(57)【要約】【課題】焦点位置測定装置において、焦点位置の位置検出誤差を低減することができるようにする。【解決手段】光束５ｂを光学素子１に入射する光源部５０と、光学素子１の光軸８ａに略直交する反射面７ａを有し、光学素子１を透過した光束５ｃを反射面７ａで反射する鏡７と、反射面７ａを、光学素子１を透過した光束５ｃの結像位置近傍に移動するステージ１０と、反射面７ａで反射され、光学素子１を再透過した光束５ｄを集光する集光レンズ１４と、集光レンズ１４で集光された光束５ｅの光量を検出する受光素子１６と、集光レンズ１４と受光素子１６との間の光路上で、集光レンズから一定距離だけ離間した位置に開口１５ａを設けたピンホール板１５とを備え、光学素子１を透過した光束５ｃの結像位置と、ピンホール板１５の開口１５ａの位置とが、共役となるように構成する。【選択図】図１
2008107274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定用光を発生し、該測定用光を被測定光学系の光軸に沿って入射する光源部と、
前記被測定光学系の光軸に略直交する反射面を有し、前記被測定光学系を透過した測定用光を前記反射面で反射する鏡と、
前記反射面を、前記被測定光学系を透過した測定用光の結像位置を含む該結像位置近傍範囲に移動する鏡移動機構と、
前記反射面で反射され、前記被測定光学系を再透過した測定用光を集光する集光光学系と、
該集光光学系で集光された測定用光の光量を検出する光検出器と、
前記集光光学系と前記光検出器との間の光路上で、前記集光光学系から一定距離だけ離間した位置に開口を設けた光規制部材とを備え、
前記被測定光学系を透過した測定用光の結像位置と、前記光規制部材の開口の位置とが、共役となるように構成されたことを特徴とする焦点位置測定装置。
【請求項２】
前記光源部で発生される測定用光を平行光として、前記被測定光学系を透過した測定用光の結像位置が、前記被測定光学系の焦点位置と一致するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の焦点位置測定装置。
【請求項３】
前記光規制部材が、大きさの異なる複数の開口を有するとともに、
該複数の開口を、前記集光光学系と前記光検出器との間の光路上に切換可能に配置する開口切換手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の焦点位置測定装置。
【請求項４】
前記被測定光学系と前記光規制部材との間の光路上に、透過率の異なる複数の減光フィルタを切換可能に配置する透過率切換手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の焦点位置測定装置。
【請求項５】
前記鏡移動機構が、圧電素子を用いた駆動部を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の焦点位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は焦点位置測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学系の焦点位置測定装置として、光学特性が知られた集光レンズと被測定光学系とを、相対位置可変に配置し、被測定光学系を通した光を集光レンズによって集光し、集光レンズに対する一定位置における光量変化を測定して、焦点位置を検出するものが知られている。
例えば、特許文献１には、平行光を出射する光源の光軸上に、光源側から、被測定光学系であるマイクロレンズアレイ、光学特性が知られた測定用レンズ、ＮＤフィルタ、光検出器がこの順に設けられた焦点距離測定装置が記載されている。ここで、マイクロレンズアレイは、アクチュエータで光軸上の位置が移動可能とされており、光検出器は、測定用レンズの焦点位置に配置されている。
このような特許文献１に記載の焦点距離測定装置では、マイクロレンズアレイを測定用レンズに対して移動して光検出器にマイクロレンズアレイの主点を結像させると光検出器の受光量が最低となり、また、マイクロレンズアレイの焦点を結像させると光検出器の受光量が最大となることを利用して、マイクロレンズアレイの主点位置、焦点位置および焦点距離を測定している。
【特許文献１】特開２０００−１５５０７１号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような従来の焦点位置測定装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、光検出器として、フォトダイオードなどの受光素子を用いる場合には光量変化を、またＣＣＤなどを用いる場合には画像コントラストを、それぞれ検出して位置検出を行うが、これらの光量、コントラストの変化は、最大値、最小値の近傍では緩やかに変化するため、光検出器の受光量の分解能に依存する位置誤差が発生するという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、焦点位置の位置検出誤差を低減することができる焦点位置測定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】
