JP2002090302A - 光量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被測定物の位置決め誤差の影響を受けず、簡
単な構成のもので、光の透過率、反射率、光強度又は光量
について感度の高い測定を可能とする。 【構成】 光源部２が光学素子１の使用状況にあわせた
出射光を発生させるとともに、測定の対象としないノイ
ズやフレアなどの余計な光を遮断する空間フィルタ６
と、この空間フィルタ６を通過した光の透過率、反射率、
光強度又は光量を測定する測定部７と、光学素子１の光
軸上で、光学素子１の実焦点位置に配置した反射部材５
とを備えた。そして、光学素子１の位置決め誤差の影響
を受けずに光学素子１の光の透過率を測定するように構
成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、光源から出射して被測定物を透
過又は反射する光の透過率、反射率、光強度又は光量を測
定する光量測定装置に関する。

【０００２】

【従来技術及びその問題点】被測定物での光の透過量又
は反射量を測定（測光）して測定対象となる被測定物の
透過率や反射率あるいは表面形状さらには内部の光学的
な状態などの確認を行うため、例えば、図６に示すよう
に、被測定物である光学素子１００の実焦点位置Ｆに空
間フィルタとして絞り１０１を配置した光量測定装置が
使用されており、この絞り１０１を通過した光の強度等
を測定している。

【０００３】このような光量測定装置にあっては、被測
定物である光学素子がアフォーカル系或いは発散系の場
合には、正のパワーを持つ補助レンズを別に配置すると
ともに、その実焦点位置に或いはこれらの実焦点を拡大
レンズによって拡大した焦点位置に、絞りを配置し、光
の強度を測定している。ここで、空間フィルタとしての
絞り１０１の役割は、被測定物での透過又は反射により
正しい方向へ進み、意図した結像に寄与する光だけを透
過させるようにし、これとは異なる方向へ進む光、いわ
ゆるフレアや外光によるノイズなどの余計な光を遮断す
ることにある。従って、特に、被測定物として結像性能
が高く微小な点像をむすぶ回折型光学素子等のような測
光にあっては、絞りを十分に小さくする必要がある。

【０００４】一方、このような光量測定装置にあって
は、光学素子を測定位置に設けた試料台へセットする際
に、この光学素子と試料台との間にクリアランス、即ち
数μｍ〜数十μｍ程度の隙間を発生する場合がある。

【０００５】このような隙間を発生する場合には、光学
素子を必ずしも正しい測定位置にセットできるとは限ら
ず、光学素子の実焦点位置が、空間フィルタである絞り
の穴から外れてしまい、その結果、意図した結像に寄与
する測定すべき光を遮断してしまう虞れがある。

【０００６】このような場合には、例えば光量測定装置
に適宜の位置決め手段、例えばＸＹステージを設け、測
定者等がその位置決め手段を用いて光学素子や絞りを光
軸に直交する面内で移動させて、実焦点と空間フィルタ
とを一致させる、といった微調整を行わなければならな
い。ところが、このような微調整作業には少なからぬ時
間を要している。しかも、この微調整作業は、焦点と空
間フィルタ位置とを確認しながら行う場合であっても、
その調整度合いには、ばらつきがあり、測定精度が低下
する一因となっている。

【０００７】

【発明の目的】そこで、本発明は、上記した事情に鑑
み、被測定物の位置決め誤差の影響を受けず、簡単な構
成のもので、光の透過率、反射率、光強度又は光量につい
て感度の高い測定を可能とする光量測定装置を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【発明の概要】本発明は、光源から出射され，測定対象
となる被測定物を透過又は反射する光の透過率、反射率、
光強度又は光量を測定する光量測定装置であって、前記
光源が被測定物の使用状況に合わせた出射光を発生する
とともに、測定の対象としないノイズやフレアなどの余
計な光を遮断する空間フィルタと、この空間フィルタを
通過した光の透過率、反射率、光強度又は光量を測定する
測定手段と、被測定物の光軸上で、被測定物の実焦点位
置に配置した反射部材とを備え、被測定物の位置決め誤
差の影響を受けずに光の透過率、反射率、光強度又は光量
を測定するように構成したことを特徴としている。

【０００９】被測定物が実焦点を持たないアフォーカル
系又は発散系の光学系の場合には、正のパワーを有する
補助レンズを配置するとともに、その実焦点位置に反射
部材を配置するように構成し、反射部材で反射した光は
後に逆行させ、光学素子を再度透過又は反射させるよう
に構成することが望ましい。

