JP4921644B2 - 波面測定装置および波面測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズやプリズム、その他の光学素子を有する光学系（以下、被検光学系という）の光学性能を評価する波面測定装置および測定方法に関する。特に、被検光学系が液浸光学系であった場合においても、不要な反射光の影響や収差の影響を受けない波面測定装置および測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被検光学系の性能評価を行うために用いられる従来の測定装置を図８に示す。測定装置はフィゾー干渉光学系を備えており、光源１、集光レンズ２、ピンホール３、ビームスプリッタ４、コリメートレンズ５、参照部材である半透過ミラー６、凹面部材８、スペーシャルフィルタ９、リレーレンズ１０、撮像素子であるＣＣＤカメラ１１で構成されている。そして被検光学系として対物レンズ７が半透過ミラー６と凹面部材８との間に配置されている。
【０００３】
光源１から射出した光は、集光レンズ２で一旦ピンホール３上に集光される。ピンホール３の開口部分を通過した光はコリメートレンズ５で平行光束になり、半透過ミラー６に入射する。半透過ミラー６では、所定の反射率（あるいは透過率）に応じて反射する光と透過する光が生じる。ここで、半透過ミラー６に入射した光のうち、半透過ミラー６で反射された光を参照光とする。参照光はコリメートレンズ５を通過し、ビームスプリッタ４で反射される。そして、スペーシャルフィルタ９、リレーレンズ１０を通過してＣＣＤカメラ１１に入射する。
【０００４】
一方、半透過ミラー６を透過した光は、対物レンズ７に入射する。ここで、被検光学系（対物レンズ７）を通過した光のことを被検光とする。対物レンズ７に収差があると、被検光の波面が変形する。対物レンズ７で集光された被検光は、その後発散して凹面部材８に入射する。凹面部材８の凹面は、入射した光の反射方向が入射方向と同じになるような曲率を有している。よって、凹面部材８の凹面で反射された被検光は再び対物レンズ７に入射し、平行光束となって対物レンズ７から射出する。対物レンズ７を射出した平行光束は、半透過ミラー６を透過し、参照光と同じようにＣＣＤカメラ１１に入射する。
ビームスプリッタ４で反射された光には、参照光と被検光が含まれている。よって、両者によって干渉が生じる。そして、リレーレンズ１０によってＣＣＤカメラ１１上に干渉縞が形成されるので、この干渉の様子を観察することができる。なお、半透過ミラー６を光軸に沿って移動させることにより、測定に適した干渉縞を得ることができる。ＣＣＤカメラ１１上に形成された干渉縞には、対物レンズ７の収差に関する情報が含まれている。よって、この干渉縞を解析することで対物レンズ７の波面収差等を求めることができる。
なお、図８の構成では、参照光が通過する光路、すなわち半透過ミラー６からビームスプリッタ４まで（あるいはＣＣＤカメラ１１まで）が参照光路に該当する。また、被検光が通過する光路、すなわち凹面部材８からビームスプリッタ４まで（あるいはＣＣＤカメラ１１まで）が被検光路に該当する。また、光源１からビームスプリッタ４までは共通光路である。同様に、ビームスプリッタ４からＣＣＤカメラ１１までも共通光路といえる。
【０００５】
図８と同様に、干渉光学系を利用して被検光学系の光学特性を測定する類似技術として、特開平１０−９０１１３号公報に開示されている技術がある。特開平１０−９０１１３号公報では、凹面部材８の代わりに半球状レンズを用いている。半球状レンズを用いた理由は、半球状レンズの硝材が持つ屈折率によって、光束の広がり角を小さくできるからである。そして、これにより、被検レンズから射出した光を反射させて再び被検レンズに戻すための光学部材（図８の凹面鏡８や特開平１０−９０１１３号公報の半球レンズ）を、小さくそして軽く作製することができるという特徴を備える。また、半球レンズの厚みにカバーガラス厚も考慮することで、補正板が不要になるという効果を得ている。
【０００６】
また、特開平９−１８４７８７号公報に開示されている技術は、被検レンズに液浸対物レンズを用いた場合でも測定が可能となるようにする技術である。特開平９−１８４７８７号公報では、被検レンズを３組用意し、そのうちの２組を対向させて波面測定を行う。そして、これを３通りの組合せで行い、演算によって波面を求めている。この時、３通りの測定において座標系が狂っていると正確な演算が行えないので、座標系の位置関係が保持されるようにしている。なお、被検レンズが液浸対物レンズの場合、対向させた被検レンズの間を液体で満たすことが開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−９０１１３号公報では、半球状レンズを使用した場合には確かに素子自体を小さく作製することは可能である。しかしながら、半球状レンズの平面部での反射光の影響が避けられないという問題を有している。例えば、特開平１０−９０１１３号公報の図１に示されているように、被検レンズのうち先端部のレンズと半球状レンズとの間は空気である。そのため、被検レンズから射出して半球状レンズに入射する光のうち、半球状レンズの平面部で約４％程度の反射が生じる。一方、半球状レンズの凸面の反射率も約４％である。
