JPH01244306A - 干渉測定方法及びそれを利用したフィゾー干渉測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光学的球面の真球度等の球面の表面状態を干渉
を利用して測定する為の表面状態の干渉測定装置に関し
、特に測定装置のシステム誤差を除去し、２次元的に面
精度を高精度に測定することのできるものである。

（従来の技術） 従来より半導体集積回路焼付用の超高解像力レンズ等高
精度な光学部材の要求と共に光学的表面を高精度に、例
えば波長のｌ／１０以下で測定することのできる装置が
要望されている。これら光学的表面を測定する装置とし
ては各種の干渉原理を利用した干渉測定装置が多く用い
られている。特に最近は干渉性の良いレーザーの普及と
エレクトロニクスの発展とに支えられて高精度で定量的
な測定ができる干渉測定装置が種々と用いられている。

しかしながら干渉測定装置による測定では、２つの面形
状の差を読み取っている為、一方の面が理想的な面であ
れば良いが、そうでない場合は測定条件を変えて何回か
測定し、その結果を解析して個々の面形状誤差を求める
必要がある。

球面の形状誤差を測定するのに用いられる干渉計として
は、例えばフィゾー型の干渉計がある。

第４図（Ａ）はフィゾー型干渉計の主要部の光学配置の
概略図である。同図に示すフィゾー型干渉計では収束レ
ンズ４２の最後の面４３が、このレンズ４２によって球
面波の形に変換されたレーザー光の収束点と同心の凹状
の球面となっており、これが参照球面として働くように
なっている。

即ち、同図の左側からビームスプリッタ−４１を透過し
て入射した平面波の形のレーザー光は、収束レンズ４２
で一点に収束する球面波の形に変換され、その一部は収
束レンズ４２の最後に位置する参照球面４３で反射され
て逆行し、収束レンズ４２で再び平面波に変換された後
、ビームスプリッタ−４１で反射されて観察光学系４５
に入射する。

一方、収束レンズ４２を通過して一点に収束する球面波
の形に変換された残りのレーザー光は、その収束点近傍
に曲率中心をもつように設置された被測定球面４４（こ
の図では凹面）で反射されて逆行し、先はどのレーザー
光の一部と同じ経路をたどって観察光学系４５に入射し
てそのディテクター面４６の上に２次元的な干渉パター
ンを作る。

このとき得られる干渉パターンからの測定値は、参照球
面４３の理想球面に対する形状誤差と、被測定球面４４
の理想球面に対する形状誤差に双方を含んでい−る。一
つの測定結果だけではそれらを分離することはできない
ので、例えば第４図（Ｂ）に示す状態で被測定球面４４
の上下の向きを逆にして測定し、更に第４図（Ｃ）に示
すように、２つの球面の設置位置を変えた測定を追加実
行し、それら３回の測定結果を解析して被測定球面４４
の形状誤差を分離抽出するという方法がとられている。

第３図は上に述べた従来から行われている方法を具体的
に説明する為に２次元的な拡がりをもつ測定波面、参照
球面、および被測定球面４の座標のとり方を示したもの
である。

同図において測定波面と参照球面の座標は、第４図の被
測定球面４４の方から見た参照球面４３の位置で代表さ
せ第３図の（Ａ）のようにとる。又、被測定球面４４の
座標は、その球面の上下をある特定の向きにしてその面
を正面から見たとき、第３図の（Ａ）になるようにとる
。従って、球面をそのまま上下が逆になるように回転し
たときの座標は第３図の（Ｂ）のようになる。

従来性われていた方法では、３回の測定のうちのはじめ
の２回は第４図（Ｂ）に示すような設置条件のもとで行
い、その第１回目の測定では第３図（Ｂ）のように被測
定球面４４の上下の向きを逆にし、第２回目の測定では
それを第３図（Ａ）のように正規の向きに戻す。これら
２回の測定による光路差の測定値をそれぞれｗ、（ｘ、
ｙ）、　ｗ２（ｘ。

