JP2007064965A - Method of measuring wave aberration of optical element, and method of correcting wave aberration - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、干渉縞解析を用いた光学素子の波面収差測定方法に関し、とくに干渉計において、参照面から反射する参照波面と、被検面からの被検波面とを干渉させるために、被検面からの被検波面を、参照波面と同形状に形成する為の補助光学素子等に起因するシステム誤差を補正することのできる波面収差測定方法及び波面収差補正方法に関する。 The present invention relates to a method for measuring wavefront aberration of an optical element using interference fringe analysis, and in particular, in an interferometer, in order to cause interference between a reference wavefront reflected from a reference surface and a test wavefront from the test surface, The present invention relates to a wavefront aberration measuring method and a wavefront aberration correcting method capable of correcting a system error caused by an auxiliary optical element or the like for forming a test wavefront from a surface in the same shape as a reference wavefront.
光学素子の形状を測定する方法として、干渉計システムを用いた干渉縞解析がある。従来の干渉縞解析においては、測定対象としての光学素子の収差だけでなく、干渉計システム、特にその被検波面を、参照波面と同形状に形成する補助光学素子光学系、による収差(システム収差、内部収差)も併せて測定されてしまうため、光学素子の形状を正確に測定することができない、という問題点があった。 As a method of measuring the shape of the optical element, there is interference fringe analysis using an interferometer system. In the conventional interference fringe analysis, not only the aberration of the optical element as the measurement target but also the aberration (system aberration) due to the interferometer system, particularly the auxiliary optical element optical system that forms the wavefront to be detected in the same shape as the reference wavefront. , Internal aberration) is also measured, so that the shape of the optical element cannot be measured accurately.
これに対して、測定対象の光学素子の測定を行う前に、原器及び参照面を用いてシステム収差を算出しておき、その後に測定した光学素子の収差からシステム収差を減算することにより、収差を補正して光学素子固有の収差を算出するという方法が提案されている(特許第3327998号明細書(特許文献1))。 On the other hand, before measuring the optical element to be measured, by calculating the system aberration using the original device and the reference surface, and then subtracting the system aberration from the measured aberration of the optical element, A method of correcting aberrations and calculating aberrations specific to the optical element has been proposed (Japanese Patent No. 3327998 (Patent Document 1)).
この方法では、システム収差の算出のために、原器又は参照面を入射光の光軸を中心に一定角度回転させた状態で、基準光を出射する。基準光は、測定対象の光学素子の被測定面の設計形状と同一形状の面として形成された参照面により一部が反射され、残りはこの参照面を透過して、原器のうちの光学素子の被測定面の設計形状と同一形状の面で反射された後に、再び参照面を透過する。参照面による反射光と、参照面を透過して原器で反射された光と、により形成される干渉縞を解析することにより得られるデータをZernike展開すると、システム収差としての各種収差成分の近似値が、Zernikeの各係数として求めることができる。 In this method, in order to calculate the system aberration, the reference light is emitted in a state where the original device or the reference surface is rotated by a certain angle around the optical axis of the incident light. A part of the reference light is reflected by a reference surface formed as a surface having the same shape as the design shape of the surface to be measured of the optical element to be measured. After being reflected by a surface having the same shape as the design shape of the surface to be measured of the element, it passes through the reference surface again. When Zernike expansion is performed on the data obtained by analyzing the interference fringes formed by the reflected light from the reference surface and the light transmitted through the reference surface and reflected by the original device, approximation of various aberration components as system aberrations A value can be obtained as each coefficient of Zernike.
一方、測定対象の光学素子の測定では、まず、システム収差の算出で用いた参照面による反射光と、この参照面を透過して、光学素子の被測定面で反射された光と、により形成される干渉縞を解析する。この解析により得られたデータもZernike展開されて、Zernikeの各係数として、各種収差成分の近似値が算出される。つづいて、算出された各収差成分から、あらかじめシステム収差として算出された各収差成分を減じることにより、システム収差を除いた光学素子固有の収差を算出することができる。
しかしながら、上述の方法では、Zernike展開後の係数として表現されることのない成分(例えば高周波成分、局所的な成分)を補正することができない。また、Zernike展開により得られる収差成分は近似値にすぎない。よって、システム収差と光学素子固有の収差とを正確かつ容易に分離することができず、測定結果からシステム収差を排除することが困難である。 However, the above-described method cannot correct components that are not expressed as coefficients after Zernike expansion (for example, high-frequency components and local components). In addition, the aberration component obtained by Zernike expansion is only an approximate value. Therefore, the system aberration and the aberration specific to the optical element cannot be separated accurately and easily, and it is difficult to exclude the system aberration from the measurement result.
