(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照面となる光学面と被測定面となる光学面とを有するレンズの、該被測定面の形状を測定する干渉計を用いた形状測定装置において、該被測定面の光軸の１方向から光を入射して該参照面からの反射光と該被測定面からの反射光とを干渉させ該被測定面の形状を測定する手段と、該被測定面の光軸の逆方向から光を入射して該参照面からの反射光と該被測定面からの反射光とを干渉させ該被測定面の形状を測定する手段と、２つの測定結果を基に被測定面の形状を算出する演算手段を有することを特徴とする干渉計を用いた形状測定装置。
【請求項２】
前記形状測定装置は、前記レンズを反転する反転手段を有しており、前記２つの被測定面の形状を測定する手段は、一つの測定手段である事を特徴とする請求項第１項に記載の干渉計を用いた形状測定装置。
【請求項３】
前記２つの被測定面の形状を測定する手段は、前記レンズの両側に対向して配置されている干渉計である事を特徴とする請求項第１項に記載の干渉計を用いた形状測定装置。
【請求項４】
少なくとも１面の参照面となる光学面と、被測定面となる光学面とを有するレンズの該被測定面の形状を測定する干渉計を用いた形状測定方法において、該被測定面の光軸の１方向から光を入射して該参照面からの反射光と該被測定面からの反射光とを干渉させ該被測定面の形状を測定し、該被測定面の光軸の逆方向から光を入射して該参照面からの反射光と該被測定面からの反射光とを干渉させ該被測定面の形状を測定し、２つの測定結果を基に被測定面の形状を算出することを特徴とする干渉計を用いた形状測定方法。
【請求項５】
前記被測定面の形状は、前記レンズを反転させることにより、一つの形状測定手段により測定される事を特徴とする請求項第４項に記載の干渉計を用いた形状測定方法。
【請求項６】
前記被測定面の形状は、前記レンズの両側に対向して配置された２つの干渉計により測定される事を特徴とする請求項第４項に記載の干渉計を用いた形状測定方法。
【請求項７】
前記参照面と被測定面はお互いの光軸が偏芯しており、光源と、光源からの光を一旦集光させる集光レンズと、該集光した光を理想的な球面波に変換するピンホールとその近傍に設けられた光波面情報を通過させる窓とが形成された光波整形板とを有する測定手段により、該ピンホールを通過した光の光路中に、前記レンズを、前記参照面に反射した光が該ピンホールを再度通過し、前記測定面に反射した光が該窓を通過する位置に配置し、該参照面で反射し該ピンホールを再度通過した反射光と、該被測定面で反射し該窓を通過した反射光とを干渉させることにより、予め前記参照面の形状を測定した後、該光波整形板を取り除き、前記測定手段により前記被測定面を測定する事を特徴とする請求項第４項に記載の干渉計を用いた形状測定方法。
【請求項８】
前記形状測定方法で前記被測定面を測定した後、前記被測定面に対向して第２の被測定面をもつ光学素子を配置し、該第２の被測定面からの反射光と前記被測定面からの反射光とを干渉させて、前記測定手段により該第２の被測定面の形状を測定する事を特徴とする請求項４項に記載の干渉計を用いた形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体露光装置用の縮小投影光学レンズやミラー等の球面形状精度を、極めて高い精度で測定する干渉計を用いた形状測定方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より高精度な球面レンズ、ミラーの形状測定方法として、フィゾー干渉計やトワイマン−グリーン干渉計などを用いるのが一般的であるが、いずれも参照する球面や平面が必要であり、絶対精度は基本的にはこれらの参照球面、参照平面の形状精度で規定されてしまう。通常の参照面の製造方法ではＨｅ−Ｎｅレーザ波長をλ（λ＝６３２．８ｎｍ）としてλ／１０〜λ／２０程度を保証するのが限度であると言われている。
【０００３】
一方、半導体露光装置の微細化、高精度化に伴い露光光源波長はＫｒＦエキシマレーザ（λ＝２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（λ＝１９３ｎｍ），Ｆ２レーザ（λ＝１５７ｎｍ）と短波長化し、さらにはＥＵＶ光（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ：λ＝１３．６ｎｍ）までも露光光源として使用されるに至っている。これらの露光装置用の投影光学レンズ、ミラーについては１ｎｍ〜０．１ｎｍの形状精度が求められており、このような精度を達成するためにはさらにこれより高い精度の計測装置が必要である。通常このような精度で計測することは単に再現精度を実現することでさえ困難であり、まして絶対精度を保証するということは極めて困難であった。
