JP2004226502A - Interferometer reference lens - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学干渉計に用いられる干渉計用基準レンズに係わり、例えば、光学部品の面精度測定等に適用可能なフィゾー干渉計に使用される干渉計用基準レンズに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、光学レンズやミラー等の光学部品の表面精度の測定には、干渉計が用いられることが多い。とりわけ、簡易な構造で視野も比較的広く、高精度に測定可能な干渉計として、高精度に製作された基準レンズを備えたフィゾー干渉計が広く使用されている。
【0003】
このフィゾー干渉計では、次のようにしてレンズ面等の球面(以下、被検球面という。)の測定が行われる。まず、平行な入射光束を基準レンズによって集光させて球面波に変換し、これを被検球面に照射する。このとき、球面波の法線の方向(進行方向)が被検球面の法線の方向と一致するようにし、これにより、被検球面からの垂直反射光束(以下、被検光という。)を得る。一方、基準レンズにおける最も被検球面に近い側の面である射出面(以下、基準球面という。)において入射光束の一部を反射させ、反射光束(参照光)を得る。そして、被検光と参照光とを干渉させて干渉縞を生じさせ、これを観察することにより、被検球面の形状測定を行うことができる。
【0004】
フィゾー干渉計に用いられる基準レンズとしては、被検球面側での開口数NAが十分に大きく(NA≧0.806)、見込み角(被検球面の曲率中心から被検球面の最大外径を見込む角度)θ1の大きな凸形状の被検球面であったとしても、その見込み角θ1以上の集束角θ2で集束する球面波光束を形成し、その被検球面の全体に亘って面精度を高精度に測定することが可能なものがある(例えば、特許文献1参照。)。また、本出願人は、先に、十分に大きな開口数NA(例えば、NA≒0.833)を確保しつつ、レンズ外径が最大でも130.0mmと小さく非常にコンパクトな干渉計用基準レンズを提案した(特許文献2参照)。なお、開口数NAと集束角θ2との関係は、
NA=sin(θ2/2)
と表される。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−346613号公報
【特許文献2】
特願2002−029195号
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献1または特許文献2に記載された基準レンズは、より大きな曲率半径と共により大きな外径を有する被検球面を測定するのに好適に用いられ、構成するレンズ枚数も多く、サイズおよび重量も共に比較的大きなものである。したがって、曲率半径および外径がそれほど大きくない被検球面を測定対象とした場合には、コンパクトさに欠け、扱いづらいものとなっていた。また、上記の基準レンズはその構成上、高価である。このため、よりコンパクトであり安価な基準レンズが望まれていた。
【0007】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、良好な収差性能を確保しつつ、集束角を小さくすることなく、よりコンパクトな構成を有する干渉計用基準レンズを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明による干渉計用基準レンズは、入射光束の一部を基準球面で反射させることにより得られる参照光と、基準球面を通過した光束を基準球面の曲率中心と一致する焦点に向かうように集光させたのち、その焦点と一致する曲率中心を有する被検球面で反射させることによって得られる被検光とを干渉させることにより、被検球面の形状を計測し得るように構成された干渉計に用いられる干渉計用基準レンズであって、入射光束の入射側から順に、入射側に凸面を向けた正の第1レンズと、入射側に凸面を向けたメニスカス形状を有する正の第2レンズと、入射側に凸面を向けたメニスカス形状を有する正の第3レンズと、入射側に凸面を向けたメニスカス形状を有する第4レンズとが、配設されて構成されると共に、以下の条件式(1)および(2)を満足するようにしたものである。
2.2≦f3/f≦2.8 ……(1)
0.75≦R5/f≦0.83……(2)
但し、fは干渉計用基準レンズ全系の焦点距離を示し、f3は第3レンズの焦点距離を示し、R5は第3レンズの入射側の面における曲率半径を示す。なお、「正の…レンズ」とは、正の屈折力(パワー)を有するレンズを意味する。
【0009】
本発明の干渉計用基準レンズでは、第1レンズが入射光束を集束し、その光束径を縮小するように機能する。後続の第2および第3レンズが、第1レンズを透過した入射光束を、その集束角を徐々に大きくするように段階的に集光させる機能を発揮する。さらに、第4レンズが、第3レンズから射出された入射光束を焦点に向かうように集束させるように機能する。これに加え、条件式(1)によって第3レンズの適正な正のパワー範囲が規定される。これにより、測定可能な被検球面の最大曲率半径と外径とが規定されると共に後続の第4レンズにおける良好な範囲の曲率半径が規定される。さらに、条件式(2)によって第3レンズの射出側の面における適正な曲率半径が規定され、これにより収差補正が可能となる。
【0010】
本発明による干渉計用基準レンズは、さらに、以下の条件式(3)を満足するように構成されていることが望ましい。
3.6≦f2/f≦5.4 ……(3)
但し、f2は第2レンズの焦点距離を示す。
【0011】
本発明による干渉計用基準レンズは、さらに、以下の条件式(4)を満足するように構成されていることが望ましい。
0.8≦NA ……(4)
但し、NAは干渉計用基準レンズ全系の被検球面側における開口数を示す。
【0012】
