JP2016211933A - 面形状計測装置、面形状計測方法、及び加工装置、並びにそれによって加工された光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】不要光を効率的に除去し、被検面の形状を高精度に計測することができる面形状計測装置を提供する。
【解決手段】受光センサ８と、光源１からの光を被検物１０、１１に導き、該被検物からの反射光を受光センサに導く光偏向部材４を含む光学系と、光偏向部材と被検物の間の光路に対して、挿入および退避が可能な遮光部材１２と、遮光部材を退避した状態において受光センサから出力される計測情報、および遮光部材を挿入した状態において受光センサから出力される不要光情報に基づいて、被検物の面形状を演算する演算手段９と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子の面形状計測技術に関する。

レンズの面形状を非接触で高速に計測する方法として、光学系を介して被検面に球面波の光を照射し、被検面における反射光を受光部のシャック・ハルトマンセンサを用いて計測する方法が非特許文献１にて提案されている。

この方法は特許文献１に開示されたようなヌルレンズを用いた干渉計と比較して、多様な設計値の被検面形状が計測可能である。また、特許文献２に開示されたような計測時にサンプルを駆動するスティッチング干渉計や特許文献３に開示されたような走査干渉計で用いられる、高精度に駆動するステージや距離計測装置や複雑な解析プログラムが不要となる。

特開平０９−３２９４２７号公報 特開２００４−１２５７６８号公報 特許第０３９７１７４７号公報

Ｊａｈａｎｎｅｓ Ｐｆｕｎｄ ｅｔ ａｌ．"ＮｏｎＮｕｌｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｓｐｈｅｒｅｓ：ａ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｅｒｒｏｒ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ，"Ａｐｐ．Ｏｐｔ．４０（２００１）ｐ．４３９

シャック・ハルトマンセンサにより面形状を計測する場合、被検面からの反射光だけでなく他の光学部品からの余計な反射光もセンサに導かれるため、良好なスポット画像が得られないことがある。特に、光路を分割するためのビームスプリッターやレンズの中心部分の反射によって明るいゴースト像（不要光）がセンサに導かれると、その影響でスポット位置が誤検出され、正確な計測ができない。

また、温度条件の違い、経時変化などで生じる光学系の誤差を校正するために計測光学系を変化させれば、そのたびに不要光であるゴースト像が変化する。

本発明は、不要光を効率的に除去し、被検面の形状を高精度に計測する面形状計測装置、面形状計測方法、及び加工装置、並びにそれによって加工された光学素子を提供する。

本発明の一側面としての面形状計測装置は、受光センサと、光源からの光を被検物に導き、被検物からの反射光を受光センサに導く光偏向部材を含む光学系と、光偏向部材と被検物の間の光路に対して、挿入および退避が可能な遮光部材と、遮光部材を退避した状態において受光センサから出力される計測情報、および遮光部材を挿入した状態において受光センサから出力される不要光情報に基づいて、被検物の面形状を演算する演算手段と、を有することを特徴とする。

本発明の別側面としての面形状計測方法は、光偏向部材と被検物との間の光路に対して、遮光部材の挿入および退避を行う駆動ステップと、遮光部材を退避した状態および遮光部材を挿入した状態で、光偏向部材から導かれる光を受光センサによって検出する検出ステップと、遮光部材を退避した状態における検出ステップの結果、および遮光部材を挿入した状態における検出ステップの結果に基づいて、被検物の面形状を演算するステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、不要光を効率的に除去（削減）し、被検面の形状を高精度に計測することができる。

実施例１である凸面の非球面形状の計測装置の構成を示す概略図。 実施例１および実施例２での計測方法の概略を示すフローチャート。 実施例１および実施例２での前処理フローを示すフローチャート。 実施例１および実施例２での倍率分布校正フローを示すフローチャート。 実施例１での形状計測フローを示すフローチャート。 実施例１および実施例２での解析フローを示すフローチャート。 実施例１および実施例２での光線の位置および角度を説明する図。 実施例１である凹面の非球面形状の計測装置の構成を示す概略図。 実施例２である非球面形状計測装置の構成を示す概略図。 実施例２での形状計測フローを示すフローチャート。 実施例３である光学素子加工装置の構成を示す概略図。 実施例１および２での不要光除去を説明する図。

以下、本発明の実施例ついて図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１である非球面形状計測装置１００（以下、単に計測装置という）の構成を示す。この計測装置１００は、基準レンズ１０の情報を用いて、被検レンズ１１の形状を計測する。以下の説明では、図１中に示したｘｙｚ直交座標系を用いる。

図１において、１は光源、２は集光レンズ、３はピンホール、４はビームスプリッター（光偏向部材）、５は投光レンズ、６はステージの駆動装置、７は結像レンズ、８は受光センサ、９は制御部、１０は基準レンズ、１１は被検レンズである。基準レンズ１０の一方の面は既知の形状を有する基準非球面１０ａ（以下、単に基準面という）である。被検レンズ１１の一方の面は被検非球面１１ａ（以下、単に被検面という）である。本実施例では、基準面１０ａおよび被検面１１ａは凸面形状である。

