JP5257166B2 - 光学部品計測方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ディスク方式の情報記録媒体（ＣＤやＤＶＤ、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃなど）上に光スポットを形成する光ピックアップに取り付けられている対物レンズなどの光学部品や、ＤＳＣ（デジタルスチルカメラ）など各種カメラの撮像光学系内に搭載されるレンズなどの光学部品の光学特性を計測する技術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憶するためには、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、それ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特性が要求される。また、ＤＳＣも高画素化が進みレンズ単体、レンズユニットに、従来以上の光学特性が要求される。そのため、光学部品の光学特性検査および調整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光学部品の光学特性を評価するために、光学部品の収差を検査する方法があり、その方法として光の干渉を利用した計測が利用されている。光の干渉を利用した計測方法として、図１１に示すシェアリング干渉法が特許文献１にて開示されている。図１１〜図１４を用いてシェアリング干渉計測を説明する。

図１１において、光源であるレーザ発生源１はレーザ光２を発射する。発射されたレーザ光２は、ビームエキスパンダ３で略平行光に拡大された後、被検レンズ４へ入射する。被検レンズ４を出射した光は集光され、回折格子５に入射される。入射した光は回折格子５により回折され０次回折光と異なる次数の±１次回折光、±２次回折光・・となる。

これらのうち異なる次数の回折光である０次光と±１次光が重なりあい干渉することで、図１２に示すようなシェアリング干渉像６になる。この際、回折格子５を微小駆動装置７により回折格子５の溝方向と直行する方向もしくは直行方向に移動成分を有する方向に駆動することによりシェアリング干渉光の干渉強度を変化させ、干渉画像パターンの初期位相を算出する。この干渉像の強度を変調することで初期位相を算出する方法はシフト法と呼ばれる干渉計測の一手法である。シェアリング干渉光はレンズ８により再び略平行光となり、略平行光とされた光は集光レンズ９で集光され、撮像素子１０に結像される。撮像素子１０で受光した干渉光の強度変化はコンピュータなどの演算装置１１に電気信号として出力され、干渉像の強度変化を解析することで被検レンズ４の光学特性の検出を行う。

その解析法は図１３に示すように干渉像上にＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｘ軸とＹ軸の交点を基準にして±４５度方向に傾斜させた＋４５度軸、−４５度軸とした場合、それぞれの軸上にサンプリングポイントＰ１・・・Ｐｎ（図１３にはＸ軸上のみを記載）を設定し、そのサンプリングポイント上の強度変化から初期位相φＰ１・・・・φＰｎを算出、その初期位相を所定の該関数にフィッティングすることで、その該関数の各次数の係数より光学特性を算出する。干渉画像のパターンは被検レンズ４に含まれる収差に依存する。例えば、被検レンズ４が回折格子５の溝方向と直交する方向（Ｘ方向）のコマ収差を持つ場合、溝方向と平行な方向（Ｙ方向）のコマ収差（Ｙ）を持つ場合、非点収差を持つ場合、球面収差を持つ場合、それぞれ図１４（ａ）〜（ｄ）に示すパターンを有する。表示装置１２は、撮像素子１０で取り込んだ干渉画像や演算装置１１で解析した結果などを表示する。このように、従来は被検レンズ４を透過した光が回折格子５に入射しシェアリング干渉し、その回折格子５を駆動することでシェアリング干渉像６の強度を変化させ、その強度変化より干渉縞の初期位相を算出し、被検レンズ４の光学特性を検出する方法を行っている。
特開２０００−３２９６４８号公報

