JP4886372B2

JP4886372B2 - 干渉計測装置および干渉計測方法

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Publication number: JP4886372B2
Application number: JP2006160447A
Authority: JP
Inventors: 健太郎末永
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: JP2007327892A

Description

本発明は、レンズやミラー等の光学素子の高精度な面形状を測定するための干渉計測装置および干渉計測方法に関するものである。

近年、光学機器の高精度化に伴い、その機器を構成するレンズやミラー等の光学素子の面形状も高精度に加工することが求められている。光学素子等を高精度に加工する方法として、光学素子の面形状を測定して所望形状との差を求め、その情報をもとに加工機にて部分的に修正加工を行い、所望の形状に近づけていく方法が一般的に採用されている。

修正加工を行うための面形状測定装置として、測定精度に優れた干渉計を用いる干渉計測装置がある。この装置では、被検面上の各点の横座標、すなわち干渉計の光軸に垂直な面内における位置情報と、干渉縞を取り込むエリアセンサとの対応を高精度に取り、エリアセンサ上の座標系で表された面形状測定データを被検物上の横座標で表すように校正する。このときの基準となる座標系は加工機においても利用可能な基準座標系である必要があり、たとえば光学素子に形成された基準面により定義された座標系が挙げられる。このように、基準面により定義された基準座標系で表された面形状測定データに基づいて、修正加工位置と修正加工量を決定し、基準面を参照して加工を実施することにより、干渉計による測定結果を用いた修正加工が可能となる。

干渉計による面形状測定において横座標の絶対位置を校正するための従来の手法としては、特許文献１に開示されたものがある。これは、被検面上に光散乱領域などのパターンを形成した校正用光学部材を利用する。パターンは、校正用光学部材の基準面を参照して形成することにより、基準面との関係が既知となる。この校正用光学部材を干渉計により測定した結果からパターン部分を特定して重心位置を算出し、既知であるパターンと基準面との関係を利用すれば、横座標の絶対位置を校正する校正値（座標校正値）を得ることができる。あとは校正用光学部材に代えて被検物の面形状を干渉計で測定し、得られた面形状測定データに校正値を適用することで、測定された面形状の横座標の絶対位置を算出することができる。
特開２００２−３３３３０５号公報

しかしながら特許文献１に開示された手法で得られる校正値は、面形状測定データの横座標を校正用光学部材の基準面で定義される座標系に変換するものである。従って、校正用光学部材を被検物に交換した際に、被検物の基準面位置が校正用光学部材の基準面位置と一致していなければ横座標校正値に誤差が生じる。

しかしながら、校正用光学部材を被検物に置き換えた際に干渉縞の状態が変化して縞が密になれば、干渉縞が疎となるように被検物の位置や姿勢を調整する必要があるため、被検物の基準面位置が校正用光学部材の基準面位置と異なる場合は容易に生じる。

また、被検物の設計値が異なれば、被検面と基準面との関係も異なるため、校正用光学部材や校正値をそのまま使用できず、個々の設計値ごとに校正用光学部材を用意する必要があり、多様な光学素子を測定する場合に多大なコストがかかってしまう。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、干渉計で測定した面形状測定データの横座標を簡単に校正可能であって、しかも多種多様な被検物にも容易に適用できる干渉計測装置および干渉計測方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の干渉計測装置は、被検物によって反射された被検光と参照光とを互いに干渉させることにより得られる干渉縞を検出器により検出し、検出された干渉縞の情報に基づいて前記被検物の面形状を測定する干渉計と、前記被検物の測定領域を限定するための測定領域限定手段と、前記測定領域限定手段により限定される前記測定領域と前記被検物上の基準座標との位置関係を特定し、前記測定領域の相対位置情報を得るための位置特定手段と、前記干渉計の測定結果から前記測定領域の面形状測定データを抽出し、前記基準座標に対する前記測定領域の前記相対位置情報に基づいて前記面形状測定データを校正する演算手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明の干渉計測方法は、被検物によって反射された被検光と参照光とを互いに干渉させることにより得られる干渉縞を検出器により検出し、検出された干渉縞の情報に基づいて前記被検物の面形状を測定する干渉計測方法において、前記被検物の測定領域を測定領域限定手段によって限定する測定領域限定工程と、前記測定領域と前記被検物上の基準座標との位置関係を特定し、前記測定領域の相対位置情報を得るための位置特定工程と、前記干渉縞に基づく測定結果から前記測定領域の面形状測定データを抽出する測定領域抽出工程と、前記基準座標に対する前記測定領域の前記相対位置情報に基づいて、前記面形状測定データを校正する工程と、を有することを特徴とする。

