JP2009186436A - 光波干渉測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非球面光学素子の表面形状を簡易かつ低コストで短時間のうちに測定し得る光波干渉測定装置を提供する。
【解決手段】光源１１からのレーザー光束がハーフミラー１３において反射され、コリメートレンズ２２を介して基準板２５に照射され、基準面２５ａにおいて、一部は参照光束として反射され、その余は透過される。透過光束は、波面形状可変レンズ１５において、該光束が被検非球面レンズ１７の各表面位置に所望の角度で入射するように出力される。該光束はレンズ１７で反射されて被検光とされ、基準面２５ａに戻る。この被検光と参照光とによる干渉縞が干渉計ＣＣＤカメラ３１により撮像され、その干渉縞情報は制御演算部５１に入力され、該制御演算部５１からは、その干渉縞をヌル縞とすべく、レンズ１５に対してレンズ形状制御信号を出力して、その屈折力分布を変化させる。この出力信号値に基づいてレンズ１７の表面形状が演算される。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、非球面レンズの非球面形状を測定するために用いられる光波干渉測定装置に関する。

近年、非球面光学素子の非球面表面形状を高精度に測定したいという要求が、特にレンズ設計、製造等の分野において強い。

非球面形状の高精度な測定手法に係る技術としては、フィゾー型タイプの干渉計において、被測定非球面の基準とされた参照非球面を有する参照用反射素子を、該被測定非球面と近接配置し、該参照用反射素子で反射して被測定非球面に戻る参照光と、該被測定非球面において反射される物体光との光干渉により得られる干渉縞に基づき、被測定非球面の形状を測定し、この測定時において干渉縞をスキャニングする、いわゆる干渉縞スキャン法が知られている（下記特許文献１参照）。

さらに、非球面形状の高精度な測定手法に係る技術としては、下記特許文献２、３等に開示されたようないわゆる点スキャン法や、下記特許文献４等に記載されたような開口合成法を利用する手法が知られている。

特開２００４−５３２９９０号公報 特開平８−１４６０１８号公報 特開２００１−１３３２４４号公報 ＵＳＰ６,９５６,６５７

しかしながら、上記特許文献、特に上記特許文献１等に記載された手法では、参照非球面（非球面基準面）と被測定非球面との各光軸のズレが測定に大きく影響すること等の理由から、非球面形状をなす被検面の全領域について同時に、良好な干渉縞を得ることができない。結局、被検面全体について干渉縞情報を得るためには、各領域について干渉縞情報が現れる毎に撮像を繰返し、これら撮像された多数の干渉縞情報を組み合わせる等の処理が必要であるから、干渉縞情報の取得操作が極めて繁雑となる。

したがって、上記各特許文献に記載された手法では、いずれも膨大な測定時間を要することになる。

さらに、上記特許文献１記載のものでは、装置の製造コストが高価になってしまい、また、上記特許文献４記載のものでは、装置構成が複雑になるという問題もある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、非球面光学素子の表面形状を簡易かつ低コストで短時間のうちに測定し得る光波干渉測定装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る光波干渉測定装置は、
光源からの光束を光束分離合成手段により二分して、一方を被検体方向に向かう第１光束とするとともに、他方を参照光生成用の第２光束とし、
前記光束分離合成手段によって、該第１光束の該被検体からの戻り光である被検光と該第２光束から生成された該参照光とを合成して干渉光となし、所定位置に配された撮像体上に前記被検体の表面形状情報に基づく干渉縞像を形成する光波干渉測定装置において、
前記被検体が表面形状を測定すべき非球面光学素子であり、
前記光束分離合成手段と前記被検体との間には、前記光束分離合成手段からの前記第１光束を前記被検体の表面各位置に所定角度で入射させるとともに、該被検体の表面各位置から反射されてなる前記被検光を前記光束分離合成手段に戻し得るように、前記第１光束の出力波面形状を変化させる波面形状可変レンズが配され、
前記撮像体上に形成される前記干渉縞がヌル縞となるように、前記波面形状可変レンズの屈折力分布を変化させる波面可変指示信号を前記波面形状可変レンズに送出して、該波面形状可変レンズからの出力光束の波面形状を変化させる波面形状可変レンズ調整手段と、
前記干渉縞がヌル縞となった際の前記波面形状可変レンズに送出している波面可変指示信号に基づいて、前記被検体の表面形状を算出するレンズ形状算出手段と、
を備えてなることを特徴とするものである。

この場合において、前記装置は、前記光束分離合成手段が基準板とされ、その一方の面に配された基準面により前記第１光束および前記第２光束を分離してなるフィゾータイプとすることが可能である。

なお、上記「干渉縞がヌル縞となった際の……波面可変指示信号に基づいて」とは、ヌル縞となった時点の出力信号値のみに基づいて、という場合のほか、所定時点からヌル縞となった時点までの出力信号値に基づいて、という場合等を含む。

また、上記「ヌル縞」とは、測定領域の干渉画像面に縞が１本も存在しない状態を称するものとする（ＪＣＳＳ不確かさ見積もりガイド（平面度）：平成１９年４月改定、を参照）。

