JPH10281739A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 種々の形状の被検面に対し適用でき、複雑な
手順を要せずに高精度な形状測定が可能な形状測定装置
を提供する。 【解決手段】 形状測定のための光を発生させる光源１
と、メカニカスレンズ４１と、レンズ４１の中央部に形
成されたゾーンプレート４２とを有し、ゾーンプレート
４２が形成された中央部では光源１からの光をヌル波面
に変換し、ゾーンプレート４２が形成されていない外周
部４１ｂでは光源１からの光を球面波に変換する光学素
子４とを備え、被検面７ａ上にレンズ４１の外周部４１
ｂが焦点Ｏを結ぶときの被検面７ａの位置において形状
を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヌル波面を被検面
で反射させたときの反射波面と、参照波面との形状差に
基づいて被検面の形状を測定する形状測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】被検面とほぼ同一の波面形状を有するヌ
ル波面を被検面に照射し、被検面で反射された光の波面
を参照波面と干渉させることにより反射波面と参照波面
との形状差を求め、この形状差を介して被検面の形状を
測定する形状測定装置が知られている。被検面が平面の
場合は平面波を、被検面が球面の場合は球面波を、被検
面が非球面の場合には非球面波を、それぞれ被検面に照
射することにより、被検面の形状を測定することができ
る。

【０００３】ところが被検面が非平面の場合には、照射
光の波面（等位相波面）の形状は測定光軸方向の位置に
よって異なり、位置に応じて無数の形状が存在すること
になる。干渉計測では干渉縞が最も少なくなる位置に被
検面をセットすることにより高精度に被検面の形状を測
定することができるが、被検面がその位置からずれてセ
ットされれば、本来予定されていたものとは異なる形状
を基準として被検面の形状を測定していることになって
しまう。したがって、非平面の被検面形状を測定する場
合には、その時の測定時の被検面の位置を特定する必要
がある。

【０００４】被検面の位置を特定する方法として、特開
平６−１１３２３号公報、あるいは「ＭＺＰを用いた非
球面の絶対形状測定技術の開発」（光技術コンタクト、
Ｖｏｌ．３１−Ｎｏ．８（１９９３年），ｐ．６６〜７
０）に開示された方法（従来技術）が知られている。
この方法では、被検面で反射させるためのヌル波面とと
もに、球面波を発生させるようにし、球面波を頂点反射
させたときの被検面の位置を基準として形状測定時の被
検面の位置を特定するようにしている。

【０００５】また、被検面の位置を特定する別の方法と
して、「既成のフィゾー型干渉計を基礎としたゾーンプ
レート干渉計」（精密工学会誌 Ｖｏｌ．６１−Ｎｏ．
４（１９９５年），ｐ．５１６〜５２０）に開示された
方法（従来技術）がある。この方法では、被検面形状
を測定するためのヌル波面を発生させるゾーンプレート
と、被検面の位置を特定するための球面波を発生させる
ゾーンプレートとを別個に用意し、両者のゾーンプレー
トを付け替えることにより、被検面の形状測定を行うよ
うにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では、非球
面形状の測定時には被検面の直前に遮蔽物を置いて被検
面の形状データを取った後、ピンホールで非球面波を遮
蔽して被検面とＭＺＰ（マスターゾーンプレート）との
間隔を計測し、被検面の位置を特定するようにしてい
る。

【０００７】しかし、この方法では被検面の形状データ
を取る際に遮蔽物により被検面のデータが抜け落ち、被
検面全面にわたる真の形状データを得ることができない
という問題がある。上述の「ＭＺＰを用いた非球面の絶
対形状測定技術の開発」ｐ．７０の図６には遮蔽物等の
影が観察され、被検面の全面のデータが得られていない
ことが分かる。

【０００８】また、同一平面上に測定波面発生パターン
と距離測定用パターンとを描いているため回折効率が悪
く、干渉縞のコントラストが低下し鮮明な干渉縞が得ら
れない。例えば測定波面発生パターンおよび距離測定用
パターンが１：１の面積比で形成されている場合には、
測定に使用される光量は１／２に低下することになる。

【０００９】このような欠点を回避するため、特開平６
−１１３２３号公報の図６にはアライメント用パターン
を測定用パターンの外側に配置する手法が開示されてい
るが、アライメント用パターンが形成された外周部から
被検面の中心に向けて集光する必要があるため、アライ
メント用パターンの回折角を大きくとらなければならな
い。

