JP2023115855A - Wavefront sensor and wavefront measuring device - Google Patents

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JP2023115855A JP2022018318A JP2022018318A JP2023115855A JP 2023115855 A JP2023115855 A JP 2023115855A JP 2022018318 A JP2022018318 A JP 2022018318A JP 2022018318 A JP2022018318 A JP 2022018318A JP 2023115855 A JP2023115855 A JP 2023115855A
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microlens array
point image
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point
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裕貴 綱川
Yuki Tsunakawa
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Abstract

To provide a wavefront sensor capable of detecting accurately, a centroid, even in a wavefront with large aberration.SOLUTION: A wavefront sensor 100 comprises: a micro lens array 101 including a plurality of micro lenses; and an imaging element 102 which receives a plurality of point images being formed by the micro lens array. The wavefront sensor is configured so that a use wavelength λ, a focal distance f of the micro lens, an effective diameter Φ of the micro lens, a pixel pitch s of the imaging element, a pixel number p of the imaging element corresponding to a prescribed size of the point image when the size of the point image is smaller than the prescribed size, a pixel number m of the imaging element corresponding to an enlarged point image on an imaging surface of the imaging element obtained by enlarging the point image by defocusing, and a defocusing d of the micro lens from the focal position, satisfy a prescribed conditional expression, and the imaging element is arranged at a position away from the micro lens array by a distance of f+d, in an optical axis direction of the micro lens array.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、大収差の波面を高精度に計測可能な波面センサに関する。 The present invention relates to a wavefront sensor capable of measuring a wavefront with large aberration with high accuracy.

波面センサ(シャックハルトマンセンサ、SHS)は、多数のマイクロレンズを格子状に並べたマイクロレンズアレイと撮像素子が一体となったものである。波面に波面収差がある場合はその波面の勾配に応じて点像の位置がずれる。このため、この点像の位置ずれ量から波面収差を求めることができる。点像は回折により有限のサイズを持つため、点像の位置は重心検出により求める。そのため、重心検出の精度が重要である。 A wavefront sensor (Shack-Hartmann sensor, SHS) is a combination of a microlens array in which a large number of microlenses are arranged in a grid pattern and an imaging device. If the wavefront has wavefront aberration, the position of the point image shifts according to the gradient of the wavefront. Therefore, the wavefront aberration can be obtained from the positional deviation amount of the point image. Since the point image has a finite size due to diffraction, the position of the point image is obtained by centroid detection. Therefore, the accuracy of centroid detection is important.

特許文献1には、点像同士の間隔に応じて重心検出を行う領域を変える方法が記載されている。これは、重心検出を行う領域を最適化し、隣接する点像の影響を最小限にすることで、重心検出精度を向上するためのものである。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-200002 describes a method of changing the area for detecting the center of gravity according to the interval between point images. This is to optimize the region for centroid detection and minimize the influence of adjacent point images, thereby improving centroid detection accuracy.

特許6080427号公報Japanese Patent No. 6080427

サブピクセル精度で重心検出するためには、ある程度の点像サイズが必要である。しかし、特許文献1の方法では、隣接する点像の影響は低減可能だが、個々の点像サイズそのものが不足している場合は効果が期待できない。 To detect the centroid with sub-pixel accuracy, a certain point image size is required. However, in the method of Patent Document 1, although the influence of adjacent point images can be reduced, the effect cannot be expected when the size of each individual point image itself is insufficient.

また、大収差の波面の場合、点像サイズは小さくなる傾向にある。ある値以上の大収差の場合、十分に低い敏感度と、十分な点像サイズの両立が困難であり、高精度な重心検出が困難という課題がある。 Also, in the case of a wavefront with large aberration, the point image size tends to be small. In the case of a large aberration of a certain value or more, it is difficult to achieve both a sufficiently low sensitivity and a sufficient point image size, and there is a problem that it is difficult to detect the center of gravity with high accuracy.

本発明は、大収差の波面でも高精度な重心検出が可能な波面センサを提供する。 The present invention provides a wavefront sensor capable of detecting the center of gravity with high accuracy even in a wavefront with large aberration.

本発明の一側面としての波面センサは、夫々が物体の点像を形成する複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイにより形成された複数の点像を受光する撮像素子とを有し、使用波長をλ、前記複数のマイクロレンズの夫々の焦点距離をf、前記複数のマイクロレンズの夫々の有効径をΦ、前記撮像素子の画素ピッチをs、前記複数の点像の夫々のサイズが所定サイズより小さい場合に前記所定サイズの点像に対応する前記撮像素子の画素数をp、前記複数の点像の夫々をデフォーカスにより拡大した前記撮像素子の撮像面上での拡大点像に対応する前記撮像素子の画素数をm、前記複数のマイクロレンズの夫々の焦点位置からの前記デフォーカスをdとしたとき、前記撮像素子は、前記マイクロレンズアレイの光軸方向において、前記マイクロレンズアレイからf+d離れた位置に配置されており、
2.44λf/Φ<ps
|d|>(ms-2.44λf/Φ)f/Φ
なる条件式を満たすことを特徴とする。
A wavefront sensor as one aspect of the present invention includes a microlens array including a plurality of microlenses each forming a point image of an object, and an imaging element receiving the plurality of point images formed by the microlens array. λ is the wavelength used, f is the focal length of each of the plurality of microlenses, Φ is the effective diameter of each of the plurality of microlenses, s is the pixel pitch of the imaging device, and each of the plurality of point images When the size of is smaller than a predetermined size, the number of pixels of the image sensor corresponding to the point image of the predetermined size is p, and each of the plurality of point images is enlarged by defocusing on the imaging surface of the image sensor. When the number of pixels of the imaging device corresponding to a point image is m, and the defocus from the focal position of each of the plurality of microlenses is d, the imaging device is arranged in the optical axis direction of the microlens array as follows: is located at a distance of f + d from the microlens array,
2.44λf/Φ<ps
|d|>(ms−2.44λf/Φ)f/Φ
It is characterized by satisfying the following conditional expression.

