JPH05196433A - ト−リック面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 種々の形状を持つト−リック面の形状測定を
容易に行うことのできるトーリック面形状測定装置を得
ること。 【構成】 光源から導かれた平面波を波面変換手段によ
り被検物体面にほぼ垂直に入射する基準波面に変換して
被検物体に入射し、被検物体面からの反射光を再び波面
変換手段を逆方向から通して平面波に再変換し、予め光
源から分割して作成した参照波面と統合して干渉縞の形
で測定を行う際、波面変換手段を２つの部分より構成
し、第１の波面変換手段で入射する平行光を第１の方向
にほぼ無収差に収束するシリンドリカル波に変換し、第
２の波面変換手段で第１の波面変換手段によって収束作
用を受けなかった方向に対して収束作用を持つように波
面を変換するとともに、第１及び第２の波面変換手段相
互の距離が可変的に調整できるようにしたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は子線の形状を母線の曲率
中心の回りに回転して得られるト−リック面の形状を、
光により干渉計測する際用いるト−リック面形状測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年光学系の応用分野が広がるにつれ、
従来の球面レンズでは達成できない性能を発揮できる非
球面の利用が広がっている。例えばビ−ム走査系で、走
査を行うポリゴンミラ−のぶれの補正に用いられるト−
リック面などはその代表的なものである。ト−リック面
は面の法線に垂直な方向に対して定義される２つの主曲
率である子線及び母線方向の曲率が異なるアナモルフィ
ックな面で、子線方向の形状を母線の曲率中心の回りに
回転して得られる形状として定義される。

【０００３】従来このような非球面の形状測定法として
は 直接形状測定法 光波面測定法 ヌルテスト法 という３つの方式が知られている。

【０００４】の直接形状測定法は対象となる非球面の
形状を、レ−ザ測長機などのフィ−ラでマトリックス状
に一点ずつ測定を行う方式である。フィ−ラは一個の測
定点の測定が終了すると次の測定点に移動するという動
作を繰り返し、非球面全体の領域をカバ−する。測定結
果は測定点の位置座標とともに計算処理され、非球面の
形状が決定される。この方法は汎用的な方法で、測定用
のステ−ジが動く範囲内であれば被測定物の大きさ、或
は非球面量の大きさに特に制限はない。しかしながら汎
用性のある反面、一点一点の測定を繰り返し行うため時
間がかかること、及び測定が離散的で、各測定値の間の
関係に時間の要素が入るため、精度上の問題がある。

【０００５】の光波面測定法は、非球面で反射あるい
は透過したレ−ザ光の波面を干渉やモアレ縞などの手法
を用いて測定する方法で、シアリング干渉により波面を
ずらして微分干渉縞を求め、結果を解析する方法が代表
的である。この方法は予め被測定非球面の理想形状を知
る必要がないため、干渉法として構成が簡単であるとい
う特徴がある。しかし測定がシアリング干渉縞の位相測
定を行った後、その位相分布を波面をずらした方向に積
分して最終的な波面を求めるという手続きとなるため、
精度的な面で問題がある。

【０００６】のヌルテスト法はあらかじめヌルレンズ
と呼ばれる基準となるマスタ−を製作し、干渉測定を行
う方法である。マスタ−は理想となる非球面の形状に対
して垂直入射する光線群、即ち理想非球面形状をなぞる
ような波面を形成し、該波面と被測定非球面からの反射
波面との差が干渉縞の形で測定される。この方法は被測
定物を波長オ−ダで直接観察できるため、前２者に比べ
より精度の高い測定を行うことができるという特徴があ
る。

【０００７】本発明は上記種々の非球面測定法の中で最
も精度の期待されるのヌルテスト法に関するものであ
る。

【０００８】図７は従来行われているトワイマングリ−
ンタイプの干渉計でヌルテストを行う系の構成例であ
る。１のレ−ザから発した光は一旦平行光にコリメ−ト
された後、ヌルレンズ４０で被検面５の理想面に垂直に
入射する波面に変換される。図７（Ａ），（Ｂ）は従来
例の干渉計をそれぞれｘｚ断面、及びｘｙ断面で示した
ものである。被検面から反射された波面はビ−ムスプリ
ッタ６によって、参照波面を形成するミラ−７からの反
射光と統合され、レンズ８を介してカメラ９に干渉縞を
形成する。ヌルテスト法は光線が被検面に垂直に入射す
る波面を形成しさえしてしまえば、被対象物が球面、非
球面に関係なく、２次元測定を簡便に、精度良く行うこ
とができる。

