JPH1089935A

JPH1089935A - 非球面干渉計測装置

Info

Publication number: JPH1089935A
Application number: JP8239369A
Authority: JP
Inventors: Hajime Ichikawa; 元市川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 1998-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】測定光の波面形状に起因する誤差を排除し、
正確な非球面の形状測定をすることができる非球面干渉
計測装置を提供する。【解決手段】被検面４ａを互いに１８０度回転させた
２つの状態における面形状誤差のデータと、輪帯状のキ
ャッツアイ反射状態における面形状誤差のデータを波面
合成して得たデータとに基づき、被検面４ａに照射され
る測定光の波面形状に起因する誤差を打ち消して被検面
４ａの形状を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非球面の被検面形
状を光の干渉を用いて測定する非球面干渉計測装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、Ｚ軸を光軸とし、Ｙ＝０平面で
の断面形状が、

【数１】Ｚ＝Ｘ² ／Ｒ／｛１＋（１−κＸ² ／Ｒ² ）^1/2 ｝＋Ｃ₀₄Ｘ⁴ ＋Ｃ₀₆Ｘ⁶ ＋Ｃ₀₈Ｘ⁸ ＋Ｃ₁₀Ｘ¹⁰ ・・・式（１）で表される２次非球面をベースとした高次非球面形状を
有する被検面の場合、被検体面の形状誤差（設計値から
の幾何学的な形状誤差および面精度誤差）を干渉計を用
いて測定する場合には、いわゆるヌル干渉計測が行われ
ている。

【０００３】このようなヌル干渉計測に使用する装置
は、図３に示すように、干渉計本体１０１と、干渉計本
体１０１から射出される平面波を被検レンズ４の被検面
４ａである非球面と等価な非球面形状を有するヌル波面
に変換するためのヌル化素子１０２とを備える。ヌル化
素子１０２に入射する光束は光軸からの距離の関数で光
軸方向に結像位置が異なり、被検レンズ４の被検面４ａ
に垂直に入反射するように設計されている。

【０００４】このヌル化素子１０２として通常の集光レ
ンズを使用した場合、いわゆるフィゾーレンズの使用が
困難である。なぜならば、集光レンズの最終面からの反
射光と被検面４ａからの反射光とを干渉させようとした
場合、被検面４ａが非球面であれば必然的ににフィゾー
面も非球面としなければならないからである。したがっ
て被検面４ａと干渉するための基準参照面としては、干
渉計本体にトワイマン型を採用し、干渉計本体内部のビ
ームスプリッタで２分割された参照光側に装着するか
（図示は省略）、もしくは疑似フィゾー型干渉計とし
て、図３に示すようにヌル化素子と干渉計本体の間に基
準参照面９ａを有する高精度平板（フィゾーフラット）
９を挿入することになる。

【０００５】いずれにしても、基準参照面と被検体面４
ａとの間には、測定光の波面を乱す要因が存在すること
が避けられず、これらの要因に注意深く対処する必要が
ある。この要因を排除するためには、ゾーンプレート型
のヌル化素子を採用すればよい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、たと
え、式（１）で表されるような設計値通りの理想的なヌ
ル波面が所定の位置に形成されても、通常光は直進する
ために、所定の位置から干渉計の光軸方向にある一定量
だけ変位すれば、そのヌル波面は非球面の幾何学的な形
状を変えてしまう。具体的には、式（１）の各係数が設
計値から乖離することになる。しかるに、たまたま被検
面４ａの方もそれと同じ量だけ設計値から幾何学的な形
状が乖離していれば、その被検面４ａを上述の一定量だ
け変位した位置に設置することにより、いわゆる「縞一
色」の干渉縞が得られてしまう。

【０００７】これは、図３で示すように構成されたヌル
干渉計で得られる干渉縞だけからは、被検面４ａの非球
面形状を正確に測定することが原理的に不可能であり、
被検面４ａの光軸方向の位置も正確に把握する必要があ
ることを示している。

【０００８】さらに、たとえ被検面４ａの位置が正確に
確定できたとしても、今度は所定の位置におけるヌル波
面自身が設計値から乖離している場合には、ヌル波面そ
のものの校正も必要になるという問題がある。