干渉計により測定した面形状測定データを被検物上の基準座標で表すための座標校正を簡単に行うことができる。また、多種多様な被検物に対しても、安価に製作可能な遮光板で容易に対応することができ、しかも、装置側に特殊なステージや測定器などを必要とせず、既存の干渉計において容易に実施可能であるため、装置コストを大幅に低減できる。

干渉計の面形状測定精度は３次元座標測定器などと比較して極めて優れているため、干渉計による面形状測定データを用いて所望形状との差から修正加工量および修正加工位置を求めて加工することにより、高精度な光学素子の生産が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、測定領域である被検面１ａと２つの基準面（外形基準）１ｃ、１ｂを有する被検物１に対して、図２に示す遮光板２を用いる。遮光板２は、測定領域限定手段である開口部を形成するエッジ２ａと、被検物１の基準面１ｂ、１ｃに対応する位置合わせ手段である基準面（外形基準）２ｂ、２ｃを有する。

すなわち、干渉計による測定領域を限定するための開口部を有する遮光板２を、干渉計の光路に設置し、被検光の光束を限定する。遮光板２の開口部の形状は、被検光の光束内に設置した際に、開口部のエッジ２ａから被検面１ａに下ろした垂線の長さが全周に渡って等しくなるように設計される。

遮光板２の開口部と被検物１上の基準座標（ｘ、ｙ座標）との位置関係を特定する位置特定手段は、位置測定によるものと、外形基準等の位置合わせ手段を用いるものとの２通りがある。

位置測定によるものは、被検物に遮光板を固定した上で被検物との位置関係を測定することにより、測定領域と被検物上の基準座標系との位置関係を特定する。被検物に遮光板を固定することが困難である場合は、被検物の保持冶具に遮光板を固定してもよい。被検物と遮光板との位置関係の測定は、座標測定器を用いることで実施可能である。

位置関係を特定するために位置合わせ手段を用いる場合は、図１および図２に示すように、被検物１と遮光板２を位置合わせ用の外形基準である基準面１ｂ、１ｃ、２ｂ、２ｃにより位置決めした上で固定手段によって一体化することが望ましい。これにより被検物１上の基準座標と遮光板２の開口部との位置関係を特定し、遮光板２の開口部によって限定される測定領域の相対位置情報を得ることができる。被検物１に遮光板２を固定することが困難である場合は、図５に示すように、被検物１の保持冶具４に対して被検物１と遮光板２をそれぞれ位置合わせして一体化してもよい。

いずれの場合も、被検物１と遮光板２を突き当て部材３に突き当て、外形基準で位置決めすることにより行われることが望ましい。

そして、演算手段によって、干渉計による測定結果から、遮光板により限定された測定領域を抽出し、面形状測定データの横座標を校正する。測定領域の抽出は、干渉縞を縞一色状態とした上で干渉縞強度分布を取得し、干渉縞強度値が高い領域を抽出することにより行われることが望ましい。あるいは、被検物や参照原器を微小量光軸方向に移動させたり、被検光の波長を微小量変化させたりした場合の干渉縞強度変化率を取得し、干渉縞強度変化率が大きな領域を抽出してもよい。ここで微小量とは、干渉縞が認識できる範囲内を意味する。

