JP2004045168A - Aspherical shape measuring method - Google Patents

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JP2004045168A JP2002202114A JP2002202114A JP2004045168A JP 2004045168 A JP2004045168 A JP 2004045168A JP 2002202114 A JP2002202114 A JP 2002202114A JP 2002202114 A JP2002202114 A JP 2002202114A JP 2004045168 A JP2004045168 A JP 2004045168A
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Kazuya Ota
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an aspherical shape measuring method for reducing an error and accurately measuring although the number of data combined by an orbicular zone wavefront combining method, is increased. <P>SOLUTION: The measuring method includes a step (S1) for obtaining an interference pattern image having one color in its center, a step (S2) for obtaining a phase data D<SB>0</SB>of the center from the interference pattern image, a step (S3) for obtaining an interference pattern image having one color in its center and predetermined orbicular zones, steps (S4, S5) for obtaining phase data D<SB>i</SB>(i=1, 2 to m) of the center and the predetermined orbicular zones from the interference image, a step (S6) for correcting the phase data D<SB>i</SB>so as to overlap the data of the center of the phase data D<SB>i</SB>and the phase data D<SB>0</SB>, a step (S7) for determining 2nπ (n is a natural number) so as to make absolute value data ¾D<SB>i</SB>¾ and ¾D<SB>i-1</SB>¾ continuous and adding it to the corrected phase data, a step (S8) for adding a result of the step (S7) to the already combined data D<SB>0</SB>-D<SB>i-1</SB>and a step (S9) for implementing calculation from i=1, 2 to m. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非球面の被検面形状を輪帯波面合成法により測定する非球面形状計測方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、球面波を用いて非球面の形状を計測することが行われている。図3は、このような計測に用いられる点回折干渉計の例を示している。
この点回折干渉計は、光源部において、波長安定化レーザ1と、偏波面保存ファイバ2を有している。波長安定化レーザ1は、例えば、ヘリウム(He)−ネオン(Ne)をレーザ媒質とする光源であり、所定の波長を有する光を射出する。偏波面保存ファイバ2は、偏光状態を保存する機能を有しており、波長安定化レーザ1から射出した光を干渉光学系に導く。
【0003】
上部ステージ6には、対物レンズ3と、ピンホール基板4と、リレーレンズ9等が設置されている。対物レンズ3は、干渉光学系に入射する光L1を、ピンホール基板4に形成されているピンホール4aに集光する。ピンホール4aは、該ピンホールに入射する光を球面波として射出する。ピンホール4aから射出される球面波の光路上には、折り返しミラー8が設けられている。ピンホール5aから射出された球面波の半分は、折り返しミラー8から反射され、参照波L4としてリレーレンズ9に入射する。
【0004】
下部ステージ7には、非球面の被検面5aを有する被検物5が戴置されている。干渉計ボディ11は、上部ステージ6及び下部ステージ7を支持すると共に、いずれか一方のステージ、或いは両方を上下に駆動し、両者の相対的位置を変化させる。これにより、ピンホール4aと被検物5の被検面5aとの距離が変化する。さらに、除振台12は、干渉計ボディ11を支持すると共に、外部の振動を吸収し、光学系を安定させる。
【0005】
ピンホール5aから射出された球面波の残りの半分(球面波L2)は、被検物5の被検面5aから反射され、同面5aの波面特性を含む試験波L3となって、ピンホール基板4に戻ってくる。
【0006】
ところで、試験波L3のNA(開口数)は、最初にピンホール4aを通過した分割前の球面波L2及びL4のNAの半分以下である。このため、ピンホール基板に戻ってきた試験波L3は、ピンホールの径よりも大きなスポットを有する。特に、被検面5aが非球面であれば、より大きなスポットとなる。ピンホール基板4のピンホール4aの周辺部は、光の反射特性を有しており、試験波L3はピンホール基板4から反射されて試験波L5となり、さらに、折り返しミラー8から反射されてリレーレンズ9に入射する。
