JP2016136120A - 形状測定方法および形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学的手段を用いた球面および非球面の形状測定において、形状測定のための計測光を遮らずにスティッチングステージが大きく傾斜しても傾斜ステージの位置を計測することで、スティッチング計測の時間を短縮することである。
【解決手段】 回転および並進自在なステージ（１０６）と、形状データを取得する光学的計測器とを備えた形状測定装置であって、被測定物における曲率中心を基準に前記被測定物（１０５）が回転するようにステージを回転あるいは並進させるとともに、光学的計測器（１１０）と前記被測定物における予め定められた基準位置にて、前記光学的計測器を用いて前記形状データを取得することで被測定物における複数の部位における形状データがそれぞれ取得され、得られた前記形状データを演算部にて互いに連結させ、前記被測定物の形状を計測する形状測定装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学的手段を用いた形状測定方法および形状測定装置に関するものである。

従来から、高精度な光学部品の形状測定、波面収差計測には光を用いた計測方法が一般に用いられている。高精度な形状や非球面形状の加工では光学素子形状を計測して設計形状との差を求め、そのデータを用いて修正加工することが必要である。近年、求められる形状精度はますます高精度化し、非球面光学素子に要求される非球面量はさらに大きくなる傾向にある。

このような光学素子の形状測定方法として干渉計を用いる方法やシャック・ハルトマンセンサを用いた形状測定方法などがある。特に、被測定物の計測したい面が非球面形状である場合に関しては、シャック・ハルトマンセンサを用いた計測方式が有力である。さらに大口径の光学素子や大開角の光学素子の光学計測においては、計測装置に対して測定領域が大きすぎるため、測定領域を複数領域に分割して計測し、繋ぎ合せることで全体を計測するスティッチング計測が行われる。

一般的なシャック・ハルトマンセンサを用いた計測方式、および一般的なスティッチング計測に関しては、以下の技術が知られている。

シャック・ハルトマンセンサを用いた計測方法としては特許文献１がある。シャック・ハルトマンセンサを用いた形状測定では、初めに基準非球面レンズの基準面に球面波を照射する。基準面は、被検非球面レンズの被検面の設計形状に基づいて作成されたものであり、形状は既知である。基準非球面レンズは、基準面の非球面軸が球面波の光軸に一致するように設置される。この基準面の反射光を結像レンズで結像し、その結像面にシャック・ハルトマンセンサを設置する。シャック・ハルトマンセンサは、撮像素子とマイクロレンズアレイから構成される波面センサである。このシャック・ハルトマンセンサにより、基準面の反射光の波面を光スポットとして計測する。この時、基準面の頂点の光軸方向の位置（基準位置）は、測長機等の手段で計測しておく。次に、基準非球面レンズの代わりに被検非球面レンズを基準位置に設置する。設置後は、シャック・ハルトマンセンサに入射する反射波面のコマ収差成分とチルト成分を打ち消すように被検非球面レンズを光軸に垂直な方向の位置と光軸に垂直な軸周りの傾きで調整する。これは、軸対称非球面の光軸が球面波の光軸からずれた際に、光軸に垂直な方向に移動した場合にはコマ収差成分とチルト成分が、光軸が傾斜した場合にはチルト成分が現れることによる。これにより、被検非球面レンズ上の被検面の光軸が球面波の光軸に一致することとなる。次に被検面の頂点の位置を測長機等の手段で計測し、基準面と光軸方向の位置が一致するように調整する。その後、被検面に球面波を照射し、反射光波面をシャック・ハルトマンセンサで計測する。両波面から基準面と被検面の形状差を算出し、算出した形状差に既知である基準面の形状を加えることにより被検面の形状を得る。

一方、一般的なスティッチング計測としては特許文献２がある。大開角レンズの形状測定手法として、干渉計を用いたスティッチング計測が提案されている。特許文献２では、大開角レンズを複数の計測領域に分割し、それぞれの形状を干渉計で計測する。大開角レンズは、球面軸受（大開角レンズの曲率中心と球面軸受けの回転中心が一致している）を備えたステージに設置されており、この球面軸受の回転中心を起点に姿勢を変えることができる。

測定領域を切り替える際には、被検面の曲率中心を軸に被検面を傾斜させたり、被検面の軸を中心に回転させたりする。この様にして取得した複数の計測領域の形状を繋ぎ合わせる（スティッチング）ことにより、被検面の形状を全面にわたり取得する。この方法であれば、被検面に計測光を照射する光学系の開角を上回る開角を持つレンズであっても、その形状を計測することができる。