【０００５】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、測定用光を発生し、該測定用光を被測定光学系の光軸に沿って入射する光源部と、前記被測定光学系の光軸に略直交する反射面を有し、前記被測定光学系を透過した測定用光を前記反射面で反射する鏡と、前記反射面を、前記被測定光学系を透過した測定用光の結像位置を含む該結像位置近傍範囲に移動する鏡移動機構と、前記反射面で反射され、前記被測定光学系を再透過した測定用光を集光する集光光学系と、該集光光学系で集光された測定用光の光量を検出する光検出器と、前記集光光学系と前記光検出器との間の光路上で、前記集光光学系から一定距離だけ離間した位置に開口を設けた光規制部材とを備え、前記被測定光学系を透過した測定用光の結像位置と、前記光規制部材の開口の位置とが、共役となるような構成とする。
この発明によれば、光源部で発生された測定用光を、被測定光学系の光軸に沿って被測定光学系に入射し、被測定光学系の透過光を鏡で反射する。そして、反射された測定用光を光軸に沿って被測定光学系に再入射させ、再透過した光を集光光学系によって集光し、光規制部材の開口を透過した光の光量を、光検出器で測定することができる。
ここで、被測定光学系を透過した測定用光の結像位置と、光規制部材の開口の位置とは、共役となるように構成されているので、鏡移動機構によって、反射面を、被測定光学系を透過した測定用光の結像位置に移動すると光検出器の受光量が最大となり、反射面をそれ以外の位置に移動すると光規制部材上での光束径が増大するなどして、開口を透過する光量が減少する。そのため、光検出器の受光量変化から、受光量の最大値を与える反射面の位置を測定できる。そして、この反射面の位置から、被測定光学系の焦点位置を求めることができる。
その際、測定用光は、光規制部材に到達する前に被測定光学系での透過、反射面での反射、被測定光学系での再透過という過程を経るため、反射面が共役の位置関係から外れたときのデフォーカスや収差劣化などによる受光量の低下が顕著となり、受光量変化のコントラストが、例えば、反射面の代わりに光規制部材を可動に配置し、光規制部材を移動させ、被測定光学系を１回透過した後の光軸に沿う受光量変化を検出して焦点位置を測定する場合に比べて向上される。
【０００６】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の焦点位置測定装置において、前記光源部で発生される測定用光を平行光として、前記被測定光学系を透過した測定用光の結像位置が、前記被測定光学系の焦点位置と一致するようにした構成とする。
この発明によれば、光検出器の受光量が最大となる反射面の位置が、被測定光学系の焦点位置に一致するので、反射面の位置を換算することなく、直接的に取得できるので、効率のよい測定を行うことができる。
また、被測定光学系と集光光学系との間が平行光になるため、その間の離間距離を自由に設定できるため、装置のレイアウトが容易となる。
ここで、平行光は、必ずしも理想的な平行光である必要はなく、焦点位置の測定精度上許容できる範囲の平行性を有しているような実質的な平行光であればよい。
【０００７】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の焦点位置測定装置において、前記光規制部材が、大きさの異なる複数の開口を有するとともに、該複数の開口を、前記集光光学系と前記光検出器との間の光路上に切換可能に配置する開口切換手段を備える構成とする。
この発明によれば、大きさの異なる複数の開口を開口切換手段により切換可能に配置するので、被測定光学系の光学特性に応じて、開口の大きさを切り換えることで、高精度な測定を行うことができる。
【０００８】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の焦点位置測定装置において、前記被測定光学系と前記光規制部材との間の光路上に、透過率の異なる複数の減光フィルタを切換可能に配置する透過率切換手段を備える構成とする。
この発明によれば、透過率切換手段により、被測定光学系の光学特性に応じて光規制部材上に入射する光量を変化させることができるので、被測定光学系が、異なる光学特性を備える場合でも、光検出器の受光感度に応じた光量を設定できるので、測定精度を安定させることができる。
【０００９】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれかに記載の焦点位置測定装置において、前記鏡移動機構が、圧電素子を用いた駆動部を備える構成とする。
この発明によれば、圧電素子を用いた駆動部を備えるため、反射面を微小量ずつ移動することができるので、高精度な測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の焦点位置測定装置によれば、光検出器の受光量変化のコントラストを向上することができるので、被測定光学系の焦点位置の位置検出誤差を低減することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００１２】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る焦点位置測定装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る焦点位置測定装置の概略構成を示す模式構成図である。
