JP2003050109A

JP2003050109A - 面形状測定装置および面形状測定方法

Info

Publication number: JP2003050109A
Application number: JP2001238601A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Nagayama; 匡長山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2003-02-21

Abstract

(57)【要約】【課題】環境変化や装置のＯＮ／ＯＦＦなどの影響を
実質的に受けることなく、光学素子の非球面形状を高精
度に測定することのできる面形状測定装置。【解決手段】被検面（２０）の面形状を測定する装
置。光源（１）からの光に基づいて所定位置に所定の照
明スポット（７）を形成するための照明スポット形成系
（２〜６）と、所定位置を基準にして位置決めされた被
検面からの反射光を波面分割して照明スポットの多数の
像を形成するための波面分割素子（８）と、波面分割素
子を介して形成された多数の照明スポット像を光電検出
するための光電検出器（９）とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、面形状測定装置お
よび面形状測定方法に関し、特にレンズやミラーのよう
な光学素子の表面形状を高精度に測定するための装置お
よび方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、高精度の光学機器に対する需要に
伴い、これらの光学機器を構成するレンズやミラー等の
光学素子は高精度化する傾向にある。その結果、これら
の光学素子の非球面形状を測定する面形状測定装置に
も、高い測定精度が求められるようになっている。

【０００３】この種の高精度な面形状測定装置として、
たとえばフィゾー型干渉計が知られている。フィゾー型
干渉計は、参照面を有するフィゾー部材と、フィゾー部
材を透過した光を被検面の理想形状（設計形状）に対応
した波面の光に変換するための波面形成手段としてのヌ
ルレンズ（補正レンズ）とを、基本的な構成部材として
備えている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
面形状測定装置としてのフィゾー型干渉計では、被検面
の非球面形状に応じて高精度なヌルレンズ（補正レン
ズ）を製造することが困難であり、光学素子の非球面形
状を高精度に測定することができなかった。また、従来
技術では、環境の変化（温度、湿度、気圧などの変化）
や装置のＯＮ／ＯＦＦなどに起因して初期値が変動し易
く、光学素子の非球面形状を高精度に測定することがで
きなかった。

【０００５】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、ヌルレンズ（補正レンズ）を用いることな
く、光学素子の非球面形状を高精度に測定することので
きる面形状測定装置および面形状測定方法を提供するこ
とを目的とする。また、環境変化や装置のＯＮ／ＯＦＦ
などの影響を実質的に受けることなく、光学素子の非球
面形状を高精度に測定することのできる面形状測定装置
および面形状測定方法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】前記課題を解決するため
に、本発明の第１発明では、被検面の面形状を測定する
装置において、光源からの光に基づいて所定位置に所定
の照明スポットを形成するための照明スポット形成系
と、前記所定位置を基準にして位置決めされた前記被検
面からの反射光を波面分割して前記照明スポットの多数
の像を形成するための波面分割素子と、前記波面分割素
子を介して形成された前記多数の照明スポット像を光電
検出するための光電検出器とを備えていることを特徴と
する面形状測定装置を提供する。

【０００７】第１発明の好ましい態様によれば、前記照
明スポット形成系は、前記光源からの光を所定のスポッ
ト形状に制限するための開口部材と、前記開口部材と前
記所定位置とを光学的に共役にして、前記開口部材を介
した光に基づいて前記所定位置に前記照明スポットを形
成するためのリレー光学系とを有する。この場合、前記
リレー光学系は、前記開口部材を介した光をほぼ平行光
に変換するためのリレーレンズと、前記リレーレンズを
介した光に基づいて前記所定位置に前記照明スポットを
形成するための対物レンズと、前記リレーレンズと前記
対物レンズとの間の光路中に配置されて、前記リレーレ
ンズからの光を前記対物レンズへ導くとともに、前記対
物レンズを介した前記被検面からの反射光を前記波面分
割素子へ導くためのビームスプリッターとを有すること
が好ましい。また、前記光源は、コヒーレンシィが低い
光を供給することが好ましい。さらに、前記所定位置と
前記被検面との位置関係を計測する被検面位置計測系を
さらに備えていることが好ましい。

【０００８】本発明の第２発明では、第１発明の面形状
測定装置を用いて被検面の面形状を測定する方法におい
て、球面形状を有する参照面の曲率中心と前記所定位置
とが光軸に沿って一致するように前記参照面を設置する
第１設置工程と、前記第１設置工程で設置された前記参
照面からの反射光に基づいて形成された多数の照明スポ
ット像の位置情報を計測する第１計測工程と、前記被検
面の基準の曲率中心と前記所定位置とが光軸に沿って所
定距離だけ間隔を隔てるように前記被検面を設置する第
２設置工程と、前記第２設置工程で設置された前記被検
面からの反射光に基づいて形成された多数の照明スポッ
ト像の位置情報を計測する第２計測工程と、前記第１計
測工程の計測結果と前記第２計測工程の計測結果と前記
第２設置工程における前記所定距離とに基づいて前記被
検面の面形状を測定する測定工程とを含むことを特徴と
する面形状測定方法を提供する。

