干渉計及び面形状測定方法
【課題】被検面が非球面であってもその面形状を高精度に測定する。
【解決手段】測定光発生用の光ファイバー１８Ｍから射出して被検面２Ｓを介した測定光ＬＭと参照光とを干渉させて得られる干渉縞３５に基づいて被検面２Ｓの面形状を測定する干渉計１０において、複数の位置ＱＡ〜ＱＣで参照光ＬＡ〜ＬＣを射出する参照光発生用の光ファイバー１８Ａ〜１８Ｃと、参照光ＬＡ〜ＬＣの発生を切り替えるシャッター２４Ａ〜２４Ｃと、参照光毎に得られる干渉縞から求められる面形状を合成する信号処理装置３２とを備える。
【解決手段】測定光発生用の光ファイバー１８Ｍから射出して被検面２Ｓを介した測定光ＬＭと参照光とを干渉させて得られる干渉縞３５に基づいて被検面２Ｓの面形状を測定する干渉計１０において、複数の位置ＱＡ〜ＱＣで参照光ＬＡ〜ＬＣを射出する参照光発生用の光ファイバー１８Ａ〜１８Ｃと、参照光ＬＡ〜ＬＣの発生を切り替えるシャッター２４Ａ〜２４Ｃと、参照光毎に得られる干渉縞から求められる面形状を合成する信号処理装置３２とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定光と参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて被検面の面形状を測定する干渉計及び面形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検面が球面である場合の面形状（球面形状）の測定には、フィゾー干渉計やトワイマン・グリーン干渉計が用いられてきた。これらの干渉計は基準面を必要とし、その基準面との比較により球面形状を測定するため、測定精度は基準面の面精度を超えることが出来ない。
そこで、基準面を必要としない干渉計として、ピンホールの回折により生じた理想的な球面波（回折波面）を基準波面として、球面形状を高精度に測定できるポイントディフラクション干渉計(Point Diffraction Interferometer：以下、点回折干渉計という。）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２６７９２２１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
最近は、被検面として非球面形状を高精度に測定することが求められている。従来の点回折干渉計を用いて非球面形状を測定する場合、被検面上の位置によって曲率半径が異なり、それに応じて測定光の波面の曲率半径も異なるため、得られる干渉縞上の位置によって干渉縞の密度（単位長さ当たりの縞の本数）が異なってくる。そのため、点回折干渉計では、仮に一部の領域で干渉縞が粗になり、干渉縞の位相分布、ひいては面形状を高精度に測定できたとしても、他の領域では干渉縞が密になり、面形状の高精度な測定が困難となる。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑み、被検面が非球面であってもその面形状を高精度に測定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による干渉計は、測定光発生部から射出して被検面を介した測定光と参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいてその被検面の面形状を測定する干渉計において、複数の位置でその参照光を射出する参照光発生部を備えるものである。
また、本発明による面形状測定方法は、測定光発生部から射出して被検面を介した測定光と参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいてその被検面の面形状を測定する面形状測定方法において、複数の位置でその参照光を順次射出して、それぞれその干渉縞を検出する工程と、複数のその干渉縞から選択された干渉縞からその被検面の面形状を求める工程と、を含むものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数の位置で参照光を射出してそれぞれ被検面からの測定光と干渉させることにより、複数の干渉縞が得られる。これらの干渉縞のうち例えば密度がより粗い干渉縞を用いることによって、被検面が非球面であってもその面形状を高精度に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（Ａ）は第１の実施形態の干渉計の構成を示す図、（Ｂ）は図１（Ａ）の一部をＩＢ方向から見た図である。
【図２】（Ａ）は図１（Ａ）の撮像素子上に形成される干渉縞を示す図、（Ｂ）は測定光と参照光ＬＢとから形成される干渉縞を示す図、（Ｃ）は測定光と参照光ＬＡとから形成される干渉縞を示す図である。
【図３】干渉縞の密度の一例を示す図である。
【図４】面形状の測定動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】第１の実施形態の変形例の要部を示す図である。
【図６】（Ａ）は第２の実施形態の干渉計の構成を示す図、（Ｂ）は図６（Ａ）の一部をＶＩＢ方向から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態につき図１〜図４を参照して説明する。本実施形態は、非球面よりなる被検面の面形状を点回折干渉計で測定する場合に本発明を適用したものである。
図１（Ａ）は本実施形態の点回折干渉型の干渉計１０の概略構成図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の一部をＩＢ方向から見た図である。図１（Ａ）において、凹面ミラーよりなる被検ミラー２がミラーホルダ４を介して駆動装置６に保持されている。被検ミラー２の非球面よりなる反射面が被検面２Ｓである。被検面２Ｓの回転対称軸である非球面軸８上において、被検面２Ｓを球面近似したときの曲率中心を仮に近似中心８Ｃと呼ぶ。
【００１０】
干渉計１０は、可干渉性があり直線偏光のレーザビームを射出する例えばＨｅ−Ｎｅレーザ又は固体レーザ等のレーザ光源１２と、そのレーザビームから分岐した測定光ＬＭを近似中心８Ｃの近傍の位置ＱＭから被検面２Ｓに照射する測定光照射系と、測定光ＬＭの被検面２Ｓ上での照射領域を制限する例えば矩形（又は円形等）の開口が形成された絞り２６と、そのレーザビームから分岐した３個の参照光ＬＡ，ＬＢ，ＬＣを所定配列（後述）で配置された３箇所の位置ＱＡ，ＱＢ，ＱＣ（図１（Ｂ）参照）から、かつ被検面２Ｓより反射される測定光ＬＭが照射される結像レンズ２８（後述）に向けて照射する参照光照射系とを備えている。さらに、干渉計１０は、被検面２Ｓより反射された測定光ＬＭと参照光ＬＡ〜ＬＣとをほぼ平行光束にする結像レンズ２８と、ほぼ平行光束にされた測定光ＬＭと参照光ＬＡ〜ＬＣとの干渉縞３５を受光する例えば２次元ＣＣＤよりなる２次元の撮像素子３０と、撮像素子３０の検出信号を処理する信号処理装置３２と、干渉計１０の動作を制御するコンピュータよりなる制御装置３４とを備えている。
【００１１】
被検面２Ｓと撮像素子３０の受光面とはほぼ対向するように配置されている。以下、撮像素子３０の受光面に平行な平面上で直交するようにＸ軸及びＹ軸を取り、ＸＹ平面に垂直にＺ軸を取って説明する。図１（Ａ）では、被検面２Ｓの非球面軸８は、ＹＺ平面上にある。この場合、駆動装置６は、非球面軸８の回りのθ方向に被検ミラー２を回転可能であり、かつ駆動装置６は、被検ミラー２を保持した状態で、近似中心８Ｃをほぼ中心としてＸ軸に平行な軸の回りのφ方向に回転テーブル（不図示）によって回転可能である。さらに、駆動装置６は、被検ミラー２を保持した状態で、ＸＹテーブル（不図示）によってＸ方向、Ｙ方向にも移動可能である。駆動装置６は、不図示のＺテーブルによってＺ方向にも移動可能である。本実施形態では、被検面２Ｓは例えばＹ方向にシフトされる。
【００１２】
