JP5759232B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検光学系のデフォーカス特性より最良像面位置を認識するための測定装置に関する。

被検光学系の合焦位置や焦点深度性能を測定するために、被検光学系の目標像面の近傍で光軸方向にカメラを移動させながら結像状態を観察することが光学系の適用分野に依らず行われている。これらの測定に依れば、被検光学系の最良像面位置と目標像面位置とのズレを知り、必要に応じてその値にあわせ部品形状の補正、位置調整等でこれを低減することが可能となる。或いは、温度変化によって発生する焦点位置変動や上位のユニットや製品への組込みによって起こる機械的誤差に対する深度余裕量の良否を判定すること等が可能となる。

例えば、特許文献１ではレーザ走査光学系の性能測定装置として被検光学系を載置した光学特性測定用治具とＣＣＤカメラで構成されたビーム計測部との相対的な間隔を任意に自動に変えられるような構成が開示されている。また同文献には深度カーブと呼ばれる 深度特性を測定し走査レンズの深度余裕を検査することも述べられている。

また特許文献２では、デフォーカス量すなわち目標像面位置からの距離に対する光スポット径の変化の様子が示され、距離変化の正負で非対称な特性となることが開示される。

特開２００７−１６３２２７号公報 特開平０７−０１２０６９号公報

物体と被検光学系との距離、或いは被検光学系とスクリーンやカメラなどの評価装置との距離を変化させて被検光学系のデフォーカス特性を評価する場合に、以下の問題が生ずる。即ち、被検光学系の瞳から評価基準面までの距離に対してデフォーカス量が大きい場合に真の最良像面位置が判別できにくいという問題である。最良像面位置は一般に許容スポット径以下となる領域の中央を採用するが、許容スポット径の値が変わると最良像面の位置も変わってしまうこととなる。

本発明の目的は、被検光学系の最良像面位置を簡便にかつ正しく求めることができる測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る測定装置は、被検光学系の結像面近傍の複数の評価面において前記被検光学系の像特性を測定し、その測定値に基づいて前記被検光学系の光学特性を取得する測定装置であって、前記複数の評価面における前記被検光学系を介する光束の広がり分布の測定値を補正する補正手段を有し、前記補正手段により補正された前記測定値に基づいて前記被検光学系の光学特性を取得することを特徴とする。

本発明によれば、従来の装置構成を基本的に変更することなく、測定値の算術処理だけで、被検光学系の最良像面位置を正しく求めることができる。これにより、型補正、レンズ修正、などの目標値が正確になり、その結果、開発効率及び、部品、ユニット、製品品質の向上、コスト削減につながる。

本発明の実施形態に係わる測定装置の概略構成図である。 実施形態に係わる測定装置の主走査方向の断面展開図である。 実施形態に係わる測定装置の副走査方向の断面展開図である。 （ａ）は実施形態に係わる光学特性測定手段で測定したＰＳＦを示す図、（ｂ）は測定したＬＳＦを示す図、（ｃ）は主走査方向の結像状態を示すグラフである。 射出瞳と評価面並びに評価基準面を示す図である。 ＬＳＦ幅のデフォーカス特性に関する補正前の測定値と補正後の補正値を示す図である。 ＬＳＦ最大強度のデフォーカス特性に関する補正前の測定値と補正後の補正値を示す図である。 実施形態に係わる測定装置の動作シーケンスを示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

《第１の実施形態》
（装置全体構成）
図１は、レーザ走査光学系の測定装置に適用した実施形態を示したもので、同図においてＸ方向をデフォーカス方向、Ｙ方向を像高方向と呼ぶものとする。又、被検光学系の特性を表現するにあたり、光束の中心線を主光線と呼び、この主光線を含み、紙面に平行な方向を主走査方向、紙面に垂直な方向を副走査方向と呼ぶものとする。

図１において、１は被検光学系であるレーザ走査用レンズ、２０は測定ユニットであり、レーザ走査用レンズ１を含み光学性能を測定するためのユニットである。測定ユニット２０は、物体であるところの半導体レーザ光源２１、及びレーザ光源２１からの発散光束を主走査方向は略平行な光束に、また副走査方向には後述する回転多面鏡の反射面近傍に集光する光束に変換する光源光学系２２を備える。