【０００９】本発明の第３発明では、第１発明の面形状
測定装置を用いて被検面の面形状を測定する方法におい
て、球面形状を有する参照面の曲率中心と前記所定位置
とが光軸に沿って一致するように前記参照面を設置する
第１設置工程と、前記第１設置工程で設置された前記参
照面からの反射光に基づいて形成された多数の照明スポ
ット像の位置情報を計測する第１計測工程と、前記参照
面の曲率中心と前記所定位置とが光軸に沿って第１の所
定距離だけ間隔を隔てるように前記参照面を設置する第
２設置工程と、前記第２設置工程で設置された前記参照
面からの反射光に基づいて形成された多数の照明スポッ
ト像の位置情報を計測する第２計測工程と、前記被検面
の基準の曲率中心と前記所定位置とが光軸に沿って第２
の所定距離だけ間隔を隔てるように前記被検面を設置す
る第３設置工程と、前記第３設置工程で設置された前記
被検面からの反射光に基づいて形成された多数の照明ス
ポット像の位置情報を計測する第３計測工程と、前記第
１計測工程の計測結果と前記第２計測工程の計測結果と
前記第３計測工程の計測結果と前記第２設置工程におけ
る前記第１の所定距離と前記第３設置工程における前記
第２の所定距離とに基づいて前記被検面の面形状を測定
する測定工程とを含むことを特徴とする面形状測定方法
を提供する。

【００１０】本発明の第４発明では、第１発明の面形状
測定装置を用いて被検面の面形状を測定する方法におい
て、前記被検面とほぼ同じ非球面形状を有する参照面の
基準の曲率中心と前記所定位置とが光軸に沿って所定距
離だけ間隔を隔てるように前記参照面を設置する第１設
置工程と、前記第１設置工程で設置された前記参照面か
らの反射光に基づいて形成された多数の照明スポット像
の位置情報を計測する第１計測工程と、前記被検面の基
準の曲率中心と前記所定位置とが光軸に沿って前記所定
距離だけ間隔を隔てるように前記被検面を設置する第２
設置工程と、前記第２設置工程で設置された前記被検面
からの反射光に基づいて形成された多数の照明スポット
像の位置情報を計測する第２計測工程と、前記第１計測
工程の計測結果と前記第２計測工程の計測結果とに基づ
いて前記被検面の面形状を測定する測定工程とを含むこ
とを特徴とする面形状測定方法を提供する。

【００１１】本発明の第５発明では、前記参照面の非球
面形状を関数にあてはめた際の該関数の低次成分を三次
元形状測定器により測定する第１測定工程と、前記参照
面の前記非球面形状を関数にあてはめた際の該関数の高
次成分を第４発明の面形状測定方法を用いて測定する第
２測定工程を含むことを特徴とする面形状測定方法を提
供する。

【００１２】本発明の第６発明では、第２発明〜第４発
明の面形状測定方法を実行するための制御部をさらに備
えていることを特徴とする面形状測定装置を提供する。

【００１３】本発明の第７発明では、被検面の面形状を
測定する方法において、光源からの光に基づいて所定位
置に照明スポットを形成する工程と、前記光源からの光
を所定形状の参照面へ向ける工程と、前記参照面にて反
射した反射光を波面分割して多数の照明スポット像を形
成する参照光波面分割工程と、前記参照光波面分割工程
による前記多数の照明スポット像の位置情報を計測する
参照面計測工程と、前記光源からの光を被検面へ向ける
工程と、前記被検面にて反射した反射光を波面分割して
多数の照明スポット像を形成する測定光波面分割工程
と、前記測定光波面分割工程による前記多数の照明スポ
ット像の位置情報を計測する被検面計測工程と、前記参
照面計測工程の計測結果と前記被検面計測工程の計測結
果とに基づいて、前記被検面の面形状を求める工程とを
含むことを特徴とする面形状測定方法を提供する。

【００１４】第７発明の好ましい態様によれば、前記参
照光波面分割工程は、第１の位置に設置された前記参照
面にて反射した反射光を波面分割して多数の照明スポッ
ト像を形成する第１の参照光波面分割補助工程と、前記
第１の位置とは異なる第２の位置に設置された前記参照
面にて反射した反射光を波面分割して多数の照明スポッ
ト像を形成する第２の参照光波面分割補助工程とを含
み、前記参照面計測工程は、前記第１の参照光波面分割
補助工程による前記多数の照明スポット像の位置情報を
計測する第１の参照面計測補助工程と、前記第２の参照
光波面分割補助工程による前記多数の照明スポット像の
位置情報を計測する第２の参照面計測補助工程とを含
む。また、前記所定形状の参照波面に対する前記被検面
の位置を計測する被検面位置計測工程をさらに含むこと
が好ましい。さらに、前記光源からはコヒーレンシィが
低い光が供給されることが好ましい。

