JP5037432B2 - Wavefront measuring method and apparatus - Google Patents

Description

本発明は、波面測定方法および装置に関する。   The present invention relates to a wavefront measuring method and apparatus.

従来、光学素子のレンズ面、反射面、透過面などの曲面形状を測定したり、光学素子の波面収差を測定したりするために、干渉計を用いて、被測定面と参照面とに光束を照射しそれぞれを反射または透過した測定光と参照光とにより干渉縞画像を形成し、この干渉縞画像を解析して測定光の波面を測定する波面測定方法および装置が種々知られている。
このような波面測定方法としては、被測定面と参照面とを相対移動することで測定光と参照光との位相をずらして複数の干渉縞画像を取得し、各干渉縞画像の同一位置における輝度変化から位相シフト量（位相変化）を求め、測定光の波面を算出するフリンジスキャン法が知られている。例えば、各干渉縞画像の位相シフト量が、０、π／２、π、３π／２、２πである５個の干渉縞画像を用いて測定光の波面を求める解析方法および解析式は、５バケット法として知られている。この他にも、解析に用いる干渉縞画像の個数に応じて、７バケット法、９バケット法、１３バケット法などが知られている。
例えば、特許文献１には、マイクロメータヘッドを用いた粗動機構と圧電素子で構成される微動機構とによって、被検レンズを光軸方向に移動可能に保持し、参照レンズに対して被検レンズを、π／２の位相シフト量に相当するλ／８（λは光源の波長）ずつ移動させ、それぞれの移動位置で、干渉縞撮像ユニットによって干渉縞画像を撮像し、これにより得られた干渉縞画像データを干渉縞解析装置に取込むことを５回繰り返し、得られた５個の干渉縞画像から５バケット法により波面を求めることができる干渉計（波面測定装置）が記載されている。
特許文献１に記載の干渉計によれば、まず、粗動機構によって、干渉縞画像が取得できる位置に被検レンズを位置合わせし、５個の干渉縞画像を取得して５バケット法により波面を測定し、この波面の情報と被検レンズのレンズデータとを用いて、波面の測定誤差が最小となる位置からの被検レンズの光軸方向の位置ずれ量を求める。そして、この位置ずれ量に基づいて微動機構を駆動し、同様にして波面および位置ずれ量を求め、位置ずれ量が許容範囲となるまでこれを繰り返し、位置ずれ量が許容範囲となったときの波面からレンズ面の面形状を算出する。
特開２００５−２６５５８６号公報 Conventionally, in order to measure a curved surface shape such as a lens surface, a reflection surface, and a transmission surface of an optical element, or to measure a wavefront aberration of an optical element, an interferometer is used to measure a luminous flux between a measured surface and a reference surface. Various wavefront measurement methods and apparatuses are known in which an interference fringe image is formed by measurement light reflected or transmitted through each of them and a reference light, and the interference fringe image is analyzed to measure the wavefront of the measurement light.
As such a wavefront measurement method, a plurality of interference fringe images are acquired by shifting the phase of the measurement light and the reference light by relatively moving the surface to be measured and the reference surface, and at the same position of each interference fringe image. A fringe scan method is known in which a phase shift amount (phase change) is obtained from a luminance change and a wavefront of measurement light is calculated. For example, an analysis method and an analytical expression for obtaining the wavefront of measurement light using five interference fringe images in which the phase shift amount of each interference fringe image is 0, π / 2, π, 3π / 2, and 2π are 5 This is known as the bucket method. In addition, a 7-bucket method, a 9-bucket method, a 13-bucket method, and the like are known depending on the number of interference fringe images used for analysis.
For example, in Patent Document 1, a test lens is held movably in the optical axis direction by a coarse motion mechanism using a micrometer head and a fine motion mechanism composed of a piezoelectric element, and the test lens is tested against the reference lens. The lens is moved by λ / 8 (λ is the wavelength of the light source) corresponding to the phase shift amount of π / 2, and the interference fringe image is picked up by the interference fringe image pickup unit at each moving position. An interferometer (wavefront measuring apparatus) is described in which interference fringe image data is taken into an interference fringe analyzer five times and a wavefront can be obtained from the obtained five interference fringe images by a five-bucket method. .
According to the interferometer described in Patent Document 1, first, the lens to be tested is positioned at a position where an interference fringe image can be obtained by a coarse movement mechanism, and five interference fringe images are obtained and the wave front is obtained by the 5-bucket method. , And using this wavefront information and lens data of the lens to be tested, the amount of positional deviation in the optical axis direction of the lens to be tested from the position where the measurement error of the wavefront is minimized. Then, the fine movement mechanism is driven based on the positional deviation amount, and the wavefront and the positional deviation amount are similarly obtained, and this is repeated until the positional deviation amount falls within the allowable range. The surface shape of the lens surface is calculated from the wavefront.
JP 2005-265586 A

しかしながら、上記のような従来の波面測定方法および装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、フリンジスキャン法によって波面を算出するとともに、波面の測定誤差が最小となる位置からの、参照レンズに対する被検レンズの光軸方向の位置ずれ量を算出して、この位置ずれを補正するため、位置ずれを補正しない場合に比べて波面測定の測定精度を向上することができる。ところが、微動機構として用いる圧電素子は、非線形特性とヒステリシス特性とを有しており、参照レンズと被検レンズとの間の距離を十数ナノメートル以下の位置決め精度で光軸方向に位置合わせすることは難しい。そのため、圧電素子の位置決め精度よりも高精度には波面測定を行うことができないという問題がある。 However, the conventional wavefront measuring method and apparatus as described above have the following problems.
In the technique described in Patent Document 1, the wavefront is calculated by the fringe scan method, and the amount of positional deviation in the optical axis direction of the test lens with respect to the reference lens from the position where the measurement error of the wavefront is minimized, Since this misalignment is corrected, the measurement accuracy of wavefront measurement can be improved as compared with the case where the misalignment is not corrected. However, the piezoelectric element used as the fine movement mechanism has nonlinear characteristics and hysteresis characteristics, and aligns the distance between the reference lens and the test lens in the optical axis direction with a positioning accuracy of tens of nanometers or less. It ’s difficult. Therefore, there is a problem that the wavefront measurement cannot be performed with higher accuracy than the positioning accuracy of the piezoelectric element.

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、被測定面および参照面の相対移動の位置決め精度による測定誤差を低減して、波面測定の測定精度を向上することができる波面測定方法および装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and can reduce the measurement error due to the positioning accuracy of the relative movement of the measured surface and the reference surface, and improve the measurement accuracy of wavefront measurement. An object is to provide a measurement method and apparatus.

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、同一の光束を、曲面からなる被測定面で反射または透過される測定光と、該測定光と干渉させる参照光とに分割し、曲面からなる参照面によって前記参照光および前記測定光のいずれかの波面を変換して、前記測定光と前記参照光とにより干渉縞を形成し、前記被測定面と前記参照面とを光軸方向に相対移動して、一定の位相増分を有すると見なすことができるｎ個（ｎは３以上の整数）の干渉縞画像を取得し、該ｎ個の干渉縞画像を用いて前記測定光の波面を測定する波面測定方法であって、前記被測定面および前記参照面の光軸方向の相対位置を、前記干渉縞の縞本数が最小となる光軸方向の測定基準位置が含まれる範囲で、前記測定光および前記参照光の位相差が前記一定の位相増分よりも細かいピッチで変化するように移動させて、前記相対位置の情報と前記ｎ個の干渉縞画像の候補となるｍ個（ｍはｎより大きい整数）の候補画像とを取得する候補画像取得工程と、該候補画像取得工程で取得された前記ｍ個の候補画像のうちから、前記測定光の波面を算出するための解析候補画像群として、前記一定の位相増分を有すると見なすことができるｎ個の候補画像の組を複数選出する解析候補画像群選出工程と、該解析候補画像群選出工程で選出された前記複数組の解析候補画像群をそれぞれ解析して、各組の解析候補画像群に応じた波面を算出する波面算出工程と、該波面算出工程で算出された各波面の情報から、前記各解析候補画像群の取得位置の前記測定基準位置からの光軸方向の位置ずれ量を評価し、該位置ずれ量の評価値が最小となる波面を、前記測定光の波面として選択する波面選択工程とを備える方法とする。
この発明によれば、候補画像取得工程において、干渉縞の縞本数が最小となる光軸方向の測定基準位置が含まれる範囲で、測定光および参照光の位相差が一定の位相増分よりも細かいピッチで変化するように移動させて、ｎ個の干渉縞画像の候補となるｍ個の候補画像とを取得し、解析候補画像群選出工程において、ｍ個の候補画像のうちから解析候補画像群として、一定の位相増分を有すると見なすことができるｎ個の候補画像の組を複数選出し、波面算出工程で各組の解析候補画像群に応じた波面を算出し、波面選択工程では、これら算出された波面の情報から、各解析候補画像群の取得位置の光軸方向の測定基準位置からの位置ずれ量を評価し、この位置ずれ量の評価値が最小となる波面を、測定光の波面として選択する。
このように、被測定面および参照面との光軸方向の相対位置を移動する際の、位置決め精度が低精度であっても、位置決め精度よりも高精度となる移動送り量の精度の範囲で、ｍ個の候補画像の中から測定基準位置にもっとも近い候補画像およびこの候補画像を中心として一定の位相増分を有するｎ個の解析候補画像群を選出することができるので、精度よく波面測定を行うことができる。 In order to solve the above-described problem, in the invention described in claim 1, the same light beam is divided into measurement light reflected or transmitted by a measurement surface that is a curved surface and reference light that interferes with the measurement light. Then, a wavefront of either the reference light or the measurement light is converted by a curved reference surface, and interference fringes are formed by the measurement light and the reference light, and the measured surface and the reference surface are Acquiring n interference fringe images (n is an integer of 3 or more) that can be regarded as having a certain phase increment by relatively moving in the optical axis direction, and using the n interference fringe images, the measurement is performed. A wavefront measuring method for measuring a wavefront of light, wherein the relative position of the surface to be measured and the reference surface in the optical axis direction includes a measurement reference position in the optical axis direction that minimizes the number of interference fringes. The phase difference between the measurement light and the reference light is constant. Candidates for obtaining the information on the relative position and m candidate images (m is an integer greater than n) that are candidates for the n interference fringe images by moving so as to change at a pitch finer than the phase increment. From the image acquisition step and the m candidate images acquired in the candidate image acquisition step, the analysis candidate image group for calculating the wavefront of the measurement light is regarded as having the constant phase increment. An analysis candidate image group selection step of selecting a plurality of sets of n candidate images capable of being analyzed, and analyzing each of the sets by analyzing each of the plurality of analysis candidate image groups selected in the analysis candidate image group selection step A wavefront calculation step for calculating a wavefront according to the candidate image group, and a position in the optical axis direction from the measurement reference position of the acquisition position of each analysis candidate image group from the information on each wavefront calculated in the wavefront calculation step Evaluate the amount of deviation and A wavefront evaluation value of the shift amount is minimized, and a method and a wavefront selection step of selecting as the wavefront of the measuring light.
According to the present invention, in the candidate image acquisition step, the phase difference between the measurement light and the reference light is finer than the constant phase increment within a range including the measurement reference position in the optical axis direction in which the number of interference fringes is minimized. M candidate images that are candidates for n interference fringe images are acquired by moving the image to change with the pitch, and an analysis candidate image group is selected from the m candidate images in the analysis candidate image group selection step. A plurality of sets of n candidate images that can be regarded as having a certain phase increment, a wavefront according to each set of analysis candidate images in the wavefront calculation step is calculated, and in the wavefront selection step, From the calculated wavefront information, the positional deviation amount from the measurement reference position in the optical axis direction of the acquisition position of each analysis candidate image group is evaluated, and the wavefront having the smallest evaluation value of the positional deviation amount is determined as the measurement light. Select as wavefront.
In this way, even if the positioning accuracy is low when moving the relative position of the measured surface and the reference surface in the optical axis direction, within the range of accuracy of the moving feed amount that is higher than the positioning accuracy. From the m candidate images, the candidate image closest to the measurement reference position and the n analysis candidate image groups having a certain phase increment around the candidate image can be selected, so that the wavefront measurement can be performed with high accuracy. It can be carried out.

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の波面測定方法において、前記波面選択工程では、前記波面算出工程で算出された前記各波面を次式で表される２次式で近似し、該２次式の２次項の係数の大きさから、前記位置ずれ量を評価する方法とする。
Ｚ（Ｘ，Ｙ）＝Ｃ_０＋Ｃ_１・Ｘ＋Ｃ_２・Ｙ＋Ｃ_３・（Ｘ^２＋Ｙ^２） ・・・（１）
ここで、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、光軸方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直角座標系における波面の座標値であり、Ｃ_０は定数項、Ｃ_１、Ｃ_２は１次項、Ｃ３は２次項の近似係数である。
この発明によれば、光軸方向の測定基準位置からの位置ずれ量と式（１）の２次項の係数Ｃ_３で表される波面のパワー成分との関係から位置ずれ量を評価することができる。 According to a second aspect of the present invention, in the wavefront measuring method according to the first aspect, in the wavefront selection step, the wavefronts calculated in the wavefront calculation step are approximated by a quadratic equation expressed by the following equation. In this case, the positional deviation amount is evaluated from the magnitude of the coefficient of the quadratic term of the quadratic expression.
Z (X, Y) = C ₀ + C ₁ · X + C ₂ · Y + C ₃ · (X ² + Y ² ) (1)
Here, (X, Y, Z) is the coordinate value of the wave front in the XYZ rectangular coordinate system in which the optical axis direction is the Z-axis direction, C ₀ is a constant term, C ₁ and C ₂ are primary terms, and C 3 is It is an approximation coefficient of a quadratic term.
According to the invention, it possible to evaluate the positional deviation amount from the relationship between the power components of the wavefront represented by the coefficients C ₃ of the second-order terms of the positional deviation amount and the formula (1) from the measurement reference position in the optical axis direction it can.

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の波面測定方法において、前記候補画像取得工程では、前記光軸方向の相対位置を一方向に向けて変化させつつ、一定のサンプリング周期で時系列の前記候補画像を取得し、前記相対位置の情報は、前記時系列上の位置情報として取得し、前記解析候補画像群選出工程では、前記一定の位相増分を有すると見なすことができる複数の候補画像を、前記時系列の候補画像の一定位置の干渉縞の輝度変化から前記時系列上の位置情報と位相との関係を推定する演算を行って選ぶようにした方法とする。
この発明によれば、候補画像取得工程において、光軸方向の相対位置を一方向に向けて変化させつつ、一定のサンプリング周期で時系列の候補画像を取得し、解析候補画像群選出工程では、一定の位相増分を有すると見なすことができる複数の候補画像を、時系列の候補画像の一定位置の干渉縞の輝度変化から時系列上の位置情報と位相との関係を推定する演算を行って選ぶので、例えば、圧電素子のように、非線形特性やヒステリシス特性を有する移動機構を用いても、制御が容易となり、かつ正確な測定を行うことができる。 According to a third aspect of the present invention, in the wavefront measurement method according to the first or second aspect, in the candidate image acquisition step, the relative position in the optical axis direction is changed in one direction while a constant sampling period is set. The time-series candidate images are acquired, and the relative position information is acquired as position information on the time series. In the analysis candidate image group selection step, it can be regarded as having the constant phase increment. A plurality of candidate images are selected by performing an operation of estimating a relationship between position information on the time series and a phase from a luminance change of interference fringes at a fixed position of the time series candidate images.
According to the present invention, in the candidate image acquisition step, the time-series candidate images are acquired at a constant sampling period while changing the relative position in the optical axis direction in one direction, and in the analysis candidate image group selection step, A plurality of candidate images that can be considered to have a certain phase increment are calculated by estimating the relationship between the position information on the time series and the phase from the luminance change of the interference fringes at a certain position of the candidate images in the time series. Therefore, even if a moving mechanism having a non-linear characteristic or a hysteresis characteristic such as a piezoelectric element is used, control becomes easy and accurate measurement can be performed.

請求項４に記載の発明では、請求項１または２に記載の波面測定方法において、前記候補画像取得工程では、前記光軸方向の相対位置を変化させつつ該光軸方向の相対位置を測定することにより、前記相対位置の情報および前記候補画像を取得し、前記解析候補画像群選出工程では、前記一定の位相増分を有すると見なすことができる複数の候補画像を、前記測定された相対位置の情報に基づいて選ぶようにした方法とする。
この発明によれば、候補画像取得工程において、光軸方向の相対位置を変化させつつこの光軸方向の相対位置を測定することにより、相対位置の情報および候補画像を取得し、解析候補画像群選出工程では、一定の位相増分を有すると見なすことができる複数の候補画像を、測定された相対位置の情報に基づいて選ぶので、例えば、圧電素子のように、非線形特性を有する移動機構であっても、移動量の校正などの手間をかけることなく、正確な測定を行うことができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the wavefront measurement method according to the first or second aspect, in the candidate image acquisition step, the relative position in the optical axis direction is measured while changing the relative position in the optical axis direction. Thus, the information on the relative position and the candidate image are acquired, and in the analysis candidate image group selection step, a plurality of candidate images that can be regarded as having the constant phase increment are obtained by using the measured relative position. The method is based on information.
According to this invention, in the candidate image acquisition step, by measuring the relative position in the optical axis direction while changing the relative position in the optical axis direction, information on the relative position and the candidate image are acquired, and the analysis candidate image group In the selection process, a plurality of candidate images that can be regarded as having a certain phase increment are selected based on the information of the measured relative positions. For example, a moving mechanism having nonlinear characteristics such as a piezoelectric element is used. However, accurate measurement can be performed without taking time and effort such as calibration of the movement amount.

