JP2014232009A - 光学系、および面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検平面全体において明瞭な干渉縞の画像を得ること。【解決手段】光学系１０は、参照光と被検平面５で反射された測定光とが干渉することで形成される干渉縞に基づいて被検平面５の形状を測定する面形状測定装置１００に用いられ、測定光を、光束径を拡大した平行光に変換して被検平面５に入射させる光学系であって、被検平面５から遠い順に、全体として正の屈折力を有するレンズ群３と、レンズ群３の透過光を反射すると共に平行光に変換し、被検平面５に入射させる凹面反射鏡４と、からなり、レンズ群３のうち測定光の集光点に最も近いレンズは、ペッツバール和を補正するための凹レンズである。【選択図】図１

Description

本発明は、光学系、および面形状測定装置に関する。

被検球面の形状を高精度に測定する干渉計が知られている（特許文献１参照）。この干渉計では、平行な入射光を干渉計用基準レンズによって球面波に変換して被検球面に入射させ、被検球面からの反射光を得る。そして、この被検球面からの反射光と参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて被検球面の面形状を測定する。

特開２００４−２２６５０２号公報

ところで、大きい被検平面の面形状を測定する際には、平行な入射光束をエキスパンダー光学系により、光束径を拡大した平行光に変換して被検平面に入射させる。そして、上記従来技術のように、被検平面からの反射光と参照光とを干渉させ、得られる干渉縞に基づいて被検平面の面形状を測定することが考えられる。しかしながら、エキスパンダー光学系で発生する非点収差や像面湾曲の影響により、上記干渉縞の画像が光軸から遠ざかるにつれ不明瞭になってしまうという問題があった。

（１）請求項１に記載の発明による光学系は、参照光と被検平面で反射された測定光とが干渉することで形成される干渉縞に基づいて被検平面の形状を測定する面形状測定装置に用いられ、測定光を、光束径を拡大した平行光に変換して被検平面に入射させる光学系であって、被検平面から遠い順に、全体として正の屈折力を有するレンズ群と、レンズ群の透過光を反射すると共に平行光に変換し、被検平面に入射させる凹面反射鏡と、からなり、レンズ群のうち測定光の集光点に最も近いレンズは、ペッツバール和を補正するための凹レンズであることを特徴とする。
（２）請求項７に記載の発明による面形状測定装置は、参照光と被検平面で反射された測定光とが干渉することで形成される干渉縞に基づいて被検平面の形状を測定する面形状測定装置であって、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学系を備えることを特徴とする。

本発明によれば、被検平面全体において明瞭な干渉縞の画像を得ることができる。

第１の実施の形態に係る第１実施例における面形状測定装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る第１実施例における干渉計用基準レンズの構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る第１実施例における被検平面上での非点収差を示す図である。 第１の実施の形態に係る第１実施例における被検平面上でのスポットダイアグラムを示す図である。 比較例における面形状測定装置の構成を示す図である。 比較例における干渉計用基準レンズの構成を示す図である。 比較例における被検平面上での非点収差を示す図である。 比較例における被検平面上でのスポットダイアグラムを示す図である。 第２の実施の形態における面形状測定装置の構成を示す図である。 第２の実施の形態における折り返しミラーの配置条件を説明するための図である。 第３の実施の形態における面形状測定装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る第２実施例における面形状測定装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る第２実施例における干渉計用基準レンズの構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る第２実施例における被検平面上での非点収差を示す図である。 第１の実施の形態に係る第２実施例における被検平面上でのスポットダイアグラムを示す図である。 第１の実施の形態に係る第３実施例における面形状測定装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る第３実施例における干渉計用基準レンズの構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る第３実施例における被検平面上での非点収差を示す図である。 第１の実施の形態に係る第３実施例における被検平面上でのスポットダイアグラムを示す図である。

