JP2001174233A - 面形状等を測定するための干渉計及びその測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 球面のみならず非球面レンズの形状等を高精
度且つ効率的に測定可能な干渉計及びその測定方法を提
供する。 【解決手段】 本発明の干渉計は、光源１からの可干渉
光束を参照波と被検波とに分け、上記参照波に被測定面
７ａに相当する波面を形成する波面形成手段６ａ，８，
９と、上記参照波と被検波とを重畳して撮像手段１１よ
り取り込んだ干渉縞データを基に面形状や面精度を演算
可能とするもので、上記被測定面７ａへ照射される参照
波の位相を任意に変調可能な位相制御素子９を有する。
上記演算手段１２は、上記位相制御素子９により参照波
の位相分布を被測定面７ａに合わせ、撮像手段１１でヌ
ルの干渉縞を観測できるように補正した出力データを解
析する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラスチックレン
ズ等の被検物の面形状や面精度を測定する干渉計及び測
定方法に関し、特に測定精度の向上および非球面の測定
技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にプラスチックレンズ等の球面を測
定するものとしては、レーザ干渉計が知られている。ま
た、非球面レンズを計測する試みは、以前から各方面で
盛んに研究されているにも関わらず、なかなか実用化に
は至っておらず、実際に商品化されたものはない。その
理由として、加工の誤差と被検物並びに光学系自身の配
置誤差が完全に分離しにくく、干渉縞が大きく乱れてい
ると縞解析ができない。非球面測定の実用化に向けて
は、被検物の設置位置を高精度に調整し干渉縞を解析許
容範囲内に収める必要がある。

【０００３】従来において、例えば、被検物等の位置調
整には被検物を保持するフランジに取り付けたマイクロ
メータヘッド等により構成される微動機構を用いる手法
が提案されている（特開平９−２０３６８６号等）。被
検物が球面の場合、３軸方向の位置あわせで調整するこ
とが可能である。また、非球面の場合は、軸の偏心もあ
るので５軸調整が必要である。さらに非共軸非球面であ
れば６軸の調整が必要となる。

【０００４】ところで、「球面」とは一の共軸を持つ連
続面（点集合）と定義できることは周知の通りである。
従来の測定対象とされた「非球面」は、上記のような球
面から僅かにずれた形状や双曲面などに限定されていた
が、近年では球面からかなり逸脱した形状も見られる。
その結果、複雑な非球面形状の計測を目的とした測定技
術が必要とされてきている。よって、本願にいう「非球
面」とは、上記球面から僅かにずれた非球面形状のみな
らず、複数の球面形状を組み合わせた非共軸面、球面と
非球面を組み合わせた非共軸面、これらの連続面に限ら
ず不連続面等、いわゆる空間上の自由曲面及び不連続部
を含む概念である。以上のように、非球面形状測定の実
用化が望まれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術のように被検物の位置誤差等のアライメント誤差
を除去する作業をメカ的調整に依存するのでは測定者に
とって負担になり、また、非球面ではさらに複雑となる
ため、実用化レベルの測定効率及び精度を得ることはで
きなかった。

【０００６】すなわち、非球面形状の測定では、ちょっ
としたアライメント誤差が干渉縞の発生に複雑な影響を
及ぼし、この光路のずれが非球面の複雑な形状において
現れる場合に位置誤差に起因する像を判定するのは球面
のように容易ではない。したがって実際には測定者の熟
練が必要な位置調整等により、解析許容範囲のデータを
得ようと試みているのが現状である。特に近年において
は、非球面形状が複雑化しつつあることから、非球面測
定の干渉縞は乱れたものとなりやすい。このように観測
される干渉縞に解析困難な乱れた像が含まれやすく、こ
の結果、測定精度の向上が妨げられていた。

