JP2002221409A - 光学面の形状測定方法および装置および記録媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レンズ面や反射面である光学面の形状を、容
易、且つ確実に精度よく測定する。 【解決手段】光源１０から出射したビームを被検物０の
光学面ＳＦに照射し、光学面ＳＦからの反射光を、受光
手段１６の受光面に入射させ、受光手段により受光し
て、反射光の反射角：２θを計測することにより、光学
面ＳＦの傾斜角分布を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光学面の形状測
定方法および装置および記録媒体に関する。

【０００２】

【従来の技術】光走査装置に搭載されるｆθレンズやカ
メラ用のレンズは、設計・開発の段階から最終的に製品
化される間に、幾度も試作される。これら試作品や製品
においては、実際に形成されたレンズ面の形状や精度
が、設計上の仕様を満たしているか否かを知るために、
面形状・面精度を高精度に計測する必要があり、従来か
らそのための測定機も幾種か市販されている。

【０００３】近来、光学面は、非球面加工技術の発達に
伴い、その測定に対する要求仕様が著しく高まってい
る。特に、ｆθレンズなどのレンズ面は、もともと要求
精度がナノメータオーダと高い（高分解能計測）上に、
測定範囲が広く（高ダイナミックレンジ計測）、かつ傾
斜角も大きく（高傾斜角計測）、しかも自由曲面形状で
あるものも多く、在来の「ｘｙｚの３軸制御による３次
元形状測定機」では対応が困難となりつつあり、また、
干渉計を用いる測定方法では、測定は極めて困難であ
る。

【０００４】例えば、自由曲面として形成された光学面
に、形状誤差として「振幅：５ｎｍ、周期：１０ｍｍの
うねり」が生じている場合、この「うねり」を３次元座
標測定器で測定できるためには、（ｘ，ｙ，ｚ）の測定
精度が最悪でも５ｎｍという、３次元超精密測定が必要
である。

【０００５】特開平１１−２１１４２７号公報は、３軸
の直進ステージと、２軸の回転ステージ、さらに６軸の
位置検出用のレーザー測長機をつけた構成の面形状測定
装置を開示しているが、この装置は、その構成上、装置
が大型化・複雑化するし、システムも不安定となり易
い。

【０００６】光学素子に用いられる光学面の作用は、基
本的に、光線を屈折あるいは反射する作用である。かか
る観点からすると、光学素子における光学面の光学性能
を評価するには、従来の、光学面の座標（ｘ，ｙ，ｚ）
を計測する方法よりも、曲率半径：Ｒまたは曲率：Ｃ
（＝１／Ｒ）を用い、光学面の（ｘ，ｙ，Ｒ）または
（ｘ，ｙ，Ｃ）を測定する方がより適切で直截的であ
る。

【０００７】光学面がレンズ面であれば、レンズ面と入
射光線のなす角度から、スネルの法則により光線が屈折
して進行する方向が定まり、光学面が反射面であれば、
反射面と入射光線のなす角度から、反射の法則により反
射光線の方向が定まるから、光学面の曲率もしくは曲率
半径により、入射光線の結像位置が決定されるからであ
る。

【０００８】曲率を測定する従来技術としては、特開平
６−２９４６２９号公報開示のものがあるが、光学面に
よる反射光をレンズにより受光素子上に絞り込んであ
り、このため、反射光が光軸に対してなす角の精度は上
記レンズの性能に依存してしまう。このため、曲率の測
定精度が上記レンズの性能に左右されてしまうという問
題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、レンズ面
や反射面である光学面の形状を、容易、且つ確実に精度
よく測定することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の形状測定
方法は「光源から出射したビームを被検物の光学面に照
射し、光学面からの反射光を、受光手段の受光面に入射
させ、受光手段により受光して、反射光の反射角を計測
することにより、光学面の傾斜角分布を測定する」こと
を特徴とする。

【００１１】「被検物」は、形状測定の対象となる光学
面を有する光学素子であり、「光学面」は、レンズ面も
しくは反射面(鏡面)である。

【００１２】請求項２記載の形状測定方法は「光源から
出射したビームを被検物の光学面に照射し、光学面から
の反射光を、光束形態を保存しつつ受光手段の受光面に
入射させ、受光手段により受光して、反射光の反射角を
計測することにより、光学面の傾斜角分布を測定する」
ことを特徴とする。

【００１３】「光学面からの反射光を、光束形態を保存
しつつ受光手段の受光面に入射させ」るとは、光学面か
ら受光手段の受光面に至る光路上に、上記反射光束の光
束形態を変化させるような光学系（凸レンズ・凹レンズ
・凸面鏡・凹面鏡）が存在せず、反射光束がその光束形
態を変化させることなく、受光手段に受光されることを
意味する。

【００１４】光学面から受光手段に至る光路上にレンズ
等があると、前述した特開平６−２９４６２９号公報開
示のもののように、反射光の反射角の精度がレンズ等の
性能に依存してしまうが、請求項２記載の測定方法で
は、反射光は、光束形態を保ったまま受光手段に受光さ
れるので、反射角を精度よく測定でき、得られる傾斜角
分布の精度も良い。

【００１５】請求項１または２記載の形状測定方法にお
いて、測定された傾斜角分布に基づき「光学面の曲率半
径分布および／または曲率分布」を演算により算出する
ことができる(請求項３)。また、請求項１または２また
は３記載の形状測定方法において「測定された傾斜角分
布に基づき、光学面の平均曲率半径分布および／または
平均曲率分布」を演算により算出することができる(請
求項４)。

【００１６】また、上記請求項１または２または３また
は４記載の形状測定方法において、「被検物の光学面に
照射されるビームの、光学面照射位置におけるビーム径
および／または波面曲率半径を調整する」ことができる
(請求項５)。このようにすることにより、受光手段の受
光面上に形成される反射光のスポット径の広がりを有効
に小さくすることが可能となる。

【００１７】請求項１〜５の任意の１に記載の形状測定
方法において、「被検物の光学面に照射されるビームの
波面を、アナモフィックな波面とする」ことができる
(請求項６)。

【００１８】「アナモフィックな波面」は、ビーム方向
に直交し、且つ、互いに直交する２方向における波面の
曲率半径が異なるような波面である。

【００１９】このようにすると、光学面がアナモフィッ
クな面である場合にも、受光手段の受光面上に形成され
る反射光のスポット径の広がりを、互いに直交する２方
向とも有効に小さくすることが可能となる。

【００２０】上記請求項１〜６の任意の１に記載の形状
測定方法において、被検物の光学面の傾斜角は、１度に
１方向のみの傾斜角の分布を測定してもよいが、「２軸
方向に対する独立した傾斜角分布」を測定することもで
きる(請求項７)。

【００２１】被検物の光学面は前述したように、レンズ
面や反射面であり、例えば、被検物が試作品である場合
のように、光学面の設計データが予め知られている場合
も多い、このような場合には「被検物の光学面の設計デ
ータと、実測結果との比較により、光学面の形状誤差を
演算算出する」ことができる(請求項８)。

【００２２】この場合の「形状誤差」は、設計上の光学
面形状と、実際の光学面形状の差である。

【００２３】この発明の形状測定方法で、被検物の光学
面により反射された反射光が、受光手段の受光面に、広
がりをもったスポット状に入射する場合、反射光の受光
面への入射位置としては「受光手段の受光する反射光の
重心を演算して、演算された重心の位置」を用いること
ができる(請求項９)。

【００２４】上記請求項１〜９の任意の１に記載の形状
測定方法において、「被検物の光学面と、この光学面に
ビームを照射する光学系と、光学面による反射光を受光
する受光手段との相対的な位置関係を、制御手段により
自動的に制御する」ことができる(請求項１０)。

【００２５】請求項１１記載の形状測定装置は、上記請
求項１記載の形状測定方法を実施する装置であって、保
持手段と、光源と、光学ユニットと、受光手段と、変位
手段と、演算手段とを有する。