請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれかに記載の波面測定方法において、前記一定の位相増分はπ／２、前記ｎは５である方法とする。
この発明によれば、位相がπ／２ずつずれていると見なすことができる５個の干渉縞画像を用いるので高精度かつ迅速な測定を行うことができる。 The invention according to claim 5 is the wavefront measurement method according to any one of claims 1 to 4, wherein the constant phase increment is π / 2 and n is 5.
According to the present invention, since five interference fringe images that can be regarded as being shifted in phase by π / 2 are used, highly accurate and quick measurement can be performed.

請求項６に記載の発明では、同一の光束を、曲面からなる被測定面で反射または透過される測定光と、該測定光と干渉させる参照光とに分割し、曲面からなる参照面によって前記参照光および前記測定光のいずれかの波面を変換して、前記測定光と前記参照光とにより干渉縞を形成させ、一定の位相増分を有すると見なすことができるｎ個（ｎは３以上の整数）の干渉縞画像を取得する干渉計を有し、該干渉計で取得された前記ｎ個の干渉縞画像を用いて測定光の波面を測定する波面測定装置であって、前記被測定面および前記参照面の光軸方向の相対位置を、前記干渉縞の縞本数が最小となる光軸方向の測定基準位置が含まれる範囲で、前記測定光および前記参照光の位相差が前記一定の位相増分よりも細かいピッチで変化するように移動させる相対移動機構と、該相対移動機構から、前記相対位置の情報を取得する相対位置情報取得部と、前記干渉計から、前記ｎ個の干渉縞画像の候補となるｍ個（ｍはｎより大きい整数）の候補画像を取得する候補画像取得部と、前記相対位置情報取得部および前記候補画像取得部によって取得された前記相対位置の情報および前記ｍ個の候補画像を互いに関連づけて記憶する記憶部と、該記憶部に記憶された前記相対位置の情報および前記ｍ個の候補画像のうちから、前記測定光の波面を算出するための解析候補画像群として、前記一定の位相増分を有すると見なすことができるｎ個の候補画像の組を複数選出する解析候補画像群選出部と、該解析候補画像群選出部で選出された前記複数組の解析候補画像群をそれぞれ解析して、各組の解析候補画像群に応じた波面を算出する波面算出部と、該波面算出部で算出された各波面の情報から、前記各解析候補画像群の取得位置の前記測定基準位置からの光軸方向の位置ずれ量を評価し、該位置ずれ量の評価値が最小となる波面を、前記測定光の波面として選択する波面選択部とを備える構成とする。
この発明によれば、相対移動機構および干渉計によって、干渉縞の縞本数が最小となる光軸方向の測定基準位置が含まれる範囲で、測定光および参照光の位相差が一定の位相増分よりも細かいピッチで変化させつつ干渉縞を発生させ、候補画像取得部によってｎ個の干渉縞画像の候補となるｍ個の候補画像とを取得し、相対位置情報取得部によって被測定面および参照面の光軸方向の相対位置の情報を取得し、それぞれによって取得された相対位置の情報およびｍ個の候補画像を互いに関連づけて記憶部に記憶する。そして、解析候補画像群選出部によって、記憶部に記憶された相対位置の情報およびｍ個の候補画像のうちから、解析候補画像群として、一定の位相増分を有すると見なすことができるｎ個の候補画像の組を複数選出し、波面算出部によって各組の解析候補画像群に応じた波面を算出する。そして波面選択部では、これら算出された波面の情報から、各解析候補画像群の取得位置の光軸方向の測定基準位置からの位置ずれ量を評価し、この位置ずれ量の評価値が最小となる波面を、測定光の波面として選択する。
このように、被測定面および参照面との光軸方向の相対位置を移動する際、相対移動機構の位置決め精度が低精度であっても、位置決め精度よりも高精度となる移動送り量の精度の範囲で、ｍ個の候補画像の中から測定基準位置にもっとも近い候補画像およびこの候補画像を中心として一定の位相増分を有するｎ個の解析候補画像群を選出することができるので、精度よく波面測定を行うことができる。
また、請求項６に記載の波面測定装置は、請求項１に記載の波面測定方法に用いることができる装置となっている。 In the invention according to claim 6, the same light beam is divided into measurement light reflected or transmitted by a measurement surface made of a curved surface and reference light made to interfere with the measurement light, and the reference surface made of a curved surface is used to The wavefront of either the reference light or the measurement light is converted to form interference fringes by the measurement light and the reference light, and n (n is 3 or more) that can be regarded as having a certain phase increment A wavefront measuring apparatus for measuring a wavefront of measurement light using the n interference fringe images acquired by the interferometer, the interferometer acquiring an integer) interference fringe image, And the relative position in the optical axis direction of the reference surface is within a range including the measurement reference position in the optical axis direction in which the number of fringes of the interference fringes is minimum, the phase difference between the measurement light and the reference light is the constant Move to change at finer pitch than phase increment A relative movement mechanism, a relative position information acquisition unit that acquires information of the relative position from the relative movement mechanism, and m pieces of m interference fringe image candidates from the interferometer (m is from n) A candidate image acquisition unit that acquires (large integer) candidate images, and a memory that stores the relative position information acquired by the relative position information acquisition unit and the candidate image acquisition unit and the m candidate images in association with each other. A fixed phase increment as an analysis candidate image group for calculating the wavefront of the measurement light from the relative position information and the m candidate images stored in the storage unit An analysis candidate image group selection unit that selects a plurality of sets of n candidate images that can be considered, and the plurality of analysis candidate image groups selected by the analysis candidate image group selection unit, respectively, Solution of A wavefront calculation unit that calculates a wavefront according to the candidate image group, and the position in the optical axis direction from the measurement reference position of the acquisition position of each analysis candidate image group from the information of each wavefront calculated by the wavefront calculation unit A wavefront selecting unit that evaluates the deviation amount and selects a wavefront that minimizes the evaluation value of the positional deviation amount as the wavefront of the measurement light is provided.
According to the present invention, the phase difference between the measurement light and the reference light is more than a constant phase increment within a range including the measurement reference position in the optical axis direction in which the number of interference fringes is minimized by the relative movement mechanism and the interferometer Interference fringes are generated while changing at a fine pitch, m candidate images that are candidates for n interference fringe images are obtained by the candidate image obtaining unit, and the surface to be measured and the reference surface are obtained by the relative position information obtaining unit. The relative position information in the optical axis direction is acquired, and the acquired relative position information and m candidate images are stored in the storage unit in association with each other. Then, the analysis candidate image group selection unit can determine that the analysis candidate image group has a certain phase increment from the relative position information and the m candidate images stored in the storage unit. A plurality of sets of candidate images are selected, and the wavefront calculation unit calculates a wavefront corresponding to each set of analysis candidate images. Then, the wavefront selection unit evaluates the positional deviation amount from the measurement reference position in the optical axis direction of the acquisition position of each analysis candidate image group from the calculated wavefront information, and the evaluation value of this positional deviation amount is the minimum. Is selected as the wavefront of the measurement light.
Thus, when moving the relative position of the measured surface and the reference surface in the optical axis direction, even if the positioning accuracy of the relative movement mechanism is low, the accuracy of the moving feed amount is higher than the positioning accuracy. In this range, it is possible to select a candidate image closest to the measurement reference position and n analysis candidate image groups having a constant phase increment around the candidate image from among the m candidate images. Wavefront measurements can be made.
A wavefront measuring apparatus according to a sixth aspect is an apparatus that can be used in the wavefront measuring method according to the first aspect.

請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の波面測定装置において、前記波面選択部は、前記波面算出部で算出された前記各波面を次式で表される２次式で近似し、該２次式の２次項の係数の大きさから、前記位置ずれ量を評価する構成とする。
Ｚ（Ｘ，Ｙ）＝Ｃ_０＋Ｃ_１・Ｘ＋Ｃ_２・Ｙ＋Ｃ_３・（Ｘ^２＋Ｙ^２） ・・・（１）
ここで、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、光軸方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直角座標系における波面の座標値であり、Ｃ_０は定数項、Ｃ_１、Ｃ_２は１次項、Ｃ_３は２次項の近似係数である。
この発明によれば、光軸方向の測定基準位置からの位置ずれ量と式（１）の２次項の係数Ｃ_３で表される波面のパワー成分との関係から位置ずれ量を評価することができる。 According to a seventh aspect of the present invention, in the wavefront measuring apparatus according to the sixth aspect, the wavefront selecting unit approximates each wavefront calculated by the wavefront calculating unit with a quadratic expression expressed by the following expression. The positional deviation amount is evaluated from the magnitude of the coefficient of the quadratic term of the quadratic expression.
Z (X, Y) = C ₀ + C ₁ · X + C ₂ · Y + C ₃ · (X ² + Y ² ) (1)
Here, (X, Y, Z) is the coordinate value of the wavefront in the XYZ rectangular coordinate system in which the optical axis direction is the Z-axis direction, C ₀ is a constant term, C ₁ and C ₂ are primary terms, and C ₃ Is an approximation coefficient of a quadratic term.
According to the invention, it possible to evaluate the positional deviation amount from the relationship between the power components of the wavefront represented by the coefficients C ₃ of the second-order terms of the positional deviation amount and the formula (1) from the measurement reference position in the optical axis direction it can.

本発明の波面測定方法および装置によれば、ｍ個の候補画像のうちから複数組の解析候補画像群を選出して各波面を算出し、この各波面の情報によって測定基準位置からの光軸方向の位置ずれ量の評価値が最小となる波面を求めるので、測定面および参照面の相対移動の位置決め精度による測定誤差を低減して、波面測定の測定精度を向上することができるという効果を奏する。   According to the wavefront measuring method and apparatus of the present invention, a plurality of sets of analysis candidate images are selected from m candidate images, each wavefront is calculated, and the optical axis from the measurement reference position is determined based on the information on each wavefront. Since the wavefront that minimizes the evaluation value of the amount of displacement in the direction is obtained, the measurement error due to the positioning accuracy of the relative movement of the measurement surface and the reference surface can be reduced, and the measurement accuracy of wavefront measurement can be improved. Play.

以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In all the drawings, even if the embodiments are different, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals, and common description is omitted.

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る波面測定装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る波面測定装置の概略構成を示す模式構成図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る波面測定装置の制御手段の機能構成を示す機能ブロック図である。 [First Embodiment]
A wavefront measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of the wavefront measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a functional block diagram showing a functional configuration of control means of the wavefront measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.

本実施形態の波面測定装置５０は、フィゾー型の光学系を有する干渉計５１を用いて被測定面５での反射光の波面を測定し、被測定面５の面形状を測定することができるものである。波面測定装置５０は、本発明の第１の実施形態に係る波面測定方法を実施することができる装置である。
波面測定装置５０の概略構成は、図１に示すように、レーザー光源１、コリメートレンズ２、ビームスプリッタ３、フィゾーレンズ４、ピエゾ素子８（相対移動機構）、およびピエゾ素子コントローラ９、調整ステージ１２、集光レンズ６、ＣＣＤ７、測定制御部１０からなる。測定制御部１０には、形状測定に必要な操作入力や設定情報の入力を行うため、例えば、キーボード、マウス等からなる操作部１３と、ＣＣＤ７によって撮像された画像や形状測定結果などを表示するためモニタ等からなる表示部１１とが電気的に接続されている。
ここで、レーザー光源１、コリメートレンズ２、ビームスプリッタ３、フィゾーレンズ４、および集光レンズ６は、干渉計５１を構成する。
被測定面５としては、適宜の形状を測定できるが、以下では、凹面形状を測定する場合の構成例を用いて説明する。 The wavefront measuring apparatus 50 according to the present embodiment can measure the wavefront of the reflected light on the surface to be measured 5 using an interferometer 51 having a Fizeau optical system, and can measure the surface shape of the surface to be measured 5. Is. The wavefront measuring apparatus 50 is an apparatus that can implement the wavefront measuring method according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the schematic configuration of the wavefront measuring apparatus 50 includes a laser light source 1, a collimating lens 2, a beam splitter 3, a Fizeau lens 4, a piezo element 8 (relative movement mechanism), a piezo element controller 9, and an adjustment stage 12. , A condenser lens 6, a CCD 7, and a measurement control unit 10. In order to perform operation input and setting information input necessary for shape measurement, the measurement control unit 10 displays, for example, an operation unit 13 including a keyboard, a mouse, and the like, an image captured by the CCD 7, a shape measurement result, and the like. Therefore, the display unit 11 including a monitor or the like is electrically connected.
Here, the laser light source 1, the collimator lens 2, the beam splitter 3, the Fizeau lens 4, and the condenser lens 6 constitute an interferometer 51.
Although an appropriate shape can be measured as the surface 5 to be measured, a description will be given below using a configuration example in the case of measuring the concave shape.

レーザー光源１は、干渉縞を形成するためのコヒーレント光を発生する光源で、本実施形態では、一例として、波長λ＝６３２．８（ｎｍ）のレーザー光を発散光として発生する光源を採用している。
レーザー光源１によって発生された発散光は、コリメートレンズ２によって平行光３０ａ（同一の光束）とされ、ビームスプリッタ３に入射される。
ビームスプリッタ３は、平行光３０ａを反射してフィゾーレンズ４の光軸上に導くとともに、フィゾーレンズ４側から入射する後述の被測定面反射光３０ｃ、参照面反射光３０ｄを透過する光分岐素子である。 The laser light source 1 is a light source that generates coherent light for forming interference fringes. In this embodiment, as an example, a light source that generates laser light having a wavelength λ = 632.8 (nm) as divergent light is employed. ing.
The divergent light generated by the laser light source 1 is converted into parallel light 30 a (the same light beam) by the collimator lens 2 and is incident on the beam splitter 3.
The beam splitter 3 reflects and guides the parallel light 30a onto the optical axis of the Fizeau lens 4, and transmits a measurement surface reflected light 30c and a reference surface reflected light 30d, which will be described later, incident from the Fizeau lens 4 side. It is.

フィゾーレンズ４は、光軸上に入射された平行光３０ａの一部をフィゾー面４ａ（曲面からなる参照面）で反射して、参照面反射光３０ｄ（参照光）を形成し、光軸上に入射された平行光３０ａの他の部分を透過光３０ｂとして透過し、透過光３０ｂを集光するレンズである。
フィゾー面４ａの形状は、被測定面５の理想的な形状に併せて精度よく仕上げられている。このため、フィゾー面４ａは、被測定面５で反射された被測定面反射光３０ｃの波面を変換して参照面反射光３０ｄとの干渉縞を形成するための参照面を構成している。 The Fizeau lens 4 reflects a part of the parallel light 30a incident on the optical axis by the Fizeau surface 4a (a reference surface made of a curved surface) to form a reference surface reflected light 30d (reference light). Is a lens that transmits the other part of the parallel light 30a incident thereon as transmitted light 30b and condenses the transmitted light 30b.
The shape of the Fizeau surface 4a is finished with high accuracy in accordance with the ideal shape of the surface 5 to be measured. Therefore, the Fizeau surface 4a constitutes a reference surface for converting the wavefront of the measurement surface reflected light 30c reflected by the measurement surface 5 to form an interference fringe with the reference surface reflected light 30d.

ピエゾ素子８は、フィゾーレンズ４を光軸に沿う方向に移動可能に保持し、調整ステージ１２によって位置が固定された被測定面５に対するフィゾー面４ａの光軸方向の相対位置を変化させる相対移動機構である。これにより、フィゾー面４ａ上における被測定面反射光３０ｃと参照面反射光３０ｄとの間の光路差を波長λに比べて十分小さな微小量ずつ変化させることができるようになっている。
ピエゾ素子８の移動可能範囲は、λ／２以上あればよいが、調整ステージ１２による測定開始前の位置調整を簡略化するためには、できるだけ広いことが好ましい。例えば、２λか３λ（または、１．２μｍから１．９μｍ）程度の移動が可能であることが好ましい。
ピエゾ素子８の移動量は、ピエゾ素子８に電気的に接続されたピエゾ素子コントローラ９によって印加電圧を変化させることで制御される。 The piezo element 8 holds the Fizeau lens 4 so as to be movable in the direction along the optical axis, and moves relative to the measurement surface 5 whose position is fixed by the adjustment stage 12 to change the relative position of the Fizeau surface 4a in the optical axis direction. Mechanism. Thereby, the optical path difference between the measured surface reflected light 30c and the reference surface reflected light 30d on the Fizeau surface 4a can be changed by a minute amount that is sufficiently smaller than the wavelength λ.
The movable range of the piezo element 8 may be λ / 2 or more. However, in order to simplify the position adjustment before the measurement is started by the adjustment stage 12, it is preferably as wide as possible. For example, it is preferable that the movement of about 2λ or 3λ (or 1.2 μm to 1.9 μm) is possible.
The amount of movement of the piezo element 8 is controlled by changing the applied voltage by a piezo element controller 9 electrically connected to the piezo element 8.

