JP2007064966A

JP2007064966A - 光学素子の光学的調整方法

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Publication number: JP2007064966A
Application number: JP2006178871A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kimura; 伸司木村
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: JP4881085B2

Abstract

【課題】干渉縞解析を短時間で行うことを可能とし、これにより、繰り返し行われる調整のそれぞれについて、干渉縞解析の結果を利用して、実時間に評価を行うことのできる光学的調整方法を提供する。
【解決手段】入射光に対して参照面を所定角度傾けた状態で、参照面からの反射光と、被検光学素子群を透過した被検光と、により、空間キャリアを持つ干渉縞を形成する干渉縞形成ステップと、干渉縞形成ステップにおいて形成された干渉縞を実時間に解析する干渉縞解析ステップと、干渉縞解析ステップにおける解析結果に基づいて、光学素子の光学的な調整を連続的に行う光学的調整ステップと、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、レンズその他の光学素子の光学的な調整方法に関する。

レンズの光学的な調整の結果を評価する方法として、干渉縞解析を利用したものがある。この評価方法では、あらかじめ光学的調整を行ったレンズを、周知の干渉計にセットし、このレンズからの反射光と参照面からの反射光とにより得られる干渉縞から光学素子の波面収差を求め、これによりレンズの光学的な調整の結果を定量的に評価していた。
特開２０００−２１４０４８号公報

しかしながら、上述の従来の評価方法では、干渉縞解析に時間を要するため、通常の光学素子で繰り返し行われる光学的な調整について、調整を行うごとに評価を行うことは困難であった。したがって、干渉縞解析を用いた評価は、光学的な調整がすべて終了した後に、行われるにとどまっていた。すなわち、干渉縞解析の結果をフィードバックして、光学素子の再調整を行うことは困難であった。

上記課題を解決するために、本発明の光学的調整方法においては、入射光に対して参照面を所定角度傾けた状態で、参照面からの反射光と、被検光学素子群を透過した被検光と、により、空間キャリアを持つ干渉縞を形成する干渉縞形成ステップと、干渉縞形成ステップにおいて形成された干渉縞を実時間に解析する干渉縞解析ステップと、干渉縞解析ステップにおける解析結果に基づいて、光学素子の光学的な調整を連続的に行う光学的調整ステップと、を備えることを特徴としている。

上記干渉縞形成ステップは実時間に実行され、干渉縞解析ステップでは、干渉縞形成ステップで形成された干渉縞について解析を行い、この解析結果に基づいて、光学素子の所望の光学性能について調整を連続的に行うことができる。

上記干渉縞形成ステップ及び干渉縞解析ステップの少なくとも一方と、光学的調整ステップと、は並行して実行することができる。

上記解析結果はツェルニケ展開され、展開後の多項式の少なくとも一つの係数に基づいて光学調整を行うとよい。

本発明によると、干渉縞解析を短時間で行うことを可能としたことにより、干渉縞解析を繰り返し行うことが容易となり、これにより、干渉縞解析の結果を利用した光学的調整を繰り返し行うことができる。すなわち、繰り返される調整がすべて完了した後の光学的調整評価を行うことができるだけでなく、繰り返し行われる調整のそれぞれについて、干渉縞解析の結果を利用して、実時間に評価を行うことができる。

以下、本発明にかかる実施形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。本実施形態では、被検レンズ８０を光学的調整の対象としたが、これ以外の光学素子にも本発明を適用することができる。

まず、本発明に係る光学的調整方法の実施に用いる光学的調整装置について説明する。この光学的調整装置は、光学的調整部１０と、干渉縞形成部２０と、干渉縞解析部４２と、を備える。

図１に示す光学的調整部１０は、被検レンズ８０を保持する保持部１１と、保持部を駆動する調整駆動部１２と、を備える。保持部１１は、例えば電動ＸＹＺθステージであって、被検レンズ８０の配置、傾きを調整することができる。この保持部１１は、これに接続された調整駆動部１２から与えられた駆動電流に応じて動作する。調整駆動部１２は、これに接続された制御部４３から出力された制御信号に基づいて、所定の駆動電流を保持部１１に供給する。この保持部１１においては、後述する干渉縞の解析結果に基づいて、被検レンズ８０の光学的な調整を行うことができる。例えば、被検レンズ８０が複数のレンズからなるレンズ系である場合に、任意のレンズを水平方向（図１の矢印）に移動させることにより、このレンズ系の偏芯を調整することができる。この保持部１１としては、周知のレンズ保持装置を用いることができる。

