JP7289780B2 - 偏芯計測方法および偏芯計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の被検面を含む被検光学系の偏芯を計測する技術に関する。

被検光学系を構成する複数のレンズのそれぞれの光軸からのずれ（偏芯）を計測する方法としてオートコリメーション法がある。この方法では、照明光学系の一部を光軸方向に移動させて特定の指標を被検面の見かけ上の曲率中心に投影し、計測基準軸に対する被検面からの反射像の位置に基づいて被検面の偏芯量を算出する。

特許文献１には、光源からの光をその集光点を調整する照明光学系を通して被検面に照射し、被検光学系を回転させて反射像を撮像したときの反射像の回転半径と回転方向を計測することで被検面の偏芯量を求める方法が開示されている。特許文献２には、被検光学系を回転させずに照明光学系の一部を光軸に直交する方向に移動させ、被検面の反射像が基準位置に位置するときの移動量から、偏芯量を計測する方法が開示されている。

特許文献３には、照明光学系の調整誤差による計測精度の低下を抑制するために、被検面で反射した計測光が平行光となるように被検面に照明光を照明する方法が開示されている。特許文献４には、複数の照明光を複数の被検面に照射して、複数の被検面の偏芯を同時に計測する方法が開示されている。

特開２００６－１１２８９６号公報 特許第４４７４１５０号公報 特開２０００－２０５９９８号公報 特開２０１０－２４９５４３号公報

特許文献１～３に開示された方法では、各被検面の偏芯を計測するために対物レンズを光軸方向に移動させる必要があり、計測に時間を要する。また特許文献４に開示された方法では、必要な光学部品（特にハーフミラー）が多いので、迷光が発生し易く、計測に使用する光の強度が低下して計測精度が低下し易い。

本発明は、被検光学系の偏芯を短時間で高精度に計測できるようにした偏芯計測方法および偏芯計測装置を提供する。

本発明の一側面としての偏芯計測方法は、複数の被検面を含む被検光学系の偏芯を計測する方法であり、互いに収束角または発散角が異なる複数の照明光を照明光学系を通して被検光学系に照射するステップと、複数の被検面のそれぞれで反射した複数の反射光を受光センサにより受光し、該受光センサからの出力を用いて偏芯を計測するステップとを有する。さらに複数の被検面のうち最も照明光学系側の被検面から受光センサに向かう複数の反射光のそれぞれの見掛け上の発散点または収束点を該複数の反射光のそれぞれの基準点とするとき、複数の反射光の前記基準点が互いに一致する又はより近づくように照明光学系を調整するステップをさらに有することを特徴とする。なお、上記偏芯計測方法を用いて、複数の被検面を含む光学系の偏芯を計測するステップと、偏芯の計測結果を用いて被検光学系の調芯を行うステップとを有する光学系の製造方法も、本発明の他の一側面を構成する。

また本発明の他の一側面としての偏芯計測装置は、複数の被検面を含む被検光学系の偏芯を計測する装置であり、互いに収束角または発散角が異なる複数の照明光を被検光学系に照射する照明光学系と、複数の被検面のそれぞれで反射した複数の反射光を受光する受光センサと、受光センサからの出力を用いて偏芯を計測する計測手段とを有する。複数の被検面のうち最も照明光学系側の被検面から見たときの複数の反射光のそれぞれの見掛け上の発散点または収束点を該複数の反射光のそれぞれの基準点とするとき、照明光学系は、複数の反射光の基準点が互いに一致する又は近づくように調整可能な構成を有することを特徴とする。

本発明によれば、被検光学系の偏芯を短時間で高精度に計測することができる。

本発明の実施例１，２の偏芯計測装置の構成を示す図。 実施例１における複数の反射光の基準点を示す図。 実施例２における接合レンズを示す図。 実施例２における偏芯計測方法を示すフローチャート。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１である偏芯計測装置の構成を示している。光源１から発せられた照明光は、光ファイバ２を通って分岐部３に入射して３つに分割される。光源１は、単色の可視光（例えば緑色光）を発するレーザーダイオードである。分岐部３で分割されて光ファイバ４ａ，４ｂ，４ｃを通った３つの照明光はそれぞれ、コリメータ５ａ，５ｂ，５ｃによって平行光に変換される。

