JP3574765B2 - レンズの評価方法、レンズの評価装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク方式の情報記憶媒体、例えばＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）、に情報を読み書きする光学レンズ、またレーザ加工機、レーザ顕微鏡などにおいて光を結像して光スポットを形成する光学レンズの特性を検出する方法及びその装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
光ディスク方式の高密度情報記憶媒体から情報を読み取り、またこの高密度情報記憶媒体に情報を記憶するためには、光源から出射された光を目的の場所に正確に照射できる光学系が必要となる。そのため、特に、光学系の対物レンズは、それ自体に厳格な光学的特性が要求されるだけでなく、目的の場所に精度よく固定されなければならない。
【０００３】
そこで、対物レンズの検査又は調整の方法として、対物レンズを透過した光を回折し、異なる次数の回折光を干渉させてシェアリング干渉像を形成し、このシェアリング干渉像における複数の点で測定した光強度の位相の差を用いて各種収差（デフォーカス、球面収差、非点収差、コマ収差）を評価し、対物レンズを調整する方法が、本出願人による特許出願（特願平１１−１３８５８４号）で提案されている。
【０００４】
しかし、上記特許出願で開示された方法では、デフォーカスと球面収差を正しく測れない場合がある。その原因は、対物レンズの製造過程で該対物レンズの中心部に生じる凹部又は凸部にある。
【０００５】
この原因について具体的に説明すると、対物レンズを製造するプロセスには、まず対物レンズの外形を決める金型を製造する工程と、次に出来あがった金型にレンズ材料を注入する工程が含まれる。また、金型の製造プロセスには、図１２に示すように、金型４０を回転させながら、精密な切削バイト４１を使って対物レンズの外形に対応した形に金型４０の表面を切削加工していく工程が含まれる。このとき、金型は一定速度で回転しているので、金型４０に対する切削バイト４１の移動速度（切削速度）は、回転中心から離れるほど速く、金型４０の中心に向かうに従ってほど遅くなる。そのため、図１３に示すように、金型４０の中心部分に、周囲と比べて加工状態の異なる部位４２が生じ、この部位が凹部あるいは凸部となってレンズの外形に現れる。
【０００６】
そして、このような局所的な金型形状誤差は、回折格子から得られた０次回折光と±１次回折光を部分的に重ねてシェアリング干渉像を得た場合、図１４に示すように、各回折光４３，４４，４５の中心付近の領域４６，４７，４８の干渉模様に影響を与える。そのため、図１５、１６、１７に示すように、上記回折干渉法に基づいて、例えば、シェアリング干渉領域４８内の、＋１次光と−１次光の中心を通る線分上に測定点Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎをとり、位相シフトさせたときの光強度変化の位相を各点で測定し、位相Ｙを対応する測定位置Ｘの１次関数または１次以上の次数を有する関数で近似して該近似関数の１次の係数値でデフォーカスを評価すると、また、位相Ｙを測定位置Ｘの３次関数または３次以上の次数を有する関数で近似して該近似関数の３次の係数値で球面収差を評価すると、それら評価結果には上述した形状誤差が含まれる。
【０００７】
そこで、本発明は、上述したレンズの局所的な変形に影響されずに正しく球面収差やデフォーカスを測定できるレンズ評価方法、レンズの評価装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【発明の概要】
本発明のレンズの評価方法は、
（ａ）レンズから出射された光を回折格子で回折し、異なる次数の２つの回折光を干渉させてシェアリング干渉像を得る工程と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させて上記回折光の位相を変化させる工程と、
（ｃ）上記シェアリング干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通らず、上記２つの光軸を結ぶ直線と垂直な線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求める工程と、
（ｄ）上記測点位置をＹ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｙの２次関数または３次関数で近似し、該関数の２次の係数値で上記レンズの球面収差を評価する工程とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の他の形態の評価方法は、
（ａ）レンズから出射された光を回折格子で回折し、異なる次数の２つの回折光を干渉させてシェアリング干渉像を得る工程と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させて上記回折光の位相を変化させる工程と、
（ｃ）上記シェアリング干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通り、上記２つの光軸を結ぶ直線と所定の角度をなす線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求める工程と、
（ｄ）上記測点位置をＺ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｚの３次関数または４次関数で近似し、該関数の３次の係数値で上記レンズの球面収差を評価する工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の形態の評価方法は、
（ａ）レンズから出射された光を回折格子で回折し、異なる次数の２つの回折光を干渉させてシェアリング干渉像を得る工程と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させて上記回折光の位相を変化させる工程と、
（ｃ）上記シェアリング干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通り、上記２つの光軸を結ぶ直線と所定の角度をなす線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求める工程と、