上記の測定光照射系は、レーザ光源１２から射出されるレーザビームを測定光ＬＭと参照光とに分岐するビームスプリッタ１４Ａと、分岐された測定光ＬＭを集光するレンズ１６Ｍと、集光された測定光ＬＭを位置ＱＭまで伝送する偏波面保存シングルモード型の光ファイバー１８Ｍとを有する。即ち、位置ＱＭには、光ファイバー１８Ｍの射出端の中心である点光源部ＰＭが配置される。
【００１３】
また、上記の参照光照射系は、ビームスプリッタ１４Ａから分岐された参照光を往復するように反射する第１反射部材２０Ａ及び第２反射部材２０Ｂと、第２反射部材２０ＢをＺ方向に駆動する例えばピエゾ素子よりなる駆動素子２２と、反射部材２０Ａ，２０Ｂを通過した参照光から参照光ＬＡ，ＬＢ，ＬＣを分岐するビームスプリッタ１４Ｂ，１４Ｃ及びミラー１４Ｄとを有する。制御装置３４が駆動素子２２を介して第２反射部材２０ＢのＺ方向の位置を制御することで、参照光ＬＡ〜ＬＣの位相を制御できる。
【００１４】
さらに、参照光照射系は、参照光ＬＡ，ＬＢ，ＬＣをそれぞれ集光するレンズ１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃと、集光された参照光ＬＡ，ＬＢ，ＬＣをそれぞれ位置ＱＡ，ＱＢ，ＱＣまで伝送する偏波面保存シングルモード型の光ファイバー１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃと、光ファイバー１８Ａ〜１８Ｃの入射面で参照光ＬＡ〜ＬＣを随時遮光するシャッター２４Ａ〜２４Ｃとを有する。シャッター２４Ａ〜２４Ｃは制御装置３４によって開閉される。位置ＱＡ〜ＱＣには、図１（Ｂ）に示すように、光ファイバー１８Ａ〜１８Ｃの射出端の中心である点光源部ＰＡ〜ＰＣが配置される。被検面２Ｓで反射された測定光ＬＭ及び参照光ＬＡ〜ＬＣは撮像素子３０上で偏光方向が平行になるように、光ファイバー１８Ｍ，１８Ａ〜１８Ｃの射出端の回転角が設定されている。これによって、撮像素子３０上で測定光ＬＭと参照光ＬＡ〜ＬＣとはそれぞれ干渉縞を生成する。
【００１５】
光ファイバー１８Ｍ，１８Ａ〜１８Ｃのコア径は例えば数μｍ〜１０μｍ程度であり、測定光ＬＭを射出する点光源部ＰＭ及び参照光ＬＡ〜ＬＣを射出する点光源部ＰＡ〜ＰＣはそれぞれ実質的に点光源として作用する。従って、点光源部ＰＭから被検面２Ｓに射出される測定光ＬＭは実質的に球面波であり、点光源部ＰＡ〜ＰＣから射出される参照光ＬＡ〜ＬＣも実質的に球面波である。
【００１６】
光ファイバー１８Ｍの点光源部ＰＭから射出される測定光ＬＭは、絞り２６で制限されて被検面２Ｓに照射される。そして、被検面２Ｓから反射された測定光ＬＭは、位置ＱＭの近似中心８Ｃに対してほぼ対称な位置にある集光領域３６に集光されてから、結像レンズ２８を経て撮像素子３０に入射する。この場合、測定光ＬＭは被検面２Ｓ上で非球面軸８を含まない部分領域に照射されている。このように被検面２Ｓの非球面上で非球面軸８を含まない領域を球面波（測定光ＬＭ）で照明すると、その反射波面には非点収差の成分が多く含まれるため、その反射光の集光領域３６は図１（Ｂ）に示すように楕円状の領域となる。
【００１７】
また、被検面２Ｓを適切にアライメントすることにより、測定光ＬＭの点光源部ＰＭに対して測定光ＬＭの集光領域３６を図１（Ｂ）のように配置することが可能である。ここでは、集光領域３６のＹ方向の幅が最小になるようにアライメントされ、さらに集光領域３６の全体が測定光ＬＭの点光源部ＰＭに対してわずかにＹ方向にずれるように、被検面２Ｓの角度が調整されている。さらに、参照光ＬＡ〜ＬＣを発生する点光源部ＰＡ〜ＰＣが配置される位置ＱＡ〜ＱＣは、測定光ＬＭの集光領域３６の長手方向（ここではＸ方向）に概ね平行な直線上に配列されている。
【００１８】
また、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は図１（Ａ）内の２次元の撮像素子３０の受光面を示す。撮像素子３０上の測定光ＬＭが照射される領域は、図１（Ａ）の絞り２６で規定される開口に対応する例えば矩形の領域３Ｓであり、図１（Ｂ）の点光源部ＰＡ〜ＰＣから発生する参照光ＬＡ〜ＬＣは、一例として領域３Ｓを含むほぼ点線で囲まれる領域に照射される。なお、図２（Ａ）の領域３Ｓ内に形成される干渉縞３５は、参照光ＬＡ〜ＬＣを同時に照射した場合に、参照光ＬＡ〜ＬＣと測定光ＬＭとの干渉によって形成される少なくとも３つの干渉縞が重なったものである。本実施形態では、参照光ＬＡ〜ＬＣは順次照射されるため、実際に領域３Ｓに形成される干渉縞３５は一つである。
【００１９】
撮像素子３０上に形成される干渉縞３５の密度は、集光領域３６と参照光ＬＡ〜ＬＣの点光源部ＰＡ〜ＰＣとの位置関係で決まる。集光領域３６内のある点について考えると、その点と点光源部ＰＡ〜ＰＣとの間隔が大きいほど、その点に対応する画像領域での干渉縞密度は高くなる。従来のように参照光の点光源部が１つである点回折干渉計においては干渉縞密度が高くなりすぎて、干渉縞の位相が検出できない場合でも、本実施形態では、３個の参照光の点光源部ＰＡ〜ＰＣがあるため、いずれかの参照光ＬＡ〜ＬＣと測定光ＬＭとの干渉縞を検出することによって、干渉縞密度を低減でき、干渉縞の位相の検出が可能になり、ひいては被検面２Ｓの面形状を高精度に検出できる。
【００２０】
なお、測定光ＬＭの集光領域３６を点光源部ＰＭに対してずらす方向は、Ｙ方向の正負の２通りあるが、被検面形状ごとに集光領域３６のサイズが小さくなる方向を選択するとよい。そのため、被検面２Ｓの横ずらし方向の切換えが行われる。あるいは光学系をＹ方向に反転する反転機構を備えてもよい。
次に、本実施形態の干渉計１０による被検面２Ｓの面形状の測定動作の一例につき図４のフローチャートを参照して説明する。この動作は制御装置３４によって制御される。
【００２１】
先ず、図４のステップ１０２において、駆動装置６等を駆動して、絞り２６の開口内に被検ミラー２の被検面２Ｓの被検領域を移動する。次のステップ１０４において、制御装置３４は、制御用のパラメータi及びjの値を１として、レーザ光源１２の発光を開始させ、被検面２Ｓに対する測定光ＬＭの照射を開始する。次のステップ１０６において、シャッター２４Ａのみを開いて、光ファイバー１８Ａを介してｉ番目の参照光（ここでは１番目の参照光ＬＡ）を撮像素子３０上の測定光ＬＭに重ねて照射する。そして、図２（Ｃ）に示すように、撮像素子３０で測定光ＬＭと参照光ＬＡとの干渉縞３５Ａの光強度分布を測定する。なお、図２（Ｃ）の矩形の領域３Ｓを＋Ｘ方向に例えばほぼ同じ幅のＩ個（ここでは３個）の部分領域３ＳＡ，３ＳＢ，３ＳＣに分割した場合、干渉縞３５Ａは、−Ｘ方向の端部の部分領域３ＳＡ内で粗い密度になり、それ以外の部分領域３ＳＢ，３ＳＣでは密度が高くなる。
【００２２】
次のステップ１０８において、制御装置３４は、パラメータｊが所定の整数Ｊ（例えば４以上の整数）に達したかどうかを判定する。ここでは、ｊは整数Ｊより小さいため、動作はステップ１１０に移行して、制御装置３４は駆動素子２２（位相変調部）を介して参照光ＬＡの位相を２π／Ｊだけ変化させて、パラメータｊの値を１増加させる。これは位相シフト法で干渉縞の位相分布を求めることを意味している。そして、パラメータｊが整数Ｊになるまで、ステップ１０６の干渉縞３５Ａの光強度分布の測定が繰り返される。ステップ１０８でパラメータｊが整数Ｊに達したときに、動作はステップ１１２に移行し、信号処理装置３２が、それまでに得られたＪ個の干渉縞３５Ａの光強度分布の情報から撮像素子３０の各画素毎の干渉縞の位相（位相分布）α１（Ｘ，Ｙ）を計算する。
【００２３】
次のステップ１１４において、制御装置３４は、パラメータｉが所定の整数Ｉ（参照光ＬＡ〜ＬＣの個数でここではＩ＝３）に達したかどうかを判定する。ここでは、パラメータｉは整数Ｉより小さいため、動作はステップ１１６に移行し、制御装置３４は、パラメータｉの値を１だけ増加させ、パラメータｊを１に設定する。その後、動作はステップ１０６に戻り、今度は図１（Ａ）のシャッター２４Ｂのみを開いて、撮像素子３０上で測定光ＬＭと２番目の参照光ＬＢとの干渉縞３５Ｂの光強度分布を測定する。図２（Ｂ）に示すように、干渉縞３５Ｂは、中央の部分領域３ＳＢで密度が粗くなり、両端の部分領域３ＳＡ，３ＳＣでは密度が高くなる。この場合にも、ステップ１１０で駆動素子２２を介して参照光ＬＢの位相を２π／Ｊだけ変化させながら、Ｊ回だけ干渉縞の光強度分布が測定され、その後のステップ１１２で、干渉縞３５Ｂの各画素毎の位相α２（Ｘ，Ｙ）が計算される。
