JP3590142B2

JP3590142B2 - 干渉計装置

Info

Publication number: JP3590142B2
Application number: JP18593595A
Authority: JP
Inventors: 和秀山崎
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-07-21
Filing date: 1995-07-21
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2015-07-21
Also published as: JPH0933228A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折素子を用いて被検面、特に非球面レンズの面形状等を測定する干渉計装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、レンズの面形状等を測定する為に干渉計装置が用いられている。この干渉計装置に回折素子を付加し、非球面レンズの非球面形状を測定できるようにした干渉計装置が特開昭６３−２２３５３８公報により開示さている。
【０００３】
同公報に開示された干渉計装置１２０は、図１０に示すように、レーザ光源１０１、レンズ１０２、ピンホール１０３で構成される光源ユニット１００からレーザ光が発せられ、コリメータレンズ１０４により平行平面波となって半透鏡１０５を透過し、参照面１０６ａを有する参照レンズ１０６により球面波としている。この参照面１０６ａは、その焦点を中心とし、バックフォーカスを半径とする球面の一部になるように形成された透過型原器面になっている。
【０００４】
前記参照面１０６ａから射出するレーザ光は、参照レンズ１０６の焦点位置に配置されたフィルタ１０７を通り、ホログラム１０８を経て、非球面である被測定面１０９に入射する。ホログラム１０８は、球面波が入射すれば、その回折成分の一部が被測定面１０９の位置で理想的非球面形状を持つ波面になるようなパターンが描かれたゾーンプレート型のホログラムである。
【０００５】
被測定面１０９に入射したレーザ光は、この被測定面１０９で反射し、再びホログラム１０８で回折してフィルタ１０７に至る。この時、被測定面１０９で反射した光のうち、測定波面だけフィルタ１０７を通過し、他の不要光は遮断される。フィルタ１０７を通過した測定波面は、参照レンズ１０６で再び平行平面波に変換され、半透鏡１０５で反射し、結像レンズ１１０に入射する。
【０００６】
ところで、参照レンズ１０６の参照面１０６ａは、この参照レンズ１０６の焦点を中心とし、バックフォーカスを半径とする球面の一部になっているので、参照レンズ１０６に入射する平行平面波は、この参照面１０６ａに垂直に入射することになる。即ち、参照レンズ１０６に入射する平行平面波は、その一部が参照面１０６ａで垂直に反射し、元の光路を逆行して再び平行平面波となり、参照波面になる。この参照波面は、半透鏡１０５で反射し、結像レンズ１１０に入射する。
【０００７】
結像レンズ１１０に入射する測定波面と参照波面は互いに干渉しあって干渉縞を生じ、この干渉縞が結像レンズ１１０によって撮像素子１１１の撮像面上に結像される。
【０００８】
このようにして干渉縞を観察することによって被測定面１０９の形状が測定できる。尚、図１０では、参照レンズ１０６を平行平面波が入射すると球面波が発生する球面用参照レンズとしているが、これを平面用参照レンズとしても差し支えない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の干渉計装置１２０を用いた場合、図１１に示すように、被検レンズ１１３の被検面１１３ａの干渉縞を観察するためには、被検面１１３ａの各点に回折素子１１２からの光が垂直に入射しなければならない。従って、非球面量が大きな被検面１１３ａに、回折素子１１２から光を垂直に当てると、被検面１１３ａ上の等間隔の同心円が撮像素子上では等間隔にならず、図１２に示すような不均一な間隔の同心円１１４になり、この結果、歪曲（ディストーション：ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を持った干渉縞像となってしまい、被検面１１３ａの径の大きさと、干渉縞像の径の大きさの間に、歪曲による誤差が存在し、正しい面形状が得られない。
【００１０】
