JP5725874B2 - シアリング干渉測定装置およびその校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、シアリング干渉測定装置およびその校正方法に関する。

従来から光学系の透過波面或いは反射波面の測定のために干渉計が利用されている。干渉計を利用した光学系の波面計測は、高精度な測定が可能であるため、波面収差を厳密に管理する必要のある光学系の光学特性の測定に好適である。特に光学部品や光学系ユニットなどの製造現場などで用いられる干渉計として、共通光路で耐環境性に優れたシアリング干渉計がある。図６に一般的な透過波面計測用のシアリング干渉計の配置例を示す。被検光学系６２の物体面に配置されたピンホール板６１に設けられた１個のピンホール６１Ａから射出される球面波が被検光学系６２に入射する。被検光学系６２から射出される光の波面は、被検光学系６２の収差により球面波から変形している。被検光学系６２の後方には回折格子６３が配置されており、被検光学系６２からの射出光が回折格子６３により複数の次数の回折光に分離される。回折格子６３は、シアリング干渉計において被検光束にシアを付与する光学素子として用いられる。これらの回折光から特定次数の回折光だけが取り出されて、撮像素子６５の撮像面において、ラテラルシアリングされた状態で重ねられる。図７には、撮像素子６５の撮像面におけるシアした被検光束７１、７２の位置関係が例示されている。被検光束７１、７２の重なり領域７０に生じた干渉縞が撮像素子６５によって撮像され、その干渉縞の画像に基づいて制御部６６によって波面形状が算出される。

シアリング干渉計において光束をシアさせる量（シア量）Ｓは、波面測定精度を左右する重要なパラメータであり、所望の範囲の値に設定されうる。その際、測定誤差を極限まで除去するためには、シア量の値を正確に求めるための校正を行う必要がある。シア量の校正方法としては、所定の開口パターンを有する指標を被検光学系の瞳面に挿入し、シアされた指標の像ずれを検出器の出力から参照し、そのずれに基づいてシア量を算出する方法が特許文献１に開示されている。

特開２００４−０３７４２９号公報

本発明は、シアリング干渉測定装置においてシア量を高精度に決定するために有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、被検光学系からの光の波面を測定するシアリング干渉測定装置に係り、前記シアリング干渉測定装置は、撮像素子と、前記被検光学系の瞳を前記撮像素子の撮像面に結像させる瞳結像光学系と、前記瞳結像光学系の光路に配置され、前記被検光学系からの光の波面を分割することによって複数の波面を形成する回折格子と、前記回折格子によって分割された複数の波面の間の前記撮像面におけるシア量が変更されるように前記回折格子を駆動する駆動機構と、前記回折格子によって分割された複数の波面によって前記撮像面に形成される干渉縞を前記撮像素子によって撮像して得られた干渉縞データを処理することにより被検光学系からの光の波面を算出する制御部と、を備え、前記制御部は、前記撮像面におけるシア量が第１の目標シア量になるように前記駆動機構に前記回折格子を駆動させたときに前記撮像素子によって得られる第１の干渉縞データを複数のシア量のそれぞれを使って処理することによって得られる複数の波面をそれぞれ近似する複数の多項式のそれぞれにおける少なくとも１つの係数と当該複数のシア量との関係を示す第１の直線を決定し、前記撮像面におけるシア量が前記第１の目標シア量とは異なる第２の目標シア量になるように前記駆動機構に前記回折格子を駆動させたときに前記撮像素子によって得られる第２の干渉縞データを複数のシア量のそれぞれを使って処理することによって得られる複数の波面をそれぞれ近似する複数の多項式のそれぞれにおける少なくとも１つの係数と当該複数のシア量との関係を示す第２の直線を決定し、前記第１の直線と前記第２の直線とにおけるシア量の差分が前記第１の目標シア量と前記第２の目標シア量との差分と等しくなる前記第１の直線におけるシア量および前記第２の直線におけるシア量をそれぞれ真のシア量として決定する。

本発明によれば、シアリング干渉測定装置においてシア量を高精度に決定するために有利な技術が提供される。

本発明の１つの実施形態のシアリング干渉測定装置を示す図。 本発明の第１実施形態のシアリング干渉測定装置の校正方法を示す図。 シア量を例示する図。 シア量の偏差と回復波面収差成分との関係を例示する図。 真のシア量を決定するための原理を説明する図。 一般的な透過波面計測用のシアリング干渉計の配置例を示す図。 シア量を例示する図。

