(57)【要約】  光源部２と、保持部３と、受光光学系４と、波面測定部５と、波面データ生成部６と、を有し、光源部２は、計測軸７の一方の側に配置され、波面測定部５は、計測軸７の他方の側に配置され、保持部３は、光源部２と波面測定部５との間に配置され、受光光学系４は、保持部３と波面測定部５との間に配置され、保持部３は、被検光学系１０を保持する開口部９を有し、光源部２から被検光学系１０に向けて光束Ｌ１を照射し、波面測定部５で、被検光学系１０を透過した光束Ｌ３を測定し、波面データ生成部６で、波面測定部５で測定した結果から波面収差データを生成する波面計測装置１であって、受光光学系４によって、開口部９近傍と波面測定部５近傍とが光学的に共役になっており、光束の測定は、開口部９の中心を計測軸７から所定の距離だけ離した状態での測定を少なくとも含む。
2016157344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部と、保持部と、受光光学系と、波面測定部と、波面データ生成部と、を有し、
前記光源部は、計測軸の一方の側に配置され、
前記波面測定部は、前記計測軸の他方の側に配置され、
前記保持部は、前記光源部と前記波面測定部との間に配置され、
前記受光光学系は、前記保持部と前記波面測定部との間に配置され、
前記保持部は、被検光学系を保持する開口部を有し、
前記光源部から前記被検光学系に向けて光束を照射し、
前記波面測定部で、前記被検光学系を透過した光束を測定し、
前記波面データ生成部で、前記波面測定部で測定した結果から波面収差データを生成する波面計測装置であって、
前記受光光学系によって、前記開口部近傍と前記波面測定部近傍とが光学的に共役になっており、
前記光束の測定は、前記開口部の中心を前記計測軸から所定の距離だけ離した状態での測定を少なくとも含むことを特徴とする波面計測装置。
【請求項２】
光源部と、保持部と、第１の移動機構と、受光光学系と、波面測定部と、波面データ生成部と、を有し、
前記光源部は、計測軸の一方の側に配置され、
前記波面測定部は、前記計測軸の他方の側に配置され、
前記保持部は、前記光源部と前記波面測定部との間に配置され、
前記受光光学系は、前記保持部と前記波面測定部との間に配置され、
前記保持部は、被検光学系を保持する開口部を有し、
前記光源部から前記被検光学系に向けて光束を照射し、
前記波面測定部で、前記被検光学系を透過した光束を測定し、
前記波面データ生成部で、前記波面測定部で測定した結果から波面収差データを生成する波面計測装置であって、
前記受光光学系によって、前記開口部近傍と前記波面測定部近傍とが光学的に共役になっており、
前記第１の移動機構は、前記計測軸の周りの複数の位置に前記被検光学系を移動させ、
前記被検光学系における前記光束の透過領域は、前記複数の位置の各々で異なり、
前記波面測定部は、前記被検光学系を透過した光束を、前記複数の位置の各々で測定し、
前記波面データ生成部は、前記複数の位置の各々で測定した結果から前記波面収差データを生成することを特徴とする波面計測装置。
【請求項３】
前記開口部が前記波面測定部と共役となるように、前記開口部と、前記受光光学系と、前記波面測定部と、が位置決めされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波面計測装置。
【請求項４】
前記被検光学系の後側主点が前記波面測定部と共役となるように、前記開口部と、前記受光光学系と、前記波面測定部と、が位置決めされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波面計測装置。
【請求項５】
前記受光光学系は、最も光源部側に位置する前側光学系と、最も波面測定部側に位置する後側光学系と、を少なくとも有し、
前記前側光学系の後側焦点位置と前記後側光学系の前側焦点位置とが一致又は共役になっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項６】
前記光源部と前記保持部の間に投光光学系を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項７】
前記投光光学系は、前記受光光学系と共軸となっていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項８】
前記投光光学系は、集光光束を生成することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項９】
前記集光光束の集光点の位置が前記被検光学系の前側焦点位置と一致するように、前記投光光学系と前記保持部とが位置決めされていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１０】
前記投光光学系は前記計測軸方向に駆動可能なことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１１】
前記投光光学系はズームレンズであることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１２】
前記第１の移動機構は、前記被検光学系を回転させて前記透過領域を変化させることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１３】
前記第１の移動機構は前記計測軸に対して前記被検光学系を公転軌道で移動させ、
前記波面測定部は、前記公転軌道での移動中に前記波面収差データを取得することを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１４】
第２の移動機構を有し、
前記第２の移動機構は前記被検光学系を自転させることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１５】
自転前波面データ取得制御部と、自転後波面データ取得制御部と、波面変化データ解析部と、を有し、
第１の状態は、前記第２の移動機構による自転を実施する前の状態であり、
第２の状態は、前記第２の移動機構による自転を実施した後の状態であり、
前記自転前波面データ取得制御部は、前記第１の状態で、前記計測軸に対して前記被検光学系を公転軌道で動かして、前記公転軌道中の前記複数の位置の各々で取得した波面収差データを保存し、
前記自転後波面データ取得制御部は、前記第２の状態で、前記計測軸に対して前記被検光学系を公転軌道で動かして、前記公転軌道中の前記複数の位置の各々で取得した波面収差データを保存し、
前記波面変化データ解析部は、前記第１の状態で取得した波面収差データを参照波面データとし、前記第２の状態で取得した波面収差データを測定波面データとし、自転に伴う波面収差変化データを取得することを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１６】
前記波面変化データ解析部は、前記複数の位置の各々で取得した波面収差変化データについてゼルニケフィッティングを実施し、各取得位置でのゼルニケ波面収差変化データを取得することを特徴とする請求項１５に記載の波面計測装置。
【請求項１７】
収差成分量抽出解析部を有し、
前記収差成分量抽出解析部は、前記各状態で得られたゼルニケ波面収差変化データについて、前記計測軸周りに１８０度対称なゼルニケ波面収差変化データどうしで、ゼルニケ多項式の瞳座標が偶数次のゼルニケ係数について差をとり、ゼルニケ多項式の瞳座標が奇数次のゼルニケ係数について和をとり、第１の収差成分を抽出することを特徴とすることを特徴とする１６に記載の波面計測装置。
【請求項１８】
前後反転機構を有し、
前記前後反転機構は、前記計測軸と直交する軸を回転軸として前記被検光学系を回転させることを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１９】
自転軸基準偏心量算出部を有し、
前記自転軸基準偏心量算出部は、解析された被検光学系の各面の各偏心自由度の変位量から自転軸基準の被検光学系の偏心量を算出することを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項２０】
被検光学系近傍と波面測定部近傍とを光学的共役関係にする工程と、
波面計測装置の計測軸に対して前記被検光学系を偏心させる偏心駆動工程と、
波面測定部と波面データ生成部が、前記被検光学系を透過した光束の波面収差データを取得する波面データ取得工程と、
を有することを特徴とする波面計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波面計測装置及び波面計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズ単体や、複数のレンズで構成された光学系を製造する際に、各レンズ面には、偏心誤差や面形状誤差などの製造誤差が発生し得る。製造誤差があると光学系の結像性能の低下につながる。【０００３】
被検光学系の透過波面収差測定では、簡易的な構成での測定が可能なことから、軸上の波面収差測定が一般的に行われる。しかしながら、近年では光学系の高精度化に伴い、軸上の波面収差だけでなく軸外の波面収差についても測定ニーズが高まっている。【０００４】
また、軸外波面収差には軸上波面収差では得られない情報が含まれる。軸外波面収差のデータを得ることで、被検光学系の結像性能や製造誤差の解析のための手がかりが増える。例えば、被検光学系の偏心量について精度の高い解析が可能になる。【０００５】
軸外波面収差を測定する装置として、特許文献１に開示された波面収差測定装置がある。特許文献１に開示された波面収差測定装置では、対物レンズ（被測定レンズ）の軸外物点に対応する位置から光束を照射している。対物レンズからは平行光束が射出するが、この平行光束は対物レンズの光軸に対して傾斜している。【０００６】
特許文献１に開示された波面収差測定装置では、シャックハルトマンセンサーを、１軸方向に移動なステージとゴニオステージで保持している。そして、ステージとゴニオステージを用いて、シャックハルトマンセンサーをチルトシフトさせることで、シャックハルトマンセンサーの向きと位置を調整し、傾いた平行光束をシャックハルトマンセンサーで受光できるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５４５２０３２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示された波面収差測定装置では、シャックハルトマンセンサーをチルトシフトさせるためには大掛かりな機構が必要である。また、チルトシフトするときのストロークも大きいため。測定時間がかかってしまう。【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被検光学系の軸外透過波面を簡易的な機構を用いて短時間に計測することを可能とする波面計測装置及び波面計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の波面計測装置は、
光源部と、保持部と、受光光学系と、波面測定部と、波面データ生成部と、を有し、
光源部は、計測軸の一方の側に配置され、
波面測定部は、計測軸の他方の側に配置され、
保持部は、光源部と波面測定部との間に配置され、
受光光学系は、保持部と波面測定部との間に配置され、
保持部は、被検光学系を保持する開口部を有し、
光源部から被検光学系に向けて光束を照射し、
波面測定部で、被検光学系を透過した光束を測定し、
波面データ生成部で、波面測定部で測定した結果から波面収差データを生成する波面計測装置であって、
受光光学系によって、開口部近傍と波面測定部近傍とが光学的に共役になっており、
光束の測定は、開口部の中心を計測軸から所定の距離だけ離した状態での測定を少なくとも含むことを特徴とする。【００１１】
また、本発明の別の波面計測装置は、
光源部と、保持部と、受光光学系と、第１の移動機構と、波面測定部と、波面データ生成部と、を有し、
光源部は、計測軸の一方の側に配置され、
波面測定部は、計測軸の他方の側に配置され、
保持部は、光源部と波面測定部との間に配置され、
受光光学系は、保持部と波面測定部との間に配置され、
保持部は、被検光学系を保持する開口部を有し、
光源部から被検光学系に向けて光束を照射し、
波面測定部で、被検光学系を透過した光束を測定し、
波面データ生成部で、波面測定部で測定した結果から波面収差データを生成する波面計測装置であって、
受光光学系によって、開口部近傍と波面測定部近傍とが光学的に共役になっており、
第１の移動機構は、計測軸の周りの複数の位置に被検光学系を移動させ、
被検光学系における光束の透過領域は、複数の位置の各々で異なり、
波面測定部は、被検光学系を透過した光束を、複数の位置の各々で測定し、
波面データ生成部は、複数の位置の各々で測定した結果から波面収差データを生成することを特徴とする。【００１２】
また、本発明の波面計測方法は、
被検光学系近傍と波面測定部近傍とを光学的共役関係にする工程と、
波面計測装置の計測軸に対して被検光学系を偏心させる偏心駆動工程と、
波面測定部と波面データ生成部が、被検光学系を透過した光束の波面収差データを取得する波面データ取得工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、被検光学系の軸外透過波面を簡易的な機構を用いて短時間に計測することを可能とする波面計測装置及び波面計測方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態の波面計測装置を示す図である。
【図２】保持部の例を示す図である。
【図３】検光学系の例であって、（ａ）は被検光学系が１つの単レンズで構成されている場合の図、（ｂ）は被検光学系が複数のレンズで構成されている場合の図である。
【図４】ＳＨセンサーの構造と機能を示す図であって、（ａ）はＳＨセンサーに平面波が入射した場合の様子を示し、（ｂ）はＳＨセンサーに非平面波が入射した場合の様子を示図である。
【図５】第２実施形態の波面計測装置を示す図である。
【図６】第１の移動機構の例を示す図である。
【図７】被検光学系における光束の透過領域の変化を示す図であって、（ａ）は第１の位置における透過領域を示す図、（ｂ）は第２の位置における透過領域を示す図、（ｃ）は第３の位置における透過領域を示す図、（ｄ）は第４の位置における透過領域を示す図である。
【図８】開口部の移動の様子を示す図である。
【図９】被検光学系の面形状を示す図である。
【図１０】測定パターンを示す図であって、（ａ）は第１のパターンを示す図、（ｂ）は第２のパターンを示す図である。
【図１１】レンズ面を回転させたときの様子を示す図であって、（ａ）回転角度が０度のときの図、（ｂ）は回転角度が３０度のときの図、（ｃ）は回転角度が６０度のときの図である。
【図１２】面頂の位置を示す図であって、（ａ）は第１のパターンによる測定から求めた面頂位置を示す図、（ｂ）は第２のパターンによる測定から求めた面頂位置を示す図である。
【図１３】受光光学系の構成を示す図である。
【図１４】投光光学系の構成を示す図である。
【図１５】別の投光光学系の構成を示す図である。
