JP2018040570A - 計測装置、光学機器の製造方法および光学機器の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象に合わせて、収差および光学系から射出された波面のパワーを容易に変化させることが可能な計測装置を提供すること。【解決手段】被検面の形状または透過波面を計測する計測装置であって、光源からの光を、照明光として被検面に照射する光学系と、被検面からの反射光または透過光を検出するセンサと、を有し、光学系は、物体側から順に、正の屈折率を有する前群と、正の屈折力を有する後群と、を備え、変倍に際して、前群は光軸方向に沿って移動し、後群は光軸方向の位置が固定され、前群の焦点距離をｆ１、後群の焦点距離をｆ２とするとき、１＜ｆ１／ｆ２＜１０なる条件式を満足する。【選択図】図１

Description

本発明は、計測装置、光学機器の製造方法および光学機器の製造装置に関する。

レンズやミラー等の光学素子の面形状または透過波面の計測では、様々なパワー（曲率）を有する被検物の計測が要求される。フィゾー干渉計に代表される光を用いた面形状計測では、被検面のパワーと被検面に照射される波面のパワーとが互いに同一（被検面の曲率中心と照射波面の集光位置とが互いに同一）、またはパワーが互いに近い状態で計測を行う（非特許文献１参照）。このような構成により、被検面からの反射光と参照面からの反射光とが近い光路を通過するため、干渉パターンから装置のシステムエラーが除去され、被検面の形状を高精度に算出できる。パワーが異なる面計測時には、照射波面と被検面のパワーが一致するように、被検物を光軸方向に沿って移動させる。

また、透過波面計測では、計測された透過波面から光学系の性能を判定する。そのため、製品上で実際に使用する光路に近くなるように被検面に波面を照射する。従って、計測対象が変わると照射波面のパワーも異なるため、それに合わせるように被検物を光軸方向に沿って移動させる。

ダニエル・マラカーラ（Ｄａｎｉｅｌ Ｍａｌａｃａｒａ）、「オプティカル・ショップ・テスティング（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｈｏｐ Ｔｅｓｔｉｎｇ）」、２９項―３０項、図１．３０、図１．３１．

しかしながら、照射波面のパワーを変えるために被検物を光軸方向に沿って移動させる方法では、被検物のパワーの絶対値が大きくなると、集光位置近傍に被検物が配置されるため、波面の径が小さくなってしまう。照射波面を形成する光学系を交換することで、照射波面のパワーを変えてもよいが、様々なパワーを有する被検物に対応するためには、光学系の有効径を大きくするか、複数の光学系を用意する必要がある。従って、コストが高くなるとともに、作業性が悪化してしまう。特に、パワーの小さい被検物に収斂光を照射して計測を行う場合には、単位移動量あたりのパワー変化量が小さくなるため、上記の問題が顕著に現れてしまう。

また、透過波面計測では、レンズを透過する光を実際に使用する光路に近づけるため、被検物ごとに収差を変化させる必要がある。しかしながら、照射波面のパワーを変化させるために被検物を光軸方向に沿って移動させる方法では、照射波面の収差は変化しない。よって、計測値と製品搭載時の透過波面の値が異なり、計測装置上で良好な計測結果でも、計測対象を製品に搭載すると目標性能を満たさないという問題が発生する。この問題を解決するために、計測対象ごとに照射波面を形成する光学系を交換してもよいが、コストが高くなるとともに、作業性が悪くなってしまう。

このような課題に鑑みて、本発明は、計測対象に合わせて、収差および光学系から射出される波面のパワーを容易に変化させることが可能な計測装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての計測装置は、被検面の形状または透過波面を計測する計測装置であって、光源からの光を、照明光として前記被検面に照射する光学系と、前記被検面からの反射光または透過光を検出するセンサと、を有し、前記光学系は、物体側から順に、正の屈折率を有する前群と、正の屈折力を有する後群と、を備え、変倍に際して、前記前群は光軸方向に沿って移動し、前記後群は光軸方向の位置が固定され、前記前群の焦点距離をｆ１、前記後群の焦点距離をｆ２とするとき、
１＜ｆ１／ｆ２＜１０
なる条件式を満足することを特徴とする。

