JP2005524065A

JP2005524065A - 光学検査方法および装置

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Publication number: JP2005524065A
Application number: JP2004500026A
Authority: JP
Inventors: ピータービーチ
Original assignee: ザユニバーシティーオブアデレード
Priority date: 2002-04-23
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2023-04-22
Also published as: JP4340625B2; AUPS190002A0; US7307706B2; AU2003227098A1; WO2003091685A1; EP1502092A1; AU2003227098B2; CA2483350A1; US20050174565A1; EP1502092A4

Abstract

被測定装置（ＤＵＴ）の１つまたは複数の光学特性を推定する。この方法は、光源によって生成された光波面を検査位置に向かって送ることと、検査位置でこの波面から少なくとも１本の光線を生成することとを含む。次いで、各光線ごとに、それぞれ波面の伝播方向に対して横向きであり、異なる光路長のところで光源に対して検査位置より先にある２つ以上の測定面で、光線がこれらの測定面と交差するそれぞれの点を、検査位置にＤＵＴが存在する状態および存在しない状態で測定する。その後、各測定面でＤＵＴのために生じるこの光線の横収差を求め、各測定面ごとに、光学特性と前記測定面−前記ＤＵＴの適切な前記主面間の光学距離との積である一般横収差方程式の係数を、求めた横収差から推定する。各測定面ごとのこれらの係数の推定値およびそれぞれの測定面間の光学距離から光学特性を計算する。

Description

本発明は、光学検査方法および装置に関する。この方法および装置を使用して、光波面（optical wavefront）の特性、あるいは光学素子または光学系の特性を求めることができる。

本明細書では、「光の」または「光学の」などの用語は、文脈上他の意味を示す場合を除き、可視光に限定されないことを理解されたい。当業者には理解されるように、可視スペクトルを含めて、類似の特性を示すかなりの範囲の電磁スペクトルが存在する。当業者に一般的な語法に従って、電磁スペクトルのこの部分は、特性上、光とみなすことができ、本明細書で開示する発明の範囲に含まれる。

主にレンズを用いて本発明を説明するが、本発明はレンズに限定されないことも理解されたい。そうではなくて、本発明は、ミラー、プリズム、レンズ、およびこれらの光学素子の組合せを含む光学系に適用されるが、光学素子の例はこれらに限定されるものではない。

ハートマン（Ｈａｒｔｍａｎｎ）技法を用いて光波面を特徴づけることができる。この技法の以前から知られている実施形態では、ビームサンプリング素子のところでの波面の局所的な傾斜を正確に計算するには、ビームサンプリング素子とセンサとの距離を厳密に知る必要がある。ハートマン技法を用いて、光学系の前後の波面の形状を比較し、この系の主要点または主要面の１つと、ビームサンプラまたはセンサとの距離を適宜用いることによってこの系の特性を推定することもできる。

しかし、主要点または主要面の位置は未知であることが多く、容易には測定可能ではない。これらの位置が不正確にしかわからないと、この系の主要点または主要面とビームサンプラまたはセンサの距離に系統誤差が導入される。これにより、この系の光学特性マップが不正確になり、また、光学特性の推定値が不正確になる。

実際の光学装置は理想的な光学素子の近似である。一般に、この光学素子全体にわたって近似には不完全さが伴う。光学素子の光学特性によって示される光学素子の不完全さをマッピングすることが望ましい。マップを使用して、光学素子の所望の性能特性を設計または確認することができる。しかし、上記で述べたように、一般に、主要点または主要面の位置に関する誤差範囲があり、それによって、マッピングされた特性には対応する誤差範囲が生じる。

光波面または光学系の特性を求めるための以前から知られているいくつかの方法および技術は自動検査に適していない。自動化されているものもあるが、複雑であり、特殊で扱いが難しい機器を必要とする。本明細書では文献を参照するが、その中に開示されているものがオーストラリア国での共通の一般知識を構成するとみなすべきではない。

発明の目的
本発明の目的は、上記問題の少なくとも１つを回避するか、あるいは最小限に抑える光学検査方法および装置を提供すること、あるいは少なくとも有用な選択肢を公に提供することである。