平行光に変換された３つの照明光はそれぞれ、対物レンズ６ａ，６ｂ，６ｃによって互いに収束角が異なる３つの収束光または互いに発散角が異なる３つの発散光に変換され、ペリクルミラー（ハーフミラー）７ａ，７ｂ，７ｃで反射されて被検光学系８に照射される。光ファイバ４ａ～４ｃ、コリメータ５ａ～５ｃ、対物レンズ６ａ～６ｃおよびペリクルミラー７ａ～７ｃによって照明光学系が構成される。

照明光学系から被検光学系８に照射される各収束光の収束点または各発散光の発散点の位置は、対物レンズ６（ａ～ｃ）を光軸方向に移動させる又は焦点距離が異なる対物レンズと交換することによって調整することができる。

被検光学系８は、複数のレンズにより構成され、互いに曲率が異なる複数（本実施例では３つ）のレンズ面としての被検面を含む。被検光学系８は、偏芯計測装置に設けられたレンズマウント９に装着されて保持されている。

３つの収束光または発散光としての照明光は、３つの被検面でそれぞれ反射され、ペリクルミラー７を透過して結像レンズ１０に入射し、該結像レンズ１０によって単一の受光センサ１１上に集光（結像）される。これにより、受光センサ１１上に３つの光スポット（反射像）が形成される。受光センサ１１は各光スポットの２次元光強度分布を電気信号に変換することができるＣＭＯＳセンサまたはＣＣＤセンサである。

コンピュータ（計測手段）１２は、受光センサ１１から出力された電気信号を用いて光スポットの位置（スポット座標）を取得し、該スポット座標の情報を用いて被検面の偏芯量を算出（計測）する。本実施例では、図１の紙面における左右方向に延びる軸をＸ軸とし、上下方向に延びる軸をＺ軸とし、紙面に垂直な方向に延びる軸をＹ軸とする。

なお、本実施例では３つの照明光および反射光を用いる場合について説明するが、２つや４つ以上の照明光および反射光を用いる場合でも、光ファイバ、コリメータ、対物レンズおよびペリクルミラーの数を２つまたは４つ以上とすればよい。また、被検面が４つ以上ある場合は、対物レンズ６の移動または交換によって未計測の被検面からの反射光のスポット座標を取得するという工程を繰り返して、全ての被検面からの反射光のスポット座標を取得してもよい。

本実施例では、被検光学系８における被検面の数をＮ（≧３）、被検面を照明光学系側から第ｉ面（ｉ＝１，２，３，…）、対物レンズ６（ａ～ｃ）の焦点距離をｆｑ（ｑ＝ａ，ｂ，ｃ）とする。また全て（Ｎ枚）の被検面で反射し、該Ｎ枚の被検面のうち最も照明光学系側の被検面から受光センサ側に向かう複数（Ｎつ）の反射光のそれぞれの見掛け上の発散点または収束点を該複数の反射光のそれぞれの基準点とする。最も照明光学系側の被検面から受光センサ側に向かう反射光（発散光または収束光）は球面波であり、その球面波の見掛け上の球心位置が基準点である。

このとき、複数の反射光の基準点が互いに一致する又はより近づくように対物レンズ６（ａ～ｃ）の光軸方向での位置を調整する。言い換えれば、本実施例における照明光学系は、上記のように対物レンズ６（ａ～ｃ）の光軸方向での位置を調整可能な構成を有する。

図２は、３つの被検面８ａ，８ｂ，８ｃのそれぞれからの反射光１４ａ′，１４ｂ′，１４ｃ′である３つの発散光の基準点（見掛け上の発散点）１３ａ，１３ｂ，１３ｃを示している。最も照明光学系側の被検面（以下、第１面ともいう）８ａに入射した収束光としての照明光１４ａは、該被検面８ａで反射して反射光１４ａ′となって受光センサ側に向かう。この反射光１４ａ′を照明光の進行方向に延長した破線１４ａ″が被検光学系８の光軸と交差する点が反射光１４ａ′の基準点１３ａである。

第１面８ａを透過して照明光学系側から２番目の被検面（以下、第２面ともいう）８ｂに入射した収束光としての照明光１４ｂは、該被検面８ｂで反射して反射光１４ｂ′となり、第１面８ａを透過して受光センサ側に向かう。この第１面８ａを透過した反射光１４ｂ′を照明光の進行方向に延長した破線１４ｂ″が被検光学系８の光軸と交差する点が反射光１４ｂ′の基準点１３ｂである。

