JP2003254730A - 干渉計を用いた形状測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピンホール射出光波面を物理基準とする干渉
計を用いた形状測定装置において、装置を大型化、複雑
化することなく高精度に形状測定する。また、ピンホー
ルと被測定部の被測定面までの距離を短くし、空気揺ら
ぎによる精度低下を極力少なくする。また、被測定面が
凹面であっても測定可能にする。 【解決手段】 光源からの光を一旦集光させるレンズ
と、集光した光を理想的な球面波に変換する適切なサイ
ズのピンホールとその近傍に光波面情報を通過させる大
きさの窓を有する光波整形板とを有し、ピンホールを通
過した光の光路中に、お互いの光軸が僅かに偏芯した参
照面と被測定面とを有するレンズを、参照面に光が垂直
に入射し、反射した光が該ピンホールを再度通過し、測
定面に反射した光が窓を通過する位置に配置し、参照面
で反射し該ピンホールを再度通過した反射光と、被測定
面で反射し窓を通過した反射光とを干渉させて被測定面
の形状を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体露光装置用
の縮小投影光学レンズやミラー等の球面形状精度を、極
めて高い精度で測定する干渉計を用いた形状測定方法及
び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より高精度な球面レンズ、ミラーの
形状測定方法として、フィゾー干渉計やトワイマン−グ
リーン干渉計などを用いるのが一般的であるが、いずれ
も参照する球面や平面が必要であり、絶対精度は基本的
にはこれらの参照球面、参照平面の形状精度で規定され
てしまう。通常の参照面の製造方法ではＨｅ−Ｎｅレー
ザ波長をλ（λ＝６３２．８ｎｍ）としてλ／１０〜λ
／２０程度を保証するのが限度であると言われている。

【０００３】一方、半導体露光装置の微細化、高精度化
に伴い露光光源波長はＫｒＦエキシマレーザ（λ＝２４
８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（λ＝１９３ｎｍ），
Ｆ２レーザ（λ＝１５７ｎｍ）と短波長化し、さらには
ＥＵＶ光（ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ：
λ＝１３．６ｎｍ）までも露光光源として使用されるに
至っている。これらの露光装置用の投影光学レンズ、ミ
ラーについては１ｎｍ〜０．１ｎｍの形状精度が求めら
れており、このような精度を達成するためにはさらにこ
れより高い精度の計測装置が必要である。通常このよう
な精度で計測することは単に再現精度を実現することで
さえ困難であり、まして絶対精度を保証するということ
は極めて困難であった。

【０００４】特開平２−２２８５０５には、光学面の絶
対精度を数１０Å以下で保証する技術が記載されてい
る。特開平２−２２８５０５の第１実施例として記載さ
れている第１の従来の技術の構成を図７に示す。図７に
おいて光源１から出た光は集光レンズ２により集光され
てピンホールミラー３に至り、一部はピンホールを通っ
て被測定物４に当たって再びピンホールミラー３に戻
り、今度は反射されて撮像素子７へと到達する。この光
を測定光と呼ぶ。それ以外の光はピンホールミラー３で
反射され、集光ミラー５で反射され、再びピンホールミ
ラー３に戻り、今度はピンホールを通過して撮像素子７
へと到達する。この光を参照光と呼ぶ。これらの測定光
と参照光は干渉して干渉縞を形成し撮像素子７で撮像す
る事で被測定物の表面形状を測定する。

【０００５】光はピンホールを通過することにより回折
理想球面波となる事が知られている。従って測定光はピ
ンホールを通った回折理想球面波となるので被測定物４
で反射した光は被測定物４の球面からの形状誤差だけを
収差情報として持つ光波が撮像素子７に到達する。参照
光は集光ミラー５によって反射集光された後、ピンホー
ルを通過することにより回折理想球面波となるので無収
差波面が撮像素子７に到達する。この時集光ミラー５の
表面精度は特に高精度でする必要はなく、光を反射する
精度があれば充分である。この様にして、測定光と参照
光は撮像素子７上で純粋に被測定物４の形状誤差情報だ
けを有する干渉縞を形成することができ、特別な基準面
を設けることなく高い絶対精度で形状測定が出来る。

【０００６】特開平２−２２８５０５の第２実施例とし
て記載されている第２の従来の技術の構成を図８に示
す。図８においては、光源１から出た光を集光レンズ２
でピンホールミラー３に設けられたピンホールを通過さ
せて理想球面波としその一部を参照波として撮像素子７
に入射させる。また同じ光波の別の一部を被測定物４で
反射させた後、ピンホールミラー３で反射させて撮像素
子７に入射させて前記参照波と干渉させ、発生する干渉
縞像を撮像素子７で撮像する事で被測定物の表面形状を
測定する。第２の従来の技術は第１の従来の技術の集光
ミラーを省略した構成を取っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７に
示す特開平２−２２８５０５に第１実施例として記載さ
れている第１の従来の技術では、参照光軸と被測定光軸
がほぼ９０度という大きな角度を持って分離されるため
に、装置が大型化し複雑になってしまう。また、ピンホ
ールと被測定面までの距離を、必ず被測定面の曲率半径
分の距離に離す必要があるため、曲率半径の大きな被測
定面を測定する場合は光路が長くなり空気揺らぎによる
精度低下が避けられない。また、被測定面が凹面であれ
ば測定可能であるが凸面の場合は測定ができないという
問題点もある。また、ピンホール部分には必ずミラーが
必要なため、ミラーの汚れや微小な凹凸が測定波面に影
響する恐れがある。

【０００８】また、図８に示す特開平２−２２８５０５
に第２実施例として記載されている第２の従来の技術で
は、前記課題の他に、測定光として使えるのはピンホー
ルから出る理想球面波の広がりの一部になってしまうた
め、光量が少なくなり測定精度が低下する。また、被測
定物を配置する領域が限られてしまうため、大きな被測
定面を有する被測定物を測定することができない。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明においては、光源
と、光源からの光を一旦集光させる集光レンズと、該集
光した光を理想的な球面波に変換するピンホールとその
近傍に設けられた光波面情報を通過させる窓とが形成さ
れた光波整形板とを有し、該ピンホールを通過した光の
光路中に、お互いの光軸が偏芯した参照面と被測定面と
を有する少なくとも１枚のレンズを、該参照面に反射し
た光が該ピンホールを再度通過し、該測定面に反射した
光が該窓を通過する位置に配置し、該参照面で反射し該
ピンホールを再度通過した反射光と、該被測定面で反射
し該窓を通過した反射光とを干渉させて被測定面の形状
を測定する形状測定装置及び形状測定方法を提供してい
る。

