(57)【要約】【課題】波面測定用干渉計におけるシステム誤差を、容易かつ高精度に計測することが可能なシステム誤差計測装置、およびこのようなシステム誤差計測装置を備えた波面測定用干渉計装置を得る。【解決手段】システム誤差計測装置は、波面測定用干渉計３のシステム誤差の計測を行なう際に、被検光束の導光路上に設置される光学ユニット２を備えている。この光学ユニット２は、入射された光束を収束光束として出力する収束光学系２１と、該収束光学系２１からの収束光束を波面整形し発散光束となして出力する透過型ピンホール２２と、透過型ピンホール２２からの発散光束を、波面測定用干渉計３のシステム誤差を計測可能な評価用光束にして変換して出力する出力光学系２４とを備えてなる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検光束の導光路上に配置され、該導光路上に導光された光束を２つに分離する光束分離手段と、該光束分離手段により分離された一方の光束を波面整形して基準光束となす波面整形手段と、該波面整形手段からの前記基準光束を前記光束分離手段により分離された他方の光束と干渉させて該光束の波面情報を担持した干渉縞を得る干渉縞取得手段と、を有する波面測定用干渉計におけるシステム誤差を計測する装置において、
前記システム誤差を計測する際に前記導光路上に配置される光学ユニットであって、
入射された光束を収束光束として出力する収束光学系と、
該収束光学系からの前記収束光束の略収束点に配置され、入射した前記収束光束を波面整形し発散光束となして出力する透過型ピンホールと、
該透過型ピンホールからの前記発散光束を、前記波面測定用干渉計の前記システム誤差を計測可能な評価用光束となして前記光束分離手段に向けて出力する出力光学系と、を有してなる光学ユニット、
を備えてなることを特徴とするシステム誤差計測装置。
【請求項２】
前記光学ユニットを前記導光路上に配置した際に、前記波面測定用干渉計により得られる、前記評価用光束の波面情報および前記波面測定用干渉計の前記システム誤差の情報を担持した干渉縞を解析し、該システム誤差を求めるシステム誤差解析手段を備えてなることを特徴とする請求項１記載のシステム誤差計測装置。
【請求項３】
被検光束の導光路上に配置され、該導光路上に導光された光束を２つに分離する光束分離手段と、該光束分離手段により分離された一方の光束を波面整形して基準光束となす波面整形手段と、該波面整形手段からの前記基準光束を前記光束分離手段により分離された他方の光束と干渉させて該光束の波面情報を担持した干渉縞を得る干渉縞取得手段と、を有する波面測定用干渉計において、
請求項１または２に記載されたシステム誤差計測装置を備えてなることを特徴とする波面測定用干渉計装置。
【請求項４】
前記波面整形手段が、前記一方の光束を収束させる収束レンズと、該収束レンズによる前記一方の光束の略収束点に配置され、入射した該一方の光束を波面整形して前記基準光束となす反射型ピンホールと、により構成されていることを特徴とする請求項３記載の波面測定用干渉計装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検光束の波面測定を行なう波面測定用干渉計におけるシステム誤差を、製品出荷時やメンテナンス時等に計測するためのシステム誤差計測装置、およびこのようなシステム誤差計測装置を備えた波面測定用干渉計装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、波面測定の対象とされる被検光束を２光束に分離し、一方の光束を波面整形した後に他方の光束と干渉させることにより得られる干渉縞に基づき、被検光束の波面測定を行なう波面測定用の干渉計が知られている。この種の干渉計としては、干渉させる２つの光束が分岐された別々の光路を通過するマッハツェンダ型の干渉光学系を備えたものがこれまで一般的であったが、本願出願人は、反射型ピンホールによる波面整形手段を用いることにより、干渉させる２つの光束が１つの光軸に沿って通過するフィゾー型の干渉光学系を採ることを可能とした波面測定用の干渉計装置を創案し、既に特許庁に開示している（下記特許文献１、２参照）。
【０００３】
近年、このような波面測定用干渉計においては、被検光束波長の数十分の一程度の高い測定精度が求められており、このため、個々の光学部材が有する収差や振動等の影響により発生するシステム誤差を、高性能な光学部材を使用することや光学系を堅牢に構成することなどによって、極力排除する努力が払われている。
【０００４】
しかし、このようなシステム誤差を完全に除去することは、技術的に極めて困難であるため、一般には、除去し得ないシステム誤差を予め計測しておき、このシステム誤差を波面測定の解析結果から演算的に除去するようにしている。
【０００５】
