JP2008292218A - 面形状測定装置、面形状測定方法、および顕微鏡対物光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 設計および製作の容易な簡素な構成にしたがって、球面形状の被検面の面形状を高精度に測定することのできる面形状測定装置。
【解決手段】 球面形状の被検面（２０ａ）の面形状を測定する本発明の面形状測定装置は、反射した球面波の光を被検面に直入射させるためのミラー（３）と、被検面で反射された光に基づいて被検面の面形状を測定するための測定部（１，２）とを備えている。測定部は、ミラーの前側に配置された参照面（２ａ）で反射された参照光と被検面で反射された測定光との干渉に基づいて被検面の面形状を測定するための干渉計（１）を有する。ミラーは、入射した平行光を球面波の光に変換して被検面の曲率中心（２０ｂ）に集光させるための放物面ミラーを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、面形状測定装置、面形状測定方法、および顕微鏡対物光学系に関し、特にレンズ、ミラーなどの光学部材の光学面形状を高精度に測定するための面形状測定装置および方法に関するものである。

例えば球面形状の光学面の面形状を測定する装置として、フィゾー型干渉計が知られている。フィゾー型干渉計では、干渉計本体から供給された平行光を波面変換素子により球面波の光に変換し、参照面を有するフィゾー部材に入射させる。フィゾー部材の参照面で反射された球面波の光は、波面変換素子を介して平行光となり、参照光として干渉計本体へ戻る。

フィゾー部材の参照面を透過した球面波の光は、球面形状の被検面（光学面）に直入射する。被検面で反射された光は、フィゾー部材および波面変換素子を介して平行光となり、測定光として干渉計本体へ入射する。干渉計本体では、フィゾー部材の参照面で反射された参照光と、被検面で反射された測定光との干渉に基づいて、被検面の面形状を測定する。

顕微鏡対物光学系には、例えば０．７よりも大きい開口数の光束が入射する凸球面形状の光学面（被検面）を有する高ＮＡレンズが用いられている。従来のフィゾー型干渉計を用いて高ＮＡレンズの凸球面形状を測定する場合、高ＮＡの凸球面形状の被検面に球面波の光を直入射させるために、被検面に相当する高い開口数を有し且つ被検面よりも大きい曲率半径を有する参照面が必要になる。

また、入射した平行光を高ＮＡの球面波の光に変換するために、開口の非常に大きな波面変換素子が必要になる。この場合、特に曲率半径の大きい高ＮＡの参照面を有するフィゾー部材（参照レンズ）を設計・製作することは非常に困難である。その結果、従来技術では、参照面に対する被検面の姿勢を複数の状態に切り換えつつ、被検面の面形状を分割的に測定せざるを得なかった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、設計および製作の容易な簡素な構成にしたがって、球面形状の被検面の面形状を高精度に測定することのできる面形状測定装置および方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、球面形状の被検面の面形状を測定する面形状測定装置において、
反射した球面波の光を前記被検面に直入射させるためのミラーと、
前記被検面で反射された光に基づいて前記被検面の面形状を測定するための測定部とを備えていることを特徴とする面形状測定装置を提供する。

本発明の第２形態では、球面形状の被検面の面形状を測定する面形状測定方法において、
ミラーにより反射した球面波の光を前記被検面に直入射させ、
前記被検面で反射された後に前記ミラーで反射された光に基づいて前記被検面の面形状を測定することを特徴とする面形状測定方法を提供する。

本発明の第３形態では、第１形態の面形状測定装置または第２形態の面形状測定方法を用いて測定された球面形状の光学面を含むことを特徴とする顕微鏡対物光学系を提供する。

本発明では、例えば放物面ミラーの作用により、入射した平行光を球面波の光に変換して、高ＮＡレンズの凸球面形状の被検面に直入射させる。この場合、放物面ミラーは入射した平行光から被検面に相当する高い開口数を有する球面波の光を生成する必要があるが、入射した平行光から高ＮＡの球面波の光を生成する放物面ミラーを設計・製作することは比較的容易である。その結果、本発明の面形状測定装置および方法では、設計および製作の比較的容易なミラーを用いる簡素な構成にしたがって、球面形状の被検面の面形状を高精度に測定することができる。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる面形状測定装置の構成を概略的に示す図である。本実施形態では、例えば顕微鏡対物光学系に用いられる高ＮＡレンズの凸球面形状を測定するためのフィゾー干渉方式の面形状測定装置に対して本発明を適用している。

