JP4183220B2

JP4183220B2 - 光学球面曲率半径測定装置

Info

Publication number: JP4183220B2
Application number: JP2000044154A
Authority: JP
Inventors: 伸明植木
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2020-02-22
Also published as: JP2001235317A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学球面の曲率半径を高精度で測定する光学球面曲率半径測定装置に関し、詳しくは、可干渉性を有する波長可変光源を測定用光源とし、レンズ面等の光学球面の曲率半径を干渉技術を用いて極めて高精度に測定する光学球面曲率半径測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
近年、干渉計装置により被検体曲面の形状を高精度で測定することがますます必要となってきており、被検体の曲面形状に応じて参照用に使用する基準レンズの基準面を高精度かつ簡易に測定する必要が生じている。
【０００３】
このような基準レンズのレンズ面の曲率半径をサブミクロンオーダーの高精度で測定することは困難であり、高精度な測長器を用いることが従来の手法であったが、これでは装置の大型複雑化が避けられない。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、光学球面の曲率半径をサブミクロンオーダーの高精度で測定し得るコンパクトで構成簡易な光学球面曲率半径測定装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学球面曲率測定装置は、被検体の凹状の光学球面の曲率半径を測定する装置において、
出力光の波長を時間的に変化させ得る光源と、
該光源からの光ビームのうち一部の光が前記光学球面で垂直に反射されるとともに、その余の光が前記光学球面から垂直に射出されるように、光軸に沿って入射した該光ビームを該被検体に所定の角度で入射せしめる収束レンズと、
前記収束レンズと前記被検体とからなる光学系の焦点位置に、該光学系の光軸に対して垂直に配置された反射面と、
前記光学球面で垂直に反射された光と、前記反射面で反射され、前記光学球面に垂直に再入射した光との間で生じた光干渉の強度変化を検出する光強度検出手段と、
この光強度検出手段により検出された光強度変化の周波数ｎを計測するフーリエ変換手段と、
計測された光強度変化の周波数ｎ、前記出力光の基準波長λおよびこの波長の変化幅Δλに基づいて前記光学球面の曲率半径Ｒを求める曲率半径算出手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００６】
また、前記曲率半径算出手段が、下式（２）を用いて前記曲率半径Ｒを求めるのが好ましい。
Ｒ＝１／{２（１／ｎ）×（Δλ／λ^２）}・・・・・・（２）
また、前記光源はレーザ光源であることが好ましい。
さらに、本発明の方法は、前記被検体の光学球面が干渉計に用いられる基準レンズの基準面である場合に特に有効である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る光学球面曲率半径測定装置について図面を参照しつつ説明する。
図１は本実施形態に係る光学球面曲率半径測定装置を示すものである。なお、本実施形態においては、光学球面を干渉計装置に用いられる基準レンズの基準面(凹面)とした場合を例にあげて説明する。
【０００８】
この光学球面曲率半径測定装置は、出力光の波長を時間的に変化させ得る波長可変レーザ光源１と、この光源１からのレーザ光を側方に反射するハーフプリズム２０と、コリメータレンズ６と、レーザ光が基準レンズ部５の第１基準レンズ５Ｆの基準面５ａ（凹状の球面；裏面とは同心面とされている）から垂直に射出されるように、該レーザ光を基準面５ａに略垂直に入射せしめる第２基準レンズ５Ｒと、この基準レンズ部５の焦点位置に、その基準レンズ部５の光軸に対して垂直となるように配置された反射平面を有する反射体７と、この反射平面で正反射されたレーザ光Ｌ_Ａと、このレーザ光Ｌ_Ａが基準面５ａに垂直に再入射する位置５ｂにおいて反射された光源１からのレーザ光Ｌ_Ｂ（図面では光路の一部のみを示す）との間で生じた光干渉の強度変化を検出する光強度検出手段９と、この光強度検出手段９により検出された光強度変化の周波数ｎをフーリエ変換により計測するフーリエ変換手段１０と、計測された光強度変化の周波数ｎ、上記出力光の基準波長λおよびこの波長の変化幅Δλに基づいて上記基準面５ａの曲率半径Ｒを求める曲率半径算出手段１１から構成されている。
【０００９】
なお、上記波長可変レーザ光源１は、レーザダイオードとＡＯＭの組合せ等の波長可変手段からなる。
また、上記第１基準レンズ５Ｆの両面は略同心球面とされており、それらの中心位置が反射体７の反射点に一致している。また第１基準レンズ５Ｆの両面が略同心球面とされているため第２基準レンズ５Ｒの焦点位置とも一致している。
【００１０】