本発明による干渉計用基準レンズは、さらに、第1ないし第4レンズの屈折率は、全て1.75以上であることが望ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0014】
まず、図1を参照して、本発明の一実施の形態に係る干渉計用基準レンズ(以下、単に基準レンズという。)が適用されるフィゾー干渉計1について説明する。図1は、本実施の形態に係るフィゾー干渉計1の一構成例を示したものである。フィゾー干渉計1は、レーザ光源2と、レーザ光束発散レンズ3と、ハーフミラー4と、コリメータレンズ5と、基準レンズ6(6A〜6G)と、結像用レンズ8と、撮像素子9とを備えて構成されている。なお、基準レンズ6(6A〜6G)は、後述する異なる7種類の断面構成例のうちのいずれか1つから選択されるが、特に区別が不要な場合はまとめて「基準レンズ6」と記載する。光軸Z1上には、撮像素子9,結像用レンズ8,ハーフミラー4,コリメータレンズ5、基準レンズ6が順に配設される。一方、ハーフミラー4を通り、光軸Z1に直交する軸方向にレーザ光束発散レンズ3およびレーザ光源2が順に配設される。レーザ光束発散レンズ3は、レーザ光源2から射出されたレーザ光束の光束径を拡大する機能を有する。ハーフミラー4は、光軸Z1に対して45°の傾斜をなし、照射される光束の一部を反射させ、残りの光束を透過させるようになっている。コリメータレンズ5は、入射光束を平行な光束に変換する機能を有する。基準レンズ6は、後述する基準球面Fを除く全ての面に反射防止膜が施されたレンズ群であり、入射光束を集光し、焦点Pに向かうように集光させるものである。測定の対象物である被検球面7は、その曲率中心が焦点Pに一致するように配設される。なお、図1の例では、被検球面7は凸球面であるものとして説明する。ここで、基準レンズ6のうち被検球面7に対向する面(最も被検球面7側の面)を基準球面Fと呼ぶ。基準球面Fの曲率中心も焦点Pに一致する。結像用レンズ8は、基準球面Fにおいて反射された光と被検球面7において反射された光とを集光し、撮像素子9上に干渉縞を投影するものである。撮像素子9は、投影された干渉縞を画像データとして取り込む機能を有する。
【0015】
このような構成のフィゾー干渉計1では、次のようにして被検球面7の面精度を測定する。まず、レーザ光源2から所望の波長のレーザ光束を射出する。このレーザ光束は、レーザ光束発散レンズ3によりその光束径が拡大される。拡大されたレーザ光束の一部はハーフミラー4により直角方向、すなわち、光軸Z1に沿う方向に反射する。反射したレーザ光束はさらに光束径を広げながらコリメータレンズ5に入射する。コリメータレンズ5を透過することで平行なレーザ光束に変換され、そのまま基準レンズ6に入射する。基準レンズ6に入射した光束は基準球面Fに入射し、大部分の入射光束は屈折することなく透過する。ところが、基準球面Fには、例えば反射防止膜等は施さない、あるいは増反射膜を施す等の方法により若干の反射率があえて残されている。このため、一部の入射光束は基準球面Fを通過せずにここで垂直に反射する。この反射光束が参照光となる。一方、基準球面Fを透過した光束は、焦点Pに向かって集束される。図1の例では、基準球面Fと焦点Pとの間に被検球面7が存在するため、被検球面7からの垂直反射光束、すなわち被検光が発生する。但し、被検球面7が凹面の場合には、基準球面Fからの射出光束は一旦、焦点Pに集束したのち再び拡がりながら被検球面7に照射され、被検光が発生する。参照光および被検光は、入射光の経路を逆に辿って進行する。基準レンズ6とコリメータレンズ5とを順に辿り、ハーフミラー4を通過して直進し、結像用レンズ8に到達する。被検光および参照光は結像用レンズ8によって集光され、撮像素子9上に干渉縞を形成する。この干渉縞は、被検球面7の面形状を表すものであり、この干渉縞を観察あるいは解析することで被検球面7の面精度を測定することが可能となる。
【0016】
次に、図2〜図8を参照して、本実施の形態に係る基準レンズ6について、より詳細に説明する。図2〜図8は、基準レンズ6A〜6Gにおける断面の構成例を表すものであり、後述の数値実施例1〜7(図9〜図15)にそれぞれ対応している。
【0017】
まず、基準レンズ6の構成について説明する。
【0018】
図2〜図8において、符号Zinc で示す側が入射側(光源側)であり、一方、符号Zemitで示す側が射出側(被検球面側)である。符号Riは、最も入射側の面(入射光束入射面)を1番目として、射出側に向かって順次増加するi番目(i=1〜8)の光学面(Si)における曲率半径を示す。符号Diは、i番目の光学面(Si)とi+1番目の光学面(Si+1)との光軸Z1上における面間隔を示す。但し、D8は面S8と焦点Pとの距離を示し、この場合、曲率半径R8と一致する。符号Ljは、最も入射側のレンズを1番目として、射出側に向かって順次増加するj番目(j=1〜4)のレンズを示す。さらに、符号θ2は、焦点Pに向かって集光される入射光束の集束角θ2を示す。
【0019】
この基準レンズ6は、光軸Z1に沿って、入射光束の入射側から順に、入射側に凸面を向けた正の第1レンズL1と、入射側に凸面を向けたメニスカス形状を有する正の第2レンズL2と、入射側に凸面を向けたメニスカス形状を有する正の第3レンズL3と、入射側に凸面を向けたメニスカス形状を有する第4レンズL4とが配設されたものである。第4レンズL4の射出側の凹面、すなわち、入射光束射出面S8が基準球面Fである。
【0020】
図2では、第1レンズL1が両凸形状をなすようにしたが、図3〜図8のようにメニスカス形状をなすようにしてもよいし、あるいは平凸形状をなすようにしてもよい。また、第4レンズL4は正の屈折力に限定されず、負の屈折力を有するようにしてもよい。
【0021】
