JP6788497B2 - 計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、レンズその他の光学素子等の被検体に光を照射して、該被検体からの光をセンサにより計測する計測装置に関する。

レンズやミラー等の光学素子の面形状、反射波面および透過波面を計測する計測装置は、様々な曲率の曲面形状や大収差を有する波面の計測が行えることが望ましい。非特許文献１には、フィゾー干渉計を用いた面形状の計測装置が開示されている。フィゾー干渉計は、被検面の曲率と被検面に照射される光の波面の曲率とが同じ（言い換えれば、被検面の曲率中心と照射波面の集光位置とが同じ）または近い状態で計測を行う。この計測装置を用いて曲率が異なる面形状を計測する場合には、照射波面と被検面の曲率が互いに一致するように被検物を移動させる。

また、特許文献１には、ダイナミックレンジが大きいシャックハルトマンセンサを用いた被検光学系の透過波面を計測する計測装置が開示されている。この計測装置では、被検光学系を透過した波面の集光位置にコリメータレンズの焦点を合わせる。この構成により、被検光学系からの透過波面から曲率成分が除去され、平行光をセンサに入射させることができる。被検物が変わって透過波面の曲率成分（集光位置）が変化した場合には、被検物（またはコリメートレンズ）を移動させて透過波面の集光位置とコリメータレンズの焦点位置とを一致させることで、平行光をセンサに入射させる。

これらの計測装置のように、被検物の反射波面や透過波面の計測において、パワーが異なる被検物を計測する場合は、該計測装置の光学系（計測光学系）に入射する波面の曲率が変化しないように、被検物を移動させる。これにより、センサに入射する波面の曲率が一定値となり、計測光学系により波面がけられたり、センサへの入射波面がセンサのダイナミックレンジを超えたりすることがなくなる。

また、特許文献２には、大収差波面を発生させる非球面レンズの面形状を干渉方式によって計測する装置が開示されている。この装置では、被検物からの反射光が照射光と近い光路を通過するように、計測光学系の瞳に非球面プレートを設け、収差を有する波面を被検物に照射する。非球面プレートは被検物ごとに用意されるため、被検物が変わっても計測光学系やセンサに入射する波面は変化せず、様々な被検物の計測において被検物からの反射波面が計測光学系によりけられたりセンサのダイナミックレンジを超えたりすることがない。

特開２００５−０９８９３３号公報 特開２００３−０４２７３１号公報

ダニエル・マラカーラ（Ｄａｎｉｅｌ Ｍａｌａｃａｒａ）、「オプティカル・ショップ・テスティング（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｈｏｐ Ｔｅｓｔｉｎｇ）」、２９項―３０項、図１．３０，図１．３１

非特許文献１や特許文献１にて開示された計測装置により収差量が大きい波面を計測する場合には、以下の課題がある。波面の収差量が大きくなると、波面がセンサまで伝播する間に波面を構成する光線が重なり合う。このように光線が重なり合った波面をセンサで計測しても、被検物上の異なる位置からの光がセンサ上の同一点に集光するため、センサへの入射光線から被検面上の位置を特定することができない。また、波面の収差量が大きい、つまりは波面が球面（曲率成分）から大きく乖離していると、無収差の波面と比較して光路が大きく異なるため、計測光学系において波面がけられる。さらに、センサに向かう光束の径や光線の角度が、該センサの許容値を超える。

これらの課題は、非特許文献１と特許文献１にて開示された計測装置において波面の曲率成分の符号が異なる大収差波面を計測する場合により顕著に現れる。具体的には、非特許文献１にて開示された計測装置により凸被検面を計測する場合には被検面を照射光の集光位置を超えない位置に配置し、凹被検面を計測する場合は被検面を照射光の集光位置を超えた位置に配置する。このため、被検物のパワー、つまりは被検物からの反射波面や透過波面の曲率成分の符号が異なると、波面のセンサまでの伝搬距離が大きく異なる。この伝搬距離が大きく異なると、同じ収差量の波面を伝搬させても光線の重なりや広がりが異なり、光線がセンサ上で重なり合ったり光学系によりけられたりして、被検物の透過波面や反射波面を検出することができなくなる。

一方、特許文献２では、非球面プレートを使用することで計測光学系やセンサに入射する被検物からの反射波面から収差成分を取り除くことで上記課題を解消するが、被検物ごとに非球面プレートを用意する必要があるため、汎用性に欠ける。

本発明は、大収差波面の計測が可能であり、さらに様々なパワーを有する被検物を簡易に計測することができる計測装置を提供する。

本発明の一側面としての計測装置は、光源からの光が照射された被検物からの光を結像させる結像光学系と、結像光学系からの光を計測するためのセンサとを有し、結像光学系は、該結像光学系の全系のパワーを変化させる第１の光学系と、正の第２のパワーを有する第２の光学系とを有する。第１の光学系は、センサと第２の光学系との間に配置され、結像光学系のパワーを正と負に反転させることが可能な光学系である。センサを物体とする場合に、結像光学系の前側主点がセンサを挟んで第１の光学系とは反対側に位置するときは結像光学系のパワーが負であり、該前側主点がセンサを挟んで第１の光学系と同じ側に位置するときは結像光学系のパワーが正であることを特徴とする。

