(57)【要約】【課題】被検面全面に一様にピントの合った干渉縞の画像を得ることができ、且つ面形状測定装置の全長を短くすること。【解決手段】光学系３は、被検面で反射された測定光と参照面で反射された参照光とが干渉することで形成される干渉縞に基づいて被検面の形状を測定する面形状測定装置１００に用いられ、測定光を、所定の形状を有する波面に変換して被検面４へ導く光学系であって、被検面４から遠い順に、第１レンズＬ１と、正の屈折力を有する第２レンズとＬ２、正の屈折力を有する第３レンズＬ３と、からなり、第１レンズＬ１は、被検面４の反対側に凸形状のメニスカスレンズである。【選択図】図１
2014130073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検面で反射された測定光と参照面で反射された参照光とが干渉することで形成される干渉縞に基づいて前記被検面の形状を測定する面形状測定装置に用いられ、測定光を、所定の形状を有する波面に変換して前記被検面へ導く光学系であって、
前記被検面から遠い順に、第１レンズと、正の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有する第３レンズと、からなり、
前記第１レンズは、前記被検面の反対側に凸形状のメニスカスレンズであることを特徴とする光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の光学系において、
前記第１レンズの前記被検面から遠い方の面は正の屈折力を有し、前記第１レンズの前記被検面に近い方の面は負の屈折力を有することを特徴とする光学系。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学系において、
前記第１レンズは、負の屈折力を有することを特徴とする光学系。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学系において、
前記第３レンズは、前記第１レンズおよび前記第２レンズを透過した測定光が集光する点より前記被検面側に配置されていることを特徴とする光学系。
【請求項５】
被測定面で反射された測定光と参照面で反射された参照光とが干渉することで形成される干渉縞に基づいて前記被測定面の形状を測定する面形状測定装置であって、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学系を備えることを特徴とする面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系、および面形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非球面形状を高精度に測定する干渉計が知られている（特許文献１参照）。この干渉計では、入射光をヌルレンズによって所定の非球面波面に変換して被測定面に入射させ、被測定面からの反射光を得る。そして、この被測定面からの反射光と参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて被測定面の非球面形状を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３４９５８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術のような面形状測定装置において、被検面上においてヌルレンズによる像面湾曲が発生すると、被検面全面に一様にピントを合わせることが困難であった。さらに、面形状測定装置の全長を短くすることも望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）請求項１に記載の発明による光学系は、被検面で反射された測定光と参照面で反射された参照光とが干渉することで形成される干渉縞に基づいて被検面の形状を測定する面形状測定装置に用いられ、測定光を、所定の形状を有する波面に変換して被検面へ導く光学系であって、被検面から遠い順に、第１レンズと、正の屈折力を有する第２レンズと、正の屈折力を有する第３レンズと、からなり、第１レンズは、被検面の反対側に凸形状のメニスカスレンズであることを特徴とする。