ｙ）とすれば、次の関係が成り立つ。

ｗ＋（ｘ、ｙ）＝ｗ＊（ｘ、ｙ）＋ｗｓ（−ｘ、ｙ）　
　・”＝（ａ）ｗ２（ｘ、ｙ）＝ｗＲ（ｘ、ｙ）＋ｗｓ
（ｘ、−ｙ）　　−−−−−（ｂ）ここに右辺のｗＲ（
ｘ、ｙ）は参照球面４３の形状誤差による光路差への寄
与量、ｗ３（−ｘ、ｙ）若しくはｗ　ｓ　（ｘ　、−ｙ
）は被測定球面４４自体の形状誤差による光路差への寄
与量を表わす。フィゾー干渉計による第４図（Ａ）及び
（Ｂ）、に示すような設置条件のもとての測定では、仮
に参照球面４３に入射する球面波状のレーザー光に若干
前方の光学系による収差が含まれていたとしても、その
収差は参照球面４３で反射した波面と、被測定球面４４
で反射した波面とに同じように働くので干渉する際には
互いにキャンセルされ、測定値には全く影習しないこと
が理論的にも明らかになっている。

（ａ）　、　（ｂ）の右辺が参照球面４３と被測定球面
４４それぞれの形状誤差による寄与量のみから成り立っ
ているのは、そのためで、これが他の例えばトワイマン
干渉計による方法と比べた場合のフィゾー干渉計による
方法の大きな利点になっている。しかしくａ）　、　（
ｂ）式だけでは被測定球面４４の形状誤差による寄与量
を分離抽出するのに条件が不足するので、従来は更に第
４図（Ｃ）のように被測定球面４４を測定光束の焦点に
置いた状態での測定を行っていた。

この場合の干渉パターンは被測定球面４４の形状には無
関係で参照球面４３の形状だけが関係するが、もし参照
球面４３に入射する球面波状のレーザー光に若干収差が
含まれていたとすると、その中の対称成分だけは干渉の
際に互いにキャンセルされるものの非対称成分は２倍に
なって干渉パターンに影響を与える。このことは実際に
経験されていたし、理論的にも説明ができる。そこで、
この場合の測定値をｗｓ（ｘ、ｙ）とすると、次のよう
な関係が成立する。

ｗａ（ｘ、ｙ）−ｗｏ（ｘ、ｙ）＋１／２　　（ｗＲ（
ｘ、ｙ）”ｗＲ（−ｘ、−ｙ）　　）−−−−−−−−
（Ｃ） この右辺第１項のＷ。（ｘ、ｙ）が今述べた収差の非対
称成分による寄与量を表わしている。

このＷ。（ｘ、ｙ）は純非対称な収差成分であるから、
その座標を１８００回転したｗ　ｏ　（−ｘ＋−ｙ）と
Ｗｏ　（ｘ　、ｙ）とは次のような関係がある。

Ｗｏ（−Ｘ、−３／）＝　−ｗｏ（ｘ、ｙ）　　　　　
・・・・・・・−（ｄ）（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ
）式に示した三つの測定値から被測定球面４４自体の形
状誤差による寄与量ｗｇ（−ｘ、ｙ）を求めるためには
、（ｂ）　、　（ｃ）に示した測定値ｗ２（ｘ。

ｙ）、　Ｗ３（Ｘ、Ｖ）から、それぞれの座標を１８０
°回転させて得られるＶ／２（−Ｘ、−ｙ）、　ｗｓ（
−ｘ、−ｙ）を求めることが必要である。結局被測定球
面４４の形状誤差の寄与量ｗｓ（−ｘ、ｙ）は（ａ）　
、　（Ｃ）に示した測定値ｗ　ｌ（ｘ、ｙ）　、　ｗ　
３（ｘ、ｙ）と今求めたｗ２（−ｘ、−ｙ）。

