JP2008057983A

JP2008057983A - レンズ研磨精度評価装置及び評価方法

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Publication number: JP2008057983A
Application number: JP2006231604A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Onishi; 芳紀大西; Yoshiaki Yamamoto; 良明山本; Koichi Tamagawa; 孝一玉川; Taro Morimura; 太郎森村; Hitoshi Ikeda; 均池田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】レンズの研磨精度を実時間内で測定できる、安価なレンズ研磨精度評価装置及び評価方法の提供。
【解決手段】レーザー発振器と、第一球面レンズと、空間フィルターと、電荷結合素子とを備える。空間フィルターと被測定レンズとの間に第二球面レンズを設ける。第一球面レンズから出射されたレーザービームを空間フィルターのピンホールを通過せしめ、このレーザービームを被測定レンズに入射せしめ、被測定レンズを透過したレンズ面内情報の重畳されたレーザービームを電荷結合素子に受光せしめる工程を、被測定レンズを移動させながら繰り返し実施し、光電変換させた後、この電気信号を画像処理し、被測定レンズの研磨精度を評価する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズ研磨精度評価装置及び評価方法に関し、特に被測定レンズの透過波面情報に基づいて大型光学シリンドリカルレンズ等の光学レンズの研磨精度を評価する装置及び評価する方法に関する。

光学レンズの製作には多岐に渡る研磨工程が施され、必要に応じた曲率面や角度を有するように、また、その他の形状に整形される。光学レンズを研磨する際に、機械研磨方法の他に、レンズ面を人間が直接に磨く手法も古くより用いられる方法であり、加工精度も高いことで知られている。この加工精度を簡単に評価する装置及び方法があれば、加工精度の良いレンズの開発にもつながる。

一般に、レンズは、大きなレンズ材料から小さなサイズの材料に切り出し、レンズの形状とするいわゆる荒ズリ作業工程(表面は研削目)を行い、次いで砂掛け作業を行ってレンズ表面の粗さをさらに細かくし、その後両面研磨を行い、例えば反射波面精度や透過波面精度等に基づいて、その面精度を評価しながら、必要により修正を行って作製される。

光学機器に使用されるレンズの表面欠陥や内部欠陥を検出するための欠陥検査方法及び装置が知られている(例えば、特許文献１参照)。この場合、ハロゲンランプのような高輝度の点光源から検査光を出力し、その検査光を直接レンズに照射してレンズ表面や内部の欠陥検査を行っているに過ぎない。

近年、レーザー加工対象物の高精度化と微細化とが要求されており、そのため、レーザービームを透過せしめるレンズの加工精度の更なる向上が求められている。より高度な加工精度を実現するためには、レンズ表面の状態を評価し認識する必要がある。

微小なレンズ類に関しては、原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)等を用いれば原子レベルでの表面粗さの情報を得ることは容易であり、また、干渉法を用いれば曲率、平面精度等の情報を得ることも容易である。これらの評価方法は、最もオーソドックスな手法であり、実用性も極めて高いことより、標準的なレンズ評価手段となっているのが現状である。

しかるに、近年、大型レーザー装置の民生への展開が加速され、量産装置が実用化されるに伴って、光学系を実現するレンズ類は、飛躍的に大口径化し、同時に加工精度にも高い要求がでてきている。そのため、高精度大型レンズ類の加工手法の確立が急がれると同時に、レンズ精度に関しても大型光学シリンドリカルレンズ等の光学レンズの安価な研磨精度評価装置及び評価方法を確立することが急務となっている。
特開２００３−５０１８０号公報(特許請求の範囲、段落：００４４)

本発明の課題は、上述の従来技術の問題点を解決することにあり、加工精度の確保が難しいとされる大型光学シリンドリカルレンズ等を含めた光学レンズの、簡便で実用的な研磨精度評価装置及び評価方法を提供することにある。

本発明のレンズ研磨精度評価装置は、レーザー発振器と、生成されたレーザービームの光路内に配置された第一球面レンズと、この第一球面レンズから出射されるレーザービームを通過せしめるためのピンホールを有する空間フィルターと、この空間フィルターを通過したレーザービームを照射せしめる被測定レンズから出射されるビーム光を受光する表示装置又は電荷結合素子とを備えたことを特徴とする。これにより、大型光学シリンドリカルレンズ等の光学レンズの研磨精度を、透過波面情報に基づいて正確に評価することができる。

