JPS63252208A - 形状測定装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は球面、非球面光学素子の面形状を測定する干渉
計型形状測定装置、特に被検光学素子を所定の位置に高
精度にセットするアライメント手段を有する形状測定装
置に関するものである。

［従来の技術］ 従来のこの種の被検光学素子の７ライメントは、特開昭
６０−２１１３０６号公報に記載されているようにピン
ホール及び光検知器の組合せによるフォー力ツシングの
公知を干渉計に使用して行っている。即ち、第８図に示
すように、光源２５からビームエクスパンダ２６を経て
ビームスプリッタ２７で反射した光束は、レンズ２８゜
２９を経て被検光学素子３０を照明する。この被検光学
素子３０で反射した光束は再びレンズ２９．２８を経て
ビームスプリッタ２７を通過してレンズ３１で集束され
る。集束光のうちビームスプリッタ３２で反射して光か
らは、ピンホール３９と光検知器３８の組合せによりフ
ォーカッシンク信号−が得られる。ビームスプリッタ３
２を透過した光束は゛ト透プリズム３３と、鏡３４゜３
５の組合せによりジャリング−「渉を受け、生成された
１２渉縞はレンズ３６により撮像素子３７にに結像され
る。被検光字素７−３０の光軸２１の方向の位置決めは
被検光字素トの光軸１−の位置に応じてピンホール３９
−１−の光１ａ分布が変化することから光検知器３８の
出力信号が最大となる点を求めることにより行われる。

ピンホール３９と光検知器３８の組合せの代りにＰＳＤ
　（フォトセンシティブダイオード）のような位置検出
用光検知器を設けることにより被検光字素Ｙ−３０の光
軸２１に直交する方向の位置ずれを検出することができ
る。これは特開昭５９−２２５３０５　ｔ、；公報に開
示されており、この際使用している「渉計はトワイマン
Φグリーン方のもので第８図に示すものとは異なるが、
ノ＾本的に同じである。

に述したようにピンホールと光検出器及び位置検出器を
用いることにより光軸方向及びこれと直交する方向の被
検光学素子の位置ずれを検出することができる。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の７ライメントは精度的に不充分である。

その理由はピンホール及び光検知器あるいはｐｓｎ７の
位置検出用光検知器の精度に依存し、ｌ［つ非球面のよ
うに対称軸及び頂点をもっている、鉛ｆ−では、光軸方
向のフォー力ッシング及び光軸に直角な方向のシフトだ
けでは木質的に７ライメントは不充分で、さらにティル
トを調節する必要があるが、これに対する配慮がなされ
ていないからである。

アライメントが充分でなくセツティングエラーの残差が
ある場合にはレンズ２９以降の測定光学系に入射する波
面は光軸２１に対し回転非対称となっており、測定光学
系を通過した後、第３図に回転対称な収差５４と比較し
て誇張して占かれたように回転非対称な収差５５を受け
、測定誤差の増大を招くようになる。これは自由空間を
伝播した時のように筒中に補正することが不ＩＩｆ能で
、被検面の本質的な形状誤差として測定される。これは
高精度の測定を対象とする際に大きな問題となる。

本発明はアライメントの不良によるセツティングエラー
の残差を少なくし、特に第３図に示された非対称の収差
の発生を軽減し、非球面を含む被検光学素子のより高精
度の面形状測定を行なう形状測定装置を提供することを
［１的とするものであ４゜ ［問題点を解決するための手段及び作用］本発明は従来
のどンホール及び光検知器の組合せ並びに位置検出用光
検知器による粗調整のほかに撮像素−Ｌによる−「渉縞
解析、特にハード化した４ステップ縞走査演算部を用い
たト渉縞解析により被検面からの波面そのものを評価す
ることにより、第３図に示された非対称な収差の発生を
軽減するようにしてシフト、フォー力ッシングさらにテ
ィルトを含めた微細なアライメントを行うものであ。

