(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光源と、前記光源から出射された光を被検物の被検面に導くと共に、前記被検物から反射した光を導光する光学系と、アレイ状に配置され、前記光学系から導光された光を結像面に結像させる複数のレンズを有するレンズアレイと、前記レンズアレイの結像面に配置された撮像部と、前記撮像部に接続された演算処理手段と、を備えた形状計測装置を用いた形状計測方法において、
前記演算処理手段が、前記被検面の理想形状である理想被検面での反射により前記結像面に結像される第１の基準反射光スポットの位置及び光量分布を記憶装置に記憶させると共に、前記被検面とは反対側の裏面の理想形状である理想裏面での反射により前記結像面に結像される第２の基準反射光スポットの位置及び光量分布を前記記憶装置に記憶させる記憶工程と、
前記演算処理手段が、前記被検面からの第１の反射光スポット及び前記裏面からの第２の反射光スポットを含む画像データを前記撮像部から取得する取得工程と、
前記演算処理手段が、前記画像データにおいて、前記記憶装置に記憶された前記第１の基準反射光スポットの位置に対して、前記被検面の形状誤差に起因する位置ずれ量の範囲内にある光スポットを、前記被検面からの第１の反射光スポットと判別し、前記記憶装置に記憶された前記第２の基準反射光スポットの位置に対して、前記裏面の形状誤差に起因する位置ずれ量の範囲内にある光スポットを、前記裏面からの第２の反射光スポットと判別する判別工程と、
前記演算処理手段が、前記画像データにおいて、前記判別工程で判別した第１の反射光スポットに近接する第２の反射光スポットを選択する選択工程と、
前記演算処理手段が、前記記憶装置に記憶された前記第１の基準反射光スポットの光量分布と前記記憶装置に記憶された前記第２の基準反射光スポットの光量分布とを合成した合成光の光量分布が、前記判別工程で判別した第１の反射光スポットの光量分布と前記選択工程で選択した第２の反射光スポットの光量分布とを合成した合成光の光量分布と一致するように、前記第１の基準反射光スポット及び前記第２の基準反射光スポットをフィッティングさせるフィッティング工程と、
前記演算処理手段が、前記フィッティング工程でフィッティングさせた前記第１の基準反射光スポットの位置に基づいて前記被検面の形状を計算する計算工程と、を備えたことを特徴とする形状計測方法。
【請求項２】
前記選択工程では、前記演算処理手段が、前記各レンズで結像される領域毎に前記画像データを区画し、前記判別工程で判別した前記第１の反射光スポットと同一の領域内に含まれる第２の反射光スポットを選択することを特徴とする請求項１に記載の形状計測方法。
【請求項３】
前記選択工程では、前記演算処理手段が、前記判別工程で判別した前記第１の反射光スポットにおいて隣接する別の第１の反射光スポットとの間隔の半分以内にある第２の反射光スポットを選択することを特徴とする請求項１に記載の形状計測方法。
【請求項４】
前記記憶工程では、前記演算処理手段が、前記被検物、前記光学系及び前記レンズアレイの設計値から、前記第１の基準反射光スポット及び前記第２の基準反射光スポットの位置及び光量分布を求めて、前記記憶装置に記憶させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の形状計測方法。
【請求項５】
前記理想被検面に対応する面のみが光反射するように構成された原器を第１の原器とし、前記理想裏面に対応する面のみが光反射するように構成された原器を第２の原器とし、
前記記憶工程では、前記演算処理手段が、前記第１の原器で反射して前記撮像部で撮像された反射光スポットを前記第１の基準反射光スポットとして、前記第１の基準反射光スポットの位置及び光量分布を測定すると共に、前記第２の原器で反射して前記撮像部で撮像された反射光スポットを前記第２の基準反射光スポットとして、前記第２の基準反射光スポットの位置及び光量分布を測定し、測定結果を前記記憶装置に記憶させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の形状計測方法。
【請求項６】
光を出射する光源と、前記光源から出射された光を被検物の被検面に導くと共に、前記被検物から反射した光を導光する光学系と、アレイ状に配置され、前記光学系から導光された光を結像面に結像させる複数のレンズを有するレンズアレイと、前記レンズアレイの結像面に配置された撮像部と、前記撮像部に接続された演算処理手段と、を備えた形状計測装置において、
前記演算処理手段は、
前記被検面の理想形状である理想被検面での反射により前記結像面に結像される第１の基準反射光スポットの位置及び光量分布を記憶装置に記憶させると共に、前記被検面とは反対側の裏面の理想形状である理想裏面での反射により前記結像面に結像される第２の基準反射光スポットの位置及び光量分布を前記記憶装置に記憶させておき、
前記被検面からの第１の反射光スポット及び前記裏面からの第２の反射光スポットを含む画像データを前記撮像部から取得し、
前記画像データにおいて、前記記憶装置に記憶された前記第１の基準反射光スポットの位置に対して、前記被検面の形状誤差に起因する位置ずれ量の範囲内にある光スポットを、前記被検面からの第１の反射光スポットと判別し、前記記憶装置に記憶された前記第２の基準反射光スポットの位置に対して、前記裏面の形状誤差に起因する位置ずれ量の範囲内にある光スポットを、前記裏面からの第２の反射光スポットと判別する判別処理を行い、
前記画像データにおいて、前記判別処理で判別した第１の反射光スポットに近接する第２の反射光スポットを選択する選択処理を行い、
前記記憶装置に記憶された前記第１の基準反射光スポットと前記記憶装置に記憶された前記第２の基準反射光スポットとを合成した合成光の光量分布が、前記判別処理で判別した第１の反射光スポットと前記選択処理で選択した第２の反射光スポットとを合成した合成光の光量分布と一致するように、前記第１の基準反射光スポット及び前記第２の基準反射光スポットをフィッティングさせ、
