JP2005345105A - 波面収差評価方法および波面収差評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 波面収差の評価に要する時間を減少することである。
【解決手段】 本発明の波面収差評価方法は、（ａ）少なくともいずれか一方が上記光学系の波面収差を含む第１と第２の光を重ねて干渉縞を形成する工程と、（ｂ）上記第１の光の位相と上記第２の光の位相との位相差を、所定の位相間隔２π/ｎ（ｎ：２以上の整数）をあけて、最小位相差と最大位相差との差が少なくとも（２π/ｎ）・（ｎ＋１）を超えるまで変化させる工程と、（ｃ）上記所定の位相間隔ごとに干渉縞画像を撮像する工程と、（ｄ）上記所定の位相間隔をあけて連続する複数の干渉縞画像からなる画像群を複数作成する工程と、（ｅ）上記複数の画像群のそれぞれについて、上記画像群に含まれる複数の画像から波面収差を求める工程と、（ｆ）上記複数の画像群について求めた複数の波面収差を平均して上記光学系の波面収差を評価する工程とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レンズなどの光学系、例えば、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）に情報を読み書きする光ヘッドなどの光学系の波面収差を評価する波面収差評価方法及び波面収差装置に関する。

従来からレンズやプリズムなど光学系の光学特性の評価には干渉計測が利用されている。この干渉計測は光ヘッドなどの光学機器の光学系の評価にも利用されており、この干渉計測によれば光学系から出射された光の波面特性を評価することによって光学系の波面収差を高精度に評価できる。

干渉計測を利用した光学系の光学特性評価の一例を、図８〜１０を参照しながら説明する。図８は、トワイマングリーン型の干渉光学系を用いることにより、被評価レンズからの光を用いて該被評価レンズの波面収差を評価する波面収差評価装置の構成を概略的に示したものである。波面収差評価装置１０において、光源１２から出射した光は、ハーフミラー１４で２つに分離される。ハーフミラー１４で反射した光は、ミラー１６に反射されて第１の光Ａとして、ハーフミラー１４を透過して結像レンズ１８に向かう。一方、ハーフミラー１４を透過した光は、集光レンズである被評価レンズ２０に入射される。被評価レンズ２０から出射した光は、球面ミラー２２によって反射され、再び被評価レンズ２０に入射される。続いて、ハーフミラー１４に向かって第２の光Ａ’として出射され、該ハーフミラー１４に反射されて結像レンズ１８に向かう。結像レンズ１８に入射された第１の光Ａと第２の光Ａ’は、撮像する手段である撮像素子２４に入射されて干渉縞画像として撮像される。

ミラー１６には、ミラー１６を光軸方向２６に規定量２８内で移動させて第１の光Ａの光路長を変化（増加又は減少）させることにより、第１の光Ａの位相と第２の光Ａ’の位相との差を変化（増加又は減少）させる位相差変化手段（位相差を設ける手段）としてピエゾ素子３０が付設されており、ピエゾ素子３０がミラー１６を任意の距離だけ光軸方向２６に移動させると、第１の光Ａと第２の光Ａ’との光路長差は移動量の２倍だけ増加又は減少する。

波面収差評価装置１０はまた、ピエゾ素子３０と撮像素子２４とを制御する撮像制御部３２を有し、この波面収差評価装置１０はピエゾ素子３０を駆動して光路長差を変化させるとともに光路長差が所定量増加又は減少するごとに撮像素子２４を駆動して干渉縞を撮影して干渉縞画像を得る。

波面収差算出手段３４は、撮像素子２４が撮像した複数の干渉縞画像から被評価レンズ２０の波面収差を評価する。その評価方法を簡単に説明すると、波面収差は、干渉縞を形成する第１の光Ａと第２の光Ａ’との間の初期位相差を用いて評価できる。初期位相差とは、第１の光Ａと第２の光Ａ’との光路長差が０または波長の整数倍であるときの位相差である。波面収差評価装置１０において、第１の光Ａと第２の光Ａ’の光路長差が０または波長の整数倍であって、被評価レンズ２０が波面収差を有しない場合、初期位相差は０である。しかし、被評価レンズ２０が波面収差を有する場合、第１の光Ａと第２の光Ａ’の光路長差が０または波長の整数倍であっても、波面収差の影響を受けて初期位相差は０でなくなる。このような初期位相差と波面収差の関係を利用することにより、初期位相差から光学系の波面収差を評価する。

初期位相差の算出方法を説明する。例えば、波面収差評価装置１０の撮像制御部３２は、ピエゾ素子３０に第１の光Ａの光路長を増加させ、該光路長が１／４波長増加する毎に撮像素子２４に干渉縞画像を撮像するように構成されており、この撮像制御部３２を用いて撮像された干渉像画像が図９に示されている。この図において、干渉縞画像ａは、第１の光Ａと第２の光Ａ’との光路長差が１／４波長（位相差＝π／２）のときに撮像された画像である。干渉縞画像ｂは、干渉縞画像ａを撮像したときの光路長差よりも更に１／４波長だけ光路長差を増やして１／２波長（位相差＝π）にしたときのものである。このとき、位相差はπであるため、図示するように干渉縞画像ｂは最も暗くなる。干渉縞画像ｃは、干渉縞画像ｂを撮像したときの光路長差から更に１／４波長だけ光路長差を増やして３／４波長（位相差＝３π／２）にしたときのものである。干渉縞画像ｄは、干渉縞画像ｂを撮像したときの光路長差よりも更に１／４波長だけ光路長差を増やして３／２波長（位相差＝３π／２）としたときのものである。このとき、位相差は２πであるため、図示するように干渉縞画像ｂは最も明るくなる。このように、第１の光Ａと第２の光Ａ’の光路長差を１／４波長ずつ増加することにより、第１の光Ａと第２の光Ａ’との間の位相差がπ／２、π、３π／２、２πの４枚の干渉縞画像ａ〜ｄを作成する。

