JP5358898B2 - 光学面の形状測定方法および装置および記録媒体 - Google Patents

Description

この発明は、光学面の形状測定方法および装置および記録媒体に関する。

光走査装置に搭載されるｆθレンズやカメラ用のレンズは、設計・開発の段階から最終的に製品化される間に、幾度も試作される。これら試作品や製品においては、実際に形成されたレンズ面の形状や精度が、設計上の仕様を満たしているか否かを知るために、面形状・面精度を高精度に計測する必要があり、従来からそのための測定機も幾種か市販されている。

近来、光学面は、非球面加工技術の発達に伴い、その測定に対する要求仕様が著しく高まっている。特に、ｆθレンズなどのレンズ面は、もともと要求精度がナノメータオーダと高い（高分解能計測）上に、測定範囲が広く（高ダイナミックレンジ計測）、かつ傾斜角も大きく（高傾斜角計測）、しかも自由曲面形状であるものも多く、在来の「ｘｙｚの３軸制御による３次元形状測定機」では対応が困難となりつつあり、また、干渉計を用いる測定方法では、測定は極めて困難である。

例えば、自由曲面として形成された光学面に、形状誤差として「振幅：５ｎｍ、周期：１０ｍｍのうねり」が生じている場合、この「うねり」を３次元座標測定器で測定できるためには、（ｘ，ｙ，ｚ）の測定精度が最悪でも５ｎｍという、３次元超精密測定が必要である。

特許文献１は、３軸の直進ステージと、２軸の回転ステージ、さらに６軸の位置検出用のレーザー測長機をつけた構成の面形状測定装置を開示しているが、この装置は、その構成上、装置が大型化・複雑化するし、システムも不安定となり易い。

光学素子に用いられる光学面の作用は、基本的に、光線を屈折あるいは反射する作用である。かかる観点からすると、光学素子における光学面の光学性能を評価するには、従来の、光学面の座標（ｘ，ｙ，ｚ）を計測する方法よりも、曲率半径：Ｒ又は曲率：Ｃ（＝１／Ｒ）を用い、光学面の（ｘ，ｙ，Ｒ）または（ｘ，ｙ，Ｃ）を測定する方がより適切で直截的である。例えば、（ｘ，ｙ，Ｒ）は光学面の座標：ｘ，ｙの位置における曲率半径である。

光学面がレンズ面であれば、レンズ面と入射光線のなす角度から、スネルの法則により光線が屈折して進行する方向が定まり、光学面が反射面であれば、反射面と入射光線のなす角度から、反射の法則により反射光線の方向が定まるから、光学面の曲率もしくは曲率半径により、入射光線の結像位置が決定されるからである。

曲率を測定する従来技術としては、特許文献２に開示のものがあるが、光学面による反射光をレンズにより受光素子上に絞り込んであり、このため、反射光が光軸に対してなす角の精度は上記レンズの性能に依存してしまう。このため、曲率の測定精度が上記レンズの性能に左右されてしまうという問題がある。

特開平１１−２１１４２７号公報 特開平６−２９４６２９号公報

この発明は、レンズ面や反射面である光学面の形状を、容易、且つ確実に精度よく測定することを目的とする。

請求項１記載の形状測定方法は「光源から出射したビームを被検物の光学面に照射し、上記光学面からの反射光を、光束形態を保存しつつ受光手段の受光面に入射させ、上記受光手段により受光して、上記反射光の反射角を計測することにより、上記光学面の面位置ごとの傾斜角の傾斜角分布を測定」する。

「被検物」は、形状測定の対象となる光学面を有する光学素子であり、「光学面」は、レンズ面もしくは反射面(鏡面)である。

請求項１記載の形状測定方法は「上記光学面を複数の座標区間に区分し、各座標区間の両端の傾斜角を用いて、座標区間における平均曲率半径および／または平均曲率を座標区間ごとに算出し、算出された平均曲率半径および／または平均曲率の集合として、上記光学面の平均曲率半径分布および／または平均曲率分布を得る」ことを特徴とする。

上記において、「光学面からの反射光を、光束形態を保存しつつ受光手段の受光面に入射させ」るとは、光学面から受光手段の受光面に至る光路上に、上記反射光束の光束形態を変化させるような光学系（凸レンズ・凹レンズ・凸面鏡・凹面鏡）が存在せず、反射光束がその光束形態を変化させることなく、受光手段に受光されることを意味する。

光学面から受光手段に至る光路上にレンズ等があると、前述した特開平６−２９４６２９号公報開示のもののように、反射光の反射角の精度がレンズ等の性能に依存してしまうが、請求項２記載の測定方法では、反射光は、光束形態を保ったまま受光手段に受光されるので、反射角を精度よく測定でき、得られる傾斜角分布の精度も良い。

上記のごとく、請求項１記載の形状測定方法では「測定された傾斜角分布に基づき、光学面の平均曲率半径分布および／または平均曲率分布」が演算により算出される。

また、上記請求項１記載の形状測定方法において、「被検物の光学面に照射されるビームの、光学面照射位置におけるビーム径および／または波面曲率半径を調整する」ことができる(請求項２)。このようにすることにより、受光手段の受光面上に形成される反射光のスポット径の広がりを有効に小さくすることが可能となる。

請求項１または２記載の形状測定方法において、「被検物の光学面に照射されるビームの波面を、アナモフィックな波面とする」ことができる(請求項３)。

「アナモフィックな波面」は、ビーム方向に直交し、且つ、互いに直交する方向における波面の曲率半径が異なるような波面である。

このようにすると、光学面がアナモフィックな面である場合にも、受光手段の受光面上に形成される反射光のスポット径の広がりを、互いに直交する２方向とも有効に小さくすることが可能となる。

上記請求項１〜３の任意の１に記載の形状測定方法において、被検物の光学面の傾斜角は、１度に１方向のみの傾斜角の分布を測定してもよいが、「２軸方向に対する独立した傾斜角分布」を測定することもできる(請求項４)。

被検物の光学面は前述したように、レンズ面や反射面であり、例えば、被検物が試作品である場合のように、光学面の設計データが予め知られている場合も多い、このような場合には「被検物の光学面の設計データと、実測結果との比較により、光学面の形状誤差を演算算出する」ことができる(請求項５)。

この場合の「形状誤差」は、設計上の光学面形状と、実際の光学面形状の差である。

この発明の形状測定方法で、被検物の光学面により反射された反射光が、受光手段の受光面に、広がりをもったスポット状に入射する場合、反射光の受光面への入射位置としては「受光手段の受光する反射光の重心を演算して、演算された重心の位置」を用いることができる(請求項６)。

上記請求項１〜６の任意の１に記載の形状測定方法において、「被検物の光学面と、この光学面にビームを照射する光学系と、光学面による反射光を受光する受光手段との相対的な位置関係を、制御手段により自動的に制御する」ことができる(請求項７)。

請求項８記載の形状測定装置は、上記請求項１記載の形状測定方法を実施する装置であって、保持手段と、光源と、光学ユニットと、受光手段と、変位手段と、演算手段とを有する。

