JPH0611323A

JPH0611323A - 形状測定装置

Info

Publication number: JPH0611323A
Application number: JP4168825A
Authority: JP
Inventors: Futoshi Ishida; 太石田; Kiyobumi Hashimoto; 清文橋本; Toshihide Doi; 寿秀土肥; Kosei Kobayashi; 孝生小林; Yutaka Tokuyama; 裕徳山
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1992-06-26
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1994-01-21
Also published as: US5387975A

Abstract

(57)【要約】【目的】干渉を利用した形状測定装置において、被検
面、面形状を測定するための予定測定位置への正確な位
置決めを可能とすることにより、被検面の形状を高精度
に測定することを目的とする。【構成】被検面（９）の設計形状に対応した形状測定用
波面とは別に、予定測定位置に集光する波面を発生させ
るアライメント用パターン（４Ａ）を備え、このアライ
メント用パターンにより発生させられた波面の被検面か
らの反射光を用いて、アライメント観察光学系（８）が
予定測定位置と被検面との位置ズレ量を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業状の利用分野】本発明は、レンズ、光学素子等の
表面形状、特に球面や非球面の形状を精密に測定するた
めの形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、干渉を利用した形状測定装置に
おいては、被検物の被検面からの面反射光と参照面から
の面反射光との干渉を用いて被検面の形状を測定する。
この形状測定装置は、被検面からの面反射光を得るた
め、被検面の設計形状に対応した波面を形成する形状測
定波発生装置を有する。形状測定波発生部材が発生する
波面は、被検面が球面の場合には球面波、非球面の場合
には非球面波となる。

【０００３】ところが、形状測定波発生部材で発生した
波面には、形状測定波発生部材からの距離に応じて無数
の仮想形状が対応する。もちろん、被検面の設計形状は
この仮想形状の中に含まれている。一方、形状測定装置
では、通常、干渉縞歪みが最も小さくなる位置に被検面
を調整する、所謂「合わせ込み」という作業を伴う。こ
れは結果的に被検面を前記仮想形状のうちの１つに位置
決めすることを意味する。即ち、被検面からの面反射光
によって干渉縞が形成されるように被検面の位置を調整
し、干渉縞がワンカラーと呼ばれる白（または黒）一色
の状態、あるいは、それに最も近い状態になるようにす
る。

【０００４】被検面が球面である場合、測定波面は無数
にある仮想球面（設計球面も含まれる）に対応する。従
って、被検面が正確に設計球面であればもちろん干渉縞
がワンカラーの状態で得られるが、被検面が無数にある
仮想球面のうちの１つと正確に一致している場合にも、
ワンカラーの干渉縞が得られるという点に注意しなけれ
ばならない。非球面を有する被検物の場合も同様に、被
検面が無数に存在する仮想非球面のうちの１つと一致し
た場合には、ワンカラーの干渉縞を得ることができる。

【０００５】従って、干渉縞から知り得る情報は、「あ
る仮想球面からの被検面形状のズレ」あるいは「ある仮
想非球面からの被検面形状のズレ」ということになる。
球面の場合、干渉縞の歪は、別途、ニュートン原器や球
面測定器等によって知る術があったが、非球面の場合に
は、このように適当な装置がなく、得られる干渉縞には
「仮想非球面に対する被検面形状のズレ」と「設計非球
面と仮想非球面のズレ」が混在し、「設計非球面に対す
る被検面のズレ」が容易に測定できないという問題があ
った。

【０００６】本発明は上記問題に対し、被検物を予定測
定位置に正確に配置することにより、「設計形状に対す
る被検面形状のズレ」のみを得ようとするものである。
被検物を予定測定位置に正確に配置するための装置は、
従来から提案されている。例えば、(a)形状測定部材と
は別に位置検出部材を設ける装置、(b)測定波が収束す
る位置に被検面の頂点を合わせた後、測定位置まで被検
物を移動させる装置、などが知られている。

【０００７】まず、(a)の位置検出部材を設けた例とし
ては、特開昭６１−２４６６３４号公報が挙げられる。
この例では、測定用光路の他にアライメント用光路が設
けられており、被検物のアライメントを行う際には、測
定用光路をシャッタで閉ざしてアライメント用光路に光
を導き、エリアセンサ上に収束する位置を解析すること
により、被検物を正確な予定測定位置に配置させてい
る。