【００１０】一方、光が回折点に入射して回折するとき
の回折角は回折パターンのピッチに依存し、入射光の波
長をλ、パターンのピッチをｐ、回折角をθとすると、
「ｓｉｎθ＝λ／ｐ」の関係がある。したがって、例え
ば、干渉計測で使用する光の波長がλ＝０．６３２８２
μｍであり、回折角がθ＝６０度の角度を得たい場合に
は、 ｐ＝λ／ｓｉｎ６０＝０．７３μｍ となり、回折限界に近い値である。この場合にはパター
ン露光、エッチング等の製作プロセスにおける誤差は許
容される余地がないことになる。したがって、アライメ
ント用パターンを外周部に配置する手法は、回折角によ
って設計上の制限を受け、どのような被検面にも対応で
きるものではないので実用性に問題がある。

【００１１】また、特開平６−１１３２３号公報の図１
に示されているように、測定波面を検出する機能をもつ
干渉縞観察光学系と、被検面の位置を測定する機能をも
つアライメント観察光学系とを別個に設けており、非常
に複雑な構成を採用している。このため、光源および検
出系が２つの機能を持つ必要があるので、装置が高価な
ものとなり、また、２つの機能を順次作動させなければ
ならないため、操作が煩雑となる、等の問題点がある。

【００１２】次に、従来技術では距離測定用のゾーン
プレートと、測定波面発生用ゾーンプレートとを別々に
用意することにより、被検面の全面について形状測定を
行う手法を採用しており、これらのゾーンプレートはレ
ーザ描画法により製作している。しかしこの方法では高
精度のゾーンプレートを２種類製作しなければならず、
ゾーンプレートの製作費用が嵩むうえ、レーザによる描
画に長時間を要するため、コスト面、時間面で実用的で
ない。

【００１３】また測定は、測定面と光軸との位置関係
の調整、測定用ゾーンプレートと被検面との距離の調
整、測定波面発生用ゾーンプレートと測定面との相対
位置の微調整、という複雑な手順に従って行われるが、
手順が複雑であるために誤差を発生させる要因が増えて
しまう。