光源光学系２２からの光束は、所定の断面径にするための絞り２３、絞り２３からのレーザ光束を反射し所定の角度でレーザ走査用レンズ１に導く回転多面鏡２４（以下ポリゴンミラー）を介し、光束２５として測定ユニット２０より射出される。

１００は後述する測定値補正手段である。レーザ光源２１の発光を制御する電気回路、及び、ポリゴンミラー２４を所定位置に回転駆動するモータ、及びその駆動回路なども構成に含まれるが、発明の主旨とは関係しない為説明は省略する。３は評価基準面（被検光学系の結像面）であり、４はカメラであって評価面５にピントを合わせ評価面を観察および検出するものであり、具体的には対物レンズ、イメージセンサ等で構成される。

５は評価面であり、本実施形態に於いてはカメラ４のピント面である。評価面５は、被検光学系による物体の結像面近傍に光軸方向に沿って複数個設けられる。
６、７は各々Ｘ方向、Ｙ方向の駆動手段であるところのステージであり、図示しない制御部の指示に従い、カメラ４を像高方向位置Ｙｍ、及び評価面５をデフォーカス方向位置Ｘｍに駆動する。

測定ユニット２０における絞り２３と評価面５間の被検光学系１によって形成される絞り２３の像を射出瞳と呼ぶ。被検光学系１が直交する２方向で異なる位置に射出瞳を備えるアナモフィックな特性を有するものである場合には主走査方向（第一の方向）、副走査方向（第二の方向）の断面にそれぞれの射出瞳が出現する。８は副走査方向の射出瞳であり、９は主走査方向の射出瞳であり、それぞれ評価基準面３からＴｓ，Ｔｍの距離に存在している。この時、Ｔｓ，Ｔｍは光線進行方向を正にとる。

図１においては、射出瞳８，９は評価基準面３からは光線進行方向とは逆側に位置しているため、Ｔｓ，Ｔｍはそれぞれ負の数値となっている。図２はレーザ光源２１から評価基準面３までの光路を展開した状態をＺ軸方向（図１に於ける紙面垂直方向）から観察したものである。この断面を主走査断面と呼ぶこととする。

図２において、２４ａはポリゴンミラー２４の反射面の位置を示しており、その他の部品は図１と同一であるため、同一の番号をつけている。図２において被検光学系１のレーザ走査用レンズは入射するほぼ平行な光束を評価基準面３近傍に集光するパワーを有している。この時、レーザ走査用レンズによって形成される絞り２３の像、即ち主走査断面の射出瞳は９の位置に形成されている。

図３は、レーザー光源２１から評価基準面３までの光路を展開した状態をＸＹ面と平行な方向から観察したものである。この断面を副走査方向断面と呼ぶこととする。図３において、被検光学系１のレーザ走査用レンズはポリゴンミラー面２４ａ近傍に集光した光束を再び評価基準面３近傍に集光するパワーを有している。そして、この時レーザ走査用レンズによって形成される絞り２３の像、即ち副走査断面の射出瞳は８の位置に形成されている。

本実施形態では、上記構成に於いて、測定装置の動作シーケンスを示す図として図８に示すように、以下の動作を行うものである。即ち、本実施形態では被検光学系であるところのレーザ走査用レンズ１の検査にあたって、所定の像高において基準評価面３の前後１０ｍｍでデフォーカス特性を１ｍｍピッチで取得するものとする。

先ず、カメラ４のピント面を所望の像高Ｙｏ、且つ基準評価面３からのデフォーカス量ＸｍとしてＸｍ＝０の位置にステージ６，７を用いて配置する。次にレーザ光源２１を点灯させ、評価面５に光束２５が照射するよう、ポリゴンミラー２４を回転させる。ステージを用いてカメラ４を移動させ、評価面５を光束２５に沿い、且つＸｍ＝−１０ｍｍとなる位置に設置した後、光学特性を測定する。