「保持手段」は、被検物を保持する手段である。
「光源」は、被検物の光学面に照射するビームを放射する。
「光学ユニット」は、光源から射出させたビームを、被検物の光学面に照射する。

「受光手段」は、光学面により反射された反射光を直截的に受光する。
「変位手段」は、被検物の光学面への、ビームの入射位置を相対的に変位させる手段である。
上記「受光手段」は、光学面により反射された反射光を直截的に受光するようにしてもよい。即ち、「光学面から受光手段の受光面に至る光路上には、結像作用を持つ光学素子」を配備しないようにすることができる。

「演算手段」は、受光手段により受光された反射光の位置と、光学面と、ビームとの位置関係とに基づき、光学面の面位置ごとの傾斜角の傾斜角分布を測定する。

請求項８記載の形状測定装置の演算手段はまた「光学面を複数の座標区間に区分し、各座標区間の両端の傾斜角を用いて上記座標区間における平均曲率半径および／または平均曲率を算出する演算を座標区間ごとに行い、座標区間ごとに算出された平均曲率半径および／または平均曲率の集合として、光学面の平均曲率半径分布および／または平均曲率分布」を得る。

上記請求項８記載の形状測定装置において、変位手段が「光学面へのビームの入射位置を変位させつつ、受光手段の位置を変位させる」ことができる(請求項９)。即ち、この場合、受光手段の受光面は、光学面への入射位置の変化に応じて、反射光を良好に受光できる位置へ変位されるのである。

請求項８または９記載の形状測定装置において、光学ユニットは「光学面に照射されるビームの光学面位置でのビーム径および／または波面曲率半径を変化させる機能」を持つことができる(請求項１０)。

上記請求項８〜１０の任意の１に記載の形状測定装置においては「光学ユニットからのビームをビームスプリッタを介して被検物の光学面に照射させ、光学面による反射光をビームスプリッタを介して受光手段に導く」ようにすることができる(請求項１１)。請求項１２の場合のように、受光手段が反射光を直截的に受光する場合、ビームスプリッタとして「反射光の光束形態に何ら作用しないもの」を用いる。

また、上記請求項８〜１１の任意の１に記載の形状測定装置において、保持手段が「被検物の光学面を、照射されるビームの入射方向に対して所望の角だけ傾ける機能」を有することができる(請求項１２)。

請求項１１、１２のようにすることにより、光学面による反射光を、光学ユニット側に戻すことなく、確実に受光手段の受光面へ入射させることができる。
上記請求項８〜１２の任意の１に記載の形状測定装置における受光手段は、「被検物の光学面からの反射光の位置座標を、少なくとも２カ所で測定する」ように構成することができる（請求項１３）。

また、上記請求項８〜１３の任意の１に記載の形状測定装置における光学ユニットを「照射用のビームにアナモフィックな波面を生成するためのアナモフィック光学素子を使用可能」に構成することができる（請求項１４）。

上記の如く、請求項８〜１４の任意の１に記載の形状測定装置における演算手段は「測定された傾斜角分布に基づき、光学面の曲率半径分布および／または曲率分布を演算により算出する機能」を有する。

請求項８〜１４の任意の１に記載の形状測定装置における演算手段は「測定された傾斜角分布に基づき、光学面の平均曲率半径分布および／または平均曲率分布を演算により算出する機能」を有する。

請求項８〜１４の任意の１に記載の形状測定装置における演算手段は「予め入力された被検物の光学面の設計データと、実測結果との比較により、光学面の形状誤差を演算算出する機能」を有することができる（請求項１５）。

請求項１６記載の記録媒体は、請求項８記載の形状測定装置を制御するためのプログラムを記録した記録媒体であって「開始ステップと、測定ステップと、表示ステップと」をプログラムとして記録されている。媒体の形態は、コンパクトディスク等の光情報記録媒体、フロッピディスクや磁気テープ等の磁気記録媒体等である。

「開始ステップ」は、セットされた被検物に対する測定開始状態を実現するステップである。
「測定ステップ」は、光源からビームを放射させ、受光手段の受光出力に応じて所定の演算を行い、傾斜角を演算算出する工程と、被検物に対する次の測定状態の実現とを繰り返して、所望の測定領域における傾斜角分布を求める工程を含むステップである。

「表示ステップ」は、測定ステップで求められた結果を表示するステップである。

測定ステップは「傾斜角分布に基づき、光学面の平均曲率半径分布および／または平均曲率分布を演算により算出する工程」を有する。

上記請求項１６記載の形状測定方法における測定ステップは「予め入力された被検物の光学面の設計データと、実測結果との比較により、光学面の形状誤差を演算算出する工程」を有することができる（請求項１７）。

以上に説明したように、この発明によれば、新規な形状測定方法・形状測定装置および記録媒体を実現できる。この発明の測定方法・装置では、従来の３次元座標測定と異なり、光学面の光学性能に直接関係する傾斜角分布を測定し、曲率分布等を演算算出するので、ゆるい精度でも高精度測定が可能である。
また、請求項１の測定方法や請求項８の測定装置では、光学面からの反射光が、光束形態を保存しつつ受光手段の受光面に受光されるので、「光学面から受光手段に至る光路上にレンズ等がある場合」と異なり、測定精度がレンズ等の性能に依存することがなく、精度の良い測定が可能である。
また、この発明の記録媒体には、この発明の形状測定方法の実施の工程がプログラム化されて記録されているので、形状測定装置のハードウエアを用意さえすれば、このハードウエアを記録媒体に記録されたプログラムで制御するのみで、この方法の形状測定方法を実施することができる。

以下、発明の実施の形態を説明する。
図１において、符号０は被検物、符号１０は光源、符号１２は光学ユニット、符号１４は移動ステージ、符号１６は受光装置、符号１８は移動ステージ、符号２０は制御演算手段をそれぞれ示している。

図に示された被検物０はレンズであり、その光学面ＳＦの形状が測定の対象である。
説明の便宜上、ｘ、ｙ、ｚ方向を図の如くに定める。ｙ方向は図面に直交する方向である。被検物０は移動ステージ１４に保持される。移動ステージ１４は３次元ステージで、制御演算手段２０の制御を受けて、被検物０をｘ、ｙ、ｚ方向に変位できるようになっている。

光源１０は、この実施の形態においてレーザ光源であるが、この測定装置は光の干渉を利用するものではないので、ＬＥＤや白色光源を適宜の形態にして用いることもできる。

光源１０から放射されたビーム（レーザ光）は、光学ユニット１２を介して被検物０の光学面ＳＦに照射される。光学ユニット１２は、光学面ＳＦへ照射されるビームのビーム形態を調整するのに用いられる。

光学面ＳＦにより反射された反射光（正反射光）は、受光装置１６の受光面に入射する。この実施の形態で、受光装置１６はＣＣＤによるエリアセンサであるが、他にポジションセンサや分割フォトダイオードを用いることができる。

受光装置１６は、制御演算手段２０により駆動制御され、その出力は制御演算手段２０に入力する。受光素子１６と制御演算手段２０とは、この実施の形態において「受光手段」を構成している。