よって、半球状レンズの凸面で反射した被検光に加えて、本来は必要のない半球状レンズの平面で反射した光が加わることになる。平面プレートの反射率を約４％に設定しておくと、参照光と被検光の光強度がほぼ同じになる、そのため、干渉によって形成される干渉縞は、本来得られる干渉縞と同程度でかなり高いコントラストを有する。ところが、半球状レンズの平面部で反射光が生じると、この反射光も被検光と一緒になって参照光と干渉する。この時、この反射光の光強度は被検光とほぼ同じである。よって、この反射光による干渉縞のコントラストは、参照光と被検光によって生じる干渉縞のコントラストとほぼ同じになる。
【０００８】
このように、特開平１０−９０１１３号公報の構成では、参照光と被検光によって生じる干渉縞だけでなく、参照光と半球状レンズの平面部で反射した光によって生じた干渉縞が、ＣＣＤカメラ上に形成される。ところが、これら２つの干渉縞はコヒーレントな足し算（振幅の足し算）として得られるため、干渉縞を撮像した後で分離することはできない。すなわち、本来必要とする参照光と被検光によって生じた干渉縞から、参照光と半球状レンズの平面で反射した光によって生じた干渉縞を除去することができない。この結果、正しい波面測定が行えないという問題が生じる。
【０００９】
平面部で生じる反射光を低減する目的で、平面部に反射防止コート等をつけることも考えられる。しかしながら、被検光学系の開口数が高い場合、平面に入射する光の角度は最大で約７０°程度になる。通常、０°から７０°の幅広い入射角に対し反射率をゼロ近くとするような反射防止コートをつけることは、実際上非常に困難である。また、被検レンズと半球状レンズとの間が空気であるために、半球状レンズが完全な半球（カバーガラスの補正分を除いて）からずれた場合、これが収差となって現れてしまうために十分な測定ができないという問題もある。
【００１０】
一方、特開平９−１８４７８７号公報 に示された技術は、被検光学系に乾燥系だけでなく液浸系も考慮された構成となっているが、被検光学系が少なくとも３セット必要となる。また、各組合せにおいて座標系を合わせなければならず、光学系の調整が非常にシビアで困難であるという問題を有している。
【００１１】
本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、凹面部材を使った従来の測定方法と同等の取扱い易さで、被検光学系の波面測定が行える波面測定装置及び波面測定方法を提供することを目的とする。また、被検光学系として、対象物と光学系の間が液体で満たされている液浸光学系においても良好な測定が行えることを目的とする。また、被検光学系から射出する光を反射する光学部材において、被検光学系に最も近い面で反射が生じても、この反射の影響をほとんど受けない波面測定装置及び波面測定方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明の波面測定装置は、被検光学系の波面を測定する波面測定装置であって、該波面測定装置は光源と、参照光を生じる参照部材が配置された参照光路と、前記被検光学系が配置される被検光路とを有し、該被検光路の前記被検光学系の前記光源とは反対側には、肉厚と凸面の曲率半径が略等しい平凸形状の光学部材が前記被検光学系側に平面を向けて配置され、前記被検光学系と前記平凸形状の光学部材の間を媒質で満して測定を行い、前記被検光学系と前記平凸形状の光学部材の間にある媒質の屈折率をｎ_med、前記平凸形状の光学部材の屈折率をｎ_opt、曲率半径をｒ、肉厚をｄとした時、以下の条件（３）を満足することを特徴とする。
｜ｎ_med−ｎ_opt｜×｜ｒ−ｄ｜≦０．０１ｍｍ （３）
【００１４】
また、本発明の波面測定方法は、光源と、参照光を生じる参照部材が配置された参照光路と、前記被検光学系が配置される被検光路とを有する測定光学系を用いて、被検光学系の波面を測定する波面測定方法であって、肉厚と凸面の曲率半径が略等しい平凸形状の光学部材を、前記被検光学系側に平面を向けて前記被検光路中の前記被検光学系の前記光源とは反対側に配置し、前記被検光学系と前記平凸形状の光学部材の間を媒質で満して測定を行い、
前記被検光学系と前記平凸形状の光学部材の間にある媒質の屈折率をｎ_med、前記平凸形状の光学部材の屈折率をｎ_opt、曲率半径をｒ、肉厚をｄとした時、以下の条件（３）を満足することを特徴とする。
｜ｎ_med−ｎ_opt｜×｜ｒ−ｄ｜≦０．０１ｍｍ （３）
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の波面測定装置は被検光学系の波面を測定するもので、波面を測定するために干渉を利用している。本発明の実施の形態における第１の構成では、干渉を生じさせるために、光源と、参照光を生じる参照部材が配置された参照光路と、被検光学系が配置される被検光路とを有している。被検光路には、肉厚と凸面の曲率半径が略等しい平凸形状の光学部材が、前記被検光学系側に平面を向けて配置されている。そして、被検光学系と平凸形状の光学部材の間を液体で満して測定を行う。
【００１８】
第１の構成は、被検光学系と平凸形状の光学部材（以下、平凸部材という）の間を液体で満たすことにより、平凸部材の平面部を境にして被検光学系側と平凸部材の内部側との屈折率差を小さくするものである。この屈折率差は平凸部材の屈折率と液体の屈折率によって異なってくるが、第１の構成と被検光学系と平凸部材の間が空気の場合とを比べると、両者の平凸部材が同じ屈折率であるならば、第１の構成の方が平凸部材の平面部における光の反射を格段に小さくすることができる。
【００１９】
