JPH05223540A - ト−リック面の形状測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ト−リック面の形状測定を面領域で行なうこと
ができる形状測定システムを提供する。 【構成】ト−リックレンズ１８のト−リック面１０の形
状を測定するものであり、制御部８と、処理部１５と、
レ−ザ光源１と、撮像素子２と、半透鏡３と、フィゾ−
レンズＬ，Ｍ１（ト−リック面１０からの反射波面と干
渉させる参照波面を作る基準面１６を有する）と、ト−
リック面１０からの反射波面を反射する平面ミラ−１９
と、平面ミラ−１９からの反射波面を反射するシリンド
リカルミラ−１７とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】ト−リック面からの反射波面と、
基準面による参照波面とを干渉させ、その干渉縞パター
ンにより、ト−リック面の形状を求める形状測定システ
ムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】干渉計によって光学的な面の形状誤差を
測定する場合、基準面との相対測定を行うのが一般的で
ある。

【０００３】従来のこの種の形状測定システムとして
は、以下に示すものがある。

【０００４】１つの方法は、図２，３に示すものであ
る。測定対象物である被検レンズＭ２の表面形状を求め
る、この形状測定システムは、レ−ザ光源１と、撮像素
子２と、半透鏡３と、コリメ−ティングレンズ（フィゾ
−レンズ）Ｌ，Ｍ１とを有する。そして、被検レンズＭ
２による反射波面と、コリメーティングレンズＬ，Ｍ１
による参照波面とを干渉させ、その干渉稿パターンによ
り、被検レンズＭ２の形状誤差を測定するものである。
測定は以下の手順で行なわれる。

【０００５】なお、説明の簡略化のために、Ｆｒｏｎｔ
Ｏｐｔｉｃｓの収差は、ゼロとしている。

【０００６】（１）図２（ａ）に示す状態で測定を行な
う。この時のコリメ−ティングレンズ（フィゾ−レン
ズ）Ｌ，Ｍ１、被検レンズＭ２の回転位置を０°とす
る。この時に測定される形状誤差は、Ｆ０（０°におけ
るコリメ−ティングレンズＬ，Ｍ１の形状誤差）＋Ｈ０
（０°における被検レンズＭ２の誤差）である。

【０００７】（２）図２（ｂ）に示す状態（被検レンズ
のみを光軸の回りに１８０°回転させた状態）で測定を
行なう。この時のコリメ−ティングレンズＬ，Ｍ１の回
転位置は０°である。この時に測定される形状誤差は、
Ｆ０（０°におけるコリメ−ティングレンズＭ１の形状
誤差）＋Ｈ１８０（１８０°における被検レンズＭ２の
誤差）である。このデ−タを計算により、１８０°回転
させることにより、Ｆ１８０（１８０°におけるコリメ
−ティングレンズＭ１の形状誤差）＋Ｈ０（０°におけ
る被検レンズＭ２の誤差）を得る。

【０００８】（３）図３に示す状態（被検レンズＭ２を
外し、コリメ−ティングレンズＬ，Ｍ１の焦点位置にミ
ラ−４を置いた状態）で測定を行なう。この時のコリメ
−ティングレンズＬ，Ｍ１の回転位置は０°である。こ
の時に測定される形状誤差は、コリメ−ティングレンズ
Ｍ１の形状誤差のみであり、Ｆ０（０°におけるコリメ
−ティングレンズＭ１の形状誤差）＋Ｆ１８０（１８０
°におけるコリメ−ティングレンズＭ１の形状誤差）で
ある。

【０００９】（４）（１）と（２）のデ−タの差を求め
ることにより、Ｆ０（０°におけるコリメ−ティングレ
ンズＭ１の形状誤差）−Ｆ１８０（１８０°におけるコ
リメ−ティングレンズＭ１の形状誤差）を得る。この結
果と、（３）のデ−タとを加えることにより、Ｆ０を得
る。このＦ０を（１）の結果と引き算をすることによ
り、Ｈ０（０°における被検レンズＭ２の誤差）を得
る。

