JP2016003900A - 計測装置、計測方法、光学素子の加工装置、および、光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高スループットかつ低コストの被検面の形状または透過波面を計測する計測装置を提供する。
【解決手段】光源からの光を、照明光として被検面に照射する照明光学系５と、被検面７からの反射光または透過光を検出光として導く結像光学系１５と、結像光学系１５の像面に配置され、結像光学系１５により導かれた検出光を検出するセンサ８と、結像光学系１５の入射瞳１８と結像光学系１５によりセンサ８に対して共役な関係にあるセンサ共役面１０との間の距離を変化させる駆動手段３１，３２，３３とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子（例えばレンズ）の面形状および透過波面を計測する計測装置に関する。

光学機器の小型化や高精度化に伴い、光学機器を構成するレンズやミラーなどの光学素子の高パワー化や非球面化が進んでいる。このような光学素子を評価および製造するにあたり、光学素子の面形状や波面を計測する必要がある。しかし、高パワーの光学素子（単レンズ、収差補正されていない光学素子など）や非球面を有する光学素子の波面（透過波面または反射波面）は、収差量（球面からの乖離量）が大きい。また、光学素子のパワー（面では曲率）に応じて、波面の曲率の値は多岐にわたる。このため、様々な曲率と大収差を有する波面の計測が可能な計測装置が求められる。

非特許文献１には、フィゾー干渉計を用いた面形状計測装置が開示されている。フィゾー干渉計は、被検面の曲率と被検面に照射される波面の曲率とが互いに同一（被検面の曲率中心と照射波面の集光位置とが互いに同一）、または、曲率が互いに近い状態で計測を行う。このような構成により、被検面からの反射光と参照面から反射光とが近い光路を通過するため、干渉パターンから装置のシステムエラーが除去され、被検面の形状を高精度に算出できる。従って、曲率が異なる面計測時には、照射波面と被検面の曲率が一致するように、被検物を光軸方向に駆動させる。その結果、参照面を通過する波面の曲率は、被検物に依存せずに参照面の曲率となり、干渉パターン形成部における波面の曲率も被検面に依存せずに一定となる。

特許文献１には、ダイナミックレンジの大きいシャックハルトマンセンサを用いた光学系の透過波面計測装置が開示されている。特許文献１の構成では、被検光学系を透過した波面の集光位置に、コリメータレンズの焦点を合わせている。このような構成により、被検光学系を透過した波面から曲率成分が除去され、平行光をセンサに入射させることができる。また、特許文献２には、大収差波面を発生させる非球面レンズの面形状を、干渉方式により計測する計測装置が開示されている。

特開２００５−９８９３３号公報 特開２００３−４２７３１号公報

ダニエル・マラカーラ（Ｄａｎｉｅｌ Ｍａｌａｃａｒａ）、「オプティカル・ショップ・テスティング（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｈｏｐ Ｔｅｓｔｉｎｇ）」、２９項―３０項、図１．３０、図１．３１．

しかしながら、非特許文献１や特許文献１の構成により収差量が大きい波面を計測する場合、計測装置の光学系やセンサに入射する波面が無収差の場合と比較して大きく変化する。このため、波面の収差量が大きくなると、波面がセンサまで伝播する間に、波面を構成する光線が重なってしまう。このような波面をセンサで計測しても、被検物上の異なる位置からの光がセンサ（受光部）上の同一点に集光するため、センサへの入射光線から被検面上の位置を特定することができない。

また、波面の収差量が大きい、すなわち波面の球面（曲率成分）からの乖離が大きいと、無収差の波面と比較して光路が大きく異なる。従って、計測光学系において波面がけられてしまう。さらに、センサへの光束径や光線角度が、受光部の許容値を超えてしまう。

この点に関し、特許文献２では、非球面プレートを使用することにより、計測光学系やセンサに入射する被検物の反射波面から収差成分を取り除き、前述の課題を解決しようとしている。しかし、特許文献２の構成では、被検物ごとに非球面プレートを用意する必要があり、汎用性に欠ける。被検物を計測する場合、大収差波面を計測する際に発生する前述の課題を解決しつつ様々なパワーの被検物を計測可能であること、すなわちスループットを向上させつつコストを低減させることが要求される。

そこで本発明は、高スループットかつ低コストの計測装置、計測方法、光学素子の加工装置、および、光学素子を提供する。

本発明の一側面としての計測装置は、被検面の形状または透過波面を計測する計測装置であって、光源からの光を、照明光として前記被検面に照射する照明光学系と、前記被検面からの反射光または透過光を検出光として導く結像光学系と、前記結像光学系の像面に配置され、前記結像光学系により導かれた前記検出光を検出するセンサと、前記結像光学系の入射瞳と該結像光学系により前記センサに対して共役な関係にあるセンサ共役面との間の距離を変化させる駆動手段とを有する。

本発明の他の側面としての計測方法は、被検面の形状または透過波面を計測する計測方法であって、光源からの光を、照明光として前記被検面に照射し、該被検面からの反射光または透過光を結像光学系を介して検出光として前記結像光学系の像面に配置されたセンサに導くステップと、前記結像光学系の入射瞳と該結像光学系により前記センサに対して共役な関係にあるセンサ共役面との間の距離を変化させるステップと、前記センサを用いて、前記結像光学系により導かれた前記検出光を検出するステップとを有する。

本発明の他の側面としての光学素子の加工装置は、前記計測装置と、前記計測装置からの情報に基づいて光学素子を加工する加工部と、を有する。

本発明の他の側面としての光学素子は、前記光学素子の加工装置を用いて製造されている。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、高スループットかつ低コストの計測装置、計測方法、光学素子の加工装置、および、光学素子を提供することができる。

実施例１における波面計測装置の概略構成図である。 実施例１における波面計測装置の概略構成図である。 実施例１における波面計測装置の概略構成図である。 実施例１における結像光学系の断面図である。 実施例１における波面計測方法のフローチャートである。 実施例２における波面計測装置の概略構成図である。 条件式（１）の説明図である。 実施例３における光学素子の加工装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本発明の実施例１における波面計測装置（非球面計測装置）の概略構成について説明する。図１は、本実施例における波面計測装置１００（計測装置）の概略構成図である。