【0007】
図3において、上部ステージ6の上部には、撮像部10が設けられている。撮像部10は、光検出素子としてCCD(coupled charge device)を有している。
【0008】
リレーレンズに入射した参照波L4及び試験波L5は、撮像部10のCCDに結像し、互いに干渉する。撮像部10は、CCDから出力された検出信号を処理し、干渉によって生じた干渉縞画像を生成する。
【0009】
このようにして生成される干渉縞画像において、注目する点の光の強度を計測することによってその点における干渉波の位相が分かり、これより、測定波と参照波との光路差が分かる。この光路差は、被検面の注目点における高さの情報を表す。即ち、それぞれの点について得られた位相データに演算処理を施すことにより、被検面の形状を求めることができる。
【0010】
ところで、非球面について得られた干渉縞画像においては、干渉縞の密度が低い領域と、縞が密に混み合っている領域とが観察される。本願においては、縞の密度が低い領域の中でも特に縞1本分の領域を、「ワンカラー領域」と呼ぶことにする。
図4〜図6は、ワンカラー領域を含む干渉縞画像を示している。図4においては中央部がワンカラーとなっており、図5及び図6においては、中央部及び中央から離れた輪帯域がワンカラーとなっている。このように、ワンカラーとなる輪帯域が変化するのは、以下に述べる球面波の波面と被検面の形状との関係に基づく。
【0011】
ここで、どのような領域がワンカラー領域となるかについて、図7を参照しながら詳しく説明する。図7の(a)はピンホールの位置と被検面(断面)との関係を示し、図7の(b)は、図7の(a)に示すピンホールの位置に対応して観察される干渉縞画像を模式的に示している。なお、この場合の被検面は、軸対称であって、球面に比較的近似した形状の面である。
【0012】
まず、図7(a)の下のピンホールPH1から球面波が射出されるとき、即ち、ピンホールと被検面の中央との距離(以下、「ピンホールと被検面との距離」という)がzのとき、被検面上には、曲率半径がzと近似的に等しくなる領域が存在する。その領域は、図7の(a)において、被検面の中心からやや外側の領域Aであり、この領域は局所的に半径zの球面に近似している。従って、領域Aにおいては、任意の点を選択してもピンホールと被検面との距離の相対的な差が少なく、試験波と参照波との光路差の変化も少ない。このため、干渉光強度の位相変化も±π以内に収まるので、この領域Aに対応する干渉縞画像上の領域Sが、ワンカラーとなる。
【0013】
次に、ピンホールの位置を下のPH1から上のPH2に移動させて、ピンホールと被検面との距離をzに長くする。すると、やはり、被検面上には曲率半径がzと近似的に等しくなる領域が存在するので、そのような領域A(この場合は領域Aの外側の領域)に対応して、領域Sがワンカラーとなる。
【0014】
このように、ピンホールと被検面との距離を調節することにより、干渉縞画像の所望の輪帯域にワンカラーを形成することができる。ここで、図7の(b)においては、被検面の中心部領域Sもワンカラーとなっている。被検面の中央部は、距離zに対応して領域Sの半径は変化するものの、ピンホールPHとの距離があまり変わらない領域が常に存在するため、常にワンカラーとなっている。
【0015】
干渉縞画像を解析する際には、このようなワンカラー領域における計測データが用いられる。縞が密に混み合っている領域においては、リレーレンズ等の光学系の収差やディストーション等の影響を受けるため、正しい計測を行うことができないからである。また、非球面計測の場合、縞が混み合って、縞本数をCCD上で数えられない場合も多い。
【0016】
干渉縞画像の解析は、次のような輪帯波面合成法によって行われる。まず、ピンホールと被検面との距離を調節し、図4に示すように、中央部及び中央付近の輪帯域がワンカラーとなるようにして、干渉縞画像を撮像する。この干渉縞画像から、ワンカラー領域Cの光強度を計測し、干渉波の位相データDを算出する。次に、ピンホールと被検面との距離を変え、例えば、図5に示すようにワンカラー領域を外側に移動させて干渉縞画像を撮像する。この際、連続する2枚の干渉縞画像において、ワンカラー領域の位置が若干オーバーラップするようにする。この干渉縞画像から、ワンカラー領域Cの光強度を計測し、干渉波の位相データDを算出する。同様に、ピンホールと被検面との距離を変化させてワンカラー領域の位置を徐々に外側に移動し、その都度干渉縞画像を撮像し、ワンカラー領域の光強度を計測して干渉波の位相データを得る。このような計測を、図6に示すように、最外周のワンカラー領域Cまで行う。
【0017】
ところで、それぞれの干渉縞画像から得られた位相データは、それぞれの測定領域における被検面の情報はよく反映しているものの、他の測定領域との関係については不明な要素を含む。即ち、それぞれの位相データDは、絶対値データ|D|に対して、Δφ±2nπの不確定性を含んでいる。ここで、Δφは−π≦Δφ≦πであり、測定領域を変更するために光路長を変えることによって生じる位相ズレである。また、nは自然数であり、干渉縞が混み合っている部分で数えられない干渉縞数に対応する。このため、データを合成する際には、隣接する領域で位相が連続するように、Δφ及びnを決定しなくてはならない。
【0018】
原理的には、中心から縞の数を数えることによってnを決定することは可能である。しかしながら、非球面を球面波によって計測する場合には、被検面の外側に行くほど両者の曲率半径の差が大きくなる。従って、干渉縞画像においても、外側に行くほど多くの縞が密に混み合ってCCDに撮像され、CCDの分解能を越える程になるので、一つひとつの縞を識別することは不可能である。
【0019】
このため、従来は、絶対値データ|Di−1|と|D|とが、連続するように、境界における絶対値及び傾き(微分値)が一致するようなΔφ及びnを決定していた。これをi=1、2、・・・について順次行い、データを合成していた。
【0020】
図8は、このようにして作成された合成データをグラフ化したものを模式的に示している。図8において、x軸は被検面の中心からの半径方向の位置座標であり、y軸は干渉縞位相データを被検面の高さに換算した値を示している。断続する太い実線が合成データを示しており、破線は、実際の被検面の形状を示している。なお、太い実線は、実際には断続しないよう滑らかにつなぐが、この図では誤差があることを断続で模式的に表している。