【００１０】この方法の問題点は、被検レンズが球面で
なければならないことである。

【００１１】ト−リック面の形状測定方法として、ト−
リック面の曲率半径（直交する主曲率半径をｒｘ，ｒｙ
とし、ｒｘ＜ｒｙとする）と同じ半径の球面をト−リッ
ク面に当てて測定を行なうものがあるが、半径の小さい
ｒｘの球面を用いると、この球面とト−リック面との接
する線上でのみ測定が可能であった。当然、半径の大き
いｒｙの測定が行なうことができない。半径の大きいｒ
ｙの球面を用いると半径の小さいｒｘの曲面がじゃまを
して、測定が不可能であった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
においては、ト−リック面の形状測定が面の一部分（線
上）でしかできなかった。

【００１３】本発明の目的は、ト−リック面の形状測定
を面領域で行なうことができる形状測定システムを提供
することである。

【００１４】

【課題を解決しようとする手段】上記問題点を解決する
為、ト−リック面の形状を求める形状測定システムにお
いて、該ト−リック面からの反射波面と干渉させる参照
波面を作る基準面と、該ト−リック面からの反射波面を
反射する平面ミラ−と、該平面ミラ−からの反射波面を
反射するシリンドリカルミラ−と、該シリンドリカルミ
ラ−からの反射波面と参照波面とを干渉させる光学系と
を有し、反射波面と参照波面との干渉縞パターンによ
り、ト−リック面の形状を求めることとしたものであ
る。

【００１５】

【作用】面領域での測定を行なう方法として、干渉を利
用する方法があるが、図２のように、基準面を通過した
光束を直接ト−リック面に当てても、ト−リック面は球
面ではないため光束の入射方向とは、異なる方向に反射
される。本発明は、このため、入射された光束をシリン
ドリカルミラ−と平面ミラ−で反射してからト−リック
面に入射することとしたものである。このために、ト−
リック面の形状を求める形状測定システムにおいて、ま
ず、平面ミラ−によりト−リック面からの反射波面を反
射させる。さらに、シリンドリカルミラ−により、この
平面ミラ−からの反射波面を反射させる。このト−リッ
ク面からの反射波面と、基準面からの参照波面は、干渉
させることができるので、基準面と平面ミラ−の形状誤
差が必要な測定精度に比べて小いさければ、この干渉縞
パターンにより、ト−リック面の形状を求めることがで
きる。

【００１６】

【実施例】図１に本発明に係わる形状測定システムであ
るフィゾ−型干渉計システムを示す。本フィゾ−型干渉
計システムは、ト−リックレンズ１８のト−リック面
（直交する主曲率半径をｒｘ，ｒｙとし、ｒｘ＜ｒｙと
する）１０の形状を測定するものであり、制御部８と、
処理部１５と、レ−ザ光源１と、撮像素子２と、半透鏡
３と、フィゾ−レンズＬ，Ｍ１（ト−リック面１０から
の反射波面と干渉させる参照波面を作る基準面１６を有
する）と、ト−リック面１０からの反射波面を反射する
平面ミラ−１９と、平面ミラ−１９からの反射波面を反
射するシリンドリカルミラ−（曲率半径をＲｘとする）
１７とを有する。半透鏡３と、フィゾ−レンズＬ，Ｍ１
は、シリンドリカルミラ−１７からの反射波面と参照波
面とを干渉させる光学系である。

【００１７】本実施例では、基準面１６と平面ミラ−１
９とシリンドリカルミラ−１７の形状誤差が必要な測定
精度に比べて小いさいとし、基準面１６と平面ミラ−１
９とシリンドリカルミラ−１７の形状を基準として、ト
−リック面１０の形状を求める。制御部８は、撮像素子
２とレ−ザ光源１の制御、および処理部１５とのデ−タ
のやり取りを行なう。処理部１５は、プログラム及びデ
−タを記憶するメモリ（図示しない）と、ＣＰＵ（図示
しない）とを有する。

【００１８】そして、測定対象であるト−リック面１０
による反射波面と、フィゾ−レンズＬ，Ｍ１による参照
波面とを干渉させ、その干渉稿パターンにより、ト−リ
ック面１０の形状誤差を測定するものである。