【０００７】そこで、本発明は上記の問題を解決するた
めになされたものであり、その目的は被検物の設置誤差
等をメカ的に調整する作業が簡素化し又は不要となり測
定効率が大幅に向上するとともに、非球面の測定であっ
ても解析許容範囲の干渉縞を容易に観察でき、非球面レ
ンズの面形状や面精度の測定精度を向上させる干渉計及
び測定方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の干渉計は、同一光源から出射された可干渉光
束を参照波と被検波とに分ける手段と、上記参照波に被
検物の被測定面に相当する波面を形成する波面形成手段
と、上記参照波と被検波とを重畳させる重畳手段と、該
重畳手段を介して形成される干渉縞を観測する撮像手段
と、該撮像手段の出力データを取り込んで上記被測定面
の面形状や面精度を算出する演算手段と、を備えた干渉
計において、上記波面形成手段は、被測定面へ照射され
る参照波の位相を任意に変調可能な位相制御素子を有す
るとともに、上記演算手段が、上記位相制御素子による
位相変調量に基づいて上記撮像手段の出力データを解析
するとしたことを特徴としている。

【０００９】また、上記本発明の干渉計において、上記
波面形成手段が、被測定面の基準となる非球面形状の波
面を形成可能な回折光学素子を有することができる。こ
の場合、上記位相制御素子が、上記回折光学素子と、上
記被測定面との間に配置された構成が望ましい。また、
上記位相制御素子は液晶を用いたものであるとよい。

【００１０】本発明の測定方法は、同一光源から出射さ
れた可干渉光束を被検波と、参照波とに分け、該参照波
に被測定面を基準とした波面を形成して被測定面に照射
し、被測定面で反射した参照波と、上記被検波とを重畳
させて観測される干渉縞を解析して被測定面の面形状や
面精度を測定する方法において、上記参照波の位相を変
調制御して、観測される干渉縞をほぼヌル(null)とする
ことを特徴としている。

【００１１】また、上記測定方法の発明において、上記
参照波の位相分布を２次元的且つ時間的に制御すること
により、上記被測定面の任意の範囲に上記ヌルの干渉縞
を形成し、該干渉縞の解析を行うとすることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施例を説明する。図１は、本発明の干渉計の一実施例を
示している。この実施例はフィゾー型干渉計を基本構成
としている。同図において、１は光源で、可干渉性の高
いガスレーザ又は半導体レーザ等が使用される。光源１
から出射された可干渉光は、集光レンズ２ａで一旦集光
され空間フィルタ３によりゴースト光や反射光等の不要
な光がカットされる。上記集光レンズ２ａとコリメータ
レンズ２ｂはビームエクスパンダを構成し、光源１から
出射された幅の狭い可干渉光を適当な大きさに拡げるも
のである。ビームエクスパンダ２ａ，２ｂで拡大された
光束は、コリメータレンズ２ｂにより平行光束となり対
物レンズ６を経由して被測定面７ａに達する。対物レン
ズ６の最終面は半透鏡としての参照面６ａとなってお
り、ここで下記の波面形成手段を介して被検物７へ照射
される参照波と、反射される被検波とに分けられる。

【００１３】本実施例の波面形成手段には、対物レンズ
６、回折光学素子８及び位相制御素子９を用いている。
すなわち、対物レンズ６を透過する光は被測定面形状の
基準面となる参照面６ａで球面波となり、つぎに回折光
学素子８によって、被測定面７ａに相当する非球面波に
変換される。この光が被測定面７ａで反射すると元来た
光路をそのまま逆戻りして参照波６ａとなるのである。
本発明に係わる位相制御素子９は、回折光学素子８等と
ともに波面形成手段を構成する光学手段であるが、これ
は主として後述の波面補正処理に使用するものである。
なお、回折光学素子８は、ホログラムや電子描画、エッ
チング等により製作する。