−第１の実施の形態−
図面を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る面形状測定装置１００の構成を示す図である。面形状測定装置１００は、干渉計１と、干渉計１からの測定光を被検平面５に導くための光学系１０と、を有する。光学系１０は、折り曲げミラー２と、干渉計用基準レンズ３と、放物面鏡４とからなる。面形状測定装置１００は、直径が大きい（たとえば有効Φ1000である）被検平面５の面形状を測定するための装置である。

干渉計１は、不図示の光源からの測定光を平行光に変換して射出する。干渉計１の内部構成および作用は周知であり、その詳細な説明を省略する。干渉計１から射出された測定光は、干渉計１と干渉計用基準レンズ３との間に配置された折り曲げミラー２へ入射される。折り曲げミラー２は、干渉計１から干渉計用基準レンズ３の光軸に垂直な方向（図中下方向）に射出された測定光を、干渉計用基準レンズ３の光軸方向（図中左方向）に反射させ、干渉計用基準レンズ３に導く。

干渉計用基準レンズ３は、全体として正の屈折力を有する。干渉計用基準レンズ３に入射した測定光は、球面波に変換され、干渉計用基準レンズ３の焦点位置で収束した後に発散光となり、干渉計１から射出された際よりも光束径が拡大された状態で放物面鏡４に入射する。放物面鏡４は、凹面の放物面を有する反射鏡であり、放物面鏡４に入射した測定光を図中右方向に反射すると共に平行光に変換し、被検平面５に入射させる。

このように、干渉計用基準レンズ３および放物面鏡４は、干渉計１からの測定光を、光束径を拡大した平行光に変換して被検平面５へ入射させるためのエキスパンダー光学系を構成している。なお、放物面鏡４で反射され被検平面５に向かう光が干渉計用基準レンズ３に入射しないように、放物面鏡４の中心部は、穴が形成されているか、または遮光されている。

被検平面５で反射された測定光は、放物面鏡４、干渉計用基準レンズ３、および折り曲げミラー２を介した後、干渉計１に戻る。干渉計１では、被検平面５から戻った測定光と干渉計１内の参照光とを干渉させ、この干渉により形成される干渉縞の画像を取得する。この干渉縞の画像を解析することにより、被検平面５の面形状を測定する。

干渉計用基準レンズ３は、複数のレンズから構成される。干渉計用基準レンズ３は、全体として正の屈折力を有するため、少なくとも１枚以上の凸レンズを有する。干渉計用基準レンズ３を構成する複数のレンズのうち、測定光の集光点（すなわち焦点位置）に最も近いレンズは、凹レンズとなっている。この凹レンズは、ペッツバール和を補正する機能を有する。本実施形態では、干渉計用基準レンズ３の全てのレンズよりも放物面鏡４側に測定光の集光点があるため、干渉計用基準レンズ３のうち放物面鏡４に最も近いレンズがこのペッツバール和を補正するための凹レンズとなっている。測定光の集光点に最も近いレンズに凹レンズを採用すると、光線高が最も低い位置に凹レンズが配置されるので大きな収差は発生せず、凸レンズで補正しなければならない収差の負荷が小さくなり、必要最低限のレンズ枚数で干渉計用基準レンズ３を構成することが可能となる。

また、光学系１０のペッツバール和Ｐ_ｓｕｍは、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。

ただし、条件式（１）において、
Ｎ：干渉計基準用レンズ３を構成するレンズの総数
ｎ_ｊ：干渉計基準用レンズ３におけるｊ番目のレンズの屈折率
ｆ_ｊ：干渉計基準用レンズ３におけるｊ番目のレンズの焦点距離
ｆ_ｍ：放物面鏡４の焦点距離

条件式（１）は、被検平面５全体において明瞭な干渉縞の画像を得るための条件式である。条件式（１）の上限値または下限値を上回ってペッツバール和Ｐ_ｓｕｍの絶対値が大きくなると、これに伴って被検平面５上で発生する光学系１０の像面湾曲が大きくなり、干渉計１で得られる干渉縞の画像が不明瞭となってしまうため、好ましくない。

