(57)【要約】【課題】複数波長のそれぞれについて結像光学系の色収差、像面湾曲および歪曲収差を測定可能な測定装置を提供すること【解決手段】測定装置は、光源１４、１５と、結像レンズ１８と、を搭載したステージ１１と、ステージの位置を検出する測長器１３と、凹面ミラー４０と、凹面ミラーの位置を計測する測長器４２と、結像光学系Ｕの波面収差、像面湾曲、歪曲収差、色収差を取得する制御手段２０と、を有する。【選択図】図２
2013238514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像光学系の像面湾曲、歪曲収差および色収差を測定する測定装置であって、
複数の波長の光を選択的に発する光源手段と、前記光源手段からの前記光を集光する参照レンズと、を搭載し、前記結像光学系に対して移動可能に構成されたステージと、
前記ステージに搭載された前記参照レンズの焦点と前記結像光学系の光軸からの距離である像高を検出する第１の位置検出手段と、
曲率中心が前記結像光学系の焦点と一致するように配置され、前記結像光学系を介して受光した前記参照レンズからの光を前記結像光学系に反射する凹面ミラーと、
前記凹面ミラーの位置を計測する第２の位置検出手段と、
取得手段と、
を有し、
前記取得手段は、
各波長について、前記結像光学系の前記像面湾曲を、前記第１の位置検出手段の検出結果と前記第２の位置検出手段の検出結果から取得し、
各波長について、前記結像光学系の前記歪曲収差を、理想的な像高における前記凹面ミラーの位置と前記第１の位置検出手段が検出した像高における前記第２の位置検出手段が検出した前記凹面ミラーの位置から取得し、
２つの波長の前記像面湾曲の差を前記結像光学系の軸上色収差として取得し、
２つの波長の前記歪曲収差の差を前記結像光学系の倍率色収差として取得することを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記取得手段は、以下の式に基づいて前記結像光学系の前記像面湾曲を取得することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
Ｆ＝Ｚｎ−Ｚ０
ただし、Ｆは前記像面湾曲、Ｚ０は前記像高が０のときの前記第２の位置検出手段によって計測された前記結像光学系の光軸方向における前記凹面ミラーの位置、Ｚｎは前記像高がｎのときの前記第２の位置検出手段によって計測された前記光軸方向における前記凹面ミラーの位置である。
【請求項３】
前記取得手段は、以下の式に基づいて前記結像光学系の前記歪曲収差を取得することを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
Ｄ＝ｓｑｒｔ（（Ｘｎｔ−Ｘｎ）２＋（Ｙｎｔ−Ｙｎ）２）／ｓｑｒｔ（（Ｘｎｔ）２＋（Ｙｎｔ）２）
ただし、Ｄは前記歪曲収差、Ｚｎは前記像高がｎのときの前記第２の位置検出手段によって計測された前記結像光学系の光軸方向における前記凹面ミラーの位置、Ｘｎ、Ｙｎは前記像高がｎのときの前記第２の位置検出手段によって計測された前記凹面ミラーの光軸に直交する方向の位置、Ｘｎｔ、Ｙｎｔ、Ｚｎｔは前記理想的な像高ｎにおける前記凹面ミラーの位置である。
【請求項４】
前記結像光学系と前記参照レンズを介して入射した光の波面を測定する測定手段と、
前記凹面ミラーを駆動する駆動手段と、
を有し、
前記凹面ミラーの位置は、前記測定手段が測定した前記結像光学系の波面収差の傾き成分とデフォーカス成分が最小になるように前記駆動手段によって調整されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項５】
前記取得手段は、選択された波長に対して、すべての像高に対して前記第２の位置検出手段による測定を行い、その後に前記波長を変更することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記取得手段は、選択された像高に対して、すべての波長に対して前記第２の位置検出手段による測定を行い、その後に前記像高を変更することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記測定手段は干渉計を有することを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
【請求項８】
前記測定手段はシャックハルトマン測定器を有することを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
【請求項９】
