(57)【要約】【課題】熟練者による光学素子の光散乱計測の検査を数値化によって定量化することにより検査を容易化する方法及び手段を提供する。【解決手段】本発明による光学素子評価方法は、光源から光学素子の表面に非垂直方向にレーザを照射し、光学素子の表面からの散乱光の画像をデジタルカメラで撮像し、デジタルカメラからの画像信号の２次元高速フーリエスペクトル及び２次元パワースペクトルを得て、該２次元パワースペクトルを基に光学素子性能を評価する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子と、光学素子の表面に非垂直方向にレーザを照射する光源と、光学素子の表面からの散乱光の画像を撮るデジタルカメラと、デジタルカメラからの画像信号の２次元高速フーリエ変換を行い２次元パワースペクトルを得る画像信号処理部とを備え、２次元パワースペクトルを基に光学素子性能を評価する光学素子評価装置。
【請求項２】
２次元高速フーリエ変換の空間周波数が高い領域の分析結果を数値化したデータベースをさらに具備する請求項１に記載の光学素子評価装置。
【請求項３】
光源から光学素子の表面に非垂直方向にレーザを照射し、光学素子の表面からの散乱光の画像をデジタルカメラで撮像し、デジタルカメラからの画像信号の２次元高速フーリエスペクトル及び２次元パワースペクトルを得て、該２次元パワースペクトルを基に光学素子性能を評価する光学素子評価方法。
【請求項４】
前記評価は２次元フーリエ変換の空間周波数が高い領域を解析し、これを数値化したデータと比較して評価を行う請求項３に記載の方法。
【請求項５】
デジタルカメラ１３の光軸に合わせて光学素子の測定部位における照射位置を決定するために、光学素子の設置位置に光学部品と同等の大きさを有するピンホール付ダミー板を代替的に設置する請求項３に記載の方法。
【請求項６】
当該位置決めにはピンホールを通過したビームのパワーを測定し、該ピンホールを通過するパワーが最大となる位置を求め、その後ピンホールと光学素子とを置換することにより位置決めをする請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子の性能評価に関し、特に光学素子の表面または素子内部の汚れ、欠陥、不均一性などを評価する方法または装置を提供する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学素子の光学的な性能評価項目には反射率、透過率、吸収率、それらの分布などの表面性能を測定したり、光学材料の内部の脈理、吸収、散乱などの測定時に光学素子に入射ビームを照射し、素子からの反射、散乱、透過に関して各成分を測定したりすることが行われている。照射光は表面に沿って走査して、空間的分布を求めたり、或いは、イメージから画像処理で分布を求めたり、または、光学素子のスペクトル特性を求めたりする場合は照射光線の波長分光を行うことも併せて用いられる。
【０００３】
しかし、実用的な観点からは、使用上の測定時間、簡便性、価格などの点で不十分な性能評価方法である場合が多い。蒸着膜の性能評価には、照射光に対する散乱光の強度だけを用いて評価する方法や散乱光を画像として測定する方法、さらには液晶表示装置の配光膜の検査に用いられる例のように散乱光を画像として測定し、その画像解析にＦＦＴ技術を用いる方法などが提案されている。
【０００４】
これらの性能評価方法は、いずれも装置が大掛かりになり、製造ラインで用いるには高価すぎるなどの欠点があるため、現状の出荷検査では、熟練者が目視によって各種の光学性能を評価していることが多い。この光学性能評価において、ごみ、汚れ、ムラなどの情報を含む散乱パターンを検査することは光学薄膜製品を出荷する上で欠かせない重要な検査項目である。
【特許文献１】特開２００１−１８３２５６
【特許文献２】特開平１１−１９４０６９
【特許文献３】特開２００４−５３４６０
【特許文献４】特開２００３−２９４６５３
【特許文献５】特開２００３−２４７９５７
【特許文献６】特開２００３−２４０７３０
【特許文献７】特開２００３−１７７１０３
【特許文献８】特願２００１−２０３２５０
【特許文献９】特開２００２−８２０６８
【特許文献１０】特開２００１−１８３２５６
【特許文献１１】特開２００１−１５３８０９
【特許文献１２】特開平１１−２８１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする問題点は、複雑な装置を用いることなく蒸着による光学薄膜素子の表面状態をレーザ照射と画像処理により簡便に評価できる装置において、従来の光学薄膜分野の熟練者が目視により検査していた工程を定量化すると同時に簡略化することである。結果的に熟練者でなくても光学薄膜の表面状態の検査が行え、さらに、レーザが棒状の光学結晶の内部を通過することによって発生する散乱光を側面から計測することにより、結晶内の状態を画像処理と前記装置で検査することが可能になる。光学機器の製造時、あるいは、光学部品の出荷検査時に、極めて有効的な機能を得ることができる。
【０００６】