【図１６】第２の移動機構の例を示す図である。
【図１７】前後反転機構の例を示す図であって、（ａ）は反転前の状態を示す図、（ｂ）は反転後の状態を示す図である。
【図１８】波面計測装置の全体構成を示す図である。
【図１９】第１実施形態の波面計測方法のフローチャートである。
【図２０】波面データ生成部の構成の例を示す図である。
【図２１】第２実施形態の波面計測方法のフローチャートである。
【図２２】波面データ生成部を含む処理部を示す図である。
【図２３】第３実施形態の波面計測方法のフローチャートである。
【図２４】第４実施形態の波面計測方法のフローチャートである。
【図２５】波面データ生成部を含む別の処理部を示す図である。
【図２６】第５実施形態の波面計測方法のフローチャートである。
【図２７】波面データ生成部を含む別の処理部を示す図である。
【図２８】被検光学系の自転による球心の移動量を示す図である。
【図２９】偏心自由度を説明する図であって、（ａ）は球面における偏心自由度を示し、（ｂ）、（ｃ）は非球面における偏心自由度を示している。
【図３０】自転による球心の移動を示す図であって、（ａ）は前側計測時での球心の移動を示し、（ｂ）は後ろ側計測時での球心の移動を示している。
【図３１】計測系における座標と被検光学系の偏心を示す図であって、（ａ）は偏心をレンズ面で示した図、（ｂ）は偏心を球心で示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施例の説明に先立ち、本発明のある態様にかかる実施形態の作用効果を説明する。なお、本実施形態の作用効果を具体的に説明するに際しては、具体的な例を示して説明することになる。しかし、後述する実施例の場合と同様に、それらの例示される態様はあくまでも本発明に含まれる態様のうちの一部に過ぎず、その態様には数多くのバリエーションが存在する。したがって、本発明は例示される態様に限定されるものではない。
【００１６】
第１実施形態の波面計測装置について説明する。第１実施形態の波面計測装置は、光源部と、保持部と、受光光学系と、波面測定部と、波面データ生成部と、を有し、光源部は、計測軸の一方の側に配置され、波面測定部は、計測軸の他方の側に配置され、保持部は、光源部と波面測定部との間に配置され、受光光学系は、保持部と波面測定部との間に配置され、保持部は、被検光学系を保持する開口部を有し、光源部から被検光学系に向けて光束を照射し、波面測定部で、被検光学系を透過した光束を測定し、波面データ生成部で、波面測定部で測定した結果から波面収差データを生成する波面計測装置であって、受光光学系によって、開口部近傍と波面測定部近傍とが光学的に共役になっており、光束の測定は、開口部の中心を計測軸から所定の距離だけ離した状態での測定を少なくとも含むことを特徴とする。
【００１７】
第１実施形態の波面計測装置を図１に示す。また、保持部の例を図２に示す。波面計測装置１は、光源部２と、保持部３と、受光光学系４と、波面測定部５と、波面データ生成部６と、を有する。
【００１８】
図１に示すように、光源部２は、計測軸７の一方の側に配置されている。波面測定部５は、計測軸７の他方の側に配置されている。保持部３は、光源部２と波面測定部５との間に配置されている。受光光学系４は、保持部３と波面測定部５との間に配置されている。
【００１９】
光源部２は、ＬＥＤやレーザで構成されている。光源部２からは、保持部３に向かって光束Ｌ１が照射される。
【００２０】
図２に示すように、保持部３は、ステージ８上に載置されている。この例では、ステージ８は固定ステージである。保持部３は、開口部９を有する。開口部９には、被検光学系１０が挿入される。図２では、被検光学系１０は単レンズである。この単レンズがそのままの状態で、開口部９に挿入されている。しかしながら、単レンズを枠部材で保持し、枠部材と共に開口部９に挿入しても良い。
【００２１】
図３は、被検光学系の例であって、（ａ）は被検光学系が１つの単レンズで構成されている場合の図、（ｂ）は被検光学系が複数のレンズで構成されている場合の図である。図３（ａ）では、被検光学系２０は、１枚のレンズ２１とレンズ枠２２とで構成されている。図３（ｂ）では、被検光学系２３は、３枚の単レンズ２４、２５及び２６と鏡筒２７とで構成されている。
【００２２】
図１に戻って説明を続ける。開口部９に被検光学系１０を挿入し、光源部２から光束Ｌ１を射出する。これにより、光源部２から出射した光束Ｌ１が、被検光学系１０に照射される。
【００２３】
ここで、開口部９の中心１２と計測軸７とが一致している場合、被検光学系１０の軸と計測軸７は略一致した状態になる。この状態での被検光学系１０は破線で示されている。この状態では、光源部２、被検光学系１０、受光光学系４及び波面測定部５は共軸になる。光源部２から射出した光束Ｌ１は、被検光学系１０の中央部に照射される。
【００２４】
光源部２が被検光学系１０の前側焦点位置に配置されている場合、被検光学系１０から平行光束が射出される。光源部２が被検光学系１０の前側焦点位置に配置されていない場合、被検光学系１０からは非平行光束（集光光束又は発散光束）が射出される。光源部２は被検光学系１０の前側焦点位置に配置されていなくても良いが、光源部２が被検光学系１０の前側焦点位置に配置されている方が好ましい。
【００２５】
図１は、光源部２が被検光学系１０の前側焦点位置に配置されている場合を示している。そのため、被検光学系１０から射出する光束Ｌ２は、破線で示すように平行光束になる。
【００２６】
一方、開口部９の中心１２と計測軸７とが一致していない場合、被検光学系１０の軸と計測軸７とは離れた状態になる。この状態での被検光学系１０は実線で示されている。この状態では、光源部２、受光光学系４及び波面測定部５は共軸になるが、被検光学系１０は、光源部２、受光光学系４及び波面測定部５とは共軸にならない。
【００２７】
このような状態にするには、光源部２、被検光学系１０、受光光学系４及び波面測定部５が共軸なっている状態から、被検光学系１０だけを計測軸７と垂直な方向にシフトさせれば良い。例えば、開口部９の中心１２を計測軸７から所定の距離だけ離した状態となるように、使用者が保持部３をステージ８上に載置すれば良い。所定の距離は、被検光学系１０に応じて決めれば良い。
【００２８】
開口部９の中心１２と計測軸７とが一致していない場合、被検光学系１０に入射する光束は、軸外し状態の光束となる。その結果、実線で示すように、光源部２から出射した光束Ｌ１は、被検光学系１０の周辺部に照射される。
【００２９】
被検光学系１０の周辺部を透過した光束Ｌ１は、被検光学系１０で屈折された後、被検光学系１０から射出する。光源部２が被検光学系１０の前側焦点位置に配置されているので、検光学系１０から射出する光束Ｌ３は、光束Ｌ２と同様に平行光束になる。
【００３０】
ただし、光束Ｌ３の進行方向は、光束Ｌ２の進行方向とは異なる。光束Ｌ３は計測軸７と交差した後、計測軸７から離れていく。そのため、このままでは、光束Ｌ３は波面測定部５には入射しない。
【００３１】
しかしながら、波面計測装置１では、保持部３と波面測定部５との間に受光光学系４が配置されている。この受光光学系４によって、受光光学系４から射出した光束の進行方向を、計測軸７側に向けることができる。
【００３２】
受光光学系４から射出した光束の様子は、受光光学系４の種類によって異なる。受光光学系４としては、例えば、焦点距離が無限大の光学系と焦点距離が有限の光学系とがある。前者はアフォーカル光学系と呼ばれている。
【００３３】
焦点距離が無限大の光学系を受光光学系４に用いた場合について説明する。この場合、受光光学系４から射出する光束Ｌ４は平行光束で、光束Ｌ４は平行光束のまま波面測定部５に入射する。
【００３４】
焦点距離が有限の光学系を受光光学系４に用いた場合について説明する。この場合、例えば受光光学系４から射出する光束Ｌ５は受光光学系４の焦点位置で集光し、その後、発散しながら波面測定部５に入射する。
【００３５】
ここで、第１実施形態の波面計測装置では、開口部が波面測定部と共役となるように、開口部と、受光光学系と、波面測定部と、が位置決めされていることが好ましい。
【００３６】
これにより、受光光学系４によって、開口部９の近傍と波面測定部５の近傍とが光学的共役関係になる。そのため、被検光学系１０から射出した光束Ｌ３は、必ず波面測定部５へ導かれる。
【００３７】
すなわち、光束Ｌ３は受光光学系４に入射した後、受光光学系４で屈折される。受光光学系４で屈折された光束は、受光光学系４から射出する。受光光学系４を射出した光束Ｌ４は、計測軸７と交差するように、計測軸７に近づいていく。
【００３８】
光束Ｌ４が計測軸７と交差する位置は、開口部９の近傍と光学的に共役な位置である。この位置には、波面測定部５が配置されている。その結果、光束Ｌ４を波面測定部５に入射させることができる。
【００３９】
更に、第１実施形態の波面計測装置では、被検光学系の後側主点が波面測定部と共役となるように、開口部と、受光光学系と、波面測定部と、が位置決めされていることが好ましい。
【００４０】
このようにすることで、光束Ｌ４を、より確実に波面測定部５に入射させることができる。また、被検光学系１０を射出した直後の波面収差形状が、波面測定部にて正確に再生される。焦点距離が有限の受光光学系を用いた場合は被検光学系１０を射出した直後の波面収差形状にパワー成分が加わった波面形状が波面測定部にて再生される。
【００４１】
波面測定部５では、光束Ｌ４の測定が行われる。この光束Ｌ４は、被検光学系１０を透過した光束である。上述のように、受光光学系４によって、開口部９の近傍と波面測定部５の近傍とが光学的共役関係になっている。そのため、被検光学系１０を射出した光束Ｌ３がどの方向に進んでも、光束Ｌ３を波面測定部５に入射させることができる。
【００４２】
また、波面測定部５の位置における波面と被検光学系１０を出射した直後の波面とは、同一形状に維持される。すなわち、被検光学系１０を射出した直後の波面収差形状が、波面測定部５へ再生される。
【００４３】
波面測定部５は、例えば、シャックハルトマンセンサー（以下、「ＳＨセンサー」という）である。図４はＳＨセンサーの構造と機能を示す図であって、（ａ）はＳＨセンサーに平面波が入射した場合の様子を示し、（ｂ）はＳＨセンサーに非平面波が入射した場合の様子を示している。
【００４４】
ＳＨセンサー３０は、マイクロレンズアレイ３１と撮像素子３２から構成される。撮像素子３２は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳである。ここでは、各マイクロレンズは等間隔で配置され、各マイクロレンズには収差が無いものとする。
【００４５】
ＳＨセンサー３０では、マイクロレンズアレイ３１によって、ＳＨセンサー３０に入射した光束が集光される。このとき、集光位置には、光束が透過したマイクロレンズの数と同じ数の光スポット像が形成される。集光位置には、撮像素子３２が配置されている。光スポット像の各々は、撮像素子３２によって受光される。ここで、撮像素子３２では、微小な受光素子が２次元配列されている。よって、各光スポット像の位置を知ることができる。
【００４６】
ＳＨセンサー３０に平面波が入射した場合、光スポット像の各々は等間隔で形成される。一方、ＳＨセンサー３０に非平面波が入射した場合、光スポット像の各々は、等間隔で形成されない。このように、各光スポット像の位置は、ＳＨセンサー３０に入射した波面の形状、すなわち、波面収差の発生量に依存する。
【００４７】
計測したい波面をＳＨセンサー３０に入射させると、波面はマイクロレンズアレイ３１によって分割される。その結果、波面は、撮像素子３２の撮像面に複数の光スポット像として投影される。これら複数の光スポット像位置の基準位置からのズレ量から、波面収差を計測することができる。
【００４８】
波面データ生成部６は、波面測定部５で測定した結果から波面収差データを生成する。すなわち、複数の光スポット像位置の基準位置からのズレ量から、波面収差を計測する。ここで、光束Ｌ１は、被検光学系１０の外周部に照射されている。この照射位置は軸外であるので、この場合は、被検光学系１０の軸外波面収差の計測が行える。
【００４９】
所定の距離を変えることで、被検光学系１０における光束Ｌ１の照射位置を変えることができる。例えば、開口部９の中心１１と計測軸７とが一致している状態となるように、保持部３をステージ８上に載置しても良い。この場合、被検光学系１０を射出した光束Ｌ２は、破線で示すように、計測軸７と平行に進む。保持部３と波面測定部５との間に受光光学系４が配置されているので、光束Ｌ２は受光光学系４に入射する。
【００５０】
ここで、上述のように、受光光学系４によって、開口部９の近傍と波面測定部５の近傍とが光学的に共役になっている。そのため、被検光学系１０を射出した直後の波面収差形状が、波面測定部へ再生される。光束Ｌ１は、被検光学系１０の中心部に照射されている。この照射位置は軸上であるので、この場合は、被検光学系１０の軸上波面収差の計測が行える。
【００５１】
ステージ８を移動ステージにしても良い。このようにすると、ステージ８を移動させるだけで、軸外波面収差の計測と軸上波面収差の計測との切り替えを簡単に行うことができる。また、波面計測装置１では、保持部３と波面測定部５との間に受光光学系４が配置されている。そのため、軸外波面収差の計測と軸上波面収差の計測のいずれにおいても、波面測定部５における光束Ｌ４の入射位置は同じになる。その結果、波面測定部５の位置を変えずに、軸上波面収差の計測と軸外波面収差の計測とを行うことができる。
【００５２】
軸上波面収差を計測する状態から軸外波面収差を計測する状態にするには、被検光学系１０を計測軸７と垂直な方向にシフトさせれば良い。この場合、被検光学系１０のシフトに必要な移動量は、被検光学系１０の有効口径程度と同じ量である。この移動量はそれほど多くない量なので、被検光学系１０の移動は短時間で済ませることができる。
【００５３】
更に、波面測定部５の位置を変える必要がないので、軸外波面収差の計測に必要な時間は非常に短くで済む。そのため、軸外波面収差の計測を、簡易的な構成で短時間に行うことができる。また、必要に応じて移動量を変えることで、計測時間をさらに短縮することもできる。
【００５４】
第２実施形態の波面計測装置について説明する。第２実施形態の波面計測装置は、光源部と、保持部と、第１の移動機構と、受光光学系と、波面測定部と、波面データ生成部と、を有し、光源部は、計測軸の一方の側に配置され、波面測定部は、計測軸の他方の側に配置され、保持部は、光源部と波面測定部との間に配置され、受光光学系は、保持部と波面測定部との間に配置され、保持部は、被検光学系を保持する開口部を有し、光源部から被検光学系に向けて光束を照射し、波面測定部で、被検光学系を透過した光束を測定し、波面データ生成部で、波面測定部で測定した結果から波面収差データを生成する波面計測装置であって、受光光学系によって、開口部近傍と波面測定部近傍とが光学的に共役になっており、第１の移動機構は、計測軸の周りの複数の位置に被検光学系を移動させ、被検光学系における光束の透過領域は、複数の位置の各々で異なり、波面測定部は、被検光学系を透過した光束を、複数の位置の各々で測定し、波面データ生成部は、複数の位置の各々で測定した結果から波面収差データを生成することを特徴とする。
