JP6112909B2 - シャック・ハルトマンセンサーを用いた形状計測装置、形状計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、光を用いた光学素子の波面および形状を高精度に計測する方法および計測装置に関するものである。

従来、高精度な光学部品の形状計測、波面収差計測には光を用いた計測方法が一般に用いられている。

例えば非球面の表面形状を備えた光学素子を製造する場合、光学素子の形状を計測して設計形状との差を求め、その差に基づいて設計形状に光学素子の形状を近づけるために修正加工を繰り返すことが必要であることが多い。近年、非球面光学素子の非球面量は大きくなる傾向にある。また自由曲面光学素子も使われている。

このような高精度な光学素子の形状計測方法としてシャック・ハルトマンセンサーを用いた形状計測方法が有力である。シャック・ハルトマンセンサーを用いた形状計測方法としては特許文献１がある。従来の一般的なシャック・ハルトマンセンサーを用いた形状計測機を図８に示す。図８において１は被検面１ａを有する反射鏡、ハーフミラープリズム２で、光源６、ピンホール７、レンズ８より作られる被検面の照明光は被検面で反射される。照明光軸１４と測定系の光軸１２の交点にピンホール像が結像するように配置する。また、交点は被検面１ａの近軸曲率中心とする。３はコリメータレンズで被検面１ａからの反射光束を平面波にする。４はマイクロレンズアレイでコリメータレンズ３からの光束をレンズ要素毎に分割してセンサー５（一例としてＣＣＤカメラ）画上に結像させる。マイクロレンズアレイへの入射光束が平面波であれば結像点はマイクロレンズアレイの光軸１３＿ｉ（ｉはマイクロレンズの順次番号）上になる。被検面１ａとマイクロレンズアレイ４とは共役とする。被検面１ａとマイクロレンズアレイ４は共役であるので、マイクロレンズアレイの一つのレンズ要素は被検面の一つの領域に対応する。被検面の一領域にスロープエラーがあるとその一領域のスロープエラーの平均値に依存して、その一領域に対応するレンズ要素の結像点が基準結像点からずれる。基準結像点を得るための光学系は光源９、ピンホール１０、レンズ１１によって構成される。参照光はハーフミラープリズム２によって測定光路に導光される。

特許第２５３４１７０号公報

しかしながら上記特許文献に記載のシャック・ハルトマンセンサーを用いた計測方法においてはレンズ等の透光性の被測定物を対象とする場合には課題があった。すなわち被測定物の表面からの反射光に加えて被測定物の裏面からの反射光があるため、表面からの反射光と裏面からの反射光が同時にシャック・ハルトマンセンサー上に光スポットを作る。このため表面からの反射光の光スポット位置の検出精度を劣化させてしまう。特に、表面からの反射光の位置を特定したいときに、表面からの反射光と裏面からの反射光とが重なって検出された場合には、明確にピーク分離できない場合も多く、表面からの反射光のみを正確に抽出することは困難であることが多かった。したがって、本発明はシャック・ハルトマンセンサーを用いた計測方法において、被検面以外の反射光の影響を低減し、被検面を高精度に計測する計測方法および形状計測装置を提供する。

上記課題を解決する本発明は、
光源とシャック・ハルトマンセンサーとを備えた形状計測装置を用いて第一の面と第二の面を備えた透光性の被測定物の形状計測方法であって、
前記透光性の被測定物に対して前記光源から放射された光を投光し、投光した光の反射光から前記シャック・ハルトマンセンサーにて光スポットの光量分布を計測しデータを得る工程と、
前記第一の面からの反射光と前記第二の面からの反射光スポットとが重なって形成された合成光スポットの光量分布のデータに対し、第一の面からの反射光スポットと第二の面からの反射光スポットとのそれぞれのスポット幅またはピーク値を定数として定めた前記合成光スポットの光量分布のデータに対応して設定された関数を用いて、フィッティング処理する工程と、
前記フィッティング処理によって決定した第一の面からの反射光スポットの位置を算出する算出工程と、
算出した前記第一の面からの反射光スポットの位置と、あらかじめ定められた前記第一の面からの反射光スポットの基準位置とに基づき、被測定物の前記第一の面の形状を計算する形状計測工程と、
を備えた透光性の被測定物の形状計測方法である。

本発明の計測方法または形状計測装置によれば、被検面からの反射光と裏面からの反射光とが重なって検出された場合でも、被検面以外の反射光スポットの影響を低減して表面反射光スポットの位置を高精度に検出することができる。これにより、被検面の形状を高精度に計測することができる。

