JPH0464030A - 焦点位置検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、光学面の曲率半径を求める時など、光束の焦
点位置を検出する方法に関する。

〈従来の技術〉 光学面の曲率半径のＪＩＳ規格（ＪＩＳ　　Ｂ７４３３
ニュートンゲージ）による測定方法を第４図（Ａ）、　
　（Ｂ）に基ついて説明する。

凹面鏡ｌの被験面（光学面）ｌａを上に向けて載置し、
フィゾー干渉計２内の光源から発せられフィゾー参照レ
ンズ３を通して焦光する光束を、前記被験面１ａに照射
する。

フィゾー干渉計２は、照射する光束の光軸と同一方向に
上下動自由に構成されており、照射した光束は被験面１
ａて反射されフィゾー参照レンズ３を通って、フィゾー
干渉計２内に戻される。

この結果、フィゾー干渉計２から発せられた光と被験面
１ａからの反射光とが干渉しあい、フィゾー干渉計２に
よってフィゾーの干渉縞が測定される。該干渉縞は発光
光線と反射光線とか同一線上に重なるときには平行な縞
となって計測され、ずれ量か大きくなるに従って高い曲
率で湾曲した縞となって計測される。

ここで、発光光線と反射光線とか同一線上に重なるのは
、フィゾー干渉計２から発光された光束の焦点位置か被
験面１ａと一致する時（第４図（Ａ）参照、以下頂点反
射位置という）と、発光光束の焦点位置と反射光束の焦
点位置とか一致する時（第４図（Ｂ）参照、以下面反射
位置という）である。つまり、フィゾー干渉計２の移動
によって反射光束のデフォーカス量（焦点位置からのず
れ量）か変化するか、前記２つの位置では、デフォーカ
ス量か０となって波面収差か幾何光学上はＯとなり、そ
の結果フィゾーの干渉縞か平行となる。

一方、前記後者の位置における光束の焦点位置は発光光
束の焦点位置であると同時に、反射光束の焦点位置でも
あり、したかって被験面１ａの曲率中心に一致するから
、前者の位置と後者の位置との光軸方向の距離、つまり
、フィゾー干渉計２の移動量は被験面１ａの曲率半径に
等しい。

そこで、従来はフィゾーの干渉縞か平行になる前記２つ
の位置を検出し、両位置の距離を被験面の曲率半径とし
て検出していた。

〈発明か解決しようとする課題〉 このように、被験面の曲率半径等の検出においては光束
の焦点位置を検出することが必要になるか、実際には焦
点位置において光か一点に集まるわけではなく、第５図
に示すように焦点位置においても所定の光径ω。を存し
、その近傍では光軸方向に対する光径の変化量が小さく
、波面か殆と平行波となっている。したかって、波面収
差は焦α位置において０でない最小の値を有し、且つそ
の近傍では波面収差は殆と一定となる。

このため、フィゾー干渉計２によって得られる干渉縞は
前記２つの位置近傍では平行に近い状態で殆と変化せず
、精密な焦点位置検出を行えないという問題かあった。

本発明はこのような従来の問題点に鑑みなされたもので
、光束の焦点位置を高精度に検出できるようにした焦点
位置検出方法を提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 このため本発明にかかる焦点位置検出方法は、デフォー
カス量を変化させて得られる波面収差をレベルの小さい
ところでは重み付けを小さく、レベルの大きいところで
は重み付けを大きくして複数個サンプルし、該サンプル
値に基ついて焦点位置を検出する方法とする。

また、上記検出方法においてサンプル値に基ついて焦点
位置を検出する方法として、例えば、波面収差のサンプ
ル値に基づいてデフォーカス量に対する波面収差の近似
曲線を求め、該近似曲線の極小値となるデフォーカス量
に対応する位置を焦点位置として検出する方法とする。

また、同じくサンプル値に基づいて焦点位置を検出する
別の方法として、波面収差か同一の値となる一対のデフ
ォーカス量の平均値を波面収差の値を変えて複数個算出
し、該複数の平均値を平均したデフォーカス量に対応す
る位置を焦点位置として検出する方法とする。

〈作用〉 波面収差か良好である場合には、デフォーカス量を変化
させた場合、波面収差は焦点位置を中心としてデフォー
カス量の増大する２方向に略対称に変化する。

また、波面収差のレベルか小さい焦点位置に近い所では
デフォーカス量の変化に対する波面収差の変化量か小さ
く、焦点位置から離れるに従って波面収差のレベルか増
大すると共に、デフォーカス量の変化に対する波面収差
の変化量も大きくなる。