本発明によれば、計測対象に合わせて、収差および光学系から射出された波面のパワーを容易に変化させることが可能な計測装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る計測装置の概略構成図である。 被検物に照射される波面のパワーを変化させる方法の説明図である 合成レンズの主点位置の説明図である。 実施例１の計測装置の概略構成図である。 実施例１の計測装置のレンズ断面図と球面収差図である。 実施例２の計測装置光学系の概略構成図である。 実施例２の被検物の形状算出方法を示すフローチャートである。 実施例３の光学機器の製造装置の構成図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る計測装置１００の概略構成図である。以下の説明では、図１中に示したｘｙｚ直交座標系を用いて各記号の定義や光学系内の位置を説明する。ｚ軸が計測装置１００の光学系の光軸に相当し、以下の説明では光軸ＡＸＬと記す。また、光軸ＡＸＬが延びる方向を光軸方向という。

光源１から射出された照明光は、集光レンズ２を介してピンホール３を照明する。本実施形態では、光源１、集光レンズ、およびピンホール３は、光源部を構成する。ピンホール３から射出された発散光束は、正の屈折力を有する光学系（前群）４および正の屈折力を有する光学系（後群）５によって収斂光に変換され、被検物（被検面）７に照明光として照射される。本実施形態では、図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、変倍に際して、光学系４をピンホール３と光学系５との間で光軸ＡＸＬに沿って移動させる。このような構成により、被検物７に照射される波面のパワーを変化させることができる。言い換えると、集光位置６の位置を変化させることができる。

以下、本実施形態のパワー構成、光学系４の移動、および光学系４、５のパワーの関係について説明する。ピンホール３から射出された発散光束を収斂光に変換するためには、正の屈折力が必要である。そこで、本実施形態では、光学系４、５がともに正の屈折力を有するように構成している。このような構成とすることで、光学系４、５のパワーが小さくなる。その結果、各レンズで発生する収差や、光学系４の移動によって光線角度や高さが変化するために生じる収差の変動が小さくなる。従って、計測対象に合わせて照射波面の収差を変化させることが容易になる。また、製造誤差敏感度も低減でき、安価な光学系で高精度な計測が可能となる。

続いて、図１および図２を参照して、光学系４の移動について説明する。図２は、被検物７に照射される波面のパワーを変化させる方法の説明図である。被検物７に照射される波面のパワーを変化させる方法は、移動部を１つに限定すると、被検物７を光軸方向に沿って移動させる方法以外に、図２（ａ）の光源部を移動させる方法、図１の光学系４を移動させる方法、図２（ｂ）の光学系５を移動させる方法がある。

まず、図２（ａ）の光源部を移動部として移動させる方法について説明する。この方法では、光学系４、５および被検物７を固定して、光源部を光軸方向に沿って移動させることで、被検物７に照射される波面のパワーを変化させる。この方法における光学系４、５の合成レンズのパワーは、光学系４または光学系５を移動させて合成レンズのパワーを変化させる場合の最大パワーに近い。これは、合成レンズのパワーが小さい状態で、被検物７に照射される波面のパワーを大きくする場合、光源部と光学系４との間の距離を大きく離す必要があり、全長が長くなってしまうためである。従って、この方法では、移動部の位置に関係なく、常にパワーの大きい光学系にピンホール３から射出された光束が入射する。その結果、入射する光線高や入射角が変化することによって生じる収差の変動量が大きくなり、収差の制御が困難となる。また、実施例２で説明するように、面形状計測では被検物からの反射光のみをセンサに入射させるため、光路上に光分割手段を配置する必要がある。しかしながら、この方法では、光分割手段を光束径が一番小さい光源近傍に常に配置することができず、有効径が大型化してしまう。

