JP2011141145A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、射出瞳位置が有限な光学系の透過波面を高精度で測定する測定装置を提供する。
【解決手段】 射出瞳位置が有限な光学系の透過波面を測定する測定装置（１００）は、被検光学系に向けられた被検光を被検光学系（４０）を介して検出する波面センサ（１０）で被検光学系の特性を測定する測定装置であって、被検光を被検光学系像点に集光させる集光光学系（３０）と、集光光学系の光軸と交差する方向に集光光学系に対して波面センサ（１０）を移動させるＸＹ軸移動装置（１６Ａ）と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学系の透過波面を高精度に測定する測定装置に関する。特に本発明は、射出瞳位置が有限な光学系の透過波面を測定する測定装置に関する。

望遠レンズなどの被検レンズの透過波面を測定するために、一般に干渉計が用いられる。特許文献１に開示される干渉計は、レーザ光源から出射された光がビームスプリッターで参照光と被検光とに分割される。この参照光は参照面で反射され再びビームビームスプリッタに戻る。被検光は、被検レンズの光軸と一致する方向から入射し、被検レンズを透過する。そして被検光は反射面で反射され、再び被検レンズを透過して上記ビームスプリッターに戻る。そして参照光と被検光とが合成された後、結像レンズで集光されて観察面上に干渉縞を形成する。このような干渉計では、高い可干渉性を有するレーザ光を用いるので、明暗差のはっきりした干渉縞を観察することができ、高精度で被検レンズの凹凸形状等の評価を行うことができる。すなわち、特許文献１に開示される干渉計は、被検レンズの光軸と一致する被検レンズの透過波面を観察することができる。

特開平１０−１６０５８２号公報

しかし、一般の光学系では射出瞳が像面から有限の位置にあって、画角をもつ光、すなわち像点に向けた収束光束の主光線が光軸に対して傾いているケースが多い。このような光学系である被検レンズには、干渉計側から被検レンズの光軸に対して主光線を傾けてビームを入射させ軸外の透過波面を観察したい要望がある。上記干渉計を傾けて配置することも考えられるが、鉛直軸を含む面内で干渉計を傾けると、重力の影響で干渉計内部の光学系が歪むこともあり測定上好ましくはない。

そこで本発明は、射出瞳位置が有限な光学系の透過波面を高精度で測定する測定装置を提供する。

第１態様に係る測定装置は、被検光学系を介して被検光学系に向けられた被検光を検出する波面センサで、被検光学系の特性を測定する測定装置である。測定装置は、被検光を被検光学系像点に集光させる集光光学系と、集光光学系の光軸と交差する方向に、集光光学系に対して波面センサを移動させる第１移動部とを備えている。

本発明の測定装置は、収束光束の主光線が傾いた光を被検光学系に入射させ、透過波面を観察することができる、また、測定装置は、透過波面を細かくサンプリングすることができ波面として高周波成分まで評価することが可能となる。

第１測定装置１００の構成の概略を示した図である。 （ａ）は、集光レンズ３１と被検光の光束Ｌ３１Ａとの関係を示した概略平面図である。 （ｂ）は、被検光の光束Ｌ３１Ａが被検レンズ４１に入射する概略側面図である （ｃ）は、集光レンズ３１と被検光の光束Ｌ３１Ｂとの関係を示した概略平面図である。 （ｄ）は、被検光の光束Ｌ３１Ｂが被検レンズ４１に入射する概略側面図である。 集光レンズ３１の条件を説明するための図である。 第２測定装置２００の構成の概略を示した図である。 図５（ａ）は、焦点基準板３２の平面図である。 図５（ｂ）は、焦点基準板３２の側面の断面図である。 第２測定装置２００において基準焦点板３２の焦点位置の測定を行っている図である。 第３測定装置３００の構成の概略を示した図である。 第４測定装置４００の構成の概略を示した図である。 第５測定装置５００の構成の概略を示した図である。

（第１実施形態）
＜第１測定装置１００の構成＞
第１実施形態として測定装置がトワイマン・グリーン干渉計の場合について説明する。

図１は、第１測定装置１００の構成の概略を示した図である。第１測定装置１００は、波面センサ１０と、電子計算機２１と、被検光学系４０と、集光レンズ３１とにより構成されている。