前記レンズの研磨精度評価装置において、レーザービームの光路内であって、空間フィルターとレンズ研磨精度評価の際に載置される被測定レンズの配置位置との間に、第二球面レンズを設けることが好ましい。

前記被測定レンズは、大型光学シリンドリカルレンズであっても良い。

本発明のレンズの研磨精度評価方法は、レーザー発振器で生成せしめたレーザービームを第一球面レンズに入射させた後、この第一球面レンズから出射されるレーザービームをピンホールを有する空間フィルターのピンホールを通過せしめてスパイク形状の高調波成分を除去し、この高調波成分の除去されたレーザービームを被測定レンズに入射させ、次いでこの被測定レンズから出射される被測定レンズの面内情報が重畳されたレーザービームを電荷結合素子に受光させる工程からなり、この工程を、レーザービームの進行方向に対して垂直方向に被測定レンズを移動させながら被測定レンズの幅方向全長にわたって繰り返し実施し、被測定レンズを透過して被測定レンズの面内情報が重畳されたレーザービームを電荷結合素子で電気信号に変換させた後、この電気信号を画像処理して、被測定レンズの研磨精度を評価することを特徴とする。

前記レンズ研磨精度評価方法において、空間フィルターのピンホールを通過させたレーザービームを第二球面レンズを透過せしめた後、被測定レンズに入射させ、この被測定レンズから出射される被測定レンズの面内情報が重畳されたレーザービームを電荷結合素子に受光させることが好ましい。

前記被測定レンズとして大型光学シリンドリカルレンズを用い、その研磨精度を評価することができる。

本発明のレンズ研磨精度評価方法はまた、レーザー発振器で生成せしめたレーザービームを第一球面レンズに入射させた後、この第一球面レンズから出射されるレーザービームをピンホールを有する空間フィルターのピンホールを通過せしめてスパイク形状の高調波成分を除去し、この高調波成分の除去されたレーザービームをレンズ研磨精度を評価するための被測定レンズに入射させ、次いでこの被測定レンズから出射される被測定レンズの面内情報が重畳されたレーザービーム透過光を表示装置に表示せしめる工程からなり、この工程を、レーザービームの進行方向に対して垂直方向に被測定レンズを移動させながら被測定レンズの幅方向全長にわたって繰り返し実施し、各工程毎に、表示された被測定レンズの透過光の表面粗として透過光内の斑等を目視により観察して、被測定レンズの研磨精度を評価することを特徴とする。

この表示装置による評価方法においても、空間フィルターのピンホールを通過させたレーザービームを第二球面レンズを透過せしめた後、被測定レンズに入射させ、この被測定レンズから出射される被測定レンズの面内情報が重畳されたレーザービーム透過光を表示装置に表示せしめることが好ましく、また、被測定レンズとして大型光学シリンドリカルレンズを用い、その研磨精度を評価することができる。

本発明によれば、高価な干渉法や、ＡＦＭによる原子レベルでの解析を必要とせず、大面積を有する光学レンズ全面の研磨精度を実時間内で測定できる、安価なレンズ研磨精度評価装置及び評価方法を提供できるという効果を奏する。

本発明のレンズ研磨精度評価装置は、レーザー発振器と、生成されたレーザービームの光路内に配置された第一球面レンズと、この第一球面レンズから出射されるレーザービームを通過せしめるためのピンホールを有する空間フィルターと、空間フィルターを通過したレーザービームを照射せしめる被測定レンズから出射されるレーザービーム光を受光する電荷結合素子(ＣＣＤセンサ)と、このＣＣＤセンサから出力される電気信号を解析し、画像として表示するコンピューターとを、この順序で配置したものであり、好ましくは、レーザービームの光路内であって、空間フィルターとレンズ研磨精度評価の際に載置される被測定レンズの配置位置との間に、第二球面レンズを設けたものである。これにより、大型光学シリンドリカルレンズ等の光学レンズの研磨精度を、透過波面情報に基づいて正確に評価することができる。

この場合、被測定レンズから出射されるレーザービーム透過光を直接スクリーン等の表示装置に表示し、透過光の表面粗さとして、透過光内の斑等を目視により観察し、評価することができる。以下、特に断らない限り、ＣＣＤセンサを用いる評価装置及び評価方法について説明する。