図１を参照すると、本実施形態の面形状測定装置は、図示を省略した点光源からの光を平行光に変換して射出する干渉計本体１を備えている。フィゾー干渉方式で用いられる干渉計本体１の内部構成および作用は周知であり、その詳細な説明を省略する。干渉計本体１から射出された平行光は、平行平面状に近いくさび形状の断面を有するフィゾー部材２に入射する。フィゾー部材２に入射した光の一部は、参照面２ａで反射された後、平行光のまま参照光として干渉計本体１へ戻る。

フィゾー部材２に入射した光の一部は、参照面２ａを透過した後、平行光の状態で放物面ミラー３に入射する。放物面ミラー３は、その焦点３ａが高ＮＡレンズ２０の凸球面形状の被検面２０ａの曲率中心２０ｂと一致するように位置決めされている。したがって、放物面ミラー３に入射した平行光は、放物面ミラー３で反射されて球面波の光に変換され、球面波の球心である放物面ミラー３の焦点３ａ、すなわち被検面２０ａの曲率中心２０ｂに集光する。こうして、放物面ミラー３で反射された球面波の光は、被検面２０ａに直入射する。

高ＮＡレンズ２０の被検面２０ａで反射された球面波の光は、放物面ミラー３で反射されて平行光になり、フィゾー部材２を通過した後、測定光として干渉計本体１へ入射する。干渉計本体１では、フィゾー部材２の参照面２ａで反射された参照光と、被検面２０ａで反射された測定光との干渉に基づいて、凸球面形状の被検面２０ａの面形状を測定する。すなわち、干渉計本体１では、参照光と測定光とにより生成された干渉縞を解析することにより、被検面２０ａの面形状を計測する。

以上のように、本実施形態の面形状測定装置では、放物面ミラー３の作用により、入射した平行光を球面波の光に変換して、高ＮＡレンズ２０の凸球面形状の被検面２０ａに直入射させている。この場合、放物面ミラー３は、入射した平行光から、被検面２０ａに相当する高い開口数を有する球面波の光を生成する必要がある。しかしながら、入射した平行光から高ＮＡの球面波の光を生成する放物面ミラー３を設計・製作することは、曲率半径の大きい高ＮＡの参照面を有するフィゾー部材の設計・製作に比して容易である。

また、放物面ミラー３は、球面ミラーに比して製作がある程度困難であるが、一般の非球面ミラーよりも製作が容易である。こうして、本実施形態の面形状測定装置では、曲率半径の大きい高ＮＡの参照面も開口の非常に大きな波面変換素子も用いることなく、設計および製作の比較的容易な放物面ミラー３を用いる簡素な構成にしたがって、フィゾー干渉方式により高ＮＡレンズ２０の被検面２０ａの凸球面形状を高精度に測定することができる。

なお、上述の実施形態では、フィゾー部材２の参照面２ａを透過した光束が放物面ミラー３に入射する際に、高ＮＡレンズ２０により光束の中央部分が遮られるため、被検面２０ａの中央領域の面形状を高精度に測定することができない場合がある。この場合、例えば従来のフィゾー型干渉計を用いて、被検面２０ａの中央領域の面形状を別途測定すればよい。この点は、後述する各変形例においても同様である。

図２は、本実施形態の第１変形例にかかる面形状測定装置の構成を概略的に示す図である。図２の第１変形例においても図１の実施形態と同様に、例えば顕微鏡対物光学系に用いられる高ＮＡレンズ２０の凸球面形状を測定するためのフィゾー干渉方式の面形状測定装置に対して本発明を適用している。しかしながら、第１変形例では、反射した球面波の光を被検面２０ａに直入射させるためのミラーとして楕円面ミラー６を用いている点が、図１の実施形態と相違している。

図２を参照すると、第１変形例の面形状測定装置では、干渉計本体１から射出された平行光が、１つまたは複数のレンズからなる波面変換素子４を介して球面波の光に変換され、参照レンズ（フィゾー部材）５に入射する。参照レンズ５に入射した光の一部は、参照面５ａで反射された後、波面変換素子４を介して平行光に変換され、参照光として干渉計本体１へ戻る。

