JP5988643B2 - 計測装置、計測方法及び光学部品の製造方法 - Google Patents

計測装置、計測方法及び光学部品の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、光を用いて被検物の表面形状や波面収差を計測するのに用いる計測装置及び計測方法並びにこの計測方法を用いた光学部品の製造方法に関するものである。
従来、高精度な光学部品の形状計測、波面収差計測には光を用いた計測方法が一般に用いられている。高精度な形状や非球面形状の加工では光学素子形状を計測して設計形状との差を求め、そのデータを用いて修正加工することが必要である。近年、形状精度は高精度化し非球面光学素子の非球面量は大きくなる傾向にある。また自由曲面光学素子も使われている。このような光学素子の表面形状、波面収差の計測方法としてシャック・ハルトマン法が知られている（特許文献１，２参照）。
図１２は、従来の計測装置の一例としての表面形状計測装置の概略構成を示す説明図である。図１２において、光源１から出射される出射光はコリメートされている。コリメートされた平面波２はビームスプリッタ３で折り曲げられ、対物レンズ４に入射する。入射した平面波２は対物レンズ４により集光され、球面波５となる。球面波５はアパーチャー６を通過し、被検面７で反射される。被検面７で反射した光は再びアパーチャー６及び対物レンズ４を順次通過して平面波に変換される。
しかし被検面７の形状が球面からずれていると、対物レンズ４を通過した波面は球面からの差分により平面波からずれた波面９となる。この波面９はビームスプリッタ３を通過し、マイクロレンズアレイ１０で集光されてＣＣＤイメージセンサ等の撮像素子１１で光スポットとして検出される。
この撮像素子１１により生成された光スポットの位置情報を含む撮像画像は、フレームグラバー１２を経由してコンピュータ１３に取り込まれる。コンピュータ１３は、取り込んだ光スポットを光像として含む撮像画像から光スポットを抽出し、それぞれの光スポットの重心位置を計算する。
コンピュータ１３は、計算した光スポットの重心位置と、予め基準となる球面波を用いて取得しておいた光スポットの基準位置とを比較する。そして、コンピュータ１３は、この光スポットの基準位置に対する重心位置の移動量（ずれ量）により、被検面７の形状と基準球面波の差分形状を求める。１つの光スポット移動量は１つのマイクロレンズで集光される被検面７の領域の傾斜と基準球面波の傾斜の差分である。したがって全マイクロレンズにわたり積分することで、被検面７全面の球面からの形状誤差を求めることができる。
なお、被検物の波面収差を計測する際には、被検物に光を照射し、その透過光をマイクロレンズアレイで集光して、光スポットの位置を検出し、光スポットの基準位置に対する検出位置のずれ量により、被検物の波面収差を求める。
米国特許第６７５０９５８号明細書 特開２００３−３２２５８７号公報
しかしながら、上記特許文献１，２に記載のシャック・ハルトマン法を用いて被検物の表面形状を計測する場合、被検物がレンズなど測定光を透過する物質であると、被検面からの反射光（信号光成分）以外に、被検物の裏面から反射光（不要光成分）が発生する。図１２の例では、被検物の裏面８からの反射光が不要光成分となる。また、上記特許文献１，２に記載のシャック・ハルトマン法を用いて被検物の波面収差を計測する場合、被検物をそのまま透過した透過光（信号光成分）以外に、被検物の内部で多重反射した多重反射光（不要光成分）が発生する。
これら信号光成分及び不要光成分がマイクロレンズアレイを通過することで、撮像素子上には信号光スポット及び不要光スポットが形成される。このため、取得した撮像画像より基準位置に対する信号光スポットのずれ量をコンピュータで計算する場合、不要光スポットが信号光スポットと重なり位置検出精度が劣化するという問題があった。
そこで、本発明は、不要光成分の影響を除去し、被検物の表面形状や波面収差等の光学的特性を高精度に計測することを目的とするものである。
本発明の計測装置は、光を出射する光源と、前記光源から出射された出射光を、被検物に照射する測定光と前記被検物に照射しない参照光とに分離する分離光学系と、前記被検物を経た前記測定光を結像面にそれぞれ集光する複数のレンズからなるレンズアレイと、前記結像面に配置された撮像素子と、前記参照光を前記結像面に導光する参照光光学系と、前記光源から前記レンズアレイに至る前記測定光の光路長、前記光源から前記レンズアレイに至る前記参照光の光路長、及び前記光源の波長幅のうち、少なくとも１つの調整対象を、前記被検物を経た前記測定光に含まれる信号光成分と前記参照光とが干渉する範囲を含むように変化させる調整部と、前記調整部により前記調整対象を変化させて前記撮像素子から順次取得した複数の撮像画像の中から、前記信号光成分と前記参照光との干渉で生じる干渉光スポットを抽出して、該干渉光スポットの重心位置を計算し、予め定めた基準位置に対する前記重心位置のずれ量を計算する計算部と、を備え、前記分離光学系は、偏波面が互いに直交するように前記測定光と前記参照光とに分離し、前記参照光光学系は、偏光方位が前記参照光と直交しかつ前記測定光と平行となるよう、前記レンズアレイの光入射側に配置され、前記参照光を回折させて前記レンズアレイの前記各レンズに照射する複数のピンホールが形成された直線偏光板を有することを特徴とする。
また、本発明の計測方法は、光を出射する光源と、前記光源から出射された出射光を、被検物に照射する測定光と前記被検物に照射しない参照光とに分離する分離光学系と、前記被検物を経た前記測定光を結像面にそれぞれ集光する複数のレンズからなるレンズアレイと、前記結像面に配置された撮像素子と、前記参照光を前記結像面に導光する参照光光学系と、を有する計測装置を用いた計測方法において、前記分離光学系は、偏波面が互いに直交するように前記測定光と前記参照光とに分離し、前記参照光光学系は、偏光方位が前記参照光と直交しかつ前記測定光と平行となるよう、前記レンズアレイの光入射側に配置され、前記参照光を回折させて前記レンズアレイの前記各レンズに照射する複数のピンホールが形成された直線偏光板を有しており、前記光源から前記レンズアレイに至る前記測定光の光路長、前記光源から前記レンズアレイに至る前記参照光の光路長、及び前記光源の波長幅のうち、少なくとも１つの調整対象を、前記被検物を経た前記測定光に含まれる信号光成分と前記参照光とが干渉する範囲を含むように変化させる調整工程と、前記調整工程により前記調整対象を変化させながら、前記撮像素子から複数の撮像画像を順次取得する撮像工程と、前記複数の撮像画像の中から、前記信号光成分と前記参照光との干渉で生じる干渉光スポットを抽出する抽出工程と、前記干渉光スポットの重心位置を計算し、予め定めた基準位置に対する前記重心位置のずれ量を計算する計算工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、被検物を経た測定光に含まれる信号光成分と参照光とを干渉させた干渉光スポットは、信号光成分の光スポットよりも光強度が高くなる。したがって、不要光スポットとの峻別が容易となり、干渉光スポットを容易に抽出することができる。よって、干渉光スポットの重心位置を高精度に求めることができ、重心位置のずれ量を高精度に求めることができる。これにより、被検物の表面形状や波面収差等の光学的特性を高精度に計測できる。