（ｄ）上記測点位置をＺ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｚの１次関数または２次関数で近似し、該関数の１次の係数値で上記レンズのデフォーカスを評価する工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明のレンズの評価装置は、上述した評価方法を実施するもので、
（ａ）上記レンズを透過した光を回折すると共に、異なる次数の２つの回折光のシェアリング干渉光を出射する回折格子と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させる移動機構と、
（ｃ）上記シェアリング干渉光を受像する受像体と、
（ｄ）上記受像体で受像したシェアリング干渉光の干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通らず、上記２つの光軸を結ぶ直線と垂直な線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求め、上記位相をもとに上記集光レンズの球面収差を求める特性検出器とを有する。
上記回折格子は、透過型回折格子、反射型回折格子のいずれでもよい。
【００１２】
本発明の他の形態の評価装置は、
（ａ）上記レンズを透過した光を回折すると共に、異なる次数の２つの回折光のシェアリング干渉光を出射する回折格子と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させる移動機構と、
（ｃ）上記シェアリング干渉光を受像する受像体と、
（ｄ）上記受像体で受像したシェアリング干渉光の干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通り、上記２つの光軸を結ぶ直線と所定の角度をなす線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求め、上記位相をもとに上記集光レンズの球面収差またはデフォーカスを求める特性検出器とを有する。
上記回折格子は、透過型回折格子、反射型回折格子のいずれでもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的実施の形態を説明する。
（１）第１実施形態
図１はレンズ評価装置の概略構成図である。このレンズ評価装置において、レンズ光ヘッド１の対物レンズ２から出射された光は、集光しながら透過型回折格子３へ入射し、検出レンズ４で略平行光に調整された後、結像レンズ５を通して撮像素子６に入射する。撮像素子６は信号処理・表示装置７に接続され、撮像素子６で受像した像が信号処理・表示装置７に表示される。
【００１４】
この装置は、透過型回折格子３から０次、±１次、±２次・・・の回折光が得られ、検出レンズ４の開口領域で０次回折光と＋１次回折光、あるいは０次回折光と−１次回折光などが部分的に重なり合って干渉が起こるように設計されている。そして、検出レンズ４上に出来た干渉像を、結像レンズ５で撮像素子６に結像させ、干渉像が得られる。
【００１５】
撮像素子６上で形成される干渉像の一例を図２に示す。この干渉像は、０次回折光３１上で±１次回折光３２，３３が互いに重なり合っている形成されている。以下、このような異なる次数の回折光の干渉を「シェアリング」または「シェアリング干渉」、干渉によりできる像を「シェアリング干渉像」、回折光の中心を結ぶ軸（図２に示すＸ軸）を「シェアリング軸」、シェアリング軸の方向を「シェアリング方向」という。
【００１６】
シェアリング干渉像は図３に示す干渉縞を含む。図３において、（Ａ）はデフォーカスによる干渉縞、（Ｂ）と（Ｃ）はコマ収差による干渉縞、（Ｄ）は非点収差による干渉縞、（Ｅ）は球面収差による干渉縞をそれぞれ示す。一般に、これらの収差は複合的に発生し、実際に得られる干渉縞は（Ａ）から（Ｅ）の干渉縞が重なり合った模様となる。ただし、対物レンズ２が回折格子３に正確に焦点合わせされている場合、図３（Ｆ）のように、干渉領域に何らの模様も現れない。ただし、対物レンズが全く収差を含まず、しかも対物レンズが回折格子３に対して正確に焦点合わせされている場合、図３（Ｆ）のように、干渉領域に何らの模様も現れない。しかし、現実のレンズは種々の収差を含み、これらの収差に応じた干渉縞が干渉領域に現れる。
【００１７】
干渉領域において離れた２点の光強度についてみると、これら２点の光強度は対物レンズの収差等に応じて異なる値を示す。また、例えばピエゾ素子などを用いた適当な移動機構８を用いて、回折格子をその格子溝と直交する方向（図１の左右方向）に移動すると、干渉領域における２点の光強度が正弦曲線を描きながら周期的に変化する。同時に、収差が２つの正弦曲線の位相差として現れる。
【００１８】
例えば、図５に示すように、０次回折光３１と＋１次回折光３２との干渉領域３４についてみると、０次回折光３１の回折円中心Ｏと＋１次回折光３２の回折円中心Ｏ１とを結ぶシェアリング軸（Ｘ軸）上で、これら中心ＯとＯ１との中心から等距離Ｌにある２点Ｐ１、Ｐｎで光強度の時間変化を測定すると、図６に示すように、点Ｐ１の光強度変化を表した正弦曲線Ｔ１の位相φ（Ｐ１）と点Ｐｎの光強度変化を表した正弦曲線Ｔｎの位相φ（Ｐｎ）との間には位相差Δφが表れ、その位相差Δφは対物レンズの収差などに依存する。
【００１９】
以下、球面収差、デフォーカスの評価方法について説明する。
〔球面収差〕
図７に示すように、平面波を基準としたとき、球面収差の波面は、光軸を中心とした回転対称形をとり、数式（１）で表すことができる。
φ＝ｄ・（ξ２＋η２）２ （１）
ｄ：定数
【００２０】
したがって、ξ方向にシェアリングした場合、またη方向にシェアリングした場合、それぞれの方向に関する２つの干渉光の強度差（すなわち、位相差）が、シェアリング方向に関して数式（２）、数式（３）の３次関数として表される。ｄφ／ｄξ＝２ｄ（ξ２＋η２）（２ξ） （２）
ｄφ／ｄη＝２ｄ（ξ２＋η２）（２η） （３）
【００２１】
