプリッタ２０において左方に反射した時点ではＳ偏
光であったが、反射ミラー２３において反射して再び偏
光ビームスプリッタ２０に戻ってくるまでの間には１／
４波長板２１を２回通過しているので、偏光ビームスプ
リッタ２０に左方から入射するときにはＰ偏光になって
いる。このため左方から入射した第２光はそのまま偏光
ビームスプリッタ２０を右方に透過し、更に１／４波長
板２４を透過して反射ミラー２５に至る。そして、この
反射ミラー２５において反射した後、再び１／４波長板
２４を透過して偏光ビームスプリッタ２０に右方から入
射する。

【００２４】ここで、第２光は偏光ビームスプリッタ２
０を左方から右方に透過した時点ではＰ偏光であった
が、反射ミラー２５において反射して偏光ビームスプリ
ッタ２０に戻ってくるまでの間には１／４波長板２４を
２回通過しているので、偏光ビームスプリッタ２０に右
方から入射するときにはＳ偏光になっている。このため
右方から入射した第２光は偏光ビームスプリッタ２０に
おいて図の下方に反射し、上記第１光と重ね合わされた
状態で図の下方に進む。そして、第１光と同様に上記ハ
ーフミラー５０の半透膜を透過し、第１光が入射したの
と同じ被検面Ｓ上の測定点に入射する。

【００２５】このように偏光ビームスプリッタ２０によ
り分割された第１光と第２光は重ね合わされた状態で偏
光ビームスプリッタ２０を下方に出射して被検面Ｓに入
射するが、偏光ビームスプリッタ２０を透過した第１光
がそのまま被検面Ｓに至るのに対し、偏光ビームスプリ
ッタ２０において通常の反射をした第２光は、レンズ２
２及び反射ミラー２３からなる構成によりキャッツアイ
反射（光を入射方向に反射する反射）をし、偏光ビーム
スプリッタ２０をそのまま透過した後、反射ミラー２５
において通常の反射した後、更に偏光ビームスプリッタ
２０において通常の反射をしてから被検面Ｓに至ること
から、測定光の射出方向ずれに対して第１光は測定光の
射出方向ずれと同方向に同量のずれを生じるとともに、
第２光は第１光とは反対の方向に同量のずれを生じるよ
うになる。すなわち、図２に示すように、光源１１から
射出された測定光Ｌが基準の方向（これを一点鎖線で示
す）から角度θだけずれた場合には、第１光Ｌ１は偏光
ビームスプリッタ２０を透過してそのまま出射するた
め、測定光Ｌと同じ量（角度θ）だけずれるが、第２光
は上記光路で導かれてから出射するため、第１光Ｌ１と
は反対の方向に同じ量（角度θ）だけずれる。

【００２６】ハーフミラー５０を透過して被検面Ｓ上の
同一の測定点に至った第１光と第２光の両光は、双方測
定点の形状に応じた傾き角をもって反射する。被検面Ｓ
で反射した第１光と第２光の両光は、今度は上記ハーフ
ミラー５０に図の下方から入射し、半透膜において反射
して図の右方に進む。そして、これら両光はレンズ５１
により集光されて同一の計測面、すなわち光位置検出素
子６０の受光面上にそれぞれ光スポットを形成する。

【００２７】光位置検出素子６０は、受光面（計測面）
上に形成されたこれら両光スポットの総合光量重心位置
を検出し、その結果を光傾き算出器７０に出力する。光
傾き算出器７０は、検出された両光スポットの総合光量
重心位置に基づいて、反射測定光の傾きを算出し、その
データを処理装置８０に出力する。そして、処理装置８
０は、測定光を被検面Ｓ上で走査させる制御を行いつ
つ、光傾き算出器７０において求められた反射測定光の
傾きの変化を記録して、被検面Ｓの面形状を求める。

【００２８】図３は、被検面Ｓに垂直に入射した第１光
が被検面Ｓの形状に応じた傾き（ここでは入射光軸に対
する傾き）をもって反射し、その傾きに応じた光位置検
出素子６０の受光面（計測面）上の位置に光スポットを
形成させる状況を示す図である。但し、この図ではレン
ズ５１の図示は省略している。図３（Ａ）に示すよう
に、実線の矢印で示す第１光を被検面Ｓに垂直に入射さ
せたとき、被検面Ｓ上の測定点が完全な平面であり、第
１光の反射光が入射時と同じ光路を戻ったときに計測面
（光位置検出素子６０の受光面）上に形成される光スポ
ットの位置を基準位置に設定すると、図３（Ｂ）のよう
に被検面Ｓ上の測定点が完全な平面でなく、第１光の反
射光が入射時の光路からずれた（傾いた）光路を戻った
ときに計測面上に形成される光スポットの位置は、上記
基準位置からずれたものとなる。この基準位置からのず
れ量（図中、ｄで示す）は、被検面Ｓで反射した第１光
の傾き（図中、φで示す）に対してずれの方向を含めて
一対一対応であるため、計測面上に形成される光スポッ
トの位置の基準位置からのずれ量を検出することによ
り、被検面Ｓで反射した第１光の傾きを求めることがで
きる。なお、これは第１光のみならず、第２光について
も全く同様である。

【００２９】また、光源１１の姿勢が不安定であり、図
４（この図ではレンズ５１の図示は省略している）に示
すように、測定光の射出方向が基準の方向（ここでは、
被検面Ｓに垂直な方向とする）からずれた場合には（ず
れ角をψで示す）、被検面Ｓ上の測定点が完全な平面で
あったとしても、第１光の被検面Ｓにおける反射光が計
測面（光位置検出素子６０の受光面）上に形成する光ス
ポットの位置は上記基準位置からずれたものとなる（そ
のずれ量をεで示す）。また、図示はしないが、このと
き第２光は第１光とは反対方向且つ同量にずれた姿勢で
被検面Ｓに入射し、その反射方向は第１光とは反対方向
且つ同量にずれたものとなる。

【００３０】このように、測定光の射出方向ずれに対し
て第１光は測定光の射出方向ずれと同方向に同量のずれ
を生じるとともに、第２光は第１光とは反対の方向に同
量のずれを生じるので、計測面上に形成される第１光の
光スポットと第２光の光スポットは、測定光の射出方向
ずれに対して、反対方向且つ同量でずれることになる。
このため、計測面上に形成される第１光の光スポットと
第２光の光スポットとの総合光量重心位置に基づいて求
められる反射測定光の傾きは、測定光の射出方向ずれに
起因する測定誤差が含まれていない、正確なものとな
る。以下にその理由を詳しく説明する。

【００３１】先ず、測定光の射出方向が基準の方向から
ずれていない場合には、偏光ビームスプリッタ２０を出
射する第１光は基準の方向からずれず、この第１光と重
ね合わされた状態で出射する第２光も基準の方向からず
れない。このため両光は全く一致した経路で被検面Ｓに
入射し、且つ同一の経路で反射するので、第１光が単独
で計測面上に形成する光スポットと第２光が単独で計測
面上に繋止する光スポットとは一致し、両光スポットの
光量重心位置それぞれから求められる（求めたとしたな
らば得られる）被検面Ｓで反射する両光の傾きは相等し
くなる。しかも、これら両光の傾きはともに測定光の射
出方向ずれによる誤差を含んでおらず、両光スポットの
総合光量重心位置から算出される光の傾きは、測定光の
出射方向ずれによる誤差を含まない正確な反射測定光の
傾き値となる。

【００３２】一方、測定光の射出方向が基準の方向から
角度θずれている場合には、偏光ビームスプリッタ２０
を出射する第１光は基準の方向より角度θだけずれてお
り、第２光はこれと反対方向に同量（同角度θ）だけず
れている。このため第１光が単独で計測面上に形成する
光スポットの位置から求められる（求めたとしたならば
得られる）第１光の傾きには、被検面Ｓの形状に起因す
る傾きに測定光の射出方向ずれによる誤差分が含まれて
おり、第２光が単独で計測面上に形成する光スポットか
ら求められる（求めたとしたならば得られる）第２光の
傾きには、被検面Ｓの形状に起因する傾きに、測定光の
出射方向ずれによる誤差分が第１光の場合とは反対方向
に、且つ同量分だけ含まれることになる。このため、両
光スポットの総合光量重心位置に基づいて算出される光
の傾きは、測定光の射出方向ずれによる誤差分を含まな
い（双方の誤差がキャンセルされた）正確な反射測定光
の傾きとなる。

【００３３】このように第１の本発明に係る面形状測定
装置（及び上記手順による面形状測定方法）において
は、光源１１から射出された測定光を第１光と第２光と
に分割した後、これら両光を被検面Ｓに入射させ、被検
面Ｓで反射した両光を同じ計測面上に導き、これら両光
が計測面上に形成する両光スポットの総合量重心位置に
基づいて反射測定光の傾きを算出する。ここで、第１光
と第２光の両光は、分割時において、双方の光量が相等
しくなるように調整されており、且つ、測定光の射出方
向ずれに対して第１光は測定光の射出方向ずれと同方向
に同量のずれを生じるとともに、第２光は第１光とは反
対の方向に同量のずれを生じる状態で被検面Ｓに入射さ
れるようになっているので、両光スポットの総合光量重
心位置に基づいて求められた反射測定光の傾きは、測定
光の射出方向ずれによる誤差分が除かれた正確な値とな
る。このため、光源１１の姿勢が不安定で測定光の射出
方向がずれた場合であっても、測定結果に影響が及ぶこ
とはなく、被検面の形状測定を高精度に行うことが可能
となる。

【００３４】図５は第１の本発明に係る面形状測定装置
の第２実施形態であり、前述の第１実施形態におけるレ
ンズ２２と反射ミラー２３とからなる構成（入射光をキ
ャッツアイ反射する構成）に代えて、コーナーキューブ
２６を設置したものである。このような構成であって
も、１／４波長板２１を右方から左方へ透過した第２光
は同じ経路で１／４波長板２１を左方から右方へ透過す
るので、上記第１実施形態の場合と全く同様の効果を得
ることができる。

