(57)【要約】【課題】装置を小型に実現することができ、撮像素子の防塵対策に起因する干渉縞の発生を防止することができる干渉計を提供すること。【解決手段】参照レンズ１１３の参照面１１３ａでの第１の反射光と、被検レンズ３００の測定面３００ａでの第２の反射光とが、コリメータレンズ１１４、ビームスプリッタ１１７を透過して撮像素子１２０の撮像面に照射され、該撮像面に干渉縞を形成する。ここで、コリメータレンズ１１４と撮像面との間には凹レンズ１１５が配置され、これらコリメータレンズ１１４および凹レンズ１１５からなる光学系の第２主点を、コリメータレンズ１１４と参照レンズ１１３との間に位置させている。これにより、コリメータレンズ１１４の焦点距離を短く設計することができ、装置を小型化することが可能となる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検レンズから干渉縞が形成されるべき撮像手段の撮像面に向かう光軸に沿って、参照レンズとコリメータレンズとビームスプリッタとがこの順に配置され、光源から射出した光束を前記ビームスプリッタの反射面で反射させて前記コリメータレンズを介して前記参照レンズに照射し、該参照レンズの透過光を前記被検レンズの測定面に照射し、前記参照レンズの参照面での第１の反射光と前記測定面での第２の反射光とを前記コリメータレンズと前記ビームスプリッタを透過させて前記撮像手段の撮像面に照射し、該撮像面に前記第１の反射光と前記第２の反射光とによる干渉縞を形成するように構成された干渉計において、
前記コリメータレンズと前記撮像面との間に凹レンズを配置し、前記コリメータレンズと前記凹レンズとを含んで構成される光学系の第２主点を前記コリメータレンズと前記参照レンズとの間に位置させたことを特徴とする干渉計。
【請求項２】
前記ビームスプリッタが、前記凹レンズと前記撮像面との間に配置されたことを特徴とする請求項１に記載された干渉計。
【請求項３】
前記撮像手段と前記ビームスプリッタと前記コリメータレンズと前記参照レンズとが、概略筒状の筐体内に該筐体の中心軸に沿って配置され、前記撮像手段が、前記筐体内に気密状態で配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載された干渉計。
【請求項４】
前記撮像手段が、前記光軸上に配置された光学素子により前記筐体内に密閉されたことを特徴とする請求項３に記載された干渉計。
【請求項５】
前記撮像手段が、前記撮像面にマイクロレンズアレイが形成された電荷結合素子を有し、前記マイクロレンズアレイで前記第１および第２の反射光を直接的に受光するように構成されたことを特徴とする請求項３または４に記載された干渉計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズ表面の仕上げ精度等を検査するための干渉計に関し、被検レンズの測定面と参照レンズの参照面からの各反射光の干渉作用によって生ずる干渉縞を観察する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４（ａ）に、特開平５−１６４９９１号公報に記載された従来技術に係る干渉計の光学系の基本構成を模式的に示す。同図に示すように、この干渉計は、光軸上に被検レンズ２０１、参照レンズ２０２、コリメータレンズ２０３、ビームスプリッタ２０４、及び撮像素子２０５がこの順に配置され、この光軸外に光源２０６が配置されている。参照レンズ２０２の参照面２０２ａは、被検レンズ２０１の測定面２０１ａの原器となる形状を有し、極めて高精度に仕上げられている。
【０００３】
光源２０６から射出した光束は、ビームスプリッタ２０４で反射され、コリメータレンズ２０３に入射する。この入射光は、コリメータレンズ２０３を通過することにより平行光となり、参照レンズ２０２に入射する。参照レンズ２０２の入射光の一部は参照面２０２ａで反射され、入射時の光路を逆行する。また、参照レンズ２０２の透過光は集束光となって被検レンズ２０１の測定面２０１ａに照射される。この照射光の一部は測定面２０１ａで反射されて同様に入射時の光路を逆行する。測定面２０１ａでの反射光と参照面２０２ａでの各反射光は、ビームスプリッタ２０４を透過して撮像素子２０５の撮像面に照射され、これら反射光の干渉作用により干渉縞が形成される。
【０００４】
ここで、参照レンズ２０２の参照面２０２ａに対し、被検レンズ２０１の測定面２０１ａの形状に歪みが存在すると、参照面２０２ａと測定面２０１ａとの各反射光の波面に位相差が生じ、この結果、撮像素子２０５の撮像面に形成される干渉縞の形状に歪みが現れる。従って、撮像素子２０５の撮像面に形成される干渉縞を観測することにより、被検レンズ２０１の仕上がりを検査することができる。
【０００５】
