JP2011237196A - Wavefront generating optical system and interferometer - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an aspheric wave generating optical system that generates target aspheric waves more accurately.SOLUTION: The aspheric wave generating system for generating aspheric waves comprises: a first Alvarez lens having a first aspheric surface; a second Alvarez lens having a second aspheric surface; and a relay optical system disposed between the first Alvarez lens and the second Alvarez lens, in which the first aspheric surface and the second aspheric surface are disposed at conjugate positions to each other with respect to the relay optical system. In an xyz coordinate system having the optical axis of the aspheric wave generating optical system as the z-axis, the first aspheric surface and the second aspheric surface have shapes satisfying f2(x,y)=f1(βx,βy)+C, where the shape of the first aspheric surface is expressed by z=f1(x,y) and the shape of the second aspheric surface is expressed by z=f2(x,y), β represents a magnification of the relay optical system, and C represents a constant.

Description

本発明は、波面発生光学系および干渉計に係り、特に、アルバレツレンズを有する波面発生光学系およびそれを備える干渉計に関する。   The present invention relates to a wavefront generating optical system and an interferometer, and more particularly to a wavefront generating optical system having an Alvarez lens and an interferometer including the same.

特許文献1には、非球面形状を有する被検面の該非球面形状を測定するための干渉計が開示されている。該干渉計は、測定のための波面を発生するためにアルバレツレンズを有する。特許文献1に記載されたアルバレツレンズは、同一形状の2枚のレンズを光軸に沿って近接させて配置して構成されている。2枚のレンズの形状をf(x、y)とし、2枚のレンズを光軸と垂直なy方向に沿ってΔ、−Δだけシフトさせると、アルバレツレンズの透過波面W(x、y)は、2枚のレンズの硝材の屈折率をnとして、以下の近似式で表される。2枚のレンズの相対的なシフトが0であるとき、即ちΔが0であるときは、透過波面W(x、y)は平面波となる。Δが0以外のときは、透過波面W(x、y)は平面波以外の非球面波となる。   Patent Document 1 discloses an interferometer for measuring the aspherical shape of a test surface having an aspherical shape. The interferometer has an Alvarez lens to generate a wavefront for measurement. The Alvarez lens described in Patent Document 1 is configured by arranging two lenses having the same shape in proximity to each other along the optical axis. When the shape of the two lenses is f (x, y) and the two lenses are shifted by Δ and −Δ along the y direction perpendicular to the optical axis, the transmitted wavefront W (x, y) of the Alvarez lens is obtained. ) Is expressed by the following approximate expression, where n is the refractive index of the glass material of the two lenses. When the relative shift between the two lenses is 0, that is, when Δ is 0, the transmitted wavefront W (x, y) is a plane wave. When Δ is other than 0, the transmitted wavefront W (x, y) is an aspheric wave other than a plane wave.

W(x,y)≒2Δ(n−1)(∂f(x、y)/∂y)       W (x, y) ≈2Δ (n−1) (∂f (x, y) / ∂y)

特開2002−310624号公報JP 2002-310624 A

上記の式は、2枚のレンズの間隔が0であるときには正確である。しかし、2枚のレンズの相対的なシフトを可能にするためには、2枚のレンズの間に相応の間隔を設ける必要がある。一方で、そのような間隔を設けると、生成される波面と上記の式で示される波面との間に誤差が生じ、これによって測定誤差が生じる。この測定誤差を低減するためには、光線追跡等の光学計算が必要になり、計算が複雑化する。   The above equation is accurate when the distance between the two lenses is zero. However, in order to allow relative shifting of the two lenses, it is necessary to provide a suitable distance between the two lenses. On the other hand, when such an interval is provided, an error occurs between the generated wavefront and the wavefront represented by the above formula, thereby causing a measurement error. In order to reduce this measurement error, optical calculation such as ray tracing is required, which complicates the calculation.

本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、目標とする非球面波をより正確に発生することを目的とする。   The present invention has been made with the above problem recognition as an opportunity, and an object thereof is to more accurately generate a target aspheric wave.

本発明の1つの側面は、非球面波を発生するための非球面波発生光学系に係り、該球面波発生光学系は、第1非球面を有する第1アルバレツレンズと、第2非球面を有する第2アルバレツレンズと、前記第1アルバレツレンズと前記第2アルバレツレンズとの間に配置されたリレー光学系とを備え、前記第1非球面および前記第2非球面が前記リレー光学系に関して互いに共役な位置に配置され、前記非球面波発生光学系の光軸をz軸とするxyz座標系において、前記第1非球面の形状をz=f1(x、y)、前記第2非球面の形状をz=f2(x、y)とし、前記リレー光学系の倍率をβ、定数をCとしたときに、
前記第1非球面および前記第2非球面が、
f2(x,y)=f1(βx,βy)+C
を満たすことができる形状を有する。
One aspect of the present invention relates to an aspheric wave generating optical system for generating an aspheric wave, the spherical wave generating optical system including a first Alvarez lens having a first aspheric surface and a second aspheric surface. And a relay optical system disposed between the first and second Alvarez lenses, wherein the first aspherical surface and the second aspherical surface are the relays. In an xyz coordinate system that is arranged at a conjugate position with respect to the optical system and has an optical axis of the aspherical wave generating optical system as a z-axis, the shape of the first aspherical surface is z = f1 (x, y), and the first 2 When the aspheric shape is z = f2 (x, y), the magnification of the relay optical system is β, and the constant is C,
The first aspheric surface and the second aspheric surface are:
f2 (x, y) = f1 (βx, βy) + C
It has a shape that can satisfy.