【０００４】
特開平２−２２８５０５には、光学面の絶対精度を数１０Å以下で保証する技術が記載されている。特開平２−２２８５０５の第１実施例として記載されている第１の従来の技術の構成を図６に示す。図６において光源１から出た光は集光レンズ２により集光されてピンホールミラー３に至り、一部はピンホールを通って被測定物４に当たって再びピンホールミラー３に戻り、今度は反射されて撮像素子７へと到達する。この光を測定光と呼ぶ。それ以外の光はピンホールミラー３で反射され、集光ミラー５で反射され、再びピンホールミラー３に戻り、今度はピンホールを通過して撮像素子７へと到達する。この光を参照光と呼ぶ。これらの測定光と参照光は干渉して干渉縞を形成し撮像素子７で撮像する事で被測定物の表面形状を測定する。
【０００５】
光はピンホールを通過することにより回折理想球面波となる事が知られている。従って測定光はピンホールを通った回折理想球面波となるので被測定物４で反射した光は被測定物４の球面からの形状誤差だけを収差情報として持つ光波が撮像素子７に到達する。参照光は集光ミラー５によって反射集光された後、ピンホールを通過することにより回折理想球面波となるので無収差波面が撮像素子７に到達する。この時集光ミラー５の表面精度は特に高精度でする必要はなく、光を反射する精度があれば充分である。この様にして、測定光と参照光は撮像素子７上で純粋に被測定物４の形状誤差情報だけを有する干渉縞を形成することができ、特別な基準面を設けることなく高い絶対精度で形状測定が出来る。
【０００６】
特開平２−２２８５０５の第２実施例として記載されている第２の従来の技術の構成を図７に示す。図７においては、光源１から出た光を集光レンズ２でピンホールミラー３に設けられたピンホールを通過させて理想球面波としその一部を参照波として撮像素子７に入射させる。また同じ光波の別の一部を被測定物４で反射させた後、ピンホールミラー３で反射させて撮像素子７に入射させて前記参照波と干渉させ、発生する干渉縞像を撮像素子７で撮像する事で被測定物の表面形状を測定する。第２の従来の技術は第１の従来の技術の集光ミラーを省略した構成を取っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示す特開平２−２２８５０５に第１実施例として記載されている第１の従来の技術では、参照光軸と被測定光軸がほぼ９０度という大きな角度を持って分離されるために、装置が大型化し複雑になってしまう。また、ピンホールと被測定面までの距離を、必ず被測定面の曲率半径分の距離に離す必要があるため、曲率半径の大きな被測定面を測定する場合は光路が長くなり空気揺らぎによる精度低下が避けられない。また、被測定面が凹面であれば測定可能であるが凸面の場合は測定ができないという問題点もある。また、ピンホール部分には必ずミラーが必要なため、ミラーの汚れや微小な凹凸が測定波面に影響する恐れがある。
【０００８】
また、図７に示す特開平２−２２８５０５に第２実施例として記載されている第２の従来の技術では、前記課題の他に、測定光として使えるのはピンホールから出る理想球面波の広がりの一部になってしまうため、光量が少なくなり測定精度が低下する。また、被測定物を配置する領域が限られてしまうため、大きな被測定面を有する被測定物を測定することができない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、参照面となる光学面と被測定面となる光学面とを有するレンズの、該被測定面の形状を測定する干渉計を用いた形状測定装置において、該被測定面の光軸の１方向から光を入射して該参照面からの反射光と該被測定面からの反射光とを干渉させ該被測定面の形状を測定する手段と、該被測定面の光軸の逆方向から光を入射して該参照面からの反射光と該被測定面からの反射光とを干渉させ該被測定面の形状を測定する手段と、２つの測定結果を基に被測定面の形状を算出する手段を有する干渉計を用いた形状測定装置及び形状測定方法を提供している。
【００１０】
また本発明においては、前記形状測定装置は、前記レンズを反転する反転手段を有しており、前記２つの被測定面の形状を測定する手段は、一つの形状を測定する手段で行う干渉計を用いた形状測定装置及び形状測定方法を提供している。
【００１１】
また本発明においては、前記２つの被測定面の形状を測定する手段は、前記レンズの両側に対向して配置されている干渉計である干渉計を用いた形状測定装置及び形状測定方法を提供している。
【００１２】
また本発明においては、前記２つの被測定面の形状を測定する手段は、同一の形状を測定する手段であり、前記被測定面に入射する光を光学的に２つに分離し、前記被測定面の両面から入射する干渉計を用いた形状測定装置を提供している。
