JP2009288075A - 収差測定装置及び収差測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多様な被検光学系を幅広い波長領域で測定できる収差測定装置を提供する。
【解決手段】 収差測定装置（１００）は、被検光学系（ＳＰ）を照明する点光源（１１，１７）と、被検光学系（ＳＰ）からの光を平行光とするコリメータレンズ（２３）と、コリメータレンズからの平行光を検出手段上に結像させるマイクロレンズアレイ（４１）と、被検光学系とマイクロレンズアレイとの間に設けられ被検光学系からの光の焦光点位置にコリメータレンズの光軸を合わせる光軸合わせ光学系（３１，３３）と、マイクロレンズアレイによる結像を検出する検出手段（４３）と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学系あるいは光学素子の収差を測定するための装置に関し、特に収差特性を効果的に測定できるハルトマン方式又はシャックハルトマン方式の収差測定装置に関するものである。

光学系あるいは光学素子の結像性能を評価するための装置としては、フィゾー型干渉計やシアリング干渉計などが広く使われている。これら干渉計では基本的にコヒーレント光源を必要とするため、測定できる波長が制約されてしまうという短所があった。またデジタルカメラや放送機器用カメラ等に使用される撮影レンズは、波面収差が比較的大きく、干渉計での収差測定が困難な場合がある。

また、撮影レンズでは色収差や波長による収差特性の違いを評価することが必要であるが、これはコヒーレント単色光源を使う干渉計では測定困難なため、定性的な評価やＭＴＦ測定だけで評価せざるを得ないことが多い。

このため、コヒーレントな光源を必要としない収差測定器としては、特許文献１に示されるシャックハルトマン方式がレンズ又は反射鏡などの波面収差の測定で使用されている。シャックハルトマン方式は被検光学系で集光された光束をコリメータレンズで平行光とし、その平行光がマイクロレンズアレイに入射する。マイクロレンズアレイを通して瞳分割された複数の像は二次元フォトセンサ上で結像する。二次元フォトセンサで検出した各々の像位置のズレから、被検光学系の収差量が算出される。
特開２００３−１２１３００号公報

しかし、撮影レンズのように、多様な焦点距離やＦナンバーの被検光学系を測定する場合には問題が生じる。また、可視光領域で使用される撮影レンズでは赤色から紫色までの波長において色収差も生じている。このように多様な被検光学系を測定しようとすると、被検光学系の射出瞳位置も被検光学系によって異なるため、マイクロレンズアレイの位置が被検光学系の入射瞳と共役な射出瞳の位置から大きくずれてしまう。

そこで、本発明の目的は、多様な被検光学系を幅広い波長領域で測定できる収差測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、被検光学系の収差を測定する収差測定装置は、被検光学系を照明する点光源と、被検光学系からの光を平行光とするコリメータレンズと、コリメータレンズからの平行光を検出手段上に結像させるマイクロレンズアレイと、被検光学系とマイクロレンズアレイとの間に設けられ被検光学系からの光の焦光点位置にコリメータレンズの光軸を合わせる光軸合わせ光学系と、マイクロレンズアレイによる結像を検出する検出手段と、を備える。
この構成により、光軸合わせ光学系により軸上色収差による位置ずれを防止することができるため、このように多様な被検光学系を測定しても、精度の良い収差測定が可能となる。

多様な被検光学系を幅広い波長領域で測定する際でも、精度良い収差測定ができる収差測定装置を提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
＜実施形態１＞
図１に実施形態１の第１収差測定装置１００を示す。

図１において、第１収差測定装置１００は、白色光源である測定光源１１、光源用コンデンサーレンズ１３、波長選択フィルター１５及びピンホール板１７を有している。

測定光源１１は光源用コンデンサーレンズ１３に向けて白色光を照射する。光源用コンデンサーレンズ１３を透過した白色光は波長選択フィルター１５に入射し、ピンホール板１７の開口部１７ａで集光する。波長選択フィルター１５は特定の波長の光、例えば赤色の波長、青色の波長を選択することができる波長フィルターである。ピンホール板１７は例えば光学ガラスに開口部１７ａを除いてクロムを蒸着させた板である。つまり、測定光源１１から発した白色光は、波長選択フィルター１５により所望の単色光に変換され、ピンホール板１７を通過して点光源となる。