（ａ）は本発明の第１実施形態に係る計測装置の一例としての表面形状計測装置の概略構成を示す説明図、（ｂ）はシャック・ハルトマンセンサ近傍の拡大図である。 表面反射光スポット及び裏面反射光スポットのＣＣＤイメージセンサ上の光量分布を示す模式図である。 １つのマイクロレンズにおける光スポットの光量分布を示す参考図である。 表面形状計測装置を用いた計測方法のフローチャートである。 参照ミラーを移動させたときの１つのマイクロレンズによる光スポットの光強度の変化の状態を示す模式図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る計測装置の一例としての波面収差計測装置の概略構成を示す説明図、（ｂ）はシャック・ハルトマンセンサ近傍の拡大図である。 本発明の第３実施形態に係る計測装置の要部を示す説明図である。 計測装置の変形例を示す説明図である。 計測装置の変形例を示す説明図である。 計測装置の変形例を示す説明図である。 計測装置の変形例を示す説明図である。 従来の計測装置の一例としての表面形状計測装置の概略構成を示す説明図である。
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る計測装置の一例としての表面形状計測装置の概略構成を示す説明図であり、図１（ｂ）は、シャック・ハルトマンセンサ近傍の拡大図である。表面形状計測装置１００は、被検物１０８の表面１０８ａの形状を計測するものであり、被検物１０８は、レンズ等の透明な光学部品である。
図１（ａ）に示すように、表面形状計測装置１００は、光源１０１、コリメートレンズ１０２、分離光学系としての偏光ビームスプリッタ１０３、１／４波長板１０４、反射部材としての参照ミラー１０５、１／４波長板１０６、及びレンズ１０７を備えている。また、表面形状計測装置１００は、直線偏光板１１０、シャック・ハルトマンセンサ１１１、フレームグラバー１１２、及び計算部としてのコンピュータ１１３を備えている。また、本第１実施形態では、表面形状計測装置１００は、調整部として移動ステージ１１７を備えている。
シャック・ハルトマンセンサ１１１は、複数のレンズからなるレンズアレイとして、複数のマイクロレンズ１１４ａからなるマイクロレンズアレイ１１４と、直線偏光子１１５と、撮像素子としてのＣＣＤイメージセンサ１１６と、を有している。
光源１０１は、可干渉距離が測定光Ｌ１に含まれる信号光成分の光路長（光学的距離）と不要光成分の光路長（光学的距離）との光路差よりも短くなるように設定された波長幅の光を出射する光源である。本第１実施形態における計測対象は、被検物１０８の表面（被検面）１０８ａからの反射光であり、除去するのは被検物１０８の裏面１０８ｂからの反射光である。よって、本第１実施形態では、光源１０１は、可干渉距離が被検物１０８の表面１０８ａと裏面１０８ｂとの最小間隔よりも短くなる波長幅の光を出射する光源である。この光源１０１は、例えばスーパールミネッセンスダイオードや波長幅可変光源等を用いることができるが、これに限定されない。スーパールミネッセンスダイオードの場合、可干渉距離は３０μｍ程度となり、一般的なレンズの表面と裏面の最小間隔よりも短い。
光源１０１の光軸Ｙ上には、光源１０１の出射光の進行方向に、コリメートレンズ１０２、偏光ビームスプリッタ１０３、１／４波長板１０６、レンズ１０７及び被検物１０８が順次配置されている。また、光源１０１の光軸Ｙと直交し、かつ偏光ビームスプリッタ１０３を通過する光軸Ｘ上には、偏光ビームスプリッタ１０３から遠ざかる方向に１／４波長板１０４及び参照ミラー１０５が順次配置されている。また、参照ミラー１０５に対して偏光ビームスプリッタ１０３の反対側には、偏光ビームスプリッタ１０３から遠ざかる方向に、直線偏光板１１０、マイクロレンズアレイ１１４、直線偏光子１１５及びＣＣＤイメージセンサ１１６が順次配置されている。
コリメートレンズ１０２は、光源１０１から出射された出射光を平行光にする。偏光ビームスプリッタ１０３は、コリメートレンズ１０２を通過した平行光となった光源１０１の出射光を、偏光面が互いに直交する測定光Ｌ１（Ｐ偏光）と参照光Ｌ２（Ｓ偏光）とに分離する。具体的には、偏光ビームスプリッタ１０３は、Ｐ偏光の直線偏光を通過（直進）させ、Ｓ偏光の直線偏光を９０°反射する。したがって、偏光ビームスプリッタ１０３は、Ｐ偏光となる測定光Ｌ１を１／４波長板１０６側に透過させ、Ｓ偏光となる参照光Ｌ２を１／４波長板１０４側に９０°反射する。
参照ミラー１０５は、偏光ビームスプリッタ１０３で分離された参照光Ｌ２を垂直に入反射し、参照光Ｌ２を偏光ビームスプリッタ１０３に戻す。１／４波長板１０４は、偏光ビームスプリッタ１０３と参照ミラー１０５との間を往復する参照光Ｌ２の偏波面を９０°回転させる。具体的には、１／４波長板１０４は、往復する参照光Ｌ２をＳ偏光からＰ偏光に変換する。したがって、偏光ビームスプリッタ１０３と参照ミラー１０５との間を往復した参照光Ｌ２は、１／４波長板１０４を２回通過するので、Ｐ偏光となり、偏光ビームスプリッタ１０３を通過（直進）して、直線偏光板１１０に到達する。
レンズ１０７は、入射した平行光を球面波の光に変換し、入射した球面波の光を平行光に変換する。具体的には、レンズ１０７は、平行光となって入射した測定光Ｌ１を球面波に変換して被検物１０８に照射し、被検物１０８の被検面１０８ａ及び裏面１０８ｂで反射した測定光Ｌ１を略平行光に変換する。
１／４波長板１０６は、偏光ビームスプリッタ１０３と被検物１０８との間を往復する測定光Ｌ１の偏波面を９０°回転させる。具体的には、１／４波長板１０６は、往復する測定光Ｌ１をＰ偏光からＳ偏光に変換する。したがって、偏光ビームスプリッタ１０３と被検物１０８との間を往復した測定光Ｌ１は、１／４波長板１０６を２回通過するので、Ｓ偏光となり、偏光ビームスプリッタ１０３で９０°反射して、直線偏光板１１０に到達する。
直線偏光板１１０は、偏光方位がＰ偏光（参照光Ｌ２）と直交し、Ｓ偏光（測定光Ｌ１）と平行となるように、マイクロレンズアレイ１１４の光入射側に配置されている。したがって、測定光Ｌ１は、直線偏光板１１０を透過する。
直線偏光板１１０は、図１（ｂ）に示すように、直線偏光板本体においてマイクロレンズアレイ１１４の各マイクロレンズ１１４ａに対応する位置に形成された複数のピンホール１１０ａを有している。ピンホール１１０ａの数は、マイクロレンズ１１４ａの数と同数である。そして、各ピンホール１１０ａはマイクロレンズアレイ１１４の各々の光軸１１４−ｉ上に配置されている。
また、直線偏光板１１０は、直線偏光板１１０の各ピンホール１１０ａが、マイクロレンズアレイ１１４の各マイクロレンズ１１４ａの焦点距離の位置となるように配置されている。直線偏光板１１０入射したＰ偏光となっている参照光Ｌ２は、直線偏光板（本体）１１０により遮断されるが、各ピンホール１１０ａからは参照光Ｌ２の回折光がマイクロレンズアレイ１１４の各マイクロレンズ１１４ａに照射される。
