JPH11304641A - 波面収差測定方法及び波面収差測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ヌルレンズを使用することなく、被測定光学系
の透過波面収差を高精度に、且つ簡単な装置構成で測定
する波面収差測定方法と波面収差測定装置を提供するこ
と。 【解決手段】自らの主光線軸を中心に回転している被測
定光学系に対し、少なくとも一本の十分に細い第１の光
束を照射して該照射光のの透過光を得るとともに、該透
過光を参照となる第２の光束と干渉させ、被測定光学系
の回転に伴う２つの光束の光路長差の変動を観察する操
作を、複数の径に対し順次行ない、各測定径における被
測定光学系全周の２光路長差から、被測定光学系の透過
波面収差の各成分を取得する波面収差測定方法及び波面
収差測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学系の波面収差測
定方法及び波面収差測定装置に関するもので、特に収差
の大きな光学系であっても簡単な装置構成で、高精度に
波面の回転非対称成分を測定できる波面収差測定方法及
び波面収差測定装置を提供することを目的としたもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】最近は様々な分野において残存収差の少
ない高性能光学系が要求されている。高性能光学系にお
いては残存波面収差を極力ゼロに近づける必要があり、
光学設計と製造両面から残存収差の低減を図る必要が生
じている。

【０００３】高性能光学系の全系の組上がり後の波面収
差を良好にするには、全系を構成する要素である単レン
ズや、単レンズ数枚からなる群レンズの製造誤差を減ら
し、各構成要素を設計値により近い性能にすることが必
要である。

【０００４】製造の際、低次の球面収差、低次のコマ収
差、アス収差等は組立後の空気間隔や単レンズ、群レン
ズの偏心等により調整可能である。一方、高次のコマ収
差、アス収差等の回転非対称成分に関しては、組み立て
後の調整方法がない。従って、高次成分及び回転非対称
成分を除去するには、予め組み立て前に各構成要素の持
つ透過波面収差を測定し、例えばレンズ面を非球面加工
するなどして、各構成要素の波面収差が設計値に近くな
るよう補正し、性能を保証する必要がある。

【０００５】しかしながら最終的に組み立てた状態で高
性能光学系であっても各構成要素が発生させる透過波面
収差は数１００ｌ〜数１０００ｌ、あるいはそれ以上の
大収差となるのが通例である。このため、各構成要素の
精度検証を通常の干渉計によって測定するのは不可能
で、いわゆるヌル法で高精度測定が行なわれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ヌル法で透過波面収差
を高精度に測定するには、ヌル法で用いるヌル光学系
（ヌルレンズ）の波面収差を高精度に保証する必要があ
る。ヌルレンズは測定対象となる各構成要素が有する大
きな量の波面収差とほぼ同じ大きさで異符号の波面収差
を有するレンズである。ヌルレンズは測定の際、原器と
しての役割をはたすため、ヌルレンズ自体の波面収差の
絶対値の保証が重要であるが、収差の量が大きいため保
証が非常に困難である。

【０００７】このため、被測定光学系となる各構成要素
の精度検証に際しては以下の様な問題がある。即ち （１） 被測定光学系の透過波面収差をヌルレンズの精
度以上に測定することが不可能である。

【０００８】（２） ヌルレンズを被測定光学系の種類
毎に製作する必要がある。

【０００９】（３） 上記（１）（２）の結果、装置の
コストアップ、大型化、複雑化へとつながる。

【００１０】本発明では、上記の問題点解決のために、
ヌルレンズを使用することなく、被測定光学系の透過波
面収差を高精度に、且つ簡単な装置構成で測定する波面
収差測定方法と波面収差測定装置を提供することを目的
としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では自らの主光線軸を中心に回転している被
測定光学系に対し、少なくとも一本の十分に細い第１の
光束を照射して該照射光のの透過光を得るとともに、該
透過光を参照となる第２の光束と干渉させ、被測定光学
系の回転に伴う２つの光束の光路長差の変動を観察する
操作を、複数の径に対し順次行ない、各測定径における
被測定光学系全周の２光路長差から、被測定光学系の透
過波面収差の各成分を取得することを特徴としている。

【００１２】即ち本発明の波面収差測定方法及び波面収
差測定装置では、被測定光学系を保持しある回転軸を中
心に回転させる回転機構と、２つの可干渉性光束の発生
手段と、該２つの可干渉性光束のうち少なくとも第１の
光束を被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射させ
るための光束偏向手段と、被測定光学系を透過した第１
の光束を垂直反射させる光束反射手段と、被測定光学系
を透過後、該光束反射手段で垂直反射して再び被測定光
学系を透過する第１の光束と、該２つの可干渉性光束の
もう一方に当たる第２の光束を結合して干渉させる光学
系を有し、被測定光学系の回転に伴って得られる該２つ
の可干渉性光束の干渉と該回転の方位情報から、被測定
光学系の透過波面収差を算出することを特徴としてい
る。

【００１３】２つの可干渉光束のうち、被測定光学系に
入射する第１の光束に対し、第２の光束は被測定光学系
のある物点に対する主光線と一致させて被測定光学系に
入射させたり、被測定光学系のレンズ面により反射させ
基準光としたり、被測定光学系外の基準面により反射さ
せ基準光としたりする自由度がある。第１の光束は被測
定光学系を往復で透過した後、第２の光束と結合されて
干渉し、該干渉信号と被測定光学系の回転方位の情報か
ら被測定光学系の収差を測定する。

【００１４】２つの可干渉光束の干渉信号を高精度に取
るため、光束を２周波信号とし、ヘテロダイン検出を行
なうと分解能を向上させることができる。

【００１５】本発明の応用例では被測定光学系を被測定
光学系の一つの物点に対応する主光線が作る軸を中心に
回転するよう保持し、２つの可干渉性光束を回転軸を中
心として被測定光学系の同一の径に、同一の入射角度で
入射させる。入射した２つの光束は被測定光学系を透過
後、光束反射手段で垂直反射し、被測定光学系を再び透
過してから結合されて干渉し、該干渉信号と被測定光学
系の回転方位の情報から被測定光学系の収差を測定する
ことを特徴としている。

【００１６】被測定光学系の同一の径に、同一の入射角
度で入射させるための光束偏向手段は回転軸に垂直な一
軸スライドを持ち、該一軸スライドは入射光束を一軸ス
ライドの長手方向に偏向する第１の偏向手段と、一軸ス
ライドに沿って移動し、第１の偏向手段から導かれる光
束を被測定光学系の所定の位置に所定の角度で入射させ
る第２の偏向手段と、第２の偏向手段を回転軸と一軸ス
ライドがなす平面に垂直な軸回りに回転可能とする回転
手段を有することを特徴としている。

【００１７】また、光束偏向手段は２つの光線用に各１
つで計２つあり、２つの光束偏向手段間の相対角度は可
変となる手段を有することを特徴としている。ｎθ成分
を持つ波面収差を測定する時、前記相対角度を （２ｍ＋１））・π／ｎ ただし２ｍ＋１＜ｎ；ｍ＝
０、１、２、… と設定すると良い。

【００１８】被測定系の波面収差の測定では所望の径に
所望の角度で入射する光束が、複数個の条件で入射する
様に順次前記光束偏向手段を制御する、具体的には入射
径ｒを順次変えるように光束偏向手段を調整して被測定
光学系の波面収差の情報を得ることを特徴とする。複数
個の入射径ｒで取得された情報を連結することによって
被測定光学系の全体の波面収差を高精度に求めることが
可能となった。

【００１９】また、本発明は被測定光学系の偏心を測定
することも可能であるという特徴がある。偏心測定の場
合には回転軸を中心に回転している前記被測定光学系の
各面に対し、順次２つの可干渉性光束を被測定光学系対
象面の見かけの曲率中心近傍に集光交差させるように照
射する。被測定光学系の対象面から反射して戻ってきた
２つの可干渉性光束は結合されて干渉し、該干渉信号と
被測定光学系の回転方位から被測定光学系各面の前記回
転軸に対する偏心量を測定することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１の波面
収差測定装置（透過波面収差測定装置）の構成を示す図
である。ｘｙｚ軸は図に示す通り、被測定光学系の光軸
方向をｘ軸に一致させる。

【００２１】本実施形態では説明を簡単にするため、物
点が被測定光学系の光軸上で、主光線が光軸と一致して
いる場合を例に説明を行なう。

【００２２】図中、１はレーザー光源である。光源の波
長は被測定光学系を実際に使用するときの波長が望まし
い。２はレーザー光束、２４はビーム整形光学系、３は
光束２を二つの可干渉性光束２ａ、２ｂに分割するとと
もに、被測定光学系経由後の２光束を重ね合せるという
２つの役目を持つ光束分割結合素子である。図１の光束
分割結合素子３では光束分割面と光束反射面が平行なプ
リズムを使用した。

