JP2020012782A - 波面計測装置、波面計測方法、および、製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】、小型かつ簡易な構成で、光学系の複数の画角の透過波面を計測することが可能な波面計測装置を提供する。【解決手段】波面計測装置（１）は、光源（１０）からの光を分割して被検光学系（５０）の複数の画角に対応する複数の光（２００ａ、２０１ａ、２０２ａ）を生成する分割部（４０）と、被検光学系を透過して分離した複数の光（２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂ）を受光する受光部（９０、９１、９２）と、受光部で受光した複数の光の信号に基づいて、被検光学系の複数の画角の透過光の波面を取得する取得手段（１００）とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学系の透過波面を計測する波面計測装置に関する。

複数の光学素子を含む光学系では、複数の光学素子それぞれの配置精度が光学性能に影響する。所望の光学性能を実現するため、光学系の複数の画角の透過波面を計測し、複数の光学素子それぞれの位置を調整する技術が開発されている。特許文献１には、被検光学系に複数の画角の光束を照射し、被検光学系から射出した複数の画角の光束を折り返し平面鏡とウェッジプリズムとを介して１つの波面センサに導光し、被検光学系の複数の画角の波面を計測する波面計測装置が開示されている。

特許第６１２５１３１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された波面計測装置において、被検光学系から射出した複数の画角の光束は被検光学系の直後では重なっているため、被検光学系と折り返し平面鏡との間に複数の画角それぞれの光束が分離するまでの距離を確保する必要がある。その結果、波面計測装置が大型化する。また特許文献１に開示された波面計測装置では、複数の画角それぞれの光束を波面センサに導光するための光学系が複雑であり、光学系の組立調整に時間を要する。

そこで本発明は、小型かつ簡易な構成で、光学系の複数の画角の透過波面を計測することが可能な波面計測装置、波面計測方法、および、製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての波面計測装置は、光源からの光を分割して被検光学系の複数の画角に対応する複数の光を生成する分割部と、前記被検光学系を透過した前記複数の光を受光する受光部と、前記受光部から出力される信号に基づいて、前記被検光学系の前記複数の画角に対応する透過光の波面を取得する取得手段とを有する。

本発明の他の側面としての波面計測方法は、光源からの光を分割して被検光学系の複数の画角に対応する複数の光を生成し、前記被検光学系を透過した前記複数の光を受光部で受光するステップと、前記受光部から出力される信号に基づいて、前記被検光学系の前記複数の画角に対応する透過光の波面を取得するステップとを有する。

本発明の他の側面としての製造方法は、被検光学系を組み立てるステップと、前記波面計測方法により前記被検光学系の前記複数の画角に対応する前記透過光の波面を取得するステップとを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、小型かつ簡易な構成で、光学系の複数の画角の透過波面を計測することが可能な波面計測装置、波面計測方法、および、製造方法を提供することができる。

実施例１における波面計測装置の概略構成図である。 実施例１における被検光学系の波面の計測手順を示すフローチャートである。 実施例１における光束分割素子の例である。 実施例２における波面計測装置の概略構成図である。 各実施例における光学系の製造方法の製造工程図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本発明の実施例１における波面計測装置について説明する。図１は、本実施例における波面計測装置の概略構成図である。

波面計測装置１は、光源１０、ファイバ２０、コリメータレンズ３０、光束分割素子（分割部）４０、ミラー７１、７２、対物レンズ８０、８１、８２、撮像部（受光部）９０、９１、９２、および、コンピュータ（取得手段、算出手段）１００を有する。光束分割素子（分割部、回折素子）４０は、被検光学系５０の物体側に配置されている。後述のように、受光部は、複数の光をそれぞれ受光する複数の受光素子を備える。撮像部は、被検光学系５０の像側に配置された三つの撮像素子（受光素子）９０、９１、９２で構成されている。本実施例において、被検光学系５０は、複数のレンズを組み合わせて構成された光学系である。波面計測装置１は、被検光学系５０の複数の画角の透過光の波面を計測する。

