JP6139950B2 - Measuring device, measuring method and original device - Google Patents
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Description
本発明は、非球面を含む被検面の形状を計測する計測装置、計測方法及び原器に関する。 The present invention relates to a measuring apparatus, a measuring method, and a prototype for measuring the shape of a test surface including an aspherical surface.
露光装置や天体望遠鏡などの光学系に用いられるレンズやミラー(光学素子)の形状を計測する計測装置として、フィゾー干渉計などの光波干渉計(干渉計)が知られている(特許文献1参照)。被検面として球面を計測する干渉計では、球面波を被検面に照射し、被検面からの反射光(被検光)を、フィゾー面(参照面)からの反射光と干渉させることで、被検面の形状を計測する。このような干渉計で得られるデータは、一般的に、被検面の実際の形状と理想形状との偏差である。以下では、「被検面の実際の形状と理想形状との偏差を1次元又は2次元の横座標に対してマッピングしたデータ」を、形状データと称する。 A light wave interferometer (interferometer) such as a Fizeau interferometer is known as a measuring device for measuring the shape of a lens or mirror (optical element) used in an optical system such as an exposure apparatus or an astronomical telescope (see Patent Document 1). ). In an interferometer that measures a spherical surface as a test surface, the test surface is irradiated with a spherical wave, and the reflected light (test light) from the test surface interferes with the reflected light from the Fizeau surface (reference surface). Then, the shape of the test surface is measured. The data obtained with such an interferometer is generally the deviation between the actual shape of the surface to be examined and the ideal shape. Hereinafter, “data in which the deviation between the actual shape and the ideal shape of the test surface is mapped to the one-dimensional or two-dimensional abscissa” is referred to as shape data.
被検面の形状が理想形状であるとすると、干渉計で得られる形状データはゼロ(理想形状からの偏差がない)である。但し、実際には、被検面の形状が理想形状であったとしても、干渉計のシステムエラーや再現性によって、形状データはゼロにならない。なお、再現性は、複数の形状データを平均化することで、その影響を十分に小さくすることができるため、ここでは、再現性の影響は十分に小さいものとする。以下では、「理想形状を干渉計で実際に計測して得られる形状データ」を、システムエラーと称する。また、被検面の理想形状が球面である場合を球面計測と称し、被検面に照射する光が被検面上において球面波となる干渉計を球面干渉計と称する。 If the shape of the test surface is an ideal shape, the shape data obtained by the interferometer is zero (no deviation from the ideal shape). However, in practice, even if the shape of the test surface is an ideal shape, the shape data does not become zero due to the system error and reproducibility of the interferometer. Note that the influence of reproducibility can be sufficiently reduced by averaging a plurality of shape data. Therefore, here, the influence of reproducibility is assumed to be sufficiently small. Hereinafter, “shape data obtained by actually measuring an ideal shape with an interferometer” is referred to as a system error. A case where the ideal shape of the test surface is a spherical surface is referred to as spherical measurement, and an interferometer in which the light applied to the test surface becomes a spherical wave on the test surface is referred to as a spherical interferometer.
球面干渉計では、一般的に、参照面を理想的な球面に近づけることで、システムエラーを小さくしている。また、形状が保証された球面原器を用いて、球面干渉計のシステムエラーを保証することが行われ、理想的な球面に近い形状を有する球面原器を計測して得られる形状データが十分に小さいことを保証している。更に、球面原器の計測値を干渉計のシステムエラーとし、このシステムエラーを被検面の計測値から減算することでシステムエラーの校正が行われている。 In a spherical interferometer, the system error is generally reduced by bringing the reference surface closer to an ideal spherical surface. In addition, using a spherical prototype whose shape is guaranteed, the system error of the spherical interferometer is guaranteed, and the shape data obtained by measuring a spherical prototype with a shape close to the ideal spherical surface is sufficient. Guaranteed to be small. Further, the measurement value of the spherical prototype is used as the system error of the interferometer, and the system error is calibrated by subtracting this system error from the measurement value of the surface to be measured.
また、被検面の理想形状が非球面である場合には、例えば、ヌル素子を用いて非球面波を被検面に照射し、形状データを取得している。以下では、被検面の理想形状が非球面である場合を、非球面計測と称する。特許文献1には、ヌル素子を用いた非球面計測において、被検面と略等しい形状の別途校正されたマスター原器面を有するマスター原器を用いてシステムエラーを校正する技術が開示されている。 In addition, when the ideal shape of the test surface is an aspherical surface, for example, an aspherical wave is irradiated onto the test surface using a null element to acquire shape data. Hereinafter, the case where the ideal shape of the test surface is an aspheric surface is referred to as aspheric measurement. Patent Document 1 discloses a technique for calibrating a system error using a master master having a separately calibrated master base having a shape substantially equal to the surface to be measured in aspherical measurement using a null element. Yes.
一方、被検面が非球面である場合でも、干渉縞が干渉計の解像度を超えない範囲において、非球面計測を行うことができる。 On the other hand, even when the test surface is an aspheric surface, the aspherical surface measurement can be performed within a range where the interference fringes do not exceed the resolution of the interferometer.
球面干渉計で被検面を計測する際に、球面干渉計から直接得られるデータは、ある曲率半径の球面からの偏差を表すデータである。以下では、このような球面からの偏差を表すデータを、球面干渉計の直接出力と称する。 Data obtained directly from the spherical interferometer when measuring the test surface with the spherical interferometer is data representing a deviation from a spherical surface with a certain radius of curvature. Hereinafter, such data representing the deviation from the spherical surface is referred to as a direct output of the spherical interferometer.
