JPS59154311A - 面形状測定用干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 の測定等に用いる面形状測定用干渉計に関するもの・で
ある。

光学部品の面形状を測定するのに用いる干渉計は種々あ
るが、例えば接触まｆｃは非接触の探針金有する機械的
走査機構と組み合わせたものが知らｎている。第１図に
その構成金示せば、光源１から発した光束ｔは半透鏡２
により参照鏡３に向う光束と反射鏡４を経て可動鏡５に
到る光束とに二分割される。可動鏡５は軸受６に少ない
摩擦で保持さ汎た探針７に固着さｎており、被検レンズ
８が図示さｎていない機械的走査機構によ！ｌｌたとえ
ば矢印の方向に回転駆動さ扛ると、その形状に応じて探
針７が移動し、従って可動鏡５が移動する。

この移動量は、参照鏡３からの反射光束と可動鏡５から
の反射光束とが半透鏡２にニジ重ね合わさ扛て形成する
干渉縞を干渉縞計数部１．５Ｋ　ｊ　、！ｌ）計数する
ことによジ高精度に計測することができる。

この方式の欠点は、機械的走査ケ行っているため、一般
に電子的走査に比較して時間がかかることと、機械的走
査機構が有する誤差が測定値の誤差となって現わｎ，る
ことである。従って、適当な補正の手段を必要とし、さ
らにこ扛らを用いてもＥ↓差ケ充分に除去することが困
難な場合が多い。

第２図に他の従来例として電子的走査により干渉縞を読
みとる方式のものが示さ扛ている。光渾■から発した光
束はビームエクスノξンダ９ｆＣ，ｌ：り光束？拡げら
１２、半透鏡２？透過してレンズ系１０に入射する。こ
のレンズ系１０は入射した平行光束ケ一点に焦光する波
面ケ有する光に変換する機能金もち、その任意の一面た
とえば図示！−たように被検面１１に面するレンズ系１
０の最終面ヲ参照面１２とする。この参照面１２からの
反射光束と入射波面にほぼ同心的に配置さ７した被検面
１】からの反射光束とが重ね合わさ汎、半透鏡２．レン
ズ１３に経て、撮像素子】４の上に二次元の干渉縞パタ
ーンケ形成し、電子走査によジはぼ瞬時Ｖこ読みとら扛
る。この干渉計は、いわゆるフィゾー型の干渉計であり
、共通光路をとっているため振動などの外部の擾乱に対
し安定してｂることか特徴である。しかし、この方式の
欠点は、被検面１１の球面からのす扛が大きい場合には
、後でのべるように入射光に対する被検面１１の傾きが
太きぐなり、測定さｎた波面と被検面１１との形状との
対応づけが困難となることである。この他にも図示はし
ないがモアレ縞による方法が知ら几てｂるが、精度は一
般に低く、高精度の形状測定たとえば０．０２μｍオー
ダの測定には不適当である。

本発明は、上記問題点に鑑み、可干渉性の光束を放出す
る光源と、該光束の被検面への人反射路に配置さｆまた
焦点距離変換部材と、該焦点距離変換部材からの光束を
分割する光分割素子と、該光分割素子からの光束が入射
さｎる干渉縞形成部と、前記焦点距離変換部材と連動し
て該干渉縞形成部からの光束の中音変換する光束変換部
材と、該光束変換部材からの光束の干渉縞を観則する撮
像素子とを具備せしめることにより、被検面の入射光に
対する傾き全検出し、より高い精度で被検面からの波面
と該被検面の形状との対応を可能Ｖｒ−１〜だ面形状測
定用干渉計を折供せんとするものであるが、以下第３図
及び第５図に示した一実施例に基づきこｎを説明する。

第３図により本発明における被検面の傾き？求める原理
を説明する。２１は対物レンズの瞳から出射する光波面
金表わし、光軸０３０２上の一点０１に集束するように
進行する。波面２１上の一点ｒケ通る光線ＰＯ，ｉ考え
ると、こ旧、は光軸０３０２と角度θをなして被検面２
２に向い、点Ｑで反射さ扛一般に点Ｐとは異なる点Ｐ′
に向う。いいかえると被検面２２が０１０２＝Ｒｆｆ半
経とする球面２３に一致している場合には、入射光ＰＯ
１は点Ｑ′で被検面２２に垂直に入射し、そ几からの反
射光は全く同じ道を逆行して点Ｐ′は点Ｐに一致する。

