JP6964791B2 - 投影とシュリーレンとの複合型光学試験システム - Google Patents
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Description
本発明は、投影及びシュリーレンの光学試験の技術分野に関し、具体的には、投影とシュリーレンとの複合型光学試験システムに関する。
可視光学材料又は赤外光学材料における縞は、光学部品の結像品質に影響を与える材料欠陥であり、このような欠陥に対して投影試験装置によって定性試験を行うことは一般的であり、試験の要求をより詳しくするために、シュリーレン試験装置によって半定量試験を行う必要がある。投影試験装置とシュリーレン試験装置に適用される光学原理は、異なっている。投影試験装置には、図１のａ）及び図１のｂ）に示すように、望遠光学系又は平行光の原理が適用される。シュリーレン試験装置には、図２に示すように、撮影光学系の原理が適用される。そのため、それらは、別々に投影試験装置とシュリーレン試験装置との２つの装置として設計されなければならない。光学材料の縞の異なる目的の試験に対応するように、投影試験装置とシュリーレン試験装置との２つの異なる試験装置を用意する必要がある。
光学材料の縞の定性及び半定量の試験要求を満たすために、投影試験装置及びシュリーレン試験装置を兼ね備えることが要求され、これは試験装置のユーザに高い設備コストをもたらし、試験装置の配置空間を多く占め、また別々に２つの設備での試験による手間や時間消費を増やす。
本発明は、如何に投影光学系とシュリーレン光学系との機能を１つの光学系に融合して、投影試験装置及びシュリーレン試験装置の２つの試験装置を別々に設計や製造することによる資源浪費や高コスト、並びに２組の装置の占める配置空間を低減させるという技術課題を解決しようとする。
上記技術課題を解決するために、本発明は、平行光源システム１、第１の正レンズ２、絞り３、第２の正レンズ４、検出器５、負レンズ７、ナイフエッジ８及び試料台９を含む投影とシュリーレンとの複合型光学試験システムを提供する。
前記平行光源システム１からの平行光の均一性は一般的な閾値よりも高く、前記平行光源システム１のスペクトルは、試験試料の透明スペクトル内にあり、且つ検出器５の作動応答スペクトル内にある。
投影とシュリーレンとの複合型光学試験システムは、投影試験装置として使用される場合、光路方向で順次に前記平行光源システム１、試料台９、第１の正レンズ２、絞り３、第２の正レンズ４、検出器５が配置され、試料台９に試験試料４０１が配置され、前記絞り３として可変開口絞りが採用され、平行光源システム１によって試料台９に置かれた試験試料４０１に照射し、第１の正レンズ２の像焦点に前記絞り３を配置して、第２の正レンズ４の物焦点と第１の正レンズ２の像焦点とを重ね合わせ、望遠システムの放大倍率で入射された平行光の直径を小直径に圧縮して平行光を射出し、圧縮された出射平行光を検出器５に照射するための望遠光学系を形成し、前記望遠光学系の出射口径が検出器５の有効検出面のサイズにマッチし、第１の正レンズ２の焦点距離が第２の正レンズ４の焦点距離より大きく、且つ第１の正レンズ２の口径が第２の正レンズ４の口径より大きい。
投影とシュリーレンとの複合型光学試験システムは、シュリーレン装置として使用される場合、絞り３を取り除いて、第１の正レンズ２と第２の正レンズ４とを互いに近接させて、焦点距離がシュリーレン試験の所望の焦点距離であるシュリーレンシステムの撮影対物レンズ７０１に組み合わせ、第１の正レンズ２と第２の正レンズ４からなる撮影対物レンズ７０１を全体として移動させ、撮影対物レンズ７０１が試験試料４０１における欠陥を検出器５に結像するという光学結像関係を形成し、撮影対物レンズ７０１の物距離と像距離との比は試験試料４０１の口径と検出器５の有効サイズとの比であり、また試験の時に、ナイフエッジ８を撮影対物レンズ７０１の像焦点に位置させて、光軸に垂直である方向に沿って移動させて、試験を行う。
好ましくは、前記第１の正レンズ２、第２の正レンズ４、負レンズ７の何れもレンズ群である。
好ましくは、前記平行光源システム１の光源として、狭域スペクトル光源を採用する。
好ましくは、前記システムは、検出器５の感知したデータに対して収集、処理及び表示を行うためのデータ収集、処理及び表示システム６を更に含む。
好ましくは、前記データ収集、処理及び表示システム６は、更に、検出及び収集された試験試料４０１における縞次数、面積及び階調に対して材料欠陥の定性的スケールの評価を行うことに用いられる。