【００２３】７は被測定光学系、８は被測定光学系７を
透過した２光束２ａ、２ｂを戻すための光束反射手段
で、本実施形態では、二つの光束を垂直反射できるよう
に球面ミラーを採用している。球面ミラー８は、２つの
光束が垂直反射するように、ｘ方向に移動調整可能とな
っている。

【００２４】９は被測定光学系７を保持回転する手段、
１０は保持回転手段９の回転軸、１２は保持回転手段９
の回転方位検出手段である。１３は演算装置で、光検出
手段１４及び回転方位検出手段１２からの信号を処理す
る。

【００２５】２３は光束偏向機構で、偏向手段２０、２
１、一軸スライド２２より構成されている。

【００２６】２０は光分割結合素子３で分割された光束
の一方で回転軸１０に平行な光線２ａを９０°偏向させ
るミラー等の偏向手段、２１はｙ軸に平行な一軸スライ
ド、２２は一軸スライド２１方向に移動可能で、ｚ軸回
りに回転可能なミラー等の偏向手段である。続いて本実
施形態の作用を説明する。

【００２７】光源であるレーザー１からの光束２はビー
ム整形光学系２４で十分に細い光束に変換された後、光
束分割結合素子３により、２光束２ａ、２ｂに分割され
て回転軸１０と平行に偏向される。

【００２８】ビーム整形光学系２４で整形後の光束の太
さは被測定光学系７の測定したい径以外の影響を受けに
くくなるという意味で、細ければ細いほど透過波面収差
測定精度に有利である。また、光束の径が細いことは光
束内の収差が小さくなることを意味し、干渉縞のＳ／Ｎ
にも有利である。被測定光学系７で発生するの収差が大
きくて、２光束の干渉縞変動が検出できないような場合
は、ビーム整形光学系２４で光束の波面にコマ成分を持
たせるなどの整形を施し、光検出手段１４において干渉
縞変動が観察できるようにすることも可能である。

【００２９】偏向された２光束のうち、光束２ｂは被測
定光学系の光軸上を透過し、球面ミラー８で垂直反射し
た後、もと来た光路を通って光検出手段１４に入射す
る。

【００３０】一方、光束２ａは、光束偏向機構２３に入
射して偏向手段２０でｙ軸方向に反射後、被測定光学系
７の測定したい径ｒに、測定したい入射角度で入射する
ように偏向される。具体的には光束２ａは偏向手段２０
で反射した後、一軸スライド２１上での位置と、ｚ軸回
りの回転を調整された偏向手段２２により偏向を受け、
被測定光学系７に所望の位置及び角度を持つ光線として
入射する。被測定光学系７への光線の入射位置及び角度
は被測定光学系７の見かけの曲率中心への入射条件と一
致する。従って、入射側から見れば光束２ａと２ｂは被
測定光学系７の見かけの曲率中心で集光交差するように
照射される。

【００３１】被測定光学系７に入射する光束の入射角度
は、被測定光学系７が実際使われる状況に近い状態で入
射させるのが適当である。被測定光学系７がある光学系
の一要素の場合も、入射光束は被測定光学系７が該光学
系に組み込まれたときに光線が透過する状態になるべく
近い状態であるが好ましい。例えば被測定光学系７がコ
リメーターレンズの場合は、被測定光学系７の光軸に平
行な光線を入射させるが望ましい。

【００３２】本実施形態の光束偏向機構２３は光束の偏
向をミラーの移動、回転で行なっているが、本発明の実
施形態はこれに限らず、ミラーの代わりに角度可変の光
学クサビを用いたり、被測定光学系の光軸に移動可能な
集光レンズ等を設けて光束を偏向させる等の変形例が考
えられる。

【００３３】球面ミラー８は被測定光学系７の光軸に対
し予め別手段により回転軸１０に対して無偏心状態にセ
ッティングされるとともに、被測定光学系７透過後の光
束２ａが垂直反射するように回転軸１０の方向にも移動
調整されている。従って被測定光学系７透過後の光束２
ａは、球面ミラー８により垂直反射し、元来た光路を通
って光束分割結合素子３により光束２ｂと結合される。
光束２ａと光束２ｂは互いに干渉し、光検出手段１４で
干渉縞が検出される。

【００３４】２つの光束２ａ、２ｂのうち光束２ｂは、
被測定光学系７の光軸を透過しているので、被測定光学
系７の回転によって光路長が変化することはない。一
方、光束２ａは被測定光学系７の収差によって光路長が
変動する。従って２つの光束２ａ、２ｂの２光路長差デ
ータは被測定光学系７の回転に応じて、被測定光学系の
収差に対応する変化をする。

【００３５】光検出手段１４の信号の観測より２光束の
干渉縞のコントラストが最大になるように光束偏向機構
２３もしくは、球面ミラー８を微調整を行う。

【００３６】該微調整終了後、被測定光学系７の保持回
転手段９を回転させ、光検出手段１４からの信号と回転
方位検出手段１２からの信号を演算手段１３で処理す
る。光検出手段１４からは２光束の光路長差分に応じた
干渉光の強度変化信号が得られる。

【００３７】光検出手段１４の信号と測定方位を示す回
転方位検出手段１２の検出信号を対応つけて記憶するこ
とにより、被測定光学系７の該入射光線状態における、
被測定光学系全周の２光路長差データを得ることができ
る。２光路長差データは回転に伴う周期信号となるが、
該周期信号の位相検出においては、２光束を２周波光と
し、ヘテロダイン法を使用すると、高精度な位相検出が
可能である。

【００３８】次いで、光束偏向機構２３を調整し光束２
ａの被測定光学系７への入射径ｒを順次変化させなが
ら、２光路長差測定を行い、各測定径ｒに対するレンズ
全周の２光路長差データを取得する。入射径ｒの変更は
同一の像点、図１の場合には軸上像点に対する結像光束
群を順次選んでいくことにに対応する。

【００３９】測定径ｒを変えると光束２ａの被測定光学
系からの射出状態が変化するので、光束２ａが球面ミラ
ー８で垂直反射するように、球面ミラー８を回転軸１０
方向に移動、調整する。球面ミラー８の移動量は移動量
検出手段１１により測定され、移動に伴う光束２ｂの光
路長の変化による２光路長差に補正をかける。

【００４０】ある径ｒ１とｒ２で測定したときに、球面
ミラー８を光軸方向にΔ移動調整したとすると、光束２
ｂの光路長はｒ１測定時とｒ２測定時でΔ変化する。従
って測定径ｒ１を基準に透過波面収差測定を行う場合、
測定径ｒ２の２光路長差データをΔだけ補正すれば、径
ｒ１を基準とした透過波面収差測定が可能となる。

【００４１】以上の手順で複数の径で測定した被測定光
学系７全周の２光路長差を、測定した径に関し連結すれ
ば、被測定光学系７全面の透過波面収差を得ることがで
きる。測定に用いた２光束２ａ、２ｂは被測定光学系を
２回透過しているので、２光路長差データに０．５をか
けたものが、被測定光学系の透過波面収差に相当する。

【００４２】実施形態１においては２つの可干渉性光束
のうち光束２ａを被測定光学系７の任意の位置に該位置
に対応した角度で入射させ、もう一本の光束２ｂを光軸
に入射させた。しかしながら本発明はこのような構成に
限らず、少なくとも２本の可干渉性光束のうち一本が、
被測定光学系の任意の位置に該位置に対応する角度で入
射する構成であればよい。図１においては光束２ｂが被
測定光学系の光軸を透過する構成になっているが、光束
２ｂを被測定光学系７の一番上の面でいわゆるキャッツ
アイ状態にして反射させ、該反射光と光束２ａの干渉縞
を光検出手段１４で検出する構成にしてもよい。また、
光束分割結合手段３において、光束２ｂを光束反射手段
２５に向かう構成にして、光束反射手段２５反射後の光
束２ｂと被測定光学系透過後の光束２ａと干渉させる構
成にしてもよい。

【００４３】本実施形態では、光束２ａ、２ｂの２本と
もを球面ミラー８で反射させているが、被測定光学系透
過後の光束２ａのみを球面ミラー８で垂直反射させ、光
束２ｂは回転軸１０上にあり、回転軸１０に垂直に設置
固定された反射手段で被測定光学系に戻す構成で、球面
ミラー８の移動に伴う２光路長差の補正を簡略化するこ
とも可能である。