【００１０】また本発明においては、前記レンズは前記
ピンホールの近傍で曲率中心が僅かに異なる凹型と凸型
の光学面からなる単レンズである干渉計を用いた形状測
定装置及び形状測定方法を提供している。

【００１１】また本発明においては、前記被測定面は，
前記レンズの前記ピンホールに最も近い凹型の光学面で
あり、前記参照面は該凹型の光学面と逆側の凸型の光学
面である、干渉計を用いた形状測定装置及び形状測定方
法を提供している。

【００１２】また本発明においては、前記レンズは複数
のレンズからなるレンズ群であり、前記参照面と被測定
面は、前記ピンホールに最も近いレンズの光学面と、前
記ピンホールに最も近いレンズと異なるレンズの光学面
のいずれかである干渉計を用いた形状測定装置及び形状
測定方法を提供している。

【００１３】また本発明においては、前記被測定面は、
前記ピンホールに最も近いレンズのピンホールに最も近
い凹型の光学面であり、前記参照面は、前記ピンホール
に最も近いレンズと異なるレンズの光学面である干渉計
を用いた形状測定装置及び形状測定方法を提供してい
る。

【００１４】また本発明においては、光源と、光源から
の光を一旦集光させる集光レンズと、該集光した光を理
想的な球面波に変換するピンホールとその近傍に設けら
れた光波面情報を通過させる窓とが形成された光波整形
板と、該ピンホールを通過した光を反射する光学反射面
を有するミラー部材とを有し、該ピンホールと該ミラー
部材の間に、他の光学面と光軸が偏芯した被測定面を有
する少なくとも１枚のレンズを該被測定面に反射した光
が前記窓を通過する位置に調整し、該ミラー部材を、該
光学反射面に光が垂直に入射し、反射した光が該ピンホ
ールを再度通過する位置に配置し、該光学反射面で反射
し前記ピンホールを再度通過した反射光と、該被測定面
で反射し前記窓を通過した反射光とを干渉させて被測定
面の形状を測定する干渉計を用いた形状測定装置及び形
状測定方法を提供している。

【００１５】また本発明においては、前記形状測定方法
で前記被測定面を測定した後、前記光波整形板を除去
し、該被測定面からの反射光と、該参照面からの反射光
とを干渉させて該参照面の形状を測定する干渉計を用い
た形状測定方法を提供している。

【００１６】また本発明においては、前記レンズの前記
光源と逆側の光学面は凸型の光学面であり、前記形状測
定方法で該凸型の光学面を測定した後、前記光波整形板
を除去し、前記レンズの該光源と逆側に第２の被測定面
をもつ光学素子を配置し、該第２の被測定面からの反射
光と該凸型の光学面からの反射光とを干渉させて該第２
の被測定面の形状を測定する干渉計を用いた形状測定方
法を提供している。

【００１７】また本発明においては、前記第２の被測定
面は凹型の光学面である干渉計を用いた形状測定方法を
提供している。

【００１８】また本発明においては、前記形状測定方法
で前記被測定面を測定した後、前記光波整形板と集光レ
ンズを除去し、前記光源と前記レンズの間に発散型ＴＳ
レンズを配置し、前記被測定面からの反射光と該発散Ｔ
Ｓレンズの参照面からの反射光とを干渉させて該発散Ｔ
Ｓレンズの参照面の形状を測定する干渉計を用いた形状
測定方法を提供している。

【００１９】また本発明においては、前記形状測定方法
で前記発散ＴＳレンズの参照面を測定した後、前記レン
ズを除去し、前記レンズを除去した場所に、第３の被測
定面を有するレンズを配置し、前記発散ＴＳレンズの参
照面からの反射光と第３の被測定面からの反射光とを干
渉させて該第３の被測定面の形状を測定する干渉計を用
いた形状測定方法を提供している。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００２１】（第１の実施の形態）図１に本発明の第１
の実施の形態を示す。図１において、１０１は光源であ
るところのレーザ、１２１は射出したレーザ光を一旦集
光して発散させる集光レンズ、１２２はレーザ光の進行
方向をその偏光方位によって変化させる偏光膜付きのビ
ームスプリッタ、１２３は発散するレーザ光を一旦平行
光に変換するコリメータレンズ、１０２は平行光をピン
ホールに集光する集光レンズ、１０３は使用レーザ光の
波長程度の直径を有するピンホール１０３ａと、そこか
ら数μｍ〜数１００μｍ離れて隣接して設けられた窓１
０３ｂを有する光波整形板、１０４は凹型の光学面１０
４ａと、凸型の光学面１０４ｂを持つレンズ、１０６は
カメラに干渉縞像を結像させる結像レンズ、１０７は撮
像装置であるところのＣＣＤカメラ、１３０は電子化さ
れた画像データを処理するコンピュータ、１３１は計測
画像または処理画像を映し出すディスプレイ装置であ
る。ここでは光学面１０４ａを被測定面、光学面１０４
ｂを参照面とする。また図２は前記光波整形板１０３の
詳細図であり、ピンホール１０３ａと窓１０３ｂが隣接
して設けられている様子を示した平面図とＡ−Ａ’断面
図を示している。

【００２２】光源１０１から射出したレーザ光は集光レ
ンズ１２１で一旦集光された後、発散し偏光ビームスプ
リッタ１２２の作用で進行方向を折り曲げられ、コリメ
ータレンズ１２３で平行光に変換された後、集光レンズ
１０２で集光され、波形整形板１０３上にあけられたピ
ンホール１０３ａを通過する。このピンホールはその直
径φｄが使用光源波長をλ、集光レンズ１０２の開口数
をＮＡとすると、 λ／２＜φｄ＜λ／ＮＡ の範囲にしておけば、回折理論により入射した波面が収
差を持っていてもピンホールを透過することにより無収
差の理想球面波に変換される。たとえば、使用光源波長
λ＝０．６μｍであり集光レンズ１０２の開口数ＮＡ＝
０．５である場合、ピンホール１０３ａの直径φｄは ０．３μｍ＜φｄ＜１．２μｍ にすれば良い。

