JP3630983B2 - 波面収差測定方法及び波面収差測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学系の波面収差測定方法及び波面収差測定装置に関するもので、特に収差の大きな光学系であっても簡単な装置構成で、高精度に波面の回転非対称成分を測定できる波面収差測定方法及び波面収差測定装置を提供することを目的としたものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近は様々な分野において残存収差の少ない高性能光学系が要求されている。高性能光学系においては残存波面収差を極力ゼロに近づける必要があり、光学設計と製造両面から残存収差の低減を図る必要が生じている。
【０００３】
高性能光学系の全系の組上がり後の波面収差を良好にするには、全系を構成する要素である単レンズや、単レンズ数枚からなる群レンズの製造誤差を減らし、各構成要素を設計値により近い性能にすることが必要である。
【０００４】
製造の際、低次の球面収差、低次のコマ収差、アス収差等は組立後の空気間隔や単レンズ、群レンズの偏心等により調整可能である。一方、高次のコマ収差、アス収差等の回転非対称成分に関しては、組み立て後の調整方法がない。従って、
高次成分及び回転非対称成分を除去するには、予め組み立て前に各構成要素の持つ透過波面収差を測定し、例えばレンズ面を非球面加工するなどして、各構成要素の波面収差が設計値に近くなるよう補正し、性能を保証する必要がある。
【０００５】
しかしながら最終的に組み立てた状態で高性能光学系であっても各構成要素が発生させる透過波面収差は数１００λ〜数１０００λ、あるいはそれ以上の大収差となるのが通例である。このため、各構成要素の精度検証を通常の干渉計によって測定するのは不可能で、いわゆるヌル法で高精度測定が行なわれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ヌル法で透過波面収差を高精度に測定するには、ヌル法で用いるヌル光学系（ヌルレンズ）の波面収差を高精度に保証する必要がある。ヌルレンズは測定対象となる各構成要素が有する大きな量の波面収差とほぼ同じ大きさで異符号の波面収差を有するレンズである。ヌルレンズは測定の際、原器としての役割をはたすため、ヌルレンズ自体の波面収差の絶対値の保証が重要であるが、収差の量が大きいため保証が非常に困難である。
【０００７】
このため、被測定光学系となる各構成要素の精度検証に際しては以下の様な問題がある。即ち
（１） 被測定光学系の透過波面収差をヌルレンズの精度以上に測定することが不可能である。
【０００８】
（２） ヌルレンズを被測定光学系の種類毎に製作する必要がある。
【０００９】
（３） 上記（１）（２）の結果、装置のコストアップ、大型化、複雑化へとつながる。
【００１０】
本発明では、上記の問題点解決のために、ヌルレンズを使用することなく、被測定光学系の透過波面収差を高精度に、且つ簡単な装置構成で測定する波面収差測定方法と波面収差測定装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では自らの主光線軸を中心に回転している被測定光学系に対し、少なくとも一本の十分に細い第１の光束を照射して該照射光のの透過光を得るとともに、該透過光を参照となる第２の光束と干渉させ、被測定光学系の回転に伴う２つの光束の光路長差の変動を観察する操作を、複数の径に対し順次行ない、各測定径における被測定光学系全周の２光路長差から、被測定光学系の透過波面収差の各成分を取得することを特徴としている。
【００１２】
即ち本発明の波面収差測定方法及び波面収差測定装置では、被測定光学系を保持しある回転軸を中心に回転させる回転機構と、２つの可干渉性光束の発生手段と、該２つの可干渉性光束のうち少なくとも第１の光束を被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射させるための光束偏向手段と、被測定光学系を透過した第１の光束を垂直反射させる光束反射手段と、被測定光学系を透過後、該光束反射手段で垂直反射して再び被測定光学系を透過する第１の光束と、該２つの可干渉性光束のもう一方に当たる第２の光束を結合して干渉させる光学系を有し、被測定光学系の回転に伴って得られる該２つの可干渉性光束の干渉と該回転の方位情報から、被測定光学系の透過波面収差を算出することを特徴としている。
【００１３】
２つの可干渉光束のうち、被測定光学系に入射する第１の光束に対し、第２の光束は被測定光学系のある物点に対する主光線と一致させて被測定光学系に入射させたり、被測定光学系のレンズ面により反射させ基準光としたり、被測定光学系外の基準面により反射させ基準光としたりする自由度がある。第１の光束は被測定光学系を往復で透過した後、第２の光束と結合されて干渉し、該干渉信号と被測定光学系の回転方位の情報から被測定光学系の収差を測定する。
【００１４】
２つの可干渉光束の干渉信号を高精度に取るため、光束を２周波信号とし、ヘテロダイン検出を行なうと分解能を向上させることができる。
【００１５】
本発明の応用例では被測定光学系を被測定光学系の一つの物点に対応する主光線が作る軸を中心に回転するよう保持し、２つの可干渉性光束を回転軸を中心として被測定光学系の同一の径に、同一の入射角度で入射させる。入射した２つの光束は被測定光学系を透過後、光束反射手段で垂直反射し、被測定光学系を再び透過してから結合されて干渉し、該干渉信号と被測定光学系の回転方位の情報から被測定光学系の収差を測定することを特徴としている。
【００１６】
被測定光学系の同一の径に、同一の入射角度で入射させるための光束偏向手段は回転軸に垂直な一軸スライドを持ち、該一軸スライドは入射光束を一軸スライドの長手方向に偏向する第１の偏向手段と、一軸スライドに沿って移動し、第１の偏向手段から導かれる光束を被測定光学系の所定の位置に所定の角度で入射させる第２の偏向手段と、第２の偏向手段を回転軸と一軸スライドがなす平面に垂直な軸回りに回転可能とする回転手段を有することを特徴としている。
【００１７】
また、光束偏向手段は２つの光線用に各１つで計２つあり、２つの光束偏向手段間の相対角度は可変となる手段を有することを特徴としている。ｎθ成分を持つ波面収差を測定する時、前記相対角度を
（２ｍ＋１）・π／ｎ ただし２ｍ＋１＜ｎ；ｍ＝０、１、２、…と設定すると良い。
【００１８】
被測定系の波面収差の測定では所望の径に所望の角度で入射する光束が、複数個の条件で入射する様に順次前記光束偏向手段を制御する、具体的には入射径ｒを順次変えるように光束偏向手段を調整して被測定光学系の波面収差の情報を得ることを特徴とする。複数個の入射径ｒで取得された情報を連結することによって被測定光学系の全体の波面収差を高精度に求めることが可能となった。
【００１９】
また、本発明は被測定光学系の偏心を測定することも可能であるという特徴がある。偏心測定の場合には回転軸を中心に回転している前記被測定光学系の各面に対し、順次２つの可干渉性光束を被測定光学系対象面の見かけの曲率中心近傍に集光交差させるように照射する。被測定光学系の対象面から反射して戻ってきた２つの可干渉性光束は結合されて干渉し、該干渉信号と被測定光学系の回転方位から被測定光学系各面の前記回転軸に対する偏心量を測定することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の波面収差測定装置（透過波面収差測定装置）の構成を示す図である。ｘｙｚ軸は図に示す通り、被測定光学系の光軸方向をｘ軸に一致させる。
【００２１】
本実施形態では説明を簡単にするため、物点が被測定光学系の光軸上で、主光線が光軸と一致している場合を例に説明を行なう。
【００２２】
図中、１はレーザー光源である。光源の波長は被測定光学系を実際に使用するときの波長が望ましい。２はレーザー光束、２４はビーム整形光学系、３は光束２を二つの可干渉性光束２ａ、２ｂに分割するとともに、被測定光学系経由後の２光束を重ね合せるという２つの役目を持つ光束分割結合素子である。図１の光束分割結合素子３では光束分割面と光束反射面が平行なプリズムを使用した。