上記課題を解決するために、本発明の光学素子の波面収差測定方法は、参照面から反射する参照波面と、被検面からの被検波面とを干渉させるために、被検波面を、参照波面と同形状に形成するための補助光学素子を持つ干渉計を用いて、参照波面と被検波面との干渉縞を解析することにより被検光学素子の波面収差を測定する方法であって、被検光学素子及び補助光学素子の波面収差を、空間の各点における波面収差の分布として、この波面収差の空間分布を算出する波面収差空間分布算出工程と、被検光学素子を、被検光学素子の測定光軸を中心にして、少なくとも360度に渡って、所定角度回転させるごとに、波面収差を算出し、それらの波面収差の平均値を、Zernike展開し、近似回転対称成分のみを減算し、補助光学素子のシステム収差の空間分布として算出するシステム収差空間分布算出工程と、波面収差空間分布算出工程で算出された波面収差から、システム収差空間分布算出工程で算出されたシステム収差を減算することによって、被検光学素子固有の波面収差を得る固有収差算出工程と、を備えることを特徴としている。 In order to solve the above-described problem, the wavefront aberration measuring method for an optical element of the present invention refers to a test wavefront in order to cause interference between the reference wavefront reflected from the reference surface and the test wavefront from the test surface. A method for measuring wavefront aberration of a test optical element by analyzing an interference fringe between a reference wavefront and a test wavefront using an interferometer having an auxiliary optical element for forming the same shape as the wavefront, The wavefront aberration spatial distribution calculating step for calculating the spatial distribution of the wavefront aberration by using the wavefront aberration of the test optical element and the auxiliary optical element as the distribution of the wavefront aberration at each point in the space, and the test optical element for the test optical The wavefront aberration is calculated every time a predetermined angle is rotated over at least 360 degrees around the measurement optical axis of the element, the average value of the wavefront aberration is Zernike-expanded, and only the approximate rotational symmetry component is subtracted. Auxiliary optical element By subtracting the system aberration calculated in the system aberration spatial distribution calculation step from the wavefront aberration calculated in the system aberration spatial distribution calculation step and the wavefront aberration spatial distribution calculation step, which is calculated as a system aberration spatial distribution. And an intrinsic aberration calculating step for obtaining a wavefront aberration specific to the optical element.
本発明の波面収差補正方法は、参照面から反射する参照波面と、被検面からの被検波面とを干渉させるために、被検波面を、参照波面と同形状に形成する為の補助光学素子を持つ干渉計を用いて、参照波面と被検波面とにより形成される干渉縞を解析することにより得られる被検光学素子の波面収差を補正する方法であって、被検面からの被検光学素子及び補助光学素子の波面収差を、空間の各点における波面収差の分布として、この波面収差の空間分布を算出する、波面収差空間分布算出工程と、被検光学素子を、被検光学素子の測定光軸を中心にして、少なくとも360度に渡って、所定角度回転させるごとに、波面収差を算出し、それらの波面収差の平均値を、Zernike展開し、近似回転対称成分のみを減算し、補助光学素子のシステム収差の空間分布として算出するシステム収差空間分布算出工程と、波面収差空間分布算出工程で算出された波面収差から、システム収差空間分布算出工程で算出されたシステム収差を減算することによって、波面収差空間分布算出工程で算出された波面収差を補正して、被検光学素子固有の波面収差を得る固有収差算出工程と、を備えることを特徴としている。 The wavefront aberration correction method of the present invention is an auxiliary optical for forming a test wavefront in the same shape as the reference wavefront in order to cause interference between the reference wavefront reflected from the reference surface and the test wavefront from the test surface. A method for correcting wavefront aberration of a test optical element obtained by analyzing an interference fringe formed by a reference wavefront and a test wavefront using an interferometer having an element, comprising: A wavefront aberration spatial distribution calculating step of calculating the wavefront aberration distribution of the wavefront aberration as the wavefront aberration distribution at each point in the space as the wavefront aberration of the test optical element and the auxiliary optical element, and the test optical element The wavefront aberration is calculated every time a predetermined angle is rotated over at least 360 degrees around the measurement optical axis of the element, the average value of the wavefront aberration is Zernike-expanded, and only the approximate rotational symmetry component is subtracted. And auxiliary optical elements Wave aberration by subtracting the system aberration calculated in the system aberration spatial distribution calculation step from the wave aberration calculated in the system aberration spatial distribution calculation step and the wave aberration calculating in the wave front aberration spatial distribution step. A characteristic aberration calculating step of correcting the wavefront aberration calculated in the spatial distribution calculating step to obtain a wavefront aberration specific to the optical element to be tested.
本発明によると、簡単な演算により、Zernike展開で表現されない成分も含んだシステム収差を算出することができる。これにより、システム収差をより正確に算出することができ、光学素子固有の収差を高精度で算出することができる。さらに、測定対象の光学素子の設計値に作り込んだ原器及び参照面を用意する必要がないため、波面収差の測定・補正のためのコストを抑えることができる。 According to the present invention, it is possible to calculate a system aberration including a component that is not expressed by Zernike expansion by a simple calculation. Thereby, the system aberration can be calculated more accurately, and the aberration specific to the optical element can be calculated with high accuracy. Furthermore, since it is not necessary to prepare the original device and the reference surface built into the design value of the optical element to be measured, the cost for measuring and correcting wavefront aberration can be reduced.
