JP4710630B2 - レンズ計測装置、及び計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ディスク方式（ＣＤやＤＶＤ、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃなど）の情報記録媒体上に光スポットを形成する対物レンズや、ＤＳＣ（デジタルスチルカメラ）等の撮像光学系内に搭載されるレンズなどのレンズの計測装置、及び計測方法に関するものである。

光ディスク方式の情報記憶媒体から情報を読み取り、またこの情報記憶媒体に情報を記録するためには、光源から出射された光を目的の場所に精確に照射できる光学系が必要である。その光学系の中でも、特に対物レンズはレンズ自体にレーザ波長の１００分の１程度の波面収差という厳格な光学的特性が要求される。そのため、その対物レンズの特性検査においても厳格な計測が要求される。

従来、光ピックアップの対物レンズなどのレンズの光学特性を計測する際、計測装置の光学系に対する被検レンズの位置調整は、光学特性を検出するために被検レンズに照射する測定光が被検レンズの一部分に当たって反射される戻り光を取り込み、その戻り光の位置により被検レンズの位置を検出し、調整する方法で行っている（例えば、特許文献１参照）。図８は従来のレンズの光学特性を計測する方法の概略図を示すものである。

図８において、光源であるレーザ発生源１００はレーザ光１０１を出射する。出射されたレーザ光１０１は、ビームエキスパンダ１０２で略平行光に拡大された後、ハーフミラー１０３で反射され、保持台１０４に支持されている被検レンズ１０５に入射する。被検レンズ１０５は、レンズ球面１０６の周囲に平坦なコバ面１０７を有している。被検レンズ１０５は、レンズ球面１０６側から挿入穴１０８に挿入され、コバ面１０７を保持台１０４にて支持することにより保持されている。保持台１０４は、レンズ球面１０６だけでなく、コバ面１０７にも光が入射するような構成にしてある。コバ面１０７に入射した光はこのコバ面１０７で反射し、ハーフミラー１０３を透過した後、結像レンズ１０９に入射する。結像レンズ１０９に入射した光は、ＣＣＤカメラなどの撮像素子１１０に結像される。撮像素子１１０は受像した像をモニターなどの表示装置１１１に送信する。表示装置１１１は送信された像を処理しコバ面１０７の映像を表示する。表示装置１１１に表示された像の位置を見ることにより、被検レンズ１０５が光軸１１２に対して正しい位置に設置されているか検出し、正しい位置にない場合は、被検レンズ１０５を保持し、かつ移動機構を兼ね備えた保持台１０４を移動することに光軸１１２に対して正しい位置に調整する。

ここで、被検光学素子１０５のレンズ球面１０６を透過した光は、光軸１１２が軸中心とするように設置された光学特性計測装置１１３に入射し、被検レンズ１０５の光学特性を測定する。

このように従来は、被検レンズのコバ面に入射した光の反射戻り光を取り込み、その戻り光の位置により被検レンズの光軸に対する位置を検出する方法を行っている。
特開２０００−３２９６４８号公報（第２０−２１頁、図２３）

しかしながら、前記従来の位置検出の方法では、戻り光の形状変化、レンズのコバ部に入射する外乱光、入射光の位置ずれなどにより測定精度が低下するという課題を有する。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、光軸に対するレンズの傾き検出及びレンズの光学特性の評価を精度良く行うための計測装置、及び計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のレンズ計測装置は、レンズに第１の光を照射する第１の照射手段と、前記第１の光と異なる波長を有する第２の光を前記第１の光の光軸と同一の光軸から前記レンズに照射する第２の照射手段と、前記レンズを保持すると共に前記第１の光の光軸上に配置された保持台と、前記第１の光の一部を透過させると共に前記第２の光を遮光する第１の領域と前記第２の光を透過させる第２の領域とを有するフィルタと、前記第１の領域を透過した前記第１の光が前記レンズのコバ面で反射した光と、前記第１の光が前記第１の領域で反射した光と、によって形成される干渉縞から前記第１の光の光軸に対する前記レンズの傾きを計測する演算装置と、前記演算装置における計測結果に基づいて前記レンズの傾きを調整する調整機構と、前記第２の領域を透過して前記レンズに入射した前記第２の光から前記レンズの光学特性を計測する光学特性計測装置と、を備え、前記第２の領域の形状は前記レンズの有効径と同一径の円形状であり、前記第２の領域は前記第１領域の内側に位置することを特徴とする。本構成によって光軸に対するレンズの位置検出を精度良く行い、かつレンズの光学特性を精度良く計測することができる。

