JP2005326402A - 球形及び近似球形光学表面の形状の計測 - Google Patents

Abstract

【課題】 近似球形光学表面の形状を高度に正確に計測する。
【解決手段】 変位計測プローブ３０を２つの回転軸の周りに動かして、変位計測プローブを光学テスト表面１４に略垂直に維持する。第１回転軸３４の周りを相対的に回転することができて空間に円をトレースし、第２回転軸２２の周りを回転することにより空間に球形表面を形成する。変位計測プローブと光学テスト表面との間の回転運動は、プローブの計測値が取得される対象となる球形または近似球形データ表面を画定する。
【選択図】図１

Description

度量衡学の分野において、本発明は表面走査系装置を用いる球形及び近似球形光学表面の計測を考察する。

高精度光学表面の製造では、表面形状を高度に正確に計測する必要がある。一般的に反射及び屈折の両方に関して高精度な光学表面は球形形状を有する。しかしながら、マイクロリソグラフィーの用途に利用される現代の光学システムの多くは、より高度な次元の光学操作を提供する球形形状からいくらか偏移した非球形光学表面を含む。

そのような近似球形光学表面を要求される精度で計測するために多くのシステムが開発された。それらの中には光学及び非光学システムの両者が含まれる。光学システムは典型的に干渉技術を使用し、その技術には光学テスト表面の公称形状を有する参照波面を、光学テスト表面で反射された、同様な形状を有する調査波面と比較することが含まれる。調査波面は、参照波面と共に形成される干渉パターンにおいて示される光学テスト表面の特性を取得する。２つの波面を正確に生成すること及び垂直入射で光学テスト表面にアプローチするように調査波面を配置することには困難が伴う。球形の参照及び調査波面を使用する非球形テスト表面の計測は、入射調査波面の局部形状と光学テスト表面の間の不整合の結果もたらされる縞模様密度の問題により制限される。結果として、エイリアシング及びコントラスト損のような問題が検出装置において起こる。参照及びテスト波面を非球形テスト表面により良好に整合させるために、付加的な光学素子を使用することができる。しかしながら、このような無効要素に対して要求される正確度を達成することは問題であり得る。無効要素の性能は実際に計測されるのではなく推測されるものであるために、正確度は制限される。

二波長干渉もまた高密度の縞模様に起因する不鮮明さを解決するために使用されてきた。しかしながら、これらの技術は一般的にその範囲の分解能を犠牲にする。波面をつなぎ合わせることは、限られた計測領域を組み合わせることにより光学テスト表面上のより広い範囲を計測するために使用でき、例えば、超半球のような拡張形状は、表面の部分的に重なりあった干渉パターンを取得するためにはテスト表面が異なる位置から照明されることを典型的に要求し、その干渉パターンを全表面のマップを形成するためにつなぎ合わせなければならない。これらの手順は時間がかかり、集中的な計算を必要とし、位置エラーを起こしやすい。

点間面計測もまた表面全体に渡ってのプローブの変位を追尾することによる光学テスト表面の計測に使用される。２つの問題により、このアプローチの効果が減少する。まず第１に、機械的運動によりトレースされるデータ表面の忠実度はエラーを引き起こしやすい。第２に、プローブはテスト表面に対する垂直方向から偏移するにつれてその性能が減少する。

我々の発明は変位計測プローブを２つの回転軸の周りに動かして正確なデータ表面を生成し、変位計測プローブを光学表面に略垂直に維持してデータ表面に対する比較計測を行うことにより球形及び近似球形光学表面の高精度な計測を提供する。回転軸は高度に正確な運動を与え、残留エラーは頻繁に繰り返され易い。更に回転軸は変位計測プローブをほぼ垂直方向に維持し、それによってより多くの種類のプローブが使用できる。凸型及び凹型両者の表面を計測でき、１つの設定において超半球のような表面のより広い角度領域がカバーされて計測可能となる。

変位計測プローブは２つの回転軸のうち、第１回転軸の周りを相対的に回転することができて空間に円をトレースし、変位計測プローブは第１回転軸と共に２つの回転軸のうち、第２回転軸の周りを回転することができて空間に球形表面を生成する。生成された球形表面は変位計測プローブの計測値を参照するためのデータ表面として使用できる。変位計測プローブは好ましくは、第１回転軸の周りを回転されるとよく、光学テスト表面は好ましくは、第２回転軸の周りを回転されるとよく、その２つの回転を組み合わせることにより変位計測プローブは球形データ表面を生成する。

