トップ :: G 物理学 :: G01 測定;試験




【発明の名称】 非球面形状の測定方法と測定装置およびこれを用いた光学素子製造方法
【発明者】 【氏名】守安 精

【氏名】加藤 純一

【氏名】山形 豊

【氏名】大森 整

【氏名】森田 晋也
【要約】 【課題】非球面原器を用いることなく短時間で計測することができる非球面形状の測定方法と測定装置およびこれを用いた光学素子製造方法を提供する。

【解決手段】被測定面１の非球面形状に合わせて干渉縞が出る程度の形状精度を有する非球面参照面２を製作し、これにより非球面波面３を生成させ、短時間に大領域の非球面干渉計測を行う。非球面参照面は、フライカットもしくはＥＬＩＤ研削を利用して製作した非球面光学素子１０であり、非球面形状からの反射光と所定の参照光とから干渉縞を形成し、非球面形状を干渉計測する。非球面光学素子は、干渉縞が出る程度の形状精度で被測定面の法線方向に平行光を反射する非球面反射ミラーであるのがよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 被測定面（１）の非球面形状に合わせて干渉縞が出る程度の形状精度を有する非球面参照面（２）を製作し、これにより非球面波面（３）を生成させ、短時間に大領域の非球面干渉計測を行う、ことを特徴とする非球面形状測定方法。
【請求項２】 前記非球面参照面（２）の形状精度を予め計測し、前記計測結果と加算して被測定面の形状を計測する、ことを特徴とする非球面形状測定方法。
【請求項３】 前記非球面参照面（２）は、フライカットもしくはＥＬＩＤ研削を利用して製作する、ことを特徴とする請求項１に記載の非球面形状測定方法。
【請求項４】 被測定面（１）の非球面形状に合わせた非球面参照面（２）を有する非球面光学素子（１０）を備え、該非球面参照面で生成した非球面波面（３）の非球面形状からの反射光と所定の参照光とから干渉縞を形成し、非球面形状を干渉計測する、ことを特徴とする非球面形状測定装置。
【請求項５】 前記非球面光学素子（１０）は、干渉縞が出る程度の形状精度で被測定面の法線方向に平行光を反射する非球面反射ミラーである、ことを特徴とする請求項４に記載の非球面形状測定装置。
【請求項６】 請求項１乃至５の方法又は装置により複数の非球面参照面を製作し、これにより複数の非球面波面を生成させ、短時間に大領域の非球面干渉計測を行う、ことを特徴とする光学素子製造方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、非球面形状の測定方法と測定装置およびこれを用いた光学素子製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】干渉計による形状測定は、短時間に二次元データが得られるため、平面や球面を測定する際に多く利用されている。一般的な平面あるいは球面の干渉計測においては、リファレンスとなる平面原器あるいは球面原器として、形状誤差が限りなく小さいものが必要となる。すなわち、球面形状の測定では、数種類の曲率半径をもつ球面原器を用意し、球面原器からの参照光と被測定面からの計測光とにより干渉縞を形成し、これから球面原器を基準として被測定面の形状を測定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】非球面レンズや非球面反射鏡のような非球面光学素子を高精度かつ高能率に生産するために、上述した干渉計測により非球面形状を干渉計測することが、強く望まれている。しかし従来の球面干渉手段を非球面に適用する場合には、球面からわずかにずれた非球面を球面原器とＣＧＨを用いて計測する方法や、円筒面を円筒レンズやＨＯＥを用いて計測する方法などごく限られた単純な形状にしか適用できなかった。
【０００４】すなわち、従来の球面原器を用いて非球面を干渉計測する場合には、球面との形状誤差が波長の１０倍以上（例えば約１０μｍ以上）になると干渉縞が発生しないため、極めて狭い領域でしか干渉縞を観察することができず、非球面形状全面を短時間で計測することができなかった。
【０００５】一方、球面形状の場合のように、非計測面との形状誤差が限りなく小さい非球面原器を製作すれば、この問題を解決することが原理的には可能である。しかし、球面原器に比較して非球面原器の製作は極めて困難であり、かつこれが可能であるならば非球面の被測定物自体も高精度に加工できるはずである。また非球面原器の絶対形状を評価するにしても、干渉計測によってこれを行うのであれば、さらに精度の高い非球面原器が必要となり、それも球面のように数種類の曲率半径をもつ球面原器によってほぼ全ての曲率をもつ被測定物球面を測定することはできず、１つの非球面形状に対して１つの非球面原器が必要となってしまう。従って、非球面原器を用いて非球面形状を干渉計測することは、同一の非球面形状を大量に計測する必要がある場合などのごく限られた場合以外は、実質に不可能であった。
