JP2012022030A - ペンタ光学素子ユニット及びこのペンタ光学素子ユニットを使った面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造及び加工が容易なペンタ光学素子ユニット及びペンタ光学素子ユニットを用いた面形状測定装置を提供する。
【解決手段】 ペンタ光学素子ユニット（１１０）は、入射光の一部の光を反射させるとともに入射光の一部の光を透過させるハーフミラー面（１１）と、このハーフミラー面から所定角度傾いて配置されハーフミラー面で反射された光を反射させる第１ミラー面（２１）とを有する第１ペンタ光学素子（１１１）と、ハーフミラー面に対して所定の頂角（α）をなす透過面（１２）を有するくさび光学素子（１０）と、ハーフミラー面及び透過面を透過した光を反射させる第２ミラー面（３１）と第２ミラー面で反射された光を反射させる第３ミラー面（４１）とを有する第２ペンタ光学素子（１１２）と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、ペンタ光学素子を有するペンタ光学素子ユニットに関する。また大型の平面ミラーの表面形状を測定するペンタ光学素子ユニットを使った面形状測定装置に関する。

ペンタミラーは、一般的には２枚のミラーの角度が配置されており、入射光は２枚のミラーによって２回の反射し入射光を９０度偏向させて射出する。ペンタミラーは、入射光が１つ目のミラーに入射する角度にかかわらずその入射光を９０度偏向させて射出させるという特徴を有する。それぞれのミラーがちょうど４５度を傾くように２枚のミラーは金物等で固定されるが、その金物等はミラーを固定する角度がちょうど４５度になるように正確に製造されている。

また、上記のようなペンタミラー等のペンタ光学素子を２つ組み合わせることにより、被測定物の傾斜角度を測定する方法が知られている。非特許文献１には、リファレンス用のペンタプリズムと、測定用のペンタプリズムとの２組のペンタ光学素子から成るペンタ光学素子ユニットを使用した面形状測定装置が示されている。

J.H.Burge,et al."Optical surface measurements for very large flat mirrors" in Advanced Optical and Mechanical Technologies in Telescopes and instrumentation, edited by Eli Atad-Ettedgui,Dietrich Lemke,Proc.of SPIE Vol.7018,701817,(2008)

しかし、このようなペンタ光学素子ユニットにおける各ペンタ光学素子の反射面及び透過面は、高い精度で互いの配置角度が調整されなければならず、そのために金物等の製造公差を厳しくする必要があり、その作製はきわめて困難である。さらにこのことは装置全体のコストアップになっていた。

第１観点のペンタ光学素子ユニットは、入射光の一部の光を反射させるとともに入射光の一部の光を透過させるハーフミラー面と、このハーフミラー面から所定角度傾いて配置されハーフミラー面で反射された光を反射させる第１ミラー面とを有する第１ペンタ光学素子と、ハーフミラー面に対して所定の頂角をなす透過面を有するくさび光学素子と、ハーフミラー面及び透過面を透過した光を反射させる第２ミラー面と第２ミラー面で反射された光を反射させる第３ミラー面とを有する第２ペンタ光学素子と、を備える。

第２観点の面形状測定装置は、被測定面の面形状を測定する面形状測定装置であって、所定波長の光を照射する光源部と、光を分岐するビームスプリッタと、ビームスプリッタから光をコリメートするコリメータレンズと、コリメータレンズからの一部の光を反射させるとともに一部の光を透過させるハーフミラー面と、このハーフミラー面から所定角度傾いて配置されハーフミラー面で反射された光を反射させる第１ミラー面とを有する第１ペンタ光学素子と、ハーフミラー面に対して所定の頂角をなす透過面を有するくさび光学素子と、ハーフミラー面を透過した光を反射させる第２ミラー面と第２ミラー面で反射された光を反射させる第３ミラー面とを有する第２ペンタ光学素子と、第１ミラー面で反射された光と第３ミラー面で反射された光とが被測定面に投射され、被測定面からの反射光をコリメータレンズ及びビームスプリッタを介して受光する受光部と、を備える。

本発明の態様によれば、製造及び加工が容易なペンタ光学素子ユニット、及びペンタ光学素子ユニットを用いた面形状測定装置を提供することができる。

面形状測定装置１０００の概略構成図である。 面形状測定装置１０００による面形状測定のフローチャートである。 オートコリメータ９０及び第２ペンタ光学素子１０２の拡大図である。 ペンタミラーユニット１１０の概略構成図である。 くさび光学素子１０の拡大図である。 ペンタプリズムユニット２００の概略構成図である。 ペンタミラーユニット３００の概略構成図である。 頂角可変ペンタミラー４００の概略構成図である。 （ａ）は、ペンタミラー５００の概略構成図である。 （ｂ）は、くさび光学素子５１０の概略構成図である。 （ａ）は、色消しプリズムペンタミラー６００の概略構成図である。 （ｂ）は、くさび光学素子６１０の分解概略図である。 色消しプリズムペンタミラー７００の概略構成図である。 射出される光束が互いに非平行なペンタミラーユニット８００の概略構成図である。