【００２３】
７は被測定光学系、８は被測定光学系７を透過した２光束２ａ、２ｂを戻すための光束反射手段で、本実施形態では、二つの光束を垂直反射できるように球面ミラーを採用している。球面ミラー８は、２つの光束が垂直反射するように、ｘ方向に移動調整可能となっている。
【００２４】
９は被測定光学系７を保持回転する手段、１０は保持回転手段９の回転軸、１２は保持回転手段９の回転方位検出手段である。１３は演算装置で、光検出手段１４及び回転方位検出手段１２からの信号を処理する。
【００２５】
２３は光束偏向機構で、偏向手段２０、２２、一軸スライド２１より構成されている。
【００２６】
２０は光分割結合素子３で分割された光束の一方で回転軸１０に平行な光線２ａを９０°偏向させるミラー等の偏向手段、２１はｙ軸に平行な一軸スライド、２２は一軸スライド２１方向に移動可能で、ｚ軸回りに回転可能なミラー等の偏向手段である。
続いて本実施形態の作用を説明する。
【００２７】
光源であるレーザー１からの光束２はビーム整形光学系２４で十分に細い光束に変換された後、光束分割結合素子３により、２光束２ａ、２ｂに分割されて回転軸１０と平行に偏向される。
【００２８】
ビーム整形光学系２４で整形後の光束の太さは被測定光学系７の測定したい径以外の影響を受けにくくなるという意味で、細ければ細いほど透過波面収差測定精度に有利である。また、光束の径が細いことは光束内の収差が小さくなることを意味し、干渉縞のＳ／Ｎにも有利である。被測定光学系７で発生するの収差が大きくて、２光束の干渉縞変動が検出できないような場合は、ビーム整形光学系２４で光束の波面にコマ成分を持たせるなどの整形を施し、光検出手段１４において干渉縞変動が観察できるようにすることも可能である。
【００２９】
偏向された２光束のうち、光束２ｂは被測定光学系の光軸上を透過し、球面ミラー８で垂直反射した後、もと来た光路を通って光検出手段１４に入射する。
【００３０】
一方、光束２ａは、光束偏向機構２３に入射して偏向手段２０でｙ軸方向に反射後、被測定光学系７の測定したい径ｒに、測定したい入射角度で入射するように偏向される。具体的には光束２ａは偏向手段２０で反射した後、一軸スライド２１上での位置と、ｚ軸回りの回転を調整された偏向手段２２により偏向を受け、被測定光学系７に所望の位置及び角度を持つ光線として入射する。被測定光学系７への光線の入射位置及び角度は被測定光学系７の見かけの曲率中心への入射条件と一致する。従って、入射側から見れば光束２ａと２ｂは被測定光学系７の見かけの曲率中心で集光交差するように照射される。
【００３１】
被測定光学系７に入射する光束の入射角度は、被測定光学系７が実際使われる状況に近い状態で入射させるのが適当である。被測定光学系７がある光学系の一要素の場合も、入射光束は被測定光学系７が該光学系に組み込まれたときに光線が透過する状態になるべく近い状態であるが好ましい。例えば被測定光学系７がコリメーターレンズの場合は、被測定光学系７の光軸に平行な光線を入射させるが望ましい。
【００３２】
本実施形態の光束偏向機構２３は光束の偏向をミラーの移動、回転で行なっているが、本発明の実施形態はこれに限らず、ミラーの代わりに角度可変の光学クサビを用いたり、被測定光学系の光軸に移動可能な集光レンズ等を設けて光束を偏向させる等の変形例が考えられる。
【００３３】
球面ミラー８は被測定光学系７の光軸に対し予め別手段により回転軸１０に対して無偏心状態にセッティングされるとともに、被測定光学系７透過後の光束２ａが垂直反射するように回転軸１０の方向にも移動調整されている。従って被測定光学系７透過後の光束２ａは、球面ミラー８により垂直反射し、元来た光路を通って光束分割結合素子３により光束２ｂと結合される。光束２ａと光束２ｂは互いに干渉し、光検出手段１４で干渉縞が検出される。
【００３４】
２つの光束２ａ、２ｂのうち光束２ｂは、被測定光学系７の光軸を透過しているので、被測定光学系７の回転によって光路長が変化することはない。一方、光束２ａは被測定光学系７の収差によって光路長が変動する。従って２つの光束２ａ、２ｂの２光路長差データは被測定光学系７の回転に応じて、被測定光学系の収差に対応する変化をする。
【００３５】
光検出手段１４の信号の観測より２光束の干渉縞のコントラストが最大になるように光束偏向機構２３もしくは、球面ミラー８を微調整を行う。
【００３６】
該微調整終了後、被測定光学系７の保持回転手段９を回転させ、光検出手段１４からの信号と回転方位検出手段１２からの信号を演算手段１３で処理する。光検出手段１４からは２光束の光路長差分に応じた干渉光の強度変化信号が得られる。
【００３７】
光検出手段１４の信号と測定方位を示す回転方位検出手段１２の検出信号を対応つけて記憶することにより、被測定光学系７の該入射光線状態における、被測定光学系全周の２光路長差データを得ることができる。２光路長差データは回転に伴う周期信号となるが、該周期信号の位相検出においては、２光束を２周波光とし、ヘテロダイン法を使用すると、高精度な位相検出が可能である。
【００３８】
次いで、光束偏向機構２３を調整し光束２ａの被測定光学系７への入射径ｒを順次変化させながら、２光路長差測定を行い、各測定径ｒに対するレンズ全周の２光路長差データを取得する。入射径ｒの変更は同一の像点、図１の場合には軸上像点に対する結像光束群を順次選んでいくことにに対応する。
【００３９】
測定径ｒを変えると光束２ａの被測定光学系からの射出状態が変化するので、光束２ａが球面ミラー８で垂直反射するように、球面ミラー８を回転軸１０方向に移動、調整する。球面ミラー８の移動量は移動量検出手段１１により測定され、移動に伴う光束２ｂの光路長の変化による２光路長差に補正をかける。
【００４０】
ある径ｒ１とｒ２で測定したときに、球面ミラー８を光軸方向にΔ移動調整したとすると、光束２ｂの光路長はｒ１測定時とｒ２測定時でΔ変化する。従って測定径ｒ１を基準に透過波面収差測定を行う場合、測定径ｒ２の２光路長差データをΔだけ補正すれば、径ｒ１を基準とした透過波面収差測定が可能となる。
【００４１】
以上の手順で複数の径で測定した被測定光学系７全周の２光路長差を、測定した径に関し連結すれば、被測定光学系７全面の透過波面収差を得ることができる。測定に用いた２光束２ａ、２ｂは被測定光学系を２回透過しているので、２光路長差データに０．５をかけたものが、被測定光学系の透過波面収差に相当する。
【００４２】
実施形態１においては２つの可干渉性光束のうち光束２ａを被測定光学系７の任意の位置に該位置に対応した角度で入射させ、もう一本の光束２ｂを光軸に入射させた。しかしながら本発明はこのような構成に限らず、少なくとも２本の可干渉性光束のうち一本が、被測定光学系の任意の位置に該位置に対応する角度で入射する構成であればよい。図１においては光束２ｂが被測定光学系の光軸を透過する構成になっているが、光束２ｂを被測定光学系７の一番上の面でいわゆるキャッツアイ状態にして反射させ、該反射光と光束２ａの干渉縞を光検出手段１４で検出する構成にしてもよい。また、光束分割結合手段３において、光束２ｂを光束反射手段２５に向かう構成にして、光束反射手段２５反射後の光束２ｂと被測定光学系透過後の光束２ａと干渉させる構成にしてもよい。
【００４３】
本実施形態では、光束２ａ、２ｂの２本ともを球面ミラー８で反射させているが、被測定光学系透過後の光束２ａのみを球面ミラー８で垂直反射させ、光束２ｂは回転軸１０上にあり、回転軸１０に垂直に設置固定された反射手段で被測定光学系に戻す構成で、球面ミラー８の移動に伴う２光路長差の補正を簡略化することも可能である。
【００４４】
また、球面ミラー８の代わりに光束偏向手段２３と同じ構成の機構を設けて光束を垂直反射させることも可能である。
【００４５】
以上説明した装置構成で行なう透過波面収差測定をフローにしたのが、図２である。
【００４６】
