(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非球面の限定領域内の非球被検面の１つ以上のエリアの全体にわたる表面高さの変化を計測する光学波面センサと、
前記非球面の拡張領域内の前記非球被検面上の１つ以上のトレースに沿った表面高さの変化を計測する一点式粗面計と、を備え、
前記拡張領域は前記限定領域の少なくとも一部と重なり、前記限定領域を超えて延在し、前記非球被検面上で前記１つ以上のエリアの少なくとも１つと重なる前記１つ以上のトレースの少なくとも１つは、重なる表面高さ計測値の組を定義し、
共通の参照フレーム内の前記限定領域の計測値および前記拡張領域の計測値を一体化した計測値を生成するように、前記重なる表面高さ計測値の組の相違を最小化することにより、前記限定領域内の前記光学波面センサの表面高さ計測値と、前記拡張領域内の前記一点式粗面計の表面高さ計測値と、を組み合わせるプロセッサ、をさらに備える、
非球被検面を計測する装置。
【請求項２】
（ａ）前記光学波面センサが前記１つ以上のエリアのそれぞれ内の点の配列を計測し、（ｂ）前記一点式粗面計が前記１つ以上のトレースのそれぞれに沿った前記非球被検面上の点の連続を計測し、（ｃ）前記トレースの少なくとも１つが前記エリアの少なくとも１つと、前記非球被検面上の名目一致点において交差する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記１つ以上のトレースのそれぞれに沿った計測を行う際の前記一点式粗面計と前記非球被検面の間の相対的な動作が、単一の動作軸によって与えられる、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記プロセッサが、前記少なくとも１つのエリアの全体にわたる計測点の配列および前記少なくとも１つのトレースに沿った前記計測点の連続の両方に共通の参照フレーム内で、前記名目一致点相互の相違が最小となるように、前記少なくとも１つのトレースの前記計測点の連続の空間参照フレームを、前記少なくとも１つのエリア内の前記計測点の配列の空間参照フレームに相対的に適合させるアルゴリズムを実行する、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
（ａ）前記１つ以上のエリアが第１の参照フレームを有する第１のエリアを含み、（ｂ）前記１つ以上のトレースが第２の参照フレームを有する第１のトレースおよび第３の参照フレームを有する第２のトレースを含み、（ｃ）前記第１および第２のトレースが、前記非球被検面上の名目一致点の第１および第２の組において前記第１のエリアと交差し、（ｄ）前記プロセッサによって実行されるアルゴリズムが、前記第１および第２の組のそれぞれ内の前記名目一致点相互の相違が前記第１のエリアと前記第１および第２のトレースに関する共通の参照フレーム内で最小になるように、前記第２および第３の参照フレームのそれぞれを前記第１の参照フレームに相対的に適合させるものである、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
（ａ）前記１つ以上のエリアが第１の参照フレームを有する第１のエリアおよび第２の参照フレームを有する第２のエリアを含み、（ｂ）前記１つ以上のトレースが第３の参照フレームを有する第１のトレースを含み、（ｃ）前記第１のトレースが前記非球被検面上の名目一致点の第１および第２の組において前記第１および第２のエリアと交差し、（ｄ）前記プロセッサによって実行されるアルゴリズムが、名目一致点の前記第１および第２の組内の前記名目一致点相互の相違が前記第１および第２のエリアと第１のトレースに関する共通の参照フレーム内で最小になるように、前記第１および第２の参照フレームを前記第３の参照フレームに相対的に適合させるものである、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記光学波面センサは、前記非球被検面の前記１つ以上のエリアの形状を近似する形状をそれぞれ有する１つ以上の計測波面を生成する波面形成手段を含み、前記１つ以上の計測波面のそれぞれの形状と前記非球被検面の１つ以上のエリアのそれぞれの形状とを比較する検出装置において、前記１つ以上の非球被検面のエリアのそれぞれを画像化する画像化機構をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記波面形成手段は球面計測波面を形成し、前記一点式粗面計は、前記非球被検面上に前記波面形成手段を通った光線の焦点を形成する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記限定領域内の前記非球被検面の前記１つ以上のエリアと、前記拡張領域内の前記非球被検面の前記１つ以上のトレースの両方を計測するように、前記光学波面センサおよび前記一点式粗面計を、前記非球被検面の取り付け固定具に関して相対的に移動させる１つ以上の動作ステージをさらに備える、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記１つ以上の動作ステージが、前記限定領域内の前記非球被検面上の点の表面高さの変化を計測するように、前記一点式粗面計を前記非球被検面の前記取り付け固定具に関して相対的に移動させ、前記プロセッサがまた、前記限定領域内の前記非球被検面上の点の表面高さ計測値を、前記限定領域内の前記非球被検面の前記１つ以上のエリアの名目一致点の表面高さ計測値に関連づける、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記非球被検面上の前記１つ以上のトレースのそれぞれに沿った点の連続を計測するように、前記１つ以上の動作ステージが、前記一点式粗面計を相対的に移動させ、前記１つ以上のトレースの少なくとも１つが、前記非球被検面の前記限定領域と交差する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記プロセッサがまた、前記限定領域内の前記非球被検面の前記１つ以上のエリアの名目一致点の前記表面高さ計測値を用いて、複数の前記トレースの前記表面高さ計測値どうしを互いに関連づける、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記光学波面センサが干渉計を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１４】
前記光学波面センサがシャック−ハルトマン波面センサを含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１５】
１つ以上の動作ステージが、垂直に近い角度で入射する計測波面を非球被検面の前記１つ以上のエリアに逆反射するように、前記波面形成手段に関して前記非球被検面を第１の位置に相対的に調整し、非球被検面上の前記１つ以上のトレースのそれぞれに沿った点の連続のそれぞれに光線の焦点を形成するように、前記波面形成手段に関して前記非球面を第２の位置に相対的に調整する、請求項７に記載の装置。
【請求項１６】
前記光学波面センサおよび前記一点式粗面計に関する共通光源をさらに備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１および第２の位置の間の距離を計測する距離計測ゲージをさらに備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記プロセッサがまた、前記第１および第２の位置の間の計測された前記距離を、前記計測波面の曲率半径に変換する、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
波面形成手段が、前記計測波面を参照波面および被検波面に分割する参照面を有するフィゾー干渉計の一部であり、前記参照波面は参照面から反射され、前記被検波面は前記非球被検面に伝達されてそこから反射される、請求項７に記載の装置。
【請求項２０】
波面形成手段によって１つ以上の計測波面を生成するステップであって、前記１つ以上の計測波面のそれぞれが、非球被検面の限定領域内の前記非球被検面の１つ以上のエリアのそれぞれの湾曲形状を近似する湾曲形状を有する、ステップと、
前記非球被検面の前記１つ以上のエリアから反射される前記１つ以上の計測波面を、検出装置において画像化するステップと、
前記非球被検面の前記１つ以上のエリアのそれぞれの全体にわたる表面高さの変化の計測値を得るように、前記１つ以上の画像化された計測波面をデータと比較するステップと、
一点式粗面計によって、前記非球被検面の拡張領域内の前記非球被検面上の１つ以上のトレースに沿った点の連続のそれぞれに光線の焦点を形成するステップであって、前記拡張領域は、前記限定領域の少なくとも一部と重なる部分と、前記限定領域のいかなる部分とも重ならない部分の両方を有する、ステップと、
前記非球被検面上の前記１つ以上のトレースに沿った前記点の連続の中の表面高さの変化の計測値を得るように、前記一点式粗面計からの信号を監視するステップと、
前記限定領域と前記拡張領域の前記重なる部分および前記拡張領域の前記重ならない部分の両方を含む前記非球被検面の組み合わされた領域に関する表面高さ計測値を一体化した配列を生成するように、前記限定領域と前記拡張領域の重なる部分における光学波面センサおよび前記一点式粗面計の前記表面高さ計測値相互の相違を最小化することにより、前記限定領域内の前記光学波面センサの前記表面高さ計測値を、前記拡張領域内の前記一点式粗面計の前記表面高さ計測値と組み合わせるステップと、を備える、
非球被検面を計測する方法。
【請求項２１】
（ａ）前記光学波面センサが前記１つ以上のエリアのそれぞれの全体にわたる点の配列を計測し、（ｂ）前記トレースの少なくとも１つが前記エリアの少なくとも１つと、前記非球被検面上の名目一致点において交差する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記一点式粗面計が、少なくとも１つの前記トレースに沿った単一の相対的な動作軸により前記非球被検面に関して相対的に移動する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記組み合わせるステップが、前記少なくとも１つのエリアの全体にわたる計測点の配列および前記少なくとも１つのトレースに沿った前記計測点の連続の両方に共通の参照フレーム内で、前記名目一致点相互の相違が最小となるように、前記少なくとも１つのエリアの全体にわたる前記計測点の配列の空間参照フレームを、前記少なくとも１つのトレースに沿った前記計測点の連続の空間参照フレームに相対的に適合させる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
（ａ）前記１つ以上のエリアが第１の参照フレームを有する第１のエリアを含み、（ｂ）前記１つ以上のトレースが第２の参照フレームを有する第１のトレースおよび第３の参照フレームを有する第２のトレースを含み、（ｃ）前記第１および第２のトレースが、前記非球被検面上の名目一致点の第１および第２の組において前記第１のエリアと交差し、（ｄ）前記組み合わせるステップが、前記第１および第２の組のそれぞれ内の前記名目一致点相互の相違が前記第１のエリアと前記第１および第２のトレースに関する共通の参照フレーム内で最小となるように、前記第２および第３の参照フレームのそれぞれを前記第１の参照フレームに相対的に適合させる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