第１収差測定装置１００は、コリメータレンズ２１、平行平板３１、コリメータレンズ２３、マイクロレンズアレイ４１及びＣＣＤ等の二次元フォトセンサ４３を有している。さらに、第１収差測定装置１００は、コンピュータＣＰ及び平行平板３１を回転させる回転駆動部３３を有している。そして、コリメータレンズ２１と平行平板３１との間に検査対象である被検レンズＳＰが設置される。

ピンホール板１７を通過した点光源は、コリメータレンズ２１により必要な口径を有する平行光となり、被検レンズＳＰに入射する。被検レンズＳＰからの射出光は焦点面ＦＰで収斂した後拡大して、光軸合わせ光学系である平行平板３１を通過してコリメータレンズ２３に入射する。コリメータレンズ２３を通過した光は小口径の平行光となり、マイクロレンズアレイ４１にて多数の像点に結像される。その結像面にはＣＣＤ等の二次元フォトセンサ４３が置かれ、マイクロレンズアレイ４１によって生成された像点の各々の光量分布を検出する。二次元フォトセンサ４３からの信号はコンピュータＣＰ内の画像信号処理部によって演算され、各像点の位置情報が算出される。この像位置のずれ量が波面の局所的な傾斜に対応し、これから横収差（縦収差）、波面収差が計算される。

図１に示されるように、平行平板３１は焦点面ＦＰの集光点位置ＦＦからコリメータレンズ２３までの拡大光束中に配置されており、回転駆動部３３によって回転させられる。平行平板３１は石英ガラスからなり、その厚さは３ｍｍから５０ｍｍ程度である。回転駆動部３３はステッピングモータなどから構成され、コンピュータＣＰからの駆動信号により平行平板３１を回転させる。

図１の上段の被検レンズＳＰは、被検レンズＳＰの光軸の波面収差を測定する図であり、被検レンズＳＰの軸外すなわち、ある画角における波面収差の測定であれば、図１の下段に描かれているように、被検レンズＳＰを光軸から傾ける。そして被検レンズＳＰの所定波長における集光点位置ＦＦが平行平板３１及びコリメータレンズ２３の焦点位置にほぼ合致するように、被検レンズＳＰを光軸方向に平行移動させて測定する。被検レンズＳＰを光軸方向に平行移動させない場合には、平行平板、コリメータレンズ２３、マイクロレンズアレイ４１及び二次元フォトセンサ４３を光軸方向に平行移動させてもよい。なお、被検レンズＳＰの焦点面ＦＰと第一収差測定装置１００の光軸との交点を「集光点位置」とする。この「集光点位置」は被検レンズＳＰを光軸から傾けていない場合、被検レンズＳＰの焦点位置と一致する。

図２は、実施形態１の第１収差測定装置１００において、平行平板３１を回転させた状態を示した図である。図２（ａ）はその全体図、（ｂ）は平行平板３１周辺の拡大図である。

図２（ａ）は、被検レンズＳＰを光軸方向に平行移動させて、６００ｎｍの波長の被検レンズＳＰの集光点位置ＦＦ_６００がこの第１収差測定装置１００の光軸上に合った状態である。例えば、被検レンズＳＰのある画角における波面収差を４００ｎｍの波長で測定した後、６００ｎｍの波長で波面収差を測定する場合には、被検レンズＳＰの倍率色収差によって被検レンズＳＰの集光点位置ＦＦが変わってしまう。