【００３５】図６は第１の本発明に係る面形状測定装置
の第３実施形態であり、前述の第１実施形態において、
偏光ビームスプリッタ２０の右方に設けられていた１／
４波長板２４と反射ミラー２５を除去するとともに、偏
光ビームスプリッタ２０の下方（図の下方）に１／４波
長板２７と反射ミラー２８とを設けたものである。この
ような構成では、光源１１からの光は先ず、偏光ビーム
スプリッタ２０において、半透膜を透過するＰ偏光であ
る第１光と半透膜において反射するＳ偏光である第２光
とに分割される。そして、第１光は１／４波長板２７を
透過した後、反射ミラー２８において反射し、再び１／
４波長板２７を透過して偏光ビームスプリッタ２０に図
の下方から入射する。ここで、第１光は偏光ビームスプ
リッタ２０を透過した時点ではＰ偏光であったが、反射
ミラー２８において反射して再び偏光ビームスプリッタ
２０に戻ってくるまでの間に１／４波長板２７を２回通
過しているので、偏光ビームスプリッタ２０に下方から
入射するときにはＳ偏光になっている。このため第１光
は偏光ビームスプリッタ２０の半透膜において反射し、
図の右方に進む。

【００３６】一方、偏光ビームスプリッタ２０において
反射し、図の左方に進んだ第２光は１／４波長板２１及
びレンズ２２を透過した後、反射ミラー２３において反
射し、再びレンズ２２及び１／４波長板２１を透過して
偏光ビームスプリッタ２０に図の左方から入射する。こ
こで、第２光は偏光ビームスプリッタ２０において反射
した時点ではＳ偏光であったが、反射ミラー２３におい
て反射して再び偏光ビームスプリッタ２０に戻ってくる
までの間に１／４波長板２１を２回通過しているので、
偏光ビームスプリッタ２０に左方から入射するときには
Ｐ偏光になっている。このため第２光はそのまま偏光ビ
ームスプリッタ２０を左方から右方へ透過し、第１光と
重ね合わされた状態で図の右方に進む。そして、これら
両光はともに第１実施形態におけるハーフミラー５０に
導かれてこれを透過し、被検面Ｓ上の同じ測定点に入射
する。

【００３７】この場合も、偏光ビームスプリッタ２０に
より分割された第１光と第２光は重ね合わされた状態で
被検面Ｓに入射するが、偏光ビームスプリッタ２０を透
過した第１光が、反射ミラー２８において通常の反射を
した後、偏光ビームスプリッタ２０において通常の反射
をしてから被検面Ｓに至るのに対し、偏光ビームスプリ
ッタ２０において通常の反射をした第２光は、レンズ２
２及び反射ミラー２３からなる構成においてキャッツア
イ反射した後、偏光ビームスプリッタ２０をそのまま透
過して被検面Ｓに至ることから、測定光の射出方向ずれ
に対して第１光は測定光の射出方向ずれと同方向に同量
のずれを生じるとともに、第２光は第１光とは反対の方
向に同量のずれを生じるようになる。このため、前述の
第１実施形態の場合と全く同様の効果を得ることができ
る。

【００３８】図７は第１の本発明に係る面形状測定装置
の第４実施形態を示している。この実施形態では、前述
の第１実施形態におけるレンズ２２と反射ミラー２３と
からなる構成をコーナーキューブ２６に置き換えるとと
もに、偏光ビームスプリッタ２０の右方に設けられてい
た１／４波長板２４と反射ミラー２５を除去して、偏光
ビームスプリッタ２０の下方（図の下方）に１／４波長
板２７と反射ミラー２８とを設けたものである。

【００３９】このような構成では、光源１１からの光は
先ず、偏光ビームスプリッタ２０において、半透膜を透
過するＰ偏光である第１光と半透膜において反射するＳ
偏光である第２光とに分割される。そして、第１光は１
／４波長板２７を透過した後、反射ミラー２８において
反射し、再び１／４波長板２７を透過して偏光ビームス
プリッタ２０に図の下方から入射する。ここで、第１光
は偏光ビームスプリッタ２０を透過した時点ではＰ偏光
であったが、反射ミラー２８において反射して再び偏光
ビームスプリッタ２０に戻ってくるまでの間に１／４波
長板２７を２回通過しているので、偏光ビームスプリッ
タ２０に下方から入射するときにはＳ偏光になってい
る。このため第１光は偏光ビームスプリッタ２０の半透
膜において反射し、図の右方に進む。

【００４０】一方、偏光ビームスプリッタ２０において
反射し、図の左方に進んだ第２光は１／４波長板２１を
透過した後、コーナーキューブ２６において反射し、再
び１／４波長板２１を透過して偏光ビームスプリッタ２
０に図の左方から入射する。ここで、第２光は偏光ビー
ムスプリッタ２０において反射した時点ではＳ偏光であ
ったが、コーナーキューブ２６において反射して再び偏
光ビームスプリッタ２０に戻ってくるまでの間に１／４
波長板２１を２回通過しているので、偏光ビームスプリ
ッタ２０に左方から入射するときにはＰ偏光になってい
る。このため第２光はそのまま偏光ビームスプリッタ２
０を左方から右方へ透過し、第１光と重ね合わされた状
態で図の右方に進む。そして、これら両光はともに第１
実施形態におけるハーフミラー５０に導かれてこれを透
過し、被検面Ｓ上の同じ測定点に入射する。

【００４１】この場合も、偏光ビームスプリッタ２０に
より分割された第１光と第２光は重ね合わされた状態で
被検面Ｓに入射するが、偏光ビームスプリッタ２０を透
過した第１光が反射ミラー２８において通常の反射をし
た後、偏光ビームスプリッタ２０において通常の反射を
してから被検面Ｓに至るのに対し、偏光ビームスプリッ
タ２０において通常の反射をした第２光は、コーナーキ
ューブ２６においてキャッツアイ反射した後、偏光ビー
ムスプリッタ２０をそのまま透過して被検面Ｓに至るこ
とから、測定光の射出方向ずれに対して第１光は測定光
の射出方向ずれと同方向に同量のずれを生じるととも
に、第２光は第１光とは反対の方向に同量のずれを生じ
るようになる。このため、前述の第１実施形態の場合と
全く同様の効果を得ることができる。

【００４２】図８は第１の本発明に係る面形状測定装置
の第５実施形態を示している。この実施形態では、前述
の第１実施形態における偏光ビームスプリッタ２０を、
光源１１からの光の反射光の出射方向が図の右方となる
ように置き直すとともに、偏光ビームスプリッタ２０の
右方に設けられていた１／４波長板２４と反射ミラー２
５とを除去して、偏光ビームスプリッタ２０の下方（図
の下方）に１／４波長板２７と反射ミラー２８とを設け
たものである。

【００４３】このような構成では、光源１１からの光は
先ず、偏光ビームスプリッタ２０において、半透膜を透
過するＰ偏光である第１光と半透膜において反射するＳ
偏光である第２光とに分割される。そして、第１光は１
／４波長板２７を透過した後、反射ミラー２８において
反射し、再び１／４波長板２７を透過して偏光ビームス
プリッタ２０に図の下方から入射する。ここで、第１光
は偏光ビームスプリッタ２０を透過した時点ではＰ偏光
であったが、反射ミラー２８において反射して再び偏光
ビームスプリッタ２０に戻ってくるまでの間に１／４波
長板２７を２回通過しているので、偏光ビームスプリッ
タ２０に下方から入射するときにはＳ偏光になってい
る。このため第１光は偏光ビームスプリッタ２０におい
て反射し、図の左方に進む。

【００４４】この第１光は、更に１／４波長板２１及び
レンズ２２を透過した後、反射ミラー２３において反射
し、再びレンズ２２及び１／４波長板２１を透過して偏
光ビームスプリッタ２０に図の左方から入射する。ここ
で、第１光は、偏光ビームスプリッタ２０において左方
に反射された時点ではＳ偏光であったが、反射ミラー２
３において反射して再び偏光ビームスプリッタ２０に戻
ってくるまでの間に１／４波長板２１を２回通過してい
るので、偏光ビームスプリッタ２０に左方から入射する
ときにはＰ偏光になっている。このため第１光はそのま
ま偏光ビームスプリッタ２０を左方から右方へ透過す
る。一方、偏光ビームスプリッタ２０において右方に反
射した第２光は、第１光と重ね合わされた状態で図の右
方に進む。そして、これら両光はともに第１実施形態に
おけるハーフミラー５０に導かれてこれを透過し、被検
面Ｓ上の同じ測定点に入射する。

【００４５】この場合も、偏光ビームスプリッタ２０に
より分割された第１光と第２光は重ね合わされた状態で
被検面Ｓに入射するが、偏光ビームスプリッタ２０を透
過した第１光が反射ミラー２８において通常の反射を
し、偏光ビームスプリッタ２０において通常の反射をし
た後、レンズ２２及び反射ミラー２３からなる構成にお
いてキャッツアイ反射してから偏光ビームスプリッタ２
０をそのまま透過して被検面Ｓに至るのに対し、偏光ビ
ームスプリッタ２０において通常の反射をした第２光は
そのまま被検面Ｓに至ることから、測定光の射出方向ず
れに対して第１光は測定光の射出方向ずれと同方向に同
量のずれを生じるとともに、第２光は第１光とは反対の
方向に同量のずれを生じるようになる。このため、前述
の第１実施形態の場合と全く同様の効果を得ることがで
きる。

【００４６】図９は第１の本発明に係る面形状測定装置
の第６実施形態を示している。この実施形態では、上記
第５実施形態の場合と同様、第１実施形態における偏光
ビームスプリッタ２０を、反射光の出射方向が図の右方
となるように置き直すとともに、第１実施形態における
レンズ２２と反射ミラー２３とからなる構成をコーナー
キューブ２６に替え、更に、偏光ビームスプリッタ２０
の右方に設けられていた１／４波長板２４と反射ミラー
２５とを除去して、偏光ビームスプリッタ２０の下方
（図の下方）に１／４波長板２７と反射ミラー２８とを
設けたものである。

