JP3926264B2 - 凹面及びホログラムを有する非球面測定装置及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非球面測定装置及び方法に係り、より詳細には、ホログラムを利用した非球面測定装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型のプロジェクションディスプレーシステムを始めとしたカムコーダー等の多くの製品で非球面レンズが使われている。製品の軽量化、小型化及び高画質化のために非球面レンズの口径及び非球面の度合いは次第に大きくなりつつあり、非球面レンズの製作に際し、高精度の形状正確度が要求されている。非球面レンズの形状を高精度で測定するために、ホログラム及び干渉計を利用した測定装置及び方法が開発されている。
【０００３】
ホログラムのうち、特に計算機合成ホログラム（以下、ＣＧＨ）を使って非球面レンズを測定する装置及び方法は、米国特許第５，７３７，０７９号及び第５，５３０，５４７号公報に開示されている。ここで、ＣＧＨとは、コンピュータで作成したホログラムであって、物体の位相分布からホログラムの複素振幅分布を計算して記録したホログラムを言う。
【０００４】
図１を参照すれば、米国特許第５，７３７，０７９号公報に開示された非球面測定装置には、光源１と、光路を変えるビームスプリッタ２と、参照光ＷＲを生成するＣＧＨ ５が形成されている参照面４を有する試験板３と、非球面７を有する試験レンズ６及び非球面７から反射された試験光ＷＴと参照光ＷＲとが干渉してイメージを形成するイメージ面１０が備えられている。ここで、ＣＧＨは、参照面４上にクロムオンガラス（chrome-on-glass）の形で記録される。参照符号８は開口面を、８ａは開口を、そして９はレンズを各々表わす。
光源１から出射された光Ｌ１は、ビームスプリッタ２を通り過ぎつつ発散されて光Ｌ２として試験板３及び試験レンズ６に向って進む。光Ｌ２は、試験板３を通って非球面７に垂直に入射する光Ｌ３となって同一光路に反射されて試験光ＷＴを形成する。参照光ＷＲは、試験板３の参照面４に形成されているＣＧＨ ５で回折される光Ｌ２から生成される。
前記非球面測定装置は、参照光ＷＲと試験光ＷＴとが同一光路を進むようにＣＧＨの形成された試験板及び他の光学部材を整列させてフィゾー干渉計として構成されている。前記非球面測定装置を利用して非球面を測定する方法は、ヌル干渉縞を基準として、イメージ面１０で形成された干渉縞の、ヌル干渉縞からの偏差ないしずれから、非球面の誤差を測定する方式である。ここで、ヌル干渉縞とは、干渉縞が形成されていない状態を意味する。
前記非球面測定装置において、ＣＧＨ ５が記録される試験板３は、参照光及び試験光として入射光を反射しなければならないため、面精密度が極めて高くなければならない。特に、試験板３が試験レンズの前方に位置する場合、試験光が試験板３を完全に通過しなければならないために試験板３の面精密度は一層重要になるが、このように優れた面精密度を達成することは容易ではない。高い面精密度を有する試験板３が必要なその他の理由は、試験板が参照光を生成するためである。
また、前記非球面測定装置において、ＣＧＨ ５は、試験板が光を透過できるようにクロムオンガラスタイプが使われ、完全に透明な位相タイプのＣＧＨは使われられない。クロムは、アルミニウムなどの銀色の不透明なコーティングであって、ＣＧＨ ５がガラスのみよりなる所は透明でクロムがコーティングされた所は不透明であり、クロムオンガラスタイプのＣＧＨで透過されたビームは試験ビームとして使われ、反射されたビームは参照ビームとして使われる。完全に透明な位相タイプのＣＧＨは入射ビームを全て透過させるため、参照ビーム及び試験ビームを生成することができない。従って、反射されたビームを試験ビームとして特別に生成しようとする場合、ＣＧＨの裏面にアルミニウムをコーティングする方法を使用しなければならない。
加えて、前記非球面測定装置において、参照光及び試験光が相異なる光路に進む場合、外部振動などの環境因子によって測定誤差が生じる恐れがあるため、干渉計としては、参照光と試験光とが同一光路を進んで前記測定誤差が生じないフィゾー干渉計のみを使用している。
【０００５】
図２を参照すれば、米国特許第５，５３０，５４７号公報に開示された従来のＣＧＨ整列装置では、ベース１１及びベース１１に取り外し自在に固定されるプレート１３を備えるマウント１７と、光学素子が取り付けられるフレーム１５とが並んでいる。前記フレーム１５にはＣＧＨまたはＣＧＨヌル補償器が装着でき、前記フレーム１５はプレート１３に取り外し自在に連結される。
干渉系（interference system）で生成された球面試験ビームはＣＧＨにより回折されて干渉縞を形成し、プレート１３は、ベース１１に対して前記試験ビームが回折されてヌル干渉縞が形成可能に調整される。プレート１３に固定されるフレーム１５を調整するために、ベース１１には調整スクリューが備えられており、スクリューを調整することによりフレーム１５に設けられたＣＧＨを調整する。ＣＧＨが調整されてヌル干渉縞が形成されれば、ＣＧＨを除去した後にＣＧＨヌル補償器を取り付けて非球面レンズを試験する。
前記非球面測定装置は、機械的にベース及びプレートを操作するために機械的な調整誤差が生じる恐れがあり、非球面の度合いが激しいレンズの場合にその測定が容易ではない。
さらに、前記従来の非球面測定装置は、試験レンズの非球面の度合いが激しい場合にＣＧＨの格子間隔の限界によって精度良い測定が困難であるといった短所がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来の技術の問題点を改善するために、干渉計、面精密度が高くない光学素子、及びホログラムの格子間隔を大きく形成した光学素子を利用して簡易に光学系を構成し、非球面の度合いが激しい光学素子を精度良く測定することができる非球面測定装置及び方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、入射光を生成する干渉計と、前記入射光を反射させて試験光として形成する非球面を有する試験部材と、前記入射光の光路上に位置し、前記試験部材に向けて前記入射光を回折させるホログラムが形成される少なくとも一つの面を有する第１の光学素子と、前記第１の光学素子の後方に整列されて前記入射光を前記非球面に進めると共に、前記非球面から反射された試験光の前記ホログラムに対する入射角を低減する凹面を有する第２の光学素子とを備えることを特徴Ｅとする非球面測定装置を提供する。
ここで、前記第１の光学素子は、他の凹面をさらに備えることが望ましく、前記第２の光学素子は、ホログラムが形成される他の面をさらに備えることが望ましい。
前記試験部材の非球面に垂直に入射してから反射される前記試験光は、入射光路と同一光路に沿って反射される。
前記試験部材の後方に球面ミラーをさらに備えることが望ましい。
望ましくは、前記ホログラムは、ＣＧＨである。
【０００８】
前記技術的課題を達成するために、本発明はまた、光源からの光を光路変換器で入射光と参照光とに分岐する第１の段階と、前記入射光をホログラムの形成された第１の光学素子に入射させて前記ホログラムで回折させる第２の段階と、前記ホログラムで回折された前記入射光を凹面を有する第２の光学素子に入射させてから前記凹面に通す第３の段階と、前記凹面を通った前記入射光を非球面を有する試験部材で反射させて試験光として形成する第４の段階と、前記試験光と前記参照光とが干渉して形成された干渉縞から非球面の誤差を測定する第５の段階とを含むことを特徴とする非球面測定方法を提供する。
前記試験部材の非球面に垂直に入射してから反射される試験光は、入射光路と同一光路に沿って反射される。
前記試験部材の後方に球面ミラーをさらに配列して、前記試験部材を通った前記試験光を前記球面ミラーに垂直に入射させてから同一経路に沿って反射させる。
前記第５の段階において、前記非球面誤差を前記試験光と前記参照光との干渉縞のヌル干渉縞の偏差から測定する。
前記ホログラムは、ＣＧＨであることが望ましい。
前記試験部材が凸非球面を有する場合、前記凸非球面のエラーＳ２は、凹面のエラーＳ１と試験部材の屈折率ｎ及び透過波面ＴＲＷに対する下記数式を利用して求めることが望ましい。
（数式１）
【数３】
【０００９】
本発明はまた、前記技術的課題を達成するために、入射光を生成する干渉計と、前記入射光を反射させて試験光として形成する非球面を有する試験部材と、前記入射光の光路上に位置し、前記試験部材で前記入射光を回折させるホログラム、及び前記入射光の前記ホログラムに対する入射角を低減する凹面を有する光学素子とを備えることを特徴とする非球面測定装置を提供する。
前記試験部材の非球面に垂直に入射してから反射される試験光は、入射光路と同一光路に沿って反射される。
ここで、前記試験部材の後方に球面ミラーをさらに配列することが望ましい。
前記凹面には、ホログラムがさらに形成されることが望ましい。
望ましくは、前記ホログラムは、ＣＧＨである。
【００１０】
