(57)【要約】【課題】  大口径の被検光学系の面形状を測定する波面形状測定方法、及び大口径の被検光学系の面形状を測定するための波面形状測定装置を提供する。【解決手段】被検光学系の面形状を測定するための波面形状測定方法において、重力方向に伸びた回転軸（ＫＪ）を中心に液体（ＥＴ）を入れた容器（ＹＫ）を回転させることにより、重力方向に凹んだ回転放物面の液体反射面（ＥＨ）を形成する液体反射面形成工程と、反射平面（ＨＭ）を有する基準平面鏡（ＫＨ）を液体反射面に対向するように配置する工程と、干渉計（ＫＳ）から可干渉性を有する光束を液体反射面に照射し、液体反射面で反射された光束が基準平面鏡で反射され、再び液体反射面を経由して干渉計に戻った光束を干渉させて、基準平面鏡の面形状を測定する工程と、を備える。【選択図】図１
2011242347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検光学系の面形状を測定するための波面形状測定方法において、
重力方向に伸びた回転軸を中心に液体を入れた容器を回転させることにより、前記重力方向に凹んだ回転放物面の液体反射面を形成する液体反射面形成工程と、
反射平面を有する基準平面鏡を前記液体反射面に対向するように配置する工程と、
干渉計から可干渉性を有する光束を前記液体反射面に照射し、前記液体反射面で反射された光束が前記基準平面鏡で反射され、再び前記液体反射面を経由して前記干渉計に戻った光束を干渉させて、前記基準平面鏡の面形状を測定する工程と、
を備える波面形状測定方法。
【請求項２】
前記基準平面鏡が配置された状態で前記基準平面鏡に対向するように前記被検光学系を反重力方向に向けて配置する工程と、
前記被検光学系と対向するように前記被検光学系と組み合わせて所定波面を発生させるヌル素子を配置する工程と、
干渉計から可干渉性を有する光束を前記ヌル素子に照射し、前記ヌル素子及び前記被検光学系で反射された光束が前記基準平面鏡で反射され、再び前記被検光学系及び前記ヌル素子を経由して前記干渉計に戻った光束を干渉させて、前記被検光学系の面形状を測定する工程と、
前記被検光学系の面形状から前記基準平面鏡の面形状を差し引いて、前記被検光学系の面形状を求める工程と、
を備える請求項１に記載の波面形状測定方法。
【請求項３】
前記被検光学系を配置する工程は、前記容器と前記基準平面鏡との間に前記被検光学系を配置する請求項２に記載の波面形状測定方法。
【請求項４】
前記容器を回転させない状態の液体反射面を形成する工程と、
前記被検光学系の面形状を測定する工程後に、前記液体反射面に対向するように前記被検光学系を重力方向に向けて配置する工程と、
前記被検光学系と対向するように前記ヌル素子を配置する工程と、
干渉計から可干渉性を有する光束を前記ヌル素子に照射し、前記ヌル素子及び前記被検光学系で反射された光束が前記基準平面鏡で反射され、再び前記被検光学系及び前記ヌル素子を経由して前記干渉計に戻った光束を干渉させて、前記被検光学系の面形状を測定する工程と、
前記反重力方向に向けた前記被検光学系の面形状と前記重力方向に向けた前記被検光学系の面形状とに基づいて、重力の影響を受けない前記被検光学系の面形状を求める工程と、
を備える請求項２又は請求項３に記載の波面形状測定方法。
【請求項５】
前記干渉計と前記液体反射面との間に前記光束の向きを変える偏向鏡が配置され、
前記偏向鏡は、前記回転放物面の液体反射面の焦点位置に配置される請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の波面形状測定方法。
【請求項６】
被検光学系の面形状を測定するための波面形状測定装置において、
可干渉性のある光束を照射する干渉計と、
重力方向に伸びた回転軸を有し液体を入れた容器と、
前記容器に入れられた液体の液面に形成される液体反射面と、
前記回転軸を中心に前記容器を回転させる回転駆動部と、
前記液体反射面と対向する方向に配置され前記光束を反射する平面を有する基準平面鏡と、
を備える波面形状測定装置。
【請求項７】
前記干渉計より発せられた光束を集光する集光光学系と、
前記集光光学系により集光された光束を偏向する偏向鏡と、を備え、
前記基準平面鏡の面形状測定時に前記回転駆動部は前記容器を回転させて、前記重力方向に凹んだ回転放物面の前記液体反射面の焦点に、前記集光光学系は前記光束を集光するように配置され、前記偏向鏡は前記液体反射面の焦点に集光された光束を前記液体反射面に反射するように配置される請求項６に記載の波面形状測定装置。
【請求項８】
前記回転駆動部は前記容器の回転速度を調節することにより前記液体反射面の焦点距離を調節する請求項６または請求項７に記載の波面形状測定装置。
【請求項９】
前記液体と前記液体反射面とは、互いに比重が異なり互いに混同しない異なる液体により構成され、前記液体反射面は比重が小さい液体金属が用いられる請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の波面形状測定装置。
【請求項１０】
前記液体と前記液体反射面とは、同一液体金属が用いられる請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の波面形状測定装置。
【請求項１１】
前記被検光学系と組み合わせて所定波面を発生させるヌル素子を備え、
前記基準平面鏡に対向するように反重力方向に向けて配置された前記被検光学系と前記被検光学系に対向して配置された前記ヌル素子とを、前記基準平面鏡と前記容器との間に配置する請求項６から請求項１０のいずれか一項に記載の波面形状測定装置。