ピエゾ素子コントローラ９は、測定制御部１０からの制御信号に基づいて、ピエゾ素子８に印加する電圧を制御し、ピエゾ素子８の伸縮量を制御し、これによりフィゾー面４ａの被測定面５に対する光軸方向の相対位置を制御するものである。
ピエゾ素子コントローラ９の概略構成は、図２に示すように、演算部３５、タイマー３６、Ｄ／Ａ変換部３７、およびアンプ部３８からなる。
演算部３５は、測定制御部１０から送出される立ち上がり時間、指令電圧の制御信号に応じて、立ち上がり時間内に印加電圧を０Ｖから指令電圧まで直線的に増大する印加電圧データを生成し、測定制御部１０からの移動開始信号によって、印加電圧データを順次Ｄ／Ａ変換部３７に供給するものである。
タイマー３６は、演算部３５から適宜周期で印加電圧データをアンプ部３８に送出するための基準クロックを供給するものである。
Ｄ／Ａ変換部３７は、演算部３５によって供給される印加電圧データを電圧信号に変換するものである。この電圧信号は、アンプ部３８により増幅されて、ピエゾ素子８を駆動する印加電圧としてピエゾ素子８に出力される。
このように、本実施形態のピエゾ素子コントローラ９によれば、測定制御部１０からの移動開始信号に応じて、ピエゾ素子８を一定方向に連続的に駆動する印加電圧が供給することができるようになっている。 The piezo element controller 9 controls the voltage applied to the piezo element 8 based on a control signal from the measurement control unit 10 and controls the amount of expansion / contraction of the piezo element 8, thereby the Fizeau surface 4 a with respect to the measured surface 5. The relative position in the optical axis direction is controlled.
As shown in FIG. 2, the schematic configuration of the piezo element controller 9 includes a calculation unit 35, a timer 36, a D / A conversion unit 37, and an amplifier unit 38.
The calculation unit 35 generates applied voltage data that linearly increases the applied voltage from 0 V to the command voltage within the rise time in accordance with the rise time and command voltage control signal sent from the measurement control unit 10, and performs measurement. The applied voltage data is sequentially supplied to the D / A converter 37 in accordance with a movement start signal from the controller 10.
The timer 36 supplies a reference clock for sending applied voltage data from the calculation unit 35 to the amplifier unit 38 at an appropriate cycle.
The D / A converter 37 converts the applied voltage data supplied by the calculator 35 into a voltage signal. This voltage signal is amplified by the amplifier unit 38 and output to the piezo element 8 as an applied voltage for driving the piezo element 8.
Thus, according to the piezo element controller 9 of the present embodiment, an applied voltage for continuously driving the piezo element 8 in a certain direction can be supplied in accordance with the movement start signal from the measurement control unit 10. It has become.

調整ステージ１２は、被測定面５の光軸を干渉計５１の光軸に合わせるとともに、フィゾー面４ａに対する光軸方向の距離を、初期設定するものであり、本実施形態では、例えば、干渉計５１の光軸方向、光軸に直交する方向の相対位置を調整するＸＹＺステージ、および干渉計５１の光軸に対する傾斜角を調整する２軸のゴニオステージからなる。
調整ステージ１２に支持された被測定面５は、少なくとも面形状の測定を行う際には、被測定面５の光軸がフィゾーレンズ４の光軸に一致されるとともに、被測定面５の曲率中心が、フィゾーレンズ４による透過光３０ｂの集光位置の近傍に位置するように配置される。
被測定面５の曲率中心の光軸方向の位置が、フィゾーレンズ４による透過光３０ｂの集光位置に一致する位置関係にあることを、以下では測定基準位置にあると称する。測定基準位置では、後述する干渉縞の縞本数が最小になる。 The adjustment stage 12 aligns the optical axis of the surface 5 to be measured with the optical axis of the interferometer 51, and initially sets the distance in the optical axis direction with respect to the Fizeau surface 4a. In this embodiment, for example, the interferometer The XYZ stage that adjusts the relative position in the direction of the optical axis 51 and the direction orthogonal to the optical axis, and the biaxial gonio stage that adjusts the tilt angle of the interferometer 51 with respect to the optical axis.
The surface to be measured 5 supported by the adjustment stage 12 has at least the surface shape to be measured so that the optical axis of the surface to be measured 5 coincides with the optical axis of the Fizeau lens 4 and the curvature of the surface to be measured 5. The center is arranged so as to be located in the vicinity of the condensing position of the transmitted light 30b by the Fizeau lens 4.
Hereinafter, the fact that the position in the optical axis direction of the center of curvature of the measurement surface 5 coincides with the position where the transmitted light 30b is collected by the Fizeau lens 4 is referred to as the measurement reference position. At the measurement reference position, the number of interference fringes described later is minimized.

被測定面５に入射された透過光３０ｂは、被測定面反射光３０ｃとして反射される。このとき、被測定面５、フィゾーレンズ４の光軸が一致するとともに、被測定面５の曲率中心がフィゾーレンズ４の集光位置の近傍に位置しているため、透過光３０ｂの光線が被測定面５の法線に沿って入射し、被測定面反射光３０ｃは、透過光３０ｂと略同一の光路を逆進して、フィゾーレンズ４に再入射し、フィゾー面４ａで参照面反射光３０ｄと干渉縞を形成して、ビームスプリッタ３に向けて透過される。
したがって、被測定面反射光３０ｃ、参照面反射光３０ｄは、いずれも、同一の光束である（すなわち、元来同じ１つの光束である）平行光３０ａがフィゾー面４ａによって分割されて形成された光束である。そして、被測定面反射光３０ｃは、被測定面５で反射されることで被測定面５の形状に応じて波面が変化した測定光となっている。一方、参照面反射光３０ｄは、フィゾー面４ａで反射されることでフィゾー面４ａの形状に対応した波面を有する参照光となっている。また、被測定面反射光３０ｃは、被測定面５で反射されて略同一光路を逆進することで、参照面反射光３０ｄに対して、フィゾー面４ａと被測定面５との間の光路長の略２倍の光路差を有している。 The transmitted light 30b incident on the measured surface 5 is reflected as the measured surface reflected light 30c. At this time, since the optical axes of the measured surface 5 and the Fizeau lens 4 coincide and the center of curvature of the measured surface 5 is located in the vicinity of the condensing position of the Fizeau lens 4, the light beam of the transmitted light 30b is reflected. Incident along the normal line of the measurement surface 5, the measured surface reflected light 30 c travels back in substantially the same optical path as the transmitted light 30 b, reenters the Fizeau lens 4, and the reference surface reflected light on the Fizeau surface 4 a. An interference fringe is formed with 30 d and transmitted toward the beam splitter 3.
Therefore, both the measured surface reflected light 30c and the reference surface reflected light 30d are formed by dividing the parallel light 30a that is the same light beam (that is, originally the same one light beam) by the Fizeau surface 4a. Luminous flux. Then, the measured surface reflected light 30 c is reflected by the measured surface 5 to be measured light whose wavefront has changed according to the shape of the measured surface 5. On the other hand, the reference surface reflected light 30d is reflected by the Fizeau surface 4a, thereby becoming reference light having a wavefront corresponding to the shape of the Fizeau surface 4a. Further, the measured surface reflected light 30c is reflected by the measured surface 5 and travels backward in substantially the same optical path, so that the optical path between the Fizeau surface 4a and the measured surface 5 with respect to the reference surface reflected light 30d. The optical path difference is approximately twice the length.

集光レンズ６は、被測定面反射光３０ｃ、参照面反射光３０ｄによる干渉縞を、ＣＣＤ７の撮像面７ａ上に投影する光学素子である。
ＣＣＤ７は、撮像面７ａ上に投影された干渉縞画像を所定のビデオレートで光電変換する撮像素子である。ビデオレートとしては、必要に応じて適宜の値を採用することができるが、例えば、３０ｆｐｓのものを好適に採用することができる。
ＣＣＤ７は、測定制御部１０に電気的に接続されており、測定制御部１０によって撮像動作を制御され、ＣＣＤ７で撮像した画像信号は測定制御部１０に送出される。 The condenser lens 6 is an optical element that projects interference fringes due to the measurement surface reflected light 30 c and the reference surface reflected light 30 d onto the imaging surface 7 a of the CCD 7.
The CCD 7 is an image sensor that photoelectrically converts an interference fringe image projected on the imaging surface 7a at a predetermined video rate. As the video rate, an appropriate value can be adopted as necessary. For example, a video rate of 30 fps can be preferably adopted.
The CCD 7 is electrically connected to the measurement control unit 10, the imaging operation is controlled by the measurement control unit 10, and the image signal captured by the CCD 7 is sent to the measurement control unit 10.

測定制御部１０の機能ブロック構成は、図２に示すように、画像取得部２０、候補画像取得部２１、移動制御部２２、記憶部２３、解析候補画像群選出部２４、波面算出部２５、波面選択部２６、および表示制御部２７からなる。   As shown in FIG. 2, the functional block configuration of the measurement control unit 10 includes an image acquisition unit 20, a candidate image acquisition unit 21, a movement control unit 22, a storage unit 23, an analysis candidate image group selection unit 24, a wavefront calculation unit 25, It comprises a wavefront selection unit 26 and a display control unit 27.

画像取得部２０は、ＣＣＤ７から送出される画像信号を、候補画像取得部２１から指示されたタイミングで画像フレームごとに取り込んで、輝度データに変換し、２次元の画像データとして候補画像取得部２１に送出するものである。   The image acquisition unit 20 captures the image signal sent from the CCD 7 for each image frame at the timing instructed by the candidate image acquisition unit 21, converts it into luminance data, and converts the image data into two-dimensional image data. To send to.

候補画像取得部２１は、操作部１３の操作入力に基づいて画像取得部２０の画像取り込みのタイミングを制御するとともに、予め操作部１３から設定された移動開始位置および移動終了位置の情報に基づいて移動制御部２２の移動動作の条件を設定し、操作部１３の操作入力に基づいて移動開始信号を送出するものである。
そして、候補画像取得部２１は、画像取得部２０による画像取り込みが開始されると、画像取得部２０からフィゾー面４ａの一定方向への移動に対応して時系列での位相変化を伴って順次に送出される各画像データ（以下、時系列画像と称する）をそれらの各移動位置における位相に対応する取り込み順序の情報（以下、時系列上の位置情報と称する）に関連づけて記憶部２３に記憶させる。例えば、時系列上のｉ番目に取得された時系列画像をＦ_ｉ（ただし、ｉ＝１，…，ｍ）としたとき、候補画像取得部２１は、ｉの値に応じて、時系列画像Ｆ_ｉを呼び出せるようになっている。
ここで、ｉは時系列上の位置情報であり、ｉに対応する時系列画像Ｆ_ｉは一定の位相増分を有すると見なすことができるｎ個の干渉縞画像の候補となる候補画像を構成している。
候補画像取得部２１が移動制御部２２に設定する移動動作の条件は、本実施形態では、測定基準位置を含む光軸方向の移動範囲Ｌにおいて、ｍ個（ただし、ｍは４以上の整数）の候補画像を取得するため、一定の立ち上がり時間Ｔ内で、ピエゾ素子８に対する指令電圧を一定速度で変化させる、といった条件を設定する。このため、候補画像取得部２１のサンプリング周期ΔＴは、ΔＴ＝Ｔ／（ｍ−１）である。 The candidate image acquisition unit 21 controls the timing of image capture of the image acquisition unit 20 based on the operation input of the operation unit 13, and based on the information of the movement start position and the movement end position set in advance from the operation unit 13. The conditions of the movement operation of the movement control unit 22 are set, and a movement start signal is transmitted based on the operation input of the operation unit 13.
Then, when the image acquisition by the image acquisition unit 20 is started, the candidate image acquisition unit 21 sequentially includes phase changes in time series corresponding to the movement of the Fizeau surface 4a from the image acquisition unit 20 in a certain direction. The image data (hereinafter referred to as time-series images) transmitted to the storage unit 23 is associated with the information on the order of capture (hereinafter referred to as time-series position information) corresponding to the phase at each moving position in the storage unit 23. Remember. For example, when the i-th time series image acquired on the time series is F _i (where i = 1,..., M), the candidate image acquisition unit 21 determines the time-series image according to the value of i. which is to call the F _i.
Here, i is position information on the time series, and the time series image F _i corresponding to _i forms a candidate image that is a candidate of n interference fringe images that can be regarded as having a certain phase increment. ing.
In this embodiment, the candidate image acquisition unit 21 sets m for the movement control unit 22 in the movement range L in the optical axis direction including the measurement reference position (where m is an integer of 4 or more). In order to obtain the candidate image, a condition is set such that the command voltage to the piezo element 8 is changed at a constant speed within a certain rise time T. For this reason, the sampling period ΔT of the candidate image acquisition unit 21 is ΔT = T / (m−1).

本実施形態の候補画像取得部２１は、上記のように、ピエゾ素子８の移動動作の条件設定を行うことで、時系列上の位置情報ｉが被測定面５およびフィゾー面４ａの光軸方向の相対位置の情報となるようにしている。そのため、候補画像取得部２１は、ピエゾ素子８（相対移動機構）から相対位置の情報を取得する相対位置情報取得部を兼ねている。   As described above, the candidate image acquisition unit 21 according to the present embodiment sets the conditions for the movement operation of the piezo element 8 so that the time-series position information i is obtained in the optical axis directions of the measured surface 5 and the Fizeau surface 4a The relative position information is used. Therefore, the candidate image acquisition unit 21 also serves as a relative position information acquisition unit that acquires relative position information from the piezo element 8 (relative movement mechanism).

移動制御部２２は、候補画像取得部２１からの移動動作の条件の設定値および移動開始信号に基づいて、ピエゾ素子コントローラ９を制御し、ピエゾ素子コントローラ９の制御によるピエゾ素子８の移動が終了したことを検知すると候補画像取得部２１に通知し、その後、ピエゾ素子８を初期状態に復帰させる制御を行うものである。
これにより、本実施形態では、ピエゾ素子８が、一定時間Ｔ内に一定方向に向けて連続的に伸長されることで、フィゾーレンズ４が、距離Ｌだけ移動されるようになっている。
記憶部２３は、候補画像取得部２１から送出された時系列画像Ｆ_ｉおよび時系列上の位置情報iを記憶するものである。 The movement control unit 22 controls the piezo element controller 9 based on the set value of the movement operation condition and the movement start signal from the candidate image acquisition unit 21, and the movement of the piezo element 8 by the control of the piezo element controller 9 is completed. When this is detected, the candidate image acquisition unit 21 is notified, and thereafter, the piezo element 8 is controlled to return to the initial state.
Thus, in the present embodiment, the Fizeau lens 4 is moved by the distance L by the piezo element 8 being continuously extended in a certain direction within a certain time T.
The storage unit 23 stores the time-series image F _i sent from the candidate image acquisition unit 21 and the position information i on the time series.

解析候補画像群選出部２４は、記憶部２３に記憶された時系列上の位置情報ｉ、およびｉに対応する時系列画像Ｆ_ｉのｍ個のうちから、被測定面５の形状を算出するための解析候補画像群として、一定の位相増分Δφを有すると見なすことができるｎ個（ただし、ｎは、３≦ｎ＜ｍの整数）の解析候補画像群の組を複数選出するものである。例えば、ｋ番目の解析候補画像群Ｇ_ｋを、Ｇ_ｋ＝｛Ｆ_ｋ，Ｆ_ｋ１，…，Ｆ_{ｋ（ｎ−１）}｝（ただし、各添字の大きさは、１以上ｍ以下であり、大きさの順序は、ｋ＜ｋ１＜…＜ｋ（ｎ−１））と表すことにする。
本実施形態では、一例として、Δφ＝π／２、ｎ＝５の例で説明する。このΔφ＝π／２は、フィゾーレンズ４の移動距離としてはλ／８に対応する。また、画像データの個数ｍは、ｎ個の候補画像の間の位相差のΔφに対する誤差が十分小さくなるように選定する。本実施形態では、一例としてｍ＝４０の場合で説明する。 The analysis candidate image group selection unit 24 calculates the shape of the measurement target surface 5 from the time-series position information i stored in the storage unit 23 and the m time-series images F _i corresponding to _i. As the analysis candidate image group, a plurality of sets of n analysis candidate image groups (where n is an integer of 3 ≦ n <m) that can be regarded as having a certain phase increment Δφ are selected. . For example, the k th analysis candidate image group G _k is represented by G _k = {F _k , F _k1 ,..., F _{k (n−1)} } (where each subscript has a size of 1 to m, The order of the sizes is expressed as k <k1 <... <K (n−1)).
In the present embodiment, an example of Δφ = π / 2 and n = 5 will be described as an example. This Δφ = π / 2 corresponds to λ / 8 as the moving distance of the Fizeau lens 4. The number m of image data is selected so that an error with respect to Δφ of the phase difference between n candidate images is sufficiently small. In the present embodiment, a case where m = 40 will be described as an example.

波面算出部２５は、解析候補画像群選出部２４によって選出された解析候補画像群Ｇ_ｋから、それぞれの各時系列画像の波面ｈ_ｋを算出するものである。本実施形態では、一例として、Ｐ・ハリハラン（P.Hariharan）、Ｂ・Ｆ・オレブ（B.F.Oreb）、Ｔ・エイジュ（T.Eiju）、「アプライドオプティックス」（"Applied Optics"）、（米国）、１９８７年、２６巻、ｐｐ．２５０４−２５０６、に開示されている、いわゆる５バケット法から算出している。
例えば、解析候補画像群Ｇ_ｋから、それぞれの時系列画像Ｆ_ｋ、Ｆ_ｋ１、Ｆ_ｋ２、Ｆ_ｋ３、Ｆ_ｋ４の一定位置（座標（ｘ，ｙ）で表す）での輝度をそれぞれ位置強度データｇ_ｊ（ｘ，ｙ）（ただし、ｊ＝１，…，５）と表すと、座標（ｘ，ｙ）における位相θ_ｋ（ｘ，ｙ）は、次式（２）から算出することができる。ただし、式（２）では、簡単のため、θ_ｋ（ｘ，ｙ）、ｇ_ｊ（ｘ，ｙ）を、それぞれ、θ、ｇ_ｊで表している。
ここで、座標（ｘ，ｙ）は、光軸に直交する平面内で光軸位置を原点（０，０）とするｘｙ座標系での座標を意味する。なお、このｘｙ座標系は、測定制御部１０の内部では、集光レンズ６の投影倍率などによって、干渉縞画像上の位置と対応づけられているので、以下では、画像上の位置も単に（ｘ，ｙ）で表すものとする。 The wavefront calculation unit 25 calculates the wavefront h _k of each time-series image from the analysis candidate image group G _k selected by the analysis candidate image group selection unit 24. In this embodiment, as an example, P. Hariharan, BF Oreb (BFOreb), T. Eiju, "Applied Optics", (USA) 1987, 26, pp. 2504-2506, which is calculated from the so-called 5-bucket method.
For example, from the analysis candidate image group G _k , the luminance at each of the time-series images F _k , F _k1 , F _k2 , F _k3 , and F _{k4 at} a fixed position (represented by coordinates (x, y)) is respectively position intensity data. When expressed as g _j (x, y) (where j = 1,..., 5), the phase θ _k (x, y) at the coordinates (x, y) can be calculated from the following equation (2). . However, in Equation (2), for simplicity, θ _k (x, y) and g _j (x, y) are represented by θ and g _j , respectively.
Here, the coordinates (x, y) mean coordinates in the xy coordinate system in which the optical axis position is the origin (0, 0) in a plane orthogonal to the optical axis. Since the xy coordinate system is associated with the position on the interference fringe image by the projection magnification of the condenser lens 6 in the measurement control unit 10, the position on the image is simply ( x, y).