次に、図２（ｂ）の光学系５を移動部として移動させる方法について説明する。この方法では、光源部、光学系４および被検物７を固定して、光学系５を光軸方向に沿って移動させることで、被検物７に照射される波面のパワーを変化させる。この方法では、光学系５が光学系４と被検物７との間で移動するため、図２（ｂ）の上側の図に示されるように、光学系４、５の合成レンズのパワーが大きくなる場合、光学系５と被検物７との距離が離れてしまう。従って、被検物７に照射される波面の径が小さくなってしまう。

そこで、本実施形態では、図１に示されるように、光源部、光学系５および被検物７を固定して、光学系４を移動部として光軸方向に沿って移動させることで、被検物７に照射される波面のパワーを変化させる。具体的には、光学系４を光学系５から離すことで、光学系４、５の合成レンズのパワーは小さくすることができる（図１（ｂ））。その結果、被検物７に照射される波面のパワーが小さい場合には、パワーの小さい合成レンズに光源からの光束が入射するため、図２（ａ）の光源部を移動させる方法と比較して、収差の制御が容易となる。さらに、本実施形態では被検物７は光学系５の近傍に常に配置されるため、合成レンズのパワーが大きくなる場合であっても被検物７に照射される波面の径を大きくすることができる。

最後に、図３を参照して、光学系４と光学系５のパワーの比について説明する。図３は、光学系４、５の合成レンズの主点位置の説明図である。本実施形態では、光学系４の焦点距離をｆ１、光学系５の焦点距離をｆ２とした場合、光学系４と光学系５の焦点距離の比は以下の条件式（１）を満足する。

まず、式（１）の左辺について説明する。光学系４と光学系５の合成レンズのパワーは、光学系４と光学系５との間の最も短い距離をｄ１、光学系４の移動量をΔｄとした場合、以下の式（２）で表される。

次に、ピンホール３から合成レンズの物体側主点までの距離をＨ０、光学系４から合成レンズの物体側主点までの距離をＨ、光学系５から合成レンズの像側主点までの距離をＨ’とした場合、距離Ｈ０、Ｈ、Ｈ’はそれぞれ、以下の式（３）−（５）で表される。

ここで、ｄ０は、光学系４と光学系５の間の距離がｄ１である場合のピンホール３と光学系４との間の距離である。

移動量Δｄが増加すると、式（２）より合成レンズのパワーは減少する。また、式（４）より距離Ｈは増加し、式（５）より距離Ｈ’は減少する。計測装置１００では、合成レンズのパワーが小さくなると、被検物７に照射される波面のパワーを小さく、すなわち光学系５から集光位置６までの距離を長くする必要がある。そのためには、ピンホール３から合成レンズの物体側主点までの距離Ｈ０が減少し、光学系５から合成レンズの像側主点までの距離Ｈ’が増加することが望ましい。しかしながら、移動量Δｄが増加すると、距離Ｈ’は、合成パワーが小さくなったことによる照射波面のパワーの減少を打ち消すように減少してしまう。また、移動量Δｄが増加すると、距離Ｈが増加するため、式（３）より距離Ｈ０の減少に悪影響を与える。従って、合成パワーが小さくなったことによる照射波面のパワーの減少を、距離Ｈ、Ｈ’の変化によって打ち消さない焦点距離および面間隔の条件を決定する必要がある。

ここで、式（４）、（５）より以下の式（６）が導かれる。

光学系４と光学系５の焦点距離の比は、式（６）のように距離Ｈと距離Ｈ’の比で表される。
ここで、式（３）より、移動量Δｄが増加した場合の距離Ｈの増加は、−Δｄによってキャンセルされる。そのため、焦点距離の比を距離Ｈ’に比べて距離Ｈが大きくなるように設定した場合、移動量Δｄの増加により距離Ｈが増加しても、距離Ｈ０は−Δｄにより増加せず、照射波面のパワーの減少を打ち消す影響は小さい。また、Ｈ＞―Ｈ’、すなわち１＜ｆ１／ｆ２とすることで、距離Ｈ’の絶対値を小さくする。その結果、距離Ｈ’の増減が照射波面のパワー変化に与える影響が小さくなり、合成パワーの変化に合わせて照射波面のパワーを大きく変えることができる。

