JP6450367B2

JP6450367B2 - 光学アセンブリにおける積層素子の歪みを最小限にする方法

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Publication number: JP6450367B2
Application number: JP2016509012A
Authority: JP
Inventors: デニスグレイダ，ロバート; ロバートマクマイケル，トッド
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2019-01-09
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Also published as: EP2987022A2; JP2016520862A; US10137543B2; WO2014172260A3; CN105122117A; EP2987022B1; US20140304963A1; WO2014172260A2; CN105122117B; US20170057027A1; US9254538B2; KR20150143661A; KR102222390B1

Description

関連出願の説明

本出願は、その内容が引用されその全体が参照することにより本書に組み込まれる、２０１３年４月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／８１２３６４号の優先権の利益を米国特許法第１１９条の下で主張する、２０１３年８月６日に出願された米国特許出願第１３／９５９８０４号の優先権の利益を米国特許法第１２０条の下で主張するものである。

本発明は光学アセンブリに関し、特に、光学素子を一定の間隔に置く、位置合わせする、および保持するために、一緒に固定される、積層素子のアセンブリに関する。

多くの光学アセンブリ、特にリソグラフィ投影または半導体検査などの目的で使用されるものは、例えば高透過率、瞳の低不均一性、低いＲＭＳ波面誤差、および透過波面の低い非対称性など、光学性能に対して厳しい要件を有する。設計および公差の考察は、波面性能の要件を満たすのに重要な役割を果たす。例えば設計形状は、光学部品の製造に付随する予想される種類の誤差に対する感受性を低減するように選択され、また光学部品の公差は、製造上の変動がシステムレベルの性能に深刻に影響しないように設計感度に対して選択される。それにも拘わらず、適切に設計および製造された部品でさえ、そのアセンブリすなわち「組立て」が、全体の性能を低下させるさらなる波面誤差を生じさせることがある。例えば、ボルト締め、ねじ切り、または光学部品を一緒に留める他のものが、光学アセンブリの波面性能を低下させ得る機械的応力または歪みを光学部品に生じさせる可能性がある。

光学部品を、その取付けを通じて伝達される応力から隔離するために、様々な方法が用いられてきた。例えば、フレクシャー（flexure）またはセミキネマティック式のマウント法が、レンズホルダ（例えば「セル」）に採用された。これらの方法は、隣接するレンズホルダまたはスペーサを一緒に留めて一体のレンズアセンブリを形成することにより生成される応力または歪みから、レンズを隔離する。他の方法は、レンズ素子とホルダとの間に非常に柔軟な接着剤層を使用して、レンズアセンブリ内の光学素子の変形を低減する。

性能の測定に基づいて光学素子を調節する方法も用いられてきた。例えば、複数のレンズまたは複数のレンズ群を互いに対して回転させ、あるいは他のやり方で調節し、測定される性能を最適化した。さらに別の方法では「補正素子」が使用され、この「補正素子」は、これを用いずに完成させたレンズアセンブリで測定される波面誤差を相殺するように確定的に製造される。

本発明は、１以上の好適な実施形態において、適切に設計、公差設定、および製造された本書ではより一般に積層素子と称される光学部品ホルダまたはスペーサ間に生じ得る、応力または歪みを低減または制御することによって、光学アセンブリにおける誤差の発生源の低減を可能にするものである。他の積層素子の面と嵌合するよう意図されている種々の積層素子の面を、アセンブリの前に測定してもよく、さらにこの測定から低次表面誤差を抽出して、主要（すなわち最も高い振幅の）振動数を有する数学的近似として表現することができる。アセンブリの際に積層素子を配置するために、あるいはアセンブリの前に積層素子を事前配置するために、誤差測定を用いることができる。形成中の（growing）積層体における累積誤差を減少させ、かつ積層体内の光学部品ホルダの応力または歪みを回避するなどの目的で、アセンブリの前に行われる積層素子の個々の面の誤差測定と、アセンブリの際の露出した素子の面のその場測定とを組み合わせて使用してもよい。

測定した積層素子を、組合せとして、かつ共通のまたは調和した主要振動数（例えば、半径方向または角度方向の主要振動数）を有する実質的に相補的な低次表面誤差を含む嵌合積層面を並置する相対的な角度配向で、グループ化してもよい。積層素子のアセンブリ前またはアセンブリの際に、光学素子を光学部品ホルダ内にマウントしてもよく、またこの積層素子の組合せを、他の組合せ内で光学部品ホルダを歪ませることになる付随する応力または歪みを最小限にしながら、圧縮力によって一緒に留めることができる。光学部品ホルダにおける応力または歪みを低減することによって、光学部品ホルダとホルダで支持される光学素子（レンズなど）との間で伝達される応力または歪みが小さくなり、望ましい光学性能が得られる。

