JP5483993B2

JP5483993B2 - 干渉計

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Publication number: JP5483993B2
Application number: JP2009241694A
Authority: JP
Inventors: 裕範古河; 徳行本多
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: JP2011089804A; US8400641B2; US20110090510A1

Description

本発明は干渉計に関する。

ミラーまたはレンズの非球面の形状を高精度に計測するために、干渉計が用いられている。しかし、平面または球面を参照面に用いた干渉計で非球面を計測すると、参照光と被検光との位相差が大きくなるため干渉縞の縞密度が高くなってしまい、干渉縞を検出する光電変換素子の解像度を越えてしまう。そこで、被検物の被検面を光軸方向に移動し、被検面の一部の領域のみを計測していき、それらの計測結果をスティッチングして、被検面の全面の形状を計測する方法が提案されている（特許文献１）。

しかし、この方法では、曲率半径の長い被検面を計測するためには、干渉計の全長を長くしなければならず、空気揺らぎまたは振動による計測誤差が大きくなってしまう。そこで、反射面を用いたコンパクトな点回折干渉計が提案されている（特許文献２）。

特許文献２の干渉計では、反射面により見かけ上の点光源を被検面から離れた位置に作り、見かけ上の点光源と被検面との距離を被検面の曲率半径と一致させることで、被検面の形状を計測している。

特表２００４−５３４２４５号公報特開２０００−９７６５４号公報

しかしながら、特許文献２の干渉計では、被検面に開口を設ける必要があり、簡易に計測することができないという課題があった。

そこで、本発明は、曲率半径の長い非球面の形状を簡易に計測することができる干渉計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての干渉計は、被検物の表面の形状を計測する干渉計であって、光源からの光を被検光と参照光とに分割して、前記被検物の表面で反射された前記被検光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、前記被検光と前記参照光とが干渉することで生じる干渉縞を検出する光電変換素子と、を備え、前記干渉光学系は、前記被検光を透過させ且つ反射する第１光学素子と、前記被検光を反射する反射面が平面である第２光学素子と、前記第２光学素子を移動する移動手段と、を有し、前記第１光学素子は、前記被検光の集光位置近傍に配置され、前記被検光が透過する開口と前記被検光が反射する反射面とを有し、前記第１光学素子の前記反射面は、平面であり、前記干渉光学系の光軸に対して垂直に配置され、前記第２光学素子の前記反射面は、ハーフミラーであり、前記光軸に対して垂直に配置され、前記被検光は、前記第１光学素子を透過して前記第２光学素子で反射して前記第１光学素子で反射した後、前記第２光学素子の前記反射面を透過して前記被検物の表面に入射し、前記被検物の表面に入射し、前記被検物の表面に入射し、前記被検物の表面で反射した前記被検光は、前記第１光学素子で反射して、前記第２光学素子で反射して、前記第１光学素子を透過して、前記参照光と干渉することを特徴とする。

曲率半径の長い非球面の形状を簡易に計測することができる干渉計を提供することができる。

本発明の第１実施形態の説明図である。本発明の第２実施形態の説明図である。本発明の第３実施形態の説明図である。見かけ上の集光点の位置を表す図である。本発明の第４実施形態の説明図である。シアリング干渉計の説明図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態としての干渉計の概略構成を示す図である。この干渉計はフィゾー干渉計である。この干渉計は、光源１０と、干渉光学系と、検出部１００を備える。干渉光学系は、コリメータレンズ群１５と、偏光子２０と、ビームスプリッタ３０と、レンズ３５と、集光レンズ４０と、偏光ビームスプリッタ（第１光学素子）５０と、λ／４板６０と、平面ミラー７０（第２光学素子）を有する。コリメータレンズ群１５の光路中には、ピンホールを持つ絞りＰＨが配置されている。集光レンズ（フィゾーレンズ）４０は、参照面４０ａを含む。平面ミラー７０は、不図示の移動手段によって干渉光学系の光軸方向に移動可能である。その移動距離は、不図示の測長器（干渉計、エンコーダ等）によって測定される。

