JP2008076160A - レンズ評価に用いる回折格子、レンズ評価方法およびレンズ評価装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】開口数や設計波長が異なる対物レンズを切り替えて使用した場合でも、高い精度でレンズ評価を行うことが可能なレンズ評価に用いる回折格子を提供することを課題とする。
【解決手段】アパーチャ14によって開口を制限され、保持台5に支持されている対物レンズ6に入射し、対物レンズ6を透過した光は、回折格子15の格子面上に集光する。ここで、回折格子15はピエゾ素子を有する移動機構16に固定されており、回折格子15の格子溝と直行する成分を含む方向に移動可能となっている。所定の条件に基づいて形成された回折格子15を透過して形成された回折光は、レンズ8に入射する。回折格子15は、レンズ8の瞳面でシアリング干渉を生じるように設計されている。このシアリング干渉による干渉縞の光強度を用いて対物レンズ6の評価を行うことで、高い精度でのレンズ評価を可能とする。
【選択図】図2
【解決手段】アパーチャ14によって開口を制限され、保持台5に支持されている対物レンズ6に入射し、対物レンズ6を透過した光は、回折格子15の格子面上に集光する。ここで、回折格子15はピエゾ素子を有する移動機構16に固定されており、回折格子15の格子溝と直行する成分を含む方向に移動可能となっている。所定の条件に基づいて形成された回折格子15を透過して形成された回折光は、レンズ8に入射する。回折格子15は、レンズ8の瞳面でシアリング干渉を生じるように設計されている。このシアリング干渉による干渉縞の光強度を用いて対物レンズ6の評価を行うことで、高い精度でのレンズ評価を可能とする。
【選択図】図2
Description
本発明は、光ディスク方式の情報記録媒体、たとえばDVD(Digital Versatile Disc)に情報を読み書きするレンズなどの特性を検出するための回折格子と、それを用いたレンズ評価方法およびレンズ評価装置に関するものである。
光ディスク方式の情報記録媒体から情報を読み取り、またこの情報記録媒体に情報を記録するためには、光源から出射された光を目的の場所に正確に照射できる光学系が必要である。そのため、特に光学系の対物レンズは、それ自体に厳格な光学特性が要求される。そこで、この対物レンズの検査方法として、干渉計測で収差検出し、検出した収差をもとにレンズを検査する回折干渉方式が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この回折干渉方式で用いる回折格子は、矩形の格子形状を有している。
図12は、特許文献1のレンズ評価装置の概略構成図である。
図12において、レーザ光源1はレーザ光2を発射する。発射されたレーザ光2は、ビームエキスパンダ3で略平行光に拡大された後、ハーフミラー4で反射され、保持台5に支持されている対物レンズ6に入射する。対物レンズ6は、レンズ球面6aの周囲に平坦なコバ面6bを有し、レンズ球面6aだけでなくコバ面6bにも光が入射するようにしてある。
次に、対物レンズ6のレンズ球面6aに入射した光は、回折格子7に結像する。回折格子7を透過して形成された回折光は、レンズ8に入射する。回折格子7は、0次回折光と+1次回折光、または0次回折光と−1次回折光とがレンズ8の瞳面でシアリング干渉を生じるように設計されている。このシアリング干渉光は、レンズ8で略平行光に戻り、結像レンズ9で撮像素子10に結像される。撮像素子10は、受像した像に対応する信号を信号処理装置11に送信する。信号処理装置11は、撮像素子10からの信号を処理し、シアリング干渉像を表示装置12に表示する。
ここで、干渉縞処理方法について説明する。干渉縞処理方法は、まず、撮像系に結像された像の回折光径とシア率を求め、これらより干渉領域の外形を定義する。次に、アパーチャの大きさとレンズ有効径の大きさを元に2つの回折光の光軸を結ぶ線分の中点を中心とし、(アパーチャ径):(レンズ有効径)=(干渉領域):(測定領域)を満たすように、干渉領域の外形を縮小する。この縮小された干渉領域外形内が、計測を行うレンズ有効径による干渉である。このようにして求めた領域に関して、複数の測点で光強度変化の位相を求め、この位相に基づいてレンズの特性を求める。
また、コバ面6bで反射した光を用いて、対物レンズ6の光軸を測定する。