本発明は、このような従来の回折素子を用いた干渉計装置の不具合を解決し、回折素子による歪曲を含まない高精度な干渉縞像を得ることができる干渉計装置を提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、干渉計と、回折素子とを用いて被検面の干渉縞像を生成する干渉計装置において、前記回折素子における光の回折に伴って生じる干渉縞像の歪曲を補正する歪曲補正手段を具備したことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明における前記歪曲補正手段を、少なくとも一つの補正用回折素子を有するものとしたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明における前記歪曲補正手段が、被検面の干渉縞像のデータから被検面の形状を演算する演算部と、予め歪曲を伴なわない干渉縞像の径方向の座標値を記憶した記憶部と、この記憶部に記憶した前記座標値を用いて前記演算部により演算した被検面の形状の座標変換を行う座標変換部と、この座標変換部により座標変換された被検面の形状を表示する表示部とを具備することを特徴とするものである。
【００１４】
以下に本発明についてさらに詳述する。
【００１５】
図１は、請求項１記載の発明の概念図を示すものである。図１に示す干渉計装置は、干渉計１と、干渉計から射出した光４ａの光路上に配置され、所望の測定波面４ｂを発生する回折素子２と、干渉計１内に設けられた回折素子２により生じる干渉縞像の歪曲を補正する歪曲補正手段５から構成される。
【００１６】
請求項１記載の干渉計装置によれば、干渉計１から射出された光４ａの一部は、回折素子２により測定波面４ｂとなる。この測定波面４ｂは、被検レンズ３の被検面３ａで反射され、回折素子２により干渉計１に入射する。この測定波面４ｂが、図示していない参照レンズにより発生する参照波面と干渉し、干渉縞を生成する。この干渉縞には回折素子２による干渉縞の歪曲を含んでいるので、この歪曲を歪曲補正手段５により補正する。これにより、歪曲の無い干渉縞像を観察できる。
【００１７】
請求項２記載の発明は、前記歪曲補正手段５を、少なくとも一つの補正用回折素子からなる構造としたので、少なくとも一つの補正用回折素子を付加する簡略な構造で歪曲の無い干渉縞像を観察できる。
【００１８】
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の発明における歪曲補正手段における演算部が被検面の干渉縞像のデータから被検面の形状を演算し、座標変換部が、前記記憶部に記憶した予め歪曲を伴なわない干渉縞像の径方向の座標値を用いて前記演算部により演算した被検面の形状の座標変換を行い、表示部が座標変換部により座標変換された被検面の形状を表示するので、補正用回折素子を使用しない構造により歪曲の無い干渉縞像を観察できる。
【００１９】
【実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
［実施の形態１］
図２、図３は本発明の実施の形態１を示すものである。図２は本実施の形態の全体図で、図３は補正用回折素子２５の部分拡大図である。
【００２１】
図２に示す干渉計装置は、レーザ光源１１と、レーザ光源１１から射出したレーザ光を発散する発散レンズ１２と、発散レンズ１２によるレーザ光の集光点に配置されたピンホール１３と、発散レーザ光中に配置されたプリズム１４と、発散レーザ光を折り曲げるミラー１５と、発散レーザ光を平行光に変換するコリメータレンズ１６と、この平行光の光路中に配置された参照平面２０ａを有する平面参照レンズ２０と、前記プリズム１４の側方に配置した不要な光をカットするフィルター１７と、フィルター１７を透過した光を所定の位置に結像させる結像レンズ１８と、この結像レンズ１８からの光を入射して撮像する撮像手段であるＣＣＤカメラ１９とからなる干渉計１０と、前記平面参照レンズ２０を透過したレーザ光の光路中に配置され、所望の非球面波を発生する回折素子２２と、平面参照レンズ２０と回折素子２２との間の平行光束中に配置され、回折素子２２による歪曲を補正する一組の回折素子２５ａ、２５ｂからなる補正用回折素子２５と、前記ＣＣＤカメラ１９で撮像する干渉縞を画面上に表示して観察するためのモニター２４とを備えている。
【００２２】
前記補正用回折素子２５は、図３に示すように、２枚の回折素子２５ａ、２５ｂからなり、それぞれに回折面２５ｃと回折面２５ｄとを形成している。この補正用回折素子２５において、回折面２５ｃ上のＥ点と回折面２５ｄ上のＦ点との回折格子のピッチＰは、Ｅ点及びＦ点を通る光線が光軸となす角をθとするとき、Ｐ＝ｍλ／ｓｉｎθ（但し、ｍは回折次数、λはレーザ光の波長）となるように設定している。
【００２３】
