JP2004325722A

JP2004325722A - 光機能素子

Info

Publication number: JP2004325722A
Application number: JP2003119543A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Okitsu; 昌広興津; Kazuyuki Ogura; 和幸小椋; Hiroshi Hatano; 洋波多野
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】平面に近い曲面を有するレンズなどの反射波面の干渉縞の観察できる範囲を適切な大きさにして、かつ、回折パターンによって生成される波面の精度が高い光機能素子を得る。
【解決手段】共に回折パターンを備えた第１面１５ａと第２面１５ｂを持つ回折素子である光機能素子。所定波長の入射光が、第１面１５ａ、第２面１５ｂの順に回折偏向されて出射した後、外部の反射面（被測定レンズ４１の被検面であって、平面に近い曲面）で反射されて第２面１５ｂ、第１面１５ａの順に回折偏向されて出射する。第１面１５ａの回折角θ１が第２面１５ｂの出射角θ２よりも大きく、かつ、第１面１５ａ及び第２面１５ｂの回折方向が互いに逆方向である。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光機能素子、特に、大きな曲率半径や非球面量を多く用いた形状によって平面に近い曲面を有するレンズなどの面形状測定装置などに使用される光機能素子に関する。
【０００２】
【従来の技術と課題】
特許文献１：特開平６−１１３２３号公報
特許文献２：特開平６−９４９１９号公報
【０００３】
特許文献１には、光の干渉を利用して球面あるいは非球面の面形状を測定するトワイマン−グリーン干渉計が開示されており、レンズアライメント用パターンとレンズ測定用パターンを設けた光機能素子を用いている。特許文献２には、回折効率分布が施されている位相変調型ホログラフィ素子が開示されている。
【０００４】
従来、作製された非球面レンズの面形状を評価するには、干渉計にゾーンプレートを透過原器として用い、形成された干渉縞を解析する方法が行われている（特許文献１，２参照）。干渉計としてはフィゾー干渉計、トワイマン−グリーン干渉計が知られている。
【０００５】
干渉計にゾーンプレートを透過原器として用いて面形状を測定する方法の主な利点は、非接触測定が可能であること、及び、全体の面形状を一括で取り込めるために測定時間が短くて済むこと、の２点である。
【０００６】
近年、携帯電話等の小型端末に搭載されているマイクロカメラ用レンズに代表されるように、小径レンズが種々作製され、用いられている。そのような小径レンズの多くは、球面又は非球面を有する曲面レンズである。そのうち、大きな曲率半径や非球面量を多く用いた形状によって平面に近い曲面を有するレンズも存在する。この種の曲面レンズの面形状を測定するのに前記利点を有するゾーンプレートを用いる場合、回折角度が小さなゾーンプレートを作製する必要がある。
【０００７】
従来では、特許文献１，２に開示されているように、また、図１１に示すように、回折パターンを形成した回折面５０ａが１面のみである光機能素子（ゾーンプレート）５０を用いるのが一般的であった。しかしながら、片面ゾーンプレートでは大きな曲率半径や非球面量を多く用いた形状によって平面に近い曲面を有するレンズ５５を良好に測定することが困難であり、その理由は、以下の２点にある。
【０００８】
（１）平面に近い曲面を有するレンズの反射波面を測定する場合、図１１に示すように、回折面５０ａでの回折角θ２が小さく、干渉縞は被測定レンズ５５の測定したい径（有効径）に近い大きさとなる。つまり、干渉縞の観察できる範囲が非常に小さくなる。なお、ここでは、レーザー描画によりパターニングされたバイナリの位相型ゾーンプレートを想定している。
【０００９】
（２）図１２に示すように、回折パターンのピッチは、回折面５０ａでの光路差により決まる。しかし、平面に近い曲面を有するレンズの場合、そのピッチは粗くなり、得られる波面の精度は低くなる。
【００１０】
そこで、本発明の第１の目的は、平面に近い曲面を有するレンズなどの反射波面の干渉縞の観察できる範囲を適切な大きさにして、かつ、回折パターンによって生成される波面の精度が高い光機能素子を提供することにある。
【００１１】
本発明の第２の目的は、前記第１の目的に加えて、作製が容易で、薄型の光機能素子を提供することにある。
【００１２】