図１を参照しながら本発明の１つの実施形態の校正方法が適用されうるシアリング干渉測定装置１００について説明する。シアリング干渉測定装置１００は、被検光学系２からの光の波面（例えば、波面形状）を測定するように構成される。ピンホール板１は、被検光学系２の物体面に配置され、被検光学系２に入射させる球面波を生成するためのピンホール１Ａを有する。ピンホール１Ａの径は、被検光学系２の物体側ＮＡ（ＮＡは開口数）に対して無収差の球面波を発するような径に設定されている。ピンホール１Ａは、不図示の照明光学系により被検光学系２の測定波長の光で照明される。ピンホール１Ａを通過した光束は、被検光学系２に入射し、被検光学系２により、被検光学系２の像側ＮＡ１３に応じた角度で像点１４に集光される。以下では、被検光学系２を通過した光を被検光束と呼ぶことがある。

シアリング干渉測定装置１００は、被検光学系２の瞳を撮像素子１１の撮像面に結像させる瞳結像光学系を有する。該瞳結像光学系は、この実施形態では、コリメータレンズ（第１のコリメータレンズ）４、集光レンズ７およびコリメータレンズ（第２のコリメータレンズ）９を含む。シアリング干渉測定装置１００は、その光軸と被検光束の光軸とがＸＹ面内で一致し、かつ内部に配置されたコリメータレンズ４の物点が被検光学系２の像点１４に一致するように、Ｚ方向の位置が調整された状態に配置される。ここで、Ｚ方向は、シアリング干渉測定装置１００の光軸に平行な方向である。コリメータレンズ４は、被検光束を平行光束にするとともに、被検光学系２の瞳３の像を瞳３の共役面である瞳共役面３Ｃに結像させる。平行光束となった被検光束は、回折格子５に入射する。回折格子５は、被検光学系２から射出されコリメータレンズ４を介して入射する光の波面を分割することによって複数の波面を形成する。回折格子５のパターンは、例えば２次元の市松格子であり、回折格子５で発生した±１次回折光はＸ方向およびＹ方向に回折される。この実施形態では、回折格子５は、平行光束光路に配置されている。よって、集光光束中もしくは発散光束中に回折格子が配置されている場合と比較して、回折格子５の姿勢誤差によって回折光に重畳される波面収差の発生量を小さく抑えることができる。回折格子５で発生した回折光は、集光レンズ７により回折光次数選択板８が配置された面に集光される。回折光次数選択板８には、それが配置された面に入射した回折光のうち特定の次数（ここで、±１次）の回折光を通過させる次数選択窓８Ａ及び８Ｂが設けられている。よって、回折光次数選択板８が配置された面に入射した回折光のうち次数選択窓８Ａ及び８Ｂにより選択される±１次回折光のみが当該面を通過する。±１次回折光は、コリメータレンズ９により再び平行光となり、撮像素子１１の撮像面で、光軸に対して互いに異なる角度で、ＸＹ方向に横ズラシつまりラテラルシアリングされた状態で重なる。ここで、撮像素子１１の撮像面は、瞳共役面３Ｃの結像光学系１０による共役面３Ｃ’に一致するように配置されている。ラテラルシアリングされた複数の光束の重なり領域には、被検光学系２の波面収差の情報を含んだキャリア干渉縞が生じ、その干渉縞が撮像素子１１によって撮像される。制御部１２は、撮像素子１１によって撮像されキャリア干渉縞（キャリアの重畳した干渉縞）の画像を解析することによって被検光学系２の波面位相を回復（算出）する。

撮像素子１１の撮像面における±１次回折光間のシア量は、波面位相復元処理をする過程において、復元精度を左右する重要なパラメータとなる。そのため、シア量を高精度に決定することが重要である。シア量は、光軸方向（Ｚ方向）における回折格子５と瞳共役面３Ｃとの間隔Ｚ（あるいは、回折格子５の位置）を駆動機構６によって変更することによって変更される。シア量は、光軸方向における回折格子５の位置に基づいて計算することができるので、駆動機構６に与える位置指令値に基づいて計算することができる。あるいは、目標とするシア量が得られるように駆動機構６に与える位置指令値を決定することができる。しかしながら、計算されたシア量または目標とするシア量と真のシア量との間には、例えば駆動機構６による回折格子５の位置決め精度、シアリング干渉測定装置１００の光学系の製造誤差および配置誤差などによる誤差が存在する。したがって、高精度な波面回復計算を実現するためには、シア量を高精度に校正する必要がある。

