JP3414368B2 - 波面センサ - Google Patents

波面センサ

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JP3414368B2
JP3414368B2 JP2000205140A JP2000205140A JP3414368B2 JP 3414368 B2 JP3414368 B2 JP 3414368B2 JP 2000205140 A JP2000205140 A JP 2000205140A JP 2000205140 A JP2000205140 A JP 2000205140A JP 3414368 B2 JP3414368 B2 JP 3414368B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光波の波面を計測する波
面センサーに関するもので、特に使用環境や、入射光の
条件が変化しても高精度に計測する波面センサーに関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の装置として、C.S.Gardne
r et al."Design and Performance Analysis of Adapti
ve Optical Telescopes Using Laser Guide Stars" Pro
c.IEEEvol.78 NO.11 p1721-1743(1990)、およびT.Noguc
hi et al."Active Optics Experiments 1" Publ. Natl.
Astr. Obs. Japan vol.1 P49-55 (1989)に示されたも
のがある。図11は上記文献に示されたものを組合わせ
たものである。図において、1は望遠鏡の主鏡、2は副
鏡、3は主鏡コントローラ、4は参照光源用ランプ、5
はランプ光集光レンズ、6はピンホール、29は参照光
源、7はビームスプリッタ、8はコリメータレンズ、9
はレンズアレー、10はCCD、11はシャックハルト
マン方式の波面センサの光学系、25は波面センサの光
学系11の視野絞り、12は被計測光コリメータレン
ズ、13はデフォーマブルミラー、14はビームスプリ
ッタ、15は参照波面発生器、16は対物レンズ、17
は接眼レンズ、28は16、17、26から成るアフォ
ーカル光学系、18はレンズアレー、19はCCD、2
0はシャックハルトマン方式の波面センサの光学系、2
6は波面センサの光学系20の視野絞り、21は波面演
算器、22はデフォーマブルミラーコントローラ、23
は観測装置用集光レンズ、24は観測装置の像面、5
0,51は波面センサである。
【0003】先ず、上記装置の概要について説明する。
星からの光は主鏡1および副鏡2で集光され、視野絞り
25、ビームスプリッタ7を通過した後コリメータレン
ズ12で平行光にされる。その後、デフォーマブルミラ
ー13、ビームスプリッタ14を介して集光レンズ23
により観測装置の像面24に集光され観測される。上記
の主鏡1は数mにも及ぶ大型望遠鏡であり、自重による
主鏡形状の変形が生じやすい。この対策として主鏡1に
能動支持機構を設け、最適形状に補正を行っている。星
の光は時間的に平均すれば平面波と考えられるため、ビ
ームスプリッタ7を反射した光を波面センサの光学系1
1で計測し、その出力を基に波面演算器21で波面形状
を算出することにより主鏡1の形状がわかる。主鏡コン
トローラ3は波面演算器21の出力を基に能動支持機構
を駆動し、主鏡1の形状を補正する。
【0004】また、短かい時間間隔を考えた場合、大気
には屈折率の空間的、時間的な変動がある。その結果、
星からの光は平面波からの乱れがあり、理想的な結像状
態が得られる望遠鏡であっても星の像が移動したり、ぼ
けを生じる。デフォーマブルミラー13は主鏡1で補正
できない上記のような短い時間周期で生じる星像の移
動、ぼけを補正するものである。星からの光の波面揺ら
ぎを波面センサの光学系20により求め、計測結果を基
にデフォーマブルミラーコントローラ22はデフォーマ
ブルミラー13の制御を行い波面を補正する。
【0005】次に、波面センサ50,51の構成につい
て説明を行う。波面センサ50,51の光学系11,2
0の基本部分はレンズアレー9,18およびCCD1
0,19からなる。本方式の波面センサはレンズアレー
9,18の位置での被計測光の波面を計測するものであ
る。波面は伝搬により変化するため、波面センサの光学
系11ではコリメータレンズ8により主鏡1での波面を
レンズアレー9上に投影させている。波面センサ51の
アフォーカル光学系28はマイクロレンズアレー18の
寸法で決まる測定範囲と被測定波面の径の整合性を取っ
ている。
【0006】次に波面センサ50,51の測定原理を説
明する。波面演算器21はCCD10,19上の集光ス
ポットの移動からレンズアレー9,18の各レンズ(レ
ンズレット)に入射する波面の傾きを計測し、各レンズ
レットで計測された波面の傾きΔWi を加え合わせて波
面を求める。集光スポットの移動量Δrはレンズレット
に入射する波面の傾き角θとレンズアレーの焦点距離f
m から次式で求められる。 Δr=fm ・tanθ (1) いま、i番目のレンズレットで計測される波面の傾きΔ