しかしながら、前記従来の被検レンズの初期位相の算出による光学特性検出では以下のような課題を有している。

従来の干渉縞の光強度変化は、回折格子の溝形状の加工誤差によるコントラストばらつきなど干渉に起因する別の強度変化も含まれているが、これらは位相シフトによって評価され、干渉に起因する光強度変化だけを位相変化の形で抽出できる。しかし位相シフト法を行うためには回折格子を波長と同程度の距離（数百ｎｍ）を線形性良く駆動させなければならないため、ピエゾ素子のような高価な精密駆動装置が必要であり、装置コストを引き上げるという問題がある。また強度画像を取得するとき（駆動装置の駆動中）に外部からの振動などが加わると駆動の線形性が崩れ、正しい画像が得られない。その結果、時間変化に対する正しい強度変化を得られず、初期位相の演算結果が誤差を含み、計測結果の信頼性が低くなるという課題がある。また、そのような外部からの振動を低減するために、干渉計全体を除振装置上に設置し、使用するという対策が必要となることで更なる装置コストの引き上げとなり、さらに干渉計設置場所が限定されるという課題がある。

さらに位相シフト法を用いて初期位相を算出するためには、一回の計測で複数枚の画像を取得することが必要であり、計測に時間がかかるという課題がある。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、精度良く高速に、光学部品の光学特性を評価できる技術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、本発明における光学部品計測方法は、光学部品を透過した光から０次回折光と互いに異なる次数の第１回折光と第２回折光を形成し、前記０次回折光と前記第１回折光による干渉領域の中心を第１原点とし、前記０次回折光と前記第２回折光の干渉領域の中心を第２原点とし、前記第１原点と前記第２原点を基準にした２つの座標系においてそれぞれ同一座標での輝度とその位相差を検出し、前記輝度および前記位相差に基づいて干渉領域内の初期位相を算出し、算出した前記初期位相に基づいて前記光学部品の光学特性を計測することを特徴とする。

また、上記目的を達成するための本発明における光学部品計測装置は、光学部品を透過した光から０次回折光と互いに異なる次数の第１回折光と第２回折光を形成する回折手段と、前記０次回折光と前記第１回折光による干渉領域の中心を第１原点とし、前記０次回折光と前記第２回折光の干渉領域の中心を第２原点とし、前記第１原点と前記第２原点を基準にした２つの座標系においてそれぞれ同一の座標での輝度とその位相差を検出し、前記輝度および前記位相差に基づいて干渉領域内の初期位相を算出し、算出した前記初期位相に基づいて前記光学部品の特性を計測する計測手段と、を備えることを特徴とする。

以上のように、本発明の構成によれば、精度良く高速に、光学部品の光学特性の評価を行うことができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、以下の説明においては、同じ機能を有する構成要素には同じ符号を付して、説明を省略している。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるレンズ収差測定装置の概略図である。図１において、１３は本測定装置の光軸１４と平行な光軸を有する光を出射する光源である。１５は検査対象である被検レンズであり光軸１４上に垂直に設置される。被検レンズ１５は凸レンズに限定するものではなく、凹レンズ、非球面レンズ、シリンドリカルレンズ、組レンズ、ミラー、プリズムなど様々な光学部品が対象となる。１６は干渉縞を形成するための回折格子であり、被検レンズ１５の焦点位置またはほぼ焦点位置に光軸１４に対して垂直に設置しており、光源１３より出射された光と異なる位相を有する複数の光を形成する。回折格子１６は光軸１４に垂直な平面を有し、その平面上に光軸１４と直交する複数の平行な溝を有している。回折格子１６の回折作用により、例えば、図２に示すような３つの光（０次回折光１７と＋１次回折光１８と−１次回折光１９）が形成される。図２に示すように、０次回折光１７と＋１次回折光１８が干渉して１つの干渉領域２０を形成し、０次回折光１７と−１次回折光１９が干渉して１つの干渉領域２１が形成される。