【００１５】本発明の第８発明では、第２発明〜第５発
明、または第７発明の面形状測定方法により計測された
レンズ面または反射面を有する光学素子を備えているこ
とを特徴とする光学系を提供する。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の面形状測定装置では、光
源からの光に基づいて、たとえば対物レンズの焦点位置
に照明スポットを形成する。この照明スポットからの光
は、対物レンズの焦点位置を基準にして位置決めされた
被検面に入射する。被検面からの反射光は、たとえばマ
イクロレンズアレイのような波面分割素子を介して照明
スポットの多数の像を形成する。形成された多数の照明
スポット像は、たとえばＣＣＤのような撮像素子により
光電検出される。

【００１７】本発明では、被検面が理想的な球面形状を
有し且つ被検面の曲率中心と対物レンズの焦点位置とが
一致している場合、ＣＣＤの受光面上における各照明ス
ポット像の光量重心は理想格子点状に位置することにな
る。一方、被検面が非球面形状を有し且つ被検面の基準
の曲率中心（たとえば頂点曲率中心）と対物レンズの焦
点位置とが一致している場合、被検面の非球面形状に応
じた非球面波がマイクロレンズアレイへ入射することに
なり、ＣＣＤの受光面上における各照明スポット像の光
量重心は理想格子点からそれぞれ位置ずれすることにな
る。

【００１８】したがって、本発明の単純な形態にしたが
う第１の面形状測定方法では、被検面の基準の曲率中心
と対物レンズの焦点位置とを一致させ、各照明スポット
像の光量重心の理想格子点からの位置ずれ情報に基づい
て、被検面の面形状を測定することができる。しかしな
がら、実際には、各光学素子の製造誤差や光学系の組立
誤差などに起因して、被検面が理想的な球面形状であっ
ても各照明スポット像の光量重心が理想格子点からわず
かに位置ずれする。また、環境変化や装置のＯＮ／ＯＦ
Ｆなどに起因して、被検面が理想的な球面形状であって
も各照明スポット像の光量重心が理想格子点からわずか
に位置ずれする（すなわち初期値が変動する）。

【００１９】そこで、本発明の単純な形態にしたがう第
２の面形状測定方法では、被検面の非球面形状の測定に
先立って、理想的な球面形状を有する球面参照面を、そ
の曲率中心が対物レンズの焦点位置とが一致するように
設定する。こうして、各照明スポット像の光量重心の理
想格子点からの初期的な位置ずれを計測し、各照明スポ
ット像の光量重心を各原点に設定する。次いで、被検面
の基準の曲率中心と対物レンズの焦点位置とが一致する
ように被検面を設定し、各照明スポット像の光量重心の
各原点からの位置ずれを計測する。こうして、第２の面
形状測定方法では、被検面の基準の曲率中心と対物レン
ズの焦点位置とを一致させ、各照明スポット像の光量重
心の各原点からの位置ずれ情報に基づいて、被検面の面
形状を測定することができる。

【００２０】以上のように、本発明の第１および第２の
面形状測定方法では、ヌルレンズ（補正レンズ）を用い
ることなく、光学素子の非球面形状を高精度に測定する
ことができる。また、本発明の第２の面形状測定方法で
は、球面参照面を用いて随時キャリブレーションした各
原点に基づいて被検面に対する各照明スポット像の光量
重心の位置ずれを計測することにより、各光学素子の製
造誤差や光学系の組立誤差の影響を実質的に受けること
なく、また環境変化や装置のＯＮ／ＯＦＦなどに起因す
る初期値の変動の影響を実質的に受けることなく、光学
素子の非球面形状を高精度に測定することができる。

【００２１】本発明の実施形態を、添付図面に基づいて
説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる面形状測
定装置の構成を概略的に示す図である。図１に示す装置
は、コヒーレンシィの比較的低い照明光を供給する光源
１を備えている。光源１として、たとえばＨｅ−Ｎｅレ
ーザ光源や水銀ランプなどの準単色光源を用いることが
できる。なお、光源１として水銀ランプを用いる場合に
は、たとえばｄ線やｅ線などの輝線を選択的に用いるこ
とができる。