【００２６】「保持手段」は、被検物を保持する手段で
ある。「光源」は、被検物の光学面に照射するビームを
放射する。「光学ユニット」は、光源から射出させたビ
ームを、被検物の光学面に照射する。

【００２７】「受光手段」は、光学面により反射された
反射光を受光する。「変位手段」は、被検物の光学面へ
の、ビームの入射位置を相対的に変位させる手段であ
る。

【００２８】「演算手段」は、受光手段により受光され
た反射光の位置と、光学面と、ビームとの位置関係とに
基づき、光学面の傾斜角分布を演算算出する。

【００２９】請求項１２記載の形状測定装置は、上記請
求項２記載の形状測定方法を実施する装置であって、上
記請求項１１における「受光手段」が、光学面により反
射された反射光を直截的に受光する点を特徴とする。即
ち、請求項１２記載の形状測定装置においては「光学面
から受光手段の受光面に至る光路上には、結像作用を持
つ光学素子」は配備されない。

【００３０】上記請求項１１または１２記載の形状測定
装置において、変位手段が「光学面へのビームの入射位
置を変位させつつ、受光手段の位置を変位させる」こと
ができる(請求項１３)。即ち、この場合、受光手段の受
光面は、光学面への入射位置の変化に応じて、反射光を
良好に受光できる位置へ変位されるのである。

【００３１】請求項１１または１２または１３記載の形
状測定装置において、光学ユニットは「光学面に照射さ
れるビームの光学面位置でのビーム径および／または波
面曲率半径を変化させる機能」を持つことができる(請
求項１４)。

【００３２】上記請求項１１〜１４の任意の１に記載の
形状測定装置においては「光学ユニットからのビームを
ビームスプリッタを介して被検物の光学面に照射させ、
光学面による反射光をビームスプリッタを介して受光手
段に導く」ようにすることができる(請求項１５)。請求
項１２の場合のように、受光手段が反射光を直截的に受
光する場合、ビームスプリッタとして「反射光の光束形
態に何ら作用しないもの」を用いる。

【００３３】また、上記請求項１１〜１４の任意の１に
記載の形状測定装置において、保持手段が「被検物の光
学面を、照射されるビームの入射方向に対して所望の角
だけ傾ける機能」を有することができる(請求項１６)。

【００３４】請求項１５、１６のようにすることによ
り、光学面による反射光を、光学ユニット側に戻すこと
なく、確実に受光手段の受光面へ入射させることができ
る。

【００３５】上記請求項１１〜１６の任意の１に記載の
形状測定装置における受光手段は、「被検物の光学面か
らの反射光の位置座標を、少なくとも２カ所で測定す
る」ように構成することができる（請求項１７）。

【００３６】また、上記請求項１１〜１７の任意の１に
記載の形状測定装置における光学ユニットを「照射用の
ビームにアナモフィックな波面を生成するためのアナモ
フィック光学素子を使用可能」に構成することができる
（請求項１８）。

【００３７】請求項１１〜１８の任意の１に記載の形状
測定装置における演算手段は「測定された傾斜角分布に
基づき、光学面の曲率半径分布および／または曲率分布
を演算により算出する機能」を有することもできる（請
求項１９）。

【００３８】請求項１１〜１９の任意の１に記載の形状
測定装置における演算手段は「測定された傾斜角分布に
基づき、光学面の平均曲率半径分布および／または平均
曲率分布を演算により算出する機能」を有することもで
きる（請求項２０）。

【００３９】請求項１１〜２０の任意の１に記載の形状
測定装置における演算手段は「予め入力された被検物の
光学面の設計データと、実測結果との比較により、光学
面の形状誤差を演算算出する機能」を有することができ
る（請求項２１）。

【００４０】請求項２２記載の記録媒体は、請求項１１
または１２記載の形状測定装置を制御するためのプログ
ラムを記録した記録媒体であって「開始ステップと、測
定ステップと、表示ステップと」をプログラムとして記
録されている。媒体の形態は、コンパクトディスク等の
光情報記録媒体、フロッピディスクや磁気テープ等の磁
気記録媒体等である。

【００４１】「開始ステップ」は、セットされた被検物
に対する測定開始状態を実現するステップである。「測
定ステップ」は、光源からビームを放射させ、受光手段
の受光出力に応じて所定の演算を行い、傾斜角を演算算
出する工程と、被検物に対する次の測定状態の実現とを
繰り返して、所望の測定領域における傾斜角分布を求め
るステップである。

【００４２】「表示ステップ」は、測定ステップで求め
られた結果を表示するステップである。

【００４３】この請求項２２記載の記録媒体における測
定ステップは「傾斜角分布に基づき、光学面の曲率半径
分布および／または曲率分布を演算により算出する工
程」を有することができる（請求項２３）。

【００４４】請求項２２または２３記載の記録媒体にお
ける測定ステップは「傾斜角分布に基づき、光学面の平
均曲率半径分布および／または平均曲率分布を演算によ
り算出する工程」を有することができる（請求項２
４）。

【００４５】上記請求項２２〜２４の任意の１に記載の
形状測定方法における測定ステップは「予め入力された
被検物の光学面の設計データと、実測結果との比較によ
り、光学面の形状誤差を演算算出する工程」を有するこ
とができる（請求項２５）。

【００４６】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態を説明す
る。図１において、符号０は被検物、符号１０は光源、
符号１２は光学ユニット、符号１４は移動ステージ、符
号１６は受光装置、符号１８は移動ステージ、符号２０
は制御演算手段をそれぞれ示している。

【００４７】図に示された被検物０はレンズであり、そ
の光学面ＳＦの形状が測定の対象である。説明の便宜
上、ｘ、ｙ、ｚ方向を図の如くに定める。ｙ方向は図面
に直交する方向である。被検物０は移動ステージ１４に
保持される。移動ステージ１４は３次元ステージで、制
御演算手段２０の制御を受けて、被検物０をｘ、ｙ、ｚ
方向に変位できるようになっている。

【００４８】光源１０は、この実施の形態においてレー
ザ光源であるが、この測定装置は光の干渉を利用するも
のではないので、ＬＥＤや白色光源を適宜の形態にして
用いることもできる。

【００４９】光源１０から放射されたビーム（レーザ
光）は、光学ユニット１２を介して被検物０の光学面Ｓ
Ｆに照射される。光学ユニット１２は、光学面ＳＦへ照
射されるビームのビーム形態を調整するのに用いられ
る。

【００５０】光学面ＳＦにより反射された反射光（正反
射光）は、受光装置１６の受光面に入射する。この実施
の形態で、受光装置１６はＣＣＤによるエリアセンサで
あるが、他にポジションセンサや分割フォトダイオード
を用いることができる。

【００５１】受光装置１６は、制御演算手段２０により
駆動制御され、その出力は制御演算手段２０に入力す
る。受光素子１６と制御演算手段２０とは、この実施の
形態において「受光手段」を構成している。

【００５２】受光装置１６を保持する移動ステージ１８
は２次元ステージで、制御演算手段２０の制御を受け
て、受光装置１６の受光面を「ｘｙ面」内で変位させ
る。

【００５３】移動ステージ１４、１８と制御演算手段２
０とはこの実施の形態において「変位手段」を構成す
る。

【００５４】制御演算手段２０は、受光装置１６からの
入力情報に基づき、後述の如くして光学面ＳＦの傾斜
角：θを演算算出する。即ち、この実施の形態において
制御演算手段２０は「演算手段」をなす。制御演算手段
２０は、具体的にはコンピュータ等である。

【００５５】即ち、図１に示す形状測定装置は、被検物
０を保持する保持手段１４と、光源１０と、この光源か
ら射出させたビームを被検物の光学面ＳＦに照射する光
学ユニット１２と、光学面により反射された反射光を受
光する受光手段１６、２０と、被検物の光学面への、ビ
ームの入射位置を相対的に変位させる変位手段１４、２
０と、受光手段により受光された反射光の位置と、光学
面と、ビームとの位置関係とに基づき、光学面ＳＦの傾
斜角：θの分布を演算算出する演算手段２０とを有する
（請求項１１）。また、受光手段１６、２０は「光学面
により反射された反射光を直截的に受光」する（請求項
１２）。