＜面形状測定装置１０００＞
図１は、面形状測定装置１０００の概略構成図である。図１には、参考のために一部の光路を１点鎖線で示している。以下、入射光の進む方向をＸ軸方向、紙面の奥行き方向をＹ軸方向、上下方向でありＸ軸Ｙ軸方向に垂直な方向をＺ軸方向としてとして説明する。

面形状測定装置１０００は、主に、オートコリメータ９０と、レーザー測長装置９９と、ペンタ光学素子ユニット１００とにより構成されている。ペンタ光学素子ユニット１００は、第１ペンタ光学素子１０１と第２ペンタ光学素子１０２とにより構成されている。ペンタ光学素子ユニット１００は、第２ペンタ光学素子１０２をＸ軸方向に移動させる移動機構（不図示）を有している。移動機構は、望遠鏡や露光装置に使用される大型の平面反射鏡などの被測定物１００３に対して第２ペンタ光学素子１０２をＸ軸方向に移動させる。また移動機構は被測定物１００３に対して面形状測定装置１０００をＹ軸方向に移動させる。

第１ペンタ光学素子１０１及び第２ペンタ光学素子１０２は、オートコリメータ９０から発せられた光を入射光とし、この入射光を９０度偏向させて−Ｚ軸方向に射出する。第１ペンタ光学素子１０１と被測定物１００３との間には第１シャッタ９１が配置されており、必要に応じて開閉される。第２ペンタ光学素子１０２と被測定物１００３との間には第２シャッタ９２が配置されており、必要に応じて開閉される。第１シャッタ９１又は第２シャッタ９２の下側（−Ｚ軸方向）には被測定物１００３が配置される。

オートコリメータ９０から射出された光は第１ペンタ光学素子１０１に入射し、−Ｚ軸方向に光を反射する。反射された光は被測定物１００３の一部の領域に照射される。この照射領域は被測定物１００３の基準面１００１となる。基準面１００１で反射された光は第１ペンタ光学素子１０１を通ってオートコリメータ９０に戻る。

また、オートコリメータ９０より射出された光は第１ペンタ光学素子１０１を通りぬけて第２ペンタ光学素子１０２に入射し、−Ｚ軸方向に光を反射する。反射された光は被測定物１００３の一部の領域に照射される。この照射領域は被測定物１００３の測定面１００２となる。測定面１００２で反射された光は第２ペンタ光学素子１０２及び第１ペンタ光学素子１０１を通ってオートコリメータ９０に戻る。図１では、第２ペンタ光学素子１０２で反射された入射光が第２シャッタ９２により遮られている状態が示されている。

オートコリメータ９０では、基準面１００１から戻った光と測定面１００２から戻った光とが計測され、それらの戻った光の計測位置の違いにより基準面１００１に対する測定面１００２の傾きを求めることができる。また、レーザー測長装置９９は、第２ペンタ光学素子１０２に設けられた移動鏡９８にレーザーを照射し、移動鏡９８から反射して戻ってきた光から第２ペンタ光学素子１０２までの距離を測定することができ、第２ペンタ光学素子１０２からの光の照射位置を特定することができる。

図２は、面形状測定装置１０００による面形状測定のフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１で、第１シャッタ９１を開き第２シャッタ９２を閉じた状態にする。これにより、オートコリメータ９０からの光が第１ペンタ光学素子１０１で反射され、被測定物１００３の基準面１００１に照射される。基準面１００１で反射された光は、再び第１ペンタ光学素子１０１で反射され、オートコリメータ９０内に配置された受光部９６（図３参照）に集光する。オートコリメータ９０は集光された光の位置を測定する。集光する位置の位置情報はオートコリメータ９０の計算部９７（図３参照）へ送られる。

ステップＳ１０２では、第１シャッタ９１を閉じ第２シャッタ９２を開いて状態にする。これにより、オートコリメータ９０からの光が第１ペンタ光学素子１０１を透過し、第２ペンタ光学素子１０２で反射され、被測定物１００３の測定面１００２に照射される。測定面１００２で反射された光は、再び第２ペンタ光学素子１０２で反射され第１ペンタ光学素子１０１を透過し、オートコリメータ９０内に配置された受光部９６（図３参照）に集光する。オートコリメータ９０は集光された光の位置を測定する。集光する位置の位置情報はオートコリメータ９０の計算部９７（図３参照）へ送られる。

ステップＳ１０３では、第２ペンタ光学素子１０２の位置の測定を行う。レーザー測長装置９９から第２ペンタ光学素子１０２の移動鏡９８に照射される光と反射されて戻ってきた光とを干渉させる。これにより、第２ペンタ光学素子１０２の位置を特定する。第２ペンタ光学素子１０２の位置情報は計算部９７に送られる。

ステップＳ１０４では、被測定物１００３の測定面１００２がすべて測定し終わったか判断する。すべての測定面１００２が測定し終わったらステップＳ１０６に進み、測定し終わっていないならステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、不図示の移送機構によって第２ペンタ光学素子１０２が±Ｘ軸方向に移動する。また必要に応じて不図示の移送機構は被測定物１００３を±Ｙ軸方向に移動させる。

ステップＳ１０６では、計算部９７で測定面１００２の基準面１００１に対する傾きζが計算される。以上のようなステップにより、被測定物１００３上の複数の測定面１００２の基準面１００１に対する傾きを求めることができる。