波面センサ１０は、光源１１と、ビームスプリッター１２と、参照鏡１３と、結像レンズ１４と、撮像素子１５と、ＸＹ軸移動装置１６Ａとを有している。干渉計では干渉性の良い光を使用する必要があるため、光源１１にはレーザ光が用いられる。ビームスプリッター１２は、たとえばハーフミラーであり、光源１１から照射された１本の光束を参照光と被検光の２本の光束に分岐させる。参照鏡１３は平面鏡であり、ビームスプリッター１２より導かれた参照光を反射してビームスプリッター１２に戻す。結像レンズ１４は２枚の凸レンズにより構成されており、ビームスプリッター１２より導かれた光を撮像素子１５上に結像させる。

撮像素子１５は、撮像素子１５上にできる干渉縞を電気信号に変換する。具体的には撮像素子１５は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）またはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等が用いられる。ＸＹ軸移動装置１６Ａは、波面センサ１０をＸ軸とＹ軸方向とに移動させる。ここで、光源１１よりレーザ光が照射される方向を−Ｘ軸方向、波面センサ１０より集光レンズ３１に照射される光の方向を−Ｚ軸方向、Ｘ軸とＺ軸とに垂直な軸をＹ軸とする。

集光レンズ３１は、波面センサ１０から照射される平面波を球面波に変換して被検光学系４０に導く集光光学系のユニットである。第１測定装置１００では集光レンズ３１に凸レンズを用い、波面センサ１０より照射される平面波を球面波に変換をしている。
電子計算機２１は、撮像素子１５より送られてくる干渉縞に関する電気信号を受信し、被検レンズ４１の透過波面の解析を行う。

被検光学系４０は、検査をされる光学部品を含んだ光学系であり、検査をされる光学部品である被検レンズ４１と被検レンズ４１を透過した被検光を反射する反射鏡４２とにより構成されている。反射鏡４２は平面鏡が用いられる。

＜第１測定装置１００の動作＞
次に第１測定装置１００によって被検レンズ４１を測定する際の動作について説明する。
光源１１から−Ｘ軸方向へ照射した光束は、ビームスプリッター１２に入射する（矢印Ｌ１）。ビームスプリッター１２はハーフミラーを有しており、光を参照光と被検光とに分ける。ビームスプリッター１２から−Ｚ軸方向の被検光学系４０に向かう被検光（矢印ＬＹ１）は、集光レンズ３１で平面波から球面波に変換される。球面波に変換された被検光（矢印ＬＹ２）は、被検レンズ４１に、被検レンズ４１の光軸ＡＸ４１に対し傾いて入射する。被検レンズ４１を透過した被検光は反射鏡４２で反射され、再び被検レンズ４１を通って集光レンズ３１に向かう（矢印ＬＹ３）。そして、被検光は集光レンズ３１を透過してビームスプリッター１２に戻る。

他方、ビームスプリッター１２から−Ｘ軸方向に向かう光である参照光は参照面１３に向かう（矢印ＬＸ１）。参照光は参照面１３で反射され、ビームスプリッター１２に戻る（矢印ＬＸ２）。ビームスプリッター１２では、被検光学系４０から戻った被検光と、参照面１３で反射されて戻った参照光とが重ね合わされ、合成光となって＋Ｚ軸方向に向かう（矢印ＬＣ１）。合成光は干渉縞となり、結像レンズ１４を介して撮像素子１５に結像される。この干渉縞が電子計算機２１によって解析されることによって、被検レンズ４１の透過波面などを測定することができる。

波面センサ１０はＸＹ軸移動装置１６Ａを有している。ＸＹ軸移動装置１６Ａは波面センサ１０をＸＹ平面内で自由に移動させることができる。また、集光レンズ３１は、波面センサ１０のビーム径よりも口径が大きい。このため波面センサ１０は集光レンズ３１上の全ての位置にレーザ光を入射させることができる。そのため、主光線が被検レンズ４１の光軸に対して傾いている状態でその被検レンズ４１の透過波面の測定を行いたい場合、被検光の主光線を任意の傾きで被検レンズ４１へ入射させることができる。また、被検レンズ４１の径の大きさ等によって焦点レンズ３１への被検光の入射位置を変えることもできる。

また被検レンズ４１は不図示のステージなどで支えられる。本実施形態で検査される被検レンズ４１は所定の焦点距離や像面から有限の射出瞳位置を有しており、その焦点距離や画角に応じて被検レンズ４１は適切な位置に配置される。