図13は、特許文献1のレンズ評価装置におけるシアリング干渉を示す図である。図13において、図12と同じ符号については説明を省略する。
図13に示すように、回折格子7で0次回折光と±1次回折光が形成され、それらが干渉することでシアリング干渉を生じる。これらを、信号処理装置11と表示装置12を用いて、対物レンズ6の各種収差を計測する。
また、対物レンズ6に非球面形状のレンズを用いると、レンズ球面6aの外周部において高精度なレンズ評価が困難である。そのため、レンズ検査においてもレンズの開口の大きさを決める必要がある。そこで、レンズ評価装置において、レンズの開口の大きさを制御するために対物レンズの下側にアパーチャを設けるものがある(例えば、特許文献2参照)。
図14は、特許文献2のレンズ評価装置の概略構成図である。図14において、図12〜図13と同じ符号については説明を省略する。
図14において、対物レンズ6の下側(レーザ光源側)にアパーチャ13を設置している。アパーチャ13によって、対物レンズ6に入射する光の領域を制限する。
特開2000−329648号公報
特開2004−341006号公報
しかしながら、前記従来の構成では、レンズの開口数や設計波長が切り替わった時に、−1次回折光と0次回折光と+1次回折光の3つの回折光が干渉してしまい、2光束の干渉縞とは異なる3光束の干渉縞が発生する。3光束の干渉縞が発生すると、従来の2光束の干渉縞を用いたレンズ評価方法ではレンズの収差を計測できない。そのため、3光束の干渉縞の部分を除いて干渉縞解析を行う必要がある。このように、3光束の干渉縞が発生すると、解析に用いることのできない領域が増えるため、レンズ評価の精度が低下する。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、開口数や設計波長が異なる対物レンズを切り替えて使用した場合でも、高い精度を有するレンズ評価の手段を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明のレンズ評価に用いる回折格子は、回折格子の溝深さをdk、光源からの出射光の波長をλ、回折格子の屈折率をnとした時に、所定の条件を満たすことを特徴とする。
以上のように、本発明のレンズ評価に用いる回折格子によれば、特徴的な回折格子を用いてシアリング干渉による干渉縞を用いたレンズ評価を行うことで、開口数や設計波長が異なる対物レンズを切り替えてレンズ評価を行った場合においても、複雑な設定を必要とせずに高い精度で評価を行うことができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1のレンズ評価装置の概略図である。図1において、図12〜図14と同じ符号については、説明を省略する。
図1は、実施の形態1のレンズ評価装置の概略図である。図1において、図12〜図14と同じ符号については、説明を省略する。
図1において、レーザ光源1は可干渉性のレーザ光2を発射する。発射されたレーザ光2は、ビームエキスパンダ3で略平行光に拡大された後、ハーフミラー4で反射され、アパーチャ14によって開口を制限される。その後、保持台5に支持されている対物レンズ6に入射する。対物レンズ6は、レンズ球面6aの周囲に平坦なコバ面6bを有するが、アパーチャ14によって開口を制限されることで、コバ面6bには光が入射しない。したがって、アパーチャ14によって開口制限をすることで、対物レンズ6を出射した光はコバ面6bによる迷光は含まない。
次に、対物レンズ6のレンズ球面6aを透過した光は、回折格子15の格子面上に集光する。ここで、回折格子15はピエゾ素子を有する移動機構16に固定されており、回折格子15の格子溝と直行する成分を含む方向に移動可能となっている。回折格子15を透過して形成された回折光は、レンズ8に入射する。回折格子15は、レンズ8の瞳面でシアリング干渉を生じるように設計されている。このシアリング干渉光は、レンズ8で略平行光に戻り、結像レンズ9で撮像素子10に結像される。撮像素子10は、受像した像に対応する信号を信号処理装置11に送信する。
