JP2005009977A - 光学系偏心測定装置及び光学系偏心測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】所定の光学距離よりも短いコヒーレンス長を有する光束を発する光源1と、前記光束を、1番目の被測定面51に向かう第1の光束及び平面ミラー11に向かう第2の光束に分割する偏光ビームスプリッタ4と、第1の光束を1番目の被測定面51に照射する測定光学系6と、1番目の被測定面51で反射した第1の光束の光路長または第2の光束の光路長の少なくとも一方を調整する移動ステージ12と、1番目の被測定面51で反射した第1の光束及び第2の光束を受光する受光素子20と、1番目の被測定面51の偏心を演算で求める偏心演算部22とを備えた偏心測定装置100を採用した。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学系の偏心量を測定する光学系偏心測定装置及び光学系偏心測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
光学系の偏心量を測定する手法としては、オートコリメーション法による偏心測定法が従来より知られている。オートコリメーション法による偏心測定法は、例えば下記特許文献1に開示されている。図16は、そのようなオートコリメーション法による偏心測定装置の基本構成を示している。
【0003】
同図において、偏心測定装置500は、測定用の光束511を射出する光源520と、光源520からの光束511を被測定面551に照射する測定光学系530と、被測定面551で反射された光束512を、光源520から射出された光束511から分離するハーフミラー521と、被測定面551による反射像を受光する受光素子522とを有している。光源520及び受光素子522は、互いに、共役な位置関係に配置されている。
【0004】
光源520から射出された光束511は、ハーフミラー521を通過し、測定光学系530を経由して被測定面551に照射される。測定光学系530と被測定面551は、被測定面551の曲率中心551aを通り光軸510に直交する平面上においてビームスポットが最小となるように、光軸510に沿った方向の位置が調整される。被測定面551に照射された光束511の一部は、この被測定面551で反射される。被測定面551で反射された光束512は、測定光学系530を経由し、ハーフミラー521で反射され、受光素子522上に、被測定面551による反射像551bを形成する。
【0005】
被測定面551の曲率中心551aが測定光学系の光軸510上にあるときには、被測定面551による反射像551bが基準像位置540に形成されるが、図示のように、被測定面551の曲率中心551aが測定光学系の光軸510からδ1だけずれている(すなわち被測定面551が偏心している)ときには、被測定面551による反射像551bが基準像位置540からδ3だけずれた位置に形成される。
この場合、被測定面551による反射像の結像倍率(測定光学系530の倍率と反射による倍率(等倍反射像を利用するこのタイプでは2となる。)とにより算出される)をβとすると、δ3=βδ1の関係が成立する。したがって、受光素子522の出力から、受光素子522上での被測定面551による反射像551bの基準像位置540からのずれ量δ3とずれの方向を測定することにより、この式から被測定面551の偏心量δ1と偏心方向を求めることができる。
【0006】
また、このオートコリメーション法を、複数のレンズからなる光学系(組み上がりレンズ)に適用した偏心測定法が、例えば下記特許文献2に開示されている。図17は、そのような組み上がりレンズの偏心測定装置の基本構成を示している。
同図において、偏心測定装置501は、1番目の被測定面551と2番目の被測定面552を有する被測定光学系550の、2つの被測定面551,552の偏心を測定するものである。
【0007】
基本的構成に関しては、図16で説明した前記偏心測定装置500と同じ構成を備えている。
よって、前述の手順で、被測定光学系550の1番目の被測定面551による反射像のずれ量及びずれ方向を測定することにより、1番目の被測定面551の偏心量と偏心方向を求めることができる。
【0008】
続いて、2番目の被測定面552の偏心量を測定する方法について述べる。
測定光学系530及び被測定光学系550は、測定光学系530により集光された光束を、2番目の被測定面552のみかけの曲率中心552a(みかけの曲率中心とは、手前の面の屈折作用を考慮した曲率中心である。ある面のみかけの曲率中心に向かって光束を集光させると、光束がその面に垂直入射する。)に集光させるように、光軸510に沿った方向の位置が調整される。
このとき、測定光学系530により集光された光束は、1番目の被測定面551により屈折してから2番目の被測定面552に垂直入射する。2番目の被測定面552に照射された光束511の一部は、2番目の被測定面552で反射される。2番目の被測定面552で反射された光束512は、測定光学系530を経由してからハーフミラー521で反射され、受光素子522上に、2番目の被測定面552による反射像552bを形成する。
【0009】
1番目の被測定面551及び2番目の被測定面552が、それぞれ測定光学系光軸510に対して偏心していない場合には、2番目の被測定面552による反射像552bが基準像位置540に形成される。
一方、1番目の被測定面551もしくは2番目の被測定面552が偏心している場合には、2番目の被測定面552による反射像552bは、1番目の被測定面551の偏心量と2番目の被測定面552の偏心量とに応じて、基準像位置540からずれた位置に形成される。受光素子522の出力から、受光素子522上での2番目の被測定面552による反射像552bの、基準像位置540からのずれ量とずれの方向を測定する。
【0010】
そして、2番目の被測定面552による反射像552bのずれ量及びずれ方向と、1番目の被測定面551の偏心量及び偏心方向と、1番目の被測定面551の曲率と、2番目の被測定面552の曲率と、1番目の被測定面551及び2番目の被測定面552間の間隔と、1番目の被測定面551及び2番目の被測定面552間の媒質の屈折率とを用いて演算することにより、2番目の被測定面552の偏心量と偏心方向を求めることができる。
被測定光学系が3番目以降の被測定面を有する場合には、同様の手順を順次行うことにより、3番目以降の被測定面の偏心量と偏心方向についても求めることが可能である。
【0011】
なお、1番目の被測定面551の曲率、2番目の被測定面552の曲率、1番目の被測定面551及び2番目の被測定面552間の間隔、1番目の被測定面551及び2番目の被測定面552間の媒質の屈折率は、設計値及び実測値のどちらを用いてもよい。
また、この組み上がり偏心量の詳細な求め方については、例えば下記特許文献3に開示されているので、ここではその説明を省略する。
【0012】
【特許文献1】
特開平7−260623号公報
【特許文献2】
特公平7−81931号公報
【特許文献3】
特開昭58−200125号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
図18を用いて、上述した従来技術の課題を以下に説明する。
同図において、被測定光学系550は、3つの面(すなわち、測定対象となる被測定面551と、その他の2つの面552及び面553)を備えている。被測定面551の曲率中心551aと、2番目のその他の面553のみかけの曲率中心553aと、1番目のその他の面552は、光軸510に沿った方向においてごく近い位置に存在している。その他の構成は、図17を用いて説明した前記偏心測定装置501と同じである。
【0014】
光源520から射出された光束511は、ハーフミラー521を通過してから測定光学系530で収束された後、被測定面551に照射される。測定光学系530及び被測定面551は、被測定面551の曲率中心551aを通ってかつ光軸510に直交する平面上においてビームスポットが最小となるように、光軸510に沿った方向の位置が調整される。
被測定面551に照射される光束511の一部は、被測定面551で反射される。被測定面551で反射された光束512は、測定光学系530を経由してハーフミラー521で反射されてから、受光素子522上に、被測定面551による反射像551bを形成する。
【0015】
一方、被測定面551に照射された光束511の一部は、被測定面551により屈折され、1番目のその他の面552上に集光し、その一部が1番目のその他の面552で反射(面上の1点による反射で、いわゆるキャッツアイ反射の状態である。キャッツアイ反射は、面が偏心しても受光素子522上の反射像が動かない特性を持つ。)される。
この、1番目のその他の面552で反射された光束は、被測定面551及び測定光学系530を経由してから、ハーフミラー521で反射され、受光素子522上に、1番目のその他の面552による反射像552cを形成する。
【0016】
さらに、1番目のその他の面552を透過した光束511の一部が、2番目のその他の面553で反射される。この、2番目のその他の面553で反射された光束は、1番目のその他の面552、被測定面551、そして測定光学系530を経由してからハーフミラー521で反射され、受光素子522上に、2番目のその他の面553による反射像553bを形成する。