【００２４】
同様にして、次に図１（Ａ）のシャッター２４Ｃのみを開いてステップ１０６〜１１２の動作が繰り返されて、測定光ＬＭと参照光ＬＣとの干渉縞の各画素毎の位相α３（Ｘ，Ｙ）が計算される。そして、ステップ１１４でパラメータｉが整数Ｉに達したときに、動作はステップ１１８に移行し、信号処理装置３２では、図２（Ｂ）の矩形の領域３Ｓ（被検領域に対応する領域）を上述のように＋Ｘ方向に例えばほぼ同じ幅の３個の部分領域３ＳＡ，３ＳＢ，３ＳＣに分割し、部分領域３ＳＡ〜３ＳＣ毎に対応する参照光ＬＡ〜ＬＣを用いたときの位相分布より、被検面２Ｓの面形状を求める。なお、このように領域３Ｓを分割する方法については後述する。また、ステップ１１２では、予め参照光ＬＡ〜ＬＣ毎に対応する部分領域３ＳＡ〜３ＳＣの位相分布を計算しておいてもよい。
【００２５】
次のステップ１２０において、信号処理装置３２では、３つの部分領域３ＳＡ〜３ＳＣ毎に求めた面形状が境界部で接続されるように、例えば部分領域３ＳＢ及び３ＳＣの面形状のオフセット（例えば位相分布段階でのオフセット成分）を補正する。これによって、領域３Ｓに対応する被検面２Ｓ上の領域での面形状が求められる。
次のステップ１２２において、制御装置３４は、被検面２Ｓ上で他の被検領域が残っているかどうかを判定する。そして、他の被検領域が残っている場合には、ステップ１０２に戻り、駆動装置６等を介して絞り２６の開口内に他の被検領域を移動した後、ステップ１０４〜１２０までの動作を繰り返して、当該被検領域の面形状を求める。
【００２６】
ステップ１２２で他の被検領域がない場合には、ステップ１２４に移行し、信号処理装置３２は、被検面２Ｓ上の複数の被検領域に関して求めた面形状が境界部で接続されるように、各面形状のＸ方向、Ｙ方向の位置、及び傾斜角等のオフセットを補正する。その後、複数の面形状を接続（合成）することで、被検面２Ｓの所定範囲内の非球面の面形状が求められる。
【００２７】
次に、図３は、被検面２Ｓとしての非球面の面形状測定において、撮像素子３０上に形成される干渉縞の密度の一例を示す。なお、図３の干渉縞の密度は、例えば測定光ＬＭの波面が参照光ＬＡ〜ＬＣの波面より進んでいる場合の干渉縞の密度の符号を正としている。被検面２Ｓ（非球面）の全体形状は、例えば直径２８０ｍｍ、非球面量１００μｍであり、非球面軸８から１００ｍｍ離れた位置を中心とする４０ｍｍ×４０ｍｍの正方形領域の面形状を測定する場合を想定している。その正方形領域のＸ方向、Ｙ方向のローカル座標（被検面２Ｓ上での座標）を（Ｘ’、Ｙ’）として、−２０ｍｍ≦Ｘ’≦２０ｍｍ、−２０ｍｍ≦Ｙ’≦２０ｍｍとする。この場合、図３は、Ｘ’＝−２０ｍｍの直線に対応する撮像素子３０の受光面上の線分３６Ａ上（図２（Ｂ）、図２（Ｃ）参照）での干渉縞密度をプロットしたものである。
【００２８】
図３において、曲線Ｃ１は、図２（Ｂ）の測定光ＬＭと参照光ＬＢとの干渉縞の密度であり、曲線Ｃ２は、図２（Ｃ）の測定光ＬＭと端部の参照光ＬＡとの干渉縞の密度である。曲線Ｃ１，Ｃ２から、中央からＸ方向に離れた位置では、測定光ＬＭと端部の参照光ＬＡとの干渉縞の密度の方が０に近い（より粗である）ため、測定光ＬＭと参照光ＬＡとの干渉縞を用いることによって、干渉縞の密度が粗くなり、位相の測定精度、ひいては面形状の測定精度が向上することが分かる。このために、上記のステップ１１８では、撮像素子３０上の領域３ＳをＸ方向に３分割し、分割後の各部分領域３ＳＡ〜３ＳＣで測定光ＬＭと参照光ＬＡ〜ＬＣとの干渉縞を用いることで、部分領域３ＳＡ〜３ＳＣで測定される干渉縞の密度を粗くしている。
【００２９】
このように、参照光ＬＡ〜ＬＣの点光源部ＰＡ〜ＰＣを適切に選ぶことにより、得られる干渉縞密度を低減できることが分かる。
また、上記の測定光と各参照光との干渉縞の解析結果には、被検面が非球面形状であるために発生する偏り形状、入射球面波が傾いていることによる偏り形状、参照光の点光源部ＰＡ〜ＰＣの位置に依存した偏り形状が重畳する。予め、設計非球面形状、入射角度、参照光点光源の配列をもとに補正量を算出しておき、データの補正を施すことが好ましい。さらに、各位相分布データにはオフセット成分の不定性があるので、重複領域が整合するようにデータの合成を実施することが好ましい。
【００３０】
本実施形態によれば、面形状を高分解能で測定可能であるため、干渉縞の空間周波数帯域を増加することができる。
また、本実施形態では、被検面の部分領域を多数の画素数をもった撮像素子３０で測定できるので、被検面の形状誤差の高周波成分を測定できるという利点もある。
本実施形態の作用効果等は以下の通りである。
【００３１】
（１）本実施形態の干渉計１０は、光ファイバー１８Ｍを含む測定光照射系（測定光発生部）から射出して被検面２Ｓを介した測定光ＬＭと参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて被検面２Ｓの面形状を測定する干渉計において、３箇所の位置ＱＡ〜ＱＣで参照光ＬＡ〜ＬＣを射出する光ファイバー１８Ａ〜１８Ｃを含む参照光照射系（参照光発生部）を備えている。
【００３２】
また、干渉計１０による面形状の測定方法は、その測定光照射系から射出して被検面２Ｓを介した測定光ＬＭと参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて被検面２Ｓの面形状を測定する面形状測定方法において、３箇所の位置ＱＡ〜ＱＣで参照光ＬＡ〜ＬＣを順次射出して、それぞれその干渉縞３５Ａ，３５Ｂ等を検出するステップ１０６と、複数の干渉縞から選択された干渉縞（例えば図２（Ｂ）の部分領域３ＳＡでは測定光ＬＭと参照光ＬＡとの干渉縞３５Ａ、中央の部分領域３ＳＢでは測定光ＬＭと参照光ＬＢとの干渉縞３５Ｂなど）から被検面２Ｓの面形状を求めるステップ１１８とを含んでいる。
【００３３】
本実施形態によれば、３つの位置ＱＡ〜ＱＣで参照光ＬＡ〜ＬＣを順次射出してそれぞれ被検面２Ｓからの測定光ＬＭと干渉させることにより、３つの干渉縞が得られる。これらの干渉縞のうち例えば密度がより粗い干渉縞を用いることによって、被検面２Ｓが非球面であってもその面形状を高精度に測定できる。
なお、本実施形態では、３箇所の位置ＱＡ〜ＱＣで順次参照光ＬＡ〜ＬＣを射出しているが、例えば２箇所の位置又は４箇所以上の位置で順次参照光を照射して、それぞれ測定光との干渉縞を検出してもよい。参照光を射出する位置の個数が多いほど、より非球面度の高い非球面の面形状を高精度に検出できる。
【００３４】
（２）また、干渉計１０では、複数の位置ＱＡ〜ＱＣにそれぞれ光ファイバー１８Ａ〜１８Ｃの射出端の中心である点光源部ＰＡ〜ＰＣ（参照光射出口）を配置している。また、シャッター２４Ａ〜２４Ｃ（発光制御装置）によって、点光源部ＰＡ〜ＰＣを順次切り替えて参照光ＬＡ〜ＬＣを射出している。従って、参照光ＬＡ〜ＬＣが複数個あっても、撮像素子３０上では測定光ＬＭと１つの参照光との干渉縞のみが形成されるため、その位相分布を正確に求めることができる。
【００３５】
また、上記の実施形態では、予め撮像素子３０上の領域３Ｓを部分領域３ＳＡ〜３ＳＣに分割し、各部分領域３ＳＡ〜３ＳＣ毎に密度が粗くなると予測される干渉縞の光強度分布を検出している。
これに対して、撮像素子３０によって各干渉縞毎に測定される縞密度（例えば明るい部分の密度）の分布を求め、信号処理装置３２では、複数の干渉縞のうち、所定の密度よりも粗い（又は最も密度が粗い）干渉縞密度が得られる領域の干渉縞を選択し、選択された干渉縞の位相分布を合成してもよい。これによって、被検面２Ｓの面形状によって、得られる干渉縞の密度が複雑に変化する場合でも、その面形状をより高精度に測定できる。
【００３６】