第１態様では、本発明は、被測定装置（Device-Under-Test）（以下、「ＤＵＴ」と称する）の１つまたは複数の光学特性を推定する方法に存すると言えるが、これは必ずしも最も広い形式または唯一の形式ではない。この方法は、
光源によって生成された光波面を検査位置に向かって送るステップと、
この波面から少なくとも１本の光線を生成するステップと、
各光線ごとに、それぞれ波面の伝播方向に対する横断面であって、光源に対して検査位置より先にあり、異なる光路長のところにある２つ以上の測定面で、光線がこれらの測定面と交差するそれぞれの点を、検査位置にＤＵＴが存在する状態および存在しない状態で測定するステップと、
各光線ごとに、各測定面でＤＵＴのために生じるこの光線の横収差を求めるステップと、
各測定面ごとに、光学特性と前記測定面−前記ＤＵＴの適切な前記主面間の光学距離との積である一般横収差方程式（general transverse aberration equation）の係数を、求めた横収差から推定するステップと、
各測定面ごとのこれらの係数の推定値およびそれぞれの測定面間の光学距離から光学特性を計算するステップとを含む。

ＤＵＴは、単一の光学素子または系を構成する光学素子の組合せとし得ることを理解されたい。ＤＵＴの光学特性は、この素子または系を透過した、あるいはこれらから反射した光波面に対するＤＵＴの影響を測定することによって求められることも理解されたい。

ＤＵＴは、レンズ、ミラー、プリズム、または光学素子の組合せとし得ることも理解されたい。

この方法を用いて、ＤＵＴの光学特性マップを生成することができる。この方法を用いて、ＤＵＴの光学収差を測定することもできる。さらに、この方法を用いて、光学コンポーネントと入射光波面を整列させることができる。

この系の適切な主面の位置とビームサンプラまたはセンサの距離がわからなくても、妥当な正確さおよび精度でＤＵＴの特性を求めることができることも理解されたい。

主要点およびそれに関連する主要面は、主面に関係づけられることに留意されたい。したがって、所望の場合には、この方法および構成では、これらのいずれか一方を利用し、それを主面に関係づけることができる。状況によっては、この中間ステップを利用すると好ましいことがある。

さらに、この方法では、光学特性と前記測定面−前記ＤＵＴの適切な前記主面間の光学距離との積を推定し、次いで、それぞれの測定面間の光学距離の差を利用することによって、主面の位置を求める必要がなくなることを理解されたい。主面の位置を厳密に知る必要はない。あるいは、主面と測定面の１つとの光学距離が既知である状況では、測定面間の光学距離を求めることができる。

一形態では、光学特性は一般波面方程式（general wavefront equation）の係数である。ある光学素子についての一般波面方程式がわかると、光学系におけるこの光学素子の影響を予想し得ることを理解されたい。同様に、本発明を眼科レンズの検査に適用する場合のように、この光学素子が特定の応用例に適しているかどうかに関して評価することができる。

別の形態では、一般横収差方程式（general transverse aberration equations）は一般波面方程式から導出され、一般横収差方程式の係数を推定するには、この一般横収差方程式から導出された連立方程式を解くことが必要である。

一形態によれば、光学特性の計算は、各測定面ごとに係数の推定値を互いに減算し、これらの面間のそれぞれの距離で割ることによって行う。３つ以上の面が存在する場合、異なる面の対から得られた光学特性の値を平均して、合成推定値が得られる。一般に、合成推定値により、この特性値がより正確に示されることになる。

一形態では、光線と測定面が交差する点を測定するステップは、
これらの面の第１の面において、検査位置にＤＵＴが存在しない状態でこの光線または各光線が第１の面と交差する１つまたは複数の第１の点を求めることと、
これらの面の第１の面において、検査位置にＤＵＴが存在する状態でこの光線または各光線が第１の面と交差する１つまたは複数の第２の点を求めることと、
これらの面の第２の面において、検査位置にＤＵＴが存在しない状態でこの光線または各光線が第２の面と交差する１つまたは複数の第３の点を求めることと、
これらの面の第２の面において、検査位置にＤＵＴが存在する状態でこの光線または各光線が第２の面と交差する１つまたは複数の第４の点を求めることとを含む。

一形態では、横収差を求めるステップは、
それぞれの第１の点を第２の点から減算することによって第１の横収差を計算することと、
それぞれの第３の点を第４の点から減算することによって第２の横収差を計算することとを含む。

別の形態では、一般横収差方程式の係数を求めるステップは、
一般横収差方程式を得るために一般波面方程式を微分することと、
第１の面について、それぞれの光線の第１の点、第３の点、および第１の横収差を用いて、これらの係数の値について一般横収差方程式または一般横方程式の連立形を解くことと、
第２の面について、それぞれの光線の第１の点、第３の点、および第２の横収差を用いて、これらの係数の値について一般横収差方程式または一般横方程式の連立形を解くこととを含む。