Ｗ　３（−Ｘ　、−ｙ）とを用いて ｗｓ（−ｘ、ｙ）−１／２　（ｗ＋（ｘ、ｙ）＋ｗ２（
−ｘ、−ｙ）　）−１／２　（ｗｓ（ｘ、ｙ）＋ｗ、（
−ｘ、−ｙ）　）　・・−−−−（ｅ）という関係から
求められていた。

一般に、干渉計によって球面の真球度を波長のｌ／１０
以下といった高い精度で測定するためには、比較の基準
となる理想的な参照球面が実在しないことから、どのよ
うな干渉計を用いるにしても、条件の異なる３回の干渉
測定の結果から目的とする球面の形状誤差を分離抽出す
るという方法をとることが不可欠となる。その場合、も
し干渉計を構成する光学系の収差などが干渉パターンに
混入したりするようなことになると、それらは一般に目
的とする球面の形状誤差と同等若しくはそれ以上に干渉
パターンに影響を与え、結果の信頼性を著しく損う結果
になることは明らかでる。

従来行われていたフィゾー干渉計による３回の測定のう
ち、最初の２回の測定は第４図（Ｂ）のような配置で行
われ、光学系の収差が干渉パターンに影響しないという
好ましい条件になっていたにも拘らず、３回目の測定に
第４図（Ｃ）の配置を採用したために、ここで光学系の
収差の非対称成分が２倍に増幅されて干渉パターンに混
入し、これが全体としての測定の信頼性を低下させる結
果になっていた。

フィゾー干渉計による測定の利点を生かすには、３回の
測定をいずれも第４図（Ｂ）のような配置で行い、その
結果から目的とする球面の形状誤差を分離抽出できれば
よいことになる。その一つの方法として、従来から光学
的平面を高精度でしらべる方法として知られていた３面
合わせの方法（例えばり、ｍａｌａｃａｒａ　、　０ｐ
ｔｉｃａｌ　５ｈｏｐ　Ｔｅｓｔｉｎｇ（Ｊｏｈｉ＋　
Ｗｉｌｅｙ　＆　Ｊｏｎｓ　、１９７８）　Ｐ４１〜４
２）を球面の測定に適用することが考えられる。

この３面合わせの方法というのはＡ、Ｂ、Ｃという３個
の光学的平面をＡとＢ、ＡとＣ，ＢとＣというように２
個づつ選択して第５図に示したように向い合わせて干渉
させ、それら３回の測定の結果から３個の平面それぞれ
の形状誤差を分離抽出しようというものである。３個の
光学的平面上の座標をそれぞれ第３図（、Ａ）のように
とったとすると、３回の測定によって得られる２面間の
光路差の測定値ｗ　、　（ｘ、ｙ）　、　ｗ　２（ｘ、
ｙ）’、　ｗ　３（ｘ、ｙ）については次の関係が成り
立つ。

ｗ＋（ｘ、ｙ）＝　　ｗＡ（ｘ、ｙ）＋ｗａ（−ｘ、ｙ
）　　・・・・＝（１）ｗ２（ｘ、ｙ）＝　　ＷＡ（Ｘ
、ｙ）＋Ｗｃ（−Ｘ、３’）　　−−−−−−（２）ｗ
ａ（ｘ、ｙ）＝　　ｗｅ（Ｘ、ｙ）＋ｗｃ（−ｘ、ｙ）
　　・・・・”（３）これら右辺の第１項に対して第２
項のＸの符号が反転しているのは、第２項の面を第１項
の面と向い合うようにｙ軸を軸として反転させて設置す
る関係からである。（１）式右辺のｗａ（−ｘ、ｙ）と
（３）式右辺のＷａ（ｘ、ｙ）とは一般に等しくないか
ら、これら３元−次方程式として個々の面の形状誤差を
分離抽出できるのは、Ｘの前の符号が問題にならないｘ
＝Ｏ５即ちｙ軸に沿った１次元線の部分だけということ
になる。

従って、平面全体の形状誤差を求めるためには、各平面
を少しずつ回転させて、又同様の３回の測定を行うとい
ったことを何度も繰り返さなければならない訳で、これ
が３面合わせの方法の問題点とされていた。