図１において、２２は回折格子１６により形成された干渉光が入射するレンズである。本実施の形態では、レンズ２２は２つの干渉領域２０，２１が入射されるように、かつ光軸１４と垂直になるように設置されており、入射した光はレンズ２２により平行光、あるいは略平行光になる。２３は回折格子１６と連結されており、光軸１４に対し垂直でかつ回折格子１６の溝と直交する方向あるいは直交方向に成分を有する方向に駆動する駆動装置である。駆動装置２３の駆動精度（分解能）は、回折格子１６の溝幅と同程度の精度であればよく、例えば一般に使用される産業用モータなどでよい。２４は本測定装置の光軸１４上にレンズ２２から出射された平行光あるいは略平行光を受光できるように、光軸１４に対し垂直になるように設置された集光レンズであり、レンズ２２から出射された光を集光する。２５は集光レンズ２４からの光を干渉領域２０，２１とともに撮像できるように設置された撮像素子である。撮像素子２５の受光面は光軸１４に対して垂直になるように設置されている。２６は撮像素子２５から送られてくる画像信号の処理を行う演算装置である。その処理により被検レンズ１５の光学特性が評価される。２７は撮像素子２５で取り込んだ干渉画像や演算装置２６で解析した結果などを表示する表示部である。

以下に、測定方法について説明する。

図３に実施の形態１における処理のフローチャートを示す。

まず、図４の斜線で示す干渉領域２０，２１の強度に基づいて、撮像素子２５が受像した画像を解析する。駆動装置２３を回折格子１６と直交方向あるいは直交方向に移動成分を有する方向へ駆動することで、被検レンズ１５より出射された光の焦点位置に対する回折格子１６の位置を変更し、干渉像の強度を変化させる（ステップＳ１）。

そして、その際の連続した画像データを取得する（ステップＳ２）。

ここで、図５に示すように干渉像上にＸ軸方向（２８ａ、２８ｂ）、Ｙ軸方向（２９ａ、２９ｂ）、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点とし、それぞれＯ、Ｐとする。その原点を基準にして±４５度方向に傾斜させた＋４５度軸（３０ａ、３０ｂ）、−４５度軸（３１ａ、３１ｂ）を設定し（図５の紙面左側の干渉領域の軸はａ、紙面右側の干渉領域の軸はｂとする）、それぞれの軸上で、干渉領域２０，２１中にサンプリングポイント（図５には干渉領域２１のＸ軸２８ａ上に、Ｐ１・・・Ｐｎのみを記載）を設定する。また、図６のように取得した１枚の画像データには２つの干渉領域２０，２１があるが、例えば干渉領域２１における原点Ｏを基準にした座標系にてＸ軸２８ａ上にあるサンプリングポイントＰａと、干渉領域２０における原点Ｐを基準にした座標系にてＸ軸２８ｂ上にあるサンプリングポイントＰｂは、それぞれの座標系で同じ座標に相当するサンプリングポイントである。ＰａとＰｂは±１次回折光と０次回折光の干渉より、その位相はおよそπだけ差異が生じている。取得した連続画像データより、サンプリングポイント上の強度データを抽出する。干渉領域２０，２１の同一座標上のあるサンプリングポイント（例えば、上述のＰａ、Ｐｂにおける画像ごとの強度データ）の変化は、図７のようになる。図７は、縦軸にそのサンプリングポイントの強度Ｉをとり、横軸に時間をとったものであるが、横軸の時間は取得した画像の順番と同義である。これは、本実施の形態においては、画像の取得は撮像素子のフレームレートに依存するため、取得した画像の順番は時間と同義とみなせるためである。図７において、３２は干渉領域２１のサンプリングポイントＰａの時間―強度データ、３３は干渉領域２０のサンプリングポイントＰｂの時間―強度データ、３４，３５は干渉領域２１のサンプリングポイントの振幅Ａと振幅中心Ｂ、３６，３７は干渉領域２０のサンプリングポイントＰａの振幅ａと振幅中心ｂ、３８は干渉領域２０−２１のサンプリングポイントＰａ、Ｐｂの位相差φである。時間―強度データより全サンプリングポイントにおける強度の振幅と振幅中心および干渉領域２０−２１の位相差を取得する（図３のステップＳ３）。取得後、駆動装置２３を停止し（図３のステップＳ４）、続いて１枚の干渉画像における全サンプリングポイントの強度データを取得する（図３のステップＳ５）。

