JP2006250675A - マッハツェンダー型干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検レンズを替える際の段取りを容易に行えるようにし、段取り替えによる測定精度への影響が少なくなるようにする。
【解決手段】 マッハツェンダー型干渉計は、光源２からの光束をビームスプリッタ５で第一の光路Ｌ１と第二の光路Ｌ２とに分割し、第一の光路Ｌ１上に配置された基準レンズＲを透過した光束と、第二の光路Ｌ２上に配置された被検レンズＳを透過した光束とをビームスプリッタ９で合成し、基準レンズＲと被検レンズＳとの波面の差に応じた干渉縞をスクリーン１６上に投影させる。この際に、ビームスプリッタ５の手前側に配置されたフローティングレンズ３を光軸方向に移動させることで基準レンズＲ及び被検レンズＳのそれぞれに入射される光束の入射角度を調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、透過波面によってレンズの性能評価を行うマッハツェンダー型干渉計に関する。

マッハツェンダー型干渉計は、２つの分岐した光路のそれぞれに、被検レンズと、基準レンズとを配置し、それぞれの光束を再び合成した際に形成される干渉縞を解析することで被検レンズの形状等を測定するものである（例えば、特許文献１参照）。

ここで、典型的なマッハツェンダー型干渉計の概略構成を図５に示す。
このマッハツェンダー型干渉計１００は、光源１０１と、ビームエキスパンダ１０２と、光束を２つの光路に分岐するビームスプリッタ１０３と、ミラー１０４，１０５と、２つの光路のそれぞれに配置された入射レンズ１１３，１１４と、一方の光路に配置された基準レンズ１１１と、他方の光路に配置された被検レンズ１１２と、これらレンズ１１１，１１２の後方にそれぞれ配置された集光レンズ１０６，１０７と、２つの光束を合成するビームスプリッタ１０８と、干渉縞を観察する結像手段１０９と、干渉縞から位相データを算出し、この位相データから被検レンズ１１２の収差量を解析する演算手段１１０とから構成されている。

測定に際しては、基準レンズ１１１と被検レンズ１１２とをセットし、それぞれに適切な光束が入射されるように入射レンズ１１３，１１４を光軸方向に移動させて調整する。光源１０１から出射された光束は、ビームエキスパンダ１０２によって予め定められた径に拡げられ、ビームスプリッタ１０３によって２つの光束に分割させられる。一方の光束は、ミラー１０４で反射されて入射レンズ１１３、基準レンズ１１１、集光レンズ１０６を順番に透過してビームスプリッタ１０８に入射する。他方の光束は、ミラー１０５で反射されて入射レンズ１１４、被検レンズ１１２、集光レンズ１０７を順番に透過してビームスプリッタ１０８に入射する。そして、これら２つの光束は、ビームスプリッタ１０８にて合成されて、結像手段１０９に干渉縞を形成する。この干渉縞を演算手段１１０によって解析することで基準レンズ１１１に対する被検レンズ１１２の透過波面の収差量が測定され、この収差量に基づいて被検レンズ１１２の性能が評価される。
特開平６−１０９５８２号公報

ところで、近年では、カメラ等の光学機器には、多数の高精度レンズが用いられており、これらのレンズには非球面レンズが多く用いられるようになり、複雑な形状のレンズが増えている。このため、基準レンズ及び被検レンズに入射する光束をレンズ形状に合わせて収束光、拡散光、平行光など、様々に変える必要がある。そのために基準レンズ及び被検レンズの前に配置される入射レンズを被検レンズの形状に合わせて光軸方向に移動させて光線を最適な状態にしている。
しかしながら、基準レンズを透過した光束の波面と、被検レンズを透過した光束の波面との差がなくなるように入射レンズの位置を微調整し、マッハツェンダー型干渉計の内部収差を最小にする必要があるので、入射レンズの調整に手間がかかり、被検レンズが替わる度に段取りに時間がかかっていた。また、２つの光路の調整具合によっては、それぞれの光束の波面に差が発生して、かえって測定精度を低下させる可能性があった。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、被検レンズを替える際の段取りを容易に行えるようにし、段取り替えによる測定精度への影響が少なくなるようにすることである。

上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、光源と、前記光源からの光束を２つの光路に分割する光束分割手段と、前記２つの光路のうちの一方の光路中に配置された比較対象用の基準レンズを透過した光束が入射すると共に、他方の光路中に配置された被検レンズを通過した光束が入射し、これら２つの光束を合成する光束合成手段と、前記光束合成手段により光束が合成された際に形成される干渉縞から位相データを算出して前記基準レンズに対する前記被検レンズの収差量を求める演算手段とを有するマッハツェンダー型干渉計において、前記光源と前記光束分割手段との間に、光軸方向に移動可能なレンズと、この移動可能な前記レンズを移動自在に支持する移動機構と、前記移動可能なレンズの位置を前記被検レンズの設計データから算出し、前記移動機構の駆動制御を行う制御手段とを具備したことを特徴とするマッハツェンダー型干渉計とした。