【0021】
図8に示すように、従来の位相接続方法によると、合成する位相データが多くなると、それぞれの干渉縞画像から得られた位相データの境界における誤差が積算されるので、中心から離れるほど実際の被検面と計測値との誤差が大きくなってしまい、十分な精度を得るのが難しい。
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
上記の点に鑑み、本発明は、球面波を用いた非球面の被検面形状の輪帯波面合成法による計測において、合成するデータ数が増えても誤差が大きくならずに、精度の高い計測を行うことを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る非球面形状計測方法は、非球面形状を有する被検面の形状を輪帯波面合成法により計測する方法であって、 該被検面の中心部の近似曲率半径の球面波Wを該面に当て、該面から反射してくる試験波と、該球面波の一部(参照波)とが干渉して生じる干渉縞を測定して該面中心部の形状に対応する干渉波位相データDを得、 該面の中心部よりやや外側部分の近似曲率半径の球面波Wを該面に当て、該面から反射してくる試験波と、該球面波の一部(参照波)とが干渉して生じる干渉縞を測定して該面中心部及び上記やや外側部分の形状に対応する干渉波位相データDを得、 順次同様に該被検面の外側部分の近似曲率半径の球面波W、W、W、・・・、W、・・・、Wを該面に当てて該面の最外周部まで測定して干渉波データD、D、D、・・・、D、・・・、Dを得、 Dの測定担当輪帯域の絶対値データ|D|を、|D|=D+Δφ+2nπで求め、 ここで、nは自然数、ΔφはDの被検面中心部データとDの被検面中心部データとの2π未満の位相差であり、 Δφについては、Dの被検面中心部データとDの被検面中心部データとが重なるように決定し、nについては、Di−1とDとがつながるように決定し、各データ|D|、|D|、|D|、・・・、|D|、・・・、|D|を合成して該非球面全体の形状を計測する。
【0024】
本発明によれば、位相を接続する際に、隣接する領域のデータのみでなく常に中央部のデータを参照しながら接続するので、中央部から離れた領域においても誤差が積算されることがない。従って、球面波を用いて非球面を高精度に計測することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る非球面形状計測方法を示すフローチャートである。本実施形態に係る非球面形状計測方法は、非球面形状を有する被検面の形状を計測する方法であって、例えば、点回折干渉計を用いて得られた干渉縞画像を解析することにより行われる。
【0026】
まず、ステップS1において、球面波Wを被検面に照射し、干渉縞画像の中央部にワンカラー領域が形成された干渉縞画像を得る。点回折干渉計を用いる場合には、ピンホールと被検面中央部との距離が、被検面中央部の近似曲率半径と等しくなるように調節する。球面波Wの一部は、射出された後に、参照波として分割される。球面波Wの他の一部は被検面から反射され、被検面の形状に関する情報を含む試験波となり、参照波と干渉する。この干渉波を撮像することにより、干渉縞画像が得られる。
【0027】
次に、ステップS2において、ステップS1において得られた干渉縞画像のワンカラー領域の光強度を計測することにより、干渉波の位相データ(測定データ)Dを得る。このデータは、後で説明する輪帯波面合成法において基準値として使用される。
【0028】
次に、ステップS3において、球面波W(i=1)を被検面に照射し、干渉縞画像を得る。ステップS3においては、ステップS1において得られた干渉縞画像のワンカラー領域の外側にワンカラーの輪帯域が形成されるように、ピンホールと被検面との距離を調節する。この際に、ワンカラーの輪帯域とステップS1において得られたワンカラー領域との間に切れ目が生じないようにするために、両者が若干オーバーラップするようにピンホールと被検面との距離を調節することが好ましい。これより、中央部、及び、中央部より少し外側の輪帯域がワンカラーとなった干渉縞画像が得られる。
【0029】
次に、ステップS4において、ステップS3において得られた干渉縞画像のワンカラー領域の光強度を計測し、干渉波の位相データ(測定データ)Dを得る。ここで、光強度の計測は、輪帯域及び中央部の両方について行い、位相データDには、輪帯域から得られた位相データ(測定データ)DRと、中央部から得られた位相データ(測定データ)DCとが含まれる。
【0030】
このような計測を、ピンホールと被検面との距離を変化させることにより(例えば、0.1mmずつ)、ワンカラーの輪帯域を外側にずらしながら、i=1、2、・・・、mについて繰り返し行う(ステップS5)。ここで、先に得られた干渉縞画像のワンカラーの輪帯域と、次に得られた干渉縞画像のワンカラーの輪帯域とが、若干オーバーラップするようにする。これを、ワンカラーの輪帯域が干渉縞の最外周(i=m)に来るまで行う。
【0031】
次に、ステップS6〜S9において、輪帯波面合成法により、位相データD、D、D、・・・、Di−1、D、・・・、Dを合成する。
ここで、位相データDから位相データDi−1までが合成されたデータと、位相データDとを合成する方法について、図2を参照しながら説明する。図2の(a)〜(e)は、被検面の各位置における位相データを示すグラフであり、x軸は被検面(断面)の半径方向の位置座標を示し、y軸は位相を示している。
【0032】
図2の(a)は、位相データDから位相データDi−1までを合成したデータに基づいて作成されたグラフである。このグラフに位相データDをそのまま重ねると、図2の(b)のようになる。
【0033】
位相データDは、既に合成されたデータD〜Di−1に接続される絶対値データ|D|に対して、Δφ+2nπの不確定性を有している。ここで、Δφは−π≦Δφ≦πであり、干渉縞画像の中心部の位相ズレから生じていると考えることができる。また、nは自然数である。これより、絶対値データ|D|は、|D|=DR+Δφ+2nπと表される。
【0034】
そこで、まず、ステップS6において、位相データDと位相データDとの中心部の位相ズレを補正する。このためには、図2の(c)に示すように、中央部の測定データDCが位相データDに重なるように、測定データD全体をy方向に移動する。即ち、2π未満の補正値Δφは、Δφ=D−DCとして求められる。