【０００９】本発明の目的は、測定光の波面形状に起因
する誤差を排除し、正確な非球面の形状測定をすること
ができる非球面干渉計測装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】一実施の形態を示す図１
および図２に対応づけて説明すると、請求項１に記載の
発明は、非球面形状の被検面４ａでの反射光および基準
参照面での反射光の干渉に基づいて被検面４ａの形状を
測定する非球面干渉計測装置に適用される。そして、基
準参照面での反射光と被検面４ａでの反射光との干渉を
介して被検面４ａの基準参照面に対する形状誤差を求め
る面形状誤差計測手段１，６と、被検面４ａを測定光軸
Ｘ１回りに回転可能に保持する保持手段５と、被検面４
ａに向けて照射される測定光による輪帯状のキャッツア
イ反射状態を形成するキャッツアイ反射面４ａと、被検
面４ａの測定光軸Ｘ１回りの回転角を０度および１８０
度とした２つの状態における面形状誤差計測手段のデー
タと、輪帯状のキャッツアイ反射状態における面形状誤
差計測手段１，６のデータを波面合成して得たデータと
に基づき、被検面４ａに照射される測定光の波面形状に
起因する誤差を打ち消して被検面４ａの形状を求める演
算手段６とを備えることにより上述の目的が達成され
る。

【００１１】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。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図１および図２を用いて本
発明による非球面干渉計測装置の一実施の形態について
説明する。図１（ａ）において、１は平面波を射出する
干渉計本体、９は基準参照面９ａが形成された参照面物
体、２は干渉計本体１から射出され参照面物体９を透過
した平面波をヌル波面に変換するヌル化素子、３はヌル
化素子２を保持するヌル化素子保持調整機構、４は高次
非球面４ａが形成された被検レンズ、５は被検レンズ４
を光軸回りの方向に回転可能に支持する被検レンズ保持
調整機構、６は干渉計本体１からの画像信号を受けて被
検レンズ４の面精度誤差を算出する演算装置、７は演算
装置６による演算結果を表示する表示装置（モニタ）で
ある。

【００１３】８は被検レンズ保持調整機構５の光軸方向
の位置を計測するレーザ測長器であり、レーザ測長器８
はレーザ光源８ａと、被検レンズ保持機構５に着脱可能
とされたコーナーキューブ８ｂと、測長用参照ミラー８
ｃと、レーザ光検出装置８ｄとを備える。

【００１４】干渉計本体１から射出される平面波は、参
照面物体９を透過した後、ヌル化素子２によりヌル波面
に変換される。ヌル化素子２により形成されたヌル波面
に対し、被検レンズ４の被検面４ａを被検レンズ保持調
整機構５により所定の位置にアライメントすることによ
り、被検面４ａの干渉計測が可能となる。アライメント
は干渉計本体１に内蔵されたＣＣＤカメラによる干渉縞
の撮像をモニタすることにより行う。

【００１５】この干渉計測系の測定光軸Ｘ１は、ヌル化
素子２を金物基準（鏡筒の基準面基準）で玉押しするこ
とにより保証している。なお、より厳密に測定光軸Ｘ１
を保証するためには、通常の干渉計測光学系では避けら
れないディストーションの中心軸を測定光軸Ｘ１と揃え
る必要がある。また、高精度測定を行うためには、移動
機構の移動軸を光軸Ｘ１と平行に設置しておくことが望
ましい。

【００１６】干渉計本体１の内部に形成された干渉縞
は、干渉計本体１に内蔵されたＣＣＤカメラにより撮像
され、その画像信号は演算装置６に入力される。演算装
置６には被検面４ａの情報が予め入力され、演算に必要
な係数を演算して記憶する機能と、干渉計本体１内のＣ
ＣＤカメラからの画像信号を光路差データに変換する機
構と、上述した係数に基づいて光路差データを解析し、
被検面４ａの面精度誤差を算出する機能とを有する。そ
して演算装置６で求められた被検面４ａの面精度誤差
（測定結果）が表示装置７に表示される。

【００１７】被検レンズ４を保持する被検レンズ保持調
整機構５は、第１部材５ａ、第２部材５ｂおよび第３部
材５ｃからなり、被検レンズ４が取り付けられた第１部
材５ａは第２部材５ｂに対してティルト、シフトが可能
で摺動可能とされ、第２部材５ｂは第３部材５ｃに対し
て光軸Ｘ１回り方向に回動可能とされ、第３部材５ｃ
は、不図示の移動機構に対してティルト、シフトが可能
で摺動可能とされている。そしてこのような構造を採用
することにより、一旦、第１部材５ａを摺動させて被検
レンズ４の被検面４ａの非球面軸を第２部材５ｂの回転
軸と一致させた後、次に、第３部材５ｃにより第２部材
５ｂの回転軸を光軸Ｘ１と一致させると、第２部材５ｂ
を第３部材５ｃに対して回動させたときに、被検面４ａ
の非球面軸が光軸Ｘ１からずれることなく被検レンズ４
を回動させることが可能となる。