撮像素子10で受像した像より、回折光のシア率と径を求めて干渉領域の外形を定義し、2つの回折光の光軸を結ぶ線分の中点をこの外形の中心とする。レンズ有効径をアパーチャ径で除して得た割合だけ計測する。そして、回折格子15を移動機構16によって格子溝と直交する方向に移動させ、その際の測定領域内の複数測点における光強度変化の位相を信号処理装置11で求める。この位相を基に対物レンズ6の特性を信号処理装置11で求め、表示装置12に表示する。
図2(a)は、実施の形態1のレンズ評価装置におけるシアリング干渉を示す図であり、図2(b)は、実施の形態1のシアリング干渉による干渉縞を示す図である。図2(a)〜図2(b)において、図1、図12〜図14と同じ符号については説明を省略する。
図2(a)において、dはアパーチャ径、d1は対物レンズ有効径、d2は対物レンズのコバ内径、Pは回折格子ピッチ、dkは回折格子溝深さ、duはデューティー比、θsは回折格子の入射光線角、λはレーザ光源1から出射する光の波長である。回折格子15の断面形状は正弦波状である。回折格子による回折角度は回折格子のピッチと光源からの光の波長に依存し、θ=sin-1(λ/P)で定義される。
図2(b)において、17はアパーチャ径内の光束を示し、18は対物レンズ有効径内の光束を示す。
ここで、3光束の干渉縞が発生しないように、図2(a)および図2(b)に示すような2光束の干渉縞のみを形成する。
図2(a)に示すような正弦波形状の回折格子を用いる場合は、0次回折光と±1次回折光とが発生する。±1次回折光の光強度はほぼ等しいため、0次回折光と+1次回折光との干渉縞もしくは−1次回折光と0次回折光との干渉縞よりは、±1次回折光による干渉縞の方が望ましい。ここで、回折格子出射部において0次回折光の光路長を回折格子1ピッチ分に渡って積分した数値が整数から0.5ずれている時に0次回折光の強度が0となる。0次回折光の光路長を回折格子1ピッチ分に渡って積分した数値は、下記式(1)によって求めることが出来る。
式(1)より、(n−1)・dk/(2λ)=m+1/2の時に、0次回折光の強度が0となる。ここで、整数からのずれが0.5より2割前後ずれていても0次回折光の強度が略ゼロ程度となると考えられるので、m=0、1、2、・・・で、かつ下記式(2)の時に0次回折光は略ゼロと見なすことができると考えられる。
上記式(2)において、数値を変更可能なものは、溝深さdk、屈折率n、光源からの出射光の波長λである。しかしながら、光源からの出射光の波長λは対象となるディスクに依存するため、変更することは困難である。また、屈折率nは回折格子の材質に依存し、変更することで回折格子の強度等も変わるため、できる限り変更しない方が好ましい。よって、本実施の形態では、溝深さdkを変更した場合を考える。
ここで、回折格子として石英(屈折率≒1.5)を用いた場合を考える。溝深さdk=1μm、屈折率n=1.5、出射光の波長λ=660nmの回折格子を用いて3光束の干渉縞を形成していたとすると、本実施の形態においては、整数=0とすると、上記式(2)を満たさない。そのため、溝深さdkを1.057μm<dk<1.584μmに変更することで、本実施の形態の効果を奏することができる。ここで、より望ましい溝深さdkは、dk=1.32μmである。
また、前述したように、アパーチャ14はコバ面6bからの迷光を除去する程度に小さく、対物レンズ6の有効径よりも大きな径を持つものである。例えば、対物レンズ6の有効径をr1、コバの内径をr2とすると、アパーチャ14の径rは、下記式(3)を満たすように設定する。
アパーチャ14の径を対物レンズ6の有効径より5%大きくしたのは、この範囲よりアパーチャ14の径が小さいとアパーチャ14による回折などの迷光が有効径の干渉縞に影響を及ぼすためである。また、アパーチャ14の径を対物レンズ6のコバの内径より5%小さくしたのは、この範囲よりアパーチャ14の径が大きいと、コバを透過した光が迷光となって対物レンズ6bの干渉縞に不具合が生じるためである。なお、最外周部におけるデータ処理の改善により、アパーチャ径範囲の拡大も可能であると考えられる。
図3(a)は実施の形態1のレンズ有効径が小でNAが大の場合のシアリング干渉を示す図であり、図3(b)は実施の形態1のレンズ有効径が小でNAが大の場合の干渉縞を示す図である。図3(a)〜図3(b)で、図1〜図2、図12〜図14と同じ符号については説明を省略する。
図3(b)において、19はアパーチャ径内の光束(条件変化後)であり、20は対物レンズ有効径内の光束(条件変化後)である。
