(57)【要約】【課題】撮像用レンズである回折光学素子によって集光した回折光を任意の波長域において、微弱な光でも検出し、スポット光の光量、回折効率や光軸方向の輝度分布を簡便に精度よく評価することが可能な測定方法および評価装置を提供する。【解決手段】白色光源１１から出射した光が波長帯域通過フィルタ１２を通過し、ピンホールスリット１３により光が絞られる。その光がコリメートレンズ１４により平行光にされ、撮像用レンズである回折光学素子１６に入射する。回折光学素子１６を出た光は集光してスポット光１７となり、顕微鏡１８によって拡大されＣＣＤ１９に投影される。ＣＣＤ１９は距離変更部材５６により回折光学素子１６からの距離が変更されて光軸方向の輝度分布が測定される。また、光軸に垂直な面内輝度分布も計測される。【選択図】図１
2008072709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色光源から出射する光を、フィルターを通過させて特定波長域の光とするフィルター工程と、
前記特定波長域の光を回折光学素子からなる撮像用レンズに入射させる入射工程と、
前記撮像用レンズによって集光されてスポット光となった光を拡大させる拡大工程と、
前記拡大されたスポット光を、複数画素を有する光検出素子に投影させる投影工程と、
前記スポット光の光軸方向において前記光検出素子と前記撮像用レンズとの間の距離を変更させる距離変更工程と
を含み、
前記光軸に垂直な面内における前記スポット光の面内輝度分布と、該光軸方向における軸方向輝度分布とを前記光学検出素子によって測定する、回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項２】
さらに前記面内輝度分布に基づいて前記スポット光の光量を算出する、請求項１に記載されている回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項３】
前記白色光源から出射する光あるいは前記特定波長域の光を絞る工程をさらに含む、請求項１または２に記載されている回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項４】
算出された前記スポット光の光量に応じて、前記拡大工程における光の拡大倍率を変更させる工程をさらに含む、請求項１から３のいずれか一つに記載されている回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項５】
前記複数画素のうち一部の画素が検出した輝度を用いて前記光量を算出する、請求項２に記載されている回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項６】
前記回折光学素子の光軸と前記特定波長域の光の光軸とがなす角度を変更する角度変更工程をさらに含む、請求項１から５のいずれか一つに記載されている回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項７】
白色光源と、
前記白色光源から特定波長域の光を取り出すフィルターと、
撮像用レンズである回折光学素子を載せるマウントと、
前記回折光学素子によってスポット光として集光された前記特定波長域の光を拡大する光学拡大部材と、
拡大された前記スポット光の輝度分布を検出する複数画素を備えた光検出素子と、
前記スポット光の光軸方向において前記光検出素子と前記撮像用レンズとの間の距離を変更する距離変更部材と
を備えた、回折光学素子の光学特性測定装置。
【請求項８】
前記回折光学素子の光軸と前記特定波長領域の光の光軸とがなす角を変更する角度変更部材をさらに備えた、請求項７に記載されている回折光学素子の光学特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子の光学特性測定方法および光学特性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光の回折現象を利用した光学素子がさまざまな分野で利用されている。図１０に一般的な回折光学素子１２２を示す。この回折光学素子１２２は、平板に三角波状の溝を平行に形成したものである。この回折光学素子１２２に光を入射させると０次、１次、２次・・・といった次数の回折光に分離される。以下、各次数の回折光の回折効率評価方法を具体的に説明する。【０００３】
図１１はナイフエッジ法と呼ばれる回折効率評価方法を説明する図である。レーザ光１２１を回折光学素子１２２に入射させると、各次数の回折光が光軸に対し垂直方向に分離されて結像する。その結像されたスポット光を、ナイフの刃のような、端辺がスポット径に比べて十分長く薄い遮光板１２３を用いて遮り、一定間隔でスキャンし、通過した分のスポット光の強度をフォトディテクタ１２４で測定する。得られた強度分布から強度の差分を計算し、この差分から各次数の回折効率を算出できる。【０００４】
また、特許文献１では、回折溝が同心円状に形成され、各次数の回折スポット光の結像点が同一直線状に形成される回折光学素子の回折効率測定に関して開示されている。その測定方法は、レーザ光をコリメータレンズで平行にして回折光学素子に入射させ、回折光学素子によって集光された光を顕微鏡で拡大し観察するものである。このとき、各次数のスポット光には重なりが生じるが、不要な次数の光を省くために回折スポット光の周辺にピンホールスリットを設置しその影響を遮断している。回折効率の算出には、まず、回折光学素子がない状態での透過光量を測定することでこれを入射光量とし、次に、各々の次数の回折スポット光についてピンホールスリットを通過してきた光量を求めることにより行っている。【０００５】
しかし、上記の２つの方法には以下の問題があった。【０００６】
一般的な回折効率評価方法であるナイフエッジ法では、光軸に対して垂直に複数の回折スポット光が並んで形成される場合しか用いることができず、回折溝が同心円状に形成された回折光学素子は光軸に沿って複数の回折スポット光が並んで形成さるため、ナイフエッジ法では評価はできない。【０００７】
また、特許文献１は、同心円状に形成された回折光学素子の評価を行っているが、評価光源にレーザ光を用いているので、光ピックアップ用レンズを対象としており単波長に対する回折効率評価しかできない。また、光源として光量を十分稼ぐことができるレーザ光を前提としており、ある程度の波長幅を持った光源はレーザ光に比べて光量が少ないため特許文献１の方法では対応できない。【０００８】
また、特許文献１の方法では不要な次数のスポット光の影響を遮断するためにピンホールスリットを用いているが、各回折スポット光、スポット径に対応するようにさまざまな穴径のスリットを準備する必要がある。正確な評価にはぴったりとスポットサイズとスリットサイズを一致させるのが理想的であるが、ピンホールスリットを用いた評価では限界がある。さらに、特許文献１の実施の形態２では、回折効率を求める際に回折光学素子の代わりに非球面レンズに光を通した際の光量値を事前に求めておきそれを入射光量値としている。しかしこの方法では、わざわざ回折光学素子と同一有効径のレンズを準備する必要があり煩わしい。
【特許文献１】特開平０９−１９６８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
さらに特許文献１に記載された方法は光ピックアップ用レンズを対象としており、撮像用レンズとして使用される回折光学素子の評価には用いることは非常に困難である。従来は撮像用レンズ用途の回折光学素子を評価するには、平行線や図形を描いたチャートを回折光学素子を通して結像させてその像を観察して線や図形の歪みやぼけ具合を見る方法しかなかったが、この方法では回折光学素子を具体的にどのように修正していったらよいかという情報を数値データとして得ることが困難であり、回折光学素子の修正作業を容易には行うことができなかった。【００１０】
