JP2011038985A - 光学性能評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ等の光学素子の光学性能を短時間かつ高精度に評価できる光学性能評価装置を提供する。
【解決手段】光学性能評価装置は、基準方向に沿って所定の空間周波数からなる輝度分布を有するテストチャートＣＨと、被検光学素子Ｗによって結像されたチャート像を基準方向と垂直な主走査方向に走査して電気信号を出力するための１次元ラインセンサ３０と、１次元ラインセンサ３０を基準方向と平行な副走査方向に移動するための移動ステージ４０と、１次元ラインセンサ３０の主走査および副走査によって得られたチャート像の画像データを解析するためのコンピュータＰＣなどで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズ等の光学素子の結像性能を評価するための光学性能評価装置に関する。

光学素子の結像性能を評価する指標の１つとして、ＭＴＦ(Modulation Transfer Function)が広く用いられている。ＭＴＦは、被写体のコントラストを像平面上でいかに忠実に再現できるかを空間周波数特性として表現したものである。

従来の評価方法では、被検レンズを用いて、所定の空間周波数からなる輝度分布を有するテストチャートを撮影し、被検レンズの像平面に撮像素子を配置してチャート像を電気信号に変換することによって、被検レンズに固有のＭＴＦ特性を取得している（例えば、特許文献１）。

特開平４−１２８６２７号公報

従来の方法では、１つのレンズごとにＭＴＦ測定を行う必要がある。そのため、多数のレンズが所定ピッチで配列されたレンズアレイ、例えば、トレイ上にマトリクス状に整列したレンズや、ウエハ表面に多数のレンズをモノリシックに形成したウエハレンズ等を評価する場合、レンズ個数が多いため、ＭＴＦ測定に要する時間が極めて長くなる。

また、撮像素子の画素サイズや画素ピッチによって測定系の解像度に限界があるため、高い空間周波数でのＭＴＦ測定が困難である。

本発明の目的は、レンズ等の光学素子の光学性能を短時間かつ高精度に評価できる光学性能評価装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る光学性能評価装置は、基準方向に沿って所定の空間周波数からなる輝度分布を有するテストチャートと、
被検光学素子によって結像されたチャート像を、基準方向と垂直な主走査方向に走査して電気信号を出力するための１次元ラインセンサと、
該１次元ラインセンサを、基準方向と平行な副走査方向に移動するための移動機構とを備えることを特徴とする。

本発明において、被検光学素子は、複数のレンズが２次元配列されたレンズアレイであることが好ましい。

本発明において、移動機構は、１次元ラインセンサの光軸方向の高さを変更するための高さ調整機構と、１次元ラインセンサの光軸周りの回転角を変更するための回転角調整機構とを備えることが好ましい。

本発明において、１次元ラインセンサの主走査および副走査によって得られたチャート像の画像データを解析するための信号解析装置をさらに備えることが好ましい。

本発明によれば、１次元ラインセンサは２次元エリアセンサと比べて長尺化が容易であるため、走査エリアの大面積化が図られる。また、１次元ラインセンサの副走査方向をテストチャートの基準方向と平行に設定することによって、測定系の解像度は、１次元ラインセンサの画素ピッチではなく、副走査ピッチで規定されることになる。そのため、１次元ラインセンサの副走査ピッチを小さく設定するほど、より高い空間周波数での光学性能評価が可能になる。

本発明の一実施形態を示す構成図である。 被検光学素子Ｗを裏面側から見た様子を示す説明図である。 図３（ａ）はテストチャートＣＨの一例を示す平面図、図３（ｂ）はその輝度分布を示すグラフ、図３（ｃ）は画像信号の変化を示すグラフである。

図１は、本発明の一実施形態を示す構成図である。光学性能評価装置は、照明光を発生する照明ユニット１０と、光学性能の基準となるテストチャートＣＨと、被検光学素子Ｗを保持するサンプルホルダ２０と、多数の受光画素が直線状に配列した１次元ラインセンサ３０と、１次元ラインセンサ３０の３次元位置および姿勢を制御するためのステージ４０と、全体の動作を制御するためのコンピュータＰＣなどで構成される。ここでは、理解容易のため、１次元ラインセンサ３０の主走査方向をＸ方向、副走査方向をＹ方向、光軸方向をＺ方向とする。

