JPH0634335A

JPH0634335A - シェアリング干渉方法およびラジアルシェア素子

Info

Publication number: JPH0634335A
Application number: JP4213418A
Authority: JP
Inventors: Kaneyasu Ookawa; 金保大川
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-07-17
Filing date: 1992-07-17
Publication date: 1994-02-08

Abstract

(57)【要約】【目的】１状態の干渉測定により三次元の波面形状を
高精度で短時間に測定する。【構成】楕円体の焦点Ｆ₁に集光させた被検光束３を
楕円体の表面１で反射させた光束４と、楕円体の中心を
通り且つ長軸と直交する振幅分割面２により被検光束３
を反射させた光束５とを干渉させて、被検光束３の波面
形状を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学系の結像特性や光学
部品の面形状を測定するためのシェアリング干渉法と、
この干渉法に用いられるラジアルシェア素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】シェアリング干渉法は光学系から射出す
る光束の波面を直接的に測定するために用いられてい
る。このシェアリング干渉法においては、白色光源を使
用した測定が可能なコモンパス干渉法として、ラテラル
シェアリング干渉法が知られている。しかしこのラテラ
ルシェアリング干渉法は、被検面のシェア方向と平行な
波面形状をシェアの方向により観察するため、１方向だ
けでは波面を正確に把握できず、少なくとも２方向のシ
ェアを行う必要があると共に、シェア方向およびシェア
量を正確に把握する必要があり、測定が面倒となる問題
があった。

【０００３】特開昭６１−２７２６０７号公報はかかる
問題点を解決するために開発された従来技術である。こ
の方法はシェアリングを行う光学素子を回動機構により
直交する２方向に回転させるものであり、これにより簡
便な切り換えができ、しかも三次元の波面形状の高精度
測定を可能としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の方
法では、アライメントと２方向切換えの簡便さとが改善
されているが、三次元の波面形状を測定するには少なく
とも２状態の干渉測定が必要となるため測定に長時間を
要する問題があった。

【０００５】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
であり、白色光源が使用でき、しかも１状態の干渉測定
だけで三次元の波面形状を高精度で短時間に測定できる
シェアリング干渉方法およびこの干渉方法に使用するラ
ジアルシェア素子を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】本発明のシェ
アリング干渉方法は、楕円体の焦点に集光させた被検光
束を当該楕円体の表面で反射させた光束と、前記楕円体
の中心を通り且つその長軸と直交する振幅分割面により
前記被検光束を反射させた光束とを干渉させることを特
徴とする。このシェアリング干渉方法に使用する本発明
のラジアルシェア素子は楕円体の表面の一部分で構成さ
れる反射面と、前記楕円体の中心を通り且つその長軸と
直交するように設けられた振幅分割面とを備えているこ
とを特徴とする。

【０００７】図１ないし図４は本発明の基本構成を示
し、これらの図において、１は第１の焦点Ｆ₁および第
２の焦点Ｆ₂を有する楕円体の表面であり、この表面の
一部分により反射面が構成される。２は楕円体の中心Ｏ
を通り且つ、その長軸と直交する振幅分割面、３は被検
光束、４は被検光束３が振幅分割面２を透過し、楕円体
の表面１で反射した後、再び振幅分割面２を透過するこ
とにより得られる光束、５は被検光束３が振幅分割面２
で直接反射して得られる光束、６はこれらの反射光束に
より生じた干渉縞７を観察するための仮想の観察面であ
る。

【０００８】図１においては、被検光束３を第１の焦点
Ｆ₁に集光させた状態を、図２においては第２の焦点Ｆ
₂に集光させた状態となっている。図１においては、第
１の焦点Ｆ₁に集光した被検光束３の１部が振幅分割面
２を透過した後、楕円体の表面１で反射し、第２の焦点
Ｆ₂で集光し、再度振幅分割面２でその１部が透過する
ことにより反射光束４が得られる。一方被検光束３の他
の１部は振幅分割面２で直接反射して反射光束５とな
る。ここで被検光束３が理想球面波のとき、反射光束４
および５はいずれも第２の焦点Ｆ₂を波源とし、発散角
の異なった球面波となるため、ラジアルシェア干渉が生
じる。従って被検光束３に波面収差が存在する場合に
は、図３に示すように観察面６でその波面収差に応じた
干渉縞７を観察することができる。この干渉縞７を解析
することにより、被検光束３が有する波面収差を知るこ
とができる。