本発明の第３の目的は、前記第１の目的に加えて、干渉縞が面内で一様なコントラストとなるように測定に不要な光の影響を低減することが可能な光機能素子を提供することにある。
【００１３】
本発明の第４の目的は、前記第１の目的に加えて、干渉縞のコントラストが良好となるように、入射光と出射光のバランスを調整することが可能な光機能素子を提供することにある。
【００１４】
【発明の構成、作用及び効果】
以上の目的を達成するため、本発明に係る光機能素子は、共に回折パターンを備えた第１面と第２面を持つ回折素子であって、所定波長の入射光が、第１面、第２面の順に回折偏向されて出射した後、外部の反射面で反射されて、第２面、第１面の順に回折偏向されて出射し、第１面の回折角が第２面の出射角よりも大きく、かつ、第１面及び第２面の回折方向が互いに逆方向であることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る光機能素子において、入射光はまず第１面で回折偏向され、さらに第２面で回折偏向される。この場合、第１面の回折角が第２面の出射角よりも大きく、かつ、第１面と第２面の回折方向が互いに逆であることにより、干渉縞の観察できる範囲が大きくなる。また、回折パターンのピッチも細かくなるので、得られる波面の精度が高精度になる。従って、この光機能素子を干渉計の透過原器として用いることで、平面に近い曲面を有するレンズなどであってもその面形状を非接触で効率よく測定することができる。
【００１６】
本発明に係る光機能素子において、前記第１面と第２面の回折パターンは平面上に形成されていることが好ましい。即ち、両面ゾーンプレートとして構成すれば、作製が容易であり、かつ、薄型となり、小型の光機能素子を得ることができる。
【００１７】
また、前記第１面及び第２面の回折パターンはそれぞれの加工径が異なるように形成してもよい。この場合、第２面の回折パターンの加工径を第１面の回折パターンの有効径（測定する際に必要な部分）と同じか、それよりも大きくすれば、干渉縞が面内で一様なコントラストとなるように測定に不要な光の影響を低減することが可能である。
【００１８】
本発明に係る光機能素子において、前記第１面及び第２面の少なくとも一方に、面内の反射率に分布を施すための光学機能膜を設けてもよい。この場合も、干渉縞が面内で一様なコントラストとなるように測定に不要な光の影響を低減することが可能である。
【００１９】
あるいは、前記第１面に、面全体の反射率を調整する光学機能膜を設けてもよい。この場合、干渉縞のコントラストが良好となるように、入射光と出射光のバランスを調整することが可能である。また、第２面に、回折効率が向上するような光学機能膜を設けてもよい。この場合も、干渉縞のコントラストが良好となるように、入射光と出射光のバランスを調整することが可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光機能素子の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００２１】
（フィゾー干渉計、図１参照）
まず、図１を参照して、本発明に係る光機能素子を透過原器（ゾーンプレート）として使用するフィゾー干渉計について説明する。
【００２２】
この干渉計は、光源ユニット１、発散レンズ１０、コリメータレンズ１１、ゾーンプレート１５、ビームスプリッタ２１、結像レンズ３０、干渉縞観察用撮像素子（ＣＣＤカメラ）３１、及び、モニタ３２を備えている。４１は曲面を有する被測定レンズであり、該曲面は平面に近い非曲面とされている。光源ユニット１は、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザーが用いられている。
【００２３】
ゾーンプレート１５は、以下に詳述するように、第１面１５ａ及び第２面１５ｂに所定波長（例えば、波長６３２．８ｎｍ）に対する回折格子を形成した、いわゆる両面ゾーンプレートであり、第１面１５ａの０次反射光を参照面として使用している。
【００２４】
ビームスプリッタ２１は前記所定波長の光に対してハーフミラーとして機能する。光源ユニット１から所定波長の光が放射されると、この光はビームスプリッタ２１で反射光と透過光に分割される。このうち透過光はコリメータレンズ１１を経てゾーンプレート１５の第１面１５ａ及び第２面１５ｂで順次回折偏向され、被測定レンズ４１の面形状に対応した形状測定用波面となる。
【００２５】
