(57)【要約】【課題】被検面の形状を簡易かつ低コストで細密に測定し得るパターン投影形状測定装置を得る。【解決手段】投影系２により被検非球面８ａに投影されるパターン像は、被検非球面８ａの形状基準となる基準形状面に投影された場合に撮像される変形パターン像が、解像可能な所定の基準パターンと等しくなるように構成される。このパターン像が被検非球面８ａに投影されて撮像系３により撮像された変形パターン像の、基準パターンからの形状偏差に基づき、形状解析装置４１において被検非球面８ａの形状情報が求められる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検面にパターン像を投影する投影系と、この投影により前記被検面を介して撮像面上に形成される変形パターン像を撮像する撮像系と、撮像された前記変形パターン像を解析して前記被検面の形状情報を求める解析系と、を備えたパターン投影形状測定装置であって、
前記パターン像は、前記被検面の形状基準となる基準形状面に投影された場合に撮像される変形パターン像が、解像可能な所定の基準パターンと等しくなるように構成されたものである、ことを特徴とするパターン投影形状測定装置。
【請求項２】
前記解析系は、前記パターン像が前記被検面に投影されたときの前記変形パターン像の、前記基準パターンからの形状偏差に基づき、前記被検面の形状情報を求めるものである、ことを特徴とする請求項１記載のパターン投影形状測定装置。
【請求項３】
前記投影系は、画像表示素子を備えてなり、該画像表示素子により前記パターン像の原画像を形成するものである、ことを特徴とする請求項１または２記載のパターン投影形状測定装置。
【請求項４】
前記被検面が回転対称な曲面であり、
前記パターン像は、同心円状の複数の輪帯からなるものである、ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載のパターン投影形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検面にパターン像を投影したときに観察される変形パターン像に基づき、被検面の形状を測定するパターン投影形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検面の形状を３次元的に測定する手法としては、被検面に照射した測定光の戻り光を参照光と干渉させて得られる干渉縞を解析することにより、被検面の形状をマイクロメートル単位の細密な領域まで高精度に測定し得る光干渉法が広く知られている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
一方、被検面の形状をミリメートル単位の領域まで高精度に測定し得る手法として、格子パターン投影法が知られている。この格子パターン投影法は、所定の方向から被検面に格子パターン像を投影し、被検面の形状に応じて変形する変形格子パターン像を、投影方向とは異なる別の方向から撮像して解析することにより、被検面の形状を求めるものである（下記特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−１２６３０５号公報
【特許文献２】特開平１１−８３４５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、種々の光学機器において利用される非球面レンズ等の形状を、細密にかつ短時間で測定し得るようにしたいという要望が高まっている。
【０００６】
光干渉法を用いて非球面形状の被検面（以下「被検非球面」と称する）の形状を測定する場合には、被検非球面に球面波を照射して得られる干渉縞に基づき、被検非球面の、球面からの形状偏差を求めるのが一般的であるが、球面からの形状偏差が大きい領域が被検非球面内に存在すると、その領域に対応した干渉縞の縞ピッチが極めて細かくなるために、一般的な撮像素子では解像度が低すぎて縞解析を行うことが非常に困難となる。
【０００７】
そこで、干渉計または被検非球面を測定光軸方向に順次移動させることにより、被検非球面の径方向の部分領域毎に粗い干渉縞が順次生じるようにし、その各干渉縞を解析して被検非球面の径方向の各部分領域の形状を求め、それらを繋ぎ合わせることにより被検非球面全体の形状を特定する手法が知られている（上記特許文献１参照）。
【０００８】
しかしながら、このような手法では、干渉計または被検非球面を測定光軸方向に順次移動させる必要があるため、測定に要する時間が多大となる。また、干渉計または被検非球面を移動させる際に、測定光軸に対する被検非球面の位置や傾きにずれが生じ、解析結果に誤差が発生する虞がある。さらに、測定装置の構成が複雑となり、測定コストが増大するという問題も生じる。
