JP2016520818A - 非球面の波面及び形状に基づく測定を行うための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

非球面の波面に基づく測定及び形状に基づく測定を行う装置及び方法を開示する。この装置は非球面の波面に基づく測定データを収集する干渉波面測定システムを備えている。また、装置は非球面に対し少なくとも１回の非接触式の形状に基づく測定を行い、非球面の形状に基づく測定データを収集する形状測定システムも備えている。これ等の測定は回転可能な基部から非球面素子を移動せずに行われる。この２つの測定の結果を用いて非球面の総合評価が形成される。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１３年４月１７日出願の米国仮特許出願第６１/８１２７９２号の米国特許法第１１９条に基づく優先権を主張するものであり、その記載内容に依拠しすべての内容を本明細書に援用するものである。

本開示は表面の特性評価に関し、特には非球面の形状に基づく測定及び波面に基づく測定を行うための装置及び方法に関するものである。

非球状表面、即ち“非球面”は更なる設計の自由度が得られることから、益々多く光学系に使用されつつある。非球面を製造する技術が向上するにつれ、非球面を有する光学部品が、携帯電話から、ＤＶＤプレイヤー、ビデオカメラ、スチルカメラに至る装置において、より一般的に使用されるようになってきている。

非球面がより多く使用されるようになってきたことに伴い、このような表面を迅速かつ正確に測定し、その特性を明らかにする必要性が高まっている。非球面の特性を明らかにする測定方法には主として２つある。第１の方法は波面干渉法を用いた波面に基づく測定である。この測定方法には、波面を非球面に透過又は反射させ、その波面を基準波面と干渉させることが含まれる。この干渉によって、表面形状の目標とする非球面形状からの偏差を表す干渉縞が生じる。

第２の方法は、点測定プロフィロメトリーを用いた形状に基づく測定である。この測定方法には、非球面の上部を非接触式の光計測プローブによって走査し、非球面とプローブとの間の空隙を正確に測定することが含まれる。光計測プローブを走査する経路が明確であるため、経路によって非球面の偏差を測定するための基準面が得られる。

これ等の測定方法には長所と短所がある。例えば、波面に基づく測定は、中間空間周波数範囲における、非回転対称形状及び表面変動の測定には非常に長けているが、回転対称表面成分の測定についてはあまり得意ではない。一方、形状に基づく測定は回転対称表面成分の測定には非常に長けているが、非回転対称成分の測定についてはあまり得意ではない。また、測定ビームが測定の解像度を制限する空間的な広がり（例えば、約１００マイクロメートル）を有しているため、この測定は中間空間周波数成分の測定についてもあまり得意ではない。更に、形状に基づく測定は、特定の表面誤差をマスクする固有の雑音特性も有している。

従って、非球面ついての最良の特性評価を得るためには、非球面素子を１つの測定システムから別の測定システムに移し、形状に基づく特性評価と波面に基づく特性評価を個別に得る必要がある。次いで、２つの異なる測定システムから測定データを収集し結合することにより、非球面についての最終的な特性評価を得る必要がある。これには非常に多くの時間と労力を要する。

本開示の１つの態様は、非球面素子の非球面の形状を測定する装置である。この装置は支持構造体と、支持構造体に移動可能に取り付けられた可動ステージとを備えている。また、可動ステージ上に配置され、装置軸に沿って非球面素子を回転可能に支持するよう構成された回転可能な基部も備えている。干渉波面測定システムが支持構造体に動作可能に支持されており、このシステムは、非球面の波面に基づく測定データを収集するために測定用波面を用いて非球面を光学的に観察するよう構成されている。形状測定システムが支持構造体に動作可能に支持されており、このシステムは、非球面の形状に基づく測定データを収集するために非球面に対し少なくとも１回の非接触式の形状に基づく測定を行うよう構成されている。コントローラが、波面に基づく測定データと形状に基づく測定データとを受信し処理することにより、非球面の総合評価を決定するよう構成されて成るものである。

本開示の別の態様は、上記装置であって、支持構造体が第１及び第２の支持柱を支持するプラットフォームを備え、干渉波面測定システムが第１の支持柱によって支持され、形状測定システムが第２の支持柱によって支持されて成るものである。