【００１４】本発明の目的は、種々の形状の被検面に対
し適用でき、複雑な手順を要せずに高精度な形状測定が
可能な形状測定装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】 （１）実施の形態を示す図１〜図５に対応づけて説明す
ると、請求項１に記載の発明は、被検面７ａと略等しい
形状のヌル波面を被検面７ａで反射させたときの反射波
面と、反射波面と比較されるべき参照波面との形状差に
基づいて被検面７ａの形状を測定する形状測定装置に適
用される。そして、（ａ）形状測定のための光を発生さ
せる光源１と、（ｂ）レンズ４１およびレンズ４１の中
央部に形成されたゾーンプレート４２を有し、ゾーンプ
レート４２が形成された中央部では光源１からの光をヌ
ル波面に変換し、ゾーンプレート４２が形成されていな
い周辺部４１ｂでは光源１からの光を球面波に変換する
光学素子４とを備え、（ｃ）被検面７ａ上にレンズ４１
が焦点Ｏを結ぶときの被検面７ａの位置を基準として、
形状を測定する時の被検面７ａの位置を特定することに
より上述の目的が達成される（図１および図２）。 （２）請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の形状
測定装置において、光学素子４の周辺部４１から照射さ
れた球面波の光を被検面７ａで反射させ、さらに周辺部
４１を経由して戻された反射光と、参照波面の光とを干
渉させることにより形状を測定する時の被検面７ａの位
置を特定し、光学素子４の中央部から照射されたヌル波
面の光を被検面７ａで反射させ、さらに中央部を経由し
て戻された反射光と、参照波面の光とを干渉させること
により被検面７ａの形状を測定するものである（図１お
よび図２）。 （３）請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記
載の形状測定装置において、レンズ４１の屈曲作用およ
びゾーンプレート４２の回折作用の両者により光源１か
らの光をヌル波面に変換するものである（図１および図
２）。 （４）請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれ
か１項に記載の形状測定装置において、光学素子の周辺
部を経由する光、および周辺部を経由する光と干渉する
参照波面の光を遮光する第１の遮光手段と、光学素子の
中央部を経由する光、および中央部を経由する光と干渉
する参照波面の光を遮光する第２の遮光手段とを備える
ものである。 （５）請求項５に記載の発明は、被検面７ａと略等しい
形状のヌル波面を被検面７ａで反射させたときの反射波
と、反射波と比較される参照波面との形状差に基づいて
被検面７ａの形状を測定する形状測定装置に適用され
る。そして、形状測定のための光を発生させる光源１
と、光源１からの光をヌル波面に変換するゾーンプレー
ト２４２、およびゾーンプレート２４２の外周からさら
に外側に離れた位置に形成され、光源１からの光を球面
波に変換するレンズ２４１ｂを一体の部材２４１に形成
した光学素子２０４とを備え、被検面７ａ上にレンズ２
４１ｂが焦点Ｏを結ぶときの被検面７ａの位置を基準と
して、形状を測定する時の被検面７ａの位置を特定する
ものである（図５）。 （６）請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の形状
測定装置において、光学素子２０４のレンズ２４１ｂか
ら照射された球面波の光を被検面７ａで反射させ、さら
にレンズ２４１ｂを経由して戻された反射光と、参照波
面の光とを干渉させることにより被検面７ａの形状を測
定する時の被検面７ａの位置を特定し、光学素子２０４
のゾーンプレート２４２から照射されたヌル波面の光を
被検面７ａで反射させ、さらにゾーンプレート２４２を
経由して戻された反射光と、参照波面の光とを干渉させ
ることにより被検面７ａの形状を測定することを特徴と
する（図５）。 （７）請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記
載の形状測定装置において、被検面７ａ上にレンズ２４
１ｂが焦点Ｏを結ぶときの被検面７ａの位置と、被検面
７ａでヌル波面を反射させるときの被検面７ａの位置と
を同一としたものである（図５）。 （８）請求項８に記載の発明は、請求項５〜７のいずれ
か１項に記載の形状測定装置において、光学素子のレン
ズを経由する光、およびレンズを経由する光と干渉する
参照波面の光を遮光する第１の遮光手段と、光学素子の
ゾーンプレートを経由する光、およびゾーンプレートを
経由する光と干渉する参照波面の光を遮光する第２の遮
光手段とを備えるものである。 （９）請求項９に記載の発明は、請求項５〜８のいずれ
か１項に記載の形状測定装置において、参照波面をゾー
ンプレートの回折パターンが形成されている面を反射し
た光の波面によるものとした。 （１０）請求項１０に記載の発明は、被検面７ａと略等
しい形状のヌル波面を被検面７ａで反射させたときの反
射波面と、反射波面と比較されるべき参照波面との形状
差に基づいて被検面の形状を測定する形状測定装置に適
用される。そして、形状計測するための光をヌル波面に
変換するゾーンプレートを備え、その参照波面をゾーン
プレートの回折パターンが形成されている面を反射した
光の波面によるものとした。

【００１６】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。

【００１７】

【発明の実施の形態】

−第１の実施の形態− 以下、図１および図２を用いて本発明による形状測定装
置の第１の実施の形態について説明する。

【００１８】図１において、１はレーザ光を射出するレ
ーザ光源、２はレーザ光源１から射出されたレーザ光の
ビーム径を拡大するビームエキスパンダ、３は半透過ミ
ラー、４は平行光をヌル波面の光および球面波に変換す
る光学素子、５は光学素子４を支持して測定光軸方向に
振動させるフリンジスキャン部、６は光学素子４の外径
に合せた開口を有する絞り、７は被検面７ａが形成され
た被検レンズ、８は被検レンズ７を支持する４軸ステー
ジ、９は干渉縞を結像させるコリメータ、１０はコリメ
ータ９により結像された干渉縞を撮像するＣＣＤ、１１
はフリンジスキャン部５にフリンジスキャン信号を送出
するとともに、ＣＣＤ１０の出力信号を解析する制御装
置、１２はＣＣＤ１０で撮像された干渉縞を映し出す表
示装置である。

【００１９】図２に示すように、光学素子４は凸面を研
磨して形成した平面状の中央部４１ａを有するメニスカ
スレンズ４１と、中央部４１ａにレーザライター法によ
り形成した回折パターン４２とから構成されている。光
学素子４の外周部４１ｂに残された本来のメニスカスレ
ンズ４１の屈曲作用により球面波を発生させ、光学素子
４の中央部４１ａに形成された回折パターン４２の回折
作用により被検面６ａの形状を測定するためのヌル波面
を発生させるものである。

【００２０】外周部４１ｂの内径は３１ｍｍ、外径は４
０ｍｍ、回折パターン４２の外径は３０．５ｍｍであ
る。外周部４１ｂと回折パターン４２との間には０．５
ｍｍ幅の平面部が設けられているが、これは光学素子４
を作製する際に淵だれが発生するのを防止するため、こ
の部分への回折パターン４２の形成を避けたものであ
る。

