JP3040140B2 - 色収差測定方法及び測定装置 - Google Patents

色収差測定方法及び測定装置

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レンズの微小な色収差を測定する技術に関
するものである。
〔従来の技術〕
光の波長が変化することによる最良像点位置(ビーム
ウェスト位置)の変化は、軸上色収差にほぼ対応してい
る。
そして、色収差を測定する方法としては種々あり、一
般的な方法としては、白色光源とモノクロメータ又は、
種々の光源と色フィルタにより任意の波長を選択し、ハ
ルトマンの方法等により球面収差の変化量を測定する方
法が公知である。
ところで、CD等に使用される光ピックアップ用の対物
レンズでは、半導体レーザの注入電流の変動に伴い活性
層の温度変化が起き、波長がシフトする。しかしこのシ
フト量は、通常5nm程度と非常に小さいので、上記の測
定方法では検出できない。
そこで、このような微小な色収差を測定する方法とし
て、第6図に示すような被検レンズの色収差を集光レン
ズで拡大して測定する方法が提案されている。
同図によって説明すると、先ず、点状の光源1を設
け、被検レンズ2を、その焦点位置が光源1と重なるよ
うに置く。光源1は、半導体レーザ等からなり、外部か
らの流入電流を変化させることによって、波長λを変化
できるものである。
被検レンズ2で平行にされた光束は、ビームスプリッ
タ3を経て一部が反射され、残りが集光レンズ4に導か
れる。この集光レンズ4は、色収差が良好に補正されて
おり、かつ被検レンズ2の焦点距離f0より十分長い焦点
距離fcを有したレンズで、実線のように入射した光束
は、集光レンズの最良像点位置F点に集束する。
次に、光源1の波長が変化して、光路が実線から点線
のように変化したとすれば、最良像点位置はFからF′
に移動する。点F,F′間の距離をSとし、被検レンズ2
で生ずる色収差をΔとした場合、集光レンズ4によって
色収差が次式で求められるβ倍に拡大される。
β=S/Δ=(f0/fc 上記において、最良像点位置の変化量Sは、ビームウ
ェスト位置をナイフエッジ又は、ロンキーチャート等を
用い、検出器5によって検出することにより得られる。
一方、前述のビームスプリッタ3で反射された光束
は、もう一つの集光レンズ6を経て光ファイバ7に入射
し、波長モニター8によって発振波長λが測定される。
以上の構成により、微小な色収差を拡大することによ
って測定することができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、上記の測定方法にあっては、集光レンズ4の
焦点距離が長くなると、ビームスポットの焦点深度が深
くなるため、ビームウェスト位置の検出が困難となる。
又、集光レンズの色収差を予め厳しく抑えておかなけれ
ばならない。
本発明は、上記の事実に鑑みてなされたもので、高精
度な集光レンズを必要とせずに微小な色収差を高精度に
測定できる方法、及び測定装置を提供することを目的と
している。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するために本発明の測定方法は、波
長を変化できる点状光源を被検レンズの焦点位置に置
き、被検レンズを透過した平行光線を、該被検レンズか
ら等距離にあり微小角度チルトさせた二つの反射面で反
射させ、両反射光を重ね合わせて傾角シャリング干渉縞
を生じさせる構成を採用している。
又、被検レンズから射出される平行光線をビームスプ
リッタにより分割し、それぞれの光束を前記二つの反射
面で反射させる構成としてもよい。
又は、傾角シャリング干渉縞の像をイメージセンサ上
に結像し、該イメージセンサの出力する干渉縞の光強度
信号からフーリエ変換法により被検レンズの射出波面の
曲率半径を算出し、該曲率半径から被検レンズの色収差
を測定する構成とすることが望ましい。
一方、本発明の測定装置は、被検レンズの焦点位置に
置かれ、波長を変化できる点状光源と、被検レンズから
射出される平行光線を被検レンズから等距離にあって反
射重合し、微小角度チルトされた二つの反射面とからな
る構成としている。
又は、被検レンズから射出される平行光線を二つに分
割するビームスプリッタを設け、分割された光線のそれ
ぞれを二つの反射面に照射する構成としてもよい。
さらに、傾角シャリング干渉縞を結像するイメージセ
ンサと、該イメージセンサからの出力を受けてフーリエ
変換法によって被検レンズの射出波面の曲率半径を算出
し、該曲率半径から色収差を算出する干渉縞解析装置と
を設けた構成とすることが望ましい。
〔作 用〕
点状光源からの光束は、被検レンズで平行光束にさ
れ、微小角度αでチルトされた二つの基準反射平面に達
してそれぞれ反射される。この反射光束はイメージセン
サ上で重なり合い、傾角シャリング干渉縞を形成する。
この干渉縞に対応するイメージセンサの出力からこの干
渉縞の強度分布の信号を得て、高速フーリエ変換法で処
理し、2αのチルト成分に相当する空間キャリヤを差し
引き、逆フーリエ変換することにより光の進行方向と直
