JPH0814853A - 計算機ホログラムを有する平板及びそれを用いた計測 方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 計算機ホログラムを用いて光学的に被検物
体、特に非球面の形状測定を行う場合に好適な計算機ホ
ログラムを有する平板及びそれを用いた計測方法を提供
すること。 【構成】 透明な平板の面上に被検物体を計測するため
の波面を所定の入射光波面に対して発生させる透過型の
計算機ホログラムと、該平板を所定の入射光に対して位
置合わせを行うために該入射光波面の位相共役波面を２
次以上の高次回折光により発生する反射型の計算機ホロ
グラムを形成する。以上の平板を用い、該平板を干渉計
に対して位置合わせした後、該平板を所定量移動して前
記透過型ホログラムにより前記被検物体の測定を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は計算機ホログラムを用い
て被検物体の形状、特に非球面の形状測定を光学的に行
う場合に好適な計算機ホログラムを有する平板及びそれ
を用いた計測方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、光学系に新しい機能が求められる
のに伴い光学系への非球面の適用が盛んになってきてい
る。コンパクトビデオカメラ、走査光学系など新しく開
発された分野では非球面が積極的に活用されている。

【０００３】非球面を用いる場合の問題点の一つに、で
き上がった非球面の形状検査がある。特に非球面量が大
きくなると、通常のフィゾ−型の干渉計では発生する干
渉縞の数が多くなりすぎ、実質的に測定が困難になると
いう問題がある。

【０００４】このため一般的に非球面の測定では通常の
干渉計による球面測定とは異なる手法が用いられてい
る。例えば接触プロ−ブを用いて機械的に非球面を測定
する方法や、計算機ホログラムを用いて被測定面（非球
面）に対する等価波面を発生させて計測する方法などが
一般的に知られている。

【０００５】特に計算機ホログラムを用いる方法は任意
の波面を発生させることができ、又、干渉縞の形で被測
定面を測定できるため、高精度、高速で被測定面全体を
２次元測定できるということで注目されている。しかし
計算機ホログラムを用いる方法では、対象となる非球面
の形状を発生させる計算機ホログラムを設けているガラ
ス基板を干渉計からの射出光束に対して所定の関係に配
置すること（位置合わせ）が重要である。

【０００６】本出願人は特開平5-157532号公報におい
て、計算機ホログラムを設けているガラス基板の位置合
わせを、該基板上に基板位置合わせ用の計算機ホログラ
ムを別に設け、これから発生する波面自体を直接モニタ
ーすることによって行う方法を提案している。本提案に
おいてはまず基板位置合わせ用の計算機ホログラムを使
用し、これに干渉計から光束を入射させ、該ホログラム
で反射回折した光束の波面と参照面で反射してきた基準
波と干渉させて干渉縞を発生している。そしてガラス基
板を調節して、これを適切な位置に設定すれば、干渉縞
は消えるので、これによりガラス基板を正しい位置に設
定している。（所謂ヌルテストである。）次に、ガラス
基板のホログラム面に沿って、測定用計算機ホログラム
を基板位置合わせ用ホログラムのあった位置へ機械的に
移動して測定用の計算機ホログラムを正しくセットして
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ホログラムは光の波面
と波面の干渉状態を記録したものなので、設定精度には
波長オ−ダ−の高い精度が要求される。しかしながら、
従来のような位置合わせ法は、計算機ホログラムの設定
に要求される精度を十分に満足することが難しいという
問題を持っていた。

【０００８】即ち、一般的に実施している様に計算機ホ
ログラムを機械的に寸法測定で位置合わせを行う場合に
は、干渉計を構成する他の光学部品の位置が基準とな
る。この方法は計算機ホログラムに入射する波面そのも
のをモニタするわけではなく、光学部品を押さえている
機械部品の位置などから計算機ホログラムの位置を間接
的に設定するものである。従って、基準の精度が不十分
であり、この方法で計算機ホログラムを使って非球面形
状を測定する場合には光学系の部品誤差や調整誤差によ
る余分な要素が入ってしまうという欠点があった。