【００４７】このような構成では、光源１１からの光は
先ず、偏光ビームスプリッタ２０において、半透膜を透
過するＰ偏光である第１光と半透膜において反射するＳ
偏光である第２光とに分割される。そして、第１光は１
／４波長板２７を透過した後、反射ミラー２８において
反射し、再び１／４波長板２７を透過して偏光ビームス
プリッタ２０に図の下方から入射する。ここで、第１光
は偏光ビームスプリッタ２０を透過した時点ではＰ偏光
であったが、反射ミラー２８において反射して再び偏光
ビームスプリッタ２０に戻ってくるまでの間に１／４波
長板２７を２回通過しているので、偏光ビームスプリッ
タ２０に下方から入射するときにはＳ偏光になってい
る。このため、第１光は偏光ビームスプリッタ２０にお
いて反射し、図の左方に進む。

【００４８】図の左方に進んだ第１光は、更に１／４波
長板２１を透過した後、コーナーキューブ２６において
反射し、再び１／４波長板２１を透過して偏光ビームス
プリッタ２０に図の左方から入射する。ここで、第１光
は、偏光ビームスプリッタ２０において左方に反射した
時点ではＳ偏光であったが、コーナーキューブ２６にお
いて反射して再び偏光ビームスプリッタ２０に戻ってく
るまでの間に１／４波長板２１を２回通過しているの
で、偏光ビームスプリッタ２０に左方から入射するとき
にはＰ偏光になっている。このため第１光はそのまま偏
光ビームスプリッタ２０を透過する。一方、偏光ビーム
スプリッタ２０において右方に反射した第２光は、第１
光と重ね合わされた状態で図の右方に進む。そして、こ
れら両光はともに第１実施形態におけるハーフミラー５
０に導かれてこれを透過し、被検面Ｓ上の同じ測定点に
入射する。

【００４９】この場合も、偏光ビームスプリッタ２０に
より分割された第１光と第２光は重ね合わされた状態で
被検面Ｓに入射するが、偏光ビームスプリッタ２０を透
過した第１光が反射ミラー２８において通常の反射を
し、偏光ビームスプリッタ２０において通常の反射をし
た後、コーナーキューブ２６においてキャッツアイ反射
をしてから偏光ビームスプリッタ２０をそのまま透過し
て被検面Ｓに至るのに対し、偏光ビームスプリッタ２０
において通常の反射をした第２光はそのまま被検面に至
ることから、測定光の射出方向ずれに対して第１光は測
定光の射出方向ずれと同方向に同量のずれを生じるとと
もに、第２光は第１光とは反対の方向に同量のずれを生
じるようになる。このため、前述の第１実施形態の場合
と全く同様の効果を得ることができる。

【００５０】図１０は第１の本発明に係る面形状測定装
置の第７実施形態を示している。この実施形態では、前
述の第１実施形態における偏光ビームスプリッタ２０
を、反射光の出射方向が図の右方となるように置き直す
とともに、レンズ２２と反射ミラー２３とからなる構成
を直角プリズム２９に置き換え、更に、反射ミラー２５
を直角プリズム３０に置き換えた構成となっている。こ
こで、両直角プリズム２９，３０は図に示すように、入
射光と反射光とを含む平面が互いに直交するような姿勢
に設けられる。

【００５１】このような構成では、光源１１からの光は
先ず、偏光ビームスプリッタ２０において、半透膜を透
過するＰ偏光である第１光と半透膜において反射するＳ
偏光である第２光とに分割される。ここで、第１光はそ
のまま偏光ビームスプリッタ２０を図の下方に透過する
が、第２光は図の右方に反射して１／４波長板２４を透
過した後、直角プリズム３０において反射する。そし
て、再び１／４波長板２４を透過して偏光ビームスプリ
ッタ２０に右方から入射する。ここで、第２光は偏光ビ
ームスプリッタ２０において反射した時点ではＳ偏光で
あったが、直角プリズム３０において反射して再び偏光
ビームスプリッタ２０に戻ってくるまでの間に１／４波
長板２４を２回通過しているので、偏光ビームスプリッ
タ２０に右方から入射するときにはＰ偏光になってい
る。このため第２光はそのまま偏光ビームスプリッタ２
０を右方から左方へ透過し、更に１／４波長板２１を透
過して直角プリズム２９に至る。そして、この直角プリ
ズム２９において反射した後、再び１／４波長板２１を
透過して偏光ビームスプリッタ２０に左方から入射す
る。

【００５２】ここで、第２光は偏光ビームスプリッタ２
０を右方から左方に透過した時点ではＰ偏光であった
が、直角プリズム２９において反射して偏光ビームスプ
リッタ２０に戻ってくるまでの間に１／４波長板２１を
２回通過しているので、偏光ビームスプリッタ２０に左
方から入射するときにはＳ偏光になっている。このため
第２光は偏光ビームスプリッタ２０において反射し、上
記第１光と重ね合わされた状態で図の下方に直進する。
そして、これら両光はともに第１実施形態におけるハー
フミラー５０に導かれてこれを透過し、被検面Ｓ上の同
じ測定点に入射する。

【００５３】このように偏光ビームスプリッタ２０によ
り分割された第１光と第２光は重ね合わされた状態で被
検面Ｓに入射されるが、偏光ビームスプリッタ２０を透
過した第１光がそのまま直進するのに対し、偏光ビーム
スプリッタ２０において通常の反射をした第２光は入射
光と反射光とを含む平面が互いに直交するように設けら
れた２つの直角プリズム３０，２９においてそれぞれ通
常の反射及びキャッツアイ反射をすることから、測定光
の射出方向ずれに対して第１光は測定光の射出方向ずれ
と同方向に同量のずれを生じるとともに、第２光は第１
光とは反対の方向に同量のずれを生じるようになる。こ
のため、前述の第１実施形態の場合と全く同様の効果を
得ることができる。

【００５４】図１１は第１の本発明に係る面形状測定装
置の第８実施形態を示している。この実施形態では、上
記第７実施形態において偏光ビームスプリッタ２０の右
方に設けられていた１／４波長板２４と直角プリズム３
０とを除去するとともに、偏光ビームスプリッタ２０の
下方（図１１では左方に相当）に１／４波長板３１と直
角プリズム３２とを設けたものである。なお、ここでも
両直角プリズム２９，３２は、入射光と反射光とを含む
平面が互いに直交するような姿勢に設けられる。

【００５５】このような構成では、図１１の右方から進
んできた光源１１からの光は先ず、偏光ビームスプリッ
タ２０において、半透膜を透過するＰ偏光である第１光
と半透膜において反射するＳ偏光である第２光とに分割
される。第１光は１／４波長板３１を透過した後、直角
プリズム３２において反射し、再び１／４波長板３１を
透過して偏光ビームスプリッタ２０に図の左方から入射
する。ここで、第１光は偏光ビームスプリッタ２０を透
過した時点ではＰ偏光であったが、直角プリズム３２に
おいて反射して再び偏光ビームスプリッタ２０に戻って
くるまでの間に１／４波長板３１を２回通過しているの
で、偏光ビームスプリッタ２０に図の左方から入射する
ときにはＳ偏光になっている。このため第１光は偏光ビ
ームスプリッタ２０において反射し、図の下方に進む。

【００５６】一方、第２光は図の上方に反射して１／４
波長板２１を透過した後、直角プリズム２９において反
射する。そして、再び１／４波長板２１を透過して偏光
ビームスプリッタ２０に図の上方から入射する。ここ
で、第２光は偏光ビームスプリッタ２０において反射し
た時点ではＳ偏光であったが、直角プリズム２９におい
て反射して再び偏光ビームスプリッタ２０に戻ってくる
までの間に１／４波長板２１を２回通過しているので、
偏光ビームスプリッタ２０に図の上方から入射するとき
にはＰ偏光になっている。このため第２光はそのまま偏
光ビームスプリッタ２０を透過し、第１光と重ね合わさ
れた状態で図の下方に直進する。そして、これら両光は
ともに前述の第１実施形態におけるハーフミラー５０に
導かれてこれを透過し、被検面Ｓ上の同じ測定点に入射
する。

【００５７】このように偏光ビームスプリッタ２０によ
り分割された第１光と第２光は重ね合わされた状態で被
検面Ｓに入射されるが、偏光ビームスプリッタ２０を透
過した第１光が直角プリズム３２においてキャッツアイ
反射をし、偏光ビームスプリッタ２０において反射した
第２光は、上記直角プリズム３２に対して入射光と反射
光とを含む平面が直交する関係に配置された直角プリズ
ム２９において通常の反射をすることから、測定光の射
出方向ずれに対して第１光は測定光の射出方向ずれと同
方向に同量のずれを生じるとともに、第２光は第１光と
は反対の方向に同量のずれを生じるようになる。このた
め、前述の第１実施形態の場合と全く同様の効果を得る
ことができる。

【００５８】図１２は第１の本発明に係る面形状測定装
置の第９実施形態を示している。この実施形態では、上
記第８実施形態における偏光ビームスプリッタ２０を、
光源１１からの光の反射光の出射方向が図の下方になる
ように置き直したものである。このような構成では、図
１２の右方から進んできた光源１１からの光は先ず、偏
光ビームスプリッタ２０において、半透膜を透過するＰ
偏光である第１光と半透膜において反射するＳ偏光であ
る第２光とに分割される。第１光は１／４波長板３１を
透過した後、直角プリズム３２において通常の反射を
し、再び１／４波長板３１を透過して偏光ビームスプリ
ッタ２０に図の左方から入射する。ここで、第１光は偏
光ビームスプリッタ２０を透過した時点ではＰ偏光であ
ったが、直角プリズム３２において反射して再び偏光ビ
ームスプリッタ２０に戻ってくるまでの間に１／４波長
板３１を２回通過しているので、偏光ビームスプリッタ
２０に図の左方から入射するときにはＳ偏光になってい
る。このため第１光は偏光ビームスプリッタ２０におい
て反射し、図の上方に進む。

