(57)【要約】【課題】干渉計による非球面測定が低コストで実現可能であって、尚且つ高精度に面形状測定が可能な非球面形状測定方法を提供すること。【解決手段】被検物上の被検面で反射した被検光と参照波面を有する参照光とを互いに干渉させることにより得られる干渉縞を検出器により検出し、検出された干渉縞の情報に基づいて前記被検面の面形状を測定する干渉計において、干渉計により被検面の面形状を測定する実測定工程と、前記干渉計内の光学素子の情報を用い屈折の法則に基づいて光線が通る座標を計算する所謂光線追跡により前記干渉計による面形状測定の模擬実験を行う模擬実験工程と、前記実測定工程により測定した面形状実測定データと前記模擬実験工程により計算した面形状模擬実験データが一致するように前記被検面形状を定め面形状測定結果として出力する面形状決定工程を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物上の被検面で反射した被検光と参照波面を有する参照光とを互いに干渉させることにより得られる干渉縞を検出器により検出し、検出された干渉縞の情報に基づいて前記被検面の面形状を測定する干渉計において、干渉計により被検面の面形状を測定する実測定工程と、前記干渉計内の光学素子の情報を用い屈折の法則に基づいて光線が通る座標を計算する所謂光線追跡により前記干渉計による面形状測定の模擬実験を行う模擬実験工程と、前記実測定工程により測定した面形状実測定データと前記模擬実験工程により計算した面形状模擬実験データが一致するように前記被検面形状を定め面形状測定結果として出力する面形状決定工程を備えることを特徴とする非球面形状測定方法。
【請求項２】
前記模擬実験工程は、前記干渉計内の光学素子の情報を入力し記憶するモデル化工程と、干渉縞を検出する検出器上における被検光と参照光の光路長差を光線追跡により光路長差算出工程と、前記光路長差により前記面形状模擬実験データを計算する面形状模擬実験データ算出工程を備えることを特徴とする請求項１記載の非球面形状測定方法。
【請求項３】
前記面形状決定工程は、前記被検面の推定形状の初期値を定め情報として記憶する初期推定形状モデル化工程と、前記推定形状を用いて前記模擬実験工程を実施し推定形状に対応した面形状模擬実験データを算出する推定形状対応模擬実験データ算出工程と、前記推定形状に対応した面形状模擬実験データと前記実測定工程により測定された面形状実測定データとの差に応じて前記推定形状を修正する推定形状修正工程と、前記推定形状が収束するまで前記推定形状対応模擬実験データ算出工程と前記推定形状修正工程とを繰り返し、前記推定形状が収束した時点における前記推定形状を前記被検面の面形状測定結果とする推定形状収束化工程を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の非球面形状測定方法。
【請求項４】
前記干渉計の実参照波面と理想参照波面との差を求め、前記実測定工程により得られた面形状実測定データから前記干渉計の実参照波面と理想参照波面との差を補正するシステムエラー補正工程を備えることを特徴とする請求項１又は２記載非球面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉計により非球面形状を測定する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の光学機器の高精度化に伴い、その機器を構成するレンズやミラーといった光学素子も高精度化が求められている。特に、光学性能を大きく向上させることができる非球面光学素子の高精度化が求められており、そのためには非球面形状の測定精度の向上が不可欠である。
【０００３】
面形状を高精度に測定可能な装置として干渉計が挙げられ、球面測定や平面測定に広く使われている。しかしながら、非球面測定を干渉計により行う場合、一般的な構成では干渉計固有の誤差が生じ、高精度な測定が困難であった。以下非球面測定時の干渉計固有の誤差について説明する。
【０００４】
図３はフィゾー型干渉計により球面形状を測定する場合の一般的な構成を示したものである。
【０００５】
