(57)【要約】【課題】  被検物の透過波面を高精度に計測する。【解決手段】  被検物を配置しない状態で透過波面を計測するステップと、被検物を配置しないときの透過波面の設計値を計算するステップと、被検物を配置しない状態で計測された透過波面と被検物を配置しないときの透過波面の設計値の差に基づいて、計測系に関する情報を変更するステップを含むことを特徴とする波面収差計測方法。【選択図】  図２
2016217848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物の透過波面を計測する計測系を用いて、前記被検物の透過波面を計測するステップと、
前記被検物と同一の形状を有する基準被検物が前記被検物と同じ位置に配置されているときの透過波面を計算するステップと、
前記被検物の透過波面と前記基準被検物について計算された透過波面から前記被検物の波面収差を計算するステップを含む波面収差計測方法において、
前記計測系の光路に前記被検物を配置しない状態で透過波面を計測するステップと、
前記計測系の光路に前記被検物を配置しないときの透過波面の設計値を計算するステップと、
前記計測系の光路に前記被検物を配置しない状態で計測された透過波面と、前記計測系の光路に前記被検物を配置しないときの透過波面の設計値との差に基づいて、前記計測系に関する情報を変更するステップを含むことを特徴とする波面収差計測方法。
【請求項２】
前記計測系の光路に前記被検物を配置しない状態で計測された透過波面と、前記計測系の光路に前記被検物を配置しないときの透過波面の設計値との差の球面収差成分に基づいて、前記計測系を構成する素子の光路長に関する情報の変更の要否を判定することを特徴とする請求項１に記載の波面収差計測方法。
【請求項３】
前記計測系を構成する素子の一部を光軸方向に移動させながら測定された透過波面に基づいて、前記計測系を構成する素子の間隔に関する情報を変更することを特徴とする請求項１又は２記載の波面収差計測方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の波面収差計測方法を用いて、互いに屈折率が異なる第１、第２の媒質中に被検物を配置したときの第１、第２の波面収差を計測するステップと、
前記第１、第２の波面収差に基づいて前記被検物の屈折率分布を算出するステップを含むことを特徴する屈折率分布計測方法。
【請求項５】
光源と、該光源からの光を被検物に入射させて該被検物の透過波面を計測する計測系と、前記被検物の透過波面を用いて前記被検物の波面収差を計算する演算部を有する波面収差計測装置であって、
前記演算部は前記被検物と同一の形状を有する基準被検物が前記被検物と同じ位置に配置されているときの透過波面を計算し、前記被検物の透過波面と前記基準被検物について計算された透過波面から前記被検物の波面収差を計算し、
前記計測系の光路に前記被検物を配置しない状態で計測された透過波面と、前記計測系の光路に前記被検物を配置しないときの透過波面の設計値との差に基づいて、前記計測系に関する情報を変更することを特徴とする波面収差計測装置。
【請求項６】
前記演算部は、前記計測系の光路に前記被検物を配置しない状態で計測された透過波面と、前記計測系の光路に前記被検物を配置しないときの透過波面の設計値の差の球面収差成分に基づいて、前記計測系を構成する素子の光路長に関する情報を変更することを特徴とする請求項５に記載の波面収差計測装置。
【請求項７】
前記演算部は、前記計測系を構成する素子の一部を光軸方向に移動させながら測定された透過波面に基づいて、前記計測系を構成する素子の間隔に関する情報を変更することを特徴とする請求項５又は６に記載の波面収差計測装置。
【請求項８】
前記計測系はトールボット干渉計を含むことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の波面収差計測装置。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか１項に記載の波面収差計測装置を用いて、互いに屈折率が異なる第１、第２の媒質中に被検物を配置したときの第１、第２の波面収差を計測し、前記第１、第２の波面収差に基づいて前記被検物の屈折率分布を演算する演算部を有することを特徴する屈折率分布計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレンズ等の光学素子の波面収差計測方法、波面収差計測装置、屈折率分布計測方法、屈折率分布計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズの性能を測る方法の一つに波面収差計測がある。