JPH0634334A - 波面測定方法および波面測定用干渉素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 三次元の波面形状を１状態の干渉で高精度
に、短時間で測定する。 【構成】 球面波を球面波として反射する反射面１によ
り被検光束５を反射して反射光束６とする。被検光束５
をペリクルビームスプリッタ３のピンホール３ａで回析
させ、この回析光をペリクルビームスプリッタ２で反射
して球面波光束７とする。反射光束６と球面光束７を干
渉させて波面形状を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学系の結像特性や光学
部品の面形状を測定するための波面測定方法と、この測
定方法に用いられる干渉素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】シェアリング干渉法は光学系から射出す
る光束の波面を直接的に測定するために用いられてい
る。このシェアリング干渉法においては、白色光源を使
用した測定が可能なコモンパス干渉法として、ラテラル
シェアリング干渉法が知られている。しかし、このラテ
ラルシェアリング干渉法は、被検面のシェア方向と平行
な波面形状をシェアの方向により観察するため、１方向
だけでは波面を正確に把握できず、少なくとも２方向の
シェアを行う必要があると共に、シェア方向およびシェ
ア量を正確に把握する必要があり、測定が面倒となる問
題があった。

【０００３】特開昭６１−２７２６０７号公報はかかる
問題点を解決するために開発された従来技術である。こ
の方法は、シェアリングを行う光学素子を回動機構によ
り直交する２方向に回転させるものであり、これによ
り、簡便な切換えができ、しかも３次元の波面形状の高
精度測定を可能としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の方
法では、アライメントと２方向切換えの簡便さとが改善
されているが、３次元の波面形状を測定するには少なく
とも２状態の干渉測定が必要となるため測定に長時間を
要する問題があった。

【０００５】本発明は上記事情を鑑みて考慮されたもの
であり、白色光源が使用でき、しかも１状態の干渉測定
だけで３次元の波面形状を高精度で短時間に測定できる
波面測定方法およびこの測定方法に使用する干渉素子を
提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】本発明の波面
測定方法は、球面波を球面波として反射する反射面によ
って被検光束を反射させると共に、光軸上における前記
反射光束の集光点と異なった１点で発生させた回析光を
その発生点と前記集光点とを２分する光軸に直交した平
面で反射して球面波光束とし、この球面波光束と前記反
射光束とを干渉させることを特徴とする。

【０００７】この方法に使用する本発明の干渉素子は、
球面波を球面波として反射する反射面と、この反射面に
対向配置された振幅分割面と、この振幅分割面と前記反
射面とで決定される光軸上における振幅分割面以外の１
点に設けられたピンホールとを備えていることを特徴と
する。

【０００８】上記構成において、振幅分割面に対するピ
ンホールの共役点に集光するように、反射面に被検光束
を入射させることにより、反射面からの反射による第１
の反射光束と、ピンホールで生じた被検光束の回析光束
が振幅分割面により球面波となって反射された第２の反
射光束とが同一波源となり、これらの２つの反射光束が
干渉するため、両光束の位相差を測定することにより、
被検光束の波面を求めることができる。

【０００９】

【実施例１】図１は本発明の実施例１を示し、１はガラ
ス等の鏡面からなる反射平面、２および３はこの反射平
面１に対向して配置されたペリクルビームスプリッタで
あり、数μｍ程度の厚さのニトロセルロース薄膜に所定
の透過率および反射率を得るためのコーティングが施さ
れている。これらのペリクルビームスプリッタ２，３は
反射平面１と平行に配置されており、ペリクルビームス
プリッタ２は反射平面１とペリクルビームスプリッタ３
との間の等分位置に設けられて振幅分割面として作用す
る。また、ペリクルビームスプリッタ３には、コーティ
ング膜が点状に施されていないピンホール３ａが形成さ
れており、このピンホール３ａにより光の回析が行われ
る。