積層素子の表面誤差測定を、進行中の積層素子のアセンブリ（すなわち「組立て」）の際に行われるその場測定と組み合わせて使用してもよい。各積層素子または積層素子の群を一緒に固定するとき、中間積層素子（すなわち、ベースマウント素子または別の積層素子に、既に固定された積層素子）の露出積層面をその場測定してアセンブリ内の累積低次誤差を監視してもよく、これを、主要振動数を有する数学的近似で表すこともできる。その隣接する表面誤差が予め測定され得る次の（隣接する）積層素子を、累積誤差を低減するように中間積層素子に対して相対的に配向することができ、その結果、中間積層素子および次の積層素子の嵌合積層面は、他の場合に１以上の光学部品ホルダを歪ませることになる応力または歪みを最小限にしながら、圧縮力によって一緒に固定することができる。目標は、必ずしも積層素子自体の全ての応力および歪みを最小限にすることではなく、光学部品ホルダを歪ませて、それにより光学アセンブリの光学部品に伝達されることになる、応力または歪みを低減することである。

隣接する積層素子の面を予め測定し、アセンブリ前またはアセンブリの際に互いにペアリングしてもよい。実際に、個々の積層素子の機械的公差は、嵌合面間の測定された低次誤差が十分に相補的でありかつ全体の間隔公差および傾き公差が満たされている限りにおいて、緩めることができる。

従って、投影レンズなどの複合光学部品のアセンブリ前またはアセンブリの際に、積層素子の組合せ（選択肢がある場合）とその相対的配向を、複合光学部品のアセンブリに付随する応力または歪みを低減または制御するよう識別することができる。アセンブリの前に、積層素子の面を測定して、主要振動数などの低次表面誤差を識別することができる。隣接する積層素子および／またはその相対的配向を、嵌合積層面が共通のまたは調和した主要角振動数を有する実質的に相補的な低次表面誤差を含むように、選択することができる。累積した残留効果としてより高次の誤差が考えられ得るが、主要振動数は面の全体形状と望ましくない応力または歪みを付与する可能性とを最も特徴付けるものである。

積層素子は一般に、積層素子が支持する光学素子を通る光の透過のための開口を含み、主要角振動数は、この開口を一周するトレースに沿って積層面から突出するローブの数に対応し得る。

一致する数のまたは整数の複数のローブを有する嵌合積層面の最適な相対的配向は、πをローブの数で除したものに等しい角度増分での、開口の周りの同相での相対的変位として決定され得る。従って、相補的な表面形状を有する嵌合面を含む積層素子を、特にアセンブリ内の光学部品ホルダで生じる応力または歪みを小さくする相対的配向で、一緒に噛み合うようにすることができる。

異なる主要角振動数を有する嵌合積層面間で、表面間の違いを、すなわち残留する不一致を最小限にする相対的な角度配向によって、相補性の程度が低いものを利用することも可能である。この利用可能な解決策は理想的とは言えないであろうが、光学部品ホルダでの応力および歪みは、積層素子の嵌合面間に残留する不一致を最小限にすることができる組合せと相対的配向とによって、依然として低減することができる。

積層面を干渉法によって予め測定し、この干渉法による測定をフィルタリングして低次表面誤差の数学的近似を得ることが好ましい。数学的近似は、積層素子のデータ特性（例えば、基準マークまたは識別される特徴）を基準とした半径方向次数および角振動数を有する、正規直交多項式を含み得る。嵌合積層面の相補的な低次表面誤差は、共通のまたは調和した角振動数を有するのに加え、反対符号の共通のまたは調和した主要半径方向次数を有することが好ましい。

任意の残存している相補性のずれに関連する、嵌合積層面間の累積残留低次表面誤差は、中間積層素子の露出面から、アセンブリの前に評価することができるし、あるいはアセンブリの過程で測定することができる。嵌合積層面のペアリングを、あるペアリングの相補性のずれが１以上の他のペアリングの相補性のずれに相補的になるように、嵌合積層面の他のペアリングに対して配置して、他の場合に積層素子の組合せ内で光学部品ホルダを歪ませることになるペアリング間の応力または歪みの蓄積を回避することができる。