【請求項１２】
前記被検光学系と組み合わせて所定波面を発生させるヌル素子を備え、
前記容器を回転させない状態の液体反射面に対向するように重力方向に向けて前記被検光学系が配置され、前記被検光学系に対向して前記ヌル素子が配置される請求項６から請求項１０のいずれか一項に記載の波面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大口径の被検光学系の面形状を測定する波面形状測定方法、及び大口径の被検光学系の面形状を測定するための波面形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
干渉計等の測定器により測定器の測定範囲の大きさよりも大きい大型工作物の表面形状を測定する際には、この測定器の測定範囲により大型工作物の表面の全面を複数回に分けて測定する。得られた多数の測定器の測定範囲の各測定結果にはオーバーラップ領域を形成しておき、各測定結果のオーバーラップ領域を繋ぎ合わせることにより最終的な大型工作物の表面形状を得ることができる。この方法は開口合成法と呼ばれ、例えば特許文献１に大型工作物の表面形状を開口合成法により測定する技術が開示されている。特許文献１に開示された開口合成法は測定結果のオーバーラップ部分が一致するように各測定結果を繋ぎ合わせている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１６２２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記開口合成法は、各測定結果のオーバーラップ部分は測定器の参照面鏡の異なった部分で測定しているため、各測定結果は完全には重ならない。そのため、隣り合った測定結果の相対位置関係を完全に求めることができず、大型工作物の表面形状の測定結果にはつなぎ合わせの誤差が生じるという問題があった。また、参照面鏡の形状誤差を測定して被測定面の測定結果を補正すれば、補正によって被測定面の測定結果の精度を向上できるが、この場合は、予め参照面鏡の形状誤差を測定し、測定した参照面鏡の形状誤差データの座標と被測定面を測定する時の参照面鏡との座標合わせを行うという処理が必要となり、作業内容が増えることとなる。
そこで本発明は、大口径の大型工作物の表面形状を高精度に測定できる波面形状測定方法及び大口径の大型工作物の表面形状を測定するための波面形状測定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】
【０００５】
第１観点の波面形状測定方法は、被検光学系の面形状を測定するための波面形状測定方法において、重力方向に伸びた回転軸を中心に液体を入れた容器を回転させることにより、重力方向に凹んだ回転放物面の液体反射面を形成する液体反射面形成工程と、反射平面を有する基準平面鏡を液体反射面に対向するように配置する工程と、干渉計から可干渉性を有する光束を液体反射面に照射し、液体反射面で反射された光束が基準平面鏡で反射され、再び液体反射面を経由して干渉計に戻った光束を干渉させて、基準平面鏡の面形状を測定する工程と、を備える。
【０００６】
第２観点の波面形状測定装置は、被検光学系の面形状を測定するための波面形状測定装置において、可干渉性のある光束を照射する干渉計と、重力方向に伸びた回転軸を有し液体を入れた容器と、容器に入れられた液体の液面に形成される液体反射面と、回転軸を中心に容器を回転させる回転駆動部と、液体反射面と対向する方向に配置され光束を反射する平面を有する基準平面鏡と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の面形状測定方法は、大口径の被検光学系の面形状を精度良く、簡易に測定することができる。また、本発明の波面形状測定装置は、大口径の被検光学系の面形状を精度良く、簡易に測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】波面形状測定装置１００の概略図である。
【図２】（ａ）は、液体鏡ＥＫの平面図である。  （ｂ）は、図２（ａ）に示した液体鏡ＥＫのＡ−Ａ断面図である。  （ｃ）は、２種類の液体が用いられた液体鏡ＥＫの断面図である。
【図３】液体反射面ＥＨの表面形状を説明するための図である。
【図４】波面形状測定方法の全体の流れを示したフローチャートである。
【図５】（ａ）は、基準平面鏡の測定工程を説明するためのフローチャートである。  （ｂ）は、基準平面鏡の測定工程における波面形状測定装置１００の主要構成を示した図である。
【図６】（ａ）は、被検光学系の第１面形状測定工程を説明するためのフローチャートである。  （ｂ）は、被検光学系の測定する面が＋Ｚ軸方向を向いた状態の被検光学系ＨＫの面形状測定を説明するための波面形状測定装置１００の概略図である。
【図７】（ａ）は、被検光学系の第２面形状測定工程を説明するためのフローチャートである。  （ｂ）は、被検光学系の測定する面が−Ｚ軸方向を向いた状態の被検光学系ＨＫの面形状測定を説明するための図である。
【図８】基準平面鏡ＫＨの測定精度を説明するための図である。
【図９】測定面の測定精度を説明するための図である。
【図１０】（ａ）は、被検光学系ＨＳの直径ＤＳ１の領域の面形状測定を説明するための図である。  （ｂ）は、被検光学系ＨＳの直径ＤＳ２の領域の面形状測定を説明するための図である。