さらに、１＜ｆ１／ｆ２という条件式から、光学系４のパワーは光学系５のパワーに比べて小さい。その結果、移動部である光学系４のレンズ枚数が少なくなり、駆動ステージ（不図示）に与える負荷を減らすことができる。また、光学系４の収斂効果が小さいため、光学系５に入射する光束径が大きくなり、その結果、被検物に照射される波面の径も大きくなる。

続いて、式（１）の右辺について説明する。光学系４の移動量Δｄは、光学系４がピンホール３に位置する場合に最大値ｄ０となる。従って、移動量Δｄが０の場合、照射波面のパワーの最大値φｍａｘは、以下の式（７）で表される。また、移動量Δｄがｄ０の場合、照射波面のパワーの最小値φｍｉｎは、以下の式（８）で表される。

ここで、照射波面のパワーの最大値φｍａｘに対する照射波面のパワー変化の比をβとすると、比βは以下の式（９）で表される。

ここで、εは、照射波面のパワーが最大値φｍａｘとなる場合の光学系５の物体距離の逆数である。物体距離の逆数εは、以下の式（１０）で表される。

ここで、式（１）の左辺より焦点距離ｆ１は、焦点距離ｆ２より大きい。そのため、ピンホール３から射出された発散光束は光学系４でほぼ収斂されず、光学系５に入射する光束は光学系４の移動に合わせて発散から略平行の間で変化する。その結果、照射波面のパワーが最大である場合、光学系５には略平行光が入射するため、ｄ０＋ｄ１≒ｆ１、ε≒０と近似できる。そのため、式（９）を変形することで、以下の式（１１）が導かれる。

式（１１）に示されるように、１／βはｆ１／ｆ２と近似できる。従って、ｆ１／ｆ２が大きくなると照射波面のパワー変化が小さくなる。本発明では、様々なパワーの照射波面を形成する必要がある。従って、照射波面のパワーの最大値φｍａｘに対する照射波面のパワー変化の比βが１割以上であることが望ましい。従って、β＞０．１、すなわちｆ１／ｆ２＜１０とすることで、照射波面のパワーを大きく変えることができる。

なお、本実施形態ではｆ１／ｆ２の値は、式（１）を満足する値としたが、さらに好ましくは以下の条件式（１２）を満足する値とすることで、本発明の効果をより発揮することができる。

以上説明したように、計測装置１００は、計測対象に合わせて、収差および照射波面のパワーを容易に変化させることが可能である。その結果、同一の計測装置で様々なパワーを有する被検物の計測が可能となるため、装置のコストを抑えるとともに、作業性を向上させることができる。これは、光学機器の設計自由度の向上や低コスト化につながり、競争力のある光学機器の開発が容易になる。

図４は、本実施例の計測装置１００Ａの概略構成図である。計測装置１００Ａは、カメラや顕微鏡といった製品レンズの中の、負のパワーを有する部分系である被検物の透過波面（検出光としての透過光）を計測するように構成されている。

ピンホール３から射出された発散光束は、光学系４および光学系５によって収斂光に変換され、被検物（被検面）７に照明光として照射される。そして、被検物７を透過した透過波面をセンサ８で計測する。本実施例では、センサ８として大波面が計測可能なシャックハルトマンセンサが用いられる。ただし、本実施例はこれに限定されるものではなく、他のセンサを用いてもよい。

図４（ａ）は、焦点距離が大きい被検物７を計測する場合の装置構成を示している。また、図４（ｂ）は、焦点距離が小さい被検物７を計測する場合の装置構成を示している。図４（ａ）、（ｂ）において、各被検物の第１面の頂点は光軸ＡＸＬ上の同一の位置に配置され、光学系４を移動させることで、各被検物に入射する波面を変化させている。