【００４４】また、球面ミラー８の代わりに光束偏向手
段２３と同じ構成の機構を設けて光束を垂直反射させる
ことも可能である。

【００４５】以上説明した装置構成で行なう透過波面収
差測定をフローにしたのが、図２である。

【００４６】ｓ１０１で被測定光学系７（ワーク）を保
持回転手段にセットし、ｓ１０２でワークの調心、ｓ１
０３で球面ミラー８の移動調整、偏心調整を行う。ｓ１
０４で光束偏向機構２３を調整し、被測定光学系７に対
して、光束２ａが所望の測定径ｒと角度で入射するよう
に調整する。ｓ１０５ではワークを回転させて２光路長
差の測定を行い、ｓ１０６で光束往復分の補正を行う。
光束２ｂを被測定光学系７の光軸に透過させる場合は、
移動量検出手段１１において検出された球面ミラー８の
移動量分を補正する。ｓ１０６までの工程で１つの測定
径ｒでの測定が終了する。

【００４７】さらに他の測定径で測定する場合は、再び
ｓ１０３に戻って測定を繰り返す。全ての測定径を測定
し終えると、ｓ１０７で各径における２光路長差データ
を連結し、全面の透過波面収差を取得する。この後必要
であればｓ１０８で透過波面収差をいわゆるクセ等の回
転対称な収差や、コマ、アス等の回転非対称な収差等へ
分離する。

【００４８】図２は透過波面収差測定フローの一例であ
って、他にも種々の変形例が適用できる。例えばｓ１０
３とｓ１０４の順序を逆にしてもよいし、ｓ１０６で２
光路長差補正後、すぐにｓ１０８で各収差成分の分離を
して、全径測定後ｓ１０７で各測定径データを連結する
ことも可能である。

【００４９】ｓ１０６で取得されたデータは、被測定光
学系７の回転に伴い、１ｑの周期で変動するコマ成分、
２ｑの周期で変動するアス成分などの回転非対称成分、
被測定光学系の回転によらず変動しないクセ成分等の回
転対称成分の和になっている。ｓ１０６のデータをフー
リエ変換等し、回転非対称な各成分と、回転対称成分を
分離してから、全径測定後ｓ１０７で各成分を連結し全
面情報とすることができる。

【００５０】以上の説明は被測定光学系７が回転軸１０
に対して無偏心の状態にセットされている状態について
行なってきた。偏心のある場合には本出願人により出願
済みの２ビーム利用の偏心測定装置の特許の機能を本発
明に付加すれば、無偏心状態へのセッティングを容易に
行なうことが可能となる。

【００５１】偏心の測定は被測定光学系７の各面に関し
光束偏向機構２３に近い面から順に２光束２ａ、２ｂを
順次垂直入射させて行なう。従って、入射する２光束は
被測定系各面の見かけの曲率中心近傍に集光交差するす
るように照射されることになる。

【００５２】偏心量は入射させた２ビームが測定対象面
で反射して戻り、形成する干渉縞で測定を行なう。奥側
の偏心の測定には手前側の面の偏心状態を換算して補正
計算をかける。各面の偏心量をもとに光軸が算出され、
回転軸１０に対する被測定光学系７の光軸の偏心量が取
得される。取得された偏心量を元に被測定光学系７を調
心し、被測定光学系７の光軸と回転軸とが無偏心状態に
なるまで、偏心測定と調心の作業を繰り返す。

【００５３】偏心測定の時の光源は透過波面収差測定時
と同じものでも構わないが、光源を切り替えて被測定光
学系７の各面の反射率が高い波長のものを使用すると、
戻り光の光量に関して有利で、干渉縞のＳ／Ｎ比が向上
する。

【００５４】このように、本発明では同一の装置構成
で、被測定光学系の偏心測定も可能なため、ヌル法に比
べ高精度で、かつ小型な装置で透過波面収差の測定が可
能である。

【００５５】本実施形態では説明を簡単にするため、物
点が被測定光学系７の光軸上にあり、主光線が光軸と一
致している場合を例に説明した。別の実施形態として被
測定光学系７を光軸外のある物点に対応する主光線回り
に回転させて波面収差を測定する場合も原理は同一であ
る。光軸外の物点に対しての構成例は実施形態５で祥述
するが、本実施形態の保持回転手段９の代わりに図７に
示す被測定光学系７を傾斜し、平行移動させる保持回転
手段３３を用い、被測定光学系７を測定したい主光線回
りに回転させることで透過波面の測定が可能となる。

【００５６】本発明の実施形態２の波面収差測定装置及
び波面収差測定方法は、十分に細い可干渉性の２光束を
被測定光学系７の光軸を中心として同一の径ｒに同一の
入射角度で照射し、特に回転非対称な透過波面収差うち
ｎｑ成分（ｎ；２ｍ＋１、ｍ＝０、１、２、…）を高精
度に測定するのに適したものである。

【００５７】本実施形態においても、説明を簡単にする
ため、物点が被測定光学系の光軸上にあり、主光線が光
軸が一致している場合を例に説明する。

【００５８】図３は本発明の実施形態２の波面収差測定
装置の構成を示すものである。図中、図１と共通のもの
は同一の符号とし、座標軸の取り方も図１と同じで、被
測定光学系の光軸方向をｘ軸に一致させている。

【００５９】図中、１はレーザー光源で、光源の波長は
被測定光学系７を実際に使用するときの波長が望まし
い。２はレーザー光束、２４はビーム整形光学系、３は
光束２を２つの可干渉性光束２ａ、２ｂに分割するとと
もに、被測定面反射後の２光束を重ね合せる光束分割結
合素子である。光束分割結合素子３は本実施形態では、
光束分割面と光束反射面が平行なプリズムを使用した。

【００６０】４は２光束２ａ、２ｂを被測定光学系７の
任意の位置に該位置に対応した角度で入射させる２光束
偏向機構で、２光束を偏向させる素子５である直角プリ
ズムミラーとｚ軸回りの回転とｙ軸方向への移動が可能
な偏向ミラー６ａ、６ｂより構成されている。

【００６１】７は被測定光学系、８は被測定光学系を透
過した２光束２ａ、２ｂを戻すための光束反射手段で、
本実施形態では球面ミラーが用いられている。球面ミラ
ー８は透過してきた２光束が垂直反射するように、ｘ方
向に移動調整可能である。

【００６２】９は被測定光学系７の保持回転手段、１０
は保持回転手段９の回転軸、１２は保持回転手段９の回
転方位検出手段、１３は演算装置、１４は光検出手段で
ある。

【００６３】次いで本実施形態の作用について説明す
る。

【００６４】光源であるレーザー１からの光束２はビー
ム整形光学系２４で十分に細い光束に変換された後、光
束分割素子３により２光束２ａ、２ｂに分割されて、回
転軸１０に平行に偏向され、２光束偏向機構４へ向か
う。

【００６５】ビーム整形光学系２４で整形後の光束の太
さは被測定光学系７の測定したい径以外の影響を受けに
くくなるので、細ければ細いほど透過波面収差測定精度
に有利である。また、光束の系が細いことは光束内の収
差が小さくなることを意味し、干渉縞のＳ／Ｎにも有利
である。被測定光学系７で発生するの収差が大きくて、
２光束の干渉縞変動が検出できないような場合は、ビー
ム整形光学系２４で光束の波面にコマ成分を持たせるな
どの整形を施し、光検出手段１４において干渉縞変動が
観察できるようにすることも可能である。

【００６６】２光束偏向機構４は２光束２ａ、２ｂが被
測定光学系７に対し、回転軸１０を中心として相対方位
１８０°で入射するように、左右対称に構成されてい
る。

【００６７】２光束偏向機構４に入射した２光束２ａ、
２ｂは、偏向手段５により相対角度１８０°で、ｙ軸に
平行に偏向される。次いで２光束２ａ、２ｂは、ｙ方向
に移動可能で、ｚ軸回りに回転可能な偏向手段６ａ、６
ｂによって回転軸１０に対し相対方位１８０°の軸対称
な状態で偏向を受け、被測定光学系７に向かう。

【００６８】本実施形態の２光束偏向機構では、偏向手
段６ａ、６ｂの移動、回転で、２光束の偏向方向を変化
させているが、本発明はこれに限らず、角度可変の光学
クサビを用いたり、２光束偏向機構として被測定光学系
７の光軸１０に移動可能な集光レンズを設けて２光束を
入射させ、偏向させることも可能である。

【００６９】被測定光学系７に入射する２光束の入射角
度は、被測定光学系７が実際使われる状況に近い状態で
入射させるのが適当である。被測定光学系７がある光学
系の一要素の場合も、入射光束は被測定光学系７が該光
学系に組み込まれたときに光線が透過する状態になるべ
く近い状態であるが好ましい。例えば被測定光学系７が
コリメーターレンズの場合は、被測定光学系７の光軸に
平行な光線を入射させるが望ましい。

