(57)【要約】【課題】ＸＹシフトやＸＹ面内の回転などの偏心を容易に測定することができる光学素子を提供する。【解決手段】光学素子１の回折面２と反対側の面３である平面、屈折面、第二の回折面に、少なくとも２個のアライメントマーク４が設け、回折面２の回折パターンと回折面２と反対側の面３のアライメントマーク４の相対的位置関係を求め、求めた相対的位置関係で光軸と直交する方向のＸＹシフトやＸＹ面内の回転を容易に検出して光学素子１をセットしたときの偏心を容易に測定する。【選択図】    図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折面と平面、回折面と屈折面あるいは回折面と第２の回折面の少なくとも２面を有し、レンズ作用のある光学素子において、
前記回折面に対して反対面にアライメントマークを少なくとも２個有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
回折面と平面、回折面と屈折面、回折面と第２の回折面の少なくとも２面を有し、レンズ作用のある光学素子において、
前記回折面に対して反対面の回折パターンと平行な位置に少なくとも1つの直線または曲線からなるアライメントマークを有することを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記アライメントマークを、光軸を通る少なくとも1つの直線上に形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
【請求項４】
前記アライメントマークを、光学面上の光学的な有効領域外に形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項５】
前記アライメントマークを、回折面にも形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項６】
前記回折面が曲面若しくはブレーズ状であり、光が入射する各回折パターンは曲面あるいはブレーズ面で構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項７】
前記回折面が階段状もしくは矩形状であり、光が入射する各回折パターンは平面で構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項８】
光学素子の回折面の回折パターン部に合焦し、回折パターン位置を画像または距離検出し、この回折パターン位置を基準して記憶する工程と、
前記回折パターン位置を基準を記憶した後、回折面と反対の平面あるいは屈折面のアライメントマーク部に合焦し、アライメントマーク位置を画像または距離検出して記憶する工程と、
前記回折パターン位置とアライメントマーク位置から相対的位置関係を算出する工程と、
前記回折パターン位置とアライメントマーク位置から相対的位置関係から回折面と回折面とは反対の平面あるいは屈折面の偏心を算出する工程とを有することを特徴とする光学素子の偏心測定方法
【請求項９】
回折面とは反対の平面あるいは屈折面のアライメントマークは回折面側から透過で計測することを特徴とする請求項８記載の光学素子の偏心測定方法。
【請求項１０】
前記回折パターン部およびアライメントマーク部の位置検出には共焦点法を用い、合焦中に合焦位置検出用レーザのレーザ光を照射と遮光に切り換えられることを特徴とする請求項８又は９記載の光学素子の偏心測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばレンズ、ミラー、回折光学素子、プリズムなど回折面と屈折面など少なくとも２面を有する光学素子及びその光学素子の偏心測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばレンズ、ミラー、回折光学素子、プリズムなど回折面と屈折面など少なくとも２面を有する光学素子では、光学面の相対的な位置ずれ、すなわち偏心や光学素子の組み付け時の基準位置だしが重要な項目となっている。この偏心の測定方法として、特許文献１に示された光学素子と偏心量測定方法は、光学素子の入射面と出射面の有効径内に調整用マークの凹凸を設け、一対の顕微鏡を光学素子の上下に配置し、各顕微鏡で凹凸分を検出し、凹凸部の偏芯量を算出して偏心量を測定している。特に軸対称の円形レンズなどでは、レンズの面内回転による偏心や形状のずれはないので、レンズ中心にマークを1カ所付けて光軸を特定する方法が用いられている。