【００２１】メニスカスレンズ４１の外周部４１ｂの焦
点距離は３０ｍｍである。また、回折パターン４２によ
り発生されるヌル波面は、設計位置（形状測定時に設置
されるべき位置として予定された位置）において次の非
球面式で表される形状を有する。

【数１】 φ（ｒ） ＝２π／λ（Ｆ₁ ｒ² ＋Ｆ₂ ｒ⁴ ＋Ｆ₃ ｒ⁶ ＋Ｆ₄ ｒ⁸ ＋Ｆ₅ ｒ¹⁰ ） ・・・式（１） 但し、 Ｆ₁ ＝−０．００９５０６４ Ｆ₂ ＝ ０．３７１６００５ Ｆ₃ ＝−０．７９８５３７５ Ｆ₄ ＝ ０．１１４１３６１ Ｆ₅ ＝−０．３２５８３４６ である。

【００２２】第１の実施の形態では、回折パターン４２
により発生した波面が外周部４１ｂにより発生した球面
波の焦点Ｏに一致する位置まで進行したときに、上述の
式（１）で表される波面の形状になるよう、回折パター
ン４２が設計されている。

【００２３】以上のように構成された第１の実施の形態
の形状測定装置を用いて、被検面７ａの形状測定を行う
場合の動作について、次に説明する。

【００２４】レーザ光源１から射出されたレーザビーム
（平行光）はビームエキスパンダ２によりそのビーム径
が拡大された平行光となり、半透過ミラー３により直角
に折り曲げられる。この平行光は絞り５の開口を通過し
て光学素子４に入射する。

【００２５】光学素子４の中央部分に入射した平行光は
回折パターン４２により回折されて上述のヌル波面形状
の測定回折光５１に変換される。また、光学素子４の外
周部分に入射した平行光は外周部４１ｂにおいて屈曲さ
れて球面波である距離測定光５２に変換される。また、
光学素子４に照射される平行光の一部は光学素子４の裏
面４１ｃで反射され、参照光（平行光）となる。

【００２６】図２に示すように、被検面７ａを距離測定
光５２の焦点Ｏに一致する設計位置に設置した場合、外
周部４１ｂの一点を経由した光は、被検面７ａの中心で
反射されることにより測定光軸ＬＸに対して入射経路と
対称な経路を逆向きに進行し、外周部４１ｂの対向側に
到達した後、往路を逆向きに進行する光となる。したが
って、外周部４１ｂから射出された距離測定光５２の光
束は被検面７ａの中心（測定光軸との交点）で頂点反射
された後、外周部４１ｂにおける屈曲により再度平行光
となって往路を逆向き（図１および図２において上向
き）に進行することになる。

【００２７】外周部４１ｂを通ることにより平行光とな
った光は、平面状の裏面４１ｃで反射されることにより
発生した参照光（平行光）とともに半透過ミラー３およ
びコリメータを経て、ＣＣＤ１０に入射する。このと
き、被検面７ａで反射された光と参照光とはいずれも平
行光（平面波）であるため、表示装置１２により全面白
または黒の、いわゆるワンカラーの状態の輪帯部１４が
観察される。

【００２８】被検面７ａが設計位置に設置されたとき、
回折パターン４２により回折された光は被検面７ａの位
置において式（１）で表される形状の波面となる。被検
面７ａで反射された光は再度回折パターン４２を経由し
て略平行光となり、裏面４１ｃで反射された参照光とと
もに半透過ミラー３およびコリメータ６を経てＣＣＤ１
０に入射する。ＣＣＤ１０上では、被検面７ａで反射さ
れた光と参照光とが干渉し、被検面７ａの形状と式
（１）で表される設計形状との形状差に応じた干渉縞が
表示装置１２の映像の中央部１５に表示される。仮に、
被検面７ａの形状が設計形状と完全に同一であれば、被
検面７ａで反射された光は回折パターン４２を経由する
ことにより完全な平行光となるので、中央部１５にいわ
ゆるワンカラーの状態が観察される。

【００２９】被検面７ａの形状測定を行う場合の手順に
ついて、次に説明する。まず、被検面７ａが設計位置と
思われる位置に来るように、被検レンズ７を４軸ステー
ジ８に取付ける。このとき、被検面７ａが設計位置から
ずれていれば、表示装置１２の輪帯部１４全面に干渉縞
が観察される。これは、外周部４１ｂを経由して被検面
７ａに到達した光が被検面７ａに入射した際の角度とは
異なる角度で反射しているため、光学素子４に入射した
測定光とある角度をなす光束が戻り、輪帯部１４に干渉
縞を発生させるものである。