本発明の第１の実施例を示す図 （ａ）はＣＣＤカメラ上の光スポット図（ｂ）は、一つのマイクロレンズにおける被検面反射光のみで結像された光スポットの光量分布図（ｃ）一つのマイクロレンズにおける被検面からと裏面からの各反射光が重なった光スポットの光量分布図 裏面反射光除去手順を示すフローチャートである。 （ａ）は被検面反射光と裏面反射光の合成光スポットと被検面反射光、及び、裏面反射光のみで結像している光スポットを示す図（ｂ）は、被検面反射光と裏面反射光を反射光ピッチから選択する方法の説明図 （ａ）は被検面反射光と裏面反射光の合成光スポットに対し、最近傍光スポットも重なっていることを説明する図 （ｂ）はステージを動かした際の光スポットの動きを示す図 （ａ）は被検面反射光のみで結像する光スポットの光量分布に対し、フィッティングを施した状態を説明する図 （ｂ）は裏面からの反射光のみで結像する光スポットの光量分布に対し、フィッティングを施した状態を説明する図 （ｃ）は合成光スポットの光量分布に対し、変数を固定してフィッティングを施した状態を説明する図 （ｄ）は合成光スポットの光量分布に対し、変数を固定しないでフィッティングを施した状態を説明する図 本発明の第２の実施例を示す図 従来のシャック・ハルトマンセンサーを用いた計測方法を示す図

［第１実施形態］
図１に本発明のシャック・ハルトマンセンサーを備えた形状計測装置における第１の実施形態を示す。図１において、光源１０１から放射された光は、レンズ１０２により平行光となり、ビームスプリッタ１０３に入射する。光源１０１はレーザ光源でも良いし低コヒーレンス光源や白色光源でも良い。ビームスプリッタ１０３を通過した光はレンズ１０４で再び球面波に変換される。球面波は第一の面と第二の面を有する透光性の被測定物１０５上に投光され、被検面１０６で反射される。被検測定物１０５は、位置と姿勢を調整するための微動ステージ１１４上に載置されている。ここで、微動ステージ１１４はコンピュータ１１１と接続されており、演算部であるコンピュータ１１１からの指令により微動ステージ１１４を駆動させることができる。反射された光はレンズ１０４で再び平面波に戻された後ビームスプリッタ１０３で反射され、シャック・ハルトマンセンサー１１０へ入射する。シャック・ハルトマンセンサー１１０はマイクロレンズアレイ１０８と撮像センサーであるＣＣＤカメラ１０９で構成されている。マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズの焦点に相当する位置に撮像センサーが配置されており、撮像センサーの画素数はマイクロレンズの総数よりも多い。また撮像センサーはＣＣＤに限らず、他のセンサーでも良い。

マイクロレンズアレイ１０８に入射した光はそれぞれのマイクロレンズで集光されＣＣＤカメラ１０９上に光スポット群を形成する。光スポット群のデータはコンピュータ１１１に取り込まれ、それぞれの光スポット光量重心が求められ、光スポットの位置が検出され、モニタ１１２に結果が表示される。この際、入射する波面が平面波であれば光スポットの位置はマイクロレンズアレイ各々の光軸１１３−ｉ（ｉはマイクロレンズの順次番号）上になる。被検面１０６とマイクロレンズアレイ１０８は共役に配置されている。よってマイクロレンズアレイ１０８の一つの要素は被検面１０６の一つの領域に対応している。被検面１０６の一つの領域に投射している球面波からの差であるスロープエラーがあるとその一つの領域のスロープエラーの平均値に依存して、その一領域に対応するレンズアレイの光スポット位置が基準位置からずれる。基準位置はあらかじめ参照平面波を用いて基準となる光スポットがＣＣＤカメラ上でどの位置あるのかを校正データとして取得してある。この参照平面による基準光スポット位置と被検面１０６からの反射した光スポット位置とを比較して入射光の波面収差を求めることで被検面１０６の基準からの誤差を計算する。光スポットの基準位置は平面波だけでなく、ピンホール回折光による球面波や測定原器からの反射光の光スポットとしても良い。測定原器からの反射光を基準とした場合、測定結果は原器形状からの差分になる。

以上は被検面１０６からの反射光について述べたが、実際には被検面１０６を通過して被測定物裏面１０７で反射してシャック・ハルトマンセンサー１１０に入射する光もある。この場合におけるＣＣＤカメラ１０９上の撮像面上の光スポットの様子を図２（ａ）に示す。なおＣＣＤカメラの撮像面に対して、紙面に対しては横にｘ軸、縦にｙ軸をそれぞれ定めた。

