JPS63223538A - 干渉測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ホログラムを用いて参照波面を作り、光学素
子の検査を行なう干渉測定装置に関し、特に、その光学
系に関する。

従来の技術 一般に、レンズ、反射鏡などの光学素子の面形状を測定
する場合、理想的な面形状を有する原器を用い、被測定
面で反射した光と原器面で反射した光とを干渉させ、そ
れによって生じる干渉縞を観察して光学素子の面形状を
測定する方法がよく用いられる。この方法は、被測定面
の製作誤差が一目でわかるので非常に便利であるが、原
器面を製作するのに困難を伴なう。特に、近年よく用い
られている非球面レンズなどの非球面形状を測定するた
めに、非球面原器を製作するのは、きわめて困難である
。この困難′を避けるための方法として、原器の代わり
に計算機ホψグラムを用いて被測定面の理想的形状をも
つ波面を再生させる方法が考案されている。

この種の干渉測定装置における光学系の従来例として「
光学第１０巻第３号（１９８１年６月）」Ｐ、１７４〜
Ｐ、１８３に記載されている光学系を第７図に示し、こ
れを説明する。

同図において、不図示のレーザー胤振器から発せられた
レーザー光は、レンズ（ｌｂ）、ピンホール（ＩＣ）を
通ってレンズ（２０）に至る。レンズ（２ｏ）は、ピン
ホール（ＩＣ）を被測定面（７）の中心ｃト結像させる
。レンズ（２０）を透過したレーザー光は、ビームスプ
リッタ−（３］を通り、ホログラム（６）に入射する。

ホログラム（６）はゾーンプレート型のホログラムであ
り、光軸上、被測定面（７）の曲率中心から若干、前方
または後方にずらせたところに配置される。第７図には
前方に配置された例が示されている。また、ホログラム
（６）には、球面波が入射すれば、その−１次回折成分
が、被測定面（７）の位置で理想的非球面形状をもつ波
面になるようなパターンが描かれている。レンズ（２０
）によって被測定面（７）の中心に収束したレーザー光
、すなわち、ホログラム（６）によるＯ次回折成分は、
被測定面（７）の面精度に影響されずに反射し、元の光
路を逆行する。そして、ホログラム（６）で再び回折す
る成分のうち＋１１次回折成がビームスプリッタ−（３
）で反射し、空間周波数フィルタ（２１）を通過して不
要な成分が遮断され、参照波面となる。

波１面は、被測定面（７）で反射し、再びホログラム（
６）に入射する。ホログラム（６）で回折する成分のう
ち０次波面となる。フィルタ（２１）を通過した参照・
測定両波面は、互いに干渉し合い、干渉縞を形成する。

被測定面（力が設計値通りに製作されている場合、ホロ
グラム（６）によって再生された一１次回折光の波面は
、被測定面（７）に垂直入射するので、被測定面（７）
で垂直に反射し、元の光路を逆行する。従って、フィル
タ（２１）を通過した参照波面と測定波面とは同一の波
面形状になり、干渉縞はワンカラーになる。

他方、被測定面（力が設計値通りに製作されていない場
合、ホログラム（６）によって再生された波面は、被測
定面（７）に斜入射するので、被測定面（７）で反射し
た波面は、元の光路を逆行しない。したがって、参照波
面と測定波面は相異なる波面形状をもち、被測定面（７
）の形状誤差を与える干渉縞が生じる。そして、この干
渉縞を観察することによって、被測定面（７）の形状が
測定できる。

以上、説明したように、この干渉測定装置では、参照波
面と測定波面とがほぼ共通の光路を通るため、トワイマ
ン・グリーン型等の干渉測定装置よりも振動に強いなど
、様々な利点がある。

発明が解決しようとする問題点 ところで、口径比の大きな面を測定する場合、ホログラ
ムが再生する充円錐の開口数を太きくしなければならな
い。そして、ホログラムが再生する充円錐の開口数が犬
きくなるほど再生波面の回折角が犬きくなる。