基準レンズ6は、良好な収差性能と共にコンパクト性を確保するために、以下の条件式(1)および(2)を満たすように構成されている。ここで、fは基準レンズ6A全系の焦点距離を示し、f3は第3レンズL3の焦点距離を示し、R5は第3レンズL3の入射側の面S5における曲率半径を示す。
2.2≦f3/f≦2.8 ……(1)
0.75≦R5/f≦0.83……(2)
【0022】
基準レンズ6は、より良好な収差性能と共に製造上の容易さを確保するために、さらに、以下の条件式(3)を満足するように構成されていることが望ましい。ここで、f2は第2レンズL2の焦点距離を示す。
3.6≦f2/f≦5.4 ……(3)
【0023】
基準レンズ6は、さらに、より大きな見込み角θ1を有する被検球面7の測定を行うため以下の条件式(4)を満足するように構成されていることが望ましい。ここで、NAは基準レンズ6A全系の被検球面側における開口数である。
0.8≦NA ……(4)
【0024】
さらに、基準レンズ6は、より容易に製造可能とするために、第1ないし第4レンズL1〜L4が、全て1.75以上の屈折率Nj(j=1〜4)を有するように構成することが望ましい。
【0025】
次に、基準レンズ6の光学的な作用および効果について説明する。
【0026】
基準レンズ6に入射した光束は、第1〜第4レンズL1〜L4を順次透過し、焦点Pに向かって集光する。
【0027】
ここで、第1レンズL1は、主として光束集束機能を発揮する。光束集束機能は、入射光束の光束径を集束する機能である。仮に入射光束入射面S1が入射側に向けて凹面をなしていたとすると、基準レンズ6における基準球面F(面S8)の曲率半径R8は大きくなる反面、基準レンズ6全体のサイズが大きくなってしまう。さらに、後続のレンズが分担するパワーが増加するので、少ない枚数での収差補正が困難となる。これに対し、本実施の形態では、第1レンズL1が凸面(入射光束入射面S1)を入射側に向けた正のレンズであるので、入射光束は第1レンズL1を透過することにより集束して光束径が縮小する。この結果、基準レンズ6を少ないレンズ枚数で構成することができ、かつ、その最大径を小さく抑えることができる。
【0028】
第2および第3レンズL2,L3は、それぞれ、入射側に凸面を向けた正のメニスカス形状をなしているので、光束が各面を通過する際に急激に屈曲するのを回避することができる。すなわち、徐々に入射光束の開口数NAが大きくなるように集光しつつ、各レンズでの球面収差の発生を低減することができる。但し、集束角θ2(開口数NA)の増大に伴って光束径は次第に小さくなる。
【0029】
第4レンズL4は、凸球面の被検球面7を測定可能とするために面S8(基準球面F)が射出側に向かって凹面となり、第3レンズL3から射出した光束を透過させることによって、焦点Pを曲率中心とし面S8と同じ曲率半径を有する球面波を形成するように機能する。面S8から射出した球面波は、次第に曲率半径を縮小しながら焦点Pに向かって進行し、被検球面7に垂直入射(被検球面7の法線方向と波面の法線方向とが一致するように入射)する。したがって、被検球面7が凸球面の場合には、面S8の曲率半径R8は測定可能な最大曲率半径を規定する。なお、凹球面の場合には、当然ながら曲率半径R8の制限はない。また、入射側の面S7が入射側に向かって凸形状を有するようになっているので、球面収差の補正を効率的に行うことができる。
【0030】
条件式(1)は、第3レンズL3の適正な正のパワー範囲を規定している。条件式(1)の下限を下回ると、第3レンズL3のパワーが強くなり過ぎ、第3レンズL3の周縁部における厚みが薄くなってしまい、製造することが困難となる。あるいは、面S8(基準球面F)の曲率半径R8が小さくなってしまい、比較的大きな曲率半径を有する凸球面が測定不可能となる。さらに、球面収差を十分に補正できなくなる。一方、条件式(1)の上限を上回ると第3レンズL3のパワーが弱くなるので、後続の第4レンズL4の入射面S7における曲率半径R7が大きくなり過ぎてしまう。このため、面S7の寸法誤差に対して、高次の球面収差が高感度で発生することとなり、製造する上で、極めて高い寸法精度が要求される。
【0031】
条件式(2)は、第3レンズL3の射出側の面S5における適正な曲率半径R5を規定している。条件式(2)の下限を下回ると、第2レンズL2からの光束が急激に屈曲されることになり、球面収差が発生しやすくなる。さらに、面S5を見込む角度が大きくなるので、均一な研磨加工が困難となる。一方、条件式(2)の上限を上回ると、第2レンズL2からの光束を十分に集光できなくなるため、その分、後続の第4レンズL4における曲率半径R7を小さくせざるを得なくなる。このため、第4レンズL4において球面収差が発生しやすい。
【0032】
条件式(3)は、第2レンズL2の適正な正のパワー範囲を規定している。条件式(3)の下限を下回ると第2レンズL2のパワーが強くなり過ぎてしまう。このため、第2レンズL2の面S4と第3レンズL3の面S5との間隔D4の変化によって発生する球面収差に対する感度が、後続の第4レンズL4の中心厚D7の変化によって発生する球面収差に対する感度よりも高くなってしまうので、面間隔調整などによる補正が困難となる。一方、条件式(3)の上限を上回ると、第2レンズL2のパワーが不足するので、後続の第3レンズL3が負担するパワー配分を極端に大きくする必要が生じる。このため、第3レンズL3の面S5を見込む角度が大きくなり過ぎ、面S5の均一な研磨加工が困難となる。また、第3レンズL3ではなく第1レンズL1がパワーを負担するようにすると、基準レンズ6に入射した直後の段階、すなわち、第1レンズL1を透過した時点において集束角が大きくなり過ぎ、光束径が小さくなってしまう。その結果、面S8(基準球面F)の曲率半径R8が小さくなってしまい、凸球面(被検球面7)における測定可能な最大曲率半径が小さくなってしまう。
【0033】