このようなシステム誤差を計測する方法としては、光学部材の収差等を評価し得る理想的な波面を持つ評価用の光束を生成し、この評価用光束を被検光束とみなして測定対象のシステムにより波面測定する方法が知られている。すなわち、システム誤差が無く、また評価用光束の波面が完全なものである場合には、この測定により得られる干渉縞は、いわゆる完全なヌル縞となることを利用して、実際の測定により得られる干渉縞をヌル縞と比較することにより、システム誤差を求めるものである。
【０００６】
【特許文献１】特願２００４−１６８９６５号明細書
【特許文献２】特願２００４−１６８９６６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、システム誤差を計測するために必要となる評価用光束は、高精度に研磨された球面鏡にレーザ光等を照射することにより得られる球面波を用いて生成されている。
【０００８】
しかし、球面鏡の面精度は、高精度なものでも光の波長の数十分の一程度であるので、このような球面鏡を用いて生成される光束では、同程度の高い測定精度が求められる波面測定用干渉計の評価用光束としては不十分であり、システム誤差を高精度に計測することが難しいという問題がある。
【０００９】
また、球面鏡を照射するための高い波面精度を持つ光源を別途必要とするとともに、球面鏡により得られた球面波を評価用光束に変換してシステムに導くためには、球面鏡や光源のアライメントを高精度に調整する必要がある。このため、システム誤差の計測に要する手順が煩雑で、計測に多くの時間を要するという問題もある。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、波面測定用干渉計におけるシステム誤差を、容易かつ高精度に計測することが可能なシステム誤差計測装置、およびこのようなシステム誤差計測装置を備えた波面測定用干渉計装置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】
【００１１】
上記目的を達成するため本発明では、透過型ピンホールにより波面整形する光学ユニットを、システム誤差を計測する際に、被検光束の導光路上に配置するようにしている。
【００１２】
すなわち、本発明に係るシステム誤差計測装置は、被検光束の導光路上に配置され、該導光路上に導光された光束を２つに分離する光束分離手段と、該光束分離手段により分離された一方の光束を波面整形して基準光束となす波面整形手段と、該波面整形手段からの前記基準光束を前記光束分離手段により分離された他方の光束と干渉させて該光束の波面情報を担持した干渉縞を得る干渉縞取得手段と、を有する波面測定用干渉計におけるシステム誤差を計測する装置において、
前記システム誤差を計測する際に前記導光路上に配置される光学ユニットであって、
入射された光束を収束光束として出力する収束光学系と、
該収束光学系からの前記収束光束の略収束点に配置され、入射した前記収束光束を波面整形し発散光束となして出力する透過型ピンホールと、
該透過型ピンホールからの前記発散光束を、前記波面測定用干渉計の前記システム誤差を計測可能な評価用光束となして前記光束分離手段に向けて出力する出力光学系と、
が設けられてなる光学ユニット、を備えてなることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係るシステム誤差計測装置において、前記光学ユニットを前記導光路上に配置した際に、前記波面測定用干渉計により得られる、前記評価用光束の波面情報および前記波面測定用干渉計のシステム誤差の情報を担持した干渉縞を解析し、該システム誤差を求めるシステム誤差解析手段を備えるようにすることができる。
【００１４】
また、本発明に係る波面測定用干渉計装置は、被検光束の導光路上に配置され、該導光路上に導光された光束を２つに分離する光束分離手段と、該光束分離手段により分離された一方の光束を波面整形して基準光束となす波面整形手段と、該波面整形手段からの前記基準光束を前記光束分離手段により分離された他方の光束と干渉させて該光束の波面情報を担持した干渉縞を得る干渉縞取得手段と、を有する波面測定用干渉計において、本発明に係るシステム誤差計測装置を備えてなることを特徴とするものである。
【００１５】
前記波面整形手段は、前記一方の光束を収束させる収束レンズと、該収束レンズによる前記一方の光束の略収束点に配置され、入射した該一方の光束を波面整形して前記基準光束となす反射型ピンホールと、により構成されたものとすることができる。
【００１６】
なお、上記「透過型ピンホール」とは、該透過型ピンホールに入射する収束光束の回折限界により大きさが決められ（望ましくは回折限界よりも小さく構成され）、該収束光束の少なくとも一部を波面整形された理想的な球面波として透過（通過）させる機能を有するものをいう。
【００１７】