本発明に係る光波干渉測定装置は、撮像体上に形成される干渉縞がヌル縞となるように、波面形状可変レンズに波面可変指示信号を送出して、波面形状可変レンズから出力される第１光束の波面の形状を変化させるように屈折力分布を変化させ、得られた干渉縞がヌル縞となった際に波面形状可変レンズに送出されている波面可変指示信号に基づいて、被検体の非球面表面形状を算出するようにしている。

すなわち、波面形状可変レンズは、波面形状可変レンズ調整手段からの波面可変指示信号に基づいて、屈折力分布が変化するように構成されており、得られる干渉縞がヌル縞となるまで、該波面可変指示信号が入力され続けることになる。そして、得られた干渉縞がヌル縞となったときには、第１光束が被検体の各表面位置に垂直に入射されたことになり、これにより、このときの波面形状可変レンズ調整手段から出力された第１光束の波面形状が、被検レンズの表面形状と対応したものとなった際に、波面形状可変レンズに入力されている波面可変指示信号に基づいて、この被検レンズの表面形状を演算することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の実施形態に係る光波干渉測定装置の構成を概略的に示す図である。

図１に示すように、この装置１０はフィゾータイプの干渉計装置として構成されており、レーザー光を出力する光源１１と、光源１１からの光束の収束発散を調整するレンズ１２と、このレンズ１２からの光束の一部が反射されるハーフミラー面１３ａを有するハーフミラー１３と、このハーフミラー１３で反射された発散光束を平行光束とするコリメートレンズ２２と、コリメートレンズ２２からの平行光束のうち一部を基準面２５ａにて反射せしめるとともに、その余を透過させる基準板２５と、基準面２５ａを透過した光束を、被検非球面レンズ１７の各表面位置に入射させるとともに、被検非球面レンズ１７からの反射光である被検光をハーフミラー面１３ａに戻す波面形状可変レンズ１５と、被検非球面レンズ１７からの反射光である被検光と基準面２５ａからの反射光である参照光とを基
準面２５ａにおいて干渉せしめ、この干渉により生じる干渉縞を撮像する干渉計ＣＣＤカメラ３１と、合波された上記両反射光による干渉縞を干渉計ＣＣＤカメラ３１の撮像面上に結像させる結像レンズ２９と、制御演算部５１とから構成されている。

ここで、上記制御演算部５１は、撮像体上に形成される前記干渉縞がヌル縞となるように、波面形状可変レンズ１５に波面可変指示信号（以下、レンズ形状制御信号とも称する）を送出して、この波面形状可変レンズ１５から出力される第１光束の波面の形状を変化させるべく該レンズ１５の屈折力分布を変化させ得る波面形状可変レンズ調整機能（波面形状可変レンズ調整手段）と、干渉縞がヌル縞となった際の波面形状可変レンズ１５に送出している波面可変指示信号に基づいて、被検非球面レンズ１７の非球面表面形状を演算するレンズ形状演算機能（レンズ形状演算手段）と、を有するように構成されている。

また、波面形状可変レンズ１５は主要部のみを模式的に描いたものであって、制御演算部５１からの波面可変指示信号に基づき屈折力分布を変化させて、その出力光の波面を調整し得る構成とされている。詳しくは後述する。

また、波面形状可変レンズ１５にはピエゾ素子４１が付設されており、周知の位相シフト法を採用することが可能となっている。

また、被検非球面レンズ１７は、５軸方向（X、Y、Zの各軸方向、X軸、Y軸の各軸周り方向）に調整が可能な５軸ステージ５２が設けられている。

以下、上述した本実施形態装置の作用について説明する。
すなわち、この装置１０においては、光源１１からのレーザー光束がハーフミラー１３において一部反射され、コリメートレンズ２２にて平行光束とされて基準板２５に照射される。基準板２５の基準面２５ａにおいて、一部は参照光束として反射され、その余は透過される。基準面２５ａを透過した光束は、波面形状可変レンズ１５に入射されて、出力される該光束が被検非球面レンズ１７の各表面位置に所望の角度で入射され得るような屈折作用をうけることになる。該光束は被検非球面レンズ１７で反射されて被検光とされ、上記基準面２５ａに戻る。基準面２５ａにおいては、この被検光と上記参照光とが互いに干渉し、それによる干渉縞が干渉計ＣＣＤカメラ３１により撮像されることになる。そしてこの撮像された干渉縞情報は制御演算部５１に入力され、その干渉縞をヌル縞とするべく、波面形状可変レンズ１５に対してレンズ形状制御信号が出力され、これによりフィードバック制御がなされることになる。