本発明によれば、大収差波面を計測が可能であり、様々なパワーを有する被検物を簡易に計測することが可能な計測装置を実現することができる。

本発明の実施例である計測装置における大収差波面を計測する場合の構成を示す図。 実施例の計測装置における凸面と凹面を計測する場合の光学系の近軸量を示す図。 結像光学系のパワーと結像倍率との関係を示す図。 パワーが異なる被検面を計測する場合の光学系の構成を示す図。 実施例１における計測光学系の断面図 センサにより計測した角度から形状を計算する処理を示すフローチャート。 実施例２における計測光学系の構成を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１である面形状計測装置の構成を示している。本実施例の計測装置は、被検物からの反射波面を計測し、その計測データから被検物の面形状を算出する。

光源１からの光は、集光レンズ２によって集光されてピンホール３に入射する。ピンホール３から出射した光はハーフミラー９に入射する。ハーフミラー９で反射された光は、光学系（第２の光学系）５を通過することで集光位置６に向かって集光（収斂）する球面波４となって被検物７に照射される。被検物７に照射されて被検物７で反射した光（光線１１，１２，１３）は、再び光学系５を通過することで集光されてハーフミラー９を透過し、光学系（第１の光学系）１４により集光されてＣＣＤ等を用いて構成されたセンサ８により受光される。センサ８は、受光した光の波面（被検物７からの反射波面）に応じた信号を出力する。

計測部（計測手段）２６は、パーソナルコンピュータ等により構成され、センサ８からの出力信号を用いてセンサ８が受光した反射波面を形成する光線の角度分布を算出し、該角度分布から被検物７の面形状を算出（計測）する。本実施例では、センサ８をダイナミックレンジが大きいシャックハルトマンセンサとしている。

被検物７で反射された光線１１，１２，１３が形成する波面を、センサ８によって計測するための構成について説明する。被検物７は、被検面としての非球面を有する。このため、被検物７に球面波を照射すると、反射光には被検物７が有する非球面成分が付与されるため、大収差を有する波面となる。この大収差波面を構成する光線の一部が光線１１，１２，１３である。光線１１，１２は互いに交差している。このような波面では、センサ８上において、被検物７で反射した光線同士が重なり合うことがある。

被検物７で反射した光線をセンサ８上で重なり合わせずに計測する条件について以下に説明する。まず、図１に示すように、被検物７で反射した光線は、光学系５、ハーフミラー９および光学系１４により構成される計測光学系１５を透過してセンサ８に入射する。本実施例では、計測光学系１５を、センサ８の受光面を物体面とする結像光学系とする。計測光学系１５は、センサ８の共役面（以下、センサ共役面という）１０を、被検物上７の異なる２点で反射した光線が互いに交わる位置よりも被検物側に形成する。このような計測光学系１５により、被検物７からの反射光の波面（以下、反射波面という）はセンサ共役面１０上で光線の重なり合いが生じない波面となる。つまり、計測光学系１５によってセンサ８上に結像される波面における光線の重なり合いが生じない。以下の説明において、被検物７（被検面）をセンサ共役面１０の近傍に配置するとは、この条件が満たされる位置に被検物７を配置することをいう。

大収差波面を計測する際のもう１つの課題は、無収差の波面を計測する際と比較して、計測光学系を通過する光路やセンサへの入射波面が大きく変化することである。この結果、波面が計測光学系でけられる（つまり口径食が生じる）。また、センサに向かう光束の径や光線の角度がセンサの受光可能な許容値を超える。

この課題を解決する条件について、図１に示した光線１３を例に挙げて説明する。条件とは、光線１３がセンサ共役面１０を通過する点において、該光線１３の角度が計測光学系１５の下側周辺光線１６と上側周辺光線１７の角度内（像側ＮＡ内）入るというものである。大収差波面を計測するには、被検物７からの全ての反射光線についてこの条件が成り立つことが必要である。

このため、本実施例では、計測光学系１５の射出瞳位置１８を、被検物７で反射した全ての光線の角度がセンサ共役面１０を通過する点において計測光学系１５の上側および下側周辺光線の角度内に入る位置に設定している。言い換えると、計測光学系１５の射出瞳位置１８を、照明光の集光位置６の近傍に配置している。被検物７からの全ての反射光線がこの条件を満たすことで、被検物７からの反射波面が計測光学系１５でけられることはない。

被検物７に照射される波面（以下、照射波面という）の曲率は、被検物７の被検面の曲率とほぼ等しく、このため照明光の集光位置６と反射波面の曲率中心とが互いにほぼ一致している。したがって、被検物７からの反射波面が計測光学系１５でけられない条件は、計測光学系１５の射出瞳位置１８を該反射波面の曲率中心の近傍に配置することであると言い換えることができる。

また、センサ８に入射する光線の全てを計測するために、計測光学系１５の最大物体高をセンサ８（受光面）の大きさ以下としている。したがって、計測光学系１５の倍率を、被検物７の計測領域の半径を最大物体高で除して得られる値以下に設定している。

さらに、計測光学系１５をセンサ側においてテレセントリックな光学系とし、その開口数をセンサ８が計測可能な光線の最大角度の正弦としている。このような構成とすることで、計測光学系１５の瞳端を通過する光線が、計測可能な最大角度でセンサ８に入射する。したがって、計測光学系１５を通過する光線の全てがセンサ８により計測することができ、センサ８のダイナミックレンジに対応した計測光学系１５を実現することができる。

