JP3212353B2 - シリンドリカル面測定時の被検試料の位置合わせ方法および位置合わせ用スクリーン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、干渉測定系からのシリ
ンドリカル光を焦点で収束せしめたのち発散させて被検
試料のシリンドリカル面に照射し、この照射光をシリン
ドリカル面で反射させて逆光路で干渉測定系に導き、被
検試料のシリンドリカル面の形状を干渉法により測定す
るに際の被検試料の位置合わせ方法、およびその際に用
いられる位置合わせ用スクリーンに関する。

【０００２】

【従来の技術】球面あるいは非球面を有するレンズ、ミ
ラー等の光学素子の表面形状を精密測定する方法とし
て、干渉法が知られている。干渉法による表面形状の測
定は、理想的な面形状を有する干渉原器を用い、原器か
らの反射光と被検試料からの反射光とを干渉させ、発生
した干渉縞を観測して被検面の変位量を測定するもので
あり、非接触で被検面の製造誤差が高精度に判ることか
ら非常に便利な方法である。

【０００３】また、シリンドリカル面等の非球面原器を
製作することが困難であることから、近年、計算機ホロ
グラムを用いて被検面の理想形状と同じ波面を再生する
ホログラム光学素子（ＨＯＥ）を作成し、これを従来の
原器の代りに用いる干渉測定法が採用されている。

【０００４】本出願人は、従来のホログラム干渉法をさ
らに一歩進め、参照光を発生させる面として非球面ある
いは球面を必要とせずに平面状の反射面とすることが可
能となるホログラム干渉計を出願した（特願平３−１８
７６４６号、特願平３−１８７６４７号）。

【０００５】干渉計においては、参照波を発生させる面
は同一面の測定において位置決め・固定可能であるが、
被検試料は検査ごとに入れ替えることが必要となる。そ
のため、被検試料を入れ替えるたびにその位置合わせを
正確に行い、プロジェクタ等の投影面やテレビカメラの
ＣＣＤ上で、被検試料からの物体波と参照波とを重ね合
わせて、所望の干渉縞を発生せしめることが重要であ
る。

【０００６】被検試料の位置合わせは球面の測定を考え
た場合、試料台に被検試料を固定し、干渉縞を観察しな
がら、所望の干渉縞となるようにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸
方向に被検試料を動かして調整していた。しかしなが
ら、シリンドリカル面の測定を考えた場合、シリンドリ
カル面の中心軸方向とこれに直交する２つの方向の合計
３つの方向について、それぞれ軸方向の変位と軸を中心
とした回転方向変位があり、これらを簡便に調整するこ
とは困難であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、シリンドリ
カル面の面精度を干渉法により測定する際に、簡単に位
置合わせが可能な方法および位置合わせ用スクリーンを
提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のシリンドリカル
面測定時の被検試料の位置合わせ方法は、干渉測定系か
らのシリンドリカル光を焦点で収束せしめたのち発散さ
せて被検シリンドリカル面に照射し、シリンドリカル面
での反射光を逆光路で干渉測定系に導き、被検シリンド
リカル面の形状を干渉法により測定するに際し、被検シ
リンドリカル面の中心軸をｙ軸、シリンドリカル面の拡
がり方向においてｙ軸と直交する軸をｘ軸、ｘ軸および
ｙ軸と直交する軸をｚ軸としたとき、ｙ軸方向に延びる
長穴状透孔を有する光拡散板からなる位置合わせ用スク
リーンを用い、干渉測定系からのシリンドリカル光がそ
の焦点位置もしくはその近傍で長穴状透孔を通過するよ
うに位置合わせ用スクリーンを配置し、被検シリンドリ
カル面からの反射光が位置合わせ用スクリーン上に投影
形成された調整用投影像が、直線状に焦点を結ぶように
被検シリンドリカル面の位置をｚ軸方向に移動調整し、
かつ、直線状の調整用投影像が長穴状透孔に対して平行
となるように、ｚ軸を中心として被検シリンドリカル面
を回動調整し、また、一部通過用透孔を有する光拡散板
からなる位置合わせ用スクリーンを用い、干渉測定系か
らのシリンドリカル光のその焦点位置もしくはその近傍
で、被検シリンドリカル面の中心軸方向における一部の
シリンドリカル光が選択的に一部通過用透孔を通過する
とともに、残部のシリンドリカル光が位置合わせ用スク
リーン上に直線状の基準用投影像を形成するように位置
合わせ用スクリーンを配置し、ｘ軸を中心として被検シ
リンドリカル面を回動させることにより、被検シリンド
リカル面からの反射光が位置合わせ用スクリーン上に形
成する調整用投影像を基準用投影像の長さ方向に移動せ
しめ、かつ、ｙ軸を中心として被検シリンドリカル面を
回動させることにより、基準用投影像の長さ方向と直交
する方向に調整用投影像を移動せしめ、一部通過用透孔
におけるシリンドリカル光の通過位置まで基準用投影像
を移動せしめることを特徴とする。