受光装置１６を保持する移動ステージ１８は２次元ステージで、制御演算手段２０の制御を受けて、受光装置１６の受光面を「ｘｙ面」内で変位させる。

移動ステージ１４、１８と制御演算手段２０とはこの実施の形態において「変位手段」を構成する。

制御演算手段２０は、受光装置１６からの入力情報に基づき、後述の如くして光学面ＳＦの傾斜角：θを演算算出する。即ち、この実施の形態において制御演算手段２０は「演算手段」をなす。制御演算手段２０は、具体的にはコンピュータ等である。

即ち、図１に示す形状測定装置は、被検物０を保持する保持手段１４と、光源１０と、この光源から射出させたビームを被検物の光学面ＳＦに照射する光学ユニット１２と、光学面により反射された反射光を受光する受光手段１６、２０と、被検物の光学面への、ビームの入射位置を相対的に変位させる変位手段１４、２０と、受光手段により受光された反射光の位置と、光学面と、ビームとの位置関係とに基づき、光学面ＳＦの傾斜角：θの分布を演算算出する演算手段２０とを有する。
また、受光手段１６、２０は「光学面により反射された反射光を直截的に受光」する。

以下、図１の装置による傾斜角分布の測定を説明する。光学面ＳＦは、一般的には３次元的な形状を有するが、以下では説明の簡単のため、ｘｚ面内での形状：ｚ＝ｚ（ｘ）を考える。

光学面ＳＦによる反射光は、受光装置１６の受光面に「２次元的な広がり」をもって入射するので、先ずは、受光面における反射光の入射位置を特定する必要がある。この実施の形態においては、受光装置がＣＣＤによる２次元のエリアセンサであるので、以下の如くして入射位置の特定を行う。

即ち、２次元ステージ１８により２次元的に変位される受光装置１６の受光面の「基準位置（例えば、受光面の中央位置）の座標」をＸ_Ｓ、Ｙ_Ｓ（ｘ、ｙ方向に平行である）とする。
移動ステージ１８の移動は制御演算手段２０により制御されるので、上記座標：Ｘ_Ｓ、Ｙ_Ｓは、制御演算手段２０中にデータとして存在する。

受光面の基準位置を原点として、ｘ方向にξ座標を設定し、ｙ方向にη座標を設定する。受光面は「微小受光面の密な集合」であるので、各微小受光面の座標は（ξ_ｉ，η_ｊ）で与えられる。

このとき、受光面における反射光の入射位置は「受光面に入射する光束の重心」であるとする。即ち、入射位置の座標は周知の「重心解析」により求められる。

１例を説明すると、座標：（ξ_ｉ，η_ｊ）に入射する反射光の強度をＰ_ｉｊとすると、重心のξ座標：ξ_Ｇは、
ξ_Ｇ＝［Σ_ｉξ_ｉ｛Σ_ｊＰ_ｉｊη_ｊ｝］／Σ_ｉｊＰ_ｉｊ
で与えられる。但し、この式において、「Σ_ｉ」はｉについての和、「Σ_ｊ」はｊについての和、「Σ_ｉｊ」は、ｉ、ｊについての和をとることを意味している。

同様に重心のη座標：η_Ｇは、
η_Ｇ＝［Σ_ｉη_ｉ｛Σ_ｊＰ_ｉｊξ_ｊ｝］／Σ_ｉｊＰ_ｉｊ
で与えられる。

このように重心を定めると、図１に示す反射光束の「受光面への入射位置」のｘ座標：ｘ（基準は、図のように照射ビームの主光線位置である）は、ｘ＝Ｘ_Ｓ＋ξ_Ｇで与えられる。

即ち、この実施の形態においては、受光手段の受光する反射光の重心を演算して、演算された重心の位置を反射光の受光手段への入射位置とする。

また、図における距離：Ｌは、受光装置１６の受光面位置と「光学面ＳＦにおけるビーム照射位置とのｚ方向の距離」を表し、この距離：Ｌは測定時に適宜に設定すると、制御演算手段２０中にデータとして記憶される。

さて、光学面ＳＦのビーム照射位置における（ｘｚ面内における）傾斜角を、図の如く「θ」とすると、反射の法則に従い、反射光の反射角は「２θ」となるが、図の関係から明らかなように、反射光の入射位置：ｘ、距離：Ｌ、角：２θの間には、関係：
ｔａｎ２θ＝ｘ／Ｌ （１）
が成り立つ。

これから、
２θ＝ａｒｃｔａｎ（ｘ／Ｌ） （２）
が得られるので、傾斜角：θは、演算：
θ＝０．５×ａｒｃｔａｎ（ｘ／Ｌ） （３）
により算出することができる。即ち、演算手段としての制御演算手段２０は、上記重心解析により「ξ_Ｇ」を求め、Ｘ_Ｓとの和によりｘを算出し、さらに、上記（３）式により傾斜角：θを算出する。即ち、傾斜角：θは、光学面ＳＦへのビーム照射位置における傾斜角である。

制御演算手段２０により移動ステージ１４を制御して、被検物０をｘ方向へ所定の微小距離：Δｘずつステップ的に変位させ、各ステップごとに受光装置１６の受光面への反射光の入射位置：ｘを求め、傾斜角：θを求める工程を繰り返すことにより、光学面ＳＦの「ｘｚ面に平行なある断面における傾斜角分布」を得ることができる。即ち、この場合に得られるのは、上記断面において、微小距離：Δｘごとに変位する各ビーム照射位置、即ち面位置ごとの傾斜角の集合である。

なお、光学面のｚ方向における高低差が「ある程度大きい」ときは、移動ステージ１４により被検物０をｘ方向へ変位させるとき、同時に、被検物０をｚ方向にも変位させることにより、距離：Ｌを不変に保つようにするのが良い。被検物０の光学面のデータは設計データとして知られている場合が一般的であるから、この設計データを制御演算手段２０に予め記憶させておくことにより、被検物０のｘ方向への微小距離変化：Δｘに対する、ｚ方向の微小変化：Δｚを算出して移動ステージ１４による被検物０のｚ方向への変位距離を制御すればよい。

別の方法として、移動ステージ１４による被検物０の変位は、ｘ方向のみとし、被検物０をｚ方向に変位させる代わりに、距離：Ｌを上記Δｚで補正して演算を行うようにしてもよい。

上記の如くして光学面の「ある断面についての傾斜角分布」が求められたのち、必要に応じて、移動ステージ１４により被検物０をｙ方向（図面に直交する方向）へ所望の距離だけ変位させ、上記のプロセスを繰り返せば、光学面の全体もしくは所望の部分について、傾斜角分布：（ｘ，ｙ，θ）を知ることができる。

なお、ビーム照射位置における傾斜角：θの変化による、反射光の受光装置１６への入射位置の変化が大きく、入射位置が、受光面からはみ出すような場合には、（前述の設計データに基づき）制御演算手段２０により移動ステージ１８を制御して、受光装置１６をｘ、ｙ方向へ変位させて、反射光の入射位置の変化に追従させるのが良い。
この場合、「変位手段」は、光学面ＳＦへのビームの入射位置を（移動ステージ１４により）変位させつつ（移動ステージ１８により）受光手段の位置を変位させることになる。