これらの撮像用途の回折光学素子の評価における課題を解決すべく、本発明は、撮像用レンズである回折光学素子によって集光した回折光を任意の波長域において、微弱な光でも検出し、スポット光の光量、回折効率や光軸方向の輝度分布を簡便に精度よく評価することが可能な測定方法および評価装置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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の回折光学素子の光学特性測定方法は、白色光源から出射する光を、フィルターを通過させて特定波長域の光とするフィルター工程と、前記特定波長域の光を回折光学素子からなる撮像用レンズに入射させる入射工程と、前記撮像用レンズによって集光されてスポット光となった光を拡大させる拡大工程と、前記拡大されたスポット光を、複数画素を有する光検出素子に投影させる投影工程と、前記スポット光の光軸方向において前記光検出素子と前記撮像用レンズとの間の距離を変更させる距離変更工程とを含み、前記光軸に垂直な面内における前記スポット光の面内輝度分布と、該光軸方向における軸方向輝度分布とを前記光学検出素子によって測定する構成とした。【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の回折光学素子の光学特性測定装置は、白色光源と、前記白色光源から特定波長域の光を取り出すフィルターと、撮像用レンズである回折光学素子を載せるマウントと、前記回折光学素子によってスポット光として集光された前記特定波長域の光を拡大する光学拡大部材と、拡大された前記スポット光の輝度分布を検出する複数画素を備えた光検出素子と、前記スポット光の光軸方向において前記光検出素子と前記撮像用レンズとの間の距離を変更する距離変更部材とを備えた構成とした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、撮像用レンズである回折光学素子を通過し集光した回折光の回折効率を任意の波長域で評価することが可能であり、回折光学素子の評価を迅速かつ簡便に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】回折スポット光の測定装置を表す図
【図２】各次数の回折スポット測定方法を表す図
【図３】ＣＣＤ上における像を示す図
【図４】ＣＣＤ上における像（再集光スポット）の光量分布図
【図５】斜入射時の回折スポット光の評価方法を表す図
【図６】レンズ中心と回転軸を表す図
【図７】回折光学素子からの回折光を測定するフローを示した図
【図８】Ｇフィルタを通した際の最大輝度分布図
【図９】各波長の最大輝度分布図
【図１０】一般的な回折光学素子を示す図
【図１１】従来の回折光学素子からの回折光の測定装置を表す図
【符号の説明】
【００１５】
１１      白色光源
１２      波長帯域フィルタ
１３      ピンホールスリット
１４      コリメータレンズ
１５      絞り
１６      回折光学素子（被検レンズ）
１７      スポット光
２０ａ    スポット光のＣＣＤ上における像（再集光スポット）
１８      顕微鏡
１９      ＣＣＤ
３４      評価エリア
５０      マウント
５１      角度可変機構
５２      光軸
５４      演算装置
５６      距離変更部材
６２      レンズ中心軸
６３      回転軸
１２２    一般的な回折光学素子
１２１    レーザ光
１２３    ナイフのような鋭い刃
１２４    フォトディテクタ
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。【００１７】
（実施の形態１）
図１は、回折溝が同心円状な輪帯構造に形成された回折光学素子１６（撮像用レンズ）のスポット光の光学特性を評価するための測定装置を表している。また、図７は回折光学素子１６の光学特性の測定方法を示したフローである。測定される光学特性は、回折光学素子１６からの出射スポット光の光量や光軸方向輝度分布および光軸に垂直な面内の輝度分布等である。【００１８】
光源（白色光源）１１から発せられた白色光は波長帯域通過フィルタ１２を通過して任意の波長帯域の光のみが透過してくる。これが光源からの白色光出射工程Ｓ１とフィルター工程Ｓ２とである。【００１９】
その特定波長域の透過光をピンホールスリット１３へ照射して光を絞り（第１絞り工程Ｓ３）、ピンホールスリット１３から出てきた入射光をコリメータレンズ１４によって平行にし（コリメート工程Ｓ４）、平行光を絞り１５で絞って（第２絞り工程Ｓ５）被検対象である回折光学素子１６に入射させる（入射工程Ｓ６）。なお、回折光学素子１６はマウント５０に載せられて測定装置に固定されている。【００２０】
回折光学素子１６は入射光を集光させる（集光工程Ｓ７）。集光された像（＝スポット光１７）をより正確に評価すべく、顕微鏡１８を用いて対物レンズによりスポット光１７を拡大し（拡大工程Ｓ８）、顕微鏡１８の結像レンズによりＣＣＤ１９上に投影させ再結像させる（投影工程Ｓ９）。即ち、スポット光１７を顕微鏡１８によって拡大するとは、回折光学素子１６によって集光された像を拡大することである。顕微鏡１８とＣＣＤ１９との間の距離は顕微鏡１８で定められた設定値で固定する。ＣＣＤ１９からの輝度情報をモニタや演算装置５４等に繋ぐことによりスポット光量や光軸に垂直な面における面内輝度分布、スポット径といった評価を詳細にする（評価工程Ｓ１１）ことが可能となる。また、距離変更部材５６を用いて顕微鏡１８とＣＣＤ１９とを一体として光軸方向に移動させて、光軸方向の各位置におけるスポット光量や面内輝度分布、スポット径を測定する（距離変更工程Ｓ１０）。さらに拡大工程Ｓ８において、拡大倍率を適宜変更させてもよい。評価については後述する。【００２１】
ここで、光源１１は使用目的に応じて、赤外光や紫外光を用いてもよい。その際、光源１１、波長帯域通過フィルタ１２はそれに合わせて適当なものにする必要がある。また、波長帯域通過フィルタ１２を用いることにより、単波長に対するスポット光評価ではなく、ある程度幅をもった任意の波長範囲におけるスポット光の集光状態を評価することが可能となるため、波長幅に起因する回折光学素子１６の収差の評価ができる。また、回折光学素子１６の白色光に対するスポット光評価をする際には、光源１１として白色光源を用いさえすれば、特に波長帯域通過フィルタ１２を設置する必要はない。【００２２】
また、使用する光源によっては、必要に応じてＩＲカットフィルタ等の不要な光を省くフィルタを設置することが好ましい。これら各種フィルタの設置場所は、光源１１とピンホールスリット１３の間である必要はなく、回折光学素子１６と顕微鏡１８の間、もしくは、顕微鏡１８とＣＣＤ１９の間でもよい。【００２３】
ピンホールスリット１３は回折光学素子１６の被写体に相当するため、入射光量に問題なければ、ピンホールスリット１３の径をより小さくすることで、より点光源に近い構成にすることができる。逆に、入射光量が少なければピンホールスリット１３の径を大きくすることで対応可能である。【００２４】
コリメータレンズ１４は、ピンホールスリット１３からの入射光を平行にすることにより無限遠被写体を仮想的に構成するために用いているが、任意の被写体位置に対する結像光を評価する場合には、コリメータレンズ１４を必要とせず、適当な位置にピンホールスリット１３を設置すればよい。また、回折光学素子１６の絞り１５の設置位置は回折光学素子１６の光学設計により決まる。レンズの構成枚数、回折面数も任意であり同様の評価が可能である。【００２５】
次に、図２を用いて、各回折次数のスポット光評価の方法を説明する。【００２６】
