JP5208075B2

JP5208075B2 - 光波干渉測定装置

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Publication number: JP5208075B2
Application number: JP2009207890A
Authority: JP
Inventors: 宗涛葛; 秀雄神田; 隆行齋藤; 昇小泉
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2029-09-09
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Description

本発明は、被検面に測定光を照射し該被検面からの戻り光と参照光との干渉により得られる干渉縞に基づき被検面の形状を測定する光波干渉測定装置に関し、特に、被検面が回転対称の小さくて複雑な形状の場合に好適な光波干渉測定装置に関する。

従来、非球面形状の被検面に球面波を照射して被検面からの戻り光と参照光との干渉により形成される干渉縞に基づき、被検面の形状を特定する手法が知られているが、このような手法により被検面全域に対応した干渉縞を得ることは難しい。

そこで、干渉計または被検面を測定光軸方向に順次移動させることにより、被検面の径方向の部分領域毎に対応した干渉縞が順次生じるようにし、その各干渉縞を解析して被検面の径方向の各部分領域の形状を求め、それらを繋ぎ合わせることにより被検面全域の形状を特定する手法が知られている（下記特許文献１参照）。

一方、干渉計または被検面を測定光軸と垂直な面内において順次移動させ、移動毎に被検面の各部分領域に対応した干渉縞を縞解析可能な程度に拡大して撮像し、その各干渉縞を解析して被検面の各部分領域の形状を求め、それらを繋ぎ合わせることにより被検面全域の形状を特定する手法も知られている（下記特許文献２参照）。

特開昭６２−１２６３０５号公報ＵＳＰ６,９５６,６５７

近年、非球面レンズの形状が複雑化しており、１つのレンズ面において、該レンズ面の光軸（中心軸）を中心に、凹形状となっている部分（凹面部）と凸形状となっている部分（凸面部）とを併せ持つような形状のものが利用されるようになっている。このような凹面部と凸面部を有する被検面の形状を光干渉計測により測定することは困難であるとされ、これまでは、光触針を用いた三次元形状測定により形状測定が行われていた。

光干渉計測による形状測定が困難とされる理由としては、凹面部と凸面部とでは、被検面の光軸に対する面の勾配が互いに逆となる（被検面を上方に向けたときに、凹面部では光軸に向かって下り勾配となるのに対し、凸面部では光軸に向かって上り勾配となる）ことが挙げられる。すなわち、一般的な光干渉計測法では、被検面に照射された測定光が被検面から再帰反射される（戻り光が元の光路を逆進する）領域のみで適正な干渉縞が得られるが、被検面に照射される測定光が、測定光軸に沿って発散しながら進行する球面波か、測定光軸に沿って収束しながら進行する球面波のいずれかに固定されている上記引用文献１、２記載の手法では、被検面からの戻り光の進行方向が凹面部と凸面部とで全く異なるため、凹面部と凸面部の両方の領域で共に適正な干渉縞を得ることができないのである。

一方、測定光として平面波を用いる干渉計も一般に知られているが、複雑な形状を有する被検面においては被検面内の部分領域毎の傾きの変化が大きいため、被検面に照射する測定光の方向を変化させながら被検面の部分領域毎に測定を行うようにとした場合でも、得られる干渉縞の縞密度が非常に高くなる。また、被検面が小さい場合には、被検面に照射された測定光の反射光の発散角度が大きくなって、干渉縞の形成に関わる戻り光が近軸光線の条件を満たさなくなるため、測定誤差が大きくなるという問題も生じる。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、回転対称の小さくて複雑な被検面の形状を高精度に測定することが可能な光波干渉測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の光波干渉測定装置は以下のように構成されている。

すなわち、本発明に係る光波干渉測定装置は、測定光軸上に配置された被検体が有する回転対称な被検面の形状を測定する光波干渉測定装置であって、
前記被検面の面中心軸が前記測定光軸と一致した基準姿勢から、該測定光軸と該面中心軸とを含む仮想平面内において、該測定光軸の前記被検面との交点位置が該被検面を径方向に分割してなる複数の輪帯状領域上に順次移動するように、かつ該移動毎に前記測定光軸が前記交点位置において該交点位置における前記被検面の接平面と垂直に交わるように、該測定光軸に対する該被検面の相対姿勢を順次変更する被検面姿勢調整手段と、
前記相対姿勢が変更される毎に、前記面中心軸と回転軸とが互いに一致した状態で前記被検面を該回転軸回りに回転せしめる被検面回転手段と、
回転する前記被検面に対して、前記測定光軸に沿って収束しながら進行する低可干渉性の測定光を照射し、該測定光の前記被検面上での集光領域からの戻り光を参照光と合波して干渉光を得る顕微干渉光学系と、
回転する前記被検面の複数の回転位置毎に前記干渉光を取り込み、前記複数の輪帯状領域の各々において、前記仮想平面と前記被検面との交差部分の領域に対応した各回転位置別干渉縞を１次元イメージセンサにより撮像する回転時撮像系と、
前記各回転位置別干渉縞に基づき前記複数の輪帯状領域の各々に対応した各輪帯領域別形状情報を求め、該各輪帯領域別形状情報を繋ぎ合わせることにより前記複数の輪帯状領域を互いに合成してなる領域全域の形状情報を求める形状解析手段と、を備えてなることを特徴とする。

本発明において、前記相対姿勢が変更される毎に、前記顕微干渉光学系により前記被検面に対して前記測定光を照射し、該被検面からの戻り光と参照光とを合波したときに得られる干渉光の光量に基づき、該被検面に向けて出射された前記測定光の集光点が該被検面上に位置するように、該被検面と前記顕微干渉光学系との距離を調整する測定距離調整手段を備えてなるとすることができる。