上述した干渉計装置において、レーザ光源１１から射出されたレーザ光は、発散レンズ１２により発散光となり、ピンホール１３により、不要なレーザ光が除去される。この発散光はプリズム１４を透過し、ミラー１５で反射され、コリメータレンズ１６により平行光となる。この平行光が、平面参照レンズ２０を透過し、その一部が平面参照レンズ２０の参照面２０ａで反射し、参照波面となり、元の光路を逆行する。
【００２４】
参照面２０ａを透過したレーザ光は、干渉計１０から射出し、一組の回折素子２５ａ、２５ｂからなる補正用回折素子２５を透過し、再び平行光となり回折素子２２に入射し、所望の非球面波を発生し、被検レンズ２３の被検面２３ａで反射し、測定波面となる。この測定波面は、回折素子２２及び補正用回折素子２５を透過し、平面参照レンズ２０を透過して干渉計１０に入射する。
【００２５】
上述した参照波面と測定波面は、コリメータレンズ１６により収束光となり、ミラー１５及びプリズム１４で反射し、フィルター１７を透過する。フィルター１７を透過することにより、不要な光がカットされる。フィルター１７を透過した参照波面と測定波面は、結像レンズ１８によりＣＣＤカメラ１９上に干渉縞を形成する。この干渉縞像がＣＣＤカメラ１９で撮像され、ＣＣＤカメラ１９に接続されたモニター２４の画面に表示されて観察される。
【００２６】
ここで、被検レンズ２３の被検面２３ａ上の等間隔の同心円に対応する光線が回折素子２２を透過するとその光線は等間隔にはならず、不均一な間隔の光線Ｂとなる。この不均一な間隔の光線Ｂを前記補正用回折素子２５の回折面２５ｄで回折させ、更に回折面２５ｃで回折させることにより、再び等間隔の光線Ａに戻る。この結果、前記モニター２４の画面には、図２に示すように等間隔の同心円状の干渉縞像が表示されることになり、この干渉縞像を観察することにより、被検面２３ａの形状を高精度に判定できる。
【００２７】
（効果）
本実施の形態によれば、従来よりある回折素子を用いた干渉計装置に、一組の回折素子２５ａ、２５ｂからなる補正用回折素子２５を加えるだけで、歪曲のない干渉縞を観察することができ、被検面２３ａの形状を高精度に判定できる。
【００２８】
［実施の形態２］
図４、図５は本発明の実施の形態２を示すものである。図４は本実施の形態の全体図を示し、図５は補正用回折素子２６の部分拡大図である。
【００２９】
図４に示す干渉計装置は、上述した実施の形態１の干渉計装置と基本的には同様な構造であるが、歪曲を補正する一枚の補正用回折素子２６を干渉計１０内のＣＣＤカメラ１９の前段に設けたことが特徴である。
【００３０】
補正用回折素子２６は、図５に示すように回折面２６ａを一面に形成しており、この回折面２６ａ上のＧ点での回折格子のピッチＰは、Ｇ点に入射する光線が光軸となす角をθ１とし、Ｇ点から射出する光線が光軸となす角をθ２とするとき、Ｐ＝ｍλ／（ｓｉｎθ１ −ｓｉｎθ２）（但し、ｍは回折次数、λはレーザ光の波長）となるように設定している。この他の構造は、実施の形態１の干渉計装置と同様である。
【００３１】
上述した実施の形態２の干渉計装置によれば、実施の形態１の干渉計装置の場合と同様にして干渉計１０から射出したレーザ光は、回折素子２２により被検面２３ａで反射し、測定波面となり、再び干渉計１０に入射し、この測定波面と参照波面が、ＣＣＤカメラ１９上に干渉縞像として入射し撮像される。この場合に、ＣＣＤカメラ１９の前段において、歪曲を有する光線Ｃが補正用回折素子２６の回折面２６ａで回折して歪曲が補正されてＣＣＤカメラ１９上に歪曲が無い光線Ｄとして入射するので、回折素子２２により発生した歪曲を補正することができる。
【００３２】
（効果）
本実施の形態によれば、実施の形態１よりも少ない個数からなる補正用回折素子２６を用いて歪曲を補正して、歪曲のない干渉縞像を観察することができ、被検面２３ａの形状を高精度に判定できる。
【００３３】
［実施の形態３］
図６乃至図９は本発明の実施の形態３を示すものである。図６は干渉計装置の全体図、図７はＣＲＴ２９を備えたコンピュータ２８に搭載した各要素のブロック図、図８は歪曲の補正の説明図、図９は本実施の形態の動作を示すフローチャートを示すものである。
【００３４】
図６に示す干渉計装置は、上述した実施の形態１の干渉計１０の構造に対して、参照レンズ２０を光軸方向に微動させる内部にピエゾ素子（図示せず）を搭載した微動機構２７を付加するとともに、表示部であるＣＲＴ（カソードレイチューブ）２９を備えたコンピュータ２８を付加したことが特徴である。
【００３５】
前記コンピュータ２８は、図７に示すように、全体の制御を行うＣＰＵ３０を備えるとともに、ＣＰＵ３０に、歪曲補正手段として、被検面２３ａの干渉縞像のデータから被検面２３ａの形状を演算する演算部３１と、予め歪曲を伴なわない干渉縞像の径方向の座標値を記憶した記憶部３２と、この記憶部３２に記憶した前記座標値を用いて前記演算部３１により演算した被検面２３ａの形状の座標変換を行う座標変換部３３と、この座標変換部３３により座標変換された被検面２３ａの形状を表示する表示部であるＣＲＴ２９とを接続している。この他は実施の形態１と同様である。