即ち、図１に実施の形態を示す形状測定装置では、光源１０から出射したビームを被検物０の光学面ＳＦに照射し、光学面ＳＦからの反射光を、受光手段１６の受光面に入射させ、受光手段により受光して、反射光の反射角：θを計測することにより、光学面ＳＦの傾斜角分布が測定される。またこのとき、光学面ＳＦからの反射光は「光束形態を保存しつつ、受光手段１６の受光面に入射」する。

ここで、上記形状測定方法を具体的に評価してみる。Ｌ＝２００ｍｍ、位置検出分解能：Δｘ＝１μｍ、被検物０の光学面ＳＦの最大傾斜角：θ_ＭＡＸを３０度とすると、最小分解能：０．５秒、ダイナミックレンジ（＝最大傾斜角／最小分解能）＝２．２×１０^５となり、高精度かつ高ダイナミックレンジの測定が可能である。

上には、光学面ＳＦのｘｙ面内での傾斜角分布を測定する場合を説明したが、光学面ＳＦからの反射光が受光装置１６の受光面に入射するｙ方向の座標を検出するようにすれば、上記と同様にして、ｙｚ面内での傾斜角分布を測定することができる。移動ステージ１８は２次元ステージであるので、反射光のｙ方向の入射位置（重心解析で求められる）を検出することは容易である。

従って、上記の如くして、反射光の入射位置のｘ位置とｙ位置とを同時に測定することにより、被検物０の光学面ＳＦの、２軸方向に対する独立した傾斜角分布を測定することができる。

上のように、光学面の傾斜角分布が測定できると、この結果に基づき、曲率分布や曲率半径分布、さらには、平均曲率分布や平均曲率半径分布を演算により算出することができる。以下、これを説明する。

光学面ＳＦの面位置を特定する座標を、Ｘ（図１におけるｘ方向に平行），Ｙ（図１におけるｙ方向に平行）とする。これらの座標：Ｘ，Ｙは、図１において、光学面ＳＦが光学ユニット１２からのビームにより照射される位置であり、移動ステージ１４を制御する制御演算手段２０のデータとして特定される。

上記座標：Ｘ，Ｙにおける傾斜角を、Ｘ方向につき、θ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)、Ｙ方向につき、θ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)とする。

光学面ＳＦの３次元形状を「Ｚ(Ｘ，Ｙ)」、座標：Ｘ，Ｙにおける光学面のＸＺ面内における曲率半径を「Ｒ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)」、ＹＺ面内における曲率半径を「Ｒ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)」とすると、これらは周知の如く、
Ｒ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)＝｛１＋（∂Ｚ/∂Ｘ）^２｝^３/２／（∂^２Ｚ/∂Ｘ^２） （４）
Ｒ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)＝｛１＋（∂Ｚ/∂Ｙ）^２｝^３/２／（∂^２Ｚ/∂Ｙ^２） （５）
で定義される。

（４）式において、
∂Ｚ/∂Ｘ＝ｔａｎθ_Ｘ(Ｘ，Ｙ) （６）
∂^２Ｚ/∂Ｘ^２＝∂ｔａｎθ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)/∂Ｘ （７）
であり、(５)式において、
∂Ｚ/∂Ｙ＝ｔａｎθ_Ｙ(Ｘ，Ｙ) （８）
∂^２Ｚ/∂Ｙ^２＝∂ｔａｎθ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)/∂Ｙ （９）
であるから、前述の如くして測定された傾斜角分布：θ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)に基づき、（６）式および（７）式により「∂Ｚ/∂Ｘ（光学面の１次微分）と∂^２Ｚ/∂Ｘ^２ （光学面の２次微分）」を演算し、その結果を用いて（４）式の右辺を演算すれば、測定対象である光学面の任意の面位置：Ｘ，Ｙにおける曲率半径；Ｒ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)を算出できるので、このような演算を各位置：Ｘ，Ｙに対して行うことにより、曲率半径分布：Ｒ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)を得ることができる。

同様に、傾斜角分布：θ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)に基づき、（８）式および（９）式により「∂Ｚ/∂Ｙ（光学面の１次微分）と∂^２Ｚ/∂Ｙ^２ （光学面の２次微分）」を演算し、その結果を用いて（５）式の右辺を演算すれば、光学面の任意の面位置：Ｘ，Ｙにおける曲率半径；Ｒ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)を算出できるので、このような演算を各位置：Ｘ，Ｙに対して行うことにより、曲率半径分布：Ｒ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)を得ることができる。

曲率：Ｃは曲率半径：Ｒの逆数であるから、ＸＺ面内の曲率分布：Ｃ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)、ＹＺ面内の曲率分布：Ｃ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)は、それぞれ演算：
Ｃ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)＝１/Ｒ_Ｘ(Ｘ，Ｙ)＝(∂^２Ｚ/∂Ｘ^２)/{１＋(∂Ｚ/∂Ｘ)^２}^３/２ (10)
Ｃ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)＝１/Ｒ_Ｙ(Ｘ，Ｙ)＝(∂^２Ｚ/∂Ｙ^２)/{１＋(∂Ｚ/∂Ｙ)^２}^３/２ (11)
により算出することができる。

即ち、図１に即して説明した形状測定装置において、制御演算手段２０は式(４)〜（９）もしくは式(６)〜（１１）の演算を行うように構成できる。

そしてこのような形状測定装置では、測定された傾斜角分布に基づき、光学面の曲率半径分布および／または曲率分布を演算により算出できる。

上記の如く、Ｘ，Ｙの２軸方向に対し、それぞれ独立した傾斜角分布：θ_Ｘ（Ｘ，Ｙ）、θ_Ｙ（Ｘ，Ｙ）を測定することは、被検物０の光学面ＳＦの曲率が２軸方向に異なる場合に特に有効である。

レンズ面の傾斜角は、光学的には「射出光線の進行方向を決定する重要なファクタ」であるが、この発明の測定方法・装置によれば上記の如くして直接測定できる。また、光学面全体が偏心していると、傾斜角分布の測定結果が、設計値に対してバイアス成分をもつが、上記の如くして「基準に対するレンズ全体の偏心量」も測定できる。

ところで、被検物０が光走査装置に用いられるｆθレンズ等の走査レンズの場合、その光学性能を表す最も直截的な尺度は光学面の「曲率もしくは曲率半径を入射ビーム径内で平均した、平均曲率あるいは平均曲率半径の分布、即ち、平均曲率分布もしくは平均曲率半径分布」である。

このような平均曲率分布あるいは平均曲率半径分布は、上に説明した曲率分布や曲率半径分布が分かれば、これらに対して平均化演算を行うことにより得ることができる。しかし、そのような手順を踏まなくても、傾斜角分布から直接的に算出することもできる。

傾斜角分布から曲率分布もしくは曲率半径分布を算出し、これら曲率分布等から平均曲率分布等を算出すると、実測される傾斜角分布に対し、演算走査が繰り返されるため、演算工程での誤差が集積される虞があるが、傾斜角分布から直接に平均曲率分布等を算出できれば、このような誤差の積み重ねを回避することができる。