i は、レンズレット口径をDm とすると、次式で求め
られる。 ΔWi =Dm ・tanθi =Dm ・Δri /fm (2) また、計測波面Wは、次式で表される。 W=ΣΔWi (3)
【0007】波面計測はスポットの基準位置からの変位
を基に行うため、基準スポット位置が必要となる。参照
光源による集光スポットを基準スポット位置として用い
る。予め参照光源の出射波面を計測しておくことにより
基準のスポット位置が示す基準波面がわかる。被計測光
が入射したときのスポット位置の変位から、波面の変化
分を求め、上記基準波面に変化分を加えることにより計
測光の波面を求める。
【0008】参照光源15,29は波面センサに合った
出射光波面でなければならない。この波面センサ50は
鏡面形状の光波を計測するため入射光が球面波である必
要がある。参照光源29は波面センサ11の基準スポッ
ト位置を求めるものである。ランプ4から出た光はレン
ズ5でピンホール6に集光され、ピンホール6での回折
により歪みのない球面波が得られる。またアフォーカル
光学系28を有する波面センサ51には、コリメートし
た参照光を出射する参照波面発生器15を設けている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】従来の波面センサは、
以上のように構成されていて、レンズアレー9,18の
焦点位置にCCD10,19を設置すると仮定している
ため、式(2)では焦点距離fm を用いている。しか
し、図12に示すように波面の傾きを算出するために必
要な値はレンズアレー9,18のレンズレット31とC
CD10,19の間隔lm である。レンズアレー9,1
8からCCD10,19までの距離は製造公差により焦
点距離と異なるにもかかわらず、従来例では波面の傾き
の算出に焦点距離を用いていたため、波面計測誤差を生
じるという課題があった。
【0010】また、波面センサ51の参照波面発生器1
5では安定した波面を形成するため環境条件の変化に対
して安定な光学系を構成する必要があり構成が複雑にな
るという課題があった。
【0011】また、波面センサでは被計測光以外の光
(以下、迷光と呼ぶ)が入射した場合、誤動作する可能
性がある。図13は波面センサ51の光学系20に迷光
32が入射すると、波面センサ51が誤動作することを
説明するための図である。図に示すように、被計測光と
ともに迷光32が入射した場合、レンズアレー18によ
り被計測光の集光スポットに加えて、迷光32による集
光スポットが生じる。迷光32によるスポットを基に波
面計測を行った場合、誤動作することはあきらかであ
る。従来の装置では、対策として固定開口の視野絞り2
6を設けることにより迷光を防いでいる。しかし、計測
光の波面が乱れている場合、視野絞り26位置での光束
径が太くなるため、計測光を遮らない程度に視野絞り2
6の開口径を大きくする必要がある。その結果、迷光3
2を十分遮ることができず、誤動作や計測誤差を発生さ
せるという課題があった。
【0012】また、波面センサ51では測定波面をレン
ズアレーにより空間的に分割して測定しているため、計
測光のF値が大きくなると、図14の斜線部分に示すよ
うに波面の空間的な分解能が低下するという課題があっ
た。解決策の一つとしてF値が大きい場合にも十分な空
間分解能が得られるようにレンズアレー数を多くする方
法が考えられる。しかし、レンズアレー数を多くすれば
空間的な分解能は向上するが、一方、レンズアレー1個
当りの入射光量が減少するためS/Nが低下し、また、
レンズアレー数の増加により全スポット位置の計測に要
する時間が増加するという問題がある。以上のことか
ら、レンズアレー数にはシステムに最適な値が存在す
る。よって、入射光の変化によらず同等の性能を維持す
るには、計測光のF値に合ったコリメータレンズ8に交
換するか、F値ごとにそれぞれ波面センサを備える必要
があった。
【0013】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、入射光の条件が変化しても高精度
に波面を計測する装置を得ることを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項1に係わる発明の波面センサは、レンズア
レーと、このレンズアレーに被計測光を投影させるレン
ズと、この投影された被計測光による前記レンズアレー
の集光スポット位置を検出する光電変換器と、を有する
光学系を具備し、参照光源からの光を前記レンズに光を
入射したときの前記レンズアレーの集光スポット位置と
前記被計測光が前記レンズに入射したときの前記レンズ
アレーの集光スポット位置との変位に基づいて、前記被
計測光の波面を計測する波面センサにおいて、前記参照
光源からの光に対して前記光学系の設置角度を変化させ
る角度コントローラと、該角度コントローラに基づく前
記光学系の設置角度の変化前後に得られた前記光電変換
器の出力を基に前記レンズアレーと前記光電変換器との
間の距離を求める校正値演算器と、を設けたものであ
る。
【0015】また、請求項2に係わる発明の波面センサ
は、レンズアレー、該レンズアレーに被計測光を投影さ
せるレンズ、及びこの投影された被計測光による前記レ