【０００８】また、(b)で提案されているような、測定
波が収束する位置に被検面の頂点を合わせた後、測定位
置まで被検物を移動させる装置では、まず、測定光が収
束する位置に被検面の頂点を合わせ、その位置から実際
の測定位置まで、レーザ測長器などで移動量を測定する
というような高精度な直線案内機構により、被検物を移
動させている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記装置に
て被検物のセッティングを行う場合、作業が煩雑になっ
たり、調整に多大な時間を要するのみならず、装置の部
品点数が増えるという欠点があった。

【００１０】前記(a)の位置検出部材を別に設けた装置
では、光路を切り替えるシャッタやエリアセンサにアラ
イメント光を収束させるレンズなどのアライメント専用
部品を必要とし、また、これらの部品の製作誤差も考慮
しなければならないので、その結果、装置の小型化・コ
ストダウンを達成できないばかりではなく、測定精度の
低下を招くという問題があった。

【００１１】また、前記(b)の点反射を利用する装置で
は、距離測定後、被検物を厳密に光軸と平行に移動させ
なければならないので、直線案内機構と光軸との平行度
及び被検物の位置測定に対する信頼性を向上させなけれ
ばならない。そのため、高精度な案内機構と測長器が必
要となり、装置が複雑になるばかりでなく、コストがか
さむ原因となっていた。

【００１２】本発明の目的は、上記問題に鑑み、アライ
メント手段の構成要素数をできるだけ増やすことなく、
被検面の予定測定位置への正確な位置決めを可能とし、
被検面の形状を高精度に測定することが可能な形状測定
装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明による形状測定装
置は、特に、被検面の設計形状に対応した第１の波面と
は別に、予定測定位置に集光する第２の波面を発生させ
る手段を有し、この第２の波面の被検面からの反射光を
用いて、面形状測定のための予定測定位置と被検面との
位置ズレ量を検出する検出手段を備えたことを特徴とし
ている。

【００１４】

【作用】本発明による形状測定装置は、被検面の製作誤
差の現れにくい領域（例えば、被検面の光軸中心上）
に、距離測定用の第２の波面を入射させ、その反射光を
利用して予定測定位置への位置合わせを行うため、予定
測定位置からの位置ズレ誤差のない状態で、「設計形状
に対する被検面形状のズレ」が測定される。

【００１５】また、第１の波面と第２の波面を各々発生
させる手段を１つの光学素子上に一体的に形成すること
により、部品点数の増加を押さえられ、さらに、光路を
切り替えることなく距離測定と形状測定が同時に行われ
るため、測定精度が向上する。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て詳細に説明する。

【００１７】図１は、本発明にかかる形状測定装置の１
実施例の概略構成図である。本実施例は、光源ユニット
Ｌ、コリメータレンズ３、形状及び距離を測定する波面
を発生させる測定波発生部材４、ビームスプリッタ（以
下、ＢＳという）５及び６、干渉縞観察光学系７、アラ
イメント観察光学系８を備えている。なお、図中９は被
検面、１０は参照面、１１はモニタＴＶである。

【００１８】光源ユニットＬは、複数の発振波長を有す
るレーザ１と、スペイシャルフィルタ２とからなり、発
振される波長のうち、２つの波長をλ１、λ２とする。
ＢＳ５は、波長λ２の光に対してハーフミラーとして機
能し、波長λ１の光を透過する。ＢＳ６は、波長λ１の
光に対してハーフミラーとして機能し、波長λ２の光を
透過する。測定波発生部材４には、例えば、ガラス基板
上の両面に各々ゾーンプレート４Ａ，４Ｂが形成されて
いる。ゾーンプレート４Ａは、波長λ２のコリメート光
が入射した際に、被検面を予定測定位置に収束する球面
波を発生させ、ゾーンプレート４Ｂは、波長λ１のコリ
メート光が入射した際に、設計面の形状を測定するため
の形状測定波面を発生させる。