特許文献１は、被検物の透過波面と特定の屈折率分布を有する基準被検物の透過波面から被検物の波面収差を求めることにより、被検物の屈折率分布を算出する屈折率分布測定装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１５１５７８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の屈折率分布測定装置では、測定装置の誤差の影響が計測系を構成する素子の配置に応じて変化するため、被検物の屈折率分布を高精度に測定することが難しかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の波面収差計測方法は、被検物の透過波面を計測する計測系を用いて、前記被検物の透過波面を計測するステップと、前記被検物と同一の形状を有する基準被検物が前記被検物と同じ位置に配置されているときの透過波面を計算するステップと、前記被検物の透過波面と前記基準被検物について計算された透過波面から前記被検物の波面収差を計算するステップを含む波面収差計測方法において、前記計測系の光路に前記被検物を配置しない状態で透過波面を計測するステップと、前記計測系の光路に前記被検物を配置しないときの透過波面の設計値を計算するステップと、前記計測系の光路に前記被検物を配置しない状態で計測された透過波面と、前記計測系の光路に前記被検物を配置しないときの透過波面の設計値との差に基づいて、前記計測系に関する情報を変更するステップを含むことを特徴とする。
【０００６】
本発明の屈折率分布計測方法は、上記の波面収差計測方法を用いて、互いに屈折率が異なる第１、第２の媒質中に被検物を配置したときの第１、第２の波面収差を計測するステップと、前記第１、第２の波面収差に基づいて前記被検物の屈折率分布を算出するステップを含むことを特徴する。
【０００７】
本発明の波面収差計測装置は、光源と、該光源からの光を被検物に入射させて該被検物の透過波面を計測する計測系と、前記被検物の透過波面を用いて前記被検物の波面収差を計算する演算部を有する波面収差計測装置であって、前記演算部は前記被検物と同一の形状を有する基準被検物が前記被検物と同じ位置に配置されているときの透過波面を計算し、前記被検物の透過波面と前記基準被検物について計算された透過波面から前記被検物の波面収差を計算し、前記計測系の光路に前記被検物を配置しない状態で計測された透過波面と、前記計測系の光路に前記被検物を配置しないときの透過波面の設計値との差に基づいて、前記計測系に関する情報を変更することを特徴とする。
【０００８】
本発明の屈折率分布計測装置は、上記の波面収差計測装置を用いて、互いに屈折率が異なる第１、第２の媒質中に被検物を配置したときの第１、第２の波面収差を計測し、前記第１、第２の波面収差に基づいて前記被検物の屈折率分布を演算する演算部を有することを特徴する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、被検物の波面収差を高精度に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１における波面収差計測装置の説明図
【図２】本発明の実施例１における波面収差の計測手順を示すフローチャート
【図３】本発明の実施例１における計測系の情報の変更手順を示すフローチャート
【図４】本発明の実施例１における計測系の一部の拡大図
【図５】本発明の実施例２における屈折率分布計測装置の説明図
【図６】本発明の実施例２における屈折率分布の計測手順を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の実施例１の波面収差計測装置１０の説明図である。波面収差計測装置１０は、光源１００からの光を被検物１４０に入射させ、被検物１４０の透過波面を計測する。そして、波面収差計測装置１０は、コンピュータにより構成される演算部１９０を用いて被検物１４０の波面収差を求める。各実施例においては、物体を透過した光の位相分布を透過波面（波面）と呼び、計測された透過波面と設計上の透過波面の差を波面収差と呼ぶ。本実施例においては、被検物の透過波面を計測する計測系として、シアリング干渉計の一つであるトールボット干渉計（Ｔａｌｂｏｔ干渉計）を用いている。
【００１３】
