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JP2010169473A - Method of detecting optical axis position of lens and method of measuring eccentricity - Google Patents

Method of detecting optical axis position of lens and method of measuring eccentricity Download PDF

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JP2010169473A
JP2010169473A JP2009010960A JP2009010960A JP2010169473A JP 2010169473 A JP2010169473 A JP 2010169473A JP 2009010960 A JP2009010960 A JP 2009010960A JP 2009010960 A JP2009010960 A JP 2009010960A JP 2010169473 A JP2010169473 A JP 2010169473A
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JP
Japan
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lens
optical axis
light
axis position
optical
Prior art date
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Pending
Application number
JP2009010960A
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Japanese (ja)
Inventor
Masahiro Okitsu
昌広 興津
Ichiro Fujishiro
一朗 藤代
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Konica Minolta Opto Inc
Original Assignee
Konica Minolta Opto Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Konica Minolta Opto Inc filed Critical Konica Minolta Opto Inc
Priority to JP2009010960A priority Critical patent/JP2010169473A/en
Publication of JP2010169473A publication Critical patent/JP2010169473A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of detecting the optical axis position of a lens for rapidly acquiring the optical axis position of the lens with high accuracy, and to provide a method of measuring lens eccentricity for rapidly acquiring information on eccentricity between an external form center and the axis position with high accuracy. <P>SOLUTION: According to the method of detecting the optical axis position of a lens, concentric epi-illumination is conducted along the optical axis of a lens, and the optical axis position of the lens is detected by measuring the distribution profile (ring image) of light which is totally reflected by the rear face of the lens, goes through reflection N times (N is an integer not less than two), and returns along the optical axis. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば、光ピックアップ等の光学装置に用いられるレンズ光軸位置検出方法に関する。また本発明は、外形中心と光軸位置との間の偏芯情報が得られるレンズ偏芯測定方法に関する。   The present invention relates to a lens optical axis position detection method used in an optical apparatus such as an optical pickup, for example. The present invention also relates to a lens eccentricity measuring method that can obtain eccentricity information between the outer shape center and the optical axis position.

近年、光学記録媒体として、CD、DVDの他に、次世代DVD(例えば、Blu-ray(登録商標)等)が開発されており、異なる種類の記録媒体への記録/再生が可能な互換性のある光ピックアップ装置が求められている。光ピックアップ装置は、一般に、複数の光学素子を組み付けて構成されている。従って、複数のレンズで単一波長の結像スポットを形成するだけでなく、複数のレンズで二波長以上の結像スポットを形成することが望まれている。   In recent years, in addition to CD and DVD, next-generation DVDs (for example, Blu-ray (registered trademark), etc.) have been developed as optical recording media, and compatibility that enables recording / playback on different types of recording media There is a need for an optical pickup device having a certain size. An optical pickup device is generally configured by assembling a plurality of optical elements. Therefore, it is desired not only to form a single wavelength imaging spot with a plurality of lenses, but also to form an imaging spot with two or more wavelengths with a plurality of lenses.

光学素子は、予め外形加工(例えば、芯取り加工)され、単レンズ構成または複数レンズ構成で鏡枠に組み込まれる。その際、レンズの外形中心を基準として、レンズ鏡枠に組み込まれるが、レンズの光学面中心と外形中心が偏芯していると、所定の性能が得られない。特に、複数のレンズを組み合わせる場合、偏芯の影響は大きくなる。   The optical element is preliminarily processed (for example, centering) and incorporated into a lens frame with a single lens configuration or a multiple lens configuration. At that time, the lens is incorporated into the lens frame with the lens outer center as a reference. However, if the center of the optical surface of the lens and the outer center of the lens are decentered, predetermined performance cannot be obtained. In particular, when a plurality of lenses are combined, the influence of eccentricity becomes large.

従来、レンズの光学性能を用いて光学面中心を検出して組み立てる方法が提案されている(例えば、特許文献1)。この特許文献1には、複数の透過型光学素子を精度よく芯合わせ可能な光ピックアップ装置及びその調芯方法が開示されている。一方のレンズ(回折光学素子)には、軸芯上に芯合わせ用マークが形成されており、もう一方のレンズ(対物レンズ)には芯合わせ用マークが形成されていない。組み立ての際、対物レンズに対して照明光を照射し、その結像スポットを光学顕微鏡などで観察しながら、結像スポットの位置と回折光学素子の芯合わせ用マークとを一致させている。   Conventionally, a method of detecting and assembling the center of the optical surface using the optical performance of the lens has been proposed (for example, Patent Document 1). This Patent Document 1 discloses an optical pickup device capable of accurately aligning a plurality of transmission optical elements and an alignment method thereof. One lens (diffractive optical element) has a centering mark formed on the axis, and the other lens (objective lens) has no centering mark. At the time of assembly, the objective lens is irradiated with illumination light, and the position of the imaging spot is aligned with the centering mark of the diffractive optical element while observing the imaging spot with an optical microscope or the like.

特開2006−120259号公報JP 2006-120259 A

特許文献1では、一方のレンズ(対物レンズ)を通った光は、もう一方のレンズ(回折光学素子)の表面ではない部分に結像スポットを形成するため、結像スポットの位置と芯合わせ用マークとは光軸方向に沿って一定距離だけ離れている。そのため、観察の焦点合わせの際、光学顕微鏡を光軸方向に移動させる必要がある。   In Patent Document 1, since the light passing through one lens (objective lens) forms an imaging spot on a portion other than the surface of the other lens (diffractive optical element), the position of the imaging spot is used for alignment. The mark is separated from the mark by a certain distance along the optical axis direction. Therefore, it is necessary to move the optical microscope in the direction of the optical axis when focusing the observation.