しかしながら、シャック・ハルトマンセンサによる形状測定に、一般的なスティッチング形状の手法を適用することには以下の困難がある。

特に、被測定物の形状が非球面の場合では、レンズ表面の位置に対応して曲率半径が異なるため、レンズの曲率中心とスティッチングの回転中心を一致させることは困難である。

特に光軸方向の位置ずれは反射波面からは光学素子の形状によるものか位置ずれによるものか判別がつかない。

そのため特許文献１では別置きの測長機を用いて光学素子の頂点位置を計測している。この場合、各分割領域に移動するたびに別置きの測長機で被検面の頂点位置を計測するため、被検面の頂点位置計測の間は形状測定のための計測光を遮断してしまう。よってスティッチング計測に時間がかかってしまう。

このように、干渉計によるスティッチング計測には生産性に限界があり、他方でシャック・ハルトマンセンサによる形状測定に、一般的なスティッチング形状の手法を単に適用するだけでは、測定精度と生産性の両立は困難だった。

特開２０１３−１８６０１７ 特開２００３−５７０１６

したがって本発明は光学的計測器を用いた球面および非球面の形状を計測において、高い測定精度と高い生産性を兼ね備えた形状測定方法および形状測定装置を提供する。

ステージに被測定物を設置する工程と、
光学的計測器を用いて被測定物における複数の部位における形状データをそれぞれ取得する工程と、
得られた前記形状データを演算部にて互いに連結させ、前記被測定物の形状を計測する形状測定方法において、
前記ステージは回転および並進自在であり、前記被測定物における曲率中心を基準に前記被測定物が回転するように前記ステージを回転あるいは並進させるとともに、前記光学的計測器と前記被測定物における予め定められた基準位置にて前記形状データを取得することを特徴とする形状測定方法。

本発明のよって、高い測定精度と高い生産性を兼ね備えた形状測定方法および形状測定装置を提供することができた。

本発明の第１の実施例を示す図 スティッチングステージの詳細を示す図 θ_ｙステージの回転中心と球中心の調整残さの校正を説明する図 θ_ｚステージの回転中心と球中心の調整を説明する図 接触式変位計の平面接触子の姿勢調整を説明する図 本発明におけるθ_ｙステージの傾斜角０度の場合のステージ動作とステージ位置の検出を説明する図 本発明におけるθ_ｙステージの傾斜角がある場合のステージ動作とステージ位置の検出を説明する図 本発明におけるθ_ｘステージを駆動した場合のステージ位置の検出を説明する図 本発明のスティッチングを用いた非球面形状測定に適用した場合のフローチャート スティッチング時の非球面のＸＺ軸移動量を説明する図 本発明の第２の実施例を示す図 本発明の第３の実施例（球体を側面に配置）を示す図 本発明の第３の実施例を示す図 本発明の第３の実施例（半球）を示す図

本願発明における形状測定方法は、まずステージに被測定物を設置する工程と、光学的計測器を用いて被測定物における複数の部位における形状データをそれぞれ取得する工程と、を備えている。また、得られた形状データを演算部にて互いに連結させ、被測定物の形状を計測する。

このような被測定物の各部位に対応した形状データを取得し連結する点は従来の技術と共通する。

他方、前記ステージは回転および並進自在であり、ステージの回転中心に球の中心を配置した球を設置し、球の位置を計測することで前記ステージの位置を計測する。そしてステージを回転あるいは並進させることにより、光学的計測器と被測定物における予め定められた基準位置にて前記形状データを取得する点に本発明の特徴がある。

この予め定められた基準位置とは、下記で詳述するように、被検面とマイクロレンズアレイとの共役の位置に配置されていて、その被検面側の位置に相当する。以下、基準位置と呼ぶことにするが、被測定物あるいは被測定面の姿勢として定義されていてもよい。

このようにステージに設置した球の位置を計測することにより、シャック・ハルトマンセンサ、あるいは干渉計を用いて計測するにあたり基準となる基準位置に被測定物の測定対象面を配することができる。被測定物における曲率の情報に基づきステージを回転制御あるいは並進制御させることで上記の基準位置に被測定物における被測定面を配置させることができる。

曲率の情報とは被測定物における曲率中心や曲率、曲率半径などの少なくとも１つのデータである。また、曲面の形状データなどから曲率の情報に相当するデータを算出できる場合は、そのデータをして曲率の情報として用いても良い。

またその際、被測定物の曲率中心を起点に回転させつつ基準位置に配しているので、Ｚ方向（光学的計測器の光軸方向）に対する被測定物のズレに起因する誤差が形状データ自体には少ない。したがってスティッチングに好適な形状データを取得できる。