本発明形状測定装置は、光軸を特徴とする特許を与える
回転部を有し、干渉光７計の光軸に対する被検光学素子
の傾き、シフト及びデフォーカスを調節するアライメン
ト手段と、ピンホール及び光検知器の組合せ並びに位置
検出用光検知器を有し、被検光学素子の粗アライメント
を行なうアライメント制御手段と、縞操作により得られ
た複数個の−「渉縞強度信号をディジタル信号に変換す
るＡ／Ｄ変換器及びハード化された演算部を有し、微細
アライメントを行う干渉縞解析手段とを具備することを
特徴とする。

未発１１の好適な例では、干渉縞解析手段は、縞走査に
より得られた複数個の干渉縞強度値−）をディジタル信
号に変換するＡ／Ｄ変換器と、これらディジタル信号を
記憶する複数のフレームメモリと、記憶されたデータか
ら波面の位相を求める第１の演算部と、第１演算部の結
果をデータバスに戻す手段とを具備し得るようにする。

本発明の更に好適な例では、干渉縞解析手段は、縞走査
により得られた複数個の干渉縞強度信号をディジタル信
号に変換するＡ／Ｄ変換器と、これらディジタル信号を
記憶する複数のフレームメモリと、記憶されたデータか
ら波面の位相を求める第１の演算部と、１渉縞の有無を
検出する第２の演算部と、スレシホルド値及び第２の演
算部の結果を比較して前記第１の演算部の結果をデータ
バスに送るか否かをｊｔ別する比較器とを具備し得るよ
うにする。

第１図に示す未発ＩＪＩ形状測定装置はジャリング干渉
計を利用し、以下に示すように構成する。光ＩＩ　１か
ら発生する光ビームを、開ＩＩ数ＮＡが０゜７程瓜の対
物レンズ２，１０７１ｍ程度のピンホール３及１／Ｔ：
Ｒ＝３：１程度のビームスプリッタ４を経てアルミニウ
ムＡ交を被覆した鏡５に入射する。光源としては可［浮
性の光を発生する光−源、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ、半
導体レーザを用いる。

鏡５で反射した光ビームは、Ｔ：Ｒ＝ｌ：ｌ程度のビー
ムスプリッタ６を経てアルミニウム被覆鏡７に入射し、
ここで再び反射されてコリメータ８及び対物レンズ９を
経て被検光字素１’ＩＯを照明する。この被検光学素子
ｌＯはアライメント１１１１上に取付け、その先軸２１
に対するアライメントを行う。

又、被検光学素子ｌＯの表面で反射された光ビームは再
び対物レンズ９、コリメータ８．鏡７を経てビームスプ
リッタ６に入射し、ここでそのｔ１分が反射されてアル
ミニウム被覆鏡１２、ジャリング干渉計のシャ部を構成
する半透鏡１３．１４及び結像レンズ１５を経てＣＯＤ
　（チャージカップルドデバイス）等の撮像素子１６上
に入射し、その光電変換信号を干渉編解析部１７に供給
し、ここで本発明の要部である干渉縞の解析を行う。

更に、前記ビームスプリッタ６を透過した光ビームは鏡
５で反射されてビームスプリッタ４に再び入射し、ここ
で反射されてＴ：Ｒ＝１：ｌのビームスプリッタ１８に
入射する。ビームスプリッタ１８を透過した光ビームは
ピンホール５６を経てフォトダイオード等の光検出器１
９に入射して光電変換を行う、又、ビームスプリッタ１
８で反射された光ビームは２次元のＰＳＤ等より成る位
置検出用光検知器２０に入射して光電変換を行う。

