JP3871183B2

JP3871183B2 - 光学素子の３次元形状測定方法及び測定装置

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Publication number: JP3871183B2
Application number: JP2000134643A
Authority: JP
Inventors: 浩之須原
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-05-08
Filing date: 2000-05-08
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2020-05-08
Also published as: JP2001317923A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、干渉を用いて、自由曲面を持つような光学素子の３次元形状を測定できる測定方法及び測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複写機等の書込光学系に搭載されるｆθレンズやカメラ用のレンズは、面形状及び面精度を高精度に計測する必要があり、現在、その種の測定装置もいくつか市販されている。一方、近年における非球面加工技術の発達に伴い、レンズ等の光学素子の面形状は複雑化し、被検物面が自由曲面形状であることから、この測定における要求仕様は益々高まっている。特に、ｆθレンズは、もともと要求精度が高く高分解能計測が必要とされる上に、測定範囲が広く傾斜角の大きい高傾斜角計測に対応するものでなければならない。
【０００３】
図１０に、従来の干渉方式を用いたレンズ形状の測定装置を示す。この従来例はフィゾー型干渉計を基本構成としたものである。光源１から出射された可干渉光は、ビームエクスパンダ３，５により適当な大きさに拡げられフィルタ４により不要な光がカットされる。拡大されて平行光束となった被検波は、対物レンズ２０を経由して被測定面２１ａに達する。この対物レンズ２０の最終面は半透鏡としての参照面２０ａとなっており、この参照面２０ａで反射される参照波と、被検物２１へ照射される被検波とに分けられる。被検物２１で反射された被検波は、参照波と同一光路を戻り光アイソレータ１９により曲げられて互いに重ね合わされ結像レンズ２２によって光センサ２３に集光される。光センサ２３では被検波と参照波の重畳による干渉縞が結像する。
【０００４】
上記の干渉光学系において、被検物２１が理想的な位置・形状から僅かにずれていると、この誤差が干渉縞として観測される。その干渉縞データを公知の位相シフト法などで解析することにより、被検物面２１ａの形状を測定することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例に代表される従来のレンズ形状測定では、参照波の波面が被検物形状に一致するように参照面２０ａを高精度に加工する必要があり、また、被検物２１の位置誤差によって大きな影響を受ける。このため縞解析に必要とされる良好な干渉縞は得るには、かなりの熟練を要する測定作業となっている。しかも、被検物面２１ａが非球面等の自由曲面からなる３次元形状であると、干渉縞データの解析はさらに複雑化し、測定作業は困難を極める。以上のように、特に任意な形状を持つ被検物の測定においては、その複雑且つ面倒さから種々の問題点を抱えている。
【０００６】
結局のところ、３次元形状の測定精度の向上を図るには、特開平１１−２１１４２７号に示される面形状測定装置のように、被検物の６軸制御といった機械的に複雑な制御を行う必要があった。このような機械的な制御を行うためには必然的に装置が大型化・複雑化するだけでなく、測定システムとしても不安定になりがちといった問題点を有している。
【０００７】