【図１１】被検レンズＨＲの計測方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施例）
第１実施例として、口径が大きい被検光学系の表面形状または透過波面形状を測定するための波面形状測定装置１００と、波面形状測定装置１００を用いた被検光学系の波面形状測定方法とを説明する。第１実施例では特に被検光学系ＨＫが被検鏡である場合について説明する。
以下、鉛直上向きを＋Ｚ軸方向とし、Ｚ軸に垂直で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向として説明する。
【００１０】
＜波面形状測定装置１００の構成＞
図１は、基準平面鏡の面形状測定時における波面形状測定装置１００の概略図である。波面形状測定装置１００は、干渉計ユニット２０と、液体反射面ＥＨで光束を反射させる液体鏡ＥＫと、光束を反射する反射平面ＨＭを有する基準平面鏡ＫＨと、を備えている。また、被検光学系ＨＫを有する被検光学系ユニット４０が配置される。
【００１１】
干渉計ユニット２０は、干渉計ＫＳと、干渉計ＫＳからの光束を集光する集光光学系ＳＫと、集光された光束を偏向する偏向鏡ＭＭとを有している。干渉計ユニット２０は、矢印に示されるようにＺ軸方向に移動可能である。また、干渉計ユニット２０は、必要に応じてＸ軸方向に移動可能である。
【００１２】
干渉計ＫＳは、光源として可干渉性の平行光を発することができる。この平行光は例えばヘリウムネオンレーザー光である。また、干渉計ＫＳは、発した平行光の戻り光を検出し、参照光と戻り光との光路差より発生する干渉縞から、被検光学系ＨＫの表面形状または透過波面形状を求めることができる。干渉計ＫＳ内には一軸方向の長さがＭＤのイメージセンサＭＥを有している。イメージセンサＭＥは長さＭＤの中に例えば１０００画素有している。
【００１３】
被検光学系ユニット４０は、検査対象である被検光学系ＨＫと被検光学系ＨＫと組み合わせて所定波面を発生させるヌル素子ＮＳとを配置する。被検光学系ユニット４０は、Ｘ軸方向に移動可能であり、また上下反転して液体鏡ＥＫと干渉計ユニット２０との間に配置可能である。
【００１４】
基準平面鏡ＫＨは、少なくても片方の主面に、干渉計ＫＳより発せられた光を反射することができる反射平面ＨＭを有している。波面形状測定装置１００においては、反射平面ＨＭの法線が鉛直下向き（−Ｚ軸方向又は重力方向）に向くように配置される。また、基準平面鏡ＫＨは、被検光学系ＨＫの面形状測定が終了されるまで波面形状測定装置１００から取り外されることなく固定されている。基準平面鏡ＫＨの支え位置及び基準平面鏡ＫＨの自重によって、基準平面鏡ＫＨの反射平面ＨＭが変化してしまうからである。基準平面鏡ＫＨは、直径が１ｍ以上の大口径の被検光学系ＨＫの検査を行えるように、反射平面ＨＭが少なくても１ｍ以上の口径を有していることが好ましい。
【００１５】
＜液体鏡ＥＫについて＞
液体鏡ＥＫは、液体ＥＴと、液体ＥＴが入れられる容器ＹＫと、液体ＥＴの液面に形成される液体反射面ＥＨと、を備えている。また、液体鏡ＥＫは、液体反射面ＥＨが基準平面鏡ＫＨの反射平面ＨＭと向かい合うように配置される。
【００１６】
図２（ａ）は、液体鏡ＥＫの平面図である。容器ＹＫのＸ―Ｙ平面の外形は円形状になっており、容器ＹＫの外周に沿って壁ＫＢが形成されている。また、壁ＫＢの内側には液体ＥＴが入れられており、液体ＥＴの表面は液体反射面ＥＨとなっている。液体反射面ＥＨは光束に対して高い反射率を有していることが好ましいため、一般に液体金属などが用いられる。液体ＥＴには、例えば常温で液体である水銀、融点以上に加熱された金属等が用いられる。
【００１７】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した液体鏡ＥＫのＡ−Ａ断面図である。図２（ｂ）では、液体ＥＴに１種類の液体のみが用いられている。容器ＹＫは、下部に回転軸ＫＪを有している。また、容器ＹＫは、回転駆動部ＫＫ（図１参照）により回転軸ＫＪを回転させることにより、回転軸ＫＪを中心として容器ＹＫを回転させることができる。これにより、液体ＥＴを遠心力により容器ＹＫの外周方向に移動させ、液体ＥＫの表面に重力方向に凹んだ回転放物面の液体反射面ＥＨを形成することができる。
【００１８】
図３は、液体反射面ＥＨの表面形状を説明するための図である。図３は、液体鏡ＥＫを角速度ωで回転するときのＸ−Ｚ平面における液体反射面ＥＨの形状を表わしている。図３では、凹型の放物面の液体反射面ＥＨと回転軸ＫＪの中心軸との交点が原点Ｏとして示されている。
【００１９】
ここで、液体反射面ＥＨ上に位置する質量がｍである質点Ｍについて考える。質点Ｍには、重力定数をｇとすると−Ｚ軸方向に重力ＦＧが働いている。重力ＦＧは以下の式で表わされる。
ＦＧ＝ｍｇ・・・（１）
また、動径外向き方向（図３においてはＺ軸から見てＸ軸に平行な外向き方向）に遠心力ＦＣが働いている。遠心力ＦＣは以下の式で表わされる。
ＦＣ＝ｍＸω２・・・（２）
この質点Ｍが液体反射面ＥＨ上でつりあいを保っているという関係から、液体反射面ＥＨの接線方向の傾きｄＺ／ｄＸは、式（１）及び式（２）を用いて以下の式で与えられる。
【数１】
2011242347.tif 000003
・・・（３）
よってＸ−Ｚ平面における液体反射面ＥＨの関数は以下の式のように書くことができる。
【数２】
2011242347.tif 000004
・・・（４）