マイクロレンズアレイ１１４は、複数のマイクロレンズ１１４ａが平面上に格子状（アレイ状）に配列されて形成されている。マイクロレンズアレイ１１４は、平行光として入射した測定光Ｌ１を、各マイクロレンズ１１４ａにより結像面Ｐに集光させてそれぞれ光スポットを形成する。この結像面Ｐには、ＣＣＤイメージセンサ１１６が配置されている。
また、マイクロレンズアレイ１１４の各マイクロレンズ１１４ａは、各ピンホール１１０ａを通過したそれぞれの回折光を略平行光に変換する。これにより、マイクロレンズアレイ１１４は、参照光Ｌ２をＣＣＤイメージセンサ１１６の撮像面全体に照射する。
直線偏光子１１５は、測定光Ｌ１と参照光Ｌ２との偏波面を揃える偏光部材であり、偏光方位が測定光Ｌ１及び参照光Ｌ２に対し４５度となるように配置されている。
本第１実施形態では、１／４波長板１０４、参照ミラー１０５及び直線偏光板１１０により、偏光ビームスプリッタ１０３で分離された参照光Ｌ２を結像面Ｐに導光する参照光光学系１０９が構成されている。
ＣＣＤイメージセンサ１１６は、結像面Ｐに配置された撮像素子であり、撮像面で受光した光に基づく撮像画像の電気信号を出力する。フレームグラバー１１２は、ＣＣＤイメージセンサ１１６から撮像画像を取り込んで、各撮像画像のデータを計算部としてのコンピュータ１１３に出力する。コンピュータ１１３は、ＣＣＤイメージセンサ１１６からフレームグラバー１１２を介して複数の撮像画像のデータを取得し、各種演算処理を実行する。
調整部としての移動ステージ１１７には、参照ミラー１０５が固定されている。移動ステージ１１７は、コンピュータ１１３の制御の下、参照ミラー１０５を、光軸Ｘ方向と平行な方向に移動させる。これにより、光源１０１から参照ミラー１０５を経てマイクロレンズアレイ１１４に至る参照光Ｌ２の光路長を変化させることができる。つまり、本第１実施形態では、光源１０１からマイクロレンズアレイ１１４に至る参照光Ｌ２の光路長を調整対象としている。移動ステージ１１７は、コンピュータ１１３の指示に従って、参照ミラー１０５を移動させることで、参照光Ｌ２の光路長を変化させることができる。
次に、光源１０１から光を出射した場合について説明する。光源１０１から出射された出射光は、コリメートレンズ１０２で平行光にされ、偏光ビームスプリッタ１０３でＰ偏光の測定光Ｌ１と、Ｓ偏光の参照光Ｌ２とに分離される。
参照光Ｌ２は、偏光ビームスプリッタ１０３で９０度折り曲げられ、１／４波長板１０４により円偏光にされ、参照ミラー１０５で反射される。参照ミラー１０５で反射された参照光Ｌ２は、再び１／４波長板１０４を通過することで入射時と９０度偏光方位が回転した直線偏光、即ちＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１０３を通過する。
一方、偏光ビームスプリッタ１０３を通過した測定光Ｌ１は、１／４波長板１０６で円偏光に変換され、レンズ１０７で球面波に変換され、被検面１０８ａ及び裏面１０８ｂで反射される。
被検面１０８ａ及び裏面１０８ｂで反射された測定光Ｌ１は、再びレンズ１０７、１／４波長板１０６を通過し、入射時とは９０度偏光方位の異なる直線偏光、即ちＳ偏光に変換されて、偏光ビームスプリッタ１０３で反射される。
ここで、測定光Ｌ１とは、被検物１０８に照射する光（被検物１０８を経由する光）であり、参照光Ｌ２とは、被検物１０８に照射しない光（被検物１０８を経由しない光）である。
参照ミラー１０５で反射された参照光Ｌ２、及び被検物１０８を経た（即ち、被検面１０８ａ及び裏面１０８ｂで反射された）測定光Ｌ１は、直線偏光板１１０に入射する。
この直線偏光板１１０に入射する参照光Ｌ２と測定光Ｌ１とはその偏光方位が互いに直交している。具体的には、直線偏光板１１０に入射する参照光Ｌ２はＰ偏光であり、測定光Ｌ１はＳ偏光である。直線偏光板１１０は、直線偏光板１１０の偏光方位（透過軸方位）が測定光Ｌ１の偏光方位と一致するように設置されているので、直線偏光板１１０に入射した測定光Ｌ１は、直線偏光板１１０を透過する。そして、直線偏光板１１０を透過した測定光Ｌ１は、マイクロレンズアレイ１１４の各マイクロレンズ１１４ａにより集光されて、ＣＣＤイメージセンサ１１６上に光スポット群（複数の光スポット）が形成される。
一方、直線偏光板１１０に入射した参照光Ｌ２は、その偏光方位が直線偏光板１１０の偏光方位（透過軸方位）と直交しているため、直線偏光板１１０を透過せず、直線偏光板１１０の各ピンホール１１０ａで回折される。そして、直線偏光板１１０で回折された参照光Ｌ２は、マイクロレンズアレイ１１４で概略平行光に変換され、ＣＣＤイメージセンサ１１６に入射する。
ここで、マイクロレンズアレイ１１４とＣＣＤイメージセンサ１１６との間には、偏光方位を測定光Ｌ１及び参照光Ｌ２に対し４５度に配置した直線偏光子１１５が設けられているので、測定光Ｌ１及び参照光Ｌ２は、偏光方位を揃えて透過する。
ＣＣＤイメージセンサ１１６で撮像された光スポット群を含む撮像画像は、フレームグラバー１１２を介してコンピュータ１１３に取り込まれる。コンピュータ１１３は、各光スポットの光量重心を求めることで、光スポットの重心位置を計算する。
この光スポットの重心位置は、シャック・ハルトマンセンサ１１１に入射する測定光Ｌ１の波面が平面波であれば、各マイクロレンズ１１４ａの光軸１１４−ｉ（ｉはマイクロレンズの通し番号）上になる。
被検面１０８ａとマイクロレンズアレイ１１４とは共役に配置されている。よって、マイクロレンズアレイ１１４の１つの要素（マイクロレンズ１１４ａ）は、被検面１０８ａを複数領域に分割したうちの１つの領域に対応している。
被検面１０８ａの１つの領域に球面波からの差があると、その１つの領域の球面波からの差の平均値に依存して、その一領域に対応するマイクロレンズ１１４ａの光スポットの位置が基準位置からずれる。
基準位置は、予め参照平面波を用いて基準となる光スポットがＣＣＤイメージセンサ１１６上でどの位置にあるのかを、校正データとしてコンピュータ１１３に取得されている。つまり、コンピュータ１１３は、予め各光スポットの基準位置を不図示の記憶部に記憶している。
コンピュータ１１３は、この参照平面による光スポットの基準位置と被検面１０８ａから反射した光スポットの位置とを比較して入射光の波面収差を求めることで、被検面１０８ａの基準からの形状誤差を計算する。１つの光スポットの移動量は、１つのマイクロレンズ１１４ａで集光される被検面１０８ａの一領域の傾斜と球面波の傾斜との差分である。コンピュータ１１３は、全マイクロレンズアレイ１１４にわたり積分することで被検面１０８ａ全面の球面からの形状誤差を求める。光スポットの基準位置は平面波だけでなく、ピンホール回折光による球面波や測定原器からの反射光の光スポットとしても良い。測定原器からの反射光を基準とした場合、測定結果は原器形状からの差分になる。
以上は被検面１０８ａからの反射光、即ち、被検物１０８を経た測定光Ｌ１に含まれる信号光成分について述べたものであるが、本第１実施形態では、被検物１０８がレンズ等の透明な光学部品である。そのため、被検物１０８を経た測定光Ｌ１には、信号光成分の他、被検物１０８の裏面１０８ｂで反射する反射光、即ち不要光成分が含まれている。