変位計測プローブの計測軸は好ましくは、球形データ表面に対して略垂直に維持されるとよい。これは変位計測プローブの計測軸を第１回転軸に関して、第１及び第２回転軸がそれぞれに対して傾斜しているのと同じ傾斜角度でもって傾斜することによって達成できる。

光学テスト表面は好ましくは、その曲率中心が２つの回転軸の交点に位置するように取り付けるとよい。計測軸の第１回転軸の周りの回転は、その頂点をテスト表面の曲率中心に有する円錐を掃引するとよい。円錐の表面上の円をトレースするのは変位計測プローブの計測端部または先端である。第２回転軸の周りの第１回転軸の相対的な回転は、テスト表面の曲率中心と一致する曲率中心を有する球形データ表面を生成する。最もよく整合する球形データ表面は一般的に、変位計測プローブによって要求される計測範囲を限定する非球形テスト表面の十分な近似を提供する。垂直入射からの小さな偏移（つまり、表面の垂直線に対する計測軸の傾斜）は計測軸に沿う変位計測値の制限された範囲と共に、変位計測プローブの選択により対処することができる。付加的な運動軸はより複雑なデータ表面を生成することができる。

本発明は特に公称対称軸を持つ表面を有する光学素子の計測に適応される。本発明の１つの実施形態は、公称対称軸を持つ光学テスト表面を有する光学素子を取り付けるための固定部を含む装置を提供する。計測軸を有する変位計測プローブはテスト表面に略垂直な変位を計測するために方向付けられる。第１回転駆動部は、テスト表面の公称対称軸と交差するように方向付けられた第１回転軸の周りを固定部に関して変位計測プローブを相対的に回転させる。第２回転駆動部は、テスト表面の公称対称軸に沿って方向付けられた第２回転軸の周りを変位計測プローブに関して固定部を相対的に回転させる。変位計測プローブの計測軸は掃引半径の分、第１回転軸からオフセットされ、それにより変位計測プローブの第１回転軸の周りの相対的な回転が固定部に関して変位計測プローブに直線運動及び角度方向の運動の両者を与える。制御装置は、固定部に関する変位計測プローブの相対的な運動が、変位計測プローブが計測軸に沿うテスト表面の偏移を計測する対象となるデータ表面をトレースするように、第１及び第２回転駆動部の運動を参照する。

回転エンコーダまたは他の角度計測装置を、データ表面をマッピングするための回転軸の角度位置を監視するために使用できる。プローブによる変位計測値は、それぞれが表面上の特別な位置におけるデータ表面からの偏移としてデータ表面の座標に対して参照される。

テスト表面の計測の正確度は部分的には、変位計測プローブの先端により空間においてトレースされるデータ表面の正確度に基づく。本発明は種々の方法でデータ表面の正確度の向上を提供する。第１に、直線軸の対応する対よりもより正確で反復性のある回転軸を使用して正確度を高める。第２に、回転軸のエラーは頻繁に起こる傾向にあり、そのようなシステムエラーはより正確にデータ表面を画定するために計測し、使用できる。第３に、更にデータ表面を画定するための動的エラー検出のために使用中の回転軸にセンサーを取り付けることができる。第４に、テスト表面のセントレーション及び他の取り付けに関する問題は監視することができ、回転軸の異なる角度位置からのテスト表面の重なる領域の冗長計測値を取得することにより対応する補正が可能である。例えば、テスト表面上の同一点の計測値は取り付け固定部の反対側から取得することもできる。

第１回転駆動部は第１回転軸の周りに変位計測プローブを回転させるプローブスピンドルを含み、第２回転駆動部は第２回転軸の周りに固定部を回転させる作業スピンドルを含むことが好ましい。多くの設定調整を、異なる大きさ及び形状のテスト表面の範囲に対処するために行うことができる。例えば、第１角度調整器は第１及び第２回転軸の間の角度方向をヘッド角度分変える。第２角度調整器は第１回転軸に関する計測軸の角度方向をプローブ角度分変える。ヘッド角度とプローブ角度は同じ角度であり、それにより計測軸がテスト表面の公称曲率中心において第１及び第２回転軸と交差することが好ましい。ヘッド角度は、凸凹両者の曲率を有するテスト表面の範囲を計測するために鋭角であるとよい。