以上のように、本発明の構成によれば、被検レンズの光軸に対する位置検出精度を高くすることができる。その上、フィルタにより有効径領域内の測定光のみを透過することで光学特性の検出精度を劣化させること無く評価できる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１におけるレンズ計測方法、計測装置の概略図である。図１において、図８と同じ符号については説明を省略する。

図１において、１はレーザ光源であり、被検レンズの光学特性を検出するためのレーザ光源１００とは異なる波長を有する。２はレーザ光源１により出射された光を略平行光に拡大するレンズである。３はハーフミラーであり、４は基準平面である。４ａは光軸に対して垂直に設けられており、レーザ光源１の光に対して一部を反射する出射面である。５はレーザ光源１の波長の光は透過し、かつレーザ光源１００の波長の光は遮光する光学フィルタである。６は入射面４ａからの反射戻り光とコバ面１０７からの反射戻り光を取り込む結像レンズである。７は結像レンズ６が結像した像を撮像するＣＣＤカメラなどの撮像素子である。８は撮像素子７により取り込んだ画像を処理し、被検レンズの位置を算出する演算装置である。９は取り込んだ画像を表示するモニターなどの表示装置である。

以下に、光軸に対する被検レンズの測定方法ついて説明する。

レーザ光源１を出射した光は、レンズ２により略平行光に拡大される。略平行光はハーフミラー１０３を透過しハーフミラー３に入射される。ハーフミラー３に入射された光はさらにハーフミラー３を透過し、基準平面４に入射される。基準平面４のうち、出射面４ａは光軸に対し垂直になるように設置されているため、出射面４ａに入射される光は垂直入射となる。垂直入射した光は出射面４ａにより一部透過し、一部は反射される。透過した光は光学フィルタ５に入射され、レーザ光源１の波長の光に対してはそのまま透過する。透過した光は保持台１０４に支持されている被検レンズ１０５に入射される。

図２に、実施の形態１における保持台と挿入穴の断面図（ａ）と下方図（ｂ）を示す。図２において、図１、８と同じ符号については説明を省略する。

被検レンズ１０５は、レンズ球面１０６の周囲に平坦なコバ面１０７を有しており、保持台１０４はレンズ球面１０６が挿入穴１０８に挿入され、コバ面１０７を支持することにより被検レンズ１０５を保持する。保持台１０４と挿入穴１０８の形状は図２のようにレンズ球面１０６だけでなく、コバ面１０７にも光が入射するよう、レンズ球面の直径よりも大きくかつコバ面の直径よりも小さい直径の挿入穴の形状である。ここで、コバ面１０７と被検レンズ１０５の光軸との成す角度は、予め測定しておく。コバ面１０７と被検レンズ１０５との成す角度が９０度であると分かると、コバ面１０７が形成された被検レンズ１０５を用いることで、被検レンズ１０５の光軸に対する調整を、コバ面１０７を用いて行うことができる。コバ面１０７と被検レンズ１０５の光軸との成す角度は、コバ面１０７を作成する時の設計寸法等より求めることができる。

