(57)【要約】  測定されるべき表面（Ｓ１）が、そのガラス裏面において、測定方向においてそれより前にある空気−ガラス表面（Ｓ２）を通して光学測定ビームでサンプリングされることを特徴とする、光学レンズあるいはレンズ結合体の球面状あるいは非球面状に湾曲した空気−ガラス表面のトポグラフィーのゼロ接触測定方法を開示する。この方法を実行する装置は、ａ）光学レンズ（２）またはレンズ系は、回転可能に取り付けられた中空シャフト（１）の端部側に、レンズまたはレンズ系の光軸が中空シャフト（１）の回転軸（３）と少なくともおおよそ一直線に並ぶように、固定され、ｂ）光学測定ビーム（１０）のための合焦光学系（６）は、中空シャフト（１）の内側に配置され、ｃ）測定ビーム（１０）を発生させるための測定ユニット（７）は、中空シャフト（１）の回転軸（３）に対して垂直に変位し得るように配置され、ｄ）部分ビームを分離し、それを少なくとも１つの光学センサ（１２）に送るための少なくとも１つのビームスプリッタ（１１）が測定ビーム（１０）に挿入され、ｅ）オプトエレクトロニクトランスデューサおよび評価エレクトロニクスがセンサ（１２）に与えられていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学レンズあるいはレンズ結合体の球面状あるいは非球面状に湾曲した空気−ガラス表面のトポグラフィーのゼロ接触測定方法であって、
測定されるべき表面（Ｓ１）が、それのガラス裏面において、測定方向においてそれより前にある空気−ガラス表面（Ｓ２）を通して光学測定ビームでサンプリングされることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
サンプリングされるガラス裏面の前にある前記空気−ガラス表面（Ｓ２）は、前記光学測定ビームから区別され得る光学基準測定ビームで同時にサンプリングされることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、
前記２つの表面（Ｓ１、Ｓ２）をサンプリングする光学測定ビームは、それらの直径に関して調整されることができて、測定表面において半径方向に変位させられることができることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか記載の方法において、
前記光学測定ビームは、それの前にある前記空気−ガラス表面（Ｓ２）を通して見られた測定されるべき前記表面（Ｓ１）の曲率中心（Ｍ１* ）および基準として測定されるべき前記表面（Ｓ２）の曲率中心に収束させられることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか記載の方法において、
前記サンプリングは、レーザビームを用いて行われることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法において、
関連する測定表面のサブセグメントが、前記レーザビームによって波頭センサ上にそれぞれ結像されることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、
前記関連する測定表面のサブセグメントまでの距離の測定が、前記レーザビームによって同時に行われることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、
前記距離の測定は、干渉計によって行われることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか記載の方法において、
前記光学レンズあるいはレンズ結合体は、その光軸と少なくともおおよそ一致する回転軸の周りに回転させられ、前記測定ビームを発生させるシステムと前記測定ビームを受け取るシステムとはモジュラー測定ユニットとして結合され、この測定ユニットが回転軸に対して垂直に変位させられることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか記載の方法を実行する装置であって、
ａ）前記光学レンズ（２）またはレンズ系は、回転可能に取り付けられた中空シャフト（１）の端部側に、前記光学レンズまたはレンズ系の光軸が前記中空シャフト（１）の回転軸（３）と少なくともおおよそ一直線に並ぶように、固定され、
ｂ）光学測定ビーム（１０）のための合焦光学系（６）は、前記中空シャフト（１）の内側に配置され、
ｃ）前記光学測定ビーム（１０）を発生させるための測定ユニット（７）は、前記中空シャフト（１）の回転軸（３）に対して垂直に変位し得るように配置され、
ｄ）部分ビームを分離し、それを少なくとも１つの光学センサ（１２）に送るための少なくとも１つのビームスプリッタ（１１）が前記光学測定ビーム（１０）に挿入され、
ｅ）オプトエレクトロニクトランスデューサおよび評価エレクトロニクスが前記光学センサ（１２）に与えられていることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の装置において、