【０００９】又、前記特開平5-157532号公報の提案で
は、その測定に適した計算機ホログラムの条件について
は明らかにしていなかった。

【００１０】本発明は、基板位置合わせ用の計算機ホロ
グラムを使用して基板の位置合わせを行い、次に測定用
計算機ホログラムを使用して非球面形状の測定を行う場
合に、基板位置合わせ用の計算機ホログラムを大きく、
精度良く作成することが可能である計算機ホログラムを
有する平板及びそれを用いて非球面の測定を高精度で、
容易に行うことのできる計測方法の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の計算機ホログラ
ムを有する平板は、 （１−１） 平板の面上に被検物体の形状を計測するた
めの波面を所定の入射光波面に対して発生させる透過型
の測定用計算機ホログラムと、該平板を所定の入射光に
対して位置合わせを行うために該入射光波面の位相共役
波面を２次以上の高次回折光により発生する反射型の基
板位置合わせ計算機ホログラムを形成していることを特
徴としている。

【００１２】特に、（１−１−１） 前記基板位置合わ
せ計算機ホログラムを構成するパターンの縞ピッチに対
する反射部分又は透過部分の幅の割合が０より大きく１
より小さいこと等を特徴としている。

【００１３】又、本発明の計測方法は、 （１−２） 請求項１又は２の計算機ホログラムを有す
る平板を用い、前記基板位置合わせ計算機ホログラムを
用いて該平板を前記入射光に対して位置合わせした後、
該平板を該平板の面に沿って所定量移動して前記測定用
計算機ホログラムを前記入射光に対して位置合わせを行
い、前記被検物体の形状の計測を行うこと等を特徴とし
ている。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の計算機ホログラムを有する平
板を用いた、非球面形状の計測方法の実施例１の光学系
の要部概略図である。図中、１は被検査レンズ（被検
物）であり、１ａは被検物１の被検査面としての非球面
（被検面）である。１０１は本発明の計算機ホログラム
を有する平板である。２は計算機ホログラムの形成され
ている透明な平板、例えばガラス平板（基板）である。
３はガラス基板２上に描画されている透過型の測定用計
算機ホログラム（以後「測定用ホログラム」と略称す
る）であり、３₀ はその中心である。４はガラス基板２
に形成した反射型の位置合わせ計算機ホログラム（以後
「基板位置合わせホログラム」と略称する）であり、４
₀ はその中心である。５は集光レンズであり、一方の面
５ａは入射光の数％を反射する参照面である。６はビー
ムスプリッター、７は結像レンズ、８はＣＣＤカメラ、
９はレーザー光源、１０はコリメーターであり、レーザ
ー光源９からの光束を拡大した平行光束としてビームス
プリッタ６に導光している。

【００１５】以上の各要素の内、レーザー光源９、コリ
メータ１０、ビームスプリッタ６、集光レンズ５、結像
レンズ７、ＣＣＤカメラ８等は干渉計１００の一要素を
構成している。

【００１６】１１は集光レンズ５により集束し、ガラス
基板２へ入射する収束球面波光束（干渉計１００から射
出する光束でもある）、１１ｂは基板位置合わせホログ
ラム４により反射回折して発生する光束のうち共役波面
を形成する光束、１２〜１４は基板位置合わせホログラ
ム４により反射回折して発生する光束のうち共役反射波
面を形成する光束１１ｂ以外のものを示す。１１ｃはガ
ラス基板２へ入射する光束１１が測定用ホログラム３で
透過回折して発生する光束のうち測定に使用する測定用
光束、１１ｄは測定用光束１１ｃが被検面１ａで反射し
て測定用ホログラム３へ向かう光束である。

【００１７】本実施例ではガラス基板２上に測定用ホロ
グラム３のほかに、基板位置合わせホログラム４を別途
設けている。この基板位置合わせホログラム４は反射型
のものであり、又通常は１次回折光を用いて波面の変換
を行うところ、本実施例では２次以上の高次の回折光を
使用することが特徴である。特に、実施例１では反射３
次回折光を使用するように計算機ホログラムを製作して
いる。即ち計算機ホログラムに干渉計からの収束球面波
光束（参照波）１１が入射すると、該ホログラムによる
反射３次回折光によって参照波１１の位相共役波１１ｂ
が発生するように設計がなされている。

【００１８】ここで、高次回折光を利用する計算機ホロ
グラムの利点及び使用上の留意事項について説明する。

【００１９】一般に計算機ホログラムを利用する際に
は、その１次回折光を利用していた。しかし、回折の次
数を１次回折に限定することにより 2Dsinθ＝λ（D:計
算機ホログラムのパターンピッチ、θ＝ (変換角) x(1/
2)，λは光の波長、変換角とはホログラム上の一点にお
いて回折光線と０次回折光線とのなす角度である）によ
って定まる計算機ホログラムのパターンピッチD は細か
くなってしまう。即ちホログラムの中心部では変換角θ
が小さいのでピッチD は粗いが、ホログラムの外周へ向
かうに従って変換角θが大きくなり、ピッチD が細かく
なり、製作上の限界のピッチに達してしまう。これによ
り基板位置合わせホログラム４の大きさが制限され、ガ
ラス基板２の位置合わせ精度が不十分になる。