フィッティングさせた前記第１の基準反射光スポットの位置に基づいて前記被検面の形状を計算する、ことを特徴とする形状計測装置。
【請求項７】
コンピュータに請求項１乃至５のいずれか１項に記載の形状計測方法の各工程を実行させるためのプログラム。
【請求項８】
請求項７に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いて被検物の被検面の形状を高精度に計測する形状計測方法、形状計測装置、プログラム及び記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高精度な光学部品の形状計測や波面収差計測には光を用いた計測方法が一般に用いられている。非球面形状の加工では光学素子形状を計測して設計形状との差を求め、そのデータを用いて修正加工することが必要である。近年、非球面光学素子の非球面量は大きくなる傾向にある。また自由曲面光学素子も使われている。
【０００３】
このような光学素子の形状計測方法としてシャック・ハルトマン法が有力である（特許文献１参照）。図１１に、従来の形状計測装置を示す。被検物は被検面１ａを有する反射鏡１である。測定光を出射する光源７と参照光を出射する光源１０とが、ハーフミラープリズム２を挟んで配置されている。光源７とハーフミラープリズム２との間には、ピンホール板８及びレンズ９が順次配置され、光源１０とハーフミラープリズム２との間にはピンホール板１１及びレンズ１２が順次配置されている。
【０００４】
また、反射鏡１と、コリメータレンズ３及びシャック・ハルトマンセンサ４とが、光源７，１０の光の出射方向に直交するように、ハーフミラープリズム２を挟んで配置されている。反射鏡１、ピンホール板８、レンズ９、ピンホール板１１、レンズ１２は、照明光軸１５と測定系の光軸１３の交点にピンホール像が結像するように配置されている。また、交点は被検面１ａの近軸曲率中心とする。シャック・ハルトマンセンサ４は、マイクロレンズアレイ５と、撮像部としてのＣＣＤカメラ６とからなる。マイクロレンズアレイ５は、アレイ状に配置された複数のマイクロレンズからなる。
【０００５】
以上の構成で、光源７から出射された照明光は、ピンホール板８を通過した後、レンズ９でハーフミラープリズム２に集光され、ハーフミラープリズム２で反射鏡１側に反射される。反射鏡１に導かれた照明光は、被検面１ａで反射され、ハーフミラープリズム２を通過してコリメータレンズ３で平面波となる。マイクロレンズアレイ５は、コリメータレンズ３からの光束をレンズ要素毎に分割してＣＣＤカメラ６の画上に結像させる。マイクロレンズアレイ５への入射光束が平面波であれば結像点はマイクロレンズアレイ５の光軸１４−ｉ（ｉはマイクロレンズの順次番号）上になる。被検面１ａとマイクロレンズアレイ５とは共役とする。被検面１ａとマイクロレンズアレイ５は共役であるので、マイクロレンズアレイ５の一つのレンズ要素は被検面１ａの一つの領域に対応する。被検面１ａの一領域にスロープエラーがあるとその一領域のスロープエラーの平均値に依存して、その一領域に対応するレンズ要素の結像点が基準結像点からずれる。光源１０から出射された参照光は、参照光はハーフミラープリズム２によって測定光路に導光される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２５３４１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のシャック・ハルトマン法を用いた形状計測方法では、被検物の被検面が鏡面であり、被検物の裏面からの反射光がないものを前提としている。したがって、被検物がレンズ等であり、被検物の裏面からの反射光がある場合、被検面（表面）からの反射光と裏面からの反射光が同時にシャック・ハルトマンセンサに入射し、カメラには被検物の両面からの反射光スポットが形成されることとなる。このため、被検面からの反射光の光スポットの位置の検出精度が低下し、被検物の被検面の形状の計測精度が低下していた。
【０００８】
そこで、本発明は、被検物の被検面の形状を高精度に計測することができる形状計測方法、形状計測装置、プログラム及び記録媒体を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、光を出射する光源と、前記光源から出射された光を被検物の被検面に導くと共に、前記被検物から反射した光を導光する光学系と、アレイ状に配置され、前記光学系から導光された光を結像面に結像させる複数のレンズを有するレンズアレイと、前記レンズアレイの結像面に配置された撮像部と、前記撮像部に接続された演算処理手段と、を備えた形状計測装置を用いた形状計測方法において、前記演算処理手段が、前記被検面の理想形状である理想被検面での反射により前記結像面に結像される第１の基準反射光スポットの位置及び光量分布を記憶装置に記憶させると共に、前記被検面とは反対側の裏面の理想形状である理想裏面での反射により前記結像面に結像される第２の基準反射光スポットの位置及び光量分布を前記記憶装置に記憶させる記憶工程と、前記演算処理手段が、前記被検面からの第１の反射光スポット及び前記裏面からの第２の反射光スポットを含む画像データを前記撮像部から取得する取得工程と、前記演算処理手段が、前記画像データにおいて、前記記憶装置に記憶された前記第１の基準反射光スポットの位置に対して、前記被検面の形状誤差に起因する位置ずれ量の範囲内にある光スポットを、前記被検面からの第１の反射光スポットと判別し、前記記憶装置に記憶された前記第２の基準反射光スポットの位置に対して、前記裏面の形状誤差に起因する位置ずれ量の範囲内にある光スポットを、前記裏面からの第２の反射光スポットと判別する判別工程と、前記演算処理手段が、前記画像データにおいて、前記判別工程で判別した第１の反射光スポットに近接する第２の反射光スポットを選択する選択工程と、前記演算処理手段が、前記記憶装置に記憶された前記第１の基準反射光スポットの光量分布と前記記憶装置に記憶された前記第２の基準反射光スポットの光量分布とを合成した合成光の光量分布が、前記判別工程で判別した第１の反射光スポットの光量分布と前記選択工程で選択した第２の反射光スポットの光量分布とを合成した合成光の光量分布と一致するように、前記第１の基準反射光スポット及び前記第２の基準反射光スポットをフィッティングさせるフィッティング工程と、前記演算処理手段が、前記フィッティング工程でフィッティングさせた前記第１の基準反射光スポットの位置に基づいて前記被検面の形状を計算する計算工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、被検物の裏面からの反射光スポットが撮像部に到達しても、被検物の裏面からの反射光の影響を除去できるので、被検物の被検面の形状を高精度に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る形状計測装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】コンピュータシステムのハードウェア構成を示すブロック図である。
【図３】カメラで撮像された画像データの説明図であり、（ａ）は画像データにおける第１の反射光スポット及び第２の反射光スポットを示す図、（ｂ）は一つのマイクロレンズ領域の光スポットを示す図である。
【図４】コンピュータシステムの機能ブロック図である。
【図５】コンピュータシステムの動作を示すフローチャートである。
【図６】選択工程における選択動作を説明するための図であり、（ａ）はマイクロレンズ領域毎に区画した場合を示しており、（ｂ）は隣り合う第１の反射光スポットの間隔の半分で区画した場合を示している。
【図７】フィッティング工程におけるフィッティング動作を説明するための図であり、（ａ）はフィッティング前、（ｂ）はフィッティング後を示している。
【図８】本発明の第１実施形態に係る形状計測装置を用いた形状計測方法で計測した実験結果を示す図である。（ａ）は被検面及び裏面からの反射光スポットの合成光の部分の画像を示す図、（ｂ）は表裏面からの反射光スポット間の距離に対するスポット位置検出誤差量を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る形状計測装置の概略構成を示す説明図である。
【図１０】コンピュータシステムの機能ブロック図である。
【図１１】従来の形状計測装置の概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る形状計測装置の概略構成を示す説明図である。被検物１２０は、光透過性を有する部材で形成されている。この被検物１２０は、光透過性を有する光学素子であり、例えばレンズ等である。形状計測装置１００は、被検物１２０の被検面（表面）１２０ａの形状を計測するためのものである。形状計測装置１００は、光源１０１、光学系１０２、シャック・ハルトマンセンサ１０３、制御装置としてのコンピュータシステム１０４、及びモニタ１０５を備えている。
【００１４】
光学系１０２は、レンズ１０６、ビームスプリッタ１０７及びレンズ１０８を有している。シャック・ハルトマンセンサ１０３は、レンズアレイとしてのマイクロレンズアレイ１０９と、撮像部としてのカメラ１１０とを有している。
【００１５】
光源１０１は、レーザ光源でも良いし低コヒーレンス光源や白色光源でも良い。光学系１０２は、光源１０１から出射された光を被検物１２０の被検面１２０ａに導くと共に、被検物１２０から反射した光を平行光として出力するものである。詳述すると、光源１０１、レンズ１０６、ビームスプリッタ１０７及びレンズ１０８は、直列に並べて配置されている。レンズ１０８の出力側には、被検物１２０が、被検面１２０ａをレンズ１０８に対向させて配置されている。レンズ１０６は、光源１０１から出射された球面波の光を平行光に変換する。ビームスプリッタ１０７は、入射した光を透過させる成分と、直角に反射させる成分とに分割するものである。レンズ１０８は、ビームスプリッタ１０７を通過した平行光を球面波の光に変換して被検物１２０の被検面１２０ａに照射すると共に、被検物１２０の被検面１２０ａ及び裏面１２０ｂから反射した光を平行光にしてビームスプリッタ１０７に出力する。
【００１６】
光源１０１から出射される光の光軸に直交する方向であって、ビームスプリッタ１０７において被検物１２０から戻ってきた光が反射する側には、シャック・ハルトマンセンサ１０３が配置されている。
【００１７】
シャック・ハルトマンセンサ１０３のマイクロレンズアレイ１０９は、複数のマイクロレンズ（レンズ）１１１を有しており、これらマイクロレンズ１１１がアレイ状に配置されて構成されている。マイクロレンズアレイ１０９は、光学系１０２から出力された平行光（本実施形態では、ビームスプリッタ１０７から出力された平行光）を、各マイクロレンズ１１１で結像面に結像させるものである。具体的には、各マイクロレンズ１１１により異なる位置にそれぞれ反射光スポットが結像されるが、これら反射光スポットを含む面が結像面となる。この結像面には、カメラ１１０が配置されている。
【００１８】
カメラ１１０は、撮像素子として例えばＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサを有するカメラであり、この撮像素子の撮像面が結像面と一致するように配置されている。このカメラ１１０には、コンピュータシステム１０４が接続されている。コンピュータシステム１０４は、カメラ１１０から画像データを取得するように構成されている。
【００１９】