前記光学測定ビーム（１０）を発生させるためにレーザ（８）が設けられていることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の装置において、
前記合焦光学系（６）は、ズーム光学系として形成されていることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１０記載の装置において、
波頭センサが、センサ（１２）として設けられていることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１０記載の装置において、
干渉計が、前記距離の測定のためのセンサ（１２）として設けられていることを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１０記載の装置において、
ラウンドトリップ遅延時間センサが、前記距離の測定のためのセンサ（１２）として設けられていることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学レンズあるいはレンズ結合体の球面状あるいは非球面状に湾曲した空気−ガラス表面のトポグラフィーのゼロ接触測定方法と、それに適する装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
球面レンズのほかに、精密光学系は、非球面を有する素子をますます使用している。球面は、光学的にアクティブな表面全体にわたって一定値の曲率半径により特徴付けられるのであるが、非球面の場合には局所曲率ベクトルは球の相当するベクトルから方向および大きさの両方において外れる。この外れがどのように変化するかは非球面の用途による。すなわち、線対称結像対物レンズでの使用のためには、光軸に対する表面関数の半径依存性は普通は充分であるけれども、例えば走査システムは、しばしば、各表面点において曲率ベクトルが大きさおよび方向に関して互いに異なる「自由曲面」を必要とする。
【０００３】
今日まで、高品質システムのための非球面は同等のサイズおよび表面精度の球より約１０倍高価であるので、それらを用いることは例外的な場合にだけ実行可能である。コストの差は、非球面とは対照的に、球面は大表面積を有するツールで研磨できる一方で、研磨プロセスのためにツールガイドの無制御の接線方向運動が実質的に重要でなく、さらにしばしば望ましくさえあるという事実により説明され得る。この理由から、表面形状およびフィットの良好な精度が、割合に簡単な機械運動学でもなお達成され得る。さらに、大面積使用のため、ツール磨耗は少ない。
【０００４】
非球面に関しては事情は全く異なり、これらのためには、曲率ベクトルの前述した位置依存性の故に、所要の機械案内精度を確保するために研磨運動が小さな表面領域において案内されなければならないだけでなく、非常に精密な測定方法が必要である。さらに、局所的補正運動によりツールは球製造の場合より大きく磨耗する。これらのコスト増大因子の全てが、小量から中量の製造の光学系での非球面の広範な使用をこれまで妨げてきている。なぜならば、達成し得る光学的利点の割に製造原価が高いからである。
【０００５】
これは、携帯電話カメラなどの大量消費者向け製品において、インプレッションあるいは複製方法によって非常に経済的に製造され得る非球面の利点があまりに明らかになると、初めて変化した。これに刺激されて、高性能オプティックスを目的としてヨーロッパで製造方法も開発された。前述したコスト因子が現在の１０から約３まで低減され得るならば、非球面を使用しても経済上の問題はなくなるということが今日では工業界において実質的に認められている。これを成し遂げるために、現行の製造方法のコストを増大させる弱点を研究しなければならず、改良の方法を見つける必要がある。
【０００６】
主要な非球面の製造業者の間での調査により、再現可能な精密機械運動学およびそのコンピュータ制御監視のほかに、現在の表面形状および表面フィットを測定するプロセスがなによりも決定的に重要であることが明らかになっている。現在の表面変形および研磨状態を検出し、それによって実際の研磨プロセスを制御するために、測定プロセスが、研磨ツールによって処理されつつある表面部分に同時にアクセスしなければならないということは明らかである。しかし、これは、測定操作を処理操作に完全に統合することを意味する（インライン計測学）。それが後に行われるかあるいは正確に瞬時処理位置で行われなければ、例えばガラスボディ内の温度変化および局所的な機械的変形あるいは歪みなどの重要な局所的処理パラメータが検出されない。所望の研磨状態がｎｍレンジの許容範囲で達成され得るかを決定するのは、まさにこれらの、普通は推測的には検出不可能の、パラメータに関する知識である。
【０００７】