最後に、前記技術的課題を達成するために、本発明は、光源からの光を光路変換器で入射光と参照光とに分岐する第１の段階と、前記入射光をホログラム及び凹面を有する光学素子に通す第２の段階と、前記光学素子を通った前記入射光を非球面を有する試験部材で反射させて試験光として形成する第３の段階と、前記試験光と前記参照光とが干渉して形成されたイメージから非球面の誤差を測定する第４の段階とを含むことを特徴とする非球面測定方法を提供する。
前記試験部材の非球面に垂直に入射してから反射される試験光は、入射光路と同一光路に沿って反射される。
ここで、前記試験部材の後方に球面ミラーをさらに配列して、前記試験部材を通った試験光を前記球面ミラーに垂直に入射させてから同一経路に沿って反射させることが望ましい。
望ましくは、前記ホログラムは、ＣＧＨである。
前記試験部材が凸非球面を有する場合、前記凸非球面のエラーＳ２は、凹面のエラーＳ１と試験部材の屈折率ｎ及び透過波面ＴＲＷに対する前記数式を利用して求めることが望ましい。
【００１１】
本発明によれば、フィゾー干渉計及びトワイマン・グリーン干渉計を使用して参照光を形成することから、光学素子に入射する入射光は単に試験光にのみ関連して光学素子の製作上の高精度が要求されない。また、凹面を有する光学素子をホログラムの形成された光学素子またはホログラムの形成された入射面の後方に位置させ、光学素子の凹面を試験部材に向わせることにより、試験部材から反射される光のホログラムに対する入射角を低減してホログラムの格子間隔が大きくできるので、非球面の度合いが激しい試験部材の精度良い測定が可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき、本発明に係る非球面測定装置及び方法の実施形態を詳細に説明する。図中、各構成要素の大きさ及び厚さは本発明の実施形態を説明するために誇張されている。
【００１３】
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の第１及び第２の実施形態による非球面測定装置を各々示す図面である。
図３Ａを参照すれば、本発明の第１の実施形態による非球面測定装置は、干渉計３１と、干渉計３１から出射された光を集束させる集束レンズ３３と、前記集束された光の周波数を空間変調させる空間フィルタ３５と、空間フィルタ３５から入射する入射光Ｌｉを回折させるホログラム３４及び前記入射光を発散させる凹面３０が設けられている第１の光学手段３７と、第１の光学手段３７を通った光を反射させて試験光Ｌｔとして形成する非球面３８を有する試験部材３９とを備える。ここで、ホログラム３４は、ＣＧＨであることが望ましい。ここで、空間フィルタ３５は、不要な他の次数の回折ビームを遮断させるために使われる。図３Ｂを参照すれば、本発明の第２の実施形態による非球面測定装置は、前述した本発明の第１の実施形態による非球面測定装置と同様に、干渉計３１と、集束レンズ３３と、空間フィルタ３５と、試験部材３９とを備えるが、第２の光学手段６７は、ホログラム６４及び凹面６０を同時に備えるので、前記第１の光学手段３７とは異なって一つの光学部材で構成される。
入射光Ｌｉは、干渉計３１から出射されて集束レンズ３３を通り過ぎつつ空間フィルタ３５に向かって集束され、空間フィルタ３５を通った後に、ホログラム３４，６４及び凹面３０，６０が設けられている光学手段３７，６７を通って試験部材３９に進む。試験部材３９の非球面３８に垂直に入射してから同一光路に反射された入射光Ｌｉは試験光Ｌｔとなって同一光路に進む。
【００１４】
図４Ａないし図４Ｃを参照すれば、本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる第１の光学手段３７ａ，３７ｂ，３７ｃは、ホログラム３４ａ，３４ｂ，３４ｃが少なくとも一面に形成される第１の光学素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃと、入射光Ｌｉの出射面が凹面３０ａ，３０ｂ，３０ｃである第２の光学素子３６ａ，３６ｂ，３６ｃとを含んでなる。
ホログラム３４ａ，３４ｂ，３４ｃが形成される面の位置に応じて、図４Ａないし図４Ｃの３種に分けられる。非球面の度合い及び入射光の入射角に応じて適合した光学手段を選択し、第１の光学素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃと第２の光学素子３６ａ，３６ｂ，３６ｃとの距離を適当に調節して非球面を精度良く測定することができる。
【００１５】
図５は、一次元回折格子として働くＣＧＨを概略的に示す概念図である。
通常の１次元回折格子の形態を有するホログラム３４ａは、その格子間隔に対する方程式が下記数式２のように与えられる。
（数式２）
【数４】
ここで、Ｓは格子間隔を、θ０は格子に入射する光の入射角を、θｍは格子による入射光の回折角を各々表わす。前数式２から明らかなように、ホログラム３４ａの格子間隔Ｓは波長λが一定である時に入射角θ０及び回折角θｍに依存して、入射角θ０が大きくなるほど格子間隔Ｓは小さくなる。
本発明の実施形態による非球面測定装置に使われるホログラム３４の格子間隔Ｓは小さいほど製作し難くなるため、ホログラム３４の格子間隔Ｓを大きくするためには、ホログラム３４の製作時にホログラム３４に入射する試験光Ｌｔの入射角を低減する必要がある。
従って、ホログラム３４が形成される第１の光学素子３２の後方に凹面を有するレンズを配列して試験光Ｌｔの入射角を低減してホログラム３４を記録する。
本発明の実施形態による非球面測定装置において、試験部材３９に臨む凹面３０を有する第２の光学素子３６は、第１の光学素子３２の後方に整列され、この第１の光学素子３２上に、前記非球面３８から反射された試験光Ｌｔの入射角を低減することを用いて記録されたホログラム３４が形成されている。。
実際に、凹レンズを使用する以前には、レーザービームを利用して位相タイプのＣＧＨを製作する場合の最小格子間隔は１μｍであったが、凹レンズを使用した後のＣＧＨの最小格子間隔は３μｍと増加した。レーザーライティング装置（Laser writing machine）を使用してＣＧＨを製作する場合、格子間隔は３μｍが製作限界である。
【００１６】
図６Ａないし図６Ｇに、本発明の実施形態による非球面測定装置に使用する場合に、凹面を有する光学素子を備えることによりＣＧＨの格子間隔が次第に隔たっていく過程のシミュレーションが示されている。
図６Ａを参照すれば、非球面測定装置で従来使われていた平板型レンズ６７ａの、干渉計３１との対向面にＣＧＨ６４ａを記録する場合、ＣＧＨ６４ａの最小格子間隔は２ミクロンに形成される。
図６Ｂを参照すれば、平板型第１の光学素子６２ｂと、非球面３８との対向面は平面で第１の光学素子６２ｂとの対向面が凹面である第２の光学素子６６ｂとを配列した後、第１の光学素子６２ｂの干渉計３１との対向面にＣＧＨ６４ｂを記録すれば、ＣＧＨの最小格子間隔は略２．９ミクロンと若干隔たり、図６Ｃを参照すれば、干渉計３１との対向面が平面で非球面３８との対向面が凹面である光学素子６７ｃで前記平面にＣＧＨ６４ｃを記録すれば、ＣＧＨ６４ｃの最小格子間隔は略３．７ミクロンに隔たる。
図６Ｄを参照すれば、平板型第１の光学素子６２ｄと、第１の光学素子６２ｄの後方に非球面３８との対向面が凹面である第２の光学素子６６ｄとを整列して第１の光学素子３２の干渉計３１との対向面にＣＧＨ６４ｄを記録する場合、ＣＧＨ６４ｄの最小格子間隔は、図６Ｃに示されたように略３．７ミクロンとなり、図６Ｅを参照すれば、第１の光学素子６２ｅの干渉計３１との対向面は平面で反対面は凹面であり、第２の光学素子６６ｅの第１の光学素子６２ｅに対応する面が凹面で非球面３８との対向面が平面である場合、第１の光学素子６２ｅの干渉計３１との対向面にＣＧＨ６４ｅを記録すれば、ＣＧＨ６４ｅの最小格子間隔は略５ミクロンに隔たる。
図６Ｆを参照すれば、第１の光学素子６２ｆの干渉計３１との対向面は平面で反対面は凹面であり、第２の光学素子６６ｆの第１の光学素子６２ｆに対応する面が平面で非球面３８との対向面が凹面である場合に、第１の光学素子６２ｆの干渉計３１との対向面にＣＧＨ６４ｆを記録すれば、ＣＧＨ６４ｆの最小格子間隔は略６．５ミクロンに隔たり、図６Ｇを参照すれば、干渉計３１との対向面は平面で反対面は凹面である第１の光学素子６２ｇと、第１の光学素子６２ｇに対応する面及び非球面３８との対向面が共に凹面である第２の光学素子６６ｇを配列し、第１の光学素子３２の干渉計３１との対向面にＣＧＨ６４ｇを記録すれば、ＣＧＨ６４ｇの最小格子間隔は、最大１５ミクロンまで隔たる。
図６Ａないし図６Ｇまでのシミュレーションの結果から、第１の光学素子または第２の光学素子が凹面を多く備えるほどＣＧＨの格子間隔が隔たるということが分かる。
【００１７】
図７は、本発明の第３の実施形態による非球面測定装置を示す図面であって、図３Ａに示された本発明の第１の実施形態による非球面測定装置と光学系との構成が同一であるが、単に異なる点は、集束レンズ３３としてダイバージングレンズが使われており、非球面３８を有する試験部材３９の後方に球面ミラー４０がさらに設けられているということである。