他の設定軸は三つの直線調整器を含む。第１直線調整器は、第２回転軸の方向に実質的成分を有する第１調整軸に沿う変位計測プローブに関して固定部の位置を相対的に変える。第２直線調整器は、第１回転軸に垂直な実質的成分を有する第２調整軸に沿う変位計測プローブに関して固定部の位置を相対的に変える。第１及び第２直線調整軸は、生成されたデータ表面に関する光学テスト表面の近似位置決めを提供する。第３直線調整器（オフセット調整器）は掃引半径分、計測軸と第１回転軸の間のオフセット間隔を変え、それにより変位計測プローブの先端によりトレースされる円のサイズが設定される。

他のテスト表面の曲率半径は、回転軸間のヘッド角度と第１回転軸からの変位計測プローブの掃引半径のいずれかまたは両者を変えることにより対処される。例えば、テスト表面の曲率半径の増加はヘッド角度を減少または掃引半径を増加することにより対処できる。テスト表面に対して公称のように垂直に維持するために計測軸をヘッド角度と共に調整するとよい。

制御装置は角度または時間調整された相対位置または速度の関係を介する同期の第１及び第２回転駆動部の動作を提供することができる。例えば、第２回転駆動部（作業スピンドル）はテスト表面をその対称軸の周りに回転させるために一定の速度で回転することができ、一方、第１回転駆動部（プローブスピンドル）は第２回転駆動部と時間調整された関係において回転されてデータ表面の系統的な生成を引き起こす。変位計測プローブは全円形掃引分、または限定された角度量分回転できる。

両者の回転軸が同期して完全回転動作中であるときは、作業及びプローブスピンドルの数回の回転により一般的にテスト表面が完全にカバーされる。冗長データを持つ大量データセットはこのようにして得られる。これらの大量データセットの平均は、回転軸のエラー運動及び角度位置エラーを含む計測における統計的偏差及びシステムエラーを減少するために使用できる。２つの回転軸は、プローブスピンドルの全回転未満の回転の場合のように、異なる方法で共に時間調整することができる。例えば、第１回転軸（プローブスピンドル）は、第２回転軸（作業スピンドル）の１回転またはそれ以上の回転ごとに所定量の角度増加分、断続的に調整できる。プローブスピンドルが停止している間の作業スピンドルの複数回転に対して冗長データを要求することができる。データセットはテスト表面の一連の同心円形状から組み立てられる。また、第１回転軸（プローブスピンドル）は第２回転軸（作業スピンドル）の回転よりかなり低い速度で連続的に調整でき、それによって変位計測プローブはテスト表面上で螺旋をトレースする。このように全テスト表面は変位計測プローブの第１回転軸（プローブスピンドル）の周りの１回転未満の回転により計測することができる。両回転軸はヘッド角度を９０度に設定したりテスト表面上の変位計測プローブの子午線掃引を行うなどにより断続的に調整できる。

球形及び非球形表面を計測する我々の良好な装置は、変位計測プローブを光学テスト表面に関して相対的に回転して変位計測プローブと光学テスト表面との間の変位計測値が参照される対象であるデータ表面を生成する２つの相対的に傾斜した回転軸を有する生成装置を含む。変位計測プローブは、データ表面を生成中に光学テスト表面に略垂直に変位計測プローブの計測軸を維持するための回転軸の１つに関して、直線的にオフセットされ角度方向に傾斜した計測軸を有する。好ましくは、変位計測プローブはテスト表面に対する垂線からの外れる方向付けの制限された範囲に対処することができる非接触プローブであるとよい。そのような方向付けには所望するデータ表面からのデータ表面の偏移と所望するテスト表面からの実際のテスト表面の偏移の両者が含まれる。