しかし、これらの要件は２つの問題に遭遇する。すなわち、一方では、測定装置は、瞬間的に処理されている表面位置が研磨ツールにより覆われているために、それにアクセスすることができない。他方では、その位置が鉱物粒子の濃密な懸濁液である研磨剤により汚染されているために、正確な形状捕捉が一般的に厳しい。従って、実際には、表面クレンジングの中間ステップが導入されなければならない。ｎｍレンジの精度を得るために充分なクレンジングを行うには、レンズを処理センターから取り外す必要があるから、これは、余計な時間を要し、サンプルが無制御的に冷えるのを許し、一般的にはある程度うまくいくだけである。しかし、そのとき、研磨プロセスのための基準座標系が失われ、経験によれば、クレンジングが行われた後にそれを回復するには非常に費用がかかる。さらに、エッチングプロセスによる化学的機械的クレンジングは表面を無制御的に変化させることがある。同じことが原理的には常に攻撃的な超音波によるクレンジングにも当てはまる。
【０００８】
特に高精度レンズの製造において、球面状あるいは非球面状に湾曲した光学素子のトポグラフィーのゼロ接触判定に対する大きな需要がある。既に存在し、また将来の光学系のために、ますます大きな要件が精度に課されている。表面のトポグラフィーをサブナノメートル精度で判定することが必要になりつつある。
【０００９】
この目的のために、例えば、以下の測定方法が使用される。
ａ）表面干渉計測試験方法
これらは、光学コンポーネントの品質査定のためには理想的である。しかし、非球面状の光学表面あるいは光学系の試験は、ほとんど常に特別のゼロ補償器を必要とする。このタスクのために、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ：computer-generated hologram）が良く使用される。それは、入射波頭が単一の回折的に作用する機能表面でほとんど恣意的に操作され得るということを特徴とする。しかし、ＣＧＨの生産は今でもなお高価であって、ＣＧＨはそれぞれのタイプのレンズについて再計算されなければならないので、これらの方法は特にレンズの小さな系列の製造および試験のためにはあまり適していない。さらに、測定精度をサブナノメートルのレンジに置くことは極めて過酷である。
ｂ）欧州特許出願公開第０３９５８３１号（特許文献１）は、曲面、特に人の目の角膜の測定を記述している。測定原理は、複数の光源の助けを借りて所定のパターンを生成することに基づき、それらからの光線は、研究されるべき表面から反射される。表面の不規則的な曲率は、その所定のパターンの歪みをもたらす。複数の光源により生成されるパターンは、この方法の評価精度を限定する。
ｃ）欧州特許出願公開第０５６１１７８号（特許文献２）は、測定点により反射されるビームの位置を検出することによって測定点における表面の局所的曲率の判定が行われる方法を記述している（三角測量）。この場合、第１のモーメント、すなわち捕捉される表面の傾斜角だけが測定される。この方法も、例えば、ナノメートルあるいはサブナノメートルのレンジの精度での表面の測定を可能にするものではない。
ｄ）独国特許第１９８５４９４２号（特許文献３）は、球面状あるいは非球面状に湾曲した試料の巨視的には滑らかな表面のトポグラフィーのゼロ接触光学測定のための方法に関し、ここでは、測定されるべき表面は、その表面の大きさと比べて非常に小さい開口でサンプリングされ、各測定点のために、表面の局所的曲率が測定点において測定ビームにより判定される。この場合、コヒーレントな入射ビームと表面により反射された測定ビームとからそれぞれ測定点にインターフェログラムが形成されるように、かつ測定されたか、評価されたかあるいは評価されていないインターフェログラムを、マッチングを得るためにそのパラメータが変えられる分析的３次元曲面のデータと比較することによって曲率の判定がインターフェログラムから成し遂げられるように、測定ビームは表面に対して実質的に垂直に調整されなければならない。そのとき、表面トポロジーの判定は、表面全体について判定された曲率値の、例えば二重積分によるコンピュータ評価によって実行される。この積分は、好ましくは、周波数空間でフーリエ変換を用いる在来の評価方法に従って実行される。このような評価は複雑であって、加法に起因する測定誤差を容易に含むことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０３９５８３１号
【特許文献２】欧州特許出願公開第０５６１１７８号
【特許文献３】独国特許第１９８５４９４２号
【発明の概要】
【００１１】
これらの測定方法は、例えば、ワークピースが処理機械にクランプされているときにナノメートルあるいはサブナノメートルのレンジの精度で表面を測定することを可能にするものではない。残留している研削剤あるいは研磨剤が表面欠陥を装うことのないように、表面を非常に慎重にクレンジングする必要がある。
【００１２】