一形態では、光学特性を推定するステップは、
第１および第２の面についてそれぞれの係数を減算することと、
第１の面と第２の面との間の光路長で割ることとを含む。

一形態では、第１および第２の光路長は、２つの物理的に離間した横向きの面において光線の交点を測定することによって得られる。離間した面間の距離は、適度に高い精度で容易に測定し得る。別の形態では、屈折率および厚さが既知の光学スラブを挿入して、光線の交点を測定する物理的な面を変化させずに光路長を既知の値だけ変化させる。

一般に、いずれの代替形態でも、第１光路長と第２光路長の差を求めるのに必要とされる測定は、１％未満の範囲で実施し得る。この値は、光学特性の推定値の誤差範囲に影響を及ぼす。

特定の点を透過する光線に関するレンズの光学特性は、横収差を測定する面の位置にかかわらず一定である。横収差は、一般に未知である主面までの距離によって決まる。この方法では、主面の絶対位置を正確に知る必要はないが、第１の面と第２の面の光路長を知る必要がある。これは、すでに述べたように、妥当な正確さで知ることまたは求めることができる。

一形態では、複数の光線が生成され、この方法を用いて一般波面方程式のいくつかの係数を求める。各光線ごとに、係数の値を決定するための方程式のいくつかを連立して解くことを可能とする隣接した光線を用いて係数を求める。

一形態では、波面の式は単項式の和からなる。別の形態では、波面の式はゼルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）の多項式の和からなる。他の形態では、ＤＭａｌａｃａｒａのＯｐｔｉｃａｌＳｈｏｐＴｅｓｔｉｎｇなどに概要が示されているグラム・シュミット（Ｇｒａｎｔ−Ｓｃｈｍｉｄｔ）の直交化を利用して、波面の式を、データセット全体が直交する多項式の和からなる式に変換し得る。

別の形態では、回帰分析を利用して波面の式中の係数を推定する。一例は最少二乗による推定である。あるいは、Ｐ．Ｒ．ＢｅｖｉｎｇｔｏｎのＤａｔａＲｅｄｕｃｔｉｏｎａｎｄＥｒｒｏｒＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅＰｈｙｓｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓなどに概要が示されているグリッドサーチ、勾配サーチ（a gradient search）、またはラビーンサーチ（a ravine search）を利用することができる。別の形態では、遺伝子アルゴリズムを用いてこれらの係数を最適に推定することもできよう。

第２態様では、本発明は、被測定装置（Device-Under-Test）（以下、「ＤＵＴ」と称する）の光学特性を推定する装置に存すると言えるが、これは必ずしも最も広い形式または唯一の形式ではない。この装置は、
光源によって生成された光波面を検査位置に向かって送る手段と、
この波面から少なくとも１本の光線を生成する光線生成手段と、
それぞれ波面の伝播方向に対して横方向であり、光源に対して検査位置より先にあり、異なる光路長のところにある２つ以上の測定面で各光線が交差するそれぞれの点を、検査位置にＤＵＴが存在する状態および存在しない状態で測定する検出手段と、
各面において各光線ごとにＤＵＴに起因する横収差を計算し、各面ごとに、この面とＤＵＴの主面の光学距離と光学特性との積である一般横収差方程式の係数を求めた横収差から推定し、各面ごとのこれらの係数の推定値およびそれぞれの面の間の光学距離から光学特性を推定する処理手段とを含む。

一形態によれば、この検出手段は、測定面に配置可能なＣＣＤ（電荷結合素子）カメラを含む。この検出手段は、走査型検出器を含めて他の形態も取り得る。

別の形態では、この検出手段はスクリーンであり、典型的には、光線を投影することができ、測定面に配置可能な光学的に透明なスクリーンである。このスクリーン上に表示される像は、ＣＣＤカメラ上に結像することができる。

一形態では、処理手段は、ＣＣＤカメラと通信するインタフェース手段と、データおよび命令を記憶するメモリ手段と、結果を提供する出力手段とを含むコンピュータである。一形態では、この出力手段は、ビデオディスプレイか、あるいはプリンタまたはプロッタである。

一形態では、光線生成手段はハートマンプレートを含む。ハートマンプレートは、２次元正方形アレイおよび２次元六角形アレイを含めて様々なパターンの開口を有し得る。代替形態では、この光線生成手段は、空間光変調器などの移動可能または走査可能な開口を含む。

一形態では、この光線生成手段は、光源とＤＵＴの間に配置される。あるいは、この光線生成手段は、ＤＵＴと検出手段の間に配置することができる。

一形態によれば、この検出手段は、ＤＵＴとカメラの間に特性が既知である透明な光学スラブを選択的に配置して測定面間に光路差を生成する手段を含む。このような形態では、測定面の物理的な位置は同じ場所にあるが、光路長は変化する。別の形態では、ビームスプリッタを使用して各光線を少なくとも２つに分割し、異なる測定面において分割した光線を検出するための、例えばカメラなどの２つの検出手段を設ける。