【００２３】図１において波線で示された１０４ａ’は
光学面１０４ｂと同一の曲率中心をもち、お互いの光軸
が一致した仮想の光学面である。図１はやや誇張して描
かれているが、レンズ１０４の光学面１０４ａと仮想の
光学面１０４ａ’は僅かに偏芯している。従って光学面
１０４ａと光学面１０４ｂは、お互いの光軸が僅かに偏
芯し、曲率中心はピンホール１０３ａの近傍で僅かに異
なっている。レンズ１０４を、ピンホール１０３ａを通
過した光の光路中に配置する。光学面１０４ｂに入射す
る光は光学面１０４ｂに垂直に入射し、反射した光は正
確に同じ経路を辿り、再びピンホール１０３ａを通過す
る。一方、ピンホール１０３ａを通過した光は、光学面
１０４ａにおいても反射するが、光学面１０４ａが光学
面１０４ｂと偏芯しているため、ピンホール１０３ａに
は戻らず、ピンホール１０３ａに隣接して設けられた窓
１０３ｂを通過する。ただし、波形整形板１０３は、光
学面１０４ａで反射した光が正確に窓１０３ｂを通過す
るように予めレンズ１０４の形状にあわせてピンホール
１０３ａと窓１０３ｂが設計されている。つまり、波形
整形板１０３のピンホール１０３ａと窓１０３ｂの位置
は、光学面１０４ａの曲率半径と、光学面１０４ａの光
軸に対する光学面１０４ｂの光軸の偏芯量により決定さ
れている。

【００２４】偏芯量は光学面１０４ａと光学面１０４ｂ
で反射した光が干渉縞を形成する大きさであれば良く、
たとえば光学面１０４ａの曲率半径が１００ｍｍで、光
学面１０４ａの光軸の光学面１０４ｂの光軸に対する偏
芯量が１×１０^‐４ｒａｄであれば、ピンホール１０３
ａと窓１０３ｂとの距離は２０μｍにしておけば良い。
また、窓１０３ｂの大きさは、光学面１０４ａからの反
射光における形状情報等の光波面情報が通過する大きさ
で有れば良く、通常１０μｍ以上にしておけば問題な
い。

【００２５】窓１０３ｂを通過した反射光と、ピンホー
ル１０３ａを通過した反射光とは干渉し、干渉した両者
の光は偏芯分の比較的大きなＴｉｌｔ波面を有する干渉
縞として集光レンズ１０２、コリメータレンズ１２３、
ビームスプリッタ１２２を今度は直進し、結像レンズ１
０６を介して撮像装置であるＣＣＤカメラ１０７で撮像
され、電子化された画像データはコンピュータ１３０で
縞解析される。

【００２６】この時得られる干渉縞は、光学面１０４ｂ
で反射してピンホール１０３ａを通った理想回折球面波
を参照光波として、光学面１０４ａの形状誤差情報のみ
を持つ光波と干渉している。また、ピンホール１０３ａ
からＣＣＤカメラ１０７に至る光学系の光路は共通光路
であるため、光学面１０４ａの絶対形状を高精度に測定
する事ができる。尚、前述の通り干渉縞には比較的大き
なＴｉｌｔ縞が含まれているが、これは従来から知られ
ている数値処理で容易に除去することが可能である。

【００２７】以上の様な構成により、参照光軸と被測定
光軸がほぼ同一なフィゾー干渉計の構成を取ることがで
き、装置を小型化する事が可能となる。また、光学面１
０４ｂを参照面とする事で通常測定が困難だと言われて
いる凸型の光学面で有っても容易に測定可能である。ま
た、ピンホール部分にミラー部材が不要なため、ミラー
の汚れや微小な凹凸が測定に影響を及ぼす事がない。ま
た、ピンホールからの全広がり光束を測定光として使用
できるため、光量不足のため測定が不安定になる事がな
く確実に精密な形状測定を行う事ができる。また、被測
定物を配置する領域に制限がない為、大きな被測定物で
も測定が可能である。

【００２８】尚、光学面１０４ｂと光学面１０４ａは僅
かながら偏芯しているため、光学面１０４ｂに入射する
光は、光学面１０４ａにおいて僅かに屈折しているが、
偏芯量が僅かであれば無視してもかまわない。より高精
度に測定する為には、光学面１０４ｂに光が垂直に入射
する様に、偏芯量を考慮して光学面１０４ｂを調整して
おけば良い。

【００２９】また、通常高精度な干渉計では干渉縞位相
を検出するために参照面をピエゾ素子でλ／２程度動か
すことで縞走査するいわゆるフリンジスキャン法が用い
られる。しかしながら本実施例では参照面と被測定面が
同一部材上にあるためフリンジスキャン法を実施する事
はできない。しかしながら、その他の縞走査手段である
波長走査法や、Ｔｉｌｔ縞を利用した空間変調法を使用
することで容易に干渉縞位相を検出する事ができる。波
長走査法を使用する場合は、光源１を半導体レーザなど
波長走査可能なものにしておけば良く、また空間変調法
の場合は、コンピュータ１３０にその解析機能が搭載さ
れていれば良い。

【００３０】尚、本実施の形態では、光学面１０４ａを
被測定面、光学面１０４ｂを参照面としているが、光学
面１０４ａを参照面、光学面１０４ｂを被測定面とする
事もできる。その場合には光学面１０４ａに入射する光
は光学面１０４ａに垂直に入射し、反射した光は正確に
同じ経路を辿り、再びピンホール１０３ａを通過する。
一方、光学面１０４ｂにおいて反射した光は、光学面１
０４ｂが光学面１０４ａと偏芯しているため、ピンホー
ル１０３ａには戻らず、ピンホール１０３ａに隣接して
設けられた窓１０３ｂを通過する。

