JP4027752B2 - レンズ点像観察装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズの点像を観察するレンズ点像観察装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、厳しい仕様性能が要求されるレンズは、複数枚のレンズから構成されるレンズ系となるのが一般的である。例えば、高ＮＡ高倍率の顕微鏡対物レンズの中には、１５枚前後の非常に多数のレンズから構成されるものもある。
【０００３】
そして、このように構成枚数の多いレンズ系の光学性能を保証するには、レンズ系を構成する各レンズの偏心によって発生する軸非対称収差を極力抑えることが非常に重要な要素の一つとなっている。特に、最近の高ＮＡ高倍率の顕微鏡対物レンズでは、軸非対称収差を抑えるため各レンズ間の偏心許容量は数μｍ以内のレベルを実現する必要があり、レンズやレンズ枠などの加工精度を上げるだけでは対処できず、レンズ系を組み立てた後にレンズ系の偏心調整を高精度に行う工程が必須となっている。
【０００４】
そこで、このような複数枚のレンズで構成される顕微鏡対物レンズなどのレンズ系の偏心調整には、各レンズ間の偏心によって発生するレンズ系の軸非対称収差（偏心コマ収差）を観察するレンズ点像観察装置が用いられている。
【０００５】
ところで、実際の偏心調整工程においては、レンズ系（以下被検レンズと称する）を構成する全てのレンズの偏心調整をするのではなく、被検レンズの中で偏心調整に好適なレンズ（以下調整レンズ）を選択し、その調整レンズを被検レンズ全体に対して偏心調整することによって、被検レンズの軸非対称収差を抑えるようにしている。この場合、調整レンズは、１枚と限らないが、できるだけ少ない枚数であることが望まれる。
【０００６】
このような偏心調整工程において、被検レンズの軸非対称収差をレンズ点像観察装置により観察あるいは計測することが前提となり、一般に、数１０μｍから数１００μｍサイズの円形チャートを軸上付近においてランプ光源で透過照明し、被検レンズによるチャート像を観察または撮像する。ここで、被検レンズに軸非対称収差があれば、チャート像が円形ではなくなり、例えば卵型のように非対称に変形することから、このチャート像を観察しながら作業者が被検レンズを偏心調整し、チャート像が対称になるように追い込んでいく。
【０００７】
図７（ａ）は、レンズ点像観察装置の一例を示すもので、ハロゲンランプなど光源８０からの光を照明レンズ８１を介してチャート８２を照明する。チャート８２は、例えば図７（ｂ）に示すように円形開ロパターンである。このチャート８２から被検レンズ８３を介してチャート像を作り、ＣＣＤカメラ８４により撮像し観察する。この場合、被検レンズ８３は、部組レンズ８３１、８３３と調整レンズ８３２から構成されている。そして、被検レンズ８３に軸非対称収差があれば、そのチャート像は図７（ｃ）に示した様に対称性が失われるので、このチャート像を見ながら、被検レンズ８３内の調整レンズ８３２の偏心調整を行い、最終的に図７（ｂ）に示すような円形開ロパターンが得られるようにする。
【０００８】
この場合、チャート像をモニタ上で目視観察しているが、チャート像の非対称収差をコンピュータにより演算して偏心方向と調整量を作業者に表示し、それに基づいて作業者が調整レンズを偏心調整するようにしたしたもの、さらに、被検レンズの生産量が非常に多い場合は、コンピュータにより数値化された偏心調整量に基づいて自動で偏心調整を行うようにしたものがある。また、チャートは、円形以外にスリットなどもある。このようなスリットの場合、被検レンズの軸非対称収差は１次元方向しか判別できなくなるので、スリットを様々な向きに回転させて観察するようにしている。
【０００９】
これら一連の考えに基づいたものとして、特開２０００−１２１９０２号公報に開示されたものがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したような透過照明によるチャート像の非対称変形に基づいた方法（以下、透過チャート像方式と称する）では、軸非対称収差の観察感度が不足する場面が生じることがある。例えば、前述した高ＮＡ高倍率の顕微鏡対物レンズでは、軸非対称収差の低減要求が非常に厳しくなっており、偏心調整時の軸非対称収差観察の感度向上が課題となっている。
【００１１】
このような要求に対して、従来の透過チャート像方式において、軸非対称収差の観察感度を上げるには、透過円形チャートの直径（またはスリット幅）を小さくしてチャート像の変形を判別しやすくする方法が考えられる。この方法の原理では、チャートが小さくなると、チャートをそのまま透過した０次光強度に対するチャートエッジ部分での高次の回折波強度の割合が相対的に増加することにより、被検レンズの高いＮＡ領域を通る光が相対的に強度が増加し、それにより軸非対称収差が強調されることに基づいている。さらに言えば、無限小のピンホールによる回折波は全方向に一様な強度で光を回折することから、理論上は最も理想的なチャートと言ってよい。
