JP2009244228A

JP2009244228A - 光波干渉測定装置

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Publication number: JP2009244228A
Application number: JP2008094043A
Authority: JP
Inventors: Souto Katsura; 宗涛葛
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】被検面の形状を簡易かつ低コストで高精度に測定し得るようにする。
【解決手段】撮像系４において、２次元イメージセンサ４２を有してなる撮像手段４０と、該撮像手段４０をスクリーン３２に沿って移動可能に保持する移動保持手段４３とを設ける。移動保持手段４３により撮像手段４０をスクリーン３２上に形成される干渉縞に対し順次移動させ、移動毎に該干渉縞の各部分領域の画像情報を２次元イメージセンサ４２により取得する。取得された各部分領域の画像情報に基づき、形状解析手段７１において被検非球面８ａの形状情報を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検面に測定光を照射し、該被検面からの戻り光と参照光との干渉により得られる干渉縞に基づき、被検面の形状を測定する光波干渉測定装置に関する。

従来、非球面形状の被検面（以下「被検非球面」と称する）に球面波を照射し、被検非球面からの戻り光と参照光との干渉により形成される干渉縞に基づき、被検非球面の、球面からの形状偏差を求めて被検非球面の形状を特定する手法が知られている。

しかしながら、このような手法により得られた干渉縞においては、被検非球面の、球面からの形状偏差が大きい部分に対応した領域の縞ピッチが極めて細かくなるために、一般的な２次元イメージセンサを撮像素子として用いた場合には、解像度が低すぎて縞解析を行うことが非常に困難となる。

そこで、干渉計または被検非球面を測定光軸方向に順次移動させることにより、被検非球面の径方向の部分領域毎に粗い干渉縞が順次生じるようにし、その各干渉縞を解析して被検非球面の径方向の各部分領域の形状を求め、それらを繋ぎ合わせることにより被検非球面全体の形状を特定する手法が知られている（下記特許文献１参照）。

一方、被検非球面の基準となる参照基準非球面を有する参照用光学素子を用いて、該参照用反射素子により形成された非球面波を被検非球面に照射し、該被検非球面からの戻り光と上記参照基準非球面から反射される参照光との光干渉により得られる干渉縞に基づき、被検非球面の形状を測定する手法も知られている（下記特許文献２参照）。

また、下記特許文献３に記載されたように、干渉計または被検非球面を測定光軸と垂直な面内において順次移動させ、移動毎に被検非球面の各部分領域に対応した干渉縞を縞解析可能な程度に拡大して撮像し、その各干渉縞を解析して被検非球面の各部分領域の形状を求め、それらを繋ぎ合わせることにより被検非球面全体の形状を特定する手法も知られている。

特開昭６２−１２６３０５号公報特開２００４−５３２９９０号公報ＵＳＰ６,９５６,６５７

しかしながら、上記特許文献１に記載された手法では、干渉計または被検非球面を測定光軸方向に順次移動させる必要があるため、測定に要する時間が多大となる。また、干渉計または被検非球面を移動させる際に、測定光軸に対する被検非球面の位置や傾きにずれが生じ、解析結果に誤差が発生する虞がある。さらに、測定装置の構成が複雑となり、測定コストが増大するという問題も生じる。

一方、上記特許文献２に記載された手法では、上述の参照用光学素子を用いて、被検非球面の全領域と相似形状の非球面波を形成する必要があるが、被検非球面の形状によっては、このような非球面波を形成することが不可能な場合もある。その場合には、上記特許文献１に記載された手法を適用して、被検非球面の一部の部分領域と相似形状の非球面波を被検非球面に照射しつつ、干渉計または被検非球面を測定光軸方向に順次移動させることにより、被検非球面の径方向の部分領域毎の干渉縞を順次撮像するなどの処理が必要となるので、上記特許文献１に記載された手法と同様の問題が生じることとなる。