【００３０】次に、４軸ステージ８を操作して被検レン
ズ７を測定光軸ＬＸ方向に徐々に移動させていくと、輪
帯部１４にワンカラーに近い状態が観察される。この状
態では被検面７ａが設計位置に配置されているはずであ
る。ほぼワンカラーの状態が得られる場合には、λ／２
≒０．３μｍの精度で被検面７ａを設計位置に設置でき
たことになる。なお、４軸ステージ８はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ
軸（測定光軸ＬＸ方向）、θ_X （Ｘ軸回り回転方向）、
θ_Y （Ｙ軸回り回転方向）の４方向に操作でき、４軸ス
テージ８の操作により被検面７ａの軸心を測定光軸に一
致させることができる。

【００３１】表示装置１２に表示される輪帯部１４にほ
ぼワンカラーの状態が表示されたとき、被検面７ａは設
計位置にあるので、このときの表示装置１２の中央部１
５に表示される干渉縞が式（１）で表される形状と被検
面７ａの形状との形状差を表していることになる。この
状態でフリンジスキャンを行い光学素子４を測定光軸方
向に振動させ、制御部１１において解析することによ
り、形状差を高精度に求めることができる。

【００３２】第１の実施の形態では、外周部４１ｂにお
ける屈折作用により距離測定光５２を発生するようにし
ており、回折パターンの回折作用に頼らないので、回折
角に起因する制限を受けることなく所望の球面波を得る
ことができる。したがって、種々の被検面に対応でき
る。

【００３３】また、第１の実施の形態では、干渉現象が
発生する領域を球面波による被検面７ａの位置決めのた
めの干渉領域と、被検面７ａの形状を測定するための領
域とに分離しているため両者の干渉状態を同時に維持す
ることができる。したがって、表示装置１２に表示され
る輪帯部１４がほぼワンカラーの状態になっていること
を確かめながら測定を行うことにより、常に被検面７ａ
を設計位置に維持して正確な形状測定をすることが可能
となる。

【００３４】−第２の実施の形態− 以下、図３を用いて、本発明による形状測定装置の第２
の実施の形態について説明する。第１の実施の形態で
は、回折パターン４２における回折作用のみによりヌル
波面を発生させるようにしているが、第２の実施の形態
では、光学素子１０４を用いることにより屈曲作用と回
折作用とを組合せてヌル波面を発生させるようにしてい
る。なお、第２の実施の形態では、光学素子１０４以外
については第１の実施の形態と同様に構成されているた
め、同一構成部分の説明を省略する。

【００３５】図３に示すように、第２の実施の形態の形
状測定装置に用いる光学素子１０４は、メニスカスレン
ズ１４１の平面の中央部に回折パターン１４２を形成し
て構成されている。メニスカスレンズ１４１の凸面側か
ら入射した平行光束の中央部分にあたる形状測定領域６
１の光はメニスカスレンズ１４１の屈曲作用を受けると
ともに、回折パターン１４２による回折作用を受け、形
状測定光（ヌル波面の光）１５１に変換される。また、
メニスカスレンズ１４１の凸面側から入射した平行光束
の外周部にあたる距離測定領域６２の光はメニスカスレ
ンズ１４１の屈曲作用のみにより距離測定光（球面波の
光）１５２に変換される。

【００３６】第２の実施の形態では、光学素子１０４の
中央部で発生した形状測定光１５１が光学素子１４１の
外周部で発生する距離測定光１５２の焦点Ｏに到達した
ときに、その波面が所定の設計形状となるように構成さ
れている。したがって、被検面７ａの中心で距離測定光
１５２が頂点反射するように被検面７ａを設置した状態
で干渉計測を行うことにより、第１の実施の形態と同様
に高精度の形状測定が可能となる。ここで、第２の実施
の形態では、回折パターン１４２が形成されたメニスカ
スレンズ１４１の平面を参照面として用いている。な
お、測定手順は第１の実施の形態と同様である。