【００７０】被測定光学系７はあらかじめ別手段により
光軸と回転軸１０が一致した無偏心状態にセットし、保
持回転手段９に保持される。被測定光学系７を透過した
２光束は、回転軸１０方向に移動可能な球面ミラー８に
より反射する。球面ミラー８はあらかじめ、回転軸１０
に対して無偏心状態になるよう、回転軸１０に垂直な方
向に調整しておく。２光束は球面ミラー８で垂直反射
後、同一光路を辿って、今度は光束分割結合素子３で重
ね合わされ干渉縞を生じる。２光束の干渉縞は光検出手
段１４により検出される。光検出手段１４の信号の観測
より、２光束の干渉縞のコントラストが最大になるよう
に２光束偏向機構４もしくは、球面ミラー８を微調整を
行う。光検出手段１４の出力信号は演算手段１３に送ら
れる。

【００７１】微調整終了後、保持回転手段９の回転に伴
う光検出手段１４からの信号と回転方位検出手段１２か
らの信号が演算手段１３で処理される。保持回転手段９
の回転に伴い、光検出手段１４は２光束２ａ、２ｂの光
路長差分に応じた干渉光の強度変化信号を出力する。光
検出手段１４の検出信号と測定方位を示す回転方位検出
手段１２の検出信号を対応つけて記憶することによっ
て、該入射光線状態における、被測定光学系７全周の２
光路長差データを得ることができる。

【００７２】２光路長差は回転に伴う周期関数となる
が、該周期信号の位相検出においては、２光束を２周波
光とするヘテロダイン法を使用すると、高精度な位相検
出が可能である。

【００７３】次いで、２光束の被測定光学系７への入射
径ｒが順次変化するように、２光束偏向機構４を調整
し、各測定ｒにおける被測定光学系７全周の２光路長差
測定を行う。

【００７４】測定された２光路長差は、２光束の被測定
光学系入射時の相対方位が１８０°であるため、図４で
示す透過波面収差の回転非対称成分のうち１ｑ成分（コ
マ）、３ｑ成分等の（ｍ＋１）ｑ、（ｍ＝０、１、２、
…）の奇数次の非対称成分を合成した形となり、２ｑ
（アス）、４ｑ等の偶数次の成分は持たない。

【００７５】即ち、ある径ｒにおける被測定光学系の透
過波面収差のｎｑ成分（ｎ＝１、２、…）を振幅Ａ_n、
初期位相ｑ_nを用いて、 Ａ_nｓｉｎ（ｎｑ＋ｑ_n） という形で表わすとすると、光路長差Ｌは２光束の被測
定光学系入射時の相対方位が１８０°なので、 とｎが奇数の成分だけが残り、残った成分については各
成分の振幅Ａ_ｎが２倍になって測定される。ここで、δ
_i,jはクロネッカーのデルタで、ｉ＝ｊなら１、ｉ≠ｊ
なら０である。

【００７６】また、透過波面収差のうち、回転対称成分
は同一径ｒでは方位によらず一定なので、本実施形態で
出力される２光路路長差には含まれない。

【００７７】光検出手段１４で検出される２光路長差
は、２光束が被測定光学系７を２度透過しているので、
実際の検出値は（１）式の２倍の値になる。検出される
信号には装置構成により元々存在する２光路長差など、
被測定光学系の回転により変化しない成分も含まれてい
るが、これらは、演算手段１３において補正して除去可
能なため、最終的にある径ｒにおける、被測定光学系７
全周の透過波面収差を得ることができる。

【００７８】以上のように、被測定光学系の同一径に相
対方位１８０°で可干渉性の２光束を入射させること
で、奇数次の回転非対称成分だけを高いＳ／Ｎ比で、高
精度に測定できることとなる。

【００７９】測定された被測定光学系７全周の透過波面
収差から特定の成分をみるには、各径ｒに関して測定さ
れた透過波面収差に対しフーリエ変換やフィッティング
を行い、対象成分を取り出せばよい。

【００８０】例えば、コマ成分は１ｑ成分に相当するの
で、透過波面収差データから１ｑ成分だけをとりだせば
よい。 （２） WA_CM(r)=C₁(r)・sin(q+y₁(r))、 ここで、Ｃ₁（ｒ）は測定径ｒにおける被測定光学系７
の透過波面収差のコマ成分の振幅、ｙ₁（ｒ）は測定径
ｒにおけるコマ成分の初期位相である。

【００８１】被測定光学系７の持つ透過波面収差のコマ
成分の振幅Ｃ₁（ｒ）と初期位相ｙ₁（ｒ）ををさらに、
ｒの関数で表したい場合は以下のように行う。

【００８２】透過波面収差のコマ成分を、（３）式の様
に記述し直す。 （３） WA_CM(r)=A(r)cosq+B(r)sinq、 ただし、 （４） A(r)=W₁r+W₃r³+W₅r⁵+W₇r⁷+W₉r⁹+…、 （５） B(r)=W₂r+W₄r³+W₆r⁵+W₈r⁷+W₁₀r⁹+…、 である。

【００８３】ここでＷ₁、Ｗ₂、…は、透過波面波面収差
係数のコマ成分に関するものである。

【００８４】（２）式と（３）式を対応させると、 （６） C₁ ²(r)=A²(r)+B²(r) （７） tany₁(r)=A(r)/B(r) となる。各測定径ｒに関する測定結果Ｃ₁（ｒ）、ｙ
₁（ｒ）をもとに（４）〜（７）式を用いて最小自乗法
等でフィッティングを行えば、コマの各波面収差係数Ｗ
₁、Ｗ₂、…を得ることができ、被測定光学系７全面の透
過波面収差を得ることができる。

【００８５】同様にして、他の奇数次の非回転対称成分
についても透過波面収差のコマ成分を得ることが可能で
ある。

【００８６】被測定光学系７の透過波面収差の３ｑ成
分、５ｑ成分は、測定径ｒにおけるレンズ全周の透過波
面収差から、３ｑ成分、５ｑ成分をフーリエ変換や、フ
ィッティング等で抽出し、以下のように表わすことがで
きる。 （８） WA₃(r)=C₃(r)・sin(3q+y₃(r))、 （９） WA₅(r)=C₅(r)・sin(5q+y₅(r))。

【００８７】数式（８）は３ｑ成分、数式（９）は５ｑ
成分に対応する。Ｃ₃（ｒ）、Ｃ₅（ｒ）は測定径ｒにお
ける透過波面収差の３ｑ成分、５ｑ成分の振幅、ｙ
₃（ｒ）、ｙ₅（ｒ）は測定径ｒにおける３ｑ成分、５ｑ
成分の初期位相である。

【００８８】被測定光学系７の持っている透過波面収差
の３ｑ成分の振幅や初期位相をｒの関数で表したい場合
も、１θ成分であるコマ成分と同じように計算すること
ができる。

【００８９】波面収差の３ｑ成分を、以下の様に記述す
る。 （１０） WA₃(r)=A₃(r)cos3q+B₃(r)sin3q、 ただし、 （１１） A₃(r)=W₃₁r+W₃₃r³+W₃₅r⁵+W₃₇r⁷+W₃₉r⁹+… （１２） B₃(r)=W₃₂r+W₃₄r³+W₃₆r⁵+W₃₈r⁷+W₃₁₀r⁹+… ここで、Ｗ₃₁、Ｗ₃₂、…は、波面収差係数の３ｑ成分に
関するものである。（８）式と（１０）式を対応させる
と、 （１３） C₃₂(r)=A₃ ²(r)+B₃ ²(r) （１４） tany₃(r)=A₃(r)/B₃(r)、 となる。各測定径ｒに関する測定結果Ｃ₃（ｒ）、ｙ
₃（ｒ）をもとに（１１）〜（１４）式を用いて最小自
乗法等でフィッティングを行えば、３ｑ成分の各波面収
差係数Ｗ₃₁、Ｗ₃₂、…を得ることができる。

【００９０】５ｑ成分、あるいはより高次の奇数次の成
分の振幅をｒのべきで表したい場合も、上記手法と同様
な方法で可能である。

【００９１】以上の説明は被測定光学系７が回転軸１０
に対して無偏心の状態にセットされている状態について
行なってきた。偏心のある場合には実施形態１の様に本
出願人により出願済みの２ビーム偏心測定装置の特許の
機能を本発明に付加すれば、無偏心状態へのセッティン
グを容易に行なうことが可能となる。

【００９２】偏心の測定は被測定光学系７の各面に関し
２光束偏向機構４に近い面から順に２光束２ａ、２ｂを
順次垂直入射させて行なう。偏心量は入射させた２ビー
ムが測定対象面で反射して戻り、形成する干渉縞で測定
を行なう。奥側の偏心の測定には手前側の面の偏心状態
を換算して補正計算をかける。各面の偏心量をもとに光
軸が算出され、回転軸１０に対する被測定光学系７の光
軸の偏心量が取得される。取得された偏心量を元に被測
定光学系７を調心し、被測定光学系７の光軸と回転軸と
が無偏心状態になるまで、偏心測定と調心の作業を繰り
返す。