図２にその様子を模式的に示す。被検物１０８の裏面１０８ｂからの反射光は、被検面１０８ａからの反射光スポット群２０１と共に、ＣＣＤイメージセンサ１１６上に裏面１０８ｂの光スポット群２０２を形成する。つまり、各マイクロレンズ１１４ａは、被検物１０８を経た測定光Ｌ１に含まれる信号光成分を集光して結像面Ｐに信号光スポットをそれぞれ形成すると共に、その測定光Ｌ１に含まれる不要光成分を集光して結像面Ｐに不要光スポットをそれぞれ形成する。
このとき１つのマイクロレンズ領域の光スポットは、図３に示す参考図のようになる。なお、この図３では、測定光Ｌ１の信号光成分と参照光Ｌ２とが干渉していない状態を示している。被検面１０８ａからの光スポットの光量分布３０１と裏面１０８ｂからの光スポットの光量分布３０２とが合成されると、ＣＣＤイメージセンサ１１６上では、光量分布３０３のようになる。仮に、この光量分布３０３の重心位置を計算すると、図３に示す重心位置３０４となり、本来の被検面１０８ａからの光スポットの位置３０５からずれが生じる。
そこで、本第１実施形態では、偏光ビームスプリッタ１０３で分離させた参照光Ｌ２を用いて、測定光Ｌ１の信号光成分の光スポットと干渉させて光強度を上昇させる。図４は、表面形状計測装置１００を用いた計測方法のフローチャートである。
まず、移動ステージ１１７は、コンピュータ１１３の制御の下、参照ミラー１０５を光軸Ｘ方向に走査する。これにより、移動ステージ１１７は、光源１０１からマイクロレンズアレイ１１４に至る参照光Ｌ２の光路長を変化させる（Ｓ１：調整工程）。その際、移動ステージ１１７は、光源１０１からマイクロレンズアレイ１１４に至る参照光Ｌ２の光路長を、測定光Ｌ１の不要光成分と参照光Ｌ２とが干渉しない範囲であって、測定光Ｌ１の信号光成分と参照光Ｌ２とが干渉する範囲を含むように変化させる。
コンピュータ１１３は、光源１０１からマイクロレンズアレイ１１４に至る参照光Ｌ２の光路長を変化させながら、ＣＣＤイメージセンサ１１６から複数の撮像画像を順次（連続して）取得する（Ｓ２：撮像工程）。
ここで、光源１０１から被検面１０８ａで反射されマイクロレンズアレイ１１４に至る測定光Ｌ１の信号光成分の光路長をＡ１、光源１０１から裏面１０８ｂで反射されマイクロレンズアレイ１１４に至る測定光Ｌ１の不要光成分の光路長をＡ２とする。また、光源１０１から参照ミラー１０５で反射されてマイクロレンズアレイ１１４に至る参照光Ｌ２の光路長をＢとする。
光路長Ａ１と光路長Ｂとが光源１０１の可干渉距離以下の精度で一致したとき、被検面１０８ａからの測定光Ｌ１の信号光成分は参照ミラー１０５からの参照光Ｌ２と干渉を起こす。例えばスーパールミネッセンスダイオードを光源１０１として用いた場合は、光路長Ａ１と光路長Ｂとが３０μｍ以下の精度で一致したときに、測定光Ｌ１の信号光成分と、参照光Ｌ２とが干渉する。この測定光Ｌ１の信号光成分と参照光Ｌ２との干渉により、結像面Ｐ、つまりＣＣＤイメージセンサ１１６上には、通常の信号光スポットの光強度よりも高い光強度の干渉光スポットが形成される。そして、光路長Ａ１と光路長Ｂとが一致したとき、干渉による干渉光スポットの光強度が最大となる。
ここで、光源から出射される出射光の波長幅が大きくなる程、可干渉距離は小さくなる。逆に出射光の波長幅が小さくなる程、可干渉距離は大きくなる。本第１実施形態では、光源１０１は、可干渉距離が信号光成分の光路長Ａ１と不要光成分の光路長Ａ２との光路差よりも短くなるように設定された波長幅の光を出射する光源である。したがって、測定光Ｌ１の信号光成分と参照光Ｌ２とが干渉している場合、光路長Ａ２と光路長Ｂとの光路差は光源１０１の可干渉距離よりも長くなり、測定光Ｌ１の不要光成分と参照光Ｌ２とは干渉しない。
参照ミラー１０５を移動ステージ１１７で光源１０１の可干渉距離の分だけ光軸Ｘ方向に移動させると、１つのマイクロレンズ１１４ａに対するＣＣＤイメージセンサ１１６上の光スポットは図５の様になる。
図５中、縦軸は光スポットの光強度、横軸は参照ミラー１０５の移動量である。実線４０１は、被検面１０８ａからの信号光成分による信号光スポットの光強度変化であり、破線４０２は、裏面１０８ｂからの不要光成分による不要光スポットの光強度変化である。この図５から分かるように、被検面１０８ａからの反射光の光スポット強度は干渉により強められるが、裏面１０８ｂからの反射光による光スポット強度は干渉しないため、強められない。
従って、移動ステージ１１７により光路長Ｂを変化させてＣＣＤイメージセンサ１１６から順次取得した複数の撮像画像の中には、各マイクロレンズ１１４ａにより集光された信号光スポットと参照光Ｌ２との干渉光スポットが写った撮像画像が含まれている。
本第１実施形態では、ＣＣＤイメージセンサ１１６で干渉光スポットが撮像できればよいため、移動ステージ１１７の移動精度や移動量を正確に知る必要はない。言い換えれば、移動ステージ１１７を高精度に位置決めする必要がない。
次に、コンピュータ１１３は、これら複数の撮像画像の中から、信号光成分と参照光Ｌ２との干渉で生じる干渉光スポット（光像）を抽出する（Ｓ３：抽出工程）。干渉光スポットは、干渉していない状態の信号光スポットよりも光強度が高いため、高精度に干渉光スポット（光像）を抽出することができる。
次に、コンピュータ１１３は、抽出した干渉光スポット（光像）の重心位置を計算し、予め定めた基準位置に対する重心位置のずれ量を計算する（Ｓ４：計算工程）。そして、コンピュータ１１３は、各光スポットのずれ量に基づいて表面形状の基準からの差を算出する。
本第１実施形態の計測方法は、光学部品としての被検物１０８の製造ラインにおける検品工程に適用すると好適である。この検品工程において、被検物１０８の良否を判定し、良品以外のものは、表面形状の基準からの差を修正する修正加工を行ってもよいし、製造ラインから外してもよい。
以上、本第１実施形態によれば、被検物１０８を経た測定光Ｌ１に含まれる信号光成分と参照光Ｌ２とを干渉させた干渉光スポットは、信号光成分の信号光スポットよりも干渉によって光強度が高くなる。したがって、不要光スポットとの峻別が容易となり、干渉光スポットを容易に抽出することができる。よって、不要光スポットの影響を低減して、干渉光スポットの重心位置を高精度に求めることができ、重心位置のずれ量を高精度に求めることができる。これにより、被検物１０８の表面形状を高精度に計測できる。
特に、被検物１０８が両面の曲率が近いメニスカス形状のレンズである場合、信号光スポット（表面反射光スポット）と不要光スポット（裏面反射光スポット）との位置が近接するため、効果的である。
また、本第１実施形態では、測定光Ｌ１は直線偏光板１１０を透過し、参照光Ｌ２は直線偏光板１１０を透過できずに直線偏光板１１０のピンホール１１０ａで回折される。したがって、測定光Ｌ１は、マイクロレンズアレイ１１４によりＣＣＤイメージセンサ１１６上に結像され、参照光Ｌ２は、結像されずに略平行光としてＣＣＤイメージセンサ１１６に照射される。これにより、測定光Ｌ１の光スポットが移動しても、測定光Ｌ１の信号光成分による信号光スポットと参照光Ｌ２とを干渉させることができる。