アライメント部１１は第４図に示すように被検光字素／
−１０を支持するクランプ部４０と、そのド側に順次設
けられた傾き各調ｇ１部４１と、−軸スライダ４２．４
３と、回転部４４と及び支持板４５とで構成する。クラ
ンプ部４０としては例えば二つ爪チャックを用いる。傾
き各調整部４１によって光軸２１に対する被検光学素子
ｌＯの直交する２方向の傾き、いわゆるティルトを調整
する。又、２つの直交する一輌スライダ４２゜４３によ
て光軸２１に直交する横ずれ、換言すると、シフトの調
整を行う、更に回転部４４によって被検光字素Ｉを光軸
２１を中心として回転する。その理由は、ジャリング干
渉計でシャを１次元に限定したときに被検面の２次元的
な情報を得るために９０度の回軸を必要であり、１［つ
回転非対称な収差が発生した際に被検光字素Ｉを在る角
度回転させて！−記四回収差被検面によるものか又は測
定光７計によるものかを判別する必要があるからである
。又、支持板４５によってアライメント部１１を光軸方
向に摺動自在に保持する。上述したようにして未発ＩＩ
形状測定装置を構成するがＬ記各部の駆動機構は説明の
便宜上に省略する。

かように構成した本発明形状測定装置の動作を以Ｆに説
１１する。

光Ｈｔから出た光束（光ビーム）は対物レンズ２により
集束１発散され、集束点に置かれたピンホールで空間的
にフィルタされ、次いで、ビームスプリッタ４、鏡５、
ビームスプリッタ６を経て鏡７で反射されコリメータ８
により発散光は平行光に変換され、対物レンズ９により
一点に収束され、被検光学素子１０を照明する。被検光
学素子１０で反射された光束は照明の時と逆の光路をた
どり、ビームスプリッタ６を通過した光束はビームスプ
リッタ゛４の反射されビームスプリッタ１８でさらに２
分割されピンホール５６を備えた光検知器１９、位置検
出光検知器２０に集束する。ビー１、スプリッタ６で反
射された光束は鏡１２を経て゛ｒ：透ｉ１３．１４でジ
ャリング−［渉を起し、結像レンズ１５により撮像素子
１６１−に１−渉縞として検知され、１−渉縞解析部１
７で波面の解析がなされる。

被検光学、Ｋ　／−１０の７ライメント誤差はピンホー
ル５６と光検知器ｌ−９との組合せ及び位置検出用検知
器２０により従来のように粗い近似値がり°、えられる
。これらの誤差信号をアライメント部１１にフィードバ
ックして粗いアライメントを行う、より微細なアライメ
ント誤差は被検光学素子ｌＯからの反射波面を丁渉縞解
析部１７で解析することにより得られる。解析の−Ｌ法
としては４ステツプの縞走査法が用いられる。これは具
体的には゛ト透鏡１３あるいは１４を微細に駆動いわゆ
る４ステツプの縞走査を行い、次式 ％式％）］） ）】） ）］） で表わされる４つの干渉縞強度分布１１〜Ｉ４をとりこ
んで位相分４１Φ（ｘ　、　ｙ）を次式％式％］ ）］） から求められる。ここにγは干渉縞の可視度、Ｉｏ　　
（ｘ　、　ｙ）は［渉縞強度分４１（１）直流分、Ｘ。

ｙは２次元の座標を表す、この１法により位相分ｌｌｉ
を求めることは公知のことであるが、本発明はこの計算
部分をハード化して短峙間に処理を終了し、アライメン
トに使用し得るようにした。

（第１実施例） 本発明の要部であるＦ渉縞解析手段の第１実施例を第２
図につき以−ドに説明する。

第２図は、ハード化した４ステップ演算部５３とその周
辺を示す、ＣＣＤ撮像素子５２よりとりこまれた干渉縞
強度信号はＡ／Ｄ変換器５１によりディジタル信号に変
換された後、データ／＜ス５０１ｔＭてフレームメモリ
４６〜４９に１１〜Ｉ４として記憶される。この記憶さ
れた内容から減算器２２．２３によりＤ＋＝Ｉ覧−Ｉ３
、Ｄ２　＝Ｉ４−Ｉ７がえられ、関数器２４によりｆ　
　（Ｕ２／口＋）　　＝　ｊａｎ　　１（０２／　　Ｄ
Ｉ）＝　Φ　（！、りがｙｔ算され、その結果がデータ
バス５０に戻される。減算器２２．２３および関数器２
４はＴＴＬ（）ランシスト　トランジスタ　ロ　ジ　ツ
ク）で構成することもできるが、テーブル化したＲＯＭ
　（リード　オンリ　メモリ）あるいはＰＡＬ　（プロ
グラマブル　ロジック　７レイ）が用いられる。テーブ
ル化したＲＯＭによって例えば減算器２２の場合、２つ
の入力信号Ｉｌ　。