（ａ）前記１つ以上のエリアが第１の参照フレームを有する第１のエリアおよび第２の参照フレームを有する第２のエリアを含み、（ｂ）前記１つ以上のトレースが第３の参照フレームを有する第１のトレースを含み、（ｃ）前記第１のトレースが前記非球被検面上の名目一致点の第１および第２の組において前記第１および第２のエリアと交差し、（ｄ）前記組み合わせるステップが、名目一致点の前記第１および第２の組内の前記名目一致点相互の相違が前記第１および第２のエリアと前記第１のトレースに関する共通の参照フレーム内で最小になるように、前記第１および第２の参照フレームを前記第３の参照フレームに相対的に適合させる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記拡張領域内の前記非球被検面上の前記１つ以上のトレースのそれぞれに沿った前記点の連続の中の表面高さの変化を計測するように、前記一点式粗面計を前記非球被検面の取り付け固定具に関して相対的に移動させるステップを含み、前記拡張領域内の少なくとも１つの前記トレースに沿った前記点の連続の少なくともいくつかが前記限定領域内にもある、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記組み合わせるステップが、前記限定領域および前記拡張領域の両方内の前記非球被検面上の前記１つ以上のトレースに沿った前記点の連続の表面高さ計測値を、前記限定領域内の前記非球被検面の前記１つ以上のエリアの名目一致点の表面高さ計測値に関連づける、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記相対的に移動させるステップが、垂直に近い角度で入射する前記計測波面を非球被検面の前記１つ以上のエリアに逆反射するように、前記非球被検面を第１の位置に相対的に調整し、非球被検面上の前記１つ以上のトレースに沿った点の連続のそれぞれに光線の焦点を形成するように、前記非球被検面を第２の位置に相対的に調整することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１および第２の位置の間の距離を計測するステップと、前記第１および第２の位置の間の計測された前記距離を、前記非球被検面の局所的な曲率半径に変換するステップと、を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
（ａ）前記１つ以上の計測波面を参照面から反射される参照波面および前記非球被検面に伝達されてそこから反射される被検波面に分割するステップと、（ｂ）前記非球被検面に垂直に近い入射の位置で前記非球被検面の前記１つ以上のエリアのそれぞれの形状を近似する発散形態（ｅｖｏｌｖｉｎｇ  ｆｏｒｍ）で前記被検波面を伝達させるステップと、を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３１】
非球被検面の１つ以上のエリアの全体にわたって表面高さの変化を計測する光学波面センサであって、前記１つ以上のエリアのそれぞれの全体にわたる表面高さ計測値が、１組の波面センサ補正値によって定義された共通のエリア空間参照フレームを有し、前記波面センサ補正値のそれぞれが、前記共通のエリア空間参照フレーム上で知られた変数の影響を表す大きさおよび関数形態を有する、光学波面センサと、
前記非球被検面上の１つ以上のトレースに沿って表面高さの変化を計測する一点式粗面計であって、前記１つ以上のトレースのそれぞれに沿った表面高さ計測値が、１組の粗面計補正値によって定義される共通のトレース空間参照フレームを有し、前記粗面計補正値のそれぞれが、前記共通のトレース空間参照フレーム上で知られた変数の影響を表す大きさおよび関数形態を有する、一点式粗面計と、を備え、
前記非球被検面上の、前記１つ以上のエリアの少なくとも１つに重なる前記１つ以上のトレースの少なくとも１つが、重なる表面高さ計測値の組を定義し、
前記光学波面センサと前記一点式粗面計の重なる表面高さ計測値相互の相違を最小とする前記波面センサ補正値および前記粗面計補正値の大きさを識別することにより、前記光学波面センサの前記表面高さ計測値を前記一点式粗面計の表面高さ計測値と組み合わせるプロセッサと、を備える、
非球被検面を計測する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
光計測学の分野内で、本発明は光学計測技術の組み合わせを用いた非球面の計測に関し、そして特に、光学的波面センシングと一点式表面形状計測の両方に関し、ならびにそのような技術によって行われる計測の一体化に関する。
【背景技術】
【０００２】
非球面は、平面、円柱面、および球面とは異なる面として一般的に定義されることができ、その計測には、より簡単な形状を有する面の計測を超えて数多くの課題がある。計測の困難性が高いにもかかわらず、しばしば非球面は、より簡単な形状の面を計測する精度と同等の精度で計測されなければならない。非球面の計測に関して特に問題となるのは、非球面の局部的な曲率および傾斜の変化が大きいことであり、それはデータのキャプチャおよびデータとの比較の両方を困難にすることがある。
【０００３】
従来の表面計測技術の中で、光学的波面センシングが一般的に、被検面の限定された寸法の領域（すなわち部分開口（ｓｕｂａｐｅｒｔｕｒｅｓ））を高精度で計測することを提供する。複数のそのような部分開口計測は、当該被検面の全体を計測することをしばしば必要とする。隣接する部分開口計測相互の重なる領域内で重複するデータを用いて、当該被検面の計測の合成を形成するように部分開口計測を互いに「スティッチする（ｓｔｉｔｃｈｉｎｇ）」ことによって、計測間の位置の不確定性およびその他の相違を補償することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の波面センシング技術によって対応可能な表面変化の範囲は限られる。一般的に、計測用波面（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｗａｖｅｆｒｏｎｔ）が、例えば球面形状などの参照形状で生成され、参照形状は、計測の対象とされた被検面の期待される形状を近似する。被検面に遭遇する（例えば、被検面上で反射する）際、計測用波面の形状には、被検面の実際の形状と計測用波面の本来の形状の間の何らかの相違に応じて収差が生じる。波面センサは、戻った計測用波面の収差を記録する。多くの非球面の曲率および傾斜の変化は、そのような計測用波面において、多くの波面センサの計測範囲を超える異常値、または計測用波面をセンサに伝達する光学要素の開口を超える異常値を生成することがある。
【０００５】
従来の波面センシング技術によって対応可能な表面変化の範囲を拡張するための手法には、部分開口の寸法を減少させること、および試験中の個々の部分開口面エリアの意図した形状によりよく合致するように計測用波面の参照形状を調整することが挙げられる。部分開口計測の寸法を減少させることは、部分開口計測の数を増加させることとなり、それは部分開口を互いにスティッチするために付随する処理量、ならびにスティッチされた計測の不確実性を一般的に増加させる。計測用波面の参照形状を調整することは、参照形状が計測用波面において収差と比較することができるデータとして用いられることが可能となるように形状の調整自体を計測または（そうでなければ）決定しなければならないため、エラーの原因および計測のあいまいさを増加させることとなる。
【０００６】
別の従来の表面計測技術である一点式表面形状計測では、一回に被検面上の１つの点を計測するためのプローブ（例えば機械プローブまたは光学プローブ）を用いる。プローブ自身は一般的に単一次元の計測を行いながら、プローブと被検面の間の相対的な動作は、プローブの異なる計測を互いに対して、および被検面の意図する形状に対して関連づけるように、他の相対的な次元でも計測されなければならない。非球面を計測するために、特に光学プローブに関して、回転軸および平行移動軸の両方に沿った動作／両方の近くの動作は、非球面上の異なる計測点で実質的に垂直にプローブを置くことを一般的に必要とする。複数の軸の計測は必要な精度を達成することが困難であり、被検面を覆う多数の個別の点を十分な解像度で計測するには多大な時間を消費する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、その好ましい実施形態の中で、光学的波面センシングと一点式粗面計測の両方の技術を組み合わせて、より広い範囲の非球面、特に、従来方式で生成された波面によって容易に表すことができない傾斜や曲率の変化を含む面を計測することに関する。そのような非球面の少なくとも１つの限定領域が光学波面センサによって計測され、同じ非球面の拡張領域が一点式粗面計（ａ  ｓｉｎｇｌｅ−ｐｏｉｎｔ  ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ）によって計測される。光学波面センサによって計測された非球面の各限定領域は、各限定領域内の１つ以上の重なる部分開口を、従来方式で生成される光学的波面によって容易に近似可能にする、さらに限定された傾斜または曲率の変化を、好ましくは有する。一点式粗面計によって計測される非球面の拡張領域は、従来の光学的波面によって容易に近似できない傾斜または曲率の変化を含んでもよい。拡張領域は非球面全体にわたってもよいが、拡張領域は光学的波面センサによって計測される限定領域の少なくとも一部と重なり、非球面の残りの部分の少なくともいくらかを計測するように限定領域を超えて延在する。共通する空間参照フレーム（ｓｐａｔｉａｌ  ｆｒａｍｅ  ｏｆ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）内の２つの領域の一体化した計測を生成するために、重なる計測値相互のいかなる相違も、２つの計測技術に関する空間参照フレームを相対的に調整することにより最小化することができる。
【０００８】
光学的波面センサが、限定領域の１つ以上の各エリア（すなわち部分開口）内の点の配列を計測するように配置されてもよい。一点式粗面計測は、拡張領域内の１つ以上の各トレースに沿った点の連続を計測するように配置されてもよい。トレースの少なくとも１つが、限定領域に延在し、トレースに沿ったある数の点が、限定領域内の１つ以上のエリア内の同数の点と一致する。一致する点は、それらの空間参照フレームの動作定義と共に、共通の空間参照フレーム内の光学的波面センサおよび一点式粗面計による計測を一体化するための基礎を提供する。
【０００９】
光学的波面センサは非球被検面の限定領域のみしか計測することができないが、非球面のエリア全体を一度で計測可能である。一点式粗面計は一回に１つの点のみしか計測することができないが、より複雑な形状を有する非球面の残りの領域も計測することができる。光学的波面センサおよび一点式粗面計が一緒になって、光学的波面センサのみによって容易に計測可能であろう非球面の範囲よりも広い範囲を計測することができ、非球面は一点式粗面計のみによって容易に計測可能であろうデータ点よりも多くのデータ点において計測されることができる。
【００１０】