図２（ｂ）において、集光点位置ＦＦ_４００は４００ｎｍの波長における被検レンズＳＰの焦点位置を示している。集光点位置ＦＦ_６００は６００ｎｍの波長における被検レンズＳＰの焦点位置を示したものである。このように、集光点位置ＦＦは４００ｎｍから６００ｎｍの波長に変わると、被検レンズＳＰの焦点位置が焦点面ＦＰにおいて集光点位置ＦＦ_４００から集光点位置ＦＦ_６００にシフトする。このため、波長選択フィルター１５で所定の波長で波面収差を測定する際に、被検レンズＳＰの集光点位置ＦＦに応じて、コリメータレンズ２３の光軸と被検レンズＳＰの集光点位置ＦＦとを合わせる必要が生じる。

このため、回転駆動部３３が平行平板３１を回転させる。集光点位置ＦＦ_６００から拡大する光線（一点鎖線）は、平行平板３１によって屈折しコリメータレンズ２３に入射する。波長により平行平板３１の回転角度を調整することにより、図２（ｂ）に示すように、集光点位置ＦＦ_４００からの光線（点線）と同じように、集光点位置ＦＦ_６００からの光線をコリメータレンズ２３の光軸に合わせることができる。

このような第１収差測定装置１００において、被検レンズＳＰのＦナンバーがコリメータレンズ２３のＦナンバーより小さい場合には、被検レンズＳＰのアパチャーを通過した光束の一部しかコリメータレンズを通過できないので、アパチャー全域の収差測定ができなくなる。このような状態を防ぐため、焦点距離が異なる複数のコリメータレンズ２３をターレットなどに保持して、コリメータレンズ２３を交換できるようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、撮影レンズなど幅広い波長の光を透過する被検レンズＳＰの波面収差を任意の波長で高精度に測定することが可能となる。

＜実施形態２＞
図３は実施形態２の第２収差測定装置１１０の図である。図３において、実施形態１の第１収差測定装置１００と同じ部材には同じ符号を付している。図４は、平行平板３１周辺の拡大図である。

図３の第２収差測定装置１１０は、コリメータレンズ２３とマイクロレンズアレイ４１との間に平行平板３１が配置されている。そして、第２収差測定装置１１０の光軸に対して直交する方向にコリメータレンズ２３が移動可能となっている。コリメータレンズ２３をその光軸と直交する方向に移動するため、直線駆動部２５が設けられている。この直線駆動部２５はステッピングモータなどから構成され、コンピュータＣＰからの駆動信号によりコリメータレンズ２３を直線移動させる。また、平行平板３１は実施形態１と同様に回転駆動部３３により回転させられる。

図４（ａ）において、集光点位置ＦＦ_４００は４００ｎｍの波長における被検レンズＳＰの焦点位置を示し集光点位置ＦＦ_６００は６００ｎｍの波長における被検レンズＳＰの焦点位置を示したものである。このように、集光点位置ＦＦは６００ｎｍから４００ｎｍの波長に変わると、被検レンズＳＰの焦点位置が焦点面ＦＰにおいて集光点位置ＦＦ_６００から集光点位置ＦＦ_４００にシフトする。集光点位置ＦＦ_６００から拡大する光線（一点鎖線）と集光点位置ＦＦ_４００から拡大する光線（点線）は、コリメータレンズ２３に入射する。つまり、波面収差を測定する際に光の波長に応じて被検レンズＳＰの集光点位置ＦＦとコリメータレンズ２３の光軸とを合わせる必要が生じる。

このため、図４（ｂ）に示すように、まず、集光点位置ＦＦ_６００から集光点位置ＦＦ_４００にコリメータレンズ２３の光軸を合わす。つまり、被検レンズＳＰの光軸と直交する方向に直線駆動部２５でコリメータレンズ２３を移動させる。図４（ｂ）ではコリメータレンズ２３は下方向に移動している。この状態では、集光点位置ＦＦ_４００にコリメータレンズ２３の光軸が合っているだけで、マイクロレンズアレイ４１に入射する平行光は、集光点位置ＦＦ_４００と集光点位置ＦＦ_６００との位置ずれ量だけずれている。