トポグラフィー測定のより大きな再現性および精度を達成するためには、試料を製造機械（研削機あるいは研磨機）に堅くクランプして表面に対して測定プロセスを実行する必要がある。この場合、処理側からの測定は、測定されるべき表面に研削剤および研磨剤が存在しない場合に限って、可能である。さらに、処理機械の機械構造が妨げとなって、測定されるべき表面領域の全体を測定装置がサンプリングできないことがある。特に、現在の研削機械および研磨機械は複雑なツールヘッドを備えている。これらの条件のために、迅速で精密なトポグラフィー測定がより困難となる。
【００１３】
従って、本発明の目的は、測定の精度および再現性を高めることができて、特に、レンズあるいはレンズ結合体が研削および研磨機械上でクランプされている状態にあるときに使用され得る、任意に湾曲した表面のトポグラフィーを判定する測定方法を提供することである。
【００１４】
序論で言及されたタイプの方法において、この目的は、請求項１で特徴付けられた特徴により本発明に従って成し遂げられる。この有利な改良は、従属の請求項２〜９の特徴により与えられる。この方法を実行するのに適する装置は、請求項１０で特徴付けられた特徴により与えられる。この有利な改良は、従属の請求項１１〜１５の特徴により与えられる。
【００１５】
本発明の概念的解決法は、表面セグメントが空気−ガラス側から研磨されるので、それを他方の側、すなわちガラス−空気側から同時に測定することで処理ツールと測定装置とのアクセス衝突を解決することにある。従って、ガラス表面の形状捕捉は研磨剤を通して２回行われる必要はないので、汚染の問題も解決される。
本発明に従う測定では、測定ビームは、例えば既に処理されている研磨済み表面を通して裏側から伝送される。
【００１６】
前述した公知の実施形態の不都合な点を克服するために、距離判定のために本発明において、絶対的に測定する干渉計がさらに使用される。それは、表面上の接近される測定点から光学測定ヘッドの前部表面までの距離を測定する。従って、試験される表面上の各点のための空間内に絶対的に置かれた座標値が得られ、従って積分プロセスは実行されなくてもよい。
この場合、測定精度は干渉計の分解能により決定され、それはサブナノメートルのレンジの精度であり得る。
【００１７】
表面関数が物理的かつ技術的に「オンライン」で、プロセス両立的に、捕捉され得る仕方は、本発明のさらなる部分である。非球面プロフィールを物理的に捕捉する３つの別形が以下で記述される。
ａ）ライダー
第１の考慮されている方法は、コヒーレントなレーザ測距装置あるいは同等に干渉計位相測定方法で試験表面をスキャンして試験表面と送信／受信モジュール内あるいは干渉計内の適切な比較表面との間の高度に精密な距離測定を実行することである。この場合、試験表面の高さプロフィールが、照明ビームの直径の端から端までの平均値として記録される。
ｂ）波頭センサ
代わりの、しかし同様に実行可能な方法は、照明レーザビームにより捕捉された表面セグメントを波頭センサ（ＷＦＳ：wavefront sensor）上に結像させることである。これは、次に、反射された波頭の傾斜角から、同様に基準表面に対する、サブセグメントの表面の平均幾何学的傾斜角を判定する。
ｃ）センサ融合
実際には、２つの方法の組み合わせも有利であることが判明し、その場合、一方ではレーザビームにより捕捉された表面セグメントがＷＦＳ上に結像され、他方では同時に平均距離も測定される。経験から、相当の精度向上と評価アルゴリズムのより迅速な収束とがもたらされることが明らかになっていると共に、最適化に含まれない偽二次極大値に関してのアルゴリズム的方法のロバストネスが増強されるということも明らかになっている。特に、実際の測定プロセスには、軸スピンドルのぐらつき運動、研磨ツールの「粘着および滑り(stick and slip)」運動、さらにレーザビームを試験表面上に案内するスキャナのジッタ運動に起因して確率的摂動が常に重なっている。
【００１８】
その曲率ベクトルの連続的プロフィールによる非球面の記述は数学的には正しいけれども、それは製造プロセスのために依然として適切に離散化されなければならない。この場合、瞬時処理状態を一意に特徴付けてそれを次のものに遷移させるために、どの２Ｄ表面グリッド上で曲率が知られなければならないかを知ることが重要である。その必要とされるグリッドは、処理の過程で容易に変化し得る。意図されているものから分裂しているかあるいはずれている表面形状は、最終仕様に達する少し前に研磨済み表面より密にサンプリングされなければならない。
【００１９】