【００１４】また、上記波面形成手段は、本実施例のよ
うに対物レンズ６、回折光学素子８及び位相制御素子９
の３種の光学素子からなる構成に限らず、少なくとも被
測定面７ａに対し基準となる波面を形成する手段であっ
て、且つこれに参照波６ａの位相分布を任意に制御でき
る機能が加味されたものであれば本発明を適用可能であ
る。例えば、上記半鏡面の参照面６ａは対物レンズ６の
最終面としたが、そこに限られるものではなく、例えば
コリメートレンズ２ｂと対物レンズ６の間に設けてもよ
い。また、回折光学素子８には高密度に加工されたゾー
ンプレート等があるが、これにより光の進行方向を自在
に制御して非球面波を形成可能であれば、上記対物レン
ズ６は不要となる。さらに、上記位相制御素子９が高密
度且つ任意に可変で、これのみで非球面に相当する波面
を自在に発生可能であれば上記回折光学素子８も不要な
構成となるのである。

【００１５】上記位相変調を担う位相制御素子９として
は、例えば２次元的に位相を変調可能な液晶を用いてい
る。液晶のリタデーションが印加電圧に依存するため、
印加電圧を制御することにより、リアルタイムで２次元
的に位相変調を行うことができるのである。

【００１６】光源１から出射された可干渉光は、参照面
６ａで反射された参照光、及び被測定面７ａで反射され
た被検光になり双方とも同一光路を戻り重畳手段である
光アイソレータ４により重畳される。光アイソレータ４
は、ビームスプリッタ４ａ、λ／４板４ｂ及び反射面４
ｃにより構成されている。重畳された参照光と被検光と
は、共に光アイソレータ４の反射面４ｃで反射されて結
像レンズ１０によって撮像手段としてのエリアＣＣＤや
リニアＣＣＤ等の受光素子１１上に集光され、干渉縞の
像を形成する。受光素子１１に接続された演算手段１２
は図示しない画像処理手段を介して受光素子１１からの
出力データを取り込む。また、本発明に係わる演算手段
１２は、上記位相制素子を任意に操作し又はその自動制
御を可能とするための制御手段を兼ねたマイクロコンピ
ュータからなっている。

【００１７】上記干渉光学系は、理論的には上記回折光
学素子８及び被検物７を適切な場所に配置すれば受光素
子１１上でヌルの干渉縞が生じるように、あらかじめ被
検物７の設計データをもとに設計されている。従って、
被検物７が理想的な形状で加工され、かつ理想的な位置
に配置した場合は、参照光の波面は被測定面形状に一致
し、参照波は来た経路をそのまま戻るのでヌル(null)の
干渉縞が生じる。ここで被検物７が理想的な形状から僅
かでもずれていれば、これが受光素子１１上に干渉縞と
なって観測される。観測された干渉縞の出力データは演
算手段１２へ取り込まれ、取り込んだ出力データを公知
の位相シフト法などにより解析し、被測定面７ａの加工
における形状誤差量として算出する。

【００１８】しかしながら、上記被測定面７ａの測定に
おいて、被検物７の設置位置が設計上の理論位置からず
れていても同じように干渉縞となって現れるので、上記
形状誤差量には光学系の被検物の設置誤差成分が含まれ
てしまっている。そこで、従来の機械的な位置調整に代
えて、本発明に係わる位相制御素子９によって上記参照
波６ａの空間的な位相分布を補正するのである。特に複
雑な非球面形状の被測定面７ａでは、そのアライメント
誤差が複雑な干渉縞を発生させるので、参照波６ａを波
面制御し渉縞データを解析許容範囲に収めなければなら
ない。

【００１９】具体的には、本実施例に係わる演算手段１
２は、上記位相制御素子９を用いて電気的に被検物７へ
の入射光線（参照波の波面）を調整しながら、受光素子
１１で観測される干渉縞のいずれの場所においても位相
分布がほぼ等しくなるように位相変調をかける。こうし
て位置誤差の無い状態に等しいヌルの干渉縞を得るため
の波面制御を行ってから、演算手段へ１２は干渉縞デー
タを取り込み、公知の位相シフト等により縞解析等を行
う。