回折光学素子１６からの射出光は、１次光１７ａ、０次光１７ｂといったように各次数のスポット光が光軸上にそれぞれ分離されて集光される。撮像用レンズでは通常１次光を利用するので、評価対象の１次光のスポット光１７ａを拡大するために顕微鏡１８を移動させＣＣＤ１９上に再結像させる。このとき、ＣＣＤ１９も顕微鏡１８とセットで移動させる。これは拡大倍率を一定に保つためである。顕微鏡１８とＣＣＤ１９との位置決めは、ＣＣＤ１９上の像を観察しながらある程度フォーカスが合う位置を見つけ、その周辺で輝度が最大になる位置を見つけるようにして行えばよい。このとき、評価対象の１次光のスポット光１７ａ以外の次数のスポット光、例えば、０次光のスポット光１７ｂは、顕微鏡１８の位置の関係上、ＣＣＤ１９上では集光せず大きく広がるため、１次光のスポット光１７ａの輝度および光量測定に対する影響は小さい。実際に、顕微鏡１８によりスポット光１７ｂも拡大されるためＣＣＤ１９の撮像エリアからはみ出すほど十分に広がり、ＣＣＤ１９の１ピクセルあたりの輝度値への影響は十分小さくなる。【００２７】
図３はＣＣＤ１９上における像を表したものである。評価対象の１次光のスポット光１７ａを評価する際は、不要な０次の回折光１７ｂ等の影響をなるべく最小限に抑えるべく、評価エリア３４を１次光のスポット光１７ａの結像像（＝再集光スポット２０ａ）に合わせて小さくするとよい。再集光スポット２０ａからはＣＣＤ１９において複数の画素によって各点の輝度が計測されてその測定データから面内輝度分布が測定される。ここで３３は、ＣＣＤ１９の位置における０次光の結像像である。また、光源１１の光量が小さいために１次光のスポット光１７ａの光量が微弱でＣＣＤ１９による検出が難しい際は、適宜顕微鏡１８の倍率を低倍率にして再集光スポット２０ａの密度を高めるとよい。【００２８】
撮像用途のレンズでは、利用する回折スポット光は１つの次数によるものであるのが理想的であり、その他の次数の回折スポット光の光量は最小限に抑える必要がある。そこで、必要となる次数の回折スポット光の評価時のみスポット光の詳細がわかるよう顕微鏡１８を高倍率にして評価し、その他の微弱な不要な次数の回折スポット光の評価時には評価可能な程度の低倍率にするとよい。【００２９】
次に、再集光スポット２０ａの光量の求め方を図４を用いて説明する。まず、評価エリア３４においてＣＣＤ１９の全ピクセルが測定した輝度の中で輝度が最大である最大輝度値Iｍａｘを求める。再集光スポット２０ａのｘ、ｙ方向（光軸に垂直な面内における直交する２方向）の輝度分布がガウス分布であると仮定すると、式１により再集光スポット２０ａの光量Ｅが求まる。ここで光量Ｅとは、スポットが投影されている全ピクセルの輝度値を全て足し合わせたものである。ただし図４右側に示すように、ｗは、Iｍａｘ／ｅ２以上の輝度値をもつピクセルの集合をスポットと判断した際の再集光スポット２０ａの半径である。【００３０】
【数１】
2008072709.tif 000003
【００３１】
ここでＩ（ｒ）とは、スポット中心から半径ｒの距離にあるＣＣＤ１９の画素が測定した輝度値である。【００３２】
また、入射光が斜めに入射した時等において回折スポット光１７ａが楕円形状であるときのスポット光量Ｅは、再集光スポット２０ａの長軸方向の半径をａ、短軸方向の半径をｂとおくと、下記の式２のようになる。【００３３】
【数２】
2008072709.tif 000004
【００３４】
したがって、再集光スポット２０ａの最大輝度値と径を求めておけば再集光スポット２０ａの光量Ｅを簡易的に求めることができる。再集光スポット２０ａの最大輝度値と径ｗはＣＣＤ１９からの輝度分布データからコンピュータ（演算装置５４）を用いた画像処理等で簡単に求めることができる。【００３５】
またスポット形状が円形ではなく歪んだ形状の場合、スポット径ｗはスポットの重心から縁までの平均距離とするのがよい。さらに光量Ｅの別の評価方法として、スポットが投影されている全ピクセルの輝度値を足し合わせてもよい。このときスポットの境界は、前述のようにIｍａｘ／ｅ２の輝度値を閾値として判断してもよいし、評価エリアをスポットサイズに合わせ規定し（例えば矩形状）、評価エリア内全ピクセルの輝度値の足し合わせとしてもよい。【００３６】
こういったスポット光評価を全ての次数の回折スポット光に対しても同様に行うことにより、それぞれの次数の回折スポット光の回折効率が以下の方法によって求められる。回折効率の具体的な求め方は、観測した各回折スポット光の光量の和を回折光学素子１６に入射された光量値とし、各回折スポット光の光量をそれで除する方法である。ここで全ての次数の回折スポット光とは、ＣＣＤ１９によって検出しうる次数の回折スポット光の全てである。【００３７】
ここで、被検対象レンズ（回折光学素子１６）の各面の表面に反射防止膜を付加することにより、回折光学素子１６のより正確な回折効率を求めることができる。反射防止膜は、蒸着法等により付加することができる。【００３８】
また、ＣＣＤ１９をｚ方向（光軸方向）へ移動させながら一定の移動間隔ごとに輝度値を測定していくことによってｚ方向における連続的な最大輝度分布（軸方向輝度分布）を評価することが可能となる。この光軸ｚ−最大輝度値のグラフにより、各次数のピーク位置や相対的な光量の大小が簡便に判別できるようになる。このデータによって、不要な回折スポット光の有無を容易に瞬時に調べることができるため、このデータは撮像用回折格子レンズの評価には特に適する。また、スポット光のピークの鋭さを調べることにより各回折次数のスポット光の集光度合いも評価できる。ピークの鋭さはＱ値によって規定するとよい。Ｑ値とは、以下の式で表される値である。【００３９】
【数３】
2008072709.tif 000005
【００４０】
ここでｚ０は光軸方向におけるピーク位置、ｚ１はグラフ上でピークの左側においてピークの輝度値の半値となる光軸方向の位置、ｚ２はグラフ上でピークの右側においてピークの輝度値の半値となる光軸方向の位置である。なお、ｚ２＞ｚ１である。【００４１】
さらに、波長帯域通過フィルタ１２を、上記とは異なる波長域を通過させる別のフィルタに変えて、各波長フィルタで同様な評価をし、それらの結果を比較することにより、スポット光の軸上色収差量を同時に評価することが可能である。しかも、本法では、各スポット間の軸上色収差量比較も同時にできる。ただし、この評価時は、最大輝度値はスポット密度に依存するため顕微鏡１８の倍率は一定にする必要がある。また、各回折スポット光の結像位置は十分離れている場合が多いため、顕微鏡１８、ＣＣＤ１９のｚ方向への稼動距離は全回折光結像位置に対応できる程度にしておく必要がある。【００４２】
ＣＣＤ１９の画素ピッチはＣＣＤ１９上のスポット径ｗに対して十分に小さい必要がある。例えばスポット径ｗに対して１／１０以下である。より望ましくは１／５０以下である。このようにすることで、スポット光の像内に１００以上の画素が存在することになり、光軸方向の位置ｚ  ｖｓ．最大輝度値Ｉｍａｘの評価において各回折光が干渉し合うことを防ぐことができる。【００４３】
以上のように、本実施形態の測定方法と評価方法によると、撮像用レンズである回折光学素子に光を入射させたときに、各次数の集光スポットの光軸方向の結像位置、最大輝度、光量や、各次数の回折効率、各次数の集光スポットの光軸に垂直な面内輝度分布、集光のピークの鋭さなどを簡便に測定し、データを蓄積して解析できる。従って、回折光学素子の設計データから算出した予想される各次数の集積光量や輝度分布など上記実測データと対応する予想光学特性値を上記実測データと比較することによって、レンズの各部分の設計値と実際の出来上がりの値との差違が判明し、レンズの修正を容易に行うことができるようになる。【００４４】
（実施の形態２）
図５に実施の形態２に係る回折光学素子１６の回折光の測定装置を示す。この装置は、上述した図１の構成要素に加え、角度可変機構５１をさらに含み、測定においては角度変更工程を含む。これにより、回折光学素子１６へ入射する入射光の角度を変更することが可能となり、回折効率の斜入射特性（画角による光学特性）も評価することができる。【００４５】