【０００３】
また、特許文献２に示された偏心測定方法は、保持手段に保持されたレンズの検査面に光源から光束を照射し、検査面からの反射光を結像させ、その像の重心位置を検出し、検査面の近軸球面による反射光の像の重心位置及び所定の非球面部分からの反射光の像の重心位置と、近軸球面の曲率半径と所定の非球面部分の曲率半径とをデータとして検査面の偏心量を演算している。
【特許文献１】特開２００６−３８５８９号公報
【特許文献２】特許第３４１０８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、直線状の回折光学素子やシリンダーレンズなどの、軸対称以外の光学素子では、レンズ中心のアライメントマークだけでは光軸と直交する方向のＸＹシフトやＸＹ面内の回転などの偏心を検出することはできないという問題がある。
【０００５】
この発明は、このような問題を解消し、ＸＹシフトやＸＹ面内の回転などの偏心を容易に測定することができる光学素子及びその偏心測定方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の光学素子は、回折面と平面、回折面と屈折面あるいは回折面と第２の回折面の少なくとも２面を有し、レンズ作用のある光学素子において、前記回折面に対して反対面にアライメントマークを少なくとも２個有することを特徴とする。
【０００７】
この発明の他の光学素子は、回折面と平面、回折面と屈折面、回折面と第２の回折面の少なくとも２面を有し、レンズ作用のある光学素子において、回折面に対して反対面の回折パターンと平行な位置に少なくとも1つの直線または曲線からなるアライメントマークを有することを特徴とする。
【０００８】
前記光学素子のアライメントマークを、光軸を通る少なくとも1つの直線上に形成すると良い。
【０００９】
また、前記アライメントマークを、光学面上の光学的な有効領域外に形成することが望ましい。
【００１０】
さらに、前記アライメントマークを回折面にも形成すると良い。
【００１１】
また、前記回折面が曲面若しくはブレーズ状であり、光が入射する各回折パターンは曲面あるいはブレーズ面で構成したり、前記回折面が階段状もしくは矩形状であり、光が入射する各回折パターンは平面で構成していることを特徴とする。
【００１２】
この発明の光学素子の偏心測定方法は、光学素子の回折面の回折パターン部に合焦し、回折パターン位置を画像または距離検出し、この回折パターン位置を基準して記憶する工程と、前記回折パターン位置を基準を記憶した後、回折面と反対の平面あるいは屈折面のアライメントマーク部に合焦し、アライメントマーク位置を画像または距離検出して記憶する工程と、前記回折パターン位置とアライメントマーク位置から相対的位置関係を算出する工程と、前記回折パターン位置とアライメントマーク位置から相対的位置関係から回折面と回折面とは反対の平面あるいは屈折面の偏心を算出する工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
前記光学素子の偏心測定方法において、回折面とは反対の平面あるいは屈折面のアライメントマークは回折面側から透過で計測することを特徴とする。
【００１４】
また、前記回折パターン部およびアライメントマーク部の位置検出には共焦点法を用い、合焦中に合焦位置検出用レーザのレーザ光を照射と遮光に切り換えられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の光学素子は、回折面に対して光学的に反対側の面に、少なくとも２個所以上のアライメントマークを形成することにより、光軸と直交する方向であるＸＹシフトやＸＹ面内の回転を容易に検出して、偏心を確実に測定することができる。