本開示の別の態様は、上記装置であって、干渉波面測定システムが、第１の支持柱に移動可能に取り付けられたヌル光学素子を備えて成るものである。

本開示の別の態様は、上記装置であって、コントローラがプロセッサと、理想非球面形状データを含むメモリとを備え、波面に基づく測定データが、非回転対称データ成分と中間空間周波数成分とを含み、形状に基づく測定データが回転対称データ成分を含み、コントローラが、非回転対称データ成分、中間空間周波数成分、回転対称データ成分、及び理想非球面形状データをプロセッサに処理させ、非球面の総合評価を決定する、コンピュータ可読媒体に体現された命令によって動作するよう構成されて成るものである。

本開示の別の態様は、上記装置であって、略凹面又は略凸面を成す非球面を含んで成るものである。

本開示の別の態様は、上記装置であって、非球面素子がミラーを備えて成るものである。

本開示の別の態様は、上記装置であって、非球面素子が実際に製造された非球面形状と目標とする非球面形状とを有し、非球面の総合評価が実際に製造された非球面形状と目標とする非球面形状との差を含んで成るものである。

本開示の別の態様は、実際に製造された非球面形状と目標とする非球面形状とを有する非球面素子の非球面の形状を測定する装置である。装置は、非球面素子を装置軸に沿って回転可能に支持するよう構成された回転可能な基部を支持する可動ステージと、非球面素子に対し動作可能に相対配置され、測定用波面を用いて非球面を光学的に観察し、非球面の波面に基づく測定データを収集するよう構成された干渉波面測定システムと、非球面素子に対し動作可能に相対配置され、プローブ光を用いて非球面に対し少なくとも１回の非接触式の形状に基づく測定を行い、非球面の形状に基づく測定データを収集するよう構成された形状測定システムと、波面に基づく測定データと形状に基づく測定データとを受信し処理することにより、非球面の総合評価を決定するよう構成されたコントローラとを備えている。

本開示の別の態様は、上記装置であって、コントローラが、プロセッサと、目標とする非球面形状を表すデータを含むメモリとを備え、波面に基づく測定データが、非回転対称データ成分と中間空間周波数成分とを含み、形状に基づく測定データが回転対称データ成分を含み、コントローラが、非回転対称データ成分、中間空間周波数成分、回転対称データ成分、及び目標とする非球面形状を表すデータをプロセッサに処理させ、非球面の総合評価を決定する、コンピュータ可読媒体に体現された命令によって動作するよう構成されて成るものである。

本開示の別の態様は、上記装置であって、非球面の総合評価が実際に製造された非球面形状と目標とする非球面形状との差を含んで成るものである。

本開示の別の態様は、上記装置であって、略凹面又は略凸面を成す非球面素子を含んで成るものである。

本開示の別の態様は、上記装置であって、干渉波面測定システム及び形状測定システムが、各々プラットフォームに支持された第１及び第２の柱にそれぞれ支持され、可動ステージが第１の柱に移動可能に支持されて成るものである。

本開示の別の態様は、実際に製造された非球面形状と目標とする非球面形状とを有する非球面素子の非球面の特性を明らかにする方法である。この方法は非球面素子を回転可能な基部上に支持するステップと、非球面に対し少なくとも１回の波面に基づく測定を行い、非回転対称データ成分及び中間空間周波数データ成分を含む波面に基づく測定データを取得するステップと、非球面に対し少なくとも１回の形状に基づく測定を行い、回転対称データ成分を含む形状に基づく測定データを取得するステップと、非回転対称データ成分、中間空間周波数データ成分、回転対称データ成分、 及び目標とする非球面形状から、実際に製造された非球面形状の目標とする非球面形状からの偏差を決定するステップとを有し、回転可能な基部から非球面素子を移動せずに、少なくとも１回の波面に基づく測定と少なくとも１回の形状に基づく測定とを行うものである。

本開示の別の態様は、上記方法であって、回転可能な基部の異なる角度位置において、非球面に対し、複数の波面に基づく測定を行うステップと、複数の波面に基づく測定の結果を処理し、非回転対称データ成分の測定誤差を低減するステップを更に有して成るものである。