１２は遮光板（遮光部材）であり、１３は遮光板１２を駆動する遮光板駆動機構である。また、１４は結像レンズ７の駆動装置であり、１５は受光センサ８の駆動装置である。

光源１からの光は、集光レンズ２とピンホール３を透過し、ビームスプリッター４で反射され、投光レンズ５を透過することで収束光となり、基準面１０ａあるいは被検面１１ａを照射される。基準面１０ａあるいは被検面１１ａで反射した光は、投光レンズ５、ビームスプリッター４、結像レンズ７を透過し、受光センサ８で検出される。基準レンズ１０と被検レンズ１１は、例えば、駆動装置６によってＸ,Ｙ,Ｚ,θｘ,θｙ,θｚを制御できるステージ（不図示）上に配置される。ビームスプリッター４は、ハーフミラーでもよい。

光源１には、例えば一定のバンド幅を持ったレーザーダイオードや発光ダイオードなどが用いられる。投光レンズ５は、基準面１０ａ又は被検面１１ａに収束光を照射する。基準面１０ａ及び被検面１１ａは、それぞれの近軸付近の曲率中心と収束光の球面波の曲率中心がほぼ等しくなるように構成すると好ましい。

結像レンズ７は、基準面１０ａ及び被検面１１ａからの反射光を受光センサ８の受光面８ａに導く。この投光レンズ５と結像レンズ７の設計条件は、計測したい被検レンズ１１（被検物）の情報、たとえば有効径や曲率半径、非球面量などと、受光センサ８の情報、たとえばセンササイズ、センサの構成、入射許容角度などから決定する。

計測装置１００は、駆動装置１４および駆動装置１５によって、結像レンズ７および受光センサ８を光軸方向に移動させることで計測範囲を調節する。投光レンズ５を移動することで計測範囲を調整してもよい。被検面を移動することで計測範囲を調整してもよい。あるいは、それら複数を組み合わせて移動することで計測範囲を調整してもよい。

なお、１組のレンズで計測できる形状の範囲は限られている。そのため、投光レンズ５と結像レンズ７の少なくとも一つを交換したり、あるいは投光レンズ、結像レンズの一部分のみを交換、追加したり、その組み合わせによって、計測できる非球面形状の範囲を広げてもよい。

本実施例では、受光センサ８にシャック・ハルトマンセンサを用いる。シャック・ハルトマンセンサは、多数の微小集光レンズを格子状に配列したマイクロレンズアレイと受光面で構成され、各マイクロレンズが受光面に入射光の集光スポットを形成するものである。この構成により、受光面８ａにおける光線の角度分布φを求める。具体的には、あらかじめ平面波を入射した際に集光スポット位置（スポット像）を計測しておき、集光スポット位置の基準を求めておく。次に被検面を配置し、被検面からの反射光の波面に対応した集光スポット位置（波面計測情報）を計測することで、平面波での基準集光スポット位置からの変化量Δｐが得られる。受光面８ａでの光線角度分布φは、このΔｐとマイクロレンズアレイの焦点距離ｆから次の数式１で求めることができる。

受光センサ８には、シャック・ハルトマンセンサ以外であっても波面や角度分布を計測できるものであればよい。例えば、回折格子とＣＣＤセンサを組み合わせ、シアリング干渉計や、Ｔａｌｂｏｔ干渉計を構成してもよい。他にもハルトマンプレートとＣＣＤセンサを用いたハルトマン法を用いてもよい。

また、被検面からの反射光の波面が受光面８ａより大きい場合は、反射波面の一部分だけを計測し、受光センサ８を移動させて複数回計測を繰り返し、つなぎ合わせることで全体の波面や角度分布を計測してもよい。

制御部９は計測装置１００を制御するものであり、受光センサ８での計測結果に基づいて、被検面１１ａの形状を求める演算処理や、駆動装置６，１４，１５等への指示を行う。

図２は、本実施例で行われる計測シーケンスを示すフローチャートである。計測シーケンスは、前処理フローＡ、倍率分布校正フローＢ、形状計測フローＣ、解析フローＤの４つからなり、最終的に被検面の形状を求める。以下、上記４つのフローについて、図３から図６のフローチャートを用いて詳細に説明する。

図３は、被検面の形状を求めるための前処理フローＡを示すフローチャートである。基準レンズ１０と被検レンズ１１は同じ設計値をもとに作成されたレンズであり、その差は数ミクロン程度しかなく、ほぼ類似した形状をしている。

ステップＡ−１では、計測装置１００とは別の高精度な計測装置、例えば触針式計測装置で基準面１０ａの形状を予め計測する。

ステップＡ−２では、制御部９が、計測装置１００の光学系の情報と、ステップＡ−１の計測によって得られた基準面１０ａの計測結果あるいは基準面１０ａの設計データをもとに、受光面８ａ上の波面Ｗ０を、例えば光線追跡ソフトウエアなどを使って演算する。予め光学系の収差情報や、光学系の組み立て誤差、光学系の詳細誤差などが分かっているのであれば、これらを考慮して光線トレースを演算することで、受光面８ａでの波面をより高精度に見積もることができる。波面は、たとえば直交関数であるＺｅｒｎｉｋｅ係数を用いて表現する。