【００１３】
本実施形態の焦点位置測定装置１００は、被測定光学系である各種のレンズあるいはレンズ群の焦点位置を、被測定光学系の適宜の測定基準位置から測定するものである。
被測定光学系としては、全体としてレンズ作用を有する光学系であれば、適宜の光学素子あるいは光学素子群を採用することができる。例えば、一般的なレンズ素子の他にも、フレネルレンズ、回折光学素子、ホログラム素子などの光学素子あるいはそれらの組合せを採用することができる。また、例えば、カバーガラス、波長選択フィルタ、偏光板などの、レンズ作用を有しない光学素子を含む光学ユニットであってもよい。
以下では、被測定光学系は、一例として、例えば凸レンズなどからなる光学素子１の場合の例で説明する。また、本実施形態の光学素子１は、鏡筒２ａに固定されて被検光学部品２を構成する形態で、焦点位置測定装置１００にセットできるようになっている。
このため、本実施形態では、鏡筒２ａの端部に、被検光学部品２を組み込む光学装置に対する取付基準面２ｂが設けられており、焦点位置測定装置１００へセットする際、取付基準面２ｂを利用して光軸方向の位置決めができるようになっている。
【００１４】
焦点位置測定装置１００の概略構成は、図１に示すように、測定用光として一定の波長を有する光束５ｂを発生する光源部５０、ビームスプリッタ１２、測定用固定治具３、鏡７、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ１３（減光フィルタ）、集光レンズ１４（集光光学系）、ピンホール板１５（光規制部材）、受光素子１６（光検出器）、測定制御部６０、および表示部２０からなる。
ビームスプリッタ１２、測定用固定治具３、および鏡７は、光源部５０の光軸８ａ上において、光源部５０側からこの順に配置されている。
ＮＤフィルタ１３、集光レンズ１４、ピンホール板１５、および受光素子１６は、ビームスプリッタ１２で反射された光軸８ｂ上において、ビームスプリッタ１２側からこの順に配置されている。
【００１５】
光源部５０は、本実施形態では、適宜波長を有する発散光である光束５ａを発生する光源４と、光束５ａを集光して平行光である光束５ｂを形成するコリメートレンズ６を備える。また、必要に応じて光束５ｂの光束径を設定する開口絞り（不図示）を備える。
光源４の種類は、測定に必要な波長、光量が得られれば、特に限定されない。例えば、レーザ光源や適宜の波長スペクトルを有するランプなどの光源を採用することができる。
なお、光源部５０は、測定の必要に応じて、光束５ｂの波長を選択的に切り換えられるような構成とすることが好ましい。例えば、波長の異なる光源４を切り換える構成や、透過波長が選択可能な波長選択フィルタを備える構成などを採用することが好ましい。
【００１６】
ビームスプリッタ１２は、光源部５０から出射された光束５ｂを透過し、光軸８ａ上を光源部５０側に向かって進む後述の光束５ｄを反射することにより、光路を分岐するためのものである。例えば、ビームスプリッタプリズムやハーフミラーなどの光学素子を採用することができる。
測定用固定治具３は、被検光学部品２を周知の手段により光学素子１の光軸と光軸８ａとを合わせた状態で固定し、光束５ｂを透過させて光学素子１に入射させるものである。そして、光学素子１の光軸８ａ上での位置決めを行うため、被検光学部品２の取付基準面２ｂを突き当てる基準固定面３ａを備えている。
【００１７】
鏡７は、測定用固定治具３に固定された光学素子１を透過して集光される光束５ｃを、光束５ｄとして反射して光学素子１に再入射させるための反射素子であり、光軸８ａに対し横切るように、具体的には、測定用固定治具３側に光軸８ａに対し直交する平面の反射面７ａを備えている。そして、鏡７は、モータ９により光軸８ａに沿う方向に駆動されるステージ１０に固定されている。
鏡７の近傍には、鏡７の光軸８ａの上の位置をモニタするスケール１１が設けられ、これにより反射面７ａの位置情報が取得できるようになっている。すなわち、予め、ステージ１０が原点位置にあるときの、反射面７ａと基準固定面３ａとの離間距離Ｄ０の情報が記憶され、スケール１１で取得される位置情報から、反射面７ａと基準固定面３ａとの間の距離Ｄが換算できるようになっている。
【００１８】
ステージ１０で移動できる距離Ｄの範囲は、光学素子１の焦点距離をｆ、取付基準面２ｂから像主点Ｈまでの距離をｈとするとき、次式の焦点位置Ｄｆを挟む範囲に設定できるようになっている。
Ｄｆ＝ｆ＋ｈ                                                      ・・・（１）
モータ９、スケール１１は、それぞれ位置制御部１７に電気的に接続されている。