以上、大収差波面を計測するための計測光学系１５（を含む計測装置）の条件について説明した。次に、パワーの符号が互いに異なる被検面をそれぞれ計測するときの計測光学系１５の構成ついて、図２を用いて説明する。

上述したように、被検面からの反射波面を構成する光線がセンサ８上で重なり合わない条件は、センサ共役面１０を被検面の近傍に配置することである。また、反射波面が計測光学系１５でけられない条件は、計測光学系１５の射出瞳位置１８を反射波面の曲率中心の近傍に配置することである。したがって、パワーの符号が互いに異なる被検面をそれぞれ計測するためには、センサ共役面１０と射出瞳位置１８間の距離を大きく変化させる必要がある。

図２（ａ）は、パワーが正である被検面（凸面）１９からの反射波面を計測するときの計測光学系１５の近軸配置を示す。図２（ｂ）は、パワーが負である被検面（凹面）２０からの反射波面を計測するときの計測光学系１５′の近軸配置を示す。以下、センサ８を物体とし、被検面を像面として、光線をセンサ側から逆トレースしながら説明する。

図２（ａ）においては、光学系５のパワー（第２のパワー）をΦ２とし、光学系１４のパワーをΦ１としている。また、センサ８から光学系１４の主点位置までの距離をｄ１とし、光学系１４と光学系５の主点間の距離である主点間隔をｄ２としている。さらに、センサ８から計測光学系１５の前側主点位置（物体側主点位置）２１までの距離をｄとしている。一方、図２（ｂ）においては、光学系５′のパワーをΦ２′とし、光学系１４′のパワーをΦ１′とし、センサ８から光学系１４′の主点位置までの距離をｄ１′とし、光学系１４′と光学系５′の主点間隔をｄ２′としている。さらに、センサ８から計測光学系１５′の前側主点位置２３までの距離をｄ′としている。

図２（ａ）において、前述したように計測光学系１５はセンサ側においてテレセントリックな光学系であるため、センサ側主光線（実線で示す）は光学系１４によって曲げられ、光学系１４から距離１／Φ１の点で計測光学系１５の光軸と交わる。凸面である被検面１９を計測するためには、射出瞳位置１８を反射波面の曲率中心の近傍に配置する、言い換えれば計測光学系１５の主光線と被検面１９の法線とをほぼ一致させる必要がある。したがって、主光線に対する光学系５の物体距離ｄ２＋１／Φ１が−１／Φ２より小さくなる近軸配置が選択される。この結果、被検面１９に対して主光線が収斂して入射し、計測光学系１５の主光線と被検面１９の法線とをほぼ一致させることができる。

計測光学系１５の後側主点位置（像側主点位置）２２は、センサ側の主光線を平行のまま延長した線と射出瞳位置１８を通過する主光線を延長した線とが交わる位置であるため、射出瞳位置１８より計測光学系１５から離れた位置に存在する。このため、計測光学系１５の全系の合成パワー（第１のパワー：以下、全系パワーという）をΦとするとき、センサ側から入射した平行光線は発散光線となって被検面側に出射するため、Φは負となる。

また、計測光学系１５の前側主点位置２１は、像側主点位置２２を通過する周辺光線を近軸光線追跡することで算出されたセンサ側の周辺光線を延長した線が光軸と交わる位置である。このため、結像関係を保つために、前側主点位置２１をセンサ８よりも計測光学系１５から離れた位置に設定する。すなわち、ｄ＞０とする。

以上説明した凸面である被検面１９からの反射波面を計測するために満足すべき近軸量の条件をまとめると以下のようになる。
Φ≦０ （１）
ｄ２＋１／Φ１＜−１／Φ２ （２）
さらに、計測光学系１５の後側主点位置２２が射出瞳位置１８よりも計測光学系１５から離れた位置にあり、前側主点位置２１はセンサ８よりも計測光学系１５から離れた位置（ｄ＞０）という条件を満足する必要がある。

一方、図２（ｂ）においても、計測光学系１５′はセンサ側においてテレセントリックな光学系であるため、センサ側主光線（実線で示す）は光学系１４′によって曲げられ、光学系１４′から距離１／Φ１′の点で計測光学系１５′の光軸と交わる。凹面である被検面２０を計測するために、計測光学系１５′の主光線と被検面２０の法線とをほぼ一致させる必要がある。したがって、主光線に対する光学系５′の物体距離ｄ２′＋１／Φ１′が−１／Φ２′より大きくなる近軸配置が選択される。この結果、被検面２０に対して主光線が発散して入射し、計測光学系１５′の主光線と被検面２０の法線とをほぼ一致させることができる。

計測光学系１５′の後側主点位置２４は、センサ側の主光線を平行のまま延長した線と射出瞳位置２８を通過する主光線を延長した線とが交わる位置であるため、射出瞳位置２８より計測光学系１５′に近い位置に存在する。このため、計測光学系１５′の全系パワー（第１のパワー）をΦ′とするとき、センサ側から入射した平行光線は収斂光線となって被検面側に出射するため、Φ′は正となる。

また、計測光学系１５′の前側主点位置２３は、像側主点位置２４を通過する周辺光線を近軸光線追跡することで算出されたセンサ側の周辺光線を延長した線が光軸と交わる位置である。このため、結像関係を保つために、前側主点位置２３をセンサ８よりも計測光学系１５′に近い位置に設定する。すなわち、ｄ′＜０とする。
以上説明した凹面である被検面２０からの反射波面を計測するために満足すべき近軸量の条件をまとめると以下のようになる。
Φ′≧０ （３）
ｄ２′＋１／Φ１′＞−１／Φ２′ （４）
さらに、後側主点位置２４は射出瞳位置２８よりセンサ８に近い位置、前側主点位置２３はセンサ８より被検物７に近い位置（ｄ′＜０）という条件を満足する必要がある。