光源１０としては、可干渉性の高いレーザーを使用する。光源１０から出た光は、コリメータレンズ群１５で平行光にされ、偏光子２０により直線偏光になる。この直線偏光を、便宜上Ｘ直線偏光と呼ぶ。ビームスプリッタ３０を透過し、集光レンズ４０の中の参照面４０ａで反射した光は、集光レンズ４０を出ると平行光束となり、ビームスプリッタ３０で反射して、レンズ３５を通り、検出部１００に入射する。この光は参照光となる。

一方、参照面４０ａを透過した光は球面波となり、偏光ビームスプリッタ５０を透過後、λ／４板６０を透過し、円偏光となる。その円偏光は、平面ミラー７０で反射され、再度λ／４板６０を透過することでＹ直線偏光となる。Ｙ直線偏光は、偏光ビームスプリッタ５０で反射し、被検物の被検面８０に照射される。被検面８０で反射した光は、偏光ビームスプリッタ５０で反射し、λ／４板６０を透過し、円偏光となる。その円偏光は、平面ミラー７０で反射し、再度λ／４板６０を透過し、Ｘ直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ５０を透過し、ビームスプリッタ３０で反射し、レンズ３５を通り、検出部１００に入射する。この光は被検光となる。被検光は参照面４０ａで反射した参照光と重なって、検出部１００の受光面上に干渉縞を形成する。被検面８０で反射した被検光は、被検面８０に入射するまで被検光が進んできた光路を逆行して、参照光と干渉している。

検出部１００としては、光電変換素子（ＣＣＤ，ＣＭＯＳなど）を用いており、検出部１００は干渉縞を撮像する。なお、参照面４０ａは、いわゆるフィゾー面であり、光源１０からの光を被検光と参照光とに分割するとともに、被検面８０で反射された被検光と参照光とを統合し干渉させている。

干渉縞から位相（参照光と被検光との光路差）を求めるには、周知のフリンジスキャン法を用いる。具体的には、例えば、参照面を光軸方向にλ／４ずつ移動して、そのたびに干渉縞を撮像し、複数枚の干渉縞の画像データから不図示の算出部で位相を算出する。そして、被検面上の各点について求められた位相データに算出部で演算処理を施すことにより、被検面８０の形状を算出できる。

被検面８０の曲率半径をＲ、平面ミラー７０と偏光ビームスプリッタ５０の中心との距離をＬ、偏光ビームスプリッタ５０の中心と被検面８０との距離をＤとすると、見かけ上の集光点（点光源）９０は被検面８０からＤ＋２Ｌの距離離れた位置にある。したがって、その位置から出射した球面波が被検面８０に照射されると見なすことができる。よって、ＲとＤ＋２Ｌを一致させることにより、ヌルの干渉縞が得られる。

被検面８０が非球面形状のとき、非球面上（被検面８０）にほぼ垂直に光が入射する領域以外の領域（近似曲率半径がＤ＋２Ｌと一致しない領域）では、参照光と被検光との光路差が大きくなりすぎてしまう場合がある。そのため、干渉縞が密になりすぎ、検出部１００で計測できない場合がある。したがって、本実施形態の干渉計では、まず、被検面８０にほぼ垂直に光が入射する領域のみの計測を行う。次に、平面ミラー７０を光軸方向にΔＬ移動して、計測を行う。平面ミラー７０が光軸方向にΔＬ移動すると、見かけ上の集光点９０は２ΔＬ移動し、曲率半径がＤ＋２Ｌ＋２ΔＬである被検面８０の領域に光が垂直に入射するようになるため、その領域近傍を計測する。平面ミラー７０を移動し、その都度計測することを繰り返し、得られた複数の位相データを合成（スティッチング）することによって被検面８０の全面の形状を計測する。

平面ミラー７０の移動距離ΔＬは容易に計測できるが、ＤとＬを正確に計測することは難しい。そこで、まず仮にＤ＋２Ｌの値を決めて被検面形状を計測し、次に計測結果が設計値と近くなるようにＤ＋２Ｌの値を変えて被検面形状を再度計測する、という作業を反復することで被検面８０を求めてもよい。

また、平面ミラー７０を光軸方向に移動するのではなく、平面ミラー７０を光軸に対して傾けることで見かけ上の集光点９０の位置を変えて、得られた複数の位相データから被検面の全面の形状を計測しても良い。こうすることで、被検面８０が自由曲面の場合でも簡易に計測できる。