このように、第１の構成では平凸部材の平面部における反射光（以下、ノイズ光とする）の発生を小さく抑えることができる。ノイズ光の発生が小さければ、ノイズ光と参照光によって生じる干渉縞もほとんど発生しなくなる。よって、第１の構成では、本来必要とする被検光と参照光による干渉縞のみを検出することができる。
【００２０】
また、液体と平凸部材との屈折率差を小さくすることによって、平凸部材が完全な半球でなくてもここで発生する収差が格段に小さくなる。例えば、平凸部材の中心肉厚が完全な半球よりも大きいとする。この場合、被検光学系と平凸部材の間に、平行平面板が存在していることと等価になる。ここで、液体と平凸部材との屈折率差が大きければ、平行平面板に相当する部分で収差が生じる。しかしながら、液体と平凸部材との屈折率差が小さければ、平行平面板に相当する部分は液体とみなすことができる。これは、平行平面板が存在しないのと同じになる。よって、収差の発生が非常に少なくなる。なお、平凸部材の中心肉厚が、完全な半球よりも小さい場合も同様のことがいえる。
【００２１】
このように、液体と平凸部材との屈折率差を小さくすることによって、平凸部材を完全な半球にする必要がなくなるので、平凸部材を製作する際の製作精度を緩くすることができる。そのため、平凸部材の製作性を良くすることができる。また、この第１の構成は、被検光学系を複数用意する必要がない点や、凹面部材を使った光学系の測定と同等の操作性で液浸光学系の波面測定ができる点で優れている。
【００２２】
なお、この第１の構成で用いられる液体としては、例えば顕微鏡で用いられるようなイマージョンオイルなどが考えられる。ただし、被検光学系が液浸光学系の場合、通常、被検光学系は所定の浸液を介して使用することを前提に設計されている。よって、第１の構成で用いられる液体は、被検光学系が使用することを前提としている浸液と同じもの、あるいは略同じ屈折率のものであるのが良い。
【００２３】
次に、第１の構成において、液体の屈折率をｎ_liq、平凸形状の光学部材の屈折率をｎ_optとした時、以下の条件（１）を満足することが好ましい。
｜ｎ_liq−ｎ_opt｜≦０．１ （１）
条件（１）はノイズ光の発生を、より小さく抑えるための条件である。この条件（１）について説明する。高精度な（十分に収差が補正された）光学系の測定を行う場合には、装置で発生する誤差成分を極力抑えることが必要である。誤差成分には色々あるが、ここで問題としているのはノイズ光である。条件（１）はこのノイズ光の発生をより小さく抑えるための条件で、上限値の０．１を超えるとノイズ光の光強度が強くなる。そのため、本来必要とする干渉縞に加えて、このノイズ光による不要な干渉縞（ノイズ成分）が形成されてしまうので好ましくない。
【００２４】
これに対して、条件（１）を満足するように液体と平凸部材を選ぶと、ノイズ光の光強度を十分に小さくすることができる。この結果、不要な干渉縞の発生を抑えることができ、本来必要とする干渉縞のみを得ることが可能になる。また、平凸部材が完全な半球でなかったとしても、これによる収差発生量を小さく抑えることができる。よって、特に高精度な光学系の測定を行う場合に有効である。
【００２５】
本発明の実施の形態における第２の構成は、光源と、参照光を生じる参照部材が配置された参照光路と、被検光学系が配置される被検光路とを有している。また、被検光路には、肉厚と凸面の曲率半径が略等しい平凸形状の光学部材が、被検光学系側に平面を向けて配置されている。そして、被検光路と参照光路との光路長が略等しく設定されている。また、光源のコヒーレンス長をＬ、平凸形状の光学部材の肉厚をｄ、屈折率をｎ_optとした時、以下の条件（２）を満足する。
【００２６】
Ｌ＜２×ｎ_opt×ｄ （２）
第２の構成は、ノイズ光が発生した場合でも、このノイズ光による干渉縞が形成されないようにするもので、条件（２）はそのための条件である。
【００２７】
前述の第１の構成は、被検光学系と平凸部材との間を液体で満たすことにより、この平凸部材の平面部で生じる反射を抑えるものである。しかしながら、原理的にこの反射を抑えることが非常に困難な場合がある。例えば、平凸部材がガラスで、被検光学系が水浸光学系の場合である。この場合、被検光学系と平凸部材の間を満たす液体は水になる。ところが、水の屈折率は油の屈折率に比べて低いため、液体と平凸部材の屈折率差を小さくできない。
【００２８】
具体的には、被検光学系が水浸光学系の場合、平凸部材の平面での反射は約０．４％程度になる。平凸部材の凸面での反射が約４％であるので、１割程度のノイズ光が存在することになる。約０．４％程度のノイズ光によって生じる干渉縞が測定に影響するか否かは、必要とする測定精度によって異なるが、少なくとも高精度な測定を行う場合には無視できない。
【００２９】
ところで、干渉は参照光路と被検光路の光路差が光源のコヒーレンス長（可干渉距離）以下の場合に生じる現象である。第２の構成において参照光と干渉する可能性があるのは、主に被検光とノイズ光の２つである。被検光とノイズ光との違いは、被検光が平凸部材の平面部と凸部の間を往復して被検光学系に戻るのに対して、ノイズ光は平凸部材の平面部で反射されて被検光学系に戻る点である。すなわち、撮像素子に到達するまでの光路長を比べると、ノイズ光の光路長に比べて被検光の光路長の方が２×ｎ_opt×ｄ長いということである。
【００３０】