光源１から出射した照明光は、集光レンズ２を介して、ピンホール３を照明する。ピンホール３から出射した光束は、ハーフミラー９（光分割手段）に入射する。ハーフミラー９により反射された光束は、光学系５（照明光学系）を通過して、収斂した球面波４となり、被検物７（被検面）に照明光として照射される。６は、光学系５からの照明光の集光位置である。１１、１２、１３は、被検物７で反射した光線（反射光）である。被検物７からの反射光（検出光）は、光学系５を通って集光されてハーフミラー９を透過し、光学系１４（投影光学系）に入射する。そして反射光は、光学系１４により集光され、センサ８（検出手段）に入射する。波面計測装置１００は、センサ８を用いて被検物７からの反射光（検出光）を計測し、制御部４０（算出手段）を用いて被検物７の面形状（非球面形状）を算出する。本実施例において、センサ８としてダイナミックレンジの大きいシャックハルトマンセンサが用いられる。ただし本実施例はこれに限定されるものではなく、他のセンサを用いてもよい。

ここで、被検物７で反射された波面を、センサ８で計測するための構成について説明する。図１において、被検物７の面形状は非球面である。このため、被検物７に球面波を照射すると、反射光には被検物７の非球面成分が付与されるため、反射波面は大きな収差（大収差）を有する波面となる。図１において、光線１１、１２、１３は、大収差を有する波面（大収差波面）を構成する光線の一部を示している。光線１１、１２は、図１中の点Ｓにおいて互いに交差している。このため、センサ８による計測の際に、被検物７からの反射光がセンサ８上で互いに重なる場合がある。そこで波面計測装置１００は、被検物７からの反射光（光線１１、１２、１３）を、センサ８上で互いに重ならないように計測可能な構成とする必要がある。

続いて、光線１１、１２、１３がセンサ８上で互いに重ならない（光線重なりが生じない）ための条件について説明する。まず、図１に示されるように、被検物７で反射した光線１１、１２、１３は、光学系５、ハーフミラー９、および、光学系１４により構成される結像光学系１５を透過して、センサ８に入射する。結像光学系１５は、センサ８の受光部（ＣＣＤ等）を像面とする結像光学系である。波面計測装置１００は、結像光学系１５に関するセンサ８の共役面（センサ共役面１０）が、被検物７上の互いに異なる２点から反射した光線（例えば、光線１１、１２）の交差位置（点Ｓ）よりも被検物側（図１の右側）に位置するように構成される。このような構成により、被検物７の反射光は、センサ共役面１０上で光線重なりが生じない波面となり、結像光学系１５を介してセンサ８上に結像される波面に関しても光線重なりが生じない。このような条件（センサ８上で光線重なりが生じないための条件）が満たされるように被検物７を配置することを、「被検物をセンサ共役面の近傍に配置する」ともいう。

図１に示される波面計測装置１００は、凸面の形状を計測する装置である。このため、センサ共役面１０が凸の曲率を有するように、すなわちセンサ共役面１０の曲率中心が図１中の被検物７の右側に位置するように、結像光学系１５が設計される。従って、結像光学系１５のペッツバール和は、センサ共役面１０の曲率と波面の曲率とが同符号となるように、すなわちセンサ共役面１０および照明光または反射光の波面が図１中の左側に凸状となるように設定されることが好ましい。

また、無収差の波面と比較して、大収差を有する波面を計測する場合、光学系（計測光学系）を通過する光路やセンサ入射波面が大きく変化する。その結果、波面が計測光学系によりけられてしまう場合や、センサ入射波面の径や光線角度がセンサの受光可能な許容値を超えてしまう場合がある。このため、波面計測装置１００は、このような大収差を有する波面を計測する際の課題を解決する必要がある。

図１の光線１３を例として説明する。本実施例において、波面計測装置１００は、光線１３がセンサ共役面１０を通過する点において、光線１３の角度が、結像光学系１５の下側周辺光線１６と上側周辺光線１７との間の角度内（物体側ＮＡ内）に含まれるように構成される。大収差を有する波面を計測するには、全ての反射光において、光線１３に対して説明した条件が成り立つことが必要である。従って、結像光学系１５の入射瞳１８の位置は、被検物７で反射した全ての光線の角度に関し、全ての光線がセンサ共役面１０を通過する点のそれぞれにおいて、上側周辺光線１７と下側周辺光線１６との間の角度内（範囲内）に含まれるように設定される。このような条件とすることにより、被検物７の反射波面が結像光学系１５でけられることはない。

また本実施例において、センサ８に入射する全ての光線を計測するため、結像光学系１５の最大像高は、センサ８の大きさ（サイズ）以下に設定されることが好ましい。このため、結像光学系１５の倍率は、最大像高を被検物７の計測領域の半径で割った値以下に設定される。また本実施例において、結像光学系１５のセンサ側主光線はテレセントリックであり、開口数はセンサ８の計測可能な最大角度の正弦値に設定されることが好ましい。このような構成により、結像光学系１５の瞳端を通過する光線が、計測可能な最大角度でセンサ８に入射する。このため、結像光学系１５を通過する全ての光線がセンサ８で計測可能となり、センサ８のダイナミックレンジに適応した光学系を設計することができる。以上の構成により、波面計測装置１００は、大収差を有する波面を計測することが可能となる。

続いて、波面計測装置１００において、曲率が互いに異なる大収差波面を計測する際に好ましい構成について説明する。非球面の形状計測の際には、様々な中心曲率を有する非球面レンズを計測する必要がある。干渉計などの波面計測装置は、被検物を光軸ＯＡの方向（光軸方向）に駆動させて照射波面（照明光）の曲率と被検物の曲率とを合わせることにより、被検物の曲率変化に対応させるように構成される。しかし、図１の被検物７のように、被検物７の端に向かうにつれて曲率が小さくなる非球面では、被検物７を結像光学系１５から離すように駆動させると、センサ共役面１０上で光線が互いに重なってしまう（例えば、図１の光線１１、１２）。このとき、センサ８上においても光線は互いに重なるため、被検物７の形状を計測することは困難である。また、被検物７の端に向かうにつれて曲率が大きくなる非球面では、被検物７を結像光学系１５に近づけるように駆動させると、センサ共役面１０で光線が互いに重なり、波面の計測が困難となる。このため、図１に示されるような波面計測装置１００の構成では、様々な収差量の計測を考えた場合、被検物７を光軸方向に駆動させて、被検物７の曲率変化に対応することができない。