積層素子の面の表面高さ変動を測定するための斜入射干渉計を示した図中心光線の、プリズムの参照面から反射される参照光線と積層素子の面から反射される物体光線への分割を示した拡大図干渉計の拡散スクリーン上に形成された干渉縞の平面図積層素子の面の画像と共に現れた、干渉縞のグレースケール画像積層素子の面を特徴付けるために使用され得る、誇張した低次表面誤差の画像積層素子の面を特徴付けるために使用され得る、誇張した低次表面誤差の画像積層素子の面を特徴付けるために使用され得る、誇張した低次表面誤差の画像光学部品ホルダの形を成す個々の積層素子の斜視図光学部品ホルダの形を成す個々の積層素子の断面を示した切欠き斜視図４つの積層素子から成る少なくとも一部のアセンブリの斜視図４つの積層素子から成る少なくとも一部のアセンブリの断面を示した切欠き斜視図ある相対的回転位置にある、嵌合する積層素子の面の低次表面誤差の斜視図別の異なる相対的回転位置にある、嵌合する積層素子の面の低次表面誤差の斜視図であって、そのエラー表面間の相補性を促進する好適な相対的位置を示した図積層素子の面の事前測定と形成中の積層体の露出面のその場測定との両方を用いて光学アセンブリを組み立てるためのステップを表したフローチャート

図１に示されているように、斜入射干渉計１０は、積層素子１２の表面誤差、例えば平坦からのずれなどを測定するために使用され得る一例の計器である。レーザダイオードなどの光源１４が時間的にコヒーレントな光であるビーム１８を放射し、この光は集束レンズ１６によって最初に集束経路に向けられる。

回転拡散プレート２２を含むコヒーレンス調整器２０が、ビーム１８の狭くなった部分を遮って、ビーム１８の空間コヒーレンスを減少させる。回転拡散プレート２２はビーム１８を遮り、拡散プレート２２上のスポット２３を照射している光をランダムに散乱させる。スポット２３から散乱された光は、延在する光源を模したものとなり、そのサイズはビーム１８の空間コヒーレンスの程度に逆相関する。集束レンズ１６は、ビーム１８の空間コヒーレンスを調節するために照射スポット２３のサイズを変化させるよう、矢印２４の方向に可動である。

ビーム１８の拡大部分は、反射面２８と、矢印３２の方向の限定された角度範囲に亘って反射面２８を傾けるための旋回軸３０とを有する、傾斜機構２６を通って伝播する。同様の量のビームの傾きを、旋回する平行平面プレートでビーム１８を遮ることによって得ることができる。伝播しているビーム１８の法線から傾けられると、光は拡散プレート２２上の延在光源からずれた見掛けの発生源から、プレートを通って伝達される。

その焦点距離が拡散プレート２２から測定されるコリメーティングレンズ３４が、略垂直入射で三角プリズム４０の一側面３６に近づく名目上コリメートビーム１８へと拡大ビーム１８を変形させる。この側面３６は、ベース４２に対しておよそ４５°の角度で傾斜した、２つの等しい長さの側面３６および３８のうちの１つであることが好ましい。拡大されたが名目上コリメートビーム１８の残留発散が、ビーム１８の限定的空間コヒーレンスによって若干増加され、プリズム４０に近づくコリメートビーム１８の平均入射角度はビーム１８の傾きによって垂直から若干ずれ得る。

図２を参照すると、ビーム１８の中心光線４８はプリズム４０を通って伝播し、非垂直なグレージング角「α」を経てプリズム４０のベース面４２から参照ビーム光線５０として部分的に反射される。グレージング角「α」は、鏡面反射の範囲内の、反射面（プリズム４０のベース面４２）からの非垂直な傾きの角度として定義される。いわゆる「斜入射」の角度は、この「グレージング角」の余角である。斜入射で測定を行うと、反射性が増加し、非鏡面反射面を含めより広範囲の表面を干渉測定することができる。

光線４８の別の部分は、ベース面４２から屈折され、空気間隙６０を通った後、積層素子１２の２つの対向する両側面（すなわち、上面および下面）５６および５８のうちの第１の面５６から物体ビーム光線５２として反射される。参照ビーム光線５０および物体ビーム光線５２は、相対的にせん断変形されて、ただし名目上互いに平行に、プリズム面３８を通ってプリズム４０から出る。非垂直なグレージング角「α」は、全ての光線４８、５０、および５２が略垂直入射でプリズム４０に入る、あるいはプリズム４０から出て行くように、プリズム４０の底角の余角に少なくとも略等しいことが好ましい。

参照ビーム光線５０は、参照ビームを形成するようプリズム４０のベース面４２に沿った異なる点で同じグレージング角αを経て反射される、ビーム１８からのいくつかの光線のうちの１つである。物体ビーム光線５２は、物体ビームを形成するよう積層素子の面５６に沿った異なる点で反射される、ビーム１８からのいくつかの光線のうちの１つである。参照ビームおよび物体ビームが合わさって、研磨されたガラスまたはプラスチックから形成され得る拡散観察スクリーン７０上に干渉縞６４（例えば図３参照）を形成する。干渉縞６４は積層素子の面５６の平坦度に関する情報を含有する。