一方、再生波面の回折角は、ホログラムに描かれるパタ
ーンのピッチで決まり、パターンのピッチが細かくなる
ほど再生波面の回折角は大きくなる。

したがって、測定する面の口径比が大きいほど、ホログ
ラムに描くパターンのピッチを細かくしなければならな
い。

しかし、ホログラムに描くパターンのピッチを、無制限
に細かくすることはできない。すなわち、写真縮小法に
よってホログラムを製作する場合、縮小レンズの解像力
よりもパターンのピッチを細かくすることは不可能であ
り、また、直接描画法によって製作する場合、描画装置
のステップ幅よりもパターンを細かくすることは不可能
である。

つまり、ホログラムを用いた干渉測定では、測定できる
被測定面の口径比に限界があり、口径比が大きな面を測
定することは不可能である。

そこで、本発明は、従来の装置では不可能であった口径
比の大きな面ｃ％に、非球面）を測定することができる
干渉測定装置を提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 上記の目的を達成するために、本発明の干渉側ｇｉｔａ
・　　　　　　　　　　　　　　　エ干渉性光源から発
せられた光を平行平面波に奏換する第１の交換手段と、 前記平行平面波の光路中、その進行方向に対して斜めに
配置された半透鏡と、 被測定面に最も近い面が透過型原器面になっている透過
型原器と、 前記平行平面波を球面波に交換する第２の変換手段と、 その第２の変換手段と前記被測定面との間に配置され、
かつ、前記球面波が入射すると、＋ｎ次回折成分（ｎは
自然数）が前記被測定面が配置された位置で所定の形状
をもつ波面になるように製作されたゾーンプレート型ホ
ログラムとを備えたことを特徴とする。

作　　　用 上記の構成をとることによって、本発明の干渉測定装置
では、ホログラムのパワーが、第２の変換手段のパワー
で補なわれる。

本発明を実施した干渉計中１装置の実施例について、図
面を参照しながら説明する。

第１図において、レーザー光が、レーザー発振器（１ａ
）、レンズ（１ｂ）、ピンホール（ＩＣ）で構成される
光源ユニット（１）から発せられ、第１の変換手段であ
るコリメーターレンズ（２）によって平行平面波に変換
される。平行平面波に変換されたし収束レンズ（４）に
至り、球面波に変換される。基準収支レンズ（４）の最
も被測定面Ｃｎ個のレンズ面（４ａ）（以下、最終面と
いう）は、基準収束レンズ（４）の焦点を中心とし、パ
ックフォーカスを半径とする球面の一部番こなるように
形成された。透過型原器面になっており、反射防止膜が
コーチ沖グされて＾ いない。基準収束レンズ（４）の最終面（４ａ）から射
出されたレーザー’＋は、基準収支レンズ（４）の焦点
位置に配置されたフィルター（５）を通り、ホログラ剋 ム（６）寺経て凹状非球面である被測定面（７）に入射
する。ホログラム（６）は、球面波が入射すれば、その
＋１次回折成分が被測定面（７）の位置で理想的非球面
形状をもつ波面になるようなパターンが描かれたゾーン
プレート型のホログラムである。被測定面（７）に入射
したレーザー光は、その面（７）で反射し、再びホログ
ラム（６）で回折してフィルター（５）に至る。

このとき、被測定面（７）で反射した光のうち、被測通
過し、他の不要光は遮断される。これによって、後で説
明する干渉縞のコントラストが高くなり、より正確な測
定が可能となる。フィルター（５）を通過した測定波面
は、基準収束レンズ（４）に、その最終面（４ａ）から
入射し、平行平面波、あるいは近似平行平面波に変換さ
れたのち、半透鏡臼）で反射し、結像レンズ（８）に入
射する。

ところで、基準収束レンズ（４）の最終面（４ａ）は、
基準収束レンズ（４）の焦点を中心とし、バックフォー
カスを半径とする球面の一部になっているので、基準収
束レンズ（４）に入射する平行平面波は、この最終面（
４ａ）に垂直に入射する。また、この面（４ａ）には反
射防止膜がコーティングされていないので、約４チの光
がこの面（４ａ）で反射する。

すなわち、基準収束レンズ（４）に入射した平行平面波
は、その一部が最終面（４ａ）で垂直に反射し、元の光
路を逆行して再び平行平面波になる。そして、この平行
平面波を参照波面として用いる。その後、この参照波面
は、半透鏡０）で反射し、結像レンズ（８）に入射する
。