出射面４ａにおける反射光とコバ面１０７における反射光は、光路を逆行しハーフミラー３によって反射され、結像レンズ６により撮像素子７に結像される。このとき、撮像素子７に取り込まれた前記２つの反射光は干渉により干渉縞を生じている。干渉縞は演算装置８により処理され、表示装置９に表示される。このとき被検レンズ１０５が光軸つまりは出射面４ａに対して傾いているとき、直線状の干渉縞が発生する。このとき直線状の縞の間隔ａと光軸に対する傾きの関係θは、レーザ光源１の波長をλとすると次の式で表される。

レーザ光源１の波長を４０５ｎｍ、被検レンズ１０５の直径φを３ｍｍとすると縞１本あたり０．００３９度の検出を行うことができる。ここで表れる直線状の縞がなくなるように被検レンズ１０５の傾きを調整すれば容易に、かつ高精度に調整を行うことができる。被検レンズ１０５の光軸１１２に対する傾きの調整精度は、従来方式では０．０１度程度であったが、本方式では０．００３９度以下で調整を行うことができるようになり、従来方式に比べ約２．５倍の精度で調整することが可能となっている。

図３に、実施の形態１におけるピエゾ素子による基準平面の駆動を示す図を示す。図３において、図１、２、８と同じ符号については説明を省略する。

図３において、基準平面４をピエゾ素子１０で光軸方向に駆動し、出射面４ａの反射光とコバ面１０７の反射光との光路長差ｌを０からλまで変化させることで、表示装置９に表示される干渉縞の位相は変化する。このときの干渉縞の各画素を（ｘ、ｙ）とし、被検レンズ１０５の波面をｈ（ｘ、ｙ）とすると干渉縞の強度分布Ｉは

で表される。Ｃ０は干渉縞強度分布のバイアス成分、Ｃ１は干渉縞のコントラストに依存する成分である。このとき光路長差ｌをＮ段階で変化させ、そのときの強度分布Ｉ（ｘ、ｙ、ｌ）を検出すると、波面ｈ（ｘ、ｙ）は

で表される。この波面データをＺｅｒｎｉｋｅ展開し、多項式の各係数を算出することで光軸に対する傾きだけでなく、コバ面１０７の面形状を評価することができる。

図４に、実施の形態１における光学フィルタにより遮光される測定光の概略図を示す。図４において、図１〜３、８と同じ符号については説明を省略する。

光軸に対する被検レンズ１０５の傾きを調整した後、レーザ光源１００を発光させる。出射されたレーザ光１０１は、ビームエキスパンダ１０２で略平行光に拡大された後、ハーフミラー１０３で反射される。反射した光はさらにハーフミラー３を透過し、さらに基準平面４を透過する。透過した光は光学フィルタ５に到達するが、図４のように光学フィルタ５は被検レンズ１０５の有効径と同一半径に囲まれる円の外部の領域に成膜されているので、レーザ光源１００の波長の光は有効径内の光は通過し、有効径外の光は光学フィルタ５により遮光される。通過した有効径と同一径の光は被検レンズ１０５のレンズ球面１０６に正確に入射する。被検レンズ１０５を透過した外乱光を全く含まれない光は光学特性計測装置１１３に入射し、被検レンズ１０５の光学特性を正確に測定することができる。ここで、レーザ光源１００から出射された光の光軸と光学フィルタ５との成す角度は、予め測定しておく。レーザ光源１００から出射された光の光軸と光学フィルタ５との成す角度と、コバ面１０７と被検レンズ１０５の光軸との成す角度とを同じ角度にする、すなわち、コバ面１０７と光学フィルタ５とを平行にすることで、本実施の形態の計測を行うことができる。

図５に、実施の形態１におけるフローチャート図を示す。

図５において、まず、フローＳ１において、光源からレンズに光を照射する。次に、フローＳ２において、被検レンズ１０５のコバで反射した光と基準平面４で反射した光とを干渉させて干渉縞を形成する。

