JP4121246B2

JP4121246B2 - 領域特定方法、収差計測方法及び収差計測装置

Info

Publication number: JP4121246B2
Application number: JP2000402744A
Authority: JP
Inventors: 和政 ▲高▼田; 厚司福井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: JP2002202106A

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ヘッド、またレーザ加工機、レーザ顕微鏡などにおいて、光を結像してスポツトを形成する当該光の特性、およびこのスポットを形成する光学レンズの特性を検出するために必要な領域を決定する方法及び当該光学レンズの収差計測装置並びに光学ユニットの調整装置に関する。
【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である。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、日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、図１（ａ）に示すような、干渉計測方法によりレンズ収差を検出し、その検出結果に基づいて対物レンズを検査し調整する方式（回折干渉方式）が提案されている（例えば、特願平第１１-１３８５８４号）。
【０００４】
この回折干渉方式では、光ヘッド１０から出射された光は、対物レンズ１２を介し、回折格子１４に入射される。回折格子１４を透過する光は、異なる次数を有する複数の光に分解される。通常、分解された複数の光のうち０次光と±１次光が検出レンズ１６に入射され（図１（ｂ）参照）、この検出レンズ１６上で０次光と＋１次光、そして０次光と−１次光が重なり、それぞれの干渉縞が生じる。これら干渉縞は、結像レンズ１８により撮像素子２０上に結像され、撮像素子２０上で図２に示す干渉パターンが得られる。干渉パターンは画像データとして処理装置２２に取り込まれ、図２に示すように、０次光Ｌ₀と＋１次光Ｌ₊₁及び（又は）０次光Ｌ₀と−１次光Ｌ_-1が重なった凸レンズ型の干渉縞（干渉像）Ｉ₀₊₁、Ｉ_0-1が解析されてレンズ収差等が検出される。
【０００５】
収差の種類と、それによって生じる干渉縞を図３に示す。図３の（Ａ）はデフォーカスによる縞パターン、（Ｂ）（Ｃ）はコマ収差による縞パターン、（Ｄ）は非点収差による縞パターン、（Ｅ）は球面収差による縞パターン、（Ｆ）収差ゼロのときの縞パターンである。収差ゼロの場合、干渉領域内の光強度は一様である。一般に収差は複合して発生し、（Ａ）から（Ｆ）が混合した縞パターンとなる。このパターンに基づいて各収差を抽出する。収差抽出には位相シフト法を使う。この位相シフト法では、例えば回折格子１４をその格子と直交する方向（図３の各図に符号Ｘで示す方向に平行な方向。）に移動させることで、干渉させる２つの波面の位相を互いにずらして縞パターンを変化させ、その変化の仕方の分布、つまり強度変化の位相の分布を解析して収差を求める。このとき、干渉領域全面のデータを使って収差解析するのではなく、「特定の領域」のデータを用いて解析する。そして、この収差検出結果に基づいて、光学系の調整を行う。
【０００６】
このように、上記位相シフト法によれば、干渉領域に「特定領域」を設定する必要がある。また、「特定領域」を決めるためには、干渉領域を決定しなければならない。そのために、この干渉領域を決定する具体的な方法としては、一般に次のような手順が考えられる。
【０００７】
手順１
例えば回折格子を移動させることにより干渉させる波面の位相を時間的に変化させ、干渉パターンの強度を時間的に変化させる。このとき、撮像素子から得られた、各時刻における画像データ、すなわち強度分布データ（座標と強度）を処理装置の記憶部に取り込む。
【０００８】
手順２
図４に示すように、回折格子の移動方向とほぼ直交するようにＹ軸と、このＹ軸と直交するＸ軸を設ける。