ステップＡ−３では、制御部９は、基準面１０ａを微小量だけ光軸を中心に傾けた際に受光面８ａ上の波面Ｗ１を、例えば光線追跡ソフトウエアなどを使って演算する。ここでも、ステップＡ−２と同様に、計測装置の光学系の情報と、ステップＡ−１の計測によって得られた基準面１０ａの計測結果あるいは基準面１０ａの設計データを用いる。そして、ステップＡ−２において得られた基準面１０ａの波面Ｗ０（以下、演算波面Ｗ０という）の情報と、基準面１０ａを駆動した後の波面Ｗ１の情報から、駆動前後の波面差を算出する。

被検レンズ１１に照射される光は、被検面１１ａに対して垂直に入射しないため、被検レンズ１１に対する入射角と異なる角度で反射される。この反射光は、受光面８ａで略平行光にならず、被検面１１ａからの反射光の波面は平面波面から大きくずれた波面として検出される。また、その反射光の波面の平面波面からのずれ量は、計測した非球面形状によって変化する。そのため、受光面８ａで被検面１１ａからの反射光の波面を計測しても、そのまま被検面１１ａの形状を得ることはできない。被検面１１ａからの反射波面から被検面１１ａの形状を算出するためには、被検面１１ａでの反射の位置と角度の２つの情報が必要になる。

図７は、ある光束の、受光面８ａと受光面８ａの共役面における光線の関係を示している。基準面１０ａ、被検面１１ａは、計測時に受光面８ａの共役面（以下、センサ共役面とする）に近くなるよう配置される。

位置の情報は、受光面８ａとセンサ共役面との横座標の関係を意味する。図７は、光軸からｒの位置で受光した光束が、センサ共役面で光軸からＲの位置で反射することを示している。位置倍率分布αは、受光面８ａとセンサ共役面（被検面１１ａ）の横座標の比とし、数式２のように表すことができる。この位置倍率は、一定ではなく、例えば光軸からの距離に対応した分布を持つ。

角度の情報は、受光面８ａとセンサ共役面との光線角度の関係を意味する。図７は、基準面１０ａを微小角度だけ傾けたときのセンサ共役面における光線角度変化がΔＶであり、受光面８ａにおける光線角度変化はΔｖであることを示している。角度倍率分布βは、この光線角度変化の比とし、数式３のように表すことができる。この角度倍率は、一定ではなく、例えば光軸からの距離に対応した分布を持つ。

制御部９は、位置倍率分布αと角度倍率分布βを、光学系の設計データと基準面１０ａの設計データをもとに光線追跡ソフトウエアなどを使って演算する。予め光学系の収差情報や、光学系の組み立て誤差、光学系の面形状や透過波面などが分かっているのであれば、これらを考慮して光線トレースを演算することで、より高精度に位置倍率分布αと角度倍率分布βを演算できる。

ステップＡ−４では、位置変化による波面敏感度を算出する。具体的には、制御部９の指示により、駆動装置６，１４，１５が基準レンズ１０、結像レンズ７、受光面８ａの位置を光軸（ｚ）方向にそれぞれ変化させ、ステップＡ−２と同様に受光面８ａ上での波面を演算する。次に、制御部９は、位置を変化させる前後の波面の差から、基準レンズ１０、結像レンズ７、受光センサ８のそれぞれ光軸方向の位置が変化したときの敏感度を演算し、不図示のメモリに格納する。このとき、波面の評価領域の中心位置および半径は一定とする。

図４は、被検面の形状を算出するために必要な倍率分布を計測装置１００によって校正する倍率分布校正フローＢのフローチャートである。

計測装置１００の光学系のパラメータが設計通りであれば、ステップＡ−４で求めた位置倍率分布αと角度倍率分布βで被検面１１ａの形状を精度よく求めることができる。しかし、実際には、色々な誤差要因があるため設計通りにはならない。誤差要因には、例えば、レンズ加工誤差（曲率半径の誤差、研磨残渣、ホモジニティ、厚み誤差など）やレンズ組み立て誤差（光軸方向の配置誤差、収差など）やレンズと被検面・受光面のアライメント誤差、温度変化などの環境要因、経時変化などがある。できるだけ設計値の状態に近づけるため、倍率分布校正フローＢによって光学系を校正する。

ここで、不要光が含まれた状態で受光面８ａへの入射光を計測すると、計測したスポット強度分布（集光スポット位置）には不要光によるものも含まれているため、計測光のスポット強度分布を正確に求めることができず、計測光の波面を正確に算出できない。ここで、不要光とは、被検物以外の光学部品からの余計な反射光である。

