JP2011247736A - 被検曲面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検曲面の傾きが大きい場合でも被検曲面の形状を高精度に測定することが可能な被検曲面形状測定装置を得る。
【解決手段】被検曲面Ｐの形状の設計データに基づき形成された反射曲面３１を有する反射偏向素子３を用いて測定を行う。この反射曲面３１は、干渉計１から反射曲面３１に入射した測定光の各光線が、被検曲面Ｐに対し垂直に入射して再帰反射され反射曲面３１を経由して干渉計１に戻るとともに、該各光線の光路長が互いに等しくなるように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、干渉計を用いてレンズ面や曲面ミラー等の曲面の形状を測定する被検曲面形状測定装置に関する。

従来、レンズ面や曲面ミラー等の曲面（以下「被検曲面」と称する）に球面波からなる測定光を照射し、被検曲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、被検曲面の形状を特定する手法が知られている。この手法は、被検曲面が球面である場合に適したものであるが、被検曲面に対する干渉計の相対位置を測定光軸方向に順次移動させながら、被検曲面の径方向の部分領域毎に対応した干渉縞が順次生じるようにすることにより、被検曲面が非球面である場合にも形状測定を行うことが可能とされている（下記特許文献１参照）。

一方、光プローブや原子間力プローブ等の測定用プローブにより被検曲面を走査し、その際のプローブ先端位置の３次元座標情報に基づき、被検曲面の形状を測定解析する手法も知られている（下記特許文献２，３参照）。

特開昭６２−１２６３０５号公報 特開平５−８７５４０号公報 特開２００５−１５６２３５号公報

近年、レンズ面の周縁部の傾き（レンズ光軸に垂直な平面に対する傾き）が大きい急勾配の非球面レンズが広く用いられるようになってきている。これに伴い、急勾配の被検曲面の形状を高精度に測定したいという要望が高まっているが、従来の測定手法では、被検曲面の傾きが大きくなるのに従って測定精度が低下するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、被検曲面の傾きが大きい場合でも被検曲面の形状を高精度に測定することが可能な被検曲面形状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に係る被検曲面形状測定装置は、以下のように構成されている。

すなわち、本発明に係る被検曲面形状測定装置は、
平行光からなる測定光を出射するとともに、該測定光の被照射物体からの戻り光を参照光と合波して干渉縞を形成する干渉計、
前記被検曲面の形状の設計データに基づき形成された反射曲面を有し、前記干渉計から出射された前記測定光の一部を該反射曲面において偏向して前記被検曲面に照射する反射偏向素子、
前記干渉計と前記反射偏向素子と前記被検曲面との相対的な位置調整を行うアライメント調整手段、
および形状解析手段を備え、
前記反射曲面は、前記干渉計から該反射曲面に入射した前記測定光の各光線が、該被検曲面に対し垂直に入射して再帰反射され該反射曲面を経由して前記干渉計に戻るとともに、該各光線の光路長が互いに等しくなるように形成されたものであり、
前記形状解析手段は、前記被検曲面から前記反射曲面を経由して前記干渉計に戻る測定光の戻り光と参照光とにより形成される干渉縞の画像データに基づき、前記被検曲面の実際の形状を測定解析するものである、ことを特徴とする。

本発明において、前記被検曲面は、非球面レンズのレンズ面上において、該レンズ面の軸を中心とする輪帯状の領域内の曲面とすることができる。

本発明に係る被検曲面形状測定装置は、上述の特徴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、本発明の被検曲面形状測定装置によれば、被検曲面の形状の設計データに基づき形成された反射曲面を有する反射偏向素子を用いることにより、干渉計から出射された測定光を、被検曲面内の各部の傾きに対応した適正な角度（被検曲面に対し略垂直となる角度）で被検曲面に照射し得るとともに、その戻り光を干渉計において参照光と干渉させることが可能となる。このため、被検曲面の傾きが大きい場合でも、被検曲面の形状情報を担持した干渉縞を得ることができるので、被検曲面の形状を高精度に測定することが可能となる。

一実施形態に係る被検曲面形状測定装置の概略構成図である。 図１に示す解析装置の主要構成を模式的に示すブロック図である。 測定対象の非球面レンズを示す図（（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は底面図）である。 面倒れがある場合の非球面レンズの設置状態を示す図である。 反射偏向素子の反射曲面の形状の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、上述の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態の説明に使用する各図は概略的な説明図であり、詳細な形状や構造を示すものではなく、各部材の大きさや部材間の距離等については適宜変更して示してある。