前記結像光学系の波面収差の傾き成分とデフォーカス成分を取得するのにアニュラーツェルニケを使用することを特徴とする請求項４、７または８に記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結像光学系の光学性能を測定する測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、複数の測定点について結像光学系の透過波面を測定し、複数の測定点の物体側及び像側の結像点の位置座標を計測し、透過波面の傾き成分、デフォーカス成分と位置座標により結像光学系の歪曲収差と像面湾曲を算出することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２２６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１は単一波長における歪曲収差（ディストーション）と像面湾曲を測定している。しかし、複数波長のそれぞれについて結像光学系の複数の光学性能（色収差、像面湾曲、歪曲収差）を一つの測定装置で測定したい需要がある。
【０００５】
本発明は、複数波長のそれぞれについて結像光学系の色収差、像面湾曲および歪曲収差を測定可能な測定装置を提供することを例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の測定装置は、結像光学系の像面湾曲、歪曲収差および色収差を測定する測定装置であって、異なる波長の光を選択的に発する光源手段と、前記光源手段からの前記光を集光する参照レンズと、を搭載し、前記結像光学系に対して移動可能に構成されたステージと、前記ステージに搭載された前記参照レンズの焦点と前記結像光学系の光軸からの距離である像高を検出する第１の位置検出手段と、曲率中心が前記結像光学系の焦点と一致するように配置され、前記結像光学系を介して受光した前記参照レンズからの光を前記結像光学系に反射する凹面ミラーと、前記凹面ミラーの位置を計測する第２の位置検出手段と、取得手段と、を有し、前記取得手段は、各波長について、前記結像光学系の前記像面湾曲を、前記第１の位置検出手段の検出結果と前記第２の位置検出手段の検出結果から取得し、各波長について、前記結像光学系の前記歪曲収差を、理想的な像高における前記凹面ミラーの位置と前記第１の位置検出手段が検出した像高における前記第２の位置検出手段が検出した前記凹面ミラーの位置から取得し、２つの波長の前記像面湾曲の差を前記結像光学系の軸上色収差として取得し、２つの波長の前記歪曲収差の差を前記結像光学系の倍率色収差として取得することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数波長のそれぞれについて結像光学系の色収差、像面湾曲および歪曲収差を測定可能な測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態の測定ユニットの波面収差を測定するためのブロック図である。
【図２】本実施形態の測定装置のブロック図である。
【図３】本実施形態の測定方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図２は、被検光学系である結像光学系Ｕの色収差、像面湾曲、歪曲収差（歪曲波面収差またはディストーション）を測定する測定装置のブロック図である。測定装置は、測定ユニット１０、制御手段２０、メモリ（記憶手段）２１、凹面ミラー４０、駆動手段４１、測長器４２を有する。
【００１０】
測定ユニット１０は、複数の波長の光を結像光学系Ｕに照射して結像光学系Ｕを透過して凹面ミラー４０で反射した光の波面を測定する。制御手段２０は、測定ユニット１０の測定結果に基づいて凹面ミラー４０の位置を調節し、測長器４２の検出結果に基づいて像面湾曲、歪曲収差、軸上色収差、および倍率色収差を算出する。
【００１１】
以下、図３を参照して、本実施形態の測定方法について説明する。図３は、本実施形態の測定方法を説明するためのフローチャートであり、「Ｓ」はステップ（工程）の略である。
【００１２】
まず、測定ユニット１０が測定する結像光学系Ｕ単独の透過波面を測定するために、測定ユニット１０単独の透過波面を測定する。これは、図２で測定される透過波面は、各波長について結像光学系Ｕの波面収差と測定ユニット１０の波面収差と凹面ミラー３０の波面収差の合計であるからである。
【００１３】
そこで、まず、凹面ミラー３０、４０の表面形状を不図示の高精度な測定器により測定する（Ｓ１００）。
【００１４】
次に、波長Ａにおける測定ユニット１０の波面収差Ｓ１と波長Ｂにおける測定ユニット１０の波面収差Ｓ２を測定する（Ｓ２００）。Ｓ２００の測定は、図１に示す構成によって行うことができる。
【００１５】
図１は、測定ユニット１０の波面収差を測定するためのブロック図である。測定ユニット１０は、ステージ１１、駆動手段１２、測長器１３、光源１４、１５、ビームスプリッター１６、１７、結像レンズ（参照レンズ）１８、測定器１９、を有する。
【００１６】
ステージ１１は、光源１４、１５、ビームスプリッター１６、１７、結像レンズ１８および測定器１９を搭載し、図２に示す結像光学系Ｕに対して移動可能に構成されている。
【００１７】
駆動手段１２はＸＹ方向の２次元またはＸＹＺ方向の３次元の各方向にステージ１１を駆動する第１の駆動手段である。Ｚ方向は結像レンズ１８の光軸方向であり、図１に示す結像光学系Ｕの光軸ＯＡと平行である。ＸＹ方向はこれに直交する方向である。駆動手段１２による駆動は制御手段２０によって制御される。駆動手段１２の構成は限定されない。