本実施例では、遮光板１２を用いて、不要光のみの情報を取得する工程を設ける。

ステップＢ−１では、制御部９からの指示により、遮光板駆動機構１３が遮光板１２を光路に挿入する。

ステップＢ−２では、遮光板１２を光路に挿入した状態で、制御部９が受光センサ８を用いて不要光のスポット像の位置（不要光情報）を計測する。遮光板１２を用いることで被検物（基準面１０ａや被検面１１ａ）からの反射光を除くことができ、結果としてゴースト像などの不要光情報だけを計測することができる。不要光情報とは、各レンズの中心部からの反射光や、光路を分割するビームスプリッターの表裏面における反射光などの、計測には不要な光で形成された像のことである。

不要光計測が終了した後、ステップＢ−３において、制御部９からの指示により遮光板駆動機構１３が遮光板１２を光路から退避させる。

ステップＢ−４では、基準レンズ１０を計測装置のステージ６に設置する。

ステップＢ−５では、制御部９が、受光センサ８を用いて基準面１０ａで反射した光束によって形成されるスポット像を計測し、その強度分布から不要光情報を除去（削減）することで、波面（以下、計測波面Ｗという）を計測する。

不要光計測とその除去に関して、図１２を用いて更に詳細に説明する。

図１２における画像３０は、ステップＢ−５の計測で得られるスポット像を示している。このように、ステップＢ−５の計測時に受光センサ８から得られる像は、計測すべき被検物（基準面１０ａ，被検面１１ａ）からの反射光によって形成される像と、不要光によって形成されるゴースト像（不要光情報）とが重なった像になる。

図１２における画像３１は、ステップＢ−１の遮光板１２を挿入した計測で得られるゴースト像（不要光情報）である。遮光板１２によって計測すべき被検物（基準面１０ａ，被検面１１ａ）からの反射光を除去するため、ステップＢ−５と同様の不要光情報だけが計測できる。

そして、画像３０（被検物反射光＋不要光）から画像３１（不要光）を強度分布として単純に減算することで得られた画像３２（両画像の差分）を用いて、波面を求める。ここで単純な強度分布の減算により計測画像を補正できるのは、コヒーレンス長の短い光源（例えば１ｍｍ以下のコヒーレンス光）を使用したシステムだからである。このように、本実施例によれば、不要光を強度分布の減算で簡易に除去することができ、高精度な計測を行うことが可能になる。

本実施例では、基準レンズ１０または被検レンズ１１と投光レンズ５の間に遮光板１２を挿入するが、遮光板１２の挿入位置はこの位置に限られない。ビームスプリッターやビームスプリッター４付近で発生する不要光の影響が最も懸念されるため、遮光板１２はビームスプリッターあるいはＢＳ４から被検物の間に配置することが好ましい。特に、不要光をできるだけ多く除去するためには、遮光板１２は被検物（基準レンズ１０，被検レンズ１１）の直前に挿入し、被検物からの反射光のみを除去することがより好ましい。

また、基準面１０ａと被検面１１ａの計測に加えて不要光計測時も、受光センサ８の計測条件を等しくするとよい。例えば、自動で露光時間が変化するようなモードで撮影するのではなく、基準面１０ａ、被検面１１ａ、不要光情報をすべて等しい露光時間で計測する、又はシャッターなどを用いて受光センサ８における受光時間を等しくする。

ステップＢ−６では、制御部９は、ステップＢ−５における計測波面Ｗと、ステップＡ−２における演算波面Ｗ０との差を計算し、その差分が十分に小さいかを判定する。このとき駆動装置６は、制御部９からの指示により、基準面１０ａの光軸に垂直な面（ｘｙ面）内の位置及び傾きを、計測波面Ｗと演算波面Ｗ０とのチルト成分及びコマ成分の差が十分小さくなるように調整する。基準面１０ａの光軸（ｚ）方向の位置に関しては、駆動装置６は、制御部９からの指示により、計測波面Ｗと演算波面Ｗ０の球面成分、Ｚｅｒｎｉｋｅ関数ではＺ４、Ｚ９、Ｚ１６、Ｚ２５・・・の差が小さくなるように調整する。このとき、ビームスプリッター４、投光レンズ５、結像レンズ７などの光学系に誤差があると、基準面１０ａの光軸方向の位置調整だけでは波面の球面成分の差は十分小さくならない。計測波面Ｗが演算波面Ｗ０と一致すると、基準面１０ａはセンサ共役面位置に配置されたこととなり、装置の位置倍率分布αおよび角度倍率分布βもステップＡ−３で演算した倍率分布と一致する。

なお、倍率分布校正フローＢは、装置の組立初期にアライメントを行う場合、環境変動（空気圧、湿度、温度などの変化）に起因する光学系の誤差により設計からのずれが大きくなった場合、又は計測対象（被検面の設計形状）を変更した場合に行うと効果的である。

制御部９は、ステップＢ−５の計測波面Ｗと演算波面Ｗ０との差が十分に小さければ校正を終了してステップＢ−９に進み、差が大きければステップＢ−７に進む。

ステップＢ−７では、制御部９は、ステップＡ−４で演算した基準レンズ１０、結像レンズ７、受光センサ８の光軸（ｚ）方向の敏感度から、ステップＢ−５の計測波面Ｗと演算波面Ｗ０との差のうち球面成分の差が最小になるように、それぞれの駆動量を演算する。ここでは基準レンズ１０、結像レンズ７、受光センサ８の３つを駆動する場合について言及したが、このような構成に限らず、駆動する軸が２つ以上あればよい。