球面干渉計を用いた非球面計測においては、直接出力を形状データに変換する必要がある。このためには、例えば、「理想形状の球面からの偏差を表すデータ」と、直接出力とを用いて演算を行えばよい。以下では、「理想形状の球面からの偏差を表すデータ」を、理想計測形状と称する。直接出力から理想計測形状を減算することで、形状データに変換することができる。 In aspherical measurement using a spherical interferometer, it is necessary to convert the direct output into shape data. For this purpose, for example, an operation may be performed using “data representing a deviation from an ideally shaped spherical surface” and a direct output. Hereinafter, “data representing the deviation of the ideal shape from the spherical surface” is referred to as an ideal measurement shape. By subtracting the ideal measurement shape from the direct output, it can be converted into shape data.
球面干渉計を用いた非球面計測においても、被検面を高精度に計測するためには、干渉計のシステムエラーを校正する必要がある。但し、同一の球面干渉計であっても、一般的に、非球面計測における干渉計のシステムエラーと球面計測における干渉計のシステムエラーとは異なる。これは、後述するように、倍率誤差や歪曲収差などの干渉計の光学系における収差が計測に与える影響を、球面計測では無視できるが、非球面計測では無視できないからである。 Even in aspherical measurement using a spherical interferometer, it is necessary to calibrate the system error of the interferometer in order to measure the test surface with high accuracy. However, even with the same spherical interferometer, the system error of the interferometer in aspherical measurement is generally different from the system error of the interferometer in spherical measurement. This is because, as will be described later, the influence of the aberration in the optical system of the interferometer such as magnification error and distortion on the measurement can be ignored in the spherical measurement, but cannot be ignored in the aspherical measurement.
このような球面干渉計を用いた非球面計測を高精度に行うために、特許文献1に開示されているような被検面と略等しい形状の別途校正された非球面原器を用いてシステムエラーの校正を行うことが考えられる。 In order to perform aspheric measurement using such a spherical interferometer with high accuracy, a system using a separately calibrated aspheric prototype having a shape substantially the same as the test surface as disclosed in Patent Document 1 is used. It is possible to calibrate the error.
しかしながら、被検面が300mmを超える有効径を有する非球面である場合、それと同じ大きさの非球面原器を用いてシステムエラーを校正することは、校正精度の悪化の問題やコスト・タクト面での問題があり、困難である。また、被検面が1mm以下の有効径を有する非球面である場合、それと同じ大きさの非球面原器を高精度に校正することは困難である。 However, when the test surface is an aspherical surface having an effective diameter exceeding 300 mm, calibrating the system error using the same aspherical surface of the same surface may cause a problem of deterioration in calibration accuracy or a cost / tact surface. There is a problem with, it is difficult. Further, when the test surface is an aspherical surface having an effective diameter of 1 mm or less, it is difficult to calibrate an aspherical original device of the same size with high accuracy.
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、非球面を含む被検面の形状を高精度に計測するのに有利な技術を提供することを例示的目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem of the prior art, and an object of the present invention is to provide a technique that is advantageous for measuring the shape of a test surface including an aspheric surface with high accuracy.
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、非球面を含む被検面の形状を計測する計測装置であって、非球面形状を有する反射面を含む原器と、前記被検面で反射した被検光又は前記反射面で反射した反射光と、参照面で反射した参照光とを合成させる光学素子を含み、前記被検光と前記参照光との第1干渉光及び前記反射光と前記参照光との第2干渉光を生成する干渉光学系と、前記第1干渉光を検出して第1干渉信号を生成し、前記第2干渉光を検出して第2干渉信号を生成する検出部と、前記第1干渉信号及び前記第2干渉信号に基づいて、前記被検面の形状を求める処理部と、を有し、前記非球面形状は、前記被検面の設計形状を表す面上の任意の座標点と1つの基準点とを結ぶ直線上の座標点であって、前記任意の座標点からの距離が所定距離となる座標点の集合によって規定される形状であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a measuring apparatus according to one aspect of the present invention is a measuring apparatus for measuring the shape of a test surface including an aspheric surface, and includes a master including a reflecting surface having an aspheric shape, A first interference between the test light and the reference light, including an optical element that combines the test light reflected by the test surface or the reflected light reflected by the reflection surface and the reference light reflected by the reference surface; Light, an interference optical system that generates second interference light of the reflected light and the reference light, a first interference signal by detecting the first interference light, and a second interference light by detecting the second interference light. A detection unit that generates two interference signals, and a processing unit that obtains the shape of the test surface based on the first interference signal and the second interference signal. A coordinate point on a straight line connecting an arbitrary coordinate point on the surface representing the design shape of the surface and one reference point, Wherein the distance from the coordinate point at will is a shape defined by a set of coordinate points at a predetermined distance.
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。 Further objects and other aspects of the present invention will become apparent from the preferred embodiments described below with reference to the accompanying drawings.