〈装置構成〉
図１に示す被検曲面形状測定装置は、非球面レンズ９の第１レンズ面９１のうち、特に傾きが大きい周縁部領域（第１レンズ面９１上において該第１レンズ面９１の軸Ｃ_９１を中心とする輪帯状の領域）内の曲面（以下、本実施形態において「被検曲面Ｐ」と称する）の形状を測定するものであり、干渉計１、反射偏向素子３、アライメント調整部５および測定解析部７を備えてなる。

上記干渉計１は、レーザ光源１１、ビーム径変換用レンズ１２、ビームスプリッタ１３、コリメータレンズ１４、参照基準板１５、結像レンズ１６および撮像カメラ１７を備えており、レーザ光源１１から出力された高可干渉光を、ビーム径変換用レンズ１２、ビームスプリッタ１３およびコリメータレンズ１４を介して、平行光からなる測定光に変換するとともに、該測定光を参照基準面１５ａにおいて２つに分岐し、一方を参照光としてコリメータレンズ１４に向けて反射するとともに、他方を反射偏向素子３および非球面レンズ９に向けて出射するように構成されている。また、反射偏向素子３または非球面レンズ９からの測定光の戻り光を、参照基準面１５ａにおいて参照光と合波して干渉光を得るとともに、該干渉光をコリメータレンズ１４、ビームスプリッタ１３および結像レンズ１６を介して、撮像カメラ１７内の撮像素子（図示略）上に集光して干渉縞を結像させ、該干渉縞を撮像カメラ１７により撮像するように構成されている。

上記反射偏向素子３は、被検曲面Ｐ（第１レンズ面９１）の形状の設計データに基づき形成された反射曲面３１（反射偏向素子３の光軸Ｃ_３を中心とする回転対称な非球面で構成される）と、光軸Ｃ_３に対して垂直に形成された反射平面３２とを備えてなる。上記反射曲面３１は（干渉計１、反射偏向素子３および非球面レンズ９のアライメントは調整済みとする）、干渉計１から該反射曲面３１に入射した測定光の各光線が、被検曲面Ｐに対し垂直に入射して再帰反射され該反射曲面３１を経由して干渉計１に戻るとともに、該各光線の光路長（参照基準面１５ａから反射曲面３１を経由して被検曲面Ｐに至り、該被検曲面Ｐから再び反射曲面３１を経由して参照基準面１５ａに戻るまでの光路長）が互いに等しくなるように形成されている。

上記アライメント調整部５は、本実施形態におけるアライメント調整手段を構成するものであり、上記参照基準板１５の傾きを調整する２軸傾き調整ステージ５１と、上記非球面レンズ９の傾きを調整する２軸傾き調整ステージ５２と、上記反射偏向素子３の傾きを調整する２軸傾き調整ステージ５３と、該２軸傾き調整ステージ５３を介して反射偏向素子３の、図中左右方向（Ｘ方向）および紙面に垂直方向な方向（Ｙ方向）の位置を調整するＸＹ軸位置調整ステージ５４と、該ＸＹ軸位置調整ステージ５４および２軸傾き調整ステージ５３を介して反射偏向素子３の、図中上下方向（Ｚ方向）の位置を調整するＺ軸位置調整ステージ５５を備えてなる。なお、上記２軸傾き調整ステージ５２は、測定光に対し斜めに配置される透明な平行平板５６（中央に孔部５６ａが形成されている）を介して、上記非球面レンズ９を保持するように構成されている。

上記測定解析部７は、コンピュータ等からなる解析装置７１と、干渉縞画像等を表示するモニタ装置７２と、解析装置７１に対する各種入力を行うための入力装置７３とを備えており、この解析装置７１は、図２に示すように、コンピュータ内に搭載されるＣＰＵやハードディスク等の記憶部および該記憶部に格納されたプログラム等により構成される解析用干渉縞画像生成部７４および形状解析部７５（本実施形態における形状解析手段を構成する）を備えてなる。