＜集光レンズ３１と被検レンズ４１とに照射される被検光の関係＞
図２（ａ）は、集光レンズ３１と被検光の光束Ｌ３１Ａとの関係を示した概略平面図である。波面センサ１０から集光レンズ３１への被検光の光束Ｌ３１Ａの入射位置を示している。被検光の光束Ｌ３１Ａは集光レンズ３１の光軸ＡＸ３１から遠く離れた位置に入射している。図２（ｂ）は、被検光の光束Ｌ３１Ａが被検レンズ４１に入射する概略側面図である。

図２（ｃ）は、集光レンズ３１と被検光の光束Ｌ３１Ｂとの関係を示した概略平面図である。波面センサ１０から集光レンズ３１への被検光の光束Ｌ３１Ｂの入射位置を示している。被検光の光束Ｌ３１Ｂは集光レンズ３１の光軸ＡＸ３１から近い位置に入射している。図２（ｄ）は、被検光の光束Ｌ３１Ｂが被検レンズ４１に入射する概略側面図である。図２（ｂ）または（ｄ）に示されるように、集光レンズ３１の光軸ＡＸ３１と被検レンズ４１の光軸ＡＸ４１とはＸＹ平面で同軸上に配置されていない。

ＸＹ軸駆動装置１６Ａ（図１）は、被検レンズ４１の透過波面の測定を行う場合に、波面センサ１０の位置を移動させることにより、集光レンズ３１上に照射される被検光の位置を調整することができる。図２（ａ）〜（ｄ）は、波面センサ１０が集光レンズ３１に対して−Ｘ軸方向に移動した際の例が示されている。図示されていないが、ＸＹ軸駆動装置１６ＡはＹ軸方向にも波面センサ１０の位置を移動させることもできる。

第１測定装置１００では、波面センサ１０の位置をＸＹ軸移動装置１６Ａによって調節することにより、波面センサ１０が照射した被検光を被検レンズ４１に入射させることができる。また、その被検光は集光レンズ３１を経由して波面センサ１０内に戻すことが可能である。このとき、集光レンズ３１のＮＡが被検レンズ４１のＮＡより僅かに大きいかもしくは一致していると、第１測定装置１００では使用する光を効率的に使用することができ、波面を細かく測定することができて、波面として高周波成分まで評価を行うことが可能になる。

図２（ａ）に示されるように、被検光の光束Ｌ３１Ａが集光レンズ３１の光軸ＡＸ３１から遠く離れた位置に入射すると、図２（ｂ）に示されるように、被検光の光束Ｌ３１Ａの主光線ＡＸＬは被検レンズ４１の光軸ＡＸ４１に対して角度θＡで被検レンズ４１に入射する。一方、図２（ｃ）に示されるように、被検光の光束Ｌ３１Ｂが集光レンズ３１の光軸ＡＸ３１から近い位置に入射すると、図２（ｄ）に示されるように、被検光の光束Ｌ３１Ｂの主光線ＡＸＬは被検レンズ４１の光軸ＡＸ４１に対して角度θＢで被検レンズ４１に入射する。図２（ｂ）に示されるように、光軸ＡＸ４１に対する主光線ＡＸＬの傾きθＡは、傾きθＢに比べて角度が大きい。

図２（ａ）及び（ｃ）に示したように、集光レンズ３１上への被検光の入射位置によって被検レンズ４１への被検光の主光線の角度を調整することができる。透過波面の測定において、波面センサ１０と集光レンズ３１とを傾けると被検レンズ４１への被検光の主光線の角度を調整することができるが波面センサ１０内部の光学系の歪みに起因する光の歪みが生じる。

本実施形態の透過波面の測定では、波面センサ１０は被検レンズ４１の光軸ＡＸ４１から離れたどの像点を測定する場合でも干渉計ビームが−Ｚ軸方向を向くように配置される。波面センサ１０を傾けないため、波面センサ１０内部の光学系の歪みに起因する光の歪みを抑えることができる。

また、第１実施形態では、波面センサ１０の位置を移動させて被検レンズ４１上の透過波面を測定していたが、波面センサ１０の位置を固定し、被検レンズ４１と集光レンズ３１との位置を調整して透過波面測定を行う構成にすることも可能である。