したかって、レベルの大きい波面収差の重み付けを大き
く、レベルの小さい波面収差の重み付けは小さくして波
面収差をサンプリングし、該サンプル値に基つき変化の
対称中心となる焦点位置を検出することにより、測定の
ばらつきによる焦点位置の検出誤差を小さくでき、焦点
位置を高精度に検出することかできる。

例えば、波面収差の近似曲線を求め、該近似曲線の極小
値に対応する光軸方向位置を焦点位置として検出する方
法では、該近似曲線の極小値近傍の曲率を波面収差の実
測値で求められる曲線の極小値近傍の曲率に比較して十
分小さくすることかでき、極小値に対応するデフォーカ
ス量の測定値のばらつきによる変化量は小さいため、高
精度に焦点位置を検出することかてきる。

また、波面収差か同一の値となる一対のデフォーカス量
の平均値を波面収差の値を変えて複数個算出し、該複数
の平均値を平均したデフォーカス量に対応する位置を焦
点位置として検出する方法においても、波面収差のレベ
ルが大きいところではデフォーカス量の変化に対するレ
ベル変化か大きいため、測定ばらつきによる平均値のず
れは小さく、この場合も高精度に焦点位置を検出するこ
とかできる。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

前述した被験面の曲率半径を検出する方法に適用した第
１の実施例を図に基ついて説明する。

この方法では、第４図（Ａ）で示した頂点反射位置付近
でフィゾー干渉計２を移動させなから、複数の移動位置
つまりデフォーカス量に対してフィゾーの干渉縞から波
面収差を求める。これは、第２図に示すように曲線状の
縞の基線に対する偏差ｄＷ、を各点で求め、これらの値
から標準偏差Ｗｒ　、、ｓとして求める。

そして、上記のようにして得られる複数の波面収差の中
、所定レベル以下のものは除外し、所定レベルを越える
もののみサンプリングする。

ここで、前記サンプリングの基準となる所定レベルは、
例えば波面収差Ｗの最小値Ｗ　ｍ　ｉ　ｎに対してｆ２
倍の値とする。これは、第６図に示すように一般的にレ
ーザー光の強度かガウス分布をしている時、焦点深度Ｘ
。はビーム径の焦点位置における径のｆ２倍程度となる
位置に定められ、焦点深度内では殆と平行波面となるこ
とに対応して設定したものである。

具体的には、まず、干渉縞に基づいて波面収差Ｗの凡そ
の最小値Ｗ　ｍ　ｉ　ｎを求めてから４２Ｗｍｉｎを越
えるもののみをサンプリングするようにすればよい。こ
のようにして４２Ｗｍｉｎを越える値の波面収差の複数
のサンプル値（第１図にＸ印でプロットしである）に基
づいて、最小自乗法により近似曲線を求める。例えば、
第１図の例ては、近似曲線のモデルを放物線として求め
る。

そして、前記近似曲線の極小値に対応するデフォーカス
量を当該発光光束の焦点位置として検出する。

この場合、前記近似曲線はの焦点近傍の形状（第１図で
非サンプリング領域で点線で示す）は波面収差の実際の
値て得られる曲線形状（同じく図で実線で示す）とは大
きく異なる。しかし、波面収差が良好である場合、波面
収差の曲線は焦点位置を対称とする偶関数に近い形状で
変化し、その対称中心としての焦点位置を検出すればよ
いのてあって、サンプリングを行わない焦点位置近傍の
波面収差の値は異なっていても構わないのである。

そして、実際値の曲線では極小値近傍で波面収差か殆ど
変化しないため、波面収差の測定ばらつきて極小値に対
応するデフォーカス量即ち焦点位置か大きく移動し、検
出誤差か大きくなるのに対し、本実施例の方法では、極
小値近傍の曲率か太きいため、波面収差の測定のばらつ
きによる極小値に対するデフォーカス量の移動を十分小
さくすることかでき、焦点位置の検出精度を高めること
かできるのである。

第４図（Ｂ）の面反射位置でも、上記と同様にしてフィ
ゾー干渉計２を移動しつつ波面収差の近似曲線を求め、
その極小値に対応するデフォーカス量を反射光束の焦点
位置として求める。そして、前述したように以上の２位
置の距離を被験面１ａの曲率として求める。