本発明によれば、目標とする非球面波をより正確に発生することができる。   According to the present invention, a target aspheric wave can be generated more accurately.

本発明の実施形態の干渉計を示す図である。It is a figure which shows the interferometer of embodiment of this invention. 本発明の第1、第3実施形態の非球面波発生光学系の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the aspherical wave generation optical system of 1st, 3rd embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態の非球面波発生光学系の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the aspherical wave generation optical system of 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態の非球面波発生光学系の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the aspherical wave generation optical system of 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態の非球面波発生光学系の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the aspherical wave generation optical system of 5th Embodiment of this invention.

以下に、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

図1を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図1には、より具体的な例を提供するために本発明をトワイマングリーン干渉計に適用した例が示されているが、本発明は、例えばフィゾー干渉計やシアリング干渉計などの他の方式の干渉計にも適用可能である。図1に例示された干渉計100において、不図示の光源から平面波である平行な光束1が提供され、光束1は、ハーフミラー2で一部が反射されて参照面6に向かう。参照面6で垂直に反射した光束を参照光と呼ぶことにする。参照光は、ハーフミラー2を透過して結像光学系7を介してCCD等の撮像センサ8の撮像面に入射する。一方、光源から提供された光束1の他の一部は、ハーフミラー2を透過して非球面波発生光学系3に入射する。非球面波発生光学系3は、平面波を非球面波(球面波に近い非球面波)に変換する波面変換光学系である。非球面波発生光学系3から射出された光束は、コリメータレンズ4に入射する。コリメータレンズ4は、平面波が入射した場合に球面波を射出するように構成されたレンズである。コリメータレンズ4および非球面波発生光学系3によって、被検物5の被検面5aに入射させる波面が形成される。被検面5aは、一般的には、球面に近い形状を有する非球面でありうる。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows an example in which the present invention is applied to a Twiman Green interferometer in order to provide a more specific example. However, the present invention is not limited to other examples such as a Fizeau interferometer and a shearing interferometer. This method can also be applied to an interferometer of the type. In the interferometer 100 illustrated in FIG. 1, a parallel light beam 1 that is a plane wave is provided from a light source (not shown), and the light beam 1 is partially reflected by the half mirror 2 and travels toward the reference surface 6. A light beam vertically reflected by the reference surface 6 is referred to as reference light. The reference light passes through the half mirror 2 and enters the imaging surface of an imaging sensor 8 such as a CCD via the imaging optical system 7. On the other hand, another part of the light beam 1 provided from the light source passes through the half mirror 2 and enters the aspherical wave generating optical system 3. The aspherical wave generating optical system 3 is a wavefront conversion optical system that converts a plane wave into an aspherical wave (aspherical wave close to a spherical wave). The light beam emitted from the aspherical wave generating optical system 3 enters the collimator lens 4. The collimator lens 4 is a lens configured to emit a spherical wave when a plane wave is incident. The collimator lens 4 and the aspherical wave generating optical system 3 form a wavefront that is incident on the test surface 5a of the test object 5. The test surface 5a can generally be an aspherical surface having a shape close to a spherical surface.

被検面5aで反射した光束を被検光と呼ぶことにする。被検光は、往路とほぼ同一の光路を戻り、ハーフミラー2で反射され結像光学系7に入射する。結像光学系7は、被検面5aと撮像センサ8とを物像関係(共役関係)とする光学系であり、被検面5aからの被検光を撮像センサ8の撮像面上に結像させる。   The light beam reflected by the test surface 5a is called test light. The test light returns along the optical path substantially the same as the forward path, is reflected by the half mirror 2 and enters the imaging optical system 7. The imaging optical system 7 is an optical system in which the test surface 5a and the image sensor 8 have an object image relationship (conjugate relationship), and the test light from the test surface 5a is connected to the image pickup surface of the image sensor 8. Let me image.

撮像センサ8の撮像面には参照光と被検光とによる干渉縞が形成され、この干渉縞が撮像センサ8によって撮像される。干渉縞の画像に基づいて参照面6に対する(非球面波発生光学系3およびコリメータレンズ4を介して観察される)被検面5aの相対形状を導出するために位相シフト法が用いられうる。位相シフト法とは、参照面6または被検物5をピエゾ素子等の駆動素子によって光軸方向に駆動しながら複数の干渉縞を撮像し、複数の干渉縞の強度の時間的な変化に基づいて位相情報を求める方法である。或いは、参照面6または被検物5を駆動する代わりに、光源からの光束1の波長を時間的に変化させることで位相シフトを実現することも可能である。その他、位相シフト法の代わりに、参照面6と被検面5aとの間に相対的な傾きやシフトを与えて空間的なキャリア縞を含む干渉縞を撮像し、この干渉縞に基づいて位相情報を求める方法、例えば、フーリエ変換法または電子モアレ法を用いてもよい。   Interference fringes due to the reference light and the test light are formed on the imaging surface of the image sensor 8, and the interference fringes are imaged by the image sensor 8. A phase shift method can be used to derive the relative shape of the test surface 5a (observed through the aspherical wave generating optical system 3 and the collimator lens 4) with respect to the reference surface 6 based on the interference fringe image. The phase shift method is based on imaging a plurality of interference fringes while driving the reference surface 6 or the test object 5 in the optical axis direction by a driving element such as a piezo element, and based on temporal changes in the intensity of the plurality of interference fringes. This is a method for obtaining phase information. Alternatively, instead of driving the reference surface 6 or the test object 5, the phase shift can be realized by temporally changing the wavelength of the light beam 1 from the light source. In addition, instead of the phase shift method, an interference fringe including a spatial carrier fringe is imaged by giving a relative inclination or shift between the reference surface 6 and the test surface 5a, and the phase is determined based on the interference fringe. A method for obtaining information, for example, a Fourier transform method or an electronic moire method may be used.