＜集光レンズ３１の条件＞
第１測定装置１００が被検レンズ４１の軸外性能を測定するためには、集光レンズ３１を透過した光を被検レンズ４１に導き、被検レンズ４１からの被検光を再び波面センサ１０内に戻さなくてはならない。被検レンズ４１の主光線は傾いているので、集光レンズ３１は被検レンズ４１よりも開口数ＮＡが大きくなければならない。そうでなければ、一部の被検光しか波面センサ１０内に戻らず、被検レンズ４１の波面をケラレなく測定することができないからである。したがって、集光レンズ３１は開口数ＮＡが大きい（Ｆ値の小さい）レンズが必要である。
図３は、集光レンズ３１の開口数ＮＡの条件を説明するための図である。

図３において、波面センサ１０から出た平面波（被検光）は集光レンズ３１で球面波（被検光）に変換される。この球面波は、集光レンズ３１の像面３３で焦点を結ぶ。その後、球面波（被検光）は広がって被検レンズ４１の射出瞳４５に入射する。

集光レンズ３１の開口数ＮＡ_０は空気中では以下の式で表わされる。
ＮＡ_０＝ｓｉｎθ_１・・・・・・・・・・（１）
ここで、光軸上の物体から出た光が集光レンズ３１の射出瞳を見込む角度であり開口角は２θ_１である。

また、被検光学系４０（図１参照）への被検光の入射角θ_０は下記の式で表わされる。
θ_０＝ｔａｎ^−１（Ｙｕ／Ｌｕ）・・・・・・（２）
ここで、Ｙｕを被検光学系の最大像高、Ｌｕを被検光学系射出瞳４５から像面３３までの距離としている。

さらに、被検光学系４０の開口数ＮＡ_１は以下のように表わされる。
ＮＡ_１＝１／（２Ｆｕ）・・・・・・・・・（３）
ここで、Ｆｕを被検光学系４０のＦ値としている。

また、ＮＡ_１は以下の式を満たす。
ＮＡ_１＝ｓｉｎα_０・・・・・ ・・・（４）
ここで、被検光学系４１の射出瞳４５の開口角を２α_０としている。

数式３と数式４とより以下の式が導かれる。
α_０＝ｓｉｎ^−１（ＮＡ_１）＝ｓｉｎ^−１（１／２Ｆｕ）・・（５）

θ_１はθ_０とα_０との合計であるため、θ_１は以下の式で表わされる。
θ_１＝θ_０＋α_０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）

射出瞳位置が有限な被検レンズ４１では、集光レンズ３１のＮＡを被検レンズ４１のＮＡと一致させた場合に軸外光束がケラレてしまう。そのため、集光光学系のレンズにＦ値が小さく明るい集光レンズ３１を使用し、波面センサ１０内へ確実に被検光が戻るようにしなければならない。そのためには、実際に使用する集光光学系のＮＡを入射光から計算されるＮＡ_０よりも大きくしなければならない。よって下記の不等式が成り立たなければならない。
ＮＡ＞ｓｉｎθ_１・・・・・・・・・・（７）

数式２，数式５，数式６，数式７より、下記の不等式８が導かれる。
・・・（８）

また、波面センサ１０内へ戻り光を確実に戻るようにするためには、集光光学系のレンズにＦ値の小さい明るいレンズを選ぶ必要がある。そのため、集光光学系のＦ値をＦ１とすると、少なくともＦ１はＦｕよりも小さくなければならない。そのためＦ１とＦｕの関係は下記の式を満たさなければならない。
Ｆ１＜Ｆｕ・・・・・・・・・・・・（９）

さらに、集光光学系の焦点距離をｆｄ、波面センサ１０からの被検光の光束の径をφｉとするとＦ１＝ｆｄ／φｉなので数式９は以下のように変換できる。
ｆｄ＜Ｆｕφｉ・・・・・・・・・（１０）

第１測定装置１００の光学系は数式８および数式１０を満たすことにより、被検レンズ４１の視野全体を細かく測定することができる。

（第２実施形態）
＜第２測定装置２００の構成＞
図４は、第２測定装置２００の構成の概略を示した図である。第２測定装置２００は、波面計測装置２０と、基準焦点板３２と、被検光学系４０と、電子計算機２１とを有している。波面計測装置２０は、波面センサ１０と集光レンズ３１と反射部材１８とを有している。波面センサ１０は第１実施形態で説明した構成である。

