JPH0784221A

JPH0784221A - 集光用光学装置とこれに付加される光学的付加装置及びこれらを用いた測定機器

Info

Publication number: JPH0784221A
Application number: JP5228899A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Takada; 勝浩高田; Tadashi Kasahara; 正笠原; Yoshiaki Kanbe; 祥明神戸
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1993-09-14
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 1995-03-31

Abstract

(57)【要約】【目的】実用上有効な焦点深度の拡大を行う。【構成】瞳面に入射する光束を、全入射エネルギーの
５０％より大なるエネルギーを通過させる内側円盤状部
分とこれより少ないエネルギーを透過させる外側輪帯部
分とに分割し、これら２つの部分を夫々透過する光に１
／２波長の位相差を持たせる位相制御手段を設け、本来
の焦点の光軸方向前後の２点に焦点が位置するとみなす
ことができる二重焦点光学系とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はビームの投光などに際し
て用いられる集光用光学装置とこれに付加される光学的
付加装置及びこれらを用いた測定機器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】集光光学系には焦点深度が有限であると
いう基本的性質がある。また、一般の写真撮影などにお
いて問題となる焦点深度は、幾何光学的に計算される錯
乱円の直径によって与えられるが、光の波動的性質が問
題となるような光学装置においては、焦点深度は光の収
束点（焦点）における回折像の強度分布を基礎として検
討されなければならないことは広く知られている。

【０００３】集光光学系において、収差が存在しない場
合、光の波動エネルギーは、図８に示すように、射出瞳
から焦点を中心とする球面波ｗとなって射出し、焦点面
（焦点を通り光軸に垂直な平面）上にエアリーパターン
と呼ばれるエネルギー分布が生ずる。そして観測面を光
軸方向に移動させた場合は、焦点ずれ（デフォーカス）
が発生するため、集中する光の位相が一様でなくなり、
エアリーパターンは急速に崩れて光軸上での強度が低下
し、ｘｙなる座標軸をもつ観測面にＩ(x,y)という回折
像強度分布を生ずる。

【０００４】ここにおいて、図９に示すように、波面Ｗ
ＯＷ’の光はすべて等しい位相で焦点Ｆに集まるので、
この位置には上述のようにエアリーパターンといわれる
回折分布を生ずるが、光軸上で左方向に２ｆ²λ／ａ²
（ａは射出瞳の半径、ｆは球面波の半径でレンズ系１の
焦点距離に相当する量、λは光の波長）だけ移動したＤ
点で観測すれば、この位置に対して波面上のＰ点（ａ／
２^1/2の通過点）より外の輪帯と、これより内側の円内
の光とでその位相が１／２波長ずれてしまうために、光
軸上の光強度はほぼゼロとなって光のエネルギーがリン
グ状に分散されてしまうために、所謂焦点ボケの現象が
生じるものであり、観測点を焦点Ｆの右方向に２ｆ²λ
／ａ²だけ移動したＤ’点においた時には上記Ｄと対称
にボケが生ずる。この焦点ボケが、焦点深度の値を決定
している。

【０００５】そして、焦点深度の値は、光学系を実用化
するにあたっての実用範囲を制限することになるため
に、焦点深度を深くして実用範囲の制限を緩めることが
求められている。焦点深度を深くすることについてのも
っとも簡単な手段は、光学系を絞り込んで細い光束を用
いることである。しかし、絞り込むと開口数の二乗に反
比例して光のエネルギーが減少してしまう上に、光の波
動的性質が問題となるような場合には、回折像の中心核
の大きさが光束の太さに反比例して大きくなってしまう
ために、無制限に光束を細くすることはできない。