球面ミラー４０が設けられていない場合、試験光Ｌｔは非球面３８に垂直に入射してから非球面３８から反射され、同一光路に沿って干渉計３１に向って進む。球面ミラー４０がさらに設けられる場合には、試験光Ｌｔは、非球面３８を通った透過光が球面ミラー４０の表面に垂直に入射してから反射され、さらに同一光路に沿って非球面３８を有した試験部材３９及びホログラム３４を通って干渉計３１に向かう。ここで、非球面３８が凸面である場合、球面ミラー４０をさらに設けて透過波面（ＴＲＷ；Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ）を形成することが望ましい。
本発明の第３の実施形態による非球面測定装置において、試験部材３９に無反射コーティングが施されている時、凸非球面３８に対して球面ミラー４０を使った場合と球面ミラー４０を使っていない場合との干渉計３１への到達光量に違いがある。
球面ミラー４０を使っていない場合、干渉計３１に達する光量は、凹面３０を通った光量（０．９８）×凸非球面から反射された光量（０．０２）×凹面を通ってからの光量（０．９８）であるのに対し、球面ミラー４０を使った場合、干渉計３１に達する光量は、凹面３０を通った光量（０．９８）×凸非球面を通ってからの光量（０．９８）×球面ミラー４０から反射されてからの光量（０．９９）×凸非球面を通ってからの光量（０．９８）×凹面を通ってからの光量（０．９８）となり、球面ミラー４０を使った場合の光量がはるかに高いということが分かる。光量が多いほどコントラストが高くなって、ヌル干渉縞を一層明確に観察することができる。
このように、光量に対する結果は、試験部材３９に無反射コーティングが施されていない場合にも同様に適用される。また、球面ミラー４０は、ホログラム３４に入射する光の入射角を低減する役割を果たす。すなわち、非球面３８から反射される試験光Ｌｔをそのまま使うより球面ミラー４０を使ってＣＧＨを形成する格子間隔を隔てることで、製作が容易になる。
本発明の第１ないし第３の実施形態による非球面測定装置には、試験光及び参照光を生成して干渉縞を形成するために、図８に示されているフィゾー干渉計または図９に示されているトワイマン・グリーン干渉計が使われる。
【００１８】
図８を参照すれば、フィゾー干渉計３１には、光源４１と、光源４１から発せられた光を集束させる集束レンズ４２と、特定の回折次数のビームのみを通すフィルタ４３と、参照光Ｌｒと試験光Ｌｔとが干渉してイメージを形成するイメージ面４９と、光路を分離して入射光のうち参照光Ｌｒはイメージ面４９に進める一方、試験光Ｌｔは非球面測定装置５０に進めるビームスプリッタ４５及び試験光Ｌｔを平行光に変えるコリメーティングレンズ４７が備えられている。
光源４１はレーザー光を発し、発せられたレーザー光のうち一部は非球面測定装置５０に向かう入射光Ｌｉとして、そして一部は参照光Ｌｒとして進む。
集束レンズ４２は、光源４１から発せられたレーザー光を集束させてビームスプリッタ４５に向わせる。集束レンズ４２とビームスプリッタ４５との間の光路上にはフィルタ４３が設けられて、入射する光のうち所定の周波数範囲に入る最適の光強度を有するビームのみを透過させる。
ビームスプリッタ４５は、入射光の一部としての参照光Ｌｒはその光路を９０°に変えてイメージ面４９に向わせる一方、試験光Ｌｔはそのまま通させて非球面測定装置５０に進める。
コリメーティングレンズ４７は、ビームスプリッタ４５を通った入射光Ｌｉ´を平行光に変え、コリメーティングレンズ４７の前方にはダイバージングレンズがさらに設けられてコリメーティングレンズ４７を通った入射光Ｌｉ´を収斂光として形成できるが、ここで、ダイバージングレンズは、図３の非球面測定装置において集束レンズ３３の機能をする。
入射光Ｌｉ´は、フィゾー干渉計３１を通った後に非球面測定装置５０に向かい、光学素子３７を通って非球面３０から反射されて試験光Ｌｔとなり、前記試験光Ｌｔがさらにフィゾー干渉計３１に入射する。フィゾー干渉計３１に入射した試験光Ｌｔはビームスプリッタ４５で光路が９０°変えられてイメージ面４９に進み、イメージ面４９で参照光Ｌｒと干渉して干渉縞を形成する。
【００１９】
図９は、本発明の実施形態において、トワイマン・グリーン干渉計を使って非球面測定装置を構成した場合の図面である。
図９を参照すれば、トワイマン・グリーン干渉計３１´には、光源５１と、光路を分離して入射光のうち参照光Ｌｒがその表面から反射される参照ミラー５２と、参照光Ｌｒと試験光Ｌｔとが干渉してイメージを形成するイメージ面５６及び参照ミラー５２から反射された参照光Ｌｒをイメージ面４９に進めて入射光Ｌｉ´は非球面測定装置に進めるビームスプリッタ５４が備えられている。
光源５１及びビームスプリッタ５４についての説明は、図８に示されたフィゾー干渉計と同じである。フィゾー干渉計とトワイマン・グリーン干渉計との最も大きい差異点は、参照光Ｌｒが進む光路が相異なるということである。示されたように、トワイマン・グリーン干渉計において、参照光Ｌｔは、試験光Ｌｒとは異なって、ビームスプリッタ５４から反射されて参照ミラー５２に進んでその表面から反射された後、さらにビームスプリッタ５４を通って試験光Ｌｒと同一光路に進む。
【００２０】
本発明の第１の実施形態による非球面測定方法は、図３Ａに示されたように、先ず、ホログラム３４を有する第１の光学素子３２と凹面３０を有する第２の光学素子３６とを備える非球面測定装置を使用する場合、光源からの光をビームスプリッタ４５で入射光Ｌｉ´と参照光Ｌｔとに分岐する第１の段階と、入射光Ｌｉ´をホログラム３４が形成された第１の光学素子３２に入射させてホログラム３４で回折させる第２の段階と、ホログラム３４で回折された入射光Ｌｉ´を凹面３０が形成された第２の光学素子３６に入射させた後に凹面３０に通す第３の段階と、凹面３０を通った入射光Ｌｉ´を非球面３８が形成された試験部材３９で反射させて試験光Ｌｔとして形成する第４の段階、及び試験光Ｌｔと参照光Ｌｒとが干渉して形成された干渉縞から非球面３８の誤差を測定する第５の段階を含む。
【００２１】
本発明の第２の実施形態による非球面測定方法は、図３Ｂに示されたように、ホログラム６４及び凹面６０を有する光学素子６７を利用する場合、図８に示されたように、光源４１からの光をビームスプリッタ４５を利用して入射光Ｌｉ´と参照光Ｌｔとに分岐する第１の段階と、入射光Ｌｉ´をホログラム３４及び凹面３０を有する光学素子６７に通す第２の段階と、光学素子６７を通った入射光Ｌｉを非球面３８を有する試験部材３９で反射させて試験光Ｌｔとして形成する第３の段階、及び試験光Ｌｔと参照光Ｌｒとが干渉して形成されたイメージから非球面３８の誤差を測定する第４の段階を含む。
ここで、ホログラム３４，６４は、入射光Ｌｉ´及び試験光Ｌｔが同一光路に進むように製造され、ＣＧＨであることが望ましい。
また、試験部材３９の後方に球面ミラー４０をさらに備えて試験部材３９を通った試験光Ｌｔを球面ミラー４０の表面または凸非球面に垂直に入射させた後、同一光路で反射された光をして再び非球面３８を有する試験部材３９及びホログラム３４に通して透過波面を形成せしめる。球面ミラー４０をさらに備える場合には、非球面３８が特に凸面である場合に好適である。
光源４１と第１の光学素子３２または光学素子６７との間の光路上にビームスプリッタ４５，５４を配列して入射光Ｌｉ´及び参照光Ｌｒの光路を変えることが望ましい。
【００２２】
本発明の第１及び第２の実施形態による非球面測定方法において、非球面誤差は、試験光Ｌｔと参照光Ｌｒとの干渉縞のヌル干渉縞からの偏差から測定される。
図３Ａに示された本発明の第１の実施形態による非球面測定装置及び測定方法を利用して凹非球面を測定したインターフェログラムが図１０Ａないし図１０Ｃに示されている。図１０Ａは、凹非球面のヌル干渉縞であり、図１０Ｂ及び図１０Ｃは、試験される凹非球面の２次元及び３次元位相マップである。この場合のヌル干渉縞とは、理想的な非球面で得られる干渉縞であり、図１０Ａは理想的な凹非球面で得られる干渉縞を示している。
非球面を有するレンズを製造した後に本発明の実施形態による測定装置及び方法を利用して干渉縞を測定した時、図１０Ａに示されたようなヌル干渉縞インターフェログラムが得られたならば、非球面レンズが正確に製造されたということを意味する。ヌル干渉縞に対する位相マップは０であって、ほとんど平面となる。
しかしながら、製造された非球面レンズの位相マップが図１０Ｂ及び図１０Ｃのように現れるのであれば、凹非球面が正確に加工されていないことを意味する。図１０Ｂ及び図１０Ｃを参照すれば、図１０Ｂにおける明るい部分は図１０Ｃにおけるピークであり、図１０Ｂにおける暗い部分は図１０Ｃにおけるバリーである。位相マップから、ピークツーバリーエラー（peak-to-valley error）が約７ウェーブであることが分かり、この情報に基づき非球面を約７ウェーブほど削る工程を行って正確な非球面を製造することができる。
図３Ｂに示されたように、本発明の第２の実施形態による非球面測定装置を利用し、ホログラムで回折されて凹面を通った後に凸非球面で反射されてさらに凹面を通った試験光と参照光との干渉波面を測定した結果が、図１１Ａ及び図１１Ｂに示されている。