また、第1ないし第4レンズL1〜L4が、全て1.75以上の屈折率Nj(j=1〜4)を有することにより、第1ないし第4レンズL1〜L4における適正なパワー配分がなされる。第1ないし第4レンズL1〜L4のいずれかにおける屈折率Njが1.75未満の場合、第3レンズL3の曲率半径R5または第4レンズL4の曲率半径R7が小さくなり過ぎ、面S5または面S7の均一な研磨加工が困難となる。
【0034】
以上説明したように、本実施の形態によれば、上述の構成を有して各条件式を満たすことにより、フィゾー干渉計に適し、光学的な性能面と実用面とのバランスに優れた基準レンズを得ることができる。具体的には、入射光束径を拡大することなく球面収差等の諸収差を抑制すると共に、4枚という少ないレンズ枚数であっても、比較的大きな集束角θ2を確保できる。これにより、全体として軽量かつコンパクトでありながら、比較的大きな見込み角θ1の凸球面(被検球面7)の測定が可能となる。
【0035】
【実施例】
次に、上記実施の形態に係る基準レンズにおける、いくつかの実施例について説明する。以下では、第1〜第7の数値実施例(実施例1〜7)についてまとめて説明する。
【0036】
<実施例1〜7>
図9〜図15は、それぞれ、基準レンズ6A〜6G(図2〜図8)の構成に対応する実施例1〜7としてのレンズデータを示すものである。各図の面番号Siの欄には、最も入射側の面(すなわち、第1レンズL1の入射面)を1番目として射出側に向かって順次増加する光学面の番号を示す。曲率半径Riの欄には図2〜図8に付した符号Riに対応した値を示し、面間隔Diの欄には図2〜図8に付した符号Diに対応した値を示す。これら曲率半径Riおよび面間隔Diの値の単位はミリメートル(mm)である。さらに、屈折率Njの欄には、入射側からj番目(j=1〜4)のレンズLjのHe−Neレーザ光線(波長λ=632.8nm)における屈折率の値を示す。実施例1〜7では、屈折率Njは全て1.79885(>1.75)であり、条件式(4)を満たしている。なお、各実施例のレンズデータは、入射光束径Φinが100mmとなるように規格化したものである。
【0037】
図16は、実施例1〜7について、開口数NA,基準レンズの全長TL(mm),基準レンズ全系の焦点距離fおよび上記の各条件式(1)〜(3)に対応する数値を示したものである。図16に示したように、実施例1〜7では、開口数NAは全て0.8を上回る値であり、実施例1から順に大きくなるように構成されている。これに伴い、面S8(基準球面F)の曲率半径R8は、実施例1から順に小さくなるように構成されている。実施例1〜7では、いずれも、各条件式(1)〜(3)を全て満たしていることが明らかである。
【0038】
図17〜図23は、実施例1〜7の基準レンズ6A〜6Gについての球面収差を表す収差図である。図17〜図23の球面収差は、いずれもHe−Neレーザ光線(波長λ=632.8nm)に対する収差である。
【0039】
以上の各レンズデータおよび各収差図からわかるように、実施例1〜7の基準レンズ6A〜6Gでは、球面収差が良好に補正されている。これに加え、ある程度大きな集束角θ2を確保しつつ、軽量かつコンパクトな構造を実現している。具体的には、レンズ全長TLが49.457mm〜56.783mmである4枚構成をなし、集束角θ2=107.50°〜151.86°を確保している。 なお、本実施例1〜7は、いずれも入射光束径Φinを100mmとして規格化しているので、片側1mmずつの枠当たりしろを確保したとしても最大レンズ外径φmax は102mm程度である。
【0040】
以上、実施の形態およびいくつかの実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、これらの実施の形態および実施例に限定されず、種々変形可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径R、面間隔Dおよび屈折率Nの値は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の数値を取ることができる。
【0041】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の干渉計用基準レンズによれば、入射光束の入射側から順に、入射側に凸面を向けた正の第1レンズと、入射側に凸面を向けたメニスカス形状を有する正の第2レンズと、入射側に凸面を向けたメニスカス形状を有する正の第3レンズと、入射側に凸面を向けたメニスカス形状を有する第4レンズとを配設して構成すると共に、条件式(1)および(2)を満足するようにしたので、基準レンズの小型軽量化を図り、かつ、球面収差の増大を抑制しつつ、比較的大きな見込み角の凸球面を測定することが可能となる。すなわち、要求される性能と大きさとのバランスが良好に保たれた干渉計用基準レンズを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る基準レンズが適用されるフィゾー干渉計の概略を示す構成図である。
【図2】図1に示した基準レンズの一構成例を示すものであり、第1の数値実施例(実施例1)に対応する断面図である。
【図3】図1に示した基準レンズの一構成例を示すものであり、第2の数値実施例(実施例2)に対応する断面図である。
【図4】図1に示した基準レンズの一構成例を示すものであり、第3の数値実施例(実施例3)に対応する断面図である。
【図5】図1に示した基準レンズの一構成例を示すものであり、第4の数値実施例(実施例4)に対応する断面図である。
【図6】図1に示した基準レンズの一構成例を示すものであり、第5の数値実施例(実施例5)に対応する断面図である。
【図7】図1に示した基準レンズの一構成例を示すものであり、第6の数値実施例(実施例6)に対応する断面図である。
【図8】図1に示した基準レンズの一構成例を示すものであり、第7の数値実施例(実施例7)に対応する断面図である。