【0035】
次に、ステップS7において、不確定値2nπを決定する。2nπは離散値なので、隣り合うデータDi−1とDとが連続するようにnを決定すれば良い。
ステップS8において、このようにして得られた絶対値データ|D|=D+Δφ+2nπを、合成データD〜Di−1に加算する。これにより、図2の(d)に示すように、なめらかに接続された合成データD〜Dが得られる。
【0036】
このような演算処理を、i=1、2、・・・、mについて行うことにより(ステップS9)、図2の(e)に示すような合成データD〜Dが作成される。
さらに、ステップS10において、合成データD〜Dを被検面の高さの値に変換することにより、被検面の形状を得ることができる。
【0037】
なお、本実施形態においては、干渉縞の強度そのものから干渉縞の位相を求める方法を用いて説明したが、干渉縞の位相を求める方法としては、この他にも周知の方法を用いることができる。例えば、フリンジスキャン法(位相シフト法)を用いる場合には、誤差をさらに小さくすることができるので、より好ましい。この方法においては、波面と被検面との関係を変化させることによって測定が行われる。
【0038】
また、本実施形態においては、波面補正素子(ヌル素子)を用いない点回折干渉計を使用して非球面を計測する場合について説明したが、本発明は、点回折干渉計に限らず、ヌル素子を用いない球面フィゾー干渉計や、トワイマン・グリーン干渉計等にも適用することができる。
【0039】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、球面波を用いて非球面の形状を計測する場合に、球面との隔たりが大きな非球面であっても、高精度な計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る非球面形状計測方法を示すフローチャートである。る。
【図2】本発明の一実施形態に係る非球面形状計測方法において行われる輪帯波面合成法を説明するための図である。
【図3】点回折干渉計の原理を示す図である。
【図4】中央部がワンカラーとなっている干渉縞画像を示す図である。
【図5】中央部及び輪帯域がワンカラーとなっている干渉縞画像を示す図である。
【図6】中央部及び最外周がワンカラーとなっている干渉縞画像を示す図である。
【図7】図7の(a)は、ピンホールと被検面(断面)との位置関係を示す図であり、図7の(b)は、図7の(a)に示すピンホールの位置に対応して観察される干渉縞画像を示している。
【図8】従来の輪帯波面合成法によって得られる合成データを示す図である。
【符号の説明】
1 波長安定化レーザ
2 偏波面保存ファイバ
3 対物レンズ
4 ピンホール基板
4a ピンホール
5 被検物
5a 被検面
6 上部ステージ
7 下部ステージ
8 折り返しミラー
9 リレーレンズ
10 撮像部
11 干渉計ボディ
12 除振台
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an aspherical surface shape measuring method for measuring the shape of an aspherical surface to be measured by an annular wavefront synthesis method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, measurement of the shape of an aspheric surface using a spherical wave has been performed. FIG. 3 shows an example of a point diffraction interferometer used for such measurement.
This point diffraction interferometer has a wavelength stabilizing laser 1 and a polarization-maintaining fiber 2 in a light source section. The wavelength stabilized laser 1 is, for example, a light source using helium (He) -neon (Ne) as a laser medium, and emits light having a predetermined wavelength. The polarization preserving fiber 2 has a function of preserving the polarization state, and guides the light emitted from the wavelength stabilizing laser 1 to the interference optical system.
[0003]
On the upper stage 6, the objective lens 3, the pinhole substrate 4, the relay lens 9, and the like are installed. The objective lens 3 focuses the light L1 incident on the interference optical system on a pinhole 4a formed on the pinhole substrate 4. The pinhole 4a emits light incident on the pinhole as a spherical wave. A folding mirror 8 is provided on the optical path of the spherical wave emitted from the pinhole 4a. Half of the spherical wave emitted from the pinhole 5a is reflected from the turning mirror 8 and enters the relay lens 9 as a reference wave L4.