被検面１０６からの反射光スポット２０１（表面光）とともに、被測定物裏面１０７で反射する光は、シャック・ハルトマンセンサー上に光スポット２０２（裏面光）を作る。このとき一つのマイクロレンズ領域の光スポット光量分布は図２（ｂ）、（ｃ）のようになる。グラフの縦軸は光量、横軸はｘ方向である。なお説明のためここでは横軸にｘ軸をとってある。以下では、被測定物の表面を測定したい被検面として説明を行うが、被測定物の裏面が被検面であっても内容は同じである。

図２（ｂ）は被検面１０６での反射光で結像される光スポットの光量分布２０３を示す。ＣＣＤ上に結像している光スポットは、シャック・ハルトマンセンサー内のマイクロレンズアレイに付随するマスクエッジの影響により１次回折光を伴う。この１次回折光の影響により、光量分布２０３は裾部分に図中に丸で囲んだ部分に描かれているような小ピーク成分を持っている。図２（ｃ）は、被検面からの光スポットである表面反射光スポットと被測定物裏面からの光スポットである裏面反射光スポットが重なった場合の光スポットの光量分布を示している。図中、被検面１０６からの反射光による光スポットの光量分布２０４（表面光）と被測定物裏面１０７からの反射光による光スポットの光量分布２０５（裏面光）が描かれている。表面反射光スポットと裏面反射光スポットとが重なった場合、ＣＣＤカメラ上で得られる光スポットの光量分布は２０６のようになり、ＣＣＤカメラで検出されるのはこの光量分布２０６である。この光量分布２０６の重心から計算される光スポットの位置は２０８になり、本来の被検面１０６からの光スポット２０４の位置２０７とずれを生じてしまう。このように表面反射光スポットと裏面反射光スポットとが重なりあうと、被検面１０６からの光スポット位置の検出精度を劣化させる。両面の曲率が近いメニスカス形状のレンズに関しては表面反射光スポットと裏面反射光スポットの位置が近接するため、裏面反射光の悪影響は大きくなる。

本発明を用いて裏面反射光の影響を低減する方法を説明する。手順を示すフローチャートを図３に示す。はじめに被測定物１０５の設計値と測定装置の光学系の設計値を用いて光線追跡を行う。この際、被検面１０６からシャック・ハルトマンセンサー１１０へ至る光線に加え、被測定物裏面１０７からシャック・ハルトマンセンサー１１０へ至る光線の両方について光線追跡を実施する。これにより設計値を元にした表面反射光スポットと裏面反射光スポットのＣＣＤカメラ１０９上で現れる光スポット位置を予測し、光スポット位置のデータを蓄積しておく。

次に、先に予測した光スポット位置を基準に、想定される被検面の形状誤差（被測定物の設計値と、被測定物の形状の測定値との差分）による光スポット位置ずれ量の範囲をあらかじめ定めておく。以下説明を行うが、被測定物を実測する際に、その範囲内にある光スポットを、設計値から予測した表面反射光スポットと同一の光スポットと判定することができるからである。

形状誤差による光スポット位置ずれ量の範囲は、光線追跡を用いて求めてもよいし、被測定物を加工する工作機の加工精度等から想定される形状誤差によるスロープエラーと光学系の倍率から求めてもよいし、手動で選択してもよい。スロープエラーと光学系の倍率から求める場合は、スロープエラーによる反射光の反射角度がシャック・ハルトマンセンサー上では光学系の倍率分大きくなってマイクロレンズに入射することから計算ができる。（Ｓ０）

次に、被測定物を上記のシャック・ハルトマンセンサーを備えた形状計測装置にセットして、被測定物を実測し光量分布のデータを取得する。ＣＣＤカメラには複数の光点が映る（Ｓ１）

次に、取得した複数の光量分布データによりＣＣＤカメラ１０９上に映る光スポットを被検面１０６からのものと被測定物裏面１０７からのもの、及び、表面反射光スポットと裏面反射光スポットが重なっている合成光スポットに判別する。ただし、被測定物を加工する工作機の加工精度が一定以上確保できる場合は、被測定物の設計値と形状計測装置の設計値から、あらかじめＣＣＤカメラのどの位置に現れる光スポットが合成光スポットとなるのか分かっている場合も多い。そのような場合は本工程を省いて良い。

被検面１０６からの光スポットに対して、その位置を光量重心から求める際に考慮すべき測定物裏面１０７からの反射光スポットを選択する。この方法としては図４（ａ）に示すように、一つのマイクロレンズによって撮像可能な範囲に相当する領域内にある表面反射光スポット４０１と裏面反射光スポット４０２を選択する。また別の方法として、図４（ｂ）に示すように表面反射光スポット４０５に対し、隣接する被検面反射光との距離の中間より近い位置にある裏面反射光スポット４０６を選択する方法もある。
（Ｓ２）