波面計測装置２０は、Ｘ軸及びＹ軸方向に波面計測装置２０を移動させることができるＸＹ軸移動装置１６Ｂと，Ｚ軸方向に波面計測装置２０を移動させることができるＺ軸移動装置１７とを備えている。波面計測装置２０に取り付けられているＸＹ軸移動装置１６ＢまたはＺ軸移動装置１７は、波面センサ１０と集光レンズ３１との相対位置を変化させずに、波面計測装置２０を同時に移動させることができる。基準焦点板３２は、集光光学系側の面に反射率が高く平面度が高い反射面３２１と、光束が通るための穴である小開口３２２とを有している。また、基準焦点板３２は、波面計測装置２０と被検光学系４０との間であり、被検光学系４１のほぼ像面３３上に配置されている。

図５（ａ）は、焦点基準板３２の平面図である。焦点基準板３２は、少なくとも一方のＺ軸側の面が反射面３２１となっており、ほぼ正方形の平面を有している。また、Ｘ軸とＹ軸方向に５行５列の計２５個の丸い小開口３２２が形成されている。Ｘ軸方向とＹ軸方向の隣り合う小開口３２３同士は等間隔に配置されており、各小開口３２３の位置は被検レンズ４１上の透過波面を測定したい位置に対応している。図５（ａ）では、焦点基準板３２は正方形であるが長方形であってもよく、焦点基準板３２が長方形の場合にはたとえばＸ軸とＹ軸方向に５行５列の計２５個の丸い小開口３２２が形成されている。

図５（ｂ）は、焦点基準板３２の図５（ａ）の点線Ａ−Ａにおける断面図である。被検レンズ４１（図４参照）の透過波面の測定を行いたい場合は、被検光の光軸ＡＸＬ（Ｅ１で示されている。）が小開口３２２に入るようにＸＹ軸移動装置１６Ｂが波面計測装置２０を移動させる。つまり、ＸＹ軸移動装置１６Ｂは焦点レンズ３１の焦点を小開口３２２に合わせる。

焦点レンズ３１の焦点位置の調整を行いたい場合は、被検光の光軸ＡＸＬ（Ｅ１で示されている。）が反射面３２１で反射されるようにＸＹ軸移動装置１６Ｂが波面計測装置２０を移動させる。つまり、ＸＹ軸移動装置１６Ｂは、焦点レンズ３１の焦点位置を反射板３２１上に移動させる。

＜被検レンズ４１の焦点位置の測定＞
被検レンズ４１は、波面計測装置２００を用いて透過波面の測定を行った後に、カメラなどの製品に組み込まれる。例えば、被検レンズ４１は交換レンズであり、被検レンズ４１の焦点面にカメラのＣＣＤが配置される。被検レンズ４１の焦点面は、図４における像面３３の位置になる。しかし実際は、被検レンズ４１の焦点面は設計値の像面３３の位置より僅かにずれることがある。被検レンズ４１の焦点面のずれに起因して像質劣化が発生する。そのため、被検レンズ４１の焦点位置を正確に測っておくことが重要になる。

図６は、第２測定装置２００において基準焦点板３２の位置の測定を行っている状態を示した図である。図６を使って被検レンズ４１の焦点位置の測定方法を説明する。

基準焦点板３２が像面３３の近傍に配置される。被検光が基準焦点板３２の反射面３２１に照射されるように、波面計測装置２０が基準焦点板３２に対して相対移動する。波面センサ１０から照射される被検光は、矢印ＬＡ１で示されるように集光レンズ３１に−Ｚ軸方向に入射する。この被検光は、矢印ＬＡ２で示されるように集光レンズ３１を透過し、基準焦点板３２の反射面３２１で反射して矢印ＬＡ３で示されるように再び集光レンズ３１に入射する。矢印ＬＡ３の被検光が集光レンズ３１に入射する位置は、光軸ＡＸ３１を中心として矢印ＬＡ２の被検光が集光レンズ３１から照射した位置に対称な位置である。その後、光は集光レンズ３１を透過して反射部材１８で反射する。反射部材１８で反射された被検光は、矢印ＬＡ４に示されるように進み、基準焦点板３２の反射面３２１で反射して矢印ＬＡ５で示されるように再び集光レンズ３１に入射する。集光レンズ３１を通過した被検光は矢印ＬＡ６に示されるように波面センサ１０に戻る。