そこで、本発明は、そのような現状及び問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、球面のみならず任意の３次元形状を持つ被検物の測定も容易で、また、傾斜角の大きい被検物の全体形状の測定（高傾斜角計測）にも好適な測定方法及び測定装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光学素子の３次元形状測定方法は、同一光源からの可干渉光を、基準となる参照波と、被検物を透過する被検波とに分割し、該被検物を透過した被検波と参照波の干渉を用いて上記被検物形状を測定する方法であって、上記被検物の屈折率と異なるがこれに近い屈折率の試液で上記被検物の少なくとも一部を浸し、該被検物と試液の屈折率差に基づく透過波面を上記参照波に重畳させて干渉縞像を形成し、該干渉縞像に基づいて上記被検物の３次元形状を測定することを第１の特徴としている。
【０００９】
また、所望の密度の干渉縞像が形成されるように、上記被検物と試液との間に任意の屈折率差を設けるとよい。ここにいう「任意の屈折率差」は、使用する干渉光学系や被検物の最大傾斜角等によって異なるが、主として、その僅かな屈折率差によって被検物の表面形状による光の屈折が干渉可能なレベルへ低減されることに関わり、また、達成したい測定精度によって選択されるべき数値である。すなわち、一般に被検物である光学素子との空気との間の屈折率差の下では、表面形状の屈折に起因する干渉縞が形成されないが、その光学素子の表面形状による屈折を僅かであるが適宜な屈折率差の下に行わせ、その屈折に基づく干渉を行わせるという新規な着想に基づくものである。また、このように屈折の一様な低減として定義される「任意の屈折率差」においては、屈折率差が大きいほど透過波面の密度が増し観測しうる干渉縞の本数も増え、逆に、屈折率差が小さいほど透過波面の密度が減り干渉縞の本数も減るので、所望の測定及び解析精度を考慮して、任意な屈折率差を設定すればよい。
【００１０】
また、上記干渉縞像から計測される被検物の透過波面、及び上記屈折率差に基づいて、上記被検物の光軸方向の肉厚を計測するとよい。
【００１１】
被検物の両面形状の測定という観点から、本発明の光学素子の３次元形状測定方法は、同一光源からの可干渉光を、基準となる参照波と、被検物を透過する被検波とに分割し、該被検物を透過した被検波と参照波の干渉を用いて上記被検物形状を測定する方法であって、上記被検物を被検波の入射側と射出側とで異なる屈折率の試液に浸し、該試液と上記被検物との屈折率差に基づく透過波面を上記参照波に重畳させて干渉縞像を形成し、該干渉縞像に基づいて上記被検物の３次元形状を測定することを第２の特徴としている。
【００１２】
また、片面形状を選択的に測定する観点から、上記入射側と射出側のいずれか一方を浸す試液の屈折率を、上記被検物と同じ屈折率にするとよい。
【００１３】
また、上記参照波の光路上で、被検物形状の基準となる光学素子を、上記被検物側と同じ屈折率差を与える試液に浸したり、又は、上記被検波の光路上で、被検物形状の基準となる光学素子を、上記被検物の透過波面に相殺する基準波面を形成するような屈折率差を与える試液に浸してもよい。
【００１４】
さらに、上記参照波又は被検波の光路上に空間的な位相変調素子を設置し、上記参照波又は被検波の波面を制御するとしてもよい。
【００１５】
また、上記被検物及び基準となる光学素子の双方の屈折率をｎ_１とし、該基準となる光学素子を浸す試液の屈折率をｎ_２とし、上記被検物を浸す試液の屈折率をｎ_３としたとき、関係式；
ｎ_３＝２×ｎ_１−ｎ_２
の関係に基づいて、上記基準波面を形成するとよい。
【００１６】
また、上記被検物と光学素子とが同じ光路に設置される場合に、上記被検物と、上記基準となる光学素子とを、互いの試液を仕切って同一の容器内へ設置するとよい。
【００１７】