図３は、オートコリメータ９０、レーザー測長装置９９及び第２ペンタ光学素子１０２の概略構成図である。図３では、測定面１００２が基準面１００１に対して０度の傾きではなく、傾きζだけ傾いている。集光点９６ａと集光点９６ｂとが異なる位置に集光される様子が示されている。図３では、第２ペンタ光学素子１０２の−Ｚ軸方向に基準面１００１は無いが、傾きζを示すために点線で基準面１００１を示している。

オートコリメータ９０は、光源部９３、ビームスプリッタ９４、コリメータレンズ９５、受光部９６及び計算部９７により構成されている。光源部９３は例えば６３３ｎｍの波長を射出するＨｅ−Ｎｅレーザーである。光源部９３から発せられた光は、ビームスプリッタ９４を通りコリメータレンズ９５により平行光にされ、ペンタ光学素子ユニット１００に向かう。また、基準面１００１からオートコリメータ９０へ戻った光は、コリメータレンズ９５で集光され、ビームスプリッタ９４で反射されて受光部９６の集光点９６ａに入射する。他方、測定面１００２により反射されてオートコリメータ９０に戻る戻り光は、コリメータレンズ９５で集光され、ビームスプリッタ９４で反射されて受光部９６の集光点９６ｂに入射する。集光点９６ａ及び集光点９６ｂの位置情報は計算部９７に送られる。

図３では、光源部９３から測定面１００２へ向かう光の光路及び基準面１００１からの戻り光が受光部９６に集光するまでの光路の一部を点線で示している。また、測定面１００２により反射され、受光部９６に集光するまでの光の光路を１点鎖線で示している。集光点９６ａと集光点９６ｂとの位置情報から集光点９６ａと集光点９６ｂとの距離Ａ１が求められ、距離Ａ１から傾きζが計算部９７により計算される。レーザー測長装置９９からの第２ペンタ光学素子１０２の位置情報とともに傾きζが計算部９７に記憶される。

面形状測定装置１０００は、測定面１００２が基準面１００１に対して傾きζを測定するものである。このため、傾きζの精度を向上させるためには、第１ペンタ光学素子１０１から基準面１００１に照射される光と第２ペンタ光学素子１０２から基準面１００２に照射される光とが平行にすることが重要である。

＜ペンタミラーユニット１１０＞
面形状測定装置１０００に用いられるペンタ光学素子ユニット１００には、２つのペンタミラーを組み合わせたペンタミラーユニット１１０を用いることができる。以下にペンタミラーユニット１１０について説明する。

図４は、ペンタミラーユニット１１０の概略構成図である。ペンタミラーユニット１１０は、主に、第１ペンタミラー１１１と、第２ペンタミラー１１２とにより構成されている。第１ペンタミラー１１１は主に、ハーフミラー面１１と透過面１２とを有するくさび光学素子１０と、第１ミラー面２１を有する第１ミラー２０とにより構成される。くさび光学素子１０と第１ミラー２０とは、ハーフミラー面１１と第１ミラー面２１とが角度γ１を成すように金物（不図示）に固定されている。また、くさび光学素子１０は、ハーフミラー面１１と透過面１２との頂角が角度αとなるように形成されている。

第２ペンタミラー１１２は、第２ミラー面３１を有する第２ミラー３０と第３ミラー面４１を有する第３ミラー４０とにより構成されている。第２ミラー３０と第３ミラー４０とは、第２ミラー面３１と第３ミラー面４１とが角度γ２を成すように金物に固定されている。

ペンタミラーユニット１１０は、外部（例えば図１で示されたオートコリメータ９０）からの入射光が第１ペンタミラー１１１に入射されて用いられる。外部からのペンタミラーユニット１１０への入射光ＬＷ１１は、第１ペンタミラー１１１に入射する。入射光ＬＷ１１は、くさび光学素子１０のハーフミラー面１１で反射され、光束ＬＷ１２となって第１ミラー２０に向かう。光束ＬＷ１２は第１ミラー２０の反射面２１で反射され、光束ＬＷ１３となる。角度γ１が４５度である時、光束ＬＷ１３は入射光ＬＷ１１と９０度の方向に射出される。

他方、入射光ＬＷ１１はくさび光学素子１０を通過し、透過面１２から射出して光束ＬＷ２１となり、第２ペンタミラー１１２に向かう。光束ＬＷ２１は第２ミラー３０の第２ミラー面３１で反射されて光束ＬＷ２２となる。光束ＬＷ２２は第３ミラー４０に向かい、第３ミラー４０の第３ミラー面４１で反射されて光束ＬＷ２３となる。角度γ２が４５度である時、光束ＬＷ２３は、光束ＬＷ２１と９０度の方向に射出される。

くさび光学素子１０の角度αが０度であり、角度γ１が正確に４５度で、角度γ２が正確に４５度になっていた場合、光束ＬＷ１３と光束ＬＷ２３とは平行光となる。しかし、角度γ１及び角度γ２が正確に４５度になるように金物を作製するのは困難であり、費用もかかる。ペンタミラーユニット１１０では、角度γ１又は角度γ２が正確に４５度になっていなくてもくさび光学素子１０の角度αを調節することで光束ＬＷ１３と光束ＬＷ２３とを平行光とすることができる。