ここで、コンピュータ１１３は、ステップＳ４の処理で、取得した撮像画像中の各干渉光スポット（光像）において光強度が予め定めた閾値を超える部分を用いて各干渉光スポットの重心位置を計算するようにしてもよい。このように、干渉光スポットの光像において光強度が閾値を超える部分を用いることで、より高精度に各干渉光スポットの重心位置を計算することができる。
なお、全ての干渉光スポットが１枚の撮像画像に写し出されている場合もあるが、各干渉光スポットが複数の撮像画像に別れて写し出されている場合もある。例えば、被検面１０８ａの形状誤差が大きい場合や非球面形状の場合は、被検面１０８ａの球面からの形状差が光源１０１の可干渉距離よりも大きくなることがあるため、１枚の撮像画像で被検面１０８ａ全面での干渉光スポットの光像を得ることができない。このように同時にデータ領域全面にわたり干渉光スポットが得られない場合であっても、移動ステージ１１７により参照ミラー１０５を被検面全面で干渉による干渉光スポットの光像が得られるまで走査すればよい。そして、各撮像画像に散らばっている全ての干渉光スポットを、各撮像画像から順次抽出すればよい。
また、上記第１実施形態では、被検物１０８の表面１０８ａが被検面である場合について説明したが、裏面１０８ｂが被検面であってもよい。つまり、上記第１実施形態と同様の計測方法で表面１０８ａからの反射光の影響を除去して裏面１０８ｂからの反射光の光スポット位置を検出することもできる。この場合、表面１０８ａからの反射光が不要光成分となる。
この場合は、参照ミラー１０５を移動させることで、光源１０１から裏面１０８ｂで反射されマイクロレンズアレイ１１４に至る光路長と、光源１０１から参照ミラー１０５で反射されてマイクロレンズアレイ１１４に至る光路長とを一致させることができる。
裏面１０８ｂからの反射光は光源１０１の可干渉距離以内のため、シャック・ハルトマンセンサ１１１で干渉をするが、表面１０８ａからの反射光は光源１０１の可干渉距離以上の光路差があるため干渉しない。したがって、裏面１０８ｂからの反射光スポットを干渉させて得られた干渉光スポットにより、表面１０８ａからの反射光の影響を低減して、高精度に重心位置を計算することができる。その際、光強度に閾値を設けて閾値以上の光強度のみを使って重心位置の計算を行うことで、表面１０８ａからの反射光に影響されずに光スポットの位置を更に高精度に求めることができる。
また、これらの計測方法を応用し、被検物１０８の両面１０８ａ，１０８ｂの面形状も同時に求めることができる。その際、各面１０８ａ，１０８ｂからマイクロレンズアレイ１１４に至るまでの光路長が異なるので、参照光Ｌ２の光路長を変化させたときに、各面１０８ａ，１０８ｂでの反射光のうち、一方が参照光Ｌ２と干渉しているときは、他方は非干渉である。したがって、表面１０８ａを被検面としているときには、裏面１０８ｂからの反射光が不要光成分となり、裏面１０８ｂを被検面としているときには、表面１０８ａからの反射光が不要光成分となる。
従って、両面１０８ａ，１０８ｂの反射光がそれぞれ参照光Ｌ２と干渉するように参照ミラー１０５を走査することにより、両面１０８ａ，１０８ｂの面形状を求めることができる。これより被検物の偏心など両方の面の関係を求めることができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る計測装置の一例としての波面収差計測装置について説明する。図６（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る計測装置の一例としての波面収差計測装置の概略構成を示す説明図であり、図６（ｂ）は、シャック・ハルトマンセンサ近傍の拡大図である。なお、本第２実施形態において、上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を用いて詳細な説明を省略する。本第２実施形態では、被検物６０６は、例えばレンズを有する鏡筒等の光学部品である。
波面収差計測装置６００は、被検物６０６の波面収差を計測するものである。図６（ａ）に示すように、波面収差計測装置６００は、光源１０１、コリメートレンズ１０２、分離光学系としての偏光ビームスプリッタ１０３、１／２波長板６０４、折り曲げミラー６０５、及びコリメートレンズ６０７を備えている。また、波面収差計測装置６００は、偏光ビームスプリッタ６０８、１／２波長板６１８、折り曲げミラー６１１、直線偏光板１１０、シャック・ハルトマンセンサ１１１、フレームグラバー１１２、及び計算部としてのコンピュータ６１４を備えている。また、本第２実施形態では、波面収差計測装置６００は、調整部として移動ステージ６１２を備えている。
シャック・ハルトマンセンサ１１１は、図６（ｂ）に示すように、上記第１実施形態と同様、複数のマイクロレンズ１１４ａからなるマイクロレンズアレイ１１４と、直線偏光子１１５と、撮像素子としてのＣＣＤイメージセンサ１１６と、を有している。
図６（ａ）に示すように、光源１０１の光軸Ｙａ上には、光源１０１の出射光の進行方向に、コリメートレンズ１０２、偏光ビームスプリッタ１０３、１／２波長板６０４、折り曲げミラー６０５が順次配置されている。また、光軸Ｙａと直交し、かつ偏光ビームスプリッタ１０３を通過する光軸Ｘａ上には、偏光ビームスプリッタ１０３から遠ざかる方向に、１／２波長板６１８及び折り曲げミラー６１１が順次配置されている。また、光軸Ｙａと直交し、かつ折り曲げミラー６０５を通過する光軸Ｘｂ上には、折り曲げミラー６０５から遠ざかる方向に、被検物６０６、コリメートレンズ６０７、及び偏光ビームスプリッタ６０８が順次配置されている。また、光軸Ｘａ及び光軸Ｘｂに直交し、折り曲げミラー６１１を通過する光軸Ｙｂ上には、折り曲げミラー６１１から遠ざかる方向に順次偏光ビームスプリッタ６０８、直線偏光板１１０及びシャック・ハルトマンセンサ１１１が順次配置されている。
上記第１実施形態と同様、光源１０１は、可干渉距離が測定光Ｌ１に含まれる信号光成分の光路長（光学的距離）と不要光成分の光路長（光学的距離）との光路差よりも短くなるように設定された波長幅の光を出射する光源である。コリメートレンズ１０２は、光源１０１から出射された出射光を平行光にする。
偏光ビームスプリッタ１０３は、Ｐ偏光となる測定光Ｌ１を１／２波長板６０４側に透過させ、Ｓ偏光となる参照光Ｌ２を１／２波長板６１８側に９０°反射する。
１／２波長板６０４は、Ｐ偏光である測定光Ｌ１の偏光方位を９０°回転させてＳ偏光にする。折り曲げミラー６０５は、入射した測定光Ｌ１を被検物６０６の方向に９０°折り曲げて反射する。コリメートレンズ６０７は、被検物６０６を透過した測定光Ｌ１を平行光にする。
一方、１／２波長板６１８は、Ｓ偏光である参照光Ｌ２の偏光方位を９０°回転させてＰ偏光にする。折り曲げミラー６１１は、入射した参照光Ｌ２を偏光ビームスプリッタ６０８の方向に９０°折り曲げて反射する。
偏光ビームスプリッタ６０８は、Ｓ偏光である測定光Ｌ１を９０°反射し、Ｐ偏光である参照光Ｌ２を通過（直進）させる。これにより、測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とが直線偏光板１１０に照射される。