一形態では、特性が既知である他の光学素子を使用して、光線が検出手段の視野内に入るようにすることができる。このような光学素子の例には、光線を収束または発散させるレンズまたはミラーが含まれる。例えば、ＣＣＤカメラの横方向範囲は現在比較的狭いが、分解能は適度に維持されており、そのため、収束または縮小用の光学素子を使用することによってこれらの光線がカメラの検出可能な領域内に入る。他の状況では、周知のやり方でこれらの光線を発散させて有効分解能を向上させ、それによって交点を求めることができると望ましいことがある。

本発明の理解を助けるために、添付の図面を参照して好ましい実施形態を説明する。

これらの図は、工学設計図面ではなく、本発明の説明の助けとするための単なる概略図であることを理解されたい。したがって、外観、遠近法、比率などは不正確なことがあり、外観は割愛されていることがある。

この好ましい実施形態では直交座標を用いるが、他の座標系を用いることができることを理解されたい。さらに、この実施形態では、光源の波面をコリメートするが、これは本質的なことではないことを理解されたい。

球面屈折力（Ｓ）、円柱屈折力（Ｃ）、プリズム（Ｐ）、球面収差（Ａ）、およびコマ（Ｂ）の係数についての一般波面方程式は、次にように記述し得る。

但し、ｘ、ｙはＤＵＴの第１主面におけるビームの横座標であり、光線生成手段が光源とＤＵＴの間に配置される場合、
αはプリズムの向き、
βはコマの向き、
φは円柱の向きである。

直交座標では、横収差（ＴＡ）は次のように表される。

但し、ｌは、光線生成手段が光源とＤＵＴの間に配置される場合、光学素子の主面から測定面までの距離である。

横収差は次のように記述し得る。

いくつかの光線についての最小二乗の尺度（least square measure）は、次のように記述し得る。

χ^２を各係数に関して微分し、それをゼロに等しくすることによって、ａ_０〜ａ_７は次のように解くことができる。

ａ_０〜ａ_７を決定することにより、測定面と主面の光学距離および光学特性を組み合わせた特性／距離パラメータの組合せを計算することができる。横収差は、主面から測定面までの距離によって決まる。この距離は未知であり、そのため特性／距離パラメータは、球面屈折力（Ｓ）、円柱屈折力（Ｃ）、プリズム（Ｐ）、球面収差（Ａ）、およびコマ（Ｂ）の特性に主面までの距離を掛けることによってそれぞれ次のように計算される。

主面から第２の距離にある第２測定面について上記の工程を繰り返し、第２の組の特性／距離パラメータを計算することができる。球面屈折力（Ｓ）、円柱屈折力（Ｃ）、プリズム（Ｐ）、球面収差（Ａ）、およびコマ（Ｂ）の係数の値は一定のままであり、したがって、これら２つの測定面間の距離（δ_１）がわかると、これらの係数の値を次のように計算することができる。

α、φ、およびβの向きはほぼ同じになるはずであり、平均化することができる。

レンズ後面頂点から測定面の１つまでの距離がわかると、後面頂点屈折力（Ｓｂｖ）を計算することができる。この距離が第１測定面（ｌｂｖ）について既知である場合、

図１を参照する。この実施形態を用いて、ＤＵＴ（被測定装置）の球面屈折力（Ｓ）、円柱屈折力（Ｃ）、プリズム（Ｐ）、球面収差（Ａ）、およびコマ（Ｂ）、ならびに方向（α、φ、およびβ）を含む光学特性値を推定することができる。光源（１）およびハートマンプレート（２）を備える光線生成手段が存在する。この光源は、コリメートされた波面を提供することが好ましい。これにより、計算が簡略化され、較正およびシステムのチェックがより容易になる。しかし、これは絶対必要条件ではない。ハートマンプレート中の穴の最適な直径およびこれらの穴の最小間隔は、ＤＵＴの予想特性、結果の必要精度、およびマップの必要空間分解能によって決まる。例として、穴の直径が０．５ｍｍ、穴の間隔が０．８ｍｍのハートマンプレートを使用して、球面屈折力が２ジオプタのレンズを特徴づけることができるはずである。この例ではこれらの穴のパターンは、図２でわかるように直線の行と列であるが、各穴を隣接する穴から等距離にする、あるいは、例えばハートマンプレートの中心では穴を互いにより近接させ、ハートマンプレートの周辺にいくほど間隔を広げることを含めて、所望の他の形態をとることができる。これらの穴位置は測定データから求められるので、これらの穴のパターンを精確に製作する必要はない。