図５は、くさび光学素子１０の拡大図である。入射光ＬＷ１１がくさび光学素子１０のハーフミラー面１１に入射して光束ＬＷ１１’となってくさび光学素子１０内を進む。光束ＬＷ１１のハーフミラー面１１への入射角をθ１、光束ＬＷ１１のハーフミラー面１１での屈折角をθ２、くさび光学素子１０の屈折率をｎとすると、以下の式が成り立つ。
ｓｉｎθ１＝ｎ×ｓｉｎθ２・・・（１）

光束ＬＷ１１’の透過面１２への入射角をθ３、光束ＬＷ１１’の透過面１２での屈折角をθ４とすると、以下の式が成り立つ。
ｎ×ｓｉｎθ３＝ｓｉｎθ４・・・（２）

また、屈折角θ２、入射角θ３及びくさび光学素子１０の頂角αは、以下の関係が成り立っている。
θ２＋θ３＝α・・・（３）
さらに、入射角θ１、屈折角θ４、頂角αおよび透過偏角εは、以下の関係が成り立っている。
ε＝θ１＋θ４−α・・・（４）

屈折角θ４は式（２）により入射角θ３で決まり、入射角θ３は式（３）により屈折角θ２と頂角αとにより決まり、屈折角θ２は入射角θ１により決まる。つまり屈折角θ４は入射角θ１と頂角αとにより決まる。そのため、式（４）より、透過偏角εは入射角θ１と頂角αとにより決まることが示される。

入射角θ１を固定とした場合、透過偏角εはくさび光学素子１０の頂角αにより制御することができる。すなわち、第１ペンタ光学素子１１１を反射した光束ＬＷ１３と、第２ペンタ光学素子１１２を反射した光束ＬＷ２３との相対角度をくさび光学素子１０の頂角αにより制御することができる。

以上から、くさび光学素子１０の頂角αの製造公差のみを精度を高くして調節すればその他のペンタミラーユニット１１０の製造公差の精度を低くしても、光束ＬＷ１３と光束ＬＷ２３との相対角度を調節することが可能であることがわかる。結果としてペンタミラーユニット１１０全体の製造を容易にすることができる。

またくさび光学素子１０の頂角αが０度でない時には、透過偏角εは第１ペンタミラー１１１をＹ軸中心で回転させ、入射角θ１を変化させることでも制御可能である。第１ペンタミラー１１１をＹ軸中心で回転させても、第１ペンタミラー１１１への入射光ＬＷ１１と、第１ペンタミラー１１１から射出される光束ＬＷ１３との相対角度は変わらない。しかし式（４）より、くさび光学素子１０への入射角θ１が変わることにより透過偏角εは変化する。そのため、ペンタミラーユニット１１０を作製した後にも透過偏角εの微調整が可能となる。

＜ペンタプリズムユニット２００＞
面形状測定装置１０００に用いられるペンタ光学素子ユニット１００には、２つのペンタプリズムを組み合わせたペンタプリズムユニット２００を用いることもできる。以下にペンタプリズムユニット２００について説明する。

図６は、ペンタプリズムユニット２００の概略構成図である。ペンタプリズムユニット２００は、主に、第１ペンタプリズム２０１と、第２ペンタプリズム２０２とにより構成されている。第１ペンタプリズム２０１にはハーフミラー面２１１と第１ミラー面２２１とが形成されている。第１ペンタプリズム２０１に入射した入射光ＬＷ１１は、ハーフミラー面２１１と第１ミラー面２２１とで反射されて光束ＬＷ１３を射出する。また、第１ペンタプリズム２０１のハーフミラー面２１１にはくさび光学素子２１０が組み合わせられている。くさび光学素子２１０は、光束を射出または入射する透過面２１２とハーフミラー面２１１とが頂角αをなすように形成されているプリズムである。入射光ＬＷ１１はハーフミラー面２１１からくさび光学素子２１０に入射し、透過面２１２から光束ＬＷ２１を射出する。第２ペンタプリズム２０２は、第２ミラー面２３１と第３ミラー面２４１とを有している。第２ペンタプリズム２０１に入射する光束ＬＷ２１は、第２ミラー面２３１と第３ミラー面２４１とで反射されて光束ＬＷ２３として第２ペンタプリズム２０２を射出する。

頂角α=２２．５°のとき、透過偏角は０°であるが、ペンタミラーユニット１１０と同じく、ペンタプリズムユニット２００も、光束ＬＷ１３と光束ＬＷ２３との相対角度をくさび光学素子２１０の頂角αを調節することにより制御することができる。

＜ペンタミラーユニット３００＞
ペンタ光学素子ユニットは３つ以上のペンタ光学素子を組み合わされて形成しても良い。以下に３つのペンタミラーが組み合わされたペンタミラーユニット３００について説明する。

図７は、ペンタミラーユニット３００の概略構成図である。ペンタミラーユニット３００は、第１ペンタミラー３０１と、第２ペンタミラー３０２と、第３ペンタミラー３０３とにより構成されている。第１ペンタミラー３０１は、ハーフミラー面３１１と透過面３１２とが頂角α１となるように形成されたくさび光学素子３１０と、第１ミラー面３２１を有する第１ミラー３２０とにより構成される。第２ペンタミラー３０２は、ハーフミラー面３３１と透過面３３２とが頂角α２となるように形成されたくさび光学素子３３０と、第１ミラー面３４１を有する第１ミラー３４０とにより構成される。第３ペンタミラー３０３は、第２ミラー面３５１を有する第２ミラー３５０と、第３ミラー面３６１を有する第３ミラー３６０とにより構成される。