【００２２】光源１から供給された光は、コンデンサレ
ンズ２を介して、スポット状の開口部（光透過部）を有
する開口部材３を照明する。開口部材３のスポット状の
開口部を通過した光は、リレーレンズ４を介して、ハー
フミラー５に入射する。ハーフミラー５を透過した光
は、対物レンズ６を介して、その焦点位置に開口部材３
のスポット状開口部の像、すなわち照明スポット７を形
成する。このように、コンデンサレンズ２、開口部材
３、リレーレンズ４、および対物レンズ６は、光源１か
らの光に基づいて所定位置に所定の照明スポット７を形
成するための照明スポット形成系を構成している。

【００２３】照明スポット７からの光は、その形成位置
すなわち対物レンズ６の焦点位置を基準にして位置決め
された被検面２０に入射する。以下、説明を簡単にする
ために、被検面２０は対物レンズ６に向かって凹面を向
けているものとする。被検面２０で反射された光は、対
物レンズ６を介して、ハーフミラー５に入射する。ハー
フミラー５で反射された光は、マイクロレンズアレイ８
に入射する。マイクロレンズアレイ８は、縦横に且つ稠
密に配列された正方形状の正屈折力を有する多数の微小
レンズ８ａからなる光学素子である。マイクロレンズア
レイ８は、たとえば平行平面ガラス板にエッチング処理
を施して微小レンズ群を形成することによって構成され
ている。

【００２４】したがって、マイクロレンズアレイ８に入
射した光束は多数の微小レンズ８ａにより二次元的に分
割され、各微小レンズ８ａの後側焦点面の近傍にはそれ
ぞれ１つのスポット像が形成される。換言すると、マイ
クロレンズアレイ８の後側焦点面の近傍には、照明スポ
ット７（ひいては開口部材３のスポット状開口部）の像
が多数形成される。こうして形成された多数の照明スポ
ット像は、二次元撮像素子としてのＣＣＤ９によって検
出される。ＣＣＤ９の出力は、信号処理ユニット１０に
供給される。

【００２５】このように、マイクロレンズアレイ８は、
被検面２０からの反射光を波面分割して照明スポットの
多数の像を形成するための波面分割素子を構成してい
る。また、ＣＣＤ９は、波面分割素子としてのマイクロ
レンズアレイ８により形成された多数の照明スポット像
を光電検出するための光電検出器を構成している。な
お、図１の装置は、照明スポット７の形成位置と被検面
２０との位置関係を計測するための位置計測系１１と、
位置計測系１１および信号処理ユニット１０を制御する
ための制御部１２とをさらに備えている。

【００２６】以下、上述の構成を有する面形状測定装置
の基本動作および各面形状測定方法について説明する。
本実施形態では、被検面２０が理想的な球面形状を有し
且つ被検面２０の曲率中心と対物レンズ６の焦点位置と
が一致している場合、ＣＣＤ９の受光面上における各照
明スポット像の光量重心は理想格子点状（すなわち正方
マトリックス状）に位置することになる。一方、被検面
２０が非球面形状を有し且つ被検面２０の基準の曲率中
心（たとえば頂点曲率中心）と対物レンズ６の焦点位置
とが一致している場合、被検面２０の非球面形状に応じ
た非球面波がマイクロレンズアレイ８へ入射することに
なり、ＣＣＤ９の受光面上における各照明スポット像の
光量重心は理想格子点からそれぞれ位置ずれすることに
なる。

【００２７】したがって、第１の面形状測定方法では、
被検面２０の基準の曲率中心と対物レンズ６の焦点位置
とを一致させ、各照明スポット像の光量重心の理想格子
点からの位置ずれ情報に基づいて、被検面２０の面形状
を測定することができる。このとき、制御部１２の指令
に基づいて動作する位置計測系１１が、被検面２０と対
物レンズ６の焦点位置との位置関係を計測する。

【００２８】しかしながら、実際には、各光学素子の製
造誤差や光学系の組立誤差などに起因して、被検面２０
が理想的な球面形状であっても各照明スポット像の光量
重心が理想格子点からわずかに位置ずれする。また、環
境変化や装置のＯＮ／ＯＦＦなどに起因して、被検面２
０が理想的な球面形状であっても各照明スポット像の光
量重心が理想格子点からわずかに位置ずれする（すなわ
ち初期値が変動する）。

【００２９】そこで、第２の面形状測定方法では、被検
面２０の非球面形状の測定に先立って、理想的な球面形
状を有する球面参照面２１を、その曲率中心が対物レン
ズ６の焦点位置とが一致するように設定する。このと
き、球面参照面２１と対物レンズ６の焦点位置との位置
関係は、位置計測系１１により計測される。こうして、
各照明スポット像の光量重心の理想格子点からの初期的
な位置ずれを計測し、各照明スポット像の光量重心を各
原点に設定する。