以下、本発明にかかる実施形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。本実施形態では、被検レンズ80を収差測定の対象としたが、これ以外の光学素子にも本発明を適用することができる。
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, the
まず、本発明に係る光学素子の波面収差測定方法及び波面収差補正方法の実施に用いる収差測定装置について説明する。この収差測定装置は、光学素子保持部10と、干渉縞形成部20と、干渉縞解析部42と、を備える。
First, an aberration measuring apparatus used for carrying out the wavefront aberration measuring method and wavefront aberration correcting method of the optical element according to the present invention will be described. This aberration measuring apparatus includes an optical
図1に示す光学素子保持部10は、被検レンズ80がもつ光軸(以下測定光軸)を中心に回転可能に保持する回転保持部11と、回転保持部11を回転駆動する駆動部12と、を備える。回転保持部11は、例えば、電動回転可能な略円板(円環)状ステージを用いることができ、被検レンズ80は、その測定光軸が、回転保持部11の円板の回転中心において、円板に直交して延びる線と略一致するように配置される。よって、回転保持部11に正しく保持されると、回転の軸と測定光軸が一致する。
An optical
この回転保持部11は、その円板の円の中心を回転中心として、あらかじめ設定した角度α(所定角度)ごとに回転(回動)することができる。この角度は、360度を任意の整数で除したものであることが好ましく、小さい値にするほど測定の精度が高くなるため好ましいが、測定速度及びコストを考慮すると、360度を18等分した20度、15等分した24度、及び、12等分した30度が、実際的である。この回転保持部11は、これに接続された駆動部12から与えられた駆動電流に応じて、所定角度の間を一定速度で回転した後に一時停止するという動作を繰り返す。駆動部12は、これに接続された制御部43から出力された制御信号に基づいて、所定の駆動電流を回転保持部11に供給する。
The
干渉縞形成部20は、周知の干渉計システムを用いることができ、本実施形態では、図1に示すように、半導体レーザ(LD)(光源)21、干渉縞観察用CCD(charge coupled device)41、及び光学系30を備えるものを用いる。なお、光学系30は、コリメータレンズ31、ミラー32、ハーフミラー34、集光レンズ35、基準平面板36、ピンホール37、及び反射基準凹面鏡38により構成される。本実施例において、補正したいシステム収差をもつ対象の補助光学素子は、この反射基準凹面鏡38となる。
The interference
半導体レーザ21はドライバ22によって駆動され、基準光として所定のレーザ光を射出する。ドライバ22はこれに接続された制御部43から出力された制御信号に基づいて、半導体レーザ21に対して駆動電流を供給する。半導体レー.−ザ21から出射するレーザ光の進行方向には、半導体レーザ21側から順にコリメータレンズ31、及び、ミラー32が配置されている。半導体レーザ21から出射したレーザ光はコリメータレンズ31により平行光化されて、その光路に対して45度傾けて配置されたミラー32で反射されることにより、進行方向が90度曲げられる。
The
ミラー32による反射光の光路上には、ミラー32側から順にハーフミラー34、基準平面板36、被検レンズ80、反射基準凹面鏡38が配置される。ミラー32により反射された光は、その光路に対して45度傾けて配置されたハーフミラー34を透過して、基準平面板36に入射する。
On the optical path of the reflected light by the
基準平面板36は、表面を高精度に研磨された平面ガラス板であって、ハーフミラー34から遠い面には参照面36aが設けられている。参照面36aは基準平面板36に入射した光の一部を透過し、残りを反射する性質を有している。この性質を利用して、参照面36aにより反射した光と、参照面36aを透過した後に被検レンズを透過した光との干渉縞を得ることが可能となる。
The reference
参照面36aによる反射光は、ハーフミラー34で反射された後に、集光レンズ35を経て、その光路上に配置されたピンホール37を通ってCCD41に入射する。なお、CCD41に代えて、ほかのイメージングデバイス(例えばCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor))を用いることもできる。
The reflected light from the reference surface 36 a is reflected by the
一方、参照面36aを透過した光は、被検レンズ80を透過した後に反射基準凹面鏡38で反射され、基準平面板36を再び透過する。この透過光は、ハーフミラー34で反射された後に、集光レンズ35、ピンホール37を経てCCD41に入射する。この光と参照面36aによる反射光とが干渉することにより干渉縞が形成される。形成された干渉縞はCCD41で電気信号に変換され、干渉縞解析部42に入力される。
On the other hand, the light that has passed through the reference surface 36 a passes through the
基準平面板36は、支持装置(例えば電動θステージ)51に保持されている。この支持装置51は基準平面板駆動部52を介して制御部43に接続されている。制御部43から出力された駆動信号を受けた基準平面板駆動部52は、支持装置51に対して所定の駆動電流を供給し、これにより支持装置51は、基準平面板36の光軸を基準平面板36への入射光の進行方向に対して任意の角度(傾斜角度)θだけ傾斜させることができる。このように基準平面板36(参照面36a)を傾斜させることにより、傾斜角度に応じた干渉縞(空間キャリア、tilt縞)が発生し、この干渉縞を、基準平面板36が傾斜していないときに発生していた被検レンズ80の形状を表す干渉縞に重ねて得られる干渉縞を解析することにより、被検レンズ80等の波面収差を得ることができる。
The reference
図2に示すように、干渉縞解析部42は、その内部にA/D変換器421、フレームメモリ422、D/A変換器423、及び演算部424を備えている。干渉縞解析部42としては、例えばパーソナルコンピュータを用いることができるが、A/D変換器421、フレームメモリ422、D/A変換器423、及び演算部424、をそれぞれ独立の装置として構成してもよい。
As shown in FIG. 2, the interference