【０００６】通常レンズよりも焦点深度が深いものとし
て、中心部を遮蔽した輪帯開口を持つレンズ系が知られ
ている。しかし、回折像の周囲に大きなハローが発生す
るとともに、焦点を外れた位置においてドーナツ状のボ
ケを生ずるために、反射望遠鏡や顕微鏡照明系などの用
途で従来から用いられているにすぎない。また、その後
の回折理論に基づく計算から、細い輪帯開口のレンズ系
は、輪帯開口と等しい開口数を持つ通常レンズよりも回
折像の中心核の直径が小さくなり、高い空間周波数の像
を作るには有利であることが知られるようになり、この
利点を生かしたレンズが１９５０年代より特殊用途に用
いられている。しかし、このものにおいても、回折像の
周りに強いリングが発生してハローを生じ、像のコント
ラストが低下することは避けられない。輪帯状に吸収が
変化するようなフィルターを写真レンズに装着すること
によってデフォーカスされた光学系の光学的伝達関数曲
線（ＯＴＦ）特性を改善する試みも行われたが、十分な
効果はあげられていない。

【０００７】一方、回折像の周りに生ずるリングの強度
を抑制する手段が１９６０年前後にフランスを中心とし
て研究された結果、光学系の開口の周辺部になだらかな
吸収を与えることが有効であることが知られるようにな
り、この点と先に示した輪帯開口とを組み合わせること
により、焦点深度が深く、しかもハローの発生の少ない
光学系が提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この場合、焦点深度が
ある程度深くなってはいるものの、伝達される光の量が
減少すること、周辺に向かってなだらかに透過率が変化
するフィルターの製造が難しいこと、ガウス分布を持つ
レーザービームには適用困難であるといった問題を有し
ている。

【０００９】フレネルゾーンプレート構造を持つ光学素
子をフィルターとしてレンズに付加することにより深度
を拡大することも提案されてはいるが、この種のフィル
ターを用いた場合には、フィルターを装着しない場合の
結像点が複数個の焦点に分割されて光軸上に配置される
ことに、つまりは不連続な焦点深度を持つことになり、
しかも各焦点位置において強いハローが発生するので実
用的ではない。

【００１０】本発明はこのような点に鑑み為されたもの
であり、その目的とするところは実用上有効な焦点深度
の拡大がなされた集光用光学装置とこれに付加される光
学的付加装置及びこれらを用いた測定機器を提供するに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】しかして本発明は、瞳面
に入射する光束を、全入射エネルギーの５０％より大な
るエネルギーを通過させる内側円盤状部分とこれより少
ないエネルギーを透過させる外側輪帯部分とに分割し
て、これら２つの部分を夫々透過する光に１／２波長の
位相差を持たせる位相制御手段を設けている集光用光学
装置を主たる特徴とし、上記位相制御手段を備えて集光
光学系に付加される光学的付加装置並びに上記集光用光
学装置を投光用光学系として用いている測定機器に他の
特徴を有している。

【００１２】

【作用】図１に示すように、半径ａの射出瞳を持つ集光
用のレンズ系１の半径ｒ（ｒ＝ａ／２^1/2) で囲まれた
円盤状の中央部分と、周辺の輪帯部分とを通過する光に
１／２波長の位相差が生じるように、上記中央部分に例
えば蒸着薄膜２を付加した場合、焦点Ｆの位置について
は、位相差を与えた部分と与えていない部分との振幅総
和が打ち消す作用をするために、焦点Ｆにおける光の集
中は消滅してしまうのに対して、この光学系の焦点Ｆよ
りも２ｆ²λ／ａ²だけ光軸方向にずれたＤ点において
は、焦点ずれによって発生する輪帯位相差と、上記蒸着
薄膜２で与えられる位相差とが互いに打ち消す作用をす
るために、あたかもＤ点に焦点が移動したような回折光
分布が生じる。これは逆方向にずれたＤ’点においても
同様であるために、この光学系では焦点における光の集
中が消滅し、代わってＤ点及びＤ’点に焦点が分裂する
という結果となり、所謂二重焦点光学系を作ることがで
きるものであり、この場合、焦点Ｆにおける集光能力は
図９に示した通常レンズの場合の対応する位置に比べて
低下するものの、Ｄ，Ｄ’点においては、通常レンズの
場合の対応する点よりも結像性能が向上するものであ
り、この結果として、焦点深度有効範囲が拡大されるも
のである。

【００１３】射出波面の特定部分に１／２波長の位相差
を与えることで焦点付近における光の集中状態を制御す
ることができることを利用して上述のように焦点深度を
拡大するとともに、焦点Ｆにおける集光状態の低下を極
力避けたい場合には、ｒの値を０．９５ａ＞ｒ＞０．７５ａの範囲で選択することによって目的を達成することがで
きる。