重なっていない光スポットに対しては、その重なっていない表面反射光スポットの光量分布に対し重心検出等の手法で光スポットの位置の算出を行い、その検出位置を光スポット位置とする。（Ｓ３−Ａ）

重なっている光スポット（以下、合成光スポットと呼ぶ）に対しては、その重なった光スポット４０１、及び、４０２の最近傍に位置する被検面反射光のみで結像される光スポット４０３を選択する。

また、最近傍に位置する測定物裏面反射光のみで結像する光スポット４０４についても選択する。（Ｓ３−Ｂ１）

それぞれ選択した光スポット４０３の光量分布６０１、光スポット４０４の光量分布６０３（裏面光）を図６（ａ）、（ｂ）に破線で示す。ここで、選択した被検面反射光のみで結像される光スポット４０３の光量分布６０１と裏面反射光スポットのみで結像される光スポット４０４の光量分布６０３に対しフィッティング処理を施す。ここでは、得られる光量分布がガウシアンであると仮定し、以下のガウシアンによりフィッティングした例を示す。

ここで、式（１）は被検面反射光のみで結像される表面反射光スポットの光量分布を示しており、Ｉ_１は強度のピーク値、ｗ１はスポット幅、Ｘ１、Ｙ１はＣＣＤカメラの撮像面における光スポットの位置を表しておりそれぞれｘ座標、ｙ座標を示している。同じく、式（２）は、測定物裏面反射光のみで結像される裏面反射光スポットの光量分布を示しており、Ｉ_２は強度のピーク値、ｗ２はスポット幅、Ｘ２、Ｙ２はｘ座標、ｙ座標を示している。上式（１）を用いて、選択した表面反射光スポットの光量分布に対してＩ_１、ｗ１、Ｘ１、Ｙ１を変数としてフィッティングを実施する。これによりスポット光の高さ情報に相当するＩ_１、幅情報に相当するｗ１を取得する。

同様に、上式（２）を用いて、選択した裏面反射光スポットの光量分布に対してＩ_２、ｗ２、Ｘ２、Ｙ２を変数としてフィッティング処理を実施し、Ｉ_２、ｗ２を取得する。ここでは、例としてガウシアン関数によりフィットする場合について述べたが、その他のフィッティング関数が設定された場合においても同様である。また、１次回折光の影響を持つ光量分布に対してガウシアンによりフィッティング処理を行っているため、フィッティング結果は図６（ａ）、（ｂ）の６０２、６０４で表される曲線になる。１次回折光の光量のピーク付近で光量分布６０１、６０３と、フィッティングによって得られた光量分布が差異が出てくる。しかし、１次回折光成分は軸対称に発生する為、フィッティング処理により重心位置に誤差が生じる可能性は小さい。このようにしてＩ_１、ｗ１、Ｉ_２、ｗ２などの光スポットの高さ情報に相当するデータと幅情報に相当するデータを取得する。なお、光スポットの高さ情報に相当するデータと幅情報に相当するデータを取得の方法は上述の方法に限らず、あらかじめ数値データを与えていてもよい。（Ｓ３−Ｂ２）

次に、合成光スポットに対し、表面反射光スポットと裏面反射光スポットの２つの光量分布成分を含むことを示す理論式を用いてフィッティングを行い、合成光スポットを表面反射光スポット成分と裏面反射光スポット成分に分離する。ここで、表面反射光スポットと裏面反射光スポットの２つの成分からなる理論式は以下の式を用いる。

式（３）において［１］は表面反射光スポットの光量分布成分を示し、［２］は裏面反 射光スポットの光量分布成分を示す。数式（３）は二つのガウシアンの和となっている。

また、Ｉ_３、Ｉ_４は強度のピーク値、ｗ３、ｗ４はスポット幅、Ｘ３、Ｙ３、Ｘ４、Ｙ４はｘ座標、ｙ座標を示している。さらに、先に取得した被検面反射光のみで結像される光スポットと測定物裏面反射光のみで結像される光スポットの光量分布それぞれのスポット幅（ｗ１、ｗ２）と強度のピーク値（Ｉ_１、Ｉ_２）を式（３）のｗ３、ｗ４、Ｉ_３、Ｉ_４に代入する。
すなわち、ｗ３＝ｗ１、ｗ４＝ｗ２、Ｉ_３＝Ｉ_１、Ｉ_４＝Ｉ_２とする。