以上、本実施形態の干渉計によれば、反射面の移動量に対して見かけ上の集光点はその移動量の２倍の距離だけ動くため、非球面量のより大きい被検面を計測することが可能となる。また、被検面ではなく、別途設けた反射面を移動することから、装置が簡素化される。さらに、偏光を用いることで、被検面の中心も含めた全面を簡易に計測できる。

〔第２実施形態〕
図２は、本発明の第２実施形態としての干渉計の概略構成を示す図である。第１実施形態と同様の部材については、同じ番号を付しており、その説明を省略する。

本実施形態の干渉計は、参照面４０ａと被検面８０との間の構成が第１実施形態のものと異なる。具体的には、偏光ビームスプリッタおよびλ／４板の代わりに、被検光の集光位置近傍に配置された平面ミラー５１（第１光学素子）を使用している。

本実施形態の干渉計では、参照面４０ａを透過した光は、球面波となり、平面ミラー５１の開口を透過し、平面ミラー７０で反射した後、平面ミラー５１で反射し、被検面８０に照射される。被検面８０で反射した光は、平面ミラー５１で反射し、平面ミラー７０で反射し、平面ミラー５１の開口を透過し、集光レンズ４０、ビームスプリッタ３０及びレンズ３５を通り、検出部１００に入射する。

平面ミラー５１の開口以外の反射率は１００％に近い値としている。開口の大きさは被検面８０のＮＡ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）と被検光の収差量に依存し、収差をもった被検光の集光スポットよりも大きくする。例えば、光源の波長６３３ｎｍ、ＮＡ０．１のとき、１０ｕｍ以上１０００ｕｍ以下とする。また、平面ミラー５１に開口を開ける代わりに、ＡＲ（アンチリフレクション）コートしても良い。

本実施形態の干渉計によれば、実施形態１の干渉計と比較して、偏光素子を用いなくてもよく、部品点数も減るため、装置を安価かつ簡易に構成することが可能となる。

〔第３実施形態〕
図３は、本発明の第３実施形態としての干渉計の概略構成を示す図である。第１実施形態と同様の部材については、同じ番号を付しており、その説明を省略する。

本実施形態の干渉計は、参照面４０ａと被検面８０との間の構成が第１実施形態の干渉計と異なる。この干渉計は、開口のある平面ミラー５２（第１光学素子）と、ハーフミラー７１（第２光学素子）と、ハーフミラー７１を干渉光学系の光軸方向に移動させる移動機構と、ハーフミラー７１の移動距離を測定する測長器を備える。

参照面４０ａを透過した被検光は球面波となり、平面ミラー５２の開口を透過する。開口は、球面波の集光点に配置されている。その後、被検光は、ハーフミラー７１で反射し、平面ミラー５２で反射し、ハーフミラー７１を透過後、被検面８０に照射される。そして、被検面８０で反射した光はハーフミラー７１を透過後、平面ミラー５２で反射し、ハーフミラー７１で反射し、平面ミラー５２の開口を透過後、集光レンズ４０、ビームスプリッタ３０およびレンズ３５を通り、検出部１００に入射する。

平面ミラー５２の開口以外の反射率は１００％に近い値としている。開口の大きさは、被検面８０のＮＡと被検光の収差量に依存し、収差をもった被検光の集光スポットよりも大きくする。また、平面ミラー５２に開口を開ける代わりに、ＡＲコートしても良い。

図４より平面ミラー５２とハーフミラー７１の距離をＬａ、平面ミラー５２と被検面８０との距離をＤａとすると、見かけ上の集光点（点光源）９１は被検面からＤａ＋２Ｌａだけ離れた位置となる。被検面８０の曲率半径ＲとＤａ＋２Ｌａを一致させることでヌルの干渉縞が得られる。従来よりも２Ｌａだけ全長が短い干渉計となっている。

なお、上記以外の被検光、例えば、最初にハーフミラー７１で反射されずに透過した被検光は、被検面８０で反射した後、ハーフミラー７１を透過する。しかし、曲率半径ＲとＤａが大きく異なるため、そのハーフミラー７１を透過した被検光のほとんどは平面ミラー５２の開口部を通過せず、計測誤差にはならない。