本発明によれば、例えば、非球面を含む被検面の形状を高精度に計測するのに有利な技術を提供することができる。 According to the present invention, for example, it is possible to provide a technique advantageous for measuring the shape of a test surface including an aspheric surface with high accuracy.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same reference number is attached | subjected about the same member and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本発明の一側面としての計測装置100の構成を示す概略図である。計測装置100は、被検面の形状、特に、非球面を含む被検面の形状を計測する計測装置であって、例えば、レンズやミラーなどの光学素子の表面形状を計測するのに好適である。また、被検面は、本実施形態では、300mmを超える有効径を有するものとする。計測装置100は、干渉光学系10と、光源11と、ファイバ12と、非球面原器31と、非球面原器31を保持する原器保持部32と、被検体17を保持する被検体保持部18と、処理部22とを有する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a
計測装置100において、非球面原器31は、干渉光学系10のフィゾーレンズ15と被検面17aとの間の光路に挿脱可能に構成されている。具体的には、非球面原器31は、原器保持部32に着脱可能に保持されている。換言すれば、原器保持部32は、非球面原器31を取り外し可能な構成を有する。計測装置100では、非球面原器31を取り外すことによって、非球面原器31の計測と被検体17の計測とを繰り替えることができる。
In the
光源11は、例えば、ヘリウムネオンレーザー(波長λ=632.8nm)で構成される。光源11から射出した光Lは、ファイバ12を介して、干渉計保持部(不図示)に保持された干渉光学系10に入射する。
The
干渉光学系10は、被検面17aで反射した被検光又は非球面原器31の反射面31aで反射した反射光と、参照面で反射した参照光とを合成する光学素子を含み、被検光と参照光との干渉光及び反射光と参照光との干渉光を生成する。本実施形態では、干渉光学系10は、光学系13と、ハーフミラー14と、フィゾーレンズ15と、すりガラス19と、光学系20と、検出部21とを含む。
The interference
干渉光学系10に入射した光Lは、光学系13によって平行光となり、ハーフミラー14で反射され、球面のフィゾー面(参照面)16を有するフィゾーレンズ15に入射する。フィゾー面16は、干渉光学系10に入射した光Lを、参照光LRと、透過光LTとに分割する。
The light L incident on the interference
被検体17を計測する際には、透過光LTは、被検体保持部18に保持された被検体17の被検面17aで反射されて被検光LM1となる。また、非球面原器31を計測する際には、透過光LTは、原器保持部32に保持された非球面原器31の反射面31aで反射されて反射光LM2となる。ここで、被検体17を計測する際には、被検面17aは、フィゾーレンズ15のフィゾー面16に対して、フィゾーギャップGWの間隔を有して配置される。また、非球面原器31を計測する際には、反射面31aは、フィゾーギャップGMの間隔を有して配置される。
When the subject 17 is measured, the transmitted light LT is reflected by the
被検体17は、凹形状の非球面を含む被検面17aを含む。被検体17は、被検面17aの有効径を1m、被検面17aをフィットする球面の曲率半径を2m、中心肉厚を0.5mとする光学部品である。被検面17aの理想形状(設計形状)は、例えば、有効領域内の干渉縞の数が最も少なくなるようにフィゾーギャップGWを設定した場合でも、複数の干渉縞が発生するようなザグ量数μmの非球面である。本実施形態では、被検面17aの理想形状は、曲率半径2mの球面からの偏差の分布が以下の式(1)で表されるものとする。
The subject 17 includes a
但し、
x,y: 被検面17aの理想形状を表す面上の任意の点を、ある平面に射影した点の座標(X,Y)を、被検面17aの有効径の半分(本実施形態では、0.5m)で割った値
FD(X,Y): 座標(x,y)で表される、被検面17aの理想形状を表す面上の点の、曲率半径が2mの球面からの偏差
C1、C2、C3、C4、C5、・・・: 係数
被検体17は、計測装置100において、実使用状態と同じ状態で被検体保持部18に保持される。具体的には、被検体17を保持する被検体保持部18は、その一部が実使用状態での被検体17の保持部の一部と所定の公差範囲内で同一となるように設計(製造)される。また、被検体17は、被検面17aの光軸の重力方向gに対する向きが実使用状態と同じ状態となるように被検体保持部18に保持される。例えば、図1に示すように、被検体17は、被検面17aの光軸が重力方向gに対して垂直になるように被検体保持部18に保持される。このように、実使用状態と同じ状態となるように被検体17を保持して被検面17aの形状を計測することによって、被検体17の自重変形を含んだ被検面17aの形状データを取得することができる。また、かかる形状データを用いて、被検面17aが実使用状態で理想形状となるように、被検体17を製造することができる。
However,
x, y: The coordinates (X, Y) of a point obtained by projecting an arbitrary point on the surface representing the ideal shape of the
非球面原器31は、非球面形状を有する反射面31aを含む。本実施形態では、後述するように、非球面原器31の反射面31aを、1mm以上300mm以下の径で構成(設計)することが可能である。非球面原器31は、反射面31aの有効径を0.1m、反射面31aをフィットする球面の曲率半径を0.2m、中心肉厚を0.05mとする凹球面である。
The
図2を参照して、非球面原器31の反射面31aの形状について説明する。図2に示すように、被検体17の被検面17aの理想形状17cと交差する1つの直線を光軸Zとする。図2は、被検体17の被検面17aの理想形状17cを、光軸Zを通る平面で切断した断面を示している。被検面17aの理想形状17cが回転対称形状である場合には、回転対称の中心を光軸とするとよいが、これに限定されるものではない。
With reference to FIG. 2, the shape of the reflecting
図2において、点線は、光軸Zの上に中心を有し、被検面17aの理想形状17cをフィットする球面SWの断面を示す。球面SWの中心点を点O、半径をSRとし、被検面17aの理想形状17cを表す面上の任意の点を点Pとする。一点鎖線は、点Oと点Pとを通る直線OPを示す。直線OPは、光軸Zに対して角度θだけ傾いている。ここで、図2は、2次元の断面を示しているが、実際には、点Pは、図3に示すように、3次元空間上の座標であり、2つの角度θ及びφを用いて、光軸Zに対する角度を表すことができる。
In FIG. 2, a dotted line indicates a cross section of the spherical surface SW having a center on the optical axis Z and fitting the
