JP2003270091A - 光学系の波面収差測定方法及び波面収差測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シャックハルトマン法による波面収差測定に
おいて、放送用ズームレンズのように多くの倍率および
被写体距離などの多様な条件で使用される被検光学系の
光学性能を、簡便に測定できる方法及び装置を提供する
こと。 【解決手段】 点光源からの光束を照射光学系により被
検光学系に照射した後、折り返しミラーでもと来た光路
を逆行させ、該被検光学系から該照射光学系中のマッチ
ングレンズを戻って広がった光束をマイクロレンズアレ
イに導き、該マイクロレンズの焦点面に配置した撮像素
子により検出する光束位置より該被検光学系の波面収差
を算出するシャックハルトマン法による光学系の波面収
差測定方法及び装置において、該マッチングレンズの前
記被検光学系に対する光束の拡がり該被検光学系の有効
光束の状態に合わせて可変であることを特徴とする波面
収差測定方法及び装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学系の波面収差測
定方法及び波面収差測定装置に関するもので、特にシャ
ックハルトマン法を用いて高精度、かつ簡便に多様な光
学系の波面収差を測定することができ、更にこれらの方
法及び装置により検査、製造あるいは性能保証される光
学系に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】光学系の収差測定には古くから様々な方
法が知られているが、光線収差を直接測定するハルトマ
ン法は最もよく知られた方法の一つである。ハルトマン
法で測定精度を向上させるために被検光学系（検査され
る光学系）の波面の分割数を上げようとすると、細い光
線を使用する必要があり、微弱な光の検出を行うことが
必須となる。レーザーを用いた干渉計の普及により、一
時期ハルトマン法は使用されることが少なくなってい
た。しかしながら近年、複数の微小なレンズアレーと高
感度な撮像素子を用いて、この方法は新たにシャックハ
ルトマン法として利用されてきている。シャックハルト
マン法には波長に特別な制限がないこと、大掛かりな干
渉計を組まずに簡単な系で測定できること等の特長があ
る。

【０００３】日本の国立天文台がハワイ島に作ったすば
る望遠鏡にはシャックハルトマン法が採用されている。
図２（文献：「超精密生産技術体系 第３巻 計測・制
御技術」864ページ、小林昭 監修、（株）フジ・テク
ノシステムより1995年7月15日発行）はすばる望遠鏡の
測定光学系を示したもので、カセグレン型の天体望遠鏡
の焦点に置かれたシャックハルトマン式の鏡面検査装置
を示している。

【０００４】すばる望遠鏡では天体の星の追尾を、望遠
鏡の方向を姿勢制御しながら行う。したがって口径８ｍ
の大型主鏡の姿勢が変化していくことになるが、追尾に
よる姿勢変化は主鏡の表面すなわち鏡面の変形を引き起
こす。図２のシャックハルトマン式の鏡面検査装置は該
鏡面の変形を測定するもので、該測定結果に基づいて正
しい面になるように、主鏡の裏に設けた能動支持機構で
面補正が行われる。

【０００５】図２の系では参照光源２１に近接しておか
れたピンホール２２の像を、レンズ２３を用いて基準と
なる天体望遠鏡の焦点位置に投影し、点光源像を形成す
る。参照として該点光源像をコリメータ２４、マイクロ
レンズ２５とＣＣＤ２６とで予め測定しておく。然る後
に天体望遠鏡の波面を測定し、予め測定しておいた点光
源像の値を差し引けば、天体望遠鏡の波面収差が決定で
きる。決定された収差を分析して補正可能な鏡面変形量
に換算し、前記能動支持機構で補正が行われる。