【００１２】
しかし、あまりに微小なチャートになると、被検レンズに取り込まれる光量が大幅に減少し、チャート像が非常に暗い像になってしまう。現実的には被検レンズの開口数ＮＡ、波長λで決定されるエアリディスク径φ_airyと同等程度のチャートが理想的である。例えば、ＮＡ＝０.９、λ＝０.５５μｍの顕微鏡対物レンズのエアリディスク径を計算してみると、φ_airy＝１.２２×λ／ＮＡ＝１.２２×O.５５μｍ／０.９＝０.７４μｍとなる。
【００１３】
さらに、エッジが綺麗に加工され且つ形状の対称性が要求されるが、このような微細な透過チャートを入手するのは、非常に難しい。特に、ＮＡ＝０.９、λ＝０.３μｍ程度の紫外域対物レンズの場合には、φ_airy＝０.４μｍとなり、このような微細な透過チャートの入手は、不可能といってよい。
【００１４】
一方、近年、顕微鏡対物レンズがレーザ光学系に適用される例が増えている。この場合、レーザ光源で規定される狭スペクトルの特定波長において性能を確保できればよいが、レーザ波長においては厳しい光学性能が要求されるため、必然的に、対物レンズが使用されるレーザ光源を使って偏心調整する必要がある。
【００１５】
しかし、上述したような透過照明によるチャート像の非対称変形に基づいた観察方法では、コヒーレントなレーザー光により、ある程度広い面積のチャートを照明することになり、チャート像にスペックルノイズが加わる。すると、スペックルノイズの中に軸非対称収差が埋もれてしまい、軸非対称収差を観察することが不可能になるという問題を生じる。この結果、レーザ光源を使用した場合でも、高感度に軸非対称収差を観察することが大きな課題となっている。
【００１６】
スペックルノイズを無くし、かつ軸非対称収差を高感度に観察する方法として、被検レンズのエアリディスク径φ_airy以下の透過チャートを準備する方法があるが、すでに述べたように、そのようなチャートを準備することは、不可能であり諦めざるをえない。
【００１７】
チャートを使わない透過観察方式として、図８に示すような基準レンズ方式も考えられる。図８は、図７（ａ）と同一部分には同符号を付して示すもので、この場合、チャートに代えて無収差として扱える基準レンズ８５を準備し、この基準レンズ８５の焦点と被検レンズ８３の焦点を一致させる。
【００１８】
このようにすると、基準レンズ８５のＮＡが被検レンズ８３のＮＡと同等以上であれば、基準レンズ８５による点像を被検レンズ８３で再結像させた場合、被検レンズ８３による点像を観察したとみなしてよく、それを十分な画素分解能でＣＣＤカメラ８４で撮像することにより被検レンズ８３の軸非対称収差を感度良く観察することができる。
【００１９】
これにより、チャートを使う必要もなく、レーザを使っても基準レンズ８５による点像を観察するだけなので、ある程度大きい透過チャートをレーザで観察する場合に発生するスペックルノイズも発生しない。
【００２０】
しかしながら、被検レンズ８３に対してＮＡが同等以上で無収差の基準レンズ８５を準備する点が、次のような理由で非現実的である。つまり、上述したように被検レンズ８３として顕微鏡の対物レンズなどを考えた場合、ある特定の波長域の専用設計対物レンズであったり、レーザ専用設計の対物レンズであったりする。そうすると、被検レンズ８３と同じ種類の数だけ基準レンズ８５が必要となり、しかも、これら基準レンズ８５は、被検レンズ８３と同様なＮＡで、予め無収差とみなせるレンズでなければにならない。このため、図８で述べる方法では、このような基準レンズ８５を予め準備するのに費用や時間がかかりすぎる為非効率的で実用的でない。
【００２１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、レンズ系の軸非対称収差を高感度に且つ実用的な方法で観察することができるレンズ点像観察装置および方法を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、複数のレンズを同一光軸上に配置してなる顕微鏡対物レンズと、
光源からの光を平行光として射出する照明系と、前記平行光束中に設けられるビームスプリッタと、前記顕微鏡対物レンズの焦点位置を中心とした曲率を有し、前記顕微鏡対物レンズの反射用標本となる球面ミラーと、前記球面ミラーで反射し、前記顕微鏡対物レンズを介した反射光による点像を拡大する点像拡大観察系と、前記点像拡大観察系で拡大された点像を撮像する撮像手段と、を有し、前記撮像手段から取得した前記拡大された点像の形状を観察することによって、前記顕微鏡対物レンズの軸非対称収差を観察することを特徴としている。
【００２４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ビームスプリッタは、前記照明系からの前記平行光を前記顕微鏡対物レンズの方向へ反射することを特徴としている。