スケール１１は、図１に模式的に示すように、接触式のスケールとしてもよいが、例えば、光センサ、磁気センサ、静電センサなどの位置検出手段を備えた非接触式のスケールや、レーザ測長器などの非接触式の測長器などを用いてもよい。
【００１９】
ＮＤフィルタ１３は、測定用光の光量レベルを受光素子１６の受光感度に合わせて減光させるため減光フィルタである。そして、光学素子１を再透過し、ビームスプリッタ１２によって反射された光束５ｅの光路上に配置されている。
ただし、ＮＤフィルタ１３は、光束５ｅの光量が低い場合には省略してもよい。あるいは必要に応じて着脱可能とした構成としてもよい。
【００２０】
集光レンズ１４は、ＮＤフィルタ１３を透過した光束５ｅを集光する焦点距離ｆ０のレンズまたはレンズ群である。
ピンホール板１５は、集光レンズ１４の像主点から距離ｆ０の位置に配置され、光軸８ｂに中心が一致されたピンホールからなる開口１５ａが設けられた板部材である。
開口１５ａの大きさは、集光レンズ１４によって結像される光束５ｆを略透過し、他の光はほとんど入射しないように、光束５ｆの結像位置における光束径と同程度、あるいはわずかに大きい程度に設定する。
【００２１】
受光素子１６は、ピンホール板１５の開口１５ａを透過した光束５ｆの受光量を検出する光検出素子からなる。例えば、フォトダイオードやＣＣＤなどの光検出素子を好適に採用することができる。
受光素子１６がＣＣＤで構成される場合には、各画素の輝度信号が送出されるのでそれらの和をとることで、受光量に換算することができる。この換算処理は、後述する光電変換部１８で行ってもよいし演算部１９で行ってもよい。
【００２２】
測定制御部６０は、焦点位置測定装置１００の測定動作を制御する制御ユニットであり、図１に示すように、光電変換部１８、位置制御部１７、および演算部１９からなる。
光電変換部１８は、受光素子１６に入射する光を光電変換し、光量に応じた電圧信号を生成し、演算部１９に送出するものである。
位置制御部１７は、スケール１１、モータ９、演算部１９に電気的に接続され、スケール１１が取得する反射面７ａの位置情報をモニタして、演算部１９から送出される移動目標位置に反射面７ａを移動するための制御信号をモータ９に送出し、ステージ１０の位置制御を行うものである。
【００２３】
演算部１９は、各種演算処理を行うもので、位置制御部１７、光電変換部１８、表示部２０と電気的に接続されている。それにより、以下のような動作を行えるようになっている。
例えば、位置制御部１７の位置制御に必要な反射面７ａの移動目標位置を算出して位置制御部１７に送出する。
また、移動位置における受光素子１６の受光量を、光電変換部１８から電圧信号として受信し、受光量データとして演算部１９の内部に記憶する。
そして、これらの移動位置に対応する受光量データが、必要な数だけ取得された場合には、記憶された移動位置と受光量のデータ対を呼び出し、データ対を演算処理することにより受光量が最大となる位置を求める。
【００２４】
測定制御部６０は、それぞれを専用のハードウエアにより構成してもよいが、ＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェース、外部記憶装置などを備えたパーソナルコンピュータに、それぞれの動作を行うためのプログラムをロードすることでそれぞれの機能を実現してもよい。
【００２５】
表示部２０は、測定制御部６０によって取得された情報や、算出された光学素子１の焦点位置などの測定結果を、数値やグラフなどによって表示するものである。
【００２６】
次に、焦点位置測定装置１００の動作について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る焦点位置測定装置の反射面の光軸方向位置と受光量との関係の一例を示す模式的なグラフである。横軸は反射面の光軸方向位置、縦軸は受光量に対応する電圧値を示す。図３は、本発明の第１の実施形態に係る焦点位置測定装置の動作を説明するフローチャートである。
【００２７】
まず、本実施形態における焦点位置の測定原理について説明する。
図１に示すように、光源部５０から光束５ｂが平行光として出射されると、ビームスプリッタ１２を透過し、測定用固定治具３上に固定された被検光学部品２に入射する。被検光学部品２に入射した光束５ｂは、光学素子１を透過するとそのレンズ作用によって集束光である光束５ｃとして進み、光学素子１の焦点に結像される。
ここで、図１のように、反射面７ａが光学素子１の焦点位置Ｄｆに位置する場合を考える。この場合、反射面７ａとピンホール板１５とは共役な位置関係にある。
光束５ｃは、反射面７ａで反射されると、光束５ｄとして光路を逆向きに進んで、光学素子１に再入射する。光束５ｄは、光学素子１を再透過すると光学素子１のレンズ作用を受けて、光束５ｂと略同じ光束径の平行光である光束５ｅとなり、ビームスプリッタ１２で反射されて光軸８ｂに沿って進む。
そして、ＮＤフィルタ１３に入射して減光され、集光レンズ１４に入射し、光束５ｆとして集光され集光レンズ１４の焦点に結像される。