A/D変換器421には、CCD41から、各画素に蓄積された信号電荷(干渉縞画像信号)が順次入力される。このA/D変換器421においては、入力されたアナログ信号がそれぞれ、デジタル信号(干渉縞画像データ)に変換される。この干渉縞画像データは、A/D変換器421に接続されたフレームメモリ422においてCCD41の画素に対応したアドレスに記憶される。
Signal charges (interference fringe image signals) accumulated in each pixel are sequentially input from the
フレームメモリ422に記憶された干渉縞画像データは、フレームメモリ422に接続されたD/A変換器423によってアナログ信号に変換される。変換されたアナログ信号は、干渉縞解析部42の外部に設けられた出力部44(例えば、モニタ、CRTディスプレイ、液晶ディスプレイ、プリンタ)上に表示される。出力部44上の表示により従来の干渉縞解析を行うことができる。
The interference fringe image data stored in the
一方、フレームメモリ422には演算部424も接続されている。この演算部424では、以下に述べる空間的位相シフト法を用いてフレームメモリ422から出力された干渉縞画像データを解析することにより、被検レンズ80等の波面収差を求めることができる。
On the other hand, a
演算部424には制御部43が接続されており、制御部43には、入力部45(例えばキーボード、マウス)、基準平面板駆動部52及び駆動部12が接続されている。制御部43では、演算部424(干渉縞解析部42)又は入力部45から入力された信号に基づいて、基準平面板駆動部52又は駆動部12に対して、基準平面板36の姿勢変更に必要な制御信号を出力する。基準平面板駆動部52では、この制御信号に基づいて、支持装置51に対して、基準平面板36の姿勢を変更するのに必要な駆動電流を供給する。駆動部12では、制御部43からの制御信号に基づいて、回転保持部11に対して、被検レンズ80の測定光軸に対して回転させるために必要な駆動電流を供給する。また、空間的位相シフト法を用いて解析することにより得られた被検レンズ80の波面収差は、制御部43内に接続された記憶部46に保存される。
A
本実施形態においては、システム収差を算出するために、被検レンズ80を、測定光軸を中心として、360度に渡って、所定角度ずつ回転させるごとに、上述の干渉縞解析を行うことができる。この干渉縞解析は、360度を超えて行ってもよい。これにより、360/n度の回転ごとの波面収差n回求め、こうして得られた波面収差は、記憶部46に保存される。n=0の時、のこの波面収差の空間分布をW0(x,y)とすると、
と表せる。ここで、WAは被測定光学素子の波面収差、WBは補助光学素子の波面収差、添字のaはzernike展開で表すことができるコマ収差、非点収差、高次のコマ収差、高次の非点収差等非回転対称成分(以下非回転対称成分)、sはzernike展開で表すことができるデフォーカス、球面収差、高次の球面収差等の回転対称成分、(以下近似回転対称成分)、irはzernike展開で表すことができないイレギュラーな成分(高周波成分や局所的な成分)を示す。被検レンズ80と反射基準凹面鏡38の間に、十分な面精度且つ平行度を有する適切な平行平板を入れると、WBsを容易に打ち消すことが出来るので、本実施形態ではこれを補正対象外とし、ここで得られる波面収差の空間分布を、
とする。
保存された360度分の波面収差の空間分布は、演算部424により、すべて加算された後に測定されたデータの数で除することにより、平均値が算出される。この平均化された波面収差の空間分布をWS(x,y)とすると、
と表される。
ここで、被検レンズ80の非回転対称成分は、回転に伴い、加算平均処理しているため、その成分は打ち消し合し、その値は0と見なせる。また、irの成分は加算平均処理しているため、打ち消しあい、その値は0と見なせる。また、回転対称成分は、回転に伴い、不変である。故に加算平均処理で、単なる平均化となる。よって各項は以下のように表せる。
一方、反射基準凹面鏡38は被検レンズ80を回転に対して、不動であるので、加算平均により打ち消しあうことはなく、単なる平均化となる。
よって、この平均化された波面収差の空間分布は、以下のように表せる。
前記の平均化された波面収差の空間分布WS(x,y)をZernike展開し、これを分解する。
Zernike多項式は直交多項式であるため、ここから近似回転対象成分のみを減算することができ、これを減算したシステム収差の空間分布WS’(x,y)は
と表せる。
n=0の位置における被検レンズ80固有の収差WTはW0−WS’で表すことができる。
したがって、360度に渡って算出した波面収差の空間分布より簡単な演算で、被検レンズ80固有の収差を求めることができる。
In the present embodiment, in order to calculate the system aberration, the above-described interference fringe analysis is performed each time the
It can be expressed. Here, WA is the wavefront aberration of the optical element to be measured, WB is the wavefront aberration of the auxiliary optical element, the subscript a is coma aberration, astigmatism, high-order coma aberration, Non-rotationally symmetric components such as point aberration (hereinafter referred to as non-rotationally symmetric components), s is a rotationally symmetric component such as defocus, spherical aberration, higher order spherical aberration, etc. Indicates irregular components (high-frequency components and local components) that cannot be represented by zenike expansion. If an appropriate parallel plate having sufficient surface accuracy and parallelism is inserted between the
And
An average value is calculated by dividing the spatial distribution of the stored wavefront aberration for 360 degrees by the number of data measured after all are added by the
It is expressed.