前述した３つの方法の全てで、効率上の理由から最少量の測定データで間に合わせること、すなわち「オーバーサンプリング」を回避することが常に望ましい。妥当な「サンプリング」は、試料の表面トポグラフィーおよびセンサの一意性範囲の両方に依存する。サンプリングが粗く行われるほど、表面変形のより多くの微細構造が失われるかも知れず、かつセンサの測定範囲がオーバードライブされる可能性がより高くなる。まさに後者の場合に、試験表面全体を１操作で捕捉することが意図され続けているとき、試験表面の基準表面からの偏差はしばしば１波長より大きくなる。そのときには、干渉計信号の曖昧性を解決する数学的方法を採用することが必要であるが、それは過酷である、すなわち、いわゆる「ゼロオプティクス(zero optics) 」、コンピュータホログラムあるいは補償器に依拠しなければならない。これらは、高価であり、用途ごとに特別に製造されなければならず、光学試験構造にそれらを機械的に据え付けると新しいエラーが導入されるかもしれないので、表面全体のシーケンシャルなスキャンニングのほうがより実用向きである。従って、３つの場合の全てにおいて、試験表面をサブセグメントに細分し、これらを方法ａ）、ｂ）、ｃ）に従って測定することが提案される。この目的のために、３つの場合の全てにおいて照明レーザビームは試験表面の端から端まで案内されなければならない。測定は、試験ボディのスピンドル軸の周りの方位角回転を必要とする研磨プロセスと同期して行われるように意図されるので、レーザスキャンは半径方向、すなわち１次元的に行われ得るにすぎない。
【００２０】
半径方向および方位角方向における２Ｄサンプリンググリッドは、半径方向スキャンの回転運動および速度を考慮に入れ、レーザの発射周波数によりセットされる。表面セグメントのサイズはレーザビームの発射持続期間および直径により確定される。この場合、強く構造化した表面に対しては、サンプリングは表面セグメント同士のオーバーラップを達成するように行われ、滑らかな表面があるときにはよりポイント的なスキャンが行われる。
【００２１】
ａ）による表面セグメント上での距離の平均値、あるいは方法ｂ）における傾斜角、あるいはｃ）における両方の他に、センサに依存していわゆる高次変形モーメント(higher deformation moments)を測定することも可能である。ＷＦＳは、反射されたＷＦの照明球面波または平面波からの偏差に関する情報を容易に提供することができ、高次の球面収差、コマ収差あるいは非点収差を識別することを可能にする。同様に、ビーム直径により照明された表面セグメントの形状は、レーザ測距装置の時間的帰還信号の形状から推定され得る。
【００２２】
ガラスレンズの非球面形状Ｓ１の「オンライン」監視研磨では、その他方の側Ｓ２は実質的に許容範囲内で既に研磨されているということが仮定される。従ってその表面トポグラフィーは知られていて、例えば、研磨機械の外側のワークショップ干渉計によって判定され、従ってこれは非球面Ｓ１を研磨する実際のプロセスのための基準表面として使用されるべきである。この手続きは一般的になんらの制約も課さない。それは、たとえガラスレンズの両側が非球面化されるように意図されていても、球面Ｓ１から始めて、説明したように反対側Ｓ２を非球面化し、その後にこれをＳ１のための基準として使用することが可能だからである。試料が研磨スピンドルに取り付けられた後、既に知られている基準表面Ｓ２が試験光学系により直接に絶えず測定されると共に、処理されるべきＳ１もＳ２を用いて測定される。
【００２３】
２つの側での捕捉は、Ｓ１が常にレンズボディの唯一の適切な座標系、すなわちそれ自体で参照されるという利点を有する。これにより、それは、スピンドルの軸方向ぐらつきエラー、以下で記述されるスキャナ運動の摂動、およびなかんずく測定光学系、あるいは複数のモジュールが光軸に沿って変位させられなければならないズーム光学系の不可避の心出しエラーから、独立する。
【００２４】
実際の手続きは、光学ワークショップにおいて球面レンズ、接合コンポーネントあるいは実に対物レンズ全体の心出しエラーを調べるために用いられる方法と実質的に類似するように構成される。この場合、測定レーザは、始めに、ズーム光学系に最も近い表面Ｓ２の曲率中心に収束させられる。その後、Ｓ２から反射されたビームは同様にそこに戻って収束させられ、ズーム光学系によってセンサ上に結像される。Ｓ２が傾斜しているならば、Ｓ２の曲率中心はスピンドルの回転軸上に存在せず、センサポイントは回転軸と同期して検出器上で円形に移動し、その場合には、その円の直径からＳ２の偏心度を判定することができる。その後、レーザはＳ２を通して見られたＳ１の曲率中心に収束させられ、手続きが反復される。Ｓ２を通して見られたＳ１の傾斜に関する情報が得られ、これは第１の測定を考慮することによって回転軸に関して一意に判定され得る。ここで記述される非球面プロセスでは、手続きは類似し、Ｓ２のトポグラフィーが干渉計測法により予め測定された後に、スピンドル軸に対してのその位置が前述した方法に従って判定される。その後、レーザを、Ｓ２を通して見られたＳ１の曲率中心に収束させ（最適フィット）、表面傾斜角を判定する。前述したように、これは非球面の場合には一定ではなくて局所的に変化するので、前述したプロセスをサブセグメントに縮める。精度の理由から、焦点の移動を評価せずに、サブセグメントをズーム光学系によってＷＦＳ上に結像させる。試験表面をサブセグメントに制限することにより成し遂げられる効果は、局所的傾斜がＷＦＳの測定範囲内に存在し、従ってゼロ光学系が必要とされないことである。
【００２５】