また、前記測定光軸と前記回転軸とが互いに一致し、かつ前記面中心軸が該測定光軸と平行となる初期姿勢の状態で前記被検体を保持する保持手段と、
前記被検面回転手段により、前記初期姿勢の前記被検面を前記回転軸回りに回転させるとともに、前記干渉光学系により、回転する該被検面に対して前記測定光を照射し、該被検面からの戻り光と参照光とを干渉せしめたときに形成される初期姿勢時干渉縞を、該被検面の複数の回転位置毎に撮像する初期姿勢時撮像系と、
前記複数の回転位置毎に撮像された前記初期姿勢時干渉縞に基づき、前記測定光軸と前記面中心軸との軸ずれ量を求める軸ずれ量測定手段と、
求められた前記軸ずれ量に基づき、前記被検面が前記基準姿勢をとるように前記測定光軸に対する該被検面の相対位置を調整する被検面位置予備調整手段と、を備えてなるとすることができる。

また、前記初期姿勢をとるときの前記被検体の外径中心軸と前記測定光軸との位置関係と、前記軸ずれ量測定手段において求められた前記軸ずれ量とに基づき、前記被検面の面偏芯量を求める面偏芯量測定手段を備えてなるとすることができる。

また、前記被検面姿勢調整手段は、前記仮想平面に対し垂直な傾動軸の回りに前記被検面を傾動せしめる傾動手段を備えてなるとすることができる。

本発明に係る光波干渉測定装置は、上述の構成を備えていることにより、以下のような作用効果を奏する。

すなわち、本発明の光波干渉測定装置においては、測定光軸に対する被検面の相対姿勢が順次変更される毎に、被検面が面中心軸（回転軸）回りに回転せしめられ、回転する被検面に対し顕微干渉光学系から収束する測定光が照射される。照射された測定光のうちの一部は、複数の輪帯状領域の各々において、測定光軸および面中心軸を含む仮想平面と被検面との交差部分の領域から反射され、その戻り光と参照光との干渉光により形成される各回転位置別干渉縞が１次元イメージセンサにより撮像される。撮像された各回転位置別干渉縞に基づき各輪帯領域別形状情報が求められ、これらが繋ぎ合わされて全域の形状情報が求められる。

被検面が小さくて形状が複雑な場合でも、複数の輪帯状領域毎に被検面の相対姿勢を変更して、各輪帯状領域に対して測定光軸が略垂直に交わるようにすることにより、各輪帯状領域における上記交差部分の領域から再帰反射される戻り光を得ることができる。さらに顕微干渉光学系からの収束光を測定光として用いることにより、測定光の照射領域をかなり狭い領域に絞ることができるので、上記交差部分の領域からの戻り光を、発散角の小さな近軸光線の条件を満足するものとすることが可能となり、該交差部分の領域に対応した適正な各回転位置別干渉縞を得ることが可能となる。

また、各々の画像取得速度が２次元イメージセンサに比較して一般に速い１次元イメージセンサを用いることにより、被検面を回転させながら各回転位置別干渉縞を撮像することができるので、被検面の各部分領域毎の撮像を静止状態で行う必要があった従来の手法に比較して、測定に要する時間も短縮化することが可能となる。

したがって、本発明に係る光波干渉測定装置によれば、回転対称の小さくて複雑な被検面の形状を高精度かつ短時間で測定することが可能となる。

一実施形態に係る光波干渉測定装置の概略構成図である。図１に示す解析制御装置の構成を示すブロック図である。被検レンズの構成を示す図（（Ａ）断面図、（Ｂ）平面図）である。被検面上に設定される複数の輪帯状領域の一例を示す図である。マイケルソン型の対物干渉光学系の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る光波干渉測定装置の概略構成図であり、図２は図１に示す解析制御装置の構成を示すブロック図である。なお、実施形態の説明に使用する各々の図は概略的な説明図であり、詳細な形状や構造を示すものではない。特に、図１では、各部材の大きさや部材間の距離等を適宜変更して示してある。

図１に示す本実施形態の光波干渉測定装置１は、被検レンズ８（本実勢形態における被検体）が有する、直径が数ミリメートル程度と小さい回転対称な被検面８０（被検レンズ８の図中上側のレンズ面）の形状を測定解析するものであり、被検面８０に測定光を照射し該被検面８０からの戻り光を参照光と合成して干渉光を得る照射干渉系２と、得られた干渉光により形成される干渉縞を撮像する回転時撮像系３および初期姿勢時撮像系４と、撮像された干渉縞を解析して被検面８０の形状を求める測定解析系５と、被検レンズ８が載置保持されるサンプルステージ６と、を備えてなる。

上記照射干渉系２は、低可干渉性の光束を出力する、ＬＥＤやＳＬＤ等からなる光源部２０と、該光源部２０からの出力光をコリメートするコリメータレンズ２１と、該コリメータレンズ２１からの光束を図中下方に向けて反射する光束分岐光学素子２２と、該光束分岐光学素子２２からの平行光を、測定光軸Ｌに沿って収束しながら進行する測定光に変換して出力するミロー対物干渉光学系２３（本実施形態における顕微干渉光学系）と、を備えてなる。