ｓ１０１で被測定光学系７（ワーク）を保持回転手段にセットし、ｓ１０２でワークの調心、ｓ１０３で球面ミラー８の移動調整、偏心調整を行う。ｓ１０４で光束偏向機構２３を調整し、被測定光学系７に対して、光束２ａが所望の測定径ｒと角度で入射するように調整する。ｓ１０５ではワークを回転させて２光路長差の測定を行い、ｓ１０６で光束往復分の補正を行う。光束２ｂを被測定光学系７の光軸に透過させる場合は、移動量検出手段１１において検出された球面ミラー８の移動量分を補正する。ｓ１０６までの工程で１つの測定径ｒでの測定が終了する。
【００４７】
さらに他の測定径で測定する場合は、再びｓ１０３に戻って測定を繰り返す。全ての測定径を測定し終えると、ｓ１０７で各径における２光路長差データを連結し、全面の透過波面収差を取得する。この後必要であればｓ１０８で透過波面収差をいわゆるクセ等の回転対称な収差や、コマ、アス等の回転非対称な収差等へ分離する。
【００４８】
図２は透過波面収差測定フローの一例であって、他にも種々の変形例が適用できる。例えばｓ１０３とｓ１０４の順序を逆にしてもよいし、ｓ１０６で２光路長差補正後、すぐにｓ１０８で各収差成分の分離をして、全径測定後ｓ１０７で各測定径データを連結することも可能である。
【００４９】
ｓ１０６で取得されたデータは、被測定光学系７の回転に伴い、１θの周期で変動するコマ成分、２θの周期で変動するアス成分などの回転非対称成分、被測定光学系の回転によらず変動しないクセ成分等の回転対称成分の和になっている。ｓ１０６のデータをフーリエ変換等し、回転非対称な各成分と、回転対称成分を分離してから、全径測定後ｓ１０７で各成分を連結し全面情報とすることができる。
【００５０】
以上の説明は被測定光学系７が回転軸１０に対して無偏心の状態にセットされている状態について行なってきた。偏心のある場合には本出願人により出願済みの２ビーム利用の偏心測定装置の特許の機能を本発明に付加すれば、無偏心状態へのセッティングを容易に行なうことが可能となる。
【００５１】
偏心の測定は被測定光学系７の各面に関し光束偏向機構２３に近い面から順に２光束２ａ、２ｂを順次垂直入射させて行なう。従って、入射する２光束は被測定系各面の見かけの曲率中心近傍に集光交差するするように照射されることになる。
【００５２】
偏心量は入射させた２ビームが測定対象面で反射して戻り、形成する干渉縞で測定を行なう。奥側の偏心の測定には手前側の面の偏心状態を換算して補正計算をかける。各面の偏心量をもとに光軸が算出され、回転軸１０に対する被測定光学系７の光軸の偏心量が取得される。取得された偏心量を元に被測定光学系７を調心し、被測定光学系７の光軸と回転軸とが無偏心状態になるまで、偏心測定と調心の作業を繰り返す。
【００５３】
偏心測定の時の光源は透過波面収差測定時と同じものでも構わないが、光源を切り替えて被測定光学系７の各面の反射率が高い波長のものを使用すると、戻り光の光量に関して有利で、干渉縞のＳ／Ｎ比が向上する。
【００５４】
このように、本発明では同一の装置構成で、被測定光学系の偏心測定も可能なため、ヌル法に比べ高精度で、かつ小型な装置で透過波面収差の測定が可能である。
【００５５】
本実施形態では説明を簡単にするため、物点が被測定光学系７の光軸上にあり、主光線が光軸と一致している場合を例に説明した。別の実施形態として被測定光学系７を光軸外のある物点に対応する主光線回りに回転させて波面収差を測定する場合も原理は同一である。光軸外の物点に対しての構成例は実施形態５で祥述するが、本実施形態の保持回転手段９の代わりに図７に示す被測定光学系７を傾斜し、平行移動させる保持回転手段３３を用い、被測定光学系７を測定したい主光線回りに回転させることで透過波面の測定が可能となる。
【００５６】
本発明の実施形態２の波面収差測定装置及び波面収差測定方法は、十分に細い可干渉性の２光束を被測定光学系７の光軸を中心として同一の径ｒに同一の入射角度で照射し、特に回転非対称な透過波面収差うちｎθ成分（ｎ；２ｍ＋１、ｍ＝０、１、２、…）を高精度に測定するのに適したものである。
【００５７】
本実施形態においても、説明を簡単にするため、物点が被測定光学系の光軸上にあり、主光線が光軸が一致している場合を例に説明する。
【００５８】
図３は本発明の実施形態２の波面収差測定装置の構成を示すものである。図中、図１と共通のものは同一の符号とし、座標軸の取り方も図１と同じで、被測定光学系の光軸方向をｘ軸に一致させている。
【００５９】
図中、１はレーザー光源で、光源の波長は被測定光学系７を実際に使用するときの波長が望ましい。２はレーザー光束、２４はビーム整形光学系、３は光束２を２つの可干渉性光束２ａ、２ｂに分割するとともに、被測定面反射後の２光束を重ね合せる光束分割結合素子である。光束分割結合素子３は本実施形態では、光束分割面と光束反射面が平行なプリズムを使用した。
【００６０】
４は２光束２ａ、２ｂを被測定光学系７の任意の位置に該位置に対応した角度で入射させる２光束偏向機構で、２光束を偏向させる素子５である直角プリズムミラーとｚ軸回りの回転とｙ軸方向への移動が可能な偏向ミラー６ａ、６ｂより構成されている。
【００６１】
７は被測定光学系、８は被測定光学系を透過した２光束２ａ、２ｂを戻すための光束反射手段で、本実施形態では球面ミラーが用いられている。球面ミラー８は透過してきた２光束が垂直反射するように、ｘ方向に移動調整可能である。
【００６２】
９は被測定光学系７の保持回転手段、１０は保持回転手段９の回転軸、１２は保持回転手段９の回転方位検出手段、１３は演算装置、１４は光検出手段である。
【００６３】
次いで本実施形態の作用について説明する。
【００６４】
光源であるレーザー１からの光束２はビーム整形光学系２４で十分に細い光束に変換された後、光束分割素子３により２光束２ａ、２ｂに分割されて、回転軸１０に平行に偏向され、２光束偏向機構４へ向かう。
【００６５】
ビーム整形光学系２４で整形後の光束の太さは被測定光学系７の測定したい径以外の影響を受けにくくなるので、細ければ細いほど透過波面収差測定精度に有利である。また、光束の系が細いことは光束内の収差が小さくなることを意味し、干渉縞のＳ／Ｎにも有利である。被測定光学系７で発生するの収差が大きくて、２光束の干渉縞変動が検出できないような場合は、ビーム整形光学系２４で光束の波面にコマ成分を持たせるなどの整形を施し、光検出手段１４において干渉縞変動が観察できるようにすることも可能である。
【００６６】
２光束偏向機構４は２光束２ａ、２ｂが被測定光学系７に対し、回転軸１０を中心として相対方位１８０°で入射するように、左右対称に構成されている。
【００６７】
２光束偏向機構４に入射した２光束２ａ、２ｂは、偏向手段５により相対角度１８０°で、ｙ軸に平行に偏向される。次いで２光束２ａ、２ｂは、ｙ方向に移動可能で、ｚ軸回りに回転可能な偏向手段６ａ、６ｂによって回転軸１０に対し相対方位１８０°の軸対称な状態で偏向を受け、被測定光学系７に向かう。
【００６８】
本実施形態の２光束偏向機構では、偏向手段６ａ、６ｂの移動、回転で、２光束の偏向方向を変化させているが、本発明はこれに限らず、角度可変の光学クサビを用いたり、２光束偏向機構として被測定光学系７の光軸１０に移動可能な集光レンズを設けて２光束を入射させ、偏向させることも可能である。
【００６９】
被測定光学系７に入射する２光束の入射角度は、被測定光学系７が実際使われる状況に近い状態で入射させるのが適当である。被測定光学系７がある光学系の一要素の場合も、入射光束は被測定光学系７が該光学系に組み込まれたときに光線が透過する状態になるべく近い状態であるが好ましい。例えば被測定光学系７がコリメーターレンズの場合は、被測定光学系７の光軸に平行な光線を入射させるが望ましい。
【００７０】
被測定光学系７はあらかじめ別手段により光軸と回転軸１０が一致した無偏心状態にセットし、保持回転手段９に保持される。被測定光学系７を透過した２光束は、回転軸１０方向に移動可能な球面ミラー８により反射する。球面ミラー８はあらかじめ、回転軸１０に対して無偏心状態になるよう、回転軸１０に垂直な方向に調整しておく。２光束は球面ミラー８で垂直反射後、同一光路を辿って、今度は光束分割結合素子３で重ね合わされ干渉縞を生じる。２光束の干渉縞は光検出手段１４により検出される。光検出手段１４の信号の観測より、２光束の干渉縞のコントラストが最大になるように２光束偏向機構４もしくは、球面ミラー８を微調整を行う。光検出手段１４の出力信号は演算手段１３に送られる。