位相差がπ／２、π、３π／２、２πの４つの干渉縞画像ａ〜ｄを利用する場合、４つの干渉縞画像ａ〜ｄ内の任意の同一点（ｘ、ｙ）における光強度Ｉｘｙ（ａ）〜Ｉｘｙ（ｄ）を計測し、これらの光強度Ｉｘｙ（ａ）〜Ｉｘｙ（ｄ）を以下の数１に代入して初期位相差Φｘｙを計算する。

初期位相差Φｘｙは、以下の数２から求めることができる。この場合、波面収差評価装置１０の撮像制御部３２は、ピエゾ素子３０を駆動して光路長差を変化させるとともに、光路長差が１／８波長増加するごとに撮像素子２４で干渉縞画像を撮像する。そして、撮像された７枚の干渉縞画像内の任意の同一点（ｘ、ｙ）における光強度Ｉｘｙ（ａ）〜Ｉｘｙ（ｇ）を計測し、これらの光強度Ｉｘｙ（ａ）〜Ｉｘｙ（ｇ）を数２に代入して初期位相差Φｘｙを計算する。

波面収差評価装置は、以上の処理を繰り返し、複数の初期位相差を算出し、それら複数の初期位相差を平均して平均初期位相差を求め、この平均初期位相差を用いて光学系の波面収差を評価する。平均値を用いて評価するのは、例えば、波面収差評価装置１０において、ピエゾ素子３０がミラー１６を光の波長の数分の一、例えば、１０〜３０ナノーメートル（ｎｍ）オーダで移動させて光路長を変更するため、この評価装置１０を用いて取得されるデータは外部振動等の外乱によってばらつくことが予想されるためである。

しかしなから、上述した波面収差評価方法及び装置では、複数の初期位相差を算出するために多数の干渉縞画像を作成する必要がある。例えば、図１０は、第１の光Ａの光路長を光の波長λの１／４ずつ増やして撮像するときの、時間（横軸）と光路長差（縦軸）との関係を示している。この図から明らかなように、３つの初期位相差を算出するためには、第１の光Ａと第２の光Ａ’との間の位相差π／２、π、３π／２、２πの４つの干渉縞画像ａ〜ｄを含む、３つの干渉縞画像グループ（群）Ｇ１〜Ｇ３を作成しなければならない。そのため、従来の波面収差評価方法及び装置は、干渉計測に多くの時間を要するという問題がある。

そこで、本発明は、撮像する干渉縞画像の枚数を減少し、枚数を減少しても従来の装置と変わらない精度で光学系や光学系構成要素の波面収差を評価できる波面収差方法とそれに用いる波面収差評価装置を提供し、波面収差の評価に費やす時間を減少することを課題とする。

上記課題を解決する本発明に係る光学系の波面収差を評価する波面収差評価方法は、
（ａ）少なくともいずれか一方が上記光学系の波面収差を含む第１と第２の光を重ねて干渉縞を形成する工程と、
（ｂ）上記第１の光の位相と上記第２の光の位相との位相差を、所定の位相間隔２π/ｎ（ｎ：２以上の整数）をあけて、最小位相差と最大位相差との差が少なくとも（２π/ｎ）・（ｎ＋１）を超えるまで変化させる工程と、
（ｃ）上記所定の位相間隔ごとに干渉縞画像を撮像する工程と、
（ｄ）上記所定の位相間隔をあけて連続する複数の干渉縞画像からなる画像群を複数作成する工程と、
（ｅ）上記複数の画像群のそれぞれについて、上記画像群に含まれる複数の画像から波面収差を求める工程と、
（ｆ）上記複数の画像群について求めた複数の波面収差を平均して上記光学系の波面収差を評価する工程とを有することを特徴とする。

また、上記波面収差評価方法は、
上記所定の位相間隔がπ／２であり、
上記画像群が４つの干渉縞画像ａ〜ｄを含み、
波面収差を、上記第１の光と上記第２の光との間の初期位相差Φｘｙから評価し、
上記工程（ｅ）が、上記４つの干渉縞画像ａ〜ｄに含まれる任意の同一点の光強度Ｉｘｙ（ａ）〜Ｉｘｙ（ｄ）を用いて、以下の数３の式で定義される初期位相差Φｘｙを求め、
上記工程（ｆ）が、上記複数の画像群について上記工程（ｅ）で求めた初期位相差Φｘｙを平均して上記光学系の波面収差を評価することを特徴とする。

さらに、上記波面収差評価方法は、
上記所定の位相がπ／４であり、
上記干渉縞画像群が７つの干渉縞画像ａ〜ｇを含み、
波面収差を、上記第１の光と上記第２の光との間の初期位相差Φｘｙから評価し、
上記工程（ｅ）が、上記７つの干渉縞画像ａ〜ｇに含まれる任意の同一点の光強度Ｉｘｙ（ａ）〜Ｉｘｙ（ｇ）を用いて、以下の式で定義される初期位相差Φｘｙを求め、
上記工程（ｆ）が、上記複数の画像群について上記工程（ｅ）で求めた初期位相差Φｘｙを平均して上記光学系の波面収差を評価することを特徴とする。

上記波面収差評価方法に使用される光学系の波面収差を評価する波面収差評価装置は、
（ａ）一つの光を２つの光に分離する手段と、
（ｂ）上記分離された一方の光又は他方の光若しくはそれらの両方に上記光学系の波面収差を与える手段と、
（ｃ）少なくともいずれか一方に波面収差が与えられた上記一方と他方の光を重ねる手段と、
（ｄ）上記重ねられた２つの光の干渉縞を撮像する手段と、
（ｅ）上記一方の光の位相と他方の光の位相との間に位相差を設ける手段と、
（ｆ）上記撮像された干渉縞から上記波面収差を演算する手段と、
（ｇ）上記一方の光の位相と上記他方の光の位相との位相差を、所定の位相間隔２π/ｎ（ｎ：２以上の整数）をあけて、最小位相差と最大位相差との差が少なくとも（２π/ｎ）・（ｎ＋１）を超えるまで変化させ、上記所定の位相間隔をあけて連続して撮像された複数の干渉縞画像からなる画像群を複数作成し、上記複数の画像群のそれぞれについて、上記画像群に含まれる複数の画像から波面収差を求め、上記複数の画像群について求めた複数の波面収差を平均して上記光学系の波面収差を評価する手段とを有することを特徴とする。