【００１０】反射部材が、所定の厚さを有する光透過性
材料からなる裏面鏡であることが望ましい。

【００１１】反射部材の厚さは、被測定物の厚さ及び屈
折率に応じて一義的に決定させることができる。

【００１２】反射部材に、被測定物の実焦点位置近傍で
あって、その光軸に沿って移動させる移動手段を設ける
とともに、測定手段で測定された光の透過率、反射率、光
強度又は光量の偏りを検出する手段としてピークホール
ド回路を設けることができる。

【００１３】

【発明の実施形態】以下、この発明の実施の形態につい
て、添付図面を参照しながら説明する。図１は、この発
明の第１の実施形態に係る光量測定装置を示すものであ
り、この光量測定装置は、光源部２と、ハーフミラー３
と、試料台４と、反射部材５と、空間フィルタ６と、測
光部７と、表示部８とを備えており、被測定物である光
学素子１の光量を測定するように構成されている。

【００１４】この実施形態の光学素子１には、透過型で
あって、実焦点を有する（正のパワーを有する）凸レン
ズが使用されている。光源部２は、いずれも図示せぬ
が、例えば半導体レーザ（ＬＤ）、気体レーザ、ハロゲ
ンランプなどの光源と、アナモプリズム、コリメータレ
ンズ、集光レンズなどの光学素子とから構成されてお
り、測光対象とする光学素子１への適用波長、口径、広
がり角などの使用状況に合わせた最適な光を出射させ
る。

【００１５】ハーフミラー３は、光源部２から出射され
るレーザ光を光学素子１へ向かわせる往側光路と、この
光学素子１を透過又は反射したレーザ光を反射させた後
に再度光学素子１を透過又は反射させて測光部７へ導く
復側光路とを形成する。試料台４は、測定対象である光
学素子１を測定位置に支持してセットするためのもので
あり、通常この光学素子１には、当て付け面や外周など
に使用時の位置決め基準となる部位があるので、そこを
支持して測定装置内に位置決めするようになっている。
なお、この試料台４と光学素子１との間には、取付け・
取り外しのために、通常、数μｍ〜数十μｍ程度の隙間
が設けられている。この実施形態の反射部材５には、光
学素子１に対面する表面側に反射面を形成した表面鏡が
使用されており、光学素子１の実焦点位置に配置されて
いる。

【００１６】空間フィルタ６は、光学素子を透過又は反
射した光のうち、本来の結像に寄与する光源部２からの
レーザ光のみを通過させ、ノイズやフレアなどの測光の
対象とはしない余計な光を遮断するものであり、この実
施形態ではピンホールを開口させた絞りが使用されてい
る。この絞りの開口の大きさは、光学素子１の結像性能
に依存しており、球面収差が十分に小さな高性能な集光
レンズ、例えば回折型光ピックアップレンズのような場
合には、開口径φ＝０．６λ／ＮＡ（但し、ＮＡはレン
ズの光源部２側の開口数）の整数倍程度の大きさであ
る。例えば、波長λ＝６６０ｎｍ、ＮＡ＝０．６の場合
には、φ＝６６０ｎｍであり、可視光程度の波長の大き
さしかないので、困難である。そこで、実際には図示外
の拡大レンズを更に設け、開口径φが製作可能な大きさ
に拡大できるように構成されている。

【００１７】測光部７は、空間フィルタを通過した光の
強度を測定するものであり、例えばシリコンフォトダイ
オード、積分球、撮像素子などの光電素子と、この光電
素子での検出値を光強度に変換する電子回路等とを備え
ている。ここで、この空間フィルタ６として開口された
絞りは、光学素子１によって光源部２の発光点と共役関
係にある位置に設置されている。これにより、光学素子
１と試料台４との間に隙間があっても、意図した結像に
寄与する測定すべき光を遮断することなく、測光部７へ
到達させることができる。即ち、光学素子１の位置決め
誤差の影響を受けずに、正確に測光することが可能とな
る。なお、この光電素子で検出された光強度は、表示部
８で表示している。

【００１８】さらに、本発明では、レーザ光が被測定物
である光学素子１を往復、つまり２度透過又は反射する
構成であるため、測定感度を２倍に向上させることがで
きる。

【００１９】次に、この発明に係る他の実施形態につい
て、説明する。図２に示す第２実施形態では、被測定物
である光学素子１として、透過型であって実焦点を持た
ないフィルタのようなアフォーカル系のものを使用して
いる。このため、この第２の実施形態では、第１の実施
形態と同様の構成において、光学素子１よりも光路の後
方（＋Ｚ方向）側に補助レンズ９Ａを設置して反射部材
５に集光・結像させている。この補助レンズ９Ａは、光
学素子１と組み合わせることで、入射光が収束するよう
な正のパワーを持っていれば良い。即ち、光学素子１は
負のパワーを持つ凹レンズのような場合であれば、それ
と組合せて全体として実質的に正となるパワーを持って
いれば良い。