本開示の別の態様は、上記方法であって、少なくとも１回の形状に基づく測定を行うステップが１〜１０回の形状に基づく測定を行うことを含んで成るものである。

本開示の別の態様は、上記方法であって、少なくとも１回の波面に基づく測定の前に、少なくとも１回の形状に基づく測定を行うものである。

本開示の別の態様は、上記方法であって、少なくとも１回の波面に基づく測定が波面干渉計システムにより行われ、少なくとも１回の形状に基づく測定が形状測定システムにより行われ、これらの波面干渉計システムおよび形状測定システムの各々は、可動ステージ上の回転可能な基部も支持する支持フレームによって、各々動作可能に支持されたものである。

本開示の別の態様は、上記方法であって、非球面素子が略凹面又は略凸面を成す非球面を有して成るものである。

本開示の別の態様は、上記方法であって、複数の形状に基づく測定の結果を平均することにより、形状に基づく測定データを確定するステップを更に有して成るものである。

本開示の別の態様は、上記方法であって、プロセッサを備えたコントローラであって、非回転対称データ成分、中間空間周波数成分、回転対称データ成分、及び目標とする非球面形状データをプロセッサに処理させ、実際に製造された非球面形状の目標とする非球面形状からの偏差を決定する、コンピュータ可読媒体に体現された命令で動作するよう構成されたコントローラを使用するステップを更に有して成るものである。

更なる特徴及び効果は以下の詳細な説明に述べてあり、当業者とって、一部はその説明から容易に明らかであり、本明細書、特許請求の範囲、及び添付図面に示された実施の形態を実施することによって認識できるものと思料する。上記概要説明及び以下の詳細な説明は単なる例示であって、本特許請求の性質及び特徴を理解するための概要又は枠組みを提供することを意図したものである。

添付図面は理解を深めるためのものであり、本明細書に組み込まれその一部を構成するものである。図面には１つ以上の実施の形態が示されており、詳細な説明と共に、各種実施の形態の原理及び作用の説明に役立つものである。従って、添付図面と併せ、以下の詳細な説明によって、本開示をより完全に理解できるものである。
本開示の統合、即ち“総合”非球面測定装置の例示的な実施の形態の正面図。 上記非球面測定装置の側面図。 上記非球面測定装置の正立面図。 仮想線で示す基部上に載置された非球面素子を上から見た図。 略凸形状を成す非球面素子を測定するよう構成された非球面測定装置の側面図。 非球面の目標又は理想形状からの偏差を示す非回転対称データ成分を示す（カラープロットから得た）グレースケールプロット。 非球面の目標又は理想形状からの偏差を示す中間空間周波数データ成分を示す（カラープロットから得た）グレースケールプロット。 光学ヘッドの走査経路によって規定される基準曲線と比較した、光学ヘッドの所与の走査における、実測表面形状を示す概略図。 非球面の総合特性評価を実測表面の理想非球面形状からの偏差として示す、二次元カラープロットのグレースケール表示例を示す図。

添付図面に例を示す、本開示の様々な実施の形態について以下詳細に説明する。図面全体を通し、同一又は同様の部品については、可能な限り同一の参照番号又は参照符号が付してある。図面は必ずしも縮尺どおりではないが、当業者にとって、本開示の重要な態様を示すために、図面のどこが簡略化してあるか理解できるものと考える。

以下に記載の特許請求の範囲は、本発明を実施するための形態に援用され、その一部を構成するものである。

本明細書に記載のすべての刊行物又は特許文献に開示されているすべての内容を本明細書に援用するものである。

参考としてデカルト座標が一部の図面に示してあるが、これによって方向又は向きが限定されるものではない。

図１及び図２はそれぞれ本開示の統合、即ち“総合”非球面測定装置（以下“装置”）１０の例示的な実施の形態の正面図及び側面図であり、図３はその正立面図である。装置１０は、上記のように、波面に基づく測定及び形状に基づく測定により、非球面素子１４の非球面１２を測定するよう構成されて成るものである。非球面素子１４は鏡、屈折レンズ、又は非球面形状を担持するその他の光学素子であってよい。非球面１２は略凹形状又は略凸形状のいずれかであってよい。例示として、図１〜３に示す非球面素子１４は、略凹形状を成している。後述する図５は、略凸形状を成す非球面素子１４を測定するよう構成された装置１０の実施の形態を示すものである。