この状態で中心曲率が互いに異なる被検物７（非球面を有する被検物）を計測する場合、反射波面の曲率成分の値が被検物７ごとに異なる。その結果、反射波面の角度が変化するため、同じ収差量を有する波面でも、曲率成分の値によっては、反射光が結像光学系１５の像側周辺光線に入らず光学系でけられてしまう場合がある。このため、図１に示される波面計測装置１００の構成では、被検物７の曲率成分の値によって、計測可能な収差量が変化してしまう。これは、波面計測装置１００で計測可能な収差量が小さくなることを意味する。

続いて、図２および図３を参照して、このような問題を解決するために好ましい構成について説明する。図２および図３は、波面計測装置１００の概略構成図である。図２および図３では、図１に示される光源１、集光レンズ２、および、ピンホール３が省略されているが、被検物７、１９には、曲率中心が同じ位置の球面波が常に照射されているものとする。また、各図中の矢印は、各光学素子または結像光学系１５の物像点の駆動方向を示す。

図２（ａ）は、中心曲率の小さい被検物７を計測する際の結像光学系１５の構成を示している。図２（ｂ）は、中心曲率の大きい被検物１９を計測する際の結像光学系１５の構成を示している。図２（ａ）、（ｂ）において、２０、２２は、被検物７、１９のそれぞれの反射波面の曲率成分である。

図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、波面計測装置１００は、駆動部３１を有する。駆動部３１は、被検物７、１９の照射波面（照明光）の曲率と、被検物７、１９の曲率とがそれぞれ一致または近くなるように、被検物７、１９を光軸ＯＡの方向（光軸方向）に駆動（移動）させる。その結果、光学系５に入射する被検物７、１９の反射波面の曲率は、常に一定値となる。換言すると、被検物７、１９の反射波面の曲率中心２１は、被検物７、１９の曲率成分の値によらず、常に同じ位置となる。

また図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、波面計測装置１００は、駆動部３２を有する。駆動部３２は、センサ８を光軸方向に駆動（移動）させる。これにより、センサ共役面１０も被検物７、１９の駆動（移動）に合わせて変化可能となる。その結果、センサ共役面１０を常に被検物７、１９の近傍に形成（配置）することができるため、センサ８上で光線重なりが生じない。

また図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、結像光学系１５の入射瞳１８は、反射波面の曲率中心２１の近傍に配置されている。このような構成により、センサ共役面１０における結像光学系１５の主光線の角度と、反射波面の曲率成分の角度とが略一致する。従って、被検物７、１９の曲率成分の値が変化しても、結像光学系１５に入射する反射波面の曲率成分の角度は、主光線の角度と略一致する。ここで、略一致するとは、これらの角度が厳密に一致することだけでなく、実質的に一致すると評価できる程度に一致する場合を含む意味である。

その結果、反射波面が結像光学系１５でけられる条件（反射光が結像光学系１５の物体側周辺光線の範囲内に入射する条件）は、被検物７、１９の曲率成分には依存せず、収差量（非球面量）に依存させることが可能となる。換言すると、波面が無収差の場合にはセンサ８に平行光が入射するため、センサ８のダイナミックレンジの全てを波面の収差量の計測に割り当てることができる。

ここで、結像光学系１５の入射瞳１８と被検物７、１９の反射波面の曲率中心２１との位置関係について説明する。本実施例では、入射瞳１８を、被検物７、１９の反射波面の曲率中心２１の近傍に配置される。これは、物体面（センサ共役面１０）から被検物７、１９の反射波面の曲率中心２１までの距離をｄとした場合、距離ｄが以下の条件式（１）を満たすことと同値（均等）である。

図７は、条件式（１）の説明図である。なお以降の説明では、図７中に示されるｘｙｚ直交座標系を参照しつつ、各記号の符号や光学系内の位置について説明する。

条件式（１）において、ｈｏは結像光学系１５の最大物体高、ＮＡｏは物体側開口数、θｍは最大物体高における主光線が光軸ＯＡとなす角度である。ここで、θｍは以下の式（２）のように表される。

式（２）において、Ｒｏは物体面（センサ共役面１０）の曲率半径、Ｐｏは物体面から入射瞳１８までの距離である。

まず、式（２）について説明する。結像光学系１５は、物体面（センサ共役面１０）が球面であるように構成されている。このため、物体面の最大物体高のｚ座標をｚｍ、光軸ＯＡ上の物体高のｚ座標をｚ０とした場合、ｚｍとｚ０の値は互いに異なる。式（２）の分母は、距離Ｐｏからｚ座標ｚｍとｚ０との間の距離（ｚｍ−ｚ０）を引いた値である。そして、最大物体高ｈｏを前記値で割って逆正接を計算することにより、最大物体高ｈｏにおける主光線が光軸ＯＡとなす角度θｍを求めることができる。

条件式（１）の左辺の分母の（θｍ＋ａｓｉｎ（ＮＡｏ））は、上側周辺光線１７が光軸ＯＡとなす角である。従って、最大物体高ｈｏを（θｍ＋ａｓｉｎ（ＮＡｏ））の正接で割ることにより、条件式（１）の左辺は物体面（センサ共役面１０）から上側周辺光線１７が光軸ＯＡと交わる点までの距離ｄ１となる。また、条件式（１）の右辺の分母の（θｍ−ａｓｉｎ（ＮＡｏ））は、下側周辺光線１６が光軸ＯＡとなす角である。従って、最大物体高ｈｏを（θｍ−ａｓｉｎ（ＮＡｏ）の正接で割ることにより、条件式（１）の右辺は物体面（センサ共役面１０）から下側周辺光線１６が光軸ＯＡと交わる点までの距離ｄ２となる。

