JP5044495B2 - 平行平板の厚み測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラ、光学センサ、光ピックアップ等の各種光学機器に用いられるレンズの透過波面の収差を測定する干渉計を用いて、透明な平行平板の厚みを測定する平行平板の厚み測定方法に関する。

従来、透過波面測定用の干渉計を用いて、レンズが有するコマ収差や球面収差等を測定する手法が、レンズの性能検査のために広く用いられている。

透過波面測定用の干渉計を用いて光ピックアップ用のレンズを測定する場合には、レンズとヌル光学素子との間に、補正板と称される（補償板やカバーガラスとも称される）透明な平行平板が配置される。この補正板は、実際に光記録媒体を記録／再生する状態と同じ光学条件を構成する目的で、光記録媒体の保護層に対応するように配設されるものであって、通常は光学硝材等により形成されている（下記特許文献１，２参照）。

特開２００７−７８５９３号公報 特開２００８−４６０５１号公報

近年、ブルーレイディスク（以下「ＢＤ」と略称する）と称される大記憶容量の光記録媒体が実用化されており、それに伴い、ＢＤ用の光ピックアップレンズに対する透過波面測定の需要も高まっている。

ＢＤ用の光ピックアップレンズの透過波面測定を高精度に行うには、レンズとヌル光学素子との間に配置される補正板の厚みの精度も重要となってくるため、補正板の厚みを正確に測定したいという要望がある。

しかしながら、ＢＤ用の光ピックアップレンズの透過波面測定を行う際に用いられる補正板は、一般に厚みが０．１ｍｍ程度（通常８０〜１００μｍ程度）と非常に薄いため、マイクロメータ等の接触式の測定装置を用いて測定すると、破損してしまう可能性が高いという問題がある。

このような問題は、上述の補正板の厚みを測定する場合に限られるものではなく、薄くて脆弱な他の平行平板の厚みを測定する場合にも同様に生じる。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、透明な平行平板の厚みを非接触で高精度に測定することが可能な平行平板の厚み測定方法を提供することを目的とする。

本発明に係る平行平板の厚み測定方法は、測定位置に配置されたレンズに測定光を照射し、該レンズを透過した波面をヌル光学素子を介して折り返し、再び該レンズを透過した透過波面を参照波面と干渉せしめて得られる干渉縞画像に基づき、該透過波面の球面収差を測定する透過波面測定用の干渉計において、前記レンズと前記ヌル光学素子との間に配置された透明な平行平板の厚みを測定する方法であって、
コンピュータシミュレーションにおいて仮想的にまたは前記干渉計において実際に、前記レンズと前記ヌル光学素子との間に前記平行平板と同一の材料からなる、厚みが既知の模擬平行平板が配置された状態を構成し、該レンズおよび該模擬平行平板を透過してなる模擬透過波面の球面収差を測定する模擬透過波面測定を、該模擬平行平板の厚みを変化させる毎に複数回行い、該模擬平行平板の厚みと該模擬透過波面の球面収差の測定値との対応関係を求める対応関係特定ステップと、
前記干渉計において実際に、前記レンズと前記ヌル光学素子との間に前記平行平板を配置し、該レンズおよび該平行平板を透過してなる被検透過波面の球面収差を測定する球面収差実測ステップと、
前記対応関係特定ステップにおいて得られた前記対応関係と、前記球面収差実測ステップにおいて得られた前記被検透過波面の球面収差の測定値とに基づき、前記平行平板の厚みを算定する平行平板厚み算定ステップと、をこの順に行うことを特徴とする。

本発明に係る平行平板の厚み測定方法において、前記レンズは、光記録媒体への信号記録用および／または該光記録媒体の信号再生用の光ピックアップレンズあり、
前記平行平板は、前記干渉計において前記光記録媒体の保護層に対応させて配置される補正板である、とすることができる。

本発明において、ヌル光学素子とは、レンズからの透過波面を再帰反射させ得る形状の反射面を有するヌルミラー（反射面が非球面形状）および基準球面反射鏡（反射面が球面形状）等の反射型光学素子や、レンズからの透過波面を球面波等の所定の波面に変換するためのヌルレンズ等の透過型光学素子を意味する。