【００３１】光学面１０４ｂを被測定面とした場合、光
学面１０４ｂで入反射する光は、レンズ１０４の内部を
通過しているためレンズの材質による影響を受けてしま
う。従って、被測定面はレンズ１０４のピンホール１０
３ａに最も近い光学面である事が望ましい。ただし、光
学面１０４ｂを被測定面とした場合でも、レンズ１０４
の材料の屈折率分布等を考慮しその分の値を補正すれ
ば、高精度に光学面１０４ｂの絶対形状測定する事がで
きる。

【００３２】また、本実施の形態における形状方法で絶
対精度を測定した光学面１０４ａを使って、光学面１０
４ｂの形状を測定することも可能である。前記測定方法
で光学面１０４ａを測定した後、波面整形板１０３を取
り除く事により、光学面１０４ａを参照面とし光学面１
０４ｂを被測定面とする、フィゾー干渉計を構成する事
ができる。従って、既に知られている通常のフィゾー干
渉計による測定方法で、既に測定済の光学面１０４ａを
参照面とし、光学面１０４ｂを測定することができる。
このような測定方法を用いれば、通常測定が困難だと言
われている凸面を高精度に測定する事ができる。

【００３３】（第２の実施の形態）図３は本発明の第２
の実施の形態を説明する図である。図３には、レーザ１
０１、レンズ１２１、ビームスリッター１２２、コリメ
ータレンズ１２３、結像レンズ１０６、ＣＣＤレンズ１
０７、コンピュータ１３０、ディスプレイ装置１３１は
第１の実施の形態と同様であるため記載せず、第１の実
施の形態と異なる部分のみを示している。第２の実施の
形態において、第１の実施の形態と同じ部材には同じ符
号を付してある。

【００３４】図１と同様に１０２は集光レンズであり、
１０３は波面整形板である。２０４は複数のレンズ２０
５、２０６からなるレンズ群である。２０７はレンズ２
０５、２０６を保持する筐体である。レンズ２０５は凹
型光学面２０５ａと凸型光学面２０５ｂを有している。
またレンズ２０６は凸型光学面２０６ａ、２０６ｂを有
している。光学面は集光レンズ１０２側から２０５ａ、
２０５ｂ、２０６ａ、２０６ｂの順に並んでいる。本実
施形態において光学面２０５ａは被測定面であり、光学
面２０６ｂは参照面である。

【００３５】レンズ群２０４を、ピンホール１０３ａを
通過した光の光路中に配置する。レンズ２０５とレンズ
２０６は光学面２０５ａと光学面２０６ｂとはお互いの
光軸が僅かに偏芯した状態に調整され筐体２０７に固定
保持されている。光学面２０６ｂに入射する光は光学面
２０６ｂに垂直に入射し、反射した光は正確に同じ経路
を辿り、再びピンホール１０３ａを通過する。一方、ピ
ンホール１０３ａを通過した光は、光学面２０５ａにお
いても反射するが、光学面２０５ａが光学面２０６ｂと
偏芯しているため、ピンホール１０３ａには戻らず、ピ
ンホール１０３ａに隣接して設けられた窓１０３ｂを通
過する。ただし、波形整形板１０３は、光学面２０５ａ
で反射した光が正確に窓１０３ｂを通過するように予め
レンズ群２０４の形状にあわせてピンホール１０３ａと
窓１０３ｂの位置が設計されている。つまり波形整形板
１０３のピンホール１０３ａと窓１０３ｂの位置は、光
学面２０５ａの曲率半径と、光学面２０６ｂの光軸に対
する光学面２０５ａの光軸の偏芯量により決定されてい
る。このような構成にする事で、第１の実施の形態と同
じ手法により、２０５ａの形状の測定を行うことができ
る。

【００３６】尚、本実施の形態では、光学面２０５ａを
被測定面、光学面２０６ｂを参照面としているが、光学
面２０５ａを参照面、光学面２０６ｂを被測定面とする
事もできる。その場合には光学面２０５ａに入射する光
は光学面２０５ａに垂直に入射し、反射した光は正確に
同じ経路を辿り、再びピンホール１０３ａを通過する。
一方、光学面２０６ｂにおいて反射した光は、光学面２
０６ｂが光学面２０５ａと偏芯しているため、ピンホー
ル１０３ａには戻らず、ピンホール１０３ａに隣接して
設けられた窓１０３ｂを通過する。また同様にレンズ群
２０４の設計により、光学面２０５ｂ、２０６ａを被測
定面にする事も参照面にする事も可能である。

【００３７】しかしながら、光学面２０５ｂ、２０６ａ
を被測定面とした場合、光学面２０５ｂ、２０６ａで入
反射する光は、レンズ２０５の内部を通過しているため
レンズ２０５の材質による影響を受けてしまう。また同
様に光学面２０６ｂを被測定面とした場合、光学面２０
６ｂで入反射する光は、レンズ２０５、２０６の内部を
通過しているためレンズ２０５、２０６の材質による影
響を受けてしまう。従って、被測定面はレンズ群２０４
のうち、ピンホール１０３ａに最も近いレンズ２０５の
ピンホール１０３ａに最も近い光学面２０５ａである事
が望ましい。ただし、光学面２０５ｂ、２０６ａ、２０
６ｂを被測定面とした場合でも、レンズ２０５、２０６
の材料の屈折率分布等を考慮しその分の値を補正すれ
ば、高精度に絶対形状測定する事ができる。

【００３８】また光学面２０６ｂが被測定面でも参照面
でもない場合、光学面２０６ｂで光が反射しないように
反射率を低下させる皮膜を塗布する等処理をしておかな
ければならない。また、同様に光学面２０６ａ、２０６
ｂが共に被測定面でも参照面でもない場合、光学面２０
６ａ、２０６ｂで光が反射しないように反射率を低下さ
せる皮膜を塗布する等処理をしておかなければならな
い。従って参照面はピンホール１０３ａに最も遠いレン
ズ２０６のピンホール１０３ａに最も遠い光学面２０６
ｂである事が望ましい。

【００３９】本実施の形態によれば、前記第１の実施の
形態で得られる効果に加え、レンズ群２０４の光学設計
により被測定面２０５ａと参照面２０６ｂが全く異なる
曲率中心であっても測定する事ができるため、測定の対
象となるレンズのバリエーションが大幅に増え、測定す
るレンズの形状に左右される事なく曲率半径の大きな光
学面や、凹型はもちろん凸型の光学面であても測定が可
能である。また、曲率半径の大きな凸面または凹面であ
ってもピンホール２０３ａから短い距離で測定する事が
可能であり、装置を小型化できるともに、空気揺らぎに
よる測定精度低下が防止できる。