よって、受光素子522上に、被測定面551による反射像551b、1番目のその他の面552による反射像552c、2番目のその他の面553による反射像553b、の3つの像が同時に形成される。
【0017】
被測定面551の偏心量を測定するには、これら3つの像の中から、被測定面551による反射像を特定する必要がある。しかし、上述のように、被測定面551の曲率中心551aに近い位置に被測定面551以外の面のみかけの曲率中心553a、もしくは被測定面551以外の面(1番目のその他の面552)が存在する場合には、受光素子522上に略同じ大きさの複数のスポット像(反射像)が存在することになり、被測定面551による反射像551bを特定することが困難となる可能性がある。
【0018】
特に、カメラのズームレンズのように、測定対象となる光学系内の面数が多い場合は、面数が多い分だけ、被測定面以外の面による反射像が、被測定面の反射像の近傍に生じる可能性が高くなる。
なお、このような、被測定面以外の面の反射像は、測定対象となる光学系の面だけでなく、偏心測定装置を構成する光学系(上記の測定光学系530等)の面によっても形成される可能性がある。
以上説明のオートコリメーション法では、被測定面での等倍の反射像を利用して測定を行っているが、被測定面の不等倍の反射像を利用して偏心量を求める場合においても、全く同様の課題が生じる。
【0019】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、受光素子上の像の中から被測定面の像を容易かつ確実に特定した上で、被測定面の偏心測定を行うことができる手段の提供を目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項1に記載の光学系偏心測定装置は、光学系の被測定面の偏心を測定する装置であって、所定の光学距離よりも短いコヒーレンス長を有する光束を発する光源と、前記光束を、前記被測定面に向かう第1の光束及び該第1の光束とは別の第2の光束に分割する光束分割手段と、前記第1の光束を前記被測定面に照射する測定光学系と、前記被測定面で反射した前記第1の光束の光路長または前記第2の光束の光路長の少なくとも一方を調整する光路長調整手段と、前記被測定面で反射した前記第1の光束及び前記第2の光束を受光する受光手段とを有し、前記光路長調整手段によって前記2つの光路長の差を前記コヒーレンス長以内に調整することにより前記受光手段上で前記被測定面で反射した前記第1の光束及び前記第2の光束に干渉を生じせしめることにより、前記被測定面で反射した前記第1の光束を判別し、判別された前記受光手段上の前記第1の光束の基準位置に対する位置ずれに基づいて前記被測定面の偏心を求める偏心演算手段とを備えることを特徴とする。
【0021】
上記請求項1に記載の光学系偏心測定装置によれば、光源から発せられた所定の光学距離よりも短いコヒーレンス長を有する光束は、光束分割手段により第1の光束及び第2の光束に分割される。そして、これらのうちの第1の光束は、被測定面に入射して反射される。第2の光束と、被測定面で反射された後の第1の光束とは、受光手段上に互いに重なる像をなすように照射される。この時の受光手段上に、被測定面で反射した第1の光束以外の像が混在していたとしても、光路長調整手段を用いて、被測定面で反射した第1の光束の光路長と第2の光束の光路長とを略一致させる調整を行うことにより、被測定面で反射した第1の光束のスポットのみに干渉縞を発生させ、他の像から判別可能な状態にすることができる。
さらに、特定された第1の光束のスポットの位置ずれを偏心演算手段に取り入れて算出することで、被測定面の偏心を求めることができる。
【0022】
請求項2に記載の光学系偏心測定装置は、請求項1に記載の光学系偏心測定装置において、前記受光手段上における前記第1の光束のスポット径または前記第2の光束のスポット径の何れか一方もしくは両方を調整するスポット径調整手段を備えることを特徴とする。
【0023】
上記請求項2に記載の光学系偏心測定装置によれば、受光手段上で第1の光束のスポットと第2の光束のスポットとを重ね合わせて干渉縞を観察する際に、これら像の何れか一方もしくは両方のスポット径が小さすぎて干渉縞が確認困難である場合には、スポット径調整手段によりスポット径を大きくすることで、容易に干渉縞を観察できる状態にすることができる。また、受光手段上の基準位置に対する第1の光束のスポットの位置ずれを求める際に、この像のスポット径が大きすぎて像の位置を精度良く求めにくい場合には、スポット径調整手段によりスポット径を小さく絞ることで、像の位置を精度良くかつ容易に求めることができる。
【0024】
請求項3に記載の光学系偏心測定装置は、請求項1又は請求項2に記載の光学系偏心測定装置において、前記受光手段上で受光されるべき前記第1の光束のスポットと前記第2の光束のスポットとを内包する受光領域を拡大してから前記受光手段上に照射する受光領域拡大手段を備えることを特徴とする。
【0025】
上記請求項3に記載の光学系偏心測定装置によれば、例えば、受光手段上に照射される第1の光束のスポットと第2の光束のスポットとが干渉縞を観察するには小さく、なおかつ、これらが互いに近接位置に有るような場合には、単純に各像のスポット径のみを拡大させただけでは、受光手段上での各像の間の距離が略固定されたままであるため、各像が互いに重なり合って判別困難になる。これに対し、本発明では、受光領域拡大手段を用いて受光領域を拡大させてから受光手段上に照射することで、各像のスポット径と、各像間の距離との双方を拡大することができるので、各像が判別不可能な状態に重なり合うの防ぎながらも、干渉縞が観察可能な状態まで各像を拡大させることができる。
【0026】
請求項4に記載の光学系偏心測定方法は、光学系の被測定面の偏心を測定する方法であって、所定の光学距離よりも短いコヒーレンス長を有する光束を、前記被測定面に向かう第1の光束及び該第1の光束とは別の第2の光束に分割する工程と、前記被測定面で反射した前記第1の光束及び前記第2の光束を受光手段上で重ね合わせるように受光する工程と、前記被測定面で反射した前記第1の光束及び前記第2の光束の光路長を前記コヒーレンス長以内で略一致させる工程と、前記受光手段上の基準位置に対する前記第1の光束の位置ずれに基づいて前記被測定面の偏心を求める工程とを有することを特徴とする。
【0027】
上記請求項4に記載の光学系偏心測定方法によれば、光源から発せられた所定の光学距離よりも短いコヒーレンス長を有する光束は、一旦、第1の光束及び第2の光束に分割される。そして、これらのうちの第1の光束は、被測定面に入射して反射される。第2の光束と、被測定面で反射された後の第1の光束とは、受光手段上に互いに重なる像をなすように照射される。この時の受光手段上に、被測定面で反射した第1の光束以外の像が混在していたとしても、被測定面で反射した第1の光束の光路長と第2の光束の光路長とを一致させる工程を行うことにより、被測定面で反射した第1の光束のスポットのみに干渉縞を発生させ、他の像から判別可能な状態にすることができる。
このようにして特定された第1の光束のスポットの位置ずれに基づき、被測定面の偏心を求めることができる。
【0028】
請求項5に記載の光学系偏心測定方法は、請求項4に記載の光学系偏心測定方法において、前記受光手段上における前記第1の光束のスポット径または前記第2の光束のスポット径の何れか一方もしくは両方を調整する工程を有することを特徴とする。
【0029】
上記請求項5に記載の光学系偏心測定方法によれば、受光手段上で第1の光束のスポットと第2の光束のスポットとを重ね合わせて干渉縞を観察する際に、これら像の何れか一方もしくは両方のスポット径が小さすぎて干渉縞が確認困難である場合には、本発明のように、スポット径を大きくする工程を行うことで、容易に干渉縞を観察できる状態にすることができる。また、受光手段上の基準位置に対する第1の光束のスポットの位置ずれを求める際に、この像のスポット径が大きすぎて像の位置を精度良く求めにくい場合には、スポット径を小さく絞る工程を行うことで、像の位置を精度良くかつ容易に求めることができる。
【0030】
請求項6に記載の光学系偏心測定方法は、請求項4又は請求項5に記載の光学系偏心測定方法において、前記受光手段上で受光されるべき前記第1の光束のスポットと前記第2の光束のスポットとを内包する受光領域を拡大してから前記受光手段上に照射する工程を有することを特徴とする。
【0031】
上記請求項6に記載の光学系偏心測定方法によれば、例えば、受光手段上に照射される第1の光束のスポットと第2の光束のスポットとが干渉縞を観察するには小さく、なおかつ、これらが互いに近接位置に有るような場合には、単純に各像のスポット径のみを拡大させただけでは、受光手段上での各像の間の距離が略固定されたままであるため、各像が互いに重なり合って判別困難になる。これに対し、本発明では、受光領域を拡大させてから受光手段上に照射する工程を行うことで、各像のスポット径と、各像間の距離との双方を拡大することができるので、各像が判別不可能な状態に重なり合うの防ぎながらも、干渉縞が観察可能な状態まで各像を拡大させることができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