また、本実施形態においては、波長可変レーザ光源１とハーフプリズム２０との間に、光ファイバ２１と対物レンズ２２Ａ、Ｂ、Ｃが配されているが、波長可変レーザ光源１とハーフプリズム２０との間隔が短い場合には、光ファイバ２１は不要である。なお、ハーフプリズム２０と光強度検出手段９との間には結像レンズ２３が配されている。
【００１１】
また、上記光強度検出手段９は光強度の時間的変化を高速で読み取ることができるものであればよく、例えばＣＣＤ撮像カメラ等であってもよい。
さらに、上記フーリエ変換手段１０と曲率半径算出手段１１は、一般にはコンピュータにおいてソフト的に構成される。
【００１２】
なお、上記曲率半径算出手段１１においては、曲率半径Ｒが下式（３）を用いて求められるようになっている。
Ｒ＝１／{２（１／ｎ）×（Δλ／λ^２）}・・・・・・（３）
【００１３】
ところで、被検体の曲面形状に応じた干渉計基準レンズの基準面の曲率半径をサブミクロンオーダーの高精度で簡易に測定することは従来困難とされていた。本発明者は、このような事情に鑑み、試行錯誤の結果、光源に波長可変レーザを用いて平面の段差測定を行う手法を光学球面の曲率半径測定に適用すれば高精度で簡易に測定できることを見出した。
【００１４】
すなわち、光源に波長可変レーザを用いて平面の段差測定を行う手法とは、段差が存在する被検面に対して波長可変レーザ光源からのビームを照射し、段差を生じている２つの平面からの２つの反射光束により生じる干渉光が検出できるように設定し、しかる後該ビームの波長が基準波長λからΔλだけ波長走査され得るようにし、この干渉光の強度変化の周波数をＦＦＴ（高速フーリエ変換）により求め、この周波数に基づいて段差を求める手法である。
【００１５】
このように波長可変レーザを用いて測定された段差の値は極めて高精度であり、装置構成としても極めて簡易なものである。
したがって、このような光源に波長可変レーザを用いて平面の段差測定を行う手法にヒントを得てなされた本発明も、高精度かつ簡易な装置構成とすることが可能である。
【００１６】
以下、上記実施形態装置の作用を説明する。
波長可変レーザ光源１からのレーザ光はコリメータレンズ６により平行光とされ、第２基準レンズ５Ｒによって屈折され、第１基準レンズ５Ｆの基準面５ａから垂直に射出され反射体７の反射平面において正反射され、この後、第１基準レンズ５Ｆの基準面５ａの位置５ｂに垂直に再入射する。一方、上記第２基準レンズ５Ｒによって屈折されたレーザ光は、第１基準レンズ５Ｆの基準面５ａの位置５ｂにも垂直に入射し、その一部はこの位置５ｂにおいて反射される。これにより該位置５ｂを透過したレーザ光Ｌ_Ａと該位置５ｂにおいて反射したレーザ光Ｌ_Ｂはともに同一方向に進むことになり、またいずれも同一光源１からのレーザ光であるから両者は互いに干渉する。なお、上記説明においては、基準面５ａの位置５ｂで干渉する光のみについて言及したが、これらの現象は基準面５ａの全領域において生じているものである。このような光学面の配置は周知のキャッツアイ技術を応用したものである。
【００１７】
上記干渉光を生成する２つのレーザ光Ｌ_Ａ、Ｌ_Ｂは、図１からも明らかなように、第１基準レンズ５Ｆの基準面５ａと反射平面上の反射点との距離ｒの２倍に相当する光路差を有している。しかも、この反射平面上の反射点位置は第２基準レンズ５Ｒの焦点位置と一致し、かつ２つのレーザ光Ｌ_Ａ、Ｌ_Ｂは第１基準レンズ５Ｆの両面に対して垂直に入射されるように設定されているから、上記距離ｒは基準面５ａの曲率半径Ｒに等しい。
【００１８】
ところで、上記２つのレーザ光Ｌ_Ａ、Ｌ_Ｂの光路差は、上述した平面段差測定における光路差と等価と考えてよいことは上記に説明した。すなわち、上記光源に波長可変レーザを用いて平面の段差測定を行う手法においては、計測された光強度変化の周波数をｎ、レーザ光Ｌ_Ａ、Ｌ_Ｂの基準波長をλ、この波長の変化幅をΔλとすると、段差は１／{２（１／ｎ）×（Δλ／λ^２）}により求められるから、上記距離ｒも１／{２（１／ｎ）×（Δλ／λ^２）}により求められる。
【００１９】
すなわち、例えば波長可変レーザの基準波長λを６６０ｎｍとし、この波長の変化幅Δλを１０ｎｍとしたとき、上記干渉光の強度変化は、上記距離ｒが小さいときは図２の（Ａ）に示す如く低い周波数となり、逆に上記距離ｒが大きいときは図２の（Ｂ）に示す如く高い周波数となり、しかもこの周波数の変化は上記距離ｒの変化に比例するものである。
【００２０】
より詳しく説明すると、波長可変レーザにより、波数（２π/λ）をk1からk2にスキャンし、Δkごとに画像を取り込んだとすると、干渉縞強度変化I(x,y,k)は、一般に、
Ｉ(x,y,k)=I_０(x,y){1+γcos[kL(x,y)]}
となる。
【００２１】
ここで、L(x,y)は光路差２ｒ、I_０(x,y)は干渉縞強度分布、γは干渉縞モジュレーションをそれぞれ示す。このときのある画素における干渉縞変化がｎ回であったとすると、
(k2-k1)=2πn
となり、k=2π/λゆえ、
L(x,y)=2πn/(k2-k1)=nλ1λ2/(λ1-λ2)
となる。
【００２２】
すなわち、波長をスキャンした際の周波数ｎを求めることにより、上記光路差が測定できる。この周波数ｎを決定するため、フーリエ変換が必要となる。
ここに、上記周波数ｎは下式（４）の如き周知のフーリエ変換式を用いてフーリエ変換手段１０（コンピュータ）により容易に求められる。
【００２３】
【数１】