光学的波面センサの限定された視野は、簡単な球面または平面形状を有する計測用波面が、非球被検面の、同様に限定されたサイズのエリアを近似することを可能にする。非球被検面のさらに広いエリアを、またはさらに複雑な形状のエリアを近似するように、より複雑な計測用波面が形成可能であるが、計測用波面自体の形状は決まっていなければならず、それはエラーおよびあいまいな計測の他の原因を引き起こす。したがって、可能であれば、より簡単な形状の計測用波面が一般的に好ましい。
【００１１】
光学的波面センサの限定された視野内の計測用波面が非球被検面の限定されたエリアの形状を近似可能である程度に、光学的波面センサは非球面の部分的に重なる複数のエリアを計測するように用いられてもよい。光学的波面センサと非球被検面の間の相対的な動作が、複数のエリアを計測するために一般的に必要となる。エリアの間の重なるドメインは冗長なデータを含むが、そのデータの相違は共通の空間参照フレームに関する従来のスティッチングアルゴリズムによって最小化することができる。特に、計測用波面が簡単な形状、例えば球面または平面形状を有する場合、重なるドメイン内に延在する光学的波面センサによって計測される高密度な点は、重なるエリアの個々の計測を共通の空間参照フレームと高精度で組み合わせることを可能にする。すなわち、スティッチングアルゴリズムによって処理に利用可能な多くの一致する点が、高精度で異なる空間参照フレーム内で行われた計測を合成するように用いられることができる。
【００１２】
一点式粗面計は、その名前が示すように、一回に非球被検面上の１点を計測する。一点式粗面計と非球被検面の間の相対的な動作が、非球被検面上の連続する点を計測するために一般的に必要となる。十分な軸および相対的な動作の範囲が与えられれば、非球面の傾斜または曲率の大きな変化が計測可能である。本発明の好ましい実施形態によれば、一点式粗面計によって計測された拡張領域は、光学波面センサによって計測された１つ以上の限定領域を超えて延在する。
【００１３】
一点式粗面計の相対的な動作の決定に求められる精度は、軸自体の精度およびその動作の大きさの計測を可能とするのに求められる精度に一般的に依存する。複数の軸によって与えられる動作は、高い精度で確認することが特に難しい。本発明の特定の目的のために、非球被検面上の個別のトレースに沿った連続する点相互の相対的な動作は、好ましくは単一の動作軸に限定される。その動作軸自体は好ましくは高い精度を示し（例えば反復可能性および正確性など）、その位置は高い精度で計測されることが望ましい。そのような高精度の軸によって与えられる動作は、軸の意図する方向への動作に限定されるのが好ましい。したがって、そのような個別のトレースに沿って計測された連続する点のすべては、単一の空間参照フレームを正確に参照することが可能である。２つ以上のそのようなトレースが、非球被検面の拡張領域内でキャプチャ可能であり、拡張領域を計測するための点の数を増加させる。
【００１４】
好ましくは、非球面の拡張領域内の少なくとも１つのそのようなトレースが、光学波面センサによって計測される非球面の限定領域内の少なくとも１つのエリアと交差する。交差線は非球被検面の複数の点に関する冗長なデータを含む。交差するトレースの空間参照フレームは、限定領域内の交差するエリアの空間参照フレームに相対的に適合され、組み合わされた計測を共通の参照フレームに関連づけることができる。光学波面センサによって計測された限定領域と交差しない、一点式粗面計によって計測された拡張領域内の任意の残りのトレースは、好ましくは互いに交差する。２つのトレースの間の交差の点における冗長な計測の数は制限されるが、共通の参照フレームはなおも２つのトレースのために誘導されたものである。
【００１５】
結局は、光学波面センサおよび一点式粗面計の両方によって計測を行うのに用いられる空間参照フレームのすべてが、グローバル参照フレームに適用される。空間参照フレームをグローバル参照フレームに適合させるための手法は、異なる空間参照フレーム内で行われる計測の中の冗長な点の数による影響、およびそれらの点が相対的にどの程度確実に知られているかによる影響を一般的に受ける。光学波面センサによって計測された重なるエリア相互では一般的に冗長な点の数がより大きいため、重なるエリアはグローバル参照フレームへの適合の影響を、一点式粗面計によって計測された、一般的により少ない交差するトレース相互の冗長な点よりも、一般的に多く受ける。冗長な点の中間数は一点式粗面計によって計測されるトレースおよび光学波面センサによって計測されるエリアの交差に一般的に関連し、冗長な点の影響または中間数は、グローバル参照フレームへの適合と、大きく見れば釣り合う。すなわち、重なるエリア相互の冗長な点よりも少ないが、交差するトレース相互の冗長な点よりは多い。しかしながら、空間参照フレーム内の冗長な点の定量化された不確定性、および対応する参照フレームを定義するさらに定量化された不確定性に基づく許容範囲が定められてもよい。
【００１６】
光学波面センサと一点式粗面計の両方が、空間参照フレーム内で定義されるデータに対する高精度な非球面の相対的な局所的な高さの変化を計測する。しかしながら、空間参照フレーム自体は一般的にあまり高い精度で知られていない。例えば、計測用波面の曲率半径および一点式粗面計の空間的位置と方向は、高い精度で知られるものではないことがある。加えて、一点式粗面計のプローブの任意のある位置に対する光学波面センサの相対的な位置と方向は、高い精度で知られていないことがある。しかしながら、２つの計器を組み合わせ、計測領域の重なる部分内の冗長なデータを処理することによって、各計器の計測の不明確さは減少し、両方の計器による計測の合成によって、共通のデータに対する高い精度での計測が可能となる。
【００１７】
好ましい実施形態によれば、光学波面センサおよび一点式粗面計が共通の光軸を有し、非球被検面の異なる部分を計測するために必要な任意の相対的な動作を、非球被検面に与えることができる。つまり、光学波面センサと一点式粗面計の両方が、（ａ）光学波面センサが必要とすることがある、収束または発散する計測用波面を形成するための、および（ｂ）一点式粗面計が必要とすることがある、非球被検面上で焦点を結ぶ光束を形成するための、同一の対物レンズを共有することができる。光学波面センサによる計測を行うために、非球被検面は、計測用波面が他の球面状波面における収差として表面の変化を計測するように垂直に近い入射で非球被検面から反射する位置である共焦点位置で、相対的に光軸に沿って置かれてもよい。一点式粗面計による計測を行うために、非球面は対物レンズの焦点に対する非球面の点の相対的変位を計測するように、相対的に光軸に沿ってキャッツアイ（ｃａｔ’ｓ  ｅｙｅ）ポジション、すなわち球面状波面の曲面の中心に置かれてもよい。共焦点とキャッツアイ計測位置の間の変位は、共焦点位置における計測用波面の曲率半径を決定するように計測されてもよい。特に共通の光軸を有する場合、光学波面センサおよび一点式粗面計が共に用いられて、（例えば計測用波面の曲率半径などの）計測の不明確さを解消すること、ならびに当該２つの計器を互いに対しておよび非球被検面に対して較正することが可能である。
【００１８】
非球被検面の計測装置としての本発明の一実施例は（ａ）非球被検面の限定領域内で、非球被検面の１つ以上のエリアの全体にわたる表面高さの変化を計測する光学波面センサ、および（ｂ）非球被検面の拡張領域内で、非球被検面上の１つ以上のトレースに沿った表面高さの変化を計測する一点式粗面計を含む。拡張領域は、限定領域の少なくとも一部と重なる部分と、限定領域のいずれとも重ならない部分の両方を有する。プロセッサは、２つの領域の重なる部分内での波面センサと粗面計の間の相違を最小にすることによって、少なくとも部分的に、限定領域内の波面センサの表面高さ計測値を、拡張領域内の一点式粗面計の表面高さ計測値と組み合わせる。それによって、限定領域と拡張領域の重なる部分と、拡張領域の重ならない部分の両方を含む非球被検面の組み合わされた領域に関する、表面高さ計測値を一体化した配列を生成する。
【００１９】
好ましくは、光学波面センサは、それぞれ非球被検面の１つ以上のエリアの形状を近似した形状を有する１つ以上の計測用波面を生成する波面形成手段と、１つ以上の計測用波面のそれぞれの形状と非球被検面の１つ以上のエリアのそれぞれの形状とを比較する検出装置において、非球被検面の１つ以上のエリアのそれぞれを画像化する画像化機構と、を含む。好ましくは、１つ以上の動作ステージが、限定領域内の非球被検面の１つ以上のエリアと、拡張領域内の非球被検面上の１つ以上のトレースの両方を計測するように、光学波面センサおよび一点式粗面計の、非球被検面の取り付け固定具に関しての相対的な移動を提供する。好ましくは、光学波面形成手段および一点式粗面計が、共通の光軸を有する光学系の１つ以上の光学要素を共用し、光軸に沿って、（ａ）光学波面センサによる計測が光学系の共焦点位置で行われ、（ｂ）一点式粗面計による計測が同一の光学系のキャッツアイポジションで行われる。
【００２０】
非球被検面を計測する方法としての本発明の別の実施例として、波面形成手段によって１つ以上の計測用波面を生成することが挙げられる。１つ以上の計測用波面のそれぞれが、非球被検面の限定領域内の非球被検面の１つ以上のエリアのそれぞれの曲面形状を近似する曲面形状を有する。１つ以上の非球被検面で反射された１つ以上の計測用波面は検出装置において画像化され、画像化された１つ以上の計測用波面は、非球被検面の１つ以上のエリアのそれぞれの全体にわたる表面高さの変化の計測値を得るために、例えば参照の波面や波面センサの参照面などのデータと比較される。一点式粗面計は、非球被検面の拡張領域内の非球被検面上の１つ以上のトレースに沿った点の連続のそれぞれに光の焦点を結ぶ。拡張領域は、限定領域の少なくとも一部と重なる部分と、限定領域のいかなる部分とも重ならない部分の両方を含む。一点式粗面計からの信号は、非球被検面上の１つ以上のトレースに沿った点の連続内の表面高さの変化の計測値を得るように監視される。２つの領域の重なる部分内の光学波面センサによる表面高さ計測値と一点式粗面計による表面高さ計測値相互の相違を最小限にすることによって、限定領域内での光学波面センサによる表面高さ計測値は、拡張領域内での一点式粗面計による表面高さ計測値と組み合わされる。一体化された表面高さ計測値の配列は、限定領域と拡張領域が重なる部分と、拡張領域の重ならない部分の両方を含む非球被検面の組み合わされた領域に関して生成される。
【００２１】
好ましくは、光学波面センサは１つ以上のエリアのそれぞれの全体にわたる点の配列を計測し、一点式粗面計は非球被検面上の１つ以上のトレースのそれぞれに沿った点の連続を計測する。各トレースに沿った計測を行うための一点式粗面計と非球被検面の間の相対的な動作は、好ましくは限られた数の動作軸によって与えられ、より好ましくは単一の動作軸によって与えられる。各エリアは各エリアの全体にわたる計測点の配列に関して空間参照フレームを有し、各トレースは各トレースに沿った点の連続に関して空間参照フレームを有する。１つ以上のトレースは１つ以上のエリアと、非球被検面上の名目一致点（ｎｏｍｉｎａｌｌｙ  ｃｏｉｎｃｉｄｉｎｇ  ｐｏｉｎｔ）で交差する。交差する各エリアおよび交差する各トレースの空間参照フレームは、各エリアの全体にわたる計測点の配列と各トレースに沿った点の連続の両方に関して共通の参照フレーム内で名目一致点相互の相違を最小にすることによって、共通の参照フレームに相対的に適合させることができる。
【００２２】