簡単のために、光学面の形状を座標：Ｘのみの関数：Ｚ(Ｘ)として説明すると、座標：Ｘの区間：［ａ，ｂ］内における平均曲率：＜Ｃ（ａ：ｂ）＞は、定義により、
＜Ｃ（ａ：ｂ）＞＝∫_ａｂＣ(Ｘ)ｄＸ/（ｂ-ａ） (12)
である。なお「∫_ａｂ」は、積分の上限がｂで下限がａであることを表す。

式(10)を、Ｘのみの変数に簡単化して、
Ｃ(Ｘ)＝１/Ｒ(Ｘ)＝(ｄ^２Ｚ/ｄＸ^２)/{１＋(ｄＺ/ｄＸ)^２}^３/２ (13)
として、上記(12)式に代入し、積分を実行すると、次ぎの(14)式が得られる。

＜Ｃ（ａ：ｂ）＞
＝［{Z’(ｂ)/√(1+Z’(ｂ)^２)}−{Z’(ａ)/√(1+Z’(ａ)^２)}］/（ｂ-a） (14)
ここに、Ｚ'(ａ)＝(ｄＺ/ｄＸ)_Ｘ＝ａ、Ｚ'(ｂ)＝(ｄＺ/ｄＸ)_Ｘ＝ｂである。

ｄＺ/ｄＸ＝ｔａｎθ(Ｘ)であるから、(14)式を用いることにより、区間：［ａ，ｂ］内における平均曲率：＜Ｃ（ａ：ｂ）＞は、傾斜角分布：θ（Ｘ）から容易に算出できることになる。

ここで、ａ＝Ｘ_０−Ｂ/２、ｂ＝Ｘ_０＋Ｂ/２とし、パラメータ：Ｂとして「走査光学系の光学面に入射する偏向ビームのビーム直径」を用いれば、当該光学面に入射するビームの面位置：Ｘ＝Ｘ_０における「平均曲率」が求められる。Ｘ_０を偏向ビームの入射領域に亘って変化させれば、面位置ごとの平均曲率の集合として「平均曲率分布」が得られる。

上記平均曲率：＜Ｃ（ａ：ｂ）＞に対応する平均曲率半径：＜Ｒ（ａ：ｂ）＞は、定義によって＜Ｒ（ａ：ｂ）＞＝１／＜Ｃ（ａ：ｂ）＞により算出することができる。Ｚ＝Ｚ（Ｘ，Ｙ）の場合も、上記と同様にして平均曲率分布や、平均曲率半径分布を算出することができる。

即ち、図１に即して説明した形状測定装置において、制御演算手段２０で上記の平均曲率分布や平均曲率半径分布を演算算出するようにしたものは、請求項８記載の形状測定装置の実施の１形態となる。
そして、このような実施の形態では「測定された傾斜角分布に基づき、光学面の平均曲率半径分布および／または平均曲率分布を演算により算出」する。
即ち、具体的には、光学面を、上記区間［ａ，ｂ］の如き複数の座標区間に区分し、各座標区間の両端の傾斜角を用いて、座標区間における平均曲率半径および／または平均曲率を座標区間ごとに算出し、算出された平均曲率半径および／または平均曲率の集合として、光学面の平均曲率半径分布および／または平均曲率分布を得るのである。

被検物０が試作レンズであるような場合、測定対象となる光学面の形状データは、設計値として予め知られている。従って、このような場合、設計データから光学面の形状データを予め、制御演算手段２０に入力しておき、上に説明したようにして実測される傾斜角分布から得られる実際の光学面形状との差を演算することにより、試作レンズにおける光学面の形状誤差を容易に知ることができる。

簡単のために、被検物の光学面の形状がＺ(Ｘ)である場合、傾斜角分布：θ(Ｘ)が知れると、この傾斜角分布は、光学面の１次微分：ｄＺ／ｄＸと、関係：ｄＺ／ｄＸ＝ｔａｎθ(Ｘ)で結ばれているから、傾斜角分布：θ(Ｘ)からｔａｎθ(Ｘ)を求め、これに対応する設計上のｄＺ_０/ｄＸ(設計データから得られる)との差：ΔＺ’(Ｘ)＝ｄＺ/ｄＸ-ｄＺ_０/ｄＸを、変数：Ｘで積分した
ΔＺ＝∫ΔＺ’ (Ｘ)ｄＸ (15)
を求めれば、これが「形状誤差」を与える。このようにして、μｍオーダーの精度で、ｎｍオーダーの「光学面のうねり（空間的に周期性をもった形状誤差）」を測定することが可能である。

このようにして知られた形状誤差に基づき、例えば、レンズ面成形用の金型の面を修正するなどして、容易に「設計データにより近い形状の光学面」を形成することが可能になる。測定対象としての被検物の光学面を「金型面」として、上述の如くして形状測定を行い、形状誤差を求めれば、設計上の金型面と実際の金型面との差を直截的に知ることもできる。

即ち、図１の実施の形態において、制御演算手段２０が上記の「形状誤差」を演算できるようにしたものは、請求項１５記載の形状測定装置の実施の１形態となるのであり、かかる形状測定装置では「被検物の光学面の設計データと、実測結果との比較により、光学面の形状誤差を演算算出」する。

また、図１に実施の形態を示した形状測定装置による測定の際には、被検物０の光学面ＳＦと、この光学面にビームを照射する光学系１０、１２と、光学面による反射光を受光する受光手段１６との相対的な位置関係が、制御手段２０により自動的に制御される。

図２は、請求項１０記載の形状測定装置の実施の１形態を、特徴部分のみ説明する図である。

図１に即して説明した実施の形態において、反射光が受光装置１６の受光面に入射する位置を検出できるためには、受光装置１６の受光面上に反射光が形成するスポットの大きさが、受光面の大きさより小さくなければならない。

光学面が「平面に近い形状」や「緩い凹面や緩い凸面」であれば、光学面に照射ビームとして実質的な平行光束を照射しても、反射光の発散の程度は小さく、受光装置１６の受光面で十分に受光することができるが、光学面が凸面である場合、その曲率半径が小さくなるに従い、反射光の発散の程度が大きくなり、受光装置１６の受光面で反射光を受光しきれない場合が生じてしまう。

請求項１０記載の形状測定装置では、このような状況に対して適切に対処するために、光学ユニットに「光学面に照射されるビームの光学面位置でのビーム径および／または波面曲率半径を変化させる機能」を持たせている。このようにビーム径や波面曲率半径を、光学面の曲率に応じて調整することにより、反射光の発散の程度を制御でき、受光装置１６の受光面で常に適正に反射光を受光することが可能になる。

図２に示す実施の形態においては、光学ユニット１２Ａに「光学面に照射されるビームの光学面位置でのビーム径および波面曲率半径を変化させる機能」を持たせている。

図２(ａ)において、光源１０から放射されたレーザ光（平行ビーム）は、光学ユニット１２Ａに入射すると、先ず正レンズ１２１により集光されてピンホール１２２を通過する。次いで、コリメートレンズ１２３を透過することにより平行ビームにコリメートされる。コリメートレンズ１２３は焦点距離可変のズーム機構を有し、射出ビームのビーム径を変化させることができる。