図２は、コンピュータシステム１０４のハードウェア構成を示すブロック図である。コンピュータシステム１０４は、演算処理手段としてのＣＰＵ１３０、ＲＯＭ１３１、ＲＡＭ１３２、ＨＤＤ１３３、記録ディスクドライブ１３４及び各種のインターフェース１３５，１３６，１３７を備えている。ＣＰＵ１３０は、これらＲＯＭ１３１、ＲＡＭ１３２、ＨＤＤ１３３、記録ディスクドライブ１３４及び各種のインターフェース１３５，１３６，１３７が、バス１３８を介して相互に通信可能に接続されている。
【００２０】
ＲＯＭ１３１には、ＣＰＵ１３０を動作させるための各種のプログラム１５０が格納されている。ＣＰＵ１３０は、ＲＯＭ１３１に格納されたプログラム１５０に基づいて各種処理を実行する。このプログラム１５０は、記憶制御処理プログラム１５１、画像取得処理プログラム１５２、判別処理プログラム１５３、選択処理プログラム１５４、フィッティング処理プログラム１５５及び形状計算処理プログラム１５６を有している。ＲＡＭ１３２は、ＣＰＵ１３０の処理結果を一時的に記憶するためのものである。ＨＤＤ１３３は、記憶装置であり、光学系１０２の設計値、マイクロレンズアレイ１０９の設計値、被検物１２０の設計値等のデータを予め記憶している。また、ＨＤＤ１３３は、ＣＰＵ１３０による演算結果等のデータをＣＰＵ１３０の指令の下で記憶するものである。
【００２１】
カメラ１１０は、インターフェース１３５に接続されており、カメラ１１０に撮像された画像データがバス１３８に出力される。また、モニタ１０５は、インターフェース１３６に接続されており、モニタ１０５には、各種画像が表示される。インターフェース１３７は、書き換え可能な不揮発性メモリや外付けＨＤＤ等の外部記憶装置１４０が接続可能に構成されている。記録ディスクドライブ１３４は、記録ディスク１４１に記録された各種データを読み出すことができる。
【００２２】
以上の構成で、図１に示す光源１０１から射出された光は、レンズ１０６により平行光に変換され、ビームスプリッタ１０７に入射する。ビームスプリッタ１０７を通過した光はレンズ１０８で再び球面波に変換される。球面波は被検物１２０の被検面１２０ａ及び裏面１２０ｂで反射される。反射された光はレンズ１０８で再び平面波に戻された後、ビームスプリッタ１０７で反射され、シャック・ハルトマンセンサ１０３のマイクロレンズアレイ１０９へ入射する。マイクロレンズアレイ１０９に入射した光はそれぞれのマイクロレンズ１１１で集光されカメラ１１０上に光スポット群を形成する。
【００２３】
光スポット群を含む画像データはコンピュータシステム１０４に取り込まれ、それぞれの光スポット光量重心が求められ、光スポットの位置が検出され、モニタ１０５に結果が表示される。この際、マイクロレンズアレイ１０９に入射する波面が平面波であれば、光スポットの位置はマイクロレンズ１１１各々の光軸１１２−ｉ（ｉはマイクロレンズの順次番号）上になる。被検面１２０ａとマイクロレンズアレイ１０９は共役に配置されている。よってマイクロレンズアレイ１０９の一つのレンズ要素は被検面１２０ａの一つの領域に対応している。被検面１２０ａの一つの領域にスロープエラーがあるとその一つの領域のスロープエラーの平均値に依存して、その一領域に対応するマイクロレンズ１１１の光スポット位置が基準位置からずれる。コンピュータシステム１０４のＣＰＵ１３０は、参照平面波による基準光スポット位置と被検面１２０ａからの反射した光スポット位置とを比較して入射光の波面収差を求めることで被検面１２０ａの基準からの誤差を計算する。光スポットの基準位置は平面波だけでなく、ピンホール回折光による球面波や測定原器からの反射光の光スポットとしても良い。測定原器からの反射光を基準とした場合、測定結果は原器形状からの差分になる。
【００２４】
以上は被検面１２０ａからの反射光について述べたが、実際には被検面１２０ａを通過して被検物１２０の反対側に形成された裏面１２０ｂで反射してシャック・ハルトマンセンサ１０３に入射する光もある。図３（ａ）は、カメラ１１０により撮像された画像データにおける第１の反射光スポット及び第２の反射光スポットを示している。シャック・ハルトマンセンサ１０３に入射した光は、カメラ１１０の撮像面（結像面）上に、被検面１２０ａからの第１の反射光スポット２０１とともに裏面１２０ｂからの第２の反射光スポット２０２が作られる。
【００２５】
このとき一つのマイクロレンズ領域の光スポットは図３（ｂ）のようになる。被検面１２０ａからの第１の反射光スポット２０１の光量分布２０４と、裏面１２０ｂからの第２の反射光スポット２０２の光量分布２０６とから、カメラ１１０上で得られる合成光は、光量分布２０７のようになる。この光量分布２０７の重心から計算される反射光スポットの位置２０８は、本来の被検面１２０ａからの第１の反射光スポット２０１の位置２０３とずれが生じている。特に、両面の曲率が近いメニスカス形状のレンズに関しては第１の反射光スポット（表面反射光スポット）と第２の反射光スポット（裏面反射光スポット）との位置が近接するため、裏面反射の影響は大きくなる。
【００２６】
そこで本第１実施形態では、コンピュータシステム１０４のＣＰＵ１３０が、ＲＯＭ１３１に記憶されているプログラム１５０に基づいて動作することにより、被検面１２０ａからの反射光スポット２０１を判別して、被検面１２０ａの形状を計算するものである。以下、プログラム１５０に基づくＣＰＵ１３０の動作について具体的に説明する。図４は、コンピュータシステム１０４の機能ブロック図であり、図５は、コンピュータシステム１０４の動作を示すフローチャートである。
【００２７】
ＣＰＵ１３０は、ＲＯＭ１３１に格納されたプログラム１５０（１５１〜１５６）を実行することで、図５に示す各処理を実行する。このとき、ＣＰＵ１３０は、プログラム１５０により、図４に示す記憶制御部１６１、取得部１６２、判別部１６３、選択部１６４、フィッティング部１６５、及び計算部１６６として機能する。具体的には、ＣＰＵ１３０は、記憶制御処理プログラム１５１を実行することで、記憶制御部１６１として機能する。また、ＣＰＵ１３０は、画像取得処理プログラム１５２を実行することで、取得部１６２として機能する。また、ＣＰＵ１３０は、判別処理プログラム１５３を実行することで、判別部１６３として機能する。また、ＣＰＵ１３０は、選択処理プログラム１５４を実行することで、選択部１６４として機能する。また、ＣＰＵ１３０は、フィッティング処理プログラム１５５を実行することで、フィッティング部１６５として機能する。また、ＣＰＵ１３０は、形状計算処理プログラム１５６を実行することで計算部１６６として機能する。