【００２５】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ビームスプリッタは、前記顕微鏡対物レンズを介した前記反射光を拡大観察側に反射することを特徴としている。
【００２６】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記球面ミラーを、前記顕微鏡対物レンズの光軸方向及び光軸に直交する方向に移動させる移動手段をさらに有することを特徴としている。
【００２７】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記照明系は、ピンホールと、ピンホールを背後から照明する光源、コリメータレンズから構成されることを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記照明系は、前記光源からの光を導入する光ファイバーと、前記光ファイバーから出射された光を平行光にするコリメータレンズから構成されることを特徴としている。
請求項７記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記ピンホールは、前記コリメータレンズの焦点位置に配置されていることを特徴としている。
請求項８記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記光ファイバーの出射端は、前記コリメータレンズの焦点位置に配置されていることを特徴としている。
請求項９記載の発明は、請求項７又は８記載の発明において、前記コリメータレンズの焦点距離をｆ_ｉｌｌ、前記顕微鏡対物レンズの焦点距離をｆ_ｏｂ、前記ピンホール又は前記光ファイバーのコア径をφ_ｐ、前記顕微鏡対物レンズの理想状態におけるエアリディスク径をφ_ａｉｒｖとした場合、
φ_ｐ≒（ｆ_ｉｌｌ／ｆ_ｏｂ）×φ_ａｉｒｖ
または
φ_ｐ≦（ｆ_ｉｌｌ／ｆ_ｏｂ）×φ_ａｉｒｖ
の関係にあることを特徴としている。
請求項１０記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記光源は、前記顕微鏡対物レンズの補償する光学性能に応じた波長の光を出射することを特徴としている。
請求項１１記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記顕微鏡対物レンズは、無限遠光学系であることを特徴としている。
請求項１２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記光源は、コヒーレントな光を出射するレーザ光源であることを特徴としている。
請求項１３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記球面ミラーは、シリコン製であることを特徴としている。
請求項１４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記曲面ミラーは、凹状の球面または凸状の球面を有するミラーであることを特徴としている。
請求項１５記載の発明は、複数のレンズを同一光軸上に配置してなる顕微鏡対物レンズの軸非対称収差を測定するレンズ点像観測装置であって、光源からの光を導入する光ファイバーと、前記光ファイバーから出射された前記光を平行光として射出するコリメータレンズと、前記平行光束中に設けられたビームスプリッタと、前記顕微鏡対物レンズの焦点位置を中心とした曲率を有し、前記顕微鏡対物レンズの反射用標本となる球面ミラーと、
前記球面ミラーで反射し、前記顕微鏡対物レンズを介した反射光による点像を拡大する点像拡大観察系と、前記点像拡大観察系で拡大された点像を撮像する撮像手段と、を有し、前記コリメータレンズの焦点距離をｆ ｉｌｌ、前記顕微鏡対物レンズの焦点距離をｆ ｏｂ、前記ピンホール又は前記光ファイバーのコア径をφ ｐ、前記顕微鏡対物レンズの理想状態におけるエアリディスク径をφ ａｉｒｖとした場合、
φ ｐ≒（ｆ ｉｌｌ／ｆ ｏｂ）×φ ａｉｒｖ
または
φ ｐ≦（ｆ ｉｌｌ／ｆ ｏｂ）×φ ａｉｒｖ
の関係に設定し、前記撮像手段から取得した前記拡大された点像の形状を観察することによって、前記顕微鏡対物レンズの軸非対称収差を検出することを特徴としている。
請求項１６記載の発明は、複数のレンズを同一光軸上に配置してなる顕微鏡対物レンズを取り付ける工程と、前記顕微鏡対物レンズの補償する光学性能に応じた波長の光を点光源として出射する工程と、前記点光源からの光を平行光束にする工程と、前記平行光束をビームスプリッタを介して前記顕微鏡対物レンズへ出射する工程と、前記顕微鏡対物レンズを介して前記被検光部材の焦点位置を中心とした曲率を有する球面ミラーより反射した反射光を再び前記顕微鏡対物レンズを通して結像された点像を撮像する工程と、前記撮像 手段から取得した前記拡大された点像の形状を観察することによって、前記顕微鏡対物レンズの軸非対称収差を検出する工程と、を有することを特徴としている。