【００１４】尚、光学系の射出波面の特定部分に１／２
波長の位相差を与えることは、射出波面の当該特定部分
以外の波面部分に対して１／２波長の位相差を与えても
全く同じ効果をもたらすことは物理学的に公知であり、
従って本発明においてある範囲に対して１／２波長の位
相差を付加すると述べた場合は、その範囲外に１／２波
長の位相差を与えるが、当該範囲には位相差を与えない
ということと等価である。

【００１５】

【実施例】以下本発明を図示の実施例に基づいて詳述す
ると、図２に示す実施例では、２枚のレンズ１１，１２
で構成される集光レンズ系１のうちの適当なレンズ１１
の片面の中央部に、アルミナ、二酸化ジルコン、二酸化
チタン、酸化セリウム、フッ化マグネシウム、フッ化セ
リウムのうちの少なくとも一つを材料とする誘電体の蒸
着薄膜２を形成して、中央部と周辺の輪帯部とを夫々透
過する光の間に１／２波長の位相差が生じるようにして
いる。蒸着薄膜２を付加した範囲は、瞳面に入射する光
束の全入射エネルギーの５０％より大なるエネルギーを
通過させる範囲としている。

【００１６】図３に示すように、屈折率を持つ素子以外
に屈折力を持たない光学素子（フィルター）３を付加し
て、この光学素子３の所要範囲に蒸着薄膜２を形成し、
これを光学系の適当な場所に配置してもよい。図４に示
すように、蒸着薄膜２を備えた光学素子３をレンズ系１
に対して光軸方向に相対的に移動させることができるよ
うにしておけば、蒸着薄膜２を透過する光と透過しない
光との比を調節して、焦点深度の範囲を任意に調節する
ことができるものとなる。

【００１７】１／２波長の位相差を与える手段として、
現在、もっとも一般的である蒸着薄膜２を用いたものを
示したが、近年、光学素子の製造にプラスチックあるい
は硝子を直接型押し成型することによってレンズ形状を
精密に創製する技術が確立されているために、この型押
し成型手段を用いて直接行うことも可能である。ところ
で、光学系の結像性能の評価には、ＯＴＦ曲線が用いら
れるが、ＯＴＦ曲線は場合によってかなり複雑な形の曲
線となるために、焦点深度を一義的に表示するには適当
ではなく、これに代わる目安としてＳＤ(Strehl Intenn
sity)強度が用いられることが多い。このＳＤ強度はＳＤ＝Ｉ₀／Ｉ₀₀ ・・・・・・・ (1) で与えられる。（Ｉ₀は問題とする光学系の回折像にお
ける光軸上の強度、Ｉ₀₀は等しい開口数をもつ無収差光
学系の回折像の光軸上強度）このＳＤ強度はＯＴＦ曲線を周波数について積分した量
に比例する性質をもっているために、ＯＴＦ曲線が多少
複雑な形をもっていても、光学系の性能をおおまかに表
現するのに便利であり、デフォーカスを与えた場合にお
けるＳＤ強度の変化を調べることによって光学系の焦点
深度を評価することができるのであるが、使用目的によ
っては必ずしも十分に光学系の性能評価ができるとは限
らない。たとえば最近しばしば用いられる測定系に、レ
ーザーから出たビームの集光点付近に被測定物を置き、
上記ビームを横方向に走査して受光系に入射する光エネ
ルギーの時間変化を高速に測定することで被測定物の寸
法（外径）を測定するものがあるが、この場合、光スポ
ットの光量分布の一次元方向の重心が問題となり、上記
ＳＤ強度は評価に不適である。

【００１８】このために、ここでは次のＧ，Ｈの二つの
値を定義し、これらの値のデフォーカスによる変化を調
べることにより、中央部と周辺部とを透過する光の間に
位相差を設けた場合の焦点深度について評価すると、次
のようになる。尚、以下の式中のＩ(x,y)という関数
は、式(1)のところで示したＩ₀₀の値によって正規化さ
れたものとする。