例えば、１つ以上のエリアが第１の参照フレームを有する第１のエリアを含み、１つ以上のトレースが第２の参照フレームを有する第１のトレースおよび第３の参照フレームを有する第２のトレースを含んでもよい。第１および第２のトレースは非球被検面上の名目一致点の第１および第２の組において第１のエリアと交差する。第１、第２、および第３の参照フレームは、第１および第２の各組内の名目一致点相互の相違が第１のエリアと第１および第２のトレースに関する共通の参照フレーム内で最小になるように、共通の参照フレームに相対的に適合させられる。
【００２３】
別の例として、１つ以上のエリアが第１の参照フレームを有する第１のエリアおよび第２の参照フレームを有する第２のエリアを含んでもよい。１つ以上のトレースが第３の参照フレームを有する第１のトレースおよび第４の参照フレームを有する第２のトレースを含んでもよい。第２のエリアは非球被検面上の名目一致点の第１の配列において第１のエリアの一部と重なり、第１および第２のトレースは非球被検面上の名目一致点の第１および第２の組において第１および第２のエリアの少なくとも一方と交差する。４つの参照フレームすべてが、第１の配列内の、および第１ならびに第２の各組内の名目一致点相互の相違を連続してまたは合計で最小にすることによって、共通の参照フレームに相対的に適合させられる。
【００２４】
一点式粗面計の計測軸は、拡張領域内の非球被検面上の１つ以上のトレースに沿った点の連続内の表面高さの変化を計測するように、好ましくは非球被検面用の取り付け固定具に関して相対的に移動させられる。光学波面センサの計測軸もまた、限定領域内の非球被検面の１つ以上の各エリア内の点の配列内の表面高さの変化を計測するように、好ましくは非球被検面の取り付け固定具に関して相対的に移動させられる。一点式粗面計の計測軸および光学波面センサの計測軸の相対的な動作は、好ましくは１つ以上の共通の動作軸によって与えられる。非球被検面上の個別のトレースを計測するための一点式粗面計の相対的な動作は、好ましくは単一の動作軸に沿った／単一の動作軸の周りの動作に限定される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】光学波面センサによる非球被検面の計測を行うための第１の設定時の、一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計の概略図である。
【図２】一点式粗面計による非球被検面の計測を行うための第２の設定時の、同一の一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計の概略図である。
【図３】非球被検面上の円形のトレースに沿った計測を行うための、一点式粗面計の光軸に傾いた非球被検面を示す部分概略図である。
【図４】（ａ）第１の空間参照フレームを参照する光学波面センサによる単一の計測エリア、および（ｂ）第２の空間参照フレームを参照する一点式粗面計の単一の計測トレースの組み合わせを示す非球被検面の斜視図である。２つの空間参照フレームは相対的に変位しており、その変位量は説明の目的で誇張されている。
【図５Ａ】光学波面センサによる１つ以上の計測エリアと、一点式粗面計の１つ以上の計測トレースの組み合わせを示す、非球被検面の軸方向図である。
【図５Ｂ】光学波面センサによる１つ以上の計測エリアと、一点式粗面計の１つ以上の計測トレースの組み合わせを示す、非球被検面の軸方向図である。
【図５Ｃ】光学波面センサによる１つ以上の計測エリアと、一点式粗面計の１つ以上の計測トレースの組み合わせを示す、非球被検面の軸方向図である。
【図５Ｄ】光学波面センサによる１つ以上の計測エリアと、一点式粗面計の１つ以上の計測トレースの組み合わせを示す、非球被検面の軸方向図である。
【図５Ｅ】光学波面センサによる１つ以上の計測エリアと、一点式粗面計の１つ以上の計測トレースの組み合わせを示す、非球被検面の軸方向図である。
【図５Ｆ】光学波面センサによる１つ以上の計測エリアと、一点式粗面計の１つ以上の計測トレースの組み合わせを示す、非球被検面の軸方向図である。
【図５Ｇ】光学波面センサによる１つ以上の計測エリアと、一点式粗面計の１つ以上の計測トレースの組み合わせを示す、非球被検面の軸方向図である。
【図５Ｈ】光学波面センサによる１つ以上の計測エリアと、一点式粗面計の１つ以上の計測トレースの組み合わせを示す、非球被検面の軸方向図である。
【図５Ｉ】光学波面センサによる１つ以上の計測エリアと、一点式粗面計の１つ以上の計測トレースの組み合わせを示す、非球被検面の軸方向図である。
【図５Ｊ】光学波面センサによる１つ以上の計測エリアと、一点式粗面計の１つ以上の計測トレースの組み合わせを示す、非球被検面の軸方向図である。
【図５Ｋ】光学波面センサによる１つ以上の計測エリアと、一点式粗面計の１つ以上の計測トレースの組み合わせを示す、非球被検面の軸方向図である。
【図５Ｌ】光学波面センサによる１つ以上の計測エリアと、一点式粗面計の１つ以上の計測トレースの組み合わせを示す、非球被検面の軸方向図である。
【図６】一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計が、異なるが平行な光軸で動作し、両方の光軸に関して非球被検面が相対的に位置するように複数軸のステージを共有する、一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計の別形態での配置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計１０としての、本発明の実施形態が、図１および図２に２つの異なる動作設定で図示される。図１において、一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計１０は光学波面センサ１２として計測を行うように配置される。図２において、一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計１０は一点式粗面計１４として計測を行うように配置される。光学波面センサ１２および一点式粗面計１４は共通光軸１６を共有し、ならびに、光軸１６に沿って配置されて共通光源１８から非球被検面２０へ光線を伝達する多数の光学要素を共有する。
【００２７】
共通光源１８は発散する計測光線２２を出射し、該計測光線２２はビームスプリッタ２４によって反射されて光軸１６に沿って進む。共通光源１８は従来の光学波面センサおよび一点式粗面計の両方に共通して知られる任意の光源であってよく、それは例えば、必要な発散度の光線を生成する光線成形光学要素を有するレーザなどである。好ましくは、光源１８は光学波面センサ１２および一点式粗面計１４の空間的および時間的なコヒーレンスの要求に関して最適化される。光学波面センサ１２と一点式粗面計１４の照明に関する独立した要求に合致するように、別々の光源が使用されてもよい。
【００２８】
コリメーター光学要素２６は発散する計測光線２２を、平面の波面を有する平行にされた計測光線２８に変換する。部材３０は、非球被検波面３６を有する収束する試験光線３４を生成するための１つ以上の光線形成光学要素を含む、波面形成手段３２を有する。波面形成手段３２内の代替の、あるいは調整可能な光線形成光学要素が、別の形状を有する試験光線を生成するために使用されてもよい。好ましくは、被検波面３６の形状は、それが導かれる非球被検面２０の、エリア３８の予想される形状を近似する。光学波面センサ１２が干渉計として配置される場合、部材３０は、平行にされた計測光線２８の一部を平面の参照波面４４を有する参照光線４２として逆反射するフィゾー（Ｆｉｚｅａｕ）参照面４０をまた含む。
【００２９】
非球被検面２０は、３つの直交する並行移動軸Ｘ、ＹならびにＺ、および２つの直交する回転軸αならびにβを有する複数軸ステージ５０に取り付けられた被検部４６の表面である。図示される設定において、回転軸αは並行移動軸Ｚと平行に延在し、回転軸βは並行移動軸Ｙと平行に延在する。回転軸αおよびβは軸αまたはβのいずれかの周りの回転の際に互いに直交したままであるが、回転軸βの周りの回転が回転軸αの方向を平行移動軸ＸおよびＺに変化させる。非球被検面２０と光学波面センサ１２または一点式粗面計１４の間に完全な６つの自由度を提供する第３の直交回転軸が、必要に応じて提供されてもよい。所望の相対的な動作を達成するために必要な動作軸の数を制限するような目的のために他のやり方で、様々な並行移動軸および回転軸が配置されてもよい。回転軸αおよびβは、特に反復性の目的および誤動作を最小にする目的で、好ましくは高精度空気軸受として設計される。３つの並行移動軸Ｘ、ＹおよびＺに沿った移動、ならびに２つの回転軸αおよびβの周りの移動を監視するようにセンサが提供される。
【００３０】
非球被検面２０のエリア３８が入射点における球面被検波面３６の形状と合致する程度では、被検波面３６は本来の経路に沿って部材３０へと戻り、本来の形態で逆反射される。したがって、非球被検面２０は光学波面センサ１２の共焦点位置で光軸１６に沿って置かれる。入射点における、照射されたエリア３８の形状と球面被検波面３６の形状相互のいかなる相違も、試験光線３４に変化をもたらし、それはエリア３８から反射された収差を有する被検波面５２に記録される。
【００３１】
部材３０を貫通する伝達の際に、収差を有する被検波面５２は収差を有する平面被検波面５４に変換される。フィゾー参照面４０（光学波面センサ１２は干渉計として配置されるものと前提する）において、収差を有する平面被検波面５４は反射された平面参照波面４４と再結合される（ｒｅｃｏｍｂｉｎｅｄ）。コリメーター光学要素２６は、別のコリメーター光学要素５６と併用されて、収差を有する平面被検波面５４を平面参照波面４４と共に検出装置６０に中継し、検出装置６０は干渉計測の目的のために配置された場合には、生じた干渉パターンをキャプチャする。部材３０もまた、中継光学要素２６および５６と共に、検出装置面６２の画素をエリア３８内の対応する点と関連づけるように、検出装置６０の検出装置面６２上へ非球面被検面２０のエリア３８のイメージを中継することに関与する。例えば、検出装置面６２の画素によってキャプチャされた様々な強度で計測された干渉パターンは、被検波面３６の本来の球面形状に対する、エリア３８内の対応する点の配列の高さの変化を計測するように、従来の方法によって解析されることができる。球面被検波面３６の形状と、意図された、または理想的な形状のエリア３８の形状の間のいかなる相違もまた、非球面被検面２０の誤差の計測として、エリア３８の意図された形状に対する、計測された高さの変化を参照するために考慮されなければならない。同様の変換が、波面形成手段３２によって生成された、球面形状から逸脱した被検波面のために必要となる。
【００３２】
光学波面センサ１２は干渉計として動作するように記載されているにもかかわらず、同じ基本構造の構成要素が用いられて、光学波面センサ１２を波形計測装置として作動させてもよい。そのような配置において、部材３０は参照波面４４を逆反射するためのフィゾー参照面４０を含まない。収差を有する平面被検波面５４のみが検出装置６０に中継され、検出装置６０は収差を有する平面被検波面５４の平面形状からの変動を計測するシャック−ハルトマン（Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎ）波面センサとして配置されてもよい。検出装置面６２のピクセルによって記録された局所的な変動も同様に、球面被検波面３６の本来の形状に対する、エリア３８の全体にわたる点の配列の高さの変化を計測するように、従来の方式によって解析されてもよい。