ピンホール板１５には、集光レンズ１４の焦点を中心とした開口１５ａが設けられているので、結像された光束５ｆの略全光量が透過し、外光やフレアなどのノイズ光は遮光される。また、反射面７ａとピンホール板１５とは共役な位置関係にあるので、反射面７ａが光軸８ａに対して直角からずれて配置されていても、反射光が光学素子１のＮＡの範囲に入射する限り、反射光はすべて集光レンズ１４の焦点に結像される。
受光素子１６は、開口１５ａを透過した光束５ｆを受光し、光電変換部１８によって受光量に対応する電圧信号が生成されて演算部１９に送出される。演算部１９では、この電圧値を反射面７ａの現在位置の情報とともに記憶する。
【００２８】
次に、反射面７ａが焦点位置Ｄｆからずれた位置にある場合を考える。この場合、反射面７ａとピンホール板１５とは、共役な位置関係でなくなるので、反射面７ａで反射され、光学素子１、集光レンズ１４を透過した光の結像位置は、ピンホール板１５から光軸方向にずれる。そのためピンホール板１５上の光束径が大きくなり、開口１５ａを透過する光量は減少する。また、反射面７ａが光軸８ａに直交する面から傾いていると、共役位置の場合のように結像位置が補正されず集光レンズ１４を透過後の結像位置が光軸８ｂからずれ、開口１５ａには光束の周辺部が入射するため、開口１５ａを透過する光量が減少する。
また、反射面７ａにおける光束径が光学素子１の焦点位置での光束径よりも大きくなる結果、反射面７ａの広い範囲の面精度の影響を受けて光束５ｄの波面収差が劣化することもピンホール板１５上での光束径を増大させる一因となる。
また特に、反射面７ａが光学素子１から遠ざかる方向に移動する場合、移動距離によっては、光束５ｄが光学素子１のＮＡの範囲外に反射され、光学素子１での光量損失が発生して、受光素子１６の受光量はさらに低下する。
反射面７ａが焦点位置Ｄｆからずれると、これらが相俟って、受光量が急峻に低下する。そのため、反射面７ａの位置と受光量に対応する電圧値との関係のグラフは、図２の曲線２００に示すように、焦点位置Ｄｆで最大値Ｖｆをとり、その前後の位置で急峻に減少するようなコントラストの高い釣り鐘型の変化を示す。
したがって、焦点位置Ｄｆの前後の狭い範囲、例えば位置Ｌ１〜ＬＮの間で、測定を行って、曲線２００を求めることにより、最大値Ｖｆの値と、焦点位置Ｄｆの値を高精度に求めることができる。
【００２９】
本実施形態では、測定精度に対する影響の大きい光学素子１、集光レンズ１４、ピンホール板１５は、いずれも位置が固定されている。そして、移動するのは、光軸８ａと直交する方向の位置精度が測定精度に影響しない反射面７ａのみなので、ステージ１０は１軸方向のみで必要な送り精度が得られればよい。そのため、可動部の影響による測定誤差を抑制することができる。
【００３０】
次に、本実施形態の測定手順について説明する。
まず、演算部１９により、想定される光学素子１の焦点距離ｆに対応して、鏡７の移動範囲Ｌを焦点位置Ｄｆを挟む領域に設定し、移動範囲ＬをＮ分割した位置に測定位置を設定する。
この各測定位置Ｌｊは、基準固定面３ａを原点として次の式（２）で表される。
Ｌｊ＝Ｌ０＋ΔＬ・ｊ                                              ・・・（２）
ΔＬ＝Ｌ／Ｎ                                                      ・・・（３）
ここで、Ｌ０は測定開始時の初期設定位置、Ｎは曲線近似を行うため３以上の整数であり、ｊは、１≦ｊ≦Ｎの整数である。また、測定位置と位置Ｄｆの関係は、次式の通りである。
Ｌ１＜Ｄｆ＜ＬＮ                                                  ・・・（４）
Ｌ＝ＬＮ―Ｌ１                                                    ・・・（５）
【００３１】
測定開始を指示すると、光源４が点灯され、測定制御部６０は、図３のフローチャートで示すステップＳ１〜Ｓ９を以下の順序で実行して測定を行う。
ステップＳ１では、反射面７ａを位置Ｌ０に移動し、演算部１９にて測定位置を区別するカウンタＣを１に初期設定する。
ステップＳ２では、位置制御部１７から目標移動量に応じた指示を出すことでモータ９を駆動し、測定位置ＬＣに向けて鏡７を移動する。
ステップＳ３では、位置制御部１７は、スケール１１により鏡７の位置を取得する。
ステップＳ４では、位置制御部１７は、ステップＳ３で取得した鏡７の位置が予め設定された許容範囲において、測定位置ＬＣに一致するかどうか判定する。
一致しないと判定された場合には、測定位置ＬＣとステップＳ３で取得した位置との差を取って、移動量目標値を再設定し、ステップＳ２に戻る。
一致すると判定された場合には、ステップＳ５に移行する。
【００３２】
ステップＳ５では、演算部１９によって、光量電圧変換部１８で光電変換された受光量の電圧信号の現在値をＶＣとして取得し、鏡７の位置の現在値ＬＣとともに、演算部１９に記憶する。
ステップＳ６では、鏡７が測定終了位置ＬＮに達したかどうかを演算部１９で判定する。
Ｃ＜Ｎの場合には、ステップＳ７でカウンタＣに１を加算するカウンタ更新を行ってからステップＳ２に戻る。
Ｃ≧Ｎの場合には、ステップＳ８に移行する。
【００３３】