条件式（１）は、被検物の反射波面が無収差である場合において距離ｄが左辺の値と一致すると、最大物体高ｈｏを通過する反射光線が結像光学系１５の上側周辺光線１７と一致するという条件である。また条件式（１）は、距離ｄが右辺の値と一致すると、最大物体高ｈｏを通過する反射光線が結像光学系１５の下側周辺光線１６と一致するという条件である。このため、距離ｄが条件式（１）を満たさない場合、反射光は結像光学系１５でけられてしまうことを意味する。以降の説明において、入射瞳１８の位置および被検物の反射波面の曲率中心２１が条件式（１）を満たしている場合、「入射瞳を反射波面の曲率中心の近傍に配置する」ともいう。

続いて、図２に示される波面計測装置１００の構成を可能とするための、結像光学系１５の設計条件について説明する。図２の波面計測装置１００は、駆動部３２を用いてセンサ８（像点）を光軸方向に駆動させることで、センサ共役面１０（物点）を被検物７、１９の移動（駆動部３１による駆動）に合わせて移動可能に構成されている。その結果、結像光学系１５の倍率も変化してしまう。そこで本実施例では、結像光学系１５の倍率変化を更に考慮することが好ましい。以下、入射瞳１８とセンサ共役面１０との間の距離と結像倍率の関係について説明する。

まず、被検物の径と反射波面の曲率との関係を考える。被検物の径が大きい場合、被検物の曲率を大きくするとレンズの肉厚が厚くなり、硝材コストや軽量化に不利である。このため、径が大きい被検物は曲率が小さいことが多く、そのような被検物からの反射波面の曲率も小さい。一方、径が小さい被検物は曲率が大きいことが多く、反射波面の曲率も大きい。以上から、反射波面の曲率が緩い、すなわちセンサ共役面１０と入射瞳１８との間の距離が長い場合、被検物の径が大きいためセンサ共役面１０の径を大きくする必要がある。従って、このときには結像光学系１５の倍率が小さくなるように設計される。一方、センサ共役面１０と入射瞳１８との間の距離が短いとき場合、結像光学系１５の倍率が大きくなるように設計される。

続いて、結像光学系１５の収差に関する設計条件について説明する。まず、センサ８を光軸方向に駆動させると、結像光学系１５の周辺光線は変化し、収差が変化する。特に、結像光学系１５の非点収差がセンサ８の駆動に伴い変化すると、被検物の周辺部においてセンサ共役面１０と被検面とが乖離してしまう。このとき、センサ共役面１０上で光線重なりが発生し、センサ８上で波面の計測が困難になる。従って、結像光学系１５は、センサ８の駆動による収差の変動、特に非点収差の変動を低減するように設計されることが好ましい。そこで、図２に示されるように、波面計測装置１００は、光学系１４を光軸方向に駆動（移動）させる駆動部３３を有する。駆動部３３を用いて光学系１４を光軸方向に駆動させることにより、収差の変動を低減（抑制）することができる。また、センサ側が常にテレセントリックとなるように、結像光学系１５の瞳（開口絞り）の位置を変化させることが好ましい。

図２の波面計測装置１００は、駆動部３３を用いて光学系１４を駆動させて収差の変動を低減するように構成されているが、これに限定されるものではない。駆動部３３を備える代わりに、結像光学系１５の光学素子（レンズ）の枚数を増加させることや、非球面レンズを使用することにより、センサ８の駆動（移動）による収差の変動がより小さい光学系を設計してもよい。なお、図２の構成では、被検物の曲率が小さい場合、被検物を光軸方向に駆動させても、被検物の反射波面の曲率はほとんど変化しない。このため、様々な曲率の被検物に対応するように設計すると、駆動距離が長くなり、被検物の照射波面の径が小さくなる。この結果、計測可能な被検物の径が小さくなってしまう。

続いて、図３を参照して、このような問題を解決するために好ましい構成について説明する。図３（ａ）は、中心曲率の小さい被検物７を計測する際の結像光学系１５の構成図である。図３（ｂ）は、中心曲率の大きい被検物１９を計測する際の結像光学系１５の構成図である。

図３（ａ）、（ｂ）において、２０、２２は、それぞれ、被検物７、１９の反射波面の曲率成分である。２１、２３は、それぞれ、反射波面の曲率中心である。図３（ａ）、（ｂ）の波面計測装置１００は、被検物７、１９を光軸方向に駆動させない（図２の駆動部３１を有しない）ため、被検物７、１９の曲率に応じて、被検物７、１９の反射波面の曲率中心２１、２３の位置は互いに異なる。そこで図３の波面計測装置１００は、結像光学系１５の瞳（開口絞り）と被検物との間のレンズのパワー配置を変えて、入射瞳１８を反射波面の曲率中心２１、２３の近傍に配置するように変化させる。このような構成により、センサ共役面１０における結像光学系１５の主光線の角度と反射波面の曲率成分の角度とが略一致する。従って、被検物７、１９の曲率成分の値が変化しても、結像光学系１５に入射する反射波面の曲率成分の角度は、主光線の角度と略一致する。その結果、反射波面が結像光学系１５でけられる条件は、被検物７、１９の収差量で決定され、曲率成分の値には依存しない。

続いて、図３に示される波面計測装置１００の構成を可能とするための、結像光学系１５の設計条件について説明する。図３の波面計測装置１００においては、入射瞳１８を常に反射波面の曲率中心２１、２３の近傍に配置させる必要がある。そこで、図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、波面計測装置１００は駆動部３４を有する。駆動部３４を用いて光学系５を光軸方向に駆動（移動）させることにより、結像光学系１５の瞳と被検物７、１９との間のレンズ（光学系）のパワー配置を変えることができる。これにより、入射瞳１８を連続的に変化させることが可能となり、様々な曲率を有する被検物に対応することができる。ただし、光学系のパワーの変化に伴い、結像倍率も変化してしまう。そこで、図３の結像光学系１５の結像倍率は、図２と同様の理由により、センサ共役面１０と入射瞳１８との間の距離が長い場合には小さく、一方、センサ共役面１０と入射瞳１８との間の距離が短い場合には大きくなるように設計される。