【０００９】
手順３
記憶部に取り込まれた複数の強度分布データについて、各画素における強度データの変化の大きさ（以下、「強度変化」とする）を算出する。
【００１０】
手順４
Ｙ軸方向に適当な間隔をあけて、Ｘ軸に平行な複数のラインＨ₁〜Ｈ_nを設定する
【００１１】
手順５
ラインＨ₁上で、Ｘ軸のマイナス側の端からプラス方向（図４の左から右）へ、強度変化があるしきい値以上になる点を探し、強度変化が初めてしきい値以上となる点をエッジＰ_L1とする。同じく、ラインＨ₁上で、Ｘ軸のプラス側の端からマイナス方向（図４の右から左）へ強度変化があるしきい値以上になる点を探し、初めてしきい値以上になる点をＰ_R1とする。同様の処理をラインＨ₂〜Ｈ_nについて行ない、エッジＰ_L2〜Ｐ_Ln、Ｐ_R2〜Ｐ_Rnを求める。
【００１２】
手順６
エッジＰ_R1、・・Ｐ_Rn、Ｐ_L1、・・、Ｐ_Lnの座標を、Ｐ_R1（Ｘ_R1、Ｙ_R1）、・・、Ｐ_Rn（Ｘ_Rn、Ｙ_Rn）、Ｐ_L1（Ｘ_L1、Ｙ_L2）、・・、Ｐ_Ln（Ｘ_Ln、Ｙ_Ln）とおく。
【００１３】
手順７
図５に示すように、中心座標（Ｘｃ、Ｙｃ）を有する所定の半径を持つ仮想円Ｃｉを設ける。最初、Ｘｃ、Ｙｃは適当に設定する。次に、Ｐ_R1、・・Ｐ_Rn、Ｐ_L1、・・、Ｐ_Lnと（Ｘｃ、Ｙｃ）を結ぶ線分と仮想円Ｃｉとの交点を、それぞれＱ_R1、・・、Ｑ_Rn、Ｑ_L1、・・Ｑ_Lnとする。
【００１４】
手順８
Ｐ_R1とＱ_R1の距離を△_R1、・・、Ｐ_RnとＱ_Rnの距離を△_Rn、Ｐ_L1とＱ_L1の距離を△_L1、・・、Ｐ_LnとＱ_Lnの距離を△_Lnとし、これらの距離の自乗和、つまりΣ（△_Rn ²）＋Σ（△_Ln ²）が極小になる座標（Ｘｃ’、Ｙｃ’）を求める。
【００１５】
手順９
座標（Ｘｃ’、Ｙｃ’）を干渉パターンの基準とし、干渉領域を決定する。そして、決定された干渉領域の中に特定領域を設定し、この特定領域の光強度データを取得し、各種収差を求める。
【００１６】
しかし、この一般的な、円関数をフィッティングして干渉領域を特定する方法は、誤差が最小となる点を演算する検索アルゴリズムなので、特定領域の決定、すなわち演算の収束までに多くの時間を要する。
【００１７】
そこで、本発明は、上記の回折干渉方式において干渉パターンの中の処理すべき領域を高速に設定する領域設定方法及び該方法を用いた収差計測方法および装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【発明の概要】
本発明の領域特定方法は、
（ａ）レンズから出射された光を回折し、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得る工程と、
（ｂ）上記回折光の位相を変化させる工程と、
（ｃ）上記位相変化により時間的に強度変化する複数のデータであって、座標と強度を含む画像データを記憶装置に取り込む工程と、
（ｄ）上記複数の画像データにおいて、各画素における強度データの変化の大きさを算出する工程と、
（ｅ）上記画像データ領域の略中央を通ってシェアリング軸と平行な線分と、シェアリング軸と直交する線分とによって、画像データの領域を４つの小領域に分割する工程と、
（ｆ）上記各小領域において、シェアリング軸に平行な複数ラインを設け、強度変化の大きさがあるしきい値を越える画素がただ一つであるライン、及びこのライン上において強度変化の大きさがあるしきい値を超えたエッジ点を決定する工程とを有する。
【００１９】
また、本発明の収差計測方法は、上記工程（ａ）から（ｆ）の他に、
（ｇ）上記４つの小領域に決定された４つのエッジ点を基準にして、特定の複数の線分を設定し、この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、
（ｈ）上記測点位置をＸ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｘの関数で近似し、該関数の係数値で上記レンズの光学特性を評価する工程とを有する。