これにより、式（３）に示すフィッティング式においてｗ３、ｗ４、Ｉ_３、Ｉ_４は固定値（定数）とし、一方で、スポット光の位置を表すＸ３、Ｙ３、Ｘ４、Ｙ４を変数として、ＣＣＤで取得した合成光スポット光量分布に対してフィッティングを行う。図６（ｃ）は、上記方法により２つの光スポット光量分布をフィッティングした結果を示している。一点破線６０７はＣＣＤで取得した合成光スポットの光量分布を示している。６０７は表面反射光スポットの光量分布成分６０５と裏面反射光スポットの光量分布成分６０６が合成されたものである。フィッティングによって得られた合成光スポットの光量分布６０７は、形状計測装置にて実測して取得した合成光スポットの光量分布２０６とよく一致していた。

つまり、合成光スポットの光量分布６０７を表面反射光スポットの光量分布成分６０５に対してのフィッティングカーブ６０８と裏面反射光スポットの光量分布成分６０６に対してのフィッティングカーブ６０９とに分離することができる。なお、スポット幅に関しては前述のガウシアン関数におけるｗ１やｗ２の値を用いたが、半値幅など他の幅情報を用いてももちろん良い。

（Ｓ３−Ｂ３）
そして、表面反射光スポットの光量分布成分６０５に対するフィッティングカーブ６０８を重心検出し、その検出位置を表面反射光スポット位置に決定する。（Ｓ３−Ｂ４）

ここでは、表面反射光スポットと裏面反射光スポットのそれぞれのスポット幅と強度のピーク値を（Ｉ_３、Ｉ_４、ｗ３、ｗ４）の４変数を固定してフィッティングを行った。しかし、スポット幅、強度のピーク値の少なくともどちらかの情報（Ｉ_３、Ｉ_４又はｗ３、ｗ４）を固定することでも分離精度を上げる効果は期待できる。

以上の工程を全マイクロレンズ領域で実施することで裏面反射光スポットの悪影響を低減した光スポット位置の検出を行うことができる。すなわちシャック・ハルトマンセンサーの出力に基づき公知の形状計測法を用いることで高い精度で、被測定物の被検面の形状を計測することができる。このような方法を用いることでメニスカスレンズ等の第一の面と第二の面を持つ透光性の被計測物の所望の被検面（表面または裏面）の形状を高い精度で、簡便に計測することができる。もちろん前記第一の面および前記第二の面はどちらが被検面であっても良いし、両面を計測してもよい。（Ｓ４）

これまでは、合成光スポットの最近傍スポットが単独スポットとして存在する場合について述べた。ここでは、合成光スポットの最近傍光スポットが、被検面光スポットと測定物裏面光スポットで重なっている場合における最近傍光スポットの取得方法についても図５を用いて説明する。５０１＿ａは位置を取得するべき表面反射光スポット、５０２＿ａは５０１＿ａに重箪された裏面反射光スポットを示す。また、５０３＿ａは５０１＿ａの最近傍に位置する表面反射光スポット、５０４＿ａは５０２＿ａの最近傍に位置する裏面反射光スポットを示し、５０３＿ａと５０４＿ａは重なり合った状態にある。ここで、微動ステージ１１４の１軸成分を図５（ｂ）の各光スポットの矢印方向に対応する方向へ並進させる。微動ステージの並進に伴いＣＣＤカメラ１０９上に存在する全ての光スポットが移動する。図５（ｂ）に示す矢印は、光スポットの移動の方向と移動量を示す。被検面で反射される波面と測定物裏面で反射される波面の曲率は、通常異なるため、微動ステージの並進に伴う光スポットの移動量も異なる。図５（ｂ）は、微動ステージ並進後の各光スポットの位置を示しており、５０１＿ｂは位置を取得するべき表面反射光スポット、５０２＿ｂは５０１＿ｂに重箪された裏面反射光スポットを示す。また、５０３＿ｂは５０１＿ｂの最近傍に位置する表面反射光スポット、５０４＿ｂは５０２＿ｂの最近傍に位置する裏面反射光スポットを示し、５０３＿ｂと５０４＿ｂはお互いが重なり合っていない。５０３＿ｂ、及び、５０４＿ｂを最近傍に位置する被検面及び、測定物裏面反射光のみで結像する光スポットとして選択することができる。合成スポットの分離に対しては、上記と同様の方法で行う。また、ここでは、微動ステージの並進により光スポットの移動を行ったが、チルト方向の移動でも同様の効果が得られる。