（測定値の検出）
光学特性の測定に関して、図４を用いて説明する。図４（ａ）は測定装置で認識される光束２５の結像状態であり、評価面５上のＹ，Ｚ面上の結像スポットの強度分布、ポイントスプレッドファンクション（＝点像強度関数、以後ＰＳＦと略記）が示される。図４（ｂ）は、副走査方向の結像状態を示すグラフであり、軸Ｉｚ方向の各点の値は図４（ａ）に於ける同一Ｚ座標の各点の強度を加算したものである。このグラフを副走査方向のラインスプレッドファンクション（＝線像強度関数、以後ＬＳＦと略記）と称する。

このような処理をすることにより、図４（ｂ）のＬＳＦは直交するＹ方向の結像特性に影響を受けず、Ｚ方向の結像性能を正しく表現することができる。図４（ｂ）でＰｚは副走査方向ＬＳＦの最大値であり、ＤｚはＩｚの値が所定量となるグラフの幅を示すもので、所定量がＰｚの半値である場合Ｄｚは半値幅と呼ばれ、１／ｅ ^２ である場合Ｅ二乗分の１幅と称される。

ＰＳＦは、ピンホールを用いた点入力により得られる点広がり分布に相当する一方、
ＬＳＦは、スリットを用いた線入力により得られる線広がり分布に相当する。

図４（ｃ）は、図４（ａ）の結像状態のうち主走査方向の結像状態を示すグラフであり、軸Ｉｙ方向の各点の値は図４（ａ）に於ける同一Ｙ座標の各点の強度を加算したものである。このグラフを主走査方向のＬＳＦと称する。本実地形態では先の光学特性の測定には主走査、副走査それぞれの方向のｅ二乗分の１幅をＤｙ、Ｄｚととして測定するものとする。

（測定値の補正）
本実施形態では、測定値を以下のように補正する測定値補正手段を備える。即ち、Ｄｙ，Ｄｚを測定した後に、本実施形態においては評価面から射出瞳までの距離に応じて測定値を補正する。主走査方向、副走査方向の射出瞳と評価基準面３とのＸ軸に沿った距離を夫々Ｔｍ、Ｔｓとする。Ｔｍ、Ｔｓは実測しても良いが、被検光学系のばらつきによって大きく動くことが無ければ、設計値を用いても良い。Ｄｙａ、Ｄｚａを主走査方向、副走査方向のＬＳＦ幅に係わる補正値とすると、測定値に比べ対称性が向上した夫々の補正値は、以下の算出式で算出される。

Ｄｙａ＝ Ｔｍ／（Ｔｍ−Ｘｍ）×Ｄｙ （式１）
Ｄｚａ ＝ Ｔｓ／（Ｔｓ−Ｘｍ）×Ｄｚ （式２）
ここで、主走査方向及び副走査方向の評価基準面から射出瞳までの距離をＫ、射出瞳と評価面までの距離をＬ、補正前の測定値をＤｏ、補正後の補正値をＤとした場合、
（式１）（式２）は、共に以下の形で表現される。

Ｄ＝（Ｋ／Ｌ）×Ｄｏ
これは、測定値補正手段が、評価面５が射出瞳に近づくときは補正値は測定値に対して大きくなる一方、射出瞳から遠ざかるときは補正値は測定値に対して小さくなるように出力することを示している。

（補正に係わる算出原理）
ここで補正に係わる算出原理について図５で説明を行う。図５は射出瞳と評価面並びに評価基準面を示す図である。同図において５００は射出瞳、５０１は評価基準面、５０２は評価面であり、Ａは射出瞳の直径、Ｔは評価基準面から射出瞳までを光路に沿った距離、Ｄｅｆは評価面の評価基準面からのデフォーカス量である。評価基準面から射出瞳を見た場合のＦナンバーをＦｏとすると、
Ｆｏ＝｜Ｔ｜／Ａであり、Ｄｅｆだけデフォーカスした評価面から射出瞳を見た場合のＦナンバーをＦｄとすると
Ｆｄ＝｜Ｔ−Ｄｅｆ｜／Ａとなる。