本発明の光学系偏心測定装置及び光学系偏心測定方法についての各実施形態の説明を、図面を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれらのみに限定解釈されるものでないことは勿論である。
【0033】
(第1実施形態)
まず、図1〜図5を参照しながら、本発明の第1実施形態についての説明を以下に行う。
図1に示すように、本実施形態の偏心測定装置(光学系偏心測定装置)100は、コヒーレンス長(可干渉距離)の短い光を発する光源1と、この光源1からの発散光を平行光束にするコリメート光学系2と、このコリメート光学系2からの平行光束をP偏光成分及びS偏光成分に分離して射出する偏光ビームスプリッタ4と、この偏光ビームスプリッタ4からのP偏光成分を円偏光にする1/4波長板9と、この1/4波長板9からの円偏光の平行光束を収束光にするデフォーカス光学系10と、このデフォーカス光学系10からの収束光を反射する平面ミラー11と、偏光ビームスプリッタ4で分離されたS偏光成分を円偏光にする1/4波長板5と、この1/4波長板5からの円偏光の平行光束を被測定面51に発散又は集光させて照射する測定光学系6と、測定対象となる被測定光学系50の被測定面51からの反射光、及び、平面ミラー11からの反射光を集光する結像光学系18と、この結像光学系18により集光された各反射光を受光する受光素子20とを備えて構成されている。
【0034】
光源1は、例えばSLD(スーパー・ルミネッセンス・ダイオード)で構成されている。しかし、光源1はSLDに限定されるものではなく、コヒーレンス長の短い光を発する光源であれば、例えばLEDや高調波重畳したLD、しきい値以下の電流で駆動したLD、ハロゲン光源及び干渉フィルタの組み合わせなどで構成してもよい。
なお、本発明で言う「コヒーレンス長が短い(低コヒーレンス)」とは、「被測定光学系の各面の間の光学距離よりもコヒーレンス長が短い」ことを意味し、更に詳細には「被測定面と、被測定面のみかけの曲率中心位置とみかけの曲率中心位置が近い面との面間の光学距離、もしくは、被測定面と、被測定面のみかけの曲率中心位置と面の位置が近い面との面間の光学距離、以下のコヒーレンス長であること」を示す。数値例で示すと「可干渉距離が1μm以上かつ10mm以下であること」、更に好ましくは「可干渉距離が10μm以上かつ1mm以下であること」を示すものとする。ちなみに、SLDの可干渉距離は数10〜100μm程度である。
【0035】
受光素子20は、例えばCCDで構成されている。しかし、受光素子20はCCDに限定されるものではなく、被測定光学系50の被測定面51からの反射光と、平面ミラー11からの反射光とを検知できる機能を有するものであれば良く、例えばCMOSセンサなどを代わりに採用しても良い。
【0036】
さらに、偏心測定装置100は、コリメート光学系2及び偏光ビームスプリッタ4間に、コリメート光学系2からの平行光束から、1方向の偏光成分を選択して透過させる偏光板3を有している。この偏光板3は、光軸中心に対して回転可能な回転手段(図示せず)により保持されている。
すなわち、前記回転手段を用いて偏光板3を光軸中心回りに回転させることにより、偏光ビームスプリッタ4でのP偏光成分とS偏光成分の分岐比を変更することができるようになっている。
【0037】
ここで言う光軸とは、コリメート光学系2,測定光学系6,デフォーカス光学系10,被測定面51,平面ミラー11,結像光学系18が全く偏心していない状態において、光源1から被測定面51を経て受光素子20に到達する光束と、光源1から平面ミラー11を経て受光素子20に到達する光束の、主光線の軌跡を言うものとする。
【0038】
デフォーカス光学系10及び平面ミラー11は、移動ステージ12により、一体になって光軸方向に移動可能に支持されている。また、この移動ステージ12には、その位置を測定する測長手段13が備えられている。
移動ステージ12は、例えば、図示されないリニアガイドとステッピングモータとボールねじとを備えて構成されている。しかし、移動ステージ12は、これらの組み合わせに限定されるものではなく、デフォーカス光学系10及び平面ミラー11を必要な精度で移動できるものであれば良く、その他の構成も勿論採用可能である。さらには、移動ステージ12の駆動は、自動及び手動のどちらでも良い。
【0039】
測長手段13は、例えば移動ステージ12を駆動するステッピングモータのパルス数をカウントする手段で構成される。しかし、測長手段13はこのような構成に限定されるものではなく、例えばリニアエンコーダやレーザー測長器など、その他の構成を採用しても良い。
測長手段13にレーザー測長器を用いる場合には、特に図示しないが、平面ミラー11の裏面にコーナーキューブを平面ミラー11と一体に配置し、レーザー測長器の測長軸を光軸と一致させることにより、アッベの誤差やcosエラーなどの測長誤差を低減させることが可能となる。
【0040】
偏光ビームスプリッタ4及び平面ミラー11間には、シャッター14が設けられており、必要に応じて平面ミラー11からの反射光を遮蔽できるように構成されている。そして、平面ミラー11からの反射光をシャッター14で遮光することにより、受光素子20は、被測定面51による反射像のみを精度よく検出することができる。
【0041】
測定光学系6は、移動ステージ7により、光軸21方向に沿って移動可能に支持されている。そして、この移動ステージ7には、その位置を測定する測長手段8が備えられている。
移動ステージ7は、例えばリニアガイドとステッピングモータとボールねじから構成されている。しかし、移動ステージ7は、これらの組み合わせに限定されるものではなく、測定光学系6を必要な精度で移動できれば良く、その他の構成も採用可能である。また、移動ステージ7の駆動は、自動及び手動のどちらで行っても良い。
【0042】
測長手段8は、例えば、移動ステージ7を駆動するステッピングモータのパルス数をカウントする手段で構成される。しかし、測長手段8は、このような手段に限定されるものではなく、例えばリニアエンコーダやレーザー測長器など、その他の構成を採用しても良い。
【0043】
なお、本実施形態では、説明を解りやすくするために、測定対象である前記被測定光学系50が、1番目の被測定面51と2番目の被測定面52の2面から構成されるものとした。
ただし、1番目の被測定面51の曲率中心51aと、2番目の被測定面52の見かけの曲率中心52aが、光軸21に垂直な断面で見た場合に極めて近い位置に存在したものとなっている。
【0044】
偏光ビームスプリッタ4及び受光素子20間には、偏光方向の異なる2つの反射光から同一の偏光成分を選択して透過させることにより干渉させるための偏光板15が備えられている。この偏光板15は、光軸中心に対して回転可能な回転手段(図示せず)によって保持されている。そして、前記回転手段を用いて、透過させる偏光方向を調整することにより、干渉縞のコントラストを任意に調整できるようになっている。
【0045】
偏光板15及び受光素子20間には、偏光板16が備えられている。この偏光板16は、光軸中心に対して回転可能な回転手段(図示せず)により保持されている。前記回転手段を用いて偏光板16を光軸中心に対して回転させることにより、受光素子20で検出される光強度を調整することが可能となる。
【0046】
偏光板16及び受光素子20間には、被測定面51からの反射光が受光素子20上で適当な大きさのスポット像を形成するように集光させる結像光学系18が備えられている。
この結像光学系18は、光源1と受光素子20が互いに共役となるように配置されている。この調整は、例えば以下の手順で行う。まず、測定光学系6及び被測定光学系50を配置しない状態で、1番目の被測定面51の位置に図示しない平面ミラーを配置する。そして、この平面ミラーからの反射光が受光素子20上に結像するように、結像光学系18及び受光素子20の光軸21に沿った方向の位置を調整する。
【0047】
以上説明のように、本実施形態の偏心測定装置100は、コヒーレンス長の短い光束を発する光源1と、この光源1から発せられた光束を、1番目の被測定面51及び2番目の被測定面52(被測定面)に向かう光束(第1の光束)及びこの光束(第1の光束)とは別方向の平面ミラー11に向かう他の光束(第2の光束)に分割する偏光ビームスプリッタ(光束分割手段)4と、測定光学系(測定光学系)6を経由して1番目の被測定面51及び2番目の被測定面52(被測定面)で反射された光束(第1の光束)及び平面ミラー11で反射された光束(第2の光束)を受光する受光素子(受光手段)20と、光源1から受光素子20に至るまでの両光束の全光路長が上記コヒーレンス長以内で略等しくなるように、平面ミラー11で反射される方の光束(第2の光束)側の光路長を調整する移動ステージ(光路長調整手段)12と、移動ステージ(光路長調整手段)によって前記2つの光路長の差を前記コヒーレンス長以内に調整することにより前記受光素子(受光手段)20上で被測定面51で反射した光束(第1の光束)と平面ミラー11で反射した光束(第2の光束)に干渉を生じせしめ、また、被測定面52で反射した光束(第1の光束)と平面ミラー11で反射した光束(第2の光束)に干渉を生じせしめることにより、被測定面51で反射した光束と被測定面52で反射した光束を判別し、受光素子(受光手段)20上の基準位置に対する判別された1番目の被測定面51及び2番目の被測定面52(被測定面)の偏心量及び偏心方向(偏心)を求める偏心演算部(偏心演算手段)22とを備えた構成となっている。