装置１０は、各々が非球面素子１４に相対配置された干渉波面測定システム（以下“干渉計システム”）２０と形状測定システム（以下、“形状システム”）８０とを備えている。非球面素子１４は装置軸Ａ１を中心に配置されている。１つの例において、装置１０はＸ−Ｙ面に広がるプラットフォーム２００を有する支持構造体１９０も備えている。Ｙ−Ｚ面に位置する前面２１２を有する第１支持柱２１０及びＸ−Ｚ面に位置する前面２４２を有する第２支持柱２４０がプラットフォーム２００によって支持されている。

垂直レール２１４が第１支持柱２１０の前面２１２に支持されている。可動ステージ２２０がレール２１４に取り付けられ、レールに沿ってＺ方向上下に移動可能である。非球面素子１４を支持するよう構成された基部２３０が可動ステージ２２０によって支持されている。基部２３０が回転軸ＡＲ（光軸Ａ１と同軸）を中心に回転するよう構成されているため、非球面素子１４が光軸を中心に回転可能である。図４は、仮想線で示す基部２３０上に載置された非球面素子１４を上から見た図である。基部２３０が回転することにより、非球面素子１４が基準ＲＥＦに対して光軸Ａ１を中心に相対的に回転し、基準に対し方位角θの位置に配置される。１つの例において、非球面素子１４が、基準ＲＥＦに対し非球面素子１４を選択した向きに配置できる目印、即ち特徴的なマーク１５を（例えば、側面に）有している。１つの例において、基部２３０が空気軸受を備えている。基部２３０、従って非球面素子１４は、基準ＲＥＦに対する異なる回転量によって規定される異なる角度位置θをとることができる。

図１〜３に戻り、第１支持柱２１０は、レール２１４に取り付けられた支持部材２６を介し、光源、検知光学系２２、およびヌル光学素子２４等の干渉計システム２０の主要なコンポーネントを移動可能に支持することもできる。支持部材２６がレール２１４に沿って上下に移動可能であるため、光源、検知光学系２２、及びヌル光学素子２４の位置が調整可能である。別の例示的な実施の形態において、光源及び検知光学系２２は第１支持柱２１０の固定位置に取り付けられている。

１つの例において、ヌル光学素子２４は非球面素子であり、別の例ではコンピュータによって生成されたホログラム（ＣＧＨ）素子である。ヌル光学素子２４は測定波面を非球面１２の目標とする（即ち、期待又は理想とする）形状に変形するよう構成されている。測定波面は、非球面１２の全表面（又は少なくとも測定する表面部分）にわたり、垂直に入射するよう変形される。

１つの例において、波面干渉計システム２０は、支持部材の１つを介し、第１支持柱２１０に移動可能に支持されてもよい、フィゾーレンズ系等の光学系２８も備えている。光学系２８は干渉測定を行うための基準波面を提供する基準表面２８Ｒを備えている。

光計測プローブ３１０を支持する回転支持部材３００が、第２支持柱２４０によって動作可能に支持されている。例示的な実施の形態において、回転支持部材３００は空気軸受を備えている。従って、光計測プローブ３１０は、Ｙ方向に延びる回転軸Ａ２を中心に回転支持部材３００によって回転可能である。光計測プローブ３１０は、回転支持部材３００に固定され、Ｘ−Ｚ面に位置する第１アーム３１２を備えている。

光計測プローブ３１０は、回転軸Ａ２と平行になるよう第１アーム３１２から直角に延びる第２アーム３１４も備えている。第２アーム３１４は、集束プローブ光（即ちプローブ光）３２２を発するよう構成された光学ヘッド３２０を第１アーム３１２と平行な光軸Ａ３に沿って支持している。例示的な実施の形態において、プローブ光３２２はレーザー光である。第１アーム３１２をＺ方向に合わせると、光軸Ａ３もＺ方向に一致し、非球面素子１４の中心を通る装置軸Ａ１と同軸になる。

装置１０は、以下に述べる装置全体の動作を制御するよう構成されたコントローラ３５０も備えている。１つの例において、コントローラ３５０はディスプレイ３５６を備えている。１つの例において、コントローラ３５０は回転支持部材３００、可動ステージ２２０、及び回転可能な基部２３０に動作可能に接続されている。１つの例において、コントローラ３５０は、（例えば、コンピュータ可読媒体又は機械可読媒体に体現されたソフトウェア等の命令を介して）装置１０の各種コンポーネントの動作をコントローラに制御させるよう構成されたコンピュータ又は同様の機械を備えている。コントローラ３５０はプロセッサユニット（ブロセッサ）３５２とメモリユニット（メモリ）３５４とを備えている。例示的なコントローラ３５０は、プロセッサを有するコンピュータであり、又はコンピュータを備え、マイクロソフトＷＩＮＤＯＷＳ（登録商標）又はＬＩＮＵＸ（登録商標）等のオペレーティングシステムを備えている。

