JPH08233550A

JPH08233550A - 折り返し干渉装置

Info

Publication number: JPH08233550A
Application number: JP7037338A
Authority: JP
Inventors: Hajime Ichikawa; 元市川; Takahiro Yamamoto; 貴広山本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-02-24
Filing date: 1995-02-24
Publication date: 1996-09-13

Abstract

(57)【要約】【目的】非球面の形状測定を干渉計を使用して広ダイ
ナミックレンジで、かつ、高精度に行うことが可能な折
り返し干渉装置の提供を目的とする。【構成】干渉計本体と、集光レンズと、被検レンズを
保持調整する第一の保持調整機構と、折返しミラーと、
該折返しミラーを保持調整する第二の保持調整機構と、
該被検レンズ、及び該折り返しミラーのいずれか一方を
測定光軸方向に移動させる移動機構と、該移動機構の移
動量検出手段と、該干渉計本体、及び該検出手段の測定
データを演算処理する演算装置とからなることを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非球面の形状を干渉計
測するための折り返し干渉装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】被検面が２次非球面形状の場合、被検面
の真非球面度測定を干渉計を用いて行う場合には、図３
のような折り返しヌル干渉計測が一般的に行われてい
る。図３は、双曲面を折り返しヌル干渉計測する場合で
ある。干渉計は、フィゾー型、トワイマングリーン型等
の種類を問わない。

【０００３】回転対称な２次非球面形状は、数１の２次
非球面式［数１］Ｚ＝Ｘ²／Ｒ／｛１＋√（１−κＸ²／Ｒ²）｝で表される。この式で一般的に使用される係数κ、及
び、Ｒは、それぞれ、非球面係数、及び、中心曲率半径
である。なお、式の簡略化のため、通常の表記法に対し
て、「１−κをκ」と置き直している。

【０００４】先ず、双曲面の折り返しヌル干渉計測の原
理は以下の通りである。図示しない干渉計本体から射出
される平面波をフィゾーレンズ３により球面波に変換
し、その球面波を被検物１の被検面１ａ（双曲面）に入
射させる。双曲面の第一焦点から発する球面波は、双曲
面で反射された後、あたかも双曲面の第二焦点から発し
た球面波の振る舞いをする。従って、フィゾーレンズ３
の結像点（球面波の球心）Ｏと双曲面１ａの第一焦点を
合致させると同時に、一面が球面で構成された折り返し
ミラー４の球心Ａを双曲面１ａの第二焦点に合致させれ
ば、折り返しミラー４で反射された光はフィゾーレンズ
３の球心に再び結像し、その時の光路差はゼロとなる。
この時、得られる干渉縞は所謂「縞一色」となる。

【０００５】以上の説明は、フィゾー面、被検面（双曲
面）、及び、折り返し球面が全て理想面形状としたが、
実際には、理想面からの乖離があるため、それぞれ、最
適近似球面の球心、及び、最適近似２次非球面（双曲
面）の焦点で考えればよい。この時、得られる干渉縞を
解析することにより、基準参照波面に対する被検面の真
非球面度誤差の測定が可能となる。

【０００６】例えば、被検面に２次非球面成分だけでは
無く、次式［数２］Ｚ＝Ｃ₂Ｘ²＋Ｃ₄Ｘ⁴＋Ｃ₆Ｘ⁶＋Ｃ₈Ｘ⁸＋Ｃ₁₀Ｘ¹⁰＋・・で表される高次成分が乗った場合でも、得られる干渉縞
の解析が可能でありさえすれば、即ち、干渉縞の画像デ
ータを解析するに充分足る横分解があれば、上記係数Ｃ
_iの算出が可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際に
設計値として採用される高次非球面の上記係数Ｃ_iの値
次第では、図４の折り返しヌル干渉計測の配置では干渉
縞の本数が多くなりすぎて、一括全面測定が出来ないこ
とがあると言う問題点があった。それを解決する手段と
して、例えば、特開平２−２５９５１０に開示された干
渉測定装置が存在する。この装置は、高次非球面の測定
領域を重複領域を設けつつ輪帯状に分割し、球面波を参
照波面として測定された被検面の輪帯状の部分形状を繋
ぎ合わせることにより、被検面全面の形状測定を可能と
したものである。

