JPH10221031A - 非球面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非球面形状を正確に測定できる非球面測定装
置を提供する。 【解決手段】 被検レンズ１３が保持機構３により保持
されているときに、参照光および被検面１３ａでの反射
により得た測定光の相互干渉による干渉縞から得られる
被測定面形状データＤ２と、レフ原器１２が保持機構３
により保持されているときに、参照光およびレフ原器面
１２ａでの反射により得た測定光の相互干渉による干渉
縞から得られるレフ原器面形状データＤ１と、検出装置
７により測定された位置を介して得られる保持機構３に
保持された被検面１３ａおよびレフ原器面１２ａの相対
位置偏差Ｌとを求めるとともに、レフ原器面１２ａの形
状Ｒおよび定数ｈをさらに用いることにより、被検面１
３ａの形状「Ｗ＝（Ｄ２−Ｄ１）＋Ｒ＋ｈ×Ｌ」を算出
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヌルレンズ等のヌ
ル素子により生成された非球面波を用いて非球面形状を
計測する非球面形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】球面で構成された球面レンズの面精度を
高精度に干渉計測する手法としては、いわゆるレフ減算
が知られている。以下にこの手法を説明する。

【０００３】予めその絶対形状が校正されたレフ原器の
面精度誤差をＲ、干渉計測するためにフィゾーレンズか
ら発生された球面波の面精度誤差をＳ、被検面の面精度
誤差をＷと置く。なお、面精度誤差とは真球度誤差のこ
とであり、被検面形状の最適近似球面からの偏差形状を
意味しており、通常の干渉計測では、２個の面からの測
定光が干渉して形成される干渉縞を解析することによ
り、片一方の面に対する他方の面の相対的な面精度誤差
が計測される。

【０００４】このとき、レフ原器の面精度測定で得られ
た測定データは、Ｄｒ＝Ｓ＋Ｒであり、被検面の面精度
測定で得られたデータは、Ｄｗ＝Ｓ＋Ｗであるから、両
者の減算から、Ｗ＝（Ｄｗ−Ｄｒ）＋Ｒを求める手法で
ある。レフ減算を行う理由は、フィゾー面の面変化等の
影響を除くためである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このレ
フ減算の手法を非球面形状測定に適用しようとしたと
き、例えば、断面形状が、

【数１】 Ｚ＝Ｘ² ／Ｒ／｛１＋（１−κＸ² ／Ｒ² ）^1/2 ｝ ＋Ｃ₀₄ Ｘ⁴ ＋Ｃ₀₆ Ｘ⁶ ＋Ｃ₀₈ Ｘ⁸ ＋Ｃ₁₀ Ｘ¹⁰ ・・・式（１） で表される２次非球面をベースとした高次非球面形状を
有する被検面の場合、被検面の形状誤差（設計値からの
幾何学的な形状誤差および面精度）を干渉計を用いて測
定する場合には、設計値通りの理想的なヌル波面が所定
の位置に形成されても、通常光は直進するために、所定
の位置から干渉計の光軸方向に、ある一定量だけ観測位
置を変位すれば、そのヌル波面は非球面の幾何学的な形
状を変えてしまう。具体的には、式（１）の各係数が設
計値から乖離することになる。

【０００６】しかるに、被検面の方もそれと同じ量だけ
設計値から幾何学的な形状が乖離していれば、その被検
面を上述の一定量だけ変位した位置に設置することによ
り、いわゆる縞一色の干渉縞が得られてしまう。球面の
場合も同様の現象は生じているが、球面波の場合は、そ
の観測位置を変えてもあくまでも球面の形状は保たれる
点が大きく異なっている。

【０００７】したがって、レフ減算により被検面の位置
が正確に確定できたとしても、こんどは所定の位置にお
けるヌル波面自身が設計形状から乖離していることが充
分予想され、ヌル波面そのものの校正も必要になってく
るという問題点があった。