【０００９】図２においては振幅分割面２を透過した被
検光束３の一部が第２の焦点Ｆ₂で集光した後、楕円体
の表面１で反射し、再度振幅分割面２でその１部が透過
し第１の焦点Ｆ₁で集光することにより反射光束４が得
られる。一方被検光束の他の一部は振幅分割面２で直接
反射して反射光束５となる。これにより図４に示すよう
に、観察面６では被検光束３の波面収差に応じた干渉縞
７を観察することができ、この干渉縞７を解析すること
により、被検光束３が有する波面収差を知ることができ
る。

【００１０】

【実施例１】図５ないし図７は本発明の実施例１を示
し、図１および図２と同一の要素は同一の符号を付して
対応させてある。図５において、１１は楕円形状の表面
１１ａを内面に有したガラス部材であり、表面１１ａに
は銀が鏡面状に蒸着されている。この楕円形状の表面１
１ａは第１の焦点Ｆ₁および第２の焦点Ｆ₂を有してい
る。１２は数μｍ程度の厚さのニトロセルロール膜にコ
ーティングを施すことにより、所定の透過率および反射
率特性が備えられたペリクルビームスプリッタである。
このペリクルビームスプリッタ１２は楕円形状の表面１
１ａの中心Ｏを通り且つその長軸に直交する平面（振幅
分割面）に一致するようにガラス部材１１に固定されて
いる。これらガラス部材１１およびペリクルビームスプ
リッタ１２により本実施例のラジアルシェア素子が構成
される。

【００１１】図６は図５の解析説明図であり、ｙ−ｚ座
標は楕円形状の表面１１ａの中心を原点とし、短軸方向
をｙ軸、長軸方向をｚ軸とする座標系である。従って楕
円形状の表面１１ａのｙ−ｚ平面内の断面形状はｙ²/b²
＋z²/a² ＝１と、一方、ペリクルビームスプリッタ１２
の表面はｚ＝０となる。

【００１２】上記構成において、観察面６上にある１点
Ｐ（ｙ_1,ｚ₁）を発した光１３がペリクルビームスプリ
ッタ１２でその一部が反射され光１４となって観察面６
上の一点Ｐ’（ｙ₁', ｚ₁）に達し、一方、同じ点Ｐを
発した光１３が楕円形状の表面１１ａで反射され光１５
となって観察面６上の一点Ｐ”（ｙ₁", ｚ₁）に達した
場合、これらのｙ₁', ｙ₁"は幾何学的解析により、数１
および数２となる。

【００１３】

【数１】

【００１４】

【数２】

【００１５】一方、表面１１ａの楕円形状の離心率εは
０＜ε＜１の条件の下で、数３となる。また、ｍを数
４、ρを数５、ρ’を数６、ρ”を数７とすると、ρ’
は数８、ρ”は数９となる。

【００１６】

【数３】

【００１７】

【数４】

【００１８】

【数５】

【００１９】

【数６】

【００２０】

【数７】

【００２１】

【数８】

【００２２】

【数９】

【００２３】今、位置ｍにおける入射波面Ｗ（ρ，θ）
を数１０とすると、ペリクルビームスプリッタ１２から
直接反射される反射光束５の位置ｍにおける波面Ｗ’
（ρ，θ）は数８および数１０から数１１のように算出
される。なお反射光束５は光１４を含むものであり、数
１０，数１１において、Ｋは多項式の次数を示す。

【００２４】

【数１０】

【００２５】

【数１１】

【００２６】一方、楕円形状の表面１１ａからの反射光
束４の位置ｍにおける波面Ｗ”（ρ，θ）は数９および
数１０から数１２となる。この反射光束４には光１５が
含まれる。

【００２７】

【数１２】

【００２８】これらの反射光束５および４の光路差ＯＰ
Ｄは数１３であり、数１３において、ｍ＞＞ε，ρであ
るところから、数１４となる。

【００２９】

【数１３】

【００３０】

【数１４】

【００３１】以上のことから、光学的検出感度σは数１
５となる。

【００３２】

【数１５】

【００３３】一方、単一収差だけが存在する場合の光学
的検出感度σ_n,Lは数１６となる。

【００３４】

【数１６】

【００３５】ここで、ｎ＝１の時はチルト、ｎ＝２の時
はデフォーカス又は３次のアス、ｎ＝３の時は３次のコ
マ、ｎ＝４の時は３次の球面収差、ｎ＝５の時は５次の
コマ、ｎ＝６の時は５次の球面収差に対応した光学的検
出感度となる。図７は横軸に楕円率ε、縦軸にこれらの
光学的感度の絶対値をプロットした感度特性図である。
楕円率ε＝０すなわち楕円体でなく球の場合には図７に
示すようにｎが偶数の時、光学的感度が全くなく、この
現象は半球を用いた干渉計では、単なるリバーサルシェ
アリングにすぎず、チルトとコマ以外の波面収差は検出
できないことを示唆している。

