JP3773073B2

JP3773073B2 - 非球面形状測定装置及び方法

Info

Publication number: JP3773073B2
Application number: JP08456797A
Authority: JP
Inventors: 繁中山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2017-03-17
Also published as: JPH10260024A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非球面により構成されるレンズ、ミラーなどの光学素子の表面形状を、高精度に測定するための非球面形状測定装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光の干渉を利用した面形状測定では、フィゾー干渉計などを用いて、被検面の設計形状に対応した波面を有する測定光を形成し、その測定光の被検面からの反射光と参照光を干渉させることによって、被検面と測定光の波面の差を計測している。被検面が非球面形状の場合には、容易に非球面波が得られるゾーンプレートなどの回折光学素子あるいは回折光学素子とレンズの組み合わせが波面形成手段として用いられている。
上記のような面形状測定においては、被検面形状を高精度に知るには、被検面に入射させる測定光の波面形状を高精度に測定しておくか、或いは、あらかじめ他の測定手段によって高精度に形状測定された設計形状とほぼ一致した面を参照原器として、この参照原器と被検面の比較測定を行う必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、被検面が非球面形状の場合、非球面波面を高精度に測定することや、高精度に測定された非球面参照原器を得ることは困難であり、高精度な形状測定は困難であった。
そこで、本発明は、非球面形状の被検面の形状を高精度に測定する非球面形状測定装置及び方法を得ることを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、光源からの一部の光を、参照面で反射させて参照光とし、他の一部の光を、波面形成手段を介して被検非球面で反射させて測定光とし、測定光を参照光と干渉させて干渉縞を形成し、干渉縞に基づいて被検面の面形状を測定する非球面形状測定装置において、波面形成手段は、回折光学素子あるいは回折光学素子とレンズ作用を有する光学系との組み合わせで構成され、回折光学素子は、波面形成手段全体として、被検面の面形状に対応した非球面波を発生する第１回折パターンと、非球面波を較正するための球面波を発生する第２回折パターンとを有し、第１回折パターン及び第２回折パターンは、回折光学素子の同一面に形成され、且つ同一の製造工程により形成され、第１及び第２パターンを用いて非球面波の波面形状を較正することを特徴とする非球面形状測定装置である。
【０００５】
本発明は、また、回折光学素子あるいは回折光学素子とレンズ作用を有する光学系との組み合わせからなる波面形成手段を有する形状測定装置において、波面形成手段全体として、被検面の面形状に対応した非球面波を発生する第１回折パターンと球面波を発生する第２回折パターンとを有し、第１回折パターン及び第２回折パターンが、同一面に形成され、且つ同一の製造工程により形成された回折光学素子を用い、光源からの一部の光を、参照面で反射させて参照光とし、他の一部の光を、波面形成手段を介して被検面で反射させて測定光とし、測定光を参照光と干渉させて干渉縞を形成し、干渉縞に基づいて被検非球面の面形状と非球面波の波面形状との差を測定する工程と、被検面を基準球面に置き換えることにより、基準球面の面形状と球面波の波面形状との差を測定する工程と、基準球面の面形状と球面波の波面形状との差に基づいて、非球面波の波面形状を較正することにより、被検面の面形状を算出する工程と、からなる非球面形状測定方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例に係る非球面形状測定装置の配置図を図１に示す。
本実施例に係る非球面形状測定装置は、フィゾー干渉計によって構成されている。光源ユニット１から出射した直線偏光した光ビームＬは、コリメータレンズ２で平行光に変換されて、偏光ビームスプリッター３に入射する。この光ビームＬの偏光面は、偏光ビームスプリッター３で反射されるように選ばれている。
偏光ビームスプリッター３で反射された光ビームＬは、１／４波長板４を経て、フィゾー部材５ヘ入射する。フィゾー部材５に入射した光ビームＬは、フィゾー部材５の参照平面５ａを透過する測定光ＬＭと、参照平面５ａで反射される参照光ＬＲに分割される。
【０００７】
測定光ＬＭは、ゾーンプレート６へ入射し、ゾーンプレート６を透過して、被検非球面７に入射する。被検非球面７で反射された測定光ＬＭは、ゾーンプレート６、及び１／４波長板４を順次経て、偏光ビームスプリッター３へ入射する。
一方、参照平面５ａで反射された参照光ＬＲも、測定光ＬＭと同様に１／４波長板４を経て、偏光ビームスプリッター３へ入射する。
測定光ＬＭと参照光ＬＲは、１／４波長板を往復で２度透過し、偏光面が９０度回転するため、偏光ビームスプリッター３を透過する。
偏光ビームスプリッター３を透過した測定光ＬＭと参照光ＬＲは、ビームエクスパンダー８でビーム径を変換され、２次元画像検出器９に入射する。
２次元画像検出器９では、入射した測定光ＬＭと参照光ＬＲによって形成される干渉縞が観察される。
なお、図１では、フィゾー部材５の参照平面５ａは、ゾーンプレート６側に設けられているが、偏光ビームスプリッター３側に設けてもよい。
【０００８】
本実施例に係る非球面形状測定装置に用いるゾーンプレート６の平面図を図２に示す。ゾーンプレート６には、パターンＰａ及びパターンＰｂが、同一面上に形成され、且つ同一の製造プロセスで形成されている。
なお、図１では、パターンＰａ及びパターンＰｂは、ゾーンプレート６の被検非球面７側の面上に形成しているが、フィゾー部材５側の面上に形成してもよい。
【０００９】
図３（ａ）は、ゾーンプレート６のパターンＰａにより回折された光ビームの状態を表す断面図であり、図３（ｂ）は、パターンＰｂにより回折された光ビームの状態を表す断面図である。
パターンＰａは、被検非球面７に対応した非球面波を発生させる回折パターンである。図３（ａ）に示したように、このパターンＰａで回折された光ビームは、被検非球面７の設計形状に対して、垂直に入射するよう設計されている。
一方パターンＰｂは、パターンＰａにより発生させた非球面波を較正するためのものであり、球面波を発生させる回折パターンである。図３（ｂ）に示したように、このパターンＰｂで回折された光ビームは、所定の焦点位置Ｆに集光するように設計されている。
【００１０】
本実施例に係る非球面形状測定装置を用いて、被検非球面７での非球面波の波面形状と、被検非球面の面形状との差を、次のように測定する。
先ず被検非球面７を光路内に挿入する。ゾーンプレート６から発生する非球面波と球面波のうち、球面波は被検非球面７に垂直に入射しないから、ゾーンプレート６に戻ったときの波面は球面波から大きくはずれ、したがって往路の光路から大きくはずれる。
他方、ゾーンプレート６から発生する非球面波は、被検非球面７の設計形状に対して垂直に入射するように設計されているから、被検非球面７で反射した後、往路の波面形状をほぼ維持して往路を逆進し、したがってほぼ平面波となって参照光ＬＲと干渉する。
この干渉縞を解析することにより、被検非球面７の位置での非球面波の波面形状Ｗ_Aと、被検非球面の面形状Ｗ_Mとの差φ_TA＝Ｗ_A−Ｗ_Mを測定することができる。
【００１１】
しかしながら、ゾーンプレート６に形成されるパターンＰａ、Ｐｂには、ゾーンプレート６の製造過程において生じる、設計値からの誤差を含んでいる。このため、被検非球面７の位置での非球面波には、このパターンＰａのパターン誤差に基づく波面形状誤差が存在する。すなわち、被検非球面７の位置での非球面波形状Ｗ_Aは、設計上の非球面波形状をＷ′_A、波面形状誤差をＷ_E1とすると、次式のように表される。