そこで、第２の構成では、撮像素子に達するまでの距離が被検光と参照光がで略等しくなるように被検光路と参照光路を構成し、更に、２×ｎ_opt×ｄよりも小さいコヒーレンス長Ｌを有する光源を用いる。このようにすると、被検光と参照光の光路長はほぼ同じであるので、光路差がほとんどゼロである。すなわち、光路差が光源のコヒーレンス長よりも小さい。よって、被検光と参照光とで干渉縞が生じる。一方、ノイズ光と参照光の光路差は２×ｎ_opt×ｄよりも大きい。すなわち、光路差が光源のコヒーレンス長Ｌを超えている。よって、ノイズ光と参照光とでは干渉縞が生じない。
【００３１】
この結果、第２の構成では、被検光と参照光によって形成された干渉成分（明暗成分）と、ノイズ光によるバックグラウンド成分（均一な明るさ成分）の２つが重なった強度分布が撮像素子上に形成される。ただし、この強度分布は両成分はそれぞれの強度の和である。そのため、バックグラウンド成分は、後工程の画像処理で除去（引き算）することができる。よって、被検光と参照光によって形成された干渉縞のみを取り出すことができる。このように、第２の構成では、ノイズ光によるノイズ成分を除去することができるので、高精度な光学系の測定にも対応することができる。
【００３２】
ただし、図８のようなフィゾー干渉光学系の場合は、参照光路と被検光路の間に元々光路差がある。よって、第２の構成にフィゾー干渉光学系を用いた場合には干渉縞が全く得られず、本来の測定自身ができない可能性がある。したがって、第２の構成を用いる干渉光学系としては、被検光路と参照光路との光路長が等しくできる干渉光学系、例えば、マイケルソン干渉光学系やマッハ・ツェンダー干渉光学系などが好ましい。
【００３３】
なお、光源としてコヒーレンス長の長いレーザなどを用いると、条件（２）を満足するためには平凸部材の肉厚ｄを大きくしなけでばならない。そうすると、平凸部材が大きくなるので、平凸部材の製作が難しくなる。また、測定装置の大型化を招く。よって、光源としては、コヒーレンス長の短い光源、例えばスーパールミネッセンスダイオードや、発光ダイオード、あるいは水銀ランプのような低コヒーレンス光源を使用するのが好ましい。
【００３４】
また、上記第１の構成や第２の構成において、被検光学系と平凸形状の光学部材の間にある媒質の屈折率をｎ_med、屈折率をｎ_opt、曲率半径をｒ、肉厚をｄとした時、以下の条件（３）を満足するのが好ましい。
【００３５】
｜ｎ_med−ｎ_opt｜×｜ｒ−ｄ｜≦０．０１ｍｍ （３）
条件（３）は、平凸部材において生じる収差を小さくするための条件である。ここで、平凸部材において生じる収差とは、平凸部材の形状が完全な半球からはずれた場合によって生じる収差のことである。より詳しくは、平凸部材の肉厚が所定の肉厚と異なることによって生じる収差のことである。
【００３６】
平凸部材において収差が生じると、被検光の波面が持つ収差は、被検光学系自体で生じた収差に平凸部材において生じた収差が加わったものになる。前述のように、被検光の波面の情報は、参照光との干渉によって干渉縞となって現れる。しかしながら、干渉縞が形成された状態では、被検光学系自体で生じた収差と平凸部材において生じた収差とを分離することはできない。そのため、被検光学系自体で生じた収差のみを、検出することができなくなる。
【００３７】
条件（３）を満足すると、平凸部材において生じる収差を小さくすることができる。例えば、｜ｒ−ｄ｜が大きいと被検光学系と平凸部材の間に平行平面板が存在する状態になる。しかしながら、｜ｎ_med−ｎ_opt｜が小さいため、条件（１）で説明したように平行平面板が存在しないことと等価になる。よって、平凸部材で発生する収差を小さく抑えることができる。一方、｜ｒ−ｄ｜が小ければ、当然、平行平面板が存在しなくなるので、平凸部材で発生する収差を小さく抑えることができる。なお、｜ｒ−ｄ｜が小さいと｜ｎ_med−ｎ_opt｜を多少大きくできるが、｜ｎ_med−ｎ_opt｜大きくなると平凸部材の平面部でのノイズ光が発生するので、あまり大きくしない方が良い。
【００３８】
このように、条件（３）を満足すると、平凸部材の平面部での反射光の存在はやむを得ないとしても、平凸部材が完全な半球でないために発生する収差を少なくとも抑えることができる。なお、｜ｎ_med−ｎ_opt｜の値としては、可視領域の波長で、被検光学系が水浸光学系であった場合には、半球レンズの材質によって異なるが、０．２〜０．５程度が考えられる。また、赤外領域の波長で、被検光学系が通常光学系であった場合、半球レンズの材質としてシリコンを用いたときには、４程度が考えられる。ここで、通常光学系とは、物体と被検光学系の間が空気で満たされているような光学系である。
【００３９】
さらに、被検光路と参照光路に配置されている光学部材において、少なくとも平凸部材の凸面に反射コーティングが施されていることが望ましい．図８に示した構成においては、一般的に凹面部材８はガラス等の素材面の反射を用いているので、約４％の反射光で測定を行っている。しかしながら、このような測定は、光源から射出された光の利用効率の点からみると非常に効率が悪い。効率を上げるために凹面部材８の凹面に反射コーティングを施すことも考えられるが、先に説明したようにこれはコーティング面の面精度等が確保できないために困難である。そこで、本発明のように反射コーティングを施す部材が平凸部材であれば、反射面の精度は素材の凸面の面精度で決まるため、極端に言うと反射コーティングはただ単に凸面の表面につけばよいということになる。したがって、コーティングに関して技術的な困難を伴わずに、光源からの光を有効に活用することが可能となる。また、平凸レンズの平面でノイズ光が発生したとしても、凸面に反射コーティングを施すことで被検光の光量を大きくできる。よって、ＳＮ比の良い測定が可能となる。