図５は、計測装置１００Ａのレンズ断面図と球面収差図である。本実施例では、被検物に入射する波面は、被検物が製品内で使用されるときの波面に一致させる。そのため、本実施例では、光学系４は、両凸レンズで構成されている。また、光学系５は、ピンホール３側からセンサ８側に順に、ピンホール３側に凸面を向けた正のメニスカスレンズ、両凸レンズ、ピンホール３側に凸面を向けた正のメニスカスレンズ、および両凹レンズで構成されている。このような構成とすることで、光学系４、５は条件式（１）を満足し、照射波面のパワーを大きく変化させることができるとともに、光学系４の各移動位置に目標の収差を形成することも容易となる。さらに、本実施例では、光学系５では、ピンホール３側に正レンズ、センサ８側に負レンズを配置している。この構成により、光学系５は望遠レンズとなり、光学系５の像側主点がピンホール３側に近づく。その結果、像側主点と集光位置６との間の距離が長くなるため、光学系５のパワーを小さくでき、収差制御が容易となる。

以下の表１は、本実施例の諸元値を示している。ＮＡｏ１は光学系４、５で焦点距離が大きい被検物を計測する場合の物体側開口数、ＮＡｏ２は焦点距離が小さい被検物を計測する場合の物体側開口数である。ｆ１／ｆ２は、光学系４と光学系５の焦点距離の比である。面番号は、光学系４、５において光線の進行する方向に沿った物体側からのレンズの面の順序を示している。ｒは、各レンズの曲率半径である。ｄ１は焦点距離が大きい被検物を計測する場合の各レンズ面の間隔、ｄ２は焦点距離が小さい被検物を計測する場合の各レンズ面の間隔である。ｎは、基準波長６３２．８ｎｍに対する媒質の屈折率であり、空気の屈折率１．００００００は省略している。なお、本実施例では、曲率半径ｒや各レンズ面の間隔その他の長さ等の単位として、特記のない限り［ｍｍ］を使用するが、光学系は比例拡大または比例縮小しても同等の光学性能が得られるのでこれに限定されない。

表１より、計測装置１００Ａは、条件式（１）を満足する。従って、計測装置１００Ａでは、２種の被検物に対し、被検物に入射する波面を被検物が製品内で使用されるときの波面と一致させることが可能である。その結果、従来のように被検物ごとに専用の光学系を作製する必要がなくなるため、装置のコストを抑えるとともに、作業性を向上させることができる。また、計測結果をそのまま被検物が搭載された製品の性能評価に使用できる。

図６は、本実施例の計測装置１００Ｂの概略構成図である。計測装置１００Ｂは、非球面レンズである被検物の面形状を一括で計測するように構成されている。

光源１から射出された照明光は、集光レンズ２を介してピンホール３を照明する。ピンホール３から射出された光束は、ハーフミラー（光分割手段）９に入射する。ハーフミラー９により反射された光束は、光学系４、５によって収斂光に変換され、被検物（被検面）７に照射光として照射される。６は、照明光の集光位置である。１１、１２、１３は、被検物７で反射された光線（反射光、検出光）である。被検物７が非球面であるため、光線１１、１２は交差する。被検物７で反射された反射光は、光学系５、４を通って集光されてハーフミラー９を透過し、光学系（投影光学系）１４に入射する。そして、反射光は、光学系１４により集光され、センサ（検出手段）８に入射する。計測装置１００Ｂは、センサ８を用いて被検物７からの反射光（検出光）を計測し、制御部（算出手段）４０を用いて被検物７の面形状（非球面形状）を算出する。本実施例では、センサ８としてダイナミックレンジの大きいシャックハルトマンセンサが用いられる。ただし、本実施例はこれに限定されるものではなく、他のセンサを用いてもよい。また、制御部４０は、後述するように、シャックハルトマンセンサであるセンサ８により計測された光線角度分布を変換する変換部としても機能する。