【０００９】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら上記
従来例におけるヌルレンズ法は、ト−リック面のように
母線の曲率半径と子線の曲率半径の異なる被検物に入射
する基準波面の形成について大きな問題があった。

【００１０】即ち、一つのヌルレンズで発生できるト−
リック波面は、母線の曲率半径と子線の曲率半径の差が
一定となる波面群のみである。従って一つのヌルレンズ
は固有な波面群を一種類発生できるのみであり、種々の
ト−リック面に対し光が被検面に垂直に入射するような
基準波面を形成するには、ト−リック面の形状が変わる
度に、原器となるアナモルフィックなヌルレンズを精度
良く作成しなければならない。ヌルレンズの作成にはシ
リンドリカルあるいはト−リックなどの非球面が必要
で、製作に時間がかかる。ト−リックレンズの設計ごと
に発生するこのような原器製作の問題は、生産において
大きな問題となっていた。

【００１１】従って、母線の曲率半径と子線の曲率半径
を独立に変化させることができるヌルレンズ用の波面形
成装置の作成は重要な課題となっている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題に鑑
みてなされたもので、ト−リック面の形状測定装置にお
いて、コリメ−トされた入射波に対し第１及び第２のア
ナモルフィックな波面変換手段を各々のパワ−のある方
向が直交するように配置し、該２つの波面変換手段の間
隔を変化させることで、ト−リック面の基準となる波面
の母線と子線の２つの曲率半径の関係を独立に変化さ
せ、ヌルテストを行うことを特徴としている。

【００１３】即ち、本発明ではコリメ−トされた平面波
がまずシリンドリカルレンズ等の第１の波面変換手段で
第１の方向にほぼ無収差に収束するシリンドリカル波に
変換される。次いで波面は、コリメ−トされたままで変
換を受けていない方向に対してのみ収束度を変換する放
物筒面反射鏡を用いた第２の波面変換手段を介すること
によりト−リック波面に変換される。

【００１４】本発明はこの第１及び第２の波面変換手段
のいずれか一方、または両方を波面の進行方向に対して
可変的に移動させることによって、課題である母線と子
線の２方向の曲率を独立に変化させることを可能にし、
広範囲なト−リック面のヌルテストを可能としたもので
ある。これによってト−リック波面を発生させるヌルレ
ンズについても、一組の原器を用意するだけで球面と同
様に汎用性のある干渉計を構成することができる。

【００１５】

【実施例】図１、図２は本発明の実施例１を示す概観図
である。ｘｙｚ軸は図に示すように設定され、図１
（Ａ）がｚｘ断面、図１（Ｂ）がｘｙ断面である。ｘ軸
は光が最初に進行する方向に取られている。１のレ−ザ
等ほぼ点状のコヒ−レント光源から出た光は、２のコリ
メ−トレンズでｘ軸方向に進むコリメ−トされた平面波
に変換される。この平面波は６のビ−ムスプリッタによ
り、平面７に到達して反射し参照波となる光束と、被測
定物に向い物体波となる光束に分割される。被測定物に
向かうビ−ムスプリッタ６を透過した光束は、次いで第
１の波面変換手段である３の基準シリンドリカルレンズ
によってｙ軸方向にほぼ無収差に収束するシリンドリカ
ル波に変換される。第１の波面変換手段３はシリンドリ
カル非球面単レンズや、複数枚のシリンドリカルレンズ
系など、種々の方法で容易に実現できる。

【００１６】変換された波面は続いて第２の波面変換手
段である４の焦点距離ｐを持つ軸外しの放物筒面に入射
する。放物筒面４は焦線がｙ軸と平行な図中Ｆで示され
る直線で、放物面の頂点をつなぐ線がＳとなっている。
放物筒面４で反射された波面はｙ軸方向の収束度が不変
のまま折り曲げられる。

【００１７】一方、コリメーターレンズ２でコリメ−ト
されたまま基準シリンドリカルレンズ３を通過したｚ方
向成分は、今度は放物筒面４のパワ−により折り曲げら
れて、焦線位置である点Ｆに収束する波面に変換され
る。このように第１及び第２の波面変換手段のパワ−を
持つ断面は互いに直交している。

【００１８】放物筒面４で反射した後の光束の様子を図
式的に表現したのが図２（Ａ）及び図２（Ｂ）である。
図２（Ａ）はｚｘ断面、図２（Ｂ）はｙｚ断面を示す。
図中、放物筒面４に入射する平行光束が放物筒面４によ
って丁度９０°曲げられる位置に存在する、放物筒面上
のｙ軸と平行な線を反射の基準位置Ａとする。Ａは基準
位置なので実際の有効光束からはずれた位置、極端に言
えば実際に存在している筒面を延長した仮想位置にあっ
ても構わない。図２でＡは有効光束中に存在する様に示
してある。