拡散をさらにランダム化するよう回転またはディザリングすることができる拡散観察スクリーン７０は、通常のズームレンズ７２（図１参照）が電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラなどの記録装置７４に画像を映し出すことができるように干渉縞６４の画像を固定する。他の画像形成光学部品および記録装置を使用して、スクリーン７０に現れる干渉縞６４から、またはプリズム４０のベース面４２などの他の位置で、同様の情報を取り込んでもよい。プロセッサ７６は、強度変動の大きさを表面の高さ変動の大きさに変換するために、記録装置７４によって取り込まれた情報を受け取る。

位相シフトまたは他の既知の技術を使用して、干渉縞６４から記録された強度データを、面５６に亘る高さ変動の大きさに変換することができる。参照ビームおよび物体ビームが通過する相対的光路長を変化させて、干渉縞６４の個々の点が、強め合う干渉および弱め合う干渉の各周期を繰り返すようにすることができ、その結果記録装置７４に取り込まれる個々の画素の強度を、干渉の周期内の位相値にスケーリングすることができる。例えば傾斜機構２６をプロセッサ７６で制御してグレージング角αを若干変化させ、参照ビームと物体ビームとの間の経路長差を変化させてもよい。

干渉の複数の周期をカバーする面５６に亘る位相の累積変動を測定することができるよう、位相接続技術を使用して、異なる干渉周期に同様に現れる位相間の不明確さを解消することができる。測定用ビーム１８の波長の一部としての位相の変動間の既知の関係性に基づいて、面５６に亘る表面高さの変動を計算することができる。

他の積層素子の対向する両側面の他、積層素子１２の反対の側面５８を同様に測定することができる。フィゾー型の斜入射干渉計、シャックハルトマン型の波面アナライザ、および白色光干渉計を含む他のタイプの干渉計を、機械的非鏡面反射面を有する積層素子の面を測定するために配置することもできる。複合干渉計を使用すると、対向する両側面を同時に測定することができ、また積層素子１２の厚さ変動に関する情報を入手することができる。

積層素子１２の面５６および５８に亘る高さ変動は、望ましい平坦度（または他の意図されている形状）からのずれとして処理することができ、高次の変動を除去して低次の表面誤差量を残すよう、フィルタリングすることができる。例えばフーリエまたはゼルニケのフィルタリング／分解を使用して、表面形状の全体の変動を表現する１以上の多項式に、高さ変動を変換することができる。ゼルニケ多項式は、測定された表面を近似するための次数の範囲を用いて、半径方向および方位角の項の組合せとして定式化され得る。半径方向次数は、積層素子１２の中心軸に関して対称である。方位角次数は、中心軸の周りでの角振動数に対応する。

従来のゼルニケ多項式の組は、中実の円形エリアでは直交するが、図示の積層素子１２の面５６および５８などの環形では必ずしもそうではない。しかしながら、どの積層素子も環形は概して同じサイズであるため、振幅は同じように歪み、かつ位相の関係性は維持されるので、非直交性の程度は問題にならないと考えられる。必要であれば、変更された直交するゼルニケのような組の多項式の組が、積層素子の面の形状に従って生成され得ることを、当業者は容易に認識するであろう。

フィルタリング／分解の変換では、相対的に重み付けされた多項式の項の和が表面の高さ変動を厳密に近似するよう、予め定義された多項式の項の範囲を、その夫々の相関を重み付けすることによってデータに合わせる。項の中でも、高さ測定と最も厳密に相関していると重み付けされる方位角次数は、測定された表面の主要角振動数として見なされ得る。

図４は、面８２の高さ測定寸法を示すようグレースケールで色分けした、積層素子８０を描いている。図５Ａ〜５Ｃは、分解された表面形状を平坦からのずれとして強調するように大きく誇張した、面８２などの測定表面の、分解されたフーリエまたはゼルニケの多項式の形状の変換の３つの例を描いたものである。特に図５Ａは、２つの角振動数を有する、２次の方位角項により数学的に定義されるような環状の２ローブ型エラー表面を描いている。図５Ｂは、３つの角振動数を有する、３次の方位角項によって数学的に定義されるような環状の３ローブ型エラー表面を描いている。従って主要角振動数は、開口を一周するトレースに沿って積層面から突出する、ローブの数に対応する。図５Ｃは、テーパの方向を表す符号を有する偶数次の半径方向の項によって定義されるような、半径方向にテーパを有する環状表面を描いている。積層素子のアセンブリに関連するグループ化の制限および相対的配向の可能性を活用するために、例えば積層素子８０などの面８２などを、測定時に、その主要な方位角次数の項および半径方向次数の項、すなわち分解された方位角次数の項および半径方向次数の項の中で最も高い重み付けを有する方位角次数および半径方向次数によって、特徴付けする。主要角振動数として参照される主要方位角次数の項を、誇張したエラー表面のローブの数で可視化することができる。主要角振動数は、その基礎となる方位角次数の項と同様に、積層素子８０の基準マーク８４を基準とし得る積層素子の測定された配向に関連して位相を含む。従って測定は、積層素子の軸の周りのローブの数だけではなく、基準マークに対する軸の周りのローブの位置も決定する。