【００２３】
図１１Ａ及び図１１Ｂは各々、フィゾー干渉計及び平凹レンズを備える非球面測定装置を利用して求められた透過波面のヌル干渉縞インタフェログラム及び２次元位相マップを示すものである。
透過波面ＴＲＷは、下記数式３で表わされる。
（数式３）
【数５】
ここで、Ｓ１は凹面のフィギュアエラー（figure error）を、Ｓ２は凸面のフィギュアエラーを、ｎは測定される試験部材の屈折率を各々表わす。凸面のフィギュアエラーＳ２は、前数式３から前数式１のように求められる。
凹面エラーから透過波面を引く前数式１のような位相マッピングのために、図１３に示されたように凹面に２つの基準点をおき、全ての測定において、干渉計のズーム位置は固定しなければならない。
【００２４】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、前数式３から求められる２次元及び３次元位相マップを示すものである。これらの図面から、試験部材の凸面は約２．９ウェーブのｒｍｓフィギュアエラーと約１４．２ウェーブの表面フィギュアエラーとを有することが分かる。
【００２５】
本発明の実施形態による測定装置は、凹面を有する光学素子を使って光の入射角を低減することによりホログラム格子間隔を大きく記録可能にしてホログラムの製作を容易にする。
本発明の実施形態による測定装置及び測定方法は、このようにして製作されたホログラム及び凹面を有する光学素子を利用することにより、非球面の度合いが激しい試験部材の面を精度良く測定することができる。
また、本発明の実施形態による測定装置及び測定方法において、ホログラム及び凹面を透過する光は試験光だけであるので、凹面の面精度がやや低い光学素子を使用することができ、試験光及び参照光の光路を同一にする必要がないので、フィゾー干渉計だけではなく、トワイマン・グリーン干渉計も使用することができるほか、クロムオンガラスタイプのＣＧＨ及び位相タイプのＣＧＨも使用することができる。
【００２６】
以上の説明において多くの事項が具体的に記載されているが、これらは発明の範囲を限定するよりは、望ましい実施形態の例示として解釈されなければならない。
例えば、本発明が属する技術分野における当業者であれば、本発明の技術的な思想により凹面を有する光学素子と他の形のホログラムを有する光学素子とを配列して非球面測定装置を製造することができるであろう。よって、本発明の範囲は説明された実施形態によって定められるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的な思想によって定められるべきである。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る非球面測定装置及び方法の長所は、凹面及びホログラムに入射する光の角度を低減して製造された格子間隔の大きいホログラムを利用して非球面の度合いが激しいレンズを正確に測定することができるということである。また、様々な干渉計及びＣＧＨを使用することができ、面精度がやや低い凹面を使用することができることから、非球面測定装置のコスト下げに寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 米国特許第５，７３７，０７９号公報に開示された非球面測定装置を示す図である。
【図２】 米国特許第５，５３０，５４７号公報に開示された非球面測定装置を示す図である。
【図３Ａ】 本発明の第１の実施形態による非球面測定装置を簡略に示す図である。
【図３Ｂ】本発明の第２の実施形態による非球面測定装置を簡略に示す図である。
【図４Ａ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の第１の具現例を示す図である。
【図４Ｂ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の第２の具現例を示す図である。
【図４Ｃ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の第３の具現例を示す図である。
【図５】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われるＣＧＨの格子間隔と入射光の入射角との関係を示す図である。
【図６Ａ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図６Ｂ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図６Ｃ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図６Ｄ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図６Ｅ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図６Ｆ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図６Ｇ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図７】 本発明の第３の実施形態による非球面測定装置を示す図面である。
【図８】 本発明の実施形態による非球面測定装置のフィゾー干渉計を示す図面である。
【図９】 本発明の実施形態による非球面測定装置のトワイマン・グリーン干渉計を示す図面である。
【図１０Ａ】 本発明の実施形態による非球面測定方法により測定された凹面のヌル干渉縞を示すインタフェログラムである。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態による非球面測定方法により測定された凹面の２次元及び３次元位相マップである。
【図１０Ｃ】 本発明の実施形態による非球面測定方法により測定された凹面の２次元及び３次元位相マップである。
【図１１Ａ】 本発明の実施形態による非球面測定方法により測定された凸非球面のヌル干渉縞を示すインタフェログラムである。
【図１１Ｂ】 本発明の実施形態による非球面測定方法により測定された凸非球面の透過波面の２次元位相マップである。
【図１２Ａ】 本発明の実施形態による非球面測定方法により前記数式３から求められた２次元及び３次元位相図である。
【図１２Ｂ】 本発明の実施形態による非球面測定方法により前記数式３から求められた２次元及び３次元位相図である。
【図１３】 本発明の実施形態による非球面測定方法において、凹面に２つの基準点を表示した図面である。
【符号の説明】
３０・・・凹面
３１・・・干渉計
３２・・・第１の光学素子
３３・・・集束レンズ
３４・・・ホログラム
３５・・・空間フィルタ
３６・・・第２の光学素子
３７・・・第１の光学手段
３８・・・非球面
３９・・・試験部材
Ｌｉ´・・・入射光
Ｌｔ・・・試験光
【発明の属する技術分野】
本発明は非球面測定装置及び方法に係り、より詳細には、ホログラムを利用した非球面測定装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型のプロジェクションディスプレーシステムを始めとしたカムコーダー等の多くの製品で非球面レンズが使われている。製品の軽量化、小型化及び高画質化のために非球面レンズの口径及び非球面の度合いは次第に大きくなりつつあり、非球面レンズの製作に際し、高精度の形状正確度が要求されている。非球面レンズの形状を高精度で測定するために、ホログラム及び干渉計を利用した測定装置及び方法が開発されている。
【０００３】
ホログラムのうち、特に計算機合成ホログラム（以下、ＣＧＨ）を使って非球面レンズを測定する装置及び方法は、米国特許第５，７３７，０７９号及び第５，５３０，５４７号公報に開示されている。ここで、ＣＧＨとは、コンピュータで作成したホログラムであって、物体の位相分布からホログラムの複素振幅分布を計算して記録したホログラムを言う。
【０００４】
図１を参照すれば、米国特許第５，７３７，０７９号公報に開示された非球面測定装置には、光源１と、光路を変えるビームスプリッタ２と、参照光ＷＲを生成するＣＧＨ ５が形成されている参照面４を有する試験板３と、非球面７を有する試験レンズ６及び非球面７から反射された試験光ＷＴと参照光ＷＲとが干渉してイメージを形成するイメージ面１０が備えられている。ここで、ＣＧＨは、参照面４上にクロムオンガラス（chrome-on-glass）の形で記録される。参照符号８は開口面を、８ａは開口を、そして９はレンズを各々表わす。
光源１から出射された光Ｌ１は、ビームスプリッタ２を通り過ぎつつ発散されて光Ｌ２として試験板３及び試験レンズ６に向って進む。光Ｌ２は、試験板３を通って非球面７に垂直に入射する光Ｌ３となって同一光路に反射されて試験光ＷＴを形成する。参照光ＷＲは、試験板３の参照面４に形成されているＣＧＨ ５で回折される光Ｌ２から生成される。