この場合、1)光学的に影響のない程度まで芯合わせ用マークを小さくすると、成形での転写が困難になる。2)光学的に影響のない程度まで芯合わせ用マークを小さくすると、高倍率での観察が必要であることから、焦点深度が浅くなり、また視野も狭くなるため、結像スポットと芯合わせ用マークの2つを見つけるまでに時間がかかる。3)焦点合わせの移動方向を光軸方向に合わせる手段が別途必要になる。   In this case, 1) If the centering mark is made small to the extent that there is no optical influence, transfer in molding becomes difficult. 2) If the centering mark is made small to the extent that there is no optical influence, observation at a high magnification is necessary, so the depth of focus becomes shallow and the field of view becomes narrow. It takes time to find two of the marks. 3) A means for adjusting the moving direction of the focusing to the optical axis direction is separately required.

本発明の目的は、芯合わせ用マークを用いることなく、レンズの光軸位置を迅速かつ高精度で取得できるレンズ光軸位置検出方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a lens optical axis position detection method that can quickly and accurately acquire the optical axis position of a lens without using a centering mark.

また本発明の目的は、外形中心と光軸位置との間の偏芯情報を迅速かつ高精度で取得できるレンズ偏芯測定方法を提供することである。   It is another object of the present invention to provide a lens eccentricity measuring method that can quickly and accurately acquire the eccentricity information between the outer shape center and the optical axis position.

上記目的を達成するために、本発明に係るレンズ光軸位置検出方法は、レンズの光軸に沿って同軸落射照明を行い、レンズの裏面で全反射して光軸に沿って戻る光の分布形状を計測することにより、レンズの光軸位置を検出することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the lens optical axis position detection method according to the present invention performs coaxial epi-illumination along the optical axis of the lens, totally reflects light on the back surface of the lens, and returns light along the optical axis. The optical axis position of the lens is detected by measuring the shape.

本発明において、レンズ周囲の媒質の屈折率をn1、レンズ材料の屈折率をn2とし、
sin(θc)=n1/n2
を満たす臨界角θc以上の反射角で反射する光の分布形状を計測することが好ましい。
In the present invention, the refractive index of the medium around the lens is n1, the refractive index of the lens material is n2,
sin (θc) = n1 / n2
It is preferable to measure the distribution shape of the light reflected at a reflection angle equal to or greater than the critical angle θc that satisfies

また本発明に係るレンズ偏芯測定方法は、レンズの光軸に沿って同軸落射照明を行い、レンズの裏面で全反射して光軸に沿って戻る光の分布形状を計測することにより、レンズの光軸位置を検出するステップと、
レンズの外形中心を検出するステップと、
検出した光軸位置と外形中心との間の偏芯情報を求めるステップと、を含むことを特徴とする。
Further, the lens eccentricity measuring method according to the present invention performs coaxial epi-illumination along the optical axis of the lens, and measures the distribution shape of light that is totally reflected on the back surface of the lens and returns along the optical axis. Detecting the optical axis position of
Detecting the outer center of the lens;
Obtaining eccentricity information between the detected optical axis position and the center of the outer shape.

本発明によれば、レンズ裏面で全反射した光の進行方向は照明光の進行方向と平行に維持されるため、全反射した光の分布形状を計測することにより、レンズの光軸位置を迅速かつ高精度で検出することが可能になる。   According to the present invention, since the traveling direction of the light totally reflected on the back surface of the lens is maintained parallel to the traveling direction of the illumination light, the optical axis position of the lens can be quickly determined by measuring the distribution shape of the totally reflected light. And it becomes possible to detect with high precision.

本発明が適用可能な光学系の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the optical system which can apply this invention. 被検レンズMLの第2面で全反射した光の分布形状を示す平面図である。It is a top view which shows the distribution shape of the light totally reflected by the 2nd surface of the to-be-tested lens ML. 披検レンズMLをレンズ鏡枠61に組み込む様子を示すもので、図3(a)は断面図であり、図3(b)は平面図である。FIGS. 3A and 3B show a state in which the inspection lens ML is assembled in the lens barrel 61, FIG. 3A being a cross-sectional view, and FIG. 3B being a plan view. レンズの光学性能を測定する干渉計装置の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the interferometer apparatus which measures the optical performance of a lens. 検出したレンズ光軸を干渉計の光束に対して略同じ位置に置く方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the method of putting the detected lens optical axis in the substantially the same position with respect to the light beam of an interferometer. ステージ15または参照凹面ミラー31の退避動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the retraction | saving operation | movement of the stage 15 or the reference concave mirror 31. FIG. エア吸着によるレンズ固定を示す構成図である。It is a block diagram which shows the lens fixation by air adsorption | suction.

図1は、本発明が適用可能な光学系の一例を示す構成図である。光学系は、光源(不図示)、ビームスプリッタ55、撮像レンズ56、CCDカメラ等の撮像素子57等で構成される。被検レンズMLは、ビームスプリッタ55の下方に配置され、被検レンズMLの光軸が光学系の光軸とほぼ一致するように位置決めされる。本発明が適用可能な被検レンズMLは、CD、DVD、次世代DVD(例えば、Blu-ray(登録商標)等)の光ピックアップに好適に用いられる高NAのレンズ、即ち、光学面の曲率がかなり大きいレンズである。   FIG. 1 is a block diagram showing an example of an optical system to which the present invention can be applied. The optical system includes a light source (not shown), a beam splitter 55, an imaging lens 56, an imaging element 57 such as a CCD camera, and the like. The test lens ML is disposed below the beam splitter 55 and is positioned so that the optical axis of the test lens ML substantially coincides with the optical axis of the optical system. The test lens ML to which the present invention can be applied is a lens with a high NA that is suitably used for an optical pickup of a CD, DVD, or next-generation DVD (for example, Blu-ray (registered trademark)), that is, the curvature of the optical surface. Is a fairly large lens.