図４（ｂ）は、撮像素子２０５の構成を示す。この撮像素子２０５は、例えば特開平５−３１６２８４号公報に記載されたもので、同図に示すように、セラミクスなどのパッケージ２０５ａに電荷結合素子（ＣＣＤ）２０５ｂを実装し、撮像面となる電荷結合素子２０５ｂの表面を覆うようにリッドガラス２０５ｃで封止したものである。このように封止することにより、電荷結合素子２０５ｂを塵埃から保護している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１６４９９１号公報（図１参照）
【特許文献２】
特開平５−３１６２８４号公報（図１１参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の従来技術によれば、第一に、撮像素子２０５の撮像面に、光源２０６から発せられる光の放射角内の光束を有効に利用するため、コリメータレンズ２０３の焦点距離を或る程度長く設定しなければならず、そのために装置が大型化するという問題がある。また、第二に、撮像素子２０５の撮像面を防塵用のリッドガラス２０５ｃが覆うため、このリッドガラス２０５ｃの表面と裏面とでの各反射光による干渉縞が発生し、この干渉縞が撮像素子２０５の撮像面に映り込むという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、装置を小型に実現することができ、また、撮像素子の防塵対策に起因する干渉縞の発生を防止することができる干渉計を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
即ち、請求項１に記載された発明は、被検レンズから干渉縞が形成されるべき撮像手段の撮像面に向かう光軸に沿って、参照レンズとコリメータレンズとビームスプリッタとがこの順に配置され、光源から射出した光束を前記ビームスプリッタの反射面で反射させて前記コリメータレンズを介して前記参照レンズに照射し、該参照レンズの透過光を前記被検レンズの測定面に照射し、前記参照レンズの参照面での第１の反射光と前記測定面での第２の反射光とを前記コリメータレンズと前記ビームスプリッタを透過させて前記撮像手段の撮像面に照射し、該撮像面に前記第１の反射光と前記第２の反射光とによる干渉縞を形成するように構成された干渉計において、前記コリメータレンズと前記撮像面との間に凹レンズを配置し、前記コリメータレンズと前記凹レンズとを含んで構成される光学系の第２主点を前記コリメータレンズと前記参照レンズとの間に位置させたことを特徴とする。
【０００９】
この発明の構成によれば、コリメータレンズと撮像面との間に配置された凹レンズが、コリメータレンズから入射する第１及び第２の反射光の集束光を発散させ、第２主点をコリメータレンズと参照レンズとの間に位置させるように作用するので、コリメータレンズの焦点距離が見かけ上延長される。従って、コリメータレンズ自体の焦点距離を短く設計しても、撮像面に対する第１および第２の反射光の入射角を、コリメータレンズの焦点距離を長く設計した場合と同等とすることが可能になる。従って、撮像面上の干渉縞の画像品質に影響を与えることなく、装置を小型化することが可能になる。
【００１０】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された干渉計において、前記ビームスプリッタが、前記凹レンズと前記撮像面との間に配置されたことを特徴とする。この構成によれば、光源側から入射してコリメータレンズ側に反射すべき光束を細くできるので、ビームスプリッタの反射面を小さくすることができ、ビームスプリッタを小型化することが可能になる。また、ビームスプリッタをコリメータレンズと被検レンズとの間に配置した場合に比較して、光源側からの入射光を発散光としてコリメータレンズ側に反射すればよく、光源側から平行光を入射する必要がない。従って、光源側からビームスプリッタに入射する光を平行光に変換するための光学系を省略できる。
【００１１】
請求項３に記載された発明は、請求項１または２に記載された干渉計において、前記撮像手段と前記ビームスプリッタと前記コリメータレンズと前記参照レンズとが、概略筒状の筐体内に該筐体の中心軸に沿って配置され、前記撮像手段が、前記筐体内に気密状態で配置されたことを特徴とする。この構成によれば、撮像手段が筐体の外部と遮断されるので、筐体の外部から撮像手段に至る塵埃の侵入経路が遮断される。従って、撮像手段が、撮像面を塵埃などから保護するためのリッドガラスなどの保護手段を備える必要がなくなり、この保護手段が撮像面上の光像に与える影響を排除することが可能になる。
【００１２】
請求項４に記載された発明は、請求項３に記載された干渉計において、前記撮像手段が、前記光軸上に配置された光学素子により前記筐体内に密閉されたことを特徴とする。この構成によれば、第１および第２の反射光の光路上に配置された光学素子が撮像手段を筐体内に密閉するので、上述のリッドガラスなどによらずに撮像素子を気密状態に置くことが可能になる。
