JP2009121927A - 偏芯測定装置及び偏芯測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検体の被検面以外の面で反射した光が偏芯量の測定に与える影響を抑制することが可能な偏芯測定装置及び偏芯測定方法を提供する。
【解決手段】 偏芯測定装置１は、所定の焦点距離を有し、結像光学系７と、被検体Ｓに入射する前の光が入射する位置に配置される第１のマスク５と、被検体Ｓで反射した後の光が入射する位置に配置される第２のマスク８と、光軸Ａｘに対する被検体Ｓで反射した後に第２のマスク８を通過した光の傾きを検出するための集光光学系９及び位置センサ１０と、を備える。第１及び第２のマスク５、８は何れも、光を遮蔽する遮蔽部と光を通過させる通過部とからなり、光軸を中心に１８０度回転させることで遮蔽部の位置と通過部の位置とが反転するパターンを有する。第１及び第２のマスク５、８は、パターンが互いに光軸Ａｘに沿って１８０度回転共役となるように配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、偏芯測定装置及び偏芯測定方法に関する。

従来、偏芯測定装置として、フォーカスレンズ系、指標、及び位置センサを有する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の偏芯測定装置では、フォーカスレンズ系によって被検体の被検面の近軸焦点に指標の像が投影され、被検面で反射した光の集光位置を位置センサで検出し、その位置情報に基づいて被検体の偏芯量を測定している。
特開２０００−２０５９９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置では、被検体が複数の反射面を有する場合において、被検体の被検面以外の面で反射した光も含めて位置センサで測定してしまう。

本発明は、被検体の被検面以外の面で反射した光が偏芯量の測定に与える影響を抑制することが可能な偏芯測定装置及び偏芯測定方法を提供することを目的とする。

本発明を例示する態様に従えば、被検体の偏芯量を測定する装置であって、所定の焦点距離を有し、被検体に入射する前の光が通過する位置に配置される結像光学系と、光を遮蔽する遮蔽部と光を通過させる通過部とからなり、光軸を中心に１８０度回転させることで遮蔽部の位置と通過部の位置とが反転するパターンを有するとともに、被検体に入射する前の光及び被検体で反射した後の光の双方が入射する位置に配置されるマスクと、装置の光軸に対する、被検体で反射した後にマスクを通過した光の傾きを検出する傾き検出手段と、を備えることを特徴とする偏芯測定装置が提供される。

本発明を例示する態様に従えば、被検体の偏芯量を測定する装置であって、所定の焦点距離を有し、被検体に入射する前の光が通過する位置に配置される結像光学系と、光を遮蔽する遮蔽部と光を通過させる通過部とからなり、光軸を中心に１８０度回転させることで遮蔽部の位置と通過部の位置とが反転するパターンを有するとともに、被検体に入射する前の光が入射する位置に配置される第１のマスクと、光を遮蔽する遮蔽部と光を通過させる通過部とからなり、光軸を中心に１８０度回転させることで遮蔽部の位置と通過部の位置とが反転するパターンを有するとともに、被検体で反射した後の光が入射する位置に配置される第２のマスクと、装置の光軸に対する、被検体で反射した後に第２のマスクを通過した光の傾きを検出する傾き検出手段と、を備え、第１及び第２のマスクは、パターンが互いに光軸に沿って１８０度回転共役となるように配置されていることを特徴とする偏芯測定装置が提供される。

本発明を例示する態様に従えば、被検体の偏芯量を測定する方法であって、光を遮蔽する遮蔽部と光を通過させる通過部とからなり、光軸を中心に１８０度回転させることで遮蔽部の位置と通過部の位置とが反転するパターンを有するマスク、及び所定の焦点距離を有する結像光学系の双方を通過した光を被検体に入射させる工程と、被検体で反射した光にマスクを通過させる工程と、装置の光軸に対する、被検体で反射した後にマスクを通過した光の傾きを検出する工程と、を備えることを特徴とする偏芯測定方法が提供される。

本発明を例示する態様に従えば、被検体の偏芯量を測定する方法であって、光を遮蔽する遮蔽部と光を通過させる通過部とからなり、光軸を中心に１８０度回転させることで遮蔽部の位置と通過部の位置とが反転するパターンを有する第１のマスク、及び所定の焦点距離を有する結像光学系の双方を通過した光を被検体に入射させる工程と、被検体で反射した光に、光を遮蔽する遮蔽部と光を通過させる通過部とからなり、光軸を中心に１８０度回転させることで遮蔽部の位置と通過部の位置とが反転するパターンを有する第２のマスクを通過させる工程と、装置の光軸に対する、被検体で反射した後に第２のマスクを通過した光の傾きを検出する工程と、を備え、第１及び第２のマスクは、パターンが互いに光軸に沿って１８０度回転共役となるように配置されていることを特徴とする偏芯測定方法が提供される。

本発明によれば、被検体の被検面以外の面で反射した光が偏芯量の測定に与える影響を抑制することが可能な偏芯測定装置及び偏芯測定方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）

図１を参照して、第１実施形態に係る偏芯測定装置１の構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る偏芯測定装置の構成図である。

図１に示す偏芯測定装置１は、光源２と、ビームエクスパンダ３と、絞り４と、第１のマスク５と、ビームスプリッタ（光反射透過部材）６と、結像光学系７と、第２のマスク８と、集光光学系（集光手段）９と、位置センサ（位置観察手段）１０とを備えている。偏芯測定装置１は、光源２から出力された光Ｌを、第１のマスク５及び結像光学系７を介して被検体Ｓに入射させ、被検体Ｓの被検面Ｓｍで反射された光Ｌを結像光学系７及び第２のマスク８を介して位置センサ１０に入射させることで、被検体Ｓの偏芯量を測定する装置である。