【００１８】また第３部材５ｃは不図示の移動機構を介
して光軸Ｘ１方向に移動可能とされており、この移動機
構を用いることによって被検レンズ４の光軸Ｘ１方向の
位置を調整することができる。

【００１９】図１に示すように、被検レンズ４の光軸Ｘ
１方向の位置は被検レンズ保持機構５の光軸Ｘ１方向の
位置を介してレーザ測長器８により計測される。図１で
はレーザ測長器８が１台のみ図示されているが、実際に
は光軸Ｘ１を対称軸として２箇所にレーザ測長器８が設
けられており、このような配置を採ることによりアッベ
誤差を取り除くことができる。本実施の形態の装置で
は、被検面４ａを直接モニタすることはできないが、要
求される測定の精度によっては被検面４ａの位置を直接
計測する必要が生ずる場合もある。

【００２０】レーザ測長器８により計測された計測値
は、不図示の制御装置を介して被検レンズ保持機構５の
移動機構にフィードバックされるので、被検レンズ４の
光軸Ｘ１方向の位置が制御可能とされている。

【００２１】＜測定の手順＞次に、図２を用いて、以上
のように構成された本実施の形態の形状測定装置により
被検面４ａの形状測定をする場合の手順について説明す
る。後述する測定手順はＪｅｎｓｅｎ／Ｂｒｕｎｉｎｇ
らが提唱した球面の面精度を絶対校正するための手法
（ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，１９７８の４
２６頁〜４２９頁）を非球面に応用したものである。

【００２２】まず最初に、被検レンズ保持調整機構５を
調整して、被検レンズ４の被検面４ａの非球面軸および
第２部材５ｂの回転軸を測定光軸Ｘ１と一致させる。そ
して被検レンズ４の光軸Ｘ１回り方向の角度を任意の角
度（θ＝０）としたときの図２（ａ）に示す配置で測定
される被検面４ａの面精度データをＤ１とすると、

【数２】Ｄ１＝Ｆ（０）＋Ｗ（０）＋Ｓ（０）・・・式（２）である。ここで、Ｆは干渉計の基準参照面の面精度誤差
であり、図１における基準参照面９ａの誤差を表してい
る。また、Ｗは被検面４ａの面精度誤差、Ｓは干渉計お
よびヌル化素子２を含む測定システムにより面精度誤差
の測定に与える誤差を表す。さらに括弧内の添字は、測
定光軸Ｘ１回りの被検面４ａの回転角度θを表し、上述
のようにθ＝０で示される角度は、最初の測定時に任意
に設定されるゼロ基準であり、被検面４ａを１８０度回
転させた時の角度は、θ＝πで表される。

【００２３】次に、図２（ｂ）に示すように、被検レン
ズ保持調整機構５を操作して被検レンズ４を測定光軸Ｘ
１回りに１８０度回転させるが、上述のように、被検面
４ａの非球面軸は測定光軸Ｘ１からずれることはない。
したがって、被検レンズ４を１８０度回転させた時の被
検面４ａの面精度データをＤ２とすると、

【数３】Ｄ２＝Ｆ（０）＋Ｗ（π）＋Ｓ（０）・・・式（３）である。なお、Ｄ１およびＤ２の測定データに関して
は、被検レンズ４を回転させた時に被検面４ａの位置が
ヌル波面に対して測定光軸Ｘ１方向に変位するとＤ１と
Ｄ２との相関が取れなくなるため、高精度測定を実現す
るためには、被検面４ａの測定光軸Ｘ１方向の位置を計
測する必要があるが、この位置はレーザ測長器８により
計測される。

【００２４】つづいて、図２（ｄ）に示すように、ヌル
化素子２から射出された光束について被検レンズ４での
キャッツアイ反射状態を形成する。図２（ｃ）に示すよ
うに、仮に被検レンズ４´の被検面４ａ´が球面である
とした場合には、ヌル化素子２´は通常のフィゾーレン
ズとなり、これから射出される光は焦点を形成するの
で、キャッツアイ反射状態を実現することが可能であ
る。しかし基準参照面２ａは非球面であるためヌル波面
は球面波でなく、したがってキャッツアイ反射状態を１
度に実現することは原理的に不可能である。そこで、図
２（ｄ）に示すように被検レンズ４を光軸Ｘ１方向に移
動させることにより、複数のキャッツアイ反射状態での
測定データＤ３ｉを個別に分割して測定し、個々のデー
タＤ３ｉに基づいた波面合成を行う。波面合成により、
キャッツアイ反射状態における測定データＤ３は、