【０００６】しかしながら図２に示した方法、装置は、
測定対象が口径８ｍの大型主鏡のみであるため、コリメ
ータは決まった焦点距離となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】シャックハルトマン法
は簡便で、高精度な測定ができるにもかかわらず、従来
はすばる望遠鏡のような特殊な用途でしか用いられてこ
なかった。現状では、コリメータレンズが固定である等
の限定された構成しか知られていない。ズームレンズの
ように多くの倍率および物体距離などの多様な条件で使
用される被検光学系の光学性能は高価な干渉計を用意
し、各条件に対する干渉計用の光学素子を個別に用意す
るなどして対応しており、汎用性に富む検査装置とはな
っていなかった。本発明はシャックハルトマン法の特徴
を生かしつつ、該方法の適用範囲を伸ばし、多様な条件
で使用される光学系を簡便な波面収差測定方法及び波面
収差測定装置の提供を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、請求項１の発明は光学系の波面収差測定装置では光
源と、該光源からの光束を照射光学系により被検光学系
に照射した後、折り返しミラーでもと来た光路を逆行さ
せ、前記被検光学系から前記照射光学系中のマッチング
レンズを戻って広がった光束をマイクロレンズアレイに
導き、前記マイクロレンズの焦点面に配置した撮像素子
により検出する光束の位置より前記被検光学系の波面収
差を算出する際、前記マッチングレンズの前記被検光学
系に対する光束の広がりが可変であることを特徴として
いる。

【０００９】請求項２の発明の波面収差測定装置では請
求項１記載の発明で前記マッチングレンズがズームレン
ズであることを特徴としている。

【００１０】請求項３の発明の波面収差測定装置では請
求項１記載の発明で前記マッチングレンズが交換式のレ
ンズ群であることを特徴としている。

【００１１】請求項４の発明の波面収差測定装置では請
求項２、３記載の発明で前記マッチングレンズが前記被
検光学系のＦｎｏの値にマッチするように光束の広がり
状態を制御することを特徴としている。

【００１２】請求項５の発明の波面収差測定装置では請
求項４記載の発明で前記被検レンズの代わりに既知の収
差量を持つ校正用光学系の測定を行い、該校正用光学系
の測定値から前記被検レンズの収差量を校正することを
特徴としている。

【００１３】請求項６の発明の波面収差測定装置では請
求項１〜５記載の発明で前記照射光学系の状態を検出す
るシャッター及びモニタ光学系を設けたことを特徴とし
ている。

【００１４】請求項７の発明の光学系の波面収差測定方
法では光源と、該光源からの光束を照射光学系により被
検光学系に照射した後、折り返しミラーでもと来た光路
を逆行させ、前記被検光学系から前記照射光学系中のマ
ッチングレンズを戻って広がった光束をマイクロレンズ
アレイに導き、前記マイクロレンズの焦点面に配置した
撮像素子により検出する光束の位置より前記被検光学系
の波面収差を算出する際、前記マッチングレンズの前記
被検光学系に対する光束の広がりを、前記被検光学系の
有効光束の状態に合わせて調整することを特徴としてい
る。

【００１５】請求項８の発明の波面収差測定方法では請
求項７記載の発明で前記マッチングレンズが前記被検光
学系のＦｎｏの値にマッチするように光束の広がり状態
を制御することを特徴としている。

【００１６】請求項９の発明の波面収差測定方法では請
求項８記載の発明で前記被検レンズの代わりに既知の収
差量を持つ校正用光学系の測定を行い、該校正用光学系
の測定値から前記被検レンズの収差量を校正することを
特徴としている。

【００１７】請求項１０の発明の波面収差測定方法では
請求項７記載の発明で前記照射光学系の状態を前記モニ
タ光学系で検出することを特徴としている。

【００１８】請求項１１の発明の前記被検光学系は請求
項１〜１０記載の発明の装置また方法を用いて検査、製
造、性能保証したことを特徴としている。

【００１９】本発明のシャックハルトマン法による波面
収差測定においては、被検光学系への照射光学系内に可
変光学系を設けたことにより、被検光学系に有効に光束
を導くことができ、多様な光学系の検査を簡便な構成で
高精度に測定することを可能にした。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は本発明のシャックハルトマ
ン法を利用した波面収差測定装置の実施形態１の要部概
略図を示したものである。