本発明の他の側面としての波面センサは、夫々が物体の点像を形成する複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイにより形成された複数の点像を受光する撮像素子と、平行平板とを有し、使用波長をλ、前記複数のマイクロレンズの夫々の焦点距離をf、前記複数のマイクロレンズの夫々の有効径をΦ、前記撮像素子の画素ピッチをs、前記平行平板の厚みをt、前記平行平板の屈折率をn、前記複数の点像の夫々のサイズが所定サイズより小さい場合に前記所定サイズの点像に対応する前記撮像素子の画素数をp、前記複数の点像の夫々を前記平行平板により拡大した前記撮像素子の撮像面上での拡大点像に対応する前記撮像素子の画素数をmとしたとき、前記撮像素子は、前記マイクロレンズアレイの光軸方向において、前記マイクロレンズアレイからf離れた位置に配置されており、前記平行平板は、前記マイクロレンズアレイの光軸方向において、前記マイクロレンズアレイと前記撮像素子の間に配置されており、
2.44λf/Φ<ps
t>((ms-2.44λf/Φ)f/Φ)/(1-1/n)
なる条件式を満たすことを特徴とする。
A wavefront sensor as another aspect of the present invention includes a microlens array including a plurality of microlenses each forming a point image of an object, and an imaging element receiving the plurality of point images formed by the microlens array. , a parallel plate, wherein λ is the wavelength used, f is the focal length of each of the plurality of microlenses, Φ is the effective diameter of each of the plurality of microlenses, s is the pixel pitch of the imaging device, and the parallel t is the thickness of the flat plate, n is the refractive index of the parallel flat plate, p is the number of pixels of the imaging device corresponding to the point image of the predetermined size when each size of the plurality of point images is smaller than the predetermined size, and When the number of pixels of the imaging device corresponding to the enlarged point images on the imaging surface of the imaging device obtained by enlarging each of the plurality of point images by the parallel flat plate is m, the imaging device has the microlens array. The parallel flat plate is arranged at a distance f from the microlens array in the optical axis direction, and the parallel flat plate is arranged between the microlens array and the imaging device in the optical axis direction of the microlens array. ,
2.44λf/Φ<ps
t> ((ms-2.44λf/Φ)f/Φ)/(1-1/n)
It is characterized by satisfying the following conditional expression.

上記波面センサを備える波面計測装置も本発明の他の側面を構成する。 A wavefront measuring device including the wavefront sensor also constitutes another aspect of the present invention.

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。 Other objects and features of the invention are described in the following embodiments.

本発明によれば、大収差の波面でも高精度な重心検出が可能な波面センサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a wavefront sensor capable of detecting the center of gravity with high accuracy even on a wavefront with large aberration.

実施例1の波面センサの概略図である。1 is a schematic diagram of a wavefront sensor of Example 1. FIG. 点像サイズと重心検出精度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between point image size and centroid detection accuracy. ランダムノイズのない点像と重心検出精度の関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between a point image without random noise and the centroid detection accuracy; ランダムノイズのある点像と重心検出精度の関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between point images with random noise and centroid detection accuracy; 実施例2の波面センサの概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram of a wavefront sensor of Example 2; 実施例3の波面計測器の概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram of a wavefront measuring instrument of Example 3; 実施例4の波面計測器の概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram of a wavefront measuring instrument of Example 4;