ハーフミラー７１を干渉光学系の光軸方向にΔＬａだけ被検面８０に近づけると、見かけ上の集光点９１は被検面８０からＤａ＋２Ｌａ＋２ΔＬａだけ離れた位置となる。したがって、その際には、曲率半径がＤａ＋２Ｌａ＋２ΔＬａとほぼ一致する被検面８０の領域を計測することができる。ハーフミラー７１を光軸方向に移動し、その都度、計測を繰り返し、得られた複数の位相データをスティッチングすることによって被検面８０の全面の形状を計測する。

ハーフミラー７１の厚みによる被検光の球面項は、差し引いて演算する。また平面ミラー５２及びハーフミラー７１の形状誤差も別途計測し、補正して演算する。また、検出部１００に入射する参照光と被検光の光強度が等しくなるように、参照面の反射率を決定する。

被検面８０の中心近傍を計測する際には、複数種類の被検光が平面ミラー５２の開口部を透過してしまうため、被検面８０の形状を正確に計測することが難しい。なお、複数種類の被検光とは、例えば、ハーフミラー７１で透過し被検面８０で反射しハーフミラー７１で透過した光や、ハーフミラー７１でのみ反射した光のことである。

そこで、本実施形態の干渉計では、被検面８０の中心近傍を計測する際には、ハーフミラー７１を光路中から取り除いた状態で計測を行う。被検面８０の中心近傍はほぼ平面と見なすことができるので、そのような計測を行うことができる。

本実施形態の干渉計によれば、実施形態１の干渉計と比較して、偏光素子を用いなくてもよく、部品点数も減るため、装置を安価かつ簡易に構成することが可能となる。また、平面ミラーを干渉光学系の光軸に垂直に配置すればよいため、装置を更に小型化することが可能となる。

〔第４実施形態〕
図５は、本発明の第４実施形態としての干渉計の概略構成を示す図である。第３実施形態と同様の部材については、同じ番号を付しており、その説明を省略する。

本実施形態の干渉計では、集光レンズ４０の代わりに、集光レンズ４１を用いている点が第３実施形態のものと異なる。参照面４０ｂの中心部（光軸近傍）には、ＡＲコートが施されており、反射率を周辺部のものよりも下げている。

本実施形態の干渉計では、被検面８０の中心近傍を計測する際、ハーフミラー７１で反射した光を参照光として用い、ハーフミラー７１を透過し被検面８０で反射しハーフミラー７１を透過した光を被検光として用いる。被検面８０の中心近傍以外の領域を本実施形態の干渉計を用いて計測する方法は、第３実施形態と同じである。

本実施形態の干渉計によれば、実施形態３の干渉計と比較して、ハーフミラー７１を挿脱する必要がなくなるため、装置を安価かつ簡易に構成することが可能となり、小型化することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

例えば、以上の実施形態では、本発明をフィゾー干渉計に適用したものを説明したが、本発明をトワイマングリーン干渉計やシアリング干渉計など他のタイプの干渉計に適用してもよい。シアリング干渉計は、参照面が不要であり、検出部１００の前に図６のように回折格子Ｄを配置し、その回折光の干渉を計測することで被検面形状を計測できる。シアリング干渉計は、被検光を複数の分割光に分割し、それらの分割光を検出部１００上で干渉させる。図６では、格子が２次元に並んだ２次元回折格子Ｄを使用している。

１０光源
２０偏光子
３０ビームスプリッタ
４０フィゾーレンズ
５０偏光ビームスプリッタ
６０偏光子
７０平面ミラー
８０被検面
９０見かけ上の集光点
１００検出部