【００５６】以下、図１の装置による傾斜角分布の測定
を説明する。光学面ＳＦは、一般的には３次元的な形状
を有するが、以下では説明の簡単のため、ｘｚ面内での
形状：ｚ＝ｚ（ｘ）を考える。

【００５７】光学面ＳＦによる反射光は、受光装置１６
の受光面に「２次元的な広がり」をもって入射するの
で、先ずは、受光面における反射光の入射位置を特定す
る必要がある。この実施の形態においては、受光装置が
ＣＣＤによる２次元のエリアセンサであるので、以下の
如くして入射位置の特定を行う。

【００５８】即ち、２次元ステージ１８により２次元的
に変位される受光装置１６の受光面の基準位置（例え
ば、受光面の中央位置）の座標をＸ_Ｓ、Ｙ_Ｓ（ｘ、ｙ方
向に平行である）とする。移動ステージ１８の移動は制
御演算手段２０により制御されるので、上記座標Ｘ_Ｓ、
Ｙ_Ｓは、制御演算手段２０中にデータとして存在する。

【００５９】受光面の基準位置を原点として、ｘ方向に
ξ座標を設定し、ｙ方向にη座標を設定する。受光面
は、微小受光面の密な集合であるので、各微小受光面の
座標は（ξ_ｉ，η_ｊ）で与えられる。

【００６０】このとき、受光面における反射光の入射位
置は、受光面に入射する光束の重心であるとする。即
ち、入射位置の座標は周知の「重心解析」により求めら
れる。

【００６１】１例を説明すると、座標：（ξ_ｉ，η_ｊ）
に入射する反射光の強度をＰ_ｉｊとすると、重心のξ座
標：ξ_Ｇは、 ξ_Ｇ＝［Σ_ｉξ_ｉ｛Σ_ｊＰ_ｉｊη_ｊ｝］／Σ_ｉｊＰ_ｉｊ で与えられる。但し、この式において、「Σ_ｉ」はｉに
ついての和、「Σ_ｊ」はｊについての和、「Σ_ｉｊ」
は、ｉ、ｊについての和をとることを意味している。

【００６２】同様に重心のη座標：η_Ｇは、 η_Ｇ＝［Σ_ｉη_ｉ｛Σ_ｊＰ_ｉｊξ_ｊ｝］／Σ_ｉｊＰ_ｉｊ で与えられる。

【００６３】このように重心を定めると、図１に示す反
射光束の受光面への入射位置のｘ座標：ｘ（基準は、図
のように照射ビームの主光線位置である）は、 ｘ＝Ｘ_Ｓ＋ξ_Ｇ で与えられる。

【００６４】即ち、この実施の形態においては、受光手
段の受光する反射光の重心を演算して、演算された重心
の位置を反射光の受光手段への入射位置とする(請求項
９)。

【００６５】また、図における距離：Ｌは、受光装置１
６の受光面位置と「光学面ＳＦにおけるビーム照射位置
とのｚ方向の距離」を表し、この距離：Ｌは測定時に適
宜に設定すると、制御演算手段２０中にデータとして記
憶される。

【００６６】さて、光学面ＳＦのビーム照射位置におけ
る（ｘｚ面内における）傾斜角を図の如く「θ」とする
と、反射の法則に従い、反射光の反射角は「２θ」とな
るが、図の関係から明らかなように、反射光の入射位
置：ｘ、距離：Ｌ、角：２θの間には、関係： ｔａｎ２θ＝ｘ／Ｌ （１） が成り立つ。

【００６７】これから、 ２θ＝ａｒｃｔａｎ（ｘ／Ｌ） （２） が得られるので、傾斜角：θは、演算： θ＝０．５×ａｒｃｔａｎ（ｘ／Ｌ） （３） により算出することができる。即ち、演算手段としての
制御演算手段２０は、上記重心解析により「ξ_Ｇ」を求
め、Ｘ_Ｓとの和によりｘを算出し、さらに、上記（３）
式により傾斜角：θを算出する。

【００６８】制御演算手段２０により移動ステージ１４
を制御して、被検物０をｘ方向へ所定の微小距離：Δｘ
ずつステップ的に変位させ、各ステップごとに受光装置
１６の受光面への反射光の入射位置：ｘを求め、傾斜
角：θを求める工程を繰り返すことにより、光学面ＳＦ
の「ｘｚ面に平行なある断面における傾斜角分布」を得
ることができる。

【００６９】なお、光学面のｚ方向における高低差が
「ある程度大きい」ときは、移動ステージ１４により被
検物０をｘ方向へ変位させるとき、同時に、被検物０を
ｚ方向にも変位させることにより、距離：Ｌを不変に保
つようにするのが良い。被検物０の光学面のデータは設
計データとして知られている場合が一般的であるから、
この設計データを制御演算手段２０に予め記憶させてお
くことにより、被検物０のｘ方向への微小距離変化：Δ
ｘに対する、ｚ方向の微小変化：Δｚを算出して移動ス
テージ１４による被検物０のｚ方向への変位距離を制御
すればよい。

【００７０】別の方法として、移動ステージ１４による
被検物０の変位は、ｘ方向のみとし、被検物０をｚ方向
に変位させる代わりに、距離：Ｌを上記Δｚで補正して
演算を行うようにしてもよい。

【００７１】上記の如くして光学面の「ある断面につい
ての傾斜角分布」が求められたのち、必要に応じて、移
動ステージ１４により被検物０をｙ方向（図面に直交す
る方向）へ所望の距離だけ変位させ、上記のプロセスを
繰り返せば、光学面の全体もしくは所望の部分につい
て、傾斜角分布：（ｘ，ｙ，θ）を知ることができる。

【００７２】なお、ビーム照射位置における傾斜角：θ
の変化による、反射光の受光装置１６への入射位置の変
化が大きく、入射位置が、受光面からはみ出すような場
合には、（前述の設計データに基づき）制御演算手段２
０により移動ステージ１８を制御して、受光装置１６を
ｘ、ｙ方向へ変位させて、反射光の入射位置の変化に追
従させるのが良い。この場合、「変位手段」は、光学面
ＳＦへのビームの入射位置を（移動ステージ１４によ
り）変位させつつ、（移動ステージ１８により）受光手
段の位置を変位させる（請求項１３）ことになる。

【００７３】即ち、図１に実施の形態を示す形状測定装
置では、光源１０から出射したビームを被検物０の光学
面ＳＦに照射し、光学面ＳＦからの反射光を、受光手段
１６の受光面に入射させ、受光手段により受光して、反
射光の反射角：θを計測することにより、光学面ＳＦの
傾斜角分布を測定する形状測定方法（請求項１）が実施
される。またこのとき、光学面ＳＦからの反射光は「光
束形態を保存しつつ受光手段１６の受光面に入射」する
（請求項２）。

【００７４】ここで、上記形状測定方法を具体的に評価
してみる。Ｌ＝２００ｍｍ、位置検出分解能：Δｘ＝１
μｍ、被検物０の光学面ＳＦの最大傾斜角：θ_ＭＡＸを
３０度とすると、最小分解能：０．５秒、ダイナミック
レンジ（＝最大傾斜角／最小分解能）＝２．２×１０^５
となり、高精度かつ高ダイナミックレンジの測定が可能
である。

【００７５】上には、光学面ＳＦのｘｙ面内での傾斜角
分布を測定する場合を説明したが、光学面ＳＦからの反
射光が受光装置１６の受光面に入射するｙ方向の座標を
検出するようにすれば、上記と同様にして、ｙｚ面内で
の傾斜角分布を測定することができる。移動ステージ１
８は２次元ステージであるので、反射光のｙ方向の入射
位置（重心解析で求められる）を検出することは容易で
ある。