【００３３】
一般的に、収差を有する被検波面５４内の計測された収差は、非球被検面２０の形状の、意図されたあるいは理想の形状からのずれに直接は対応しない。それどころか、収差を有する被検波面５４の収差は、被検波面３６の本来の形状に対して計測され、それは、収差を有していない場合、検出装置６０に平面形状で戻る。しかしながら、被検波面３６の本来の形状は、エリア３８の意図されたあるいは理想の形状のみを近似することがある。したがって、エリア３８の形状における誤差として高さの変化を計測するために、本来の被検波面３６の形状とエリア３８の意図されたあるいは理想の形状相互のいかなる相違も、決定されるか、そうでなければ知られなければならない。被検波面３６の本来の形状を決定するための様々な技術が知られており、球面被検波面に関して、他に決定されるべきものは、非球被検面２０上の入射点における球面被検波面の曲率半径だけである。以下にさらに述べるように、一体型の一点式粗面計１４が、そのような曲率半径を直接計測するように設けられる。
【００３４】
非球被検面２０に入射する収束試験光線３４と共に光学波面センサ１２が図１に示されるが、凹面形状を有する非球被検面の同様の計測エリアにおいて収束試験光線３４が発散試験光線となる交差点（図２の焦点６６を参照）を通って、非球被検面２０は多軸ステージ５０のＺ軸に沿って並行移動されることができる。代替として、発散試験光線が直接生成されてもよい。多軸ステージ５０の１つ以上の相対移動もまた、以下にさらに述べられるように、非球被検面２０の他のエリアを計測するために与えられることができる。
【００３５】
同一の、一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計１０は、図２に示されるように、一点式粗面計１４として計測を行うように配置されることもできる。しかしながら、一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計１０を共焦点計測位置に相対的に置くかわりに、一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計１０は、収束試験光線３４の焦点６６が非球被検面２０に入射する位置である、キャッツアイ計測位置に相対的に置かれる。大抵は、そうでなければ、光学要素のすべてが、光学波面センサ１４としての使用のために配置されたものと同一であってもよい。しかしながら、計測の便宜の目的で、収束する試験光線３４の焦点６６における非球被検面２０の高さの変化を計測するように、一点式粗面計１４は戻ってきた計測光線２２の一部をビームスプリッタ６８によって焦点検出装置７０に方向転換する。焦点検出装置７０は、強度検出、焦点変動、差分検出、非点収差法、フーコー法、共焦点顕微鏡法、または位相計測干渉縞計数法などの様々な従来の方式を用いて高さの変化を読み取るための様々な従来の形態をとることができる。
【００３６】
一点式粗面計１４は、非球被検面２０上の個々の点の相対的な高さを計測するために選ばれた焦点検出方式のタイプに依存して最適化されてもよい。例えば、光源１８の空間または時間的特性が計測方式に適合されてもよく、当該方式は一点式粗面計１４のための第二の光源の使用を必要とする。第二の光源は、ビームスプリッタ２４と同様に追加のビームスプリッタを用いて、一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計１０に追加することができる。
【００３７】
焦点検出装置７０の代わりに、またはそれに加えて、検出装置６０が、干渉分光法の中の位相計測干渉縞計数法などの計測方法を用いて焦点６６における高さの変化を計測するために用いられてもよい。実際、焦点における角度反転（すなわち反射）によって生成された干渉パターンの全体の外観は、そのような計測位置にキャッツアイの別名を与える。
【００３８】
光学波面センサ１２の共焦点位置と、一点式粗面計１４のキャッツアイポジションの間の光軸１６に沿った非球被検面２０に対する、一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計１０の相対的な並行移動の量は、多数軸ステージ５０のＺ軸に沿って与えられてもよいが、非球被検面２０上の入射点における被検波面３６の曲率半径（すなわち、領域３８にわたる局所的な半径）の計測値として監視されることができる。
【００３９】
被検波面３６などの球面被検波面は、収束または発散する試験光線内の伝達中は常に球面であり続けるが、球面被検波面の曲率半径は、光線の収束または発散によって変化する。球面被検波面２０上の本来の被検波面３６の入射点における本来の被検波面３６の曲率半径は、収差を有する被検波面５２内の高さの変化の計測の比較対象となるデータとして使用するように、決定されるか知られていなければならない。したがって、収差を有する被検波面５２内で具体化した高さの変化の計測の比較対象となりえる必要なデータを提供するように、被検波面３６の曲率半径を計測するように一点式粗面計１４は光学波面センサ１２と併せて使用することができる。光学波面センサ１２および一点式粗面計１４は共通の光軸１６を共有するだけではなく、多軸ステージ５０の並行移動軸および回転軸Ｘ、Ｙ、Ｚ、αおよびβもまた共有するため、異なる軸位置における冗長な計測が、光学波面センサ１２および一点式粗面計１４の互いに対するさらなる較正、および非球被検面２０または知られている参照面に対するさらなる較正のために用いられてもよい。
【００４０】
一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計１０と、非球被検面２０の間の相対的な移動が、非球被検面２０上の追加のエリアまたは点の計測に必要となる。一点式粗面計１４の相対的な移動は、当該移動に関する追加のデータの収集を必要とするが、光学波面センサ１２による計測に関して実用的な斜面または曲面よりも、変化が大きい斜面または曲面を有する非球面の計測を可能とする。
【００４１】
非球被検面上の点の連続における高さの変化を計測するためには、計測された高さの変化を当該非球面上の位置と関連づけるように、一点計測が行われる相対的な位置の変化もまた記録されなければならない。光軸１６上の焦点６６の相対的な並行移動および回転移動は、多軸ステージ５０によって与えられてもよいが、データ面に対して高さの変化が参照されるところの当該データ面を定義する。複数の動作軸をもつことは、位置の誤差を増やし、計測データの定義を可能とするのに求められる精度を低減させる傾向にある。したがって、一点式粗面計による計測は、単一の並行移動軸Ｘ、Ｙ、またはＺに沿った、あるいは回転軸αまたはβのまわりの、相対的な動作により生成される個々のトレースに沿った非球被検面２０上の点の連続として得られることが好ましい。
【００４２】
図３において、非球被検面２０は、回転対称であると仮定するが、回転軸βのまわりでは固定された角度β１で傾斜し、回転軸αのまわりでは、焦点６６が非球被検面２０上の円形トレース７６に沿って移動する一連の計測位置を通りながら回転する。回転軸αのまわりの回転運動は好ましくは連続的であり、一連の計測位置における個々の計測は好ましくは所与のサンプリングレートまたは積分間隔で集積される。回転軸βは、３つの並行移動軸Ｘ、ＹおよびＺと同様に、計測の全体にわたって固定される。動作は回転軸αのまわりにのみ発生し、それは好ましくは高精度、高再現性、および高解像度を有する軸である。トレース７６に沿った計測位置相互でキャプチャされなければならない唯一の位置データは、α軸のまわりの角度位置の変化である。計測の確実性を評価するために、あるいは計測値の精度を高めるために、同一のトレース７６に沿った計測が繰り返して行われてもよい。異なる設定の多軸ステージ５０において同様のトレースが高精度で計測されて、非球被検面２０の別の部分にわたる情報を集積してもよい。個々のトレースに沿った点を計測することを可能にするのに求められる高精度の相対的位置は、個々のトレースに沿ったすべての計測点が共通の空間参照フレームを共有することを可能にする。トレースのそれぞれと関連づけられる空間参照フレーム（すなわち、トレースの相対的な方向および位置）は、個々のトレースの最中に固定された軸（例えばＸ、Ｙ、Ｚおよびβ）の相対的な位置の計測値から近似することができる。しかしながら、個々のトレースにおける空間参照フレームの知られている精度は、一般的に、点を計測するために必要とされる精度よりも低い。回転移動または並行移動の対称性を損なう非球面上のトレースに沿った点の連続の計測のために、１つよりも多い軸に沿った／軸のまわりの動作が必要となることがあるが、各トレース内の計測点相互の誤差の源を減らすように、動作軸の数は好ましくは最小にされる。
【００４３】
図４の例に示されるように、光学波面センサ１２は限定領域８４の全体にわたる連続する計測点８１の配列を獲得し、一点式粗面計１４は、非球被検面２０の拡張領域８６内の子午線方向トレース（ｍｅｒｉｄｉｏｎａｌ  ｔｒａｃｅ）８２に沿った一連の計測点８３を獲得する。この例において、光学波面センサ１２によって計測される限定領域８４は、単一の中央エリア８０内で計測点８１が光学波面センサ１２の単一の設定で獲得されるところの当該単一の中央エリア８０を含む（そうでなければ領域８４は複数の重複する計測エリアを含むこととなる）。同様に、拡張領域８６は、単一の子午線方向トレース８２に沿った計測点８３を一点式粗面計１４の単一の設定で獲得する、当該単一の子午線方向トレース８２を含む（そうでなければ領域８６は、拡張領域をより完全に特徴づける複数のトレースを含むこととなる）。
【００４４】
子午線方向トレース８２は拡張領域８６を、非球被検面２０の回転対称性という前提なしではいくらか曖昧なものとするが、拡張領域８６は限定領域８４を超えて延在しながら限定領域８４と明らかに重なる。したがって、限定領域８４は非球被検面２０内の比較的限定された空間の計測を提供する一方、拡張領域８６は非球被検面２０全体の特性の計測を提供する。
【００４５】
限定領域８４の中央エリア８０内の計測点８１の配列は、多軸ステージ５０の軸Ｘ、Ｙ、Ｚ、αおよびβの計測された位置に基づく第１の空間参照フレーム
【数１】
0005925972.tif 000002
を基準とする。それは光学波面センサ１２による中央エリア８０の獲得の最中において固定される。中央エリア８０内の計測点８１のすべては同一の第１の空間参照フレーム
【数２】
0005925972.tif 000003
を共有するが、第１の空間参照フレーム
【数３】
0005925972.tif 000004
内では、計測点それぞれの、検出装置面６２から外挿される（ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｅｄ）中央エリア８０内の高さおよび位置の計測値の分だけ異なる。加えて、子午線方向トレース８２に沿った計測点の連続８３は、一点式粗面計１４による子午線方向トレース８２の獲得の最中において、多軸ステージ５０の固定された軸Ｘ、Ｙ、Ｚおよびαの計測された位置に基づく第２の空間参照フレーム
【数４】
0005925972.tif 000005
を基準とする。子午線方向トレース８２に沿った計測点８３のすべては同一の第２の空間参照フレーム
【数５】
0005925972.tif 000006
を共有するが、第２の空間参照フレーム
【数６】
0005925972.tif 000007