【００１６】
また、回折パターンと平行なアライメントマークを用いることにより、偏心を容易に測定することができる。
【００１７】
さらに、光軸を通る少なくとも1つの直線上にアライメントマークを形成することにより、回折パターンのピッチ間隔が広い領域にアライメントマークを形成でき、回折面の光学的な影響を最小限に抑えることができる。
【００１８】
また、回折面からみて光学的な有効領域外にアライメントマークを形成することにより、回折面の光学的な影響を最小限に抑えることができる。
【００１９】
また、回折面側にもアライメントマークを設けることにより、偏心測定をより容易に行なうことができる。
【００２０】
また、回折面を曲面もしくはブレーズ面で構成したり、階段状もしくは矩形状の平面で構成することにより、アライメントマークを容易に検出することができる。
【００２１】
さらに、回折面の回折パターンもしくはアライメントマークと回折面と反対側の屈折面や平面に形成されたアライメントマークの相対的位置を検出することにより、光学素子の偏心を容易に測定することができる。
【００２２】
この回折面と反対側の屈折面や平面に形成されたアライメントマークを回折面側から透過観察することにより、短時間かつ高精度に偏心を測定することができる。
【００２３】
また、回折パターン部およびアライメントマーク部の位置を検出するとき、合焦位置検出用レーザのレーザ光を照射と遮光に切り換えることにより、回折パターンもしくはアライメントマークの画像をコントラクトよく取得することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
まず、この発明の対象となる回折面と平面、回折面と屈折面、回折面と第二の回折面が組み合わさったレンズ効果のある光学素子について図１〜図６を参照して説明する。回折面を取り入れた光学素子１には、図１に示すように、回折面２のブレーズ状の回折形状が刻まれた光学素子１ａや、図２の回折面からみた図（ａ）と正面図（ｂ）と屈折面側からにみた図（ｃ）との側面図（ｄ）に示すように、回折面２に直線のブレーズ状の回折パターンが刻まれており、屈折面３側にはカマボコ状のシリンダー面が形成されている光学素子１ｂがある。回折パターンはブレーズ状や円弧状、矩形状、階段状などがあるが、それぞれのパターンはその回折パターンの刻まれ方によって異なる。この回折パターンは、図３の光学素子１ｃに示すように、同心円状の回折パターンものが一般的であるが、それ以外にも図４（ａ）に示す光学素子１ｄのように直線状の回折パターンを有するものや、図４（ｂ）に示す光学素子１ｅのように円弧の一部の回折パターンを有するものや、図４（ｃ）に示す光学素子１ｆのように楕円形状などの回折パターンを有し、光軸に対して軸対称ではない回折パターン形状のものもある。
【００２５】
また、回折面と反対側の面には平面や屈折面あるいは第二の回折面などがある。図５は回折面と平面の光学素子１の例であり、図５（ａ）に示す光学素子１ｇのようにブレーズ状の回折面２に対して反対側の屈折面３は平面で形成されたものや、図５（ｂ）と（ｃ）に示す光学素子１ｈ，１ｉように回折面２が階段状のものや、（ｄ）に示す光学素子１ｊのように回折面２が矩形状のものがある。これらの回折面２は、直線状であったり、同心円状であったり、円弧の一部であったり、楕円形状で回折面に形成されている。
【００２６】
まら、図６に示すように、回折面と屈折面、回折面と第二の回折面の光学素子１もある。図６（ａ）に示す光学素子１ｋのように、ブレーズ形状の回折面２と凸面の屈折面３を持つものや、図６（ｂ）に示す光学素子１ｍのように、階段状の回折面２に凸面やシリンダー面などの屈折面３を持つものや、図６（ｃ）に示す光学素子１ｎのように、矩形状の回折面２に凸面などの屈折面３を持つものや、図６（ｄ）に示す光学素子１ｐのように、階段状の回折面２に凹面状の屈折面３を持つものや、図６（ｅ）に示す光学素子１ｑのように、矩形状の回折面２に矩形状の第二の回折面３を持つものなどがある。これらの回折面は直線状であったり、同心円状であったり、円弧の一部であったり、楕円形状で回折面に形成されている。