図4(a)は実施の形態1のレーザ光源からの出射光波長が小さい場合のシアリング干渉を示す図であり、図4(b)は実施の形態1のレーザ光源からの出射光波長が小さい場合の干渉縞を示す図である。図4(a)〜図4(b)で、図1〜図3、図12〜図14と同じ符号については、説明を省略する。
図5(a)は実施の形態1のアパーチャによる影響を受けない場合のシアリング干渉を示す図であり、図5(b)は実施の形態1のアパーチャによる影響を受けない場合の干渉縞を示す図である。図5(a)〜図5(b)で、図1〜図4、図12〜図14と同じ符号については、説明を省略する。
本実施の形態より、図3(a)〜図3(b)に示したレンズ有効径およびNAの変化や、図4(a)〜図4(b)に示した波長の変化が生じても、シアリング干渉できる光束が2光束のみしか影響を及ぼせないので、3光束間干渉領域が生じることなく、レンズ有効径内の全領域を評価することができ、高精度なレンズ測定を行うことができる。また、図5(a)〜図5(b)に示すように、アパーチャからの迷光も測定領域に含まれることなく、高精度なレンズ評価を行うことができる。
+1次回折光と−1次回折光のシアリング干渉を測定に用いる場合、回折角度θと回折格子入射光線角θsとの関係が、θ>θsでは重なる領域の不足により情報が欠落し、高精度の測定を行えない。すなわち高精度の測定を行うためには、θ≦θs/2である必要がある。この関係より、下記式(4)が成立する。
また、θが小さくなりすぎると干渉縞が薄くなり、測定が困難になる。+1次回折光と−1次回折光とのシアリング干渉の場合、同じシア率の0次回折光と+1次回折光とのシアリング干渉と比べると、干渉縞のコントラストは2倍程度有るので、測定可能な干渉縞のコントラストを得るためにはシア率が0.05程度必要と考えられる。そのため、回折格子のピッチPは、下記式(5)を満たす必要がある。
式(4)、式(5)に基づいて、下記式(6)が得られる。
図6は、実施の形態1のレンズ収差評価装置の概略構成図である。図6で、図1〜図5、図12〜図14と同じ符号については説明を省略する。
図6において、+1次回折光と−1次回折光によるシアリング干渉を評価する場合は、前述したように、回折格子の設計によって0次回折光の光強度を略ゼロとする。しかし、回折格子は光学部品の精度誤差により、必ずしも設計どおりに0次回折光が略ゼロにならない場合がある。ここで、図7(a)は実施の形態1の0次回折光の光強度が略ゼロでない場合のシアリング干渉を示す図、図7(b)は実施の形態1の0次回折光の光強度が略ゼロでない場合の干渉縞を示す図である。図7(b)において、22はアパーチャ径内の光束(0次回折光)、23はレンズ有効径内の光束(0次回折光)、24はレンズ有効径内の光束(−1次回折光)、25はアパーチャ径内の光束(+1次回折光)である。
図8は、実施の形態1のレーザ光源の波長の変化に基づく0次回折光の光強度の様子を示す図である。図8において、図1〜図7、図12〜図14と同じ符号については説明を省略する。図8において、λ0は設計時に使用した波長であり、λ’は0次回折光の光強度が最小を示す波長である。図8に示すように、前述した矩形、山形、正弦波形状の回折格子の溝深さをm・λ/2(m:整数)にすることで0次回折光の光強度を略ゼロにすることができるが、このmが大きいほど波長を変化させた時の0次回折光の光強度変化が大きくなる。したがって、波長変化に用いる0次回折光の光強度の制御が容易になるので、mは回折格子の加工が可能な程度に大きいことが好ましい。
また、図9に実施の形態1における回折格子の断面が矩形の場合を示す図として示した断面が矩形の回折格子に関しては、du=0.5の時に本実施の形態の断面が正弦波形状の回折格子15と同じ条件となる。duがずれると0次回折光が生じるが、これも±2割程度許容するとして、0.4≦du≦0.6までは許容する。また、図10に実施の形態1における回折格子の断面が山形の場合を示す図として示した断面が山形の回折格子についても、断面が正弦波形状の回折格子と同様の条件となる。図9、図10において、図1〜図8、図12〜図14と同じ符号については説明を省略する。図9において、26は断面が矩形の回折格子であり、図10において、27は断面が山形の回折格子である。