しかし、被検面２２の球面２３からのずＴＬ量ＱＱ’＝
Ｄ　（θ）（以下非球面量と呼ぶ）がある一般の場合に
は、入射光Ｐ０＋は被検面２２に垂直ではなくなって入
射角βをもつようになり、反射光は２βだけふ几る。ｏ
Ｔ’ｏ、　＝　Ｆとおけば、点Ｐ′での光路差ΔＬは △Ｌ＝ＰＱ＋ＱＰ、’−２ＰＱ’ 辷−２Ｄ（θ）−Ａｌ２（１） となる。ただしＡ共２　（Ｒ＋Ｒ，”／Ｆ’　）である
。

また、対物レンズの瞳での高さρは ρ埃０ｓｉｎ（θ＋ψ）　　、　　　　　　（２１とな
る。βは一般に小さい量であるが、非球面量が大＠（な
ると無視できすと〕１．金求めることが必要となる。次
にその方法を示す。定められた瞳の高さρの所での波面
収差あるいは光路差△Ｌが異なる二つの焦点距離Ｆ、、
Ｆ２について知ら几ており、こｎ、ら’ｆｆ：　△Ｌ　
１　、　△Ｌ　２とす′ｎは、（１）式がら△Ｌ１−−
２Ｄ（θ）　Ａｌβ２（３）ΔＬ２’　＃　−２Ｄ（θ
）−Ａ２β２（４）となる。従って。

△Ｌ１−△Ｉ−ｒｚ　＝　−（Ａ＋−Ａ２）Ａ２（５）
となる。換言すｎば、異なる二つの焦点距離Ｉ？１゜Ｆ
２　　での光路差あるいは波面収差の測定から面の傾き
角β？（５）式により求めることができる従って、（２
）式から角度θが５（３）あるいは（４）式から非球面
量１）（θ）が夫々求めらｆＬる。誤差ばＲβ４のオー
ダになる。たとえば、Ｒ＝１０１１１ｍ、β−＝１’４
２Ｘ１０−２ラジアンのとき Ｒβ”＝；１０＃１ｌｌｌＸ（２Ｘ１０　　）’箸２Ｘ
１０−３μｍ のオーダの誤差となる。

次に、本発明による面形状測定用干渉計の一実施例ケ第
４図に示す。２５はＨｅ−Ｎｅレーザ光のように可干渉
性の光束全放出する光源、２６は後述の被検レンズから
の戻り光音阻止するデカプラー１２フｉｄビームエクス
ノξンダ、２８は半透鏡、２９は軸πヶ回転軸とする同
一円周上に異なる焦点距離ず有する二つの対物レンズ３
０．３０’に同じ焦点位置を持つように配置して成る対
物レンズ変換器、３】はデフォーカス量或は面の偏芯。

＃ｉき等を調整するための図示しない調整機構に固定さ
′ｉ′１．た被検レンズである。３２は互いに直交する
偏光成分に横ず７′ｌ−ヲ与えるためのウオラストンプ
リズ１１又はロションプリズム或はザパール板等の光学
素子、３３はその分割面３３ａによｐｐ偏光成分を透過
し７且つＳ偏光成分全反射する偏光ビームスプリッタ−
１３４は１７４波長板、３５はピエゾ素子等の圧電素子
３６に固着さ才ｔた反射鏡、３７は１／４波長板、３８
は反射面、３９は１／７Ｉ波長板であって、こ２’Ｌら
が縞走査が可能な干渉縞形成部４０を構成１〜でｂる。

、４１は軸１３１３　’を回転軸とする同一円周Ｊ：に
異なる焦点距’１ｍｋ有するレンズ４２．４２”ｉ同じ
焦点位置ケ持つように配置１〜て成ジ対物レンツ３０　
、３０’に交換［７た際の光線の１１１１’［高さの変
化ケ補正するために用いらｔｌ−る光束変換器、４３は
レンズ４２により干渉縞が投影さ１゜る撮像素−子、４
４は第３図の原理による抽々の演算を行う信号処理回路
、４５ｉ１ｉ表示部である。そして、対物レンズ変換器
２９は光束変換器４Ｊと連動して焦点距離（あるいは開
口数）の変換が行わ几るように図示しない駆動機構全具
備し−Ｃいる。