このことは、レンズに他の収差などがないとした場合、球面収差が、シェアリング干渉像上で図７に示す干渉縞として現れることからも理解できる。したがって、図８（ａ）に示すように、シェアリング干渉像３４上で、０次回折光３１と１次回折光３２の中心Ｏ、Ｏ１の中心を通らず、中心ＯからＯＯ１を結ぶ線分の４分の１の距離（又は中心Ｏから中心ＯＯ１の４分の１の距離）だけ離れた点を通り、シェアリング軸に垂直な線分上で、複数の点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）をとり、回折格子３をその格子溝と直交する方向に移動させ、各点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）のＹ座標と各点の位相（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）を座標上にプロットし、そしてプロットした点を２次関数で近似（フィッティング）することにより、球面収差（数式（１）から（３）の定数ｄ）を定量的に求める。
【００２２】
球面収差を評価する具体的手順は以下の通りである。
（ｉ）図８（ａ）に示すように、干渉像上で回折光（回折円）の中心（光軸Ｏ、Ｏ１）、シェアリング軸（Ｘ軸）を定める。
（ｉｉ）ＯとＯ１の中心を通らず、中心ＯからＯＯ１を結ぶ線分の４分の１の距離（又は中心Ｏから中心ＯＯ１の４分の１の距離）だけ離れた点でＸ軸と直交する垂線を定め、この垂線上に複数の測点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）を定める。これらの測点は、Ｘ軸に関して対称に配置するのが望ましい。
（ｉｉｉ）回折格子３を格子と直交する方向に移動する。
（ｉｖ）測点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）の光強度を測定する。
（ｖ）各測点について光強度正弦波形の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）を求める。
（ｖｉ）各測点のＹ軸座標と、対応する光強度の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）とを、図８（ｂ）に示すように、直交座標系にプロットする。
（ｖｉｉ）プロットした点に２次関数（φ＝ａｐ・Ｙ２＋ｂｐ・Ｙ＋ｃｐ）または３次関数をフィッティングする。
（ｖｉｉｉ）フィッティングした関数の２次係数（ａｐ）を求め、球面収差を評価する。
【００２３】
〔デフォーカス〕
図７（ｂ）に示すように、焦点はずれ（デフォーカス）の波面は平面波を基準としたとき、光軸を中心とした回転対称形をとり、数式（４）で表すことができる。
φ＝ｍ・（ξ２＋η２） （４）
ｍ：定数
【００２４】
したがって、ξ方向に２つの回折光が干渉した場合、また、η方向に２つの回折光が干渉した場合、それぞれの方向に関する２つの干渉光の強度差（すなわち、位相差）が、シェアリング方向に関して、数式（５）、数式（６）の１次関数として表される。
ｄφ／ｄξ＝２ｍξ （５）
ｄφ／ｄη＝２ｍη （６）
【００２５】
このことは、レンズに他の収差等がないとした場合、デフォーカスが、シェアリング干渉像上で図３（Ｂ）に示す干渉縞として現れることからも理解できる。
【００２６】
したがって、図９（ａ）に示すように、シェアリング干渉像上で、Ｘ軸とＹ軸と所定の角度（例えば４５°）をなすＺ軸上に、好ましくはＸ軸とＹ軸の交点に関して対称に複数の（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）をとり、回折格子３を格子と直交する方向に移動させながら各点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）の位相を求め、これらの座標Ｚと各点の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）を座標上にプロットし、またプロットした点を１次関数（φ＝ａｐ・Ｚ＋ｂｐ）または２次関数で近似し、さらにこの１次関数または２次関数の１次の係数ａｐを求めることにより、デフォーカスを求めることができる。
【００２７】
デフォーカス成分を評価する具体的手段は以下の通りである。
（ｉ）図９（ａ）に示すように、シェアリング干渉像上で、回折光（回折円）の中心（光軸Ｏ、Ｏ１）、シェアリング軸（Ｘ軸）、及び光軸Ｏ、Ｏ１を結ぶ線分の垂直二等分線（Ｙ軸）、Ｘ軸とＹ軸との交点を通り且つＸ軸に対して所定の角度θ（３０°≦θ≦６０°、好ましくは４５°）をなすＺ軸を定める。
（ｉｉ）Ｚ軸上に、複数の測点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）を定める。これらの測点は、Ｘ軸とＹ軸の交点に関して対称に配置するのが好ましい。
（ｉｉｉ）回折格子３を格子と直交する方向に移動する。
（ｉｖ）測点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）の光強度を測定する。
（ｖ）各測点について光強度正弦波形の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）を求める。
（ｖｉ）各測点のＺ軸座標と対応する光強度の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）とを、図１３に示すように直交座標系にプロットする。
（ｖｉｉ）プロットした点に１次関数φ＝ａｐ・Ｚ＋ｂｐをフィッティングする。
（ｖｉｉｉ）フィッティングした１次関数の１次係数ａｐを求め、デフォーカスを評価する。
なお、後に説明するように、球面収差の検出は、第２実施形態で示す球面収差検出方法で行うこともできる。
【００２８】
（２）第２実施形態
図１０は本発明の第２実施形態を示す。この図に示すレンズ評価システムにおいて、光源であるレーザ発生源１１はレーザ光を発射する。この光は可干渉性を有し、例えばヘリウムネオンレーザ光が好適に利用できる。発射されたレーザ光はビームエキスパンダ１２によりビーム径を拡大した略平行光とした後、ハーフミラー１３で約９０度方向が変えられ、被測定レンズ１４により反射型回折格子１５に照射される。回折格子１５からの回折光は、再びレンズ１４に入射される。回折格子１５は、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光がレンズ１５の瞳面でシェアリング干渉を生じるように設計されている。このシェアリング干渉光は、レンズ１５で略平行光に戻り、ハーフミラー１３を透過し、結像レンズ１６を通って撮像素子１７（例えばＣＣＤセンサ）に入射する。結像レンズ１６は、被測定レンズ１６の瞳面を撮像素子１７に結像する。撮像素子１７は信号処理・表示装置１８に接続されており、撮像素子１７で受像した像が表示される。