以下、非球面波発生光学系3のいくつかの実施形態を説明する。まず、図2を参照しながら非球面波発生光学系3の第1実施形態を説明する。第1実施形態の非球面波発生光学系3は、第1アルバレツレンズ10と第2アルバレツレンズ11とで構成されるアルバレツレンズ対と、リレー光学系12とを含む。第1アルバレツレンズ10は、第1非球面10aと第1平面10bとを含む。第2アルバレツレンズ11は、第2非球面11aと第2平面11bとを含む。リレー光学系12は、アルバレツレンズ10と第2アルバレツレンズ11との間に、第1非球面10aおよび第2非球面11aに対向するように配置されている。第1アルバレツレンズ10の第1非球面10aにおける点は、リレー光学系12を介して、第2アルバレツレンズ11の第2非球面11aにおける点に結像する。図2に示す例では、リレー光学系12は、物体の倒立像を形成するように構成されたレンズである。ここで、非球面波発生光学系3の光軸AXをz軸とするxyz座標系において、第1アルバレツレンズ10の第1非球面10aの形状をz=f1(x,y)、第2アルバレツレンズ11の第2非球面11aの形状をz=f2(x、y)とする。第1アルバレツレンズ10および第2アルバレツレンズ11は、非球面波発生光学系3の光軸AXに対して偏心することなく配置されたときに、式(1)を満たす。つまり、第1非球面10aおよび第2非球面11aは、式(1)を満たすことができる形状を有する。ここで、x、y、zはそれそれxyz座標系におけるx座標、y座標、z座標であり、Cは定数である。図2に示す例では、C=4fである。βは、リレー光学系12の倍率(結像倍率)であり、図2に示す例では、β=‐1である。   Hereinafter, some embodiments of the aspherical wave generating optical system 3 will be described. First, a first embodiment of the aspheric wave generating optical system 3 will be described with reference to FIG. The aspherical wave generating optical system 3 of the first embodiment includes an Alvarez lens pair composed of a first Alvarez lens 10 and a second Alvarez lens 11, and a relay optical system 12. The first Alvarez lens 10 includes a first aspheric surface 10a and a first plane 10b. The second Alvarez lens 11 includes a second aspherical surface 11a and a second flat surface 11b. The relay optical system 12 is disposed between the Alvarez lens 10 and the second Alvarez lens 11 so as to face the first aspherical surface 10a and the second aspherical surface 11a. A point on the first aspherical surface 10 a of the first Alvarez lens 10 forms an image on a point on the second aspherical surface 11 a of the second Alvarez lens 11 via the relay optical system 12. In the example illustrated in FIG. 2, the relay optical system 12 is a lens configured to form an inverted image of an object. Here, in the xyz coordinate system in which the optical axis AX of the aspherical wave generating optical system 3 is the z axis, the shape of the first aspherical surface 10a of the first Alvarez lens 10 is z = f1 (x, y), the second The shape of the second aspherical surface 11a of the Alvarez lens 11 is z = f2 (x, y). When the first Alvarez lens 10 and the second Alvarez lens 11 are arranged without being decentered with respect to the optical axis AX of the aspherical wave generating optical system 3, the expression (1) is satisfied. That is, the first aspherical surface 10a and the second aspherical surface 11a have shapes that can satisfy Expression (1). Here, x, y, and z are the x, y, and z coordinates in the xyz coordinate system, respectively, and C is a constant. In the example shown in FIG. 2, C = 4f. β is the magnification (imaging magnification) of the relay optical system 12, and β = −1 in the example shown in FIG.

f2(x,y)=f1(βx,βy)+C ・・・(1)
第1アルバレツレンズ10と第2アルバレツレンズ11とが非球面波発生光学系3の光軸AXに対して偏心のない状態では、非球面波発生光学系3から射出される光束は平面波のままである。これは、第1アルバレツレンズ10および第2アルバレツレンズ11の対を平行平板とみなすことができるためである。
f2 (x, y) = f1 (βx, βy) + C (1)
When the first Alvarez lens 10 and the second Alvarez lens 11 are not decentered with respect to the optical axis AX of the aspherical wave generating optical system 3, the light beam emitted from the aspherical wave generating optical system 3 is a plane wave. It remains. This is because the pair of the first Alvarez lens 10 and the second Alvarez lens 11 can be regarded as a parallel plate.

第1アルバレツレンズ10および第2アルバレツレンズ11の双方を、光軸AXに垂直なx軸に沿って同一方向にδだけシフトさせると、非球面波発生光学系3から射出される光の波面Wは式(2)で表される。   If both the first Alvarez lens 10 and the second Alvarez lens 11 are shifted by δ in the same direction along the x-axis perpendicular to the optical axis AX, the light emitted from the aspherical wave generating optical system 3 The wavefront W is expressed by equation (2).

W(X,Y)=2・δ・(n−1)・(∂f(X,Y)/∂x) ・・・(2)
ここで、第1アルバレツレンズ10の第1非球面10aおよび第2アルバレツレンズ11の第2非球面11aの形状をf(X,Y)(=f2(x,y)=f1(βx,βy)+C)とする。X、Yは、第1、第2アルバレツレンズ10、11において、光束が通る領域の外延の半径が1になるように規格化された座標である。nは、第1、第2アルバレツレンズ10、11を構成する硝材の屈折率である。
W (X, Y) = 2 · δ · (n−1) · (∂f (X, Y) / ∂x) (2)
Here, the shape of the first aspherical surface 10a of the first Alvarez lens 10 and the shape of the second aspherical surface 11a of the second Alvarez lens 11 is f (X, Y) (= f2 (x, y) = f1 (βx, βy) + C). X and Y are coordinates that are standardized so that the outer radius of the region through which the light beam passes is 1 in the first and second Alvarez lenses 10 and 11. n is the refractive index of the glass material constituting the first and second Alvarez lenses 10 and 11.