フィゾー干渉計による真球度の測定でも、Ａ。

Ｂ、Ｃという３個の球面について光学的平面の３面合わ
せと同様の測定を行うことができる。その場合、球面Ａ
とＢとは収束レンズと一体になった凹の参照球面、Ｃは
任意の球面で、それらを第４図（Ａ）及び（Ｂ）に示す
ように配置する。３回の測定には、参照面４３、被測定
面４４としてそれぞれＡとＢ、ＡとＣ，ＢとＣを選び、
又それらを設置する際の面の姿勢は面と正面から見たと
きの座標が参照面４３については第３図（Ａ）、被測定
面４４については第３図（Ｂ）にようにする。こうして
得られた光路差についての３回の測定値については、上
に示した（１）　、　（２）　、　（３）と全く同じ関
係式が成立する。

従って、３回の測定によフて得られるのは個々の面のｙ
軸に沿った１次元的な形状誤差に過ぎないという３面合
わせの問題点をこの場合も免れることはできないのであ
る。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は光学的表面の真球度等の球面の表面状悪なフィ
ゾー干渉計を利用し、３面合わせの原理を用いて求める
際１．干渉計の一部に移動可能の平面鏡を配置し、該平
面鏡を介して３回の測定のうち少なくとも１回の測定を
行うことにより、球面全体にわたり２次元的に表面状態
を高蹟度に測定することのできるフィゾー干渉測定装置
の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 干渉手段から射出した光束の焦点面近傍に移動可能な平
面鏡を配置し、３個の対象物体の球面のうち任意の２つ
の球面を選択し、該２つの球面が共通の曲率中心を有す
るように互いに対向させて配置し、該２つの球面からの
光束を互いに重ね合わせて干渉させて、光路長の測定を
行う操作を異なフた球面どうしの組合わせにより全体と
して３回行う際、そのうち少なくとも１回の測定な該曲
率中心近傍に配置した該平面鏡によフて側方に偏向させ
た光束を用いて行うことにより、該対象物体の球面全体
にわたり２次元的に表面状態を測定するようにしたこと
である。

（実施例） 第１図は本発明のフィゾー干渉装置の一実施例の要部概
略図である。同図において１はビームスプリッタ、２は
収束レンズであり、ビームスプリッタ１からのレーザー
光束を点Ｐに収束させている。３は参照球面であり、収
束レンズ２の最終レンズに相当しており、点Ｐと同心の
凹面となっている。４は被測定球面でその曲率中心が点
Ｐと略一致するように即ち共通の曲率中心を有するよう
に配置されている。５は観察光学系、６はディテクター
面であり、干渉パターンを検出している。７は平面鏡で
あり、点７ａを中心に回動自在に軸支されており、点線
に示す装置に移動されるようになっている。８は演算手
段であり、ディテクター６からの出力信号を用いて対象
球面の面精度を演算している。

本実施例においては同図の左側からビームスプリッタ１
を透過して入射した平面波の形のレーザー光は、収束レ
ンズ２で一点に収束する球面波の形に変換され、その一
部は収束レンズ２の最後に位置する参照球面３で反射さ
れて逆行し、収束レンズ２で再び平面鏡に変換された後
、ど−ムスブリッタ１で反射されて観察光学系５に入射
する。一方、収束レンズ２を通過して一点に収束する球
面波の形に変換された残りのレーザー光は、その収束点
近傍に曲率中心をもつように設置された被測定球面４（
この図では凹面）で反射されて逆行し、先はどのレーザ
ー光の一部と同じ経路をたどって観察光学系５に入射し
てそのディテクター面６の上に２次元的な干渉パターン
を作る。