好ましくは、試験試料４０１に対して全口径試験を行うとすれば、第１の正レンズ２の口径は、試験試料４０１の口径よりも大きく設けられる。
好ましくは、投影とシュリーレンとの複合型光学試験システムが投影試験装置として使用される場合、前記第２の正レンズ４を負レンズ７に取り替えて、且つ前記負レンズ７の物焦点と前記第２の正レンズ４の像焦点とを重ね合わせる。
好ましくは、投影とシュリーレンとの複合型光学試験システムが投影試験装置として使用される場合、前記望遠光学系の出射口径Ｄ２を検出器５の有効サイズＳに等しく設計する。
好ましくは、入射光口径Ｄ１の前記望遠光学系により圧縮された口径をＤ２とし、圧縮係数はｋであり、ｋは第２の正レンズ４の焦点距離ｆ２を第１の正レンズ２の焦点距離ｆ１で割ったものであり、つまりｋ＝ｆ２／ｆ１であり、望遠光学系の出射口径Ｄ２＝ｋＤ１である。
本発明は、１組の試験システムにおいて、２つのレンズを移動させる光学特性の組み合わせを適用することで、別々に投影望遠光学系及びシュリーレン撮影光学系を形成し、１組の光学系装置が投影光学系及びシュリーレン光学という２つの機能を有することを達成させる。本発明によれば、２つの異なる光学原理による２つの光学試験機能の装置を１つの装置で達成させ、試験装置の設計や製造費用を大幅に節約すると共に、試験装置の機能を増やし、試験作業を便利に進展させ、試験設備の配置空間を節約する。
本発明の目的、内容、及びメリットをより明確にするために、以下、添付図面及び実施例に合わせて、本発明の発明を実施するための最良の形態を更に詳しく説明する。
本発明の発明者により、試験試料の視方向（すなわち、本説明書の図面に示す試験試料の右方）で、２つのレンズを適用して異なる間隔で変化させて組み合させることで、望遠光学系及び撮影光学系を別々に形成することができ、１台の装置で投影試験及びシュリーレン試験の２つの機能を別々に達成させることができることは発見される。
本発明は、投影光学系及びシュリーレン光学系の光学結像の本質に対する突っ込んだ把握に基づいて、２つの光学レンズ同士の巧妙な組合関係を適用して、投影光学系とシュリーレン光学系との複合型の光学系を作成する。
図３に示すように、本発明の提供する投影とシュリーレンとの複合型光学試験システムは、平行光源システム１、第１の正レンズ２、絞り３、第２の正レンズ４、検出器５、データ収集、処理及び表示システム６、負レンズ７、ナイフエッジ８、試料台９からなる。収差の打ち消しの要求に応じて、第１の正レンズ２、第２の正レンズ４、負レンズ７は、レンズ群であってよい。第１の正レンズ２の焦点距離は第２の正レンズ４の焦点距離より数倍も長く、且つ第１の正レンズ２の口径も第２の正レンズ４の口径より大きい。
平行光源システム１からの平行光は、高均一性の平行光（輝度均一性が一般的に５％以下でなければならない）であるべき、光源の均一性がよいほど、試験の結果より現実的になるが、そうでなければ、光源自体の不均一性が試料の均一性の問題とされ、試料の問題を正確に反応できず、大きな試験誤差をもたらす。
平行光源システム１のスペクトルは、試験試料の透明スペクトル内にあり、且つ検出器５の作動応答スペクトル内にあるべきである。光源としては、広域スペクトル光源を使用してもよいし、狭域スペクトル光源を使用してもよく、狭域スペクトル光源で試験する場合より正確であるが、検出器が試料の低階調の縞に応答できるように、十分量の光束を要求する（光源の出力電力を高く要求する）。
図４に示すように、投影とシュリーレンとの複合型光学試験システムを投影試験装置として使用しようとする場合、光路方向で（左から右へ）順次に前記平行光源システム１、試料台９、第１の正レンズ２、絞り３、第２の正レンズ４、検出器５が配置され、試料台９に試験試料４０１が配置され、前記絞り３として可変開口絞りが採用され、平行光源システム１によって試料台９に置かれた試験試料４０１に照射し、第１の正レンズ２の像焦点に前記絞り３を配置して、第２の正レンズ４の物焦点と第１の正レンズ２の像焦点とを重ね合わせ、望遠システムの放大倍率で入射された平行光の直径を小直径に圧縮して平行光を射出し、圧縮された出射平行光を検出器５に照射する望遠光学系を形成し、データ収集、処理及び表示システム６は、検出器５の感知したデータに対して収集、処理、表示を行い、更に、検出及び収集された試験試料４０１における縞次数、面積及び階調に対して材料欠陥の定性的スケールの評価を行う。
試験試料４０１に対して全口径試験を行うとすれば、第１の正レンズ２の口径は、試験試料４０１の口径より大きくなければならない。