光源から平行な照明光が供給され、光軸に対して45°の角度に配置されたビームスプリッタ55によって反射して、被検レンズMLの光軸に沿って同軸落射照明を行う。照明光束のサイズは、被検レンズMLの光学加工面より大きな直径を有することが好ましい。   Parallel illumination light is supplied from the light source, reflected by the beam splitter 55 disposed at an angle of 45 ° with respect to the optical axis, and subjected to coaxial epi-illumination along the optical axis of the test lens ML. The size of the illumination light beam preferably has a larger diameter than the optically processed surface of the test lens ML.

照明光は、被検レンズMLの第1面を通過して第2面に到達する。このとき照明光の一部について全反射条件が成立し、第2面でN回反射(Nは2以上の整数)を経た後、最終の反射光は入射光と平行に出射されるようになる。   The illumination light passes through the first surface of the test lens ML and reaches the second surface. At this time, the total reflection condition is satisfied for a part of the illumination light, and after passing through the second surface N times (N is an integer of 2 or more), the final reflected light is emitted in parallel with the incident light. .

第2面での全反射条件として、レンズ周囲の媒質の屈折率をn1、レンズ材料の屈折率をn2とし、sin(θc)=n1/n2 を満たす臨界角θcが定義される。このとき第2面の法線方向に対する光の入射角をθi、反射角をθoとして、θi=θo≧θcが成立する。例えば、図1に示すように、2回反射の場合はθi=θo=45°、3回反射の場合はθi=θo=60°、4回反射の場合はθi=θo=67.5°、5回反射の場合はθi=θo=72°となる。一般に、N回反射(Nは2以上の整数)の場合、θi=θo=90°×(N−1)/Nとして計算できる。   As a total reflection condition on the second surface, a critical angle θc that satisfies sin (θc) = n1 / n2 is defined, where n1 is the refractive index of the medium around the lens and n2 is the refractive index of the lens material. At this time, θi = θo ≧ θc is established where the incident angle of light with respect to the normal direction of the second surface is θi and the reflection angle is θo. For example, as shown in FIG. 1, θi = θo = 45 ° in the case of two reflections, θi = θo = 60 ° in the case of three reflections, θi = θo = 67.5 ° in the case of four reflections, In the case of five reflections, θi = θo = 72 °. In general, in the case of N times reflection (N is an integer of 2 or more), it can be calculated as θi = θo = 90 ° × (N−1) / N.

第2面で全反射した光は、被検レンズMLの第1面から出射し、ビームスプリッタ55を通過して、撮像レンズ56によって結像され、撮像素子57で画像信号に変換される。   The light totally reflected by the second surface is emitted from the first surface of the lens ML to be tested, passes through the beam splitter 55, is imaged by the imaging lens 56, and is converted into an image signal by the imaging device 57.

図2は、被検レンズMLの第2面で全反射した光の分布形状を示す平面図である。レンズ中心の周りに、2回反射のリング像と3回反射のリング像が現れていることが判る。3回反射のリング像は、4回以上反射のリング像と重なっているため、太い線幅のリング像になる。   FIG. 2 is a plan view showing a distribution shape of light totally reflected by the second surface of the lens ML to be examined. It can be seen that a two-reflection ring image and a three-reflection ring image appear around the center of the lens. The ring image that is reflected three times overlaps with the ring image that is reflected four or more times, so that the ring image has a thick line width.

本発明では、こうした全反射のリング像に画像処理を施すことによって、リング像の中心を算出し、この中心位置を被検レンズMLの光軸位置として検出している。画像処理は任意の手法が採用でき、例えば、レンズ平面画像を適当な閾値で2値化し、リング像の外形を輪郭検出し、その重心から光軸位置を算出する。外形を輪郭検出する際、パターンマッチング手法で算出してもよい。重心から光軸位置を算出する際、あらかじめ設定したテンプレートの輪郭形状に対して、最小自乗法等による数学的な手法で算出してもよい。なお、これらの処理の前後や途中に、平滑化や膨張・収縮処理等によるノイズ除去・エッジ強調・コントラスト強調・フィルタ処理等を行ってもよい。さらには、すべての画像範囲(画素)において上記検出処理を行ってもよいし、全反射光が戻ると想定される範囲だけの画像を切り出して、画像の一部だけに処理を行ってもよい。   In the present invention, the center of the ring image is calculated by performing image processing on the total reflection ring image, and the center position is detected as the optical axis position of the lens ML to be measured. Any method can be used for the image processing. For example, the lens plane image is binarized with an appropriate threshold value, the contour of the ring image is detected, and the optical axis position is calculated from the center of gravity. When detecting the outline of the outer shape, it may be calculated by a pattern matching method. When calculating the optical axis position from the center of gravity, it may be calculated by a mathematical method such as a least square method with respect to a preset contour shape of the template. Note that noise removal, edge enhancement, contrast enhancement, filter processing, and the like by smoothing, expansion / contraction processing, or the like may be performed before, during, or during these processes. Furthermore, the above-described detection process may be performed in all image ranges (pixels), or an image only in a range where total reflected light is supposed to return may be cut out and processed only on a part of the image. .

さらに、図2に示すレンズ平面画像には、被検レンズMLの外形も見えている。従って、被検レンズMLの外形についても、上述と同様に、2値化、輪郭検出、重心検出等を行うことにより、レンズの外形中心を算出できる。   Furthermore, the outer shape of the lens ML to be examined is also visible in the lens plane image shown in FIG. Accordingly, the outer center of the lens ML can be calculated by performing binarization, contour detection, center of gravity detection, and the like for the outer shape of the lens ML to be tested.