光線（３）は、ＤＵＴ（５）を配置し得る検査位置（４）に向かって送る。この検査位置から第１の光路長（８）のところに、レール（７）に取り付けられた２０４８×２０４８画素または１０２４×１０２４画素のＣＣＤカメラなどの光線位置決定手段（６）を配置する。このカメラは、横向きの、好ましくは波面の伝播方向に直交する面を有するが、必ずしも直交する必要はない。ここで、検査位置にＤＵＴがない状態で光線が第１の面と交差する第１位置を測定する。第１位置のｉ番目の光線を（ｘ_１，ｙ_１）_ｉと表示する。

検査位置にＤＵＴを配置し、光線がカメラ面と交差する第２位置を測定する。第２位置のｉ番目の光線を（ｘ_２，ｙ_２）_ｉと表示する。

このカメラを、レールに沿って検査位置から離れる方向に第２光路長（９）のところまで移動させる。第１光路長と第２光路長との距離は、正確に測定または調整する。第２光路長のところのカメラ面を第２の面とし、好ましくは第１の面に平行にする。ここで、ＤＵＴを取り外した状態でカメラを使用して光線が交わる第３位置を測定する。第３位置のｉ番目の光線は（ｘ_３，ｙ_３）_ｉと示す。検査位置にＤＵＴを配置した状態で、カメラを使用して光線が交わる第４位置を測定する。第４位置のｉ番目の光線を（ｘ_４，ｙ_４）_ｉと表示する。

カメラを物理的に移動させて光路長を変化させることの代替案は、ＤＵＴとカメラの間に既知の厚さおよび屈折率のスラブ光学素子を配置することである。このスラブは既知の厚さの光路を有し、それによって第２光路長が変化する。

カメラに適切に接続されたコンピュータなどの計算手段（１０）により、光線の交点の測定位置を用いていくつかの計算を実施する。非周辺光線を繰り返し分割して、ｉ番目の中心光線およびその最近接光線からなるサブセットにする（図２に、１つのサブセット（１１）を示す）。各サブセットをｓ_ｉで示す。ただし、ｉは中心光線を指し（図２に、（１２）としてその１つを示す）、このサブセットの光線をｊ＝１〜９で示す。

各サブセットｓ_ｉごとに、検査位置にＤＵＴがない状態の光線の位置を、ｉ番目の光線である中心光線に関連付けて作成する。第１光路長については、

であり、第２光路長については、

である。

ハートマンプレートに入射する波面が十分良好にコリメートされている場合、第１光路長についての（ｘ_ｒ，ｙ_ｒ）_ｊ（１）は、第２光路長についての（ｘ_ｒ，ｙ_ｒ）_ｊ（２）と同じになり、ＤＵＴの第１主面における相対光線位置に等しくなる。そうでない場合には、ＤＵＴの第１主面における相対光線位置を外挿によって計算する。

コンピュータにより、各サブセットごとに第１光路長での横収差を計算する。

これを第２光路長について繰り返す。

各光路長ごとに、かつｉ番目の各サブセットごとに、係数ａ_０〜ａ_７を上記で説明したように計算する。この実施形態では、各光線をｉ番目の光線に関係づけるので、連立して解く必要がある式は、

次いで、各光線ごとに上記で述べた式を用いて第１光路長および第２光路長のところで特性／距離パラメータを計算する。その後、各光線ごとに上記で述べた式を用いて球面屈折力（Ｓ）、円柱屈折力（Ｃ）、プリズム（Ｐ）、球面収差（Ａ）、およびコマ（Ｂ）の係数の値およびそれらの向きを計算することができる。

球面屈折力（Ｓ）、円柱屈折力（Ｃ）、プリズム（Ｐ）、球面収差（Ａ）、およびコマ（Ｂ）の係数の値が各光線について得られるので、これを用いてＤＵＴの光学特性マップを表示することが可能になる。

第２実施形態では、ＤＵＴは既知の特性（例えば、Ｐ、Ｓ、Ｃ、Ａ、およびＢ）をもつ光学素子である。物理的な厚さｌ_ｐは既知であるが屈折率ｎは未知のスラブ素子を使用して光路長を変化させる。次いで、第１実施形態の場合と同様に進めることによって、以下の式の１つまたは複数を用いて屈折率を求めることができる。

屈折率ｎを推定するには光学特性（Ｓ、Ｃ、Ｐ、Ａ、またはＢ）の１つが既知であるだけでよいことを理解されたい。しかし、より多くの光学特性が既知である場合には、推定値を平均することができるはずである。

