(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体から出力された光源からの光束を基準板に照射し、
この基準板から出力された光束を、この基準板に略平行とされた面上もしくはそれと等価な面上に位置するコーナキューブに照射し、
このコーナキューブを前記面上で移動させる度に、このコーナキューブからの反射光と前記基準板からの反射光との干渉により生じる干渉縞データを得、
この干渉縞データに基づき、該コーナキューブに入射する光束の該コーナキューブの各移動位置毎の入射角度情報を求め、
この求められた入射角度情報に積分演算を施して前記被検体から出力された光波の波面形状を求めることを特徴とする波面形状測定方法。
【請求項２】
前記コーナキューブの各移動位置毎の入射角度情報をベキ級数多項式でフィッティングし、
フィッティングに供された関数を位置の変数で積分することを特徴とする請求項１記載の波面形状測定方法。
【請求項３】
前記コーナキューブの移動は、前記面上にｘ-ｙの２次元直交座標系を設けた場合、最初にｘ軸に平行となる複数の直線上において行い、次にｙ軸に平行となる少なくとも一つの直線上において行い、前記ｘ軸に平行となる各直線上での各データの裾高さを前記ｙ軸に平行となる直線上でのデータに基づいて決定することを特徴とする請求項１または２記載の波面形状測定方法。
【請求項４】
前記面上における前記コーナキューブの各移動の前に、該コーナキューブを開口の中心に置いて干渉縞データを得、この得られた干渉縞データに基づいて基準板の傾きを調整することを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の波面形状測定方法。
【請求項５】
前記光源からの光束がレーザ光であり、前記干渉縞データが、互いに光路長の異なる、前記コーナキューブからの反射光束と前記基準板からの反射光束との光干渉により得られることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の波面形状測定方法。
【請求項６】
前記求めた波面形状の情報に基づき、レンズまたはミラーと光源とを互いに最適な位置に設定するための位置設定情報を求めることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項記載の波面形状測定方法。
【請求項７】
前記被検体がコリメータレンズであることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項記載の波面形状測定方法。
【請求項８】
前記被検体が、波面形状を求める際に前記コーナーキューブからの戻り光により干渉縞の観察が可能となるような曲率半径が極めて大きい波面を出力するレンズまたはミラーである場合において、前記求めた波面形状の情報に基づき、該レンズまたはミラーの曲率半径を求めることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項記載の波面形状測定方法。
【請求項９】
前記基準板を挿入することにより生じる収差量を予め求めておき、前記求めた波面形状の情報から該予め求めておいた収差量を差し引くことにより、解析的に補正された波面形状を求めることを特徴とする請求項８記載の波面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種レンズや各種ミラーから出力される光波の波面収差を測定する波面形状測定方法に関し、特に、干渉計等に用いられるコリメータレンズから出力される平行光束の波面形状を開口全体について測定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
被検体の表面形状を高精度に測定する装置として干渉計装置が知られている。
【０００３】
この干渉計装置を用い、例えば被検体の平面度を測定する場合、基準板および被検体に対して平行光束を照射する必要があるため、光源からの発散光束をコリメータレンズにより平行光束に変換することとなるが、このコリメータレンズに形状誤差や屈折率分布が生じていて、出力された平行光束の波面収差が大となると、得られた干渉縞データに重畳されるこの波面収差分のノイズが無視できなくなり、高精度で被検体の形状測定を行うことが困難となる。
【０００４】
そこで、このようなコリメータレンズについて、そのレンズから出力された波面収差を検証しておく必要が生じる。
【０００５】
このようなコリメータレンズからの出力光の波面収差を測定するための従来技術としては、図８に示す如き球面用レーザ干渉計１００を用い、このコリメータレンズ１０２からの透過波面を測定するものが知られている。
