(57)【要約】【課題】輪帯波面合成法を用いて合成するデータ数が増えても誤差が大きくならずに、精度の高い計測を行うことができる非球面形状計測方法を提供する。【解決手段】中央部がワンカラーとなった干渉縞画像（Ｓ１）から中央部の位相データＤ０を得（Ｓ２）、中央部及び所定の輪帯域がワンカラーとなった干渉縞画像（Ｓ３）から中央部及び輪帯域の位相データＤｉ（ｉ＝１、２、・・・、ｍ）を得（Ｓ４、Ｓ５）、位相データＤｉの中央部のデータが位相データＤ０に重なるように位相データＤｉを補正し（Ｓ６）、一方、絶対値データ｜Ｄｉ｜と絶対値データ｜Ｄｉ−１｜とがつながるように２ｎπ（ｎは自然数）を決定して補正された位相データに加え（Ｓ７）、既に合成されたデータＤ０〜Ｄｉ−１に加算する（Ｓ８）。このような演算をｉ＝１、２、・・・、ｍについて行う（Ｓ９）。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非球面形状を有する被検面の形状を輪帯波面合成法により計測する方法であって、
該被検面の中心部の近似曲率半径の球面波Ｗ０を該面に当て、該面から反射してくる試験波と、前記球面波の一部（参照波）とが干渉して生じる干渉縞を測定して該面中心部の形状に対応する干渉波位相データＤ０を得、
該面の中心部よりやや外側部分の近似曲率半径の球面波Ｗ１を該面に当て、該面から反射してくる試験波と、前記球面波の一部（参照波）とが干渉して生じる干渉縞を測定して該面中心部及び前記やや外側部分の形状に対応する干渉波位相データＤ１を得、
順次同様に該被検面の外側部分の近似曲率半径の球面波Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、・・・、Ｗｉ、・・・、Ｗｍを該面に当てて該面の最外周部まで測定して干渉波データＤ２、Ｄ３、Ｄ４、・・・、Ｄｉ、・・・、Ｄｍを得、
Ｄｉの測定担当輪帯域の絶対値データ｜Ｄｉ｜を、｜Ｄｉ｜＝Ｄｉ＋Δφｉ＋２ｎπで求め、
ここで、ｎは自然数、ΔφｉはＤｉの被検面中心部データとＤ０の被検面中心部データとの２π未満の位相差であり、
Δφｉについては、Ｄ０の被検面中心部データとＤｉの被検面中心部データとが重なるように決定し、ｎについては、Ｄｉ−１とＤｉとがつながるように決定し、
各データ｜Ｄ０｜、｜Ｄ１｜、｜Ｄ２｜、・・・、｜Ｄｉ｜、・・・、｜Ｄｍ｜を合成して前記非球面全体の形状を計測することを特徴とする非球面形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非球面の被検面形状を輪帯波面合成法により測定する非球面形状計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、球面波を用いて非球面の形状を計測することが行われている。図３は、このような計測に用いられる点回折干渉計の例を示している。
この点回折干渉計は、光源部において、波長安定化レーザ１と、偏波面保存ファイバ２を有している。波長安定化レーザ１は、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）−ネオン（Ｎｅ）をレーザ媒質とする光源であり、所定の波長を有する光を射出する。偏波面保存ファイバ２は、偏光状態を保存する機能を有しており、波長安定化レーザ１から射出した光を干渉光学系に導く。
【０００３】
上部ステージ６には、対物レンズ３と、ピンホール基板４と、リレーレンズ９等が設置されている。対物レンズ３は、干渉光学系に入射する光Ｌ１を、ピンホール基板４に形成されているピンホール４ａに集光する。ピンホール４ａは、該ピンホールに入射する光を球面波として射出する。ピンホール４ａから射出される球面波の光路上には、折り返しミラー８が設けられている。ピンホール５ａから射出された球面波の半分は、折り返しミラー８から反射され、参照波Ｌ４としてリレーレンズ９に入射する。
【０００４】
下部ステージ７には、非球面の被検面５ａを有する被検物５が戴置されている。干渉計ボディ１１は、上部ステージ６及び下部ステージ７を支持すると共に、いずれか一方のステージ、或いは両方を上下に駆動し、両者の相対的位置を変化させる。これにより、ピンホール４ａと被検物５の被検面５ａとの距離が変化する。さらに、除振台１２は、干渉計ボディ１１を支持すると共に、外部の振動を吸収し、光学系を安定させる。