【０００８】本発明の目的は、非球面形状を正確に測定
できる非球面測定装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】一実施の形態を示す図１
〜図３に対応づけて説明すると、請求項１に記載の発明
は、被測定物１３に形成された被測定面１３ａの非球面
形状を測定する非球面形状測定装置に適用される。そし
て、参照光および測定光の相互干渉に基づく干渉縞を形
成する干渉計本体１０２と、干渉計本体１０２から射出
される波面を被測定面１３ａと略等しい形状の非球面波
１０に変換するためのヌル素子２と、レフ原器面１２ａ
の形状Ｒが別途校正されたレフ原器１２と、ヌル素子２
を経由した非球面波１０が照射される位置において被測
定物１３およびレフ原器１２を交換可能に保持するとと
もに、保持された被測定物１３およびレフ原器１２を非
球面波１０の光軸Ｘ方向に移動可能とした保持装置３
と、保持装置３の光軸Ｘ方向の位置を測定する位置測定
装置７と、被測定物１３が保持装置３により保持されて
いるときに、参照光および被測定面１３ａでの反射によ
り得た測定光の相互干渉による干渉縞から得られる被測
定面形状データＤ２と、レフ原器１２が保持装置３によ
り保持されているときに、参照光およびレフ原器面１２
ａでの反射により得た測定光の相互干渉による干渉縞か
ら得られるレフ原器面形状データＤ１と、位置測定装置
７により測定された位置を介して得られる保持装置３に
保持された被測定面１３ａおよびレフ原器面１２ａの相
対位置偏差Ｌとを求めるとともに、レフ原器面１２ａの
形状Ｒおよび定数ｈをさらに用いることにより、被測定
面１３ａの形状「Ｗ＝（Ｄ２−Ｄ１）＋Ｒ＋ｈ×Ｌ」を
算出する演算装置２００とを備えることにより上述の目
的が達成される。

【００１０】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。

【００１１】

【発明の実施の形態】図３は、本発明による非球面形状
測定装置の原理を示している。まず、図３（ａ）に示す
ように、測定ヌル波面１０に対して、レフ原器１２のレ
フ原器面１２ａを極力縞一色状態となるようにアライメ
ントする。このアライメント位置をユニークに決定する
ためには、この干渉縞情報に基づき、別途アライメント
誤差補正を行う必要がある。但し、このアライメント誤
差補正の演算データに基づいてレフ原器面１２ａを再ア
ライメントする必要はない。もちろん可能ならば再アラ
イメントしても良い。

【００１２】説明の簡略化のために、図３（ａ）はユニ
ークに位置決めが完了した状態を表すものと仮定し、得
られた測定データをＤ１とおく。この時、Ｄ１＝Ｒ−Ｎ
１と表すことができる。ここに、Ｒはレフ原器面１２ａ
の形状を、Ｎ１はそのレフ原器面１２ａの形状に対して
ユニークに決定される位置での、測定ヌル波面形状を、
それぞれ表している。

【００１３】次に、図３（ｂ）に示すように、被検レン
ズ１３の被検面１３ａに対して同様の干渉計測を行い、
得られた測定データをＤ２とおく。この時、Ｄ２＝Ｗ−
Ｎ２と表すことができる。ここに、Ｗは被検面１３ａの
形状を、Ｎ２はその被検面１３ａの形状に対してユニー
クに決定される位置での測定ヌル波面形状を、それぞれ
表している。