また、別の波面収差評価装置は、
（ａ）上記光学系から出射された上記波面収差を含む光を２つの光に分離する手段と、
（ｂ）上記分離された一方の光の位相と他方の光の位相との間に位相差を設ける手段と、
（ｃ）上記波面収差が与えられた一方の光と残る他方の光を重ねる手段と、
（ｄ）上記重ねられた２つの光の干渉縞を撮像する手段と、
（ｅ）上記撮像された干渉縞から上記波面収差を演算する手段と、
（ｆ）上記一方の光の位相と上記他方の光の位相との位相差を、所定の位相間隔２π/ｎ（ｎ：２以上の整数）をあけて、最小位相差と最大位相差との差が少なくとも（２π/ｎ）・（ｎ＋１）を超えるまで変化させ、上記所定の位相間隔をあけて連続して撮像された複数の干渉縞画像からなる画像群を複数作成し、上記複数の画像群のそれぞれについて、上記画像群に含まれる複数の画像から波面収差を求め、上記複数の画像群について求めた複数の波面収差を平均して上記光学系の波面収差を評価する手段とを有することを特徴とする。

さらに、異なる波面収差評価装置は、
（ａ）上記光学系から出射された上記波面収差を含む光を２つの光に分離する手段と、
（ｂ）上記分離された一方の光の位相と他方の光の位相との間に位相差を設ける手段と、
（ｃ）上記波面収差が与えられた一方の光と残る他方の光を重ねる手段と、
（ｄ）上記重ねられた２つの光の干渉縞を撮像する手段と、
（ｅ）上記撮像された干渉縞から上記波面収差を演算する手段と、
（ｆ）上記一方の光の位相と上記他方の光の位相との位相差を、所定の位相間隔２π/ｎ（ｎ：２以上の整数）をあけて、最小位相差と最大位相差との差が少なくとも（２π/ｎ）・（ｎ＋１）を超えるまで変化させ、上記所定の位相間隔をあけて連続して撮像された複数の干渉縞画像からなる画像群を複数作成し、上記複数の画像群のそれぞれについて、上記画像群に含まれる複数の画像から波面収差を求め、上記複数の画像群について求めた複数の波面収差を平均して上記光学系の波面収差を評価する手段とを有することを特徴とする。

上記の波面収差評価装置において、上記位相差を設ける手段は、上記一方の光又は他方の光若しくはそれらの両方の光路長を変化させる手段を含むことを特徴とする。

上記の波面収差評価装置と異なる形態の波面収差評価装置は、
（ａ）回折格子と、
（ｂ）上記光学系から出射された上記波面収差を含む光を上記回折格子に入射する手段と、
（ｃ）上記回折格子を格子溝と直交する方向に移動させて上記光を第１の光と第２の光に分離すると共に分離された上記第１の光の位相と上記第２の光の位相との間に位相差を設ける手段と、
（ｃ）上記波面収差が与えられた第１の光と第２の光を重ねる手段と、
（ｄ）上記重ねられた２つの光の干渉縞を撮像する手段と、
（ｅ）上記撮像された干渉縞から上記波面収差を演算する手段と、
（ｆ）上記一方の光の位相と上記他方の光の位相との位相差を、所定の位相間隔２π/ｎ（ｎ：２以上の整数）をあけて、最小位相差と最大位相差との差が少なくとも（２π/ｎ）・（ｎ＋１）を超えるまで変化させ、上記所定の位相間隔をあけて連続して撮像された複数の干渉縞画像からなる画像群を複数作成し、上記複数の画像群のそれぞれについて、上記画像群に含まれる複数の画像から波面収差を求め、上記複数の画像群について求めた複数の波面収差を平均して上記光学系の波面収差を評価する手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、撮像する干渉縞画像の枚数を減少し、枚数を減少しても従来の装置と変わらない精度で光学系や光学系構成要素の波面収差を評価できる。その結果、波面収差の評価に費やされる時間が減少される。

以下、本発明の最良の形態を説明する。なお、明細書及び請求の範囲を通じて、「光学系」は、単一の光学構成要素又は単一の光学部品で構成された光学装置だけでなく、複数の光学構成要素又は複数の光学部品を組み合わせて構成された光学装置の両方を含む。また、以下の説明の中で説明するレンズとは、単一のレンズで構成されている場合だけでなく、複数のレンズを組み合わせて構成されたレンズも含む。さらに、光学技術の当業者にとっては周知のことであるが、ある位相と別の位相が同一とは、両者の位相差が完全に一致している場合だけでなく、それらの間に２π又は２πｎ（ｎ：整数）の位相差を含む場合も含む。

第１の実施形態：
図１に示す第１の実施形態の波面収差評価装置１１０の構成と動作を概略説明すると、光源１１２から出射される光の移動経路上にはその光軸とほぼ４５度の角度をもって傾斜させたハーフミラー１１４が配置されており、光源１１２から出射された平行光の一部がハーフミラー１１４で反射し、残りの光がハーフミラー１１４を透過するようにしてある。ハーフミラー１１４で反射した光の前方には反射ミラー１１６が配置されており、この反射ミラー１１６に入射した光を反射してハーフミラー１１４に向かって送り返すようにしてある。反射ミラー１１６は、ミラー駆動装置であるピエゾ素子１３０に連結されており、ハーフミラー１１４で反射した光の光軸と平行な方向１２６に所定距離１２８だけ移動できるようにしてある。ハーフミラー１１４を挟んで反射ミラー１１６の反対側には、反射ミラー１１６で反射し、更にハーフミラー１１４を透過した光を結像する結像レンズ１１８と、結像レンズ１１８で結像された光像を受像する撮像素子１２４が配置されている。一方、ハーフミラー１１４を透過した光の前方には、波面収差評価装置１１０によって評価される光学系である凸レンズ１２０が配置されており、ハーフミラー１１４を透過した平行光が凸レンズ１２０に入射されるようにしてある。実施の形態では、光学系としてレンズ１２０が示してあるが、光学系はこれに限るものではない。また、レンズ１２０の前方には、レンズ１２０を透過した光を反射してレンズ１２０に送り戻すと共にレンズ１２０を再透過する光が平行光となる曲率の反射面を有する球面ミラー１２２が配置されている。撮像素子１２４とピエゾ素子１３０は撮像制御部（撮像制御手段）１３２と電気的に接続されており、撮像制御部１３２から出力される制御信号に基づいて、ピエゾ素子１３０が反射ミラー１１６を光軸方向１２６に移動するとともに、撮像素子１２４が該撮像素子１２４に入射される光像を撮像するようにしてある。また、撮像素子１２４は、波面収差演算部１３４と電気的に接続されており、波面収差演算部１３４は撮像素子１２４で撮像した光像信号からレンズ１２０の波面収差を評価するようにしてある。