干渉縞形成部２０は、周知の干渉計を用いることができ、本実施形態では、図１に示すように、半導体レーザ（ＬＤ）（光源）２１、干渉縞観察用ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄｄｅｖｉｃｅ）４１、及び光学系３０を備えるものを用いる。なお、光学系３０は、コリメータレンズ３１、ミラー３２、ハーフミラー３４、集光レンズ３５、基準平面板３６、ピンホール３７、及び反射基準凹面鏡３８により構成される。

半導体レーザ２１はドライバ２２によって駆動され、基準光として所定のレーザ光を射出する。ドライバ２２はこれに接続された制御部４３から出力された制御信号に基づいて、半導体レーザ２１に対して駆動電流を供給する。半導体レーザ２１から出射するレーザ光の進行方向には、半導体レーザ２１側から順にコリメータレンズ３１、及び、ミラー３２が配置されている。半導体レーザ２１から出射したレーザ光はコリメータレンズ３１により平行光化されて、その光路に対して４５度傾けて配置されたミラー３２で反射されることにより、進行方向が９０度曲げられる。

ミラー３２による反射光の光路上には、ミラー３２側から順にハーフミラー３４、基準平面板３６、被検レンズ８０、反射基準凹面鏡３８が配置される。ミラー３２により反射された光は、その光路に対して４５度傾けて配置されたハーフミラー３４を透過して、基準平面板３６に入射する。

基準平面板３６は、表面を高精度に研磨された平面ガラス板であって、ハーフミラー３４から遠い面には参照面３６ａが設けられている。参照面３６ａは基準平面板３６に入射した光の一部を透過し、残りを反射する性質を有している。この性質を利用して、参照面３６ａにより反射した光と、参照面３６ａを透過した後に被検レンズを透過し、反射基準凹面鏡により反射した光との干渉縞を得ることが可能となる。

参照面３６ａによる反射光は、ハーフミラー３４で反射された後に、集光レンズ３５を経て、その光路上に配置されたピンホール３７を通ってＣＣＤ４１に入射する。なお、ＣＣＤ４１に代えて、ほかのイメージングデバイス（例えばＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ））を用いることもできる。

一方、参照面３６ａを透過した光は、被検レンズ８０を透過した後に反射基準凹面鏡３８で反射され、基準平面板３６を再び透過する。この透過光は、ハーフミラー３４で反射された後に、集光レンズ３５、ピンホール３７を経てＣＣＤ４１に入射する。この光と参照面３６ａによる反射光とが干渉することにより干渉縞が形成される。形成された干渉縞はＣＣＤ４１で電気信号に変換され、干渉縞解析部４２に入力される。

基準平面板３６は、支持装置（例えば電動θステージ）５１に保持されている。この支持装置５１は基準平面板駆動部５２を介して制御部４３に接続されている。制御部４３から出力された駆動信号を受けた基準平面板駆動部５２は、支持装置５１に対して所定の駆動電流を供給し、これにより支持装置５１は、基準平面板３６の光軸を基準平面板３６への入射光の進行方向に対して任意の角度（所定角度）θだけ傾斜させることができる。このように基準平面板３６（参照面３６ａ）を傾斜させることにより、傾斜角度に応じた干渉縞（空間キャリア、ｔｉｌｔ縞）が発生し、この干渉縞を、基準平面板３６が傾斜していないときに発生していた被検レンズ８０の形状を表す干渉縞に重ねて得られる干渉縞を解析することにより、被検レンズ８０の位相分布を得ることができる。

図２に示すように、干渉縞解析部４２は、その内部にＡ／Ｄ変換器４２１、フレームメモリ４２２、Ｄ／Ａ変換器４２３、及び演算部４２４を備えている。干渉縞解析部４２としては、例えばパーソナルコンピュータを用いることができるが、Ａ／Ｄ変換器４２１、フレームメモリ４２２、Ｄ／Ａ変換器４２３、及び演算部４２４、をそれぞれ独立の装置として構成してもよい。

Ａ／Ｄ変換器４２１には、ＣＣＤ４１から、各画素に蓄積された信号電荷（干渉縞画像信号）が順次入力される。このＡ／Ｄ変換器４２１においては、入力されたアナログ信号がそれぞれ、デジタル信号（干渉縞画像データ）に変換される。この干渉縞画像データは、Ａ／Ｄ変換器４２１に接続されたフレームメモリ４２２においてＣＣＤ４１の画素に対応したアドレスに記憶される。