また、光学系５を光軸方向に駆動させると、結像光学系１５の周辺光線や主光線が変化し、収差が変化する。このとき、被検物７、１９の周辺部において、センサ共役面１０と被検物７、１９（被検面）とが乖離し、センサ共役面１０上で光線が重なってしまう。さらに、結像光学系１５のパワーが変化するため、物像点の位置も変動する。そこで図３の波面計測装置１００は、図２と同様に、駆動部３２、３３を用いてセンサ８および光学系１４を駆動させるように構成される。これにより、収差の変動およびセンサ共役面１０（物点）の変動を低減（抑制）することができる。さらに、センサ側を常にテレセントリックとするため、結像光学系１５の瞳位置を変化させる。

なお、図３の波面計測装置１００は前述のように構成されるが、センサ共役面１０の変動に対しては、駆動部３２を用いてセンサ８を駆動させる代わりに、図２の駆動部３１を用いて被検物７、１９を駆動させてもよい。また、駆動部３３を用いて光学系１４を駆動させる代わりに、結像光学系１５のレンズの枚数を増加させることや、非球面レンズを使用することにより、光学系５の駆動による収差の変動が小さい光学系を設計することもできる。

このように、本実施例の波面計測装置１００は、駆動部を用いて、結像光学系１５の一部を構成する光学素子（光学系５、１４）、センサ８、または、被検物７、１９の少なくとも一つを移動可能である。これにより、センサ共役面１０と入射瞳１８との間の距離を変化させることができる。このような構成により、どのような被検物に対しても、センサ共役面１０を被検物の近傍に形成しつつ、入射瞳１８を反射波面の曲率中心の位置の近傍に配置させることが可能となる。その結果、様々な曲率を有する被検物からの大収差反射波面がセンサ８で計測することができる。

続いて、結像光学系１５の入射瞳１８と反射波面の曲率中心２１、２３との位置関係、換言すると、入射瞳１８と被検物７、１９との位置関係について説明する。ここでは議論を簡単にするため、センサ共役面１０での波面ではなく、センサ８（センサ面）に入射する波面が、入射瞳１８と反射波面の曲率中心２１、２３との位置関係によってどのように変化するかについて述べる。

まず、入射瞳１８と反射波面の曲率中心２１、２３とが互いに一致している場合、センサ共役面１０上の主光線の角度と反射波面の曲率成分の角度は互いに一致する。従って、被検物７、１９の反射波面が無収差の場合、センサ側の主光線はテレセントリックであるため、センサ８には平行光が入射する。また、被検物７、１９の反射波面に収差が存在する場合、センサ８では反射波面の収差値のみが計測される。

一方、入射瞳１８と反射波面の曲率中心２１、２３とが互いに一致していない場合、センサ共役面１０上の主光線の角度と反射波面の曲率成分の角度は互いに一致しない。その結果、反射波面が無収差であっても、センサ８には平行光が入射せず、曲率成分を有する波面が入射する。従って、入射瞳１８と反射波面の曲率中心２１、２３との間の距離を可変とすることにより、センサ入射波面の曲率成分を独立に変化させることができる。

センサ入射波面の曲率成分を独立に変化させることができれば、センサ入射波面の収差成分に対して、任意の曲率成分を付与することが可能となる。そこで、波面の収差成分の最大傾きに対して逆符号の傾きを有する曲率成分を付与する。このとき、センサ入射角の最大値は、曲率成分を付与しない場合と比較して小さくなる。このように、センサ入射角が小さくなるようにセンサ入射波面に曲率成分を付与することで、計測可能な収差量を増やすことができる。

以上では、センサ８上の波面について述べたが、センサ８は結像光学系１５の像面と一致している。従って、センサ入射光線の角度を緩和するというのは、結像光学系１５の物体面に相当するセンサ共役面１０に入射する被検物の反射光線の角度を小さくしていることと同値（均等）である。

続いて、入射瞳１８と反射波面の曲率中心２１、２３との間の距離を可変するための構成について説明する。まず、図２の構成において、結像光学系１５の瞳と被検物７、１９との間のレンズのパワー配置は変化しないため、入射瞳１８の位置は変化しない。従って、被検物７、１９を光軸方向に駆動させて照射波面の曲率と被検物７、１９の曲率とを互いにずらすことにより、反射波面の曲率中心２１の位置を変化させる。その結果、入射瞳１８と反射波面の曲率中心２１との間の距離を任意に変えることができる。また、図３の構成において、結像光学系１５の瞳と被検物７、１９との間のレンズのパワー配置が変化するため、入射瞳１８の位置を自由に変えることができる。その結果、入射瞳１８と反射波面の曲率中心２１、２３との間の距離を任意に変えることが可能である。

以上、様々な曲率と大収差を有する波面が計測可能な結像光学系１５の条件について説明した。続いて、表１を参照して、この条件を実現可能な結像光学系１５の数値例について示す。表１は、本実施例の諸元値を示している。結像光学系１５は、センサ共役面１０と入射瞳１８との間の距離を６００ｍｍから３００ｍｍまで可変可能である。表１には、その代表点として、センサ共役面１０と入射瞳１８との間の距離が６００、４００、３００ｍｍのときの数値例を示している。

表１において、ＮＡｉは結像光学系１５の像側開口数、ｈｉは像高である。また、面番号は光学系において光線の進行する方向に沿った物体側からのレンズの面の順序、ｒは各レンズの曲率半径である。ｄは各面の間隔であり、表１に３つの値が入っているのは、上から順にセンサ共役面１０と入射瞳１８との間の距離が６００、４００、３００ｍｍのとき面の間隔である。ｎは基準波長６３２．８ｎｍに対する媒質の屈折率であり、空気の屈折率１．００００００は省略している。なお、以下の全ての諸元値において、曲率半径ｒ、間隔ｄ、および、その他の長さなどは、特記のない場合、一般に［ｍｍ］が使われる。ただし、光学系は比例拡大または比例縮小しても同等の光学性能が得られるため、これに限定されるものではない。