本実施の形態では、回折格子の断面が正弦波形状のものについて主に説明した。しかしながら、回折格子の格子形状が矩形、山形などの凸部の頂点を対象にして形成されている場合も、本実施の形態の条件を満たせば断面が正弦波形状のものとほぼ同様の効果を奏する。
(実施の形態2)
図11は、実施の形態2におけるブレーズド回折格子の場合を示す図である。図11において、図1〜図10、図12〜図14と同じ符号については説明を省略する。
図11は、実施の形態2におけるブレーズド回折格子の場合を示す図である。図11において、図1〜図10、図12〜図14と同じ符号については説明を省略する。
回折格子の断面がのこぎり歯状、すなわちブレーズド回折格子の場合を考えると、0次回折光と+1次回折光のシアリング干渉の場合が考えられる。ここでは、θ>θsでは重なる領域の不足による情報が欠落し、高精度の測定を行えない。すなわち、高精度の測定を行うためにはθ≦θsであるべきであり、下記式(7)を満たす必要がある。
またθが小さくなりすぎると干渉縞が薄くなり測定が困難になる。0次回折光と+1字回折光の干渉縞のコントラストを得るには、シア率が0.1程度は必要であると考えられるので、下記式(8)を満たす必要がある。
式(7)、式(8)に基づいて、下記式(9)が得られる。
またこの時には、0次回折光の光強度をできるだけ強くしたいので、下記式(10)が整数、つまり(nー1)・dk/(2λ)=mとなるべきである。
この時、整数から多少ずれていても測定できない光強度が低くなることはなく、m=1、2、・・・で、かつ下記式(11)を満たす程度であれば良いと考えられる。
本発明のレンズ評価に用いる回折格子によれば、高精度にレンズの収差を評価することができる。そのため、光ディスク装置のキーデバイスである光ピックアップの対物レンズだけでなく、例えば、加工用レーザ光学系に使うレンズの検査計測、あるいはデジタルスチルカメラなどの映像系のレンズの検査計測にも適用できる。
5 保持台
6 対物レンズ
14 アパーチャ
15 回折格子
16 移動機構
17 アパーチャ径内の光束
6 対物レンズ
14 アパーチャ
15 回折格子
16 移動機構
17 アパーチャ径内の光束
Claims (6)
- 請求項1から請求項4いずれか記載の回折格子で回折して異なる次数の回折光を形成し、
前記回折光の内の2つの回折光のみを用いて干渉縞を形成し、
前記干渉縞における光強度変化の位相を求め、
前記位相に基づいて前記レンズの評価を行うこと
を特徴とするレンズ評価方法。 - 請求項1から請求項4いずれか記載の回折格子と、
前記回折光を干渉させた干渉縞における光強度変化の位相を求める算出機構と、
前記位相に基づいて前記レンズの評価を行う評価機構を有すること
を特徴とするレンズ評価装置。
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---|---|---|---|
JP2006254308A JP2008076160A (ja) | 2006-09-20 | 2006-09-20 | レンズ評価に用いる回折格子、レンズ評価方法およびレンズ評価装置 |
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---|---|
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107966276A (zh) * | 2017-11-27 | 2018-04-27 | 苏州大学 | 一种大面积宽带光栅衍射效率测量的方法及装置 |
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2006
- 2006-09-20 JP JP2006254308A patent/JP2008076160A/ja active Pending
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CN107966276A (zh) * | 2017-11-27 | 2018-04-27 | 苏州大学 | 一种大面积宽带光栅衍射效率测量的方法及装置 |
CN107966276B (zh) * | 2017-11-27 | 2019-08-02 | 苏州大学 | 一种大面积宽带光栅衍射效率测量的方法及装置 |
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