このように構成された波面収差評価装置１１０によれば、光源１１２から出力された平行光は、ハーフミラー１１４で２つに分離される。ハーフミラー１１４で反射した一方の光（第１の光）Ａは、ミラー１１６で反射された後、ハーフミラー１１４を透過して結像レンズ１１８に入射する。ハーフミラー１４を透過した他方の光（第２の光）Ａ’は、集光レンズ１２０で集光され、さらに球面ミラー２２で反射された後、再びレンズ１２０を透過して平行光に調整される。次に、平行光に再び調整された第２の光Ａ’は、ハーフミラー１１４で反射した後、第１の光Ａと重ねられて結像レンズ１１８に入射する。結像レンズ１１８に入射された第１の光Ａと第２の光Ａ’は撮像素子１２４に入射される。撮像素子１２４が受像する光の干渉縞画像は、撮像制御部１３２で指示された適当なタイミングで干渉縞画像として撮像され、撮像された干渉縞画像が波面収差演算部１３４に送信されて処理され、レンズ１２０の波面収差が評価される。

以上の評価処理において、ピエゾ素子１３０は、反射ミラー１１６を一定の速度で、ハーフミラー１１４から遠ざかる方向又は接近する方向に所定の移動量（δ）だけ移動し、第１の光Ａの光路長と第２の光Ａ’の光路長との光路長差Δを移動量の２倍（２δ）だけ増加又は減少する。撮像素子１２４は、該撮像素子１２４に入射される干渉縞画像を撮像制御部１３２から送信されるタイミングで取得し、波面収差演算部１３４に送信する。波面収差演算部１３４は、撮像素子１２４から出力された干渉縞画像の画像データをもとに、以下に説明する方法で、レンズ１２０の波面収差を評価する。

具体的に説明すると、撮像制御部１３２は、第１の光Ａの光路長と第２の光Ａ’の光路長との光路長差Δ’を光の波長λの１／４ずつ増加して複数の画像（実施の形態では６つの画像ａ〜ｆ）を撮像する。図２は、時間ｔとミラー１６の光路長差Δとの関係を示す。ここで、画像ａは、第１の光Ａと第２の光Ａ’との光路長差〔位相差〕が任意の値Δ〔Δ’：最小位相差〕の時に撮像された画像である。また、画像ｂ〜ｆは、光路長差〔位相差〕がΔ＋λ／４〔Δ’＋π／２〕、Δ＋２λ／４〔Δ’＋２π／２〕、Δ＋３λ／４〔Δ’＋３π／２〕、Δ＋４λ／４〔Δ’＋４π／２〕、Δ＋５λ／４〔Δ’＋５π／２：最大位相差〕のときにそれぞれ撮像された画像である。したがって、画像ａ（位相差：Δ’）と画像ｅ（位相差：Δ’＋４π／２）は同位相であり、画像ｂ（位相差：Δ’＋π／２）と画像ｆ（位相差：Δ’＋５π／２）は同位相である。

波面収差演算部１３４は、６枚の画像ａ〜ｆから３つの干渉縞画像群Ｇ１〜Ｇ３を作成する。干渉縞画像群Ｇ１は、位相がπ／２ずつ異なる４つの連続する干渉縞画像ａ、ｂ、ｃ、ｄで構成される集合｛ａ、ｂ、ｃ、ｄ｝である。同様に、干渉縞画像群Ｇ２は画像ｂ、ｃ、ｄ、ｅで構成される集合｛ｂ、ｃ、ｄ，ｅ｝、干渉縞画像群Ｇ３は画像ｃ、ｄ、ｅ、ｆで構成される集合｛ｃ、ｄ、ｅ、ｆ｝であり、これら３つの干渉縞画像群Ｇ１〜Ｇ３は、干渉縞画像ｃとｄを共通の画像として含む。

波面収差演算部１３４は、干渉縞画像群Ｇ１〜Ｇ３に含まれる複数の干渉縞画像について、予め決められた画像上の一点（座標（ｘ、ｙ））の光強度Ｉｘｙを取得し、数５を用いて、数６〜数８に示すように、第１の光Ａと第２の光Ａ’との間の初期位相差Φｘｙ１〜Φｘｙ３を算出する。

次に、波面収差演算部１３４は、Φｘｙ１〜Φｘｙ３を平均して平均初期位相差Φｘｙ（平均値）を求め、この平均初期位相差からレンズ１２０の波面収差を評価する。または、波面収差演算部１３４は、３つの初期位相差Φｘｙ１〜Φｘｙ３をもとに別々に波面収差を計算し、計算された３つの波面収差を平均して、被検レンズ１２０の波面収差として評価してもよい。

このように、実施の形態１の波面収差評価装置は、１２枚の干渉縞画像から３つの初期位相差を求める従来の波面収差評価装置に比べ、作成される干渉縞画像が大幅に（すなわち、６枚に）減少するため、波面評価に要する計算時間が略半分になり、またその評価結果は従来の波面収差評価装置及び方法と同一の精度で得られる。