そこで、全反射のリング像から求めた光軸位置と、レンズ外形から求めた外形中心とを比較し、両方の差分を演算することによって、両者間の偏芯情報を迅速かつ高精度で取得することができる。   Therefore, by comparing the optical axis position obtained from the total reflection ring image and the outer shape center obtained from the lens outer shape, and calculating the difference between the two, the eccentricity information between the two is obtained quickly and with high accuracy. be able to.

図3は、披検レンズMLをレンズ鏡枠61に組み込む様子を示すもので、図3(a)は断面図であり、図3(b)は平面図である。被検レンズMLは、レンズ鏡枠61の載置面に当接した状態で、レンズ位置調整手段60により、載置面と同一面内で位置決め可能である。よって、光軸方向に移動することなく、同一平面画像から、被検レンズMLのリング像から求めた光軸位置61Cを、レンズ鏡枠61の外形中心に正確に一致させることが可能になる。その後、接着剤を用いて被検レンズMLを固定する。   FIGS. 3A and 3B show a state in which the demonstration lens ML is assembled in the lens barrel 61, FIG. 3A is a cross-sectional view, and FIG. 3B is a plan view. The lens ML to be tested can be positioned in the same plane as the mounting surface by the lens position adjusting means 60 in a state where the lens ML is in contact with the mounting surface of the lens barrel 61. Therefore, it is possible to accurately match the optical axis position 61C obtained from the ring image of the lens ML to be tested with the outer center of the lens barrel 61 from the same plane image without moving in the optical axis direction. Thereafter, the test lens ML is fixed using an adhesive.

こうして組み立てたレンズユニットは、レンズの外形中心と光軸位置の偏芯による影響がキャンセルされており、レンズの光軸位置とレンズ鏡枠の外形中心が正確に一致しているため、装置にレンズ鏡枠の外形基準で組み込んだ際、所望の光学性能を達成できる。また、複数のレンズを、同一鏡枠に組み込む場合も、同じ手順にて行うことが可能である。   The lens unit assembled in this way cancels out the influence of the eccentricity of the lens outer center and the optical axis position, and the lens optical axis position and the outer center of the lens barrel exactly match, so Desired optical performance can be achieved when assembled according to the outer shape of the lens frame. Further, even when a plurality of lenses are incorporated in the same lens frame, the same procedure can be used.

また、上述の位置決めを行う際、被検レンズMLに事前に形成された、レンズの方向を識別するためのマークKを検出してもよい。マークは、レンズ成形時に形成してもよく、あるいは光軸位置検出前にレンズに加工してもよい。またマークは、塗料等を塗布(インクジェット等)してもよい。   Moreover, when performing the above-mentioned positioning, you may detect the mark K for identifying the direction of a lens previously formed in the to-be-tested lens ML. The mark may be formed at the time of lens molding, or may be processed into a lens before detecting the optical axis position. The mark may be applied with a paint or the like (inkjet or the like).

図3(b)では、マークKは線状であるが、また、マークの位置に特に制限はないが、光学性能に与える影響が小さく、組立の際に障害とならない位置に設けることが好ましい。例えば、図3(b)のようにフランジ部に設けてもよい。また、その形状に制限はなく、例えば、図3(b)のように線状でもよく、あるいは点状(不図示)でもよい。マークKはレンズ鏡枠に対して、常に一定方向にレンズを組み込むことに利用可能である。   In FIG. 3B, the mark K is linear, but the position of the mark is not particularly limited, but it is preferably provided at a position that does not interfere with optical performance and does not become an obstacle during assembly. For example, you may provide in a flange part like FIG.3 (b). Moreover, there is no restriction | limiting in the shape, For example, a linear form like FIG.3 (b) may be sufficient, or a dot form (not shown) may be sufficient. The mark K can be used to always incorporate the lens in a fixed direction with respect to the lens barrel.

また、平面画像から求めた、レンズ外形と光軸位置との偏芯方向の目印としても用いることが可能である。   It can also be used as a marker in the eccentric direction between the lens outer shape and the optical axis position, obtained from a planar image.

図4は、レンズの光学性能を測定する干渉計装置の一例を示す構成図である。この干渉計装置は、トワイマン・グリーン型の干渉計からなり、光学系として、光源12と、コリメータレンズ13と、光分割合成手段であるビームスプリッタ14と、被検対象用ステージ15と、参照平面ミラー16と、撮像レンズ17と、CCDセンサ18とを備える。また、この干渉計装置は、駆動制御系として、光源駆動回路21と、ステージ駆動装置23と、参照ミラー走査用のD/A変換回路24と、参照ミラー移動用のモータドライバ25と、画像処理装置26と、これらの動作を統括的に制御するコンピュータ27とを備える。   FIG. 4 is a configuration diagram illustrating an example of an interferometer apparatus that measures the optical performance of a lens. This interferometer apparatus is composed of a Twiman-Green type interferometer, and as an optical system, a light source 12, a collimator lens 13, a beam splitter 14 which is a light splitting / synthesizing means, a stage 15 to be examined, and a reference plane. A mirror 16, an imaging lens 17, and a CCD sensor 18 are provided. The interferometer device includes a light source driving circuit 21, a stage driving device 23, a reference mirror scanning D / A conversion circuit 24, a reference mirror moving motor driver 25, and image processing as a drive control system. The apparatus 26 and the computer 27 which controls these operation | movement centrally are provided.

光源12は、半導体レーザなどのコヒーレント光源として構成され、所定波長の検査光を出射する。光源12は、波長可変型の光源を用いてもよく、あるいは、異なる波長の光を放射する複数の光源を切り替えるように構成してもよい。   The light source 12 is configured as a coherent light source such as a semiconductor laser, and emits inspection light having a predetermined wavelength. The light source 12 may be a variable wavelength light source, or may be configured to switch a plurality of light sources that emit light of different wavelengths.