【００３６】
本実施の形態の動作を図８、図９をも参照して説明する。
【００３７】
本実施の形態において、図６に示す干渉計１０で生成された干渉縞は、モニター２４で観察すると、従来技例と同様に、前記回折素子２２で発生した歪曲を含んだ干渉縞像となる。
【００３８】
ここで、回折素子２２を設計するに当たっては、被検面２３ａのある径の所に入射する光が、回折素子２２ではどこを通るかということが容易に分かる。つまり設計上、図８に示すように干渉縞像上での各点（ｒ，θ）での歪曲の大きさが分かるので、この各点（ｒ，θ）が被検面２３ａ上ではどの点（ｒ１，θ）に対応しているかを予めコンピュータ２８の記憶部３２に記憶しておく。但し、ｒ、ｒ１、θは極座標形式で表すものとする。また、図８に示すＡは干渉縞像の直径である。
【００３９】
ここで微動機構２７により、参照レンズ２０を光軸方向に微動させ、一般的に行われているフリンジスキャン解析法を用いて、被検面２３ａの面形状を、コンピュータ２８の演算部３１で演算する。この演算結果から、図８に示すように、干渉縞像の直径Ａが分かり、干渉縞像の中心Ｏが分かる（ステップＳ１）。
【００４０】
これにより、干渉縞像の各点（ｒ，θ）上での、被検面２３ａの高さＹが求まる。この各点（ｒ，θ）の値を、座標変換部３３によりコンピュータ２８の記憶部３２に記憶してある座標（ｒ１，θ）に変換する（ステップＳ２）。そして変換した結果を、ＣＲＴ２９上に表示する（ステップＳ３）。
【００４１】
（効果）
本実施の形態によれば、回折素子２２による歪曲が無い解析結果を、ＣＲＴ２９上に表示できるので、非常に高精度に被検面２３ａの形状が分かる。また、新たに補正用の回折素子を追加しなくても、歪曲を補正できる。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、回折素子による歪曲を補正することができ、被検面の形状を正確に観察できる高精度な干渉計装置を提供できる。
【００４３】
請求項２記載の発明によれば、少なくとも一つの補正用回折素子を付加する簡略な構造で歪曲の無い干渉縞像を観察できる干渉計装置を提供できる。
【００４４】
請求項３記載の発明によれば、補正用回折素子を使用しない構造で被検面の形状を正確に観察できる高精度な干渉計装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の干渉計装置の概念図である。
【図２】本発明の干渉計装置の実施の形態１の全体図である。
【図３】実施の形態１における補正用回折素子を示す拡大説明図である。
【図４】本発明の干渉計装置の実施の形態２の全体図である。
【図５】実施の形態２における補正用回折素子を示す拡大説明図である。
【図６】本発明の干渉計装置の実施の形態３の全体図である。
【図７】実施の形態３におけるコンピュータの各要素を示すブロック図である。
【図８】実施の形態３における歪曲の補正を示す説明図である。
【図９】実施の形態３における動作を示すフローチャートである。
【図１０】従来の回折素子を用いる干渉計装置の光学配置図である。
【図１１】従来の回折素子を用いる干渉計装置と被検面との配置を示す説明図である。
【図１２】従来の回折素子を用いる干渉計装置による不均一な間隔の干渉縞像を示す説明図である。
【符号の説明】
１干渉計
２回折素子
３ａ被検面
５歪曲補正手段
１０干渉計
１１レーザ光源
１２発散レンズ
１３ピンホール
１４プリズム
１５ミラー
１６コリメータレンズ
１７フィルター
１８結像レンズ
１９ＣＣＤカメラ
２０平面参照レンズ
２２回折素子
２３被検レンズ
２３ａ被検面
２４モニター
２５補正用回折素子

Claims

干渉計と、回折素子とを用いて被検面の干渉縞像を生成する干渉計装置において、
前記回折素子における光の回折に伴って生じる干渉縞像の歪曲を補正する歪曲補正手段を具備したことを特徴とする干渉計装置。
前記歪曲補正手段が、少なくとも一つの補正用回折素子を有することを特徴とする請求項１記載の干渉計装置。
前記歪曲補正手段が、
被検面の干渉縞像のデータから被検面の形状を演算する演算部と、
予め歪曲を伴なわない干渉縞像の径方向の座標値を記憶した記憶部と、
この記憶部に記憶した前記座標値を用いて前記演算部により演算した被検面の形状の座標変換を行う座標変換部と、
この座標変換部により座標変換された被検面の形状を表示する表示部と、
を具備することを特徴とする請求項１記載の干渉計装置。