■３に対応してＤＩ　＝ＩＩ−Ｉ３に等しいひとつのア
ドレスが割当てられ、これが出力信号となる。

これらのデータ処理に要する時間はＣＣＤ１２８Ｘ１２
８画素のものを用いたときに画像のサンプリング２００
ｋＨｚ、転送速度２００　ｋＨｚとした場合でもサンプ
リング、データ転送を含めて約０．４秒であり、標準的
な１６ビツトｃｐｕ　（中央演算処理装置）でソフト的
に計算した場合の約３８秒と比較して約９０倍の高速で
処理が行われる。ａ板振動を緩和するために複数回も全
く同様に取扱うことができる。

［第２実施例１ 本発明の要部である「渉解析Ｆ段の第２実施例を第５図
につき以下に説明する。

本例でも４ステツプの縞走査の場合を示す０本例干渉解
析り段は以下に列挙する構ｌ＆要素を図面に示すように
接続配置して構成する。５２は撮像素ｆ−で１２８Ｘ１
２８画素のＣＣＤ等が用いられる。５１はＡ／Ｄ変換器
、５０はデータバス、４６〜４９はフレームメモリ、２
２．２３はＭ算器、５７は加算器、２４は関数器、５８
は絶対イめ加算器、５９は除算器、６０はラッチ回路、
６１は比較器である。

４ステツプの縞走査を行って次式 ％式％） ）］） ）］） で表わされる４つのｆ渉縞強度分布■、〜Ｉ４をとりこ
んだとする。ここにγは干渉縞の可視度。

Ｉｏ（ｘ、ｙ）は干渉縞強度分布の直流分、ｘ、ｙは２
次元の座標を表わす０位相分布φ（ｘ　、ｙ）＝Ｄｏは
次式 ％式％）］ ］） により求められる。

１−渉縞形ｊｊｉ、ｆｆｉの判別は次のように行なわれ
る。

即ち、次式 ％式％（） から干渉縞強度分布の直流分が求められる。又次式 ％式％ から関数Ｄ４は第７図の実録に示すように干渉縞の振１
０情報を近似的に与える。、正確にはで与えられる。従
ってＤ　ａ　／　Ｄ　ｙの比を求めるとＩ−渉縞のない
地の部分ではほぼθ近くの小さな値をとり、丁渉編の部
分ではｔ渉縞の１−ｉＪ視度γあるいはそれ以にの値が
得られ従って判別が可能となる。

以ｔをハードで表現するとＩＭ像素子５２から４ステツ
プでとりこまれた４組の画像信号はＡ／Ｄ変換器５１で
Ａ／Ｄ変換された後データバス５０を介して４つのフレ
ームメモリ４６〜４９に１１〜Ｉ４として記憶され、減
算器２２．２３によりＤ＋　＝　Ｉ　＋　　　Ｉｎ　　
、Ｄ２　＝　１４　　Ｉ２が求められ関数器２４より次
式 ％式％） が計算される。−・方加算器５７によりり、＝１゜＋Ｉ
、が形成され、Ｄ、＝Ｉ、−Ｉ、、Ｄ２＝Ｉ４−Ｉ２の
符合ビットを削除し、加算する絶対イ１加算器５８によ
りＤｓ　＝　Ｉ　Ｄ＋　　ｌ　／　ｌ　Ｄ２　１が形成
され、除算器５９によりＤｓ”Ｄａ１０３が求められる
。データバス５０を通して外部から′ｊえられたスレシ
ホルドイ〆ｉＤＲはラッチ回路６０によりラッチされ次
いで比較器６１によりスレシホルド４１４　Ｄ　Ｒに対
する信号データからえられたＤ５の大小の判別を行ない
、たとえばり、≧ＤＯの信号データについては関数器２
４の出力ＤＨをデータへス５０に送りり、＜ＤＲのデー
タについて送らないという選別を行なう。