図３を参照すると、光源（１３）により波面（１４）が生成され、この波面からハートマンプレート（１５）により複数の光線（１６としてその１本を示す）が生成される。これらの光線は、検査位置の平面鏡（１７）または検査位置の反射光学素子に送られる。反射した光線（１８としてその１本を示す）は、第１測定面（１９）および第２測定面（２０）のＣＣＤカメラに送られる。これらの面と光線の交点は、カメラによって測定され、上記で説明したように処理される。

図４では、光源（２１）から走査可能な開口（２２）上に波面が送られ、それによって、複数の光線（２３としてその１本を示す）が生成される。これらの光線は、ＤＵＴ（２４）が定位置に存在する状態または存在しない状態で検査位置を通過し、ビームスプリッタ（２５）に当たる。次いで、これらの光線は２つの成分に分割され、第１および第２のカメラ（２６および２７）によってそれぞれ検出される。これらのカメラは、ビームスプリッタから異なる光路長のところにある。この配置では、カメラを移動させる必要はないが、２つのカメラを使用することが必要である。これらのカメラは、このシステムに対して較正される。このシステムの較正は、一度だけ行えばよく、いくつかの方法で実施し得る。１つの方法は、光学特性が既知である光学素子を配置してその光路差を求めることである。あるいは、光学特性が既知または未知の光学素子を使用し、両方のカメラから得られる特性／距離パラメータの値が同じになり、それによって光路差がゼロになるまで、一方のカメラを移動させる。次いで、一方のカメラを既知の光路差だけ移動させ、それによって、このシステムに関して既知の光路長を得る。ＤＵＴがない状態では、これらの光線は容易に識別され、したがって、カメラによって決定されるこれらの光線の位置を関係づけることができることを理解されたい。

図５に、図１のものと類似の配置を示す。違いは、ハートマンプレート（２８）が検査位置（２９）の後に、ただしその近くに配置されることである。光源（３０）から検査位置に向かって波面が送られ、ＤＵＴがそこに配置される場合にはそれを通る。この図に、検出器として透明なスクリーン（３１）を使用する方法も示す。このスクリーンは、図に示すように２つの位置の一方に配置され、その２つの位置においてスクリーン上のＣＣＤカメラ（３２）の焦点が合わせられる。スクリーンが移動すると、これら２つの面の間で異なる光路長が得られる。検出された光線の切片は、上記で説明したように処理される。

図６に、ミラー（１７）を検査する別の方式を示す。この方式は、ビームスプリッタ（３３）を使用して入射ビームと反射ビームを分離する点を除いて、図３を参照して論じたものに類似している。

図７に、光波面の特性を求める方式を示す。光源（３４）から波面（３５）が生成され、ハートマンプレート（３６）によって複数の光線に変換される。これらの光線は、測定面（３７および３８）で測定され、前と同様に処理される。このケースでは、ハートマンプレートの穴位置をあらかじめ求める。これは、回折限界の、コリメートされたレーザビームを使用し、このハートマンプレートの近くにＣＣＤカメラを配置することによって行うことができる。これは穴位置を記録するために一回のみ行えばよい。各測定面で横収差を測定し、次いで、この横収差を処理して検査中の波面の特性を求める。

図８に、光波面の特性を求める代替方式を示す。光源（３４）から波面（３５）が生成され、ハートマンプレート（３６）によって複数の光線に変換される。これらの光線は、ビームスプリッタ（３３）に当たり、２つの成分に分割され、それぞれ第１および第２のカメラ（３７および３８）によって検出される。これらのカメラは、ビームスプリッタから異なる光路長のところにある。この配置では、カメラを移動させる必要はないが、２つのカメラを使用することが必要である。交点のサブセットではなく、交点をすべて使用することによって波面の平均特性を求めることができる。

図９に、凹面ミラー（４０）の特性を求める方式を示す。点光源（４１）から波面（４２）が生成され、比較的小型のハートマンプレート（４３）によって複数の光線に変換される。ミラー表面での光線の座標は、この配置の幾何形状を利用して推定する。反射光線が焦点（４４）の近くに配置された２つ以上の面と交差する点を前に説明したのと同様に測定する。このミラーの特性は、次式を用いて求められる。

但し、ΔｘおよびΔｙは、１対の測定面における光線の交点（ｘ_１とｘ_２、ｙ_１とｙ_２）間の差、δｌは、これらの測定面間の光学距離、Ｒは、このミラー上での光源の波面の曲率半径である。