【００２０】上記波面補正の簡単な具体例を挙げる。図
２に受光素子１１上で２次元で捉えた干渉縞を模式的に
示す。例えば球面の場合、被検物７が光軸に対してチル
トあるいはシフトしている場合には、図２（ａ）の様な
干渉縞を生じる。そこで、その干渉縞を相殺するように
位相制御素子９により位相変調させる。また、被検物７
がデフォーカスのずれを起こしている場合には、図２
（ｂ）の様な干渉縞を生じるので、それを相殺するよう
な位相変調をさせればよい。

【００２１】本実施例のように非球面の場合は、その形
状により発生する干渉縞も異なってくるが、いずれにし
ても球面の場合と同様に発生した干渉縞を相殺する処理
を行う。この場合、残差分が無視できるまでのヌル、つ
まり位相制御素子９により理想的な波面に制御できたな
らば、加工形状が極めて良好であり縞解析は不要であ
る。

【００２２】また、残差分が無視できない程度のヌル、
つまり干渉縞の残差分を計測する場合は、公知の位相シ
フトによる解析方法を用いることができる。なお、この
場合、受光素子１１で得られた結果と、位相制御素子９
での位相変調量とを足し合わせ、位相つなぎ処理を行
い、総合的な波面収差量を算出する。このデータから被
検物７のセッティング誤差に伴って発生した透過波面収
差量を差し引くといった種々の解析処理が行われる。こ
の結果、被検物７の加工誤差を原因とする波面収差量が
算出され、且つ、これはヌルの干渉縞データに基づくも
のであるから、その補正後に行われる解析処理の精度は
向上する。つまり、従来の非球面測定のように複雑且つ
面倒な縞解析は回避され、位置誤差の調整も自動化され
ることと相俟って、非球面測定が実用化レベルに達する
のである。以上のような補正及び演算処理は、非球面形
状の測定に限らず球面形状の測定にも同様に有効であ
る。

【００２３】また、非球面測定において、球面からかな
り逸脱した形状の測定は、位相制御素子９をリアルタイ
ムに制御しながら任意の位相分布にて行う。例えば、あ
る領域でほぼヌルになる波面を設定し、これを２次元的
に任意に位相分布を制御し、各領域において良好な位相
分布を探しながら測定を行う。これにより面形状を特定
する係数が多い複雑な非球面の測定が容易となる。

【００２４】なお、上記の回折光学素子８及び位相制御
素子９の位置は、それが設計上考慮されていれば特に問
われない。本実施例のように、位相制御素子９を回折光
学素子８と被検物７との間、すなわち光学系の一番最後
に配置することによって全体の光学系に対する影響が少
なく波面の補正が容易となる点で優れている。

【００２５】以上の例ではフィゾー干渉計を説明した
が、これに限らず、例えばマイケルソン干渉計、トワイ
マングリーン干渉計等の他の干渉計にも適用可能であ
る。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、被測
定面へ照射される参照波の位相を任意に変調可能な位相
制御素子を有するとともに、該位相制御素子による位相
変調量に基づいて撮像手段からの出力データを解析する
ので、上記位相変調量から光学部品の配置や被検物の位
置誤差（アライメント誤差）を電気的な処理によって補
正可能であり、従来の機械的なアライメント調整が簡素
化し又は不要となる。また、上記測定前の波面補正によ
り上記撮像手段の出力データを解析許容範囲に収めるこ
とができ、この結果、非球面形状についての高精度な測
定が可能となる。勿論、従来の球面測定を目的とした干
渉計にも適用可能であり、位置調整の自動化及び測定精
度の向上に寄与する。

【００２７】また、本発明の干渉計において、上記波面
形成手段が、被測定面の基準となる非球面形状の波面を
形成可能な回折光学素子を有する構成であれば、上記位
相制御素子の制御の基準となる非球面波を形成し、被検
物の位置誤差の調整が容易で、且つ精度の高い非球面測
定用の干渉計を提供することができる。