本願発明の詳細を、図面を参照しつつ以下に説明する。

図１に本発明の第１の実施例を示す。図１は光学的計測器としてシャック・ハルトマンセンサを用いた実施例である。図１において１０１はレーザダイオード光源であるが、光源はこれに限定されない。シャック・ハルトマンセンサは光スポットの位置変化を検出するものであるため、例えば白色光源やレーザ光源なども用いることができる。この光源１０１からの光はコリメータレンズ１０２で平行光にされ、ビームスプリッタ１０３に入射する。ビームスプリッタ１０３に入射した光の一部は反射され、残りの一部は透過される。ビームスプリッタ１０３を透過した光はレンズ１０４で球面波に変換され被検レンズ１０５の被検面１０５ａに投射される。被検レンズ１０５はスティッチングステージ１０６上に設置されている。スティッチングステージ１０６はＸＹＺ軸方向の駆動、Ｘ軸周りの回転（θ_ｘ）、Ｙ軸周りの回転（θ_ｙ）、Ｚ軸周りの回転（θ_ｚ）が可能である。特にθ_ｙステージはスティッチング計測のために被検レンズ１０５を傾斜させる傾斜ステージである。図２はスティッチングステージの詳細を示す図である。スティッチングステージはθ_ｙステージ２０７、θ_ｚステージ２０２、θ_ｘステージ２０３、Ｘ軸ステージ２０４、Ｙ軸ステージ２０５、Ｚ軸ステージ２０６から構成されている。θ_ｚステージ２０２の設置されている台２０９の下面には球１０７が取り付けてある。この球１０７は不図示の調整機構によりＸ，Ｙ、Ｚ軸方向に位置を調整することができる。また台２０９の中心に貫通穴を配置し、θ_ｚステージ２０２から直接、調整機構を介して球１０７を取り付けてもよい。この球１０７は所望の計測精度以下の真球であることが必要である。例えば球としてはグレード３と分類される真球度８０ｎｍの鋼球を容易に入手することができる。球１０７は前述の不図示の調整機構を用いてθ_ｙステージ２０７の回転軸とθ_ｚステージ２０２の回転軸の交点と球１０７の中心を一致させるように調整してある。

球１０７は装置の基準に固定されている変位計１１４の平面接触子２０１でその位置の変化を検出される。本実施例では接触式の変位計を採用した。

再び図１を参照すると、被検面１０５ａで反射した光は再びレンズ１０４を通り、ビームスプリッタ１０３に入射する。光はその一部をビームスプリッタ１０３で反射され９０°曲げられる。ビームスプリッタ１０３で反射された光はシャック・ハルトマンセンサ１１０に入射する。シャック・ハルトマンセンサ１１０はマイクロレンズアレイ１０８と撮像素子１０９から成る。マイクロレンズアレイ１０８に入射した光はそれぞれのマイクロレンズで集光し、撮像素子１０９上に光スポット群を形成する。撮像素子１０９はＣＣＤカメラが使用できるが、これに限らない。例えばＣＭＯＳカメラでも構わない。ビームスプリッタ１０３で光の一部を利用しないこと防止するために、ビームスプリッタに入射する光を直線偏光にし、ビームスプリッタを偏光ビームスプリッタにしてもよい。この場合は初めに偏光ビームスプリッタに入射する光の偏光方位を偏光ビームスプリッタで透過する方位にしておく。偏光ビームスプリッタとレンズ１０４の間に１／４波長板を配置し、被検面１０６から反射してきた測定光の偏光方位を入射時と９０°回転させることで、反射光全てを偏光ビームスプリッタで反射させてシャック・ハルトマンセンサ１１０に導くことができる。シャック・ハルトマンセンサ１１０の撮像素子１０９で検出された光スポット群はフレームグラバー１１１を介してコンピュータ１１２に取り込まれる。コンピュータ１１２では各光スポットの光量重心を求めることで光スポットの位置を計算する。この光スポットの位置はシャック・ハルトマンセンサ１１０に入射する波面が平面波であればマイクロレンズアレイ各々の光軸１１３−ｉ（ｉはマイクロレンズの順次番号）上になる。被検面１０５ａとマイクロレンズアレイ１０８は共役に配置されている。よってマイクロレンズアレイ１０８の一つの要素は被検面１０５ａの一つの領域に対応している。被検面１０５ａの一つの領域に球面波からの差があるとその一つの領域の球面波からの差の平均値に依存して、その領域に対応するレンズアレイの光スポット位置が起点位置からずれる。光スポットの起点位置はあらかじめ参照平面波等を用いて基準となる光スポットがＣＣＤカメラ上でどの位置にあるのかを校正データとして取得してある。この参照平面による光スポットの起点位置と被検面１０５ａから反射した光スポット位置を計算して比較する。このようにして、入射光の波面収差を求めることで被検面１０５ａの基準からの形状誤差を計算する。一つの光スポット移動量は一つのマイクロレンズアレイで集光される被検面１０５ａの領域の傾斜と球面波の傾斜との“差”であるから、全マイクロレンズアレイにわたりこの“差”を積分することで被検面１０５ａ全面の形状誤差を求めることができる。光スポットの起点位置は平面波だけでなく、ピンホール回折光による球面波や測定原器からの反射光の光スポットとしても良い。測定原器からの反射光を基準とした場合の測定結果は原器形状からの差分になる。