このミロー対物干渉光学系２３は、光束分岐光学素子２２からの平行光を収束光に変換する収束レンズ２４と、該収束レンズ２４の図中下側の面に配された反射素子２５と、収束レンズ２４からの収束光の光路上に配された半透過反射素子２６とが、鏡胴２７内に配設されてなる。半透過反射素子２６は、収束レンズ２４からの収束光の一部を反射するとともに、その余を透過して被検面８０に向けて出力するように構成されている。この半透過反射素子２６で反射された光は反射素子２５に集光し、該反射素子２５において反射されて再び半透過反射素子２６に入射する。この入射光の一部が半透過反射素子２６において反射されて参照光とされ、被検面８０に照射された測定光の集光領域からの戻り光と合波されることにより、干渉光が得られるようになっている。

また、このミロー対物干渉光学系２３は、ピエゾ素子２９を備えたフリンジスキャンアダプタ２８に保持され、測定時における被検面８０との距離調整がなされるともに、フリンジスキャン計測等を実施する際に測定光軸Ｌ方向に微動せしめられるように構成されている。

上記回転時撮像系３は、被検面８０の回転時に撮像を行うものであり、光束分岐光学素子３４を透過して図中上方に進行する干渉光を集光する結像レンズ３０と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる１次元イメージセンサ３２を有してなる撮像カメラ３１とを備えてなり、結像レンズ３０により１次元イメージセンサ３２上に形成された干渉縞の画像データを取得するように構成されている。

上記初期姿勢時撮像系４は、主に、被検面８０が初期姿勢（測定光軸Ｌと後述の回転軸Ｅとが互いに一致し、かつ被検面８０の面中心軸Ｃが測定光軸Ｌと平行となる状態の姿勢）をとるときに撮像を行うものであり、光束分岐光学素子３４により図中右方に反射された干渉光を集光する結像レンズ４０と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる２次元イメージセンサ４２を有してなる撮像カメラ４１とを備えてなり、結像レンズ４０により２次元イメージセンサ４２上に形成された干渉縞の画像データを取得するように構成されている。

上記測定解析系５は、１次元イメージセンサ３２および２次元イメージセンサ４２により取得された干渉縞の画像データに基づき被検面８０の形状データを求めたり、２次元イメージセンサ４２により取得された干渉縞の画像データに基づき被検面８０の面偏芯量を求めたり、上記サンプルステージ６の駆動を制御したりする、コンピュータ等からなる解析制御装置５０と、該解析制御装置５０による解析結果や画像を表示する表示装置５１と、キーボードやマウス等からなる入力装置５２とを備えてなる。

図２に示すように上記解析制御装置５０は、該解析制御装置５０内に搭載されるＣＰＵやハードディスク等の記憶部および該記憶部に格納されたプログラム等により構成される輪帯状領域設定部５３、軸ずれ量算定部５４、面偏芯量算定部５５、被検面姿勢調整回転指令部５６、形状解析部５７および測定距離調整部５８を備えてなる。

上記輪帯状領域設定部５３は、上記被検面８０の設計データに基づき、該被検面８０上に、該被検面８０を径方向に分割してなる複数の輪帯状領域（詳しくは後述する）を設定するものである。

上記軸ずれ量算定部５４は、上記被検面８０が上述の初期姿勢をとるときに初期姿勢時撮像系４の２次元イメージセンサ４２により撮像された初期姿勢時干渉縞画像に基づき、測定光軸Ｌと被検面８０の面中心軸Ｃとの軸ずれ量を求めるものである。

上記面偏芯量算定部５５は、初期姿勢をとるときの被検レンズ８の外径中心軸Ｄと測定光軸Ｌとの位置関係と、上記軸ずれ量算定部５４において求められた軸ずれ量とに基づき、被検面８０の面偏芯量を求めるものである。

上記被検面姿勢調整回転指令部５６は、上記軸ずれ量算定部５４において求められた軸ずれ量に基づき、上記被検面８０が基準姿勢（被検面８０の面中心軸Ｃが測定光軸Ｌと一致した状態の姿勢）をとるように測定光軸Ｌに対する該被検面８０の相対位置を調整すべくサンプルステージ６を駆動せしめるとともに、測定光軸Ｌの被検面８０との交点位置が、上記輪帯状領域設定部５３により設定された複数の輪帯状領域上に順次移動するように、かつ該移動毎に測定光軸Ｌが上記交点位置において該交点位置における被検面８０の接平面と垂直に交わるように、測定光軸Ｌに対する被検面８０の相対姿勢を順次変更すべくサンプルステージ６を駆動せしめるものである。

上記形状解析部５７は、上記被検面８０の回転時に回転時撮像系３の１次元イメージセンサ３２により撮像された各回転位置別干渉縞と、該各回転位置別干渉縞が撮像されたときの被検面８０の姿勢および回転角度の各データとに基づき、上記複数の輪帯状領域の各々に対応した各輪帯領域別形状情報を求めるとともに、該各輪帯領域別形状情報を繋ぎ合わせることにより複数の輪帯状領域を互いに合成してなる領域全域の形状情報を求めるものである。なお、本実施形態においては、上記軸ずれ量算定部５４により軸ずれ量測定手段が構成されており、上記面偏芯量算定部５５により面偏芯量測定手段が構成されている。また、上記形状解析部５７により形状解析手段が構成されている。

上記測定距離調整部５８は、上記被検面８０の測定光軸Ｌに対する相対姿勢が変更される毎に、初期姿勢時撮像系４の２次元イメージセンサ４２が取り込んだ干渉光（姿勢変更時干渉光）の光量に基づき、測定光の集光点が被検面８０上に位置するように、被検面８０とミロー対物干渉光学系２３との距離を調整するものである。