Here, since the non-rotationally symmetric component of the
On the other hand, the reflection reference
Therefore, the spatial distribution of the averaged wavefront aberration can be expressed as follows.
The averaged wavefront aberration spatial distribution WS (x, y) is Zernike-expanded and decomposed.
Since the Zernike polynomial is an orthogonal polynomial, only the approximate rotation target component can be subtracted from this, and the system aberration spatial distribution WS ′ (x, y) obtained by subtracting this is
It can be expressed.
The aberration WT inherent to the
Therefore, the aberration inherent to the
したがって、360度に渡って算出した波面収差を平均し、Zernike展開後、近似された回転対称成分を減算するという簡単な演算により、被検レンズ80固有の収差成分のほとんどを排除したシステム収差の空間分布として求めることができる。このシステム収差の空間分布を、被検レンズ80を一定の角度について干渉縞解析した結果得られる波面収差の空間分布(反射基準凹面鏡38と被検レンズ80固有の収差の両方を含むデータ)から減算することにより、被検レンズ80固有の収差をより正確に算出することができる。
Therefore, the wavefront aberration calculated over 360 degrees is averaged, and after Zernike expansion, the approximate rotational symmetry component is subtracted, and a simple calculation of subtracting the approximate rotational symmetry component eliminates most of the aberration component specific to the
さらに、波面収差の空間分布を用いてシステム収差の空間分布を算出するため、Zernike展開では表現されることのない高周波成分も除去することが可能となる。回転対称成分を減算するためZernike展開を行っているが、減算する回転対称成分は近似値でしかなく、システム収差の空間分布にはZernike展開では表現されることのない高周波成分が保持されている。また、少なくとも360度にわたって波面収差の空間分布を得ることにより、特定の角度範囲の測定で現れる局所成分を算出して、これを除去してより正確な被検レンズ80固有の収差を求めることができる。回転対称成分を減算するためZernike展開を行っているが、減算する回転対称成分は近似値でしかなく、システム収差の空間分布にはZernike展開では表現されることのない局所的な成分が保持されている。
Further, since the spatial distribution of the system aberration is calculated using the spatial distribution of the wavefront aberration, it is possible to remove high frequency components that cannot be expressed by the Zernike expansion. Zernike expansion is performed to subtract the rotationally symmetric component, but the rotationally symmetric component to be subtracted is only an approximate value, and the spatial distribution of system aberrations holds high-frequency components that cannot be expressed by the Zernike expansion. . Further, by obtaining a spatial distribution of wavefront aberration over at least 360 degrees, it is possible to calculate a local component that appears in the measurement in a specific angle range, and to remove this to obtain a more accurate aberration specific to the
同じ設計値の複数の被検レンズ80について収差測定を行う場合、システム収差の算出のための干渉縞解析は、最初に測定する被検レンズ80について行うだけでもよいが、2以上又はすべての被検レンズ80について行ってもよい。
When the aberration measurement is performed on a plurality of
ここで、空間的位相シフト法を用いた解析手法について説明する。
基準平面板36の光軸を基準平面板36への入射光の進行方向に対して角度θ(半導体レーザ21の波長λに依存した角度)だけ傾斜させると、演算部424による演算により、フレームメモリ422から出力された干渉縞画像データに基づいて、干渉縞のある1周期分に着目すれば、次式Aで表される空間的な信号強度分布I(x)を算出することができる。なお、この式Aでは、1次元の表示のためyを省略してある。
<式A>
I(x)=a+b・cos[φ+2πνx]
ここで、aは平均強度分布、bは振幅、νは空間キャリアの空間周波数、φはある点における初期位相である。
Here, an analysis method using the spatial phase shift method will be described.