さらに、本実施形態の偏心測定装置100は、受光素子(受光手段)20上に照射される、1番目の被測定面51及び2番目の被測定面52(被測定面)からの反射光束(第1の光束)のスポット径を調整する移動ステージ(スポット径調整手段)7を備えた構成となっている。
以下に、この構成を有する偏心測定装置100を用いた光学系偏心測定方法について説明する。
【0048】
本実施形態の光学系偏心測定方法は、光源1から発せられた光束(所定の光学距離よりも短いコヒーレンス長を有する光束)を、1番目の被測定面51及び2番目の被測定面52(被測定面)に向かう光束(第1の光束)と、この光束(第1の光束)とは別方向の平面ミラー11に向かう他の光束(第2の光束)とに分割する工程と、これら2つの光束(第1の光束及び第2の光束)を受光素子(受光手段)20上で重ねるように受光する工程と、これら2つの光束(第1の光束及び第2の光束)の光路長を上記コヒーレンス長以内で略一致させる工程と、受光素子(受光手段)20上の基準位置に対する反射像51b,52b(第1の光束の像)の位置ずれに基づいて1番目の被測定面51及び2番目の被測定面52(被測定面)の偏心を求める工程とを有するものとなっている。
さらに、本実施形態の光学系偏心測定方法は、受光素子(受光手段)20上における反射像51b,52bのスポット径(第1の光束のスポット径)を調整する工程も、必要に応じて行うものとなっている。
以下に、その詳細を説明する。
【0049】
まず、被測定光学系50の1番目の被測定面51の偏心量を測定する手順について述べる。光源1からの発散光束は、コリメート光学系2に入射し、平行光となって偏光ビームスプリッタ4に向かう。偏光ビームスプリッタ4に入射した平行光は、P偏光成分とS偏光成分に分離して射出される。
この時、受光素子20上に到達する平面ミラー11からの反射光と、1番目の被測定面51からの反射光との光強度がほぼ一致するように、偏光板3を回転させ、分離されるP偏光成分の光強度とS偏光成分の光強度とを予め調節する。この調整は、例えば、まず被測定光学系50を配置しない状態で、平面ミラー11からの反射光のみを受光素子20で検出する。次に、被測定光学系50を載置して、シャッター14を閉じて平面ミラー11からの反射光を遮蔽した状態で、1番目の被測定面51からの反射光のみを受光素子20で測定する。これら2つの光強度を見ながら、両者がほぼ一致するように偏光板3を回転させることで調整が完了する。
【0050】
偏光ビームスプリッタ4で分離されたP偏光成分は、1/4波長板9で円偏光にされた後、デフォーカス光学系10により集光し、平面ミラー11で反射される。平面ミラー11からの反射光は、再度、デフォーカス光学系10と1/4波長板9を経由してS偏光成分となり、偏光ビームスプリッタ4で今度は反射して受光素子20に向かう。
この時、デフォーカス光学系10及び平面ミラー11間における、光軸方向の相対的な位置は、平面ミラー11の反射光が受光素子20上で平行光に近い状態になるように調整する。この調整は、例えば以下の手順で行う。被測定光学系50を配置しない状態で、平面ミラー11からの反射光のみを受光素子20上に向かわせ、そのスポット径を検出する。そして、このスポット径が、平面ミラー11からの反射光が受光素子20上で平行光となる際のスポット径の設計値(受光素子20に平行光が入射する光学配置の設計値から求まる。)と略等しくなるように、デフォーカス光学系10及び平面ミラー11の光軸方向の位置を調整する。
【0051】
光源1から受光素子20に向かう2つの光束は、これらの光路長差がコヒーレンス長以内で特に略等しくなったときに、受光素子20上に干渉縞を形成する。そこで、偏光ビームスプリッタ4からデフォーカス光学系10を経由して平面ミラー11に至るまでの光路長と、偏光ビームスプリッタ4から測定光学系6を経由して1番目の被測定面51に至るまでの光路長とが等しくなるように、移動ステージ12を移動させる。
【0052】
偏光ビームスプリッタ4から平面ミラー11までの光路長と、偏光ビームスプリッタ4から1番目の被測定面51までの光路長を略等しくするためのより具体的方法の例を、以下に示す。
まず、被測定光学系50を配置しない状態で1番目の被測定面51の位置に図示しない平面ミラーを配置し、この平面ミラーからの反射光と、平面ミラー11からの反射光とが受光素子20上で干渉するように、平面ミラー11及びデフォーカス光学系10を同時に移動ステージ12で移動させる。そして、その時の平面ミラー11の位置を、平面ミラー11の基準位置からの移動量として測長手段13で測定して記録する。
【0053】
なお、被測定面51の位置に前記平面ミラーを配置することは、被測定光学系50の鏡枠の被測定面51の位置に相当する部分に、前記平面ミラーを取り付けるなどすることで実施可能である。1番目の被測定面51以降の他の被測定面については、これら各面の設計値を用いてもよい。また、1番目の被測定面51と同様に測定した値を用いるものとしても良い。
そして、実際に偏心測定に移る際には、被測定光学系50を配置した後、記録された前記移動量に対応する位置に、平面ミラー11及びデフォーカス光学系10を移動ステージ12で移動させる。
【0054】
一方、偏光ビームスプリッタ4で反射したS偏光成分は、1/4波長板5を通過することで円偏光にされる。
測定光学系6及び被測定光学系50は、1番目の被測定面51の曲率中心51aを通ってかつ光軸21に直交する平面上におけるビームスポット径が最小となるように、移動ステージ7によって、光軸21に沿った方向の位置が調整される。
このような調整がなされることで、1/4波長板5によって円偏光にされた光束は、測定光学系6によって集光されて1番目の被測定面51に照射される。そして、この光束の一部が、1番目の被測定面51で反射される。1番目の被測定面51からの反射光は、測定光学系6を経由して再度、1/4波長板5を透過し、P偏光成分となって偏光ビームスプリッタ4を透過した後、受光素子20に向かう。
【0055】
ここで、1番目の被測定面51に照射された光束の一部が1番目の被測定面51を透過し、さらにこの1番目の被測定面51で屈折して、2番目の被測定面52に向かう。そして一部が2番目の被測定面52で反射し、1番目の被測定面51の反射光と同様の経路をたどって受光素子20に向かう。
【0056】
偏光ビームスプリッタ4から受光素子20へ向かう3つの反射光(すなわち、平面ミラー11からの反射光と1番目の被測定面51及びその他の面52からの反射光)は、偏光板15によって同一の偏光成分のみが取り出され、さらに偏光板16で光強度が調整される。
そして、光強度が調整された後の3つの反射光は、結像光学系18により集光され、受光素子20上にほぼ同一径を有する2つのスポット像(すなわち、1番目の被測定面51による反射像51b、2番目の被測定面52による反射像52b)と、これら2つのスポット像よりも径の大きなデフォーカス像(平面ミラー11による反射像11b)として検出される。
【0057】
このようにして受光素子20上に形成される被測定光学系50からの2つの反射像51b,52bの中から1番目の被測定面51による反射像51bを判別する方法の詳細について、図2〜図5を参照して説明する。
まず、図2に示すように、受光素子20上に径の小さい反射像51b,52bが映し出されている状態で、測定光学系6を移動ステージ7によって光軸21の方向に移動させる。
これにより、図3に示すように、反射像51b及び反射像52bを最適位置から若干ずらして像の径を大きくする。これは、後述の干渉縞を形成する際に、反射像の径を大きくして干渉縞の有無の判別を容易にするためである。
【0058】
前述のように、光源1はコヒーレンス長が短いので、2つの反射像51b及び反射像52bのうち、光源1からの光路長が前記デフォーカス像の光路長と略等しくなったものだけが、図4に示すような干渉縞を生じる。
したがって、図2から図4に示す工程を行って干渉縞の有無を調べることにより、反射像51bが1番目の被測定面51による反射像であることを判別することができる。
なお、ここでは被測定光学系50からの反射像数は2つにしたが、勿論これに限定されるものではなく、3個以上、もしくは1個の場合についても同様の手順により、被測定面51の反射像51bを判別することが可能である。
【0059】
次に、前記シャッター14により平面ミラー11への光路を遮断し、測定光学系6を移動ステージ7によって光軸21の方向に移動させ、上記により判別された反射像51bが最良像となるようにスポット径を絞る調整を行う。
そして、偏心演算部22の画像処理により、受光素子20上における反射像51bの絞られたスポット像の重心座標を検出し、基準像位置からのずれ量とずれ方向を算出する。これにより、1番目の被測定面51の曲率中心51aの偏心量と偏心方向を求める。
【0060】
ここで言う基準像位置とは、1番目の被測定面51が全く偏心していない状態において、この1番目の被測定面51からの反射光により受光素子20上に形成される反射像51bの位置をいう。