【００４０】また、本実施の形態によれば第１実施の形
態と同様に、前記測定方法で光学面２０５ａを測定した
後、波面整形板１０３を取り除くことにより、光学面２
０５ａを参照面とし、光学面２０６ｂを被測定面とする
フィゾー干渉計を構成し、光学面２０６ｂを測定するこ
とも可能である。この場合、レンズ群２０４の設計によ
り光学面２０６ｂが曲率半径の大きい凸面や凹面、また
平面であっても測定する事が可能である。また同様に２
０５ｂ、２０６ａを測定する事も可能である。

【００４１】（第３の実施の形態）図４は本発明の第３
の実施の形態を説明する図である。図４には、レーザ１
０１、レンズ１２１、ビームスリッター１２２、コリメ
ータレンズ１２３、結像レンズ１０６、ＣＣＤレンズ１
０７、コンピュータ１３０、ディスプレイ装置１３１は
第１の実施の形態と同様であるため記載せず、第１の実
施の形態と異なる部分のみを示している。本実施の形態
において、第１の実施の形態と同じ部材には同じ符号を
付してある。

【００４２】まず、図４（ａ）は測定するレンズが単レ
ンズの場合を説明する図である。図１と同様に１０２は
集光レンズであり、１０３は波面整形板である。本実施
の形態では、予め参照面となる凹型の光学反射面３０５
ａを有するミラー部材３０５がピンホール１０３ａを通
過した光の光路上に配置されている。３０４は凹型の光
学面３０４ａ、凸型の光学面３０４ｂを持つレンズであ
り、光学面３０４ａが被測定面となる。

【００４３】レンズ３０４を、ピンホール１０３ａを通
過した光の光路中に、レンズ３０４の光学面３０４ａと
ミラー部材３０５の光学反射面３０５ａとはお互いの光
軸を僅かに偏芯させて配置する。ピンホール１０３ａを
透過した光は、光学面３０４ａで反射するが、光学面３
０４ａが光軸と僅かに偏芯しているためピンホール１０
３ａには戻らず、ピンホール１０３ａに隣接して設けら
れた窓１０３ｂを通過する。一方、参照面となる光学反
射面３０５ａに入射する光は、光学反射面３０５ａの位
置を調整する事により、光学反射面３０５ａに垂直に入
射し、反射した光は正確に同じ経路を辿り、再びピンホ
ール１０３ａを通過する。

【００４４】次に、図４（ｂ）は測定するレンズが複数
のレンズからなるレンズ群の場合を説明する図である。
本実施の形態におけるレンズ群４０４は凹型の光学面４
０５ａ、凸型の光学面４０５ｂを持つレンズ４０５と、
凸型の光学面４０６ａ、４０６ｂを持つレンズ４０６と
からなる。本実施形態においてはピンホール１０３ａに
最も近いレンズ２０５のピンホール１０３ａに最も近い
光学面２０６ａが被測定面である。４０７は参照面とな
る光学反射面４０７ａを有するミラー部材であり、予め
ピンホールを通過した光の光路上に配置されている。

【００４５】レンズ４０４を、ピンホール１０３ａを通
過した光の光路中に、レンズ４０５の光学面３０５ａと
ミラー部材４０７の光学反射面４０７ａとはお互いの光
軸を僅かに偏芯させて配置する。その状態において、図
４（ａ）に示した単レンズの場合と同じ手法により、光
学面４０４ａの形状測定を行う。また、図４（ｂ）の場
合、レンズ群４０４の設計により、光の屈折率を調整す
る事が容易にできるため、ミラー部材４０７を光学反射
面４０７ａが平面である平板ミラーにする事も可能であ
る。

【００４６】このような構成にする事で、第１の実施の
形態と同じ手法により、光学面３０５ａ、４０５ａの形
状測定を行うことができる。本実施の形態によれば、前
記第１の実施の形態で得られる効果に加え、予め波形整
形板のピンホールと窓の位置を、被測定面の曲率半径
と、光光軸に対する偏芯量により調整しておく必要がな
く、ミラー部材３０５の位置を調整する事で対応でき
る。従って被測定物となるレンズもしくはレンズ群の設
計が測定可能なある条件を満たしておく必要がなく、測
定可能なレンズのバリエーションが増え、測定装置とし
ての汎用性が大幅に向上する。

【００４７】また、本実施の形態ではレンズ３０４及び
レンズ群４０４とミラー部材４０７が別体であるため
に、第１、第２実施の形態で必要であった被測定面と参
照面の２つの面に与える微小な偏芯を、ミラー部材３０
５、４０７を少しｔｉｌｔさせるという不図示の機械調
整により容易に与えることもできる。

【００４８】（第４の実施の形態）図５は本発明の第４
の実施の形態を説明する図である。図５には、レーザ１
０１、レンズ１２１、ビームスリッター１２２、コリメ
ータレンズ１２３、結像レンズ１０６、ＣＣＤレンズ１
０７、コンピュータ１３０、ディスプレイ装置１３１は
第１の実施の形態と同様であるため記載せず、第１の実
施の形態と異なる部分のみを示している。本実施の形態
において、第１の実施の形態と同じ部材には同じ符号を
付してある。

【００４９】本実施の形態では、第１の実施の形態によ
って形状測定されてレンズ１０４の凸型の光学面１０４
ｂを用いて、レンズ１０４の光源であるレーザ１０１
（不図示）と逆側に配置されたレンズ５０１の曲率半径
の大きい凹型の光学面５０１ａを測定するものである。

【００５０】図５は第１の実施の形態によりレンズ１０
４の凸型の光学面１０４ｂを形状測定した後、そのまま
レンズ１０４を保持した状態で、凹型の光学面５０１ａ
をもつレンズ５０１をレンズ１０４の光源であるレーザ
１０１と逆側に配置する。このような配置にする事で、
光学面１０４ｂを参照面、光学面５０１ａを被測定面と
するフィゾー干渉計が構成され、被測定面５０１ａが測
定される。この時、波面整形板は既に取り除かれてい
る。この際、光学面１０４ａからの反射光を遮光する必
要があるので、遮光板５０２を挿入し光学面１０４ａか
らの反射光を遮断している。

