(57)【要約】【課題】被検光学素子の光学性能を高精度に計測すると共に長寿命な干渉計を提供する。【解決手段】光源１０１ａからの光Ｌを利用して被検光学素子ＴＳ、ＴＢの光学性能を干渉縞として計測する干渉計１００は、干渉縞を撮像する撮像素子１０９と、各被検光学素子に対して干渉縞を生成するのに使用される参照波面を変更する参照波面変更手段１０６と、径の異なる複数の被検光学素子の間で撮像素子における干渉縞の径が等しくなるように倍率を調整する倍率調整光学系１０８と、径が小さな被検光学素子よりも径が大きな被検光学素子に対する前記撮像素子における前記光の光強度が小さくなるように前記光源の出力を制御する制御ユニット１１０と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を利用して被検光学素子の光学性能を干渉縞として計測する干渉計であって、
前記干渉縞を撮像する撮像素子と、
前記干渉縞を生成するのに使用される参照波面を各被検光学素子に合わせて変更する参照波面変更手段と、
径の異なる複数の被検光学素子の間で前記撮像素子における前記干渉縞の径が等しくなるように倍率を調整する倍率調整光学系と、
径が小さな被検光学素子よりも径が大きな被検光学素子に対する前記撮像素子における前記光の光強度が小さくなるように前記光源の出力を制御する制御ユニットと、
を有することを特徴とする干渉計。
【請求項２】
前記倍率調整光学系は、前記撮像素子における前記干渉縞の径が前記被検光学素子毎に同一となるように倍率を変更し、
前記制御ユニットは、前記撮像素子における光強度が前記被検光学素子毎に同一になるように前記光源の前記出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
【請求項３】
前記光源からの光を平行光に変換するコリメーターレンズを更に有し、
各被検光学素子に対して前記平行光の光束径を維持することを特徴とする請求項１又は２に記載の干渉計。
【請求項４】
前記制御ユニットは、
各被検光学素子毎に異なる前記光の有効光束径の設計値を入力する入力部と、
前記入力部に入力された前記有効光束径の設計値に基づいて前記光源の出力を制御する制御部と、
を有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項５】
前記光源はレーザーであり、
前記干渉計は前記レーザーからのレーザー光を導入する光学ファイバーを更に有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項６】
フィゾー型干渉計であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項７】
請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の干渉計を用いて光学素子の表面形状を計測する計測工程と、
前記計測工程の結果に基づいて前記光学素子の表面を加工する加工工程と、
を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項８】
光源からの光を利用して被検光学素子の光学性能を干渉縞として撮像素子により計測する干渉計において、前記干渉縞を生成するのに使用される参照波面を各被検光学素子に合わせて変更するステップと、
径の異なる複数の被検光学素子の間で前記撮像素子における前記干渉縞の径が等しくなるように倍率を変更するステップと、
径が小さな被検光学素子よりも径が大きな被検光学素子に対する前記撮像素子における前記光の光強度が小さくなるように前記光源の出力を制御するステップと、
を有することを特徴とする測定方法。
【請求項９】
前記倍率を変更するステップは、前記撮像素子における前記干渉縞の径が前記被検光学素子毎に同一となるように前記倍率を変更し、
前記出力を制御するステップは、前記撮像素子における光強度が前記被検光学素子毎に同一になるように前記出力を調整することを特徴とする請求項８に記載の測定方法。
【請求項１０】