【０００６】本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、非球面原器を用いることなく短時間で計測することができる非球面形状の測定方法と測定装置およびこれを用いた光学素子製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、被測定面（１）の非球面形状に合わせて干渉縞が出る程度の形状精度を有する非球面参照面（２）を製作し、これにより非球面波面（３）を生成させ、短時間に大領域の非球面干渉計測を行う、ことを特徴とする非球面形状測定方法が提供される。
【０００８】この方法によれば、干渉縞が出る程度の形状精度で非球面参照面（２）を製作するので、球面原器や理想的な非球面原器に比較して、精度が低くかつ材料の自由度が大きいので容易に非球面参照面を準備することができる。なお、干渉縞が出る程度の形状精度とは、例えば形状精度として干渉計測に使用する光（例えばレーザ光）の波長の数倍以内に入っていればよい。また、原器と比較すると精度は劣るが干渉縞が出る程度の形状精度は有しているので、非球面形状の広い領域を同時に短時間で干渉計測することができる。
【０００９】前記非球面参照面（２）の形状精度は予め計測し、前記計測結果と加算して被測定面の形状を計測する。かかる非球面参照面の形状精度は、別の高精度の測定器（例えは触針式形状測定装置等）を用いて高精度に計測することができる。従って、予めこれを計測しておけば、前記計測結果と加算して非球面形状の広い領域を短時間に干渉計測することができる。
【００１０】前記非球面参照面（２）は、フライカットもしくはＥＬＩＤ研削を利用して製作する。非球面参照面が反射面である場合、金属面をフライカットで切削することにより、容易に高精度の鏡面を製作することができる。また、反射面又はレンズ等の透過面である場合でも、ＥＬＩＤ研削（電解インプロセスドレッシング研削法）により高精度に研削加工することができる。
【００１１】また、本発明によれば、被測定面（１）の非球面形状に合わせた非球面参照面（２）を有する非球面光学素子（１０）を備え、該非球面参照面で生成した非球面波面（３）の非球面形状からの反射光と所定の参照光とから干渉縞を形成し、非球面形状を干渉計測する、ことを特徴とする非球面形状測定装置が提供される。この構成によれば、非球面参照面（２）を有する非球面光学素子（１０）により、非球面波面（３）を生成し、この非球面形状からの反射光と所定の参照光とから干渉縞を形成して非球面形状を干渉計測することができる。
【００１２】前記非球面光学素子（１０）は、干渉縞が出る程度の形状精度で被測定面の法線方向に平行光を反射する非球面反射ミラーである。この構成により、非球面反射ミラーを干渉縞が出る程度の形状精度で製作し、被測定面の法線方向に平行光を反射し、その反射光と所定の参照光とから干渉縞を形成して非球面形状を干渉計測することができる。また、干渉縞が出る程度の形状精度は、球面原器や理想的な非球面原器に比較して、精度が低くかつ反射ミラーは、材料の自由度が大きいので容易に非球面光学素子を準備することができる。
【００１３】更に、本発明によれば、上述した方法又は装置により複数の非球面参照面（２）を製作し、これにより複数の非球面波面（３）を生成させ、短時間に大領域の非球面干渉計測を行う。この方法により、特に、被測定面（１）が大きい場合に、必要な非球面参照面（２）を小型化しその精度を高く保持することができ、併せて広い被測定面を同時に短時間に干渉計測することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１５】１．形状測定法の分類非球面形状の測定法は、触針式，光触針式，干渉式の３通りに大きく分類される。触針式は被測定物と接触するため測定形状に対する自由度は高くかなり傾斜の急な形状でも測定できるが、測定圧が高いと被測定物に傷を付けたり測定誤差が増大する問題がある。光触針式は被測定物に対して非接触で測定を行うため、被測定物に傷を付けることはないが、被測定物の表面が鏡面の場合は傾斜が急な場合測定が困難である。従って、この両方ともある一点における幾何学的な位置を測定するには適するが、ある形状をもつ面を測定するには二次元的に走査する必要があり、多くの測定時間がかかってしまう問題点がある。
【００１６】これに対して干渉式は、測定可能な形状は上述のように現状では平面・球面などの比較的単純な形状に限定されてしまうものの、面測定が可能であるため測定時間ははるかに速い。そのため、ある非球面形状において面内の形状誤差分布を迅速に評価したい場合などには、非球面形状の干渉計測に対するニーズは高いといえる。