【００２８】
これら各部１６１〜１６６の機能について、図４及び図５を参照しながら具体的に説明する。はじめに、記憶制御部１６１（ＣＰＵ１３０）は、ＨＤＤ１３３から、被検物１２０の設計値３０１、光学系１０２の設計値３０２、及びマイクロレンズアレイ１０９の設計値３０３のデータを読み出す。次いで、記憶制御部１６１は、これら読み出した設計値３０１，３０２，３０３を用いて、光源１０１で出射されてから理想形状の理想被検面で反射してカメラ１１０に至るまでの光の光線追跡を行う。
【００２９】
さらに記憶制御部１６１は、ＨＤＤ１３３から読み出した設計値３０１，３０２，３０３を用いて、光源１０１で出射されてから理想形状の理想裏面で反射してカメラ１１０に至るまでの光の光線追跡を行う。つまり、記憶制御部１６１は、被検物１２０の両面１２０ａ，１２０ｂについて、これら設計値に基づいて光線追跡を実施する。被検物１２０の設計値３０１は形状誤差等のない場合を想定した理想状態での値であるので、光線追跡による反射光スポットはスロープエラーがないとした場合（つまり基準）となる。
【００３０】
したがって、記憶制御部１６１は、光線追跡の結果から、被検面１２０ａの理想形状である理想被検面での反射によるカメラ１１０上（即ち、結像面）での第１の基準反射光スポット４０１の位置４０３を求める。さらに、記憶制御部１６１は、光線追跡の結果から、裏面１２０ｂの理想形状である理想裏面での反射によるカメラ１１０上（即ち、結像面）での第２の基準反射光スポット４０２の位置４０５を求める（Ｓ１）。このとき記憶制御部１６１は、これら第１の基準反射光スポット４０１の位置４０３及び第２の基準反射光スポット４０２の位置４０５のデータをＨＤＤ１３３に記憶させる。このように、被検面１２０ａ及び裏面１２０ｂの設計値を用いて光線追跡を行うことで、理想被検面及び理想裏面で反射して結像される反射光スポットを正確に計算することができる。
【００３１】
更に、記憶制御部１６１は、第１の基準反射光スポット４０１の光量分布４０４と第２の基準反射光スポット４０２の光量分布４０６とをＨＤＤ１３３に記憶させる（Ｓ２）。各基準反射光スポットの光量分布４０４，４０６は、ガウシアン分布に従うものとする。つまり、記憶制御部１６１は、位置４０３，４０５を中央値とするガウシアン分布となる光量分布４０４，４０６を計算し、計算結果をＨＤＤ１３３に記憶させる。なお、これら光量分布４０４，４０６はガウシアン分布に限定されない。
【００３２】
以上の記憶制御部１６１の動作で、ステップＳ１，Ｓ２では、理想被検面での反射により結像面に結像される第１の基準反射光スポット４０１の位置４０３及び光量分布４０４がＨＤＤ１３３に記憶される。また、理想裏面での反射により結像面に結像される第２の基準反射光スポット４０２の位置４０５及び光量分布４０６がＨＤＤ１３３に記憶される。なお、これらデータの記憶動作は、この順番に限らず、どの順番で行ってもよい。
【００３３】
記憶制御部１６１によるステップＳ１，Ｓ２（記憶工程）の動作は、次回以降の形状測定で今回と同一種の被検物であれば、次回からは記憶制御部１６１による記憶工程の処理動作を省略することができる。
【００３４】
次に、取得部１６２（ＣＰＵ１３０）は、被検面１２０ａからの第１の反射光スポット２０１及び裏面１２０ｂからの第２の反射光スポット２０２を含む画像データＩをカメラ１１０から取得する（Ｓ３：取得工程）。
【００３５】
次に、判別部１６３（ＣＰＵ１３０）は、取得した画像データＩにおいて、ＨＤＤ１３３に記憶された第１の基準反射光スポット４０１の位置４０３に対して、被検面１２０ａの形状誤差に起因する位置ずれ量の範囲を設定する。同様に、判別部１６３は、取得した画像データＩにおいて、ＨＤＤ１３３に記憶された第２の基準反射光スポット４０２の位置４０５に対して、裏面１２０ｂの形状誤差に起因する位置ずれ量の範囲を設定する。そして判別部１６３は、画像データＩから、光量が極大値（ピーク値）となる光スポットを反射光スポットとして抽出する。
【００３６】
判別部１６３は、被検面１２０ａの形状誤差に起因する位置ずれ量の範囲内にある反射光スポットを、被検面１２０ａからの第１の反射光スポット２０１と判別する。また、裏面１２０ｂの形状誤差に起因する位置ずれ量の範囲内にある反射光スポットを、裏面１２０ｂからの第２の反射光スポット２０２と判別する（Ｓ４：判別工程）。これにより、判別部１６３は、被検物１２０に形状誤差があっても、第１の反射光スポット２０１と第２の反射光スポット２０２とを判別することができる。
【００３７】
形状誤差による光スポット位置ずれ量は、光線追跡を用いてもよいし、想定される形状誤差によるスロープエラーと光学系の倍率から求めてもよいし、手動で選択してもよい。スロープエラーと光学系の倍率から求める場合は、スロープエラーによる反射光の反射角度がシャック・ハルトマンセンサ１０３上では光学系１０２の倍率分大きくなってマイクロレンズ１１１に入射することから計算ができる。なお、位置ずれ量の範囲内に光スポットがない場合は、被検物１２０が想定外の形状誤差を有しているため、判別部１６３は、エラーである旨を外部機器であるモニタ１０５に出力し、表示させる。
【００３８】
次に、選択部１６４（ＣＰＵ１３０）は、被検面１２０ａからの光スポットに対して、被検面１２０ａからの光スポットの位置を光量重心から求める際に考慮すべき裏面１２０ｂからの反射光スポットを選択する（Ｓ５：選択工程）。つまり、選択部１６４は、画像データＩにおいて、ステップＳ４で判別した第１の反射光スポット２０１に近接する第２の反射光スポット２０２を選択する。その際、各反射光スポット２０１に対して、それぞれに近接する第２の反射光スポット２０２を選択する。