本実施形態では回折光学素子１６と絞り１５を設置するマウント５０に角度可変機構５１が取り付けられており、互いに直交する３つのマイクロメータ等によって回折光学素子１６の光軸と入射光の光軸５２とがなす角を設定する。回転角度メータ等を確認しながら角度可変機構５１によって任意の角度に回折光学素子１６を傾けることにより、任意の画角での斜入射に対する回折効率を評価することが可能となる。このとき、回折光学素子１６の中心位置（当該素子１６の光軸上に存する）は入射光の光軸５２上に置かれており、回折光学素子１６以外の装置の構成要素は同一直線上に平行に並び、そのほぼ同一直線上に各次数の回折スポット光も集光する。したがって、各次数のスポット光評価時、顕微鏡１８やＣＣＤ１９は一軸での制御で行うことができる。【００４６】
また、角度可変機構５１として、回折光学素子１６以外の構成要素を傾けても良い。その場合、回折光学素子１６以外を一体構成として傾けても良いし、光源１１や波長帯域通過フィルタ１２、ピンホールスリット１３といった入射光側の構成要素だけを傾けて、顕微鏡１８やＣＣＤ１９にはｘ、ｙ、ｚ方向への移動が可能なマイクロメータ等を設置しスポット光１７’を追いかけても良い。
【実施例】
【００４７】
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。【００４８】
（実施例１）
測定装置の構成は、図１に示す構成である。光源として、白色用ハロゲン光源（林時計工業株式会社製ＬＡ１５０ＦＢＵ）を用いた。波長帯域通過フィルタとしては、撮像用途の評価として適切なＲ、Ｇ、Ｂ三種類のフィルタを用いた。それぞれの入射角０°における波長特性を下記に示す。【００４９】
Ｒフィルタ：波長λ＝４００〜５６５ｎｍ 透過率Ｔ≦１％
波長λ＝６１０±１０ｎｍ 透過率Ｔ＝５０％
波長λ＝６４０〜７００ｎｍ 透過率Ｔ≧８５％
（シグマ光機社製  ＤＩＦ−５０Ｓ−ＲＥＤ）
Ｇフィルタ：波長λ＝４００〜４６０ｎｍ 透過率Ｔ≦１％
波長λ＝５０５±１０ｎｍ 透過率Ｔ＝５０％
波長λ＝５７５±１０ｎｍ 透過率Ｔ＝５０％
波長λ＝６３０〜７００ｎｍ 透過率Ｔ≦１％
（シグマ光機社製  ＤＩＦ−５０Ｓ−ＧＲＥ）
Ｂフィルタ：波長λ＝４００〜４７０ｎｍ 透過率Ｔ≧８５％
波長λ＝４９５±１０ｎｍ 透過率Ｔ＝５０％
波長λ＝５３０〜７００ｎｍ 透過率Ｔ≦１％
（シグマ光機社製  ＤＩＦ−５０Ｆ−ＢＬＥ）
また、光源のＩＲ光を除去するために、ＩＲカットフィルタ（シグマ光機社製  ＣＬＤＦ−５０Ｓ）を設置した。また、ピンホールスリットとしてはΦ０．２ｍｍ穴のものを使用し、コリメータレンズを用いて回折光学素子に平行光を入射した。光源からの光量値がレーザ光よりも弱いため、微弱な回折光も評価できるよう顕微鏡の倍率としては５０倍を用いた。ＣＣＤとしては１／２型３８万画素カラー対応のものを用いた。評価エリアの設定としては、目的のスポット光のみちょうどおさまるような矩形エリアで指定した。【００５０】
ここで、輝度を求める際に、外光等による輝度への影響を除去するために光源から光を入射させない状態でのＣＣＤ上の輝度値を求めておき、それを輝度の最小値としてオフセット（最小値＝０）をかけた。【００５１】
顕微鏡、ＣＣＤを光軸方向（ｚ方向）へ移動させ、スポット光のｚ方向に対する最大輝度分布を測定した結果を図８に示す。図８は、Ｇフィルタを用いて、約５０５〜５７５ｎｍの波長域の光を回折光学素子に通した際の評価であり、ｚ方向の移動ピッチは１０μｍである。ｚの原点は最終面のレンズ中心であり、顕微鏡の焦点をレンズ中心に合わせることにより調整した。縦軸は観測光の最大輝度値であり、１次光の輝度値で正規化した。【００５２】
３箇所の回折スポット光ピークが現れているが、左から２次光、１次光、０次光である。それぞれのピーク位置におけるスポット径から、それぞれの回折スポット光の光量が求められ、各回折光の回折効率が求められる。【００５３】
この回折光学素子のブレーズ高さは所望（設計値）よりも大きい状態であるため２次光の最大輝度値が設計通りの回折光学素子の光学シミュレーションに比較して大きくなっており、かつ、製造工程におけるブレーズ先端の形状の転写不良のため０次光の最大輝度値が大きくなっている。したがって、このような評価を通し、レンズの性能評価をすることができ、高品質なレンズ開発につながる。その他の波長域における回折効率を求める際もフィルタを変更することにより同様な方法で評価可能である。【００５４】
図９はＲ、Ｇ、Ｂの各フィルタでの最大輝度分布図である。同一次数において波長による結像位置の違いが見られるが、これが軸上色収差であり、本法により各次数間における色収差量比較を簡便に行うことができ、迅速かつ理解しやすい色収差の評価が可能である。【００５５】
（実施例２）
さらに、入射光が斜めに入射した場合における回折効率を求めるために、実施例１の装置に角度可変機構を取り付け図５と同じ構成とした。図６に示すように所望の角度で評価するためには、回折光学素子１６の中心軸６２と回折光学素子１６の主平面、入射光の光軸が１点で交わるように調整するとよい（つまり、回折光学素子１６の主点が入射光束の光軸と重なるようにする）。これは角度可変機構に、互いに直交するｘ、ｙ、ｚ方向への微調整が可能なマイクロメータを付加して調整した。このように調整すると、角度可変機構に取り付けられた回転軸６３によって回折光学素子１６を光軸に対し傾けてもスポット光をほぼ入射光の光軸上に結像させることができる。マイクロメータｘ、ｙ、ｚとして最小メモリ１０μｍのものを用いた。【００５６】
この調整は顕微鏡１８の倍率を小さくしておくと調整しやすい。例えば、１０倍である。これにより、任意の画角に対するスポット光を簡易的に評価することができる。ただし、画角が大きくなればなるほどＣＣＤ１９上のスポット光位置は評価エリア３４の中心から大きくずれやすくなるため、適宜マイクロメータを微調整する必要がある。また、入射光の斜入射にて各次数のスポット光１７を評価する際も垂直入射時の評価と同様、顕微鏡１８やＣＣＤ１９を一軸上で移動させ評価する。その際も若干のずれが生じるため、適宜ｘ、ｙ方向の微調整をするとよい。また、このときも調整には顕微鏡１８の倍率を下げるとしやすくなり、スポット光の評価をするときのみ倍率を上げるとよい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によれば、撮像用途等の回折光学素子の評価を迅速に高精度で実施することができるため、撮像用途等の回折光学素子の評価方法として有用である。
【図１】
2008072709.tif 000006
【図２】
2008072709.tif 000007
【図３】
2008072709.tif 000008
【図４】
2008072709.tif 000009
【図５】
2008072709.tif 000010
【図６】
2008072709.tif 000011
【図７】
2008072709.tif 000012
【図８】
2008072709.tif 000013
【図９】
2008072709.tif 000014
【図１０】
2008072709.tif 000015
【図１１】
2008072709.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月22日(2008.9.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色光源から出射する光を、フィルターを通過させて特定波長域の光とするフィルター工程と、
前記特定波長域の光を回折光学素子からなる撮像用レンズに入射させる入射工程と、
前記撮像用レンズによって集光されてスポット光となった光を拡大させる拡大工程と、
前記拡大されたスポット光を、複数画素を有する光検出素子に投影させる投影工程と、
前記スポット光の光軸方向において前記光検出素子と前記撮像用レンズとの間の距離を変更させる距離変更工程と
を含み、
前記光軸に垂直な面内における前記スポット光の面内輝度分布と、該光軸方向における軸方向輝度分布とを前記光学検出素子によって測定し、
前記面内輝度分布に基づいて前記スポット光の光量の総和を算出し、
算出された前記スポット光の光量の総和に応じて、前記拡大工程における光の拡大倍率を変更させる工程をさらに含む、回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