すなわち、解析候補画像群Ｇ_ｋから算出される各時系列画像の波面ｈ_ｋ（ｘ，ｙ）は、式（２）で表される位相θ_ｋ（ｘ，ｙ）を用いて、次式（３）で表すことができる。なお、以下では、誤解のおそれのない場合には、（ｘ，ｙ）を省略して、単に波面ｈ_ｋ、位相θ_ｋと称する場合がある。 That is, the wavefront h _k (x, y) of each time-series image calculated from the analysis candidate image group G _k is expressed by the following equation (2) using the phase θ _k (x, y) represented by the equation (2): 3). In the following, when there is no possibility of misunderstanding, (x, y) may be omitted and simply referred to as wavefront h _k and phase θ _k .

ｈ_ｋ（ｘ，ｙ）＝λ・θ_ｋ（ｘ，ｙ）／４π ・・・（３） h _k (x, y) = λ · θ _k (x, y) / 4π (3)

波面選択部２６は、各波面ｈ_ｋの情報から、解析候補画像群Ｇ_ｋの各時系列画像の取得位置の光軸方向の測定基準位置からの位置ずれ量ΔＺを評価し、この位置ずれ量ΔＺの評価値が最小となる波面ｈ_ｋを、被測定面５の形状を表す波面ｈとして選択するものである。
本実施形態のΔＺは、波面ｈ_ｋを下記式（１）で近似したときのパワー成分である係数Ｃ_３を用いて、下記式（４）から算出する。 Wavefront selector 26, the information of each wavefront h _k, to evaluate positional deviation amount ΔZ from the measurement reference position in the optical axis direction acquiring position for each time series image analysis candidates image group G _k, the positional deviation amount The wavefront h _k that minimizes the evaluation value of ΔZ is selected as the wavefront h that represents the shape of the measured surface 5.
ΔZ of the present embodiment is calculated from the following equation (4) using a coefficient C ₃ that is a power component when the wavefront h _k is approximated by the following equation (1).

Ｚ（Ｘ，Ｙ）＝Ｃ_０＋Ｃ_１・Ｘ＋Ｃ_２・Ｙ＋Ｃ_３・（Ｘ^２＋Ｙ^２） ・・・（１）
ここで、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、光軸方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直角座標系における波面の座標値であり、Ｃ_０は定数項、Ｃ_１、Ｃ_２は１次項、Ｃ_３は２次項の近似係数である。 Z (X, Y) = C ₀ + C ₁ · X + C ₂ · Y + C ₃ · (X ² + Y ² ) (1)
Here, (X, Y, Z) is the coordinate value of the wavefront in the XYZ rectangular coordinate system in which the optical axis direction is the Z-axis direction, C ₀ is a constant term, C ₁ and C ₂ are primary terms, and C ₃ Is an approximation coefficient of a quadratic term.

ここで、Ｆ_ｎｏは、被測定面５のＦナンバーである。式（４）は、被測定面５の曲率半径がΔＺに比べて十分大きい場合に、ΔＺの良好な評価値を与える。 Here, F _no is the F number of the measured surface 5. Equation (4) gives a good evaluation value for ΔZ when the radius of curvature of the surface to be measured 5 is sufficiently larger than ΔZ.

表示制御部２７は、画像取得部２０から送出される画像データを、例えば、ＮＴＳＣ信号などに変換し表示部１１に送出して、表示部１１に干渉縞画像を表示したり、波面選択部２６によって選択された波面ｈなどの測定結果の画像情報および文字情報を表示部１１に表示させたりするものである。   The display control unit 27 converts the image data sent from the image acquisition unit 20 into, for example, an NTSC signal and sends it to the display unit 11 to display an interference fringe image on the display unit 11 or the wavefront selection unit 26. The image information and the character information of the measurement result such as the wavefront h selected by (1) are displayed on the display unit 11.

測定制御部１０の装置構成は、上記各機能を専用のハードウェアを用いて実現してもよいが、本実施形態では、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース、外部記憶装置などからなるコンピュータで構成され、このコンピュータにより適宜の制御プログラムを実行することでこれらの機能を実現している。   The apparatus configuration of the measurement control unit 10 may be realized by using the dedicated hardware for each of the above functions. In this embodiment, the apparatus is configured by a computer including a CPU, a memory, an input / output interface, an external storage device, and the like. These functions are realized by executing appropriate control programs by this computer.

次に、波面測定装置５０の動作について、本実施形態の波面測定方法を中心として説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る波面測定方法の測定フローを示すフローチャートである。図４は、本発明の第１の実施形態に係る波面測定方法の候補画像取得工程の動作について説明するフローチャートである。図５は、本発明の第１の実施形態に係る波面測定方法の候補画像取得工程で取得された候補画像の模式図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係る波面測定方法の候補画像取得工程における近似曲線の一例を示す模式的なグラフである。ここで、横軸は時間、縦軸は輝度を示す。図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第１の実施形態に係る波面測定方法の解析候補画像群選出工程の解析候補画像群の一例および他例の選出方法について説明するための模式的なグラフである。ここで、横軸は時系列上の位置情報ｉ、縦軸は位相変化量ｐ（ｉ）を示す。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、解析候補画像群ごとに算出され、表示部に表示された波面の例を示す。図９は、光軸方向の位置ずれ量ΔＺを説明するための模式図である。 Next, the operation of the wavefront measuring apparatus 50 will be described focusing on the wavefront measuring method of the present embodiment.
FIG. 3 is a flowchart showing a measurement flow of the wavefront measuring method according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation of the candidate image acquisition step of the wavefront measuring method according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a schematic diagram of candidate images acquired in the candidate image acquisition step of the wavefront measurement method according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic graph showing an example of an approximate curve in the candidate image acquisition step of the wavefront measuring method according to the first embodiment of the present invention. Here, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents luminance. FIGS. 7A and 7B are diagrams for explaining an example of an analysis candidate image group and another example selection method in the analysis candidate image group selection step of the wavefront measurement method according to the first embodiment of the present invention, respectively. It is a typical graph. Here, the horizontal axis indicates time-series position information i, and the vertical axis indicates the phase change amount p (i). 8A, 8B, 8C, 8D, and 8E show examples of wavefronts calculated for each analysis candidate image group and displayed on the display unit. FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the positional deviation amount ΔZ in the optical axis direction.

波面測定装置５０に用いるフィゾー型の光学系では、図１に示すように、レーザー光源１を発振させると波長λの発散光が発生し、コリメートレンズ２によって平行光３０ａが形成され、ビームスプリッタ３で反射されてフィゾーレンズ４の光軸上に入射する。
平行光３０ａは、フィゾー面４ａによって分割され、一部はフィゾー面４ａによってビームスプリッタ３の側に反射されて参照面反射光３０ｄとして進む。その他の光は、透過光３０ｂとして透過し、フィゾーレンズ４のレンズ作用により集光され、１点に集光されてから、被測定面５に導かれ、被測定面５の法線方向に入射することにより、被測定面反射光３０ｃとして反射される。そして、被測定面反射光３０ｃは、透過光３０ｂと同一光路を逆進し、フィゾーレンズ４を透過して、ビームスプリッタ３側に出射される。その際、フィゾー面４ａ上には、被測定面反射光３０ｃと参照面反射光３０ｄとの光路差に応じた干渉縞画像が形成される。
この干渉縞画像は、集光レンズ６によりＣＣＤ７の撮像面７ａ上に投影される。そして、この干渉縞画像は、ＣＣＤ７で光電変換されて画像信号として測定制御部１０に送出され、表示制御部２７を介して表示部１１に表示される。 In the Fizeau-type optical system used in the wavefront measuring apparatus 50, as shown in FIG. 1, when the laser light source 1 is oscillated, divergent light of wavelength λ is generated, and collimated lens 2 forms parallel light 30a. And is incident on the optical axis of the Fizeau lens 4.
The parallel light 30a is divided by the Fizeau surface 4a, and a part thereof is reflected by the Fizeau surface 4a toward the beam splitter 3 and proceeds as reference surface reflected light 30d. Other light is transmitted as transmitted light 30 b, condensed by the lens action of the Fizeau lens 4, condensed at one point, then guided to the measurement surface 5 and incident in the normal direction of the measurement surface 5. By doing so, it is reflected as the measured surface reflected light 30c. The measured surface reflected light 30c travels backward along the same optical path as the transmitted light 30b, passes through the Fizeau lens 4, and is emitted to the beam splitter 3 side. At that time, an interference fringe image corresponding to the optical path difference between the measured surface reflected light 30c and the reference surface reflected light 30d is formed on the Fizeau surface 4a.
This interference fringe image is projected onto the imaging surface 7 a of the CCD 7 by the condenser lens 6. The interference fringe image is photoelectrically converted by the CCD 7 and sent to the measurement control unit 10 as an image signal, and displayed on the display unit 11 via the display control unit 27.

まず、測定者は、表示部１１に示される干渉縞画像を見ながら、調整ステージ１２を駆動し、被測定面５を干渉計５１の光軸に直交する方向の位置および光軸に対する傾斜角を調整する。そして、光軸方向に移動させて、干渉縞画像が取得される範囲を確認し、測定開始位置を設定する。   First, the measurer drives the adjustment stage 12 while viewing the interference fringe image shown on the display unit 11, and sets the position of the surface to be measured 5 in the direction perpendicular to the optical axis of the interferometer 51 and the tilt angle with respect to the optical axis. adjust. And it moves to an optical axis direction, the range from which an interference fringe image is acquired is confirmed, and a measurement start position is set.

この初期調整により、フィゾーレンズ４および被測定面５が測定基準位置に位置する場合には、フィゾー面４ａと被測定面５との間の形状誤差のみによる干渉縞が観察される。一方、フィゾーレンズ４の光軸方向の位置が測定基準位置から位置ずれ量ΔＺだけずれている場合には位置ずれによる光路差が発生するため、干渉縞の本数が多くなりこの干渉縞画像から算出される波面には、形状誤差に加えて、位置ずれ量ΔＺに由来する測定誤差が重畳されることになる。
例えば、Ｆナンバーが０．６のレンズの面形状を、０．０１λ以下の精度で測定するには、位置ずれ量ΔＺを１４ｎｍ以下に調整する必要があるが、従来の微動機構によって、このような位置決め精度を得ることはきわめて困難であった。 By this initial adjustment, when the Fizeau lens 4 and the measured surface 5 are positioned at the measurement reference position, interference fringes due to only the shape error between the Fizeau surface 4a and the measured surface 5 are observed. On the other hand, when the position of the Fizeau lens 4 in the optical axis direction is deviated from the measurement reference position by the positional deviation amount ΔZ, an optical path difference due to the positional deviation occurs. In addition to the shape error, a measurement error derived from the positional deviation amount ΔZ is superimposed on the wavefront.
For example, in order to measure the surface shape of a lens having an F number of 0.6 with an accuracy of 0.01 λ or less, it is necessary to adjust the positional deviation amount ΔZ to 14 nm or less. It was extremely difficult to obtain a high positioning accuracy.

本実施形態の波面測定方法では、この測定基準位置を含む範囲において、フィゾー面４ａと被測定面５との間の光軸方向の位置を変化させて干渉縞画像を取得し、波面の算出結果から位置ずれ量ΔＺを評価して、｜ΔＺ｜が最小となる波面の算出結果を被測定面５の面形状を表す波面として選択する。
そのため、図３に示す測定フローに沿って、候補画像取得工程、解析候補画像群選出工程、波面算出工程、および波面選択工程を順次行う。 In the wavefront measuring method of the present embodiment, an interference fringe image is obtained by changing the position in the optical axis direction between the Fizeau surface 4a and the measured surface 5 within a range including the measurement reference position, and the calculation result of the wavefront is obtained. Then, the positional deviation amount ΔZ is evaluated, and the calculation result of the wavefront that minimizes | ΔZ | is selected as the wavefront that represents the surface shape of the measured surface 5.
Therefore, a candidate image acquisition process, an analysis candidate image group selection process, a wavefront calculation process, and a wavefront selection process are sequentially performed along the measurement flow shown in FIG.

候補画像取得工程は、被測定面５およびフィゾー面４ａの光軸方向の相対位置を、干渉縞の縞本数が最小となる光軸方向の測定基準位置が含まれる範囲で、被測定面反射光３０ｃおよび参照面反射光３０ｄの位相差がΔφよりも細かいピッチで変化するように移動させて、時系列上の位置情報ｉとｍ個の時系列画像Ｆ_ｉとを取得する工程である。
本工程は、図３の測定フローのステップＳ１に対応する。 In the candidate image acquisition step, the measured surface reflected light is measured within the range in which the measurement reference position in the optical axis direction where the number of interference fringes is minimized is included in the relative positions of the measurement surface 5 and the Fizeau surface 4a in the optical axis direction. This is a step of acquiring position information i on the time series and m time series images F _i by moving the phase difference between 30c and the reference surface reflected light 30d so as to change at a pitch finer than Δφ.
This process corresponds to step S1 in the measurement flow of FIG.

ステップＳ１は、図４に示すフローにより実現されるもので、ピエゾ素子８によって予め設定された立ち上がり時間Ｔの間に、フィゾーレンズ４を距離Ｌだけ一定方向に連続的に移動し、予め設定されたサンプリング周期ΔＴごとに、ｍ個の干渉縞画像を順次取得し、記憶部２３に、それらの取得順序を表す時系列上の位置情報ｉとともに、時系列画像Ｆ_１、Ｆ_２、…、Ｆ_ｍ（図５参照）として記憶する。
本実施形態では、一例として、Ｌ＝１．３λ／２、Ｔ＝１．３（ｓ）の場合で説明する。サンプリング周期ΔＴは、本実施形態のＣＣＤ７のビデオレート３０ｆｐｓに合わせて、ΔＴ＝１／３０（ｓ）としている。すなわち、時間Ｔの間の各フレーム画像を取り込んで、ｍ＝４０の時系列画像を取得する場合の例になっている。 Step S1 is realized by the flow shown in FIG. 4, and the Fizeau lens 4 is continuously moved in a fixed direction by a distance L during a rising time T set in advance by the piezo element 8 and set in advance. M interference fringe images are sequentially acquired at every sampling period ΔT, and time series images F ₁ , F ₂ ,..., F are stored in the storage unit 23 together with time series position information i representing the acquisition order. _m (see FIG. 5).
In the present embodiment, as an example, a case where L = 1.3λ / 2 and T = 1.3 (s) will be described. The sampling period ΔT is set to ΔT = 1/30 (s) in accordance with the video rate 30 fps of the CCD 7 of the present embodiment. That is, in this example, each frame image during the time T is captured and a time-series image with m = 40 is acquired.

まず、図４に示すように、ステップＳ１１では、移動制御部２２からピエゾ素子コントローラ９の演算部３５に対して、立ち上がり時間Ｔでピエゾ素子８をＬだけ伸長または収縮させる指令電圧（コントローラ動作命令）を送出してから、移動開始信号１００を送出する。そして、測定制御部１０側では、ステップＳ１２に移行する。
ピエゾ素子コントローラ９側では、移動制御部２２から立ち上がり時間Ｔ、指令電圧の情報を受け取ると、ステップＳ２０を実行する。
ステップＳ２０では、演算部３５によって、立ち上がり時間Ｔ内に、０Ｖから指令電圧まで時間に比例する印加電圧データを出力する設定を行う。そして、移動開始信号を受信すると、タイマー３６を初期化し、ステップＳ２１を実行する。
ステップＳ２１では、タイマー３６の値に応じて、印加電圧データをＤ／Ａ変換部３７により電圧信号に変換し、アンプ部３８で適宜増幅して、ピエゾ素子８に印加する。
ステップＳ２２では、タイマー３６の値が、立ち上がり時間Ｔを超えたかどうか判定し、立ち上がり時間Ｔを超えていない場合は、ステップＳ２１に移行する。
立ち上がり時間Ｔを超えた場合は、移動制御部２２に、移動終了信号１０１を送出して移動終了を通知し、電圧出力を停止して、ピエゾ素子８の位置を初期状態に復帰させる。 First, as shown in FIG. 4, in step S11, a command voltage (controller operation command) that causes the movement control unit 22 to expand or contract the piezo element 8 by L at the rising time T from the operation unit 35 of the piezo element controller 9 is shown. ) And then a movement start signal 100 is sent. Then, on the measurement control unit 10 side, the process proceeds to step S12.
On the piezo element controller 9 side, when information on the rise time T and the command voltage is received from the movement control unit 22, step S20 is executed.
In step S20, the calculation unit 35 performs setting so that applied voltage data proportional to time is output from 0 V to the command voltage within the rising time T. When the movement start signal is received, the timer 36 is initialized and step S21 is executed.
In step S 21, the applied voltage data is converted into a voltage signal by the D / A converter 37 according to the value of the timer 36, amplified appropriately by the amplifier 38, and applied to the piezo element 8.
In step S22, it is determined whether or not the value of the timer 36 has exceeded the rising time T. If the rising time T has not been exceeded, the process proceeds to step S21.
When the rise time T is exceeded, the movement control unit 22 is notified of the movement end by sending the movement end signal 101, the voltage output is stopped, and the position of the piezo element 8 is returned to the initial state.