【０００９】また、本発明のシリンドリカル面測定時の
被検試料の位置合わせ用スクリーンは、長穴状透孔と、
この長穴状透孔の長さ方向側部に、長穴状透孔に連続し
てあるいは独立して設けられた長穴状透孔よりも短い一
部通過用透孔とが形成された光拡散板からなることを特
徴とする。

【００１０】

【実施例】前述のように本出願人は先に、反射型または
透過型ホログラム光学素子を用いた干渉計を出願した。

【００１１】この反射型ホログラム光学素子を用いた干
渉計は、レーザ光を出力する光源と、光源から出力され
たレーザビームを発散させるビーム発散手段と、ビーム
発散手段から出力されたレーザビームを平行光に変換す
る平行光変換手段と、平行光変換手段から射出された平
行光を一方向に反射するとともに被検試料側に反射回折
する反射型ホログラム光学素子と、反射型ホログラム光
学素子から反射された平行光を反射する平面状の基準反
射板を備えてなり、基準反射板から反射された反射光と
被検試料から反射された反射光が反射型ホログラム光学
素子で反射されて互いに干渉し得るように構成されてな
ることを特徴とする。

【００１２】一方、透過型ホログラム光学素子を用いた
干渉計は、前記の反射型ホログラム光学素子および基準
反射板の代りに、平行光変換手段から出力された平行光
が垂直に入射する半透鏡平面を有するとともに、半透鏡
平面から入射した平行光を屈折光と、被検試料に照射さ
れる透過回折光とに分離してこれら２つの光を異なる方
向に射出するホログラム面を有する透過型ホログラム光
学素子を備えてなり、被検試料から反射されホログラム
面で再回折されてホログラム光学素子を通過した透過回
折光と、半透鏡平面より反射された反射光が互いに干渉
し得るように構成されてなることを特徴とする。

【００１３】以下、上記の反射型ホログラム干渉計に本
発明を応用する場合を例に挙げて説明する。

【００１４】図１は、前述の透過型ホログラム干渉計の
構成例を示す説明図である。Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源１１
から出射されたレーザ光は、コンデンサレンズ１３によ
り絞り込まれ、ノイズ成分を取り除かれてピンホール１
５から発散される。この発散光はビームスプリッタ１７
を経てコリメータレンズ１９（平行光変換手段）に入
射、透過して平行光束となり、反射型ホログラム光学素
子３１に入射する。

【００１５】反射型ホログラム光学素子３１は、紙面に
垂直方向に反射型の回折格子（縞模様）が形成されてお
り、回折格子のピッチ幅（Ｐ）を変化させて、レーザ光
の波長（λ）との間に成立するＰ・（ｓｉｎα−ｓｉｎ
θ）＝λの関係から一次回折角θの大きさを制御するこ
とにより（αは平行光束の入射角）、紙面に垂直方向に
中心軸（図２のｙ軸）を有するシリンドリカル反射面と
同様に作用する。そこで、コリメータレンズ１９から平
行光束（平面波）が入射すると、通常の反射光３７と反
射回折光３５の２つの反射光束を発生することになる。
なお、このような反射型ホログラム光学素子３１は、コ
ンピュタ計算に基づく電子ビーム描画を用いるフォトリ
ソグラフィー法を応用して、常法によりクロム、アルミ
ニウム等の反射回折格子膜を形成することにより作成す
ることができ、被検試料５１の理想的なシリンドリカル
面５１ａと同じ波面のシリンドリカル光を再生すること
ができる。