ここで、Ｒ＝ｇ／ω２と置いている。式（４）は、液体反射面ＥＨが凹型の放物面になることを表わしている。また、式（４）から、液体反射面ＥＨの曲率半径がＲで、焦点ＳＴの位置は（Ｘ、Ｚ）＝（０、Ｒ／２）の位置に存在することが分かる。さらに、曲率半径Ｒは角速度ωの関数であるため、液体鏡ＥＫは角速度ωを調節することにより曲率半径及び焦点ＳＴの位置を調節することができる。
【００２０】
図２（ｂ）では、液体ＥＴに１種類の液体のみを用いた例であったが、液体鏡ＥＫの液体反射面ＥＨは液体ＥＴの表面にのみ反射する液体が形成されていればよい。例えば、液体鏡ＥＫを構成する液体ＥＴは、２種類の液体により構成されても良い。例えば、２種類の液体を用いて液体鏡ＥＫを形成し、液体反射面ＥＨに液体金属を用いるようにしてもよい。これらの２種類の液体は、互いに混じり合わず、表層に来る液体は反射率が高いことが好ましい。
【００２１】
図２（ｃ）は、２種類の液体が用いられた液体鏡ＥＫの断面図である。２種類の液体をそれぞれ第１液体ＥＴ１および第２液体ＥＴ２とする。図２（ｃ）では、第１液体ＥＴ１が液体反射面ＥＨを形成しており、第２液体ＥＴ２は第１液体ＥＴ１の下層に形成されている。第１液体ＥＴ１は光束に対して高い反射率を有していることが好ましく、液体金属などが用いられる。第２液体ＥＴ２には、イオン液体等を用いることができる。イオン液体は、陽イオンと陰イオンとがイオン結合することにより形成された化合物であり、室温で液体である。また、第１液体ＥＴ１は必ずしも液体である必要はなく、第２液体ＥＴ２上に蒸着によりクロム及び銀等の層を形成しても良い。
【００２２】
＜波面形状測定方法＞
以下に、波面形状測定装置１００を用い、被検光学系ＨＫとして被検鏡ＨＹの表面形状を測定する場合について説明する。
【００２３】
図４は、波面形状測定方法の全体の流れを示したフローチャートである。波面形状測定方法には、大きく分けて４つのステップがある。
【００２４】
まず初めに、ステップＳ１００で基準平面鏡の測定工程を行う。基準平面鏡の測定工程では、基準平面鏡ＫＨの反射平面ＨＭの表面形状を測定する。反射平面ＨＭは、大口径の被検光学系ＨＫの検査を行うことができるように直径が１ｍ以上あることが好ましく、波面形状測定装置１００は、この口径が大きい反射平面ＨＭの表面形状を、液体鏡ＥＫを用いることにより精度よく測定できる。ステップＳ１００の詳細は後述する。
【００２５】
次に、ステップＳ２００で、被検光学系ＨＫの第１面形状測定工程が行われる。被検光学系ＨＫの第１面形状測定工程は、被検光学系ＨＫの測定をする面が＋Ｚ軸方向を向き、測定面に＋１Ｇの重力がかかった状態で、被検光学系ＨＫの面形状の測定が行われる。被検光学系ＨＫは、ステップＳ１００で検査された基準平面鏡ＫＨを使って測定される。被検光学系ＨＫは自重でたわんだ状態で測定されている。被検光学系ＨＫの測定面が＋Ｚ軸方向に向いた状態で使用される場合は、ステップＳ２００で得られた結果をそのまま使用することができる。このような場合には、必ずしもステップＳ３００の測定工程は必要ない。ステップＳ２００の詳細は後述する。
【００２６】
次に、ステップＳ３００で、被検光学系ＨＫの第２面形状測定工程が行われる。大口径の被検光学系ＨＫはその自重による重力変形が無視できず、重力変形分を補正することが好ましい。被検光学系ＨＫの構造モデルのシミュレーションから重力変形分を予想することはできるが、より精密に被検光学系ＨＫの表面形状を求めるためには、被検光学系ＨＫに＋１Ｇおよび−１Ｇの重力がかかった状態の重力変形分を測定し、その結果をシミュレーションに反映させることが望ましい。被検光学系ＨＫの第２面形状測定工程は、被検光学系ＨＫの測定をする面を−Ｚ軸方向に向け、測定面に−１Ｇの重力がかかった状態で、被検光学系ＨＫの面形状の測定が行われる。被検光学系ＨＫは液体鏡ＥＫを使って測定される。ステップＳ３００の詳細は後述する。
【００２７】
次に、ステップＳ４００で、ステップＳ２００およびステップＳ３００で測定した被検光学系の面形状のデータをもとに、被検光学系ＨＫが自重によるたわみの影響を受けない状況下での面形状を計算する。
【００２８】
＜基準平面鏡の測定工程＞
図５（ａ）は、基準平面鏡ＫＨの測定工程を説明するためのフローチャートである。図５（ｂ）は、図１に示した波面形状測定装置１００のうち、基準平面鏡ＫＨの検査に必要な構成を示した概略図である。図５（ｂ）では点線で光束が通る光路を示している。また図５（ｂ）の光路中には、光束が進む方向を説明するために矢印が記入されている。図５（ａ）及び（ｂ）を参考にして基準平面鏡の測定工程について説明する。
【００２９】
まず、ステップＳ１０１において、液体反射面が形成される。液体反射面は、重力方向に伸びた回転軸ＫＪを中心に液体ＥＴを入れた容器ＹＫを回転させることにより、重力方向に凹んだ回転放物面の液体反射面ＥＨを形成される。回転軸ＫＪは回転駆動部ＫＫと接続されている。回転駆動部ＫＫが回転軸ＫＪを回転させることにより容器ＹＫが回転し、液体ＥＴの表面に放物面状の液体反射面ＥＨが形成される。また、回転駆動部ＫＫが回転軸ＫＪの角速度ωを調節することによって、液体反射面ＥＨの焦点ＳＴの位置が調節される。
【００３０】
被検光学系ＨＫ（図１を参照）の測定面の直径がＤＳ１である場合には、図５（ｂ）に示されるように、基準平面鏡ＫＨの直径がＤＳ１以上の領域の表面形状を測定する。このため、液体反射面ＥＨから焦点ＳＴまでの高さ（液体反射面ＥＨの焦点距離）ＳＫ１が決められる。このような液体反射面ＥＨから焦点ＳＴまでの高さＳＫ１に応じて角速度ωが決められる。
【００３１】