前記白色光源から出射する光あるいは前記特定波長域の光を絞る工程をさらに含む、請求項１に記載されている回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
前記複数画素のうち一部の画素が検出した輝度を用いて前記スポット光の光量の総和を算出する、請求項１に記載されている回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項６】
前記回折光学素子の光軸と前記特定波長域の光の光軸とがなす角度を変更する角度変更工程をさらに含み、
前記入射工程は、前記特定波長域の光を、前記回折光学素子からなる撮像用レンズの光軸に対し斜めに、前記回折光学素子からなる撮像用レンズに入射させる、請求項１、３および５のいずれか一つに記載されている回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項７】
白色光源と、
前記白色光源から特定波長域の光を取り出すフィルターと、
撮像用レンズである回折光学素子を載せるマウントと、
前記回折光学素子によってスポット光として集光された前記特定波長域の光を拡大する光学拡大部材と、
拡大された前記スポット光の輝度分布を検出する複数画素を備えた光検出素子と、
前記スポット光の光軸方向において前記光検出素子と前記撮像用レンズとの間の距離を変更する距離変更部材と
前記光検出素子によって検出された面内輝度分布に基づいて前記スポット光の光量の総和を算出する算出手段と、
算出された前記スポット光の光量の総和に応じて、前記光学拡大部材の拡大倍率を変更させる手段と、
を備えた、回折光学素子の光学特性測定装置。
【請求項８】
前記回折光学素子の光軸と前記特定波長域の光の光軸とがなす角を変更する角度変更部材をさらに備え、前記特定波長域の光を、前記回折光学素子からなる撮像用レンズの光軸に対し斜めに、前記回折光学素子からなる撮像用レンズに入射させる、請求項７に記載されている回折光学素子の光学特性測定装置。
【手続補正書】
【提出日】平成21年1月9日(2009.1.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色光源から出射する光を、フィルターを通過させて特定波長域の光とするフィルター工程と、
前記特定波長域の光を回折光学素子からなる撮像用レンズに入射させる入射工程と、
前記撮像用レンズによって集光されてスポット光となった光を拡大させる拡大工程と、
前記拡大されたスポット光を、複数画素を有する光検出素子に投影させる投影工程と、
前記スポット光の光軸方向において前記光検出素子と前記撮像用レンズとの間の距離を変更させる距離変更工程と
を含み、
前記光軸に垂直な面内における前記スポット光の面内輝度分布と、該光軸方向における軸方向輝度分布とを前記光学検出素子によって測定し、
前記面内輝度分布に基づいて前記スポット光の光量の総和を算出し、
算出された前記スポット光の光量の総和に応じて、前記拡大工程における光の拡大倍率を変更させる工程をさらに含む、回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項２】
前記白色光源から出射する光あるいは前記特定波長域の光を絞る工程をさらに含む、請求項１に記載されている回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項３】
前記複数画素のうち一部の画素が検出した輝度を用いて前記スポット光の光量の総和を算出する、請求項１に記載されている回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項４】
前記回折光学素子の光軸と前記特定波長域の光の光軸とがなす角度を変更する角度変更工程をさらに含み、
前記入射工程は、前記特定波長域の光を、前記回折光学素子からなる撮像用レンズの光軸に対し斜めに、前記回折光学素子からなる撮像用レンズに入射させる、請求項１から３のいずれか一つに記載されている回折光学素子の光学特性測定方法。
【請求項５】
白色光源と、
前記白色光源から特定波長域の光を取り出すフィルターと、
撮像用レンズである回折光学素子を載せるマウントと、
前記回折光学素子によってスポット光として集光された前記特定波長域の光を拡大する光学拡大部材と、
拡大された前記スポット光の輝度分布を検出する複数画素を備えた光検出素子と、
前記スポット光の光軸方向において前記光検出素子と前記撮像用レンズとの間の距離を変更する距離変更部材と
前記光検出素子によって検出された面内輝度分布に基づいて前記スポット光の光量の総和を算出する算出手段と、
算出された前記スポット光の光量の総和に応じて、前記光学拡大部材の拡大倍率を変更させる手段と、
を備えた、回折光学素子の光学特性測定装置。
【請求項６】
前記回折光学素子の光軸と前記特定波長域の光の光軸とがなす角を変更する角度変更部材をさらに備え、前記特定波長域の光を、前記回折光学素子からなる撮像用レンズの光軸に対し斜めに、前記回折光学素子からなる撮像用レンズに入射させる、請求項５に記載されている回折光学素子の光学特性測定装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子の光学特性測定方法および光学特性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光の回折現象を利用した光学素子がさまざまな分野で利用されている。図１０に一般的な回折光学素子１２２を示す。この回折光学素子１２２は、平板に三角波状の溝を平行に形成したものである。この回折光学素子１２２に光を入射させると０次、１次、２次・・・といった次数の回折光に分離される。以下、各次数の回折光の回折効率評価方法を具体的に説明する。
【０００３】
図１１はナイフエッジ法と呼ばれる回折効率評価方法を説明する図である。レーザ光１２１を回折光学素子１２２に入射させると、各次数の回折光が光軸に対し垂直方向に分離されて結像する。その結像されたスポット光を、ナイフの刃のような、端辺がスポット径に比べて十分長く薄い遮光板１２３を用いて遮り、一定間隔でスキャンし、通過した分のスポット光の強度をフォトディテクタ１２４で測定する。得られた強度分布から強度の差分を計算し、この差分から各次数の回折効率を算出できる。
【０００４】
また、特許文献１では、回折溝が同心円状に形成され、各次数の回折スポット光の結像点が同一直線状に形成される回折光学素子の回折効率測定に関して開示されている。その測定方法は、レーザ光をコリメータレンズで平行にして回折光学素子に入射させ、回折光学素子によって集光された光を顕微鏡で拡大し観察するものである。このとき、各次数のスポット光には重なりが生じるが、不要な次数の光を省くために回折スポット光の周辺にピンホールスリットを設置しその影響を遮断している。回折効率の算出には、まず、回折光学素子がない状態での透過光量を測定することでこれを入射光量とし、次に、各々の次数の回折スポット光についてピンホールスリットを通過してきた光量を求めることにより行っている。
【０００５】
しかし、上記の２つの方法には以下の問題があった。
【０００６】
一般的な回折効率評価方法であるナイフエッジ法では、光軸に対して垂直に複数の回折スポット光が並んで形成される場合しか用いることができず、回折溝が同心円状に形成された回折光学素子は光軸に沿って複数の回折スポット光が並んで形成さるため、ナイフエッジ法では評価はできない。
【０００７】
また、特許文献１は、同心円状に形成された回折光学素子の評価を行っているが、評価光源にレーザ光を用いているので、光ピックアップ用レンズを対象としており単波長に対する回折効率評価しかできない。また、光源として光量を十分稼ぐことができるレーザ光を前提としており、ある程度の波長幅を持った光源はレーザ光に比べて光量が少ないため特許文献１の方法では対応できない。
【０００８】