【０００８】しかし、この方法では、各部分測定時の参
照波面の曲率半径をレーザ測長器を使用して正確に測定
する必要があった。従って、測定の煩雑さに加え、得ら
れる全面の絶対形状、及び、真非球面度誤差の正確さ
は、このレーザ測長器の精度に制限されることが避けら
れなかった。本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされ
たもので、非球面の形状測定を、干渉計を使用して、２
次非球面測定用の折り返し測定の配置をベースとして、
広ダイナミックレンジで、かつ、高精度に行うことが可
能な、折り返し干渉装置の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決する為の手段】上記問題点の解決のため
に、本発明者は第一に、「干渉計本体と、該干渉計本体
から射出される平面波を球面波に変換するための集光レ
ンズと、被検レンズを構成する２次非球面の焦点を該集
光レンズの結像点に合致させるように該被検レンズを保
持調整するための第一の保持調整機構と、該２次非球面
からの反射光である平面波、若しくは球面波を反射させ
るための折り返しミラーと、該折り返しミラーからの反
射光が再び該結像点に再結像するように該折り返しミラ
ーを保持調整するための第二の保持調整機構と、該被検
レンズ、及び該折り返しミラーの少なくとも一方を測定
光軸方向に移動させるための移動機構と、該移動機構の
移動量を検出するための検出手段と、該干渉計本体、及
び該検出手段の測定データを演算処理するための演算装
置とからなることを特徴とする折り返し干渉装置」によ
り、第二に「干渉計本体と、該干渉計本体から射出され
る平面波を球面波に変換するための集光レンズと、被検
レンズを構成する２次非球面の焦点を該集光レンズの結
像点に合致させるように該被検レンズを保持調整するた
めの第一の保持調整機構と、該２次非球面からの反射光
である平面波、若しくは球面波を反射させるための折り
返しミラーと、該折り返しミラーからの反射光が再び該
結像点に再結像するように該折り返しミラーを保持調整
するための第二の保持調整機構と、該被検レンズを測定
光軸方向に移動させるための移動機構と、該被検レンズ
の裏面側から干渉計測するための干渉光学系と、該干渉
計本体、及び該干渉光学系の測定データを演算処理する
ための演算装置とからなることを特徴とする折り返し干
渉装置」により、前記問題点を解決できることを見出
し、本発明をなすに到った。

【００１０】

【作用】図１は、被検レンズ１の高次非球面１ａが双曲
面ベースの場合に、図３の配置でその面精度である所の
真双曲面度（球面測定の場合の真球度に相当）を測定す
るための折り返し干渉計測装置である。干渉計本体はフ
ィゾー型干渉計を仮定して説明するが、トワイマングリ
ーン型干渉計であっても差し支えない。また、フィゾー
面からの球面波は理想的な状態であると仮定して説明す
るが、収差が乗る場合には、高精度参照面をレフとし
た、所謂「レフ減算」を施せばよい。