【００３７】第２の実施の形態では、回折パターン１４
２による回折作用のみならず、メニスカスレンズ１４１
の屈曲作用をも用いて形状測定光１５１を発生するよう
にしているので、回折作用のみによりヌル波面を発生す
る場合に比べて回折パターン１４２の回折角を小さくす
ることができる。したがって、回折パターン１４２とし
て微細なパターンが必要でなくなるため、回折パターン
１４２の作製が容易になる。また、回折角に起因する制
限が緩やかになるので、種々の被検面形状に対応するこ
とが可能となる。

【００３８】−第３の実施の形態− 以下、図４を用いて本発明による形状測定装置の第３の
実施の形態について説明する。

【００３９】第２の実施の形態では、設計位置にある被
検面７ａ上に距離測定光１５２を集束させるように構成
しているが、第３の実施の形態では、図４に示すように
距離測定光１５２Ａの焦点Ｏを設計位置よりも遠い位置
（基準位置）に設定した光学素子１０４Ａを用いてい
る。このため、屈折光学素子１４１Ａの曲率を第２の実
施の形態よりもさらに小さくすることができる。例えば
距離測定光１５２Ａの焦点Ｏを被検面７ａの所定の値Ｚ
だけずらした位置に素子１４１Ａの曲率を設計すればよ
い。

【００４０】第３の実施の形態では、一旦被検面７ａを
距離測定光１５２Ａの焦点Ｏに一致させる基準位置に設
置した後、基準位置から設計位置に至る距離Ｚだけ被検
面７ａを移動させる必要がある。被検面７ａを焦点Ｏに
一致させる際には、第１の実施の形態と同様、干渉縞が
いわゆるワンカラー状態となるように被検面７ａを位置
決めすればよい。また、焦点Ｏから設計位置まで被検面
７ａを移動させる際には、被検面７ａの移動距離を例え
ば別の干渉計測装置やエンコーダ等を用いて計測すれば
よい。このようにして被検面７ａを設計位置に設置する
ことができるので、その後、形状測定光１５１Ａにより
被検面７ａの形状を干渉測定することができる。

【００４１】−第４の実施の形態− 以下、図５を用いて、本発明による形状測定装置の第４
の実施の形態について説明する。

【００４２】図５に示すように、第４の実施の形態では
大径のメニスカスレンズ２４１の凸面を外周部２４１ｂ
を残して平面状に研磨し、研磨面２４１ａの中央部に回
折パターン２４２を形成することにより光学素子２０４
を作製している。

【００４３】第４の実施の形態では大径のメニスカスレ
ンズ２４１の外周部２４１ｂにおいて距離測定光（球面
波の光）２５２を発生しているので、距離測定光２５２
の焦点Ｏを光学素子２０４から遠く離れた位置に設定す
る場合であっても、焦点Ｏを見込む角度を大きくとるこ
とができるので、被検面７ａの位置決め精度が向上する
という利点がある。

【００４４】すなわち、光学素子が小径の場合には、光
学素子から遠く離れた点に距離測定光の焦点を設置する
と、焦点深度が深くなるために被検面の位置決め時に干
渉状態の判別が付きにくくなり、被検面を設計位置に正
確に設置することが困難になる。また、このような問題
を避けるために、焦点深度が浅くなるように設計位置よ
りも大幅に接近した位置に距離測定光の焦点（基準位
置）を設定しておき、焦点から設計位置まで被検面を移
動させることもできる。しかし、この場合には焦点から
設計位置までの距離が長くなるために、移動距離の計測
精度を確保するのが困難となり、結局、被検面を設計位
置に正確に位置決めすることができなくなる。

【００４５】これに対して、第４の実施の形態では、大
径のメニスカスレンズ２４１の外周部２４１ｂから距離
測定光２５２を発生させているので、焦点Ｏを遠い位置
に設定しても焦点深度を浅くすることができる。このた
め、設計位置が光学素子から離れた位置に来る場合で
も、例えば図５に示すように設計位置に距離測定光２５
２の焦点Ｏを合致させることにより被検面７ａの位置決
めを正確に行うことができる。なお、第４の実施の形態
では、メニスカスレンズ２４１の平面２４１ｃを参照面
として用いるが、これは第１の実施の形態において裏面
４１ｃを参照面として用いるのと同様である。

【００４６】また図６に示すように、本発明の実施の各
形態において、絞り６の代りに、光学素子と被検面との
位置決めを行う際に形状測定光を遮光し、かつ、被検面
の形状測定を行う際には、距離測定光を遮光する遮光マ
スク６１を用いてもよい。

【００４７】この遮光マスク６１は図６に示した位置に
設置され、２種類の絞りを有している。これらの遮光マ
スク６１の外観図を図７に示した。これらの遮光マスク
６１は、被検面と光学素子４１との位置決めを行ってい
るか、または被検面の形状測定を行っているかによって
使い分ける。