例示的な実施の形態において、プロセッサ３５２は、一連のソフトウェア命令を実行できる任意のプロセッサ又は装置であって、又は任意のプロセッサ又は装置を備えたものであって、以下に限定されない、汎用又は特殊用マイクロプロセッサ、有限状態機械、コントローラ、コンピュータ、中央処理装置（ＣＰＵ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、又はデジタル信号プロセッサを備えている。

メモリ３５４はプロセッサ３５２に動作可能に接続されている。本明細書において、“メモリ”とは、プロセッサ３５２によって実行可能な一連の命令を記憶できるＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等を含みこれに限定されない任意のプロセッサ可読媒体を意味する。

本明細書に記載の測定方法は、装置１０の動作を制御することにより、本明細書に記載の測定方法をコントローラ３５０に実行させる機械可読命令（例えば、コンピュータ・プログラム及び／又はソフトウェア・モジュール）を含む機械可読媒体（例えば、メモリ３５４）に様々な実施の形態で実施してもよい。例示的な実施の形態において、メモリ３５４からのコンピュータ・プログラムがプロセッサ３５２によって実行される。

コンピュータ・プログラム及び／又はソフトウェア・モジュールは、本開示の様々な方法を実行すると共に、装置１０の各種コンポーネントの動作及び機能を制御するための複数のモジュール又はオブジェクトから成ってもよい。コードに使用されるコンピュータ・プログラミング言語の種類は、手続きコード型言語からオブジェクト指向言語に至る範囲としてもよい。ファイル又はオブジェクトは、モジュール又は記述されている方法ステップに対し１対１で対応している必要はない。更に、方法及びシステムはソフトウェア、ハードウェア、及びファームウェアの組合せから成ってもよい。ファームウェアは、本明細書に開示の例示的な各種実施の形態を実施するためのプロセッサ３５２にダウンロードできる。

コントローラ３５０は、メモリ３５４に記憶されている非球面素子１４に関する情報を備えている。この情報には（例えば、非球面係数、円錐定数、および標準の非球面式のその他の数学的な表面形状パラメータ等に基づく）非球面１２の目標又は理想形状、非球面素子１４全体の寸法等が含まれている。本明細書において、この情報を“理想非球面形状データ”と呼ぶことにする。製造された非球面１２は、非球面の製造工程における不備により、目標又は理想形状には及ばない。

コントローラ３５０は、波面に基づく測定及び形状に基づく測定による測定データをプロセッサ３５２に処理させ、非球面１２の総合（又は“完全な”）特性評価を作成させる、コンピュータ可読媒体に体現されたソフトウェアを更に有している。１つの例において、総合特性評価は製造時の非球面１２の目標又は理想形状からの偏差を表している。別の例において、統合特性評価は実際に測定された表面形状である。

図５は装置１０の形状システム８０の拡大図であって、非球面１２が略凸形状を成す場合において、非球面素子１４を測定するための構成を示すものである。図５の構成において、ステージ２２０が回転軸Ａ２の上になるようＺ方向に移動される。凸状の非球面１２の測定を行う場合、光計測プローブ３１０が、その向きに対し基本的に逆さまに搖動（即ち、１８０度回転）される。Ｚ方向かつ略凸形状を成す非球面１２に向けて光３２２を導くことができるよう、光学ヘッド３２０も１８０度回転する。この構成において、干渉計システム２０の各種コンポーネントは光学ヘッド３２０の上部に位置するため、図５には示してない。

操作方法
装置１０を操作する例示的な方法において、試験される非球面素子１４が基部２３０上に載置される。この載置は、上述したように、基準方位ＲＥＦに対し、選択された方位であってもよい。装置１０は波面に基づく測定又は形状に基づく測定のいずれかを行うことができるため、どちらを先に行うかは操作者によって決定される。