そのため、本発明のレンズ研磨精度評価装置及び評価方法は、光学レンズ加工の最終評価、レンズ受け入れ検査の場合にも重宝される、簡便で、且つ実践的な評価装置及び評価方法であり、高価な干渉測定や、ＡＦＭ等の原子レベルでの解析を必要とせず、更には大面積を実時間内で測定できるという利点と、安価に測定系が構築できるという利点を有する。

また、本発明によれば、測定データの絶対性が必要とされず、レーザー光透過強度波面が特に大事であるレーザー光を照射して処理する場合に有効であると共に、レンズ研磨の現場においては、容易なハンドリングで扱えることや、粗研磨レベルから最終研磨過程まで一貫して評価できるという特長を有しており、一時的な測定のためだけに加工対象物の洗浄、真空チャンバー内への煩雑な移設も必要としないという利点を有する。

本発明に係るレンズ研磨精度評価装置について、以下具体的に説明する。

本発明のレンズ研磨精度評価装置は、図１に示すように、レーザー発振器１と、このレーザー発振器１から出力されるレーザービームＬを透過せしめて、後述する空間フィルターのピンホール径よりわずかに大きいビーム径に絞るための第一球面レンズ２と、この球面レンズ２から出射したレーザービームのスパイク形状の高調波を低減若しくは除去し、かつビーム径を拡大するためのピンホールを有する空間フィルター(ピンホールディスク)３と、好ましくは空間フィルターを透過してきたレーザービームの直径を広げ、かつ平行ビームに整形するためのコリメートレンズ等からなる第二球面レンズ４と、空間フィルター３を透過した又は第二球面レンズ４から出射したレーザービームを、研磨精度を評価するための加工後の被測定レンズＳに入射せしめて、このレンズＳを透過せしめた後の波面情報が重畳されたレーザービームを受光するためのＣＣＤセンサである電荷結合素子５と、この電荷結合素子５から送られてくる電気信号を解析し、画像処理して可視化するためのパーソナルコンピュータ(ＰＣ)６とを備えたものである。この場合、図示していないが、ＣＣＤセンサの代わりに、被測定レンズから出射されるレーザービーム透過光を直接スクリーン等の表示装置に表示し、透過光の表面粗さとして、透過光内の斑等を目視により観察し、評価することもできる。

上記レーザーとしては、例えば、固体レーザー(Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｔｉ：サファイアレーザー等)、気体レーザー(炭酸ガスレーザー、アルゴンイオンレーザー、ヘリウム−ネオンレーザー等)、半導体レーザー、色素レーザー、エキシマレーザー等を用いることができる。

上記画像処理は、例えば次のようにして行う。被測定レンズＳを透過したレーザービームはその内に波面情報が重畳している。レーザービームは被測定レンズＳにより収束され、ＣＣＤセンサ５へ導かれる。ＣＣＤセンサ５で受光した被測定レンズＳ内の情報は光量変化としての濃淡情報へと変換される。あるいはまた、この被測定レンズＳ内の情報は、強度分布情報へと様相を変える。更に、光量濃淡は光電変換を施され、アナログ電気信号へと変換される。更に、アナログ電気信号はＡ／Ｄ変換を施され、主にＡ／Ｄコンバータの仕様で決まる階調のデジタル信号へ変換される。例えば、光量の濃淡情報は８ビット(２５６階調)のデジタルデータに変換される。レーザー光源として、例えば、波長０．５μｍ近傍のグリーンレーザーを種光として利用することが望ましい。この場合、ＣＣＤセンサもグリーン光に十分な感度を有するものを使用することが望ましい。グリーンレーザー光源を用いるのが望ましいのは、大型シリンドリカルレンズを必要とする装置や測定器で用いられる実光源と同じ波長域とするためであり、より実体に則した運転状態を演出することが望ましいからである。他の光源波長を用いると、測定感度や許容値に大きなずれを生じ、実使用において問題があるからである。従って、より本番に近い環境(又は、厳しい評価レベル)を構築するのが望ましいからである。

デジタライズされた被測定レンズＳの情報は、ＣＣＤセンサ５から出力され、パーソナルコンピューター(ＰＣ)内に予め準備していたビデオキャプチャーボードを介してＰＣメモリ内に展開(保存)される。これらデジタルデータは、既存のソフト(例えば、WaveMetrics, Inc. で開発されたＩＧＯＲ等)を用いて画像情報として可視化される。この可視化情報は、公知の手法により、濃淡の強調や、各種のプロファイルデータを任意に変更、算術処理、プロファイル操作が可能となる。