前記非球面測定装置は、参照光ＷＲと試験光ＷＴとが同一光路を進むようにＣＧＨの形成された試験板及び他の光学部材を整列させてフィゾー干渉計として構成されている。前記非球面測定装置を利用して非球面を測定する方法は、ヌル干渉縞を基準として、イメージ面１０で形成された干渉縞の、ヌル干渉縞からの偏差ないしずれから、非球面の誤差を測定する方式である。ここで、ヌル干渉縞とは、干渉縞が形成されていない状態を意味する。
前記非球面測定装置において、ＣＧＨ ５が記録される試験板３は、参照光及び試験光として入射光を反射しなければならないため、面精密度が極めて高くなければならない。特に、試験板３が試験レンズの前方に位置する場合、試験光が試験板３を完全に通過しなければならないために試験板３の面精密度は一層重要になるが、このように優れた面精密度を達成することは容易ではない。高い面精密度を有する試験板３が必要なその他の理由は、試験板が参照光を生成するためである。
また、前記非球面測定装置において、ＣＧＨ ５は、試験板が光を透過できるようにクロムオンガラスタイプが使われ、完全に透明な位相タイプのＣＧＨは使われられない。クロムは、アルミニウムなどの銀色の不透明なコーティングであって、ＣＧＨ ５がガラスのみよりなる所は透明でクロムがコーティングされた所は不透明であり、クロムオンガラスタイプのＣＧＨで透過されたビームは試験ビームとして使われ、反射されたビームは参照ビームとして使われる。完全に透明な位相タイプのＣＧＨは入射ビームを全て透過させるため、参照ビーム及び試験ビームを生成することができない。従って、反射されたビームを試験ビームとして特別に生成しようとする場合、ＣＧＨの裏面にアルミニウムをコーティングする方法を使用しなければならない。
加えて、前記非球面測定装置において、参照光及び試験光が相異なる光路に進む場合、外部振動などの環境因子によって測定誤差が生じる恐れがあるため、干渉計としては、参照光と試験光とが同一光路を進んで前記測定誤差が生じないフィゾー干渉計のみを使用している。
【０００５】
図２を参照すれば、米国特許第５，５３０，５４７号公報に開示された従来のＣＧＨ整列装置では、ベース１１及びベース１１に取り外し自在に固定されるプレート１３を備えるマウント１７と、光学素子が取り付けられるフレーム１５とが並んでいる。前記フレーム１５にはＣＧＨまたはＣＧＨヌル補償器が装着でき、前記フレーム１５はプレート１３に取り外し自在に連結される。
干渉系（interference system）で生成された球面試験ビームはＣＧＨにより回折されて干渉縞を形成し、プレート１３は、ベース１１に対して前記試験ビームが回折されてヌル干渉縞が形成可能に調整される。プレート１３に固定されるフレーム１５を調整するために、ベース１１には調整スクリューが備えられており、スクリューを調整することによりフレーム１５に設けられたＣＧＨを調整する。ＣＧＨが調整されてヌル干渉縞が形成されれば、ＣＧＨを除去した後にＣＧＨヌル補償器を取り付けて非球面レンズを試験する。
前記非球面測定装置は、機械的にベース及びプレートを操作するために機械的な調整誤差が生じる恐れがあり、非球面の度合いが激しいレンズの場合にその測定が容易ではない。
さらに、前記従来の非球面測定装置は、試験レンズの非球面の度合いが激しい場合にＣＧＨの格子間隔の限界によって精度良い測定が困難であるといった短所がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来の技術の問題点を改善するために、干渉計、面精密度が高くない光学素子、及びホログラムの格子間隔を大きく形成した光学素子を利用して簡易に光学系を構成し、非球面の度合いが激しい光学素子を精度良く測定することができる非球面測定装置及び方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、入射光を生成する干渉計と、前記入射光を反射させて試験光として形成する非球面を有する試験部材と、前記入射光の光路上に位置し、前記試験部材に向けて前記入射光を回折させるホログラムが形成される少なくとも一つの面を有する第１の光学素子と、前記第１の光学素子の後方に整列されて前記入射光を前記非球面に進めると共に、前記非球面から反射された試験光の前記ホログラムに対する入射角を低減する凹面を有する第２の光学素子とを備えることを特徴Ｅとする非球面測定装置を提供する。
ここで、前記第１の光学素子は、他の凹面をさらに備えることが望ましく、前記第２の光学素子は、ホログラムが形成される他の面をさらに備えることが望ましい。
前記試験部材の非球面に垂直に入射してから反射される前記試験光は、入射光路と同一光路に沿って反射される。
前記試験部材の後方に球面ミラーをさらに備えることが望ましい。
望ましくは、前記ホログラムは、ＣＧＨである。
【０００８】
前記技術的課題を達成するために、本発明はまた、光源からの光を光路変換器で入射光と参照光とに分岐する第１の段階と、前記入射光をホログラムの形成された第１の光学素子に入射させて前記ホログラムで回折させる第２の段階と、前記ホログラムで回折された前記入射光を凹面を有する第２の光学素子に入射させてから前記凹面に通す第３の段階と、前記凹面を通った前記入射光を非球面を有する試験部材で反射させて試験光として形成する第４の段階と、前記試験光と前記参照光とが干渉して形成された干渉縞から非球面の誤差を測定する第５の段階とを含むことを特徴とする非球面測定方法を提供する。
前記試験部材の非球面に垂直に入射してから反射される試験光は、入射光路と同一光路に沿って反射される。
前記試験部材の後方に球面ミラーをさらに配列して、前記試験部材を通った前記試験光を前記球面ミラーに垂直に入射させてから同一経路に沿って反射させる。
前記第５の段階において、前記非球面誤差を前記試験光と前記参照光との干渉縞のヌル干渉縞の偏差から測定する。
前記ホログラムは、ＣＧＨであることが望ましい。
前記試験部材が凸非球面を有する場合、前記凸非球面のエラーＳ２は、凹面のエラーＳ１と試験部材の屈折率ｎ及び透過波面ＴＲＷに対する下記数式を利用して求めることが望ましい。
（数式１）
【数３】
本発明はまた、前記技術的課題を達成するために、入射光を生成する干渉計と、前記入射光を反射させて試験光として形成する非球面を有する試験部材と、前記入射光の光路上に位置し、前記試験部材で前記入射光を回折させるホログラム、及び前記入射光の前記ホログラムに対する入射角を低減する凹面を有する光学素子とを備えることを特徴とする非球面測定装置を提供する。
前記試験部材の非球面に垂直に入射してから反射される試験光は、入射光路と同一光路に沿って反射される。
ここで、前記試験部材の後方に球面ミラーをさらに配列することが望ましい。
前記凹面には、ホログラムがさらに形成されることが望ましい。
望ましくは、前記ホログラムは、ＣＧＨである。
【００１０】
最後に、前記技術的課題を達成するために、本発明は、光源からの光を光路変換器で入射光と参照光とに分岐する第１の段階と、前記入射光をホログラム及び凹面を有する光学素子に通す第２の段階と、前記光学素子を通った前記入射光を非球面を有する試験部材で反射させて試験光として形成する第３の段階と、前記試験光と前記参照光とが干渉して形成されたイメージから非球面の誤差を測定する第４の段階とを含むことを特徴とする非球面測定方法を提供する。
前記試験部材の非球面に垂直に入射してから反射される試験光は、入射光路と同一光路に沿って反射される。
ここで、前記試験部材の後方に球面ミラーをさらに配列して、前記試験部材を通った試験光を前記球面ミラーに垂直に入射させてから同一経路に沿って反射させることが望ましい。
望ましくは、前記ホログラムは、ＣＧＨである。
前記試験部材が凸非球面を有する場合、前記凸非球面のエラーＳ２は、凹面のエラーＳ１と試験部材の屈折率ｎ及び透過波面ＴＲＷに対する前記数式を利用して求めることが望ましい。
【００１１】
本発明によれば、フィゾー干渉計及びトワイマン・グリーン干渉計を使用して参照光を形成することから、光学素子に入射する入射光は単に試験光にのみ関連して光学素子の製作上の高精度が要求されない。また、凹面を有する光学素子をホログラムの形成された光学素子またはホログラムの形成された入射面の後方に位置させ、光学素子の凹面を試験部材に向わせることにより、試験部材から反射される光のホログラムに対する入射角を低減してホログラムの格子間隔が大きくできるので、非球面の度合いが激しい試験部材の精度良い測定が可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき、本発明に係る非球面測定装置及び方法の実施形態を詳細に説明する。図中、各構成要素の大きさ及び厚さは本発明の実施形態を説明するために誇張されている。
【００１３】
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の第１及び第２の実施形態による非球面測定装置を各々示す図面である。
