JP2010169424A - 光学性能評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、被検光学系の光学性能を評価する光学性能評価装置に関し、被検光学系の光学性能を高精度で評価することを目的とする。
【解決手段】 像側の焦点面に撮像素子を備えた被検光学系に像側から光を導く光源装置と、前記被検光学系を通過した光を偏向させて前記焦点面に導く反射素子とを有し、前記光源装置は、前記焦点面に微小光源からの光を集光させる照明光学系と、前記被検光学系の波面状態を検出する検出手段と、前記波面状態に基づいて前記微小光源からの光の波面状態を補正する補正手段とを有していることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検光学系の光学性能を評価する光学性能評価装置に関する。

例えば宇宙で使用される光学系は、ロケットで打ち上げられると地上とは環境が異なるため地上で十分な試験を行って性能を確認する必要がある。環境の違いには、例えば重力、熱、媒質等がある。試験内容として、最も重要なものの１つに光学系の結像性能評価がある。結像性能評価は、用途により像のプロファイルであったり、ＭＴＦであったりするが、被検光学系の前方にコリメータを配置し、コリメータでターゲットを投影して光学系の結像性能を評価することが多い。

しかしながら、被検光学系の口径が大きくなると、その試験のために、被検光学系と同等またはそれ以上の口径の光学系が必要になりコストが増大する。そこで、被検光学系の焦点面からターゲットを投影し平面鏡で折り返して結像性能を評価する方法が行われている。しかしながら、この方法では、被検光学系をコリメータとして用いており、コリメータ自体が歪んだ光を発しており、評価される被検光学系の像を正確に評価することが困難であるという問題があった。

本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたもので、被検光学系の光学性能を高精度で評価することができる光学性能評価装置を提供することを目的とする。

本発明を例示する第一の態様に従えば、像側の焦点面に撮像素子を備えた被検光学系に像側から光を導く光源装置と、前記被検光学系を通過した光を偏向させて前記焦点面に導く反射素子とを有し、前記光源装置は、前記焦点面に微小光源からの光を集光させる照明光学系と、前記被検光学系の波面状態を検出する検出手段と、前記波面状態に基づいて前記微小光源からの光の波面状態を補正する補正手段とを有していることを特徴とする光学性能評価装置が提供される。

本発明では、被検光学系の光学性能を高精度で評価することができる。

本発明の光学性能評価装置の第１の実施形態を示す説明図である。 図１の反射素子の傾き角を示す説明図である。 図１の光学性能評価装置の動作を示す説明図である。 焦点面への光の導入部を示す説明図である。 図４の他の例を示す説明図である。 撮像素子における像のプロファイル位置を示す説明図である。 １次元ラインセンサを示す説明図である。 マスク部材を示す説明図である。 本発明の光学性能評価装置の第２の実施形態の動作を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
(第１の実施形態)
図１は、本発明の光学性能評価装置の第１の実施形態を示している。

この実施形態では、評価対象である被検光学系に、大口径光学系であるカセグレインタイプの望遠鏡が適用される。望遠鏡は、望遠鏡部１１、撮像素子１３を有している。望遠鏡部１１は、主鏡１５と副鏡１７を有している。撮像素子１３にはＣＣＤが使用されている。望遠鏡部１１には、光軸に略平行な光が入射し、主鏡１５および副鏡１７で反射した後、撮像素子１３上に像を形成する。

この実施形態の光学性能評価装置は、光源装置１９、反射素子２１、制御装置２３を有している。

光源装置１９は、被検光学系である望遠鏡部１１の焦点面ＦＰに光を導く。光源装置１９は、光源２５、マスク部材２７、コリメータ２９、形状可変鏡３１、ビームスプリッタ３３、ダイバージャレンズ３５、シャック・ハルトマンセンサ３７を有している。光源２５にはレーザ光、白色光等が用いられる。マスク部材２７にはピンホール２７ａが形成されている。形状可変鏡３１は波面形状を変形可能とされている。シャック・ハルトマンセンサ３７は波面状態を検出する。シャック・ハルトマンセンサ３７は、マイクロレンズアレイ３９、撮像素子４１を有している。撮像素子４１はＣＣＤからなる。

反射素子２１は平面鏡からなる。反射素子２１は、図２に示すようにθｘおよびθｙ方向に回転可能とされている。θｘは、反射素子２１における望遠鏡部１１の光軸Ｃとの交点Ｏを通るＸ軸を中心とする回転方向の傾き角である。θｙは、交点Ｏを通るＸ軸に垂直なＹ軸を中心とする回転方向の傾き角である。

制御装置２３は、ＣＰＵ４３、メモリ４５を有している。制御装置２３は、光源装置１９、反射素子２１を制御する。また、撮像素子１３からの画像信号を入力し光学性能の評価処理を行う。