レーザー発振器１から出力され、第一球面レンズ２及び空間フィルター３を透過したレーザービームの直径を所望の形状に拡大し、平行ビームとする手段としての第二球面レンズ４を用いる場合には、必ず空間フィルター３のピンホールを介して光学的なノイズ(空間的にスパイキーな高調波成分)を低減ないしは除去した後のビーム品質で行わなければならない。これにより、滑らかなビーム強度分布が実現できる。このピンホールはビーム直径とは直接的な関係はないが、その直径は、通常１０〜２５μｍ程度であれば所期の目的を十分達成できる。なお、レーザーコヒーレント長はおよそ５０ｍｍ以上が望ましい。

上記第二球面レンズ４は、入射されたレーザービームの直径を広げて平行にするように機能するコリメートレンズ等の光学レンズであるが、本発明の場合には、空間フィルター３から出射されるレーザービームは広がっても良いため、必ずしも必要ではない。また、上記ＣＣＤセンサの前面には結像レンズを設けない方がよい。

これは、本来関係のない結像レンズ自身の情報まで測定信号に重畳されるからである。本発明の研磨精度評価装置では、必要最小限のレンズ構成が望ましい。加えて、本発明では、φ５０〜１００ｍｍに拡大されたレーザービーム径は１次元方向にのみ収束されるレンズ作用を受ける。従って、シリンドリカルレンズの尾根に直交する(曲率Ｒ方向)波面情報は保存され、研磨精度の評価が可能となる。レンズの大きさやビームの大きさ、ＣＣＤセンサ等の物理的な制約が生じる場合には、被測定レンズＳの後段に必要に応じた縮小光学系を構築しなければならないが、その場合は、予め研磨斑のないレンズ系であることを確実に構築しておく必要がある。つまり、被測定レンズＳからの情報と切り分ける必要が生じてしまうからである。但し、この手間を厭わない場合には、縮小光学系を構築することにはメリットがある。例えば、被測定シリンドリカルレンズは収束レンズ系(平凸、両凸、＋メニスカス等)のみならず発散レンズ(平凸、両凸、−メニスカス等)でも本発明を適用することができる。

結像レンズを設ける代わりに、ＣＣＤセンサに対して入射するレーザービームの光量を下げることにより光学的なダメージを防ぐ目的で、ＮＤフィルター(光量調節フィルター)等の光量調節機構を設けた方が望ましい。換言すれば、ビーム強度を調整し、測定に適した強度に減衰する手段を設けることが好ましい。

本発明によれば、被測定レンズＳとしては、特に制限はないが、大型光学シリンドリカルレンズ等の大面積の光学レンズであっても満足な評価を実施することができる。

この被測定レンズとしてのシリンドリカルレンズの設計仕様には、通常、外形寸法、曲率半径、面精度、母線ずれ、ピリ、カケ、スクラッチ等の評価項目が記載されている。この項目の中でも、面精度は、検査光学波長に比してどのぐらい面のうねりが大きいか、小さいかを取り決めるものであり、極めて重要な情報である。しかし、非常に細かい微細構造(表面粗さ)について、レンズ有効面内に数値制限を定めることは従来困難であった。特に、加工対象のレンズサイズが大型化すれば特定領域内の局所部位に対してのみ微細構造検査測定を施し、その結果を元に、レンズ全域の加工状態を推測するのが常套手段であった。そのため、事実上、大型化レンズでの面精度については、実時間内で有効面内の評価をすることができていないのが実情であった。

本発明によれば、レンズが高精度の加工状態に至っているかどうかを、レンズ全面にわたって、簡便な手法で即時に判別することが可能になる。本発明の評価装置及び評価方法では、レンズの大口径化に対する制限は無く、同時にレンズ有効面内の全領域をＣＣＤセンサを経て実時間内に可視化して評価し、可視化された波面情報は、直ちにデジタルデータとして保存され得る。このデジタルデータにより、目視情報のみならず、規格化された中で数値評価することが可能になり、用いるレンズの要求性能に応じて到達加工精度を知り、目的に適った光学レンズを提供することが可能となる。

ここでの加工情報には大きく分けて２つある。１つは、レーザーの集光幅を確認することで、レンズ曲率面又は母線ずれを知ることである。もう一つは、本評価法の最大の特徴である、レンズ研磨面の粗さ、微小うねりに起因する斑情報を知ることができることである。