【００５１】尚、遮光板５０２の目的は光学面１０４ｂ
からの反射光を遮断することなので、光学面１０４ｂか
らの反射光を遮断ができれば、１０４ａ面に反射率を低
下させる被膜を塗布する等の別の手段でもかまわない。

【００５２】本実施の形態では、レンズ１０４の凸型の
光学面１０４ｂを参照面としているため、曲率半径の大
きい凹型の光学面５０１ａを高精度に測定することがで
きる。また、参照面となる凸型の光学面１０４ｂと被測
定面となる凹型の光学面５０１ａとの面間隔を短くする
ことができるため、空気揺らぎなどの擾乱の影響を受け
ない高精度な測定ができる。

【００５３】また、本体の干渉計を動かす事がなく、ま
た参照面となるレンズも参照面の測定後に動かす事ない
ため、各光学面の物理的な面形状の変動が極めて小さ
く、また干渉計のカメラと光学素子の位置関係も保持さ
れているので高い信頼性で絶対精度の測定が実施可能で
ある。

【００５４】（第５の実施の形態）図６は本発明の第５
の実施の形態を説明する図である。図６には、レーザ１
０１、レンズ１２１、ビームスリッター１２２、コリメ
ータレンズ１２３、結像レンズ１０６、ＣＣＤレンズ１
０７、コンピュータ１３０、ディスプレイ装置１３１は
第１の実施の形態と同様であるため記載せず、第１の実
施の形態と異なる部分のみを示している。本実施の形態
において、第１の実施の形態と同じ部材には同じ符号を
付してある。

【００５５】本実施の形態では、第１の実施の形態によ
って形状測定されてレンズ１０４の凹型の光学面１０４
ａを用いて、ピンホール１０３ａとレンズ１０４の間に
配置された、発散型のフィゾー干渉計用ＴＳレンズ面を
測定するものである。さらにレンズ１０４を除去し、そ
の場所に凹型の被測定面をもつ別のレンズを配置する事
で、既に測定されているＴＳレンズ面を用いて凹型の被
測定面を精密に測定するものである。

【００５６】図６（ａ）は第１の実施の形態で示した方
法で１０４ａを測定する図である。第１の実施の形態で
示した方法により、被測定面である光学面１０４ａの絶
対形状が測定される。次に、図６（ｂ）に示すように、
レンズ１０２及び波面整形板１０３を取り除き、代わり
に発散型ＴＳレンズ６０１を挿入する。発散型ＴＳレン
ズ６０１の光学面６０１ａの曲率中心を、光学面１０４
ａの曲率中心と一致させることでフィゾー干渉計が構成
され、既に絶対形状が求まっている光学面１０４ａを参
照面としてＴＳレンズの光学面６０１ａが測定される。

【００５７】この場合、凸型の光学面６０１ａと凹型の
光学面１０４ａとが干渉面配置となるため、面間隔を短
くすることができ、空気揺らぎなどの擾乱の影響を受け
ない高精度な測定も期待できる。

【００５８】またこの場合、１０４ｂ面からの反射光が
不要光となり計測に影響するため、１０４ｂ面に反射率
を低下させる皮膜を塗布したり、不図示のピンホールで
１０４ｂからの光を遮光するなどの工夫が必要である。

【００５９】次に、図６（ｃ）に示すようにレンズ１０
４を取り除き、その場所に代わりに被測定物となるレン
ズ６０２を配置する。今度は既に測定されている発散型
ＴＳレンズの光学面６０１ａを、今度は参照面として使
用し、レンズ６０２の凹型の被測定面６０２ａを測定す
る。

【００６０】本実施の形態においては、図６（ｂ）に示
した場合と同様に、参照面となる凸型の光学面６０１ａ
と凹型の光学面６０２ａとは干渉面配置となるため、面
間隔を短くすることができ、空気揺らぎなどの擾乱の影
響を受けない高精度な測定も期待できる。

【００６１】また、本実施の形態では、本体の干渉計を
動かす事無く、またＴＳレンズを挿入するときに原器と
して使用するレンズ１０４も動かすことが無い為、測定
に使用する物理的な面形状の変動が極めて小さく、また
干渉計のカメラと光学素子の位置関係も保持されている
ので高い信頼性で絶対精度の形状測定が実施可能であ
る。

【００６２】本実施の形態においては、測定するレンズ
の形状に曲率や凹凸形状等の制約は全くなく、配置する
場合の参照面に対して偏芯を持たせる等の制約もない
為、様々なレンズの形状に対して、より汎用的に形状測
定を行う事ができる。また、被測定物としての凹面ミラ
ーは必ずしも透明では無く、またレンズの形状としても
よいものばかりではないので、汎用的な使用方法では本
実施の形態におけるの使用方法がより現実的となる。

【００６３】尚、発散型ＴＳレンズとは、参照面が凸面
であり射出する光が発散するように設計されたものを指
す。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
光源と、光源からの光を一旦集光させる集光レンズと、
該集光した光を理想的な球面波に変換するピンホールと
その近傍に設けられた光波面情報を通過させる窓とが形
成された光波整形板とを有し、該ピンホールを通過した
光の光路中に、お互いの光軸が偏芯した参照面と被測定
面とを有する少なくとも１枚のレンズを、該参照面に光
が垂直に入射し、反射した光が該ピンホールを再度通過
し、該測定面に反射した光が該窓を通過する位置に配置
し、該参照面で反射し該ピンホールを再度通過した反射
光と、該被測定面で反射し該窓を通過した反射光とを干
渉させて被測定面の形状を測定する形状測定装置及び形
状測定方法を提供している。

【００６５】これにより、以上の様な構成により、参照
光軸と被測定光軸がほぼ同一なフィゾー干渉計の構成を
取ることができ、装置を小型化する事が可能となる。ま
た、光学面１０４ｂを参照面とする事で通常測定が困難
だと言われている凸型の光学面で有っても容易に測定可
能である。また、ピンホール部分にミラー部材が不要な
ため、ミラーの汚れや微小な凹凸が測定に影響を及ぼす
事がない。また、ピンホールからの全広がり光束を測定
光として使用できるため、光量不足のため測定が不安定
になる事がなく確実に精密な形状測定を行う事ができ
る。また、被測定物を配置する領域に制限がない為、大
きな被測定物でも測定が可能である。