続いて、干渉計による測定領域の面形状測定データを被検物上の基準座標で表すための座標校正を行う。これは、遮光板の開口部による測定領域と被検物上の基準座標との相対位置情報を用いて、干渉計による測定領域の位置を基準座標で表わすための横座標校正値（座標校正値）を算出し、干渉計による前記面形状測定データに適用することで行われる。

さらに、干渉計による測定結果から抽出した測定領域の歪みに伴って発生する横座標校正値の誤差量を求めて、横座標の補正をするとよい。まず、被検物の形状情報と、遮光板の開口部の形状情報を用いて、干渉計による測定結果から抽出した測定領域の歪み方と横座標校正値の誤差量との関係を予め求めておく。そして、各被検物に対する計測を行うごとに、抽出した測定領域の歪み方から横座標校正値の誤差量（座標誤差）を求めて補正する。

図１ないし図３は実施例１を説明する図である。図１に示す被検物１に対して、図２に示す遮光板２を密着させて固定する。被検物１は、ｘ、ｙ方向の外形基準である基準面１ｂ、１ｃを備えており、これにより横座標を定義する。遮光板２は、光の反射を抑えるために粗面処理された薄い板で、被検物１との位置合わせのために、互いに直交する２つの外形基準である基準面２ｂ、２ｃを備えている。

遮光板２の中央部には、干渉計測定時に被検光を通過させる開口部を有し、開口部の周縁をなすエッジ２ａの形状と２つの基準面２ｂ、２ｃとの位置関係は既知であるものとする。エッジ２ａの形状は、後述するように、被検物１の被検面１ａの設計形状に依存するが、エッジ２ａが点対称形状をしている場合は、切り欠き（形状部）２ｄ、２ｅ等によって回転角（方向性）を識別可能に構成する。

遮光板２を用いた横座標校正法について図３および図４を用いて説明する。

干渉計による面形状測定前に、図３に示すように、突き当て部材３を用いて被検物１の基準面１ｂ、１ｃと遮光板２の基準面２ｂ、２ｃを一致させたうえで、図示しない固定手段によって被検物１と遮光板２を一体化する。このとき遮光板２の開口部が測定領域である被検面１ａと一致するように遮光板２の開口形状を設計する。より具体的には、被検物１と遮光板２を一体化した時に遮光板２のエッジ２ａから被検物１の被検面１ａに下ろした垂線の長さが開口部全周にわたって等しくなるように設計する。遮光板２の開口部の形状は、被検面１ａが平面の場合は任意に設計でき、被検面１ａが球面の場合は円形の開口部となる。

このように被検物１と遮光板２を一体化して干渉計に装着し、被検面１ａの面形状を測定する。その測定結果は、図４に示すように、遮光板２の開口部のエッジ２ａにより限定された領域のみが測定され、外側にある被検物１の基準面１ｂ、１ｃの位置情報を得ることはできない。すなわち、被検面１ａの基準座標に対する位置情報（相対位置情報）を直接干渉計の測定結果から求めることはできない。また、干渉計の測定結果の横座標はエリアセンサのピクセル単位で表されており、１ピクセルあたりの長さは被検面１ａの曲率半径により変化する。

しかしながら、遮光板２のエッジ２ａの形状および基準面２ｂ、２ｃとの位置関係は既知であり、被検物１の基準面１ｂ、１ｃと遮光板２の基準面２ｂ、２ｃを一致させているため、エッジ２ａの位置情報から基準座標の位置を求めることができる。ただし、面形状測定時にエッジ２ａの全周が同時に測定される必要があるため、測定領域外で、なおかつ、干渉計の被検光の光束範囲内にエッジ２ａの全周が入るように遮光板２を設計しなければならない。