【００１９】まず、波長λ１の光は、光源ユニットＬか
ら射出した後、ＢＳ５を透過し、ＢＳ６で反射光と透過
光に分割される。このうちの透過光は、ゾーンプレート
４Ｂによって、被検面形状に対応した形状測定用波面と
なる。被検面９が設計値通りの形状に製作され、予定測
定位置に配置されていれば、測定波は被検面９で反射さ
れた後、入射してきた光路を逆進してＢＳ６に入射す
る。ＢＳ６に入射した光の一部は反射され、干渉縞観察
光学系７に至る。一方、光源ユニットＬから射出された
波長λ１の光のうち、最初にＢＳ６で反射した光は、参
照面１０で反射され参照光となり再びＢＳ６に向い、こ
の中でＢＳ６を透過した一部の光は干渉縞観察光学系７
に入射する。ここで、干渉縞観察光学系７において、被
検面からの面反射光と参照光とは相互に干渉し、干渉縞
を形成するのでこれを解析することにより、被検面の形
状誤差を測定することができる。

【００２０】次に、波長λ２の光は、光源ユニットＬか
ら射出した後、ＢＳ５、コリメータレンズ３、ＢＳ６を
各々透過し、ゾーンプレート４Ａによって被検面９の予
定測定位置の光軸上に収束する。収束した光が被検面９
上で点反射すれば、ゾーンプレート４Ａによって再びコ
リメート光となり、ＢＳ６及びコリメータレンズ３を透
過することにより収束光となる。このうち、ＢＳ５で反
射した収束光のスポットをアライメント光学系８で観察
する。このとき、被検面の位置が測定予定位置からずれ
ていると収束光のスポット位置がずれ、また十分に小さ
なスポットにならない。これによって、被検面が予定測
定位置におかれていることを確認でき、また、位置ズレ
の調整を行うことができる。

【００２１】本実施例による形状測定装置により被検面
９を測定するに際し、被検面９の予定測定位置への位置
合わせ行うには、まず、波長λ２の光を発振させ、アラ
イメント用光学系８で収束スポットを観察し、被検面９
の位置決めを行う。被検面９の光軸方向の位置決めが完
了すれば、次に波長λ１の光を発振させ、干渉縞観察光
学系７で干渉縞を観察しながら、被検面９の傾きを調整
し、ワンカラー状態もしくはそれに最も近い状態にす
る。そして、その時の干渉縞を基に、被検面９の形状を
測定する。

【００２２】尚、光源ユニットＬを異なる波長を発振す
る２個のＬＤで構成し、各レーザの発振あるいはビーム
の進行を遮断する遮断手段を設けた構成としてもよい。
また、２つの波長に対するＢＳ５，６の設計、製作が困
難な場合、いずれの波長に対してもハーフミラーとして
機能するよう構成しても差し支えない。

【００２３】次に、各部材の構成をより詳しく説明す
る。

【００２４】光源ユニットＬは、例えば、５４３ｎｍ，
６０４ｎｍ，６３３ｎｍ他の発振波長をもつマルチカラ
ーＨｅ−Ｎｅレーザ１と、集光レンズ２Ａとピンホール
２Ｂとからなるスペイシャルフィルタ２とから構成され
る。レーザ１は注入電流により発振波長がかわる半導体
レーザを用いてもよい。コリメータレンズ３は、形状測
定光とアライメント光の２つの波長に対して収差が無視
できるように設計する。ゾーンプレート４は所定のパタ
ーンを有する透明プレートとする。

【００２５】形状測定用パターン４Ｂの設計では、図２
ａのように被検面９の各点とその点を通る面法線が透明
プレートと交わる点との距離を求め、位相関係が揃うよ
うにゾーンを決めている。アライメント用パターン４Ａ
の設計では、図２ｂに示すように、被検面９の光軸上の
点と透明プレート各点との位相関係が揃うようにゾーン
を決めている。この時、アライメント光が透明プレート
上を通過する際に生じる回折を考慮に入れることは言う
までもない。このようにして、図２ｃの如く、各々の面
に形状測定用パターン４Ｂとアライメント用パターン４
Ａとが形成された光学素子４を形成することができる。
パターンは、振幅型よりも位相型の方が望ましい。ＢＳ
５はアライメント時だけ必要なものなので、形状測定時
には光束外へ待避するようにしておけば、ＢＳ５を通過
する際に発生する収差が、形状測定するに時に影響を及
ぼすことはない。