フレームメモリ４２２に記憶された干渉縞画像データは、フレームメモリ４２２に接続されたＤ／Ａ変換器４２３によってアナログ信号に変換される。変換されたアナログ信号は、干渉縞解析部４２の外部に設けられた出力部４４（例えば、モニタ、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ、プリンタ）上に表示される。出力部４４上の表示により従来の干渉縞解析を行うことができる。

一方、フレームメモリ４２２には演算部４２４も接続されている。この演算部４２４では、以下に述べる空間的位相シフト法を用いてフレームメモリ４２２から出力された干渉縞画像データを解析することにより、被検レンズ８０の位相分布を求めることができ、これにより波面収差その他の被検レンズ８０の表面状態を解析することができる。さらに、干渉縞解析の解析結果としての波面収差を用いて、被検レンズ８０の光学的な調整を行うことができる。

演算部４２４には制御部４３が接続されており、制御部４３には、入力部４５（例えばキーボード、マウス）、基準平面板駆動部５２及び調整駆動部１２が接続されている。制御部４３では、演算部４２４（干渉縞解析部４２）又は入力部４５から入力された信号に基づいて、基準平面板駆動部５２又は調整駆動部１２に対して、基準平面板３６の姿勢変更又は被検レンズ８０の光学的調整に必要な制御信号を出力する。基準平面板駆動部５２では、この制御信号に基づいて、支持装置５１に対して、基準平面板３６の姿勢を変更するのに必要な駆動電流を供給する。調整駆動部１２では、制御部４３からの制御信号に基づいて、保持部１１に対して、被検レンズ８０の光学的調整を行うのに必要な駆動電流を供給する。

ここで、空間的位相シフト法を用いた解析手法について説明する。
基準平面板３６の光軸を基準平面板３６への入射光の進行方向に対して角度θ（半導体レーザ２１の波長λに依存した所定の角度）だけ傾斜させると、演算部４２４による演算により、フレームメモリ４２２から出力された干渉縞画像データに基づいて、干渉縞のある１周期分に着目すれば、次式Ａで表される空間的な信号強度分布Ｉ（ｘ）を算出することができる。なお、この式Ａでは、１次元の表示のためｙを省略してある。
＜式Ａ＞
Ｉ（ｘ）＝ａ＋ｂ・ｃｏｓ［φ＋２πνｘ］
ここで、ａは平均強度分布、ｂは振幅、νは空間キャリアの空間周波数、φはある点における初期位相である。

式（Ａ）について、ａ，ｂが一定の値をとると見なし、初期位相φは、上述の４つの画素の信号強度をそれぞれＩ₀、Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃とすると、次式Ｂで表される。
＜式Ｂ＞

この式により被検レンズ８０の各点における位相を求めることができ、２次元的にこれを繰り返せば、被検レンズ８０の波面収差を定量的に求めることができる。

一方、初期位相を算出する手法としては、干渉縞１周期分（２π）走査される分だけ基準平面板３６と被検レンズ８０との間隔をそれらの光軸方向に移動させると同時に、干渉縞が２π／Ｎ（Ｎは整数）だけ走査されるごとに合計Ｎ回画像を取り込み、各画像の明るさの変化から初期位相を算出するものがある（時間的位相シフト法又はフリンジスキャン法）。しかしながら、この手法では、基準平面板３６と被検レンズ８０との間隔を変更する機構が必要であるとともに、画像をＮ回取り込まなければならない。

これに対して、本実施形態においては、画像を取り込むのは１回で済み、かつ、基準平面板３６の傾斜角度を決めれば基準平面板３６と被検レンズ８０との間隔を変更する必要がない。したがって、低コストかつ短時間で干渉縞解析を行うことができ、干渉縞解析の度に被検レンズ８０の波面収差その他の情報を得ることが可能である。これにより、微調整を繰り返すことの多い被検レンズ８０の光学的調整において、実時間に干渉縞解析を行って波面収差の定量的な情報を得ることができるため、最終的な調整結果だけでなく、途中の微調整結果についても随時評価することができる。すなわち、実体的には、干渉縞解析を行うとともに、光学的調整と、その結果（経過）の評価を一体的かつ連続的に行うことができる。