【００１３】
また本発明においては、前記レンズは複数のレンズからなるレンズ群である干渉計を用いた形状測定装置を提供している。
【００１４】
また本発明においては、前記参照面と被測定面はお互いの光軸が偏芯しており、光源と、光源からの光を一旦集光させる集光レンズと、該集光した光を理想的な球面波に変換するピンホールとその近傍に設けられた光波面情報を通過させる窓とが形成された光波整形板とを有する測定手段により、該ピンホールを通過した光の光路中に、前記レンズを、前記参照面に反射した光が該ピンホールを再度通過し、前記測定面に反射した光が該窓を通過する位置に配置し、該参照面で反射し該ピンホールを再度通過した反射光と、該被測定面で反射し該窓を通過した反射光とを干渉させることにより、予め前記参照面の形状を測定した後、該光波整形板を取り除き、前記測定手段により前記被測定面を測定する干渉計を用いた形状測定方法を提供している。
【００１５】
また本発明においては、前記形状測定方法で前記被測定面を測定した後、前記被測定面に対向して第２の被測定面をもつ光学素子を配置し、該第２の被測定面からの反射光と前記被測定面からの反射光とを干渉させて、前記測定手段により該第２の被測定面の形状を測定する事を特徴とする干渉計を用いた形状測定方法を提供している。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に本発明の第１の実施の形態を示す。まず、図１（ａ）を参照して後述のレンズ１０４の被測定面１０４ａの測定方法を説明する。図中１０１は光源であるところのレーザ、１２１は射出したレーザ光を一旦集光して発散させる集光レンズ、１２２はレーザ光の進行方向をその偏光方位によって変化させる偏光膜付きのビームスプリッタ、１２３は発散するレーザ光を一旦平行光に変換するコリメータレンズ、１０２は平行光をピンホールに集光する集光レンズ、１０３は使用レーザ光の波長程度の直径を有するピンホール１０３ａと、そこから数μｍ〜数１００μｍ離れて隣接して設けられた窓１０３ｂを有する光波整形板、１０４は凹型の光学面１０４ａと、凸型の光学面１０４ｂを持つレンズ、１０６はカメラに干渉縞像を結像させる結像レンズ、１０７は撮像装置であるところのＣＣＤカメラ、１３０は電子化された画像データを処理するコンピュータ、１３１は計測画像または処理画像を映し出すディスプレイ装置である。ここでは光学面１０４ａを被測定面、光学面１０４ｂを参照面とする。また図２は前記光波整形板１０３の詳細図であり、ピンホール１０３ａと窓１０３ｂが隣接して設けられている様子を示した平面図とＡ−Ａ’断面図である。
【００１８】
光源１０１から射出したレーザ光は集光レンズ１２１で一旦集光された後発散し偏光ビームスプリッタ１２２の作用で進行方向を折り曲げられ、コリメータレンズ１２３で平行光に変換された後、集光レンズ１０２で集光され、波形整形板１０３上にあけられたピンホール１０３ａを通過する。このピンホールはその直径φｄが使用光源波長をλ、集光レンズ１０２の開口数をＮＡとすると、
λ／２＜φｄ＜λ／ＮＡ
の範囲にしておけば、回折理論により入射した波面が収差を持っていてもピンホールを透過することにより無収差の理想球面波に変換される。たとえば、使用光源波長λ＝０．６μｍであり集光レンズ１０２の開口数ＮＡ＝０．５である場合、ピンホール１０３ａの直径φｄは０．３μｍ＜φｄ＜１．２μｍにすれば良い。
【００１９】
図１において破線で示された１０４ａ’は光学面１０４ｂと同一の曲率中心をもち、お互いの光軸が一致した仮想の光学面である。図１はやや誇張して描かれているが、レンズ１０４の光学面１０４ａと仮想の光学面１０４ａ’は僅かに偏芯している。従って光学面１０４ａと光学面１０４ｂは、お互いの光軸が僅かに偏芯し、曲率中心はピンホール１０３ａの近傍で僅かに異なっている。
【００２０】
レンズ１０４を、ピンホール１０３ａを通過した光の光路中に配置する。光学面１０４ｂに入射する光は光学面１０４ｂに垂直に入射し、反射した光は正確に同じ経路を辿り、再びピンホール１０３ａを通過する。一方、ピンホール１０３ａを通過した光は、光学面１０４ａにおいても反射するが、光学面１０４ａが光学面１０４ｂと偏芯しているため、ピンホール１０３ａには戻らず、ピンホール１０３ａに隣接して設けられた窓１０３ｂを通過する。ただし、波形整形板１０３は、光学面１０４ａで反射した光が正確に窓１０３ｂを通過するように予めレンズ１０４の形状にあわせてピンホール１０３ａと窓１０３ｂが設計されている。つまり、波形整形板１０３のピンホール１０３ａと窓１０３ｂの位置は、光学面１０４ａの曲率半径と、光学面１０４ａの光軸に対する光学面１０４ｂの光軸の偏芯量により決定されている。
【００２１】