直線偏光板１１０、シャック・ハルトマンセンサ１１１及びフレームグラバー１１２は、上記第１実施形態と同様の構成である。なお、コンピュータ６１４は、上記第１実施形態と同様のハードウェア構成であるが、演算処理が異なる。つまり、上記第１実施形態では、コンピュータ１１３は光スポットのずれ量により表面形状の基準からの差を求めたが、本第２実施形態では、コンピュータ６１４は光スポットのずれ量により被検物の波面収差を求めるものである。
本第２実施形態では、１／２波長板６１８、折り曲げミラー６１１及び直線偏光板１１０により、偏光ビームスプリッタ１０３で分離された参照光Ｌ２を結像面Ｐに導光する参照光光学系６２０が構成されている。
調整部としての移動ステージ６１２には、偏光ビームスプリッタ１０３、１／２波長板６１８及び折り曲げミラー６１１が固定されている。移動ステージ６１２は、コンピュータ６１４の制御の下、偏光ビームスプリッタ１０３、１／２波長板６１８及び折り曲げミラー６１１を、光軸Ｙａ，Ｙｂ方向と平行な方向に移動させる。これにより、光源１０１から折り曲げミラー６１１を経てマイクロレンズアレイ１１４に至る参照光Ｌ２の光路長を変化させることができる。つまり、本第２実施形態では、光源１０１からマイクロレンズアレイ１１４に至る参照光Ｌ２の光路長を調整対象としている。移動ステージ６１２は、コンピュータ６１４の指示に従って、偏光ビームスプリッタ１０３、１／２波長板６１８及び折り曲げミラー６１１を移動させることで、参照光Ｌ２の光路長を変化させることができる。
次に、光源１０１から光を出射した場合について説明する。光源１０１から出射された出射光は、コリメートレンズ１０２で平行光にされ、偏光ビームスプリッタ１０３でＰ偏光の測定光Ｌ１と、Ｓ偏光の参照光Ｌ２とに分離される。
偏光ビームスプリッタ１０３を通過した測定光Ｌ１は、１／２波長板６０４でＳ偏光に変換され、折り曲げミラー６０５で９０°反射して、被検物６０６を透過し、コリメートレンズ６０７で平行光となり、偏光ビームスプリッタ６０８に照射される。測定光Ｌ１は、Ｓ偏光に変換されているので、偏光ビームスプリッタ６０８で９０°反射し、直線偏光板１１０に照射される。
一方、偏光ビームスプリッタ１０３で反射した参照光Ｌ２は、１／２波長板６０４でＰ偏光に変換され、折り曲げミラー６１１で９０°反射して、偏光ビームスプリッタ６０８に照射される。参照光Ｌ２は、Ｐ偏光に変換されているので、偏光ビームスプリッタ６０８を直進し、直線偏光板１１０に照射される。
この直線偏光板１１０に入射する参照光Ｌ２と測定光Ｌ１とはその偏光方位が互いに直交している。具体的には、直線偏光板１１０に入射する参照光Ｌ２はＰ偏光であり、測定光Ｌ１はＳ偏光である。直線偏光板１１０は、直線偏光板１１０の偏光方位（透過軸方位）が測定光Ｌ１の偏光方位と一致するように設置されているので、直線偏光板１１０に入射した測定光Ｌ１は、直線偏光板１１０を透過する。そして、直線偏光板１１０を透過した測定光Ｌ１は、マイクロレンズアレイ１１４の各マイクロレンズ１１４ａにより集光されて、ＣＣＤイメージセンサ１１６上に光スポット群（複数の光スポット）が形成される。
一方、直線偏光板１１０に入射した参照光Ｌ２は、その偏光方位が直線偏光板１１０の偏光方位（透過軸方位）と直交しているため、直線偏光板１１０を透過せず、直線偏光板１１０の各ピンホール１１０ａで回折される。そして、直線偏光板１１０で回折された参照光Ｌ２は、マイクロレンズアレイ１１４で概略平行光に変換され、ＣＣＤイメージセンサ１１６に入射する。
ここで、マイクロレンズアレイ１１４とＣＣＤイメージセンサ１１６との間には、偏光方位を測定光Ｌ１及び参照光Ｌ２に対し４５度に配置した直線偏光子１１５が設けられているので、測定光Ｌ１及び参照光Ｌ２は、偏光方位を揃えて透過する。
ＣＣＤイメージセンサ１１６で撮像された光スポット群を含む撮像画像は、フレームグラバー１１２を介してコンピュータ６１４に取り込まれる。コンピュータ６１４は、各光スポットの光量重心を求めることで、光スポットの重心位置を計算する。
この光スポットの重心位置は、シャック・ハルトマンセンサ１１１に入射する測定光Ｌ１の波面が平面波であれば、各マイクロレンズ１１４ａの光軸１１４−ｉ（ｉはマイクロレンズの通し番号）上になる。マイクロレンズアレイ１１４の１つの要素（マイクロレンズ１１４ａ）は被検物６０６の１つの領域に対応している。
被検物６０６の１つの領域に収差があると、その１つの領域の収差量の平均値に依存して、その一領域に対応するマイクロレンズ１１４ａの光スポット位置が基準位置からずれる。
基準位置は、予め被検物６０６を光路から除いた状態で基準となる光スポットがＣＣＤイメージセンサ１１６上でどの位置あるのかを校正データとしてコンピュータ６１４に取得されている。つまり、コンピュータ６１４は、予め各光スポットの基準位置を不図示の記憶部に記憶している。
コンピュータ６１４は、この基準光スポット位置と被検物６０６を透過した測定光の光スポット位置とを比較して入射光の波面収差を求めることで、被検物６０６の基準からの差を計算する。光スポットの基準位置は原器とする光学素子の透過光を基準としてもよい。この場合、測定結果は原器とした光学素子からの差分になる。
以上は被検物６０６からの透過光、即ち、被検物６０６を経た測定光Ｌ１に含まれる信号光成分について述べたものである。しかし、実際には、被検物６０６を経た測定光Ｌ１には、被検物６０６の内部での多重反射や他の光学面からの多重反射による多重反射光、即ち不要光成分が含まれている。この不要光成分は、上記第１実施形態の裏面反射光と同様に、ＣＣＤイメージセンサ１１６上に光スポット群を作る。つまり、各マイクロレンズ１１４ａは、被検物６０６を経た測定光Ｌ１に含まれる信号光成分を集光して結像面Ｐに信号光スポットをそれぞれ形成すると共に、その測定光Ｌ１に含まれる不要光成分を集光して結像面Ｐに不要光スポットをそれぞれ形成する。これら不要光スポットは、上記第１実施形態の説明と同様に、信号光スポットの位置検出精度を劣化させる原因となる。
そこで、本第２実施形態では、上記第１実施形態と同様、偏光ビームスプリッタ１０３で分離させた参照光Ｌ２を用いて、測定光Ｌ１の信号光成分の光スポットと干渉させて光強度を上昇させる。なお、波面収差計測装置６００を用いた計測方法は、上記第１実施形態と同様であるので、図４のフローチャートを用いて説明する。
まず、移動ステージ６１２は、コンピュータ６１４の制御の下、偏光ビームスプリッタ１０３、１／２波長板６１８及び折り曲げミラー６１１を光軸Ｙａ，Ｙｂと平行な方向に走査する。これにより、移動ステージ６１２は、光源１０１からマイクロレンズアレイ１１４に至る参照光Ｌ２の光路長を変化させる（Ｓ１：調整工程）。その際、移動ステージ６１２は、光源１０１からマイクロレンズアレイ１１４に至る参照光Ｌ２の光路長を、測定光Ｌ１の不要光成分と参照光Ｌ２とが干渉しない範囲であって、測定光Ｌ１の信号光成分と参照光Ｌ２とが干渉する範囲を含むように変化させる。
コンピュータ６１４は、光源１０１からマイクロレンズアレイ１１４に至る参照光Ｌ２の光路長を変化させながら、ＣＣＤイメージセンサ１１６から複数の撮像画像を順次（連続して）取得する（Ｓ２：撮像工程）。
ここで、光源１０１からマイクロレンズアレイ１１４に至る測定光Ｌ１の信号光成分の光路長をＣ１、光源１０１からマイクロレンズアレイ１１４に至る測定光Ｌ１の不要光成分の光路長をＣ２とする。また、光源１０１からマイクロレンズアレイ１１４に至る参照光Ｌ２の光路長をＤとする。