図４は、表１に示される光学系（結像光学系１５）の断面図（レンズ断面図）である。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、センサ共役面１０と入射瞳位置との間の距離が、６００、４００、３００ｍｍのときの断面図をそれぞれ示している。

まず図４の光学系は、光源からの発散光を被検物に照射する照明系も兼ねる。具体的には、第９面および第１０面（図４の右側から数えたレンズ面）がハーフミラー９であり、光源からの発散光を折り返して、第１面から第８面で構成されるレンズ群２４に入射させる。レンズ群２４は、正の屈折力を有するように設計されている。その結果、光源からの発散光を収斂光とし、物体面に配置された被検物に照射するように構成される。

図４の第１面から第２２面で構成される結像光学系１５の特徴の一つは、ペッツバール和を負とし、物体面（センサ共役面１０）の曲率半径が−５００ｍｍの球面としていることである。そこで結像光学系１５は、瞳を挟んで強いパワーの負レンズを配置して構成される。このような構成により、負レンズで発生するコマ収差の一部を相殺（キャンセル）することができる。さらに、負レンズには屈折率が低い硝材、正レンズには屈折率が高い硝材を用いることで、負レンズのパワーの緩和を図り、発生する収差を低減している。このような構成により、結像光学系１５のペッツバール和を負としながら収差補正を行うことができる。

続いて、図４を参照して、結像光学系１５のセンサ共役面１０と入射瞳１８との間の距離の可変機構について説明する。図４では、第８面（図４中のレンズ群２４の最左端のレンズ面）とハーフミラー９の片面（ハーフミラー９の右側面）である第９面との間隔が可変となるように、第１面から第８面で構成されるレンズ群２４を駆動する。レンズ群２４は、例えば図３の駆動部３４により駆動される。その結果、結像光学系１５の瞳とレンズ群２４との間の距離が変化する。ここで、レンズ群２４は正の屈折力を有し、その焦点距離は瞳とレンズ群２４の主点との間の距離より短く設定される。従って、第８面と第９面との間隔を大きくすると、入射瞳１８と第１面（センサ共役面１０に最も近いレンズ面）との間隔は小さくなる。一方、第８面と第９面の間隔を小さくすると、入射瞳１８と第１面との間隔は大きくなる。図４では、このような構成により、結像光学系１５のセンサ共役面１０と入射瞳１８との間の距離を可変としている。

また、図４の結像光学系は、第２２面と像面との間隔を変化させることにより、各面における周辺光線の高さおよび入射角を変化させ、各面の収差量を変える。そして結像光学系は、これを利用し、第８面と第９面との間隔が変化したことによる結像系の収差の変動をキャンセルするように構成されている。また、以上のような駆動を行うため、物体面と第１面との間隔が変化している。このように、図４の結像光学系は、物体面（センサ共役面１０）の変動に合わせて被検物を駆動することにより、被検物を常にセンサ共役面１０の近傍に配置可能に構成されている。

前述のように、図４の結像光学系は、図２および図３に示されるセンサ共役面１０と入射瞳１８との間の距離を変化させる駆動手段（例えば駆動部３４）を備えている。従って、図４および表１の光学系を用いることにより、様々な曲率と大収差を有する波面が計測可能となる。その結果、様々な非球面形状の一括計測が同一の波面計測装置で可能となり、波面計測装置の高スループット化や低コスト化を実現することができる。

次に、図５を参照して、本実施例における波面計測方法（センサ８で計測したデータから被検物の形状を算出する計測方法）について説明する。図５は、波面計測方法を示すフローチャートである。図５の各ステップは、波面計測装置１００の制御部４０（図２、図３を参照）により実行される。

まずステップＳ１１において、制御部４０は、波面計測装置１００のセンサ８から、被検物７（被検面）の形状に関するデータ（センサデータ）を取得する。本実施例では、センサ８としてシャックハルトマンセンサが用いられるため、センサ８はセンサデータとして光線角度分布を計測し、計測した光線角度分布を制御部４０に出力する。

続いてステップＳ１２において、制御部４０は、センサ８から得られた光線角度分布を、センサ共役面１０への光線位置に変換する（光線位置変換を行う）。またステップＳ１３において、制御部４０は、光線角度分布を、センサ共役面１０への光線角度に変換する（光線角度変換を行う）。このように制御部４０は、センサ８で計測した光線角度分布に対して光線位置変換および光線角度変換を行い、センサ共役面１０上の反射光の角度分布に変換する。ここで、光線位置変換とは、センサ面の位置座標をセンサ共役面１０上の位置座標へ変換することである。具体的には、制御部４０は、結像光学系１５の近軸倍率、横収差、および、ディストーション情報を用いて、センサ面の位置座標に対して収差を考慮した倍率で割ることで、センサ共役面１０の位置座標を算出する。また、光線角度変換とは、センサ上の光線角度をセンサ共役面１０の角度へ変換することである。具体的には、センサ８で計測された角度に、光学系の収差を考慮した角度倍率を掛けることで、センサ共役面１０の角度を算出する。

続いてステップＳ１４において、制御部４０は、センサ共役面１０から非球面の被検物７（被検面）まで光線追跡を行い、被検物７で反射した光線角度分布を算出する。最後に、ステップＳ１５において、制御部４０は、被検物７上の反射光の角度分布と照明光の角度分布から被検物７の面傾斜を算出し、これを積分することで、被検物の形状を算出する。

本実施例において、波面計測装置１００の制御部４０は、形状が既知である被検物（原器）、および、形状が未知である被検物７を計測し、両方の計測データに対して図５のフローチャートを実行する。そして制御部４０は、算出した２つの面形状の差を算出する。このような方法により、算出された面形状の中の、光学系のシステムエラーで発生する成分を除去し、面計測精度の高精度化を図ることができる。

次に、図６を参照して、本発明の実施例２における波面計測装置について説明する。図６は、本実施例における波面計測装置２００（計測装置）の概略構成図である。波面計測装置２００は、被検物の透過波面（検出光としての透過光）を計測するように構成されている。