前記出力制御ステップは、各被検光学素子毎に異なる前記光の有効光束径の設計値に基づいて前記光源の出力を制御することを特徴とする請求項８又は９に記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は干渉計、測定方法及び光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光を利用して光学素子の光学性能（例えば、面形状や収差）を干渉縞として計測するレーザー干渉計は従来から知られている。近年、光学素子に高い光学性能が要求されるにつれてレーザー干渉計の計測精度の向上が益々要求されると共に、コスト面からレーザー干渉計自体の延命化も要求されている。
【０００３】
干渉縞を撮像する撮像素子における光強度（光量）は、低すぎると時間的・空間的な干渉縞のコントラストが低下して計測精度が悪化し、強すぎると撮像素子を飽和させて干渉縞の位相情報を得ることができずに計測データの欠落をもたらす。このため、撮像素子における光強度を所定の範囲に維持することが重要である。特許文献１は、位相シフト時の撮像素子における光量の最大値又は最小値に基づいて、透過率可変のフィルターや絞りの調整、計算機ホログラムの位置調整を行っている。これにより、撮像素子への入射光量が撮像素子の飽和値を超えず、欠落のない計測データを得ることができる。
【特許文献１】特開平８−１５９７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のレーザー干渉計は、光源であるレーザー及びレーザー光を干渉計の光学系に導入する光ファイバーの延命化に着目した提案はされていなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、被検光学素子の光学性能を高精度に計測すると共に長寿命な干渉計を提供することを例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての干渉計は、光源からの光を利用して被検光学素子の光学性能を干渉縞として計測する干渉計であって、前記干渉縞を撮像する撮像素子と、前記干渉縞を生成するのに使用される参照波面を各被検光学素子に合わせて変更する参照波面変更手段と、前記被検光学素子の大きさに従って前記撮像素子における前記干渉縞の倍率を調整する倍率調整光学系と、径が小さな被検光学素子よりも径が大きな被検光学素子に対する前記撮像素子における前記光の光強度が小さくなるように前記光源の出力を制御する制御ユニットと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、被検光学素子の光学性能を高精度に計測すると共に長寿命な干渉計を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図１を参照して、本発明の一実施例の干渉計としてのフィゾー型干渉計１００について説明する。図１は、フィゾー型干渉計１００の要部光路図である。フィゾー型干渉計１００は、参照面（フィゾー面）と被検面とを同一光軸上に配置して参照光路と被検光路とを重複させ、各面からの反射光を干渉させる。そして、フィゾー型干渉計１００は、光源からの光を利用して被検光学素子の光学性能（面形状や収差）を干渉縞（干渉パターン）として計測する。
【０００９】
フィゾー型干渉計１００は、照明装置１０１、フィゾー型干渉光学系１０２、制御ユニット１１０を有する。
【００１０】
照明装置１０１は、光源１０１ａと、光源１０１ａからのレーザー光Ｌをフィゾー型干渉光学系１０２に導光する光学ファイバー１０１ｂと、を有する。
【００１１】
光源１０１ａは、可干渉性を有する光源で、本実施例の光源１０１ａはレーザーである。レーザーの種類は限定されず、本実施例のレーザーは、例えば、ガスレーザーである。光源１０１ａは制御ユニット１１０によって出力制御されることによってレーザー光の光強度（光量）が調節可能に構成されている。なお、可干渉性を有する限り、光源はレーザーに限定されず、白色光や単色光を使用してもよい。
【００１２】
光学ファイバー１０１ｂは、中心の芯材（コア）とその外側のクラッドとを有し、クラッドよりもコアの屈折率を高く設定され、全反射や屈折によりレーザー光をコアを中心として伝搬させている。コアとクラッドは共にレーザー光に対して透過率が非常に高い石英ガラスやプラスチックから構成される。本実施例では、光学ファイバー１０１ｂから発散光が射出されるが、必要があれば、光学ファイバー１０１ｂの後段にレーザー光Ｌを発散するレンズを設けてもよい。かかる発散光又はレンズと後述するコリメーターレンズ１０５は、所定の光束径を提供するビームエキスパンダを構成する。