【００７６】従って、上記の如くして、反射光の入射位
置のｘ位置とｙ位置とを同時に測定することにより、被
検物０の光学面ＳＦの、２軸方向に対する独立した傾斜
角分布を測定する（請求項７）ことができる。

【００７７】上のように、光学面の傾斜角分布が測定で
きると、この結果に基づき、曲率分布や曲率半径分布、
さらには、平均曲率分布や平均曲率半径分布を演算によ
り算出することができる。以下、これを説明する。

【００７８】光学面ＳＦの面位置を特定する座標を、Ｘ
（図１におけるｘ方向に平行），Ｙ（図１におけるｙ方
向に平行）とする。これらの座標：Ｘ，Ｙは、図１にお
いて、光学面ＳＦが光学ユニット１２からのビームによ
り照射される位置であり、移動ステージ１４を制御する
制御演算手段２０のデータとして特定される。

【００７９】上記座標：Ｘ，Ｙにおける傾斜角を、Ｘ方
向につき、θ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)、Ｙ方向につき、θ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)
とする。

【００８０】光学面ＳＦの３次元形状を「Ｚ(Ｘ，
Ｙ)」、座標：Ｘ，Ｙにおける光学面のＸＺ面内におけ
る曲率半径を「Ｒ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)」、ＹＺ面内における曲率
半径を「Ｒ _Ｙ(Ｘ，Ｙ)」とすると、これらは周知の如
く、 Ｒ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)＝｛１＋（∂Ｚ/∂Ｘ）^２｝^３/２／（∂^２Ｚ/∂Ｘ^２） （４） Ｒ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)＝｛１＋（∂Ｚ/∂Ｙ）^２｝^３/２／（∂^２Ｚ/∂Ｙ^２） （５） で定義される。

【００８１】（４）式において、 ∂Ｚ/∂Ｘ＝ｔａｎθ_Ｘ(Ｘ，Ｙ) （６） ∂^２Ｚ/∂Ｘ^２＝∂ｔａｎθ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)/∂Ｘ （７） であり、(５)式において、 ∂Ｚ/∂Ｙ＝ｔａｎθ_Ｙ(Ｘ，Ｙ) （８） ∂^２Ｚ/∂Ｙ^２＝∂ｔａｎθ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)/∂Ｙ （９） であるから、前述の如くして測定された傾斜角分布：θ
_Ｘ(Ｘ，Ｙ)に基づき、（６）式および（７）式により
「∂Ｚ/∂Ｘと∂^２Ｚ/∂Ｘ^２」を演算し、その結果を用
いて（４）式の右辺を演算すれば、任意の位置：Ｘ，Ｙ
における曲率半径；Ｒ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)を算出できるので、こ
のような演算を各位置：Ｘ，Ｙに対して行うことによ
り、曲率半径分布：Ｒ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)を得ることができる。

【００８２】同様に、傾斜角分布：θ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)に基づ
き、（８）式および（９）式により「∂Ｚ/∂Ｙと∂^２
Ｚ/∂Ｙ^２」を演算し、その結果を用いて（５）式の右
辺を演算すれば、任意の位置：Ｘ，Ｙにおける曲率半
径；Ｒ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)を算出できるので、このような演算を
各位置：Ｘ，Ｙに対して行うことにより、曲率半径分
布：Ｒ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)を得ることができる。

【００８３】曲率：Ｃは曲率半径：Ｒの逆数であるか
ら、ＸＺ面内の曲率分布：Ｃ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)、ＹＺ面内の曲
率分布：Ｃ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)は、それぞれ演算： Ｃ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)＝１/Ｒ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)＝(∂^２Ｚ/∂Ｘ^２)/{１＋(∂Ｚ/∂Ｘ)^２}^３/２ (10) Ｃ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)＝１/Ｒ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)＝(∂^２Ｚ/∂Ｙ^２)/{１＋(∂Ｚ/∂Ｙ)^２}^３/２ (11) により算出することができる。

【００８４】即ち、図１に即して実施の形態を説明した
形状測定装置において、制御演算手段２０が、式(４)〜
（９）もしくは式(６)〜（１１）の演算を行うように構
成したものは、請求項１９記載の形状測定装置の実施の
１形態となる。

【００８５】そしてこのような形状測定装置では、測定
された傾斜角分布に基づき、光学面の曲率半径分布およ
び／または曲率分布を演算により算出する形状測定方法
（請求項３）が実施されることになる。

【００８６】上記のように、Ｘ，Ｙの２軸方向に対し、
それぞれ独立した傾斜角分布：θ_Ｘ（Ｘ，Ｙ）、θ
_Ｙ（Ｘ，Ｙ）を測定することは、被検物０の光学面ＳＦ
の曲率が２軸方向に異なる場合に特に有効である。

【００８７】レンズ面の傾斜角は、光学的には「射出光
線の進行方向を決定する重要なファクタ」であるが、こ
の発明の測定方法・装置によれば上記の如くして直接測
定できる。また、光学面全体が偏心していると、傾斜角
分布の測定結果が、設計値に対してバイアス成分をもつ
が、上記の如くして「基準に対するレンズ全体の偏心
量」も測定できる。

【００８８】ところで、被検物０が光走査装置に用いら
れるｆθレンズ等の走査レンズの場合、その光学性能を
表す最も直截的な尺度は光学面の「曲率もしくは曲率半
径を入射ビーム径内で平均した、平均曲率あるいは平均
曲率半径の分布、即ち、平均曲率分布もしくは平均曲率
半径分布」である。

【００８９】このような平均曲率分布あるいは平均曲率
半径分布は、上に説明した曲率分布や曲率半径分布が分
かれば、これらに対して平均化演算を行うことにより得
ることができる。しかし、そのような手順を踏まなくて
も、傾斜角分布から直接的に算出することもできる。

【００９０】傾斜角分布から曲率分布もしくは曲率半径
分布を算出し、これら曲率分布等から平均曲率分布等を
算出すると、実測される傾斜角分布に対し、演算走査が
繰り返されるため、演算工程での誤差が集積される虞が
あるが、傾斜角分布から直接に平均曲率分布等を算出で
きれば、このような誤差の積み重ねを回避することがで
きる。

【００９１】簡単のために、光学面の形状を座標：Ｘの
みの関数：Ｚ(Ｘ)として説明すると、座標：Ｘの区間：
［ａ，ｂ］内における平均曲率：＜Ｃ（ａ：ｂ）＞は、
定義により、 ＜Ｃ（ａ：ｂ）＞＝∫_ａｂＣ(Ｘ)ｄＸ/（ｂ―ａ） (12) である。なお「∫_ａｂ」は、積分の上限がｂで下限がａ
であることを表す。

【００９２】式(10)を、Ｘのみの変数に簡単化して、 Ｃ(Ｘ)＝１/Ｒ(Ｘ)＝(ｄ^２Ｚ/ｄＸ^２)/{１＋(ｄＺ/ｄＸ)^２}^３/２ (13) として、上記(12)式に代入し、積分を実行すると、次ぎ
の(14)式が得られる。

【００９３】 ＜Ｃ（ａ：ｂ）＞ ＝［{Z’(ｂ)/√(1+Z’(ｂ)^２)}−{Z’(ａ)/√(1+Z’(ａ)^２)}］/（ｂ―a） (14) ここに、Ｚ’(ａ)＝(ｄＺ/ｄＸ)_Ｘ＝ａ、Ｚ’(ｂ)＝(ｄ
Ｚ/ｄＸ)_Ｘ＝ｂである。

【００９４】ｄＺ/ｄＸ＝ｔａｎθ(Ｘ)であるから、(1
4)式を用いることにより、区間：［ａ，ｂ］内における
平均曲率：＜Ｃ（ａ：ｂ）＞は、傾斜角分布：θ（Ｘ）
から容易に算出できることになる。