また、上記「反射型ピンホール」とは、該反射型ピンホールに入射する収束光束の回折限界により大きさが決められ（望ましくは回折限界よりも小さく構成され）、該収束光束の少なくとも一部を波面整形された理想的な球面波として反射する機能を有するものをいう。このような反射型ピンホールとしては、種々の構成のものを用いることが可能であるが、具体的態様として例えば、基板上に微小な反射領域を形成したもの、針状部材の先端に微小な反射領域を形成したもの、あるいは通常のピンホールの裏面側直近に反射面を配置したものなどを挙げることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るシステム誤差計測装置は、システム誤差を計測する際に被検光束の導光路上に配置される光学ユニットを備えていることにより、以下のような効果を奏する。
【００１９】
すなわち、この光学ユニットによれば、透過型ピンホールを用いることにより、入射光束の波長の数千分の一程度のオーダーまで高精度に波面整形された評価用光束を出力することができるので、波面測定用干渉計のシステム誤差を高精度に計測することが可能となる。また、この光学ユニットは、被検光束の導光路上に容易に配置することができるので、波面測定用干渉計のシステム誤差を容易かつ短時間で行なうことが可能となる。
【００２０】
また、本発明に係る波面測定用干渉計装置によれば、本発明に係るシステム誤差計測装置を備えていることにより、システム誤差の計測を容易かつ短時間で行なうことができるので、経年使用等によりシステム誤差に変化が生じるような場合でも、このようなシステム誤差を容易に較正することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る波面測定用干渉計装置を概略的に示す図である。
【００２２】
〈波面測定用干渉計装置の構成〉
図１に示す波面測定用干渉計装置は、被検光源装置１から出力される被検光束の波面測定を行なうものであり、後述するシステム誤差計測時に、被検光束の導光路上に設置される光学ユニット２と、マイケルソン型の光学系配置をとる波面測定用干渉計３と、縞解析等を行なう解析部４とを備えてなる。
【００２３】
上記被検光源装置１は、例えば、半導体レーザ等の光源１１と、該光源１１からの発散光束を平行光束に変換するコリメータレンズ１２と、反射ミラー１３とからなり、光ピックアップ用のＬＤ光束を出力するように構成されたものとされる。このような光ピックアップ用のＬＤ光束は、その可干渉距離を短くするために高調波が重畳されて使用される場合があり、図１に示す波面測定用干渉計装置では、このような低可干渉性のＬＤ光束を被検光束とする場合でも、その波面測定を行なえるように構成されている。なお、この被検光源装置１は、光ピックアップ装置等に組み込まれて用いられるものであり、上記波面測定用干渉計装置の構成要素ではない。
【００２４】
これに対し上記波面測定用干渉計装置の構成要素となる上記光学ユニット２は、入射された光束を収束光束として出力する収束光学系２１と、該収束光学系２１からの収束光束の略収束点に配置され、入射した前記収束光束を波面整形し発散光束となして出力する、ピンホール板２３に穿設された透過型ピンホール２２（その大きさは、好ましくは入射する光束の回折限界よりも小さく構成されている）と、該透過型ピンホール２２からの発散光束を、波面測定用干渉計３のシステム誤差を計測可能な平行光束からなる評価用光束にして変換して出力する出力光学系２４とが、図示せぬ鏡筒内に保持されてなる。この光学ユニット２は、上述したように、波面測定用干渉計３のシステム誤差を計測する際に被検光束の導光路上に設置されるものであり、通常時すなわち被検光束の波面測定が行なわれる際には導光路上から退避される。なお、図１では、収束光学系２１および出力光学系２３が、共に１つのレンズからなるように簡便的に図示されているが、これらが複数の光学素子から構成される場合もある。
【００２５】
一方、上記波面測定用干渉計３は、被検光束の導光路上に配置され、該導光路上に導光された光束を２つに分離する光束分離手段（３１）と、該光束分離手段により分離された一方の光束を波面整形して基準光束となす波面整形手段（３２、３４）と、該波面整形手段からの基準光束を光束分離手段により分離された他方の光束と干渉させて該光束の波面情報を担持した干渉縞を得る干渉縞取得手段（３１、３６〜３８）とを有してなる。
【００２６】
本実施形態において、上記光束分離手段は光束分離／合波面３１を備えたビームスプリッタにより構成されており、上記波面整形手段は、光束分離手段により分離された上記一方の光束を収束させる収束レンズ３２と、該収束レンズ３２による一方の光束の略収束点に配置され、入射した該一方の光束を波面整形して上記基準光束となす反射型ピンホール３４とにより構成されている。
【００２７】