【００１０】上記構成において、被検光束５が反射平面
１上の１点４に集光するように入射すると反射平面１で
反射する反射光束６が得られる。同時に被検光束５の１
部がピンホール３ａで回析し、この回析光束がペリクル
ビームスプリッタ２で反射して完全な球面波である反射
光束７が得られる。これらの２つの光束はいずれも１点
４を波源とするため可視化可能な干渉波面が得られる。
この干渉波面は被検光束５の波面と完全な波球面７すな
わち参照球面波との差に相当するものである。このた
め、公知の手段により前記被検光束５の波面を求めるこ
とができる。この場合、反射平面１とペリクルビームス
プリッタ２との間隔は被検光束５のＮＡに応じてノイズ
波面が生じない程度の小さな間隔で設定することが良好
である。また、ピンホール３ａによる回析強度は入射光
束としての被検光束５に比べて非常に弱くなるが、反射
平面１に薄膜を施して反射平面１からの反射率を小さく
することによって反射光束６および反射光束７を相対的
に同一の強度とすることで調整でき、これにより可視度
が最良の干渉波面とすることが可能となる。

【００１１】このような本実施例では白色光源を使用で
きると共に、１状態の干渉測定だけで被検光束の波面の
高精度測定が可能となる。また、被検光学系からの透過
波面を被検波面とする場合においては、その被検光学系
を再度通して計測することも可能となる。

【００１２】

【実施例２】図２は本発明の実施例２を示し、反射平面
１上に反射率ｎのガラスからなる平行平面板８が設けら
れている。平行平面板８は反射平面１に臨む下面が半透
過面８ｃとなっており、この半透過面８ｃが振幅分割面
として作用する。また平行平面板８の上面も半透過面８
ａとなっているが、この半透過面８ａにはピンホール８
ｂが形成されている。

【００１３】上記構成において、被検光束５が１点４′
に集光するように入射すると、反射平面１に対して１点
４′と対称な点４を発する反射光束６が得られる。同時
に被検光束５の１部がピンホール８ｂで回析し、この回
析光束が半透過面８ｃで反射し、完全な球面波である反
射光束７が得られる。これらの２つの光束はいずれも１
点４を波源とするため可視化可能な干渉波面が形成され
る。この干渉波面は、被検光束５の波面と完全な球面波
７すなわち参照球面波との差に相当するものであり、こ
の差から公知の手段により被検光束５の波面を求めるこ
とができる。

【００１４】本実施例も実施例１と同様な効果を有する
が、さらに、半透過面８ａおよび半透過面８ｃがガラス
材料を基板として形成されているので、高精度の面とし
易く、安定した測定ができる効果がある。なお、本実施
例では、平行平面板８を光軸方向に振動させることによ
り公知のフリンジスキャン法を容易に適用することもで
きる。

【００１５】

【実施例３】図３は本発明の実施例３を示し、同図にお
いて、９は反射率ｎのガラス材料からなる平行平面板で
ある。この平行平面板９は下面が反射面９ａとなってい
るが、上面が半透過面９ｃとなっており、反射面９ａの
所定位置にはピンホール９ｂが形成されている。

【００１６】上記構成において、被検光束５が平行平面
板９上の１点４に集光するように入射すると、反射面９
ａに対して１点４と共役な点４′を発する反射光束６が
得られる。同時に被検光束５の１部が半透過面９ｃに対
して１点４と対称な位置に置かれたピンホール９ｂで回
析し、この回析光束が半透過面９ｃおよび反射面９ａを
順次反射し、完全な球面波である反射光束７が得られ
る。そして、これらの２つの光束はいずれも１点４′を
波源とするため可視化可能な干渉波面を形成する。この
干渉波面は、被検光束５の波面と完全な球面波７すなわ
ち参照球面波との差に相当するため、この差から公知の
手段により、被検光束５の波面を求めることができる。
このような本実施例では、簡単な構成で干渉素子が形成
できるメリットがある。

【００１７】

【実施例４】図４は本発明の実施例４を示し、同図にお
いて、１０は同一厚さで屈折率ｎの同一ガラス材料から
成る２枚の平行平面板を接合した接合板であり、下面が
反射面１０ａ，上面がピンホール１０ｃを有した半透過
面１０ｂとなっていると共に、接合面１０ｄが半透過面
となっている。

【００１８】上記構成において、被検光束５が上方から
１点４に集光するように入射すると、反射面１０ａが反
射する反射光束６が得られる。同時に、被検光束５の１
部がピンホール１０ｃで回析し、この回析光束が接合面
１０ｄで反射することにより、完全な球面波である反射
光束７が得られる。これら２つの光束はいずれも１点４
を波源とするため可視化可能な干渉波面を形成する。こ
の干渉波面は被検光束５の波面と完全な球面波７すなわ
ち参照球面波との差に相当するため、公知の手段により
被検光束５の波面を求めることができる。本実施例の固
有の効果は２枚の平行平面板を接合することにより、平
行平面板により発生する球面収差の影響を軽減できるこ
とである。