例えば、発光光束の焦点深度はフィゾー参照レンズ２の
屈折率ＮＡにより決まるか、ＮＡ＝０．７７で、光束の
強度かガウス分布をしている場合の焦点深度は±ＸＯ＝
±０．４６λとなる。λか０．６μｍ程度とすると、焦
点深度は±約０．３μｍになり、従来方法では焦点位置
の誤差も同等に生じることになる。これに対し、前記本
実施例の方法では、発光光束の焦点位置を±０．０２μ
ｍの精度で検出てき、また、被験面の曲率半径を有効数
字６桁という極めて高い精度で検出することかできた。

尚、本実施例のように最小自乗法で近似曲線を求める場
合は、予め波面収差のサンプリング点の取り方と測定値
ばらつきを受けにくいモデル数式を設定しておく必要が
ある。これらの設定か好ましくない場合には、やはり、
測定ばらつきの影響は大きくなってしまうからである。

具体的には、重み付けをモデル曲線の傾きの絶対値と相
関してサンプリングするのが良い。

次に第２の実施例を第３図に基づいて説明する。

本実施例では、第１の実施例と同様、ｖ’２Ｗｍｉｎを
越える値の波面収差のみをサンプリングするか、波面収
差の曲線か略偶関数曲線であるため焦点位置に対して略
対称な２位置で波面収差のレベルか同一となるので、こ
れらを２点ずつ、波面収差のレベルを変えて複数対サン
プリングする。

そして、対をなす各２点のデフォーカス量の平均値を夫
々求め、且つこれら複数個の平均値を平均して得られる
デフォーカス量に対応する位置を焦点位置として検出す
る。尚、理論上は一対のサンプル値の平均値でも焦点位
置を検出可能であるか、外乱の影響を少なくするため、
複数対の平均値を平均して検出精度を確保する。

この方法においても、波面収差のレベルか大きいところ
ではデフォーカス量の変化に対するレベル変化か大きい
ため、測定ばらつきによる平均値のずれは小さく、高精
度に焦点位置を検出することかできる。

尚、以上示した実施例では所定レベル以下の波面収差は
サンプリングしない方法について示したか、レベルの低
い波面収差のサンプリング密度をレベルの高い波面収差
のサンプリング密度と比較して十分小さくするような方
法とすることもてきる。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、焦点近傍に近い部
分のレベルの低い波面収差を焦点位置から離れたレベル
の高い波面収差より重み付けを小さ（してサンプリング
を行い、該波面収差のサンプル値に基づいて焦点位置を
検出する方法としたため、測定ばらつきの影響を受けに
くく、高精度に焦点位置を検出できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例方法による波面収差のサ
ンプリングと、該サンプル値に基づいて得られる近似曲
線を、実際値に基づく曲線と比較して示した線図、第２
図は同上の実施例でフィゾー干渉計により得られる干渉
縞と、該干渉縞から波面収差を求める方法を説明するた
めの図、第３図は本発明の第２の実施例方法による波面
収差のサンプリング方法を示す線図、第４図（Ａ）　　
（Ｂ）はフィゾー干渉計により曲率半径を求める際の頂
点反射位置と面反射位置とを示した正面図、第５図は焦
光光束の焦点位置における光径と焦点深度の関係を示し
た図、第６図はレーザー光のがウス分布を示した線図で
ある。 １ａ・・・被験面　　２・・・フィゾー干渉計　　３・
・・フィゾー参照レンズ　　Ｗ７１．・・・波面収差Ｗ
２、。・・・波面収差の極小値　　４２Ｗ、、、・・・
波面収差の非サンプリング領域境界レベル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光学系により焦光される光束の焦点位置を検出す
   る方法において、デフォーカス量を変化させて得られる
   波面収差をレベルの小さいところでは重み付けを小さく
   、レベルの大きいところでは重み付けを大きくして複数
   個サンプルし、該サンプル値に基づいて焦点位置を検出
   する焦点位置検出方法。
2. （２）波面収差のサンプル値に基づいてデフォーカス量
   に対する波面収差の近似曲線を求め、該近似曲線の極小
   値となるデフォーカス量に対応する位置を焦点位置とし
   て検出する請求項１に記載の焦点位置検出方法。
3. （３）波面収差が同一の値となる一対のデフォーカス量
   の平均値を波面収差の値を変えて複数個算出し、該複数
   の平均値を平均したデフォーカス量に対応する位置を焦
   点位置として検出する請求項１に記載の焦点位置検出方
   法。