【００２９】
球面収差を評価する具体的手段は以下の通りである。
（ｉ）図１１（ａ）に示すように、シェアリング干渉像３４上で、回折光（回折円）３１，３２の中心（光軸Ｏ、Ｏ１）、シェアリング軸（Ｘ軸）、及び光軸Ｏ、Ｏ１を結ぶ線分の垂直二等分線（Ｙ軸）、Ｘ軸とＹ軸との交点を通り且つＸ軸に対して所定の角度θ（３０°≦θ≦６０°、好ましくは４５°）をなすＺ軸を定める。
（ｉｉ）Ｚ軸上に、複数の測点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）を定める。これらの測点は、Ｘ軸とＹ軸の交点に関して対称に配置するのが好ましい。
（ｉｉｉ）回折格子３を格子と直交する方向に移動する。
（ｉｖ）測点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）の光強度を測定する。
（ｖ）各測点について光強度正弦波形の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）を求める。
（ｖｉ）各測点のＺ軸座標と対応する光強度の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）とを、図１１（ｂ）に示すように直交座標系にプロットする。
（ｖｉｉ）プロットした点に３次関数φ＝ａｐ・Ｚ３＋ｂｐ・Ｚ２＋ｃｐ・Ｚ＋ｄｐをフィッティングする。
（ｖｉｉｉ）フィッティングした３次関数の３次係数ａｐを求め、球面収差を評価する。
【００３０】
なお、球面収差およびデフォーカスの検出は、第１実施形態で示した方法で行うこともできる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明のように、本発明に係るレンズの評価方法、評価装置によれば、レンズ金型を製作する過程で生じた誤差に基づくレンズの局所的な凹凸部の影響を受けずに、球面収差やデフォーカスを正しく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレンズの評価装置の概略構成を示す図。
【図２】透過型回折格子から出た回折光が干渉する様子を示す図。
【図３】表示装置に表示される回折光の干渉像を示す図。
【図４】干渉領域に形成される干渉縞を示す図。
【図５】干渉領域に設定する測点を示す図。
【図６】干渉領域に設定された測点の光強度の位相変化を示す図。
【図７】球面収差とでフォーカスの波面形状を示す図。
【図８】球面収差を求めるために干渉領域に設定した測点と各測点で測定された位相を二次関数でフィッティングした状態を示す図。
【図９】デフォーカスを求めるために干渉領域に設定した測点と各測点で測定された位相を一次関数でフィッティングした状態を示す図。
【図１０】レンズの評価装置の他の形態を示す図。
【図１１】球面収差を求めるために干渉領域に設定した測点と各測点で測定された位相を三次関数でフィッティングした状態を示す図。
【図１２】レンズの金型を製作する状況を示す図。
【図１３】製作された金型の断面図。
【図１４】０次と±１次回折光が干渉した状態を示す図。
【図１５】干渉領域に設定した測点の例を示す図。
【図１６】図１５に示す測点の光強度の位相を一次関数でフィッティングした状態を示す図。
【図１７】図１５に示す測点の光強度の位相を三次関数でフィッティングした状態を示す図。
【符号の説明】
２…対物レンズ、３…回折格子、６…撮像素子、７…信号処理・表示装置、３１，３２，３３…回折光。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク方式の情報記憶媒体、例えばＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）、に情報を読み書きする光学レンズ、またレーザ加工機、レーザ顕微鏡などにおいて光を結像して光スポットを形成する光学レンズの特性を検出する方法及びその装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
光ディスク方式の高密度情報記憶媒体から情報を読み取り、またこの高密度情報記憶媒体に情報を記憶するためには、光源から出射された光を目的の場所に正確に照射できる光学系が必要となる。そのため、特に、光学系の対物レンズは、それ自体に厳格な光学的特性が要求されるだけでなく、目的の場所に精度よく固定されなければならない。
【０００３】
そこで、対物レンズの検査又は調整の方法として、対物レンズを透過した光を回折し、異なる次数の回折光を干渉させてシェアリング干渉像を形成し、このシェアリング干渉像における複数の点で測定した光強度の位相の差を用いて各種収差（デフォーカス、球面収差、非点収差、コマ収差）を評価し、対物レンズを調整する方法が、本出願人による特許出願（特願平１１−１３８５８４号）で提案されている。
【０００４】
しかし、上記特許出願で開示された方法では、デフォーカスと球面収差を正しく測れない場合がある。その原因は、対物レンズの製造過程で該対物レンズの中心部に生じる凹部又は凸部にある。
【０００５】
この原因について具体的に説明すると、対物レンズを製造するプロセスには、まず対物レンズの外形を決める金型を製造する工程と、次に出来あがった金型にレンズ材料を注入する工程が含まれる。また、金型の製造プロセスには、図１２に示すように、金型４０を回転させながら、精密な切削バイト４１を使って対物レンズの外形に対応した形に金型４０の表面を切削加工していく工程が含まれる。このとき、金型は一定速度で回転しているので、金型４０に対する切削バイト４１の移動速度（切削速度）は、回転中心から離れるほど速く、金型４０の中心に向かうに従ってほど遅くなる。そのため、図１３に示すように、金型４０の中心部分に、周囲と比べて加工状態の異なる部位４２が生じ、この部位が凹部あるいは凸部となってレンズの外形に現れる。
【０００６】
そして、このような局所的な金型形状誤差は、回折格子から得られた０次回折光と±１次回折光を部分的に重ねてシェアリング干渉像を得た場合、図１４に示すように、各回折光４３，４４，４５の中心付近の領域４６，４７，４８の干渉模様に影響を与える。そのため、図１５、１６、１７に示すように、上記回折干渉法に基づいて、例えば、シェアリング干渉領域４８内の、＋１次光と−１次光の中心を通る線分上に測定点Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎをとり、位相シフトさせたときの光強度変化の位相を各点で測定し、位相Ｙを対応する測定位置Ｘの１次関数または１次以上の次数を有する関数で近似して該近似関数の１次の係数値でデフォーカスを評価すると、また、位相Ｙを測定位置Ｘの３次関数または３次以上の次数を有する関数で近似して該近似関数の３次の係数値で球面収差を評価すると、それら評価結果には上述した形状誤差が含まれる。