このため、非球面波形状Ｗ_Aを較正する必要がある。
【００１２】
非球面波形状Ｗ_Aを較正するため、本実施例に係る非球面形状測定装置において、被検非球面７を、基準球面としての参照原器１０に置き換える。
ゾーンプレート６のパターンＰｂによる回折光の焦点距離をｆ、参照原器１０の曲率半径をｒとして、ゾーンプレート６から距離ｆ＋ｒの位置に、参照球面１０ａが一致するように参照原器１０を設置する。
【００１３】
ゾーンプレート６から発生する非球面波と球面波のうち、非球面波は参照球面１０ａに垂直に入射しないから、ゾーンプレート６に戻ったときの波面は所定の非球面波から大きくはずれ、したがって往路の光路から大きくはずれる。
他方、ゾーンプレート６から発生する球面波は、参照球面１０ａに対して垂直に入射するように設計されているから、参照球面１０ａで反射した後、往路の波面形状をほぼ維持して往路を逆進し、したがってほぼ平面波となって参照光ＬＲと干渉する。
この干渉縞を解析することにより、参照球面１０ａの位置での球面波の波面形状Ｗ_Bと、参照原器１０の参照球面形状Ｗ_Sとの差φ_TB＝Ｗ_B−Ｗ_Sを測定することができる。参照球面形状Ｗ_Sは高精度に測定されているため、パターンＰｂで発生する球面波の波面形状Ｗ_Bを高精度で知ることができる。
前述したパターンＰａによる非球面波の場合と同様に、パターンＰｂによる球面波は、パターンＰｂのパターン誤差に基づく波面形状誤差Ｗ_E2を含んでいる。参照球面１０ａの位置における球面波形状をＷ_B、設計上の球面波形状をＷ′_Bとすると、次式により、球面波の波面形状誤差Ｗ_E2を知ることができる。