【００５５】
第２実施形態の波面計測装置においても、開口部が波面測定部と共役となるように、開口部と、受光光学系と、波面測定部と、が位置決めされていることが好ましい。更に、被検光学系の後側主点が波面測定部と共役となるように、開口部と、受光光学系と、波面測定部と、が位置決めされていることが好ましい。
【００５６】
第２実施形態の波面計測装置を図５に示す。波面計測装置１’は、光源部２と、保持部３と、第１の移動機構４０と、受光光学系４と、波面測定部５と、波面データ生成部６と、を有する。図１に示す波面計測装置１と同じ構成については、同じ番号を付して、詳細な説明を省略する。
【００５７】
波面計測装置１’は、第１の移動機構を有する。第１の移動機構の例を図６に示す。第１の移動機構４０は、移動ステージ４１と移動ステージ４２とで構成されている。移動ステージ４１と移動ステージ４２は、共に、一方向に移動するステージである。
【００５８】
第１の移動機構４０では、移動ステージ４１の移動方向と移動ステージ４２の移動方向とが直交するように、移動ステージ４１と移動ステージ４２が配置されている。これにより、計測軸７と直交する面内で、被検光学系１０を様々な位置に移動させることができる。
【００５９】
その結果、波面計測装置１’では、計測軸７の周りの複数の位置に被検光学系１０を移動させることができる。更に、被検光学系１０における光束の透過領域が、複数の位置の各々で異なるようにすることができる。
【００６０】
ここで、本実施形態の波面計測装置では、第１の移動機構は、被検光学系を回転させて透過領域を変化させることが好ましい。
【００６１】
図７は、被検光学系における光束の透過領域の変化を示す図であって、（ａ）は第１の位置における透過領域を示す図、（ｂ）は第２の位置における透過領域を示す図、（ｃ）は第３の位置における透過領域を示す図、（ｄ）は第４の位置における透過領域を示す図である。
【００６２】
図７において、破線で示す位置は、第１の移動機構４０の初期位置である。移動ステージ４１と移動ステージ４２は、各々、固定部と移動部で構成されている。固定部対して移動部を移動させることで、移動部に載置した物体を移動させることができる。よって、図７において、破線で示す位置は、移動ステージ４１の固定部、又は移動ステージ４２の固定部を示していることになる。
【００６３】
図７（ａ）に示すように、第１の位置は、初期位置から被検光学系１０を紙面内の右方向に移動させた位置である。この位置では、計測軸７上に領域４３が位置する。よって、光束Ｌ１はこの領域４３を通過する。
【００６４】
図７（ｂ）に示すように、第２の位置は、初期位置から被検光学系１０を紙面内の上方向に移動させた位置である。この位置では、計測軸７上に領域４４が位置する。よって、光束Ｌ１はこの領域４４を通過する。
【００６５】
図７（ｃ）に示すように、第３の位置は、初期位置から被検光学系１０を紙面内の左方向に移動させた位置である。この位置では、計測軸７上に領域４５が位置する。よって、光束Ｌ１はこの領域４５を通過する。
【００６６】
図７（ｄ）に示すように、第４の位置は、初期位置から被検光学系１０を紙面内の下方向に移動させた位置である。この位置では、計測軸７上に領域４６が位置する。よって、光束Ｌ１はこの領域４６を通過する。
【００６７】
このように、第１の移動機構４０を用いることで、被検光学系１０における光束の透過領域が、複数の位置の各々で異なるようにすることができる。
【００６８】
被検光学系１０は、開口部９に挿入されている。よって、被検光学系１０の移動の様子は、開口部９の移動の様子から知ることができる。図８は、開口部の中心の移動の様子を示す図である。
【００６９】
図８では、開口部９は破線で示され、また、移動軌跡４７は実線で示されている。移動軌跡４７は、開口部９の中心１２の移動の様子を示している。移動軌跡４７は、計測軸７を中心とする円の円周と一致している。開口部９には被検光学系１０が挿入されているので、被検光学系１０も計測軸７を中心とする円の円周上を移動する。このように、第１の移動機構４０を用いることで、被検光学系１０を移動軌跡４７に沿って回転させることができる。これにより、被検光学系１０における光束の透過領域が変化する。
【００７０】
また、本実施形態の波面計測装置では、第１の移動機構は計測軸に対して被検光学系を公転軌道で移動させ、波面測定部は、公転軌道での移動中に波面収差データを取得することことが好ましい。
【００７１】
上述のように、移動軌跡４７は、計測軸７を中心とする円の円周と一致している。この円周に沿う移動は公転を示す軌道であるので、開口部９は計測軸７の周りに公転していることになる。被検光学系１０は開口部９に挿入されているので、被検光学系１０も計測軸７の周りに公転する。移動軌跡４７は公転軌道を示し、計測軸７は公転軸ということができる。
【００７２】
第１の移動機構４０を用いることで、被検光学系１０を公転軌道で移動させることができる。また、被検光学系１０の移動を離散的に行うことで、公転軌道上の複数の位置に被検光学系１０を静止させることができる。これにより、公転軌道での移動中に、複数の位置で波面収差データを取得することができる。
【００７３】
波面計測装置１’では、計測軸７の周りの複数の位置に被検光学系１０を移動させる。この移動はベクトルで表すことができる。図８に示すように、被検光学系１０のシフト量の大きさをＲとする。このシフト量の大きさＲは、計測軸７を基準にしたときの大きさである。
【００７４】
シフトの量や方向を表示する目的で、計測軸７上の一点を原点として、被検光学系１０の移動をベクトルで示す。これを公転シフトベクトルと呼ぶことにする。Ｘ方向に被検光学系１０がシフトしたとき、公転シフトベクトルは（Ｒ、０）で表される。一方、Ｙ方向に被検光学系１０がシフトしたとき、公転シフトベクトルは（０、Ｒ）で表される。また、計測軸周りの角度をθとしたとすると、被検光学系１０がθ方向にシフトしたとき、公転シフトベクトルは（Ｒｃｏｓθ、Ｒｓｉｎθ）で表される。
【００７５】
このθを、０度、１０度、２０度・・・というように、１０度間隔で３５０度まで変化させて、被検光学系１０をシフトさせる。この被検光学系１０の動きを公転、θを公転角度と呼ぶことにする。但し、被検光学系１０をシフトさせる間隔は１０度でなくても良い。
【００７６】
シフトさせた各位置で、波面測定部５によって、被検光学系を透過した光束が測定される。そして、波面データ生成部６で、各位置で測定した結果から波面収差データを生成する。
【００７７】
また、被検光学系を公転軌道で移動させることで、公転時のそれぞれの公転角度で軸外波面収差測定を簡単に実施することができる。このようにして得られた軸外波面収差測定データは、被検光学系の周方向に渡って異常の有無の確認に用いることができる。
【００７８】
また、投光光学系によって、被検光学系の有効径の半分以上を光束が透過するようにしても良い。このようにすれば、公転での軸外波面収差測定で、被検光学系の有効径を全面にわたって、異常の有無を確認することができる。
【００７９】
また、第１実施形態の波面計測装置と第２実施形態の波面計測装置（以下、「本実施形態の波面計測装置」という）では、受光光学系は、最も光源部側に位置する前側光学系と、最も波面測定部側に位置する後側光学系と、を少なくとも有し、前側光学系の後側焦点位置と後側光学系の前側焦点位置とが一致又は共役になっていることが好ましい。
【００８０】
図１３は、受光光学系の構成を示す図である。図５に示す波面計測装置１’と同じ構成については同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。
【００８１】
受光光学系は２つ以上の光学系で構成できるが、波面計測装置６０では、受光光学系は２つの光学系で構成されている。すなわち、受光光学系６１は、レンズ６２とレンズ６３とで構成されている。レンズ６２は最も光源部２側に位置し、レンズ６３は波面測定部５側に位置している。よって、レンズ６２が前側光学系に対応し、レンズ６３が後側光学系に対応する。
【００８２】
波面計測装置６０では、受光光学系６１は、レンズ６２とレンズ６３とで構成されているので、レンズ６２の後側焦点位置とレンズ６３の前側焦点位置とが一致している。よって、受光光学系６１は、焦点距離が無限大の光学系である。
【００８３】
ここで、本実施形態の波面計測装置では、レンズ６３の後側焦点位置が波面測定部と一致するように、受光光学系と波面測定部が位置決めされていることが好ましい。
【００８４】
レンズ６２の後側焦点位置とレンズ６３の前側焦点位置とが一致しているので、レンズ６３の後側焦点位置に波面測定部５を一致させると、レンズ６２の前側焦点位置と波面測定部５とが光学的共役関係になる。
【００８５】
また、本実施形態の波面計測装置では、開口部がレンズ６２の前側焦点位置と一致するように、保持部と共役光学系が位置決めされていることが好ましい。
【００８６】
被検光学系１０を開口部９に挿入すると、被検光学系１０がレンズ６２の前側焦点位置の近傍に位置する。その結果、被検光学系１０と波面測定部５が、ほぼ光学的共役関係になる。そのため、被検光学系１０から射出した光束Ｌ３、Ｌ３’は、波面測定部５へ導かれる。
【００８７】
更には、本実施形態の波面計測装置では、被検光学系の後側主点がレンズ６２の前側焦点位置と一致するように、被検光学系と受光光学系とが位置決めされていることが好ましい。
【００８８】
このようにすると、被検光学系１０と波面測定部５が、光学的共役関係になる。そのため、被検光学系１０から射出した光束Ｌ３、Ｌ３’は、必ず波面測定部５へ導かれる。
【００８９】
すなわち、光束Ｌ３、Ｌ３’はレンズ６２に入射した後、レンズ６２で屈折される。被検光学系９は、レンズ６２の前側焦点位置の近傍又は一致する位置に配置されている。そのため、レンズ６２を射出した光束は、レンズ６２の後側焦点位置に集光される。また、レンズ６２を射出した光束の中心光線は、計測軸７と略平行になる。
【００９０】
レンズ６２の後側焦点位置を通過した光束は、発散光束となってレンズ６３に入射する。上述のように、レンズ６２の後側焦点位置は、レンズ６３の前側焦点位置と一致している。そのため、レンズ６３に入射した光束は、平行光束になってレンズ６３から射出する。レンズ６３を射出した光束Ｌ４、Ｌ４’は、計測軸７と交差するように、計測軸７に近づいていく。その結果、光束Ｌ４、Ｌ４’を波面測定部５に入射させることができる。
【００９１】
上述のように、受光光学系６１によって、被検光学系１０と波面測定部５とが光学的共役関係になっている。そのため、被検光学系１０を射出した光束Ｌ３、Ｌ３’がどの方向に進んでも、光束Ｌ３、Ｌ３’を波面測定部５に入射させることができる。
【００９２】
また、波面測定部５の位置における波面と被検光学系１０を出射した直後の波面は、同一形状に維持される。すなわち、被検光学系１０を射出した直後の波面収差形状が、波面測定部５へ再生される。
【００９３】
また、レンズ６２とレンズ６３との間に、リレー光学系を配置しても良い。リレー光学を配置する場合は、レンズ６２の後側焦点位置とレンズ６３の前側焦点位置とが、光学的共役関係となるようにする。このようにすれば、レンズ６２の後側焦点位置とレンズ６３の前側焦点位置とを一致させた場合と同じ作用効果を得ることができる。
【００９４】
ＳＨセンサーを波面測定部５に用いる場合、マイクロレンズアレイの数が波面収差形状の空間分解能を決める。そのため、光束内に占めるマイクロレンズアレイの数が多いほど、高精度な波面収差計測が可能となる。被検光学系９を透過した後の光束Ｌ３の径が小さい場合でも、受光光学系４によって波面測定部５に入射する光束Ｌ４の径を大きくすることで、十分な数のマイクロレンズアレイを使うことができるようになる。
【００９５】
例えば、レンズ６２の焦点距離を６０ｍｍ、レンズ６３の焦点距離を１２０ｍｍとした場合、受光光学系４の倍率は２倍（１２０／６０＝２）となり、受光学系４によって波面測定部５に入射する光束Ｌ４の径を、被検光学系９を透過した後の光束Ｌ３の径に対して２倍に大きくすることができる。
【００９６】
被検光学系９を透過した後の光束の光線角度が大きい場合にはマイクロレンズアレイの各レンズに入射する光束の光線角度が大きいと、光束が撮像素子内に収まらないことがある。光線角度とは、光束を構成する光線と計測軸７とのなす角度である。
【００９７】
被検光学系１０を出射した直後の波面収差が大きい場合には、マイクロレンズアレイの各レンズに入射する光線に対応する光線ごとの光線角度が大きく変わり撮像素子３２に投影されるスポット像の間隔に大きな疎密が生じ波面収差の解析が困難になる。
【００９８】
例えば、レンズ６２の焦点距離を６０ｍｍ、レンズ６３の焦点距離を１２０ｍｍとした場合、受光光学系４の倍率は２倍（１２０／６０＝２）であり、光束Ｌ３の光線角度に対して、光束Ｌ４の光線角度を１／２にすることができる（ヘルムホルツラグランジェの不変量による）。
【００９９】
このように、受光光学系６１の倍率を変えることで、光束Ｌ３の光線角度が大きい場合にも、マイクロレンズアレイの各レンズに入射する光線に対応する光線ごとの光線角度が大きく変わる場合でも、光束Ｌ４の光線角度を、ＳＨセンサーで測定可能な光線角度内に抑えることができる。
【０１００】
波面計測装置４０では、受光光学系６１は単焦点光学系である。そのため、波面測定部５に入射する光束Ｌ４の径を変えるためには、レンズ６２の焦点距離とレンズ６３の焦点距離の少なくとも一方を変えれば良い。すなわち、レンズ６２とレンズ６３の少なくとも一方を交換すれば良い。このようにすることで、波面測定部５に入射する光束Ｌ４の径を変えることができる。
【０１０１】
受光光学系６１をズーム光学系（アフォーカルズーム）にしても良い。このようにすることで、受光光学系６１を構成するレンズを交換することなく、光束Ｌ４の径を自由に変えることができる。
【０１０２】
以上、焦点距離が無限大の光学系を受光光学系に用いた場合について説明した。しかしながら、焦点距離が有限の光学系を、受光光学系に用いても良い。この場合は、受光光学系における所定の位置に被検光学系の後側主点を一致させ、この所定の位置の像位置に被検光学系の波面測定部を一致させれば良い。所定の位置の像位置は、受光光学系における所定の位置に物体を配置したときに、物体の実像が形成される位置である。
【０１０３】
また、本実施形態の波面計測装置は、光源部と保持部の間に投光光学系を有することが好ましい。ここで、投光光学系は集光光束を生成することが好ましい。また、集光光束の集光点の位置が被検光学系の前側焦点位置と一致するように、投光光学系と保持部とが位置決めされていることが好ましい。
【０１０４】
図１４は、投光光学系の構成を示す図である。図５に示す波面計測装置１’と同じ構成については同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。図１４に示す投光光学系の構成は、正の屈折力を有する被検光学系を計測する場合に用いられる構成である。
【０１０５】