【００１１】先ず、図１では、干渉計本体２から射出さ
れた平面波（通常はＨｅ−Ｎｅレーザ光）をフィゾーレ
ンズ３（レンズ最終面であるフィゾー面の曲率中心がレ
ンズの結像点と一致している）に導き、球面波に変換す
る。そして、その球面波の球心、即ち、フィゾーレンズ
３の結像点を、高次非球面１ａのベースである双曲面の
焦点に一致させてアライメントすることにより、高次非
球面１ａのベースである所の双曲面に当たった球面波は
同じく球面波に変換される。その球面波を球面の折り返
しミラー４に垂直に入射させることにより、測定光束は
今来たパスを逆戻りする。そして、往路にてフィゾー面
で反射された光束と、復路にてフィゾー面を透過する光
束が干渉縞を形成することになる。この干渉縞は、高次
非球面１ａが双曲面成分のみの場合には、所謂「縞一
色」となり得るが、実際の被検面は高次項が乗っている
ため、各光学面が理想形状であり、かつ、測定光束の波
面も理想状態であったとしても、原理的に、得られる干
渉縞は所謂「縞一色」とはなり得ない。換言すれば、高
次非球面１ａで反射される測定光束は球面波から乖離し
た、所謂「非球面波」となる。この非球面波に対して、
折り返しミラーを干渉計の測定光軸方向に走査させれ
ば、球面波による輪帯状の干渉データと等価な干渉縞デ
ータが得られて行くことになる。

【００１２】このように折り返しミラー４を走査させれ
ば、一見、球面波による輪帯状の波面の合成（以下、
「輪帯波面合成」と称す）を行っているように見える
が、実際には、被検面に対して所謂「測定のκ、Ｒ」を
振っていることと等価になる。このことを以下に説明す
る。図１の高次非球面１ａは２次非球面ベースとして、
図３のような凹の双曲面を考えている。この双曲面に
は、焦点は２個存在し、頂点と第一焦点間の距離を
ｆ ₁、頂点と第二焦点間の距離をｆ₂と置くと、このｆ
₁、及び、ｆ₂は、［数３］ｆ₁＝Ｒ／｛１＋√（１−κ）｝［数４］ｆ₂＝Ｒ／｛１−√（１−κ）｝で計算される。但し、頂点を原点とし、第一焦点方向を
正としている。これらの式は、ＯｐｔｉｃａｌＳｈｏ
ｐＴｅｓｔｉｎｇ（１９７８ｂｙＪｏｈｎＷｉｌ
ｅｙａｎｄＳｏｎｓ，Ｉｎｃ）の４８０頁に開示さ
れている式：Ａ１．９と等価である。

【００１３】さて、”測定のκ、Ｒ”が以下のように定
義可能である。即ち、フィゾーレンズの結像点と、球面
の折り返しミラーの球心との間の距離をｍとし、フィゾ
ーレンズの結像点と、高次非球面１ａの最適近似２次非
球面（双曲面）の頂点との間の距離をｎとすれば、測定
のκ、Ｒが以下のように算出される。なお、この最適近
似２次非球面は、高次非球面１ａとのＺ方向の偏差形状
がＲＭＳ的に最小となるものであるため、数１で表され
る２次非球面成分とは異なっている。

【００１４】先ず、数５、数６の連立方程式を解く。［数５］ｆ₁＝ｎ［数６］ｆ₂＝ｍ−ｎ次に、求まったｆ₁、ｆ₂を、数３、数４と等価な数
７、数８［数７］κ＝４ｆ₁ｆ₂／（ｆ₁＋ｆ₂）² ［数８］Ｒ＝２ｆ₁ｆ₂／（ｆ₁＋ｆ₂）に代入することにより、測定のκ、Ｒが設定可能とな
る。

【００１５】この測定のκ、Ｒは、例えば、光軸の負方
向にΔｆだけ被検面を光軸方向に移動させると、以下の
ように自動的に変化する。即ち、「ｆ₁→ｆ₁＋Δｆ」
「ｆ₂→ｆ₂＋Δｆ」となり、測定のκ、Ｒは、［数９］Δκ＝２κ（１−κ）・Δｆ／Ｒ［数10］ΔＲ＝（２−κ）・Δｆで計算される変化を受ける。