図８に、上記のサンプリングポイントＰａとＰｂにおける強度を示す。図８において、３９はＰａのある瞬間の強度Ｉａを表し、４０はＰｂのある瞬間の強度Ｉｂを表す。Ｐａにおける強度波形は、図３のステップＳ３にて取得した振幅Ａ、振幅Ｂより下記（式１）で表すことができる。

Ｉａ＝Ａ・ｓｉｎθ＋Ｂ ・・・（式１）
このとき初期位相θは、下記（式２），（式３）で表される。

θ＝ｔ、π―ｔ （−π／２≦ｔ≦π／２、０≦θ＜２π） ・・・（式２）

ｔ＝ｓｉｎ−１｛（Ｉａ−Ｂ）／Ａ｝ ・・・・（式３）

図８に示すように、上記（式２）、（式３）で算出される点は０≦θ＜２πの範囲にθ＝ｔとπ―θの２点が存在するため、この時点では初期位相θを特定することはできない。ただし、この２点は必ず０≦θ＜π／２、π／２≦θ＜π、π≦θ＜３π／２、３π／２≦θ＜２πのいずれかの象限に１つしか存在しない。このためＰａ、Ｐｂにおける強度Ｉａ、Ｉｂおよび位相差φを用いて初期位相θの条件判定を行う（図３のステップＳ６）。Ｐａ、Ｐｂにおいて強度振幅Ａ、ａの大きさに差異があるのでそれぞれの振幅を用いて正規化を行い、それぞれＩａｎ、Ｉｂｎとする。図９および下表１に示すように算出されたｔの正負とＩａｎ、Ｉｂｎの絶対値比、および位相差φの関係より初期位相θを特定することができる（図３のステップＳ７）。

図１０（ａ）に、ある軸上において上記方法を用いて実際に算出した初期位相の点列４１と従来方法である位相シフト法を用いて算出した初期位相の点列４２を示す。この図より、２つの点列は非常に類似した相関性の高いデータであり、一枚の画像より初期位相の算出が可能であることが確認できる。初期位相の点列は０≦θ＜２πの範囲のため、０と２πをまたぐデータは位相飛びが発生する。そこで、初期位相の点列４１，４２の内で位相飛びが発生したデータは、図１０（ｂ）の４３，４４に示すように位相繋ぎを行い、飛びのないデータに修正する。ここで、画像の取り込みタイミングの差異により、２つ点列にほぼ同じ値の差分が発生しているが、後述する理由により、本実施の形態では問題がない。

本アルゴリズムでは前述の初期位相の点列を所定の該関数にフィッティングし（図３のステップＳ８）、その該関数の各次数の係数より光学特性を算出する（図３のステップＳ９）。このステップＳ８，Ｓ９により、前述の画像取り込みタイミングの差異による差分は、光学特性の評価上、問題がなくなる。このようにして、取り込む画像は全て一枚の画像で初期位相を算出することができるため、撮像素子のビデオレートと同期した非常に高速な光学特性評価が可能となる。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、回折格子により同時に生成された２つの干渉領域において位相差がおよそπだけ差異が発生していること、および位相の異なる２つの干渉領域が１つの画像の中に同時に存在していることを用いて、任意の１枚の干渉画像の初期位相の算出により外部からの振動の影響を受けることなく精度良く、高速に初期位相を算出し、光学部品の光学特性の計測・評価を行うことが可能となる。

本発明は、１枚の干渉画像から干渉領域の初期位相の算出し、そのデータより被検光学部品の光学特性を高速、高精度に測定する機能を有し、光ディスク方式の記録装置に搭載される光ピックアップの対物レンズやカメラなどのレンズなどの光学部品の測定方法、装置として適用できる。