内では、計測点それぞれの、多軸ステージ５０の回転軸βのまわりで計測された高さおよび相対的な変位の計測値の分だけ異なる。空間参照フレーム
【数７】
0005925972.tif 000008
および
【数８】
0005925972.tif 000009
は、デカルト座標またはその他の座標を選択することにより定義されうる。
【００４６】
単独の子午線方向トレース８２に沿ったある数の計測点８３は、中央エリア８０内の同数の計測点８１と名目的に同一の空間を占め、それらは名目一致点８５、８７の組を定義する。座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚ、αおよびβに基づいた２つの空間参照フレーム
【数９】
0005925972.tif 000010
および
【数１０】
0005925972.tif 000011
の計測された方向に基づいて、計測点８１および８３は名目一致点８５、８７を識別する共通グローバルグリッド上に投影される。中央エリア８０の計測点８５と、子午線方向トレース８２の計測点８７相互の正確な１対１の対応は必ずしも見られないが、必要な同一性は中央エリア８０の計測点８１の間の内挿によって容易に得られる。それは非球被検面２０の連続するエリアの全体にわたって広がる（ｄｉｓｐｅｒｓｅ）。本質的に、エリアと交差する線に沿ったすべての点は、エリア内に対応する点を持つ。したがって、計測点は、その計測値が参照フレームの相違、または点の密度あるいは計測の精度の制限などのほかの理由により異なる場合であっても、名目一致点として同一の空間を占めるとみなされてよい。
【００４７】
子午線方向トレース８２が中央エリア８０と重なるところでは点８５と点８７の間に名目的な空間一致がみられるにもかかわらず、一致する点８５と点８７の計測された相対的な高さは、より細かいスケールではしばしば互いに異なる。一般に、光学波面センサ１２と一点式粗面計１４の両方が、その空間参照フレーム
【数１１】
0005925972.tif 000012
および
【数１２】
0005925972.tif 000013
に関して非常に高い精度で高さの変化を計測可能であり、それは、その対応する空間参照フレーム
【数１３】
0005925972.tif 000014
および
【数１４】
0005925972.tif 000015
の位置および方向の知られている精度よりも高い。計測された高さの相違がその対応する空間参照フレーム
【数１５】
0005925972.tif 000016
および
【数１６】
0005925972.tif 000017
の相対的な位置および方向の小さな誤差に起因すると仮定することにより、共通の空間参照フレーム（この例では空間参照フレーム
【数１７】
0005925972.tif 000018
または
【数１８】
0005925972.tif 000019
のいずれかであってもよい）に関して、一致する点８５と８７相互の計測された高さの相違を全体的に最小化するための誤差のマージン内で、収束アルゴリズムが用いられて２つの空間参照フレーム
【数１９】
0005925972.tif 000020
および
【数２０】
0005925972.tif 000021
を相対的に調整する（例えば座標変換によって）ことができる。中央エリア８０内の残りの点８１および子午線方向トレース８２に沿った残りの点８３のすべてが同一の２つの本来の空間参照フレーム
【数２１】
0005925972.tif 000022
および
【数２２】
0005925972.tif 000023
に関して計測されるため、収束アルゴリズムは中央エリア８０内の計測点８１、および子午線方向トレース８２に沿った計測点８３のすべてを、非球被検面２０の限定領域８４および拡張領域８６の合成された計測としての共通の空間参照フレームに関連づける。
【００４８】
この種のアルゴリズムは、光学波面センサの重なるエリアを互いにスティッチすることとしてすでに知られている。そのようなアルゴリズムの例は、共有されたＧｏｌｉｎｉ他の米国特許６９５６６５７号明細書、Ｍｕｒｐｈｙ他の米国特許７４３３０５７号明細書、Ｍｕｒｐｈｙ他の米国特許８２０３７１９号明細書に見られ、それらはすべて参照により本明細書に組み込まれる。子午線方向トレース８２に沿った計測点８３のすべてが共通の空間参照フレーム
【数２３】
0005925972.tif 000024
を共有するという仮定に基づけば、同様に、これらのアルゴリズムは、光学波面センサ１２のエリア（例えば８０）と一点式粗面計１４のトレース（例えば８２）を互いにスティッチするためにも用いられてよい。トレース（例えば８２）に沿って計測データをキャプチャする一点式粗面計１４の相対的な移動を限定することによって、および、これらの動作（そのような動作は回転運動軸βのまわりに限定される）を実施するように例えば空気軸受などの高精度の軸を用いることによって、個々のトレース（例えば８２）に沿った計測点（例えば８３）に関して単一の参照フレーム（例えば
【数２４】
0005925972.tif 000025
）を仮定することができる。
【００４９】
収束アルゴリズムは、光学波面センサ１２の検出装置６０および一点粗面計測装置１４の検出装置７０の両方からの高さの計測値（またはそのように解釈可能な情報）、ならびに、多軸動作ステージ５０から一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計１０に対する非球被検面２０の相対的な位置の計測値を受信するプロセッサ７２（図１および図２参照）にアクセス可能なコンピュータメモリ内にプログラムされてもよい。一般的に、空間参照フレーム（例えば
【数２５】
0005925972.tif 000026
および
【数２６】
0005925972.tif 000027
）が、所与のエリア（例えば８０）またはトレース（例えば８２）に関するデータの集積の最中に固定される多軸ステージ５０の軸の位置から導き出される。しかしながら、空間参照フレーム内の計測点（例えば８１および８３）の位置は、空間波面センサ１２および一点式粗面計１４によっては異なるものが導き出される。例えば、中央エリア８０内の計測点８１の位置は、所与の拡大において検出面６２上に非球被検面２０の中央エリア８０を再生成するための空間波面センサ１２のイメージング特性に基づくことがある。子午線方向トレース８２に沿った計測点８３の位置は、好ましくは単一の軸（例えばβ）に沿った／の周りの計測点８３相互の計測された運動に基づいてもよく、それは高い精度で計測可能である。個別のトレース（例えば８２）に沿った計測を行うための軸（例えばβ）の高い精度は、所望の精度の最終的な計測において、与えられる動作を意図された軸（例えばβ）に沿った／の周りの動作に限定し、ほかのいかなる動作も与えないことを保証する。
【００５０】
例えば、１つ以上の各エリアの空間参照フレームが、一組の波面センサ補正値（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）によって定義されてもよく、波面センサ補正値はそれぞれ、エリアの空間参照フレーム上の知られている変数の影響を表す大きさおよび関数形式（ａｎ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ａｎｄ  ａ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  ｆｏｒｍ）を有する。同様に、１つ以上の各トレースの空間参照フレームが、一組の粗面計補正値によって定義されてもよく、粗面計補正値はそれぞれ、トレースの空間参照フレーム上の知られている変数の影響を表す大きさおよび関数形式を有する。各補正値は、例えば、空間参照フレームの動作軸の影響を定義するように設定されてもよい。マッピングのひずみ、計測バイアス（例えば参照波、光線のたるみ）、器具の転送関数、およびノイズ特性を定義するような目的で、追加の補正値が用いられてもよい。
【００５１】
非球被検面上の１つ以上のエリアのうちの少なくとも１つに重なる１つ以上のトレースのうちの少なくとも１つが、互いに重なる表面高さ計測値の組を定義する。互いに重なる光学波面センサの表面高さ計測値と一点式粗面計の表面高さ計測値の相違を共通の参照フレーム内で最小にする波面センサ補正値と一点式粗面計補正値相互の大きさを識別することによって、プロセッサが光学波面センサの表面高さ計測値を一点式粗面計の表面高さ計測値と組み合わせる。
【００５２】
図５Ａから図５Ｌは、光学波面センサ１２と一点式粗面計１４の計測値を、非球被検面２０の異なる領域にわたる計測値の合成を生成するように組み合わせ可能な異なる方法を例示する、光学波面センサ１２によってキャプチャされたエリアと一点式粗面計１４によってキャプチャされたトレースの様々な組み合わせを示す。
【００５３】
平面図との比較の目的で、図４の単一の中央エリア８０および子午線方向トレース８２を図５Ａに再掲する。図５Ａまたは他の一連の例示図（図５Ｂ〜図５Ｊ）には示されていないが、各エリア（例えば８０）内の点の配列（例えば８１）および各トレース（例えば８２）に沿った点の連続（例えば８３）は、座標変換によって相対的に適合可能な個々の空間参照フレーム（例えば
【数２７】
0005925972.tif 000028
および
【数２８】
0005925972.tif 000029
）に対して計測される。エリアによって占められた連続的なエリア（例えば８０）は、光学波面センサ１２によって計測された限定領域としてみなされ、計測値がトレースによって外挿可能なエリアは、一点式粗面計１４によって計測された拡張領域とみなされる。一点式粗面計１４によって計測された拡張領域は、非球面２０のいくらか、または全部を代表する計測値を含むことができるが、一般的に点の密度がずっと少ない。
【００５４】
図５Ｂにおいて、光学波面センサ１２の単一の中心エリア１００には、単一の中心エリア１００を超えて非球被検面２０の計測値を拡張するために単一の中心エリア１００を超えて延在する、一点式粗面計１４の２つのトレース１０２および１０４が交差する。単一の中心エリア１００の全体にわたる高さの計測は第１の空間参照フレームを有し、第１のトレース１０２に沿った高さの計測は第２の空間参照フレームを有し、第２のトレース１０４に沿った高さの計測は第３の空間参照フレームを有する。２つのトレース１０２および１０４は単一の中心エリア１００を第１の一致点の組１０５および第２の一致点の組１０７で交差する。収束アルゴリズムが用いられて第２および第３の参照フレームのそれぞれを第１の参照フレームに適合させることができ、それによって第１の組１０５および第２の組１０７の一致点相互の相違が、単一の中心エリア１００と第１のトレース１０２および第２のトレース１０４の共通の参照フレーム内で最小化される。
【００５５】