次に球１０７と変位計１１４の位置調整について説明する。

本願発明は、被測定物における曲率中心を基準に前記被測定物が回転するようにステージを回転あるいは並進させる。それとともに、光学的計測器（本実施例においてはシャック・ハルトマンセンサ）と被測定物における予め定められた基準位置にて前記形状データを取得する。本実施例では、ステージの回転あるいは並進をさらに高い精度で行うため、球体を用いた制御を以下説明する。基準”位置”という語は、位置と姿勢の両方の意味を含む。

球１０７は、まずθ_ｙステージ２０７の回転中心と球１０７の中心を一致させるため、θ_ｙステージ２０７をスティッチングで使用する範囲で回転（傾斜）させながら変位計１１４で球１０７のＺ位置変化を計測する。このときθ_ｙステージ２０７の回転によらずに球のＺ位置の変化がゼロになるように球１０７をＸ軸、Ｚ軸方向に調整する。最終的に調整残差としてθ_ｙステージ２０７の回転により球１０７のＺ位置が変化し、変化量が所望の計測精度を超えるときは、計測精度以下となるように球１０７のＺ位置の補正を行う。

図３はθ_ｙステージの回転中心と球中心の調整残差の校正を説明する図である。

具体的には図３のようにθ_ｙステージ２０７の回転角（傾斜角度）と球１０７の位置のデータ（Ｚ変位）に基づいて、必要に応じて多項式で近似を行い、θ_ｙステージ２０７の回転角度による球１０７の位置に補正を行う。図３では２次の多項式で近似している。図３の右図に示すとおり、球１０７の調整を行った後、縦軸の目盛りが概ね０．５μｍ未満となっていることが確認できる。

このようにすることでθ_ｙステージ２０７回転に伴う計測誤差を１ｕｍ以下にすることができる。次にθ_ｚステージ２０２の回転軸と球１０７の中心を一致させるように調整と補正を行う。図４に示すようにθ_ｚステージ上に固定した接触式変位計４０１を用いてθ_ｚステージ２０２の回転軸と球１０７の中心を一致させるように調整を行う。接触式変位計４０１に使用する接触子の形状は球形が望ましい。

具体的にはθ_ｚステージを回転させ、球の側面を接触式変位計４０１で計測する。θ_ｚステージの回転により接触式変位計４０１の値が変化しないように台２０９上のθ_ｚステージ２０２をＸＹ方向に調整する。ただし、スティッチングでθ_ｚ軸回転を用いない場合はこのθ_ｚステージ２０２と球１０７の中心を一致させることは不要である。次に変位計１１４の平面接触子２０１の調整について説明する。図５は接触式変位計の平面接触子の姿勢調整を説明する図である。

図５のように、まず不図示の装置基準に対して、十分な精度の位置に接触式変位計５０１を設置する。接触式変位計５０１の接触子は形状が球形のものを採用した。Ｘ軸ステージおよびＹ軸ステージを平面接触子２０１の面内で移動させ接触式変位計５０１と変位計１１４の値が一致するように変位計１１４の傾き（θ_ｘ、θ_ｙ）を調整する（図５（ａ））。またはＺ軸ステージを上下させ、変位計５０１と変位計１１４の値が一致するように変位計１１４の傾きを調整してもよい（図５（ｂ））。さらにはＺ軸ステージの移動量もしくは移動指示量と変位計１１４の値が一致するように変位計１１４の傾きを調整してもよい。変位計１１４は図示されていない調整機構により、装置基準に対し姿勢（θ_ｘ、θ_ｙ）を調整することが可能になっている。接触式変位計５０１は調整後取り外す。この調整ではθ_ｙステージ２０７を傾斜させる必要がないため、接触式変位計５０１は接触式でなくてもよい。例えばレーザ測長方式、超音波方式、渦電流方式などを用いてもよい。