上記の各種の演算はテーブル化したＲＯＭによりアドレ
スの対応という形で構成されているため、■ドツト毎の
演算がメモリのリード転送動作により行なわれる。よっ
て、データの転送時間を含めても実時間処理が可能であ
る。尚、スレシホルドｉｔＪ　Ｄ　Ｒは［渉縞の（ｒ（
視度γと（ノイズレベル）／２Ｉｏ　との中間の１１に
実験により設定される。

［第３実施例］ Ｉ５図の実施例は４ステツプの縞走査の場合についてな
されたものであるが、他のステップ数についても可能で
例えば第６図に３ステツプの縞走査の場合を示す、即ち
３ステツプの縞走査を行なうと次式で表わされる干渉縞
強度分ＩＢ　Ｉ　＋〜Ｉ。

が得られる。

１１（菫、り＝　　Ｉｏ（ｘ、ｙ）（１＋ｙｃｏｓ［Φ
（ｘ、ｙ）・（π／４）Ｊ）１２（ｘ、ｙ）＝　Ｉｏ（
ｘ、ｙ）（１＋ｙｃｏｓ［Φ（ｘ、ｙ）＋（３π／４）
］）Ｉ１（Ｘ、り＝　　Ｉｏ（ｘ、ｔ）（Ｄｙｃｏｓ［
Φ（ｘ、ｙ）＋（５ｗ　／４）］）従って、位相φ（ｘ
　、　ｙ）は次式 ％式％）］ から求められる。ｆ渉縞形成部のｒ４別に対しては１次
式 ％式％（） から［渉縞強度分ｊ＋ｊの直流分が求められ１次式０４
　＝　ｌ　Ｉｔ−ｈ　Ｉ　＋　Ｉ　ｌ１ｌ−ｂ　１＝２
ＪＩｏ　ｙ　（ｌｓｉｎΦ（ｘ、ｙ）　　Ｉ＋ｊｃｏｓ
Φ（！・ｙ）！） から近似的に振１１１についての情報が得られる。

Ｄ　４／　Ｄ　３の比を基準信号ＤＲと比較して縞の有
無の判別が可能となる０以上の、Ｌ順をハード化すると
撮像像子５２から３ステツプでとりこまれた３組の画像
信号はＡ／Ｄ変換器５１でＡ／Ｄ変換された後フレーム
メモリ４６〜４８にＩ、〜Ｉ。

として記憶される０次に減算器２２’　　、２３’によ
りＤ＋　＝Ｉ＋　　　Ｉ２　　、Ｄ２　＝Ｉ３　　　Ｉ
２が求められ関数＄２４により ０６　＝　ｔａｎ　ｌ　（Ｄ２　／　Ｄｌ　）が計算さ
れる。一方加算器５７によりＤｆｆ＝Ｉ。

＋１．が形成され、Ｄ、、Ｄ２の符合ビットを削除し加
算する絶対値加算器５８によりＤｌ　＝ＩＩＩ　−Ｉ２
　１＋ＩＩ３−１？　ｌが得られ除算器５９によりＤｓ
＝Ｄａ１０３が求められる。

スレシホルド偵ＤＲはラッチ回路６０によりラッチされ
、比較器６１によるスレシホルド値ＤＲに対するＤ５の
大小判別から関数器２４の出力Ｄｏをオン・オフする。

以上の実施例の他にもｃａｒｒｅ法、ダブル３ステツプ
平均化法などが知られているが、これらはそれぞれ Φ（ｘ、ｙ）　　＝ から位相φが求められる。これらをハード化することは
１−述した実施例から容易に構成可能である。

以にの例はトワイマン・グリーン１−渉計に限らずジャ
リング・「渉計、フィゾー１渉計なと縞走査を利用する
種々の干渉計の縞解析に適用ｉｉｆ能である。

尚、第５，６図に於て絶対値加算器５８の代り６、−。

イＬぞれ関数器 （１＋　−１３）２＋　（１４−１２）？、（ＩＩ　−
１２）？＋　（１３−１２）？を用いることができるこ
とはもちろんである。また１６ステツプに第５図の４ス
テツプのト渉縞弁別機構を適用する場合には１６ステツ
プのうち４ステツプに対応するステップの情報、換汀す
ると１．５，９．１３ステツプの情報を用いて処理する
ことができる。