図１０に、凹面ミラー（４０）を検査する別の方式を示す。これは、ハートマンプレート（４３）がミラーの近くに配置され、そのため、このミラー上での光線の座標をこのハートマンプレートから直接求めることができる点を除いて、図９を参照して論じたものに類似している。

対物レンズの輪郭マップ
図１１に、公称上高品質の顕微鏡対物レンズの一部の球面屈折力の輪郭マップをジオプタで示す。この輪郭マップは、このレンズ上の異なる点における球面屈折力の１７個の推定値から生成したものである。各測定値の再現性は０．０３ジオプタである。

好ましい実施形態では、各光線サブセットの中心を光線上に置いているが、これが不可欠ではないことを理解されたい。所望の場合には、各サブセットは光線間を中心とし得る。

第１実施形態の概略図である。ハートマンプレートの概略図である。ミラーの検査の概略図である。２つのカメラによる光学素子の検査の概略図である。ハートマンプレートが検査位置の後に配置される場合を示す概略図である。ミラーの検査の概略図である。波面の検査の概略図である。２つのカメラによる波面の検査の概略図である。凹面ミラーの特性を求める方式の概略図である。凹面ミラーの特性を求める別の方式の概略図である。公称上高品質の顕微鏡対物レンズの一部の球面屈折力の輪郭マップをジオプタで示す図である。