図３Ａを参照すれば、本発明の第１の実施形態による非球面測定装置は、干渉計３１と、干渉計３１から出射された光を集束させる集束レンズ３３と、前記集束された光の周波数を空間変調させる空間フィルタ３５と、空間フィルタ３５から入射する入射光Ｌｉを回折させるホログラム３４及び前記入射光を発散させる凹面３０が設けられている第１の光学手段３７と、第１の光学手段３７を通った光を反射させて試験光Ｌｔとして形成する非球面３８を有する試験部材３９とを備える。ここで、ホログラム３４は、ＣＧＨであることが望ましい。ここで、空間フィルタ３５は、不要な他の次数の回折ビームを遮断させるために使われる。図３Ｂを参照すれば、本発明の第２の実施形態による非球面測定装置は、前述した本発明の第１の実施形態による非球面測定装置と同様に、干渉計３１と、集束レンズ３３と、空間フィルタ３５と、試験部材３９とを備えるが、第２の光学手段６７は、ホログラム６４及び凹面６０を同時に備えるので、前記第１の光学手段３７とは異なって一つの光学部材で構成される。
入射光Ｌｉは、干渉計３１から出射されて集束レンズ３３を通り過ぎつつ空間フィルタ３５に向かって集束され、空間フィルタ３５を通った後に、ホログラム３４，６４及び凹面３０，６０が設けられている光学手段３７，６７を通って試験部材３９に進む。試験部材３９の非球面３８に垂直に入射してから同一光路に反射された入射光Ｌｉは試験光Ｌｔとなって同一光路に進む。
【００１４】
図４Ａないし図４Ｃを参照すれば、本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる第１の光学手段３７ａ，３７ｂ，３７ｃは、ホログラム３４ａ，３４ｂ，３４ｃが少なくとも一面に形成される第１の光学素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃと、入射光Ｌｉの出射面が凹面３０ａ，３０ｂ，３０ｃである第２の光学素子３６ａ，３６ｂ，３６ｃとを含んでなる。
ホログラム３４ａ，３４ｂ，３４ｃが形成される面の位置に応じて、図４Ａないし図４Ｃの３種に分けられる。非球面の度合い及び入射光の入射角に応じて適合した光学手段を選択し、第１の光学素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃと第２の光学素子３６ａ，３６ｂ，３６ｃとの距離を適当に調節して非球面を精度良く測定することができる。
【００１５】
図５は、一次元回折格子として働くＣＧＨを概略的に示す概念図である。
通常の１次元回折格子の形態を有するホログラム３４ａは、その格子間隔に対する方程式が下記数式２のように与えられる。
（数式２）
【数４】
本発明の実施形態による非球面測定装置に使われるホログラム３４の格子間隔Ｓは小さいほど製作し難くなるため、ホログラム３４の格子間隔Ｓを大きくするためには、ホログラム３４の製作時にホログラム３４に入射する試験光Ｌｔの入射角を低減する必要がある。
従って、ホログラム３４が形成される第１の光学素子３２の後方に凹面を有するレンズを配列して試験光Ｌｔの入射角を低減してホログラム３４を記録する。
本発明の実施形態による非球面測定装置において、試験部材３９に臨む凹面３０を有する第２の光学素子３６は、第１の光学素子３２の後方に整列され、この第１の光学素子３２上に、前記非球面３８から反射された試験光Ｌｔの入射角を低減することを用いて記録されたホログラム３４が形成されている。。
実際に、凹レンズを使用する以前には、レーザービームを利用して位相タイプのＣＧＨを製作する場合の最小格子間隔は１μｍであったが、凹レンズを使用した後のＣＧＨの最小格子間隔は３μｍと増加した。レーザーライティング装置（Laser writing machine）を使用してＣＧＨを製作する場合、格子間隔は３μｍが製作限界である。
【００１６】
図６Ａないし図６Ｇに、本発明の実施形態による非球面測定装置に使用する場合に、凹面を有する光学素子を備えることによりＣＧＨの格子間隔が次第に隔たっていく過程のシミュレーションが示されている。
図６Ａを参照すれば、非球面測定装置で従来使われていた平板型レンズ６７ａの、干渉計３１との対向面にＣＧＨ６４ａを記録する場合、ＣＧＨ６４ａの最小格子間隔は２ミクロンに形成される。
図６Ｂを参照すれば、平板型第１の光学素子６２ｂと、非球面３８との対向面は平面で第１の光学素子６２ｂとの対向面が凹面である第２の光学素子６６ｂとを配列した後、第１の光学素子６２ｂの干渉計３１との対向面にＣＧＨ６４ｂを記録すれば、ＣＧＨの最小格子間隔は略２．９ミクロンと若干隔たり、図６Ｃを参照すれば、干渉計３１との対向面が平面で非球面３８との対向面が凹面である光学素子６７ｃで前記平面にＣＧＨ６４ｃを記録すれば、ＣＧＨ６４ｃの最小格子間隔は略３．７ミクロンに隔たる。
図６Ｄを参照すれば、平板型第１の光学素子６２ｄと、第１の光学素子６２ｄの後方に非球面３８との対向面が凹面である第２の光学素子６６ｄとを整列して第１の光学素子３２の干渉計３１との対向面にＣＧＨ６４ｄを記録する場合、ＣＧＨ６４ｄの最小格子間隔は、図６Ｃに示されたように略３．７ミクロンとなり、図６Ｅを参照すれば、第１の光学素子６２ｅの干渉計３１との対向面は平面で反対面は凹面であり、第２の光学素子６６ｅの第１の光学素子６２ｅに対応する面が凹面で非球面３８との対向面が平面である場合、第１の光学素子６２ｅの干渉計３１との対向面にＣＧＨ６４ｅを記録すれば、ＣＧＨ６４ｅの最小格子間隔は略５ミクロンに隔たる。
図６Ｆを参照すれば、第１の光学素子６２ｆの干渉計３１との対向面は平面で反対面は凹面であり、第２の光学素子６６ｆの第１の光学素子６２ｆに対応する面が平面で非球面３８との対向面が凹面である場合に、第１の光学素子６２ｆの干渉計３１との対向面にＣＧＨ６４ｆを記録すれば、ＣＧＨ６４ｆの最小格子間隔は略６．５ミクロンに隔たり、図６Ｇを参照すれば、干渉計３１との対向面は平面で反対面は凹面である第１の光学素子６２ｇと、第１の光学素子６２ｇに対応する面及び非球面３８との対向面が共に凹面である第２の光学素子６６ｇを配列し、第１の光学素子３２の干渉計３１との対向面にＣＧＨ６４ｇを記録すれば、ＣＧＨ６４ｇの最小格子間隔は、最大１５ミクロンまで隔たる。
図６Ａないし図６Ｇまでのシミュレーションの結果から、第１の光学素子または第２の光学素子が凹面を多く備えるほどＣＧＨの格子間隔が隔たるということが分かる。
【００１７】
図７は、本発明の第３の実施形態による非球面測定装置を示す図面であって、図３Ａに示された本発明の第１の実施形態による非球面測定装置と光学系との構成が同一であるが、単に異なる点は、集束レンズ３３としてダイバージングレンズが使われており、非球面３８を有する試験部材３９の後方に球面ミラー４０がさらに設けられているということである。
球面ミラー４０が設けられていない場合、試験光Ｌｔは非球面３８に垂直に入射してから非球面３８から反射され、同一光路に沿って干渉計３１に向って進む。球面ミラー４０がさらに設けられる場合には、試験光Ｌｔは、非球面３８を通った透過光が球面ミラー４０の表面に垂直に入射してから反射され、さらに同一光路に沿って非球面３８を有した試験部材３９及びホログラム３４を通って干渉計３１に向かう。ここで、非球面３８が凸面である場合、球面ミラー４０をさらに設けて透過波面（ＴＲＷ；Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ）を形成することが望ましい。
本発明の第３の実施形態による非球面測定装置において、試験部材３９に無反射コーティングが施されている時、凸非球面３８に対して球面ミラー４０を使った場合と球面ミラー４０を使っていない場合との干渉計３１への到達光量に違いがある。
球面ミラー４０を使っていない場合、干渉計３１に達する光量は、凹面３０を通った光量（０．９８）×凸非球面から反射された光量（０．０２）×凹面を通ってからの光量（０．９８）であるのに対し、球面ミラー４０を使った場合、干渉計３１に達する光量は、凹面３０を通った光量（０．９８）×凸非球面を通ってからの光量（０．９８）×球面ミラー４０から反射されてからの光量（０．９９）×凸非球面を通ってからの光量（０．９８）×凹面を通ってからの光量（０．９８）となり、球面ミラー４０を使った場合の光量がはるかに高いということが分かる。光量が多いほどコントラストが高くなって、ヌル干渉縞を一層明確に観察することができる。
このように、光量に対する結果は、試験部材３９に無反射コーティングが施されていない場合にも同様に適用される。また、球面ミラー４０は、ホログラム３４に入射する光の入射角を低減する役割を果たす。すなわち、非球面３８から反射される試験光Ｌｔをそのまま使うより球面ミラー４０を使ってＣＧＨを形成する格子間隔を隔てることで、製作が容易になる。
本発明の第１ないし第３の実施形態による非球面測定装置には、試験光及び参照光を生成して干渉縞を形成するために、図８に示されているフィゾー干渉計または図９に示されているトワイマン・グリーン干渉計が使われる。
【００１８】
図８を参照すれば、フィゾー干渉計３１には、光源４１と、光源４１から発せられた光を集束させる集束レンズ４２と、特定の回折次数のビームのみを通すフィルタ４３と、参照光Ｌｒと試験光Ｌｔとが干渉してイメージを形成するイメージ面４９と、光路を分離して入射光のうち参照光Ｌｒはイメージ面４９に進める一方、試験光Ｌｔは非球面測定装置５０に進めるビームスプリッタ４５及び試験光Ｌｔを平行光に変えるコリメーティングレンズ４７が備えられている。