光源１から射出したレーザー光は集光レンズ２で一旦集光された後発散し、ビームスプリッタ３の作用で進行方向を折り曲げられ、コリメータレンズ４で平行光に変換された後、透過型球面原器５に入射する。透過型球面原器５の参照球面５ａで反射した光は、参照光としてコリメータレンズ４へ戻り、コリメータレンズ４、ビームスプリッタ３、結像レンズ７を透過してエリアセンサ８の撮像面８ａに到達する。
【０００６】
一方、参照球面５ａを透過した光は、球面波に変換されて被検物６に入射し、被検面６ａで反射した光は、被検光として透過型球面原器５へ戻り、透過型球面原器５、コリメータレンズ４、ビームスプリッタ３、結像レンズ７を透過してエリアセンサ８の撮像面８ａに到達する。撮像面８ａでは、参照球面５ａで反射した参照光と被検面６ａで反射した被検光が干渉し、干渉縞が形成される。エリアセンサ８により得られた出力信号は信号処理系９に送られ、信号処理系９において干渉縞解析を行って参照光と被検光の位相差を計算することで、参照光と被検光の光路長差を求めることができる。
【０００７】
被検面６ａが球面である場合、被検面６ａの位置と姿勢を調整することにより、干渉縞をワンカラーの状態にすることができる。このとき、被検面６ａで反射した被検光は、透過型球面原器５の参照面５ａを透過以降、コリメータレンズ４、ビームスプリッタ３、結像レンズ７を透過してエリアセンサ８の撮像面８ａに至るまで透過型球面原器５の参照球面５ａで反射した参照光とほぼ同じ光路を通る。従って、参照面５ａから撮像面８ａまでの参照光と被検光の光路長差はゼロとみなすことができる。
【０００８】
一方、光源１から参照球面５ａまでの参照光と被検光の光路長差もゼロとなるため、信号処理系９より出力される参照光と被検光の光路長差は、参照球面５ａを透過して被検面６ａで反射し、再び参照球面５ａに至るまでの被検光の光路長差に等しい。従って、参照球面５ａが理想球面であると仮定すれば、参照光と被検光の光路長差は被検面６ａの凹凸にのみ起因することになり、信号処理系９において干渉縞解析した結果得られる参照光と被検光の光路長差から被検面６ａの面形状を求めることができる。
【０００９】
しかしながら、被検面６ａが非球面である場合、被検面６ａの位置と姿勢を調整しても干渉縞がワンカラーとなる状態を作ることはできず、場所により干渉縞の疎密状態が異なる。このとき、干渉縞が疎となる領域に関しては被検面６ａが球面である場合と同様であり、光源１から参照球面５ａに至るまでと、参照面５ａから撮像面８ａに至るまでの参照光と被検光の光路長差をゼロとみなすことができるが、干渉縞が密となる領域に関しては、光源１から参照球面５ａに至るまでと、参照面５ａから撮像面８ａに至るまでの参照光と被検光の光路長差が無視できず、面形状測定データに影響を与えることになる。そのため、図３のような一般的な構成の干渉計では、高精度に非球面形状を測定することは困難である。このように、光源１から参照球面５ａに至るまでと、参照面５ａから撮像面８ａに至るまでの参照光と被検光の光路が異なることに起因する測定誤差を本発明ではレイマッピングエラーと呼ぶものとし、以降、ＲＭＥと表記する。
【００１０】
ＲＭＥの発生を防止し、干渉計による非球面測定を可能にする従来技術としては、ヌル干渉計や、輪帯波面合成法が提案されている。ヌル干渉計は被検面の形状に合わせた非球面波を発生させるヌル素子を用いることにより干渉縞がワンカラーとなり、ＲＭＥの発生を抑えることができる。輪帯波面合成法は、被検物を干渉計光軸方向に移動させながら複数の面形状測定データを取得し、各面形状測定データにおける干渉縞が疎である領域のみを有効データとして取り出した後、各面形状測定データにおける有効データを繋ぎ合わせることによりＲＭＥの発生を抑えながら被検面全面の面形状を測定可能な方法である。
【００１１】
一方、ＲＭＥの発生を抑えるのではなく、ＲＭＥを別途求めた上で面形状測定データからＲＭＥ相当分の形状を除去し補正する方法が特許文献１に提案されている。この方法では、被検面に入射する波面形状と被検面の概略形状を予め測定し、被検面に入射する波面形状と被検面形状との差を面形状測定データから除くことによりＲＭＥを補正している。
【００１２】