照明ユニット１０は、面状の拡散光を有する光源として機能するものであり、ＸＹ面と平行に設置されたテストチャートＣＨを背面から照明する。照明ユニット１０の輝度や点灯タイミングは、照明駆動回路１１を介してコンピュータＰＣによって制御される。

テストチャートＣＨには、基準方向に沿って所定の空間周波数からなる輝度分布を有するパターン、例えば、図３（ａ）に示すように、Ｘ方向に細長い複数の明暗ストライプがＹ方向に一定の周期で配列したパターンが形成される。輝度分布は、例えば、図３（ｂ）に示すように、矩形波状に変化しており、明ストライプでの最大値が１、暗ストライプでの最小値が０としてそれぞれ定義される。なお、矩形波チャートではなく、輝度分布が正弦波状に変化したパターンを有するテストチャートを使用してもよい。

テストチャートＣＨにおいて、ストライプ周期の逆数が空間周波数に相当し、例えば、ストライプ周期が０．５ｍｍである場合、空間周波数は２サイクル（／ｍｍ）になる。そこで、異なる空間周波数を有する複数のパターンをテストチャートＣＨに配置することによって、複数の空間周波数についてのＭＴＦ測定が可能になる。

評価対象である被検光学素子Ｗは、単一のレンズだけでなく、多数のレンズが所定ピッチで配列されたレンズアレイ、例えば、トレイ上にマトリクス状に整列したレンズや、ウエハ表面に多数のレンズをモノリシックに形成したウエハレンズ等である。なお、サンプルホルダ２０に微動ステージを設けて、被検光学素子Ｗの３次元位置および姿勢が調整可能なように構成してもよい。

１次元ラインセンサ３０は、被検光学素子Ｗの像面近傍に位置決めされ、被検光学素子Ｗによって結像されたチャート像の強度分布を電気信号に変換する機能を有し、各受光画素で生成された電荷のシリアル読み出し動作によってチャート像をＸ方向に走査した時系列信号を出力する。１次元ラインセンサ３０の動作は、センサ駆動回路３１を介してコンピュータＰＣによって制御され、１次元ラインセンサ３０からの画像信号もセンサ駆動回路３１を介してコンピュータＰＣに取り込まれる。

コンピュータＰＣは、プロセッサ、メモリ、各種インタフェース等を備え、照明ユニット１０、１次元ラインセンサ３０、ステージ４０等の動作を制御するとともに、１次元ラインセンサ３０からの画像信号をＡ／Ｄ変換し各種演算を施して、得られた演算結果を表示ユニット５１に表示したり、ネットワーク経由で他のコンピュータへ伝送する。

ステージ４０は、１次元ラインセンサ３０をＹ方向に移動したり位置決めするためのＹステージ４１と、１次元ラインセンサ３０の光軸周りの回転角を設定するためのθステージ４２と、１次元ラインセンサ３０の光軸方向の高さを設定するためのＺステージ４３などを備える。ステージ４０は、さらに１次元ラインセンサ３０をＸ方向に位置決めするためのＸステージや、ＸＹ面に対する１次元ラインセンサ３０の傾斜角を調整するための傾斜ステージなどを備えてもよい。

ステージ４０の動作は、ステージ駆動回路４４を介してコンピュータＰＣによって制御される。θステージ４２は、例えば、９０度回転を行うことにより、１次元ラインセンサ３０の主走査方向をＹ方向に、副走査方向をＸ方向に変更することができ、その結果、被検光学素子Ｗの光学性能を直交２方向で評価することが容易になる。Ｚステージ４３は、１次元ラインセンサ３０の高さ調整によって任意のデフォーカス量に設定できる。また、コンピュータＰＣは、１次元ラインセンサ３０からの画像信号を解析してデフォーカス量を算出し、デフォーカス量がゼロになるようにＺステージ４３を調整することによって、自動合焦動作が可能になる。