[0004]
A test object 5 having an aspheric test surface 5a is placed on the lower stage 7. The interferometer body 11 supports the upper stage 6 and the lower stage 7 and drives either one or both stages up and down to change the relative positions of both. Thereby, the distance between the pinhole 4a and the test surface 5a of the test object 5 changes. Further, the vibration damping table 12 supports the interferometer body 11 and absorbs external vibration, thereby stabilizing the optical system.
[0005]
The other half of the spherical wave (spherical wave L2) emitted from the pinhole 5a is reflected from the test surface 5a of the test object 5, becomes a test wave L3 including the wavefront characteristics of the same surface 5a, and becomes a pinhole. It returns to the substrate 4.
[0006]
Incidentally, the NA (numerical aperture) of the test wave L3 is equal to or less than half of the NA of the spherical waves L2 and L4 that have first passed through the pinhole 4a before division. Therefore, the test wave L3 returned to the pinhole substrate has a spot larger than the diameter of the pinhole. In particular, if the test surface 5a is an aspherical surface, the spot becomes a larger spot. The periphery of the pinhole 4a of the pinhole substrate 4 has light reflection characteristics. The test wave L3 is reflected from the pinhole substrate 4 to become a test wave L5, and further, is reflected from the folding mirror 8 and relayed. The light enters the lens 9.
[0007]
In FIG. 3, an imaging unit 10 is provided above the upper stage 6. The imaging unit 10 has a CCD (coupled charge device) as a light detection element.
[0008]
The reference wave L4 and the test wave L5 incident on the relay lens form an image on the CCD of the imaging unit 10 and interfere with each other. The imaging unit 10 processes the detection signal output from the CCD, and generates an interference fringe image generated by the interference.
[0009]
In the interference fringe image generated in this manner, the phase of the interference wave at the point of interest is determined by measuring the light intensity at the point of interest, and the optical path difference between the measurement wave and the reference wave can be determined. This optical path difference represents height information at the point of interest on the surface to be inspected. That is, the shape of the surface to be inspected can be obtained by performing arithmetic processing on the phase data obtained for each point.
[0010]
By the way, in the interference fringe image obtained for the aspherical surface, a region where the density of the interference fringes is low and a region where the fringes are densely crowded are observed. In the present application, a region of one stripe among regions having a low stripe density is referred to as a “one-color region”.
4 to 6 show interference fringe images including a one-color area. In FIG. 4, the central portion is one-color, and in FIGS. 5 and 6, the central portion and the ring zone away from the central portion are one-color. The change in the one-color ring band is based on the relationship between the wavefront of the spherical wave described below and the shape of the surface to be measured.
[0011]
Here, the type of the one-color area will be described in detail with reference to FIG. FIG. 7A shows the relationship between the position of the pinhole and the surface to be inspected (cross section), and FIG. 7B shows the relationship between the position of the pinhole shown in FIG. 3 schematically shows an interference fringe image. The test surface in this case is a surface which is axially symmetric and has a shape relatively similar to a spherical surface.
[0012]
First, when a spherical wave is emitted from the lower pinhole PH1 in FIG. 7A, that is, the distance between the pinhole and the center of the test surface (hereinafter referred to as the “distance between the pinhole and the test surface”). ) Is z 1 , there is a region on the surface to be measured where the radius of curvature is approximately equal to z 1 . That region, in (a) of FIG. 7, a region A 1 slightly outwardly from the center of the test surface, this region approximates spherical locally radius z 1. Thus, in the area A 1, the relative difference in distance between the pinholes and the test surface be selected arbitrary point less, less change of the optical path difference between the reference wave and the test wave. For this reason, since the phase change of the interference light intensity is also within ± π, the area S 1 on the interference fringe image corresponding to the area A 1 becomes one color.
[0013]
Then, by moving the position of the pinhole PH2 above from PH1 below to increase the distance between the pinholes and the test surface in z 2. Then, again, since approximately equal area on the object surface radius of curvature and z 2 are present, in response to such regions A 2 (outside the region in this case is the area A 1), area S 2 is a one-color.
[0014]
As described above, by adjusting the distance between the pinhole and the test surface, one color can be formed in a desired annular zone of the interference fringe image. Here, in FIG. 7 (b), has become a well one color center area S 0 of the test surface. Central portion of the test surface, the radius of the area S 0 corresponds to the distance z but varies, since the region where the distance between the pinhole PH is not much is always present, is always a one-color.
[0015]
When analyzing an interference fringe image, measurement data in such a one-color area is used. This is because, in a region where stripes are densely crowded, correct measurement cannot be performed because the region is affected by aberration, distortion, and the like of an optical system such as a relay lens. Further, in the case of aspherical surface measurement, stripes are often crowded and the number of stripes cannot be counted on the CCD.