参照レンズ５に入射した光の一部は、参照面５ａを透過し、光軸上の点Ａに一旦集光した後、球面波の状態で楕円ミラー６に入射する。楕円ミラー６は、その一方の焦点６ａが集光点Ａに一致し且つ他方の焦点６ｂが高ＮＡレンズ２０の凸球面形状の被検面２０ａの曲率中心２０ｂと一致するように位置決めされている。したがって、楕円ミラー６に入射した球面波の光は、楕円ミラー６で反射されて球面波の光のまま、球面波の球心である楕円ミラー６の他方の焦点６ｂ、すなわち被検面２０ａの曲率中心２０ｂに集光する。

こうして、楕円ミラー６で反射された球面波の光は、被検面２０ａに直入射する。高ＮＡレンズ２０の被検面２０ａで反射された球面波の光は、楕円ミラー６で反射され、参照レンズ５を透過し、波面変換素子４で平行光に変換された後、測定光として干渉計本体１へ入射する。干渉計本体１では、参照レンズ５の参照面５ａで反射された参照光と、被検面２０ａで反射された測定光との干渉に基づいて、凸球面形状の被検面２０ａの面形状を測定する。

第１変形例にかかる面形状測定装置では、楕円ミラー６の作用により、開口数の比較的小さい球面波の入射光を、高ＮＡレンズ２０の被検面２０ａに相当する高い開口数を有する球面波の光に変換して、凸球面形状の被検面２０ａに直入射させている。開口数の比較的小さい球面波の入射光から高ＮＡの球面波の光を生成する楕円ミラー６を設計・製作することは、曲率半径の大きい高ＮＡの参照面を有するフィゾー部材の設計・製作に比して容易である。また、楕円ミラー６は、放物面ミラーと同様に、球面ミラーに比して製作がある程度困難であるが、一般の非球面ミラーよりも製作が容易である。

さらに、第１変形例では、楕円ミラー６への球面波の入射光束に要求される開口数が比較的小さいので、被検面２０ａに相当する高ＮＡの参照面も必要でなければ、開口の非常に大きな波面変換素子も必要ではない。したがって、第１変形例にかかる面形状測定装置では、曲率半径の大きい高ＮＡの参照面も開口の非常に大きな波面変換素子も用いることなく、設計および製作の比較的容易な楕円ミラー６を用いる簡素な構成にしたがって、フィゾー干渉方式により高ＮＡレンズ２０の被検面２０ａの凸球面形状を高精度に測定することができる。

図３は、本実施形態の第２変形例にかかる面形状測定装置の構成を概略的に示す図である。図３の第２変形例においても図１の実施形態と同様に、例えば顕微鏡対物光学系に用いられる高ＮＡレンズ２０の凸球面形状を測定するためのフィゾー干渉方式の面形状測定装置に対して本発明を適用している。しかしながら、第２変形例では、反射した球面波の光を被検面２０ａに直入射させるためのミラーとして球面ミラー８を用いている点が、図１の実施形態と相違している。

図３を参照すると、第２変形例の面形状測定装置では、干渉計本体１から射出された平行光が、平行平面状に近いくさび形状の断面を有するフィゾー部材２に入射する。フィゾー部材２に入射した光の一部は、参照面２ａで反射された後、平行光のまま参照光として干渉計本体１へ戻る。フィゾー部材２に入射した光の一部は、参照面２ａを透過した後、１つまたは複数のレンズからなる波面変換素子７を介して所定波面の光に変換され、球面ミラー８に入射する。

球面ミラー８は、その反射面の曲率中心８ａが高ＮＡレンズ２０の凸球面形状の被検面２０ａの曲率中心２０ｂと一致するように位置決めされている。したがって、球面ミラー８に入射した所定波面の光は、球面ミラー８で反射されて球面波の光に変換され、球面波の球心である球面ミラー８の反射面の曲率中心８ａ、すなわち被検面２０ａの曲率中心２０ｂに集光する。こうして、球面ミラー８で反射された球面波の光は、被検面２０ａに直入射する。

高ＮＡレンズ２０の被検面２０ａで反射された球面波の光は、球面ミラー８で反射されて所定波面の光になり、波面変換素子７を透過して平行光に変換され、フィゾー部材２を透過した後、測定光として干渉計本体１へ入射する。干渉計本体１では、フィゾー部材２の参照面２ａで反射された参照光と、被検面２０ａで反射された測定光との干渉に基づいて、凸球面形状の被検面２０ａの面形状を測定する。