【０００５】
ピンホール５ａから射出された球面波の残りの半分（球面波Ｌ２）は、被検物５の被検面５ａから反射され、同面５ａの波面特性を含む試験波Ｌ３となって、ピンホール基板４に戻ってくる。
【０００６】
ところで、試験波Ｌ３のＮＡ（開口数）は、最初にピンホール４ａを通過した分割前の球面波Ｌ２及びＬ４のＮＡの半分以下である。このため、ピンホール基板に戻ってきた試験波Ｌ３は、ピンホールの径よりも大きなスポットを有する。特に、被検面５ａが非球面であれば、より大きなスポットとなる。ピンホール基板４のピンホール４ａの周辺部は、光の反射特性を有しており、試験波Ｌ３はピンホール基板４から反射されて試験波Ｌ５となり、さらに、折り返しミラー８から反射されてリレーレンズ９に入射する。
【０００７】
図３において、上部ステージ６の上部には、撮像部１０が設けられている。撮像部１０は、光検出素子としてＣＣＤ（ｃｏｕｐｌｅｄ　ｃｈａｒｇｅ　ｄｅｖｉｃｅ）を有している。
【０００８】
リレーレンズに入射した参照波Ｌ４及び試験波Ｌ５は、撮像部１０のＣＣＤに結像し、互いに干渉する。撮像部１０は、ＣＣＤから出力された検出信号を処理し、干渉によって生じた干渉縞画像を生成する。
【０００９】
このようにして生成される干渉縞画像において、注目する点の光の強度を計測することによってその点における干渉波の位相が分かり、これより、測定波と参照波との光路差が分かる。この光路差は、被検面の注目点における高さの情報を表す。即ち、それぞれの点について得られた位相データに演算処理を施すことにより、被検面の形状を求めることができる。
【００１０】
ところで、非球面について得られた干渉縞画像においては、干渉縞の密度が低い領域と、縞が密に混み合っている領域とが観察される。本願においては、縞の密度が低い領域の中でも特に縞１本分の領域を、「ワンカラー領域」と呼ぶことにする。
図４〜図６は、ワンカラー領域を含む干渉縞画像を示している。図４においては中央部がワンカラーとなっており、図５及び図６においては、中央部及び中央から離れた輪帯域がワンカラーとなっている。このように、ワンカラーとなる輪帯域が変化するのは、以下に述べる球面波の波面と被検面の形状との関係に基づく。
【００１１】
ここで、どのような領域がワンカラー領域となるかについて、図７を参照しながら詳しく説明する。図７の（ａ）はピンホールの位置と被検面（断面）との関係を示し、図７の（ｂ）は、図７の（ａ）に示すピンホールの位置に対応して観察される干渉縞画像を模式的に示している。なお、この場合の被検面は、軸対称であって、球面に比較的近似した形状の面である。
【００１２】
まず、図７（ａ）の下のピンホールＰＨ１から球面波が射出されるとき、即ち、ピンホールと被検面の中央との距離（以下、「ピンホールと被検面との距離」という）がｚ１のとき、被検面上には、曲率半径がｚ１と近似的に等しくなる領域が存在する。その領域は、図７の（ａ）において、被検面の中心からやや外側の領域Ａ１であり、この領域は局所的に半径ｚ１の球面に近似している。従って、領域Ａ１においては、任意の点を選択してもピンホールと被検面との距離の相対的な差が少なく、試験波と参照波との光路差の変化も少ない。このため、干渉光強度の位相変化も±π以内に収まるので、この領域Ａ１に対応する干渉縞画像上の領域Ｓ１が、ワンカラーとなる。
【００１３】
次に、ピンホールの位置を下のＰＨ１から上のＰＨ２に移動させて、ピンホールと被検面との距離をｚ２に長くする。すると、やはり、被検面上には曲率半径がｚ２と近似的に等しくなる領域が存在するので、そのような領域Ａ２（この場合は領域Ａ１の外側の領域）に対応して、領域Ｓ２がワンカラーとなる。
【００１４】
このように、ピンホールと被検面との距離を調節することにより、干渉縞画像の所望の輪帯域にワンカラーを形成することができる。ここで、図７の（ｂ）においては、被検面の中心部領域Ｓ０もワンカラーとなっている。被検面の中央部は、距離ｚに対応して領域Ｓ０の半径は変化するものの、ピンホールＰＨとの距離があまり変わらない領域が常に存在するため、常にワンカラーとなっている。
【００１５】
干渉縞画像を解析する際には、このようなワンカラー領域における計測データが用いられる。縞が密に混み合っている領域においては、リレーレンズ等の光学系の収差やディストーション等の影響を受けるため、正しい計測を行うことができないからである。また、非球面計測の場合、縞が混み合って、縞本数をＣＣＤ上で数えられない場合も多い。