【００１４】以上得られた２個の測定状態間の光軸方向
の距離Ｌを別途計測する。なお、図３で示された距離Ｌ
と、測定距離（例えば後述する図２の検出装置７の出力
値）とは、レフ原器面と被測定面の乖離が大きくなる
程、誤差が大きくなる。それを簡便に補正するために
は、例えば、レフ原器面と被測定面の互いの設計形状か
ら、特願平９−２０３０６号明細書の図３で提案された
ような、同一ホルダに対する頂点の光軸方向の変位量を
適用してもよいし、より正確にレフ原器面と被測定面の
位置関係を確定するためには、例えば特願平９−１８１
３７号明細書で提案されたような、ヌル波面基準のゼロ
点を基準としても良い。ヌル素子がＺＰの場合は、特願
平９−２０３０７号明細書で提案されたように、基準と
なる球面波の発生を可能とし、それを利用してもよい。
いずれの場合も、この値をさらに２箇所でのアライメン
ト誤差補正データにより補正する必要がある。

【００１５】この距離Ｌから、測定ヌル波面形状の変化
量ΔＮ＝Ｎ２−Ｎ１が式（１）を用いて算出可能であ
る。より現実に即した関係を求めるためには、式（１）
において設計値の代りに実測値を用いればよい。さらに
は、予めΔＮを実測してもよい。

【００１６】このΔＮの性質としては、

【数２】 ΔＮ＝ｈ×Ｌ ・・・式（２） で表されるように、所定位置の近傍では、測定光軸方向
の位置に依存せず、Ｌの値のみで決定されるという性質
があり、Ｄ１のレフ原器面データの測定時に、レフ原器
１２を測定光軸方向に走査させることにより、この測定
を行ってもよい。この実測定にも、アライメント誤差補
正が必要なことはいうまでもない。

【００１７】さて、以上得られた測定データに基づい
て、次式により被検面１３ａの面形状が算出可能とな
る。すなわち、

【数３】 Ｗ＝（Ｄ２−Ｄ１）＋Ｒ＋ｈ×Ｌ ・・・式（３） を用いて、被検面１３ａの面形状測定が可能となる。

【００１８】なお、被検面１３ａに対するレフ原器面１
２ａの形状差を意図的に極端に与える場合、もしくは測
定ヌル波面が被検面に対してヌル化されずに意図せず大
きな残存收差を含む場合、ユニークな位置決めを行うた
めには、その情報を前述したアライメント誤差補正に正
確に反映させる必要があることは言うまでもない。

【００１９】−非球面形状測定装置の一実施の形態− 以下、図１〜図３を用いて本発明による非球面形状測定
装置の一実施の形態について説明する。

【００２０】図１に示すように、本実施の形態の非球面
形状測定装置は干渉計１００と、演算装置２００と、ア
ライメント用のモニタ３００とを備える。干渉計１００
は光学系装置１０１と、干渉計本体１０２と、干渉計本
体１０２内に形成される干渉縞を撮像するための干渉縞
撮像装置（ＣＣＤカメラ）１０３とを備え、干渉縞撮像
装置１０３には演算装置２００およびモニタ３００がそ
れぞれ接続されている。

【００２１】図２に示すように、光学系装置１０１は干
渉計本体１０２から射出された平面波が入射されるフィ
ゾーフラット１と、フィゾーフラット１を透過した光束
をヌル波面に変換するヌル素子（ヌルレンズ）２と、レ
フ原器１２または被検レンズ１３を保持するとともに、
干渉計１００の測定光軸方向に移動させる保持機構３と
を備える。保持機構３は、レフ原器１２あるいは被検レ
ンズ１３を保持する保持部３ａと、保持部３ａに当接し
て保持部３ａを支持する摺動部３ｂと、摺動部３ｂを干
渉計１００の測定光軸Ｘに沿って摺動可能に支持するレ
ール部３ｃとからなる。摺動部３ｂをレール部３ｃに沿
って移動させることにより、保持部３ａに保持されたレ
フ原器１２または被検レンズ１３を干渉計１００の測定
光軸方向に摺動させることができる。

【００２２】図２において、７は保持部３ａの測定光軸
方向への変位を検出するための検出装置である。図２で
は、高精度測定のために通常良く用いられるレーザ測長
器が検出装置７として例示されている。検出装置（レー
ザ測長器）７は、測長用の周波数安定化レーザ光を発生
させるとともにビームスプリッタにより光束を参照光と
測定光とに分配し、２光束の干渉計信号を検出するため
の本体７ａと、レフ原器１２等に取り付けられ測定光を
反射させるためのミラー７ｂとを備える。