【００４０】
なお、参照光を発生させる参照部材の方にも、反射コーティングを施すのが好ましい。このように、参照光と被検光の強度の絶対値を大きくし、しかも両者の強度を同程度にすれば、ノイズ光によって形成される干渉縞のコントラストに比べて、被検光によって形成される干渉縞のコントラストを相対的にを高くできる。よって、さらにＳＮ比の良い測定が可能となる。
【００４１】
以下本発明の実施例について、図を参照しながら詳細に説明する。
（第１実施例）
本発明の波面測定装置の第１実施例について説明する。図１は第１実施例の波面測定装置の構成を示す図である。波面測定装置１００は図８と同じく、フィゾー干渉光学系をベースとしている。よって、図８と同じ構成要素には同じ番号を付し、説明は省略する。本実施例の波面測定装置１００は、図８で用いられていた凹面部材８の代わりに、平凸レンズ（平凸部材）１３を用いている。また、被検光学系１２は液浸光学系であるため、被検光学系１２と平凸レンズ１３との間を浸液１４で満たしている。
【００４２】
光源１から射出して被検光学系１２を通過した被検光は、平凸レンズ１３の凸面で反射される。そして、再び被検光学系１２を通過し、ビームスプリッタ４で反射されてＣＣＤカメラ１１に達する。一方、光源１から射出した光の一部は半透過ミラー（参照部材）６で反射され、被検光と同様にＣＣＤカメラ１１に達する。被検光と参照光の干渉により、ＣＣＤカメラ１１上に干渉縞が形成される。この干渉縞を画像解析装置に取り込んで各解析を行えば、被検光学系の波面の測定、すなわち被検光学系で生じる各種収差を測定することができる。このように、本実施例の波面測定装置は、従来の波面測定装置と同じような操作で、液浸光学系の波面測定が行える。
【００４３】
また、本実施例の光源１はＨｅ−Ｎｅレーザで、浸液１４はオイルである。そして、浸液１４の屈折率ｎ_liq（ｎ_med）は波長６３３ｎｍにおいて１．５１３である。一方、平凸レンズ１３の硝材の屈折率ｎ_optは、波長６３３ｎｍにおいて１．５１４６２である。よって、波長６３３ｎｍにおける両者の屈折率差｜ｎ_liq（ｎ_med）−ｎ_opt｜は０．００１６２となり、本発明の条件（１）を満足している。このように、本実施例の波面測定装置は条件（１）を満足しているので、平凸レンズ１３の平面部１３ａで反射する光はほとんどゼロである。また、｜ｎ_liq（ｎ_med）−ｎ_opt｜の値が小さいので、平凸レンズ１３の肉厚の公差（製造誤差）は、それほど厳しい値は要求されない。
【００４４】
また、本実施例で使用している平凸レンズ１３は、凸面の曲率半径ｒは１２．５０４±0.002ｍｍで、肉厚ｄは１２．５ｍｍであるから、差の絶対値｜ｒ−ｄ｜は、最大で０．００６ｍｍとなる。よって、条件（３）を満足する。なお、平凸レンズ１３としては、曲率半径ｒと肉厚ｄの差の絶対値｜ｒ−ｄ｜が、０．０３ｍｍ以内で作製されたものを使用するのが好ましい。
【００４５】
ただし、この｜ｒ−ｄ｜の値は、被検光学系１２の光学性能に依存することは言うまでもない。例えば、被検光学系７が高精度・高性能の光学系であった場合は、測定に要求される精度も厳しくなる。よって、このような場合にはこの｜ｒ−ｄ｜の値も小さくする必要がある。
【００４６】
また、被検光学系１２が水浸対物レンズのように、浸液として水を使用する光学系の場合は、平凸レンズに用いる材質を商品名Cytop（旭硝子社製）のような樹脂にすれば、同様の測定を行うことができる。これは、波長６３３ｎｍにおいて、水である浸液１４の屈折率が１．３３１で、Cytop の屈折率が１．３４で、｜ｎ_liq（ｎ_med）−ｎ_opt｜＝０．００９となり、条件（１）を満足するからである。
【００４７】
（第２実施例）
本発明の波面測定装置の第２実施例について説明する。図２は、第２実施例の波面測定装置の構成を示す図である。第２実施例では、波面測定装置２００はマイケルソン干渉光学系をベースとしている。マイケルソン干渉光学系の場合、光源１からのレーザ光は、ビームスプリッタ４をそのまま直進する透過光と、透過光と異なる方向（実施例２では直交方向）方向に進む反射光とに分離される。
【００４８】
本実施例では、透過光側に半透過ミラー６が配置されており、半透過ミラー６で参照光を発生させている。よって、ビームスプリッタ４と半透過ミラー６の間が参照光路になる。一方、反射光側には対物レンズ１２と平凸レンズ１３が配置され、その間は浸液１４で満たされている。よって、ビームスプリッタ４と平凸レンズ１３の間が被検光路になる。
【００４９】
また、第１実施例と異なり、本実施例ではコリメートレンズ５がビームスプリッタ４よりも光源側に配置されている。そのため、ビームスプリッタ４を透過、あるいは反射した光は平行である。また、ビームスプリッタ４とスペーシャルフィルタ９の間には、第１のリレーレンズ１０ａが配置されている。そして、スペーシャルフィルタ９を通過した光（干渉光）を第２のリレーレンズ１０ｂで集光し、干渉縞をＣＣＤカメラ１１上に形成している。このように、最終的にＣＣＤカメラ１１で得られる干渉縞は、第１実施例と同じものである。よって、第１実施例と同様の測定が行える。また、干渉光学系はマイケルソン干渉光学系やフィゾー干渉光学系に限られるものでなく、他の干渉光学系を用いることも可能である。