【００７１】
微調整終了後、保持回転手段９の回転に伴う光検出手段１４からの信号と回転方位検出手段１２からの信号が演算手段１３で処理される。保持回転手段９の回転に伴い、光検出手段１４は２光束２ａ、２ｂの光路長差分に応じた干渉光の強度変化信号を出力する。光検出手段１４の検出信号と測定方位を示す回転方位検出手段１２の検出信号を対応つけて記憶することによって、該入射光線状態における、被測定光学系７全周の２光路長差データを得ることができる。
【００７２】
２光路長差は回転に伴う周期関数となるが、該周期信号の位相検出においては、２光束を２周波光とするヘテロダイン法を使用すると、高精度な位相検出が可能である。
【００７３】
次いで、２光束の被測定光学系７への入射径ｒが順次変化するように、２光束偏向機構４を調整し、各測定ｒにおける被測定光学系７全周の２光路長差測定を行う。
【００７４】
測定された２光路長差は、２光束の被測定光学系入射時の相対方位が１８０°であるため、図５で示す透過波面収差の回転非対称成分のうち１θ成分（コマ）、３θ成分等の（２ｍ＋１）θ、（ｍ＝０、１、２、…）の奇数次の非対称成分を合成した形となり、２θ（アス）、４θ等の偶数次の成分は持たない。
【００７５】
即ち、ある径ｒにおける被測定光学系の透過波面収差のｎθ成分（ｎ＝１、２、…）を振幅Ａｎ、初期位相θｎを用いて、
Ａ_ｎｓｉｎ（ｎθ＋θｎ）
という形で表わすとすると、光路長差Ｌは２光束の被測定光学系入射時の相対方位が１８０°なので、
（１） L=Σλ[A _ｎ sin(nθ+θｎ)ーA _ｎ sin(nθ+nπ+θｎ)]
＝Σ2λA_ｎsin(nθ+θ_ｎ)・δ_ｎ，_２ｍ＋１(_ｍ=0、1、2、…)
とｎが奇数の成分だけが残り、残った成分については各成分の振幅Ａ_nが２倍になって測定される。ここで、δ_ｉ，_ｊはクロネッカーのデルタで、ｉ＝ｊなら１、ｉ≠ｊなら０である。
【００７６】
また、透過波面収差のうち、回転対称成分は同一径ｒでは方位によらず一定なので、本実施形態で出力される２光路路長差には含まれない。
【００７７】
光検出手段１４で検出される２光路長差は、２光束が被測定光学系７を２度透過しているので、実際の検出値は（１）式の２倍の値になる。検出される信号には装置構成により元々存在する２光路長差など、被測定光学系の回転により変化しない成分も含まれているが、これらは、演算手段１３において補正して除去可能なため、最終的にある径ｒにおける、被測定光学系７全周の透過波面収差を得ることができる。
【００７８】
以上のように、被測定光学系の同一径に相対方位１８０°で可干渉性の２光束を入射させることで、奇数次の回転非対称成分だけを高いＳ／Ｎ比で、高精度に測定できることとなる。
【００７９】
測定された被測定光学系７全周の透過波面収差から特定の成分をみるには、各径ｒに関して測定された透過波面収差に対しフーリエ変換やフィッティングを行い、対象成分を取り出せばよい。
【００８０】
例えば、コマ成分は１θ成分に相当するので、透過波面収差データから１θ成分だけをとりだせばよい。
（２） WA_ＣＭ(r)=C_１(r)・sin(θ+y_１(r))、
ここで、Ｃ_１（ｒ）は測定径ｒにおける被測定光学系７の透過波面収差のコマ成分の振幅、ｙ_１（ｒ）は測定径ｒにおけるコマ成分の初期位相である。
【００８１】
被測定光学系７の持つ透過波面収差のコマ成分の振幅Ｃ_１（ｒ）と初期位相ｙ_１（ｒ）ををさらに、ｒの関数で表したい場合は以下のように行う。
【００８２】
透過波面収差のコマ成分を、（３）式の様に記述し直す。
（３） WA_ＣＭ(r)=A(r)cosθ+B(r)sinθ、
ただし、
（４） A(r)=W_１r+W_３r^３+W_５r^５+W_７r^７+W_９r^９+…、
（５） B(r)=W_２r+W_４r^３+W_６r^５+W_８r^７+W_１０r^９+…、
である。
【００８３】
ここでＷ_１、Ｗ_２、…は、透過波面波面収差係数のコマ成分に関するものである。
【００８４】
（２）式と（３）式を対応させると、
（６） Ｃ_１ ^２（ｒ）＝Ａ^２（ｒ）＋Ｂ^２（ｒ）
（７） ｔａｎｙ_１（ｒ）＝Ａ（ｒ）／Ｂ（ｒ）
となる。各測定径ｒに関する測定結果Ｃ_１（ｒ）、ｙ_１（ｒ）をもとに（４）〜（７）式を用いて最小自乗法等でフィッティングを行えば、コマの各波面収差係数Ｗ_１、Ｗ_２、…を得ることができ、被測定光学系７全面の透過波面収差を得ることができる。
【００８５】
同様にして、他の奇数次の非回転対称成分についても透過波面収差のコマ成分を得ることが可能である。
【００８６】
被測定光学系７の透過波面収差の３θ成分、５θ成分は、測定径ｒにおけるレンズ全周の透過波面収差から、３θ成分、５θ成分をフーリエ変換や、フィッティング等で抽出し、以下のように表わすことができる。
（８） WA_３(r)=C_３(r)・sin(3 θ+y_３(r))、
（９） WA_５(r)=C_５(r)・sin(5 θ+y_５(r))。
【００８７】
数式（８）は３θ成分、数式（９）は５θ成分に対応する。Ｃ_３（ｒ）、Ｃ_５（ｒ）は測定径ｒにおける透過波面収差の３θ成分、５θ成分の振幅、ｙ_３（ｒ）、ｙ_５（ｒ）は測定径ｒにおける３θ成分、５θ成分の初期位相である。
【００８８】
被測定光学系７の持っている透過波面収差の３θ成分の振幅や初期位相をｒの関数で表したい場合も、１θ成分であるコマ成分と同じように計算することができる。
【００８９】
波面収差の３θ成分を、以下の様に記述する。
（１０） WA_３(r)=A_３(r)cos3θ+B_３(r)sin3θ、
ただし、
（１１） A_３(r)=W_３１r+W_３３r^３+W_３５r^５+W_３７r^７+W_３９r^９+…
（１２） B_３(r)=W_３２r+W_３４r^３+W_３６r^５+W_３８r^７+W_３１０r^９+…
ここで、Ｗ_３１、Ｗ_３２、…は、波面収差係数の３θ成分に関するものである。
（８）式と（１０）式を対応させると、
（１３） C_３２(r)=A_３ ^２(r)+B_３ ^２(r)
（１４） tany_３(r)=A_３(r)/B_３(r)、
となる。各測定径ｒに関する測定結果Ｃ_３（ｒ）、ｙ_３（ｒ）をもとに（１１）〜（１４）式を用いて最小自乗法等でフィッティングを行えば、３θ成分の各波面収差係数Ｗ_３１、Ｗ_３２、…を得ることができる。
【００９０】
５θ成分、あるいはより高次の奇数次の成分の振幅をｒのべきで表したい場合も、上記手法と同様な方法で可能である。
【００９１】
以上の説明は被測定光学系７が回転軸１０に対して無偏心の状態にセットされている状態について行なってきた。偏心のある場合には実施形態１の様に本出願人により出願済みの２ビーム偏心測定装置の特許の機能を本発明に付加すれば、無偏心状態へのセッティングを容易に行なうことが可能となる。
【００９２】
偏心の測定は被測定光学系７の各面に関し２光束偏向機構４に近い面から順に２光束２ａ、２ｂを順次垂直入射させて行なう。偏心量は入射させた２ビームが測定対象面で反射して戻り、形成する干渉縞で測定を行なう。奥側の偏心の測定には手前側の面の偏心状態を換算して補正計算をかける。各面の偏心量をもとに光軸が算出され、回転軸１０に対する被測定光学系７の光軸の偏心量が取得される。取得された偏心量を元に被測定光学系７を調心し、被測定光学系７の光軸と回転軸とが無偏心状態になるまで、偏心測定と調心の作業を繰り返す。
【００９３】
偏心測定の時の光源は透過波面収差測定時と同じものでも構わないが、光源を切り替えて被測定光学系７の各面の反射率が高い波長のものを使用すると戻り光の光量に関して有利で、干渉縞のＳ／Ｎ比が向上する。
【００９４】
このように、本発明では同一の装置構成で、被測定光学系７の偏心測定も可能なため、ヌル法に比べ高精度で、かつ小型な装置で透過波面収差の測定が可能である。
【００９５】