【特許文献１】特開２０００−０８８５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、ヌル干渉計を用いて非球面形状を測定する場合、ヌル素子の製造が困難である上に被検非球面の設計形状が異なれば新たにヌル素子を用意する必要があるため、コストが掛かる方法である。又、輪帯波面合成法も被検物を干渉計光軸方向に高精度に移動させる必要があり、且つ、被検物の位置を高精度に測定する必要があるため、装置コストが掛かる方法である。
【００１４】
一方、前記特許文献１（特開２０００−０８８５４５号公報）で提案されている方法は、特別な装置を必要としないためコスト面で有利な方法である。
【００１５】
しかしながら、被検面に入射する波面形状と被検面の形状差を面形状測定データから除去しているため、波面形状と被検面形状の測定誤差がそのまま補正誤差となる。特に、干渉計による面形状測定対象そのものであり、高精度に面形状を測定することは困難である。又、ＲＭＥは図３におけるコリメータレンズ４や結像レンズ７といった干渉計内部の光学系に依存する誤差であるのに対し、特許文献１で提案されている方法では干渉計内部の光学系が考慮されていないため、この点からも高精度な補正を行うことは困難である。
【００１６】
本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされたものであり、干渉計による非球面測定が低コストで実現可能であって、尚且つ高精度に面形状測定が可能な非球面形状測定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】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明は、被検物上の被検面で反射した被検光と参照波面を有する参照光とを互いに干渉させることにより得られる干渉縞を検出器により検出し、検出された干渉縞の情報に基づいて前記被検面の面形状を測定する干渉計において、実測定工程、模擬実験工程、面形状決定工程を備えることを特徴とする非球面形状測定方法である。
【００１８】
上記構成において、実測定工程は干渉計により被検物上の被検面の面形状を測定し、面形状測定データを出力する機能を備えている。又、模擬実験工程は、任意の被検面形状を前記干渉計で測定した場合に得られる面形状測定データを、前記干渉計内の光学素子の情報を用い屈折の法則に基づいて光線が通る座標を計算する所謂光線追跡による模擬実験により算出する機能を備えている。そして、面形状決定工程は、前記実測定工程により測定した面形状実測定データと前記模擬実験工程により計算した面形状模擬実験データが一致するように前記被検面形状を定め、ＲＭＥ補正済み面形状測定結果として出力する機能を備えている。
【００１９】
本発明の好ましい態様によれば、前記模擬実験工程は、モデル化工程、光路長差算出工程、面形状模擬実験データ算出工程を備えることが好ましい。上記構成において、前記モデル化工程は、前記干渉計内の光学素子の情報を入力し記憶する機能を備えている。又、前記光路長差算出工程は、前記モデル化工程により記憶された前記干渉計内の光学素子の情報に基づく光線追跡により、干渉縞を検出する検出器上における被検光と参照光の光路長差を算出する機能を備えている。そして、前記面形状模擬実験データ算出工程は、前記光路長差算出工程により得られた検出器上における被検光と参照光の光路長差から、前記面形状模擬実験データを算出し出力する機能を備えている。
【００２０】
又、前記面形状決定工程は、初期推定形状モデル化工程、推定形状対応模擬実験データ算出工程、推定形状修正工程、推定形状収束化工程を備えることが好ましい。上記構成において、初期推定形状モデル化工程は前記被検面の推定形状の初期値を定め情報として記憶する機能を備えている。又、推定形状対応模擬実験データ算出工程は、前記推定形状を用いて前記模擬実験工程を実施し推定形状に対応した面形状模擬実験データを算出する機能を備えている。又、推定形状修正工程は、前記推定形状に対応した面形状模擬実験データと前記実測定工程により測定された面形状実測定データとの差に応じて前記推定形状を修正する機能を備えている。そして、推定形状収束化工程は前記推定形状が収束するまで前記推定形状対応模擬実験データ算出工程と前記推定形状修正工程とを繰り返し、前記推定形状が収束した時点における前記推定形状を前記被検面の面形状測定結果として出力する機能を備えている。
【００２１】