なお、以上の説明では、各干渉縞画像群に含まれる４つの画像は光路長差がλ／４ずつ異なる、連続した４つの画像であったが、上述のように、画像ａと画像ｅは同位相であり、画像ｂと画像ｆも同位相であるから、３つの群Ｇ１〜Ｇ３を集合｛ｅ、ｆ、ｃ、ｄ、｝集合｛ｆ，ｃ，ｄ，ａ｝、集合｛ｃ，ｄ，ａ，ｂ｝で構成することもできる。また、３つの群Ｇ１〜Ｇ３の他に集合｛ａ、ｆ、ｃ、ｄ｝、｛ｆ、ｃ、ｄ、ｅ｝等の干渉縞画像群を作成し、それら複数の干渉縞画像群を用いて計算された４つ又はそれ以上の初期位相差から光学系の波面収差を評価してもよい。

また、ミラー１１６をλ／１６ずつ移動して第１の光Ａと第２の光Ａ’の光路長差がλ／８ずつ異なる９つの干渉縞画像ａ〜ｉを作成し、これらの干渉縞画像から三つの画像群Ｇ’１〜３（集合｛ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ｝、｛ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ｝、｛ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ｝）を作成し、画像群Ｇ｀１〜３それぞれに含まれる複数の干渉縞画像の予め決められた画像上の一点（座標（ｘ、ｙ））の光強度Ｉｘｙから初期位相差Φｘｙを数９の式を用いて画像群それぞれの数１０〜１２に示される初期位相差Φ’ｘｙ１〜３を求め、これらの初期位相差の平均から光学系の波面収差を評価してもよい。

第２の実施形態：
第２の実施形態の波面収差評価装置は、第１の実施形態の波面収差と同様に、レンズなどの光学系の波面収差を算出するものであり、フィゾー型の干渉光学系を用いたものである。

本実施形態の波面収差評価装置を図３に示す。図示する波面収差評価装置２１０において、光源２１２から出射される平行光の光軸上にはその光軸とほぼ４５度の角度をもって傾斜させた第１のハーフミラー２１４が配置されている。また、第１のハーフミラー２１４の更に前方には、第２のハーフミラー２１６が光軸と直交する方向に配置されている。第２のハーフミラー２１６は、ミラー駆動装置であるピエゾ素子２３０に駆動連結されており、撮像制御装置２３２からの指令に基づいて、光軸と平行な方向２２６に移動するようにしてある。さらに、第２のハーフミラー２１６の前方には、波面収差評価装置２１０で波面収差が評価される光学系としてレンズ２２０と、このレンズ２２０で集光された光を反射してレンズ２２０に向けて送り返す球面ミラー２２２が配置されている。球面ミラー２２２の曲率は、これに反射されてレンズ２２０を透過した光が再び平行光となるように決められている。第２のハーフミラー２１６で反射された光（第１の光）Ａと、球面ミラー２２２で反射された後に第２のハーフミラー２１６を透過する光（第２の光）Ａ’が第１のハーフミラー２１４で反射され後に進行する方向には結像レンズ２２４と撮像素子２２４が配置されており、撮像素子１２４が該撮像素子１２４に入射される第１の光Ａと第２の光Ａ’の干渉縞画像を撮像するようにしてある。そのため、撮像素子２２４は、撮像制御装置２３２と波面収差演算部２３４と電気的に接続されており、波面収差演算部１３４が撮像素子２２４で撮像した光像信号からレンズ２２０の波面収差を評価するようにしてある。

このように構成された波面収差評価装置２１０において、光源２１２から出射した光はハーフミラー２１４を透過する。ハーフミラー２１４を透過した光は、ハーフミラー２１６によって２つに分割される。ハーフミラー２１６に反射された一方の分割光である第１の光Ａは、ハーフミラー２１４によって反射され、結像レンズ２１８に向けて進行する。一方、ハーフミラー２１６を透過した他方の分割光である第２の光Ａ’は、レンズ２２０に入射される。レンズ２２０から出射した光は、球面ミラー２２２によって反射され、再びレンズ２２０を透過して平行光に復元された後、ハーフミラー２１６を透過し、第１の光Ａと重ね合わされ、ハーフミラー２１４で反射されて結像レンズ２１８に向けて進行する。結像レンズ２１８に入射された第１の光Ａと第２の光Ａ’は、撮像手段である撮像素子２２４に入射されて干渉縞画像として撮像される。

撮像制御部２３２はピエゾ素子２３０を駆動し、ハーフミラー２１６を一定の速度で光軸方向に所定の移動量（δ）だけ移動し、第１の光Ａの光路長と第２の光Ａ’の光路長との光路長差Δを移動量の２倍（２δ）だけ増加又は減少する。撮像素子２２４は、該撮像素子２２４に入射される干渉縞画像を撮像制御部２３２から送信されるタイミングで取得し、波面収差演算部２３４に送信する。波面収差演算部２３４は、撮像素子２２４から出力された干渉縞画像の画像データをもとに、第１の実施の形態で説明した方法と同様の方法で、レンズ２２０の波面収差を評価する。

第３の実施形態：
第１および第２の実施形態の波面収差評価装置は、レンズ等の光学系の波面収差を評価するものであったが、本実施の形態では別の光学系の波面収差も評価できる。ここで、評価される光学系は、光ディスク方式の情報記憶媒体、例えば、ＤＶＤに情報を読み書きする光ヘッドである。

図４は、実施の形態３の波面収差評価装置３１０を示す。波面収差評価装置３１０は、マッハツェンダ型の干渉光学系を用いており、波面収差評価装置３１０で評価する光ヘッド３００は、光源と複数の光学部品（例えば、レンズ、ミラー等）で構成された光学系３０２を備えている。光ヘッド３００から出射される光の光軸上には、この出射された光を平行光に調整するコリメータレンズ３１２と、レンズ３１２を透過した平行光を第１の光Ａと第２の光Ａ’に分割するハーフミラー３１４が配置されている。ハーフミラー３１４を透過した第１の光Ａの光軸上には反射ミラー３１６が配置されている。また、反射ミラー３１６で反射された光の光軸上には、ハーフミラー３１８が配置されている。さらに、ハーフミラー３１８で反射された光の光軸上には、集光レンズ３２０と撮像素子３３２が配置されている。一方、ハーフミラー３１４で反射した第２の光Ａ’の光軸上には、反射ミラー３２２が配置されている。反射ミラー３２２で反射された光の光軸上には、集光レンズ３２４と、集光レンズ３２４で集光された光を透過するピンホール３２８が形成されたフィルタ３２６と、フィルタ３２６を透過した光を再び平行光に変換するコリメータレンズ３３０が配置され、このレンズ３３０から出射する第２の光Ａ’が、ハーフミラー３１８を透過して第１の光Ａに重ね合わされ、レンズ３２０を介して撮像素子３３２に受像されるようにしてある。