要約すると、本発明は、光学素子の球面状あるいは非球面状に湾曲した表面のトポグラフィーを、表面をシステム画定された基準波頭または表面の大きさより小さい開口でサンプリングし、測定システムに関しての局所波頭変形を判定することによってゼロ接触光学測定する方法に関する。サンプリング波頭は、それが試験表面に対して実質的に垂直に調整されるように案内される。非球面形状に起因する偏差は、センサヘッドに位置する干渉計またはＷＦＳによって記録され、評価される。この場合、測定ビームは、一般的に知られているように外側から直に研削あるいは研磨されている空気−ガラス表面に送られるのではなくて、結像レンズを通してその裏側を介して送られる。従って、表面は、研削あるいは研磨機械においてクランプされている状態でも測定され得る。この場合、例えば、摂動を生じさせる不規則さが表面にないか、さらに非球形表面の、それが基礎とする非球面形状からの所望の偏差が充分に狭い許容範囲で維持されているかを確定することが必要である。
【００２６】
本発明に従う方法を実行するための装置が図面に概略的に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】機械構造を示す。
【図２】球形チャック心出しに用いられる基本的光学レイアウトを示す。
【図３】干渉計または波頭センサを包含する測定ヘッドの半径方向に案内される運動による試験表面Ｓ１のスキャンニングを示す。
【図４】同じ測定ヘッドに据え付けられた２つの測定ユニットでの２つの表面Ｓ１およびＳ２の同時スキャンニングを示す。
【図５】精度が限定されている別形を示し、ここでは表面Ｓ２の測定は、あり得る軸方向ぐらつきエラーを検出するためにだけ使用される。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１に示されている機械設備は中空シャフト１を包含し、それはレンズ２あるいはレンズ系の端部ホルダに向かって漏斗の形状で上方に広がっている。中空シャフト１の回転軸３は、レンズ２、さらに合焦光学系６の光軸と少なくともおおよそ一致するべきである。
【００２９】
中空シャフト１は、研削あるいは研磨機械の保持チャック４（さらに詳しくは述べられない）に取り付けられている。レンズの表面Ｓ１は、表面Ｓ１上をぐらつき運動しながら案内される研削あるいは研磨ヘッド５で在来の仕方で処理される。
【００３０】
中空シャフト１は、測定ユニット７により放射される測定ビームのための合焦光学系６を包含する。測定ビームを発生させるためのシステムの他に、測定ユニット７は、測定信号発生のための光学センサも包含する。測定ユニット７は、半径方向ｒ、すなわち回転軸３に対して垂直に変位可能に装置されている。
【００３１】
図２は、球形チャック心出しから知られている基本的光学レイアウトを示す。レンズ２は、表面Ｓ１およびＳ２の曲率中心ができるだけ回転軸３上に存在するように、すなわちレンズ２の光軸が回転軸３と一直線に並ぶように、装置され調整される。
【００３２】
測定ユニット７はレーザ８、例えばパルスレーザを包含し、そのコヒーレントな出力光はコリメーションレンズ９によって平行測定ビーム１０に整形される。測定ビーム１０は、ビームスプリッタ１１によって合焦光学系６の中へ偏向される。合焦光学系６は変位可能なレンズグループ６ａを有するズーム光学系として形成され、それは、測定ビーム１０を、Ｓ２を通して見られたレンズ表面Ｓ１の曲率中心Ｍ１* に収束させることができる。ズーム対物レンズは、成し遂げるべき二重の機能を有する。すなわち、曲率中心Ｍ１* を検出器１２上に結像させると同時に表面Ｓ１をズーム光学系の射出瞳の中に結像させなければならない。テレセントリックズーム光学系の場合には、これは無限遠にある。従って、様々な非球面レンズのために両方の結像基準を満たすためにズーム光学系自体もｚ方向、すなわち光軸に沿って、変位可能であることが必要であるということが見出されている。
【００３３】
表面Ｓ１のガラス裏面で後方に反射された測定ビーム１０は、ズーム光学系を通して再びコリメートされたビームとしてビームスプリッタ１１へ案内され、ビームスプリッタ表面を通してセンサ１２上に結像され、これは図２において２次元センサとして示されている。
【００３４】
図３は半径方向瞳スキャンを示し、ここで測定ユニット７は、回転軸３に対して垂直に半径方向ｒに１つのユニットとして変位可能である。測定ビーム１０は、ここでは、小さな直径を有し、試験表面Ｓ１上の小さな表面セグメント１３だけを照明する。測定ビームは半径方向に変位するので、それは合焦光学系６から変化する角度で出るので、Ｓ１上の様々の表面セグメント１３が照明される。装置７の変位は、測定ビーム１０が表面Ｓ１の直径全体にわたって案内されるように、制御される。この場合、焦点Ｍ１* は、全てのスキャンされるビームがそれを通過するので、光学レバーポイントとして使用される。図３では、以前の２次元センサ１２は今は絶対測定あるいは多波長干渉計または波頭センサにより取って代わられている。その目的上、瞳表面１３を干渉計またはＷＦＳ上に正しく結像させるために時には小さなリレー光学系１４が据え付けられなければならない。干渉計測定の結果は、センサからそれぞれの表面セグメント１３までの非常に精密に判定された距離値、あるいは検出ユニット１２としてＷＦＳを使用する場合の１３の局所表面傾斜角の非常に精密な判定である。