ステップＳ１２では、候補画像取得部２１は、サンプリング周期ΔＴに同期して、ＣＣＤ７から干渉縞画像を取得し、画像取得順序を表すカウンタｉの値とともに、記憶部２３に記憶する。
ステップＳ１３では、ピエゾ素子コントローラ９からの移動終了信号１０１の有無を判定し、移動終了信号１０１が受信されていない場合は、ステップＳ１２に戻る。
移動終了信号１０１が受信されている場合は、図３のステップＳ１の動作を終了し、図３のステップＳ２に移行する。すなわち、候補画像取得部２１は、解析候補画像群選出部２４にステップＳ１が終了したことを通知する。
このようにして、ステップＳ１２を繰り返すことにより、フィゾーレンズ４がピエゾ素子８によって移動されている間に、時系列上の位置情報であるカウンタｉの値とともに、ｍ個の時系列画像Ｆ_１、Ｆ_２、…、Ｆ_ｍが、記憶部２３に順次記憶されていく。 In step S12, the candidate image acquisition unit 21 acquires an interference fringe image from the CCD 7 in synchronization with the sampling period ΔT, and stores it in the storage unit 23 together with the value of the counter i indicating the image acquisition order.
In step S13, it is determined whether or not there is a movement end signal 101 from the piezo element controller 9. If the movement end signal 101 is not received, the process returns to step S12.
If the movement end signal 101 has been received, the operation in step S1 in FIG. 3 is terminated, and the process proceeds to step S2 in FIG. That is, the candidate image acquisition unit 21 notifies the analysis candidate image group selection unit 24 that step S1 has been completed.
In this way, by repeating step S12, while the Fizeau lens 4 is being moved by the piezo element 8, m time-series images F ₁ , together with the value of the counter i that is position information on the time series, F ₂ ,..., F _m are sequentially stored in the storage unit 23.

ステップＳ２〜Ｓ４は、解析候補画像群選出工程を構成している。
本工程は、候補画像取得工程で取得されたｍ個の時系列画像Ｆ_ｉのうちから、被測定面５の形状を算出するための解析候補画像群Ｇ_ｋとして、位相増分Δφを有すると見なすことができる５個の時系列画像Ｆ_ｋ、Ｆ_ｋ１、Ｆ_ｋ２、Ｆ_ｋ３、Ｆ_ｋ４の組を複数選出する工程である。 Steps S2 to S4 constitute an analysis candidate image group selection step.
This step is regarded as having the phase increment Δφ as an analysis candidate image group G _k for calculating the shape of the measurement target surface 5 from the m time-series images F _i acquired in the candidate image acquisition step. This is a step of selecting a plurality of sets of five time-series images F _k , F _k1 , F _k2 , F _k3 , and F _k4 that can be used.

ステップＳ２では、図５に示すように、解析候補画像群選出部２４によって記憶部２３から各時系列画像Ｆ_ｉを呼び出し、それぞれの干渉縞画像部３１上の共通位置である輝度算出位置３２における各輝度Ｐ_ｉを取得する。すなわち、輝度Ｐ_ｉは、時系列画像Ｆ_ｉの一定位置での時間的な輝度変化を表す。
図６に、時系列上の位置情報ｉと、輝度Ｐ_ｉとの関係の一例をプロットした。時系列画像Ｆ_ｉは、一定のサンプリング周期ΔＴで取得され、ピエゾ素子８には、時間に比例した電圧が印加されるが、ピエゾ素子８の伸縮特性は印加電圧に対して非線形であるためフィゾーレンズ４の移動ピッチは等ピッチにはならない。そのため、輝度Ｐ_ｉのグラフは正弦波からずれることになる。 In step S2, as shown in FIG. 5, call each time series images F _i from the storage unit 23 by the analysis candidate image group selection section 24, in the luminance calculation position 32 which is a common position on each of the interference fringe image 31 Each luminance _Pi is acquired. That is, the luminance P _i represents a temporal luminance change at a certain position in the time series image F _i .
6, the position information i on the time series were plotted an example of the relationship between brightness P _i. The time-series image F _i is acquired at a constant sampling period ΔT, and a voltage proportional to time is applied to the piezo element 8. However, since the expansion and contraction characteristics of the piezo element 8 are nonlinear with respect to the applied voltage, Fizeau. The movement pitch of the lenses 4 is not equal. Therefore, the graph of the luminance P _i will be deviated from the sine wave.

次に、ステップＳ３では、解析候補画像群選出部２４によって、輝度Ｐ_ｉのグラフの近似曲線３３（図６参照）を求める。本実施形態では、ピエゾ素子８の移動量が時間に対して線形であれば、輝度のグラフが時間に関して正弦波となることを利用して、近似曲線３３を次の式（５）、（６）の組で表すことにする。
ｆ（ｉ）＝Ｄ_１・ｉ＋Ｄ_２・ｉ^２＋Ｄ_３・ｉ^３ ・・・（５）
ｐ（ｉ）＝Ａ・ｓｉｎ｛ｆ（ｉ）｝＋Ｂ・ｃｏｓ｛ｆ（ｉ）｝＋Ｃ ・・・（６）
ここで、ｐ（ｉ）は輝度、ｆ（ｉ）はピエゾ素子８の非線形性を３次式で表したものである。また、Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ａ、Ｂ、Ｃは、近似式の係数である。また、変数ｉは、時間に対応する時系列上の位置情報ｉの値をそのまま用いている。ｆ（ｉ）は、立ち上がり時間Ｔで無次元化した時間であり、時系列画像Ｆ_１に対する位相変化量を表す。
係数Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ａ、Ｂ、Ｃは、次式（７）のＳを最小にするように、例えばニュートン法などの既知の演算処理を行うことによって求めることができる。 Next, in step S3, the analysis candidate image group selection section 24, obtains the approximate curve 33 (see FIG. 6) of the graph of the luminance _{P i.} In the present embodiment, if the movement amount of the piezo element 8 is linear with respect to time, the approximate curve 33 is expressed by the following equations (5) and (6) using the fact that the luminance graph is a sine wave with respect to time. ).
_{f (i) = D 1 ·} i + D 2 · i 2 + D 3 · i 3 ··· (5)
p (i) = A.sin {f (i)} + B.cos {f (i)} + C (6)
Here, p (i) represents luminance, and f (i) represents the nonlinearity of the piezo element 8 by a cubic equation. D ₁ , D ₂ , D ₃ , A, B, and C are coefficients of the approximate expression. The variable i uses the value of the position information i on the time series corresponding to time as it is. f (i) is the time dimensionless rise time T, hours represents the phase variation amount with respect to image sequences F _1.
The coefficients D ₁ , D ₂ , D ₃ , A, B, and C can be obtained by performing known arithmetic processing such as Newton's method so as to minimize S in the following equation (7).

なお、式（５）、（６）を用いれば、図６に示すようなグラフに近似曲線をプロットすることができるので、本実施形態では、近似精度を視覚的に確認できるように輝度Ｐ_ｉの実測値とともに、表示部１１に表示するようにしている。 Since the approximate curve can be plotted on the graph as shown in FIG. 6 using the equations (5) and (6), the brightness P _i can be visually confirmed in this embodiment so that the approximation accuracy can be visually confirmed. Is displayed on the display unit 11 together with the actual measurement value.

次にステップＳ４では、解析候補画像群選出部２４により、ステップＳ３で求めた式（５）を用いて、ｆ（ｉ）の値が、π／２、π、３π／２、２πに最も近いｉの値を算出する。例えば、式（５）が、図７（ａ）に示す位相変化曲線４１で表される場合、まず、Ｆ_１を基準として、π／２ずつ位相がずれるｉとして、それぞれ、ｉ＝１０，１６，２１，２６が求められる。これらのｉの値から、波面算出に用いる解析候補画像群Ｇ_１＝｛Ｆ_１，Ｆ_１０，Ｆ_１６，Ｆ_２１，Ｆ_２６｝を選出する。
同様にして、Ｆ_２、Ｆ_３、…を基準として、Ｇ_２、Ｇ_３、…を選出していく。
本実施形態では、図７（ｂ）に示すように、Ｇ_２０＝｛Ｆ_２０，Ｆ_２５，Ｆ_２９，Ｆ_３４，Ｆ_３８｝まで、合計２０個のＧ_ｋ（ｋ＝１，…，２０）が選出される。
選出された各Ｇ_ｋの情報は、波面算出部２５に送出される。
以上で、解析候補画像群選出工程が終了する。 Next, in step S4, the value of f (i) is closest to π / 2, π, 3π / 2, 2π using the expression (5) obtained in step S3 by the analysis candidate image group selection unit 24. Calculate the value of i. For example, when Equation (5) is represented by the phase change curve 41 shown in FIG. 7A, first, i = 10, 16 with i being phase shifted by π / 2 with respect to F _1. , 21, 26 are obtained. From these i values, an analysis candidate image group G ₁ = {F ₁ , F ₁₀ , F ₁₆ , F ₂₁ , F ₂₆ } used for wavefront calculation is selected.
Similarly, G ₂ , G ₃ ,... Are selected based on F ₂ , F ₃ ,.
In the present embodiment, as shown in FIG. 7B, a total of 20 G _k (k = 1,..., 20) up to G ₂₀ = {F ₂₀ , F ₂₅ , F ₂₉ , F ₃₄ , F ₃₈ }. ) Is elected.
Elected information of each G _k are is sent to the wavefront calculation unit 25.
The analysis candidate image group selection process is thus completed.

本実施形態の例では、π／２、すなわちλ／８の移動距離が９〜４分割されているため、個々の時系列画像Ｆ_ｉの測定位置精度は、λ／８の１／１８〜１／８、すなわち、４．４ｎｍ〜９．９ｎｍ程度になっており、それぞれの位置を目標位置としてピエゾ素子８を段階的に駆動する場合の位置決め精度よりも高精度が実現されている。したがって、従来に比べて高精度な測定位置精度を有している。
なお、ピエゾ素子８の伸縮特性が線形特性であれば、位置精度は５．３ｎｍ程度となり、測定位置精度は、ピエゾ素子８の非線形特性の度合いにもよる。
測定位置精度を向上するには、ビデオレートがより高いＣＣＤを用いるか、ピエゾ素子８の駆動の立ち上がり時間Ｔを増加させるかして、サンプリング周期ΔＴを小さくすればよい。 In the example of this embodiment, [pi / 2, that is, the moving distance of lambda / 8 are divided 9-4, the measurement position accuracy of the individual time-series images F _i is, lambda / 8 1 / 18-1 / 8, that is, about 4.4 nm to 9.9 nm, and higher accuracy than the positioning accuracy when the piezo element 8 is driven stepwise with each position as a target position is realized. Therefore, the measurement position accuracy is higher than in the past.
If the expansion / contraction characteristics of the piezo element 8 are linear characteristics, the position accuracy is about 5.3 nm, and the measurement position accuracy depends on the degree of nonlinear characteristics of the piezo element 8.
In order to improve the measurement position accuracy, the sampling period ΔT may be reduced by using a CCD with a higher video rate or increasing the rise time T of driving the piezo element 8.

次に、ステップＳ５では、波面算出工程を行う。
本工程は、解析候補画像群選出工程で選出された複数組の解析候補画像群Ｇ_ｋをそれぞれ解析して、各組の解析候補画像群Ｇ_ｋに応じた波面を算出する工程である。
波面算出部２５では、Ｇ_ｋ＝｛Ｆ_ｋ，Ｆ_ｋ１，Ｆ_ｋ２，Ｆ_ｋ３，Ｆ_ｋ４｝を用い、５バケット法によって面形状に対応する波面を算出する。すなわち、位置（ｘ，ｙ）ごとに、上記式（２）、（３）を用いて、波面ｈ_ｋを算出し、記憶部２３に記憶する。そして、波面選択部２６に波面算出工程の終了を通知し、ステップＳ６に移行する。 Next, in step S5, a wavefront calculation step is performed.
This step is a step of analyzing a plurality of sets of analysis candidate image groups G _k selected in the analysis candidate image group selection step and calculating a wavefront according to each set of analysis candidate image groups G _k .
The wavefront calculation unit _25, G _k = with _{{F k, F k1, F} k2, F k3, F k4}, and calculates the wavefront corresponding to a surface shape by 5 bucket method. That is, for each position (x, y), the wavefront _kh is calculated using the above formulas (2) and (3) and stored in the storage unit 23. Then, the wavefront selection unit 26 is notified of the end of the wavefront calculation step, and the process proceeds to step S6.

波面算出結果の例を、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示す。これらはそれぞれ、解析候補画像Ｇ_１（Ｆ_１〜Ｆ_２６）、Ｇ_５（Ｆ_５〜Ｆ_２９）、Ｇ_１０（Ｆ_１０〜Ｆ_３２）、Ｇ_１５（Ｆ_１５〜Ｆ_３５）、Ｇ_２０（Ｆ_２０〜Ｆ_３８）から算出されたものである。これらの波面の（ＰＶ値，ＲＭＳ値）は、それぞれ（０．０５５λ，０．０１２λ）、（０．０３７λ，０．００６λ）、（０．０３６λ，０．００３λ）、（０．０５０λ，０．００６λ）、（０．０６９λ，０．０１２λ）である。
このように、波面ｈ_ｋのＰＶ値およびＲＭＳ値は、１≦ｋ≦１０で、ｋの増大とともに減少し、ｋ＝１０で最小値をとり、１０≦ｋ≦２０で、ｋの増大とともに増大する変化を示した。
これは、各波面ｈ_ｋが、フィゾー面４ａおよび被測定面５の光軸方向の相対位置がそれぞれ異なるためである。図９に示すように、平行光３０ａがフィゾーレンズ４によって集光される光軸上の位置を点Ｑ_Ｒで表すと、被測定面５の曲率中心Ｑ_Ｌは、ｉの値に応じて、干渉計５１の光軸Ｃの方向にΔＺだけずれている。ここで、被測定面反射光３０ｃに被測定面５とフィゾー面４ａとの面形状の差に応じた光路差が発生するのは、点Ｑ_Ｒと曲率中心Ｑ_Ｌとが一致した測定基準位置のみである。
ΔＺ＞０（ΔＺ＜０）の場合、被測定面５に比べてパワーの大きな（小さな）反射面が配置されているのと同じであり、波面ｈ_ｋはこのような見かけ上のパワーの大きさを反映して、波面収差が大きく測定されることになる。 Examples of wavefront calculation results are shown in FIGS. 8 (a), (b), (c), (d), and (e). These are analysis candidate images G ₁ (F _{1 to} F ₂₆ ), G ₅ (F _{5 to} F ₂₉ ), G ₁₀ (F _{10 to} F ₃₂ ), G ₁₅ (F _{15 to} F ₃₅ ), and G ₂₀ ( F _{20 to} F ₃₈ ). The (PV value and RMS value) of these wavefronts are (0.055λ, 0.012λ), (0.037λ, 0.006λ), (0.036λ, 0.003λ), and (0.050λ, 0), respectively. .006λ) and (0.069λ, 0.012λ).
Thus, the PV value and the RMS value of the wavefront h _k decrease with increasing k when 1 ≦ k ≦ 10, take the minimum value when k = 10, and increase with increasing k when 10 ≦ k ≦ 20. Showed changes.
This is because the relative positions of the wavefronts h _{k in} the optical axis direction of the Fizeau surface 4a and the measured surface 5 are different. As shown in FIG. 9, to represent the position on the optical axis of the collimated light 30a is focused by Fizeau lens 4 at point Q _R, the center of curvature Q _L of the surface to be measured 5, depending on the value of i, It is shifted by ΔZ in the direction of the optical axis C of the interferometer 51. Here, the optical path difference corresponding to the difference between the surface shape of the measurement surface 5 and Fizeau surface 4a to be measured surface reflected light 30c is generated, the reference position of the point Q _R and the center of curvature Q _L matches Only.
In the case of ΔZ> 0 (ΔZ <0), it is the same as that a reflecting surface having a larger (smaller) power than the surface to be measured 5 is disposed, and the wavefront h _k is such an apparent power level. Reflecting this, the wavefront aberration is greatly measured.

次に、ステップＳ６では、波面選択工程を行う。
本工程は、波面算出工程で算出された各波面ｈ_ｋの情報から、各解析候補画像群Ｇ_ｋの取得位置の測定基準位置からの光軸方向の位置ずれ量ΔＺを評価し、位置ずれ量ΔＺの評価値が最小となる波面を、被測定面５の形状を表す波面ｈとして選択する工程である。
波面選択部２６は、波面算出部２５によって算出された、波面ｈ_ｋを記憶部２３から呼び出し、波面ｈ_ｋを上記式（１）で表される多項式で近似する演算を行う。これにより算出された係数Ｃ_３を用いて、上記式（４）から、波面ｈ_ｋに対応する位置ずれ量ΔＺを算出する。この位置ずれ量をΔＺ_ｋで表す。
すべての波面ｈ_ｋについてΔＺ_ｋを算出した後、｜ΔＺ_ｋ｜が最小となるｋをｋ_ｍｉｎとして求める。図８に示した本実施形態の測定例では、ｋ_ｍｉｎ＝１０である。
波面選択部２６は、｜ΔＺ_ｋｍｉｎ｜が、予め設定された｜ΔＺ｜の許容値の範囲内かどうか判定し、範囲内であれば、波面ｈ_ｋｍｉｎを被測定面５の波面ｈとして選択し、波面ｈ_ｋｍｉｎを表示制御部２７に送出して表示部１１に表示させる。
なお、｜ΔＺ_ｋｍｉｎ｜が、予め設定された｜ΔＺ｜の許容値の範囲内にない場合には、測定エラーのおそれがあるため、表示制御部２７にエラーメッセージを送出し、表示部１１に表示させる。
以上で、本実施形態の波面測定方法による波面測定が終了する。 Next, in step S6, a wavefront selection process is performed.
In this step, the positional deviation amount ΔZ in the optical axis direction from the measurement reference position of the acquisition position of each analysis candidate image group G _k is evaluated from the information on each wavefront h _k calculated in the wavefront calculating step, and the positional deviation amount In this step, the wavefront having the smallest evaluation value of ΔZ is selected as the wavefront h representing the shape of the surface to be measured 5.
Wavefront selector 26, which is calculated by the wavefront calculation unit 25 calls the wavefront h _k from the storage unit 23, the wavefront h _k performs an operation of a polynomial approximation represented by the formula (1). By using the coefficient C ₃ calculated by this, from the equation (4), calculates the position displacement amount ΔZ corresponding to the wavefront h _k. Representing the positional deviation amount [Delta] Z _k.
After calculating ΔZ _k for all wavefronts h _k , _k that minimizes | ΔZ _k | is determined as _kmin . In the measurement example of the present embodiment shown in FIG. 8, _kmin = 10.
The wavefront selection unit 26 determines whether or not | ΔZ _kmin | is within a preset allowable value range of | ΔZ |, and if it is within the range, _selects the wavefront h _kmin as the wavefront h of the measured surface 5. The wavefront h _kmin is sent to the display control unit 27 and displayed on the display unit 11.
If | ΔZ _kmin | is not within the preset allowable range of | ΔZ |, there is a risk of a measurement error, so an error message is sent to the display control unit 27 and displayed on the display unit 11. Display.
Thus, the wavefront measurement by the wavefront measurement method of this embodiment is completed.