【００３９】
具体的には、選択部１６４は、図６（ａ）に示すように、各マイクロレンズ１１１で結像される領域毎（領域Ｒ毎）に画像データＩを区画する。そして、選択部１６４は、複数の第１の反射光スポット２０１の中から１つ（例えば、第１の反射光スポット２０１１）を選択する。選択部１６４は、選択した第１の反射光スポット２０１１と同一の領域Ｒ内に含まれる第２の反射光スポット２０２１を選択する。このようにして第１の反射光スポット２０１１と第２の反射光スポット２０２１とが対応付けられる。この動作は、全ての第１の反射光スポット２０１（つまり、全ての領域Ｒ）について行う。
【００４０】
また、この選択工程について、別の方法について説明する。まず、選択部１６４は、図６（ｂ）に示すように、判別工程で判別した複数の第１の反射光スポット２０１の中から１つ（例えば第１の反射光スポット２０１１）を選択する。そして、選択部１６４は、選択した第１の反射光スポット２０１１に対して隣接する別の第１の反射光スポット２０１２，２０１３，２０１４との間隔の半分以内にある領域を設定する。そして、選択部１６４は、この領域内にある第２の反射光スポット２０２１を選択する。つまり、第１の反射光スポット２０１１に対し、隣接する第１の反射光スポット２０１２，２０１３，２０１４との距離の中間より近い位置にある第２の反射光スポット２０２１が選択される。このようにして第１の反射光スポット２０１１と第２の反射光スポット２０２１とが対応付けられる。この動作は、全ての第１の反射光スポット２０１について行う。
【００４１】
いずれの方法でも、第１の反射光スポット２０１に、計測に影響すると想定される第２の反射光スポット２０２を対応付けることができる。
【００４２】
なお、第１の反射光スポット２０１と第２の反射光スポット２０２との重なり具合によっては、２つのピーク値が現れず、合成光のピーク値が、図３（ｂ）に示すように１つとなる場合がある。この場合、ステップＳ４でこの合成光の反射光スポットに第１の反射光スポット２０１が対応付けられていたときには、この第１の反射光スポット２０１に対応付けられるべき第２の反射光スポット２０２がこの時点では存在しないことになる。しかし、シミュレーション上の第１の基準反射光スポット４０１と第２の基準反射光スポット４０２との対応関係により、実際の第１の反射光スポット２０１と第２の反射光スポット２０２との対応関係が判断できる。
【００４３】
したがって、本第１実施形態では、選択部１６４は、ＨＤＤ１３３に記憶された第１の基準反射光スポット４０１及び第２の基準反射光スポット４０２に対して、図６（ａ）又は図６（ｂ）を用いて説明した処理と同様の処理を実行する。これにより、第１の基準反射光スポット４０１に第２の基準反射光スポット４０２が対応付けられる。
【００４４】
選択部１６４は、この対応付けの結果に基づいて、各第１の反射光スポット２０１に対して、第１の反射光スポット２０１に対応付けられるべき第２の反射光スポット２０２が存在しているか否かを判断する。そして、選択部１６４は、第１の反射光スポット２０１に対応付けられるべき第２の反射光スポット２０２が存在していないものについては、この第１の反射光スポット２０１に対して、重なっている第２の反射光スポット２０２を選択して対応付ける。これにより、１つのピーク値しか存在しない合成光の光スポットに対しては、第１の反射光スポット２０１と第２の反射光スポット２０２とが対応付けられることになる。
【００４５】
なお、第１の反射光スポット２０１と第２の反射光スポット２０２とが全て１：１で対応するものであれば、第１の基準反射光スポット４０１と第２の基準反射光スポット４０２との対応付けの処理を行わなくてもよい。
【００４６】
次に、フィッティング部１６５（ＣＰＵ１３０）は、ＨＤＤ１３３から第１の基準反射光スポット４０１の光量分布４０４と第２の基準反射光スポット４０２の光量分布４０６とを読み出し、これらを合成した合成光の光量分布４０７を計算により求める。この結果を、図７（ａ）に示す。また、フィッティング部１６５は、画像データＩから、判別工程で判別した第１の反射光スポット２０１の光量分布と選択工程で選択した第２の反射光スポット２０２の光量分布とを合成した合成光の光量分布２０７を抽出する。つまり、第１の反射光スポット２０１とこれに対応付けられている第２の反射光スポット２０２との合成光の光量分布２０７を抽出する。そして、フィッティング部１６５は、抽出した光量分布２０７と、求めた光量分布４０７とが一致するか否かを判断する。フィッティング部１６５は、一致していないと判断した場合は、第１の基準反射光スポット４０１の位置４０３及び第２の基準反射光スポット４０２の位置４０５をパラメータとして、光量分布２０７と光量分布４０７とが一致するまで、横座標方向に移動させる。つまり、フィッティング部１６５は、ＨＤＤ１３３に記憶されている光スポット位置４０３，４０５を初期値として光量分布４０４，４０６をそれぞれカメラ面内で位置パラメータ（ｘ、ｙ）を変化させる。そして、フィッティング部１６５は、光量分布２０７と光量分布４０７とが一致するように、第１の基準反射光スポット４０１及び第２の基準反射光スポット４０２をフィッティングさせる（Ｓ６：フィッティング工程）。これによって、図７（ｂ）に示すように、光量分布２０７と光量分布４０７とが一致する。
【００４７】
次に、ＣＰＵ１３０は、光量分布４０７をカメラ１１０で検出された光量分布２０７と一致するようフィッティングさせた後、フィッティングさせた第１の基準反射光スポット４０１の位置４０９を求める（Ｓ７）。この第１の基準反射光スポット４０１の位置４０９は、被検面１２０ａからの第１の反射光スポット２０１の位置とみなせる。ＣＰＵ１３０は、以上の動作全マイクロレンズ領域に対して実施する（Ｓ８）。