非球面原器31の反射面31aは、直線OP上であって、被検面17aの理想形状17cを表す面上の点Pからの距離が一定値M(本実施形態では、M=1.8m)である点Qによって規定される面形状(理想形状)31cを有する。換言すれば、非球面原器31の反射面31aは、被検面17aの理想形状17cを表す面上の任意の座標点(点P)と1つの基準点(点O)とを結ぶ直線上の座標点であって、任意の座標点からの距離が所定距離となる座標点の集合によって規定される形状を有する。
The reflecting
点Oから、(θ、φ)方向の被検面17の理想形状17cを表す面上の点Pまでの距離をOP(θ、φ)、点Oから、(θ、φ)方向の反射面31aの面形状31cを表す面上の点Qまでの距離をOQ(θ、φ)とする。この場合、非球面原器31の反射面31aの面形状31cは、以下の式(2)で表される。
The distance from the point O to the point P on the surface representing the
但し、
M: 定数
これにより、非球面原器31の反射面31aの有効径は、以下の式(3)で表される。
However,
M: Constant Thereby, the effective diameter of the reflecting
但し、
x,y: 非球面原器31の反射面31aの理想形状31cを表す面上の任意の点を、ある平面に射影した点の座標(X,Y)を、反射面31aの有効径の半分(本実施形態では、0.1m)で割った値
FM(x,y): 座標(x,y)で表される、非球面原器31の反射面31aの理想形状31cを表す面上の点の、曲率半径が0.2mの球面からの偏差
C1、C2、C3、C4、C5、・・・: 式(3)で定義された被検面17aの理想形状17cを表す係数
このように、有効径について規格化した座標(x,y)に対して、FM(x,y)=FD(x,y)である。
However,
x, y: The coordinates (X, Y) of a point obtained by projecting an arbitrary point on the surface representing the
フィゾーレンズ15のフィゾー面16で反射した参照光LR、及び、被検面17aで反射した被検光LM1又は非球面原器31の反射面31aで反射した反射光LM2は、干渉光学系10において同一の光路を戻る。そして、参照光LRと、被検光LM1又は反射光LM2とは、ハーフミラー14を透過してすりガラス19の上に干渉縞(参照光LRと被検光LM1との第1干渉光、或いは、参照光LRと反射光LM2との第2干渉光)を形成する。
The reference light LR reflected by the
すりガラス19の上に形成された干渉縞は、光学系20を介して、検出部21の検出面に結像する。検出部21は、例えば、CCDセンサやCMOSセンサなどの撮像素子で構成され、検出面に結像した干渉縞を検出して干渉信号を生成する。本実施形態では、検出部21は、参照光LRと被検光LM1との第1干渉光に対応する第1干渉信号、及び、参照光LRと反射光LM2との第2干渉光に対応する第2干渉信号を生成する。
The interference fringes formed on the
処理部22は、CPUやメモリなどを含むコンピューターで構成され、検出部21で生成された干渉信号に基づいて、被検面17aの形状を求める。処理部22は、後述するように、第2干渉信号に基づいて干渉光学系10のシステムエラーを求め、システムエラーを用いて第1干渉信号から求まる被検面17aの形状を校正する。例えば、処理部22は、第1干渉信号から第1数値群を求め、第2干渉信号から第2数値群を求め、第1数値群の要素と第2数値群の要素との差分の数値群に基づいて被検面17aの形状を求める。
The
本実施形態では、処理部22には、公知の干渉縞解析ソフトウェアがインストールされており、参照光LRの波面と被検光LM1の波面との位相差や参照光LRの波面と反射光LM2の波面との位相差などを算出する。球面干渉計からの直接出力(任意の曲率半径の球面からの偏差)は、以下の式(4)で表される、位相差データを用いた既知の演算によって取得することができる。
In the present embodiment, known interference fringe analysis software is installed in the
但し、
F: 直接出力[nm]
λ: 光源11から射出した光Lの波長[nm]
φ: 位相差データ[rad]
図4を参照して、計測装置100における被検面17aの形状の計測処理(即ち、計測装置100を用いた計測方法)について説明する。
However,
F: Direct output [nm]
λ: wavelength of the light L emitted from the light source 11 [nm]
φ: Phase difference data [rad]
With reference to FIG. 4, the measurement process of the shape of the
まず、S101において、非球面原器31を計測する。具体的には、フィゾーレンズ15と被検面17aとの間の光路に非球面原器31を配置し、非球面原器31の反射面31aを計測して反射面31aの形状を表す第1数値群としての計測データDAを取得する。
First, in S101, the
次に、S102において、干渉光学系10の校正データICを取得するための第1演算を実行する。具体的には、S101で取得した計測データDAと、予め取得した非球面原器31の反射面31aの形状を表す非球面原器データDBとを入力として演算を実行し、干渉光学系10の校正データICを取得する。
Next, in S102, a first calculation for acquiring the calibration data IC of the interference
次いで、S103において、被検体17を計測する。具体的には、フィゾーレンズ15と被検面17aとの間の光路から非球面原器31を取り出し、被検面17aを計測して被検面17aの形状を表す第2数値群としての計測データDDを取得する。
Next, in S103, the subject 17 is measured. Specifically, the
次に、S104において、被検面17aの形状を表す形状データDGを取得するための第2演算を実行する。具体的には、S102で取得した校正データICと、S103で取得した計測データDDとを入力として演算を実行し、被検面17aの形状を表す形状データDGを取得する。
Next, in S104, a second calculation for acquiring shape data DG representing the shape of the
図5を参照して、干渉光学系10の校正データICを取得するための第1演算の詳細について説明する。まず、S201において、S101で取得した計測データDA、及び、予め取得した非球面原器データDBを取得する。次に、S202において、計測データDAと非球面原器データDBとを比較して、計測データDAの横座標を決定する。例えば、横座標として、画素スケールp及び検出部21の検出面上の基準座標(xc,yc)の数値を決定する。また、S202では、計測データDAの回転角度φを更に決定してもよい。
Details of the first calculation for acquiring the calibration data IC of the interference
次に、S203において、画素スケールpと検出部21の検出面上の基準座標(xc,yc)とに基づいて、非球面原器データDBをリメッシュしてリメッシュデータDBBを生成する。次いで、S204において、計測データDAとリメッシュデータDBBとの差分を表す差分データSEを取得する。次に、S205において、S202で決定した横座標と、S204で取得した差分データSEとを、干渉光学系10の校正データICとして出力する。但し、S205で出力する横座標は、S202で決定した数値の一部又は全部である。