【００２０】
本発明の収差計測装置は、上記の計測方法を具現化したものであって、
（ａ）光学ユニットから出射した光を回折すると共に、異なる次数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、格子の格子方向と直角な方向の成分を含む方向へ移動する機構と、
（ｃ）上記シェアリング干渉光を受像する受像体と、
（ｄ）受像体で得られる画像データを記憶する記憶装置と、
（ｅ）上記画像データにおいて、各画素における強度データの変化の大きさを算出し、画像データ領域の略中央を通ってシェアリング軸と平行な線分と、シェアリング軸と直交する線分とによって、画像データの領域を４分割し、分割された各小領域において、シェアリング軸に平行な複数ラインを設け、強度データの変化の大きさがあるしきい値を越える画素がただ一つであるライン及びこのライン上において強度変化の大きさがあるしきい値を超えたエッジ点を決定し、各領域の４つのエッジ点を基準にして、特定の複数の線分を設定し、この線分上の複数の測点で光強度変化の位相を求め、上記測点位置をＸ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｘの関数で近似し、該関数の係数値で上記レンズの光学特性を評価する処理装置とを有する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（１）干渉領域特定方法
図６は、図１に示す撮像素子２０に撮影された凸レンズ型の干渉像Ｉ₀₊₁、Ｉ_0-1の一例を示す。干渉像Ｉ₀₊₁、Ｉ_0-1は、略円形の０次回折光Ｌ₀と＋１次回折光Ｌ₊₁、０次回折光Ｌ₀と−１次回折光Ｌ _-1が重なり合って形成されたものである。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」という。そして、このシェアリング干渉像の中に特定領域（特定座標を含む。）を決定する方法は、以下の手順に従って行なわれる。
【００２３】
手順１
例えば回折格子を移動させることにより干渉させる波面の位相を時間的に変化させ、干渉パターンの強度を時間的に変化させる。このとき、撮像素子から得られた、各時刻における画像データ、すなわち強度分布データ（座標と強度）を処理装置の記憶部に取り込む。
【００２４】
手順２
回折格子の移動方向（シェアリング軸）とほぼ直交するＹ軸と、このＹ軸と直交するＸ軸を設ける（図４参照）。ただし、図面を簡略化するため、これらＸ軸、Ｙ軸は省略してある。
【００２５】
手順３
記憶部に取り込まれた複数の強度分布データについて、各画素における強度データの変化の大きさ（以下、「強度変化」とする）を算出する。以上のように、手順１〜３は、従来の方法と同一である。
【００２６】
手順４
図６に示すように、撮影画像の略中央Ｏｃを通り、Ｘ軸と平行な線Ｗと、Ｙ軸と平行な線Ｕを設置し、これらによって画像の領域を４分割する。分割された領域を小領域[１]、[２]、[３]、[４]とする。
【００２７】
手順５
小領域[１]において、線Ｗと平行で且つ線Ｗから１画素分だけ移動したラインＨ₁₁を設定する。
【００２８】
手順６
ラインＨ₁₁上を、小領域［２］から離れた外側（図上右側）から、強度変化（絶対値）があるしきい値以上になる点（画素）を探し、初めに該当する画素をＰ_H111とする。次に、ラインＨ₁₁上で同様の処理を継続し、強度変化があるしきい値以上になる点（画素）を探し、該当する点Ｐ_H112が有れば、ラインＨ₁₁上での処理を停止する。
【００２９】
手順６’
ラインＨ₁₁と平行で且つラインＨ ₁₁から１画素分だけ移動したラインＨ₁₂を設定し、上記手順６を繰返し、強度変化があるしきい値以上になる点Ｐ_H121、点Ｐ_H122を求める。
【００３０】
手順６”
手順６’と同様の手順を、設定したライン上で強度変化がしきい値以上となる点の存在がただ一つになるまで繰返し、この点をエッジＰ_H1n1とする。このエッジＰ_H1n1は、０次回折光の輪郭を描く円と＋１次回折光の輪郭を描く円との交点の一方の座標に対応する。
