JP6173188B2 - 被検光学素子の光学性能の測定装置、その測定装置を制御するプログラムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、レンズや平行平板などの被検光学素子の、透過波面や屈折率分布などの光学性能の測定装置に関する。

レンズの透過波面測定装置や屈折率分布測定装置では、計測可能なレンズの種類を増やすために、理想球面波を射出する照明光学系を用いる場合があり、照明光学系の集光点位置と検出器の位置関係が重要となる。特に、照明光学系の開口数（ＮＡ）が大きい場合、照明光学系と集光点位置が近接するため、集光点位置を直接測定して照明光学系の集光点位置と検出器の位置関係を把握することが配置上困難である。この場合、デフォーカスした位置で照明光学系の集光点位置と検出器の位置関係を測定する。デフォーカスした位置集光点位置と検出器の位置関係を測定する方法としては、モアレ縞から第１回折格子と集光点位置の間隔を測定する方法（特許文献１）や波面のフォーカス成分を求める方法（特許文献２）が知られている。

特開昭６０−２４７１３３号公報 特開２０１０−２２３９０３号公報

特許文献１のモアレ計測法は、第２回折格子や結像レンズを必要とし、また、回折格子傾きやモアレ縞の傾きを高精度に測ることが難しい。特許文献２の波面計測法は、回折格子の空間周波数を予め高精度に測定しておかなければならず、これが困難である。

本発明は、比較的簡単かつ高精度に照明光学系の集光点位置と検出器の位置関係を測定することが可能な測定装置およびその制御装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明の測定装置は、被検光学素子の光学性能を測定する測定装置であって、理想球面波の光を射出する照明光学系と、前記照明光学系からの前記光によって回折光を射出する回折格子と、前記回折格子が形成した干渉縞を撮像する撮像手段と、前記回折格子と前記撮像手段の少なくとも一方を前記照明光学系の光軸方向に移動する移動手段と、前記移動手段を介して前記少なくとも一方を前記光軸方向に移動させ、移動の前後で前記撮像手段に複数枚の前記干渉縞を撮像させ、前記移動手段による前記少なくとも一方の移動量と前記複数枚の干渉縞の空間周波数から前記照明光学系の集光点位置を算出する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、比較的簡単かつ高精度に照明光学系の集光点位置と検出器の位置関係を測定することが可能な測定装置を提供することができる。

本発明の透過波面測定装置のブロック図である。（実施例１） 図１に示す演算部が実行する透過波面測定方法のフローチャートである。（実施例１） 図２に示すＳ１０１の詳細を示すフローチャートである。（実施例１） 図３に示すＳ１４において干渉縞基本周波数の算出方法の説明図である。（実施例１） 本発明の屈折率分布測定装置のブロック図である。（実施例２） 図５に示す演算部が実行する屈折率分布測定方法のフローチャートである。（実施例２） 回折格子の空間周波数を測定する測定装置のブロック図である。（実施例３） 照明光学系の集光点位置と検出器の位置関係を測定するフローチャートである。（実施例３）

本実施形態の測定装置は、レンズ、平行平板などの被検光学素子の、透過波面や屈折率分布などの光学性能を測定し、理想球面波の光を射出して被検光学素子を照明する照明光学系の集光点位置Ｓを比較的簡単に測定する。以下、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１の透過波面測定装置のブロック図である。透過波面測定装置は、被検レンズ（被検光学素子）１５の透過波面を測定し、照明光学系Ｌ、回折格子７、検出器（検出手段）９、駆動手段８、１０、レール１１、演算部１２、基板ガラス１３、カバーガラス１４を有する。

照明光学系Ｌは、光源１（例えば、レーザー）と開口が十分に小さいピンホール２と第１のコリメーターレンズ３と第２のコリメーターレンズ４で構成され、理想的な収束球面波（理想球面波の光）を射出する。照明光学系Ｌから射出された光束は、集光点位置Ｓで集光する。