図６（ａ）は、パワーが大きい被検物７を計測する場合の構成図であり、光学系４を光学系５の近傍に配置することで、被検物７に照射される波面のパワーを大きくしている。また、図６（ｂ）は、パワーが小さい被検物７を計測する場合の構成図であり、光学系４と光学系５との間の距離を広げることで、被検物７に照射される波面のパワーを小さくしている。

以下、非球面を一括計測するための光学系と装置の条件について説明する。まず、被検物７で反射された反射光がセンサ８上で互いに重ならない（光線重なりが生じない）ための条件について説明する。図６（ａ）に示されるように、被検物７で反射された反射光は、光学系４、５、ハーフミラー９、および光学系１４により構成される結像光学系１５を透過して、センサ８に入射する。結像光学系１５は、センサ８の受光部（ＣＣＤ等）の受光面（センサ面）を像面とする結像光学系である。計測装置１００Ｂは、結像光学系１５に関するセンサ８の共役面（センサ共役面）１０が、被検物７上の互いに異なる２点から反射した光線（例えば、光線１１、１２）の交差位置（点Ｓ）よりも被検物側（図６の右側）に位置するように構成される。このような構成により、被検物７で反射された反射光は、センサ共役面１０上で光線重なりが生じない波面となり、結像光学系１５を介してセンサ８上に結像される波面に関しても光線重なりが生じない。従って、センサ共役面１０を被検物７の近傍に形成するように、結像光学系１５のペッツバール和の符号は負に設定されている。なお、結像光学系１５では、センサ共役面１０を物体面、センサ８を像面と定義する。

次に、被検物７で反射された反射光が結像光学系１５で蹴られることを避けるための条件について説明する。この条件とは、光線１３を例にすると、光線１３がセンサ共役面１０を通過する点において、光線１３の角度が結像光学系１５の下側周辺光線１６と上側周辺光線１７の角度内に収まることである。非球面を一括計測するためには、全ての反射光において、上記条件が成立することが必要である。従って、結像光学系１５の入射瞳１８の位置は、被検物７で反射した全ての反射光の角度が、センサ共役面１０を通過する点において、結像光学系１５の上側と下側の周辺光線の角度内に収まるように設定される。このように設定することで、被検物７で反射された反射光が結像光学系１５で蹴られることはない。

また、本実施例では、センサ８に入射する光線を全て計測するために、結像光学系１５の最大像高はセンサ８の大きさ（サイズ）以下に設定されることが好ましい。このため、結像光学系１５の倍率は、最大像高を被検物７の計測領域の半径で割った値以下に設定される。

さらに、本実施例では、結像光学系１５のセンサ側主光線はテレセントリックに、開口数はセンサ８の計測可能な最大角度の正弦の値としている。このような構成とすることで、結像光学系１５の瞳端を通過する光線が、計測可能な最大角度でセンサ８に入射する。従って、結像光学系１５を通過する光線全てがセンサ８で計測でき、結像光学系１５をセンサ８のダイナミックレンジに適応した光学系とすることができる。

以上、非球面を一括計測するための光学系と装置の条件について説明した。続いて、様々なパワーを有する被検物を計測する装置の構成について説明する。本実施例では、図６（ａ）、（ｂ）に示されるように、光学系４を移動させることで、被検物７への照射波面のパワーを変化させ、パワーの異なる様々な被検物を計測する。ここで、被検物７のパワーが変化すると、被検物７で反射された反射光の角度も変化する。従って、被検物７のパワー変化に合わせて入射瞳１８の位置も変化させ、反射光が結像光学系１５の周辺光線内に入射するように設定しなければ結像光学系１５で反射光が蹴られてしまう。本実施例では、図６（ａ）、（ｂ）に示されるように、入射瞳１８の位置を、被検物７のセンサ側とは反対側の照明光の集光位置６の近傍に形成する。その結果、照明光の光路と結像光学系１５の主光線の光路が近いため、光学系４を移動させても、入射瞳１８の位置は照明光の集光位置６の近傍に形成される。被検物７の計測時には、被検物７のパワーと照射波面のパワーがほぼ一致するように、光学系４を移動する。従って、被検物７で反射された反射光は、照明光に近い光路、言い換えると結像光学系１５の主光線に近い光路となり、結像光学系１５で蹴られることはない。