ンズアレーの集光スポット位置を検出する光電変換器、
を有する光学系と、前記レンズアレーと前記光電変換器
との間に前記被計測光の光軸に対して傾斜して設置され
る第一のハーフミラーと、前記レンズの被計測光入射側
に前記レンズに正対して設置される第二のハーフミラー
と、前記第一のハーフミラーと前記第二のハーフミラー
とによる前記光電変換器の鏡像位置に前記レンズアレー
を構成するレンズの数と同数の光源を有するアレー状光
源と、を設けたものである。
【0016】また、請求項3に係わる発明の波面センサ
は、前記光電変換器は、前記アレー状光源からの出射光
により前記レンズアレーの集光スポット位置の配列の乱
れを求め、該乱れを基に誤差波面を算出する誤差波面演
算器と、前記光電変換器の出力を基に求めた前記被計測
光の波面から前記誤差波面を差し引く波面演算器と、を
設けたものである。
【0017】また、請求項4に係わる発明の波面センサ
は、前記第二のハーフミラーの代わりに偏向板を設け、
該偏向板の偏光方向と前記被計測光の偏光方向とを一致
させたものである。
【0018】また、請求項5に係わる発明の波面センサ
は、前記第二のハーフミラーの代わりに、前記被計測光
の波長域では光を透過して前記アレー状光源の出射光の
波長域では光を反射するミラーを設けたものである。
【0019】
【作用】上記のように構成された請求項1に係わる発明
の波面センサでは、校正時に、参照光源からの入射光に
対する光学系の設置角度を変化させ、前記光学系の角度
変化前後に得られた光電変換器の出力を基に、光学系の
レンズアレーと光電変換器間の距離の校正値を実装状態
で求めることにより、波面計測精度を上げることができ
る。
【0020】また、上記のように構成された請求項2に
係わる発明の波面センサでは、光電変換器の直前に光軸
から傾斜させた第一のハーフミラーを設置するととも
に、前記波面センサの被計測光入射側に第二のハーフミ
ラーを正対させて設置し、前記第一のハーフミラーと第
二のハーフミラーとで生じる前記光電変換器の鏡像位置
に備えたレンズアレー数と同数の光源を有するアレー状
光源を設けたことにより、構成が簡易で、正確な配列の
参照波面発生器が得られ、また、アレー状光源の設置位
置が光軸方向に移動した場合、前記光電変換器との共役
関係が崩れスポットのぼけが生ずるが、図示していない
波面演算器においてスポットの重心をスポットの計測位
置とすることにより、波面センサの温度変化等に対して
安定度を上げることができる。
【0021】また、上記のように構成された請求項3に
係わる発明の波面センサでは、アレー状光源からの出射
光を用いて前記レンズアレーの集光スポット位置の配列
の乱れを求め、これから誤差波面を算出し、前記光電変
換器の出力を基に求めた前記被計測光の波面から前記誤
差波面を差し引くので、構成が簡易で、正確な配列の参
照波面発生器が得られる。
【0022】また、上記のように構成された請求項4に
係わる発明の波面センサでは、前記光電変換器の直前に
光軸から傾斜させたハーフミラーを設置するとともに、
前記波面センサの被計測光入射側に偏光板を正対させて
設置し、前記ハーフミラーと偏光板とで生じる前記光電
変換器の鏡像位置に備えたレンズアレー数と同数の光源
を有するアレー状光源を設けたことにより、構成が簡易
で、正確な配列の参照波面発生器が得られ、また、アレ
ー状光源の設置位置が光軸方向に移動した場合、前記光
電変換器との共役関係が崩れスポットのぼけが生ずる
が、図示していない波面演算器においてスポットの重心
をスポットの計測位置とすることにより、波面センサの
温度変化等に対して安定度を上げることができる。
【0023】また、上記のように構成された請求項5に
係わる発明の波面センサでは、前記光電変換器の直前に
光軸から傾斜させたハーフミラーを設置するとともに、
前記波面センサの被計測光入射側に被計測光の波長域で
は光を透過し前記アレー状光源の出射光の波長域では光
を反射するミラーを正対させて設置し、この正対配置し
たミラーと前記ハーフミラーとで生じる前記光電変換器
の鏡像位置に備えたレンズアレー数と同数の光源を有す
るアレー状光源を設けたことにより、構成が簡易で、正
確な配列の参照波面発生器が得られ、また、アレー状光
源の設置位置が光軸方向に移動した場合、前記光電変換
器との共役関係が崩れスポットのぼけが生ずるが、図示
していない波面演算器においてスポットの重心をスポッ
トの計測位置とすることにより、波面センサの温度変化
等に対して安定度を上げることができる。
【0024】
【発明の実施の形態】参考例1. 図1は本発明の参考例1を示す構成図である。図1にお
いて図11と同一符号は同一または相当部分を示す。図
1において、1は望遠鏡の主鏡、2は望遠鏡の副鏡、8
はコリメータレンズ、9はレンズアレー、10はCC
D、11は波面センサの光学系、100は波面センサ、
101は温度センサ、102は誤差波面演算器、103
は波面演算器である。
【0025】従来例で説明したように、温度変化により
光学材料の屈折率変化、形状変化、鏡筒の熱膨脹による
レンズ間隔の変化等で生じる収差により波面計測誤差が
生じる。本参考例は、温度センサ101、誤差波面演算
器102を設けて、使用温度において発生する収差を誤
差波面として求め、波面演算器103でCCD10の出