[0016]
The analysis of the interference fringe image is performed by the following annular wavefront synthesis method. First, the distance between the pinhole and the surface to be inspected is adjusted, and as shown in FIG. 4, an interference fringe image is captured so that the central zone and the annular zone near the center become one color. From this interference fringe image, the light intensity of the one-color area C 0 is measured, and the phase data D 0 of the interference wave is calculated. Next, the distance between the pinhole and the test surface is changed, and for example, as shown in FIG. 5, the one-color area is moved outward to capture an interference fringe image. At this time, in two consecutive interference fringe images, the positions of the one-color areas slightly overlap. From this interference fringe image, it measures the light intensity of one color region C 1, calculates the phase data D 1 of the interference wave. Similarly, the position of the one-color area is gradually moved outward by changing the distance between the pinhole and the surface to be measured, and each time an interference fringe image is taken, the light intensity of the one-color area is measured, and the interference wave is measured. Is obtained. Such measurement, as shown in FIG. 6, carried out until the outermost one color region C m.
[0017]
By the way, the phase data obtained from each interference fringe image well reflects the information of the surface to be inspected in each measurement area, but includes an unknown element in relation to other measurement areas. That is, each phase data D i includes an uncertainty of Δφ i ± 2nπ with respect to the absolute value data | D i |. Here, [Delta] [phi i is -π ≦ Δφ ≦ π, the phase shift caused by varying the optical path length in order to change the measurement region. Further, n is a natural number and corresponds to the number of interference fringes that cannot be counted in a portion where the interference fringes are crowded. For this reason, when synthesizing data, Δφ i and n must be determined so that the phases are continuous in adjacent regions.
[0018]
In principle, it is possible to determine n by counting the number of stripes from the center. However, when an aspheric surface is measured by a spherical wave, the difference between the curvature radii of the two becomes larger toward the outside of the surface to be measured. Therefore, even in the interference fringe image, since more fringes are densely crowded and picked up by the CCD as it goes to the outside, and the resolution exceeds the resolution of the CCD, it is impossible to identify each fringe.
[0019]
Therefore, conventionally, Δφ i and n are determined so that the absolute value and the gradient (differential value) at the boundary coincide with each other so that the absolute value data | D i−1 | and | D i | I was This is sequentially performed for i = 1, 2,... To synthesize data.
[0020]
FIG. 8 schematically shows a graph of the composite data created as described above. In FIG. 8, the x-axis is a position coordinate in the radial direction from the center of the test surface, and the y-axis is a value obtained by converting the interference fringe phase data into the height of the test surface. The intermittent bold solid line indicates the synthesized data, and the broken line indicates the actual shape of the test surface. Note that thick solid lines are connected smoothly so that they do not actually intermittently. However, in this figure, the fact that there is an error is schematically shown intermittently.
[0021]
As shown in FIG. 8, according to the conventional phase connection method, when the number of phase data to be combined increases, errors at the boundaries of the phase data obtained from the respective interference fringe images are integrated. An error between the test surface and the measured value increases, and it is difficult to obtain sufficient accuracy.
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above, in the present invention, in measurement by the annular wavefront synthesis method of the shape of the test surface of the aspherical surface using a spherical wave, even if the number of data to be synthesized increases, the error does not increase, high accuracy The purpose is to make measurements.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, an aspherical shape measuring method according to the present invention is a method for measuring the shape of a test surface having an aspherical shape by an annular wavefront synthesis method, wherein a center portion of the test surface is measured. It said surface of the spherical wave W 0 of the approximate radius of curvature applied to said surface, and the test wave reflected from said surface, a part of the spherical wave (reference wave) and is by measuring the interference fringes generated by interference The interference wave phase data D 0 corresponding to the shape of the center is obtained, and a spherical wave W 1 having an approximate radius of curvature slightly outside the center of the surface is applied to the surface, and a test wave reflected from the surface is obtained. to obtain an interference wave phase data D 1 corresponding to the shape of the part (reference wave) and is by measuring the interference fringes generated by interference said surface center and the slightly outer part of the spherical wave, successively similarly the spherical wave W 2 of the approximate radius of curvature of the outer portion of the test surface, W 3, W 4, ··· , W i, ···, a W m the Interference wave data D 2 as measured to the outermost portion of said surface against the surface, D 3, D 4, ··· , D i, ···, give D m, the measured charge wheel band D i the, | | absolute value data | D i D i | = determined with D i + Δφ i + 2nπ, where, n is a natural number, [Delta] [phi i is the interfering optical system the center of the interfering optical system center data and D 0 of D i a phase difference of less than 2π with the data, for [Delta] [phi i, determined as overlapping and the interfering optical system center data of the interfering optical system center data and D i of the D 0, for n is, D i- 1 and D i are determined to be connected, and the respective data | D 0 |, | D 1 |, | D 2 |, ..., | D i |, ..., | D m | The shape of the entire aspheric surface is measured.