本発明に係る平行平板の厚み測定方法によれば、上述の構成を備えたことにより、以下のような作用効果を奏する。

すなわち、レンズとヌル光学素子との間に模擬平行平板を配置して行う模擬透過波面測定によって、模擬平行平板の厚みと模擬透過波面の球面収差の測定値との対応関係を求めておくことにより、測定対象となる平行平板を実際に配置した測定によって得られた被検透過波面の球面収差の測定値から、平行平板の厚みを算定することが可能となる。

透過波面測定を利用することにより平行平板に非接触での測定が可能となるので、測定時に平行平板を破損させる虞が少ない。また、平行平板の厚みと被検透過波面の球面収差の測定値との間には、模擬平行平板の厚みと模擬透過波面の球面収差の測定値と対応関係と同等かつ再現性の高い対応関係が成立するため、平行平板の厚みを高精度に求めることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態に係る平行平板の厚み測定方法（以下、単に「厚み測定方法」と称することがある）に用いる光波干渉測定装置の概略構成図であり、図２は図１に示す解析制御装置の概略構成を示すブロック図である。また、図３は本実施形態の厚み測定方法に用いるレンズ（以下「測定用レンズ」と称する）の形状を示す概略図（（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図）であり、図４はレンズ搭載治具の張出面受け台の形状を示す概略図である。

図１に示す光波干渉測定装置は、フィゾー型の干渉計を構成するものであり、干渉計本体部２０と被検体ポジショニング部３０とを備えてなる。干渉計本体部２０は、レーザ光源等の可干渉距離の長い光源２１、ビーム径拡大用レンズ２２、ビームスプリッタ２３、コリメータレンズ２４、結像レンズ２５、および光検出面を有する撮像手段２６を備えている。また、この干渉計本体部２０は、撮像手段２６により撮像された画像についての画像処理、各種演算処理および各種調整部の駆動制御を行う、コンピュータ等からなる解析制御装置２７と、干渉縞画像等を表示するモニタ装置２８と、解析制御装置２７に対する各種入力を行うための入力装置２９とを備えている。なお、図１に示す基準板４は、通常、干渉計本体部２０に含まれるが、本明細書では説明の便宜上、被検体ポジショニング部３０に含めて説明する。

一方、被検体ポジショニング部３０は、干渉計本体部２０からの測定用光束の進行方向（図１では上方向）に向かって、基準板４、測定用レンズ１、補正板６、表面が基準球面とされた、ヌル光学素子としての基準球面反射鏡７、およびシャッター装置８を、この順に支持し、かつ各部のアライメント調整を行うように構成されたものである。

すなわち、基準板４は、手動２軸チルトステージ１１によって支持され、かつＸ軸（図１の左右方向に延びる軸）およびＹ軸（図１の紙面に対し垂直に延びる軸）を中心とした回転角度（傾き）を手動調整されるようになっている。なお、図示されていないが基準板４には、フリンジスキャン計測を実施する際に基準板４を光軸方向に微動させるためのフリンジスキャンアダプタが設けられている。

本実施形態において測定用レンズ１は、ＣＤ、ＤＶＤ（ＡＯＤを含む）、ＢＤ等の光記録媒体を記録／再生する装置に光ピックアップレンズとして搭載されるものであり、図２に示すように、レンズ部２およびフランジ部３からなる。レンズ部２は非球面形状または球面形状からなる両凸レンズとされており、光記録媒体記録／再生装置の光源側に強い曲率の面が配されてなる。また、フランジ部３の該光源側に配されるフランジ下面３Ａは、測定用レンズ１の光軸に対して高精度に垂直となるように設定されている。

なお、測定用レンズ１の形状およびその用途は上記実施形態のものに限られるものではなく、例えば、回折光学面を付設することも可能である。また、本実施形態では、測定用レンズ１として、入射された平面波を球面波に変換して出力するものを想定しているが、測定用レンズ１から非球面波が出力される場合には、基準球面反射鏡７の替わりに、非球面形状の反射面を有するヌル光学素子（ヌルミラー）が配置される。