【００２１】光源１から出た光束は集光レンズ２でピン
ホール３に集光され点光源を形成する。ピンホール３を
通過した光束はコリメータレンズ４と色フィルター５
で、所定の波長で平行な光束に変換される。変換された
光束はハーフミラー６で半分だけ反射され、マッチング
レンズ７に入射する。また、ハーフミラー６を透過した
光束は平面ミラー８に導かれ、反射して元に戻るモニタ
光路になる。モニタ光路は被検レンズ（被検光学系）９
の測定の時にはシャッター１０で遮光されているが、後
述するように必要に応じてシャッターを開いて光を導
き、光源１からハーフミラー６にいたる集光光学系２〜
５の異常をチェックするのに用いられる。

【００２２】次に被検レンズ（被検光学系）９に光束を
導く光路について説明する。ハーフミラー６を反射した
光束はマッチングレンズ７に入射して被検レンズ９の前
側焦点位置に集光される。マッチングレンズ７は入射光
束を該被検レンズ９に有効に入射させる役目をするもの
で、具体的には被検レンズ９のＦｎｏ（Ｆナンバー）に
合わせるように光束を変換する。様々な被検レンズの状
態に対応するため、図１ではマッチングレンズ７として
ズームレンズが使われている。光源１からマッチングレ
ンズ７にいたる光学系は被検レンズ９への照射光学系と
考えることができる。

【００２３】被検レンズ９は前側焦点をマッチングレン
ズ７の後側焦点と一致する位置に配置する。また、被検
レンズ９として放送用レンズ１１を対象とする場合に
は、被検レンズとマッチングレンズの間に検査用のダミ
ーガラス１１を挿入する。放送用レンズは使用時、プリ
ズムで構成される色分解光学系を介して撮像素子に導か
れるからである。検査用のダミーガラスの光学特性は厚
み、硝材、面精度などが色分解光学系と収差の観点で等
価なものとする。

【００２４】マッチングレンズ７から被検レンズ９を通
過して出射した光束は、折り返しミラー１２で反射され
て、もと来た光路に戻される。被検レンズ９の検査条件
で距離が無限遠の場合、折り返しミラー１２は平面、有
限距離の場合は凸面ミラーとなる。

【００２５】折り返しミラー１２から戻ってきた光束
は、もと来た光路を逆進して前記ハーフミラー６までも
どり、該ハーフミラー６を透過後、マイクロレンズアレ
イ１３に入射する。マイクロレンズアレイ１３の焦点位
置には２次元撮像素子１４が配置され、各マイクロレン
ズ１３による光束のスポット位置を検出し、検出された
複数個の光束の位置より被検レンズ９の波面収差が測定
される。

【００２６】被検レンズ９を他のズーム状態で波面を測
定する場合は、マッチングレンズ７のズーム状態を測定
条件に応じて変化させれば、同じ構成を保ったままで測
定が可能となる。また、マッチングレンズ７は被検レン
ズ９のＦｎｏに合わせるようにセットするので、必ずし
もズームレンズである必要はなく、予め用意されたレン
ズ群の交換方式であっても良い。しかしながら、被検レ
ンズを測定するときの光学系の構成で変化するのはマッ
チングレンズのみで、他の構成要素は不変である。従っ
て、図１のシャックハルトマン法の構成は被検レンズの
様々な状況に同じ測定配置で対応できる極めてフレキシ
ブルかつ簡単な測定方法および測定装置である。

【００２７】本実施形態は測定光が折り返しミラー１２
を介した反射により被検レンズを２回透過するので、１
回の透過を用いる従来の手法に比べ２倍の感度を持つ。

【００２８】本測定方法では被検レンズ９の測定前又は
測定後に、マッチングレンズ７の後に既知の収差を持つ
校正用光学系１５を用いて波面収差計測を行うキャリブ
レーション作業を行うことによってオフセット補正を
し、より高精度な測定を行うことができる。