一方、上記サンプルステージ６は、図１に示すように、基台部６０と、該基台部６０に載置保持された第１の２軸調整ステージ部６１と、該第１の２軸調整ステージ部６１上に載置保持された傾動ステージ部６２と、該傾動ステージ部６２に傾動台６３を介して保持された回転ステージ部６４と、該回転ステージ部６４に載置保持された第２の２軸調整ステージ部６５と、該第２の２軸調整ステージ部６５に載置保持された被検体保持部６６と、を備えてなる。

上記第１の２軸調整ステージ部６１は、上記基台部６０に対し上記傾動ステージ部６２を、図中左右方向および紙面に垂直な方向に移動し得るように構成されており、上記傾動ステージ部６２は、傾動手段を構成するものであり、上記傾動台６３を介して上記回転ステージ部６４を、測定光軸Ｌと面中心軸Ｃとを含む仮想平面に対し垂直な傾動軸Ｆ回りに傾動させ得るように構成されている。また、上記回転ステージ部６４は、上記仮想平面と平行に延びる回転軸Ｅ回りに上記第２の２軸調整ステージ部６５を回転せしめ得るように構成されており、上記第２の２軸調整ステージ部６５は、上記回転ステージ部６４に対し上記被検体保持部６６を回転軸Ｅと垂直な面内において移動し得るように構成されている。さらに、上記被検体保持部６６は、被検レンズ８を回転時も安定して保持し得るように構成されている。なお、この被検体保持部６６は、被検レンズ８の外周部を３点で接触して支持するように構成されており、この３点の位置情報から被検レンズ８の外径中心軸Ｄの位置を検出し得るように構成されている。

このサンプルステージ６を介して上記被検面８０は、測定光軸Ｌに対する相対姿勢（測定光軸Ｌに対する傾きおよび測定光軸Ｌと垂直な面内における位置）を自在に変更し得るようになっている。なお、本実施形態においては、このサンプルステージ６と上述の被検面姿勢調整回転指令部５６とにより、被検面姿勢調整手段、被検面回転手段、保持手段および被検面位置予備調整手段が構成されており、サンプルステージ６と上述の測定距離調整部５８とにより、測定距離調整手段が構成されている。

次に、上述の被検レンズ８について説明する。図３は被検レンズ８の構成を示す図（（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図）である。

図３に示すように被検レンズ８は、面中心軸Ｃを中心とした回転対称の被検面８０を有しており、該被検面８０は、面中心軸Ｃを中心に上記ミロー対物干渉光学系２３側（図３（Ａ）での上側）に凹となる凹面部８１と、面中心軸Ｃを中心に上記ミロー対物干渉光学系２３側に凸となる凸面部８２と、凹面部８１と凸面部８２との境界部分に位置する軸外停留点部８３とを有してなる。

凹面部８１は、被検面８０を上方に向けたときに、面中心軸Ｃに向かって下り勾配となる領域、すなわち、該凹面部８１に立てた法線Ｎ_１が、該法線Ｎ_１に沿って凹面部８１から離れるのに従って面中心軸Ｃに一旦近づく（交わる）ように延びる領域であり、凸面部８２は、被検面８０を上方に向けたときに、面中心軸Ｃに向かって上り勾配となる領域、すなわち、該凸面部８２に立てた法線Ｎ_２が、該法線Ｎ_２に沿って凸面部８２から離れるのに従って始めから面中心軸Ｃから遠ざかるように延びる領域である。また、軸外停留点部８３は、厳密には、該軸外停留点部８３に立てた法線Ｎ_３の方向が、面中心軸Ｃの方向と一致する（平行となる）線状の領域であるが、本実施形態では少し広くとって、図中幅ｄ_２の円環状の領域を軸外停留点部８３としている。そして、この軸外停留点部８３の内周側に位置する幅（径）ｄ_１の凹状領域を凹面部８１とし、軸外停留点部８３の外周側に位置する幅ｄ_３の円環状の凸状領域を凸面部８２としている。

また、被検レンズ８は、被検面８０の径方向外側に鍔状の張出部８４を備えている。この張出部８４は、被検レンズ８を光学機器等に搭載する際の位置出しの基準とされるもので、その上面８４ａおよび下面８４ｂが共に面中心軸Ｃに対し垂直となるように設計されている。さらに、この被検レンズ８は、張出部８４と被検面８０との相対的な位置ずれ（成型誤差）によって、張出部８４の外径の中心軸となる外径中心軸Ｄが被検面８０の面中心軸Ｃからずれた位置に形成されている（外径中心軸Ｄと面中心軸Ｃとは互いに平行）。

以下、光波干渉測定装置１の作用および測定手順について説明する。図４は被検面８０上に設定される複数の輪帯状領域の一例を示す図である。

（１）まず、図４に示すように、被検面８０上に複数の輪帯状領域（図４では、模式的に７個の輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_７を例示）を設定する。これらの輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_７は、被検面８０の設計データに基づき、上記輪帯状領域設定部５３において設定されるものである。なお、図４に示す輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_７は、説明を分かり易くするために設定した簡便的なものであり、図３（Ａ）に示す被検面８０の断面形状に応じて適切に設定したものとは異なる（実際には、より細かく設定される）。また、輪帯状領域Ｐ_１の内側には、円板形状をなす円板状領域Ｐ_０も同時に設定されている。