角方向にシフトした位相波面を求め、波面の曲率半径を
算出し、該曲率半径を複数の波長について求めることに
よって色収差を算出する。
〔実施例〕
次に、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第1図において、1は半導体レーザからなる点状の光
源、2は被検レンズ、3はビームスプリッタ、6は集光
レンズ、7は光ファイバ、8は波長モニタ装置で、これ
らは従来例で説明したのと同様である。なお、本発明の
光源1には、半導体レーザだけでなく、たとえば、白色
光源から色フィルタ又はモノクロメータ等で任意の波長
を選択し、色収差が良好な状態に補正された結像レンズ
で結像させ、その結像位置を被検レンズ2の焦点位置に
一致させてもよい。
ビームスプリッタ3で反射されずに透過した光束は、
第2のビームスプリッタ9で二つに分割され、一方は基
準反射平面10に向かい、他方は光学的に等距離にある別
の基準反射平面11に向かい、それぞれ反射されて再び第
2のビームスプリッタ9に戻り、反射又は透過をしてイ
メージセンサ12上で重なり合う。基準反射平面10は光束
に対し直角であるが、基準反射平面11の方は、光束と直
角な面に対し微小な角度αだけチルトされているので、
重なり合った光束は、イメージセンサ12上で傾角干渉縞
(ほぼ等間隔で、チルト角2αに対応した空間キャリヤ
を持つ。)を形成する。以上はいわゆるトワイマングリ
ーン干渉計において、一方の反射面をチルトさせたもの
と同様の構成である。
第3図にイメージセンサ12上に形成された干渉縞13を
示す。この干渉縞13をスクリーン上に形成し、肉眼で観
察すれば色収差についてある程度の判断が可能である。
しかし、色収差について定量的な把握をするために
は、コンピュータ等を利用した干渉縞解析装置Aによっ
て解析する必要がある。第3図によりその概略を説明す
る。
先ず、前述したように、同一波面をビームスプリッタ
9(第1図)によって分岐し、一方の基準反射平面11に
傾きαを設けることで、イメージセンサ12上で二つの波
面を進行方向と直角方向にSだけシフトし、2αだけ傾
けたものと等価な干渉縞を形成する。この干渉縞の強度
分布をフーリエ変換法で処理し、2αのチルト成分に相
当する空間キャリヤを差し引き、逆フーリエ変換するこ
とによりSだけシフトした位相波面を求め、波面の形状
を求めることにより、色収差を算出する。
第3図は、干渉縞解析装置Aの詳細を示す図で、この
装置によって以下のように解析が行われる。
イメージセンサ12上の傾角干渉縞13の強度分布は、第
4図(a)に示すようになるが、これを数式で現すと次
のようになる。
g(x)=a(x)+c(x)exp(2πjf0x) +c(x)exp(−2πjf0x) … ここで、 c(x)=(1/2)b(x)exp〔jφ(x)〕 … 上記強度分布は、イメージセンサ12及び増幅器14で電
気的な強度信号に変換され、アンチエイリアスフィルタ
15によってAD変換時のサンプリング周波数の1/2以上の
周波数ノイズをカットする。
次に、AD変換回路16を介してデジタル信号に量子化さ
れ、演算回路17に入力される。
上記式について1次元フーリエ変換し、空間周波数
スペクトルG(f)を求めると第4図(b)のようにな
る。すなわち、 これを実際に演算回路17内で、コンピュータ処理によ
って行う場合は、FFT演算回路18により、高速フーリエ
変換(FFT)で演算される。
次に、スペクトル抽出回路19で、空間周波数のフィル
タリングにより正のキャリヤ信号に乗っている信号スペ
クトルC(f−f0)を取り出し、反射平面板1のチルト
によって生じた空間キャリヤ周波数f0(f0=2tan2α/
λ)だけ原点にシフトして、C(f)を得る。
このC(f)を逆FFT演算回路20でxについて1次元
逆フーリエ変換することにより、式のc(x)が求ま
る。さらに、位相計算回路21において、式により位相
φ(x)を算出する。ここでφ(x)は反射面10と11と
でそれぞれ同一波面が光軸に直交する方向にシフトした
ときの位相差を示す(第4図(c))。
次に、こうして得られた位相を基に、位相積分回路22
において、次の計算により第4図(d)に示す波面形状
W(x)を求める。
ここにlは、第2図に示すように、基準反射平面10か
らイメージセンサ12までの距離を示す。
次に、上記W(x)から波面曲率半径の算出回路23に
よって、波面の円弧の曲率半径Rを求める。
以上の計算を種々の波長毎に行い、それぞれの波面の
曲率半径Rを求める。
そして、被検レンズ2から基準反射平面10までの距離
をl1、基準反射平面10からイメージセンサ12までの距離
を前述のようにlとすると、被検レンズ2から射出され
る波面のイメージセンサ12上での曲率半径Rは、次式に
より求まる。
ここに、S′:被検レンズ2より射出される波面の被検
レンズ上での曲率半径 f :被検レンズ2の基準波長における焦点距
離 Δf:被検レンズ2の波長変動に対応する焦点距
離変動(色収差) ところで、上式中のf+l1+l+Lは用いる干渉計固
有の値として決定可能であり、fは他の測定方法(例え