【００１９】図２（Ｂ）で基準位置Ａと第１の波面変換
変換手段による収束位置Ｇの距離をＡＧ＝ｃ，ｐを放物
筒面の焦点距離とすると、基準位置Ａからｚ軸方向にＬ
だけ進んだ位置での波面は、母線方向の曲率半径Ｒ₀ が
図２（Ａ）より Ｒ₀ ＝２ｐ−Ｌ （１） 子線方向の曲率半径ｒ₀ が図２（Ｂ）より ｒ₀ ＝ｃ−Ｌ （２） という厳密なト−リック波面になることを証明すること
ができる。

【００２０】これは第１の波面変換手段３でシリンドリ
カルな波面となった光束に対し、第２の波面変換手段と
して放物筒面の反射面を配置した結果である。第２の波
面変換手段として屈折系であるシリンドリカルレンズを
用いた場合には、いわゆる skew ray が収差を持ち、完
全なト−リック波面を形成することが困難である。

【００２１】Ｒ₀ 及びｒ₀ を示す（１），（２）式よ
り、放物筒面の焦点距離ｐが固定されていても、ｃとＬ
を変化させれば、母線方向と子線方向の曲率半径Ｒ₀ ，
ｒ₀ を独立に変化させることができることが分かる。ｃ
とＬは距離のパラメ−タなので、両者の少なくとも一方
を変化させるような系は容易に構成することができる。

【００２２】図１（Ａ），（Ｂ）は第２の波面変換手段
である放物筒面４を、光の入射してくる方向であるｘ軸
方向に動かしてｃを変化させる例である。Ｌは放物筒面
の基準位置Ａからの距離なので任意に設定可能であり、
結果としてｃとＬにより母線方向と子線方向の曲率半径
Ｒ_0,ｒ₀ が独立に変化できるト−リック波面形成装置が
実現される。ｃとＬの値は（１）、（２）より、 Ｌ＝２ｐ−Ｒ₀ （３） ｃ＝２ｐ＋ｒ₀ −Ｒ₀ （４） と求めることができる。

【００２３】このように系を配置し、図２で５の位置に
被検面をセットすれば、第１及び第２の波面変換手段を
通過したすべての光線が、被検ト−リック面５に垂直に
入射する基準波面が形成される。被検面５に入射した光
は被検面５で反射した後、再び第２及び第１の波面変換
手段４、３を通って今度は行きの逆変換を受け、元の平
面波に戻される。次いで光は６のビ−ムスプリッタで反
射して平面７から戻ってきた参照波面と統合され、投影
レンズ８を介してカメラ９に到達して干渉縞を形成す
る。

【００２４】９の位置で観測される干渉縞はコヒ−レン
ト光源１から出て各要素１−２−６−７−６−８−９と
いう光路を通る参照光と、各要素１−２−６−３−４−
５−４−３−６−８−９という光路を通った物体光との
間の干渉で生じる。このような構成はトワイマングリ−
ンタイプの干渉計に対応している。被検面５の形状が理
想的であれば物体光は第１の波面変換手段３を２度目に
通過した後完全な平面波となり、参照光の波面と合致し
てワンカラ−の干渉縞となる。

【００２５】また被検面５の形状に誤差があれば、物体
光は第１の波面変換手段３を２度目に通過した後、完全
な平面波からその誤差分だけずれる。従って参照光との
干渉により誤差分を干渉縞の形で計測することができ
る。

【００２６】本実施例のような構成をとれば被検ト−リ
ック面５の母線方向の曲率半径Ｒ₀と子線方向の曲率半
径ｒ₀ が異なる設計のものが来ても、ｃ及びＬを
（３）、（４）式で示される値に設定すれば容易に対処
できる。従来は異なるト−リック面ごとに新たにアナモ
ルフィックなヌルレンズを作成していたが、本発明では
極めて単純な手順で、被検面に入射するすべての光線が
所望のト−リック面にほぼ垂直となる基準波面を形成す
ることができる。

【００２７】図３には本発明の実施例２の概略図であ
る。図３（Ａ）はｚｘ断面、図３（Ｂ）はｘｙ断面で、
実施例１と同じ部材には同一の符号が付けられている。

【００２８】実施例１では第２の波面変換手段である放
物筒面４をｘ軸方向に移動し、母線方向の曲率Ｒ₀ と子
線方向の曲率ｒ₀ を独立に変化させたが、本実施例にお
いては第１の波面変換手段３をｘ軸方向に移動させてｃ
を変化させ、同じ効果を実現している。その他の干渉計
としての構成は図１、図２と同じである。コリメ−タ２
を通過した後の光は平面波なので、第１の波面変換手段
３の移動が測定精度に与える影響はない。