さらに、上記いずれかの方法の任意な組み合わせとして実施される測定方法により計測されたデータから、上記被検物と屈折率差の無い試液に浸して計測された屈折率分布を差し引いて被検物の３次元形状を求めるとしてもよい。
【００１８】
本発明の３次元形状測定装置は、可干渉光が被検波と参照波に分割されるマハツェンダ干渉計等に限られず、上記いずれかの方法の任意な組み合わせとして実施可能なシアリング干渉計であることを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明の測定方法を実施可能な測定装置の全体構成を示す図である。図２は、図１の要部を示す拡大図で、測定装置の第１実施例を示している。
図１の測定装置は、マハツェンダ干渉計を基本構成としている。Ｈｅ−Ｎｅレーザ１からの出射光(波長：６３３nm)は、ＮＤフィルタ２を通過して光量を適正に調整され、ビームエキスパンダレンズ３，５で必要な大きさに拡大される。空間フィルタ４(Spatial Filter)は、フレア光やゴースト光といった不要な光をカットする。ビームエキスパンダレンズ５からの平行な可干渉光は、ビームスプリッタＢＳ１によって、直進して被検物Ａを透過する被検波ａと、直角に曲げられた参照波ｂとに分割される。被検物Ａを透過してミラーＭ２で直角に曲げられた被検波ａと、ミラーＭ３で曲げられた参照波ｂとは、ビームスプリッタＢＳ２で重畳され干渉を起こすようになっている。このビームスプリッタＢＳ２は、位相シフト法による干渉縞解析を行うために、ピエゾ素子などによる電気−変位変換素子ＰＺＴを介して支持されており、被検波ａの光路長を波長オーダで可変設定になるよう光路方向に微動変位可能に配置されている。
【００２０】
結像レンズ１４は、被検物Ａと拡散板１５(diffuser)とが幾何光学的に共役関係になる位置へ設置されており、ビームスプリッタＢＳ２で重畳された参照波ｂと被検波ａとはミラーＭ４で曲げられた後、拡散板１５上に結像してズームレンズ１６側へ干渉縞像が投影される。一旦拡散板１５に投影されることによって干渉縞はインコヒーレント光に変換され、これにより拡散板１５以降にあるレンズ系１，１７や２次元ＣＣＤ１８ａの前面にある保護ガラス等での多重反射を原因とする干渉縞ノイズが低減される。
【００２１】
また、拡散板１５の位置と、干渉縞検出器１８の２次元ＣＣＤ面１８ａとは、ズームレンズ１６と結像レンズ１４とによって共役関係となっており、拡散板１５に生じた干渉縞が２次元ＣＣＤ１８ａなどを用いたイメージセンサ上に結像する。２次元ＣＣＤ１８ａは、アライメント用のモニターとしても使用でき、２次元ＣＣＤ１８ａ上に結像した干渉縞像の大きさは、上記ズームレンズ１６によって可変となっている。干渉縞像は、干渉縞検出器１８を介して光電変換されて電気的な画像信号となり、図示しない演算手段であるコンピュータに入力される。コンピュータは、位相シフト法などによる干渉縞像の解析によって透過波面を計測したり、後述の位相変調素子を制御するなど、必要な制御演算のためのプログラムを格納している。
【００２２】
図２で拡大して示されるように、被検波ａの光路の途中には被検物Ａを収容する容器状のセル６が配置されている。セル６内には、測定対象の光学素子たる被検物Ａを固定状態にセットするとともに、セル６は、その光路を横切る両端面に入射窓７と出射窓８とを有し、これら入射窓７と出射窓８の各々面精度が高いオプチカルフラットによって液密にシールドされている。なお、図面では、被検物Ａ、試液Ｂ及び後述の基準光学素子Ａ′の屈折率は、それぞれの符号に付した括弧書きに示している。
【００２３】
上記セル６内には、被検物Ａの屈折率と同じではないがこれに近い屈折率の試液Ｂが満たされており、被検物Ａは試液Ｂ中に完全に浸されている。なお、セル内に充填した試液Ｂは屈折率の基準となるので均質でなければならない。僅かでも温度分布が有ると屈折率が変化するため不均質となってしまい、測定精度が低下する。このため、試液Ｂの屈折率を制御するためには温度分布を高精度に制御する必要がある。温度制御手段として試液Ｂを充填したセル６を水で覆い、サーキュレータで水を循環させ、水温を一定に制御するとしてもよい。このことは、後述の実施例で使用する各セル６，６′も同様である。