公称対称軸を有する光学テスト表面を計測する良好な方法には、変位計測プローブの相対的運動が、光学テスト表面が計測される対象であるデータ表面をトレースするように変位計測プローブを２つの相対的に傾斜した回転軸の周りを光学テスト表面に関して相対的に回転させることが含まれる。変位計測プローブの計測軸は、データ表面をトレース中に計測軸が光学テスト表面に略垂直に維持されるように２つの回転軸の１つに関して方向付けられる。２つの回転軸がテスト表面の公称曲率中心において交差するように２つの相対的に傾斜した回転軸はそれぞれ及びテスト光学表面に関して方向付けられるとよい。２つの回転軸のうちの１つは、テスト表面の公称対称軸に沿って方向付けられるとよい。他の回転軸はテスト表面の曲率中心において公称対称軸と交差する。異なる曲率半径を有するテスト表面の範囲は変位計測プローブの計測軸を１つの回転軸から掃引半径分オフセットするかまたは、２つの回転軸をヘッド角度分、直交調整軸の周りをそれぞれに関して角度調整することにより対処できる。回転軸の角度位置はデータ表面のマッピング及びデータ表面に対して変位計測プローブの変位計測値を参照するために計測される。

本発明を実施する例としての装置１０を、球形及び非球形光学表面を計測するための種々の構成及び動作モードにおける図に示す。図１において凸型光学テスト表面１４を有する光学素子１２は、作業スピンドル１８の一端において固定部１６上に取り付けられる。作業スピンドル１８は、光学素子１２を回転軸２２の周りに回転させる回転駆動部２０の一部である。光学テスト表面１４はその曲率中心Ｃが回転軸２２に沿って位置し、その公称対称軸２４が回転軸２２と一致するように取り付けられる。

テスト表面１４を搭載する固定部１６は、光学素子１２のセントレーション及び角度方向付け調整を作業スピンドル１８の回転軸２２に関して可能にするような真空または機械的チャックであるとよい。更に、光学素子１２は、作業スピンドル１８のエラーを取り除くための従来の逆技術の導入を可能にするように固定部１６内で回転可能であるとよい。

調整固定部２８は変位計測プローブ３０を、回転軸３４の周りをプローブスピンドル３２と共に変位計測プローブ３０を回転させる回転駆動部２６の一部であるプローブスピンドル３２上に支持する。回転軸３４は回転軸２２と同一平面に位置し、光学テスト表面１４の曲率中心Ｃで回転軸２２と交差する。

変位計測プローブ３０は計測軸３６に沿って計測を行うための計測軸３６とプローブ先端３８を有する。機械的な変位プローブとして表現されているが、種々の接触及び非接触変位計測プローブを本発明の実施のために使用できる。接触プローブはスタイラス及び走査プローブ装置を含み、非接触プローブは光学プローブ(干渉型及び共焦点型の両者）及び容量、渦電流及び他の変位計測可能な特徴に基づくものを含んで差支えない。プローブの選択は表面の仕上げ処理、要素の材質、範囲、解像度及び計測の不確定性等を考慮することに基づいて行うことができる。機械的変位を、干渉を利用して計測するプローブのように機械的及び光学的または他の種類の計測方法を組み合わせた変位計測プローブを使用することができる。直線可変差分トランスはまたその目的のために考慮される。

調整固定部２８は回転軸３４に関して変位計測プローブ３０の計測軸３６の直線的及び角度的調整を提供する。プローブ先端３８は走査半径Ｒｓ分、回転軸３４から直線的にオフセットされ、計測軸３６はプローブ角度α分、回転軸３４に対して傾斜している。計測軸３６が傾斜しているプローブ角度αは回転軸３４が回転軸２２関して傾斜しているヘッド角度φに等しく、そのことによって計測軸３６もまた光学テスト表面１４の曲率中心Ｃを通過するようになることが好ましい。このようにして計測軸３６の、回転軸３４の周りの回転はテスト表面１４の曲率中心Ｃにその頂点を有する円錐状表面を掃引する。プローブ先端３８は円錐上の円をトレースする。

変位計測プローブ３０に関して回転軸２２の周りに光学テスト表面１４を回転させることは、テスト表面１４に関して回転軸３４の周りにプローブスピンドル３２と共に計測プローブ３０を回転させることと運動学的に同値である。その結果としてのプローブ先端３８とテスト表面１４の間の相対的運動は、テスト光学表面１４の曲率中心Ｃと一致する中心を有する球状データ表面をトレースする。データ表面上のプローブ先端３８の瞬間的位置は、回転駆動部２０と２６の回転エンコーダ４２と４４によって行われる角度の計測によって参照できる。