【００１６】
干渉縞画像の解析は、次のような輪帯波面合成法によって行われる。まず、ピンホールと被検面との距離を調節し、図４に示すように、中央部及び中央付近の輪帯域がワンカラーとなるようにして、干渉縞画像を撮像する。この干渉縞画像から、ワンカラー領域Ｃ０の光強度を計測し、干渉波の位相データＤ０を算出する。次に、ピンホールと被検面との距離を変え、例えば、図５に示すようにワンカラー領域を外側に移動させて干渉縞画像を撮像する。この際、連続する２枚の干渉縞画像において、ワンカラー領域の位置が若干オーバーラップするようにする。この干渉縞画像から、ワンカラー領域Ｃ１の光強度を計測し、干渉波の位相データＤ１を算出する。同様に、ピンホールと被検面との距離を変化させてワンカラー領域の位置を徐々に外側に移動し、その都度干渉縞画像を撮像し、ワンカラー領域の光強度を計測して干渉波の位相データを得る。このような計測を、図６に示すように、最外周のワンカラー領域Ｃｍまで行う。
【００１７】
ところで、それぞれの干渉縞画像から得られた位相データは、それぞれの測定領域における被検面の情報はよく反映しているものの、他の測定領域との関係については不明な要素を含む。即ち、それぞれの位相データＤｉは、絶対値データ｜Ｄｉ｜に対して、Δφｉ±２ｎπの不確定性を含んでいる。ここで、Δφｉは−π≦Δφ≦πであり、測定領域を変更するために光路長を変えることによって生じる位相ズレである。また、ｎは自然数であり、干渉縞が混み合っている部分で数えられない干渉縞数に対応する。このため、データを合成する際には、隣接する領域で位相が連続するように、Δφｉ及びｎを決定しなくてはならない。
【００１８】
原理的には、中心から縞の数を数えることによってｎを決定することは可能である。しかしながら、非球面を球面波によって計測する場合には、被検面の外側に行くほど両者の曲率半径の差が大きくなる。従って、干渉縞画像においても、外側に行くほど多くの縞が密に混み合ってＣＣＤに撮像され、ＣＣＤの分解能を越える程になるので、一つひとつの縞を識別することは不可能である。
【００１９】
このため、従来は、絶対値データ｜Ｄｉ−１｜と｜Ｄｉ｜とが、連続するように、境界における絶対値及び傾き（微分値）が一致するようなΔφｉ及びｎを決定していた。これをｉ＝１、２、・・・について順次行い、データを合成していた。
【００２０】
図８は、このようにして作成された合成データをグラフ化したものを模式的に示している。図８において、ｘ軸は被検面の中心からの半径方向の位置座標であり、ｙ軸は干渉縞位相データを被検面の高さに換算した値を示している。断続する太い実線が合成データを示しており、破線は、実際の被検面の形状を示している。なお、太い実線は、実際には断続しないよう滑らかにつなぐが、この図では誤差があることを断続で模式的に表している。
【００２１】
図８に示すように、従来の位相接続方法によると、合成する位相データが多くなると、それぞれの干渉縞画像から得られた位相データの境界における誤差が積算されるので、中心から離れるほど実際の被検面と計測値との誤差が大きくなってしまい、十分な精度を得るのが難しい。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
上記の点に鑑み、本発明は、球面波を用いた非球面の被検面形状の輪帯波面合成法による計測において、合成するデータ数が増えても誤差が大きくならずに、精度の高い計測を行うことを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る非球面形状計測方法は、非球面形状を有する被検面の形状を輪帯波面合成法により計測する方法であって、　該被検面の中心部の近似曲率半径の球面波Ｗ０を該面に当て、該面から反射してくる試験波と、該球面波の一部（参照波）とが干渉して生じる干渉縞を測定して該面中心部の形状に対応する干渉波位相データＤ０を得、　該面の中心部よりやや外側部分の近似曲率半径の球面波Ｗ１を該面に当て、該面から反射してくる試験波と、該球面波の一部（参照波）とが干渉して生じる干渉縞を測定して該面中心部及び上記やや外側部分の形状に対応する干渉波位相データＤ１を得、　