光路長Ｃ１と光路長Ｄとが光源１０１の可干渉距離以下の精度で一致したとき、被検物６０６を経た測定光Ｌ１の信号光成分は参照光Ｌ２と干渉を起こす。例えばスーパールミネッセンスダイオードを光源１０１として用いた場合は、光路長Ｃ１と光路長Ｄとが３０μｍ以下の精度で一致したときに、測定光Ｌ１の信号光成分と、参照光Ｌ２とが干渉する。この測定光Ｌ１の信号光成分と参照光Ｌ２との干渉により、結像面Ｐ、つまりＣＣＤイメージセンサ１１６上には、通常の信号光スポットの光強度よりも高い光強度の干渉光スポットが形成される。そして、光路長Ｃ１と光路長Ｄとが一致したとき、干渉による干渉光スポットの光強度が最大となる。
ここで、光源から出射される出射光の波長幅が大きくなる程、可干渉距離は小さくなる。逆に出射光の波長幅が小さくなる程、可干渉距離は大きくなる。本第２実施形態では、光源１０１は、可干渉距離が信号光成分の光路長Ｃ１と不要光成分の光路長Ｃ２との光路差よりも短くなるように設定された波長幅の光を出射する光源である。したがって、測定光Ｌ１の信号光成分と参照光Ｌ２とが干渉している場合、光路長Ｃ２と光路長Ｄとの光路差は光源１０１の可干渉距離よりも長くなり、測定光Ｌ１の不要光成分と参照光Ｌ２とは干渉しない。
移動ステージ６１２が光源１０１の可干渉距離分だけ光軸Ｙａ，Ｙｂと平行な方向に移動すると、１つのマイクロレンズ１１４ａに対するＣＣＤイメージセンサ１１６上の光スポットは上記第１実施形態と同様に図５の様になる。この場合も同様、実線４０１は、測定光Ｌ１の信号光成分による信号光スポットの光強度変化であり、破線４０２は、測定光Ｌ１の不要光成分による不要光スポットの光強度変化である。この図５から分かるように、信号光スポットの光強度は干渉により強められるが、不要光スポットの光強度は干渉しないため、強められない。
従って、移動ステージ６１２により光路長Ｄを変化させてＣＣＤイメージセンサ１１６から順次取得した複数の撮像画像の中には、各マイクロレンズ１１４ａにより集光された信号光スポットと参照光Ｌ２との干渉光スポットが写った撮像画像が含まれている。
本第２実施形態では、ＣＣＤイメージセンサ１１６で干渉光スポットが撮像できればよいため、移動ステージ６１２の移動精度や移動量を正確に知る必要はない。言い換えれば、移動ステージ６１２を高精度に位置決めする必要がない。
次に、コンピュータ６１４は、これら複数の撮像画像の中から、信号光成分と参照光Ｌ２との干渉で生じる干渉光スポット（光像）を抽出する（Ｓ３：抽出工程）。干渉光スポットは、干渉していない状態の信号光スポットよりも光強度が高いため、高精度に干渉光スポット（光像）を抽出することができる。
次に、コンピュータ６１４は、抽出した干渉光スポット（光像）の重心位置を計算し、予め定めた基準位置に対する重心位置のずれ量を計算する（Ｓ４：計算工程）。そして、コンピュータ６１４は、各光スポットのずれ量に基づいて、被検物６０６の波面収差を算出する。
本第２実施形態の計測方法は、光学部品としての被検物６０６の製造ラインにおける検品工程に適用すると好適である。この検品工程において、被検物６０６の良否を判定し、良品以外のものは、被検物６０６を修正加工してもよいし、製造ラインから外してもよい。
以上、本第２実施形態によれば、被検物６０６を経た測定光Ｌ１に含まれる信号光成分と参照光Ｌ２とを干渉させた干渉光スポットは、信号光成分の信号光スポットよりも干渉によって光強度が高くなる。したがって、不要光スポットとの峻別が容易となり、干渉光スポットを容易に抽出することができる。よって、不要光スポットの影響を低減して、干渉光スポットの重心位置を高精度に求めることができ、重心位置のずれ量を高精度に求めることができる。これにより、被検物６０６の波面収差を高精度に計測できる。
また、本第２実施形態では、測定光Ｌ１は直線偏光板１１０を透過し、参照光Ｌ２は直線偏光板１１０を透過できずに直線偏光板１１０のピンホール１１０ａで回折される。したがって、測定光Ｌ１は、マイクロレンズアレイ１１４によりＣＣＤイメージセンサ１１６上に結像され、参照光Ｌ２は、結像されずに略平行光としてＣＣＤイメージセンサ１１６に照射される。これにより、測定光Ｌ１の光スポットが移動しても、測定光Ｌ１の信号光成分による信号光スポットと参照光Ｌ２とを干渉させることができる。
ここで、コンピュータ６１４は、ステップＳ４の処理で、取得した撮像画像中の各干渉光スポット（光像）において光強度が予め定めた閾値を超える部分を用いて各干渉光スポットの重心位置を計算するようにしてもよい。このように、干渉光スポットの光像において光強度が閾値を超える部分を用いることで、より高精度に各干渉光スポットの重心位置を計算することができる。
なお、全ての干渉光スポットが１枚の撮像画像に写し出されている場合もあるが、各干渉光スポットが複数の撮像画像に別れて写し出されている場合もある。例えば、被検物６０６の波面収差が大きい場合、測定光Ｌ１の信号光成分の光路長と参照光の光路長との差が、光源１０１の可干渉距離よりも長くなる領域が出てくる。このように同時にデータ領域全面にわたり干渉光スポットが得られない場合であっても、移動ステージ６１２を被検物６０６の透過光全面で干渉光スポットの光像が得られるまで走査すればよい。そして各撮像画像に散らばっている全ての干渉光スポットを、各撮像画像から順次抽出すればよい。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る計測装置について説明する。図７は、本発明の第３実施形態に係る計測装置の要部を示す説明図である。本第３実施形態では、上記第１及び第２実施形態の各計測装置が、図７に示すように、更に、被検物を経た測定光Ｌ１を減光する減光フィルタ１５０を備えたものである。
この減光フィルタ１５０は、マイクロレンズアレイ１１４と撮像素子としてのＣＣＤイメージセンサ１１６との間に配置するのが好ましいが、これに限定するものではない。例えば、減光フィルタ１５０を、直線偏光板１１０とマイクロレンズアレイ１１４との間に設けてもよいし、直線偏光板１１０の光入射方向上流側に設けてもよい。
このように減光フィルタ１５０を設けることで、測定光Ｌ１に含まれる不要光成分が減光され、不要光成分による影響を更に低減することができる。
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。
上記第１〜第３実施形態では、参照光の光路長を変化させる場合について説明したが、測定光の光路長を変化させる場合であってもよい。この場合、例えば図８に示すように、移動ステージ１６０にレンズ１０７と被検物１０８を設置し、移動ステージ１６０を光軸Ｙ方向に移動させることで測定光の光路長を変化させてもよい。また、例えば図９に示すように、複数の折り曲げミラー１６１〜１６４を設け、調整部を、折り曲げミラー１６２，１６３を光軸Ｘと平行に移動させる移動ステージ１６５で構成してもよい。また、上記第１〜第３実施形態において、計測装置が更に、測定光の光路長を変化させる移動ステージを備え、参照光の光路長及び測定光の光路長を変化させてもよい。