生成された球状データ表面の半径Ｒ_ｐはプローブの先端の半径ｒと共にヘッド角度φと掃引半径Ｒ_ｓの関数であり次のようになる。

ここにおいてｒは凸型表面に対しては正であり、凹型表面に対しては負である。

図２は光学生成モードにおける凸型光学テスト表面４８を計測するために特に配置された付加的設定軸を示す。例えば、プローブ調整固定部２８は掃引半径Ｒ_ｓを設定する直線調整軸５０とプローブ角度αを設定する角度調整軸５２を有して示されている。角度調整器５４はヘッド角度φ分のプローブスピンドル３２の回転軸３４の傾斜を提供する。また、作業スピンドル１８の回転軸２２を、同様な運動学的効果を得るために反対ヘッド角度φ分、プローブスピンドル３２の回転軸３４に向けて傾斜することができる。

光学テスト表面４８に直接接触している変位計測プローブ３０の位置を計測するために２つの直線設定軸が提供される。これらには回転軸２２及び３４との共通面にある直交軸Ｚ及びＸを有する２つの直線調整器５６及び５８が含まれる。直線調整器５６は作業スピンドル１８の回転軸２２と一致する軸Ｚに沿って、作業スピンドル１８に関してプローブスピンドル３２の回転軸３４を移動する。直線調整器５８は同一参照ＸＺ平面内における直交軸Ｘに沿って、プローブスピンドル３２に関して作業スピンドル１８の回転軸２２を移動する。

生成モードにおける動作において、作業スピンドル１８とプローブスピンドル３２の回転駆動部２０と２６は同期して駆動される。作業スピンドル１８とプローブスピンドル３２の回転速度は同一球形データ表面を画定しながらお互いに関して変化可能である。しかしながら、所定の順番に沿ってデータを収集するように速度が最適化されているとよい。１つのスピンドル３２または１８の複数の回転と組み合わされた他のスピンドル１８または３２のたった１回転（または部分的回転でもよい）は、計測のために参照されるデータ表面の点を画定するのに使用することができる。両スピンドル１８と３２の複数の回転は、テスト表面４８におけるエラーばかりでなく光学生成装置のシステムエラーをも計測するための冗長データを収集するために使用することができる。

変位計測プローブ３０は、変位計測プローブ３０とテスト表面１４の相対的運動により生成されたデータ表面に関してテスト表面１４の局部的変位を計測する。計測された変位によって、所望の参照表面からのテスト表面１４のずればかりでなく、所望の参照表面からの生成されたデータ表面のずれをも計測される。生成されたデータ表面の所望の参照表面からの予定外のずれはシステムエラーを含む。そのようなシステムエラーを最小限に抑えるために、本発明は回転軸を利用して、かつ要求される運動を与えるために必要な軸の数を最小限に抑えることによるデータ表面の生成を提供する。要求される運動を与える良好な回転駆動部は、適切にデカップリングされたモータ駆動部を含む。そのような回転駆動部は、その正確度の高さと反復性の高さのために好ましい。回転駆動部におけるシステムエラーは計測可能であり、データ表面に対する予測される影響は補償される。

付加的センサー（図示せず）もまた動的変動を監視するために２つのスピンドル１８と３２に結合することができる。動的センサー（ゲージ）は２つのスピンドル１８と３２のそれぞれによって示される自由度に関するエラーを計測するために配置可能である。つまり２つの半径方向のエラー動作、１つの軸方向のエラー動作及び２つの傾斜に関するエラー動作に関するエラー計測する。各スピンドル１８と３２によって示されるこれらの自由度をすべて監視するには最低５つのセンサーが必要とされる。しかしながら、可能であればデータ表面の生成にほとんど直接的な影響を与えられると判明した自由度を監視するのが望ましい。例えばデータ表面に垂直なエラーは、データ表面上にあるエラーよりももっと重要であると予想される。

テスト要素６２の凹型光学表面６４を計測するための計測装置１０の構成を図３に示す。図から明白のようにプローブスピンドル３２の回転軸３４はＸ軸方向にシフトされ、テスト要素６２の反対側で回転軸２２と交差する。同様な効果は、テスト光学面６４の同一曲率中心Ｃにおいて回転軸２２と３４が交差するような適切な並行移動と共に回転軸３４を回転させることによって達成できる。対応する角度調整は、計測軸３６もまた曲率中心Ｃと交差するように計測軸３６に対してなされる。上述した実施形態と同様に、テスト表面６２は作業スピンドル１８の固定部１６に取り付けられ、これによりその公称対称軸は作業スピンドル１８の回転軸２２に揃えられる。図３に示される変位計測プローブ３０の回転位置において、計測軸３６は回転軸２２と凹型テスト表面６４の公称対称軸の両者と一致する。変位計測プローブ３０の回転軸３４の周りの回転は、光学テスト表面６４の回転軸２２の周りの回転と共に、変位計測プローブ３０の計測値が参照される対象である球形データ表面を変位計測プローブ３０の先端３８に画定する。計測軸３６をデータ表面に垂直に維持するために、回転軸２２がヘッド角度φ分、回転軸３４に対して傾けられるのと同様に、計測軸３６は回転軸３４に関して同じ角度α分、傾けられる。