さらに、計測光学系１５′の後側主点位置２４が射出瞳位置２８よりも計測光学系１５′に近い位置にあり、前側主点位置２３はセンサ８よりも計測光学系１５′に近い位置（ｄ′＜０）という条件を満たす必要がある。

そして、上述した凸面と凹面である被検面をそれぞれ計測するための近軸量の条件から以下のことが言える。計測光学系（１５，１５′）の全系パワー（Φ，Φ′）とセンサ８から計測光学系（１５，１５′）の前側主点位置（２１，２３）までの距離（ｄ，ｄ′）との積（ｄΦ，ｄ′Φ′）は、被検面の曲率によらず常に零より小さい（＜０）。このことを言い換えると、センサ８を物体とする場合に、結像光学系である計測光学系１５の前側主点位置２１がセンサ８を挟んで光学系１４とは反対側に位置するときは計測光学系１５の全系パワーΦが負である。つまり、被検面側から順に、光学系（第１の光学系）１４、センサ８、計測光学系（結像光学系）の前側主点の順に並んでいるとき、計測光学系１５の全系のパワーは負である。また、計測光学系１５′の前側主点位置２３がセンサ８に対して光学系１４′側に位置する（光学系１４′を挟んでセンサ８とは反対側に位置する）ときは、計測光学系１５′の全系のパワーΦ′が正である。つまり、被検面側から順に、計測光学系（結像光学系）の前側主点一２３、光学系（第１の光学系）１４′、センサ８、の順に並んでいるとき、計測光学系１５の全系のパワーは正である。

上述したように、パワーが互いに異なる被検面をそれぞれ計測するためには、光学系のパワーや間隔を大きく変える必要がある。この構成を実現可能な簡単な方法は凸面計測用と凹面計測用に別々の計測装置を用意する方法であるが、コストや設置スペースが増加して好ましくないため、１つの計測装置で凸面と凹面の両方の計測が行えることが望ましい。このため、本実施例は、パワーの符号が互いに異なる被検面をそれぞれ計測可能な光学配置を有する１つの計測装置を実現する。以下の説明では、図２（ａ），（ｂ）に示した２つの計測光学系１５，１５′のうち光学系５，５′を照明光学系といい、光学系１４，１４′を投影光学系という。

図２（ａ），（ｂ）に示した計測光学系１５，１５′において、これら光学系を構成するレンズを共用したりレンズ間隔を固定したりすることは、レンズの交換や駆動を行う必要をなくせるため、装置構成の簡素化に大きな効果がある。ただし、凹面の被検面を計測するときと凸面の被検面を計測するときとでは、計測光学系の全系パワーΦの符号を反転させる必要があるため、計測光学系を構成する全てのレンズの共用とレンズ間隔の固定は困難である。

そこで、本実施例では、計測光学系１５，１５′のうち照明光学系５，５′を共通のレンズにより構成する。そして、投影光学系と照明光学系の主点間隔ｄ２と、投影光学系（光学系１４，１４′）のパワーを変化させることで、前述した被検面のパワーの符号が反転した場合の計測光学系の条件を満足する構成とする。このような構成の利点は、レンズ径が大きな照明光学系を共用できるため、凸面計測用と凹面計測用に別々の計測装置を用意する場合に比べて装置コストや設置スペースを減少させられることである。照明光学系のレンズ径が投影光学系より大きくなるのは、計測対象である被検面がセンサ径より大きい径を有し、凸面の被検面を計測する場合は該被検面に収斂光を照射するためである。

照明光学系を共通のレンズにより構成する場合の計測光学系１５（１５′）の構成について説明する。本実施例では、図１に示すようにピンホール３からの発散光を照明光学系５（５′）を介して被検物７に照射する。凸面と凹面を計測する際に共通の照明光学系を用いる場合には、照明光学系を透過した光は常に収斂光となる。このため、凸面である被検面を照明光学系５からの光の集光位置６よりも計測光学系側（装置側）に配置し、凹面である被検物を照明光学系５′からの光の集光位置（図示せず）よりも計測光学系側とは反対側に配置する。

この構成では、凸面の被検面を配置する位置と凹面の被検面を配置する位置が大きく異なる。被検面からの反射波面の収差が大きい場合には、上述したように光線の重なり合いを避けるためにセンサ８と被検面（被検物７）とを共役に関係付ける必要がある。このため、本実施例では、図１に示すように、センサ８を光軸方向に移動させることが可能な駆動部２５を設け、センサ８を移動させることで被検面とセンサ８とを常に共役に関係付ける構成を有する。

さらに、図２（ｂ）に示す凹面の被検面２０を図２（ａ）に示す凸面の被検面１９へと変える、すなわち計測光学系の全系（合成）パワーを小さくするときには、被検面が計測光学系１５に近づく。このため、センサ８を計測光学系１５から離れる方向に移動させることが望ましい。言い換えれば、凸面の被検面を計測する場合のセンサ８の位置は、凹面の被検面を計測する場合のセンサ８の位置に比べて、計測光学系１５から離れる方向に移動した位置であることが望ましい。別の観点から述べると、凸面を計測する場合のセンサ８の位置と光学系（正のパワーを持つ固定光学系）５との間の距離は、凹面を計測する場合のセンサ８の位置と光学系５′との間の距離よりも大きいことが望ましい。

