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

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

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。

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。

実施の形態１のレンズ評価装置の概略図 （ａ）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（ｂ）実施の形態１のレンズ評価装置における干渉縞を示す図 （ａ）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（ｂ）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 （ａ）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（ｂ）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 （ａ）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（ｂ）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 実施の形態１のレンズ収差評価装置の概略構成図 （ａ）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（ｂ）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 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 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 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 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 特許文献１のレンズ評価装置の概略構成図 特許文献１のレンズ評価装置におけるシェアリング干渉を示す図 特許文献２のレンズ評価装置の概略構成図

符号の説明

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

Claims (6)

1. 頂点を中心に線対称な凸部形状の格子を有する回折格子であり、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、下記式（１）の条件を満たすこと
   を特徴とするレンズ評価に用いる回折格子。
   

   
2. 回折格子のピッチをＰ、回折格子への光の入射角をθｓとした時に、回折格子が下記式（２）の条件を満たすこと
   を特徴とする請求項１記載のレンズ評価に用いる回折格子。
   

   
3. ブレーズド回折格子であって、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、下記式（３）の条件を満たすこと
   を特徴とするレンズ評価に用いる回折格子。
   

   
4. 回折格子のピッチをＰ、回折格子への光の入射角をθｓとした時に、回折格子が下記式（４）の条件を満たすこと
   を特徴とする請求項３記載のレンズ評価に用いる回折格子。
   

   
5. 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。
6. 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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