シフト方向はx軸方向でもy軸方向でもよいが、アルバレツレンズの非球面の形状をシフト方向に関して微分した値が発生したい非球面波の波面に比例する必要がある。シフト量δがゼロの場合は、式(2)の右辺はゼロになり平面波となる。   The shift direction may be either the x-axis direction or the y-axis direction, but the value obtained by differentiating the shape of the aspherical surface of the Alvarez lens with respect to the shift direction needs to be proportional to the wavefront of the aspherical wave to be generated. When the shift amount δ is zero, the right side of Equation (2) becomes zero and becomes a plane wave.

リレー光学系12が等倍系である場合、第1、第2アルバレツレンズ10、11の代わりにリレー光学系12を光軸AXと垂直な方向に移動させても波面を変化させることが可能である。この場合、シフト量がδであるときに発生される波面W(X,Y)は、式(2)の右辺にマイナス符号をつけたものに等しくなる。   When the relay optical system 12 is an equal magnification system, the wavefront can be changed by moving the relay optical system 12 in a direction perpendicular to the optical axis AX instead of the first and second Alvarez lenses 10 and 11. It is. In this case, the wavefront W (X, Y) generated when the shift amount is δ is equal to the right side of Equation (2) with a minus sign.

第1、第2アルバレツレンズ10、11のシフトは、第1アルバレツレンズ10と第2アルバレツレンズ11に付けられた駆動機構によって実現することができる。或いは、第1、第2アルバレツレンズ10、11のどちらか一方のみに駆動機構を設けてシフトさせてもよい。その場合のW(X,Y)は、式(2)の右辺の1/2になる。第1実施形態では、第1アルバレツレンズ10と第2アルバレツレンズ11との間にリレー光学系12が配置されている。このため、第1アルバレツレンズ10と第2アルバレツレンズ11とを近接させる必要がなく、第1アルバレツレンズ10と第2アルバレツレンズ11とに空間的な余裕を設けることができる。そして、第1アルバレツレンズ10と第2アルバレツレンズ11との間の距離は、リレー光学系12の設計によって任意に決定することができる。したがって、第1アルバレツレンズ10および/または第2アルバレツレンズ11の駆動機構の配置の自由度が大きく、配置しやすくなっている。また、前述の測定誤差の問題が解消される。   The shift of the first and second Alvarez lenses 10 and 11 can be realized by a driving mechanism attached to the first and second Alvarez lenses 10 and 11. Alternatively, only one of the first and second Alvarez lenses 10 and 11 may be shifted by providing a drive mechanism. In this case, W (X, Y) is ½ of the right side of Equation (2). In the first embodiment, the relay optical system 12 is disposed between the first Alvarez lens 10 and the second Alvarez lens 11. For this reason, it is not necessary to bring the first Alvarez lens 10 and the second Alvarez lens 11 close to each other, and a spatial margin can be provided in the first Alvarez lens 10 and the second Alvarez lens 11. The distance between the first Alvarez lens 10 and the second Alvarez lens 11 can be arbitrarily determined by the design of the relay optical system 12. Therefore, the degree of freedom of arrangement of the drive mechanism of the first Alvarez lens 10 and / or the second Alvarez lens 11 is large, and the arrangement is easy. Further, the above-described measurement error problem is solved.

リレー光学系12は両側テレセントリック光学系であることが好ましい。これは、例えば、図2に例示するように、焦点距離がfのレンズ13、14を間隔2・fで配置することで実現することができる。第1アルバレツレンズ10とレンズ13との間隔および第2アルバレツレンズ11とレンズ14との間隔は、fに設定される。   The relay optical system 12 is preferably a double-sided telecentric optical system. For example, as illustrated in FIG. 2, this can be realized by disposing the lenses 13 and 14 having a focal length f at an interval of 2 · f. The distance between the first Alvarez lens 10 and the lens 13 and the distance between the second Alvarez lens 11 and the lens 14 are set to f.

両側テレセントリック光学系では、主光線が光軸AXと平行である。よって、第1、第2アルバレツレンズ10、11の光軸AXの方向における間隔が目標間隔からずれても、第1アルバレツレンズ10の第1非球面10aと第2アルバレツレンズ11の第2非球面11aとの間における座標の対応関係のずれが小さくなる。このため、射出される非球面波に与える位置ずれ誤差の影響が小さくなり、第1、第2アルバレツレンズ10、11の配置や駆動が容易となる。リレー光学系12は、例えば収差補正を目的として、3枚以上のレンズで構成されてもよい。   In the bilateral telecentric optical system, the principal ray is parallel to the optical axis AX. Therefore, even if the distance between the first and second Alvarez lenses 10 and 11 in the direction of the optical axis AX deviates from the target distance, the first aspherical surface 10a of the first Alvarez lens 10 and the second Alvarez lens 11 The deviation of the correspondence relationship of coordinates with the 2 aspherical surface 11a is reduced. For this reason, the influence of the displacement error on the emitted aspherical wave is reduced, and the arrangement and driving of the first and second Alvarez lenses 10 and 11 are facilitated. The relay optical system 12 may be composed of three or more lenses for the purpose of correcting aberrations, for example.