また、測定用レンズ１は、レンズ搭載治具５を介して電動２軸チルトステージ１３によって支持され、かつＸ軸およびＹ軸を中心とした回転角度（傾き）を自動調整されるようになっている。さらに、補正板６、基準球面反射鏡７およびシャッター装置８は、手動２軸チルトステージ１２、電動Ｙ軸ステージ１４、電動Ｘ軸ステージ１５および電動Ｚ軸ステージ１６により順次支持されている。

上記レンズ搭載治具５の張出面受け台の形状は、干渉計本体部２０から見ると、図４に示す如く、その中央部分に測定用レンズ１のレンズ部２の透過波面測定を行うための中央窓５Ａ、中央窓５Ａの外側に位置する４つの張出面反射光用窓５Ｂ、さらに、張出面反射光用窓５Ｂの外側に位置する４つの補正板反射光用窓５Ｃとからなる連続した窓部と、フランジ下面３Ａの対応領域に突き出した４つの張出面受け領域５Ｄとを備えている。

上記補正板６は、光記録媒体の保護層に対応するように設けられた透明な平行平板（通常、光学硝材で形成される）であり、実際に光記録媒体を記録/再生する状態と光学条件をそろえる目的で配設されるものであって、手動２軸チルトステージ１１によって、基準板４の基準面に対して平行となるように、Ｘ軸およびＹ軸を中心とした回転角度（傾き）を手動調整されるようになっている。一方、基準球面反射鏡７は、電動Ｙ軸ステージ１４、電動Ｘ軸ステージ１５および電動Ｚ軸ステージ１６により、Ｙ軸、Ｘ軸、Ｚ軸（図１の上下方向に延びる軸）の各方向に平行に移動調整が可能とされ、これにより自動的にアライメント調整されるようになっている。

さらに、図示されていないが、この光波干渉測定装置は、測定用レンズ１のロード／アンロード操作を自動的に行うためのサンプルステージ移動機構を備えている。このサンプルステージ移動機構は、前掲の特許文献１，２に記載されたものと同様のものであり、その詳細な説明は省略する。

また、図２に示すように上記解析制御装置２７は、該解析制御装置２７内に搭載されるＣＰＵやハードディスク等の記憶部および該記憶部に格納されたプログラム等により構成される対応関係記憶部３１、透過波面収差解析部３２および厚み算定部３３を備えてなる。

上記対応関係記憶部３１は、コンピュータシミュレーションによる模擬透過波面測定（詳しくは後述する）によって求められた、模擬平行平板の厚みと模擬透過波面の球面収差の測定値との間に成立する対応関係を記憶するものである。

上記透過波面収差解析部３２は、測定用レンズ１のレンズ部２に対する透過波面測定（詳しくは後述する）により得られた干渉縞画像に基づいて被検透過波面の収差解析を行い、該被検透過波面の球面収差を求めるものである。

上記厚み算定部３３は、対応関係記憶部３１に記憶された、模擬平行平板の厚みと模擬透過波面の球面収差の測定値との対応関係と、透過波面収差解析部３２により求められた被検透過波面の球面収差とに基づき、測定対象とする透明な平行平板（本実施形態では、後述するように補正板６）の厚みを算定するものである。

以下、本発明の一実施形態に係る平行平板の厚み測定方法の実施手順について説明する。本実施形態の厚み測定方法は、上述の光波干渉測定装置を用いて測定用レンズ１の透過波面測定を行う際に、上記補正板６の厚みを測定する場合に適用したものである。

なお、透過波面測定を実施する際には、基準板４、補正板６、基準球面反射鏡７および測定用レンズ１のアライメント調整が事前に行われる。これらのアライメント調整については、例えば、上記特許文献２に開示されている手法を適用することが可能であるが、ここでは詳細な説明を省略する。