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。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
(実施例1)
図1は実施例1における波面センサ100の概略図である。実施例1における波面センサ100は、夫々が物体の点像を形成する有効径Φ、焦点距離fの複数のマイクロレンズ101a~101dを含むマイクロレンズアレイ101と、画素ピッチsの撮像素子102を有する。マイクロレンズ101a~101dは格子状に並んでいる。撮像素子102はマイクロレンズアレイ101により形成された複数の点像を受光する。波面センサ100は、マイクロレンズアレイ101が結ぶ点像の重心位置の基準位置に対するずれから波面収差を求めるのに使用される。ここで有効径は、マイクロレンズのレンズ面を通過する光束のうち最も光軸から径方向(光軸と垂直方向)に離れた位置を通過する光束のレンズ面上の径を意味する。言い換えると、有効径は、レンズ面のうち結像に寄与する有効光束が通過する領域(有効領域)の径を意味する。撮像素子102は、マイクロレンズアレイ101の光軸方向において、マイクロレンズアレイ101から焦点距離fとデフォーカスdの和による距離(f+d)離れた位置に配置されている。デフォーカスdはマイクロレンズ101a~101dの有効径Φ、マイクロレンズ101a~101dの焦点距離fと、撮像素子102の画素ピッチsから求まる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same reference numerals are given to the same members, and overlapping descriptions are omitted.
(Example 1)
FIG. 1 is a schematic diagram of a wavefront sensor 100 in Example 1. FIG. A wavefront sensor 100 in Example 1 has a microlens array 101 including a plurality of microlenses 101a to 101d each having an effective diameter Φ and a focal length f for forming a point image of an object, and an imaging element 102 having a pixel pitch s. . The microlenses 101a to 101d are arranged in a lattice. The imaging device 102 receives a plurality of point images formed by the microlens array 101 . The wavefront sensor 100 is used to obtain the wavefront aberration from the deviation of the barycentric position of the point image formed by the microlens array 101 from the reference position. Here, the effective diameter means the diameter on the lens surface of the luminous flux passing through the lens surface of the microlens at the position farthest in the radial direction (perpendicular to the optical axis) from the optical axis. In other words, the effective diameter means the diameter of the area (effective area) of the lens surface through which the effective light flux that contributes to image formation passes. The imaging element 102 is arranged at a position separated from the microlens array 101 by a distance (f+d) which is the sum of the focal length f and the defocus d in the optical axis direction of the microlens array 101 . The defocus d is obtained from the effective diameter Φ of the microlenses 101a to 101d, the focal length f of the microlenses 101a to 101d, and the pixel pitch s of the image sensor .

入射光103は、マイクロレンズアレイ101により微小な光束要素103a~103dに分割され、それぞれの光束要素は概ね平行光とみなすことができる。光束要素103a~103dは、マイクロレンズアレイ101から焦点距離f離れた焦点面104に、それぞれ点像105a~105dを形成する。点像105a~105dの位置はそれぞれ光束要素103a~103dの勾配に依存するため、点像105a~105dの位置を重心検出することで、光束要素103a~103dの勾配を求めることができる。光束要素103a~103dの勾配を合わせることで、入射光103の波面収差を求めることができる。しかし、撮像素子102の解像度に対して点像105a~105dのサイズが小さすぎると十分な重心検出精度を得られない。本実施例では、撮像素子102を焦点面104からデフォーカスd離れた位置に配置する。点像105a~105dをデフォーカスにより拡大した撮像素子102の撮像面上での拡大点像106a~106dを検出することで、重心検出精度が向上する。 Incident light 103 is divided into minute light flux elements 103a to 103d by microlens array 101, and each light flux element can be regarded as roughly parallel light. Light flux elements 103a-103d form point images 105a-105d, respectively, on focal plane 104, which is separated from microlens array 101 by focal length f. Since the positions of the point images 105a to 105d depend on the gradients of the light flux elements 103a to 103d, respectively, the gradients of the light flux elements 103a to 103d can be obtained by detecting the centers of gravity of the positions of the point images 105a to 105d. By matching the gradients of the light beam elements 103a to 103d, the wavefront aberration of the incident light 103 can be obtained. However, if the size of the point images 105a to 105d is too small for the resolution of the imaging device 102, sufficient centroid detection accuracy cannot be obtained. In this embodiment, the image sensor 102 is arranged at a position separated from the focal plane 104 by a defocus d. By detecting the enlarged point images 106a to 106d on the imaging surface of the imaging element 102 obtained by enlarging the point images 105a to 105d by defocusing, the center-of-gravity detection accuracy is improved.

次に、デフォーカスdの求め方について説明する。焦点面104における点像サイズwは、使用波長をλとして以下の式(1)で求まる。 Next, how to obtain the defocus d will be described. The point image size w0 on the focal plane 104 is obtained by the following equation (1), where λ is the wavelength used.

=2.44λf/Φ ・・・(1)
点像サイズwが十分な重心検出精度を与える点像サイズであれば、d=0で良いが、十分な重心精度が得られない場合には点像サイズを拡大する必要がある。そこで、点像サイズの拡大の必要性を判断する。精細な撮像素子であれば点像サイズは小さめで良いが、粗い撮像素子であれば大きめの点像サイズが必要となる。点像サイズそのものではなく、画素数に換算して考える必要がある。点像105a~105dのサイズが所定サイズより小さい場合に該所定サイズの点像に対応する撮像素子102の画素数をpとしたとき、点像サイズの拡大の必要性は以下の条件式(2)で表される。
w 0 =2.44λf/Φ (1)
If the point image size w0 is a point image size that provides sufficient centroid detection accuracy, d=0 is sufficient, but if sufficient centroid accuracy cannot be obtained, the point image size must be enlarged. Therefore, the necessity of enlarging the point image size is determined. A small point image size is sufficient for a fine image pickup device, but a large point image size is required for a rough image pickup device. Instead of the point image size itself, it is necessary to consider it in terms of the number of pixels. When the size of the point images 105a to 105d is smaller than a predetermined size and the number of pixels of the image sensor 102 corresponding to the point images of the predetermined size is p, the necessity of enlarging the point image size is expressed by the following conditional expression (2 ).