【００３５】
レンズ２が回転軸３の周りに回転させられると、照明されている表面セグメント１３は表面Ｓ１上で螺旋状に移動する。回転速度、半径方向速度およびレーザ発射周波数に応じて、表面Ｓ１上の測定点の密なあるいはあまり密でないネットワークがサンプリングされ得る。
【００３６】
測定プロセス
サブナノメートルのレンジでの表面プロフィール判定の所望の精度を得るためには、種々の機械的運動の不可避の不安定性から生じる測定プロセスに対する全ての効果がなくされるかあるいは補償されなければならない。最大の影響は研磨ツールから生じ、表面Ｓ１に対して垂直に圧力を作用させるだけではなくて、研磨剤の粘性に依存して、いわゆる「粘着および滑り(stick and slip)」効果、すなわち摩擦に起因する方位角方向の確率的運動をもたらす。これらの不規則な影響は全てレンズ２の不制御位置変動をもたらし、表面プロフィールの所望の非常に精密な判定より大きくなり得る。
【００３７】
適切な代わりの解決策が図４に示されている。
表面Ｓ２に対しての表面Ｓ１の非球面状表面プロフィールを判定するために、測定ビーム１０は始めに、前述したように、Ｓ２を通して見られた表面Ｓ１の曲率中心Ｍ１* に収束させられる。同時に、好ましくは異なる波長を有する第２のレーザビームが、Ｓ２の曲率中心にそれが収束させられるように補助レンズ１５によって予め収束させられて、合焦光学系６に導入される。図４は、Ｓ２が平面である特別の場合を示している。このとき、第２のビームは平行ビームとしてＳ２に当たらなければならない。両方の測定ヘッドは、同じ測定ユニット７内に置かれ、従って半径方向に同時にスキャンされ、従ってスキャン運動の同じ方向変化にさらされる。表面Ｓ２のトポグラフィーが外部予備プロセスで干渉計測値から既に知られていると仮定されるならば、レンズホルダの傾斜角エラー、研磨ツールの機械的影響、中空シャフト１のぐらつきエラー、およびスキャナ運動の影響は、表面Ｓ２に対する測定の測定された距離値あるいは表面傾斜角値から判定され得る。この知識により、相応的にＳ１に対する同時測定値を補正することが可能となる。従って、両方の測定値は、望みどおりに互いに相関させられ、それ故に動的システム不安定性を反映する。さらに、それらは２つの異なる光源から生じるので、干渉計距離測定を乱す２つのビームの干渉はない。
従って、測定は、配置の機械的エラーおよび機械許容範囲とは無関係となる。
【００３８】
最後に、図５はより簡単な別形を示し、ここでは基準表面として使用される表面Ｓ２の同時測定は連帯的にスキャンされず、またズーム光学系を通して案内されなくて、Ｓ２の環状ゾーンが、静的に取り付けられたユニット７ａにより絶えず照明される、すなわち、軸方向ぐらつきエラーだけが監視される。この別形は、技術的により簡単であり、従ってより経済的であるが、スキャナ運動の不規則性を検出しない。従って、これは、実際には、研磨プロセスの精度要件が減じられた場合、さらにスキャナの仕組みの位置エラーが無視できる場合に、使用され得るに過ぎない。
【符号の説明】
【００３９】
１  中空シャフト
２  レンズ
３  回転軸
４  保持チャック
５  研削／研磨ヘッド
６、６ａ  合焦光学系
７  測定ユニット
７ａ  静的ユニット
８  レーザ
９  コリメーションレンズ
１０  測定ビーム
１１  ビームスプリッタ
１２  干渉計／波頭センサ
１３  表面セグメント／測定点
１４  干渉計および波頭センサのためのリレー光学系
１５  補助レンズ
Ｓ１、Ｓ２  レンズ２の表面
Ｍ１*   Ｓ２を通して見られたＳ１の曲率中心の位置
【図１】
2012518778.tif 000003
【図２】
2012518778.tif 000004
【図３】
2012518778.tif 000005
【図４】
2012518778.tif 000006
【図５】
2012518778.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月14日(2011.1.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学レンズ（２）あるいは光学レンズ系の球面状あるいは非球面状に湾曲した空気−ガラス表面（Ｓ１）のトポグラフィーのゼロ接触測定方法であって、
ａ）前記光学レンズ（２）あるいは光学レンズ系が、回転可能に取り付けられた中空シャフト（１）の端部側に、前記光学レンズ（２）あるいは光学レンズ系の光軸が前記中空シャフト（１）の回転軸（３）と少なくともおおよそ一直線に並ぶように、固定されるステップと、
ｂ）光学測定ビーム（１０）のための合焦光学系（６）が前記中空シャフト（１）の内側に配置されるステップと、
ｃ）測定されるべき前記表面（Ｓ１）が、測定方向においてそれより前にある空気−ガラス表面（Ｓ２）を通して前記光学測定ビーム（１０）でサンプリングされるステップと、