本実施形態では、最近傍の光スポットの情報をもとにフィッティングすることにより被検面反射光と測定物裏面反射光を正確に分離することができる。全てのＣＣＤ上に結像している光スポットは、シャック・ハルトマンセンサー内のマイクロレンズアレイに付随するマスクエッジの影響により１次回折光成分が存在する。最近傍の光スポットから得られるスポット幅と強度のピーク値の情報を用いずに合成スポットをフィッティングにより分離しようとすると、この１次回折光成分を起因とするフィッティング分離精度の劣化が起きる。これを、図６（ｄ）を用いて説明する。６１１は、合成光スポットの光量分布のＣＣＤでの検出結果であり、図６（ｃ）同様、表面反射光スポットの光量分布と測定物裏面反射光の光量分布の合成である。合成光スポットの光量分布６１１は、図で示す左側に表面反射光スポットの１次回折光成分、右側に裏面反射光スポットの１次回折光成分が存在する。この時、合成光スポットの光量分布６１１に対し、変数を固定しないで式（３）を用いてフィッティングすると、６１２と６１３のフィッティング分離結果が得られる。６１２は、表面反射光スポットの光量分布成分に対するフィッティングカーブ６１３は、表面反射光スポットの光量分布成分に対するフィッティングカーブを示す。この２つのフィッティングカーブは、表面反射光スポットの光量分布と測定物裏面反射スポットの光量分布と異なる形状となっていることが分かる。これは、合成光スポットの左右に存在する１次回折光成分にフィッティング成分が引っ張られてしまい、その結果、低次の成分がベストフィットの成分（６１３）として収束してしまうからである。合成光スポットに含まれる表面反射光スポットの光量分布成分の重心位置を６１４で示す。フィッティング変数を固定しない場合で得られる表面反射光スポットの光量分布の重心位置６１５とずれが生じている。これが、変数を固定しないでフィッティングした際に生じる誤差である。本実施形態のように最近傍の光スポットの情報を用いると、合成光スポットの分離の際に１次回折光成分にフィッティングが収束することを無くす効果がある。これにより、１次回折光成分を含む合成光スポットに対しても、分離精度を上げることができる。

［第２実施形態］
本発明に係る第２実施形態について説明する。第２実施形態において、光学系配置は図７に示すとおりであり、第１実施形態と同様である。第１実施形態と異なるのは、あらかじめ求めておく表面反射と裏面反射の光スポット位置を設計値を用いずに実測して得ることである。はじめに表面形状が被測定物と等しい形状の原器で裏面に反射防止を施してある表面反射原器７０１を用いて測定を行う。この表面反射原器は裏面７０３を砂ずり面、黒塗りまたは硝材と概略等しい屈折率を持つマッチングオイルを塗布しており裏面からの反射がない。裏面反射の防止方法はこれに限らず他の方法でもかまわない。表面反射原器７０１の表面７０２でのみ反射された光は第１実施例と同様にシャック・ハルトマンセンサー１１０のＣＣＤカメラ１０９で光スポット像として検出される。この光スポットの位置を記憶する。次に裏面からの光のみを反射する裏面反射原器７０４を表面反射原器７０１に変えて設置する。この裏面反射原器７０４の裏面は被測定物と等しい形状の原器で表面７０５に反射防止膜を施すことで裏面７０６からの反射光のみを反射する。裏面７０６から反射した光は実施例１と同様にシャック・ハルトマンセンサー１１０のＣＣＤカメラ１０９で光スポット像として検出される。この光スポットの位置も記憶する。以上より設計値を用いて表面反射光と裏面反射光のＣＣＤカメラ上での光スポット位置を算出するのと同等にそれぞれの反射光の光スポット位置をあらかじめ求めることができる。このようにして得られた光スポット位置を予測光スポット位置とする。ここで得られた予測光スポット位置に対し、第１実施形態と同様の方法で被検面反射光位置を求めることができる。

［第３実施形態］
本発明に係る第３実施形態について説明する。第３実施形態において、光学系配置は図１に示す第１実施形態と同様である。第１実施形態と異なるのは、合成光スポットをフィッティングする際に用いる被検面反射の光量分布と裏面反射の光量分布のスポット幅と強度のピーク値の取得方法が異なる。