【図9】図2に示した基準レンズの実施例1としてのレンズデータを示す説明図である。
【図10】図3に示した基準レンズの実施例2としてのレンズデータを示す説明図である。
【図11】図4に示した基準レンズの実施例3としてのレンズデータを示す説明図である。
【図12】図5に示した基準レンズの実施例4としてのレンズデータを示す説明図である。
【図13】図6に示した基準レンズの実施例5としてのレンズデータを示す説明図である。
【図14】図7に示した基準レンズの実施例6としてのレンズデータを示す説明図である。
【図15】図8に示した基準レンズの実施例7としてのレンズデータを示す説明図である。
【図16】第1ないし第7の数値実施例に係る基準レンズが満たす条件式のデータを示す説明図である。
【図17】実施例1の基準レンズにおける球面収差を示す収差図である。
【図18】実施例2の基準レンズにおける球面収差を示す収差図である。
【図19】実施例3の基準レンズにおける球面収差を示す収差図である。
【図20】実施例4の基準レンズにおける球面収差を示す収差図である。
【図21】実施例5の基準レンズにおける球面収差を示す収差図である。
【図22】実施例6の基準レンズにおける球面収差を示す収差図である。
【図23】実施例7の基準レンズにおける球面収差を示す収差図である。
【符号の説明】
R1〜R8…曲率半径、D1〜D8…面間隔、N1〜N4…屈折率、L1〜L4…レンズ成分、F…基準球面、P…焦点、Z1…光軸、1…フィゾー干渉計、2…レーザ光源、3…レーザ光束発散レンズ、4…ハーフミラー、5…コリメータレンズ、6(6A〜6G)…干渉計用基準レンズ(基準レンズ)、7…被検球面、8…結像用レンズ、9…撮像素子。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a reference lens for an interferometer used in an optical interferometer, and for example, to a reference lens for an interferometer used in a Fizeau interferometer applicable to, for example, surface accuracy measurement of an optical component.
[0002]
[Prior art]
Generally, an interferometer is often used to measure the surface accuracy of an optical component such as an optical lens or a mirror. In particular, a Fizeau interferometer having a reference lens manufactured with high precision is widely used as an interferometer having a simple structure and a relatively wide field of view and capable of measuring with high precision.
[0003]
In this Fizeau interferometer, measurement of a spherical surface (hereinafter, referred to as a spherical surface to be measured) such as a lens surface is performed as follows. First, a parallel incident light beam is condensed by a reference lens, converted into a spherical wave, and radiated to a spherical surface to be measured. At this time, the direction of the normal line (the traveling direction) of the spherical wave is made to coincide with the direction of the normal line of the test spherical surface, whereby the vertical reflected light beam (hereinafter, referred to as test light) from the test spherical surface. obtain. On the other hand, a part of the incident light beam is reflected on an exit surface (hereinafter, referred to as a reference spherical surface) of the reference lens which is closest to the test spherical surface to obtain a reflected light beam (reference light). Then, by causing the test light and the reference light to interfere with each other to generate interference fringes and observing the interference fringes, the shape of the test spherical surface can be measured.