【００２６】ここで、アライメント光を発生させる手段
としてパターンを使わず、図３に示すように、透明プレ
ート４１の片面４１Ａに曲率を与え、この屈折力によっ
て被検面９上に収束スポットを結ぶようにしてもよい。
この構成によれば、パターンを両面に製作する煩わしさ
がなく、アライメント用パターンによる不要回折光が干
渉縞に悪影響を及ぼさない。但し、形状測定用パターン
４１Ｂを設計するに当っては、この曲面通過時の屈折を
考慮に入れなければならない。

【００２７】また、図４ａに示すように、形状測定用パ
ターン４２Ｂとアライメント用パターン４２Ａを同一の
面に重ねて描画した光学素子４２を用いてもよい。フォ
トリソグラフィ工程を考慮すると、片方の面にのみパタ
ーンを形成する方が製作しやすい。ところが、図４ｂに
示すように、形状測定用パターンとアライメント用パタ
ーンとを同心で描くと、２つのパターンが重なってゾー
ンがつぶれやすくなる。そこで、形状測定光とアライメ
ント用光との波長差を大きくとって、２つのパターンピ
ッチを大きくずらすことも考えられる。また、図５ａに
示すようにアライメント用光を、形状測定用光の光軸と
異なる角度から入射させるようにしても良い。この時、
光学素子４３のパターンは、図５ｂのようにエキセント
リックになる。

【００２８】なお、２つのパターンが同じ領域に描画さ
れると入射光が２つのパターンで回折されて形状測定光
又はアライメント光の回折効率が低下する。そこで、回
折効率が問題となる場合には、２つのパターンを同一面
又は両面の異なる領域に描画した光学素子４４を用いて
もよい。例えば、図６のようにアライメント用パターン
４４Ａを形状測定用パターン４４Ｂの領域外に形成し
て、アライメント用光学系８では、光軸中心に円形の遮
光板（図示せず）を配置するなどしてアライメント用パ
ターン４４Ａを通過した光のみを取り込むようにすれ
ば、スポット光量は低下しても十分なコントラストで観
察することができる。

【００２９】また、図７のように、形状測定用パターン
４５Ｂの領域外の一部にリング状のアライメント用パタ
ーン４５Ａを形成した光学素子４５を用いて、入射ビー
ムのうちパターン４５Ａの一部の領域４５Ｃに入射し回
折した光を被検面頂点で点反射させ、射出ビームを入射
ビームと異なる光路（領域４５Ｄで回折する）で取り出
す光学系にしてもよい。この時、アライメント用光学系
８においては、射出ビームの収束スポット径及び振れ量
を観察する。

【００３０】さらに、図８のように、ゾーンを液晶によ
る位相格子４６Ａ、４６Ｂにより形成し、印加電圧Ｖの
分布を制御することにより、透明プレート上に形状測定
用パターンとアライメント用パターンを切り替えてもよ
い。また、電極パターンをごく精密に製作すれば、形状
測定用パターンを電気的に変化させることにより、１つ
のプレートで何通りもの形状測定波を発生させることも
可能となる。

【００３１】また、上記実施例においては、形状測定用
パターンとアライメント用パターンを１つの光学素子上
に形成したが、図９に示すように各パターン４Ａ，４Ｂ
を各々別の光学素子４０１，４０２上に形成すれば、フ
ォトリソグラフィーの工程を簡素化することができる。
また、上記実施例においては、形状測定用波面及びアラ
イメント用波面を発生させる部材として、いづれもパタ
ーンを有する光学素子４０１，４０２を用いたが、いづ
れか一方、特にアライメント用波面を発生させる部材と
して所定の曲率を有する光学素子を用いれば、複雑な形
状の光学素子を一体形成する必要がなくなる。

【００３２】尚、上記実施例においては、被検面をあら
かじめアライメント用光学系により予定測定位置に位置
決めした上で、形状測定を行う方法を採用したが、次の
ような方法が採用できるように、形状測定装置を変形し
てもよい。すなわち、(a)形状測定波により干渉縞の状
態を観察しながら、被検物を移動させ、縞の状態が最適
となる位置、即ち、無数に存在する仮想形状のうちの１
つと被検物が一致する点を捜し、縞の解析を行う（前述
の如く、この時得られる干渉縞は、被検面の位置ズレ
と、被検面の設計形状に対する形状誤差が混在してい
る）。(b)アライメント光学系により、被検面の予定測
定位置からの位置ズレ量を計測する。(c)位置ズレ量を
補正して、被検面の設計形状に対する形状誤差のみを抽
出する。この方法を採用する装置は、形状誤差の大きな
被検物を測定する場合に特に有効であ