【０００７】
そこで、本発明は、上述したレンズの局所的な変形に影響されずに正しく球面収差やデフォーカスを測定できるレンズ評価方法、レンズの評価装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【発明の概要】
本発明のレンズの評価方法は、
（ａ）レンズから出射された光を回折格子で回折し、異なる次数の２つの回折光を干渉させてシェアリング干渉像を得る工程と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させて上記回折光の位相を変化させる工程と、
（ｃ）上記シェアリング干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通らず、上記２つの光軸を結ぶ直線と垂直な線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求める工程と、
（ｄ）上記測点位置をＹ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｙの２次関数または３次関数で近似し、該関数の２次の係数値で上記レンズの球面収差を評価する工程とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の他の形態の評価方法は、
（ａ）レンズから出射された光を回折格子で回折し、異なる次数の２つの回折光を干渉させてシェアリング干渉像を得る工程と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させて上記回折光の位相を変化させる工程と、
（ｃ）上記シェアリング干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通り、上記２つの光軸を結ぶ直線と所定の角度をなす線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求める工程と、
（ｄ）上記測点位置をＺ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｚの３次関数または４次関数で近似し、該関数の３次の係数値で上記レンズの球面収差を評価する工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の形態の評価方法は、
（ａ）レンズから出射された光を回折格子で回折し、異なる次数の２つの回折光を干渉させてシェアリング干渉像を得る工程と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させて上記回折光の位相を変化させる工程と、
（ｃ）上記シェアリング干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通り、上記２つの光軸を結ぶ直線と所定の角度をなす線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求める工程と、
（ｄ）上記測点位置をＺ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｚの１次関数または２次関数で近似し、該関数の１次の係数値で上記レンズのデフォーカスを評価する工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明のレンズの評価装置は、上述した評価方法を実施するもので、
（ａ）上記レンズを透過した光を回折すると共に、異なる次数の２つの回折光のシェアリング干渉光を出射する回折格子と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させる移動機構と、
（ｃ）上記シェアリング干渉光を受像する受像体と、
（ｄ）上記受像体で受像したシェアリング干渉光の干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通らず、上記２つの光軸を結ぶ直線と垂直な線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求め、上記位相をもとに上記集光レンズの球面収差を求める特性検出器とを有する。
上記回折格子は、透過型回折格子、反射型回折格子のいずれでもよい。
【００１２】
本発明の他の形態の評価装置は、
（ａ）上記レンズを透過した光を回折すると共に、異なる次数の２つの回折光のシェアリング干渉光を出射する回折格子と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させる移動機構と、
（ｃ）上記シェアリング干渉光を受像する受像体と、
（ｄ）上記受像体で受像したシェアリング干渉光の干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通り、上記２つの光軸を結ぶ直線と所定の角度をなす線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求め、上記位相をもとに上記集光レンズの球面収差またはデフォーカスを求める特性検出器とを有する。
上記回折格子は、透過型回折格子、反射型回折格子のいずれでもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的実施の形態を説明する。
（１）第１実施形態
図１はレンズ評価装置の概略構成図である。このレンズ評価装置において、レンズ光ヘッド１の対物レンズ２から出射された光は、集光しながら透過型回折格子３へ入射し、検出レンズ４で略平行光に調整された後、結像レンズ５を通して撮像素子６に入射する。撮像素子６は信号処理・表示装置７に接続され、撮像素子６で受像した像が信号処理・表示装置７に表示される。
【００１４】
この装置は、透過型回折格子３から０次、±１次、±２次・・・の回折光が得られ、検出レンズ４の開口領域で０次回折光と＋１次回折光、あるいは０次回折光と−１次回折光などが部分的に重なり合って干渉が起こるように設計されている。そして、検出レンズ４上に出来た干渉像を、結像レンズ５で撮像素子６に結像させ、干渉像が得られる。