波面計測装置７０では、光源部２と保持部３との間に投光光学系７１が配置されている。投光光学系７１は、レンズ７２とレンズ７３とで構成されている。投光光学系７１では、レンズ７２の後側焦点位置とレンズ７３の前側焦点位置とが一致している。よって、投光光学系７１は、焦点距離が無限大の光学系である。
【０１０６】
また、レンズ７２の前側焦点位置に光源部２が位置している。より詳しくは、レンズ７２の前側焦点位置に光源部２の発光領域が位置している。そのため、光源部２から射出した発散光束は、レンズ７２で平行光束に変換される。この平行光束はレンズ７３に入射し、レンズ７３で集光される。
【０１０７】
この例では、被検光学系１０は正の屈折力を有する。そのため、被検光学系１０の前側焦点は、紙面内において投光光学系７１の上側に位置する。そこで、投光光学系７１では、投光光学系７１の上側に光源部２の発光領域の像が形成される。その結果、被検光学系１０から射出する光束Ｌ３、Ｌ３’を平行光束にすることができる。
【０１０８】
レンズ７２の焦点距離とレンズ７３の焦点距離を変えることで、発光領域の像の位置、発光領域の像の大きさ、発光領域の像位置における開口数などを、自由に設定することができる。よって、被検光学系９に応じて、適切な焦点距離を有するレンズを、レンズ７２とレンズ７３に用いれば良い。
【０１０９】
また、投光光学系７１は光学絞り７４を備えていても良い。波面計測装置７０では、光学絞り７４は、レンズ７２とレンズ７３との間、より詳しくは、レンズ７２の後側焦点位置に配置されている。しかしながら、光学絞り７４を配置する位置は、この位置に限れられない。
【０１１０】
レンズ７２とレンズ７３の間は、光束は平行になっている。そこで、光学絞り７４の開口部の大きさを変えることで、レンズ７３に入射する平行光束の径を変えることができる。その結果、レンズ３５から射出する集光光束の開口数を変えることができる。すなわち、被検光学系９に入射する光束Ｌ２の光束径を変えることができる。よって、被検光学系９に応じて、適切な大きさの開口部を有する光学絞りを、光学絞り７４に用いれば良い。
【０１１１】
図１５は、別の投光光学系の構成を示す図である。図５に示す波面計測装置１’と同じ構成については同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。図１５に示す投光光学系の構成は、負の屈折力を有する被検光学系を計測する場合に用いられる構成である。
【０１１２】
波面計測装置７０では、光源部２と保持部３との間に投光光学系７５が配置されている。投光光学系７５は、レンズ７６とレンズ７７とで構成されている。投光光学系７５では、レンズ７６の後側焦点位置とレンズ７７の前側焦点位置とが一致している。よって、投光光学系７５は、焦点距離が無限大の光学系である。
【０１１３】
また、レンズ７６の前側焦点位置に光源部２が位置している。より詳しくは、レンズ７６の前側焦点位置に光源部２の発光領域が位置している。そのため、光源部２から射出した発散光束は、レンズ７６で平行光束に変換される。この平行光束はレンズ７７に入射し、レンズ７７で集光される。
【０１１４】
この例では、被検光学系１０’は負の屈折力を有する。そのため、被検光学系１０’の前側焦点は、紙面内において被検光学系１０’の下側に位置する。そこで、投光光学系７５では、被検光学系１０’の下側に光源部２の発光領域の像が形成される。その結果、被検光学系１０’から射出する光束Ｌ３、Ｌ３’を平行光束にすることができる。
【０１１５】
以上、焦点距離が無限大の光学系を投光光学系に用いた場合について説明した。しかしながら、焦点距離が有限の光学系を、投光光学系に用いても良い。この場合は、投光光学系における所定の位置に光源部を一致させ、この所定の位置の像位置に被検光学系の前側焦点位置を一致させれば良い。所定の位置の像位置は、投光光学系における所定の位置に物体を配置したときに、物体の実像が形成される位置である。
【０１１６】
本実施形態の波面計測装置では、投光光学系は計測軸方向に駆動可能なことが好ましい。
【０１１７】
投光光学系７１や投光光学系７５を計測軸７に沿う方向に移動させることで、計測軸７上の任意の位置に集光点を作れる。よって、例えば、投光光学系７１を移動させることで、投光光学系７５と同様に、負の屈折力を有する被検光学系１０’の計測を行うことができる。光源部２は、投光光学系７１と共に移動させることが好ましい。
【０１１８】
本実施形態の波面計測装置では、投光光学系はズームレンズであることが好ましい。
【０１１９】
このようにすることで、投光光学系７１や投光光学系７５を移動させなくても、計測軸７上の任意の位置に集光点を作れる。
【０１２０】
本実施形態の波面計測装置では、投光光学系は、受光光学系と共軸となっていることが好ましい。
【０１２１】
本実施形態の波面計測装置は、第２の移動機構を有し、第２の移動機構は、被検光学系を自転させることことが好ましい。
【０１２２】
第２の移動機構の例を図１６に示す。図６と同じ構成については同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。
【０１２３】
第２の移動機構８０は、例えば、回転ステージである。第２の移動機構８０は、第１の移動機構４０と保持３との間に配置されている。第２の移動機構８０が回転ステージの場合、回転ステージの中心軸は開口部９の中心軸１１と一致している。よって、回転ステージを回転させることで、被検光学系１０を自転させることができる。回転ステージの中心軸は検光学系１０を自転させる軸であるので、自転軸ということができる。
【０１２４】
本実施形態の波面計測装置は、前後反転機構を有し、前後反転機構は、計測軸と直交する軸を回転軸として被検光学系を回転させることが好ましい。
【０１２５】
図１７は前後反転機構の例を示す図であって、（ａ）は反転前の状態を示す図、（ｂ）は反転後の状態を示す図である。図２と同じ構成については同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。
【０１２６】
前後反転機構９０は、波面計測装置の本体部９２とステージ８との間に配置されている。前後反転機構９０は、例えば、回転ステージである。前後反転機構９０が回転ステージの場合、回転ステージの中心軸９１が計測軸７と直交するように、前後反転機構９０が本体部９２に取り付けられている。
【０１２７】
回転ステージを回転させることで、被検光学系１０を反転させることができる。図１７（ａ）では、被検光学系のレンズ面Ｓは、紙面内の上方向に位置している。この状態から、回転ステージを１８０度回転させることで、図１７（ｂ）に示すように、被検光学系１０のレンズ面Ｓが紙面内の下方向に向いている状態にすることができる。回転ステージの中心軸９１は被検光学系１０を回転させる軸、すなわち、前後反転軸である。
【０１２８】
図１７では、枠部材９３によって被検光学系１０が保持部３に押し付けられている。また、保持部３はステージ８に固定されている。これにより、被検光学系１０を回転させても、保持部３や被検光学系１０の落下を防止することができる。
【０１２９】
本実施形態の波面計測装置の全体構成を図１８に示す。これまでの図に示した構成と同じ構成については同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。
【０１３０】
波面計測装置１００は、本体部１０１を有する。本体部１０１に、光源部２、投光光学系７１、保持部３、受光光学系４、波面測定部５及び波面データ生成部６を有する。
【０１３１】
光源部２は、保持部材１０２を介して本体部１０１に取り付けられている。投光光学系７１は、保持部材１０３を介して本体部１０１に取り付けられている。受光光学系４は、保持部材１０５を介して本体部１０１に取り付けられている。
【０１３２】
保持部３は第２の移動機構８０に取り付けられている。第２の移動機構８０は、第１の移動機構４０に取り付けられている。第１の移動機構４０はステージ８に取り付けられている。ステージ８は前後反転機構９０に取り付けられている。前後反転機構９０は保持部材１０４を介して、本体部１０１に取り付けられている。
【０１３３】
波面計測装置１００では、様々な焦点距離を持つ被検光学系について計測を行うことができる。計測対象の被検光学系が変わっても、受光光学系４を交換しない場合は、波面測定部５と共役な位置は変化しない。一方、計測対象の被検光学系が変わるごとに、被検光学系１０の後側主点の位置が変化する。
【０１３４】
上述のように、被検光学系１０の後側主点と波面測定部５とは、光学的共役関係になっていることが好ましい。そこで、保持部材１０４は移動機構を備えていることが好ましい。
【０１３５】
保持部材１０４の移動機構によって被検光学系１０を移動させることで、被検光学系１０の後側主点と波面測定部５とを光学的共役関係にすることができる。
【０１３６】
焦点距離が無限大の光学系を受光光学系４に用いている場合、例えば、図１３に示すように、受光光学系４はレンズ６２とレンズ６３とで構成されている。この場合、被検光学系１０を移動させて、レンズ６２の前側焦点位置に、被検光学系１０の後側主点位置を一致させる。
【０１３７】
焦点距離が有限の光学系を受光光学系４に用いている場合、被検光学系１０を移動させて、波面測定部５と共役な位置に、被検光学系１０の後側主点位置を一致させる。
【０１３８】
被検光学系１０の位置を変化させると、被検光学系１０の前側焦点位置が変化する。計測対象の被検光学系が変わっても、投光光学系７１を交換しない場合は、投光光学系７１によって生成される集光点と被検光学系１０の前側焦点位置とが一致しなくなる。そこで、保持部材１０２と１０３は、共に移動機構を備えていることが好ましい。
【０１３９】
保持部材１０２の移動機構によって光源部２を移動させると共に、保持部材１０３の移動機構によって投光光学系７１を移動させることで、投光光学系７１によって生成される集光点と被検光学系１０の前側焦点位置とを一致させことができる。
【０１４０】
焦点距離が無限大の光学系を投光光学系７１に用いている場合、例えば、図１４に示すように、投光光学系７１はレンズ７２とレンズ７３とで構成されている。この場合、保持光源部２と投光光学系７１を移動させて、被検光学系１０の前側焦点位置に、レンズ７３の後側焦点位置を一致させる。
【０１４１】
焦点距離が有限の光学系を投光光学系７１に用いている場合、保持光源部２と投光光学系７１を移動させて、被検光学系１０の前側焦点位置に、投光光学系７１によって形成された集光点を一致させる。
【０１４２】
焦点距離が有限の光学系を投光光学系７１に用いている場合、投光光学系７１を移動させるだけで、被検光学系１０の前側焦点位置に、投光光学系７１によって形成された集光点を一致させることができる場合もある。
【０１４３】
保持部材１０２で光源部２を保持し、保持部材１０３で投光光学系７１を保持しているが、光源部２と投光光学系７１を同一の保持部材で保持し、この保持部材が移動機構を備えていても良い。
【０１４４】
投光光学系７１は、別の投光光学系に交換することができる。また、投光光学系７１はズームレンズにすることができる。この場合も、投光光学系７１によって生成される集光点と被検光学系１０の前側焦点位置とが一致しなくなることがある。そこで、上述のように、光源部や投光光学系の位置を調整して、投光光学系７１によって生成される集光点と被検光学系１０の前側焦点位置とを一致させれば良い。
【０１４５】
受光光学系４は、別の受光光学系に交換することができる。また、受光光学系４はズームレンズにすることができる。この場合も、波面測定部５と共役な位置が変化することがある。この場合も、上述のように、被検光学系１０を移動させれば良い。また、必要に応じて、受光光学系４や波面測定部５を移動させれば良い。このようにすることで、被検光学系１０の後側主点と波面測定部５とを光学的共役関係にすることができる。
【０１４６】
本実施形態の波面計測方法について説明する。本実施形態の波面計測方法では、被検光学系近傍と波面測定部近傍とを光学的共役関係にする工程と、波面計測装置の計測軸に対して被検光学系を偏心させる偏心駆動工程と、波面測定部と波面データ生成部が、被検光学系を透過した光束の波面収差データを取得する波面データ取得工程と、を有することを特徴とする。
【０１４７】
波面計測の実施に先立って、被検光学系が波面計測装置にセットされる。このとき、被検光学系近傍と波面測定部近傍とが光学的共役関係となるように、被検光学系が波面計測装置にセットされる。また、波面計測装置の計測軸に対して被検光学系が偏心した状態となるように、被検光学系が波面計測装置にセットされる。
【０１４８】
被検光学系が波面計測装置にセットされると、被検光学系を透過した光束の波面収差データの取得が行われる。波面収差データの取得について具体的に説明する。
【０１４９】
第１実施形態の波面計測方法では、被検光学系を公転させることで、軸外波面収差を計測する。図１９は第１実施形態の波面計測方法のフローチャートである。
【０１５０】
上述のように、本実施形態の波面計測装置では、計測軸の周りの複数の位置に被検光学系を移動させ、被検光学系における光束の透過領域を複数の位置を異なるようにしている。そこで、第１実施形態の波面計測方法では、ステップＳ１００において、測定回数の設定が行われる。測定回数の設定では、測定回数を指定すれば良いが、角度増分Δθを指定しても良い。角度増分Δθは、０度、１０度、２０度・・・というように、被検光学系１０をシフトさせるときの角度の変化量である。
【０１５１】
ステップＳ１０１では、設定内容の確認が行われる。角度増分Δθが設定された場合、ステップＳ１０２で角度増分Δθから測定回数が求まる。
【０１５２】
ステップＳ１０３では測定回数を示すパラメータｎが初期化され、ステップＳ１０４では公転角度を示すパラメータθが初期化される。そして、ステップＳ１０５が実行される。ステップＳ１０５では、光束が被検光学系に照射される。
【０１５３】
１回目の測定では、被検光学系を波面計測装置にセットした状態、すなわち、公転角度θ＝０の状態で、光束が被検光学系に照射される。ステップＳ１０６では、被検光学系を透過した光束を使って波面収差データＷＦＤの取得が行われる。ステップＳ１０７では、取得された波面収差データＷＦＤの記憶が行われる。これにより、１回目の測定が終了する。
【０１５４】
続いて、ステップＳ１０８で、測定回数の確認が行われる。測定回数が設定した回数と一致してない場合、ステップＳ１０９で測定回数が１つ加算される。また、ステップＳ１１０でΔθが加算され、新たな公転角度θが設定される。
【０１５５】
ステップＳ１１１では、新たに設定された公転角度θに基づいて、被検光学系の移動が行われる。被検光学系の新たな位置は、公転角度θに対応する位置である。そして、新たな位置での波面収差データＷＦＤの取得と記憶が行われる。
【０１５６】
ステップＳ１０６からステップＳ１１１までが、測定回数が設定した回数と一致するまで繰り返し行われる。測定回数が設定した回数と一致すると測定を終了する。
【０１５７】
このように、本実施形態の計測方法では、被検光学系を自転する前の状態、すなわち、最初に被検光学系を波面計測装置にセットした状態で、各公転角度における波面収差データＷＦＤを取得する。波面測定部としてシャックハルトマンセンサーを用いた場合、マイクロレンズの数と同じ数の光スポット像（以下「スポット群」という）が形成される。このスポット群を撮像素子で撮像することで、スポット群の各スポットについて位置データが取得される。Δθが１０度の場合、３６個の波面収差データＷＦＤが得られる。なお、計測軸と公転軸は多少の軸ずれがあっても問題ない。