（２）請求項５に記載の発明による面形状測定装置は、被測定面で反射された測定光と参照面で反射された参照光とが干渉することで形成される干渉縞に基づいて被測定面の形状を測定する面形状測定装置であって、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学系を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、被検面全面に一様にピントの合った干渉縞の画像を得ることができ、且つ面形状測定装置の全長を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施例における面形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施例におけるヌルレンズの非点収差を示す図である。
【図３】第１比較例における面形状測定装置の構成を示す図である。
【図４】第１比較例におけるヌルレンズの非点収差を示す図である。
【図５】第２実施例における面形状測定装置の構成を示す図である。
【図６】第２実施例におけるヌルレンズの非点収差を示す図である。
【図７】第２比較例における面形状測定装置の構成を示す図である。
【図８】第２比較例におけるヌルレンズの非点収差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
＜第１実施例＞
図面を参照して、本発明の第１実施例について説明する。図１は、第１実施例に係る面形状測定装置１００の構成を示す図である。面形状測定装置１００において、干渉計１は、不図示の光源からの光を平行光に変換して射出する。干渉計１の内部構成および作用は周知であり、その詳細な説明を省略する。干渉計１から射出された平行光は、参照面２ａを有する基準板２に入射する。基準板２に入射した光の一部は参照面２ａによって反射され、残りの光は参照面２ａを透過する。ここで、参照面２ａで反射された光を参照光と呼び、参照面２ａを透過した光を測定光と呼ぶ。
【０００９】
参照面２ａで反射された参照光は、干渉計１に戻る。また、参照面２ａを透過した測定光は、ヌルレンズ３によって所定の非球面形状の波面に変換され、非球面形状である被検面４に対して略垂直に入射する。被検面４で反射された測定光は、ヌルレンズ３、および基準板２を介して、干渉計１に戻る。なお、参照面２ａと被検面４とは、光学的に共役である。
【００１０】
干渉計１では、被検面４からの測定光と参照面２ａからの参照光とを干渉させ、この干渉により形成される干渉縞の画像を取得する。この干渉縞の画像を解析することにより、被検面４の面形状を測定する。
【００１１】
また、ヌルレンズ３は、全体として正の屈折力を有し、被検面４から遠い順に、負の屈折力を有する第１レンズＬ１と、正の屈折力を有する第２レンズＬ２と、正の屈折力を有する第３レンズＬ３と、から構成される。これら第１レンズＬ１〜第３レンズＬ３には、反射防止膜を付けることが好ましい。
【００１２】
第１レンズＬ１は、干渉計１側に凸形状のメニスカスレンズである。したがって、第１レンズＬ１の干渉計１に近い方の面は、干渉計１側に凸形状であり正の屈折力を有しているため、干渉計１からの測定光はこの面で縮小される。これにより、ヌルレンズ３から被検面４までの距離を短くする効果がある。また、第１レンズＬ１の被検面４に近い方の面は、被検面４側に凹形状であり負の屈折力を有している。これにより、ヌルレンズ３の像面湾曲を補正する効果がある。
【００１３】
また、第３レンズＬ３は、第１レンズＬ１および第２レンズＬ２を透過した測定光が集光する点（キャッツアイポイント）より被検面４側に配置されている。これにより、ヌルレンズ３から被検面４までの距離を短くすることができる。
【００１４】
この理由は以下の通りである。キャッツアイポイントと被検面４との間に第３レンズＬ３が存在しない場合には、キャッツアイポイントから被検面４までの距離は、被検面４の頂点曲率半径Ｒと同一となる。一方、キャッツアイポイントと被検面４との間に第３レンズＬ３が存在する場合には、被検面４側から見たキャッツアイポイントの像は、実際のキャッツアイポイントよりも干渉計１側に位置する。このキャッツアイポイントの像位置から被検面４までの距離が、被検面４の頂点曲率半径Ｒと同一となる。したがって、キャッツアイポイントと被検面４との間に第３レンズＬ３が存在する場合には、キャッツアイポイントの像位置が実際のキャッツアイポイントよりも干渉計１側に位置する分、ヌルレンズ３と被検面４との距離を短くすることができる。
【００１５】
また、第１実施例の面形状測定装置１００における諸元の値は、以下の通りである。
（被検面４）
曲率半径Ｒ  -1100mm
コーニック定数κ  -2.0
外形  φ400mm
（この他の数値データ）
干渉計１から射出される光の波長λ  632.8nm
干渉計１から射出される光の光束径  φ100mm
参照面２ａから被検面４までの距離  1487.7mm
波面収差  0.0022λ  RMS(往復)