すなわち、波面形状可変レンズ１５は、このフィードバック制御により屈折力分布が変化せしめられ、出力する該光束を被検非球面レンズ１７の各表面位置に垂直に入射せしめる。これにより、被検光はこれら各表面位置から垂直に反射され、往路に一致した経路を辿ってハーフミラー面１３ａに到達することになる。そして、このとき、波面形状可変レンズ１５から出力される光束の波面、換言すれば、波面形状可変レンズ１５の屈折力分布が被検非球面レンズ１７の表面形状に対応したものとされており、したがって、該光束が被検非球面レンズ１７の各表面位置に垂直に入射する状態とされた際に、制御演算部５１（波面形状可変レンズ調整手段）から波面形状可変レンズ１５に対して出力されたレンズ形状制御信号に基づき、制御演算部５１（レンズ形状演算手段）にて所定の演算を行なって、被検非球面レンズ１７の非球面表面形状を演算することになる。なお、所定時点から、ヌル縞となった時点までのレンズ形状制御信号値の総和に基づいて、被検非球面レンズ１７の非球面表面形状を演算することも可能である。

次に、上述した波面形状可変レンズ１５の具体的な構成について説明する。
例えば、波面形状可変レンズ１５としては、光軸方向の両端面が透明とされた筒状の容器の中に、屈折率が互いに異なる導電性の水溶性液体と非導電性の油性液体とを封入してなり、該容器への印加電圧の変化に応じて、水溶性液体と油性液体との境界面形状を表面張力により変化させて、屈折力分布を変化させ得る２液性レンズ素子を用いることが可能である。具体的には、例えば、オランダ フィリップス社製のFluid Focusレンズとして知られているものを用いることができる。

さらに、波面形状可変レンズ１５のその他の態様としては、例えば、<1>光軸を中心として同心円状に領域を分割し、印加電圧の変化に応じて該分割された各領域の特性を変化せしめることにより、屈折力分布を変化させ得る液晶レンズ素子や、<2>微細粒子を液体中に分散してなる微細粒子分散液を光軸方向に沿って配された２つの透明媒体で挟持してなり、該微細粒子分散液への印加電圧の切替に応じて該微細粒子分散液中の微細粒子の電気泳動の状態を変化させて該微細粒子分散液の屈折率を変化せしめることにより、屈折力分布を変化させ得る微細粒子電気泳動素子や、<3>光軸方向に隣接して配された２つの媒質からなり、該媒質の少なくとも一方は液晶素子からなり、該液晶素子に対する印加電圧の変化に応じて該一方の液晶領域の屈折率を変化せしめることにより、屈折力分布を変化させ得る液晶レンズ素子等を挙げることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限られるものではなく、種々に態様を変更することができる。

例えば、上記態様のものは、高可干渉光束であるレーザー光束を用いて測定を行うようにしているが、例えば、装置構成を等光路長型のマイケルソンタイプのものとし、低可干渉光を光源光として用いることにより、光路中の他面に係る干渉縞ノイズを排除することが可能である。

また、被検体としては、上記非球面レンズに限られるものではなく、球面レンズの測定に用いることができることは勿論であり、例えば反射ミラー等のレンズ以外の光学素子の表面形状（球面、非球面、自由曲面等）についても適用可能である。

本発明の実施形態に係る光波干渉測定装置の構成を示す概略図

符号の説明

１０ 光波干渉測定装置
１１ 光源
１２ レンズ
１３ ハーフミラー
１３ａ ハーフミラー面
１５ 波面形状可変レンズ
１７ 被検非球面レンズ
２５ 基準板
２５ａ 基準面
２９ 結像レンズ
３１ 干渉計ＣＣＤカメラ
４１ ピエゾ素子（PZT）
５１ 制御演算部
５２ ５軸ステージ

Claims (2)

1. 光源からの光束を光束分離合成手段により二分して、一方を被検体方向に向かう第１光束とするとともに、他方を参照光生成用の第２光束とし、
   前記光束分離合成手段によって、該第１光束の該被検体からの戻り光である被検光と該第２光束から生成された該参照光とを合成して干渉光となし、所定位置に配された撮像体上に前記被検体の表面形状情報に基づく干渉縞像を形成する光波干渉測定装置において、
   前記被検体が表面形状を測定すべき非球面光学素子であり、
   前記光束分離合成手段と前記被検体との間には、前記光束分離合成手段からの前記第１光束を前記被検体の表面各位置に所定角度で入射させるとともに、該被検体の表面各位置から反射されてなる前記被検光を前記光束分離合成手段に戻し得るように、前記第１光束の出力波面形状を変化させる波面形状可変レンズが配され、
   前記撮像体上に形成される前記干渉縞がヌル縞となるように、前記波面形状可変レンズの屈折力分布を変化させる波面可変指示信号を前記波面形状可変レンズに送出して、該波面形状可変レンズからの出力光束の波面形状を変化させる波面形状可変レンズ調整手段と、
   前記干渉縞がヌル縞となった際の前記波面形状可変レンズに送出している波面可変指示信号に基づいて、前記被検体の表面形状を演算するレンズ形状算出手段と、
   を備えてなることを特徴とする光波干渉測定装置。
2. 前記光束分離合成手段が基準板とされ、その一方の面に配された基準面により前記第１光束および前記第２光束を分離してなるフィゾータイプとされたことを特徴とする請求項１記載の光波干渉測定装置。
   

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