このマッハツェンダー型干渉計では、光源から出射された光は移動可能なレンズによって適当な径に広げられた状態で光束分割手段に導かれ、２つの光束に分割させられる。基準レンズなどを透過した一方の光束と、被検レンズなどを透過した他方の光束とは、光束合成手段よって合成される。この際に干渉縞が形成され、この干渉縞を演算手段によって解析することで被検レンズの収差量等が測定される。ここで、被検レンズが実際に使用される条件に近い状態で光束が入射するように、被検レンズの設計データに基づいて移動可能なレンズの位置を移動機構によって制御し、レンズを光軸方向に移動させて光源からの光束が基準レンズ及び被検レンズに入射する際の出射角を調整する。これによって基準レンズ及び被検レンズに最適な入射角が得られる。光束分割手段の前で出射角の調整が行われるので、２つに分割された光束は常に同じ状態となる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のマッハツェンダー型干渉計において、前記光源からの光束を２つの光路に分割する光束分割手段と前記基準レンズ及び前記被検レンズとの間に、前記基準レンズ及び前記被検レンズへの各光束の入射角を変える入射レンズを切り替え可能に配置したことを特徴とする。
このマッハツェンダー型干渉計は、光束分割手段の手前に配置された移動可能なレンズを光軸方向に移動させると共に、入射レンズを切り替えて、基準レンズ及び被検レンズに入射する光束の入射角度をさらに調整する。なお、入射レンズは、基準レンズ側と、被検レンズ側とで常に等価なものになるように切り替え制御が行われる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載のマッハツェンダー型干渉計において、前記制御手段が前記被検レンズの設計データから前記入射レンズの切り替え制御を行うように構成されていることを特徴とする。
このマッハツェンダー型干渉計では、被検レンズの設計データに基づいて被検レンズが実際に使用される条件に近い状態で光束が入射するように、入射レンズが選択され、選択された入射レンズがそれぞれの光路上に配置される。

本発明によれば、光軸方向に移動可能なレンズを光束分割手段の手前側に配置したので、光束分割手段で分割された２つの光束は、常に同じ入射角で基準レンズと被検レンズとに入射するようになるので、被検レンズを変えて入射角を調整した場合でも、被検レンズ側と基準レンズ側とで干渉計の光学系に起因する収差が生じることはない。したがって、精度良く測定を行うことができる。また、被検レンズを取り替える際の調整が容易になる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、マッハツェンダー型干渉計（以下、干渉計とする）１は、レーザ発振器などからなる光源２と、フローティングレンズ３と、コリメーターレンズ４と、光束を第一の光路Ｌ１と第二の光路Ｌ２の２つの光路に分岐させる光束分割手段であるビームスプリッタ５とが順番に配置されている。さらに、第一の光路Ｌ１には、ビームスプリッタ５側から順番に、光束を曲げるミラー６と、基準側入射レンズ７と、基準側集光レンズ８と、ビームスプリッタ９とが配置されており、基準側入射レンズ７と基準側集光レンズ８との間に参照用の基準レンズＲが挿入される。また、第二の光路Ｌ２には、ビームスプリッタ５側から順番に、光束を曲げるミラー１０と、被検側入射レンズ１１と、被検側集光レンズ１２と、ビームスプリッタ９とが配置されており、被検側入射レンズ１１と被検側集光レンズ１２との間に被検レンズＳが挿入される。また、被検側集光レンズ１２のホルダ１３は、フリンジスキャン用のピエゾ素子１４に接続されており、光軸方向に微動可能になっている。

さらに、光束合成手段であるビームスプリッタ９の後段には、ビームスプリッタ９で合成された光束によって形成される干渉縞を投影するスクリーン１６と、スクリーン１６に投影された干渉縞を観察するためのズームレンズ１７と、結像手段であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ１８とが配置されている。ＣＣＤカメラ１８の出力は、演算手段２１に接続されている。演算手段２１は、干渉縞に基づいて算出される位相データから被検レンズＳの収差量を解析するもので、干渉縞を映すモニタ１９と、前記したピエゾ素子１４とが接続されている。