Claims

被検物の表面の形状を計測する干渉計であって、
光源からの光を被検光と参照光とに分割して、前記被検物の表面で反射された前記被検光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、
前記被検光と前記参照光とが干渉することで生じる干渉縞を検出する光電変換素子と、を備え、
前記干渉光学系は、
前記被検光を透過させ且つ反射する第１光学素子と、
前記被検光を反射する反射面が平面である第２光学素子と、
前記第２光学素子を移動する移動手段と、を有し、
前記第１光学素子は、前記被検光の集光位置近傍に配置され、前記被検光が透過する開口と前記被検光が反射する反射面とを有し、
前記第１光学素子の前記反射面は、平面であり、前記干渉光学系の光軸に対して垂直に配置され、
前記第２光学素子の前記反射面は、ハーフミラーであり、前記光軸に対して垂直に配置され、
前記被検光は、前記第１光学素子を透過して前記第２光学素子で反射して前記第１光学素子で反射した後、前記第２光学素子の前記反射面を透過して前記被検物の表面に入射し、
前記被検物の表面に入射し、前記被検物の表面で反射した前記被検光は、前記第１光学素子で反射して、前記第２光学素子で反射して、前記第１光学素子を透過して、前記参照光と干渉する
ことを特徴とする干渉計。
被検物の表面の形状を計測する干渉計であって、
光源からの光を被検光と参照光とに分割して、前記被検物の表面で反射された前記被検光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、
前記被検光と前記参照光とが干渉することで生じる干渉縞を検出する光電変換素子と、を備え、
前記干渉光学系は、
前記被検光を透過させ且つ反射する第１光学素子と、
前記被検光を反射する反射面が平面である第２光学素子と、
前記第２光学素子を移動する移動手段と、を有し、
前記第１光学素子は、前記被検光の集光位置近傍に配置され、前記被検光が透過する開口と前記被検光が反射する反射面とを有し、
前記第１光学素子の前記反射面は、平面であり、前記干渉光学系の光軸に対して傾いて配置され、
前記第２光学素子の前記反射面は、前記光軸に対して垂直に配置され、
前記被検光は、前記第１光学素子を透過して前記第２光学素子で反射して前記第１光学素子で反射した後、前記被検物の表面に入射し、
前記被検物の表面に入射し、前記被検物の表面で反射した前記被検光は、前記第１光学素子で反射して、前記第２光学素子で反射して、前記第１光学素子を透過して、前記参照光と干渉する
ことを特徴とする干渉計。
前記光電変換素子は、前記第２光学素子の前記反射面で反射した前記光源からの光と、前記被検物の表面の前記干渉光学系の光軸近傍の領域で反射した前記光源からの光と、が干渉することで生じる干渉縞を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
前記光電変換素子で検出された干渉縞に基づいて、前記被検物の表面の形状を算出する算出手段を備え、
前記算出手段は、前記光電変換素子で検出されたその干渉縞に基づいて、前記被検物の表面の前記光軸近傍の領域の形状を算出する
ことを特徴とする請求項３に記載の干渉計。
前記被検物の表面で反射した前記被検光は、前記被検物の表面に入射するまで前記被検光が進んできた光路を逆行して、前記参照光と干渉する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の干渉計。
前記被検物の表面の形状が非球面であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の干渉計。
前記移動手段は、前記第２光学素子の前記干渉光学系の光軸方向の位置を変更して、前記被検物の表面に前記被検光が垂直に入射する領域を変更する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の干渉計。
前記移動手段は、前記第２光学素子の前記干渉光学系の光軸に対する傾きを変更して、前記被検物の表面に前記被検光が垂直に入射する領域を変更する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の干渉計。
被検物の表面の形状を計測する計測方法であって、
光源からの光を被検光と参照光とに分割して、前記被検物の表面で反射された前記被検光と前記参照光とが干渉し、
前記被検光と前記参照光とが干渉することで生じる干渉縞を検出し、
前記被検物の表面の形状を決めるために、前記干渉縞の位相を求めることを有し、
前記被検光は、前記光源から、前記被検光の集光位置近傍に配置され前記被検光が透過する開口と前記被検光が反射する反射面を有し、前記被検光を透過させ且つ反射する第１光学素子と、前記被検光を反射する反射面が平面である第２光学素子と、前記第２光学素子を移動する移動手段とを有する干渉光学系を透過し、
前記被検光は、前記干渉光学系の光軸に対して垂直に配置され、反射面が平面である前記第１光学素子を通過し、前記干渉光学系の光軸に対して垂直に配置された前記第２光学素子で反射して前記第１光学素子で反射した後、ハーフミラーである前記第２光学素子の前記反射面を透過して前記被検物の表面に入射し、
前記被検物の表面に入射し、前記被検物の表面で反射した前記被検光は、前記第１光学素子で反射して、前記第２光学素子で反射して、前記第１光学素子を透過して、前記参照光と干渉する
ことを特徴とする計測方法。