＜第１実施例＞
次に、第１の実施の形態に係る第１実施例について説明する。図１は、第１実施例における面形状測定装置１００の構成を示している。図２は、第１実施例における干渉計用基準レンズ３の構成を示している。第１実施例における干渉計用基準レンズ３は、干渉計１側から順に、５枚のレンズＬ１〜Ｌ５を有する。測定光の集光点Ｏに最も近いレンズＬ５は、ペッツバール和を補正するための凹レンズとなっている。

第１実施例の干渉計用基準レンズ３および放物面鏡４に関する詳細数値データを、表１に示す。表１において、面番号は、干渉計１側からの各光学面の番号を示し、面間隔は、光学面から次の光学面までの光軸上の距離を示す。ｎは屈折率を示し、ｆは焦点距離を示す。このことは、後述する実施例の表においても同様である。また、被検平面５は有効Φ1000であるとする。

表１によると、第１実施例における光学系１０のペッツバール和Ｐ_ｓｕｍは0.00289であり、上述した条件式（１）を満たす。すなわち、ペッツバール和がよく補正されている。

また、図３に、第１実施例における被検平面５上での非点収差を示す。図３において、実線がサジタル面における収差曲線を示し、点線がタンジェンシャル面における収差曲線を示す。このことは、後述する実施例の非点収差図においても同様である。さらに、図４に、第１実施例における被検平面５上でのスポットダイアグラムを示す。図４における実線の円は、エアリーディスクの大きさを示す。このことは、後述する実施例のスポットダイアグラムでも同様である。また、これらのスポットダイアグラムは、エアリーディスク径を一定としている。

第１実施例では、光学系１０のペッツバール和がよく補正されているため、図３に示すように被検平面５上で発生する光学系１０の非点収差がよく補正されており、この結果、光学系１０の像面湾曲がよく補正されている。また、図４に示すように、被検平面５上において光軸から遠い箇所でもスポット像がエアリーディスクより小さくなっている。したがって、被検平面５全体において明瞭な干渉縞の画像を得ることができるので、面形状を精度よく測定することができる。

＜比較例＞
次に、上記第１実施例における面形状測定装置１００に対する比較例を説明する。図５は、比較例における面形状測定装置１５０の構成を示す。図５において、上記第１実施例と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。図６は、比較例における干渉計用基準レンズ３の構成を示す。比較例における干渉計用基準レンズ３は、４枚のレンズＬ５１〜Ｌ５４から構成され、これらは全て凸レンズである。また、比較例では、上記第１実施例との比較のため、上記第１実施例と、干渉計用基準レンズ３の焦点距離を等しくし、エキスパンダー倍率を等しくした。比較例の干渉計用基準レンズ３および放物面鏡４に関する詳細数値データを、表２に示す。

表２によると、比較例における光学系１０のペッツバール和Ｐ_ｓｕｍは0.01543であり、上述した条件式（１）を満たさない。比較例では、干渉計用基準レンズ３が全て凸レンズであるため、ペッツバール和が補正されず、上記実施例と比較して、光学系１０のペッツバール和が大きくなっている。

また、図７に、比較例における被検平面５上の非点収差を示す。さらに、図８に、比較例における被検平面５上のスポットダイアグラムを示す。比較例では、光学系１０のペッツバール和が補正されていないため、図７に示すように被検平面５上で大きな非点収差が発生しており、この結果、大きな像面湾曲が発生している。また、比較例では、図８に示すように被検平面５上において光軸から遠い箇所ではスポット像がエアリーディスクよりも大きくなっている。したがって、干渉縞の画像は、光軸中心から遠ざかるにつれて不明瞭となってしまい、精度よく面形状を測定することは困難である。なお、比較例における干渉計用基準レンズ３は、ＮＡ＝0.806のフィゾーレンズであるが、周辺部での波面収差量が大きく被検平面５の面形状の測定にそぐわないため、ＮＡ＝0.39の範囲でしか使用していない。

このような比較例に対して、上記第１実施例では、光学系１０のペッツバール和Ｐ_ｓｕｍが補正されているため、比較例に比べて、被検平面５上で発生する光学系１０の非点収差および像面湾曲が小さくなっている。そのため、被検平面５全体において明瞭な干渉縞の画像を得ることができ、被検平面５の面形状を精度よく測定することができる。