（２）次に、サンプルステージ６を用いて、測定光軸Ｌと回転ステージ部６４の回転軸Ｅとが互いに一致し、かつ被検面８０の面中心軸Ｃが測定光軸Ｌと平行となる初期姿勢の状態に被検レンズ８をセットする。本実施形態では、上記被検面姿勢調整回転指令部５６からの初期姿勢指令信号により、上述の第１の２軸調整ステージ部６１および傾動ステージ部６２が駆動され、測定光軸Ｌと回転軸Ｅとが互いに一致するように自動調整されるように構成されている。また、同時に、上記第２の２軸調整ステージ部６５が駆動され、回転軸Ｅと外径中心軸Ｄとが互いに一致するように自動調整されるように構成されている。測定光軸Ｌと回転軸Ｅとが互いに一致し、かつ回転軸Ｅと外径中心軸Ｄとが互いに一致することにより、被検面８０は上記初期姿勢をとることとなる。

なお、上記ミロー対物干渉光学系２３からの測定光を被検レンズ８の張出部８４に照射し、該張出部８４の上面８４ａからの戻り光と参照光との干渉により形成される干渉縞を、上記初期姿勢時撮像系４の２次元イメージセンサ４２において撮像し、この撮像された干渉縞がヌル縞状態となるように被検面８０の傾きを調整することによって、被検面８０の面中心軸Ｃが測定光軸Ｌと平行となるようにしてもよい。

（３）次に、初期姿勢をとる被検面８０を、上記回転ステージ部６４を用いて回転軸Ｅ回りに回転させるとともに、ミロー対物干渉光学系２３により、回転する被検面８０に対して測定光を照射し、該被検面８０の凹面部８１からの戻り光と参照光とを干渉せしめたときに形成される初期姿勢時干渉縞を、初期姿勢時撮像系４の２次元イメージセンサ４２を用いて、該被検面８０の複数の回転位置毎に撮像する。

（４）次いで、複数の回転位置毎に撮像された各初期姿勢時干渉縞に基づき、測定光軸Ｌと面中心軸Ｃとの軸ずれ量が上述の軸ずれ量算定部５４において求められる。求め方の概要は以下の通りである。すなわち、複数の回転位置毎に撮像された各初期姿勢時干渉縞（面中心軸Ｃを中心とした同心円状の干渉縞）は、面中心軸Ｃと回転軸Ｅ（この段階では、回転軸Ｅは外径中心軸Ｄと一致している）とが互いにずれていることにより、回転軸Ｅを中心に円形の移動軌跡を描くように、互いに異なる位置に撮像されたものとなる。そこで、各初期姿勢時干渉縞の画像データから、この移動軌跡の半径値を求めてそれを軸ずれ量とする。

（５）次に、求められた軸ずれ量と、初期姿勢をとるときの被検レンズ８の外径中心軸Ｄと測定光軸Ｌとの位置関係とに基づき、被検面８０の面偏芯量が上述の面偏芯量算定部５５において求められる。本実施形態では、被検レンズ８が初期姿勢をとるとき、外径中心軸Ｄと測定光軸Ｌとが互いに一致しているので、求められた軸ずれ量がそのまま面偏芯量となる。

（６）次いで、サンプルステージ６を用いて、被検面８０が、面中心軸Ｃと測定光軸Ｌとが互いに一致した基準姿勢をとるように、測定光軸Ｌに対する被検面８０の相対位置を調整する。本実施形態では、求められた軸ずれ量に基づき出力される、上記被検面姿勢調整回転指令部５６からの予備調整指令信号により、上述の第２の２軸調整ステージ部６５が駆動され、面中心軸Ｃと測定光軸Ｌとが互いに一致する（この段階で、面中心軸Ｃと回転軸Ｅとが互いに一致する）ように自動調整されるように構成されている。

（７）次に、被検面８０上に設定された上記円板状領域Ｐ_０の測定を以下の手順で行う。

〈ａ〉まず、フリンジスキャンアダプタ２８を用いて、ミロー対物干渉光学系２３を測定光軸Ｌ方向に順次移動させ、移動毎に、基準姿勢をとる被検面８０に対し測定光を照射して、被検面８０上の円板状領域Ｐ_０から反射された戻り光と参照光との干渉光を、初期姿勢時撮像系４の２次元イメージセンサ４２を用いて取り込む。なお、ミロー対物干渉光学系２３の移動量は、上述の測定距離調整部５８により自動制御される。

〈ｂ〉次に、移動毎に取り込まれた干渉光の各光量を上述の測定距離調整部５８において測定し、干渉光の光量が最大となる最適位置（測定光が被検面８０上で集光する位置）に、ミロー対物干渉光学系２３を配置する。

〈ｃ〉次いで、最適位置に配置されたミロー対物干渉光学系２３から、被検面８０上の円板状領域Ｐ_０に測定光を照射し、該円板状領域Ｐ_０から反射された戻り光と参照光との干渉により形成される干渉縞（円板状領域Ｐ_０の形状情報を担持している）を、初期姿勢時撮像系４の２次元イメージセンサ４２を用いて撮像し、その画像データを上記形状解析部５７に入力する。なお、フリンジスキャン計測を行う場合は、フリンジスキャンアダプタ２８を用いて、ミロー対物干渉光学系２３の測定光軸Ｌ方向の位置を適宜変更し、変更毎に測定を行う。