エッジ２ａの位置情報から被検物１上の基準座標の位置を求める手順を以下に説明する。

まず、干渉計の測定結果から開口部のエッジ２ａの位置情報を抽出する。これは干渉縞をいわゆるワンカラーにしたうえで干渉縞強度を測定し、測定された干渉縞強度が急峻に変化する場所を開口部のエッジ２ａとみなして抽出することで可能である。干渉縞強度の空間的な変化は、一般的な画像処理技術により定量化できる。例えば、ＳｏｂｅｌフィルタやＬａｐｌａｃｉａｎフィルタなどの微分フィルタを適用することにより、エッジ２ａに対応するエリアセンサの画素がエッジとして強調される。

他の抽出方法としては、被検物や参照原器を微小量光軸方向に移動させたり、被検光の波長を微小量変化させたりした場合の干渉縞強度変化率を取得し、干渉縞強度変化率が大きな領域を抽出してもよい。また、いわゆる位相シフト法により干渉縞強度を変調させた際に、干渉縞変調が起こる場所は開口部のエッジ２ａの内側、干渉縞変調が起こらない場所は開口部のエッジ２ａの外側とみなしてエッジ２ａを抽出してもよい。

次に、抽出したエッジ２ａを既知である実形状とフィッティングすることにより測定結果の１ピクセルあたりの長さおよび基準面１ｂ、１ｃの位置を求める。ただし測定結果として得られる点群の横座標は被検面１ａ上における座標を表しているため、被検面１ａが球面の場合、エッジ２ａの実形状データをそのまま使用すると倍率に誤差が発生する。そこで被検面１ａの曲率半径と、開口部のエッジ２ａから被検面１ａに下ろした垂線の長さを用いてエッジ２ａの実形状データを拡大したうえでフィッティングする。例えば被検面１ａが曲率半径Ｒの凹面で、エッジ２ａから被検面１ａに下ろした垂線の長さがｈであるとき、エッジ２ａの実形状データをＲ／（Ｒ−ｈ）倍に拡大してフィッティングする。

フィッティングはエッジ２ａ全周の情報を用いることが好ましいが、エッジ２ａの形状を代表するパラメータを用いて実施してもよい。例えばエッジ２ａが円形であれば、測定結果より抽出されたエッジ２ａを円形近似して中心位置と半径を求め、さらに切り欠きをなす１辺を求めることで１ピクセルあたりの長さおよび基準面１ｂ、１ｃの位置を求めることができる。

最後に、求めた１ピクセルあたりの長さおよび基準面１ｂ、１ｃの位置を用いて基準座標の位置を割り出し、面形状測定データの横座標が基準座標を表すように校正する。面形状測定データが基準座標で表されれば、加工機において基準面１ｂ、１ｃを参照して修正加工位置を決定することにより、干渉計による面形状測定データに基づいた修正加工が可能となる。

なお、遮光板２のエッジ２ａが点対称形状をしている場合、特徴形状として切り欠き１ｄ、１ｅを使用しているが、これに限定されるものではなく、例えばエッジ２ａの外側に小円を設けその重心位置を基準としてもよい。

また、遮光板２に基準面２ｂ、２ｃを設け、突き当て部材３を利用して被検物１の基準面１ｂ、１ｃと遮光板２の基準面２ｂ、２ｃを一致させているが、このような位置合わせ手段を用いる方式に限定されるものではない。遮光板２のエッジ２ａと被検物１の基準座標系との関係が既知となるように被検物１と遮光板２を一体化できればよい。例えば、基準面をもたない遮光板２を被検物１と一体化させ、３次元座標測定器により被検物１の基準面１ｂ、１ｃと遮光板２のエッジ２ａの形状を測定してもよい。

図５は実施例２を説明するものである。本実施例では、干渉計測用の保持冶具４に遮光板２が固定される。保持冶具４は被検物１と遮光板２を位置決めするための突き当て部材３を備えており（図５の（ｂ）参照）、遮光板２の基準面を突き当て部材３に突き当てて遮光板２を位置決めしたうえで、保持冶具４に遮光板２を固定する。さらに、保持冶具４の突き当て部材３に被検物１の基準面を突き当てて被検物１を位置決めすることにより、遮光板２の開口部のエッジ２ａとの関係を既知とすることができる。