ばノーダルスライド法)で決定できるから、上述のRの
測定によりΔfを決定することができる。
色収差の算出回路24により上記の演算がされ、各波長
に対するRを測定することにより、各波長に対するΔf
を決定することができる。なお、このとき基準波長に対
応する射出波面を正確に平面波にしなくても、基準波長
に対するΔfが求まるから、この分の補正をすることに
より、色収差の正確な測定が可能であることは申すまで
もない。
第5図は、本発明の他の実施例を示す。この実施例は
第2のビームスプリッタ9を使用せず、代わりに角度α
で交叉する二面の反射面30a,30bを有するくさび型プリ
ズム30を用いている。すなわち、この角度αがチルト角
に該当する。
被検レンズ2で平行にされた光束は、ビームスプリッ
タ3を透過してくさび型プリズム30に導かれ、両反射面
30a,30bで反射してイメージセンサ12上に第1図と同様
な傾角シャリング干渉縞を形成する。以下の解析は第1
図の実施例と同様である。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、従来のようにビ
ームウェスト位置を検出するための機械的な駆動部や、
色収差を高精度で取り除いた集束レンズ等を必要とせ
ず、二つの基準反射平面板を傾けるだけの簡単な構成で
達成できる。また、高速処理が可能で、しかも、波面の
変動を波長以下の精度で観測できるという高精度測定が
可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の色収差測定装置を示す構成図、 第2図は傾角シャリング干渉を説明する図、 第3図は干渉縞解析装置の構成を示すブロック図、 第4図(a)から(d)は干渉縞の強度分布から被検レ
ンズでの波面形状を求めるまでの工程を示す図、 第5図は本発明の他の実施例の構成を示す図、 第6図は従来例の構成を示す図である。 A……干渉縞解析装置、1……点状光源、2……被検レ
ンズ、9……ビームスプリッタ、10,11,30a,30b……基
準反射平面、12……イメージセンサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01M 11/00 - 11/02 実用ファイル(PATOLIS) 特許ファイル(PATOLIS) JICSTファイル(JOIS)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】波長を変化できる点状光源を被検レンズの
    焦点位置に置き、被検レンズを透過した平行光線を、該
    被検レンズから等距離にあり微小角度チルトさせた二つ
    の反射面で反射させ、両反射光を重ね合わせて傾角シャ
    リング干渉縞を生じさせることを特徴とする色収差測定
    方法。
  2. 【請求項2】被検レンズから射出される平行光線をビー
    ムスプリッタにより分割し、それぞれの光束を前記二つ
    の反射面で反射させることを特徴とする請求項1記載の
    色収差測定方法。
  3. 【請求項3】傾角シャリング干渉縞の像をイメージセン
    サ上に結像し、該イメージセンサの出力する干渉縞の光
    強度信号からフーリエ変換法により被検レンズの射出波
    面の曲率半径を算出し、該曲率半径から被検レンズの色
    収差を測定することを特徴とする請求項1又は2記載の
    色収差測定方法。
  4. 【請求項4】被検レンズの焦点位置に置かれ、波長を変
    化できる点状光源と、被検レンズから射出される平行光
    線を被検レンズから等距離にあって反射重合し、微小角
    度チルトされた二つの反射面とからなることを特徴とす
    る色収差測定装置。
  5. 【請求項5】被検レンズから射出される平行光線を二つ
    に分割するビームスプリッタを設け、分割された光線の
    それぞれを二つの反射面に照射することを特徴とする請
    求項4記載の色収差測定装置。
  6. 【請求項6】傾角シャリング干渉縞を結像するイメージ
    センサと、該イメージセンサからの出力を受けてフーリ
    エ変換法によって被検レンズの射出波面の曲率半径を算
    出し、該曲率半径から色収差を算出する干渉縞解析装置
    とを設けたことを特徴とする請求項4又は5記載の色収
    差測定装置。
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CN104111163B (zh) * 2014-07-23 2017-04-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 凸透镜焦距的测量装置和测量方法
CN111397634B (zh) * 2020-03-27 2023-06-09 中科院南京天文仪器有限公司 星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置及方法

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