力から求めた計測波面から前記誤差波面を差し引くこと
で温度補償を行うものである。
【0026】以下、誤差波面演算器102の詳細につい
て説明する。誤差波面演算器102は、温度センサ10
1の出力を基に温度変化によってコリメータレンズ8で
生じるフォーカス位置の変化を所定の式から算出し、こ
れを波面に変換する。さらに、誤差波面演算器102は
レンズアレー9とCCD10の線膨脹率の違いによるス
ポット位置の変位で生じる波面を算出する。誤差波面演
算器102は上記の2波面を加え合わせたものを誤差波
面として波面演算器103に出力する。
【0027】誤差波面演算器102が行う演算内容を、
温度変化によるコリメータレンズ8のフォーカス位置の
変化を算出する方法、上記フォーカス位置の変化から誤
差波面を求める方法、およびレンズアレー9とCCD1
0の線膨脹率の違いによる誤差波面を求める方法に分け
て以下、順に説明する。
【0028】コリメータレンズ8のフォーカス位置の変
化は、温度変化によるコリメータレンズの屈折率変化で
生じるパワーの変化、および鏡筒の伸縮によって生じ
る。コリメータレンズ8のバックフォーカスをfb 、鏡
筒の線膨脹係数をαとすると、温度Tの変化に対するフ
ォーカス位置の変化は式(101)のように表わせる。 ここで、β=(1/φ)・dφ/dT :熱分散率
【0029】よって、温度変化が分かった場合のフォー
カス位置変化は次式により求められる。
【0030】また、フォーカス位置変化Δxと誤差波面
ΔWT は以下のように関係づけられる。 ΔWT =Δx/8λF2 (103) ここで、λは波長、FはレンズのF値である。
【0031】よって、式(103)と温度変化によるコ
リメータレンズのフォーカス位置変化の式(102)か
ら誤差波面は次式により算出することができる。
【0032】次いで、レンズアレーとCCDの線膨脹率
の違いで生じる誤差波面について説明する。レンズアレ
ー基板材料の線膨脹率をαm ,CCDの線膨脹率をαc
光軸からの距離をrとする。温度変化による形状変化で
生じるスポット移動量Δrは次式で表される。
【0033】スポット移動量Δrと誤差波面の関係は以
下のように関係づけられる。 ここで、nはレンズアレー数、fm はレンズアレーの焦
点距離,Dm はレンズレットの開口径である。
【0034】以上から温度変化に対する誤差波面の変化
の関係は以下の式で表される。
【0035】よって、温度変化ΔTが生じたときの誤差
波面は式(108)で算出することができる。
【0036】以上に説明した式(104)および式(1
08)により誤差波面演算器102では誤差波面ΔW
T ,ΔWM を求め、波面演算器103で式(109)の
ように温度変化の影響を受けた計測波面Wから誤差波面
を差し引くことにより、正しい波面WI を求めることが
できる。
【0037】参考例2. 図2は本発明の参考例2を示す構成図である。図2にお
いて図11と同一符号は同一または相当部分を示す。図
2において、1は望遠鏡の主鏡、2は望遠鏡の副鏡、8
はコリメータレンズ、9はレンズアレー、10はCC
D、11は波面センサの光学系、200は波面センサ、
201は気圧センサ、202は誤差波面演算器、203
は波面演算器である。
【0038】従来例に示したように、気圧変化により大
気の屈折率が変化することによって、波面計測誤差が生
じる。本参考例では、補償手段として気圧センサ201
と誤差波面演算器202を設けて、使用気圧における誤
差波面を求め、波面演算器203でCCD10の出力か
ら求めた気圧変化の影響を受けた計測波面から上記誤差
波面を差し引くことで気圧補償を行うものである。
【0039】以下、誤差波面演算器202の詳細につい
て説明する。誤差波面演算器202は、気圧センサ20
1の出力を基に気圧変化によりコリメータレンズ8で生
じるレンズパワーの変化を算出し、これを波面に変換
し、誤差波面として波面演算器203に出力する。
【0040】以下、誤差波面演算器202が行う気圧変
化によるコリメータレンズ8のパワー変化の算出方法、
パワー変化から誤差波面への変換方法の2点について説
明する。
【0041】先ず、気圧変化によるコリメータレンズ8
のパワー変化の算出方法について説明する。気圧Pの変
化によるパワーφの変化は次式で表される。
【0042】これから気圧変化によるフォーカス位置の
変化Δxは次式で表される。 dΔx/dP =(dΔx/dφ)(dφ/dna )(dna /dP) =(−1/φ2 )(dφ/dna )(dna /dP) =(1/φ)(1/n−na )(dna /dP) =(1/φ)・γ・(dna /dP) (202) 但し、γ=1/n−na :気圧分散 (203)
【0043】よって気圧変化によるデフォーカス波面収
差の割合は、レンズ間媒質の屈折率変化を介して次式で
表される。
【0044】従って、気圧変化ΔPが生じたときの波面
ΔWP は式(205)より算出することができる。 ΔW=(dWP /dP)・ΔP (205)
【0045】以上のように、式(205)により誤差波
面演算器202で誤差波面ΔWP を求め、波面演算器2
03で式(206)のように気圧変化の影響を受けた計
測波面Wから誤差波面を差し引くことにより正しい波面