図2に示す例では、リレー光学系12は等倍系であるが、拡大系または縮小系としてもよい。この場合、リレー光学系12のレンズ14の焦点距離をレンズ13の焦点距離fとは異なるf’とし、レンズ13とレンズ14の間隔をf+f’とする。このときの倍率βは、β=−f’/fとなる。縮小したい時は、f’<fとし、拡大したいときは、f’>fとすることができる。   In the example shown in FIG. 2, the relay optical system 12 is an equal magnification system, but may be an enlargement system or a reduction system. In this case, the focal length of the lens 14 of the relay optical system 12 is f ′ different from the focal length f of the lens 13, and the distance between the lens 13 and the lens 14 is f + f ′. The magnification β at this time is β = −f ′ / f. When it is desired to reduce, f ′ <f, and when it is desired to enlarge, f ′> f.

アルバレツレンズ10、11の非球面10a、11aの形状f(X,Y)とシフト量δとは、波面W(X,Y)が被検面5aの非球面形状とほぼ一致するように決定される。一例として、被検面5aの形状が式(3)のPA(X,Y)で与えられる場合を考える。ここで、PA(X,Y)は、球面形状からの乖離量であり、非点収差を発生する形状である。また、CAは、当該形状における振幅である。   The shape f (X, Y) and the shift amount δ of the aspheric surfaces 10a and 11a of the Alvarez lenses 10 and 11 are determined so that the wavefront W (X, Y) substantially matches the aspheric shape of the test surface 5a. Is done. As an example, let us consider a case where the shape of the test surface 5a is given by PA (X, Y) in Expression (3). Here, PA (X, Y) is the amount of deviation from the spherical shape and is a shape that generates astigmatism. CA is an amplitude in the shape.

PA(X,Y)=CA・(X−Y) ・・・(3)
この場合のアルバレツレンズ10、11の非球面10a、11aの形状f(X,Y)は、式(4)で与えられる。
PA (X, Y) = CA · (X 2 −Y 2 ) (3)
In this case, the shape f (X, Y) of the aspherical surfaces 10a and 11a of the Alvarez lenses 10 and 11 is given by Expression (4).

f(X,Y)=DA・(X/3−X・Y) ・・・(4)
ここで、DAは非球面形状の大きさを表している。式(4)を式(2)に代入すれば、PA(X,Y)で示される形状を有する被検面5aを照明する照明光の波面Wを決定することができる。また、シフト量δを調整することで、非球面波発生光学系3から被検面5aの形状PA(X,Y)の振幅と同一の振幅を有する波面を有する光が射出されることになる。これにより、被検面5aには照明光がほぼ垂直に反射し、撮像センサ8では、概ね一色のヌル干渉縞が得られることとなる。
f (X, Y) = DA · (X 3 / 3-X · Y 2 ) (4)
Here, DA represents the size of the aspherical shape. By substituting Equation (4) into Equation (2), it is possible to determine the wavefront W of the illumination light that illuminates the test surface 5a having the shape indicated by PA (X, Y). Further, by adjusting the shift amount δ, light having a wavefront having the same amplitude as that of the shape PA (X, Y) of the surface 5a to be measured is emitted from the aspherical wave generating optical system 3. . As a result, the illumination light is reflected substantially perpendicularly on the surface 5a to be measured, and the image sensor 8 can obtain substantially one-color null interference fringes.

図3を参照しながら非球面波発生光学系3の第2実施形態を説明する。第2実施形態の非球面波発生光学系3は、第1アルバレツレンズ26と第2アルバレツレンズ27とで構成されるアルバレツレンズ対と、リレー光学系24とを含む。第1アルバレツレンズ26は、第1非球面26aと第1平面26bとを含む。第2アルバレツレンズ27は、第2非球面27aと第2平面27bとを含む。リレー光学系24は、第1アルバレツレンズ26と第2アルバレツレンズ27との間に、正立像をリレーするように配置される。リレー光学系24は、図3に示す例では、焦点距離がfである4枚のレンズ20、21、22、23で構成される。リレー光学系24は、第1実施形態におけるリレー光学系12を2つ並べた構成であると考えることもできる。レンズ20とレンズ21とで第1アルバレツレンズ26の第1非球面26aの倒立像を非球面25にリレーする。また、レンズ22とレンズ23とで当該倒立像をさらに倒立させて第2アルバレツレンズ27の第2非球面27aに第2アルバレツレンズ27の第2非球面27aにリレーする。これにより、リレー光学系24は、その全体で、第1アルバレツレンズ26の第1非球面26aの正立像を第2アルバレツレンズ27の第2非球面27aに形成する。   A second embodiment of the aspherical wave generating optical system 3 will be described with reference to FIG. The aspherical wave generating optical system 3 of the second embodiment includes an Alvarez lens pair composed of a first Alvarez lens 26 and a second Alvarez lens 27, and a relay optical system 24. The first Alvarez lens 26 includes a first aspheric surface 26a and a first plane 26b. The second Alvarez lens 27 includes a second aspheric surface 27a and a second plane 27b. The relay optical system 24 is arranged between the first Alvarez lens 26 and the second Alvarez lens 27 so as to relay an erect image. In the example illustrated in FIG. 3, the relay optical system 24 includes four lenses 20, 21, 22, and 23 having a focal length f. The relay optical system 24 can also be considered to have a configuration in which two relay optical systems 12 in the first embodiment are arranged. The inverted image of the first aspheric surface 26 a of the first Alvarez lens 26 is relayed to the aspheric surface 25 by the lens 20 and the lens 21. Further, the inverted image is further inverted by the lens 22 and the lens 23 and relayed to the second aspheric surface 27 a of the second Alvarez lens 27 and relayed to the second aspheric surface 27 a of the second Alvarez lens 27. As a result, the relay optical system 24 as a whole forms an erect image of the first aspheric surface 26 a of the first Alvarez lens 26 on the second aspheric surface 27 a of the second Alvarez lens 27.