図３(ａ)は、シア量Ｓ１であるときに撮像素子１１で観測される回折光の位置関係を例示している。図３(ｂ)は、シア量Ｓ２であるときに撮像素子１１で観測される回折光の位置関係を例示している。光束３１、３２は、市松回折である回折格子５によりＹ方向に回折され、次数選択窓８Ａを透過した±１次回折光であり、光束３３、３４は、Ｘ方向に回折され、次数選択窓８Ｂを透過した±１次回折光である。光束３５は、０次光が撮像素子１１の撮像面まで到達した場合の０次光の位置を示している。実際には、０次光は、回折光次数選択板８で遮断されるため、撮像素子１１には到達しない。図３（ａ）に示す例では、撮像面における光束３１と光束３２とのシア量および光束３３と光束３４とのシア量がＳ１である。

図２には、シアリング干渉測定装置１００において撮像素子１１で撮像される被検光束のシア量の値を高精度に校正するための方法の手順が例示されている。なお、以下の手順は、制御部１２によって制御される。ステップ１１では、制御部１２は、±１次回折光のシア量が第１の目標シア量Ｓ１となるように駆動機構６により回折格子５の位置を設定し、その状態で撮像素子１１により干渉縞を撮像することにより第１の干渉縞データ１を取得する。次に、ステップ１２では、制御部１２は、取得した干渉縞データ１を処理（波面回復計算）することにより波面位相分布を得る。この際に、制御部１２は、波面回復計算のために必要なシア量として複数のシア量（Ｓ１＋ΔＳ１）（ΔＳ１は、例えば−α〜＋αの範囲における複数の値）を用い、該複数のシア量のそれぞれにおける波面位相分布を算出する。ここで、ΔＳ１は、目標シア量Ｓ１を基準とするシア量の偏差である。

キャリア干渉縞のデータから２方向にシアした差分波面位相を算出する方法としては、次のような方法がある。例えば、干渉縞のデータをフーリエ変換して、キャリア周波数のスペクトルのみをフィルタリング処理にて抜き出し、それを逆フーリエ変換したデータから位相を算出するフーリエ変換法を用いる方法がある。あるいは、回折格子５を光軸に垂直な方向へ微小量駆動することでキャリア干渉縞の位相を変調し、位相変調量の異なる複数フレームの干渉縞を撮像し、フレーム数に応じた位相回復アルゴリズムを用いて位相を算出する方法がある（フリンジスキャン法）。さらに、２方向の差分波面位相から被検光学系２の波面収差を復元する方法としては、特開２００５−１５６４０３号公報に開示されている方法などを用いて算出する。

次に、ステップ１３では、制御部１２は、複数のシア量（Ｓ１＋ΔＳ１）を用いて回復した複数の波面位相分布のそれぞれに対してＺｅｒｎｉｋｅ多項式の近似計算を実施してＺｅｒｎｉｋｅ係数を決定する。次に、ステップ１４では、制御部１２は、回復計算で使用した偏差ΔＳ１（＝−α〜＋α）とステップ１３で算出されたＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち特定の収差成分に相当する１つの項の係数（以下、特定係数）の値との関係を示す直線１を算出する。図４には、シア量Ｓ１を基準とするシア量の偏差ΔＳ１（＝−α〜＋α）に対する特定係数の関係を示す直線１が例示されている。なお、図４に示す例では、シア量の偏差は、撮像素子１１の画素（ｐｉｘｅｌ）を単位として示されている。

ステップ１５では、制御部１２は、±１次回折光のシア量が第２の目標シア量Ｓ２となるように駆動機構６により回折格子５の位置を設定し、その状態で撮像素子１１により干渉縞を撮像することにより第２の干渉縞データ２を取得する。次に、ステップ１６では、制御部１２は、取得した干渉縞データ２を処理（波面回復計算）することにより波面位相分布を得る。この際に、制御部１２は、波面回復計算のために必要なシア量として複数のシア量（Ｓ２＋ΔＳ２）（ΔＳ２は、例えば−α〜＋αの範囲における複数の値）を用い、該複数のシア量のそれぞれにおける波面位相分布を算出する。ここで、ΔＳ２は、目標シア量Ｓ２を基準とするシア量の偏差である。次に、ステップ１６では、制御部１２は、複数のシア量（Ｓ２＋ΔＳ２）を用いて回復した複数の波面位相分布のそれぞれに対してＺｅｒｎｉｋｅ多項式の近似計算を実施してＺｅｒｎｉｋｅ係数を決定する。次に、ステップ１７では、制御部１２は、回復計算で使用したＳ２を基準とするシア量の偏差ΔＳ２（＝−α〜＋α）とステップ１６で算出されたＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち特定の収差成分に相当する１つの項の係数（特定係数）の値との関係を示す直線２を算出する。図４には、目標シア量Ｓ２を基準とするシア量の偏差ΔＳ２（＝−α〜＋α）に対する特定係数の関係を示す直線２が例示されている。