また、上記特許文献３に記載された手法においても、被検非球面の各部分領域に対応した干渉縞を撮像するために、干渉計または被検非球面を測定光軸と垂直な面内において順次移動させることが必要となるため、上記特許文献１に記載された手法と同様の問題が生じることとなる。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、非球面形状等の被検面の形状を簡易かつ低コストで高精度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。

上記目的を達成するため、本発明の光波干渉測定装置は、以下のように構成されている。

すなわち、本発明に係る光波干渉測定装置は、被検面に測定光を照射し該被検面からの戻り光を参照光と合成して干渉光を得る干渉光生成系と、得られた干渉光により結像面上に干渉縞を形成する干渉縞形成系と、形成された干渉縞を撮像する撮像系と、撮像された干渉縞を解析する解析系と、を備えた光波干渉測定装置であって、
前記撮像系は、２次元イメージセンサを有してなる撮像手段と、該撮像手段を前記結像面に沿って移動可能に保持する移動保持手段とを備え、該移動保持手段により前記撮像手段を前記結像面上に形成される前記干渉縞に対し順次移動させ、移動毎に該干渉縞の各部分領域の画像情報を前記２次元イメージセンサにより取得するように構成されており、
前記解析系は、前記２次元イメージセンサにより取得される前記干渉縞の各部分領域の画像情報に基づき、前記被検面の形状データを求める形状解析手段を備えてなる、ことを特徴とする。

本発明において、前記結像面がスクリーンからなり、前記撮像手段は、前記干渉縞形成系により前記スクリーン上に形成される干渉縞の各部分領域の像を、前記移動毎に順次、前記２次元イメージセンサ上に形成する撮像レンズを備えてなるものとすることができる。

また、前記干渉光生成系は、光源と、該光源からの光束を平行光に変換するコリメータレンズと、該コリメータレンズからの前記平行光の一部を反射して前記参照光となすとともに該平行光の他の一部を透過する参照基準平面と、該参照基準平面を透過した前記平行光を球面波からなる前記測定光に変換して前記被検面に向け出力するレンズと、を備えてなるものとすることができる。

一方、前記干渉光生成系は、光源と、該光源からの光束の一部を反射して前記参照光となすとともに該光束の他の一部を球面波からなる前記測定光として前記被検面に向け出力する参照基準球面を有する球面基準レンズと、を備えてなるものとしてもよい。

なお、前記撮像手段の２次元イメージセンサが前記結像面上を移動するように構成し、該結像面上に形成される前記干渉縞の画像情報を、２次元イメージセンサにより直接取得するようにしてもよい。

本発明に係る光波干渉測定装置は、上述の構成を備えていることにより、以下のような作用効果を奏する。

すなわち、本発明の光波干渉測定装置においては、２次元イメージセンサを有してなる撮像手段を結像面上に形成される干渉縞に対し順次移動させ、移動毎に該干渉縞の各部分領域の画像情報を２次元イメージセンサにより取得する。

２次元イメージセンサが一度の撮像において取り込むのは、干渉縞の各部分領域の画像情報であるため、撮像倍率を大きくした状態で干渉縞の各部分領域の撮像が可能となるので、一度に干渉縞の全領域の画像情報を取り込む場合に比べて、干渉縞の各部分領域に対する解像度を高めることが可能となる。
したがって、取得された各部分領域の画像情報に基づき、被検面の形状を高精度に測定解析することが可能となる。

また、撮像手段は、結像面上に形成される干渉縞に対して移動されるものであるから、被検面と干渉計を相対的に移動させる必要がある従来技術において懸念される、移動の際に被検面の位置や傾きにずれが生じて解析結果に誤差が発生するという虞が少ない。さらに、撮像手段を移動せしめるための機構は、小型で構成簡易に実現することができるので、測定装置の構成が複雑となり、測定コストが増大するという問題も生じない。

また、撮像手段を移動せしめて、干渉縞の各部分領域の画像情報を取得するのに要する時間は、被検面を干渉計に対し相対的に順次移動させ、移動毎に干渉縞画像を撮像する必要がある従来技術に比較して短くて済むので、測定に要する時間の短縮化が可能となる。