そこで、コリメータレンズ２３からの平行光線がマイクロレンズアレイ４１に入射するように平行平板３１を回転させる。すると、集光点位置ＦＦ_６００からの平行光がマイクロレンズアレイ４１に入射する位置と同じ位置に集光点位置ＦＦ_４００からの平行光が入射する。以上により、集光点位置ＦＦ_６００からの光線（一点鎖線）と同じように、集光点位置ＦＦ_４００からの光線（点線）をコリメータレンズ２３の光軸に合わせることができる。

実施形態２では、実施形態１と異なり平行平板３１を平行光束中に入れたが、このような構成であっても、平行平板３１の回転によって倍率色収差を補正することができる。

＜実施形態３＞
図５は実施形態３の第３収差測定装置１２０の図である。図５において、実施形態１の第１収差測定装置１００と同じ部材には同じ符号を付している。

図５の第３収差測定装置１２０は、測定光源１１、光源用コンデンサーレンズ１３、波長選択フィルター１５及びピンホール板１７を有している。また、第３収差測定装置１２０は、コリメータレンズ２１、その隣に配置されたビームスプリッタ５１、コンデンサーレンズ５２及び反射鏡５３を有している。また、第３収差測定装置１２０は、コンデンサーレンズ５５、平行平板３１、コリメータレンズ２３を備えている。さらに第３収差測定装置１２０は、マイクロレンズアレイ４１、二次元フォトセンサ４３、コンピュータＣＰ及び回転駆動部３３を備えている。

ピンホール板１７を通過した点光源は、コリメータレンズ２１により必要な口径を有する平行光となりビームスプリッタ５１に入射する。ビームスプリッタ５１を通過した平行光はコンデンサーレンズ５２で収斂されて被検レンズＳＰの焦点面ＦＰで集光し、その後拡大して被検レンズＳＰに入射し、被検レンズＳＰから出射される。無限遠の被検レンズＳＰの波面収差測定であれば反射鏡５３は平面鏡とし、有限の被検レンズＳＰであれば、反射鏡Ｍ１は凸面鏡とする。反射鏡５２で反射された光は、被検レンズＳＰを再び透過し、焦点面ＦＰで一旦集光してから拡大し、コンデンサーレンズ５２で平行光になる。

コンデンサーレンズ５２からの平行光は、ビームスプリッタ５１で反射され、コンデンサーレンズ５５で集光される。そして再び集光光は拡大し、平行平板３１に入り、コリメータレンズ２３で平行光となる。つまり平行平板３１は、コンデンサーレンズ５５で集光点からコリメータレンズ２３までの拡大光束中に配置されている。そしてコリメータレンズ２３を通過した光は小口径の平行光となり、マイクロレンズアレイ４１にて多数の像点に結像される。その結像は二次元フォトセンサ４３で電気信号に変換され、像点の光量分布を検出する。

波長選択フィルター１５が例えば波長６００ｎｍから波長４００ｎｍの光に選択すると、被検レンズＳＰの結像位置が、倍率色収差分シフトする。この際に、回転駆動部３３が平行平板３１を回転させると、コンデンサーレンズ５５からの光線をコリメータレンズ２３の光軸に合わせることができる。この光軸合わせの詳細は、図２で説明したとおりである。

なお、図５において、実線で示される平行平板３１は拡大光束中に配置されているが、点線で示す平行平板３１はコンデンサーレンズ５５の収斂光束中に配置されている。このように、コンデンサーレンズ５５の収斂光束中に平行平板３１を配置させ、回転駆動部３３が収斂光束中の平行平板３１を回転させても倍率色収差の距離を調整させることができる。

＜実施形態４＞
図６は実施形態４の第４収差測定装置１３０の図である。図６において、実施形態３の第３収差測定装置１２０と同じ部材には同じ符号を付している。

図６の第４収差測定装置１３０は、コンデンサーレンズ５５とコリメータレンズ２３との間に平行平板３１が配置されておらず、コリメータレンズ２３とマイクロレンズアレイ４１に平行平板３１が配置されている。