このように、本実施形態の波面測定装置５０によれば、ｍ個の時系列画像Ｆ_ｉのうちから複数組の解析候補画像群Ｇ_ｋを選出して各波面ｈ_ｋを算出し、この各波面ｈ_ｋの情報によって測定基準位置からの光軸方向の位置ずれ量の評価値が最小となる波面を求めるので、繰り返しの位置決め精度が劣るピエゾ素子８などの相対移動機構を用いても、高精度な面形状測定を行うことができる。
また、ピエゾ素子８を校正したり、ピエゾ素子８の移動量を計測してフィードバック制御したりすることなく、簡素な構成で、容易かつ高精度な測定を行うことができる。
また、ピエゾ素子８の校正が不要となるため、校正費用や、校正のために測定できなくなる期間も発生しないという利点がある。
また、ＣＣＤ７のビデオレートに同期して候補画像を取得するので、候補画像を増やしても、短時間のうちに測定を行うことができる。
また、ピエゾ素子８は、非線形性の程度が悪いものや非線形性のバラツキが大きいものでも採用することができるので、安価な素子を採用することができる。
また、本実施形態では、ピエゾ素子８を一定方向に連続的に駆動するので、ヒステリシス特性による移動位置のバラツキや、間欠駆動のような停止時の位置振動などが発生しないため、位相シフト量に対応する移動位置が時系列に沿って単調増加する。そのため、候補画像の個数ｍを増やすことで測定分解能を確実に向上することができる。 Thus, according to the wavefront measuring apparatus 50 of the present embodiment, a plurality of sets of analysis candidate image groups _Gk are selected from the m time-series images F _i , and each wavefront h _k is calculated. Since the wavefront that minimizes the evaluation value of the amount of positional deviation in the optical axis direction from the measurement reference position is _{obtained based on} the information on the wavefront h _k , even if a relative movement mechanism such as a piezo element 8 with poor repeated positioning accuracy is used, Accurate surface shape measurement can be performed.
Further, it is possible to perform easy and highly accurate measurement with a simple configuration without calibrating the piezo element 8 or performing feedback control by measuring the movement amount of the piezo element 8.
In addition, since calibration of the piezo element 8 is not required, there is an advantage that calibration costs and a period during which measurement cannot be performed due to calibration do not occur.
Further, since candidate images are acquired in synchronization with the video rate of the CCD 7, even if the number of candidate images is increased, measurement can be performed in a short time.
In addition, since the piezoelectric element 8 can be employed even if it has a low degree of nonlinearity or has a large variation in nonlinearity, an inexpensive element can be employed.
Further, in this embodiment, since the piezo element 8 is continuously driven in a certain direction, there is no variation in the movement position due to hysteresis characteristics, no position vibration at the time of stopping such as intermittent driving, etc. The corresponding movement position increases monotonically along the time series. Therefore, the measurement resolution can be reliably improved by increasing the number m of candidate images.

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る波面測定装置について説明する。
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る波面測定装置の概略構成を示す模式構成図である。図１１は、本発明の第２の実施形態に係る波面測定装置の制御手段の機能構成を示す機能ブロック図である。 [Second Embodiment]
A wavefront measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a wavefront measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 11 is a functional block diagram showing a functional configuration of control means of the wavefront measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention.

本実施形態の波面測定装置５０Ａは、図１０、１１に示すように、上記第１の実施形態の波面測定装置５０の測定制御部１０、ピエゾ素子コントローラ９に代えて、測定制御部１０Ａ、ピエゾ素子コントローラ９Ａを備え、歪みゲージ８ａ（相対位置情報取得部）を追加したものである。
測定制御部１０Ａは、上記第１の実施形態の測定制御部１０の候補画像取得部２１、移動制御部２２、解析候補画像群選出部２４に代えて、候補画像取得部２１Ａ、移動制御部２２Ａ、解析候補画像群選出部２４Ａを備える。
ピエゾ素子コントローラ９Ａは、上記第１の実施形態のピエゾ素子コントローラ９の演算部３５に代えて、演算部３５Ａを備え、移動量測定部３９を追加したものである。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。 As shown in FIGS. 10 and 11, the wavefront measuring apparatus 50 </ b> A of the present embodiment is replaced with the measurement control unit 10 </ b> A and the piezoelectric element controller 9 instead of the measurement control unit 10 and the piezoelectric element controller 9 of the wavefront measuring apparatus 50 of the first embodiment. An element controller 9A is provided, and a strain gauge 8a (relative position information acquisition unit) is added.
The measurement control unit 10A is replaced with the candidate image acquisition unit 21, the movement control unit 22, and the analysis candidate image group selection unit 24 of the measurement control unit 10 of the first embodiment, and the candidate image acquisition unit 21A and the movement control unit 22A. An analysis candidate image group selection unit 24A is provided.
The piezo element controller 9A includes a calculation unit 35A instead of the calculation unit 35 of the piezo element controller 9 of the first embodiment, and a movement amount measurement unit 39 is added.
Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.

歪みゲージ８ａは、ピエゾ素子８の伸縮方向の歪みが測定できるように、ピエゾ素子８に固定されている。
歪みゲージ８ａは、歪みゲージ８ａの出力から、ピエゾ素子８の伸縮量を測定するためにピエゾ素子コントローラ９Ａ内に設けられた移動量測定部３９に接続されている。
移動量測定部３９は、歪みゲージ８ａの抵抗変化を検出して、歪み変化を算出し、ピエゾ素子８の伸縮量を算出し、演算部３５Ａに送出するものである。
演算部３５Ａは、移動制御部２２Ａおよび移動量測定部３９に電気的に接続され、上記第１の実施形態の演算部３５と同様な機能に加えて、移動量測定部３９によって測定されたピエゾ素子８の伸縮量の情報を、フィゾー面４ａの移動位置の情報（以下、相対位置情報と称する）に換算して移動制御部２２Ａに送出できるようになっている。
移動量測定部３９の測定結果は、演算部３５Ａによってピエゾ素子８の位置制御に用いるようにしてもよいが、本実施形態では、ピエゾ素子８の位置制御には用いないものとして説明する。 The strain gauge 8a is fixed to the piezo element 8 so that the strain in the expansion / contraction direction of the piezo element 8 can be measured.
The strain gauge 8a is connected to a movement amount measuring unit 39 provided in the piezo element controller 9A in order to measure the amount of expansion / contraction of the piezo element 8 from the output of the strain gauge 8a.
The movement amount measuring unit 39 detects the resistance change of the strain gauge 8a, calculates the strain change, calculates the expansion / contraction amount of the piezo element 8, and sends it to the calculation unit 35A.
The calculation unit 35A is electrically connected to the movement control unit 22A and the movement amount measurement unit 39, and in addition to the same function as the calculation unit 35 of the first embodiment, the piezo measured by the movement amount measurement unit 39 is used. Information on the amount of expansion / contraction of the element 8 can be converted into information on the movement position of the Fizeau surface 4a (hereinafter referred to as relative position information) and sent to the movement control unit 22A.
The measurement result of the movement amount measurement unit 39 may be used for position control of the piezo element 8 by the calculation unit 35A, but in the present embodiment, it is assumed that it is not used for position control of the piezo element 8.

候補画像取得部２１Ａは、操作部１３の操作入力に基づいて画像取得部２０の画像取り込みのタイミングを制御するとともに、予め操作部１３から設定された移動開始位置および移動終了位置の情報に基づいて移動制御部２２Ａの移動動作の条件を設定し、操作部１３の操作入力に基づいて移動開始信号を送出するものである。
そして、候補画像取得部２１Ａは、画像取得部２０による画像取り込みが開始されると、画像取得部２０から送出される各画像データ（以下、候補画像と称する）を、それらの取り込み順序の情報、および移動制御部２２Ａから取得される相対位置情報に関連づけて記憶部２３に記憶させる。例えば、時系列上のｉ番目に取得された相対位置情報をｑ_ｉ、候補画像をＨ_ｉ（ただし、ｉ＝１，…，ｍ）としたとき、候補画像取得部２１Ａは、ｉの値に応じて、相対位置情報ｑ_ｉ、候補画像Ｈ_ｉをそれぞれ呼び出せるようになっている。 Candidate image acquisition unit 21 </ b> A controls the timing of image capture of image acquisition unit 20 based on the operation input of operation unit 13, and based on information on the movement start position and movement end position set in advance from operation unit 13. The conditions for the movement operation of the movement control unit 22A are set, and a movement start signal is transmitted based on the operation input of the operation unit 13.
Then, when the image acquisition by the image acquisition unit 20 is started, the candidate image acquisition unit 21A converts each image data sent from the image acquisition unit 20 (hereinafter referred to as a candidate image) into information on their acquisition order, The information is stored in the storage unit 23 in association with the relative position information acquired from the movement control unit 22A. For example, when the i-th relative position information acquired in time series is q _i and the candidate image is H _i (where i = 1,..., M), the candidate image acquisition unit 21A sets the value of i. Accordingly, the relative position information q _i and the candidate image H _i can be respectively called up.

候補画像取得部２１Ａが移動制御部２２Ａに設定する移動動作の条件は、上記第１の実施形態と同様に、一定方向に指令電圧を一定速度で変えるようにしてもよいし、方向や速度を変化させてもよい。例えば、測定開始位置を測定基準位置の近傍と思われる位置として、一方向に向けて駆動して候補画像を取得した後、測定開始位置近傍に戻って、反対方向に向けて駆動してもよい。あるいは、ピエゾ素子８の非線形特性がおよそ分かっている場合、非線形性が低減されるように、指令電圧変化の速度を変えるようにしてもよい。
このように、本実施形態では、添字ｉは、候補画像取得の時系列順序を表すのみであり、候補画像Ｈ_ｉが取得された位置関係の順序を表していない。しかしながら、相対位置情報ｑ_ｉの大小に基づいて、候補画像Ｈ_ｉを並べ替えれば、上記第１の実施形態の時系列画像Ｆ_ｉと同様になる。
以下では、説明を簡潔にするため、このように並べ替えられた相対位置情報および候補画像を、新たに添字ｊ（ただし、ｊ＝１，…，ｍ）を用いて、ｑ_ｊ、Ｈ_ｊと表すことにする。具体的には、実際一度並べ替えておく、あるいは、取り込み順序を保存しておきたい場合には記憶部２３に添字ｉから添字ｊへの変換テーブルを記憶しておくことが考えられる。 As in the first embodiment, the candidate image acquisition unit 21A may set the movement control unit 22A to change the command voltage in a certain direction at a constant speed. It may be changed. For example, after the measurement start position is assumed to be near the measurement reference position and driven in one direction to obtain a candidate image, the measurement start position may be returned to the vicinity of the measurement start position and driven in the opposite direction. . Alternatively, when the nonlinear characteristic of the piezo element 8 is approximately known, the command voltage change speed may be changed so that the nonlinearity is reduced.
As described above, in the present embodiment, the subscript i only represents the time-series order of candidate image acquisition, and does not represent the order of the positional relationship from which the candidate image _Hi was acquired. However, if the candidate images H _i are rearranged on the basis of the magnitude of the relative position information q _i , the time series image F _i is the same as that of the first embodiment.
In the following, for the sake of brevity, the relative position information and the candidate images rearranged in this way are newly added to q _j , H _j using subscripts j (where j = 1,..., M). I will represent it. Specifically, it is conceivable to store the conversion table from the subscript i to the subscript j in the storage unit 23 in order to actually rearrange the data once or to preserve the capture order.

解析候補画像群選出部２４Ａは、相対位置情報ｑ_ｊと候補画像Ｈ_ｊとの関係に基づいて、それぞれ位相増分Δφを有すると見なすことができるｎ個の候補画像Ｈ_ｊからなる解析候補画像群Ｇ_ｋ＝｛Ｈ_ｋ，Ｈ_ｋ１，…，Ｈ_{ｋ（ｎ−１）}｝（ただし、各添字の大きさは、１以上ｍ以下であり、大きさの順序は、ｋ＜ｋ１＜…＜ｋ（ｎ−１））を選出するものである。本実施形態では、上記第１の実施形態と同様に、一例として、Δφ＝π／２、ｎ＝５の例で説明する。
ただし、この場合の位相増分の判定は、候補画像Ｈ_ｊごとに測定された相対位置情報ｑ_ｊに基づいて行うため、近似曲線の算出は不要になる。 The analysis candidate image group selection unit 24A, based on the relationship between the relative position information q _j and the candidate image H _j , the analysis candidate image group including n candidate images H _j that can be regarded as having a phase increment Δφ. G _k = {H _k , H _k1 ,..., H _{k (n−1)} } (where each subscript has a size of 1 to m, and the order of the sizes is k <k1 <. (N-1)) is selected. In the present embodiment, as in the first embodiment, an example of Δφ = π / 2 and n = 5 will be described as an example.
However, since the determination of the phase increment in this case is performed based on the relative position information q _j measured for each candidate image H _j , it is not necessary to calculate an approximate curve.

次に、波面測定装置５０Ａの動作について、本実施形態の波面測定方法を中心として説明する。
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る波面測定方法の測定フローを示すフローチャートである。 Next, the operation of the wavefront measuring apparatus 50A will be described focusing on the wavefront measuring method of the present embodiment.
FIG. 12 is a flowchart showing a measurement flow of the wavefront measuring method according to the second embodiment of the present invention.

本実施形態の波面測定装置５０Ａによれば、上記第１の実施形態の波面測定方法において、時系列上の位置情報ｉ、時系列画像Ｆ_ｉに代えて、相対位置情報ｑ_ｊ、候補画像Ｈ_ｊを用いることで、略同様にして、候補画像取得工程、解析候補画像群選出工程、波面算出工程、および波面選択工程を順次行って、被測定面５の波面を測定することができる。以下、図１２に示す測定フローに沿って、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。 According to the wavefront measuring apparatus 50A of the present embodiment, in the wavefront measuring method of the first embodiment, the relative position information q _j and the candidate image H are used instead of the time-series position information i and the time-series image F _i. By using _j , it is possible to measure the wavefront of the surface 5 to be measured by sequentially performing a candidate image acquisition step, an analysis candidate image group selection step, a wavefront calculation step, and a wavefront selection step. Hereinafter, the difference from the first embodiment will be mainly described along the measurement flow shown in FIG.

ステップＳ３１（候補画像取得工程）では、上記第１のステップＳ１と略同様にして、相対位置情報ｑ_ｊ、候補画像Ｈ_ｊを取得し、記憶部２３に記憶する。ただし、候補画像Ｈ_ｊの取得順序は、時系列順序と一致していなくてもよい。 In step S31 (candidate image acquisition step), the relative position information q _j and the candidate image H _j are acquired and stored in the storage unit 23 in substantially the same manner as in the first step S1. However, the acquisition order of the candidate images _Hj may not match the time series order.

ステップＳ３４は、解析候補画像群選出工程を構成している。
本工程は、候補画像取得工程で取得されたｍ個の候補画像Ｈ_ｊのうちから、被測定面５の形状を算出するための解析候補画像群Ｇ_ｋとして、位相増分Δφを有すると見なすことができる５個の候補画像Ｈ_ｋ、Ｈ_ｋ１、Ｈ_ｋ２、Ｈ_ｋ３、Ｈ_ｋ４の組を複数選出する工程である。 Step S34 constitutes an analysis candidate image group selection step.
This step is regarded as having the phase increment Δφ as the analysis candidate image group G _k for calculating the shape of the measurement target surface 5 from the m candidate images H _j acquired in the candidate image acquisition step. This is a step of selecting a plurality of sets of five candidate images H _k , H _k1 , H _k2 , H _k3 , and H _k4 that can be used.

ステップＳ３４では、解析候補画像群選出部２４Ａにより、相対位置情報ｑ_ｊに係数Ｄ＝４π／λをかけることで位相量に換算する。そして、解析候補画像群選出部２４Ａは、Ｄ・ｑ_ｋを位相０としたときに、Ｄ・ｑ_Ｍ（ただし、Ｍは、ｋ＋１≦Ｍ≦ｍの整数）の値が、π／２、π、３π／２、２πにそれぞれ最も近いＤ・ｑ_ｋ１，…，Ｄ・ｑ_ｋ４の値を算出し、波面算出に用いる解析候補画像群Ｇ_ｋ＝｛Ｈ_ｋ，Ｈ_ｋ１，Ｈ_ｋ２，Ｈ_ｋ３，Ｈ_ｋ４｝を選出する。
ここで、視覚的に確認できるように、横軸にｊ、縦軸にＤ・ｑ_ｊをプロットした位相変化曲線を表示部１１に表示してもよい。
ｋは、１から順次増大させて、選出可能な解析候補画像群Ｇ_ｋがすべて選出されるまで繰り返す。選出された各Ｇ_ｋの情報は、波面算出部２５に送出される。
以上で、解析候補画像群選出工程が終了する。 In step S34, the analysis candidate image group selection section 24A, is converted to the phase amount by the relative position information q _j multiplied by a coefficient D = 4π / λ. The analysis candidate image group selection unit 24A then sets D · q _M (where M is an integer of k + 1 ≦ M ≦ m) to π / 2, π, where D · q _k is phase 0. The values of D · q _k1 ,..., D · q _k4 that are closest to 3π / 2 and 2π are calculated, and the analysis candidate image group G _k = {H _k , H _k1 , H _k2 , H _k3 used for wavefront calculation. , H _k4 }.
Here, for visual confirmation, a phase change curve in which _j is plotted on the horizontal axis and D · q _j is plotted on the vertical axis may be displayed on the display unit 11.
k is sequentially increased from 1, and is repeated until all analysis candidate image groups _Gk that can be selected are selected. Elected information of each G _k are is sent to the wavefront calculation unit 25.
The analysis candidate image group selection process is thus completed.