照明光学系Ｌの下流に、回折格子７と検出器９を配置する。回折格子７は、照明光学系Ｌからの光によって回折光を射出し、回折光同士は干渉して干渉縞を形成する。回折格子７は、透過型回折格子で直交する２方向に周期をもつ正方格子を用い、基板ガラス（透過部材）１３の厚みと屈折率が既知のものを用いる。回折格子７の周期設計値は、測定の配置を決定する際に用いられる。周期設計値と実際の回折格子７の周期がずれていても測定精度には問題が無い。検出器９は、例えば、ＣＣＤを用いて、回折格子７が形成した干渉縞を撮影する撮像手段である。検出器９は、カバーガラス（透過部材）１４の厚みと屈折率が既知のものを用いる。

回折格子７と検出器９は、それぞれ駆動手段８、１０を備え、照明光学系Ｌの光軸ＲＡに平行に設置されたレール１１上を駆動可能になっている。回折格子７と検出器９は、集光点位置Ｓの上流に配置されてもよいし、下流に配置されてもよい。駆動手段８、１０、レール１１は、回折格子７と検出器９を照明光学系Ｌの光軸方向に移動する移動手段を構成する。なお、移動手段は、回折格子７と検出器９の少なくとも一方を照明光学系Ｌの光軸方向に移動させることができれば足りる。

演算部１２は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）から構成され、移動手段による移動や検出器９による撮像を制御する制御手段（制御装置）として機能する。また、演算部１２は、検出器９で取得した干渉縞と回折格子７と検出器９の少なくとも一方の移動量に基づいて、照明光学系Ｌの焦点位置Ｓと検出器９の間隔を算出する。被検レンズ１５は、照明光学系Ｌと回折格子７の間の光軸ＲＡ上に設置可能で、焦点位置Ｓと検出器９の間隔を測定するときは、不図示の移動手段を介して、照明光学系Ｌの光軸ＲＡから退避可能になっている。光軸ＲＡ上に被検レンズ１５を配置すると、検出器９で取得した干渉縞から演算部１２が被検レンズ１５の透過波面を求めることができる。

図２は、演算部１２が行う透過波面測定方法（制御方法）を示すフローチャートであり、「Ｓ」はステップ（工程）を表す。図２に示すフローチャートは、コンピュータに各ステップの機能を実行させるためのプログラムとして具現化が可能である。これは他のフローチャートにも当てはまる。

Ｓ１０１で、演算部１２は、集光点位置Ｓと検出器９の間隔を測定する（キャリブレーション）。駆動手段８と駆動手段１０の再現性がよければ、Ｓ１０１は測定ごとに行う必要はない。測定装置立ち上げ時やコリメーターレンズ交換時などに行えばよい。Ｓ１０１において集光点位置Ｓを後述するように測定する。

Ｓ１０２は、演算部１２が自動でまたはユーザが手動で、被検レンズ１５を光軸ＲＡ上に設置する。Ｓ１０３で、被検レンズ１５と回折格子７、回折格子７と検出器９の間隔を測定し、集光点位置Ｓに対する各光学素子の位置を出す。Ｓ１０４で被検レンズ１５の透過波面測定を行う。

図３は、Ｓ１０１の詳細を示すフローチャートである。Ｓ１０１では、照明光学系Ｌの光軸ＲＡ上には被検レンズ１５が無いものとする。

まず、Ｓ１０で、回折格子７の周期設計値から測定に適した検出器９の位置Ａと位置Ｂを決定する。位置Ａ、Ｂは、回折格子７と検出器の間隔がｎ・ｄ^２/λ（タルボ距離）となる位置Ｃを目安に決定する。ｄは回折格子の周期設計値、λは光源の波長である。ｎは整数であり、干渉縞ＩＰ１と干渉縞ＩＰ２とで同じ値でもよいし、異なる値でもよい。ｎを同じ値にする場合は、位置Ａと位置Ｂは位置Ｃを挟むように決定する。位置Ａと位置Ｂは、タルボ距離でなくてもよく、干渉縞の１次スペクトルが検出できる位置であればよい。