尚、本実施例においてはビームスプリッタ１と収束レン
ズ２は干渉手段の一部を構成している。

本実施例ではフィゾー干渉計によって３個の球面Ａ、Ｂ
、Ｃを球面ＡとＢ、球面ＡとＣ５球球面上Ｃという組合
せで３回の干渉測定を行い、その測定値から各球面の真
球度を高精度で求めている。このとき３個の球面のうち
球面Ａ、Ｂの２面を何れも第１図で示したような、収束
レンズ２に付属した凹面の参照球面３としている。そし
て第１図に示す平面鏡７を実線の位置から点線の位置へ
と回動させ、第２図に示すようにして参照球面３のつい
た収束レンズ２によって測定光が収束する位置の近傍に
平面鏡７を設置して測定光を側方に偏向させ、それに今
一方の凹面の球面４をその曲率中心が測定光の収束点と
略一致するように対向させて３回の測定のうち少なくと
も１回の測定を行っている。

この場合、平面鏡７による偏向角は、反射後の測定光が
反射前の測定光と交錯しない範囲で自由である。又、球
面４は参照球面３に対して上下方向を逆にした形で設置
している。

このような条件のもとに、第２図の球面３としてＡ、球
面４としてＢを設置した場合の測定値をＷ＋　（ｘ、ｙ
）、球面３としてＡ、球面４としてＣを設置した場合の
測定値をＷ２　（ｘ　＋　ｙ）、そして球面３としてＢ
、球面４としてＣを設置した場合の測定値をＷａ（ｘ、
ｙ）とすれば、次の関係が成り立つ。

ｗ＋（ｘ、ｙ）＝　　ｗＡ（ｘ、ｙ）＋ｗａ（ｘ、ｙ）
　　　−一−（４）ｗｚ（ｘ、ｙ）＝　　ｗＡ（ｘ、ｙ
）＋ｗｃ（ｘ、ｙ）　　　−＊＊−（５）ｗａ（ｘ、ｙ
）＝　　ｗＢ（Ｘ、ｙ）＋ｗｃ（ｘ、ｙ）　　　−ａｍ
（［ｉ）個々の球面の形状誤差を表わす量ＷＡ（ｘ、ｙ
）。

ｗｅ　（ｘ、ｙ）　ｌ　ｗｃ　（ｘ、ｙ）は、上記の測
定値ｗｔ（ｘ、ｙ）。

Ｗ　２　（ｘ　、ｙ）　、　ｗ　３（ｘ　、ｙ）から次
のようにして簡単に求めることができる。

ｗｘ（ｘ、ｙ）　　”　　１／２　　（ｗ＋（ｘ、ｙ）
＋　ｗｚ（ｘ、ｙ）−ｗａ（ｘｔｙ）　　）ｗａ（ｘ、
ｙ）　　＝　　１／２　　（ｗ＋（ｘ、ｙ）−ｗｚ（ｘ
、ｙ）＋　　ｗａ（Ｘ、ｙ）　　）−−−−−＜８） ｗｅ（ｘ、ｙ）＝　　１／２　（−ｗ＋（ｘ、ｙ）＋　
　ｗｚ（ｘ、ｙ）＋　　＊＊（Ｘ、ｙ））尚、本実施例
においては３つの球面Ａ、Ｂ、Ｃのうちから任意の２つ
の球面を選んで３回の測定を行うが、このうち少なくと
も最初の１回の測定を第２図で示す状態で行なえば良く
、残りの２回は第１図に示す平面鏡を介しない光学配置
で測定しても良い。

その場合の２回目と３回目の測定値をそれぞれＷ２’（
Ｘ、Ｙ）　、　ｗ３’（ｘ、ｙ）とすれば（５）　、　
（６）に代って次が成り立つ。

ｗｚ′（ｘ、ｙ）　＝　　ｗＡ（ｘ、ｙ）＋ｗｃ（−ｘ
、ｙ）　・−・・・（５）’ｗ３／（ｘ、ｙ）　＝　　
ｗａ（ｘ、ｙ）＋　ｗｃ（−ｘ、ｙ）　＋＋＊ｍ　（６
）’この場合、個々の球面の形状誤差を表わす量は（７
）　、　（８）　、　（９）に代って次により求められ
る。