次に、動作について説明する。図２に示すように、１次元ラインセンサ３０は、各レンズによって形成された個々のチャート像を捕捉できる撮像サイズを有し、電気的走査によってＸ方向の主走査を行い、チャート像のＮラインの画像信号をコンピュータＰＣに出力する。次に、Ｙステージ４１がＹ方向に所定の副走査ピッチ分だけ移動した後、Ｘ方向の主走査を行い、チャート像のＮ＋１ラインの画像信号をコンピュータＰＣに出力する。こうして主走査と副走査を交互に繰り返すことによって、各レンズによって形成された個々のチャート像がコンピュータＰＣに取り込まれる。

このとき得られるチャート像は、図３（ｃ）に示すように、信号強度が第１方向に沿って周期的に変化するものである。コンピュータＰＣは、チャート像の画像データを解析して、信号強度の最大値Ｓ１と最小値Ｓ２を抽出し、コントラスト＝（Ｓ１−Ｓ２）／（Ｓ１＋Ｓ２）を計算したり、あるいは信号強度のフーリエ変換を算出することによって、第１方向のＭＴＦ特性が得られる。

次に、θステージ４２が９０度回転して、１次元ラインセンサ３０の長手方向をＹ方向と平行になるように設定する。今度は、電気的走査によってＹ方向の主走査を行い、チャート像のＭラインの画像信号をコンピュータＰＣに出力する。次に、Ｙステージ４１がＸ方向に所定の副走査ピッチ分だけ移動した後、Ｙ方向の主走査を行い、チャート像のＭ＋１ラインの画像信号をコンピュータＰＣに出力する。こうして主走査と副走査を交互に繰り返すことによって、各レンズによって形成された個々のチャート像がコンピュータＰＣに取り込まれる。

このとき得られるチャート像は、信号強度が第２方向（第１方向と直交）に沿って周期的に変化するものである。第１方向の場合と同様に、コンピュータＰＣは、チャート像の画像データを解析して、信号強度の最大値Ｓ１と最小値Ｓ２を抽出し、コントラスト＝（Ｓ１−Ｓ２）／（Ｓ１＋Ｓ２）を計算したり、あるいは信号強度のフーリエ変換を算出することによって、第２方向のＭＴＦ特性が得られる。

このように本実施形態では、複数のレンズによって形成される個々のチャート像を１回のラスター走査だけで捕捉できるため、個々のレンズの光学性能を短時間で評価することが可能になる。

また、Ｙステージ４１の副走査ピッチを小さく設定するほど、より高い空間周波数での光学性能評価が可能になる。

また、θステージ４２によって１次元ラインセンサ３０の９０度回転が可能になるため、直交２方向のＭＴＦ特性を簡単に取得することができる。

また、Ｚステージ４３によって、合焦調節が可能になり、あるいは任意のデフォーカス量を付与した状態での光学性能評価が可能になる。

本発明は、レンズ等の光学素子の光学性能を短時間かつ高精度に評価できる点で産業上極めて有用である。

１０ 照明ユニット
２０ サンプルホルダ
３０ １次元ラインセンサ
４０ ステージ
４１ Ｙステージ
４２ θステージ
４３ Ｚステージ
ＣＨ テストチャート
ＰＣ コンピュータ
Ｗ 被検光学素子

Claims (4)

1. 基準方向に沿って所定の空間周波数からなる輝度分布を有するテストチャートと、
   被検光学素子によって結像されたチャート像を、基準方向と垂直な主走査方向に走査して電気信号を出力するための１次元ラインセンサと、
   該１次元ラインセンサを、基準方向と平行な副走査方向に移動するための移動機構とを備えることを特徴とする光学性能評価装置。
2. 被検光学素子は、複数のレンズが２次元配列されたレンズアレイであることを特徴とする請求項１記載の光学性能評価装置。
3. 移動機構は、１次元ラインセンサの光軸方向の高さを変更するための高さ調整機構と、１次元ラインセンサの光軸周りの回転角を変更するための回転角調整機構とを備えることを特徴とする請求項１記載の光学性能評価装置。
4. １次元ラインセンサの主走査および副走査によって得られたチャート像の画像データを解析するための信号解析装置をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の光学性能評価装置。