光源２は、例えばレーザ装置であり、光Ｌをビームエクスパンダ３に入射する。ビームエクスパンダ３は、光源２から出力された光Ｌの光束径を拡大した上で、平行光束にコリメートする。ビームエクスパンダ３は、平行光束にコリメートした光Ｌを第１のマスク５に入射させる。ビームエクスパンダ３は、図１では２枚のレンズで表されているが、３枚以上のレンズによって構成されていてもよい。

ビームエクスパンダ３内には、絞り４が配置されている。絞り４の像が、後述の結像光学系７によって被検体Ｓの被検面Ｓｍの曲率中心Ｃに投影される。

第１のマスク５は、被検体Ｓに入射する前の光Ｌが入射する位置、より詳しくはビームエクスパンダ３とビームスプリッタ６との間に配置されている。第１のマスク５は、偏芯測定装置１の光源側光学系内に配置される。

円形状を呈する第１のマスク５は、光を遮蔽する３つの遮蔽部５ａと光を通過させる３つの通過部５ｂとからなるパターンを有する。遮蔽部５ａと通過部５ｂとは周方向で交互に配置されている。遮蔽部５ａ及び通過部５ｂは何れも、円の中心から放射状に伸びる中心角６０度の扇形を呈する。第１のマスク５のパターンでは、光軸Ａｘを中心に１８０度回転させることで遮蔽部５ａの位置と通過部５ｂの位置とが反転する。すなわち、第１のマスク５を光軸Ａｘを中心に１８０度回転した場合、そのパターンの明暗が反転する。なお、図１では、見易さのため、遮蔽部５ａにハッチングを付している。

ビームスプリッタ６は、第１のマスク５の通過部５ａを通過した光Ｌを透過して結像光学系７に入射させる。ビームスプリッタ６はまた、被検体Ｓで反射した後、結像光学系７を通過した光Ｌを反射して、第２のマスク８に入射させる。すなわち、ビームスプリッタ６は、被検体Ｓに入射する光は透過し、被検体Ｓで反射した光は反射することによって、被検体Ｓに入射する光と被検体Ｓで反射した光とを分離する。このように、ビームスプリッタ６は、被検体Ｓに入射する光と被検体Ｓで反射した光とを分離するビーム分割手段としても、また被検体Ｓで反射した光を集光光学系９に導くガイド部材としても機能する。

結像光学系７は、所定の焦点距離を有する合焦光学系である。結像光学系７は、その焦点距離を変えることができる可変焦点距離光学系でもある。結像光学系７は、被検体Ｓに入射する前の光Ｌが通過する位置であって、且つ被検体Ｓの被検面Ｓｍの曲率中心Ｃから偏芯測定装置１の光軸Ａｘに沿って焦点距離の分だけ離れた位置に配置されている。結像光学系７は、図１では２枚のレンズで表されているが、３枚以上のレンズによって構成されていても、あるいは１枚のレンズで構成されていてもよい。

第２のマスク８は、被検体Ｓで反射した後の光Ｌが入射する位置、より詳しくはビームスプリッタ６と集光光学系９との間に配置されている。第２のマスク８には、被検体Ｓで反射された光Ｌがビームスプリッタ６で反射された後、入射する。第２のマスク８は、偏芯測定装置１の検出系内に配置される。

円形状を呈する第２のマスク８は、光を遮蔽する３つの遮蔽部８ａと光を通過させる３つの通過部８ｂとからなるパターンを有する。遮蔽部８ａと通過部８ｂとは周方向で交互に配置されている。遮蔽部８ａ及び通過部８ｂは何れも、円の中心から放射状に伸びる中心角６０度の扇形を呈する。第２のマスク８のパターンでは、光軸Ａｘを中心に１８０度回転させることで遮蔽部８ａの位置と通過部８ｂの位置とが反転する。すなわち、第２のマスク８を光軸Ａｘを中心に１８０度回転した場合、そのパターンの明暗が反転する。なお、図１では、見易さのため、遮蔽部８ａにハッチングを付している。

第１及び第２のマスク５、８は、偏芯測定装置１においてパターンが互いに光軸Ａｘに沿って１８０度回転共役となるように配置されている。すなわち、偏芯測定装置１では、第１のマスク５と第２のマスク８とが、ビームスプリッタ６、結像光学系７、及び被検面Ｓｍに対してパターンが互いに１８０度回転共役となるように配置されている。

集光光学系９は、第２のマスク８を通過した被検体Ｓでの反射光Ｌを位置センサ１０上に集光する。集光光学系９は、図１では１枚の光学レンズで表しているが、実際には複数枚の光学レンズによって構成されていてもよい。

位置センサ１０は、集光光学系９によって集光された光Ｌの光量重心の位置を観察する。位置センサ１０は、例えばスクリーン及びＣＣＤカメラによって構成されていてもよい。この場合、スクリーン上に集光されたスポット光をＣＣＤカメラが撮像する。あるいは、位置センサ１０は、例えば光位置センサ（Position Sensitive Detector；ＰＳＤ）であってもよい。あるいは、位置センサ１０は、例えばスクリーンであって、スクリーン上に集光されたスポット光の位置を測量によって観察してもよい。

位置センサ１０はさらに、観察された反射光Ｌの光量重心の位置に基づき、光軸Ａｘに対する集光光学系９を通過した被検体Ｓで反射した後に第２のマスク８を通過した光Ｌの傾きを検出する。このように、集光光学系９及び位置センサ１０は傾き検出手段として機能する。