第１ペンタミラー３０１に入射する入射光ＬＷ１１は、ハーフミラー面３１１及び第１ミラー面３２１により反射されて光束ＬＷ１３となり第１ペンタミラー３０１を射出される。また、入射光ＬＷ１１はハーフミラー面３１１からくさび光学素子３１０に入射し、透過面３１２より光束ＬＷ２１となって射出される。光束ＬＷ２１は第２ペンタミラー３０２に入射する。光束ＬＷ２１は、ハーフミラー面３３１及び第１ミラー面３４１により反射されて光束ＬＷ２３となり第２ペンタミラー３０２を射出される。また、光束ＬＷ２１はハーフミラー面３３１からくさび光学素子３３０に入射し、透過面３３２より光束ＬＷ３１となって射出される。光束ＬＷ３１は第３ペンタミラー３０３に入射する。光束ＬＷ３１は、第２ミラー３５１及び第３ミラー３６１により反射されて光束ＬＷ３３となって第３ペンタミラー３０３を射出される。

ペンタミラーユニット３００は、くさび光学素子３１０の頂角α１を調節することにより光束ＬＷ２１が透過面３１２を射出する角度が制御され、くさび光学素子３２０の頂角α２を調節することにより光束ＬＷ３１が透過面３３２を射出する角度が制御される。光束ＬＷ２１及び光束ＬＷ３１の射出される角度が制御されることにより、それぞれ光束ＬＷ２３及び光束ＬＷ３３の射出される角度が制御される。そのため、光束ＬＷ１３、光束ＬＷ２３および光束ＬＷ３３の各光束の相対角度を制御することが可能となり、３本の平行光束を生成することができる。このように、複数のペンタミラーを組み合わせてペンタミラーユニットを形成することで、複数の平行光束を生成することができる。

＜頂角可変ペンタミラー４００＞
図４に示したペンタミラーユニット１１０の第１ペンタミラー１１１には、頂角αを自由に変えることができる頂角可変ペンタミラー４００を用いても良い。以下に頂角可変ペンタミラー４００について説明する。

図８は、頂角可変ペンタミラー４００の概略構成図である。頂角可変ペンタミラー４００は、くさび光学素子４１０と第１ミラー４２０とにより構成されている。くさび光学素子４１０は第１光学レンズ４１５と第２光学レンズ４１６とにより形成されている。第１光学レンズ４１５はハーフミラー面４１１及び凸型の円筒面である第１面４１３を有している平凸レンズである。また、第２光学レンズ４１６は第１面４１３と正負同符号の同一曲率を有する凹型の円筒面である第２面４１４及び透過面４１２を有している平凹レンズである。くさび光学素子４１０は、ハーフミラー面４１１と透過面４１２とにより頂角αが形成されている。第１光学レンズ４１５及び第２光学レンズ４１６は、第１面４１３及び第２面４１４が重なるように組み合わされており、第２光学レンズ４１６を、第１面４１３上を滑るように移動させることによりくさび光学素子４１０の頂角αを変化させることができる。また、第１ミラー４２０には、第１ミラー面４２１が形成されている。

頂角可変ペンタミラー４００に入射する入射光ＬＷ１１は、ハーフミラー面４１１及び第１ミラー面４２１で反射して光束ＬＷ１３を射出する。また、入射光ＬＷ１１は、ハーフミラー面４１１からくさび光学素子４１０内に入射し、透過面４１２より光束ＬＷ２１を射出する。頂角可変ペンタミラー４００は、光束ＬＷ２１を射出する方向を、第２光学レンズ４１６を移動させて頂角αを調節することにより制御することができる。くさび光学素子４１０の構成では、第１光学レンズ４１５を平凹レンズとし、第２光学レンズ４１６を平凸レンズとして作製しても良い。

＜偏角可変ペンタミラー５００＞
図４に示したペンタミラーユニット１１０の第１ペンタミラー１１１には、２つのプリズムを用いて偏角を自由に変えることができる偏角可変ペンタミラー５００を用いても良い。以下に、偏角可変ペンタミラー５００について説明する。

図９（ａ）は、偏角可変ペンタミラー５００の概略構成図である。偏角可変ペンタミラー５００は、くさび光学素子５１０と第１ミラー５２０とにより構成されている。また、くさび光学素子５１０は、第１光学ガラス５１５と第２光学ガラス５１６との２つのプリズムにより構成されている。第１光学ガラス５１５にはハーフミラー面５１１が形成されており、第２光学ガラス５１６には透過面５１２が形成されている。また、第１ミラー５２０には、第１ミラー面５２１が形成されている。