図４に例示されるように、任意のシア量（例えば、Ｓ１、Ｓ２）を基準とするシア量の偏差ΔＳ（ここでは、ΔＳ＝ΔＳ１＝ΔＳ２）と特定係数の値とは、第１の直線１、第２の直線２として示されるように線形の関係にある。また、直線１、２の変化率（傾き）は、回折格子５の位置に応じて決まるシア量に依存する。換言すると、直線１、２は、回折格子５の位置に応じて決まるシア量に応じた変化率を有する。よって、図５に例示されるように、目標シア量Ｓ１に対応する真のシア量Ｓ１Ｔと目標シア量Ｓ２に対応する真のシア量Ｓ２Ｔとの差分ＳＤＴが分かれば、その差分ＳＤＴに対応する真のシア量Ｓ１Ｔ、Ｓ２Ｔを決定することができる。ここで、一般には、駆動機構６による回折格子５の位置決め精度が回折格子５の可動範囲において許容値内であることを保証することができるので、差分ＳＤＴは、目標シア量Ｓ１と目標シア量Ｓ２との差分ＳＤと等しいものとみなすことができる。したがって、ステップ１９では、制御部１２は、目標シア量Ｓ１と目標シア量Ｓ２との差分ＳＤと直線１、２とに基づいて真のシア量Ｓ１Ｔ、Ｓ２Ｔを決定する。より具体的には、ステップ１９では、制御部１２は、直線１と直線２とにおけるシア量の差分ＤＤが目標シア量Ｓ１と目標シア量Ｓ２との差分ＳＤと等しくなる直線１におけるシア量Ｓ１Ｔおよび直線２におけるシア量Ｓ２Ｔをそれぞれ真のシア量として決定する。

制御部１２は、真のシア量Ｓ１Ｔを用いて干渉縞データ１から波面回復計算により波面位相分布を算出することができる。同様に、制御部１２は、真のシア量Ｓ２Ｔを用いて干渉縞データ２から波面回復計算により波面位相分布を算出することができる。あるいは、制御部１２は、目標シア量Ｓ１および真のシア量Ｓ１Ｔに基づいて、目標シア量Ｓ１、Ｓ２が真のシア量Ｓ１Ｔ、Ｓ２Ｔに近づくように駆動機構６に与える位置指令値を補正することができる。あるいは、目標シア量Ｓ２および真のシア量Ｓ２Ｔに基づいて、目標シア量Ｓ１、Ｓ２が真のシア量Ｓ１Ｔ、Ｓ２Ｔに近づくように駆動機構６に与える位置指令値を補正することができる。

以上のように、この実施形態のシアリング干渉測定装置１００によれば、被検光束のシア量の設定の自由度を向上させることができる。具体的には、この実施形態のシアリング干渉測定装置１００によれば、駆動機構６によって回折格子５を光軸方向に駆動することによりシア量を任意の値に設定可能である。また、この実施形態のシアリング干渉測定装置１００およびその校正方法によれば、真のシア量を高精度に決定することができ、これにより、高精度に波面または波面収差を測定することができる。

上記の説明では、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式の１つの収差成分に相当する項の係数とシア量の偏差との関係を示す直線を決定したが、複数の項の係数に対して同様の処理を施して、それらの平均値によってシア量を補正してもよい。つまり、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式の複数の係数のうち少なくとも１つの係数に基づいてシア量を決定することができる。また、多項式は、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式に限定されるものではなく、波面位相分布を近似可能なあらゆる多項式を使用することができる。

Claims (6)