【００３１】
手順７
手順４〜６”を他の小領域[２]〜[４]において実行し、エッジＰ_H2m1、Ｐ_H3k1、Ｐ_H4l1を探す。以上のようにして凸レンズ型干渉領域の頂点座標が求まると、これらの座標を用いて０次回折光及び±１次回折光の輪郭、並びに干渉領域（干渉像Ｉ₀₊₁、Ｉ_0-1）の座標が求まる。
【００３２】
以上のようにして求められた干渉領域に、特定領域、例えば干渉像Ｉ₀₊₁、Ｉ_0-1の中心、この中心を通る一つ又は複数の線分が設定される。そして、その線分上における複数の測定位置を定めると共に、該測定位置における位相を測定位置の座標関数で近似し、該関数の係数値でレンズの光学特性が評価される。
【００３３】
なお、線Ｗ、Ｕを設定する際の、画像データの略中心Ｏｃは、エッジＰ_H1n1、Ｐ_H2m1、Ｐ_H3k1、Ｐ_H4l1の４点を結んだ４角形の中であればよく、しかもこの四角形領域は比較的大きい。そのため、中心Ｏｃの点は、画像データ上で固定してもよい。
【００３４】
（２）光学ユニット調整装置
図７は、上述した干渉領域特定方法を利用した光学ユニット評価装置の一例を示す。この図に示す評価装置において、光源であるレーザ発生源３０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３２によりビーム径を拡大した略平行光とされた後、ハーフミラー３２で反射され、被測定レンズ３４から反射型回折格子３６に照射される。回折格子３６からの反射回折光は、再び被測定レンズ３４に入射する。回折格子３６は、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光がレンズ３４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３４で略平行光に戻り、ハーフミラー３２を透過し、結像レンズ３８を通って撮像素子４０（例えばＣＣＤセンサ等の受像体）に入射する。このとき、結像レンズ３８は、被測定レンズ３４の瞳面を撮像素子４０に結像する。この撮像素子４０に結像された干渉像には、レンズ３４に各種の収差が含まれている場合、それらの収差が重なり合った干渉縞が形成される。撮像素子４０は、表示装置を備えた信号処理装置（記憶装置を含む。）４２に接続されており、撮像素子４０で撮像された干渉像の画像データが信号処理装置４２に送信されて記憶され、その後収差演算に利用される。また、その収差演算に基づいてレンズ調整装置４６が動作し、レンズ３４の位置や傾きを調整する。
【００３５】
信号処理装置４２は、上述の位相シフト法を用い、収差を演算する。そのため、回折格子３６は、ピエゾ素子等の適当な移動装置４４によって、該回折格子３６の格子と直交する方向又は直交する成分を含む方向に移動される。これにより、干渉させる２つの波面の位相が互いにずれ、縞パターンが変化し、その変化のしかたの分布、つまり強度変化の位相の分布を信号処理装置４２が解析して収差を求める。具体的には、干渉領域に例えば干渉像Ｉ₀₊₁、Ｉ_0-1の中心、この中心を通る一つ又は複数の線分が設定される。そして、その線分上における複数の測定位置を定めると共に、該測定位置における位相を測定位置の座標を用いて一次又は二次若しくはそれ以上の次数の関数で近似し、該関数の係数値でレンズの光学特性が評価される。このとき、信号処理装置４２は、干渉領域全面のデータを使って収差解析するのではなく、上述した干渉領域特定方法に基づいて特定された領域のデータを解析することで収差を演算する。信号処理装置４２で演算された収差に基づき、レンズ調整装置４６によってレンズ３４の位置や傾きを調整し、その収差を除去する。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明のように、本発明によれば、位相シフト法を用いて光学系に含まれる収差を演算する処理において、その演算対象となる領域の設定を高速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）回折干渉法式の概略図、（ｂ）図１（ａ）の部分拡大図。