【００２８】
この結果、本発明によれば、光が被検レンズを往復するので、収差が２倍に強調され、しかも、被検レンズを往復した光による点像そのものを拡大観察できるので、被検レンズの軸非対称収差を高感度に観察できる。
【００２９】
また、本発明によれば、光ファイバーにより照明光を導入するようにしたので、１台の点像観察装置で様々な光源に対して簡単に対応することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００３１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態が適用されるレンズ点像観察装置の概略構成を示している。図において、１は装置本体で、この装置本体１は、水平方向のベース部１ａ、このベース部１ａに直立して設けられた胴部１ｂ、この胴部１ｂの先端にベース部１ａと平行に設けられたアーム部１ｃから構成されている。
【００３２】
装置本体１のベース部１ａ上には、ＸＹＺステージ２が設けられている。ＸＹＺステージ２には、標本としての球面ミラー３が載置されている。ＸＹＺステージ２は、球面ミラー３を載置した状態で、ＸＹＺ方向に移動可能になっており、球面ミラー３の位置を調整できるようにしている。球面ミラー３には、所定の曲率半径を有する凹状の球面３ａが形成されている。
【００３３】
装置本体１のアーム部１ｃには、球面ミラー３の球面３ａに対向させて被検レンズ４が設けられている。この場合、被検レンズ４および球面ミラー３は、被検レンズ４の焦点と球面ミラー３の曲率中心が一致するような位置関係で配置されている。
【００３４】
また、アーム部１ｃ上には、ビームスプリッタ５が設けられている。このビームスプリッタ５は、平行光を射出する照明系６からの平行光を被検レンズ４側に反射し、また、被検レンズ４からの光を透過するものである。
【００３５】
ビームスプリッタ５の透過光路には、点像拡大観察系７が設けられている。この点像拡大観察系７は、結像レンズ８と撮像手段としてのＣＣＤカメラ９を有しており、ビームスプリッタ５を透過した被検レンズ４からの光を結像レンズ８によりＣＣＤカメラ９の撮像面に結像させ撮像するようになっている。
【００３６】
次に、このように構成された実施の形態の動作を説明する。
【００３７】
いま、照明系６からの平行光がビームスプリッタ５に入射すると、ここで反射して被検レンズ４に入射する。被検レンズ４を透過した光は、被検レンズ４の焦点に一旦集光し、球面ミラー３に向かう。
【００３８】
この場合、球面ミラー３の球面３ａの曲率中心と被検レンズ４の焦点が一致しているので、被検レンズ４を透過した光線は、全て球面ミラー３の球面３ａで垂直反射する。
【００３９】
球面ミラー３で反射した光線は、再び被検レンズ４の焦点に集光し、被検レンズ４を再透過して、被検レンズ４の２倍の収差が加わった平行光としてビームスプリッタ５に入射する。そして、このビームスプリッタ５を透過した光は、点像拡大観察系７の結像レンズ８を介してＣＣＤカメラ９で撮像され、点像として拡大観察される。
【００４０】
このようにすれば、照明系６からの平行光が被検レンズ４を往復するようになるので、被検レンズ４の収差を２倍に強調することができ、さらに被検レンズ４の点像そのものを拡大観察できるので、被検レンズ４の軸非対称収差の観察感度を高めることができる。
【００４１】
次に、球面ミラー３の作用をさらに詳しく説明する。図１では、被検レンズ４に入射する光線のうち、光軸を挟んで互いに対称な光線を細線と太線で表わしている。
【００４２】
この場合、標本として球面ミラー３を用いているので、細線で表した光線は、球面ミラー３で反射しても、再び被検レンズ４の同じ経路を辿ってビームスプリッタ５側へ射出され、点像拡大観察系７に向かう。太線で表した光線も同様である。このことは、被検レンズ４の持っている収差を２倍した収差が加わった平行光が点像拡大観察系７に向かうことになり、被検レンズ４の収差を強調した状態で軸非対称収差の観察を行うことができる。
【００４３】
ところが、標本として球面ミラー３でなく、例えば平面ミラーを使用した場合、平面ミラーは被検レンズ４の焦点に設置されるが、細線で表した光線も太線で表した光線も被検レンズ４の同じ経路を辿ってビームスプリッタ５側へ射出されることがないので、被検レンズ４の持っている軸非対称収差の情報は失われてしまうことは明らかである。このことから、本発明では、軸非対称収差を問題にしているので、標本として平面ミラーを使用することはできず、球面ミラー３を使用している。
【００４４】
なお、図１では、凹状の球面３ａを有する球面ミラー３を用いているが、例えば、図２に示すような凸状の球面１０ａを有する球面ミラー１０でもよいのは言うまでもない。この場合も、球面ミラー１０の球面１０ａの曲率中心と被検レンズ４の焦点が一致するようになっている。