偏芯量は光学面１０４ａと光学面１０４ｂで反射した光が干渉縞を形成する大きさであればいくつでも良く、たとえば光学面１０４ａの曲率半径が１００ｍｍで、光学面１０４ａの光軸の光学面１０４ｂの光軸に対する偏芯量が１×１０−４ｒａｄであれば、ピンホール１０３ａと窓１０３ｂとの距離は２０μｍにしておけば良い。また、窓１０３ｂの大きさは、光学面１０４ａからの反射光の光波面情報を通過する大きさで有れば良く、通常１０μｍ以上にしておけば問題ない。
【００２２】
窓１０３ｂを通過した反射光と、ピンホール１０３ａを通過した反射光とは干渉し、干渉した両者の光は偏芯分の比較的大きなＴｉｌｔ波面を有する干渉縞として集光レンズ１０２、コリメータレンズ１２３、ビームスプリッタ１２２を今度は直進し、結像レンズ１０６を介して撮像装置であるＣＣＤカメラ１０７で撮像され、電子化された画像データはコンピュータ１３０で縞解析される。
【００２３】
この時得られる干渉縞は、光学面１０４ｂで反射してピンホール１０３ａを通った理想回折球面波を参照光波として、光学面１０４ａの形状誤差情報のみを持つ光波と干渉している。また、ピンホール１０３ａからＣＣＤカメラ１０７に至る光学系の光路は共通光路であるため、光学面１０４ａの絶対形状を高精度に測定する事ができる。尚、前述の通り干渉縞には比較的大きなＴｉｌｔ縞が含まれているが、これは従来から知られている数値処理で容易に除去することが可能である。
【００２４】
また、通常高精度な干渉計では干渉縞位相を検出するために参照面をピエゾ素子でλ／２程度動かすことで縞走査するいわゆるフリンジスキャン法が用いられる。しかしながら本実施例では参照面と被測定面が同一部材上にあるためフリンジスキャン法を実施する事はできない。しかしながら、その他の縞走査手段である波長走査法や、Ｔｉｌｔ縞を利用した空間変調法を使用することで容易に干渉縞位相を検出する事ができる。波長走査法を使用する場合は、光源１を半導体レーザなど波長走査可能なものにしておけば良く、また空間変調法の場合は、コンピュータ１３０にその解析機能が搭載されていれば良い。
【００２５】
次に、図１（ｂ）を参照して、前記形状方法で絶対精度を測定した光学面１０４ａを使って、光学面１０４ｂの形状を測定する方法を説明する。前記測定方法で光学面１０４ａを測定した後、波面整形板１０３を取り除く事により、１０４ａを参照面とし１０４ｂを被測定面とするフィゾー干渉計を構成する事ができる。従って、既に知られている通常のフィゾー干渉計による測定方法で、既に測定済の光学面１０４ａを参照面とし、光学面１０４ｂを測定する事ができる。この際、光学面１０４ｂの測定結果にはレンズ１０４のガラス材料の屈折率分布による誤差が含まれている。
【００２６】
次に、図１（ｃ）を参照して、光学面１０４ｂの他の測定方法を説明する。レンズ１０４の光学面１０４ａと光学面１０４ｂの向きを、不図示の手段により入れ替えてレーザ１０１の光路中に配置する。本実施の形態の場合レンズ１０４の光学面１０４ｂが凸型で光学面１０４ａが凹型であるため、光が光学面１０４ｂ、１０４ａにほぼ垂直に入反射するように、凸型のレンズ１０８をレーザとレンズ１０４の間に配置する。このような配置にする事で、１０４ａを参照面とし１０４ｂを被測定面とする、フィゾー干渉計を構成する事ができる。従って、既に知られている通常のフィゾー干渉計による測定方法で、既に測定済の光学面１０４ａを参照面とし、光学面１０４ｂを測定する事ができる。この際、光学面１０４ｂの測定結果にはレンズ１０４のガラス材料の屈折率分布による誤差が含まれている。
【００２７】
さらに、図１（ｂ）に示した方法による光学面１０４ｂの測定結果と、図１（ｃ）に示した方法による光学面１０４ｂの測定結果から、レンズ１０４のガラス材料の屈折率分布を相殺する事ができる。従ってこれらの３回の計測結果より、光学面１０４ｂの絶対形状を高精度に測定することができる。以下にレンズ１０４のガラス材料の屈折率分布を相殺し、光学面１０４ｂの絶対形状を高精度に測定する手順を詳しく説明する。
【００２８】
干渉計から出射したレーザ光の集光レンズ１０２及びコリメータレンズ１２３等の干渉計内部の光学系による波面収差をＷ０、レンズ１０４の凹型の光学面１０４ａの形状による波面収差を＃１、凸型の光学面１０４ｂの形状による波面収差を＃２、レンズ１０４のガラス材料の屈折率分布による波面収差をＷ１２とする。また、便宜上、反射光における集光レンズ１０２及びコリメータレンズ１２３等の干渉計内部の光学系による波面収差をＷ０’、反射光のレンズ１０４のガラス材料の屈折率分布による波面収差をＷ１２’とする。
【００２９】