更に、本発明の好ましい態様によれば、前記実測定工程、前記模擬実験工程、前記面形状決定工程に加えて、システムエラー補正工程を備えることが好ましい。前記システムエラー補正工程は、前記干渉計の実参照波面と理想参照波面との差を求め、前記実測定工程により得られた面形状実測定データから前記干渉計の実参照波面と理想参照波面との差を補正する機能を備えている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ＲＭＥ補正済み面形状測定結果が計算により求めることができ、設計値の異なる被検面の面形状測定にも対応可能であるため、ヌル干渉計や輪帯波面合成法よりも低コストに非球面形状測定が可能である。又、高精度な測定が困難な被検面形状情報を必要とせず、干渉計内部の光学系も考慮された非球面形状測定方法であるため、特許文献１に提案されている方法よりも高精度にＲＭＥが補正された非球面形状測定データを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明の実施形態を示す図である。光源１から射出したレーザー光は集光レンズ２で一旦集光された後発散し、ビームスプリッタ３の作用で進行方向を折り曲げられ、コリメータレンズ４で平行光に変換された後、透過型球面原器５に入射する。透過型球面原器５の参照球面５ａで反射した光は、参照光としてコリメータレンズ４へ戻り、コリメータレンズ４、ビームスプリッタ３、結像レンズ７を透過してエリアセンサ８の撮像面８ａに到達する。
【００２５】
一方、参照球面５ａを透過した光は、被検物６に入射し、被検面６ａで反射した光は被検光として透過型球面原器５へ戻り、透過型球面原器５、コリメータレンズ４、ビームスプリッタ３、結像レンズ７を透過してエリアセンサ８の撮像面８ａに到達する。撮像面８ａでは、参照球面５ａで反射した参照光と被検面６ａで反射した被検光が干渉し、干渉縞が形成される。エリアセンサ８により得られた出力信号は、信号処理系９に送られ、信号処理系９において干渉縞解析を行い、被検面６ａの面形状測定データを出力する。被検面６ａが被検面である場合、干渉縞がワンカラーとはならずＲＭＥが発生するため、信号処理系９より出力された面形状測定データは更に面形状誤差補正処理系１００に送られ、ＲＭＥに相当する誤差形状の補正処理を実施する。
【００２６】
図２に面形状誤差補正処理系１００において実施する処理内容を示す。
【００２７】
先ず、干渉計光学系のモデル化工程１０１を実施する。干渉計光学系のモデル化工程１０１では、被検面６ａ以外の全ての光学素子について面形状、面間隔、ガラスデータ、光源の波長等の光路長を決定する全ての情報をモデル化し、不図示の記憶部に保持しておく。光学素子のデータは設計値を用いることでモデル化できるが、干渉計の製造段階で面形状や面間隔等の光学素子データを測定し、干渉計の製造誤差をモデルに反映させることで、更に補正精度を上げることもできる。
【００２８】
次に、干渉計システムエラー算出工程１０２を実施し、システムエラー、即ち参照波面と理想球面波との差を求める。システムエラーは、被検面６ａに依存しない測定誤差であり、通常の球面測定におけるシステムエラーの算出と同様にして求めることができる。例えば、０°、１８０°、Ｃａｔ’ｓ  Ｅｙｅの３ポジションについて測定を行い、所定の演算を行うことによってシステムエラーを算出する方法がＢ．Ｅ．ＴｒｕａｘによってＳＰＩＥ  ｖｏｌ．９６６（１９８８）１３０に開示されている。
【００２９】
干渉計システムエラーを求めた後、干渉計システムエラー補正工程１０３を実施し、信号処理系９より出力された被検面６ａの面形状測定データから干渉計システムエラーを減算する。尚、干渉計光学系のモデル化工程１０１において干渉計光学系の製造誤差もモデル化されている場合、干渉計システムエラー算出工程１０２および干渉計システムエラー補正工程１０３を省略しても良い。逆に干渉計システムエラー算出工程１０２及び干渉計システムエラー補正工程１０３を実施する場合、後述する参照光の光路長を求める際に干渉計の製造誤差をモデルに反映せずに算出した方が良い。
【００３０】