[0004]
For a reference lens used in a Fizeau interferometer, the numerical aperture NA on the spherical surface side to be measured is sufficiently large (NA ≧ 0.806), and the expected angle (the maximum outer diameter of the spherical surface to be measured from the center of curvature of the spherical surface to be measured) is determined. Even if it is a convex spherical surface to be detected having a large expected angle θ1, a spherical wave luminous flux converging at a convergence angle θ2 larger than the expected angle θ1 is formed, and the surface accuracy is improved over the entire spherical surface to be detected. There is one that can be measured with high accuracy (for example, see Patent Document 1). In addition, the present applicant previously disclosed a very compact interferometer reference lens having a small lens outer diameter of at most 130.0 mm while securing a sufficiently large numerical aperture NA (for example, NA ≒ 0.833). (See Patent Document 2). Note that the relationship between the numerical aperture NA and the convergence angle θ2 is
NA = sin (θ2 / 2)
It is expressed as
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2000-346613 A [Patent Document 2]
Japanese Patent Application No. 2002-029195 [0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the reference lens described in
[0007]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a reference lens for an interferometer having a more compact configuration without reducing the convergence angle while ensuring good aberration performance. It is in.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The reference lens for an interferometer according to the present invention collects the reference light obtained by reflecting a part of the incident light beam on the reference spherical surface and the light beam that has passed through the reference spherical surface toward a focal point that coincides with the center of curvature of the reference spherical surface. Interferometer configured to measure the shape of the test sphere by interfering with the test light obtained by reflecting the light on the test sphere having a center of curvature coinciding with the focal point after the light is illuminated. Reference lens for an interferometer, which is, in order from the incident side of the incident light beam, a positive first lens having a convex surface facing the incident side, and a positive second lens having a meniscus shape having a convex surface facing the incident side And a positive third lens having a meniscus shape with a convex surface facing the incident side, and a fourth lens having a meniscus shape with a convex surface facing the incident side are arranged and configured. (1) And it is obtained so as to satisfy (2).
2.2 ≦ f3 / f ≦ 2.8 (1)
0.75 ≦ R5 / f ≦ 0.83 (2)
Here, f indicates the focal length of the entire reference lens system for the interferometer, f3 indicates the focal length of the third lens, and R5 indicates the radius of curvature of the third lens on the incident side surface. The “positive lens” means a lens having a positive refractive power.
[0009]
In the reference lens for an interferometer according to the present invention, the first lens functions to focus the incident light beam and reduce the light beam diameter. Subsequent second and third lenses exhibit a function of condensing the incident light beam transmitted through the first lens stepwise so as to gradually increase the convergence angle. Further, the fourth lens functions to focus the incident light flux emitted from the third lens toward the focal point. In addition, a proper positive power range of the third lens is defined by the conditional expression (1). Thus, the maximum radius of curvature and the outer diameter of the measurable spherical surface to be measured are defined, and the radius of curvature of a favorable range in the subsequent fourth lens is defined. Further, an appropriate radius of curvature on the exit-side surface of the third lens is defined by the conditional expression (2), thereby enabling aberration correction.
[0010]
It is preferable that the reference lens for an interferometer according to the present invention is further configured to satisfy the following conditional expression (3).
3.6 ≦ f2 / f ≦ 5.4 (3)
Here, f2 indicates the focal length of the second lens.
[0011]
It is preferable that the reference lens for an interferometer according to the present invention is further configured to satisfy the following conditional expression (4).
0.8 ≦ NA (4)
Here, NA indicates the numerical aperture on the test spherical surface side of the entire interferometer reference lens system.
[0012]
In the reference lens for an interferometer according to the present invention, it is preferable that the refractive indexes of the first to fourth lenses are all 1.75 or more.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0014]
First, a
[0015]
In the
[0016]
Next, the
[0017]
First, the configuration of the
[0018]
2 to 8, the side indicated by reference sign Zinc is the incident side (light source side), while the side indicated by reference sign Zemit is the exit side (test spherical surface side). The symbol Ri indicates the radius of curvature on the i-th (i = 1 to 8) optical surface (Si) that sequentially increases toward the emission side, with the most incidence side surface (incident light beam incidence surface) as the first. The symbol Di indicates a surface interval between the i-th optical surface (Si) and the (i + 1) -th optical surface (Si + 1) on the optical axis Z1. Here, D8 indicates the distance between the surface S8 and the focal point P, and in this case, coincides with the radius of curvature R8. The symbol Lj indicates a j-th (j = 1 to 4) lens sequentially increasing toward the emission side, with the lens on the most incidence side being the first lens. Further, the symbol θ2 indicates the convergence angle θ2 of the incident light beam focused toward the focal point P.
[0019]
The
[0020]
In FIG. 2, the first lens L1 has a biconvex shape. However, the first lens L1 may have a meniscus shape as shown in FIGS. 3 to 8, or may have a plano-convex shape. Further, the fourth lens L4 is not limited to the positive refractive power, but may have a negative refractive power.
[0021]
The
2.2 ≦ f3 / f ≦ 2.8 (1)
0.75 ≦ R5 / f ≦ 0.83 (2)
[0022]
It is preferable that the
3.6 ≦ f2 / f ≦ 5.4 (3)
[0023]
It is desirable that the
0.8 ≦ NA (4)
[0024]
Further, the
[0025]
Next, the optical function and effect of the
[0026]
The light beam incident on the
[0027]
Here, the first lens L1 mainly exhibits a light beam focusing function. The light beam focusing function is a function of focusing the light beam diameter of the incident light beam. Assuming that the incident light beam incident surface S1 is concave toward the incident side, the radius of curvature R8 of the reference spherical surface F (surface S8) of the
[0028]
Since the second and third lenses L2 and L3 each have a positive meniscus shape with the convex surface facing the incident side, it is possible to avoid a sharp bending of the light beam when passing through each surface. . That is, it is possible to reduce the occurrence of spherical aberration in each lens while converging the numerical aperture NA of the incident light beam so as to gradually increase. However, the beam diameter gradually decreases as the convergence angle θ2 (numerical aperture NA) increases.