【００１６】
なお、被検面４の非球面の形状は、次式（１）によって表されるものとする。なお、式（１）において、ｙは光軸からの高さであり、Ｚ（ｙ）は高さｙにおける各非球面の頂点の接平面から各非球面までの光軸に沿った距離（サグ量）である。
【数１】
2014130073.tif 000003
【００１７】
また、第１実施例のヌルレンズ３におけるレンズデータを、表１に示す。表１において、面番号は、干渉計１側からの各光学面の番号を示し、面間隔は、光学面から次の光学面までの光軸上の距離を示す。このことは、後述する表２〜表４においても同様である。なお、ヌルレンズ３の第１レンズＬ１の焦点距離は、-2877.8ｍｍである。
【００１８】
【表１】
2014130073.tif 000004
【００１９】
さらに、図２に、第１実施例におけるヌルレンズ３の非点収差を示す。図２において、実線がサジタル面における非点収差曲線を示し、点線がメリジオナル面における非点収差曲線を示す。この点は、後述する他の非点収差図においても同様である。第１実施例では、非点収差曲線のフォーカスずれの最大値が13.0ｍｍとなっている。
【００２０】
＜第１比較例＞
次に、上記第１実施例に対する第１比較例を説明する。図３は、第１比較例における面形状測定装置１５０の構成を示す。第１比較例では、第１実施例と同様の形状である被検面４を測定するものとする。
【００２１】
また、第１比較例の面形状測定装置１５０では、上記第１実施例の面形状測定装置１００と異なるヌルレンズ１３を備えている。ヌルレンズ１３は、被検面４から遠い順に、正の屈折力を有する第１レンズＬ１１と、正の屈折力を有する第２レンズＬ１２と、から構成される。第２レンズＬ１２は、第１レンズＬ１１を透過した測定光が集光する点（キャッツアイポイント）より干渉計１側に配置されている。なお、第１比較例において、この他の構成については、上記第１実施例と同様であるため、説明を省略する。
【００２２】
第１比較例の面形状測定装置１５０における諸元の値は、以下の通りである。
（被検面４）
曲率半径Ｒ  -1100mm
コーニック定数κ  -2.0
外形  φ400mm
（この他の数値データ）
干渉計１から射出される光の波長λ  632.8nm
干渉計１から射出される光の光束径  φ100mm
参照面２ａから被検面４までの距離  1754.8mm
波面収差  0.0052λ  RMS(往復)
【００２３】
また、第１比較例のヌルレンズ１３におけるレンズデータを、表２に示す。
【表２】
2014130073.tif 000005
【００２４】
さらに、図４に、第１比較例における被検面４上での非点収差を示す。第１比較例では、非点収差曲線のフォーカスずれの最大値が64.1ｍｍとなっている。
【００２５】
以上の第１実施例と第１比較例とを比較すると、第１実施例における参照面２ａから被検面４までの距離が1487.7ｍｍであるのに対して、第１比較例における参照面２ａから被検面４までの距離が1754.8ｍｍであり、第１実施例では第１比較例よりも１．５割近く短くなっている。第１実施例では、ヌルレンズ３において、干渉計１側の面が正の屈折力を有するメニスカスレンズを第１レンズＬ１として設け、且つ正の屈折力を有する第３レンズＬ３をキャッツアイポイントよりも被検面４側に配置したことにより、これらの構成を有しない第１比較例に対して、参照面２ａから被検面４までの距離を短くすることができている。したがって、第１実施例では、第１比較例と比べて、面形状測定装置１００の全長を短くすることができる。
【００２６】
また、第１実施例における非点収差曲線のフォーカスずれの最大値が13.0ｍｍであるのに対して、第１比較例における非点収差曲線のフォーカスずれの最大値が64.1ｍｍであり、第１実施例では第１比較例の略１／５程度になっている。このように第１実施例では、ヌルレンズ３が凹レンズを含む３枚構成であることにより、ヌルレンズ１３が凸レンズのみの構成である第１比較例よりも、被検面４上で発生するヌルレンズ３の非点収差を小さくすることができている。したがって、第１実施例では、第１比較例と比べて、被検面４上で発生するヌルレンズ３による像面湾曲を小さくできるので、被検面４全面に一様にピントが合った干渉縞の画像を得ることができる。
【００２７】
また、第１実施例における波面収差が0.0022λであるのに対して、第１比較例における波面収差が0.0052λであり、第１実施例では第１比較例よりも波面収差が小さくなっている。
【００２８】
＜第２実施例＞