【００１６】反射回折光３５が、被検試料５１のシリン
ドリカル面５１ａに入射して反射され、逆光路を通過し
て再び反射型ホログラム光学素子３１に入射するよう
に、被検試料５１が位置合わせして配設されている。６
１は、この位置合わせ用のスクリーンであり、これにつ
いては後に詳述する。反射型ホログラム光学素子３１か
らの反射回折光３５（シリンドリカル光、すなわち非球
面波）は、一度収束したのち発散して被検試料５１のシ
リンドリカル面５１ａで反射されて物体波光となり、再
び反射型ホログラム光学素子３１で回折されることによ
り、平面波となる。

【００１７】一方、反射型ホログラム光学素子３１から
の通常の反射光３７は、基準反射板３３で反射されて再
び反射型ホログラム光学素子３１に入射し、この参照波
光と上記の物体波光とがホログラム光学素子３１上で重
なりあって互いに干渉し、コリメータレンズ１９、ビー
ムスプリッタ１７を経て、結像レンズ２１によりＴＶカ
メラ２３の受光面（ＣＣＤ）に干渉縞を形成する。被検
試料５１のシリンドリカル面５１ａが設計通りの面形状
である（理想面からの変位がない）ときは、縞が全く観
察されないか、直線状の等間隔の縞が観察される。な
お、図１の符号１１〜２３の構成は、フィゾー型干渉計
本体を示している。また、参照波光と物体波光の光量が
同程度である方が効率よく干渉縞を得ることができるの
で、被検試料５１の反射率に応じた反射率を有する基準
反射板３３を用意することが望ましい。

【００１８】このような干渉計および測定方法によれ
ば、参照波を生成する面として平面上の反射板を用いる
ことが可能となり、非球面あるいは球面の基準反射板を
必要としないので、作成が極めて容易であり、また、基
準反射板の位置合わせも簡単で測定が極めて容易であ
る。

【００１９】しかしながら、前述のように従来において
は、被検試料５１の位置合わせが面倒であった。本発明
では、この位置合わせ時に、位置合わせ用スクリーン６
１を用いる。図２は、反射型ホログラム光学素子３１、
被検試料５１および位置合わせ用スクリーン６１の位置
関係を示す説明図である。図３〜図６は、位置合わせ時
の実施例を示す説明図である。

【００２０】位置合わせ用スクリーン６１は、摺りガラ
ス等の光拡散板からなり、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１１等から
の可視レーザ光がスクリーン６１の透孔形成部以外の面
に照射、投影されたときに、その位置や形状をはっきり
と視認できるようになっている。位置合わせ用スクリー
ン６１には、長穴状透孔部６３と、そのほぼ中央部から
直角方向に突設するようにして連続的に形成された一部
通過用透孔部６５とからなる透孔が穿設されている。

【００２１】いま、被検試料５１のシリンドリカル面５
１ａの中心軸をｙ軸、シリンドリカル面５１ａの拡がり
方向においてｙ軸と直交する軸をｘ軸、ｘ軸およびｙ軸
と直交する軸をｚ軸とする。このとき、位置合わせ用ス
クリーン６１は、長穴状透孔部６３がｙ軸方向に延びる
ようにして、反射型ホログラム光学素子３１からのシリ
ンドリカル光３５（反射回折光３５）の焦点位置で、透
孔部６３または６５をシリンドリカル光３５が通過する
ように配設される。シリンドリカル光３５は、ｘ軸方向
に収束あるいは発散され、ｙ軸方向には収束も発散もさ
れない。

【００２２】位置合わせに際しては、試料載置テーブル
（図示せず）に被検試料を固定し、ｙ軸方向およびｘ軸
方向について目視で位置調整し、ついで以下の通りに各
軸方向のシフト量および回転量を調整する。なお、ｙ軸
方向およびｘ軸方向は光束がシリンドリカル面５１ａに
ほぼ垂直に入射していればよい。