これまでの例と同様に、図５Ｃは光学波面センサ１２によって得られた単一のエリア１１０および一点式粗面計１４によって得られた第１のトレース１１２および第２のトレース１１４を示す。これまでの例とは異なり、２つのトレース１１２および１１４のうち１つのみ、すなわち第１のトレース１１２のみが、名目一致点の第１の組１１５に沿って単一の中央エリア１１０と交差する。しかしながら、２つのトレース１１２および１１４は、わずか２つのペアの名目一致点１１７および１１９からなる第２の組の名目一致点で互いに交差する。単一の中央エリア１１０内の計測点の配列は第１の参照フレームを共有し、第１のトレース１１２および第２のトレース１１４に沿った点の連続は、それぞれ第２の参照フレームおよび第３の参照フレームを共有する。プロセッサ７２によって実行されるアルゴリズムは、好ましくは相対的に第１、第２および第３の参照フレームが互いに対して適合されて、第１の組１１５内の名目一致点の間の相違と、名目一致点１１７および１１９の２つのペアの間の相違が、共通の参照フレーム内で全体的に最小化される。また、適合は、例えば第２および第３の参照フレームを第１のトレース１１２および第２のトレース１１４の中間参照フレームに適合させ、それから当該中間参照フレームを第１の参照フレームに相対的に適合させることなどにより、連続的に行われることができる。代替として、プロセッサ７２によって実行されるアルゴリズムが、まず、第１および第２の参照フレームを互いに対して適合させて中間参照フレーム内の第１のセット１１５内の名目一致点の間の相違を最小にし、第２に、前記中間参照フレームを第３の参照フレームに対して相対的に適合させて共通の参照フレーム内の名目一致点１１７および１１９の２つの組の間の相違を最小にしてもよい。
【００５６】
図５Ｄは、単一の中央エリア１２０および第１の子午線方向トレース１２２ならびに第２の子午線方向トレース１２４からなる別の例を示す。しかしながら、子午線方向トレース１２２および１２４の両方が単一の中央エリア１２０と交差し、子午線方向トレース１２２および１２４は単一の中央エリア１２０内で互いに交差する。第１の子午線方向トレース１２２と第２の子午線方向トレース１２４の交差により名目一致点の単一のペア１２５が生じる。しかしながら、２つの子午線方向トレース１２２および１２４はそれぞれ、２つの組の名目一致点１２７および１２９に沿って、単一の中央エリア１２０と交差する。第１の子午線方向トレース１２２と第２の子午線方向トレース１２４の２つの参照フレームのそれぞれを単一の中央エリア１１０の参照フレームに適合させるためには、はるかに多数の点が利用可能であるため、単一の中央エリア１２０の参照フレームに子午線方向トレース１２２および１２４の２つの参照フレームを相対的に適合させることには、子午線方向トレース１２２および１２４の２つの参照フレームを互いに相対的に適合させることよりも、大きな重みが一般的に与えられる。しかしながら、第１の子午線方向トレース１２２および第２の子午線方向トレース１２４の２つの参照フレームが、より高い精度で中間参照フレームに関連づけられてすでに知られている場合（例えば前較正によってなど）、当該中間参照フレームは単一の中間エリア１２０の参照フレームに相対的に適合可能である。３つの参照フレームを互いに全体的に適合させる収束アルゴリズム内の点ごとに、様々な重みづけのスキームもまた適用可能である。
【００５７】
図５Ｅは、光学波面センサ１２によって得られた２つのエリア１３０および１３２が共に、一点式粗面計１４によって得られた単一の子午線方向トレース１３４と交差する例を示す。光学波面センサ１２の非球被検面２０に対する相対的な動作は、多軸ステージ５０によって得られてもよいが、各エリア内の計測点が異なる空間参照フレームを有するように２つのエリア１３０および１３２をキャプチャすることを必要とする。２つのエリア１３０および１３２のそれぞれの参照フレームは、それぞれ名目一致点１３５および１３７の組を最小化するために、子午線方向トレース１３４の参照フレームに個別に相対的に適合させられる。しかしながら、２つのエリア１３０および１３２の参照フレームが互いに前較正される（例えば単一の動作軸などによって）場合、２つのエリア１３０および１３２の共通の中間参照フレームが、子午線方向トレース１３４の参照フレームに相対的に適合されてもよい。
【００５８】
図５Ｆは、第１のトレース１４４および第２のトレース１４６がそれぞれ交差する第１の重なるエリア１４０および第２の重なるエリア１４２を特徴とする例を示す。第１のトレース１４４の参照フレームは、対応点１４５を最小にするように第１のエリア１４０の参照フレームに相対的に適合されてもよく、第２のトレース１４６の参照フレームは、対応点１４７を最小にするように第２のエリア１４２の参照フレームに相対的に適合されてもよく、第１のエリア１４０および第２のエリア１４２の参照フレームは対応点１４９を最小にするように互いに相対的に適合されてもよい。様々な適合が、全体的にまたはステージにおいて（すなわち、同時にあるいは順次に）実施されてもよい。例えば、異なる参照フレームのデータをひとまとまりで同時にスティッチしてその後にペアでスティッチするなど、ハイブリッドな手法が用いられてもよい。
【００５９】
図５Ｇは、単一の中央エリア１５０、複数の同心円状トレース１５２ａ−１５２ｆ、および名目一致点１５３の組に沿って単一の中央エリア１５０に交差し２つの名目一致点１５５ａ、１５７ａから２つの名目一致点１５５ｆ、１５７ｆにおいて複数の同心円状トレース１５２ａ−１５２ｆのそれぞれと交差する、単一の子午線方向トレース１５４を示す。加えて、同心円状トレース１５２ａは名目一致点１５９の組に沿って中央エリア１５０に交差する。同心円状トレース１５２ａ−１５２ｆに関する参照フレームはそれぞれ、共通の中間参照フレーム内で名目一致点１５５ａ、１５７ａから１５５ｆ、１５７ｆの間の相違を最小にすることによって、単一の子午線トレース１５４の参照フレームに相対的に適合されてもよく、中間参照フレームは、単一の中央エリア１５０、複数の同心円状トレース１５２ａ−１５２ｆ、および単一の子午線方向トレース１５４に関するグローバルな参照フレーム内の２組の名目一致点１５３および１５９の間の相違を最小にすることによって、単一の中央エリア１５０の参照フレームに相対的に適合されてもよい。もちろん、参照フレーム間で適合が行われる順番が変更されてもよいが、同心円状トレース１５２ａおよび子午線方向トレース１５４が単一の中央エリア１５０の参照フレームに全体的に適合される場合には、まず当該２つのトレース１５２ａおよび１５４の参照フレームが互いに適合されることが好ましい。これまでの例のように、参照フレームが適合される順番は、適合が行われる相対的な重みの理解の助けとして大きく示され、そのような考慮は、すべての参照フレームを共通のグローバルな参照フレームに同時に適合させるアルゴリズムに容易に組み込まれることができる。
【００６０】
図５Ｈは、同様に単一の中央エリア１６０と、同様に複数の同心円状トレース１６２ａ−１６２ｆを含むが、複数の子午線方向トレース１６４ａ−１６４ｄも含む。名目一致点の組は重なる点および線から明らかである。子午線方向トレース１６４ａ−１６４ｄは単一の点で互いに重なり、同心円状トレース１６２ａ−１６２ｆのそれぞれとは２つの点で重なり、中央エリア１６０とは点の組に沿って重なる。同心円状トレースの１つ１６２ａはその円周全体に対応する点の組に沿って中央エリア１６０と重なる。中央エリア１６０、複数の同心円状トレース１６２ａ−１６２ｆ、および複数の子午線方向トレース１６４ａ−１６４ｄに関する参照フレームが同等の精度で知られていることを前提にすると、参照フレームどうしの相対的な適合は、参照フレームによって共有された名目一致点の数に応じて重みづけされるのが好ましい。
【００６１】
図５Ｉは、図５Ｈの中央エリア１７０、すべての同心円状トレース１７２ａ−１７２ｆ、すべての子午線方向トレース１７４ａ−１７４ｄを含むが、中央エリア１７０と重なる追加のエリア１７０ａ−１７０ｈのクラスタも含む。したがって、光学波面センサ１２によって計測される限定領域１７６は、中央エリア１７０およびそれを取り囲む重なるエリア１７０ａ〜１７０ｈによって占められる連続したエリアとして定義される。一点式粗面計１４によって計測される拡張領域１７８は、非球面２０全体を占める。エリア１７０とエリア１７０ａ−１７０ｈの間の名目一致点の数がより多いため、エリア１７０およびエリア１７０ａ−１７０ｈの参照フレームをそれぞれグローバルな参照フレームに相対的に適合させることに、より多くの重みが一般的に与えられる。名目一致点の数がより少ないため、同心円状トレース１７２ａ−１７２ｃおよび子午線方向トレース１７２ａ−１７２ｄの参照フレームをグローバルな参照フレームに適合させることに、より少ない重みが一般的に与えられる。名目一致点の数が最小であるため、子午線方向トレース１７４ａ−１７４ｆとのみ交差する残りの同心円状トレース１７２ｄ−１７２ｆの参照フレームの適合には、一般に最小の重みしか与えられない。
【００６２】
図Ｊは、複数の同心円状トレース１８２ａ−１８２ｆに全体として重なる横方向の一連のエリア１８０ａ−１８０ｈに沿って存在する、中央エリア１８０を含む。エリア１８０および１８０ａ−１８０ｈのすべては一緒に、光学波面センサ１２によって計測される限定領域１８６を定義する。同心円状トレース１８２ａ−１８２ｆは、一点式粗面計１４によって計測され、非球被検面２０と同一の外延をもつ（ｃｏｅｘｔｅｎｓｉｖｅ）拡張領域１８８を定義する。先行する図５Ｉの例と同様に、エリア１８０および１８０ａ−１８０ｈのすべての参照フレームと、トレース１８２ａ−１８２ｆのすべての参照フレームは、他のエリアまたはトレース内の名目一致点を最小にすることによって、互いに相対的に適合され、それによってエリア１８０および１８０ａ−１８０ｈのすべて、ならびに同心円状トレース１８２ａ−１８２ｆのすべてに関するグローバルな参照フレームを定義する。
【００６３】
図５Ｋは、２つに分かれた限定領域１９６および１９７が光学波面センサ１２によって計測され、非球被検面２０全体を占める拡張領域１９８が一点式粗面計１４によって計測される例を示す。第１の限定領域１９６は単一の中央エリア１９０によって定義され、第２の限定領域１９７は円周方向に連なって重なるエリア１９０ａ−１９０ｐによって定義される。光学波面センサ１２によって計測される２つの限定領域１９６および１９７は、４つの子午線方向トレース１９４ａ−１９４ｄによって相互接続される。複数の同心円状トレース１９２ａ−１９２ｆの中で、同心円状トレース１９２ａは完全に第１の限定領域１９６内にあり、同心円状トレース１９２ｄ−１９２ｆは完全に第２の限定領域１９７内にある。エリア１９０および１９０ａ−１９０ｐならびにトレース１９２ａ−１９２ｆおよび１９４ａ−１９４ｄに関連づけられた様々な参照フレームが、名目一致点に応じて互いに相対的に適合されることができる。それぞれの参照フレームを関連づける順番、または当該順番によって表される相対的な重みのいずれかが、計測が行われる名目一致点の数および相対的に確実なことの数にそれぞれ応じて変化することができる。
【００６４】
図５Ｌは、光学波面センサ１２によって計測される５つに分かれた計測の限定領域、および一点式粗面計１４によって計測される６番目の計測の拡張領域を示す。第１の限定領域は中央エリア２００に対応し、第２から第５までの限定領域は周辺エリア２００ａから２００ｄにそれぞれ対応する。６番目の拡張領域は、非球面２０と同一の外延を持つが、同心円状トレース２０２ａ−２０２ｆおよび子午線方向トレース２０４ａ−２０４ｂによって定義される。エリア２００および２００ａ−２００ｄ、ならびにトレース２０２ａ−２０２ｆおよび２０４ａ−２０４ｂに関連づけられた様々な参照フレームは、一般的に名目一致点の数に応じて、グローバルな参照フレーム内で互いに相対的に適合されることができる。また、順番または重みづけはシステムの精度に応じて変更されてもよい。
【００６５】