次に、照明光学系を共通のレンズで構成した場合の照明光学系（５，５′）と投影光学系（１４，１４′）との間の主点間隔（ｄ２，ｄ２′）と投影光学系のパワー（Φ１，Φ１′）との関係について説明する。ここでは、照明光学系５，５′のパワーΦ２，Φ２′はΦ２＝Φ２′とする。この場合、式（２）と式（４）から以下の式（５）が導かれる。
ｄ２′−ｄ２＋１／Φ１′−１／Φ１＞０ （５）
式（５）は、照明光学系と投影光学系との間の距離および投影光学系のパワーのうち少なくとも一方を可変とする必要があることを示す。ただし、光学系のパワーや間隔を可変とすると計測光学系の倍率が変わるため、センサ８に結像される被検面からの反射波面の径も凸面と凹面の計測時で変化してしまう。センサ８に入射する波面の径が小さくなると、計測される波面のデータ点数が少なくなり、好ましくない。このため、凸面と凹面の計測時にセンサ８に入射する波面の径があまり変化しないように、言い換えれば凸面と凹面の計測時に計測光学系の倍率が大きく変化しないように投影光学系のパワーや照明光学系と投影光学系との間の間隔を変化させる必要がある。

以下では、凸面と凹面の計測時、つまりは計測光学系の全系パワーが正の場合と負の場合とで計測光学系の倍率が互いに近くなる条件について説明する。計測光学系の全系パワーΦと結像倍率βは以下の式（６），（７）で表される。
Φ＝Φ１＋Φ２−ｄ２×Φ１×Φ２ （６）
β＝１／（１＋ｄ１×Φ１×ｄ２×Φ２＋ｄ１×Φ２＋ｄ１×ｄ２×Φ１×Φ２）
（７）
図３（ａ）は、ｄ１とΦ２をある値に設定して計測光学系の全系パワーΦを変化させたすなわちΦ１を変化させたときの結像倍率βの変化を示している。図３中の丸点と四角点は、ｄ２の値を互いに異なる値（丸点はｄ２＝ａ、四角点はｄ２＝ｂ）に設定したときのβを示している。また、図３（ｂ）は、ｄ１＝０とし、Φ２をある値に設定して計測光学系の全系パワーΦを変化させたときの結像倍率βの変化を示している。式（７）からも分かるように、ｄ１＝０とすると、計測光学系の全系パワーΦが変化しても結像倍率β（＝１／（１＋ｄ２×Φ２））は変化しない。

また、計測光学系の全系パワーΦを０とすると、結像倍率βは式（７）から、
β＝１／（１＋ｄ２×Φ２） （８）
で与えられる。つまり、ｄ１＝０としたときの結像倍率βと一致する。言い換えれば、計測光学系の全系パワーΦを変化させたときの結像倍率βのグラフの切片は、ｄ１＝０のときの結像倍率βと一致する。

上述した計測光学系のパワーΦと結像倍率βとの関係を踏まえて、凸面と凹面の計測時に計測光学系の結像倍率βが互いに近くなるためのｄ１、Φ１およびｄ２の条件について説明する。

まず、ｄ１の条件について説明する。図３（ｂ）に示すように、ｄ１＝０とすれば結像倍率βは凸面と凹面の計測時に変化しない。ただし、メカ的な干渉を考慮すると、ｄ１＝０を常に維持することは現実的ではない。このため、ｄ１は０ではない有限な負の値をとることとなる。この場合、図３（ａ）に示すように、計測光学系の全系パワーΦが増加するほど結像倍率βが増加する。

次に、Φ１の条件について説明する。図３（ａ）に示すように、Φ１のみを変化させた場合には、計測光学系の全系パワーΦが増加するほど結像倍率βも増加する。このため、Φ１のみを変化させても、凸面と凹面の計測時における計測光学系の倍率を互いに近づけることができない。

次に、ｄ２の条件について説明する。計測光学系の全系パワーΦの増加に伴って結像倍率βが増加する場合に凸面と凹面の計測時に計測光学系の結像倍率βを互いに近づける（Φの符号が反転したときにβの値が互いに近くなる）ためには、図３（ａ）に示すようにグラフの切片を変える必要がある。具体的には、凸面の計測時（Φ＜０）の切片が、凹面の計測時（Φ＞０）の切片よりも大きい必要がある。

凸面の計測時における照明光学系のパワーをΦ２とし、照明光学系と投影光学系の主点間隔をｄ２とする。また、凹面の計測時における照明光学系のパワーをΦ２′とし、照明光学系と投影光学系の主点間隔をｄ２′とする。このとき、上述した条件は以下の式（９）で表される。
１／（１＋Φ２×ｄ２）＞１／（１＋Φ２′×ｄ２′）
すなわち、
Φ２×ｄ２＜Φ２′×ｄ２′ （９）
式（９）より、共通の照明光学系（Φ２＝Φ２′）を用いる場合に、凹面の計測時における照明光学系と投影光学系の主点間隔ｄ２を凸面の計測時における照明光学系と投影光学系の主点間隔ｄ２′よりも小さくするように計測光学系を構成すればよい。ｄ２とｄ２′はともに０より小さい（ｄ２，ｄ２′＜０である）ためである。