【００３０】次いで、被検面２０の基準の曲率中心と対
物レンズ６の焦点位置とが一致するように被検面２０を
設定し、各照明スポット像の光量重心の各原点からの位
置ずれを計測する。このとき、被検面２０と対物レンズ
６の焦点位置との位置関係は、位置計測系１１により計
測される。こうして、第２の面形状測定方法では、被検
面２０の基準の曲率中心と対物レンズ６の焦点位置とを
一致させ、各照明スポット像の光量重心の各原点からの
位置ずれ情報に基づいて、被検面２０の面形状を測定す
ることができる。

【００３１】ところで、被検面２０の基準の曲率中心と
対物レンズ６の焦点位置とが一致するように被検面２０
を設定した場合、被検面２０の非球面形状によっては、
マイクロレンズアレイ８の各微小レンズ８ａを介して各
照明スポット像を形成する各結像光束が互いに交錯し、
各照明スポット像の光量重心の各原点からの位置ずれの
計測が不可能になることがある。そこで、第３の面形状
測定方法では、被検面２０の基準の曲率中心と対物レン
ズ６の焦点位置とが光軸に沿って所定距離ｄだけ対物レ
ンズ６へ近づく方向に間隔を隔てるように被検面２０を
設定する。

【００３２】ここで、被検面２０の基準の曲率中心と対
物レンズ６の焦点位置との光軸に沿った所定距離ｄは、
制御部１２の指令に基づいて動作する位置計測系１１に
より正確に計測される。この場合、被検面２０の基準の
曲率中心と対物レンズ６の焦点位置とを一致させた第２
の面形状測定方法の場合に比して、マイクロレンズアレ
イ８の各微小レンズ８ａを介して各照明スポット像を形
成する各結像光束が互いに離間する傾向になり、被検面
２０の非球面形状に依存することなく各照明スポット像
の光量重心の各原点からの位置ずれを確実に計測するこ
とができる。

【００３３】ただし、所定距離ｄを大きく設定し過ぎる
と、マイクロレンズアレイ８の最も外側の微小レンズ８
ａを介して形成される照明スポット像がＣＣＤ９の受光
面の範囲を逸脱してしまう。したがって、所定距離ｄ
は、各結像光束が互いに交錯しなくなる最小距離ｄmin
と、照明スポット像がＣＣＤ９の受光面の範囲を逸脱し
ない最大距離ｄmaxとの間で適宜設定される。こうし
て、第３の面形状測定方法では、被検面２０の基準の曲
率中心と対物レンズ６の焦点位置とが所定距離ｄだけ間
隔を隔てるように設定し、各照明スポット像の光量重心
の各原点からの位置ずれ情報と所定距離ｄとに基づい
て、被検面２０の面形状を測定することができる。な
お、より広い範囲の非球面形状を測定するためには、マ
イクロレンズアレイ８全体の大きさに対してＣＣＤ９の
受光面全体の大きさを十分に大きな面積とすることが望
ましい。

【００３４】図２は、第４の面形状測定方法の各工程を
示すフローチャートである。第４の面形状測定方法で
は、被検面２０の非球面形状の測定に先立って、理想的
な球面形状を有する球面参照面２１を、その曲率中心が
対物レンズ６の焦点位置とが一致するように設定する
（Ｓ１１）。このとき、球面参照面２１と対物レンズ６
の焦点位置との位置関係は、位置計測系１１により計測
される。こうして、各照明スポット像の光量重心の理想
格子点からの初期的な位置ずれを計測し、各照明スポッ
ト像の光量重心を各原点に設定する（Ｓ１２）。

【００３５】次いで、球面参照面２１を光軸に沿って移
動させて、球面参照面２１の曲率中心と対物レンズ６の
焦点位置とが光軸に沿って第１の所定距離ｄ１だけ対物
レンズ６へ近づく方向に間隔を隔てるように球面参照面
２１を設定する（Ｓ１３）。ここで、球面参照面２１の
曲率中心と対物レンズ６の焦点位置との光軸に沿った第
１の所定距離ｄ１は、位置計測系１１により正確に計測
される。こうして、球面参照面２１の曲率中心と対物レ
ンズ６の焦点位置との間に第１の所定距離ｄ１を設定し
た状態で、各照明スポット像の光量重心の各原点からの
位置ずれを計測する（Ｓ１４）。

【００３６】次いで、被検面２０の基準の曲率中心と対
物レンズ６の焦点位置とが光軸に沿って第２の所定距離
ｄ２だけ対物レンズ６へ近づく方向に間隔を隔てるよう
に被検面２０を設定する（Ｓ１５）。ここで、被検面２
０の基準の曲率中心と対物レンズ６の焦点位置との光軸
に沿った第２の所定距離ｄ２は、上述の最大距離ｄmax
よりも小さく且つ最小距離ｄminよりも大きい距離であ
って、位置計測系１１により正確に計測される。こうし
て、被検面２０の基準の曲率中心と対物レンズ６の焦点
位置との間に第２の所定距離ｄ２を設定した状態で、各
照明スポット像の光量重心の各原点からの位置ずれを計
測する（Ｓ１６）。