また、焦点ＳＴの位置には偏向鏡ＭＭが配置され、偏向鏡ＭＭは、偏向鏡ＭＭの反射面が干渉計ＫＫからの光束を液体鏡ＥＫに反射する。そして、集光光学系ＳＫはその焦点が液体反射面ＥＨの焦点と重なるように配置される。更に干渉計ＫＳは、干渉計ＫＳから発せられた光束が集光光学系ＳＫに画角無しに入射するように配置されている。
【００３２】
次に、ステップＳ１０２において、液体鏡ＥＫの液面反射面ＥＨに対向した液体反射面ＥＨの＋Ｚ軸方向に基準平面鏡ＫＨが配置される。基準平面鏡ＫＨの平面ＨＭは−Ｚ軸方向を向くように配置される。一度、基準平面鏡ＫＨが波面形状測定装置１００に取り付けられると、被検光学系ＨＫの面形状の測定が終了するまで固定されたままである。被検光学系ＨＫが取り外され再び同じ基準平面鏡ＫＨが取り付けられても、基準平面鏡ＫＨの測定工程が再び行われる。基準平面鏡ＫＨの取り付け方によって基準平面鏡ＫＨの平面ＨＭが変化することがあるからである。
【００３３】
次に、ステップＳ１０３において、基準平面鏡ＫＨの面形状測定工程が行われる。
干渉計ＫＳから発せられる平行光である光束ＬＷ１１は集光光学系ＳＫを透過し、焦点ＳＴに集光する光束ＬＷ１２となって偏向鏡ＭＭに向かう。焦点ＳＴは集光光学系ＳＫの焦点でありまた液体反射面ＥＨの焦点でもある。偏向鏡ＭＭは、偏向鏡ＭＭの反射面が焦点ＳＴ上に来るように配置されている。光束ＬＷ１２は偏向鏡ＭＭで反射され、光束ＬＷ１３となって液体反射面ＥＨに向かう。
【００３４】
光束ＬＷ１３は液体反射面ＥＨで反射され、光束ＬＷ１４となって基準平面鏡ＫＨに向かう。光束ＬＷ１３は液体反射面ＥＨの焦点を通る光であるため、液体反射面ＥＨを反射した光束ＬＷ１４は平行光となる。光束ＬＷ１４は、基準平面鏡ＫＨの反射平面ＨＭに垂直に入射し、垂直に反射されて光束ＬＷ１５となる。光束ＬＷ１５は液体反射面ＥＨで反射されて光束ＬＷ１６となって偏向鏡ＭＭに向かう。光束ＬＷ１６は、偏向鏡ＭＭで反射されて光束ＬＷ１７となり集光光学系ＳＫに向かう。光束ＬＷ１７は集光光学系ＳＫで透過され、平行光である光束ＬＷ１８となって干渉計ＫＳに戻ってくる。
【００３５】
干渉計ＫＳでは、参照光束に対する干渉計ＫＳに戻ってきた光束ＬＷ１８との波面収差を計算して基準平面鏡ＫＨの反射平面ＨＭの表面形状を求める。光束ＬＷ１８には参照光束に対して、反射平面ＨＭと、集光光学系ＳＫと、偏向鏡ＭＭと、液体鏡ＥＫとで発生した面形状の誤差（又は収差）が混成して加わっている。液体鏡ＥＫは無収差とみなすことができる。また、集光光学系ＳＫと偏向鏡ＭＭとも無収差とみなせる程度に作製することで、反射平面ＨＭの収差のみを計算することができる。
【００３６】
＜被検光学系の第１面形状測定工程＞
図６（ａ）は、被検光学系の第１面形状測定工程を説明するためのフローチャートである。また、図６（ｂ）は、被検光学系の測定する面が＋Ｚ軸方向を向いた状態の被検光学系ＨＫの面形状測定を説明するための波面形状測定装置１００の概略図である。図６（ａ）及び（ｂ）を参考にして被検光学系ＨＫの第１面形状測定工程について説明する。
【００３７】
ステップＳ２０１では、被検光学系ユニット４０がＸ軸方向から移動してきて、液体鏡ＥＫと基準平面鏡ＫＨとの間に配置される。被検光学系ＨＫである被検鏡ＨＹの検査面は基準平面鏡ＫＨの反射平面ＨＭに対向するように＋Ｚ軸方向に向けて配置される。このとき、偏向鏡ＭＭが被検光学系ユニット４０に衝突しないように、干渉計ユニット２０（図１を参照）ができるだけ−Ｚ軸方向に移動している。必要であれば、被検光学系ユニット４０が配置する前に、偏向鏡ＭＭを波面形状測定装置内から取り除いてもよい。
【００３８】
ステップＳ２０２では、被検光学系ユニット４０内でヌル素子ＮＳが所定の位置に配置される。ヌル素子ＮＳの配置は干渉計ＫＳの配置とともに行われる。ヌル素子ＮＳは、被検鏡ＨＹと対に作製された光学素子である。ヌル素子ＮＳは、被検光学系ＨＫと対になるように組み合わされることにより所定波面が発生させられ、ヌル素子ＮＳを通過した光束は無収差とみなせる程度になるまで精密に作製された光学素子である。本実施形態のヌル素子ＮＳは、被検光学系ＨＫである被検鏡ＨＹで反射された光束が平行光になるような光束を供給することができる光学素子である。
【００３９】
ステップＳ２０３では、被検光学系ＨＫの面形状が測定される。図６（ｂ）では、点線で光束が通る光路が示されている。また図６（ｂ）の光路中には、光束が進む方向を説明するために矢印が記入されている。干渉計ＫＳから発せられる平行光である光束ＬＷ２１はヌル素子ＮＳで反射し、光束ＬＷ２２となって被検鏡ＨＹの焦点ＳＴを通り、被検鏡ＨＹに向かう。光束ＬＷ２２は被検鏡ＨＹで反射され、光束ＬＷ２３となって基準平面鏡ＫＨに向かう。光束ＬＷ２３は平行光である。光束ＬＷ２３は基準平面鏡ＫＨの反射平面ＨＭに垂直に入射して垂直に反射し、光束ＬＷ２４となって被検鏡ＨＹに向かう。光束ＬＷ２４は平行光である。光束ＬＷ２４は被検鏡ＨＹで反射して光束ＬＷ２５となる。光束ＬＷ２５は焦点ＳＴを通り、ヌル素子ＮＳで反射する。光束ＬＷ２５はヌル素子ＮＳで反射して光束ＬＷ２６となる。光束ＬＷ２６は平行光である。光束ＬＷ２６は干渉計ＫＳに入射する。
【００４０】
図６（ｂ）では、被検鏡ＨＹで２度の反射（光束ＬＷ２２から光束ＬＷ２３への反射、及び光束ＬＷ２４から光束ＬＷ２５への反射）が行われており、被検鏡ＨＹに対してダブルパス干渉になっている。
【００４１】