図６Ａおよび６Ｂは、積層素子８６を光学アセンブリの他の積層素子と共にアセンブリするための対向する両側面９０および９２を含む、レンズ８７を保持するレンズホルダの形をした積層素子８６を描いている。積層素子８６は、レンズ８７の外縁を支持するための、中心開口を包囲する台座リング９４を含む。レンズ８７を台座リング９４に固定するために、接着剤を使用してもよい。いくつかの貫通孔９６は、積層素子８６を他の積層素子と共にボルト留めすることを可能にし、また他の孔９８は、積層素子をピンなどと一時的に位置合わせするのを可能にする。任意の１つの孔９６または９８あるいは積層素子８６の他の特徴を、面９０および９２の測定された低次表面誤差を参照するための基準マークとして使用してもよい。

図７Ａおよび７Ｂに、積層素子８６と共に積層素子１０２、１０４、および１０６を含む、光学アセンブリ１００が図示されている。光学アセンブリ１００は、光学アセンブリ全体を表し得るし、あるいは、追加の積層素子を含むと意図される、より大きい光学アセンブリのサブアセンブリを表し得る。積層素子１０２はスペーサであり、また積層素子８６、１０４、および１０６は、夫々レンズ８７、１０５、および１０７を保持するレンズホルダである。積層素子８６、１０２、１０４、および１０６は、レンズ８７、１０５、および１０７を一定の間隔に置いて、かつ共通の光軸に沿って位置合わせすることを可能にする。

積層素子１０２、１０４、および１０６の対向する両側面と共に積層素子８６の対向する両側面９０および９２を測定することによって得られた情報を、アセンブリ（すなわち「組立て」）の際に使用して、光学アセンブリ１００における応力または歪みを低減することができる。光学アセンブリ１００を完成させるための積層素子８６、１０２、１０４、および１０６の、例えば９０および９２などの一方または両方の面の他、アセンブリ１００内に置き換えられ得る追加の積層素子の一方または両方の面の測定が行われ得る。積層素子８６、１０２、１０４、および１０６の例えば９０および９２などの両面測定を単独で使用し、アセンブリの前に積層素子８６、１０２、１０４、および１０６の望ましい配置を決定することによって、アセンブリ１００の組立てを最適化することができる。あるいは、アセンブリの際に行われるその場測定を、個々の積層素子８６、１０２、１０４、および１０６に関して行われる測定と組み合わせて、アセンブリの際に積層素子８６、１０２、１０４、および１０６の望ましい配置を決定してもよい。

例えば、予め定義された光学アセンブリ１００用の積層素子８６、１０２、１０４、および１０６の、例えば９０および９２などの対向する両側面を個々に測定して、９０および９２などの各面の主要角振動数と符号付き半径方向次数を決定するための低次表面誤差が抽出され得る。予め定義された光学アセンブリ１００に必要な１以上の積層素子８６、１０２、１０４、および１０６の代用品になり得る追加の積層素子を、同様に測定してもよい。

積層素子８６、１０２、１０４、および１０６は、光学アセンブリ１００で規定されたように順序付けられ、隣接する積層素子の嵌合面の低次誤差が比較される。積層素子８６、１０２、１０４、および１０６を互いに相対的に回転させて、特に光学部品ホルダとして機能する積層素子８６、１０４、および１０６に対し低次誤差の蓄積を最小限にする。例えば、嵌合積層面の主要角振動数が一致しているまたは調和した関係にある場合、隣接する積層素子を実質的に相補的な形で低次表面誤差を並置するように相対的に配向することが好ましい。すなわち、嵌合積層面間の低次表面誤差の二乗平均平方根は、嵌合積層面のいずれか単独の低次表面誤差の二乗平均平方根よりも小さくなる。