【００１９】

【実施例５】図５は本発明の実施例５を示し、１１は反
射球面１１ａを有する反射部材、１２は屈折率ｎのガラ
ス材料から成る平行平面板である。この平行平面板１２
の上面はピンホール１２ｂを有した半透過面１２ａ、下
面は半透過面１２ｃとなっている。

【００２０】上記構成において、被検光束５が１点４′
に集光するように入射すると、反射球面１１ａの中心か
ら１点４′と等距離の１点４に集光するように反射する
反射光束６が得られる。同時に被検光束５の１部がピン
ホール１２ｂで回析し、この回析光束が半透過面１２ｃ
で反射することにより、完全な球面波である反射光束７
が得られる。これらの２つの光束はいずれも１点４を波
源とするため、可視化可能な干渉波面を形成する。この
干渉波面は被検光束５の波面と完全な球面波７すなわち
参照球面波との差に相当するため、公知の手段により被
検光束５の波面を求めることができる。

【００２１】本実施例においては、反射球面１１ａを楕
円面とし、点４および点４′をこの楕円の焦点位置に一
致させても良く、これによりさらに高精度な測定ができ
る。この実施例では、被検光束５の開口を縮小あるいは
拡大した反射光束が得られるので観察面上での観察範囲
を変化させることが可能となるメリットがある。

【００２２】

【実施例６】図６本発明の実施例６を示し、１３は反射
球面１３ａを有する反射部材、１４および１５はペリク
ルビームスプリッタであり、ペリクルビームスプリッタ
１４には点状に薄膜が施されていないピンホール１４ａ
が形成されている。また、ペリクルビームスプリッタ１
５は反射球面１３ａの曲率中心とピンホール１４ａを対
称的に２分する平面に一致するように配置されている。

【００２３】上記構成において、被検光束５が反射球面
１３ａの曲率中心に集光するように入射すると、反射球
面１３ａで反射する反射光束６が得られる。同時に被検
光束５の１部がピンホール１４ａで回析し、この回析光
束がペリクルビームスプリッタ１５で反射した後、再び
反射球面１３ａで反射することにより、完全な球面波で
ある反射光束７が得られる。これらの２つの光束はいず
れも１点４を波源とするため可視化可能な干渉波面を形
成する。この干渉波面は被検光束５の波面と完全な球面
波７すなちわ参照球面波との差に相当するため、公知の
手段により被検光束５の波面を求めることができる。本
実施例では、干渉素子の上方で集光すれば良く、しかも
反射光束の波源も干渉素子の上方（入射集光点と同一
点）となるため被検光学系等の配置上のスペースを大き
くすることができる。

【００２４】

【実施例７】図７は本発明の実施例７を示し、１６は屈
折率ｎのガラス材料で成形された反射球面１６ａと平面
部とを有する反射部材、１７はこの反射部材１６と同一
のガラス材料から成る平行平面板である。この平行平面
板１７は所定の反射特性を得るためピンホール１７ｂを
除いた下面１７ａ薄膜コーティングが施されていると共
に、上面１７ｃには必要に応じて同様の目的で薄膜コー
ティングが施されている。そして、反射部材１６の平面
部と平行平面板１７の下面１７ａは光学接合剤で接合さ
れて一体化されている。また、平行平面板１７の上面１
７ｃは反射球面１６ａの曲率中心Ｏとピンホール１７ｂ
を対称２分する平面に一致するような構成となってい
る。

【００２５】上記構成において、被検光束５が１点４に
集光するように入射すると、平行平面板１７の上面１７
ｃで屈折し、反射部材１６の反射球面１６ａの曲率中心
Ｏから出射する光束となり、この反射球面１６ａで反射
した後、再び平行平面板１７の上面１７ｃを透過する反
射光束６が得られる。同時に被検光束５の１部がピンホ
ール１７ｂで回析し、この回析が平行平面板１７の上面
１７ｃで反射し、曲率中心Ｏから出射する光束となる。
この光束は反射球面１６ａで反射した後、再び平行平面
板１７の上面１７ｃを透過することにより完全な球面波
である反射光束７が得られる。これらの２つの光束はい
ずれも１点４を波源とするため可視化可能な干渉波面を
形成する。この干渉波面は被検光束５の波面と完全な波
面波７すなわち参照球面波との差に相当するため公知の
手段により被検光束５の波面を求めることができる。こ
のような本実施例は実施例６の効果に加えてさらに安定
した測定ができる効果がある。