【００１８】
測長器１３はステージ１１のＸＹ方向またはＸＹＺ方向の位置を検出する第１の位置検出手段である。なお、図２においては、測長器１３は、像高（即ち、結像レンズ１８の焦点位置と光軸ＯＡとの距離）が０のときが原点位置となっており、測長器１３の検出結果と像高とは関係づけられている。即ち、図２においては、測長器１３は像高も検出することができる。
【００１９】
光源１４、１５は異なる波長の光を選択的に発する光源手段として機能する。光源１４は波長Ａの光を発し、光源１５は波長Ａとは異なる波長Ｂの光を発する。波長Ａ、Ｂは、結像光学系Ｕが使用される使用帯域に含まれる波長である。光源の種類は、レーザー、ランプ、ＬＥＤなど限定されない。測定に使用する光は、使用しない光源の出力を制御手段２０で切る、または使用しない光を物理的に遮蔽するなどによって選択することができる。２波長に限らず、２よりも多い複数の波長の光源が設けられてもよい。
【００２０】
ビームスプリッター１６は、光源１４からの光束を透過し、光源１５からの光束を反射してビームスプリッター１７に導く。ビームスプリッター１７は、ビームスプリッター１６からの光を反射して結像レンズ１８に導き、結像レンズ１８からの光を透過して測定器１９に導く。
【００２１】
結像レンズ１８は、ビームスプリッター１７からの光を集光する参照レンズである。
【００２２】
測定器１９は、測定光の波面を測定し、干渉計やシャックハルトマン測定器から構成される。
【００２３】
制御手段２０は、コンピューター（演算手段）を含み、メモリ２１に接続され、測定装置の各部を制御する。制御手段２０は、結像光学系Ｕの波面収差、色収差、像面湾曲および歪曲収差を取得する取得手段として機能する。また、測定器１９と制御手段２０は測定ユニット１０または結像光学系Ｕの波面収差を測定する測定手段として機能する。メモリ２１は、測定方法や測定結果、測定に必要なデータを保存する。
【００２４】
Ｓ２００においては、波長Ａの光による結像レンズ１８の焦点が凹面ミラー３０の曲率中心に合うように、制御手段２０は駆動手段１２を制御する。次いで、光源１４からの光をビームスプリッター１６、１７、結像レンズ１８を介して凹面ミラー３０に入射させ、凹面ミラー３０からの反射光を結像レンズ１８、ビームスプリッター１７を介して、測定器１９で受光し、その波面を測定する。
【００２５】
この場合、制御手段２０は、測定器１９で計測された波長Ａについての波面収差と波長Ｂについての波面収差の傾き成分、デフォーカス成分を、フリンジツェルニケなどを使用して求める。そして、これらが最小になるように、凹面ミラー３０をＸＹＺ方向で不図示の駆動手段を使用して調整してもよい。凹面ミラー３０のＸＹＺもしくはＸＹの代わりに凹面ミラー３０の傾きを調整してもよい。
【００２６】
凹面ミラー３０の既知の形状Ｗ０と、波長Ａについて測定器１９が測定した波面収差をＷ１とすると、波長Ａの光に対する測定ユニット１０の波面収差Ｓ１は、Ｓ１＝Ｗ１−Ｗ０で表される。同様に、波長Ｂの光に対する測定ユニット１０の波面収差Ｓ２は、波長Ｂについて測定器１９が測定した波面収差Ｗ２を用いて、Ｓ２＝Ｗ２−Ｗ０で表される。波面収差Ｓ１、Ｓ２はメモリ２１に保存される。
【００２７】
次に、図２に示す測定装置を使用して波長ＡとＢについて結像光学系Ｕの色収差、像面湾曲および歪曲収差を測定する（Ｓ３００）。
【００２８】
制御手段２０を使用して測定に使用する波長を選択することは図１と同様である。凹面ミラー４０は、駆動手段４１によって結像光学系Ｕに対して移動可能に構成されており、凹面ミラー４０の曲率中心は結像光学系Ｕの焦点と一致するように配置される。結像光学系Ｕへの入射光は結像光学系Ｕを透過する。凹面ミラー４０は、結像光学系Ｕを介して受光した結像レンズ１８からの光を結像光学系Ｕに反射し、結像光学系Ｕ、結像レンズ１８、ビームスプリッター１７を介して、測定器１９により波面として測定される。像高は測長器１３により検出される。
【００２９】
まず、制御手段２０は、凹面ミラー４０の位置は、測定器１９で観測される波面の傾き成分とデフォーカス成分が最小になるように、駆動手段４１によってＸＹＺ方向に調整される。また、その移動量は測長器４２により検出される。この場合、制御手段２０は、測定器１９で計測された波長Ａについての波面収差の測定結果から測定ユニット１０の波面収差Ｓ１と凹面ミラー４０の既知の形状を引く。また、波長Ｂについての波面収差の測定結果から測定ユニット１０の波面収差Ｓ２と凹面ミラー４０の既知の形状を引く。これによって、結像光学系Ｕ単独の波長ＡとＢのそれぞれの波面収差Ｐ１、Ｐ２を取得する。
【００３０】