そして、第４収差測定装置１３０のコンデンサーレンズ５５の光軸に対して直交する方向にコリメータレンズ２３が移動可能となっている。コリメータレンズ２３をその光軸と直交する方向に移動するため、直線駆動部２５が設けられている。この直線駆動部２５はコンピュータＣＰからの駆動信号によりコリメータレンズ２３を直線移動させる。また、平行平板３１は実施形態３と同様に回転駆動部３３により回転させられる。

第４収差測定装置１３０において、コリメータレンズ２３の直線移動と平行平板３１の回転は図４で説明した場合と同様である。

なお、実施形態３の第３収差測定装置１２０においても、実施形態４の第４収差測定装置１３０においても、被検レンズＳＰは屈折レンズであった。しかし、被検レンズＳＰの代わりに被検ミラーＳＰ’であってもよい。すなわち、図６において、被検レンズＳＰ及び反射鏡５３を取り外し、その代わりに被検ミラーＳＰ’を配置させればよい。そして被検ミラーＳＰ’の焦点が焦点面ＦＰに一致する位置にこの被検ミラーＳＰ’は配置される。

＜平行平板３１の回転角度について＞
図７は、平行平板３１の回転により光軸がどれだけのシフト量δとなるかを示した図である。実施形態１から実施形態４において、平行平板３１が回転する角度（θ）について説明する。

まず、図７のように平行平板３１の境界において光の入射角をθ、射出角をθ’とすると、図から
δ ＝ ｄ×ｃｏｓ（θ） （１）
となり、ｄはθ及びθ’から
ｄ ＝ ｔ×｛ｔａｎ（θ）−ｔａｎ（θ’）｝ （２）
と計算できる。

さらに、平行平板の屈折率をnとすると、スネルの法則から、
ｓｉｎ（θ） ＝ｎ×ｓｉｎ（θ’） （３）
が成り立つ。
θが十分小さいと仮定して、θの二次以上の項を無視すると、（１）、（２）式より、
δ≒ ｔ×｛θ−θ’｝ （４）
となる。さらに、（３）式より、
δ≒ ｔ・θ・｛１−１／ｎ｝ （５）
が成り立つ。このような計算をコンピュータＣＰが行い、回転駆動部３３に回転量θの信号を送る。

したがって、被検レンズＳＰの倍率色収差によって焦点位置がシフトするシフト量（δ）に応じて、平行平板３１を回転させることで、被検レンズＳＰの集光点位置ＦＦとコリメータレンズ２３の光軸とを合わせることができる。

＜波長選択について＞
実施形態１から実施形態４では、白色光源である測定光源１１及び波長選択フィルター１５を使って波長選択を行った。この構成以外にもＬＥＤ（Laser Emitting Diode）を使って波長選択を行ってもよい。

図８は、ターレット板１９に異なる波長のＬＥＤを複数配置した図であり、（ａ）が側面図、（ｂ）がピンホール板１７を取り除いた正面図である。

ターレット板１９には、ほぼ均等に、３５０ｎｍの光を照射するＬＥＤ_３５０、４００ｎｍの光を照射するＬＥＤ_３５０、３５０ｎｍの光を照射するＬＥＤ_３５０、３５０ｎｍの光を照射するＬＥＤ_４００、４５０ｎｍの光を照射するＬＥＤ_４５０、５００ｎｍの光を照射するＬＥＤ_５００、５５０ｎｍの光を照射するＬＥＤ_５５０、６００ｎｍの光を照射するＬＥＤ_６００、６５０ｎｍの光を照射するＬＥＤ_６５０、及び７００ｎｍの光を照射するＬＥＤ_７００を配置している。この８つのＬＥＤを備えることで可視光領域をほぼ網羅することができる。また、各ＬＥＤとピンホール板１７とは近接して配置されている。