以上説明した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）光学系１０は、被検平面５から遠い順に、全体として正の屈折力を有する干渉計用基準レンズ３と、干渉計用基準レンズ３の透過光を反射すると共に平行光に変換し、被検平面５に入射させる放物面鏡４と、からなり、干渉計用基準レンズ３のうち測定光の集光点に最も近いレンズＬ５は、ペッツバール和を補正するための凹レンズである。これにより、光学系１０のペッツバール和を補正することができるので、被検平面５上における光学系１０の非点収差および像面湾曲を補正することができる。したがって、面形状測定装置１００は、被検平面５全体において明瞭な干渉縞の画像を得ることができる。

（２）上記（１）の光学系１０において、光学系１０のペッツバール和Ｐ_ｓｕｍは、条件式（１）を満足するようにした。これにより、被検平面５上における光学系１０の非点収差および像面湾曲を良好に補正することができる。

−第２の実施の形態−
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。図９は、第２の実施の形態に係る面形状測定装置２００の構成を示す図である。第２の実施の形態における面形状測定装置２００は、第１の実施の形態における光学系１０の構成に折り返しミラー６を追加することで、光学系１０の構成を小型化している。図９において、第１の実施の形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。

第２の実施の形態において、干渉計１から干渉計用基準レンズ３の光軸に垂直な方向（図中上方向）に射出された測定光は、折り曲げミラー２により干渉計用基準レンズ３の光軸方向（図中右方向）に反射され、干渉計用基準レンズ３に入射される。

干渉計用基準レンズ３を透過した光は、折り返しミラー６に入射される。折り返しミラー６は、干渉計用基準レンズ３に対して折り曲げミラー２および放物面鏡４の反対側に配置されている。折り返しミラー６に入射した測定光は、図中左方向に反射され、放物面鏡４に入射される。放物面鏡４に入射した測定光は、図中右方向に反射され、被検平面５に入射する。被検平面５で反射された測定光は、放物面鏡４、折り返しミラー６、干渉計用基準レンズ３、および折り曲げミラー２を介した後、干渉計１に戻る。

図１０に示すように、干渉計用基準レンズ３の焦点距離をｆ、干渉計用基準レンズ３の焦点位置から折り返しミラー６までの距離をΔｚとすると、折り返しミラー６で反射され放物面鏡４に向かう測定光が干渉計用基準レンズ３に入射しないための条件は、以下の条件式（２）で表される。折り返しミラー６は、条件式（２）を満たすように配置される。
Δｚ≧ｆ／２ …（２）

また、少なくとも折り返しミラー６の外径よりも小さい領域は測定を行うことができないため、現実的には干渉計１から射出された平行光の大きさ、あるいは放物面鏡４の中心遮蔽の大きさによって折り返しミラー６が配置可能な上限位置が決定される。

以上説明した第２の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
光学系１０は、測定光を干渉計用基準レンズ３の光軸方向に反射して干渉計用基準レンズ３に導く折り曲げミラー２と、干渉計用基準レンズ３を透過した測定光を反射して放物面鏡４に導く折り返しミラー６と、を備える。このように、第２の実施の形態では、干渉計用基準レンズ３の透過光を折り返しミラー６で反射して放物面鏡４に導くことにより、第１の実施の形態と比べて、光学系１０の光軸方向の長さを短くすることができる。すなわち、光学系１０を小型化することができる。

−第３の実施の形態−
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。図１１は、第３の実施の形態に係る面形状測定装置３００の構成を示す図である。第３の実施の形態の面形状測定装置３００では、第２の実施の形態における光学系１０の構成から折り曲げミラー２を除いた構成となっている。図１１において、第１、第２の実施の形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。