第３の実施形態においては、はじめに被測定物１０５の設計値と測定装置の光学系の設計値を用いて光線追跡を行う。この際、被検面１０６からシャック・ハルトマンセンサー１１０へ至る光線に加え、被測定物裏面１０７からシャック・ハルトマンセンサー１１０へ至る光線の両方について光線追跡を実施する。これにより設計値を元にした被検面反射と被測定物裏面反射のＣＣＤカメラ１０９上での光スポット位置を予測する。次に被検面１０６と被測定物裏面１０７両方からの光スポットを含む測定データ（光スポット画像データ）をＣＣＤカメラ１０９で取得する。先に予測した光スポット位置を基準に想定される被検面１０６の形状誤差による光スポット位置ずれ量の範囲内にある光スポットを設計値から予測した表面反射光スポットと同一と判定する。これによりＣＣＤカメラ１０９上の光スポットを被検面１０６からのものと被測定物裏面１０７からのもの、及び、表面反射光スポットと裏面反射光スポットが合成されているものに判別する。形状誤差による光スポット位置ずれ量は光線追跡を用いてもよいし、想定される形状誤差によるスロープエラーと光学系の倍率から求めてもよいし、手動で選択してもよい。次に被検面１０６からの光スポットに対して、その位置を光量重心から求める際に考慮すべき測定物裏面１０７からの反射光スポットを選択する。この方法としては図４（ａ）に示すように、一つのマイクロレンズに相当する領域内にある表面反射光スポット４０１と裏面反射光スポット４０２を選択する。次に、被検面反射光と被測定物裏面が重なっている光スポットであるか否かの判定を行う。重なっていないと判定された光スポットに対しては、その重なっていない被検面反射光の光スポットの光量分布に対し重心検出を行い、その検出位置を光スポット位置とする。重なっていると判定された光スポットに対しては、その重なった光スポット４０１、及び、４０２に対しては、先に行った光軸追跡によって得られた光量分布を使用する。光線追跡によって得られた被検面反射光量分布と裏面反射光スポットに対しガウシアンフィッティングを施す。これにより、それぞれの光スポット光量分布のスポット幅と強度のピーク値を取得する。被検面反射光の光スポット位置取得については、第１実施形態と同様の方法で得ることができる。

これより、ステージを動作することなく合成光スポット分離に必要なデータを取得できるという効果がある。

［第４実施形態］
本発明に係る第３実施形態について説明する。第３実施形態において、光学系配置は図１に示す第１実施形態と同様である。第１実施形態と異なるのは、合成光スポットをフィッティングする際に用いる被検面反射の光量分布と裏面反射の光量分布のスポット幅と強度のピーク値の取得方法が異なる。

第４の実施形態においては、はじめに被測定物１０５の設計値と測定装置の光学系の設計値を用いて光線追跡を行う。この際、被検面１０６からシャック・ハルトマンセンサー１１０へ至る光線に加え、被測定物裏面１０７からシャック・ハルトマンセンサー１１０へ至る光線の両方について光線追跡を実施する。これにより設計値を元にした被検面反射と被測定物裏面反射のＣＣＤカメラ１０９上での光スポット位置を予測する。次に被検面１０６と被測定物裏面１０７両方からの光スポットを含む測定データ（光スポット画像データ）をＣＣＤカメラ１０９で取得する。先に予測した光スポット位置を基準に想定される被検面１０６の形状誤差による光スポット位置ずれ量の範囲内にある光スポットを設計値から予測した表面反射光スポットと同一と判定する。これによりＣＣＤカメラ１０９上の光スポットを被検面１０６からのものと被測定物裏面１０７からのもの、及び、表面反射光スポットと裏面反射光スポットが合成されているものに判別する。形状誤差による光スポット位置ずれ量は光線追跡を用いてもよいし、想定される形状誤差によるスロープエラーと光学系の倍率から求めてもよいし、手動で選択してもよい。次に被検面１０６からの光スポットに対して、その位置を光量重心から求める際に考慮すべき測定物裏面１０７からの反射光スポットを選択する。この方法としては図４（ａ）に示すように、一つのマイクロレンズに相当する領域内にある表面反射光スポット４０１と裏面反射光スポット４０２を選択する。次に、被検面反射光と被測定物裏面が重なっている光スポットであるか否かの判定を行う。重なっていないと判定された光スポットに対しては、その重なっていない被検面反射光の光スポットの光量分布に対し重心検出を行い、その検出位置を光スポット位置とする。重なっていると判定された光スポットに対しては、その重なった光スポット４０１、及び、４０２に対して、被検面反射光のみで結像される光スポットと裏面反射光スポットのみで結像される光スポットをＣＣＤカメラ上に存在するいずれかから選択する。第１実施形態との違いはここにあり、最近傍に位置する光スポットを選択するか、否か、という点において形態を異にする。ここで、選択した表面反射光スポットの光量分布と裏面反射光スポットの光量分布に対しガウシアンフィッティングを施す。これにより、それぞれの光スポット光量分布のスポット幅と強度のピーク値を取得する。被検面反射光の位置取得については、第１実施形態と同様の方法で得ることができる。

これより、ステージを動作することなく合成光スポット分離に必要なデータを取得できるという効果がある。

また、コンピュータに、上述の形状計測方法を実行させるためのプログラムを作成しても良いし、そのプログラムを記録したコンピュータ読みとり可能な記録媒体を用意してもよい。