【０００６】
すなわち、この球面用レーザ干渉計１００においては、光源からのレーザ光束を基準レンズ１０４により発散光束とした後、被検体であるコリメータレンズ１０２に照射し、コリメータレンズ１０２による平行光束を基準板１０６に照射する。この基準板１０６からの反射光束はコリメータレンズ１０２を介して基準レンズ１０４に戻り、この基準レンズ１０４のコリメータレンズ１０２側の面１０４Ａで反射した光源からの光束と互いに干渉する。そこで、この光干渉により得られた干渉縞データを計測することにより、コリメータレンズの透過波面測定を行うことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、通常の干渉計等に用いられるコリメータレンズ１０２は例えばφ３００程度の大きさを有するものまである。そこで、コリメータレンズ１０２のサイズが大きいと基準レンズ１０４とこのコリメータレンズ１０２との距離が大きくなるため、空気の擾乱の影響を受け易く正確な測定が困難となり、また、光学系の光軸調整も難しくなる。
【０００８】
もちろん、このような問題はコリメータレンズの測定に限られたものではなく、その他の各種レンズや各種ミラーの測定においても同様に生じるものである。
【０００９】
本発明はこのような問題に鑑みなされたもので、光学部材から出力される光波の波面収差を、面倒な光軸調整を行うことなく、コンパクトな部材を用いて高精度に測定し得る波面形状測定方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の波面形状測定方法は、被検体から出力された光源からの光束を基準板に照射し、
この基準板から出力された光束を、この基準板に略平行とされた面上もしくはそれと等価な面上に位置するコーナキューブに照射し、
このコーナキューブを前記面上で移動させる度に、このコーナキューブからの反射光と前記基準板からの反射光との干渉により生じる干渉縞データを得、
この干渉縞データに基づき、該コーナキューブに入射する光束の該コーナキューブの各移動位置毎の入射角度情報を求め、
この求められた入射角度情報に積分演算を施して前記被検体から出力された光波の波面形状を求めることを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記コーナキューブの各移動位置毎の入射角度情報をベキ級数多項式でフィッティングし、
フィッティングに供された関数を位置の関数で積分することが望ましい。
【００１２】
さらに、前記コーナキューブの移動は、前記面上にｘ-ｙの２次元直交座標系を設けた場合、最初にｘ軸に平行となる複数の直線上において行い、次にｙ軸に平行となる少なくとも一つの直線上において行い、前記ｘ軸に平行となる各直線上での各データの裾高さを前記ｙ軸に平行となる直線上でのデータに基づいて決定することが望ましい。
【００１３】
また、前記面上における前記コーナキューブの各移動の前に、該コーナキューブを開口の中心に置いて干渉縞データを得、この得られた干渉縞データに基づいて基準板の傾きを調整することが望ましい。
【００１４】
さらに、前記光源からの光束がレーザ光であり、前記干渉縞データが、互いに光路長の異なる、前記コーナキューブからの反射光束と前記基準板からの反射光束との光干渉により得られるようにすることが可能である。
【００１５】
また、上記の如くして求めた波面形状の情報に基づき、レンズまたはミラーと光源とを互いに最適な位置に設定するための位置設定情報を求めることも可能である。
【００１６】
なお、本発明方法は、前記被検体がコリメータレンズとした場合にも有用である。
【００１７】
また、本発明方法は、前記被検体が、波面形状を求める際に前記コーナーキューブからの戻り光により干渉縞の観察が可能となるような曲率半径が極めて大きい波面を出力するレンズまたはミラーである場合にも有用であり、このような場合において、前記求めた波面形状の情報に基づき、該レンズまたはミラーの曲率半径を求めることが可能である。
【００１８】
さらに、前記基準板を挿入することにより生じる収差量を光線追跡等の手法を用いて予め求めておき、前記求めた波面形状の情報から該予め求めておいた収差量を差し引くことにより、解析的に補正された波面形状を求めることが可能である。
【００１９】
【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説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る波面形状測定方法を説明するための概略図である。