【０１５８】
波面データ生成部の構成の例を図２０に示す。波面データ生成部６は、演算処理部１１０と、プログラム記憶部１１１と、データ記憶部１１２と、第１の移動機構制御部１１３と、を有する。第２の移動機構制御部１１４については、第２実施形態の波面計測方法で説明する。
【０１５９】
演算処理部１１０は、指定されたプログラムに従って各種の演算や処理を行う。
【０１６０】
プログラム記憶部１１１は、所定の処理を演算処理部１１０に実行させるためのプログラムが記憶されている。プログラム記憶部１１１には、例えば、図１９に示すフローチャートの処理を実行するためのプログラムが格納されている。このプログラムは、波面データ生成部６の外部から読み込むこともできる。よって、プログラム記憶部１１１は省略することができる。
【０１６１】
データ記憶部１１２は、波面測定部５で取得した波面収差データＷＦＤや、演算処理部１１０で行った処理の結果を記憶する。
【０１６２】
第１の移動機構制御部１１３は、演算処理部１１０からの指示に基づいて、第１の移動機構４０を制御する。第１の移動機構４０によって、被検光学系は公転角度θに対応する位置に移動する。
【０１６３】
図２０では、第２の移動機構制御部１１４と第２の移動機構８０が図示されている。しかしながら、第１実施形態の波面計測方法では、被検光学系の移動は公転のみである。よって、被検光学系の移動のためには、第１の移動機構制御部１１３と第１の移動機構４０とを備えていれば良く、第２の移動機構制御部１１４と第２の移動機構８０は不要である。
【０１６４】
第２実施形態の波面計測方法は、被検光学系を公転させると共に自転させることで、軸外波面収差を計測する方法である。図２１は第２実施形態の波面計測方法のフローチャートである。第１実施形態の波面計測方法のフローチャートと同じ処理については同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。
【０１６５】
第１実施形態の計測方法による測定を「公転による軸外波面収差測定」とすると、第２実施形態の計測方法では、被検光学系を自転させて、「公転による軸外波面収差測定」を行う。被検光学系を自転させる前の状態を第１の状態とし、被検光学系を自転させた後の状態を第２の状態とする。
【０１６６】
第２実施形態の計測方法では、第１の状態と第２の状態との区別を行うため、パラメータＦＧを用いる。ステップＳ１２０では自転状態を示すパラメータＦＧが初期化される。被検光学系を波面計測装置にセットした状態が第１の状態である。
【０１６７】
ステップＳ１２１では、自転状態の確認が行われる。第１の状態の場合、測定回数が設定した回数と一致するまで、ステップＳ１０６からステップＳ１１１までが繰り返し行われる。測定回数が設定した回数と一致すると、第１の状態での測定を終了する。
【０１６８】
第１の状態での測定を終了すると、ステップＳ１２２に進む。ステップＳ１２２で、自転状態の確認が行われる。第１の状態の場合、ステップＳ１２３が実行される。ステップＳ１２３では、被検光学系の自転が行われる。自転角度は１８０度であることが好ましい。
【０１６９】
自転終了後、ステップＳ１２４では、第２の状態を示すためにパラメータＦＧに１が設定される。そして、ステップＳ１０３に戻る。
【０１７０】
ステップＳ１２１では、自転状態の確認が行われる。ＦＧ＝１なので、ステップＳ１２１では第２の状態であると判断される。これにより、ステップＳ１２５とステップＳ１２６とが実行される。ステップＳ１２５では、被検光学系を透過した光束を使って波面収差データＷＦＤ’の取得が行われる。ステップＳ１２６では、取得された波面収差データＷＦＤ’の記憶が行われる。測波面収差データＷＦＤ’の取得と記憶は、定回数が設定した回数と一致するまで繰り返し行われる。
【０１７１】
測定回数が設定した回数と一致すると、第２の状態での測定を終了する。第２の状態での測定を終了すると、ステップＳ１２７に進む。ステップＳ１２７では、波面収差変化データの取得が行われる。ステップＳ１２７では、第１の状態で取得した波面収差データを参照波面データとし、第２の状態で取得した波面収差データを測定波面データとし、自転に伴う波面収差変化データの取得が行われる。
【０１７２】
第２実施形態の計測方法では、被検光学系を１８０度自転させたが、この値に限られない。なお、計測軸と自転軸は多少の軸ずれがあっても問題ない。被検光学系の軸と自転軸にも多少の軸ずれがあっても問題ない。
【０１７３】
このように、第２実施形態の計測方法では、被検光学系を自転させる前の状態に加えて、自転させた後の状態で、各公転角度で波面収差データＷＦＤ’を取得する。波面測定部としてシャックハルトマンセンサーを用いた場合、スポット群の各スポットについて位置データが取得される。Δθが１０度の場合、被検光学系を自転した後の状態でも、３６個の波面収差データＷＦＤ’が得られる。なお、計測軸と公転軸は多少の軸ずれがあっても問題ない。
【０１７４】
被検光学系の自転前の波面収差データＷＦＤを参照波面収差データとし、自転後の波面収差データＷＦＤ’を測定波面収差データとして、波面収差変化データを解析する。波面収差変化データは公転角度状態、すなわち、波面収差データＷＦＤ、ＷＦＤ’を取得した複数の位置の各々で解析する。その結果、３６個の波面収差変化データが得られる。
【０１７５】
第２実施形態の波面計測方法を実施するために、本実施形態の波面計測装置は、自転前波面データ取得制御部と、自転後波面データ取得制御部と、波面変化データ解析部と、を有し、第１の状態は、第２の移動機構による自転を実施する前の状態であり、第２の状態は、第２の移動機構による自転を実施した後の状態であり、自転前波面データ取得制御部は、第１の状態で、計測軸に対して被検光学系を公転軌道で動かして、公転軌道中の複数の位置の各々で取得した波面収差データを保存し、自転後波面データ取得制御部は、第２の状態で、計測軸に対して被検光学系を公転軌道で動かして、公転軌道中の複数の位置の各々で取得した波面収差データを保存し、波面変化データ解析部は、第１の状態で取得した波面収差データを参照波面データとし、第２の状態で取得した波面収差データを測定波面データとし、自転に伴う波面収差変化データを取得することことが好ましい。
【０１７６】
波面データ生成部を含む処理部を図２２に示す。図２０と同じ構成については同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。
【０１７７】
波面データ生成部６Ａは、演算処理部１１０と、プログラム記憶部１１１と、データ記憶部１１２と、第１の波面データ取得制御部１２１と、第２の波面データ取得制御部１２２と、第１の移動機構制御部１１３と、第２の移動機構制御部１１４と、を有する。また、波面データ生成部６Ａには、波面変化データ解析部１３０が接続されている。
【０１７８】
第１の波面データ取得制御部１２１は、自転前波面データ取得制御部である。第１の波面データ取得制御部１２１は、第１のプログラムに基づいて処理を実行する。第１のプログラムにおける処理は、第１の状態、すなわち、被検光学系を自転させる前の状態で、計測軸に対して被検光学系を公転軌道で動かして、公転軌道の複数の位置で波面収差データＷＦＤの取得と記憶を行う処理である。
【０１７９】
そのため、第１の移動機構制御部１１３や第２の移動機構制御部１１４は、第１の波面データ取得制御部１２１からの指示に基づいて、第１の移動機構４０や第２の移動機構８０を制御する。
【０１８０】
第２の波面データ取得制御部１２２は、自転後波面データ取得制御部である。第２の波面データ取得制御部１２２は、第２のプログラムに基づいて処理を実行する。第２のプログラムにおける処理は、第２の状態、すなわち、被検光学系を自転させた後の状態で、計測軸に対して被検光学系を公転軌道で動かして、公転軌道の複数の位置で波面収差データＷＦＤ’の取得と記憶を行う処理である。
【０１８１】
そのため、第１の移動機構制御部１１３や第２の移動機構制御部１１４は、第２の波面データ取得制御部１２２からの指示に基づいて、第１の移動機構４０や第２の移動機構８０を制御する。
【０１８２】
このように、第１の波面データ取得制御部１２１や第２の波面データ取得制御部１２２を用いることで、演算処理部１１０の負担を軽減することができる、また処理スピードも向上させることができる。
【０１８３】
第２の波面データ取得制御部１２２での処理は、第１の波面データ取得制御部１２１でで行っても良い。
【０１８４】
また、第１の波面データ取得制御部１２１での処理や第２の波面データ取得制御部１２２での処理を、演算処理部１１０で行っても良い。この場合、波面データ生成部６Ａの変わりに、図２０に示す波面データ生成部６を用いることができる。
【０１８５】
第３実施形態の波面計測方法は、ゼルニケフィッティングを行う方法である。図２３は第３実施形態の波面計測方法のフローチャートである。図２３では、第２実施形態の波面計測方法のフローチャートにおける処理の多くについて、図示を省略している。
【０１８６】
上述のように、ステップＳ１２７では、自転に伴う波面収差変化データが取得される。ステップＳ１２８では、この波面収差変化データについてゼルニケフィッティングを行う。
【０１８７】
波面測定部としてシャックハルトマンセンサーを用いた場合、スポット群の各スポットについて位置データが取得される。ここでは、参照波面収差データのスポット群の各スポットの位置と、測定波面収差データのスポット群の各スポットの位置と、が取得される。
【０１８８】
そこで、参照波面収差データのスポット群の位置を基準にして、測定波面収差データのスポット群の位置がどの程度変位しているかを、測定波面収差データのスポット群の全スポットについて計算する。
【０１８９】
そして、測定波面収差データのスポット群の各スポットの位置の変化量を、ゼルニケ多項式の微分関数にフィッティングする。これにより、ゼルニケ係数が得られる。得られたゼルニケ係数をゼルニケ波面収差変化データと呼ぶ。このようにして、収差量を定量化することができる。
【０１９０】
参照波面収差データも測定波面収差データも、同じ被検光学系のデータである。よって、参照波面収差データを用いるという処理は、セルフリファレンスを行っているということができる。
【０１９１】
第３実施形態の波面計測方法を実施するために、本実施形態の波面計測装置では、波面変化データ解析部は、複数の位置の各々で取得した波面収差変化データについてゼルニケフィッティングを実施し、複数の位置の各々でのゼルニケ波面収差変化データを取得することが好ましい。
【０１９２】
第３実施形態の波面計測方法は、図２２に示す波面変化データ解析部１３０で行われる。
【０１９３】
また、波面変化データ解析部１３０での処理を、演算処理部１１０で行っても良い。この場合、図２２に示す処理部で行う処理を、図２０に示す波面データ生成部６で行うことができる。
【０１９４】
第４実施形態の波面計測方法は、第３実施形態の波面計測方法に続いて行う方法である。図２４は第４実施形態の波面計測方法のフローチャートである。図２３と同じ処理については同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。
【０１９５】
第３実施形態の計測方法を「セルフリファレンス法」とすると、第４実施形態の計測方法では、セルフリファレンス法で得たゼルニケ波面収差変化データを使って、和演算と差演算を行う。
【０１９６】
上述のように、公転軌道上の複数の位置で波面収差データの取得が行われ、各取得位置についてゼルニケ波面収差変化データが得られる。Δθが１０度の場合、３６個のゼルニケ波面収差変化データが得られる。そこで、ステップＳ１３０では、計測軸を挟んで対向する取得位置のペアを抽出する。
【０１９７】
抽出されたペアの位置は、計測軸を挟んで対向しているので、計測軸の周りに１８０度対称となっている。例えば、θ＝０度の位置におけるゼルニケ波面収差変化データと、θ＝１８０度の位置におけるゼルニケ波面収差変化データがペアになる。また、θ＝４０度の位置におけるゼルニケ波面収差変化データと、θ＝２２０度の位置におけるゼルニケ波面収差変化データがペアになる。
【０１９８】
続いて、ステップＳ１３１を実行する。ステップＳ１３１で、抽出したペアのゼルニケ波面収差変化データについて、ゼルニケ多項式の瞳座標の次数の確認が行われる。そして、ゼルニケ多項式の瞳座標の次数が偶数次の場合はステップＳ１３２が実行され、ゼルニケ多項式の瞳座標の次数が奇数次の場合はステップＳ１３３が実行される。
【０１９９】
ステップＳ１３２では、ゼルニケ波面収差変化データどうしで、ゼルニケ多項式の瞳座標が偶数次のゼルニケ係数について差演算を実行する。ステップＳ１３３では、ゼルニケ波面収差変化データどうしで、ゼルニケ多項式の瞳座標が奇数次のゼルニケ係数について和演算を実行する。ステップＳ１３４では、この処理が終了したペアの数を確認する。
【０２００】
この演算によって得られた結果を、収差成分と呼ぶことにする。収差成分は被検光学系の偏心量あるいは変位量の１乗に比例して発生する収差成分量と考えることができる。
【０２０１】
収差成分は、次のようにして得ることもできる。一般的に、被検光学系の偏心量の１乗によって生じる波面収差は、物体高座標の関数として示されている。物体高座標は被検光学系のシフトのベクトルと対応していると考えることができる。よって、ゼルニケ波面収差データをこの関数に最小二乗法などのアルゴリズムを用いて当てはめることで、収差成分を得ることができる。
【０２０２】
第４実施形態の波面計測方法を実施するために、本実施形態の波面計測装置は、収差成分量抽出解析部を有し、収差成分量抽出解析部は、各状態で得られたゼルニケ波面収差変化データについて、計測軸周りに１８０度対称なゼルニケ波面収差変化データどうしで、ゼルニケ多項式の瞳座標が偶数次のゼルニケ係数について差をとり、ゼルニケ多項式の瞳座標が奇数次のゼルニケ係数について和をとり、収差成分を抽出することが好ましい。
【０２０３】
波面データ生成部を含む別の処理部を図２５に示す。図２２と同じ構成については同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。
【０２０４】
波面データ生成部６Ａには、収差成分量抽出解析部１４０が接続されている。収差成分量抽出解析部１４０では、上述のステップＳ１３０からステップＳ１３４までの処理が行われる。これにより、収差成分が得られる。
【０２０５】
また、収差成分量抽出解析部１４０での処理を、演算処理部１１０で行っても良い。この場合、図２５に示す処理部で行う処理を、図２０に示す波面データ生成部６で行うことができる。
【０２０６】
第５実施形態の波面計測方法は、第４実施形態の波面計測方法に続いて行う方法である。図２６は第４実施形態の波面計測方法のフローチャートである。図２４と同じ処理については同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。