光源12は、光源駆動回路21によって制御される。光源12が半導体レーザである場合、光源駆動回路21は、高周波重畳回路21aを内蔵しており、DC電流に高周波電流を重畳したものを供給することで、光源12から出射する検査光のコヒーレンス長を所望の値に調整することができる。   The light source 12 is controlled by a light source driving circuit 21. When the light source 12 is a semiconductor laser, the light source driving circuit 21 has a built-in high-frequency superposition circuit 21a, and supplies a superposition of a high-frequency current on a DC current, so that the coherence length of inspection light emitted from the light source 12 is increased. Can be adjusted to a desired value.

コリメータレンズ13は、光源12からの出射光を平行光束に変換する。異なる波長の検査光を使用する場合、コリメータレンズ13として色消しレンズを用いたり、あるいはコリメータレンズ13を波長毎に対応するものに交換する。平行化された検査光は、ミラー30を経由してビームスプリッタ14に入射する。   The collimator lens 13 converts the light emitted from the light source 12 into a parallel light beam. When using inspection light of different wavelengths, an achromatic lens is used as the collimator lens 13, or the collimator lens 13 is replaced with one corresponding to each wavelength. The collimated inspection light enters the beam splitter 14 via the mirror 30.

ビームスプリッタ14は、平行平板状の透明プレートであり、ビーム分割面14aに例えば半透鏡膜を形成している。ビームスプリッタ14は、これに入射した検査光の一部をビーム分割面14aで反射して参照光とし、残りの検査光を透過させて被検光とする。   The beam splitter 14 is a parallel plate-like transparent plate, and a semi-transparent film, for example, is formed on the beam splitting surface 14a. The beam splitter 14 reflects a part of the inspection light incident thereon on the beam splitting surface 14a as reference light, and transmits the remaining inspection light as test light.

被検対象用ステージ15は、手動機構(不図示)またはステージ駆動装置23によって駆動可能であり、被検対象を3次元的に移動させて適所に保持する。図示の場合、被検対象用ステージ15には、被検対象である被検レンズMLが固定されている。なお、被検対象が図示のようにレンズでありその結像特性を計測する場合、被検レンズMLの後方に参照凹面ミラー31を配置し、被検レンズMLを通過した光を反射し、再び被検レンズMLを通過させてほぼ平行光束にしてビームスプリッタ14に戻し、参照光と干渉させる。被検レンズMLが、光ディスク用対物レンズ等の、所定の平行平面基板を介して集光するように設計されたレンズの場合、参照凹面ミラー31と被検レンズMLとの間にカバーガラス32を配置する。   The stage 15 to be examined can be driven by a manual mechanism (not shown) or a stage driving device 23, and the subject to be examined is moved in three dimensions and held in place. In the illustrated case, a test lens ML that is a test target is fixed to the test target stage 15. When the object to be examined is a lens as shown in the figure and its imaging characteristics are measured, a reference concave mirror 31 is disposed behind the lens to be examined ML, the light that has passed through the lens to be examined ML is reflected, and again The light passes through the lens ML to be tested, is converted into a substantially parallel light beam, is returned to the beam splitter 14, and interferes with the reference light. When the test lens ML is a lens designed to collect light through a predetermined parallel plane substrate such as an objective lens for an optical disk, a cover glass 32 is provided between the reference concave mirror 31 and the test lens ML. Deploy.

参照平面ミラー16は、入射面16aに例えば反射膜を形成している。参照平面ミラー16は、圧電素子41を介してアライメント装置42に固定されている。圧電素子41は、位相送り機構として、D/A変換回路24からの制御電圧に応じて伸縮し、参照ミラーを光軸OAの方向に波長オーダで精密に往復移動させることができる。アライメント装置42は、手動機構やモータドライバ25に駆動されて、参照平面ミラー16の光軸方向の位置や姿勢を適切な状態に保つ。   For example, the reference flat mirror 16 has a reflection film formed on the incident surface 16a. The reference plane mirror 16 is fixed to the alignment device 42 via the piezoelectric element 41. The piezoelectric element 41 can expand and contract in accordance with a control voltage from the D / A conversion circuit 24 as a phase feed mechanism, and can accurately reciprocate the reference mirror in the direction of the optical axis OA in the wavelength order. The alignment device 42 is driven by a manual mechanism or a motor driver 25 to keep the position and posture of the reference plane mirror 16 in the optical axis direction in an appropriate state.

撮像レンズ17は、ビームスプリッタ14を経て合成された、被検レンズMLからの被検光と参照平面ミラー16からの参照光とを合成光として集光する。なお、図示を省略しているが、撮像レンズ17には、これを光軸OA方向等に変位させる駆動機構を付設しており、かかる駆動機構等の調節によってフォーカス状態を調整することができる。   The imaging lens 17 condenses the test light from the test lens ML and the reference light from the reference plane mirror 16 synthesized through the beam splitter 14 as synthesized light. Although not shown, the imaging lens 17 is provided with a drive mechanism for displacing the imaging lens 17 in the direction of the optical axis OA and the focus state can be adjusted by adjusting the drive mechanism or the like.