【００２１】
すなわち、本実施形態方法はフィゾー型の干渉計装置を用い、コリメータレンズ１０から出力される平面光束の波面形状を測定して、その波面収差を求めるものである。
【００２２】
具体的には、レーザ光源１２から出力されレンズ１４により発散されたレーザ光束１６をコリメータレンズ１０により平行光束１８とし、この平行光束１８を基準板２０に照射し、さらにその透過光を基準板２０と平行に設置されたプレート２２に照射する。
【００２３】
このプレート２２上には、入射光束を入射した方向にかつ位相を反転させることなく反射せしめるコーナキューブ２４が配されており、このコーナキューブ２４のサイズがコリメータレンズ１０の径に比べて小であることから上記平行光束１８のうち一部の光束のみがこのコーナキューブ２４に入射するようになっている。
【００２４】
このコーナキューブ２４で反射され射出された光束は入射光束の光路を逆進して再び基準板２０に入射する。
【００２５】
基準板２０の基準面２０Ａにおいては、コリメータレンズ１０からの平行光束１８の一部が反射するようになっており、この反射された光束の波面とコーナキューブ２４からの戻り光の波面にずれがある場合には光波の干渉が生じる。
【００２６】
そこで、その干渉光を、レンズ１４、ハーフミラー２６、レンズ２８を介して撮像手段３０の撮像面上に照射し干渉縞像を形成する。
【００２７】
この後、この干渉縞像を干渉縞解析手段３２で解析し、コーナキューブ２４に入射した入射光束の入射角度情報、すなわち基準面２０Ａに入射する光束の各入射位置における入射角度情報を得る。
【００２８】
このような、基準面２０Ａの光束各入射位置における入射角度情報は、コーナキューブ２４をプレート２２上の他の位置２４Ａに移動させる度に干渉縞解析手段３２によって求められる。この入射角度情報は波面収差を位置の変数で微分したものとなっているから、積分手段３４において、これら複数の入射角度情報を位置の変数で積分することにより平行光束１８全体の波面形状を求めることができる。
【００２９】
この求められた波面形状は、コリメータレンズ１０から出力された波面の収差量を表わすものとみなすことができ、この波面の収差量が画像として表示手段３６に表示される。
【００３０】
なお、コーナキューブ２４としては、光波測長器用のもの（例えば反射面に銀コーティングが施され、各面の直角度が高精度とされているもの）を用いることが望ましい。
【００３１】
また、波面の光軸に対し基準板面が垂直になるようコーナキューブを光軸位置（開口中心）に置き、干渉縞が出現しない状態となるように基準板２０の傾きを調整しておくことが肝要である。
【００３２】
さらに、コーナキューブ２４を移動して求めた複数の入射角度情報を、横軸に距離、縦軸に入射角度値をとった系内でプロットし、この各点が一つの曲線上にのるように多項式ベキ級数等でフィッティングし、連続する入射角度分布関数を求めておけば、積分処理が容易となり、解析誤差も小さくなるので望ましい。
以下、上記方法の原理を図２および図３を用いて説明する。
【００３３】
図２に示すように、基準板２０に入射する入射光束１３０の基準面２０Ａに対する入射角度θが０ではなく、角度をもっていたとすると、その入射光束１３０の基準面２０Ａにおける反射光束１３２と、その入射光束１３０のコーナキューブ２４からの戻り光束１３４とは角度２θで交差することとなり、したがってこの反射光束１３２の波面１３２Ａとこの戻り光束１３４の波面１３４Ａも図３に示す如く角度２θで交差することとなる。これら２つの波面の関係を図３の如く表わすと、三角形の一辺に相当する距離ｄが干渉縞の縞ピッチ情報を表わす値となる。
【００３４】
ここで、コーナキューブ２４の口径φＡは既知であり、また、距離ｄも、得られた干渉縞データから知ることができるため、これら２つの値から下式（１）により上記入射角度θを求めることができる。
【００３５】
ｓｉｎθ＝ｄ/２Ａ    ……（１）
また、一般に入射角度θは小さく、距離ｄはφＡに対して十分に小さいので、上式（１）は下式（２）とすることができる。
【００３６】
ｔａｎθ＝ｓｉｎθ＝ｄ/２Ａ    ……（２）
これらの式（１）もしくは式（２）を用いて、基準面２０Ａの光束各入射位置における入射角度θを求めることができる。
【００３７】
そして、この求められた各入射角度θは、入射光束１３０の波面形状Ｗの位置変数についての微分値を表わすものであるから、コーナキューブ２４のサイズとして、コリメータレンズ１０の開口径に比し十分小さいものを選択すれば下式（３）が成立する。なお、ここでは位置変数をｘとした。
【００３８】