第３の実施の形態において、放物面鏡４の中心部には穴が形成されている。干渉計１は放物面鏡４の背後に配置される。干渉計１から干渉計用基準レンズ３の光軸方向（図中右方向）に射出された測定光は、放物面鏡４の中心部に形成された穴を通過して、干渉計用基準レンズ３に入射される。干渉計用基準レンズ３を透過した測定光は折り返しミラー６で図中左方向に反射されて、放物面鏡４に導かれる。放物面鏡４に入射した測定光は、図中右方向に反射され、被検平面５に入射する。被検平面５で反射された測定光は、放物面鏡４、折り返しミラー６、および干渉計用基準レンズ３を介した後、干渉計１に戻る。

以上説明した第３の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
光学系１０は、干渉計用基準レンズ３に対して放物面鏡４の反対側に配置された折り返しミラー６を備える。測定光は、放物面鏡４の中心部に形成された穴を通過して干渉計用基準レンズ３に入射され、干渉計用基準レンズ３を透過した後、折り返しミラー６で反射されて放物面鏡４に導かれる。このように、第３の実施の形態では、干渉計１からの測定光を放物面鏡４の中心部に形成された穴を通して干渉計用基準レンズ３に導くことにより、折り曲げミラー２を省略することができるので、第２の実施の形態と比べて、光学系１０における光学部材の数を減らすことができる。

−他の実施例−
次に、上記第１の実施の形態に係る他の実施例として、第２実施例および第３実施例を説明する。

＜第２実施例＞
まず、第２実施例について説明する。図１２は、第２実施例における面形状測定装置１１０の構成を示す。図１３は、第２実施例における干渉計用基準レンズ３の構成を示す。第２実施例における干渉計用基準レンズ３は、干渉計１側から順に、５枚のレンズＬ１１〜Ｌ１５を有する。測定光の集光点Ｏに最も近いレンズＬ１５は、ペッツバール和を補正するための凹レンズとなっている。第２実施例は、上述した第１実施例よりも干渉計用基準レンズ３の焦点距離を短くしてエキスパンダー倍率を大きくした例である。使用している硝材は、上述した第１実施例と同一である。第２実施例の干渉計用基準レンズ３および放物面鏡４に関する詳細数値データを、表３に示す。

表３によると、第２実施例における光学系１０のペッツバール和Ｐ_ｓｕｍは0.00929となり、上述した条件式（１）を満たす。なお、第２実施例では、第１実施例よりもエキスパンダー倍率が大きい分ペッツバール和の補正が難しいため、第１実施例よりはペッツバール和が大きくなっているが、上述した条件式（１）を満たすので、ペッツバール和は十分に補正されている。

また、図１４に、第２実施例における被検平面５上での非点収差を示す。図１５に、第２実施例における被検平面５でのスポットダイアグラムを示す。第２実施例でも、光学系１０のペッツバール和がよく補正されているため、図１４に示すように被検平面５上で発生する光学系１０の非点収差がよく補正されており、この結果、像面湾曲がよく補正されている。また、図１５に示すように、被検平面５上において光軸から遠い箇所でもスポット像がエアリーディスクより小さくなっている。したがって、被検平面５全体において明瞭な干渉縞の画像を得ることができるので、面形状を精度よく測定することができる。

＜第３実施例＞
次に、第３実施例について説明する。図１６は、第３実施例における面形状測定装置１２０の構成を示す。図１７は、第３実施例における干渉計用基準レンズ３の構成を示す。第３実施例における干渉計用基準レンズ３は、干渉計１側から順に、５枚のレンズＬ２１１〜Ｌ２５を有する。測定光の集光点Ｏに最も近いレンズＬ１５は、ペッツバール和を補正するための凹レンズとなっている。第３実施例は、上述した第１実施例に対し、エキスパンダー倍率と使用している硝材を変更した例である。第３実施例の干渉計用基準レンズ３および放物面鏡４に関する詳細数値データを、表４に示す。

表４によると、第３実施例における光学系１０のペッツバール和Ｐ_ｓｕｍは-0.00142であり、上述した条件式（１）を満たす。すなわち、ペッツバール和がよく補正されている。