【００２３】アッベ誤差を緩和させるために、検出装置
７の測長光束の光軸は干渉計１００の測定光軸Ｘと一致
されている。また、偏心を測定するために、マスター原
器１２あるいは被検レンズ１３の裏面（図２において上
面）からの干渉測定光を使用する場合には、干渉計１０
０の測定光軸Ｘを対称軸として振り分けた２箇所につい
て測長を行うようにしてもよい。

【００２４】図２に示すように、干渉計本体１０２から
射出される平面波は、フィゾーフラット１に形成された
高精度参照面１ａに垂直に入射され、干渉縞を形成させ
るための一方の測定波面（反射光）を発生させる。高精
度参照面１ａを透過した測定光束は、ヌルレンズ２に入
射され、所定の位置で設計形状と略等価な非球面形状と
なる測定ヌル波面１０を発生させる。

【００２５】保持機構３に取り付けられたレフ原器１２
または被検レンズ１３からの反射光は、他方の測定波面
となり、フィゾーフラット１の高精度参照面１ａにおい
て反射された一方の測定波面とともに干渉計本体１０２
に戻る。両者の測定波面は干渉計本体１０２内で干渉し
合い、形成された干渉縞は干渉縞撮像装置１０３により
撮像され、その撮像信号は演算装置２００およびモニタ
３００に出力される。

【００２６】演算装置２００は、撮像装置１０３からの
信号を受けて、形状測定のための演算を行う。演算装置
２００は、干渉計本体１０２内の干渉縞撮像装置１０３
からの画像情報を光路差データに変換し、被検面１３ａ
の形状誤差を算出する。

【００２７】モニタ３００は干渉縞自体の映像を表示
し、モニタ３００の画像はレフ原器１２および被検レン
ズ１３の位置を調整する際に用いられる。すなわち、レ
フ原器１２および被検レンズ１３の位置調整により極力
縞一色状態とする際に、モニタ３００の画像を見ながら
保持機構３を操作する。

【００２８】以上のように構成された本実施の形態の非
球面形状測定装置を用いて、被検レンズ１３の被検面１
３ａの形状を測定する場合の手順の一例について、図２
および図３を用いて説明する。

【００２９】まず、極力縞一色となる位置にレフ原器１
２がセットされるように、保持機構３を調節する。この
際、レフ原器１２の反射面１２ａに測定ヌル波面が極力
垂直に入射するよう（縞一色となる）ように、モニタ３
００を見ながら保持機構３を調整する。このときの干渉
縞に基づき、レフ原器面データとなる上述のＤ１が演算
装置２００により算出され、演算装置２００内に記憶さ
れる。また、このときの検出装置７の測長値がレフ原器
１２の位置として演算装置２００に記憶される。

【００３０】次に、保持機構３からレフ原器１２を取り
外し、被検レンズ１３を保持機構３にセットする。レフ
原器１２の位置調整と同様、保持機構３を操作すること
により被検レンズ１３を測定光軸Ｘ方向に移動させ、極
力縞一色状態となる位置に調節する。このときの干渉縞
に基づき、被検面データとなる上述のＤ２が演算装置２
００により算出され、演算装置２００内に記憶される。
また、このときの検出装置７の測長値から上述のレフ原
器１２の位置を表す測長値から減算し、上述のＬが算出
される（図３参照）。算出されたＬは演算装置２００に
記憶される。

【００３１】なお、レフ原器１２に代えて被検レンズ１
３を保持機構３にセットすると、測定データが安定する
までに時間を要するのが一般的であり、その判断のため
にアライメント誤差補正が必要となる。一旦、測定デー
タが安定すれば、採用する測定データに対応した被検面
１３ａの光軸方向位置を演算器にフィードバックさせ、
第１の被検レンズの形状測定を完了させる。