本実施形態では、相対方位として、透過波面のコマ成分に関して２光路長差が最大になる１８０°を採用しているが、コマ成分の測定は相対方位が０°以外ならば、何度でもかまわない。例えばコマ成分が大きい場合、相対方位１８０°ではサンプリング間隔を小さくしないと測定不能になる場合がある。測定不能の場合は相対方位を小さくして測定を行うと、２光路長差が小さくなり有利である。
【００９６】
本実施形態２の透過波面収差測定装置を用いるときのフローが図４である。
【００９７】
ｓ１０１で被測定光学系７（ワーク）を保持回転手段９にセットし、ｓ１０２でワークの調心、ｓ１０３で球面ミラーの移動調整、偏心調整を行う。次いでｓ１０４で２光束２ａ、２ｂが被測定光学系に対して所望の測定径ｒと角度で入射するように、２光束偏向機構４を調整する。ｓ１０５ではワークを回転させて２光路長差の測定を行い、ｓ１０６で光束往復分等の２光路長差補正を行って、ｓ１０７で各成分（ｎθ成分、ｎは奇数）を抽出する。ｓ１０７までで１つの測定径ｒにおける測定が終了する。さらに他の測定径で測定する場合は、ｓ１０３に戻って測定を繰り返す。全ての測定径を測定し終えたならば、ｓ１０８で全面の透過波面収差の算出を行う。
【００９８】
本実施形態の透過波面収差の測定フローは図４に限定されない。例えばｓ１０７のθ成分抽出と２光路長差補正は全測定径測定後一括に行うことにして、ｓ１０５で２光路長取得後すぐにｓ１０３に戻って測定を続けてもいいし、ｓ１０３とｓ１０４を逆にしてもよい。
【００９９】
また、ｓ１０６で２光路長差を補正したあとｓ１０７のステップを行わず、全ての測定径について測定を行い、各径における２光路長差データを連結して全面情報に直してから、各収差成分の分離を行うことも可能である。
【０１００】
本実施形態でも説明を簡単にするため、物点が被測定光学系７の光軸上にあり、主光線が光軸と一致している場合を例にとって説明した。別の実施形態として被測定光学系７の光軸外のある物点に対応する主光線回りに被測定光学系を回転させて測定する場合も原理は同一である。光軸外の物点に対しての構成例は実施形態５で祥述するが、本実施形態の保持回転手段９の代わりに図７に示す被測定光学系７を傾斜し、平行移動させる保持回転手段３３が用いられる。被測定光学系７を測定したい主光線回りに回転させ、２光束偏向機構４が２光束２ａ、２ｂを主光線がなす軸に対して被測定光学系７の同一径に入射させるような構成にすると、光軸外の物点に対しても測定可能となる。
【０１０１】
本発明の実施形態３の波面収差測定装置及び波面収差測定方法は、３θ成分、５θ成分等のｎθ成分（ｎは奇数）の透過波面収差を測定する場合に関するものである。実施形態２では１θ成分のコマ収差を精度良く測定するため、２光束の相対方位を１８０°に設定した。しかしながら３θ成分、５θ成分等の３以上の高次のｎθ成分（ｎは奇数）の透過波面収差を測定する場合には、２光路長差が最大になる２光束の相対方位は必ずしも１８０°に限定されず、２光束の相対方位が、
（１５） (2_ｍ+1)・π/n、
ただし、(2_ｍ+1)<n;m=0、1、2、…、
なら、２光路長差の振幅が最大値となり、最もＳ／Ｎ比が高い状態となる。
【０１０２】
例えば３θ成分の場合は相対方位πのほかに相対方位π／３、５θ成分の場合は相対方位π／５、３π／５の場合でも２光路長差が最大となる。さらに、２光束の相対方位を１８０°以外にしておけば、１θ成分であるコマ成分の影響が小さくなるので、高次の奇数次成分測定時に観測したい成分のＳ／Ｎ比が向上する。
【０１０３】
２光束の相対方位を１８０°を含めて可変としたのが本発明の実施形態３で、図３の波面測定装置の２光束偏向機構４を図６に示す２光束偏向機構４’で置換したことが特徴である。
【０１０４】
以下、図６と図３を併用し、２光束の相対方位をπ／３＝６０°としたときを例に説明を行なう。これまでの実施形態と同じ部材に関しては同一の符号が付けてあり、座標の取り方も前実施形態と同じとする。図６は２光束偏向機構４’を図３におけるｘの負の側からみている。また、本実施形態においても、説明を簡単にするため、物点が被測定光学系の光軸上にあり、主光線と光軸が一致している場合を例に説明する。
【０１０５】
本実施形態の２光束偏向機構４’は、偏向手段５ａ、５ｂと偏向手段６ａ、６ｂを有し、ｙｚ平面にある一軸スライダ１０２ａ、１０２ｂと、各一軸スライダの相対角度を可変とするスライド角度可変手段１０１から構成されている。図６では、一軸スライド１０２ａが固定で、一軸スライド１０２ｂを回転させる構成となっている。１０２ｂ側を回転側としたのは光束２ｂが被測定光学系７の光軸である回転軸１０上を走っているためである。一軸スライド１０２ｂが固定で一軸スライド１０２ａが回転する構成、あるいは一軸スライド両方が回転する構成も微小な系の変更で実現することができる。
【０１０６】
偏向手段５ａ、５ｂは、図３に示す２光束分割結合素子３から来た２光束２ａ、２ｂが一軸スライダ１０２ｂの回転に追随し、各一軸スライダ１０２ａ、１０２ｂの長手方向に平行に偏向されるように設置される。偏向手段６ａ、６ｂは各一軸スライダ方向に移動可能で、各一軸スライド１０２ａ、１０２ｂとｘ軸が作る平面に垂直な軸回りに回転可能となっている。
【０１０７】
本実施形態における２光束偏向機構４’の作用は次のとおりである。
【０１０８】
図６で２光束２ａ、２ｂは不図示の２光束分割結合素子３により、回転軸１０に平行に偏向される。２光束分割結合素子３は回転軸１０と一致する光路を通過する偏向光束２ｂが回転軸１０上に存在する偏向手段５ｂで反射し、回転軸１０に平行でｙ軸方向にシフトした光路を通る光束２ａがｙ軸上に存在する偏向手段５ａで反射するように光路を調整する。
【０１０９】
２光束２ａ、２ｂは、スライド角度可変手段１０１により相対角度６０°を持つように調整された一軸スライド１０２ａ、１０２ｂ上の偏向手段５ａ、５ｂにより、各一軸スライドに平行で相対角度６０°を持つよう偏向を受ける。偏向を受けた２光束２ａ、２ｂは、あらかじめ被測定光学系７の測定したい同一径ｒに同一入射角度で入射するように移動調整した偏向手段６ａ、６ｂにより偏向され、被測定光学系７へ向かう。２光束２ａ、２ｂは被測定光学系７透過後、図３に示すようにあらかじめ移動調整済みの球面ミラー８に垂直入射して反射され、同一光路を辿ってもとの光学系に戻る。次いで２光束２ａ、２ｂは２光束分離結合素子３で合成されて受光素子１４上に干渉縞を生じ、２光路長差が観測される。球面ミラー８の位置は必要に応じて微調整が行なわれる。
【０１１０】
微調整が終了すると被測定光学系７は保持回転手段９で回転され、光検出手段１４からの信号と回転方位検出手段１２からの信号が演算手段１３で処理される。光検出手段１４から得られるのは保持回転手段９の回転に応じた２光束の光路長差による干渉光の強度変化信号で、該強度変化信号は回転に伴う周期信号である。該周期信号と測定方位を示す回転方位検出手段１２の検出信号とを対応つけて記憶することにより、被測定光学系７の入射径ｒでの入射光線状態における、被測定光学系全周の２光路長差データを得ることができる。
【０１１１】
次いで、一軸スライド１０２ａ、１０２ｂ間の相対角度を６０°に保ったまま、２光束の被測定光学系７への入射径ｒが順次変化するように２光束偏向機構４’を調整し同様の２光路長差測定を行う。測定された２光路長差データから実施形態２のように３θ成分を抽出すれば、被測定光学系７の測定径ｒにおける透過波面収差の３θ成分を取得することができ、同様に径ｒについての取得データを連結すれば、３θ成分の波面収差係数が取得できる。
【０１１２】
透過波面収差の５θ成分も同様に、２光束偏向機構４’のスライド角度可変手段１０１により、一軸スライダ１０２ｓ、１０２ｂの相対角度を１８°か、５４°にすることで測定可能である。同様に、スライド角度可変手段１０１を用いて一軸スライド間の相対角度を変化させれば、さらに高次のｎθ成分（ｎは奇数）の透過波面収差の測定も可能である。
【０１１３】