以下、上述した光学性能評価装置の動作を、図３に示すフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１：制御装置２３のＣＰＵ４３は、光源装置１９の光源２５を点灯する。光源２５には、例えば白色光が使用される。光源２５の光は、ピンホール２７ａ、コリメータ２９を通り形状可変鏡３１で反射される。反射された光は、ビームスプリッタ３３を通り、ダイバージャレンズ３５により被検光学系である望遠鏡部１１の焦点面ＦＰに集光される。集光した光束は、望遠鏡部１１を実際の使用時と逆の方向(図１に実線で示す)に導入され、副鏡１７および主鏡１５で反射され略平行光になる。平行光となった光束は、反射素子２１で反射され、望遠鏡部１１を使用時の方向(図１に二点鎖線で示す)に進行する。そして、焦点面ＦＰに焦点を結ぶ。

望遠鏡部１１に光を導入する像面には、図４に斜線で示すように撮像素子１３が配置されている。光を導入する位置は、例えば図４の円内の×の位置に設定するのが望ましい。一般に光学系は軸対称系が用いられるのが普通なので、この位置を設定することにより像性能を保証することができる。なお、この位置を導入位置として設定することが困難な場合には、例えば図５に示すように、反射鏡Ｍにより光路Ｋを折り曲げて像面Ｚと同一の焦点位置にするようにしても良い。

ステップＳ２：ＣＰＵ４３は、反射素子２１を駆動して反射光を焦点面ＦＰの入射位置に反射させる。そして、望遠鏡部１１に入射した光束と望遠鏡部１１から出射される光束とが重なるような傾き角θｘおよびθｙに反射素子２１の角度を設定する。光が元の光路に戻るように反射素子２１の傾きを調整すると、光束は光源装置１９のダイバージャレンズ３５、ビームスプリッタ３３を通りシャック・ハルトマンセンサ３７に導かれる。

ステップＳ３：被検光学系である望遠鏡部１１の波面状態を検出する。この検出は、光源装置１９に配置されるシャック・ハルトマンセンサ３７により行われる。シャック・ハルトマンセンサ３７は、ビームスプリッタ３３から入射された光束をマイクロレンズアレイ３９を介して撮像素子４１に導く。撮像素子４１で検出された画像は制御装置２３に出力され波面状態が求められる。この波面状態は、導入した光が元の光路に戻るように反射素子２１の傾きを調整しているため、往復の光路の波面収差を含んでいる。従って、この波面収差の半分の値が往路の波面収差になる。

ステップＳ４：光源装置１９の光源２５からの光の波面状態を補正する。この補正は、形状可変鏡３１により行われる。ＣＰＵ４３は、求められた波面状態に基づいて形状可変鏡３１に信号を出力する。そして、望遠鏡部１１の波面収差および反射素子２１の形状誤差をキャンセルするような波面が得られるように形状可変鏡３１を制御する。より具体的には、ステップＳ３で検出される波面収差は、往復の光路の波面収差を含んでいるため、この波面収差の１／２の波面収差をキャンセルできるような波面が得られるように形状可変鏡３１を制御する。なお、望遠鏡部１１の射出瞳、形状可変鏡３１、シャック・ハルトマンセンサ３７のマイクロレンズアレイ３９は精度よく波面収差を検出し補正するために互いに共役関係にある。

ステップＳ５：ＣＰＵ４３は、撮像素子１３の所定位置に光が導かれるように反射素子２１を駆動する。所定位置として、例えば図６に示すように撮像素子１３の中央Ａ、四隅の×で示す位置Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅが選択されている。ＣＰＵ４３は、先ず、例えば撮像素子１３の中央の位置Ａに光が導かれるように反射素子２１を駆動する。これにより撮像素子１３の位置Ａには、望遠鏡部１１により広がった点像(ＰＳＦ)が形成される。撮像素子１３の所定位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに対する反射素子２１の傾き角θｘ、θｙは、撮像素子１３の所定画素の信号より設定することで、所定位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに光を導くことができる。

ステップＳ６：ＣＰＵ４３は、反射素子２１を走査して撮像素子１３から点像をデータとして取得する。より具体的には、撮像素子１３の傾き角θｘ、θｙをステップ走査または連続走査して点像のプロファイルを取得する。

ステップＳ７：選択された全ての位置を測定していない場合には、残りの位置に対してステップＳ５およびステップＳ６の動作を行う。

ステップＳ８：ステップＳ７において全ての位置を測定した後、ステップＳ６で得られたデータを計算処理して光学特性を評価する。例えば計算処理によりＭＴＦやその他の特性を評価することができる。

上述した光学性能評価装置では、シャック・ハルトマンセンサ３７により望遠鏡部１１の波面状態を検出し、検出された波面状態に基づいて形状可変鏡３１を制御し、微小光源２５からの光の波面状態を補正するようにしたので、被検光学系である望遠鏡部１１の光学性能を高精度で評価することができる。

(第２の実施形態)
以下、本発明の光学性能評価装置の第２の実施形態を説明する。なお、この実施形態において第１の実施形態と同一の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