【００２７】
これらの光学素子１の回折面と反対側の面、すなわち平面、屈折面、第二の回折面には、図７に示すように、少なくとも２個のアライメントマーク４が設けられている。このアライメントマーク４の形状は種々の形状で良く、例えば図７（ａ）と（ｂ）に示すように円形状のものや、図７（ｃ）に示すように三角形状のものや、（ｄ）に示すようにＸ字形状のものや直線状や二重の円形状何らかの記号や文字であっても良い。
【００２８】
このようにアライメントマーク４を少なくとも２個設けることにより、光軸と直交する方向のＸＹシフトやＸＹ面内の回転を容易に検出でき、光学素子１をセットしたときの偏心を容易に測定することができる。
【００２９】
前記説明では光学素子１にアライメントマーク４を２個又は３個設けた場合についてしめしたが、図８（ａ）に示すように光学素子１の光軸上に形成された１本の直線からなるアライメントマーク４や、図８（ｂ），（ｃ），（ｇ）に示すように１本の直線を２つに分割したアライメントマーク４や、図８（ｄ）に示すように、十字状のアライメントマークや、図８（ｅ）に示すように１本の曲線によるアライメントマーク４や、図８（ｆ）に示すように光学素子１の光軸から離れた位置に形成された１本の直線からなるアライメントマーク４あるいは図８（ｈ）に示すように四角形状のアライメントマーク４であっても良い。
【００３０】
これらのアライメントマーク４は、回折パターンの代わりに回折面２に形成されたものであっても良い。回折パターンと平行な位置関係にあるアライメントマーク４、すなわち、直線状の階段型回折面２とシリンダー面の屈折面３を有する光学素子１ｋは回折パターンが直線状なので、図８（ａ）と（ｆ）に示す直線によるアライメントメーク４は直線状回折パターンと平行に形成される。図８（ｅ）に示す曲線状のアライメントマーク４は、図４（ｂ），（ｃ）に示すように光学素子１ｅ，１ｆのように回折面の回折パターンが曲線状の場合に、回折パターンと平行に形成される。これらのアライメントマーク４は、光学的な所望の特性に影響しない範囲で形成される。例えば、光学素子１の透過率が８０％以上の規定があった場合、アライメントマーク４がない場合は透過率８８％、アライメントマーク４を付けた場合は透過率８７％といったように、所望の特性に影響がでないように形成する。
【００３１】
図９（ａ）は、光学素子１の光学面の有効領域５を示し、図９（ｂ）〜（ｅ）は光学素子１の光学面の有効領域５とアライメントマーク４を示したものである。光学素子１の光学面には、通常、光学的に使用する有効領域５が規定されている。有効領域５内は光学的な特性が保証されているが、一般的に光学面内の有効領域外６でも有効領域５内に準ずる特性がある。そこで、光学的有効領域外６にアライメントマーク４を刻めば、光学的な特性を劣化させることなくアライメントマーク４を形成することができる。
【００３２】
また、光学素子１をセットしたときの偏心を求めるには回折面２とその反対側の面３の相対的位置関係が必要なので、回折面２側の位置関係を把握するために、回折面２の回折パターンを用いる代わりに、回折面２にもアライメントマーク４を形成して、相対的位置関係を求めると良い。
【００３３】
図１０は回折面２とその反対側の面３にアライメントマーク４を有する光学素子１の偏心を測定する偏心測定装置の構成図である。図に示すように、偏心測定装置は、光学素子１を設置するＸＹ軸ステージ１０とＺ軸ステージ１１を備えたＸＹＺ軸ステージ１２を有する。Ｚ軸ステージ１１の上部には照明光学系１３とレーザ光源１４とＣＣＤカメラ１５を有する顕微鏡筒１６が固定され、顕微鏡筒１６のＸＹ軸ステージ１０側に設けた対物レンズ１７はＺ軸ステージ１１で上下方向に移動される。顕微鏡筒１６の接眼レンズ側には合焦位置検出器１８が設けられている。照明光学系１３とレーザ光源１４とＣＣＤカメラ１５及び合焦位置検出器１８は制御・解析装置１９からの制御信号により駆動制御され、ＸＹＺ軸ステージ１２は制御・解析装置１９からＸＹＺ軸ステージコントローラ２０に入力する制御信号により駆動制御される。制御・解析装置１９は入力デバイス２１からの信号により照明光学系１３やＸＹＺ軸ステージ１２等を制御し、合焦位置検出器１８からの検出信号により光学素子１の合焦位置等を解析して表示デバイス２２に表示する。