ｄＷ/ｄｘ＝ｔａｎθ＝ｄ／２Ａ  ……（３）
したがって、上式（３）を位置変数ｘで積分することにより、上記入射光束１３０の波面形状をもとめることができ、これによりコリメータレンズ１０からの出力光の波面収差を知ることができる。
【００３９】
なお、上記説明においては、光軸に対する基準板２０の傾き調整が最初になされていたものとする。
【００４０】
【実施例】
次に、コーナキューブ２４をプレート２２上の一直線に沿って所定間隔ずつ移動させたときの実施例について説明する。
【００４１】
すなわち、図４に示すように、コリメータレンズ１０の有効径に相当する円４１内において、ｘ軸と一致する、その円４１の大径直線に沿ってコーナキューブ２４を所定間隔ずつ移動せしめ（○印４２がコーナキューブ２４の各移動位置を表わす）、これら１２か所の各位置において上記方法を用い入射角度θ（ｄＷ/ｄｘ）を測定した。
【００４２】
このときのコリメータレンズの有効径はφ１０２であり、コーナキューブ２４のサイズはφ１０である。
【００４３】
ここでコーナキューブ２４の各々の形状に対し、下式（４）をフィッティングし、ｘに対する係数ａとφ１０から入射角度θ（ｄＷ/ｄｘ）の分布を求めた。
【００４４】
ｆ（ｘ、ｙ）＝ａｘ+ｂｙ+ｃ    ……（４）
このとき、横軸に位置（画素番号を位置に変換している）、縦軸に入射角度θ（ｄＷ/ｄｘ）の値をとった座標系内でプロットすると、図５に示す如く表わされる（ｘ印が測定値）。
【００４５】
次に、この各測定点の分布に対し、９次のべき級数多項式をフィッティングした。このフィッティングした曲線は、図５の点線で表わされる如き曲線形状となる。
【００４６】
次に、このフィッティングした図５の曲線を表わす関数を位置変数ｘで積分した。この積分された結果を図６に示す。
【００４７】
これにより図４に示すｘ軸上全体の波面形状が求められた。
【００４８】
なお、この図６に示されるグラフの縦軸は波面収差を表わしていると考えてよいから、その値は約０．６５μｍであり、光源１２からのレーザ光束の波長λ（0.6328μｍ）と略一致した。
【００４９】
次に、コリメータレンズ２０の有効径全体に対してその波面形状を求める実施例について説明する。
【００５０】
上記ｘ軸上の波面形状を求めたのと同様にして、これと平行な図７の（Ａ）に示される如き複数の直線上における波面形状Ｗを求めた。
【００５１】
この後、図７の（Ｂ）の○印４３で示される如き、ｙ軸上の各位置について、上記方法を用い波面形状Ｗを求め、これに基づき上記求めておいたｘ方向の複数の波面形状Ｗをｙ方向にそろえ、コリメータレンズ１０の有効径全面の波面形状Ｗを求めた。
【００５２】
なお、本発明の波面形状測定方法においては上記実施形態のものに限られるものではなく後述するような種々の態様の変更が可能である。
【００５３】
ただし、本発明方法においては、コーナーキューブからの戻り光と基準面からの戻り光により生成される干渉縞が観察されない場合は所期の測定が困難となることに留意しなければならない。具体的に干渉縞の観察が困難となる場合としては次のような場合がある。
【００５４】
▲１▼  基準面とコーナーキューブ配置面が略平行でない場合、基準面からの反射光が観察域から飛び出してしまったり、干渉縞が密になりすぎて読取りが不可能となる。
【００５５】
▲２▼  コーナーキューブのサイズが小さすぎて干渉縞画像の画素数が少なすぎる場合は、解析が不可能となる。
【００５６】
▲３▼  球面波でも曲率半径が小さい場合は、コーナーキューブからの反射光と基準面からの反射光で生成される干渉縞は密となり過ぎ、読取りが不可能となる。
【００５７】
なお、コーナキューブ２４の移動操作、およびそれにより得られたｄＷ/ｄｘの分布に所定の関数をフィッティングする処理は、上記のものに限られるものではなく、その他の種々の手法（例えばｘ、ｙのティルト関数でフィッティングする）を採用可能である。
【００５８】
例えば、コーナキューブの移動はその移動位置が特定されていればよく、必ずしも規則的に移動せずともよい。また、ｄＷ／ｄｘの分布に対してフィッティングする関数は、他の次数のベキ級数多項式あるいはその他の形状フィッティングに適した適当な関数とすることが可能である。
【００５９】
また、上記実施形態においては測定対象をコリメータレンズとしているが、平面波を出力する他の光学部材、例えば平面ミラーであってもよい。
【００６０】
さらに、本発明方法においては曲率半径の大きい球面波も測定可能であるから、曲率半径の大きい光学面を有する発散レンズ、収束レンズ、反射ミラー等にも勿論適用可能である。
【００６１】