【００２６】

【実施例８】図８は本発明の実施例８を示し、１８は屈
折率ｎのガラス材料で成形された半透過球面１８ａと平
面部とを有する半球部材、１９および２０は半球部材１
８と同一の屈折率を有したガラス材料で成形された同一
厚さの平行平面板である。この内、平行平面板１９の下
面１９ａには、所定の反射特性を得るためにピンホール
１９ｂを除いて薄膜コーティングが施されている。図９
はこの平行平面板１９を示し、ピンホール１９ｂが中央
に形成されると共に、このピンホール１９ｂの周囲が遮
光部１９ｃとなっている。一方、平行平面板２０の下面
２０ａには所定の反射特性を備えるための薄膜コーティ
ングが施されており、その上面２０ｂには反射防止のた
めの薄膜コーティングが施されている。２１は反射球面
２１ａを有するコンデンサーミラーである。

【００２７】これらの半球部材１８、平行平面板１９お
よび２０は光学接合剤により接合されるが、平行平面板
２０の上面２０ｂ上に半透過球面１８ａの曲率中心が一
致すると共に、この曲率中心を通り、平行平面板２０の
上面２０ｂに直交する光軸上にピンホール１９ｂが一致
するように接合される。またコンデサーミラー２１は平
行平面板２０の上面２０ａと光軸の交点に、曲率中心が
一致するように、平行平面板１９の下面１９ｂの周辺部
に当接している。

【００２８】上記構成において、被検光束５が平行平面
板２０の上面２０ｂ上の点４に集光するように入射する
と、半球部材１８の半透過球面１８ａで反射する反射光
束６が得られる。一方、この半透過球面１８ａを透過し
た光束は反射球面２１ａで反射し、ピンホール１９ｂに
集光する光束となる。そして、この光束がピンホール１
９ｂで回析し、この回析光束が平行平面板２０の下面２
０ａで反射し再び、半透過球面１８ａで反射し、これに
より完全な球面波である反射光束７が得られる。これら
の２つの光束はいずれも１点４を波源とするため可視化
可能な干渉波面を形成する。図１０はこの干渉波面の任
意な観察面上での干渉縞である。同図において、２２は
被検光束の開口の大きさであり、２３は平行平面板１９
の遮光部１９ｃで反射光束が遮光されることにより、干
渉縞が観察できなくなった微小領域であり、２４は観察
される干渉縞を示す。

【００２９】このような干渉波面は被検光束５の波面と
完全な球面波すなわち、参照球面波との差に相当するも
のであり、この差に基づいて公知の手段により被検光束
５の波面を求めることができる。なお、図１０に示すよ
うな微小領域２３の処理については、ウィンドの平滑処
理により波面を求めれば良く、この処理においても微小
領域なので精度への影響は皆無である。なおコンデンサ
ーミラー２１の反射面は球面でなく、楕円面とした方が
ピンホール１９ｂへの集光性が良好であり、この場合に
は楕円面の２つの焦点をそれぞれ平行平面板１９の下面
１９ａおよび平行平面板２０の上面２０ｂ上に一致させ
ることにより、測定が可能となる。

【００３０】このような本実施例は、いずれの光束も半
透過球面１８ａを反射するため、半透過球面１８ａの面
精度の影響を大幅に低減させることができると共に、ピ
ンホール１９ｂでの回析強度を反射球面２１ａにより増
加することができるので、可視度の高い干渉縞を形成で
きるメリットがある。なお、この実施例においては、原
理的に２つの反射光束の強度を等しくすることは不可能
であり、理想的な可視度を得ることはできない。図１１
はこれを解消するための装置を示す。この装置において
は、平行平面板１９を平行平面板２０と同一の厚さの１
／４波長板２２に変えた干渉素子を用いて波面を測定す
るようになっている。図１１において、２２は１／４波
長板、２３は白色光源、２４はコンデンサーレンズ、２
５は干渉フィルター、２６はピンホール、２７はピンホ
ール２６の投影像を作るためのレンズ、２８は偏光子、
２９はビームスプリッタ、３０は被検レンズ、３１は検
光子、３２は検出光束を変換するためのレンズ、３３は
ＣＣＤカメラである。