レーザービームがその集光方向(短手方向)でＣＣＤセンサ５に入射する概念図を示す後述の図２(ａ)の配置で説明する。レンズ曲率面が場所により異なる場合には、ＣＣＤセンサ上でのレーザー光の集光幅は変化する。レンズの焦点距離が変わる効果として表現される。同様に曲率面の母線ずれがある場合も焦点距離ずれの影響と収差情報が得られる。同時に、研磨斑による像データを得る。この斑が表面ラフネス等に起因する場合は、研磨工程又は研磨条件を変える。

次に、本発明に係るレンズ研磨精度評価方法について具体的に説明する。

本発明のレンズ研磨精度評価方法によれば、レーザー発振器１で生成せしめたレーザービームＬを出力し、第一球面レンズ２に入射させた後、この第一球面レンズ２から出射されるレーザービームをピンホールディスクのような空間フィルター３のピンホールを通過せしめることにより、光学的ノイズであるスパイク形状の高調波成分を低減或いは除去し、かつビーム径を拡大せしめ、この表面波粗さを取ったレーザービームを、研磨精度を評価するための加工後の被測定レンズＳに入射させ、次いでこの被測定レンズＳから出射される、被測定レンズ面内の波面情報を重畳して獲得したレーザービームをＣＣＤセンサに受光せしめる工程からなり、この工程を、レーザービームの進行方向に対して垂直方向に被測定レンズＳを移動させながら被測定レンズＳの幅方向全領域にわたって繰り返し実施し、被測定レンズを透過して被測定レンズの面内情報が重畳されたレーザービームをＣＣＤセンサで受光し、電気信号に変換させた後、上記したように、この電気信号をコンピューターにより画像処理して、被測定レンズの欠陥を検出し、研磨精度を評価するものである。

この場合、空間フィルター３を通過し、ビーム径の拡大されたレーザービームを、コリメートレンズ等の第二球面レンズ４を透過せしめて平行状態に調整し、この平行光をそのまままの状態で被測定レンズＳへ入射せしめ、この被測定レンズから出射された出力ビームをそのままの状態でスクリーン等の表示手段やＣＣＤセンサに受光せしめることが好ましい。これにより、明瞭なレンズ面情報が得られる。換言すれば、レーザー光波面データの直接測定という利点が得られる。その後、得られた電気信号のデータをコンピュータへ送り、上記したように画像処理し、被測定レンズの研磨精度を評価する。

被測定レンズの大きさやスクリーン等の表示装置の大きさに合わせて、ビームの直径を調整する。第二球面レンズ４により適当な大きさに拡大されて出射される平行ビームは被測定レンズに入射して、レンズ作用を受けた後にこのレンズから出射される。この出射されたレーザービームは、その波形に被測定レンズの表面形状、材質、裏面形状等の様々な情報が重畳されて表示装置やＣＣＤセンサに導かれる。そして、被測定レンズ中に光学的歪み、例えばレンズ面の研磨の際に生じたキズ、斑、癖等が存在するかどうかを評価する。この場合、表示装置に表示された透過光内に斑等があるかどうかを目視観察するか、又はそれらの研磨状態のデータを直ちに可視化できるようにコンピューター処理する。可視化できる領域はレーザービームの径とＣＣＤセンサの受光特性とに従って任意に構成できる。上記したように、被測定レンズの後ろには結像レンズを設けない方が好ましいが、ビーム径とＣＣＤセンサの受光性能との関係で設ける必要があるときは、十分検討した上で用いるべきである。

例えば、像を縮小する場合やイメージリレーを行う必要がある場合において、その手段をレンズで行うと、そのレンズ自身のノイズが重畳されることになる。本来の被測定光を正しく測定するために予めノイズ成分を別途測定しておく必要がある。そのノイズ信号成分を最小限に留める必要と、被測定レンズＳから発せられる信号成分とを切り分ける工程を検討しなければならない。具体的には、同様に、本測定法を用いて検査済みである斑の少ない高精度レンズを用いるなどしてリレー光学系を構築する必要がある。

上記したように、第一球面レンズ２及び空間フィルター３を経てビーム径が拡大されノイズが除去されたレーザービームは、第二球面レンズ４に入射され、この第二球面レンズ４から出射される平行レーザービームは、図２(ａ)及び(ｂ)に示すように、被測定レンズＳに入射される。図２(ａ)は、レーザービームがその集光方向(短手方向)でＣＣＤセンサ５に入射する概念図であり、図２(ｂ)は、レーザービームがその幅広方向(長手方向)でＣＣＤセンサ５に入射する概念図である。