【数４】Ｄ３＝ΣＤ３ｉ・・・式（４）により求めることができる。ここでは、重畳部分を有す
る輪帯状の測定データＤ３ｉを、それらの重畳部分が最
も辻妻が合うように繋ぎ合せることにより測定データＤ
３を得ている。

【００２５】なお、個々のＤ３ｉの輪帯状データは、無
数個のデータＤ３ｉを用意して繋ぎ合せない限り、球面
収差が乗ることが原理的に避けられないため、その補正
が必要となるのは言うまでもない。その補正のために、
球心反射状態と同様、被検面４ａの位置の計測が必要と
なるが、レーザ測長器８により計測することができる。

【００２６】キャッツアイ反射状態では、光束の往路と
復路とは測定光軸Ｘ１に対して互いに回転対称となる位
置に来るので、Ｄ３は、

【数５】Ｄ３＝（Ｆ（０）＋Ｆ（π））／２＋Ｓ（０）・・・式（５）により表すことができる。したがって、式（２）、式
（３）および式（５）により、Ｗ（０）が、

【数６】Ｗ（０）＝（Ｄ１＋Ｄ２−Ｄ３−Ｄ３）／２・・・式（６）として求まる。この演算は演算装置６により行われる
が、下線を付加した部分は面精度誤差データを演算装置
６内で１８０度回転させたデータを示す。すなわち、

【数７】Ｄ２＝Ｆ（π）＋Ｗ（０）＋Ｓ（π）・・・式（７）Ｄ３＝（Ｆ（π）＋Ｆ（０））／２＋Ｓ（π）・・・式（８）である。

【００２７】なお、図２（ｃ）に示すキャッツアイ反射
状態を形成する際に、被検面４ａを反射面として用いる
代りに、図１（ｂ）に示す材子１１を用いてもよい。

【００２８】以上説明したように、本実施の形態の非球
面干渉計測装置では、被検面４ａを互いに１８０度回転
させた２つの状態における測定データＤ１およびＤ２
と、輪帯状のキャッツアイ反射状態における測定データ
Ｄ３ｉを波面合成して得たデータＤ３とに基づき、被検
面４ａの形状を算出しているので、ヌル化素子２の形状
やヌル化素子２の設置位置の位置ずれ等に起因する測定
波面の形状誤差の影響を排除でき、被検面４ａの正確な
形状測定が可能となる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被検面を互いに１８０度回転させた２つの状態における
面形状誤差計測手段のデータと、輪帯状のキャッツアイ
反射状態における面形状誤差計測手段のデータを波面合
成して得たデータとに基づき、測定光の波面形状に起因
する誤差を打ち消すようにしているので、被検面の形状
を正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による非球面干渉計測装置の一実施の形
態を示す図であり、（ａ）は一実施の形態の全体を示す
図、（ｂ）は材子により形成したキャッツアイ反射状態
を示す図。

【図２】図１に示す実施の形態の非球面干渉装置による
測定手順を示す図。

【図３】従来の装置における非球面の形状測定を行う場
合の光学配置を示す図。

【符号の説明】

１干渉計本体４被検レンズ４ａ被検面５被検レンズ保持調整機構６演算装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非球面形状の被検面での反射光および基
準参照面での反射光の干渉に基づいて前記被検面の形状
を測定する非球面干渉計測装置において、前記基準参照面での反射光と前記被検面での反射光との
干渉を介して前記被検面の前記基準参照面に対する形状
誤差を求める面形状誤差計測手段と、前記被検面を測定光軸回りに回転可能に保持する保持手
段と、前記被検面に向けて照射される測定光による輪帯状のキ
ャッツアイ反射状態を形成するキャッツアイ反射面と、前記被検面の前記測定光軸回りの回転角を０度および１
８０度とした２つの状態における前記面形状誤差計測手
段のデータと、前記輪帯状のキャッツアイ反射状態にお
ける前記面形状誤差計測手段のデータを波面合成して得
たデータとに基づき、前記被検面に照射される前記測定
光の波面形状に起因する誤差を打ち消して前記被検面の
形状を求める演算手段とを備えることを特徴とする非球
面干渉計測装置。