計測装置１０はテスト要素７２の平坦光学表面７４を計測するために図４のように設定することもできる。ここにおいて回転軸２２と３４の両者はお互い平行に延在する。計測軸３６は２つの回転軸２２と３４に平行に延在して円筒形表面を掃引する。回転軸３４の周りのプローブ先端３８の回転は円をトレースする。作業スピンドル１８の回転軸２２はこの円に対して垂直に延在し、テスト表面１４に相対的なスペースにおける円の掃引は平面または無限大の曲率半径を有する球形をトレースする。このように生成装置はその２つの回転によって、平面的なデータ表面を無限大の曲率半径を有する球形データ表面の例として画定できる。

上述した実施形態と同様に、作業スピンドル１８とプローブスピンドル３２間の相対的回転の速度はテスト光学表面７４上のデータ取得パターンを最適化するように選択することができる。良好な生成モードにおいて速度は異なるが、両者の回転軸２２と３４は同期して駆動される。作業スピンドル１８はプローブスピンドル３２が回転される速度よりはるかに高い一定速度において回転するとよい。秩序立った方法にてデータを取得するために、プローブスピンドル軸３２の回転駆動部２６をマスター／スレイブ関係における作業スピンドル１８の一定速度の駆動部２０に結合することができる。しかしながらこの実施形態またはここで記述された他のいかなる実施形態においても、１つまたは他の作業スピンドル１８または３２を所定の調整された連続した位置からデータを集めるために断続的な方法で駆動することができる。例えばプローブスピンドル３４は作業スピンドル１８の１回転またはそれ以上の回転に従う所定量によって調整することができる。テスト表面７４に関するデータはこのように均一に配置された連続弧として収集することができる。

スイングアームプロファイラーモードと称せられる他の動作モードを図５Ａと図５Ｂに示す。ここにおいてプローブスピンドル３２の回転軸３４は作業スピンドル１８の回転軸２２に対して９０度に方向付けられている。計測軸３６はまたプローブスピンドル３２の回転軸３４に関して９０度傾斜している。上述の実施形態と同様に、角度調整器５４は回転軸２２と３４の間の角度調整を行い、ヘッド角度φを９０°に設定する。

スイングアームモードにおいては、プローブスピンドル３２の回転軸３４の周りの変位計測プローブ３０の全回転は、変位計測プローブ３０と作業スピンドル１８の間の干渉効果により不可能である。しかしながら、スイングアームモードは変位計測プローブが計測動作中、ここで凸型テスト表面８４として示される光学テスト表面と直接接触した状態に留まることを可能にする。データは全テスト表面８４から単一の子午線に沿って変位計測プローブを掃引することによって収集できる。変位計測プローブ３０の断続または連続調整はデータ収集のためのテスト表面８４の回転と一緒に使用できる。断続調整は所定の緯度に沿ってデータを収集し、連続調整はテスト表面８４での途切れることのない螺旋をトレースする。または、変位計測プローブ３０はテスト表面８４の連続または断続調整と一緒に子午線のシリーズに沿って掃引しても差支えない。

スイングアームプロファイラーモードはまた、特に作業及びツールスピンドル１８と３２の異なる角度位置からの冗長データによく適合する。例えば、変位計測プローブ３０は極緯度から始めてデータの１セットを収集するために第１方向に回転でき、冗長データセットを収集するために極緯度から反対の方向に回転できる。もちろん、対応する角度範囲は固定部１６の１つの側から開始して極緯度を通過して固定部１６の他の側までのプローブの回転と同じ方向で計測できる。これにより機械設定中の回転軸２２と３４の整列が容易になり、またエラー分離のための逆技術の使用も容易になる。