次にスティッチング動作時におけるステージのＺ位置の計測について説明する。本実施例においてはステージのＺ位置を計測し、フィードバック制御する。

図６（ａ）、図６（ｂ）にθ_ｙステージ２０７が傾斜していない場合の状態を示す。図６（ａ）に示すようにステージがＺ軸方向にのみ変位した場合（＋Ｚ）、変位計１１４で球１０７の位置を計測することで被検面１０５ａのＺ軸変位を計測することができる。また図６（ｂ）に示すようにステージがＸ（またはＹ）軸方向に移動し、Ｚ軸に移動していない場合（＋Ｘ）は変位計１１４の平面接触子２０１の接触面内でＺ変位なしで計測される。もちろんステージがＸ（またはＹ）軸方向に移動した際にステージの他成分によりＺ軸方向にも移動した場合は変位計１１４でＺ変位を計測できることは明白である。

図７はθ_ｙステージの傾斜角がある場合のステージ動作とステージ位置の検出を説明する図である。θ_ｙステージ２０７が傾斜した状態でＺ軸方向変位を計測する場合を説明する。

図７（ａ）の左図では、基準位置に被検レンズ１０５が設置されている。

上述のように、非球面の形状を備えた被測定物では、部位によって曲率半径が異なる。そのため、当初の設置位置における、光学的計測器の光軸のライン上にある被測定物の表面位置に対応する曲率中心を中心として回転させたとしても、たとえばδｚの分、基準位置から突出する場合がある。当然、被検面の曲率中心とθ_ｙステージの回転中心が一致していない場合もδＺのずれが生じることは明白である。もちろん形状によっては基準位置から低く位置するケースもある。

θ_ｙステージ２０７の回転中心と球１０７の中心が一致しているため、図７（ａ）のようにθ_ｙステージ２０７を傾斜させた段階では、まだ変位計１１４の出力にＺ方向の変位δｚはあらわれてこない。

一方、図７（ｂ）のようにθ_ｙステージ２０７が傾斜させるとともに、球１０７をＺ方向に（−δｚ）移動させるようにＺ軸ステージを駆動すること（修正駆動）で、基準位置からのズレを減少させ、誤差を抑えることができる。この結果、図７（ａ）左図で示した被検レンズと、図７（ｂ）右図で示した被検レンズとは同じ基準位置に配される。

このようにステージの修正駆動は、被測定物の設計形状データと、形状測定装置の設計データ（回転軸の取付位置やステージの位置等）に基づいて予め算出され、その算出量に基づいて、ステージは回転あるいは並進する制御がなされる。

先に説明したようにスティッチング計測では、非球面を対象とし、被検面の曲率中心とスティッチングの回転中心が一致していない場合、回転中心ずれを補正するために並行シフトしなければならない。この場合、θ_ｙステージ２０７が大きく傾斜した状態でＸ（もしくはＹ）軸とＺ軸に動くことになる。

本発明では球１０７の位置検出に平面接触子２０１を用いているため図７（ｃ）のようにＸ（Ｙ）軸ステージが駆動し球１０７が平面接触子２０１の中心から移動しても、平面接触子２０１の面積内であれば球１０７のＺ位置を変位計１１４で計測できる。同様に図７（ｄ）のようにθ_ｙステージが大きく傾斜した状態でＸ（もしくはＹ）軸駆動に加えＺステージが移動した場合も平面接触子２０１の面内であれば球１０７のＺ位置を変位計１１４で計測することができる。また図８に示すようにθ_ｘステージ２０３がゴニオステージなど回転中心が球１０７の中心と異なる場合はアライメントのためにθ_ｘステージを駆動するとステージはＺ軸方向にも移動してしまう。しかしこの場合も球１０７を平面接触子２０１で検出しているためθ_ｘステージ２０３の駆動に伴うＺ軸方向の変位を計測することができる。

基準位置は、被測定物を計測する際に、必要な計測精度に応じてあらかじめ定められるものであり、許容される精度の範囲内で調整される。

本発明では前述したように、いわば“被測定物（被検レンズ）における曲率中心を基準に被測定物を回転させた場合と同じになる様にするように”ステージを回転あるいは並進させる。それとともに、光学的計測器と被測定物における予め定められた基準位置にて形状データを取得する。

このようにして、本実施例では被測定物の曲率中心とθｙ回転中心は一致してなくとも、被測定物回転後に曲率中心を軸として回したのと同じ位置に来るようにステージを回転と並進させる。

つまり被検レンズをさまざまな姿勢に傾け、そのつど形状データを取得するにあたり、あらかじめ定められた基準位置に、被検レンズが配置されるようにＸ、Ｙ、Ｚ軸ステージあるいはθ_ｘ、θ_ｙ、θ_ｚステージが駆動する。