【００９３】偏心測定の時の光源は透過波面収差測定時
と同じものでも構わないが、光源を切り替えて被測定光
学系７の各面の反射率が高い波長のものを使用すると戻
り光の光量に関して有利で、干渉縞のＳ／Ｎ比が向上す
る。

【００９４】このように、本発明では同一の装置構成
で、被測定光学系７の偏心測定も可能なため、ヌル法に
比べ高精度で、かつ小型な装置で透過波面収差の測定が
可能である。

【００９５】本実施形態では、相対方位として、透過波
面のコマ成分に関して２光路長差が最大になる１８０°
を採用しているが、コマ成分の測定は相対方位が０°以
外ならば、何度でもかまわない。例えばコマ成分が大き
い場合、相対方位１８０°ではサンプリング間隔を小さ
くしないと測定不能になる場合がある。測定不能の場合
は相対方位を小さくして測定を行うと、２光路長差が小
さくなり有利である。

【００９６】本実施形態２の透過波面収差測定装置を用
いるときのフローが図４である。

【００９７】ｓ１０１で被測定光学系７（ワーク）を保
持回転手段９にセットし、ｓ１０２でワークの調心、ｓ
１０３で球面ミラーの移動調整、偏心調整を行う。次い
でｓ１０４で２光束２ａ、２ｂが被測定光学系に対して
所望の測定径ｒと角度で入射するように、２光束偏向機
構４を調整する。ｓ１０５ではワークを回転させて２光
路長差の測定を行い、ｓ１０６で光束往復分等の２光路
長差補正を行って、ｓ１０７で各成分（ｎｑ成分、ｎは
奇数）を抽出する。ｓ１０７までで１つの測定径ｒにお
ける測定が終了する。さらに他の測定径で測定する場合
は、ｓ１０３に戻って測定を繰り返す。全ての測定径を
測定し終えたならば、ｓ１０８で全面の透過波面収差の
算出を行う。

【００９８】本実施形態の透過波面収差の測定フローは
図４に限定されない。例えばｓ１０７のｑ成分抽出と２
光路長差補正は全測定径測定後一括に行うことにして、
ｓ１０５で２光路長取得後すぐにｓ１０３に戻って測定
を続けてもいいし、ｓ１０３とｓ１０４を逆にしてもよ
い。

【００９９】また、ｓ１０６で２光路長差を補正したあ
とｓ１０７のステップを行わず、全ての測定径について
測定を行い、各径における２光路長差データを連結して
全面情報に直してから、各収差成分の分離を行うことも
可能である。

【０１００】本実施形態でも説明を簡単にするため、物
点が被測定光学系７の光軸上にあり、主光線が光軸と一
致している場合を例にとって説明した。別の実施形態と
して被測定光学系７の光軸外のある物点に対応する主光
線回りに被測定光学系を回転させて測定する場合も原理
は同一である。光軸外の物点に対しての構成例は実施形
態５で祥述するが、本実施形態の保持回転手段９の代わ
りに図７に示す被測定光学系７を傾斜し、平行移動させ
る保持回転手段３３が用いられる。被測定光学系７を測
定したい主光線回りに回転させ、２光束偏向機構４が２
光束２ａ、２ｂを主光線がなす軸に対して被測定光学系
７の同一径に入射させるような構成にすると、光軸外の
物点に対しても測定可能となる。

【０１０１】本発明の実施形態３の波面収差測定装置及
び波面収差測定方法は、３ｑ成分、５ｑ成分等のｎｑ成
分（ｎは奇数）の透過波面収差を測定する場合に関する
ものである。実施形態２では１θ成分のコマ収差を精度
良く測定するため、２光束の相対方位を１８０°に設定
した。しかしながら３ｑ成分、５ｑ成分等の３以上の高
次のｎｑ成分（ｎは奇数）の透過波面収差を測定する場
合には、２光路長差が最大になる２光束の相対方位は必
ずしも１８０°に限定されず、２光束の相対方位が、 （１５） (2m+1)・π/n、 ただし、(2m+1)<n;m=0、1、2、…、 なら、２光路長差の振幅が最大値となり、最もＳ／Ｎ比
が高い状態となる。

【０１０２】例えば３ｑ成分の場合は相対方位πのほか
に相対方位π／３、５ｑ成分の場合は相対方位π／５、
３π／５の場合でも２光路長差が最大となる。さらに、
２光束の相対方位を１８０°以外にしておけば、１θ成
分であるコマ成分の影響が小さくなるので、高次の奇数
次成分測定時に観測したい成分のＳ／Ｎ比が向上する。

【０１０３】２光束の相対方位を１８０°を含めて可変
としたのが本発明の実施形態３で、図３の波面測定装置
の２光束偏向機構４を図６に示す２光束偏向機構４’で
置換したことが特徴である。

【０１０４】以下、図６と図３を併用し、２光束の相対
方位をπ／３＝６０°としたときを例に説明を行なう。
これまでの実施形態と同じ部材に関しては同一の符号が
付けてあり、座標の取り方も前実施形態と同じとする。
図６は２光束偏向機構４’を図３におけるｘの負の側か
らみている。また、本実施形態においても、説明を簡単
にするため、物点が被測定光学系の光軸上にあり、主光
線と光軸が一致している場合を例に説明する。

【０１０５】本実施形態の２光束偏向機構４’は、偏向
手段５ａ、５ｂと偏向手段６ａ、６ｂを有し、ｙｚ平面
にある一軸スライダ１０２ａ、１０２ｂと、各一軸スラ
イダの相対角度を可変とするスライド角度可変手段１０
１から構成されている。図６では、一軸スライド１０２
ａが固定で、一軸スライド１０２ｂを回転させる構成と
なっている。１０２ｂ側を回転側としたのは光束２ｂが
被測定光学系７の光軸である回転軸１０上を走っている
ためである。一軸スライド１０２ｂが固定で一軸スライ
ド１０２ａが回転する構成、あるいは一軸スライド両方
が回転する構成も微小な系の変更で実現することができ
る。

【０１０６】偏向手段５ａ、５ｂは、図３に示す２光束
分割結合素子３から来た２光束２ａ、２ｂが一軸スライ
ダ１０２ｂの回転に追随し、各一軸スライダ１０２ａ、
１０２ｂの長手方向に平行に偏向されるように設置され
る。偏向手段６ａ、６ｂは各一軸スライダ方向に移動可
能で、各一軸スライド１０２ａ、１０２ｂとｘ軸が作る
平面に垂直な軸回りに回転可能となっている。

【０１０７】本実施形態における２光束偏向機構４’の
作用は次のとおりである。

【０１０８】図６で２光束２ａ、２ｂは不図示の２光束
分割結合素子３により、回転軸１０に平行に偏向され
る。２光束分割結合素子３は回転軸１０と一致する光路
を通過する偏向光束２ｂが回転軸１０上に存在する偏向
手段５ｂで反射し、回転軸１０に平行でｙ軸方向にシフ
トした光路を通る光束２ａがｙ軸上に存在する偏向手段
５ａで反射するように光路を調整する。

【０１０９】２光束２ａ、２ｂは、スライド角度可変手
段１０１により相対角度６０°を持つように調整された
一軸スライド１０２ａ、１０２ｂ上の偏向手段５ａ、５
ｂにより、各一軸スライドに平行で相対角度６０°を持
つよう偏向を受ける。偏向を受けた２光束２ａ、２ｂ
は、あらかじめ被測定光学系７の測定したい同一径ｒに
同一入射角度で入射するように移動調整した偏向手段６
ａ、６ｂにより偏向され、被測定光学系７へ向かう。２
光束２ａ、２ｂは被測定光学系７透過後、図３に示すよ
うにあらかじめ移動調整済みの球面ミラー８に垂直入射
して反射され、同一光路を辿ってもとの光学系に戻る。
次いで２光束２ａ、２ｂは２光束分離結合素子３で合成
されて受光素子１４上に干渉縞を生じ、２光路長差が観
測される。球面ミラー８の位置は必要に応じて微調整が
行なわれる。

【０１１０】微調整が終了すると被測定光学系７は保持
回転手段９で回転され、光検出手段１４からの信号と回
転方位検出手段１２からの信号が演算手段１３で処理さ
れる。光検出手段１４から得られるのは保持回転手段９
の回転に応じた２光束の光路長差による干渉光の強度変
化信号で、該強度変化信号は回転に伴う周期信号であ
る。該周期信号と測定方位を示す回転方位検出手段１２
の検出信号とを対応つけて記憶することにより、被測定
光学系７の入射径ｒでの入射光線状態における、被測定
光学系全周の２光路長差データを得ることができる。