ただし、上述したように、干渉縞の観察が可能となるような曲率半径が極めて大きい波面を出力するものであることが条件となる。
【００６２】
さらに、このような条件下で測定した波面形状に対し、球面もしくは近似的に球面となる関数によりフィッティングを行ない、その結果に基づきその曲率半径を求めることが可能である。
【００６３】
また、平行光束中に平行平板（基準板）を挿入した場合には余り問題とならない収差の発生も、球面波中に平行平板（基準板）を挿入した場合には大きな問題となる。このような問題は、上述したような曲率半径の極めて大きな球面波に対しても無視できるものではない。特に収差が球面収差であるため、曲率半径を算出する際の誤差は当然に大きなものとなる。そこで、このような場合には、光線追跡等の手法を用い、基準板の厚みや屈折率等に応じて発生する収差量を予め計算しておき、この計算結果を上述した手法により求めた波面形状の情報から差し引いて解析的に補正することで波面形状の正確な測定が可能となる。
【００６４】
さらに、上記実施形態においては、測定を行う際に、フィゾー型の干渉計装置を適用しているが、マイケルソン型やマッハツェンダ型等の他の干渉計装置を適用することも可能である。
【００６５】
また、上記実施形態においては、得られたｄＷ/ｄｘの分布に所定の関数をフィッティングし、この関数を積分しているが、ｄＷ/ｄｘの数値に直接積分演算を施すようにしてもよい。
【００６６】
また、例えば、発散レンズとコリメータレンズで構成される平行光束出射用光学系においては、出射光の波面収差の最も少ない最適な発散レンズとコリメータレンズとの相対位置関係から、発散レンズに対しコリメータレンズが移動して該相対位置関係がずれた場合の波面収差量を予め光線追跡等の手法を用いて算出しておき、これを本発明方法により測定した波面収差量と比較し、この比較結果に基づき上記光線追跡等の手法を用いて求めた関係式から位置ずれ量(修正量)を求めることができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の波面形状測定方法によれば、基準板の後段に配置したコーナキューブを開口に相当する範囲内で移動させ、各々の移動位置においてこのコーナキューブからの戻り光と基準板からの反射光との光波干渉による干渉縞データを得、その後は、これらのデータから得られた基準板への入射光の入射角度情報を積分処理するだけで光路内に配した被検体から出力される波面形状を測定することができる。
【００６８】
したがって、光路内の他の光学要素が発生する波面収差を無視できる程度としておけば、極めて簡易な構成で被検体からの出力光の波面収差を測定することができ、大型な装置を要し、そのセッティングも面倒であり、さらには擾乱の影響も考慮しなければならなかった従来法に比し、その実用上の効果は大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態方法を説明するための概略図
【図２】本発明の実施形態方法の作用を説明するための図
【図３】本発明の実施形態方法の作用を説明するための図
【図４】本発明の実施例におけるコーナキューブの移動操作を説明するための図
【図５】本発明の実施例により得られた測定点とフィッティング関数の関係を示すグラフ
【図６】本発明の実施例により得られた結果を示すグラフ
【図７】本発明の実施例におけるコーナキューブの移動操作を説明するための図
【図８】従来技術を説明するための概略図
【符号の説明】
１０、１０２    コリメータレンズ
１２            レーザ光源
１４、２８      レンズ
１８            平行光束
２０、１０６    基準板
２０Ａ          基準面
２２            プレート
２４            コーナキューブ
３０            撮像手段
３２            干渉縞解析手段
３４            積分手段
３６            表示手段
４１            有効径に相当する円
１００          球面用レーザ干渉計
１３０          入射光束
１３２          反射光束
１３４          戻り光束
１３２Ａ、１３４Ａ    波面
【図１】
0004007473.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0004007473.tif 000006
【図６】
0004007473.tif 000007
【図７】
0004007473.tif 000008
【図８】
0004007473.tif 000009