【００１４】
つぎに、パターンＰａにより発生した非球面波に含まれる波面形状誤差Ｗ_E1と、パターンＰｂにより発生した球面波に含まれる波面形状誤差Ｗ_E2との関係について説明する。
ゾーンプレートは、パターン１周期に対して波長λの光路差が得られるものである。したがって、ゾーンプレート上のある位置でのパターン位置が、設計値からδだけずれた場合、その位置でのパターン周期の設計値をＬとすると、得られた光路差の設計値からのずれ、すなわち、ゾーンプレート６上のある点で回折された光に対応する波面形状誤差Ｗ_Eは、次式のように表される。

【００１５】
（３）式より、パターンＰａの設計上のピッチをＬ₁、そのパターンのずれ量をδ₁とし、パターンＰｂの設計上のピッチをＬ₂、そのパターンのずれ量をδ₂とすると、ゾーンプレート６上の１点を透過する、非球面波の波面形状誤差Ｗ_E1及び球面波の波面形状誤差Ｗ_E2は、それぞれ以下のように表される。

【００１６】
一方、ゾーンプレート６のパターンＰａ及びパターンＰｂは、同一面上に、且つ同一の製造プロセスで形成されている。したがって、パターンＰａ及びパターンＰｂが、ゾーンプレート６上に形成される際の製造条件は同一であるから、パターンＰａ及びパターンＰｂのパターンのずれ量δ₁、δ₂は、同じとみなすことができ、（４）式、（５）式より、以下の関係式が得られる。

【００１７】
したがって、（２）式から得られた球面波の波面形状誤差Ｗ_E2と、（６）式から、非球面波の波面形状誤差Ｗ_E1を求めることができる。
これにより、（１）式から、ゾーンプレート６のパターンＰａにより発生した、実際の非球面波形状Ｗ_Aを知ることができ、この非球面波形状Ｗ_Aと被検面形状Ｗ_Mとの差の測定値φ_TAにより、被検面７の面形状を高精度で測定することができる。
【００１８】
本実施例では、図１のように参照平面５ａと非球面波形成手段であるゾーンプレート６を用いたが、図４に示すように、球面波形成手段１１と球面波形成手段で形成される球面波と同心の参照球面１２を設け、球面波を被検非球面に対応した非球面波面に変換するゾーンプレート１３を備えた構成としてもよい。
なお本実施例に係る非球面形状測定装置及び方法では、フィゾー干渉計を利用したが、トワイマン−グリーン干渉計を用いることも可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ゾーンプレートの第２の回折パターンから発生する球面波を高精度に測定し、第１の回折パターンから発生する非球面波を高精度に較正することによって、非球面形状の被検面の形状を高精度に測定することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る非球面形状測定装置の配置図
【図２】本実施例に係る非球面形状測定装置に用いるゾーンプレート６の平面図
【図３】（ａ）ゾーンプレート６のパターンＰａにより回折された光ビームの状態を表す断面図、及び（ｂ）パターンＰｂにより回折された光ビームの状態を表す断面図
【図４】非球面波形成手段を模式的に示した図
【符号の簡単な説明】
１…光源ユニット２…コリメータレンズ
３…偏光ビームスプリッター４…１／４波長板
５…フィゾー部材５ａ…参照平面
６、１３…ゾーンプレート７…被検面
８…ビームエクスパンダー９…２次元画像検出器
１０…球面参照原器１０ａ、１２…参照球面
１１…球面波形成手段