ステップＢ−８では、ステップＢ−７で求められた各軸の駆動量をもとに、駆動装置６，１４，１５が、基準レンズ１０、結像レンズ７、受光センサ８をそれぞれ光軸方向に駆動する。駆動した後、制御部９は、処理をステップＢ−５に戻して受光センサ８により波面を計測し、計測波面Ｗと演算波面Ｗ０との差が十分小さくなるまでステップＢ−５からステップＢ−８を繰り返し行う。

倍率校正が終了した後、ステップＢ−９ではステップＢ−１と同様に、制御部９からの指示により遮光板駆動機構１３が遮光板１２を光路に挿入する。

ステップＢ−１０では、ステップＢ−２と同様に遮光板１２を光路に挿入した状態で、制御部９が受光センサ８を用いて不要光情報を計測する。

不要光計測が終了した後、ステップＢ−１１ではステップＢ−３と同様に、制御部９からの指示により遮光板駆動機構１３が遮光板１２を光路から退避させる。

図４に示す校正では光学系を光軸方向に駆動するため、校正を行うたびに光学系の光軸方向の配置が変化する。また異なる被検面が設置されると、校正位置もそれに対応して変化する。校正によって光学系の配置が変われば、不要光の発生状態も変わる。従って、校正により光学系の少なくとも一部を駆動するごとにステップＢ−１０の不要光計測を行い不要項情報を計測情報から除去することで、校正状態に合せて最適な不要光情報を除去して高精度な波面計測を実現することができる。

これ以降のすべての波面の計測において、計測毎に、制御部９が受光センサ８を用いて計測したスポット像の強度分布からステップＢ−１０で取得した不要光情報を減算することで、不要光情報を除去したデータを用いて波面を計測する。ただし、校正によって光学系の少なくとも一部が駆動しても不要光情報の変化が小さい場合は、（Ｂ−９）〜（Ｂ−１１）のステップを省略してもよい。その場合は、計測毎に、ステップＢ−２で取得した不要光情報を除去することで、波面を計測する。装置が安定している場合には校正前後での不要光変化も小さいため、光学系を校正することが必要となった場合にのみ不要光情報を計測することとしてもよい。除去に用いられる不要光情報は、計測した際に不図示のメモリに格納し、必要に応じて該メモリから読み出しを行うようにしてもよい。

次に、形状計測フローＣを図５を用いて説明する。

ステップＣ−１では、基準レンズ１０をステージ６に設置する。

ステップＣ−２では、ステップＢ−６と同様に制御部９からの指示に応じて、駆動装置６が、計測波面Ｗと演算波面Ｗ０との差が閾値以下になるようにステージのチルトとシフトの調整することで基準面１０ａのアライメントを行う。

ステップＣ−３では、制御部９は、基準面１０ａのアライメントが終了したら受光センサ８を用いて基準レンズ１０からの反射光の波面（波面計測情報）を計測する。具体的には、本実施例では受光センサ８にシャック・ハルトマンセンサを用いるため、この受光センサ８によってスポット像を検出し、検出されたスポット像から不要光情報を除去する。そして、除去した後のデータから光線角度分布を前述の数式１によって求め、この光線角度分布を積分処理することによって波面を計測する。計測された基準面１０ａの波面は、不図示のメモリに格納しておく。

ステップＣ−４では、基準レンズ１０をステージから取り外し、ステージに被検レンズ１１を配置する。基準面１０ａと被検面１１ａとの位置は、できるだけ一致させる必要がある。そのため、基準レンズ１０をステージから退避させる前に基準面１０ａの光軸方向の位置を予め計測しておき、被検面１１ａを同じ位置に配置する。本実施例においては、光軸方向の位置は、測長機や変位センサなど別のセンサを用いて測る。

ステップＣ−５では、ステップＣ−２と同様に制御部９からの指示に応じて、駆動装置６が、被検面１１ａのチルトとシフトのアライメントを行う。

アライメント終了後に、ステップＣ−６において、制御部９が受光センサ８によって被検面１１ａの波面（波面計測情報）を計測する。計測された被検面１１ａの波面も、ステップＣ−３と同様に不図示のメモリに格納する。

次に、解析フローＤに関して、図６を用いて説明する。

ステップＤ−１では、制御部９は、形状計測フローＣにより計測された基準面１０ａと被検面１１ａの波面から反射光の受光面８ａにおける光線角度分布（面傾斜データ）Ｖ_１０・Ｖ_１１を算出する。