I を求めることができる。 WI =W−ΔWP (206)
【0046】参考例3. 図3は本発明の参考例3を示す構成図である。図3にお
いて図11と同一符号は同一または相当部分を示す。図
3において、301は温度補償アフォーカル光学系、3
02はレンズアレー、303は対物レンズ、304は接
眼レンズ、19はCCDである。なお、ここでCCD1
9の出力を基に波面を求める波面演算器は図示していな
い。
【0047】本参考例では、レンズアレー302とCC
D19との線膨脹率の違いにより生じる誤差波面を温度
補償アフォーカル光学系301の残留収差により補償す
るものである。レンズアレー302の基板材料の線膨脹
率をαm 、CCD19の線膨脹率をαc とする。スポッ
ト移動量と誤差波面の関係は前出の式(107)で表さ
れ、これをθとおくと ここで、nはレンズアレー数、fm はレンズアレーの焦
点距離,Dm はレンズレットの開口径である。
【0048】次いで、温度補償条件を満たすアフォーカ
ル光学系301のレンズパワーに関して説明する。先
ず、温度変化によるアフォーカル光学系301のパワー
変化の算出方法について説明する。アフォーカル光学系
301のパワーは式(302)で表される。 φ=φo +φe −eφo φe =(m+1)φo −meφo 2 (302) 但し、 φo :対物レンズ303のパワー φe :接眼レンズ304のパワー m=φe /φo :アフォーカル光学系301の倍率 e=(1/φo )+(1/φe ) ={(m+1)/m}・(1/φo )(303) :対物レンズ303と接眼レンズ304の間隔
【0049】アフォーカル光学系301のパワーの温度
変化率は式(304)で表される。 (dφ/dT) =φo {d(m+1)/dT} +(m+1)(dφO /dT) −mφo 2 (de/dT) −2meφo (dφO /dT) −eφo 2 (dm/dT) (304) 対物レンズ303と接眼レンズ304のパワ−の熱分散
βo 、βe を等しくとることで、アフォーカル光学系3
01の倍率mが温度によって変わらないようにすると、
次式で表わされる。 dm/dT=0 (305) 以上の式(303),(304),(305)を用いる
と、アフォーカル光学系301のパワーの温度変化率は
式(306)で示される。 但し、αB =(1/e)・(de/dT):鏡筒の線膨
脹率 βo =(1/φo )・(dφo /dT)
【0050】よって、温度補償条件としてスポット移動
で生じる誤差波面θを打ち消す波面を生じさせるため、
次式を満足させる必要がある。 (dWT /dT) =(1/8λF2 )・(dΔx/dφ)・(dφ/dT) =(1/8λF2 )・(−1/φ2 )・(dφ/dT) =−θ (307)
【0051】一方、複数種材料で構成される薄肉レンズ
を近接させた合成レンズにおいて、i番目の材料の分散
をμi 、レンズパワーをφi としたとき、合成パワーお
よび色消し条件から、 が成り立つ必要がある。この条件と、上記の温度補償条
件を満たすパワーに関する式(307)を加えた3式か
ら各レンズのパワーを決定する。
【0052】以上のように、最低3種の材料を用いて対
物レンズ303および接眼レンズ304を構成すること
により、合成パワー条件を満足した上で色消し、温度補
償の2条件を必ず満足する波面センサを構成することが
できる。
【0053】参考例4. 図4は本発明の参考例4を示す構成図である。図4にお
いて図11と同一符号は同一または相当部分を示す。図
4において、1は望遠鏡の主鏡、2は望遠鏡の副鏡、4
00は波面センサ、401は気圧補償コリメータレンズ
である。なお、ここでCCD10の出力を基に波面を求
める波面演算器は図示していない。
【0054】式(401)で示される気圧分散γはいわ
ゆる色消しレンズにおける分散μと同様に扱うことがで
きる。 γ=1/(n−na ) (401)
【0055】コリメータレンズ401を異種材料を組み
合わせた複数レンズで構成すると等価的に気圧分散γと
いった材料特性を合成してつくりだすことが可能であ
る。複数種材料で構成される薄肉レンズを近接させた合
成レンズにおいて、i番目の材料の分散をμi 、気圧分
散をγi 、レンズパワーをφi としたとき、コリメータ
レンズ401について、以下の条件を満足する必要があ
る。
【0056】以上のように、最低3種材料を用いてコリ
メータレンズを構成すれば、合成パワー条件を満足した
上で色消し、気圧補償の2条件を必ず満足させるアフォ
ーカル光学系を構成することができる。
【0057】実施形態. 図5は本発明の実施形態を示す構成図である。図5に
おいて図11と同一符号は同一または相当部分を示す。
図5において、501は校正値演算器、502は波面セ
ンサ角度コントローラ、29は参照光源である。
【0058】本実施形態では、波面の傾きを正確に算出
するのに必要なCCD10とレンズアレー9間の距離を
直接的に測定せず、実装状態で計測し校正ている。
【0059】従来例に示すように、CCD10上のスポ
ット位置のずれ量Δrとtanθとの関係は以下の式で
表される。 tanθ=Δr/lm (501) ここで、lm はマイクロレンズアレー9とCCD10間
の距離である。いま、波面センサへ入射角θの光を入射
し、基準スポット位置からのずれΔrを計測し、上記