【００３１】白色光源２３を発した光束はコンデンサー
レンズ２４により集光光束となり、干渉フィルター２５
により単色光束となって、ピンホール２６を照明する。
この場合、干渉フィルター２５は数種類用意し適宜切り
換えて使用するのが好ましい。ピンホール２６を発した
光束は球面波となり、この光束がレンズ２７により所定
の位置に投影像を作る。すなわち、この所定の位置を波
源とする球面波または平面波に変換され、偏光子２８で
特定方向の偏波光束となり、ビームスプリッタ２９を透
過して、被検レンズ３０に入射する。この入射光束の波
面は完全な球面波となっており、この完全な球面波が被
検レンズ３０を透過した後には被検レンズ３０が有する
波面収差に応じて球面波からずれた波面の光束５とな
る。この光束が干渉素子の表面すなわち平行平面２０の
上面に集光するように入射すると干渉素子の作用により
２つの反射波面が得られる。ここで直接半透過球面で反
射して得られる測定光束は１／４波長板２２を２回透過
するので、被検レンズ３０に入射する時の光束の偏波面
と直交する偏波面を有した光束となる。

【００３２】一方、参照波面波の光束は１／４波長板２
２を４回透過するため、被検レンズ３０に入射する時の
光束の偏波面と同一方向に偏波面を有した光束となる。
これにより、偏波面が９０°異なる２つの反射光束が得
られる。これらの２つの反射光束は逆進し、被検レンズ
３０を透過した後、ビームスプリッタ２９で反射し、被
検子３１で、両光束の設定方位成分のみが透過される。
このとき、２つの反射光束の強度が等しい場合には、こ
れらの偏波面と４５°軸をずらして検光子３１を配置す
ることで検光子３１を透過した両光束の強度が等しくな
る。しかしながら実際には、前述の如く、参照球面波の
光束は測定光束と比べて非共通の反射光路が存在するた
めに強度が小さくなる。この場合には、検光子３１を回
転させて、検光子３１を透過後の２つの光束の強度が等
しくなるように調整することができる。しかもこの２つ
の光束は同一偏波光束であるからレンズ３２により縮小
光束となってＣＣＤカメラ３３に入射し、最良の可視度
のもとで全面にわたる被検光束の参照球面波の光束との
間の位相差が測定できる。この位相差により被検光束５
の波面収差を求めることができ、この波面収差がすなわ
ち被検レンズ３０の波面収差となる。

【００３３】この場合、公知のフリンジスキャニング法
を用いられることにより、さらに正確な位相差を測定す
ることができ、有効である。また、この場合は干渉素子
をピエゾ素子などで微動させることによって可能とな
る。また、このような装置では、各波長に対応した波面
収差が得られるので、これらの波面を合成することによ
り顕微鏡対物レンズなどの従来では精度的に不可能であ
ったレンズの白色ＭＴＦを高精度で求めることも可能と
なる。

【００３４】

【発明の効果】以上のとおり本発明は、被検光束の波面
を短時間に、しかも高精度で測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の側面図。

【図２】本発明の実施例２の側面図。

【図３】本発明の実施例３の側面図。

【図４】本発明の実施例４の側面図。

【図５】本発明の実施例５の側面図。

【図６】本発明の実施例６の側面図。

【図７】本発明の実施例７の側面図。

【図８】本発明の実施例８の側面図。

【図９】実施例８の平行平面板の底面図。

【図１０】実施例８の干渉縞の正面図。

【図１１】実施例８を用いた測定装置の構成図。

【符号の説明】

１ 反射平面 ２ ペリクルビームスプリッタ ３ ペリクルビームスプリッタ ５ 被検光束 ６ 反射光束 ７ 反射光束

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 球面波を球面波として反射する反射面に
   よって被検光束を反射させると共に、光軸上における前
   記反射光束の集光点と異なった１点で発生させた回析光
   をその発生点と前記集光点とを２分する光軸に直交した
   平面で反射して球面波光束とし、この球面波光束と前記
   反射光束とを干渉させることを特徴とする波面測定方
   法。
2. 【請求項２】 球面波を球面波として反射する反射面
   と、この反射面に対向配置された振幅分割面と、この振
   幅分割面と前記反射面とで決定される光軸上における振
   幅分割面以外の１点に設けられたピンホールとを備えて
   いることを特徴とする波面測定用に用いられる干渉素
   子。