まず、図１（ａ）に示した測定方法により、光学面１０４ｂを参照面とし光学面１０４ａを被測定面とした場合を説明する。光学面１０４ｂに反射する光は、干渉計→ピンホール１０３ａ→レンズ１０４→光学面１０４ｂ→ピンホール１０３ａ→干渉計（撮像素子１０７）の経路を通る。この時、撮像素子１０７で受光するレーザ光の波面の波面収差をＤ１とする。また、光学面１０４ａに反射する光は、干渉計→ピンホール１０３ａ→光学面１０４ａ→窓１０３ｂ→干渉計（撮像素子１０７）の経路を通る。この時干渉計（撮像素子１０７）で受光するレーザ光の波面の波面収差をＤ２とする。
【００３０】
ピンホールを通過した光は理想球面波となり無収差である。従って、
Ｄ１＝Ｗ０’・・・（１）
Ｄ２＝＃１＋Ｗ０’・・・（２）
となる。撮像装置であるＣＣＤカメラ１０７で形成される干渉縞はこの２つの波面の差により発生する。従って２つの波面の波面収差の差をＥ１とすると、Ｅ１＝Ｄ２−Ｄ１より
Ｅ１＝＃１・・・（３）
となり、この値に応じた干渉縞が発生し、コンピュータ１３０により解析することで、凹型の光学面１０４ａの絶対形状が測定される。
【００３１】
次に光波成形板１０３を光路から取り除き、既に測定済みの光学面１０４ａを参照面とし光学面１０４ｂを被測定面とした場合を説明する。図１（ｂ）に示した測定方法により、光学面１０４ａ面と１０４ｂ面の反射光の干渉をとる。この時、光学面１０４ａからの反射光の波面収差をＤ３とし、光学面１０４ｂからの反射光の波面収差Ｄ４は、
Ｄ３＝Ｗ０＋＃１＋  Ｗ０’・・・（４）
Ｄ４＝Ｗ０＋Ｗ１２＋＃２＋Ｗ１２’＋Ｗ０’・・・（５）
となり、２つの波面の波面収差の差をＥ２とすると、Ｅ２＝Ｄ３−Ｄ４より
Ｅ２＝＃１−（Ｗ１２＋＃２＋Ｗ１２’）・・・（６）
となる。
【００３２】
次に、図１（ｃ）の様に同心レンズの１０４ａ面と１０４ｂ面の位置を入れ替えて再び１０４ａ面と１０４ｂ面の反射光の干渉を計測する。その際、計測する同心ワークの径が大きい場合には、レンズ１０８を加えてもよい。レンズ１０８は集光レンズ１０２で集光、発散したレーザ光を再び集光させ、測定光を１０４ｂ、１０４ａへ垂直に入射させるためのものである。図１（ｃ）にはこのレンズ１０８を加えた構成を示している。この場合、干渉計から出射した測定光の波面収差をＷ１とする。よって１０４ｂ面反射光の波面収差Ｄ５と１０４ａ面反射光の波面収差Ｄ６は、
Ｄ５＝Ｗ１＋＃２＋Ｗ１’・・・（７）
Ｄ６＝Ｗ１＋Ｗ１２＋＃１＋Ｗ１２’＋Ｗ１’・・・（８）
となり、２つの波面の波面収差の差をＥ３とすると、Ｅ３＝Ｄ６−Ｄ５より
Ｅ３＝Ｗ１２＋＃１＋Ｗ１２’−＃２・・・（９）
となる。レンズ１０８を挿入する必要が無い場合は、
Ｄ５＝Ｗ０＋＃２＋Ｗ０’・・・（１０）
Ｄ６＝Ｗ０＋Ｗ１２＋＃１＋Ｗ１２’＋Ｗ０’・・・（１１）
となるが、２つの波面の波面収差の差をＥ３’は
Ｅ３’＝Ｗ１２＋＃１＋Ｗ１２’−＃２・・・（１２）
となり（９）と全く同じである。
【００３３】
ここで同心レンズ１０４のガラス材料の屈折率分布による波面収差Ｗ１２、Ｗ１２’は光の進行方向が逆であるが、ガラス材料中の同じ場所を通過するためＷ１２、Ｗ１２’の値は等しい。また、同様に干渉計内部の光学系による波面収差Ｗ０、Ｗ０’は光の進行方向が逆であるが、同じ干渉計の内部を通過するためＷ１２、Ｗ１２’の値は等しい。従って前記、式（６）、（９）（（１２））より
Ｅ２−Ｅ３＝Ｅ＝２×＃１−２×＃２・・・（１３）
となる。撮像素子１０７によりＥ２、Ｅ３は求められており、＃１は式（３）からすでに測定済みであるため式（１３）より＃２の絶対形状を測定することができる。この測定方法においは、レンズ１０４のガラス材料の屈折率分布の影響は相殺されており、また、レンズ１０４のガラス部材中以外は共通光路であるため、極めて高精度な測定を行うことができる。
【００３４】
また、以上の様な構成により、参照光軸と被測定光軸がほぼ同一なフィゾー干渉計の構成を取ることができ、装置を小型化する事が可能となる。また、光学面１０４ｂを参照面とする事で通常測定が困難だと言われている凸型の光学面で有っても容易に測定可能である。また、ピンホール部分にミラー部材が不要なため、ミラーも汚れや微小な凹凸が測定に影響を及ぼす事がない。また、ピンホールからの全広がり光束を測定光として使用できるため、光量不足のため測定が不安定になる事がなく確実に精密な形状測定を行う事ができる。また、被測定物を配置する領域に制限がない為、大きな被測定物でも測定が可能である。
【００３５】
尚、本実施の形態では、光学面１０４ａを被測定面、光学面１０４ｂを参照面としているが、光学面１０４ａを参照面、光学面１０４ｂを被測定面とする事もできる。その場合には光学面１０４ａに入射する光は光学面１０４ａに垂直に入射し、反射した光は正確に同じ経路を辿り、再びピンホール１０３ａを通過する。一方、光学面１０４ｂにおいて反射した光は、光学面１０４ｂが光学面１０４ａと偏芯しているため、ピンホール１０３ａには戻らず、ピンホール１０３ａに隣接して設けられた窓１０３ｂを通過する。