上記解析用干渉縞画像生成部７４は、測定時に上記撮像カメラ１７（図１参照）により撮像された画像信号に基づき、被検曲面Ｐの傾斜情報を担持した解析用干渉縞画像を生成するように構成されており、上記形状解析部７５は、生成された上記解析用干渉縞画像の画像データに基づき、被検曲面Ｐの形状を解析するように構成されている。

上記非球面レンズ９は、図３に示すように、第１レンズ面９１および第２レンズ面９２（共に回転対称な非球面で構成されている）と鍔状の張出部９３とを備えた樹脂成形レンズであり、上述したように、第１レンズ面９１のうち、特に傾きが大きい周縁部領域（同図（Ａ）にて斜線を付した領域）内の曲面が、測定対象となる被検曲面Ｐとされている。

張出部９３の図中上側の面（以下「張出部上面」と称する）には、照射された光を乱反射するようにシボ加工等が施された粗面領域９４と、照射された光を正反射するように平滑面で形成された平滑面領域９５（後述の面倒れが生じた場合でも第１レンズ面９１の軸Ｃ_９１に対し垂直）とが形成されている。一方、張出部９３の図中下側の面（以下「張出部下面」と称する）には、上記粗面領域９４と対向する位置に平滑面領域９７（後述の面倒れが生じた場合でも第２レンズ面９２の軸Ｃ_９２に対し垂直）が形成され、上記平滑面領域９５と対向する位置に粗面領域９６が形成されている。

以下、本実施形態に係る被検曲面形状測定装置の作用について説明する。測定を実施するのに先立ってアライメント調整が行われるので、まず、その手順について図１を用いて簡単に説明する。

〈アライメント調整〉
（１）参照基準板１５の参照基準面１５ａが、測定光軸Ｃ_１に対し垂直となるように、参照基準板１５の傾き調整を行う。この傾き調整は、例えば、参照基準面１５ａの上にコーナーキューブ（図示略）を設置して測定光を照射し、該コーナーキューブからの反射光と参照基準面１５ａからの反射光とにより形成される干渉縞がヌル縞に最も近い状態となるように、２軸傾き調整ステージ５１を用いて行われる。

（２）非球面レンズ９の第１レンズ面９１の軸Ｃ_９１が測定光軸Ｃ_１に対し平行となるように、非球面レンズ９の傾き調整を行う。この傾き調整は、例えば、参照基準板１５を介して非球面レンズ９の張出部下面に測定光を照射し、該張出部下面の平滑面領域９７からの反射光と参照基準面１５ａからの反射光とにより形成される干渉縞（以下「張出部下面干渉縞」と称する）がヌル縞に最も近い状態となるように、２軸傾き調整ステージ５２を用いて行われる。

なお、非球面レンズ９の第１レンズ面９１と第２レンズ面９２との間に面倒れ（設計上では互いに一致するはずの第１レンズ面９１の軸Ｃ_９１と第２レンズ面９２１の軸Ｃ_９２とが相対的に傾斜する状態、図４参照）が生じている場合には、非球面レンズ９の張出部下面が第１レンズ面９１の軸Ｃ_９１に対し垂直となっていないため、上述のように非球面レンズ９の張出部下面を基準として傾き調整を行うと、第１レンズ面９１の軸Ｃ_９１が測定光軸Ｃ_１に対し傾斜した状態で配置されてしまうことになる（図４の左側の図の状態）。このような場合には、非球面レンズ９の張出部上面と張出部下面との相対的な傾斜角度を、例えば、特許第４０４９３４９号公報に記載されているような手法を用いて事前に測定しておき、上記張出部下面干渉縞の状態から、張出部下面の平滑面領域９７が測定光軸Ｃ_１に対し所定角度（張出部上面と張出部下面との相対的な傾斜角度）だけ傾斜するように調整することにより、第１レンズ面９１の軸Ｃ_９１が測定光軸Ｃ_１に対し平行となるように、非球面レンズ９を配置することが可能となる（図４の右側の図の状態）。

（３）反射偏向素子３の光軸Ｃ_３が測定光軸Ｃ_１と平行となるように、反射偏向素子３の傾き調整を行う。この傾き調整は、例えば、参照基準板１５を介して反射偏向素子３の反射平面３２に測定光を照射し、該反射平面３２からの反射光と参照基準面１５ａからの反射光とにより形成される干渉縞がヌル縞に最も近い状態となるように、２軸傾き調整ステージ５３を用いて行われる。