この被測定レンズＳから出射されるレーザービームはＣＣＤセンサ５の受光部に入射される。このように被測定レンズ(例えば、φ＝１０〜１００ｍｍの大型シリンドリカルレンズ)の一部(領域Ａ)を透過したレーザービームは、この領域Ａのレンズ面内情報を重畳してＣＣＤセンサ５へと導かれる。ＣＣＤセンサの受光部面積(一つのＣＣＤセンサの受光部面積は、例えば、３μｍ程度である)はビーム光束に比して小さいために、ＣＣＤセンサ５は、被測定レンズＳ内の領域Ａで示された空間内の情報を測定することになる。そこで、被測定レンズ内の全領域の情報を得るために、被測定レンズＳをビーム光軸に直交する方向へとゆっくり移動せしめること、すなわち被測定レンズＳをビーム光の進行方向に対して図２(ｂ)上で上下方向に垂直移動せしめることにより、レーザービームが被測定レンズを透過する場所が連続的に変わり、各場所で得られた情報が実時間内でコンピューターに送られ、データ処理され、動画として表示される。その結果、被測定レンズの全領域をスキャンすることが可能となり、被測定レンズＳの全面の情報を測定し、評価することができる。

上記において、被測定レンズの測定箇所と、表示される動画に時間的座標や位置的座標を算出する機能とを付加することにより、被測定レンズＳ内の研磨斑等の微小な痕跡が存在する場所を特定することができるので、評価後のレンズの修正研磨が容易になる。

さらに大型のシリンドリカルレンズにおいても、同様の手法で研磨斑等を測定できる。例えば、被測定レンズＳをステージ上に固定し、メカニカル機構による移動手段を付与すれば良い。

上記において、被測定レンズＳとＣＣＤセンサ５との間で被測定レンズから出射されるビームの波面情報を乱さないように、測定環境として、気流の乱れや不必要な外光(部屋の天井の照明、環境光等)が少ない状態を確保することが必要である。これにより、波面情報を正確に測定することが可能となる。スクリーンを使用する場合も、ＣＣＤセンサで検出する場合と同様の測定環境とする必要がある。

本実施例では、被測定レンズとしてシリンドリカルレンズ(ｆ＝３００ｍｍ、１１０ｍｍ×２２０ｍｍ)を用い、このレンズの研磨加工条件を変えて、研磨斑が多く、表面が粗い被測定レンズＡ、及び研磨斑が少なく、表面が均一な被測定レンズＢを作製し、図１に示す評価装置によりこれらのレンズの研磨精度を評価した。

グリーンレーザー発振器１で生成せしめたレーザービームＬを出力し、第一球面レンズ２に入射させた後、この第一球面レンズ２から出射されたレーザービームをピンホール(１５μｍ)を有する空間フィルター３のピンホールを通過せしめてスパイク形状の高調波成分を除去し、かつビーム径を拡大せしめて、この高調波成分の除去されたレーザービームを第二球面レンズ４に入射せしめて平行状態に調整し、次いでこの球面レンズ４から出射された平行光であるレーザービームをそのままの状態で被測定レンズＡ及びＢにそれぞれ入射させ、次いでこれらの被測定レンズから出射される、レンズ面内の波面情報を重畳して獲得したレーザービームをＣＣＤセンサ５に受光せしめた。この工程を、レーザービームの進行方向に対して垂直方向に各被測定レンズＡ及びＢを移動させながら被測定レンズの幅方向全領域にわたって繰り返し実施し、被測定レンズを透過して被測定レンズの面内波面情報が重畳されたレーザービームをＣＣＤセンサ５で受光せしめた。

ＣＣＤセンサ５で受光した被測定レンズ内の情報を光量変化としての濃淡情報へと変換せしめた。あるいはまた、この被測定レンズ内の情報を強度分布情報へと様相を変化せしめた。更に、光量濃淡に対して光電変換を施し、アナログ電気信号へと変換せしめた。更に、アナログ電気信号に対してＡ／Ｄ変換を施し、主にＡ／Ｄコンバータの仕様で決まる階調のデジタル信号へ変換せしめた。