【００２９】本実施例においても第２の波面変換手段で
ある放物筒面４以降の距離Ｌは点Ａからの距離で任意に
設定可能なため、Ｒ₀ とｒ₀ を独立に変化できるト−リ
ック波面形成装置が実現できる。本実施例でも母線方向
の曲率半径Ｒ₀ と子線方向の曲率半径ｒ₀ を独立に制御
できるため、種々の被検ト−リック面に対して、ｃ及び
Ｌを（３）、（４）式で示される値に設定すれば、新た
なアナモルフィックなヌルレンズを作成しなくても対処
できる。

【００３０】また不図示ではあるが実施例３として実施
例１、２の組み合わせで第１と第２の波面変換手段３、
４双方を可動とし、ｃの値を変化させても良い。Ｌは放
物筒面４以降にあるため任意の値に設定できるので、
（３）、（４）式に従いＲ₀,r₀を独立に変化させ、所望
のト−リック面に対してすべての光線がほぼ垂直に入射
する基準波面を設定することが可能である。

【００３１】図４、図５は本発明の実施例４の概略図で
ある。第１の波面変換手段３をシリドリカルレンズ系で
はなく第２の波面変換手段と同じ反射放物筒面３′で構
成したものである。３′はやはり軸外しの放物筒面で、
図４（Ｂ）に示す様にｘｘ′面内でパワ−を持ってい
る。

【００３２】本実施例では反射ごとに座標軸が折れ曲が
るので、説明の都合上、反射後の軸をそれぞれｘ′ｙ′
ｚ′とする。この時の波面の状態を示したのが図４
（Ｂ），図５（Ａ），図５（Ｂ）である。図５（Ｂ）に
示した様に第１の波面変換手段３′によりｘ′ｙ′面内
で収束しｚ′軸に平行な線Ｇに集光する光は、続いて第
２の波面変換手段４に入射する。次いで光は放物筒面４
により反射され、図５（Ａ）に示される様に第１の波面
変換手段３′で収束を受けなかった断面の光がＦに収束
する波面に変換される。

【００３３】図５では光を収束させる方向が放物筒面
３′と放物筒面４で互いに直交するため、変換作用も独
立である。従って放物筒面３′と放物筒面４の間隔を実
施例１〜３と同じ様にどちらか一方、もしくは両方を可
変としｃの値を変えることができる。またレーザ１につ
いても今までと同様任意の設定ができるため、母線方向
の曲率半径Ｒ₀ と子線方向の曲率半径ｒ₀ を独立に変え
ることが可能である。

【００３４】実施例４はシリンドリカルレンズの屈折系
を全く用いていないため、波長依存性がないというメリ
ットがある。また波面変換手段３′と４が両方とも軸外
しの放物筒面であるため、焦点距離ｐの放物筒面を数種
類用意さえしておけば、それらを第１の波面変換手段と
しても第２の波面変換手段としても任意に使用すること
ができる。この結果、両者の組み合わせにより更に広い
範囲で母線方向の曲率半径Ｒ₀ と子線方向の曲率半径ｒ
₀ を変化させることが可能で、測定できるト−リック波
面の種類を多くすることができる。

【００３５】実施例１〜４ではトワイマングリ−ン型の
干渉計の構成がとられていた。これに対し図６はフィゾ
−型の干渉計の構成を持つ実施例５である。フィゾ−型
とトワイマングリ−ン型の干渉計で最も異なるのは参照
波面の形成法である。図６でもこれまでの実施例と同じ
構成部品に対しては同じ符号が付けられている。

【００３６】図中レ−ザ１から出た光がコリメ−タ２に
よって広げられるまではこれまでの実施例と同じである
が、ビ−ムスプリッタ６以降の構成が図１〜５と異なっ
ている。即ち図６では参照光を作る光路、即ち平面７が
存在していない。ビ−ムスプリッタ６を通過した光は第
１の波面変換手段であるシリンドリカルレンズ３０に入
射する。３０の作用は図１の波面変換手段３と同様であ
るが、最終面３１がシリンドリカルレンズ３０から出て
いく波面の形状と一致し、すべての光線が３１に対して
垂直となるように構成されていることが特徴である。シ
リンドリカルレンズにこのような特徴を持たせると、面
３１をビ−ムスプリッタとし、波面を分割する役割を持
たすことができる。