Ｓ１１で、検出器９を駆動手段１０で駆動し、位置Ａに配置する。Ｓ１２で、検出器９で干渉縞ＩＰ１を撮影し、演算部１２に送信する。Ｓ１３で、検出器９を駆動手段１０で光軸ＲＡ方向に移動量ｄＺ０だけ駆動し、位置Ｂに配置し、検出器９で干渉縞ＩＰ２を撮影し、演算部１２に送信する。

Ｓ１４で、演算部１２で干渉縞ＩＰ１と干渉縞ＩＰ２からそれぞれ直交する２方向の基本周波数ｆ１ｘとｆ１ｙ、ｆ２ｘとｆ２ｙを求める。基本周波数は、干渉縞を２次元高速フーリエ変換し、複数の回折光（ここでは０次光とｎ次光）のスペクトルの座標を求める。ここでは、０次とｎ次スペクトルの座標を求め、２点のスペクトル空間上の距離とする。干渉縞が画面全体にある場合は、強度フィルターをかけて周辺部の信号強度を落とす。ｎ次スペクトルの座標はｎ次スペクトル強度最大値の周辺を抜き出して重心計算して求める。図４は、０次スペクトルと１次スペクトルから基本周波数ｆ１ｘとｆ１ｙ、ｆ２ｘとｆ２ｙを算出する概略図である。

Ｓ１５で、演算部１２は、直交する２方向の基本周波数の平均をとり、平均値から干渉縞ＩＰ１の空間周波数ｆ１および干渉縞ＩＰ２の空間周波数ｆ２を求める。なお、単純平均に限定されず加重平均を使用してもよい。直交する２方向の基本周波数の平均値を取得することによって、照明光学系Ｌや基板ガラス１３とカバーガラス１４で発生する非点収差の影響を低減する効果がある。

Ｓ１６で、演算部１２は、数式１を計算し、Ｚ０＋δを求める。Ｚ０は集光点位置Ｓと位置Ａの検出器９の間隔であり、δは基板ガラス１３とカバーガラス１４の屈折による影響である。

Ｓ１７で、演算部１２は、数式２を計算し、Ｚ０を求める（Ｚ０＋δからδを除くことによって修正する）。

ｎ_１３は基板ガラス１３の屈折率、ｎ_１４はカバーガラス１４の屈折率である。ｔ_１３は基板ガラス１３の厚み、ｔ_１４はカバーガラス１４の厚みである。θは空気中を光線が伝搬する角度、θ_１３は基板ガラス１３を光線が伝搬する角度、θ_１４はカバーガラス１４を光線が伝搬する角度である。θ、θ_１３、θ_１４は光軸ＲＡに対する傾き角である。この手法の精度は数式３で計算することができる。

δｆ１はｆ１の不確かさ、δｆ２はｆ２の不確かさ、δｄＺ０は移動量ｄＺ０の不確かさである。各パラメーターに実際に適用可能な値（δｆ１＝δｆ２＝１/２００、δｄＺ０＝１μｍ、Ｚ０＝４３ｍｍとなる配置）を代入すると、１０μｍ程度の精度と見積もられる。

なお、演算部１２は、移動手段を介して回折格子７と検出器９の少なくとも一方を光軸方向に移動させ、移動の前後で検出器９に複数枚の干渉縞を撮像させ、移動手段による移動量と複数枚の干渉縞の空間周波数から集光点位置Ｓを算出すればよい。このため、本実施例のように検出器９を移動する代わりに、回折格子７を移動してもよい。