【００４５】
また、球面ミラー３は、非常に高精度な球面である必要があり、一般に反射面にはコーティングを施していない。従って、材質によってその反射率が決まり、普通は、ガラス（石英などが多い）であるが、反射率が４％程度と低いので、反射率が４０％程度と高いシリコン製のものが好適である。
【００４６】
次に、点像拡大観察系７についてさらに詳しく説明する。
【００４７】
この場合、点像拡大観察系７は、結像レンズ８とＣＣＤカメラ９から構成されており、被検レンズ４の２倍の収差が加わった点像を大きく拡大観察する機能を有している。ここで、点像を大きく拡大観察するには、結像レンズ８によって作られる点像を大きくすることと、ＣＣＤカメラ９に画素サイズの小さい物を使うことが考えられる。例えば、被検レンズ４として、ＮＡ＝０.９、焦点距離ｆ_ob＝１.８ｍｍ、λ＝０.５５μｍの顕微鏡対物レンズの場合の、結像レンズ８の焦点距離とＣＣＤカメラ９の画素分解能について考えると、被検レンズ４が無収差の場合のエアリディスク径φ_airyは、１.２２×λ／ＮＡ＝１.２２×０.５５μｍ／０.９＝０.７５μｍとなる。また、結像レンズ８の焦点距離をｆ_TLとすると、被検レンズ４の点像の光学拡大倍率Ｍは、Ｍ＝ｆ_TL／f_obとなる。また、f_TL＝３６０ｍｍとすると、Ｍ＝２００倍となり、ＣＣＤカメラ９に投影されるエアリディスク径は、０.７５μｍ×２００＝１５０μｍとなる。さらに、ＣＣＤカメラ９の１画素を７.５μｍとすれば、１５０μｍ／７.５μｍ＝２０、即ち、点像のエアリディスク内を２０×２０画素の画素分解能で撮像できる拡大観察系となる。実際には、点像のエアリディスク内を１０×１０画素程度の画素分解能の撮像でも、軸非対称収差の観察には実用上差し支えないようである。
【００４８】
このようにして、点像を十分な画素分解能で撮像できれば、被検レンズ４の収差の影響を受けた点像をモニター上で十分に拡大観察でき、その軸非対称収差を高感度に観察できる。
【００４９】
なお、ＣＣＤカメラ９の代わりに無収差とみなせる接眼レンズを付けて観察しても良いが、光学系が増えるので、上述した拡大観察系の方がより望ましい。
【００５０】
また、このように被検レンズ４の軸非対称収差を高感度に観察できることは、実用上の次のような効果がある。
【００５１】
第１に、サブμｍオーダーの微小な透過チャートの製作という困難から開放される。第２に、レーザを使用してもスペックルノイズが発生しない。第３に、基準レンズ方式のように、被検レンズの種類と同数の基準レンズを製作する必要がない。
【００５２】
さらに、球面ミラー３を準備する必要があるが、反射素子であるため、あらゆる波長の被検レンズ４に対して共通に使用できるので、無収差とみなせる球面ミラー３を１個だけ準備すれば良い。球面ミラー３のチェックとしては、Ｈｅ−Ｎｅレーザを使用した干渉計が市販されているので、この干渉計により球面ミラー３の収差（球面からのずれ）を一度だけチェックしておけば良い。これにより、被検レンズ４さえ作れば、その軸非対称収差をすぐに観察できる。
【００５３】
従って、このようにすれば、光が被検レンズ４を往復するので、収差が２倍に強調され、しかも、被検レンズ４を往復した光による点像そのものを拡大観察できるので、被検レンズ４の軸非対称収差を高感度に観察できる。
【００５４】
また、落射照明方式を用いているので、微細な透過チャートや透過基準レンズを被検レンズ種類毎に準備するなどの必要がなくなるので、費用的にも時間的にも効率良く、様々な被検レンズに対応できる軸非対称収差の観察環境を提供できる。
【００５５】
さらに、球面ミラー３として、反射率が高いシリコン製のものを用いることにより、光の利用効率をあげることができるので、さらに被検レンズ４の軸非対称収差を高感度に観察できる。
【００５６】
（変形例）
上述した第１の実施の形態では、照明系６からの平行光がビームスプリッタ５で反射し、観察光がビームスプリッタ５を透過するようにしたが、例えば、図１と同一部分には、同符号を付した図３に示すように、照明系６からの平行光がビームスプリッタ５を透過し、観察光がビームスプリッタ５で反射して点像拡大観察系７に導入するようにしてもよい。
【００５７】
このようにしても、上述した第１の実施の形態と同様な効果を期待することができる。
【００５８】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００５９】
図４は、本発明の第２の実施の形態が適用されるレンズ点像観察装置の概略構成を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付している。
【００６０】
この場合、照明系６には、光源１１、集光レンズ１２、光ファイバー１３およびコリメータレンズ１４が設けられている。光ファイバー１３は、出射端をコリメータレンズ１４の焦点位置に配置されている。