また、特許文献１の方法では不要な次数のスポット光の影響を遮断するためにピンホールスリットを用いているが、各回折スポット光、スポット径に対応するようにさまざまな穴径のスリットを準備する必要がある。正確な評価にはぴったりとスポットサイズとスリットサイズを一致させるのが理想的であるが、ピンホールスリットを用いた評価では限界がある。さらに、特許文献１の実施の形態２では、回折効率を求める際に回折光学素子の代わりに非球面レンズに光を通した際の光量値を事前に求めておきそれを入射光量値としている。しかしこの方法では、わざわざ回折光学素子と同一有効径のレンズを準備する必要があり煩わしい。
【特許文献１】特開平０９−１９６８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
さらに特許文献１に記載された方法は光ピックアップ用レンズを対象としており、撮像用レンズとして使用される回折光学素子の評価には用いることは非常に困難である。従来は撮像用レンズ用途の回折光学素子を評価するには、平行線や図形を描いたチャートを回折光学素子を通して結像させてその像を観察して線や図形の歪みやぼけ具合を見る方法しかなかったが、この方法では回折光学素子を具体的にどのように修正していったらよいかという情報を数値データとして得ることが困難であり、回折光学素子の修正作業を容易には行うことができなかった。
【００１０】
これらの撮像用途の回折光学素子の評価における課題を解決すべく、本発明は、撮像用レンズである回折光学素子によって集光した回折光を任意の波長域において、微弱な光でも検出し、スポット光の光量、回折効率や光軸方向の輝度分布を簡便に精度よく評価することが可能な測定方法および評価装置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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の回折光学素子の光学特性測定方法は、白色光源から出射する光を、フィルターを通過させて特定波長域の光とするフィルター工程と、前記特定波長域の光を回折光学素子からなる撮像用レンズに入射させる入射工程と、前記撮像用レンズによって集光されてスポット光となった光を拡大させる拡大工程と、前記拡大されたスポット光を、複数画素を有する光検出素子に投影させる投影工程と、前記スポット光の光軸方向において前記光検出素子と前記撮像用レンズとの間の距離を変更させる距離変更工程とを含み、前記光軸に垂直な面内における前記スポット光の面内輝度分布と、該光軸方向における軸方向輝度分布とを前記光学検出素子によって測定する構成とした。
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の回折光学素子の光学特性測定装置は、白色光源と、前記白色光源から特定波長域の光を取り出すフィルターと、撮像用レンズである回折光学素子を載せるマウントと、前記回折光学素子によってスポット光として集光された前記特定波長域の光を拡大する光学拡大部材と、拡大された前記スポット光の輝度分布を検出する複数画素を備えた光検出素子と、前記スポット光の光軸方向において前記光検出素子と前記撮像用レンズとの間の距離を変更する距離変更部材とを備えた構成とした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、撮像用レンズである回折光学素子を通過し集光した回折光の回折効率を任意の波長域で評価することが可能であり、回折光学素子の評価を迅速かつ簡便に実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、回折溝が同心円状な輪帯構造に形成された回折光学素子１６（撮像用レンズ）のスポット光の光学特性を評価するための測定装置を表している。また、図７は回折光学素子１６の光学特性の測定方法を示したフローである。測定される光学特性は、回折光学素子１６からの出射スポット光の光量や光軸方向輝度分布および光軸に垂直な面内の輝度分布等である。
【００１６】
光源（白色光源）１１から発せられた白色光は波長帯域通過フィルタ１２を通過して任意の波長帯域の光のみが透過してくる。これが光源からの白色光出射工程Ｓ１とフィルター工程Ｓ２とである。
【００１７】
その特定波長域の透過光をピンホールスリット１３へ照射して光を絞り（第１絞り工程Ｓ３）、ピンホールスリット１３から出てきた入射光をコリメータレンズ１４によって平行にし（コリメート工程Ｓ４）、平行光を絞り１５で絞って（第２絞り工程Ｓ５）被検対象である回折光学素子１６に入射させる（入射工程Ｓ６）。なお、回折光学素子１６はマウント５０に載せられて測定装置に固定されている。
【００１８】
回折光学素子１６は入射光を集光させる（集光工程Ｓ７）。集光された像（＝スポット光１７）をより正確に評価すべく、顕微鏡１８を用いて対物レンズによりスポット光１７を拡大し（拡大工程Ｓ８）、顕微鏡１８の結像レンズによりＣＣＤ１９上に投影させ再結像させる（投影工程Ｓ９）。即ち、スポット光１７を顕微鏡１８によって拡大するとは、回折光学素子１６によって集光された像を拡大することである。顕微鏡１８とＣＣＤ１９との間の距離は顕微鏡１８で定められた設定値で固定する。ＣＣＤ１９からの輝度情報をモニタや演算装置５４等に繋ぐことによりスポット光量や光軸に垂直な面における面内輝度分布、スポット径といった評価を詳細にする（評価工程Ｓ１１）ことが可能となる。また、距離変更部材５６を用いて顕微鏡１８とＣＣＤ１９とを一体として光軸方向に移動させて、光軸方向の各位置におけるスポット光量や面内輝度分布、スポット径を測定する（距離変更工程Ｓ１０）。さらに拡大工程Ｓ８において、拡大倍率を適宜変更させてもよい。評価については後述する。
【００１９】
ここで、光源１１は使用目的に応じて、赤外光や紫外光を用いてもよい。その際、光源１１、波長帯域通過フィルタ１２はそれに合わせて適当なものにする必要がある。また、波長帯域通過フィルタ１２を用いることにより、単波長に対するスポット光評価ではなく、ある程度幅をもった任意の波長範囲におけるスポット光の集光状態を評価することが可能となるため、波長幅に起因する回折光学素子１６の収差の評価ができる。また、回折光学素子１６の白色光に対するスポット光評価をする際には、光源１１として白色光源を用いさえすれば、特に波長帯域通過フィルタ１２を設置する必要はない。
【００２０】
また、使用する光源によっては、必要に応じてＩＲカットフィルタ等の不要な光を省くフィルタを設置することが好ましい。これら各種フィルタの設置場所は、光源１１とピンホールスリット１３の間である必要はなく、回折光学素子１６と顕微鏡１８の間、もしくは、顕微鏡１８とＣＣＤ１９の間でもよい。
【００２１】
ピンホールスリット１３は回折光学素子１６の被写体に相当するため、入射光量に問題なければ、ピンホールスリット１３の径をより小さくすることで、より点光源に近い構成にすることができる。逆に、入射光量が少なければピンホールスリット１３の径を大きくすることで対応可能である。
【００２２】
コリメータレンズ１４は、ピンホールスリット１３からの入射光を平行にすることにより無限遠被写体を仮想的に構成するために用いているが、任意の被写体位置に対する結像光を評価する場合には、コリメータレンズ１４を必要とせず、適当な位置にピンホールスリット１３を設置すればよい。また、回折光学素子１６の絞り１５の設置位置は回折光学素子１６の光学設計により決まる。レンズの構成枚数、回折面数も任意であり同様の評価が可能である。
【００２３】
次に、図２を用いて、各回折次数のスポット光評価の方法を説明する。
【００２４】
回折光学素子１６からの射出光は、１次光１７ａ、０次光１７ｂといったように各次数のスポット光が光軸上にそれぞれ分離されて集光される。撮像用レンズでは通常１次光を利用するので、評価対象の１次光のスポット光１７ａを拡大するために顕微鏡１８を移動させＣＣＤ１９上に再結像させる。このとき、ＣＣＤ１９も顕微鏡１８とセットで移動させる。これは拡大倍率を一定に保つためである。顕微鏡１８とＣＣＤ１９との位置決めは、ＣＣＤ１９上の像を観察しながらある程度フォーカスが合う位置を見つけ、その周辺で輝度が最大になる位置を見つけるようにして行えばよい。このとき、評価対象の１次光のスポット光１７ａ以外の次数のスポット光、例えば、０次光のスポット光１７ｂは、顕微鏡１８の位置の関係上、ＣＣＤ１９上では集光せず大きく広がるため、１次光のスポット光１７ａの輝度および光量測定に対する影響は小さい。実際に、顕微鏡１８によりスポット光１７ｂも拡大されるためＣＣＤ１９の撮像エリアからはみ出すほど十分に広がり、ＣＣＤ１９の１ピクセルあたりの輝度値への影響は十分小さくなる。