[0029]
The fourth lens L4 has a surface S8 (reference spherical surface F) that is concave toward the exit side so that the convex
[0030]
Conditional expression (1) defines an appropriate positive power range of the third lens L3. When the value goes below the lower limit of conditional expression (1), the power of the third lens L3 becomes too strong, and the thickness of the peripheral portion of the third lens L3 becomes thin, which makes it difficult to manufacture. Alternatively, the radius of curvature R8 of the surface S8 (reference spherical surface F) becomes small, so that a convex spherical surface having a relatively large radius of curvature cannot be measured. Further, spherical aberration cannot be sufficiently corrected. On the other hand, when the value exceeds the upper limit of the conditional expression (1), the power of the third lens L3 becomes weak, so that the radius of curvature R7 on the incident surface S7 of the subsequent fourth lens L4 becomes too large. Therefore, high-order spherical aberration occurs with high sensitivity to the dimensional error of the surface S7, and extremely high dimensional accuracy is required in manufacturing.
[0031]
Conditional expression (2) defines an appropriate radius of curvature R5 on the exit-side surface S5 of the third lens L3. When the value goes below the lower limit of conditional expression (2), the light beam from the second lens L2 is sharply bent, and spherical aberration is likely to occur. Further, since the angle for viewing the surface S5 becomes large, uniform polishing becomes difficult. On the other hand, when the value exceeds the upper limit of the conditional expression (2), the light beam from the second lens L2 cannot be sufficiently condensed. Therefore, the curvature radius R7 of the subsequent fourth lens L4 must be reduced accordingly. Therefore, spherical aberration is likely to occur in the fourth lens L4.
[0032]
Conditional expression (3) defines an appropriate positive power range of the second lens L2. If the lower limit of conditional expression (3) is exceeded, the power of the second lens L2 will be too strong. For this reason, the sensitivity to the spherical aberration caused by the change in the distance D4 between the surface S4 of the second lens L2 and the surface S5 of the third lens L3 is changed to the spherical aberration caused by the change in the center thickness D7 of the subsequent fourth lens L4. Therefore, it becomes difficult to perform correction by adjusting the surface interval or the like. On the other hand, when the value exceeds the upper limit of the conditional expression (3), the power of the second lens L2 becomes insufficient, so that it is necessary to extremely increase the power distribution that the subsequent third lens L3 bears. For this reason, the angle at which the surface S5 of the third lens L3 is viewed becomes too large, and uniform polishing of the surface S5 becomes difficult. Further, if the first lens L1 bears the power instead of the third lens L3, the convergence angle becomes too large immediately after the light enters the
[0033]
In addition, since the first to fourth lenses L1 to L4 all have a refractive index Nj (j = 1 to 4) of 1.75 or more, appropriate power distribution in the first to fourth lenses L1 to L4 is performed. You. When the refractive index Nj of any of the first to fourth lenses L1 to L4 is less than 1.75, the radius of curvature R5 of the third lens L3 or the radius of curvature R7 of the fourth lens L4 becomes too small, and the surface S5 or the surface It becomes difficult to perform uniform polishing in S7.
[0034]
As described above, according to the present embodiment, by satisfying each of the conditional expressions having the above-described configuration, it is suitable for a Fizeau interferometer and has a standard excellent in balance between optical performance and practical use. You can get a lens. Specifically, various aberrations such as spherical aberration are suppressed without increasing the diameter of the incident light beam, and a relatively large convergence angle θ2 can be ensured even with a small number of lenses of four. This makes it possible to measure a convex spherical surface (the
[0035]
【Example】
Next, several examples of the reference lens according to the above embodiment will be described. Hereinafter, first to seventh numerical examples (Examples 1 to 7) will be described collectively.
[0036]
<Examples 1 to 7>
9 to 15 show lens data as Examples 1 to 7 corresponding to the configurations of the
[0037]
FIG. 16 shows numerical values corresponding to the numerical apertures NA, the total length TL (mm) of the reference lens, the focal length f of the entire reference lens system, and the above-described conditional expressions (1) to (3) for Examples 1 to 7. It is shown. As shown in FIG. 16, in Examples 1 to 7, the numerical apertures NA are all greater than 0.8, and are configured to increase sequentially from Example 1. Accordingly, the radius of curvature R8 of the surface S8 (reference spherical surface F) is configured to decrease in order from the first embodiment. In Examples 1 to 7, it is clear that all of the conditional expressions (1) to (3) are satisfied.
[0038]
17 to 23 are aberration diagrams illustrating spherical aberration of the
[0039]
As can be seen from the lens data and the aberration diagrams described above, the spherical aberrations of the
[0040]
As described above, the present invention has been described with reference to the embodiment and some examples. However, the present invention is not limited to these embodiments and examples, and can be variously modified. For example, the values of the radius of curvature R, the surface interval D, and the refractive index N of each lens component are not limited to the values shown in the above-described numerical examples, and can take other values.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the reference lens for an interferometer according to any one of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a Fizeau interferometer to which a reference lens according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 illustrates a configuration example of a reference lens illustrated in FIG. 1, and is a cross-sectional view corresponding to a first numerical example (Example 1).