【００２９】図１ではマッチングレンズ７の直後の光路
に校正用光学系１５が挿入可能となっている。校正用光
学系１５は被検レンズ９の状態に応じて単純な凹面ある
いは凸面ミラーで構成することができる。スペースの関
係からは図に示すようにいったんミラーで光路を折り曲
げて校正用の凹面あるいは凸面ミラーに導く配置もあり
うる。挿入される校正用光学系１５が本装置に内蔵され
ておれば、キャリブレーション機能を操作性良く行うこ
とができる。

【００３０】実際に２次元撮像素子１４で検出される収
差にはマッチングレンズ７の収差も含まれている。従っ
てマッチングレンズ７を可変にしたことに伴うマッチン
グレンズ自体の収差の影響は校正用光学系によって除去
することができる。逆に、マッチングレンズと校正用光
学系を介した光学系の波面収差測定から、マッチングレ
ンズ自体の波面収差を測定することもできる。

【００３１】図１の構成では高精度化や装置状態のチェ
ック機能を設けるため、様々なシャッター１０が設けら
れている。ピンホール３の直後に設けられたシャッター
１６は光源１からの光を遮光してしまうので、２次元撮
像素子１４に光が入射せず、２次元撮像素子１４の暗電
流補正に用いられる。

【００３２】マッチングレンズ７の前のシャッター１０
ａを閉じ、ハーフミラー６の下のシャッター１０ｂを開
けて平面ミラー８からの反射光束の波面収差を測定すれ
ば、光源１から集光レンズ２、ピンホール３、コリメー
タレンズ４、色フィルター５そしてハーフミラー６にい
たる集光光学系の収差が測定できる。上記のシャッター
動作を必要に応じて行うことにより集光光学系の異常が
検知される。

【００３３】以上に述べてきた手法により、本実施形態
の測定装置はオフセット補正や、装置自体の変化、異常
等を測定できるため、精度向上の達成とともに測定機自
体の保証も可能となる。

【００３４】本実施形態ではズームレンズや被写体距離
といった測定条件が変化する被検レンズの波面測定にお
いても、被検レンズと照射光学系、マイクロレンズアレ
イ、２次元撮像素子の相対関係がハーフミラーを介して
全く変化していない。各種の条件で測定を行っても光束
の量が変化せず、いつもほぼ同光量が２次元撮像素子に
入射するため、安定した出力が得られる。この結果、安
定した測定精度を得ることができる。

【００３５】本実施形態の波面測定装置は汎用性に富み
様々な測定条件に対応できるので、放送用レンズに代表
される多くのズーム条件や被写体距離という多様な使用
条件で使用される光学系の測定も、一つの基本構成でま
かなうことができる。また特別高価な素子を使う構成で
はないため、安価な測定装置を実現することが可能であ
る。従って、本実施形態の波面測定装置により検査、製
造、性能保証を行うことにより、多種の光学系を効率よ
く提供することが可能となる。

【００３６】いままではわかり易く、光源をピンホール
板に集光し点光源としたが、実際には、点でなく有限な
円形やドーナッツ形状またまた三角形の光源などでも、
２次元撮像素子１４で光の分布の変位が測定できるので
あれば、光源の形状やサイズは構わない。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では点光源
からの光束を照射光学系により被検光学系に照射した
後、折り返しミラーでもと来た光路を逆行させ、該被検
光学系から該照射光学系中のマッチングレンズを戻って
広がった光束をマイクロレンズアレイに導き、該マイク
ロレンズの焦点面に配置した撮像素子で検出する光束位
置より該被検光学系の波面収差を算出するシャックハル
トマン法による光学系の波面収差の測定において、該マ
ッチングレンズの前記被検光学系に対する光束の広がり
を該被検光学系の有効光束の状態に合わせて可変として
いる。マッチングレンズの状態を可変とすることによ
り、一つの波面収差測定装置で多様な光学系の波面収差
測定が可能となる。又、光学系の構成から測定光が被検
光学系を２回通過するため、収差検出の感度も増大して
いる。