第１面８ａおよび第２面８ｂを透過して照明光学系側から３番目の被検面（以下、第３面ともいう）８ｃに入射した収束光としての照明光１４ｃは、該被検面８ｃで反射して反射光１４ｃ′となり、第２面８ｂおよび第１面８ａを透過して受光センサ側に向かう。第１面８ａを透過した反射光１４ｃ′を照明光の進行方向に延長した破線１４ｃ″が被検光学系８の光軸と交差する点が反射光１４ｃ′の基準点１３ｃである。

なお、図示はしないが、３つの被検面のそれぞれからの反射光が収束光である場合の基準点も、同様に、第１面から受光センサ側に向かう反射光の収束点である。

対物レンズ６の光軸方向の位置の計算方法について説明する。まず被検光学系８の設計値である被検面の曲率半径、屈折率および面間隔の値を用いて近軸光線追跡を行う。その際、被検光学系８の第１面８ａと基準点との間の間隔をｓとするとき、第１面８ａに光線高さが１で光軸に対する傾き角（収束角または発散角）が－１／ｓの照明光を入射させ、被検面（第ｉ面）８ａ～８ｃのそれぞれで反射して第１面から受光センサ側に向かう光線の高さｈｉと傾き角（発散角または収束角）αｉを計算する。そして、対物レンズ６主平面と第１面８ａとの間の間隔をＬｉとするとき、間隔Ｌｉは次式（１）で表される。

式（１）を満足する位置に対物レンズ６ａ～６ｃをそれぞれ配置すると、被検面８ａ～８ｃで反射した３つの反射光は互いに一致する基準点を持つ球面波の光となる。このため、被検光学系８の第１面と結像レンズ１０との間の間隔をａ、結像レンズ１０と受光センサ１１との間の間隔をｂ、結像レンズ１０の焦点距離をｆｉｍとするとき、次式（２）を満足すれば、全ての反射光が結像レンズ１０によって受光センサ１１上に結像される。

ここで、見掛けの基準点を変えなければ、結像レンズ１０と受光センサ１１の位置は被検光学系８によらず固定でよい。このため、被検光学系ごとに結像レンズ１０と受光センサ１１のアライメントの必要性を低減することができる。また、全ての反射光の基準点を無限遠に設定すれば、これら反射光がいずれも平行光となるため、結像レンズ１０は光軸上のどこに配置してもよくなり、よりアライメントの必要性を低減することができる。

また本実施例では、３つの反射光が受光センサ１１上に３つの光スポットを形成するが、どの光スポットがどの被検面からの反射光により形成されたものかを特定する必要がある。この特定を容易に行うために、３つの反射光を短い時間差を設けて順次、受光センサ１１上に導く方法がある。また、被検面の反射率が既知であれば、受光センサ１１における光スポットの光強度を予め想定することができるので、３つの光スポットの光強度の違いから、どの光スポットがどの被検面からの反射光により形成されたものかを特定することも可能である。

さらには、被検光学系８の設計値から反射光の光束径を計算し、該光束径から受光センサ１１上における光スポットの大きさを計算することができる。このため、計算された光スポットの大きさと実際に検出された光スポットの大きさとを比較することで、どの光スポットがどの被検面からの反射光により形成されたものかを特定することも可能である。加えて、３つの照明光として互いに波長が異なる３色光を用い、カラー受光センサにより光スポットを検出することで、どの光スポットがどの被検面からの反射光により形成されたものかを特定することも可能である。

図１に示したように、光ファイバ４ａからの照明光は、受光センサ１１までペリクルミラー７ａ～７ｃを合計４回、反射および透過するため、受光センサ１１上での光スポットの光強度は光ファイバ４ａからの照明光の光強度の１／１６となる。同様に、光ファイバ４ｂ，４ｃからの照明光はそれぞれ、受光センサ１１までペリクルミラー７ａ～７ｃを合計５回および６回、反射および透過するため、受光センサ１１上での光スポットの光強度は光ファイバ４ｂ，４ｃからの照明光の光強度の１／３２および１／６４となる。このため、被検光学系８に反射率が低い接合面を有する接合レンズが含まれている場合には、比較的光強度が高い光ファイバ４ａからの照明光を用いて接合面を計測することが望ましい。