光源１０は、例えば、レーザダイオードやＬＥＤである。光源１０からファイバ２０を介して射出された光２００は、コリメータレンズ３０により平行光となり、透過型の光束分割素子４０に入射する。光２００は光束分割素子４０により回折し、被検光学系５０の複数の画角に対応する複数の被検光２００ａ、２０１ａ、２０２ａが生成される。光束分割素子４０としては、例えば、振幅型回折格子や位相型回折格子などの回折素子、またはＣＧＨ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）などを採用することができる。複数の被検光２００ａ、２０１ａ、２０２ａは、０次および±１次の回折光であるが、他の次数の回折光でもよい。

複数の被検光２００ａ、２０１ａ、２０２ａはそれぞれ、被検光学系５０を透過して分離して被検光２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂとなる。被検光２００ｂは、対物レンズ８０を介して撮像素子９０で受光される。被検光２０１ｂ、２０２ｂはそれぞれ、ミラー７１、７２により反射し、対物レンズ８１、８２を介して撮像素子９１、９２で受光される。

撮像素子９０、９１、９２により受光された複数の被検光２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂに対応する信号は、コンピュータ（算出手段）１００に送られる。コンピュータ１００は、複数の被検光２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂに対応する信号に基づいて、被検光学系５０の複数の画角の透過光の波面を算出する。

本実施例では、シャックハルトマンの原理を利用して波面を算出する。すなわち撮像素子９０、９１、９２は、マイクロレンズアレイを備えたシャックハルトマンセンサである。波面収差のない平行光がシャックハルトマンセンサに入射すると、マイクロレンズアレイの周期と同じ周期のスポット配列像が撮像される。一方、波面収差のある光がシャックハルトマンセンサに入射すると、スポット配列像のそれぞれスポット位置が、各マイクロレンズに入射した光の波面の傾きに比例してシフトする。このスポット位置のシフト量に基づいて波面が算出される。

次に、図２を参照して、本実施例における被検光学系５０の波面の計測手順（波面計測方法）について説明する。図２は、被検光学系５０の波面の計測手順を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１０において、被検光学系５０の複数の画角のうち、計測対象画角の回折光を生成するための光束分割素子４０を設置する。続いてステップＳ２０において、被検光学系５０を設置し、撮像素子９０に入射する光が略平行光となるように、被検光学系５０のフォーカスを調整する。続いてステップＳ３０において、被検光学系５０の複数の画角の透過光（複数の被検光２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂ）を撮像素子９０、９１、９２で受光する。最後に、ステップＳ４０において、コンピュータ１００は、被検光学系５０の複数の画角の透過光の波面を算出する。

一般に、被検光学系の複数の画角に対応する光束は、被検光学系の物体側の近傍において重なっている。このため、従来技術では、被検光学系の複数の画角の光束を分離して計測するため、広い空間と複雑な光学系が必要だった。広い空間が必要な装置は、振動、熱膨張、および、空気揺らぎの影響を受けやすいため、計測精度が低下する。また、複雑な光学系を有する装置では、装置自体の組立調整に時間を要する。一方、本実施形態によれば、被検光学系の物体側に設置した光束分割素子を用いて被検光学系の複数の画角に対応する光を生成することで、広い空間と複雑な光学系を省き、小型堅牢かつ組立調整が容易な波面計測装置を実現することができる。

本実施例では、被検光学系５０の複数の画角として３つの画角を説明したが、より多くの画角の光を生成する光束分割素子（例えば、複数周期を有する２次元回折格子や高次の回折光を生成する回折格子）を利用して、計測する波面の画角数を増やしてもよい。図１では、２次元的に図示しているが、光学素子（例えば、ミラー、対物レンズ、撮像素子）を３次元的に配置することで、多数の画角の波面を計測することができる。

被検光学系５０が複数のズーム状態を有するレンズの場合、本実施例の波面計測装置１を用いて、それぞれのズーム状態における複数の画角の波面を計測することもできる。それぞれのズーム状態に対応する光束分割素子を複数準備し、それぞれのズーム状態において光束分割素子を交換すればよい。または、全てのズーム状態に対応する（それぞれのズーム状態において所望の回折光を生成可能な）１つの光束分割素子を製作してもよい。その光束分割素子は、１枚の基板で製作してもよいし、各ズーム状態における光束分割素子を製作して、それらを直列に並べることで１枚の基板と同等の性能をもたせてもよい。