この基準像位置は、様々な手法により求めることが可能である。例えば、光軸21に沿った方向における、測定光学系6及び1番目の被測定面51間の相対的な位置を、光源1からの光束が1番目の被測定面51上に集光するように、測定光学系6を位置調整することにより求められる。この状態では、1番目の被測定面51上の光束の集光位置と基準像位置が共役になるため、1番目の被測定面51からの反射光は、受光素子20上の基準像位置に、1番目の被測定面51による反射像を形成する(いわゆる、キャッツアイ反射の状態)。
この状態で、受光素子20の出力から1番目の被測定面51による反射像の座標を求めることにより、基準像位置の座標が求められる。
【0061】
基準像位置を求める別の手法としては、1番目の被測定面51を光軸21回りに回転させることにより、受光素子20上で反射像を回転させ、その回転中心の座標を求めてこれを基準像位置としても良い。
また、1番目の被測定面51を回転させる代わりに、測定光学系6と1番目の被測定面51との間に光偏光部材(図示せず)を挿入し、その後段にイメージローテータ及び反射ミラー(図示せず)を配置し、前記イメージローテータを回転させることにより、前記反射ミラーによる反射像を受光素子20上で回転させて、その回転中心の座標を求めてこれを基準像位置としても良い。
【0062】
次に、再び図1に戻り、被測定光学系50の2番目の被測定面52の偏心を測定する手順について述べる。
まず、偏光ビームスプリッタ4から平面ミラー11までの光路長と、偏光ビームスプリッタ4から2番目の被測定面52までの光路長とがほぼ等しくなるように、移動ステージ12によりデフォーカス光学系10及び平面ミラー11を移動させる。
【0063】
すなわち、まず、上述した方法により偏光ビームスプリッタ4からデフォーカス光学系10を経由して平面ミラー11に至るまでの光路長と、偏光ビームスプリッタ4から測定光学系6を経由して被測定光学系50の1番目の被測定面51に至るまでの光路長とを等しくする。
次に、被測定光学系50の設計値に基づいて、被測定光学系50の1番目の被測定面51と2番目の被測定面52との間の光路長を求める。具体的には、(1番目の被測定面51と2番目の被測定面52との間の物理的な厚さ)×(1番目の被測定面51と2番目の被測定面52との間の媒質の群屈折率)により光路長を算出する。そして、このようにして求められた光路長分だけ平面ミラー11が移動するように、移動ステージ12を移動させる。この時の移動ステージ12の移動量は、測長手段13で検出する。
【0064】
このような方法により、実際の被測定光学系50の1番目の被測定面51と2番目の被測定面52との間の光路長が設計値と等しい場合に、偏光ビームスプリッタ4から平面ミラー11までの光路長と、偏光ビームスプリッタ4から2番目の被測定面52までの光路長とを略等しくできる。
なお、移動ステージ12の移動により、平面ミラー11の反射光は、受光素子20上で平行光から若干ずれた状態になる。しかし、多少平行光でなくとも干渉が生じる場合が多いので、平行光にすることを目的として、平面ミラー11及びデフォーカス光学系10の光軸方向位置を再調整しなくても良い。
また、例えば、平面ミラー11及びデフォーカス光学系10間の光軸方向における相対位置を調整する移動ステージ(図示せず)を別に配置し、必要に応じて調整する構成を採用しても良い。
【0065】
そして、1番目の被測定面51による反射像を判別した手順と同様の手順により、図5に示すような受光素子20の出力から、2番目の被測定面52による反射像52bを判別する。
なお、被測定光学系50の設計値から、演算により、被測定面51と52の曲率中心及びみかけの曲率中心が光軸に沿った方向に近い位置に存在することを予め求めておくことができる。従って、被測定面51による反射像51bを特定した時点で、他方の像52bは被測定面52による像である可能性が高いと判断しても良い。すなわち、別に判別のための測定をしなくても良い。
この時、何れの反射像51b,52bの位置でも干渉縞が生じない場合は、実際の被測定光学系50の1番目の被測定面51及び2番目の被測定面52間の光路長が設計値に対して誤差を持っていることが考えられる。しかし、実際の被測定光学系50の1番目の被測定面51及び2番目の被測定面52間の光路長が設計値に対して誤差を持っていたとしても、被測定光学系50の製作が通常どおり行われていれば、その誤差の量は被測定光学系50の製作公差の範囲に収まり、それほど大きくない場合が多い。
【0066】
よって、設計値に基づいて設定した移動ステージ12の位置の近辺(前後)でこの移動ステージ12を多少移動させながら、受光素子20上のスポット像の干渉の様子を観察すると、ある位置で干渉が生じる。
可干渉距離が短いという光源1の性質より、干渉縞のコントラストが最高になったとき、偏光ビームスプリッタ4から平面ミラー11までの光路長と、偏光ビームスプリッタ4から2番目の被測定面52までの光路長が略等しいと言える。
このときの移動ステージ12の1番目の被測定面51の位置からの移動量が、設計値から求めた移動量に十分近ければ、そのときに干渉が生じたスポット像が、被測定面52による反射像である可能性が極めて高い。
【0067】
そして、1番目の被測定面51の偏心量と偏心方向を求めた時と同様に、偏心演算部22において、受光素子20上における反射像52bがなすスポット像の重心位置を検出し、基準像位置からのずれ量とずれの方向を演算する。
2番目の被測定面52の偏心量を求めるには、2番目の被測定面52よりも測定光学系6側に位置する1番目の被測定面51の影響を考慮して、偏心量を演算する。具体的には、偏心演算部22において、2番目の被測定面52による反射像52bのずれ量とずれ方向、1番目の被測定面51の偏心量と偏心方向、1番目の被測定面51の曲率、2番目の被測定面51の曲率、1番目の被測定面51及び2番目の被測定面52間の間隔、そして1番目の被測定面51及び2番目の被測定面52間の媒質の屈折率から演算を行って、被測定面52の偏心量と偏心方向を求める。
【0068】
以上説明の本実施形態の偏心測定装置100及び光学系偏心測定方法によれば、受光素子20上に反射像51b,52bを形成させる反射面(1番目の被測定面51,2番目の被測定面52)の判別が可能になる。したがって、受光素子20上で被測定面による反射像とそれ以外の反射像が同時に極めて近くに存在する場合であっても、被測定面の偏心測定を確実に行うことが可能となっている。
【0069】
なお、受光素子20上に形成される干渉縞は、重ね合う2つの光束の光量比が近いほどコントラストが高くなり、光量比が大きく異なると干渉縞が認識できない場合がある。そのような場合には、前記偏光板3の方位を調整することにより、被測定光学系50からの反射光と平面ミラー11からの反射光との光量比を調整して近くすることができるので、受光素子20上の干渉縞のコントラストを高くでき、反射像の判別を容易に行うことが可能となる。
また、干渉縞は、重ね合う2つの光束の位相が合っているほどコントラストが高く観察できる。そこで、本実施形態の場合には、前記偏光板15により、重ね合わせる2つの光束のうち、1方向の直線偏光だけを選択透過させるようにしているので、受光素子20上の干渉縞のコントラストを高くでき、反射像の判別を容易に行うことが可能となっている。
【0070】
オートコリメーション法に代表される従来の反射偏心測定法では、被測定光学系の設計によっては被測定光学系内での光束のケラレ等により、それぞれの面の反射光束による受光素子上での光強度が互いに大きく異なる場合がある。光強度が弱すぎる場合には干渉縞が観察できない場合があり、逆に、光強度が強い場合には受光素子の出力が飽和してしまい、干渉縞が観察できない場合がある。これに対し、本実施形態では、偏光板16を回転させることにより受光素子20上の光強度を調整できるので、より多くの面の反射像が判別可能となっている。
また、本実施形態では、平面ミラー11の光路を遮断するシャッター14を駆動させると、受光素子20上から平面ミラー11の反射像11bのみを消すことができるので、受光素子20上における反射像51b,52bの検出精度を向上させることが可能となる。
【0071】
なお、本発明の実施形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
例えば、本実施形態では、被測定光学系50が2つの被測定面(1番目の被測定面51,2番目の被測定面52)から構成される場合について述べたが、2つの被測定面に限らず、3つ以上の被測定面から構成される場合でも、同様の手順を繰り返すことにより、組み上がり光学系の偏心測定を行うことが可能である。
また、被測定光学系50の被測定面が1つの被測定面から構成される場合でも、偏心測定装置100が備える各光学系の面による反射像などが受光素子20上に結像して被測定面の判別ができなくなる場合があるので、本実施形態は有効である。すなわち、被測定面と前記各光学系の面による反射像とを判別することが可能である。
【0072】
また、当然ながら被測定光学系50はプリズムやミラーなどの光偏光部材や平行平板などを含んでいても、同様の手順により偏心測定が可能である。