順次同様に該被検面の外側部分の近似曲率半径の球面波Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、・・・、Ｗｉ、・・・、Ｗｍを該面に当てて該面の最外周部まで測定して干渉波データＤ２、Ｄ３、Ｄ４、・・・、Ｄｉ、・・・、Ｄｍを得、　Ｄｉの測定担当輪帯域の絶対値データ｜Ｄｉ｜を、｜Ｄｉ｜＝Ｄｉ＋Δφｉ＋２ｎπで求め、　ここで、ｎは自然数、ΔφｉはＤｉの被検面中心部データとＤ０の被検面中心部データとの２π未満の位相差であり、　Δφｉについては、Ｄ０の被検面中心部データとＤｉの被検面中心部データとが重なるように決定し、ｎについては、Ｄｉ−１とＤｉとがつながるように決定し、各データ｜Ｄ０｜、｜Ｄ１｜、｜Ｄ２｜、・・・、｜Ｄｉ｜、・・・、｜Ｄｍ｜を合成して該非球面全体の形状を計測する。
【００２４】
本発明によれば、位相を接続する際に、隣接する領域のデータのみでなく常に中央部のデータを参照しながら接続するので、中央部から離れた領域においても誤差が積算されることがない。従って、球面波を用いて非球面を高精度に計測することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る非球面形状計測方法を示すフローチャートである。本実施形態に係る非球面形状計測方法は、非球面形状を有する被検面の形状を計測する方法であって、例えば、点回折干渉計を用いて得られた干渉縞画像を解析することにより行われる。
【００２６】
まず、ステップＳ１において、球面波Ｗ０を被検面に照射し、干渉縞画像の中央部にワンカラー領域が形成された干渉縞画像を得る。点回折干渉計を用いる場合には、ピンホールと被検面中央部との距離が、被検面中央部の近似曲率半径と等しくなるように調節する。球面波Ｗ０の一部は、射出された後に、参照波として分割される。球面波Ｗ０の他の一部は被検面から反射され、被検面の形状に関する情報を含む試験波となり、参照波と干渉する。この干渉波を撮像することにより、干渉縞画像が得られる。
【００２７】
次に、ステップＳ２において、ステップＳ１において得られた干渉縞画像のワンカラー領域の光強度を計測することにより、干渉波の位相データ（測定データ）Ｄ０を得る。このデータは、後で説明する輪帯波面合成法において基準値として使用される。
【００２８】
次に、ステップＳ３において、球面波Ｗｉ（ｉ＝１）を被検面に照射し、干渉縞画像を得る。ステップＳ３においては、ステップＳ１において得られた干渉縞画像のワンカラー領域の外側にワンカラーの輪帯域が形成されるように、ピンホールと被検面との距離を調節する。この際に、ワンカラーの輪帯域とステップＳ１において得られたワンカラー領域との間に切れ目が生じないようにするために、両者が若干オーバーラップするようにピンホールと被検面との距離を調節することが好ましい。これより、中央部、及び、中央部より少し外側の輪帯域がワンカラーとなった干渉縞画像が得られる。
【００２９】
次に、ステップＳ４において、ステップＳ３において得られた干渉縞画像のワンカラー領域の光強度を計測し、干渉波の位相データ（測定データ）Ｄｉを得る。ここで、光強度の計測は、輪帯域及び中央部の両方について行い、位相データＤｉには、輪帯域から得られた位相データ（測定データ）ＤＲｉと、中央部から得られた位相データ（測定データ）ＤＣｉとが含まれる。
【００３０】
このような計測を、ピンホールと被検面との距離を変化させることにより（例えば、０．１ｍｍずつ）、ワンカラーの輪帯域を外側にずらしながら、ｉ＝１、２、・・・、ｍについて繰り返し行う（ステップＳ５）。ここで、先に得られた干渉縞画像のワンカラーの輪帯域と、次に得られた干渉縞画像のワンカラーの輪帯域とが、若干オーバーラップするようにする。これを、ワンカラーの輪帯域が干渉縞の最外周（ｉ＝ｍ）に来るまで行う。
【００３１】
次に、ステップＳ６〜Ｓ９において、輪帯波面合成法により、位相データＤ０、Ｄ１、Ｄ２、・・・、Ｄｉ−１、Ｄｉ、・・・、Ｄｍを合成する。
ここで、位相データＤ０から位相データＤｉ−１までが合成されたデータと、位相データＤｉとを合成する方法について、図２を参照しながら説明する。図２の（ａ）〜（ｅ）は、被検面の各位置における位相データを示すグラフであり、ｘ軸は被検面（断面）の半径方向の位置座標を示し、ｙ軸は位相を示している。
【００３２】