そして、Φ１を変化させて計測光学系の全系パワーΦを変える（凸面計測用から凹面計測用に構成に変えるときはΦ１を小さくする）ことにより、凸面計測時と凹面計測時とで計測光学系の結像倍率βを互いに近づけることができる。

次に、パワーが異なる（ただし、符号は反転しない）被検面をそれぞれ計測するときの計測光学系の構成について、図４（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図４（ａ），（ｂ）では、凸面である被検面を計測するときの計測光学系１５のみを示し、図中の矢印は光学素子または計測光学系の物点および像点の移動方向を示す。

図４（ａ）は、中心曲率が小さい（パワーが小さい）被検面２９を計測するときの計測光学系１５の構成を示す。図４（ｂ）は、中心曲率が大きい（パワーが大きい）被検面３０を計測するときの計測光学系１５の構成を示す。図４（ａ），（ｂ）中の３１，３２はそれぞれ、被検面２９，３０からの反射波面の曲率成分を表している。

また、図４（ａ）と図４（ｂ）の間では、被検面２９，３０に照射される波面の曲率と被検面２９，３０の曲率とが一致する又は互いに近くなるように、被検面２９，３０および光学系５を光軸方向に移動させている。これに加えて、センサ８を光軸方向に駆動させることで、センサ共役面１０も被検面２９，３０の移動に合わせて変化させることができる。この結果、センサ共役面１０を常に被検面２９，３０の近傍に形成することができ、センサ８上で光線の重なり合いが発生しない。

さらに、図４（ａ），（ｂ）に示すように、計測光学系１５の射出瞳位置１８は反射波面の曲率中心３３，３４の近傍に配置している。このような構成により、センサ共役面１０における計測光学系１５の主光線の角度と、反射波面の曲率成分の角度とがほぼ一致する。したがって、被検面の曲率成分の値が変化しても、計測光学系１５に入射する反射波面の曲率成分の角度は、主光線の角度とほぼ一致する。この結果、反射波面が計測光学系１５でけられる（つまりは計測光学系１５の像側周辺光線に反射光が入射する）条件は、被検面の曲率成分には依存させず、収差量（非球面量）のみに依存させることが可能となる。言い換えれば、反射波面が無収差である場合にはセンサ８に平行光が入射するため、センサ８のダイナミックレンジの全てを反射波面の収差量の計測に割り当てることができる。
また、本実施例の計測光学系は、光学系１４（１４’）、光学系５（５’）、センサ８および被検物７の全ての位置関係おいてけられ（口径食）を生じない。
表１には、上述した実施例１の計測光学系の数値例を示す。表１は、凸面と凹面の被検面の計測に対して共通の照明光学系を用いる計測光学系の諸元値（設計値）である。ここでも、計測光学系の物体位置にセンサが配置され、像位置に被検面が配置されているものとする。また、照明光学系の物体位置に点光源が配置される。
表１に示す計測光学系（結像光学系）のセンサ側開口数は０．２であり、物体高は１２である。表１の面番号は光学系内を光線が進行する方向（物体側から像面側の奉公）の光学面（レンズ面等）の順序を、ｒは光学面の曲率半径を、ｄは光学面間の間隔を示す。また、表１中の各光学面の欄に示した４つの値は、上から順に、凸面の曲率が大きい被検面を計測するとき、凸面の曲率が小さい被検面を計測するとき、凹面の曲率が大きい被検面を計測するときおよび凹面の曲率が小さい被検面を計測するときの諸元値である。ｎは基準波長６３２．８ｎｍに対する媒質の屈折率であり、空気の屈折率１．００００００は省略している。
また、表１において、面番号３〜１３は照明光学系を構成する光学面であり、それら光学面のｒ，ｄおよびｎは計測光学系と同じである。また、上記４つの被検面に対して共用される照明光学系の諸元値は、該４つの被検面に対して共通である。なお、以下の全ての諸元値におけるｒ，ｄおよびその他の寸法の単位は［ｍｍ］である。

図５（ａ）〜（ｄ）には、表１に示した計測光学系の断面を示す。図５（ａ），（ｂ）はそれぞれ、凸面の曲率が大きい被検面を計測するときおよび凸面の曲率が小さい被検面を計測するときの断面である。また、図５（ｃ），（ｄ）はそれぞれ、凹面の曲率が大きい被検面を計測するときおよび凹面の曲率が小さい被検面を計測するときの断面である。

表１および図５（ａ）〜（ｄ）において、計測光学系の第３面および第４面はハーフミラー９であり、図１に示した光源１からの発散光を折り返して第５面〜第１４面により構成される照明光学系に光を入射させる。照明光学系は、正の屈折力を有するため、光源１からの発散光を収斂光として被検物（被検面）７に照射する。また、計測光学系の物体位置は移動可能であり、凹面である被検面を計測するときは、該物体位置を凸面の被検面を計測するときよりも計測光学系に近づける。この結果、凹面の被検面を計測するときの計測光学系の像面位置は、凸面の被検面を計測するときの像面位置と比べて計測光学系から離れる。

計測光学系のうち投影光学系は第１面および第２面により構成され、凸面の被検面を凹面の被検面に変更するときに、正の屈折力を有する投影光学系から負の屈折力を有する投影光学系に交換される。さらに、投影光学系は、凹面の被検面を計測するときの照明光学系と該投影光学系の主点間隔が凸面の被検面を計測するときの該主点間隔に比べて狭くなるように移動される。このような投影光学系の交換と移動によって、式（１）〜式（４）の条件を全て満足することができる。