【００１７】２．非球面参照面を用いた非球面干渉計測法の概念一般的な平面あるいは球面の干渉計測においては、参照面となる平面原器あるいは球面原器はある設計形状に限りなく近く、形状誤差が限りなく小さいものが良いものとされ、この原器の絶対形状はトレーサビリティのとれた、さらに精度の高い原器を用いて評価が行われる。また球面原器は曲率半径が数種類の物が用意され、これにより様々な曲率半径の球面形状被測定物が測定可能となる。ここで非球面干渉計測の場合は、上述のように、ある設計形状に限りなく近く、形状誤差が限りなく小さい非球面原器を製作するのは困難であり、これが可能であるならば非球面の被測定物自体も高精度に加工できるはずである。また非球面原器の絶対形状を評価するにしても、干渉計測によってこれを行うのであれば、さらに精度の高い非球面原器が必要となり、それも球面のように数種類の曲率半径をもつ球面原器によってほぼ全ての曲率をもつ被測定物球面を測定できるというのではなく、原則として１つの非球面形状に対して１つの非球面原器が必要となってしまう。
【００１８】ここで本発明が提案する非球面参照面による非球面干渉計測法の概念として、従来の平面や球面の干渉計測と大きく違う点は、まず非球面参照面は上述の高精度な非球面原器とは異なり、ある目標形状に限りなく近く、形状誤差が限りなく小さいものを目標としているのではなく、単に干渉縞が出る程度の形状精度をもつ非球面形状とする。つまり形状精度として波長の数倍以内に入っていればよい。
【００１９】すなわち、本発明の方法は、図２に模式的に示すように、被測定面１の非球面形状に合わせて干渉縞が出る程度の形状精度を有する非球面参照面２を製作し、これにより非球面波面３を生成させ、短時間に大領域の非球面干渉計測を行う、ことにある。この方法により、干渉縞が出る程度の形状精度で非球面参照面２を製作するので、球面原器や理想的な非球面原器に比較して、精度が低くかつ材料の自由度が大きいので容易に非球面参照面を準備することができる。また、原器と比較すると精度は劣るが干渉縞が出る程度の形状精度は有しているので、非球面形状の広い領域を同時に短時間で干渉計測することができる。
【００２０】また、この非球面参照面の形状は、別の精度の高い測定器を用いて高精度に形状評価を行う。上述のように干渉計測ではこの形状評価は困難であるため、触針式などの別の測定法を利用するものとする。非球面の場合は球面原器の場合と異なり、原則として１つの非球面形状に対して１つの非球面参照面を設計・製作するものとする。本発明の方法は、このような非球面参照面を用いて光の波面を非球面に変換し、被測定非球面形状で反射してきた光と干渉計内の平面参照面で反射した光とを干渉させ、非球面干渉計測を行うという原理である。そのため非球面参照面の形状は、干渉縞が出る程度の形状精度で、かつ形状が高精度に測定・評価されていることが前提で、ここから被検面形状を求める。
【００２１】すなわち、本発明の方法では、非球面参照面２の形状精度を予め計測し、前記計測結果と加算して被測定面の形状を計測する。この方法により、前記計測結果と加算して非球面形状の広い領域を短時間に干渉計測することができる。
【００２２】３．非球面光学素子製造方法における本発明の特徴図１は、従来の非球面光学素子の製造方法（Ａ）と本発明の非球面参照面を用いた非球面干渉計測法を用いた非球面光学素子の製造方法（Ｂ）の違いを示している。図１（Ａ）の従来の方法では、研削後と研磨後に触針式形状測定するのに対して、本発明の方法では、これを干渉式形状測定で行う点が相違している。また、本発明の方法では、予め非球面参照面２（非球面リファレンス）を製作する点も相違している。
【００２３】すなわち、両方の方法において、まず光学設計を行い、光学素子形状を決定する。その後、材料の粗加工を行い大まかな形状を創成する。一般的に光学材料はガラスやセラミックなどの硬質材料が多いため、研削加工を用いて形状創成を行うことが多い。この際に形状補正加工を行い形状精度をサブミクロンレベルまで向上させることにより、その後の研磨加工における削り代を少なくすることができ、トータルの加工時間を削減することができる。この補正加工は通常２〜３回程度で済む。一般的にはこの後に研磨加工を用いて表面粗さの向上を図るが、極めて高い形状精度が要求される場合は、研磨加工においても同様の形状補正が必要となり、この補正加工はＸ線用ミラーなどの場合は通常十数回以上行われる。そしてそれぞれの補正加工の度に、被加工物の形状を測定し、形状誤差を求める必要がある。一般的に非球面量の大きな非球面光学素子では、形状測定にかなりの時間を要する。このため光学素子製造にかかるトータル時間を考えると、加工に費やされる時間のみならず、測定に費やされる時間もかなりの割合を占めるため、この測定時間を短縮することは光学素子製造にかかるトータル時間を短縮しトータルコストを下げることになる。同様に大型の光学素子の場合や同じ形状の光学素子を多数製造する場合なども、測定にかかる時間が全プロセスにおいてかなりの割合を占めるため、測定時間の短縮は重要である。