また、対物レンズ６ｃと被検光学系８との間に３つのペリクルミラー７ａ～７ｃが配置されているため、対物レンズ６ｃから被検光学系８までの距離を短くすることが難しい。このため、間隔Ｌｉの値が大きい被検面からの反射光を光ファイバ４ｃからの照明光を用いて計測し、間隔Ｌｉの値が小さい他の被検面からの反射光を光ファイバ４ａからの照明光を用いて計測することが望ましい。

従来のオートコリメーション法では、光が対物レンズを２回通るため、被検光学系に対する入射と反射とで異なる対物レンズを透過して受光センサに到達する迷光によって誤差が発生する可能性がある。これに対して実施例では、光は対物レンズ６（ａ～ｃ）を１回しか透過せず、被検面で反射した後はペリクルミラー７（ａ～ｃ）を透過して結像レンズ１０によって受光センサ１１上に結像される。このため、オートコリメーション法と比較して、迷光が大幅に低減される。

さらにより高精度に被検面の偏芯量を計測するために、光軸回りで回転する回転ステージにより被検光学系８を回転させ、そのときに光スポットが描く円の軌跡の半径と回転角度が０であるときの光スポットの回転中心に対する方位とから偏芯量を計測してもよい。

本実施例によれば、簡易な光学構成でありながら、迷光を低減し、複数の被検面の偏芯を短時間で高精度に計測することができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例の偏芯計測装置の構成は実施例１と同じであり、本実施例において実施例１と共通する構成要素には実施例１と同符号を用いる。

本実施例では、被検光学系８が、図３に示すように照明光学系側からら順に配置された２枚のレンズＬ１，Ｌ２を接合した接合レンズである。これら２枚のレンズＬ１，Ｌ２の間には紫外線硬化剤が塗布されており、紫外線を照射することで２枚のレンズＬ１，Ｌ２が接着される。なお、２枚のレンズＬ１，Ｌ２の接合面（Ｓ２）の曲率半径はともに同じであるため、偏芯量を計測する被検面の数は照明光学系側から８ａ，８ｂおよび８ｃの３つである。

図４のフローチャートは、本実施例における偏芯計測方法（光学系の製造方法）の流れを示している。ステップ（図ではＳと略記する）１では、実施例１と同様に、対物レンズ６ａ～６ｃを含む照明光学系を通して３つの照明光を３つの被検面８ａ～８ｃに照射する。この際、式（１）を満足するように、すなわち３つの被検面８ａ～８ｃで反射した反射光の基準点が互いに一致する（またはより近づく）ように対物レンズ６ａ～６ｃを光軸方向に移動させたり異なる焦点距離を有するものと交換したりする。これにより、３つの被検面８ａ～８ｃからの３つの反射光は、結像レンズ１０と受光センサ１１を式（２）を満足する位置に配置することで、受光センサ１１上に結像する。

次にステップ２では、コンピュータ１２に、受光センサ１１で検出された３つの反射光の光スポットの重心位置を計算させる。

次にステップ３では、コンピュータ１２に、ステップ２で算出された３つの光スポットの重心位置と被検光学系８の設計値である被検面Ｓ１～Ｓ３の曲率半径、面間隔および屈折率を用いて、図３に示す３つの被検面（第１～３面）Ｓ１～Ｓ３の曲率中心Ｔ１～Т３を近軸光線演算によって算出させる。

次にステップ４では、コンピュータ１２に、接合レンズのレンズＬ２の偏芯量を計算させる。具体的にはまず、レンズＬ１の第１面Ｓ１の曲率中心Ｔ１と第２面Ｓ２の曲率中心Ｔ２を通る直線（図３に破線で示す）を計算させ、さらに該直線とレンズＬ２の第３面Ｓ３の曲率中心Ｔ３との間の距離Ａを計算させる。レンズＬ２の偏芯量はその距離Ａに等しい。距離Ａが０である場合は、すなわち第３面８ｃの曲率中心Т３が曲率中心Ｔ１，Ｔ２を通る直線上に位置する場合は、レンズＬ１に対するレンズＬ２の偏芯量が０であることを意味する。

次にステップ５では、コンピュータ１２に、レンズＬ２の偏芯量が所定の許容値より大きいか否かを判定させる。偏芯量が許容値以下である場合はステップ６に進み、許容値より大きい場合はステップ７に進む。