本実施形態でも説明を簡単にするため、物点が被測定光学系７の光軸上にあり、主光線が光軸と一致している場合を例に説明した。別の実施形態として被測定光学系７の光軸外のある物点に対応する主光線回りに被測定光学系を回転させて測定する場合も原理は同一である。光軸外の物点に対しての構成例は実施形態５で祥述するが、本実施形態の保持回転手段９の代わりに図７に示す被測定光学系７を傾斜し、平行移動させる保持回転手段３３が用いられる。被測定光学系７を測定したい主光線回りに回転させ、図６に示す２光束偏向機構４’が２光束２ａ、２ｂを主光線がなす軸に対して被測定光学系７の同一径に同一の入射角度で入射する構成にすると、光軸外の物点に対しても測定可能となる。
【０１１４】
本発明の実施形態４の波面収差測定装置及び波面収差測定方法は、透過波面収差のうちアス成分（２θ）の測定に関するものである。本実施形態でも説明を簡単にするため、物点が被測定光学系の光軸上にあり、主光線が光軸が一致している場合を例に説明する。
【０１１５】
アス成分に限らず透過波面収差のｎθ成分（ｎは偶数）を測定する場合、被測定光学系に入射させる２光束の相対方位は、（１５）式と同様に、
（１６） (2_ｍ+1)・π/n、
ただし、(2_ｍ+1)<n;m=0、1、2、…、
のとき２光路長差の振幅が最大値をとり、観測したい成分のＳ／Ｎ比が向上する。例えば２θ成分の場合は相対方位π／２、４θ成分の場合は相対方位π／４、３π／４の場合に２光路長差が最大となる。
【０１１６】
透過波面収差のアス成分を測定する波面測定装置の構成は実施形態２で説明したものを使用する。即ち、図３の波面測定装置において２光束偏向機構４を図６の２光束偏向機構４’に置換した構成である。
【０１１７】
実施形態４では図６の２光束偏向機構４’でスライド角度可変手段１０１により、一軸スライド１０２ａ、１０２ｂの相対角度を９０°にしてアス成分の測定を行なうことを特徴としている。
【０１１８】
光源であるレーザー１からの光束２はビーム整形光学系２４で十分に細い光束に変換された後、光束分割結合素子３により２光束２ａ、２ｂに分割されて回転軸１０に平行な光束となって、図６の２光束偏向機構４’に入射する。２光束分割結合素子３は回転軸１０上を通る光束２ｂが回転軸１０上に存在する偏向手段５ｂで反射し、
回転軸１０と平行でｙ軸方向にシフトした位置を通る光束２ａがｙ軸上に存在する偏向手段５ａで反射するように予め調整を行なっておく。
【０１１９】
２光束２ａ、２ｂは、スライド角度可変手段１０１により相対角度９０°を持つように調整された一軸スライド１０２ａ、１０２ｂ上の偏向手段５ａ、５ｂにより、各一軸スライドに平行になるように偏向を受ける。偏向を受けた２光束２ａ、２ｂは、あらかじめ被測定光学系７の測定したい同一径ｒに同一角度で入射するように移動調整した偏向手段６ａ、６ｂで偏向を受け、被測定光学系７へと向かう。
【０１２０】
２光束の被測定光学系７への入射角度は実施形態１で説明したように、該被測定光学系７が実際に使われる状況に近い角度とすることが望ましい。
【０１２１】
２光束２ａ、２ｂは被測定光学系７透過後、図３で示した球面ミラー８で垂直反射し、同一光路を辿ってもとの光学系に戻る。次いで、２光束２ａ、２ｂは２光束分離結合素子３で結合されて光検出手段１４上に干渉縞を形成し、光電信号に変換される。光検出手段１４の信号の観測より２光束の干渉縞のコントラストが最大になるように２光束偏向機構４’もしくは、球面ミラー８の微調整を行う。
【０１２２】
微調整が終了すると、被測定光学系７は保持回転手段９により回転され、光検出手段１４からの信号と回転方位検出手段１２からの信号が演算手段１３で処理される。光検出手段１４から得られるのは保持回転手段９の回転に応じた２光束の光路長差による干渉光の強度変化信号で、該強度変化信号は回転に伴う周期信号である。該周期信号と測定方位を示す回転方位検出手段１２の検出信号とを対応つけて記憶することにより、被測定光学系７の入射径ｒでの入射光線状態における、被測定光学系全周の２光路長差データを得ることができる。
【０１２３】
獲得された２光路長差データから２θ成分を抜き出せば、被測定光学系７の光軸を中心とした透過波面収差のアス成分が測定できる。本実施形態では２光束を相対方位９０°で被測定光学系７に入射させているので、２θ成分は高いＳ／Ｎ比で測定される。
【０１２４】
同様に、一軸スライド１０２ａ、１０２ｂ間の相対角度を９０°に保ったまま、２光束の被測定光学系７への入射径ｒが順次変化するように２光束偏向機構４’を調整し、２光路長差測定を行う。測定された２光路長差データから実施形態２と類似の手順で２θ成分を抽出すれば、被測定光学系７の測定径ｒにおける透過波面収差の２θ成分を取得することができ、径ｒについての取得データを同様に連結すれば、２θ成分の波面収差係数が取得できる。
【０１２５】
本実施形態でも説明を簡単にするため、物点が被測定光学系７の光軸上にあり、主光線が光軸と一致している場合を例に説明した。別の実施形態として被測定光学系７の光軸外のある物点に対応する主光線回りに被測定光学系７を回転させて測定する場合も、原理は同一である。光軸外の物点に対しての構成例は実施形態５で祥述するが、本実施形態の保持回転手段９の代わりに図７に示す被測定光学系７を傾斜し、平行移動させる保持回転手段３３が用いられる。被測定光学系７を測定したい主光線回りに回転させ、図６に示す２光束偏向機構４’が２光束２ａ、２ｂを主光線がなす軸に対して被測定光学系７の同一径に同一の入射角度で入射させる構成にすると、光軸外の物点に対しても測定が可能である。
【０１２６】
本発明の実施形態５は物点が被測定光学系の軸外にある場合の波面収差測定装置及び波面収差測定方法で図７に示す構成を取ったものである。
【０１２７】
図中、これまでの実施形態と共通の部材は同一の符号で示され、座標系も図１と同様に設定されている。
【０１２８】
新たに導入された部材で２９は偏向手段、４’’は２光束偏向機構で光束分割結合素子３０、偏向手段３１、３２ａ、３２ｂからなっている。３０は光束分割結合素子で光束を２つの可干渉性光束２ａ、２ｂに分割するとともに、被測定光学系７透過後に戻ってきた２光束を重ね合せる。３１は光束２ａの偏向手段、３２ａ、３２ｂはそれぞれ光束２ａ、２ｂの偏向手段で、ｙ軸方向に移動可能で、ｚ軸回りに回転可能となっている。３３は被測定光学系７の保持回転手段で、被測定光学系７を傾斜及び方向移動させ、該傾斜及び移動量は回転方位検出手段１２でモニターされている。
【０１２９】
本実施形態は、保持回転手段３３により被測定光学系７が平行移動と傾斜でき、軸外の物点に対応する主光線を軸として回転できる構成となっている点が実施形態１との違いである。また、２光束偏向機構４”は２光束の一方を主光線として入射させ、もう一方を被測定光学系７の所望の位置に所定の角度で入射させる。
【０１３０】
先ず、保持回転手段３３は被測定光学系７の測定対象となる軸外の物点に入射する主光線と回転軸１０が一致するように、傾斜、平行移動量を調整する。
【０１３１】
レーザー１から出射した光束２は、ビーム整形手段２４で十分に細い光束に変換された後、偏向手段２９で偏向を受け、２光束分割結合素子３０で、２光束２ａ、２ｂに分割される。光束分割結合素子３０により反射された光束２ｂは偏向手段３２ｂへ到達し、被測定光学系７の測定対象となっている軸外物点に対応する主光線と一致するよう偏向される。２光束分割結合素子３０を透過した光束２ａは偏向手段３１で反射後、偏向素子３２ａにより被測定光学系７の所望の位置に所望の角度で入射するように偏向される。
【０１３２】
２光束２ａ、２ｂは被測定光学系７を透過し、あらかじめ２光束が垂直反射するように調整された球面ミラー８に垂直入射し反射される。球面ミラー８は保持回転手段３３による被測定光学系７の回転に伴い、回転軸１０回りを保持回転手段３３に同期して回転する。球面ミラー８を反射した２光束は被測定光学系７を同一光路を辿って透過して戻り、光束分割結合素子３０で重ね合わされて光検出手段１４上に干渉縞を形成する。
【０１３３】