When the optical axis of the
<Formula A>
I (x) = a + b · cos [φ + 2πνx]
Here, a is the average intensity distribution, b is the amplitude, ν is the spatial frequency of the spatial carrier, and φ is the initial phase at a certain point.
式(A)について、a,bが一定の値をとると見なし、初期位相φは、上述の4つの画素の信号強度をそれぞれI0、I1、I2、I3とすると、次式Bで表される。
<式B>
この式により被検レンズ80の各点における位相を求めることができ、2次元的にこれを繰り返せば、被検レンズ80等の波面収差を定量的に求めることができる。
Regarding the formula (A), assuming that a and b have constant values, the initial phase φ is expressed by the following formula B where the signal strengths of the four pixels described above are I 0 , I 1 , I 2 , and I 3 , respectively. It is represented by
<Formula B>
With this equation, the phase at each point of the
なお、初期位相を算出する手法として、空間的位相シフト法に代えて、時間的位相シフト法(フリンジスキャン法)を用いることができる。時間的位相シフト法では、干渉縞1周期分(2π)走査される分だけ基準平面板36と被検レンズ80との間隔をそれらの光軸方向に移動させると同時に、干渉縞が2π/N(Nは整数)だけ走査されるごとに合計N回画像を取り込み、各画像の明るさの変化から初期位相を算出する。
As a method for calculating the initial phase, a temporal phase shift method (fringe scan method) can be used instead of the spatial phase shift method. In the temporal phase shift method, the distance between the
なお、システム収差の空間分布を演算部424においてツェルニケ(Zernike)展開して、各係数で表される収差成分を利用することもできる。システム収差の空間分布にノイズがある場合は、Zernike展開することによりノイズを除去することができるため好ましい。
The spatial distribution of system aberrations can be expanded by Zernike in the
つづいて、システム収差算出ステップ及び被検レンズ80の波面収差空間分布算出ステップの流れについて、説明する。以下の説明では、システム収差空間分布算出ステップを実行した後に、被検レンズ80の波面収差を測定し、その後被検レンズ80固有の波面収差を算出することとしているが、まず被検レンズ80の波面収差を測定し、その後システム収差空間分布算出ステップを実行し、その後被検レンズ80固有の波面収差を算出してもよい。
Next, the flow of the system aberration calculation step and the wavefront aberration spatial distribution calculation step of the
(1)システム収差空間分布算出ステップ(図3)
まず、基準平面板36に垂直に入射した光のうち、基準平面板36を透過し反射基準凹面鏡38により反射し再び基準平面板36を透過した光と、基準平面板36で反射された光と、が同じ光路をたどってCCD41に入射するように、半導体レーザ21、CCD41、及び光学系30の各構成要素を配置して、システム収差算出のための干渉縞解析の動作を開始する(ステップS100)。同じ光路をたどって入射したか否かの確認は周知の方法により行うためここではその説明は省略する。
(1) System aberration spatial distribution calculation step (FIG. 3)
First, of the light vertically incident on the
次に、被検レンズ80を、入射光の光軸を中心として、1回の干渉縞形成ごとに、回転(回動)させる角度α(所定角度)を設定する(ステップS101)。設定は、操作者が入力部45を操作して、所望の角度α(所定角度)(例えば30度)又は所望の分割数D(例えば所定角度を30度とするときは360度を30度で割った12)を入力する。入力された数値は記憶部46に保存される。ここで、所定角度ずつ回転させる回数nの初期値として、ゼロ(n=0)を記憶部46に保存する。nは、被検レンズ80を所定角度ずつ回転させるごとに1ずつ増加し、n=Dとなったところで、被検レンズ80は360度回転して初期の位置にもどる。
Next, an angle α (predetermined angle) for rotating (rotating) the
続いて、操作者が入力部45を操作して傾斜角度値θを入力すると、制御部43は基準平面板駆動部52に制御信号を出力し、これを受けた基準平面板駆動部52は支持装置51に対して、基準平面板36が入射光の光路に対して角度θだけ傾斜するのに必要な駆動電流を供給する(ステップS102)。これにより、基準平面板36は、入射光の光路に対して角度θだけ傾斜する姿勢をとる。
Subsequently, when the operator operates the
次に、ドライバ22を動作させることにより、半導体レーザ21から基準光を出射する(ステップS103)。この出射光は、コリメータレンズ31を経てミラー32で反射され、ハーフミラー34を透過して基準平面板36へ入射する。この入射光のうちの一部は、基準平面板36の参照面36aで反射されて、ハーフミラー34で反射された後に、集光レンズ35及びピンホール37を経てCCD41に入射する。参照面36aで反射されなかった光は、被検レンズ80を透過した後に反射基準凹面鏡38に入射し、被検レンズ80が正しく配置されていれば入射光と同じ光路をたどるように反射する。反射基準凹面鏡38からの反射光は、再び被検レンズ80及び基準平面板36を透過し、ハーフミラー34で反射された後に、集光レンズ35及びピンホール37を経てCCD41に入射する(ステップS104)。このように、CCD41には、参照面36aによる反射光と、基準平面板36の透過した後に、被検レンズ80を透過して反射基準凹面鏡38で反射された光と、が入射し、これらの光により干渉縞が形成される。