このように、本発明に係る光波干渉測定装置によれば、被検面の形状を簡易かつ低コストで高精度に測定することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る光波干渉測定装置の概略構成図である。

図１に示す本実施形態の光波干渉測定装置１は、被検レンズ８が有する被検非球面（非球面形状の被検面）８ａの形状を測定解析するものであり、被検非球面８ａに測定光を照射し該被検非球面８ａからの戻り光を参照光と合成して干渉光を得る干渉光生成系２と、得られた干渉光により結像面上に干渉縞を形成する干渉縞形成系３と、形成された干渉縞を撮像する撮像系４と、撮像された干渉縞を解析する解析系７とを備えてなる。

上記干渉光生成系２は、フィゾータイプの光学系配置をなすものであり、高可干渉性の光束を出力する測定光源２１と、該測定光源２１からの光束のビーム径を拡大するビーム径拡大レンズ２２と、該ビーム径拡大レンズ２２からの光束の一部を図中下方に向けて反射するビームスプリッタ２３と、該ビームスプリッタ２３からの光束を平行光束に変換するコリメータレンズ２４と、該コリメータレンズ２４からの光束の一部を参照光として反射し他の一部を透過する参照基準平面２５ａを有する参照基準板２５と、該参照基準板２５からの光束を球面波からなる測定光に変換して上記被検非球面８ａに照射する対物レンズ２６と、上記被検レンズ８を適正位置に保持するための保持ステージ２７とを備えてなる。

なお、上記参照基準板２５は、図示せぬフリンジスキャンアダプタに保持されており、フリンジスキャン計測等を実施する際に測定光軸Ｃ方向に微動せしめられるように構成されている。また、上記被検非球面８ａに照射された測定光の一部は、該被検非球面８ａで反射され、上記対物レンズ２６および上記参照基準板２５を透過し、上記参照光と合成されることにより上記干渉光が得られるようになっている。

一方、上記干渉縞形成系３は、結像レンズ３１と、上記結像面としてのスクリーン３２とを備え、上記コリメータレンズ２４および上記ビームスプリッタ２３を介して図中上方に進行する上記干渉光を結像レンズ３１により集光し、スクリーン３２上に干渉縞を形成するようになっている。

また、上記撮像系４は、撮像レンズ４１およびＣＣＤエリアセンサ等からなる２次元イメージセンサ４２を有してなる撮像手段４０と、該撮像手段４０を上記スクリーン３２に沿って（好ましくは、撮像手段４０の光軸Ａと測定光軸Ｃとが互いに平行となる状態を維持しつつ、撮像手段４０をスクリーン３２に対し平行に）、２次元的（図中左右方向および紙面と直角な方向）に移動可能に保持する移動保持手段４３とを備え、該移動保持手段４３により撮像手段４０を上記スクリーン３２上に形成される干渉縞に対し順次移動させ、移動毎に該干渉縞の各部分領域の画像情報を前記２次元イメージセンサ４２により取得するように構成されている。なお、上記撮像レンズ４１は、上記スクリーン３２上に形成される干渉縞の各部分領域の像を、上記移動毎に順次、上記２次元イメージセンサ４２上に形成するように構成されている。

また、上記解析系７は、上記２次元イメージセンサ４２により取得される上記干渉縞の各部分領域の画像情報に基づき、上記被検面８ａの形状データを求める、コンピュータ等からなる形状解析手段７１と、該形状解析手段７１による解析結果や画像を表示する表示装置７２と、キーボードやマウス等からなる入力装置７３とを備えてなる。なお、上記形状解析手段７１は、上記移動保持手段４３の駆動を制御し得るように構成されており、該移動保持手段４３を介して上記撮像手段４０を各々の撮像位置に順次移動せしめるようになっている。

次に、本実施形態の光波干渉測定装置１の作用について説明する。図２は上記スクリーン３２上に形成される干渉縞の一例を模式的に示す図であり、図３は干渉縞の各部分領域の設定例を示す図である。