Claims

被測定装置（Device-Under-Test）（ＤＵＴ）の１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
光源によって生成された光波面（optical wavefront）を検査位置に向かって送るステップと、
前記検査位置でこの波面から少なくとも１本の光線を生成するステップと、
各光線ごとに、
それぞれ前記波面の伝播方向に対して横方向であり、前記光源に対して前記検査位置より先にあり、異なる光路長（optical path distances）のところにある２つ以上の測定面で、前記光線が前記測定面と交差するそれぞれの点を、前記検査位置に前記ＤＵＴが存在する状態および存在しない状態で測定するステップと、
前記各測定面において前記ＤＵＴに起因する前記光線の横収差を求めるステップと、
前記各測定面ごとに、光学特性および前記測定面と前記ＤＵＴの適切な主面（principal plane）との光学距離の組合せの積である一般横収差方程式（general transverse aberration equations）の係数を、求めた横収差から推定するステップと、
前記各測定面ごとの前記係数の推定値および前記各測定面の間の光学距離から光学特性を推定するステップと、を含む方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
主要点（cardinal points）および関連する主要面（cardinal planes）が前記ＤＵＴの前記主面に関係づけられるとともに、前記主要点または前記主要面のいずれかを用いて前記主面を確定する方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
光学特性と前記測定面−前記ＤＵＴの適切な前記主面間の光学距離との積を推定し、次いで、前記各測定面間の光学距離の差を用いて前記主面を確定することを含む方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
前記主面と前記測定面の１つとの光学距離が既知であり、前記測定面間の光学距離を求めるステップを含む方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
前記一般横収差方程式が一般波面方程式（general wavefront equation）から導出され、前記一般横収差方程式から導出された連立方程式を解くことによって、前記一般横収差方程式の係数を推定することを含む方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
光学特性の計算を、前記各測定面ごとの前記係数の推定値を互いに減算し、前記各面の間のそれぞれの距離で割ることによって行う方法。
請求項６に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
２つ以上の面があり、異なる面の対から得られた光学特性の値を平均して合成推定値を提供する方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、前記光線と前記測定面とが交差する点を測定するステップが、
第１の面において、
検査位置にＤＵＴが存在しない状態で前記光線または各光線が前記第１の面と交差する１つまたは複数の第１の点を求めることと、
検査位置にＤＵＴが存在する状態で前記光線または各光線が前記第１の面と交差する１つまたは複数の第２の点を求めることと、
第２の面において、
検査位置にＤＵＴが存在しない状態で前記光線または各光線が前記第２の面と交差する１つまたは複数の第３の点を求めることと、
検査位置にＤＵＴが存在する状態で前記光線または各光線が前記第２の面と交差する１つまたは複数の第４の点を求めることと、を含む方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、前記横収差を求めるステップが、
それぞれの第１の点を第２の点から減算することによって第１の横収差を計算することと、
それぞれの第３の点を第４の点から減算することによって第２の横収差を計算することとを含む方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
前記一般横収差方程式の係数を求めるステップが、
前記一般横収差方程式を得るために前記一般波面方程式を微分することと、
前記第１の面について、
それぞれの光線の前記第１の点、前記第３の点、および前記第１の横収差を用いて、前記係数の値について前記一般横収差方程式または一般横方程式（general transverse equations）の連立形を解くことと、
前記第２の面について、
それぞれの光線の前記第１の点、前記第３の点、および前記第２の横収差を用いて、前記係数の値について前記一般横収差方程式または前記一般横方程式の連立形を解くこととを含む方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、光学特性を推定するステップが、
前記第１および第２の面について前記各係数を減算するとともに前記第１の面と前記第２の面との間の光路長で割ることを含む方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
前記第１および第２の光路長が、２つの物理的に離間した横方向の面において前記光線の交点を測定することによって取得される方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
屈折率および厚さが既知の光学スラブを挿入して、前記光線の交点を測定する物理的な面を変化させずに前記光路長を既知の値だけ変化させる方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
複数の前記光線が生成されるものであって、前記一般波面方程式のいくつかの係数を求めるために用いられる方法。
請求項１４に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
前記各光線ごとに、いくつかの方程式の連立解によって係数の値を決定することを可能とする隣接した光線を用いて係数を求める方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
波面の式（wavefront equation）が単項式の和からなる方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
波面の式がゼルニケの多項式の和からなる方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
グラム・シュミットの直交化を利用して、波面の式を、データセット全体が直交する多項式の和からなる式に変換する方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
回帰分析を利用して波面の式中の係数を推定する方法。
請求項１９に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
回帰分析を最少自乗による推定によって行う方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
前記波面の式中の係数を、グリッドサーチ（grid search）、勾配サーチ（gradient search ）、またはラビーンサーチ（ravine search）のいずれかによって推定する方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
遺伝子アルゴリズムを用いて前記係数を最適に推定する方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
前記ＤＵＴが、レンズ、ミラー、プリズム、および光学素子の組合せからなる群より選ばれるものである方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
光学特性がマップとしてグラフ化される方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
前記ＤＵＴ中の光学収差を確定するために用いられる方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
前記ＤＵＴと入射光波面とを整列させるために用いる方法。
請求項１に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
光学素子が特定の応用例に適しているかどうかに関して評価することができる方法。
請求項２７に記載のＤＵＴの１つまたは複数の光学特性を推定する方法であって、
眼科レンズの検査に用いられる方法。
ＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
光源によって生成された光波面を検査位置に向かって送る手段と、
前記波面から少なくとも１本の光線を生成する光線生成手段と、
前記各波面の伝播方向に対して横方向であり、光源に対して検査位置より先にあり、異なる光路長のところにある２つ以上の測定面で各光線が交差するそれぞれの点を、検査位置にＤＵＴが存在する状態および存在しない状態で測定する検出手段と、
各面において前記ＤＵＴに起因する前記光線の横収差を計算する処理手段であって、各面ごとに、光学特性と前記測定面−前記ＤＵＴの適切な前記主面間の光学距離との積である一般横収差方程式の係数を求めた横収差から推定し、各面ごとの係数の推定値およびそれぞれの面間の光学距離から光学特性を推定する処理手段と、を含む装置。
請求項２９に記載のＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
前記検出手段が、前記測定面に配置可能なＣＣＤ（電荷結合素子）カメラを含む装置。
請求項２９に記載のＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
前記検出手段が走査型検出器である装置。
請求項２９に記載のＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
前記検出手段がスクリーンである装置。
請求項３２に記載のＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
前記スクリーンが、前記光線を投影することができ、かつ前記測定面に配置可能な、光学的に透明なスクリーンである装置。
請求項２９に記載のＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
前記スクリーン上に表示される像がＣＣＤカメラ上に結像される装置。
請求項２９に記載のＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
前記処理手段が、前記ＣＣＤカメラと通信するインタフェース手段と、データおよび命令を記憶するメモリ手段と、結果を提供する出力手段とを含むコンピュータである装置。
請求項２９に記載のＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
前記出力手段がビデオディスプレイである装置。
請求項２９に記載のＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
前記光線生成手段がハートマンプレートを含む装置。
請求項２９に記載のＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
前記光線生成手段が、移動可能または走査可能な開口を含む装置。
請求項２９に記載のＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
前記光線生成手段を前記光源と前記ＤＵＴの間に配置する装置。
請求項２９に記載のＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
前記光線生成手段を前記ＤＵＴと前記検出手段の間に配置し得る装置。
請求項２９に記載のＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
前記検出手段が、前記ＤＵＴと前記カメラの間に特性が既知である透明な光学スラブを選択的に配置して、前記測定面間に光路差を生成する手段を含む装置。
請求項２９に記載のＤＵＴの光学特性を推定する装置であって、
ビームスプリッタを使用して各光線を少なくとも２本に分割し、異なる前記測定面で分割された前記光線を検出する２つの検出手段が設置されている装置。