さらに、本実施例では、光学系４は、結像光学系１５を構成する光学系の一部である。そのため、光学系４の移動に合わせて結像光学系１５のパワー、すなわち物像距離も変化する。ここで、計測装置１００Ｂは、センサ共役面１０の頂点と被検物７の頂点を一致させ、被検物７を固定して計測する装置構成としている。従って、光学系４の移動時には、被検物７とセンサ８との共役関係を保つためにセンサ８を移動させる。さらに、光学系４の移動によって発生する結像光学系１５の収差の変動、特に非点収差の変動を、光学系１４の一部または全てをセンサ８の移動とは独立に移動させることで補正する。

以下、図７のフローチャートを参照して、センサ８で計測したデータから被検物７の面形状を算出する方法（形状算出方法）について説明する。本実施例の形状算出方法は、制御部４０により、コンピュータプログラムとしての処理プログラムに従って実行される。なお、処理プログラムは、例えば、コンピュータに読み取り可能な記録媒体に記録してもよい。

ステップＳ２０１では、制御部４０は、センサ８から、被検物７の面形状に関するデータ（センサデータ）を取得する。本実施例では、センサ８としてシャックハルトマンセンサを用いるため、センサ８はセンサデータとして光線角度分布を計測し、計測した光線角度分布を制御部４０に出力する。

ステップＳ２０２では、制御部４０は、センサ８から光線角度分布をセンサ共役面１０への光線位置に変換する（光線位置変換を行う）。また、ステップＳ２０３では、制御部４０は、センサ共役面１０への光線角度に変換する（光線角度変換を行う）。このように制御部４０は、センサ８で計測した光線角度分布に対して光線位置変換および光線角度変換を行い、センサ共役面１０上の反射光の角度分布に変換する。ここで、光線位置変換とは、センサ面の位置座標をセンサ共役面１０上の位置座標に変換することである。具体的には、制御部４０は、結像光学系１５の近軸倍率Ｍ、横収差およびディストーション情報を用いて、センサ面の位置座標に対して収差を考慮した倍率で割ることで、センサ共役面１０の位置座標を計算する。また、光線角度変換とは、センサ８上の光線角度をセンサ共役面１０の角度に変換することである。具体的には、センサ８で計測された角度に、結像光学系１５の収差を考慮した角度倍率を掛けることで、センサ共役面１０の角度を算出する。

ステップＳ２０４では、制御部４０は、センサ共役面１０から非球面の被検物７まで光線追跡を行い、被検物７で反射した光線角度分布（被検面上での光線角度分布）を算出する。

ステップＳ２０５では、制御部４０は、被検物７上の反射光の角度分布と照明光の角度分布から被検物７の面傾斜を計算し、これを積分することで被検物７の面形状を算出する。

本実施例では、制御部４０は、面形状が既知である被検物（原器）および面形状が未知である被検物７を計測し、両方の計測データに対して図７のフローチャートを行う。そして、制御部４０は、算出した２つの面形状の差を計算する。このような方法により、算出された面形状の中の光学系のシステムエラーで発生する成分を除去し、高精度に面形状を計測することができる。

本実施例の光学系の条件と、条件式（１）を満足する光学系を設計することで、パワーが大きく異なる被検物の面形状を同一の光学系を使用して一括計測できる。その結果、光学系を交換する必要がなくなるため、装置のコストを抑制するとともに、作業性を向上させることができる。

図８を参照して、本実施例の光学機器の製造装置について説明する。図８は、光学機器の製造装置３００の概略構成図である。製造装置３００は、計測装置（実施例１の計測装置１００Ａまたは実施例２の計測装置１００Ｂ）１００Ｃからの情報に基づいて光学機器を製造する。

図８において、５０は被検レンズの材料（素材）であり、３０１は材料５０に対して切削や研磨などの加工を行って光学素子としての被検レンズ５１を製造する製造部である。被検レンズ５１は、非球面形状を有する。