Next, in S203, based on the pixel scale p and the reference coordinates (xc, yc) on the detection surface of the
図6を参照して、計測データDAの横座標の決定の詳細について説明する。まず、S301において、計測データDAの横座標(の値)を仮決定する。次に、S302において、S301で仮決定した計測データDAの横座標に基づいて、非球面原器データDBをリメッシュしてリメッシュデータDBB’を生成する。次いで、S303において、計測データDAとリメッシュデータDBB’との差分を表す差分データDCを取得する。次に、S304において、差分データDCの統計量を算出する。S301からS304までの処理は、S301で仮決定する計測データDAの横座標の値を変更しながら所定の回数繰り返す。次いで、S305において、S304で算出した差分データDCの統計量に基づいて、計測データDAの横座標を決定する(即ち、差分データDCの統計量が最小となる計測データDAの横座標を決定する)。 Details of determination of the abscissa of the measurement data DA will be described with reference to FIG. First, in S301, the abscissa (value) of the measurement data DA is provisionally determined. Next, in S302, based on the abscissa of the measurement data DA temporarily determined in S301, the aspherical original data DB is remeshed to generate remesh data DBB '. Next, in S303, difference data DC representing the difference between the measurement data DA and the remesh data DBB 'is acquired. Next, in S304, the statistic of the difference data DC is calculated. The processing from S301 to S304 is repeated a predetermined number of times while changing the value of the abscissa of the measurement data DA temporarily determined in S301. Next, in S305, the abscissa of the measurement data DA is determined based on the statistic of the difference data DC calculated in S304 (that is, the abscissa of the measurement data DA that minimizes the statistic of the difference data DC is determined). ).
ここで、S304において、差分データDCの統計量は、例えば、差分データDCに含まれる所定の成分のRMS値を用いて算出される。また、所定の成分は、例えば、非球面原器31の反射面31aの加工誤差形状に特徴的な空間的に高周波の成分とする。これにより、参照面の形状の影響を十分に小さくして、計測データDAの横座標を非球面原器データDBの横座標に合わせ込むことができる。また、S301からS305までの処理は、必要精度に応じて更に繰り返してもよい。
Here, in S304, the statistic of the difference data DC is calculated using, for example, an RMS value of a predetermined component included in the difference data DC. The predetermined component is, for example, a spatially high-frequency component that is characteristic of the processing error shape of the reflecting
図7を参照して、被検面17aの形状を表す形状データDGを取得するための第2演算の詳細について説明する。まず、S401において、S103で取得した被検面17aの形状を表す計測データDD、及び、S102で取得した干渉光学系10の校正データICを取得する。次に、S402において、計測データDDの横座標を決定する。
With reference to FIG. 7, the detail of the 2nd calculation for acquiring the shape data DG showing the shape of the to-
次いで、S403において、S402で決定した計測データDDの横座標に基づいて、予め取得した被検面17aの理想形状を表す関数を用いた理想形状データDEを生成する。次に、S404において、計測データDDから理想形状データDEを減算して第1減算データDFを取得する。次いで、S405において、第1減算データDFから校正データICに含まれる差分データSEを減算して第2減算データDF’を取得する。次に、S406において、S402で決定した横座標と、S405で取得した第2減算データDF’とを、被検面17aの形状を表す形状データDGとして出力する。
Next, in S403, based on the abscissa of the measurement data DD determined in S402, ideal shape data DE using a function representing the ideal shape of the
S402における計測データDDの横座標の決定の一例を説明する。計測データDDの横座標としては、画素スケールpw及び基準座標(xcw、ycw)を決定する。画素スケールpwは、例えば、以下の式(5)を用いて決定する。但し、pは、校正データICに含まれる非球面原器31の画素スケールを示し、RMは、非球面原器31の反射面31aの3次元計測データをフィットする球面の曲率半径を示し、RWDは、被検面17aの理想形状をフィットする球面の曲率半径を示す。
An example of determination of the abscissa of the measurement data DD in S402 will be described. As the abscissa of the measurement data DD, the pixel scale pw and the reference coordinates (xcw, ycw) are determined. The pixel scale pw is determined using, for example, the following formula (5). Here, p represents the pixel scale of the
検出部21の検出面上の基準座標(xcw、ycw)については、例えば、被検体17に遮光マスクを設けて計測した強度データを用いて、検出面上での被検面17aの中心座標を求め、かかる中心座標を基準座標(xcw、ycw)とすればよい。また、例えば、非球面原器31の反射面31aの光軸方向と被検面17aの光軸方向とが十分な精度で一致していることが保証できる場合には、第1演算において決定した基準座標(xc,yc)を基準座標(xcw、ycw)としてもよい。