【００３７】第４の面形状測定方法では、計測工程Ｓ１
４における各照明スポット像の光量重心の各原点からの
位置ずれ情報と、計測工程Ｓ１６における各照明スポッ
ト像の光量重心の各原点からの位置ずれ情報と、設定工
程Ｓ１３における第１の所定距離ｄ１と、設定工程Ｓ１
５における第２の所定距離ｄ２とに基づいて、被検面２
０の面形状を測定する（Ｓ１７）。第４の面形状測定方
法では、球面参照面２１を光軸に沿って移動させたとき
の各照明スポット像の光量重心の移動特性を把握するこ
とができるので、さらに高精度に被検面２０の面形状を
測定することができるという効果がある。

【００３８】図３は、第５の面形状測定方法の各工程を
示すフローチャートである。第５の面形状測定方法で
は、被検面２０の非球面形状の測定に先立って、被検面
２０の理想的な非球面形状を有する非球面参照面２２
を、その基準の曲率中心（たとえば頂点曲率中心）と対
物レンズ６の焦点位置とが光軸に沿って所定距離ｄだけ
対物レンズ６を離れる方向に間隔を隔てるように設定す
る（Ｓ２１）。このとき、非球面参照面２１の基準の曲
率中心と対物レンズ６の焦点位置との光軸に沿った所定
距離ｄは、位置計測系１１により正確に計測される。こ
うして、非球面参照面２１の基準の曲率中心と対物レン
ズ６の焦点位置との間に所定距離ｄを設定した状態で、
各照明スポット像の光量重心の理想格子点からの初期的
な位置ずれを計測し、各照明スポット像の光量重心を各
原点に設定する（Ｓ２２）。

【００３９】次いで、被検面２０の基準の曲率中心と対
物レンズ６の焦点位置とが光軸に沿って同じく所定距離
ｄだけ対物レンズ６へ近づく方向に間隔を隔てるように
被検面２０を設定する（Ｓ２３）。ここで、被検面２０
の基準の曲率中心と対物レンズ６の焦点位置との光軸に
沿った所定距離ｄは、位置計測系１１により正確に計測
される。こうして、被検面２０の基準の曲率中心と対物
レンズ６の焦点位置との間に所定距離ｄを設定した状態
で、各照明スポット像の光量重心の各原点からの位置ず
れを計測する（Ｓ２４）。

【００４０】第５の面形状測定方法では、計測工程Ｓ２
４における各照明スポット像の光量重心の各原点からの
位置ずれ情報と、設定工程Ｓ２１およびＳ２３における
所定距離ｄとに基づいて、被検面２０の面形状を測定す
る（Ｓ２５）。第５の面形状測定方法では、被検面２０
の理想的な非球面形状を有する非球面参照面２２を用い
ることにより、簡素な工程に基づいてさらに高精度に被
検面２０の面形状を測定することができるという効果が
ある。

【００４１】以上のように、第２〜第５の面形状測定方
法では、球面参照面２１または非球面参照面２２を用い
て随時キャリブレーションした各原点に基づいて被検面
２０に対する各照明スポット像の光量重心の位置ずれを
計測することにより、各光学素子の製造誤差や光学系の
組立誤差の影響を実質的に受けることなく、また環境変
化や装置のＯＮ／ＯＦＦなどに起因する初期値の変動の
影響を実質的に受けることなく、光学素子の非球面形状
を高精度に測定することができる。また、第１〜第５の
面形状測定方法では、ヌルレンズ（補正レンズ）を用い
ることなく、光学素子の非球面形状を高精度に測定する
ことができる。

【００４２】ところで、非球面参照面２２の非球面形状
の測定に際しては、その非球面形状を関数にあてはめた
際の該関数の低次成分を三次元形状測定器により測定す
ることができる。この場合、たとえば０°、９０°、１
８０°、および２７０°の方向に沿って三次元形状測定
器による測定を行う。また、非球面参照面２２の非球面
形状を関数にあてはめた際の該関数の高次成分を上述の
第１〜第５の面形状測定方法を用いて測定することがで
きる。

【００４３】なお、上述の実施形態では、開口部材３に
設けられたスポット状開口部の像として照明スポットを
形成しているが、スポット状開口部を用いることなく照
明スポットを形成する変形例も可能である。たとえば、
図１に示した実施形態において、開口部材３を省く構成
を考える。光源１としてＨｅ−Ｎｅレーザ光源を用いる
場合には、光源１からのレーザ光をコンデンサレンズ２
によって小さなビーム径となるように集光させれば（コ
ンデンサレンズ２の射出側開口数を大きくすれば）、ス
ポット状開口部を用いることなく照明スポットを得るこ
とができる。