θ、Δrから式(501)により距離lm を求める。
【0060】以下、波面センサの校正方法について説明
する。 (1)波面演算器21が参照光源29により基準スポッ
ト位置を計測し、 (2)波面センサ角度コントローラ502が波面センサ
の光学系11をθだけ傾けるとともに、上記傾斜角θを
校正値演算器501に送出する。 (3)波面演算器21が校正データ用スポット位置を計
測し、 (4)波面演算器21が校正データ用スポット位置から
基準スポット位置を差し引いたスポット位置の変位Δr
を校正値演算器501に送出する。 (5)校正値演算器501がΔrとθから画素を単位と
するレンズアレー9とCCD10間の距離lm を算出
し、波面演算器21は内部のメモリにデータを格納す
る。以上により校正を終了する。
【0061】波面計測を行う際、予め以上のような校正
を行うことにより、実際のレンズアレー9とCCD10
間の距離が正確に求められ、波面計測精度が向上させる
ことができる。
【0062】実施形態. 図6は本発明の実施形態を示す構成図である。図6に
おいて図11と同一符号は同一または相当部分を示す。
図6において、600は波面センサ、601はハーフミ
ラー、602は校正光導入用ハーフミラー、603はア
レー状光源NA調整マスク、604はアレー状光源、6
05はシャッタである。なお、ここでCCD19の出力
を基に波面を求める波面演算器は図示していない。
【0063】本実施形態では、従来の技術の項で説明し
たアフォーカル系28を有する波面センサに必要なコリ
メートした参照光を出射する参照波面発生器15に代わ
り、簡素な構成で参照光を得るようにしている。
【0064】先ず、波面センサの構成について説明す
る。アレー状光源604出射光を波面センサの光学系2
0に導入するため、校正光導入用ハーフミラー602
を、CCD19の前面に配置している。上記のハーフミ
ラー601、602により生じるCCD19の鏡像位置
にアレー状光源604を設置している。アレー状光源6
04の前面に設けたNA調整用マスク603は、平板内
にアレー状光源604に対応する数の開口を設けたもの
であり、アレー状光源604を構成する各光源の出射角
を制限し、各光源の出射光とレンズアレー18を構成す
るレンズを1対1に対応させる。レンズアレー18のF
値をFとし、アレー状光源604からマスク603まで
の距離をxとした場合、マスク603の開口径Dは次式
で得られる。 D=x/F (601)
【0065】アレー状光源604出射光は、校正光導入
用ハーフミラー602を介して波面センサに導入され、
ハーフミラー601で反射した後、レンズアレー18に
よってCCD19上に集光する。なお、参照光源使用時
にはシャッタ605により被計測光を遮断する。
【0066】次に、参照光源を用いた計測波面の補正方
法について説明する。アレー状光源604の出射光は、
波面センサの光学系を2回通過するため、光学系収差の
2倍の影響が計測されることになる。アレー状光源60
4には、例えば、レ−ザダイオードアレーを用いること
により、正確な配列が得られるため、スポットの配列の
乱れは光学系収差の影響で生じたものとなる。測定され
たスポットの配列の乱れを基に波面を求め、その1/2
を光学系の収差で生じる誤差波面として、波面演算器2
1が波面計測時に計測波面から先に求めた誤差波面を差
し引くことにより、正しい波面が計測できる。
【0067】従来の方式では、周囲温度変化等により参
照光源29の位置が光軸方向に移動した場合、波面セン
サには歪んだ球面波が入射し、スポットの位置が変化す
る。しかし、本実施形態では、アレー状光源604の設
置位置が、光軸方向に移動した場合、CCDとの共役関
係が崩れることによるスポットのぼけが生じる。しか
し、波面演算器21において、一般に用いられるスポッ
トの重心をもってスポット位置計測と定義すると、ぼけ
が生じた場合でも重心位置は変化しない。
【0068】以上のように、使用環境条件の変化に対し
て強い参照光源が実現でき、また、このことは、アレー
状光源の配置位置をCCDと共役位置とする際の製造上
の公差を緩くとることができる。
【0069】実施形態. 図7は本発明の実施形態を示す構成図である。図7に
おいて図11および図6と同一符号は同一または相当部
分を示す。図7において、700は波面センサ、701
は偏光板、704はアレー状偏光光源である。なお、こ
こでCCD19の出力を基に波面を求める波面演算器は
図示していない。
【0070】本実施形態では、被計測光が偏光してお
り、実施形態のハーフミラー601の代りに偏光板7
01を用い、アレー状光源604にはアレー状偏光光源
704を用いている。
【0071】アレー状偏光光源704は、ハーフミラー
602および偏光板701で生じるCCD19の鏡像位
置に設置し、且つ被計測光の偏光方向と直交させる。偏
光板701の偏光方向と被計測光の偏光方向とを一致さ
せて設置すると、被計測光は、偏光板704を透過し、
CCD19上に集光スポットを形成する。参照光は偏光
板701により反射され、CCD19上にスポットを形
成する。なお、アレー状偏光光源704使用時には、シ
ャッタ605により被計測光を遮断する。その他の動作
に関しては実施形態と同様である。
