JPH03269309A - 非球面形状測定機 - 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、レンズ、ミラーなどの面形状特に非球面レン
ズの面形状を波面測定により求める非球面形状測定機に
関するものである。

〔従来の技術〕

干渉計測により被検面からの波面を計測することにより
該被検面の面形状を測定する場合、測定光学系の製造誤
差による収差（以下自己収差と呼ぶ）の影響をできるだ
け除去・軽減することが必要となる。

これを解決する従来の方法としては、（１）マスターを
用いる方法、（２）光線追跡による方法が知られている
。（Ｌ）の例としては、特開昭６３−４８４０６号公報
に記載の方法がある。これは既知の形状のマスターを用
いる方法であって、該マスターにつき測定光学系の射出
瞳で測定された波面のパラメータを用いて入射瞳におけ
る波面収差を多項式展開し、この展開係数を用いてマス
ターからの偏差の比較的小さい被検面の射出瞳における
波面の測定値から入射瞳における波面収差の値を算出し
、測定光学系の自己収差を除去・軽減するものである。

又、（２）の例としては、Ｐｒｏｃ、ＩＣＯ１４３５３
−３５４１９８７）“Ａｓｐｈｅｒｉｃ　Ｍｅａｓｕｒ
ｅｍｅｎｔ　ｕｓｉｎｇ　ＰｈａｓｅＳｈｉｆｔｉｎｇ
　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ″ｂｙ　Ｋ、Ｃｒｅａ
ｔｈ　＆　Ｊ、Ｃ。

ｗｙａｎ、ｔに記載されている方法であって、トワイン
マン・グリーン型の通常の干渉計と大画素数の光検知器
とを用いて干渉縞を取り込み、設計値通りの理想非球面
を置いた時に観測される波面を光線追跡で求めてこれを
参照波面とし、これと測定された波面との差分をとって
縞解析の手法を適用するものである。

（１）の手法は、時間のかかる面倒な計算を必要としな
いことに特徴があり、（２）の手広は、測定光学系をで
きるだけ単純化することによりその自己収差を単純化し
、光線追跡によるシュミレーションと一致させることに
より精度の向上を計るものである。後者は、参照波面に
対してヌルフリンジの状態（干渉縞の無い状態）が理想
状態であることから、デジタルヌルメソッドとも呼ばれ
ている。

この手法は、ヌルレンズ（無収差レンズ）や計算機ホロ
グラムを作成する必要がなく、融通性に富む利点も持っ
ている。

〔発、明が解決しようとする課題〕

ところで、上記（１）のマスターを用いる方法は、被検
面とマスターとの偏差が小さい場合は良いが、該偏差が
大きくなると誤差が増大する。又、被検面とマスターと
の偏差のみが測定されるために、相対的評価はできても
面形状の絶対的評価ができないという欠点がある。

又、上記（２）のデジタルヌルメソッドは、非球面量の
大きい所謂きつい非球面では干渉縞の本数が多くなり過
ぎ、それを検出できる画素数をつ撮像素子の実現はかな
り遠い先のことであること、また測定光学系の製造誤差
の影響即ち自己収差を除去・軽減するのは困難であるな
どの欠点を有している。

本発明は、上記問題点に鑑み、マスターが不要で形状の
絶対評価が可能であると共に、非球面量の太きいきつい
非球面を、特に多い画素数の撮像素子を用いることなく
、測定光学系の製造誤差による影響即ち自己収差を除去
・軽減して測定できる非球面形状測定機を提供すること
を目的としている。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明による非
球面形状測定機は、被検面を照明する手段と、被検面か
らの反射波面を縞操作シアリング干渉法により測定する
手段と、被検面の代りに設計値通りの理想非球面を置い
た場合に測定される波面を光線追跡により求める手段と
、測定された波面と理想の場合の波面との差分をとり縞
解析する手段と、被検面を測定光軸のまわりに回転する
機構とを具備して成ることを特徴としている。

縞走査シアリング干渉法は、測定したい波面とこれを横
ずらしくシア）ジた波面とを干渉させるものであって、
シア量を加減することと縞走査の手法を組合せることに
より非球面量の大きいきつい非球面も少ない干渉縞の本
数でトワイマン・グリーン型と同等の精度で測定するこ
とができる。