干渉計ＫＳで参照光束に対する光束ＬＷ２６との波面収差を計算して被検鏡ＨＹの面形状を求める。光束ＬＷ２６には、参照光束に対して、被検鏡ＨＹと、ヌル素子ＮＳと、基準平面鏡ＫＨとで発生した波面収差が混成して加わっている。ヌル素子ＮＳは無収差とみなせる程度に作製されており、基準平面鏡ＫＨはステップＳ１００の基準平面鏡の測定工程で波面収差が測定されている。このため、被検光学系ＨＫである被検鏡ＨＹの面形状の結果から、基準平面鏡ＫＨが有していた面形状を差し引くことで、基準平面鏡ＫＨの面形状の誤差を含まない正確な被検光学系ＨＫの面形状を測定できる。なお、被検光学系ＨＫは自重によりたわんだりしているため、第１面形状測定工程で測定された結果は自重によるたわみ誤差を含んでいる。
【００４２】
＜被検光学系ＨＫの第２面形状測定工程＞
図７（ａ）は、被検光学系ＨＫの第２面形状測定工程を説明するためのフローチャートである。また、図７（ｂ）は、被検光学系ＨＫの測定する面が−Ｚ軸方向を向いた状態の被検光学系ＨＫの面形状測定を説明するための図である。被検光学系ＨＫの第２面形状測定工程では、被検光学系ＨＫが上下反転した状態で、被検光学系ＨＫの面形状が測定される。図７（ａ）及び図７（ｂ）を参考にして被検光学系ＨＫの測定工程について説明する。
【００４３】
ステップＳ３０１は、液体反射面を形成する。第２面形状測定工程では液体反射面ＥＨは平面鏡として使用する。このため容器ＹＫは回転させていない。液体反射面ＥＨは、地球の曲率で決まる曲率半径を有するが、この曲率半径はほぼ無限大とみなせるため、液体反射面ＥＨは理想的な平面鏡とみなして問題ない。容器ＹＫの壁面の近傍の液体反射面ＥＨは使われない。液体ＥＴの表面張力の影響を受けないようにするためである。
【００４４】
ステップＳ３０２では、被検光学系ＨＫが配置される。被検光学系ユニット４０が上下反転してＸ軸方向から移動してくる。そして、被検光学系ＨＫである被検鏡ＨＹの検査面が液体鏡ＥＴの液体反射面ＥＨに対向するように配置される。このとき、偏向鏡ＭＭが被検光学系ユニット４０に衝突しないように、干渉計ユニット２０（図１を参照）ができるだけ＋Ｚ軸方向に移動させる。必要であれば、被検光学系ユニット４０が配置する前に、偏向鏡ＭＭを波面形状測定装置内から取り除いてもよい。
【００４５】
ステップＳ３０３では、ヌル素子が配置される。被検光学系ユニット４０内でヌル素子ＮＳが所定の位置に配置される。ヌル素子ＮＳの配置は干渉計ＫＳの配置とともに行われる。
【００４６】
図７（ｂ）では、被検鏡ＨＹが、被検鏡ＨＹの−Ｚ軸方向を向いた面の表面形状を測定するように配置されている。
【００４７】
ステップＳ３０４では、被検光学系ＨＫの面形状が測定される。被検光学系ＨＫの面形状測定工程では、図７（ｂ）に示したように被検光学系ＨＫが配置された状態で行われる。
【００４８】
図７（ｂ）では、点線で光束が通る光路が示されている。また図７（ｂ）の光路中には、光束が進む方向を説明するために矢印が記入されている。干渉計ＫＳから発せられる平行光である光束ＬＷ３１はヌル素子ＮＳで反射し、光束ＬＷ３２となって被検鏡ＨＹの焦点ＳＴを通り、被検鏡ＨＹに向かう。光束ＬＷ３２は被検鏡ＨＹで反射され、光束ＬＷ３３となって液体鏡ＥＫに向かう。光束ＬＷ３３は平行光である。光束ＬＷ３３は液体鏡ＥＫの液体反射面ＥＨに垂直に入射して垂直に反射し、光束ＬＷ３４となって被検鏡ＨＫに戻る。光束ＬＷ３４は平行光である。光束ＬＷ３４は被検鏡ＨＫで反射して光束ＬＷ３５となる。光束ＬＷ３５は焦点ＳＴを通り、ヌル素子ＮＳで反射する。光束ＬＷ３５はヌル素子ＮＳで反射して光束ＬＷ３６となる。光束ＬＷ３６は平行光である。光束ＬＷ３６は干渉計ＫＳに入射する。
【００４９】
図７（ｂ）では、被検鏡ＨＫで２度の反射（光束ＬＷ３２から光束ＬＷ３３への反射、及び光束ＬＷ３４から光束ＬＷ３５への反射）が行われており、被検鏡ＨＫに対してダブルパス干渉計になっている。
【００５０】
干渉計ＫＳで参照光束に対する光束ＬＷ３６の波面収差を測定して被検光学系ＨＫの面形状を導く。光束ＬＷ３６には、光束ＬＷ３１に対して、被検鏡ＨＹと、ヌル素子ＮＳと、液体鏡ＥＫとで発生した波面収差が混成して加わっている。しかし、ヌル素子ＮＳは無収差とみなせる程度に作製されており、また、液体鏡ＥＫの液体反射面は理想的な平面鏡とみなして問題ない。そのため、ステップＳ３０４では、被検光学系ＨＫのみの面形状が測定される。なお、被検光学系ＨＫは自重によりたわんだりしているため、第２面形状測定工程で測定された結果は自重によるたわみ誤差を含んでいる。
【００５１】
第１面形状測定工程では被検光学系ＨＫの測定面が上（＋Ｚ軸方向）を向いており、第２面形状測定工程では被検光学系ＨＫの測定面が下（−Ｚ軸方向）を向いていた。このため、図４のステップＳ４００で説明されたように、被検光学系ＨＫが自重によるたわみの影響を受けない状況下での面形状が計算される。
【００５２】
以上の方法により、大口径の被検光学系ＨＫの表面形状を求めることができる。この方法では、まず、被検光学系ＨＫの表面形状と同等以上に大きな口径を有する基準平面鏡ＫＨを使用することにより、被検光学系ＨＫの表面形状を一度の測定により測定することができる。また、開口測定法のように、測定結果を繋ぎ合わせる好ましいが無いため、作業が軽減される。さらに、つなぎ合わせの誤差が発生しないため、被検光学系ＨＫの表面形状を精度よく測定することができる。
【００５３】
＜被検光学系の測定精度について＞
波面形状測定装置１００では、被検光学系の測定面の大きさが基準平面鏡ＫＨの大きさ（直径）より小さければ測定が可能である。測定面が大きい被検光学系を測定する場合は、大きい基準平面鏡ＫＨと液体鏡ＥＫとを使用すれば良いため、被検光学系の測定面の大きさには実質的には制限がないと言える。別の面からみると、波面形状測定装置１００では、被検光学系の測定面の大きさが小さければ小さいほど高精度な測定を行うことができる。その理由を以下に示す。