【００２４】
上記測定方法は、次の通りである。被検物Ａの屈折率をｎ_１とし、試液Ｂの屈折率をｎ_２とする。ここで試液Ｂの屈折率ｎ_２が被検物Ａの屈折率ｎ_１と一致しないが近い値であると、傾斜角の大きい被検物Ａであっても空気内で測定する場合と比較して屈折角の大きさが極めて小さくなる。すなわち、本干渉計において適宜な屈折率差（ｎ_１−ｎ_２）を設定することによって、図中の波線で示すように被検物Ａの光軸方向の肉厚ｄ（ｘ）に比例した透過波面ｗ（ｘ）が形成され、これが、基準となる参照波ｂと相互に重ね合わされ干渉縞像となる。干渉縞解析方法としては、上記電気−変位変換素子ＰＺＴにより光路差をπ／２間隔でステップ状に駆動し、５回前後干渉縞を取り込んで解析する公知の位相シフト法を用いることができる。もちろんこれに限られず、フーリエ変換法など他の公知の縞解析方法を使用してもよい。
【００２５】
被検物Ａを通過した後の透過波面ｗ（ｘ）は、次の関係式；
ｗ（ｘ）＝（ｎ_２−ｎ_１）×ｄ（ｘ）
で表される。したがって、ｎ_１、ｎ_２は既知であるから、干渉縞像解析で求めた透過波面データを基に肉厚ｄ（ｘ）を求めることができ、各位置の肉厚ｄ（ｘ）から３次元の面形状が特定される。図示の被検物Ａでは、その両面の曲面形状の屈折による透過波面ｗ（ｘ）が計測され、また、両面間における肉厚ｄ（ｘ）からその両面形状の偏心を測定することができる。
【００２６】
因みに本例の干渉計において干渉縞密度の設定例を示すと、上記屈折率差（ｎ_２−ｎ_１）を０．０１としたとき、被検物の肉厚差が２ｍｍのところでは、レーザ波長が６３３ｎｍであるから、縞本数として３１．６λが観測されるといった具合である。ただし、必要な屈折率差は、被検物Ａの傾斜角や干渉計の構成等によって異なるため、本発明に関わる屈折率差は上記の例に限定されるものではない。また、上記干渉計において、従来の干渉を用いた形状測定で必要とされていた参照面の作製が不要となり、特に大きな被検物や高傾斜角な被検物の測定に対応できる。さらには、球面に限らず共軸球面や非共軸非球面、さらにこれらの連続面や非連続面までを含む、いわゆる自由曲面形状の測定に適用可能である。
【００２７】
また、上記構成の干渉計において、被検物Ａを同一の屈折率の試液に含浸して屈折率分布を測定する方法が知られている（例えば、特開平８−１２２２１０号）。したがって、正確な形状測定という観点からは、被検物Ａと同じ屈折率の試液を用いて予め被検物Ａの屈折率分布を測定しておき、上記透過波面データなどから屈折率分布の成分を差し引いて、正味の３次元形状を求めるとしてもよい。このことは、後述の実施例においても同様である。
【００２８】
図３は、本発明の第２実施例の要部を示す構成図である。セル６内の中央に被検物Ａを含むように仕切９が設けられ、この仕切９及び被検物Ａで仕切られた入射側と出射側とで異なる屈折率の試液Ｂ′，Ｂ″がそれぞれ充填されている。ここでは、被検物Ａの屈折率ｎ_１に対して、被検波ａの入射側に充填された試液Ｂ′の屈折率をｎ_２とし、その出射側に充填された試液Ｂ″の屈折率をｎ_３とする。そして、被検物Ａの入射側の肉厚をｄ_２（ｘ）とし、出射側の表面形状をｄ_３（ｘ）とすると、透過波面ｗ（ｘ）は、被検物Ａの両面形状の重ね合わせとなり、次の関係式；
ｗ（ｘ）＝（ｎ_２−ｎ_１）×ｄ_２（ｘ）＋（ｎ_３−ｎ_１）×ｄ_３（ｘ）
で表される。
ここで、入射側に充填された試液Ｂの屈折率を被検物と同じ屈折率とし、入射側の試液Ｂと被検物Ａの間にマッチングをとった場合、
（ｎ_２−ｎ_１）＝０なので、
ｗ（ｘ）＝（ｎ_３−ｎ_１）×ｄ_３（ｘ）の関係となる。
（ｎ_３−ｎ_１）が既知であるから、計測された透過波面ｗ（ｘ）から出射側の肉厚ｄ_３（ｘ）、すなわち出射側の表面形状が求まる。