【００２４】
このようにして求められた距離ｒが最終的な解である曲率半径Ｒであり、これらの演算は前述したように曲率半径算出手段１１において行われる。
なお、本発明の光学球面曲率半径測定装置としては、基準レンズのレンズ面の曲率半径のみならずその他の種々の光学球面についての適用が可能である。
【００２５】
また、光学球面を有する被検体としては、光学球面とは反対側の面が、光学球面に対して同心球面とされている必要はなく、要は光学球面に対して入出射光線が垂直となるように構成されていればよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学球面曲率半径測定装置によれば、光源に波長可変レーザを用いて平面の段差測定を行う手法にヒントを得、キャッツアイの技術を応用して光学球面の曲率半径を測定するようにしているので、サブミクロンオーダーの高精度で、しかもコンパクトかつ構成簡易な装置構成により光学球面の曲率半径を測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光学球面曲率半径測定装置を示す概略図
【図２】図１の実施形態装置の作用を説明するために用いられるグラフを示す図
【符号の説明】
１波長可変レーザ光源
５基準レンズ部
５Ｆ第１基準レンズ
５Ｒ第２基準レンズ
５ａ基準面
６コリメータレンズ
７反射体
９光強度検出手段
１０フーリエ変換手段
１１曲率半径算出手段
２０ハーフプリズム
２１光ファイバ

Claims

被検体の凹状の光学球面の曲率半径を測定する装置において、出力光の波長を時間的に変化させ得る光源と、
該光源からの光ビームのうち一部の光が前記光学球面で垂直に反射されるとともに、その余の光が前記光学球面から垂直に射出されるように、光軸に沿って入射した該光ビームを該被検体に所定の角度で入射せしめる収束レンズと、
前記収束レンズと前記被検体とからなる光学系の焦点位置に、該光学系の光軸に対して垂直に配置された反射面と、
前記光学球面で垂直に反射された光と、前記反射面で反射され、前記光学球面に垂直に再入射した光との間で生じた光干渉の強度変化を検出する光強度検出手段と、
この光強度検出手段により検出された光強度変化の周波数ｎを計測するフーリエ変換手段と、
計測された光強度変化の周波数ｎ、前記出力光の基準波長λおよびこの波長の変化幅Δλに基づいて前記光学球面の曲率半径Ｒを求める曲率半径算出手段とを備えたことを特徴とする光学球面曲率半径測定装置。
前記曲率半径算出手段が、下式（１）を用いて前記曲率半径Ｒを求めることを特徴とする請求項１記載の光学球面曲率半径測定装置。
Ｒ＝１／{２（１／ｎ）×（Δλ／λ^２）}・・・・・・（１）
前記光源がレーザ光源であることを特徴とする請求項１または２記載の光学球面曲率半径測定装置。
前記被検体の光学球面が干渉計に用いられる基準レンズの基準面であることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の光学球面曲率半径測定装置。