結像レンズ（８）に入射する測定波面と参照波面は互い
に干渉しあって干渉縞を生じ、この干渉縞が結像レンズ
（８）によって撮像素子（９）上に結像される。

被測定面（７）が設計値通りに製作されている場合、ホ
ログラム（６）によって再生された波面は、被測定面（
７）に垂直入射するので、元の光路を逆行し、ホログラ
ム（６）、フィルター（５）、基準収束レンズ（４）を
通って平行平面波に戻る。すなわち、測定波面は平行平
面波に変換される。したがって、測定波面と参照波面と
によって生じる干渉縞は、ワンカラーになる。

被測定面（７）が設計値通りに製作されていない場合、
ホログラム（６）によって再生された波面は被測定面（
７〕に斜入射し、被測定面（７）で反射した波面には、
被測定面（７）と設計値との差の２倍の偏差が生じる。

したがって、この反射光は、元の光路を完全には逆行せ
ずに、ホログラム（６）、フィルター（５）、基準収束
レンズ（４）を通った後、近似平行平面波に変換される
。このとき、フィルター（５）によって、被測定面（７
）からの反射光のうち、被測定面情報を含まない不換光
が遮断される。近似平行平面波に変換された測定波面と
平行平面波に変換された参照波面とが互いに干渉しあっ
て干渉縞を生じ、この干渉縞が結像レンズ（８月とよっ
て撮像素子（９）上に結像される。この干渉縞を観察す
ることによって被測定面（７）の形状が測定できる。

なお、前記の方法によれば、使用するレーザー光の半波
長よりも小さな誤差を測定することはできないが、被測
定面（７）をわずかに傾けて配置することにより、より
小さな誤差を測定することができる。すなわち、被測定
面（７）をわずかに傾けて配置すると、被測定面（７）
が設計値通りに製作されている場合、測定波面と参照波
面とによって生じる干渉縞はまっすぐな平行縞となる。

ところが、被行縞とならず、測定波面に含まれる偏差量
（被測定面（７）と設計値との差の２倍の量）が、干渉
縞の歪み量として現われる。したがって、この歪み量を
測定することによシ、使用するレーザー光の半波長より
も小さな誤差を測定することが可能となる。

以上、説明したように、本実施例の干渉測定装置では、
ホログラム（６月こ球面波を入射させ、さらに、ホログ
ラム（６）による＋１１次回折成を用いているので、以
下に述べるように、平行平面波を入射させる場合と比べ
て回折角を小さくしても同形状の波面を再生させること
ができ、ホログラム（６）のパターンのピッチをより粗
くすることができる。

すなわち、第２図に示すように、ホログラム（６）に平
行平面波を入射させ、回折角０１で入射光を回折させて
波面を再生させる場合（ａ）に比べ、ホログラム（６）
に球面波を入射させ、かつ、ホログラム（６）による＋
１１次回折成を用いている場合（ｂ）では球面波から入
射球面波の曲率半径に近い球面波に、あるいは、入射球
面波の曲率半径を近似曲率半径とする非球面波に変換さ
せるだけでよいので、回折角θ２は、θ２くθ１とする
ことができる。よって、（ｂ）の光学系の方が（ａ）の
光学系よりも、ホログラム（６）のパターンのピッチを
粗くすることができる。

ところで、第７図に示した干渉測定装置では、ホログラ
ム（６］に球面波を入射させているが、ホログラム（６
）による−１次回折成分を用い、ホログラム（６）の法
線に関して入射光線と同じ側に回折させている（第２図
（Ｃ）参照）。第２図（ａｌ　＋　（ｃ＋より明らかな
ように、第７図に示した干渉測定装置に用いられている
ホログラム（６）の回折角θ３はθ３〉０１となり、平
行平面波を入射させる場合（ａｌに比べ、ホログラム（
６］のパターンのピッチをよす細がくしなければならな
い。