電子計算機２１は、波面センサ１０に戻った被検光と参照光との合成光を解析することによって、基準焦点板３２の位置を測定することができる。

ここで、反射部材１８は矢印ＬＡ１の被検光を遮らないようにするため、集光レンズ３１の光軸を遮らない配置されている。また、反射部材１８の大きさは、反射面３２１で反射した被検光（矢印ＬＡ３）が集光レンズ３１のどの位置に入射しても対応できるように、集光レンズ３１の半径に近い大きさか、それ以上の大きさであることが望ましい。

電子計算機２１が基準焦点板３２の位置を測定した結果、集光レンズ３１の焦点位置が基準焦点板３２の反射面３２１の位置（Ｚ軸方向）と一致していない場合には、Ｚ軸移動装置１７は波面計測装置２０をＺ軸方向に移動させる。そして、集光レンズ３１の焦点位置と基準焦点板３２の反射面３２１とが一致するようにする。これで、集光レンズ３１の焦点位置は校正されたことになる。再確認が必要であれば、再び、波面センサ１０からＬＡ１に示される被検光を照射する。そして矢印ＬＡ６に示される被検光が電子計算機２１によって解析される。

その後、波面測定装置２０は、被検光を基準焦点板３２の小開口３２３を通過できるように僅かにＸ方向またはＹ方向に動かされ、被検レンズ４１の焦点位置を測定する。被検レンズ４１の焦点位置の測定は、Ｚ軸移動装置１７によって波面計測装置２０をＺ軸方向に移動させ、撮像素子１５においてフォーカスを合わせることにより行う。そして、電子計算機２１は、被検レンズ４１の像面３３からのずれを計算する。順次、各小開口３２２における焦点位置を測定すると、電子計算機２１は、被検レンズ４１の像面の湾曲状態や傾き状態を解析することも可能である。以上のような方法により、被検レンズ４１の正確な焦点位置を測定することができる。

また、図６における被検光（矢印ＬＡ１から矢印ＬＡ６）は、集光レンズ３１と基準焦点板３２との間を２往復することになる。このため、焦点位置の測定感度が２倍に高くなる。また、基準焦点板３２に斜めに入射するときの光の入射角をθとすると、光路の長さは傾いていない場合の光路の長さに比べて集光レンズ３１と基準焦点板３２の間の光路長は１／ｃｏｓθ倍になる。そのため、測定精度を１／ｃｏｓθ倍向上させることができる。

第２実施形態では、小開口３２２が開いていない焦点基準板３２Ｂ（図示せず）を用いることも可能である。集光レンズ３１の焦点を求める場合は像面３３に焦点基準板３２Ｂを挿入する。被検光学系４０の透過波面を測定する場合には、焦点基準板３２Ｂを被検光を遮らない位置まで焦点基準板３２Ｂを移動させる。この場合には、必ずしも波面計測装置２０にＸＹ軸移動装置を取り付ける必要はないが、焦点基準板３２ＢにＸＹ軸移動装置を取り付ける必要がある。

（第３実施形態）
＜第３測定装置３００の構成＞
図７は、第３測定装置３００の構成の概略を示した図である。第３測定装置３００は、被検光学系４０に被検凹面鏡４３と反射凹面鏡４４とを有し、被検凹面鏡４３の反射波面の測定を行うことができる。

波面センサ１０の構成は第２測定装置２００と等しい。波面センサ１０をＸＹ軸移動装置１６Ａによって移動させることにより集光レンズ３１上の光束の入射位置を調整することができるため、被検凹面鏡４３への被検光の入射位置は波面センサ１０のＸＹ軸移動装置１６Ａによって調整される。また、波面計測装置２０及び基準焦点板３２の構成も第２測定装置２００と等しい。基準焦点板３２は被検凹面鏡４３の像面３４に配置される。集光レンズ３１の焦点距離は波面計測装置２０のＺ軸移動装置１７によって像面３４に合わせられる。被検凹面鏡４３の反射波面を測定するときは、波面計測装置２０のＸＹ軸移動装置１６Ｂによって波面計測装置２０を移動させ、基準焦点板３２の小開口３２１（図６（ａ）参照）の位置に集光レンズ３１の焦点位置を合わせる。