ｗＡ（ｘ、ｙ）　　−１／２　（ｗ＋（ｘ、ｙ）＋　　
ｗ２’（ｘｔｙ）−ｗ＋’（ｘ、ｙ）　　）・・・・−
・−−−−−（７）’ ｗａ（ｘ、ｙ）　＝１／２　（ｗ＋（ｘ、ｙ）−ｗ２’
（ｘ、ｙ）”　ｗ：＋’（ｘ、ｙ）　）・・・・・・・
・・・−（８）’ 第６図は本発明の他の一実施例の要部概略図である。本
実施例は前述の３回の測定を全て対象球面の曲率中心近
傍に配置した平面鏡７を介して行った場合である。同図
において第１図に示した要素と同一要素には同符番な付
している。

第６図において平面鏡７は対象球面の曲率半径の大きさ
によって参照球面３からの射出光束の収束点が変化する
為、それに応じて変位出来るように、例えば矢印７ｂの
方向に移動可能に取付けられている。

尚、測定原理及び測定方法等は第１図に示す実施例と基
本的に同じである。

本実施例ではフィゾー干渉計において少なくとも１回を
平面鏡を介して測定することにより、３面合わせの原理
を用いて球面全体の２次元的な形状誤差を一度に求める
ことができる。このように本実施例では被測定物が球面
の測定の場合には測定光が１点に収束する位置があるの
でこの位置を利用し第１図や第６図に示したように、そ
の収束位置に平面鏡７を置いて測定光を側方に反射させ
、この平面鏡を介して２つの球面からの光を干渉させ余
分な収差成分を入れずにＸの符号を正に戻すことができ
、これによって３面合わせの原理を球面全面にわたり適
用できるようにしている。

又、本実施例によればその測定値Ｗ　ｒ　（ｘ、ｙ）　
。

ｗｚ（ｘ、ｙ）、　ｗａ（ｘ、ｙ）、若しくはｗ２’（
ｘ、ｙ）　。

ｗ３’（ｘ、ｙ）に光学系の収差その他の余分な量が含
まれないので、きわめて信頼性の高い、高精度な真球度
の測定ができる。

尚、本実施例において３つの球面のうち参照面として使
用される２つが凹面であれば他は凸面であっても良い。

（発明の効果） 本発明によればフィゾー干渉装置を用い光学的表面の真
球度等の表面状態を３面合わせの原理を用いて求める際
、干渉装置の一部に配置した移動自在の平面鏡を用いる
ことにより、３回の測定のうち少なくとも１回を測定す
ることにより、システム誤差を除去し、球面全体にわた
り２次元的に表面状態を高精度に測定することができる
干渉測定装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部概略図、第２図は第１
図の一測定方法を示す概略図、第３図（Ａ）、（Ｂ）は
本発明に係る測定面の座標の説明図、第４図（Ａ）　、
　（Ｂ）　、　（Ｃ）は従来のフィゾー干渉計の要部概
略図である。第５図は従来の干渉を利用して平面度を測
定するときの一実施例の説明図である。第６図は本発明
の他の一実施例の要部概略図である。 図中、１はビームスプリッタ、２は収束レンズ、３は参
照球面、４は被測定球面、５は観察光学系、６はディテ
クター面、７は平面鏡である。 特許出願人　　キャノン株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）干渉手段から射出した光束の焦点面近傍に移動可
   能な平面鏡を配置し、３個の対象物体の球面のうち任意
   の２つの球面を選択し、該２つの球面が共通の曲率中心
   を有するように互いに対向させて配置し、該２つの球面
   からの光束を互いに重ね合わせて干渉させて、光路長の
   測定を行う操作を異なった球面どうしの組合わせにより
   全体として３回行う際、そのうち少なくとも１回の測定
   を該曲率中心近傍に配置した該平面鏡によって側方に偏
   向させた光束を用いて行うことにより、該対象物体の球
   面全体にわたり２次元的に表面状態を測定するようにし
   たことを特徴とするフィゾー干渉測定装置。