コリメートレンズ１２３から射出した平行ビームは、アパーチャ１２４の開口を通過し、レンズ１２５により集光ビームに変換されて被検物０の光学面ＳＦに照射される。

レンズ１２５の焦点距離：ｆに対し、図示の距離：ｌ３（レンズ１２５と光学面ＳＦとの距離）を調整することにより、光学面ＳＦ上に所望の波面曲率半径を生成できる。

図においては、単一のレンズ１２５を示しているが、焦点距離の異なる複数種のレンズ(正レンズ・負レンズ)を、レンズ１２５とともに、例えばレボルバ式に切り換えられる構成とすれば、被検物０の光学面形状（曲率）の広い範囲に応じて、適切な正レンズを選択することができる。

図２の例では、被検物０の光学面ＳＦが凸面であるので、光学面を照射するビームの波面を「光学面ＳＦと同じ向きの凸の波面」としている。光学面が凹面の場合には「光学面に向って凸の波面」とするのが良く、この場合は、レンズ１２５を、ｌ３＞ｆを満足するように配置するか、あるいは、レンズ１２５として負レンズを用いればよい。

図２の実施の形態において、受光装置１６の受光面上に反射光が形成する光スポットのスポット径は、以下のように求めることができる。

(ａ)レンズ１２５に入射する直前のビームの波面曲率半径：Ｒとレンズ１２５の焦点距離：ｆから式：
（１/Ｒ’）＝（１/Ｒ）−（１/ｆ） (16)
により、「レンズ１２５を透過した直後」のビームの波面曲率半径：Ｒ'を算出する。

（ｂ）この波面曲率半径：Ｒ'と、ガウスビームのビーム半径：ｗとにより、ビームウエスト半径：ｗ_０を、式：
ｗ_０＝ｗ/√｛１＋(πｗ^２/λＲ’)^２｝ (17)
により算出し、ビームウエスト位置ｚ_０を、式：
ｚ_０＝Ｒ’/｛１＋（λＲ’/πｗ^２）^２｝ (18)
により算出する。なお、λはビームの波長である。

すると、ビームウエスト位置：ｚ_０から距離：ｚだけ離れた位置におけるビーム半径：ｗ(ｚ)は、式：
ｗ(ｚ)^２＝ｗ_０ ^２［１＋（λｚ/πｗ_０ ^２）^２］ (19)
を満足し、ビームウエスト位置：ｚ_０から距離：ｚだけ離れた位置における波面曲率半径：Ｒ(ｚ)は、式：
Ｒ(ｚ)＝ｚ｛１＋(πｗ_０ ^２/λｚ)^２｝ (20)
を満足する。従って、(19)からｗ(ｚ)をもとめ、(20)式により、波面曲率半径：Ｒ(ｚ)を求めることができる。

このＲ(ｚ)において、ｚとして、光学面ＳＦの位置のｚ座標を与えたものは、光学面ＳＦに入射するビームの光学面ＳＦの位置における波面曲率半径であり、この波面曲率半径を「Ｒin」と書くことにする(図２（ｂ）参照)。また、同図に示すように、光学面ＳＦの(ビーム入射位置における)曲率半径を「Ｒｍ」とし、光学面ＳＦにより反射された反射光の反射直後の波面曲率半径を「Ｒout」とすると、これら曲率半径：Ｒin、Ｒｍ、Ｒoutの間には、関係：
（１/Ｒin）＋（１/Ｒout）＝１/Ｒｍ (21)
が成り立つので、この式に従って、反射光の上記波面曲率半径：Ｒoutを算出することができる。この波面曲率半径：Ｒoutが知れると、あとは、光学面ＳＦと受光装置１６の受光面との距離：ｌ４が分かれば、受光面上における反射光のスポットの大きさを知ることができる。

１例として、光学面ＳＦのビーム照射位置部分が「曲率半径：Ｒｍ＝２００ｍｍの凸面」である場合、波長：λ＝６３３ｎｍの平行ビームがレンズ１２５にビーム半径：ｗ＝０．５ｍｍで入射するものとし、レンズ１２５の焦点距離：ｆ＝１２０ｍｍ、レンズ１２５と光学面ＳＦとの距離：ｌ３＝５０ｍｍとすると、光学面ＳＦに入射するビームの波面曲率半径：Ｒin＝７０ｍｍ、ビーム半径：ｗ＝０．２９ｍｍとなり、受光装置１６の受光面までの距離：ｌ４（＝Ｌ）＝２００ｍｍでは、反射光のスポット径は０．２９ｍｍとなる。

このように形成される反射光の光スポットの入射位置を制御演算手段（コンピュータ）により重心位置として算出して決定する。受光装置のＣＣＤのピッチは数μｍであるので、重心位置を算出することでその１／１０程度すなわちサブミクロンの分解能を得ることができる。

波面曲率半径：Ｒoutが、光学面ＳＦと受光面との距離ｌ４に等しければ、受光面上で反射光のスポット径は最小となり、最も良い。しかし、光学面の曲率半径：Ｒｍや、距離：ｌ４も測定中に異なる場合があるので、上記光スポットは受光面から「はみ出さない」程度の大きさであれば良い。

受光面上の光スポットの強度分布から、反射光の入射位置を重心解析で求めるには、受光面上の光スポット半径は、例えば０．５ｍｍ以下であることが望ましい。この場合(19)式より、ビームウエスト半径：ｗ_０が０．０１ｍｍでは、受光面の位置に対する許容範囲（上記距離：ｌ４に対する許容範囲）は±２５ｍｍ、ビームウエスト半径：ｗ_０が０．１ｍｍのとき上記許容範囲は±２４３ｍｍ、ビームウエスト半径：ｗ_０が０．２ｍｍのとき許容範囲は±４５５ｍｍとなり、この許容範囲内に受光面が位置していれば、上記光スポット半径：０．５ｍｍ以下を達成できる。

「反射光の入射位置の位置決め」をより高精度に行うため、受光面上での光スポット半径を０．２５ｍｍ以下とすると、ビームウエスト半径：ｗ_０が０．０１ｍｍのとき許容範囲は±１２ｍｍ、ビームウエスト半径：ｗ_０が０．１ｍｍのとき許容範囲は±１１４ｍｍ、ビームウエスト半径：ｗ_０が０．２ｍｍのとき許容範囲は±１４９ｍｍとなる。

また、レンズ１２５と光学面ＳＦとの距離：ｌ３が、４５〜６０ｍｍの範囲で変化すると、ビームウエスト位置は受光面から−７４ｍｍ〜２１ｍｍの範囲で大きく変化するが、ビーム直径の変化の範囲は０．２９〜０．３５ｍｍ程度であり、上記入射位置を決定する精度には殆ど影響しない。従って、距離：ｌ３の変動の範囲が１５ｍｍ以内であれば傾斜角分布の精度には実質的な影響はない。

上記の説明に従うと、例えば「レンズ１２５に入射する直前のビーム半径が０．５ｍｍ程度」の場合、このビーム半径は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等のガスレーザの出射直後のビーム径に相当し、このような場合、図２(ａ)における光学ユニット１２Ａにおけるレンズ１２１、１２３は不要となる。従って、光学ユニットはレンズ１２５のみでも実現できるから、光学ユニットは最小限１枚のレンズで構成することができる(図１は、この場合を示している)。