図５Ａから図５Ｌに様々なエリアおよびトレースが、半径方向対称および軸対称、等しい間隔で配置されるように記載されるが、しばしば好ましくは、計測の目的物に対応するように、例えば、同等に対称な領域を欠く、関心のある特定の領域を含む、不連続あるいは非通常な特徴を含むなどの被検面に対応するように、様々なエリアおよびトレースが非対称に、および不均等な間隔で配置されてもよい。光学波面センサによる計測エリアが、一点式粗面計によって計測されたトレースの交差点に配置されることができ、十分な数の名目一致点が、当該トレースを共通の参照フレームと完全に関連づけるように利用可能となる。しかしながら、可能な場合、エリア相互あるいは個々のトレースに沿った点相互の動作軸の数は最小となることが好ましい。加えて、様々なエリアおよびトレースが組み合わされて、光学波面センサ１２と一点式粗面計１４を個別に、あるいは互いに対して較正することができる。
【００６６】
光学波面センサ２１２および一点式粗面計２１４が並列に配置された、一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計２１０の例が図６に記載される。光学波面センサ２１２は第１の光軸２１６に沿って動作し、一点式粗面計２０４は平行な第２の光軸２７６に沿って動作する。図１〜図３の多軸ステージ５０と同様の、共通の多軸ステージ２５０が、多軸ステージ２５０のＸ軸に沿った移動を増加させ、光軸２１６または光軸２７６のいずれかに沿った計測のために非球被検面２０を位置づけ、光学波面センサ２１２または一点式粗面計２１４によって非球被検面２０を交互に計測するように構成される。
【００６７】
光学波面センサ２１２の構成要素は光学波面センサ１２においてすでに記載された構成要素と同様であってもよい。しかしながら、構成要素は波面センシングに最適化されてもよい。例えば、光源２１８は光学波面センサ２１２が必要とする空間的および時間的なコヒーレンスに応じて最適化されることが好ましい。コリメーター光学要素２２６は、光源２１８によって射出された発散計測光線２２２を、平坦な波面を有する平行にされた計測光線２２８に変換する。目的物２３０は、球面被検波面２３６を有する収束試験光線２３４を生成する１つ以上の光線を形成する光学要素を有する波面形成手段２３２を含み、球面被検波面２３６は、非球被検面２０上のエリア３８の曲面とおよそ一致するように寸法づけられる。非球被検面２０におけるより大きな変動に対応するように光学波面センサ２１２をさらに最適化するために、波面形成手段２３２内で代替の、または調整可能な光線形成光学要素が用いられて、他の形状を有する試験光線が生成されてもよい。
【００６８】
非球被検面２０を有する被検部４６が、多軸ステージ５０と同様であるが、光学波面センサ２１２による計測位置と一点式粗面計２１４による計測位置の間で非球被検面２０を移すようにＸ軸に沿った移動範囲が拡張された多軸ステージ２５０に取りつけられる。
【００６９】
非球被検面２０から逆反射された被検波面２５２におけるいかなる変化、すなわち収差も、エリア３８の形状と被検波面２３６の本来の形状の間の相違に対応するように、非球被検面２０は、光学波面センサ２１２の共焦点位置において光軸２１６に沿って位置づけられる、
【００７０】
目的物２３０は戻ってきた収差を有する被検波面２５２を、収差を有する平面被検波面２５４に変換する。別の画像生成光学要素２５６と連携したコリメーター光学要素２２６は、収差を有する平面被検波面２５４を検出装置２６０へと中継する。加えて、目的物２３０は、中継光学要素２２６および２５６と共に、検出面２６２の画素をエリア２３８内の対応点に関連づけるように、検出装置２６０の検出面２６２上に非球被検面２０のエリア３８の画像を生成する。検出装置２６０は、収差を有する平面被検波面２５４の形状の、本来の平面形状からの局所的な変化を、非球被検面２０の対応する局地的な高さの変化の計測値として、計測する。本来の被検波面２３６は反射中に非球被検面２０と遭遇するため、実際の高さの変化は被検波面２５４の局地的収差のおよそ２分の１である。
【００７１】
これまで記載したように、検出装置２６０は、収差を有する平面被検波面２５４を、波面センサ自身によって定義される平面または同様のデータに対して比較するＳｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎ波面センサなどの波面センサであってもよい。しかしながら、図１の実施形態に関して記載したように、収差を有する被検波面２５４を、収差を有する被検波面２５４と共通する複数の光学要素によって出射される参照波面に対して比較するように、光学波面センサ２１２は干渉計、例えばフィゾー干渉計として配置されてもよい。一般的に、干渉計として配置される光学波面センサ２１２の比較被検波面および参照波面の計測は、参照データに対して直接波面計測を行うよりも高い精度で、そして曖昧な計測の範囲が少なくなるように行うことができる。
【００７２】
非球被検面２０の個別のエリア内で計測されたすべての点、例えば３８が、多軸ステージ２５０の設定から導き出された共通の空間参照フレームの共有を可能としながら、光学波面センサ２１２に対しての非球被検面２０の異なる相対的な位置および方向においてキャプチャされた異なるエリアが、異なる空間参照フレームに関連づけられる。異なる計測位置相互の、被検波面２３６の形状のいかなる相違もまた、異なる空間参照フレーム内で参照される。
【００７３】
一点式粗面計２１４はそれ自身の光源２７８を有し、それは好ましい計測技術で構成可能であるが、光学波面センサ２１２による計測を行うのに効率的ではないことがある光源を含む。光源２７８から発散する計測光線２８２は、光学系２７６に沿ってビームスプリッタ２８４によって焦点形成光学要素２８６に転送され、焦点形成光学要素２８６は、計測光線２８２を非球被検面２０上の焦点２６６へと収束させる。収束計測光線２８２を構成する個々の光線は、それぞれの入射角に応じて非球被検面２０からの反射時に反転されるが、反射された計測光線２８８の全体の形状は焦点２６６における反射によっては変化しない。しかしながら、非球被検面２０における焦点２６６からのいかなる逸脱も、反射された計測光線２８８内の光線の相対的な方向および分散を変化させる。例えば、位置の小さい変化、または、焦点２６６によって照らされた非球被検面２０の微小なエリアのスロープさえも、反射された計測光線２８８に変動を生じさせる。焦点形成光学要素２８６は反射された計測光線２８８を検出装置２７０上に再収束させ、検出装置２７０は非球被検面２０内の局所的な逸脱の計測として、反射された試験光線２８８における任意の変動を分析する。反射された試験光線２８８における変動は、表面高さの変化の計測値へと、直接的に、または、非球被検面２０がよりよい焦点位置に到達するように非球被検面２０を計測された相対的移動量で導くことによって間接的に、変換することができる。
【００７４】
非球被検面２０上の複数の点の計測のための図１〜図３の一点式粗面計１４の配置と同様に、非球被検面２０は所定のトレースに沿った点をキャプチャするための一点式粗面計２１４に対して移動する。好ましくは最小限の数の動作軸、より好ましくは単一の動作軸が、個々のトレースに沿った点のキャプチャに用いられる。そのような動作軸のそれぞれが、好ましくは高精度な軸であり、その位置は非球被検面２０上での点の識別に必要な横方向解像度で精密に監視されることができる。そのような各トレースに沿った点は、好ましくは共通の空間参照フレームを共有し、そのような各トレースは、トレースの全体にわたって固定された動作軸に関連づけられた異なる参照フレームを有する。
【００７５】
一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計１０のように、一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計２１０は、高精度で計測可能な非球面の範囲を拡張する際に特に有用である。非球被検面２０の限定領域は、計測範囲が一点式粗面計２１４よりも限定された光学波面センサ２１２によって計測される。限定領域と重なるが限定領域を超えて延在する拡張領域は、一点式粗面計２１４によって計測される。そのようなものとして、一点式粗面計２１４によって計測された少なくとも１つのトレースが、光学波面センサ２１２によって計測された少なくとも１つのエリアと重なる。エリアとトレースの名目一致点相互の相違は、エリア内の点の配列およびトレースに沿った点の連続にそれぞれ関連づけられた参照フレームを、エリア内の点およびトレースに沿った点のすべてに関する共通の参照フレームに、相対的に適合させるように用いられることができる。図５Ａ〜図５Ｌはエリアとトレースのその他の組み合わせを示し、それらの計測は非球被検面２０の複合的な計測を生み出すために一体化されることができる。
【００７６】
一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計１０と同様に、光学波面センサ２１２および一点式粗面計２１４は、一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計２１０を非球被検面２０に対して較正する、光学波面センサ２１２の被検波面の曲率半径を決定する、または光学波面センサ２１２あるいは一点式粗面計２１４のいずれかによって行われる計測の精度あるいは信頼性を向上させる、などの追加の目的で、一緒に用いられてもよい。
【００７７】
光学波面センサ２１２の光軸２１６と一点式粗面計２１４の光軸２７６は平行に配置されるように示される。２つの計測の参照フレーム相互の相違が知られているか決定されている限りは、２つの軸２１６および２７６は異なる（平行でない）方向に向くこともできる。加えて、一点式粗面計は好ましくは光学プローブを含むが、一点式粗面計は代替として機械的プローブを含んでもよく、別の種類の逐一計測を行ってもよい。その形状にかかわらず、一点式粗面計はより大きい範囲の非球面を計測するように、またはより高い精度でそのような表面を計測するように、様々な程度で光学波面センサと一体化してもよい。
【００７８】
光学波面センサのみによる計測に適していないエリアを含む、より大きい範囲の非球面を計測することに加えて、一体型の光学波面センサおよび一点式粗面計が、光学波面センサおよび一点式粗面計の両方によって共通のエリアまたは非球面全体を計測するように使用されて、非球面をより高い精度で計測するようにしてもよい。例えば、一点式粗面計のトレース計測は球面収差の不確実性が少ないが横方向解像度が低い可能性があり、光学波面センサのエリア計測は球面において不確実性が高いが横方向解像度は高い可能性がある。
【図１】
0005925972.tif 000030
【図２】
0005925972.tif 000031
【図３】
0005925972.tif 000032
【図４】
0005925972.tif 000033
【図５Ａ】
0005925972.tif 000034
【図５Ｂ】
0005925972.tif 000035
【図５Ｃ】
0005925972.tif 000036
【図５Ｄ】
0005925972.tif 000037
【図５Ｅ】
0005925972.tif 000038
【図５Ｆ】
0005925972.tif 000039
【図５Ｇ】
0005925972.tif 000040
【図５Ｈ】
0005925972.tif 000041
【図５Ｉ】
0005925972.tif 000042
【図５Ｊ】
0005925972.tif 000043
【図５Ｋ】
0005925972.tif 000044
【図５Ｌ】
0005925972.tif 000045
【図６】
0005925972.tif 000046