2.44λf/Φ<ps ・・・(2)
条件式(2)は、大収差の波面を対象とする場合や、ロバスト性を高くしたい場合に満たしやすい。これは、波面の勾配に対する重心ずれ敏感度を抑制するために焦点距離を短くする必要があり、その結果、条件式(2)の左辺の値が小さくなるためである。
2.44λf/Φ<ps (2)
Conditional expression (2) is likely to be satisfied when a wavefront with large aberration is targeted or when high robustness is desired. This is because the focal length needs to be shortened in order to suppress the sensitivity of the deviation of the center of gravity to the gradient of the wavefront, and as a result, the value of the left side of conditional expression (2) becomes small.

条件式(2)を満たしたとき、焦点面104からデフォーカスした、マイクロレンズアレイ101から距離f+dの位置における点像サイズwは以下の式(3)で求まる。 When the conditional expression (2) is satisfied, the point image size w at the position of the distance f+d from the microlens array 101 defocused from the focal plane 104 is obtained by the following expression (3).

w=2.44λf/Φ+|d|Φ/f ・・・(3)
デフォーカスにより点像を拡大するのだが、点像をどのサイズまで拡大するかによりデフォーカスdの値も変わる。点像105a~105dをデフォーカスにより拡大した撮像素子102の撮像面上での拡大点像106a~106dに対応する撮像素子102の画素数をm(≧p)として、点像サイズの拡大に必要なデフォーカスdは以下の条件式(4)で求まる。
w=2.44λf/Φ+|d|Φ/f (3)
The point image is magnified by defocusing, and the value of defocus d changes depending on the size of the point image to be magnified. Necessary for enlarging the point image size, where m (≧p) is the number of pixels of the image sensor 102 corresponding to the enlarged point images 106a to 106d on the imaging surface of the image sensor 102 obtained by enlarging the point images 105a to 105d by defocusing. A defocus d is obtained by the following conditional expression (4).

|d|>(ms-2.44λf/Φ)f/Φ ・・・(4)
なお、図1では撮像素子102をマイクロレンズアレイ101に対して焦点面104より遠い位置に配置しているが、撮像素子102を焦点面104より近い位置に配置しても良い。デフォーカスdの符号は、撮像素子102がマイクロレンズアレイ101に対して焦点面104より遠い位置に配置されている場合を正とし、撮像素子102がマイクロレンズアレイ101に対して焦点面104より近い位置に配置されている場合を負とする。
|d|>(ms−2.44λf/Φ)f/Φ (4)
In FIG. 1, the imaging element 102 is arranged at a position farther than the focal plane 104 with respect to the microlens array 101 , but the imaging element 102 may be arranged at a position closer than the focal plane 104 . The sign of the defocus d is positive when the imaging device 102 is located farther than the focal plane 104 with respect to the microlens array 101, and the imaging device 102 is closer to the microlens array 101 than the focal plane 104. It is negative if it is placed at the position.

次に、画素数pと、拡大点像106a~106dの画素数mの値を求める。その根拠として、点像サイズと重心検出精度の関係について説明する。要求される重心検出精度はサブμmであるが、撮像素子102の画素ピッチsは数μm程度である。そのため、サブピクセル精度で重心検出する必要があり、そのためには、点像サイズが画素ピッチより大きい(点像サイズ>画素ピッチ)である必要がある。図2、図3、図4に、点像サイズに対する重心検出精度のシミュレーション結果を示す。図2は点像サイズと重心検出精度の関係である。(a)~(h)の順に点像サイズが1pixずつ大きくなっており、(a)は3pix、(h)は10pixの点像になっている。また、これらはすべてに対して、ランダムノイズは0だが、1.25pixの位置ずれを付与している。図3は図2の重心検出結果をプロットしたものである。点像サイズ<5pixでは、重心検出精度が低下している。十分な精度で重心検出するには、5pix以上の点像サイズが必要なことが分かる。図4は図2の点像に10000通りのランダムノイズを付与し、同様に重心検出した結果をプロットしたものである。ノイズまで考慮すると5pixでもやや精度が落ちることが分かる。そのため、5pixではなく、余裕をもって6pix程度までは点像を拡大した方が良い。つまり、画素数pは5以上(p≧5)、拡大点像106a~106dの画素数mはp+1以上(m≧p+1)とすることが好ましい。 Next, the pixel number p and the pixel number m of the enlarged point images 106a to 106d are obtained. As a basis for this, the relationship between the point image size and the centroid detection accuracy will be described. The required centroid detection accuracy is sub-μm, but the pixel pitch s of the image sensor 102 is about several μm. Therefore, it is necessary to detect the center of gravity with sub-pixel accuracy, and for this purpose, the point image size must be larger than the pixel pitch (point image size>pixel pitch). 2, 3, and 4 show simulation results of centroid detection accuracy with respect to point image size. FIG. 2 shows the relationship between point image size and centroid detection accuracy. The point image size increases by 1 pix in order from (a) to (h), and (a) is 3 pix and (h) is a 10 pix point image. In addition, although the random noise is 0 for all of these, a positional shift of 1.25 pix is given. FIG. 3 plots the center-of-gravity detection results of FIG. When the point image size is less than 5 pix, the center-of-gravity detection accuracy decreases. It can be seen that a point image size of 5 pix or more is required to detect the center of gravity with sufficient accuracy. FIG. 4 plots the result of adding 10,000 kinds of random noise to the point image of FIG. 2 and similarly detecting the center of gravity. Considering noise, it can be seen that even 5 pix is slightly less accurate. Therefore, it is better to enlarge the point image to about 6 pix with a margin instead of 5 pix. That is, it is preferable that the pixel number p is 5 or more (p≧5), and the pixel number m of the enlarged point images 106a to 106d is p+1 or more (m≧p+1).