ステップＳ８では、演算部１９により、演算部１９に記憶された位置と電圧値とのデータ、（Ｌ１，Ｖ１）、…、（ＬＮ，ＶＮ）に対して、曲線の当てはめ演算を行い、図２の曲線２００に相当する近似曲線を求める。
なお、この曲線の当てはめは、曲線の頂点の座標を推定するために行うものなので、必ずしも全データを用いる必要はない。近似誤差が少なくなるように頂点近傍範囲から適宜選択すればよい。
ステップＳ９では、ステップＳ８で求めた近似曲線から、電圧の最大値Ｖｆと、最大値を与える光軸方向の位置Ｄｆを求め、Ｄｆを焦点位置の測定値として表示部２０に表示する。また、測定精度が確認できるように、電圧の実測値、近似曲線のグラフも合わせて表示する。
焦点距離ｆは、式（１）から、ｆ＝Ｄｆ−ｈとして求めることができる。
以上で、被検光学部品２に対する焦点位置測定を終了する。
ここで、予め、焦点位置Ｄｆあるいは焦点距離ｆに対する判定基準値を演算部１９に記憶しておき、演算部１９においてその測定値と比較することにより、被検光学部品２の合否判定を行い、その合否判定結果も表示部２０に表示してもよい。
【００３４】
このように本実施形態によれば、測定用光の結像位置と共役な位置関係にピンホール板１５を設けて、外光やノイズ光の影響を低減するとともに、測定用光を光学素子１で透過させ、反射面７ａで反射させ、光学素子１に再透過させる過程を経て、集光レンズ１４で結像する構成をとることによって、受光量変化のグラフのコントラストを高めることができる。そのため、焦点位置の位置検出誤差を低減することができる。
また、移動する光学部品は、光軸８ａに直交する方向の移動誤差が測定精度に影響しない鏡７のみであり、位置関係が測定精度に大きく影響する光学素子１やピンホール板１５の位置を固定して測定することができるので、焦点位置の位置検出誤差を低減することができる。
【００３５】
次に、本実施形態の第１変形例について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る焦点位置測定装置の動作を説明するフローチャートである。
本変形例は、上記第１の実施形態と同様の構成を用い、鏡７を一定速度で移動させ、受光素子１６の受光量を適宜タイミングでサンプリングすることで、近似曲線を得る測定データを取得するようにしたものである。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００３６】
本変形例では、上記第１の実施形態と同様にして、移動範囲Ｌ、初期設定位置Ｌ０を設定する。そして、ステージ１０に移動速度Ｕを位置制御部１７に設定し、ΔＬに代えて、次式によるサンプリング間隔Δｔを設定しておく。
Δｔ＝Ｌ／（Ｕ・Ｎ）                                              ・・・（６）
これにより、移動範囲Ｌ内の各測定位置は、次式のＬｋで表される。
Ｌｋ＝Ｌ０＋Ｕ・Δｔ・ｋ                                          ・・・（７）
ここで、ｋは、１≦ｋ≦Ｎの整数である。
【００３７】
測定開始を指示すると、光源４が点灯され、測定制御部６０は、図４のフローチャートで示すステップＳ１１〜Ｓ１８を以下のように順次実行して測定を行う。
ステップＳ１１では、位置制御部１７からの指示によりモータ９を駆動し、初期設定位置Ｌ０に鏡７を移動する。
ステップＳ１２では、位置制御部１７からの指示によりモータ９を駆動し、移動速度Ｕで測定終了位置ＬＮに向けて鏡７を移動開始する。
ステップＳ１３では、位置制御部１７により、サンプリング間隔Δｔごとに鏡７の位置をスケール１１から取得し、式（７）による測定位置Ｌｋとして順次、演算部１９に記憶する。
ステップＳ１３と併行するステップＳ１４では、ステップＳ１３の位置取得タイミングと同じタイミングで、受光素子１６の受光量を光電変換部１８にて光電変換し、その電圧値Ｖｋを演算部１９に順次記憶する。
ステップＳ１５では、ステップＳ１３で取得された鏡７の測定位置Ｌｋが、測定終了位置ＬＮを越えたかを判定する。
Ｌｋ＜ＬＮの場合には、ステップＳ１３、Ｓ１４をそれぞれ繰り返す。
Ｌｋ≧ＬＮの場合には、ステップＳ１６に移行する。
【００３８】
ステップＳ１６では、位置制御部１７からの指示によりモータ９を停止し鏡７の移動を停止する。
ステップＳ１７では、図３のステップＳ８と同様にして、上記ステップＳ１３、Ｓ１４で取得され演算部１９に記憶された位置と電圧値とのデータ、（Ｌ１，Ｖ１）、…、（ＬＮ，ＶＮ）に対する近似曲線を求める。
ステップＳ１８は、図３のステップＳ９と同様の工程である。
【００３９】
本変形例によれば、鏡７を各測定値に停止させることなく、初期設定位置Ｌ０から測定終了位置ＬＮまで動かしながら、反射面７ａの位置情報と受光素子１６の受光量を取得するため、高速な測定が可能となる。
【００４０】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る焦点位置測定装置について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る焦点位置測定装置の概略構成を示す模式構成図である。
【００４１】