被測定レンズ４１の非球面が設計値どおりに作製されていれば、形状測定波面は非球面（被検面）で反射された後、入射してきた光路を逆に進行してビームスプリッタ２１に入射する。ビームスプリッタ２１に再入射した光の一部は反射され、結像レンズ３０を経て撮像素子３１に至る。一方、ゾーンプレート１５の参照面（第１面１５ａ）で反射した光は参照光となり、同様にビームスプリッタ２１に再入射して反射され、結像レンズ３０を経て撮像素子３１に至る。
【００２６】
ここで、撮像素子３１において被検面からの面反射光と参照光とは相互に干渉し、干渉縞を形成する。この干渉縞を解析することにより被検面の形状誤差を判定することができる。
【００２７】
（両面ゾーンプレートの作製）
前記ゾーンプレート１５は、平面に近い曲面を有するレンズの測定を達成するため、第１面１５ａ及び第２面１５ｂに回折パターンを有する一対若しくは１枚の両面ゾーンプレートとして作製した。
【００２８】
なお、この両面ゾーンプレートはレーザー描画によりパターニングされたバイナリの位相型ゾーンプレートを想定しており、回折次数としては主に１次の回折光を用いる。
【００２９】
前記干渉計において被検面の面形状を評価する際には、両面の回折パターンどうしが偏心調整されていることが必要である。偏心調整は平行偏心及び傾き偏心の両方について行う必要がある。この偏心調整を行う方法は二つある。
【００３０】
第１の方法：１枚の平行平面基板を用いて、両面同時、若しくは、基板を取り外さずに連続して表裏面の描画を行う。同じ回転軸で描画を行うために平行偏心及び傾き偏心を解消できる。
【００３１】
第２の方法：平行平面基板に片面ゾーンプレート（回折パターン）をそれぞれ２枚描画し、それらの偏心調整を行って一体化する。
【００３２】
第１の方法において、片面から両面描画するには、以下の３点が必要となる。
（１）描画は２種類の波長の光を用いて行う。
（２）互いの波長の光に感度を有しないレジストを用いる。
（３）基板厚み分の球面収差補正をした対物レンズが必要である。
【００３３】
しかし、２種類の波長の光を用いるために描画装置にレーザーを追加する必要があること、互いの波長で感度を有しないレジストを作製することは容易ではないこと、また、球面収差補正用の対物レンズを新規に制作する必要がある。
【００３４】
また、第１の方法において、両面から描画するにも、前記（３）の対物レンズが不要となっても、前記（１）及び（２）は必要である。
【００３５】
さらに、前記（１）及び（２）を解消する方法として二光子吸収を用いることも考えられるが、そのようなレジストを作製することは容易ではない。
【００３６】
そこで、第２の方法によって両面ゾーンプレートを作製することにした。傾き偏心は高精度の平行平面基板を用いることで解決した。平行偏心は、２枚の基板を光学密着させて片面から平行光を入射させ、その点像を顕微鏡で観察することで調整を行った。例えば、１次回折光×１次回折光の点像と、０次透過光×１次回折光の点像とが一つになるようにすればよい。片方の基板を固定し、他方の基板をマイクロメータヘッド等の送り機構により平行偏心させて調整を行う。
【００３７】
なお、回折面が１面で、もう１面を屈折面（レンズ面）とすることで、同様に光を曲げることが可能である。しかし、高精度の平凸レンズを入手するよりも、高精度の平行平面基板を入手するほうが時間・費用ともに比較的有利である。また、両面ゾーンプレートのように回折面を２面形成するほうが、ゾーンプレートの設計の自由度が増す利点もある。
【００３８】
（ゾーンプレートの第１実施例、図２及び図３参照）
図２に、両面ゾーンプレートの第１実施例及び該ゾーンプレートを使用して平面に近い凸曲面を有する小径のレンズ４１を測定するときの光路を示す。このゾーンプレート１５Ａは、第１面１５ａの回折角θ１が第２面１５ｂの出射角θ２（被検面への入射角θ２）よりも大きく、かつ、第１面１５ａ及び第２面１５ｂの回折方向が互いに逆方向である。
【００３９】
このゾーンプレート１５Ａにおいて、入射光はまず第１面１５ａにて角度θ１で回折偏向され、さらに、第２面１５ｂにて角度θ２で回折偏向され、被測定レンズ４１の面形状に対応した形状測定用波面となる。この形状測定用波面はレンズ４１の凸曲面で反射された後、入射してきた光路を逆に進行して第１面１５ａから出射する。
【００４０】
このゾーンプレート１５Ａを透過原器として使用することにより、干渉縞の観察できる範囲が大きくなると共に、図３に示すように、回折パターンのピッチが細かくなり、得られる波面の精度が高くなる。なお、図３は、ゾーンプレート１５Ａの第１面１５ａ及び第２面１５ｂの回折パターンを等価な片面ゾーンプレートのパターンに展開したものである。
【００４１】