【００１９】

【式１】

【００２０】ただし

【００２１】

【式２】

【００２２】

【式３】

【００２３】ただし

【００２４】

【式４】

【００２５】Ｈという量の物理的な意味は、回折像強度
分布を一次元方向に積分した関数の標準偏差を与えるも
ので、回折像のハローの大きさを判断する目安となる。
またＧという値は、回折像の一次元方向への累積強度の
原点における微係数であって、回折像強度分布をナイフ
エッジのようなもので走査した場合、エッジ応答関数の
光軸上における傾斜角を与える。尚、(2)(3)(4)(5)の式
における結像面における横座標の単位としては、実寸法
ｘの代わりに標準化された座標

【００２６】

【式５】

【００２７】を用いると、求められた結果を光学系の開
口数及び波長に関係なく使用できるので便利である。
尚，Ｎは問題とする光学系の開口数である。図５〜図７
は上記(1)(2)(4)の式で説明した評価量のデフォーカス
による変化を理論計算で示したものをグラフ化したもの
で、横軸のデフォーカス量は、Ｎ²δ／λを単位として
いる。

【００２８】図５(a)において、曲線イは図９に示した
通常の光学系、曲線ロは図１に対応して射出瞳の半分の
面積（ｒ＝ａ／２^1/2) に１／２波長の位相差を与えた
光学系のデフォーカスに対するＳＤの値の変化を示して
おり、図５(b)(c)は同じ状態でのＨ，Ｇの値のデフォー
カスによる変化を示している。また図６における曲線ハ
は蒸着薄膜２の半径ｒを０．８７ａとした場合、曲線ニ
は半径ｒを０．８ａとした場合を示している。蒸着薄膜
２の半径ｒを選択することで光学系の焦点深度を変化さ
せることができることがこれらの図からも明らかであ
る。

【００２９】ただし、蒸着薄膜２の半径ｒを小さくして
射出瞳の中央部における１／２波長位相差を与える面積
の瞳面積に対する比率を５０％より小さくすると、図１
で示した二重焦点位置はＦ点に近づくだけでなく、回折
像の周りに発生するリングに配分されるエネルギー強度
が増加してハローが大きくなるために実用的でないこと
が計算によって明らかになる。

【００３０】また、ここまでは光源からレンズ系１に入
射する光が一様なエネルギー分布をもつものと仮定し、
蒸着薄膜２の半径ｒもこの仮定に基づく値で示したが、
断面におけるエネルギー分布が振幅についてガウス関数
となっているレーザービーム、つまり、光束断面の中心
部におけるエネルギー密度がもっとも高く、周辺におい
て減衰する傾向をもっている光束についても、本発明を
適用することができる。すなわち、レンズ系１を通過す
る光束のエネルギーの中心５０％部分と、輪帯状外周部
分に分割して相互に１／２波長の位相差を与えること
で、光軸上の焦点は前後２つの焦点に分裂して二重焦点
光学系となり、部分部分の半径ｒを変化させることで系
の焦点深度を変化させることができる。

【００３１】図７に示すものは、最大開口数の位置にお
いて振幅が中心部の１３％程度に減衰するガウス分布の
光束が入射するような光学系に対して本発明を適用した
場合を示しており、図中の曲線ホはレンズ系の瞳に全く
位相差を与えない場合、曲線ヘは瞳の中心部半径５７％
の円盤状部分に１／２波長の位相差を与えた場合、曲線
トは瞳の中心部半径７７％の円盤状部分に１／２波長の
位相差を与えた場合のデフォーカスによる特性変化を示
している。

【００３２】ガウス分布の光が入射する場合は、一般的
に一様分布の光が入射する場合よりも焦点深度が深くな
るが、本発明を適用することによりさらに自由に焦点深
度を選択することが可能である。また焦点深度を拡大し
ようとすると結像点の周りのハローが著しく大きくなる
傾向があるが、ガウス分布の光は、開口の周辺部におい
て著しく振幅が小さいために、基本的に回折像のハロー
が小さいという特性をもっており、本発明においてガウ
ス分布の光を用いることは、焦点深度が極めて深くしか
もハローの発生が少ない極めて有用な光学系を実現する
ことになる。