Next, the reference light is emitted from the
形成された干渉縞は、出力部44上の表示により解析することができる一方、干渉縞解析部42において位相を算出することにより詳細かつ定量的な解析を行うことができる(ステップS105)。解析結果として得られた波面収差は記憶部46に保存される。
The formed interference fringes can be analyzed by display on the
干渉縞の解析後、制御部43は、被検レンズ80が360度回転したか否かを判断する。この判断は、記憶部46に記憶された回転回数nが分割数Dと等しくなったか否かで判断する(ステップS106)。360度回転していないとき、すなわち、nがDより小さいとき(ステップS106でNO)は、被検レンズ80を所定角度だけさらに回転するとともに、nを1だけ加算して記憶部46に保存する(ステップS107)。その後、再び干渉縞の形成(ステップS103)、CCDへの入射(ステップS104)、及び、干渉縞解析(ステップS105)を行う。
After analyzing the interference fringes, the
制御部43が、被検レンズ80は360度回転したと判断したとき、すなわち、nがDと等しくなったとき(ステップS106でYES)は、所定角度の回転ごとに保存された波面収差の平均値から近似回転対称成分を減算したもの(システム収差の空間分布)を算出する(ステップS108)。算出された値は記憶部46に保存され、動作は終了する(ステップS109)。
When the
(2)被検レンズ80の波面収差空間分布算出ステップ(波面収差空間分布ステップ、固有収差算出ステップ)(図4)
システム収差算出ステップ終了後、測定対象となる被検レンズ80を回転保持部11上に固定して、被検レンズ80の波面収差空間分布算出ステップを開始する(ステップS200)。
(2) Wavefront aberration spatial distribution calculation step (wavefront aberration spatial distribution step, intrinsic aberration calculation step) of the test lens 80 (FIG. 4)
After the system aberration calculation step is completed, the
まず、ドライバ22を動作させることにより、半導体レーザ21から基準光を出射する(ステップS201)。この出射光は、コリメータレンズ31を経てミラー32で反射され、ハーフミラー34を透過して基準平面板36へ入射する。この入射光のうちの一部は、基準平面板36の参照面36aで反射されて、ハーフミラー34で反射された後に、集光レンズ35及びピンホール37を経てCCD41に入射する。参照面36aで反射されなかった光は、被検レンズ80を透過した後に反射基準凹面鏡38に入射し、被検レンズ80が正しく配置されていれば入射光と同じ光路をたどるように反射する。反射基準凹面鏡38からの反射光は、再び被検レンズ80及び基準平面板36を透過し、ハーフミラー34で反射された後に、集光レンズ35及びピンホール37を経てCCD41に入射する(ステップS202)。このように、CCD41には、参照面36aによる反射光と、基準平面板36の透過した後に、被検レンズ80を透過して反射基準凹面鏡38で反射された光と、が入射し、これらの光により干渉縞が形成される。
First, the reference light is emitted from the
形成された干渉縞は、出力部44上の表示により解析することができる一方、干渉縞解析部42において位相を算出することにより詳細かつ定量的な解析を行うことができる(ステップS203)。解析結果として得られた波面収差の空間分布は記憶部46に保存される(波面収差空間分布算出ステップ)。
The formed interference fringes can be analyzed by display on the
干渉縞の解析後、演算部424により、このステップ(被検レンズ80の波面収差空間分布算出ステップ)で得られた波面収差の空間分布から、所定角度の回転ごとに保存され波面収差の平均値から近似回転対称成分を減算したもの(システム収差の空間分布)を減算する(ステップS204)。これにより、被検レンズ80固有の波面収差を算出することができる(固有収差算出ステップ)。減算の結果は記憶部46に保存され、波面収差空間分布算出ステップは終了する(ステップS205)。
After analyzing the interference fringes, the
以上のように、本実施形態においては、被検レンズ80の波面収差空間分布算出ステップ及びシステム収差空間分布算出ステップで算出した平均値から近似回転対称成分を減算した、システム収差の空間分布を用いて、システム収差を除外することとしている。したがって、Zernike展開では表現されることのない成分(例えば高周波成分、局所的な成分)を補正することができるため、被検レンズ80固有の波面収差を容易かつ高精度に算出することができる。
As described above, in the present embodiment, the system aberration spatial distribution obtained by subtracting the approximate rotational symmetry component from the average value calculated in the wavefront aberration spatial distribution calculation step and the system aberration spatial distribution calculation step of the
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。 Although the present invention has been described with reference to the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be improved or changed within the scope of the purpose of the improvement or the idea of the present invention.