【００３４】
この偏心測定装置で光学素子１の偏心を測定するときの処理を図１１のフローチャートを参照して説明する。
【００３５】
光学素子１の回折面側を対物レンズ１７側に向けてＸＹ軸ステージ１０にセットする（ステップＳ１）。この状態でＸＹ軸ステージ１０を動かして測定したい任意の位置に光学素子１を移動する（ステップＳ２）。そしてＺ軸ステージ１１によりＺ軸を動かしながら光学素子１にレーザ光源１４からの光を顕微鏡筒１５と対物レンズ１０を通して光学素子１の回折面に照射する。このときの反射光が対物レンズ１０と顕微鏡筒１５を通って合焦位置検出器１８に戻ってくる。合焦位置検出器１８は共焦点の原理により、合焦位置からのピンホールを通った光だけを検出できるので、戻り光量が高いところ、一般的には光量のピーク位置が合焦位置、すなわちフォーカスのあった位置とみなす（ステップＳ３）。この戻り光は円形状や楕円形状の光の点にすぎず、光学素子１の形状やアライメントマーク４の形状を観察することはできない。そこで、照射照明系１３から顕微鏡筒１６と対物レンズ１０を介して光学素子１に光を照射し、その戻り光をＣＣＤカメラ１５で検出することにより合焦位置すなわち光学素子１の回折面２表面の形状を画像として得ることができる。このとき回折面２の回折パターンを読みとり、例えば、直線状の回折パターンを画像で読みとることによって、光学素子１の回折面２側とその反対側の面３の相対的位置関係の基準となる位置を検出することができる。このとき回折パターンから位置を検出しても回折面に形成されたアライメントマーク４を検出して位置を検出しても良い。
【００３６】
このように画像によって回折パターンやアライメントマーク４の位置を検出する際に、図１２（ａ）に示すように、合焦位置を検出するためのレーザ光が光学素子１に照射されているので、図１２（ｂ）に示すように、ＣＣＤ画像３０にレーザのビームスポット３１が写ってしまい、回折パターンやアライメントマークの画像が正しくとれないことがある。そこで、ＣＣＤカメラ１５で位置検出用の画像を取得するときだけ、レーザ出力をオフにするか、レーザ光の光路を変えるか、レーザ光学系にシャッターを入れるなどして、光学素子１の表面にレーザ光のビームスポットが写らなくする（ステップＳ４）。その後、照射照明系１３から顕微鏡筒１６と対物レンズ１０を介して光学素子１に光を照射し、その戻り光をＣＣＤカメラ１５で検出することにより、図１２（ｃ）に示すように、合焦位置すなわち光学素子１の回折面２表面の形状を画像として得る（ステップＳ５）。ＣＣＤカメラ１５で画像を取得した後は、合焦位置を探るためにすみやかにシャッターを開にしたりして光学素子１にレーザを照射する（ステップＳ６）。
【００３７】
光学素子１は回折面２側にブレーズ面、曲面、階段状または矩形状の平面を有している。そこで、ブレーズ面や曲面の場合は、そのレンズ面の影響を抑えるいわゆるヌル光学系をくむか、測定画像を補正することで回折面の影響を除去する方法を用いることで、回折面２側から回折面２を透過して、回折面２の反対側の面３に形成されたアライメントマーク４を検出することができる。回折面２側が階段状や矩形状の平面であれば、とくにヌル光学系を組まなくても、回折面２の反対側の面３に形成されたアライメントマーク４を検出できる。
【００３８】