実施例１と同様に、干渉計による測定結果から遮光板２の開口部のエッジ２ａを抽出し、被検物１上の基準座標の位置を求めて、面形状測定データの横座標が被検物１上の基準座標を表すように校正する。

本実施例では、干渉計測用の保持冶具４が遮光板２を備えており、面形状測定を行うために被検物１を保持冶具４に装着した段階で横座標校正のための準備が完了する。そのため測定タクトを通常の面形状測定と同程度に抑えることができるという利点を有する。

なお、本実施例は、遮光板２の基準面や、保持冶具４の突き当て部材３の利用に限定されるものではない。保持冶具４に対して被検物１を着脱する際に高精度に位置決め可能な機能を備え、なおかつ、被検物１を保持冶具４に装着した状態において遮光板２のエッジ２ａと被検物１の基準座標との位置関係が既知となればよい。

このようにして干渉計による面形状測定データの横座標を校正可能であるが、遮光板２と干渉計本体との位置関係によっては干渉計の測定結果から抽出した遮光板２のエッジ２ａの形状が歪む場合があり、エッジ２ａによる相対位置情報に基づく横座標校正値の誤差要因となる。以下に、干渉計の測定結果から抽出した開口部のエッジ形状の歪みに伴う座標誤差の補正方法について説明する。

図６は、干渉計５により、参照面６ａを有する参照原器６を用いて被検物１の被検面１ａの平面形状を測定する場合を示している。図６において被検物１と遮光板２は突き当て部材３を介して位置決めされているが、遮光板２が干渉計５の光軸７に対して傾いて取り付けられているため、遮光板２の開口部を通過する被検光が遮光板２の傾き量に応じて変化する。その結果、遮光板２のエッジ２ａが真円であっても、干渉計５の測定結果から抽出されるエッジ形状は図７に示すように楕円状に歪む。楕円状に歪んでいる場合に円形とみなしてフィッティングし、面形状の測定結果に対する基準座標の位置を求めると、被検物１の基準座標系の横座標であるｘ、ｙ軸が計算結果では、Ｘ、Ｙ軸となる。このように、実際には図７におけるｘ、ｙ座標を有する基準座標系に対して横座標誤差が発生する。

そこで、干渉計５の測定結果から抽出した遮光板２のエッジ形状の歪みに伴う横座標の誤差を以下のように補正する。

まず、被検面１ａの形状情報と遮光板２のエッジ２ａの形状情報を用いて光軸７に対する遮光板２の傾き量と干渉計５の測定結果の歪みとの関係を求める。そして、測定結果から抽出したエッジ形状をエッジ２ａの実形状にフィッティングする際に、傾き量もパラメータに含めてフィッティングする。最後に遮光板２の傾き量も考慮して干渉計の測定結果と被検物１上の基準座標系との関係を求めることによりエッジ形状の歪みに伴う誤差も補正される。

球面測定の場合もエッジ形状の歪みに伴う横座標誤差が発生するため、平面の場合と同様にして補正する。球面と平面で異なる点は、干渉計５の光軸７に対する遮光板２の傾きだけでなく、光軸７に垂直な面内に遮光板２が横ずれしても干渉計５の測定結果から抽出したエッジ形状が歪む。そのため、測定結果から抽出したエッジ形状を、エッジ２ａの実形状にフィッティングする際に、遮光板２の傾き量に加えて干渉計５の光軸７に垂直な面内の横ずれ量もパラメータに含めてフィッティングする。光軸７に対して、遮光板２が傾いても横ずれしても干渉計５の測定結果から抽出したエッジ形状は楕円に近い形に歪むが、どちらも真の楕円ではなく、異なる歪み方をする。従って遮光板２の傾き量と横ずれ量は独立なパラメータであり、同時にフィッティングさせることができる。