投影とシュリーレンとの複合型光学試験システムは、画像を表示するには図１及び図２におけるスクリーンを採用せず、検出器５によって試験画像を受信し、またデータ収集、処理及び表示システム６によって試験画像を収集、処理及び表示し、試験試料４０１の試験画像を保存及び分析できるようにし、試験試料のデータのファイル管理及び技術データの累積を容易にする。
図４における第２の正レンズ４は負レンズ７に取り替えられてもよく、この場合、投影の望遠システムの結像関係が図５に示されている。図４における第２の正レンズ４の像焦点と図５における負レンズ７の物焦点とが重なり合い、正レンズと負レンズからなる投影システムによって器具の占める空間を小さくすることができる。
図４及び図５における望遠光学系の出射口径は、図６に示すように、検出器５の有効検出面のサイズにマッチするべきである。図６において、前記望遠光学系の出射口径Ｄ２が検出器５の有効サイズＳより大きくあるべきでもなければ、小さくあるべきでもなく、大きくなると、試験試料４０１の一部の試験領域が溢れ出て、試料全体の欠陥状況を得ないが、小さくなると、試験試料４０１の試験領域の画像があまり圧縮されて、欠陥の細部を見分けにくくなる。
入射光口径Ｄ１の前記望遠光学系により圧縮された口径はＤ２であり、圧縮係数はｋであり、ｋは第２の正レンズ４の焦点距離ｆ２を第１の正レンズ２の焦点距離ｆ１で割ったものであり、つまりｋ＝ｆ２／ｆ１であり、望遠光学系の出射口径Ｄ２＝ｋＤ１であり、ｋは１より小さい数である。
投影とシュリーレンとの複合型光学試験システムをシュリーレン装置として使用しようとする場合、図７に示すように、図４における第１の正レンズ２と第２の正レンズ４とを互いに近接させて、シュリーレンシステムの撮影対物レンズ７０１を組み合わせ、絞り３を取り除く。図７において、第１の正レンズ２と第２の正レンズ４との距離が小さいほど、その両者からなる撮影対物レンズ７０１の焦点距離は短くなり、撮影対物レンズ７０１の焦点距離がシュリーレン試験の所望の焦点距離となるまでにする。
図８に示すように、第１の正レンズ２と第２の正レンズ４からなる撮影対物レンズ７０１を全体として移動させ（一定の組合関係を保持する）、撮影対物レンズ７０１が試験試料４０１における欠陥を検出器５に結像するという光学結像関係を形成し（結像関係を組み立てる間に、試験試料４０１と検出器５との位置は、結像の要求に応じて調整されてよい）、撮影対物レンズ７０１の物距離と像距離との比は試験試料４０１の口径と検出器５の有効サイズとの比である。試験の時に、ナイフエッジ８を撮影対物レンズ７０１の像焦点に位置させて、光軸に垂直である方向に沿って移動させて、試験を行う。
光学材料の屈折率均一性の試験については、一般的に、まず投影光学系によって大まかな試験を行い、試験材料の屈折率均一性が合格の境の状態にある場合、更に、シュリーレン光学系によって半定量の精密な試験を行うことが要求され、また、材料の屈折率均一性の問題を分析する場合にも、シュリーレン光学系によって詳しく分析することが要求される。本発明によれば、２つの異なる光学原理による２つの光学試験機能の装置を１つの装置で達成させ、試験装置の設計や製造費用を大幅に節約すると共に、試験装置の機能を増やし、試験作業を便利に進展させ、試験設備の配置空間を節約する。
本発明の複合型投影及びシュリーレン光学系は、可視光、赤外等の光学材料の縞試験に加えて、気体、液体の動きフィールドの均一性に対する試験にも適用され、１台の設備によって投影及びシュリーレンの２つの試験設備の機能を完成することができる。
上記は、単に本発明の好適な実施形態であり、指摘すべきなのは、当業者であれば、本発明の技術原理から逸脱せずに、若干の改善や変形を加えてもよく、これらの改善や変形も本発明の保護範囲として見なされるべきである。
１ 平行光源システム
２ 第１の正レンズ
３ 絞り
４ 第２の正レンズ
５ 検出器
６ データ収集、処理及び表示システム
７ 負レンズ
８ ナイフエッジ
９ 試料台
４０１ 試験試料
Ｄ１ 望遠光学系の入射口径
Ｄ２ 望遠光学系の出射口径
Ｓ 検出器の有効サイズ
７０１ 撮影対物レンズ
２ 第１の正レンズ
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７ 負レンズ
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Ｄ２ 望遠光学系の出射口径
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７０１ 撮影対物レンズ
Claims (9)