ステップＤ−２では、制御部９は、ステップＤ−１により基準面１０ａと被検面１１ａに関して算出された光線角度分布Ｖ_１０・Ｖ_１１に対し、数式４を用いてセンサ共役面上の光線角度分布ｖ_１０・ｖ_１１を算出する。数式４での角度倍率分布βには、倍率校正フローＢにより校正された倍率分布を用いる。また、数式４での主光線の角度分布ηとは、基準面１０ａでの反射光のうち検出面で光軸と平行になる光束が基準面１０ａに入射する際の光線角度を意味する。この主光線の角度分布ηは、前処理フローＡと同じように、計測装置の光学系の情報や基準面１０ａの設計データから光線追跡ソフトウエアなどを使って計算で求める。

次に、受光面８ａの光線座標分布Ｒに対し、センサ共役面での光線座標分布ｒを数式５および数式６によって求める。受光面８ａの光線座標分布Ｒとは、センサとしてシャック・ハルトマンセンサを用いる場合に、マイクロレンズアレイの個々の中心位置をＣＣＤの座標（ｘ、ｙ）を用いて表したものである。

センサ共役面は、光学系の構成で決まる。しかし、計測装置１００は１つの光学系で複数の基準面１０ａを計測するシステムであるため、センサ共役面と基準面１０ａは完全には一致しない。そこでステップＤ−３では、制御部９は、ステップＤ−２によって求められたセンサ共役面上の光線角度分布ｖ_１０・ｖ_１１と光線座標分布ｒに対して、基準面１０ａにおける対応点を光線追跡演算によって求める。すなわち、制御部９は、数式７によって、基準面１０ａの光線角度分布ｖ_１０と被検面１１ａの光線角度分布ｖ_１１との面傾斜（スロープ）の差分Δｓを算出する。

面傾斜の差分Δｓは、基準面１０ａと被検面１１ａとの面形状の差の微分値になっている。そのため、面形状差を求めるためには、Δｓを積分する必要がある。積分手法には、基底関数の微分関数を用いたフィッティングや面傾斜の差分を随時加算していく手法など種々の方法がある。

ステップＤ−４では、制御部９は、Δｓを積分して基準面１０ａと被検面１１ａとの面形状の差を求め、この値にステップＡ−１で予め計測しておいた基準面１０ａの情報を加算することで、最終的に被検面１１ａの形状を求める。

以上のように、光学系の校正を行った後に、遮光板１２を光路に挿入した状態で不要光を計測し、基準面１０ａおよび被検面１１ａの情報から計測された不要光を除去することによって、簡単に不要光を除去することができ、高精度に形状を算出することができる。不要光計測は、上記フローに限定されず、必要に応じて種々のタイミングで行ってもよい。

校正が終了して光学系が変化しない状態であるなら、ステップＣ−５における不要光の計測は基準面１０ａを計測する前でも、被検面１１ａを計測した後でも良い。また、光学系が安定していて毎回校正が必要ない場合は、不要光も変化しないため、波面を計測するたびに不要光の計測を行う必要はない。さらに光学系が安定しており、校正だけでなく、基準面の計測も必要ない場合には、不要光、基準面の計測を行わずに、被検面のみの計測でもよい。または不要光と被検面のみの計測でもよい。

上述のフローを用いて計測した被検面１１ａの形状と設計形状との差分を計算し、修正加工量とその位置関係（横座標）を求め、実施例４で述べる加工機により修正加工を行うことで、設計値に近い所望の形状のレンズを作成することができる。１回の加工で所望の形状が得られなかった場合には、計測と修正加工を複数回繰り返すこととしてもよい。

なお、本実施例では、被検物を被検レンズ１１として説明をしてきたが、レンズ以外でもよく、レンズと同等の形状のミラーなどの光学素子や、金型などでもよい。

また、本実施例では、受光センサ８における基準面１０ａや被検面１１ａの計測情報から不要光情報を減算により除去（削減）することとしたが、計測した不要光情報を用いた、その他の方法により計測情報を補正するものであってもよい。

不要光情報を除去としているが、完全に除去できなくても問題ない。この場合、除去できなかった不要光は誤差として計測情報に残るが、必要な計測誤差の範囲になるよう、処理前より低減することを目的としている。計測時間や計測精度など、必要な計測条件が実現できるよう、その目標に合せて不要光計測の頻度を決めればよい。

また、本実施例では、Ａ−３において、α：位置倍率分布およびβ：角度倍率分布を算出し、この倍率分布を用いて計測した光線座標分布と光線角度分布から、基準面や被検面における検出面の共役面上の光線座標分布と光線角度分布を算出した。しかし、算出方法はこれに限らない。例えば、光学トレースソフトなどを用いて光線追跡を行うことで、同様の処理が実現できる。本発明は、計測情報を得るための不要光を軽減するための手法を提案したもので、この光線座標分布と光線角度分布の算出方法は、その他の方法を用いても可能である。

また、本実施例では、計測装置１００が凸面の非球面である被検面１１ａを有する被検レンズ１１を計測することしたが、図８に示すような凹面の非球面である被検面１１’ａを有する被検レンズ１１’を計測するもので当ててもよい。この場合も、同様のフローを適用することができる。また、この場合、凸面の基準面１０ａを有する基準レンズ１０の代わりに、既知の凹面の非球面である基準面１０’ａを有する基準レンズ１０’を用いる。