【００１３】
フィゾー型干渉光学系１０２は、ビームスプリッター１０４、コリメーターレンズ１０５、ステージ１０６及び１０７、倍率調整光学系１０８、撮像素子１０９を有する。
【００１４】
ビームスプリッター１０４は、光学ファイバー１０１ｂから入射された入射光を透過し、被検面及び参照面からの反射光を倍率調整光学系１０８へ反射する。
【００１５】
コリメーターレンズ１０５は、上述したように、発散光を平行光（光束１０３）に変換する。後述するように、フィゾー型干渉計１００は、径の異なる複数の被検光学素子の光学性能を計測することができる。このため、光束１０３は径の大きな被検光学素子の計測に必要な大きさに設定される。しかし、これでは、径の小さな被検光学素子は光束１０３の周辺部を使用しないため、照明光の無駄が発生する。
【００１６】
それにも拘らず、本実施例は、各被検光学素子に対して光束１０３の径を維持している。即ち、光束１０３は、複数の被検光学素子に対して共通の径を有する。これは以下の理由による。まず、被検面毎に異なる倍率調整光学系（ビームエキスパンダ）を交換可能に設けることが考えられるが、被検面毎に異なる倍率調整光学系を後述の倍率調整光学系１０８に加えて製作するとコスト増大につながると共に交換の前後で測定再現性がさらに悪化するおそれがある。また、倍率可変の光学系を設ければ、被検面毎に異なる倍率調整光学系を製作する必要はなくなるが、異なる被検面に対応した収差補正を行う設計は困難であり、現実的ではないからである。
【００１７】
なお、本実施例では、ビームスプリッター１０４を経た後の光をコリメーターレンズ１０５により平行化しているが、別の実施例では、コリメーターレンズ１０５により平行化された光をビームスプリッター１０４に導光する。
【００１８】
ステージ１０６は、有効な干渉縞を得るために被検面に垂直で同位相で入射するヌル波面を生成するヌル光学系ＲＳ又はＲＢを搭載する。ステージ１０７は、被検光学素子ＴＳ又はＴＢを搭載する。ステージ１０６及び１０７は、干渉縞を形成するための適切な位置にヌル光学系と被検光学素子を位置決めすることができる。ステージ１０６及び１０７は、位相シフト法（フリンジスキャン法）を行うための図示しないピエゾ素子を有し、光軸ＯＡに沿って微小に移動可能に構成されている。
【００１９】
本実施例は、コリメーターレンズ１０５の後段に、参照面ＲＳａ又はＲＢａを有するヌル光学系ＲＳ又はＲＢと、被検面ＴＳａ又はＴＢａを有する被検光学素子（被検体）ＴＳ又はＴＢと、を配置している。被検面に光束１０３が入射すると被検波面が生成され、参照面に光束１０３が入射すると参照波面が生成される。ヌル光学系は、参照面を有するフィゾーレンズと、フィゾーレンズと共にヌル波面を形成する一又は複数のレンズを有するが、図１は簡略的にその一部のみ示している。被検光学素子は、干渉計が面形状や収差などの光学性能を計測すべき対象であるが、図１は簡略的にその一部のみ示している。
【００２０】
フィゾー型干渉計１００は、径の異なる複数の被検光学素子の光学性能を計測することができる。図１は、複数の被検光学素子を代表して、径の小さい被検面ＴＳａを有する被検光学素子ＴＳと、径の大きい被検面ＴＢａを有する被検光学素子ＴＢと、を示している。但し、実際にはいずれか一つの被検光学素子が選択的にステージ１０７に配置される。
【００２１】
図１において点線で示す径の小さい被検面ＴＳａを有する被検光学素子ＴＳの光学性能を計測する場合にはヌル光学系として点線で示す径の小さい参照面ＲＳａを有するヌル光学系ＲＳが選択される。また、図１において実線で示す径の大きい被検面ＴＢａを有する被検光学素子ＴＢの光学性能を計測する場合にはヌル光学系として実線で示す径の大きい参照面ＲＢａを有するヌル光学系ＲＢが選択される。このように、実際にはいずれか一つのヌル光学系が選択的にステージ１０６に配置される。ヌル光学系は参照面を含んでいるため、ステージ１０６は、干渉縞を生成するのに使用される参照波面を各被検光学素子に合わせて変更する参照波面変更手段として機能する。
【００２２】