CCDセンサ18には、撮像レンズ17によって一旦集光された合成光が干渉縞として投影される。この干渉縞のパターンは、電気信号として画像処理装置26に出力される。この電気信号は、CCDセンサ18に投影された干渉パターンに対応する画像信号としてコンピュータ27に出力される。なお、図示を省略しているが、CCDセンサ18には、これを光軸OA方向に移動させる駆動機構を付設しており、かかる駆動機構等の調節によってCCDセンサ18による撮像倍率を調整することができる。また、CCDセンサ18は、画像処理装置26側から制御されるカメラシャッタを有する。このカメラシャッタは、内蔵するフォトダイオードの蓄積時間を調節するものであり、入射する光強度にかかわらず適切な輝度分布の画像信号を与える。   The combined light once condensed by the imaging lens 17 is projected onto the CCD sensor 18 as interference fringes. The interference fringe pattern is output to the image processing device 26 as an electrical signal. This electrical signal is output to the computer 27 as an image signal corresponding to the interference pattern projected on the CCD sensor 18. Although not shown, the CCD sensor 18 is provided with a drive mechanism for moving the CCD sensor 18 in the direction of the optical axis OA, and the imaging magnification by the CCD sensor 18 is adjusted by adjusting the drive mechanism or the like. Can do. The CCD sensor 18 has a camera shutter controlled from the image processing device 26 side. This camera shutter adjusts the accumulation time of the built-in photodiode, and provides an image signal having an appropriate luminance distribution regardless of the incident light intensity.

コンピュータ27は、光源駆動回路21を制御して、光源12を点灯させるとともに、出射する検査光のコヒーレンス長を調整する。また、コンピュータ27は、D/A変換回路24を制御して、参照平面ミラー16を光軸方向に移動させることによって、CCDセンサ18に投影される干渉縞の移動を制御することができ、干渉縞の位置制御が行える。位相制御された最低3枚以上の干渉縞から測定対象の波面や形状を高精度に測定できる。   The computer 27 controls the light source driving circuit 21 to turn on the light source 12 and adjust the coherence length of the emitted inspection light. Further, the computer 27 can control the movement of the interference fringes projected on the CCD sensor 18 by controlling the D / A conversion circuit 24 and moving the reference plane mirror 16 in the optical axis direction. Stripe position can be controlled. The wavefront and shape of the measurement object can be measured with high accuracy from at least three interference fringes that are phase-controlled.

また、コンピュータ27は、モータドライバ25を制御してアライメント装置42を駆動し、参照平面ミラー16の光軸方向の位置を調整する。つまり、コンピュータ27、モータドライバ25、及びアライメント装置42は、光路差制御手段を構成する。これにより、CCDセンサ18に投影される干渉縞の明暗強度差に相当するビジビリティを調整することができ、被検対象による波面変化の計測精度を一定以上に保つことができる。   Further, the computer 27 controls the motor driver 25 to drive the alignment device 42 to adjust the position of the reference plane mirror 16 in the optical axis direction. That is, the computer 27, the motor driver 25, and the alignment device 42 constitute an optical path difference control unit. This makes it possible to adjust the visibility corresponding to the difference in light and dark intensity of the interference fringes projected on the CCD sensor 18, and to keep the measurement accuracy of the wavefront change due to the test object above a certain level.

次に、干渉計装置の動作について説明する。まず、被検対象用ステージ15上に被検対象である被検レンズMLをセットする。次に、アライメント装置42を手動または電動で動作させることにより、光軸OAに沿って参照平面ミラー16を移動させて距離L1を調節することができ、参照光路長及び被検光路長を実質的に等しくすることができる。   Next, the operation of the interferometer apparatus will be described. First, the test lens ML that is the test target is set on the test target stage 15. Next, by operating the alignment device 42 manually or electrically, the reference plane mirror 16 can be moved along the optical axis OA to adjust the distance L1, and the reference optical path length and the test optical path length can be substantially reduced. Can be equal to

次に、光源駆動回路21を動作させて、光源から特定波長の検査光を出射させる。この際、光源駆動回路21は、光源12に対してDC電流に高周波電流を重畳したものを供給して検査光のコヒーレンス長を調節する。つまり、光源駆動回路21やコンピュータ27は、コヒーレンス調整手段として機能する。これにより、必要な被検光のみを選択して参照光との干渉縞を発生させることができる。   Next, the light source driving circuit 21 is operated to emit inspection light having a specific wavelength from the light source. At this time, the light source drive circuit 21 adjusts the coherence length of the inspection light by supplying the light source 12 with a high-frequency current superimposed on the DC current. That is, the light source driving circuit 21 and the computer 27 function as coherence adjusting means. Thereby, it is possible to select only necessary test light and generate interference fringes with the reference light.

次に、アライメント装置42を微動させて、CCDセンサ18に投影される干渉縞のビジビリティを調整する。これにより、画像処理装置26で検出する干渉パターンのコントラストを所望の値に設定することができる。これと相前後して、CCDセンサ18のカメラシャッタを適宜調節して、画像処理装置26で検出する干渉パターンの輝度を調節する。具体的には、CCDセンサ18の蓄積時間を調節して、干渉パターンの輝度を干渉パターンの計測に適する値にする。この際、CCDセンサ18のカメラシャッタの調節を自動化することができる。例えば、画像処理装置26で検出した画像をコンピュータ27で解析して画像の平均輝度等からCCDセンサ18の蓄積時間を設定して画像処理装置26に指令信号を出力する。次に、コンピュータ27からD/A変換回路24に制御信号を出力して圧電素子41を変化させる。これにより、参照平面ミラー16を位相送りする走査が可能になり、高精度な波面計測が可能になる。   Next, the alignment device 42 is finely moved to adjust the visibility of the interference fringes projected on the CCD sensor 18. Thereby, the contrast of the interference pattern detected by the image processing device 26 can be set to a desired value. Before and after this, the brightness of the interference pattern detected by the image processing device 26 is adjusted by appropriately adjusting the camera shutter of the CCD sensor 18. Specifically, the accumulation time of the CCD sensor 18 is adjusted so that the luminance of the interference pattern is a value suitable for the measurement of the interference pattern. At this time, the adjustment of the camera shutter of the CCD sensor 18 can be automated. For example, the image detected by the image processing device 26 is analyzed by the computer 27, the accumulation time of the CCD sensor 18 is set from the average luminance of the image, etc., and a command signal is output to the image processing device 26. Next, a control signal is output from the computer 27 to the D / A conversion circuit 24 to change the piezoelectric element 41. As a result, it is possible to scan the phase of the reference plane mirror 16 and to perform highly accurate wavefront measurement.