従って、縞走査シアリング干渉法とデジタルヌルメソッ
ドとを組み合わせることで前記の従来法のもつ欠点の殆
どを解消でき、また被検面を回転する機構を付加し、そ
の回転の前後における複数回の測定結果を利用すること
により、測定光学系の製造誤差を含む収差と被検面の設
計値からのずれによる収差とを分離することが可能とな
り、前記測定光学系の製造誤差の影響を軽減することが
できる。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づき本発明の詳細な説明する
。

第１図は本発明による非球面形状測定機の構成を示して
いる。１は光源、２は対物レンズ、３はピンホール、４
はビームスプリッタ、５は鏡、６はビームスプリッタ、
７は鏡、８はコリメータ、９は対物レンズ、１０はアラ
イメント台１１に脱着可能に保持された被検光学素子で
あって、光源ｌから出た光束は、対物レンズ２で収束さ
れてピンホール３を通り、鏡５，７で反射された後コリ
メータ８でコリメートされ、対物レンズ９により一旦収
束された後発散して被検光学素子１０の被検面２２を照
明し、該被検面２２により反射された光束は、対物レン
ズ９．コリメータ８．鏡７を経てビームスプリッタ６に
より反射成分と透過成分に二分されるようになっている
。

尚、被検光学素子ｌＯを保持するアライメント台１１は
、第２図に示した如く、被検光学素子１０を脱着可能に
保持するクランプ部２３．傾き調整部２４．ｘ軸方向ス
ライダー２５．ｙ軸方向スライダー２６２回転部２７．
基部２８を上下に積層して成り、傾き調整部２４．ｘ軸
方向スライダー２５．Ｖ軸方向スライダー２６により被
検光学素子１０のアライメントを行うようになっている
。

即ち、光軸２１の回りに被検光学素子ｌＯをティルト、
シフト、回転する機能゛を持っている。１２は鏡、１３
．１４は縞走査シアリング干渉部を構成する半透鏡、１
５は結像レンズ、１６は撮像素子、１７は干渉縞解析部
であって、鏡１４は図示されていないパルスモータ及び
ピエゾ素子からなる駆動部により半透鏡１３との間隔を
粗及び微細に変化させることによりシアリングと縞走査
の両方の作用を発揮するようになっている。尚、パルス
モータはシアリング量を与え、ピエゾ素子は縞走査量を
与える。そして、ビームスプリッタ６による上記反射成
分は、半透鏡１３，１４から構成される縞走査シアリン
グ干渉部で干渉縞を形成し、結像レンズ１５により撮像
素子１６に結像され、該撮像素子１６の出力信号は、干
渉縞解析部１７で後述の信号処理がなされるようになっ
ている。

１８はビームスプリッタ、２９はピンホール、１９は光
検知器、２０は位置検出光検知器であって、ビームスプ
リッタ６を透過した光束は、鏡５゜ビームスプリッタ４
を経てビームスプリッタ１８により二分され、一方はピ
ンホール２９を経て光検知器１９に入射し、他方は位置
検出光検知器２０に入射し、両者共被検面２２のアライ
メントに用いられるようになっている。

次に、第３図乃至第６図に基づき本実施例の作用につい
て説明する。

干渉縞解析部１７は、第３図のフローチャートに示す信
号処理を行なう。即ち、予め第４図に示すような被検非
球面２２から撮像素子１６に至る光学系を仮定して光線
追跡を行ない、被検非球面２２の代りに設定値通りの理
想的非球面を置いた場合の撮像素子１６でのシアリング
波面を求め、これを参照波面とする。次に、被検非球面
２２の２方向（ｘ、ｙ軸方向）のシアリング波面を測定
し、波面合成して２次元の測定波面を得る。これと該参
照波面の差分をとり、積分することにより被検非球面２
２の設計値からのずれ量が求められる。

次に補正についての概念を説明する。上記ずれ量には測
定光学系の加工・組立誤差が含まれており、これを除去
・軽減することが望ましい。デジタルヌルメソッドと縞
走査シアリング干渉により求められた波面をΔＷイ　（
γ、θ、β）と表わす。