【００３２】以上のようにして算出されたＤ１、Ｄ２お
よびＬと、校正されたレフ参照形状Ｒとを上述の式
（３）に代入する演算を演算装置２００において行い、
被検面１３ａの面形状Ｗを求める。ここで、式（３）に
おけるｈの値は演算装置２００により予め、あるいは事
後に算出されるが、ｈを算出するために被検面１３の設
計値形状を用いることができる。より正確なｈの値を算
出するため、校正されたレフ原器面１２ａの形状を用い
てもよいし、レフ原器１２を光軸Ｘ方向に移動させたと
きのデータに基づいて、別途、上述のΔＮを求めてもよ
い。

【００３３】このように、被検面１３ａの非球面形状が
レフ原器面１２ａからの形状誤差として算出されるが、
レフ原器面１２ａの校正は、被検面１３ａによる干渉計
測の前後を問わない。すなわち、予めレフ原器面１２ａ
の校正を行っておいてもよいし、被検面１３ａの干渉計
測後に校正を行ってもよい。

【００３４】以降、同様の手順で、第２、第３の被検レ
ンズ１３を測定して行く。なお、ヌル素子としては、ヌ
ルレンズの代りに、ゾーンプレートで代表される回折格
子型ヌル素子を用いてもよい。レフ原器面１２ａの形状
として、被検面１３と同一形状のもの（被検面１３の設
計値形状と同一形状となるように作製されたもの）を用
いてもよい。この場合には、Ｌは０に近い値を取ること
になる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、被測定面の形状Ｗを
「Ｗ＝（Ｄ２−Ｄ１）＋Ｒ＋ｈ×Ｌ」の式により算出す
るので、被測定面の非球面形状を正確に測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による非球面測定装置の一実施の形態を
示すブロック図。

【図２】図１に示す実施の形態の非球面測定装置の光学
系装置を示す図。

【図３】本発明の原理を説明する図。

【符号の説明】

２ ヌル素子 ３ 保持機構 ７ 検出装置 １０ 測定ヌル波面 １２ レフ原器 １２ａ レフ原器面 １３ 被検レンズ １３ａ 被検面 １０２ 干渉計本体 ２００ 演算装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に形成された被測定面の非球面
   形状を測定する非球面形状測定装置において、 参照光および測定光の相互干渉に基づく干渉縞を形成す
   る干渉計本体と、 前記干渉計本体から射出される波面を前記被測定面と略
   等しい形状の非球面波に変換するためのヌル素子と、 レフ原器面の形状Ｒが別途校正されたレフ原器と、 前記ヌル素子を経由した前記非球面波が照射される位置
   において前記被測定物および前記レフ原器を交換可能に
   保持するとともに、保持された前記被測定物および前記
   レフ原器を前記非球面波の光軸方向に移動可能とした保
   持装置と、 前記保持装置の前記光軸方向の位置を測定する位置測定
   装置と、 前記被測定物が前記保持装置により保持されているとき
   に、前記参照光および前記被測定面での反射により得た
   測定光の相互干渉による干渉縞から得られる被測定面形
   状データＤ２と、前記レフ原器が前記保持装置により保
   持されているときに、前記参照光および前記レフ原器面
   での反射により得た測定光の相互干渉による干渉縞から
   得られるレフ原器面形状データＤ１と、前記位置測定装
   置により測定された位置を介して得られる前記保持装置
   に保持された前記被測定面および前記レフ原器面の相対
   位置偏差Ｌとを求めるとともに、前記レフ原器面の形状
   Ｒおよび定数ｈをさらに用いることにより、前記被測定
   面の形状「Ｗ＝（Ｄ２−Ｄ１）＋Ｒ＋ｈ×Ｌ」を算出す
   る演算装置とを備えることを特徴とする非球面形状測定
   装置。