【００２０】そこで本実施例では基板位置合わせホログ
ラム４は反射３次回折光を使用するように設計してい
る。１次回折光を利用するよりも３次回折光を利用する
方がパターンピッチが粗くでき、ガラス基板２の位置合
わせ精度を上げることができるからである。

【００２１】更に、高次の回折光を使用する際には光量
についても留意しなければならない。図３は一般的な透
過型回折格子の説明図である。図中、Ｄはそのピッチ、
ｄは回折格子の透過部分の幅（反射型回折格子の場合は
反射部分の幅）である。図４は回折格子の有効幅ｄのパ
ターンピッチＤに対する割合（ｄ／Ｄ）の変化による回
折光の強度の変化を回折次数をパラメーターにして図示
したものである。同図に図示するように、１次回折光の
強度はｄ／Ｄ＝０．５近傍で最も高くなる。（一般的
に、計算機ホログラムを用いて測定する際には、この最
も強度の高い１次回折光のｄ／Ｄ＝０．５という設定が
良く使用される。）２次回折光はｄ／Ｄ＝０．２５、
０．７５近傍で光量のピークが発生し、ｄ／Ｄ＝０．５
では回折光量は０になる。又３次回折光では３つのピー
クが発生する。

【００２２】計算機ホログラムを製作する際には有効部
と非有効部の幅が同じ（ｄ／Ｄ＝０．５）であれば作製
時のトラブルを回避し易い。従って本実施例においては
ｄ／Ｄ＝０．５を採用している。

【００２３】以上の理由により本発明の計算機ホログラ
ムを有した平板の実施例１では基板位置合わせホログラ
ム４を３次回折光を利用するｄ／Ｄ＝０．５とした計算
機ホログラムで構成している。この条件でも光量は必要
量を満たしている。

【００２４】このホログラムを使用すると図２に図示す
るようにこの基板位置合わせホログラム４からは反射３
次回折光束１１ｂに加えて反射０次回折光束１２、反射
１次回折光束１３、反射２次回折光束１４等が発生す
る。

【００２５】本実施例による非球面１ａの計測方法につ
いて説明する。

【００２６】まず計算機ホログラムを形成しているガラ
ス基板２を測定光学系（干渉計１００）に対して所定の
位置に位置合わせする。その手順は次のとおりである。

【００２７】まず基板位置合わせホログラム４を集光レ
ンズ５に対しておおよそ正しい位置にセットする。そし
て干渉計１００を動作させれば、レーザー光源９から射
出した光はコリメーター１０を通って広がった平行光束
となり、ビームスプリッター６を通って集光レンズ５に
入射する。集光レンズ５では大部分の光が透過して収束
球面波光束（参照波）１１となって射出する。これが干
渉計１００から射出する光束であり、計算機ホログラム
への入射光である。（従来例で問題となっているのは、
この入射参照波１１と計算機ホログラムとの位置合わせ
精度であった。）一方、集光レンズ５の中の参照面５ａ
で反射した数％の光は集光レンズ５を出ると平行光束と
なりビームスプリッター６で反射して結像レンズ７を通
りＣＣＤカメラ８に入射する。この光束は常に基準光束
となる。

【００２８】干渉計から射出する収束球面波光束（参照
波）１１は基板位置合わせホログラム４に入射する。入
射した光束はこのホログラムにより反射回折し、その内
の３次回折光が発散球面波光束１１ｂとなり、基板位置
合わせホログラム４への入射光束と略同じ経路を辿って
集光レンズ５へ戻り、ビームスプリッタ６、結像レンズ
７を介してＣＣＤカメラ８へ達する。この光束は参照光
束である。そしてこの参照光束の波面と基準光束の波面
とが干渉してＣＣＤカメラ８上で干渉縞を発生する。

【００２９】この参照光束の波面と、集光レンズ５の参
照面５ａで反射したきた基準光束の波面とは、もし基板
位置合わせホログラム４が正しい位置に設定されれば、
同一の形状となり、いわゆるヌルの干渉縞を作る。