これら条件を満たせば、これらの値は適宜変えても良い。例えば、点像の大小の判断に余裕を持たせたければ、pを大きめにすれば良い。例えば、5.5pixの点像は、p=5とすれば大きい点像と判断されるためデフォーカスは行わず、p=6とすれば小さい点像と判断されるためデフォーカスを行うようになる。また、ノイズに対するロバスト性を高めたければ、mを大きくすることでデフォーカス量を増やし、点像サイズを大きめにすれば良い。 As long as these conditions are satisfied, these values may be changed as appropriate. For example, if it is desired to have a margin in judging the size of the point image, p should be made large. For example, a point image of 5.5 pix is judged to be a large point image if p=5, so it is not defocused. If p=6, it is judged to be a small point image, so it is defocused. Become. Further, if it is desired to increase the robustness against noise, it is sufficient to increase the defocus amount by increasing m and increase the size of the point image.

また、本実施例ではデフォーカスdを変数として説明したが、条件式(4)を満たしていれば、どれを変数としても良い。例えば、焦点距離fを変数にしても良いし、2つ以上の多変数としても良い。 Also, in this embodiment, defocus d is used as a variable, but any variable may be used as long as conditional expression (4) is satisfied. For example, the focal length f may be a variable, or may be two or more variables.

この方法を使えば、マイクロレンズ101a~101dの焦点距離fを短くすることで敏感度を下げつつ、点像サイズはデフォーカスdで制御できる。このため、十分に低い敏感度と、十分な点像サイズを両立した波面センサ100を実現可能となる。
(実施例2)
図5は、実施例2における波面センサ500の概略図である。実施例2における波面センサ500は、夫々が物体の点像を形成する有効径Φ、焦点距離fの複数のマイクロレンズ501a~501dを含むマイクロレンズアレイ501と、画素ピッチsの撮像素子502と、厚みt、屈折率nの平行平板507とを有する。マイクロレンズ501a~501dは格子状に並んでいる。撮像素子502はマイクロレンズアレイ501により形成された複数の点像を受光する。波面センサ500は、マイクロレンズアレイ501が結ぶ点像の重心位置の基準位置に対するずれから波面収差を求めるのに使用される。撮像素子502は、マイクロレンズアレイ501の光軸方向において、マイクロレンズアレイ501から焦点距離f離れた位置(焦点位置)に配置されている。マイクロレンズアレイ501の光軸方向において、マイクロレンズアレイ501と撮像素子502の間に厚みt、屈折率nの平行平板507が挿入されている。平行平板507により、撮像素子502の見た目の位置は、マイクロレンズアレイ501から焦点距離f離れた位置より距離(1-1/n)tだけマイクロレンズアレイ501に近い位置508となる。実施例2では、実施例1においてデフォーカスdをd=(1-1/n)tとしたのと同様の効果が得られる。点像505a~505dを平行平板507により拡大した撮像素子502の撮像面上での拡大点像506a~506dを検出することで、重心検出精度が向上する。
By using this method, the point image size can be controlled by the defocus d while reducing the sensitivity by shortening the focal length f of the microlenses 101a to 101d. Therefore, it is possible to realize the wavefront sensor 100 that achieves both sufficiently low sensitivity and sufficient point image size.
(Example 2)
FIG. 5 is a schematic diagram of a wavefront sensor 500 in Example 2. FIG. A wavefront sensor 500 according to the second embodiment includes a microlens array 501 including a plurality of microlenses 501a to 501d each having an effective diameter Φ and a focal length f for forming a point image of an object, an imaging element 502 having a pixel pitch s, and a parallel plate 507 having a thickness t and a refractive index n. The microlenses 501a to 501d are arranged in a lattice. An imaging device 502 receives a plurality of point images formed by the microlens array 501 . The wavefront sensor 500 is used to obtain the wavefront aberration from the deviation of the barycentric position of the point image formed by the microlens array 501 from the reference position. The imaging device 502 is arranged at a position (focal position) separated from the microlens array 501 by a focal length f in the optical axis direction of the microlens array 501 . A parallel plate 507 having a thickness of t and a refractive index of n is inserted between the microlens array 501 and the imaging device 502 in the optical axis direction of the microlens array 501 . Due to the parallel plate 507 , the apparent position of the imaging element 502 is a position 508 closer to the microlens array 501 by a distance (1−1/n) t than a position distant from the microlens array 501 by the focal length f. In the second embodiment, the same effect as in the first embodiment when the defocus d is set to d=(1−1/n)t is obtained. By detecting the enlarged point images 506a to 506d on the imaging surface of the imaging device 502 obtained by enlarging the point images 505a to 505d by the parallel plate 507, the centroid detection accuracy is improved.