［発明の効果］ Ｌ述したように本発明によれば複数ステップの縞走査法
による光学素子の被検面からの波面の評価が短時間で求
められるようになり、これを被検光学素子のアライメン
トに応用することにより微細なアライメントが可ｔｌと
なり、セッテングエラーにより測定誤差を軽減し、被検
光学素子の面形状の高精度の測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明形状測定装置の構成を示す平面図、 第２図は本発明形状測定装置の干渉縞解析装置の１例を
示すブロック配線図、 第３図は光学測定系の回転対称収差及び回転非対称収差
を説明する特性図、 第４図は未発ＩＪ１形状測定装置のアライメント部の構
成を示す説明図、 第５及び６図は本発明による：［渉縞解析装置の他の例
を夫々示すブロック配線図。 第７図は１−渉縞解析装置のト渉縞の振ｉＪを示す特性
図。 ′　第８図は従来の被検光学素子−の７ライメン）　Ｔ
＝段を示す構成説ＩＪＩ図である。 ｌ・・・光源 ２．９・・・対物レンズ ３．５６・・・ピンホール ４．６．１８・・・ビームスプリッタ ５．７．１２・・・鏡 ８・・・コリメータ ｌＯ・・・被検光字素ｆ− １１・・・アライメント部 １３．１４・・・を透照 １５・・・結像レンズ １６・・・撮像素ｆ− １７・・１１−＃縞解析部 １９・・・光検知器 ２０・・・位置検出光検知器 ２１・・・光軸 ２２．２３・・・減算器 ２４・・・関数器 ４０・・・クランプ部 ４１・・・傾き角調整部 ４２．４３・・・−・軸スライダ ４４・・・回転部 ４５・・・支持板 ４６．４７，４８．４９・・・フレームメモリ５０・・
・データバス ５１・・・Ａ／Ｄ変換器 ５２・・・ＣＯＤ駆動回路 ５３・・・４ステップ演算部 ５７・・・加算器 ５８・・・絶対値加算器 ５９・・・除算器 ６０・・・ラッチ回路 ６１・・・比較器 特許出願人　　オリンパス光学工又株式会社笥２図 第３図 １−・ 第４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光軸を中心とする回転を与える回転部を有し、干
   渉光学計の光軸に対する被検光学素子の傾き、シフト及
   びデフォーカスを調節するアライメント手段と、ピンホ
   ール及び光検知器の組合せ並びに位置検出用光検知器を
   有 し、被検光学素子の粗アライメントを行なうアライメン
   ト制御手段と、縞操作により得られた複数個の干渉縞強
   度信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器及びハ
   ード化された演算部を有し、微細アライメントを行う干
   渉縞解析手段とを具備することを特徴とする形状測定装
   置。
2. （２）干渉縞解析手段は、縞操作により得られた複数個
   の干渉縞強度信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変
   換器と、これらディジタル信号を記憶する複数のフレー
   ムメモリと、記憶されたデータから波面の位相を求める 第１の演算部と、第１演算部の結果をデータバスに戻す
   手段とを具備することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の形状測定装置。
3. （３）干渉縞解析手段は、縞走査により得られた複数個
   の干渉縞強度信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変
   換器と、これらディジタル信号を記憶する複数のフレー
   ムメモリと、記憶されたデータから波面の位相を求める 第１の演算部と、干渉縞の有無を検出する 第２の演算部と、スレシホルド値及び第２の演算部の結
   果を比較して前記第１の演算部の結果をデータバスに送
   るか否かを弁別する比較器とを具備することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の形状測定装置。
4. （４）第２の演算部に、符合ビットを無視して絶対値を
   とる絶対値加算器とを設けたことを特徴とする特許請求
   の範囲第３項に記載の形状測定装置。