例えば、夫々の面において回折限界の結像スポット径、或いはライン幅はＦナンバーに比例するから評価面５０２に於けるそれらは評価基準面に置けるそれに比して
Ｆｄ／Ｆｏ＝（Ｔ−Ｄｅｆ）／Ｔ （式３）
だけ変化する。即ち、評価面５０２で測定を行ったライン幅は、その位置に於ける回折限界の値が評価基準面５０１における値と（式３）だけ変化していることを考慮して評価しなくてはならない。そこで測定値を（式３）で除した値をもって評価を行えば良い。図５においてＴ，ＤＥＦは光路に沿って測った距離を用いているが、これらは別の方向に沿って測ってもその比は変わらないため、（式１）、（式２）を用いれば正しく測定を行うことができる。

以上の如く測定および補正を行った後、カメラ４を光束２５に沿い、Ｘ方向に１ｍｍ移動させて同様の測定補正を行い、これを所定回数（例えばＸｍ＝１０ｍｍまで１０回）繰り返す。或いは補正後の主走査方向、副走査方向のＬＳＦ幅であるＤｙａ、Ｄｚａが所定量を超えるまで繰り返す。

（副走査方向における測定値の補正）
この様にして得られる副走査方向のライン幅のデフォーカス特性を図６に示す。図６において、黒丸で示された点が補正後の補正値であり、△の点が補正前の測定値である。このとき、副走査方向の射出瞳位置Ｔｓは−５０．３ｍｍ（結像面より上流側）の位置に存在している。図６より定性的に認識できるところであるが、補正前の測定値がデフォーカス方向の正負で非対称な特性を示しているのに対し、補正後の補正値は良い対称性を見せている。

これを定量的に見ると、図６の横軸に関しては、対称性の良くない補正前の測定値からはピント位置が３〜４ｍｍの位置にあると推察されるが、対称性の良い補正後の補正値からは６〜７ｍｍの位置に最良ピント面が存在していることが確認できる。本実施形態では、最良ピント面が６〜７ｍｍの位置にあって０ｍｍの位置に無いことが確認できるが、最良ピント面を確認した後に最良ピント面を０ｍｍへ変更するために型の補正などを行えば良い。

また図６の縦軸に関しては、以下に述べるように本実施形態では許容値が８０μｍとなる。即ち、本実施形態ではレーザ波長が８０ｎｍ、評価基準面に於ける副走査方向の射出Ｆ値が６３であることから、矩形開口のＬＳＦとしてその副走査方向のｅ二乗分の１幅は約８０μｍとなる。このような許容値８０μｍに対し、補正前の測定値では許容値以下の深度が存在しない結果となっているが、補正後の補正値では、当初の許容値８０μｍの１割増の８８μｍまでを許容としている。

被検光学系の最良ピント面を見積もる為には、最小のライン幅、或いはスポット径の１〜２割増しの幅を閾値として、これ以下となるデフォーカス範囲の中心位置を評価することが一般的である。本実施形態においては、補正後の補正値に基づき、最良ライン幅はほぼ設計値通りと測定でき、また許容のライン幅となる深度幅も確保される。

（主走査方向における測定値の補正）
主走査方向の射出瞳位置Ｔｍは−３００ｍｍであり、この値を用いて主走査方向において副走査方向と同様の補正を行う。但し、１０ｍｍ程度の許容デフォーカス範囲では式１は５％以下（１０／３００）の補正となる為、主走査方向の補正は行わずに副走査方向の補正のみで評価を行っても良い。

《第２の実施形態》
第１の実施形態では、測定値が主走査方向、副走査方向のＬＳＦライン幅であったが、本実施形態では測定値が図４に於けるＬＳＦの強度最大値Ｐｙ，Ｐｚである。第１の実施形態では結像面である基準面の前後に評価面を設けて光束の幅を測定するとき、像倍率を考慮した補正を行ったが、光束の光強度を測定するときは、光束の幅に関する補正係数とは逆数となる補正係数で補正する。これは、どのデフォーカス状態にあっても光強度の積分値即ちエネルギーは一定であって、光束の幅と光束の光強度の積が一定に保たれることに起因する。