【００５９】図の上方に進んだ第１光は、更に１／４波
長板２１を透過した後、直角プリズム２９においてキャ
ッツアイ反射をし、再び１／４波長板２１を透過して偏
光ビームスプリッタ２０に図の上方から入射する。ここ
で、第１光は、偏光ビームスプリッタ２０において上方
に反射した時点ではＳ偏光であったが、直角プリズム２
９において反射して再び偏光ビームスプリッタ２０に戻
ってくるまでの間に１／４波長板２１を２回通過してい
るので、偏光ビームスプリッタ２０に上方から入射する
ときにはＰ偏光になっている。このため第１光はそのま
ま偏光ビームスプリッタ２０を透過する。一方、偏光ビ
ームスプリッタ２０において反射した第２光は、第１光
と重ね合わされた状態で図の下方に進む。そして、これ
ら両光はともに前述の第１実施形態におけるハーフミラ
ー５０に導かれてこれを透過し、被検面Ｓ上の同じ測定
点に入射する。

【００６０】このように偏光ビームスプリッタ２０によ
り分割された第１光と第２光は重ね合わされた状態で被
検面Ｓに入射されるが、偏光ビームスプリッタ２０を透
過した第１光が入射光と反射光とを含む平面が互いに直
交するように設けられた２つの直角プリズム３２，２９
においてそれぞれ通常の反射とキャッツアイ反射をする
のに対し、偏光ビームスプリッタ２０において通常の反
射をした第２光はそのまま直進することから、測定光の
射出方向ずれに対して第１光は測定光の射出方向ずれと
同方向に同量のずれを生じるとともに、第２光は第１光
とは反対の方向に同量のずれを生じるようになる。この
ため、前述の第１実施形態の場合と全く同様の効果を得
ることができる。

【００６１】図１３は第１の本発明に係る面形状測定装
置の第１０実施形態であり、前述の第１実施形態におけ
る１つの偏光ビームスプリッタ２０、２つの１／４波長
板２１，２４、１つのレンズ２２及び２つの反射ミラー
２３，２５からなる構成を、２つのビームスプリッタ３
３，３４、２つの反射ミラー３５，３６及び２つのレン
ズ３７，３８からなる構成に代えたものである。ここ
で、ビームスプリッタ３３，３４及び反射ミラー３５，
３６は相互に平行な状態に設置される。

【００６２】このような構成では、図１３の左方から進
んできた光源１１からの光は先ず、ビームスプリッタ３
３において、半透膜を透過する第１光と半透膜において
反射する第２光とに分割される。ビームスプリッタ３３
を透過した第１光は、反射ミラー３５において図の下方
に反射し、更にビームスプリッタ３４において図の右方
に反射する。一方、ビームスプリッタ３３において反射
し、図の下方に進んだ第２光は、反射ミラー３６におい
て図の右方に反射し、レンズ３７において一旦集光され
た後、このレンズ３７と焦点距離が同じであり、且つこ
のレンズ３７の焦点位置と同じ位置に焦点が設定された
レンズ３８により再び平行光にされた後、ビームスプリ
ッタ３４を左方から右方へ透過して直進する。そして、
これら両光はともに第１実施形態におけるハーフミラー
５０に導かれてこれを透過し、被検面Ｓ上の同じ測定点
に入射する。

【００６３】このようにビームスプリッタ３３により分
割された第１光と第２光は重ね合わされた状態で被検面
Ｓに入射されるが、ビームスプリッタ３３を透過した第
１光が反射ミラー３５及びビームスプリッタ３４におい
て通常の反射をするのに対し、ビームスプリッタ３３に
おいて反射した第２光は反射ミラー３６において反射し
た後、２つのレンズ３７，３８を介して直進する（この
とき、測定光の出射方向ずれがある場合には、第２光の
ずれ方向が反転する）ことから、測定光の射出方向ずれ
に対して第１光は測定光の射出方向ずれと同方向に同量
のずれを生じるとともに、第２光は第１光とは反対の方
向に同量のずれを生じる。このため、前述の第１実施形
態の場合と全く同様の効果を得ることができる。

【００６４】図１４は第１の本発明に係る面形状測定装
置の第１１実施形態であり、上記第１０実施形態におけ
る２つのビームスプリッタ３３，３４を、それぞれ偏光
ビームスプリッタ３９，４０に代えたものである。この
ような構成では、図１４の上方から進んできた光源１１
からの光は先ず、偏光ビームスプリッタ３９において、
半透膜を透過するＰ偏光である第１光と半透膜において
反射するＳ偏光である第２光とに分割される。偏光ビー
ムスプリッタ３９を透過して図の下方に進んだＰ偏光で
ある第１光は、反射ミラー３６において図の右方に反射
し、レンズ３７において一旦集光された後、このレンズ
３７と焦点距離が同じであり、且つこのレンズ３７の焦
点位置と同じ位置に焦点が設定されたレンズ３８により
再び平行光にされた後、偏光ビームスプリッタ４０を左
方から右方へ透過して直進する。一方、偏光ビームスプ
リッタ３９において図の右方に反射したＳ偏光である第
２光は、反射ミラー３５において図の下方に反射し、更
に偏光ビームスプリッタ４０において図の右方に反射す
る。そして、これら両光はともに第１実施形態における
ハーフミラー５０に導かれてこれを透過し、被検面Ｓ上
の同じ測定点に入射する。

【００６５】このように偏光ビームスプリッタ３９によ
り分割された第１光と第２光は重ね合わされた状態で被
検面Ｓに入射されるが、偏光ビームスプリッタ３９を透
過した第１光が反射ミラー３６において反射した後、２
つのレンズ３７，３８を介して直進する（このとき、測
定光の出射方向ずれがある場合には、第２光のずれ方向
が反転する）のに対し、偏光ビームスプリッタ３９にお
いて反射した第２光は反射ミラー３５及び偏光ビームス
プリッタ４０において通常の反射をすることから、測定
光の射出方向ずれに対して第１光は測定光の射出方向ず
れと同方向に同量のずれを生じるとともに、第２光は第
１光とは反対の方向に同量のずれを生じるようになる。
このため、前述の第１実施形態の場合と全く同様の効果
を得ることができる。

【００６６】図１５は、第１の本発明に係る面形状測定
装置の第１２実施形態を示している。この実施形態に係
る面形状測定装置の構成は、前述の第１実施形態の構成
とほぼ同じであるが、図１に示したハーフミラー５０の
代わりに偏光ビームスプリッタ５２を設置するととも
に、これら２つの偏光ビームスプリッタ２０，５２の間
に偏光板５３を介装し、更に偏光ビームスプリッタ５２
と被検面Ｓとの間に１／４波長板５４を設けている。

【００６７】このような構成では、前述のように、第１
光（Ｐ偏光）と第２光（Ｓ偏光）とは、重ね合わされた
状態で偏光ビームスプリッタ２０より図の下方に出射し
て偏光板５３に入射するが、この偏光板５３によりＳ偏
光はＰ偏光に変換され（このとき光量は減少する）、Ｐ
偏光もＳ偏光と同じ光量のＰ偏光に変換されるため、第
１光と第２光とはともにＰ偏光の状態で偏光ビームスプ
リッタ５２に図の上方から入射する。このため第１光と
第２光との両光は偏光ビームスプリッタ５２の半透膜を
透過し、更に１／４波長板５４を透過して被検面Ｓに至
る。そして、両光は被検面Ｓにおいて反射し、再び１／
４波長板５４を透過して偏光ビームスプリッタ５２に図
の下方から入射する。

【００６８】ここで、第１光と第２光は、偏光ビームス
プリッタ５２から出射する時点ではともにＰ偏光であっ
たが、被検面Ｓにおいて反射し、再び戻ってくるまでの
間に、１／４波長板５４を２回通過するため、これら両
光が偏光ビームスプリッタ５２に図の下方から入射する
ときには、ともにＳ偏光になっている。このため両光は
偏光ビームスプリッタ５２において反射され、図の右方
に射出してレンズ５１により集光されて光位置検出素子
６０の受光面に至る。

【００６９】このような構成においても、測定光の射出
方向ずれに対して第１光は測定光の射出方向ずれと同方
向に同量のずれを生じるとともに、第２光は第１光とは
反対の方向に同量のずれを生じるので、計測面上に形成
される第１光の光スポットと第２光の光スポットは、測
定光の射出方向ずれに対して、反対方向且つ同量でずれ
ることになる。従って、光位置検出素子６０により第１
光と第２光との総合光量重心位置を求めることにより、
測定光の出射方向のずれによる誤差を含まない、正確な
反射測定光の傾きが得られる。

【００７０】これまで説明してきた第１の本発明に係る
面形状測定装置の実施形態においては、偏光ビームスプ
リッタ２０、ビームスプリッタ３３或いは偏光ビームス
プリッタ３９により分割した２つの光のうち、透過光を
第１光、反射光を第２光としていたが、これは便宜的な
ものに過ぎず、両光は全く同等に扱うことができるの
で、これらを入れ換えて、反射光を第１光、透過光を第
２光と考えても差し支えない。

【００７１】続いて第２の本発明に係る面形状測定装置
（及び面形状測定方法）について説明する。図１６はこ
の第２の本発明に係る面形状測定装置の一実施形態を示
したものである。この面形状測定装置は、光源１１１
（例えばレーザー光源）から射出された測定光を被検面
Ｓ上で走査させ、被検面Ｓで反射した測定光（反射測定
光）の傾きの変化を求めることにより被検面Ｓの形状を
測定する構成になっている。ここで、この装置を構成す
る光学系は、測定光を第１光と第２光とに分割し、これ
ら両光を、測定光の射出方向ずれ量に対して同量の角度
ずれを生じる状態で被検面Ｓに入射させ、被検面で反射
した第１光を第１の計測面（第１光位置検出素子１６０
の受光面）上に導いて第１の光スポットを形成させると
ともに、被検面Ｓで反射した第２光を第２の計測面（第
２光位置検出素子１６１の受光面）上に導いて第２の光
スポットを形成させるように組み立てられている。