ステップ６では、接合レンズに対して紫外線を照射し、紫外線硬化剤を硬化させて２つのレンズＬ１，Ｌ２を接合する。こうして被検光学系８の製造が完了する。

一方、ステップ７では、偏芯量を０にするように又は近づけるようにレンズＬ１に対するレンズＬ２の調芯を行って、ステップ２に戻る。

本実施例では、接合レンズが２枚のレンズにより構成される場合について説明したが、３枚のレンズ（Ｌ１～Ｌ３）により構成されてもよい。この場合は、光ファイバ４、コリメータ５、対物レンズ６およびペリクルミラー７をそれぞれ４つ設け、受光センサ１１によって４つの光スポットを検出する。そしてコンピュータ１２に、４つの光スポットの位置から４つの被検面（第１～４面）の曲率中心を計算させ、レンズＬ１の第１面と第２面の曲率中心を通る直線を計算させる。さらに、その直線とレンズＬ３の第３面および第４面の曲率中心との距離（偏芯量）を計算させる。こうして得られた偏芯量（計測結果）を用いて、レンズＬ３と中央のレンズＬ２のレンズＬ１に対する調芯を行う。

本実施例によれば、接合レンズの偏芯計測および調芯を短時間で精度良く行うことができる。また上記各実施例では、被検光学系８の偏芯計測前に照明光学系（対物レンズ）の調整を行うので、実際の偏芯計測を短時間で行うことができる。
（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１ 光源
４ａ～４ｃ 光ファイバ
５ａ～５ｃ コリメータ
６ａ～６ｃ 対物レンズ
７ａ～７ｃ ペリクルミラー
８ 被検光学系
１０ 結像レンズ
１１ 受光センサ
１２ コンピュータ
１３ａ～１３ｃ 反射光の基準点

Claims (8)

1. 複数の被検面を含む被検光学系の偏芯を計測する方法であって、
   互いに収束角または発散角が異なる複数の照明光を照明光学系を通して前記被検光学系に照射するステップと、
   前記複数の被検面のそれぞれで反射した複数の反射光を受光センサにより受光し、該受光センサからの出力を用いて前記偏芯を計測するステップとを有し、
   前記複数の被検面のうち最も前記照明光学系側の被検面から前記受光センサに向かう前記複数の反射光のそれぞれの見掛け上の発散点または収束点を該複数の反射光のそれぞれの基準点とするとき、前記複数の反射光の前記基準点が互いに一致する又はより近づくように前記照明光学系を調整するステップをさらに有することを特徴とする偏芯計測方法。
2. 前記照明光学系を調整するステップにおいて、前記複数の反射光のそれぞれの前記基準点を無限遠に位置させるように前記照明光学系を調整することを特徴とする請求項１に記載の偏芯計測方法。
3. 前記照明光学系を調整するステップにおいて、前記複数の照明光を前記被検光学系に時間差を設けて照射することを特徴とする請求項１または２に記載の偏芯計測方法。
4. 前記複数の照明光の波長が互いに異なることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の偏芯計測方法。
5. 前記受光センサ上に前記反射光により形成される光スポットの光強度または大きさを用いて、前記複数の反射光のそれぞれが反射した被検面を特定することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の偏芯計測方法。
6. 前記反射光は、固定された光学系を通して前記受光センサ上に結像されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の偏芯計測方法。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の偏芯計測方法を用いて、複数の被検面を含む光学系の偏芯を計測するステップと、
   前記偏芯の計測結果を用いて前記被検光学系の調芯を行うステップとを有することを特徴とする光学系の製造方法。
8. 複数の被検面を含む被検光学系の偏芯を計測する装置であって、
   互いに収束角または発散角が異なる複数の照明光を前記被検光学系に照射する照明光学系と、
   前記複数の被検面のそれぞれで反射した複数の反射光を受光する受光センサと、
   前記受光センサからの出力を用いて前記偏芯を計測する計測手段とを有し、
   前記複数の被検面のうち最も前記照明光学系側の被検面から見たときの前記複数の反射光のそれぞれの見掛け上の発散点または収束点を該複数の反射光のそれぞれの基準点とするとき、前記照明光学系は、前記複数の反射光の前記基準点が互いに一致する又は近づくように調整可能な構成を有することを特徴とする偏芯計測装置。

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