次に、図３を参照して、光束分割素子４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）の構成について説明する。図３（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、光束分割素子４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）の例である。図３（Ａ）は、２枚の位相型回折格子（分割素子）４０１、４０２を直列に並べて構成された光束分割素子４０ａを示している。第１のズーム状態（Ｚｏｏｍ１）において、複数の被検光２００ａ、２０１ａ、２０２ａは回折格子（第１の分割素子）４０１で生成される。第２のズーム状態（Ｚｏｏｍ２）において、複数の被検光２００ａ、２０１ａ、２０２ａは回折格子（第２の分割素子）４０２で生成される。図３（Ａ）において、第１のズーム状態で生成された複数の被検光には（Ｚｏｏｍ１）、第２のズーム状態で生成された複数の被検光には（Ｚｏｏｍ２）と付記されている。なお、図３（Ａ）の光束分割素子４０ａでは、複数の被検光２００ａ、２０１ａ、２０２ａ以外の回折光（不図示）も生成されるが、それらの回折光が対物レンズの視野に入らなければ問題ない。

本実施例において、回折素子と他の光学素子（例えば、プリズム、ミラー、またはフレネルプリズム）とを組み合わせて光束分割素子４０ｂを構成して、複数のズーム状態における複数の画角の光を生成してもよい。例えば、複数のズーム状態が、望遠状態および広角状態の２つのズーム状態を含む場合を考える。この場合、図３（Ｂ）に示されるように、望遠状態（Ｚｏｏｍ１）における複数の画角の光を振幅型回折格子（第１の分割素子）４０３で生成し、広角状態（Ｚｏｏｍ２）における複数の画角の光をプリズム（第２の分割素子）４０４、４０５で生成することができる。広角状態における複数の画角の光束は、被検光学系５０から物体側に少し離れるだけで分離するため、回折素子の代わりにプリズムを用いてもコンパクトな波面計測装置を実現することができる。

被検光学系５０が広角ズームレンズである場合、いずれのズーム状態においても複数の画角の光束は被検光学系５０から少し離れるだけで分離するため、図３（Ｃ）に示されるような光束分割素子４０ｃを用いることができる。図３（Ｃ）は、フレネルプリズム４０６、４０７、４０８、４０９で構成された光束分割素子４０ｃである。第１のズーム状態（Ｚｏｏｍ１）では、フレネルプリズム（第１の分割素子）４０６、４０７において複数の被検光２０１ａ、２０２ａが生成される。第２のズーム状態２（Ｚｏｏｍ２）では、フレネルプリズム（第２の分割素子）４０８、４０９において複数の被検光２０１ａ、２０２ａが生成される。また光束分割素子４０ｃでは、いずれのズーム状態においても、被検光２００ａはフレネルプリズム４０６〜４０９のいずれも介することなく生成される。

本実施例では、被検光学系５０が無限遠にフォーカスした状態における透過波面を計測するため、コリメータレンズ３０で光２００をコリメートして光束分割素子４０に入射させる。ただし、光束分割素子４０として、回折機能およびコリメート機能の両方を有するＣＧＨを用いれば、コリメータレンズ３０を取り除くことができる。また、被検光学系５０が有限距離にフォーカスした状態における透過波面を計測する場合、波面計測装置１からコリメータレンズ３０を取り除くことができる。この場合、発散光の入射に対応した光束分割素子４０を設置し、光源１０からの（図１ではファイバ２０を介した）発散光を直接光束分割素子４０に入射させればよい。

本実施例では、撮像素子９０、９１、９２として、マイクロレンズアレイを備えたシャックハルトマンセンサを用いているが、これに限定されるものではない。それに代えて、撮像素子９０、９１、９２は、ハルトマンマスクを備えたシアリング干渉計（タルボ干渉計）を用いてもよい。ハルトマンマスクは、２次元位相型回折格子または２次元吸収型回折格子のいずれでもよい。シアリング干渉計では、ハルトマンマスクの後方にできる自己像の歪みから、フーリエ変換法によって波面を算出することができる。または、ハルトマンマスクとして、ピンホールアレイ（隣接するピンホールを透過した光との干渉が無視できるほどピンホール同士が離れているアレイ）を用いて、シャックハルトマンセンサと同様の原理で波面を回復することもできる。