（４）反射偏向素子３の光軸Ｃ_３が第１レンズ面９１の軸Ｃ_９１と一致し、かつ第１レンズ面９１に対する反射偏向素子３の測定光軸Ｃ_１方向の位置が適正となるように、反射偏向素子３の位置調整を行う。この位置調整は、例えば、参照基準板１５を介して反射偏向素子３の反射曲面３１に測定光を照射し、該反射曲面３１で偏向されて第１レンズ面９１の被検曲面Ｐに照射され、該被検曲面Ｐから反射曲面３１を経由して参照基準板１５に至る測定光の戻り光と参照基準面１５ａからの反射光とにより形成される干渉縞（以下「アライメント時干渉縞」と称する）がヌル縞に最も近い状態となるように、ＸＹ軸位置調整ステージ５４およびＺ軸位置調整ステージ５５を用いて行われる。

なお、上記アライメント時干渉縞の状態（干渉縞の形成状態）が、反射偏向素子３と第１レンズ面９１との相対位置の変動によってどのように変化するのかという感度（Ｘ，Ｙ方向の相対位置変動の感度としてはティルトを、Ｚ方向の相対位置変動の感度としてはパワーを用いることができる）をコンピュータシミュレーション等により予め求めておき、この感度と実際のアライメント時干渉縞の状態とに基づき、第１レンズ面９１に対する反射偏向素子３の相対位置を、特開２００８−２４９４１５号公報に開示されているような自動アライメントステージを用いて、自動調整するように構成することも可能である。

なお、このようなアライメント調整によっては完全に調整し切れなかった場合は、残ったアライメント誤差を求めておき、このアライメント誤差に起因する測定誤差を、解析時に補正することが好ましい。

アライメント調整後、第１レンズ面９１上の被検曲面Ｐの形状測定を行う。以下、その測定時の作用について説明する。

〈測定時の作用〉
（１）図１に示すレーザ光源１１からレーザ光が出射される。このレーザ光は、ビーム径変換用レンズ１２を介してビームスプリッタ１３に入射し、該ビームスプリッタ１３の光束分岐面１３ａにおいて図中上方に反射されてコリメータレンズ１４に入射する。コリメータレンズ１４に入射した光束は、平行光に変換されて参照基準板１５に向けて出射される。

（２）参照基準板１５に入射した光束は、参照基準面１５ａにおいて、再帰反射される参照光と透過する測定光とに分岐される。

（３）参照基準面１５ａを透過した測定光の一部は、平行平板５６を透過して反射偏向素子３の反射曲面３１に照射され、該反射曲面３１により偏向されて第１レンズ面９１上の被検曲面Ｐに照射される。

（４）被検曲面Ｐに照射された測定光は、該被検曲面Ｐから再帰反射されて反射偏向素子３の反射曲面３１に再入射し、該反射曲面３１により偏向されて参照基準面１５ａに戻り、参照光と合波されて干渉光を形成する。

（５）上記干渉光は、コリメータレンズ１４およびビームスプリッタ１３を経由して結像レンズ１６に入射し、該結像レンズ１６により撮像カメラ１７の撮像素子上に集光されて干渉縞（以下「測定時被検曲面干渉縞」と称する）が結像される。結像された測定時被検曲面干渉縞は撮像カメラ１７により撮像され、その画像信号が解析用干渉縞画像生成部７４（図２参照）に出力される。

（６）解析用干渉縞画像生成部７４に入力された画像信号により、該解析用干渉縞画像生成部７４において解析用干渉縞画像（測定時被検曲面干渉縞をデジタル化した画像）が生成され、その画像データ（以下「解析用干渉縞画像データ」と称する）が、上述の形状解析部７５に入力される。

（７）上記形状解析部７５に入力された解析用干渉縞画像データに基づき、該形状解析部７５において解析（通常の縞解析手法を用いることができる）が行われ、被検曲面Ｐの実際の形状（設計データによる理想形状からの誤差）が求められる。

なお、測定系の誤差が測定結果に含まれることを防止するために、設計データ通りの理想形状を有する基準レンズ（図示略）を作成し、この基準レンズにおける被検曲面の形状測定を予め行い、その際に得られた形状データを、非球面レンズ９における被検曲面Ｐを測定した際の形状データと比較し、これら形状データ間の偏差を非球面レンズ９における被検曲面Ｐの形状誤差として求めるようにしてもよい。