【００２３】（１−０） まず調整する際に、スクリー
ン６１を目視して大まかな調整をし、モニタ画面２５に
画像が出るように調整する。

【００２４】（１−１）ｚ軸方向のシフト：図２に示す
ように、反射型ホログラム光学素子３１からのシリンド
リカル光３５を、位置合わせ用スクリーン６１の長穴状
透孔部６３通過せしめる（図３には、通過光束を図示し
ていない）。長穴状透孔部６３を通過し被検試料５１の
シリンドリカル面５１ａで反射された光束は、ｚ軸方向
でシリンドリカル面５１ａが正規位置から位置ずれして
いると、スクリーン６１の裏面（シリンドリカル面５１
ａ側）の上に収束できず（焦点を結べず）、図３（Ａ）
に示すように拡がった調整用投影像７３としてスクリー
ン６１の裏面に投影される。

【００２５】ここで、図３（Ｂ）に示すように、調整用
投影像７３が細い線として投影されるように被検試料５
１をｚ軸方向に動かすことにより、ｚ軸方向の変位量の
調整が終了する。

【００２６】（１−２） ｚ軸中心の回転：上記操作で
得られた調整用投影像７３は、図４（Ａ）に示すように
長穴状透孔部６３の長さ方向（正確にはシリンドリカル
光３５に対して）傾いているので、ｚ軸を中心にしてシ
リンドリカル面５１ａを回動（図２のＲｚ方向）し、図
４（Ｂ）に示すように調整用投影像７３を鉛直にするこ
とにより、ｚ軸の回転方向の変位量の調整が終了する。

【００２７】（１−３） ｘ軸中心の回転：図５（Ａ）
に示すように、シリンドリカル光３５の焦点位置で、位
置合わせ用スクリーン６１を横方向に移動させて、シリ
ンドリカル光３５を一部通過用透孔部６５に入射せしめ
る。このとき、シリンドリカル光３５は、ｙ軸方向で全
光束が一部通過用透孔部６５を通過できずに、その周り
で一部がスクリーン６１上に投影されて、基準用投影像
７１を形成する。一方、一部通過用透孔部６５を通過し
た光束は（通過光束は図示されていない）、シリンドリ
カル面５１ａで反射されて、スクリーン６１上に調整用
投影像７３を形成する。ｘ軸を中心にしてシリンドリカ
ル面５１ａを回動（Ｒｘ）し、図５（Ｂ）に示すように
調整用投影像７３を長穴状透孔部６３の長さ方向に移動
させ、一部透過用透孔部６５を通過した光束とｙ軸方向
の位置を同じくすることにより、ｘ軸の回転方向の変位
量の調整が終了する。

【００２８】（１−４） ｙ軸中心の回転：ｙ軸を中心
にしてシリンドリカル面５１ａを回動（Ｒｙ）し、上記
の操作が終了し図６（Ａ）位置にある調整用投影像７３
を、一部透過用透孔部６５を通過した光束と重ね合わせ
るように移動させることにより、ｙ軸中心の回転の変位
量の調整が終了する。図示したように、一部通過用透孔
部６５の幅を徐々に変化させて構成し、幅広部でシリン
ドリカル光３５を通過せしめ、調整時に幅狭部から幅広
部に調整用投影像７３を移動せしめることにより、基準
用投影像７１と調整用投影像７３とが重なる直前まで、
調整用投影像７３がスクリーン６１面に形成され、これ
を目視できるので便利である。

【００２９】以上のようなスクリーンを使った位置合わ
せが終了すると、試料からの反射光はＴＶカメラ２３の
受光面に当たるようになる。そこで、ここからはモニタ
画面２５上の像を見ながら試料の位置の調整ができる。

【００３０】（２−１） ｚ軸のまわりの回転：試料か
らの反射光は収差を持っている場合、モニタ画像上では
点にならず図３（Ｃ）のようにぼやけている。ｚ軸のま
わりの回転を調整することによって図３（Ｄ）のように
線状に変化する。