また、散乱パターンを容易にかつ迅速に計測することができる。これによって、従来では熟練者の目に頼ってきた散乱計測を数値に置き換えることができ、光学素子を製造する側だけでなく、光学素子を使用する側にも有益な装置を提供することができる。製造現場、出荷検査、或いは、受入れ検査の現場などで使用する時に便利な手段を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、レーザ光などの指向性ビームを光学素子上に照射するために、レーザ、ＬＥＤ、ハロゲンランプなどの光をレンズ等を通過させ、ビーム径をサンプル光学素子面上の所望の測定領域と同等の大きさにして照射する。光源の可干渉性は問題にせず、サンプル光学素子面上における散乱光をカメラレンズなどで集光し、２次元の受光撮像素子によって撮影する。この光源のパワーが十分であれば、光学素子からの散乱像を画像情報として取得することができる。
【０００８】
本発明の方法における特徴は、取得した画像情報に基づいて、２次元フーリエ変換画像を作成し、当該２次元フーリエ変換画像についてさらに画像処理を行うことである。この画像処理は、２次元フーリエ変換画像の空間周波数成分の解析を含むものである。空間周波数が高い領域の信号を分析することで、傷や蒸着などでよく見られるぼつぼつとした粗面の像を数値化することができる。これらの数値化されたデータをデータベース化することで、熟練者の目に頼るのではなく、各光学素子の数値評価基準とすることが可能となる。
【０００９】
ここで、２次元画像のフーリエ変換について図２を参照して説明する。デジタルカメラから取り込まれ、散乱によって形成されたｘ、ｙ座標上で表示された画像２５の強度分布をＬ（ｘ，ｙ）とする。２次元フーリエ変換処理をＦで表記すれば、取得される２次元空間周波数成分ｑ（ｆｘ，ｆｙ）１８−１は以下のように示される。
ｑ（ｆｘ，ｆｙ）＝Ｆ｛Ｌ（ｘ，ｙ）｝
ここで、ｑ（ｆｘ，ｆｙ）は複素数であり、ここから空間周波数のパワースペクトルを導いたものをＰ（ｆｘ，ｆｙ）とする。さらに、空間周波数のｆｘ，ｆｙを極座標系の空間周波数へ座標変換し、以下の積分２６を行って、Ｐ（ｆｒ，ｆθ）２７と表す。さらに、ｆｒの値の領域内での積分値を求めて解析操作２８を行う。
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このＰｒ（ｆｒ）の値を光学素子の欠陥との関係で解析２８を行った結果は、以下の例のようになる。Ｐｒ０：Ｐｒ（０）は、散乱光の全体的な平均強度である。ＰｒＬは、Ｐｒ（ｆｒ）のｆｒ＝ｆｒＬ１〜ｆｒＬ２までの積分値で低周波成分を表しており、全体に靄がかかったような画面になったときに強くなる値で蒸着膜のむらの存在を反映する。ＰｒＨは、Ｐｒ（ｆｒ）のｆｒ＝ｆｒＨ１〜ｆｒＨ２までの積分値で高周波成分を表しており、塵、埃、或いは、小さな点状の傷などが多い場合に強くなる値で、ヘアライン状の傷も反映する。
【００１０】
ここで、周波数成分ｆｒの関係は０＜ｆｒＬ１＜ｆｒＬ２≦ｆｒＨ１＜ｆｒＨ２である。これら、ｆｒＬ１、ｆｒＬ２、ｆｒＨ１、ｆｒＨ２は、対象光学素子、さらには同じ光学素子であっても使用用途によって異なり、データベース内の情報により特定される値であって、個別に品質基準に従って決まる値である。また、絶対値ではなく Ｐｒ０、ＰｒＬ、ＰｒＨの各々の比を判定材料にすることもできる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の効果として、このように光学素子からの散乱光から成る画像の２次元フーリエ変換と、パワースペクトルから散乱光の強度の座標上の分布に関する情報を求めることで、光学性能評価において問題となるパラメータの定量化が図られ、光学素子性能の定量的評価が行えるようになる。光学素子からの散乱光の強度分布を測定し、高速フーリエ変換を行って、周波数成分の解析を行なうことで、どの位置に光学的欠陥があるかを示す定量的データを得ることができるので、従来の目視検査における熟練者の感覚と経験に頼った評価方法を電気的装置によって置き換えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
発明の実施形態を図１、図２に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１３】
Ｈｅ−Ｎｅガスレーザなどの連続発振レーザ装置１からレーザ光２を架台１９に平行なビーム２として偏向ミラー３に導く。ここで、ビーム２を光学素子５−１の表面に向けて所定角度で反射させる。ミラー３で反射後、該反射ビーム６は、光学素子５−１の表面におけるビーム面積が評価面積と同等な面積になるようにレンズ４において調整される。この反射ビーム６は光学素子５−１の表面で正反射される成分を有し、それは正反射ビーム７として反射されて適当なビーム吸収体（図示されていない）に吸収される。光学素子は、その大きさに応じて光学素子ホルダ９の所定の収納マウント内に配置される。図１では一例として、大型の光学素子５−１と、それより小型の光学素子５−２とを示した。
【００１４】