偏角可変ペンタミラー５００に入射する入射光ＬＷ１１は、ハーフミラー面５１１及び第１ミラー面５２１で反射して光束ＬＷ１３を射出する。また、入射光ＬＷ１１は、ハーフミラー面５１１からくさび光学素子５１０内に入射し、透過面５１２より光束ＬＷ２１を射出する。偏角可変ペンタミラー５００では第２光学ガラス５１６がＹ軸を回転中心として自由に回転できるように形成されており、光束ＬＷ２１の偏向方向を第２光学ガラス５１６の回転により制御することができる。

図９（ｂ）は、くさび光学素子５１０の概略構成図である。第１光学ガラス５１５はハーフミラー面５１１と第３面５１３とを有し、第２光学ガラス５１６は第４面５１４と透過面５１２とを有する。くさび光学素子５１０のハーフミラー面５１１に入射する光束ＬＷ１１は、第３面５１３から射出され、光束ＬＷ１４となって第２光学ガラス５１６の第４面５１４に入射する。光束ＬＷ１４は光束ＬＷ２１となって透過面５１２を射出される。また、第２光学ガラス５１６を回転させた場合（点線で示された第２光学ガラス５１６’）は、光束ＬＷ２１は光束ＬＷ２１と透過偏角εを成す光束ＬＷ２１’となって透過面５１２を射出される。式（４）で示されたように、透過偏角εは、第２光学ガラス５１６の頂角と光束ＬＷ１４の第４面５１４への入射角によって決まる。くさび光学素子５１０では第２光学ガラス５１６を回転させることにより光束ＬＷ１４の第４面５１４への入射角を変化させて透過偏角εを制御することができる。

＜色消しプリズムペンタミラー６００＞
図１及び図３において、面形状測定装置１０００の光源部９３は単波長の光を前提に説明してきた。光源部９３に多波長、又は白色光を射出するハロゲンランプを用いることもできる。光源部９３に多波長光源である場合、ペンタ光学素子ユニット１００には複数の波長を有する光が入射することになる。そのため第１ペンタ光学素子１０１にくさび光学素子を用いると、くさび光学素子で光が分散し、分散された各光がそれぞれ異なる透過偏角を有してしまうため、頂角αが大きい場合やくさび光学素子への入射角が大きい場合に問題となる可能性がある。そのため、例えば図４に示したペンタミラーユニット１１０の第１ペンタミラー１１１のくさび光学素子に色収差補正光学素子を使用することにより入射光の色収差を補正しても良い。以下に、色収差補正光学素子を使用した色消しプリズムペンタミラー６００について説明する。

図１０（ａ）は、色消しプリズムペンタミラー６００の概略構成図である。色消しプリズムペンタミラー６００は、くさび光学素子６１０と第１ミラー６２０とにより構成される。くさび光学素子６１０は色収差補正光学素子であり、第１プリズム６１５と第２プリズム６１６とにより構成されている。くさび光学素子６１０は、ハーフミラー面６１１と透過面６１２とを有しており、頂角αが形成されている。また、第１ミラー６２０は第１ミラー面６２１を有している。

色消しプリズムペンタミラー６００に入射する入射光ＬＷ１１が２種類の波長を有しているとする。入射光ＬＷ１１はハーフミラー面６１１及び第１ミラー面６２１で反射され、光束ＬＷ１３を射出する。また、入射光ＬＷ１１は、ハーフミラー面６１１からくさび光学素子６１０内に入射し、透過面６１２より互いに平行で異なる波長を有する光束ＬＷ２１ａと光束ＬＷ２１ｂとを射出する。

図１０（ｂ）は、くさび光学素子６１０の分解概略図である。実際は、第１プリズム６１５と第２プリズム６１６とは互いに重なり合って配置されてもよく離れて配置されてもよい。第１プリズム６１５に入射する入射光ＬＷ１１は、互いに異なる波長を有する光束ＬＷ１１ａ及び光束ＬＷ１１ｂとなって互いに異なる角度で第１プリズム６１５を射出される。そして、光束ＬＷ１１ａ及び光束ＬＷ１１ｂは互いに異なる角度で第２プリズム６１６に入射し、光束ＬＷ２１ａ及び光束ＬＷ２１ｂとなって射出される。光束ＬＷ１１と光束ＬＷ１１ａ及び光束ＬＷ１１ｂとはそれぞれ角度δ１及び角度δ２を有しており、光束ＬＷ１１ａ及び光束ＬＷ１１ｂと光束ＬＷ２１ａ及び光束ＬＷ２１ｂとはそれぞれ角度δ３及び角度δ４を有している。この時、以下の式（５）を満たすようにくさび光学素子６１０を形成した時に光束ＬＷ２１ａと光束ＬＷ２１ｂとを互いに平行にする事ができる。
δ２−δ１＝δ４−δ３・・・（５）

このように、くさび光学素子６１０を色収差補正光学素子として形成することにより、入射光ＬＷ１１の色収差を補正することができる。

＜色消しプリズムペンタミラー７００＞
図４に示したペンタミラーユニット１１０の第１ペンタミラー１１１には、図９で示したような透過偏角を自由に変えることができる機能と、図１０で示した色収差を補正する機能とを有している色消しプリズムペンタミラー７００を用いても良い。以下に、色消しプリズムペンタミラー７００について説明する。