まず波面に基づく測定が選択されたとすると、光計測プローブ３１０は、波面に基づく測定の邪魔にならないように回転される（例えば、図１参照）。次に、光源及び検出光学系２２に光３０を発光させることにより、干渉計システム２０が作動する。これは手動で行うこともコントローラの動作を介して行うこともできる。

非球面１２を光学的に観察し、非球面の波面に基づく測定データを収集するために、光３０が用いられる。具体的には、光学系２８及びヌル光学素子２４を介して光３０が略−Ｚ方向の非球面１２に向けられる。光３０の一部が基準面２８で反射されることにより、光源及び検出光学系２２において使用される基準波面３０Ｒが規定される。非球面１２が光３０の少なくとも一部を反射することにより、サンプル波面３０Ｓが形成される。サンプル波面３０Ｓは略＋Ｚ方向に進み、ヌル光学素子２４及び光学系２８を通して光源及び検出光学系２２に到達する。このようにして、サンプル波面３０Ｓと基準波面３０Ｒとが光源及び検出光学系２２によって受信され検出される。従って、波面に基づく測定は非接触式の表面測定である。

これ等２つの波面３０Ｓと３０Ｒとが干渉すると共に、光源内部及び検出光学系２２において検出されることにより干渉縞が生成され、その干渉縞が干渉縞電気信号Ｓ１に体現される。この電気信号Ｓ１がコントローラ３５０に送信され、そこでプロセッサ３５２によってその信号が処理され、非球面１２に関する波面に基づく測定データが抽出される。この波面に基づくデータは、非回転対称データ成分及び中間空間周波数データ成分という２つの主なデータ成分を含んでいる。

１つの例において、中間空間周波数は０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲である。別の例において、中間空間周波数は非球面１２の直径の割合と定義され、例えば、直径の１％〜１０％である。

図６Ａ及び６Ｂは、波面に基づくデータの非回転対称データ成分４１０ＮＲＳと中間空間周波数データ成分４１０ＭＳＦとをそれぞれ示す（カラープロットから得られた）グレースケールプロットである。図６Ａ及び６Ｂにおいて、これ等のデータ成分は非球面１２の目標又は理想形状からの偏差として示されている。これはメモリ３５４に記憶されている理想非球面形状データを用いてプロセッサ３５２によって達成される。コントローラ３５０は、波面に基づくデータをディスプレイ３５６に表示することもできる。波面に基づくデータは、非回転対称データ成分、中間空間周波数データ成分、及び上記理想非球面形状データと共に、メモリ３５４に記憶することもできる。

１つの例において、基部２３０を回転させることができ、異なる回転方位θにおいてもう一度波面に基づく測定を行い、非球面１２の非回転対称データ成分の特性をより正確に表す。このように、１つの例において、角度に依存する変動を干渉計システム２０の測定に起因したすべての誤差から分離できる、厳選された一連の回転位置（方位）θが選択される。これらの誤差には中間空間周波数誤差から干渉計システム２０の検出限界に至る誤差が含まれる。

波面に基づく測定が終了すると、次に装置１０を用いて形状に基づく測定が行われる。これは、基部２３０から非球面素子１４を移動せずに、第２の測定を行うことができることを意味する。形状に基づく測定は、回転支持部材３００を回転させ、それによって光計測プローブ３１０を回転させることによって行われる。この回転によって、光学ヘッド３２０が略一定の半径を有し非球面１２に近接した走査経路ＳＰ上を揺動し、それによって空隙Ｇ（図２及び５参照）が画成される。

光学ヘッド３２０によって非球面１２上を走査すると、光学ヘッド３２０からの光３２２が非球面１２で反射し反射光３２２Ｒとなる。反射光３２２Ｒは光学ヘッド３２０によって収集され、収集された反射光を用いて、走査経路の位置に沿った関数として、空隙Ｇの大きさが算出される。各走査が非球面１２の中心を通り、非球面１２の異なる直線部分がカバーされるよう、各走査と走査との間において基部２３０を回転させることができる。１つの例において、走査は１回以上、例えば、１〜１０回行われる。形状に基づく測定は非接触式の表面測定である。

１つの例において、所与の走査の所要時間が約２０秒である。１つの例において、複数の走査による形状に基づくデータを平均することにより、方位角θを関数とした測定変動及び形状に基づく測定装置の固有雑音を平滑化した平均表面形状データが提供される。