【００９５】ここで、ａ＝Ｘ_０−Ｂ/２、ｂ＝Ｘ_０＋Ｂ/
２とし、パラメータ：Ｂとして「走査光学系の光学面に
入射する偏向ビームのビーム直径」を用いれば、当該光
学面に入射するビームのＸ＝Ｘ_０における「平均曲率」が
求められる。Ｘ_０を偏向ビームの入射領域に亘って変化
させれば「平均曲率分布」が得られる。

【００９６】上記平均曲率：＜Ｃ（ａ：ｂ）＞に対応す
る平均曲率半径：＜Ｒ（ａ：ｂ）＞は、定義によって＜
Ｒ（ａ：ｂ）＞＝１／＜Ｃ（ａ：ｂ）＞により算出する
ことができる。Ｚ＝Ｚ（Ｘ，Ｙ）の場合も、上記と同様
にして平均曲率分布や、平均曲率半径分布を算出するこ
とができる。

【００９７】即ち、図１に実施の形態を説明した形状測
定装置において、制御演算手段２０で上記の平均曲率分
布や平均曲率半径分布を演算算出するようにしたもの
は、請求項２０記載の形状測定装置の実施の１形態とな
る。そして、このような実施の形態では「測定された傾
斜角分布に基づき、光学面の平均曲率半径分布および／
または平均曲率分布を演算により算出する」という請求
項４記載の形状測定方法が実施される。

【００９８】被検物０が試作レンズであるような場合、
測定対象となる光学面の形状データは、設計値として予
め知られている。従って、このような場合、設計データ
から光学面の形状データを予め、制御演算手段２０に入
力しておき、上に説明したようにして実測される傾斜角
分布から得られる実際の光学面形状との差を演算するこ
とにより、試作レンズにおける光学面の形状誤差を容易
に知ることができる。

【００９９】簡単のために、被検物の光学面の形状がＺ
(Ｘ)である場合、傾斜角分布：θ(Ｘ)が知れると、この
傾斜角分布は、光学面の１次微分：ｄＺ／ｄＸと、関
係：ｄＺ／ｄＸ＝ｔａｎθ(Ｘ)で結ばれているから、傾
斜角分布：θ(Ｘ)からｔａｎθ(Ｘ)を求め、これに対応
する設計上のｄＺ_０/ｄＸ(設計データから得られる)と
の差：ΔＺ’(Ｘ)＝ｄＺ／ｄＸ―ｄＺ_０/ｄＸを、変
数：Ｘで積分した ΔＺ＝∫ΔＺ’ (Ｘ)ｄＸ (15) を求めれば、これが「形状誤差」を与える。このように
して、μｍオーダーの精度で、ｎｍオーダーの「光学面
のうねり（空間的に周期性をもった形状誤差）」を測定
することが可能である。

【０１００】このようにして知られた形状誤差に基づ
き、例えば、レンズ面成形用の金型の面を修正するなど
して、容易に「設計データにより近い形状の光学面」を
形成することが可能になる。測定対象としての被検物の
光学面を「金型面」として、上述の如くして形状測定を
行い、形状誤差を求めれば、設計上の金型面と実際の金
型面との差を直截的に知ることもできる。

【０１０１】即ち、図１の実施の形態において、制御演
算手段２０が上記の「形状誤差」を演算できるようにし
たものは、請求項１９記載の形状測定装置の実施の１形
態となるのであり、かかる形状測定装置では「被検物の
光学面の設計データと、実測結果との比較により、光学
面の形状誤差を演算算出する」という請求項８記載の形
状測定方法が実施されることになる。

【０１０２】また、図１に実施の形態を示した形状測定
装置による測定の際には、被検物０の光学面ＳＦと、こ
の光学面にビームを照射する光学系１０、１２と、光学
面による反射光を受光する受光手段１６との相対的な位
置関係が、制御手段２０により自動的に制御されている
(請求項１０)。

【０１０３】図２は、請求項１４記載の形状測定装置の
実施の１形態を、特徴部分のみ説明する図である。

【０１０４】図１に即して説明した実施の形態におい
て、反射光が受光装置１６の受光面に入射する位置を検
出できるためには、受光装置１６の受光面上に反射光が
形成するスポットの大きさが、受光面の大きさより小さ
くなければならない。

【０１０５】光学面が「平面に近い形状」や「緩い凹面
や緩い凸面」であれば、光学面に照射ビームとして実質
的な平行光束を照射しても、反射光の発散の程度は小さ
く、受光装置１６の受光面で十分に受光することができ
るが、光学面が凸面である場合、その曲率半径が小さく
なるに従い、反射光の発散の程度が大きくなり、受光装
置１６の受光面で反射光を受光しきれない場合が生じて
しまう。

【０１０６】請求項１４記載の形状測定装置では、この
ような状況に対して適切に対処するために、光学ユニッ
トに「光学面に照射されるビームの光学面位置でのビー
ム径および／または波面曲率半径を変化させる機能」を
持たせている。このようにビーム径や波面曲率半径を、
光学面の曲率に応じて調整することにより、反射光の発
散の程度を制御でき、受光装置１６の受光面で常に適正
に反射光を受光することが可能になる。

【０１０７】図２に示す実施の形態においては、光学ユ
ニット１２Ａに「光学面に照射されるビームの光学面位
置でのビーム径および波面曲率半径を変化させる機能」
を持たせている。

【０１０８】図２(ａ)において、光源１０から放射され
たレーザ光（平行ビーム）は、光学ユニット１２Ａに入
射すると、先ず正レンズ１２１により集光されてピンホ
ール１２２を通過する。次いで、コリメートレンズ１２
３を透過することにより平行ビームにコリメートされ
る。コリメートレンズ１２３は焦点距離可変のズーム機
構を有し、射出ビームのビーム径を変化させることがで
きる。

【０１０９】コリメートレンズ１２３から射出した平行
ビームは、アパーチャ１２４の開口を通過し、レンズ１
２５により集光ビームに変換されて被検物０の光学面Ｓ
Ｆに照射される。

【０１１０】レンズ１２５の焦点距離：ｆに対し、図示
の距離：ｌ３（レンズ１２５と光学面ＳＦとの距離）を
調整することにより、光学面ＳＦ上に所望の波面曲率半
径を生成できる。

【０１１１】図においては、単一のレンズ１２５を示し
ているが、焦点距離の異なる複数種のレンズ(正レンズ
・負レンズ)を、レンズ１２５とともに、例えばレボル
バ式に切り換えられる構成とすれば、被検物０の光学面
形状（曲率）の広い範囲に応じて、適切な正レンズを選
択することができる。

【０１１２】図２の例では、被検物０の光学面ＳＦが凸
面であるので、光学面を照射するビームの波面を「光学
面ＳＦと同じ向きの凸の波面」としている。光学面が凹
面の場合には「光学面に向って凸の波面」とするのが良
く、この場合は、レンズ１２５を、ｌ３＞ｆを満足する
ように配置するか、あるいは、レンズ１２５として負レ
ンズを用いればよい。

【０１１３】図２の実施の形態において、受光装置１６
の受光面上に反射光が形成する光スポットのスポット径
は、以下のように求めることができる。

【０１１４】(ａ)レンズ１２５に入射する直前のビーム
の波面曲率半径：Ｒとレンズ１２５の焦点距離：ｆから
式： （１/Ｒ’）＝（１/Ｒ）−（１/ｆ） (16) により、レンズ１２５を透過直後のビームの波面曲率半
径：Ｒ’を算出する。

【０１１５】この波面曲率半径：Ｒ’と、ガウスビーム
のビーム半径：ｗとにより、ビームウエスト半径：ｗ_０
を、式： ｗ_０＝ｗ/√｛１＋(πｗ^２/λＲ’)^２｝ (17) により算出し、ビームウエスト位置ｚ_０を、式： ｚ_０＝Ｒ’/｛１＋（λＲ’/πｗ^２)^２｝ (18) により算出する。なお、λはビームの波長である。