【００６１】
このようにすると、光源１１から放射された光は、集光レンズ１２を介して光ファイバー１３に導入される。また、光ファイバー１３から出射した光は、コリメータレンズ１４を通り平行光となってビームスプリッタ５に入射し、これ以降、上述した第１の実施の形態で説明したような点像の拡大観察が行われる。
【００６２】
この第２の実施例では、光ファイバー１３によって照明光を導入するようにしたので、様々な光源に簡単に対処できるようになる。光源１１には大型の水冷ガスレーザや、小型の半導体レーザ、ランプなど種々あるが、光源１１と、それに適した光ファイバー１３さえ準備すれば良いので、様々な光源に対して効率的に対応できる。光源１１としてレーザ光源が使用される場合は、コア径数μｍのシングルモードファイバーを使用する。光源１１がランプ光源装置などの場合、シングルモードファイバーを使用しても良いがファイバーに導入できる光量が非常に少なくなるので、シングルモードファイバーよりもコア径の大きいマルチモードファイバーを使用した方が現実的である。ただし、ＣＣＤカメラ９と光ファイバー１３の出射端面のコアは共役関係にあるため、あまりコア径の大きなファイバーを使用すると、被検レンズ４の点像を観察しているというよりも、ファイバーのコアを観察している状態に近づいてくる。それでも、十分に被検レンズ４の軸非対称収差を観察できるのであれば良いが、ここでは、点像を観察するための照明系６の条件について考えてみる。
【００６３】
いま、被検レンズ４として、ＮＡ＝０.９、f_ob＝１.８ｍｍ、λ＝０.５５μｍの顕微鏡対物レンズを想定する。この被検レンズ４のエアリデイスク径は、
φ_airy＝１.２２×λ／ＮＡ＝１.２２×０.５５μｍ／０.９＝０.７５μｍ …▲１▼
である。
【００６４】
ところで、光ファイバー１３のコア径φ_pが、焦点距離f_illのコリメータレンズ１４と、焦点距離f_obの被検レンズ４によって、被検レンズ４の焦点に投影されるわけだが、その投影像径φ’を幾何光学的に考えれば、
φ_p’＝（f_ob／f_ill）×φ_p …▲２▼
となる。
【００６５】
ここで、f_ob＝１.８ｍ、f_ill＝１８０ｍ、ファイバーコア径φ_P＝１０μｍのマルチモードファイバーを考えると、
φ_p’＝１.８ｍｍ／１８０ｍｍ×１０μｍ＝０.１μｍ
となる。いま、被検レンズ４のエアリディスク径はφ_airy＝０.７５μｍであり、これは幾何光学的投影で考えたコアの投影像径φ_p'よりも大きい。すなわち、被検レンズ４の焦点には、ファイバーのコアが幾何光学的に投影されているわけではなく、被検レンズ４によって決まる点像が形成されていると考えて良い。
【００６６】
このことをまとめると、下式▲３▼が成立していれば、ファイバーのコアを観察しているのではなく、被検レンズ４の点像を観察していると考えて良い。
【００６７】
φ_p’≦φ_airy …▲３▼
また、実際には、φ_p’≒φ_airyでも、軸非対称収差の高感度観察には十分である。したがって、本装置において最大の軸非対称収差の観察感度を引き出す条件として式▲３▼を拡張して
φ_p’≒φ_airyまたはφ_p’≦φ_airy …▲４▼
となる。
【００６８】
▲１▼、▲２▼を▲４▼に代入して別形式で表せば、
φ_p≒（f_ill／f_ob）×φ_airyまたは
φ_p≦（f_ill／f_ob）×φ_airy …▲５▼
となる。
【００６９】
φ_p’がφ_airyの数倍になってくると、軸非対称収差の観察感度は落ちてくるが、本発明の実用上のメリットは失われることにはならない。したがって、式▲５▼の関係から多少外れたとしても本発明の意義が失われることは全くない。
【００７０】
従って、このようにすれば、第１の実施の形態と同様な効果を得られ、さらに、光ファイバー１３により照明光を導入するようにしたので、１台の点像観察装置で様々な光源に対して簡単に対応することができる。
【００７１】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
【００７２】
図５は、本発明の第３の実施の形態が適用されるレンズ点像観察装置の概略構成を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付している。
【００７３】
この場合、照明系６には、光源２１、集光レンズ２２、ピンホール（ＰＨ）２３およびコリメータレンズ２４が設けられている。ピンホール（ＰＨ）２３は、コリメータレンズ２４の焦点位置に配置されている。
【００７４】
このようにすると、光源２１から放射された光は、集光レンズ２２を介してピンホール（ＰＨ）２３背後から照射される。ピンホール（ＰＨ）２３を通過した光は、コリメータレンズ２４を通り平行光となってビームスプリッタ５に入射し、これ以降、上述した第１の実施の形態で説明したような点像の拡大観察が行われる。
【００７５】