図８Ａおよび８Ｂは、共通軸１３０の周りで２つの主要角振動数を有している低次表面誤差の、２つの考えられる相対的配向を示している。両方の図の上方表面１１０は、上方積層素子の嵌合底面の低次表面誤差を表し、また両方の図の下方表面１２０は、下方積層素子の嵌合上面の低次表面誤差を表している。上方表面１１０のローブ１１２および１１４は下向きに突出し、また上方表面１１０のトラフ１１６および１１８は上向きに突出し、この両方は上方積層素子の底面に関連して参照される。逆に、下方表面１２０のローブ１２２および１２４は上向きに突出し、また下方表面１２０のトラフ１２６および１２８は下向きに突出し、この両方は下方積層素子の上面に関連して参照される。図８Ａにおいて、上方表面１１０のローブ１１２および１１４は、下方表面１２０のローブ１２２および１２４に回転位置合わせされており、この配置は上方および下方の積層素子の相対的な歪みに資する、ローブペアリング１１２、１２２および１１４、１２４の間の接触応力を生み出すことになる。対照的に、図８Ｂの上方表面１１０のローブ１１２および１１４は、下方表面１２０のトラフ１２６および１２８に位置合わせされており、かつ図８Ｂの上方表面１１０のトラフ１１６および１１８は下方表面１２０のローブ１２２および１２４に位置合わせされている。従って図８Ａに対し、πを各表面１１０および１２０のローブの数で除した、この事例では９０°に相当する角度だけ、上方表面１１０のローブ１１２および１１４を下方表面のローブ１２２および１２４に関して軸１３０の周りで相対的に回転させる。図８Ｂにおける上方および下方の積層素子の望ましい相対的配向によって、上方および下方の積層素子を、与えられる応力を最小限にして一緒に固定することができる。

嵌合積層面間の類似した相対的配向は、類似したまたは調和した主要振動数を有する嵌合積層表面で、局所的な接触応力を防ぐように、測定された嵌合表面のローブを相対的に回転してずらすことによって達成され得る。嵌合積層表面が類似したまたは調和した主要振動数を有していない場合でも、隣接する積層素子間の相対的回転によって接触応力を減少させることが見出され得る。可能な場合には、他の測定された積層素子をアセンブリ内で置き換えて、より相補的な形で配向され得る嵌合表面を提供することができる。例えば予め穿設されたボルト孔を通じて固定するために、各積層素子が限られた数の様々な相対回転位置を有する場合には、接触応力を最小にするために様々な相対回転位置間で最高の選択が成される。

高い接触応力は概して回避されるが、光学部品ホルダとして機能する積層素子を変形させ得る接触応力の回避が優先される。これに関して、アセンブリにおける累積誤差も考慮され得る。例えば、嵌合積層表面間の相補性からのいずれのずれも差分面（difference surface）として計算することができ、これらの差分面を合計して、意図されているアセンブリ全体を通じた累積誤差を追うことができる。全ての嵌合積層表面のエラー表面間の相補性を最適化する代わりに、相補性からのずれをいくつか意図的に与えて、このずれが与えられなければアセンブリ内の光学部品ホルダを歪ませ得る累積誤差を弱めることができる。

差分面自体を、低次誤差に関して同様に特徴付けることができる。例えば、嵌合表面間で対応する点の正規化された高さ測定を比較して、差分の測定を低次誤差にフィルタリング／分解してもよいし、または各嵌合表面の低次誤差を直接比較して差分面を定義してもよい。少なくとも累積差分面は、他の嵌合表面の不一致の累積を低減することを目的とする嵌合表面の主要角振動数と比較するために、その主要角振動数で特徴付けることが好ましい。

積層面を特徴付ける低次誤差の主要角振動数の計算に加え、低次誤差の符号付き半径方向次数も考慮され得る。異なる半径方向次数の誤差は応力線をいくつか生じさせ得るが、同じ符号の共通する半径方向次数は、方位角次数の誤差と組み合わさって、さらに高い応力線または応力の増強点を生じさせ得る。例えば同じ符号の２つの半径方向のテーパは、そのテーパの大きさの２倍の差分面の生成に資することになる。しかしながら反対符号の２つの半径方向のテーパは、任意の差分の相殺に資することになる。従って可能であれば、低次誤差表面の半径方向次数が反対符号を有するように、積層素子を選択または配置する。半径方向次数の誤差の累積効果も、積層素子を選択または配置するときに光学部品ホルダに過剰に応力を加えることを防ぐために考慮され得る。

従って、光学アセンブリを形成するために一緒に固定され得る積層素子の事前の配置用に、予め測定された積層面の低次表面誤差を使用することができる。選択された積層素子の、望ましい回転配向をマークすることができ、光学部品ホルダ内にマウントされた光学部品および積層素子を、積層素子のマークされた回転配向に従って光学アセンブリに組み立てることができる。