したがって、本実施例のように、ホログラム（６）に球
面波を入射させ、かつ、ホログラム（６）による＋１１
次回折成を用いた場合（ｂ）、すなわち、ボログラム（
６］のパワーを第２の変換手段（４）のパワーで補なっ
た場合が、３例の中で、ホログラム（６）の回折角を最
も小さくでき、その結果、ボログラム（６）に描かれる
パターンのピッチを最も粗くできる。

逆に言えば、描かれているパターンのピッチカ同じホロ
グラム（６）を用いた場合、ホログラム（６）の法線と
ホログラム（６）によって再生された光線上のなす角は
、（ｂ）が最も大きくなり、最も口径比の大きな面を測
定することが可能となる。すなわち、（ａ）や（Ｃ）の
場合では口径比が大きすぎて測定が不可能であった面を
、本発明を用いれば、測定することが可能となる。

さらに、本実施例で用いるボログラム（６）は、ゾーン
プレート型であるので搬送周波数を導入する必要がなく
、搬送周波数を導入する必要がある他のホログラムより
も、パターンのピッチを一層粗くすることができる。

なお、言うまでもなく、ホログラム（６）による＋２次
、＋３次・・・・・・回折成分を用いることは可能であ
る。

次に、第３図を参照して、凸面を測定する干渉；＠ｖシ →装置に本発明を実施した実施例について説明する。な
お、第３図では、第１図と共通な部分を省略しており、
その部分については、説明も省略する。同図において、
半透鏡を透過してきた平行平面波は、ビームエキスパン
ダ（１ｏ）によっテ、ソの光束径が拡げられ、基準収束
レンズ（４）に至り、球面波に変換される。基準収束レ
ンズ（４）は、その最終面（４ａ）が透過型原器面にな
っており、反射防止膜がコーティングされていない。球
面波に変換されたレーザー光は、ホログラム（６ンを通
り、凸面状の被測定面（７）に入射する。ホログラム（
６）ハ、第１図に示したものと同様、球面波が入射すれ
ば、その＋１次回折成分が被測定面（７）の位置で理想
的非球面形状をもつ波面になるようなパターンが描かれ
たゾーンプレート型のホログラムである。そして、第１
図に示した実施例と同様に、被測定面（７）で反射した
測定波面と基準収束レンズ（４）の最終面（４ａ）で反
射した参照波面とを干渉させ、その干渉縞を観測するこ
とによって、被測定面（７］の形状が測定できる。なお
、この場合、非測定面（７）で反射した光の不要光を遮
断するフィルターは、結像レンズ（８）の焦平面に配置
される。

第４図は、本発明を実施した他の実施例を示す図である
。この実施例では、二つのホログラム（６Ａ）、（６Ｂ
）を使用している。その他の点は、第１図、第３図に示
した実施例と本質的な差はない。第５図に示すように、
二つのホログラム（６Ａ３゜（６Ｂ）によって入射光を
回折させるの】と、１枚のホログラムによって入射光を
回折させる場合（ａ）に比べ、各々のホログラム（６Ａ
）、（６Ｂ）の回折角θ４．θ５を小さくすることがで
き、その結果、各ホログラム（６Ａ）、（６Ｂ）に描か
れるパターンピッチを粗くすることができる。すなわち
、一定の角度θに光を回折させる場合、２枚のホログラ
ムで回折、させると、各ホログラム（６Ａ）、（６Ｂ）
の回折角θ４．θ５は、 θ＝０４＋０５ の関係を満たすため、 θ４．θ５くθ となり、１枚のホログラムで光を回折させるときの回折
角θと比べて小さくなる。

なお、第４図に示すように、本実施例においても凸面形
状を測定しているが、凸面の径が小さいので、第３図に
示した実施例で用いられていたビームエキスパンダ（１
０）が不要である。