【００６６】また、さらに光波整形板を除去し、被測定
面からの反射光と、参照面からの反射光とを干渉させて
該参照面の形状を測定する形状測定方法により、凸面の
形状計測も可能である。

【００６７】また、さらに被測定面を有するレンズを複
数のレンズからなるレンズ群とすることで、被測定面と
参照面が同一の曲率中心でなくても測定する事ができる
ため、測定の対象となるレンズのバリエーションが大幅
に増え、測定するレンズの形状に左右される事なく測定
が可能である。また、大きな曲率半径の凸面または凹面
の計測が集光点から短い距離での測定が可能となり、装
置の小型化と空気揺らぎによる精度低下が防止できる。

【００６８】また、参照面を被測定面を有するレンズも
しくはレンズ群とは異なるミラー部材とすることによ
り、大きな曲率半径の凸面または凹面の計測が集光点か
ら短い距離での測定可能となり、装置の小型化と空気揺
らぎによる精度低下が防止できる。また、光学反射面に
より光を反射するため、光量の損出少なく、より正確な
形状測定が可能となる。また、予め波形整形板のピンホ
ールと窓の位置を、被測定面の曲率半径と、光光軸に対
する偏芯量により調整しておく必要がなく、ミラー部材
３０５の位置を調整する事で対応できるため、被測定物
となるレンズもしくはレンズ群の設計を測定可能なもの
にしておく必要がなく、測定装置としての汎用性が大幅
に向上している。

【００６９】また、前記形状測定方法で前記被測定面を
測定した後、前記光波整形板を除去し、該被測定面から
の反射光と、該参照面からの反射光とを干渉させて該参
照面の形状を測定する事で、通常測定が困難だと言われ
ている凸型の光学面を高精度に測定する事ができる。

【００７０】また、前記形状測定方法で該凸型の光学面
を測定した後、前記光波整形板を除去し、該レンズの該
光源と逆側に第２の被測定面をもつ光学素子を配置し、
該第２の被測定面からの反射光と該凸型の光学面からの
反射光とを干渉させて該第２の被測定面の形状を測定す
る事で、曲率半径の大きい凹型の光学面を高精度に測定
することができる。また、参照面となる凸型の光学面と
被測定面となる凹型の光学面との面間隔を短くすること
ができるため、空気揺らぎなどの擾乱の影響を受けない
高精度な測定ができる。また、本体の干渉計を動かす事
がなく、また参照面となるレンズを参照面の測定後に動
かす事ないため、測定に使用する物理的な面形状の変動
が極めて小さく、また干渉計のカメラと光学素子の位置
関係も保持されているので高い信頼性で絶対精度の測定
が実施可能である。

【００７１】また、前記形状測定方法で前記被測定面を
測定した後、前記光波整形板と集光レンズを除去し、前
記光源と前記レンズの間に発散型ＴＳレンズを配置し、
前記被測定面からの反射光と該発散ＴＳレンズの参照面
からの反射光とを干渉させて該発散ＴＳレンズの参照面
の形状を測定するため、発散ＴＳレンズの面精度を高精
度に測定する事ができる。

【００７２】さらに、前記形状測定方法で前記発散ＴＳ
レンズの参照面を測定した後、前記レンズと除去し、前
記レンズを除去した場所に、第３の被測定面を有するレ
ンズを配置し、前記発散ＴＳレンズの参照面からの反射
光と第３の被測定面からの反射光とを干渉させて該第３
の被測定面の形状を測定するため、装置間の位置の交差
や誤差をまったく含まずに測定する事ができるため、非
常に高精度に第２のレンズの被測定面の形状を測定する
事が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の説明図

【図２】第１の実施の形態で使用するピンホール部分の
詳細説明図

【図３】第２の実施の形態の説明図

【図４】第３の実施の形態の説明図

【図５】第４の実施の形態の説明図

【図６】第５の実施の形態の説明図

【図７】第１の従来の技術の説明図

【図８】第２の従来の技術の説明図

【符号の説明】

１０１ レーザ １０２ 集光レンズ １０３ 波面整形板 １０４ レンズ １０６ 結像レンズ １０７ ＣＣＤカメラ １２１ 集光レンズ １２２ ビームスプリッタ １２３ コリメータレンズ １３０ コンピュータ １３１ ディスプレイ ２０４，２０５，３０４，４０５，４０６，５０１，６
０２ レンズ ３０５，４０７ ミラー部材 ６０１ 発散ＴＳレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神谷 誠一 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） 2F065 AA53 BB05 CC22 FF51 GG04 JJ03 JJ26 LL30 LL37 QQ31 SS02 SS13