この場合には、上式の代わりに以下の式を使用する。

ここで、ｄＺｇは回折格子７の駆動量、ｆｇは回折格子７の空間周波数、ｆ１は回折格子７を駆動する前の干渉縞の空間周波数、ｆ２は駆動後の干渉縞の空間周波数である。

また、回折格子７と検出器９の両方を移動してもよい。この場合には、上式の代わりに以下の式を使用する。

ここで、ｆ１は回折格子７と検出器９を駆動する前の干渉縞の空間周波数、ｆ２は両方を駆動後の干渉縞の空間周波数である。

図５は、屈折率分布測定装置のブロック図である。図１と同一の参照符号は、同一部材を表す。屈折率分布測定装置は、被検レンズを２種類の屈折率が異なる媒質に浸してそれぞれ透過波面の計測を行い、被検レンズの内部屈折率分布を求める。屈折率分布測定装置は、照明光学系Ｌ、液槽５、回折格子７、検出器（検出手段）９、駆動手段６、８、１０、レール１１、演算部（演算手段）１２、基板ガラス１３、カバーガラス１４を有する。演算部１２は、屈折率分布計測方法を実行する。

屈折率分布計測方法に適用する場合、実施例１の構成に対し、照明光学系Ｌと回折格子７の間の光軸ＲＡ上に被検レンズ１５を収める液槽５が加わる。液槽５は、前側窓ガラス１６と後側窓ガラス１７の厚みと屈折率が既知で、前側窓ガラス１６と後側窓ガラス１７の間隔が既知のものを用いる。液槽５は屈折率が既知の媒質１８を収納する。液槽５と回折格子７と検出器９はそれぞれ駆動手段６、８、１０を備え、照明光学系Ｌの光軸ＲＡに平行に設置されたレール１１上を駆動可能になっている。

演算部１２は、検出器９で取得した干渉縞と駆動手段８と１０の駆動量に基づいて、照明光学系Ｌの焦点位置Ｓと検出器９の間隔を計算することができる。被検レンズ１５は、媒質１８中の光軸ＲＡ上に設置可能で、焦点位置Ｓと検出器９の間隔を測定するときは、照明光学系Ｌの光軸ＲＡ上から取り除けるようになっている。媒質１８中の光軸ＲＡ上に被検レンズ１５を配置すると、検出器９で取得した干渉縞から演算部１２が被検レンズの屈折率分布を求めることができる。

図６は、演算部１２が実行する屈折率分布測定方法を示すフローチャートである。

Ｓ２０１では、演算部１２は、集光点位置Ｓと検出器９の間隔を測定する（キャリブレーション）。駆動手段８、１０の再現性がよければ、Ｓ２０１は測定ごとに行う必要はなく、装置立ち上げ時や定期点検時のみ行えばよい。Ｓ２０１の詳細は後で説明する。

Ｓ２０２では、被検レンズ１５を液槽５内の光軸ＲＡ上に設置する。Ｓ２０３では、演算部１２は、被検レンズ１５と液槽５、液槽５と回折格子７、回折格子７と検出器９の間隔を測定し、集光点位置Ｓに対する各光学素子の位置を取得する。Ｓ２０４では、演算部１２は、屈折率分布を計測するのに最適な素子配置を計算し、駆動手段６と駆動手段８と駆動手段１０を駆動する。

Ｓ２０５では、演算部１２は、異なる屈折率の２種類の媒質で透過波面を計測する。Ｓ２０６では、演算部１２は、被検レンズ１５を２種類の屈折率が異なる媒質に浸してそれぞれ透過波面の計測結果を取得し、被検レンズ１５の内部屈折率分布を測定する。屈折率分布ＧＩは数式６を計算して求める。Ｎ０は被検レンズの屈折率、Ｎ１は第１の媒質の屈折率、Ｎ２は第２の媒質の屈折率、Ｗ１は第１の媒質の透過波面、Ｗ２は第２の媒質の透過波面、Ｄは被検レンズ１５の光軸方向の厚みである。

ここまで、２種類の異なる媒質を用いた方法を説明してきたが、被検レンズ１５を被検レンズ１５と屈折率分散の異なる媒質に浸漬した状態で、２種類の波長の光を使用して被検物の透過波面を計測し、その後、被検レンズ１５の屈折率分布を求めてもよい。この場合、照明光学系Ｌは２種類の波長の光を切り替えて射出する機能を有する。