請求項５に記載された発明は、請求項３または４に記載された干渉計において、前記撮像手段が、前記撮像面にマイクロレンズアレイが形成された電荷結合素子を有し、前記マイクロレンズアレイで前記第１および第２の反射光を直接的に受光するように構成されたことを特徴とする。この構成によれば、第１および第２の反射光を効率的に受光し、従って撮像素子の受光感度を高めることが可能になる。
【００１３】
換言すると、上述の本発明は、焦点距離を短く設計したコリメータレンズに凹レンズを組み合わせることにより、いわゆるテレタイプの光学系を形成し、結像位置を一定としながら焦点距離の長い仮想的なコリメータレンズを形成したものと言える。これにより、コリメータレンズの焦点距離を長く設計した場合と同様の像側開口数（ＮＡ；  Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）で撮像面に干渉縞を形成することを可能とすると共に、コリメータレンズと撮像面との間の距離を短くし、装置を小型化することを可能としている。また、第１および第２の反射光の光路上の光学系により撮像素子を筐体内に密閉し、これを気密状態に置くことにより、従来のリッドガラスなどの機能を光学系に兼ねさせている。これにより撮像素子が第１および第２の反射光を撮像面で直接的に受光することを可能としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
図１に、本発明の実施形態に係る干渉計１００の構成を示す。同図において、３００は被検レンズであり、図示しない支持手段により、干渉計１００の上方に支持されている。１１１は、被検レンズ３００に向かって開放した形状を有する概略筒状の筐体である。この筐体の底面には撮像素子１２０が配置されている。被検レンズ３００から撮像素子１２０の撮像面に向かう光軸Ｊは、筐体１１１の中心軸方向に設定される。１１２は、参照レンズ１１３を装着するステージである。このステージ１１２は、特に図示していないが、光軸Ｊと直交する２次元平面のまわりに参照レンズ１１３をわずかに傾斜させる機構を備え、参照レンズ１１３の光軸を光軸Ｊに合わせる調整が可能となっている。
【００１５】
筐体１１１の内部には、この筐体の中心軸（即ち光軸Ｊ）に沿って、上方側から、参照レンズ１１３、コリメータレンズ１１４、凹レンズ１１５、１／４波長板１１６、ビームスプリッタ１１７、偏光板１１８、結像レンズ１１９、撮像素子１２０がこの順に配置される。即ち、コリメータレンズ１１４と撮像素子１２０との間に凹レンズ１１５が配置され、凹レンズ１１５と撮像素子１２０との間にビームスプリッタ１１７が配置される。また、筐体１１１の側壁側にはビームスプリッタ１１７に光軸ＪＡを向けた光源１２１が配置される。この光源１２１としては可干渉性の高い単色光、具体的にはレーザ光が望ましく、この実施形態ではそのような光源を用いるものとする。
【００１６】
参照レンズ１１３は、被検レンズ３００の測定面３００ａの形状を検査する上で原器となる参照面１１３ａを有しており、この参照面１１３ａは極めて高精度に仕上げられている。参照レンズ１１３の下方に配置されたコリメータレンズ１１４は、ビームスプリッタ１１７側から入射する発散光を平行光に変換するものである。このコリメータレンズ１１４の焦点距離は、装置の小型化に直接的に寄与する要因であり、球面収差等の補正が可能な範囲で短く設定される。この実施の形態では、単色光の光源１２１を用いているので、球面収差のみの補正で足りる。
【００１７】
コリメータレンズ１１４の下方には、所定距離をおいて凹レンズ１１５が配置される。凹レンズ１１５は、この凹レンズ１１５とコリメータレンズ１１４とで構成される光学系の第２主点をコリメータレンズ１１４の上方に飛出させ、コリメータレンズ１１４と参照レンズ１１３との間に位置させるためのものである。これにより短焦点のコリメータレンズ１１４の焦点距離を見かけ上延長させている。凹レンズ１１５は、コリメータレンズ１１４の球面収差を補正する機能を併せ持つ。凹レンズ１１５の下方には１／４波長板１１６が所定の傾きをもって配置される。
【００１８】
１／４波長板１１６の下方に配置されたビームスプリッタ１１７は、光源１２１から射出された単色光を、光軸Ｊに沿ってコリメータレンズ１１４に向かう方向に反射するように傾きが調整されており、このビームスプリッタ１１７の反射面には、Ｐ偏光成分を透過すると共にＳ偏光成分を反射する性質を有する半透過膜が形成されている。また、ビームスプリッタ１１７の下方には、光量を調節するための偏光板１１８と結像レンズ１１９が配置される。結像レンズ１１９は、参照レンズ１１３の外周縁を経由した光束を撮像素子１２０の撮像面上に結像させるためのものであり、その外周部が筐体１１１の内壁に接着されている。これにより、撮像素子１２０が筐体内に密閉され、気密状態とされる。