また、当然ながら反射像の判別は全ての被測定面について行う必要はなく、反射像の判別が困難な場合のみ行うものとしても良い。
また、光源1からの光束を分離射出する偏光ビームスプリッタ4と1/4波長板5と1/4波長板9の代わりに、単一のハーフミラーを採用するものとしても良い。この場合、光の利用効率は低下するものの、偏心測定装置100の構成を簡素にすることが可能となる。
【0073】
また、平面ミラー11の代わりに、レトロリフレクターやコーナーキューブを用いても良い。
また、シャッター14を省略する構成も採用可能である。
また、受光素子20で検出される光強度を調整する手段としては、偏光板16及びその回転手段に限定されるものではなく、例えば、連続可変NDフィルタ及びこれを回転させる回転手段や、複数のNDフィルタ及びこれを切り換える切換手段や、受光素子20の露光時間を変更する電子シャッターなど、その他の構成も採用可能である。
また、測定上の制限を受けるものの、偏光板3や偏光板15や偏光板16を省いても測定可能である。
また、被測定光学系50が、平行平面板のように被測定面が平面のみから構成される場合には、測定光学系6を省略することが可能である。
【0074】
また、移動ステージ12及び測長手段13は、平面ミラー11による反射光と被測定面(1番目の被測定面51,2番目の被測定面52)による反射光の光路長とを等しくできれば良い。したがって、平面ミラー11及びデフォーカス光学系10側を移動させることに限定されるものではなく、例えば、測定光学系6及び被測定光学系50側を同時に移動させるようにしても良い。さらには、平面ミラー11による反射光と被測定面による反射光の光路長どちらかの光路に、これらの光路長を一致させることができる特性を備えたガラス板を挿入するなどしても良い。
【0075】
なお、コヒーレンス長の短い光源1から発せられて分岐する2つの光束それぞれが透過するガラス(光学系を構成する材料)の波長分散が全く同じである場合には、これら2つの光束間における相対的な波長分散の影響をキャンセルすることができるため、光路長差が最短で干渉縞のコントラストが最高になり、ガラスの波長分散が一致しない場合は、光路長差がより長く、干渉縞のコントラストが低くなることが一般的に知られている。
そこで、偏光ビームスプリッタ4から被測定面(1番目の被測定面51,2番目の被測定面52)に至る光路と、偏光ビームスプリッタ4から平面ミラー11に至る光路のどちらか一方、もしくは両方に、波長分散調整ガラスを挿脱可能に配置する構成を採用しても良い。この場合には、これら2つの光束の波長分散を制御して、受光素子20上における干渉縞のコントラストを高める調整が可能となる。
【0076】
また、上述のように、波長分散調整ガラスの挿脱により2つの光束が受ける波長分散を一致させることで干渉縞のコントラストを高くしたり、光軸に沿った方向の分解能を高くしたりすることができる。これとは逆に、波長分散調整ガラスの挿脱により2つの光束が受ける波長分散に差を持たせ、干渉縞を、光軸方向のより広い範囲で認識できるようにすることも可能である。
その場合、波長分散調整ガラスの挿脱に伴って光路長も変化する。よって、あらかじめ波長分散調整ガラスの挿脱による光路長の変化を測定しておき、波長分散調整ガラスを挿脱した場合には、その光路長の変化分だけ移動ステージ12を移動させることで、2つの光束の光路長を一致させる調整が可能となる。
【0077】
なお、波長分散調整ガラスの挿脱による光路長の変化は、例えば下記測定方法を用いることにより測定することができる。
すなわち、まず波長分散調整ガラスを光路から外しておき、被測定光学系50を配置しない状態で被測定面51の位置に図示しないミラーを配置し、このミラーからの反射光と、平面ミラー11からの反射光とが受光素子20上で干渉するように平面ミラー11及びデフォーカス光学系10を同時に移動ステージ12で移動させる。
【0078】
そして、この時の平面ミラー11の位置を、平面ミラー11の基準位置からの移動量として測長手段13で測定して記録する。次に、波長分散調整ガラスを挿入して、再度、ミラーからの反射光と、平面ミラー11からの反射光とが受光素子20上で干渉するように平面ミラー11及びデフォーカス光学系10を同時に移動ステージ12で移動させる。そして、この時の平面ミラー11の位置を、平面ミラー11の基準位置からの移動量として測長手段13で測定して記録する。続いて、移動ステージ12の基準位置からの移動量の差を計算する。このようにして、波長分散調整ガラスによる光路長の変化を検出することができる。
なお、波長分散ガラスは様々な波長分散に対応できるように、あらかじめ複数備えておいても良い。
【0079】
(第2実施形態)
続いて、図6を参照しながら、本発明の第2実施形態についての説明を以下に行う。なお、本実施形態の説明においては、上記第1実施形態との相違点を中心に説明を行うものとし、その他については上記第1実施形態と同様であるとしてその説明を省略する。
【0080】
本実施形態では、前記デフォーカス光学系10の代わりに、平面ミラー11からの反射光を、結像光学系18を経由せずに受光素子20に導くための偏光ビームスプリッタ23、ミラー24、偏光ビームスプリッタ25を備えた点が特徴的となっている。
本実施形態における移動ステージ12は、平面ミラー11のみを移動させるようになっている。
また、本実施形態における1/4波長板9は、偏光ビームスプリッタ23と平面ミラー11との間に配置する。
また、本実施形態における偏光板15は、偏光ビームスプリッタ25と受光素子20との間に配置する。
また、本実施形態における結像光学系18は、偏光ビームスプリッタ4と偏光ビームスプリッタ25との間に配置する。
【0081】
以上説明の構成を有する本実施形態の偏心測定装置(光学系偏心測定装置)100Aを用いた光学系偏心測定方法について以下に説明を行う。
まず、光源1から光束を射出すると、同光束はコリメート光学系2により平行光束に変換された後、偏光板3に入射し、同光束のうちの1方向の直線偏光成分のみがこれを透過する。この直線偏光成分の平行光束が偏光ビームスプリッタ4に入射すると、同偏光ビームスプリッタ4は、P偏光成分を透過させるとともにS偏光成分を反射する。これにより、光源1からの光束がP偏光成分とS偏光成分とに2分割される。
【0082】
2分割された光束の1方(S偏光成分)は、1/4波長板5を通過して円偏光となった後、測定光学系6によって被測定光学系50の被測定面51の曲率中心51aに向けて集光される。この時、光束の一部が被測定面51で反射され、再度、1/4波長板5を通過してP偏光成分となり、再度、偏光ビームスプリッタ4に入射してこれを透過する。
このようにして偏光ビームスプリッタ4を透過した透過光は、結像光学系18を通ることにより受光素子20に向けて結像する光束となり、偏光ビームスプリッタ25に入射し、これを透過する。
【0083】
また、2分割された光束の他方(P偏光成分)は、偏光ビームスプリッタ4及び偏光ビームスプリッタ23を透過した後、さらに1/4波長板9を通ることで円偏光となり、平面ミラー11で反射される。
平面ミラー11で反射された反射光は、再度、1/4波長板9を通過してS偏光成分となり、再度、偏光ビームスプリッタ23に入射して反射する。さらに、このS偏光成分は、ミラー24、続く偏光ビームスプリッタ25で反射される。
このようにして、偏光ビームスプリッタ25で重ね合わされた2つの光束は、続いて偏光板15に入射し、1方向の直線偏光成分のみがこれを透過する。これにより、受光素子20上には、被測定面51による反射像51bが結像すると同時に、平面ミラー11からの反射光が平行光として入射する。
【0084】
次に、移動ステージ12及び測長手段13を用いて、光源1から出て被測定面51で反射して受光素子20上に至るまでの光路長と、光源1から出て平面ミラー11で反射して受光素子20に至るまでの光路長とが等しくなるように、光源1から出て平面ミラー11で反射して受光素子20に至る光束側の光路長を変更する。
そして、移動ステージ7を用いて測定光学系6を光軸方向に移動させ、被測定面51によるスポット像(反射像51b)を若干ボケさせる。すると、上記第1実施形態と同様に干渉縞を確認することができ、被測定光学系50内のどの反射面(被測定面)が前記スポット像を形成したかを特定することができる。
【0085】
以上説明の本実施形態の偏心測定装置(光学系偏心測定装置)100Aを用いた光学系偏心測定方法によれば、平面ミラー11からの反射光が、結像光学系18を経由せず、常に平行光として受光素子20上に入射させることができる。したがって、光路長調整のために平面ミラー11側を移動ステージ12により移動させても、受光素子20に入射する平面ミラー11からの反射光の平行度が変化しないので、受光素子20上で反射像51bを形成する反射面(被測定面51)を判別する際の調整が、上記第1実施形態に比較して容易になる。
すなわち、上記第1実施形態で説明した前記デフォーカス光学系10の配置と、その光軸方向の位置調整とが不要になり、簡単な調整で反射像51bを形成した反射面(被測定面51)の判別が実現可能となる。
【0086】
(第3実施形態)
続いて、図7を参照しながら、本発明の第3実施形態についての説明を以下に行う。なお、本実施形態の説明においては、上記第1実施形態との相違点を中心に説明を行うものとし、その他については上記第1実施形態と同様であるとしてその説明を省略する。