光学素子の生産工程における検査や望遠鏡に用いられるレンズなどの波面計測などに好適に利用できる。

１０１ 光源
１０２ レンズ
１０３ ビームスプリッタ
１０４ レンズ
１０５ 被測定物
１０６ 被検面
１０７ 被測定物裏面
１０８ マイクロレンズアレイ
１０９ ＣＣＤカメラ
１１０ シャック・ハルトマンセンサー
１１１ コンピュータ
１１２ モニタ
１１３ マイクロレンズアレイ光軸
１１４ 微動ステージ
７０１ 表面反射原器
７０４ 裏面反射原器

Claims (11)

1. 光源とシャック・ハルトマンセンサーとを備えた形状計測装置を用いて第一の面と第二の面を備えた透光性の被測定物の形状計測方法であって、
   前記透光性の被測定物に対して前記光源から放射された光を投光し、投光した光の反射光から前記シャック・ハルトマンセンサーにて光スポットの光量分布を計測しデータを得る工程と、
   前記第一の面からの反射光と前記第二の面からの反射光スポットとが重なって形成された合成光スポットの光量分布のデータに対し、第一の面からの反射光スポットと第二の面からの反射光スポットとのそれぞれのスポット幅またはピーク値を定数として定めた前記合成光スポットの光量分布のデータに対応して設定された関数を用いて、フィッティング処理する工程と、
   前記フィッティング処理によって決定した第一の面からの反射光スポットの位置を算出する算出工程と、
   算出した前記第一の面からの反射光スポットの位置と、あらかじめ定められた前記第一の面からの反射光スポットの基準位置とに基づき、被測定物の前記第一の面の形状を計算する形状計測工程と、
   を備えた透光性の被測定物の形状計測方法。
2. 前記算出工程ではさらに、第二の面からの反射光スポットの位置を算出し、
   前記形状計測工程にてさらに、前記第二の面からの反射光スポットの位置とあらかじめ定められた前記第二の面からの反射光スポットの基準位置とに基づき、被測定物の前記第二の面の形状を計算する請求項１記載の形状計測方法。
3. 前記関数において定数として定められた、第一の面からの反射光スポットと第二の面からの反射光スポットとのそれぞれのスポット幅またはピーク値は、前記合成光スポットから予め定められた範囲に存在する前記第一の面からの反射光と前記第二の面からの反射光スポットとが重なっていない光スポットのスポット幅またはピーク値から設定される請求項１または請求項２記載の形状計測方法。
4. 前記予め定められた範囲は、前記合成光スポットから最も近い距離である請求項３記載の形状計測方法。
5. 計測された前記第一の面からの反射光スポットの位置または前記第二の面からの反射光スポットの位置と、あらかじめ定められた光スポットの基準位置とは、想定される被測定物の形状誤差による光スポット位置ずれ量に基づいて対応づけられる請求項１〜４いずれか一項記載の形状計測装置。
6. 前記基準位置は、前記形状計測装置および前記被測定物の第一の面または第二の面の設計値から予め算出された前記シャック・ハルトマンセンサーにて計測される光スポットの位置または光量分布から設定されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の形状計測方法。
7. 前記基準位置は、表面のみから反射する原器、または裏面のみから反射する原器を用いてシャック・ハルトマンセンサー上での光スポットの位置、光スポット光量分布をあらかじめ計測することで設定される請求項１または請求項２記載の形状計測方法
8. コンピュータに、請求項１〜７のいずれか１項に記載の形状計測方法を実行させるためのプログラム。
9. 請求項７に記載のプログラムを記録したコンピュータ読みとり可能な記録媒体。
10. 光源と、シャック・ハルトマンセンサーと、被測定物を載置するステージと、前記シャック・ハルトマンセンサーから出力されたデータを演算して前記被測定物の形状を算出する演算部を備えた形状計測装置であって、
    前記演算部は、
    前記シャック・ハルトマンセンサーにて計測された、第一の面と第二の面を有する透光性の被測定物に対して前記光源から放射された光によって生じた反射光の光スポットの光量分布のデータを取得し、
    前記データに基づき、前記第一の面からの反射光と前記第二の面からの反射光スポットとが重なって形成された合成光スポットの光量分布のデータに対し、
    第一の面からの反射光スポットと第二の面からの反射光スポットとのそれぞれのスポット幅またはピーク値を定数として定めた前記合成光スポットの光量分布のデータに対応して設定された関数を用いて、フィッティング処理し、
    前記フィッティング処理によって決定した第一の面からの反射光スポットの位置を算出し、
    算出した前記第一の面からの反射光スポットの位置と、あらかじめ定められた前記第一の面からの反射光スポットの基準位置とに基づき、被測定物の前記第一の面の形状を計算する、
    形状計測装置。
11. 前記形状計測装置の前記ステージは微動ステージである請求項１０記載の形状計測装置。