【０００９】
一方、格子パターン投影法を用いて、被検非球面の測定を行うことも考えられるが、一般的に用いられているような格子パターンのピッチでは、要望されているような細密な形状測定を行うことが困難である。そこで、格子パターンのピッチを細かくして、より細密な形状測定を実施し得るようにすることも考えられるが、細かいピッチの格子パターン像が被検非球面内の形状変化の大きい領域に投影されると、撮像される変形格子パターン像における格子ピッチが細かくなりすぎて、一般的な撮像素子では解像度が低すぎて解析し得なくなるという、光干渉法と同様の問題が生じてしまう。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、非球面形状等の被検面の形状を簡易かつ低コストで細密に測定し得るパターン投影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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明のパターン投影形状測定装置は、以下のように構成されている。
【００１２】
すなわち、本発明に係るパターン投影形状測定装置は、被検面にパターン像を投影する投影系と、この投影により前記被検面を介して撮像面上に形成される変形パターン像を撮像する撮像系と、撮像された前記変形パターン像を解析して前記被検面の形状情報を求める解析系と、を備えたパターン投影形状測定装置であって、
前記パターン像は、前記被検面の形状基準となる基準形状面に投影された場合に撮像される変形パターン像が、解像可能な所定の基準パターンと等しくなるように構成されたものである、ことを特徴とする。
【００１３】
本発明において、前記解析系は、前記パターン像が前記被検面に投影されたときの前記変形パターン像の、前記基準パターンからの形状偏差に基づき、前記被検面の形状情報を求めるものである、とすることができる。
【００１４】
また、前記投影系は、画像表示素子を備えてなり、該画像表示素子により前記パターン像の原画像を形成するものである、とすることができる。
【００１５】
また、前記被検面が回転対称な曲面であり、前記パターン像は、同心円状の複数の輪帯からなるものである、とすることができる。
【００１６】
なお、上記パターン像とその原画像との相違であるが、上記画像表示素子により形成され該画像表示素子上に表示されるのが原画像であり、この原画像が上記投影系により拡大または縮小されて（厳密には、投影系内に配されたレンズ等の光学素子の収差等による変形も受ける）投影されたものがパターン像である。また、このパターン像は、空間上の仮想の投影面（通常、平面とされる）に投影されたときの像を想定したものであり、上記変形パターン像とは、その投影面の位置に被検面等の形状を有する面が存在するときに、その形状により変形を受けた像を意味する。さらに、上記基準パターンは、被検面の形状基準となる上記基準形状面が上記投影面に位置に存在するときに、その形状により変形を受けた像のパターンを意味する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るパターン投影形状測定装置は、上述の構成を備えていることにより、以下のような作用効果を奏する。
【００１８】
すなわち、本発明のパターン投影形状測定装置において、被検面に投影するパターン像は、被検面の形状基準となる基準形状面に投影された場合に撮像される変形パターン像が、解像可能な所定の基準パターンと等しくなるように構成されたものとなっている。
したがって、従来の格子パターン投影法において懸念される、被検面に投影する格子パターン像の格子ピッチを細かくすると、被検面の形状によっては撮像される変形格子パターン像の格子ピッチが細かくなりすぎて解像不能になるという問題は生じない。
【００１９】
また、被検面に投影するパターン像は、コンピュータシミュレーション等により、細密な解析に適した所望のパターンのものを容易に設計することが可能であり、設計されたパターン像は、液晶表示パネルやＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）等の画像表示素子によってその原画像を形成することにより、容易に投影することが可能である。
【００２０】
さらに、測定装置と被検面を相対的に移動させる必要がないので、被検面と干渉計を相対的に移動させる必要がある従来の光干渉法において懸念される、移動の際に被検面の位置や傾きにずれが生じて解析結果に誤差が発生するという虞がない。また、装置構成が簡易となり、測定に要する時間も短くて済む。