拡大点像506a~506dの点像サイズは、平行平板507の厚みtと屈折率nで決まる。点像サイズの拡大に必要な平行平板507の厚みtは、条件式(4)のデフォーカスdを(1-1/n)tに置き換えることで得られる以下の条件式(5)で求まる。 The point image size of the enlarged point images 506a to 506d is determined by the thickness t and the refractive index n of the parallel plate 507. FIG. The thickness t of the parallel plate 507 necessary for enlarging the point image size is obtained by the following conditional expression (5) obtained by replacing the defocus d in the conditional expression (4) with (1−1/n)t.

t>((ms-2.44λf/Φ)f/Φ)/(1-1/n) ・・・(5)
ここで、λは使用波長、mは点像505a~505dを平行平板507により拡大した撮像素子502の撮像面上での拡大点像506a~506dに対応する撮像素子502の画素数である。
t>((ms−2.44λf/Φ)f/Φ)/(1−1/n) (5)
Here, λ is the wavelength used, and m is the number of pixels of the imaging device 502 corresponding to the enlarged point images 506a to 506d on the imaging surface of the imaging device 502 obtained by enlarging the point images 505a to 505d by the parallel plate 507. FIG.

点像サイズの拡大の必要性は、実施例1と同様、条件式(2)で判断できる。画素数pと拡大点像506a~506dの画素数mは、実施例1と同様、p≧5、m≧p+1とすることが好ましいが、条件を満たしていれば、適宜変えても良い。 The necessity of enlarging the point image size can be determined by conditional expression (2) as in the first embodiment. The number of pixels p and the number of pixels m of the enlarged point images 506a to 506d are preferably p≧5 and m≧p+1 as in the first embodiment, but may be changed as appropriate as long as the conditions are satisfied.

また、本実施例では平行平板の厚みtを変数として説明したが、条件式(5)を満たしていれば、どれを変数としても良い。例えば、焦点距離fを変数にしても良いし、2つ以上の多変数としても良い。 Also, in the present embodiment, the thickness t of the parallel plate was used as a variable, but any variable may be used as long as the conditional expression (5) is satisfied. For example, the focal length f may be a variable, or may be two or more variables.

この方法を使えば、マイクロレンズ501a~501dの焦点距離を短くすることで敏感度を下げつつ、点像サイズは平行平板507で制御できる。このため、十分に低い敏感度と、十分な点像サイズを両立した波面センサ500を実現可能となる。
(実施例3)
図6は、実施例1で示した波面センサ100を使った波面計測装置600の概略図である。波面計測装置600は、点光源601、点光源601からの光を被検光として出射する被検光学系602、被検光を受光して該被検光の波面収差を計測する実施例1における波面センサ100として波面センサ604を有する。点光源601から射出された光線は被検光学系602を透過して被検光603となり、被検光603は微小な光束要素603a~603dに分割される。波面センサ604では、各光束要素603a~603dの点像が取得される。これらの点像はデフォーカスdにより拡大されているため、被検光603が比較的大収差であっても精度良く重心検出することが可能である。
Using this method, the point image size can be controlled by the parallel plate 507 while the sensitivity is lowered by shortening the focal lengths of the microlenses 501a to 501d. Therefore, it is possible to realize the wavefront sensor 500 that achieves both sufficiently low sensitivity and sufficient point image size.
(Example 3)
FIG. 6 is a schematic diagram of a wavefront measuring device 600 using the wavefront sensor 100 shown in the first embodiment. The wavefront measuring apparatus 600 includes a point light source 601, a test optical system 602 that emits the light from the point light source 601 as test light, and receives the test light to measure the wavefront aberration of the test light. A wavefront sensor 604 is provided as the wavefront sensor 100 . A light beam emitted from a point light source 601 passes through a test optical system 602 and becomes test light 603, and the test light 603 is divided into minute beam elements 603a to 603d. A wavefront sensor 604 acquires a point image of each light flux element 603a to 603d. Since these point images are enlarged by the defocus d, even if the test light 603 has relatively large aberration, it is possible to accurately detect the center of gravity.

各光束要素603a~603dが無収差のときに点像を形成する位置を基準位置とした、各光束要素603a~603dが形成する点像の重心位置をΔxとしたとき、各光束要素603a~603dの勾配θは以下の式(6)で求まる。 When the position of the point image formed by each light flux element 603a to 603d is a reference position, and the position of the center of gravity of the point image formed by each light flux element 603a to 603d is Δxn , each light flux element 603a to The gradient θn of 603d is obtained by the following equation (6).