【００１９】
図２（ａ）に、撮像素子１２０の断面構造を示し、同図（ｂ）に、撮像素子１２０を構成する電荷結合素子１２０１の断面構造を示す。同図（ａ）に示すように、撮像素子１２０は、セラッミックパッケージ１２０３に電荷結合素子（ＣＣＤ）１２０１を実装して構成される。また、同図（ｂ）に示すように、電荷結合素子１２０１の表面にはマイクロレンズアレイ１２０１ｃが形成されている。これにより、電荷結合素子１２０１の基板１２０１ａ上の受光素子１２０１ｂに効率的に集光し、受光感度を向上させている。撮像素子１２０は、従来の種の撮像素子に使用されていた防塵用のリッドガラス（図示なし）を備えておらず、この撮像素子１２０としては、従来の撮像素子からリッドガラスを取り外したものを代用することができる。なお、本実施形態では、撮像素子１２０を電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いて構成したが、ＣＭＯＳを用いて構成することも可能である。
【００２０】
次に、本実施形態の作用を説明する。
上述した構成はふたつの特徴を有する。第一の特徴は、コリメータレンズ１１４と撮像面１２０２との間に凹レンズを配置した点にあり、第二の特徴は、撮像素子１２０を筐体内部に密閉した点にある。このような構成上の特徴により、装置の小型化と、防塵に伴う干渉縞の防止を達成している。以下では、これら第一および第二の構成上の特徴に着目して作用を説明する。
【００２１】
先ず、上述の第一の構成上の特徴に着目して作用を説明する。光源１２１から射出した単色光の光束がビームスプリッタ１１７の反射面に照射されると、そのＳ偏光成分のみが反射されて１／４波長板１１６に向かい、この１／４波長板１１６により円偏光とされて凹レンズ１１５に入射する。この凹レンズ１１５の入射光は発散されてコリメータレンズ１１４に入射し、平行光となって参照レンズ１１３に入射する。参照レンズ１１３の入射光の一部は参照面１１３ａで反射される。また、参照レンズ１１３の透過光は被検レンズ３００に照射され、その一部が被検レンズ３００の測定面３００ａで反射される。
【００２２】
参照面１１３ａでの反射光（以下、「第１の反射光」と称す）と測定面３００ａの反射光（以下、「第２の反射光」と称す）は、入射時の光路を逆行し、１／４波長板１１６によりＰ偏光とされてビームスプリッタ１１７に到達する。このとき、コリメータレンズ１１４に入射する第１および第２の反射光は、コリメータレンズ１１４の焦点距離に応じた射出角を有する集束光となって凹レンズ１１５に入射する。凹レンズ１１５は、その焦点距離に応じて入射光を発散させ、焦点を移動させる。
【００２３】
この点をさらに説明すると、図３（ａ）に示すように、短焦点（ｆ１）のコリメータレンズ１１４に凹レンズ１１５を組み合わせることにより、焦点距離ｆ２を有する仮想的なコリメータレンズ１１４ａが形成される。即ち、コリメータレンズ１１４と凹レンズ１１５とから構成される光学系の第２主点Ｈ２がコリメータレンズ１１４と参照レンズ１１３の間に位置するようになる。これにより、短焦点のコリメータレンズ１１４の焦点距離ｆ１が見かけ上延長され、コリメータレンズ１１４の焦点距離ｆ１を短く設計した分を凹レンズ１１５により補正している。これにより、同図（ｂ）に示すように、長焦点の従来のコリメータレンズ２０３を採用した場合と同様の焦点距離ｆ１を実現している。
【００２４】
凹レンズ１１５を逆行した第１および第２の反射光は、ビームスプリッタ１１７に到達する。このビームスプリッタ１１７はＰ偏光成分を透過させる性質を有するので、第１および第２の反射光は、ビームスプリッタ１１７を透過し、偏光板１１８で光量が調節されて結像レンズ１１９に入射する。そして、結像レンズ１１９により撮像素子１２０の撮像面１２０２に照射され、これら第１および第２の反射光の干渉作用により干渉縞が形成される。このとき、被検レンズ３００の測定面３００ａに歪みが存在すると、第１の反射光と第２の反射光の波面に位相差が生じ、これらの干渉作用によって形成される干渉縞の歪みとなって現れ、この歪みから測定面３００ａの仕上がりが把握される。
【００２５】
次に、上述の第二の構成上の特徴に着目して作用を説明する。
図１に示すように、撮像素子１２０は結像レンズ１１９により筐体１１１の内部に密閉されているので、外部に塵埃が存在していても、撮像素子１２０への侵入経路が存在せず、外部の塵埃が撮像素子１２０の撮像面１２０２に付着することがない。従って、従来のように、リッドガラスなどの防塵手段により撮像素子１２０の撮像面１２０２を保護する必要がなくなり、撮像面１２０２を露出させた状態で撮像素子１２０を装着できる。
【００２６】