レーザ光源（例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ）１００から光軸に沿って出射したレーザ光１０１は、ピンホール１１０を通過する際に回折して球面波を形成する。ピンホール１１０で回折した発散光１０２は、コリメータレンズ１２０により収束光１０３となる。収束光１０３は被検物ケース１３０と被検物１４０を透過する。被検物１４０を透過した光は、直交回折格子（回折格子）１６０を通って干渉縞を形成する。ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の撮像素子で構成される検出器１７０によって干渉縞が撮像される。マイクロコンピュータ等によって構成される演算部１９０は検出器１７０によって撮像された干渉縞に基づいて透過波面を計算する。実施例１において、計測系は、ピンホール１１０、コリメータレンズ１２０、回折格子１６０、検出器１７０を備えている。
【００１４】
ピンホール１１０の直径φは、発散光１０２を理想的な球面波と見なせる程度に小さければよく、コリメータレンズ１２０の物体側の開口数ＮＡＯとレーザ光源１００の波長λとを用いて、以下の数式１を満たすように設計されている。
【００１５】
【数１】
2016217848.tif 000003
【００１６】
例えば、レーザ光源１００の波長λが６００ｎｍであり、コリメータレンズ１２０の物体側の開口数ＮＡＯが０．３程度である場合は、ピンホール１１０の直径φは２μｍ程度でよい。
【００１７】
被検物１４０の像側の開口数（ＮＡ）が小さい場合、回折格子１６０と検出器１７０間の距離Ｌ２が、以下の数式２で示されるＴａｌｂｏｔ条件を満たすと、検出器１７０上に回折格子１６０の偽解像が干渉縞として得られる。
【００１８】
【数２】
2016217848.tif 000004
【００１９】
ただし、Ｌ２は回折格子１６０と検出器１７０の距離を示し、ここではＴａｌｂｏｔ距離と呼ぶ。また、ｍは０を除く整数であり、ｄは回折格子１６０の格子ピッチであり、その値は既知である。Ｌ１は回折格子１６０と回折格子１６０に入射する光の集光位置との間の距離である。回折格子１６０の格子ピッチｄは、被検物１４０の波面収差の大きさに応じて決められる。
【００２０】
被検物１４０は、平行偏心機構１５０を用いて、光軸方向及び光軸に垂直な方向に移動させることができる。また、コリメータレンズ１２０、回折格子１６０、検出器１７０は光軸に平行に設置された不図示のレール上を移動可能である。光源１００および計測系を構成する各素子は除振台１８０の上に配置されている。
【００２１】
図２は、被検物１４０の波面収差を算出する手順を示している。
【００２２】
演算部１９０は、被検物１４０の屈折力（焦点距離の逆数）に応じて、被検物１４０と回折格子１６０と検出器１７０の最適な配置を計算し、計算された位置に各素子を配置する（ステップＳ０１）。このとき、被検物１４０は平行偏芯機構１５０で移動し、回折格子１６０及び検出器１７０は不図示のレール上を移動する。ここで、最適な配置とは、被検物１４０を透過した光束が検出器１７０に収まり、光束のＮＡが小さい配置をいう。
【００２３】
次に、図１（ｂ）に示すように、計測系の光路に被検物１４０を配置しない状態で透過波面を計測する。また、計測系の各素子がステップＳ０１で計算された位置に配置され、計測系の光路に被検物１４０が配置されていないときの透過波面の設計値を計算する。本実施例において、透過波面の設計値は光線追跡等の計算によって求めることができる。そして、透過波面の計測値と設計値の差を計算する（ステップＳ０２）。
【００２４】
ステップＳ０３では、ステップＳ０２で計算した透過波面の計測値と設計値の差と、透過波面の計測値と設計値の差の許容値（基準値）を比較する。透過波面の計測値と設計値の差が許容値以下であればステップＳ０４に進み、許容値を超えていればステップＳ０６に進む。透過波面の計測値と設計値の差の許容値は、求めたい波面収差の量に基づいて決定すれば良い。例えば、被検物１４０の波面収差を０．１λｒｍｓ程度の精度で計測する場合には、ステップＳ０３における許容値は０．０５λｒｍｓ程度に設定すれば良い。また、収束光１０３や回折格子１６０の精度が十分に高い場合には、許容値を０．１λｒｍｓに限りなく近くしても良い。
【００２５】
透過波面の計測値と設計値の差が許容値を超えている場合は、ステップＳ０６において、装置の校正（計測系に関する情報の変更）を行ってからステップＳ０２に戻る。ステップＳ０６は、ステップＳ０１で算出された計測系の各素子の配置や各素子の設計上の光路長と、計測系の各素子の実際の配置や実際の光路長との差を、計測系の各素子の設計値に反映させるように、計測系に関する情報を変更するステップである。
【００２６】