Claims

光源からの一部の光を、参照面で反射させて参照光とし、他の一部の光を、波面形成手段を介して被検非球面で反射させて測定光とし、該測定光を前記参照光と干渉させて干渉縞を形成し、該干渉縞に基づいて前記被検面の面形状を測定する非球面形状測定装置において、
前記波面形成手段は、回折光学素子で構成され、該回折光学素子は、前記被検面の面形状に対応した非球面波を発生する第１回折パターンと、前記非球面波を較正するための球面波を発生する第２回折パターンとを有し、前記第１回折パターン及び前記第２回折パターンは、前記回折光学素子の同一面に形成され、且つ同一の製造工程により形成され、前記第１及び第２パターンを用いて前記非球面波の波面形状を較正することを特徴とする非球面形状測定装置。
光源からの一部の光を、参照面で反射させて参照光とし、他の一部の光を、波面形成手段を介して被検非球面で反射させて測定光とし、該測定光を前記参照光と干渉させて干渉縞を形成し、該干渉縞に基づいて前記被検面の面形状を測定する非球面形状測定装置において、
前記波面形成手段は、回折光学素子とレンズ作用を有する光学系との組み合わせで構成され、前記回折光学素子は、前記レンズ作用を有する光学系との組み合わせで、前記被検面の面形状に対応した非球面波を発生する第１回折パターンと、前記非球面波を較正するための球面波を発生する第２回折パターンとを有し、前記第１回折パターン及び前記第２回折パターンは、前記回折光学素子の同一面に形成され、且つ同一の製造工程により形成され、前記第１及び第２パターンを用いて前記非球面波の波面形状を較正することを特徴とする非球面形状測定装置。
被検非球面の面形状に対応した非球面波を発生する第１回折パターンと、球面波を発生する第２回折パターンとを有し、前記第１回折パターン及び前記第２回折パターンが、同一面に形成され、且つ同一の製造工程により形成された回折光学素子を波面形成手段に用い、光源からの一部の光を、参照面で反射させて参照光とし、他の一部の光を、前記波面形成手段を介して前記被検面で反射させて測定光とし、該測定光を前記参照光と干渉させて干渉縞を形成し、該干渉縞に基づいて前記被検非球面の面形状と前記非球面波の波面形状との差を測定する工程と、前記被検面を基準球面に置き換えることにより、前記基準球面の面形状と前記球面波の波面形状との差を測定する工程と、前記基準球面の面形状と球面波の波面形状との前記差に基づいて、前記非球面波の波面形状を較正することにより、前記被検面の面形状を算出する工程と、からなる非球面形状測定方法。
レンズ作用を有する光学系との組み合わせにおいて、被検非球面の面形状に対応した非球面波を発生する第１回折パターンと、球面波を発生する第２回折パターンとを有し、前記第１回折パターン及び前記第２回折パターンが、同一面に形成され、且つ同一の製造工程により形成された回折光学素子と、前記レンズ作用を有する光学系の組み合わせを波面形成手段に用い、光源からの一部の光を、参照面で反射させて参照光とし、他の一部の光を、前記波面形成手段を介して前記被検面で反射させて測定光とし、該測定光を前記参照光と干渉させて干渉縞を形成し、該干渉縞に基づいて前記被検非球面の面形状と前記非球面波の波面形状との差を測定する工程と、前記被検面を基準球面に置き換えることにより、前記基準球面の面形状と前記球面波の波面形状との差を測定する工程と、前記基準球面の面形状と球面波の波面形状との前記差に基づいて、前記非球面波の波面形状を較正することにより、前記被検面の面形状を算出する工程と、からなる非球面形状測定方法。