ここで（γ、θ）は被検非球面を測定光学系の入射瞳と
した時の入射瞳の座標を表わし、βは（γ。

θ）での主光線に対する出射光線の傾き角を表わす。こ
のΔＷ、、、（γ、θ、β）は、ΔＷ、　（γ、θ１β
）・ΔＷ、　（γ１θ、β）＋へＴ（γ、θ１β）と書
くことができる。但し、ΔＷ、は真のずれ量、Δ丁は測
定光学系の誤差である。次に、八Ｔが未知のため、被検
非球面２２を測定光軸２Ｉのまわりに複数回回転させて
得られた測定波面を用いてΔＴを消去し、ΔＷ、を求め
る。具体的には、既知量の回転φ＋　　（ｔ＝ｏ、１．
２１　・・・・）を与えて、 ΔＷ、（γ、θ１β、）・ΔＷ、　（γ、θ＋φ、、β
１）＋ΔＴ（γ、θ、β、）但しｉ＝０．１，２．　・
・・・、β。＝β。

φ。−０，β−β　（γ、　θ） を測定する。そして、簡単のために、ΔＴが次式で近似
される場合について述べる。

ΔＴ　（７，θ、β１）＝ΔＴ　（７，θ１β）＋（ａ
ΔＴ／ａβ）・Δβ但し、Δβ１　＝β１−β、ｉ＝０
．１，２．　　・・Δβ１は測定値から算出されて既知
であり、未知数はΔＴ、ａΔＴ／ａβ、ΔＷ、の三つと
なることから、回転前の測定値と２回の回転での夫々の
測定値の三つの測定値からΔＷ、を求めることができる
。結果のみを記すと、 ΔＷ１・ΣＲａ’　（ｒ）　ｆａ、４ｃｏ＋　ｋθ＋ａ
ｆｆｌ’＋ｉｎ　ｋθ）となり、これを所謂Ｚｅｒｎｉ
ｋｅの多項式に展開する但し、）　　１は行列式を表わ
し、Δａｆｉ。

Δａｉｋは二つの回転φｌ、φ２で得られた波面の差を
Ｚｅｒｎ　ｉｋｅの多項式に展開した時の角度部分の係
数を表わし、Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄは次に示す量を表している
。

Ａ＝　（ｃａｓｋφ１−１）Δβ、　−（ｃＯ３にφヒ
１）Δββ＝Δβ、・＋１１１ｋφ１−Δβ、・＋ｉｎ
ｋφ。

Ｃ＝−Δβ、・５ｉｎｋφｌ＋Δβ１°・＋ｉｎｋφＤ
−（Ｃｏｔ　ｋφ１−１）Δβ、　−（ｃｏｓｋφ、−
１）へβ実際の例では、１００μｍ程度の非球面量をも
つ非球面では、第５図に示す大きさの波面収差をもつ波
面を干渉計測する必要があり、通常のトワイマン・グリ
ーン型のものでは縞の本数が多くなり過ぎて無理がある
。しかし、縞査定型シアリング干渉とデジタルヌルテス
トを併用することと前記の補正の手順を経ることにより
、第６図に示すような測定光学系の自己収差の影響を軽
減した設計値からの形状ずれを得ることができる。