【００２５】
図３はＣＣＤ１９上における像を表したものである。評価対象の１次光のスポット光１７ａを評価する際は、不要な０次の回折光１７ｂ等の影響をなるべく最小限に抑えるべく、評価エリア３４を１次光のスポット光１７ａの結像像（＝再集光スポット２０ａ）に合わせて小さくするとよい。再集光スポット２０ａからはＣＣＤ１９において複数の画素によって各点の輝度が計測されてその測定データから面内輝度分布が測定される。ここで３３は、ＣＣＤ１９の位置における０次光の結像像である。また、光源１１の光量が小さいために１次光のスポット光１７ａの光量が微弱でＣＣＤ１９による検出が難しい際は、適宜顕微鏡１８の倍率を低倍率にして再集光スポット２０ａの密度を高めるとよい。
【００２６】
撮像用途のレンズでは、利用する回折スポット光は１つの次数によるものであるのが理想的であり、その他の次数の回折スポット光の光量は最小限に抑える必要がある。そこで、必要となる次数の回折スポット光の評価時のみスポット光の詳細がわかるよう顕微鏡１８を高倍率にして評価し、その他の微弱な不要な次数の回折スポット光の評価時には評価可能な程度の低倍率にするとよい。
【００２７】
次に、再集光スポット２０ａの光量の求め方を図４を用いて説明する。まず、評価エリア３４においてＣＣＤ１９の全ピクセルが測定した輝度の中で輝度が最大である最大輝度値Iｍａｘを求める。再集光スポット２０ａのｘ、ｙ方向（光軸に垂直な面内における直交する２方向）の輝度分布がガウス分布であると仮定すると、式１により再集光スポット２０ａの光量Ｅが求まる。ここで光量Ｅとは、スポットが投影されている全ピクセルの輝度値を全て足し合わせたものである。ただし図４右側に示すように、ｗは、Iｍａｘ／ｅ２以上の輝度値をもつピクセルの集合をスポットと判断した際の再集光スポット２０ａの半径である。
【００２８】
【数１】
2008072709.tif 000017
【００２９】
ここでＩ（ｒ）とは、スポット中心から半径ｒの距離にあるＣＣＤ１９の画素が測定した輝度値である。
【００３０】
また、入射光が斜めに入射した時等において回折スポット光１７ａが楕円形状であるときのスポット光量Ｅは、再集光スポット２０ａの長軸方向の半径をａ、短軸方向の半径をｂとおくと、下記の式２のようになる。
【００３１】
【数２】
2008072709.tif 000018
【００３２】
したがって、再集光スポット２０ａの最大輝度値と径を求めておけば再集光スポット２０ａの光量Ｅを簡易的に求めることができる。再集光スポット２０ａの最大輝度値と径ｗはＣＣＤ１９からの輝度分布データからコンピュータ（演算装置５４）を用いた画像処理等で簡単に求めることができる。
【００３３】
またスポット形状が円形ではなく歪んだ形状の場合、スポット径ｗはスポットの重心から縁までの平均距離とするのがよい。さらに光量Ｅの別の評価方法として、スポットが投影されている全ピクセルの輝度値を足し合わせてもよい。このときスポットの境界は、前述のようにIｍａｘ／ｅ２の輝度値を閾値として判断してもよいし、評価エリアをスポットサイズに合わせ規定し（例えば矩形状）、評価エリア内全ピクセルの輝度値の足し合わせとしてもよい。
【００３４】
こういったスポット光評価を全ての次数の回折スポット光に対しても同様に行うことにより、それぞれの次数の回折スポット光の回折効率が以下の方法によって求められる。回折効率の具体的な求め方は、観測した各回折スポット光の光量の和を回折光学素子１６に入射された光量値とし、各回折スポット光の光量をそれで除する方法である。ここで全ての次数の回折スポット光とは、ＣＣＤ１９によって検出しうる次数の回折スポット光の全てである。
【００３５】
ここで、被検対象レンズ（回折光学素子１６）の各面の表面に反射防止膜を付加することにより、回折光学素子１６のより正確な回折効率を求めることができる。反射防止膜は、蒸着法等により付加することができる。
【００３６】
また、ＣＣＤ１９をｚ方向（光軸方向）へ移動させながら一定の移動間隔ごとに輝度値を測定していくことによってｚ方向における連続的な最大輝度分布（軸方向輝度分布）を評価することが可能となる。この光軸ｚ−最大輝度値のグラフにより、各次数のピーク位置や相対的な光量の大小が簡便に判別できるようになる。このデータによって、不要な回折スポット光の有無を容易に瞬時に調べることができるため、このデータは撮像用回折格子レンズの評価には特に適する。また、スポット光のピークの鋭さを調べることにより各回折次数のスポット光の集光度合いも評価できる。ピークの鋭さはＱ値によって規定するとよい。Ｑ値とは、以下の式で表される値である。
【００３７】
【数３】
2008072709.tif 000019
【００３８】
ここでｚ０は光軸方向におけるピーク位置、ｚ１はグラフ上でピークの左側においてピークの輝度値の半値となる光軸方向の位置、ｚ２はグラフ上でピークの右側においてピークの輝度値の半値となる光軸方向の位置である。なお、ｚ２＞ｚ１である。
【００３９】
さらに、波長帯域通過フィルタ１２を、上記とは異なる波長域を通過させる別のフィルタに変えて、各波長フィルタで同様な評価をし、それらの結果を比較することにより、スポット光の軸上色収差量を同時に評価することが可能である。しかも、本法では、各スポット間の軸上色収差量比較も同時にできる。ただし、この評価時は、最大輝度値はスポット密度に依存するため顕微鏡１８の倍率は一定にする必要がある。また、各回折スポット光の結像位置は十分離れている場合が多いため、顕微鏡１８、ＣＣＤ１９のｚ方向への稼動距離は全回折光結像位置に対応できる程度にしておく必要がある。
【００４０】
ＣＣＤ１９の画素ピッチはＣＣＤ１９上のスポット径ｗに対して十分に小さい必要がある。例えばスポット径ｗに対して１／１０以下である。より望ましくは１／５０以下である。このようにすることで、スポット光の像内に１００以上の画素が存在することになり、光軸方向の位置ｚ  ｖｓ．最大輝度値Ｉｍａｘの評価において各回折光が干渉し合うことを防ぐことができる。
【００４１】
以上のように、本実施形態の測定方法と評価方法によると、撮像用レンズである回折光学素子に光を入射させたときに、各次数の集光スポットの光軸方向の結像位置、最大輝度、光量や、各次数の回折効率、各次数の集光スポットの光軸に垂直な面内輝度分布、集光のピークの鋭さなどを簡便に測定し、データを蓄積して解析できる。従って、回折光学素子の設計データから算出した予想される各次数の集積光量や輝度分布など上記実測データと対応する予想光学特性値を上記実測データと比較することによって、レンズの各部分の設計値と実際の出来上がりの値との差違が判明し、レンズの修正を容易に行うことができるようになる。
【００４２】
（実施の形態２）
図５に実施の形態２に係る回折光学素子１６の回折光の測定装置を示す。この装置は、上述した図１の構成要素に加え、角度可変機構５１をさらに含み、測定においては角度変更工程を含む。これにより、回折光学素子１６へ入射する入射光の角度を変更することが可能となり、回折効率の斜入射特性（画角による光学特性）も評価することができる。
【００４３】
本実施形態では回折光学素子１６と絞り１５を設置するマウント５０に角度可変機構５１が取り付けられており、互いに直交する３つのマイクロメータ等によって回折光学素子１６の光軸と入射光の光軸５２とがなす角を設定する。回転角度メータ等を確認しながら角度可変機構５１によって任意の角度に回折光学素子１６を傾けることにより、任意の画角での斜入射に対する回折効率を評価することが可能となる。このとき、回折光学素子１６の中心位置（当該素子１６の光軸上に存する）は入射光の光軸５２上に置かれており、回折光学素子１６以外の装置の構成要素は同一直線上に平行に並び、そのほぼ同一直線上に各次数の回折スポット光も集光する。したがって、各次数のスポット光評価時、顕微鏡１８やＣＣＤ１９は一軸での制御で行うことができる。