回転支持部材３００をＺ方向に沿って平行移動させることにより、光学ヘッド３２０を最適位置に配置できる。同様に、ステージ２２０をＺ方向に沿って平行移動させることにより、光計測プローブ３１０の回転軸Ａ２に対し非球面１２を確実に適切配置することができる。計測プローブ３１０の光学ヘッド３２０が縦断するほぼ完全な円形を成す走査経路ＳＰが、非球面１２の形状をナノメートル・レベルの精度で測定するための基準曲線となる。図６Ｃは光学ヘッド３２０の所与の走査において測定された表面形状４２０ＳＰと走査経路ＳＰによって規定された基準カーブ４２０ＲＣとを比較した概略図である。

光学ヘッド３２０による非球面１２上の所与の走査による形状評価がコントローラ３５０に送信される形状電気信号Ｓ２に体現される。１つ以上の形状電気信号Ｓ２がプロセッサ３５２によって受信され処理されることにより、表面形状データが抽出される。このデータはメモリ３５４に記憶することができる。１つの例において、表面形状データが回転対称成分を含んでいる。この回転対称成分はプロセッサ３５２によって抽出されメモリ３５４に記憶される。１つの例において、一次元（１Ｄ）走査がプロセッサ３５２によって回転対称性を有する二次元（２Ｄ）マップに変換される。次に、この２Ｄマップがメモリ３５４に記憶される。

波面に基づくデータ及び形状に基づくデータの収集が終了すると、それらのデータが処理され、非球面１２の総合特性評価が作成される。例示的な実施の形態において、これには、プロセッサ３５２による、波面に基づくデータの非回転対称データ成分及び中間空間周波数成分と、形状に基づくデータの回転対称データ成分との結合、及び結合したデータとメモリ３５４に記憶されている理想非球面形状データとの比較が含まれる。１つの例において、結合したデータ成分を理想非球面形状データと比較することにより、目標又は理想非球面１２と製造された実際の非球面との形状の違いが明らかにされる。図７は非球面１２の総合特性評価を測定面の理想非球面形状からの偏差として示す、二次元カラープロットをグレースケール表示した例である。

非球面１２の総合特性評価の利点には、回転対称表面成分の形状に基づく測定がより正確であること、非回転対称成分の波面に基づく測定がより正確であること、並びに波面に基づく測定における中間空間周波数測定成分の解像度がより良いことがあげられる。

１つの例において、波面に基づく測定と形状に基づく測定とを別々の装置で行う場合に要する時間の約１／３で非球面１２の特性を明らかにすることができる。非球面素子１４を取り外して別の装置の別の基部に再度取り付ける必要がないため、両方の測定精度が向上する。更に、装置１０によって、コンピュータ、位置合わせステージ、支持部材等、コンポーネントの重複を避けることができるため、コストを大幅に削減することができる。

添付の特許請求の範囲に規定する本発明の精神又は範囲を逸脱することなく、本明細書に開示の好ましい実施の形態に対し様々な改良が可能であることは当業者にとって明らかであると思料する。従って、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲に属することを条件に、本開示はかかる改良及び変形もカバーするものである。

１０ 統合非球面測定装置
１２ 非球面
１４ 非球面素子
２０ 干渉波面測定システム
２２ 検知光学系
２４ ヌル光学素子
８０ 形状測定システム
１９０ 支持構造体
２００ プラットフォーム
２１０ 第１支持柱
２２０ 可動ステージ
２３０ 基部
２４０ 第２支持柱
３００ 回転支持部材
３１２ 第１アーム
３１４ 第２アーム
３２０ 光学ヘッド
３５０ コントローラ

Claims (10)