【００１６】以上の計算は、被検レンズ１を光軸方向に
移動させた場合であるが、前述のように折り返しミラー
４を移動させた場合にも、数９、数１０の変化量の半分
の変化が、測定のκ、Ｒに対して生ずることになる。こ
のように測定のκ、Ｒは、ｎ、ｍと相関があるため、
ｎ、ｍを変化させることにより、自由に測定のκ、Ｒを
設定することが可能となる。また、κを固定してＲのみ
振ることも可能であり、数３、数４から、ｆ₁とｆ₂の
比率を一定に保てば実現可能なことがわかる。

【００１７】一方、高次非球面は前述したように、数１
で表される２次非球面をベースとして数２の高次項が乗
っているため、この２次非球面ベースが高次成分より大
きい場合には、球面波よりも２次非球面を参照波面とし
て、被検面の輪帯状の部分形状を測定し繋ぎ合わせる方
が、一つ一つの輪帯の幅が広く取れることが予想され
る。即ち、被検面全面が、より少ない輪帯数でカバーで
きるため、形状測定が容易になる。この時の参照波面の
２次非球面成分のκ、Ｒが、前述の手法により自由に可
変となる。

【００１８】さて、この折り返し測定で得られる、アラ
イメント誤差補正を行う前の生データは、測定のκ、Ｒ
の値を数１に代入することにより得られる波面を基準参
照波面として、この波面からの偏差データに変換可能で
あり、このデータにアライメント誤差補正を施すことに
より、高次非球面１ａの最適近似２次非球面（双曲面）
のκ、Ｒの、測定のκ、Ｒに対する偏差Δκ、ΔＲが正
確に算出されると同時に、真２次非球面（双曲面）度も
正確に得られる。

【００１９】偏差データへの変換方法、及び、アライメ
ント誤差補正法は、特願平７−３２５７９に開示してい
る。アライメント誤差補正を簡単に説明すると、上記偏
差データを、κ、Ｒに、ティルト２方向、シフト２方向
を合わせた、計６個の変数に対して、ピストン（オフセ
ット）成分の関数として一旦最適フィッティングさせて
から、再度ピストン成分を最適フィッティングさせる手
法である。

【００２０】アライメント誤差補正の演算誤差は、特願
平７−３２５７９で開示したように基本的には無視でき
る。この効果を、「輪帯波面合成を行う際の、各輪帯状
のデータの重畳の有無」の２通りの場合で説明する。先
ず、各輪帯状のデータの重畳が有る場合には、最適近似
２次非球面のκ、Ｒの測定精度の向上が可能となる。

【００２１】例えば、各輪帯状の測定のκ、Ｒを、レー
ザ測長器で測定したｎ、ｍの値から数５〜８を使用して
換算した場合でも、レーザ測長器の精度を考えれば、面
精度として繋ぎ合わせる基準のκ、Ｒの値としては不充
分である。即ち、Δκ、ΔＲが正確に算出できるため、
各輪帯部の基準となる測定のκ、Ｒの誤差が、そのまま
面精度誤差として重畳部分に現れてしまう。重畳部分は
測定誤差を無視すれば同じデータであるべきであり、こ
れを前提に各輪帯部の重畳部分を各々フィッティングさ
せることにより、逆に、各輪帯部の基準となる測定の
κ、Ｒの偏差が正確に補正できる。この作業の結果得ら
れた全体の面精度データは、κ、Ｒに関しては、各輪帯
部の個数だけ平均されたことになるから、輪帯波面合成
によって得られた高次非球面１ａの全面測定データに対
する最適近似２次非球面のκ、Ｒの精度が向上する。

【００２２】次に、各輪帯状のデータの重畳が無い場合
にも、高次非球面１ａの全面測定データに対する最適近
似２次非球面のκ、Ｒの測定精度の向上が可能となる。
例えば、重畳部分が無い各輪帯部を繋ぎ合わせた結果得
られた、各輪帯部の基準となる測定のκ、Ｒの誤差に起
因して段差が出てしまう面精度データに対し、各輪帯部
の基準となる測定のκ、Ｒを振ることにより求まる、最
もつじつまのあうκ、Ｒが、最適近似２次非球面のκ、
Ｒとなる（一括ツェルニケ法）。