〈１〉まず、コンピュータシミュレーションにより、測定用レンズ１と基準球面反射鏡７との間に、補正板６と同一の材料からなる、厚みが既知の模擬平行平板（図示略）が配置された状態を構成して、前述の模擬透過波面測定を行う。この模擬透過波面測定は、測定用レンズ１および模擬平行平板を透過してなる模擬透過波面の球面収差を仮想的に測定するものであり、模擬平行平板の厚みを変化させる毎に複数回の模擬透過波面測定を行うことにより、模擬平行平板の厚みと模擬透過波面の球面収差の測定値との間に成立する対応関係を求める（対応関係特定ステップ）。

図５に求められた対応関係の一例をそれぞれ示す。図５は模擬平行平板の厚みと模擬透過波面の球面収差（ザイデルの３次の球面収差）の測定値との対応関係（線形関係となっている）の一例を示す図である。

コンピュータシミュレーションにより求められた対応関係は、上記対応関係記憶部３１に記憶される。なお、コンピュータシミュレーションは、上記解析制御装置２７において実行するように構成することも可能であるが、別のコンピュータシミュレーションシステムを用いて行うようにしてもよい。また、構成材料が異なる複数種類の補正板を測定対象とする場合には、種類毎にコンピュータシミュレーションが行われ、それぞれの対応関係が対応関係記憶部３１に記憶される。

〈２〉続いて、図１に示す光波干渉測定装置を用いて実際に、測定用レンズ１と基準球面反射鏡７との間に補正板６を配置し、測定用レンズ１および補正板６を透過してなる被検透過波面の球面収差を測定する（球面収差実測ステップ）。

具体的には、以下の手順で測定が行われる。

（ａ）まず、図１に示すシャッター装置８により、補正板６および基準球面反射鏡７と測定用レンズ１との間の光路が開放される。このシャッター装置８は、測定用レンズ１のアライメント調整をする際に、測定用光束の光路を遮断するために配置されたもので、遮光板８Ａと該遮光板８Ａを基準球面反射鏡７の光軸に直交する平面内において回動させる駆動部８Ｂとを備え、測定用光束の光路上に遮光板８Ａを出し入れすることにより、測定用光束の光路を開閉するように構成されている（上記特許文献２参照）。

（ｂ）この光路開放状態において、前述の、測定用レンズ１のレンズ部２に対する透過波面測定、すなわち、測定用レンズ１のレンズ部２および補正板６を透過して基準球面反射鏡７により再帰反射され、再びレンズ部２を透過した被検透過波面と参照波面とを干渉させる透過波面測定を行い、この透過波面測定により、被検透過波面の収差情報を担持してなる干渉縞画像（以下「被検透過波面の干渉縞画像」と称する）を得る。なお、被検透過波面の干渉縞画像を得る際には、レンズ部２以外の他の領域に係る画像を遮蔽するために適宜マスキング処理を行う（上記特許文献２参照）。

（ｃ）得られた被検透過波面の干渉縞画像に基づき、被検透過波面の収差解析を行い、得られた波面収差をツェルニケ多項式により展開することにより、被検透過波面の３次の球面収差の測定値を求める。なお、ここでの処理は、図２に示す透過波面収差解析部３２において実行される。

〈３〉次に、対応関係記憶部３１に記憶された上述の対応関係と、透過波面収差解析部３２で求められた被検透過波面の球面収差の測定値とに基づき、補正板６の厚みを算定する（平行平板厚み算定ステップ）。なお、ここでの処理は、図２に示す厚み算定部３３において実行される。

具体的には、透過波面収差解析部３２で求められた被検透過波面の球面収差の測定値を上記模擬透過波面の球面収差の測定値に置き換え、図５に示す対応関係から上記模擬平行平板の厚みを求め、この模擬平行平板の厚みを補正板６の厚みの算定値とする。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、種々の態様のものを実施形態とすることができる。

例えば、上記実施形態では、模擬平行平板の厚みと模擬透過波面の球面収差の測定値との対応関係を求めるための模擬透過波面測定を、コンピュータシミュレーションにより仮想的に行っているが、図１に示す光波干渉測定装置を用いて実際に模擬透過波面測定を行うことも可能である。この場合、測定用レンズ１と基準球面反射鏡７との間に、互いに厚みが異なる（各厚みは既知とする）複数の模擬平行平板（補正板６と同一の材料からなる）を選択的に配置する毎に模擬透過波面測定を行い、模擬平行平板の厚みと模擬透過波面の球面収差の測定値との対応関係を求める。