【００１９】上記構成において、レーザ１から出射した
光は、半透鏡３に入射する。この光のうち、１部は、フ
ィゾ−レンズＬ，Ｍ１の基準面１６で反射されて、半透
鏡３に戻り上方に直進する。こうして撮像素子２に入射
する。

【００２０】一方、フィゾ−レンズＬ，Ｍ１に入射した
光のうち、１部は、図４（図１の側面図である）に示す
ように、フィゾ−レンズＬ，Ｍ１によって適当な球面波
とされて、シリンドリカルミラ−１７、平面ミラ−１９
で反射されてト−リック面１０に入射する。そして、こ
こで反射されて再び平面ミラ−１９、シリンドリカルミ
ラ−１７で反射されて、フィゾ−レンズＬ，Ｍ１を通
り、半透鏡３に戻り、上方に折り曲げられて撮像素子２
に入射する。図４のＡで示す領域が測定対象となる面領
域である。干渉縞が観測できるための条件は、図４に示
すように、ト−リック面１０に入射する光線が曲率中心
４１から来たように、平面ミラ−１９とシリンドリカル
ミラ−１７を配置すれば良い。従って、平面ミラ−１９
とシリンドリカルミラ−１７の距離をＳとすると、基準
面１６の曲率中心が曲率ｒｘの中心と一致することと、
ＲｘがＳに等しくなることと、ｒｙ−ｒｘ＝２・Ｓとが
干渉する条件である。図１、２は、この場合を示す。

【００２１】このとき、ト−リック面１０の位置が調整
されて、ト−リック面１０の形状と、シリンドリカルミ
ラ−１７、平面ミラ−１９、フィゾ−レンズＬ，Ｍ１が
作り出す波面との形状が概略一致していれば、撮像素子
２上には充分な粗さの干渉縞が観測される。観測された
干渉縞はト−リック面１０の形状と、シリンドリカルミ
ラ−１７、平面ミラ−１９、フィゾ−レンズＬ，Ｍ１が
作り出す波面との形状のズレ即ち波面収差の情報を与え
ており、縞１本が丁度レーザ光源１からの光の波長λの
半分のズレに等しくなっている。干渉縞ができないとき
は、ト−リック面は所定の形状でないことがわかる。

【００２２】従って、ト−リック面１０の形状が所定の
形状に近い場合は、全体に互って干渉縞の粗さが適当な
ものとなって干渉縞パターンを解析する事によりト−リ
ック面１０の全体形状を一括で測定できる。

【００２３】次に、本発明の第２の実施例を図５により
示す。第１の実施例では、基準面１６と平面ミラ−１９
とシリンドリカルミラ−１７の形状誤差が必要な測定精
度に比べて小いさいとして、無視したが、シリンドリカ
ルミラ−１７の形状誤差が無視できないときは、シリン
ドリカルミラ−１７の形状誤差を考慮しなければいけな
い。第２の実施例は、この場合にシリンドリカルミラ−
１７の形状誤差を求めてからト−リック面の形状誤差を
もとめるものである。

【００２４】本実施例は、シリンドリカルミラ−を揺動
させて、２次元であるシリンドリカルミラ−の形状誤差
をシリンドリカルミラ−の周方向に平均化して、１次元
にして計算量を減らす。さらに、第１の回転軸方向にシ
リンドリカルミラ−を横ずらしして、横ずらしの前後の
シリンドリカルミラ−の形状誤差を重ねあわせることに
より、シャリング干渉縞に相当するような量を求めるこ
とにより、シリンドリカルミラ−の形状誤差を求める。
最後に、測定値に含まれるシリンドリカルミラ−の形状
誤差を除去して、ト−リック面の形状誤差をもとめるも
のである。

【００２５】図５（ａ）は、測定システム中のフィゾ−
レンズＭ１、平面ミラ−１９１、シリンドリカルミラ−
１７、ト−リック面１８を示し、他の測定システムの構
成は、図１と同様である。シリンドリカルミラ−１７
は、円形の半分のみを有する半円形をしている。次に、
測定の手順を示す。