そして、波面収差Ｐ１、Ｐ２のそれぞれの傾き成分、デフォーカス成分を求める。そして、これらが最小になるように、各波長の測定時に駆動手段４１を制御して凹面ミラー４０の位置を調整し、この時の凹面ミラー４０の位置を測長器４２によって測定してこれを原点位置としてメモリ２１に保存する。なお、凹面ミラー４０の位置調整においては、波面収差Ｐ１、Ｐ２のそれぞれの傾き成分、デフォーカス成分を表示する表示手段を更に設けてユーザに確認させてもよい。
【００３１】
駆動手段４１は図中のＸＹ方向の２次元またはＸＹＺ方向の３次元の各方向に凹面ミラー４０（を搭載するステージ）を駆動する第２の駆動手段である。測長器４２は凹面ミラー４０のＸＹ方向またはＸＹＺ方向の位置を検出する第２の位置検出手段である。
【００３２】
まず、波長Ａについて結像光学系Ｕの光軸ＯＡに結像レンズ１８の焦点が合うように駆動手段１２によってステージ１１の位置を調節し、結像光学系Ｕの像側の焦点に凹面ミラー４０の曲率中心が合うように駆動手段４１で凹面ミラー４０をＸＹＺ方向で駆動する。この時の凹面ミラー４０の位置（座標）を（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）とする。駆動手段１２によってステージ１１を光軸に垂直な平面内で移動し、像高ｎの位置における調整後の凹面ミラー４０の位置（座標）を（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）とする。すると、制御手段２０は、波長Ａについての像面湾曲Ｆを以下の式によって算出することができる。
【００３３】
Ｆ＝Ｚｎ−Ｚ０                                 （１）
波長Ｂについても（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）、（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）を求めて、制御手段２０は、波長Ｂについての像面湾曲Ｆを同様に算出する。
【００３４】
また、光学設計値より算出した理想的な像高ｎの位置における波面調整後の凹面ミラー４０の位置を（Ｘｎｔ、Ｙｎｔ、Ｚｎｔ）とすると制御手段２０は歪曲収差（ディストーション）Ｄを次式によって算出することができる。これも波長ＡとＢについて算出する。
【００３５】
Ｄ＝ｓｑｒｔ（（Ｘｎｔ−Ｘｎ）２＋（Ｙｎｔ−Ｙｎ）２）／ｓｑｒｔ（（Ｘｎｔ）２＋（Ｙｎｔ）２）                                     （２）
制御手段２０は、結像光学系Ｕの色収差を、波長Ａと波長Ｂで測定した像面湾曲Ｆの差と歪曲収差Ｄの差を算出することによって求める。例えば、制御手段２０は、波長Ａについての結像光学系Ｕの光軸ＯＡに結像レンズ１８の焦点と結像光学系Ｕから射出される光の焦点を位置させた場合の凹面ミラー４０のＺ０Ａと波長ＢについてのＺ０Ｂとの差が軸上色収差となる。また、歪曲収差Ｄの差が倍率色収差となる。
【００３６】
この場合、ある波長で像高を変化させて波面収差と座標を測定してから別の波長に切り替えて同様に像高を変化させて波面収差と座標を測定してもよいし、ある像高で波長を変化させて測定し、別の像高で波長を変化させて測定してもよい。前者の場合では、制御手段２０は、選択された波長に対して、すべての像高に対して測長器４２による測定を行い、その後に波長を変更することによって結像光学系Ｕの各収差を取得する。後者の場合では、制御手段２０は、選択された像高に対して、すべての波長に対して測長器４２による測定を行い、その後に像高を変更することによって結像光学系Ｕの各収差を取得する。
【００３７】
なお、波面の傾き成分、デフォーカス成分を表す方法としてフリンジツェルニケを用いる場合が一般的であるが、波面収差の中心に穴が開くような測定対象物の場合にはアニュラーツェルニケを用いてもよい。以下にアニュラーツェルニケを６項まで示す。εは波面収差の中抜け割合を示している。ρは正規化した無次元量、φは角度とする。波面の傾き成分は２・３項にあたり、デフォーカス成分に相当するのは４項になる。
【００３８】
【表１】
2013238514.tif 000003
【００３９】
本実施形態の測定装置によれば、複数の波長に対して結像光学系の像面湾曲、歪曲収差および色収差を高精度に測定することができる。
【００４０】
以上、本実施形態について説明したが、本発明は本実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の測定装置は、カメラの撮像光学系などの結像光学系の光学性能を測定する用途に適用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１１…ステージ、１３…測長器（第１の位置検出手段）、１４、１５…光源（光源手段）、１７…結像レンズ（参照レンズ）、１９…測定器、２０…制御手段（取得手段）、４０…凹面ミラー、４１…駆動手段（第２の駆動手段）、４２…測長器（第２の位置検出手段）
【図１】
2013238514.tif 000004
【図２】
2013238514.tif 000005
【図３】
2013238514.tif 000006