デジタライズされた被測定レンズの情報を、ＣＣＤセンサ５から出力し、パーソナルコンピューター(ＰＣ)内に予め準備していたビデオキャプチャーボードを介してＰＣメモリ内に展開(保存)せしめた。これらデジタルデータを、既存のソフト(ＩＧＯＲ)を用いて画像情報として可視化した。この可視化情報を、公知の手法により、濃淡の強調や、各種のプロファイルデータを任意に変更、算術処理、プロファイル操作を行った。

なお、上記したように、レーザー光を所望のビーム形状に整形し、コリメート光を実現させ、このビームを被測定レンズ内を通過せしめると、透過強度波面がレンズ表面情報を重畳して被測定レンズから出射された。その結果を表示装置としてのスクリーン上に表示し可視化すれば、図３(ａ)及び(ｂ)に示すように目視確認できる。

図３(ａ)及び(ｂ)に示すように、レンズの加工精度が悪い場合(被測定レンズＡ)には、例えば図中の長方形で囲った部分から明らかなように、透過光内に研磨斑等の加工斑があることを目視確認でき(図３(a))、また、レンズの加工精度が良い場合(被測定レンズＢ)には、例えば図中の長方形で囲った部分から明らかなように、透過光内に研磨斑等の加工斑がないことが目視確認できた(図３(ｂ))。この被測定レンズＡに対して、加工斑を低減すべく再度研磨処理を行ったところ、図３(ｂ)と同様にレーザービームの透過光内の斑が低減し、被測定レンズの表面粗さが改善されることが分かった。

また、上記のようにして得られた表面情報が重畳されて射出されたレーザービームをＣＣＤセンサで受光した後、上記したような所定のコンピューター処理を行って、被測定レンズＡ及びＢの透過波面情報のプロファイルを画像として表示し、この結果を図４に示す。図４において、横軸は被測定レンズのレンズ幅方向(０〜３００ｍｍ)であり、シリンドリカルレンズの尾根に平行な長さであるが、実際のレンズ座標とは異なり、およそ０．７×３００(ｍｍ)である。また、縦軸はそれぞれの試験時の環境による相対強度を示す。また、図４中の曲線１及び２は、それぞれ、被測定レンズＡ及びＢの場合のプロファイルを示す。

図４から明らかなように、被測定レンズＡの場合(曲線１)、レンズ幅方向の全域において大きな強度変動が見られ、特に強度の凹凸が強く見られる部分が多いので、レーザー光の照射レンズとして使用するには不都合であることが分かる。また、被測定レンズＢの場合(曲線２)、レンズ幅方向の全域において大きな強度変動が見られず、緩やかな強度特性を示すので、レンズの加工・研磨がある一定の精度を満たしているものと考えられ、レーザービームの照射レンズとして使用するには好都合であると考えられる。

被測定レンズＡに対して、上記と同様に加工斑を低減するように再度研磨加工を実施した。この再研磨したレンズについて、上記と同様にして研磨精度を評価したところ、図４中の曲線２と同様な曲線が得られ、加工斑が低減したことが分かった。かくして、レンズの研磨手法が適当であれば、レンズ表面粗さ等が改善されていることを知ることができる。

なお、図４に示した被測定レンズＡ及びＢについての曲線において、レンズ全体の大きな波数成分は透過試験に使用したレーザービームのもともとのガウス分布によるもので、レンズ本来の特性に由来しない分布である。

本実施例における測定空間分解能は約５μｍであったが、さらに詳細な情報を得たい場合には、測定光学系を見直し、例えばさらに別の球面レンズを設置してビーム光をさらに拡大して試験を行っても良い。

第二球面レンズ４を配置しなかったことを除いて、実施例１の方法を繰り返した。その結果、実施例１の場合と同様な結果が得られた。

上記したように、本発明のレンズ精度評価装置を用いれば、被測定レンズ内を透過したレーザービーム内の全ての光学的波面情報が得られ、レンズの研磨精度を簡単に、かつ正確に評価することができる。これは、マッハツェンダー干渉計、マイケルソン干渉計、シュリーレン法などと同様に、光学的波面情報を得るという点では同じであるけれども、これらの従来の装置や方法が、微細加工パターンには不向きであるのに対して、本発明の評価装置及び評価方法は、簡便であり、微細加工パターンや大口径レンズにも適用できる実時間内での測定系であるという利点を有する。