【０２０７】
第４施形態の計測方法を「１次の偏心収差抽出法」とすると、第４実施形態の計測方法では、１次の偏心収差抽出法で得た収差成分を使って、自転軸基準の被検光学系の偏心量を算出する。
【０２０８】
自転軸基準偏心量算出部ではステップＳ１４０を実施するが、ステップＳ１４０の実施前に、偏心収差感度をあらかじめ計算しておく。偏心収差感度は、光学ＣＡＤなどを用いて計算する。但し、偏心収差感度は、偏心量の１乗の成分で表される量にするため、次のように計算する。
【０２０９】
被検光学系の設計形状に対する波面収差変化データを計算しておく。この波面収差変化データは、対象面が単位偏心量だけ偏心したときの透過波面収差の波面収差形状変化を示すものである。
【０２１０】
続いて、波面収差変化データをゼルニケフィッティングして、ゼルニケ係数、すなわちゼルニケ波面収差変化データを得る。次に、１８０度対称な公転角度の２状態で、ゼルニケ波面収差変化データについて以下の演算を行う。
【０２１１】
ゼルニケ多項式の瞳座標が偶数の項のゼルニケ係数について差をとり、ゼルニケ多項式の瞳座標が奇数の項のゼルニケ係数について和をとる。この演算によって得られた結果を、偏心収差感度とする。偏心収差感度は、被検光学系の各面における偏心自由度ごとの単位偏心量、あるいは単位変位量の１乗に比例して発生する収差成分量と考えることができる。
【０２１２】
ステップＳ１４０では、偏心収差感度、収差成分及び自転に伴う被検光学系の各面の各偏心自由度の変位量について連立１次方程式を立式する。そして、最小二乗法などのアルゴリズムにより、この連立１次方程式を解析する。これにより、自転に伴う被検光学系の各面における偏心自由度ごとの変位量を算出する。
【０２１３】
第５実施形態の波面計測方法を実施するために、本実施形態の波面計測装置は、自転軸基準偏心量算出部を有し、自転軸基準偏心量算出部は、解析された被検光学系の各面の各偏心自由度の変位量から自転軸基準の被検光学系の偏心量を算出することが好ましい。
【０２１４】
波面データ生成部を含む別の処理部を図２７に示す。図２５と同じ構成については同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。
【０２１５】
波面データ生成部６Ａには、自転軸基準偏心量算出部１５０が接続されている。自転軸基準偏心量算出部１５０では、上述のステップＳ１４０とステップＳ１４１の処理が行われる。これにより、自転軸基準の被検光学系の偏心量が得られる。
【０２１６】
また、自転軸基準偏心量算出部１５０での処理を、演算処理部１１０で行っても良い。この場合、図２７に示す処理部で行う処理を、図２０に示す波面データ生成部６で行うことができる。
【０２１７】
偏心算出の例を説明する。連立１次方程式の解析によって、自転に伴う被検光学系の各面における各偏心自由度の変位量が得られる。この各偏心自由度の変位量については、自転角度を考慮することで、基準位置を設けることで、空間上の位置として特定することができる。具体的には、自転角度が１８０度の場合は、自転に伴う被検光学系の各面における各偏心自由度の変位量を−２で割れば、自転軸基準の自転前のレンズ面の位置を特定することができる。
【０２１８】
例えば、レンズ面が球面で構成されている場合は、レンズ面の位置は球心で表すことができる。図２８は被検光学系の自転による球心の移動量を示す図である。図２８では、被検光学系１０は４つのレンズ面で構成されている。
【０２１９】
第１の状態、すなわち自転を実施する前の状態では、球心２００、球心２０１、球心２０２及び球心２０３は、自転軸の一方の側に位置している。この状態から自転を行うと、球心２００、球心２０１、球心２０２及び球心２０３は、自転軸の他方の側に移動する。この他方の側は、自転軸を挟んで一方の側と反対の位置である。
【０２２０】
図２８に示すように、自転軸に対する球心の偏心量は、球心２００ではδ１、球心２０１ではδ２、球心２０２ではδ３、球心２０３ではδ４である。被検光学系１０の回転によって、球心２００、球心２０１、球心２０２及び球心２０３の各々は変位する。この変位量は、自転前の自転軸に対する偏心量の−２倍となる。
【０２２１】
なお、レンズ面が複数存在する場合、レンズ面どうしの偏心量を評価しても良い。この場合は、図２８に示すように、空間に分布する複数レンズ面の偏心量が最小になるように、新たな軸２１０を設定する。そして、新たな軸２１０を基準にして、レンズ面の偏心量を評価すれば良い。
【０２２２】
新たな軸２１０の設定は、例えば、仮の軸を設定し、仮の軸から球心までの距離について、全レンズ面で２乗和をとる。そして、仮の軸を変化させて、２乗和が最小となったときの仮の軸を新たな軸にすれば良い。あるいは、仮の軸から球心までの距離をレンズの曲率半径で割った量について、全レンズ面で２乗和をとる。そして、仮の軸を変化させて、２乗和が最小となったときの仮の軸を新たな軸にしても良い。
【０２２３】
さらに、空間上に独自の軸を定義し、その軸基準のレンズ面の位置として偏心量を算出することができる。例えば、第１面の非球面軸を基準として第２面の非球面軸傾き、第２面の非球面面頂位置を算出することができる。
【０２２４】
本実施形態の波面計測装置及び波面計測方法では、被検光学系を公転軌道に沿って移動させながら、波面収差データの測定を行っている。この移動によって、波面収差データの取得は、被検光学系に対してに周状に行われている。そのため、本実施形態の波面計測装置及び波面計測方法によれば、例えば、被検光学系に面精度エラーがあってもロバストな偏心測定が可能になる。
【０２２５】
面精度エラーが１８０度回転させると同じ形になる、面の曲率半径誤差や回転対称なうねり（表1に示すゼルニケ項の４項、９項、１６項・・・といった形状）、アス（５項、６項、１２項、１３項・・・といった形状）、四つ葉状（１７項、１８項・・・といった形状）の場合については、（セルフリファレンス法（第２実施形態の波面計測方法：被検光学系を自転させる方法）でキャンセルできる。しかし三つ葉状の面精度エラー（１０項，１１項・・・）といった形状に対しては、１８０度回転のセルフリファレンス法でキャンセルできない。
【０２２６】
三つ葉形状の面精度エラーは、仮に断面形状を測定して偏心を測定したとしても、この方法では被検光学系の方位によって偏心量が変わりうる。これに対して、本実施形態の波面計測装置及び波面計測方法では、被検光学系をどの方位にしても非常にロバストな偏心測定が可能である。
【０２２７】
波面計測装置１’では、波面収差データを解析することで、被検光学系１０の面頂位置を求めることができる。そこで、２つのパターンで被検光学系を測定して、面頂位置を求めた場合について説明する。
【０２２８】
図９は被検光学系の面形状を示す図である。被検光学系１０は単レンズである。レンズ面５０は、レンズの周辺部に凹部と凸部を複数有する。具体的には、図９に示すように、凹部Ｌ１と凸部Ｈ１、凹部Ｌ２と凸部Ｈ２及び凹部Ｌ３と凸部Ｈ３を有している。凹部と凸部は、面の中心を挟んで対向している。図９に示す面形状は製造誤差によって生じた形状であって、設計で決まっている形状ではない。
【０２２９】
ここで、同じ被検光学系１０を使って計測を複数回行う場合を考える。測定を行う前では、当然のことながら、レンズ面の形状や偏心位置は判明していない。そこで、計測装置に基準位置を設けて、計測装置に被検光学系１０をセットすると、例えば、以下のような状況が生じる。
【０２３０】
１回目の測定では、凹部Ｌ１が基準位置と一致するように被検光学系１０がセットされる。２回目の測定では、凸部Ｈ２が基準位置と一致するように被検光学系１０がセットされる。３回目の測定では、凸部Ｈ３と凹部Ｌ２の中間位置が基準位置と一致するように被検光学系１０がセットされる。
【０２３１】
このように、被検光学系１０における特定部位が基準位置と一致しない状況を、ここでは、「基準位置に対する被検光学系の向きが異なる」という。被検光学系１０における特定部位とは、例えば、凹部、凸部、面頂位置（偏心位置）である。
【０２３２】
図１０は測定パターンを示す図であって、（ａ）は第１のパターンを示す図、（ｂ）は第２のパターンを示す図である。
【０２３３】
第１のパターン５１による測定では、図１０（ａ）に示すように、レンズ面５０の周辺部に照射した光束を、円を描くようにして移動させる。第１のパターン５１は、光束の位置を固定して被検光学系を公転させた場合のパターンと同じである。よって、第１のパターン５１は、本実施形態の波面計測装置における測定パターンということができる。
【０２３４】
第２のパターン５２による測定では、図１０（ｂ）に示すように、レンズ面５０に照射した光束を、十字方向に移動させている。第２のパターン５２は、従来の計測装置で多用されている測定パターンのうちの一つである。
【０２３５】
第１のパターン５１による測定と第２のパターン５２による測定では、共に、光束を移動させながら、複数の位置で光束を測定している。そして、測定した各位置での測定データを用いて、面頂位置を算出している。したがって、第１のパターン５１による測定では、円を描く移動が終了すると面頂位置が算出される。また、第２のパターン５２測定では、十字を描く移動が終了すると面頂位置が算出される。
【０２３６】
計測装置に被検光学系１０を載置するたびに、基準位置に対する被検光学系１０の向きが異なるという状況は、レンズ面５０を回転させることで再現できる。
【０２３７】
図１１は、レンズ面を回転させたときの様子を示す図であって、（ａ）回転角度が０度のときの図、（ｂ）は回転角度が３０度のときの図、（ｃ）は回転角度が６０度のときの図である。
【０２３８】
図１１において、基準位置５３は計測装置の基準位置である。１回目の測定では、図１１（ａ）に示すように、凹部Ｌ１が基準位置５３と一致するようにレンズ面５０がセットされている。この状態で第１のパターン５１による測定を行い、面頂位置を算出する。続いて、同じ状態で第２のパターン５２による測定を行い、面頂位置を算出する。
【０２３９】
次に、レンズ面を３０度回転させて、２回目の測定を行う。２回目の測定では、図１１（ｂ）に示すように、凹部Ｌ１と凸部Ｈ２との中間位置が基準位置５３と一致するように、レンズ面５０がセットされている。この状態で第１のパターン５１による測定を行い、面頂位置を算出する。続いて、同じ状態で第２のパターン５２による測定を行い、面頂位置を算出する。
【０２４０】
更に、レンズ面を更に３０度回転させて、３回目の測定を行う。３回目の測定では、図１１（ｃ）に示すように、凸部Ｈ２が基準位置５３と一致するようにレンズ面５０がセットされている。この状態で第１のパターン５１による測定を行い、面頂位置を算出する。続いて、同じ状態で第２のパターン５２による測定を行い、面頂位置を算出する。
【０２４１】
このように、レンズ面が１回転するまで、レンズ面の回転と、各位置での第１のパターン５１による測定と第２のパターン５２による測定を行う。その結果を図１２に示す。
【０２４２】
図１２は面頂の位置を示す図であって、（ａ）は第１のパターンによる測定から求めた面頂位置を示す図、（ｂ）は第２のパターンによる測定から求めた面頂位置を示す図である。図１２において、原点は自転軸を表し、ＸＹ軸は自転軸に対して直交する２つの直交する軸で、偏心量の方向・大きさを示す軸である。
【０２４３】
図１２は、２０度ごとにレンズ面を回転させたときの計測結果である。この場合、測定回数は１８回になるので、測定で得られた面頂位置の数も１８になる。見易さのために、第１面の面頂位置ＳＰ１の各点を実線で繋いでいる。また、第２の面頂位置ＳＰ２の各点を破線で繋いでいる。
【０２４４】
第１のパターンで測定した場合は、図１２（ａ）に示すように、第１の面頂位置ＳＰ１は、どの角度においても、第２の面頂位置ＳＰ２よりも内側に位置している。よって、第１のパターンで測定する場合は、基準位置に対する被検光学系１０の向きが異なっていても、面頂位置は正しく求まる。すなわち、計測装置に被検光学系１０をどのような向きでセットしても面頂位置は正しく求まる。
【０２４５】
これは、被検光学系に偏心が生じている場合、偏心量と偏心位置が正しく求まることを意味している。また、偏心量と偏心位置を求めるためには波面収差が必要であることから、第１のパターンによる測定では、波面収差を正しく求めることができる。
【０２４６】
一方、第２のパターンで測定した場合は、図１２（ｂ）に示すように、回転角度によっては、第１の面頂位置ＳＰ１が第２の面頂位置ＳＰ２よりも内側に位置する場合もあれば、第１の面頂位置ＳＰ１が第２の面頂位置ＳＰ２よりも外側に位置する場合もある。よって、第２のパターンで測定する場合は、基準位置に対する被検光学系１０の向きが異なると、面頂位置がばらつくことを意味している。すなわち、計測装置に被検光学系１０をセットした時の向きによって、面頂位置がばらつくことを意味している。
【０２４７】
このように、第２実施形態の波面計測装置によれば、計測装置に被検光学系１０をどのような向きでセットしても、波面収差や、偏心量や、面頂位置を正しく求めることができる。
【０２４８】
上述のように、偏心収差感度、収差成分及び自転に伴う被検光学系の各面における各偏心自由度の変位量、について連立１次方程式を立式する。そして、最小二乗法などのアルゴリズムにより、連立１次方程式を解析する。その結果、自転に伴う被検光学系の各面における各偏心自由度の変位量を算出することができる。この算出を行った際、フィッティング残差は被検光学系の偏心以外の製造誤差の程度を反映していると考えることができる。よって、この情報を被検光学系の性能や製造誤差解析の手がかりにすることもできる。
【０２４９】
また、本実施形態の波面計測方法では、上述の前後反転機構９０を使用した波面計測を行うことが好ましい。本実施形態の波面計測方法によれば、偏心自由度が多い場合でも、偏心自由度ごとの偏心を測定することが可能になる。あるいは、偏心測定精度の向上が可能になる。
【０２５０】
図１８に示す波面計測装置１００では、保持部３は第２の移動機構８０上に位置している。また、第２の移動機構８０は第１の移動機構４０上に位置している。よって、保持部３は、被検光学系を１０自転させる自転機構（第２の移動機構）ごと、軸外しシフトできる構造になっている。波面計測装置１００では、軸外しシフトにより公転測定を行うと共に、軸外しシフトした状態で、被検光学系の自転によるセルフリファレンス法を実施することができる。
【０２５１】
本実施形態の波面計測方法での特徴は、保持部３を計測軸７と垂直な軸の周りに１８０度回転させる工程を有していることである。この回転軸は前後反転軸９１である。本実施形態の波面計測方法では、前後反転軸９１は波面計測装置におけるＹ軸と平行にとる。
【０２５２】
本実施形態の波面計測方法では、前後反転軸９１の周りに保持部を回転する前の状態で、公転による軸外波面収差測定、セルフリファレンス法及び１次の偏心収差抽出法を行う。
【０２５３】
次に、前後反転軸９１の周りに保持部３を１８０度回転させる。前後反転軸９１の周りに保持部３を１８０度回転させると、被検光学系１０の前後がＹ軸周りに反転する。なお、計測軸７と自転軸（例えば、開口部９の中心軸１１）は多少の軸ずれがあっても問題ない。このとき自転軸と被検光学系１０の相対的な位置関係は変わらない。