ここで、フローティングレンズ３は、移動機構である電動ステージ２２によって光軸方向に移動自在に支持されている。この電動ステージ２２は、制御装置２３（制御手段）に接続されており、制御装置２３には入力手段２４が接続されている。制御装置２３は、公知の光線追跡プログラムなどが実行可能で、入力手段２４から入力される被検レンズＳの設計データに基づいてフローティングレンズ３の位置の最適値を演算し、電動ステージ２２の位置制御を行うように構成されている。入力手段２４としては、記録媒体から設計データを読み取る読取装置や、作業者が設計データを打ち込むキーボードや、ネットワークを通じて設計データを取得するための通信制御装置などがあげられる。

また、設計データとしては、被検レンズＳのそれぞれのレンズ面の曲率半径、被検レンズＳの厚さ、レンズ材料の屈折率があげられるが、被検レンズＳを透過した光束の軌跡を演算可能なデータであれば前記したデータに限定されない。

次に、この実施の形態の作用について説明する。
まず、第一の光路Ｌ１と第二の光路Ｌ２が等価になるように調整された状態で、基準レンズＲ及び被検レンズＳを不図示のホルダなどに装着して光路Ｌ１，Ｌ２中にそれぞれ挿入する。さらに、このときに、作業者は入力手段２４から制御装置２３に設計データを入力する。制御装置２３は、設計データに基づいて光束の軌跡を演算し、基準レンズＲ及び被検レンズＳのそれぞれに入射される光束の入射角が測定に最適な所定の値になるように、フローティングレンズ３の位置を演算する。そして、そのような位置にフローティングレンズ３が設置されるように電動ステージ２２に駆動指令を出力する。

例えば、被検レンズＳから出射する光束を平行光に近づけるとスクリーン１６上に最適な干渉縞が得られる場合に、図２に示すように、基準レンズＲ及び被検レンズＳが両凸レンズである場合には、基準レンズＲ及び被検レンズＳの手前側で焦点を結ぶようにフローティングレンズ３の位置が調整される。また、図３に示すように、基準レンズＲ及び被検レンズＳが両凹レンズである場合には、基準レンズＲ及び被検レンズＳへの入射光として収束光が形成されるようにフローティングレンズ３の位置が調整される。

以上のようにして、フローティングレンズ３の位置を調整したら、光源２から所定波長のレーザ光を出射させる。光源２からの光束は、位置調整後のフローティングレンズ３、コリメーターレンズ４によって予め定められた径に拡げられる。光束は、ビームスプリッタによって第一の光路Ｌ１と第二の光路Ｌ２とに等しく分割され、第一の光路Ｌ１では、ミラー６で反射された後に、基準側入射レンズ７を透過して基準レンズＲに導かれる。基準レンズＲを透過した光束は、基準側集光レンズ８を透過してからビームスプリッタ９に入射する。一方、第二の光路Ｌ２では、ミラー１０で反射された後に、被検側入射レンズ１１を透過して被検レンズＳに導かれる。被検レンズＳを透過した光束は、被検側集光レンズ１２を透過してからビームスプリッタ９に入射する。

ビームスプリッタ９では、２つの光路Ｌ１，Ｌ２からの光束が合成され、合成された光束は、スクリーン１６に投影される。ここで、２つの光路Ｌ１，Ｌ２は等価になるように予め調整されているので、基準レンズＲと被検レンズＳとの間に形状等の差が生じていた場合には、両レンズ１１，１２の透過波面の差によってスクリーン１６上に干渉縞が形成される。この干渉縞をＣＣＤカメラ１８によって撮影し、ズームレンズ１７で適当な大きさに調整しつつモニタ１９に映し出す。さらに、被検側集光レンズ１２をピエゾ素子１４によって光軸と平行に微動させ、第一、第二の光路Ｌ１，Ｌ２の光路差を積極的に変化させて干渉縞を走査させるフリンジスキャンを行い、これを演算手段２１で画像処理することによって干渉縞から位相データを演算する。そして、演算手段２１によって位相データを解析することによって基準レンズＲに対する被検レンズＳの収差量等が測定される。

この実施の形態によれば、フローティングレンズ３を光軸方向に移動させることによってコリメーターレンズ４からの光束の出射角を調整することが可能になる。これによって、基準側入射レンズ７及び被検側入射レンズ１１のそれぞれの出射角を変化させることが可能になり、基準レンズＲ及び被検レンズＳに入射する光束として最適な光束を得ることができる。このとき、光束は、ビームスプリッタ５よりも手前側で調整されるため、被検レンズＳを交換した際に入射角の調整を行っても、基準レンズＲ側の光束と被検レンズＳ側の光束は常に等価になり、干渉計の光学系の配置に起因する収差が発生せずに精度の良い測定が可能になる。また、被検レンズＳの取り替えの段取りが容易になる。
また、制御装置２３が被検レンズＳの設計データに基づいてフローティングレンズ３の位置を調整するようにしたので、異なる種類の被検レンズＳを測定する場合でも、各被検レンズＳに対して最適な干渉計１を簡単に構築することが可能になる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構成要素には同一の符号を付してある。また、重複する説明は省略する。
この実施の形態は、基準側入射レンズと被検側入射レンズがそれぞれ複数、交換可能に搭載されていることを特徴とする。