【００４８】
次に、計算部１６６（ＣＰＵ１３０）は、第１の基準反射光スポット４０１の位置４０９に基づいて被検面１２０ａの形状を計算する（Ｓ９：計算工程）。具体的に説明すると、参照平面波を用いたときにカメラ１１０上に結像される光スポットの位置（つまり、位置４０３）のデータが、基準位置のデータとして、予めＨＤＤ１３３に記憶されている。計算部１６６は、ＨＤＤ１３３から読み出した基準位置と、フィッティングさせた第１の基準反射光スポット４０１の位置４０９とを比較して入射光の波面収差を求めることで、被検面１２０ａの基準からの誤差を計算する。計算部１６６は、計算した誤差から被検面１２０ａの形状を計算する。なお、光スポットの基準位置は平面波だけでなく、ピンホール回折光による球面波や測定原器からの反射光の光スポットとしても良い。また、測定原器からの反射光を基準とした場合、測定結果は原器形状からの差分になる。次に、ＣＰＵ１３０は、被検面１２０ａの形状の計算結果を、外部機器であるモニタ１０５に出力し、モニタ１０５は、その結果を表示する。
【００４９】
実際に本第１実施形態の方法で計測した実験結果を図８に示す。これは一つのマイクロレンズ１１１について計算したものであり、マイクロレンズ１１１は焦点距離５ｍｍ、直径１５０μｍの平凸レンズを用いたものである。ＣＣＤカメラ１１０のピッチを７．２μｍとして被検面１２０ａからの反射光と裏面１２０ｂの反射光が入った場合の光量重心検出によるスポット位置誤差を示している。図８（ａ）には、ＣＣＤカメラ１１０上で被検面１２０ａからの反射光スポットと、裏面１２０ｂからの反射光スポットとの合成の光量分布を示している。図８（ｂ）には、従来の光量重心検出で求めた場合の光スポット位置誤差と、本特許の方法を用いた場合の光スポット位置誤差を示している。従来の方法では二つのスポット間の距離が大きくなるに連れ、誤差が大きくなっているが、本第１実施形態の方法では、スポット間距離によらず、従来よりも誤差が小さい。
【００５０】
以上、本第１実施形態によれば、被検物１２０の裏面１２０ｂからの反射光スポットがカメラ１１０に到達しても、被検物１２０の裏面１２０ｂからの反射光の影響を除去することができる。つまり、フィッティング操作を行うことにより、裏面１２０ｂからの光スポットの影響を受けずに被検面１２０ａからの光スポット位置を求めることができる。したがって、被検物１２０の被検面１２０ａの形状を高精度に計測することができる。
【００５１】
なお、本第１実施形態の方法以外に、被検物の裏面を、被検物の屈折率に近い液体に接触させることにより、被検物の裏面からの反射光を低減させることも考えられる。例えば、被検物が板ガラス（屈折率１．５）の場合、液体には、グリセリン（屈折率１．４７３）やパラフィン（屈折率１．４８）が用いられる。しかし、この方法では、被検物の裏面を液体に接触させているので、被検物の裏面が液体で汚れることになり、計測後に被検物を洗浄する必要がある。さらに被検物の屈折率に合わせて屈折率の異なる液体を用意する必要があるためコストが増加する。
【００５２】
これに対し、本第１実施形態では、形状計測の際に被検物１２０の裏面１２０ｂを液体に接触させる必要がないので、計測後に被検物１２０から液体を除去する洗浄作業を行う必要がない。したがって、液体の洗浄作業を省略できる分、被検物１２０の被検面１２０ａの形状を計測するのに要する時間を短縮することができ、またコストを下げることができる。
【００５３】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る形状計測装置、及び形状計測装置を用いた形状計測方法について詳細に説明する。上記第１実施形態では、記憶制御部として機能するＣＰＵが、被検物の設計値に基づき、理想形状の理想被検面及び理想裏面からの反射光スポットを計算し、計算結果を記憶装置に記憶させる場合について説明した。本第２実施形態では、原器を用いて反射光スポットを測定し、測定結果を記憶装置に記憶させる場合について説明する。図９は、本発明の第２実施形態に係る形状計測装置の概略構成を示す説明図である。なお、上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
本第２実施形態における形状計測装置１００Ａのコンピュータシステム１０４Ａのハードウェア構成は、上記第１実施形態のコンピュータシステム１０４と同様である。したがって、コンピュータシステム１０４Ａのハードウェア構成の図示を省略するが、本第２実施形態では、コンピュータシステム１０４Ａの機能、即ちプログラムに基づく動作が、上記第１実施形態と異なる。
【００５５】
本第２実施形態では、被検物１２０の測定に先立って、被検物１２０の代わりに、第１の原器５０１及び第２の原器５０４を被測定対象として用いる。本第２実施形態では、記憶制御処理プログラム１５１（図２）が上記第１実施形態と異なる。即ち、図５に示すフローチャートのステップＳ１，Ｓ２（記憶工程）の処理動作が異なる。図１０は、コンピュータシステム１０４Ａの機能ブロック図である。ＣＰＵ１３０は、プログラム中の記憶制御処理プログラムを実行することにより記憶制御部１６１Ａとして機能する。
【００５６】
まず、理想被検面に対応する面５０２のみが光反射するように構成された原器を第１の原器５０１とし、理想裏面に対応する面５０６のみが光反射するように構成された原器を第２の原器５０４として用いる。
【００５７】
第１の原器５０１は、表面５０２が被検物の理想形状と等しい形状の原器であり、裏面５０３に反射防止を施してある。この原器５０１の裏面５０３は、砂ずり面、黒塗りまたは硝材と概略等しい屈折率を持つマッチングオイルが塗布されており、裏面５０３からの反射がない。なお、裏面反射の防止方法はこれに限らず他の方法でもかまわない。
【００５８】