あるいは、互いの上にマウントするよう意図されている各積層素子の底面など、各積層素子の少なくとも１つの面を測定してもよく、かつ形成中のアセンブリの露出面として各積層素子の上面のその場測定を行ってもよい。アセンブリの際に、光プローブまたは機械的プローブを備えた座標計測機などの測定器や、あるいは干渉計でさえ単一の表面測定のために使用して、ベース積層素子の露出上面をその場測定することができる。露出積層面において明らかな低次表面誤差の少なくとも主要角振動数を、ベース積層素子の回転基準に対して判定することが好ましい。主要角振動数が基準を参照して同じく判定されている第１の隣接積層素子の、底面の事前測定に基づき、嵌合面の低次表面誤差が、誤差の性質と相対的配向の選択肢とによって認められ得るような、実質的相補的になるように、第１の隣接積層素子をベース積層素子に対して相対的に配向することができる。所定位置で固定されたベース積層素子および第１の隣接積層素子で、第１の隣接積層素子の露出上面を同様にその場測定してもよく、さらに第２の隣接積層素子の予め測定された底面を同じ基準に従って相対的に配置してもよい。追加の積層素子が代用品として利用可能である場合には、露出積層面の低次表面誤差に最も相補的な隣接積層素子を、利用可能な代用品の中から選択してもよい。一般に光学部品は、積層素子を一緒に固定する前に積層素子にマウントされる。

レンズホルダに影響を与える累積誤差をさらに低減するために、形成中のアセンブリにおける積層素子の露出上面のその場測定された低次表面誤差と隣接積層素子の底面の予め測定された低次表面誤差との間の差分面を、相補性を促進するように（差分面の大きさ全体の減少として現れる）相対的に回転させるときに計算してもよい。差分面は、隣接する積層素子の回転配向によって最小となるが、これらの差分面を累積誤差の目安として合計してもよい。アセンブリ形成中の積層素子の上面および底面間の相補性の問題を考慮するのに加え、光学アセンブリ全体を通して応力または歪みを伝達し得る測定された累積誤差を低減するために、嵌合面間のより低い相補性を受け入れるための準備をすることができる。例えば、ある嵌合積層面のペアリングの相補性のずれが、別の嵌合積層面のペアリングの相補性のずれに対して少なくとも部分的に相補的になるようにして、ペアリング間の応力または歪みの蓄積を回避することができる。

図９のフローチャートは、積層素子の事前測定と形成中のアセンブリのその場測定結果との両方を利用して光学アセンブリを組み立てるための基本ステップを示している。ステップ１４０は、複数の積層素子の、面を予め測定する。その測定を、積層面の全体形状を特徴付ける低次表面誤差へとフィルタリングおよび分解する。ステップ１４２は、光学アセンブリの要件を満たすよう、利用可能な積層素子の中で選択を行う。ステップ１４２において、選択は該当する積層素子の中で無作為なものと考えられるが、積層素子の対向する両側面の低次表面誤差の事前測定に基づいて、利用可能な積層素子の中から最適な積層素子の組合せを選択することも可能である。ステップ１４４は、積層素子の光学部品ホルダ内に光学部品をマウントする。ステップ１４６は、積層素子のサブアセンブリ（すなわち、形成中のアセンブリ）内で、積層素子の露出面のその場測定を行うサイクルを開始する。このその場測定を、露出積層面の全体形状を特徴付ける低次表面誤差へと同様にフィルタリングおよび分解する。ステップ１４８は、次に隣接する積層素子の嵌合面の事前測定結果を検索する。ステップ１５０は、嵌合面の低次表面誤差が相補性に近づく隣接する積層素子の相対的配向を、利用可能な選択肢から決定する。ただし、形成中のアセンブリにおける累積誤差を回避するために、嵌合積層表面の他のアセンブルペアリング間の、残留している相補性のずれがさらに考慮され得る。ステップ１５２は、次に隣接する積層素子を決定されたようにマウントし、さらにステップ１４６の手順に戻ってさらなる隣接積層素子を配向およびマウントし、所望の光学アセンブリを完成させる。