本実施例では、光源（光源部）１０として１つの光源を用いているが、複数の光源を組み合わせて光源部を構成してもよい。例えば、波長の異なる複数の光源とファイバ２０とを結合することにより、被検光学系５０の波面の波長依存性を計測することができる。または、複数の光源の発散光射出端（図１ではファイバ２０の端部）の位置をずらして配置し、それぞれからの光を光束分割素子（回折素子）４０に入射させることで、計測する被検光学系５０の画角の数を増やすこともできる。

次に、図４を参照して、本発明の実施例２における波面計測装置について説明する。図４は、本実施例における波面計測装置２の概略構成図である。

波面計測装置２は、光源１５、ピンホール２５、光束分割素子４５、撮像素子９５、および、コンピュータ（算出手段）１００を備えて構成されている。なお波面計測装置２において、実施例１の波面計測装置１と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。

光源１５（例えば、ＨｅＮｅレーザ）からピンホール２５を介して射出された光２００は、被検光学系５０の物体側に置かれた反射型の光束分割素子（回折素子）４５で回折する。これにより、被検光学系５０の複数の画角に対応する複数の被検光２００ａ、２０１ａ、２０２ａが生成される。

複数の被検光２００ａ、２０１ａ、２０２ａはそれぞれ、被検光学系５０を透過して分離し、複数の被検光２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂとなる。複数の被検光２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂは、被検光学系５０の像側に配置された撮像素子９５により受光される。撮像素子９５は、実施例１の撮像素子９０、９１、９２と異なり、マイクロレンズアレイやハルトマンマスクを含まないイメージセンサ（例えば、被検光学系５０用のカメラ本体）である。撮像素子９５は、不図示のステージ上に配置されており、図４中の矢印Ａの方向に駆動することができる。なお、撮像素子９５を駆動する代わりに、被検光学系５０に駆動機構を設け、被検光学系５０を矢印Ａの方向に駆動してもよい。すなわち、撮像素子９５と被検光学系５０とを相対的に変位させることが可能であればよい。

撮像素子９５は、図４中の矢印Ａの方向に駆動しながら被検光学系５０の集光点付近の像を複数撮像する。コンピュータ１００は、撮像素子９５で撮像された像に基づいて、被検光学系５０の複数の画角の透過光の波面を算出する。像から波面を算出する方法は、強度輸送方程式を用いた方法や、特定の波面の初期値に基づいて最適化計算を行う方法でもよい。または、波面と像との関係を機械学習させた人工知能（ＡＩ）を用いて波面を算出してもよい。

次に、図５を参照して、本発明の実施例３における光学系の製造方法について説明する。図５は、本実施例における光学系の製造方法を示すフローチャートである。実施例１の波面計測装置１または実施例２の波面計測装置２を用いて計測された波面の結果を、光学系（被検光学系５０）の製造方法にフィードバックすることが可能である。

まずステップＳ１０１において、光学素子を用いて光学系を組み立て、各素子の位置を調整する（光学系組立調整）。続いてステップＳ１０２において、組立調整された光学系の光学性能（光学精度）を評価する。ここで、光学系の光学性能の評価は、実施例１の波面計測装置１または実施例２の波面計測装置２を用いて計測された波面の結果を用いて行う。ステップＳ１０２にて光学性能（光学精度）が不足する場合、ステップＳ１０１へ戻り、再度、光学系の組立調整を行う。一方、ステップＳ１０２にて光学性能（光学精度）を充足する場合、光学系の製造方法に関する本フローを終了する。

このように各実施例において、波面計測装置（１、２）は、分割部（４０、４５）、受光部（９０、９１、９２、９５）、および、取得手段（コンピュータ１００）を有する。分割部は、光源（１０）からの光を分割して被検光学系（５０）の複数の画角に対応する複数の光（２００ａ、２０１ａ、２０２ａ）を生成する。受光部は、被検光学系を透過した複数の光（２００ｂ、２０１ｂ、２０２ｂ）を受光する。取得手段は、受光部から出力される信号に基づいて、被検光学系の複数の画角に対応する透過光の波面を取得する。なお取得手段は、透過光の波面を算出することに限定されるものではなく、テーブルの参照等により透過光の波面を取得してもよい。