また、本発明を適用できる面形状計測技術は、本実施例で説明したものに限らず、光学系を介して被検面に光を導き、該光学系を介して被検面からの反射光を受光センサによって検出するものであればよい。

また、制御部９における演算は、本実施例で説明したように計測装置１００の内部で行ってもよいし、計測データを外部のコンピュータに出力して該外部コンピュータで演算を行うこととしてもよい。外部コンピュータでの演算は、本実施例に示した演算の一部だけであってもよい。

実施例１では、光学系を校正した後に、遮光板１２を挿入して不要光を計測する場合を示した。

実施例２では、光学系を校正した後、基準面１０ａを計測するステップと被検面１１ａを計測するステップとの間に、サンプル位置の計測と不要光の計測を同時に行う場合を示す。環境変動などによってドリフトがある場合には、基準面１０ａと被検面１１ａの間で不要光を除去することで高精度計測が見込まれる。実施例１と重複する構成については、説明を省略する。

図９は、本実施例における計測装置１０１の構成を示している。計測装置１０１は、遮光板１２にレンズ位置計測センサ１６（以下、距離センサという）を設置しており、それ以外の構成は実施例１の計測装置１００と同じである。

本実施例では、実施例１における倍率校正後の不要情報取得のためのステップＢ−９，ステップＢ−１０，ステップＢ−１１を行わずに、以下のステップを計測フローＣにて行う。

計測装置１００と同様に、本実施例の計測装置１０１もまた基準面１０ａと被検面１１ａを計測し、両者の差分情報から形状を算出する。基準面１０ａと被検面１１ａの位置ずれは、計測誤差に大きな影響を及ぼすため、基準面１０ａと被検面１１ａは同じ位置に配置する必要がある。そのため、高精度計測を行うには、基準面１０ａまでの距離を実際に計測しておき、被検面１１ａに交換した後に被検面１１ａまでの距離を計測しながら被検面１１ａの位置が基準面１０ａと等しくなるようにステージを駆動する必要がある。

このような構成において、環境変動などに起因したドリフトがある場合には、基準面１０ａと被検面１１ａの間で不要光を計測するステップを追加し、基準面１０ａと被検面１１ａの計測情報から、不要光情報を除去することで、より高精度な計測を実現できる。

以下に、本実施例における形状計測フローＣについて図１０を用いて説明する。図１０に示した本実施例の形状計測フローＣは、Ｃ２−４、Ｃ２−５、Ｃ２−７が実施例１のものと異なり、その他のステップは実施例１と同じである。

ステップＣ２−４では、制御部９の指示により、遮光板駆動機構１３が遮光板１２と遮光板１２の被検物側に設けた距離センサ１６を光路に挿入する。

ステップＣ２−５では、制御部９が、受光センサ８を用いてゴースト像の計測（不要光計測）を行い、その不要光情報の計測中に又はその前後において距離センサ１６を用いて基準面１０ａまでの距離の計測や光軸（ｚ軸）方向の位置調整を行う。

ステップＣ２−６では、基準面１０ａをステージから取り外し、ステージに被検面１１ａを配置する。ステップＣ２−５での距離センサ１６による計測結果を用いて、被検面１１ａの位置がステップＣ−３において計測を行った際の基準面１０ａの位置と同じになるように、駆動装置６がステージを駆動する。

不要光計測と被検面の設置が終了した後に、ステップＣ２−７において、制御部９の指示により、遮光板駆動機構１３が遮光板１２と距離センサ１６を光路から退避させる。

本実施例では、遮光板駆動機構１３により、一体化された遮光板１２と距離センサ１６を駆動することとしたが、遮光板１２と距離センサ１６をそれぞれ別の駆動手段によって同時期に駆動させることとしてもよい。

実施例２によれば、基準面１０ａおよび被検面１１ａの計測と、不要光情報の計測との時間差が小さくなり、実施例１の場合よりも環境変動が生じても高精度の計測を実現できる。さらには、遮光板１２と距離センサ１６を併用することで、不要光情報の計測と、計測面までの距離計測を平行してい行うことができ、より簡単な計測フローを実現できる。

本実施例では、受光センサ８における基準面１０ａや被検面１１ａの計測情報から不要光情報を減算により除去することとしたが、計測した不要光情報を用いた、その他の方法により計測情報を補正するものであってもよい。

また、制御部９における演算は、本実施例で説明したように計測装置１０１の内部で行ってもよいし、計測データを外部のコンピュータに出力して該外部コンピュータで演算を行うこととしてもよい。外部コンピュータでの演算は、本実施例に示した演算の一部だけであってもよい。

図１１には、本発明の実施例３として、実施例１にて説明した計測装置１００を用いた光学素子加工装置２００の構成を示している。実施例１にて説明した計測装置１００に代えて、実施例２で説明した計測装置１０１を用いてもよい。