図２の（ａ）は、位相データＤ０から位相データＤｉ−１までを合成したデータに基づいて作成されたグラフである。このグラフに位相データＤｉをそのまま重ねると、図２の（ｂ）のようになる。
【００３３】
位相データＤｉは、既に合成されたデータＤ０〜Ｄｉ−１に接続される絶対値データ｜Ｄｉ｜に対して、Δφｉ＋２ｎπの不確定性を有している。ここで、Δφｉは−π≦Δφｉ≦πであり、干渉縞画像の中心部の位相ズレから生じていると考えることができる。また、ｎは自然数である。これより、絶対値データ｜Ｄｉ｜は、｜Ｄｉ｜＝ＤＲｉ＋Δφｉ＋２ｎπと表される。
【００３４】
そこで、まず、ステップＳ６において、位相データＤ０と位相データＤｉとの中心部の位相ズレを補正する。このためには、図２の（ｃ）に示すように、中央部の測定データＤＣｉが位相データＤ０に重なるように、測定データＤｉ全体をｙ方向に移動する。即ち、２π未満の補正値Δφｉは、Δφｉ＝Ｄ０−ＤＣｉとして求められる。
【００３５】
次に、ステップＳ７において、不確定値２ｎπを決定する。２ｎπは離散値なので、隣り合うデータＤｉ−１とＤｉとが連続するようにｎを決定すれば良い。
ステップＳ８において、このようにして得られた絶対値データ｜Ｄｉ｜＝Ｄｉ＋Δφｉ＋２ｎπを、合成データＤ０〜Ｄｉ−１に加算する。これにより、図２の（ｄ）に示すように、なめらかに接続された合成データＤ０〜Ｄｉが得られる。
【００３６】
このような演算処理を、ｉ＝１、２、・・・、ｍについて行うことにより（ステップＳ９）、図２の（ｅ）に示すような合成データＤ０〜Ｄｍが作成される。
さらに、ステップＳ１０において、合成データＤ０〜Ｄｍを被検面の高さの値に変換することにより、被検面の形状を得ることができる。
【００３７】
なお、本実施形態においては、干渉縞の強度そのものから干渉縞の位相を求める方法を用いて説明したが、干渉縞の位相を求める方法としては、この他にも周知の方法を用いることができる。例えば、フリンジスキャン法（位相シフト法）を用いる場合には、誤差をさらに小さくすることができるので、より好ましい。この方法においては、波面と被検面との関係を変化させることによって測定が行われる。
【００３８】
また、本実施形態においては、波面補正素子（ヌル素子）を用いない点回折干渉計を使用して非球面を計測する場合について説明したが、本発明は、点回折干渉計に限らず、ヌル素子を用いない球面フィゾー干渉計や、トワイマン・グリーン干渉計等にも適用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、球面波を用いて非球面の形状を計測する場合に、球面との隔たりが大きな非球面であっても、高精度な計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る非球面形状計測方法を示すフローチャートである。る。
【図２】本発明の一実施形態に係る非球面形状計測方法において行われる輪帯波面合成法を説明するための図である。
【図３】点回折干渉計の原理を示す図である。
【図４】中央部がワンカラーとなっている干渉縞画像を示す図である。
【図５】中央部及び輪帯域がワンカラーとなっている干渉縞画像を示す図である。
【図６】中央部及び最外周がワンカラーとなっている干渉縞画像を示す図である。
【図７】図７の（ａ）は、ピンホールと被検面（断面）との位置関係を示す図であり、図７の（ｂ）は、図７の（ａ）に示すピンホールの位置に対応して観察される干渉縞画像を示している。
【図８】従来の輪帯波面合成法によって得られる合成データを示す図である。
【符号の説明】
１　波長安定化レーザ
２　偏波面保存ファイバ
３　対物レンズ
４　ピンホール基板
４ａ　ピンホール
５　被検物
５ａ　被検面
６　上部ステージ
７　下部ステージ
８　折り返しミラー
９　リレーレンズ
１０　撮像部
１１　干渉計ボディ
１２　除振台
【図１】
2004045168.tif 000003
【図２】
2004045168.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004045168.tif 000008
【図７】
2004045168.tif 000009
【図８】
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