光源１からの照明光は、集光レンズ２を介してピンホール３を照明する。ピンホール３から出射した光束は、光学系５（照明光学系）を通過して収斂した球面波となり、被検物７に照射される。そして、被検物７を透過した光束を、結像光学系１５ａ（光学系１４、２７、ハーフミラー９）を介してセンサ８で計測し、制御部４０は被検物７の透過波面を算出する。本実施例において、センサ８としてダイナミックレンジの大きいシャックハルトマンセンサが用いられるが、これに限定されるものではない。

図６（ａ）は、パワーの絶対値が小さい負のパワーを有する被検物７の透過波面を計測する際の波面計測装置２００の構成図である。図６（ｂ）は、パワーの絶対値が大きい被検物１９の透過波面を計測する際の波面計測装置２００の構成図である。図６では、被検物の入射波面の曲率成分の値を変化させていないため、被検物の透過波面の曲率は、図（ｂ）のほうが図６（ａ）と比較して大きい。その結果、被検物の透過波面の曲率中心は、図６（ｂ）のほうが図６（ａ）と比較してより被検物側に存在する。本実施例の透過波面計測においても、様々な曲率を有する大収差の波面を計測するための条件は、実施例１と同様である。従って、図６の結像光学系１５ａは、図２および図３に示される入射瞳１８とセンサ共役面１０と間の距離を変更可能である。

以下、大収差の透過波面を計測する際の波面計測装置２００の構成について説明する。まず、図６の波面計測装置２００は、被検物からの透過光どうしが重ならない位置に、センサ共役面１０を形成するように構成されている。このような構成により、センサ８上での光線重なりを回避することができる。また、図６の波面計測装置２００は、駆動部３５を用いて、図３を参照して説明した結像光学系１５ａの瞳と被検物７、１９との間の光学系２７を駆動することにより、結像光学系１５ａの入射瞳１８とセンサ共役面１０との間の距離を変更可能に構成されている。その結果、結像光学系１５ａの入射瞳１８を、透過波面の曲率中心の近傍に配置することができる。このように構成することで、どのような被検物に対してもセンサ共役面１０を被検物の近傍に配置しつつ、結像光学系１５ａの入射瞳１８を透過波面の曲率中心の近傍に配置することができる。その結果、波面計測装置２００によれば、様々なパワーを有する被検物からの大収差透過波面を計測することが可能となる。

なお、図６の波面計測装置２００を用いた透過波面計測においても、センサ８で計測された波面から、図５を参照して説明した変換（波面計測方法）を行うことで、結像光学系１５ａの収差を除去し、被検物の波面を取得可能である。また、波面計測装置２００の制御部４０は、収差が既知である被検物（原器）と形状が未知である被検物とを計測し、透過波面の差をとる。このような構成により、波面の中の光学系のシステムエラーで発生する成分を除去することができ、計測精度の高精度化を図ることが可能となる。

次に、図８を参照して、本発明の実施例３における光学素子の加工装置について説明する。図８は、本実施例における光学素子の加工装置３００の概略構成図である。光学素子の加工装置３００は、実施例１の波面計測装置１００（または、実施例２の波面計測装置２００）からの情報に基づいて光学素子を加工する。

図８において、５０は被検レンズの材料（素材）であり、３０１は材料５０に対して切削や研磨などの加工を行って光学素子としての被検レンズ５１を製造する加工部である。被検レンズ５１は、非球面形状を有する。

加工部３０１で加工された被検レンズ（被検面）の面形状は、計測部としての波面計測装置１００（または、波面計測装置２００）において、実施例１にて説明した波面計測方法を用いて計測される。そして、実施例１でも説明したように、波面計測装置１００は、被検面を目標の面形状に仕上げるために、被検面の面形状の計測データと目標データとの差に基づいて被検面に対する修正加工量を計算し、これを加工部３０１に出力する。これにより、加工部３０１による被検面に対する修正加工が行われ、目標の面形状に至った被検面を有する被検レンズが完成する。

このように、各実施例の波面計測装置１００、２００は、被検面の形状または透過波面を計測する計測装置であって、照明光学系（光学系５）、結像光学系１５、１５ａ、センサ８、および、駆動手段（駆動部３１〜３５）を有する。照明光学系は、光源１からの光を、照明光として被検面（被検物）に照射する。結像光学系は、被検面からの反射光または透過光を検出光として導く。センサは、結像光学系の像面に配置され、結像光学系により導かれた検出光を検出する。駆動手段は、結像光学系の入射瞳１８と結像光学系によりセンサに対して共役な関係にあるセンサ共役面１０との間の距離を変化させる。

好ましくは、駆動手段は、センサ共役面を反射光または透過光が互いに交差しない位置（すなわち被検物の近傍位置）に形成するように、結像光学系を構成する光学素子（光学系５、１４、２７）や被検物、センサのうち少なくとも一つを光軸方向に移動させる。また好ましくは、駆動手段は、検出光の波面の曲率成分を変化させるように、結像光学系を構成する光学素子（光学系５、１４、２７）や被検物、センサのうち少なくとも一つを光軸方向に移動させる。また好ましくは、駆動手段は、センサに入射する検出光の波面の傾きが小さくなるように、検出光の波面の曲率成分を変化させる。より好ましくは、駆動手段は、センサに入射する検出光の波面の収差成分の傾きの最大値に対して、逆符号の傾きを有する曲率成分を与えるように、光学素子や被検物、センサのうち少なくとも一つを移動させる。ここで、「収差成分の傾きの最大値に対して、逆符号の傾きを有する曲率成分」とは、収差成分の傾きの最大値がプラスの場合にはマイナスの傾きを有する曲率成分、マイナスの場合にはプラスの傾きを有する曲率成分である。