図１１は、色消しプリズムペンタミラー７００の概略構成図である。色消しプリズムペンタミラー７００は、くさび光学素子７１０と第１ミラー７２０とにより構成されている。また、くさび光学素子７１０は、第１色消しプリズム７１５と第２色消しプリズム７１６との２つの色消しプリズムにより構成されている。各色消しプリズムは図１０（ｂ）で説明したような色収差を補正することができる色収差補正光学素子である。また、各色消しプリズムは図１０（ｂ）で説明したように２つのプリズムにより形成されている。第１色消しプリズム７１５にはハーフミラー面７１１及び第５面７１３が形成されており、第２色消しプリズム７１６には第６面７１４及び透過面７１２が形成されている。また、第１ミラー５２０には、第１ミラー面５２１が形成されている。

色消しプリズムペンタミラー７００に入射する入射光ＬＷ１１が２種類の波長を有しているとする。入射光ＬＷ１１はハーフミラー面７１１及び第１ミラー面７２１で反射され、光束ＬＷ１３として色消しプリズムペンタミラー７００から射出される。また、入射光ＬＷ１１は、ハーフミラー面７１１から第１色消しプリズム７１５に入射し、第５面７１３より異なる波長を有する光束ＬＷ１１ａ及び光束ＬＷ１１ｂを射出する。光束ＬＷ１１ａ及び光束ＬＷ１１ｂは、第１色消しプリズムと第２色消しプリズムの組み合わせを特定の条件に指定することで第２色消しプリズム７１６の第６面７１４に入射し、互いに第２色消しレンズのY軸中心とした回転角によらず平行な光束ＬＷ２１ａ及び光束ＬＷ２１ｂとなって透過面７１２より射出される。光束ＬＷ２１ａ及び光束ＬＷ２１ｂの透過偏角は、第２色消しプリズム７１６をＹ軸を中心として回転させることにより制御することができる。

＜射出される光束が互いに非平行なペンタミラーユニット８００＞
図４に示したペンタミラーユニット１１０の第１ペンタミラー１１１と第２ペンタミラー１１２とから射出される光束は互いに平行に調整されていた。しかし、これらの光束は互いに任意の方向に射出するように調整することができる。以下に、射出される光束が互いに非平行なペンタミラーユニット８００について説明する。

図１２は、射出される光束が互いに非平行なペンタミラーユニット８００の概略構成図である。射出される光束が互いに非平行なペンタミラーユニット８００は、第１ペンタミラー８０１と第２ペンタミラー８０２とにより構成されている。第１ペンタミラー８０１は、ハーフミラー面８１１と透過面８１２とを有するくさび光学素子８１０と、第１ミラー面８２１を有する第１ミラー８２０とにより構成される。くさび光学素子８１０と第１ミラー８２０とは、ハーフミラー面８１１と第１ミラー面８２１とが角度γ３を成すように金物に固定されている。また、くさび光学素子８１０は、ハーフミラー面８１１と透過面８１２との頂角が角度αとなるように形成されている。第２ペンタミラー８０２は、第２ミラー面８３１を有する第２ミラー８３０と、第３ミラー面８４１を有する第３ミラー８４０とにより構成されている。第２ミラー８３０と第３ミラー８４０とは、第２ミラー面８３１と第３ミラー面８４１とが角度γ４を成すように金物に固定されている。また、ペンタミラーユニット８００は、外部からの入射光が第１ペンタミラー８０１に入射されて用いられる。

ペンタミラーユニット８００への入射光ＬＷ１１は、第１ペンタミラー８０１に入射する。入射光ＬＷ１１は、くさび光学素子８１０のハーフミラー面８１１及び第１ミラー面８２１で反射され、光束ＬＷ１３となって第１ペンタミラー８０１を射出する。また、入射光ＬＷ１１は、ハーフミラー面８１１からくさび光学素子８１０に入射し、透過面８１２より光束ＬＷ２１となって射出される。光束ＬＷ２１は、第２ミラー面８３１及び第３ミラー面８４１を反射して、光束ＬＷ２３として第２ペンタミラー８０２から射出される。

入射光ＬＷ１１と光束ＬＷ１３との成す角度をθ５とすると、角度θ５はハーフミラー面８１１と第１ミラー面８２１との成す角度γ３によって決まる。そのため、角度γ３を調節することにより、角度θ５を制御することができる。第２ペンタミラー８０２に関しても同様に、光束ＬＷ２１と光束ＬＷ２３との成す角度をθ６とすると、角度θ６は第２ミラー面８３１と第３ミラー面８４１との成す角度γ４によって決まる。そのため、角度γ４を調節することにより、角度θ６を制御することができる。また、ペンタミラーユニット１１０と同様に、くさび光学素子８１０の頂角αを調節することにより光束ＬＷ２１の透過偏角を制御することができ、それにより光束ＬＷ１３と光束ＬＷ２３との相対角度の調整を行うことができる。

以上、本発明の最適な実施形態について説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施例に様々な変更を加えて実施することができる。