第2実施形態においても、第1アルバレツレンズ26の第1非球面26aの形状をf1(x,y)、第2アルバレツレンズ27の第2非球面27aの形状をf2(x、y)とすると、両者の間には、式(1)の関係が成り立つ。図3に示す例では、β=+1である。   Also in the second embodiment, the shape of the first aspheric surface 26a of the first Alvarez lens 26 is f1 (x, y), and the shape of the second aspheric surface 27a of the second Alvarez lens 27 is f2 (x, y). Then, the relationship of Formula (1) is realized between both. In the example shown in FIG. 3, β = + 1.

非球面波を発生するためには、第1アルバレツレンズ26と第2アルバレツレンズ27とをx軸に沿い且つ互いに逆方向に|δ|だけシフトさせる。この場合、非球面波発生光学系3から出される波面Wは、δの符号が第2アルバレツレンズ27のシフト方向に従うものとして、式(2)で表される。   In order to generate an aspherical wave, the first Alvarez lens 26 and the second Alvarez lens 27 are shifted by | δ | along the x axis and in opposite directions. In this case, the wavefront W emitted from the aspherical wave generating optical system 3 is expressed by Expression (2) on the assumption that the sign of δ follows the shift direction of the second Alvarez lens 27.

第2実施形態においても、リレー光学系24は両側テレセントリック光学系であることが好ましい。これは、4つのレンズ20、21、22、23の間隔を2fとすることによって実現することができる。第1アルバレツレンズ26とレンズ20との間隔および第2アルバレツレンズ27とレンズ23との間隔は、fに設定される。   Also in the second embodiment, the relay optical system 24 is preferably a double-sided telecentric optical system. This can be realized by setting the interval between the four lenses 20, 21, 22, 23 to 2f. The distance between the first Alvarez lens 26 and the lens 20 and the distance between the second Alvarez lens 27 and the lens 23 are set to f.

図3に示す例では、レンズ21、22の焦点距離をレンズ20、23の焦点距離と同一にしているが、レンズ21、22の焦点距離をfとは異なるfaとしてもよい。この場合、レンズ20、21の間隔およびレンズ22、23の間隔をf+faとし、レンズ21、22の間隔を2faとする。fa<fとすると、リレー光学系24の全長が短くなるので干渉計の小型化に有利である。第1実施形態と同様に、等倍系のリレー光学系の代わりに縮小系または拡大系としてもよい。   In the example shown in FIG. 3, the focal lengths of the lenses 21 and 22 are the same as the focal lengths of the lenses 20 and 23, but the focal lengths of the lenses 21 and 22 may be fa different from f. In this case, the interval between the lenses 20 and 21 and the interval between the lenses 22 and 23 are set to f + fa, and the interval between the lenses 21 and 22 is set to 2fa. If fa <f, the total length of the relay optical system 24 is shortened, which is advantageous for downsizing the interferometer. As in the first embodiment, a reduction system or an enlargement system may be used instead of the equal-magnification relay optical system.

図2を参照しながら非球面波発生光学系3の第3実施形態を説明する。リレー光学系12が第1非球面10aの倒立像を第2非球面11aに発生する光学系である場合、アルバレツレンズ10、11をシフトする代わりに、リレー光学系12を光軸AXと垂直な方向にシフトさせてもよい。リレー光学系12のシフトにより、第1アルバレツレンズ10の第1非球面10aの像も、第2アルバレツレンズ11の非球面11aにおいてシフトする。したがって、アルバレツレンズ10、11が光学的に相対シフトしていることになる。この場合、第1アルバレツレンズ10および第2アルバレツレンズ11を固定し、リレー光学系12を駆動する駆動機構が設けられる。リレー光学系12を等倍系として、リレー光学系12をx軸方向にδだけ駆動する場合を考える。この場合、第1アルバレツレンズ10の第1非球面10aの像は第2アルバレツレンズ11の第2非球面11aに対してδだけ相対シフトされた位置に結像する。よって、非球面波発生光学系3から射出される波面は、式(2)の右辺の値の1/2となる。第3実施形態によれば、リレー光学系12の駆動によって非球面の波面を形成することができるので、干渉計の構成が簡単化される。ただし、リレー光学系12と2枚のアルバレツレンズ10、11ののうち少なくとも1つに駆動機構を設けることができる。   A third embodiment of the aspherical wave generating optical system 3 will be described with reference to FIG. When the relay optical system 12 is an optical system that generates an inverted image of the first aspherical surface 10a on the second aspherical surface 11a, instead of shifting the Alvarez lenses 10 and 11, the relay optical system 12 is perpendicular to the optical axis AX. May be shifted in any direction. Due to the shift of the relay optical system 12, the image of the first aspheric surface 10 a of the first Alvarez lens 10 is also shifted on the aspheric surface 11 a of the second Alvarez lens 11. Therefore, the Alvarez lenses 10 and 11 are optically shifted relative to each other. In this case, a driving mechanism that fixes the first Albarez lens 10 and the second Alvarez lens 11 and drives the relay optical system 12 is provided. Consider a case where the relay optical system 12 is an equal magnification system and the relay optical system 12 is driven by δ in the x-axis direction. In this case, the image of the first aspherical surface 10 a of the first Alvarez lens 10 is formed at a position shifted relative to the second aspherical surface 11 a of the second Alvarez lens 11 by δ. Therefore, the wavefront emitted from the aspherical wave generating optical system 3 is ½ of the value on the right side of Expression (2). According to the third embodiment, since the aspherical wavefront can be formed by driving the relay optical system 12, the configuration of the interferometer is simplified. However, at least one of the relay optical system 12 and the two Alvarez lenses 10 and 11 can be provided with a drive mechanism.