【００３６】次に干渉縞の可視度を１にする条件は以下
のように設定される。ペリクルビームスプリッタ１２の
透過率をＴ、反射率を（１−Ｔ）とし（すなわち吸収が
ないものとする。）、楕円形状の表面１１ａの反射率を
Ｒとすれば、可視度が１となる条件が数１７で与えられ
る。

【００３７】

【数１７】

【００３８】ここで測定における光量を有効に使うため
にはＴ＝0.５、Ｒ＝１が良好で、この時には数１７によ
りρ”／ρ’＝−１／√２が最適条件となる。一方、数
８および数９からｍ＞＞ρの場合には数１８となる。

【００３９】

【数１８】

【００４０】従って数１８にρ”／ρ’＝−１／√２を
代入すると、ε＝（√２−１）²≒0.１７となり、この
時の光学的感度を図７により求めると最も低い光学的感
度の収差でも0.５あることが判る。以上のことから、測
定の実際にはペリクルビームスプリッタ１２の透過率Ｔ
および楕円形状の表面１１ａの反射率Ｒの設定に応じて
数１７および数１８、楕円率εを設定することにより最
良の干渉縞を観察することができる。なお、楕円形状の
表面１１ａの大きさについては被検光束を射出する光学
系のＮＡおよびＷＤによって設定する必要があり、例え
ば顕微鏡対物レンズのようにＷＤが小さなレンズの波面
収差を測定する場合には、かなり小さく設定した方が良
好である。

【００４１】以上のような本実施例では、光源として白
色光源が使用でき、しかも状態を変更することなく高精
度に測定でき、短時間での測定が可能となる。

【００４２】

【実施例２】図８は本発明の実施例２を示し、実施例１
と同一の要素は同一の符号で対応させてある。この実施
例２においては、ガラスからなる平行平面板１６の下面
１６ａにコーティングを施して、振幅分割面とし、この
下面１６ａを楕円形状の表面１１ａの中心を通り、且つ
その長軸と直交するように配置している。このような実
施例２では、振幅分割面がガラス面となっているため高
い面制度を容易に得られると共に低いＮＡの被検光束の
場合には反射光束４および反射光束５の平行平面板内の
光路長がほぼ等しいため測定精度の劣化が少なくなるメ
リットがある。

【００４３】

【実施例３】図９は本発明の実施例３を示し、この実施
例３における実施例２との構成上の相違は振幅分割用の
コーティング膜１７ａが内部に位置するように平行平面
板１７を作成し、そのコーティング膜１７ａが光学的に
楕円形状の表面１１ａの中心を通りその長軸に直交した
平面に一致するように平行平面板１７を配置した点であ
る。このような構成では、振幅分割面がガラス面となっ
ているため高い面精度が得られると共に、実施例２では
補償できない高ＮＡの被検光束の場合においても、コー
ティング膜１７ａの上下のガラスの厚さを適度に設定す
ることにより最適な補償ができる効果がある。

【００４４】

【実施例４】図１０は本発明の実施例４を示し、楕円形
状の表面１８ａおよび該楕円体の中心を通り、長軸と直
交する平面１８ｂを有する半楕円形状のガラス体１８の
みで、ラジアルシェア素子が構成されている。このガラ
ス体１８は高精度面が得られ易いＢＫ７を素材とすると
共に、その表面１８ａにはコーティングが施されていな
い。また平面１８ｂには反射率が７％程度となる反射膜
が施されている。さらに、楕円率εは実施例１と同様に
ε＝（√２−１)²≒0.１７とし、ρ”／ρ’が−１／√
２に設定されている。