本実施形態の焦点位置測定装置１１０は、図５に示すように、上記第１の実施形態の焦点位置測定装置１００に、ステージ１０上に固定された微小駆動ステージ２１を追加し、ステージ１０と微小駆動ステージ２１とによって鏡７を光軸８ａに沿って移動させるようにしたものである。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４２】
本実施形態の微小駆動ステージ２１は圧電素子２２を備え、位置制御部１７から圧電素子２２に制御信号を送出し、圧電素子２２を光軸８ａの方向に伸縮させることで、微小駆動ステージ２１に固定された鏡７が光軸８ａに沿う方向に駆動される。
位置制御部１７は、モータ９、圧電素子２２をそれぞれ独立して駆動することが可能であり、鏡７の移動量は、モータ９、圧電素子２２によってそれぞれ移動されるステージ１０、微小駆動ステージ２１の移動量の和となる。
圧電素子２２の種類としては、必要な駆動力および移動量が得られれば特に限定されない。
【００４３】
このような焦点位置測定装置１１０による測定手順は、図３に示すフローの動作を変形することで略同様に行うことができる。
すなわち、ステップＳ２における移動を、設定された移動目標量に応じて、ステージ１０または微小駆動ステージ２１を選択的に駆動するように変形する。例えば、移動目標量が大きい領域ではステージ１０を駆動し、ステージ１０の移動精度が確保できない微小移動の領域では微小駆動ステージ２１を駆動する。
あるいは、ステップＳ２の間で、移動目標量を越さない範囲でステージ１０を駆動し、続けて残りの移動量を微小駆動ステージ２１によって駆動する、というように、それぞれの駆動を併用してもよい。
【００４４】
本実施形態の焦点位置測定装置１１０によれば、鏡７が、ステージ１０と微小駆動ステージ２１との移動量の和によって移動されるため、ステージ１０によって広い移動範囲を確保し、微小駆動ステージ２１により、高精度かつ微小量の移動を行うことで、広範囲にわたって高精度の移動精度が得られる。
そのため、焦点距離の異なる種々の光学素子１の焦点位置を測定することが可能となる。また、広範囲にわたって均一な高精度で移動する鏡移動機構を用いる場合に比べて安価な構成とすることができる。
【００４５】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る焦点位置測定装置について説明する。
図６は、本発明の第３の実施形態に係る焦点位置測定装置の概略構成を示す模式構成図である。
【００４６】
本実施形態の焦点位置測定装置１２０は、図６に示すように、上記第１の実施形態のＮＤフィルタ１３、ピンホール板１５を複数種類設けるとともに、それらを、フィルタ回転板２３、ピンホール回転板２５にそれぞれ設け、フィルタ回転板２３の回転角度を制御するフィルタ選択モータ２４およびピンホール回転板２５の回転角度を制御するピンホール選択モータ２６を制御することによって、光軸８ｂの光路上にそれぞれ選択的に進退させることができるようにしたものである。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４７】
フィルタ回転板２３は、光軸８ｂと略平行な軸上に回転軸を有するフィルタ選択モータ２４によって、回転可能に保持され、周方向の１箇所で光軸８ｂと交差するように配置されている。光軸８ｂと交差する円周には、減光率が異なる複数種類のＮＤフィルタ１３が適宜角度ピッチで配置されている。各ＮＤフィルタ１３の光軸８ｂ方向の配置位置は、上記第１の実施形態と同様である。
ピンホール回転板２５は、光軸８ｂと略平行な軸上に回転軸を有するピンホール選択モータ２６によって、回転可能に保持され、周方向の１箇所で光軸８ｂと交差するように配置されている。光軸８ｂと交差する円周には、開口１５ａの開口径が異なる複数種類のピンホール板１５が適宜角度ピッチで配置されている。
フィルタ選択モータ２４、ピンホール選択モータ２６はいずれも位置制御部１７と電気的に接続され、位置制御部１７の制御信号により、回転角度が切換可能になっている。
【００４８】
本実施形態の焦点位置測定装置１２０によれば、フィルタ回転板２３、ピンホール回転板２５を回転させることで、光軸８ｂ上に、適宜のＮＤフィルタ１３、ピンホール板１５を選択的に配置することができる。そのため、光学素子１の焦点距離などの光学特性に応じて、ＮＤフィルタ１３の減光率、開口１５ａの開口径が適切となる組合せを選択することができる。
その結果、ＮＤフィルタ１３の減光率を適切に選択することで、受光素子１６の受光感度に合った光量に設定することができて、受光量の検出精度を向上できる。
また、開口１５ａの開口径を集光レンズ１４で結像される光束径に最も近いものに設定することで、受光量のグラフのコントラストを高めることができ、焦点位置の検出精度を向上することができる。
【００４９】
なお、上記第１の実施形態の説明では、スケール１１を備えることにより、反射面７ａの移動位置を検出してフィードバック制御を行う場合の例で説明したが、ステージ１０の移動精度が許容範囲内にある場合には、スケール１１を削除するように変形してもよい。ここで、移動精度の許容範囲は、必要な測定分解能に対する近似曲線による推定誤差から決まるものである。