【００３１】（２−２） ｚ軸方向のフト：試料のｚ方
向の位置が合っていないと、光は横に広がる。これを合
わせることによってモニタ画面上は図３（Ｄ）から図４
（Ｃ）のようになる。

【００３２】（２−３） ｘ軸のまわりの回転を合わせ
ることによってモニタ画面上は図４（Ｃ）から図５
（Ｃ）のようになる。

【００３３】（２−４） ｙ軸のまわりの回転を合わせ
ることによってモニタ画面上は図５（Ｃ）から図６
（Ｃ）のようになる。

【００３４】以上で試料の位置調整はほぼ完了する。干
渉縞がＴＶモニタ画面上で観察できるようにして、所望
のパターンが得られるように微調整を行なう。

【００３５】本発明の位置合わせ方法および位置合わせ
用スクリーンは種々の変形および応用が可能であり、そ
の一例を挙げれば以下の通りである。

【００３６】例えば、位置合わせ用スクリーン６１とし
ては、図７〜１０の実施例のものが用いられる。図７
は、一部通過用透孔部６５の幅を均一に形成したもので
ある。図８は、一部通過用透孔部６５を長穴状透孔部６
３の長さ方向の端部よりに形成したものである。また、
図９は、一枚のスクリーン６１に独立して長穴状透孔部
６３と一部通過用透孔部６５を形成したものである。さ
らに、図１０（Ａ），（Ｂ）は、長穴状透孔部６３が形
成されたスクリーン６１と、一部通過用透孔部６３が形
成されたスクリーン６１の２枚の位置合わせ用スクリー
ンを組み合わせて使用する場合を示している。

【００３７】また、各軸の調整順序も上記実施例に限定
されず、例えば、ｘ軸の回転方向とｙ軸の回転方向を同
時に調整してもよい。

【００３８】さらに、反射型ホログラム光学素子を用い
た干渉計に限定されず、他のホログラム干渉計や、理想
的シリンドリカル面を有する干渉原器を用いる干渉計な
どに適用することができる。

【００３９】図１１は、前述の透過型ホログラム干渉計
の一例を示す概略図であり、図１における反射型ホログ
ラム光学素子３１と基準反射板３３の代りに、透過型ホ
ログラム光学素子４１を用ている以外は、干渉縞の測定
原理および被検試料５１の位置合わせ原理は、図１〜図
１０に示した場合と同様である。透過型ホログラム光学
素子４１の入射面には半透鏡膜４１ａが形成され、これ
からの一部反射光が参照波光として利用される。また、
透過型ホログラム光学素子４１の他面に形成されたホロ
グラム面４１ｂからの一次の透過回折光４５を、被検試
料５１に入・反射せしめて物体光波を生じせしめ、干渉
縞を得ている。ホログラム面４１ｂは、被検試料５１の
理想的なシリンドリカル面に対応する波面を屈折回折光
４５として再生し、シリンドリカル面５１ａの位置合わ
せは、位置合わせ用スクリーン６１によって行われる。

【００４０】

【発明の効果】本発明の位置合わせ方法および位置合わ
せ用スクリーンによれば、被検試料のシリンドリカル面
の理想面からの変位量を干渉法により測定するに際し、
被検試料の位置合わせを極めて簡単な操作で行うことが
できる。また、必要な部材も光拡散板からなる簡単な構
成のスクリーンのみでよいので、干渉計の大型化やコス
トの上昇を招くこともない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いられる干渉計の概略構成を示す説
明図である。