（３）また、本実施形態では、測定光ＬＭの集光領域３６（集光点におけるスポット形状）の長手方向と概ね平行な直線上に、参照光ＬＡ〜ＬＣが射出される複数の位置ＱＡ〜ＱＣが配置されている。これによって、容易に測定光ＬＭと参照光ＬＡ〜ＬＣとの複数の干渉縞のうちいずれかの干渉縞の密度が粗くなる。
なお、参照光ＬＡ〜ＬＣが配置される複数の位置ＱＡ〜ＱＣは、必ずしも集光領域３６の長手方向と平行な直線上に配置しなくともよい。即ち、位置ＱＡ〜ＱＣは、例えば参照光ＬＡ〜ＬＣと測定光ＬＭとの干渉縞の密度がそれぞれできるだけ粗くなるように設定してもよい。
【００３７】
なお、上記の実施形態では点光源部ＰＡ〜ＰＣとして光ファイバー１８Ａ〜１８Ｃの射出端を用いたが、図５に示すように、レンズ１６Ａ〜１６Ｃのアレイとピンホール板４２に形成されたピンホール４２ａ〜４２ｃのアレイとを組み合わせて、点光源部ＰＡ〜ＰＣと同等の参照光ＬＡ〜ＬＣの発生部を形成してもよい。
図５において、レーザ光源１２から射出されビームスプリッタ１４Ａで分岐された参照光は、ミラー１４Ｅ、ビームスプリッタ１４Ｆ，１４Ｃ、及びミラー１４Ｄによって３つの参照光ＬＡ〜ＬＣに分岐され、参照光ＬＡ〜ＬＣはレンズ１６Ａ〜１６Ｃによってピンホール４２ａ〜４２ｃ（参照光射出口）上に集光される。従って、ピンホール４２ａ〜４２ｃを図１（Ｂ）の位置ＱＡ〜ＱＣに対応する位置に配置することによって、光ファイバーを用いることなく、参照光ＬＡ〜ＬＣを実質的に点光源から球面波として射出できる。
【００３８】
［第２の実施形態］
次に本発明の第２の実施形態につき図６（Ａ）及び図６（Ｂ）を参照して説明する。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）において図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に対応する部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。図６（Ａ）はこの実施形態の干渉計１０Ａの概略構成図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の一部をＶＩＢ方向から見た図である。
【００３９】
図６（Ａ）の干渉計１０Ａは、参照光照射系としては、参照光ＬＡのみを発生する光ファイバー１８Ａ等の部材を備え、光ファイバー１８Ａの射出端を保持装置３８で固定し、保持装置３８を駆動装置４０（位置切り替え機構）でＸ方向に移動可能である。この場合、駆動装置４０によって、光ファイバー１８Ａの射出端の中心である点光源部ＰＡを、図６（Ｂ）に示すように、測定光ＬＭの集光領域３６の長手方向に沿って配列される３箇所の位置ＱＡ〜ＱＣに順次移動し、それぞれ参照光ＬＡと測定光ＬＭとの干渉縞を撮像素子３０で検出することによって、第１の実施形態と同様に被検面２Ｓの非球面形状を高精度に測定できる。
【００４０】
この実施形態によれば、参照光ＬＡを射出する点光源部ＰＡを種々の配置で、かつ多くの位置に容易に移動できるため、様々な被検面２Ｓの面形状をそれぞれ高精度に測定できる。
なお、上記の第１及び第２の実施形態では次のような変形が可能である。
（１）上記の実施形態では、被検面２Ｓは非球面であるが、干渉計１０，１０Ａは被検面の球面精度を測定する場合にも適用可能である。
【００４１】
さらに、上記の実施形態の干渉計１０，１０Ａは、レンズ等の屈折部材の表面の面形状を測定する場合にも適用可能である。
（２）上記の実施形態では干渉縞解析に位相シフト法を用いているが、干渉縞にはキャリア縞が重畳するので、周知のフーリエ変換縞解析法を用いることも可能である。この場合、光学部材２０Ａ，２０Ｂ及び駆動素子２２を含む位相シフト機構は不要になり、振動などの外乱に強いなどの利点がある。
また、フーリエ変換縞解析法を用いる場合、例えば図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示す例では、参照光ＬＡ〜ＬＣの点光源部ＰＡ〜ＰＣが配置される位置ＱＡ〜ＱＣと集光領域３６とのＹ方向の間隔を互いに異ならせて、参照光ＬＡ〜ＬＣと測定光ＬＭとによって形成される３つの干渉縞のキャリア縞のピッチを異ならせてもよい。このように３つの干渉縞のキャリア縞のピッチが異なる場合には、３つの干渉縞を同時に撮像素子３０の受光面に形成した状態で、その３つの干渉縞毎の位相分布を解析できる可能性がある。
【００４２】
（３）上記の実施形態では、結像レンズ２８を備えた光学系を用いているが、例えば参考文献「Gary E. Sommargren, et al.: Proceedings of SPIE Vol. 4688, pp.316-328 (2002)」に開示されているような結像レンズを用いない点回折干渉計に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
２…被検ミラー、２Ｓ…被検面、１０，１０Ａ…干渉計、１８Ｍ…測定光発生用の光ファイバー，１８Ａ〜１８Ｃ…参照光発生用の光ファイバー、２２…駆動素子、２６…絞り、２８…結像レンズ、３０…２次元の撮像素子、３２…信号処理装置、４２…ピンポール板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定光と参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて被検面の面形状を測定する干渉計及び面形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検面が球面である場合の面形状（球面形状）の測定には、フィゾー干渉計やトワイマン・グリーン干渉計が用いられてきた。これらの干渉計は基準面を必要とし、その基準面との比較により球面形状を測定するため、測定精度は基準面の面精度を超えることが出来ない。
そこで、基準面を必要としない干渉計として、ピンホールの回折により生じた理想的な球面波（回折波面）を基準波面として、球面形状を高精度に測定できるポイントディフラクション干渉計(Point Diffraction Interferometer：以下、点回折干渉計という。）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２６７９２２１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
最近は、被検面として非球面形状を高精度に測定することが求められている。従来の点回折干渉計を用いて非球面形状を測定する場合、被検面上の位置によって曲率半径が異なり、それに応じて測定光の波面の曲率半径も異なるため、得られる干渉縞上の位置によって干渉縞の密度（単位長さ当たりの縞の本数）が異なってくる。そのため、点回折干渉計では、仮に一部の領域で干渉縞が粗になり、干渉縞の位相分布、ひいては面形状を高精度に測定できたとしても、他の領域では干渉縞が密になり、面形状の高精度な測定が困難となる。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑み、被検面が非球面であってもその面形状を高精度に測定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による干渉計は、測定光発生部から射出して被検面を介した測定光と参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいてその被検面の面形状を測定する干渉計において、複数の位置でその参照光を射出する参照光発生部を備えるものである。