Ｐｙａ、Ｐｚａを補正後の主走査方向、副走査方向のＬＳＦ幅とすると、夫々は以下の式で補正される。

Ｐｙａ＝ （Ｔｍ−Ｘｍ）／Ｔｍ×Ｐｙ （式４）
Ｐｚａ ＝ （Ｔｓ−Ｘｍ）／Ｔｓ×Ｐｚ （式５）
ここで、主走査方向及び副走査方向の評価基準面から射出瞳までの距離をＫ、射出瞳と評価面までの距離をＬ、測定値をＤｏ、変換後の測定値をＤとした場合、（式４）（式５）は共に以下の形で表現される。

Ｄ＝（Ｌ／Ｋ）×Ｄｏ
図７に副走査ＬＳＦの強度最大値Ｐｙの測定結果を示す。測定ユニット２０、及び被検光学系１は第１の実施形態と同じものを用いている。図７において、黒丸で示された点が補正を行ったＬＳＦ最大強度Ｐｙのデフォーカス特性に関する補正値であり、△の点が補正前のデフォーカス特性に関する測定値である。

《第３の実施形態》
第２の実施形態では、測定値がＬＳＦの最大強度であったが、本実施形態ではＰＳＦの最大強度を測定値とする。本実施形態では、第１の実施形態における主走査方向、副走査方向夫々の光束径の補正と反比例する光束の光強度補正を主走査方向、副走査方向に同時に行えば良い。即ち、
Ｉｏを補正前の測定値（ＰＳＦの最大強度）、Ｉａを補正後の補正値とすると、
Ｉａ＝（Ｔｍ−Ｘｍ）／Ｔｍ×（Ｔｓ−Ｘｍ）／Ｔｓ×Ｉｏ （式６）
となる。ここで、主走査方向の評価基準面から射出瞳までの距離Ｔｍと副走査方向の評価基準面から射出瞳までの距離Ｔｓとの積をＫｙｚ、主走査方向の射出瞳と評価面までの距離をＬｙ、副走査方向の射出瞳と評価面までの距離をＬｚとする。また、測定値をＤｏ、変換後の測定値をＤとする。すると、（式６）は以下の形で表現される。

Ｄ＝（Ｌｙ×Ｌｚ／Ｋｙｚ）×Ｄｏ （式７）
被検光学系がアナモフィックな特性を有していない場合は、
Ｌ＝Ｌｙ＝Ｌｚ
Ｔ＝Ｔｍ＝Ｔｚ
Ｋｙｚ＝Ｔｍ×Ｔｓ
Ｋ＝Ｔ×Ｔとして式７は以下のように簡単に表現できる。
Ｄ＝（Ｌ×Ｌ／Ｋ）×Ｄｏ （式７）
（変形例）
第１の実施形態ではＬＳＦの幅を測定値とし、第２の実施形態ではＬＳＦの最大強度を測定値とし、第３の実施形態ではＰＳＦの最大強度を測定値としたが、この他にＰＳＦの幅を測定値とすることもできる。ＰＳＦの幅を測定値とする場合は、測定値の補正に関し、第１の実施形態と同様に（式１）（式２）を用いれば良い。

なお、第２の実施形態、第３の実施形態では、光強度として最大強度を測定値としたが、平均強度等を測定値としても良い。また第１乃至第３の実施形態では、被検光学系の射出瞳と評価面との距離に応じて補正を行ったが、被検光学系の射出瞳位置以外、例えば被検光学系の後方側端部と評価面との距離に応じて補正を行っても良い。

また第１の実施形態では、定量的に（式１）（式２）を用いた補正を示したが、本発明はこれに限定されない。即ち、定性的に結像面を基準面として評価面が被検光学系に近づく場合は近づく量に応じて測定値を大きくする一方、評価面が被検光学系から離れる場合は離れる量に応じて測定値を小さくするような補正であれば、如何なる補正でも良い。