次に、偏芯測定装置１によって被検体Ｓの偏芯を測定する方法を説明する。まず、光源２から出射された光Ｌがビームスプリッタ３を通って平行光束にされる。ビームスプリッタ３によって得られた平行光束は、第１のマスク５、ビームスプリッタ６、及び結像光学系７を通過した後、被検体Ｓの被検面Ｓｍに入射する。このとき、平行光束のうち、第１のマスク５の通過部５ｂに入射した光のみ第１のマスク５を通過し、第１のマスク５の遮蔽部５ａに入射した光は第１のマスク５を通過することができずここでカットされる。結像光学系７は、被検体Ｓの被検面Ｓｍの曲率中心Ｃに絞り４の像を投影するように、その焦点距離を変える。

被検面Ｓｍで反射した光Ｌは再度結像光学系７を通過した後に、ビームスプリッタ６で反射し、第２のマスク８に入射する。このとき、被検面Ｓｍで反射した光Ｌのうち、第２のマスク８の通過部８ｂに入射した光のみ第２のマスク８を通過し、第２のマスク８の遮蔽部８ａに入射した光は第２のマスク８を通過することができずここでカットされる。第２のマスク８を通過した光Ｌは、集光光学系９を介して位置センサ１０に集光される。位置センサ１０上のスポットの位置から、光軸Ａｘに対する、被検面Ｓｍで反射した後に第２のマスク８を通過した光の傾きを検出する。これにより、被検体Ｓの被検面Ｓｍの偏芯量を検出することができる。

被検体Ｓが複数の光学系から構成されている場合、例えば図２に示されるように、被検体Ｓの複数の光学系のうちの一つの面Ｓｘが被検面Ｓｍの曲率中心Ｃに近い位置にある場合に、面Ｓｘで反射した光も偏芯測定装置１内に戻ってしまう。面Ｓｘで反射した光は、被検面Ｓｍでの反射光を検出することで偏芯量を測定する場合において、高精度な測定を妨げるノイズとなってしまう。すなわち、面Ｓｘで反射された光は、ノイズ光として被検体Ｓの偏芯量の測定精度を低下させるおそれがある。

ここで、図２から理解されるように、被検面Ｓｍで反射した光の進行方向は被検面Ｓｍに入射した光の進行方向に沿う。これに対し、被検面Ｓｍの曲率中心Ｃに近い位置にある面Ｓｘで反射した光は、入射光及び光軸Ａｘを含む面内で光軸Ａｘに対し入射光と対称な方向に反転して進行する。すなわち、図２から明らかなように、被検面Ｓｍで反射した光と、面Ｓｘで反射した光とでは、その進行方向が光軸Ａｘに関して反転した関係となる。

これに対し、偏芯測定装置１では、第１及び第２のマスク５、８は当該偏芯測定装置１内において、パターンが互いに光軸Ａｘに沿って１８０度回転共役となるように配置されている。そのため、第１のマスク５の通過部５ｂを通過した光が被検面Ｓｍで反射した場合には第２のマスク８の通過部８ｂに到達するため第２のマスク８を通過できるが、第１のマスク５の通過部５ｂを通過した光が面Ｓｘで反射した場合には第２のマスク８の遮蔽部８ａに到達してしまう。これは、図２に示されるように、被検面Ｓｍで反射した光は入射光と同じ光路方向に反射されるのに対し、被検面Ｓｍの曲率中心Ｃに近い位置にある面Ｓｘで反射した光は入射光の光路とは光軸Ａｘに対して対称な光路方向に反射されることによる。

その結果、偏芯測定装置１では、被検面Ｓｍで反射された測定光のみが第２のマスク８の通過部８ｂを通過し位置センサ１０に到達する。そして、被検面Ｓｍで反射された測定光と面Ｓｘで反射されたノイズ光との区別がつかず、面Ｓｘで反射されたノイズ光が測定に影響を与えてしまうことが抑制される。

結像光学系７は、その焦点距離を変えることができる可変焦点距離光学系である。そのため、被検体Ｓを交換して被検面Ｓｍの曲率中心の位置が変化しても、結像光学系７の焦点距離を変えて、集光点の位置を変えることができる。これにより、偏芯測定装置１では、さまざまな形状の被検体の偏芯量を精度よく測定することが可能となる。
（第２実施形態）

図３を参照して、第２実施形態に係る偏芯測定装置１１の構成について説明する。偏芯測定装置１１は、第１及び第２のマスク５、８の２つのマスクではなく、１つのマスク５のみを備える点で第１実施形態に係る偏芯測定装置１と相違する。図３は、第２実施形態に係る偏芯測定装置の構成図である。

図３に示す偏芯測定装置１１は、光源２と、ビームエクスパンダ３と、絞り４と、ビームスプリッタ（光反射透過部材）６と、マスク５と、結像光学系７と、集光光学系（集光手段）９と、位置センサ（位置観察手段）１０とを備えている。偏芯測定装置１１は、光源２から出力された光Ｌを、マスク５及び結像光学系７を介して被検体Ｓに入射させ、被検体Ｓの被検面Ｓｍで反射された光Ｌを再度マスク５及び結像光学系７を介して位置センサ１０に入射させることで、被検体Ｓの偏芯量を測定する装置である。

ビームスプリッタ６は、ビームエクスパンダ３を通過した光Ｌを透過してマスク５に入射させる。ビームスプリッタ６はまた、被検体Ｓで反射した後、結像光学系７及びマスク５を通過した光Ｌを反射して、集光光学系９に入射させる。すなわち、ビームスプリッタ６は、被検体Ｓに入射する光は透過し、被検体Ｓで反射した光は反射することによって、被検体Ｓに入射する光と被検体Ｓで反射した光とを分離する。このように、ビームスプリッタ６は、被検体Ｓに入射する光と被検体Ｓで反射した光とを分離するビーム分割手段としても、また被検体Ｓで反射した光を集光光学系９に導くガイド部材としても機能する。