第２の原器５０４は、裏面５０６からの光のみを反射する裏面反射原器である。第２の原器５０４は、裏面５０６が被検物の理想形状と等しい形状で、表面５０５に反射防止膜を施すことで裏面５０６からの反射光のみを反射するよう構成されている。
【００５９】
上記第１実施形態のステップＳ１，Ｓ２（図５）の代わりに、本第２実施形態では、記憶制御部１６１Ａが、原器５０１，５０４を測定してその測定結果を記憶装置であるＨＤＤ１３３に記憶させる。詳述すると、記憶制御部１６１Ａは、第１の原器５０１で反射してカメラ１１０で撮像された画像データＩ１に含まれる反射光スポットを、第１の基準反射光スポット４０１として、第１の基準反射光スポット４０１の位置４０３及び光量分布４０４を測定する。測定後は第１の原器５０１を第２の原器５０４に入れ換える。次に、記憶制御部１６１Ａは、第２の原器５０４で反射してカメラ１１０で撮像された画像データＩ２に含まれる反射光スポットを第２の基準反射光スポット４０２として、第２の基準反射光スポット４０２の位置４０５及び光量分布４０６を測定する。なお、これらの測定順番に限らず、先に第２の原器５０４を測定した後、第１の原器５０１を測定するようにしてもよい。記憶制御部１６１Ａは、これら測定結果を記憶装置であるＨＤＤ１３３に記憶させる。なお、各部１６２から１６６として機能するＣＰＵの動作は、上記第１実施形態と同様である。
【００６０】
以上より、本第２実施形態では、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏する。そして、本第２実施形態では、原器５０１，５０４を測定することで、設計値を用いて表面反射光と裏面反射光のカメラ１１０上での光スポット位置を算出するのと同等に、それぞれの反射光スポットの位置及び光量分布を精度良く求めることができる。
【００６１】
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。
【００６２】
上記実施形態では、第１及び第２の基準反射光スポットの位置及び光量分布を記憶装置としてＨＤＤ１３３に記憶させたが、記憶装置としてはＨＤＤ１３３に限定するものではく、書き込み可能な記憶装置であれば、いかなる記憶装置でもよい。例えばＲＡＭ１３２、外部記憶装置１４０（例えばＵＳＢメモリやメモリカード等の書き換え可能な不揮発性メモリ、外付けＨＤＤ等）、又は記録ディスクドライブ１３４に設置された記録ディスク１４１等の記憶装置であってもよい。記録ディスク１４１としては、ＣＤ−Ｒ等の書き込み可能な記録ディスクであれば、いかなる記録ディスクでもよい。これら以外にも、例えば、フレキシブルディスク，光ディスク，光磁気ディスク，磁気テープ，ＥＥＰＲＯＭ，シリコンディスク等であってもよい。
【００６３】
また、上記実施形態では、プログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体がＲＯＭ１３１である場合について説明したが、これに限定するものではなく、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であれば、いかなる記録媒体であってもよい。例えば、プログラムがＨＤＤ１３３、外部記憶装置１４０、記録ディスク１４１等に記録されていてもよい。外部記憶装置１４０としては、例えばＵＳＢメモリやメモリカード等の不揮発性メモリ、外付けＨＤＤ等を用いることができ、記録ディスク１４１としては、例えばＣＤ−ＲＯＭ，ＣＤ−Ｒ，ＤＶＤ−ＲＯＭを用いることができる。これら以外にも、例えば、フレキシブルディスク，光ディスク，光磁気ディスク，磁気テープ，ＥＥＰＲＯＭ，シリコンディスク等であってもよい。
【００６４】
また、上記実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体を、システムあるいは装置に供給してもよい。そのシステムあるいは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に格納されたプログラムコードを読出し実行することによっても、本発明の目的が達成される。この場合、記録媒体から読み出されたプログラムコード自体が本発明の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記録した記録媒体は本発明を構成することになる。
【００６５】
また、上記実施形態におけるプログラムを、ネットワークを介してダウンロードしてコンピュータにより実行するようにしてもよい。
【００６６】
また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上記実施形態の機能が実現されるだけに限定するものではない。そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれる。
【００６７】
さらに、記録媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれてもよい。そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって上記実施形態の機能が実現される場合も含まれる。また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても、１つの機器からなる装置に適用してもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１００，１００Ａ…形状計測装置、１０１…光源、１０２…光学系、１０９…マイクロレンズアレイ（レンズアレイ）、１１０…カメラ（撮像部）、１２０…被検物、１２０ａ…被検面、１２０ｂ…裏面、１３０…ＣＰＵ（演算処理手段）、１５０…プログラム
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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