倍率調整光学系１０８は、倍率を変更することによってビームスプリッター１０４を射出した干渉光の光束径を変更する。また、倍率調整光学系１０８は、被検面の像を撮像素子１０９に結像する機能も有する。倍率調整光学系１０８は、径が異なる被検光学素子を計測する場合に撮像素子１０９における空間分解能を向上させるために撮像素子１０９の直前に配置される。倍率調整光学系１０８は、撮像素子１０９における干渉縞の像の直径が各被検光学素子に対して等しくなり、撮像素子１０９で計測可能な最大径になるように倍率を調整する。
【００２３】
撮像素子１０９は、ＣＣＤカメラから構成される二次元画像撮像装置である。撮像素子１０９は、参照面から生成される参照波面と被検面から生成される被検波面との干渉によって生成される干渉縞（干渉パターン）を撮像する。撮像素子１０９は、撮像した干渉縞画像を制御ユニット１１０に送信する。具体的には、撮像素子１０９は干渉縞の情報を電気信号に変換し、図示しないコンピュータで干渉縞の情報を解析する。また、コンピュー
タは、ヌル光学系又は被検光学素子が移動している間に位相シフト法に基づいて演算処理を施して干渉縞の位相分布を高精度に算出することができる。
【００２４】
従来の干渉計においては、レーザーの出力は一定であった。しかし、被検光学素子の径によって撮像素子１０９における単位面積当たりの光強度（光量）は異なる。径の小さい被検光学素子ＴＳを計測する場合は、径の大きい被検光学素子ＴＢを計測する場合と比較して、光束の周辺部を使用していないため、倍率調整光学系１０８を経た後の撮像素子１０９における単位面積当たりの光強度は少なくなる。そのため、従来の干渉計は、倍率調整光学系１０８を経た後の干渉光が、撮像素子１０９において最小径の被検光学素子の光学性能を計測可能な光量を有するように、レーザーの出力を設定し、それを他の径を有する被検光学素子に対しても維持していた。最小径の被検光学素子に合わせて光量調整を行うと、それ以外の径の被検光学素子に対する撮像素子１０９における光量は常に必要以上となる。換言すれば、余計なエネルギーを放出している分だけレーザーの寿命は短くなり、また、レーザー光を干渉光学系に導入する光学ファイバーの寿命は短くなる。
【００２５】
そこで、本実施例の制御ユニット１１０は、被検光学素子の大きさに基づいて照明装置１０１の光源１０１ａの出力（パワー）を制御し、撮像素子１０９が受光する光強度（光量）を制御している。具体的には、制御ユニット１１０は、径が小さな被検光学素子ＴＳよりも径が大きな被検光学素子ＴＢに使用される撮像素子１０９におけるレーザー光の光強度が小さくなるように光源１０１ａの出力を制御する。好ましくは、制御ユニット１１０は、撮像素子１０９における光強度が複数の被検光学素子の全てにおいて撮像素子１０９が所期の精度を維持した状態で撮像可能な最小値以上の一定値になるように、即ち、次式で与えられるように光源１０１ａの出力を制御する。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
撮像素子１０９が所期の精度を維持した状態で撮像可能な最小値は、撮像素子の各ピクセルにおける有効な位相情報と無効な位相情報の比率が、例えば０．００１％以上となるように決定される値である。ここで、光強度の制御に際しては、ステージ１０６及び１０７を用いて空間的に明暗縞を作り出し、その空間的な明暗縞の最大値を光強度として把握してもよい。あるいは、ピエゾ素子を用いて時間的に明暗縞を作り出し、その時間的な明暗縞の最大値を光強度として把握してもよい。更には、撮像素子１０９で得られる明暗縞の最大値を光強度として把握してもよい。なお、制御ユニット１１０は、各種の必要なデータを格納する図示しないメモリを有する。
【００２８】
制御ユニット１１０は、フィゾー型干渉光学系１０２における有効光束径の設計値に基づいて光源１０１ａの出力を調整してもよい。この場合、制御ユニット１１０は、各被検光学素子毎に異なる光の有効光束径の設計値を入力する入力部１１０ａと、入力部１１０ａに入力された有効光束径の設計値に基づいて光源１１０ａの出力を制御する制御部１１０ｂと、を有する。被検面の径・形状に合わせた参照面に必要な有効光束径はヌル波面を形成するヌル光学系の設計より決定され、次式で与えられるように光源１０１ａの出力を制御する。