生成器モードにおける超半球光学表面の計測を図６に示す。プローブスピンドル３２の回転軸３４は超半球光学表面９４の角度範囲の少なくとも１／４をカバーするヘッド角度φ分、作業スピンドル１８の回転軸２２に対して傾斜している。しかしながら、回転軸３４の周りの変位計測プローブ３０の全回転を維持する間に対処できるヘッド角度φの傾斜量（つまりＥとＥ’により示される位置の分）は、作業スピンドル１８との干渉により制限される。より広い角度範囲にまたがる超半球テスト表面を計測するために、図７Ａと図７Ｂに示されるスイングアームプロファイラーモードを使用できる。２つの回転軸２２と３４はお互いに対して直角に方向付けられ、変位計測プローブ３０が作業スピンドル１８に接触することなく超半球テスト表面９８の拡張された角度範囲を掃引することを可能にしている。

球形及び公称球形の非球形光学体を計測するためには、適切なデータ表面を生成するための２つの運動軸しか要求されない。しかしながら、本発明は公称対称軸を有するが球形形状から偏移している非球形光学体についても考察する。データ表面の、テスト表面の所望の形状からのずれは２つの重要な点、つまり空間的（つまり半径方向の偏移）と角度に関する点において明白である。空間的偏移は変位計測プローブ３０の要求される計測範囲を増大させる。これは一般的にはプローブタイプを適切に選択することにより対処できる。角度偏移は計測軸３６を表面の垂線から傾斜させる。そのような傾斜は計測の規模及びその分解能を変え、より大きなずれは変位計測プローブ３０の許容範囲を超える。例えば、その収集のために光の逆反射を要求する光学プローブも存在する。計測軸３６に対して大きく傾斜した垂線を有する表面は光を異なる方向へ反射する。同種の制限は機械的プローブにも影響を与え、その場合はプローブの変位は計測方向ではない成分を含む。

本発明は通常は光学テスト表面の公称曲率中心Ｃを介する計測軸３６の方向付けを提供するが、計測軸３６は全データ表面上における計測軸３６の最大角度偏移を最小限に抑えるために選択された他のプローブ角度α分、傾斜することもできる。テスト表面における変動に対処するためのこのまたは他の設定軸の調整に加えて、運動の付加的軸を使用することができる。例えば、角度調整軸５４は回転軸２２と３４と同期して動作してテスト表面により適切に整合する、より複雑なデータ表面を生成する。更に、２つ以上の異なる設定を使用して同じテスト表面を計測するために計測軸自体の角度調整も含めて、断続的調整をいかなる設定軸に対しても行うことができる。

本発明に従って計測中に付加的な運動を与え、または暫定的な調整をすることは可能であるが、最高の正確度は計測軸の数を最小限に抑え、所望の運動に影響する高い性能の回転軸を利用することにより達成される。たった２つの運動軸を使用するだけで、装置は凸型または凹型形状のいずれにおいても無限大から数ミリメートルの範囲にまたがる基本曲率半径のテスト表面を計測できる。広い空間の角度範囲をカバーする超半球のようなテスト表面は単一の設定により計測できる。装置はまた、そのようなプローブの非正規動作から生じる不確定要素を減少することにより広い範囲のプローブに対処する。

本発明の種々の構成及び動作モードは、計測データ中に現れるシステムエラーを識別し除去するための冗長データの蓄積を提供する。生成モードは特に大量の冗長データの蓄積に適している。スイングアームモードは特にテスト表面の同じ点、しかし回転軸の異なる角度位置からのデータの収集に適している。成長スピンドルのような効果のために生じる計測中のドリフトのようなエラーもまた計測を通じての光学テスト表面の頂点を繰り返し計測することにより除去できる。他の点において収集された冗長データは、改良された正確度及び信頼性を持ってテスト光学表面を計測するために、回転軸のエラー運動及び角度の位置決めエラーを含む他の種類のエラーを除去するために解釈することができる。冗長データはまた統計的変動を最小限に抑えるためにも役立つ。

２つの動作回転軸を有する生成装置の特徴を示す本発明を実施するための装置の側断面図を示す図。 図１の生成装置に、生成モードにおける凸型光学テスト表面の計測のために配置された角度及び直線設定軸の組み合わせを追加した図。 生成モードにおける凹型光学テスト表面を計測するための設定軸の配置を示す同様な図。 平坦光学テスト表面を計測するための設定軸配置の断面図を示す図。 凸型光学テスト表面を計測するためにスイングアームプロファイラーモードにおいて配置された装置の直交側断面図。 超半球光学表面の計測のために光学生成器モードにおいて配置された装置の断面図を示す図。 超半球光学表面の計測のためにスイングアームプロファイラーモードにおいて設定軸が配置された直交断面図を示す。