ここで、実時間に干渉縞解析を行うとは、出力部４４を通じて観察者が観察できる周期よりも、早い周期（例えば、干渉縞解析部４２の駆動周期１周期分の時間（例えば１／５００秒））で解析を行うことを意味する。このような周期（速度）で干渉縞解析を行うと、例えば、出力部４４がインターレース処理を行うものである場合は、１フレームを表示する時間（ＮＴＳＣ方式では１／３０秒）が、干渉縞解析部４２の駆動周期１周期分の時間よりもはるかに長いため、この出力部４４を観察している者にとっては、自らが行った作業と同時に干渉縞解析が行われているように感じることとなる。

なお、上述のように求めた位相から算出される波面収差は、干渉縞解析に用いられるが、演算部４２４において波面収差をツェルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）展開すると、より詳細な解析を行うことができる。すなわち、ツェルニケ展開後の多項式の各係数は、被検レンズ８０の収差の情報を収差の種類毎に詳細に示すものであって、その数が多いほど得られる情報は多くなる。したがって、これら係数を解析すると、被検レンズ８０の収差をより詳細に解析することができる。

つづいて、被検レンズ８０の干渉縞解析及び光学的調整の動作の流れについて、図３を参照しつつ説明する。
まず、基準平面板３６に垂直に入射した光のうち、基準平面板３６を透過し反射基準凹面鏡３８により反射し再び基準平面板３６を透過した光と、基準平面板３６で反射された光と、が同じ光路をたどってＣＣＤ４１に入射するように、半導体レーザ２１、ＣＣＤ４１、及び光学系３０の各構成要素を配置して、干渉縞解析及び光学的調整の動作を開始する（ステップＳ１００）。同じ光路をたどって入射したか否かの確認は周知の方法により行うためここではその説明は省略する。

続いて、操作者が入力部４５を操作して傾斜角度値θを入力すると、制御部４３は基準平面板駆動部５２に制御信号を出力し、これを受けた基準平面板駆動部５２は支持装置５１に対して、基準平面板３６が入射光の光路に対して角度θだけ傾斜するのに必要な駆動電流を供給する（ステップＳ１０１）。これにより、基準平面板３６は、入射光の光路に対して角度θだけ傾斜する姿勢をとる。

次に、ドライバ２２を動作させることにより、半導体レーザ２１から基準光を出射する（ステップＳ１０２）。この出射光は、コリメータレンズ３１を経てミラー３２で反射され、ハーフミラー３４を透過して基準平面板３６へ入射する。この入射光のうちの一部は、基準平面板３６の参照面３６ａで反射されて、ハーフミラー３４で反射された後に、集光レンズ３５及びピンホール３７を経てＣＣＤ４１に入射する。参照面３６ａで反射されなかった光は、被検レンズ８０を透過した後に反射基準凹面鏡３８に入射し、被検レンズ８０が正しく配置されていれば入射光と同じ光路をたどるように反射する。反射基準凹面鏡３８からの反射光は、再び被検レンズ８０及び基準平面板３６を透過し、ハーフミラー３４で反射された後に、集光レンズ３５及びピンホール３７を経てＣＣＤ４１に入射する（ステップＳ１０３）。このように、ＣＣＤ４１には、参照面３６ａによる反射光と、基準平面板３６の透過した後に、被検レンズ８０を透過して反射基準凹面鏡３８で反射された光と、が入射し、これらの光により干渉縞が実時間に形成される。

ここで、実時間に干渉縞が形成されるとは、上述の実時間での干渉縞解析と同様に、出力部４４を通じて観察者が観察できる周期よりも、早い周期で干渉縞が形成されることを意味する。

形成された干渉縞は、出力部４４上の表示により解析することができる一方、干渉縞解析部４２において位相を算出することにより詳細かつ定量的な解析を行うこともできる（ステップＳ１０４）。干渉縞の形成、出力部４４への表示、及び、干渉縞解析部４２における位相の算出は、操作者が干渉縞形成部２０の動作を停止しない限り連続的に行われ、位相分布（波面収差）の算出結果は、制御部４３内の記憶領域（不図示）に保存される。なお、位相を算出する必要がない場合は、参照面の傾斜角度θをゼロとして、参照面の傾斜角度に応じて発生する干渉縞をなくすと、参照面３６ａによる反射光と透過光との干渉縞のみを出力部４４上に表示することにより解析が容易となるため、好ましい。