本発明によれば、高価な干渉法や、ＡＦＭによる原子レベルでの解析を必要とせず、大面積を有するレンズの研磨精度を実時間内に測定し、評価できる、安価なレンズ研磨精度評価方法及び装置を提供できるので、本発明は、光学レンズを用いて非対象物を加工する技術分野で、目的に適った性能を有するレンズを提供するために利用可能である。

本発明のレンズ研磨精度評価装置の構成を模式的に示す構成図。本発明のレンズ研磨精度評価装置において、レーザービームがＣＣＤセンサに入射する概念図であり、(ａ)は、レーザービームがその集光方向で入射する場合、(ｂ)はレーザービームがその幅広方向で入射する場合。実施例１で得られた被測定レンズ内を通過したレーザービーム光の表示写真であり、(ａ)は被測定レンズＡの場合、(ｂ)は被測定レンズＢの場合。実施例１で得られた被測定レンズＡ及びＢの透過波面情報のプロファイルを示すグラフ。

符号の説明

１レーザー発振器２第一球面レンズ
３空間フィルター４第二球面レンズ
５ＣＣＤセンサ６コンピューター
ＬレーザービームＳ被測定レンズ

Claims

レーザー発振器と、生成されたレーザービームの光路内に配置された第一球面レンズと、この球面レンズから出射されるレーザービームを通過せしめるためのピンホールを有する空間フィルターと、この空間フィルターを通過したレーザービームを照射せしめる被測定レンズから出射されるビーム光を受光する表示装置又は電荷結合素子とを備えたことを特徴とするレンズ研磨精度評価装置。
前記レーザービームの光路内であって、前記空間フィルターとレンズ研磨精度評価の際に載置される被測定レンズの配置位置との間に、第二球面レンズを設けたことを特徴とする請求項１記載のレンズ研磨精度評価装置。
前記被測定レンズが大型光学シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１又は２記載のレンズ研磨精度評価装置。
レーザー発振器で生成せしめたレーザービームを第一球面レンズに入射させた後、この第一球面レンズから出射されるレーザービームをピンホールを有する空間フィルターのピンホールを通過せしめてスパイク形状の高調波成分を除去し、この高調波成分の除去されたレーザービームをレンズ研磨精度を評価するための被測定レンズに入射させ、次いでこの被測定レンズから出射される被測定レンズの面内情報が重畳されたレーザービームを電荷結合素子に受光させる工程からなり、この工程を、レーザービームの進行方向に対して垂直方向に被測定レンズを移動させながら被測定レンズの幅方向全長にわたって繰り返し実施し、被測定レンズを透過して被測定レンズの面内情報が重畳されたレーザービームを電荷結合素子で電気信号に変換させた後、この電気信号を画像処理して、被測定レンズの研磨精度を評価することを特徴とするレンズ研磨精度評価方法。
前記空間フィルターのピンホールを通過させたレーザービームを別の球面レンズを透過せしめた後、被測定レンズに入射させ、この被測定レンズから出射される被測定レンズの面内情報が重畳されたレーザービームを電荷結合素子に受光させることを特徴とする請求項４記載のレンズ研磨精度評価方法。
前記被測定レンズが大型光学シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項４又は５記載のレンズ研磨精度評価方法。
レーザー発振器で生成せしめたレーザービームを第一球面レンズに入射させた後、この第一球面レンズから出射されるレーザービームをピンホールを有する空間フィルターのピンホールを通過せしめてスパイク形状の高調波成分を除去し、この高調波成分の除去されたレーザービームをレンズ研磨精度を評価するための被測定レンズに入射させ、次いでこの被測定レンズから出射される被測定レンズの面内情報が重畳されたレーザービーム透過光を表示装置に表示せしめる工程からなり、この工程を、レーザービームの進行方向に対して垂直方向に被測定レンズを移動させながら被測定レンズの幅方向全長にわたって繰り返し実施し、各工程毎に、表示された被測定レンズの透過光の表面粗さを目視により観察して、被測定レンズの研磨精度を評価することを特徴とするレンズ研磨精度評価方法。
前記空間フィルターのピンホールを通過させたレーザービームを別の球面レンズを透過せしめた後、被測定レンズに入射させ、この被測定レンズから出射される被測定レンズの面内情報が重畳されたレーザービーム透過光を表示装置に表示せしめることを特徴とする請求項７記載のレンズ研磨精度評価方法。
前記被測定レンズが大型光学シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項７又は８記載のレンズ研磨精度評価方法。