- 平行光源システム（１）、第１の正レンズ（２）、絞り（３）、第２の正レンズ（４）、検出器（５）、負レンズ（７）、ナイフエッジ（８）及び試料台（９）を含む投影とシュリーレンとの複合型光学試験システムにおいて、
前記平行光源システム（１）からの平行光の均一性は一般的な閾値よりも高く、前記平行光源システム（１）のスペクトルは、試験試料の透明スペクトル内にあり、且つ検出器（５）の作動応答スペクトル内にあり、
投影試験装置として使用される場合、光路方向で順次に前記平行光源システム（１）、試料台（９）、第１の正レンズ（２）、絞り（３）、第２の正レンズ（４）、検出器（５）が配置され、試料台（９）に試験試料（４０１）が配置され、前記絞り（３）として可変開口絞りが採用され、平行光源システム（１）によって試料台（９）に置かれた試験試料（４０１）に照射し、第１の正レンズ（２）の像焦点に前記絞り（３）を配置して、第２の正レンズ（４）の物焦点と第１の正レンズ（２）の像焦点とを重ね合わせ、望遠システムの拡大倍率で入射された平行光の直径を小直径に圧縮して平行光を射出し、圧縮された出射平行光を検出器（５）に照射するための望遠光学系を形成し、前記望遠光学系の出射口径が検出器（５）の有効検出面のサイズにマッチし、第１の正レンズ（２）の焦点距離が第２の正レンズ（４）の焦点距離より大きく、且つ第１の正レンズ（２）の口径が第２の正レンズ（４）の口径より大きく、
シュリーレン装置として使用される場合、絞り（３）を取り除いて、第１の正レンズ（２）と第２の正レンズ（４）とを互いに近接させて、焦点距離がシュリーレン試験の所望の焦点距離であるシュリーレンシステムの撮影対物レンズ（７０１）に組み合わせ、第１の正レンズ（２）と第２の正レンズ（４）からなる撮影対物レンズ（７０１）を全体として移動させ、撮影対物レンズ（７０１）が試験試料（４０１）における欠陥を検出器（５）に結像するという光学結像関係を形成し、撮影対物レンズ（７０１）の物距離と像距離との比は試験試料（４０１）の口径と検出器（５）の有効サイズとの比であり、また試験の時に、ナイフエッジ（８）を撮影対物レンズ（７０１）の像焦点に位置させて、光軸に垂直である方向に沿って移動させて、試験を行うことを特徴とする投影とシュリーレンとの複合型光学試験システム。 - 前記第１の正レンズ（２）、第２の正レンズ（４）、負レンズ（７）の何れもレンズ群であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- 前記平行光源システム（１）の光源として、狭域スペクトル光源を採用することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- 検出器（５）の感知したデータに対して収集、処理及び表示を行うためのデータ収集、処理及び表示システム（６）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- 前記データ収集、処理及び表示システム（６）は、更に、検出及び収集された試験試料（４０１）における縞次数、面積及び階調に対して材料欠陥の定性的スケールの評価を行うことに用いられることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
- 前記第１の正レンズ（２）の口径は、試験試料（４０１）の口径よりも大きく設けられることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- 投影試験装置として使用される場合、前記第２の正レンズ（４）を負レンズ（７）に取り替えて、且つ前記負レンズ（７）の物焦点と前記第２の正レンズ（４）の像焦点とを重ね合わせることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- 投影試験装置として使用される場合、前記望遠光学系の出射口径Ｄ２を検出器（５）の有効サイズＳに等しく設計することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
- 入射光口径Ｄ１の前記望遠光学系により圧縮された口径をＤ２とし、圧縮係数はｋであり、ｋは第２の正レンズ（４）の焦点距離ｆ２を第１の正レンズ（２）の焦点距離ｆ１で割ったものであり、つまりｋ＝ｆ２／ｆ１であり、望遠光学系の出射口径Ｄ２＝ｋＤ１であることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のシステム。
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