【００２３】また、各輪帯部の基準となる測定のκ、Ｒ
の偏差が面精度と同等の精度で測定できれば、最適近似
フィッティングは、各輪帯部の面精度測定誤差に対して
有効に作用させることが可能となる。

【００２４】

【実施例】本発明の第１の実施例として、図１の構成が
考えられる。干渉計本体２から射出される平面波は、フ
ィゾーレンズ３により球面波に変換され、この球面波を
被検レンズ１の高次非球面１ａに入射させ、その反射光
束を折り返しミラー４により折り返している。この干渉
計測系の光軸は、フィゾーレンズ３のフィゾー面３ａ
を、干渉計本体２の内部に設けられた図示しない基準参
照面に対して、フィゾーレンズ３を保持調整機構５によ
り調整することにより得られている。そして、図示しな
い移動機構の移動軸をこの光軸と平行に設置しておく必
要がある。

【００２５】折り返しミラー４の開口部はミラー外径の
中心に設けられ、折り返しミラー４の裏面に設けられた
高精度平面とともに、折り返しミラーの光軸に対するア
ライメントに利用されている。図示しない演算装置は、
被検面の情報が予め入力され、演算に必要な係数を測定
に先立って演算し記憶しておく機能と、干渉計本体内の
干渉縞撮像手段（ＣＣＤカメラ）からの画像情報を光路
差データに変換する機能と、前記係数を基に光路差デー
タを解析処理し、被検面の形状誤差を算出する機能と、
測定結果を表示する機能とを有す。

【００２６】被検レンズ１、及び折り返しミラー４は、
被検面と基準参照面からの反射光が干渉縞を形成するよ
うに、図示しない保持調整機構によりアライメントが行
われる。アライメントは干渉縞撮像手段からの信号を図
示しないモニタに送り、モニタ上の干渉縞を見ながら行
われる。高次非球面１ａ、及び、折り返しミラー４は、
図示しない移動機構により移動可能であり、その移動距
離が検出手段７により検出される。検出手段としては、
レーザ７ａ、コーナーキューブ７ｂ、参照ミラー７ｃ、
レーザ光検出器７ｄとから構成される、レーザ測長器７
を用いており、光軸を対称軸として２箇所に設けられて
いる。これは、アッベ誤差を除くための配置である。コ
ーナーキューブ７ｂは取外し式であり、被検レンズ１の
保持調整機構５ａと、折り返しミラー４の保持調整機構
５ｂの、両者にセッティングが可能である。

【００２７】さらに、検出された移動量を、図示しない
移動機構を制御する制御器にフィードバックすることに
より、光軸方向の位置制御が可能となっている。従っ
て、作用で述べたような測定のκ、Ｒの設定が可能とな
り、高次非球面１ａの非球面量に適した輪帯データが得
られる。なお、高次非球面１ａの頂点の位置は、高次非
球面１ａの最適近似２次非球面の頂点と乖離している。
従って、一旦設定した測定のκ、Ｒは、最終的に得られ
た高次非球面１ａの全面データと、その全面データから
定まる最適近似２次非球面の、各々の頂点の乖離をフィ
ードバックする必要がある。

【００２８】本発明の第２の実施例として、図１の構成
が、逆に、一般的な移動機構であるステージの位置制御
に適用可能なことを説明する。即ち、レーザ測長による
レーザ測長器７を粗いスケールとし、そのスケールの補
正も兼ねた細かいスケールとして、非球面の折り返し測
定データの使用が適用可能である。このデータは、レー
ザ測長器７のスケールの補正だけで無く、前述のアライ
メント誤差補正のティルト、シフトの誤差補正値をモニ
タすることにより、ステージの姿勢差の検出にも適用可
能である。