上記状態で、被測定光学系７の回転保持手段３３を回転させると、光検出手段１４からは２光束の光路長差分に応じた干渉光の強度変化信号が周期信号として得られる。該強度変化信号と測定方位を示す回転方位検出手段１２の検出信号を対応つけて記憶することによって、該入射光線状態における被測定光学系７全周の２光路長差データを得ることができる。光検出手段１４からの信号と、回転方位検出手段１２からの信号は演算手段１３で処理される。
【０１３４】
本実施形態での位相検出方法も、実施形態１等と同じく２光束２ａ、２ｂを２周波光とし、ヘテロダイン法を使用すると高精度位相検出が可能である。
【０１３５】
光束２ｂは回転軸１０上を透過しているので、被測定光学系７が回転しても光路長が変化することはないが、光束２ａは被測定光学系７の収差によって光路長が変動する。得られた２光路長差データは回転保持手段３３の回転に応じて、被測定光学系７の収差に対応する変化をする。
【０１３６】
次いで、光束２ｂの被測定光学系入射状態は固定のまま光束偏向機構４’’内の偏向手段３２ａを調整し、光束２ａの被測定光学系７への入射径ｒを所定量変化させて２光路長差測定を同様に行う。入射径ｒを順次変化させながら同様の測定を繰り返すことによって、主光線の軸を中心として各測定径ｒに対するレンズ全周の２光路長差データが取得できる。測定径ｒの変化に伴って、光束２ａの被測定光学系７からの射出状態が変化するので、球面ミラー８は光束２ａと２ｂがで垂直射するように移動、調整される。球面ミラー８の移動に伴い生じる光束２ｂの光路長変化は、球面ミラー８の移動量を移動量検出手段１１により測定した値を用いて補正をかける。
【０１３７】
以上の手順で光束２ａの入射状態を変え、回転軸１０回りに測定した被測定光学系７全周の２光路長差を複数個の径に関して連結すれば、被測定光学系７全面の透過波面収差を得ることができる。得られるデータは光束２ｂが被測定光学系７に入射する状態が、被測定光学系７のある物点に対する主光線と同等としたときのものである。また、２光束は被測定光学系７を２回透過するので、２光路長差データに０．５を乗したしたものが、被測定光学系７の透過波面収差に相当する。
【０１３８】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明の波面収差測定装置及び波面収差測定方法においてはヌルレンズ等を使用することなく、被測定光学系の透過波面収差を高精度に、簡単な装置構成で測定することが可能となった。
【０１３９】
本発明では２光束の入射状態を調整することであらゆる光学系に対応できるため、被測定光学系毎にヌルレンズを製作という繁雑さからも逃れることができて、コスト面、日程的にも極めて有利である。またヌルレンズを装着、あるいは交換するスペースも不要となるため、装置が大型化しないというメリットもある。
【０１４０】
精度面についてもヌルレンズ使用時に必要なヌルレンズ自体の収差の絶対値のキャリブレーションが不要で誤差要因が小さい。本発明で測定対象とした波面収差は２光束を干渉させて相対計測可能なものであり、常に一方が参照光となる、または配置上の条件で誤差が最小となるように設定できるため、従来法より高精度な測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の透過波面収差測定装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施形態１の透過波面収差測定方法のフローを示す図
【図３】本発明の実施形態２の透過波面収差測定装置の構成を示す図
【図４】本発明の実施形態２の透過波面収差測定方法のフローを示す図
【図５】透過波面収差の回転非対称成分の模式図
【図６】本発明の実施形態３及び４の２光束偏向機構の構成を示す図
【図７】本発明の実施形態５の透過波面収差測定装置の構成を示す図
【符号の説明】
１ レーザー
２ 光束
２ａ，２ｂ ２分割された光束
３ 光束分割結合手段
４ ２光束偏向機構
４’ ２光束偏向機構
４’’ ２光束偏向機構
５ 偏向手段
５ａ，５ｂ 偏向手段
６ａ，６ｂ 偏向手段
７ 被測定光学系
８ 光束反射手段
９ 保持回転手段
１０ 回転軸
１１ 移動量検出手段
１２ 回転方位検出手段
１３ 演算手段
１４ 光検出手段
２０ 偏向手段
２１ 一軸スライド
２２ 偏向手段
２３ 光束偏向機構
２４ ビーム整形手段
２５ 光束反射手段
２９ 偏向手段
３０ 光束分割結合手段
３１ 偏向手段
３２ａ、３２ｂ 偏向手段
３３ 保持回転手段
１０１ スライド角度可変手段
１０２ａ，１０２ｂ 一軸スライド

Claims (33)

1. 被測定光学系の波面収差を測定する波面収差測定装置において、
   前記被測定光学系を保持しある回転軸を中心に回転させる回転機構と、２つの可干渉性光束の発生手段と、該２つの可干渉性光束のうち少なくとも第１の光束を前記被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射させるための光束偏向手段と、前記被測定光学系を透過した第１の光束を垂直反射させる光束反射手段と、前記被測定光学系を透過後、該光束反射手段で垂直反射して再び前記被測定光学系を透過する第１の光束と、該２つの可干渉性光束のもう一方である第２の光束を結合して干渉させる光学系を有し、
   前記被測定光学系の回転に伴って得られる該２つの可干渉性光束の干渉と該回転の方位の情報から、前記被測定光学系の透過波面収差を算出することを特徴とする波面収差測定装置。
2. 前記回転軸が前記被測定光学系のある物点に対する主光線と一致することを特徴とする請求項１記載の波面収差測定装置。
3. 前記回転に伴い該光束反射手段が回転することを特徴とする請求項２記載の波面収差測定装置。
4. 該２つの可干渉性光束の第２の光束を前記主光線が作る軸から前記被測定光学系に入射させるとともに、第１の光束を前記被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射させ、該２光束を前記被測定光学系を透過後、該光束反射手段で垂直反射させてもう一度前記被測定光学系を透過させた後、結合し、干渉させることを特徴とする請求項２記載の波面収差測定装置。
5. 該２つの可干渉光束の第２の光束を前記被測定光学系のレンズ面により反射させ基準光とし、第１の光束を前記被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射させて前記被測定光学系透過後、該光束反射手段で垂直反射して再び前記被測定光学系を透過させた後、前記基準光と結合し、干渉させることを特徴とする請求項２記載の波面収差測定装置。
6. 該２つの可干渉光束の第２の光束を前記被測定光学系外の基準面により反射させて基準光とし、第１の光束を前記被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射させて前記被測定光学系透過させた後、該光束反射手段で垂直反射して再び前記被測定光学系を透過させた後、前記基準光と結合し、干渉させることを特徴とする請求項２記載の波面収差測定装置。
7. 被測定系の所望の径に所望の角度で入射する第１の光束が、複数個の入射径の条件を取る様に、順次前記光束偏向手段を制御して前記被測定光学系の波面収差の情報を得ることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の波面収差測定装置。
8. 前記複数個の条件で取得された情報を連結して前記被測定光学系の全体の波面収差を得ることを特徴とする請求項７記載の波面収差測定装置。
9. 該２つの可干渉性光束によって形成される干渉縞の位相を検出する手段がヘテロダイン法であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の波面収差測定装置。
10. 前記回転軸を中心に回転している前記被測定光学系の各面に対して、順次、前記２つの可干渉性光束を前記被測定光学系の対象面の見かけの曲率中心近傍に集光交差させて照射し、該被測定光学系対象面から反射する２つの可干渉性光束の重ね合せによって形成される干渉縞の変動から、前記回転軸に対する前記被測定光学系各面の偏心量を測定することを特徴とする請求項９記載の波面収差測定装置。