【０１１１】次いで、一軸スライド１０２ａ、１０２ｂ
間の相対角度を６０°に保ったまま、２光束の被測定光
学系７への入射径ｒが順次変化するように２光束偏向機
構４’を調整し同様の２光路長差測定を行う。測定され
た２光路長差データから実施形態２のように３ｑ成分を
抽出すれば、被測定光学系７の測定径ｒにおける透過波
面収差の３ｑ成分を取得することができ、同様に径ｒに
ついての取得データを連結すれば、３ｑ成分の波面収差
係数が取得できる。

【０１１２】透過波面収差の５ｑ成分も同様に、２光束
偏向機構４’のスライド角度可変手段１０１により、一
軸スライダ１０２ｓ、１０２ｂの相対角度を１８°か、
５４°にすることで測定可能である。同様に、スライド
角度可変手段１０１を用いて一軸スライド間の相対角度
を変化させれば、さらに高次のｎｑ成分（ｎは奇数）の
透過波面収差の測定も可能である。

【０１１３】本実施形態でも説明を簡単にするため、物
点が被測定光学系７の光軸上にあり、主光線が光軸と一
致している場合を例に説明した。別の実施形態として被
測定光学系７の光軸外のある物点に対応する主光線回り
に被測定光学系を回転させて測定する場合も原理は同一
である。光軸外の物点に対しての構成例は実施形態５で
祥述するが、本実施形態の保持回転手段９の代わりに図
７に示す被測定光学系７を傾斜し、平行移動させる保持
回転手段３３が用いられる。被測定光学系７を測定した
い主光線回りに回転させ、図６に示す２光束偏向機構
４’が２光束２ａ、２ｂを主光線がなす軸に対して被測
定光学系７の同一径に同一の入射角度で入射する構成に
すると、光軸外の物点に対しても測定可能となる。

【０１１４】本発明の実施形態４の波面収差測定装置及
び波面収差測定方法は、透過波面収差のうちアス成分
（２ｑ）の測定に関するものである。本実施形態でも説
明を簡単にするため、物点が被測定光学系の光軸上にあ
り、主光線が光軸が一致している場合を例に説明する。

【０１１５】アス成分に限らず透過波面収差のｎｑ成分
（ｎは偶数）を測定する場合、被測定光学系に入射させ
る２光束の相対方位は、（１５）式と同様に、 （１６） (2m+1)・π/n、 ただし、(2m+1)<n;m=0、1、2、…、 のとき２光路長差の振幅が最大値をとり、観測したい成
分のＳ／Ｎ比が向上する。例えば２ｑ成分の場合は相対
方位π／２、４ｑ成分の場合は相対方位π／４、３π／
４の場合に２光路長差が最大となる。

【０１１６】透過波面収差のアス成分を測定する波面測
定装置の構成は実施形態２で説明したものを使用する。
即ち、図３の波面測定装置において２光束偏向機構４を
図６の２光束偏向機構４’に置換した構成である。

【０１１７】実施形態４では図６の２光束偏向機構４’
でスライド角度可変手段１０１により、一軸スライド１
０２ａ、１０２ｂの相対角度を９０°にしてアス成分の
測定を行なうことを特徴としている。

【０１１８】光源であるレーザー１からの光束２はビー
ム整形光学系２４で十分に細い光束に変換された後、光
束分割結合素子３により２光束２ａ、２ｂに分割されて
回転軸１０に平行な光束となって、図５の２光束偏向機
構４’に入射する。２光束分割結合素子３は回転軸１０
上を通る光束２ｂが回転軸１０上に存在する偏向手段５
ｂで反射し、回転軸１０と平行でｙ軸方向にシフトした
位置を通る光束２ａがｙ軸上に存在する偏向手段５ａで
反射するように予め調整を行なっておく。

【０１１９】２光束２ａ、２ｂは、スライド角度可変手
段１０１により相対角度９０°を持つように調整された
一軸スライド１０２ａ、１０２ｂ上の偏向手段５ａ、５
ｂにより、各一軸スライドに平行になるように偏向を受
ける。偏向を受けた２光束２ａ、２ｂは、あらかじめ被
測定光学系７の測定したい同一径ｒに同一角度で入射す
るように移動調整した偏向手段６ａ、６ｂで偏向を受
け、被測定光学系７へと向かう。

【０１２０】２光束の被測定光学系７への入射角度は実
施形態１で説明したように、該被測定光学系７が実際に
使われる状況に近い角度とすることが望ましい。

【０１２１】２光束２ａ、２ｂは被測定光学系７透過
後、図３で示した球面ミラー８で垂直反射し、同一光路
を辿ってもとの光学系に戻る。次いで、２光束２ａ、２
ｂは２光束分離結合素子３で結合されて光検出手段１４
上に干渉縞を形成し、光電信号に変換される。光検出手
段１４の信号の観測より２光束の干渉縞のコントラスト
が最大になるように２光束偏向機構４’もしくは、球面
ミラー８の微調整を行う。

【０１２２】微調整が終了すると、被測定光学系７は保
持回転手段９により回転され、光検出手段１４からの信
号と回転方位検出手段１２からの信号が演算手段１３で
処理される。光検出手段１４から得られるのは保持回転
手段９の回転に応じた２光束の光路長差による干渉光の
強度変化信号で、該強度変化信号は回転に伴う周期信号
である。該周期信号と測定方位を示す回転方位検出手段
１２の検出信号とを対応つけて記憶することにより、被
測定光学系７の入射径ｒでの入射光線状態における、被
測定光学系全周の２光路長差データを得ることができ
る。

【０１２３】獲得された２光路長差データから２θ成分
を抜き出せば、被測定光学系７の光軸を中心とした透過
波面収差のアス成分が測定できる。本実施形態では２光
束を相対方位９０°で被測定光学系７に入射させている
ので、２ｑ成分は高いＳ／Ｎ比で測定される。

【０１２４】同様に、一軸スライド１０２ａ、１０２ｂ
間の相対角度を９０°に保ったまま、２光束の被測定光
学系７への入射径ｒが順次変化するように２光束偏向機
構４’を調整し、２光路長差測定を行う。測定された２
光路長差データから実施形態２と類似の手順で２ｑ成分
を抽出すれば、被測定光学系７の測定径ｒにおける透過
波面収差の２ｑ成分を取得することができ、径ｒについ
ての取得データを同様に連結すれば、２ｑ成分の波面収
差係数が取得できる。

【０１２５】本実施形態でも説明を簡単にするため、物
点が被測定光学系７の光軸上にあり、主光線が光軸と一
致している場合を例に説明した。別の実施形態として被
測定光学系７の光軸外のある物点に対応する主光線回り
に被測定光学系７を回転させて測定する場合も、原理は
同一である。光軸外の物点に対しての構成例は実施形態
５で祥述するが、本実施形態の保持回転手段９の代わり
に図７に示す被測定光学系７を傾斜し、平行移動させる
保持回転手段３３が用いられる。被測定光学系７を測定
したい主光線回りに回転させ、図６に示す２光束偏向機
構４’が２光束２ａ、２ｂを主光線がなす軸に対して被
測定光学系７の同一径に同一の入射角度で入射させる構
成にすると、光軸外の物点に対しても測定が可能であ
る。

【０１２６】本発明の実施形態５は物点が被測定光学系
の軸外にある場合の波面収差測定装置及び波面収差測定
方法で図７に示す構成を取ったものである。

【０１２７】図中、これまでの実施形態と共通の部材は
同一の符号で示され、座標系も図１と同様に設定されて
いる。

【０１２８】新たに導入された部材で２９は偏向手段、
４’’は２光束偏向機構で光束分割結合素子３０、偏向
手段３１、３２ａ、３２ｂからなっている。３０は光束
分割結合素子で光束を２つの可干渉性光束２ａ、２ｂに
分割するとともに、被測定光学系７透過後に戻ってきた
２光束を重ね合せる。３１は光束２ａの偏向手段、３２
ａ、３２ｂはそれぞれ光束２ａ、２ｂの偏向手段で、ｙ
軸方向に移動可能で、ｚ軸回りに回転可能となってい
る。３３は被測定光学系７の保持回転手段で、被測定光
学系７を傾斜及び方向移動させ、該傾斜及び移動量は回
転方位検出手段１２でモニターされている。

【０１２９】本実施形態は、保持回転手段３３により被
測定光学系７が平行移動と傾斜でき、軸外の物点に対応
する主光線を軸として回転できる構成となっている点が
実施形態１との違いである。また、２光束偏向機構４”
は２光束の一方を主光線として入射させ、もう一方を被
測定光学系７の所望の位置に所定の角度で入射させる。