図４に示すように、干渉計３０の第一の光路Ｌ１上には、基準側入射レンズ７ａが回転板３１に固定された状態で配置されている。この回転板３１には、開口数の異なる基準側入射レンズ７ａと基準側入射レンズ７ｂとが固定されている。回転板３１の中心には、回転軸３２が固定されており、この回転軸３２は回転駆動手段であるモータ３３の出力軸に連結されている。モータ３３は、制御装置２３に接続されており、いずれか一方の基準側入射レンズ７ａ，７ｂが第一の光路Ｌ１の光軸中心上に配置されるように回転制御される。

同様に、第二の光路Ｌ２には、被検側入射レンズ１１ａが回転板３５に固定された状態で配置されている。回転板３５は、開口数の異なる２つの被検側入射レンズ１１ａ，１１ｂが固定されており、その中心には回転軸３６が固定されている。回転軸３６は、モータ３７に連結されており、モータ３７は制御装置２３によって回転制御される。なお、被検側入射レンズ１１ａは、基準側入射レンズ７ａと等価なレンズである。被検側入射レンズ１１ｂは、基準側入射レンズ７ｂと等価なレンズである。

次に、この実施の形態の作用について説明する。
基準レンズＲ及び被検レンズＳを配置したら、入力手段２４から設計データを制御装置２３に入力する。制御装置２３は、公知の光線追跡プログラムによって光束の軌跡を演算し、基準レンズＲ及び被検レンズＳのそれぞれに入射される各光束の入射角が測定に最適な所定の値になるようなフローティングレンズ３の位置と、基準側入射レンズ７ａ，７ｂ及び被検側入射レンズ１１ａ，１１ｂの組み合わせを決定する。現在配置されている基準側入射レンズ７ａ及び被検側入射レンズ１１ａを使用する場合には、モータ３３，３７を回転させずに、電動ステージ２２のみを駆動させ、フローティングレンズ３を光軸方向に移動させて基準レンズＲ及び被検レンズＳへの入射角を調整する。一方、基準側入射レンズ７ｂ及び被検側入射レンズ１１ｂを使用する場合には、電動ステージ２２と共にモータ３３，３７を回転させる。モータ３３，３７に連結された回転軸３２，３６を介して回転板３１，３５が回転し、基準側入射レンズ７ｂ及び被検側入射レンズ１１ｂがそれぞれの光路Ｌ１，Ｌ２の光軸中心上に配置される。制御装置２３は、被検側入射レンズ１１ａを第二の光路Ｌ２に配置する際には、常に基準側入射レンズ７ａが第一の光路Ｌ１に配置されるように制御を行う。同様に、被検側入射レンズ１１ｂを第二の光路Ｌ２に配置する際には、常に基準側入射レンズ７ｂが第一の光路Ｌ１に配置されるように制御を行う。

そして、フローティングレンズ３及び各入射レンズ７ａ，７ｂ，１１ａ，１１ｂの調整を行ったら、第１の実施の形態と同様にして測定を行う。

この実施の形態では、複数の入射レンズ７ａ，７ｂ，１１ａ，１１ｂを交換可能に有するので、基準レンズＲ及び被検レンズＳへの入射角度を大きく変化させることができる。したがって、曲率半径が極小なレンズや、レンズ径の大小等、より多くの種類の被検レンズＳの測定を行うことが可能になる。この際に、入射レンズ７ａ，７ｂ，１１ａ，１１ｂは、回転移動によってのみ切り替えられるので、従来のように光軸に沿って移動させる場合に比べて、各光路Ｌ１，Ｌ２上で等価になるように配置し易い。したがって、入射レンズ７ａ，７ｂ，１１ａ，１１ｂを切り替える場合でも従来よりも精度の良い測定を行うことができ、段取りの時間を短縮できる。その他の効果は、第１の実施の形態と同じである。

なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されずに広く応用することが可能である。
例えば、第二の光路Ｌ２の被検側集光レンズ１２をフリンジスキャンする代わりに、第一の光路Ｌ１の基準側集光レンズ８をピエゾ素子１４によってフリンジスキャンするように構成しても良い。また、ミラー６又はミラー１０をピエゾ素子１４で移動可能に支持し、ミラー６又はミラー１０の角度を変えずに光軸方向に微動することによってフリンジスキャンをするように構成しても良い。一方、ミラー６及びミラー１０、並びに基準側集光レンズ８及び被検側集光レンズ１２をそれぞれ固定し、フリンジスキャンを行わずに干渉縞から被検レンズＳの評価をするように構成しても良い。

また、入力手段２４に位相データを入力する代わりに、フローティングレンズ３の位置を直接入力しても良い。同様に、使用する基準側入射レンズ７ａ，７ｂ及び被検側入射レンズ１１ａ，１１ｂの種類を直接に入力しても良い。同種類の被検レンズＳを複数検査する場合などに迅速な測定が可能になる。さらに、被検レンズＳの設計データや、被検レンズＳに対応するフローティングレンズ３の位置、被検レンズＳに対応して選択される各入射レンズ７ａ，７ｂ，１１ａ，１１ｂの種類を、制御装置２３のメモリに予め登録しておいても良い。この場合には、被検レンズＳの型番など、被検レンズＳを特定するデータを入力手段２４から入力する。これによって、制御装置２３がメモリに登録されている情報を抽出し、前記の実施の形態と同様の処理を実施する。また、制御装置２３の表示部を設け、この表示部に被検レンズＳを特定するデータを表示し、作業者に選択させるように構成しても良い。

また、基準側入射レンズ７ａ，７ｂと、これに等価な被検側入射レンズ１１ａ，１１ｂは、手動で回転させるように構成されても良い。この場合には、回転板３１，３５は、各入射レンズ７ａ，７ｂ，１１ａ，１１ｂが光軸中心上に固定されるように、２位置で固定可能に軸支される。この場合には、制御装置２３に表示部を設け、測定に使用する各入射レンズ７ａ，７ｂ，１１ａ，１１ｂを表示させ、この表示に基づいて作業者が回転板３１，３５を回転させるようにすることが望ましい。
さらに、基準側入射レンズ７ａ，７ｂと、これに等価な被検側入射レンズ１１ａ，１１ｂをそれぞれ３個以上用意しておき、回転板３１，３５を回転させて適切なレンズに切り替えられるようにしても良い。

本発明の実施の形態に係るマッハツェンダー型干渉計の概略構成を示す図である。 被検レンズ及び基準レンズに入射する光束の入射角の一例を示す図である。 被検レンズ及び基準レンズに入射する光束の入射角の一例を示す図である。 マッハツェンダー型干渉計の概略構成を示す図である。 従来のマッハツェンダー型干渉計の概略構成を示す図である。

符号の説明

１，３０ 干渉計（マッハツェンダー型干渉計）
２ 光源
３ フローティングレンズ（レンズ）
５ ビームスプリッタ（光束分割手段）
７，７ａ，７ｂ 基準側入射レンズ（入射レンズ）
９ ビームスプリッタ（光束合成手段）
１１，１１ａ，１１ｂ 被検側入射レンズ（入射レンズ）
２１ 演算手段
２２ 電動モータ（移動機構）
２３ 制御装置（制御手段）
Ｌ１ 第一の光路
Ｌ２ 第二の光路
Ｒ 基準レンズ
Ｓ 被検レンズ

Claims (3)

1. 光源と、前記光源からの光束を２つの光路に分割する光束分割手段と、前記２つの光路のうちの一方の光路中に配置された比較対象用の基準レンズを透過した光束が入射すると共に、他方の光路中に配置された被検レンズを通過した光束が入射し、これら２つの光束を合成する光束合成手段と、前記光束合成手段により光束が合成された際に形成される干渉縞から位相データを算出して前記基準レンズに対する前記被検レンズの収差量を求める演算手段とを有するマッハツェンダー型干渉計において、
   前記光源と前記光束分割手段との間に、光軸方向に移動可能なレンズと、この移動可能な前記レンズを移動自在に支持する移動機構と、前記移動可能なレンズの位置を前記被検レンズの設計データから算出し、前記移動機構の駆動制御を行う制御手段とを具備したことを特徴とするマッハツェンダー型干渉計。
2. 前記光源からの光束を２つの光路に分割する光束分割手段と前記基準レンズ及び前記被検レンズとの間に、前記基準レンズ及び前記被検レンズへの各光束の入射角を変える入射レンズを切り替え可能に配置したことを特徴とする請求項１に記載のマッハツェンダー型干渉計。
3. 前記制御手段が前記被検レンズの設計データから前記入射レンズの切り替え制御を行うように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のマッハツェンダー型干渉計。
   
   

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