[0024]
According to the present invention, when connecting the phases, the connection is always performed while referring not only to the data in the adjacent area but also to the data in the center, so that errors are not integrated even in an area far from the center. . Therefore, the aspherical surface can be measured with high accuracy using the spherical wave.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a flowchart illustrating an aspheric surface shape measuring method according to an embodiment of the present invention. The aspherical surface shape measuring method according to the present embodiment is a method for measuring the shape of a test surface having an aspherical surface shape, for example, by analyzing an interference fringe image obtained using a point diffraction interferometer. Done.
[0026]
First, in step S1, the spherical wave W 0 irradiated to the test surface to obtain an interference fringe image one color region is formed in a center portion of the interference fringe image. When a point diffraction interferometer is used, the distance between the pinhole and the center of the test surface is adjusted to be equal to the approximate radius of curvature of the center of the test surface. Some of the spherical wave W 0, after being injected, is divided as a reference wave. Another part of the spherical wave W 0 is reflected from the test surface, it becomes a test wave including information about the shape of the test surface and interferes with the reference wave. By taking an image of this interference wave, an interference fringe image is obtained.
[0027]
Then, obtained in step S2, by measuring the light intensity of one color region of the resultant interference fringe image in step S1, the phase data (measurement data) D 0 of the interference wave. This data is used as a reference value in the annular wavefront synthesis method described later.
[0028]
Next, in step S3, the test surface is irradiated with the spherical wave W i (i = 1) to obtain an interference fringe image. In step S3, the distance between the pinhole and the test surface is adjusted so that a one-color annular zone is formed outside the one-color area of the interference fringe image obtained in step S1. At this time, the distance between the pinhole and the test surface is set so that the one-color ring zone and the one-color area obtained in step S1 are slightly overlapped with each other so that no break occurs between them. Is preferably adjusted. As a result, an interference fringe image in which the central portion and the ring band slightly outside the central portion have one color is obtained.
[0029]
Next, in step S4, the light intensity of one color region of the resultant interference fringe image in Step S3 is measured to obtain the phase data (measurement data) D i of the interference wave. Here, the measurement of the light intensity is performed for both the annular zone and the central portion, and the phase data Di includes phase data (measurement data) DR i obtained from the annular zone and phase data obtained from the central portion. (measurement data) are included and DC i.
[0030]
This measurement is performed by changing the distance between the pinhole and the surface to be inspected (for example, by 0.1 mm each), thereby shifting the one-color ring band outward, i = 1, 2,. This is repeated for m (step S5). Here, the one-color ring band of the interference fringe image obtained earlier and the one-color ring band of the interference fringe image obtained next are slightly overlapped. This is performed until the one-color ring band comes to the outermost periphery (i = m) of the interference fringes.
[0031]
Next, in step S6 to S9, the annular wave field synthesis, phase data D 0, D 1, D 2 , ···, D i-1, D i, ···, to synthesize D m.
Here, the data from phase data D 0 to the phase data D i-1 is synthesized, a method for combining the phase data D i, be described with reference to FIG. 2A to 2E are graphs showing phase data at each position on the surface to be inspected, where the x-axis indicates the position coordinates in the radial direction of the surface to be inspected (cross section), and the y-axis indicates the phase. Is shown.
[0032]
In Figure 2 (a) is a graph created on the basis of the from the phase data D 0 to the phase data D i-1 to the combined data. Continuing overlapping phase data D i in the graph is as shown in FIG 2 (b).
[0033]
Phase data D i is already absolute value data are connected to the combined data D 0 ~D i-1 | D i | respect, has uncertainty Δφ i + 2nπ. Here, Δφ i satisfies −π ≦ Δφ i ≦ π, and can be considered to be caused by a phase shift at the center of the interference fringe image. Further, n is a natural number. Thus, the absolute value data | D i | is expressed as | D i | = DR i + Δφ i + 2nπ.
[0034]
Therefore, first, in step S6, to correct the phase shift of the center of the phase data D 0 and phase data D i. To this end, as shown in FIG. 2C, the entire measurement data D i is moved in the y direction such that the measurement data DC i at the center overlaps with the phase data D 0 . That is, the correction value [Delta] [phi i of less than 2π is obtained as Δφ i = D 0 -DC i.
[0035]
Next, in step S7, an uncertain value 2nπ is determined. Since 2nπ the discrete values, it may be determined n as the data D i-1 adjacent and D i are continuous.
In step S8, the absolute value data | D i | = D i + Δφ i + 2nπ thus obtained is added to the combined data D 0 to D i−1 . Thus, as shown in FIG. 2 (d), smoothly connected combined data D 0 to D i is obtained.
[0036]
By performing such arithmetic processing for i = 1, 2,..., M (step S9), the composite data D 0 to D m as shown in FIG.
Further, in step S10, the synthetic data D 0 to D m by converting the value of the height of the test surface, it is possible to obtain the shape of the surface.