本実施形態では、図２に示す干渉縞８０を、図３に示すように９個の部分領域Ｓ_１〜Ｓ_９に分割し、該部分領域Ｓ_１〜Ｓ_９毎に上記撮像手段４０により順次撮像を行う。すなわち、部分領域Ｓ_１を撮像する場合には、上記撮像手段４０を部分領域Ｓ_１の真上に（光軸Ａが部分領域Ｓ_１の中心に位置するように）移動させ、上記撮像レンズ４１により該部分領域Ｓ_１の像を上記２次元イメージセンサ４２上に形成し、該２次元イメージセンサ４２により部分領域Ｓ_１の画像情報を取得する。

同様に、部分領域Ｓ_２を撮像する場合には、上記撮像手段４０を部分領域Ｓ_２の真上に移動させ、上記撮像レンズ４１により該部分領域Ｓ_２の像を上記２次元イメージセンサ４２上に形成し、該２次元イメージセンサ４２により部分領域Ｓ_２の画像情報を取得する。他の部分領域Ｓ_３〜Ｓ_９についても同様の手順で撮像を行う。

そして、取得された各部分領域Ｓ_１〜Ｓ_９の画像情報に基づき、上記形状解析手段７１において、各部分領域Ｓ_１〜Ｓ_９に対応した、上記被検非球面８ａの部分毎の形状情報を求め、また、求めた部分毎の形状情報を互いに繋ぎ合わせることにより、上記干渉縞８０の全領域に対応した、上記被検非球面８ａの形状情報を求める。

なお、上記各部分領域Ｓ_１〜Ｓ_９は、上記スクリーン３２上に干渉縞８０が形成された段階、または事前のコンピュータシミュレーション等において、予め設定される。また、上述のように本実施形態では、９個に分割された部分領域Ｓ_１〜Ｓ_９毎に撮像を行うので、干渉縞８０の全領域を一度に２次元イメージセンサ４２で撮像する場合に比べて、各部分領域Ｓ_１〜Ｓ_９を９倍に拡大した状態での撮像が可能となるので、解像度を大幅に向上させることが可能となる。

また、前掲の特許文献１〜３に記載されたような従来手法においては、干渉計または被検面を相対的に順次移動させ、移動毎に被検面の各部分領域に対応した干渉縞を撮像する際に、隣接する部分領域同士が互いに一部重なるように撮像を行う必要がある。これは、干渉計または被検面を移動させる際に傾き誤差が生じ、撮像される干渉縞に歪みが生じる虞があり、隣接する部分領域同士の形状情報を繋ぎ合わせる際に、このような歪み（傾き誤差）を補正するための手掛かりとして、互いに重なり合う部分の画像情報が必要となるからである。

これに対し、本実施形態では、部分領域Ｓ_１〜Ｓ_９間に重なり合う領域を設定していない。これは、本実施形態では、上記スクリーン３２上に形成された干渉縞８０に対して、上記撮像手段４０を移動させるので、仮に移動の際に撮像手段４０の傾き誤差が生じた場合でも、上記２次元イメージセンサ４２上に形成される各部分領域Ｓ_１〜Ｓ_９の画像に歪みが生じる可能性が少ないからである。したがって、互いに重なり合う部分を設定する必要が無い分、部分領域の設定数を減少させることが可能となり、測定時間の短縮化を図ることが可能となる。