また、投影光学系の交換と移動によって上述した凸面と凹面の計測時に計測光学系の結像倍率が互いに近くなる条件も満足することができる。図５（ａ）〜（ｄ）に示した計測光学系では、図５（ａ），（ｃ）の計測光学系の結像倍率は１であり、図５（ｂ），（ｄ）の計測光学系の結像倍率は１．３である。つまり、凸面と凹面の計測時の計測光学系の結像倍率が互いに等しい。

さらに、図５（ａ）〜（ｄ）に示した計測光学系では、照明光学系の第５面および第６面を構成するレンズを移動させ、第７面〜第１４面を構成する複数のレンズを固定する構成を用いている。この構成により、被検面に照射される波面のパワーや計測光学系の射出瞳位置を変えることができ、その結果、符号は互いに同じであるがパワーが互いに異なる被検面を計測することができる。

計測光学系と照明光学系を表１および図５（ａ）〜（ｄ）に示した構成とすることで、凸面である被検面を計測するときのセンサ共役面（像面）を照明光学系からの光の集光位置よりも計測光学系側に形成することができる。また、凹面である被検面を計測するときのセンサ共役面を照明光学系からの光の集光位置よりも計測光学系から離れた位置に形成することができる。したがって、凸面の被検面には収斂波を、凹面の被検面には発散波の照射を可能にしつつ、被検面とセンサとの結像関係を保つことができる。さらに、被検面のパワーの符号によらずに、計測光学系の射出瞳位置を照明光学系からの光の集光位置の近傍に配置することができ、かつ凸面および凹面の被検面の計測時における計測光学系の結像倍率を互いに近づけることができる。この結果、１つの計測装置で計測光学系の一部を共用して非球面形状を有す凸面と凹面を計測することが可能となり、計測装置の高スループット化や低コスト化を実現することができる。

図６のフローチャートは、センサ８により取得した計測データから被検面の面形状を算出する処理の流れを示している。図１に示した計測部２６がコンピュータプログラムに従って本処理を実行する。ステップＳ１０１において、計測部２６は、シャックハルトマンセンサであるセンサ８を通じて、計測データとして被検面からの反射波面を構成する光線の角度分布のデータを取得（計測）する。

ステップＳ１０２において、計測部２６は、センサ８により取得された光線角度分布データをセンサ共役面での光線位置のデータに変換する。さらに、ステップＳ１０３において、計測部２６は、光線角度分布データをセンサ共役面での光線角度のデータに変換する。光線位置の変換とは、センサ上での位置（座標）をセンサ共役面上での位置（座標）に変換することである。具体的には、計測部２６は、計測光学系の近軸倍率、横収差およびディストーションの情報から得られた倍率でセンサ上の位置を除することで、センサ共役面上での位置座標を計算する。また、光線角度の変換とは、センサ上での光線角度をセンサ共役面上での角度に変換することである。具体的には、計測部２６は、センサ８で計測された光線角度に、計測光学系の収差を考慮した角度倍率を乗じることで計算する。そして、センサ共役面から被検面まで光線追跡を行うことで、被検面で反射した波面の光線角度分布を得る。最後に、計測部２６は、被検面上の反射光の角度分布と照明光学系から被検面に向かう光線の角度分布とから、被検面の面傾斜を計算し、その結果を積分することで被検面の面形状を算出する。

本実施例の計測装置では、面形状が既知である被検物（原器）と形状が未知である被検物とを計測し、それぞれで得られた計測データに対して図６に示した処理を行う。そして、算出した２つの面形状の差を計算する。これにより、算出された面形状のうち光学系のシステムエラーで発生する成分を除去して、面形状の計測精度を高めることができる。

上記数値例では、投影光学系を交換することで投影光学系のパワーを可変とした。しかし、投影光学系を挿抜したり（例えば凸面の計測時には正の屈折力のレンズを挿入し、凹面の計測時にはこれを抜き取る）、投影光学系を構成する複数のレンズのうち一部を移動させたりすることでパワーを可変としてもよい。また、上記数値例では、ハーフミラーと被検面との間の光学系の一部を移動させて、被検面への照射波面のパワーを可変としたが、光学系全体を移動させたり該光学系を交換したりすることで照射波面のパワーを可変としてもよい。

図７（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例２であって、被検物の透過波面を計測する装置の構成を示している。図７（ａ）は、被検物１３５が負のパワーを有し、透過波面が発散光線により形成される波面（以下、発散波面という）である場合の構成を示している。また、図７（ｂ）は、被検物１３６が正のパワーを有し、透過波面が収斂光線により形成される波面（以下、収斂波面という）である場合の構成を示している。

光源１０１からの光は、集光レンズ１０２によって集光されてピンホール１０３に入射する。ピンホール１０３から出射した光は光学系１４０を介して又は光学系１４０を介さずに被検物１３５，１３６に照射される。被検物を透過した光は、計測光学系１１５，１１５’を構成する被検面側の光学系（第２の光学系）１０５，１０５’およびセンサ側の光学系（第１の光学系）１１４，１１４’を介してＣＣＤ等を用いて構成されたセンサ１０８により受光される。センサ１０８は、受光した光の波面（透過波面）に応じた信号を出力する。