【００３３】例えば、三角測距法によるレーザ変位計の
投光レンズに本発明のレンズ系１を用いれば、レーザー
ビームの細い領域が投光軸方向に長くなるために、この
範囲内の広い範囲において測距精度を高く保つことがで
きるものとなり、またレーザー外径測定器のコリメート
光学系に用いた場合には、レーザービームの細い領域が
光軸方向に長いことから、被測定物体が光軸方向にその
位置を変化させた時にも、高い精度での安定した測定が
可能となる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明における集光用光学
装置及び光学的付加装置は、瞳面に入射する光束を、全
入射エネルギーの５０％より大なるエネルギーを通過さ
せる内側円盤状部分とこれより少ないエネルギーを透過
させる外側輪帯部分とに分割して、これら２つの部分を
夫々透過する光に１／２波長の位相差を持たせる位相制
御手段を設けているために、所謂二重焦点光学系を作る
ことができて、焦点深度有効範囲を拡大することができ
るものである。

【００３５】また上記集光用光学装置を投光用光学系と
して用いた測定機器においては、測定精度の安定化に大
きく寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の説明図である。

【図２】一実施例を示すもので、(a)は断面図、(b)は正
面図である。

【図３】他の実施例を示すもので、(a)は正面図、(b)は
断面図である。

【図４】別の実施例を示す断面図である。

【図５】(a)(b)(c)はいずれも特性図である。

【図６】(a)(b)(c)はいずれも特性図である。

【図７】(a)(b)(c)はいずれも特性図である。

【図８】回折像強度分布の説明図である。

【図９】従来例の説明図である。

【符号の説明】

１レンズ系２蒸着薄膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】瞳面に入射する光束を、全入射エネルギ
ーの５０％より大なるエネルギーを通過させる内側円盤
状部分とこれより少ないエネルギーを透過させる外側輪
帯部分とに分割して、これら２つの部分を夫々透過する
光に１／２波長の位相差を持たせる位相制御手段を設け
ていることを特徴とする集光用光学装置。
【請求項２】光学系を構成する要素光学系の表面上の
外側輪帯部分または内側円盤状部分に誘電体蒸着薄膜を
形成して１／２波長の位相差を持たせていることを特徴
とする請求項１記載の集光用光学装置。
【請求項３】光学系を構成する要素光学系の表面上の
外側輪帯部分または内側円盤状部分に、その要素光学系
の型押し成形時に１／２波長の位相差を持たせているこ
とを特徴とする請求項１記載の集光用光学装置。
【請求項４】位相制御手段は、付加的に装着されるフ
ィルターのような光学要素に設けられていることを特徴
とする請求項１記載の集光用光学装置。
【請求項５】位相制御手段は光の発散または収斂する
空間に配されるとともに光軸方向の位置が可変とされた
屈折力を持たない光学要素に設けられていことを特徴と
する請求項１記載の集光用光学装置。
【請求項６】位相制御手段は、アルミナ、二酸化ジル
コン、二酸化チタン、酸化セリウム、フッ化マグネシウ
ム、フッ化セリウムのうちの少なくとも一つを材料とす
る薄膜であることを特徴とする請求項１記載の集光用光
学装置。
【請求項７】集光光学系に付加される屈折力を持たな
い光学的付加装置であって、入射する光束を、全入射エ
ネルギーの５０％より大なるエネルギーを通過させる内
側円盤状部分とこれより少ないエネルギーを透過させる
外側輪帯部分とに分割して、これら２つの部分を夫々透
過する光に１／２波長の位相差を持たせる位相制御手段
を備えていることを特徴とする光学的付加装置。
【請求項８】集光光学系における発散光束または収斂
光束中にその光軸方向位置が可変として配されるもので
あることを特徴とする請求項７記載の光学的付加装置。
【請求項９】請求項１に記載の集光用光学装置を投光
手段における投光用光学系として用いていることを特徴
とするレーザー変位計。
【請求項１０】請求項１に記載の集光用光学装置をコ
リメート光学系に用いていることを特徴とするレーザー
外径測定器。