波面センサ１０より照射された平面波は集光レンズ３１で球面波に変換されて被検凹面鏡４３に入射する。その後、被検凹面鏡４３で反射した光は反射凹面鏡４４で反射され、戻り光となって被検凹面鏡４３、集光レンズ３１を通り、波面計測装置２０へ戻る。ビームスプリッター１２で参照鏡１３において反射した光と重なり合って合成光を作り、結像レンズ１４を通って撮像素子１５に結像する。撮像素子１５に達した光は干渉縞を作り、その干渉縞は電子計算機２１で解析される。

（第４実施形態）
＜第４測定装置４００の構成＞
図８は、第４測定装置４００の構成の概略を示した図である。図４測定装置４００は、第４波面センサ３０において光束を２つに分けるためのユニットとして、ハーフミラーなどのビームスプリッター１２に代えて偏光ビームスプリッター１２１を使用した測定装置である。また光源１１ＢはＰ偏光とＳ偏光とを含む光束を照射できるユニットが配置される。

偏光ビームスプリッター１２１を使用するために、偏光ビームスプリッター１２１と集光レンズ３１との間に１／４波長板ＷＰ１が配置されている。偏光ビームスプリッター１２１と参照鏡１３との間に１／４波長板ＷＰ１を配置されている。また、偏光ビームスプリッター１２１と結像レンズ１４との間に偏光板ＷＰ２が配置されている。その他の装置の構成は、第１測定装置１００と同じである。

＜第４測定装置４００の動作＞
次に第４測定装置４００によって被検レンズ４１を測定する際の動作について説明する。
光源１１Ｂから、矢印Ｌ１１に示されるようにＰ偏光とＳ偏光とを含む光束が照射される。その光束速は偏光ビームスプリッター１２１においてＳ偏光とＰ偏光に分かれる。

矢印ＬＹ１１に示されるように−Ｚ軸方向に反射されたＰ偏光（またはＳ偏光）の被検光は、１／４波長板ＷＰ１を通り円偏光となって集光レンズ３１に向かう。矢印ＬＹ１２に示されるように被検光は集光レンズ３１を透過して被検レンズ４１に向かい、被検レンズ４１を透過して反射鏡４２で反射される。反射鏡４２で反射された光は、矢印ＬＹ１３に示されるように反射鏡４２までの光路を逆に戻る。戻った円偏光の被検光は矢印ＬＹ１４に示されるように１／４波長板ＷＰ１においてＳ偏光（Ｐ偏光）になって偏光ビームスプリッター１２１に戻り、偏光ビームスプリッター１２１を通過する。

他方、偏光ビームスプリッター１２１を透過し−Ｘ軸方向に向かうＳ偏光（またはＰ偏光）は、矢印ＬＸ１１に示されるように１／４波長板ＷＰ１によって円偏光となり参照鏡１３に向かう。矢印ＬＸ１２に示されるように参照鏡１３で反射された光は１／４波長板ＷＰ１でＰ偏光（Ｓ偏光）となり偏光ビームスプリッター１２１に戻り、偏光ビームスプリッター１２１で反射される。

被検光学系４０と参照鏡１３とから戻った光は偏光ビームスプリッター１２１において重なり合い、矢印ＬＣ１１に示されるように偏光板ＷＰ２で同一方向の偏光に整えられて干渉縞となる。干渉縞の光束は結像レンズ１４を通り、撮像素子１５に結像された光は電子計算機２１によって解析される。このようにして第４測定装置４００は、被検レンズ４１被検レンズ４１の透過波面を測定する。

（第５実施形態）
図９は、第５測定装置５００の構成の概略を示した図である。第５測定装置５００は、第１実施形態の第１測定装置１００の結像レンズ１４および撮像素子１５に代えて、第５波面センサ３５の干渉縞検出部にシャック・ハルトマンセンサ５１を用いている。シャック・ハルトマンセンサ５１は複数のレンズアレイ５２と撮像素子１５により構成される。

シャック・ハルトマンセンサ５１を通過する光束は、レンズアレイ５２ごとの小光束に変換され、撮像素子１５上に集光する。レンズアレイ５２が集光手段としての役割を持つため、結像レンズは必要としない。また、シャック・ハルトマンセンサ５１は、干渉計と異なり、光源に可干渉性の良くない光を用いることができる。そのため、図５測定装置５００の光源１１Ａには白色光源等の光源を用いてもよい。その他の構成は、第１測定装置１００と同じである。