【００５４】
図８は、基準平面鏡ＫＨの測定精度を説明するための図である。
被検光学系の測定面の直径がＤＳ１である場合には、図８に示されるように、基準平面鏡ＫＨの直径がＤＳ１の領域の表面形状を測定する。点線で示されるように、干渉計ユニット２０が液体反射面ＥＨから焦点ＳＴまでの高さ（液体反射面ＥＨの焦点距離）ＳＫ１で配置される。液体鏡ＥＫの焦点位置は、液体鏡ＥＫの回転の角速度ωを調節して決められる。液体反射面ＥＨの放物面が点線で示されている。
【００５５】
ここで干渉計ＫＳのイメージセンサＭＥが、一軸方向の長さＭＤの中に１０００画素あるとする。この場合、干渉計ＫＳは１画素当たり、ＤＳ１／１０００の分解能で基準平面鏡ＫＨを測定することができる。
【００５６】
また、被検光学系ＨＫの測定面の直径がＤＳ２である場合には、図８に示されるように、基準平面鏡ＫＨの直径がＤＳ２の領域の表面形状を測定する。直径ＤＳ２は直径ＤＳ１よりも小さい。まず、液体鏡ＥＫの回転の角速度ωを大きくして、液体反射面ＥＨから焦点ＳＴまでの距離ＳＫ２を距離ＳＫ１より小さくする。そして実線で示されるように、干渉計ユニット２０が液体反射面ＥＨから焦点ＳＴまでの高さＳＫ２に移動し、液体反射面ＥＨの放物面も実線のようになる。する。この状態にして基準平面鏡ＫＨの直径ＤＳ２の領域の表面形状を測定する。この場合、干渉計ＫＳは１画素当たり、ＤＳ２／１０００の分解能で基準平面鏡ＫＨを測定することができる。
【００５７】
このため、点線で示された状態の干渉計ＫＳの分解能と、実線で示された状態の干渉計ＫＳの分解能とを比較すると、実線で示された状態の方が高分解能になる。つまり、ＤＳ１＞ＤＳ２であるため、（ＤＳ１／１０００）＞（ＤＳ２／１０００）となり、実線で描かれた干渉計ＫＳの方が、細かい分解能で測定できる。
【００５８】
図９は、被検光学系ＨＫの測定精度を説明するための図である。
図９（ａ）は測定面の直径がＤＳ１である被検光学系ＨＫの表面形状を測定する状態を示した概念図である。（ｂ）は測定面の直径がＤＳ１より小さいＤＳ２である被検光学系ＨＫの表面形状を測定する状態を示した概念図である。
【００５９】
図９（ａ）及び（ｂ）の光学系の配置は図６（ｂ）と同じなので詳しい説明は省く。図９（ａ）では、被検光学系ＨＫの測定面の直径がＤＳ１である。このため、干渉計ＫＳの１画素当たりの分解能は、ＤＳ１／１０００である。図９（ｂ）では、被検光学系ＨＫの測定面の直径がＤＳ２であるため、干渉計ＫＳの１画素当たりの分解能は、ＤＳ２／１０００である。
【００６０】
図９（ａ）と（ｂ）との分解能を比較すると、ＤＳ１＞ＤＳ２であるため、（ＤＳ１／１０００）＞（ＤＳ２／１０００）となり、図９（ｂ）で示される干渉計ＫＳの方が、分解能が細かくなる。したがって、本実施形態では被検光学系ＨＫの測定精度に合わせて、基準平面鏡ＫＨの測定精度を上げることができる。
【００６１】
被検光学系ＨＫの測定する面が−Ｚ軸方向を向いた状態の被検光学系ＨＫの面形状測定は図７（ｂ）に示したような構成で行うことができる。しかし、図９に説明したような異なる測定精度で被検光学系ＨＫの面形状測定を行う場合は、測定精度を変えるたびにヌル素子ＮＳの交換又はエキスパンダで干渉計ＫＳから発せられる光束の径の調節を行わなければならない。つまり、被検光学系ＨＫの直径ＤＳ１を測定する場合（図９（ａ）参照）と直径ＤＳ２を測定する場合（図９（ｂ）参照）とでは、図９（ａ）及び図９（ｂ）で面形状が等しい被検光学系ＨＫを用いていたとしても、各場合に合わせたヌル素子ＮＳの作製、又は他の光学素子を付け加えて、干渉計ＫＳから発せられる光束の径の調節を行う必要がある。しかし、波面形状測定装置１００に被検光学系ＨＫおよびヌル素子ＮＳを配置し、干渉計ユニット２０、液体鏡ＥＫ、基準平面鏡ＫＨを用いて面形状測定を行うことにより、このような手間を省くことができる。その方法を以下に示す。
【００６２】
図１０は、被検光学系ＨＫの測定する面が−Ｚ軸方向を向いた状態の被検光学系ＨＫの面形状測定を説明するための波面形状測定装置１００の概略図である。図１０（ａ）は、被検光学系ＨＫの直径ＤＳ１の領域の面形状測定を説明するための図であり、図１０（ｂ）は、被検光学系ＨＫの直径ＤＳ２の領域の面形状測定を説明するための図である。図１０（ｂ）の被検光学系ＨＫは、図１０（ａ）の被検光学系ＨＫと面形状が等しければ、図１０（ａ）と同じ被検光学系ＨＫ（図中の二点鎖線で示した被検光学系ＨＫ）でも直径の異なる被検光学系ＨＫ（例えば、図中の実線で示した被検光学系ＨＫ）でも良い。また図８に示したように、干渉計ユニット２０は、図１０（ａ）では液体反射面ＥＨの焦点距離ＳＫ１に、図１０（ｂ）では液体反射面ＥＨの焦点距離ＳＫ２に配置される。
【００６３】
図１０では、光路が点線で示されている。図１０では、干渉計ＫＳから発せられる平行光は集光光学系ＳＫを透過し、焦点ＳＴに集光する光束となって偏向鏡ＭＭに向かう。焦点ＳＴは集光光学系ＳＫの焦点でありまた液体反射面ＥＨの焦点でもある。偏向鏡ＭＭは、偏向鏡ＭＭの反射面が焦点ＳＴ上に来るように配置されている。偏向鏡ＭＭで反射された光束は液体反射面ＥＨ、被検光学系ＨＫ、ヌル素子ＮＳで反射して基準平面鏡ＫＨに向かう。基準平面鏡ＫＨで反射された光束は、基準平面鏡ＫＨに入射するまでの光束の光路を逆にたどって干渉計ＫＳに戻る。
【００６４】