【００２９】本発明の第３の実施例として、図２の構成
が考えられる。この構成は、レーザ測長器７の代わり
に、高次非球面１ａの裏面側からの干渉計測を可能とし
たものである。この干渉計測系としては、図示しない干
渉計本体と第二のフィゾーレンズ６を用いている。この
干渉計本体は、干渉計本体２からの光束を偏向ミラーに
より引き回して共用してもよいし、別途設けてもよい。

【００３０】図のように高次非球面１ａの裏面が球面の
場合は、この干渉計測データの縞本数値が、例えば、フ
リンジ走査等の手法により高精度に求まるため、被検レ
ンズ１の移動距離が面精度測定と同等の精度で測定可能
となる。図２では、裏面は凸面であるが、凹面の被検レ
ンズにも対応可能である。測定精度を上げるためには、
干渉計測系のＮＡ（ニューメリカルアパーチャ）を大き
くする方が有利である。従って、裏面の球面のＮＡが小
さい場合には、被検レンズ１の裏側に、別個にダミー球
面をセットすれば、干渉計測系の測定のＮＡが自由に設
定できるため、測長範囲のダイナミックレンジの拡張が
可能となる。

【００３１】さらに、このダミー面に形状が既知の非球
面を採用し、非球面量の球面からの乖離を自由に設定す
ることにより、測長範囲内で自由に測長精度（分解能）
を可変にすることが可能となる。この乖離は連続可変で
ある必要は無く、微係数の不連続があっても良い。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る折り返し干
渉装置を採用すれば、非球面の形状測定を広ダイナミッ
クレンジで、かつ、高精度に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施例の説明図である。

【図２】本発明に係る第２の実施例の説明図である。

【図３】従来例の説明図である。

【符号の説明】

１・・・・被検レンズ１ａ・・・・被検面（高次非球面）２・・・・干渉計本体３・・・・集光レンズ（フィゾーレンズ）３ａ・・・・フィゾー面４・・・・折り返しミラー５・・・・保持調整機構６・・・・第二のフィゾーレンズ７・・・・移動距離検出手段（レーザ測長器）７ａ・・・・レーザ７ｂ・・・・コーナーキューブ７ｃ・・・・参照ミラー７ｄ・・・・レーザ光検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】干渉計本体と、該干渉計本体から射出さ
れる平面波を球面波に変換するための集光レンズと、被
検レンズを構成する２次非球面の焦点を該集光レンズの
結像点に合致させるように該被検レンズを保持調整する
ための第一の保持調整機構と、該２次非球面からの反射
光である平面波、若しくは球面波を反射させるための折
り返しミラーと、該折り返しミラーからの反射光が再び
該結像点に再結像するように該折り返しミラーを保持調
整するための第二の保持調整機構と、該被検レンズ、及
び該折り返しミラーの少なくとも一方を測定光軸方向に
移動させるための移動機構と、該移動機構の移動量を検
出するための検出手段と、該干渉計本体、及び該検出手
段の測定データを演算処理するための演算装置とからな
ることを特徴とする折り返し干渉装置。
【請求項２】干渉計本体と、該干渉計本体から射出され
る平面波を球面波に変換するための集光レンズと、被検
レンズを構成する２次非球面の焦点を該集光レンズの結
像点に合致させるように該被検レンズを保持調整するた
めの第一の保持調整機構と、該２次非球面からの反射光
である平面波、若しくは球面波を反射させるための折り
返しミラーと、該折り返しミラーからの反射光が再び該
結像点に再結像するように該折り返しミラーを保持調整
するための第二の保持調整機構と、該被検レンズを測定
光軸方向に移動させるための移動機構と、該被検レンズ
の裏面側から干渉計測するための干渉光学系と、該干渉
計本体、及び該干渉光学系の測定データを演算処理する
ための演算装置とからなることを特徴とする折り返し干
渉装置。