Claims (10)

1. 公称対称軸を有する光学素子の表面を計測する装置であって、
   公称対称軸を持つ光学表面を有する光学素子を取り付ける固定部と、
   前記光学素子の表面に略垂直な変位を計測するために方向付けられた計測軸を有する変位計測プローブと、
   前記光学表面の前記公称対称軸と交差するように方向付けられた第１回転軸の周りを、前記変位計測プローブを前記固定部に関して相対的に回転させる第１回転駆動部と、
   前記光学表面の前記公称対称軸に沿って方向付けられた第２回転軸の周りを、前記固定部を前記変位計測プローブに関して相対的に回転させる第２回転駆動部とを具備し、
   前記変位計測プローブの前記計測軸は、前記変位計測プローブの前記第１軸の周りの相対的回転が、前記固定部に関して前記変位計測プローブに直線及び回転運動を与えるように掃引半径分、前記第１回転軸からオフセットされており、更に、
   前記固定部に関する前記変位計測プローブの相対的運動が、前記変位計測プローブが前記計測軸に沿う前記光学表面の偏移を計測する対象となるデータ表面をトレースするように前記第１及び第２回転駆動部の運動を参照する制御装置を具備することを特徴とする装置。
2. 凸型及び凹型光学表面の両方を計測するために前記第１及び第２回転軸をヘッド角の範囲で調整可能なように、角度方向の方向付けを前記第１及び第２回転軸の間でヘッド角度分、変えるための第１角度調整器を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記回転軸の角度方向の方向付けを前記第１回転軸に関してプローブ角度分、変えるための第２角度調整器を更に具備することを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記第２回転軸に沿って実質成分を有する第１直線調整軸に沿って、前記変位計測プローブに関して前記固定部を相対的に調整する第１直線調整器と、
   前記第２回転軸に垂直な実質成分を有する第２直線調整軸に沿って、前記変位計測プローブに関して前記固定部を相対的に調整する第２直線調整器とを更に具備することを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記計測軸と前記第１回転軸間の半径方向の距離を調整するオフセット調整器を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記制御装置は、前記第１及び第２回転駆動部の同期動作と、前記第１回転軸の周りに完全回転する前記変位計測プローブの回転とを提供することを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記制御装置は、前記第２回転軸の周りを前記変位計測プローブに関して前記固定部を連続して相対的に回転させる間、前記第１回転軸の周りに前記固定部に関して前記変位計測プローブを相対的に調整することを提供することを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 公称対称軸を有する光学テスト表面を計測する方法であって、
   変位計測プローブの相対運動が、前記光学テスト表面が計測される対象となるデータ表面をトレースするように２つの相対的に傾斜した回転軸の周りを前記光学テスト表面に関して前記変位計測プローブを相対的に回転させる工程と、
   計測軸が前記データ表面をトレースする間、前記光学テスト表面に略垂直に維持されるように前記２つの回転軸の１つに関して前記変位計測プローブの前記計測軸の方向付けを行う工程とを有してなることを特徴とする方法。
9. 前記２つの回転軸が前記光学テスト表面の公称曲率中心において交差するように前記２つの相対的に傾斜した回転軸をそれぞれに関して、及び前記光学テスト表面に関して方向付けする工程と、
   異なる公称曲率半径を有する光学テスト表面の範囲を計測するための直交調整軸の周りにおいて前記２つの回転軸をそれぞれに関して角度調整する工程とを更に有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 光学テスト表面の範囲に略垂直な前記計測軸を方向付けるための前記１つの回転軸に関して前記変位計測プローブの前記計測軸の角度調整を行う工程と、
    前記変位計測プローブの相対的な回転が、
    前記２つの回転軸をお互いの所定の関係において駆動し、
    前記データ表面を画定するための前記２つの回転軸の回転位置を計測する、
    前記光学表面に関する直線及び角度変位の両者を含むように、前記変位計測プローブの前記計測軸を前記１つの回転軸からオフセットする工程とを更に具備することを特徴とする請求項８に記載の方法。

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