With respect to the reference coordinates (xcw, ycw) on the detection surface of the
S403で用いる被検面17aの理想形状を表す関数としては、例えば、被検面17aの中心に相当する検出部21の検出面上の座標からの距離をパラメーターとする多項式を用いることができる。
As a function representing the ideal shape of the
また、S406で出力する横座標は、S402で決定した計測データDDの横座標と必ずしも同一でなくてもよい。例えば、画素スケールpw’は、以下の式(6)を用いて決定してもよい。但し、RMは、非球面原器31の反射面31aの3次元計測データをフィットする球面の曲率半径を示し、RMMは、被検面17aの3次元計測データをフィットする球面の曲率半径を示す。ここで、被検面17aの3次元計測データは、被検面17aの上の複数のポイント、例えば、4つのポイントを別途3次元計測することで取得する。
Further, the abscissa output in S406 does not necessarily have to be the same as the abscissa of the measurement data DD determined in S402. For example, the pixel scale pw ′ may be determined using the following equation (6). However, RM indicates the radius of curvature of the spherical surface that fits the three-dimensional measurement data of the reflecting
以下、本実施形態の計測処理において、計測装置100を構成する光学系(干渉光学系10)の収差に起因するシステムエラーを校正することができる原理を説明する。ここでは、干渉光学系10は、収差として、倍率誤差及び歪曲収差を含むものとする。
Hereinafter, in the measurement process of this embodiment, the principle that can calibrate a system error caused by the aberration of the optical system (interference optical system 10) constituting the
S201で取得する計測データDAは、球面干渉計からの直接出力を用いる。干渉光学系10として理想的な(即ち、収差を含まない)干渉計を用いた場合、直接出力MM(x’,y’)は、以下の式(7)で表される。ここで、(x’,y’)は、式(3)で定義した座標(x,y)に対応する、理想的な干渉計の検出部の検出面上の座標とする。なお、以下の式では、(x’,y’)の記載を省略する。
The measurement data DA acquired in S201 uses a direct output from the spherical interferometer. When an ideal interferometer (that is, no aberration) is used as the interference
但し、
FM: 式(3)で表される、非球面原器31の反射面31aの理想形状31cの球面からの偏差
FME: 非球面原器31の反射面31の理想形状31cからの偏差
式(7)において、FMは、非球面原器31の反射面31aの理想形状31cの球面からの偏差を、検出部21の検出面上にマッピングしたデータを示す。また、式(2)及び式(3)から、FM=FDである。従って、FMは、被検体17の被検面17aの理想計測形状に等しい。以下では、被検面17aの理想計測形状をFDとする。
However,
FM: Deviation from the spherical surface of the
但し、干渉光学系10として倍率誤差や歪曲収差を含む干渉計を用いた場合には、式(3)で定義した座標について、(x+Δx,y+Δy)が検出部21の検出面上の座標(x’,y’)に対応する。ここで、(Δx,Δy)は、干渉光学系10の収差に起因する横座標誤差である。従って、計測データDAは、以下の式(8)で表される形状データとなる。
However, when an interferometer including a magnification error and distortion is used as the interference
式(8)を参照するに、第3項及び第4項が干渉光学系10の収差に起因する形状である。
Referring to Expression (8), the third and fourth terms are shapes resulting from the aberration of the interference
本実施形態においては、計測データDAの横座標は、S202において、非球面原器31の反射面31aの3次元座標データを用いて決定する。従って、(Δx,Δy)は、S202で決定した横座標の誤差に相当する。
In the present embodiment, the abscissa of the measurement data DA is determined using the three-dimensional coordinate data of the reflecting
式(8)においては、その他のシステムエラーの要因、例えば、フィゾーレンズ15のフィゾー面(参照面)16の形状、干渉光学系10における多重反射による参照光や被検光の波面への影響による形状などは無視している。但し、その他のシステムエラーの要因を考慮したとしても、本発明の主旨には影響しない。
In the equation (8), other system error factors such as the shape of the Fizeau surface (reference surface) 16 of the
また、S201で取得する非球面原器データDBは、高精度な3次元計測装置で計測された非球面原器31の反射面31aの3次元座標データを用いて演算したデータである。具体的には、中心座標及び半径をパラメーターとして球面でフィッティングした球面の半径、及び、球面からの偏差を求め、球面からの偏差のデータを非球面原器データDBとする。非球面原器データDBは、3次元座標データから求めたものであるため、横座標も高精度に求められている。非球面原器データDBは、3次元計測装置の計測誤差が十分に小さいものとして、式(7)で表される形状データと一致する。
Further, the aspherical prototype data DB acquired in S201 is data calculated using the three-dimensional coordinate data of the reflecting
S204で取得する差分データSEは、非球面原器データDBの横座標に基づいて計測データDAの横座標を決定した後における計測データDAと非球面原器データDBとの差分のデータであるため、以下の式(9)で表される。 The difference data SE acquired in S204 is data of the difference between the measurement data DA and the aspherical prototype data DB after the abscissa of the measurement data DA is determined based on the abscissa of the aspherical prototype data DB. Is represented by the following formula (9).