この波面収差評価装置３１０において、第１の光Ａと第２の光Ａ’との光路長差を変化させるために、実施の形態では、反射ミラー３１６とハーフミラー３１８が一つの可動テーブル３３４に支持されており、この可動テーブル３３４がテーブル移動装置であるピエゾ素子３３８の駆動に基づいて、レンズ３２０に向かって進退できるようにしてある。また、上述した実施の形態と同様に、撮像素子３３２とピエゾ素子３３８は撮像制御部３４０と電気的に接続され、撮像素子３３２は更に波面収差演算部３４２と電気的に接続されている。

このように構成された波面収差評価装置３１０において、光ヘッド３００から出射された光は、コリメータレンズ３１２によって平行光に調整された後、ハーフミラー３１４によって２つに分割される。ハーフミラー３１４を透過した第１の光Ａは、ミラー３１６に反射され、続いてハーフミラー３１８に反射されて結像レンズ３２０に向かって進行する。一方、ハーフミラー３１４で反射された第２の光Ａ’は、ミラー３２２で反射され、子レンズ３２４でフィルタ３２６のピンホール３２８に入射される。その結果、第２の光Ａ’の光軸を中心とする成分光だけが取り出される。次に、フィルタ３２６を通過した第２の光Ａ’は、コリメータレンズ３３０によって平行光に調整され、ハーフミラー３１８を透過して第１の光Ａと重ね合わされ、結像レンズ３２０に向かって進行する。結像レンズ３２０に入射された第１の光Ａと第２の光Ａ’は、撮像素子３３２に入射されて干渉縞画像として撮像される。

また、撮像制御部３４０はピエゾ素子３３８を駆動し、テーブル３３４とこれに固定された反射ミラー３１６とハーフミラー３１８をレンズ３２０に向けて一定の速度で移動して第１の光Ａの光路長と第２の光Ａ’の光路長との光路長差Δを増加又は減少する。撮像素子３３２は、該撮像素子３３２に入射される干渉縞画像を撮像制御部３４０から送信されるタイミングで取得し、波面収差演算部３４２に送信する。波面収差演算部３４２は、撮像素子３３２から出力された干渉縞画像の画像データをもとに、第１の実施の形態で説明した方法と同様の方法で、光ヘッド３００の光学系３０２の波面収差を評価する。

第１〜３の実施形態において、干渉縞を形成する２つの光（第１の光Ａと第２の光Ａ’）の一方の光路長を変更することによって２つの光の位相差を設けたが、２つの光両方の光路長を変更させて２つの光の位相差を設けてもよい。

第４の実施形態．
第４の実施形態は、第１〜３の実施の形態とは異なり、回折格子からのシアリング干渉光の干渉縞画像から波面収差を評価する。

図５は、実施の形態４の波面収差評価装置４１０を示す。波面収差評価装置４１０において、光ヘッド４００は、光源と複数の光学部品（例えば、レンズ、ミラー等）で構成された光学系４０２を備えている。光ヘッド４００から出射される光の焦点位置には透過型回折格子４１２が配置されている。回折格子４１２は、光軸と直交する方向に平行に伸びる多数の格子溝が形成されている。また、回折格子４１２は、移動装置であるピエゾ素子４２２に連結されており、格子溝と直交する方向（直交する方向とその方向成分を含む方向）４２０に移動できるようにしてある。回折格子４１２を透過した光の光軸上には、回折格子４１２を透過した光を平行光に調整するこりメートレンズ４１４と、この平行光を集光する集光レンズ４１６と、集光された光を受像する撮像素子４１８が配置されている。また、上述した実施の形態と同様に、撮像素子４１８とピエゾ素子４２２は撮像制御部４２４と電気的に接続され、撮像素子４１８は更に波面収差演算部４２６と電気的に接続されている。

このように構成された波面収差評価装置４１０によれば、光ヘッド４００から出射された光は回折格子４１２に結像されて回折される。回折格子４１２から出射された０次回折光（第２の光Ａ）と±１次回折光（第１の光Ａ’）は、検出レンズ４１４で重ね合わされ、それら０次回折光と＋１次回折光又は−１次回折光とが重なり干渉縞を形成する。このとき、０次回折光と＋１次光、０次光と−１次光の交角θは適当に設定されている。次に、レンズ４１４上で重ねられた干渉縞は、結像レンズ４１６で結像され、撮像素子４１８に干渉縞画像として撮像される。

回折格子４１２は、ピエゾ素子４２２の駆動に基づいて、格子溝と直交する方向４２０に移動する。これにより、±１次回折光の位相が変化する。回折格子４１２の移動とそれに起因する±１次回折光の位相変化の関係が図６に示されている。図示するように、回折格子４１２は、一定の間隔ｐで凸部と凹部（格子溝）を有する。点Ｑは、回折格子４１２の凸部の端と光軸が交わる点である。点Ｑ’は、回折格子４１２が４２０方向にΔｄ移動したときに光軸と交わる点である。図面上、回折格子４１２を基準として、点Ｑ’から出射する＋１次回折光（点線）と点Ｑから出射する＋１次回折光（実線）が重ねて示してある。

図示するように、０次回折光は、回折格子４１２の垂直方向に進行するため、回折格子４１２が方向４２０に移動しても、その位相は変化しない。これに対し、＋１次回折光は回折格子４１２面から０次回折光に対して角度θをもって出射する。また、回折格子４１２の移動量がΔｄに達するまで、回折格子４１２から出射される＋１次回折光の位相は同一である。そして、回折格子４１２がΔｄだけ移動した時点で、＋１次回折光の位相が変化する。その変化した位相の位相量ΔΦ_＋１は、数１３で表すことができる。