マスク５は、被検体Ｓに入射する前の光Ｌ及び被検体Ｓで反射した後の光Ｌの双方が入射する位置、より詳しくはビームスプリッタ６と結像光学系７との間に配置されている。

円形状を呈するマスク５は、光を遮蔽する３つの遮蔽部５ａと光を通過させる３つの通過部５ｂとからなるパターンを有する。遮蔽部５ａと通過部５ｂとは周方向で交互に配置されている。遮蔽部５ａ及び通過部５ｂは何れも、円の中心から放射状に伸びる中心角６０度の扇形を呈する。第１のマスク５のパターンでは、光軸Ａｘを中心に１８０度回転させることで遮蔽部５ａの位置と通過部５ｂの位置とが反転する。すなわち、第１のマスク５を光軸Ａｘを中心に１８０度回転した場合、そのパターンの明暗が反転する。なお、図３では、見易さのため、遮蔽部５ａにハッチングを付している。

結像光学系７は、所定の焦点距離を有する合焦光学系である。結像光学系７は、被検体Ｓに入射する前の光Ｌが通過する位置であって、且つ被検体Ｓの被検面Ｓｍの曲率中心Ｃから偏芯測定装置１の光軸Ａｘに沿って焦点距離の分だけ離れた位置に配置されている。結像光学系７は、図３では２枚のレンズで表されているが、３枚以上のレンズによって構成されていても、あるいは１枚のレンズで構成されていてもよい。

集光光学系９は、被検体Ｓで反射した後、ビームスプリッタ６で反射した光Ｌが入射する位置に配置されている。集光光学系９は、マスク５を通過した被検体Ｓでの反射光Ｌを位置センサ１０上に集光する。集光光学系９は、図３では１枚の光学レンズで表しているが、実際には複数枚の光学レンズによって構成されていてもよい。

位置センサ１０は、集光光学系９によって集光された光Ｌの光量重心の位置を観察する。位置センサ１０は、観察された反射光Ｌの光量重心の位置に基づき、光軸Ａｘに対する集光光学系９を通過した被検体Ｓで反射した後にマスク５を通過した光Ｌの傾きを検出する。このように、集光光学系９及び位置センサ１０は傾き検出手段として機能する。

次に、偏芯測定装置１１によって被検体Ｓの偏芯を測定する方法を説明する。まず、光源２から出射された光Ｌがビームスプリッタ３を通って平行光束にされる。ビームスプリッタ３によって得られた平行光束は、ビームスプリッタ６、マスク５、及び結像光学系７を通過した後、被検体Ｓの被検面Ｓｍに入射する。このとき、平行光束のうち、マスク５の通過部５ｂに入射した光のみマスク５を通過し、マスク５の遮蔽部５ａに入射した光はマスク５を通過することができずここでカットされる。結像光学系７は、被検体Ｓの被検面Ｓｍの曲率中心Ｃに絞り４の像を投影するように、その焦点距離を変える。

被検面Ｓｍで反射した光Ｌは再度結像光学系７及びマスク５を通過した後に、ビームスプリッタ６で反射し集光光学系９に入射する。このとき、被検面Ｓｍで反射した光Ｌのうち、マスク５の通過部５ｂに入射した光のみマスク５を通過し、マスク５の遮蔽部５ａに入射した光はマスク５を通過することができずここでカットされる。集光光学系９に入射した光Ｌは、位置センサ１０に集光される。位置センサ１０上のスポットの位置から、光軸Ａｘに対する、被検面Ｓｍで反射した後にマスク５を通過した光の傾きを検出する。これにより、被検体Ｓの被検面Ｓｍの偏芯量を検出することができる。

被検体Ｓが複数の光学系から構成されている場合において、被検体Ｓの複数の光学系のうちの一つの面が被検面Ｓｍの曲率中心Ｃに近い位置にある場合に、曲率中心Ｃに近い位置にある面で反射した光も偏芯測定装置１１内に戻ってしまう。曲率中心Ｃに近い位置にある面で反射した光は、被検面Ｓｍでの反射光を検出することで偏芯量を測定する場合においては、高精度な測定を妨げるノイズとなってしまう。すなわち、曲率中心Ｃに近い位置にある面で反射された光は、ノイズ光として被検体Ｓの偏芯量の測定精度を低下させるおそれがある。

ここで、図２に基づいて議論したように、被検面Ｓｍで反射した光の進行方向は被検面Ｓｍに入射した光の進行方向に沿う。これに対し、被検面Ｓｍの曲率中心Ｃに近い位置にある面で反射した光は、入射光及び光軸Ａｘを含む面内で光軸Ａｘに対し入射光と対称な方向に反転して進行する。すなわち、被検面Ｓｍで反射した光と、曲率中心Ｃに近い位置にある面で反射した光とでは、その進行方向が光軸Ａｘに関して反転した関係となる。

これに対し、偏芯測定装置１１では、光軸Ａｘを中心に１８０度回転させることで遮蔽部５ａと通過部５ｂとが反転するパターンを有するマスク５が当該偏芯測定装置１１内において被検体Ｓに入射する前の光Ｌ及び被検体Ｓで反射した後の光Ｌの双方が入射する位置に配置されている。そのため、被検体Ｓに入射前にマスク５の通過部５ｂを通過した光Ｌが被検面Ｓｍで反射した場合には再度、マスク５の通過部５ｂに到達し、マスク５を通過できるが、マスク５の通過部５ｂを通過した光が曲率中心Ｃに近い位置にある面で反射した場合にはマスク５の遮蔽部５ａに到達してしまう。これは、被検面Ｓｍで反射した光は入射光と同じ光路方向に反射されるのに対し、被検面Ｓｍの曲率中心Ｃに近い位置にある面で反射した光は入射光の光路とは光軸Ａｘに対して対称な光路方向に反射されることによる。