【００４５】本実施例における反射光束４と反射光束５
との光密度の比はＲ＝0.０４とし、これにより数１９と
なる。

【００４６】

【数１９】

【００４７】すなわち、反射光束４と反射光束５とはほ
ぼ同じ光密度を有する光束となり干渉縞の可視度が大と
なる。なお、本実施例によって液浸対物レンズの波面収
差を測定する場合にはその対物レンズと平面１８ｂとの
間を所定の液で満たして測定することになるため、その
ままでは平面１８ｂの反射率が大幅に低下し測定できな
くなるが、この場合にはあらかじめ平面１８ｂを液で満
たした時に反射率が７％程度に設定することにより測定
が可能となる。本実施例の固有の効果は、簡単な構成で
安定した波面測定ができることである。

【００４８】

【実施例５】図１１は本発明の実施例５を示し、１９は
楕円形状の表面１９ａを有する半楕円ガラス体、２０は
片側にコーティング面２０ａを有する平行平面板であ
る。この平行平面板２０はそのコーティング面２０ａが
半楕円ガラス体１９の平面部に密着するように接合され
ており、コーティング面が振幅分割面となっている。こ
の実施例５における固有の効果はガラス内部で発生する
球面収差による測定精度の誤差を軽減できることであ
る。

【００４９】

【実施例６】図１２は上記各実施例のラジアルシェア素
子２１を用いて、波面を測定する時の全体構成を示す。
同図において２２は白色光源、２３はコンデンサーレン
ズ、２４は干渉フィルター、２５はピンホール、２６は
ピンホール２５の投影像を作成するためのレンズ、２７
はビームスプリッタ、２８は被検レンズ、２９は検出光
束を変換するためのレンズ、３０はＣＣＤカメラであ
る。

【００５０】このような構成において、白色光源２２を
発した光束がコンデンサーレンズ２３により集光光束と
なり、干渉フィルター２４により単色光束となりピンホ
ール２５を照明する。この時、干渉フィルター２４は数
種類用意して切り換えて使用すると良い。ピンホール２
５を発した光束は球面波となり、この光束がレンズ２６
により所定の位置に投影像を作る。すなわちこの所定の
位置を波源とする球面波に変換され、この光束がビーム
スプリッタ２７を透過して被検レンズ２８に入射する。
この入射光束の波面は完全な球面波となっており、この
完全な球面波が被検レンズ２８を透過した後には被検レ
ンズ２８が有する波面収差に応じて球面波からずれた波
面の光束３となる。この光束がラジアルシェア素子２１
の第２焦点Ｆ₂に集光するように配置調整することによ
り、直接に反射した反射光束とラジアルシェアされた反
射光束とが同一波源として得られ、この干渉光束が被検
レンズ２８を逆進し、ビームスプリッタ２７で反射した
後、レンズ２９により縮小光束となってＣＣＤカメラ３
０に入射し、シェアリングにより生ずる全面にわたる位
相差を求めることができ、この波面収差が被検レンズ２
８の波面収差となる。かかる測定において、公知のフリ
ンジスキャニング法を用いることでさらに正確な位相差
を測定することができるので有効である。この場合はラ
ジアルシェア素子をピエゾ素子などで微動させることに
よって可能となる。

【００５１】また各波長に対応した波面収差が得られる
ので、これらの波面を合成することにより従来顕微鏡対
物レンズなど精度的に不可能とされていたレンズの白色
ＭＴＦを高精度で求めることも可能となる。

【００５２】

【発明の効果】以上の通り本発明によれば、被検光束の
波面を高精度で、しかも短時間に測定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成の測定例の側面図。

【図２】本発明の基本構成の別の測定例の側面図。

【図３】図１の干渉縞の平面図。

【図４】図２の干渉縞の平面図。

【図５】本発明の実施例１の断面図。

【図６】実施例１による測定を示す説明図。

【図７】実施例１の感度特性図。

【図８】本発明の実施例２の断面図。

【図９】本発明の実施例３の断面図。

【図１０】本発明の実施例４の断面図。

【図１１】本発明の実施例５の断面図。

【図１２】本発明の実施例６の全体構成図。

【符号の説明】

１楕円体の表面２振幅分割面３被検光束４反射光束５反射光束

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】楕円体の焦点に集光させた被検光束を当
該楕円体の表面で反射させた光束と、前記楕円体の中心
を通り且つその長軸と直交する振幅分割面により前記被
検光束を反射させた光束とを干渉させることを特徴とす
るシェアリング干渉方法。
【請求項２】楕円体の表面の一部分で構成される反射
面と、前記楕円体の中心を通り且つその長軸と直交する
ように設けられた振幅分割面とを備えていることを特徴
とするシェアリング干渉方法に用いるラジアルシェア素
子。