【００３７】面３１で反射した光はすべての光線が３１
に垂直に入射するので、反射してもと来た光路を通り、
３０を抜けて再び平面波となってビ−ムスプリッタ６に
再入射する。３１で反射された光は物体面に到達してい
ない光で、しかももと通り平面波に変換されるため、参
照光として６で反射し、投影レンズ８を介して９のカメ
ラに至る。

【００３８】一方、面３１を透過した光は実施例１の図
１、図２と同様で、第２の波面変換手段である反射放物
筒面４で反射され、被検面に垂直に入射する波面に変換
される。被検面５で反射した光は、同じ経路を戻って再
びシリドリカルレンズ３０を通過して被検面の情報を持
った形で平面波に変換され、物体波としてビ−ムスプリ
ッタ６で反射して、投影レンズ８、カメラ９に至る。

【００３９】このように面３１の作用で参照波と物体波
の分割と統合が行われる結果、図６に示されるようなフ
ィゾ−タイプの干渉計が構成される。フィゾ−タイプで
は参照光と物体光の大部分の光路が共通となるため、空
気の揺らぎの影響などが自動的に補正され、トワイマン
グリ−ンタイプに比べて、精度の高い測定を行うことが
できる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明した様に本発明では被検物体で
あるト−リック面の面形状を、波面変換手段により該被
検面にほぼ垂直に入射する基準波面を形成させて入射
し、該被検面からの反射光を再び前記波面変換手段を逆
方向に通して平面波に変換するとともに、予め同一光源
から分割して作成しておいた参照波面と統合し、干渉縞
の形で測定を行うヌルテスト型の干渉型ト−リック面形
状測定装置において、前記波面変換手段を第１及び第２
の波面変換手段に分割し、第１の波面変換手段によって
第１の方向にほぼ無収差に収束するシリンドリカル波に
変換した後、第２の波面変換手段を第１の波面変換手段
によって収束作用を受けなかった方向に対して収束作用
を持つ放物筒面の反射鏡で構成し、該２つの波面変換手
段相互の距離を可変的に調整できるようにすることで、
母線方向の曲率半径Ｒ₀ と子線方向の曲率半径ｒ₀ を独
立に制御し、任意のト−リック波面を測定することを可
能としたものである。前記２つの波面変換手段の間隔を
変化させ、被検物体のセット位置を調整することによっ
て、あらゆるト−リック被検面に対して、該被検面にほ
ぼすべての光線が垂直するような基準波面設定を行うこ
とができる。

【００４１】これにより従来ト−リック面が変わるごと
に新たに作製しなければならなかったヌルレンズから解
放され、汎用な測定装置が実現できるとともに、第２の
波面変換手段として放物筒面を用いることで極めて精度
の高い測定をすることも同時に可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例の干渉計を示す図

【図２】 本発明の第１実施例の干渉計を示す図

【図３】 本発明の第２実施例の干渉計を示す図

【図４】 本発明の第４実施例の干渉計を示す図

【図５】 本発明の第４実施例の干渉計を示す図

【図６】 本発明の第５実施例の干渉計を示す図

【図７】 従来のヌルテスト法を示す図

【符号の説明】

１ レ−ザ光源などのコヒ−レントな点光源 ２ コリメ−タレンズ ３ シリンドリカルレンズ ３',４ 放物筒面から構成される反射ミラ− ５ 被検物体であるト−リック面 ６ ビ−ムスプリッタ ７ ミラ− ８ 投影レンズ ９ 干渉縞観察を行うカメラ ３０ シリンドリカルレンズ ３１ フィゾ−タイプの干渉計の基準面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検物体であるト−リック面の面形状の
   測定で、光源から導かれた平面波を波面変換手段により
   該被検物体面にほぼ垂直に入射する基準波面に変換して
   入射し、該被検物体面からの反射光を再び前記波面変換
   手段を逆方向から通して平面波に再変換するとともに、
   予め前記光源から分割して作成しておいた参照波面と統
   合し、干渉縞の形で測定を行う際、前記波面変換手段を
   第１及び第２のアナモルフィックな波面変換手段より構
   成し、該２つの波面変換手段相互の距離を可変的に調整
   して、任意のト−リック面の形状を測定することを特徴
   としたトーリック面形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記波面変換手段において前記第１の波
   面変換手段は入射する平行光を第１の方向にほぼ無収差
   に収束するシリンドリカル波に変換し、前記第２の波面
   変換手段は前記第１の波面変換手段によって収束作用を
   受けなかった方向に対して収束作用を持っていることを
   特徴とする請求項１のトーリック面形状測定装置。