その結果、偏芯測定装置１１では、被検面Ｓｍで反射された測定光のみがマスク５の通過部５ｂを通過し位置センサ１０に到達する。そして、被検面Ｓｍで反射された測定光と曲率中心Ｃに近い位置にある面で反射されたノイズ光との区別がつかず、曲率中心Ｃに近い位置にある面で反射されたノイズ光が測定に影響を与えてしまうことが抑制される。
（第３実施形態）

図４を参照して、第３実施形態に係る偏芯測定装置２０の構成について説明する。第３実施形態に係る偏芯測定装置２０は、結像光学系によって絞りの像を投影する位置が被検体の被検面の近軸焦点である点で、結像光学系によって絞りの像を投影する位置が被検体の被検面の曲率中心である第１実施形態に係る偏芯測定装置１とは相違する。図４は、第３実施形態に係る偏芯測定装置の構成図である。

図４に示す偏芯測定装置２０は、光源２と、ビームエクスパンダ３と、絞り４と、結像光学系７と、第１のマスク５と、ビームスプリッタ（光反射透過部材）６と、第２のマスク８と、集光光学系（集光手段）９と、位置センサ（位置観察手段）１０とを備えている。偏芯測定装置２０は、光源２から出力された光Ｌを、結像光学系７及び第１のマスク５を介して被検体Ｓに入射させ、被検体Ｓの被検面Ｓｍで反射された光Ｌを第２のマスク８を介して位置センサ１０に入射させることで、被検体Ｓの偏芯量を測定する装置である。

光源２は、光Ｌをビームエクスパンダ３に入射する。ビームエクスパンダ３は、光源２から出力された光Ｌの光束径を拡大した上で、平行光束にコリメートする。ビームエクスパンダ３は、平行光束にコリメートした光Ｌを結像光学系７に入射させる。ビームエクスパンダ３は、図４では２枚のレンズで表されているが、３枚以上のレンズによって構成されていてもよい。

ビームエクスパンダ３内には、絞り４が配置されている。絞り４の像が、後述の結像光学系７によって被検体Ｓの被検面Ｓｍの近軸焦点Ｆに投影される。

結像光学系７は、所定の焦点距離を有する合焦光学系である。結像光学系７は、被検体Ｓに入射する前の光Ｌが通過する位置であって、且つ被検体Ｓとともに被検体Ｓの被検面Ｓｍの近軸焦点Ｆに絞り４の像を結像する位置に配置される。結像光学系７は、図４では２枚のレンズで表されているが、３枚以上のレンズによって構成されていても、あるいは１枚のレンズで構成されていてもよい。

第１のマスク５は、被検体Ｓに入射する前の光Ｌが入射する位置、より詳しくは結像光学系７とビームスプリッタ６との間に配置されている。第１のマスク５は、偏芯測定装置２０の光源側光学系内に配置される。

円形状を呈する第１のマスク５は、光を遮蔽する３つの遮蔽部５ａと光を通過させる３つの通過部５ｂとからなるパターンを有する。図４では、見易さのため、遮蔽部５ａにハッチングを付している。

ビームスプリッタ６は、第１のマスク５の通過部５ａを通過した光Ｌを透過して被検体Ｓに入射させる。ビームスプリッタ６はまた、被検体Ｓで反射した光Ｌを反射して、第２のマスク８に入射させる。すなわち、ビームスプリッタ６は、被検体Ｓに入射する光は透過し、被検体Ｓで反射した光は反射することによって、被検体Ｓに入射する光と被検体Ｓで反射した光とを分離する。このように、ビームスプリッタ６は、被検体Ｓに入射する光と被検体Ｓで反射した光とを分離するビーム分割手段としても、また被検体Ｓで反射した光を集光光学系９に導くガイド部材としても機能する。

第２のマスク８は、被検体Ｓで反射した後の光Ｌが入射する位置、より詳しくはビームスプリッタ６と集光光学系９との間に配置されている。第２のマスク８には、被検体Ｓで反射された光Ｌがビームスプリッタ６で反射された後、入射する。第２のマスク８は、偏芯測定装置２０の検出系内に配置される。

円形状を呈する第２のマスク８は、光を遮蔽する３つの遮蔽部８ａと光を通過させる３つの通過部８ｂとからなるパターンを有する。図４では、見易さのため、遮蔽部８ａにハッチングを付している。

第１及び第２のマスク５、８は、偏芯測定装置２０においてパターンが互いに光軸Ａｘに沿って１８０度回転共役となるように配置されている。すなわち、偏芯測定装置２０では、第１のマスク５と第２のマスク８とが、ビームスプリッタ６及び被検面Ｓｍに対してパターンが互いに１８０度回転共役となるように配置されている。

集光光学系９は、第２のマスク８を通過した被検体Ｓでの反射光Ｌを位置センサ１０上に集光する。集光光学系９は、図４では１枚の光学レンズで表しているが、実際には複数枚の光学レンズによって構成されていてもよい。

位置センサ１０は、集光光学系９によって集光された光Ｌの光量重心の位置を観察する。位置センサ１０はさらに、観察された反射光Ｌの光量重心の位置に基づき、光軸Ａｘに対する集光光学系９を通過した被検体Ｓで反射した後に第２のマスク８を通過した光Ｌの傾きを検出する。このように、集光光学系９及び位置センサ１０は傾き検出手段として機能する。

次に、偏芯測定装置２０によって被検体Ｓの偏芯を測定する方法を説明する。まず、光源２から出射された光Ｌがビームスプリッタ３を通って平行光束にされる。ビームスプリッタ３によって得られた平行光束は、結像光学系７、第１のマスク５、及びビームスプリッタ６を通過した後、被検体Ｓの被検面Ｓｍに入射する。このとき、平行光束のうち、第１のマスク５の通過部５ｂに入射した光のみ第１のマスク５を通過し、第１のマスク５の遮蔽部５ａに入射した光は第１のマスク５を通過することができずここでカットされる。結像光学系７は被検体Ｓとともに、被検体Ｓの被検面Ｓｍの近軸中心Ｆに絞り４の像を投影するように、その焦点距離を変える。