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、光源からの光を一旦集光させる
   集光レンズと、該集光した光を理想的な球面波に変換す
   るピンホールとその近傍に設けられた光波面情報を通過
   させる窓とが形成された光波整形板とを有し、該ピンホ
   ールを通過した光の光路中に、お互いの光軸が偏芯した
   参照面と被測定面とを有する少なくとも１枚のレンズ
   を、該参照面に反射した光が該ピンホールを再度通過
   し、該測定面に反射した光が該窓を通過する位置に配置
   し、該参照面で反射し該ピンホールを再度通過した反射
   光と、該被測定面で反射し該窓を通過した反射光とを干
   渉させて被測定面の形状を測定する事を特徴とする干渉
   計を用いた形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記レンズは前記ピンホールの近傍で曲
   率中心が僅かに異なる凹型と凸型の光学面からなる単レ
   ンズである事を特徴とする請求項１項に記載の干渉計を
   用いた形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記被測定面は、前記レンズの前記ピン
   ホールに最も近い凹型の光学面であり、前記参照面は該
   凹型の光学面と逆側の凸型の光学面である事を特徴とす
   る請求項２項に記載の干渉計を用いた形状測定装置。
4. 【請求項４】 前記レンズは複数のレンズからなるレン
   ズ群であり、前記参照面と被測定面は、前記ピンホール
   に最も近いレンズの光学面と、前記ピンホールに最も近
   いレンズと異なるレンズの光学面のいずれかである事を
   特徴とする請求項１項に記載の干渉計を用いた形状測定
   装置。
5. 【請求項５】 前記被測定面は、前記ピンホールに最も
   近いレンズのピンホールに最も近い凹型の光学面であ
   り、前記参照面は、前記ピンホールに最も近いレンズと
   異なるレンズの光学面である事を特徴とする請求項４項
   に記載の干渉計を用いた形状測定装置。
6. 【請求項６】 光源と、光源からの光を一旦集光させる
   集光レンズと、該集光した光を理想的な球面波に変換す
   るピンホールとその近傍に設けられた光波面情報を通過
   させる窓とが形成された光波整形板と、該ピンホールを
   通過した光を反射する光学反射面を有するミラー部材と
   を有し、該ピンホールと該ミラー部材の間に、他の光学
   面と光軸が偏芯した被測定面を有する少なくとも１枚の
   レンズを該被測定面に反射した光が前記窓を通過する位
   置に配置し、該ミラー部材を、該光学反射面に光が垂直
   に入射し、反射した光が該ピンホールを再度通過する位
   置に調整し、該光学反射面で反射し前記ピンホールを再
   度通過した反射光と、該被測定面で反射し前記窓を通過
   した反射光とを干渉させて被測定面の形状を測定する事
   を特徴とする干渉計を用いた形状測定装置。
7. 【請求項７】 光源と、光源からの光を一旦集光させる
   集光レンズと、該集光した光を理想的な球面波に変換す
   るピンホールとその近傍に設けられた光波面情報を通過
   させる窓とが形成された光波整形板とを有し、該ピンホ
   ールを通過した光の光路中に、お互いの光軸が偏芯した
   参照面と被測定面とを有する少なくとも１枚のレンズ
   を、該参照面に反射した光が該ピンホールを再度通過
   し、該測定面に反射した光が該窓を通過する位置に配置
   し、該参照面で反射し該ピンホールを再度通過した反射
   光と、該被測定面で反射し該窓を通過した反射光とを干
   渉させて被測定面の形状を測定する事を特徴とする干渉
   計を用いた形状測定方法。
8. 【請求項８】 前記レンズは前記ピンホールの近傍で曲
   率中心が僅かに異なる凹型と凸型の光学面からなる単レ
   ンズである事を特徴とする請求項７項に記載の干渉計を
   用いた形状測定方法。
9. 【請求項９】 前記被測定面は、前記レンズの前記ピン
   ホールに最も近い凹型の光学面であり、前記参照面は該
   凹型の光学面と逆側の凸型の光学面である事を特徴とす
   る請求項８項に記載の干渉計を用いた形状測定方法。
10. 【請求項１０】 前記レンズは複数のレンズからなるレ
    ンズ群であり、前記参照面と被測定面は、前記ピンホー
    ルに最も近いレンズの光学面と、前記ピンホールに最も
    近いレンズと異なるレンズの光学面のいずれかである事
    を特徴とする請求項７項に記載の干渉計を用いた形状測
    定方法。
11. 【請求項１１】 前記被測定面は、前記ピンホールに最
    も近いレンズのピンホールに最も近い凹型の光学面であ
    り、前記参照面は、前記ピンホールに最も近いレンズと
    異なるレンズの光学面である事を特徴とする請求項１０
    項に記載の干渉計を用いた形状測定方法。
12. 【請求項１２】 光源と、光源からの光を一旦集光させ
    る集光レンズと、該集光した光を理想的な球面波に変換
    するピンホールとその近傍に設けられた光波面情報を通
    過させる窓とが形成された光波整形板と、該ピンホール
    を通過した光を反射する光学反射面を有するミラー部材
    とを有し、該ピンホールと該ミラー部材の間に、他の光
    学面と光軸が偏芯した被測定面を有する少なくとも１枚
    のレンズを該被測定面に反射した光が前記窓を通過する
    位置に配置し、該ミラー部材の位置を、該光学反射面に
    光が垂直に入射し、反射した光が該ピンホールを再度通
    過する位置に調整し、該光学反射面で反射し前記ピンホ
    ールを再度通過した反射光と、該被測定面で反射し前記
    窓を通過した反射光とを干渉させて被測定面の形状を測
    定する事を特徴とする干渉計を用いた形状測定方法。
13. 【請求項１３】 前記形状測定方法で前記被測定面を測
    定した後、前記光波整形板を除去し、該被測定面からの
    反射光と、該参照面からの反射光とを干渉させて該参照
    面の形状を測定する事を特徴とする請求項７項に記載の
    干渉計を用いた形状測定方法。
14. 【請求項１４】 前記レンズの前記ピンホールと逆側の
    光学面は凸型の光学面であり、前記形状測定方法で該凸
    型の光学面を測定した後、前記光波整形板を除去し、該
    レンズの前記光源と逆側に第２の被測定面をもつ光学素
    子を配置し、該第２の被測定面からの反射光と該凸型の
    光学面からの反射光とを干渉させて該第２の被測定面の
    形状を測定する事を特徴とする請求項７項および１３項
    のいずれか一項に記載の干渉計を用いた形状測定方法。
15. 【請求項１５】 前記第２の被測定面は凹型の光学面で
    あることを特徴とする請求項１４項に記載の干渉計を用
    いた形状測定方法。
16. 【請求項１６】 前記形状測定方法で前記被測定面を測
    定した後、前記光波整形板と集光レンズを除去し、前記
    光源と前記レンズの間に発散型ＴＳレンズを配置し、前
    記被測定面からの反射光と該発散ＴＳレンズの参照面か
    らの反射光とを干渉させて該発散ＴＳレンズの参照面の
    形状を測定する事を特徴とする請求項７項に記載の干渉
    計を用いた形状測定方法。
17. 【請求項１７】 前記形状測定方法で前記発散ＴＳレン
    ズの参照面を測定した後、前記レンズを除去し、前記レ
    ンズを除去した場所に、第３の被測定面を有するレンズ
    を配置し、前記発散ＴＳレンズの参照面からの反射光と
    第３の被測定面からの反射光とを干渉させて該第３の被
    測定面の形状を測定する事を特徴とする請求項１６項に
    記載の干渉計を用いた形状測定方法。