計測部（計測手段）１２６は、パーソナルコンピュータ等により構成され、センサ１０８からの出力信号を用いてセンサ１０８が受光した透過波面を形成する光線の角度分布を算出し、該角度分布から被検物の透過波面を算出（計測）する。本実施例では、センサ１０８をダイナミックレンジが大きいシャックハルトマンセンサとしている。

本実施例の計測装置においても、波面の曲率成分の符号が互いに異なる大収差波面を計測するための条件は、実施例１と同様である。具体的には、計測光学系１１５，１１５’の物体位置、つまりはセンサ１０８は駆動部１２５によって光軸方向に移動可能である。そして、図７（ｂ）に示すように被検物１３６を透過した収斂波面を計測する際には、センサ８を、図７（ａ）に示すように被検物１３５を透過した発散波面を計測する際に比べて計測光学系１１５’に近づける。この結果、被検物１３６を透過した収斂波面を計測する際の計測光学系１１５’の像面位置は、被検物１３５を透過した発散波面を計測する際の計測光学系１１５の像面位置に比べて計測光学系１１５’から離れる。

また、光学系１１４，１１４’は、収斂波面と発散波面を計測する際にその屈折力を変更可能に構成されている。さらに、収斂波面の計測時の光学系１１４’と光学系１０５’の主点間隔が、発散波面の計測時の光学系１１４と光学系１０５の主点間隔に比べて小さくなるように光学系１１４，１１４’を移動させる。

このようにセンサ側の光学系がその屈折力が可変であり、かつ移動可能という構成を有することで、式（１）から式（４）の条件を満足することができる。また、計測光学系の射出瞳位置を被検物からの透過波面の集光位置の近傍に設定することができ、発散波面と収斂波面の計測時に計測光学系の結像倍率が互いに近くなるという条件も満足することができる。さらに、被検物側の光学系を移動させることで、曲率成分の符号は同じであるが値が異なる透過波面をそれぞれ計測することができる。この結果、１つの計測装置で計測光学系の一部を共用して収差が大きい収斂波面と発散波面を計測することが可能となり、計測装置の高スループット化や低コスト化を実現することができる。

本実施例の計測装置においても、計測部１２６がセンサ８で透過波面を計測して得られた計測データに対して図６を用いて説明した処理と同様の処理を行うことで、計測光学系の収差を除去して被検物の透過波面を算出することができる。また、本実施例の計測装置でも、透過波面が既知である被検物（原器）と透過波面が未知である被検物とを計測し、それぞれで得られた透過波面の差分をとる。これにより、透過波面のうち光学系のシステムエラーで発生する成分を除去して、透過波面の計測精度を高めることができる。

上記各実施例では、センサとしてシャックハルトマンセンサを用いた場合について説明したが、センサとして、Ｔａｌｂｏｔ干渉計やシアリング干渉計のような波面センサを用いてもよい。

さらに、センサ８により計測したデータから面形状を算出する際にも、図６に示した処理ではなく、光学ＣＡＤ上にて光線追跡を行うことで被検物上の光線角度を計算して面形状を取得してもよい。
（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１ 光源
５，１０５ 第２の光学系
７ 被検物
８ センサ
１４，１１４ 第１の光学系
１５，１１５ 計測光学系（結像光学系）
２１、２３ （計測光学系の）前側主点位置

Claims (8)

1. 光源からの光が照射された被検物からの光を結像させる結像光学系と、
   前記結像光学系からの光を計測するためのセンサとを有し、
   前記結像光学系は、該結像光学系の全系のパワーを変化させる第１の光学系と、正の第２のパワーを有する第２の光学系とを有し、
   前記第１の光学系は、前記センサと前記第２の光学系との間に配置され、前記結像光学系のパワーを正と負に反転させることが可能な光学系であり、
   前記センサを物体とする場合に、
   前記結像光学系の前側主点が前記センサを挟んで前記第１の光学系とは反対側に位置するときは前記結像光学系のパワーが負であり、
   前記前側主点が前記センサに対して前記第１の光学系と同じ側に位置するときは前記結像光学系のパワーが正であることを特徴とする計測装置。
2. 前記結像光学系は、前記センサに対して共役な関係を有するセンサ共役面を、前記被検物からの光線が前記センサ共役面で交わらない位置に形成することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記センサを移動させる駆動部を有し、
   前記結像光学系のパワーを小さくするとき、前記駆動部は前記結像光学系と前記センサとの間の距離を大きくするように前記センサを移動させることを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。
4. 前記結像光学系は、前記センサ側にテレセントリックであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の計測装置。
5. 前記結像光学系の前記センサ側の開口数は、前記センサにより受光可能な光線の最大角度の正弦であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の計測装置。
6. 前記結像光学系のパワーが負であるときの前記第２のパワーをΦ２、前記第１の光学系と前記第２の光学系の主点間隔をｄ２とし、
   前記結像光学系のパワーが正であるときの前記第２のパワーをΦ２′、前記主点間隔をｄ２′とするとき、
   Φ２×ｄ２＜Φ２′×ｄ２′
   を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の計測装置。
7. 前記結像光学系は、前記第１の光学系、前記第２の光学系、前記センサおよび前記被検物の全ての位置関係おいて口径食を生じないことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の計測装置。
8. 前記被検物から前記結像光学系を介して前記センサに入射した光線の角度分布を計測する計測手段を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の計測装置。