【０２５４】
ここで、偏心自由度について説明する。偏心自由度は、偏心の種類を示すものである。偏心自由度には、大きく分けてシフトとチルトとがある。図２９は偏心自由度を説明する図であって、（ａ）は球面における偏心自由度を示し、（ｂ）、（ｃ）は非球面における偏心自由度を示している。
【０２５５】
図２９（ａ）に示すように、球面における偏心は球心の位置で表すことができる。球面における偏心自由度は、幾何学的に、Ｘ方向のシフトとＹ方向のシフトのみである。
【０２５６】
また、球面では、仮に空間上のある点を中心に球面がチルトしたとしても、チルトは、Ｘ方向のシフトやＹ方向のシフト及びＺ方向の面間隔ズレが生じたと考えることができる。よって、球面における偏心自由度は、Ｘ方向のシフトとＹ方向のシフトのみと考えてよ
い。
【０２５７】
なお、面間隔のズレは製造時にも生じる。製造時の面間隔のズレは、例えば、１つのレンズでは肉厚の誤差、２つのレンズではレンズ間隔の誤差になる。製造誤差による面間隔のズレと、球面がチルトした時の面間隔のズレとは、現実的には区別できない。
【０２５８】
一方で、非球面は、図２９（ｂ）、（ｃ）に示すように、非球面面頂と非球面軸を持っている。非球面軸は回転対称な軸である。非球面はこの非球面軸を有するため、非球面の場合は、偏心自由度として、Ｘ方向のシフトとＹ方向のシフトに加えて、Ａ方向のチルトとＢ方向のチルトがある。Ｘ方向のシフトとＹ方向のシフトは、非球面面頂に関する偏心自由度である。また、Ａ方向のチルトとＢ方向のチルトは、非球面軸に関する偏心自由度である。
【０２５９】
前後反転軸９１の周りに保持部３を１８０度回転させると、自転軸に対する被検光学系１０の偏心量は、Ｘ方向の符号は反転するが、Ｂ方向の符号は同じである。また、Ｙ方向の符号は同じで、Ａ方向の符号は逆になる。
【０２６０】
この点について説明する。レンズ面が球面の場合、レンズ面が偏心していると、自転によって球心が移動する。図３０は自転による球心の移動を示す図であって、（ａ）は前側計測時での球心の移動を示し、（ｂ）は後ろ側計測時での球心の移動を示している。なお、図３０では、球心の近傍のレンズ面を円で示している。よって、２つの円は、各々、同一のレンズ面の一部を表示しているに過ぎない。
【０２６１】
前側計測は、前後反転軸９１の周りに保持部３を１８０度回転させる前の計測である。前側計測時の球心の動きを、図３０（ａ）を用いて説明する。自転前では、球心２２０はOxOy座標系の第１象限に位置している。そして、自転後では、球心２２０は第３象限に位置している。球心２２０の移動量はδｆで、ｘ成分はδＸ、ｙ成分はδＹである。
【０２６２】
後ろ側計測は、前後反転軸９１の周りに保持部３を１８０度回転させた後の計測である。後ろ側計測時の球心の動きを、図３０（ｂ）を用いて説明する。自転前では、球心２２０はOxOy座標系の第２象限に位置している。そして、自転後では、球心２２０は第４象限に位置している。球心２２０の移動量はδｒで、ｘ成分はδＸ、ｙ成分はδＹである。
【０２６３】
上述のように、前後反転軸９１の周りの回転を行う計測では、所定の距離の絶対値が、後ろ側計測時と前側計測時とで同じになるように、被検光学系１０が配置されている。よって、｜δｆ｜＝｜δｒ｜となる。
【０２６４】
なお、球心２２０の移動を示すベクトルにおいて、Ｙ成分のベクトルの向きは、前側計測時と後ろ側計測時とで同じである。一方、Ｘ成分のベクトルの向きは、前側計測時と後ろ側計測時とで逆向きになる。
【０２６５】
このようなことから、後ろ側計測で得た計測結果を用いて演算を行う場合は、数値の符号を反転させる必要がある。
【０２６６】
次に、偏心収差感度、前後反転軸９１周りの回転前と回転後とで得られた収差成分及び自転に伴う被検光学系の各面における各偏心自由度の変位量、について連立１次方程式を立式する。そして、この連立１次方程式を、最小二乗法などのアルゴリズムにより解析する。これにより、自転に伴う被検光学系の各面の各偏心自由度の変位量を算出する。ただし、前後反転回転後の偏心収差感度の各偏心自由度については、Ｘ方向の符号は反転、Ｂ方向の符号は同じ、Ｙ方向の符号は同じ、Ａ方向の符号は逆にさせる。算出された各偏心自由度の変位量は、前後反転軸回転前の回転軸基準の変位量である。
【０２６７】
偏心算出については、図２６示す処理と同様に実施すれば良い。
【０２６８】
以下、被検光学系の各面における変位量の１乗に比例する収差を抽出する点について説明する。以下の式に用いられる座標について説明する。図３１は計測系における座標と被検光学系の偏心を示す図であって、（ａ）は偏心をレンズ面で示した図、（ｂ）は偏心を球心で示した図である。
【０２６９】
図３１では、光源部(投光投光系)の座標系をOx軸、Oy軸及びOz軸で表し、波面測定部の座標系をρx軸とρy軸とで表している。また、光源部における座標を物体高座標(Ox,Oy,Oz)で表し、波面測定部における座標を瞳座標(ρx,ρy)で表す。
【０２７０】
図３１（ａ）に示すように、被検光学系は、第１レンズ面ＬＳ1から第ｊレンズ面ＬＳjまでのレンズ面から構成されている。ここでは、これらのレンズ面がOz軸に対してＹ方向にシフトしている状況を考える。また、レンズ面はいずれも球面とする。
【０２７１】
図２９（ａ）で説明したように、レンズ面が球面の場合、レンズ面の偏心は球心で表すことができる。そこで、図３１（ｂ）では、球心を用いてレンズ面のシフトを表している。図３１（ｂ）において、ＳＣ1、ＳＣ2、・・・、ＳＣjは、各レンズ面の球心を表している。
また、δ1、δ2、・・・、δjは、各レンズ面のＹ方向のシフト量を表している。
【０２７２】
１次の偏心収差抽出法について説明する。偏心誤差や面精度エラーなどの製造誤差のない回転対称な被検光学系について考える。被検光学系の透過光束の波面収差をΦ（Ox,Oy,ρx,ρy）として示す。被検光学系は回転対称であるので、Φは以下の３つの項を用いてベキ多項式で展開できる（参照文献M.Born and E.Wolf,Principles of Optics）。
【数１】
2016157344.tif 000003
【０２７３】
すなわち、Φは以下の式（１）で表される。式（１）からは、瞳座標が偶数次数の項に乗じられる物体座標次数も偶数、瞳座標が奇数次数の項に乗じられる物体座標次数も奇数であることが読み取れる。
【数２】
2016157344.tif 000004
【０２７４】
次に物体座標がＸ方向にδｘ、Ｙ方向にδｙずれたときのΦを考える。この時のΦは、展開すると、式（２）に示すように、式（１）にδｘ、δｙが含まれる項が加わった形になる。
【数３】
2016157344.tif 000005
【０２７５】
式（２）からは、δｘ、δｙのトータルの次数が奇数次としてδｘ、δｙが乗じられている項について、乗じられている多項式は、瞳座標の偶数次と物体座標の奇数次の積、あるいは、瞳座標の奇数次と物体座標の偶数次の積、になっていることが読み取れる（式（１）の物体高座標の次数が１つ分、δｘ・δｙに置き換わったと考えるとわかりやすい。よって物体座標次数が式（１）で偶数だった項が奇数へ、奇数だった項が偶数へ変化した。）。
【０２７６】
煩雑になるのを防ぐために、括弧を用いて瞳座標と物体座標の多項式で表現すると、式（２）は以下の式（３）で表わされる。
【数４】
2016157344.tif 000006
【０２７７】
カッコ内の多項式の各項の係数は、以下を使って表わされる。
【数５】
2016157344.tif 000007
【０２７８】
なお、式（３）の括弧内の多項式は、瞳座標についてゼルニケ多項式を用いて展開することができる。このことから、１次の偏心収差抽出法において、以下のように減算を行うと、瞳座標が偶数次数の項に、δｘの奇数次、δｙの奇数次がかかった項を抽出することができる。
【数６】
2016157344.tif 000008
【０２７９】
また、１次の偏心収差抽出法において、以下のように加算を行うと、瞳座標が奇数次数の項に、δｘの奇数次、δｙの奇数次がかかった項を抽出することができる。
【数７】
2016157344.tif 000009
【０２８０】
δｘ、δｙの量が微小であれば、δｘの３次・５次・・、δｙの３次・５次がかかった項の収差量は無視できるほど小さいと考えられる。そのため、１次の偏心収差抽出法を行うことで、δｘの１次、δｙの１次がかかった項を抽出できていると考えてさしつかえない。
【０２８１】
よって、減算を行った結果は、以下の式（４）で表わされる。
【数８】
2016157344.tif 000010
【０２８２】
一方、加算を行った結果は、以下の式（５）で表わされる。
【数９】
2016157344.tif 000011
【０２８３】
被検光学系を透過した光束の波面収差は、被検光学系の各面を透過したときに発生する収差の和であると考えられる（参照文献H.H.Hopkins,Wave Theory of Aberrations）。k面によって発生する収差をΦkとすると、被検光学系の透過光束の波面収差Φは以下のように考えることができる。
【数１０】
2016157344.tif 000012
【０２８４】
但し、Φkは以下の式（６）で表される
【数１１】
2016157344.tif 000013
【０２８５】
Ox,Oy,ρx,ρyはk面ごとの座標ではなく被検光学系全体の座標で表示した。k面がＸ方向にδkｘ、Ｙ方向にδkｙ偏心したときのΦkを考えると、Φkは以下の式（７）で表わされる。
【数１２】
2016157344.tif 000014
【０２８６】
煩雑になるのを防ぐために、括弧を用いて瞳座標と物体座標の多項式で表現すると、式（７）は以下の式（８）で表わされる。
【数１３】
2016157344.tif 000015
【０２８７】
δｘ、δｙの算出と同様に、δｋｘ、δｋｙの量が微小であれば、１次の偏心収差抽出法を用いることで、δｋｘの１次、δｋｙの１次がかかった項を抽出できると考えられる。ｋ面だけでなく被検光学系の各面について、偏心自由度ごとの偏心量の１乗が乗じられる項を抽出することができる。
【０２８８】
減算を行った結果は、以下の式（９）で表わされる。
【数１４】
2016157344.tif 000016
【０２８９】
一方、加算を行った結果は、以下の式（１０）で表わされる。
【数１５】
2016157344.tif 000017
【０２９０】
１面の偏心自由度は、球面だとXYの２つ、非球面だとXYBAの４つである。以上の説明では、偏心自由度をXYの２つとして説明した。BAの偏心自由度を考慮する場合も導出は省略するが、１次の偏心収差抽出法を実施することで、同様にδkB、δkAの項が抽出される。
【０２９１】
１次の偏心収差抽出法では、瞳座標が偶数次数か奇数次数かで、収差の和をとるか差をとるかが変わるが、実測の波面収差をゼルニケフィッティングすることで、瞳座標の偶数次数の項に対応する収差成分と奇数次数の項に対応する収差成分を分離することができる。ゼルニケ多項式を表１に示す。
【表１】
2016157344.tif 000018
【０２９２】
１次の偏心収差抽出法によれば、偏心量とそれによって発生する収差量（第１の収差成分）を線形関係として扱うことができる。
【０２９３】
セルフリファレンス法について説明する。一般的に、実測で得た収差には、被検光学系由来の収差だけでなく、計測装置の製造誤差によって生じる収差（システム収差）が含まれる。例えばシャックハルトマンセンサーのマイクロレンズアレイが撮像素子に対して傾いている、あるいは基板が歪んでいる、投光光学系や受光光学系に面精度エラーや組み立て時のアライメント誤差がある、などが考えられる。
【０２９４】
また、実測では様々な軸、例えば、投光光学系の軸、受光光学系の軸、被検光学系軸が存在する。これらの軸は、実際には偏心があるため概略の軸という意味合いで用いている。これらの軸と公転軸とを完全に一致させることは、困難である。公転軸とは、被検光学系を公転軌道させる際の公転軌道の中心位置を通る軸である。
【０２９５】
このような場合に被検光学系の偏心量を算出する際、求まった偏心量は何を基準にしたときの偏心量なのかなど、偏心量の意味合いがあいまいとなってしまう。
【０２９６】
セルフリファレンス法は、このような問題を解決する方法である。セルフリファレンス法では、計測装置の製造誤差によって生じるシステム収差を除去でき、同時に、被検光学系の偏心量の基準軸を作ることができる。これによって、高精度な偏心測定を実現することができる。
【０２９７】
セルフリファレンス法では、被検光学系を自転させる前での測定と、自転させた後での測定が行われる。自転前の測定で得られる被検光学系の波面収差は、以下の式（１１）で表わされる。
但し、
δkx+Jx、δky+Jyは、被検光学系のk面における投光光学系の軸基準の偏心量であって、被検光学系が公転軸から離れた位置に配置された状態において、与えられた公転シフトベクトル量を無視したときの偏心量、
sysは、システム収差、
Jx,Jyは、投光光学系の軸基準の公転軸の偏心量、
δkx、δkyは、自転軸基準の被検光学系の偏心量、
である。
【０２９８】
また、δkx,δky,Jx,Jyは微小量のためそれらの3乗以降に比例する項は無視する。
【０２９９】
【数１６】
2016157344.tif 000019
【０３００】
自転後の測定で得られる被検光学系の波面収差は、以下の式（１２）で表わされる。ここでは、被検光学系を自転軸周りに１８０度回転させている。
【数１７】
2016157344.tif 000020
【０３０１】
セルフリファレンス法を実施して、自転前での波面収差と自転後の波面収差とから波面収差変化データを計算する。
【数１８】
2016157344.tif 000021
【０３０２】
このままの状態では、まだ投光光学系の軸と公転軸の軸の偏心の影響が除去できていない。そのため、さらに１次の偏心収差抽出法を実行する。
【数１９】
2016157344.tif 000022
【数２０】
2016157344.tif 000023
【０３０３】
ゼルニケフィッティングの性質から、瞳座標偶数次の項を分離することで、自転軸基準の偏心量に比例する収差成分を得ることができる。
【数２１】
2016157344.tif 000024
【０３０４】
ゼルニケフィッティングの性質から、瞳座標奇数次の項を分離することで、自転軸基準の偏心量に比例する収差成分を得ることができる。
【数２２】
2016157344.tif 000025
【０３０５】
ここで、物体座標、瞳座標及び偏心量で表わされた波面収差に対して、セルフリファレンス法と１次の偏心収差抽出法を用いることで、自転に伴う被検光学系の各面の変位量の1乗に比例する収差成分が抽出できることを説明してきた。
【０３０６】
セルフリファレンス法と１次の偏心収差抽出法は、被検光学系を軸外しシフト移動させることで軸外波面収差測定を行う場合についても、問題なく適用できる。上記の説明の物体座標が公転シフトベクトルに対応すると考えればよい。
【０３０７】
公転シフトベクトルに誤差がある場合、すなわち、測定装置の被検光学系の位置を制御する装置による位置決め誤差がある場合の影響を考える。しかしながら被検光学系の変位量がミクロンオーダーであるのに対して、公転シフトベクトルの大きさのオーダーはミリオーダーである。仮に公転シフトベクトルの位置決め誤差が数ミクロンであったとしても本来の公転シフトベクトルの大きさの誤差の割合としては１％未満である。