【００３３】る。

【発明の効果】本発明による形状測定装置によれば、予
定測定位置に集光する距離測定用の第２の波面の被検面
からの反射光を利用して被検面の予定測定位置への位置
合わせを行うため、非常に簡単な構成ながら、予定測定
位置からの位置ズレ誤差のない状態で、「設計形状に対
する被検面形状のズレ」を測定することができる。

【００３４】また、第１の波面と第２の波面を各々発生
させる手段を１つの光学素子上に一体的に形成すること
により、部品点数の増加を押さえることができ、さら
に、光路を切り替えることなく距離測定と形状測定を同
時に行えるため、測定精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例である形状測定装置の概略構
成図。

【図２】ゾーンプレートのパターン決定に関する説明
図。

【図３】一方の面に曲率を有する光学素子の断面図。

【図４】同一面上に２つのパターンを形成した光学素子
の断面図。

【図５】一方の光を斜め入射させる光学素子の断面図。

【図６】一方のパターン領域の外側に別のパターンを形
成した光学素子の断面図。

【図７】一方のパターン領域の外側に別のパターンを形
成した光学素子の断面図。

【図８】液晶によりパターンを形成した光学素子の断面
図。

【図９】２つのパターンを各々の光学素子に形成した実
施例の説明図。

【符号の説明】

４Ａアライメント用パターン（ゾーンプレート）４Ｂ形状測定用パターン（ゾーンプレート）７干渉縞観察光学系８アライメント観察光学系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者土肥寿秀大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタカメラ株式会社内 (72)発明者小林孝生大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタカメラ株式会社内 (72)発明者徳山裕大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタカメラ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から射出された光を分割して、一方を
参照面に、他方を被検物の被検面に導き、参照面からの
反射光と被検面からの反射光との相互干渉による干渉縞
の像を観察することにより被検面の面形状を測定する形
状測定装置において、被検面の設計形状に対応した第１の波面を発生させる第
１波面発生手段と、被検面の面形状を測定するための予定測定位置に集光す
る第２の波面を発生させる第２波面発生手段と、被検面からの第２の波面の反射光を用いて、前記予定測
定位置と被検面との位置ズレ量を検出する検出手段と、検出手段で検出された位置ズレ量が補正された状態で、
参照面からの反射光と被検面からの第１の波面の反射光
とを相互干渉させることにより被検面の形状を測定する
測定手段と、を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】前記被検面の形状は非球面であり、前記第
１の波面は非球面波、前記第２の波面は球面波であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】前記第２の波面の集光位置が被検面の光軸
付近であることを特徴とする請求項１に記載の形状測定
装置。
【請求項４】前記第１の波面発生手段及び前記第２の波
面発生手段を一体化した光学素子を用いることを特徴と
する請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項５】前記第１の波面発生手段及び前記第２の波
面発生手段のうち、少なくとも一方は前記光学素子に形
成されたゾーンプレートであることを特徴とする請求項
４に記載の形状測定装置。
【請求項６】光源から射出された光を分割して、一方を
参照面に、他方を被検物の被検面に導き、参照面からの
反射光と被検面からの反射光との相互干渉による干渉縞
の像を観察することにより被検面の面形状を測定する形
状測定装置において、被検面の設計形状に対応した第１の波面を発生させる第
１波面発生手段と、被検面の面形状を測定するための予定測定位置に集光す
る第２の波面を発生させる第２波面発生手段と、被検面からの第２の波面の反射光を用いて、前記予定測
定位置と被検面との位置ズレ量を検出する検出手段と、参照面からの反射光と被検面からの第１の波面の反射光
とを相互干渉させることにより被検面の形状を測定する
測定手段と、検出手段が検出した位置ズレ量に基づいて測定手段によ
る測定結果を補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする形状測定装置。