第２変形例にかかる面形状測定装置では、球面ミラー８の作用により、平行光に近い所定波面の入射光を、高ＮＡレンズ２０の被検面２０ａに相当する高い開口数を有する球面波の光に変換して、凸球面形状の被検面２０ａに直入射させている。平行光に近い所定波面の入射光から高ＮＡの球面波の光を生成する球面ミラー８を設計・製作することは、曲率半径の大きい高ＮＡの参照面を有するフィゾー部材の設計・製作に比して容易である。

また、波面変換素子７は、球面ミラー８により反射された球面波の光が反射面の曲率中心８ａに集光するように、入射した平行光の波面を僅かに変更して所定波面の光に変換するだけであり、特に大きな開口が求められることはない。したがって、第２変形例の面形状測定装置では、曲率半径の大きい高ＮＡの参照面も開口の非常に大きな波面変換素子も用いることなく、設計および製作の比較的容易な球面ミラー８を用いる簡素な構成にしたがって、フィゾー干渉方式により高ＮＡレンズ２０の被検面２０ａの凸球面形状を高精度に測定することができる。

なお、上述の実施形態および各変形例では、高ＮＡレンズ２０の被検面２０ａの凸球面形状の測定に対して本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば球面ミラーの反射面の面形状の測定、すなわち被検面の凹球面形状の測定に対しても同様に本発明を適用することができる。一例として、球面ミラーの反射面の面形状の測定に対して図１の実施形態の要部構成を適用した第３変形例を図４に示す。

図４の第３変形例では、放物面ミラー３は、その焦点３ａが球面ミラー２１の反射面２１ａの曲率中心２１ｂと一致するように、球面ミラー２１に対向して位置決めされている。したがって、放物面ミラー３に入射した平行光は、放物面ミラー３で反射されて球面波の光に変換され、球面波の球心である放物面ミラー３の焦点３ａ、すなわち被検面２１ａの曲率中心２１ｂに一旦集光した後、凹球面形状の被検面２１ａに直入射する。

球面ミラー２１の被検面２１ａで反射された球面波の光は、放物面ミラー３で反射されて平行光になり、フィゾー部材２を通過した後、測定光として干渉計本体１へ入射する。干渉計本体１では、フィゾー部材２の参照面２ａで反射された参照光と、被検面２１ａで反射された測定光との干渉に基づいて、凹球面形状の被検面２１ａの面形状を測定する。なお、図示を省略したが、フィゾー干渉方式による球面ミラー２１の反射面２１ａの面形状の測定に対して、図２の第１変形例の要部構成または図３の第２変形例の要部構成を同様に適用することができることは明らかである。

また、上述の実施形態および各変形例では、フィゾー干渉方式により、参照面で反射された参照光と被検面で反射された測定光との干渉に基づいて被検面の面形状を測定している。しかしながら、これに限定されることなく、フィゾー干渉方式以外の適当な方式、例えばシャックーハルトマン方式により、被検面の凸球面形状または凹球面形状を測定することもできる。一例として、高ＮＡレンズの凸球面形状の測定に対して図１の実施形態の要部構成（フィゾー部材を除く）とシャックーハルトマン方式の波面センサとを組み合わせて適用した第５変形例を図５に示す。

図５の第４変形例では、点光源９ａからの光が、コリメータレンズ９ｂを介して平行光になり、ハーフミラー９ｃで反射された後に、波面センサ９から射出される。波面センサ９から射出された平行光は、放物面ミラー３で反射されて球面波の光に変換され、被検面２０ａの曲率中心２０ｂに集光する。高ＮＡレンズ２０の被検面２０ａで反射された球面波の光は、放物面ミラー３で反射されて平行光になり、測定光として波面センサ９に戻る。波面センサ９に戻った測定光は、ハーフミラー９ｃを透過した後、マイクロレンズアレイ９ｄに入射する。

波面分割素子としてのマイクロレンズアレイ９ｄに入射した測定光は、多数の微小レンズにより二次元的に分割され、各微小レンズの後側焦点面の近傍にそれぞれ１つの像が形成される。こうして形成された多数の像は二次元撮像素子としてのＣＣＤ９ｅによって検出され、ＣＣＤ９ｅの出力は信号処理系９ｆに供給される。信号処理系９ｆでは、ＣＣＤ９ｅから供給された多数の像の形成位置に関する情報、すなわちマイクロレンズアレイ９ｄにより波面分割された各部分光束の位置情報に基づいて、凸球面形状の被検面２０ａの面形状を算出（測定）する。