【００１５】
撮像素子６上で形成される干渉像の一例を図２に示す。この干渉像は、０次回折光３１上で±１次回折光３２，３３が互いに重なり合っている形成されている。以下、このような異なる次数の回折光の干渉を「シェアリング」または「シェアリング干渉」、干渉によりできる像を「シェアリング干渉像」、回折光の中心を結ぶ軸（図２に示すＸ軸）を「シェアリング軸」、シェアリング軸の方向を「シェアリング方向」という。
【００１６】
シェアリング干渉像は図３に示す干渉縞を含む。図３において、（Ａ）はデフォーカスによる干渉縞、（Ｂ）と（Ｃ）はコマ収差による干渉縞、（Ｄ）は非点収差による干渉縞、（Ｅ）は球面収差による干渉縞をそれぞれ示す。一般に、これらの収差は複合的に発生し、実際に得られる干渉縞は（Ａ）から（Ｅ）の干渉縞が重なり合った模様となる。ただし、対物レンズ２が回折格子３に正確に焦点合わせされている場合、図３（Ｆ）のように、干渉領域に何らの模様も現れない。ただし、対物レンズが全く収差を含まず、しかも対物レンズが回折格子３に対して正確に焦点合わせされている場合、図３（Ｆ）のように、干渉領域に何らの模様も現れない。しかし、現実のレンズは種々の収差を含み、これらの収差に応じた干渉縞が干渉領域に現れる。
【００１７】
干渉領域において離れた２点の光強度についてみると、これら２点の光強度は対物レンズの収差等に応じて異なる値を示す。また、例えばピエゾ素子などを用いた適当な移動機構８を用いて、回折格子をその格子溝と直交する方向（図１の左右方向）に移動すると、干渉領域における２点の光強度が正弦曲線を描きながら周期的に変化する。同時に、収差が２つの正弦曲線の位相差として現れる。
【００１８】
例えば、図５に示すように、０次回折光３１と＋１次回折光３２との干渉領域３４についてみると、０次回折光３１の回折円中心Ｏと＋１次回折光３２の回折円中心Ｏ１とを結ぶシェアリング軸（Ｘ軸）上で、これら中心ＯとＯ１との中心から等距離Ｌにある２点Ｐ１、Ｐｎで光強度の時間変化を測定すると、図６に示すように、点Ｐ１の光強度変化を表した正弦曲線Ｔ１の位相φ（Ｐ１）と点Ｐｎの光強度変化を表した正弦曲線Ｔｎの位相φ（Ｐｎ）との間には位相差Δφが表れ、その位相差Δφは対物レンズの収差などに依存する。
【００１９】
以下、球面収差、デフォーカスの評価方法について説明する。
〔球面収差〕
図７に示すように、平面波を基準としたとき、球面収差の波面は、光軸を中心とした回転対称形をとり、数式（１）で表すことができる。
φ＝ｄ・（ξ２＋η２）２ （１）
ｄ：定数
【００２０】
したがって、ξ方向にシェアリングした場合、またη方向にシェアリングした場合、それぞれの方向に関する２つの干渉光の強度差（すなわち、位相差）が、シェアリング方向に関して数式（２）、数式（３）の３次関数として表される。ｄφ／ｄξ＝２ｄ（ξ２＋η２）（２ξ） （２）
ｄφ／ｄη＝２ｄ（ξ２＋η２）（２η） （３）
【００２１】
このことは、レンズに他の収差などがないとした場合、球面収差が、シェアリング干渉像上で図７に示す干渉縞として現れることからも理解できる。したがって、図８（ａ）に示すように、シェアリング干渉像３４上で、０次回折光３１と１次回折光３２の中心Ｏ、Ｏ１の中心を通らず、中心ＯからＯＯ１を結ぶ線分の４分の１の距離（又は中心Ｏから中心ＯＯ１の４分の１の距離）だけ離れた点を通り、シェアリング軸に垂直な線分上で、複数の点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）をとり、回折格子３をその格子溝と直交する方向に移動させ、各点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）のＹ座標と各点の位相（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）を座標上にプロットし、そしてプロットした点を２次関数で近似（フィッティング）することにより、球面収差（数式（１）から（３）の定数ｄ）を定量的に求める。
【００２２】
球面収差を評価する具体的手順は以下の通りである。
（ｉ）図８（ａ）に示すように、干渉像上で回折光（回折円）の中心（光軸Ｏ、Ｏ１）、シェアリング軸（Ｘ軸）を定める。
（ｉｉ）ＯとＯ１の中心を通らず、中心ＯからＯＯ１を結ぶ線分の４分の１の距離（又は中心Ｏから中心ＯＯ１の４分の１の距離）だけ離れた点でＸ軸と直交する垂線を定め、この垂線上に複数の測点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）を定める。これらの測点は、Ｘ軸に関して対称に配置するのが望ましい。
（ｉｉｉ）回折格子３を格子と直交する方向に移動する。
（ｉｖ）測点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）の光強度を測定する。
（ｖ）各測点について光強度正弦波形の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）を求める。
（ｖｉ）各測点のＹ軸座標と、対応する光強度の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）とを、図８（ｂ）に示すように、直交座標系にプロットする。
（ｖｉｉ）プロットした点に２次関数（φ＝ａｐ・Ｙ２＋ｂｐ・Ｙ＋ｃｐ）または３次関数をフィッティングする。
（ｖｉｉｉ）フィッティングした関数の２次係数（ａｐ）を求め、球面収差を評価する。
【００２３】
〔デフォーカス〕
図７（ｂ）に示すように、焦点はずれ（デフォーカス）の波面は平面波を基準としたとき、光軸を中心とした回転対称形をとり、数式（４）で表すことができる。
φ＝ｍ・（ξ２＋η２） （４）
ｍ：定数
【００２４】
したがって、ξ方向に２つの回折光が干渉した場合、また、η方向に２つの回折光が干渉した場合、それぞれの方向に関する２つの干渉光の強度差（すなわち、位相差）が、シェアリング方向に関して、数式（５）、数式（６）の１次関数として表される。
ｄφ／ｄξ＝２ｍξ （５）
ｄφ／ｄη＝２ｍη （６）
【００２５】
このことは、レンズに他の収差等がないとした場合、デフォーカスが、シェアリング干渉像上で図３（Ｂ）に示す干渉縞として現れることからも理解できる。
【００２６】