【００５０】
（第３実施例）
本発明の波面測定装置の第３実施例について説明する。図３は、第３実施例の波面測定装置の構成を示す図である。第３実施例は第２実施例と同じく、波面測定装置３００はマイケルソン干渉光学系をベースとしている。
【００５１】
本実施例では、光源１５に低コヒーレンス光源を使用している。低コヒーレンス光源としては、第１実施例や第２実施例で使用したレーザ光源１に比べて非常にコヒーレンス長が短いレーザ、水銀ランプ、スーパールミネッセントダイオード等がある。本実施例では、低コヒーレンス光源を使用しているため、測定を行う際にはビームスプリッタ４と平凸レンズ１３の凸面までの光路長と、ビームスプリッタ４から半透過ミラー６までの光路長が等しくなるようにしている。この光路長の調整は、1)半透過ミラー６を光軸に沿って移動させる、2)対物レンズ１６と平凸レンズ１３を一緒に光軸に沿って移動させる、という２つの方法があるが、半透過ミラー６を移動させる方が容易である。
【００５２】
なお、上記構成において、平凸レンズ１３は、平面部１３ａと凸面１３ｂとの間の往復光路長（２×ｎ×ｄ）が、光源１５のコヒーレンス長よりも長くなるように作製されている。すなわち、ビームスプリッタ４から平凸レンズ１３の平面部１３ａまでの往復光路長とビームスプリッタ４から半透過ミラー６の反射面までの往復光路長と差が、光源１５のコヒーレンス長よりも長い。そのため、これらの光どうしは干渉しない。ゆえに、平凸レンズ１３の平面部１３ａでの反射光が存在したとしても、これは干渉縞に対してバックグラウンドとして一様に存在するものとなる。したがって、測定対象の干渉縞自体には影響を与えない。また、このバックグラウンド成分は後処理で除去することができるので、適当な処理を行えば、その後の縞解析の精度を向上させることもできる。
なお、本実施例では、光源１５のコヒーレンス長Ｌは１５０μｍで、平凸レンズの肉厚ｄは１２．５ｍｍ、屈折率ｎ_optは１．５１８２５であるから、条件（２）を満足している。
【００５３】
また、本実施例では、被検光学系１６が水浸光学系であるため、被検光学系１６と平凸レンズ１３の間の浸液１７は水である。ここで、水のｅ線での屈折率ｎ_liq（ｎ_med）が１．３３４で、平凸レンズ１３のｅ線での屈折率ｎ_optが１．５１８２５なので、｜ｎ_liq（ｎ_med）−ｎ_opt｜＝０．１８４２５となり、条件（１）は満足していない。しかしながら、平凸レンズ１３の曲率半径ｒは１２．５０４±0.002ｍｍであるから、最大で｜ｒ−ｄ｜＝０．００６ｍｍとなる。よって、条件（３）を満足している。
【００５４】
このように、本実施例では、平凸レンズ１３の平面部１３ａによる反射光が干渉縞に及ぼす影響はあまり排除できないが、平凸レンズで生じる収差の影響は排除できる。なお、平凸レンズ１３としては、曲率半径ｒと肉厚ｄの差の絶対値｜ｒ−ｄ｜が、０．０３ｍｍ以内で作製されたものを使用するのが好ましい。
【００５５】
（第４実施例）
本発明の波面測定装置の第４実施例について説明する。図４は、第４実施例の波面測定装置の構成を示す図である。第４実施例は第３実施例と同じく、波面測定装置４００はマイケルソン干渉光学系をベースとしている。本実施例では、被検光学系１８が液浸光学系ではなく通常の光学系である点が異なる。ここで、通常の光学系とは被検光学系と標本の間が空気で満たされている光学系のことで、乾燥系光学系ともいう。
【００５６】
このような通常の光学系であっても、光源１５としてコヒーレンス長の短いものを用いれば、第３実施例で説明した通り、平凸レンズ１３の平面部１３ａでの反射光は干渉に寄与しない。すなわち、ＣＣＤカメラ１１上に形成される干渉縞には被検光学系のみの波面の情報が含まれるので、通常の光学系の測定においても精度良く波面測定が行える。
【００５７】
なお、本実施例では、被検光学系１８と平凸レンズ１３との間が空気で満たされているので、屈折率ｎ_optは１．５１８２５、屈折率ｎ_medは１である。よって、｜ｎ_liq（ｎ_med）−ｎ_opt｜＝０．５１８２５となる。一方、平凸レンズの肉厚ｄは１２．５ｍｍ、曲率半径ｒは１２．５０４±0.002ｍｍであるから、最大で｜ｒ−ｄ｜＝０．００６ｍｍとなる。よって条件（３）を満足している。
【００５８】
このように、本実施例でも、平凸レンズ１３の平面部１３ａによる反射光が干渉縞に及ぼす影響をあまり排除できないが、平凸レンズで生じる収差の影響は排除できる。なお、平凸レンズ１３としては、曲率半径ｒと肉厚ｄの差の絶対値｜ｒ−ｄ｜が、０．０１ｍｍ以内で作製されたものを使用するのが好ましい。
【００５９】
（第５実施例）
本発明の波面測定装置の第５実施例について説明する。図５は、第５実施例の波面測定装置の構成を示す図である。第５実施例の波面測定装置５００は、マッハツェンダ干渉光学系を変形した光学系をベースとしている。光源１から出た光は、ビームスプリッタ４で透過光と反射光に分けられる。本実施例では、ビームスプリッタ４で反射されミラー２０ａに至る光路が参照光路である。参照光路にはミラー２０ａと２０ｂが配置されており、参照光をビームコンバイナ１９に導く。一方、ビームスプリッタ４を透過した光は、ビームコンバイナ１９を通過して、被検光学系１２に入射する。よって、こちらが被検光路となる。
【００６０】