図4を参照しながら非球面波発生光学系3の第4実施形態を説明する。被検面5aが非点収差を発生する成分の他に、コマ収差を発生する成分、および/または、球面収差を発生する成分を有している場合は、各成分に対応した非球面波発生光学系を直列に配置すればよい。図4は、異なる種類の2以上の波面を合成する非球面波発生光学系3の例を示している。ここでは、非点収差を有する波面とコマ収差を有する波面とを合成する例を説明する。非球面波発生光学系3は、直列に配置されたユニット3aおよびユニット3bを有する。ユニット3aは、非点収差を有する波面を発生するユニットであり、図2に示す構成と同一の構成を有しうる。ユニット3bは、コマ収差を有する波面を発生するユニットである。コマ収差を有する波面を発生するユニット3bも、図2と同様に、一対のアルバレツレンズ15、16と、リレー光学系17とを含む。ユニット3bの第1アルバレツレンズ15、第2アルバレツレンズ16の非球面15a、16aの形状fc(X,Y)は、被検面5aの形状のコマ収差成分PC(X,Y)を、
PC(X,Y)=CC・(X+X・Y)、
とすると、
f2(x,y)=DC・(X/4+X・Y/2)、
とすることができる。ここで、CCはコマ形状の振幅、DCは非球面形状の大きさを表している。第1アルバレツレンズ15と第2アルバレツレンズ16は、非球面15a、16bがリレー光学系17で結像関係になるように配置される。コマ収差を有する波面の大きさを変更するときは不図示の駆動機構でユニット3bの第1アルバレツレンズ15と第2アルバレツレンズ16を各々シフトさせ、相対シフト量を変更することで対応することができる。或いは、リレー光学系17をシフトさせてもよい。更に、球面収差等の他の非球面波を発生する場合には、各非球面波を発生させるユニットを直列に配置すればよい。
A fourth embodiment of the aspherical wave generating optical system 3 will be described with reference to FIG. When the test surface 5a has a component that generates coma and / or a component that generates spherical aberration in addition to the component that generates astigmatism, generation of an aspheric wave corresponding to each component What is necessary is just to arrange | position an optical system in series. FIG. 4 shows an example of an aspherical wave generating optical system 3 that combines two or more different types of wavefronts. Here, an example in which a wavefront having astigmatism and a wavefront having coma aberration are combined will be described. The aspherical wave generating optical system 3 has a unit 3a and a unit 3b arranged in series. The unit 3a is a unit that generates a wavefront having astigmatism, and may have the same configuration as that shown in FIG. The unit 3b is a unit that generates a wavefront having coma aberration. The unit 3b for generating a wavefront having coma aberration also includes a pair of Alvarez lenses 15 and 16 and a relay optical system 17 as in FIG. The shape fc (X, Y) of the aspheric surfaces 15a, 16a of the first Alvarez lens 15 and the second Alvarez lens 16 of the unit 3b is the coma aberration component PC (X, Y) of the shape of the test surface 5a.
PC (X, Y) = CC · (X 3 + X · Y 2 ),
Then,
f2 (x, y) = DC · (X 4/4 + X 2 · Y 2/2),
It can be. Here, CC represents the amplitude of the frame shape, and DC represents the size of the aspherical shape. The first Alvarez lens 15 and the second Alvarez lens 16 are arranged such that the aspheric surfaces 15 a and 16 b are in an imaging relationship with the relay optical system 17. When changing the magnitude of the wavefront having coma aberration, the first and second Alvarez lenses 15 and 16 of the unit 3b are shifted by a drive mechanism (not shown), and the relative shift amount is changed. be able to. Alternatively, the relay optical system 17 may be shifted. Further, when other aspheric waves such as spherical aberration are generated, units for generating the respective aspheric waves may be arranged in series.