【図２】本発明の位置合わせ時における、ホログラム光
学素子、位置合わせ用スクリーンおよび被検試料の関係
を示す斜視説明図である。

【図３】本発明の位置合わせ方法を示す説明図である。

【図４】本発明の位置合わせ方法を示す説明図である。

【図５】本発明の位置合わせ方法を示す説明図である。

【図６】本発明の位置合わせ方法を示す説明図である。

【図７】本発明の位置合わせ用スクリーンの実施例を示
す平面図である。

【図８】本発明の位置合わせ用スクリーンの実施例を示
す平面図である。

【図９】本発明の位置合わせ用スクリーンの実施例を示
す平面図である。

【図１０】本発明の位置合わせ用スクリーンの実施例を
示す平面図である。

【図１１】本発明で用いられる干渉計の概略構成を示す
説明図である。

【符号の説明】

１１ Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源 １３ コンデンサレンズ １５ ピンホール １７ ビームスプリッタ １９ コリメータレンズ ２１ 投影レンズ ２３ ＴＶカメラ ２５ モニタ画面 ３１ 反射型ホログラム光学素子 ３３ 基準反射板 ３５ 反射回折光（シリンドリカル光） ３７ 反射光 ４１ 透過型ホログラム光学素子 ４１ａ 半透鏡面 ４１ｂ ホログラム面 ４５ 屈折回折光 ４５ 屈折光 ５１ 被検試料 ５１ａ シリンドリカル面 ６１ 位置合わせ用スクリーン ６３ 長穴状透孔部 ６５ 一部通過用透孔部 ７１ 基準用投影像 ７３ 測定用投影像 ７５ 基準反射板３３からの像 ７７ シリンドリカル面５１ａからの像

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 9/02 G01B 1/24

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 干渉測定系からのシリンドリカル光を焦
   点で収束せしめたのち発散させて被検シリンドリカル面
   に照射し、シリンドリカル面での反射光を逆光路で干渉
   測定系に導き、被検シリンドリカル面の形状を干渉法に
   より測定するに際し、 被検シリンドリカル面の中心軸をｙ軸、シリンドリカル
   面の拡がり方向においてｙ軸と直交する軸をｘ軸、ｘ軸
   およびｙ軸と直交する軸をｚ軸としたとき、 ｙ軸方向に延びる長穴状透孔を有する光拡散板からなる
   位置合わせ用スクリーンを用い、干渉測定系からのシリ
   ンドリカル光がその焦点位置もしくはその近傍で長穴状
   透孔を通過するように位置合わせ用スクリーンを配置
   し、被検シリンドリカル面からの反射光が位置合わせ用
   スクリーン上に投影形成された調整用投影像が、直線状
   に焦点を結ぶように被検シリンドリカル面の位置をｚ軸
   方向に移動調整し、かつ、直線状の調整用投影像が長穴
   状透孔に対して平行となるように、ｚ軸を中心として被
   検シリンドリカル面を回動調整し、 また、一部通過用透孔を有する光拡散板からなる位置合
   わせ用スクリーンを用い、干渉測定系からのシリンドリ
   カル光のその焦点位置もしくはその近傍で、被検シリン
   ドリカル面の中心軸方向における一部のシリンドリカル
   光が選択的に一部通過用透孔を通過するとともに、残部
   のシリンドリカル光が位置合わせ用スクリーン上に直線
   状の基準用投影像を形成するように位置合わせ用スクリ
   ーンを配置し、ｘ軸を中心として被検シリンドリカル面
   を回動させることにより、被検シリンドリカル面からの
   反射光が位置合わせ用スクリーン上に形成する調整用投
   影像を基準用投影像の長さ方向に移動せしめ、かつ、ｙ
   軸を中心として被検シリンドリカル面を回動させること
   により、基準用投影像の長さ方向と直交する方向に調整
   用投影像を移動せしめ、一部通過用透孔におけるシリン
   ドリカル光の通過位置まで基準用投影像を移動せしめる
   ことを特徴とする、シリンドリカル面測定時の被検試料
   の位置合わせ方法。
2. 【請求項２】 長穴状透孔と、この長穴状透孔の長さ方
   向側部に、長穴状透孔に連続してあるいは独立して設け
   られた長穴状透孔よりも短い一部通過用透孔とが形成さ
   れた光拡散板からなることを特徴とするシリンドリカル
   面測定時の位置合わせ用スクリーン。
3. 【請求項３】 前記一部通過用透孔が、長穴状透孔の長
   さ方向のほぼ中央部に設けられている請求項２記載のシ
   リンドリカル面測定時の位置合わせ用スクリーン。