また、上記第１〜第３実施形態では、参照光の光路長を変化させる場合について説明したが、光源の波長幅を変化させる場合であってもよい。この場合、調整部として、図１０に示すように、光源１０１に、光源１０１の波長幅を変更する波長幅調整部１７１を接続すればよい。波長幅調整部１７１が光源の波長幅を変化させることで可干渉距離が変化し、図５に示す光強度のピークが最大となる位置は変化しないが、それ以外の光強度のピークの位置が変化し、測定光の信号光成分と参照光とを干渉させることができる。また、上記第１〜第３実施形態又は上記変形例（図８，図９）において、計測装置が調整部として、更に光源の波長幅を変更する波長幅調整部を備えてもよい。つまり、調整部は、測定光の光路長、参照光の光路長及び光源の波長幅のうち、少なくとも１つの調整対象を変化させるよう構成されていればよい。
また、上記第１〜第３実施形態では、分離光学系が偏光ビームスプリッタ１０３である場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば図１１に示すように、分離光学系がビームスプリッタ６５１及び２つの直線偏光板６５４，６５５で構成されている場合であってもよい。その際、偏光ビームスプリッタ１０３，６０８（図６）の代わりにビームスプリッタ６５１，６５２を配置し、１／２波長板６０４，６１８（図６）の代わりに直線偏光板６５４，６５５を配置すればよい。直線偏光板６５４，６５５の偏光方位は互いに直交するように配置する。これらビームスプリッタ６５１及び直線偏光板６５４，６５５からなる分離光学系によっても、光源１０１からの出射光を、偏波面が互いに直交する測定光と参照光とに分離することができる。この場合、参照光光学系６５３は、折り曲げミラー６１１及び直線偏光板１１０となる。直線偏光板１１０の偏光方位は測定光側に設置した直線偏光板６５４と同じにする。
また、分離光学系がビームスプリッタのみの場合であってもよく、この場合、参照光光学系は、ビームスプリッタで分離された参照光を、レンズアレイを経由させずにレンズアレイの光出力側に導いて撮像素子に平行光として照射するよう構成されていればよい。例えば、レンズアレイと撮像素子との間に、測定光に対して直交するように参照光をレンズアレイの出力側に導いたときに参照光が撮像素子に向けて反射するよう、４５度の角度で傾けたハーフミラー等を配置するとよい。このハーフミラーに平行光となる参照光を導くことで、ハーフミラーを通過した測定光の信号成分とハーフミラーで反射した参照光とを干渉させることができる。この場合、直線偏光板１１０は省略できる。
また、上記第１〜第３実施形態では、撮像素子がＣＣＤイメージセンサ１１６である場合について説明したが、これに限定するものではなく、例えば撮像素子としてＣＭＯＳイメージセンサを用いてもよい。
１００…表面形状計測装置（計測装置）、１０１…光源、１０３…偏光ビームスプリッタ（分離光学系）、１０８…被検物、１０９…参照光光学系、１１０…直線偏光板、１１０ａ…ピンホール、１１３…コンピュータ（計算部）、１１４…マイクロレンズアレイ（レンズアレイ）、１１４ａ…マイクロレンズ（レンズ）、１１６…ＣＣＤイメージセンサ（撮像素子）、１１７…移動ステージ（調整部）、１５０…減光フィルタ、６００…波面収差計測装置（計測装置）、６０６…被検物、６１２…移動ステージ（調整部）、６１４…コンピュータ（計算部）、６２０…参照光光学系

Claims (6)

  1. 光を出射する光源と、
    前記光源から出射された出射光を、被検物に照射する測定光と前記被検物に照射しない参照光とに分離する分離光学系と、
    前記被検物を経た前記測定光を結像面にそれぞれ集光する複数のレンズからなるレンズアレイと、
    前記結像面に配置された撮像素子と、
    前記参照光を前記結像面に導光する参照光光学系と、
    前記光源から前記レンズアレイに至る前記測定光の光路長、前記光源から前記レンズアレイに至る前記参照光の光路長、及び前記光源の波長幅のうち、少なくとも１つの調整対象を、前記被検物を経た前記測定光に含まれる信号光成分と前記参照光とが干渉する範囲を含むように変化させる調整部と、
    前記調整部により前記調整対象を変化させて前記撮像素子から順次取得した複数の撮像画像の中から、前記信号光成分と前記参照光との干渉で生じる干渉光スポットを抽出して、該干渉光スポットの重心位置を計算し、予め定めた基準位置に対する前記重心位置のずれ量を計算する計算部と、を備え、
    前記分離光学系は、偏波面が互いに直交するように前記測定光と前記参照光とに分離し、
    前記参照光光学系は、偏光方位が前記参照光と直交しかつ前記測定光と平行となるよう、前記レンズアレイの光入射側に配置され、前記参照光を回折させて前記レンズアレイの前記各レンズに照射する複数のピンホールが形成された直線偏光板を有することを特徴とする計測装置。
  2. 前記分離光学系は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
  3. 前記被検物を経た前記測定光を減光する減光フィルタを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
  4. 前記計算部は、前記干渉光スポットにおいて光強度が予め定めた閾値を超える部分を用いて前記重心位置を計算することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の計測装置。
  5. 光を出射する光源と、前記光源から出射された出射光を、被検物に照射する測定光と前記被検物に照射しない参照光とに分離する分離光学系と、前記被検物を経た前記測定光を結像面にそれぞれ集光する複数のレンズからなるレンズアレイと、前記結像面に配置された撮像素子と、前記参照光を前記結像面に導光する参照光光学系と、を有する計測装置を用いた計測方法において、
    前記分離光学系は、偏波面が互いに直交するように前記測定光と前記参照光とに分離し、
    前記参照光光学系は、偏光方位が前記参照光と直交しかつ前記測定光と平行となるよう、前記レンズアレイの光入射側に配置され、前記参照光を回折させて前記レンズアレイの前記各レンズに照射する複数のピンホールが形成された直線偏光板を有しており、
    前記光源から前記レンズアレイに至る前記測定光の光路長、前記光源から前記レンズアレイに至る前記参照光の光路長、及び前記光源の波長幅のうち、少なくとも１つの調整対象を、前記被検物を経た前記測定光に含まれる信号光成分と前記参照光とが干渉する範囲を含むように変化させる調整工程と、
    前記調整工程により前記調整対象を変化させながら、前記撮像素子から複数の撮像画像を順次取得する撮像工程と、
    前記複数の撮像画像の中から、前記信号光成分と前記参照光との干渉で生じる干渉光スポットを抽出する抽出工程と、
    前記干渉光スポットの重心位置を計算し、予め定めた基準位置に対する前記重心位置のずれ量を計算する計算工程と、を備えたことを特徴とする計測方法。
  6. 請求項５に記載の計測方法を用いた検品工程を備えた光学部品の製造方法。
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