次に、ステップＳ３５、Ｓ３６は、上記第１の実施形態のステップＳ５、Ｓ６で時系列画像Ｆ_ｉを候補画像Ｈ_ｊに代えた工程を行う。
以上で、本実施形態の波面測定方法による波面測定が終了する。 Next, step S35, S36 is a step for changing the time-series images _{F i} in the candidate image _{H j} in steps S5, S6 of the first embodiment.
Thus, the wavefront measurement by the wavefront measurement method of this embodiment is completed.

このように、本実施形態の波面測定装置５０Ａによれば、ｍ個の候補画像Ｈ_ｊのうちから複数組の解析候補画像群Ｇ_ｋを選出して各波面ｈ_ｋを算出し、この各波面ｈ_ｋの情報によって測定基準位置からの光軸方向の位置ずれ量の評価値が最小となる波面を求めるので、繰り返しの位置決め精度が劣るピエゾ素子８などの相対移動機構を用いても、高精度な面形状測定を行うことができる。
また、相対位置情報取得部である歪みゲージ８ａを備え、各候補画像Ｈ_ｊの位相差の情報を、歪みゲージ８ａによる測定値から求めることができるため、位相差が十分に小さい複数の候補画像が取得できるように駆動することができれば、駆動ピッチや、駆動順序などは変えることができる。このため、ピエゾ素子８を校正したり、ピエゾ素子８の移動量を計測してフィードバック制御したりすることなく、簡素な構成で、容易かつ高精度な測定を行うことができる。
また、ピエゾ素子８は、非線形性の程度が悪いものや非線形性のバラツキが大きいものでも採用することができるので、安価な素子を採用することができる。
また、解析候補画像群選出工程では、位相変化曲線を推定する演算を行わなくても、解析候補画像群を選出できるので、演算処理が簡素になる。 Thus, according to the wavefront measuring apparatus 50A of the present embodiment, a plurality of sets of analysis candidate image groups _Gk are selected from the m candidate images _Hj , and each wavefront _hk is calculated. Since the wavefront that minimizes the evaluation value of the positional deviation amount in the optical axis direction from the measurement reference position is obtained from the information of h _k , even if a relative movement mechanism such as a piezo element 8 with poor repeated positioning accuracy is used, high accuracy is obtained. Surface shape measurement can be performed.
Also includes a strain gauge 8a is relative position information acquisition unit, the information of the phase difference between the candidate image H _j, it is possible to determine from measurements by the strain gauges 8a, the phase difference is sufficiently small plurality of candidate images If it can drive so that can be acquired, a drive pitch, a drive order, etc. can be changed. For this reason, an easy and highly accurate measurement can be performed with a simple configuration without calibrating the piezo element 8 or performing feedback control by measuring the movement amount of the piezo element 8.
In addition, since the piezoelectric element 8 can be employed even if it has a low degree of nonlinearity or has a large variation in nonlinearity, an inexpensive element can be employed.
Further, in the analysis candidate image group selection step, the analysis candidate image group can be selected without performing the calculation for estimating the phase change curve, so that the calculation process is simplified.

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る波面測定装置について説明する。
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る波面測定装置の概略構成を示す模式構成図である。 [Third Embodiment]
A wavefront measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a wavefront measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention.

本実施形態の波面測定装置５０Ｂは、図１３に示すように、上記第１の実施形態の波面測定装置５０の干渉計５１に代えて、トワイマングリーン型の光学系からなる干渉計５２を備え、被検査レンズ系６１の透過波面を測定するようにしたものである。これに応じて、被検査レンズ系６１を用い、参照面としては被検査レンズ系６１のＮＡより大きいＮＡを有する参照球面６２を用いる。この場合、被検査レンズ系６１の被測定面は、被検査レンズ系６１の全レンズ面である。したがって、本実施形態は、被測定面が複数の場合の例となっている。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。 As shown in FIG. 13, the wavefront measuring apparatus 50B of the present embodiment includes an interferometer 52 made of a Twiman Green type optical system in place of the interferometer 51 of the wavefront measuring apparatus 50 of the first embodiment. The transmitted wavefront of the lens system 61 to be inspected is measured. Accordingly, the lens system 61 to be inspected is used, and a reference spherical surface 62 having a NA larger than that of the lens system 61 to be inspected is used as a reference surface. In this case, the surfaces to be measured of the lens system 61 to be inspected are all lens surfaces of the lens system 61 to be inspected. Therefore, this embodiment is an example in the case where there are a plurality of surfaces to be measured.
Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.

干渉計５２は、干渉計５１において、コリメートレンズ２で平行光とされた平行光３０ａのうち、ビームスプリッタ３を透過する光路上に、高精度な平面反射面からなる参照平面６０を配置し、参照平面６０で反射された反射光３０ｆ（参照光）が、ビームスプリッタ３で反射されて集光レンズ６に向かうようにしたものである。
一方、コリメートレンズ２からビームスプリッタ３に向かう平行光３０ａのうち、ビームスプリッタ３で反射された光の光路上には、ビームスプリッタ３に近い側から、被検査レンズ系６１、参照球面６２（曲面からなる参照面）がこの順に配置されている。
参照球面６２は、調整ステージ１２上に設けられたピエゾ素子８によって、光軸方向に移動可能に支持されている。 The interferometer 52 arranges a reference plane 60 composed of a high-precision plane reflecting surface on the optical path that transmits the beam splitter 3 out of the parallel light 30a that has been converted into parallel light by the collimator lens 2 in the interferometer 51, The reflected light 30 f (reference light) reflected by the reference plane 60 is reflected by the beam splitter 3 and travels toward the condenser lens 6.
On the other hand, on the optical path of the light reflected by the beam splitter 3 out of the parallel light 30a from the collimator lens 2 toward the beam splitter 3, a lens system 61 to be inspected, a reference spherical surface 62 (curved surface) from the side close to the beam splitter 3 Are arranged in this order.
The reference spherical surface 62 is supported by the piezo element 8 provided on the adjustment stage 12 so as to be movable in the optical axis direction.

このような波面測定装置５０Ｂによれば、レーザー光源１から出射された発散光は、コリメータレンズ２により平行光３０ａとされ、ビームスプリッタ３によって、参照平面６０に向かって透過される透過光成分と、被検査レンズ系６１に向かって反射される反射光成分とに分割される。
平行光３０ａの透過光成分は参照平面６０で反射され光路を逆進して、ビームスプリッタ３に到達する。一方、平行光３０ａの反射光成分は、被検査レンズ系６１の焦点で結像された後、発散して参照球面６２に到達して反射され、被検査レンズ系６１に再入射する。
ここで、測定基準位置である被検査レンズ系６１の焦点位置と参照球面６２の曲率中心を一致する位置では、参照球面６２での反射光は光路を逆進し、被検査レンズ系６１を透過してビームスプリッタ３に向かう平行光３０ｅ（測定光）として出射される。
そして、ビームスプリッタ３で反射された反射光３０ｆと、ビームスプリッタ３を透過した平行光３０ｅとは、干渉計５２の光軸上に合成されて干渉縞を形成し、集光レンズ６によって集光されて、ＣＣＤ７の撮像面７ａ上で干渉縞が投影される。
この干渉縞は、被検査レンズ系６１を２度透過することで、波面収差を有する平行光３０ｅと、波面収差を有しない参照光である反射光３０ｆとによって形成されるため、被検査レンズ系６１内の各被測定面の面形状の誤差等に対応した波面収差を表す干渉縞となっている。 According to such a wavefront measuring apparatus 50B, the divergent light emitted from the laser light source 1 is converted into the parallel light 30a by the collimator lens 2, and the transmitted light component transmitted toward the reference plane 60 by the beam splitter 3 Then, it is divided into reflected light components reflected toward the lens system 61 to be inspected.
The transmitted light component of the parallel light 30 a is reflected by the reference plane 60, travels backward in the optical path, and reaches the beam splitter 3. On the other hand, the reflected light component of the parallel light 30 a is imaged at the focal point of the lens system 61 to be inspected, diverges, reaches the reference spherical surface 62, is reflected, and reenters the lens system 61 to be inspected.
Here, at a position where the focal position of the lens system 61 to be inspected, which is the measurement standard position, coincides with the center of curvature of the reference spherical surface 62, the reflected light from the reference spherical surface 62 travels backward through the optical path and passes through the lens system 61 to be inspected. Then, the light is emitted as parallel light 30e (measurement light) toward the beam splitter 3.
Then, the reflected light 30 f reflected by the beam splitter 3 and the parallel light 30 e transmitted through the beam splitter 3 are combined on the optical axis of the interferometer 52 to form interference fringes, and are collected by the condenser lens 6. Then, interference fringes are projected on the imaging surface 7a of the CCD 7.
The interference fringes are formed by the parallel light 30e having wavefront aberration and the reflected light 30f, which is reference light having no wavefront aberration, by being transmitted twice through the lens system 61 to be inspected. Interference fringes representing wavefront aberration corresponding to errors in the surface shape of each surface to be measured in 61.

本実施形態による波面測定方法は、調整ステージ１２によって、上記第１の実施形態と同様に、参照球面６２と被検査レンズ系６１との光軸方向および光軸に直交する方向の位置合わせを行った後、測定制御部１０、ピエゾ素子コントローラ９によってピエゾ素子８を伸縮させ、参照球面６２を測定開始位置から光軸方向に移動して、上記第１の実施形態と同様に、図３に示す測定フローに沿って、候補画像取得工程、解析候補画像群選出工程、波面算出工程、および波面選択工程を順次行う。
本実施形態の波面測定方法は、上記第１の実施形態が被測定面５を固定しピエゾ素子８でフィゾー面４ａを移動させることで、被測定面と参照面との間の相対移動を行った例であるのに対して、本実施形態は被検査レンズ系６１を固定し、ピエゾ素子８で参照球面６２を移動させることで、被測定面と参照面との間の相対移動を行う例になっている点が異なるのみである。したがって、各工程の詳細は、上記第１の実施形態から容易に理解されるため説明を省略する。 In the wavefront measuring method according to the present embodiment, the adjustment stage 12 aligns the reference spherical surface 62 and the lens system 61 to be inspected in the optical axis direction and the direction orthogonal to the optical axis, as in the first embodiment. After that, the piezo element 8 is expanded and contracted by the measurement control unit 10 and the piezo element controller 9, and the reference spherical surface 62 is moved in the optical axis direction from the measurement start position, and as shown in FIG. A candidate image acquisition process, an analysis candidate image group selection process, a wavefront calculation process, and a wavefront selection process are sequentially performed along the measurement flow.
The wavefront measuring method of the present embodiment performs relative movement between the measured surface and the reference surface by fixing the measured surface 5 and moving the Fizeau surface 4a by the piezo element 8 in the first embodiment. In this embodiment, the lens system 61 to be inspected is fixed, and the reference spherical surface 62 is moved by the piezo element 8 so that the relative movement between the measured surface and the reference surface is performed. The only difference is that Therefore, the details of each process are easily understood from the first embodiment, and the description thereof is omitted.

このように本実施形態の波面測定装置５０Ｂによれば、トワイマングリーン型干渉計を用いて、被検査レンズ系６１の透過波面を測定できる。そして、透過波面についても、上記第１の実施形態と同様に、繰り返しの位置決め精度が劣るピエゾ素子８などの相対移動機構を用いても、高精度な波面測定を行うことができる。   As described above, according to the wavefront measuring apparatus 50B of the present embodiment, the transmitted wavefront of the lens system 61 to be inspected can be measured using the Twiman Green interferometer. As for the transmitted wavefront, highly accurate wavefront measurement can be performed using a relative movement mechanism such as the piezo element 8 with poor repeated positioning accuracy as in the first embodiment.

なお、上記の説明では、干渉計として、フィゾー型干渉計、トワイマングリーン型干渉計を用いた例で説明したが、位相シフトされた干渉縞画像が取得できれば、干渉計の種類は、これらの干渉計には限定されない。例えば、マッハツェンダー型干渉計などを好適に採用することができる。   In the above description, an example using a Fizeau interferometer or a Twiman Green interferometer has been described as an interferometer. It is not limited to an interferometer. For example, a Mach-Zehnder interferometer can be preferably used.

また、上記の説明では、波面選択工程において、光軸方向の位置ずれ量の評価値として、式（４）によってΔＺを求めるとして説明したが、この場合には、｜ΔＺ｜は、係数Ｃ_３に比例するので、位置ずれ量ΔＺの値を必要としない場合には、係数Ｃ_３そのものを｜ΔＺ｜の評価値として、波面選択部２６によって式（４）の演算を行わないようにしてもよい。 In the above description, in the wavefront selection step, ΔZ is obtained as an evaluation value of the amount of positional deviation in the optical axis direction using Equation (4). However, in this case, | ΔZ | is a coefficient C _3. Therefore, if the value of the positional deviation amount ΔZ is not required, the coefficient C ₃ itself is used as the evaluation value of | ΔZ | so that the calculation of the equation (4) is not performed by the wavefront selection unit 26. Good.

また、上記の説明では、位置ずれ量を、式（１）で波面を近似したときのパワー成分である係数Ｃ_３を用いた式（４）によって評価したが、位置ずれ量の評価はこれには限定されない。
例えば、特許第２９５１３６６号公報に開示された技術（同文献の式（１）、（２）参照）を用いて、波面を下記式（９）で近似し、デフォーカス量を表す係数である（２Ｃ_３−６Ｃ_８）を位置ずれ量の評価値として採用してもよい。 In the above description, the positional deviation amount, was evaluated by the equation (4) using the coefficients C ₃ is the power component when approximating the wave front by the formula (1), evaluation of the positional deviation amount to Is not limited.
For example, using the technique disclosed in Japanese Patent No. 2951366 (see the equations (1) and (2) of the same document), the wavefront is approximated by the following equation (9) and is a coefficient representing the defocus amount ( 2C ₃ -6C ₈ ) may be adopted as the evaluation value of the positional deviation amount.

ただし、（ρ，θ）は、Ｘ＝ρｃｏｓθ、Ｙ＝ρｓｉｎθと表した場合の極座標である。   However, (ρ, θ) is polar coordinates when X = ρ cos θ and Y = ρ sin θ.

また、上記の説明では、波面算出工程で、ｎ＝５のいわゆる５バケット法を用いて算出する場合の例で説明したが、ｎ＝７，９，１３とした７バケット法、９バケット法、１３バケット法を採用してもよい。また、ｎが３以上であれば、フリンジスキャン法で用いられる周知の算出方法はすべて同様に採用することができる。   In the above description, the wavefront calculation step has been described using an example of calculation using a so-called five-bucket method with n = 5. However, a seven-bucket method, a nine-bucket method with n = 7, 9, and 13, A 13-bucket method may be employed. If n is 3 or more, all known calculation methods used in the fringe scanning method can be similarly employed.

また、上記の説明では、解析候補画像群選出工程によって、すべての解析候補画像群を選出してから、波面算出工程を行って、各解析候補画像群の波面を算出するとして説明したが、これらの工程は、一部の候補画像ごとに反復してもよい。例えば、第１の実施形態の例では、まず、ｋ＝１として、解析候補画像群Ｇ_１を選出し、Ｇ_１の波面ｈ_１を算出し、これを、ｋ＝２，…，２０まで繰り返すことで、ｋごとに解析候補画像群選出工程、波面算出工程を繰り返し、最後に波面選択工程を行ってもよい。
また、波面ｈ_ｋ（ただし、ｋ≧２）の算出後に、ΔＺ_ｋ−１とΔＺ_ｋとを比較して、予め設定した適宜の極小値判定基準によりΔＺ_ｋまでの算出値のいずれか、例えば、ΔＺ_Ｋ（ただし１＜Ｋ＜ｋ）が極小値と判定されたら、その波面ｈ_Ｋを波面ｈとするようにしてもよい。この場合、ｋごとに解析候補画像群選出工程、波面算出工程、波面選択工程を繰り返していることになる。 In the above description, the analysis candidate image group selection process has been described as selecting all analysis candidate image groups and then performing the wavefront calculation process to calculate the wavefront of each analysis candidate image group. This process may be repeated for some candidate images. For example, in the example of the first embodiment, first, as k = 1, elected analyzes candidate image group _{G 1,} and calculates the wavefront _{h 1} of _{G 1,} this, k = 2, ..., repeated up to 20 Thus, the analysis candidate image group selection step and the wavefront calculation step may be repeated for each k, and finally the wavefront selection step may be performed.
Further, after calculating the wavefront h _k (where k ≧ 2), ΔZ _k−1 and ΔZ _k are compared, and any one of the calculated values up to ΔZ _k according to a predetermined minimum value determination criterion, for example, , ΔZ _K (where 1 <K <k) is determined to be a minimum value, the wavefront h _K may be set as the wavefront h. In this case, the analysis candidate image group selection process, the wavefront calculation process, and the wavefront selection process are repeated for each k.