好ましくは、分割部は、光源からの光を回折させることにより複数の光を生成する。また好ましくは、受光部は、マイクロレンズアレイまたはハルトマンマスクを有する。また好ましくは、受光部は、複数の光をそれぞれ受光する複数の受光素子（９０、９１、９２）を備える。より好ましくは、複数の受光素子の数は、複数の光の数と同じである。ただし、必要に応じて受光部を単一の受光素子で構成してもよい。

好ましくは、分割部は、被検光学系の複数のズーム状態のそれぞれにおいて、被検光学系の複数の画角に対応する複数の被検光を生成する。より好ましくは、複数のズーム状態は、第１のズーム状態（Ｚｏｏｍ１）と、第１のズーム状態よりも被検光学系の焦点距離が短い第２のズーム状態（Ｚｏｏｍ２）とを含む。また好ましくは、分割部は、第１の分割素子（４０１、４０３、４０６、４０７）および第２の分割素子（４０２、４０４、４０５、４０８、４０９）を有する。分割部は、第１のズーム状態において第１の分割素子を用いて複数の光を生成し、第２のズーム状態において第２の分割素子を用いて複数の光を生成する。

各実施例によれば、小型かつ簡易な構成で、光学系の複数の画角の透過波面を計測することが可能な波面計測装置、波面計測方法、および、製造方法を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ 波面計測装置
１０ 光源
４０ 光束分割素子（分割部）
５０ 被検光学系
９０、９１、９２ 撮像部（受光部）
１００ コンピュータ（取得手段）

Claims (13)

1. 光源からの光を分割して被検光学系の複数の画角に対応する複数の光を生成する分割部と、
   前記被検光学系を透過した前記複数の光を受光する受光部と、
   前記受光部から出力される信号に基づいて、前記被検光学系の前記複数の画角に対応する透過光の波面を取得する取得手段と、を有することを特徴とする波面計測装置。
2. 前記分割部は、前記光源からの光を回折させることにより前記複数の光を生成することを特徴とする請求項１に記載の波面計測装置。
3. 前記受光部は、マイクロレンズアレイを有することを特徴する請求項１または２に記載の波面計測装置。
4. 前記受光部は、ハルトマンマスクを有することを特徴とする請求項１または２に記載の波面計測装置。
5. 前記受光部は、前記複数の光をそれぞれ受光する複数の受光素子を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の波面計測装置。
6. 前記複数の受光素子の数は、前記複数の光の数と同じであることを特徴とする請求項５に記載の波面計測装置。
7. 前記分割部は、前記被検光学系の複数のズーム状態のそれぞれにおいて、前記被検光学系の前記複数の画角に対応する前記複数の光を生成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の波面計測装置。
8. 前記複数のズーム状態は、第１のズーム状態と、該第１のズーム状態よりも前記被検光学系の焦点距離が短い第２のズーム状態と、を含むことを特徴とする請求項７に記載の波面計測装置。
9. 前記複数のズーム状態は、第１のズーム状態および第２のズーム状態を含み、
   前記分割部は、第１の分割素子および第２の分割素子を有し、
   前記第１のズーム状態において、前記第１の分割素子を用いて前記複数の光を生成し、
   前記第２のズーム状態において、前記第２の分割素子を用いて前記複数の光を生成することを特徴とする請求項７または８に記載の波面計測装置。
10. 前記第１の分割素子および前記第２の分割素子はそれぞれ回折格子であることを特徴とする請求項９に記載の波面計測装置。
11. 光源からの光を分割して被検光学系の複数の画角に対応する複数の光を生成し、前記被検光学系を透過した前記複数の光を受光部で受光するステップと、
    前記受光部から出力される信号に基づいて、前記被検光学系の前記複数の画角に対応する透過光の波面を取得するステップと、を有することを特徴とする波面計測方法。
12. 被検光学系を組み立てるステップと、
    請求項１１に記載の波面計測方法により前記被検光学系の前記複数の画角に対応する前記透過光の波面を取得するステップと、を有することを特徴とする製造方法。
13. 前記被検光学系の前記複数の画角に対応する前記透過光の波面に基づいて前記被検光学系の光学性能を評価するステップを有することを特徴とする請求項１２に記載の製造方法。