第５測定装置５００を用いて被検レンズ４１の透過波面を測定するときは、ＸＹ軸移動装置１６Ａにより波面センサ５０を移動させて集光レンズ３１に入射する光束の位置を調整し、被検レンズ４１上の透過波面測定位置を決める。光束が通過する光路は第１測定装置１００と同じである。被検光学系４１から戻った被検光と、参照鏡１３で反射された参照光とはビームスプリッター１２を通り、シャック・ハルトマンセンサ５１に向かう。複数のレンズアレイ５２はビームスプリッター１２から導かれた光束を小光束に変換し、撮像素子１５上に集光する。参照光は理想波面を形成する参照鏡１３によって反射されたものであるので、各マイクロレンズアレイ５２の光軸上に集光する。しかし、被検光は被検レンズ４１の収差を含んでいるため、必ずしもレンズアレイ５２の光軸上に集光しない。この参照光と被検光の集光点の位置ずれ量より被検レンズ４１の波面収差を求めることができる。なお、参照光と被検光での測定は独立に行うため、ビームスプリッター１２と参照鏡１３の間とビームスプリッター１２と集光レンズ３１との間には各々シャッター(不図示)が配置される。

以上実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０、３０、３５、３７ 波面センサ
１１、１１Ａ、１１Ｂ 光源
１２ ビームスプリッター
１３ 参照鏡
１４ 結像レンズ
１５ 撮像素子
１６Ａ、１６Ｂ ＸＹ軸移動装置
１７ Ｚ軸移動装置
１８ 反射部材
２０ 波面計測装置
２１ 電子計算機
３１ 集光レンズ
３２、３２Ｂ 基準焦点板
４０ 被検光学系
４１ 被検レンズ
４２ 反射鏡
４３ 被検凹面鏡
４４ 反射凹面鏡
４５ 射出瞳
５１ シャック・ハルトマンセンサ
５２ レンズアレイ
１００、２００、３００、４００、５００ 測定装置
１２１ 偏光ビームスプリッター
３２１ 反射面
３２２ 小開口
ＡＸＬ 被検光の主光線
ＡＸ３１ 集光レンズ３１の光軸
ＡＸ４１ 被検レンズ４１の光軸
ＷＰ１ １／４波長板
ＷＰ２ 偏光板

Claims (9)

1. 被検光学系に向けられた被検光を被検光学系を介して検出する波面センサで、前記被検光学系の特性を測定する測定装置であって、
   前記被検光を前記被検光学系像点に集光させる集光光学系と、
   前記集光光学系の光軸と交差する方向に、前記集光光学系に対して前記波面センサを移動させる第１移動部と、
   を備える測定装置。
2. 前記集光光学系の開口数（ＮＡ）は前記被検光学系の開口数よりも大きい請求項１に記載の測定装置。
3. 前記被検光学系の最大像高をＹｕ、前記被検光学系の射出瞳から像面までの距離をＬｕ、前記被検光学系のＦ値をＦｕとするとき、前記集光光学系の開口数（ＮＡ）は以下の式が成立する請求項２に記載の測定装置。
   
4. 前記集光光学系の直径は前記被検光の直径よりも大きく、前記集光光学系の焦点距離ｆｄ、前記被検光のビーム径φｉとするとき、
   ｆｄ＜Ｆｕ×φｉ
   を満たす請求項３に記載の測定装置。
5. 前記集光光学系と前記被検光学系との間に配置され、前記集光光学系側の面は高い反射率の反射面を有している焦点基準板と、
   前記集光光学系よりも前記波面センサ側で且つ前記被検光の光軸を含まずさらに前記被検光を遮らないように配置され、前記集光光学系側に反射面を有する反射部材と、
   前記集光光学系の光軸方向と前記光軸と交差する方向とに、前記焦点基準板に対して前記波面センサおよび前記集光光学系を移動させる第２移動部と、
   を備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の測定装置。
6. 前記焦点基準板が、前記被検光が通過可能な小開口を有している請求項５に記載の測定装置。
7. 前記被検光学系は透過レンズおよび反射鏡を含み、前記特性は波面収差を含む請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の測定装置。
8. 前記被検光学系は凹面鏡および反射鏡を含み、前記特性は波面収差を含む請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の測定装置。
9. 前記波面センサはトワイマン・グリーン干渉計またはシャック・ハルトマンセンサを含む請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の測定装置。