最後にＲＭＥ補正工程１０４を実施し、干渉計システムエラーだけではなくＲＭＥも補正された被検面６ａの面形状を出力する。ＲＭＥ補正は、モデル化１０１によりモデル化された干渉計光学系のモデルに基づいた光線追跡による模擬実験により得られた面形状模擬実験データと、信号処理系９より出力され、干渉計システムエラーが減算された被検面６ａの面形状測定データが一致するように被検面６ａの面形状を定めることにより実施する。被検面６ａの面形状は、例えば以下に説明する方法により定めることが可能である。
【００３１】
ＲＭＥ補正工程１０４では、先ず、被検面６ａの推定形状の初期値を定め、干渉計光学系のモデル化工程１０１によってモデル化された干渉計光学系に情報を入力する。推定形状の初期値は被検面６ａの設計値とすれば良い。
【００３２】
次に、被検面６ａの推定形状を与えたモデルに対して光線追跡を実施し、エリアセンサ８の撮像面８ａ上の座標が信号処理系９より出力された干渉計面形状測定データと同じ点における参照光の光路長と被検光の光路長をそれぞれ求める。撮像面８ａ上の特定の座標における光路長は、光源より多数の光線をとばして特定の座標周辺の光路長を求め、周辺の座標における光路長から内挿することにより求めることができる。
【００３３】
参照光の光路長と被検光の光路長が求まれば、両者の光路長の差から被検面６ａの面形状模擬実験データを求めることができ、干渉計システムエラーを除去済みの面形状測定データと面形状模擬実験データが一致すれば、被検面６ａの推定形状が被検面６ａの実形状と一致していると考えることができる。
【００３４】
しかしながら、推定形状の初期値が実形状と一致することは期待できず、干渉計システムエラーを除去済みの面形状測定データと面形状模擬実験データには差が生じる。そこで、干渉計システムエラーを除去済みの面形状測定データと面形状模擬実験データの差に応じて被検面６ａの推定形状を修正し、再度参照光と被検光の光路長差を光線追跡により求め面形状模擬実験データを修正する。そして、被検面６ａの推定形状が収束した時点で補正処理を終了とし、収束した被検面６ａの推定形状を被検面６ａのＲＭＥ補正済み面形状測定データとして出力する。
【００３５】
推定形状を修正は、例えば干渉計システムエラーを除去済みの面形状測定データから面形状模擬実験データを減算した値を被検面６ａの推定形状に加算することで可能である。この方法の場合、干渉計システムエラーを除去済みの面形状測定データと面形状模擬実験データの差は全て被検面６ａの推定形状の推定誤差であると仮定して修正することを意味している。実際には、被検面６ａの推定形状の変化に伴いＲＭＥも変化するため、推定誤差が残ることになるが、被検面６ａの推定形状の修正量と比較して推定形状の修正に伴うＲＭＥの変化量は微小であるため、修正を繰り返すことにより干渉計システムエラーを除去済みの面形状測定データと面形状模擬実験データの差を小さくすることができる。
【００３６】
尚、干渉計光学系のモデル化工程１０１と干渉計システムエラー算出工程１０２については、一度実施して実施した結果を保持していれば、異なる面形状測定データに対して共通に適用可能である。そのため、信号処理系９より出力された面形状測定データは直ちに干渉計システムエラー補正工程１０３を実施し、ＲＭＥ補正工程１０４を実施することが可能であり、短時間にＲＭＥ補正済み面形状測定データを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態に係る干渉計の全体構成を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るＲＭＥ補正法の手順を示すフローチャートである。
【図３】一般的な干渉計の全体構成を説明する図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    光源
２    集光レンズ
３    ビームスプリッタ
４    コリメータレンズ
５    透過型球面原器
５ａ    参照球面
６    被検物
６ａ  被検面
７    結像レンズ
８    エリアセンサ
８ａ    撮像面
９    信号処理系
１００  面形状誤差補正処理系
１０１  干渉計光学系のモデル化工程
１０２  干渉計システムエラー算出工程
１０３  干渉計システムエラー補正工程
１０４  ＲＭＥ補正工程
【図１】
2006126103.tif 000003
【図２】
2006126103.tif 000004
【図３】
2006126103.tif 000005