さらに本実施形態では、被検対象用ステージ15に戴置した被検レンズMLの平面画像を撮像するための撮像カメラ51と、撮像カメラ51からの画像信号を処理するための画像処理装置52とが設置される。画像処理装置52で処理された信号はコンピュータ27に伝送され、必要に応じてスクリーン上に表示される。撮像カメラ51は、図1に示したように、被検レンズMLの第2面で全反射したリング像を取り込むための光学系として構成することが可能である。   Furthermore, in the present embodiment, an imaging camera 51 for capturing a planar image of the test lens ML placed on the test target stage 15, and an image processing device 52 for processing an image signal from the imaging camera 51, Is installed. The signal processed by the image processing device 52 is transmitted to the computer 27 and displayed on the screen as necessary. As shown in FIG. 1, the imaging camera 51 can be configured as an optical system for capturing a ring image totally reflected by the second surface of the lens ML to be measured.

干渉測定の際、干渉計の光束に対してレンズを置く位置が毎回異なって、光軸方向に垂直な平面内(X,Y)でばらつくと、参照凹面ミラー31の位置も測定毎に異なることとなる。特に、次世代DVD用のピックアップレンズ等として用いられる高NAレンズにおいては、ヌルフリンジに追い込む為に数nm〜数十nmの精度で調整を行っており、前回測定レンズからその凹面原器位置が大きく外れるとそのままでは干渉縞がでずに、再度干渉縞を出すための調整に時間がかかる。   When interferometric measurement is performed, the position of the lens with respect to the light beam of the interferometer changes every time, and if the position varies in the plane perpendicular to the optical axis direction (X, Y), the position of the reference concave mirror 31 also varies from measurement to measurement. It becomes. In particular, high NA lenses used as pickup lenses for next-generation DVDs are adjusted with an accuracy of several nanometers to several tens of nanometers in order to pursue null fringe, and the position of the concave surface of the original lens is larger than the previous measurement lens. If it is off, no interference fringes are produced as it is, and it takes time to make adjustments for producing the interference fringes again.

そこで、検出したレンズ光軸を干渉計の光束に対して常に略同じ位置に置くことで、連続して測定しても、鮮明な干渉縞が毎回得られ、参照凹面ミラー31の調整量も少なくてすむため、測定タクトタイムを短縮できる。さらには、測定毎に干渉縞の領域を抽出し、マスクを毎回設定する必要がなく、固定のマスクで測定可能となる。   Therefore, by always placing the detected lens optical axis at substantially the same position with respect to the light beam of the interferometer, a clear interference fringe can be obtained every time even if it is continuously measured, and the adjustment amount of the reference concave mirror 31 is small. Therefore, the measurement tact time can be shortened. Furthermore, it is not necessary to extract the interference fringe region for each measurement and set the mask every time, and measurement can be performed with a fixed mask.

検出したレンズの光軸を干渉計の光束に対して略同じ位置に置く方法としては、下記の手法が考えられる。図5のフローチャートに示すように、まず、ステージ15の平面画像から、内径15aの中心を算出し、干渉計の光束の中心と設定する(s1)。   As a method of placing the detected optical axis of the lens at substantially the same position with respect to the light beam of the interferometer, the following method can be considered. As shown in the flowchart of FIG. 5, first, the center of the inner diameter 15a is calculated from the planar image of the stage 15, and is set as the center of the light beam of the interferometer (s1).

次に、レンズMLの平面画像から、リング像の中心を算出し、レンズの光軸と設定する(s2)。これらを合わせることで、検出したレンズの光軸を干渉計の光束に対して略同じ位置に置く(s3)。   Next, the center of the ring image is calculated from the planar image of the lens ML and set as the optical axis of the lens (s2). By combining these, the detected optical axis of the lens is placed at substantially the same position with respect to the light beam of the interferometer (s3).

図4に戻って、ステージ内径の中心検出や、レンズのリング像の中心検出を行う場合、撮像カメラ51がレンズ台15や被検レンズMLに直接対向するように、参照凹面ミラー31を移動させる必要がある。   Returning to FIG. 4, when detecting the center of the inner diameter of the stage or detecting the center of the ring image of the lens, the reference concave mirror 31 is moved so that the imaging camera 51 directly faces the lens base 15 and the lens ML to be examined. There is a need.

図6は、ステージ15または参照凹面ミラー31の退避動作を示す説明図であり、図6(a)(c)(e)(g)は、図4の干渉計装置を上から見た平面図であり、図6(b)(d)(f)(h)はその正面図である。   6 is an explanatory view showing the retracting operation of the stage 15 or the reference concave mirror 31, and FIGS. 6A, 6C, 6E, and 6G are plan views of the interferometer device of FIG. 4 as viewed from above. FIGS. 6B, 6D, 6F, and 6H are front views thereof.

図6(a)〜(d)は、ステージ15は固定した状態で、参照凹面ミラー31を移動する態様を示す。図6(a)(b)において、参照凹面ミラー31を側方に移動した状態で、ステージ15の上方に配置した撮像カメラ51がステージ15や披検レンズMLの平面画像を撮像する。得られた平面画像からステージ内径の中心検出や、レンズのリング像の中心検出を行う。その後、図6(c)(d)に示すように、参照凹面ミラー31を元の位置に戻している。   6A to 6D show a mode in which the reference concave mirror 31 is moved while the stage 15 is fixed. 6A and 6B, the imaging camera 51 disposed above the stage 15 captures a planar image of the stage 15 and the demonstration lens ML while the reference concave mirror 31 is moved to the side. The center of the inner diameter of the stage and the center of the ring image of the lens are detected from the obtained planar image. Thereafter, as shown in FIGS. 6C and 6D, the reference concave mirror 31 is returned to the original position.