【００２８】また、本発明の干渉計において、上記位相
制御素子が、上記回折光学素子と、上記被測定面との間
に配置された構成によれば、光学系全体に対して位相制
御の影響が少ないので波面の形成が確実且つ容易とな
る。また、上記位相制御素子には液晶を用いた構成であ
れば、参照波の位相分布をリアルタイムに二次元的に制
御でき、良好な波面形成が可能となる。

【００２９】本発明の測定方法は、上記参照波の位相を
変調制御して、観測される干渉縞をほぼヌル(null)とす
るので、被測定面の位置調整等の作業が簡素化又は不要
となり、また、ほぼヌルの干渉縞に基づく高精度な解析
が可能となる。

【００３０】本発明の測定方法において、上記参照波の
位相分布を２次元的且つ時間的に制御することにより、
上記被測定面の任意の範囲に上記ヌルの干渉縞を形成
し、該干渉縞の解析を行う方法によれば、球面をかなり
逸脱した面形状についても測定を自動化し、効率的且つ
高精度な測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の干渉計の全体構成図である。

【図２】受光素子により出力される干渉縞を模式的に示
し、同図（ａ）はチルト又はシフト状態、同図（ｂ）は
デフォーカスずれの状態を示す図である。

【符号の説明】

１ 光源 ４ 重畳手段（光アイソレータ） ６ａ、８，９ 波面形成手段 ７ａ 被測定面 ８ 回折光学素子 ９ 位相制御素子 １２ 撮像手段 １３ 演算手段

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F064 AA09 BB03 CC03 EE01 EE05 FF02 GG00 GG13 GG20 GG22 GG32 GG38 GG49 GG53 HH02 HH03 HH07 HH08 KK04 2F065 AA45 BB05 BB23 CC22 DD04 DD06 FF39 FF55 FF61 GG05 GG06 GG12 GG22 HH03 HH13 JJ02 JJ03 JJ25 JJ26 KK01 LL04 LL09 LL21 LL30 LL36 LL42 LL46 LL51 NN05 PP22 SS13 UU07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同一光源から出射された可干渉光束を参
   照波と被検波とに分ける手段と、上記参照波に被検物の
   被測定面に相当する波面を形成する波面形成手段と、上
   記参照波と被検波とを重畳させる重畳手段と、該重畳手
   段を介して形成される干渉縞を観測する撮像手段と、該
   撮像手段の出力データを取り込んで上記被測定面の面形
   状や面精度を算出する演算手段と、を備えた干渉計にお
   いて、上記波面形成手段は、被測定面へ照射される参照
   波の位相を任意に変調可能な位相制御素子を有するとと
   もに、上記演算手段が、上記位相制御素子による位相変
   調量に基づいて上記撮像手段の出力データを解析すると
   したことを特徴とする面形状を測定する干渉計。
2. 【請求項２】 上記波面形成手段が、被測定面の基準と
   なる非球面形状の波面を形成可能な回折光学素子を有す
   ることを特徴とする請求項１記載の面形状等を測定する
   ための干渉計。
3. 【請求項３】 上記位相制御素子が、上記回折光学素子
   と、上記被測定面との間に配置されたことを特徴とする
   請求項２記載の面形状等を測定するための干渉計。
4. 【請求項４】 上記位相制御素子が、液晶を用いたもの
   であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記
   載の面形状等を測定するための干渉計。
5. 【請求項５】 同一光源から出射された可干渉光束を被
   検波と、参照波とに分け、該参照波に被測定面を基準と
   した波面を形成して被測定面に照射し、被測定面で反射
   した参照波と、上記被検波とを重畳させて観測される干
   渉縞を解析して被測定面の面形状や面精度を測定する測
   定方法において、上記参照波の位相を変調制御して、観
   測される干渉縞をほぼヌル(null)とすることを特徴とす
   る面形状等の測定方法。
6. 【請求項６】 上記参照波の位相分布を２次元的且つ時
   間的に制御することにより、上記被測定面の任意の範囲
   に上記ヌルの干渉縞を形成し、該干渉縞の解析を行うこ
   とを特徴とする請求項５記載の面形状等の測方法。