【図２】干渉縞の一例を示す図。
【図３】各収差により生じる干渉縞を示す図。
【図４】一般的な円関数フィッティングを説明するための図。
【図５】一般的な円関数フィッティングを説明するための図。
【図６】本発明の領域特定方法を説明する図。
【図７】本発明の収差計測装置及び光学ユニット調整装置の概略図。
【符号の説明】
３４：被測定レンズ
３６：回折格子
４０：撮像素子
４２：信号処理装置（収差計測装置）
４６：レンズ調整装置

Claims

（ａ）レンズから出射された光を回折し、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得る工程と、
（ｂ）上記回折光の位相を変化させる工程と、
（ｃ）上記位相変化により時間的に強度変化する複数のデータであって、座標と強度を含む画像データを記憶装置に取り込む工程と、
（ｄ）上記複数の画像データにおいて、各画素における強度データの変化の大きさを算出する工程と、
（ｅ）上記画像データ領域の略中央を通ってシェアリング軸と平行な線分と、シェアリング軸と直交する線分とによって、画像データの領域を４つの小領域に分割する工程と、
（ｆ）上記各小領域において、シェアリング軸に平行な複数ラインを設け、強度変化の大きさがあるしきい値を越える画素がただ一つであるライン、及びこのライン上において強度変化の大きさがあるしきい値を超えたエッジ点を決定する工程とを有することを特徴とする領域特定方法。
（ａ）レンズから出射された光を回折し、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得る工程と、
（ｂ）上記回折光の位相を変化させる工程と、
（ｃ）上記位相変化により時間的に強度変化する複数のデータであって、座標と強度を含む画像データを記憶装置に取り込む工程と、
（ｄ）上記複数の画像データにおいて、各画素における強度データの変化の大きさを算出する工程と、
（ｅ）上記画像データ領域の略中央を通ってシェアリング軸と平行な線分と、シェアリング軸と直交する線分とによって、画像データの領域を４つの小領域に分割する工程と、
（ｆ）上記各小領域において、シェアリング軸に平行な複数ラインを設け、強度変化の大きさがあるしきい値を越える画素がただ一つであるライン、及びこのライン上において強度変化の大きさがあるしきい値を超えたエッジ点を決定する工程と、
（ｇ）上記４つの小領域に決定された４つのエッジ点を基準にして、特定の複数の線分を設定し、この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、
（ｈ）上記測点位置をＸ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｘの関数で近似し、該関数の係数値で上記レンズの光学特性を評価する工程とを有することを特徴とする収差計測方法。
（ａ）光学ユニットから出射した光を回折すると共に、異なる次数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、格子の格子方向と直角な方向の成分を含む方向へ移動する機構と、
（ｃ）上記シェアリング干渉光を受像する受像体と、
（ｄ）受像体で得られる画像データを記憶する記憶装置と、
（ｅ）上記画像データにおいて、各画素における強度データの変化の大きさを算出し、画像データ領域の略中央を通ってシェアリング軸と平行な線分と、シェアリング軸と直交する線分とによって、画像データの領域を４分割し、分割された各小領域において、シェアリング軸に平行な複数ラインを設け、強度データの変化の大きさがあるしきい値を越える画素がただ一つであるライン及びこのライン上において強度変化の大きさがあるしきい値を超えたエッジ点を決定し、各領域の４つのエッジ点を基準にして、特定の複数の線分を設定し、この線分上の複数の測点で光強度変化の位相を求め、上記測点位置をＸ、上記位相をφとしたとき、上記位相φを測定位置Ｘの関数で近似し、該関数の係数値で上記レンズの光学特性を評価する処理装置とを有することを特徴とする収差計測装置。