本発明は、光学アセンブリの応力または歪みを低減するために積層素子の低次表面誤差の測定を利用する、本発明の全教示に従う様々な他の手法で実施することができる。

１２、８０、８６、１０２、１０４、１０６積層素子
５６、５８、８２、９０、９２側面
１００光学アセンブリ
１１２、１１４、１２２、１２４ローブ

Claims

光学素子を、一定の間隔に置く、位置合わせする、および保持するための、複数の積層素子を含む複合光学部品をアセンブルする方法であって、
光学部品ホルダを含む前記複数の積層素子の、積層面を測定するステップ、
前記積層面の前記測定から主要角振動数を有する数学的近似によって表され得る、低次表面誤差を前記測定から抽出するステップ、
前記積層面どうしを嵌合させた嵌合積層面における、当該積層面の前記低次表面誤差間の相補性を高める相対的配向で、前記光学部品ホルダを含む前記積層素子を相対的に位置付けるステップ、および、
前記相対的配向の前記積層素子の組合せを一緒に固定して、他の相対的配向で前記光学部品ホルダを歪ませることになる応力または歪みを制御するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
前記積層素子が開口を含み、かつ前記主要角振動数が、前記開口を一周するトレースに沿って前記低次表面誤差が示す、前記積層面から突出しているローブの数に対応し、さらに前記嵌合積層面が、前記開口の周りでπをローブの数で除した分だけ同相で相対的に変位される、一致する数のローブを有していることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記低次表面誤差が、主要半径方向次数を有し、かつ前記嵌合積層面において相補的な関係にある前記低次表面誤差どうしが、互いに反対符号の共通の主要半径方向次数を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
任意の残存している相補性のずれに関連する、前記嵌合積層面間の残留している低次表面誤差を判定するステップ、および、
前記嵌合積層面のペアリングを、あるペアリングの前記相補性のずれが別のペアリングの前記相補性のずれに相補的になるように、前記嵌合積層面の他のペアリングに対して配置して、他の場合に前記積層素子の組合せ内で前記光学部品ホルダを歪ませることになる、前記ペアリング間の応力または歪みの蓄積を回避するステップ、
を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
他の積層素子に固定された中間積層素子の露出積層面を測定して、主要角振動数を有する数学的近似によって表され得る累積低次誤差を測定するステップ、および、
追加の積層素子と前記中間積層素子との嵌合積層面が、共通の主要角振動数を含む相補的な低次表面誤差を有するように、前記他の積層素子に固定された前記中間積層素子に対して前記追加の積層素子を相対的に配向するステップ、
を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記測定するステップが前記積層面を測定するステップを含み、かつ前記抽出するステップが、前記測定をフィルタリングして、前記主要角振動数を有する数学的近似によって表され得る前記低次表面誤差の測定を得るステップを含み、さらに、前記嵌合積層面間の前記低次表面誤差の二乗平均平方根が、前記嵌合積層面のいずれかの前記低次表面誤差の二乗平均平方根よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の方法。
光学素子を、一定の間隔に置く、位置合わせする、および保持するための、複数の積層素子を含む複合光学部品をアセンブルする方法であって、
サブアセンブリの積層素子に固定された中間積層素子の露出積層面を、該露出積層面の累積低次誤差を測定するように測定するステップ、
前記中間積層素子および前記サブアセンブリの積層素子とは別の積層素子であって、前記中間積層素子と隣接して配置される隣接積層素子の側面を、該側面の低次誤差を測定するように測定するステップ、
嵌合する前記中間積層素子の前記露出積層面と前記隣接積層素子の前記側面とが相補的な低次表面誤差を有するように、前記サブアセンブリの前記中間積層素子に対して前記隣接積層素子を相対的に配向するステップ、および、
前記相対的に配向された前記隣接積層素子を、前記サブアセンブリの前記中間積層素子に固定するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
前記隣接積層素子を前記サブアセンブリに、所与の数の異なる角度位置で固定することができ、前記隣接積層素子が光学部品ホルダであり、さらに、前記隣接積層素子を相対的に配向する前記ステップが、嵌合する前記露出積層面と前記側面との前記低次表面誤差が最も相補的になる前記異なる角度位置を選択するステップを含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
光学素子を、一定の間隔に置く、位置合わせする、および保持するための、複数の積層素子を含む複合光学部品をアセンブルする方法であって、
光学部品ホルダを含む前記複数の積層素子の、対向する側の積層面を測定するステップ、
前記積層面夫々の前記測定から主要角振動数を有する数学的近似によって表され得る、低次表面誤差を前記測定から抽出するステップ、
前記光学部品ホルダを含む前記積層素子をグループ化するステップであって、当該積層素子の積層面どうしが、組合せとして、かつ互いに相補的な前記低次表面誤差を有して嵌合するよう並置する相対的位置で、グループ化するステップ、および、
前記グループ化による相対的に配向された前記積層素子の前記組合せを一緒に固定して光学アセンブリとし、他の組合せで前記光学部品ホルダを歪ませることになる応力または歪みを最小限にするステップ、
を含むことを特徴とする方法。
前記測定するステップが、前記光学アセンブリをアセンブルするのに必要な数より多くの前記積層素子を測定するステップを含み、かつ前記グループ化するステップが、前記積層素子の前記積層面どうしを嵌合したときに、より相補的になる組合せを実現するように、前記積層素子の中から前記光学アセンブリ内に含むものを選択するステップを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。