特に、光学的計測器としてシャック・ハルトマンセンサを用いた場合、光軸方向の位置ずれは反射波面からは光学素子の形状によるものか位置ずれによるものか判別がつかない。

したがって、このような駆動制御を行うことで、被検レンズは姿勢は異なっても同じ基準位置に配置されることになる。本実施例の場合は、基準位置は図中のＺ軸の所望の位置に設定される。その所望の位置の座標をａとし、許容される精度をｂとすると、被検レンズの位置、あるいは球１１７の位置をＺとすると、｜Ｚ−ａ｜≦ｂとなるように各ステージを駆動する。このような制御を行うことによって、被検レンズの曲率中心を基準に、被検査レンズの姿勢を変えるとともに予め定められた基準位置に被検レンズを配置させることができる。

図９に非球面をスティッチング計測する流れをフローチャートとして示す。初めに前述の方法でθ_ｙステージの回転軸とθ_ｚステージの回転中心の交点と球の交点を一致させて球を配置する（調整工程：Ｓ−１）。

被検非球面をθ_ｚステージに設置する（被測定物の設置工程Ｓ−２）。

設置した被検非球面の波面計測を行い、反射波面よりアライメントを実施する。具体的には反射波面のアス項とコマ項を打ち消すようにＸＹ軸方向にアライメントを行い、球面成分（ツェルニケの４項、９項、１６項、２５項、・・・）を打ち消すようにＺ軸方向にアライメントを行う。この際被測定物の位置と球の中心の位置との相対位置をあらかじめ求めておいてもよい。（被測定物のアライメント工程Ｓ−３）。

アライメント後、傾斜角０度での被検非球面の波面計測を行う（計測工程Ｓ−４）。

波面計測後、スティッチング計測を行うために予め決めていた角度へ被検非球面を傾斜させる（ステージの回転工程Ｓ−５）。

計測光の光軸部分の被検非球面が計測光軸に垂直になるように被検非球面形状および被検非球面とθ_ｙステージの回転中心との関係より、Ｘ軸、Ｚ軸を駆動する（修正駆動Ｓ−６、Ｓ−７）。

ここでＸ軸、およびＺ軸の駆動量は具体的には次のように求めることができる。図１０に示すように被検非球面の設計式より傾斜角ゼロのときの計測光軸上にある被検非球面の上の点（被検非球面の頂点）と予め決めたスティッチング後の計測光軸にあたる被検非球面上の点Ｑとの半径方向の差をｘ、Ｚ方向の差をｚとする。またθ_ｙステージの回転中心Ｏ_ｙと被検非球面の頂点との距離（回転半径＝ＱＯ_ｙ）をｒ、スティッチングによる傾斜角度をθとする。このときＸ、Ｚ軸方向の駆動量（δｘ、δｚ）は、
δｘ＝ｘ−ｒ・ｓｉｎθ
δｚ＝ｚ−ｒ・（１−ｃｏｓθ）
となる。仮に被検面１０５ａが球面で、ステージの回転中心がその曲率中心（球体の中心）であれば、ｘとｒ・ｓｉｎθ、およびｚとｒ・（１−ｃｏｓθ）とは、互いに等しいので
δｘ＝δｚ＝０となる。一方、被検面１０５ａが非球面の場合は互いに異なるのでδｘまたはδｚはゼロにならない。この（δｘ、δｚ）が修正駆動によって、打ち消されることで基準位置に被検面１０５ａを配することができる。

被検非球面の頂点とθ_ｙステージの回転中心との距離は被検非球面の設計値とステージの設計値より求める。

または予め別の手段を用いて被検非球面の頂点とθ_ｙステージの回転中心の距離を求めておいてもよい。

再び図９を参照すると、次に接触式変位計でθ_ｚステージの位置が計算より求めた位置と一致しているか計測し、差（δｚ）があればＺ軸を再修正駆動する（Ｓ−８）。

なお、これらのδｘ、δｚは被検非球面の設計値とステージの設計値から求められるので、算出された値に基づいてステージを制御するだけの構成にしてもよい。この場合はＳ−８工程は省略されることになる。

続いてその位置で被検非球面の波面計測を行い反射波面よりアライメントを行う。このときのアライメントはアス成分とコマ成分を打ち消すようにＸ軸、Ｙ軸、θ_ｘ軸、θ_ｙ軸を駆動し、Ｚ軸は駆動しない（アライメントＳ−９）。