【００２０】さらに、この第２実施形態では、反射部材
５で反射した光が再度同一光路を通ってハーフミラー３
で光路を折り曲げられたのち、測光部７に集光するため
に、集光レンズ９Ｂを配置している。この集光レンズ９
Ｂは、補助レンズ９Ａと組合せることによって、空間フ
ィルタ６に開口された絞りと光源部２の発光点とが共役
関係となる位置に設置されている。これにより、光学素
子１と試料台４との間に隙間があったり、また、光学素
子１が僅かに傾いても、測定すべき光を遮断することな
く、測光部７へ到達させることができる。

【００２１】この第２実施形態によれば、光学素子１を
配置しない場合でも、測光することができる。従って、
まず、光学素子１を配置しないで測光し、その時の測光
部７による測光値をＰ０とする。そして、次に、図２に
示すように、光学素子1を配置して測光し、その時の測
光部７による測光値をＰ１とすると、Ｐ１／Ｐ０を演算
することによって、光学素子１の絶対的な（実質的な）
透過率が測定可能となる。

【００２２】次に、この発明に係る第３実施形態につい
て、図３を参照しながら説明する。この実施形態では、
被測定物である光学素子１として、４５度反射型であっ
て平面ミラーのように実焦点を持たないアフォーカル系
のものを使用している。このため、この第３の実施形態
では、第２の実施形態と同様の構成のものにおいて、補
助レンズ９Ａを反射後の光路上に設置するとともに、反
射部材５をその反射光路上でさらに補助レンズ９Ａより
も後方（＋Ｚ方向）側に設置している。なお、この実施
形態では、光学素子１の入射面１Ａは平面状であるが、
例えばこの入射面１Ａが凹面状の放物面である場合に
は、光学素子１のみで光を収束できるから、補助レンズ
９Ａは必要ない。

【００２３】次に、この発明に係る第４実施形態につい
て、図４を参照しながら説明する。この実施形態では、
被測定物である光学素子１が、透過型であって、例えば
回折型光ピックアップレンズのようなものが使用されて
いる。この光学素子１は、予め定められた材質・厚みの
（平行平面板である）ディスクと組み合わせることによ
って、その意図された光学的な特性が得られるようにな
っている。

【００２４】即ち、この第４の実施形態では、このよう
な回折型光ピックアップレンズを被測定物である光学素
子１として使用し、第１の実施形態と同様の構成のもの
において、反射部材５として、平行平面板であって裏面
鏡のものを使用する。即ちこの反射部材５は、先の回折
型光ピックアップレンズと組み合わせて使用する際に、
所定の材質及び厚さを有するＣＤ或いはＤＶＤなどのデ
ィスクと光学的に等価なものを使用しており、裏面側に
はＡｌなどが成膜されている。ここで、光学的に等価で
あるためには、ディスクの屈折率をＮｄ、厚さをＤｄと
し、反射部材５の屈折率をＮｒ、厚さをＤｒとすると、
Ｄｄ／Ｎｄ＝Ｄｒ／Ｎｒであって、かつ、球面収差など
の光学素子の結像性能が最良となるように考慮し、最適
化されていることが必要である。

【００２５】次に、この発明に係る第５実施形態につい
て、図５を参照しながら説明する。この実施形態では、
第１の実施形態と同様の構成のものにおいて、反射部材
５を光学素子１の実焦点近傍で光軸に沿って移動させる
移動手段１０と、測光部７で検出された光の透過率、反
射率、光強度又は光量に応じた出力信号を処理して最大
値を求めるために、測光部７と表示部８との間に設けた
ピークホールド回路１１とを追加して備えている。

【００２６】移動手段１０は、いずれも図示しないが、
光軸方向に沿って設けた移動ガイドと、この移動ガイド
に沿って移動する移動台と、この移動台に反射部材を固
定する支持部材と、移動台を移動させる駆動機構等とか
ら構成することができる。駆動機構としてはモータとボ
ールねじとの組み合わせ、或はピエゾ素子などを使用で
きる。なお、この反射部材の移動方式としては、一方向
へスキャンさせてもよいし、特定の範囲内で往復移動さ
せてもよい。

【００２７】従って、この実施形態によれば、移動手段
１０により、移動される反射部材５が光学素子１の実焦
点位置にきたとき、空間フィルタ６の絞り位置での光束
径が最小となるので、測光部７で検出される光量が最大
になる。そこで、この最大値をピークホールド回路１１
で保持することによって、より正確に測光することがで
きる。これにより、光学素子１について、例えば、表面
状態や内部の屈折率分布状態などの光学特性データが得
られる。