【００３０】そこで干渉縞を観察しながらガラス基板２
の位置及び傾きを調節し、干渉縞をヌルの状態（干渉縞
が無い状態）にする。ヌル干渉縞の状態が達成されれば
基板位置合わせホログラム４を参照波１１に対して正確
に位置合わせしていることになる。即ちガラス基板２を
干渉計１００に対して正しい位置にセットしている。こ
の方法では干渉縞を参照して位置合わせを行うため、ガ
ラス基板２の設定精度は極めて高い。

【００３１】次に被検面１ａの検査を行う。その手順は
次のとおりである。基板位置合わせホログラム４を参照
波１１に対して正確に位置合わせした後、今度は同じガ
ラス基板２上に形成された測定用ホログラム３と参照波
１１の位置合わせを行う。測定用ホログラム３と基板位
置合わせホログラム４は同一ガラス基板２上にあらかじ
め所定の関係で配置されている。このため前記の参照波
１１と基板位置合わせホログラム４との位置合わせが達
成されている状態から、ガラス基板２を基板面に沿って
所定量移動させ、測定用ホログラム３の中心３₀ を基板
位置合わせホログラム４の中心４₀ の在った位置へ移動
する。これによって測定用ホログラム３と参照波１１の
位置合わせができたことになる。そして基板位置合わせ
ホログラム４と参照波１１の設定精度があらかじめ干渉
縞によって保証されていることから、測定用ホログラム
３の設定も同様の精度で達成される。この結果、参照波
１１を測定用ホログラム３に入射すれば、被検面１ａの
正確な等価波面を有する回折光束が形成されることにな
る。

【００３２】以上の動作を行った後、被検物セット治具
に被検物１をセットし、干渉計１００を動作させれば、
測定用ホログラム３から発生する測定用光束１１ｃは被
検面１ａと等価の波面をもって被検面１ａに到達して反
射し、反射光束１１ｄとなって再びもと来た光路を戻っ
て測定用ホログラム３に入射して再回折を受ける。再回
折された光束の内、特定の次数の光束は集光レンズ５、
ビ−ムスプリッタ６を介して結像レンズ７を通ってＣＣ
Ｄカメラ８に達する。この光束は測定光束である。そし
てこの測定光束の波面と基準光束の波面とが干渉し、Ｃ
ＣＤカメラ８上で干渉縞が観察される。

【００３３】被検面１ａが完全であれば、測定用ホログ
ラム３に戻ってくる反射光束１１ｄは被検面１ａの入射
光束１１ｃの位相共役波となっており、測定用ホログラ
ム３で再回折した光が参照波の位相共役波となって、Ｃ
ＣＤカメラ８上ではヌルの干渉縞が形成される。これに
対し被検面１ａに製作誤差があれば、それが測定光束の
波面の乱れとなって干渉縞の形でＣＣＤカメラ８上で観
察される。これは通常のヌルテストのやり方と同じであ
る。

【００３４】本発明ではあらかじめ基板位置合わせホロ
グラム４により干渉縞レベルでガラス基板２の設定精度
が保証されているため、被検面１ａの測定波面に誤差が
入らず、従来に比べてより正確な測定を行うことが可能
である。

【００３５】図５は本発明の計算機ホログラムを有する
平板の実施例２の概略図である。本実施例は一つのガラ
ス基板２上に２種類の非球面を測定する場合の測定用ホ
ログラム３ａ，３ｂを構成している例を示している。ガ
ラス基板２上には反射３次回折光束１１ｂが参照波１１
の位相共役波となる基板位置合わせホログラム４と、検
査対象の２種類の非球面に対応し、それぞれの非球面の
形状等価波面を発生させる測定用ホログラム３ａと３ｂ
を形成している。

【００３６】検査対象となる非球面の個数が増えれば、
等価波面を発生させる測定用ホログラムの数をガラス基
板２上で増やせば良い。

【００３７】本発明の計算機ホログラムを有する平板の
実施例３（不図示）は実施例１と比べて、基板位置合わ
せホログラム４を５次回折光を利用するものとし、ホロ
グラムの有効幅ｄのパターンピッチＤに対する割合（ｄ
／Ｄ）を０．３±０．０５としているところが異なって
おり、その他の構成は同一である。

【００３８】５次回折光において、ｄ／Ｄに対する回折
光の強度は図６に図示する関係にあり、本実施例のｄ／
Ｄ＝０．３では実施例１に比べて干渉縞のコントラスト
は弱くなるが、干渉縞の確認は可能である。その一方、
基板位置合わせホログラム４のパターンピッチは実施例
１よりも粗くなり、ホログラム製作時に描画限界ピッチ
による制限を受けずにすみ、かつデータ数も少なくてす
むために製作トラブルを避けることができる。