第６図は、透過型原器として平面型透過型原器（４Ａ）
を平行平面波を球面波に変換する第２の変換手段として
平行平面波が入射すれば球面波が再（４Ｂ）を用いた干
渉沖禰装置の光学系、すなわち、透過型原器（４Ａ）と
第２の変換手段（４Ｂ）とが別々に設けられた光学系を
示している。平面型透過型原器（４Ａ）は、被測定面（
７）側の面（４ａ）が原器面となっており、面（４ａ）
には反射防止膜はコーへ に左方から入射して原器面（４ａ）に至り、一部がその
面（４ａ）で反射し、残りがその面（４ａ）を透過する
。原器面（４ａ）を透過した平行平面波はホログラム（
４Ｂ）に入射し、ホログラム（４Ｂ）によって球面波が
再生される。球面波に変換されたレーザー光は、ホログ
ラム（６）を通り、被測定面（７）に入射する。ホログ
ラム（６）は、第１図に示したものと同様、球面波が入
射すれば、その＋１次回折成分が被測定面（７）の位置
で理想的非球面形状をもつ波面になるようなパターンが
描かれたゾーンプレート型のホログラムである。そして
、第１図に示した実施例と同様に被測定面（７ンで反射
した測定波面と、原器面（４ａ）で反射した参照波面と
を干渉させ、その干渉縞を観測することによって被測定
面（７）の形状が測定できる。

本実施例では、第１図等に示した実施例における基準収
束レンズ（４〕を、厚みが薄くてすむ平面型透過型原器
（４Ａ）とホログラム（４Ｂ）とに置き換えているので
、基準収束レンズ（４）を用いた第１図等に示した実施
例に比べ、光学系がコンパクトにるホログラムであるの
で、非球面波を再生するホログラムに比べ、製作が容易
である。

発明の効果 以上、説明したように、本発明の干渉測定装置では、ホ
ログラムに球面波を入射させ、かつ＋ｎｎ次回酸成分用
いているので、従来の干渉測定装置に比べてホログラム
の回折角を小さくしても、同形状の波面を再生させるこ
とができる。したがって、ホログラムに描かれるパター
ンのピッチを粗くすることが可能となり、同じピッチで
パターンが描かれたホログラムを用いて、従来の測定装
置では無理であった、口径比の大きな被測定面を測定す
ることが可能となる。

また、同じ被測定面を測定する場合、ホログラムのパタ
ーンのピッチを粗くできるので、ホログラムの製作が容
易かつ安価にできる。

さらに、本発明に用いられるホログラムはゾーンプレー
ト型であるので、搬送周波数を導入する必要がなく、そ
の分だけパターンのピッチを粗くすることが可能となる
。

そして、実施態様によると、ホログラムを複数枚にした
ので、各ホログラムの回折角をさらに小さくでき、各ホ
ログラムに描くパターンのピッチを、一層、粗くするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施した干渉測定装置の光学系の一
実施例を示す図、第２図は、本発明にょうてホログラム
での回折角を小さくできることを示す図（（ｂ）が本発
明）、第３図は、本発明を凸面の測定に応用し７た光学
系を示す図、第４図は、本発明において、複数のホログ
ラムを用いた変形例を示す図、第５図は、その変形例に
よって、ポログラムの回折角をさらに小さくできること
を示す図（Φ）が変形例）、第６図は、本発明において
、透過型原器と第２の変換手段とが別々に設けられた変
形例を示す図、第７図は、干渉測定装置の光学系の従来
例を示す図である。 １・・・干渉性光源 ２・・・第１の変換手段 ３・・・半透鏡 ４ａ・・・透過型原器面 ４．４Ａ・・・透過型原器 ４．４Ｂ・・・第２の変換手段 ６・・・ホログラム ７・・・被測定面 出願人　　ミノルタカメラ株式会社 第３　図 第４図 ａ 第５＠ Ｏ・θ４すθ５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、干渉性光源から発せられた光を平行平面波に変換す
   る第１の変換手段と、 前記平行平面波の光路中、その進行方向に対して斜めに
   配置された半透鏡と、 被測定面に最も近い面が透過型原器面になっている透過
   型原器と、 前記平行平面波を球面波に変換する第２の変換手段と、 その第２の変換手段と前記被測定面との間に配置され、
   かつ、前記球面波が入射すると１＋ｎ次回折成分（ｎは
   自然数）が前記被測定面が配置された位置で所定の形状
   をもつ波面になるように製作されたゾーンプレート型ホ
   ログラムとを 備えたことを特徴とする干渉測定装置。 ２、前記ホログラムは、複数のホログラムで構成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の干渉
   測定装置。