一方、図6(e)〜(h)は、参照凹面ミラー31は固定した状態で、ステージ15を移動する態様を示す。図6(e)(f)において、ステージ15を側方に移動した状態で、その上方に配置した撮像カメラ51がステージ15や披検レンズMLの平面画像を撮像する。得られた平面画像からステージ内径の中心検出や、レンズのリング像の中心検出を行う。その後、図6(g)(h)に示すように、参照凹面ミラー31を元の位置に戻している。   On the other hand, FIGS. 6E to 6H show a state in which the stage 15 is moved while the reference concave mirror 31 is fixed. 6E and 6F, in a state where the stage 15 is moved to the side, the imaging camera 51 disposed on the stage 15 captures a planar image of the stage 15 and the demonstration lens ML. The center of the inner diameter of the stage and the center of the ring image of the lens are detected from the obtained planar image. Thereafter, as shown in FIGS. 6G and 6H, the reference concave mirror 31 is returned to the original position.

こうした退避動作を行うためには、参照凹面ミラー31及び/又はステージ15の側方移動を可能にする直線移動機構(不図示)が干渉計装置の内部に設置される。なお、ステージ15を移動させる場合、載せたレンズがずれないようにレンズ固定が必要になる。レンズの固定は、機械的に固定してもよいし、エア吸着で固定してもよい。   In order to perform such a retracting operation, a linear moving mechanism (not shown) that allows the reference concave mirror 31 and / or the stage 15 to move sideways is installed inside the interferometer apparatus. When the stage 15 is moved, it is necessary to fix the lens so that the mounted lens does not shift. The lens may be fixed mechanically or may be fixed by air adsorption.

エア吸着で固定する方法としては、下記の手法が考えられる。図7に示すように、ステージ15の貫通孔には、気密性の内部空間を形成するための封止窓15bが設けられる。封止窓15bは、透明材料で形成され、迷光を防ぐために測定光の光軸に対して斜めに固定される。ステージ15の内部空間は管路15cを経由して吸引することにより、被検レンズMLをステージ15に密着させて固定することができ、ステージ15を移動させる場合、載せたレンズがずれることを防ぐことができる。   The following method can be considered as a method of fixing by air adsorption. As shown in FIG. 7, a sealing window 15 b for forming an airtight internal space is provided in the through hole of the stage 15. The sealing window 15b is formed of a transparent material, and is fixed obliquely with respect to the optical axis of the measurement light in order to prevent stray light. By sucking the internal space of the stage 15 via the conduit 15c, the lens ML to be tested can be fixed in close contact with the stage 15, and when the stage 15 is moved, the mounted lens is prevented from shifting. be able to.

本発明は、レンズの光軸位置を迅速かつ高精度で取得できる点で、産業上極めて有用である。   The present invention is extremely useful industrially in that the position of the optical axis of the lens can be acquired quickly and with high accuracy.

1 光学加工面
2 フランジ部
12 光源
13 コリメータレンズ
14 ビームスプリッタ
15 被検対象用ステージ
16 参照平面ミラー
17 撮像レンズ
18 CCDセンサ
21 光源駆動回路
23 ステージ駆動装置
24 D/A変換回路
25 モータドライバ
26,52 画像処理装置
27 コンピュータ
31 参照凹面ミラー
42 アライメント装置
51 撮像カメラ
55 ビームスプリッタ
56 撮像レンズ
57 撮像素子
ML 被検レンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical processing surface 2 Flange part 12 Light source 13 Collimator lens 14 Beam splitter 15 Stage for test 16 Reference plane mirror 17 Imaging lens 18 CCD sensor 21 Light source drive circuit 23 Stage drive device 24 D / A conversion circuit 25 Motor driver 26, 52 Image Processing Device 27 Computer 31 Reference Concave Mirror 42 Alignment Device 51 Imaging Camera 55 Beam Splitter 56 Imaging Lens 57 Imaging Element ML Test Lens

Claims (3)

レンズの光軸に沿って同軸落射照明を行い、レンズの裏面で全反射して光軸に沿って戻る光の分布形状を計測することにより、レンズの光軸位置を検出することを特徴とするレンズ光軸位置検出方法。   Coaxial epi-illumination is performed along the optical axis of the lens, and the optical axis position of the lens is detected by measuring the distribution shape of the light that is totally reflected on the back surface of the lens and returns along the optical axis. Lens optical axis position detection method. レンズ周囲の媒質の屈折率をn1、レンズ材料の屈折率をn2とし、
sin(θc)=n1/n2
を満たす臨界角θc以上の反射角で反射する光の分布形状を計測することを特徴とする請求項1記載のレンズ光軸位置検出方法。
The refractive index of the medium around the lens is n1, the refractive index of the lens material is n2,
sin (θc) = n1 / n2
2. The lens optical axis position detection method according to claim 1, wherein a distribution shape of light reflected at a reflection angle satisfying the above condition is equal to or greater than a critical angle θc.
レンズの光軸に沿って同軸落射照明を行い、レンズの裏面で全反射して光軸に沿って戻る光の分布形状を計測することにより、レンズの光軸位置を検出するステップと、
レンズの外形中心を検出するステップと、
検出した光軸位置と外形中心との間の偏芯情報を求めるステップと、を含むことを特徴とするレンズ偏芯測定方法。
Detecting the optical axis position of the lens by performing coaxial epi-illumination along the optical axis of the lens, measuring the distribution shape of the light that is totally reflected on the back surface of the lens and returning along the optical axis,
Detecting the outer center of the lens;
Obtaining a decentering information between the detected optical axis position and the center of the outer shape.
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