【００４８】図７（ａ）に示す絞りは、被検面と光学素
子４１との位置決めを行う際に使用される遮光マスク６
１である。この遮光マスク６１はドーナツ状の形状を有
した透過部７１を有しており、この透過部７１は光学素
子４１の外周部４１ｂのみに光を照射させることができ
る形状に形成されている。したがって、位置決めの時に
は形状測定光による被検面からの反射波面と参照波面と
の差による光がＣＣＤ等の検出器上に照射されることを
防ぐことができるので、ノイズの少ない位置決めによる
データを得ることができる。

【００４９】次に、位置決めが行われた後には、遮光マ
スクを図７（ｂ）に示すものに換える。この図７（ｂ）
に示される遮光マスクは、円形の透過部７２を有したも
のである。この透過部７２は形状測定光を生じさせる光
学素子の中央部４１ａにのみ光を照射させることができ
る形状に形成されている。したがって、形状測定時には
位置決め測定光による被検面からの反射波面と参照波面
との差による光、およびゾーンプレートによる必要のな
い０次および高次回折光がＣＣＤ等の検出器上に照射さ
れることを防ぐことができる。

【００５０】このように、距離測定光における測定波面
と参照波面との差のデータ、または形状測定光における
測定波面と参照波面との差のデータを分離して取得する
ことができるようになる。

【００５１】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、ゾーン
プレートが形成された中央部では光源からの光をヌル波
面に変換し、ゾーンプレートが形成されていない周辺部
では光源からの光を球面波に変換する光学素子を用いる
ので、種々の形状の被検面に対し適用でき、複雑な手順
を要せずに高精度な形状測定が可能となる。請求項３に
記載の発明によれば、レンズの屈曲作用およびゾーンプ
レートの回折作用の両者により光源からの光をヌル波面
に変換するので、ゾーンプレートの回折角を小さくする
ことができる。請求項４に記載の発明によれば、光学素
子の周辺部を経由する光、および周辺部を経由する光と
干渉する参照波面の光を遮光する第１の遮光手段と、光
学素子の中央部を経由する光、および中央部を経由する
光と干渉する参照波面の光を遮光する第２の遮光手段と
を備えるので、それぞれの光による参照波面との光の差
を検出器側で分離できる。請求項５に記載の発明によれ
ば、光源からの光を球面波に変換するレンズをゾーンプ
レートの外周からさらに外側に離れた位置に形成するの
で、被検面の位置を精度良く特定することができ、種々
の形状の被検面に対し適用でき、複雑な手順を要せずに
高精度な形状測定が可能となる。請求項８に記載の発明
によれば、光学素子のレンズを経由する光、およびレン
ズを経由する光と干渉する参照波面の光を遮光する第１
の遮光手段と、光学素子のゾーンプレートを経由する
光、およびゾーンプレートを経由する光と干渉する参照
波面の光を遮光する第２の遮光手段とを備えるので、そ
れぞれの光による参照波面との光の差を検出器側で分離
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による形状測定装置の第１の実施の形態
を示す図。

【図２】第１の実施の形態の形状測定装置に用いる光学
素子を示す図。

【図３】第２の実施の形態の形状測定装置に用いる光学
素子を示す図。

【図４】第３の実施の形態の形状測定装置に用いる光学
素子を示す図。

【図５】第４の実施の形態の形状測定装置に用いる光学
素子を示す図。

【図６】遮光マスクの設置位置を示す図。

【図７】遮光マスクの絞りの形状を示す図であり、
（ａ）は位置合せ時の形状を示す図、（ｂ）は形状測定
時の形状を示す図。

【符号の説明】

１ 光源 ４ 光学素子 ７ 被検レンズ ７ａ 被検面 ４１ メニスカスレンズ ４１ｂ 外周部 ４２ 回折パターン ６１ 遮光マスク １４１Ａ メニスカスレンズ １４２Ａ 回折パターン ２０４ 光学素子 ２４１ メニスカスレンズ ２４１ｂ 外周部 ２４２ 回折パターン Ｏ 焦点