【００２９】
上記第２実施例で明らかなように、屈折率差を被検物Ａとの間に部分的に与えることで目的とする範囲の形状のみを測定できる。図示の被検物Ａのように、両側が曲面形状であっても片側の試液の屈折率を変えるだけで両面を測定でき、また、両面の偏心測定もできる。特に被検物Ａのセッティング方向を変えることなく、測定目的の表面形状を浸す試液を被検物Ａと異なる屈折率のものに交換するだけで済み、この点で有利な構成である。
【００３０】
また、上記屈折率差の設定は、被検物面による屈折角を一様に低減し干渉可能な透過波面ｗ（ｘ）を形成する意味があり、上記の関係式でも明らかなように、所望の透過波面ｗ（ｘ）に対して屈折率差と肉厚差ｄ（ｘ）とが反比例の関係にある。したがって、良好な感度を維持する観点からは、その肉厚差ｄ（ｘ）が小さいときは試液との屈折率差を大きくしてもよい。さらに、肉厚差ｄ（ｘ）が非常に小さい低傾斜角面を測定するには屈折率差を与える媒体として気体を用いてもよい。例えば、射出側又は入射側のいずれかに空気のみを入れ大きな屈折率差を与え、その反対側に試液とのマッチングをとれば、肉厚差ｄ（ｘ）の非常に小さな片面で干渉縞を形成でき、干渉を用いた非球面形状の測定を容易に行うことができる。
【００３１】
図４は、本発明の第３実施例の要部を示す構成図である。第３実施例では、参照波ｂとなる光路側に、基準となる光学素子（以下、基準光学素子Ａ′と称する）を設置している。基準光学素子Ａ′としては被検物形状の基準となるマスターレンズなどを用い、被検物Ａ位置との関係では、拡散板１５から光学的に等距離の位置に設置することが望ましい。また、参照波ｂの光路上では、上記被検物Ａ側と同じタイプのセル６を用い、基準光学素子Ａ′を被検物Ａ側と同じ屈折率ｎ_２の試液Ｂに浸して、被検波ａ側と同じ屈折率差（ｎ_２−ｎ_１）を与えている。したがって、被検物Ａが基準光学素子Ａ′の形状と一致するような理想的な形状に加工されていれば、被検波ａと参照波ｂの互いの透過波面は等価となり干渉縞はヌルとなる。形状誤差成分があれば、そのまま干渉縞として現れるので、感度が高く、また、検査工程などの良否判定をするのに特に適した干渉計を構成することができる。
【００３２】
図５は、本発明の第４実施例の要部を示す構成図である。この第４実施例は、上記第２実施例と第３実施例を組み合わせた形態である。すなわち、被検物Ａのセル６は入射側と出射側とで異なる屈折率の試液Ｂ′，Ｂ″を充填し、参照波ｂの光路上には、基準光学素子Ａ′のセル６を設置している。例えば、射出側の表面形状を測定する場合、図５に示すように、被検物Ａのセル６では入射側の試液Ｂ′の屈折率を被検物Ａと同じ屈折率ｎ_１とし、また、射出側の試液Ｂ″の屈折率をｎ_３として、射出側のみに被検物Ａとの屈折率差（ｎ_３−ｎ_１）を形成している。そして、参照波ｂの光路上には被検物Ａ側と同じタイプのセル６を用いて、基準光学素子Ａ′の入射側を屈折率ｎ_１の試液Ｂ′に、また、射出側を屈折率ｎ_３の試液Ｂ″に浸している。これにより双方のセル６，６の出射側のみに同じ屈折率差（ｎ_３−ｎ_１）を与えている。入射側の表面形状を測定する場合は、上記入射側に上記屈折率差を設けて出射側でマッチングをとればよい。この構成により、両面に形状を有する被検物Ａの測定に対応し、かつ形状誤差成分のみを検出するヌルテスト干渉計を提供できる。
【００３３】
図６は、本発明の第５実施例の要部を示す構成図である。第５実施例は、上記第３実施例の基準光学素子Ａ′の代わりに、空間的な位相変調素子を設置している。この種の位相変調素子としては液晶板１０などを用いることができる。液晶板１０に位相変調をかけて、これを透過する参照波ｂの２次元的な位相分布を制御する。これにより参照波ｂに、被検物Ａを透過する波面と等価な基準波面を形成し干渉でヌル干渉縞を形成する。ここで、液晶板１０を介してヌルとするのに必要とされた位相変調量を、液晶板１０の制御手段である図示しないコンピュータにストアすれば、被検物Ａの形状情報が記憶されたことになる。この形状情報を解析することで、被検物Ａの形状をコンピュータ上で再構成することができる。なお、液晶板１０等の位相変調素子は、上記基準光学素子Ａ′と併用して、光学素子を基準としたヌルテストにおける波面補正等に使用してもよい。