ただし、各部分領域Ｓ_１〜Ｓ_９に対応した各形状情報を互いに繋ぎ合わせる際には、隣接する部分領域同士の位置合わせを行う必要があり、そのためには例えば、隣接する部分領域同士の画像情報の相関を求める必要がある。例えば、部分領域Ｓ_１と部分領域Ｓ_２を例にとって説明すれば、部分領域Ｓ_１に対応した形状情報と部分領域Ｓ_２に対応した形状情報とを互いに高精度に繋ぎ合わせるためには、部分領域Ｓ_１の画像情報と部分領域Ｓ_２の画像情報との相関を求め、求められた相関に基づき、２つの部分領域Ｓ_１，Ｓ_２の位置合わせを行う必要がある。具体的には例えば、部分領域Ｓ_１の、部分領域Ｓ_２に最も近い１ラインの画像情報と、部分領域Ｓ_２の、部分領域Ｓ_１に最も近い１ラインの画像情報とに対し、それぞれコンボルーション（畳み込み積分）の処理を行い、処理後の各情報同士の相関に基づき、部分領域Ｓ_１と部分領域Ｓ_２との位置合わせを行うことができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図４は上述の干渉縞形成系３および撮像系４に替わる他の形態の干渉縞形成系３Ａおよび撮像系４Ａを示す概略構成図であり、図５は上記干渉光生成系２に替わる他の形態の干渉光生成系２Ａを示す概略構成図である。なお、図４および図５において上述の実施形態のものと概念的に共通または類似するものには、図１、２で用いたものと同一または類似の（同一の番号の後に英文字を付けた）番号を付してある。

図４に示す干渉縞形成系３Ａは、結像レンズ３１Ａに入射された干渉光を集光して、空間上の結像面３３上に干渉縞を形成するように構成されている。

一方、同じく図４に示す撮像系４Ａは、上記結像面３３上に配される２次元イメージセンサ４２Ａを有してなる撮像手段４０Ａと、該撮像手段４０Ａを上記結像面３３に沿って（具体的には、撮像手段４０Ａの光軸Ａと測定光軸Ｃとが互いに平行となる状態を維持しつつ、２次元イメージセンサ４２Ａが結像面３３上に常時位置するように）、２次元的（図中左右方向および紙面と直角な方向）に移動可能に保持する移動保持手段４３Ａとを備え、該移動保持手段４３Ａにより撮像手段４０Ａを結像面３３上に形成される干渉縞に対し順次移動させ、移動毎に該干渉縞の各部分領域の画像情報を２次元イメージセンサ４２Ａにより取得するように構成されている。

なお、図４に示す形態のものは、空間上の結像面３３上に形成される干渉縞を、２次元イメージセンサ４２Ａにより直接撮像するので、図１に示す形態のものより、撮像の解像度を向上させることが可能である。ただし、２次元イメージセンサ４２Ａと結像レンズ３１Ａとの間にカバーガラスが配されていると、このカバーガラスの表裏面で反射した光が絡んだ不要な干渉が発生する虞があるので、一般的な２次元イメージセンサにおいては設けられているカバーガラスを敢えて取り除くなどの対策を採る必要がある。

これに対し、図１に示す形態のものは、スクリーン３２上に形成された干渉縞を撮像するものなので撮像レンズ４１と２次元イメージセンサ４２との間にカバーガラスを配しても、上述したような不要な干渉が発生する虞がない。このため、敢えてカバーガラスを取り除く必要が無く、カバーガラスを付けたまま使用することで、２次元イメージセンサ４２の性能劣化を防止することが可能となる。

図５に示す干渉光生成系２Ａは、コリメータレンズ２４と被検レンズ８との間に、参照基準球面２８ａを有する球面基準レンズ２８を配設したものである。すなわち、この干渉光生成系２Ａは、ビーム径拡大レンズ２２、ビームスプリッタ２３およびコリメータレンズ２４を介して球面基準レンズ２８に入射された、測定光源２１からの光束の一部を、上記基準球面２８ａにおいて反射して参照光となすとともに、該光束の他の一部を球面基準レンズ２８において球面波からなる測定光となして被検非球面８ａに向け出力するようになっている。そして、上記被検非球面８ａから反射された測定光の一部が、上記参照基準球面２８ａで反射された参照光と合成されることにより干渉光が得られるようになっている。なお、コリメータレンズ２４を設けずに、ビームスプリッタ２３からの拡散光を球面波に変換するような球面基準レンズ（図示略）を設置するようにしてもよい。また、球面基準レンズ２８に替えて、所定の非球面波を生成し得るような非球面基準レンズ（図示略）を設置するようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。