【００７２】このような装置において、光源１１１から
射出された測定光はレンズ１１２により集光され、その
集光点に位置したピンホール１１３を介してコリメータ
レンズ１１４に入射される。コリメータレンズ１１４に
より平行光にされた測定光は偏光ビームスプリッタ１２
０に入射され、半透膜を透過するＰ偏光である第１光
と、半透膜において反射するＳ偏光である第２光とに分
割される。なお、ここでは上述の第１の本発明に係る面
形状測定装置のように、第１光と第２光との光量がほぼ
相等しくなるように（光量差が極めて小さくなるよう
に）しておく必要はない。その理由は、後述するよう
に、第１光の光スポット（第１光スポット）の光量重心
位置と第２光の光スポット（第２光スポット）の光量重
心位置を別々に算出しているので、重心位置は第１光と
第２光の光量バランスに依存しないからである。

【００７３】偏光ビームスプリッタ１２０を透過した第
１光はそのまま図の下方に進み、ハーフミラー１５０の
半透膜を透過した後、被検面Ｓ上に至る。一方、偏光ビ
ームスプリッタ１２０において反射した第２光は図の左
方に進んで１／４波長板１２１及びレンズ１２２を透過
した後、反射ミラー１２３において反射する。そして、
再びレンズ１２２及び１／４波長板１２１を透過して偏
光ビームスプリッタ１２０に左方から入射する。ここ
で、第２光は偏光ビームスプリッタ１２０において反射
した時点ではＳ偏光であったが、反射ミラー１２３にお
いて反射して再び偏光ビームスプリッタ１２０に戻って
くるまでの間には１／４波長板１２１を２回通過してい
るので、偏光ビームスプリッタ１２０に左方から入射す
るときにはＰ偏光になっている。このため左方から入射
した第２光はそのまま偏光ビームスプリッタ１２０を右
方に透過し、更に１／４波長板１２４を透過して反射ミ
ラー１２５に至る。そして、この反射ミラー１２５にお
いて反射した後、再び１／４波長板１２４を透過して偏
光ビームスプリッタ１２０に右方から入射する。

【００７４】ここで、第２光は偏光ビームスプリッタ１
２０を左方から右方に透過した時点ではＰ偏光であった
が、反射ミラー１２５において反射して偏光ビームスプ
リッタ１２０に戻ってくるまでの間には１／４波長板１
２４を２回通過しているので、偏光ビームスプリッタ１
２０に右方から入射するときにはＳ偏光になっている。
このため右方から入射した第２光は偏光ビームスプリッ
タ１２０において反射し、上記第１光と重ね合わされた
状態で図の下方に進む。そして、第１光と同様に上記ハ
ーフミラー１５０の半透膜を透過し、第１光が入射した
のと同じ被検面Ｓ上の測定点に入射する。

【００７５】このように偏光ビームスプリッタ１２０に
より分割された第１光と第２光は重ね合わされた状態で
偏光ビームスプリッタ１２０を下方に出射して被検面Ｓ
に入射するが、偏光ビームスプリッタ１２０を透過した
第１光がそのまま直進するのに対し、偏光ビームスプリ
ッタ１２０において反射した第２光はレンズ１２２及び
反射ミラー１２３からなる構成によりキャッツアイ反射
し、且つ反射ミラー１２５において通常の反射をするこ
とから、測定光の射出方向ずれに対して第１光は測定光
の射出方向ずれと同方向に同量のずれを生じるととも
に、第２光は第１光とは反対の方向に同量のずれを生じ
るようになる。

【００７６】ハーフミラー１５０を透過して被検面Ｓ上
の同一の測定点に至った第１光と第２光の両光は、双方
測定点の形状に応じた傾き角をもって反射する。被検面
Ｓで反射した第１光と第２光の両光は、今度は上記ハー
フミラー１５０に図の下方から入射し、半透膜において
反射して図の右方に進む。そして、これら両光は偏光ビ
ームスプリッタ１５１に図の左方から入射し、Ｐ偏光で
ある第１光はこれを透過して図の右方に進み、Ｓ偏光で
ある第２光は半透膜において反射して図の下方に進む。
偏光ブームスプリッタ１５１を透過した第１光はレンズ
１５２により集光されて第１の計測面、すなわち第１光
位置検出素子１６０の受光面上に第１光スポットを形成
する。また、偏光ビームスプリッタ１５１において反射
した第２光はレンズ１５３により集光されて第２の計測
面、すなわち第２光位置検出素子１６１の受光面上に第
２光スポットを形成する。

【００７７】第１光位置検出素子１６０は、受光面（第
１の計測面）上に形成された第１光スポットの光量重心
位置を検出し、その結果を光傾き算出器１７０に出力す
る。また、第２光位置検出素子１６１は、受光面（第２
の計測面）上に形成された第２光スポットの光量重心位
置を検出し、その結果を同じく光傾き算出器１７０に出
力する。光傾き算出器１７０は、検出された第１光スポ
ットの光量重心位置に基づいて、被検面Ｓで反射した第
１光の傾きを算出するとともに、検出された第２光スポ
ットの光量重心位置に基づいて、被検面Ｓで反射した第
２光の傾きを算出する。そして、得られた第１光の傾き
から第２光の傾きを差し引いて反射測定光の傾きを算出
し、そのデータを処理装置１８０に出力する。そして、
処理装置１８０は、測定光を被検面Ｓ上で走査させる制
御を行いつつ、光傾き算出器１７０において求められた
反射測定光の傾きの変化を記録して、被検面Ｓの面形状
を求める。

【００７８】このように第２の本発明に係る面形状測定
装置及び上記手順による面形状測定方法においては、光
源１１１から射出された測定光を第１光と第２光とに分
割した後、これら両光を被検面Ｓに導き、被検面Ｓで反
射した第１光を第１の計測面上に導いて第１の光スポッ
トを形成させるとともに、被検面Ｓで反射した第２光を
第２の計測面上に導いて第２の光スポットを形成させ、
第１の光スポットの光量重心位置に基づいて求められる
第１光の傾きから、第２の光スポットの光量重心位置に
基づいて求められる第２光の傾きを差し引いて反射測定
光の傾きを算出している。ここで、第１光と第２光の両
光は、測定光の射出方向ずれ量に対して同量の角度ずれ
が生じるようになっているので、第１光の傾きから第２
光の傾きを差し引いて求められた反射測定光の傾きは、
測定光の射出方向ずれによる誤差分が除かれた正確な値
となる（その理由は上述の第１の本発明に係る面形状測
定装置において説明した理由と同様）。このため、光源
１１１の姿勢が不安定で測定光の射出方向がずれた場合
であっても、測定結果に影響が及ぶことはなく、被検面
の形状測定を高精度に行うことが可能となる。

【００７９】なお、この実施形態では、測定光の射出方
向ずれに対して第１光は測定光の射出方向ずれと同方向
に同量のずれを生じるとともに、第２光は第１光とは反
対の方向に同量のずれを生じるようになっているが、第
１光と第２光はそれぞれＰ偏光とＳ偏光であり、その後
これら両光を分離することが可能であるので、これら両
光は必ずしも測定光の射出方向ずれ量に対して互いに反
対方向の角度ずれを生じるようになっていなくてもよ
い。すなわち、第１光及び第２光は、異なる位置検出手
段（第１の光位置検出素子１６０及び第２の光位置検出
素子１６１）にそれぞれ光スポットを形成させることが
でき、検出された第１光スポットの光量重心位置と第２
光スポットの光量重心位置は、測定光の射出方向ずれに
よる誤差分をそれぞれ含んでいる。しかし、第１光スポ
ットの光量重心位置に基づいて求められる被検面で反射
した第１光の傾きから、第２光スポットの光量重心位置
に基づいて求められる被検面で反射した第２光の傾きを
差し引いて反射測定光の傾きを算出するので、測定光の
射出方向ずれによる誤差をキャンセルすることができ
る。

【００８０】続いて第３の本発明に係る面形状測定装置
（及び面形状測定方法）について説明する。図１７はこ
の第３の本発明に係る面形状測定装置の第１実施形態を
示したものである。この面形状測定装置は、光源２１１
（例えばレーザー光源）から射出された測定光を被検面
Ｓ上で走査させ、被検面Ｓで反射した測定光（反射測定
光）の傾きの変化を求めることにより被検面Ｓの形状を
測定する構成になっている。ここで、この装置を構成す
る光学系は、測定光を光量がほぼ相等しい第１光と第２
光とに分割し、これら両光のうち第１光のみを被検面Ｓ
に入射させ、被検面Ｓで反射した第１光と被検面で反射
していない第２光とを、測定光の射出方向ずれに対して
第１光は測定光の射出方向ずれと同方向に同量のずれを
生じるとともに、第２光は第１光とは反対の方向に同量
のずれを生じる状態で同一の計測面（光位置検出素子２
６０の受光面）上に導いて両光それぞれの光スポットを
形成させるように組み立てられている。

【００８１】このような装置において、光源２１１から
射出された測定光はレンズ２１２により集光され、その
集光点に位置したピンホール２１３を介してコリメータ
レンズ２１４に入射される。コリメータレンズ２１４に
より平行光にされた測定光は偏光ビームスプリッタ２２
０に入射され、半透膜を透過するＰ偏光である第１光
と、半透膜において反射するＳ偏光である第２光とに分
割される。なお、ここでは、偏光ビームスプリッタ２２
０に入射する光の状態を調整し、第１光と第２光との光
量がほぼ相等しくなるように（光量差が極めて小さくな
るように）しておく。その理由は上述の第１の本発明に
係る面形状測定装置の場合と同様、同一計測面に形成さ
れた第１光の光スポットと第２光の光スポットとにより
総合光量重心位置を算出するので、各光の光量が相異な
ると重心位置がずれるからである。

【００８２】偏光ビームスプリッタ２２０を透過した第
１光はそのまま図の下方に進み、１／４波長板２２４を
透過した後、被検面Ｓ上に至る。そして、被検面Ｓで反
射した後、再び１／４波長板２２４を透過して偏光ビー
ムスプリッタ２２０に図の下方から入射する。ここで、
第１光は、偏光ビームスプリッタ２２０を出射した時点
ではＰ偏光であったが、被検面Ｓにおいて反射して再び
偏光ビームスプリッタ２２０に戻ってくるまでの間には
１／４波長板２２４を２回通過しているので、偏光ビー
ムスプリッタ２２０に図の下方から入射するときにはＳ
偏光になっている。このため第１光は偏光ビームスプリ
ッタ２２０において図の右方に反射し、レンズ２５０に
より集光されて計測面、すなわち光位置検出素子２６０
の受光面に光スポットを形成する。