【００２９】
【数２】
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【００３０】
以下、図２を参照して、干渉計１００を用いて、光源１０１ａの出力を調整する方法について説明する。まず、ヌル光学系ＲＳ又はＲＢをステージ１０６に搭載し、被検光学素子ＴＳ又はＴＢをステージ１０７に搭載し、参照面ＲＳａ又はＲＢａ若しくは被検面ＴＳａ又はＴＢａの位置を調整し、干渉縞が得られるようにする（ステップ１）。次に、上記のように定義した干渉縞の撮像素子１０９における光強度を測定する（ステップ２）。次に、被検光学素子の径又は有効光束径の設計値に基づいて撮像素子１０９における干渉縞の光強度が全ての被検光学素子に対して一定値となるように光源１０１ａの出力を制御する（ステップ３）。
【００３１】
以下、干渉計１００の動作について説明する。コリメーターレンズ１０５を経た光束１０３は、一部が参照面ＲＳａ又はＲＢａで反射されて反射光１０３ＲＳ又は１０３ＲＢとなり、残りが参照面ＲＳａ又はＲＢａを透過して被検面ＴＳａ又はＴＢａに到達して反射されて反射光１０３ＴＳ又は１０３ＴＢとなる。と反射光１０３ＴＳ又は１０３ＴＢは元の光路を逆戻りし、干渉してビームスプリッター１０４に到達する。参照面ＲＳａと被検面ＴＳａの干渉光はビームスプリッター１０４で反射されて干渉光１０３Ｓとなり、参照面ＲＢａと被検面ＴＢａの干渉光はビームスプリッター１０４で反射されて干渉光１０３Ｌとなる。それぞれの干渉光は、その後、倍率調整光学系１０８を介して撮像素子１０９に導かれる。このように、参照面ＲＳａ又はＲＢａが光の分割手段（振幅分割）であり、重ね合わせ手段となっている。参照面ＲＳａ又はＲＢａと被検面ＴＳａ又はＴＢａとの間には空気があるだけもしくは真空であり、参照面ＲＳａ又はＲＢａよりも光源側の光路は共通である。理想面である参照面ＲＳａ又はＲＢａと被検面ＴＳａ又はＴＢａとの差が干渉縞となって撮像素子１０９により把握される。
【００３２】
以下、図３を参照して、干渉計１００を用いて、光学素子を製造する製造方法について説明する。まず、ヌル光学系ＲＳ又はＲＢをステージ１０６に搭載し、被検光学素子ＴＳ又はＴＢをステージ１０７に搭載し、被検面ＴＳａ又はＴＢａの表面形状を計測する（ステップ１１）。次に、被検面ＴＳａ又はＴＢａの表面形状が設計された許容範囲内にあるかどうかを判断する（ステップ１２）。許容範囲である場合は処理を終了する。許容範囲でなければ、被検面ＴＳａ又はＴＢａに関する設計値と計測の結果と許容範囲に基づいて被検面ＴＳａ又はＴＢａの表面を加工する（ステップ１３）。
【００３３】
本実施形態では、参照面と被検面を特定の形状で表現したが、一般的な非球面形状であっても同等の効果が得られる。また本発明は、フィゾー型干渉計だけでなく、トワイマン・グリーン干渉計、マイケルソン干渉計、シアリング干渉計、マッハツェンダー干渉計等にも適用可能である。
【００３４】
本実施例の干渉計１００を用いれば、レンズやミラーなどの光学素子の光学性能を計測する際に光源（例えば、レーザー）の寿命及び光伝達部材（例えば、レーザー光を干渉光学系に導入する光学ファイバー）の寿命を延ばすことができる。
【００３５】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施例の干渉計の光路図である。
【図２】図１に示す干渉計における光源の出力を調整する方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】光学素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
１０１          光学ファイバー
１０２          フィゾー型干渉光学系
１０４          ビームスプリッター
１０５          コリメーターレンズ
１０６、１０７  ステージ
１０８          倍率調整光学系
１０９          撮像素子
１１０          制御ユニット
【図１】
2009180554.tif 000005
【図２】
2009180554.tif 000006
【図３】
2009180554.tif 000007