この実施形態では、被検光学系である望遠鏡の撮像素子に、例えば図７に示すような１次元ラインセンサからなる撮像素子１３Ａが用いられている。この撮像素子１３Ａは、多数の画素Ｇが直線状に形成されている。また、マスク部材２７Ａには、例えば図８に示すように、ピンホール２７ａおよびスリット２７ｂが形成されている。マスク部材２７Ａは、ピンホール２７ａとスリット２７ｂとの位置を切り替え可能に構成されている。マスク部材２７Ａはスリット２７ｂをステップ走査または連続走査可能に構成されている。光源２５には、白色光が用いられている。

図９は、この実施形態の光学性能評価装置の動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１：ＣＰＵ４３は、マスク部材２７Ａをピンホール２７ａの位置に設定し光源２５を点灯する。なお、ステップＳ２、ステップＳ３、ステップＳ４は、図３のステップＳ２、ステップＳ３、ステップＳ４に対応するため詳細な説明を省略する。

ステップＳ５：ＣＰＵ４３は、マスク部材２７Ａをスリット２７ｂの位置に設定する。

ステップＳ６：ＣＰＵ４３は、撮像素子１３Ａの所定位置に光が導かれるように反射素子２１を駆動する。所定位置として、例えば図７に示すように撮像素子１３Ａの中央および両側の×で示す位置Ａ’，Ｂ’，Ｃ’が選択されている。そして、先ず、例えば撮像素子１３Ａの中央の位置Ａ’に光が導かれるように反射素子２１を駆動する。これにより撮像素子１３Ａには、望遠鏡部１１により広がったスリット像(ＬＳＦ)が形成される。
撮像素子１３Ａの所定位置Ａ’，Ｂ’，Ｃ’に対する反射素子２１の傾き角θｘ、θｙは、撮像素子１３Ａの所定画素の信号より設定することで、所定位置Ａ’，Ｂ’，Ｃ’に光を導くことができる。

ステップＳ７：ＣＰＵ４３は、スリット２７ｂを走査して撮像素子１３Ａからスリット像をデータとして取得する。より具体的には、スリット２７ｂの形成されるマスク部材２７Ａをステップ走査または連続走査してスリット像のプロファイルを取得する。

ステップＳ８：選択された全ての位置を測定していない場合には残りの位置に対してステップＳ６およびステップＳ７の動作を行う。

ステップＳ９：ステップＳ８において全ての位置を測定した後、ステップＳ７で得られたデータを計算処理して光学特性を評価する。例えば計算処理によりＭＴＦやその他の特性を評価することができる。

この実施形態の光学性能評価装置では、マスク部材２７Ａのピンホール２７ａからの点光源を用いてシャック・ハルトマンセンサ３７により被検光学系である望遠鏡部１１の波面状態を検出するようにしたので、波面状態を確実に検出することができる。そして、マスク部材２７Ａのスリット２７ｂを用いてスリット像を取得するようにしたので、１次元ラインセンサからなる撮像素子１３Ａを使用する場合にも、スリット像を容易，確実に得ることができる。すなわち、１次元ラインセンサからなる撮像素子１３Ａでは、撮像素子１３Ａ上に点光源を位置させることが非常に困難であるが、スリット光源は所定の長さを有しているため、スリットを撮像素子１３Ａの画素Ｇ上に位置させることが比較的容易である。
(実施形態の補足事項)
以上、本発明を上述した実施形態によって説明してきたが、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような形態でも良い。

(１)上述した実施形態では、被検光学系を望遠鏡にした例について説明したが、例えば、カメラ等の光学機器の光学系であっても良い。

(２)上述した第１の実施形態では、マスク部材２７にピンホール２７ａを形成した例について説明したが、例えばレーザ光を使用する場合には、必ずしもマスク部材２７Ａを使用する必要はない。

(３)上述した第２の実施形態では、マスク部材２７Ａのスリット２７ｂを走査して撮像素子１３Ａからスリット像を取得した例について説明したが、反射素子２１を走査してスリット像を取得するようにしても良い。

１１…望遠鏡部、１３…撮像素子、２１…反射素子、１９…光源装置、２３…制御装置、２５…光源、２７…マスク部材、３１…形状可変鏡、３７…シャック・ハルトマンセンサ。

特開平１０−３８７５５号公報

Claims (4)

1. 像側の焦点面に撮像素子を備えた被検光学系に像側から光を導く光源装置と、
   前記被検光学系を通過した光を偏向させて前記焦点面に導く反射素子とを有し、
   前記光源装置は、
   前記焦点面に微小光源からの光を集光させる照明光学系と、
   前記被検光学系の波面状態を検出する検出手段と、
   前記波面状態に基づいて前記微小光源からの光の波面状態を補正する補正手段と、
   を有していることを特徴とする光学性能評価装置。
2. 請求項１記載の光学性能評価装置において、
   前記微小光源は、点光源とスリット光源とに切り換え可能であることを特徴とする光学性能評価装置。
3. 請求項１または請求項２記載の光学性能評価装置において、
   前記反射素子の反射角をステップ的または連続的に変更する第１の変更手段を有していることを特徴とする光学性能評価装置。
4. 請求項１または請求項２記載の光学性能評価装置において、
   前記スリット光源の位置をステップ的または連続的に変更する第２の変更手段を有していることを特徴とする光学性能評価装置。
   

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