この状態で被検面の波面計測を行う（計測工程Ｓ−１０）。

次にθ_ｚステージをあらかじめ定めた一定角度に回転させる。（Ｓ−１１）。

θ_ｚ軸回転後、被検非球面の波面計測を行い、反射波面よりアス成分とコマ成分を打ち消すようにＸ軸、Ｙ軸、θ_ｘ軸、θ_ｙ軸を駆動し、Ｚ軸は駆動しない（Ｓ−１２）。

アライメント後、θ_ｚステージのＺ位置を計測し、変化していればＺ軸を修正駆動する（Ｓ−１３）。修正駆動後、波面計測を行う（Ｓ−１４）。

次にθ_ｚステージが３６０度回転したか判断する（Ｓ−１５）。

θ_ｚステージが３６０回転していない場合はＳ−１１に戻り、３６０度回転するまでＳ−１１からＳ−１５を繰り返す。θ_ｚステージが３６０度回転している場合は、スティッチング角度を判断する（Ｓ−１６）。

あらかじめ決めたスティッチング角度に達していない場合はＳ−５へ戻り、全スティッチング角度を計測するまでＳ−５からＳ−１６を繰り返す。全スティッチング角度を計測した場合は、計測した分割領域を繋ぎ合せ（Ｓ−１７）、被検非球面形状を求める（Ｓ−１８）。

以上のようにスティッチング計測を行うことにより、θ_ｚステージの位置は計測光２０８を遮ることなく計測し、ステージの駆動誤差によるＺ位置ずれを補正できるためスティッチング計測時間を短縮することができる。

本実施例は光学的手段としてシャック・ハルトマンセンサを用いた場合を説明したが、シャック・ハルトマンセンサの代わりに光学的手段として干渉計を用いても同様のスティッチング計測ができることは明らかである。また光学的手段はシャック・ハルトマンセンサや干渉計に限定されるものではなく、利用者が用途に応じて選択できる。

図１１に本発明の第２の実施例を示す。実施例１ではステージのＺ位置変位のみを計測していたが変位計１１４に加え、変位計１１５をＸ（またはＹ）軸方向変位を計測できるように配置する。本実施例ではこの二つの変位計として接触式の変位計を用いている。

図１１はＺ軸方向とＸ軸方向の変位をそれぞれ個別に設けられた変位計で計測できるように配置してある。もちろん接触式変位計の配置は２つに限定されず、平面接触子が干渉しないように配置することで２つ以上の配置もできる。その際は球の直径を大きくすると平面接触子の干渉を回避しやすくなる。図１１に描かれた配置の場合、スティッチングのための傾斜方向はＸ軸計測用の接触式変位計１１５のある方向への傾斜は制限される。しかし通常の軸対称球面や軸対称非球面のスティッチング計測ではθ_ｙステージ２０７を傾斜後、θ_ｚステージ２０２を回転させて全面を計測するため、傾斜方向が一方向に制限されることは問題ない。本実施例においても本発明ではθ_ｙステージ２０７の回転中心と球面の中心が一致しているため、θ_ｙステージ２０７が傾斜しただけでは変位は検出されない。本実施例ではＸ軸方向の変位は接触式変位計１１５で、Ｚ軸方向の変位は変位計１１４で計測される。もちろん平面接触子の面内であればステージがＸ、Ｙ、Ｚ、θ_ｘに移動してもＸ、Ｚ変位を計測することができる。以上により、θ_ｙステージ２０７が傾斜した状態においてもＺ軸変位に加えてＸ（もしくはＹ）軸変位を計測することができる。

図１２、図１３、図１４に本発明の第３の実施例を示す。実施例１、実施例２では球体をθ_ｚステージ２０２の台２０９下面に配置し、被検面の裏側から球体の位置を（接触式の）変位計で計測していた。これはθ_ｙステージ２０７の回転中心とθ_ｚステージ２０２の回転中心の交点に球面を配置する場合には有効である。しかしθ_ｙステージ２０７の回転中心とθ_ｚステージ２０２の回転中心の交点に球面を配置させる必要がない場合は台２０９の下面以外に配置してもよい。図１２では球面を台２０９側面に配置した場合、図１３では球面を台２０９上面に配置した場合を示している。いずれの場合においても、球面の中心がθ_ｙステージ２０７の回転中心に配置されていればよい。また配置する球面は球面であれば球の一部であっても構わない。図１４では球面として半球１２０１を用いている。いずれの配置においても、θ_ｙステージ２０７の回転中心と球面の中心が一致しているため、θ_ｙステージ２０７が傾斜した状態においてもＺ軸変位を計測することができる。

以上のように、本願発明は被測定物の測定領域の形状が非球面であるときに特に好適に適用できる。

本願発明ではステージの駆動誤差を計測し、ずれが生じた場合は補正駆動を適切に行える。また、例えばレーザ測長計のような光学的な手段でステージ位置を計測する場合はステージが傾斜すると反射光が検出器に戻らず、計測することが困難であった。また渦電流方式や超音波方式の変位計もステージが傾斜するとステージと変位計との間隔が変化することや超音波の反射波が検出器に戻らないことによりステージ位置を計測することは困難であった。従来はスティッチング計測ではステージが大きく傾斜した状態でステージの光軸方向位置を計測することは困難であったが、簡便な方法で困難を低減した。