Ｓ２０１の実施手順は図３に従う。予め液槽５を駆動手段６で、回折格子７と検出器９にメカ的にぶつからないところに駆動しておく。Ｓ１０〜１６までは実施例１記載の方法と同様である。Ｓ１７で、演算部１２で数式７を計算し、Ｚ０を求める。屈折率測定装置では、基板ガラス１３とカバーガラス１４に加えて液槽５の窓ガラスと媒質１８による屈折の影響も考慮する。

ｉは図３の要素の参照符号１３（基板ガラス１３）、１４（カバーガラス１４）、１６（前側窓ガラス１６），１７（後側窓ガラス１７）、１８（媒質１８）を代入する。ｎ_ｉは素子ｉの屈折率、ｔ_ｉは素子ｉの厚みである。θは空気中を光線が伝搬する角度、θ_ｉは素子ｉを光線が伝搬する角度である。θ_、θ_ｉは光軸ＲＡに対する傾き角とする。

本手法は屈折率分布測定装置のように照明光学系Ｌの射出ＮＡが大きく焦点位置Ｓが照明光学系Ｌに近接している場合、照明光学系Ｌと液槽５と検出器９が密集して存在するために新たな素子を導入することがメカ的に困難な場合に効果がある。本手法を用いると、透過波面計測に近い配置でＳ２０１を行うことができ、屈折率分布測定装置に特有の配置の影響を受けにくい。屈折率分布測定装置ではこの手法を用いることによって測定精度が向上する。

図７は、実施例３の測定装置のブロック図である。測定装置は、回折格子の空間周波数を測定し、図１と同様に、照明光学系Ｌ、回折格子７、検出器（検出手段）９、駆動手段８、１０、レール１１、演算部（演算手段）１２、基板ガラス１３、カバーガラス１４を有する。

照明光学系Ｌは、実施例１と同様に、理想的な収束球面波を射出し、射出された光束は集光点位置Ｓで集光する。照明光学系Ｌの下流に、回折格子７と検出器９を配置する。回折格子７と検出器９の光軸方向の間隔Ｌｔは別途測定し、既知である。実施例１と同様の回折格子７と検出器９、駆動手段８、１０を用いて干渉縞を撮影する。演算部１２は、実施例１と同様に、照明光学系Ｌの焦点位置Ｓと検出器９の間隔を計算することができる。

干渉縞の空間周波数と間隔Ｌｔを用いて回折格子の空間周波数を計算することができる。被検レンズ１５は、実施例１と同様に、測定の最中は照明光学系Ｌの光軸ＲＡ上から取り除き可能になっており、光軸ＲＡ上に被検レンズ１５を配置すると、検出器９で取得した干渉縞から演算部１２が被検レンズの透過波面を求めることができる。

図８は、実施例３の回折格子の空間周波数を測定する測定方法のフローチャートであり、図３と同一のステップには同一の符号が付されている。Ｓ１０〜Ｓ１７で、ｆ１、ｆ２、Ｚ０を求める。Ｓ１８で、演算部１２は、数式８を計算し、回折格子７の空間周波数ｆを求める。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明は、透過波面や屈折率分布の測定の用途に適用可能である。

Ｌ…照明光学系、Ｓ…集光点位置、７…回折格子、８…駆動手段（移動手段）、９…検出器（撮像手段）、１０…駆動手段（移動手段）、１１…レール（移動手段）、１５…被検レンズ（被検光学素子）、１２…演算部（制御手段）

Claims (11)