11. 被測定光学系の波面収差を測定する波面収差測定装置において、
    前記被測定光学系を保持しある回転軸を中心に回転させる回転機構と、２つの可干渉性光束の発生手段と、該２つの可干渉性光束が回転軸を中心として前記被測定光学系に同一の径で同一の入射角度を持って入射するように偏向させる光束偏向手段と、前記被測定光学系を透過した光束を垂直反射させる光束反射手段と、前記被測定光学系を透過後、該光束反射手段で垂直反射して再び前記被測定光学系を透過する該２つの可干渉性光束を結合して干渉させる光学系を有し、
    前記被測定光学系の回転に伴って得られる該２つの可干渉性光束の干渉と該回転の方位の情報から、前記被測定光学系の透過波面収差を算出することを特徴とする波面収差測定装置。
12. 請求項１１記載の光束偏向手段は前記回転軸に垂直な一軸スライドを持ち、該一軸スライドは入射光束を一軸スライドの長手方向に偏向する第１の偏向手段と、該一軸スライドに沿って移動し、第１の偏向手段から導かれる光束を前記被測定光学系の所定の位置に所定の角度で入射させる第２の偏向手段と、第２の偏向手段を前記回転軸と一軸スライドがなす平面に垂直な軸回りに回転可能とする回転手段を有することを特徴とする請求項１１記載の波面収差測定装置。
13. 請求項１１記載の光束偏向手段が該２つの可干渉性光束の各々に対して１つずつ計２つ設けられ、該２つの光束偏向手段間の相対角度を可変とする手段を有することを特徴とする請求項１２記載の透過波面収差測定装置。
14. 前記一軸スライドによって設定される被測定系に対する入射径の条件を複数個とし、該複数個の条件を、順次前記一軸スライドを制御して実現して、前記被測定光学系の波面収差の情報を得ることを特徴とする請求項１３記載の波面収差測定装置。
15. 前記複数個の条件で取得された情報を連結して前記被測定光学系の全体の波面収差を得ることを特徴とする請求項１４記載の波面収差測定装置。
16. 該２つの可干渉性光束によって形成される干渉縞の位相を検出する手段がヘテロダイン法であることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の波面収差測定装置。
17. 前記回転軸を中心に回転している前記被測定光学系の各面に対して、順次、前記２つの可干渉性光束を前記被測定光学系の対象面の見かけの曲率中心近傍に集光交差させて照射し、該被測定光学系対象面から反射する２つの可干渉性光束の重ね合せによって形成される干渉縞の変動から、前記回転軸に対する前記被測定光学系各面の偏心量を測定することを特徴とする請求項１６記載の波面収差測定装置。
18. 被測定光学系の波面収差を測定する波面収差測定方法において、
    前記被測定光学系をある回転軸を中心に回転させながら、２つの可干渉性光束のうち少なくとも第１の光束を前記被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射させるとともに、前記被測定光学系を行き帰り同一の光路で往復して戻ってきた第１の光束と該２つの可干渉性光束の第２の光束を結合して得られる干渉信号と、前記被測定光学系の回転方位の情報から、前記被測定光学系の波面収差を算出することを特徴とする波面収差測定方法。
19. 前記回転軸が前記被測定光学系のある物点に対する主光線と一致することを特徴とする請求項１８記載の波面収差測定方法。
20. 該２つの可干渉性光束の第２の光束が前記主光線に一致し、第１の光束が前記被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射し、該２光束が前記被測定光学系を行き帰り同一の光路で往復した後、結合して得られる干渉信号と、前記被測定光学系の回転方位の情報から、前記被測定光学系の波面収差を求めることを特徴とする請求項１９記載の波面収差測定方法。
21. 該２つの可干渉性光束の第２の光束を前記被測定光学系のレンズ面により反射させて基準光とし、第１の光束を前記被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射し、前記被測定光学系を行き帰り同一の光路で往復した後、前記基準光と結合して得られる干渉信号と、前記被測定光学系の回転方位の情報から、前記被測定光学系の波面収差を求めることを特徴とする請求項１９記載の波面収差測定方法。
22. 該２つの可干渉性光束の第２の光束を前記被測定光学系外の基準面により反射させて基準光とし、第１の光束を前記被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射し、前記被測定光学系を行き帰り同一の光路で往復した後、前記基準光と結合して得られる干渉信号と、前記被測定光学系の回転方位の情報から、前記被測定光学系の波面収差を求めることを特徴とする請求項１９記載の波面収差測定方法。
23. 被測定系の所望の径に所望の角度で入射する光束が、複数個の入射径の条件を取る様に、順次前記光束偏向手段を制御して前記被測定光学系の波面収差の情報を得ることを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか１項に記載の波面収差測定方法。
24. 前記複数個の条件で取得された情報を連結して前記被測定光学系の全体の波面収差を得ることを特徴とする請求項２３記載の波面収差測定方法。
25. 該２つの可干渉性光束によって形成される干渉縞の位相をヘテロダイン法によって検出することを特徴とする請求項１８〜２４のいずれか１項に記載の波面収差測定方法。
26. 前記回転軸を中心に回転している前記被測定光学系の各面に対して、順次、２つの可干渉性光束を前記被測定光学系の対象面の見かけの曲率中心近傍に集光交差させて照射し、該被測定光学系対象面から反射する２つの可干渉性光束の重ね合せによって形成される干渉縞の変動から、前記回転軸に対する前記被測定光学系各面の偏心量を測定することを特徴とする請求項２５記載の波面収差測定方法。
27. 光学系の波面収差を測定する波面収差測定方法において、
    前記被測定光学系を保持してある回転軸を中心に回転させながら、２つの可干渉性光束を回転軸を中心として前記被測定光学系に同一の径で同一の入射角度を持って入射させ、該２つの可干渉性光束が前記被測定光学系を往復させて戻った後、結合させて干渉させることによって得られる干渉信号と、前記被測定光学系の回転方位の情報から、前記被測定光学系の波面収差を算出することを特徴とする波面収差測定方法。
28. 前記被測定光学系に同一の径で同一の入射角度を持って入射する該２つの可干渉性光束の前記回転軸に対する相対角度を可変として前記被測定光学系の波面収差を測定することを特徴とする請求項２７記載の波面収差測定方法。
29. ｎθ成分を持つ波面収差を測定する時、前記相対角度を
    （２ｍ＋１）・π／ｎ ただし２ｍ＋１＜ｎ；ｍ＝０、１、２、…
    と設定することを特徴とする請求項２８記載の波面収差測定方法。
30. 被測定系に対する入射径の条件を複数個として、前記被測定光学系の波面収差の情報を得ることを特徴とする請求項２９記載の波面収差測定方法。
31. 前記複数個の条件で取得された情報を連結して前記被測定光学系の全体の波面収差を得ることを特徴とする請求項３０記載の波面収差測定方法。
32. 該２つの可干渉性光束によって形成される干渉縞の位相をヘテロダイン法によって検出することを特徴とする請求項２７〜３１のいずれか１項に記載の波面収差測定方法。
33. 前記回転軸を中心に回転している前記被測定光学系の各面に対して、順次、２つの可干渉性光束を前記被測定光学系の対象面の見かけの曲率中心近傍に集光交差させて照射し、前記被測定光学系対象面から反射する前記２つの可干渉性光束の重ね合せによって形成される干渉縞の変動から、前記回転軸に対する前記被測定光学系各面の偏心量を測定することを特徴とする請求項３２記載の波面収差測定方法。

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