さらに、この反射型ピンホール３４は、曲面で構成された基板面３５上に、例えば、蒸着等により形成された金、アルミニューム、クロム等の金属膜からなり、その大きさは、好ましくは入射する上記一方の光束の回折限界よりも小さく構成されている。そして、図中左方から入射する上記一方の光束の少なくとも一部を波面整形して基準光束となし、該基準光束を上記収束レンズ３２に向けて出力するように構成されている。なお、上記基板面３５には反射防止膜処理が施されており、また、収束レンズ３２と反射型ピンホール３４との間には、上記一方の光束および基準光束が通過する窓部３３ａを備えた遮光板３３が配されている。
【００２８】
また、本実施形態において上記干渉縞取得手段は、光束分離手段により分離された上記他方の光束を反射する反射面３６ａを備えた反射板３６と、該反射面３６ａから反射された上記他方の光束を、上記基準光束と合波して干渉させる上記光束分離／合波面３１と、この干渉により得られる干渉縞を結像させる結像レンズ３７と、該干渉縞を撮像する撮像カメラ３８とにより構成されている。なお、被検光束が低可干渉性の光束である場合でも干渉縞が得られるように、光束分離／合波面３１から反射型ピンホール３４を経て光束分離／合波面３１に戻るまでの光路長と、光束分離／合波面３１から反射面３６ａを経て光束分離／合波面３１に戻るまでの光路長とは、互いに略一致するように調整されている。上記反射板３６には、このような光路長調整を行なうために反射板３６を光軸方向に移動させる機構と、フリンジスキャン計測を実施する際に反射板３６を光軸方向に微動させる機構とが設けられている（いずれも図示略）。
【００２９】
また、上記解析部４は、画像処理や縞解析を行なう縞解析装置４１と、キーボード等の入力装置４２と、表示装置４３とを備えてなる。上記縞解析装置４１は、コンピュータ等により構成されており、画像処理や縞解析を行なうためのプログラムを格納した記憶部や、プログラムの実行や各種演算を行なう演算部等を備え、上記撮像カメラ３８において撮像された干渉縞に基づき、被検光束の波面の状態を解析することが可能となっている。
【００３０】
さらに、縞解析装置４１においては、予め計測された波面測定用干渉計３のシステム誤差の計測値がメモリ等に格納されており、このシステム誤差の計測値を波面測定の解析結果から演算的に除去するように構成されている。
【００３１】
本実施形態において波面測定を行なう場合には、上記光学ユニット２が被検光束の導光路上から退避され、上記被検光源装置１から出力された被検光束が、導光路に沿って上記光束分離／合波面３１に入射される。
【００３２】
光束分離／合波面３１に入射された被検光束は、光束分離／合波面３１を透過する第１の光束と、光束分離／合波面３１において図中上方に反射される第２の光束とに分離され、第１の光束は収束レンズ３２を経て反射型ピンホール３４に入射し、そこで波面整形されて基準光束として反射され、再び収束レンズ３２を経て光束分離／合波面３１に戻る。
【００３３】
一方、第２の光束は反射板３６の反射面３６ａで反射されて光束分離／合波面３１に戻り、そこで基準光束と合波されて干渉光とされる。この干渉光は結像レンズ３７を経て撮像カメラ３８に取り込まれ、そこで被検光束の波面情報を担持した干渉縞が撮像される。
【００３４】
撮像された干渉縞は、縞解析装置４１において、所定の縞解析プログラムに基づく演算処理等が行なわれ、被検光束の波面の状態が解析される。また、この解析の際、波面測定用干渉計３のシステム誤差（予め計測されていた値）が、波面測定の解析結果から演算的に除去される。
【００３５】
〈システム誤差計測装置の構成〉
次に、本発明の一実施形態に係るシステム誤差計測装置について説明する。上述したように図１に示す波面測定用干渉計の一部を構成する上記光学ユニット２および上記縞解析装置４１は、本発明の一実施形態に係るシステム誤差計測装置をも構成している。
【００３６】
すなわち、本実施形態のシステム誤差計測装置は、光学ユニット２と縞解析装置４１とを備えてなり、この縞解析装置４１は、光学ユニット２を被検光束の導光路上に配置した際に、波面測定用干渉計３により得られる、上記評価用光束の波面情報および波面測定用干渉計のシステム誤差の情報を担持した干渉縞を解析し、該システム誤差の新たな計測値を求めるシステム誤差解析手段を、メモリ等に格納されたプログラム等として備えている。そして、求められたシステム誤差の新たな計測値を、予め計測されていた元の計測値と比較することにより、上記波面測定用干渉計３のシステム誤差の計測値に変化が生じているか否かを判定して、変化が生じている場合にはこの計測値を較正するように構成されている。
【００３７】
〈システム誤差の計測〉
本実施形態において波面測定用干渉計３のシステム誤差の計測を行なう場合には、上記光学ユニット２が被検光束の導光路上に設置され、所定の光源（被検光源装置１を用いることも可）から出力された平行光束が、導光路に沿って光学ユニット２に入射される。
【００３８】
光学ユニット２に入射された光束は、収束光学系２１により収束された後、その略収束点に配置された透過型ピンホール２２に入射される。入射した収束光束は、透過型ピンホール２２において、少なくともその一部が波面整形され、発散光束として出力光学系２４に向け出射される。出力光学系２４に入射された発散光束は平行光束に変換され、評価用光束として光束分離／合波面３１に入射される。