また、図１８に、第３実施例における被検平面５上での非点収差を示す。図１９に、第３実施例における被検平面５でのスポットダイアグラムを示す。第３実施例でも、光学系１０のペッツバール和がよく補正されているため、図１８に示すように被検平面５上で発生する光学系１０の非点収差がよく補正されており、この結果、像面湾曲がよく補正されている。また、図１９に示すように、被検平面５上において光軸から遠い箇所でもスポット像がエアリーディスクより小さくなっている。したがって、被検平面５全体において明瞭な干渉縞の画像を得ることができるので、面形状を精度よく測定することができる。

−変形例−
上述した実施例では、測定光の集光点Ｏよりも手前側（干渉計１側）に干渉計用基準レンズ３の全てのレンズが配置されている例を説明した。しかしながら、干渉計用基準レンズ３の一部のレンズで測定光の集光点Ｏを挟むような構成であってもよい。この場合も、干渉計用基準レンズ３において集光点Ｏに最も近いレンズを、ペッツバール和を補正するための凹レンズとすればよい。

以上の説明はあくまで一例であり、上記の実施形態の構成に何ら限定されるものではなく、種々の態様を変更してもよい。例えば、干渉計用基準レンズ３を構成するレンズ数や、各レンズの曲率半径、面間隔、硝材等を適宜変更してもよい。

１…干渉計、２…折り曲げミラー、３…干渉計用基準レンズ、４…放物面鏡、５…被検平面、６…折り返しミラー、１０…光学系、１００、１１０、１５０、２００、３００…面形状測定装置

Claims (7)

1. 参照光と被検平面で反射された測定光とが干渉することで形成される干渉縞に基づいて前記被検平面の形状を測定する面形状測定装置に用いられ、測定光を、光束径を拡大した平行光に変換して前記被検平面へ導く光学系であって、
   前記被検平面から遠い順に、全体として正の屈折力を有するレンズ群と、前記レンズ群の透過光を反射すると共に平行光に変換し、前記被検平面に入射させる凹面反射鏡と、からなり、
   前記レンズ群のうち前記測定光の集光点に最も近いレンズは、ペッツバール和を補正するための凹レンズであることを特徴とする光学系。
2. 請求項１に記載の光学系において、
   前記レンズ群のうち前記凹面反射鏡に最も近いレンズは、前記ペッツバール和を補正するための凹レンズであることを特徴とする光学系。
3. 請求項１または２に記載の光学系において、
   以下の条件式（１）を満足することを特徴とする光学系。
   

   

   ただし、条件式（１）において、
   Ｐ_ｓｕｍ：前記光学系のペッツバール和
   Ｎ：前記レンズ群を構成するレンズの総数
   ｎ_ｊ：前記レンズ群におけるｊ番目のレンズの屈折率
   ｆ_ｊ：前記レンズ群におけるｊ番目のレンズの焦点距離
   ｆ_ｍ：前記凹面反射鏡の焦点距離
4. 請求項１〜３に記載の光学系において、
   前記測定光を前記レンズ群の光軸方向に反射して前記レンズ群に導く反射部材をさらに備えることを特徴とする光学系。
5. 請求項１〜３に記載の光学系において、
   前記測定光を前記レンズ群の光軸方向に反射して前記レンズ群に導く第１反射部材と、
   前記レンズ群を透過した測定光を反射して前記凹面反射鏡に導く第２反射部材と、
   をさらに備えることを特徴とする光学系。
6. 請求項１〜３に記載の光学系において、
   前記レンズ群に対して前記凹面反射鏡の反対側に配置された反射部材をさらに備え、
   前記測定光は、前記凹面反射鏡の中心部に形成された穴を通過して前記レンズ群に入射され、前記レンズ群を透過した後、前記反射部材で反射されて前記凹面反射鏡に導かれることを特徴とする光学系。
7. 参照光と被検平面で反射された測定光とが干渉することで形成される干渉縞に基づいて前記被検平面の形状を測定する面形状測定装置であって、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学系を備えることを特徴とする面形状測定装置。

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