次に、本発明の第２実施例について説明する。図５は、第２実施例における面形状測定装置２００の構成を示す図である。図５において、第２実施例において、第１実施例と同様の構成については、同じ符号を付し、説明を省略する。第２実施例の面形状測定装置２００は、第１実施例とは異なる非球面形状の被検面２４を測定する。
【００２９】
第２実施例におけるヌルレンズ２３は、第１実施例と同様に、全体として正の屈折力を有し、被検面２４から遠い順に、負の屈折力を有する第１レンズＬ２１と、正の屈折力を有する第２レンズＬ２２と、正の屈折力を有する第３レンズＬ２３と、から構成される。これら第１レンズＬ２１〜第３レンズＬ２３には、反射防止膜を付けることが好ましい。
【００３０】
また、第２実施例における第１レンズＬ２１は、第１実施例と同様にメニスカスレンズであり、第１レンズＬ２１の干渉計１側の面は干渉計１側に凸形状であり、第１レンズＬ２１の被検面２４側の面は、干渉計１側に凸形状である。また、第１実施例と同様に、第３レンズＬ２３は、第１レンズＬ２１および第２レンズＬ２２を透過した測定光が集光する点（キャッツアイポイント）より被検面２４側に配置されている。
【００３１】
第２実施例の面形状測定装置２００における諸元の値は、以下の通りである。なお、被検面２４の非球面の形状は、上述した式（１）によって表されるものとする。
（被検面２４）
曲率半径Ｒ  -1400mm
コーニック定数κ  -0.99
外形  φ500 mm
（この他の数値データ）
干渉計１から射出される光の波長λ  632.8nm
干渉計１から射出される光の光束径  φ100mm
参照面２ａから被検面４までの距離  1763.5mm
波面収差  0.0035λ  RMS(往復)
【００３２】
また、第２実施例のヌルレンズ２３におけるレンズデータを、表３に示す。なお、ヌルレンズ２３の第１レンズＬ２１の焦点距離は、-2189.5ｍｍである。
【表３】
2014130073.tif 000006
【００３３】
さらに、図６に、第２実施例における被検面２４上での非点収差を示す。第２実施例では、非点収差曲線のフォーカスずれの最大値が14.2ｍｍとなっている。
【００３４】
＜第２比較例＞
次に、上記第２実施例に対する第２比較例を説明する。図７は、第２比較例における面形状測定装置２５０の構成を示す。第２比較例では、第１実施例と同様の形状である被検面２４を測定するものとする。
【００３５】
また、第２比較例の面形状測定装置２５０では、上記第２実施例の面形状測定装置２００と異なるヌルレンズ３３を備えている。ヌルレンズ３３は、被検面２４から遠い順に、正の屈折力を有する第１レンズＬ３１と、正の屈折力を有する第２レンズＬ３２と、から構成される。第２レンズＬ３２は、第１レンズＬ３１を透過した測定光が集光する点（キャッツアイポイント）より干渉計１側に配置されている。なお、第２比較例において、この他の構成については、上記第２実施例と同様であるため、説明を省略する。
【００３６】
第２比較例の面形状測定装置２５０における諸元の値は、以下の通りである。
＜被検面２４＞
曲率半径Ｒ  -1400mm
コーニック定数κ  -0.99
外形  φ500 mm
＜この他の数値データ＞
干渉計１から射出される光の波長λ  632.8nm
干渉計１から射出される光の光束径  φ100mm
参照面２ａから被検面４までの距離  2079.9mm
波面収差  0.0055λ  RMS(往復)
【００３７】
また、第２比較例のヌルレンズ３３におけるレンズデータを、表４に示す。
【表４】
2014130073.tif 000007
【００３８】
さらに、図８に、第２比較例における被検面２４上での非点収差を示す。第２比較例では、非点収差曲線のフォーカスずれの最大値が136.2ｍｍとなっている。
【００３９】
以上の第２実施例と第２比較例とを比較すると、第２実施例における参照面２ａから被検面２４までの距離が1763.5ｍｍであるのに対して、第２比較例における参照面２ａから被検面４までの距離が2079.9ｍｍであり、第１実施例では第２比較例よりも１．５割近く短くなっている。第２実施例では、ヌルレンズ２３において、干渉計１側の面が正の屈折力を有するメニスカスレンズを第１レンズＬ２１として設け、且つ正の屈折力を有する第３レンズＬ２３をキャッツアイポイントよりも被検面２４側に配置したことにより、これらの構成を有しない第２比較例に対して、参照面２ａから被検面２４までの距離を短くすることができている。したがって、第２実施例では、第２比較例と比べて、面形状測定装置２００の全長を短くすることができる。
【００４０】