【0072】以上のように、偏光板701は校正光をほ
ぼ100%反射するとともに、被計測光をほぼ100%
透過するため、校正用に挿入した偏光板701による参
照光および被計測光の光量損失の極めて少ない光学系を
実現することができる。
【0073】実施形態. 図8は本発明の実施形態を示す構成図である。図8に
おいて図11および図6と同一符号は同一または相当部
分を示す。図8において、800は波面センサ、801
はダイクロイックミラー、804は被計測光と波長の異
なるアレー状光源である。なお、ここでCCD19の出
力を基に波面を求める波面演算器は図示していない。
【0074】本実施形態では、被計測光と参照光の波長
が異なる。ダイクロイックミラー801は、被計測光の
波長域では光を透過し、参照光の波長域では反射するよ
うに構成している。
【0075】アレー状光源804は、ハーフミラー60
2とダイクロイックミラー801とで生じるCCD19
の鏡像位置に設置している。被計測光はダイクロイック
ミラー801を通過しCCD19上にスポットを形成す
る。一方、アレー状光源804出射光は、ハーフミラー
602により導入されダイクロイックミラー801によ
り反射され、CCD19上にスポットを形成する。な
お、参照光源使用時には、シャッタ605により被計測
光を遮断する。その他の動作に関しては実施形態と同
様である。
【0076】以上のように、ダイクロイックミラー80
1は、参照光をほぼ100%反射するとともに、被計測
光もほぼ100%透過するため、ダイクロイックミラー
801による参照光および被計測光の光量損失の極めて
少ない光学系を実現することができる。
【0077】参考例5. 図9は本発明の参考例5を示す構成図である。図9にお
いて図11と同一符号は同一または相当部分を示す。図
9において、900は波面センサ、901は可変径の絞
り、902は絞り径コントローラ、903は絞り径演算
手段である絞り径演算器、904はFFT演算手段であ
るFFT演算器である。
【0078】本参考例では、迷光を抑制するため、アフ
ォーカル光学系の対物レンズ16による集光状態に合わ
せ、絞り径を変化させるものである。
【0079】迷光を抑制するため、絞り径は被計測光を
けらない程度に小さくすることが必要である。対物レン
ズ16の前側焦点面を波面計測位置とした場合、対物レ
ンズ16による点像強度分布は計測波面のフーリエ変換
結果に従う。FFT演算器904は波面演算器21で求
めた計測波面のフーリエ変換を行い、点像強度分布を求
める。絞り径演算器903は上記点像強度分布にしきい
値を与え、しきい値を越えた範囲を絞り径とする。この
情報に基づいて絞り径コントローラ902が絞り径を調
整する。
【0080】以上のように、固定絞りの場合に問題にな
っていた迷光が低減でき、誤動作を抑えることができ
る。
【0081】参考例6. 図10は本発明の参考例6を示す構成図である。図10
において図11と同一符号は同一または相当部分を示
す。図10において、8は第1のコリメータレンズ、1
11,113はそれぞれ第1と第2のダイクロイックミ
ラー、114,115はバンドパスフィルタ、116,
118はミラー、117は第2のコリメータレンズ、1
10は波面センサである。なお、ここでCCD19の出
力を基に波面を求める波面演算器は図示していない。
【0082】望遠鏡は副鏡2を交換する構成であり、副
鏡2の変更にともない図10の破線のようにF値も変化
する。従来例に示したように、F値の変化によりコリメ
ータレンズ8を交換するか、各F値に対応する別の波面
センサを用意する必要があった。
【0083】異なるF値でレンズアレー18に入射する
波面の径を同一にするには、第1のコリメータレンズ8
の焦点距離をF値に合わせ変更すればよい。本参考例
第1のダイクロイックミラー111により光路を分離
し、分離した光路中にF値に適合する第2のコリメータ
レンズ117を設置することでF値の変化に対応するも
のである。
【0084】光路の変更により第2のコリメータレンズ
117および光路長を自由に設定できるため、F値に適
した第2のコリメータレンズ117を用いることがで
き、且つレンズアレー18以降を共用することができ
る。なお、レンズアレーには2波長の光が入射するため
バンドパスフィルタ114、115を交換し波長選択を
行う。
【0085】以上のように、F値によって光学系全体を
交換する必要がなくなるとともに、バンドパスフィルタ
114、115以外に可動部品が存在しないため、光学
系の公差を小さく抑えることができ高精度の波面計測を
実現することができる。
【0086】
【発明の効果】以上のように構成された本発明によれ
ば、入射光の条件が変化しても、高精度に被計測光の波
面を計測できる波面センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】参考例1の波面センサの構成図である。
【図2】参考例2の波面センサの構成図である。
【図3】参考例3の波面センサの構成図である。
【図4】参考例4の波面センサの構成図である。
【図5】実施形態の波面センサの構成図である。
【図6】実施形態の波面センサの構成図である。
【図7】実施形態の波面センサの構成図である。
【図8】実施形態の波面センサの構成図である。