このゾーンプレート１５Ａにおいて、第２面１５ｂの回折パターンの加工径を、第１面１５ａの回折パターンの有効径（測定する際に必要な部分）と同じか、それよりも大きく形成している。
【００４２】
第２面１５ｂの回折パターンの加工径を第１面１５ａの回折パターンの有効径よりも小さくすることもできる。しかし、その部分１５ｂ’（図２参照）を基板のままにしておくと、第１面１５ａでの０次透過光が第２面１５ｂでの回折パターンが形成されていない基板のままの部分（１５ｂ’）で反射され、観察したい干渉縞（被測定レンズ４１の反射波面と第１面１５ａの０次反射波面との干渉縞）に重なってしまい、干渉縞のコントラストが低下する。
【００４３】
これに対して、本第１実施例の如く、前記部分１５ｂ’にも回折パターンが形成されていることにより、０次反射光の効率が小さくなる。そのため、干渉縞の観察（被測定レンズ４１の反射波面と第１面１５ａの０次反射波面との干渉縞）への不要な０次反射光の及ぼす影響は小さく、第１面１５ａの面内での干渉縞のコントラストがほぼ一様になり、干渉縞を良好に観察することが可能になる。
【００４４】
（第１実施例の変形例１、図４参照）
図４に前記両面ゾーンプレート１５Ａの変形例１を示す。この変形例１ではゾーンプレート１５Ａに、実際にレンズ４１の反射波面を測定する際に必要な部分（有効径）にのみ回折格子を形成したものである。
【００４５】
第２面１５ｂの回折パターンの加工径（＝有効径）は第１面１５ａの回折パターンの加工径よりも小さく形成されている。そして、第２面１５ｂでのパターンが形成されていない基板のままの部分に反射防止膜１６を設けた。即ち、第２面１５ｂの面内の反射率に分布を施すための光学機能膜を設けた。
【００４６】
この変形例１では、反射防止膜１６によって第２面１５ｂでの０次反射光が小さくなり、第１実施例として示したゾーンプレート１５Ａと同様に、干渉縞の観察（被測定レンズ４１の反射波面と第１面１５ａの０次反射波面との干渉縞）への不要な０次反射光の及ぼす影響は小さく、第１面１５ａの面内での干渉縞のコントラストがほぼ一様になり、干渉縞を良好に観察することが可能になる。
【００４７】
（第１実施例の変形例２、図５参照）
両面ゾーンプレートとしては、第１面１５ａ及び第２面１５ｂの少なくとも一方に、面全体の反射率を調整する光学機能膜を設けてもよい。このような両面ゾーンプレートを変形例２として説明する。
【００４８】
図５は、第１面１５ａのゾーンプレート用基板１７と光学機能膜１８と回折格子を形成しているレジスト１９を示している。第１面１５ａの０次反射光の波面を前記フィゾー干渉計に用いる参照面としている。
【００４９】
光学機能膜１８はそれを設けないときの０次反射光の効率に比べて、設けたときの０次反射光の効率が低くなるように設計されている。つまり、被測定レンズからの反射光量に対し、参照面の光量が大きい場合、参照面の光量を小さくすることで、参照面の光量と被測定レンズからの反射光量とのバランスを調整する。バランスを調整する（光量比を１：１に近づける）ことにより、干渉縞のコントラスト（面内の一様さではなく、全体のコントラスト）が改善され、干渉縞を良好に観察することが可能となる。
【００５０】
（ゾーンプレートの第２実施例、図６及び図７参照）
図６に、両面ゾーンプレートの第２実施例及び該ゾーンプレートを使用して平面に近い凹曲面を有する小径のレンズ４２を測定するときの光路を示す。このゾーンプレート１５Ｂは、第１面１５ａの回折角θ１が第２面１５ｂの出射角θ２（被検面への入射角θ２）よりも大きく、かつ、第１面及び第２面の回折方向が互いに逆方向である。また、第２面１５ｂの回折パターンの加工径は、第１面１５ａの回折パターンの有効径（測定する際に必要な部分）と同じか、それよりも大きく形成している。
【００５１】
図７に、第２実施例であるゾーンプレート１５Ｂを使用して屈折角の小さな小径のレンズ若しくは回折角の小さな小径の回折素子４２’を測定するときの光路を示す。符号４５は平面反射原器である。
【００５２】
本第２実施例においても、前記第１実施例と同じ作用効果を奏する。また、図４及び図５に示した変形例１，２を適用することができる。
【００５３】
（ゾーンプレートの第３実施例、図８及び図９参照）
図８に、両面ゾーンプレートの第３実施例及び該ゾーンプレートを使用して平面に近い凸曲面を有する大径のレンズ４３を測定するときの光路を示す。このゾーンプレート１５Ｃは、第１面１５ａの回折角θ１が第２面１５ｂの出射角θ２（被検面への入射角θ２）よりも大きく、かつ、第１面及び第２面の回折方向が互いに逆方向である。また、第２面１５ｂの回折パターンの加工径は、第１面１５ａの回折パターンの有効径（測定する際に必要な部分）と同じか、それよりも大きく形成している。