光学的調整は、干渉縞の形成中及び／又は干渉縞の解析中に、操作者が入力部４５を操作することにより、制御部４３が調整駆動部１２に制御信号を出力し、これを受けた調整駆動部１２が保持部１１に対して被検レンズ８０の光学的調整を行うための駆動電流を供給することにより、随時行うことができる。光学的調整を行っている間も、被検レンズ８０には基準平面板３６を透過した光が入射しており、干渉縞の形成及び干渉縞解析を継続することができる。操作者が光学的調整の結果の評価を希望するとき（ステップＳ１０５でＹＥＳ）は、操作者が入力部４５を操作することにより、その操作時点で制御部４３の記憶領域に保存された位相分布（波面収差）の算出結果が参照される（ステップＳ１０６）。この位相分布、又は、前回の評価時の位相分布からの変化により、被検レンズ８０の光学的調整を定量的に評価することができる。

光学的調整の評価終了後、又は、光学的調整の評価を希望しない間（ステップＳ１０５でＮＯ）において、操作者が干渉縞解析の継続を希望しないとき（ステップＳ１０７でＮＯ）は、操作者が入力部４５を操作することにより、光学的調整装置の動作を停止する（ステップＳ１０８）。これに対して、操作者が光学的調整装置の動作停止のための操作をしない間（ステップＳ１０７でＹＥＳ）は、基準光の出射を継続し（ステップＳ１０２）、ＣＣＤ４１に入射した干渉縞の解析が継続される（ステップＳ１０３、１０４）。この間も、操作者の希望に応じて、随時光学的調整結果の評価が行われる。

本実施形態に係る光学的調整装置では、光学的調整結果の評価結果に応じて、自動的に光学的調整を行わせることもできる。すなわち、制御部４３の記憶領域には、あらかじめ、被検レンズ８０の仕様に基づいた光学的調整の許容範囲に関するデータが保存されており、制御部４３が、これらのデータと光学的調整結果の評価結果を比較して、光学的調整結果が許容範囲内にないと判断したときは、許容範囲内に入るように保持部１１を動作させるべく、制御部４３から調整駆動部１２へ制御信号が出力され、これを受けた調整駆動部１２は、保持部１１に対して被検レンズ８０を構成するレンズの位置、傾きを変更する。このように調整された結果を、次の干渉縞解析により再び評価し、被検レンズ８０の仕様に基づいた光学的調整の許容範囲に入るか否かを判断し、入るまで光学的調整を繰り返すことにより、光学的調整を行うことができる。本発明では、空間的位相シフト法により干渉縞解析を短時間で行うことができるため、干渉縞解析の結果を利用した光学的調整を容易に繰り返し行うことができる。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的又は本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

本発明の実施形態に係る光学的調整方法に用いる光学的調整装置の構成を示す図である。本発明の実施形態に係る解析部の構成を示す図である。本発明の実施形態に係る光学的調整方法の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０光学的調整部
１１保持部
１２調整駆動部
２０干渉縞形成部
２１半導体レーザ
３０光学系
３６基準平面板
３６ａ参照面
３８反射基準凹面鏡
４１ＣＣＤ
４２干渉縞解析部
４３制御部
４４出力部
４５入力部
８０被検レンズ（光学素子）
４２２フレームメモリ
４２４演算部
θ 傾斜角度（所定角度）

Claims

入射光に対して参照面を所定角度傾けた状態で、前記参照面からの反射光と、被検光学素子群を透過した被検光と、により、空間キャリアを持つ干渉縞を形成する干渉縞形成ステップと、
前記干渉縞形成ステップにおいて形成された干渉縞を実時間に解析する干渉縞解析ステップと、
前記干渉縞解析ステップにおける解析結果に基づいて、前記光学素子の光学的な調整を連続的に行う光学的調整ステップと、
を備えることを特徴とする光学素子の光学的調整方法。
前記干渉縞形成ステップは実時間に実行され、
前記干渉縞解析ステップでは、前記干渉縞形成ステップで形成された干渉縞について解析を行い、
この解析結果に基づいて、前記光学素子の所望の光学性能について調整を連続的に行う請求項１記載の光学素子の光学的調整方法。
前記干渉縞形成ステップ及び前記干渉縞解析ステップの少なくとも一方と、前記光学的調整ステップと、は並行して実行される請求項２記載の光学的調整方法。
前記解析結果はツェルニケ展開され、展開後の多項式の少なくとも一つの係数に基づいて光学調整を行う請求項１〜４のいずれか１項記載の光学的調整方法。