また接触式の変位計を用いた場合においてもステージが傾斜した状態で光軸と垂直方向にステージが駆動した場合がある。その場合には、測定子に計測方向と垂直な方向に押す力が働き計測することができないが上述のように、例えば球体を用いると簡便な方法で困難を低減することができる。

１０１ 光源
１０２ コリメータレンズ
１０３ ビームスプリッタ
１０４ レンズ
１０５ 被検レンズ
１０５ａ 被検面
１０６ スティッチングステージ
１０７ 球体
１０８ マイクロレンズアレイ
１０９ 撮像素子
１１０ シャック・ハルトマンセンサ
１１１ フレームグラバー
１１２ コンピュータ
１１３ マイクロレンズ光軸
１１４、１１５、４０１、５０１ 接触式変位計
２０１ 平面接触子
２０２ θ_ｚステージ
２０３ θ_ｘステージ
２０４ Ｘ軸ステージ
２０５ Ｙ軸ステージ
２０６ Ｚ軸ステージ
２０７ θ_ｙステージ
２０８ 計測光
２０９ 台
１２０１ 半球

Claims (15)

1. ステージに被測定物を設置する工程と、
   光学的計測器を用いて被測定物における複数の部位における形状データをそれぞれ取得する工程と、
   得られた前記形状データを演算部にて互いに連結させ、前記被測定物の形状を計測する形状測定方法において、
   前記ステージは回転および並進自在であり、前記被測定物における曲率の情報を基準に前記被測定物が回転するように前記ステージを回転あるいは並進させるとともに、前記光学的計測器と前記被測定物における予め定められた基準位置にて前記形状データを取得することを特徴とする形状測定方法。
2. 前記ステージを回転させる際に、前記ステージの位置を計測して、前記基準位置に対する差分を前記演算部にて算出し、前記差分を減少させるように前記ステージを駆動させることを特徴とする請求項１記載の形状測定方法。
3. 前記ステージには球体が、前記ステージの回転中心と前記球体の中心の位置が一致するように設けられており、前記球体の位置を計測することで前記ステージの位置を計測することを特徴とする請求項２記載の形状測定方法。
4. 前記被測定物の位置と前記球体の中心の位置との相対位置をあらかじめ求めておくことを特徴とする請求項３記載の形状測定方法。
5. 前記球体を異なる二つの方位からそれぞれ計測することを特徴とする請求項２または３記載の形状測定方法。
6. 前記球体の位置を計測するにあたり、前記ステージにおける前記被測定物が設置されていない方向から計測することを特徴とする請求項３記載の形状測定方法。
7. 前記球体の位置を、接触式変位計、レーザ測長計、超音波方式、渦電流方式、いずれかの計測器にて計測することを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項記載の形状測定方法。
8. 前記光学的計測器はシャック・ハルトマンセンサであることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載の形状測定方法。
9. 前記光学的計測器は干渉計であることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載の形状測定方法。
10. 前記被測定物の形状は非球面であることを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項に記載の形状測定方法。
11. 前記曲率の情報とは、前記被測定物における曲率中心や曲率、曲率半径の少なくとも１つのデータであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載の形状測定方法。
12. 被測定物が設置される回転および並進自在なステージと、
    前記被測定物の形状データを取得する光学的計測器と、
    取得された前記形状データに基づき前記被測定物の形状を算出する演算部と、
    を備えた形状測定装置であって、
    前記被測定物における曲率の情報を基準に前記被測定物が回転するように前記ステージを回転あるいは並進させるとともに、前記光学的計測器と前記被測定物における予め定められた基準位置にて、前記光学的計測器を用いて前記形状データを取得することで被測定物における複数の部位における形状データがそれぞれ取得され、
    得られた前記形状データを演算部にて互いに連結させ、前記被測定物の形状を計測する形状測定装置。
13. 前記ステージには球体が、前記ステージの回転中心と前記球体の中心の位置が一致するように設けられており、前記球体の位置を計測することで前記ステージの位置が計測され、計測された前記ステージの位置に基づいて、前記被測定物の位置が前記基準位置に近づくように前記ステージが制御されることを特徴とする請求項１０記載の形状測定装置。
14. 前記被測定物の形状は非球面であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の形状測定装置。
15. 前記曲率の情報とは、前記被測定物における曲率中心や曲率、曲率半径の少なくとも１つのデータであることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項記載の形状測定装置。

Images