図7に示すように、本実施形態の偏心測定装置(光学系偏心測定装置)100Bは、上記第1実施形態で説明した前記デフォーカス光学系10を備える代わりに、下記の各構成要素を新た備えた構成となっている。
【0087】
すなわち、平面ミラー11をその光軸に対して2方向にチルトさせる2軸チルトステージ26を備えている。
また、結像光学系18を光軸方向に移動させる移動ステージ27と、移動ステージ27の移動量を検出する測長手段28とを備えている。
また、結像光学系18と受光素子20との間に、結像光学系18が受光素子20上に結像する反射像の結像倍率を変える(反射像をリレーする)変倍リレー光学系29,30を備えている。これら変倍リレー光学系29,30は、互いに異なる結像倍率を備え、図示しない切り換え手段により、光路内または光路外に挿脱可能に構成されている。
【0088】
そして、これら変倍リレー光学系29,30は、被測定面51で反射されて受光素子(受光手段)20上で受光されるべき光束(第1の光束)による反射像51bと、平面ミラー11で反射されて受光素子(受光手段)20上で受光されるべき光束(第2の光束)による反射像11bとを内包する受光領域(図14の説明において後述する四角枠60)を拡大してから受光素子(受光手段)20上に照射する受光領域拡大手段を構成している。
変倍リレー光学系29または変倍リレー光学系30の何れか一方を光路内に入れるとともに他方を光路外に出す前記切り換え手段は、例えば、顕微鏡対物レンズとレボルバと顕微鏡結像レンズなどで構成することが可能である。
なお、これら変倍リレー光学系29及び変倍リレー光学系30は、光路内に配置された場合に、光源1と受光素子20が互いに共役となるように配置される。
【0089】
以上説明の本実施形態の偏心測定装置(光学系偏心測定装置)100Bを用いた光学系偏心測定方法について以下に説明を行う。
まず、光源1から射出された光束が、コリメート光学系2を通ることで平行光束となる。そして、偏光板3では、光源1からの光束のうち、1方向の直線偏光成分のみを透過させて偏光ビームスプリッタ4に向かわせる。
偏光ビームスプリッタ4では、入射した光束のうち、P偏光成分を透過させると同時にS偏光成分を反射させる。これにより、光源1からの光束がP偏光成分及びS偏光成分に2分割される。
【0090】
2分割された光束の1方(S偏光成分)は、1/4波長板5を通過して円偏光となり、測定光学系6により被測定光学系50の被測定面51の曲率中心51aに向けて集光される。そして、集光された光束の一部が被測定面51により反射され、再度1/4波長板5を通過してP偏光成分の光束となり、再度、偏光ビームスプリッタ4に入射して透過する。さらに、偏光ビームスプリッタ4を透過した光束は、結像光学系18により集光されて反射像を形成する。その反射像を変倍リレー光学系29がリレーして、受光素子20上に反射像51bを形成する。
【0091】
一方、被測定面51を透過した光束は、被測定面51で屈折され、その他の被測定面である被測定面52に入射する。そして、そのうちの一部が被測定面52で反射され、被測定面51を経由して再び1/4波長板5を通過することによりP偏光成分の光束となる。この光束は、再び偏光ビームスプリッタ4に入射してこれを透過し、結像光学系18により集光されて反射像を形成する。その反射像を、変倍リレー光学系29がリレーして、受光素子20上に反射像52bを形成する。
2分割された光束の他方(P偏光成分)は、1/4波長板9を通過して円偏光となり、平面ミラー11により反射され、再び1/4波長板9を通過してS偏光成分の光束となる。さらにこの光束は、再び偏光ビームスプリッタ4に入射して反射され、結像光学系18により集光されて反射像を形成する。その反射像を変倍リレー光学系29がリレーして、受光素子20上に反射像11bを形成する。
【0092】
図8に示すように、この時の受光素子20上には、ほぼ同一径を有する3つのスポット像(被測定面51による反射像51bと、その他の被測定面52による反射像52bと、平面ミラー11による反射像11b)が検出される。
これら3つのスポット像の中から、被測定面51による反射像51bを判別するには、まず、移動ステージ27で結像光学系18をその光軸方向に移動させる。これにより、図9に示すように、受光素子20上における各スポット像を若干ボケさせる(最適位置から若干ずらして像の径を大きくする)。この時、測長手段28を用いて移動ステージ27の移動前の位置を記録しておく。
【0093】
続いて、偏光ビームスプリッタ4から平面ミラー11までの光路長と、偏光ビームスプリッタ4から測定光学系6を経由して被測定面51に至るまでの光路長とが等しくなるように、移動ステージ12を移動させる。
さらに、図10に示すように、2軸チルトステージ26により平面ミラー11をチルトさせ、受光素子20上におけるスポット像11bを動かして、1つのスポット像52bと重ね合わせる。同様の手順により、図11に示すように、スポット像11bを今度は他方のスポット像51bと重ね合わせる。
すると、図10に示す1方のスポット像52bでは干渉縞が生じず、図11に示す他方のスポット像51bでは干渉縞が生じる。これにより、干渉縞が生じたスポット像51bが、被測定面51による反射像であると判別することができる。
そして、測長手段28の記録を用いて、移動ステージ27を移動前の位置に移動させ、再びスポット像を最適位置に戻してから、上記第1実施形態で述べた手順で偏心測定を行う。
【0094】
さらに、受光素子20上における各スポット像が互いに近接した位置に形成される場合について述べる。
この場合、受光素子20における各反射像51b,52b,11bが図12に示すようになり、各スポット像を若干拡大させても、図13に示すように各スポットが互いに重なってしまい、各反射像51b,52bのどちらで干渉縞が発生しているかを判別するのが困難となる。
また、各スポット像を小さくしても、図14に示すように、スポット径が小さすぎて干渉縞が観察できず、各反射像51b,52bの判別ができない場合がある。このような場合には、変倍リレー光学系29,30の交換により光学倍率を変更することで、受光素子20上に照射する各反射像51b,52b,11bの結像倍率を拡大する。
【0095】
すなわち、図14に示す四角枠60の領域(受光素子20上で受光されるべき各反射像51b,52b,11bを内包する受光領域)を拡大してから受光素子20上に照射する工程を行う。拡大された受光素子20上のスポット像は、図15に示すようになり、結像光学系18により各反射像51b,52b,11bを小さくした状態でも、変倍リレー光学系29,30により干渉縞を拡大することができるので、どの反射像がどの反射面(被測定面)からのものであるかを容易に判別することが可能となる。
【0096】
以上説明の本実施形態の偏心測定装置(光学系偏心測定装置)100を用いた光学系偏心測定方法によれば、上記第1実施形態で説明した効果の他に、以下の効果を得ることが可能となる。
すなわち、平面ミラー11の反射光(平行光)が、被測定面51からの反射光(平行光)と同じ結像光学系18を通って受光素子20上にスポット像(反射像11b)を形成する。したがって、平面ミラー11の反射光が受光素子20上に形成するスポット像の大きさと、被測定面51の反射光が受光素子20上に形成するスポット像の大きさとを略同じにすることができる。
したがって、偏光板3等により反射光の光強度を調整すれば、形成される干渉縞のコントラストを高くすることが可能であり、どの反射像がどの反射面(被測定面)からのものであるかを容易に判別することが可能となる。
【0097】
また、変倍リレー光学系29,30により結像倍率を切り換え可能に構成したことで、被測定面51からの反射光が形成する受光素子20上の反射像51bと、平面ミラー11bからの反射光が形成する受光素子20上の反射像11bとを、光学的に拡大することができるので、どの反射像がどの反射面(被測定面)からのものであるかを容易に判別することが可能となる。よって、被測定面51の特定が容易になり、偏心測定精度を向上させることが可能となる。
【0098】
なお、本実施形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
例えば、移動ステージ27及び測長手段28は、平面ミラー11による反射像11bと被測定面51による反射像51bとを適切な大きさに拡大することができれば良いので、結像光学系18を光軸方向に移動させることに限定するものではない。例えば、変倍リレー光学系29,30側をその光軸に沿って移動させたり、または、受光素子20側を光軸方向に移動させたりすることで、反射像51b,11bの大きさを拡大させるものとしても良い。
2軸チルトステージ26は、平面ミラー11による反射像11bと被測定面51による反射像51bを重ね合わせることができれば良いので、平面ミラー11をチルトすることに限定されない。例えば、被測定面51側をチルトさせたり、または、測定光学系6側をチルトさせたりすることで、反射像51b側を反射像11bに重ね合わせるものとしても良い。
【0099】
【発明の効果】