また、本発明による面形状測定方法は、測定光発生部から射出して被検面を介した測定光と参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいてその被検面の面形状を測定する面形状測定方法において、複数の位置でその参照光を順次射出して、それぞれその干渉縞を検出する工程と、複数のその干渉縞から選択された干渉縞からその被検面の面形状を求める工程と、を含むものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数の位置で参照光を射出してそれぞれ被検面からの測定光と干渉させることにより、複数の干渉縞が得られる。これらの干渉縞のうち例えば密度がより粗い干渉縞を用いることによって、被検面が非球面であってもその面形状を高精度に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（Ａ）は第１の実施形態の干渉計の構成を示す図、（Ｂ）は図１（Ａ）の一部をＩＢ方向から見た図である。
【図２】（Ａ）は図１（Ａ）の撮像素子上に形成される干渉縞を示す図、（Ｂ）は測定光と参照光ＬＢとから形成される干渉縞を示す図、（Ｃ）は測定光と参照光ＬＡとから形成される干渉縞を示す図である。
【図３】干渉縞の密度の一例を示す図である。
【図４】面形状の測定動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】第１の実施形態の変形例の要部を示す図である。
【図６】（Ａ）は第２の実施形態の干渉計の構成を示す図、（Ｂ）は図６（Ａ）の一部をＶＩＢ方向から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態につき図１〜図４を参照して説明する。本実施形態は、非球面よりなる被検面の面形状を点回折干渉計で測定する場合に本発明を適用したものである。
図１（Ａ）は本実施形態の点回折干渉型の干渉計１０の概略構成図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の一部をＩＢ方向から見た図である。図１（Ａ）において、凹面ミラーよりなる被検ミラー２がミラーホルダ４を介して駆動装置６に保持されている。被検ミラー２の非球面よりなる反射面が被検面２Ｓである。被検面２Ｓの回転対称軸である非球面軸８上において、被検面２Ｓを球面近似したときの曲率中心を仮に近似中心８Ｃと呼ぶ。
【００１０】
干渉計１０は、可干渉性があり直線偏光のレーザビームを射出する例えばＨｅ−Ｎｅレーザ又は固体レーザ等のレーザ光源１２と、そのレーザビームから分岐した測定光ＬＭを近似中心８Ｃの近傍の位置ＱＭから被検面２Ｓに照射する測定光照射系と、測定光ＬＭの被検面２Ｓ上での照射領域を制限する例えば矩形（又は円形等）の開口が形成された絞り２６と、そのレーザビームから分岐した３個の参照光ＬＡ，ＬＢ，ＬＣを所定配列（後述）で配置された３箇所の位置ＱＡ，ＱＢ，ＱＣ（図１（Ｂ）参照）から、かつ被検面２Ｓより反射される測定光ＬＭが照射される結像レンズ２８（後述）に向けて照射する参照光照射系とを備えている。さらに、干渉計１０は、被検面２Ｓより反射された測定光ＬＭと参照光ＬＡ〜ＬＣとをほぼ平行光束にする結像レンズ２８と、ほぼ平行光束にされた測定光ＬＭと参照光ＬＡ〜ＬＣとの干渉縞３５を受光する例えば２次元ＣＣＤよりなる２次元の撮像素子３０と、撮像素子３０の検出信号を処理する信号処理装置３２と、干渉計１０の動作を制御するコンピュータよりなる制御装置３４とを備えている。
【００１１】
被検面２Ｓと撮像素子３０の受光面とはほぼ対向するように配置されている。以下、撮像素子３０の受光面に平行な平面上で直交するようにＸ軸及びＹ軸を取り、ＸＹ平面に垂直にＺ軸を取って説明する。図１（Ａ）では、被検面２Ｓの非球面軸８は、ＹＺ平面上にある。この場合、駆動装置６は、非球面軸８の回りのθ方向に被検ミラー２を回転可能であり、かつ駆動装置６は、被検ミラー２を保持した状態で、近似中心８Ｃをほぼ中心としてＸ軸に平行な軸の回りのφ方向に回転テーブル（不図示）によって回転可能である。さらに、駆動装置６は、被検ミラー２を保持した状態で、ＸＹテーブル（不図示）によってＸ方向、Ｙ方向にも移動可能である。駆動装置６は、不図示のＺテーブルによってＺ方向にも移動可能である。本実施形態では、被検面２Ｓは例えばＹ方向にシフトされる。
【００１２】
上記の測定光照射系は、レーザ光源１２から射出されるレーザビームを測定光ＬＭと参照光とに分岐するビームスプリッタ１４Ａと、分岐された測定光ＬＭを集光するレンズ１６Ｍと、集光された測定光ＬＭを位置ＱＭまで伝送する偏波面保存シングルモード型の光ファイバー１８Ｍとを有する。即ち、位置ＱＭには、光ファイバー１８Ｍの射出端の中心である点光源部ＰＭが配置される。
【００１３】
また、上記の参照光照射系は、ビームスプリッタ１４Ａから分岐された参照光を往復するように反射する第１反射部材２０Ａ及び第２反射部材２０Ｂと、第２反射部材２０ＢをＺ方向に駆動する例えばピエゾ素子よりなる駆動素子２２と、反射部材２０Ａ，２０Ｂを通過した参照光から参照光ＬＡ，ＬＢ，ＬＣを分岐するビームスプリッタ１４Ｂ，１４Ｃ及びミラー１４Ｄとを有する。制御装置３４が駆動素子２２を介して第２反射部材２０ＢのＺ方向の位置を制御することで、参照光ＬＡ〜ＬＣの位相を制御できる。
【００１４】
さらに、参照光照射系は、参照光ＬＡ，ＬＢ，ＬＣをそれぞれ集光するレンズ１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃと、集光された参照光ＬＡ，ＬＢ，ＬＣをそれぞれ位置ＱＡ，ＱＢ，ＱＣまで伝送する偏波面保存シングルモード型の光ファイバー１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃと、光ファイバー１８Ａ〜１８Ｃの入射面で参照光ＬＡ〜ＬＣを随時遮光するシャッター２４Ａ〜２４Ｃとを有する。シャッター２４Ａ〜２４Ｃは制御装置３４によって開閉される。位置ＱＡ〜ＱＣには、図１（Ｂ）に示すように、光ファイバー１８Ａ〜１８Ｃの射出端の中心である点光源部ＰＡ〜ＰＣが配置される。被検面２Ｓで反射された測定光ＬＭ及び参照光ＬＡ〜ＬＣは撮像素子３０上で偏光方向が平行になるように、光ファイバー１８Ｍ，１８Ａ〜１８Ｃの射出端の回転角が設定されている。これによって、撮像素子３０上で測定光ＬＭと参照光ＬＡ〜ＬＣとはそれぞれ干渉縞を生成する。
【００１５】
光ファイバー１８Ｍ，１８Ａ〜１８Ｃのコア径は例えば数μｍ〜１０μｍ程度であり、測定光ＬＭを射出する点光源部ＰＭ及び参照光ＬＡ〜ＬＣを射出する点光源部ＰＡ〜ＰＣはそれぞれ実質的に点光源として作用する。従って、点光源部ＰＭから被検面２Ｓに射出される測定光ＬＭは実質的に球面波であり、点光源部ＰＡ〜ＰＣから射出される参照光ＬＡ〜ＬＣも実質的に球面波である。
【００１６】
光ファイバー１８Ｍの点光源部ＰＭから射出される測定光ＬＭは、絞り２６で制限されて被検面２Ｓに照射される。そして、被検面２Ｓから反射された測定光ＬＭは、位置ＱＭの近似中心８Ｃに対してほぼ対称な位置にある集光領域３６に集光されてから、結像レンズ２８を経て撮像素子３０に入射する。この場合、測定光ＬＭは被検面２Ｓ上で非球面軸８を含まない部分領域に照射されている。このように被検面２Ｓの非球面上で非球面軸８を含まない領域を球面波（測定光ＬＭ）で照明すると、その反射波面には非点収差の成分が多く含まれるため、その反射光の集光領域３６は図１（Ｂ）に示すように楕円状の領域となる。
【００１７】
また、被検面２Ｓを適切にアライメントすることにより、測定光ＬＭの点光源部ＰＭに対して測定光ＬＭの集光領域３６を図１（Ｂ）のように配置することが可能である。ここでは、集光領域３６のＹ方向の幅が最小になるようにアライメントされ、さらに集光領域３６の全体が測定光ＬＭの点光源部ＰＭに対してわずかにＹ方向にずれるように、被検面２Ｓの角度が調整されている。さらに、参照光ＬＡ〜ＬＣを発生する点光源部ＰＡ〜ＰＣが配置される位置ＱＡ〜ＱＣは、測定光ＬＭの集光領域３６の長手方向（ここではＸ方向）に概ね平行な直線上に配列されている。
【００１８】