【００３９】本実施例の場合、干渉縞のコントラストが
弱いためＣＣＤカメラ８により干渉縞画像を取り込み、
ガラス基板２の位置合わせ精度を判断するよりも目視確
認で判断する場合に有効である。

【００４０】

【発明の効果】本発明の計算機ホログラムを有する平板
は以上の構成により、 （２−１−１） 高次の回折光を用いる計算機ホログラ
ムを採用したので、基板位置合わせ用の計算機ホログラ
ムのパターンピッチは粗くても変換角が大きくとれ、こ
のことによりパターンピッチの作製限界による制約が緩
くなり、大サイズのホログラムが可能になる。 （２−１−２） 定まったサイズのホログラムに対して
も、本発明の高次回折光を用いた反射型の位相共役波面
発生パターンを採用することにより、パターンピッチを
粗くすることができ、作製時のデータ数を減らすことが
可能になり製作時のトラブルを避けることができる。

【００４１】又、本発明の計測方法は以上の構成によ
り、 （２−２−１） 計算機ホログラムの位置合わせを基板
位置合わせホログラムから発生する波面自体によって行
うため、測定機の部品精度や組み立て精度に左右される
ことなく計算機ホログラムを干渉計に対して正しい位置
に設定できる。そして測定用ホログラムを容易に、かつ
高精度に位置設定できる。 （２−２−２） 大サイズのホログラムを使用するので
ガラス基板の位置合わせ精度が向上し、これにより、測
定用ホログラムの位置設定の精度を上げることができ
る。 （２−２−３） 非球面の測定に際して正確なヌルテス
トができるので測定精度が向上する。 （２−２−４） 基板上に複数個の計算機ホログラムを
形成することにより、複数個の非球面を効率よく検査で
きる。 （２−２−５） 複雑な非球面を検査する際、従来では
得られない高精度を得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の計算機ホログラムを有する平板を用
いた、非球面形状の計測方法の実施例１の光学系の要部
概略図

【図２】 基板位置合わせホログラムの作用説明図

【図３】 回折格子の説明図

【図４】 （回折格子の有効幅ｄ／パターンピッチＤ）
に対する回折光強度の関係図

【図５】 本発明の計算機ホログラムを有する平板の実
施例２の概略図

【図６】 （回折格子の有効幅ｄ／パターンピッチＤ）
に対する５次回折光強度の関係図

【符号の説明】

１ 被検レンズ（被検物体） １ａ 被検査非球面（被検面） ２ 平板（ガラス基板） ３ ガラス基板位置合わせ用の計算機ホログラム （基板位置合わせホログラム） ４ 測定用の計算機ホログラム （測定用ホログラム） ５ 集光レンズ ５ａ 参照面 ６ ビ−ムスプリッタ ７ 結像レンズ ８ ＣＣＤカメラ ９ レ−ザ １０ コリメ−タ １１ 基板位置合わせホログラムへの入射光束 １１ｂ 基板位置合わせホログラムからの３次回折光束 １１ｃ 測定用ホログラムの透過回折光束（測定光束） １１ｄ 被検査非球面からの反射光束 １００ 干渉計 １０１ 計算機ホログラムを有する平板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板の面上に被検物体の形状を計測する
   ための波面を所定の入射光波面に対して発生させる透過
   型の測定用計算機ホログラムと、該平板を所定の入射光
   に対して位置合わせを行うために該入射光波面の位相共
   役波面を２次以上の高次回折光により発生する反射型の
   基板位置合わせ計算機ホログラムを形成していることを
   特徴とする計算機ホログラムを有する平板。
2. 【請求項２】 前記基板位置合わせ計算機ホログラムを
   構成するパターンの縞ピッチに対する反射部分又は透過
   部分の幅の割合が０より大きく１より小さいことを特徴
   とする請求項１の計算機ホログラムを有する平板。
3. 【請求項３】 請求項１又は２の計算機ホログラムを有
   する平板を用い、前記基板位置合わせ計算機ホログラム
   を用いて該平板を前記入射光に対して位置合わせした
   後、該平板を該平板の面に沿って所定量移動して前記測
   定用計算機ホログラムを前記入射光に対して位置合わせ
   を行い、前記被検物体の形状の計測を行うことを特徴と
   する計測方法。