この第３の実施の形態では、光ファイバーに代わってピンホール（ＰＨ）２３をコリメータレンズ２４の焦点位置に設置し、ピンホール（ＰＨ）２３を背後から光源２１により照明する。このようにすると、特に、光源２１として水銀ランプの深紫外輝線を使用するような場合、光ファイバーの透過率が劣化していくので、そのような場合に、この第３の実施の形態のような光ファイバーを使用しない構成が適している。この場合、ピンホール（ＰＨ）２３の径をφ_pとして、第２の実施の形態で説明したのと同様に式▲５▼が成り立つのが望ましい。
【００７６】
従って、このようにしても、第１の実施の形態と同様な効果を得られ、さらに、光源がランプ光源で光ファイバーによる照明光の導入が難しいような場合に好適な照明系を実現できる。
【００７７】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。
【００７８】
図６は、本発明の第４の実施の形態が適用されるレンズ点像観察装置の概略構成を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付している。
【００７９】
この場合、照明系６には、レーザ光源３１と、レーザ光を無収差とみなせるレンズ３２，３３が設けられている。
【００８０】
このようにすると、レーザ光源３１からのレーザ光は、無収差とみなせるレンズ３２、３３によって、所望のビーム径に変換されてビームスプリッタ５に平行光として導入され、これ以降、上述した第１の実施の形態で説明したような点像の拡大観察が行われる。
【００８１】
この第４の実施の形態は、特定のレーザ光に本装置を専用使用する場合や、当該レーザ光に使用できる光ファイバーが入手困難な場合に最適な構成となる。
【００８２】
従って、このようにしても、第１の実施の形態と同様な効果を得られ、さらに、被検レンズの点像を観察していることに相当する照明系を簡単に実現できる。
【００８３】
その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。
【００８４】
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【００８５】
なお、上述した実施の形態には、以下の発明も含まれる。
【００８６】
（１）照明系は、ピンホール、ピンホールを背後から照明する光源、コリメータレンズから構成されることを特徴としている。
【００８７】
（２）照明系のコリメータレンズの焦点距離をf_ill、被検レンズの焦点距離をf_ob、ピンホールまたは光ファイバーのコア径をφ_P、被検レンズの理想状態におけるエアリディスク径をφ_airyとした場合、
φ_p≒（f_ill／f_ob）×φ_airyまたはφ_p≦（f_ill／f_ob）×φ_airy
の関係にあることを特徴としている。
【００８８】
（３）球面ミラーは、シリコン製であることを特徴としている。
【００８９】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、レンズ系の軸非対称収差を高感度に且つ実用的な方法で観察することができるレンズ点像観察装置および方法を提供できる。つまり、軸非対称収差を高感度に観察でき、しかも、多品種少量生産になりがちな厳しい仕様性能の被検レンズに対して時間的、費用的にも効率的に対応可能なレンズ軸非対称収差観察環境を提供できるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す図。
【図２】第１の実施の形態に用いられる曲面ミラーの変形例の概略構成を示す図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の変形例の概略構成を示す図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の概略構成を示す図。
【図６】本発明の第４の実施の形態の概略構成を示す図。
【図７】従来のレンズ点像観察装置の一例の概略構成を示す図。
【図８】従来のレンズ点像観察装置の他例の概略構成を示す図。
【符号の説明】
１…装置本体
１ａ…ベース部
１ｂ…胴部
１ｃ…アーム部
２…ＸＹステージ
３、１０…球面ミラー
３ａ、１０ａ…球面
４…被検レンズ
５…ビームスプリッタ
６…照明系
７…点像拡大観察系
８…結像レンズ
９…ＣＣＤカメラ
１１…光源
１２…集光レンズ
１３…光ファイバー
１４…コリメータレンズ
２１…光源
２２…集光レンズ
２３…ピンホール（ＰＨ）
２４…コリメータレンズ
３１…レーザ光源
３２．３３…レンズ

Claims (16)

1. 複数のレンズを同一光軸上に配置してなる顕微鏡対物レンズと、
   光源からの光を平行光として射出する照明系と、
   前記平行光束中に設けられるビームスプリッタと、
   前記顕微鏡対物レンズの焦点位置を中心とした曲率を有し、前記顕微鏡対物レンズの反射用標本となる球面ミラーと、