本発明による面形状測定用干渉ｉｔ　ＩｉＪ、：述の如
く構成さ扛ているから、まず光源２５から発した平行な
光束−ｌｄ：デカプラ−２６ケ通ってビームエクス繋ン
ダ２７により光束金床げらｎ、半透鏡２８全通過して対
物レンズ変換器２９の中の対物レンズ３０に、ｌ：り集
光さｎた後発散ｊ〜、被検レンズ３１の被検面で反射さ
ｒｔ、はぼ同じ道を逆行して対物レンズ３ｏでほぼ平行
な光束に変換さ扛、半透鏡２８で反射さｆＬり後干渉縞
形成部４０の光学素子３２に入射してそのうちのＳ偏光
成分に所望の横ず几が与えらｎ、偏光ビートスズリッタ
ー３３におりて分割面３３ａ’ｉ透過するＰ偏光成分と
該分割面３３ａで反射さｎ、るＳ偏光成分に分けら扛る
。

そ（〜て前者は１／４波長板３４ケ通って円偏光となり
、反射鏡３５で反射し再び１／４波長板３４ケ通ってＳ
偏光となジ、分割面３３ａで反射さｒ−で第４図右方へ
向い、更Ｋ　１／４波長板３９ケ通って再び円偏光とな
る。一方、後者は１／４波長板３７ケ通って円偏光とな
った後反射面３８で反射し、再び１／４波長板３７ケ通
ってＰ偏光となり、分割面３３３？通過して第４図右方
へ向い、更に１７４波長板３９全通って再び円偏光とな
ｐ１前者の偏光成分と干渉して干渉縞を形成する。尚、
この面図示しなり電源から圧電素子３６に電圧を加える
ことにより反射鏡３５を変形させて、縞走査も行い得る
ようになっている。かぐ（〜て、形成さｆ″１．た干渉
縞は光束変換器４１のレンズ４２により撮像素子４３上
に結像さｎて読みどらｎる。読みとらｔ”ｔた信号は信
号処理回路４４ケ経て表示部４５に例えば被検レンズ３
１の形状或は非球面用と（７て表示さｎる。

次に、第５図により、上記実施例において対物レンズ３
Ωの焦点距離を変換１〜友時の光線の瞳での高さの変化
の原理について説明する。第５図（、Ｉ）において、同
じ焦点位置Ｏｘ’を共有し且゛つ異なる焦点距離Ｆ＋　
、　Ｆ２　’ｆｃ有する二つの対物レンズ３（）。

３０′の瞳位置をｏ３．ｏ、（で表わす、、たとえば１
ｌｉｉｉ位ｆｔ０４でρ２なる高さをもって光軸０３０
２　　と角度θ孕なして被検レンズ３１に入射する光線
を考えると、瞳位置０３ではρ１−ρ２　ｘＩｉ’１．
／Ｆ’、、で表わさ扛る高さになる。従って、角度θで
の形状誤差あるいは非球面ｉＤ（θ）？測定する場合に
は異なる１面高さρ１゜ρ２に於ける光路差△Ｌｌ　、
△Ｌ２　ｋ測定してその差分を求めることが必要となる
。この操作は煩しいだけでな（位置設定に於て誤差が入
る可能性がある。

こ１１ケ避けるために、第４図に示した光束変換器４１
を設ける。その結果、第５図（１））に原理的に示すよ
うに異なる瞳の高さρｌ、゛ρ２の光線が各々Ｃ３ある
いはＣ，／　　におか１．たレンズにより屈折さ扛、光
軸Ｃ３Ｃ２に対して角度θ？なす同一の光線０１Ｈある
いは０ＩＴ（’に変換さｎるように各レンズの焦点距離
を選ぶと、撮像素子４３上では同じ高さＣ！２１−Ｉあ
る論は０２）Ｉ’に入射す仝ようになる。

以上、本発明（（よる面形状測定用干渉形の作動につｂ
て説明したが、本干渉計はたとえば第１図に示（〜た被
検レンズ？機械的に走査する方式の従来の干渉劇と比較
すると、撮像素子４３による電子的走査のため、走査時
間の短縮が可能であり且つ高精度の測定が可能となる。