【００３４】
図７は、本発明の第６実施例の要部を示す構成図である。第６実施例は、被検波ａとなる光路側に基準光学素子Ａ′とそのセル６を設置している。この場合、被検物Ａと基準光学素子Ａ′の双方の屈折率は共にｎ_１で、基準光学素子Ａ′を浸す試液Ｂの屈折率をｎ_２、被検物Ａを浸す試液Ｂ′の屈折率をｎ_３としたとき、ヌル干渉縞を形成するためには、次の関係式；
ｎ_３＝２×ｎ_１−ｎ_２
の関係を満たすことが望ましい。この関係が満たされるとき、被検物Ａの屈折率差に対して基準光学素子Ａ′側の屈折率差が正負で逆転され、被検物Ａで形成される透過波面と、基準光学素子Ａ′で形成される基準波面とが凹凸の逆転した波面に生成される。したがって、被検物Ａが基準光学素子Ａ′と全く同じ形状である場合は、透過波面が相殺されヌルの干渉縞を生じる。
【００３５】
図８は、本発明の第７実施例の要部を示す構成図である。第７実施例は、基準光学素子Ａ′を被検波ａ側に設置する場合において、構成の簡素化及び取扱いの容易性といった観点から、被検物Ａを収容するセルと、基準光学素子Ａ′を収容するセルとが一体化された一体型セル６′を使用している。この一体型セル６′は、２つのセル間の側壁を共有する同一の容器で、中央にオプティカルフラットな窓１１を設けて互いの試液を完全に仕切り、第１のセルに基準光学素子Ａ′を、第２のセルに被検物Ａを収容する構成である。基準光学素子Ａ′を収容する第１のセルには屈折率ｎ_２の試液Ｂを充填し、被検物Ａを収容する第２のセルには屈折率ｎ_３の試液Ｂ′を充填している。これにより上記第６実施例と同様に、互いに相殺し合う波面を形成可能な屈折率差が設けられている。なお、基準光学素子Ａ′と被検物Ａの配置は入れ替えても構わない。このことは上記第６実施例でも同様である。
【００３６】
図９は、本発明の第８実施例の要部を示す構成図である。以上説明した第１乃至第７実施例はマハツェンダ干渉計に本発明を適用したものであるが、本発明の構成はマハツェンダ干渉計に限定されるものではない。本発明を適用可能なものに、少なくともシアリング干渉計、トワイマン・グリーン干渉計、フィゾー型干渉計などが挙げられる。図９は、シアリング干渉計を用いた第８実施例である。
【００３７】
図９に示した第８実施例では、被検波ａを折り曲げる上記ミラーＭ２の位置に、透光性のある２枚の反射面を互いに近接させた２枚のミラー１２，１３を使用している。第１のミラー１２の裏側反射面と、第２のミラー１３の表側反射面とで横ずらしさせたシアリング干渉が生じる。また、第１のミラー１２と、第２のミラー１２との間隔（反射面間距離）を調整することにより干渉縞の密度を変えることができ、特に、被検物Ａとの屈折率差が大きい場合や被検物Ａの肉厚差が大きい場合、あるいは透過波面量が大きくなった場合に干渉縞の密度を減少させるといった調整において有利な構成である。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、第１の特徴として、被検物の屈折率と異なるがこれに近い屈折率の試液で上記被検物の少なくとも一部を浸し、該被検物と試液の屈折率差に基づく透過波面を参照波に重畳させて干渉縞像を形成し、該干渉縞像に基づいて被検物の３次元形状を測定する本発明によれば、特殊な参照面を用いずに任意の形状が測定可能であり、また、傾斜角等の大きい被検物の形状全体の測定（高傾斜角計測）にも好適な測定方法を提案できる。
【００３９】
また、上記被検物と試液との間に任意の屈折率差を設けることで、任意の形状を持つ被検物の形状を所望の精度で測定することができる。
【００４０】