また、干渉計５による面形状測定時には、干渉縞をいわゆる縞一色状態で測定するため、被検物１と干渉計５の光軸７との位置関係は任意ではなく限定される。さらに、被検物１と遮光板２が突き当て部材３を介して位置決めされていることから、光軸７と遮光板２の位置関係も限定される。従って、干渉計５の光軸７と遮光板２の位置関係を拘束条件としてフィッティングに含めるとさらに高精度に横座標校正が可能である。ただし、被検物１と遮光板２の形状精度が良好である必要がある。

実施例１による被検物のみを示す立面図である。実施例１による遮光板のみを示す立面図である。実施例１による被検物と遮光板を一体化した状態で示すもので、（ａ）はその立面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿ってとった断面図である。面形状測定データにおける被検面と遮光板のエッジの関係を示す図である。実施例２を示すもので、（ａ）は遮光板と一体化した保持冶具を示す立面図、（ｂ）は保持冶具と被検物を示す断面図である。被検物の倒れを説明する図である。測定領域の歪みを示す図である。

符号の説明

１被検物
１ａ被検面
１ｂ、１ｃ、２ｂ、２ｃ基準面
２遮光板
２ａエッジ
３突き当て部材
４保持冶具
５干渉計
６参照原器
６ａ参照面
７光軸

Claims

被検物によって反射された被検光と参照光とを互いに干渉させることにより得られる干渉縞を検出器により検出し、検出された干渉縞の情報に基づいて前記被検物の面形状を測定する干渉計と、前記被検物の測定領域を限定するための測定領域限定手段と、前記測定領域限定手段により限定される前記測定領域と前記被検物上の基準座標との位置関係を特定し、前記測定領域の相対位置情報を得るための位置特定手段と、前記干渉計の測定結果から前記測定領域の面形状測定データを抽出し、前記基準座標に対する前記測定領域の前記相対位置情報に基づいて前記面形状測定データを校正する演算手段と、を備えたことを特徴とする干渉計測装置。
前記測定領域限定手段は、前記被検光の光束内に設置された開口部を備えた遮光板を有することを特徴とする請求項１記載の干渉計測装置。
前記遮光板は、前記開口部の方向性を示す形状部を有することを特徴とする請求項２記載の干渉計測装置。
前記位置特定手段は、前記被検物と前記遮光板とを位置合わせする位置合わせ手段を有することを特徴とする請求項２または３記載の干渉計測装置。
前記位置特定手段は、前記被検物または前記被検物の保持冶具と前記遮光板とを固定する固定手段を有することを特徴とする請求項４記載の干渉計測装置。
前記被検物および前記遮光板は、それぞれ互いに位置合わせ用の外形基準を有することを特徴とする請求項４記載の干渉計測装置。
被検物によって反射された被検光と参照光とを互いに干渉させることにより得られる干渉縞を検出器により検出し、検出された干渉縞の情報に基づいて前記被検物の面形状を測定する干渉計測方法において、
前記被検物の測定領域を測定領域限定手段によって限定する測定領域限定工程と、
前記測定領域と前記被検物上の基準座標との位置関係を特定し、前記測定領域の相対位置情報を得るための位置特定工程と、
前記干渉縞に基づく測定結果から前記測定領域の面形状測定データを抽出する測定領域抽出工程と、
前記基準座標に対する前記測定領域の前記相対位置情報に基づいて、前記面形状測定データを校正する工程と、を有することを特徴とする干渉計測方法。
前記測定領域限定工程において、遮光板を前記被検光の光束内に設置し、前記光束を限定することを特徴とする請求項７記載の干渉計測方法。
前記位置特定工程において、前記被検物と前記遮光板とを位置合わせして一体化することで、前記被検物と前記遮光板との位置関係を特定することを特徴とする請求項８記載の干渉計測方法。