【００２６】（１）シリンドリカルミラ−１７を第１の
回転軸（図５（ａ）において、紙面に垂直方向である）
１０５回りに、左右に揺動させながら（点Ｐから点Ｋの
方向に、点Ｐが点Ｋの位置に来るまで回転させ、次に、
点Ｒから点Ｌの方向に、点Ｒが点Ｌの位置に来るまで回
転させる）、測定して得られた表面形状デ−タを平均し
て、第１の揺動成分を求める。点Ｓ，Ｑは、弧ＰＳ＝弧
ＱＲ＝弧ＫＬで定義される点である。

【００２７】（２）図５（ｂ）の様に、基準面のキャッ
ツアイ中心に第１のミラー５１を設けて、測定光軸の方
向を変える。本図は、（２）、（３）に示す操作をした
後で、測定システムを横から見たものである。

【００２８】（３）変えた後の測定光を反射する位置に
ト−リック面１８とシリンドリカルミラ−１７と平面ミ
ラ−１９１とを変位させる。さらに、シリンドリカルミ
ラー１７を光軸回りに１８０°回転後、第１の回転軸１
０５回りに、（１）と同じ揺動をさせながら測定して得
られた表面形状デ−タを平均する。これを、第１の揺動
成分と加算して、第３の揺動成分を求める。

【００２９】図５の（ａ），（ｂ）に示すように、これ
らの２つは、シリンドリカルミラー１７を光軸回りに、
１８０°回転した状態であることが必要である。即ち、
状態（ａ）→（ｂ）で、１８０°回転させてデ−タを重
畳させる必要がある。この時、両デ−タの重畳は、点Ｋ
において、（１）の操作により（０°方向と呼ぶ）でＰ
Ｑ，（５）の操作により（１８０°方向と呼ぶ）ＲＳ、
従って、和＝ＰＲ＋ＳＱとなり（ＳＱの部分は重複す
る）、中心対称の形状となる為、ＫＬ間の任意の点につ
いて、スキャン領域は一定となる。但し、この時、
（ａ）の状態で単純に光軸回りに１８０°回転すれば、
シリンドリカルミラ−１７上の対応点が対称位置に移っ
てしまう為、（ｂ）の様な、キャッツアイ反射を利用す
る事により、解決している。以上の様に、この配置で均
等なパタ−ン創成が可能となる。

【００３０】（４）キャッツアイ反射をやめて、（１）
の状態に戻す。

【００３１】（５）第１の回転軸１０５とシリンドリカ
ルミラ−１７の位置関係を維持したまま、シリンドリカ
ルミラ−１７を第１の回転軸１０５の軸方向に横ずらし
させる。

【００３２】（６）シリンドリカルミラ−１７を第１の
回転軸１０５回りに、揺動させながら測定して得られた
表面形状デ−タを平均して、第２の揺動成分を求める。

【００３３】（７）図５（ｂ）の様に、基準面のキャッ
ツアイ中心に第１のミラー５１を設けて、測定光軸の方
向を変える。本図は、（７）、（８）に示す操作をした
後で、測定システムを横から見たものである。

【００３４】（８）変えた後の測定光を反射する位置に
ト−リック面１８とシリンドリカルミラ−１７と平面ミ
ラ−１９１とを変位させる。さらに、シリンドリカルミ
ラー１７を光軸回りに１８０°回転後、第１の回転軸１
０５回りに、（１）と同じ揺動をさせながら測定して得
られた表面形状デ−タを平均する。これを、第２の揺動
成分と加算して、第４の揺動成分を求める。

【００３５】（９）第３の揺動成分と第４の揺動成分に
は、シリンドリカルミラ−１７、ト−リック面１８の形
状誤差が入っているが、シリンドリカルミラ−１７以外
の形状誤差については、これらは横ずらしをしていない
ため、第３の揺動成分と第４の揺動成分を減算すること
により消去できる。こうして、平均化されたシリンドリ
カルミラー１７の誤差成分に対して、シャリング干渉縞
に相当する量を求めることにより、シリンドリカルミラ
−の形状誤差を含まない形状誤差（これを真の形状誤差
と呼ぶ）が、第３の揺動成分または第４の揺動成分につ
いて求められる。