図5を参照しながら非球面波発生光学系3の第5実施形態を説明する。第5実施形態は、異なる種類の2以上の波面を合成する別の例を提供する。図5において、図4における部材と同一の部材には同一符号が付されている。第5実施形態では、複数対のアルバレツレンズがリレー光学系12を共有している。アルバレツレンズ10、11は1つのアルバレツレンズ対を構成し、非点収差成分を発生する。アルバレツレンズ15、16は1つのアルバレツレンズ対を発生し、コマ収差成分を発生する。非点収差成分を発生するためのアルバレツレンズ10、11は、リレー光学系12に関して互いに共役な位置に配置される。図5の例では、アルバレツレンズ10、11は、リレー光学系12の焦点位置からそれぞれt1だけずれた位置に配置される。また、コマ収差成分を発生するためのアルバレツレンズ15、16も、リレー光学系12に関して互いに共役な位置に配置される。図5の例では、第3アルバレツレンズ15および第4アルバレツレンズ16は、焦点位置からt2だけ同一方向にずれた位置に配置されている。ここで、リレー光学系12は、等倍系でありうる。リレー光学系12は、拡大または縮小系でもよいが、この場合は倍率に応じてアルバレツレンズの位置が変更される。更に、非球面波面の合成数を増やす場合は、リレー光学系12を介して2枚で一対のアルバレツレンズが互いに共役関係になるようにアルバレツレンズが配置される。アルバレツレンズの相対シフトのための駆動機構は、各アルバレツレンズに設けられてもよいし、リレー光学系とアルバレツレンズの両方に設けられてもよい。   A fifth embodiment of the aspherical wave generating optical system 3 will be described with reference to FIG. The fifth embodiment provides another example of combining two or more different types of wavefronts. In FIG. 5, the same members as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. In the fifth embodiment, a plurality of pairs of Alvarez lenses share the relay optical system 12. The Alvarez lenses 10 and 11 constitute one Alvarez lens pair and generate astigmatism components. The Alvarez lenses 15 and 16 generate one Alvarez lens pair and generate a coma aberration component. The Alvarez lenses 10 and 11 for generating astigmatism components are arranged at conjugate positions with respect to the relay optical system 12. In the example of FIG. 5, the Alvarez lenses 10 and 11 are arranged at positions shifted from the focal position of the relay optical system 12 by t1. Further, the Alvarez lenses 15 and 16 for generating the coma aberration component are also arranged at conjugate positions with respect to the relay optical system 12. In the example of FIG. 5, the third Alvarez lens 15 and the fourth Alvarez lens 16 are arranged at positions shifted in the same direction by t2 from the focal position. Here, the relay optical system 12 may be an equal magnification system. The relay optical system 12 may be an enlargement or reduction system. In this case, the position of the Alvarez lens is changed according to the magnification. Furthermore, when increasing the number of combined aspheric wavefronts, the Alvarez lenses are arranged so that two pairs of Alvarez lenses are conjugated with each other via the relay optical system 12. A driving mechanism for relative shifting of the Alvarez lens may be provided in each Alvarez lens, or may be provided in both the relay optical system and the Alvarez lens.

Claims (6)

非球面波を発生するための非球面波発生光学系であって、
第1非球面を有する第1アルバレツレンズと、
第2非球面を有する第2アルバレツレンズと、
前記第1アルバレツレンズと前記第2アルバレツレンズとの間に配置されたリレー光学系とを備え、
前記第1非球面および前記第2非球面が前記リレー光学系に関して互いに共役な位置に配置され、
前記非球面波発生光学系の光軸をz軸とするxyz座標系において、前記第1非球面の形状をz=f1(x、y)、前記第2非球面の形状をz=f2(x、y)とし、前記リレー光学系の倍率をβ、定数をCとしたときに、
前記第1非球面および前記第2非球面が、
f2(x,y)=f1(βx,βy)+C
を満たすことができる形状を有する、
ことを特徴とする非球面波発生光学系。
An aspheric wave generating optical system for generating an aspheric wave,
A first Alvarez lens having a first aspheric surface;
A second Alvarez lens having a second aspheric surface;
A relay optical system disposed between the first Alvarez lens and the second Alvarez lens;
The first aspherical surface and the second aspherical surface are arranged at positions conjugate to each other with respect to the relay optical system;
In an xyz coordinate system in which the optical axis of the aspheric wave generating optical system is the z axis, the shape of the first aspheric surface is z = f1 (x, y), and the shape of the second aspheric surface is z = f2 (x Y), the magnification of the relay optical system is β, and the constant is C,
The first aspheric surface and the second aspheric surface are:
f2 (x, y) = f1 (βx, βy) + C
Having a shape that can satisfy
An aspherical wave generating optical system.
前記リレー光学系は、テレセントリック光学系である、
ことを特徴とする請求項1に記載の非球面波発生光学系。
The relay optical system is a telecentric optical system,
The aspherical wave generating optical system according to claim 1.
前記第1アルバレツレンズ、前記第2アルバレツレンズおよび前記リレー光学系の少なくとも1つを前記光軸に垂直な方向に駆動する駆動機構を更に備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の非球面波発生光学系。   The drive mechanism for driving at least one of the first Alvarez lens, the second Alvarez lens, and the relay optical system in a direction perpendicular to the optical axis is further provided. Aspherical wave generation optical system. 複数のユニットが前記光軸に沿って直列に配置され、
前記複数のユニットのそれぞれが、前記第1アルバレツレンズ、前記第2アルバレツレンズおよび前記リレー光学系を含む、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の非球面波発生光学系。
A plurality of units are arranged in series along the optical axis,
Each of the plurality of units includes the first Alvarez lens, the second Alvarez lens, and the relay optical system.
The aspherical wave generating optical system according to any one of claims 1 to 3, wherein
アルバレツレンズ対を構成する第3アルバレツレンズおよび第4アルバレツレンズを更に備え、
前記第3アルバレツレンズの非球面および前記第4アルバレツレンズの非球面が前記リレー光学系に関して共役な位置に配置されている、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の非球面波発生光学系。
A third and fourth Alvarez lens constituting an Alvarez lens pair;
The aspherical surface of the third Alvarez lens and the aspherical surface of the fourth Alvarez lens are arranged at conjugate positions with respect to the relay optical system;
The aspherical wave generating optical system according to any one of claims 1 to 3, wherein
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の非球面波発生光学系と、
前記非球面波発生光学系から射出された光が入射するコリメータレンズと、
参照光と前記コリメータレンズから射出され被検面で反射された光である被検光とで形成される干渉縞を撮像する撮像センサと、
を備えることを特徴とする干渉計。
An aspherical wave generating optical system according to any one of claims 1 to 5,
A collimator lens on which light emitted from the aspherical wave generating optical system is incident;
An imaging sensor that images interference fringes formed by reference light and test light that is light emitted from the collimator lens and reflected by the test surface;
An interferometer comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104133291A (en) * 2014-03-17 2014-11-05 电子科技大学 Deformable mirror matching mode for amplifying deformable mirror displacement stroke in multi-conjugate adaptive optics

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