したがって、図９（ａ）に示すように、シェアリング干渉像上で、Ｘ軸とＹ軸と所定の角度（例えば４５°）をなすＺ軸上に、好ましくはＸ軸とＹ軸の交点に関して対称に複数の（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）をとり、回折格子３を格子と直交する方向に移動させながら各点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）の位相を求め、これらの座標Ｚと各点の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）を座標上にプロットし、またプロットした点を１次関数（φ＝ａｐ・Ｚ＋ｂｐ）または２次関数で近似し、さらにこの１次関数または２次関数の１次の係数ａｐを求めることにより、デフォーカスを求めることができる。
【００２７】
デフォーカス成分を評価する具体的手段は以下の通りである。
（ｉ）図９（ａ）に示すように、シェアリング干渉像上で、回折光（回折円）の中心（光軸Ｏ、Ｏ１）、シェアリング軸（Ｘ軸）、及び光軸Ｏ、Ｏ１を結ぶ線分の垂直二等分線（Ｙ軸）、Ｘ軸とＹ軸との交点を通り且つＸ軸に対して所定の角度θ（３０°≦θ≦６０°、好ましくは４５°）をなすＺ軸を定める。
（ｉｉ）Ｚ軸上に、複数の測点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）を定める。これらの測点は、Ｘ軸とＹ軸の交点に関して対称に配置するのが好ましい。
（ｉｉｉ）回折格子３を格子と直交する方向に移動する。
（ｉｖ）測点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）の光強度を測定する。
（ｖ）各測点について光強度正弦波形の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）を求める。
（ｖｉ）各測点のＺ軸座標と対応する光強度の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）とを、図１３に示すように直交座標系にプロットする。
（ｖｉｉ）プロットした点に１次関数φ＝ａｐ・Ｚ＋ｂｐをフィッティングする。
（ｖｉｉｉ）フィッティングした１次関数の１次係数ａｐを求め、デフォーカスを評価する。
なお、後に説明するように、球面収差の検出は、第２実施形態で示す球面収差検出方法で行うこともできる。
【００２８】
（２）第２実施形態
図１０は本発明の第２実施形態を示す。この図に示すレンズ評価システムにおいて、光源であるレーザ発生源１１はレーザ光を発射する。この光は可干渉性を有し、例えばヘリウムネオンレーザ光が好適に利用できる。発射されたレーザ光はビームエキスパンダ１２によりビーム径を拡大した略平行光とした後、ハーフミラー１３で約９０度方向が変えられ、被測定レンズ１４により反射型回折格子１５に照射される。回折格子１５からの回折光は、再びレンズ１４に入射される。回折格子１５は、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光がレンズ１５の瞳面でシェアリング干渉を生じるように設計されている。このシェアリング干渉光は、レンズ１５で略平行光に戻り、ハーフミラー１３を透過し、結像レンズ１６を通って撮像素子１７（例えばＣＣＤセンサ）に入射する。結像レンズ１６は、被測定レンズ１６の瞳面を撮像素子１７に結像する。撮像素子１７は信号処理・表示装置１８に接続されており、撮像素子１７で受像した像が表示される。
【００２９】
球面収差を評価する具体的手段は以下の通りである。
（ｉ）図１１（ａ）に示すように、シェアリング干渉像３４上で、回折光（回折円）３１，３２の中心（光軸Ｏ、Ｏ１）、シェアリング軸（Ｘ軸）、及び光軸Ｏ、Ｏ１を結ぶ線分の垂直二等分線（Ｙ軸）、Ｘ軸とＹ軸との交点を通り且つＸ軸に対して所定の角度θ（３０°≦θ≦６０°、好ましくは４５°）をなすＺ軸を定める。
（ｉｉ）Ｚ軸上に、複数の測点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）を定める。これらの測点は、Ｘ軸とＹ軸の交点に関して対称に配置するのが好ましい。
（ｉｉｉ）回折格子３を格子と直交する方向に移動する。
（ｉｖ）測点（Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ−１，Ｐｎ）の光強度を測定する。
（ｖ）各測点について光強度正弦波形の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）を求める。
（ｖｉ）各測点のＺ軸座標と対応する光強度の位相φＰ（φＰ１、φＰ２、…、φＰｎ−１、φＰｎ）とを、図１１（ｂ）に示すように直交座標系にプロットする。
（ｖｉｉ）プロットした点に３次関数φ＝ａｐ・Ｚ３＋ｂｐ・Ｚ２＋ｃｐ・Ｚ＋ｄｐをフィッティングする。
（ｖｉｉｉ）フィッティングした３次関数の３次係数ａｐを求め、球面収差を評価する。
【００３０】
なお、球面収差およびデフォーカスの検出は、第１実施形態で示した方法で行うこともできる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明のように、本発明に係るレンズの評価方法、評価装置によれば、レンズ金型を製作する過程で生じた誤差に基づくレンズの局所的な凹凸部の影響を受けずに、球面収差やデフォーカスを正しく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレンズの評価装置の概略構成を示す図。
【図２】透過型回折格子から出た回折光が干渉する様子を示す図。
【図３】表示装置に表示される回折光の干渉像を示す図。
【図４】干渉領域に形成される干渉縞を示す図。
【図５】干渉領域に設定する測点を示す図。
【図６】干渉領域に設定された測点の光強度の位相変化を示す図。
【図７】球面収差とでフォーカスの波面形状を示す図。
【図８】球面収差を求めるために干渉領域に設定した測点と各測点で測定された位相を二次関数でフィッティングした状態を示す図。
【図９】デフォーカスを求めるために干渉領域に設定した測点と各測点で測定された位相を一次関数でフィッティングした状態を示す図。
【図１０】レンズの評価装置の他の形態を示す図。
【図１１】球面収差を求めるために干渉領域に設定した測点と各測点で測定された位相を三次関数でフィッティングした状態を示す図。
【図１２】レンズの金型を製作する状況を示す図。