したがって、本発明に係るパターン投影形状測定装置によれば、被検面の形状を簡易かつ低コストで細密に測定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、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るパターン投影形状測定装置の概略構成図である。
【００２２】
図１に示す第１実施形態のパターン投影形状測定装置１は、被検レンズ８が有する被検非球面（回転対称な非球面形状の被検面）８ａの形状を測定解析するものであり、被検非球面８ａに後述するパターン像を投影する投影系２と、この投影により被検非球面８ａを介して撮像面（後述する撮像素子３３）上に形成される変形パターン像を撮像する撮像系３と、撮像された変形パターン像を解析して被検非球面８ａの形状情報を求める解析系４と、を備えてなる。
【００２３】
上記投影系２は、レーザ装置等からなる光源２１（ハロゲンランプ等の白色光源でもよい）と、該光源２１からの光束を照明光に変換して出力する照明レンズ２２と、上記パターン像の原画像を表示する、画像表示素子としての液晶表示パネル２３と、該液晶表示パネル２３からの光束の一部を図中下方に向けて反射するビームスプリッタ２４と、上記液晶表示パネル２３に表示された上記原画像に基づくパターン像（基本的には、原画像とパターン像とは互いに相似形状をなす）を上記被検非球面８ａに投影する投影レンズ２５と、上記被検レンズ８を適正位置に保持するための保持ステージ２６とを備えてなる。なお、保持ステージ２６に、図示せぬフリンジスキャンアダプタを取り付けて被検非球面８ａを測定光軸Ｃ方向に微動せしめることによって、フリンジスキャン計測等を実施し得るように構成することも可能である。
【００２４】
上記撮像系３は、撮像レンズ３１と、ＣＣＤエリアセンサ等の撮像素子３３が搭載された撮像手段３２とを備えてなり、上記被検非球面８ａに投影された上記パターン像が該被検非球面８ａの形状に応じて変形することにより形成される変形パターン像を、撮像レンズ３１を介して撮像素子３３上に形成し、該変形パターン像の画像情報を取得するように構成されている。
【００２５】
また、上記解析系４は、上記撮像手段３２により取得される上記変形パターン像の画像情報に基づき、上記被検非球面８ａの形状情報を求める、コンピュータ等からなる形状解析手段４１と、該形状解析手段４１による解析結果や画像を表示する表示装置４２と、キーボードやマウス等からなる入力装置４３とを備えてなる。なお、上記形状解析手段４１は、上記液晶表示パネル２３の駆動を制御し得るように構成されており、該液晶表示パネル２３上に予め設計された所定のパターン像の原画像を表示せしめるようになっている。
【００２６】
次に、この第１実施形態に係るパターン投影形状測定装置１の作用について説明する。図２は上記パターン像の一例を模式的に示す図である。
【００２７】
図２に示すパターン像５０は、上記被検非球面８ａの形状基準となる基準形状面（図示略）に投影された場合に、上記撮像系３により撮像される変形パターン像が、解像可能な所定の基準パターンと等しくなるように、予めコンピュータシミュレーション等により構成されたものであり、同心円状の複数の輪帯からなる。各輪帯の幅（径方向の長さ）および間隔は、上記基準形状面の形状に応じて設定されている。具体的にはパターン像５０は、径方向に沿って輪帯が密に形成されている領域と疎に形成されている領域とを含んでなり、輪帯が密に形成されている領域は、上記基準形状面において形状変化が小さい（傾きが小さい）領域に投影され、輪帯が疎に形成されている領域は、上記基準形状面において形状変化が大きい（傾きが大きい）領域に投影されるように設定されている。そして、投影された場合に上記撮像系３により撮像される変形パターン像が、互いに等間隔で等しい幅の複数の輪帯（各輪帯の幅および間隔は撮像素子３３により解像可能な範囲内で設定される）からなる基準パターンと等しくなるように構成されている。
【００２８】
実際の測定においては、パターン像５０の原画像を上記液晶表示パネル２３に表示せしめ、上記投影系２により記被検非球面８ａ上にパターン像５０を投影する。具体的には上記基準形状面に対する投影と同様に、パターン像５０において輪帯が密に形成されている領域が、被検非球面８ａにおいて形状変化が小さい領域に投影され、輪帯が疎に形成されている領域が、被検非球面８ａにおいて形状変化が大きい領域に投影される。
【００２９】
この投影により上記被検非球面８ａを介して上記撮像素子３３上に形成される変形パターン像を上記撮像系３により撮像し、その画像情報が上記形状解析手段４１に送られる。
【００３０】