被検面Ｓｍで反射した光Ｌはビームスプリッタ６に戻りそこで反射し、第２のマスク８に入射する。このとき、被検面Ｓｍで反射した光Ｌのうち、第２のマスク８の通過部８ｂに入射した光のみ第２のマスク８を通過し、第２のマスク８の遮蔽部８ａに入射した光は第２のマスク８を通過することができずここでカットされる。第２のマスク８を通過した光Ｌは、集光光学系９を介して位置センサ１０に集光される。位置センサ１０上のスポットの位置から、光軸Ａｘに対する、被検面Ｓｍで反射した後に第２のマスク８を通過した光の傾きを検出する。これにより、被検体Ｓの被検面Ｓｍの偏芯量を検出することができる。

被検体Ｓが複数の光学系から構成されている場合、例えば図５に示されるように、被検体Ｓの複数の光学系のうちの一つの面Ｓｘが被検面Ｓｍの近軸焦点Ｆに近い位置にある場合に、面Ｓｘで反射した光も偏芯測定装置２０内に戻ってしまう。面Ｓｘで反射した光は、被検面Ｓｍでの反射光を検出することで偏芯量を測定する場合において、高精度な測定を妨げるノイズとなってしまう。すなわち、面Ｓｘで反射された光は、ノイズ光として被検体Ｓの偏芯量の測定精度を低下させるおそれがある。

ここで、図５から理解されるように、被検面Ｓｍで反射した光の進行方向と、被検面Ｓｍに入射した光の進行方向とは、光軸Ａｘに対して反転することなく、光軸Ａｘに関して同じ方向のままである。これに対し、被検面Ｓｍの近軸焦点Ｆに近い位置にある面Ｓｘで反射した光は、入射光及び光軸Ａｘを含む面内で光軸Ａｘに対し入射光と対称な方向に反転して進行する。すなわち、図５から明らかなように、被検面Ｓｍで反射した光と、面Ｓｘで反射した光とでは、その進行方向が光軸Ａｘに関して略反転した関係となる。

これに対し、偏芯測定装置２０では、第１及び第２のマスク５、８は当該偏芯測定装置２０内において、パターンが互いに光軸Ａｘに沿って１８０度回転共役となるように配置されている。そのため、第１のマスク５の通過部５ｂを通過した光が被検面Ｓｍで反射した場合には光軸Ａｘに関して進行方向が反転することなく第２のマスク８の通過部８ｂに到達するため第２のマスク８を通過できるが、第１のマスク５の通過部５ｂを通過した光が面Ｓｘで反射した場合には光軸Ａｘに関して進行方向が反転してしまうため第２のマスク８の遮蔽部８ａに到達してしまう。

その結果、偏芯測定装置２０では、被検面Ｓｍで反射された測定光のみが第２のマスク８の通過部８ｂを通過し位置センサ１０に到達する。そして、被検面Ｓｍで反射された測定光と面Ｓｘで反射されたノイズ光との区別がつかず、面Ｓｘで反射されたノイズ光が測定に影響を与えてしまうことが抑制される。

結像光学系７は、その焦点距離を変えることができる可変焦点距離光学系である。そのため、被検体Ｓを交換して被検面Ｓｍの近軸焦点の位置が変化しても、結像光学系７の焦点距離を変えて、集光点の位置を変えることができる。これにより、偏芯測定装置２０では、さまざまな形状の被検体の偏芯量を精度よく測定することが可能となる。
（第４実施形態）

図６を参照して、第４実施形態に係る偏芯測定装置２１の構成について説明する。偏芯測定装置２１は、第１及び第２のマスク５、８の２つのマスクではなく、１つのマスク５のみを備える点で第３実施形態に係る偏芯測定装置２０と相違する。図６は、第４実施形態に係る偏芯測定装置の構成図である。

図６に示す偏芯測定装置２１は、光源２と、ビームエクスパンダ３と、絞り４と、結像光学系７と、ビームスプリッタ（光反射透過部材）６と、マスク５と、集光光学系（集光手段）９と、位置センサ（位置観察手段）１０とを備えている。偏芯測定装置２１は、光源２から出力された光Ｌを、マスク５及び結像光学系７を介して被検体Ｓに入射させ、被検体Ｓの被検面Ｓｍで反射された光Ｌを今度はマスク５のみを介して位置センサ１０に入射させることで、被検体Ｓの偏芯量を測定する装置である。

ビームスプリッタ６は、結像光学系７を通過した光Ｌを透過してマスク５に入射させる。ビームスプリッタ６はまた、被検体Ｓで反射した後、マスク５を通過した光Ｌを反射して、集光光学系９に入射させる。すなわち、ビームスプリッタ６は、被検体Ｓに入射する光は透過し、被検体Ｓで反射した光は反射することによって、被検体Ｓに入射する光と被検体Ｓで反射した光とを分離する。このように、ビームスプリッタ６は、被検体Ｓに入射する光と被検体Ｓで反射した光とを分離するビーム分割手段としても、また被検体Ｓで反射した光を集光光学系９に導くガイド部材としても機能する。

マスク５は、被検体Ｓに入射する前の光Ｌ及び被検体Ｓで反射した後の光Ｌの双方が入射する位置、より詳しくはビームスプリッタ６と被検体Ｓとの間に配置されている。

円形状を呈するマスク５は、光を遮蔽する３つの遮蔽部５ａと光を通過させる３つの通過部５ｂとからなるパターンを有する。図６では、見易さのため、遮蔽部５ａにハッチングを付している。