【図１３】製作された金型の断面図。
【図１４】０次と±１次回折光が干渉した状態を示す図。
【図１５】干渉領域に設定した測点の例を示す図。
【図１６】図１５に示す測点の光強度の位相を一次関数でフィッティングした状態を示す図。
【図１７】図１５に示す測点の光強度の位相を三次関数でフィッティングした状態を示す図。
【符号の説明】
２…対物レンズ、３…回折格子、６…撮像素子、７…信号処理・表示装置、３１，３２，３３…回折光。
Claims (11)
- （ａ）レンズから出射された光を回折格子で回折し、異なる次数の２つの回折光を干渉させてシェアリング干渉像を得る工程と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させて上記回折光の位相を変化させる工程と、
（ｃ）上記シェアリング干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通らず、上記２つの光軸を結ぶ直線と垂直な線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求める工程と、
（ｄ）上記測点位置をＹ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｙの２次関数または３次関数で近似し、該関数の２次の係数値で上記レンズの球面収差を評価する工程とを有することを特徴とするレンズ評価方法。 - （ａ）レンズから出射された光を回折格子で回折し、異なる次数の２つの回折光を干渉させてシェアリング干渉像を得る工程と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させて上記回折光の位相を変化させる工程と、
（ｃ）上記シェアリング干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通り、上記２つの光軸を結ぶ直線と所定の角度をなす線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求める工程と、
（ｄ）上記測点位置をＺ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｚの３次関数または４次関数で近似し、該関数の３次の係数値で上記レンズの球面収差を評価する工程とを有することを特徴とするレンズ評価方法。 - （ａ）レンズから出射された光を回折格子で回折し、異なる次数の２つの回折光を干渉させてシェアリング干渉像を得る工程と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させて上記回折光の位相を変化させる工程と、
（ｃ）上記シェアリング干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通り、上記２つの光軸を結ぶ直線と所定の角度をなす線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求める工程と、
（ｄ）上記測点位置をＺ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｚの１次関数または２次関数で近似し、該関数の１次の係数値で上記レンズのデフォーカスを評価する工程とを有することを特徴とするレンズ評価方法。 - 上記２つの回折光が、０次回折光と、±１次回折光のいずれか一方、または＋１次回折光と−１次回折光であることを特徴とする請求項１から３のいずれかのレンズの評価方法。
- 光学系に含まれる集光レンズの評価装置であって、
（ａ）上記レンズを透過した光を回折すると共に、異なる次数の２つの回折光のシェアリング干渉光を出射する回折格子と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させる移動機構と、
（ｃ）上記シェアリング干渉光を受像する受像体と、
（ｄ）上記受像体で受像したシェアリング干渉光の干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通らず、上記２つの光軸を結ぶ直線と垂直な線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求め、上記位相をもとに上記集光レンズの球面収差を求める特性検出器とを有することを特徴とするレンズの評価装置。 - 上記球面収差を、上記測点位置をＹ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｙの２次関数または３次関数で近似し、該関数の２次の係数値で求めることを特徴とする請求項５記載のレンズの評価装置。
- 光学系に含まれる集光レンズの評価装置であって、
（ａ）上記レンズを透過した光を回折すると共に、異なる次数の２つの回折光のシェアリング干渉光を出射する回折格子と、
（ｂ）上記回折格子を上記回折格子に形成された格子溝と直交する方向に移動させる移動機構と、
（ｃ）上記シェアリング干渉光を受像する受像体と、
（ｄ）上記受像体で受像したシェアリング干渉光の干渉像において、上記２つの回折光の光軸を結ぶ中点を通り、上記２つの光軸を結ぶ直線と所定の角度をなす線分上の、複数の測点で、光強度変化の位相を求め、上記位相をもとに上記集光レンズの球面収差またはデフォーカスを求める特性検出器とを有することを特徴とするレンズの評価装置。 - 上記球面収差を、上記測点位置をＺ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｚの３次関数または４次関数で近似し、該関数の３次の係数値で求めることを特徴とする請求項７記載のレンズの評価装置。
- 上記デフォーカスを、上記測点位置をＺ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｚの１次関数または２次関数で近似し、該関数の１次の係数値で求めることを特徴とする請求項７記載のレンズの評価装置。
- 上記２つの回折光が、０次回折光と、±１次回折光のいずれか一方、または＋１次回折光と−１次回折光であることを特徴とする請求項５から９のいずれかに記載のレンズの調整装置。
- 上記回折格子が、透過型回折格子または反射型回折格子であることを特徴とする請求項５から１０のいずれかに記載のレンズの評価装置。
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