次に、フローＳ３において、形成された干渉縞を観察する。ここで、干渉縞に直線上の縞が表れた場合は、フローＡ１において、基準平面４に対して被検レンズ１０５が傾いていると判断する。ここで、被検レンズ１０５の傾きのみを調整する場合は、被検レンズ１０５の傾きを計測し、その計測結果に基づいて被検レンズ１０５を調整する。

次に、フローＳ４において、被検レンズ１０５と基準平面４との相対距離を変化させる。ここで、相対距離を変化させることで得られた波面データをＺｅｒｎｉｋｅ展開し、各係数を算出することで、フローＡ２において、コバ面１０７の面形状を評価することができる。

次に、フローＳ５において、被検レンズ１０５の有効径内を透過した光を受光する。ここで、受光した外乱を含まない光により、被検レンズ１０５の光学特性を検出することができる。

以上、説明したように、実施の形態１によれば、被検レンズ１０５の光学特性を計測するレーザ光源１００とは別の波長を発振するレーザ光源１の光によって生じる基準平面４とコバ面１０７の反射光の干渉縞を計測することにより被検レンズ１０５の位置を高精度に検出、調整することができ、さらにコバ面１０７の面精度を測定することができる。さらに被検レンズの有効径と同一半径に囲まれる円の外部の領域に施された光学フィルタにより、有効径と同一径の光束でかつ全く外乱光を含まない測定光によって被検レンズの光学特性を測定することが出来るため精度の高い評価を行うことが可能となる。

なお、レーザ光源１００の光と波長が異なるレーザ光源１の光の波長は特に限定はしないが、レーザ光源１の光は基準平面および被検レンズに対しほぼ垂直入射となるため反射率はＲ＝｜（ｎ−１）／（ｎ＋１）｜２となり、屈折率が大きいほど反射率も大きくなる。よって被検レンズ１０５および基準平面４の材質が石英などであれば、４００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲の波長の光に対して波長が短いほど屈折率が大きくなる傾向にあるため、反射戻り光の強度を上げる必要がある場合、波長の短いレーザをレーザ光源１に使用するほうが望ましい。

（実施の形態２）
図６に、実施の形態２における保持台と挿入穴の断面図（ａ）と下方図（ｂ）を示す。図６において、図１〜５、８と同じ符号については説明を省略する。

実施の形態２は、保持台１０４の形状が異なる以外は、全て実施の形態１と同様である。図６に示すように、保持台１０４の挿入穴の直径を被検レンズ１０５のレンズ球面の直径とほぼ同じ大きさにし、挿入穴の外周部の一部に切り欠き部を設けるなどしてコバ面にも照射するようにしている。

このような構成とすることで、反射に使用するコバの面積を小さくでき、基準平面を小さくすることができる。また、挿入穴の直径を被検レンズ１０５のレンズ球面の直径とほぼ同じ大きさとすることができるため、光学装置を小型化することができる。

（実施の形態３）
図７に、実施の形態３における保持台と挿入穴の断面図（ａ）と下方図（ｂ）を示す。図７において、図１〜６、８と同じ符号については説明を省略する。

実施の形態３は、保持台１０４の形状が異なる以外は、全て実施の形態１と同様である。図７に示すように、コバ面１０７の側面を支持するように保持することで、コバ面１０７の全面をレーザ光源１の光に照射されるようにしている。コバ面１０７に入射した光はそのまま反射する。

このような構成とすることで、コバ面の全面を用いて測定する場合に有用である。また、被検レンズ１０５のコバの大きさを小さくして、被検レンズ１０５を小型化することができる。

本発明によれば、レンズの光学特性を高精度に測定することができるため、光ディスク方式の情報記録装置に搭載される光ピックアップの対物レンズや、ＤＳＣなどのレンズの測定に適用することができる。