本実施例において、光源１はコヒーレンス長の長いレーザで、被検光学系１２は液浸光学系であるが、光源としてコヒーレンス長の短い光源１５を用いることもできる。コヒーレンス長の短い光源１５を用いた場合には、参照光路と被検光路の光路長調整を行う必要がある。本実施例では矢印で示すように、被検光学系１２、浸液１４、平凸レンズ１３を一体にして光軸方向に移動することで、光路長調整を行っている。
【００６１】
（第６実施例）
本発明の波面測定装置の第６実施例について説明する。図６は、第６実施例の波面測定装置の構成を示す図である。第６実施例の波面測定装置６００は、干渉光学系部（参照光路と被検光路）をプリズムで構成している点が特徴である。このように、干渉光学系部をプリズム２１で一体化することで、空気のゆらぎといった外乱の影響を受けにくくすることができる。
【００６２】
（第７実施例）
本発明の波面測定装置の第７実施例について説明する。図７は、第７実施例の波面測定装置の構成を示す図である。第７実施例の波面測定装置７００は、基本構成は第１実施例と同じである。ただし、被検光学系１６が水浸光学系であり、平凸レンズ２２の凸面２２ｂにアルミが蒸着されている点が異なる。
光源１から出た光は、半透過ミラー６で反射する参照光と、半透過ミラー６を透過し被検光学系１２を通過する被検光とになる。被検光は平凸レンズ２２に入射して、凸部２２ｂに達する。凸部２２ｂには反射コーティング（アルミ蒸着）が施されている。本実施例では、反射コーティングによって凸面２２ｂの反射率が約９０％となっている。一方、半透過ミラー６にも反射率が約３５％になる反射コーティングが施されている。これらの反射コーティングが無くても液浸光学系等では測定を行うことは可能であるが、測定精度を上げるためには反射コーティングを施すのが好ましい。
【００６３】
また、平凸レンズの凸面に反射コーティングを施す構成は、以下の点で有利である。従来の構成において、凹面部材８の凹面に反射コーティングを施した場合を考える。この場合、被検光は反射コーティングの空気接触面側で反射する。よって、空気接触面側のコーティング精度（コーティング形状の正確さやなめらかさ）を高精度に確保する必要がある。このため、高度なコーティング技術が必要になる。これに対して、本実施例のように平凸レンズの凸面反射コーティングを施した場合を考える。この場合、被検光は平凸レンズ２２の凸部２２ｂと反射コーティングの境界部で反射する。ところが、この境界部の面精度（面形状の正確さや面の粗さ）は平凸レンズの凸部の加工精度で決まる。すなわち、反射コーティングの空気接触面側の面精度には依存しない。したがって、本実施例の場合、反射コーティングは、極端なことをいえばコーティングの厚みにムラがあっても良く、とにかく凸部についていれば良いということである。したがって、高度なコーティング技術を必要としないので、簡単に被検光の光量を増加させることができる。
【００６４】
なお、第１乃至第６実施例において、平凸レンズ１３の凸面１３ｂに反射コーティングを施しても良いことは明らかである。この場合は、半透過ミラー６にも平凸レンズ１３の凸面１３ｂと同じく反射コーティングすればよい。また、コーティングに使用するのはアルミ以外の金属であっても良いし、誘電体多層膜であっても良いことは言うまでもない。
【００６５】
なお、本発明には以下のような構成や方法も含まれる。
［１］ 被検光学系の波面を測定する波面測定装置であって、
該波面測定装置は光源と、参照光を生じる参照部材が配置された参照光路と、前記被検光学系が配置される被検光路とを有し、
該被検光路には、肉厚と凸面の曲率半径が略等しい平凸形状の光学部材が前記被検光学系側に平面を向けて配置され、
前記被検光学系と前記平凸形状の光学部材の間を液体で満して測定を行うことを特徴とする波面測定装置。
［２］ 前記液体の屈折率をｎ_liq、前記平凸形状の光学部材の屈折率をｎ_optとした時、以下の条件（１）を満足することを特徴とする［１］に記載の波面測定装置。
｜ｎ_liq−ｎ_opt｜≦０．１ （１）
［３］ 被検光学系の波面を測定する波面測定装置であって、
該波面測定装置は光源と、参照光を生じる参照部材が配置された参照光路と、前記被検光学系が配置される被検光路とを有し、
該被検光路には、肉厚と凸面の曲率半径が略等しい平凸形状の光学部材が前記被検光学系側に平面を向けて配置され、
前記被検光路と前記参照光路との光路長が略等しく、
前記光源のコヒーレンス長をＬ、前記平凸形状の光学部材の肉厚をｄ、屈折率をｎ_optとした時、以下の条件（２）を満足することを特徴とする波面測定装置。
Ｌ＜２×ｎ_opt×ｄ （２）
［４］ 前記被検光学系と前記平凸形状の光学部材の間にある媒質の屈折率をｎ_med、前記平凸形状の光学部材の屈折率をｎ_opt、曲率半径をｒ、肉厚をｄとした時、以下の条件（３）を満足することを特徴とする［１］乃至［３］に記載の波面測定装置。
｜ｎ_med−ｎ_opt｜×｜ｒ−ｄ｜≦０．０１ｍｍ （３）
［５］ 少なくとも前記平凸形状の光学部材の凸面に反射コートが施されていることを特徴とする［１］乃至［４］に記載の波面測定装置。
［６］ 光源と、参照光を生じる参照部材が配置された参照光路と、前記被検光学系が配置される被検光路とを有する測定光学系を用いて、被検光学系の波面を測定する波面測定方法であって、
肉厚と凸面の曲率半径が略等しい平凸形状の光学部材を、前記被検光学系側に平面を向けて前記被検光路中に配置し、
前記被検光学系と前記平凸形状の光学部材の間を液体で満して測定を行うことを特徴とする波面測定方法。
［７］ 前記液体の屈折率をｎ_liq、前記平凸形状の光学部材の屈折率をｎ_optとした時、以下の条件（１）を満足することを特徴とする請求項６に記載の波面測定方法。