図２に即して上に説明した形状測定装置は従って、光学ユニット１２Ａが「光学面ＳＦに照射されるビームの光学面位置での波面曲率半径を変化させる機能」を持つ。

次の例として、被検物０の光学面ＳＦが、曲率半径：Ｒｍ＝２５ｍｍの凸面の場合を考える。この場合には、前記距離：ｌ３をどのように変えても、受光面上でのスポット径を１ｍｍ以下にできない。これは、小さな波面曲率半径：Ｒinを作ることができないためである。

この場合に対処する方法としては、以下の２方法が考えられる。第１の方法は、光学面ＳＦ上に照射されるビームの半径を、光学面状において３ｍｍに変更する方法である。この場合、距離：ｌ３＝１０８ｍｍとすると、波面曲率半径：Ｒoutは１１．８ｍｍとなり、受光面上のスポット径は０．３４ｍｍとなる。

第２の方法は、レンズ１２５として、焦点距離：ｆ＝２５ｍｍのものを用いる方法である。距離：ｌ３＝１３．２ｍｍとすると、波面曲率半径：Ｒoutは１２．０ｍｍとなり、受光面上のスポット径は０．３４ｍｍとなる。

即ち、このようにする場合は、光学ユニットは、光学面に照射されるビームの光学面位置でのビーム径を変化させる機能を持つことになる。

形状測定の対象である光学面の曲率が、Ｘ方向とＹ方向とで異なると、受光面上に入射する反射光のスポット形状が、例えば図２（ｃ）に示すような具合に楕円形状となる。この場合、１方向で「ビームが細く」なるように光学系を調整し、１方向（例えば、Ｘ方向）の測定を行い、Ｙ方向の曲率半径の測定は、再度光学系を調整し、この方向のスポット径が小さくなるようにして測定を行うと良い。

このようにする代わりに、光学ユニット１２Ａに「シリンダレンズ等のアナモフィックレンズ」を付加して、受光面上のスポット径上を「略円形状」にするようにしても良く、この場合には、２軸方向を同時に測定できる。

具体的には、レンズ１２５を、１方向（Ｘ方向）に関しては、前述の説明のようにして焦点距離：ｆと距離：ｌ３を設計し、他の方向（Ｙ方向）に関しては、Ｙ方向に曲率を有するをシリンダレンズを付加的に配置して補正を行うようにすればよい。照射ビームの径をＸ、Ｙ方向で変えたい場合は、アパーチャ１２４の開口部に矩形開口を用いても良い。

先に説明した図１の実施の形態の場合、光学面ＳＦの傾斜角：θが０に近いと、光学面ＳＦによる反射光の反射角：２θも小さく、受光装置の位置と光源・光学ユニットの配置位置とが相互に干渉しあうので、これら相互を分離する必要がある。

この目的のためには、例えば、図３に要部を示す実施の形態のように、光学ユニット１２からのビームを、ハーフミラー等のビームスプリッタ３０を介して被検物０の光学面ＳＦに照射させ、光学面ＳＦによる反射光をビームスプリッタ３０を介して受光手段の受光装置１６に導くようにしてもよいし、図４に要部を示す実施の形態のように、保持手段１４Ａとして「被検物０の光学面ＳＦを、照射されるビームの入射方向に対して所望の角だけ傾ける機能」を有するものを用いてもよい。

図４のように、被検物０の光学面ＳＦを照射ビームに対して相対的に傾けると、傾斜角の値自体が変わってくるが、最終的には「傾斜角の変化量」が曲率等の光学性能に影響を与えるファクタとなるので実用的な問題はない。上に説明したのは、光学面における傾斜角が微小な場合であったが、逆に光学面の傾斜角が４５度を越えると、反射光は受光装置の受光面に入射しない。このような場合にも、被検物の光学面を傾けて測定することが有効である。

図５は、請求項１３記載の形状測定装置の、実施の１形態の特徴部分を説明するための図である。この形状測定装置は、受光手段が、被検物０の光学面ＳＦからの反射光の位置座標を、少なくとも２カ所で測定することを特徴とする。

図５の実施の形態において、(ａ)はｘｚ面内で見た光学配置、（ｂ）はｙｚ面で見た光学配置である。反射光を２カ所で測定するため、受光手段に、受光装置１６に加えて第２の受光装置１７を配置している。受光装置１６、１７とも、図示されない変位手段によりｘｙ面内で変位可能である。なお、図５において、符号ＨＭはハーフミラーを示し、符号ＢＭはハーフミラーに入射する照射用のビームを示している。

図５の実施の形態において、第２の受光装置１７は「透過型フォトセンサ」である。このため、光学面ＳＦによる反射光は、受光装置１７を透過して受光装置１７に入射する。受光装置１７の透過位置が重心解析により決定される。このように、反射光の光路上の２点の座標を測定することにより、反射光の方向ベクトルを一義的に特定でき、図１の実施の形態に適用した場合、レンズ１２５と光学面ＳＦとの距離：Ｌが不明でも、傾斜角を測定できる。

なお、図３〜図５の実施の形態においても、図２に即して説明した実施の形態の場合と同様、被検物の光学面に照射されるビームの、光学面照射位置におけるビーム径および／または波面曲率半径を調整し、あるいは、被検物の光学面に照射されるビームの波面をアナモフィックな波面とすることができることは言うまでもない。

図６及び図７に測定の実測値の例を示す。図６は、光学面をＸＺ面で(仮想的に)切断した「ある断面における曲率半径分布」を示している。図７は、ある光学面につき、２次元的な曲率半径分布を３次元俯瞰図として示したものである。

図６に示す曲率半径分布は、光学性能、特に結像位置に直結する物理量であるが、この曲率半径がどのように分布しているかが一目でわかる。因みに、この光学面では、周辺で曲率が緩くなっているのがわかる。図７は、光学面全体の曲率半径分布が俯瞰でき、この例ではＹ方向に対して、Ｘ方向に曲率半径が大きく変化しているのが一目でわかる。

上に説明した実施の形態において、形状測定装置の各部の制御や演算は，制御演算手段２０で行われ、制御演算手段２０は具体的にはコンピュータ等である。

このような場合、コンピュータとして実現される制御演算手段２０における各制御をプログラム化して、ＣＤ等の記録媒体に記録することができる。

図８に示すように、この記録媒体には、セットされた被検物に対する測定開始状態を実現する開始ステップ：ＳＴ１と、光源からビームを放射させ、受光手段の受光出力に応じて所定の演算を行い、傾斜角を演算算出する工程と、被検物に対する次の測定状態の実現とを繰り返して、所望の測定領域における傾斜角分布を求める測定ステップ：ＳＴ２と、測定ステップで求められた結果を表示する表示ステップ：ＳＴ３とが、プログラムとして記録される。

開始ステップ：ＳＴ１には、被検物を保持手段にセットすべき旨の表示を行い、それに応じて被検物がセットされると、被検物の光学面の設計データを入力するべき旨の表示を行い、設計データの入力が行われると被検物を測定開始ポジションに位置させる工程が、制御プログラムとして記録される。