【００２８】次に、これらの実施形態を用いて実際に被
測定物である光学素子を測定するための方法について、
説明する。これら第１乃至第５の実施形態のいずれにお
いても、測定方法は基本的には比較測定であり、初めに
基準となる光学素子（以下，基準光学素子とよぶ）を用
意してセットし、この基準光学素子での光量測定値を１
００％として設定する。次に、測定すべき個々の光学素
子による光量測定値を測定すれば、これらの相対値から
透過率或は反射率を検出できる。なお、これらの実施形
態のうち、図２に示す第２の実施形態では、光学素子１
が透過型のアフォーカル系なので、基準光学素子は特に
設けなくても測定が可能であり、この場合には、相対値
ではなく、絶対値となる。また、図４に示す実施形態で
は、対象とする回折型の光学素子１と巨視的な形状及び
材質が同じで、回折パターンだけが形成されていないも
のを基準とすれば、回折パターンの形成による光の散乱
への影響、つまり損失を詳細に測定することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明は、
光源から出射され，測定対象となる被測定物を透過又は
反射する光の透過率、反射率、光強度又は光量を測定する
光量測定装置であって、光源が被測定物の使用状況に合
わせた出射光を発生するとともに、測定の対象としない
ノイズやフレアなどの余計な光を遮断する空間フィルタ
と、この空間フィルタを通過した光の透過率、反射率、光
強度又は光量を測定する測定手段と、被測定物の光軸上
で、被測定物の実焦点位置に配置した反射部材とを備
え、被測定物の位置決め誤差の影響を受けずに光の透過
率、反射率、光強度又は光量を測定するように構成した。

【００３０】従って、この発明によれば、例えば、被測
定物である光学素子が測定位置に正しくセットされてお
らず多少位置ずれを生じていても、この光学素子を透過
または反射する光は、元の往路と同一光路である復路を
進行して測光部へ入射することができるから、光学素子
に位置ずれを生じていても、その影響を受けることなく
確実に光量の測定を行うことができる。

【００３１】さらに、この発明によれば、被測定物であ
る光学素子の影響を２度受けた光についてその光量を測
定しているから、測定感度の高い光量測定が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態に係る光量測定装置
における光路図である。

【図２】第２実施形態に係る光量測定装置を示す概略構
成図である。

【図３】第３実施形態に係る光量測定装置を示す概略構
成図である。

【図４】第４実施形態に係る光量測定装置を示す概略構
成図である。

【図５】第５実施形態に係る光量測定装置を示す概略構
成図である。

【図６】従来の光量測定装置を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１ 光学素子（被測定物） １Ａ 入射面 ２ 光源部 ３ ハーフミラー ４ 試料台 ５ 反射部材 ６ 空間フィルタ ７ 測光部（測定手段） ８ 表示部 ９Ａ 補助レンズ ９Ｂ 集光レンズ １０ 移動手段 １１ ピークホールド回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から出射され，測定対象となる被測
   定物を透過又は反射する光の透過率、反射率、光強度又は
   光量を測定する光量測定装置であって、 前記光源が被測定物の使用状況に合わせた出射光を発生
   するとともに、 測定の対象としないノイズやフレアなどの余計な光を遮
   断する空間フィルタと、 この空間フィルタを通過した光の透過率、反射率、光強度
   又は光量を測定する測定手段と、 被測定物の光軸上で、被測定物の実焦点位置に配置した
   反射部材とを備え、被測定物の位置決め誤差の影響を受
   けずに光の透過率、反射率、光強度又は光量を測定するよ
   うに構成したことを特徴とする光量測定装置。
2. 【請求項２】 被測定物が実焦点を持たないアフォーカ
   ル系又は発散系の光学系の場合には、正のパワーを有す
   る補助レンズを配置するとともに、その実焦点位置に反
   射部材を配置するように構成し、反射部材で反射した光
   は後に逆行させ、光学素子を再度透過又は反射させるよ
   うに構成したことを特徴とする請求項１に記載の光量測
   定装置。
3. 【請求項３】 反射部材が、所定の厚さを有する光透過
   性材料からなる裏面鏡であることを特徴とする請求項１
   又は２に記載の光量測定装置。
4. 【請求項４】 反射部材の厚さは、被測定物の厚さ及び
   屈折率に応じて一義的に決定されていることを特徴とす
   る請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光量測定装
   置。
5. 【請求項５】 反射部材に、被測定物の実焦点位置近傍
   であって、その光軸に沿って移動させる移動手段を設け
   るとともに、 測定手段で測定された光の透過率、反射率、光強度又は光
   量の偏りを検出する手段としてピークホールド回路を設
   けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に
   記載の光量測定装置。