｜ｎ_liq−ｎ_opt｜≦０．１ （１）
［８］ 光源と、参照光を生じる参照部材が配置された参照光路と、前記被検光学系が配置される被検光路とを有する測定光学系を用いて、被検光学系の波面を測定する波面測定方法であって、
肉厚と凸面の曲率半径が略等しい平凸形状の光学部材を、前記被検光学系側に平面を向けて前記被検光路中に配置し、
前記被検光路と前記参照光路との光路長を略等しくし、
前記光源のコヒーレンス長をＬ、前記平凸形状の光学部材の肉厚をｄ、屈折率をｎ_optとした時、以下の条件（２）を満足するようにして測定を行うことを特徴とする波面測定方法。
Ｌ＜２×ｎ_opt×ｄ （２）
［９］ 前記被検光学系と前記平凸形状の光学部材の間にある媒質の屈折率をｎ_med、前記平凸形状の光学部材の屈折率をｎ_opt、曲率半径をｒ、肉厚をｄとした時、以下の条件（３）を満足することを特徴とする［６］乃至［８］に記載の波面測定方法。
｜ｎ_med−ｎ_opt｜×｜ｒ−ｄ｜≦０．０１ｍｍ （３）
［１０］ 少なくとも前記平凸形状の光学部材の凸面に反射コートが施されていることを特徴とする［６］乃至［１０］に記載の波面測定方法。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の波面測定装置は、従来の凹面部材を使った波面測定装置と同等の扱いやすさで、液浸の被検光学系の波面測定が行える。
【００６７】
また、被検光を反射する平凸部材の平面部において、ノイズ光が発生することを抑えることができる。また、平凸部材の形状誤差に基づく収差の発生を、小さく抑えることができる。よって、被検光学系のみの収差による波面を、干渉縞として検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の波面測定装置の第１実施例を示す図である。
【図２】本発明の波面測定装置の第２実施例を示す図である。
【図３】本発明の波面測定装置の第３実施例を示す図である。
【図４】本発明の波面測定装置の第４実施例を示す図である。
【図５】本発明の波面測定装置の第５実施例を示す図である。
【図６】本発明の波面測定装置の第６実施例を示す図である。
【図７】本発明の波面測定装置の第７実施例を示す図である。
【図８】従来の波面測定装置を示す図である。
【符号の説明】
１、１５ 光源
２ 集光レンズ
３ ピンホール
４ ビームスプリッタ
５ コリメートレンズ
６ 半透過ミラー（参照部材）
７、１２、１６、１８ 被検光学系
８ 凹面部材
９ スペーシャルフィルタ
１０、１０ａ、１０ｂ リレーレンズ
１１ ＣＣＤカメラ
１３、２２ 平凸レンズ（平凸部材）
１４、１７ 浸液
１９ ビームコンバイナー
２０ａ、２０ｂ 反射ミラー
２１ プリズム
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００ 波面測定装置

Claims (6)

1. 被検光学系の波面を測定する波面測定装置であって、
   該波面測定装置は光源と、参照光を生じる参照部材が配置された参照光路と、前記被検光学系が配置される被検光路とを有し、
   該被検光路の前記被検光学系の前記光源とは反対側には、肉厚と凸面の曲率半径が略等しい平凸形状の光学部材が前記被検光学系側に平面を向けて配置され、
   前記被検光学系と前記平凸形状の光学部材の間を媒質で満して測定を行い、
   前記被検光学系と前記平凸形状の光学部材の間にある媒質の屈折率をｎ_med、前記平凸形状の光学部材の屈折率をｎ_opt、曲率半径をｒ、肉厚をｄとした時、以下の条件（３）を満足することを特徴とする波面測定装置。
   ｜ｎ_med−ｎ_opt｜×｜ｒ−ｄ｜≦０．０１ｍｍ （３）
2. 光源と、参照光を生じる参照部材が配置された参照光路と、前記被検光学系が配置される被検光路とを有する測定光学系を用いて、被検光学系の波面を測定する波面測定方法であって、
   肉厚と凸面の曲率半径が略等しい平凸形状の光学部材を、前記被検光学系側に平面を向けて前記被検光路中の前記被検光学系の前記光源とは反対側に配置し、前記被検光学系と前記平凸形状の光学部材の間を媒質で満して測定を行い、
   前記被検光学系と前記平凸形状の光学部材の間にある媒質の屈折率をｎ_med、前記平凸形状の光学部材の屈折率をｎ_opt、曲率半径をｒ、肉厚をｄとした時、以下の条件（３）を満足することを特徴とする波面測定方法。
   ｜ｎ_med−ｎ_opt｜×｜ｒ−ｄ｜≦０．０１ｍｍ （３）
3. 前記媒質の屈折率をｎ _med 、前記平凸形状の光学部材の屈折率をｎ_optとした時、以下の条件（１）を満足することを特徴とする請求項１記載の波面測定装置。
   ｜ｎ _med −ｎ_opt｜≦０．１ （１）
4. 少なくとも前記平凸形状の光学部材の凸面に反射コートが施されていることを特徴とする請求項１または３に記載の波面測定装置。
5. 前記媒質の屈折率をｎ _med 、前記平凸形状の光学部材の屈折率をｎ_optとした時、以下の条件（１）を満足することを特徴とする請求項２に記載の波面測定方法。
   ｜ｎ _med −ｎ_opt｜≦０．１ （１）
6. 少なくとも前記平凸形状の光学部材の凸面に反射コートが施されていることを特徴とする請求項２または５に記載の波面測定方法。

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