〈反射曲面の実施例〉
図５に示す反射曲面３１Ａは、光ピックアップレンズとして用いられる非球面レンズの第１レンズ面９１Ａの設計データに基づき、その形状を求めたものである。すなわち、参照基準板１５Ａを介して反射曲面３１Ａに、平行光からなる測定光を照射した際に、該測定光の各光線が反射曲面３１Ａにより偏向されて第１レンズ面９１Ａ上の被検曲面Ｐ_Ａに対し垂直に入射して再帰反射され、該反射曲面３１Ａを経由して参照基準板１５Ａに戻るとともに、該各光線の光路長（参照基準面１５Ａａから反射曲面３１Ａを経由して被検曲面Ｐ_Ａに至り、該被検曲面Ｐ_Ａから再び反射曲面３１Ａを経由して参照基準面１５Ａａに戻るまでの光路長）が互いに等しくなる、という条件を設定したときの反射曲面３１Ａの形状を、コンピュータシミュレーションにより求めたものである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に態様が限定されるものではなく、種々の態様のものを実施形態とすることができる。

例えば、上述した反射曲面３１，３１Ａは、滑らかな曲面で構成されているが、フレネルレンズのように段差を有する反射曲面を構成することも可能である。

また、上述の干渉計１はフィゾータイプとされているが、マイケルソンタイプ等の他のタイプの干渉計を用いることも可能である。

また、被検曲面は回転対称な曲面に限定されるものではなく、シリンドリカルレンズのレンズ面のように、回転対称ではない線織面で構成される曲面を被検曲面とすることも可能である。

１ 干渉計
３ 反射偏向素子
５ アライメント調整部
７ 測定解析部
９ 非球面レンズ
１１ レーザ光源
１２ ビーム径変換用レンズ
１３ ビームスプリッタ
１３ａ 光束分岐面
１４ コリメータレンズ
１５，１５Ａ 参照基準板
１５ａ，１５Ａａ 参照基準面
１６ 結像レンズ
１７ 撮像カメラ
３１，３１Ａ 反射曲面
３２ 反射平面
５１，５２，５３ ２軸傾き調整ステージ
５４ ＸＹ軸位置調整ステージ
５５ Ｚ軸位置調整ステージ
５６ 平行平板
５６ａ 孔部
７１ 解析装置
７２ モニタ装置
７３ 入力装置
７４ 解析用干渉縞画像生成部
７５ 形状解析部
９１ 第１レンズ面
９２ 第２レンズ面
９３ 張出部
９４，９６ 粗面領域
９５，９７ 平滑面領域
Ｐ，Ｐ_Ａ 被検曲面
Ｃ_１ 測定光軸
Ｃ_３ 光軸
Ｃ_９１，Ｃ_９２ 軸

Claims (2)

1. 被検曲面の形状を測定する被検曲面形状測定装置であって、
   平行光からなる測定光を出射するとともに、該測定光の被照射物体からの戻り光を参照光と合波して干渉縞を形成する干渉計、
   前記被検曲面の形状の設計データに基づき形成された反射曲面を有し、前記干渉計から出射された前記測定光の一部を該反射曲面において偏向して前記被検曲面に照射する反射偏向素子、
   前記干渉計と前記反射偏向素子と前記被検曲面との相対的な位置調整を行うアライメント調整手段、
   および形状解析手段を備え、
   前記反射曲面は、前記干渉計から該反射曲面に入射した前記測定光の各光線が、該被検曲面に対し垂直に入射して再帰反射され該反射曲面を経由して前記干渉計に戻るとともに、該各光線の光路長が互いに等しくなるように形成されたものであり、
   前記形状解析手段は、前記被検曲面から前記反射曲面を経由して前記干渉計に戻る測定光の戻り光と参照光とにより形成される干渉縞の画像データに基づき、前記被検曲面の実際の形状を測定解析するものである、ことを特徴とする。
2. 前記被検曲面は、非球面レンズのレンズ面上において、該レンズ面の軸を中心とする輪帯状の領域内の曲面であることを特徴とする請求項１記載の被検曲面形状測定装置。
   

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