ｄ）測定されるべき前記表面上の各々の接近される測定点について、光学測定ヘッドの固定されている前部表面からの距離が前記光学測定ビーム（１０）によって判定されるステップと、
ｅ）絶対値を測定する多波長干渉計（１２）によって前記距離が判定されるステップと、
ｆ）測定されるべき前記表面全体の接近される測定点のために前記距離判定がシーケンシャルに実行されるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
サンプリングされる表面（Ｓ１）の前にある前記空気−ガラス表面（Ｓ２）は、前記光学測定ビーム（１０）から区別され得る光学基準測定ビームで同時にサンプリングされることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、
前記２つの表面（Ｓ１、Ｓ２）をサンプリングする光学測定ビーム（１０）は、それらの直径に関して調整されることができて、測定表面において半径方向に変位させられることができることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか記載の方法において、
前記光学測定ビームは、それの前にある前記空気−ガラス表面（Ｓ２）を通して見られた測定されるべき前記表面（Ｓ１）の曲率中心（Ｍ１* ）および基準として測定されるべき前記表面（Ｓ２）の曲率中心に収束させられることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか記載の方法において、
前記サンプリングは、レーザビームを用いて行われることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法において、
関連する測定表面のサブセグメントが、前記レーザビームによって波頭センサ上にそれぞれ結像されることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、
前記関連する測定表面のサブセグメントまでの距離の測定が、前記レーザビームによって同時に行われることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか記載の方法において、
前記光学レンズ（２）あるいは光学レンズ系は、その光軸と少なくともおおよそ一致する回転軸の周りに回転させられ、
前記光学測定ビーム（１０）を発生させるシステムと前記光学測定ビーム（１０）を受け取るシステムとはモジュラー測定ユニットとして結合され、この測定ユニットが回転軸に対して垂直に変位させられることを特徴とする方法。
【請求項９】
光学レンズ（２）あるいは光学レンズ系の球面状あるいは非球面状に湾曲した空気−ガラス表面（Ｓ１）のトポグラフィーのゼロ接触測定装置であって、
ａ）回転可能に取り付けられている中空シャフト（１）を有し、その端部側において前記光学レンズ（２）あるいは光学レンズ系は、前記光学レンズ（２）あるいは光学レンズ系の光軸が前記中空シャフト（１）の回転軸（３）と少なくともおおよそ一直線に並ぶように、固定され、
ｂ）光学測定ビーム（１０）のための合焦光学系（６）を有し、前記合焦光学系（６）は前記中空シャフト（１）の内側に配置され、
ｃ）前記合焦光学系（６）は、測定されるべき前記表面（Ｓ１）が測定方向においてそれより前にある空気−ガラス表面（Ｓ２）を通して前記光学測定ビーム（１０）でサンプリングされ得るように、形成され、
ｄ）前記光学測定ビーム（１０）によって測定されるべき前記表面上の各々の接近する測定点について光学測定ヘッドの固定されている前部表面からの距離を判定するための手段を有し、
ｅ）前記距離を判定するための手段は、絶対値を測定する多波長干渉計（１２）であり、
ｆ）測定されるべき前記表面全体の接近する測定点についての前記距離判定をシーケンシャルに実行するための手段を有する装置。
【請求項１０】
請求項９記載の装置において、
前記光学測定ビーム（１０）を発生させるためにレーザ（８）が設けられていることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項９記載の装置において、
前記合焦光学系（６）は、ズーム光学系として形成されていることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項９記載の装置において、
波頭センサが、センサ（１２）として設けられていることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項９記載の装置において、
ラウンドトリップ遅延時間センサが、前記距離の測定のためのセンサ（１２）として設けられていることを特徴とする装置。
【国際調査報告】
2012518778.tif 000008
2012518778.tif 000009
2012518778.tif 000010
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