コンピュータＣＰからの信号によりステッピングモータＭが回転すると、適切な波長のＬＥＤがピンホール板１７を通過して点光源となる。ＬＥＤは指向性にすぐれているためＬＥＤとピンホール１７との間にレンズなどを挿入していないが、必要であれば、凸レンズを配置してもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
例えば、実施形態１から実施形態４の収差測定装置はマイクロレンズアレイ４１を使用したシャックハルトマン方式を説明した。しかし、マイクロレンズアレイ４１の代わりに二次元に配列した複数の開口を有するマスクを使用したハルトマン方式の収差測定装置にも適用できる。さらに二次元に配列した複数の開口を有するマスクに位相シフターを取り付けた位相シフトマスクを使用したハルトマン方式の収差測定装置にも適用できる。

実施形態１の第１収差測定装置１００を示した概念図である。 第１収差測定装置１００において、平行平板３１を回転させた状態を示した図である。 実施形態２の第２収差測定装置１１０を示した概念図である。 第２収差測定装置１１０において、平行平板３１を回転させた状態を示した図である。 実施形態３の第３収差測定装置１２０を示した概念図である。 実施形態４の第４収差測定装置１３０を示した概念図である。 平行平板３１の回転角度（θ）とシフト量δとの関係を示した図である。 ターレット板１９に異なる波長のＬＥＤを複数配置した図である。

符号の説明

１１ … 測定光源
１３ … 光源用コンデンサーレンズ
１５ … 波長選択フィルター
１７ … ピンホール板
１９ … ターレット板
２１ … コリメータレンズ
２３ … コリメータレンズ
３１ … 平行平板
３３ … 回転駆動部
４１ … マイクロレンズアレイ
４３ … 二次元フォトセンサ
５１ … ビームスプリッタ、
５２ … コンデンサーレンズ
５３ … 反射鏡
５５ … コンデンサーレンズ、
１００ … 第１収差測定装置
１１０ … 第２収差測定装置
１２０ … 第３収差測定装置
１３０ … 第４収差測定装置
ＣＰ … コンピュータ
ＦＦ … 焦光点位置
ＦＰ … 焦点面
ＳＰ … 被検光学系（被検レンズ）、ＳＰ’… 被検光学系（被検ミラー）、

Claims (7)

1. 被検光学系の収差を測定する検出手段を備えた収差測定装置において、
   被検光学系を照明する点光源と、
   前記被検光学系からの光を平行光とするコリメータレンズと、
   前記コリメータレンズからの平行光を前記検出手段上に二次元に分布する複数の光束を形成する光束形成部と、
   前記被検光学系と前記光束形成部との間に設けられ、前記被検光学系からの光の焦光点位置に前記コリメータレンズの光軸を合わせる光軸合わせ光学系と、
   を備えることを特徴とする収差測定装置。
2. 前記光軸合わせ光学系は平行平板ガラスを含み、この平行平板は前記光軸に交差する方向の軸を中心に回転させる回転駆動部を有することを特徴とする請求項１記載の収差測定装置。
3. 前記平行平板ガラスは前記被検光学系と前記コリメータレンズとの間に配置されていることを特徴とする請求項２記載の収差測定装置。
4. 前記平行平板ガラスは前記コリメータレンズと前記光束形成部との間に配置され、前記コリメータレンズを前記光軸に交差する方向に移動させる駆動部を有することを特徴とする請求項２記載の収差測定装置。
5. 前記点光源は、主光源とピンホール板とによって形成され、
   前記主光源と前記ピンホールとの間に波長選択フィルターが配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の収差測定装置。
6. 前記点光源は、主光源とピンホール板とによって形成され、
   前記主光源は異なる波長の複数のＬＥＤからなり、この複数のＬＥＤが選択に配置されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の収差測定装置。
7. 前記光束形成部はマイクロレンズアレイ、開口部を有するマスク又は開口部を有する位相シフトマスクを含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の収差測定装置。