また、上記干渉縞像から計測される被検物の透過波面、及び上記屈折率差に基づいて、上記被検物の光軸方向の肉厚を計測することで、任意の形状を持つ被検物の肉厚を容易に計測でき、また、両面の偏心測定もできる。
【００４１】
第２の特徴として、同一光源からの可干渉光を、基準となる参照波と、被検物を透過する被検波とに分割し、該被検物を透過した被検波と参照波の干渉を用いて上記被検物形状を測定する方法であって、上記被検物を被検波の入射側と射出側とで異なる屈折率の試液に浸し、該試液と上記被検物との屈折率差に基づく透過波面を上記参照波に重畳させて干渉縞像を形成し、該干渉縞像に基づいて上記被検物の３次元形状を測定する本発明によれば、任意の形状を持つ被検物のセッティングを変えずに、双方が曲面の被検物の両面形状や相対位置を計測でき、また、両面の偏心測定もできる。
【００４２】
また、上記入射側と射出側のいずれか一方を浸す試液の屈折率を、上記被検物と同じ屈折率にすれば、被検物の屈折率と異なる試液に浸された側の表面形状のみを選択的に計測することができる。
【００４３】
また、上記参照波の光路上で、被検物形状の基準となる光学素子を、上記被検物側と同じ屈折率差を与える試液に浸したり、上記被検波の光路上で、被検物形状の基準となる光学素子を、上記被検物の透過波面に相殺する基準波面を形成するような屈折率差を与える試液に浸す方法によれば、ヌルテスト干渉計を形成することができ、被検物の形状誤差を目視でも確認することができ、良否判定や問題解析などに好適となり、また、被検物の着脱が容易で操作性の向上につながる。特に、基準となる光学素子を設ける方法と、上記入射側と射出側のいずれか一方のみに屈折率差を設ける方法と併用することで、極めて良好な干渉計を形成することができる。
【００４４】
また、上記参照波又は被検波の光路上に空間的な位相変調素子を設置し、上記参照波又は被検波の波面を制御する方法によれば、基準レンズとなる光学素子を用いることなく、ヌルテスト干渉計を形成することができ、被検物の形状誤差を目視でも確認することができ、良否判定や問題解析などに好適となり、また、ヌルとなる位相変調量の制御に基づいて被検物形状をコンピュータ上で再構成することも可能である。
【００４５】
また、上記被検物及び基準となる光学素子の双方の屈折率をｎ_１とし、該基準となる光学素子を浸す試液の屈折率をｎ_２とし、上記被検物を浸す試液の屈折率をｎ_３としたとき、関係式；
ｎ_３＝２×ｎ_１−ｎ_２
の関係に基づいて、上記基準波面を形成すれば、ヌルテストにさらに好適となる。
【００４６】
また、上記被検物と、上記基準となる光学素子とを、互いの試液を仕切って同一の容器内へ設置すれば、装置構成が簡素化され、また、取扱いが容易となり、測定の操作性が向上する。
【００４７】
また、上記いずれかの測定方法により計測されたデータから、上記被検物と屈折率差の無い試液に浸して計測された屈折率分布を差し引いて被検物の３次元形状を求める方法によれば、被検物自体の屈折率分布の影響を排して正味の形状データを得ることができる。
【００４８】
また、上記いずれかにの測定方法を実施可能な３次元形状測定装置によれば、少なくとも上記測定方法と同様の効果を奏する測定装置を提供できるとともに、特に、シアリング干渉計として構成された測定装置によれば、干渉縞の密度の調整に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の測定方法を実施可能な測定装置の全体構成図である。
【図２】図１の測定装置の第１実施例を示す要部構成図である。
【図３】第２実施例の要部構成図である。
【図４】第３実施例の要部構成図である。
【図５】第４実施例の要部構成図である。
【図６】第５実施例の要部構成図である。
【図７】第６実施例の要部構成図である。
【図８】第７実施例の要部構成図である。
【図９】シアリング干渉を行う第８実施例の要部構成図である。
【図１０】従来の光学素子形状を測定する干渉計の一構成例を示す図である。
【符号の説明】