実施の形態１におけるレンズ計測方法、計測装置の概略図 実施の形態１における保持台と挿入穴の（ａ）断面図と（ｂ）下方図 実施の形態１におけるピエゾ素子による基準平面の駆動を示す図 実施の形態１における光学フィルタにより遮光される測定光の概略図 実施の形態１におけるフローチャート 実施の形態２における保持台と挿入穴の（ａ）断面図と（ｂ）下方図 実施の形態３における保持台と挿入穴の（ａ）断面図と（ｂ）下方図 従来のレンズの光学特性を計測する方法の概略図

符号の説明

１ レーザ光源
２ レンズ
３ ハーフミラー
４ 基準平面
４ａ 出射面
５ 光学フィルタ
６ 結像レンズ
７ 撮像素子
８ 演算装置
９ 表示装置
１０ ピエゾ素子
１００ レーザ光源
１０１ レーザ光
１０２ ビームエキスパンダ
１０３ ハーフミラー
１０４ 保持台
１０５ 被検レンズ
１０６ レンズ球面
１０７ コバ面
１０８ 挿入穴
１１２ 光軸
１１３ 光学特性計測装置

Claims (6)

1. レンズに第１の光を照射する第１の照射手段と、
   前記第１の光と異なる波長を有する第２の光を前記第１の光の光軸と同一の光軸から前記レンズに照射する第２の照射手段と、
   前記レンズを保持すると共に前記第１の光の光軸上に配置された保持台と、
   前記第１の光の一部を透過させると共に前記第２の光を遮光する第１の領域と前記第２の光を透過させる第２の領域とを有するフィルタと、
   前記第１の領域を透過した前記第１の光が前記レンズのコバ面で反射した光と、前記第１の光が前記第１の領域で反射した光と、によって形成される干渉縞から前記第１の光の光軸に対する前記レンズの傾きを計測する演算装置と、
   前記演算装置における計測結果に基づいて前記レンズの傾きを調整する調整機構と、
   前記第２の領域を透過して前記レンズに入射した前記第２の光から前記レンズの光学特性を計測する光学特性計測装置と、を備え、
   前記第２の領域の形状は前記レンズの有効径と同一径の円形状であり、
   前記第２の領域は前記第１領域の内側に位置すること
   を特徴とするレンズ計測装置。
2. 前記演算装置は、形成される干渉縞の光強度分布より前記レンズの表面の波面を算出して前記第１の光の光軸に対する前記レンズの傾きを計測することを特徴とする請求項１記載のレンズ計測装置。
3. 前記第１の光の波長が、前記第２の光の波長より長い波長であることを特徴とする請求項１又は２記載のレンズ計測装置。
4. 前記演算装置は、予め測定した前記フィルタと前記第１の光の光軸との成す角度を用いて、前記レンズの傾きを計測することを特徴とする請求項１から３いずれかに記載のレンズ計測装置。
5. 前記演算装置は、予め測定した前記レンズのコバ面と前記レンズの光軸との成す角度を用いて、前記レンズの傾きを計測することを特徴とする請求項１から４いずれか記載のレンズ計測装置。
6. 第１の領域と前記第１の領域の内側に位置する第２の領域とを有するフィルタを介して第１の光をレンズに照射する第１の照射工程と、
   前記第１の光のうち前記第１の領域を透過して前記レンズのコバ面で反射した光と、前記第１の光のうち前記第１の領域で反射した光とを干渉させて干渉縞を形成する干渉縞形成工程と、
   前記干渉縞より前記第１の光の光軸に対する前記レンズの傾きを計測する傾き計測工程と、
   前記計測工程における計測結果に基づいて前記レンズの傾きを調整する調整工程と、
   前記調整工程で傾きを調整した前記レンズに前記第１の光と異なる波長を有する第２の光を前記第１の光の光軸と同一の光軸から前記フィルタに照射する第２の照射工程と、
   前記第１の領域で前記第２の光を遮光すると共に前記レンズに前記第２の光を入射させる入射工程と、
   前記レンズに入射した前記第２の光から前記レンズの光学特性を計測する光学特性計測工程と、
   を有するレンズの計測方法。
   

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