また、第２実施例における非点収差曲線のフォーカスずれの最大値が14.2ｍｍであるのに対して、第２比較例における非点収差曲線のフォーカスずれの最大値が136.2ｍｍであり、第２実施例では第２比較例の１／１０近くになっている。このように第２実施例では、ヌルレンズ２３が凹レンズを含む構成であることにより、ヌルレンズ３３が凸レンズのみの構成である第２比較例よりも、被検面２４上で発生するヌルレンズ２３の非点収差を小さくすることができている。したがって、第２実施例では、第２比較例と比べて、被検面２４上で発生するヌルレンズ２３による像面湾曲を小さくできるので、被検面２４全面に一様にピントが合った干渉縞の画像を得ることができる。
【００４１】
また、第２実施例における波面収差が0.0035λであるのに対して、第２比較例における波面収差が0.0055λであり、第２実施例では第２比較例よりも波面収差が小さくなっている。
【００４２】
以上説明した実施例によれば、次の作用効果が得られる。
（１）ヌルレンズ３、２３は、被検面４、２４から遠い順に、第１レンズＬ１、Ｌ２１と、正の屈折力を有する第２レンズＬ２、Ｌ２２と、正の屈折力を有する第３レンズＬ３、Ｌ２３と、からなり、第１レンズＬ１、Ｌ２１は、被検面４、２４の反対側（干渉計１側）に凸形状のメニスカスレンズである。すなわち、第１レンズＬ１、Ｌ２１の被検面４、２４から遠い方の面は正の屈折力を有し、第１レンズＬ１、Ｌ２１の被検面４、２４に近い方の面は負の屈折力を有する。これにより、第１レンズＬ１、Ｌ２１の被検面４、２４に近い方の面における負の屈折力によって、正の屈折力を有する第２レンズＬ２、Ｌ２２および第３レンズＬ３、Ｌ２３で発生する像面湾曲を補正することができる。また、第１レンズＬ１、Ｌ２１の被検面４、２４から遠い方の面における正の屈折力によって、測定光を縮小することができ、被検面４、２４までの距離を短くすることができる。この結果、被検面４、２４全面に一様にピントの合った干渉縞の画像を得ることができ、且つ面形状測定装置１００、２００の全長を短くすることができる。
【００４３】
（２）上記（１）のヌルレンズ３、２３において、第１レンズＬ１、Ｌ２１は、負の屈折力を有する。これにより、正の屈折力を有する第２レンズＬ２、Ｌ２２および第３レンズＬ３、Ｌ２３で発生する収差を補正することができる。
【００４４】
（３）上記（１）または（２）のヌルレンズ３、２３において、第３レンズＬ３、Ｌ２３は、第１レンズＬ１、Ｌ２１および第２レンズＬ２、Ｌ２２を透過した測定光が集光する点（キャッツアイポイント）より被検面４、２４側に配置されている。これにより、正の屈折力を有する第３レンズＬ３、Ｌ２３によって、被検面４、２４までの距離を短くすることができるので、面形状測定装置１００、２００の全長をさらに短くすることができる。
【００４５】
−変形例−
以上の説明はあくまで一例であり、上記の構成に何ら限定されるものではなく、種々の態様を変更してもよい。たとえば、上述した実施例では、ヌルレンズ３、２３を構成するレンズの硝材として、ＳｉＯ２、ＢＫ７を用いる例について説明したが、この他の硝材を用いるようにしてもよい。また、ヌルレンズ３、２３を構成する各レンズの曲率半径、面間隔、硝材等を適宜変更してもよい。
【００４６】
上述した実施例では、上記式（１）で表される非球面形状の被検面４、２４を測定する例について説明した。しかしながら、次式（２）のように高次の係数を含む式で表される非球面形状の被検面を測定する面形状測定装置においても、本発明を適用してもよい。
【数２】
2014130073.tif 000008
【００４７】
上述した実施例では、ヌルレンズ３、２３において最も干渉計１側の第１レンズＬ１、Ｌ２１を凹メニスカスレンズとする例について説明した。しかしながら、上述した実施例に示すように、第１レンズＬ１、Ｌ２１は弱いパワーのレンズ（焦点距離-2877.8ｍｍ、-2189.5ｍｍ）であり、必ずしも凹メニスカスレンズでなくてもよく、凸メニスカスレンズであってもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１…干渉計、２ａ…参照面、３、１３、２３、３３…ヌルレンズ、４、２４…被検面、１００、１５０、２００、２５０…面形状測定装置
【図１】
2014130073.tif 000009
【図２】
2014130073.tif 000010
【図３】
2014130073.tif 000011
【図４】
2014130073.tif 000012
【図５】
2014130073.tif 000013
【図６】
2014130073.tif 000014
【図７】
2014130073.tif 000015
【図８】
2014130073.tif 000016