１Ｈｅ−Ｎｅレーザ（同一光源）
６′ 一体型セル（同一の容器）
１０液晶板（位相変調素子）
ａ被検波
ｂ参照波
Ａ被検物
Ａ′ 基準となる光学素子
Ｂ，Ｂ，Ｂ′ 試液
ｎ_１被検物の屈折率
ｎ_２，ｎ_３試液の屈折率
ｄ（ｘ），ｄ_２（ｘ），ｄ_３（ｘ）被検物の光軸方向の肉厚
ｗ（ｘ）被検波の透過波面

Claims

同一光源からの可干渉光を、基準となる参照波と、被検物を透過する被検波とに分割し、該被検物を透過した被検波と参照波の干渉を用いて上記被検物形状を測定する方法であって、
上記被検物の屈折率と異なるがこれに近い屈折率の試液で上記被検物の少なくとも一部を浸し、該被検物と試液の屈折率差に基づく透過波面を上記参照波に重畳させて干渉縞像を形成し、該干渉縞像に基づいて上記被検物の３次元形状を測定することを特徴とする光学素子の３次元形状測定方法。
所望の密度の干渉縞像が形成されるように、上記被検物と試液との間に任意の屈折率差を設けることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の３次元形状測定方法。
上記干渉縞像から計測される被検物の透過波面、及び上記屈折率差に基づいて、上記被検物の光軸方向の肉厚を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の３次元形状の測定方法。
同一光源からの可干渉光を、基準となる参照波と、被検物を透過する被検波とに分割し、該被検物を透過した被検波と参照波の干渉を用いて上記被検物形状を測定する方法であって、
上記被検物を被検波の入射側と射出側とで異なる屈折率の試液に浸し、該試液と上記被検物との屈折率差に基づく透過波面を上記参照波に重畳させて干渉縞像を形成し、該干渉縞像に基づいて上記被検物の３次元形状を測定することを特徴とする光学素子の３次元形状測定方法。
上記入射側と射出側のいずれか一方を浸す試液の屈折率を、上記被検物と同じ屈折率にすることを特徴とする請求項４に記載の光学素子の３次元形状測定方法。
上記参照波の光路上で、被検物形状の基準となる光学素子を、上記被検物側と同じ屈折率差を与える試液に浸すことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光学素子の３次元形状測定方法。
上記被検波の光路上で、被検物形状の基準となる光学素子を、上記被検物の透過波面を相殺する基準波面が形成されるような屈折率差を与える試液に浸すことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光学素子の３次元形状測定方法。
上記参照波又は被検波の光路上に空間的な位相変調素子を設置し、上記参照波又は被検波の波面を制御することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光学素子の３次元形状測定方法。
上記被検物及び基準となる光学素子の双方の屈折率をｎ_１とし、該基準となる光学素子を浸す試液の屈折率をｎ_２とし、上記被検物を浸す試液の屈折率をｎ_３としたとき、関係式；
ｎ_３＝２×ｎ_１−ｎ_２
の関係に基づいて、上記基準波面を形成することを特徴とする請求項７に記載の光学素子の３次元形状測定方法。
上記被検物と、上記基準となる光学素子とを、互いの試液を仕切って同一の容器内へ設置することを特徴とする請求項８又は９に記載の光学素子の３次元形状測定方法。
上記請求項１から１０のいずれかに記載の測定方法により計測されたデータから、上記被検物と屈折率差の無い試液に浸して計測された屈折率分布を差し引いて被検物の３次元形状を求めることを特徴とする光学素子の３次元形状測定方法。
上記請求項１から１１のいずれかに記載の測定方法を実施可能であることを特徴とする光学素子の３次元形状測定装置。
上記請求項１から１１のいずれかに記載の測定方法を実施可能なシアリング干渉計として構成されたことを特徴とする光学素子の３次元形状測定装置。