【００３９】
光束分離／合波面３１に入射された評価用光束は、光束分離／合波面３１において２つに分離され、一方は、波面整形手段を経て光束分離／合波面３１に戻り、他方は、反射板３６の反射面３６ａで反射されて光束分離／合波面３１に戻り、そこで互いに合波される。
【００４０】
この合波により得られる干渉光は、結像レンズ３７を経て撮像カメラ３８に取り込まれ、そこで評価用光束の波面情報および波面測定用干渉計３のシステム誤差情報を担持した干渉縞が撮像される。
【００４１】
評価用光束は、光学ユニット２により高精度に波面整形されているので、波面測定用干渉計３のシステム誤差が無ければ、撮像された干渉縞はヌル縞状態となる。一方、システム誤差がある場合には、得られる干渉縞はヌル縞状態とはならないので、縞解析装置４１において、実際に得られた干渉縞をヌル縞と比較することにより、波面測定用干渉計３のシステム誤差の新たな計測値が求められる。
【００４２】
この新たに求められたシステム誤差の計測値は、縞解析装置４１において、予め記憶されていた元の計測値と比較されることにより、システム誤差に変化が生じているか否かが判定され、変化が生じていると判定された場合には、元の計測値が較正されて新たな計測値がメモリ等に格納される。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態に係るシステム誤差計測装置によれば、光学ユニット２を被検光束の導光路上に配置することにより、波面測定用干渉計３のシステム誤差の計測および較正を容易かつ短時間で行なうことが可能である。
【００４４】
また、光学ユニット２は、透過型ピンホール２２により入射光束の波面整形を行なうので、波長の数千分の一程度のオーダーまで高精度に波面整形された評価用光束を出力することができるので、球面鏡を用いて波面整形する従来技術に比較して、波面測定用干渉計３のシステム誤差を高精度に計測することが可能となる。
【００４５】
また、本実施形態に係る波面測定用干渉計装置によれば、本発明に係るシステム誤差計測装置を備えていることにより、波面測定用干渉計３のシステム誤差の計測を高精度にかつ短時間で行なうことができるので、経年使用等によりシステム誤差に変化が生じるような場合でも、それを容易に較正することが可能である。また、システム誤差の較正を適宜に行なうことにより、高精度な波面測定を実施し得る状態を維持することが可能となる。
【００４６】
〈態様の変更〉
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。
【００４７】
例えば、上記実施形態においては、システム誤差計測装置を構成する光学ユニット２および縞解析装置４１が、波面測定用干渉計装置の一部をも構成するようになっているが、システム誤差計測装置を波面測定用干渉計装置とは切り離して構成するようにしてもよい。
【００４８】
また、上記実施形態においては、波面測定用干渉計３がマイケルソン型の光学系配置とされているが、本発明は、マッハツェンダ型やフィゾー型など、種々の波面測定用干渉計に対して適用することが可能である。
【００４９】
また、上述した実施形態では、高調波が重畳された半導体レーザ光束を、可干渉距離の短い被検光束として例示しているが、ＬＥＤ、ＳＬＤ、ハロゲンランプ、高圧水銀ランプ等の一般的な低可干渉光源から出力される光束を被検光束とすることも可能である。もちろん、一般的なレーザ光束のように、可干渉距離の長い光束を被検光束とすることも可能である。
【００５０】
また、本発明は、前掲の特許文献２に開示された、被検光束の波面測定と光ビームスポットの特性測定とを同時に実施し得る測定装置に対しても適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態に係る波面測定用干渉計装置の概略構成図
【符号の説明】
【００５２】
１      被検光源装置
２      光学ユニット
３      波面測定用干渉計
４      解析部
１１      光源
１２      コリメータレンズ
１３      反射ミラー
２１      収束光学系
２２      透過型ピンホール
２３      ピンホール板
２４      出力光学系
３１      光束分離／合波面
３２      収束レンズ
３３      遮光板
３３ａ    窓部
３４      反射型ピンホール
３５      基板面
３６      反射板
３６ａ    反射面
３７      結像レンズ
３８      撮像カメラ
４１      縞解析装置
４２      入力装置
４３      表示装置
【図１】
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