透過波面の計測値と設計値の差が許容値以下である場合はステップＳ０４に進み、図１（ａ）に示すように、計測系の光路に被検物１４０を配置した状態で透過波面を計測する。計測系に被検物１４０を配置する際には、例えば接触式の位置センサを用いて被検物１４０の位置を計測することによって、被検物１４０を高精度に配置することができる。また、被検物１４０と同一の形状を有し、特定の屈折率分布を有する基準被検物が被検物１４０と同じ位置に配置されているときの透過波面を計算する。このようにして得られた被検物１４０の透過波面の計測値と、基準被検物の透過波面の差を計算する。
【００２７】
ステップＳ０５は、ステップＳ０４において計算された透過波面の計測値と設計値の差から被検物１４０の収差（すなわち被検物１４０の波面収差）を計算するステップである。具体的には、被検物１４０の表面の座標と検出器１７０上の座標間の歪曲を考慮して、検出器１７０上の波面収差を、被検物１４０の表面上に反映させる工程である。まずは、検出器１７０の位置と被検物１４０の表面上の位置の関係を求める。この関係はピンホール１１０から各素子の屈折を考慮して光線追跡を行うことで得られる。この関係を用いて、検出器１７０上の波面収差を被検物１４０上の波面収差に変換すれば、被検物１４０の波面収差を得ることができる。
【００２８】
次に、装置の校正（計測系に関する情報の変更）を行うステップＳ０６について説明する。図３に示すように、ステップＳ０６は、ステップＳ０６１からステップＳ０６５に分けることができる。ステップＳ０６１では、計測系の光路に被検物１４０を配置しない状態における透過波面の計測値と設計値の差の球面収差成分に基づいて、計測系を構成する素子の光路長に関する情報の変更の要否を判定する。球面収差成分であるか否かはツェルニケ係数のＺ９項を用いて判断することができる。透過波面の計測値と設計値の差が球面収差成分によるものである場合には、計測系を構成する各素子の光学厚みの誤差に起因すると考えられる。したがって、計測系を構成する各素子の光学厚みを計測し、計測系の設計値に反映させるように計測系に関する情報を変更してから（ステップＳ０６２）、ステップＳ０６を終了する。光学厚みとは計測系を構成する光学素子の光路長であり、例えば、被検物ケースのガラス、回折格子のガラス、検出器のカバーガラスの光学厚みが相当する。被検物ケース内が空気で無い媒質に浸されている場合には、媒質の光学厚みも含まれる。
【００２９】
透過波面の計測値と設計値の差が球面収差成分によるものではないと判定された場合は、検出器１７０の位置を光軸方向に変化させながら複数の透過波面を取得する。さらに、検出器１７０の位置を光軸方向に変化させたときの透過波面の設計値を計算し、各透過波面の計測値と設計値の比ｓ（ｉ）を計算する（ステップＳ０６３）。
【００３０】
ステップＳ０６４では、ステップＳ０６３で計算した比の各値ｓ（ｉ）から、コリメータレンズ（照明系）１２０と回折格子１６０の間隔誤差ΔＬ１及び、回折格子１６０と検出器１７０の間隔誤差ΔＬ２をそれぞれ算出する。ΔＬ１およびΔＬ２は、数式３を満たすような最小２乗フィッティングによって求めることができる。
【００３１】
【数３】
2016217848.tif 000005
【００３２】
但し、ｉはステップＳ０６３における検出器１７０の位置に対応する番号（ｉ＝１，２，…）であり、ｓ（ｉ）は各検出器位置の透過波面の計測値と透過波面の設計値の比（計測値／設計値）である。Ｌ１はコリメータレンズ１２０の集光点から回折格子１６０までの距離であり、Ｌ２（ｉ）は検出器１７０の各位置における回折格子１６０から検出器１７０の距離である。
【００３３】
ステップＳ０６５では、ステップＳ０６４で求めた各素子間の間隔誤差ΔＬ１およびΔＬ２を計測系の設計値に反映させるように計測系に関する情報を変更してステップＳ０６を終了する。
【００３４】
次に、数式３の算出方法を説明する。図４は図１（ｂ）における計測系の一部（回折格子１６０と検出器１７０の部分）の拡大図である。Ｌ１はコリメータレンズ（照明系）１２０の集光点から回折格子１６０までの距離であり、Ｌ２は回折格子１６０から検出器１７０の距離であり、Ｒは検出器１７０上で透過波面を解析する際の解析半径である。図５におけるコリメータレンズ１２０の集光点とは、コリメータレンズ１２０の集光分布の重心を指し、集光点に広がりがあっても良い。
【００３５】
検出器１７０に入射する光の設計上の透過波面は、数式４で表される。但し、ｒは０≦ｒ≦１を満たす変数であり、Ｓは透過波面の設計値である。
【００３６】
【数４】
2016217848.tif 000006
【００３７】
これに対して、照明系１２０の集光点から回折格子１６０までの距離がＬ１＋ΔＬ１、回折格子１６０から検出器１７０の距離がＬ２＋ΔＬ２のときの透過波面の計測値を考える。
【００３８】
検出器１７０上では数式５で表現されるような空間周波数ｐを有する干渉縞が取得される。
【００３９】
【数５】
2016217848.tif 000007