【００２４】また、本発明の方法では、複数の非球面参照面２を製作し、これにより複数の非球面波面を生成させ、短時間に大領域の非球面干渉計測を行う。この方法により、特に、被測定面１が大きい場合に、必要な非球面参照面２を小型化しその精度を高く保持することができ、併せて広い被測定面を同時に短時間に干渉計測することができる。
【００２５】点測定である触針法などに対して干渉計測は面測定を行うため、加工時間の面ではかなりメリットがあり、測定時間の短縮が望まれる場合に有効な手段となる。しかしながら本発明で提案する非球面参照面による非球面干渉計測法では、もともと製作予定の非球面光学素子以外に、もう１つの非球面参照面として非球面光学素子を製作する必要が生じる。そのためこの方法を用いるかどうかは、非球面参照面を製作するのに費やされる時間と全プロセス中の測定時間の短縮分を比較してどちらが有利かを判断する必要がある。非球面参照面の加工に際しては、もともと製作予定の非球面光学素子ほどの形状精度は要求されておらず、またその材質としても特に制限されるわけでもないため加工性のよい材料を選ぶことができ、加工にかかる手間は所望の非球面光学素子を作る場合に比べてかなり少なくできる。従って上述のように、高精度な光学素子、大型の光学素子、多数の光学素子を製造する場合は本発明の方法の方が有利となる。
【００２６】また、本発明の測定装置は、図２に模式的に示すように、被測定面１の非球面形状に合わせた非球面参照面２を有する非球面光学素子１０を備える。この非球面光学素子１０は、干渉縞が出る程度の形状精度で被測定面の法線方向に平行光を反射する非球面反射ミラーである。なお、この図で、５は干渉計であり、非球面光学素子１０に向けて平行光を放射し、その反射光から干渉計測するようになっている。この構成により、非球面反射ミラー１０を干渉縞が出る程度の形状精度で製作し、被測定面１の法線方向に平行光を反射して非球面波面３を生成し、その被測定面１での反射光と所定の参照光とから干渉縞を形成して非球面形状を干渉計測することができる。また、干渉縞が出る程度の形状精度は、球面原器や理想的な非球面原器に比較して、精度が低くかつ反射ミラーは、材料の自由度が大きいので容易に非球面光学素子を準備することができる。
【００２７】
【実施例】４．非球面参照面を用いた非球面干渉計測実験まず被測定形状として非軸対称非球面形状のトロイダル面を選び、これに合わせて非球面参照面形状の設計を行った。トロイダル面は曲率半径がＲS ＝３７．３６ｍｍとＲL ＝６７９９ｍｍの凹凸とした。図２に示すように非球面参照面形状は、ＲS 方向は干渉計からの平行光をいったん集光させ、ＲL 方向は平行光をそのまま広げてトロイダル面のそれぞれの点において光が垂直に入射するように設計を行った。つまり非球面参照面形状は軸外し回転放物面形状となった。非球面参照面はなるべく手間のかからない方法で製作したいので、本発明では無酸素銅をフライカットによって非球面形状に仕上げる方法を選択した。この方法は、フライカットによって非球面形状をＯ．１μｍ程度の形状精度に加工することができる方法として知られている。このようにして製作した非球面参照面を図３に示すようにフィゾー式干渉計５の下に設置し、その真横に被測定物を設置した。非球面参照面には水平面および４５°の傾斜面を同時に加工しておき、これらを基準面として被測定物との相対位置および姿勢の調整を行った。
【００２８】このようにしてトロイダル形状を非球面参照面を用いて干渉計測した際の干渉縞の様子を図４に、この干渉縞から得られた形状解析結果を図５に示す。図４及び図５から被測定物のほぼ全面において干渉縞が観察され、広い被測定面を同時に短時間に干渉計測することができることが確認された。
【００２９】５．まとめ本発明では、一般的な非球面形状の干渉計測法として非球面球面参照面を用いた干渉計測法の提案を行い、被測定面としてトロイダル形状に対して軸外し回転法物面形状の非球面参照面をフライカットにより製作し、フィゾー式干渉計を用いて干渉計測を行ったところ、被測定物のほぼ全面において干渉縞の観察に成功した。
【００３０】なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３１】
【発明の効果】上述したように、本発明の非球面形状の測定方法と測定装置およびこれを用いた光学素子製造プロセスは、非球面原器を用いることなく短時間で計測することができる、極めて優れた効果を有する。
【出願人】 【識別番号】０００００６７９２
【氏名又は名称】理化学研究所
【出願日】 平成１１年３月３日（１９９９．３．３）
【代理人】 【識別番号】１０００９７５１５
【弁理士】
【氏名又は名称】堀田 実 （外１名）
【公開番号】 特開２０００−２４９５２６（Ｐ２０００−２４９５２６Ａ）
【公開日】 平成１２年９月１４日（２０００．９．１４）
【出願番号】 特願平１１−５５８６７