実施の形態１における収差計測装置の概略図 実施の形態１における０次回折光と±１次回折光の干渉を表す概念図 実施の形態１における収差計測処理フローチャート 実施の形態１における干渉画像の概念図 実施の形態１における干渉画像内の軸設定とサンプリングポイント設定を示す図 実施の形態１における２つの干渉領域内で同じ座標を示す図 実施の形態１における回折格子駆動時のあるサンプリングポイントにおける強度変化を示す図 実施の形態１における算出位相が２点ある図 （ａ）実施の形態１における初期位相算出条件を示す第１の図、（ｂ）実施の形態１における初期位相８算出条件を示す第２の図、（ｃ）実施の形態１における初期位相算出条件を示す第３の図、（ｄ）実施の形態１における初期位相算出条件を示す第４の図 （ａ）実施の形態１における従来位相シフト法との比較を示す第１の図、（ｂ）実施の形態１における従来位相シフト法との比較を示す第２の図 従来の収差計測装置の概略図 回折格子により０次回折光と±１次回折光の干渉を表す概念図 干渉画像内の軸設定とサンプリングポイント設定を示す図 （ａ）コマ収差（Ｘ方向）を示す図、（ｂ）コマ収差（Ｙ方向）を示す図、（ｃ）非点収差を示す図、（ｄ）球面収差を示す図

１３ 光源
１４ 光軸
１５ 被検レンズ
１６ 回折格子
１７ ０次回折光
１８ ＋１次回折光
１９ −１次回折光
２０ 干渉領域
２１ 干渉領域
２２ レンズ
２３ 駆動装置
２４ レンズ
２５ 撮像素子
２６ 演算装置
２７ 表示部
２８ａ，ｂ Ｘ軸
２９ａ，ｂ Ｙ軸
３０ａ，ｂ ＋４５度軸
３１ａ，ｂ −４５度軸
３２ Ｐａの時間―強度データ
３３ Ｐｂの時間―強度データ
３４ 振幅Ａ
３５ 振幅中心Ｂ
３６ 振幅ａ
３７ 振幅中心ｂ
３８ Ｐａ、Ｐｂの位相差φ
３９ Ｐａのある瞬間の強度Ｉａ
４０ Ｐｂのある瞬間の強度Ｉｂ
４１ 初期位相の点列
４２ 初期位相の点列
４３ 位相繋ぎ後の実施の形態１により算出した初期位相の点列
４４ 位相繋ぎ後の従来位相シフト法により算出した初期位相の点列

Claims (4)

1. 光学部品を透過した光から０次回折光と互いに異なる次数の第１回折光と第２回折光を形成し、
   前記０次回折光と前記第１回折光による干渉領域の中心を第１原点とし、前記０次回折光と前記第２回折光の干渉領域の中心を第２原点とし、前記第１原点と前記第２原点を基準にした２つの座標系においてそれぞれ同一座標での輝度とその位相差を検出し、
   前記輝度および前記位相差に基づいて干渉領域内の初期位相を算出し、
   算出した前記初期位相に基づいて前記光学部品の光学特性を計測すること
   を特徴とする光学部品計測方法。
2. 前記光学部品の集光点位置に設置した回折格子を用いて前記０次回折光と前記第１回折光と前記第２回折光を同時に形成すること
   を特徴とする請求項１記載の光学部品計測方法。
3. 光学部品を透過した光から０次回折光と互いに異なる次数の第１回折光と第２回折光を形成する回折手段と、
   前記０次回折光と前記第１回折光による干渉領域の中心を第１原点とし、前記０次回折光と前記第２回折光の干渉領域の中心を第２原点とし、前記第１原点と前記第２原点を基準にした２つの座標系においてそれぞれ同一の座標での輝度とその位相差を検出し、前記輝度および前記位相差に基づいて干渉領域内の初期位相を算出し、算出した前記初期位相に基づいて前記光学部品の特性を計測する計測手段と、を備えること
   を特徴とする光学部品計測装置。
4. 前記回折手段は、前記光学部品の集光点位置に設置されたこと
   を特徴とする請求項３記載の光学部品計測装置。

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