[0037]
In the present embodiment, the method of obtaining the phase of the interference fringes from the intensity of the interference fringes has been described. However, other known methods can be used as the method of obtaining the phase of the interference fringes. . For example, it is more preferable to use the fringe scan method (phase shift method) because the error can be further reduced. In this method, the measurement is performed by changing the relationship between the wavefront and the test surface.
[0038]
Further, in the present embodiment, the case where an aspheric surface is measured using a point diffraction interferometer that does not use a wavefront correction element (null element) has been described. However, the present invention is not limited to the point diffraction The present invention can also be applied to a spherical Fizeau interferometer without using elements, a Twyman-Green interferometer, and the like.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when measuring the shape of an aspheric surface using a spherical wave, high-precision measurement can be performed even if the distance between the aspheric surface and the aspheric surface is large.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart illustrating an aspherical surface shape measuring method according to an embodiment of the present invention. You.
FIG. 2 is a diagram for explaining an annular wavefront synthesis method performed in the aspherical shape measurement method according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of a point diffraction interferometer.
FIG. 4 is a diagram showing an interference fringe image in which a central portion is one color.
FIG. 5 is a diagram showing an interference fringe image in which a central portion and a ring band have one color.
FIG. 6 is a diagram showing an interference fringe image in which a central portion and an outermost periphery are one color.
7A is a diagram showing a positional relationship between a pinhole and a surface to be inspected (cross section), and FIG. 7B is a diagram showing a positional relationship between the pinhole shown in FIG. The interference fringe image observed corresponding to the position is shown.
FIG. 8 is a diagram showing synthesized data obtained by a conventional annular wavefront synthesis method.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 wavelength stabilized laser 2 polarization preserving fiber 3 objective lens 4 pinhole substrate 4 a pinhole 5 test object 5 a test surface 6 upper stage 7 lower stage 8 folding mirror 9 relay lens 10 imaging unit 11 interferometer body 12 vibration isolation Table

Claims (1)

非球面形状を有する被検面の形状を輪帯波面合成法により計測する方法であって、
該被検面の中心部の近似曲率半径の球面波Wを該面に当て、該面から反射してくる試験波と、前記球面波の一部(参照波)とが干渉して生じる干渉縞を測定して該面中心部の形状に対応する干渉波位相データDを得、
該面の中心部よりやや外側部分の近似曲率半径の球面波Wを該面に当て、該面から反射してくる試験波と、前記球面波の一部(参照波)とが干渉して生じる干渉縞を測定して該面中心部及び前記やや外側部分の形状に対応する干渉波位相データDを得、
順次同様に該被検面の外側部分の近似曲率半径の球面波W、W、W、・・・、W、・・・、Wを該面に当てて該面の最外周部まで測定して干渉波データD、D、D、・・・、D、・・・、Dを得、
の測定担当輪帯域の絶対値データ|D|を、|D|=D+Δφ+2nπで求め、
ここで、nは自然数、ΔφはDの被検面中心部データとDの被検面中心部データとの2π未満の位相差であり、
Δφについては、Dの被検面中心部データとDの被検面中心部データとが重なるように決定し、nについては、Di−1とDとがつながるように決定し、
各データ|D|、|D|、|D|、・・・、|D|、・・・、|D|を合成して前記非球面全体の形状を計測することを特徴とする非球面形状計測方法。
A method of measuring the shape of the test surface having an aspherical shape by an annular wavefront synthesis method,
Against the spherical wave W 0 of the approximate radius of curvature of the center of該被interfering optical system to said surface, and the test wave reflected from said surface, occurs a portion of the spherical wave (see wave) interfere interfere the resulting interference wave phase data D 0 corresponding to the shape of said surface center by measuring the fringe,
Said surface of the spherical wave W 1 of the approximate radius of curvature of the slightly outer portion than the central portion against the said surface, and the test wave reflected from said surface, a part of the spherical wave (reference wave) and interferes The resulting interference fringes are measured to obtain interference wave phase data D 1 corresponding to the shape of the center portion of the surface and the slightly outer portion,
Similarly, the spherical waves W 2 , W 3 , W 4 ,..., W i ,..., W m having the approximate radius of curvature of the outer portion of the surface to be measured are sequentially applied to the surface, and the outermost periphery of the surface interference wave data D 2 as measured up part, D 3, D 4, resulting ···, D i, ···, the D m,
The, | | D i | absolute value data of the measurement representative wheel band D i D i | = determined with D i + Δφ i + 2nπ,
Here, n is a natural number, [Delta] [phi i is the phase difference of less than 2π with the interfering optical system center data of the interfering optical system center data and D 0 of D i,
The [Delta] [phi i, determined as overlapping and the interfering optical system center data of the interfering optical system center data and D i of the D 0, for n, determined to be connected and a D i-1 and D i ,
Each data | D 0 |, | D 1 |, | D 2 |, ···, | D i |, ···, | characterized in that combined to the measuring the aspherical overall shape | D m Aspherical shape measurement method.
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