２０は被検レンズ１１の加工前の材料であり、２０１は該材料２０に対して切削、研磨等の加工を行って光学素子としての被検レンズ１１を製造する加工部である。

加工部２０１で加工された被検レンズ１１の被検面１１ａの面形状は、計測部としての計測装置１００において、実施例１にて説明した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、計測装置１００は、被検面１１ａを目標の面形状に仕上げるために、被検面１１ａ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１１ａに対する修正加工量を計算し、これを加工部２０１に出力する。これにより、加工部２０１による被検面１１ａ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１１ａを有する被検レンズ１１が完成する。

また、既に修正加工された被検面１１ａの形状を計測装置１００により計測し、得られた修正加工量に基づいて再び加工部２０１が修正加工するという動作を繰り返し行うようにしてもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

被検面の形状を高速かつ高精度に計測することが可能な計測方法および計測装置を提供することができる。

１ 光源
４ ビームスプリッター
８ センサ
９ 制御部
１０ 基準レンズ
１０a 基準面
１１ 被検レンズ
１１a 被検面
１２ 遮光板
１３ 遮光板駆動機構

Claims (13)

1. 光源からの光を被検物に照射し、該被検物からの反射光を検出することで前記被検物の面形状を計測する面形状計測装置であって、
   受光センサと、
   前記光源からの光を前記被検物に導き、前記被検物からの反射光を前記受光センサに導く光偏向部材を含む光学系と、
   前記光偏向部材と前記被検物の間の光路に対して、挿入および退避が可能な遮光部材と、
   前記遮光部材を退避した状態において前記受光センサから出力される計測情報、および前記遮光部材を挿入した状態において前記受光センサから出力される不要光情報に基づいて、前記被検物の面形状を演算する演算手段と、
   を有することを特徴とする面形状計測装置。
2. 前記光偏向部材は、前記遮光部材を退避した状態において、前記被検物として既知の形状を有する基準面からの反射光と、前記被検物として非球面形状を有する被検面からの反射光を前記受光センサに導き、
   前記演算手段は、前記基準面および前記被検面の各々の前記計測情報、ならびに前記不要光情報に基づいて、前記被検面の形状を演算することを特徴とする請求項１に記載の面形状計測装置。
3. 前記演算手段は、前記計測情報から前記不要光情報を減算することによって、前記計測情報を補正し、補正された前記計測情報に基づいて前記被検物の面形状を演算することを特徴とする請求項１又は２に記載の面形状計測装置。
4. 前記演算手段は、前記不要光情報によって補正された前記計測情報を用いて、前記被検物からの反射光の前記受光センサの受光面における波面を演算することを特徴とする請求項３に記載の面形状計測装置。
5. 前記演算手段は、前記受光センサの受光面に対する共役面上の光線座標分布および光線角度分布を演算し、
   演算された前記光線座標分布および前記光線角度分布と、前記不要光情報と、前記計測情報と、を用いて前記被検物の面形状を算出することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項に記載の面形状計測装置。
6. 前記被検物、前記受光センサ、前記光学系の光学素子のうち少なくとも２つ、および前記遮光部材を駆動する駆動機構と、
   前記駆動機構によって、前記光学系の校正を行い、該校正が終了した後に前記遮光部材を前記光路に挿入させる制御手段と、
   を有することを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項に記載の面形状計測装置。
7. 前記遮光部材は、前記被検物の位置を計測する距離センサを備えることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項に記載の面形状計測装置。
8. コヒーレンス長が１ｍｍ以下のコヒーレンス光の光源を更に有し、
   前記光源からの光を、前記光偏向部材と前記光学系を介して前記被検物に照射することを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１項に記載の面形状計測装置。
9. 前記受光センサは、該受光センサの受光面に入射光を集光する複数のマイクロレンズを有し、
   前記計測情報および前記不要光情報は、前記複数のマイクロレンズによる集光スポット位置であることを特徴とする請求項１から８のうちいずれか１項に記載の面形状計測装置。
10. 前記不要光情報は、前記被検物からの反射光を除いた、前記光学系からの反射光に関する情報であることを特徴とする請求項１から９のうちいずれか１項に記載の面形状計測装置。
11. 請求項１から１０のうちいずれか１項に記載の面形状計測装置と、
    前記面形状計測装置によって計測した前記被検物の面形状に基づいて、該面形状の加工を行う加工部と、を有することを特徴とする加工装置。
12. 請求項１１に記載の加工装置によって、加工された被検面を有することを特徴とする光学素子。
13. 光源からの光を光偏向部材を介して被検物に照射し、該被検物からの反射光を前記光偏向部材を介して受光センサに導き、該受光センサの出力を用いて前記被検物の面形状を計測する面形状計測方法であって、
    前記光偏向部材と前記被検物との間の光路に対して、遮光部材の挿入および退避を行う駆動ステップと、
    前記遮光部材を退避した状態および前記遮光部材を挿入した状態で、前記光偏向部材から導かれる光を前記受光センサによって検出する検出ステップと、
    前記遮光部材を退避した状態における前記検出ステップの結果、および前記遮光部材を挿入した状態における前記検出ステップの結果に基づいて、前記被検物の面形状を演算するステップと、
    を有することを特徴とする面形状計測方法。