本変形例の構成においては、図３に示すフローにおいて、ステップＳ３、Ｓ４を削除したフローによって第１の実施形態と同様の測定を行うことができる。
このように、高価につくスケール１１を削除した構成とすることで、より安価な装置とすることができる。
【００５０】
また、上記の説明では、光源部５０のとして、光源４からの発散光をコリメートレンズ６で平行光を形成する場合の例で説明したが、光源４で発生した光を光ファイバに光結合し、この光ファイバから出射される発散光を、コリメートレンズ６によって平行光にする構成としてもよい。
この場合、例えば、光源４の配置位置を自由に設定することができ、コリメートレンズ６への入射光の切換なども容易となる。そのため、例えば、波長の異なる複数種類の光源４を用意し、それらを必要に応じて切り換えることで、測定用光の波長切換が容易な装置とすることができる。
また、平行光は、必ずしも理想的な平行光である必要はなく、焦点位置の測定精度上許容できる範囲の平行性を有しているような実質的な平行光であればよい。
【００５１】
また、上記の説明では、光束５ｂが平行光である場合の例で説明したが、反射面７ａとピンホール板１５とを共役な位置関係に配置することができれば、光束５ｂは、実質的な平行光ではない集束光、発散光であってもよい。
この場合、光学素子１、集光レンズ１４による各結像位置は、各焦点位置と異なるが、例えば、光学素子１に代えて予め光学特性が知られた校正用レンズを用いて測定用光による結像位置と焦点位置との関係の校正を行うことで、結像位置の測定値を焦点位置に換算することができる。
このような構成によれば、例えば、被測定光学系の焦点距離が短い場合でも、結像位置を被測定光学系のレンズ面から離すことができて好都合である。
【００５２】
また、上記第２の実施形態の説明では、微小駆動ステージ２１を圧電素子２２で駆動する場合の例で説明したが、微小駆動ステージ２１、ステージ１０は、それぞれ微小移動、粗移動が可能であれば、特に構成は限定されない。また、それぞれ駆動方式は同一であってよい。
【００５３】
また、上記の説明では、被測定光学系が、鏡筒２ａに保持された被検光学部品２をなしている場合の例で説明したが、測定用固定治具３に適宜の受け部を設けて光学素子を単品で固定できるようにしておけば、被測定光学系として光学素子単品を測定する装置としてもよい。
【００５４】
また、上記第３の実施形態の説明では、開口切換手段と、透過率切換手段とを両方とも備える場合の例で説明したが、光検出器の受光感度が十分にある場合や、光源部で光量を調整できるような場合には、透過率切換手段を備えない構成としてもよい。
【００５５】
また、上記の各実施形態および変形例に記載された構成要素は、技術的に可能であれば、本発明の技術的思想の範囲内で適宜置き換え、あるいは組み合わせて実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る焦点位置測定装置の概略構成を示す模式構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る焦点位置測定装置の反射面の光軸方向位置と受光量との関係の一例を示す模式的なグラフである。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る焦点位置測定装置の動作を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る焦点位置測定装置の動作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る焦点位置測定装置の概略構成を示す模式構成図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る焦点位置測定装置の概略構成を示す模式構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  光学素子（被測定光学系）
２  被検光学部品
３ａ  基準固定面
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ  光束（測定用光）
７  鏡
７ａ  反射面
８ａ、８ｂ  光軸
９  モータ
１０  ステージ（鏡移動機構）
１１  スケール
１２  ビームスプリッタ
１３  ＮＤフィルタ（減光フィルタ）
１４  集光レンズ（集光光学系）
１５  ピンホール板（光規制部材）
１５ａ  開口
１６  受光素子（光検出器）
１７  位置制御部
１８  光量電圧変換部
１９  演算部
２１  微小駆動ステージ（圧電素子を備える駆動部）
２２  圧電素子
２３  フィルタ回転板（透過率切換手段）
２４  フィルタ選択モータ
２５  ピンホール回転板（開口切換手段）
２６  ピンホール選択モータ
５０  光源部
６０  測定制御部
１００、１１０、１２０  焦点位置測定装置
【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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