例えば、上述の実施形態では、干渉縞８０を９個の部分領域Ｓ_１〜Ｓ_９に分割して撮像しているが、部分領域の数は任意に設定することが可能である。

また、上述の実施形態では、被検面が非球面形状とされているが、測定対象が非球面に限定されるものではなく、例えば、被検面が球面形状をなすものや、非回転対称の曲面をなすものであってもよい。

また、図２では、観察される干渉縞８０を同心円状の干渉縞として模式的に示しているが、干渉縞が同心円状のものである必要はない。本発明は、縞の密度が高い領域が形成されるような種々の形態の干渉縞の測定解析に好適なものである。

また、上述の実施形態では、干渉光生成系２，２Ａがいずれもフィゾータイプの光学系配置をなすものとされているが、マイケルソンタイプ等の他の光学系配置をなすものとすることも可能である。

一実施形態に係る光波干渉測定装置の概略構成図スクリーン上に形成される干渉縞の一例を模式的に示す図干渉縞の各部分領域の設定例を示す図他の形態の干渉縞形成系および撮像系を示す概略構成図他の形態の干渉光生成系を示す概略構成図

符号の説明

１光波干渉測定装置
２，２Ａ干渉光生成系
３，３Ａ干渉縞形成系
４，４Ａ撮像系
７解析系
８被検レンズ
８ａ被検非球面
２１測定光源
２２ビーム径拡大レンズ
２３ビームスプリッタ
２４コリメータレンズ
２５参照基準板
２５ａ参照基準平面
２６対物レンズ
２７保持ステージ
２８球面基準レンズ
２８ａ参照基準球面
３１結像レンズ
３２スクリーン
３３結像面
４０，４０Ａ撮像手段
４１撮像レンズ
４２，４２Ａ２次元イメージセンサ
４３，４３Ａ移動保持手段
８０干渉縞
Ａ光軸
Ｃ測定光軸
Ｓ_１〜Ｓ_９部分領域

Claims

被検面に測定光を照射し該被検面からの戻り光を参照光と合成して干渉光を得る干渉光生成系と、得られた干渉光により結像面上に干渉縞を形成する干渉縞形成系と、形成された干渉縞を撮像する撮像系と、撮像された干渉縞を解析する解析系と、を備えた光波干渉測定装置であって、
前記撮像系は、２次元イメージセンサを有してなる撮像手段と、該撮像手段を前記結像面に沿って移動可能に保持する移動保持手段とを備え、該移動保持手段により前記撮像手段を前記結像面上に形成される前記干渉縞に対し順次移動させ、移動毎に該干渉縞の各部分領域の画像情報を前記２次元イメージセンサにより取得するように構成されており、
前記解析系は、前記２次元イメージセンサにより取得される前記干渉縞の各部分領域の画像情報に基づき、前記被検面の形状データを求める形状解析手段を備えてなる、ことを特徴とする光波干渉測定装置。
前記結像面がスクリーンからなり、
前記撮像手段は、前記干渉縞形成系により前記スクリーン上に形成される干渉縞の各部分領域の像を、前記移動毎に順次、前記２次元イメージセンサ上に形成する撮像レンズを備えてなる、ことを特徴とする請求項１記載の光波干渉測定装置。
前記干渉光生成系は、光源と、該光源からの光束を平行光に変換するコリメータレンズと、該コリメータレンズからの前記平行光の一部を反射して前記参照光となすとともに該平行光の他の一部を透過する参照基準平面と、該参照基準平面を透過した前記平行光を球面波からなる前記測定光に変換して前記被検面に向け出力するレンズと、を備えてなることを特徴とする請求項１または２記載の光波干渉測定装置。
前記干渉光生成系は、光源と、該光源からの光束の一部を反射して前記参照光となすとともに該光束の他の一部を球面波からなる前記測定光として前記被検面に向け出力する参照基準球面を有する球面基準レンズと、を備えてなることを特徴とする請求項１または２記載の光波干渉測定装置。