また、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は図１（Ａ）内の２次元の撮像素子３０の受光面を示す。撮像素子３０上の測定光ＬＭが照射される領域は、図１（Ａ）の絞り２６で規定される開口に対応する例えば矩形の領域３Ｓであり、図１（Ｂ）の点光源部ＰＡ〜ＰＣから発生する参照光ＬＡ〜ＬＣは、一例として領域３Ｓを含むほぼ点線で囲まれる領域に照射される。なお、図２（Ａ）の領域３Ｓ内に形成される干渉縞３５は、参照光ＬＡ〜ＬＣを同時に照射した場合に、参照光ＬＡ〜ＬＣと測定光ＬＭとの干渉によって形成される少なくとも３つの干渉縞が重なったものである。本実施形態では、参照光ＬＡ〜ＬＣは順次照射されるため、実際に領域３Ｓに形成される干渉縞３５は一つである。
【００１９】
撮像素子３０上に形成される干渉縞３５の密度は、集光領域３６と参照光ＬＡ〜ＬＣの点光源部ＰＡ〜ＰＣとの位置関係で決まる。集光領域３６内のある点について考えると、その点と点光源部ＰＡ〜ＰＣとの間隔が大きいほど、その点に対応する画像領域での干渉縞密度は高くなる。従来のように参照光の点光源部が１つである点回折干渉計においては干渉縞密度が高くなりすぎて、干渉縞の位相が検出できない場合でも、本実施形態では、３個の参照光の点光源部ＰＡ〜ＰＣがあるため、いずれかの参照光ＬＡ〜ＬＣと測定光ＬＭとの干渉縞を検出することによって、干渉縞密度を低減でき、干渉縞の位相の検出が可能になり、ひいては被検面２Ｓの面形状を高精度に検出できる。
【００２０】
なお、測定光ＬＭの集光領域３６を点光源部ＰＭに対してずらす方向は、Ｙ方向の正負の２通りあるが、被検面形状ごとに集光領域３６のサイズが小さくなる方向を選択するとよい。そのため、被検面２Ｓの横ずらし方向の切換えが行われる。あるいは光学系をＹ方向に反転する反転機構を備えてもよい。
次に、本実施形態の干渉計１０による被検面２Ｓの面形状の測定動作の一例につき図４のフローチャートを参照して説明する。この動作は制御装置３４によって制御される。
【００２１】
先ず、図４のステップ１０２において、駆動装置６等を駆動して、絞り２６の開口内に被検ミラー２の被検面２Ｓの被検領域を移動する。次のステップ１０４において、制御装置３４は、制御用のパラメータi及びjの値を１として、レーザ光源１２の発光を開始させ、被検面２Ｓに対する測定光ＬＭの照射を開始する。次のステップ１０６において、シャッター２４Ａのみを開いて、光ファイバー１８Ａを介してｉ番目の参照光（ここでは１番目の参照光ＬＡ）を撮像素子３０上の測定光ＬＭに重ねて照射する。そして、図２（Ｃ）に示すように、撮像素子３０で測定光ＬＭと参照光ＬＡとの干渉縞３５Ａの光強度分布を測定する。なお、図２（Ｃ）の矩形の領域３Ｓを＋Ｘ方向に例えばほぼ同じ幅のＩ個（ここでは３個）の部分領域３ＳＡ，３ＳＢ，３ＳＣに分割した場合、干渉縞３５Ａは、−Ｘ方向の端部の部分領域３ＳＡ内で粗い密度になり、それ以外の部分領域３ＳＢ，３ＳＣでは密度が高くなる。
【００２２】
次のステップ１０８において、制御装置３４は、パラメータｊが所定の整数Ｊ（例えば４以上の整数）に達したかどうかを判定する。ここでは、ｊは整数Ｊより小さいため、動作はステップ１１０に移行して、制御装置３４は駆動素子２２（位相変調部）を介して参照光ＬＡの位相を２π／Ｊだけ変化させて、パラメータｊの値を１増加させる。これは位相シフト法で干渉縞の位相分布を求めることを意味している。そして、パラメータｊが整数Ｊになるまで、ステップ１０６の干渉縞３５Ａの光強度分布の測定が繰り返される。ステップ１０８でパラメータｊが整数Ｊに達したときに、動作はステップ１１２に移行し、信号処理装置３２が、それまでに得られたＪ個の干渉縞３５Ａの光強度分布の情報から撮像素子３０の各画素毎の干渉縞の位相（位相分布）α１（Ｘ，Ｙ）を計算する。
【００２３】
次のステップ１１４において、制御装置３４は、パラメータｉが所定の整数Ｉ（参照光ＬＡ〜ＬＣの個数でここではＩ＝３）に達したかどうかを判定する。ここでは、パラメータｉは整数Ｉより小さいため、動作はステップ１１６に移行し、制御装置３４は、パラメータｉの値を１だけ増加させ、パラメータｊを１に設定する。その後、動作はステップ１０６に戻り、今度は図１（Ａ）のシャッター２４Ｂのみを開いて、撮像素子３０上で測定光ＬＭと２番目の参照光ＬＢとの干渉縞３５Ｂの光強度分布を測定する。図２（Ｂ）に示すように、干渉縞３５Ｂは、中央の部分領域３ＳＢで密度が粗くなり、両端の部分領域３ＳＡ，３ＳＣでは密度が高くなる。この場合にも、ステップ１１０で駆動素子２２を介して参照光ＬＢの位相を２π／Ｊだけ変化させながら、Ｊ回だけ干渉縞の光強度分布が測定され、その後のステップ１１２で、干渉縞３５Ｂの各画素毎の位相α２（Ｘ，Ｙ）が計算される。
【００２４】
同様にして、次に図１（Ａ）のシャッター２４Ｃのみを開いてステップ１０６〜１１２の動作が繰り返されて、測定光ＬＭと参照光ＬＣとの干渉縞の各画素毎の位相α３（Ｘ，Ｙ）が計算される。そして、ステップ１１４でパラメータｉが整数Ｉに達したときに、動作はステップ１１８に移行し、信号処理装置３２では、図２（Ｂ）の矩形の領域３Ｓ（被検領域に対応する領域）を上述のように＋Ｘ方向に例えばほぼ同じ幅の３個の部分領域３ＳＡ，３ＳＢ，３ＳＣに分割し、部分領域３ＳＡ〜３ＳＣ毎に対応する参照光ＬＡ〜ＬＣを用いたときの位相分布より、被検面２Ｓの面形状を求める。なお、このように領域３Ｓを分割する方法については後述する。また、ステップ１１２では、予め参照光ＬＡ〜ＬＣ毎に対応する部分領域３ＳＡ〜３ＳＣの位相分布を計算しておいてもよい。
【００２５】
次のステップ１２０において、信号処理装置３２では、３つの部分領域３ＳＡ〜３ＳＣ毎に求めた面形状が境界部で接続されるように、例えば部分領域３ＳＢ及び３ＳＣの面形状のオフセット（例えば位相分布段階でのオフセット成分）を補正する。これによって、領域３Ｓに対応する被検面２Ｓ上の領域での面形状が求められる。
次のステップ１２２において、制御装置３４は、被検面２Ｓ上で他の被検領域が残っているかどうかを判定する。そして、他の被検領域が残っている場合には、ステップ１０２に戻り、駆動装置６等を介して絞り２６の開口内に他の被検領域を移動した後、ステップ１０４〜１２０までの動作を繰り返して、当該被検領域の面形状を求める。
【００２６】
ステップ１２２で他の被検領域がない場合には、ステップ１２４に移行し、信号処理装置３２は、被検面２Ｓ上の複数の被検領域に関して求めた面形状が境界部で接続されるように、各面形状のＸ方向、Ｙ方向の位置、及び傾斜角等のオフセットを補正する。その後、複数の面形状を接続（合成）することで、被検面２Ｓの所定範囲内の非球面の面形状が求められる。
【００２７】
次に、図３は、被検面２Ｓとしての非球面の面形状測定において、撮像素子３０上に形成される干渉縞の密度の一例を示す。なお、図３の干渉縞の密度は、例えば測定光ＬＭの波面が参照光ＬＡ〜ＬＣの波面より進んでいる場合の干渉縞の密度の符号を正としている。被検面２Ｓ（非球面）の全体形状は、例えば直径２８０ｍｍ、非球面量１００μｍであり、非球面軸８から１００ｍｍ離れた位置を中心とする４０ｍｍ×４０ｍｍの正方形領域の面形状を測定する場合を想定している。その正方形領域のＸ方向、Ｙ方向のローカル座標（被検面２Ｓ上での座標）を（Ｘ’、Ｙ’）として、−２０ｍｍ≦Ｘ’≦２０ｍｍ、−２０ｍｍ≦Ｙ’≦２０ｍｍとする。この場合、図３は、Ｘ’＝−２０ｍｍの直線に対応する撮像素子３０の受光面上の線分３６Ａ上（図２（Ｂ）、図２（Ｃ）参照）での干渉縞密度をプロットしたものである。
【００２８】
図３において、曲線Ｃ１は、図２（Ｂ）の測定光ＬＭと参照光ＬＢとの干渉縞の密度であり、曲線Ｃ２は、図２（Ｃ）の測定光ＬＭと端部の参照光ＬＡとの干渉縞の密度である。曲線Ｃ１，Ｃ２から、中央からＸ方向に離れた位置では、測定光ＬＭと端部の参照光ＬＡとの干渉縞の密度の方が０に近い（より粗である）ため、測定光ＬＭと参照光ＬＡとの干渉縞を用いることによって、干渉縞の密度が粗くなり、位相の測定精度、ひいては面形状の測定精度が向上することが分かる。このために、上記のステップ１１８では、撮像素子３０上の領域３ＳをＸ方向に３分割し、分割後の各部分領域３ＳＡ〜３ＳＣで測定光ＬＭと参照光ＬＡ〜ＬＣとの干渉縞を用いることで、部分領域３ＳＡ〜３ＳＣで測定される干渉縞の密度を粗くしている。
【００２９】
このように、参照光ＬＡ〜ＬＣの点光源部ＰＡ〜ＰＣを適切に選ぶことにより、得られる干渉縞密度を低減できることが分かる。