【００３６】
また、光学面１０４ａの形状測定は、必ずしも図１（ａ）に示した方法をとる必要はなく、異なる方法で測定してもかまわない。この場合においても前記説明と同様の方法でレンズ１０４のガラス材料の屈折率分布を相殺する事ができ、光学面１０４ｂの絶対形状を高精度に測定することができる。
【００３７】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図３を参照して説明する。本実施の形態では、第１の実施の形態で示したレンズ１０４の両側に、２つの干渉計を向かい合わせに設置することにより、第１の実施の形態と同様の測定を行うことが可能となる。
【００３８】
図３に示すように、レンズ１０４の光学面１０４ａ側には、第１の実施の形態と同様に、レーザ１０１、レンズ１２１、ビームスリッター１２２、コリメータレンズ１２３、結像レンズ１０６、ＣＣＤレンズ１０７、コンピュータ１３０、ディスプレイ装置１３１が配置されている。また、レンズ１０４の光学面１０４ｂ側には、レーザ１０１’、レンズ１２１’、ビームスリッター１２２’、コリメータレンズ１２３’、結像レンズ１０６’、ＣＣＤレンズ１０７’、コンピュータ１３０’、ディスプレイ装置１３１’が配置されている。また１３２はコンピュータ１３０の測定結果とコンピュータ１３０’の測定結果を演算する演算装置である。
【００３９】
まず、第１の実施の形態の図１（ａ）で示した測定方法により光学面１０４ａの形状を測定する。次に、第１の実施の形態の図１（ｂ）で示した測定方法により光学面１０４ｂの形状を測定する。この際、光学面１０４ｂの測定結果にはレンズ１０４のガラス材料の屈折率分布による誤差が含まれている。次に、レンズ１０４は全く移動させる事なく、図３に示した様に、光学面１０４ｂをレーザ１０１’、レンズ１２１’、ビームスリッター１２２’、コリメータレンズ１２３’、結像レンズ１０６’、ＣＣＤレンズ１０７’、コンピュータ１３０’、ディスプレイ装置１３１’により光学面１０４ｂを測定する。この時光学面１０４ａを参照面、光学面１０４ｂを被測定面とするフィゾー干渉計を構成している。これらの３回の計測結果より、前記第１の実施の形態と同様に、レンズ１０４のガラス材料の屈折率分布を相殺する事ができ、光学面１０４ｂの絶対形状を高精度に測定することができる。
【００４０】
本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態で得られる効果に加え、被測定面を有するレンズを動かす事なく、また本体の干渉計を動かす事もないため、測定に使用する物理的な面形状の変動が極めて小さいため高い信頼性で絶対精度の測定が実施可能である。
【００４１】
尚、本実施の形態では干渉計を２台用いた構成を取っているが、これは一台の干渉計からの測定光を二分してレンズの両側から測定できる構成にしてもかまわない。
【００４２】
（第３の実施の形態）
図４に本発明の第３の実施の形態を示す。本実施の形態は、装置構成は前記第２の実施の形態と同様であるが、レンズが単レンズではなく、複数のレンズからなるレンズ群である。
【００４３】
２０４は複数のレンズ２０５、２０６からなるレンズ群である。２０７はレンズ２０５、２０６を保持する筐体である。レンズ２０５は凹型光学面２０５ａと凸型光学面２０５ｂを有している。またレンズ２０６は凸型光学面２０６ａ、２０６ｂを有している。光学面は集光レンズ１０２側から２０５ａ、２０５ｂ、２０６ａ、２０６ｂの順に並んでいる。レンズ群２０４以外の構成は第２の実施の形態と同様であり、同一部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００４４】
まず、レーザ１０１、レンズ１２１、ビームスリッター１２２、コリメータレンズ１２３、結像レンズ１０６、ＣＣＤレンズ１０７、コンピュータ１３０、ディスプレイ装置１３１を使って、光学面２０６ｂは参照面として、被測定面となる光学面２０５ａの形状を測定する。
【００４５】
レンズ群２０４を、ピンホール１０３ａ（不図示）を通過した光の光路中に配置する。レンズ２０５とレンズ２０６は光学面２０５ａと光学面２０６ｂとはお互いの光軸が僅かに偏芯した状態に調整され筐体２０７に固定保持されている。光学面２０６ｂに入射する光は光学面２０６ｂに垂直に入射し、反射した光は正確に同じ経路を辿り、再びピンホール１０３ａを通過する。一方、ピンホール１０３ａ（不図示）を通過した光は、光学面２０５ａにおいても反射するが、光学面２０５ａが光学面２０６ｂと偏芯しているため、ピンホール１０３ａ（不図示）には戻らず、ピンホール１０３ａ（不図示）に隣接して設けられた窓１０３ｂ（不図示）を通過する。ただし、波形整形板１０３（不図示）は、光学面２０５ａで反射した光が正確に窓１０３ｂ（不図示）を通過するように予めレンズ群２０４の形状にあわせてピンホール１０３ａ（不図示）と窓１０３ｂ（不図示）の位置が設計されている。つまり波形整形板１０３（不図示）のピンホール１０３ａ（不図示）と窓１０３ｂ（不図示）の位置は、光学面２０５ａの曲率半径と、光学面２０６ｂの光軸に対する光学面２０５ａの光軸の偏芯量により決定されている。このような構成にする事で、第１の実施の形態と同じ手法により、２０５ａの形状の測定をすることができる。