撮像系３により撮像される変形パターン像は、被検非球面８ａの形状が上記基準形状面と同じであれば、互いに等間隔で等しい幅の複数の輪帯からなる上記基準パターンと等しくなる。一方、被検非球面８ａの形状が上記基準形状面と異なる場合は、撮像される変形パターン像は上記基準パターンとは異なったもの（輪帯の幅や間隔が変化したり、輪帯の形状が歪んだりする）となる。そこで、形状解析手段４１では、撮像された変形パターン像の、上記基準パターンからの形状偏差を求め、この形状偏差に基づき、上記被検非球面８ａの形状情報を求めるようになっている。なお、上記形状偏差と被検非球面８ａの形状との関係は、予めコンピュータシミュレーション等により求められている。
【００３１】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図３は本発明の第２実施形態に係るパターン投影形状測定装置の概略構成図である。なお、図３において上述の第１実施形態のものと概念的に共通または類似するものには、図１で用いたものと同一または類似の（同一の番号の後に英文字を付けた）番号を付してある。
【００３２】
図３に示すパターン投影形状測定装置１Ａは、投影系２Ａにおいて、画像表示素子としてＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）２８を用いている点で、上記パターン投影形状測定装置１と異なるものであり、他の構成および作用は同様のものとされている。
【００３３】
上記投影系２Ａは、光源２１と、該光源２１からの光束を照明光に変換して出力する照明レンズ２２Ａと、該照明レンズ２２Ａからの照明光を上記ＤＭＤ２８に向けて反射する反射ミラー２７と、パターン像の原画像を表示するＤＭＤ２８と、該ＤＭＤ２８からの光束の一部を図中下方に向けて反射するビームスプリッタ２４と、上記ＤＭＤ２８に表示された上記原画像に基づくパターン像を被検非球面８ａに投影する投影レンズ２５と、被検レンズ８を適正位置に保持するための保持ステージ２６とを備えてなる。なお、画像表示素子として反射型の液晶パネルを用いることも可能である。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。
【００３５】
例えば、上述の実施形態では、被検面（被検非球面８ａ）に投影されるパターン像５０が同心円状の複数の輪帯から構成されているが、投影されるパターン像はこれに限定されるものではない。同心円状の複数の輪帯からなるパターン像は、被検面が回転対称な形状の場合に好適なものであるが、被検面の形状に応じて投影されるパターン像を適宜変更することが可能である。同様に、上記基準パターンについても上述の実施形態のものに限定されるものではなく、被検面の形状に応じて適宜設定することが可能である。
【００３６】
また、上述の実施形態では、被検面が非球面形状とされているが、測定対象が非球面に限定されるものではなく、例えば、被検面が球面形状をなすものや、非回転対称の曲面をなすものであってもよい。また、被検面が凹形状のものであってもよいし、単数または複数の平面から構成されるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１実施形態に係るパターン投影形状測定装置の概略構成図
【図２】パターン像の一例を模式的に示す図
【図３】第１実施形態に係るパターン投影形状測定装置の概略構成図
【符号の説明】
【００３８】
１，１Ａ          パターン投影形状測定装置
２，２Ａ          投影系
３                撮像系
４                解析系
８                被検レンズ
８ａ              被検非球面
２１              光源
２２，２２Ａ      照明レンズ
２３              透過型液晶パネル
２４              ビームスプリッタ
２５              投影レンズ
２６              保持ステージ
２７              反射ミラー
２８              ＤＭＤ
３１              結像レンズ
３２              撮像手段
３３              撮像素子
４１              形状解析手段
４２              表示装置
４３              入力装置
５０              パターン像
Ｃ                測定光軸
【図１】
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【図２】
2009244226.tif 000004
【図３】
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