【００５４】
図９に、第３実施例であるゾーンプレート１５Ｃを使用して屈折角の小さな大径のレンズ若しくは回折角の小さな大径の回折素子４３’を測定するときの光路を示す。符号４６は平面反射原器である。
【００５５】
本第３実施例においても、前記第１実施例と同じ作用効果を奏する。また、図４及び図５に示した変形例１，２を適用することができる。
【００５６】
（ゾーンプレートの第４実施例、図１０参照）
図１０に、両面ゾーンプレートの第４実施例及び該ゾーンプレートを使用して平面に近い凹曲面を有する大径のレンズ４４を測定するときの光路を示す。このゾーンプレート１５Ｄは、第１面１５ａの回折角θ１が第２面１５ｂの出射角θ２（被検面への入射角θ２）よりも大きく、かつ、第１面及び第２面の回折方向が互いに逆方向である。また、第２面１５ｂの回折パターンの加工径は、第１面１５ａの回折パターンの有効径（測定する際に必要な部分）と同じか、それよりも大きく形成している。本第４実施例においても、前記第１実施例と同じ作用効果を奏する。また、本第４実施例に対して図４及び図５に示した変形例１，２を適用することができる。
【００５７】
（他の実施形態）
なお、本発明に係る光機能素子は前記実施例や変形例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
【００５８】
例えば、本発明に係る光機能素子を透過原器として用いる干渉計は、前記フィゾー干渉計のみならずトワイマン−グリーン干渉計であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光機能素子を用いたフィゾー干渉計の概略構成図である。
【図２】本発明に係る光機能素子の第１実施例を用いて小径レンズの凸曲面を測定する際の光路を示す説明図である。
【図３】前記第１実施例における回折パターンの説明図である。
【図４】前記第１実施例の変形例１を用いて小径レンズの凸曲面を測定する際の光路を示す説明図である。
【図５】前記第１実施例の変形例２を示す断面図である。
【図６】本発明に係る光機能素子の第２実施例を用いて小径レンズの凹曲面を測定する際の光路を示す説明図である。
【図７】前記第２実施例を用いてパワーの小さな小径光学素子の透過波面を測定する際の光路を示す説明図である。
【図８】本発明に係る光機能素子の第３実施例を用いて大径レンズの凸曲面を測定する際の光路を示す説明図である。
【図９】前記第３実施例を用いてパワーの小さな大径光学素子の透過波面を測定する際の光路を示す説明図である。
【図１０】本発明に係る光機能素子の第４実施例を用いて大径レンズの凹曲面を測定する際の光路を示す説明図である。
【図１１】従来の光機能素子を用いて小径レンズの凸曲面を測定する際の光路を示す説明図である。
【図１２】前記従来の光機能素子における回折パターンの説明図である。
【符号の説明】
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ…両面ゾーンプレート
１５ａ…第１面
１５ｂ…第２面
１６，１８…反射防止膜
４１，４２，４３，４４…被測定レンズ
４２’，４３’…被測定回折素子

Claims

共に回折パターンを備えた第１面と第２面を持つ回折素子であって、
所定波長の入射光が、第１面、第２面の順に回折偏向されて出射した後、外部の反射面で反射されて、第２面、第１面の順に回折偏向されて出射し、
第１面の回折角が第２面の出射角よりも大きく、かつ、第１面及び第２面の回折方向が互いに逆方向であること、
を特徴とする光機能素子。
前記第１面と第２面の回折パターンは平面上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光機能素子。
前記第１面及び第２面の回折パターンはそれぞれの加工径が異なることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光機能素子。
前記第１面及び第２面の少なくとも一方に、面内の反射率に分布を施すための光学機能膜を設けたことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の光機能素子。
前記第１面及び第２面の少なくとも一方に、面全体の反射率を調整する光学機能膜を設けたことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の光機能素子。