測定ステップ：ＳＴ２には、上の実施の各形態で説明したようなプロセス、即ち、照射ビームに対する被検物の変位、受光装置の変位、光源の点滅、受光装置からの出力に基づく重心解析、傾斜角の算出、照射ビームの波面曲率半径やビーム径の調整、曲率半径分布や曲率分布の演算算出、平均曲率分布や平均曲率半径分布の算出、さらには光学面の形状誤差の算出等を行う工程が、プログラム化されて記録される。

そして、表示ステップ：ＳＴ３には、測定ステップ：ＳＴ２において、演算された各種の測定結果を所定のアウトプット様式（数値データや、図６、図７のようなイメージデータ等）で表示する工程が、プログラム化されて記録される。

従って例えば、制御演算装置としてコンピュータを用い、図１のようなハードウエアを構成し、上記記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータに読み込ませれば、この発明の形状測定装置を構成することができ、この発明の形状測定方法を実施することができる。

形状測定装置の実施の１形態を説明するための図である。 形状測定装置の実施の別形態を特徴部分のみ説明するための図である。 形状測定装置の実施の他の形態を特徴部分のみ説明するための図である。 形状測定装置の実施の他の形態を特徴部分のみ説明するための図である。 形状測定装置の実施の他の形態を特徴部分のみ説明するための図である。 この発明の形状測定装置で実測された曲率半径分布の１例を示す図である。 この発明の形状測定装置で実測された曲率半径分布の１例を３次元俯瞰図として示す図である。 記録媒体に記録されるステップを説明するための図である。

符号の説明

０ 被検物
ＳＦ 光学面
１０ 光源
１２ 光学ユニット
１６ 受光装置

Claims (17)

1. 光源から出射したビームを被検物の光学面に照射し、上記光学面からの反射光を、光束形態を保存しつつ受光手段の受光面に入射させ、上記受光手段により受光して、上記反射光の反射角を計測することにより、上記光学面の面位置ごとの傾斜角の傾斜角分布を測定し、
   上記光学面を複数の座標区間に区分し、各座標区間の両端の傾斜角を用いて、座標区間における平均曲率半径および／または平均曲率を座標区間ごとに算出し、算出された平均曲率半径および／または平均曲率の集合として、上記光学面の平均曲率半径分布および／または平均曲率分布を得ることを特徴とする光学面の形状測定方法。
2. 請求項１記載の形状測定方法において、
   被検物の光学面に照射されるビームの、光学面照射位置におけるビーム径および／または波面曲率半径を調整することを特徴とする形状測定方法。
3. 請求項１または２記載の形状測定方法において、
   被検物の光学面に照射されるビームの波面をアナモフィックな波面とすることを特徴とする形状測定方法。
4. 請求項１〜３の任意の１に記載の形状測定方法において、
   被検物の光学面の、２軸方向に対する独立した傾斜角分布を測定することを特徴とする形状測定方法。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載の形状測定方法において、
   被検物の光学面の設計データと、実測結果との比較により、上記光学面の形状誤差を演算算出することを特徴とする形状測定方法。
6. 請求項１〜５の任意の１に記載の形状測定方法において、
   受光手段の受光する反射光の重心を演算して、演算された重心の位置を上記反射光の受光手段への入射位置とすることを特徴とする形状測定方法。
7. 請求項１〜６の任意の１に記載の形状測定方法において、
   被検物の光学面と、この光学面にビームを照射する光学系と、上記光学面による反射光を受光する受光手段との相対的な位置関係を、制御手段により自動的に制御することを特徴とする形状測定方法。
8. 請求項１記載の形状測定方法を実施する装置であって、
   被検物を保持する保持手段と、
   光源と、
   この光源から射出させたビームを被検物の光学面に照射する光学ユニットと、上記光学面により反射された反射光を直截的に受光する受光手段と、
   上記被検物の光学面への、上記ビームの入射位置を相対的に変位させる変位手段と、
   上記受光手段により受光された反射光の位置と、上記光学面と、上記ビームとの位置関係とに基づき、上記光学面の面位置ごとの傾斜角の傾斜角分布を測定し、且つ、上記光学面を複数の座標区間に区分し、各座標区間の両端の傾斜角を用いて上記座標区間における平均曲率半径および／または平均曲率を算出する演算を座標区間ごとに行い、上記座標区間ごとに算出された平均曲率半径および／または平均曲率の集合として、上記光学面の平均曲率半径分布および／または平均曲率分布を得る演算手段とを有することを特徴とする形状測定装置。
9. 請求項８記載の形状測定装置において、
   変位手段が、光学面へのビームの入射位置を変位させつつ、受光手段の位置を変位させることを特徴とする形状測定装置。
10. 請求項８または９記載の形状測定装置において、
    光学ユニットが、光学面に照射されるビームの光学面位置でのビーム径および／または波面曲率半径を変化させる機能を持つことを特徴とする形状測定装置。
11. 請求項８〜１０の任意の１に記載の形状測定装置において、
    光学ユニットからのビームをビームスプリッタを介して被検物の光学面に照射させ、上記光学面による反射光を上記ビームスプリッタを介して受光手段に導くことを特徴とする形状測定装置。
12. 請求項８〜１１の任意の１に記載の形状測定装置において、
    保持手段が、被検物の光学面を、照射されるビームの入射方向に対して所望の角だけ傾ける機能を有することを特徴とする形状測定装置。
13. 請求項８〜１２の任意の１に記載の形状測定装置において、
    受光手段が、被検物の光学面からの反射光の位置座標を、少なくとも２カ所で測定することを特徴とする形状測定装置。
14. 請求項８〜１３の任意の１に記載の形状測定装置において、
    光学ユニットが、照射用のビームにアナモフィックな波面を生成するためのアナモフィック光学素子を使用可能であることを特徴とする形状測定装置。
15. 請求項８〜１４の任意の１に記載の形状測定装置において、
    演算手段が、予め入力された被検物の光学面の設計データと、実測結果との比較により、上記光学面の形状誤差を演算算出する機能を有することを特徴とする形状測定装置。
16. 請求項８に記載の形状測定装置を制御するためのプログラムを記録した記録媒体であって、
    セットされた被検物に対する測定開始状態を実現する開始ステップと、
    光源からビームを放射させ、受光手段の受光出力に応じて所定の演算を行い、傾斜角を演算算出する工程と、被検物に対する次の測定状態の実現とを繰り返して、所望の測定領域における傾斜角分布を求め、求められた傾斜角分布に基づき、光学面の曲率半径分布および／または曲率分布を演算により算出する測定ステップと、
    測定ステップで求められた結果を表示する表示ステップとを、プログラムとして記録され、
    上記測定ステップが、傾斜角分布に基づき、光学面の平均曲率半径分布および／または平均曲率分布を、演算により算出する工程を有することを特徴とする記録媒体。
17. 請求項１６記載の記録媒体において、
    測定ステップが、予め入力された被検物の光学面の設計データと、実測結果との比較により、上記光学面の形状誤差を演算算出する工程を有することを特徴とする記録媒体。

Images