【００３８】本発明では、別に各種のシャッター機能や
キャリブレーション機能を搭載することにより、高精度
で、自己保証が容易、かつ安定した波面収差の測定がで
きる。

【００３９】また本発明の波面測定装置を用いれば多様
な光学系を簡便に検査、製造、性能保証して、効率よく
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１を示す概略図。

【図２】 すばる望遠鏡に適用されている従来の波面測
定装置の概略図。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 集光レンズ ３ ピンホール ４ コリメータレンズ ５ 色フィルター ６ ハーフミラー ７ マッチングレンズ ８ 平面ミラー ９ 被検レンズ（被検光学系） １０ シャッター １１ 放送用レンズ １２ 折り返しミラー １３ マイクロレンズアレイ １４ ２次元撮像素子 １５ 校正用光学系 １６ シャッター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷口 誠 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 松田 融 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 鈴木 正治 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 2G086 HH06

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、該光源からの光束を照射光学系に
   より被検光学系に照射した後、折り返しミラーでもと来
   た光路を逆行させ、前記被検光学系から前記照射光学系
   中のマッチングレンズを戻って広がった光束をマイクロ
   レンズアレイに導き、前記マイクロレンズの焦点面に配
   置した撮像素子により検出する光束の位置より前記被検
   光学系の波面収差を算出する光学系の波面収差測定装置
   において、前記マッチングレンズの前記被検光学系に対
   する光束の広がりが可変であることを特徴とする光学系
   の波面収差測定装置。
2. 【請求項２】前記マッチングレンズがズームレンズであ
   ることを特徴とする請求項１記載の波面収差測定装置。
3. 【請求項３】前記マッチングレンズが交換式のレンズ群
   であることを特徴とする請求項１記載の波面収差測定装
   置。
4. 【請求項４】前記マッチングレンズが前記被検光学系の
   Ｆｎｏの値にマッチするように光束の広がり状態を制御
   することを特徴とする請求項２、３記載の波面収差測定
   装置。
5. 【請求項５】前記被検レンズの代わりに既知の収差量を
   持つ校正用光学系の測定を行い、該校正用光学系の測定
   値から前記被検レンズの収差量を校正することを特徴と
   する請求項４記載の波面収差測定装置。
6. 【請求項６】前記照射光学系の状態を検出するシャッタ
   ー及びモニタ光学系を設けたことを特徴とする請求項１
   〜５記載の波面収差測定装置。
7. 【請求項７】光源と、該光源からの光束を照射光学系に
   より被検光学系に照射した後、折り返しミラーでもと来
   た光路を逆行させ、前記被検光学系から前記照射光学系
   中のマッチングレンズを戻って広がった光束をマイクロ
   レンズアレイに導き、前記マイクロレンズの焦点面に配
   置した撮像素子により検出する光束の位置より前記被検
   光学系の波面収差を算出する光学系の波面収差測定方法
   において、前記マッチングレンズの前記被検光学系に対
   する光束の広がりを、前記被検光学系の有効光束の状態
   に合わせて調整することを特徴とする光学系の波面収差
   測定方法。
8. 【請求項８】前記マッチングレンズが前記被検光学系の
   Ｆｎｏの値にマッチするように光束の広がり状態を制御
   することを特徴とする請求項７記載の波面収差測定方
   法。
9. 【請求項９】前記被検レンズの代わりに既知の収差量を
   持つ校正用光学系の測定を行い、該校正用光学系の測定
   値から前記被検レンズの収差量を校正することを特徴と
   する請求項８記載の波面収差測定方法。
10. 【請求項１０】前記照射光学系の状態を前記モニタ光学
    系で検出することを特徴とする請求項７記載の波面収差
    測定方法。
11. 【請求項１１】請求項１〜１０記載の装置また方法を用
    いて検査、製造、性能保証したことを特徴とする前記被
    検光学系。