【図9】参考例5の波面センサの構成図である。
【図10】参考例6の波面センサの構成図である。
【図11】従来の波面センサを含む装置(望遠鏡)の構
成図である。
【図12】レンズアレーとCCD間の距離と、レンズア
レー焦点距離の関係を説明するための図である。
【図13】迷光による波面センサの誤動作を説明するた
めの図である。
【図14】F値の違いによる有効レンズアレー数の変化
を説明するための図である。
【符号の説明】
1:望遠鏡の主鏡 2:望遠鏡の副鏡 4:参照光源用ランプ 5:ランプ光集光レンズ 6:ピンホール 7:ビームスプリッタ 8:コリメータレンズ(第1コリメータレンズ) 9:レンズアレー 10:CCD 11:波面センサの光学系 13:デフォーマブルミラー 14:ビームスプリッタ 16:対物レンズ 17:接眼レンズ 18:レンズアレー 19:CCD 20:波面センサの光学系 21:波面演算器 22:デフォーマブルミラー 28:アフォーカル光学系 29:参照光源 50:波面センサ 51:波面センサ 100:波面センサ 101:温度センサ 102:誤差波面演算器 103:波面演算器 110:波面センサ 111,113:ダイクロイックミラー 114,115:バンドパスフィルタ 117:第2コリメータレンズ 116,118:ミラー 200:波面センサ 201:気圧センサ 202:誤差波面演算器 203:波面演算器 301:温度補償アフォーカル光学系 302:レンズアレー 303:対物レンズ 304:接眼レンズ 400:波面センサ 401:気圧補償コリメータレンズ 501:校正値演算器 502:波面センサ角度コントローラ 600:波面センサ 601:ハーフミラー 602:校正光導入用ハーフミラー 603:アレー状光源NA調整マスク 604:アレー状光源 605:シャッタ 700:波面センサ 701:偏光板 704:アレー状偏光光源 800:波面センサ 801:ダイクロイックミラー 804:被計測光と波長の異なるアレー状光源 900:波面センサ 901:可変径の絞り 902:絞り径コントローラ 903:絞り径演算器 904:FFT演算器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−18719(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01J 9/00 G01B 11/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レンズアレーと、このレンズアレーに被
    計測光を投影させるレンズと、この投影された被計測光
    による前記レンズアレーの集光スポット位置を検出する
    光電変換器と、を有する光学系を具備し、参照光源から
    の光を前記レンズに光を入射したときの前記レンズアレ
    ーの集光スポット位置と前記被計測光が前記レンズに入
    射したときの前記レンズアレーの集光スポット位置との
    変位に基づいて、前記被計測光の波面を計測する波面セ
    ンサにおいて、 前記参照光源からの光に対して前記光学系の設置角度を
    変化させる角度コントローラと、該角度コントローラに
    基づく前記光学系の設置角度の変化前後に得られた前記
    光電変換器の出力を基に前記レンズアレーと前記光電変
    換器との間の距離を求める校正値演算器と、を具備する
    ことを特徴とする波面センサ。
  2. 【請求項2】 レンズアレー、該レンズアレーに被計測
    光を投影させるレンズ、及びこの投影された被計測光に
    よる前記レンズアレーの集光スポット位置を検出する光
    電変換器、を有する光学系と、 前記レンズアレーと前記光電変換器との間に前記被計測
    光の光軸に対して傾斜して設置される第一のハーフミラ
    ーと、 前記レンズの被計測光入射側に前記レンズに正対して設
    置される第二のハーフミラーと、 前記第一のハーフミラーと前記第二のハーフミラーとに
    よる前記光電変換器の鏡像位置に前記レンズアレーを構
    成するレンズの数と同数の光源を有するアレー状光源
    と、を具備することを特徴とする波面センサ。
  3. 【請求項3】 前記光電変換器は、前記アレー状光源か
    らの出射光により前記レンズアレーの集光スポット位置
    の配列の乱れを求め、該乱れを基に誤差波面を算出する
    誤差波面演算器と、前記光電変換器の出力を基に求めた
    前記被計測光の波面から前記誤差波面を差し引く波面演
    算器と、を具備することを特徴とする請求項2記載の波
    面センサ。
  4. 【請求項4】 前記第二のハーフミラーの代わりに偏向
    板を設け、該偏向板の偏光方向と前記被計測光の偏光方
    向とを一致させたことを特徴とする請求項2又は3記載
    の波面センサ。
  5. 【請求項5】 前記第二のハーフミラーの代わりに、前
    記被計測光の波長域では光を透過して前記アレー状光源
    の出射光の波長域では光を反射するミラーを設けたこと
    を特徴とする請求項2又は3記載の波面センサ。
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