【０１３０】先ず、保持回転手段３３は被測定光学系７
の測定対象となる軸外の物点に入射する主光線と回転軸
１０が一致するように、傾斜、平行移動量を調整する。

【０１３１】レーザー１から出射した光束２は、ビーム
整形手段２４で十分に細い光束に変換された後、偏向手
段２９で偏向を受け、２光束分割結合素子３０で、２光
束２ａ、２ｂに分割される。光束分割結合素子３０によ
り反射された光束２ｂは偏向手段３２ｂへ到達し、被測
定光学系７の測定対象となっている軸外物点に対応する
主光線と一致するよう偏向される。２光束分割結合素子
３０を透過した光束２ａは偏向手段３１で反射後、偏向
素子３２ａにより被測定光学系７の所望の位置に所望の
角度で入射するように偏向される。

【０１３２】２光束２ａ、２ｂは被測定光学系７を透過
し、あらかじめ２光束が垂直反射するように調整された
球面ミラー８に垂直入射し反射される。球面ミラー８は
保持回転手段３３による被測定光学系７の回転に伴い、
回転軸１０回りを保持回転手段３３に同期して回転す
る。球面ミラー８を反射した２光束は被測定光学系７を
同一光路を辿って透過して戻り、光束分割結合素子３０
で重ね合わされて光検出手段１４上に干渉縞を形成す
る。

【０１３３】上記状態で、被測定光学系７の回転保持手
段３３を回転させると、光検出手段１４からは２光束の
光路長差分に応じた干渉光の強度変化信号が周期信号と
して得られる。該強度変化信号と測定方位を示す回転方
位検出手段１２の検出信号を対応つけて記憶することに
よって、該入射光線状態における被測定光学系７全周の
２光路長差データを得ることができる。光検出手段１４
からの信号と、回転方位検出手段１２からの信号は演算
手段１３で処理される。

【０１３４】本実施形態での位相検出方法も、実施形態
１等と同じく２光束２ａ、２ｂを２周波光とし、ヘテロ
ダイン法を使用すると高精度位相検出が可能である。

【０１３５】光束２ｂは回転軸１０上を透過しているの
で、被測定光学系７が回転しても光路長が変化すること
はないが、光束２ａは被測定光学系７の収差によって光
路長が変動する。得られた２光路長差データは回転保持
手段３３の回転に応じて、被測定光学系７の収差に対応
する変化をする。

【０１３６】次いで、光束２ｂの被測定光学系入射状態
は固定のまま光束偏向機構４’’内の偏向手段３２ａを
調整し、光束２ａの被測定光学系７への入射径ｒを所定
量変化させて２光路長差測定を同様に行う。入射径ｒを
順次変化させながら同様の測定を繰り返すことによっ
て、主光線の軸を中心として各測定径ｒに対するレンズ
全周の２光路長差データが取得できる。測定径ｒの変化
に伴って、光束２ａの被測定光学系７からの射出状態が
変化するので、球面ミラー８は光束２ａと２ｂがで垂直
射するように移動、調整される。球面ミラー８の移動に
伴い生じる光束２ｂの光路長変化は、球面ミラー８の移
動量を移動量検出手段１１により測定した値を用いて補
正をかける。

【０１３７】以上の手順で光束２ａの入射状態を変え、
回転軸１０回りに測定した被測定光学系７全周の２光路
長差を複数個の径に関して連結すれば、被測定光学系７
全面の透過波面収差を得ることができる。得られるデー
タは光束２ｂが被測定光学系７に入射する状態が、被測
定光学系７のある物点に対する主光線と同等としたとき
のものである。また、２光束は被測定光学系７を２回透
過するので、２光路長差データに０．５を乗したしたも
のが、被測定光学系７の透過波面収差に相当する。

【０１３８】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明の波面収差測
定装置及び波面収差測定方法においてはヌルレンズ等を
使用することなく、被測定光学系の透過波面収差を高精
度に、簡単な装置構成で測定することが可能となった。

【０１３９】本発明では２光束の入射状態を調整するこ
とであらゆる光学系に対応できるため、被測定光学系毎
にヌルレンズを製作という繁雑さからも逃れることがで
きて、コスト面、日程的にも極めて有利である。またヌ
ルレンズを装着、あるいは交換するスペースも不要とな
るため、装置が大型化しないというメリットもある。

【０１４０】精度面についてもヌルレンズ使用時に必要
なヌルレンズ自体の収差の絶対値のキャリブレーション
が不要で誤差要因が小さい。本発明で測定対象とした波
面収差は２光束を干渉させて相対計測可能なものであ
り、常に一方が参照光となる、または配置上の条件で誤
差が最小となるように設定できるため、従来法より高精
度な測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１の透過波面収差測定装置
の構成を示す図

【図２】 本発明の実施形態１の透過波面収差測定方法
のフローを示す図

【図３】 本発明の実施形態２の透過波面収差測定装置
の構成を示す図

【図４】 本発明の実施形態２の透過波面収差測定方法
のフローを示す図

【図５】 透過波面収差の回転非対称成分の模式図

【図６】 本発明の実施形態３及び４の２光束偏向機構
の構成を示す図

【図７】 本発明の実施形態５の透過波面収差測定装置
の構成を示す図

【符号の説明】

１ レーザー ２ 光束 ２ａ，２ｂ ２分割された光束 ３ 光束分割結合手段 ４ ２光束偏向機構 ４’ ２光束偏向機構 ４’’ ２光束偏向機構 ５ 偏向手段 ５ａ，５ｂ 偏向手段 ６ａ，６ｂ 偏向手段 ７ 被測定光学系 ８ 光束反射手段 ９ 保持回転手段 １０ 回転軸 １１ 移動量検出手段 １２ 回転方位検出手段 １３ 演算手段 １４ 光検出手段 ２０ 偏向手段 ２１ 一軸スライド ２２ 偏向手段 ２３ 光束偏向機構 ２４ ビーム整形手段 ２５ 光束反射手段 ２９ 偏向手段 ３０ 光束分割結合手段 ３１ 偏向手段 ３２ａ、３２ｂ 偏向手段 ３３ 保持回転手段 １０１ スライド角度可変手段 １０２ａ，１０２ｂ 一軸スライド