１０ くさび光学素子
１１ ハーフミラー面
１２ 透過面
２０ 第１ミラー
２１ 第１ミラー面
３０ 第２ミラー
３１ 第２ミラー面
４０ 第３ミラー
４１ 第３ミラー面
９０ オートコリメータ
９１ 第１シャッタ、 ９２ 第２シャッタ
９３ 光源部
９４ ビームスプリッタ
９５ コリメータレンズ
９６ 受光部
９７ 計算部
９９ レーザー測長装置
１００ ペンタ光学素子ユニット
１０１ 第１ペンタ光学素子
１０２ 第２ペンタ光学素子
１１０、３００、８００ ペンタミラーユニット
１１１ 第１ペンタミラー
１１２ 第２ペンタミラー
２００ ペンタプリズムユニット
４００ 頂角可変ペンタミラー
５００ ペンタミラー
６００ 色消しプリズムペンタミラー
７００ 色消しプリズムペンタミラー
１０００ 面形状測定装置
１００１ 基準面
１００２ 測定面
１００３ 被測定物
α くさび光学素子の頂角
ε 透過偏角

Claims (15)

1. 入射光の一部の光を反射させるとともに前記入射光の一部の光を透過させるハーフミラー面と、このハーフミラー面から所定角度傾いて配置され前記ハーフミラー面で反射された光を反射させる第１ミラー面とを有する第１ペンタ光学素子と、
   前記ハーフミラー面に対して所定の頂角をなす透過面を有するくさび光学素子と、
   前記ハーフミラー面及び前記透過面を透過した光を反射させる第２ミラー面と前記第２ミラー面で反射された光を反射させる第３ミラー面とを有する第２ペンタ光学素子と、
   を備えるペンタ光学素子ユニット。
2. 前記第１ミラー面で反射された光と前記第３ミラー面で反射された光とが平行になるように前記頂角が設定される請求項１に記載のペンタ光学素子ユニット。
3. 前記頂角が可変である請求項１又は請求項２に記載のペンタ光学素子ユニット。
4. 前記くさび光学素子は、前記ハーフミラー面と所定曲率を有する円筒面である第１面とを有する第１光学レンズと、前記第１面と正負同符号の同一曲率を有する円筒面である第２面と前記透過面とを有する第２光学レンズとからなり、
   前記第１光学レンズと前記第２光学レンズとが相対的に移動することで前記頂角が可変である請求項３に記載のペンタ光学素子ユニット。
5. 前記くさび光学素子は、前記ハーフミラー面を有する第１光学ガラスと、前記透過面を有し前記第１光学ガラスを透過した光を偏向させる第２光学ガラスとからなり、
   前記第２光学ガラスの回転によって光の偏向方向を変える請求項３に記載のペンタ光学素子ユニット。
6. 前記ハーフミラー面は前記入射光の色収差を補正する色収差補正光学素子を含む請求項１から請求項５に記載のペンタ光学素子ユニット。
7. 被測定面の面形状を測定する面形状測定装置であって、
   所定波長の光を照射する光源部と、
   前記光を分岐するビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタから光をコリメートするコリメータレンズと、
   前記コリメータレンズからの一部の光を反射させるとともに一部の光を透過させるハーフミラー面と、このハーフミラー面から所定角度傾いて配置され前記ハーフミラー面で反射された光を反射させる第１ミラー面とを有する第１ペンタ光学素子と、
   前記ハーフミラー面に対して所定の頂角をなす透過面を有するくさび光学素子と、
   前記ハーフミラー面を透過した光を反射させる第２ミラー面と前記第２ミラー面で反射された光を反射させる第３ミラー面とを有する第２ペンタ光学素子と、
   前記第１ミラー面で反射された光と前記第３ミラー面で反射された光とが前記被測定面に投射され、前記被測定面からの反射光を前記コリメータレンズ及び前記ビームスプリッタを介して受光する受光部と、
   を備える面形状測定装置。
8. 前記第１ミラー面で反射された光と前記被測定面との間に配置された第１シャッタと、
   前記第３ミラー面で反射された光と前記被測定面との間に配置された第２シャッタと、
   をさらに備える請求項７に記載の面形状測定装置。
9. 前記第１ペンタ光学素子は前記被測定面に対して固定位置に配置され、
   前記第２ペンタ光学素子は前記第１ペンタ光学素子に対して移動可能である請求項７又は請求項８に記載の面形状測定装置。
10. 前記第２ペンタ光学素子はレーザー測長装置によって前記第２ペンタ光学素子の移動量が計測される請求項９に記載の面形状測定装置。
11. 前記第１ミラー面で反射された光と前記第３ミラー面で反射された光とが平行になるように前記頂角が設定される請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の面形状測定装置。
12. 前記頂角が可変である請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載の面形状測定装置。
13. 前記くさび光学素子は、前記ハーフミラー面と所定曲率を有する円筒面である第１面とを有する第１光学レンズと、前記第１面と正負同符号の同一曲率を有する円筒面である第２面と前記透過面とを有する第２光学レンズとからなり、
    前記第１光学レンズと前記第２光学レンズとが相対的に移動することで前記頂角が可変である請求項１２に記載の面形状測定装置。
14. 前記くさび光学素子は、前記ハーフミラー面を有する第１光学ガラスと、前記透過面を有し前記第１光学ガラスを透過した光を偏向させる第２光学ガラスとからなり、
    前記第２光学ガラスの回転によって光の偏向方向を変える請求項１１に記載の面形状測定装置。
15. 前記ハーフミラー面は前記入射光の色収差を補正する色収差補正光学素子を含む請求項７から請求項１４に記載の面形状測定装置。