−１次回折光も、＋１次回折光の位相変化と同様に、回折格子４１２がΔｄだけ移動した時点で位相が変化する。そして、−１次回折光の位相変化量は、＋１次回折光と同一であるが、符合が異なる。このように、回折格子４１２を格子溝と直交する方向４２０に移動すると、０次回折光以外の回折光に位相変化が生じる。

したがって、撮像制御部４２４は、ピエゾ素子４２２によって回折格子４１２を格子溝と直交する方向４２０に移動し、移動量が所定の移動量ごとに撮像素子４１８を起動して０次回折光と＋１次回折光、０次回折光と−１次回折光の干渉縞画像を撮像する。例えば、撮像制御部４２４は、回折格子４１２が格子ピッチｐの１／４移動する度に、撮像素子４１８を起動して干渉縞画像を撮像する。撮像素子４１８に撮像された６つの干渉縞画像ａ〜ｆを図７に示す。画像ａ〜ｆは、０次光（第２の光Ａ’）と±１次回折光（第１の光Ａ）との間の位相がπ／２ずつ異なる干渉縞画像であり、画像ａと画像ｅ、画像ｂと画像ｆは同位相である。

波面収差演算手段４２６は、第１の実施の形態で説明した方法により、撮像素子４１８が撮像した複数の干渉縞画像をもとに、光ヘッド４００の光学系４０２の波面収差を評価する。

本実施形態においては、透過型の回折格子を用いているが、反射型の回折格子でも同様に、光学系（光ヘッド４００の光学系４０２）の波面収差を評価することができる。

第１の実施形態の波面収差評価装置の概略構成を示す図である。 第１の実施形態の波面収差評価装置において、複数の画像ａ〜ｆを撮像したときの、ミラーの移動量と時間とを示した図である。 第２の実施形態の波面収差評価装置の概略構成を示す図である。 第３の実施形態の波面収差評価装置の概略構成を示す図である。 第４の実施形態の波面収差評価装置の概略構成を示す図である。 第４の実施形態の波面収差評価装置の位相差を変化させる方法を説明するための図である。 第４の実施形態の波面収差評価装置が撮像した干渉縞画像ａ〜ｆである。 従来の波面収差評価装置の概略構成を示す図である。 従来の波面収差評価装置が撮像した干渉縞画像ａ〜ｆである。 従来の波面収差評価装置において、複数の画像ａ〜ｆを撮像したときの、ミラーの移動量と時間とを示した図である。

符号の説明

１０：波面収差評価装置、１２：光源、１４：ハーフミラー、１６：ミラー、１８：結像レンズ、２０：被評価レンズ、２２：球面ミラー、２４：撮像素子、２６：光軸方向、２８：規定量、３０：ピエゾ素子、３２：撮像制御部、３４：波面収差評価手段、１１０：波面収差評価装置、１１２：光源、１１４：ハーフミラー、１１６：ミラー、１１８：結像レンズ、１２０：被評価レンズ、１２２：球面ミラー、１２４：撮像素子、１２６：光軸方向、１２８：規定量、１３０：ピエゾ素子、１３２：撮像制御部、１３４：波面収差評価手段、２１０：波面収差評価装置、２１２：光源、２１４：ハーフミラー、２１６：ハーフミラー、２１８：結像レンズ、２２０：被評価レンズ、２２２：球面ミラー、２２４：撮像素子、２２６：光軸方向、２３０：ピエゾ素子、２３２：撮像制御部、２３４：波面収差評価手段、３００：光ヘッド、３０２：光学系、３１０：波面収差評価装置、３１２：コリメータレンズ、３１４：ハーフミラー、３１６：ミラー、３１８：ハーフミラー、３２０：結像レンズ、：３２２ ミラー、３２４：焦光レンズ、３２６：フィルタ、３２８：ピンホール、３３０：コリメータレンズ、３３２ 撮像素子、３３４：ユニット、３３６：方向、３３８：ピエゾ素子、３４０：撮像制御部、３４２：波面収差評価手段、４００：光ヘッド、４０２：光学系、４１０：波面収差評価装置、４１２：回折格子、４１４：検出レンズ、４１６：結像レンズ、４１８：撮像素子、４２０：並列方向、４２２：ピエゾ素子、４２４：撮像制御部、４２６：波面収差評価手段

Claims (8)

1. 光学系の波面収差を評価する波面収差評価方法であって、
   （ａ）少なくともいずれか一方が上記光学系の波面収差を含む第１と第２の光を重ねて干渉縞を形成する工程と、
   （ｂ）上記第１の光の位相と上記第２の光の位相との位相差を、所定の位相間隔２π/ｎ（ｎ：２以上の整数）をあけて、最小位相差と最大位相差との差が少なくとも（２π/ｎ）・（ｎ＋１）を超えるまで変化させる工程と、
   （ｃ）上記所定の位相間隔ごとに干渉縞画像を撮像する工程と、
   （ｄ）上記所定の位相間隔をあけて連続する複数の干渉縞画像からなる画像群を複数作成する工程と、
   （ｅ）上記複数の画像群のそれぞれについて、上記画像群に含まれる複数の画像から波面収差を求める工程と、
   （ｆ）上記複数の画像群について求めた複数の波面収差を平均して上記光学系の波面収差を評価する工程とを有することを特徴とする波面収差評価方法。
2. 上記所定の位相間隔がπ／２であり、
   上記画像群が４つの干渉縞画像ａ〜ｄを含み、
   波面収差が、上記第１の光と上記第２の光との間の初期位相差Φｘｙから評価され、
   上記工程（ｅ）は、上記４つの干渉縞画像ａ〜ｄに含まれる任意の同一点の光強度Ｉｘｙ（ａ）〜Ｉｘｙ（ｄ）を用いて、以下の式で定義される初期位相差Φｘｙを求め、
   

   