【００４４】
また、角度可変機構５１として、回折光学素子１６以外の構成要素を傾けても良い。その場合、回折光学素子１６以外を一体構成として傾けても良いし、光源１１や波長帯域通過フィルタ１２、ピンホールスリット１３といった入射光側の構成要素だけを傾けて、顕微鏡１８やＣＣＤ１９にはｘ、ｙ、ｚ方向への移動が可能なマイクロメータ等を設置しスポット光１７’を追いかけても良い。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４６】
（実施例１）
測定装置の構成は、図１に示す構成である。光源として、白色用ハロゲン光源（林時計工業株式会社製ＬＡ１５０ＦＢＵ）を用いた。波長帯域通過フィルタとしては、撮像用途の評価として適切なＲ、Ｇ、Ｂ三種類のフィルタを用いた。それぞれの入射角０°における波長特性を下記に示す。
【００４７】
Ｒフィルタ：波長λ＝４００〜５６５ｎｍ 透過率Ｔ≦１％
波長λ＝６１０±１０ｎｍ 透過率Ｔ＝５０％
波長λ＝６４０〜７００ｎｍ 透過率Ｔ≧８５％
（シグマ光機社製  ＤＩＦ−５０Ｓ−ＲＥＤ）
Ｇフィルタ：波長λ＝４００〜４６０ｎｍ 透過率Ｔ≦１％
波長λ＝５０５±１０ｎｍ 透過率Ｔ＝５０％
波長λ＝５７５±１０ｎｍ 透過率Ｔ＝５０％
波長λ＝６３０〜７００ｎｍ 透過率Ｔ≦１％
（シグマ光機社製  ＤＩＦ−５０Ｓ−ＧＲＥ）
Ｂフィルタ：波長λ＝４００〜４７０ｎｍ 透過率Ｔ≧８５％
波長λ＝４９５±１０ｎｍ 透過率Ｔ＝５０％
波長λ＝５３０〜７００ｎｍ 透過率Ｔ≦１％
（シグマ光機社製  ＤＩＦ−５０Ｆ−ＢＬＥ）
また、光源のＩＲ光を除去するために、ＩＲカットフィルタ（シグマ光機社製  ＣＬＤＦ−５０Ｓ）を設置した。また、ピンホールスリットとしてはΦ０．２ｍｍ穴のものを使用し、コリメータレンズを用いて回折光学素子に平行光を入射した。光源からの光量値がレーザ光よりも弱いため、微弱な回折光も評価できるよう顕微鏡の倍率としては５０倍を用いた。ＣＣＤとしては１／２型３８万画素カラー対応のものを用いた。評価エリアの設定としては、目的のスポット光のみちょうどおさまるような矩形エリアで指定した。
【００４８】
ここで、輝度を求める際に、外光等による輝度への影響を除去するために光源から光を入射させない状態でのＣＣＤ上の輝度値を求めておき、それを輝度の最小値としてオフセット（最小値＝０）をかけた。
【００４９】
顕微鏡、ＣＣＤを光軸方向（ｚ方向）へ移動させ、スポット光のｚ方向に対する最大輝度分布を測定した結果を図８に示す。図８は、Ｇフィルタを用いて、約５０５〜５７５ｎｍの波長域の光を回折光学素子に通した際の評価であり、ｚ方向の移動ピッチは１０μｍである。ｚの原点は最終面のレンズ中心であり、顕微鏡の焦点をレンズ中心に合わせることにより調整した。縦軸は観測光の最大輝度値であり、１次光の輝度値で正規化した。
【００５０】
３箇所の回折スポット光ピークが現れているが、左から２次光、１次光、０次光である。それぞれのピーク位置におけるスポット径から、それぞれの回折スポット光の光量が求められ、各回折光の回折効率が求められる。
【００５１】
この回折光学素子のブレーズ高さは所望（設計値）よりも大きい状態であるため２次光の最大輝度値が設計通りの回折光学素子の光学シミュレーションに比較して大きくなっており、かつ、製造工程におけるブレーズ先端の形状の転写不良のため０次光の最大輝度値が大きくなっている。したがって、このような評価を通し、レンズの性能評価をすることができ、高品質なレンズ開発につながる。その他の波長域における回折効率を求める際もフィルタを変更することにより同様な方法で評価可能である。
【００５２】
図９はＲ、Ｇ、Ｂの各フィルタでの最大輝度分布図である。同一次数において波長による結像位置の違いが見られるが、これが軸上色収差であり、本法により各次数間における色収差量比較を簡便に行うことができ、迅速かつ理解しやすい色収差の評価が可能である。
【００５３】
（実施例２）
さらに、入射光が斜めに入射した場合における回折効率を求めるために、実施例１の装置に角度可変機構を取り付け図５と同じ構成とした。図６に示すように所望の角度で評価するためには、回折光学素子１６の中心軸６２と回折光学素子１６の主平面、入射光の光軸が１点で交わるように調整するとよい（つまり、回折光学素子１６の主点が入射光束の光軸と重なるようにする）。これは角度可変機構に、互いに直交するｘ、ｙ、ｚ方向への微調整が可能なマイクロメータを付加して調整した。このように調整すると、角度可変機構に取り付けられた回転軸６３によって回折光学素子１６を光軸に対し傾けてもスポット光をほぼ入射光の光軸上に結像させることができる。マイクロメータｘ、ｙ、ｚとして最小メモリ１０μｍのものを用いた。
【００５４】
この調整は顕微鏡１８の倍率を小さくしておくと調整しやすい。例えば、１０倍である。これにより、任意の画角に対するスポット光を簡易的に評価することができる。ただし、画角が大きくなればなるほどＣＣＤ１９上のスポット光位置は評価エリア３４の中心から大きくずれやすくなるため、適宜マイクロメータを微調整する必要がある。また、入射光の斜入射にて各次数のスポット光１７を評価する際も垂直入射時の評価と同様、顕微鏡１８やＣＣＤ１９を一軸上で移動させ評価する。その際も若干のずれが生じるため、適宜ｘ、ｙ方向の微調整をするとよい。また、このときも調整には顕微鏡１８の倍率を下げるとしやすくなり、スポット光の評価をするときのみ倍率を上げるとよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明によれば、撮像用途等の回折光学素子の評価を迅速に高精度で実施することができるため、撮像用途等の回折光学素子の評価方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】回折スポット光の測定装置を表す図
【図２】各次数の回折スポット測定方法を表す図
【図３】ＣＣＤ上における像を示す図
【図４】ＣＣＤ上における像（再集光スポット）の光量分布図
【図５】斜入射時の回折スポット光の評価方法を表す図
【図６】レンズ中心と回転軸を表す図
【図７】回折光学素子からの回折光を測定するフローを示した図
【図８】Ｇフィルタを通した際の最大輝度分布図
【図９】各波長の最大輝度分布図
【図１０】一般的な回折光学素子を示す図
【図１１】従来の回折光学素子からの回折光の測定装置を表す図
【符号の説明】
【００５７】
１１      白色光源
１２      波長帯域フィルタ
１３      ピンホールスリット
１４      コリメータレンズ
１５      絞り
１６      回折光学素子（被検レンズ）
１７      スポット光
２０ａ    スポット光のＣＣＤ上における像（再集光スポット）
１８      顕微鏡
１９      ＣＣＤ
３４      評価エリア
５０      マウント
５１      角度可変機構
５２      光軸
５４      演算装置
５６      距離変更部材
６２      レンズ中心軸
６３      回転軸
１２２    一般的な回折光学素子
１２１    レーザ光
１２３    ナイフのような鋭い刃
１２４    フォトディテクタ
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2008072709.tif 000030
【国際調査報告】
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2008072709.tif 000032
2008072709.tif 000033
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