【０１１６】すると、ビームウエスト位置：ｚ_０から距
離：ｚだけ離れた位置におけるビーム半径：ｗ(ｚ)は、
式： ｗ(ｚ)^２＝ｗ_０ ^２［１＋（λｚ/πｗ_０ ^２)^２｝ (19） を満足し、ビームウエスト位置：ｚ_０から距離：ｚだけ
離れた位置における波面曲率半径：Ｒ(ｚ)は、式： Ｒ(ｚ)＝ｚ｛１＋(πｗ_０ ^２/λｚ)^２｝ (20) を満足する。従って、(19)からｗ(ｚ)をもとめ、(20)式
により、波面曲率半径：Ｒ(ｚ)を求めることができる。

【０１１７】このＲ(ｚ)において、ｚとして、光学面Ｓ
Ｆの位置のｚ座標を与えたものは、光学面ＳＦに入射す
るビームの光学面ＳＦの位置における波面曲率半径であ
り、この波面曲率半径を「Ｒin」と書くことにする(図
２（ｂ）参照)。また、同図に示すように、光学面ＳＦ
の(ビーム入射位置における)曲率半径を「Ｒｍ」とし、
光学面ＳＦにより反射された反射光の反射直後の波面曲
率半径を「Ｒout」とすると、これら曲率半径：Ｒin、
Ｒｍ、Ｒoutの間には、関係： （１/Ｒin）＋（１/Ｒout）＝１/Ｒｍ (21) が成り立つので、この式に従って、反射光の上記波面曲
率半径：Ｒoutを算出することができる。この波面曲率
半径：Ｒoutが知れると、あとは、光学面ＳＦと受光装
置１６の受光面との距離：ｌ４が分かれば、受光面上に
おける反射光のスポットの大きさを知ることができる。

【０１１８】１例として、光学面ＳＦのビーム照射位置
部分が「曲率半径：Ｒｍ＝２００ｍｍの凸面」である場
合、波長：λ＝６３３ｎｍの平行ビームがレンズ１２５
にビーム半径：ｗ＝０．５ｍｍで入射するものとし、レ
ンズ１２５の焦点距離：ｆ＝１２０ｍｍ、レンズ１２５
と光学面ＳＦとの距離：ｌ３＝５０ｍｍとすると、光学
面ＳＦに入射するビームの波面曲率半径：Ｒin＝７０ｍ
ｍ、ビーム半径：ｗ＝０．２９ｍｍとなり、受光装置１
６の受光面までの距離：ｌ４（＝Ｌ）＝２００ｍｍで
は、反射光のスポット径は０．２９ｍｍとなる。

【０１１９】このように形成される反射光の光スポット
の入射位置を制御演算手段（コンピュータ）により重心
位置として算出して決定する。受光装置のＣＣＤのピッ
チは数μｍであるので、重心位置を算出することでその
１／１０程度すなわちサブミクロンの分解能を得ること
ができる。

【０１２０】波面曲率半径：Ｒoutが、光学面ＳＦと受
光面との距離ｌ４に等しければ、受光面上で反射光のス
ポット径は最小となり、最も良い。しかし、光学面の曲
率半径：Ｒｍや、距離：ｌ４も測定中に異なる場合があ
るので、上記光スポットは受光面から「はみ出さない」
程度の大きさであれば良い。

【０１２１】受光面上の光スポットの強度分布から、反
射光の入射位置を重心解析で求めるには、受光面上の光
スポット半径は、例えば０．５ｍｍ以下であることが望
ましい。この場合(19)式より、ビームウエスト半径：ｗ
_０が０．０１ｍｍでは、受光面の位置に対する許容範囲
（上記距離：ｌ４に対する許容範囲）は±２５ｍｍ、ビ
ームウエスト半径：ｗ_０が０．１ｍｍのとき上記許容範
囲は±２４３ｍｍ、ビームウエスト半径：ｗ_０が０．２
ｍｍのとき許容範囲は±４５５ｍｍとなり、この許容範
囲内に受光面が位置していれば、上記光スポット半径：
０．５ｍｍ以下を達成できる。

【０１２２】「反射光の入射位置の位置決め」をより高
精度に行うため、受光面上での光スポット半径を０．２
５ｍｍ以下とすると、ビームウエスト半径：ｗ_０が０．
０１ｍｍのとき許容範囲は±１２ｍｍ、ビームウエスト
半径：ｗ_０が０．１ｍｍのとき許容範囲は±１１４ｍ
ｍ、ビームウエスト半径：ｗ_０が０．２ｍｍのとき許容
範囲は±１４９ｍｍとなる。

【０１２３】また、レンズ１２５と光学面ＳＦとの距
離：ｌ３が、４５〜６０ｍｍの範囲で変化すると、ビー
ムウエスト位置は受光面から−７４ｍｍ〜２１ｍｍの範
囲で大きく変化するが、ビーム直径の変化の範囲は０．
２９〜０．３５ｍｍ程度であり、上記入射位置を決定す
る精度には殆ど影響しない。従って、距離：ｌ３の変動
の範囲が１５ｍｍ以内であれば傾斜角分布の精度には実
質的な影響はない。

【０１２４】上記の説明に従うと、例えば「レンズ１２
５に入射する直前のビーム半径が０．５ｍｍ程度」の場
合、このビーム半径は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等のガスレー
ザの出射直後のビーム径に相当し、このような場合、図
２(ａ)における光学ユニット１２Ａにおけるレンズ１２
１、１２３は不要となる。従って、学ユニットはレンズ
１２５のみでも実現できるから、光学ユニットは最小限
１枚のレンズで構成することができる(図１は、この場
合を示している)。

【０１２５】図２に即して上に説明した形状測定装置は
従って、光学ユニット１２Ａが「光学面ＳＦに照射され
るビームの光学面位置での波面曲率半径を変化させる機
能」を持ち(請求項１４)、請求項５記載の測定方法が実
施される。

【０１２６】次の例として、被検物０の光学面ＳＦが、
曲率半径：Ｒｍ＝２５ｍｍの凸面の場合を考える。この
場合には、前記距離：ｌ３をどのように変えても、受光
面上でのスポット径を１ｍｍ以下にできない。これは、
小さな波面曲率半径：Ｒinを作ることができないためで
ある。

【０１２７】この場合に対処する方法としては、以下の
２方法が考えられる。第１の方法は、光学面ＳＦ上に照
射されるビームの半径を、光学面状において３ｍｍに変
更する方法である。この場合、距離：ｌ３＝１０８ｍｍ
とすると、波面曲率半径：Ｒoutは１１．８ｍｍとな
り、受光面上のスポット径は０．３４ｍｍとなる。

【０１２８】第２の方法は、レンズ１２５として、焦点
距離：ｆ＝２５ｍｍのものを用いる方法である。距離：
ｌ３＝１３．２ｍｍとすると、波面曲率半径：Ｒoutは
１２．０ｍｍとなり、受光面上のスポット径は０．３４
ｍｍとなる。

【０１２９】即ち、このようにする場合は、光学ユニッ
トは、光学面に照射されるビームの光学面位置でのビー
ム径を変化させる機能を持つことになり(請求項１４)、
請求項５記載の方法が実施されることになる。

【０１３０】形状測定の対象である光学面の曲率が、Ｘ
方向とＹ方向とで異なると、受光面上に入射する反射光
のスポット形状が、例えば図２（ｃ）に示すような具合
に楕円形状となる。この場合、１方向で「ビームが細
く」なるように光学系を調整し、１方向（例えば、Ｘ方
向）の測定を行い、Ｙ方向の曲率半径の測定は、再度光
学系を調整し、この方向のスポット径が小さくなるよう
にして測定を行うと良い。

【０１３１】このようにする代わりに、光学ユニット１
２Ａに「シリンダレンズ等のアナモフィックレンズ」を
付加して、受光面上のスポット径上を「略円形状」にす
るようにしても良く、この場合には、２軸方向を同時に
測定できる(請求項１８、６、７)。