また、上記の測定光と各参照光との干渉縞の解析結果には、被検面が非球面形状であるために発生する偏り形状、入射球面波が傾いていることによる偏り形状、参照光の点光源部ＰＡ〜ＰＣの位置に依存した偏り形状が重畳する。予め、設計非球面形状、入射角度、参照光点光源の配列をもとに補正量を算出しておき、データの補正を施すことが好ましい。さらに、各位相分布データにはオフセット成分の不定性があるので、重複領域が整合するようにデータの合成を実施することが好ましい。
【００３０】
本実施形態によれば、面形状を高分解能で測定可能であるため、干渉縞の空間周波数帯域を増加することができる。
また、本実施形態では、被検面の部分領域を多数の画素数をもった撮像素子３０で測定できるので、被検面の形状誤差の高周波成分を測定できるという利点もある。
本実施形態の作用効果等は以下の通りである。
【００３１】
（１）本実施形態の干渉計１０は、光ファイバー１８Ｍを含む測定光照射系（測定光発生部）から射出して被検面２Ｓを介した測定光ＬＭと参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて被検面２Ｓの面形状を測定する干渉計において、３箇所の位置ＱＡ〜ＱＣで参照光ＬＡ〜ＬＣを射出する光ファイバー１８Ａ〜１８Ｃを含む参照光照射系（参照光発生部）を備えている。
【００３２】
また、干渉計１０による面形状の測定方法は、その測定光照射系から射出して被検面２Ｓを介した測定光ＬＭと参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて被検面２Ｓの面形状を測定する面形状測定方法において、３箇所の位置ＱＡ〜ＱＣで参照光ＬＡ〜ＬＣを順次射出して、それぞれその干渉縞３５Ａ，３５Ｂ等を検出するステップ１０６と、複数の干渉縞から選択された干渉縞（例えば図２（Ｂ）の部分領域３ＳＡでは測定光ＬＭと参照光ＬＡとの干渉縞３５Ａ、中央の部分領域３ＳＢでは測定光ＬＭと参照光ＬＢとの干渉縞３５Ｂなど）から被検面２Ｓの面形状を求めるステップ１１８とを含んでいる。
【００３３】
本実施形態によれば、３つの位置ＱＡ〜ＱＣで参照光ＬＡ〜ＬＣを順次射出してそれぞれ被検面２Ｓからの測定光ＬＭと干渉させることにより、３つの干渉縞が得られる。これらの干渉縞のうち例えば密度がより粗い干渉縞を用いることによって、被検面２Ｓが非球面であってもその面形状を高精度に測定できる。
なお、本実施形態では、３箇所の位置ＱＡ〜ＱＣで順次参照光ＬＡ〜ＬＣを射出しているが、例えば２箇所の位置又は４箇所以上の位置で順次参照光を照射して、それぞれ測定光との干渉縞を検出してもよい。参照光を射出する位置の個数が多いほど、より非球面度の高い非球面の面形状を高精度に検出できる。
【００３４】
（２）また、干渉計１０では、複数の位置ＱＡ〜ＱＣにそれぞれ光ファイバー１８Ａ〜１８Ｃの射出端の中心である点光源部ＰＡ〜ＰＣ（参照光射出口）を配置している。また、シャッター２４Ａ〜２４Ｃ（発光制御装置）によって、点光源部ＰＡ〜ＰＣを順次切り替えて参照光ＬＡ〜ＬＣを射出している。従って、参照光ＬＡ〜ＬＣが複数個あっても、撮像素子３０上では測定光ＬＭと１つの参照光との干渉縞のみが形成されるため、その位相分布を正確に求めることができる。
【００３５】
また、上記の実施形態では、予め撮像素子３０上の領域３Ｓを部分領域３ＳＡ〜３ＳＣに分割し、各部分領域３ＳＡ〜３ＳＣ毎に密度が粗くなると予測される干渉縞の光強度分布を検出している。
これに対して、撮像素子３０によって各干渉縞毎に測定される縞密度（例えば明るい部分の密度）の分布を求め、信号処理装置３２では、複数の干渉縞のうち、所定の密度よりも粗い（又は最も密度が粗い）干渉縞密度が得られる領域の干渉縞を選択し、選択された干渉縞の位相分布を合成してもよい。これによって、被検面２Ｓの面形状によって、得られる干渉縞の密度が複雑に変化する場合でも、その面形状をより高精度に測定できる。
【００３６】
（３）また、本実施形態では、測定光ＬＭの集光領域３６（集光点におけるスポット形状）の長手方向と概ね平行な直線上に、参照光ＬＡ〜ＬＣが射出される複数の位置ＱＡ〜ＱＣが配置されている。これによって、容易に測定光ＬＭと参照光ＬＡ〜ＬＣとの複数の干渉縞のうちいずれかの干渉縞の密度が粗くなる。
なお、参照光ＬＡ〜ＬＣが配置される複数の位置ＱＡ〜ＱＣは、必ずしも集光領域３６の長手方向と平行な直線上に配置しなくともよい。即ち、位置ＱＡ〜ＱＣは、例えば参照光ＬＡ〜ＬＣと測定光ＬＭとの干渉縞の密度がそれぞれできるだけ粗くなるように設定してもよい。
【００３７】
なお、上記の実施形態では点光源部ＰＡ〜ＰＣとして光ファイバー１８Ａ〜１８Ｃの射出端を用いたが、図５に示すように、レンズ１６Ａ〜１６Ｃのアレイとピンホール板４２に形成されたピンホール４２ａ〜４２ｃのアレイとを組み合わせて、点光源部ＰＡ〜ＰＣと同等の参照光ＬＡ〜ＬＣの発生部を形成してもよい。
図５において、レーザ光源１２から射出されビームスプリッタ１４Ａで分岐された参照光は、ミラー１４Ｅ、ビームスプリッタ１４Ｆ，１４Ｃ、及びミラー１４Ｄによって３つの参照光ＬＡ〜ＬＣに分岐され、参照光ＬＡ〜ＬＣはレンズ１６Ａ〜１６Ｃによってピンホール４２ａ〜４２ｃ（参照光射出口）上に集光される。従って、ピンホール４２ａ〜４２ｃを図１（Ｂ）の位置ＱＡ〜ＱＣに対応する位置に配置することによって、光ファイバーを用いることなく、参照光ＬＡ〜ＬＣを実質的に点光源から球面波として射出できる。
【００３８】
［第２の実施形態］
次に本発明の第２の実施形態につき図６（Ａ）及び図６（Ｂ）を参照して説明する。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）において図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に対応する部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。図６（Ａ）はこの実施形態の干渉計１０Ａの概略構成図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の一部をＶＩＢ方向から見た図である。
【００３９】
図６（Ａ）の干渉計１０Ａは、参照光照射系としては、参照光ＬＡのみを発生する光ファイバー１８Ａ等の部材を備え、光ファイバー１８Ａの射出端を保持装置３８で固定し、保持装置３８を駆動装置４０（位置切り替え機構）でＸ方向に移動可能である。この場合、駆動装置４０によって、光ファイバー１８Ａの射出端の中心である点光源部ＰＡを、図６（Ｂ）に示すように、測定光ＬＭの集光領域３６の長手方向に沿って配列される３箇所の位置ＱＡ〜ＱＣに順次移動し、それぞれ参照光ＬＡと測定光ＬＭとの干渉縞を撮像素子３０で検出することによって、第１の実施形態と同様に被検面２Ｓの非球面形状を高精度に測定できる。
【００４０】
この実施形態によれば、参照光ＬＡを射出する点光源部ＰＡを種々の配置で、かつ多くの位置に容易に移動できるため、様々な被検面２Ｓの面形状をそれぞれ高精度に測定できる。
なお、上記の第１及び第２の実施形態では次のような変形が可能である。
（１）上記の実施形態では、被検面２Ｓは非球面であるが、干渉計１０，１０Ａは被検面の球面精度を測定する場合にも適用可能である。
【００４１】
さらに、上記の実施形態の干渉計１０，１０Ａは、レンズ等の屈折部材の表面の面形状を測定する場合にも適用可能である。
（２）上記の実施形態では干渉縞解析に位相シフト法を用いているが、干渉縞にはキャリア縞が重畳するので、周知のフーリエ変換縞解析法を用いることも可能である。この場合、光学部材２０Ａ，２０Ｂ及び駆動素子２２を含む位相シフト機構は不要になり、振動などの外乱に強いなどの利点がある。