集光光学系９は、被検体Ｓで反射した後、ビームスプリッタ６で反射した光Ｌが入射する位置に配置されている。集光光学系９は、マスク５を通過した被検体Ｓでの反射光Ｌを位置センサ１０上に集光する。集光光学系９は、図６では１枚の光学レンズで表しているが、実際には複数枚の光学レンズによって構成されていてもよい。

位置センサ１０は、集光光学系９によって集光された光Ｌの光量重心の位置を観察する。位置センサ１０は、観察された反射光Ｌの光量重心の位置に基づき、光軸Ａｘに対する被検体Ｓで反射した後にマスク５を通過した光であって、集光光学系９を通過した光Ｌの傾きを検出する。このように、集光光学系９及び位置センサ１０は傾き検出手段として機能する。

次に、偏芯測定装置２１によって被検体Ｓの偏芯を測定する方法を説明する。まず、光源２から出射された光Ｌがビームスプリッタ３を通って平行光束にされる。ビームスプリッタ３によって得られた平行光束は、結像光学系７、ビームスプリッタ６、及びマスク５を通過した後、被検体Ｓの被検面Ｓｍに入射する。このとき、平行光束のうち、マスク５の通過部５ｂに入射した光のみマスク５を通過し、マスク５の遮蔽部５ａに入射した光はマスク５を通過することができずここでカットされる。結像光学系７は、被検体Ｓとともに、被検体Ｓの被検面Ｓｍの近軸焦点Ｆに絞り４の像を投影するように、その焦点距離を変える。

被検面Ｓｍで反射した光Ｌはマスク５を通過した後に、ビームスプリッタ６で反射し集光光学系９に入射する。このとき、被検面Ｓｍで反射した光Ｌのうち、マスク５の通過部５ｂに入射した光のみマスク５を通過し、マスク５の遮蔽部５ａに入射した光はマスク５を通過することができずここでカットされる。集光光学系９に入射した光Ｌは、位置センサ１０に集光される。位置センサ１０上のスポットの位置から、光軸Ａｘに対する、被検面Ｓｍで反射した後にマスク５を通過した光の傾きを検出する。これにより、被検体Ｓの被検面Ｓｍの偏芯量を検出することができる。

被検体Ｓが複数の光学系から構成されている場合において、被検体Ｓの複数の光学系のうちの一つの面が被検面Ｓｍの近軸焦点Ｆに近い位置にある場合に、近軸焦点Ｆに近い位置にある面で反射した光も偏芯測定装置２１内に戻ってしまう。近軸焦点Ｆに近い位置にある面で反射した光は、被検面Ｓｍでの反射光を検出することで偏芯量を測定する場合においては、高精度な測定を妨げるノイズとなってしまう。すなわち、近軸焦点Ｆに近い位置にある面で反射された光は、ノイズ光として被検体Ｓの偏芯量の測定精度を低下させるおそれがある。

ここで、図５に基づいて議論したように、被検面Ｓｍで反射した光の進行方向と被検面Ｓｍに入射した光の進行方向とは、光軸Ａｘに関して反転した関係とはならず、光軸Ａｘに関して同じ方向のままである。これに対し、被検面Ｓｍの近軸焦点Ｆに近い位置にある面で反射した光は、入射光及び光軸Ａｘを含む面内で光軸Ａｘに対し入射光と対称な方向に反転して進行する。すなわち、被検面Ｓｍで反射した光と、近軸焦点Ｆに近い位置にある面で反射した光とでは、その進行方向が光軸Ａｘに関して略反転した関係となる。

これに対し、偏芯測定装置２１では、光軸Ａｘを中心に１８０度回転させることで遮蔽部５ａと通過部５ｂとが反転するパターンを有するマスク５が当該偏芯測定装置２１内において被検体Ｓに入射する前の光Ｌ及び被検体Ｓで反射した後の光Ｌの双方が入射する位置に配置されている。そのため、被検体Ｓに入射前にマスク５の通過部５ｂを通過した光Ｌが被検面Ｓｍで反射した場合には再度、マスク５の通過部５ｂに到達し、マスク５を通過できるが、マスク５の通過部５ｂを通過した光が近軸焦点Ｆに近い位置にある面で反射した場合にはマスク５の遮蔽部５ａに到達してしまう。

その結果、偏芯測定装置２１では、被検面Ｓｍで反射された測定光のみがマスク５の通過部５ｂを通過し位置センサ１０に到達する。そして、被検面Ｓｍで反射された測定光と近軸焦点Ｆに近い位置にある面で反射されたノイズ光との区別がつかず、近軸焦点Ｆに近い位置にある面で反射されたノイズ光が測定に影響を与えてしまうことが抑制される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、第１及び第２のマスク５、８、マスク５は、図１、３、４、６に示されたようなそれぞれ３つの遮蔽部５ａ、８ａと３つの通過部５ｂ、８ｂとが交互に配置されたパターンに限られない。第１及び第２のマスク５、８及びマスク５は、マスクを１８０度回転させることでパターンが反転するようなパターンであればよい。

具体的には、例えば、図７及び図８に示されるように、奇数個の遮蔽部とそれと同数の通過部と、等しい中心角を有する扇形状を呈した上で交互に配置されるようなパターンでもよい。すなわち、図７に示されるように、第１のマスク５（マスク５）及び第２のマスク８がそれぞれ、１つの遮蔽部５ａ、８ａと１つの通過部５ｂ、８ｂとによって形成されるパターンを呈してもよい。この場合、遮蔽部５ａ、８ａ及び通過部５ｂ、８ｂは何れも半円形状を呈する。または、図８に示されるように、第１のマスク５（マスク５）及び第２のマスク８がそれぞれ、５つの遮蔽部５ａ、８ａと５つの通過部５ｂ、８ｂとによって形成されるパターンを呈してもよい。この場合、遮蔽部５ａ、８ａ及び通過部５ｂ、８ｂは何れも中心角３６度の扇形状を呈する。