   前記球面ミラーで反射し、前記顕微鏡対物レンズを介した反射光による点像を拡大する点像拡大観察系と、
   前記点像拡大観察系で拡大された点像を撮像する撮像手段と、を有し、
   前記撮像手段から取得した前記拡大された点像の形状を観察することによって、前記顕微鏡対物レンズの軸非対称収差を観察することを特徴とするレンズ点像観察装置。
2. 前記ビームスプリッタは、前記照明系からの前記平行光を前記顕微鏡対物レンズの方向へ反射することを特徴とする請求項１記載のレンズ点像観察装置。
3. 前記ビームスプリッタは、前記顕微鏡対物レンズを介した前記反射光を拡大観察側に反射することを特徴とする請求項１記載のレンズ点像観察装置。
4. 前記球面ミラーを、前記顕微鏡対物レンズの光軸方向及び光軸に直交する方向に移動させる移動手段をさらに有することを特徴とする請求項１記載のレンズ点像観察装置。
5. 前記照明系は、ピンホールと、ピンホールを背後から照明する光源、コリメータレンズから構成されることを特徴とする請求項１記載のレンズ点像観察装置。
6. 前記照明系は、前記光源からの光を導入する光ファイバーと、前記光ファイバーから出射された光を平行光にするコリメータレンズから構成されることを特徴とする請求項１記載のレンズ点像観察装置。
7. 前記ピンホールは、前記コリメータレンズの焦点位置に配置されていることを特徴とする請求項５記載のレンズ点像観察装置。
8. 前記光ファイバーの出射端は、前記コリメータレンズの焦点位置に配置されていることを特徴とする請求項６記載のレンズ点像観察装置。
9. 前記コリメータレンズの焦点距離をｆ ｉｌｌ、前記顕微鏡対物レンズの焦点距離をｆ ｏｂ、前記ピンホール又は前記光ファイバーのコア径をφ ｐ、前記顕微鏡対物レンズの理想状態におけるエアリディスク径をφ ａｉｒｖとした場合、
   φ ｐ≒（ｆ ｉｌｌ／ｆ ｏｂ）×φ ａｉｒｖ
   または
   φ ｐ≦（ｆ ｉｌｌ／ｆ ｏｂ）×φ ａｉｒｖ
   の関係にあることを特徴とする請求項７又は８記載のレンズ点像観察装置。
10. 前記光源は、前記顕微鏡対物レンズの補償する光学性能に応じた波長の光を出射することを特徴とする請求項１記載のレンズ点像観察装置。
11. 前記顕微鏡対物レンズは、無限遠光学系であることを特徴とする請求項１記載のレンズ点像観察装置。
12. 前記光源は、コヒーレントな光を出射するレーザ光源であることを特徴とする請求項１記載のレンズ点像観察装置。
13. 前記球面ミラーは、シリコン製であることを特徴とする請求項１記載のレンズ点像観察装置。
14. 前記曲面ミラーは、凹状の球面または凸状の球面を有するミラーであることを特徴とする請求項１記載のレンズ点像観察装置。
15. 複数のレンズを同一光軸上に配置してなる顕微鏡対物レンズの軸非対称収差を測定するレンズ点像観測装置であって、
    光源からの光を導入する光ファイバーと、
    前記光ファイバーから出射された前記光を平行光として射出するコリメータレンズと、
    前記平行光束中に設けられたビームスプリッタと、
    前記顕微鏡対物レンズの焦点位置を中心とした曲率を有し、前記顕微鏡対物レンズの反射用標本となる球面ミラーと、
    前記球面ミラーで反射し、前記顕微鏡対物レンズを介した反射光による点像を拡大する点像拡大観察系と、
    前記点像拡大観察系で拡大された点像を撮像する撮像手段と、を有し
    前記コリメータレンズの焦点距離をｆ ｉｌｌ、前記顕微鏡対物レンズの焦点距離をｆ ｏｂ、前記ピンホール又は前記光ファイバーのコア径をφ ｐ、前記顕微鏡対物レンズの理想状態におけるエアリディスク径をφ ａｉｒｖとした場合、
    φ ｐ≒（ｆ ｉｌｌ／ｆ ｏｂ）×φ ａｉｒｖ
    または
    φ ｐ≦（ｆ ｉｌｌ／ｆ ｏｂ）×φ ａｉｒｖ
    の関係に設定し、前記撮像手段から取得した前記拡大された点像の形状を観察することによって、前記顕微鏡対物レンズの軸非対称収差を検出することを特徴とするレンズ点像観察装置。
16. 複数のレンズを同一光軸上に配置してなる顕微鏡対物レンズを取り付ける工程と、
    前記顕微鏡対物レンズの補償する光学性能に応じた波長の光を点光源として出射する工程と、
    前記点光源からの光を平行光束にする工程と、
    前記平行光束をビームスプリッタを介して前記顕微鏡対物レンズへ出射する工程と、
    前記顕微鏡対物レンズを介して前記被検光部材の焦点位置を中心とした曲率を有する球面ミラーより反射した反射光を再び前記顕微鏡対物レンズを通して結像された点像を撮像する工程と、
    前記撮像手段から取得した前記拡大された点像の形状を観察することによって、前記顕微鏡対物レンズの軸非対称収差を検出する工程と、
    を有することを特徴とするレンズ点像観察方法。

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