【００４４】また、上記実施形態では、光電変換素子と
してＣＣＤを用いているが、ＣＣＤと同様の機能を有す
る他の撮像素子を適用してもかまわない。さらに、上記
実施形態では、被検面として対物レンズ６に向けて凹面
を向けたものを用いているが、被検面として対物レンズ
６に向けて凸面を向けたものを用いる場合には、当該被
検面を対物レンズ６と対物レンズの焦点位置との間に配
置すれば良い。また、被検面としてほぼ平面であるもの
を用いる場合には、対物レンズ６の焦点距離を無限遠に
近づければ良い。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、球面
参照面または非球面参照面を用いて随時キャリブレーシ
ョンした各原点に基づいて被検面に対する各照明スポッ
ト像の光量重心の位置ずれを計測することにより、各光
学素子の製造誤差や光学系の組立誤差の影響を実質的に
受けることなく、また環境変化や装置のＯＮ／ＯＦＦな
どに起因する初期値の変動の影響を実質的に受けること
なく、光学素子の非球面形状を高精度に測定することが
できる。また、ヌルレンズ（補正レンズ）を用いること
なく、光学素子の非球面形状を高精度に測定することが
できる。その結果、レンズやミラー等の光学素子の面形
状を高精度化することができ、ひいては高精度な光学系
や光学機器などを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態にかかる面形状測定装置の構
成を概略的に示す図である。