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検面と略等しい形状のヌル波面を前記
   被検面で反射させたときの反射波面と、前記反射波面と
   比較されるべき参照波面との形状差に基づいて前記被検
   面の形状を測定する形状測定装置において、 （ａ）形状測定のための光を発生させる光源と、 （ｂ）レンズおよび前記レンズの中央部に形成されたゾ
   ーンプレートを有し、前記ゾーンプレートが形成された
   中央部では前記光源からの光を前記ヌル波面に変換し、
   前記ゾーンプレートが形成されていない周辺部では前記
   光源からの光を球面波に変換する光学素子とを備え、 （ｃ）前記被検面上に前記レンズが焦点を結ぶときの前
   記被検面の位置を基準として、形状を測定する時の前記
   被検面の位置を特定することを特徴とする形状測定装
   置。
2. 【請求項２】 前記光学素子の周辺部から照射された球
   面波の光を前記被検面で反射させ、さらに前記周辺部を
   経由して戻された反射光と、前記参照波面の光とを干渉
   させることにより形状を測定する時の前記被検面の位置
   を特定し、 前記光学素子の中央部から照射されたヌル波面の光を前
   記被検面で反射させ、さらに前記中央部を経由して戻さ
   れた反射光と、前記参照波面の光とを干渉させることに
   より前記被検面の形状を測定することを特徴とする請求
   項１に記載の形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記レンズの屈曲作用および前記ゾーン
   プレートの回折作用の両者により前記光源からの光を前
   記ヌル波面に変換することを特徴とする請求項１または
   ２に記載の形状測定装置。
4. 【請求項４】 前記光学素子の周辺部を経由する光、お
   よび前記周辺部を経由する光と干渉する前記参照波面の
   光を遮光する第１の遮光手段と、 前記光学素子の中央部を経由する光、および前記中央部
   を経由する光と干渉する前記参照波面の光を遮光する第
   ２の遮光手段とを備えることを特徴とする請求項１〜３
   のいずれか１項に記載の形状測定装置。
5. 【請求項５】 被検面と略等しい形状のヌル波面を前記
   被検面で反射させたときの反射波と、前記反射波と比較
   される参照波面との形状差に基づいて前記被検面の形状
   を測定する形状測定装置において、 形状測定のための光を発生させる光源と、 前記光源からの光を前記ヌル波面に変換するゾーンプレ
   ート、および前記ゾーンプレートの外周からさらに外側
   に離れた位置に形成され、前記光源からの光を球面波に
   変換するレンズを一体の部材に形成した光学素子とを備
   え、 前記被検面上に前記レンズが焦点を結ぶときの前記被検
   面の位置を基準として、形状を測定する時の前記被検面
   の位置を特定することを特徴とする形状測定装置。
6. 【請求項６】 前記光学素子のレンズから照射された球
   面波の光を前記被検面で反射させ、さらに前記レンズを
   経由して戻された反射光と、前記参照波面の光とを干渉
   させることにより前記被検面の形状を測定する時の前記
   被検面の位置を特定し、 前記光学素子のゾーンプレートから照射されたヌル波面
   の光を前記被検面で反射させ、さらに前記ゾーンプレー
   トを経由して戻された反射光と、前記参照波面の光とを
   干渉させることにより前記被検面の形状を測定すること
   を特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
7. 【請求項７】 前記被検面上に前記レンズが焦点を結ぶ
   ときの前記被検面の位置と、前記被検面で前記ヌル波面
   を反射させるときの前記被検面の位置とが同一であるこ
   とを特徴とする請求項５または６に記載の形状測定装
   置。
8. 【請求項８】 前記光学素子のレンズを経由する光、お
   よび前記レンズを経由する光と干渉する前記参照波面の
   光を遮光する第１の遮光手段と、 前記光学素子のゾーンプレートを経由する光、および前
   記ゾーンプレートを経由する光と干渉する前記参照波面
   の光を遮光する第２の遮光手段とを備えることを特徴と
   する請求項５〜７のいずれか１項に記載の形状測定装
   置。
9. 【請求項９】 前記参照波面は、前記ゾーンプレートの
   回折パターンが形成されている面を反射した光の波面に
   よるものであることを特徴とする請求項５〜８のいずれ
   か１項に記載の形状測定装置。
10. 【請求項１０】 被検面と略等しい形状のヌル波面を前
    記被検面で反射させたときの反射波面と、前記反射波面
    と比較されるべき参照波面との形状差に基づいて前記被
    検面の形状を測定する形状測定装置において、 形状計測するための光を前記ヌル波面に変換するゾーン
    プレートを備え、 前記参照波面は前記ゾーンプレートの回折パターンが形
    成されている面を反射した光の波面によるものであるこ
    とを特徴とする形状測定装置。