   上記工程（ｆ）は、上記複数の画像群について上記工程（ｅ）で求めた初期位相差Φｘｙを平均して上記光学系の波面収差を評価することを特徴とする請求項１に記載の波面収差評価方法。
3. 上記所定の位相がπ／４であり、
   上記干渉縞画像群が７つの干渉縞画像ａ〜ｇを含み、
   波面収差が、上記第１の光と上記第２の光との間の初期位相差Φｘｙから評価され、
   上記工程（ｅ）は、上記７つの干渉縞画像ａ〜ｇに含まれる任意の同一点の光強度Ｉｘｙ（ａ）〜Ｉｘｙ（ｇ）を用いて、以下の式で定義される初期位相差Φｘｙを求め、
   

   

   上記工程（ｆ）は、上記複数の画像群について上記工程（ｅ）で求めた初期位相差Φｘｙを平均して上記光学系の波面収差を評価することを特徴とする請求項１に記載の波面収差評価方法。
4. 光学系の波面収差を評価する波面収差評価装置であって、
   （ａ）一つの光を２つの光に分離する手段と、
   （ｂ）上記分離された一方の光又は他方の光若しくはそれらの両方に上記光学系の波面収差を与える手段と、
   （ｃ）少なくともいずれか一方に波面収差が与えられた上記一方と他方の光を重ねる手段と、
   （ｄ）上記重ねられた２つの光の干渉縞を撮像する手段と、
   （ｅ）上記一方の光の位相と他方の光の位相との間に位相差を設ける手段と、
   （ｆ）上記撮像された干渉縞から上記波面収差を演算する手段と、
   （ｇ）上記一方の光の位相と上記他方の光の位相との位相差を、所定の位相間隔２π/ｎ（ｎ：２以上の整数）をあけて、最小位相差と最大位相差との差が少なくとも（２π/ｎ）・（ｎ＋１）を超えるまで変化させ、上記所定の位相間隔をあけて連続して撮像された複数の干渉縞画像からなる画像群を複数作成し、上記複数の画像群のそれぞれについて、上記画像群に含まれる複数の画像から波面収差を求め、上記複数の画像群について求めた複数の波面収差を平均して上記光学系の波面収差を評価する手段とを有することを特徴とする波面収差評価装置。
5. 光学系の波面収差を評価する波面収差評価装置であって、
   （ａ）上記光学系から出射された上記波面収差を含む光を２つの光に分離する手段と、
   （ｂ）上記分離された一方の光の位相と他方の光の位相との間に位相差を設ける手段と、
   （ｃ）上記波面収差が与えられた一方の光と残る他方の光を重ねる手段と、
   （ｄ）上記重ねられた２つの光の干渉縞を撮像する手段と、
   （ｅ）上記撮像された干渉縞から上記波面収差を演算する手段と、
   （ｆ）上記一方の光の位相と上記他方の光の位相との位相差を、所定の位相間隔２π/ｎ（ｎ：２以上の整数）をあけて、最小位相差と最大位相差との差が少なくとも（２π/ｎ）・（ｎ＋１）を超えるまで変化させ、上記所定の位相間隔をあけて連続して撮像された複数の干渉縞画像からなる画像群を複数作成し、上記複数の画像群のそれぞれについて、上記画像群に含まれる複数の画像から波面収差を求め、上記複数の画像群について求めた複数の波面収差を平均して上記光学系の波面収差を評価する手段とを有することを特徴とする波面収差評価装置。
6. 光学系の波面収差を評価する波面収差評価装置であって、
   （ａ）上記光学系から出射された上記波面収差を含む光を２つの光に分離する手段と、
   （ｂ）上記分離された一方の光の位相と他方の光の位相との間に位相差を設ける手段と、
   （ｃ）上記波面収差が与えられた一方の光と残る他方の光を重ねる手段と、
   （ｄ）上記重ねられた２つの光の干渉縞を撮像する手段と、
   （ｅ）上記撮像された干渉縞から上記波面収差を演算する手段と、
   （ｆ）上記一方の光の位相と上記他方の光の位相との位相差を、所定の位相間隔２π/ｎ（ｎ：２以上の整数）をあけて、最小位相差と最大位相差との差が少なくとも（２π/ｎ）・（ｎ＋１）を超えるまで変化させ、上記所定の位相間隔をあけて連続して撮像された複数の干渉縞画像からなる画像群を複数作成し、上記複数の画像群のそれぞれについて、上記画像群に含まれる複数の画像から波面収差を求め、上記複数の画像群について求めた複数の波面収差を平均して上記光学系の波面収差を評価する手段とを有することを特徴とする波面収差評価装置。
7. 上記位相差を設ける手段は、上記一方の光又は他方の光若しくはそれらの両方の光路長を変化させる手段を含むことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一に記載の波面収差評価装置。
8. 光学系の波面収差を評価する波面収差評価装置であって、
   （ａ）回折格子と、
   （ｂ）上記光学系から出射された上記波面収差を含む光を上記回折格子に入射する手段と、
   （ｃ）上記回折格子を格子溝と直交する方向に移動させて上記光を第１の光と第２の光に分離すると共に分離された上記第１の光の位相と上記第２の光の位相との間に位相差を設ける手段と、
   （ｃ）上記波面収差が与えられた第１の光と第２の光を重ねる手段と、
   （ｄ）上記重ねられた２つの光の干渉縞を撮像する手段と、
   （ｅ）上記撮像された干渉縞から上記波面収差を演算する手段と、
   （ｆ）上記一方の光の位相と上記他方の光の位相との位相差を、所定の位相間隔２π/ｎ（ｎ：２以上の整数）をあけて、最小位相差と最大位相差との差が少なくとも（２π/ｎ）・（ｎ＋１）を超えるまで変化させ、上記所定の位相間隔をあけて連続して撮像された複数の干渉縞画像からなる画像群を複数作成し、上記複数の画像群のそれぞれについて、上記画像群に含まれる複数の画像から波面収差を求め、上記複数の画像群について求めた複数の波面収差を平均して上記光学系の波面収差を評価する手段とを有することを特徴とする波面収差評価装置。
   

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