（８）次に、被検面８０上に設定された上記輪帯状領域Ｐ_１の測定を以下の手順で行う。

〈ａ〉まず、サンプルステージ６を用いて、測定光軸Ｌが輪帯状領域Ｐ_１上（好ましくは輪帯状領域Ｐ_１の幅の中心線上）において、被検面８０と測定光軸Ｌとの交点位置における該被検面８０の接平面と垂直に交わるように、測定光軸Ｌに対する被検面８０の相対姿勢を、測定光軸Ｌと面中心軸Ｃとを含む仮想平面内において変更する。本実施形態では、上記被検面姿勢調整回転指令部５６からの相対姿勢変更指令信号により、上述の第１の２軸調整ステージ部６１および傾動ステージ部６２が駆動されて、被検面８０の相対姿勢が自動調整されるように構成されている（第２の２軸調整ステージ部６５は駆動されず、面中心軸Ｃと回転軸Ｅとが互いに一致した状態は維持される）。

〈ｂ〉次に、フリンジスキャンアダプタ２８を用いて、ミロー対物干渉光学系２３を測定光軸Ｌ方向に順次移動させ、移動毎に、基準姿勢をとる被検面８０に対し測定光を照射して、被検面８０上の円板状領域Ｐ_０から反射された戻り光と参照光との干渉光を、初期姿勢時撮像系４の２次元イメージセンサ４２を用いて取り込む。なお、ミロー対物干渉光学系２３の移動量は、上述の測定距離調整部５８により自動調整される。

〈ｃ〉次に、移動毎に取り込まれた干渉光の各光量を上述の測定距離調整部５８において測定し、干渉光の光量が最大となる最適位置（測定光が被検面８０上で集光する位置）に、ミロー対物干渉光学系２３を配置する。

〈ｄ〉次いで、サンプルステージ６を用いて、被検面８０を回転軸Ｅ回りに回転せしめる。本実施形態では、上記被検面姿勢調整回転指令部５６からの回転指令信号により、上述の回転ステージ部６４が駆動されて、被検面８０が回転軸Ｅ回りに所定の速度で回転せしめられるように構成されている。

〈ｅ〉次に、回転する被検面８０に対し測定光を照射して、該被検面８０の複数の回転位置毎に、上記輪帯状領域Ｐ_１から反射された戻り光と、ミロー対物干渉光学系２３からの参照光との干渉により形成される回転位置別干渉縞（輪帯状領域Ｐ_１の各回転位置別の形状情報を担持している）を、回転時撮像系３の１次元イメージセンサ３２を用いて順次撮像し、その画像データを上記形状解析部５７に順次入力する。なお、回転位置毎に形成される干渉縞は、測定光軸Ｌの輪帯状領域Ｐ_１との交点位置を中心とした同心円状のものとなるが、１次元イメージセンサ３２により撮像されるのは、各々の干渉縞において、測定光軸Ｌおよび面中心軸Ｃを含む仮想平面と被検面８０（輪帯状領域Ｐ_１）との交差部分の領域に対応した点列状のものである。なお、フリンジスキャン計測を行う場合は、フリンジスキャンアダプタ２８を用いて、ミロー対物干渉光学系２３の測定光軸Ｌ方向の位置を適宜変更し、変更毎に上記回転位置別干渉縞を撮像する。

（９）以下、被検面８０上に設定された他の輪帯状領域Ｐ_２〜Ｐ_７の測定を順次行う。測定の手順は、上述の輪帯状領域Ｐ_１を測定する場合と同様である。すなわち、上記（８）の〈ａ〉〜〈ｅ〉の手順における輪帯状領域Ｐ_１を他の輪帯状領域Ｐ_２〜Ｐ_７に順次置き換えて測定を行えばよい。

（１０）次に、上記形状解析部５７において、被検面８０全域の形状情報を以下の手順で求める。

〈ａ〉まず、初期姿勢時撮像系４の２次元イメージセンサ４２により撮像された、円板状領域Ｐ_０の形状情報を担持した干渉縞に基づき、円板状領域Ｐ_０の形状情報を求める。

〈ｂ〉次いで、回転時撮像系３の１次元イメージセンサ３２により撮像された、輪帯状領域Ｐ_１の各回転位置別干渉縞に基づき、輪帯状領域Ｐ_１の全域に対応した輪帯領域別形状情報を求める。

具体的には、例えば、回転軸Ｅ回りの各回転位置で撮像された各回転位置別干渉縞に基づき、該各回転位置別干渉縞に対応した各部分領域の形状情報を回転時撮像系３の座標系において求め、これら各部分領域の形状情報を共通座標系（例えば、初期姿勢時撮像系４の座標系）の情報にそれぞれ変換しながら配列することにより、輪帯状領域Ｐ_１の全域に対応した輪帯領域別形状情報を求める。座標変換の際には、輪帯状領域Ｐ_１を撮像するときの測定光軸Ｌと回転軸Ｅとのなす角度（傾動軸Ｆ回りの角度：輪帯状領域Ｐ_１の各回転位置別干渉縞を撮像する間は一定の角度（例えばθ_１）に維持される）、各々の回転位置別干渉縞を撮像する時点の回転軸Ｅ回りの回転角度（撮像タイミングにより各々の回転位置別干渉縞毎に互いに異なる角度をとる）、および回転軸Ｅに対する輪帯状領域Ｐ_１の相対位置（回転軸Ｅと被検面８０との交点から輪帯状領域Ｐ_１の幅の中心線までの距離の、回転軸Ｅと垂直な方向および平行な方向の各成分）等の各情報が用いられる。

〈ｃ〉以下、同様に、回転時撮像系３の１次元イメージセンサ３２により撮像された、輪帯状領域Ｐ_２〜Ｐ_７の各回転位置別干渉縞に基づき、輪帯状領域Ｐ_２〜Ｐ_７各々の全域に対応した輪帯領域別形状情報を求める。