上記の実施例では平行平板を用いた縞走査シアリング干
渉法を例にとったが、特開昭５９−１５４３０９号公報
に開示されている偏光特性を利用したシアリング干渉法
や公知のシアリング干渉法のいずれにも適用が可能であ
る。又、縞走査の方法とにはピエゾ素子によるメカニカ
ルな方法以外に、半導体レーザーを光源として波長を変
化させることによる方法を用い得ることは勿論である。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明による非球面形状測定機によれば、
大きな非球面量をもつ所謂きつい非球面でも、特に多い
画素数の撮像素子を用いることなく、測定光学系の自己
収差を除去・軽減した面形状測定が可能となる。又、マ
スターを必要とせず、形状の絶対的評価が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による非球面形状測定機の構成を示す図
、第２図は上記実施例のアライメント台の構成を示す図
、第３図は上記実施例の干渉縞解析部の信号処理のフロ
ーチャート、第４図は上記実施例において参照波面を求
める場合に仮定される光学系を示す図、第５図は１００
μｍ程度の非１ ２ 球面量を持つ非球面において干渉計測が必要な波面の波
面収差の大きさを示す図、第６図は本実施例により得ら
れた測定光学系の自己収差の影響を軽減した設計値から
の形状ずれを示す図である。 ■・・・・光源、２・・・・対物レンズ、３，２９・・
・・ピンホール、４，６．１８・・・・ビームスプリッ
タ、５．７．１２・・・・鏡、８−−−−コリメータ、
９・・・・対物レンズ、ＩＯ・・・・被検光学素子、１
１・・・・アライメント台、１３．１４・・・・半透鏡
、１５・・・・結像レンズ、１６・・・・撮像素子、１
７・・・・干渉縞解析部、１９・・・・光検知器、２０
・・・・位置検出光検知器、２１・・・・光軸、２２・
・・・被検面、２３・・・・クランプ部、２４・・・・
傾き調整部、２５・・・・Ｘ軸方向スライダー　２６・
・・・ｙ軸方向スライダー２７・・・・回転部、２８・
・・・基部。 件 明 正 の の 理 の 手続補正音 （自発） 平成 ３年 ６月 ７日 表示 特願平２ ７１２３５号 名 称 非球面形状測定機 人 〒１０５東京都港区新橋５の１９ 対 象 ６、補正の内容 （１）特許請求の範囲を別紙添付の通り訂正する。 （２）　　明細書第１頁１５行目の「・・・面形状Ｊの
後にｒ、　ｊを挿入する。 （３）　　同第４頁５行目の「・・・画素数を」の後に
１も」を挿入する。 （４）　　同頁１９行目の「操作」をｊ走査１と訂正す
る。 （５）　　同第８頁１７行目の「設定値」を１設計値」
と訂正する。 （６）同第９頁１９行目、同第１０頁１０行目及び１２
行目の「Δ可、」を夫々「ΔＷ、Ｊと訂正する。 （７）同第９頁９行目、１０行目、１１行目及び１３行
目；同第１０頁４行目の「γ」を総てｒｒｊと訂正する
。 （８）同第９頁１４行目の （ΔＶ１．（丁、θ、β）＝ΔＷ、（７，θ１　β）＋
ΔＴ（γ、β１　β）を １ΔＷ、　（ｒ、θ、β）＝ΔＷ、　（ｒ、θ、β）＋
ΔＴ　（ｒ、θ、β）１と訂正する。 （９）同第１０頁２行目の ［ΔＷ、（γ１θ、β、）・ΔＷ、（γ、θ＋φ１．β
ｌ）＋ΔＴ（γ、β１β１）１を １ΔＷ、ｆ丁、　　θ、β１）：ΔＷ、　　（ｒ、　　
θ＋φ１．βｌ）＋ΔＴ　（ｒ、　　β１　βＩ）１と
訂正する。 α０）同頁７行目の ＩＡＴ　（ｒ、　ｉｔ、　Ｌ　）　＝ＡＴ　（７，θ、
　７１）　＋　（ａＡＴ／ａｌｌ）　−ｈａｔ　＋を １ΔＴ　（ｒ、θ、Ｂ、＞＝ΔＴ　（ｒ、θ、β）＋（
ａＡＴ／ａβ）’ＡＬ＋と訂正する。 ａｌ）同第１０頁１５〜１６行目の「・・・展開すると
、」をｊ・・・展開される。ここで、５ 図面中第４図を別紙添付の通り訂正する。 （１カ αａ αａ る。」 同第１ する。 同頁１４行目の する。 同第１ と訂正する。 ２頁４行目の １頁７行目の 「β」 「査定」 を 「と」 を Ｂ１ と訂正 「走査」 と訂正 を削除する。 特許請求の範囲 被検面を照明する手段と、被検面からの反射波面を縞走
査シアリング干渉法により測定する手段と、被検面の代
りに設計値通りの理想非球面を置いた場合に測定される
波面を光線追跡により求める手段と、測定された波面と
理想の場合の波面との差分をとり縞解析する手段と、被
検面を測定光軸のまわりに回転する機構とを具備して成
る非球面形状測定機。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被検面を照明する手段と、被検面からの反射波面を縞操
   作シアリング干渉法により測定する手段と、被検面の代
   りに設計値通りの理想非球面を置いた場合に測定される
   波面を光線追跡により求める手段と、測定された波面と
   理想の場合の波面との差分をとり縞解析する手段と、被
   検面を測定光軸のまわりに回転する機構とを具備して成
   る非球面形状測定機。