θ=tan-1(Δx/(f+d)) ・・・(6)
式(6)は、基本的には一般的な波面センサにおける場合と同じだが、デフォーカスdの分異なっている。
θ n =tan −1 (Δx n /(f+d)) (6)
Equation (6) is basically the same as in a general wavefront sensor, but differs by defocus d.

各光束要素603a~603dの勾配θを合わせることで、被検光603の波面収差、つまり被検光学系602の収差を求めることができる。 The wavefront aberration of the test light 603, that is, the aberration of the test optical system 602 can be obtained by matching the gradients θn of the light flux elements 603a to 603d.

また、本実施例では簡略化のため点光源601と被検光学系602のみ記載しているが、収差補正や光束サイズ制御のための補助光学系があっても良い。 In this embodiment, only the point light source 601 and the test optical system 602 are shown for the sake of simplification, but an auxiliary optical system for aberration correction and light beam size control may be provided.

この方法を使えば、マイクロレンズ101a~101dの焦点距離を短くすることで敏感度を下げつつ、点像サイズはデフォーカスdで制御できる。このため、十分に低い敏感度と、十分な点像サイズを両立し、大収差の波面を精度良く計測可能な波面計測装置600を実現できる。
(実施例4)
図7は、実施例2で示した波面センサを使った波面計測装置の概略図である。波面計測装置700は、点光源701、点光源601からの光を被検光として出射する被検光学系702、被検光を受光して該被検光の波面収差を計測する実施例2における波面センサ500として波面センサ704を有する。
Using this method, the point image size can be controlled by the defocus d while reducing the sensitivity by shortening the focal lengths of the microlenses 101a to 101d. Therefore, it is possible to realize the wavefront measuring apparatus 600 that achieves both sufficiently low sensitivity and a sufficient point image size and is capable of accurately measuring a wavefront with large aberration.
(Example 4)
FIG. 7 is a schematic diagram of a wavefront measuring device using the wavefront sensor shown in the second embodiment. The wavefront measuring apparatus 700 includes a point light source 701, a test optical system 702 that emits the light from the point light source 601 as test light, and receives the test light to measure the wavefront aberration of the test light. A wavefront sensor 704 is provided as the wavefront sensor 500 .

点光源701から射出された光線は被検光学系702を透過して被検光703となり、被検光703は微小な光束要素703a~703dに分割される。これらの点像は平行平板による距離(1-1/n)t相当のデフォーカス効果により拡大されているため、被検光703が比較的大収差であっても精度良く重心検出することが可能である。 A light beam emitted from a point light source 701 passes through a test optical system 702 and becomes test light 703, and the test light 703 is divided into minute beam elements 703a to 703d. These point images are magnified by the defocus effect equivalent to the distance (1-1/n)t by the parallel plate, so even if the test light 703 has relatively large aberration, the center of gravity can be detected with high accuracy. is.

各光束要素703a~703dが無収差のときに点像を形成する位置を基準位置とした、各光束要素703a~703dが形成する点像の重心位置をΔxとしたとき、各光束要素503a~503dの勾配θは以下の式(7)で求まる。 When the position of the point image formed by each of the light flux elements 703a to 703d is set as a reference position and the position of the center of gravity of the point image formed by each of the light flux elements 703a to 703d is Δxn , each of the light flux elements 503a to 703d The gradient θ n of 503d is obtained by the following equation (7).

θ=tan-1(Δx/(f-(1-1/n)t)) ・・・(7)
式(7)は、基本的には一般的な波面センサにおける場合と同じだが、平行平板によるデフォーカス(1-1/n)tの分異なっている。
θ n =tan −1 (Δx n /(f−(1−1/n)t)) (7)
Equation (7) is basically the same as in a general wavefront sensor, but differs by the defocus (1-1/n)t due to the parallel plate.

各光束要素703a~703dの勾配θを合わせることで、被検光703の波面収差、つまり被検光学系702の収差を求めることができる。 The wavefront aberration of the test light 703, that is, the aberration of the test optical system 702 can be obtained by matching the gradients θn of the light flux elements 703a to 703d.

また、本実施例では簡略化のため点光源701と被検光学系702のみ記載しているが、収差補正や光束サイズ制御のための補助光学系があっても良い。 In this embodiment, only the point light source 701 and the test optical system 702 are described for the sake of simplification, but an auxiliary optical system for aberration correction and light beam size control may be provided.

この方法を使えば、マイクロレンズ501a~501dの焦点距離を短くすることで敏感度を下げつつ、点像サイズは平行平板507で制御できる。このため、十分に低い敏感度と、十分な点像サイズを両立し、大収差の波面を精度良く計測可能な波面計測装置700を実現できる。 Using this method, the point image size can be controlled by the parallel plate 507 while the sensitivity is lowered by shortening the focal lengths of the microlenses 501a to 501d. Therefore, it is possible to realize the wavefront measuring apparatus 700 that achieves both sufficiently low sensitivity and a sufficient point image size and is capable of accurately measuring a wavefront with large aberration.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist.