具体的には、上述の輪帯状領域Ｐ_１を輪帯状領域Ｐ_２〜Ｐ_７に順次置き換えて（上述の角度θ_１についても、例えば角度θ_２〜θ_７に順次置き換えて）同様の手順を行えばよい。

〈ｄ〉そして、各輪帯領域別形状情報を繋ぎ合わせることにより複数の輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_７を互いに合成してなる領域全域の形状情報を求め、これを円板状領域Ｐ_０の形状情報と合成することにより、被検面８０の全域の形状情報を求める。

輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_７の各形状情報の繋ぎ合わせおよび円板状領域Ｐ_０の形状情報との合成（繋ぎ合わせ）には、従来公知の開口合成手法を用いることができる。すなわち、輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_７の各形状情報および円板状領域Ｐ_０の形状情報は、それぞれ上記共通座標系（初期姿勢時撮像系４の座標系）の情報に既に変換されているので、各々の形状情報に固有の位置情報（例えば、干渉縞撮像時における測定光軸Ｌと回転軸Ｅとのなす角度等の情報）の誤差が無視し得る程度に微小な場合は、輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_７の各形状情報および円板状領域Ｐ_０の形状情報を、各々の位置情報に基づき互いに配列することにより、被検面８０の全域の形状情報を求めることができる（この場合、円板状領域Ｐ_０と輪帯状領域Ｐ_１の間や輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_７のうち互いに隣接するもの同士の間に互いに重複する領域を設定する必要はない）。

一方、上述の固有の位置情報の誤差が無視し得ない場合は、その補正を行う必要がある。例えば、輪帯状領域Ｐ_１を撮像したときの測定光軸Ｌと回転軸Ｅとのなす角度θ_１の情報と輪帯状領域Ｐ_２を撮像したときの測定光軸Ｌと回転軸Ｅとのなす角度θ_２の情報との間に相対的な誤差Δθが生じている場合、輪帯状領域Ｐ_１の形状情報と輪帯状領域Ｐ_２の形状情報を各々の位置情報（角度θ_１，θ_２の情報）に基づきそのまま配列して繋ぎ合わせると、輪帯状領域Ｐ_１，Ｐ_２の間に不要な傾斜が重畳されてしまうので、誤差Δθを補正した上で繋ぎ合わせを行う必要がある。

この誤差Δθの補正は、例えば、以下の手順で行われる。まず、輪帯状領域Ｐ_１，Ｐ_２の間に互いに重複する領域（以下「重複領域」と称する）を設定しておく。次に、輪帯状領域Ｐ_１の位置情報により求められた重複領域の形状情報と、輪帯状領域Ｐ_２の位置情報により求められた重複領域の形状情報（本来は互いに一致するはず）とを互いに比較することにより誤差Δθを求め、求めた誤差Δθの数値の正負逆の値を輪帯状領域Ｐ_２の位置情報に加算して位置情報を補正する。そして、この補正された位置情報に基づき、輪帯状領域Ｐ_２の各回転位置別干渉縞に対応した各部分領域の形状情報を再配列する。なお、輪帯状領域Ｐ_１の位置情報により求められた重複領域の形状情報と、輪帯状領域Ｐ_２の位置情報により求められた重複領域の形状情報との比較の際には、各重複領域の形状を高次多項式や非球面式等によりフィッティングした形状を用いることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。

例えば、上述の実施形態では、円板状領域Ｐ_０の測定を輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_７の測定とは異なる手法で行っているが、基準姿勢をとる被検面８０を回転軸Ｅ回りに回転させながら、輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_７のときと同様に、各回転位置別干渉縞を回転時撮像系３の１次元イメージセンサ３２により撮像し、この各回転位置別干渉縞に基づき円板状領域Ｐ_０の形状情報を求めることも可能である。この場合、円板状領域Ｐ_０を輪帯状領域の１つとして扱うことが可能となる。

また、上述の実施形態では、被検面８０が凹面部８１および凸面部８２を有する形状のものとされているが、このような形状の被検面に測定対象が限定されるものではない。本発明の光波干渉測定装置は、回転対称な種々の形状の被検面の測定に用いることが可能である。

また、上述の実施形態では、ミロー対物干渉光学系２３を顕微干渉光学系として用いているが、マイケルソン型の対物干渉光学系を用いることも可能である。図５はマイケルソン型の対物干渉光学系の概略構成図である。

図５に示すマイケルソン型の対物干渉光学系７０は、上述のミロー対物干渉光学系２３に替えて、図１に示す照射干渉系２の中に配設可能に構成されたものであって、光束分岐光学素子２２（図１参照）からの平行光を収束光に変換する収束レンズ７１と、該収束レンズ７１からの収束光の光路中に配されたハーフミラー等の光束分岐光学素子７２と、該光束分岐光学素子７２により図中左方に分岐される収束光の集光点位置に配された参照反射面７３とが、鏡胴７４内に配設されてなる。光束分岐光学素子７２は、収束レンズ７１からの収束光の一部を図中左方に反射するとともに、その余を透過して被検面８０（一部分のみ図示）に向けて出力するように構成されている。この光束分岐光学素子７２により図中左方に分岐される収束光は、参照反射面７３により再帰反射されて参照光とされ、再び光束分岐光学素子７２に入射する。この入射光の一部が、被検面８０に照射された測定光の集光領域からの戻り光と合波されることにより、干渉光が得られるようになっている。