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a reference lens illustrated in FIG. 1 and corresponding to a second numerical example (Example 2).
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a reference lens illustrated in FIG. 1 and corresponding to a third numerical example (Example 3).
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a reference lens illustrated in FIG. 1 and corresponding to a fourth numerical example (Example 4).
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a reference lens illustrated in FIG. 1 and corresponding to a fifth numerical example (Example 5).
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the reference lens illustrated in FIG. 1 and corresponding to a sixth numerical example (Example 6).
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the reference lens illustrated in FIG. 1 and corresponding to a seventh numerical example (Example 7).
FIG. 9 is an explanatory diagram showing lens data as Example 1 of the reference lens shown in FIG. 2;
FIG. 10 is an explanatory diagram showing lens data as Example 2 of the reference lens shown in FIG. 3;
FIG. 11 is an explanatory diagram showing lens data as Example 3 of the reference lens shown in FIG. 4;
FIG. 12 is an explanatory diagram showing lens data as Example 4 of the reference lens shown in FIG. 5;
FIG. 13 is an explanatory diagram showing lens data as Example 5 of the reference lens shown in FIG. 6;
FIG. 14 is an explanatory diagram showing lens data as Example 6 of the reference lens shown in FIG. 7;
FIG. 15 is an explanatory diagram showing lens data as Example 7 of the reference lens shown in FIG. 8;
FIG. 16 is an explanatory diagram showing data of conditional expressions satisfied by the reference lens according to the first to seventh numerical examples.
FIG. 17 is an aberration diagram showing a spherical aberration in the reference lens of Example 1;
FIG. 18 is an aberration diagram showing a spherical aberration in the reference lens of Example 2;
FIG. 19 is an aberration diagram showing a spherical aberration in the reference lens of Example 3;
FIG. 20 is an aberration diagram showing a spherical aberration of the reference lens of Example 4;
FIG. 21 is an aberration diagram showing a spherical aberration in the reference lens of Example 5;
FIG. 22 is an aberration diagram showing a spherical aberration of the reference lens of Example 6;
FIG. 23 is an aberration diagram showing a spherical aberration of the reference lens of Example 7;
[Explanation of symbols]
R1 to R8: radius of curvature, D1 to D8: surface interval, N1 to N4: refractive index, L1 to L4: lens component, F: reference spherical surface, P: focal point, Z1: optical axis, 1: Fizeau interferometer, 2 ... Laser light source, 3 laser beam diverging lens, 4 half mirror, 5 collimator lens, 6 (6A to 6G) reference lens (reference lens) for interferometer, 7 spherical surface to be measured, 8 lens for imaging, 9 ... Image sensor.
Claims (4)
前記入射光束の入射側から順に、
入射側に凸面を向けた正の第1レンズと、
入射側に凸面を向けたメニスカス形状を有する正の第2レンズと、
入射側に凸面を向けたメニスカス形状を有する正の第3レンズと、
入射側に凸面を向けたメニスカス形状を有する第4レンズと
が、配設されて構成されると共に、以下の条件式(1)および(2)を満足する
ことを特徴とする干渉計用基準レンズ。
2.2≦f3/f≦2.8 ……(1)
0.75≦R5/f≦0.83……(2)
但し、
f:干渉計用基準レンズ全系の焦点距離
f3:前記第3レンズの焦点距離
R5:前記第3レンズの入射側の面における曲率半径
とする。The reference light obtained by reflecting a part of the incident light beam on the reference spherical surface, and the light beam that has passed through the reference spherical surface is condensed so as to be directed to a focal point that coincides with the center of curvature of the reference spherical surface. Interferometer reference used in an interferometer configured to measure the shape of the test spherical surface by interfering with the test light obtained by being reflected by the test spherical surface having a matching center of curvature A lens,
In order from the incident side of the incident light beam,
A first positive lens having a convex surface facing the incident side;
A positive second lens having a meniscus shape with the convex surface facing the incident side,
A positive third lens having a meniscus shape with the convex surface facing the incident side,
A fourth lens having a meniscus shape with a convex surface facing the incident side, and a reference lens for an interferometer, characterized by satisfying the following conditional expressions (1) and (2): .
2.2 ≦ f3 / f ≦ 2.8 (1)
0.75 ≦ R5 / f ≦ 0.83 (2)
However,
f: focal length of the entire interferometer reference lens system f3: focal length of the third lens R5: radius of curvature on the incident side surface of the third lens.
3.6≦f2/f≦5.4 ……(3)
但し、
f2:前記第2レンズの焦点距離
とする。2. The interferometer reference lens according to claim 1, wherein the reference lens is configured to satisfy the following conditional expression (3).
3.6 ≦ f2 / f ≦ 5.4 (3)
However,
f2: The focal length of the second lens.
0.8≦NA ……(4)
但し、
NA:干渉計用基準レンズ全系の前記被検球面側における開口数
とする。3. The reference lens for an interferometer according to claim 1, wherein the reference lens is configured to satisfy the following conditional expression (4).
0.8 ≦ NA (4)
However,
NA: The numerical aperture on the test spherical surface side of the entire interferometer reference lens system.
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の干渉計用基準レンズ。4. The interferometer reference lens according to claim 1, wherein all of the first to fourth lenses have a refractive index of 1.75 or more.
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