ここで、FME<<FDである場合、以下の式(10)が成り立つ。従って、差分データSEは、以下の式(11)で表される。 Here, when FME << FD, the following equation (10) holds. Therefore, the difference data SE is expressed by the following equation (11).
FDはサグ量数μmであるのに対して、FMEを数nmの形状にすれば、式(11)は十分な精度で成り立つ。 Whereas FD has a sag amount of several μm, if FME is made to have a shape of several nanometers, equation (11) is established with sufficient accuracy.
S401で取得する計測データDDは、本実施形態においては、球面干渉計からの直接出力を用いる。干渉光学系10として理想的な(即ち、収差を含まない)干渉計を用いた場合、直接出力MW(x’,y’)は、以下の式(12)で表される。ここで、(x’,y’)は、式(1)で定義した座標(x,y)に対応する、理想的な干渉計の検出部の検出面上の座標とする。なお、以下の式では、(x’,y’)の記載を省略する。
In this embodiment, the measurement data DD acquired in S401 uses a direct output from the spherical interferometer. When an ideal interferometer (that is, no aberration) is used as the interference
但し、
FD: 式(1)で表される、被検面17aの理想形状17cの球面からの偏差
FWE: 被検面17aの理想形状17cからの偏差
式(12)において、FDは、被検面17aの理想形状17cの球面からの偏差を、検出部21の検出面上にマッピングしたデータを示す。従って、FDは、被検体17の被検面17aの理想計測形状に等しい。
However,
FD: Deviation from the spherical surface of the
但し、干渉光学系10として倍率誤差や歪曲収差を含む干渉計を用いた場合には、式(1)で定義した座標について、(x+Δx’’,y+Δy’’)が検出部21の検出面上の座標(x’,y’)に対応する。ここで、(Δx’’,Δy’’)は、干渉光学系10の収差に起因する横座標誤差である。従って、計測データDDは、以下の式(13)で表される形状データとなる。
However, when an interferometer including a magnification error and distortion is used as the interference
式(13)を参照するに、第2項及び第3項が干渉光学系10の収差に起因する形状である。
Referring to Equation (13), the second and third terms are shapes resulting from the aberration of the interference
一般的に、非球面原器31の反射面31aを計測するときの収差と、被検体17の被検面17aを計測するときの収差との差は小さい。従って、非球面原器31の反射面31aを計測するときの横座標誤差(Δx,Δy)と、被検体17の被検面17aを計測するときの横座標誤差(Δx’’,Δy’’)とは、等しいと考えることができる。
In general, the difference between the aberration when measuring the reflecting
また、FWE<<FDである場合、以下の式(14)が成り立つ。従って、直接出力MWは、以下の式(15)で表される。 Further, when FWE << FD, the following formula (14) is established. Therefore, the direct output MW is expressed by the following equation (15).
FDはサグ量数μmであるのに対して、FWEを数nmの形状にすれば、式(15)は十分な精度で成り立つ。 Whereas FD has a sag amount of several μm, if FWE is made to have a shape of several nanometers, equation (15) holds with sufficient accuracy.
S405で取得する第2減算データDF’は、計測データDDから理想形状データDE及び差分データSEを差し引いたデータである。理想形状データDEは、被検面17aの理想形状17cを表す式(1)を用いて求められたデータであり、理想計測形状FDに等しい。また、差分データSEは、数式13で表される。従って、第2減算データDF’は、式(15)から、式(11)及び理想計測形状FDを差し引いたデータであり、以下の式(16)で表される。
The second subtraction data DF ′ acquired in S405 is data obtained by subtracting the ideal shape data DE and the difference data SE from the measurement data DD. The ideal shape data DE is data obtained using the equation (1) representing the
このように、本実施形態の計測装置100において得られる第2減算データDF’は、干渉光学系10のシステムエラーが校正された理想計測形状からの偏差データとなっている。従って、計測装置100は、被検体17の被検面17aが非球面形状であっても、被検面17aの形状を高精度に計測することができる。
As described above, the second subtraction data DF ′ obtained in the
以上、本実施形態の計測処理において、計測装置100を構成する光学系(干渉光学系10)の収差に起因するシステムエラーを校正することができる原理を説明した。
As described above, the principle that the system error caused by the aberration of the optical system (interference optical system 10) constituting the
干渉光学系10のシステムエラーの校正において、非球面原器31の反射面31aと被検体17の被検面17aとの間の光路(空間)に固定的な温度むらがあると、校正誤差が発生する。但し、このような校正誤差は、当業界で周知の様々な空間温度制御技術を用いて十分に小さくすることができる。
In the calibration of the system error of the interference
計測装置100で用いる非球面原器31の反射面31aは、被検面17aの1/10程度の径である。従って、非球面原器31の反射面31aの形状を保証するための3次元計測装置による計測を、被検面17aと略等しい形状のマスター原器面を計測する場合と比較して、短いタクトで高精度に行うことができる。また、被検体17を計測するための大きい3次元計測装置や治工具なども不要となる。
The
計測装置100においては、システムエラーを校正するために、被検面17aや干渉光学系10を回したり傾けたりする必要もない。特に、有効径の大きな被検面17aを回転させようとすると、その回転で発生する空気温度の揺らぎなどの外乱の影響を抑制するためのタクトが発生してしまうが、計測装置100では、このようなタクトは発生しない。
In the measuring
また、計測装置100では、非球面原器31の反射面31aの自重変形を小さくすることができるため、かかる自重変形の影響を受けることなく、システムエラーを高精度に校正することができる。具体的には、円筒形状の物体の自重変形量は、材料力学の定理に基づいて、物体の径の4乗に比例し、厚みの2乗に反比例する。従って、一般的に、小さな径の物体が自重変形を抑制するのに有利となる。本実施形態では、径の4乗値を厚みの2乗値で割った値が、被検面17aの0.005倍程度となるように非球面原器31の反射面31aの径を設計しているため、反射面31aの自重変形量を十分に小さくしている。
Further, since the measuring
また、例えば、干渉光学系10に外力が作用するなどして、干渉光学系10に大きな収差が発生し、かかる収差によって無視できない計測誤差が生じるようなことがあっても、非球面原器31を定期的に計測することによって異常を検知することができる。
In addition, for example, even if an external force acts on the interference
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ないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
Claims (8)
非球面形状を有する反射面を含む原器と、
前記被検面で反射した被検光又は前記反射面で反射した反射光と、参照面で反射した参照光とを合成させる光学素子を含み、前記被検光と前記参照光との第1干渉光及び前記反射光と前記参照光との第2干渉光を生成する干渉光学系と、