【００３６】（１０）さらに、基準面１６、平面ミラー
１９１の形状誤差成分を分離することにより、真の形状
誤差から、ト−リック面１８の形状誤差を求める。

【００３７】上記において、揺動は、シリンドリカルミ
ラ−の形状誤差の粗さに応じて、揺動範囲を何等分化し
て、行なわれるが、形状誤差が大きくなると、分割を細
かくしなければならない。そのため、形状誤差が大きい
ときは、分割をして、測定を繰り返すことをやめて、揺
動させるあいだ中、ＣＣＤにデ−タを蓄積させることと
しても良い。これは、デ−タを時間積分することであ
り、この後、平均を取ればよい。

【００３８】第２の実施例は、シリンドリカルミラーを
横ずらしと揺動をさせることにより、形状を求めている
が、本発明は、これに限られるものではなく、は、波面
平均化法をシリンドリカルミラーに適応しても、もとめ
ることができる。

【００３９】第３の実施例は、第１の実施例の変形例で
ある。

【００４０】即ち、シリンドリカルミラー１７１の曲率
半径Ｒｘと、トーリックミラー１８の主曲率半径ｒｘ−
ｒｙ（ｒｙ＞ｒｘとする）との関係は、「ｒｙ−ｒｘ＝
２Ｒｘ」を保ったまま、平面ミラー１６を図６（フィゾ
ーレンズ（基準面１６３を有する）を有する干渉計シス
テムである）の様に光束をケラない様に傾けて、シリン
ドリカルミラー１７１からの反射光を干渉計光軸から偏
向させることにより、第１の実施例で生じたシリンドリ
カルミラー１７１によるトーリックミラー１８の被測定
領域のケラレ（図４）を無くしたものである。

【００４１】この場合のシリンドリカルミラー１７の形
状誤差とトーリックミラー１８の形状誤差の分離も、図
５と同様の手段で可能となる。この場合の配置を図７
（フィゾーレンズ（基準面１６を有する）を有する干渉
計システムである）に示す。図７において、〜は、
光の進行順序を示す。

【００４２】また、揺動（させて得られた）平均化デー
タに、更にシリンドリカルミラー１７１を第２のシリン
ドリカルミラー１７２に交換して、第２の揺動平均化デ
ータを求め、足し込んで行き、これをｎ個のシリンドリ
カルミラーについて行った後、ｎで除して平均化させて
も良い。もちろん、被測定シリンドリカルミラー１７よ
りも被検面が大きいシリンドリカルミラー（図示しな
い）を一個用意すれば、同様の平均化を行うことができ
るのは言うまでも無い。

【００４３】以上の本実施例は、フィゾ−型干渉計シス
テムについて説明をしたが、本発明は、これに限られる
ものではなく、振幅分割型と呼ばれる干渉計、すなわ
ち、マイケルソン干渉計およびトワイマングリ−ン干渉
計についても同様に適用することができる。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ト−リ
ック面の形状測定を面領域で行なうことができる形状測
定システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるフィゾ−型干渉計システムのブ
ロック図。