本発明の請求項1に記載の光学系偏心測定装置は、光源,光束分割手段,受光手段,光路長調整手段,そして偏心演算手段を備える構成を採用した。この構成によれば、受光手段上に、被測定面で反射した第1の光束以外の像が混在していたとしても、光路長調整手段を用いて、第1の光束の光路長と第2の光束の光路長とを一致させる調整を行うことにより、被測定面で反射した第1の光束のスポットのみに干渉縞を発生させ、他の像から容易かつ確実に判別可能な状態にすることができる。
したがって、受光素子上の像の中から被測定面の像を容易かつ確実に特定した上で、被測定面の偏心測定を行うことが可能となる。
【0100】
また、請求項2に記載の光学系偏心測定装置は、受光手段上における第1の光束のスポット径または第2の光束のスポット径の何れか一方もしくは両方を調整するスポット径調整手段を備える構成を採用した。この構成によれば、受光手段上における干渉縞の観察と、第1の光束のスポットの位置ずれとを容易に求めることが可能となる。
【0101】
また、請求項3に記載の光学系偏心測定装置は、第1の光束のスポットと第2の光束のスポットとを内包する受光領域を拡大してから受光手段上に照射する受光領域拡大手段を備える構成を採用した。この構成によれば、各像が判別不可能な状態に重なり合うの防ぎながらも、干渉縞が観察可能な状態まで各像を拡大させることが可能となる。したがって、受光手段上における干渉縞の観察と、第1の光束のスポットの位置ずれとをより確実に求めることが可能となる。
【0102】
また、請求項4に記載の光学系偏心測定方法は、所定の光学距離よりも短いコヒーレンス長を有する光束を分割する工程と、分割された第1の光束及び第2の光束を受光手段上で重ね合わせる工程と、これら第1の光束及び第2の光束の光路長を略一致させる工程と、基準位置に対する第1の光束の像の位置ずれに基づいて被測定面の偏心を求める工程とを有する方法を採用した。この方法によれば、受光手段上に、被測定面で反射した第1の光束以外の像が混在していたとしても、第1の光束の光路長と第2の光束の光路長とを一致させる工程を行うことにより、被測定面で反射した第1の光束のスポットのみに干渉縞を発生させ、他の像から容易かつ確実に判別可能な状態にすることができる。
したがって、受光手段上の像の中から被測定面の像を容易かつ確実に特定した上で、被測定面の偏心測定を行うことが可能となる。
【0103】
また、請求項5に記載の光学系偏心測定方法は、受光手段上における第1の光束のスポット径または第2の光束のスポット径の何れか一方もしくは両方を調整する工程を有する方法を採用した。この方法によれば、受光手段上における干渉縞の観察と、第1の光束のスポットの位置ずれとを容易に求めることが可能となる。
【0104】
また、請求項6に記載の光学系偏心測定方法は、第1の光束のスポットと第2の光束のスポットとを内包する受光領域を拡大してから受光手段上に照射する工程を有する方法を採用した。この方法によれば、各像が判別不可能な状態に重なり合うの防ぎながらも、干渉縞が観察可能な状態まで各像を拡大させることが可能となる。したがって、受光手段上における干渉縞の観察と、第1の光束のスポットの位置ずれとをより確実に求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光学系偏心測定装置の第1実施形態を示す図であって、各構成要素の配置を示す説明図である。
【図2】同光学系偏心測定装置を用いた光学系偏心測定方法を説明するための図であって、受光素子上に照射された各反射像を示す図である。
【図3】同光学系偏心測定装置を用いた光学系偏心測定方法の続きを説明するための図であって、受光素子上に照射された各反射像を示す図である。
【図4】同光学系偏心測定装置を用いた光学系偏心測定方法の続きを説明するための図であって、受光素子上に照射された各反射像を示す図である。
【図5】同光学系偏心測定装置を用いた光学系偏心測定方法の続きを説明するための図であって、受光素子上に照射された各反射像を示す図である。
【図6】本発明の光学系偏心測定装置の第2実施形態を示す図であって、各構成要素の配置を示す説明図である。
【図7】本発明の光学系偏心測定装置の第3実施形態を示す図であって、各構成要素の配置を示す説明図である。
【図8】同光学系偏心測定装置を用いた光学系偏心測定方法を説明するための図であって、受光素子上に照射された各反射像を示す図である。
【図9】同光学系偏心測定装置を用いた光学系偏心測定方法の続きを説明するための図であって、受光素子上に照射された各反射像を示す図である。
【図10】同光学系偏心測定装置を用いた光学系偏心測定方法の続きを説明するための図であって、受光素子上に照射された各反射像を示す図である。
【図11】同光学系偏心測定装置を用いた光学系偏心測定方法の続きを説明するための図であって、受光素子上に照射された各反射像を示す図である。
【図12】同光学系偏心測定装置を用いた他の光学系偏心測定方法を説明するための図であって、受光素子上に照射された各反射像を示す図である。
【図13】同光学系偏心測定装置を用いた光学系偏心測定方法の続きを説明するための図であって、受光素子上に照射された各反射像を示す図である。
【図14】同光学系偏心測定装置を用いた光学系偏心測定方法の続きを説明するための図であって、受光素子上に照射された各反射像を示す図である。
【図15】同光学系偏心測定装置を用いた光学系偏心測定方法の続きを説明するための図であって、受光素子上に照射された各反射像を示す図である。
【図16】従来の光学系偏心測定装置を示す図であって、各構成要素の配置を示す説明図である。
【図17】他の従来の光学系偏心測定装置を示す図であって、各構成要素の配置を示す説明図である。
【図18】従来の光学系偏心測定装置の問題点を説明するための図であって、各構成要素の配置を示す説明図である。
【符号の説明】
1・・・光源
4・・・偏光ビームスプリッタ(光束分割手段)
6・・・測定光学系
7・・・移動ステージ(スポット径調整手段)
12・・・移動ステージ(光路長調整手段)
20・・・受光素子(受光手段)
22・・・偏心演算部(偏心演算手段)
29,30・・・変倍リレー光学系(受光領域拡大手段)
50・・・被測定光学系(光学系)
51・・・1番目の被測定面(被測定面)
52・・・2番目の被測定面(被測定面)
60・・・四角枠(受光領域)
100,100A,100B・・・偏心測定装置(光学系偏心測定装置)
Claims (6)
- 光学系の被測定面の偏心を測定する装置であって、
所定の光学距離よりも短いコヒーレンス長を有する光束を発する光源と、前記光束を、前記被測定面に向かう第1の光束及び該第1の光束とは別の第2の光束に分割する光束分割手段と、前記第1の光束を前記被測定面に照射する測定光学系と、前記被測定面で反射した前記第1の光束の光路長または前記第2の光束の光路長の少なくとも一方を調整する光路長調整手段と、前記被測定面で反射した前記第1の光束及び前記第2の光束を受光する受光手段とを有し、前記光路長調整手段によって前記2つの光路長の差を前記コヒーレンス長以内に調整することにより前記受光手段上で前記被測定面で反射した前記第1の光束及び前記第2の光束に干渉を生じせしめることにより、前記被測定面で反射した前記第1の光束を判別し、判別された前記受光手段上の前記第1の光束の基準位置に対する位置ずれに基づいて前記被測定面の偏心を求める偏心演算手段とを備える
ことを特徴とする光学系偏心測定装置。 - 請求項1に記載の光学系偏心測定装置において、
前記受光手段上における前記第1の光束のスポット径または前記第2の光束のスポット径の何れか一方もしくは両方を調整するスポット径調整手段を備える
ことを特徴とする光学系偏心測定装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の光学系偏心測定装置において、
前記受光手段上で受光されるべき前記第1の光束のスポットと前記第2の光束のスポットとを内包する受光領域を拡大してから前記受光手段上に照射する受光領域拡大手段を備える
ことを特徴とする光学系偏心測定装置。 - 光学系の被測定面の偏心を測定する方法であって、
所定の光学距離よりも短いコヒーレンス長を有する光束を、前記被測定面に向かう第1の光束及び該第1の光束とは別の第2の光束に分割する工程と、
前記被測定面で反射した前記第1の光束及び前記第2の光束を受光手段上で重ね合わせるように受光する工程と、
前記被測定面で反射した前記第1の光束及び前記第2の光束の光路長を前記コヒーレンス長以内で略一致させる工程と、
前記受光手段上の基準位置に対する前記第1の光束の位置ずれに基づいて前記被測定面の偏心を求める工程とを有する
ことを特徴とする光学系偏心測定方法。 - 請求項4に記載の光学系偏心測定方法において、
前記受光手段上における前記第1の光束のスポット径または前記第2の光束のスポット径の何れか一方もしくは両方を調整する工程を有する
ことを特徴とする光学系偏心測定方法。 - 請求項4又は請求項5に記載の光学系偏心測定方法において、
前記受光手段上で受光されるべき前記第1の光束のスポットと前記第2の光束のスポットとを内包する受光領域を拡大してから前記受光手段上に照射する工程を有する
ことを特徴とする光学系偏心測定方法。
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