【００８３】一方、偏光ビームスプリッタ２２０におい
て反射した第２光は図の左方に進んで１／４波長板２２
１及びレンズ２２２を透過した後、反射ミラー２２３に
おいて反射する。そして、再びレンズ２２２及び１／４
波長板２２１を透過して偏光ビームスプリッタ２２０に
左方から入射する。ここで、第２光は偏光ビームスプリ
ッタ２２０において反射した時点ではＳ偏光であった
が、反射ミラー２２３において反射して再び偏光ビーム
スプリッタ２２０に戻ってくるまでの間には１／４波長
板２２１を２回通過しているので、偏光ビームスプリッ
タ２２０に左方から入射するときにはＰ偏光になってい
る。このため第２光はそのまま偏光ビームスプリッタ２
２０を透過し、レンズ２５０により集光されて計測面、
すなわち光位置検出素子２６０の受光面に光スポットを
形成する。

【００８４】このように偏光ビームスプリッタ２２０に
より分割された第１光と第２光は重ね合わされた状態で
計測面上に入射するが、偏光ビームスプリッタ２２０を
透過した第１光が被検面Ｓにおいて反射した後、偏光ビ
ームスプリッタ２２０において通常の反射をしてから計
測面上に至るのに対し、偏光ビームスプリッタ２２０に
おいて通常の反射をした第２光はレンズ２２２及び反射
ミラー２２３からなる構成においてキャッツアイ反射し
た後、偏光ビームスプリッタ２２０を透過して計測面上
に至ることから、測定光の射出方向ずれに対して第１光
は測定光の射出方向ずれと同方向に同量のずれを生じる
とともに、第２光は第１光とは反対の方向に同量のずれ
を生じるようになる。

【００８５】光位置検出素子２６０は、受光面（計測
面）上に形成されたこれら両光スポットの総合光量重心
位置を検出し、その結果を光傾き算出器２７０に出力す
る。光傾き算出器２７０は、検出された両光スポットの
総合光量重心位置に基づいて、反射測定光の傾きを算出
し、そのデータを処理装置２８０に出力する。そして、
処理装置２８０は、測定光を被検面Ｓ上で走査させる制
御を行いつつ光傾き算出器２７０において求められた反
射測定光の傾きの変化を記録して、被検面Ｓの面形状を
求める。

【００８６】このように第３の本発明に係る面形状測定
装置及び上記手順による面形状測定方法においては、光
源２１１から射出された測定光を第１光と第２光とに分
割した後、このうち第１光のみを被検面Ｓに入射させ、
被検面Ｓで反射した第１光と被検面Ｓで反射していない
第２光とを同一の計測面上に導き、これら両光が計測面
上に形成する両光スポットの総合量重心位置に基づいて
反射測定光の傾きを算出するようになっている。ここ
で、第１光と第２光の両光は、分割時において、双方の
光量がほぼ相等しくなるように調整されており、且つ、
測定光の射出方向ずれに対して第１光は測定光の射出方
向ずれと同方向に同量のずれを生じるとともに、第２光
は第１光とは反対の方向に同量のずれを生じる状態で同
一の計測面上に導かれるようになっているので、両光ス
ポットの総合光量重心位置に基づいて求められた反射測
定光の傾きは、測定光の射出方向ずれによる誤差分が除
かれた正確な値となる。このため、光源２１１の姿勢が
不安定で測定光の射出方向がずれた場合であっても、測
定結果に影響が及ぶことはなく、被検面の形状測定を高
精度に行うことが可能となる。

【００８７】図１８は、第３の本発明に係る面形状測定
装置における第２実施形態を示している。この実施形態
に係る面形状測定装置は、上記第１実施形態（図１７）
において示した１／４波長板２２１、レンズ２２２、反
射ミラー２２３を偏光ビームスプリッタ２２０に関して
左方から右方に対称移動させるとともに、レンズ２５０
を偏光ビームスプリッタ２２０に関して右方から左方に
対称移動させたものである。

【００８８】このような構成では、光源２１１からの光
は先ず、偏光ビームスプリッタ２２０において、半透膜
を透過するＰ偏光である第１光と半透膜において反射す
るＳ偏光である第２光とに分割される。そして、偏光ビ
ームスプリッタ２２０を透過した第１光はそのまま図の
下方に進み、１／４波長板２２４を透過した後、被検面
Ｓ上に至る。そして、被検面Ｓで反射した後、再び１／
４波長板２２４を透過して偏光ビームスプリッタ２２０
に図の下方から入射する。ここで、第１光は、偏光ビー
ムスプリッタ２２０を出射した時点ではＰ偏光であった
が、被検面Ｓにおいて反射して再び偏光ビームスプリッ
タ２２０に戻ってくるまでの間には１／４波長板２２４
を２回通過しているので、偏光ビームスプリッタ２２０
に図の下方から入射するときにはＳ偏光になっている。
このため第１光は偏光ビームスプリッタ２２０において
図の右方に反射し、１／４波長板２２１及びレンズ２２
２を透過した後、反射ミラー２２３において反射する。
そして、再びレンズ２２２及び１／４波長板２２１を透
過して偏光ビームスプリッタ２２０に右方から入射す
る。

【００８９】ここで、第１光は偏光ビームスプリッタ２
２０において反射した時点ではＳ偏光であったが、反射
ミラー２２３において反射して再び偏光ビームスプリッ
タ２２０に戻ってくるまでの間には１／４波長板２２１
を２回通過しているので、偏光ビームスプリッタ２２０
に右方から入射するときにはＰ偏光になっている。この
ため第２光はそのまま偏光ビームスプリッタ２２０を透
過し、レンズ２５０により集光されて計測面、すなわち
光位置検出素子２６０の受光面に光スポットを形成す
る。一方、偏光ビームスプリッタ２２０において反射し
た第２光は図の左方に進み、レンズ２５０により集光さ
れて第１光と同一の計測面、すなわち光位置検出素子２
６０の受光面に光スポットを形成する。

【００９０】この場合も、偏光ビームスプリッタ２２０
により分割された第１光と第２光は重ね合わされた状態
で計測面Ｓに入射するが、偏光ビームスプリッタ２２０
を透過した第１光が被検面Ｓにおいて反射した後、偏光
ビームスプリッタ２２０において通常の反射をし、更に
レンズ２２２及び反射ミラー２２３からなる構成におい
てキャッツアイ反射をした後、偏光ビームスプリッタ２
２０を透過して計測面上に至るのに対し、偏光ビームス
プリッタ２２０において通常の反射をした第２光はその
まま直進して計測面上に至ることから、測定光の射出方
向ずれに対して第１光は測定光の射出方向ずれと同方向
に同量のずれを生じるとともに、第２光は第１光とは反
対の方向に同量のずれを生じるようになる。このため、
上記第１実施形態の場合と全く同様の効果を得ることが
できる。

【００９１】続いて第４の本発明に係る面形状測定装置
（及び面形状測定方法）について説明する。図１９はこ
の第４の本発明に係る面形状測定装置の第１実施形態を
示したものである。この面形状測定装置は、光源３１１
（例えばレーザー光源）から射出された測定光を被検面
Ｓ上で走査させ、被検面Ｓで反射した測定光（反射測定
光）の傾きの変化を求めることにより被検面Ｓの形状を
測定する構成になっている。ここで、この装置を構成す
る光学系は、測定光を第１光と第２光とに分割し、これ
ら両光を、測定光の射出方向ずれ量に対して同量の角度
ずれを生じるように導くとともに、これら両光のうち第
１光のみを被検面Ｓ上に入射させ、被検面Ｓで反射した
第１光を第１の計測面（第１光位置検出素子３６０の受
光面）上に導いて第１の光スポットと形成させるととも
に、被検面Ｓで反射していない第２光を導いて第２の計
測面（第２光位置検出素子３６１の受光面）上に第２の
光スポットを形成させるように組み立てられている。

【００９２】このような装置において、光源３１１から
射出された測定光はレンズ３１２により集光され、その
集光点に位置したピンホール３１３を介してコリメータ
レンズ３１４に入射される。コリメータレンズ３１４に
より平行光にされた測定光は偏光ビームスプリッタ３２
０に入射され、半透膜を透過するＰ偏光である第１光
と、半透膜において反射するＳ偏光である第２光とに分
割される。なお、ここでは第１光と第２光との光量がほ
ぼ相等しくなるように（光量差が極めて小さくなるよう
に）しておく必要はない。その理由は上述の第２の本発
明に係る面形状測定装置の場合と同様、第１光の光スポ
ット（第１光スポット）の光量重心位置と第２光の光ス
ポット（第２光スポット）の光量重心位置を別々に算出
しているので、重心位置は第１光と第２光の光量バラン
スに依存しないからである。

【００９３】偏光ビームスプリッタ３２０を透過した第
１光はそのまま図の下方に進み、１／４波長板３２１を
透過した後、被検面Ｓ上に至る。そして、被検面Ｓで反
射した後、再び１／４波長板３２１を透過して偏光ビー
ムスプリッタ３２０に図の下方から入射する。ここで、
第１光は、偏光ビームスプリッタ２２０を出射した時点
ではＰ偏光であったが、被検面Ｓにおいて反射して再び
偏光ビームスプリッタ３２０に戻ってくるまでの間には
１／４波長板３２１を２回通過しているので、偏光ビー
ムスプリッタ３２０に図の下方から入射するときにはＳ
偏光になっている。このため第１光は偏光ビームスプリ
ッタ３２０において図の右方に反射し、レンズ３５０に
より集光されて第１の計測面、すなわち第１光位置検出
素子３６０の受光面に第１光スポットを形成する。一
方、偏光ビームスプリッタ３２０において反射した第２
光は図の左方に進んでレンズ３５１により集光され、第
２の計測面、すなわち第２光位置検出素子３６１の受光
面に第２光スポットを形成する。