また、撮像面１２０２と結像レンズ１１９との間には光路に影響を与えるような部材が何ら存在しない。従って、結像レンズ１１９を透過した第１および第２の反射光は直接的に撮像面１２０２に到達し、結像レンズ１１９と撮像面１２０２との間で不要な反射が生じることがない。よって、第二の構成上の特徴によれば、不要な反射が発生せず、この反射に起因した不用な干渉縞の発生が防止されるので、第１および第２の反射光による干渉縞を良好に形成することが可能になる。マイクロレンズアレイ１２０１ｃは表面に微細な凹凸が形成されており、表面と裏面とが平行でないため、このマイクロレンズアレイ１２０１ｃでの反射光に起因した干渉縞は発生しない。
【００２７】
以上の説明から理解されるように、この実施形態によれば、コリメータレンズ１１４の焦点距離を短く設計することが可能になるので、装置の全長を短縮することが可能になる。即ち、コリメータレンズ１１４の焦点距離を短く設計しても、実効的な焦点距離を従来並みに保ちながら装置を小型化することが可能になる。しかも、コリメータレンズ１１４の焦点距離を短く設計しても、観測に必要とされる大きさの干渉縞を形成することができる。従って、干渉縞の画像品質を維持しながら装置を小型化に実現することが可能になる。
また、撮像素子１２０を筐体１１１の内部に密閉し、これを気密状態に置いたので、結像レンズ１１９を透過した光束を撮像面１２０２で直接的に受光することが可能となり、従って、撮像素子の受光感度を高めることができる。
【００２８】
以上、この発明の一実施形態を説明したが、この発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、上述の実施形態では、ビームスプリッタ１１７を凹レンズ１１５と撮像素子１２０との間に配置するものとしたが、凹レンズ１１５とコリメータレンズ１１４との間に配置するものとしてもよい。この場合、ビームスプリッタ１１７と光源１２１との間に、凹レンズ１１５に相当する光学系を新たに配置し、これにより光源１２１から射出した光束の発散の度合いを、凹レンズ１１５を透過した光束に整合させればよい。
【００２９】
また、上述の実施形態では、ビームスプリッタ１１７を用いて光路を分割するものとしたが、ビームスプリッタ１１７に代えて薄膜型の光路分割手段を用いても良い。この場合、光路分割手段によっても撮像素子１２０を筐体内に密閉することが可能になり、結像レンズ１１９と共に撮像素子１２０に対する気密性を一層高めることが可能になる。もちろん、何れか一方により密閉するようにしてもよい。さらに、上述の実施形態では、被検レンズ３００として凸レンズを用いて説明したが、凹レンズを被検レンズとする場合には参照レンズ１１３を入れ替えれば同様に本発明を適用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、コリメータレンズと撮像面との間に凹レンズを配置し、第２主点をコリメータレンズと参照レンズとの間に位置させるようにしたので、装置を小型化することができる。
また、請求項２に係る発明によれば、ビームスプリッタを、凹レンズと撮像面との間に配置したので、ビームスプリッタを小型化することができ、装置を一層小型化することができる。
【００３１】
また、請求項３に係る発明によれば、撮像手段を筐体内に気密状態で配置したので、撮像手段自体が防塵手段を備えることなく、撮像面を塵埃から保護することができる。
また、請求項４に係る発明によれば、撮像手段を筐体内に密閉したので、撮像手段を気密状態に置くことができる。
また、請求項５に係る発明によれば、撮像面にマイクロレンズアレイを形成し、マイクロレンズアレイで直接的に受光するようにしたので、不要な干渉の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る干渉計の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る撮像素子の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る干渉計の作用（原理）を説明するための図である。
【図４】従来技術に係る干渉計を説明するための図である。
【符号の説明】
１００；干渉計、１１１；筐体、１１２；ステージ、１１３；参照レンズ、１１３ａ；参照面、１１４；コリメータレンズ、１１５；凹レンズ、１１６；１／４波長板、１１７；ビームスプリッタ、１１８；偏光板、１１９；結像レンズ、１２０；撮像素子、１２１；光源、３００；被検レンズ、１２０１；電荷結合素子、１２０２；撮像面、Ｊ，ＪＡ；光軸。
【図１】
2004163143.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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