【００４６】
次に、前記測定方法で光学面２０５ａを測定した後、波面整形板１０３（不図示）を取り除くことにより、光学面２０５ａを参照面とし、光学面２０６ｂを被測定面とするフィゾー干渉計を構成し、光学面２０６ｂを測定する。
【００４７】
次に、レンズ群２０４は全く移動させる事なく、光学面２０６ｂをレーザ１０１’、レンズ１２１’、ビームスリッター１２２’、コリメータレンズ１２３’、結像レンズ１０６’、ＣＣＤレンズ１０７’、コンピュータ１３０’、ディスプレイ装置１３１’により光学面１０４ｂを測定する。この時光学面２０５ａを参照面、光学面２０６ｂを被測定面とするフィゾー干渉計を構成している。
【００４８】
これらの３回の計測結果より、前記第１、２の実施の形態と同様に、レンズ群２０４のガラス材料の屈折率分布を相殺する事ができ、光学面２０６ｂの絶対形状を高精度に測定することができる。
【００４９】
本実施の形態によれば、前記第１、２の実施の形態で得られる効果に加え、レンズ群２０４の設計により２０６ｂ面が曲率半径の大きい凸型の光学面でも凹型の光学面でも、また平面でも垂直入反射させることができる。また、曲率半径の大きい凸型の光学面に関しては、空気長を短くすることが可能となるため、空気揺らぎによる測定精度の影響が少なく極めて安定性の高い測定を行うことが可能となる。また装置スペースを小さくすることもできる。
【００５０】
（第４の実施の形態）
図５に本発明の第４の実施の形態を示す。図５は前記第１、２の実施の形態により、レンズ１０４の凸型の光学面１０４ｂの形状を、レンズ１０４のガラス材料の屈折率分布を相殺して測定した後、そのままレンズ１０４を保持した状態で、凹型の光学面５０１ａをもつレンズ５０１を光学面１０４ｂに対面させて配置する。このような配置にする事で、光学面１０４ｂを参照面、光学面５０１ａを被測定面とするフィゾー干渉計が構成され、被測定面５０１ａが測定できる。この際、光学面１０４ａからの反射光を遮光する必要があるので、遮光板５０２を挿入し光学面１０４ａからの反射光を遮断している。
【００５１】
尚、遮光板５０２の目的は光学面１０４ｂからの反射光を遮断することなので、光学面１０４ｂからの反射光を遮断ができれば、１０４ａ面に反射率を低下させる被膜を塗布する等の別の手段でもかまわない。
【００５２】
本実施の形態では、参照面となる光学面１０４ｂは、ガラス材料の屈折率分布が相殺された、非常に高精度な形状測定がなされているため、被測定面である５０１ａを非常に高精度に測定する事ができる。また、レンズ１０４の凸型の光学面１０４ｂを参照面としているため、曲率半径の大きい凹型の光学面５０１ａを高精度に測定することができる。また、参照面となる凸型の光学面１０４ｂと被測定面となる凹型の光学面５０１ａとの面間隔を短くすることができるため、空気揺らぎなどの擾乱の影響を受けない高精度な測定ができる。
【００５３】
また、本体の干渉計を動かす事がなく、また参照面となるレンズも参照面の測定後に動かす事ないため、各光学面の物理的な面形状の変動が極めて小さく、また干渉計のカメラと光学素子の位置関係も保持されているので高い信頼性で絶対精度の測定が実施可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、参照面となる光学面と被測定面となる光学面とを有するレンズの、該被測定面の形状を測定する干渉計を用いた形状測定装置において、該被測定面の光軸の１方向から光を入射して該参照面からの反射光と該被測定面からの反射光とを干渉させ該被測定面の形状を測定する手段と、該被測定面の光軸の逆方向から光を入射して該参照面からの反射光と該被測定面からの反射光とを干渉させ該被測定面の形状を測定する手段と、２つの測定結果を基に被測定面の形状を算出する手段を有する干渉計を用いた形状測定装置及び方法を提供している。これにより、レンズ部材の屈折率分布に影響されることなく極めて高精度に絶対形状を測定できる。
【００５５】