【００９４】このように偏光ビームスプリッタ３２０を
透過した第１光が被検面Ｓにおいて反射した後、偏光ビ
ームスプリッタ３２０の半透膜において通常の反射をし
て第１の計測面上に至るのに対し、偏光ビームスプリッ
タ３２０において反射した第２光は偏光ビームスプリッ
タ３２１において通常の反射をして第２の計測面上に至
ることにより、これら第１光と第２光の両光は、測定光
の射出方向ずれに対して同量の角度ずれを生じるように
なる。

【００９５】第１光位置検出素子３６０は、受光面（第
１の計測面）上に形成された第１光スポットの光量重心
位置を検出し、その結果を光傾き算出器３７０に出力す
る。また、第２光位置検出素子３６１は、受光面（第２
の計測面）上に形成された第２光スポットの光量重心位
置を検出し、その結果を同じく光傾き算出器３７０に出
力する。光傾き算出器３７０は、検出された第１光スポ
ットの光量重心位置に基づいて、被検面Ｓで反射した第
１光の傾きを算出するとともに、検出された第２光スポ
ットの光量重心位置に基づいて、測定光の射出方向ずれ
角を算出する。そして、得られた第１光の傾きから測定
光の出射方向ずれ角を差し引いて反射測定光の傾きを算
出し、そのデータを処理装置３８０に出力する。そし
て、処理装置３８０は、測定光を被検面Ｓ上で走査させ
る制御を行いつつ光傾き算出器３７０において求められ
た反射測定光の傾きの変化を記録して、被検面Ｓの面形
状を求める。

【００９６】このように第４の本発明に係る面形状測定
装置及び上記手順による面形状測定方法においては、光
源３１１から射出された測定光を第１光と第２光とに分
割した後、これら両光のうち第１光のみを被検面Ｓに入
射させ、被検面Ｓで反射した第１光を第１の計測面上に
導いて第１の光スポットを形成させるとともに、被検面
Ｓで反射していない第２光を第２の計測面上に導いて第
２の光スポットを形成させ、第１の光スポットの光量重
心位置に基づいて求められる第１光の傾きから、第２の
光スポットの光量重心位置に基づいて求められる測定光
の射出方向ずれ角を差し引いて反射測定光の傾きを算出
するようになっている。ここで、第１光と第２光の両光
は、測定光の射出方向ずれ量に対して同量の角度ずれを
生じるように導かれているので、第１光の傾きから測定
光の射出方向ずれ角を差し引いて求められた反射測定光
の傾きは、測定光の射出方向ずれによる誤差分が除かれ
た正確な値となる。このため、光源３１１の姿勢が不安
定で測定光の射出方向がずれた場合であっても、測定結
果に影響が及ぶことはなく、被検面の形状測定を高精度
に行うことが可能となる。

【００９７】図２０は、第４の本発明に係る面形状測定
装置における第２実施形態を示している。この実施形態
に係る面形状測定装置は、上記第１実施形態（図１９）
において示したレンズ３１４と偏光ビームスプリッタ３
２０との間にもう一つの偏光ビームスプリッタ３２２を
設け、その偏光ビームスプリッタ３２２の左方（図の左
方）に１／４波長板３２３、レンズ３２４及び反射ミラ
ー３２５を設置するとともに、偏光ビームスプリッタ３
２２の右方（図の右方）に１／４波長板３２６及び反射
ミラー３２７を設置したものである。

【００９８】このような構成では、レンズ３１４を通っ
た光源３１１からの光は、先ず偏光ビームスプリッタ３
２２において、半透膜を透過するＰ偏光である第１光と
半透膜において反射するＳ偏光である第２光とに分割さ
れる。そして、偏光ビームスプリッタ３２２を透過した
第１光はそのまま図の下方に進み、偏光ビームスプリッ
タ３２０に至る。一方、偏光ビームスプリッタ３２２に
おいて反射した第２光は図の左方に進み、１／４波長板
３２３及びレンズ３２４を透過した後、反射ミラー３２
５に至る。そして、反射ミラー３２５で反射した後、再
びレンズ３２４及び１／４波長板３２３を透過して偏光
ビームスプリッタ２２０に図の左方から入射する。ここ
で、第２光は、偏光ビームスプリッタ２２０において反
射した時点ではＳ偏光であったが、反射ミラー３２５に
おいて反射して再び偏光ビームスプリッタ３３２に戻っ
てくるまでの間には１／４波長板３２３を２回通過して
いるので、偏光ビームスプリッタ３２２に図の左方から
入射するときにはＰ偏光になっている。このため第２光
は偏光ビームスプリッタ３２２を図の左方から右方へ透
過し、１／４波長板３２６を透過した後、反射ミラー３
２７において反射する。そして、１／４波長板３２６を
透過して偏光ビームスプリッタ３２２に図の右方から入
射する。

【００９９】ここで、第２光は偏光ビームスプリッタ３
２３を左方から右方に透過した時点ではＰ偏光であった
が、反射ミラー３２７において反射して再び偏光ビーム
スプリッタ３２２に戻ってくるまでの間には１／４波長
板３２６を２回通過しているので、偏光ビームスプリッ
タ３２２に右方から入射するときにはＳ偏光になってい
る。このため第２光は偏光ビームスプリッタ３２２にお
いて反射し、第１光と重ね合わされて偏光ビームスプリ
ッタ３２０に図の上方から入射する。その後の両光の進
路は上記第１実施形態に示した通りであるのでその説明
は省略するが、このような構成においても、上記第１実
施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

【０１００】これまで第１〜第４の本発明についての好
ましい実施形態を説明してきたが、上述の実施形態はそ
れぞれの発明を具現化するための例示に過ぎず、上記以
外の形態（特に光学系の組み方）を採ることも勿論可能
である。

【０１０１】また、上述の本発明に係る面形状測定装置
及び面形状測定方法は、高精度レンズの製造工程中で用
いられる。すなわち、被検物の設計値に対する面形状誤
差を測定し、公知の方法により加工・研磨した後、再
度、被検物の設計値に対する形状誤差を測定して被検物
の設計値に対する形状誤差が許容範囲内に収まるように
する工程において、本発明に係る面形状測定装置（或い
は面形状測定方法）を適用する。そして、このようにし
て得られた所定の面精度を有する被検物（光学素子）を
鏡筒に組み込んで、投影露光装置用の投影レンズを製造
する。このように本発明に係る面形状測定装置又は面形
状測定方法を用いて面形状が測定された光学素子（レン
ズ）を組み込んでなる投影レンズは、面形状誤差の少な
い非常に高精度な光学部品となる。

【０１０２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る面形
状測定装置及び面形状測定方法によれば、光源の姿勢が
不安定で測定光の射出方向がずれた場合であっても、測
定結果に影響が及ぶことはなく、被検面の形状測定を高
精度に行うことが可能となる。

【０１０３】また、上記面形状測定装置或いは方法を用
いて面形状が測定された光学素子を組み込んでなる投影
レンズは、面形状誤差の少ない非常に高精度な光学部品
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の本発明の第１実施形態に係る面形状測定
装置の構成図である。

【図２】光源から射出された測定光Ｌが基準の方向から
角度θだけずれた場合における、偏光ビームスプリッタ
を透過してそのまま出射する第１光Ｌ１と、偏光ビーム
スプリッタにおいて反射し、その後偏光ビームスプリッ
タを出射する第２光Ｌ２の進路を示す図である。

【図３】被検面Ｓに垂直に入射した第１光が被検面Ｓの
形状に応じた傾きをもって反射し、その傾きに応じた光
位置検出素子の受光面（計測面）上の位置に光スポット
を形成させる状況を示す図であり、（Ａ）は被検面Ｓ上
の測定点が完全な平面である場合、（Ｂ）は被検面Ｓ上
の測定点が完全な平面でない場合をそれぞれ示してい
る。

【図４】光源の姿勢が不安定であり、測定光の射出方向
が基準の方向からずれた場合に、第１光の被検面Ｓにお
ける反射光が計測面上に形成する光スポットの位置が基
準位置から変位したものとなる様子を示す図である。

【図５】第１の本発明の第２実施形態に係る面形状測定
装置の構成図である。

【図６】第１の本発明の第３実施形態に係る面形状測定
装置の構成図である。

【図７】第１の本発明の第４実施形態に係る面形状測定
装置の構成図である。

【図８】第１の本発明の第５実施形態に係る面形状測定
装置の構成図である。

【図９】第１の本発明の第６実施形態に係る面形状測定
装置の構成図である。

【図１０】第１の本発明の第７実施形態に係る面形状測
定装置の構成図である。

【図１１】第１の本発明の第８実施形態に係る面形状測
定装置の構成図である。

【図１２】第１の本発明の第９実施形態に係る面形状測
定装置の構成図である。

【図１３】第１の本発明の第１０実施形態に係る面形状
測定装置の構成図である。

【図１４】第１の本発明の第１１実施形態に係る面形状
測定装置の構成図である。

【図１５】第１の本発明の第１２実施形態に係る面形状
測定装置の構成図である。

【図１６】第２の本発明の一実施形態に係る面形状測定
装置の構成図である。

【図１７】第３の本発明の第１実施形態に係る面形状測
定装置の構成図である。

【図１８】第３の本発明の第２実施形態に係る面形状測
定装置の構成図である。

【図１９】第４の本発明の第１実施形態に係る面形状測
定装置の構成図である。

【図２０】第４の本発明の第２実施形態に係る面形状測
定装置の構成図である。

【符号の説明】

１１ 光源 ２０ ビームスプリッタ ２１ １／４波長板 ２２ レンズ ２３ 反射ミラー ２４ １／４波長板 ２５ 反射ミラー ５０ ハーフミラー ５１ レンズ ６０ 光位置検出素子（光位置検出手段） ７０ 光傾き算出器（光傾き算出手段） ８０ 処理装置 Ｓ 被検面