ここで図１３を参照して光学素子１の両面に形成されたアライメントマーク４ａ，４ｂや回折パターンの偏心を測定する場合について説明する。図１３（ａ）に示すように、光学素子１の両面に形成されたアライメントマーク４ａ，４ｂを、顕微鏡筒１６に取り付けＣＣＤカメラ１５で上部のアライメントマーク４ａを検出し、次に下部のアライメントマーク４ｂを検出することにより、その相対的位置関係から偏心を求めることができる。そこでＺ軸ステージ１１を動かして対物レンズ１０を光学素子１に接近させて、回折面２の反対側の面３にレーザ光を合焦させる（ステップＳ７）。合焦位置の検出は前述したとおりに行う。そののちレーザ光を光学素子１に照射しないようにして、ＣＣＤカメラ１５で回折面２越しに回折面２と反対側の面３に形成されたアライメントマーク像４ｂを検出して、検出したアライメントマーク画像３４から反対面３の位置基準を求める（ステップＳ９）。このアライメントマーク４ｂの検出をアライメントマーク４ｂの数だけ繰り返す（ステップＳ１０）。そして図１３（ｂ）に示すように、検出したアライメントマーク画像３４と回折面２側のアライメントマーク画像３３の相対位置関係を算出し、算出した相対位置関係からＸＹシフトおよびＸＹ面内の回転などいわゆる光学素子１の偏心を計測する（ステップＳ１１，Ｓ１２）。
【００３９】
光学素子１の光学面には、通常、光学的に使用する有効領域５が規定されている。有効領域５内は光学的な特性が保証されているが、一般的に光学面内の有効領域外６でも有効領域５内に準ずる光学特性がある。したがって、回折面２の反対側の面３に形成されたアライメントマーク４が光学的有効領域外６にある場合でも、回折面２を透過して、回折面の反対側の面３に形成されたアライメントマーク４を検出することができる。
【００４０】
前記説明では回折面２のアライメントマーク４を検出した後、回折面２と反対側の面３のアライメントマーク４を検出した場合に地位手説明したが、この検出順番は逆でもかまわない。
【００４１】
また、アライメントマーク４の検出をＣＣＤカメラ１５による画像検出で行う場合について説明したが、アライメントマーク４や回折パターンは一般的に３次元の高さを持っている。そこで、ＣＣＤカメラ１５ではなく、レーザ光による合焦位置を検出する過程で、レーザ光をスキャンまたは光学素子１をＸＹ面内で移動させることにより、アライメントマーク４あるいは回折パターンの高さ情報を得ることができ、この高さ情報からアライメントマーク４あるいは回折パターンの位置情報を得ることも可能である。また、回折面２側が階段状や矩形状の平面であれば、光学素子１の屈折率がわかればＺ軸の移動量から光学素子１の肉厚を測定することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】光学素子の構成を示す斜視図である。
【図２】第２の光学素子の構成図である。
【図３】第３の光学素子の平面図である。
【図４】第４から第６の光学素子の平面図である。
【図５】第７から第１０の光学素子の正面図である。
【図６】第１１から第１５の光学素子の正面図である。
【図７】光学素子に設けたアライメントマークの配置図である。
【図８】光学素子に設けた他のアライメントマークの配置図である。
【図９】光学素子の光学面の有効領域と有効領域外のアライメントマークの配置図である。
【図１０】この発明に使用する偏心測定装置の構成図である。
【図１１】光学素子の偏心を測定するときの処理を示すフローチャートである。
【図１２】ＣＣＤカメラで合焦位置を検出するときの画像を示す模式図である。
【図１３】光学素子の両面に形成されたアライメントマークから偏心を測定するときの処理を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４３】
１；光学素子、２；、３；屈折面、４；アライメントマーク、
５；光学素子の光学面の有効領域。６；有効領域外、
１０；ＸＹ軸ステージ、１１；Ｚ軸ステージ、１２；ＸＹＺ軸ステージ、
１３；照明光学系、１４；レーザ光源、１５；ＣＣＤカメラ、１６；顕微鏡筒、
１７；対物レンズ、１８；合焦位置検出器、１９；制御・解析装置、
２０；ＸＹＺ軸ステージコントローラ、２１；入力デバイス、２２；表示デバイス。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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