また、上記実施形態では、測定対象とする平行平板を補正板としているが、本発明は、フィルタ板等の他の平行平板の厚みを測定する場合にも適用することが可能である。

さらに、本発明は、特開２００８−８９３５６号公報において開示されているような透過型のヌル光学素子（ヌルレンズ）を備えた干渉計や、マイケルソン型等の他のタイプの干渉計を用いて、透明な平行平板の厚みを測定することも可能である。

一実施形態に係る厚み測定方法に用いる光波干渉測定装置の概略図 図１に示す解析制御装置の概略構成を示すブロック図 測定用レンズの形状を示す概略図（（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図） レンズ搭載治具の張出面受け台の形状を示す概略図 模擬平行平板の厚みと模擬透過波面の球面収差の対応関係の一例を示す図

符号の説明

１ 測定用レンズ
２ レンズ部
３ フランジ部
３Ａ フランジ下面
４ 基準板
５ レンズ搭載治具
６ 補正板
７ 基準球面反射鏡（ヌル光学素子）
８ シャッター装置
８Ａ 遮光板
８Ｂ 駆動部
５Ａ 中央窓
５Ｂ 張出面反射光用窓
５Ｃ 補正板反射光用窓
５Ｄ 張出面受け領域
１１ 手動２軸チルトステージ（基準板調整用）
１２ 手動２軸チルトステージ（補正板調整用）
１３ 電動２軸チルトステージ
１４ 電動Ｙ軸ステージ
１５ 電動Ｘ軸ステージ
１６ 電動Ｚ軸ステージ
２０ 干渉計本体部
２１ 光源
２２ ビーム径拡大用レンズ
２３ ビームスプリッタ
２４ コリメータレンズ
２５ 結像レンズ
２６ 撮像手段
２７ 解析制御装置
２８ モニタ装置
２９ 入力装置
３０ 被検体ポジショニング部
３１ 対応関係記憶部
３２ 透過波面収差解析部
３３ 厚み算定部
Ｌ 測定光軸

Claims (2)

1. 測定位置に配置されたレンズに測定光を照射し、該レンズを透過した波面をヌル光学素子を介して折り返し、再び該レンズを透過した透過波面を参照波面と干渉せしめて得られる干渉縞画像に基づき、該透過波面の球面収差を測定する透過波面測定用の干渉計において、前記レンズと前記ヌル光学素子との間に配置された透明な平行平板の厚みを測定する方法であって、
   コンピュータシミュレーションにおいて仮想的にまたは前記干渉計において実際に、前記レンズと前記ヌル光学素子との間に前記平行平板と同一の材料からなる、厚みが既知の模擬平行平板が配置された状態を構成し、該レンズおよび該模擬平行平板を透過してなる模擬透過波面の球面収差を測定する模擬透過波面測定を、該模擬平行平板の厚みを変化させる毎に複数回行い、該模擬平行平板の厚みと該模擬透過波面の球面収差の測定値との対応関係を求める対応関係特定ステップと、
   前記干渉計において実際に、前記レンズと前記ヌル光学素子との間に前記平行平板を配置し、該レンズおよび該平行平板を透過してなる被検透過波面の球面収差を測定する球面収差実測ステップと、
   前記対応関係特定ステップにおいて得られた前記対応関係と、前記球面収差実測ステップにおいて得られた前記被検透過波面の球面収差の測定値とに基づき、前記平行平板の厚みを算定する平行平板厚み算定ステップと、をこの順に行うことを特徴とする平行平板の厚み測定方法。
2. 前記レンズは、光記録媒体への信号記録用および／または該光記録媒体の信号再生用の光ピックアップレンズあり、
   前記平行平板は、前記干渉計において前記光記録媒体の保護層に対応させて配置される補正板である、ことを特徴とする請求項１記載の平行平板の厚み測定方法。
   

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