光源４１はレーザー光を発し、発せられたレーザー光のうち一部は非球面測定装置５０に向かう入射光Ｌｉとして、そして一部は参照光Ｌｒとして進む。
集束レンズ４２は、光源４１から発せられたレーザー光を集束させてビームスプリッタ４５に向わせる。集束レンズ４２とビームスプリッタ４５との間の光路上にはフィルタ４３が設けられて、入射する光のうち所定の周波数範囲に入る最適の光強度を有するビームのみを透過させる。
ビームスプリッタ４５は、入射光の一部としての参照光Ｌｒはその光路を９０°に変えてイメージ面４９に向わせる一方、試験光Ｌｔはそのまま通させて非球面測定装置５０に進める。
コリメーティングレンズ４７は、ビームスプリッタ４５を通った入射光Ｌｉ´を平行光に変え、コリメーティングレンズ４７の前方にはダイバージングレンズがさらに設けられてコリメーティングレンズ４７を通った入射光Ｌｉ´を収斂光として形成できるが、ここで、ダイバージングレンズは、図３の非球面測定装置において集束レンズ３３の機能をする。
入射光Ｌｉ´は、フィゾー干渉計３１を通った後に非球面測定装置５０に向かい、光学素子３７を通って非球面３０から反射されて試験光Ｌｔとなり、前記試験光Ｌｔがさらにフィゾー干渉計３１に入射する。フィゾー干渉計３１に入射した試験光Ｌｔはビームスプリッタ４５で光路が９０°変えられてイメージ面４９に進み、イメージ面４９で参照光Ｌｒと干渉して干渉縞を形成する。
【００１９】
図９は、本発明の実施形態において、トワイマン・グリーン干渉計を使って非球面測定装置を構成した場合の図面である。
図９を参照すれば、トワイマン・グリーン干渉計３１´には、光源５１と、光路を分離して入射光のうち参照光Ｌｒがその表面から反射される参照ミラー５２と、参照光Ｌｒと試験光Ｌｔとが干渉してイメージを形成するイメージ面５６及び参照ミラー５２から反射された参照光Ｌｒをイメージ面４９に進めて入射光Ｌｉ´は非球面測定装置に進めるビームスプリッタ５４が備えられている。
光源５１及びビームスプリッタ５４についての説明は、図８に示されたフィゾー干渉計と同じである。フィゾー干渉計とトワイマン・グリーン干渉計との最も大きい差異点は、参照光Ｌｒが進む光路が相異なるということである。示されたように、トワイマン・グリーン干渉計において、参照光Ｌｔは、試験光Ｌｒとは異なって、ビームスプリッタ５４から反射されて参照ミラー５２に進んでその表面から反射された後、さらにビームスプリッタ５４を通って試験光Ｌｒと同一光路に進む。
【００２０】
本発明の第１の実施形態による非球面測定方法は、図３Ａに示されたように、先ず、ホログラム３４を有する第１の光学素子３２と凹面３０を有する第２の光学素子３６とを備える非球面測定装置を使用する場合、光源からの光をビームスプリッタ４５で入射光Ｌｉ´と参照光Ｌｔとに分岐する第１の段階と、入射光Ｌｉ´をホログラム３４が形成された第１の光学素子３２に入射させてホログラム３４で回折させる第２の段階と、ホログラム３４で回折された入射光Ｌｉ´を凹面３０が形成された第２の光学素子３６に入射させた後に凹面３０に通す第３の段階と、凹面３０を通った入射光Ｌｉ´を非球面３８が形成された試験部材３９で反射させて試験光Ｌｔとして形成する第４の段階、及び試験光Ｌｔと参照光Ｌｒとが干渉して形成された干渉縞から非球面３８の誤差を測定する第５の段階を含む。
【００２１】
本発明の第２の実施形態による非球面測定方法は、図３Ｂに示されたように、ホログラム６４及び凹面６０を有する光学素子６７を利用する場合、図８に示されたように、光源４１からの光をビームスプリッタ４５を利用して入射光Ｌｉ´と参照光Ｌｔとに分岐する第１の段階と、入射光Ｌｉ´をホログラム３４及び凹面３０を有する光学素子６７に通す第２の段階と、光学素子６７を通った入射光Ｌｉを非球面３８を有する試験部材３９で反射させて試験光Ｌｔとして形成する第３の段階、及び試験光Ｌｔと参照光Ｌｒとが干渉して形成されたイメージから非球面３８の誤差を測定する第４の段階を含む。
ここで、ホログラム３４，６４は、入射光Ｌｉ´及び試験光Ｌｔが同一光路に進むように製造され、ＣＧＨであることが望ましい。
また、試験部材３９の後方に球面ミラー４０をさらに備えて試験部材３９を通った試験光Ｌｔを球面ミラー４０の表面または凸非球面に垂直に入射させた後、同一光路で反射された光をして再び非球面３８を有する試験部材３９及びホログラム３４に通して透過波面を形成せしめる。球面ミラー４０をさらに備える場合には、非球面３８が特に凸面である場合に好適である。
光源４１と第１の光学素子３２または光学素子６７との間の光路上にビームスプリッタ４５，５４を配列して入射光Ｌｉ´及び参照光Ｌｒの光路を変えることが望ましい。
【００２２】
本発明の第１及び第２の実施形態による非球面測定方法において、非球面誤差は、試験光Ｌｔと参照光Ｌｒとの干渉縞のヌル干渉縞からの偏差から測定される。
図３Ａに示された本発明の第１の実施形態による非球面測定装置及び測定方法を利用して凹非球面を測定したインターフェログラムが図１０Ａないし図１０Ｃに示されている。図１０Ａは、凹非球面のヌル干渉縞であり、図１０Ｂ及び図１０Ｃは、試験される凹非球面の２次元及び３次元位相マップである。この場合のヌル干渉縞とは、理想的な非球面で得られる干渉縞であり、図１０Ａは理想的な凹非球面で得られる干渉縞を示している。
非球面を有するレンズを製造した後に本発明の実施形態による測定装置及び方法を利用して干渉縞を測定した時、図１０Ａに示されたようなヌル干渉縞インターフェログラムが得られたならば、非球面レンズが正確に製造されたということを意味する。ヌル干渉縞に対する位相マップは０であって、ほとんど平面となる。
しかしながら、製造された非球面レンズの位相マップが図１０Ｂ及び図１０Ｃのように現れるのであれば、凹非球面が正確に加工されていないことを意味する。図１０Ｂ及び図１０Ｃを参照すれば、図１０Ｂにおける明るい部分は図１０Ｃにおけるピークであり、図１０Ｂにおける暗い部分は図１０Ｃにおけるバリーである。位相マップから、ピークツーバリーエラー（peak-to-valley error）が約７ウェーブであることが分かり、この情報に基づき非球面を約７ウェーブほど削る工程を行って正確な非球面を製造することができる。
図３Ｂに示されたように、本発明の第２の実施形態による非球面測定装置を利用し、ホログラムで回折されて凹面を通った後に凸非球面で反射されてさらに凹面を通った試験光と参照光との干渉波面を測定した結果が、図１１Ａ及び図１１Ｂに示されている。
【００２３】
図１１Ａ及び図１１Ｂは各々、フィゾー干渉計及び平凹レンズを備える非球面測定装置を利用して求められた透過波面のヌル干渉縞インタフェログラム及び２次元位相マップを示すものである。
透過波面ＴＲＷは、下記数式３で表わされる。
（数式３）
【数５】
凹面エラーから透過波面を引く前数式１のような位相マッピングのために、図１３に示されたように凹面に２つの基準点をおき、全ての測定において、干渉計のズーム位置は固定しなければならない。
【００２４】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、前数式３から求められる２次元及び３次元位相マップを示すものである。これらの図面から、試験部材の凸面は約２．９ウェーブのｒｍｓフィギュアエラーと約１４．２ウェーブの表面フィギュアエラーとを有することが分かる。
【００２５】
本発明の実施形態による測定装置は、凹面を有する光学素子を使って光の入射角を低減することによりホログラム格子間隔を大きく記録可能にしてホログラムの製作を容易にする。
本発明の実施形態による測定装置及び測定方法は、このようにして製作されたホログラム及び凹面を有する光学素子を利用することにより、非球面の度合いが激しい試験部材の面を精度良く測定することができる。
また、本発明の実施形態による測定装置及び測定方法において、ホログラム及び凹面を透過する光は試験光だけであるので、凹面の面精度がやや低い光学素子を使用することができ、試験光及び参照光の光路を同一にする必要がないので、フィゾー干渉計だけではなく、トワイマン・グリーン干渉計も使用することができるほか、クロムオンガラスタイプのＣＧＨ及び位相タイプのＣＧＨも使用することができる。
【００２６】
以上の説明において多くの事項が具体的に記載されているが、これらは発明の範囲を限定するよりは、望ましい実施形態の例示として解釈されなければならない。
例えば、本発明が属する技術分野における当業者であれば、本発明の技術的な思想により凹面を有する光学素子と他の形のホログラムを有する光学素子とを配列して非球面測定装置を製造することができるであろう。よって、本発明の範囲は説明された実施形態によって定められるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的な思想によって定められるべきである。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る非球面測定装置及び方法の長所は、凹面及びホログラムに入射する光の角度を低減して製造された格子間隔の大きいホログラムを利用して非球面の度合いが激しいレンズを正確に測定することができるということである。また、様々な干渉計及びＣＧＨを使用することができ、面精度がやや低い凹面を使用することができることから、非球面測定装置のコスト下げに寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 米国特許第５，７３７，０７９号公報に開示された非球面測定装置を示す図である。