【０１３２】具体的には、レンズ１２５を、１方向（Ｘ
方向）に関しては、前述の説明のようにして焦点距離：
ｆと距離：ｌ３を設計し、他の方向（Ｙ方向）に関して
は、Ｙ方向に曲率を有するをシリンダレンズを付加的に
配置して補正を行うようにすればよい。照射ビームの径
をＸ、Ｙ方向で変えたい場合は、アパーチャ１２４の開
口部に矩形開口を用いても良い。

【０１３３】先に説明した図１の実施の形態の場合、光
学面ＳＦの傾斜角：θが０に近いと、光学面ＳＦによる
反射光の反射角：２θも小さく、受光装置の位置と光源
・光学ユニットの配置位置とが相互に干渉しあうので、
これら相互を分離する必要がある。

【０１３４】この目的のためには、例えば、図３に要部
を示す実施の形態のように、光学ユニット１２からのビ
ームを、ハーフミラー等のビームスプリッタ３０を介し
て被検物０の光学面ＳＦに照射させ、光学面ＳＦによる
反射光をビームスプリッタ３０を介して受光手段の受光
装置１６に導くようにしてもよいし(請求項１５)、図４
に要部を示す実施の形態のように、保持手段１４Ａとし
て「被検物０の光学面ＳＦを、照射されるビームの入射
方向に対して所望の角だけ傾ける機能」を有するものを
用いてもよい(請求項１６)。

【０１３５】図４のように、被検物０の光学面ＳＦを照
射ビームに対して相対的に傾けると、傾斜角の値自体が
変わってくるが、最終的には、傾斜角の変化量が曲率等
の光学性能に影響を与えるファクタとなるので実用的な
問題はない。上に説明したのは、光学面における傾斜角
が微小な場合であったが、逆に光学面の傾斜角が４５度
を越えると、反射光は受光装置の受光面に入射しない。
このような場合にも、被検物の光学面を傾けて測定する
ことが有効である。

【０１３６】図５は、請求項１７記載の形状測定装置
の、実施の１形態の特徴部分を説明するための図であ
る。請求項１７記載の形状測定装置は、受光手段が、被
検物０の光学面ＳＦからの反射光の位置座標を、少なく
とも２カ所で測定することを特徴とする。

【０１３７】図５の実施の形態において、(ａ)はｘｚ面
内で見た光学配置、（ｂ）はｙｚ面で見た光学配置であ
る。反射光を２カ所で測定するため、受光手段に、受光
装置１６に加えて第２の受光装置１７を配置している。
受光装置１６、１７とも、図示されない変位手段により
ｘｙ面内で変位可能である。なお、図５において、符号
ＨＭはハーフミラーを示し、符号ＢＭはハーフミラーに
入射する照射用のビームを示している。

【０１３８】図５の実施の形態において、第２の受光装
置１７は「透過型フォトセンサ」である。このため、光
学面ＳＦによる反射光は、受光装置１７を透過して受光
装置１７に入射する。受光装置１７の透過位置が重心解
析により決定される。このように、反射光の光路上の２
点の座標を測定することにより、反射光の方向ベクトル
を一義的に特定でき、図１の実施の形態に適用した場
合、レンズ１２５と光学面ＳＦとの距離：Ｌが不明で
も、傾斜角を測定できる。

【０１３９】なお、図３〜図５の実施の形態において
も、図２に即して説明した実施の形態の場合と同様、被
検物の光学面に照射されるビームの、光学面照射位置に
おけるビーム径および／または波面曲率半径を調整し、
あるいは、被検物の光学面に照射されるビームの波面を
アナモフィックな波面とすることができることは言うま
でもない。

【０１４０】図６及び図７に測定の実測値の例を示す。
図６は、光学面をＸＺ面で(仮想的に)切断したある断面
における曲率半径分布を示している。図７は、ある光学
面につき、２次元的な曲率半径分布を３次元俯瞰図とし
て示したものである。

【０１４１】図６に示す曲率半径分布は、光学性能、特
に結像位置に直結する物理量であるが、この曲率半径が
どのように分布しているかが一目でわかる。因みに、こ
の光学面では、周辺で曲率が緩くなっているのがわか
る。図７では、光学面全体の曲率半径分布が俯瞰でき、
この例ではＹ方向に対して、Ｘ方向に曲率半径が大きく
変化しているのが一目でわかる。

【０１４２】上に説明した実施の形態において、形状測
定装置の各部の制御や演算は，制御演算手段２０で行わ
れ、制御演算手段２０は具体的にはコンピュータ等であ
る。

【０１４３】このような場合、コンピュータとして実現
される制御演算手段２０における各制御をプログラム化
して、ＣＤ等の記録媒体に記録することができる。

【０１４４】図８に示すように、この記録媒体には、セ
ットされた被検物に対する測定開始状態を実現する開始
ステップ：ＳＴ１と、光源からビームを放射させ、受光
手段の受光出力に応じて所定の演算を行い、傾斜角を演
算算出する工程と、被検物に対する次の測定状態の実現
とを繰り返して、所望の測定領域における傾斜角分布を
求める測定ステップ：ＳＴ２と、測定ステップで求めら
れた結果を表示する表示ステップ：ＳＴ３とが、プログ
ラムとして記録される。

【０１４５】開始ステップ：ＳＴ１には、被検物を保持
手段にセットすべき旨の表示を行い、それに応じて被検
物がセットされると、被検物の光学面の設計データを入
力するべき旨の表示を行い、設計データの入力が行われ
ると被検物を測定開始ポジションに位置させる工程が、
制御プログラムとして記録される。

【０１４６】測定ステップ：ＳＴ２には、上の実施の各
形態で説明したようなプロセス、即ち、照射ビームに対
する被検物の変位、受光装置の変位、光源の点滅、受光
装置からの出力に基づく重心解析、傾斜角の算出、照射
ビームの波面曲率半径やビーム径の調整、曲率半径分布
や曲率分布の演算算出、平均曲率分布や平均曲率半径分
布の算出、さらには光学面の形状誤差の算出等を行う工
程が、プログラム化されて記録される。

【０１４７】そして、表示ステップ：ＳＴ３には、測定
ステップ：ＳＴ２において、演算された各種の測定結果
を所定のアウトプット様式（数値データや、図６、図７
のようなイメージデータ等）で表示する工程が、プログ
ラム化されて記録される。

【０１４８】従って例えば、制御演算装置としてコンピ
ュータを用い、図１のようなハードウエアを構成し、上
記記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータに読
み込ませれば、この発明の形状測定装置を構成すること
ができ、この発明の形状測定方法を実施することができ
る。

【０１４９】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば、新規な形状測定方法・形状測定装置および記録媒体
を実現できる。

【０１５０】この発明の測定方法・装置では、従来の３
次元座標測定と異なり、光学面の光学性能に直接関係す
る傾斜角分布を測定し、曲率分布等を演算算出するの
で、ゆるい精度でも高精度測定が可能である。また、請
求項２の測定方法や請求項１２の測定装置では、光学面
からの反射光が、光束形態を保存しつつ受光手段の受光
面に受光されるので、「光学面から受光手段に至る光路
上にレンズ等がある場合」と異なり、測定精度がレンズ
等の性能に依存することがなく、精度の良い測定が可能
である。

【０１５１】また、この発明の記録媒体には、この発明
の形状測定方法の実施の工程がプログラム化されて記録
されているので、形状測定装置のハードウエアを用意さ
えすれば、このハードウエアを記録媒体に記録されたプ
ログラムで制御するのみで、この方法の形状測定方法を
実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】形状測定装置の実施の１形態を説明するための
図である。