101 マイクロレンズアレイ
102 撮像素子
101 microlens array 102 imaging device

Claims (6)

夫々が物体の点像を形成する複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイにより形成された複数の点像を受光する撮像素子とを有し、
使用波長をλ、前記複数のマイクロレンズの夫々の焦点距離をf、前記複数のマイクロレンズの夫々の有効径をΦ、前記撮像素子の画素ピッチをs、前記複数の点像の夫々のサイズが所定サイズより小さい場合に前記所定サイズの点像に対応する前記撮像素子の画素数をp、前記複数の点像の夫々をデフォーカスにより拡大した前記撮像素子の撮像面上での拡大点像に対応する前記撮像素子の画素数をm、前記複数のマイクロレンズの夫々の焦点位置からの前記デフォーカスをdとしたとき、
前記撮像素子は、前記マイクロレンズアレイの光軸方向において、前記マイクロレンズアレイからf+d離れた位置に配置されており、
2.44λf/Φ<ps
|d|>(ms-2.44λf/Φ)f/Φ
なる条件式を満たすことを特徴とする波面センサ。
a microlens array including a plurality of microlenses each forming a point image of an object; and an imaging element receiving the plurality of point images formed by the microlens array,
λ is the wavelength used, f is the focal length of each of the plurality of microlenses, Φ is the effective diameter of each of the plurality of microlenses, s is the pixel pitch of the imaging device, and the size of each of the plurality of point images is p is the number of pixels of the image sensor corresponding to the point image of the predetermined size when smaller than a predetermined size; When the number of pixels of the corresponding imaging device is m and the defocus from the focal position of each of the plurality of microlenses is d,
The imaging element is arranged at a position f+d away from the microlens array in the optical axis direction of the microlens array,
2.44λf/Φ<ps
|d|>(ms−2.44λf/Φ)f/Φ
A wavefront sensor characterized by satisfying the following conditional expression:
夫々が物体の点像を形成する複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイにより形成された複数の点像を受光する撮像素子と、平行平板とを有し、
使用波長をλ、前記複数のマイクロレンズの夫々の焦点距離をf、前記複数のマイクロレンズの夫々の有効径をΦ、前記撮像素子の画素ピッチをs、前記平行平板の厚みをt、前記平行平板の屈折率をn、前記複数の点像の夫々のサイズが所定サイズより小さい場合に前記所定サイズの点像に対応する前記撮像素子の画素数をp、前記複数の点像の夫々を前記平行平板により拡大した前記撮像素子の撮像面上での拡大点像に対応する前記撮像素子の画素数をmとしたとき、
前記撮像素子は、前記マイクロレンズアレイの光軸方向において、前記マイクロレンズアレイからf離れた位置に配置されており、
前記平行平板は、前記マイクロレンズアレイの光軸方向において、前記マイクロレンズアレイと前記撮像素子の間に配置されており、
2.44λf/Φ<ps
t>((ms-2.44λf/Φ)f/Φ)/(1-1/n)
なる条件式を満たすことを特徴とする波面センサ。
a microlens array including a plurality of microlenses each forming a point image of an object; an imaging element receiving the plurality of point images formed by the microlens array; and a parallel plate,
λ is the wavelength used, f is the focal length of each of the plurality of microlenses, Φ is the effective diameter of each of the plurality of microlenses, s is the pixel pitch of the imaging device, t is the thickness of the parallel plate, and the parallel n is the refractive index of the flat plate, p is the number of pixels of the imaging element corresponding to the point image of the predetermined size when the size of each of the plurality of point images is smaller than a predetermined size, and When the number of pixels of the imaging device corresponding to the enlarged point image on the imaging surface of the imaging device magnified by the parallel plate is m,
The imaging device is arranged at a position f away from the microlens array in the optical axis direction of the microlens array,
The parallel flat plate is arranged between the microlens array and the imaging element in the optical axis direction of the microlens array,
2.44λf/Φ<ps
t> ((ms-2.44λf/Φ)f/Φ)/(1-1/n)
A wavefront sensor characterized by satisfying the following conditional expression:
前記画素数pは、5以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の波面センサ。 3. The wavefront sensor according to claim 1, wherein the number p of pixels is 5 or more. 前記画素数mは、p+1以上であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の波面センサ。 The wavefront sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the number of pixels m is p+1 or more. 前記点像は、前記マイクロレンズアレイの焦点面に形成されることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の波面センサ。 The wavefront sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the point image is formed on the focal plane of the microlens array. 光源と、
前記光源からの光を被検光として出射する被検光学系と、
前記被検光を受光して該被検光の波面収差を計測する請求項1から5のいずれか一項に記載の波面センサを有することを特徴とする波面計測装置。
a light source;
a test optical system that emits light from the light source as test light;
A wavefront measuring apparatus comprising the wavefront sensor according to any one of claims 1 to 5, which receives the test light and measures the wavefront aberration of the test light.
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