【図２】第４の面形状測定方法の各工程を示すフローチ
ャートである。

【図３】第５の面形状測定方法の各工程を示すフローチ
ャートである。

【符号の説明】

１光源２コンデンサレンズ３開口部材４リレーレンズ５ハーフミラー６対物レンズ７照明スポット８マイクロレンズアレイ９二次元撮像素子（ＣＣＤ）１０信号処理ユニット１１位置計測系１２制御部２０被検面２１球面参照面２２非球面参照面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検面の面形状を測定する装置におい
て、光源からの光に基づいて所定位置に所定の照明スポット
を形成するための照明スポット形成系と、前記所定位置を基準にして位置決めされた前記被検面か
らの反射光を波面分割して前記照明スポットの多数の像
を形成するための波面分割素子と、前記波面分割素子を介して形成された前記多数の照明ス
ポット像を光電検出するための光電検出器とを備えてい
ることを特徴とする面形状測定装置。
【請求項２】前記照明スポット形成系は、前記光源からの光を所定のスポット形状に制限するため
の開口部材と、前記開口部材と前記所定位置とを光学的に共役にして、
前記開口部材を介した光に基づいて前記所定位置に前記
照明スポットを形成するためのリレー光学系とを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の面形状測定装置。
【請求項３】前記リレー光学系は、前記開口部材を介した光をほぼ平行光に変換するための
リレーレンズと、前記リレーレンズを介した光に基づいて前記所定位置に
前記照明スポットを形成するための対物レンズと、前記リレーレンズと前記対物レンズとの間の光路中に配
置されて、前記リレーレンズからの光を前記対物レンズ
へ導くとともに、前記対物レンズを介した前記被検面か
らの反射光を前記波面分割素子へ導くためのビームスプ
リッターとを有することを特徴とする請求項２に記載の
面形状測定装置。
【請求項４】前記光源は、コヒーレンシィが低い光を
供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１
項に記載の面形状測定装置。
【請求項５】前記所定位置と前記被検面との位置関係
を計測する被検面位置計測系をさらに備えていることを
特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面形
状測定装置。
【請求項６】請求項５に記載の面形状測定装置を用い
て被検面の面形状を測定する方法において、球面形状を有する参照面の曲率中心と前記所定位置とが
光軸に沿って一致するように前記参照面を設置する第１
設置工程と、前記第１設置工程で設置された前記参照面からの反射光
に基づいて形成された多数の照明スポット像の位置情報
を計測する第１計測工程と、前記被検面の基準の曲率中心と前記所定位置とが光軸に
沿って所定距離だけ間隔を隔てるように前記被検面を設
置する第２設置工程と、前記第２設置工程で設置された前記被検面からの反射光
に基づいて形成された多数の照明スポット像の位置情報
を計測する第２計測工程と、前記第１計測工程の計測結果と前記第２計測工程の計測
結果と前記第２設置工程における前記所定距離とに基づ
いて前記被検面の面形状を測定する測定工程とを含むこ
とを特徴とする面形状測定方法。
【請求項７】請求項５に記載の面形状測定装置を用い
て被検面の面形状を測定する方法において、球面形状を有する参照面の曲率中心と前記所定位置とが
光軸に沿って一致するように前記参照面を設置する第１
設置工程と、前記第１設置工程で設置された前記参照面からの反射光
に基づいて形成された多数の照明スポット像の位置情報
を計測する第１計測工程と、前記参照面の曲率中心と前記所定位置とが光軸に沿って
第１の所定距離だけ間隔を隔てるように前記参照面を設
置する第２設置工程と、前記第２設置工程で設置された前記参照面からの反射光
に基づいて形成された多数の照明スポット像の位置情報
を計測する第２計測工程と、前記被検面の基準の曲率中心と前記所定位置とが光軸に
沿って第２の所定距離だけ間隔を隔てるように前記被検
面を設置する第３設置工程と、前記第３設置工程で設置された前記被検面からの反射光
に基づいて形成された多数の照明スポット像の位置情報
を計測する第３計測工程と、前記第１計測工程の計測結果と前記第２計測工程の計測
結果と前記第３計測工程の計測結果と前記第２設置工程
における前記第１の所定距離と前記第３設置工程におけ
る前記第２の所定距離とに基づいて前記被検面の面形状
を測定する測定工程とを含むことを特徴とする面形状測
定方法。
【請求項８】請求項１乃至５のいずれか１項に記載の
面形状測定装置を用いて被検面の面形状を測定する方法
において、前記被検面とほぼ同じ非球面形状を有する参照面の基準
の曲率中心と前記所定位置とが光軸に沿って所定距離だ
け間隔を隔てるように前記参照面を設置する第１設置工
程と、前記第１設置工程で設置された前記参照面からの反射光
に基づいて形成された多数の照明スポット像の位置情報
を計測する第１計測工程と、前記被検面の基準の曲率中心と前記所定位置とが光軸に
沿って前記所定距離だけ間隔を隔てるように前記被検面
を設置する第２設置工程と、前記第２設置工程で設置された前記被検面からの反射光
に基づいて形成された多数の照明スポット像の位置情報
を計測する第２計測工程と、前記第１計測工程の計測結果と前記第２計測工程の計測
結果とに基づいて前記被検面の面形状を測定する測定工
程とを含むことを特徴とする面形状測定方法。
【請求項９】前記参照面の非球面形状を関数にあては
めた際の該関数の低次成分を三次元形状測定器により測
定する第１測定工程と、前記参照面の前記非球面形状を関数にあてはめた際の該
関数の高次成分を請求項８に記載の面形状測定方法を用
いて測定する第２測定工程を含むことを特徴とする面形
状測定方法。
【請求項１０】請求項６乃至８のいずれか１項に記載
の面形状測定方法を実行するための制御部をさらに備え
ていることを特徴とする面形状測定装置。
【請求項１１】被検面の面形状を測定する方法におい
て、光源からの光に基づいて所定位置に照明スポットを形成
する工程と、前記光源からの光を所定形状の参照面へ向ける工程と、前記参照面にて反射した反射光を波面分割して多数の照
明スポット像を形成する参照光波面分割工程と、前記参照光波面分割工程による前記多数の照明スポット
像の位置情報を計測する参照面計測工程と、前記光源からの光を被検面へ向ける工程と、前記被検面にて反射した反射光を波面分割して多数の照
明スポット像を形成する測定光波面分割工程と、前記測定光波面分割工程による前記多数の照明スポット
像の位置情報を計測する被検面計測工程と、前記参照面計測工程の計測結果と前記被検面計測工程の
計測結果とに基づいて、前記被検面の面形状を求める工
程とを含むことを特徴とする面形状測定方法。
【請求項１２】前記参照光波面分割工程は、第１の位
置に設置された前記参照面にて反射した反射光を波面分
割して多数の照明スポット像を形成する第１の参照光波
面分割補助工程と、前記第１の位置とは異なる第２の位
置に設置された前記参照面にて反射した反射光を波面分
割して多数の照明スポット像を形成する第２の参照光波
面分割補助工程とを含み、前記参照面計測工程は、前記第１の参照光波面分割補助
工程による前記多数の照明スポット像の位置情報を計測
する第１の参照面計測補助工程と、前記第２の参照光波
面分割補助工程による前記多数の照明スポット像の位置
情報を計測する第２の参照面計測補助工程とを含むこと
を特徴とする請求項１１に記載の面形状測定方法。
【請求項１３】前記所定形状の参照波面に対する前記
被検面の位置を計測する被検面位置計測工程をさらに含
むことを特徴とする請求項１１または１２に記載の面形
状測定装置。
【請求項１４】前記光源からはコヒーレンシィが低い
光が供給されることを特徴とする請求項１１乃至１３の
いずれか１項に記載の面形状測定装置。
【請求項１５】請求項６乃至９、および１１乃至１４
のいずれか１項に記載の面形状測定方法により計測され
たレンズ面または反射面を有する光学素子を備えている
ことを特徴とする光学系。