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光学系の波面収差を測定する波面収差測定
   装置において、該装置は被測定光学系を保持しある回転
   軸を中心に回転させる回転機構と、２つの可干渉性光束
   の発生手段と、該２つの可干渉性光束のうち少なくとも
   第１の光束を被測定光学系の所望の径に所望の角度で入
   射させるための光束偏向手段と、被測定光学系を透過し
   た第１の光束を垂直反射させる光束反射手段と、被測定
   光学系を透過後、該光束反射手段で垂直反射して再び被
   測定光学系を透過する第１の光束と、該２つの可干渉性
   光束のもう一方である第２の光束を結合して干渉させる
   光学系を有し、被測定光学系の回転に伴って得られる該
   ２つの可干渉性光束の干渉と該回転の方位の情報から、
   被測定光学系の透過波面収差を算出することを特徴とす
   る波面収差測定装置。
2. 【請求項２】前記回転軸が被測定光学系のある物点に対
   する主光線と一致することを特徴とする請求項１記載の
   波面収差測定装置。
3. 【請求項３】前記回転に伴い該光束反射手段が回転する
   ことを特徴とする請求項２記載の波面収差測定装置。
4. 【請求項４】該２つの可干渉性光束の第２の光束を前記
   主光線が作る軸から被測定光学系に入射させるととも
   に、第１の光束を被測定光学系の所望の径に所望の角度
   で入射させ、該２光束を被測定光学系を透過後、該光束
   反射手段で垂直反射させてもう一度被測定光学系を透過
   させた後、結合し、干渉させることを特徴とする請求項
   ２記載の波面収差測定装置。
5. 【請求項５】該２つの可干渉光束の第２の光束を被測定
   光学系のレンズ面により反射させ基準光とし、第１の光
   束を被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射させて
   被測定光学系透過後、該光束反射手段で垂直反射して再
   び被測定光学系を透過させた後、前記基準光と結合し、
   干渉させることを特徴とする請求項２記載の波面収差測
   定装置。
6. 【請求項６】該２つの可干渉光束の第２の光束を被測定
   光学系外の基準面により反射させて基準光とし、第１の
   光束を被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射させ
   て被測定光学系透過させた後、該光束反射手段で垂直反
   射して再び被測定光学系を透過させた後、前記基準光と
   結合し、干渉させることを特徴とする請求項２記載の波
   面収差測定装置。
7. 【請求項７】被測定系の所望の径に所望の角度で入射す
   る第１の光束が、複数個の入射径の条件を取る様に、順
   次前記光束偏向手段を制御して被測定光学系の波面収差
   の情報を得ることを特徴とする請求項４〜６記載の波面
   収差測定装置。
8. 【請求項８】前記複数個の条件で取得された情報を連結
   して被測定光学系の全体の波面収差を得ることを特徴と
   する請求項７記載の波面収差測定装置。
9. 【請求項９】該２つの可干渉性光束によって形成される
   干渉縞の位相を検出する手段がヘテロダイン法であるこ
   とを特徴とする請求項１〜８記載の波面収差測定装置。
10. 【請求項１０】前記回転軸を中心に回転している被測定
    光学系の各面に対して、順次、前記２つの可干渉性光束
    を被測定光学系の対象面の見かけの曲率中心近傍に集光
    交差させて照射し、該被測定光学系対象面から反射する
    ２つの可干渉性光束の重ね合せによって形成される干渉
    縞の変動から、前記回転軸に対する被測定光学系各面の
    偏心量を測定することを特徴とする請求項９記載の波面
    収差測定装置。
11. 【請求項１１】光学系の波面収差を測定する波面収差測
    定装置において、該装置は被測定光学系を保持しある回
    転軸を中心に回転させる回転機構と、２つの可干渉性光
    束の発生手段と、該２つの可干渉性光束が回転軸を中心
    として被測定光学系に同一の径で同一の入射角度を持っ
    て入射するように偏向させる光束偏向手段と、被測定光
    学系を透過した光束を垂直反射させる光束反射手段と、
    被測定光学系を透過後、該光束反射手段で垂直反射して
    再び被測定光学系を透過する該２つの可干渉性光束を結
    合して干渉させる光学系を有し、被測定光学系の回転に
    伴って得られる該２つの可干渉性光束の干渉と該回転の
    方位の情報から、被測定光学系の透過波面収差を算出す
    ることを特徴とする波面収差測定装置。
12. 【請求項１２】請求項１１記載の光束偏向手段は前記回
    転軸に垂直な一軸スライドを持ち、該一軸スライドは入
    射光束を一軸スライドの長手方向に偏向する第１の偏向
    手段と、該一軸スライドに沿って移動し、第１の偏向手
    段から導かれる光束を被測定光学系の所定の位置に所定
    の角度で入射させる第２の偏向手段と、第２の偏向手段
    を前記回転軸と一軸スライドがなす平面に垂直な軸回り
    に回転可能とする回転手段を有することを特徴とする請
    求項１１記載の波面収差測定装置。
13. 【請求項１３】請求項１１記載の光束偏向手段が該２つ
    の可干渉性光束の各々に対して１つずつ計２つ設けら
    れ、該２つの光束偏向手段間の相対角度を可変とする手
    段を有することを特徴とする請求項１２記載の透過波面
    収差測定装置。
14. 【請求項１４】前記一軸スライドによって設定される被
    測定系に対する入射径の条件を複数個とし、該複数個の
    条件を、順次前記一軸スライドを制御して実現して、被
    測定光学系の波面収差の情報を得ることを特徴とする請
    求項１３記載の波面収差測定装置。
15. 【請求項１５】前記複数個の条件で取得された情報を連
    結して被測定光学系の全体の波面収差を得ることを特徴
    とする請求項１４記載の波面収差測定装置。
16. 【請求項１６】該２つの可干渉性光束によって形成され
    る干渉縞の位相を検出する手段がヘテロダイン法である
    ことを特徴とする請求項１１〜１５記載の波面収差測定
    装置。
17. 【請求項１７】前記回転軸を中心に回転している被測定
    光学系の各面に対して、順次、前記２つの可干渉性光束
    を被測定光学系の対象面の見かけの曲率中心近傍に集光
    交差させて照射し、該被測定光学系対象面から反射する
    ２つの可干渉性光束の重ね合せによって形成される干渉
    縞の変動から、前記回転軸に対する被測定光学系各面の
    偏心量を測定することを特徴とする請求項１６記載の波
    面収差測定装置。
18. 【請求項１８】光学系の波面収差を測定する波面収差測
    定方法において、被測定光学系をある回転軸を中心に回
    転させながら、２つの可干渉性光束のうち少なくとも第
    １の光束を被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射
    させるとともに、被測定光学系を行き帰り同一の光路で
    往復して戻ってきた第１の光束と該２つの可干渉性光束
    の第２の光束を結合して得られる干渉信号と、被測定光
    学系の回転方位の情報から、被測定光学系の波面収差を
    算出することを特徴とする波面収差測定方法。
19. 【請求項１９】前記回転軸が被測定光学系のある物点に
    対する主光線と一致することを特徴とする請求項１８記
    載の波面収差測定方法。
20. 【請求項２０】該２つの可干渉性光束の第２の光束が前
    記主光線に一致し、第１の光束が被測定光学系の所望の
    径に所望の角度で入射し、該２光束が被測定光学系を行
    き帰り同一の光路で往復した後、結合して得られる干渉
    信号と、被測定光学系の回転方位の情報から、被測定光
    学系の波面収差を求めることを特徴とする請求項１９記
    載の波面収差測定方法。
21. 【請求項２１】該２つの可干渉性光束の第２の光束を被
    測定光学系のレンズ面により反射させて基準光とし、第
    １の光束を被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射
    し、被測定光学系を行き帰り同一の光路で往復した後、
    前記基準光と結合して得られる干渉信号と、被測定光学
    系の回転方位の情報から、被測定光学系の波面収差を求
    めることを特徴とする請求項１９記載の波面収差測定方
    法。
22. 【請求項２２】該２つの可干渉性光束の第２の光束を被
    測定光学系外の基準面により反射させて基準光とし、第
    １の光束を被測定光学系の所望の径に所望の角度で入射
    し、被測定光学系を行き帰り同一の光路で往復した後、
    前記基準光と結合して得られる干渉信号と、被測定光学
    系の回転方位の情報から、被測定光学系の波面収差を求
    めることを特徴とする請求項１９記載の波面収差測定方
    法。
23. 【請求項２３】被測定系の所望の径に所望の角度で入射
    する光束が、複数個の入射径の条件を取る様に、順次前
    記光束偏向手段を制御して被測定光学系の波面収差の情
    報を得ることを特徴とする請求項２０〜２２記載の波面
    収差測定方法。
24. 【請求項２４】前記複数個の条件で取得された情報を連
    結して被測定光学系の全体の波面収差を得ることを特徴
    とする請求項２３記載の波面収差測定方法。
25. 【請求項２５】該２つの可干渉性光束によって形成され
    る干渉縞の位相をヘテロダイン法によって検出すること
    を特徴とする請求項１８〜２４記載の波面収差測定方
    法。
26. 【請求項２６】前記回転軸を中心に回転している被測定
    光学系の各面に対して、順次、２つの可干渉性光束を被
    測定光学系の対象面の見かけの曲率中心近傍に集光交差
    させて照射し、該被測定光学系対象面から反射する２つ
    の可干渉性光束の重ね合せによって形成される干渉縞の
    変動から、前記回転軸に対する被測定光学系各面の偏心
    量を測定することを特徴とする請求項２５記載の波面収
    差測定方法。
27. 【請求項２７】光学系の波面収差を測定する波面収差測
    定方法において、被測定光学系を保持してある回転軸を
    中心に回転させながら、２つの可干渉性光束を回転軸を
    中心として被測定光学系に同一の径で同一の入射角度を
    持って入射させ、該２つの可干渉性光束が被測定光学系
    を往復させて戻った後、結合させて干渉させることによ
    って得られる干渉信号と、被測定光学系の回転方位の情
    報から、被測定光学系の波面収差を算出することを特徴
    とする波面収差測定方法。
28. 【請求項２８】被測定光学系に同一の径で同一の入射角
    度を持って入射する該２つの可干渉性光束の前記回転軸
    に対する相対角度を可変として被測定光学系の波面収差
    を測定することを特徴とする請求項２７記載の透過波面
    収差測定方法。
29. 【請求項２９】ｎθ成分を持つ波面収差を測定する時、
    前記相対角度を （２ｍ＋１））・π／ｎ ただし２ｍ＋１＜ｎ；ｍ＝
    ０、１、２、… と設定することを特徴とする請求項２８記載の波面収差
    測定方法。
30. 【請求項３０】被測定系に対する入射径の条件を複数個
    として、被測定光学系の波面収差の情報を得ることを特
    徴とする請求項２９記載の波面収差測定方法。
31. 【請求項３１】前記複数個の条件で取得された情報を連
    結して被測定光学系の全体の波面収差を得ることを特徴
    とする請求項３０記載の波面収差測定方法。
32. 【請求項３２】該２つの可干渉性光束によって形成され
    る干渉縞の位相をヘテロダイン法によって検出すること
    を特徴とする請求項２７〜３２記載の波面収差測定方
    法。
33. 【請求項３３】前記回転軸を中心に回転している被測定
    光学系の各面に対して、順次、２つの可干渉性光束を被
    測定光学系の対象面の見かけの曲率中心近傍に集光交差
    させて照射し、被測定光学系対象面から反射する前記２
    つの可干渉性光束の重ね合せによって形成される干渉縞
    の変動から、前記回転軸に対する被測定光学系各面の偏
    心量を測定することを特徴とする請求項３２記載の波面
    収差測定方法。