1. 被検光学系からの光の波面を測定するシアリング干渉測定装置であって、
   撮像素子と、
   前記被検光学系の瞳を前記撮像素子の撮像面に結像させる瞳結像光学系と、
   前記瞳結像光学系の光路に配置され、前記被検光学系からの光の波面を分割することによって複数の波面を形成する回折格子と、
   前記回折格子によって分割された複数の波面の間の前記撮像面におけるシア量が変更されるように前記回折格子を駆動する駆動機構と、
   前記回折格子によって分割された複数の波面によって前記撮像面に形成される干渉縞を前記撮像素子によって撮像して得られた干渉縞データを処理することにより被検光学系からの光の波面を算出する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記撮像面におけるシア量が第１の目標シア量になるように前記駆動機構に前記回折格子を駆動させたときに前記撮像素子によって得られる第１の干渉縞データを複数のシア量のそれぞれを使って処理することによって得られる複数の波面をそれぞれ近似する複数の多項式のそれぞれにおける少なくとも１つの係数と当該複数のシア量との関係を示す第１の直線を決定し、
   前記撮像面におけるシア量が前記第１の目標シア量とは異なる第２の目標シア量になるように前記駆動機構に前記回折格子を駆動させたときに前記撮像素子によって得られる第２の干渉縞データを複数のシア量のそれぞれを使って処理することによって得られる複数の波面をそれぞれ近似する複数の多項式のそれぞれにおける少なくとも１つの係数と当該複数のシア量との関係を示す第２の直線を決定し、
   前記第１の直線と前記第２の直線とにおけるシア量の差分が前記第１の目標シア量と前記第２の目標シア量との差分と等しくなる前記第１の直線におけるシア量および前記第２の直線におけるシア量をそれぞれ真のシア量として決定する、
   ことを特徴とするシアリング干渉測定装置。
2. 前記駆動機構は、前記回折格子によって分割された複数の波面の間の前記撮像面におけるシア量が変更されるように前記シアリング干渉測定装置の光軸に平行な方向における前記回折格子の位置を変更する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシアリング干渉測定装置。
3. 前記瞳結像光学系は、
   前記被検光学系が配置されるべき面と前記撮像面との間に配置されて前記被検光学系からの光を平行光束にする第１のコリメータレンズと、
   前記第１のコリメータレンズと前記撮像面との間に配置された集光レンズと、
   前記集光レンズと前記撮像面との間に配置された第２のコリメータレンズとを含み、
   前記回折格子は、前記第１のコリメータレンズと前記集光レンズとの間に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のシアリング干渉測定装置。
4. 前記集光レンズと前記第２のコリメータレンズとの間に配置されて、前記回折格子で発生した回折光のうち特定の次数の回折光を通過させる次数選択窓を更に有することを特徴とする請求項３に記載のシアリング干渉測定装置。
5. 前記多項式は、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式である、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシアリング干渉測定装置。
6. 被検光学系からの光の波面を測定するシアリング干渉測定装置の校正方法であって、
   前記シアリング干渉測定装置は、
   撮像素子と、
   前記被検光学系の瞳を前記撮像素子の撮像面に結像させる瞳結像光学系と、
   前記瞳結像光学系の光路に配置され、前記被検光学系からの光の波面を分割することによって複数の波面を形成する回折格子と、
   前記回折格子によって分割された複数の波面の間の前記撮像面におけるシア量が変更されるように前記回折格子を駆動する駆動機構と、
   前記回折格子によって分割された複数の波面によって前記撮像面に形成される干渉縞を前記撮像素子によって撮像して得られた干渉縞データを処理することにより被検光学系からの光の波面を算出する制御部と、を備え、
   前記校正方法は、
   前記撮像面におけるシア量が第１の目標シア量になるように前記駆動機構に前記回折格子を駆動させたときに前記撮像素子によって得られる第１の干渉縞データを複数のシア量のそれぞれを使って処理することによって得られる複数の波面をそれぞれ近似する複数の多項式のそれぞれにおける少なくとも１つの係数と当該複数のシア量との関係を示す第１の直線を決定するステップと、
   前記撮像面におけるシア量が前記第１の目標シア量とは異なる第２の目標シア量になるように前記駆動機構に前記回折格子を駆動させたときに前記撮像素子によって得られる第２の干渉縞データを複数のシア量のそれぞれを使って処理することによって得られる複数の波面をそれぞれ近似する複数の多項式のそれぞれにおける少なくとも１つの係数と当該複数のシア量との関係を示す第２の直線を決定するステップと、
   前記第１の直線と前記第２の直線とにおけるシア量の差分が前記第１の目標シア量と前記第２の目標シア量との差分と等しくなる前記第１の直線におけるシア量および前記第２の直線におけるシア量をそれぞれ真のシア量として決定するステップとを含む、
   ことを特徴とするシアリング干渉測定装置の校正方法。