゛また第２図に示し７た従来の干渉側と比較すると、面
の傾へ角βについての情報が得ら扛るため、より高い精
度で被検面の形状との対応が可能となる。

尚、この実施例の場合、焦点距離変換機構ケスライド式
など種々の方式にしても良いことは言うまでもない。

第６図に本発明の第二の実施例？示す。との構成は第一
の実施例とほぼ同じであるが、次の諸点が異なっている
。光源２５は三波長の光束？放出することができ、たと
えば回折格子等の回転により波長？切換えることができ
る。対物レンズ４６としては、たとえばＡｐｐｌ、　Ｏ
ｐｔ、　　１２　＆　１０　。

１９７３　ｐ＋）−２５０９〜２５１９　　Ｊ、Ｓ、０
ｏｕｒｔｒｅｙ　−Ｐｒａ　ｔ　を及びＴ１．、　Ｌ、
　Ｇ　ｒ　ｅ　ｇ　ｏ　ｒ　ｙ　　にのべらｎているよ
うな色収差以外の収差を極力抑制した約物レンズが用い
ら几る。すなわち光源２５の波長を変換することにより
対物レンズ４６の焦点距離が変ずしし７、第３図あるい
は第４図でのべた焦点距離変換機構２９と同じ効果全対
物レンズの交換なしに州る仁とができる。レンズ４７は
同様に色収差以外の収差を抑制したもの即ち波長により
その焦点距離が変ｆヒするもので、波長を変換した時に
第４図の光束変換器４１と同じ役割全果たす。

とのように、対物レンズ４６あるいはレンズ４７として
特殊のもの？用いることにより、第４図に示したものと
同等の役割？果たさせることができる。ただし、波長全
変換した時の対物レンズ４６の焦点位置Ｏは、二つの波
長では同じにはならないので、被検レンズ３１を二つの
波長に対応する焦点距離の差の量だけ矢印の方向に正確
に移動させることが必要となる。同じことがレンズ４７
と撮像素子４３との関係についてもいえて、波長を変換
した時の二つの波長に対応するレンズ４７の焦点距離の
差の量だけ矢印の方向に正確に撮像素子４：３を移動さ
せることが必要となる。

尚、この第二実施例の諸構成要素としては次瞥のべる変
更も可能である。例えば光源２５としては、三波長の代
りに直交する二つの偏光成分ｋｍするものを用いること
ができる。この場合には、対物レンズ４６及びレンズ４
７としては偏光方向により異なる焦点距離？もつもの、
いいかえると複屈折性？有するものが考えら几る。また
、対物レンズ４６及びレンズ４７金ズームレンズとじて
連動させることも可能である。

上述の如ぐ１本発明による面形状測定用干渉形は、面形
状の敏速な測定が可能であると共に、よジ高い精度で被
検面からの波面と該被検面との形状との対応が可能であ
るという実用上重要な利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は夫々従来の面形状測定用干渉計の光
学系？示す図、第３図は本発明における被検面の傾き金
求める原理の説明図、第４図は本発明による面形状測定
用干渉計の一実に例の光学系ケ示す図、第５図は上記実
施列において焦点距離？変換した時の光線の瞳での高さ
の変化の原理の説明図、第６図は他の実施例の光学系？
示す図である。 ２５・・・光源、２６・・・デカズラー、２７・・・ビ
ームエクスノξンダ、２８・・・半透鏡、２９・・・対
物レンズ交換器、３０・・・対物レンズ、３１・・・被
検レンズ。 ４０・・・干渉縞形成部、４１・・・光束変換器、４２
・・レンズ、４３・・・撮像素子、４４信号処理回路、
４５・・・表示部。 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 可干渉性の光束を放出する光源と、該光束の被検面への
   入反射路に配置さ−ｎた焦点距離変換部材と、該焦点距
   離変換部材からの光束を分割する光分割素子と、該光分
   割素子からの光束が入射せしめら扛る干渉縞形成部と、
   前記焦点距離変換部材と連動１−で該干渉縞形成部から
   の光束の巾？変換する光束変換部材と、該光束変換部材
   からの光束の干渉縞？観測する撮像素子と？具備して成
   るｍ１形状測定用干渉言１゜