図１０（ａ）では、干渉計ＫＳから発せられた光束は、偏向鏡ＭＭで反射されて、液体鏡ＥＫの直径ＤＳ１の領域に入射する。液体鏡ＥＫで反射される光束は直径ＤＳ１の平行光となって被検光学系ＨＫに入射する。そのため、被検光学系ＨＫの直径ＤＳ１の領域の面形状の測定を行うことができる。また、図１０（ｂ）では、液体鏡ＥＫで反射される光束は直径ＤＳ２の平行光となって被検光学系ＨＫに入射するため、被検光学系ＨＫの直径ＤＳ２の領域の面形状の測定を行うことができる。
【００６５】
図９（ａ）および図９（ｂ）では、異なる測定精度で被検光学系ＨＫの面形状を測定する時に、干渉計ＫＳからヌル素子ＮＳを通り被検光学系ＨＫに入射する光束の直径を調節するために、測定精度に合わせたヌル素子ＮＳの作製、又はエキスパンダの付加を行わなければならなかった。しかし図１０では、被検光学系ＨＫに入射する光束の直径を液体鏡ＥＫの曲率と干渉計ユニット２０の位置とを調節することによって変えるため、このような手間を省くことができる。また、ヌル素子ＮＳを交換する必要が無いため、ヌル素子ＮＳ又は被検光学系ＨＫの位置の調整を一度で済ませることができ、さらに、液体鏡ＥＫの曲率と干渉計ユニット２０の位置とを調節する機能を持つように波面形状測定装置１００が作製されることにより容易に行うことができる。
【００６６】
（第２実施例）
波面形状測定装置１００では、被検光学系として凹型鏡面の表面形状だけではなく、レンズの透過波面形状も測定することができる。
【００６７】
図１１は、被検レンズＨＲの計測方法を説明するための図である。測定する被検レンズＨＲは、液体鏡ＥＫと基準平面鏡ＫＨとの間に配置される。また、液体鏡ＥＫと被検レンズＨＲとの間には反射鏡ＨＮを配置し、干渉計ＫＳからの光束を被検レンズＨＲへ導くようにする。さらに、被検レンズＨＲを通った光束は基準平面鏡ＫＨにより反射され、被検レンズを２度通るようにし、ダブルパス干渉計を形成するようにする。
【００６８】
干渉計ＫＳを発した平行光である光束ＬＷ４１は、ヌルレンズＮＲに入射する。ヌルレンズＮＲは、入射する平行光が被検レンズＨＲによって集光させられた光束を、再び平行光にし、収差が無いように作製されたレンズである。
【００６９】
図１１では、点線で光束が通る光路が示されている。また、図１１では、補助線として実際の光束は通らないが被検レンズＨＲと被検レンズＨＲの焦点ＳＴとを結ぶ線を一点鎖線で示している。さらに図１１の光路中には、光束が進む方向を説明するために矢印が記入されている。干渉計ＫＳから発せられる平行光である光束ＬＷ４１はヌルレンズＮＲに入射する。光束ＬＷ４1はヌルレンズＮＲで一旦集光された後に発散する光束ＬＷ４２となって反射鏡ＨＮに向かう。光束ＬＷ４２は反射鏡ＨＮで反射し、光束ＬＷ４３となって被検レンズＨＲへ向かう。光束ＬＷ４３が通る光路は、被検レンズＨＲと被検レンズＨＲの焦点ＳＴとを結ぶ線（図１１中の一点鎖線）の延長線上にある。そのため光束ＬＷ４３は被検レンズＨＲを透過して平行光である光束ＬＷ４４となる。光束ＬＷ４４は基準反射鏡ＨＫに向かう。光束ＬＷ４４は基準平面鏡ＫＨの反射平面ＨＭに垂直に入射して垂直に反射され、光束ＬＷ４５となる。光束ＬＷ４５は平行光である。光束ＬＷ４５は被検レンズＨＲに向かう。光束ＬＷ４５は被検レンズＨＲを透過して光束ＬＷ４６となる。光束ＬＷ４６は、被検レンズＨＲの焦点ＳＴに集光される光束である。光束ＬＷ４６は焦点ＳＴに集光される前に反射鏡ＨＮで反射され、光束ＬＷ４７となる。光束ＬＷ４７はヌルレンズＮＲによって平行光である光束ＬＷ４８になり、干渉計ＫＳに戻る。
【００７０】
図１１では、被検レンズＨＲで２度の透過（光束ＬＷ４３から光束ＬＷ４４への透過、及び光束ＬＷ４５から光束ＬＷ４６への透過）が行われており、被検レンズＨＲに対してダブルパス干渉計が形成されている。
【００７１】
干渉計ＫＳで参照光束に対するLW48との波面収差を計算して被検レンズＨＲの透過波面形状を導く。光束ＬＷ４８には、参照光束に対して、被検レンズＨＲと、ヌルレンズＮＲと、基準反射面ＫＨと、反射鏡ＨＮとで発生した波面収差が混成して加わっている。ヌルレンズＮＲと反射鏡ＨＮとは無収差とみなせる程度に作製されており、また、基準反射面ＫＨは基準平面鏡の測定工程（図４のステップＳ１００）により収差が検査されているため、被検レンズＨＲのみの波面収差を導出し、透過波面形状を求めることが可能である。
【００７２】
以上の方法により、大口径の被検レンズＨＲの透過波面形状を求めることができる。
【００７３】
以上実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００７４】
２０    干渉計ユニット
４０    被検光学系ユニット
１００    波面形状測定装置
ＥＨ    液体反射面
ＥＫ    液体鏡
ＥＴ    液体
ＦＣ    遠心力
ＦＧ    重力
ＨＫ    偏向鏡
ＨＭ    反射平面
ＨＮ    反射鏡
ＨＲ    被検レンズ
ＨＹ    被検鏡
ＫＢ    壁
ＫＨ    基準平面鏡
ＫＪ    回転軸
ＫＫ    回転駆動部
ＫＳ    干渉計
Ｍ    質点
ＮＲ    ヌルレンズ
ＮＳ    ヌル素子
ＳＫ    集光光学系
ＹＫ    容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011242347.tif 000011
【図８】
2011242347.tif 000012
【図９】
2011242347.tif 000013
【図１０】
2011242347.tif 000014
【図１１】
2011242347.tif 000015