なお、図示を省略したが、シャックーハルトマン方式による被検面２０ａの凸球面形状の測定に対して、図２の第１変形例の要部構成または図３の第２変形例の要部構成を同様に適用することができることは明らかである。また、図示を省略したが、シャックーハルトマン方式による被検面２１ａの凹球面形状の測定に対して、図１の実施形態の要部構成、図２の第１変形例の要部構成または図３の第２変形例の要部構成を同様に適用することができることも明らかである。

また、本発明では、上述の実施形態または各変形例にかかる面形状測定装置を用いて、高ＮＡレンズの凸球面形状の光学面の面形状を測定し、必要に応じて光学調整された高ＮＡレンズを顕微鏡対物光学系に組み込むことにより、所望の光学性能を有する顕微鏡対物光学系を実現することができる。

本発明の実施形態にかかる面形状測定装置の構成を概略的に示す図である。 本実施形態の第１変形例にかかる面形状測定装置の構成を概略的に示す図である。 本実施形態の第２変形例にかかる面形状測定装置の構成を概略的に示す図である。 球面ミラーの反射面の面形状の測定に対して図１の実施形態の要部構成を適用した第３変形例を概略的に示す図である。 被検面の凸球面形状の測定に対して図１の実施形態の要部構成とシャックーハルトマン方式の波面センサとを組み合わせて適用した第４変形例を概略的に示す図である。

符号の説明

１ 干渉計本体
２，５ フィゾー部材
２ａ，５ａ 参照面
３ 放物面ミラー
４，７ 波面変換素子
６ 楕円ミラー
８ 球面ミラー
９ 波面センサ
２０ａ，２１ａ 被検面

Claims (12)

1. 球面形状の被検面の面形状を測定する面形状測定装置において、
   反射した球面波の光を前記被検面に直入射させるためのミラーと、
   前記被検面で反射された光に基づいて前記被検面の面形状を測定するための測定部とを備えていることを特徴とする面形状測定装置。
2. 前記測定部は、前記ミラーの前側に配置された参照面で反射された参照光と前記被検面で反射された測定光との干渉に基づいて前記被検面の面形状を測定するための干渉計を有することを特徴とする請求項１に記載の面形状測定装置。
3. 前記測定部は、前記被検面で反射された光を波面分割するための波面分割素子と、該波面分割素子により波面分割された各部分光束の位置情報に基づいて前記被検面の面形状を算出するための算出部とを有することを特徴とする請求項１に記載の面形状測定装置。
4. 前記ミラーは、入射した平行光を球面波の光に変換して前記被検面の曲率中心に集光させるための放物面ミラーを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面形状測定装置。
5. 前記ミラーは、一方の焦点から入射した球面波の光を前記被検面の曲率中心に集光させるための楕円面ミラーを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面形状測定装置。
6. 入射した平行光を球面波の光に変換して前記一方の焦点に集光させるための波面変換素子をさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載の面形状測定装置。
7. 前記ミラーは、入射した所定波面の光を球面波の光に変換して前記被検面の曲率中心に集光させるための球面ミラーを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面形状測定装置。
8. 入射した平行光を前記所定波面の光に変換して前記球面ミラーへ導くための波面変換素子をさらに備えていることを特徴とする請求項７に記載の面形状測定装置。
9. 球面形状の被検面の面形状を測定する面形状測定方法において、
   ミラーにより反射した球面波の光を前記被検面に直入射させ、
   前記被検面で反射された後に前記ミラーで反射された光に基づいて前記被検面の面形状を測定することを特徴とする面形状測定方法。
10. 前記ミラーの前側に配置された参照面で反射された参照光と、前記被検面で反射された後に前記ミラーで反射された測定光との干渉に基づいて、前記被検面の面形状を測定することを特徴とする請求項９に記載の面形状測定方法。
11. 前記被検面で反射された後に前記ミラーで反射された光を波面分割し、波面分割された各部分光束の位置情報に基づいて前記被検面の面形状を測定することを特徴とする請求項９に記載の面形状測定方法。
12. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の面形状測定装置または請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の面形状測定方法を用いて測定された球面形状の光学面を含むことを特徴とする顕微鏡対物光学系。

Images