必要に応じて評価光学素子を切り替えて、光学素子５−１又は５−２の測定位置を選択する。この光学素子の位置の切り替えには駆動機構２０が用いられる。この光学測定位置は周囲を遮光カバー１０で覆って外界からの光を遮断しており、光学素子表面での正反射成分の一部である散乱光成分８が周囲からの光に干渉されずに検出される。光学素子５−１の下方には、デジタルカメラ１３が設置され、該デジタルカメラ１３の光軸は光学素子５−１の面に直交するように位置する。デジタルカメラ１３は対物レンズ１１と結像面にＣＣＤが配置され、光学素子からの散乱光８の像を取得する。この画像信号はマイクロコンピュータ（ＰＣ）１５に取り込まれ、図２に示すように欠陥や汚れを明るい点として含んだ散乱光８の実画像１６が表示される。
【００１５】
この光学素子５−１の表面から発生した輝点の画像情報１６を、ｘ、ｙ座標上に得られた画像２５の強度分布Ｌ（ｘ，ｙ）とする。２次元フーリエ変換処理１７をＦで表記すれば、得られる２次元空間周波数成分ｑ（ｆｘ，ｆｙ）１８−１は以下のように示される。
ｑ（ｆｘ，ｆｙ）＝Ｆ｛Ｌ（ｘ，ｙ）｝
ここで、ｑ（ｆｘ，ｆｙ）は複素数であり、ここから空間周波数のパワースペクトルを導いたものをＰ（ｆｘ，ｆｙ）とする。さらに、空間周波数のｆｘ，ｆｙを極座標系の空間周波数へ座標変換し、以下の積分を行って、Ｐ（ｆｒ，ｆθ）２７として結果を表す。
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【００１６】
このようにして転送された画像からは、コンピュータ１５において２次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によるスペクトル画像が得られる。図３ａは散乱の多い光学素子の画像処理結果の例であり、図３ｂは散乱の少ない光学素子の画像処理結果の例である。前記スペクトル画像は、極座標の半径方向の周波数を、周波数帯域毎に積分することによって求められ、積分値は図２の符号２９における斜線部分ＰｒＬ，ＰｒＨの面積に相当する。パワースペクトルと光学素子の欠陥との相関解析により光学素子評価パラメータの定量化を行うことができる。
【００１７】
なお、図１における光学素子５−１に対する反射ビーム６の入射角は、ミラー３の水平移動及び角度調整により所要の角度を選択できる。また、光学素子５−１の測定部位をデジタルカメラ１３の光軸に合わせるには、光学素子の設置位置に光学部品と同等の大きさを有するピンホール付ダミー板を代替的に設置して反射レーザビーム６の照射位置を決める。この位置決めにはピンホールを通過したビームのパワーを測定し、該ピンホールを通過するパワーが最大となる位置を求め、その後ピンホールと光学素子とを置換することによる方法もある。
【実施例２】
【００１８】
図４は、棒状光学素子の評価方法に用いる構成を示している。結晶の長さが大きい場合の評価ジグである。光学素子として透明な光学物質２１を評価するため、試料台２４に光学素子２１を搭載する。光学素子のデジタルカメラ１３に面する部分には必要に応じて反射防止用に屈折率整合用のマッチング液を塗布し、散乱光２５を低損失条件の画像取り込み光路上でカメラレンズ１１を通過させ、デジタルカメラ１３の受光体に到達させる。デジタルカメラで該散乱光を撮像した後、ＵＳＢケーブル１４を介して該撮像したデジタル画像をマイクロコンピュータ１５等に取り込む。次いで、この散乱光による画像のフーリエ変換を行って、光学素子の内部における散乱、脈理などの情報を定量化して品質管理に用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明は、光学素子の表面における成膜評価、光学結晶内の欠陥評価、半導体表面の汚れ検出など、一般的に表面に均一性を要する物体からの不規則な光の画像を検出評価に広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の光学素子表面の散乱計測概略図である。
【図２】図２は、２次元フーリエ変換の説明図である。
【図３】図３（ａ）は、散乱の多い光学素子の画像処理結果である。図３（ｂ）は、散乱の少ない光学素子の画像処理結果である。
【図４】図４は、棒状光学素子の評価方法に用いる構成図である。
【符号の説明】
【００２１】
１・・・Ｈｅ−Ｎｅガスレーザ発振器
２・・・出力ビーム
３・・・偏向ミラー
４・・・集光レンズ
５−１及び５−２・・・光学素子（評価試料）
６・・・反射ビーム
７・・・正反射ビーム
８・・・散乱光
９・・・光学素子ホルダ
１０・・・遮光カバー
１１・・・結像レンズ
１３・・・デジタルカメラ
１４・・・ＵＳＢケーブル
１５・・・マイクロコンピュータ
１６・・・実（散乱）画像
１７・・・高速フーリエ変換
１８・・・２次元フーリエ変換・パワースペクトル
２０・・・駆動機構
２１・・・光学素子；光学物質
２４・・・試料台
２５・・・散乱光画像
２６・・・積分
２８・・・解析
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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