製造部３０１で加工された被検レンズ（被検面）の形状は、計測部としての計測装置１００Ｃにおいて、実施例２で説明した形状算出方法を用いて計測される。実施例２でも説明したように、計測装置１００Ｃは、被検面を目標の面形状に仕上げるために、被検面の面形状の計測データと目標データとの差に基づいて被検面に対する修正加工量を計算し、これを製造部３０１に出力する。これにより、製造部３０１による被検面に対する修正加工が行われ、目標の面形状に至った被検面を有する被検レンズが完成する。

なお、被検レンズがカメラや交換レンズ等の光学機器に内蔵されて使用される場合、製造部３０１は被検レンズを光学機器に組み込む工程を実行するように構成されてもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

実施例１、２では被検物７を固定していたが、光学系４と被検物７を光軸方向に沿って移動させれば、計測対象をさらに広げることができる。また、実施例１では、光学系４をレンズ１枚で構成していたが、パワーが大きくなったときには枚数を増やしてもよい。さらに、光学系４を複数のレンズで構成した場合、それぞれを独立に移動可能に構成することで、計測対象をさらに広げることができる。

また、光学系に高屈折率の硝材や非球面を用いれば、少ないレンズ枚数で光学系を設計することができる。被検物７の配置位置においても、発散波を被検物７に入射させる場合には、被検物７を集光位置６より＋ｚ側に配置する。また、センサ８は、シャックハルトマンセンサに限定されるものではなく、Ｔａｌｂｏｔ干渉計やシアリング干渉計のような波面センサを用いてもよい。センサ８で計測したデータから形状を算出する際において、図７に示される少なくとも一部のステップを経ることなく、光学ＣＡＤ上にレンズデータを反映させて光線追跡を行うことで、被検物上の光線角度を計算してもよい。

４ 光学系
５ 光学系
７ 被検物
８ センサ
１００ 計測装置

Claims (10)

1. 被検面の形状または透過波面を計測する計測装置であって、
   光源からの光を、照明光として前記被検面に照射する光学系と、
   前記被検面からの反射光または透過光を検出するセンサと、を有し、
   前記光学系は、物体側から順に、正の屈折率を有する前群と、正の屈折力を有する後群と、を備え、
   変倍に際して、前記前群は光軸方向に沿って移動し、前記後群は光軸方向の位置が固定され、
   前記前群の焦点距離をｆ１、前記後群の焦点距離をｆ２とするとき、
   １＜ｆ１／ｆ２＜１０
   なる条件式を満足することを特徴とする計測装置。
2. 前記後群は、物体側から順に、正の屈折力を有するレンズと、負の屈折力を有するレンズと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記後群は、正の屈折力を有する複数のレンズと、負の屈折力を有する少なくとも１枚のレンズと、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。
4. 前記前群は、独立に移動可能な複数のレンズを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の計測装置。
5. 前記被検面からの反射光を前記センサに導く結像光学系を更に有し、
   前記結像光学系は、前記被検面と前記センサの受光面とを共役な関係にすることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の計測装置。
6. 前記センサは、前記結像光学系の像面に配置され、
   前記結像光学系の入射瞳は、前記被検面のセンサ側とは反対側に位置することを特徴とする請求項５に記載の計測装置。
7. 前記結像光学系のペッツバール和の符号は、負であることを特徴とする請求項５または６に記載の計測装置。
8. 前記センサにより計測された光線角度分布を、前記被検面上での光線角度分布に変換する変換部を備えることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の計測装置。
9. 前記１から８のいずれか１項に記載の計測装置からの情報に基づいて加工された光学素子を備える光学機器を製造するステップと、を有することを特徴とする光学機器の製造方法。
10. 請求項１から８のいずれか１項に記載の計測装置と、
    前記計測装置からの情報に基づいて加工された光学素子を備える光学機器を製造する製造部と、を有することを特徴とする光学機器の製造装置。