また、位置センサ１０において光量も検出可能とし、位置センサ１０によって検出された光量重心の位置及び光量を、マスク５、８を入れないときに検出した光の光量重心の位置及び光量と比較することによって、被検面Ｓｍの偏芯量を算出してもよい。この場合、マスク５、８を入れないことにより、位置センサ１０は、被検面Ｓｍで反射した光と被検面Ｓｍの曲率中心（又は近軸焦点）近傍に有る面Ｓｘで反射した光との総合光量の光量重心位置及び光量を検出する。

また、上述の説明では、位置センサ１０は、集光光学系９によって集光された光Ｌの光量重心の位置を観察している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば集光された光の光量が最大となる光量最大の位置を観察してもよい。

また、結像光学系７は、焦点距離を変えることができず、固定された焦点距離を有する光学系であってもよい。

第１実施形態に係る偏芯測定装置の構成図である。 被検体で反射される光の進行する光路方向を示す図である。 第２実施形態に係る偏芯測定装置の構成図である。 第３実施形態に係る偏芯測定装置の構成図である。 被検体で反射される光の進行する光路方向を示す図である。 第４実施形態に係る偏芯測定装置の構成図である。 第１及び第２のマスクの平面図である。 第１及び第２のマスクの平面図である。

符号の説明

１、１１、２０、２１…偏芯測定装置、２…光源、３…ビームエクスパンダ、４…絞り、５…第１のマスク、６…ビームスプリッタ、７…結像光学系、８…第２のマスク、９…集光光学系、１０…位置センサ。

Claims (10)

1. 被検体の偏芯量を測定する装置であって、
   所定の焦点距離を有し、前記被検体に入射する前の光が通過する位置に配置される結像光学系と、
   光を遮蔽する遮蔽部と光を通過させる通過部とからなり、前記光軸を中心に１８０度回転させることで前記遮蔽部の位置と前記通過部の位置とが反転するパターンを有するとともに、前記被検体に入射する前の光及び前記被検体で反射した後の光の双方が入射する位置に配置されるマスクと、
   前記装置の光軸に対する、前記被検体で反射した後に前記マスクを通過した光の傾きを検出する傾き検出手段と、を備えることを特徴とする偏芯測定装置。
2. 被検体の偏芯量を測定する装置であって、
   所定の焦点距離を有し、前記被検体に入射する前の光が通過する位置に配置される結像光学系と、
   光を遮蔽する遮蔽部と光を通過させる通過部とからなり、前記光軸を中心に１８０度回転させることで前記遮蔽部の位置と前記通過部の位置とが反転するパターンを有するとともに、前記被検体に入射する前の光が入射する位置に配置される第１のマスクと、
   光を遮蔽する遮蔽部と光を通過させる通過部とからなり、前記光軸を中心に１８０度回転させることで前記遮蔽部の位置と前記通過部の位置とが反転するパターンを有するとともに、前記被検体で反射した後の光が入射する位置に配置される第２のマスクと、
   前記装置の光軸に対する、前記被検体で反射した後に前記第２のマスクを通過した光の傾きを検出する傾き検出手段と、を備え、
   前記第１及び第２のマスクは、前記パターンが互いに前記光軸に沿って１８０度回転共役となるように配置されていることを特徴とする偏芯測定装置。
3. 前記結像光学系は、入射した光が前記被検体の被検面の近軸焦点に結像されるように配置されることを特徴とする請求項１又２記載の偏芯測定装置。
4. 前記結像光学系は、入射した光が前記被検体の被検面の曲率中心に結像されるように配置されることを特徴とする請求項１又２記載の偏芯測定装置。
5. 前記被検体に入射する光と前記被検体で反射した光とを分離し、前記被検体で反射した光を前記傾き検出手段に導くガイド部材をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の偏芯測定装置。
6. 前記傾き検出手段は、集光手段と、前記集光手段によって集光された光の光量重心又は光量最大の位置を観察する位置観察手段とを有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項記載の偏芯測定装置。
7. 前記結像光学系は、前記焦点距離を変えることができることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の偏芯測定装置。
8. 前記結像光学系は、有限の焦点距離を有し、前記被検体の曲率中心から光軸に沿って前記焦点距離だけ離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の偏芯測定装置。
9. 被検体の偏芯量を測定する方法であって、
   光を遮蔽する遮蔽部と光を通過させる通過部とからなり、前記光軸を中心に１８０度回転させることで前記遮蔽部の位置と前記通過部の位置とが反転するパターンを有するマスク、及び所定の焦点距離を有する結像光学系の双方を通過した光を前記被検体に入射させる工程と、
   前記被検体で反射した光に前記マスクを通過させる工程と、
   前記装置の光軸に対する、前記被検体で反射した後に前記マスクを通過した光の傾きを検出する工程と、を備えることを特徴とする偏芯測定方法。
10. 被検体の偏芯量を測定する方法であって、
    光を遮蔽する遮蔽部と光を通過させる通過部とからなり、前記光軸を中心に１８０度回転させることで前記遮蔽部の位置と前記通過部の位置とが反転するパターンを有する第１のマスク、及び所定の焦点距離を有する結像光学系の双方を通過した光を前記被検体に入射させる工程と、
    前記被検体で反射した光に、光を遮蔽する遮蔽部と光を通過させる通過部とからなり、前記光軸を中心に１８０度回転させることで前記遮蔽部の位置と前記通過部の位置とが反転するパターンを有する第２のマスクを通過させる工程と、
    前記装置の光軸に対する、前記被検体で反射した後に前記第２のマスクを通過した光の傾きを検出する工程と、を備え、
    前記第１及び第２のマスクは、前記パターンが互いに前記光軸に沿って１８０度回転共役となるように配置されていることを特徴とする偏芯測定方法。

Images