【０３０８】
よって、公転シフトベクトルの大きさにミクロンオーダーの誤差があったとしても、上記第１の収差成分の式から見て、収差成分を高精度に測定することが可能である。
【０３０９】
公転軸が投光光学系の軸から(Jx,Jy)だけずれても問題なく第１の収差成分を抽出できることは上記で既に説明した。
【０３１０】
受光光学系が投光光学系の軸からずれた場合の影響はシステム収差sysに含まれる。システム収差sysがあっても問題なく第１の収差成分を抽出できることは上記で既に説明した。
【０３１１】
投光光学系・受光光学系を含めた測定装置に偏心誤差・面精度エラー・組み立て誤差などの製造誤差があってもシステム収差sysに含まれる。システム収差sysがあっても問題なく第１の収差成分を抽出できることは上記で既に説明した。
【０３１２】
偏心方程式を解くために必要な偏心収差感度の計算方法を説明する。偏心方程式は1次方程式のため偏心量に対して発生する収差量は線形で取り扱える工夫が必要とある。
【０３１３】
光学CADで以下のように偏心量の1乗に比例する偏心収差感度を計算する。
【０３１４】
実測で使用する被検光学系・投光系・受光系を用いた計測機を光学CADのレンズデータに反映させる。
【０３１５】
被検光学系のデータは、偏心誤差・面精度エラーといった製造誤差はなく理想状態で設定する。被検光学系の軸・投光系の軸・受光系の軸・自転軸・公転軸は一致している設定とする。
【０３１６】
実測と同じ照射条件・公転シフトベクトルで、各公転シフトベクトルにおける波面収差データを取得する。これを参照波面収差データとする。
【０３１７】
次に偏心自由度ごとに単位偏心量だけ偏心させた状態で、同様に各公転シフトベクトルにおける波面収差データを取得する。これを測定波面収差データとする。
【０３１８】
両者の波面収差データから波面収差変化量を解析する。さらにゼルニケフィッティングを行い定量化する。これをゼルニケ波面収差変化感度と呼ぶことにする。
【０３１９】
各公転シフトベクトルにおけるゼルニケ波面収差変化感度について、対称な公転シフトベクトルについて１次の偏心収差抽出法を実行する。これを偏心収差感度と呼ぶことにする。
【０３２０】
両面非球面単レンズの偏心測定をする場合を説明する。偏心自由度は1面のX、2面のX、1面のB、2面のB、1面のY、2面のY、1面のA、2面のAの８つとなる。
【０３２１】
自転軸に伴う面の変位量を偏心自由度ごとにHX1,HX1,HB1,HB2,HY1,HY2,HA1,HA2とする。それら偏心自由度ごとの偏心収差感度をX1,X2,B1,B2,Y1,Y2,A1,A2とする。実測で得た第１の収差成分をTとする。
【０３２２】
ゼルニケ項と公転角度θを括弧を用いて（ゼルニケ項、公転角度）として示す。偏心方程式は以下のようになる。
【数２３】
2016157344.tif 000026
【０３２３】
さらに前後反転後のデータを用いると以下のようになる。但し、前後反転後のデータにはダッシュを付けて示した。前後反転をY軸周りに実施する場合、X感度とA感度を反転させる。
【数２４】
2016157344.tif 000027
【０３２４】
最小二乗法などのアルゴリズムで自転軸に伴う面の変位量を偏心自由度ごとにHX1,HX1,HB1,HB2,HY1,HY2,HA1,HA2を求めることができる。自転角度が１８０度の場合、それらを−２で割った値が、前後反転前の自転軸基準の各面の位置を示している。
【産業上の利用可能性】
【０３２５】
以上のように、本発明は、被検光学系の軸外透過波面収差を簡易的な機構を用いて短時間に測定することを可能とする波面計測装置及び波面計測方法に適している。
【符号の説明】
【０３２６】
１、１’  波面計測装置
２  光源部
３  保持部、
４  受光光学系
５  波面測定部
６  波面データ生成部
７計測軸
８  ステージ
９  開口部
１０、１０’  被検光学系
１１  開口部の中心軸
１２  開口部の中心
２０、２３  被検光学系
２１、２４、２５、２６  レンズ
２２  レンズ枠
２７  鏡筒
３０  シャックハルトマンセンサー
３１  マイクロレンズアレイ
３２  撮像素子
４０  第１の移動機構
４１、４２  移動ステージ
４３、４４、４５、４６  領域
４７  移動軌跡
５０  レンズ面
５１  第１のパターン
５２  第２のパターン
５３  基準位置
６０  波面計測装置
６１  受光光学系
６２、６３  レンズ
７０  波面計測装置
７１、７５  投光光学系
７２、７３、７６、７７  レンズ
７４  光学絞り
８０  第２の移動機構
９０  前後反転機構構
９１  回転ステージの中心軸
９２  波面計測装置の本体部
９３  枠部材
１００  波面計測装置
１０１  本体部
１０２、１０３、１０４、１０５  保持部材
１１０  演算処理部
１１１  プログラム記憶部
１１２  データ記憶部
１１３  第１の移動機構制御部
１１４  第２の移動機構制御部
１２１  第１の波面データ取得制御部
１２２  第２の波面データ取得制御部
１３０  波面変化データ解析部
１４０  収差成分量抽出解析部
１５０  自転軸基準偏心量算出部
２００、２０１、２０２、２０３  球心
２１０  新たな軸
２２０  球心
Ｌ１、Ｌ１’、Ｌ２、Ｌ２’、Ｌ３、Ｌ３’、Ｌ４、Ｌ４’  光束
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３  凸部
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３  凹部
ＳＰ１  第１の面頂位置
ＳＰ２  第２の面頂位置
Ｓ  レンズ面
δ１、δ２、δ３、δ４  偏心量
Ｘ、Ｙ、Ａ、Ｂ  偏心自由度
【図１】
2016157344.tif 000028
【図２】
2016157344.tif 000029
【図３】
2016157344.tif 000030
【図４】
2016157344.tif 000031
【図５】
2016157344.tif 000032
【図６】
2016157344.tif 000033
【図７】
2016157344.tif 000034
【図８】
2016157344.tif 000035
【図９】
2016157344.tif 000036
【図１０】
2016157344.tif 000037
【図１１】
2016157344.tif 000038
【図１２】
2016157344.tif 000039
【図１３】
2016157344.tif 000040
【図１４】
2016157344.tif 000041
【図１５】
2016157344.tif 000042
【図１６】
2016157344.tif 000043
【図１７】
2016157344.tif 000044
【図１８】
2016157344.tif 000045
【図１９】
2016157344.tif 000046
【図２０】
2016157344.tif 000047
【図２１】
2016157344.tif 000048
【図２２】
2016157344.tif 000049
【図２３】
2016157344.tif 000050
【図２４】
2016157344.tif 000051
【図２５】
2016157344.tif 000052
【図２６】
2016157344.tif 000053
【図２７】
2016157344.tif 000054
【図２８】
2016157344.tif 000055
【図２９】
2016157344.tif 000056
【図３０】
2016157344.tif 000057
【図３１】
2016157344.tif 000058
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月18日(2016.7.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（削除）
【請求項２】
光源部と、保持部と、第１の移動機構と、受光光学系と、波面測定部と、波面データ生成部と、第２の移動機構と、自転前波面データ取得制御部と、自転後波面データ取得制御部と、波面変化データ解析部と、を有し、
前記光源部は、計測軸の一方の側に配置され、
前記波面測定部は、前記計測軸の他方の側に配置され、
前記保持部は、前記光源部と前記波面測定部との間に配置され、
前記受光光学系は、前記保持部と前記波面測定部との間に配置され、
前記保持部は、被検光学系を保持する開口部を有し、
前記光源部から前記被検光学系に向けて光束を照射し、
前記波面測定部で、前記被検光学系を透過した光束を測定し、
前記波面データ生成部で、前記波面測定部で測定した結果から波面収差データを生成する波面計測装置であって、
前記受光光学系によって、前記開口部近傍と前記波面測定部近傍とが光学的に共役になっており、
前記第１の移動機構は、前記計測軸の周りの複数の位置に前記被検光学系を移動させ、
前記被検光学系における前記光束の透過領域は、前記複数の位置の各々で異なり、
前記波面測定部は、前記被検光学系を透過した光束を、前記複数の位置の各々で測定し、
前記波面データ生成部は、前記複数の位置の各々で測定した結果から前記波面収差データを生成し、
前記第２の移動機構は前記被検光学系を自転させ、
第１の状態は、前記第２の移動機構による自転を実施する前の状態であり、
第２の状態は、前記第２の移動機構による自転を実施した後の状態であり、
前記自転前波面データ取得制御部は、前記第１の状態で、前記計測軸に対して前記被検光学系を公転軌道で動かして、前記公転軌道中の前記複数の位置の各々で取得した波面収差データを保存し、
前記自転後波面データ取得制御部は、前記第２の状態で、前記計測軸に対して前記被検光学系を公転軌道で動かして、前記公転軌道中の前記複数の位置の各々で取得した波面収差データを保存し、
前記波面変化データ解析部は、前記第１の状態で取得した波面収差データを参照波面データとし、前記第２の状態で取得した波面収差データを測定波面データとし、自転に伴う波面収差変化データを取得することを特徴とする波面計測装置。
【請求項３】
前記開口部が前記波面測定部と共役となるように、前記開口部と、前記受光光学系と、前記波面測定部と、が位置決めされていることを特徴とする請求項２に記載の波面計測装置。
【請求項４】
前記被検光学系の後側主点が前記波面測定部と共役となるように、前記開口部と、前記受光光学系と、前記波面測定部と、が位置決めされていることを特徴とする請求項２に記載の波面計測装置。
【請求項５】
前記受光光学系は、最も光源部側に位置する前側光学系と、最も波面測定部側に位置する後側光学系と、を少なくとも有し、
前記前側光学系の後側焦点位置と前記後側光学系の前側焦点位置とが一致又は共役になっていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項６】
前記光源部と前記保持部の間に投光光学系を有することを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項７】
前記投光光学系は、前記受光光学系と共軸となっていることを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項８】
前記投光光学系は、集光光束を生成することを特徴とする請求項２から７のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項９】
前記集光光束の集光点の位置が前記被検光学系の前側焦点位置と一致するように、前記投光光学系と前記保持部とが位置決めされていることを特徴とする請求項２から８のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１０】
前記投光光学系は前記計測軸方向に駆動可能なことを特徴とする請求項２から９のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１１】
前記投光光学系はズームレンズであることを特徴とする請求項２から１０のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１２】
前記第１の移動機構は、前記被検光学系を回転させて前記透過領域を変化させることを特徴とする請求項２から１１のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１３】
前記第１の移動機構は前記計測軸に対して前記被検光学系を公転軌道で移動させ、
前記波面測定部は、前記公転軌道での移動中に前記波面収差データを取得することを特徴とする請求項２から１２のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１４】
（削除）
【請求項１５】
（削除）
【請求項１６】
前記波面変化データ解析部は、前記複数の位置の各々で取得した波面収差変化データについてゼルニケフィッティングを実施し、各取得位置でのゼルニケ波面収差変化データを取得することを特徴とする請求項２に記載の波面計測装置。
【請求項１７】
収差成分量抽出解析部を有し、
前記収差成分量抽出解析部は、前記各状態で得られたゼルニケ波面収差変化データについて、前記計測軸周りに１８０度対称なゼルニケ波面収差変化データどうしで、ゼルニケ多項式の瞳座標が偶数次のゼルニケ係数について差をとり、ゼルニケ多項式の瞳座標が奇数次のゼルニケ係数について和をとり、第１の収差成分を抽出することを特徴とする請求項１６に記載の波面計測装置。
【請求項１８】
前後反転機構を有し、
前記前後反転機構は、前記計測軸と直交する軸を回転軸として前記被検光学系を回転させることを特徴とする請求項２から１３、１６、１７のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項１９】
自転軸基準偏心量算出部を有し、
前記自転軸基準偏心量算出部は、解析された被検光学系の各面の各偏心自由度の変位量から自転軸基準の被検光学系の偏心量を算出することを特徴とする請求項２から１３、１６から１８のいずれか一項に記載の波面計測装置。
【請求項２０】
被検光学系近傍と波面測定部近傍とを光学的共役関係にする工程と、
波面計測装置の計測軸に対して前記被検光学系を偏心させる偏心駆動工程と、
波面測定部と波面データ生成部が、前記被検光学系を透過した光束の波面収差データを取得する波面データ取得工程と、を有し、
前記波面データ取得工程では、第１の状態と第２の状態で前記波面データの取得が行われ、
前記第１の状態では、自転を実施する前の状態で、前記計測軸に対して前記被検光学系を公転軌道で動かし、
前記第２の状態では、自転を実施した後の状態で、前記計測軸に対して前記被検光学系を公転軌道で動かし、
前記第１の状態で取得した波面収差データを参照波面データとし、前記第２の状態で取得した波面収差データを測定波面データとし、自転に伴う波面収差変化データを取得することを特徴とする波面計測方法。
【国際調査報告】
2016157344.tif 000059
2016157344.tif 000060