10 光学的素子保持部
11 回転保持部
12 調整駆動部
20 干渉縞形成部
21 半導体レーザ
30 光学系
36 基準平面板
36a 参照面
38 反射基準凹面鏡
41 CCD
42 干渉縞解析部
43 制御部
44 出力部
45 入力部
46 記憶部
80 被検レンズ(光学素子)
422 フレームメモリ
424 演算部
α 回転角度(所定角度)
θ 傾斜角度
DESCRIPTION OF
42 Interference
422
θ Inclination angle
Claims (2)
前記被検光学素子及び補助光学素子の波面収差を、空間の各点における波面収差の分布として、この波面収差の空間分布を算出する波面収差空間分布算出工程と、
前記被検光学素子を、前記被検光学素子の測定光軸を中心にして、少なくとも360度に渡って、所定角度回転させるごとに、波面収差を算出し、それらの波面収差の平均値を、Zernike展開し、近似回転対称成分のみを減算し、前記補助光学素子のシステム収差の空間分布として算出するシステム収差空間分布算出工程と、
前記波面収差空間分布算出工程で算出された波面収差から、前記システム収差空間分布算出工程で算出されたシステム収差を減算することによって、前記被検光学素子固有の波面収差を得る固有収差算出工程と、
を備えることを特徴とする光学素子の波面収差測定方法。 In order to cause interference between the reference wavefront reflected from the reference surface and the test wavefront from the test surface, an interferometer having an auxiliary optical element for forming the test wavefront in the same shape as the reference wavefront is used. A method for measuring wavefront aberration of the optical element to be detected by analyzing interference fringes between the reference wavefront and the wavefront to be detected,
A wavefront aberration spatial distribution calculating step for calculating the wavefront aberration of the test optical element and the auxiliary optical element as a distribution of wavefront aberration at each point in space;
Every time the test optical element is rotated by a predetermined angle over at least 360 degrees around the measurement optical axis of the test optical element, a wavefront aberration is calculated, and an average value of the wavefront aberrations is calculated as follows: Zernike expansion, subtracting only the approximate rotational symmetry component, and calculating a system aberration spatial distribution calculating step as a system aberration spatial distribution of the auxiliary optical element;
An intrinsic aberration calculating step for obtaining a wavefront aberration specific to the optical element to be measured by subtracting the system aberration calculated in the system aberration spatial distribution calculating step from the wavefront aberration calculated in the wavefront aberration spatial distribution calculating step; ,
A wavefront aberration measuring method for an optical element, comprising:
前記被検光学素子及び補助光学素子の波面収差を、空間の各点における波面収差の分布として、この波面収差の空間分布を算出する波面収差空間分布算出工程と、
前記被検光学素子を、前記被検光学素子の測定光軸を中心にして、少なくとも360度に渡って、所定角度回転させるごとに、波面収差を算出し、それらの波面収差の平均値を、Zernike展開し、近似回転対称成分のみを減算し、前記補助光学素子のシステム収差の空間分布として算出するシステム収差空間分布算出工程と、
前記波面収差空間分布算出工程で算出された波面収差から、前記システム収差空間分布算出工程で算出されたシステム収差を減算することによって、前記波面収差空間分布算出工程で算出された波面収差を補正して、前記被検光学素子固有の波面収差を得る固有収差算出工程と、
を備えることを特徴とする光学素子の波面収差補正方法。
In order to cause interference between the reference wavefront reflected from the reference surface and the test wavefront from the test surface, an interferometer having an auxiliary optical element for forming the test wavefront in the same shape as the reference wavefront is used. A method for correcting wavefront aberration of a test optical element obtained by analyzing interference fringes formed by the reference wavefront and the test wavefront,
A wavefront aberration spatial distribution calculating step of calculating the wavefront aberration of the test optical element and the auxiliary optical element as a distribution of wavefront aberration at each point in space;
Each time the test optical element is rotated by a predetermined angle about at least 360 degrees around the measurement optical axis of the test optical element, a wavefront aberration is calculated, and an average value of the wavefront aberrations is calculated. Zernike expansion, subtracting only the approximate rotational symmetry component, and calculating a system aberration spatial distribution calculating step as a system aberration spatial distribution of the auxiliary optical element;
The wavefront aberration calculated in the wavefront aberration spatial distribution calculating step is corrected by subtracting the system aberration calculated in the system aberration spatial distribution calculating step from the wavefront aberration calculated in the wavefront aberration spatial distribution calculating step. An intrinsic aberration calculating step for obtaining a wavefront aberration specific to the optical element to be tested;
A wavefront aberration correction method for an optical element, comprising:
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JP2006178864A JP2007064965A (en) | 2005-08-03 | 2006-06-29 | Method of measuring wave aberration of optical element, and method of correcting wave aberration |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN102937421A (en) * | 2012-10-29 | 2013-02-20 | 南通大学 | Real-time detection method of symmetrical optical non-spherical face of rotary shaft |
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CN109002567A (en) * | 2017-06-07 | 2018-12-14 | 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 | Computer Aided Assembly Process Planning method based on actual optical system adjustment light path |
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2006
- 2006-06-29 JP JP2006178864A patent/JP2007064965A/en not_active Withdrawn
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