また、フーリエ変換縞解析法を用いる場合、例えば図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示す例では、参照光ＬＡ〜ＬＣの点光源部ＰＡ〜ＰＣが配置される位置ＱＡ〜ＱＣと集光領域３６とのＹ方向の間隔を互いに異ならせて、参照光ＬＡ〜ＬＣと測定光ＬＭとによって形成される３つの干渉縞のキャリア縞のピッチを異ならせてもよい。このように３つの干渉縞のキャリア縞のピッチが異なる場合には、３つの干渉縞を同時に撮像素子３０の受光面に形成した状態で、その３つの干渉縞毎の位相分布を解析できる可能性がある。
【００４２】
（３）上記の実施形態では、結像レンズ２８を備えた光学系を用いているが、例えば参考文献「Gary E. Sommargren, et al.: Proceedings of SPIE Vol. 4688, pp.316-328 (2002)」に開示されているような結像レンズを用いない点回折干渉計に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
２…被検ミラー、２Ｓ…被検面、１０，１０Ａ…干渉計、１８Ｍ…測定光発生用の光ファイバー，１８Ａ〜１８Ｃ…参照光発生用の光ファイバー、２２…駆動素子、２６…絞り、２８…結像レンズ、３０…２次元の撮像素子、３２…信号処理装置、４２…ピンポール板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光発生部から射出して被検面を介した測定光と参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて前記被検面の面形状を測定する干渉計において、
複数の位置で前記参照光を射出する参照光発生部を備えることを特徴とする干渉計。
【請求項２】
前記参照光発生部は前記複数の位置にそれぞれ配置される複数の参照光射出口を有することを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
【請求項３】
前記複数の位置にある前記複数の参照光射出口を順次切り替えて前記参照光を射出させる発光制御装置と、
前記参照光を順次切り替えて射出させて得られる複数の前記干渉縞のうち、所定の干渉縞密度が得られる領域の干渉縞を選択して合成する処理装置と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の干渉計。
【請求項４】
前記参照光発生部の参照光射出口を前記複数の位置に順次配置する位置切り替え機構と、
前記複数の位置に配置される前記参照光射出口から順次射出される前記参照光によって得られる複数の前記干渉縞のうち、所定の干渉縞密度が得られる領域の干渉縞を選択して合成する処理装置と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
【請求項５】
前記被検面の測定対象領域を制限するために、前記被検面に近接して配置される絞り部材を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項６】
前記被検面は非球面であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項７】
前記被検面を通過した前記測定光の集光点におけるスポット形状の長手方向と概ね平行な直線上に、前記参照光が射出される前記複数の位置が配置されることを特徴とする請求項６に記載の干渉計。
【請求項８】
前記被検面上の前記測定光が照射される照明領域を切り替える照明領域切り替え機構を備え、
前記照明領域を切り替えて得られる複数の前記被検面の面形状を合成することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項９】
測定光発生部から射出して被検面を介した測定光と参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて前記被検面の面形状を測定する面形状測定方法において、
複数の位置で前記参照光を順次射出して、それぞれ前記干渉縞を検出する工程と、
複数の前記干渉縞から選択された干渉縞から前記被検面の面形状を求める工程と、
を含むことを特徴とする面形状測定方法。
【請求項１０】
前記被検面は非球面であり、
前記被検面を通過した前記測定光の集光点におけるスポット形状の長手方向と概ね平行な直線上に、前記参照光が射出される前記複数の位置を配置することを特徴とする請求項９に記載の面形状測定方法。
【請求項１】
測定光発生部から射出して被検面を介した測定光と参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて前記被検面の面形状を測定する干渉計において、
複数の位置で前記参照光を射出する参照光発生部を備えることを特徴とする干渉計。
【請求項２】
前記参照光発生部は前記複数の位置にそれぞれ配置される複数の参照光射出口を有することを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
【請求項３】
前記複数の位置にある前記複数の参照光射出口を順次切り替えて前記参照光を射出させる発光制御装置と、
前記参照光を順次切り替えて射出させて得られる複数の前記干渉縞のうち、所定の干渉縞密度が得られる領域の干渉縞を選択して合成する処理装置と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の干渉計。
【請求項４】
前記参照光発生部の参照光射出口を前記複数の位置に順次配置する位置切り替え機構と、
前記複数の位置に配置される前記参照光射出口から順次射出される前記参照光によって得られる複数の前記干渉縞のうち、所定の干渉縞密度が得られる領域の干渉縞を選択して合成する処理装置と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
【請求項５】
前記被検面の測定対象領域を制限するために、前記被検面に近接して配置される絞り部材を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項６】
前記被検面は非球面であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項７】
前記被検面を通過した前記測定光の集光点におけるスポット形状の長手方向と概ね平行な直線上に、前記参照光が射出される前記複数の位置が配置されることを特徴とする請求項６に記載の干渉計。
【請求項８】
前記被検面上の前記測定光が照射される照明領域を切り替える照明領域切り替え機構を備え、
前記照明領域を切り替えて得られる複数の前記被検面の面形状を合成することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項９】
測定光発生部から射出して被検面を介した測定光と参照光とを干渉させて得られる干渉縞に基づいて前記被検面の面形状を測定する面形状測定方法において、
複数の位置で前記参照光を順次射出して、それぞれ前記干渉縞を検出する工程と、
複数の前記干渉縞から選択された干渉縞から前記被検面の面形状を求める工程と、
を含むことを特徴とする面形状測定方法。
【請求項１０】
前記被検面は非球面であり、
前記被検面を通過した前記測定光の集光点におけるスポット形状の長手方向と概ね平行な直線上に、前記参照光が射出される前記複数の位置を配置することを特徴とする請求項９に記載の面形状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２１９２１（Ｐ２０１１−２１９２１Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６５３１１（Ｐ２００９−１６５３１１）
【出願日】平成２１年７月１４日（２００９．７．１４）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１４日（２００９．７．１４）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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