1. 被検光学素子の光学性能を測定する測定装置であって、
   球面波の光を射出する照明光学系と、
   前記照明光学系からの前記光によって回折光を射出する回折格子と、
   前記回折格子が形成した干渉縞を撮像する撮像手段と、
   前記回折格子と前記撮像手段の少なくとも一方を前記照明光学系の光軸方向に移動させる移動手段と、
   前記移動手段を介して前記少なくとも一方を前記光軸方向に移動させ、移動の前後で前記撮像手段に複数枚の前記干渉縞を撮像させ、前記移動手段による前記少なくとも一方の移動量と前記複数枚の干渉縞の空間周波数から前記照明光学系の集光点位置を算出する制御手段と、
   を有することを特徴とする測定装置。
2. 前記制御手段は、前記被検光学素子を前記照明光学系の光軸上に配置した状態で前記撮像手段により取得された干渉縞に基づいて、前記被検光学素子の透過波面を算出することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記照明光学系からの前記光が透過し、屈折率が既知の媒質を収納する液槽を更に有し、
   前記制御手段は、前記被検光学素子を前記液槽内の前記照明光学系の光軸上に配置した状態で前記撮像手段により取得された干渉縞に基づいて、前記被検光学素子の透過波面を算出し、該被検光学素子の透過波面を用いて前記被検光学素子の屈折率分布を算出することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
4. 前記制御手段は、前記被検光学素子を前記被検光学素子とは屈折率が異なる２種類の媒質に浸漬した状態で前記撮像手段により取得された干渉縞に基づいて、前記被検光学素子の透過波面を算出し、該被検光学素子の透過波面を用いて前記被検光学素子の屈折率分布を算出することを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
5. 前記照明光学系は、２種類の波長の光を切り替えて射出し、
   前記制御手段は、前記被検光学素子を前記被検光学素子と屈折率分散の異なる媒質に浸漬した状態で前記２種類の波長の光のそれぞれに対して前記撮像手段により取得された干渉縞に基づいて、前記被検光学素子の透過波面を算出し、該被検光学素子の透過波面を用いて前記被検光学素子の屈折率分布を算出することを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
6. 前記照明光学系からの前記光が透過し、厚みと屈折率が既知の透過部材を更に有し、
   前記制御手段は、前記透過部材の既知の厚みと既知の屈折率から前記集光点位置を修正することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の測定装置。
7. 前記回折格子は直交する２方向に周期をもつ正方格子であり、
   前記制御手段は、前記複数枚の干渉縞の直交する２方向の空間周波数を求め、前記２方向の空間周波数の平均値から前記集光点位置を算出することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の測定装置。
8. 前記制御手段は、前記被検光学素子が前記照明光学系の光軸から退避した状態で前記集光点位置を算出することを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の測定装置。
9. 前記制御手段は、前記回折格子と前記撮像手段の光軸方向の間隔と前記照明光学系の前記集光点位置を用いて、前記回折格子の空間周波数を算出することを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の測定装置。
10. 球面波の光を射出する照明光学系と、前記照明光学系からの前記光によって回折光を射出する回折格子と、前記回折格子が形成した干渉縞を撮像する撮像手段と、前記回折格子と前記撮像手段の少なくとも一方を前記照明光学系の光軸方向に移動させる移動手段と、を有し、被検光学素子の光学性能を測定する測定装置を制御するコンピュータのプログラムであって、
    前記移動手段を介して前記少なくとも一方を前記光軸方向に移動させるステップと、
    移動の前後で前記撮像手段に複数枚の前記干渉縞を撮像させるステップと、
    前記移動手段による前記少なくとも一方の移動量と前記複数枚の干渉縞の空間周波数から前記照明光学系の集光点位置を算出するステップを前記コンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
11. 球面波の光を射出する照明光学系と、前記照明光学系からの前記光によって回折光を射出する回折格子と、前記回折格子が形成した干渉縞を撮像する撮像手段と、前記回折格子と前記撮像手段の少なくとも一方を前記照明光学系の光軸方向に移動させる移動手段と、を有し、被検光学素子の光学性能を測定する測定装置の制御方法であって、
    前記移動手段を介して前記少なくとも一方を前記光軸方向に移動させるステップと、
    移動の前後で前記撮像手段に複数枚の前記干渉縞を撮像させるステップと、
    前記移動手段による前記少なくとも一方の移動量と前記複数枚の干渉縞の空間周波数から前記照明光学系の集光点位置を算出するステップを含むことを特徴とする制御方法。