また、前記参照面と被測定面はお互いの光軸が偏芯しており、光源と、光源からの光を一旦集光させる集光レンズと、該集光した光を理想的な球面波に変換するピンホールとその近傍に設けられた光波面情報を通過させる窓とが形成された光波整形板とを有する測定手段により、該ピンホールを通過した光の光路中に、前記レンズを、前記参照面に反射した光が該ピンホールを再度通過し、前記被測定面に反射した光が該窓を通過する位置に配置し、該参照面で反射し該ピンホールを再度通過した反射光と、該被測定面で反射し該窓を通過した反射光とを干渉させることにより、予め前記参照面の形状を測定した後、該光波整形板を取り除き、前記測定手段により前記被測定面を測定する干渉計を用いた形状測定方法を提供している。
【００５６】
またこれにより、参照光軸と被測定光軸がほぼ同一なフィゾー干渉計の構成を取ることができ、装置を小型化する事が可能となる。また、光学面１０４ｂを参照面とする事で通常測定が困難だと言われている凸型の光学面で有っても容易に測定可能である。また、ピンホール部分にミラー部材が不要なため、ミラーも汚れや微小な凹凸が測定に影響を及ぼす事がない。また、ピンホールからの全広がり光束を測定光として使用できるため、光量不足のため測定が不安定になる事がなく確実に精密な形状測定を行う事ができる。また、被測定物を配置する領域に制限がない為、大きな被測定物でも測定が可能である。
【００５７】
また、前記形状測定装置は、前記レンズを反転する反転手段を有しており、レンズを反転させる事でレンズの両方向から被測定面の形状を測定する事により、一台の干渉計を移動させる事なく測定する事ができるため、装置のコスト及びスペースを大幅に低減することができる。
【００５８】
また、前記２つの被測定面の形状を測定する手段は、前記レンズの両側に対向して配置する事により、被測定面を有するレンズを動かす事なく、また本体の干渉計を動かす事もないため、測定に使用する物理的な面形状の変動が極めて小さいため高い信頼性で絶対精度の測定が実施可能である。
【００５９】
また、前記形状測定装置は、一台の干渉計からの光を光学的に２つに分離する事で、レンズの両方向から被測定面の形状を測定する事により、一台の干渉計を移動させる事なく測定する事ができるため、装置のコスト及びスペースを大幅に低減することができるのみならず、被測定面を有するレンズを動かす事もないため、測定に使用する物理的な面形状の変動が極めて小さいため高い信頼性で絶対精度の測定が実施可能である。
【００６０】
また、前記レンズを複数のレンズからなるレンズ群にすることにより、曲率半径の大きい凸型の光学面でも凹型の光学面でも、また平面でも測定可能となり、測定できるレンズのバリエーションが大幅に増える。また、曲率半径の大きい凸型の光学面に関しては、空気長を短くすることが可能となるため、空気揺らぎによる測定精度の影響が少なく極めて安定性の高い測定を行うことが可能となる。また装置スペースを小さくすることもできる。
【００６１】
さらに、前記形状測定方法で前記被測定面を測定した後、前記被測定面に対向して第２の被測定面をもつ光学素子を配置し、該第２の被測定面からの反射光と前記被測定面からの反射光とを干渉させて、前記測定手段により該第２の被測定面の形状を測定する干渉計を用いた形状測定方法を提供している。
【００６２】
これにより、参照面となる光学面はガラス材料の屈折率分布が相殺された非常に高精度な形状測定がなされているため、被測定面を非常に高精度に測定する事ができる。また、レンズの凸型の光学面を参照面とすれば、曲率半径の大きい凹型の光学面を高精度に測定することができる。また、参照面となる凸型の光学面と被測定面となる凹型の光学面との面間隔を短くすることができるため、空気揺らぎなどの擾乱の影響を受けない高精度な測定ができる。また、本体の干渉計を動かす事がなく、また参照面となるレンズも参照面の測定後に動かす事ないため、各光学面の物理的な面形状の変動が極めて小さく、また干渉計のカメラと光学素子の位置関係も保持されているので高い信頼性で絶対精度の測定が実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の説明図
【図２】第１の実施の形態で使用するピンホール部分の詳細説明図
【図３】第２の実施の形態の説明図
【図４】第３の実施の形態の説明図
【図５】第４の実施の形態の説明図
【図６】第１の従来の技術の説明図
【図７】第２の従来の技術の説明図
【符号の説明】
１０１  レーザ
１０２  集光レンズ
１０３  波面整形板
１０４  レンズ
１０６  結像レンズ
１０７  ＣＣＤカメラ
１０９  被測定物
１０８，２０５，２０６，５０１  レンズ
１２２  ビームスプリッタ
１２３  コリメータレンズ
１３０  コンピュータ
１３１  ディスプレイ
１３２  演算装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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