【図２】形状測定装置の実施の別形態を特徴部分のみ説
明するための図である。

【図３】形状測定装置の実施の他の形態を特徴部分のみ
説明するための図である。

【図４】形状測定装置の実施の他の形態を特徴部分のみ
説明するための図である。

【図５】形状測定装置の実施の他の形態を特徴部分のみ
説明するための図である。

【図６】この発明の形状測定装置で実測された曲率半径
分布の１例を示す図である。

【図７】この発明の形状測定装置で実測された曲率半径
分布の１例を３次元俯瞰図として示す図である。

【図８】記録媒体に記録されるステップを説明するため
の図である。

【符号の説明】

０ 被検物 ＳＦ 光学面 １０ 光源 １２ 光学ユニット １６ 受光装置

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源から出射したビームを被検物の光学面
   に照射し、上記光学面からの反射光を、受光手段の受光
   面に入射させ、上記受光手段により受光して、上記反射
   光の反射角を計測することにより、上記光学面の傾斜角
   分布を測定することを特徴とする光学面の形状測定方
   法。
2. 【請求項２】光源から出射したビームを被検物の光学面
   に照射し、上記光学面からの反射光を、光束形態を保存
   しつつ受光手段の受光面に入射させ、上記受光手段によ
   り受光して、上記反射光の反射角を計測することによ
   り、上記光学面の傾斜角分布を測定することを特徴とす
   る光学面の形状測定方法。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の形状測定方法にお
   いて、 測定された傾斜角分布に基づき、光学面の曲率半径分布
   および／または曲率分布を演算により算出することを特
   徴とする形状測定方法。
4. 【請求項４】請求項１または２または３記載の形状測定
   方法において、 測定された傾斜角分布に基づき、光学面の平均曲率半径
   分布および／または平均曲率分布を演算により算出する
   ことを特徴とする形状測定方法。
5. 【請求項５】請求項１または２または３または４記載の
   形状測定方法において、 被検物の光学面に照射されるビームの、光学面照射位置
   におけるビーム径および／または波面曲率半径を調整す
   ることを特徴とする形状測定方法。
6. 【請求項６】 請求項１〜５の任意１の１に記載の形状測定方法におい
   て、被検物の光学面に照射されるビームの波面をアナモ
   フィックな波面とすることを特徴とする形状測定方法。
7. 【請求項７】請求項１〜６の任意の１に記載の形状測定
   方法において、 被検物の光学面の、２軸方向に対する独立した傾斜角分
   布を測定することを特徴とする形状測定方法。
8. 【請求項８】請求項１〜７の任意の１に記載の形状測定
   方法において、 被検物の光学面の設計データと、実測結果との比較によ
   り、上記光学面の形状誤差を演算算出することを特徴と
   する形状測定方法。
9. 【請求項９】請求項１〜８の任意の１に記載の形状測定
   方法において、 受光手段の受光する反射光の重心を演算して、演算され
   た重心の位置を上記反射光の受光手段への入射位置とす
   ることを特徴とする形状測定方法。
10. 【請求項１０】請求項１〜９の任意の１に記載の形状測
    定方法において、 被検物の光学面と、この光学面にビームを照射する光学
    系と、上記光学面による反射光を受光する受光手段との
    相対的な位置関係を、制御手段により自動的に制御する
    ことを特徴とする形状測定方法。
11. 【請求項１１】請求項１記載の形状測定方法を実施する
    装置であって、 被検物を保持する保持手段と、 光源と、 この光源から射出させたビームを被検物の光学面に照射
    する光学ユニットと、 上記光学面により反射された反射光を受光する受光手段
    と、 上記被検物の光学面への、上記ビームの入射位置を相対
    的に変位させる変位手段と、 上記受光手段により受光された反射光の位置と、上記光
    学面と、上記ビームとの位置関係とに基づき、上記光学
    面の傾斜角分布を演算算出する演算手段とを有すること
    を特徴とする形状測定装置。
12. 【請求項１２】請求項２記載の形状測定方法を実施する
    装置であって、 被検物を保持する保持手段と、 光源と、 この光源から射出させたビームを被検物の光学面に照射
    する光学ユニットと、 上記光学面により反射された反射光を直截的に受光する
    受光手段と、 上記被検物の光学面への、上記ビームの入射位置を相対
    的に変位させる変位手段と、 上記受光手段により受光された反射光の位置と、上記光
    学面と、上記ビームとの位置関係とに基づき、上記光学
    面の傾斜角分布を演算算出する演算手段とを有すること
    を特徴とする形状測定装置。
13. 【請求項１３】請求項１１または１２記載の形状測定装
    置において、 変位手段が、光学面へのビームの入射位置を変位させつ
    つ、受光手段の位置を変位させることを特徴とする形状
    測定装置。
14. 【請求項１４】請求項１１または１２または１３記載の
    形状測定装置において、 光学ユニットが、光学面に照射されるビームの光学面位
    置でのビーム径および／または波面曲率半径を変化させ
    る機能を持つことを特徴とする形状測定装置。
15. 【請求項１５】請求項１１〜１４の任意の１に記載の形
    状測定装置において、 光学ユニットからのビームをビームスプリッタを介して
    被検物の光学面に照射させ、上記光学面による反射光を
    上記ビームスプリッタを介して受光手段に導くことを特
    徴とする形状測定装置。
16. 【請求項１６】請求項１１〜１４の任意の１に記載の形
    状測定装置において、 保持手段が、被検物の光学面を、照射されるビームの入
    射方向に対して所望の角だけ傾ける機能を有することを
    特徴とする形状測定装置。
17. 【請求項１７】請求項１１〜１６の任意の１に記載の形
    状測定装置において、 受光手段が、被検物の光学面からの反射光の位置座標
    を、少なくとも２カ所で測定することを特徴とする形状
    測定装置。
18. 【請求項１８】請求項１１〜１７の任意の１に記載の形
    状測定装置において、 光学ユニットが、照射用のビームにアナモフィックな波
    面を生成するためのアナモフィック光学素子を使用可能
    であることを特徴とする形状測定装置。
19. 【請求項１９】請求項１１〜１８の任意の１に記載の形
    状測定装置において、 演算手段が、測定された傾斜角分布に基づき、光学面の
    曲率半径分布および／または曲率分布を演算により算出
    する機能を有することを特徴とする形状測定装置。
20. 【請求項２０】請求項１１〜１９の任意の１に記載の形
    状測定装置において、 演算手段が、測定された傾斜角分布に基づき、光学面の
    平均曲率半径分布および／または平均曲率分布を演算に
    より算出する機能を有することを特徴とする形状測定装
    置。
21. 【請求項２１】請求項１１〜２０の任意の１に記載の形
    状測定装置において、 演算手段が、予め入力された被検物の光学面の設計デー
    タと、実測結果との比較により、上記光学面の形状誤差
    を演算算出する機能を有することを特徴とする形状測定
    装置。
22. 【請求項２２】請求項１１または１２記載の形状測定装
    置を制御するためのプログラムを記録した記録媒体であ
    って、 セットされた被検物に対する測定開始状態を実現する開
    始ステップと、 光源からビームを放射させ、受光手段の受光出力に応じ
    て所定の演算を行い、傾斜角を演算算出する工程と、被
    検物に対する次の測定状態の実現とを繰り返して、所望
    の測定領域における傾斜角分布を求める測定ステップ
    と、 測定ステップで求められた結果を表示する表示ステップ
    とを、プログラムとして記録された記録媒体。
23. 【請求項２３】請求項２２記載の記録媒体において、 測定ステップが、傾斜角分布に基づき、光学面の曲率半
    径分布および／または曲率分布を演算により算出する工
    程を有することを特徴とする記録媒体。
24. 【請求項２４】請求項２２または２３記載の記録媒体に
    おいて、 測定ステップが、傾斜角分布に基づき、光学面の平均曲
    率半径分布および／または平均曲率分布を、演算により
    算出する工程を有することを特徴とする記録媒体。
25. 【請求項２５】請求項２２〜２４の任意の１に記載の形
    状測定方法において、 測定ステップが、予め入力された被検物の光学面の設計
    データと、実測結果との比較により、上記光学面の形状
    誤差を演算算出する工程を有することを特徴とする記録
    媒体。