【図２】従来技術に係わる形状測定法の説明図。

【図３】従来技術に係わる形状測定法の説明図。

【図４】本発明に係る形状測定法の説明図。

【図５】本発明に係る形状測定法の説明図。

【図６】本発明に係る形状測定法の説明図。

【図７】本発明に係る形状測定法の説明図。

【符号の説明】

８…制御部、１…レ−ザ光源、２…撮像素子、３…半透
鏡、Ｌ，Ｍ１…フィゾ−レンズ、１０…ト−リック面、
１７…シリンドリカルミラ−、１８…ト−リックレン
ズ、１９…平面ミラ−、５１…第１のミラ−、１０５…
第１の回転軸。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ト−リック面からの反射波面と干渉させる
   参照波面を作る基準面と、 該ト−リック面からの反射波面を反射する平面ミラ−
   と、 該平面ミラ−からの反射波面を反射するシリンドリカル
   ミラ−と、 該シリンドリカルミラ−からの反射波面と参照波面とを
   干渉させる光学系とを有し、反射波面と参照波面との干
   渉縞パターンにより、該ト−リック面の形状を求めるト
   −リック面の形状測定システム。
2. 【請求項２】ト−リック面（直交する主曲率半径をｒ
   ｘ，ｒｙとし、ｒｘ＜ｒｙとする）からの反射波面と干
   渉させる参照波面を作る基準面と、 該ト−リック面からの反射波面を反射する平面ミラ−
   と、 該平面ミラ−からの反射波面を反射するシリンドリカル
   ミラ−と、 該シリンドリカルミラ−（曲率半径をＲｘとする）から
   の反射波面と参照波面とを干渉させる光学系とを有し、
   ｒｘ，ｒｙ，Ｒｘは、ｒｙ−ｒｘ＝２・Ｒｘの関係を満
   たし、反射波面と参照波面との干渉縞パターンにより、
   該ト−リック面の形状を求めるト−リック面の形状測定
   システム。
3. 【請求項３】請求項１または２記載のト−リック面の形
   状測定システムを用いたト−リック面の形状を求める形
   状測定法であって、 （１）前記シリンドリカルミラ−を第１の回転軸回り
   に、揺動させながら測定して得られた表面形状デ−タを
   平均して、第１の揺動成分を求めること、 （２）該第１の回転軸と前記シリンドリカルミラ−の位
   置関係を維持したまま、前記シリンドリカルミラ−を該
   第１の回転軸の軸方向に変位させること、 （３）前記シリンドリカルミラ−を該第１の回転軸回り
   に、揺動させながら測定して得られた表面形状デ−タを
   平均して、第２の揺動成分を求めること、 （４）前記基準面のキャッツアイ中心に第１のミラーを
   設けて、測定光軸の方向を変えること、 （５）変えた後の測定光を反射する位置に前記ト−リッ
   ク面と前記シリンドリカルミラ−と前記平面ミラ−とを
   変位させ、さらに、前記ト−リック面と前記シリンドリ
   カルミラ−と前記平面ミラ−を光軸回りに１８０°回転
   後、該第１の回転軸回りに、揺動させながら測定して得
   られた表面形状デ−タを平均し、さらに、該第２の揺動
   成分と加算して、第３の揺動成分を求めること、 （６）該第１の回転軸と前記シリンドリカルミラ−の位
   置関係を維持したまま、前記シリンドリカルミラ−を
   （２）と逆方向に変位させること、 （７）前記シリンドリカルミラ−を変位後の該第１の回
   転軸回りに、揺動させながら測定して得られた表面形状
   デ−タを平均し、さらに、該第１の揺動成分と加算し
   て、第４の揺動成分を求めること、 （８）該第３の揺動成分と該第４の揺動成分より、前記
   ト−リック面の形状誤差を含まない揺動成分（これを真
   の揺動成分と呼ぶ）を、該第３の揺動成分または該第４
   の揺動成分について求めること、 （９）該第３の揺動成分と該第４の揺動成分のうち少な
   くとも一方と、該真の揺動成分より、前記ト−リック面
   の形状誤差を求めること、よりなることを特徴とする形
   状測定法。
4. 【請求項４】請求項１または２記載のト−リック面の形
   状測定システムを用いたト−リック面の形状を求める形
   状測定法であって、 前記ト−リック面からの反射波面と参照波面を干渉させ
   て、形状測定デ−タを求めること、 前記シリンドリカルミラ−を光軸に垂直な方向に変位さ
   せること、 前記ト−リック面からの反射波面と参照波面とを干渉さ
   せて、形状測定デ−タを求めること、 変位の前後の形状測定デ−タより、前記シリンドリカル
   ミラ−の形状誤差を求めること、 変位の前後の形状測定デ−タの少なくとも一方と、得ら
   れた前記シリンドリカルミラ−の形状誤差とより、前記
   ト−リック面の形状誤差を求めることよりなることを特
   徴とする形状測定法。