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から射出された測定光を被検面上で
   走査させ、前記被検面で反射した反射測定光の傾きの変
   化を求めることにより前記被検面の形状を測定する面形
   状測定装置において、 前記測定光を光量がほぼ相等しい第１光と第２光とに分
   割し、これら両光を、前記測定光の射出方向ずれに対し
   て前記第１光は前記測定光の射出方向ずれと同方向に同
   量のずれを生じるとともに、前記第２光は前記第１光と
   は反対の方向に同量のずれを生じる状態で前記被検面に
   入射させ、前記被検面で反射した前記両光を同一の計測
   面上に導いて前記両光それぞれの光スポットを形成させ
   る光学系と、 前記計測面上に形成された前記両光スポットの総合光量
   重心位置を検出する光位置検出手段と、 前記光位置検出手段により検出された前記両光スポット
   の総合光量重心位置に基づいて前記反射測定光の傾きを
   算出する光傾き算出手段とを備えたことを特徴とする面
   形状測定装置。
2. 【請求項２】 光源から射出された測定光を被検面上で
   走査させ、前記被検面で反射した反射測定光の傾きの変
   化を求めることにより前記被検面の形状を測定する面形
   状測定装置において、 前記測定光を第１光と第２光とに分割し、これら両光
   を、前記測定光の射出方向ずれ量に対して同量の角度ず
   れを生じる状態で前記被検面に入射させ、前記被検面で
   反射した前記第１光を第１の計測面上に導いて第１の光
   スポットを形成させるとともに、前記被検面で反射した
   前記第２光を第２の計測面上に導いて第２の光スポット
   を形成させる光学系と、 前記第１の計測面上に形成された前記第１の光スポット
   の光量重心位置を検出する第１の光位置検出手段と、 前記第２の計測面上に形成された前記第２の光スポット
   の光量重心位置を検出する第２の光位置検出手段と、 前記第１の光位置検出手段により検出された前記第１の
   光スポットの光量重心位置に基づいて求められる前記被
   検面で反射した前記第１光の傾きから、前記第２の光位
   置検出手段により検出された前記第２の光スポットの光
   量重心位置に基づいて求められる前記被検面で反射した
   前記第２光の傾きを差し引いて前記反射測定光の傾きを
   算出する光傾き算出手段とを備えたことを特徴とする面
   形状測定装置。
3. 【請求項３】 光源から射出された測定光を被検面上で
   走査させ、前記被検面で反射した反射測定光の傾きの変
   化を求めることにより前記被検面の形状を測定する面形
   状測定装置において、 前記測定光を光量がほぼ相等しい第１光と第２光とに分
   割し、これら両光のうち前記第１光のみを前記被検面に
   入射させて反射させ、前記測定光の射出方向ずれに対し
   て前記第１光は前記測定光の射出方向ずれと同方向に同
   量のずれを生じるとともに、前記第２光は前記第１光と
   は反対の方向に同量のずれを生じる状態で同一の計測面
   上に導いて前記両光それぞれの光スポットを形成させる
   光学系と、 前記計測面上に形成された前記両光スポットの総合光量
   重心位置を検出する光位置検出手段と、 前記光位置検出手段により検出された前記両光スポット
   の総合光量重心位置に基づいて前記反射測定光の傾きを
   算出する光傾き算出手段とを備えたことを特徴とする面
   形状測定装置。
4. 【請求項４】 光源から射出された測定光を被検面上で
   走査させ、前記被検面で反射した反射測定光の傾きの変
   化を求めることにより前記被検面の形状を測定する面形
   状測定装置において、 前記測定光を第１光と第２光とに分割し、これら両光
   を、前記測定光の射出方向ずれ量に対して同量の角度ず
   れを生じるように導くとともに、これら両光のうち前記
   第１光のみを前記被検面上に入射させ、前記被検面で反
   射した前記第１光を第１の計測面上に導いて第１の光ス
   ポットと形成させるとともに、前記第２光を導いて第２
   の計測面上に第２の光スポットを形成させる光学系と、 前記第１の計測面上に形成された前記第１の光スポット
   の光量重心位置を検出する第１の光位置検出手段と、 前記第２の計測面上に形成された前記第２の光スポット
   の光量重心位置を検出する第２の光位置検出手段と、 前記第１の光位置検出手段により検出された前記第１の
   光スポットの光量重心位置に基づいて求められる前記被
   検面で反射した前記第１光の傾きから、前記第２の光位
   置検出手段により検出された前記第２の光スポットの光
   量重心位置に基づいて求められる前記測定光の射出方向
   ずれ角を差し引いて前記反射測定光の傾きを算出する光
   傾き算出手段とを備えたことを特徴とする面形状測定装
   置。
5. 【請求項５】 前記光学系は、前記第１光及び前記第２
   光のいずれか一方の光を入射方向に反射する機能を備え
   た光学部材を有することを特徴とする請求項１〜４のい
   ずれかに記載の面形状測定装置。
6. 【請求項６】 前記光学系は、前記第１光を前記測定光
   の射出方向ずれと同方向にずれを生じさせるとともに、
   前記第２光を前記第１光とは反対の方向にずれを生じさ
   せることを特徴とする請求項２又は４記載の面形状測定
   装置。
7. 【請求項７】 前記分割は、偏光ビームスプリッタ又は
   透過反射部材によりなされることを特徴とする請求項１
   〜６のいずれかに記載の面形状測定装置。
8. 【請求項８】 光源から射出された測定光を被検面上で
   走査させ、前記被検面で反射した反射測定光の傾きの変
   化を求めることにより前記被検面の形状を測定する面形
   状測定方法において、 前記測定光を光量がほぼ相等しい第１光と第２光とに分
   割し、これら両光を、前記測定光の射出方向ずれに対し
   て前記第１光は前記測定光の射出方向ずれと同方向に同
   量のずれを生じるとともに、前記第２光は前記第１光と
   は反対の方向に同量のずれを生じる状態で前記被検面に
   入射させ、前記被検面で反射した前記両光を同一の計測
   面上に導いて形成された前記両光の光スポットの総合光
   量重心位置に基づいて前記反射測定光の傾きを算出する
   ようにしたことを特徴とする面形状測定方法。
9. 【請求項９】 光源から射出された測定光を被検面上で
   走査させ、前記被検面で反射した反射測定光の傾きの変
   化を求めることにより前記被検面の形状を測定する面形
   状測定方法において、 前記測定光を第１光と第２光とに分割し、これら両光
   を、前記測定光の射出方向ずれ量に対して同量の角度ず
   れを生じる状態で前記被検面に入射させ、前記被検面で
   反射した前記第１光を第１の計測面上に導いて第１の光
   スポットを形成させるとともに、前記被検面で反射した
   前記第２光を第２の計測面上に導いて第２の光スポット
   を形成させ、前記第１の計測面上に形成された前記第１
   の光スポットの光量重心位置に基づいて求められる前記
   被検面で反射した前記第１光の傾きから、前記第２の計
   測面上に形成された前記第２の光スポットの光量重心位
   置に基づいて求められる前記被検面で反射した前記第２
   光の傾きを差し引いて前記反射測定光の傾きを算出する
   ようにしたことを特徴とする面形状測定方法。
10. 【請求項１０】 光源から射出された測定光を被検面上
    で走査させ、前記被検面で反射した反射測定光の傾きの
    変化を求めることにより前記被検面の形状を測定する面
    形状測定方法において、 前記測定光を光量がほぼ相等しい第１光と第２光とに分
    割し、これら両光のうち前記第１光のみを前記被検面に
    入射させて反射させ、前記測定光の射出方向ずれに対し
    て前記第１光は前記測定光の射出方向ずれと同方向に同
    量のずれを生じるとともに、前記第２光は前記第１光と
    は反対の方向に同量のずれを生じる状態で同一の計測面
    上に導いて前記両光それぞれの光スポットを形成させ、
    前記計測面上に形成された前記両光スポットの総合光量
    重心位置に基づいて前記反射測定光の傾きを算出するよ
    うにしたことを特徴とする面形状測定方法。
11. 【請求項１１】 光源から射出された測定光を被検面上
    で走査させ、前記被検面で反射した反射測定光の傾きの
    変化を求めることにより前記被検面の形状を測定する面
    形状測定方法において、 前記測定光を第１光と第２光とに分割し、これら両光
    を、前記測定光の射出方向ずれ量に対して同量の角度ず
    れを生じるように導くとともに、これら両光のうち前記
    第１光のみを前記被検面上に入射させ、前記被検面で反
    射した前記第１光を第１の計測面上に導いて第１の光ス
    ポットと形成させるとともに、前記第２光を導いて第２
    の計測面上に第２の光スポットを形成させ、前記第１の
    計測面上に形成された前記第１の光スポットの光量重心
    位置に基づいて求められる前記被検面で反射した前記第
    １光の傾きから、前記第２の計測面上に形成された前記
    第２の光スポットの光量重心位置に基づいて求められる
    前記測定光の射出方向ずれ角を差し引いて前記反射測定
    光の傾きを算出するようにしたことを特徴とする面形状
    測定方法。
12. 【請求項１２】 前記測定光の射出方向ずれに対して前
    記第１光が前記測定光の射出方向ずれと同方向に同量の
    ずれを生じるとともに、前記第２光が前記第１光とは反
    対の方向に同量のずれを生じる状態は、前記第１光又は
    前記第２光を入射方向に反射する機能を備えた光学部材
    によりなされることを特徴とする請求項８〜１１のいず
    れかに記載の面形状測定方法。
13. 【請求項１３】 前記第１光は前記測定光の射出方向ず
    れと同方向にずれを生じるとともに、前記第２光は前記
    第１光とは反対の方向にずれを生じるようになっている
    ことを特徴とする請求項９又は１１記載の面形状測定方
    法。
14. 【請求項１４】 前記分割は、偏光ビームスプリッタ又
    は透過反射部材によりなされることを特徴とする請求項
    ８〜１３のいずれかに記載の面形状測定方法。
15. 【請求項１５】 請求項１〜７のいずれかに記載の面形
    状測定装置を用いて面形状が測定された光学素子を組み
    込んでなることを特徴とする投影レンズ。
16. 【請求項１６】 請求項８〜１４のいずれかに記載の面
    形状測定方法を用いて面形状が測定された光学素子を組
    み込んでなることを特徴とする投影レンズ。