【００４０】
このとき検出器１７０上の半径Ｒ内の波面計測値Ｍは数式６で表現できる。
【００４１】
【数６】
2016217848.tif 000008
【００４２】
数式６におけるｓｈｅａｒはシアリング干渉計におけるシア比に相当する。数式４と数式５と数式６を用いて計測値Ｍを整理すると数式７になる。
【００４３】
【数７】
2016217848.tif 000009
【００４４】
ＭとＳの比はｓ（＝Ｍ／Ｓ）なので数式７と数式３は同じ式であることが分かる。
【００４５】
本実施例の波面収差計測装置では、計測系の各素子を被検物１４０の透過波面を計測するときの位置に配置してから、被検物１４０を計測系の光路に配置しないときの透過波面の計測値と設計値の差を求めて、計測系に関する情報を変更する。すなわち、計測系を構成する各素子の位置や光学厚みに誤差がある場合、その影響が計測系の配置によって異なるため、被検物の屈折力に応じて決まる計測系の配置ごとに、それぞれの誤差を求めて、計測系に関する情報を変更する。これにより、計測系を構成する各素子の位置に誤差がある場合や素子の光学厚みが設計値と異なるような場合にも、これらの誤差の影響を低減して、被検物１４０の波面収差を高精度に計測することができる。
【実施例２】
【００４６】
実施例２は、実施例１の波面収差計測装置１０を用いた屈折率分布計測装置２０に関する。図５は実施例２の屈折率分布測定装置２０の説明図である。図５において、図１と同じ素子は同じ番号で記載している。屈折率分布測定装置２０では、第１の媒質が入っている液槽１３１もしくは第２の媒質が入っている液槽１３２の中に被検物１４０が配置される。第１の媒質と第２の媒質の屈折率は互いに異なり、被検物１４０の屈折率より小さいものとする。液槽１３１と液槽１３２は液槽交換機構２００を用いて交換可能である。
【００４７】
図６は、被検物１４０の屈折率分布を計測する手順を示している。ステップＳ１１では第１の媒質の液槽１３１を計測系の光路に配置する。ステップＳ１２では、実施例１の計測手順にしたがって、液槽１３１中に配置された被検物１４０の波面収差を計測する。ステップＳ１３では液槽交換機構２００を用いて、第２の媒質が入っている液槽１３２を計測系の光路に配置する。ステップＳ１４では、実施例１の計測手順にしたがって、液槽１３２中に配置された被検物１４０の波面収差を計測する。ステップＳ１５では各媒質中で計測した波面収差から被検物の屈折率分布を算出する。ステップＳ１５では、ステップＳ１２で得られた波面収差をＷＴ０２、ステップＳ１４で得られた波面収差をＷＴ０４として、数式８を用いて屈折率分布ＧＩを計算する。
【００４８】
【数８】
2016217848.tif 000010
【００４９】
但し、Ｎは被検物の屈折率、Ｎ１は第１の媒質の屈折率、Ｎ２は第２の媒質の屈折率、Ｄは被検物の厚みを表す。
【００５０】
本実施例によれば、計測系を構成する各素子の位置に誤差がある場合や素子の光学厚みが設計値と異なる場合にも、これらの誤差の影響を低減して、被検物１４０の波面収差を高精度に計測することができるため、屈折率分布を高精度に計測することができる。
【００５１】
また、本実施例によれば、特許文献１に開示されているように、第１、第２の媒質中に被検物を配置して計測される第１、第２の波面収差に基づいて被検物の屈折率分布を計測することにより、被検物の形状誤差成分を除去して屈折率分布を算出することができる。
【００５２】
なお、被検物の屈折率と等しい屈折率を有する媒質中に被検物を配置して波面収差を測定できる場合は、互いに異なる屈折率を有する第１、第２の媒質中に被検物を配置して波面収差を測定しなくても良い。
【００５３】
以上のとおり、本発明の波面収差計測方法および屈折率分布計測方法によれば、計測系の素子の位置に誤差がある場合や素子の光学厚みが設計値と異なるような場合にも、被検物の波面収差を高精度に計測することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１００  光源
１１０  ピンホール
１２０  コリメータレンズ
１３０  被検物ケース
１４０  被検物
１５０  平行偏心機構
１６０  回折格子
１７０  検出器
１８０  除振台
１９０  演算部
【図１】
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【図２】
2016217848.tif 000012
【図３】
2016217848.tif 000013
【図４】
2016217848.tif 000014
【図５】
2016217848.tif 000015
【図６】
2016217848.tif 000016