1. 非球面素子の非球面の形状を測定する装置であって、
   支持構造体と、
   前記支持構造体に移動可能に取り付けられた可動ステージと、
   前記可動ステージ上に配置され、装置軸に沿って前記非球面を回転可能に支持するよう構成された回転可能な基部と、
   前記支持構造体に動作可能に支持され、測定波面を用いて前記非球面を光学的に観察し、該非球面の波面に基づく測定データを収集するよう構成された干渉波面測定システムと、
   前記支持構造体に動作可能に支持され、前記非球面に対し少なくとも１回の非接触式の形状に基づく測定を行い、該非球面の形状に基づく測定データを収集するよう構成された形状測定システムと、
   前記波面に基づく測定データと前記形状に基づく測定データとを受信し処理することにより、前記非球面の総合評価を決定するよう構成されたコントローラと、
   を備えたことを特徴とする装置。
2. 前記支持構造体が、第１及び第２の支持柱を支持するプラットフォームを備え、前記干渉波面測定システムが前記第１の支持柱によって支持され、前記形状測定システムが前記第２の支持柱によって支持されて成ることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記干渉波面測定システムが、前記第１の支持柱に移動可能に取り付けられたヌル光学素子を備えて成ることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記コントローラがプロセッサと、理想非球面形状データを含むメモリとを備え、
   前記波面に基づく測定データが、非回転対称データ成分と中間空間周波数成分とを含み、前記形状に基づく測定データが、回転対称データ成分を含み、
   前記コントローラが前記非回転対称データ成分、前記中間空間周波数成分、前記回転対称データ成分、及び前記理想非球面形状データをプロセッサに処理させ、前記非球面の前記総合評価を決定する、コンピュータ可読媒体に体現された命令によって動作するよう構成されて成ることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 実際に製造された非球面形状と目標とする非球面形状とを有する非球面素子の非球面の形状を測定する装置であって、
   前記非球面素子を装置軸に沿って回転可能に支持するよう構成された回転可能な基部を支持する可動ステージと、
   前記非球面素子に対し動作可能に相対配置され、測定用波面を用いて前記非球面を光学的に観察し、該非球面の波面に基づく測定データを収集するよう構成された干渉波面測定システムと、
   前記非球面素子に対し動作可能に相対配置され、プローブ光を用いて前記非球面に対し少なくとも１回の非接触式の形状に基づく測定を行い、該非球面の形状に基づく測定データを収集するよう構成された形状測定システムと、
   前記波面に基づく測定データと前記形状に基づく測定データとを受信し処理することにより、前記非球面の総合評価を決定するよう構成されたコントローラと
   を備えたことを特徴とする装置。
6. 前記コントローラが、プロセッサと、前記目標とする非球面形状を表すデータを含むメモリとを備え、
   前記波面に基づく測定データが非回転対称データ成分と中間空間周波数成分とを含み、前記形状に基づく測定データが回転対称データ成分を含み、
   前記コントローラが、前記非回転対称データ成分、前記中間空間周波数成分、前記回転対称データ成分、及び前記目標とする非球面形状を表す前記データをプロセッサに処理させ、前記非球面の前記総合評価を決定する、コンピュータ可読媒体に体現された命令によって動作するよう構成されて成ることを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 実際に製造された非球面形状と目標とする非球面形状とを有する非球面素子の非球面の特性を明らかにする方法であって、
   前記非球面素子を回転可能な基部上に支持するステップと、
   前記非球面に対し少なくとも１回の波面に基づく測定を行い、非回転対称データ成分と中間空間周波数データ成分とを含む波面に基づく測定データを取得するステップと、
   前記非球面に対し、少なくとも１回の形状に基づく測定を行い、回転対称データ成分を含む形状に基づく測定データを取得するステップと、
   前記非回転対称データ成分、前記中間空間周波数データ成分、前記回転対称データ成分、 及び前記目標とする非球面形状から、前記実際に製造された非球面形状の前記目標とする非球面形状からの偏差を決定するステップと、
   を有し、
   前記回転可能な基部から前記非球面素子を移動せずに、前記少なくとも１回の波面に基づく測定と前記少なくとも１回の形状に基づく測定とを行うことを特徴とする方法。
8. 前記回転可能な基部の異なる角度位置において、前記非球面に対し、複数の波面に基づく測定を行うステップと、
   前記複数の波面に基づく測定の結果を処理し、非回転対称データ成分の測定誤差を低減するステップと、
   を更に有して成ることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記少なくとも１回の形状に基づく測定を行うステップが、１〜１０回の形状に基づく測定を行うことを含んで成ることを特徴とする請求項７記載の方法。
10. 前記少なくとも１回の波面に基づく測定が波面干渉計システムにより行われ、前記少なくとも１回の形状に基づく測定が形状測定システムにより行われ、該波面干渉計システムおよび該形状測定システムの各々は、可動ステージ上の前記回転可能な基部も支持する支持フレームによって、各々動作可能に支持されたことを特徴とする請求項７記載の方法。

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