【図２】 米国特許第５，５３０，５４７号公報に開示された非球面測定装置を示す図である。
【図３Ａ】 本発明の第１の実施形態による非球面測定装置を簡略に示す図である。
【図３Ｂ】本発明の第２の実施形態による非球面測定装置を簡略に示す図である。
【図４Ａ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の第１の具現例を示す図である。
【図４Ｂ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の第２の具現例を示す図である。
【図４Ｃ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の第３の具現例を示す図である。
【図５】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われるＣＧＨの格子間隔と入射光の入射角との関係を示す図である。
【図６Ａ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図６Ｂ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図６Ｃ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図６Ｄ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図６Ｅ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図６Ｆ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図６Ｇ】 本発明の実施形態による非球面測定装置に使われる光学素子の凹面とＣＧＨの格子間隔との関係による一具現例を示す図面である。
【図７】 本発明の第３の実施形態による非球面測定装置を示す図面である。
【図８】 本発明の実施形態による非球面測定装置のフィゾー干渉計を示す図面である。
【図９】 本発明の実施形態による非球面測定装置のトワイマン・グリーン干渉計を示す図面である。
【図１０Ａ】 本発明の実施形態による非球面測定方法により測定された凹面のヌル干渉縞を示すインタフェログラムである。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態による非球面測定方法により測定された凹面の２次元及び３次元位相マップである。
【図１０Ｃ】 本発明の実施形態による非球面測定方法により測定された凹面の２次元及び３次元位相マップである。
【図１１Ａ】 本発明の実施形態による非球面測定方法により測定された凸非球面のヌル干渉縞を示すインタフェログラムである。
【図１１Ｂ】 本発明の実施形態による非球面測定方法により測定された凸非球面の透過波面の２次元位相マップである。
【図１２Ａ】 本発明の実施形態による非球面測定方法により前記数式３から求められた２次元及び３次元位相図である。
【図１２Ｂ】 本発明の実施形態による非球面測定方法により前記数式３から求められた２次元及び３次元位相図である。
【図１３】 本発明の実施形態による非球面測定方法において、凹面に２つの基準点を表示した図面である。
【符号の説明】
３０・・・凹面
３１・・・干渉計
３２・・・第１の光学素子
３３・・・集束レンズ
３４・・・ホログラム
３５・・・空間フィルタ
３６・・・第２の光学素子
３７・・・第１の光学手段
３８・・・非球面
３９・・・試験部材
Ｌｉ´・・・入射光
Ｌｔ・・・試験光
Claims (17)
- 光を生成する干渉計と、
前記光の光路上に位置し、前記光を反射させて試験光として形成する非球面を有する試験部材と、
前記光の光路上の前記干渉計と前記試験部材との間に位置し、前記試験部材に向けて前記光を回折させるホログラムが形成される少なくとも一つの面を有する第１の光学素子と、
前記光の光路上の前記第１の光学素子と前記試験部材との間に整列されて前記光を前記非球面に進めると共に、前記非球面から反射された試験光の前記ホログラムに対する入射角を低減する凹面を有する第２の光学素子とを備え、
前記試験部材の非球面に垂直に入射してから反射される前記試験光は、前記試験部材に入射する光路と同一光路に沿って反射されることを特徴とする非球面測定装置。 - 前記第１の光学素子は、さらに他の凹面を備えることを特徴とする請求項１に記載の非球面測定装置。
- 前記第２の光学素子は、ホログラムが形成されるさらに他の面を備えることを特徴とする請求項１に記載の非球面測定装置。
- 前記試験部材の前記干渉計とは反対側に球面ミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の非球面測定装置。
- 前記ホログラムは、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ）であることを特徴とする請求項１に記載の非球面測定装置。
- 光源からの光を光路変換器で光と参照光とに分岐する第１の段階と、
前記光をホログラムの形成された第１の光学素子に入射させて前記ホログラムで回折させる第２の段階と、
前記ホログラムで回折された前記光を凹面を有する第２の光学素子に入射させてから前記凹面に通す第３の段階と、
前記凹面を通った前記光の少なくとも一部を、非球面を有する試験部材で前記光路変換器の方向に反射させて試験光として形成する第４の段階と、
前記試験光と前記参照光とが干渉して形成された干渉縞から非球面の誤差を測定する第５の段階とを含み、
前記第４の段階において、前記試験部材の非球面に垂直に入射してから反射させる試験光を、前記試験部材に入射する光路と同一光路に沿って反射させることを特徴とする非球面測定方法。 - 前記第４の段階において、
前記試験部材の前記干渉計とは反対側に球面ミラーをさらに配列して、前記試験部材を通った前記光の少なくとも一部を前記球面ミラーに垂直に入射させてから同一経路に沿って反射させることを特徴とする請求項６に記載の非球面測定方法。 - 前記第５の段階において、
前記非球面誤差を前記試験光と前記参照光との干渉縞のヌル干渉縞の偏差から測定することを特徴とする請求項６または７に記載の非球面測定方法。 - 前記ホログラムは、ＣＧＨであることを特徴とする請求項６に記載の非球面測定方法。
- 光を生成する干渉計と、
前記光の光路上に位置し、前記光を反射させて試験光として形成する非球面を有する試験部材と、
前記光の光路上の前記干渉計と前記試験部材との間に位置し、前記試験部材に向けて前記光を回折させるホログラム、及び前記光の前記ホログラムに対する入射角を低減する凹面を有する光学素子とを備え、
前記試験部材の非球面に垂直に入射してから反射される試験光は、前記試験部材に入射する光路と同一光路に沿って反射されることを特徴とする非球面測定装置。 - 前記試験部材の前記干渉計とは反対側に球面ミラーをさらに配列することを特徴とする請求項１０に記載の非球面測定装置。
- 前記凹面には、ホログラムがさらに形成されることを特徴とする請求項１０に記載の非球面測定装置。
- 前記ホログラムは、ＣＧＨであることを特徴とする請求項１０に記載の非球面測定装置。
- 光源からの光を光路変換器で光と参照光とに分岐する第１の段階と、
前記光をホログラム及び凹面を有する光学素子に、ホログラム、凹面の順番で通す第２の段階と、
前記光学素子を通った前記光の少なくとも一部を、非球面を有する試験部材で前記光路変換器の方向に反射させて試験光として形成する第３の段階と、
前記試験光と前記参照光とが干渉して形成された干渉縞から非球面の誤差を測定する第４の段階とを含み、
前記第３の段階において、前記試験部材の非球面に垂直に入射してから反射させる試験光を、前記試験部材に入射する光路と同一光路に沿って反射させることを特徴とする非球面測定方法。 - 前記第３の段階において、
前記試験部材の前記干渉計とは反対側に球面ミラーをさらに配列して、前記試験部材を通った前記光の少なくとも一部を前記球面ミラーに垂直に入射させてから同一経路に沿って反射させることを特徴とする請求項１４に記載の非球面測定方法。 - 前記第４の段階において、
前記非球面誤差を前記試験光と前記参照光との干渉縞のヌル干渉縞からの偏差から測定することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の非球面測定方法。 - 前記ホログラムは、ＣＧＨであることを特徴とする請求項１４に記載の非球面測定方法。
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