また、上記の説明では、相対位置情報取得部として、歪みゲージ８ａを用いた場合の例で説明したが、相対位置情報取得部は、被測定面の光軸方向移動量を検出できれば、これに限定されない。例えば、静電容量センサ、ガラススケール、レーザー測長器などを採用してもよい。   In the above description, the example in which the strain gauge 8a is used as the relative position information acquisition unit has been described. However, if the relative position information acquisition unit can detect the movement amount in the optical axis direction of the measurement surface, It is not limited. For example, a capacitance sensor, a glass scale, a laser length measuring device, or the like may be employed.

また、上記の説明では、干渉計は、一例として、凹面を被測定面として用いる場合のフィゾー型干渉計の構成で説明したが、凸面や平面を被測定面とする場合の干渉計の配置、構成は周知であり、本発明の波面測定方法は、いずれの場合にも用いることができる。   In the above description, the interferometer has been described as an example of the configuration of the Fizeau interferometer when the concave surface is used as the measurement surface, but the arrangement of the interferometer when the convex surface or the plane is the measurement surface, The configuration is well known, and the wavefront measuring method of the present invention can be used in any case.

また、上記第１の実施形態の説明では、位相変化を算出する近似式として、式（５）、（６）を用いる場合の例で説明したが、これらは一例であり、光学素子移動機構の移動特性に応じて、適宜の関数形を有する近似式を採用することができる。例えば、式（５）をｉに関して２次以下、あるいは４次以上の近似式としてもよいし、式（５）、（６）を１つの近似式で表すようにしてもよい。   In the description of the first embodiment, the example in which the equations (5) and (6) are used as the approximate equations for calculating the phase change has been described. However, these are examples, and the optical element moving mechanism An approximate expression having an appropriate function shape can be employed depending on the movement characteristics. For example, the expression (5) may be an approximation expression of the second order or lower order or the fourth order or more with respect to i, and the expressions (5) and (6) may be expressed by one approximation expression.

また、上記の説明では、相対移動機構として、圧電素子であるピエゾ素子８を用いた場合の例で説明したが、少なくとも使用波長の１〜２波長程度の範囲で光学素子を微小量ずつ移動できれば、圧電素子には限定されない。   In the above description, the example in which the piezoelectric element 8 that is a piezoelectric element is used as the relative movement mechanism has been described. However, if the optical element can be moved by a minute amount at least in the range of about 1 to 2 wavelengths of the used wavelength. The piezoelectric element is not limited.

本発明の第１の実施形態に係る波面測定装置の概略構成を示す模式構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a wavefront measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施形態に係る波面測定装置の制御手段の機能構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the function structure of the control means of the wavefront measuring apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係る波面測定方法の測定フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the measurement flow of the wavefront measuring method which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係る波面測定方法の候補画像取得工程の動作について説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining operation | movement of the candidate image acquisition process of the wavefront measuring method which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係る波面測定方法の候補画像取得工程で取得された候補画像の模式図であるIt is a schematic diagram of the candidate image acquired at the candidate image acquisition process of the wavefront measuring method according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施形態に係る波面測定方法の候補画像取得工程における近似曲線の一例を示す模式的なグラフである。It is a typical graph which shows an example of the approximated curve in the candidate image acquisition process of the wavefront measuring method which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係る波面測定方法の解析候補画像群選出工程の解析候補画像群の一例および他例の選出方法について説明するための模式的なグラフである。It is a typical graph for demonstrating the selection method of an example of the analysis candidate image group of the analysis candidate image group selection process of the wavefront measuring method which concerns on the 1st Embodiment of this invention, and another example. 解析候補画像群ごとに算出され、表示部に表示された波面の例を示す。The example of the wavefront calculated for every analysis candidate image group and displayed on the display part is shown. 光軸方向の位置ずれ量ΔＺを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating position shift amount (DELTA) Z of an optical axis direction. 本発明の第２の実施形態に係る波面測定装置の概略構成を示す模式構成図である。It is a schematic block diagram which shows schematic structure of the wavefront measuring apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態に係る波面測定装置の制御手段の機能構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the function structure of the control means of the wavefront measuring apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態に係る波面測定方法の測定フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the measurement flow of the wavefront measuring method which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態に係る波面測定装置の概略構成を示す模式構成図である。It is a schematic block diagram which shows schematic structure of the wavefront measuring apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ レーザー光源
２ コリメートレンズ
３ ビームスプリッタ
４ フィゾーレンズ
４ａ フィゾー面（曲面からなる参照面）
５ 被測定面
６ 集光レンズ
７ ＣＣＤ（撮像部）
７ａ 撮像面
８ ピエゾ素子（相対移動機構）
９ ピエゾ素子コントローラ（圧電素子駆動部）
１０ 測定制御部
２１ 候補画像取得部
２２ 移動制御部
２３ 記憶部
２４ 解析候補画像群選出部
２５ 波面算出部
２６ 波面選択部
３０ａ 平行光（同一の光束）
３０ｂ 透過光
３０ｃ 被測定面反射光（測定光）
３０ｄ 参照面反射光（参照光）
３０ｅ 平行光（測定光）
３０ｆ 反射光
５０、５０Ａ、５０Ｂ 波面測定装置
５１、５２ 干渉計
６１ 被検査レンズ系
６２ 参照球面（曲面からなる参照面）
Ｆ_ｉ 時系列画像（候補画像）
Ｇ_ｋ 解析候補画像群
Ｈ_ｉ、Ｈ_ｊ 候補画像
ｈ、ｈ_ｋ 波面
ΔＺ 位置ずれ量 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser light source 2 Collimating lens 3 Beam splitter 4 Fizeau lens 4a Fizeau surface (reference surface which consists of curved surfaces)
5 Measurement surface 6 Condensing lens 7 CCD (imaging unit)
7a Imaging surface 8 Piezo element (relative movement mechanism)
9 Piezo element controller (piezo element drive unit)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Measurement control part 21 Candidate image acquisition part 22 Movement control part 23 Storage part 24 Analysis candidate image group selection part 25 Wavefront calculation part 26 Wavefront selection part 30a Parallel light (same light beam)
30b Transmitted light 30c Measurement surface reflected light (measurement light)
30d Reference surface reflected light (reference light)
30e Parallel light (measurement light)
30f Reflected light 50, 50A, 50B Wavefront measuring device 51, 52 Interferometer 61 Inspected lens system 62 Reference spherical surface (reference surface comprising a curved surface)
_Fi time-series images (candidate images)
_Gk analysis candidate image group H _i , H _j candidate image h, h _k wavefront ΔZ position shift amount

Claims (7)

同一の光束を、曲面からなる被測定面で反射または透過される測定光と、該測定光と干渉させる参照光とに分割し、曲面からなる参照面によって前記参照光および前記測定光のいずれかの波面を変換して、前記測定光と前記参照光とにより干渉縞を形成し、前記被測定面と前記参照面とを光軸方向に相対移動して、一定の位相増分を有すると見なすことができるｎ個（ｎは３以上の整数）の干渉縞画像を取得し、該ｎ個の干渉縞画像を用いて前記測定光の波面を測定する波面測定方法であって、
前記被測定面および前記参照面の光軸方向の相対位置を、前記干渉縞の縞本数が最小となる光軸方向の測定基準位置が含まれる範囲で、前記測定光および前記参照光の位相差が前記一定の位相増分よりも細かいピッチで変化するように移動させて、前記相対位置の情報と前記ｎ個の干渉縞画像の候補となるｍ個（ｍはｎより大きい整数）の候補画像とを取得する候補画像取得工程と、
該候補画像取得工程で取得された前記ｍ個の候補画像のうちから、前記測定光の波面を算出するための解析候補画像群として、前記一定の位相増分を有すると見なすことができるｎ個の候補画像の組を複数選出する解析候補画像群選出工程と、
該解析候補画像群選出工程で選出された前記複数組の解析候補画像群をそれぞれ解析して、各組の解析候補画像群に応じた波面を算出する波面算出工程と、
該波面算出工程で算出された各波面の情報から、前記各解析候補画像群の取得位置の前記測定基準位置からの光軸方向の位置ずれ量を評価し、該位置ずれ量の評価値が最小となる波面を、前記測定光の波面として選択する波面選択工程とを備えることを特徴とする波面測定方法。 The same light beam is divided into measurement light that is reflected or transmitted by a measurement surface made of a curved surface and reference light that interferes with the measurement light, and either the reference light or the measurement light is divided by a curved reference surface. The measurement light and the reference light are used to form interference fringes, and the measured surface and the reference surface are moved relative to each other in the optical axis direction to be regarded as having a constant phase increment. A wavefront measuring method of acquiring n (n is an integer of 3 or more) interference fringe images and measuring the wavefront of the measurement light using the n interference fringe images,
The relative position of the measurement surface and the reference surface in the optical axis direction is within a range including the measurement reference position in the optical axis direction in which the number of fringes of the interference fringes is minimized, and the phase difference between the measurement light and the reference light Is moved at a pitch finer than the certain phase increment, and the relative position information and m candidate images (m is an integer greater than n) that are candidates for the n interference fringe images, A candidate image acquisition step of acquiring
Of the m candidate images acquired in the candidate image acquisition step, n analysis candidate images for calculating the wavefront of the measurement light can be regarded as having n constant phase increments. An analysis candidate image group selection step of selecting a plurality of sets of candidate images;
Analyzing the plurality of sets of analysis candidate images selected in the analysis candidate image group selection step, respectively, and calculating a wavefront according to each set of analysis candidate images,
From the information of each wavefront calculated in the wavefront calculating step, the positional deviation amount in the optical axis direction from the measurement reference position of the acquisition position of each analysis candidate image group is evaluated, and the evaluation value of the positional deviation amount is the minimum And a wavefront selection step of selecting a wavefront as a wavefront of the measurement light. 前記波面選択工程では、
前記波面算出工程で算出された前記各波面を次式で表される２次式で近似し、該２次式の２次項の係数の大きさから、前記位置ずれ量を評価することを特徴とする請求項１に記載の波面測定方法。
Ｚ（Ｘ，Ｙ）＝Ｃ_０＋Ｃ_１・Ｘ＋Ｃ_２・Ｙ＋Ｃ_３・（Ｘ^２＋Ｙ^２） ・・・（１）
ここで、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、光軸方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直角座標系における波面の座標値であり、Ｃ_０は定数項、Ｃ_１、Ｃ_２は１次項、Ｃ_３は２次項の近似係数である。 In the wavefront selection step,
Each wavefront calculated in the wavefront calculating step is approximated by a quadratic expression expressed by the following equation, and the positional deviation amount is evaluated from the magnitude of the coefficient of the quadratic term of the quadratic equation. The wavefront measuring method according to claim 1.
Z (X, Y) = C ₀ + C ₁ · X + C ₂ · Y + C ₃ · (X ² + Y ² ) (1)
Here, (X, Y, Z) is the coordinate value of the wavefront in the XYZ rectangular coordinate system in which the optical axis direction is the Z-axis direction, C ₀ is a constant term, C ₁ and C ₂ are primary terms, and C ₃ Is an approximation coefficient of a quadratic term. 前記候補画像取得工程では、
前記光軸方向の相対位置を一方向に向けて変化させつつ、一定のサンプリング周期で時系列の前記候補画像を取得し、前記相対位置の情報は、前記時系列上の位置情報として取得し、
前記解析候補画像群選出工程では、
前記一定の位相増分を有すると見なすことができる複数の候補画像を、前記時系列の候補画像の一定位置の干渉縞の輝度変化から前記時系列上の位置情報と位相との関係を推定する演算を行って選ぶようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の波面測定方法。 In the candidate image acquisition step,
While changing the relative position in the optical axis direction in one direction, acquiring the candidate images in time series at a constant sampling period, the information on the relative position is acquired as position information on the time series,
In the analysis candidate image group selection step,
An operation for estimating a relationship between position information on the time series and a phase from a plurality of candidate images that can be regarded as having the constant phase increment from a luminance change of interference fringes at a fixed position of the time series candidate images. The wavefront measuring method according to claim 1, wherein the wavefront measuring method is selected by performing. 前記候補画像取得工程では、
前記光軸方向の相対位置を変化させつつ該光軸方向の相対位置を測定することにより、前記相対位置の情報および前記候補画像を取得し、
前記解析候補画像群選出工程では、
前記一定の位相増分を有すると見なすことができる複数の候補画像を、前記測定された相対位置の情報に基づいて選ぶようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の波面測定方法。 In the candidate image acquisition step,
By measuring the relative position in the optical axis direction while changing the relative position in the optical axis direction, the information on the relative position and the candidate image are obtained,
In the analysis candidate image group selection step,
3. The wavefront measuring method according to claim 1, wherein a plurality of candidate images that can be regarded as having the constant phase increment are selected based on information on the measured relative positions. 前記一定の位相増分はπ／２、前記ｎは５であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の波面測定方法。   The wavefront measurement method according to claim 1, wherein the constant phase increment is π / 2 and the n is 5. 同一の光束を、曲面からなる被測定面で反射または透過される測定光と、該測定光と干渉させる参照光とに分割し、曲面からなる参照面によって前記参照光および前記測定光のいずれかの波面を変換して、前記測定光と前記参照光とにより干渉縞を形成させ、一定の位相増分を有すると見なすことができるｎ個（ｎは３以上の整数）の干渉縞画像を取得する干渉計を有し、該干渉計で取得された前記ｎ個の干渉縞画像を用いて測定光の波面を測定する波面測定装置であって、
前記被測定面および前記参照面の光軸方向の相対位置を、前記干渉縞の縞本数が最小となる光軸方向の測定基準位置が含まれる範囲で、前記測定光および前記参照光の位相差が前記一定の位相増分よりも細かいピッチで変化するように移動させる相対移動機構と、
該相対移動機構から、前記相対位置の情報を取得する相対位置情報取得部と、
前記干渉計から、前記ｎ個の干渉縞画像の候補となるｍ個（ｍはｎより大きい整数）の候補画像を取得する候補画像取得部と、
前記相対位置情報取得部および前記候補画像取得部によって取得された前記相対位置の情報および前記ｍ個の候補画像を互いに関連づけて記憶する記憶部と、
該記憶部に記憶された前記相対位置の情報および前記ｍ個の候補画像のうちから、前記測定光の波面を算出するための解析候補画像群として、前記一定の位相増分を有すると見なすことができるｎ個の候補画像の組を複数選出する解析候補画像群選出部と、
該解析候補画像群選出部で選出された前記複数組の解析候補画像群をそれぞれ解析して、各組の解析候補画像群に応じた波面を算出する波面算出部と、
該波面算出部で算出された各波面の情報から、前記各解析候補画像群の取得位置の前記測定基準位置からの光軸方向の位置ずれ量を評価し、該位置ずれ量の評価値が最小となる波面を、前記測定光の波面として選択する波面選択部とを備えることを特徴とする波面測定装置。 The same light beam is divided into measurement light that is reflected or transmitted by a measurement surface made of a curved surface and reference light that interferes with the measurement light, and either the reference light or the measurement light is divided by a curved reference surface. Are obtained, and interference fringes are formed by the measurement light and the reference light, and n interference fringe images (n is an integer of 3 or more) that can be regarded as having a constant phase increment are obtained. A wavefront measuring apparatus having an interferometer and measuring a wavefront of measurement light using the n interference fringe images acquired by the interferometer,
The relative position of the measurement surface and the reference surface in the optical axis direction is within a range including the measurement reference position in the optical axis direction in which the number of fringes of the interference fringes is minimized, and the phase difference between the measurement light and the reference light A relative movement mechanism that moves so as to change at a pitch finer than the constant phase increment;
A relative position information acquisition unit that acquires information of the relative position from the relative movement mechanism;
A candidate image acquisition unit that acquires m (m is an integer greater than n) candidate images that are candidates for the n interference fringe images from the interferometer;
A storage unit for storing the relative position information acquired by the relative position information acquisition unit and the candidate image acquisition unit and the m candidate images in association with each other;
From among the information on the relative position and the m candidate images stored in the storage unit, the analysis candidate image group for calculating the wavefront of the measurement light may be regarded as having the constant phase increment. An analysis candidate image group selection unit for selecting a plurality of n candidate image sets,
Analyzing the plurality of sets of analysis candidate images selected by the analysis candidate image group selection unit, and calculating a wavefront according to each set of analysis candidate images,
From the information of each wavefront calculated by the wavefront calculator, the positional deviation amount in the optical axis direction from the measurement reference position of the acquisition position of each analysis candidate image group is evaluated, and the evaluation value of the positional deviation amount is the minimum And a wavefront selection unit that selects a wavefront as a wavefront of the measurement light. 前記波面選択部は、
前記波面算出部で算出された前記各波面を次式で表される２次式で近似し、該２次式の２次項の係数の大きさから、前記位置ずれ量を評価することを特徴とする請求項６に記載の波面測定装置。
Ｚ（Ｘ，Ｙ）＝Ｃ_０＋Ｃ_１・Ｘ＋Ｃ_２・Ｙ＋Ｃ_３・（Ｘ^２＋Ｙ^２） ・・・（１）
ここで、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、光軸方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直角座標系における波面の座標値であり、Ｃ_０は定数項、Ｃ_１、Ｃ_２は１次項、Ｃ_３は２次項の近似係数である。 The wavefront selector is
Each wavefront calculated by the wavefront calculating unit is approximated by a quadratic expression expressed by the following equation, and the positional deviation amount is evaluated from the magnitude of the coefficient of the quadratic term of the quadratic equation. The wavefront measuring apparatus according to claim 6.
Z (X, Y) = C ₀ + C ₁ · X + C ₂ · Y + C ₃ · (X ² + Y ² ) (1)
Here, (X, Y, Z) is the coordinate value of the wavefront in the XYZ rectangular coordinate system in which the optical axis direction is the Z-axis direction, C ₀ is a constant term, C ₁ and C ₂ are primary terms, and C ₃ Is an approximation coefficient of a quadratic term.

Images