また、このマイケルソン型の対物干渉光学系７０は、上述のミロー対物干渉光学系２３と同様に、ピエゾ素子２９を備えたフリンジスキャンアダプタ２８に保持され、測定時における被検面８０との距離調整がなされるとともに、フリンジスキャン計測等を実施する際に測定光軸Ｌ方向に微動せしめられるように構成されている。なお、このようなマイケルソン型の対物干渉光学系７０を用いた場合も、上述のミロー対物干渉光学系２３を用いた場合と同様の手順で測定を行うことが可能である。

１光波干渉測定装置
２照射干渉系
３回転時撮像系
４初期姿勢時撮像系
５測定解析系
６サンプルステージ
８被検レンズ
２０光源部
２１ビーム径拡大レンズ
２２，３４光束分岐光学素子
２３ミロー対物干渉光学系
２４，７１収束レンズ
２５反射素子
２６半透過反射素子
２７，７４鏡胴
２８フリンジスキャンアダプタ
２９ピエゾ素子
３０，４０結像レンズ
３１，４１撮像カメラ
３２１次元イメージセンサ
４２２次元イメージセンサ
５０解析制御装置
５１表示装置
５２入力装置
５３輪帯状領域設定部
５４軸ずれ量算定部
５５面偏芯量算定部
５６被検面姿勢調整回転指令部
５７形状解析部
５８測定距離調整指令部
６０基台部
６１第１の２軸調整ステージ部
６２傾動ステージ部
６３回転ステージ部
６４第２の２軸調整ステージ部
６５被検体保持部
７０マイケルソン型の対物干渉光学系
７２光束分岐光学素子
７３参照反射面
８０被検面
８１凹面部
８２凸面部
８３軸外停留点部
８４張出部
８４ａ（張出部の）上面
８４ｂ（張出部の）下面
Ｌ測定光軸
Ｃ面中心軸
Ｄ外径中心軸
Ｅ回転軸
Ｆ傾動軸
Ｎ_１〜Ｎ_３法線
Ｐ_０円板状領域
Ｐ_１〜Ｐ_７輪帯状領域

Claims

測定光軸上に配置された被検体が有する回転対称な被検面の形状を測定する光波干渉測定装置であって、
前記被検面の面中心軸が前記測定光軸と一致した基準姿勢から、該測定光軸と該面中心軸とを含む仮想平面内において、該測定光軸の前記被検面との交点位置が該被検面を径方向に分割してなる複数の輪帯状領域上に順次移動するように、かつ該移動毎に前記測定光軸が前記交点位置において該交点位置における前記被検面の接平面と垂直に交わるように、該測定光軸に対する該被検面の相対姿勢を順次変更する被検面姿勢調整手段と、
前記相対姿勢が変更される毎に、前記面中心軸と回転軸とが互いに一致した状態で前記被検面を該回転軸回りに回転せしめる被検面回転手段と、
回転する前記被検面に対して、前記測定光軸に沿って収束しながら進行する低可干渉性の測定光を照射し、該測定光の前記被検面上での集光領域からの戻り光を参照光と合波して干渉光を得る顕微干渉光学系と、
回転する前記被検面の複数の回転位置毎に前記干渉光を取り込み、前記複数の輪帯状領域の各々において、前記仮想平面と前記被検面との交差部分の領域に対応した各回転位置別干渉縞を１次元イメージセンサにより撮像する回転時撮像系と、
前記各回転位置別干渉縞に基づき前記複数の輪帯状領域の各々に対応した各輪帯領域別形状情報を求め、該各輪帯領域別形状情報を繋ぎ合わせることにより前記複数の輪帯状領域を互いに合成してなる領域全域の形状情報を求める形状解析手段と、を備えてなることを特徴とする光波干渉測定装置。
前記相対姿勢が変更される毎に、前記顕微干渉光学系により前記被検面に対して前記測定光を照射し、該被検面からの戻り光と参照光とを合波したときに得られる干渉光の光量に基づき、該被検面に向けて出射された前記測定光の集光点が該被検面上に位置するように、該被検面と前記顕微干渉光学系との距離を調整する測定距離調整手段を備えてなる、ことを特徴とする請求項１記載の光波干渉測定装置。
前記測定光軸と前記回転軸とが互いに一致し、かつ前記面中心軸が該測定光軸と平行となる初期姿勢の状態で前記被検体を保持する保持手段と、
前記被検面回転手段により、前記初期姿勢の前記被検面を前記回転軸回りに回転させるとともに、前記干渉光学系により、回転する該被検面に対して前記測定光を照射し、該被検面からの戻り光と参照光とを干渉せしめたときに形成される初期姿勢時干渉縞を、該被検面の複数の回転位置毎に撮像する初期姿勢時撮像系と、
前記複数の回転位置毎に撮像された前記初期姿勢時干渉縞に基づき、前記測定光軸と前記面中心軸との軸ずれ量を求める軸ずれ量測定手段と、
求められた前記軸ずれ量に基づき、前記被検面が前記基準姿勢をとるように前記測定光軸に対する該被検面の相対位置を調整する被検面位置予備調整手段と、を備えてなることを特徴とする請求項１または２記載の光波干渉測定装置。
前記初期姿勢をとるときの前記被検体の外径中心軸と前記測定光軸との位置関係と、前記軸ずれ量測定手段において求められた前記軸ずれ量とに基づき、前記被検面の面偏芯量を求める面偏芯量測定手段を備えてなる、ことを特徴とする請求項３記載の光波干渉測定装置。
前記被検面姿勢調整手段は、前記仮想平面に対し垂直な傾動軸の回りに前記被検面を傾動せしめる傾動手段を備えてなる、ことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の光波干渉測定装置。