好ましくは、結像光学系は、結像光学系のセンサ側主光線がテレセントリックであるように構成されている。また好ましくは、結像光学系は、結像光学系のセンサ側の開口数がセンサにより計測可能な最大光線角度の正弦となるように構成されている。また好ましくは、結像光学系の入射瞳、および、被検物から反射または透過した直後の波面の曲率中心は、被検物から見て、光軸方向における同じ側に位置している。また好ましくは、結像光学系は、駆動手段によって入射瞳とセンサ共役面との間の距離が変化しても、口径食を有さないように（反射光または透過光がけられないように）構成されている。

好ましくは、結像光学系は、入射瞳とセンサ共役面との間の距離を大きくする場合、結像光学系の横倍率の絶対値が小さくなるように構成されている。また好ましくは、計測装置は、センサにより検出された検出光に基づいて被検面の形状を算出する算出手段（制御部４０）を更に有する。また好ましくは、駆動手段は、結像光学系の入射瞳と被検面との間の距離を変化させるように構成されている。

各実施例の構成によれば、大収差を有する波面を、波面の曲率成分の値によらず計測することができるとともに、計測可能な収差量を増加させることができる。その結果、補正光学系を用いることなく、様々な非球面形状や大収差透過波面を同一の波面計測装置で一括計測することが可能となる。このため各実施例によれば、高スループットかつ低コストの計測装置、計測方法、光学素子の加工装置、および、光学素子を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、各実施例の波面計測装置は、被検物からの発散波を計測するように構成されている。ただし、波面計測装置はこれに限定されるものではなく、被検物からの収斂波を計測するように構成することもできる。この場合、入射瞳をセンサ共役面よりも結像光学系側に位置させ、センサ共役面と入射瞳との間の距離が可変な結像光学系を用いればよい。

また、各実施例の波面計測装置は、被検物に球面波を照射しているが、収差を有した波面を被検物に照射してもよい。表１の数値例では、ハーフミラーと被検物との間の全ての光学系を駆動させているが、光学系の一部のみを駆動させるように構成してもよい。実施例２では、被検物を固定しているが、被検物のパワーに合わせて被検物を光軸方向に駆動させ、透過波面の曲率中心の位置を固定してもよい。その場合の被検物後の結像光学系１５は、図２を参照して説明した結像光学系を使用することができる。または、被検物を光軸方向に駆動させるが、透過波面の曲率中心の位置を固定しなくてもよい。そのときの被検物後の結像光学系１５は、図２および図３を参照して説明した結像光学系を組み合わせた結像光学系（図４の結像光学系）を使用することができる。

センサ８は、シャックハルトマンセンサに限定されるものではなく、Ｔａｌｂｏｔ干渉計やシアリング干渉計のような波面センサを用いてもよい。また、センサ８で計測したデータから形状を算出する際において、図５に示される少なくとも一部のステップを経ることなく、光学ＣＡＤ上にレンズデータを反映させて光線追跡を行うことで、被検物上の光線角度を計算してもよい。

５ 光学系（照明光学系）
８ センサ
１５、１５ａ 結像光学系
３２、３３、３４、３５ 駆動部（駆動手段）
１５ 結像光学系
１００、２００ 波面計測装置（計測装置）
３００ 光学素子の加工装置

Claims (16)

1. 被検面の形状または透過波面を計測する計測装置であって、
   光源からの光を、照明光として前記被検面に照射する照明光学系と、
   前記被検面からの反射光または透過光を検出光として導く結像光学系と、
   前記結像光学系の像面に配置され、前記結像光学系により導かれた前記検出光を検出するセンサと、
   前記結像光学系の入射瞳と該結像光学系により前記センサに対して共役な関係にあるセンサ共役面との間の距離を変化させる駆動手段と、を有することを特徴とする計測装置。
2. 前記センサ共役面は、前記反射光または前記透過光が互いに交差しない位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記駆動手段は、前記検出光の波面の曲率成分を変化させるように、前記結像光学系を構成する光学素子または前記センサのうち少なくとも一つを光軸方向に移動させることを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。
4. 前記駆動手段は、前記センサに入射する前記検出光の波面の傾きが小さくなるように、前記検出光の波面の曲率成分を変化させることを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
5. 前記駆動手段は、前記センサに入射する前記検出光の波面の収差成分の傾きの最大値に対して、逆符号の傾きを有する曲率成分を与えるように、前記光学素子または前記センサのうち少なくとも一つを移動させることを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
6. 前記結像光学系は、該結像光学系のセンサ側主光線がテレセントリックであるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の計測装置。
7. 前記結像光学系は、該結像光学系のセンサ側の開口数が前記センサにより計測可能な最大光線角度の正弦となるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の計測装置。
8. 前記結像光学系の入射瞳、および、前記被検面から反射または透過した直後の波面の曲率中心は、該被検面から見て、光軸方向における同じ側に位置していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の計測装置。
9. 前記結像光学系は、前記駆動手段により前記入射瞳と前記センサ共役面との間の距離が変化するとき、口径食を有さないように構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の計測装置。
10. 前記結像光学系は、前記入射瞳と前記センサ共役面との間の距離を大きくする場合、該結像光学系の横倍率の絶対値が小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の計測装置。
11. 前記センサにより検出された前記検出光に基づいて前記被検面の形状を算出する算出手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の計測装置。
12. 前記駆動手段は、前記結像光学系の前記入射瞳と前記被検面との間の距離を変化させることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の計測装置。
13. 被検面の形状または透過波面を計測する計測方法であって、
    光源からの光を、照明光として前記被検面に照射し、該被検面からの反射光または透過光を結像光学系を介して検出光として前記結像光学系の像面に配置されたセンサに導くステップと、
    前記結像光学系の入射瞳と該結像光学系により前記センサに対して共役な関係にあるセンサ共役面との間の距離を変化させるステップと、
    前記センサを用いて、前記結像光学系により導かれた前記検出光を検出するステップと、を有することを特徴とする計測方法。
14. 前記センサにより検出された前記検出光に基づいて前記被検面の形状を算出するステップを更に有することを特徴とする請求項１３に記載の計測方法。
15. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の計測装置と、
    前記計測装置からの情報に基づいて光学素子を加工する加工部と、を有することを特徴とする光学素子の加工装置。
16. 請求項１５に記載の光学素子の加工装置を用いて製造されたことを特徴とする光学素子。