前記第1干渉光を検出して第1干渉信号を生成し、前記第2干渉光を検出して第2干渉信号を生成する検出部と、
前記第1干渉信号及び前記第2干渉信号に基づいて、前記被検面の形状を求める処理部と、を有し、
前記非球面形状は、前記被検面の設計形状を表す面上の任意の座標点と1つの基準点とを結ぶ直線上の座標点であって、前記任意の座標点からの距離が所定距離となる座標点の集合によって規定される形状であることを特徴とする計測装置。 A measuring device for measuring the shape of a test surface including an aspheric surface,
A prototype including a reflective surface having an aspheric shape;
A first interference between the test light and the reference light, including an optical element that combines the test light reflected by the test surface or the reflected light reflected by the reflection surface and the reference light reflected by the reference surface; An interference optical system that generates light and second interference light of the reflected light and the reference light;
A detection unit that detects the first interference light to generate a first interference signal, detects the second interference light, and generates a second interference signal;
A processing unit that obtains the shape of the test surface based on the first interference signal and the second interference signal;
The aspherical shape is a coordinate point on a straight line connecting an arbitrary coordinate point on the surface representing the design shape of the test surface and one reference point, and the distance from the arbitrary coordinate point is a predetermined distance. A measuring apparatus having a shape defined by a set of coordinate points.
前記計測装置は、
非球面形状を有する反射面を含む原器と、
前記被検面で反射した被検光又は前記反射面で反射した反射光と、参照面で反射した参照光とを合成させる光学素子を含み、前記被検光と前記参照光との第1干渉光及び前記反射光と前記参照光との第2干渉光を生成する干渉光学系と、
を有し、
前記非球面形状は、前記被検面の設計形状を表す面上の任意の座標点と1つの基準点とを結ぶ直線上の座標点であって、前記任意の座標点からの距離が所定距離となる座標点の集合によって規定される形状であり、
前記計測方法は、
前記第1干渉光を検出して第1干渉信号を生成するステップと、
前記光学素子と前記被検面との間の光路に前記原器を配置し、前記第2干渉光を検出して第2干渉信号を生成するステップと、
前記第1干渉信号から第1数値群を求めるステップと、
前記第2干渉信号から第2数値群を求めるステップと、
前記第1数値群の要素と前記第2数値群の要素との差分の数値群を求めるステップと、
前記差分の数値群に基づいて前記被検面の形状を求めるステップと、
を有することを特徴とする計測方法。 A measurement method for measuring the shape of a test surface including an aspheric surface using a measurement device,
The measuring device is
A prototype including a reflective surface having an aspheric shape;
A first interference between the test light and the reference light, including an optical element that combines the test light reflected by the test surface or the reflected light reflected by the reflection surface and the reference light reflected by the reference surface; An interference optical system that generates light and second interference light of the reflected light and the reference light;
Have
The aspherical shape is a coordinate point on a straight line connecting an arbitrary coordinate point on the surface representing the design shape of the test surface and one reference point, and the distance from the arbitrary coordinate point is a predetermined distance. A shape defined by a set of coordinate points
The measurement method is:
Detecting the first interference light to generate a first interference signal;
Disposing the original device in an optical path between the optical element and the test surface, detecting the second interference light, and generating a second interference signal;
Obtaining a first numerical value group from the first interference signal;
Obtaining a second group of numerical values from the second interference signal;
Obtaining a numerical group of differences between the elements of the first numerical group and the elements of the second numerical group;
Obtaining the shape of the test surface based on the numerical value group of the difference;
A measurement method characterized by comprising:
前記非球面形状は、前記被検面の設計形状を表す面上の任意の座標点と1つの基準点とを結ぶ直線上の座標点であって、前記任意の座標点からの距離が所定距離となる座標点の集合によって規定される形状であることを特徴とする原器。 Used in a measuring device for measuring the shape of a test surface including an aspheric surface, and is a prototype including a reflecting surface having an aspheric shape,
The aspherical shape is a coordinate point on a straight line connecting an arbitrary coordinate point on the surface representing the design shape of the test surface and one reference point, and the distance from the arbitrary coordinate point is a predetermined distance. A prototype characterized by a shape defined by a set of coordinate points.
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