同様に、第２の実施形態、第３の実施形態で、定量的に（式４）（式５）或いは（式６）（式７）を用いた補正を示したが、本発明はこれに限定されない。即ち、定性的に結像面を基準面として評価面が被検光学系に近づく場合は近づく量に応じて測定値を小さくする一方、評価面が被検光学系から離れる場合は離れる量に応じて測定値を大きくするような補正であれば、如何なる補正でも良い。

１・・被検物であるところのレーザ走査用レンズ、３・・評価基準面、４・・光学特性測定手段、５・・評価面、６・・Ｘ方向の駆動手段、７・・Ｙ方向の駆動手段、８・・副走査方向の射出瞳、９・・主走査方向の射出瞳、２０・・検査光学系、２１・・物体であるところの半導体レーザ光源、２２・・光源光学系、２３・・絞り、２４・・回転多面鏡又はポリゴンミラー、２５・・検査光学系より射出される光束

Claims (10)

1. 被検光学系の結像面近傍の複数の評価面において前記被検光学系の像特性を測定し、その測定値に基づいて前記被検光学系の光学特性を取得する測定装置であって、
   前記複数の評価面における前記被検光学系を介する光束の広がり分布の測定値を補正する補正手段を有し、
   前記補正手段により補正された前記測定値に基づいて前記被検光学系の光学特性を取得することを特徴とする測定装置。
2. 前記補正手段は、前記測定値が前記広がり分布の幅の値である場合、前記評価面が前記結像面よりも前記被検光学系に近づく場合はその近づく量に応じて前記測定値を大きくし、前記評価面が前記結像面よりも前記被検光学系から離れる場合はその離れる量に応じて前記測定値を小さくするように補正値を出力することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記補正手段は、前記測定値が前記広がり分布の光強度の値である場合、前記評価面が前記結像面よりも前記被検光学系に近づく場合はその近づく量に応じて前記測定値を小さくし、前記評価面が前記結像面よりも前記被検光学系から離れる場合はその離れる量に応じて前記測定値を大きくするように補正値を出力することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
4. 前記光強度は前記広がり分布における最大強度であることを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
5. 前記補正手段は、前記被検光学系の射出瞳と前記評価面との距離に応じて前記補正値を出力することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の測定装置。
6. 前記被検光学系は、第一の方向とそれに直交する第二の方向とで互いに異なる位置に射出瞳を備えるアナモフィックな光学系であり、前記補正手段は、前記第一の方向と前記第二の方向とで異なる補正値を出力することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の測定装置。
7. 前記測定値をＤｏ、前記被検光学系の射出瞳と前記結像面との距離をＫ、前記射出瞳と前記評価面との距離をＬ、前記補正値をＤ、とするとき、
   Ｄ＝（Ｋ／Ｌ）×Ｄｏ
   なる式を満足することを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
8. 測定値をＤｏ、前記被検光学系の射出瞳と前記結像面との距離をＫ、前記射出瞳と前記評価面との距離をＬ、前記補正値をＤ、とするとき、
   Ｄ＝（Ｌ／Ｋ）×Ｄｏ
   なる式を満足することを特徴とする請求項３又は４に記載の測定装置。
9. 前記測定値をＤｏ、前記被検光学系の射出瞳と前記結像面との距離をＫ、前記射出瞳と前記評価面との距離をＬ、前記補正値をＤ、とするとき、
   Ｄ＝（Ｌ×Ｌ／Ｋ）×Ｄｏ
   なる式を満足することを特徴とする請求項３又は４に記載の測定装置。
10. 前記測定値をＤｏ、第一の方向における前記被検光学系の射出瞳と前記結像面との距離と、前記第一の方向に直交する第二の方向における前記被検光学系の射出瞳と前記結像面の距離との積をＫｙｚ、前記第一の方向における前記射出瞳と前記評価面との距離をＬｙ、前記第二の方向における前記射出瞳と前記評価面との距離をＬｚ、前記補正値により補正された前記測定値をＤ、とするとき、
    Ｄ＝（Ｌｙ×Ｌｚ／Ｋｙｚ）×Ｄｏ
    なる式を満足することを特徴とする請求項３又は４に記載の測定装置。