JP4549468B2 - レンズメータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、波面センサを用いたレンズメータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、光束の波面形状を測定する波面センサとして、ハルトマンタイプのものが知られている。このハルトマンタイプの波面センサは、複数の微小開口が一定の間隔で規則的に形成されたハルトマンプレートと呼ばれる板状体と、ハルトマンプレートと平行に配置されたエリアセンサとを備える。ハルトマンプレートにはエリアセンサと反対側から光束が入射され、この入射光束は各開口を通過して細い光線となり、エリアセンサ上に開口の数に応じた複数の光点を形成して受光される。
【0003】
その入射光束が平面波である場合には、ハルトマンプレートにおける開口の間隔とエリアセンサ上の光点の間隔とは等しくなる。また、その開口の間隔と光点の間隔とに異なるところがある場合にも、ハルトマンプレートからエリアセンサまでの距離及びハルトマンプレート上の開口の位置は既知であるため、エリアセンサ上の光点の位置から透過光束の光線方向を算出することができる。この光線方向は入射光束の波面の法線方向に相当するので、複数の光線方向から入射光束の波面形状が測定される。
【0004】
ところで、S/N比の向上を図るため、ハルトマンプレートの各開口には通常同一仕様の単焦点レンズが取り付けられており、エリアセンサはその各レンズの焦点位置に配置されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の波面センサでは、その各開口に取り付けられたレンズが単焦点でかつこの焦点位置にエリアセンサを配置することより、入射光束が平面波である場合にはS/N比を十分に向上させることができるものの、平面波でない場合にはエリアセンサ上における光点がボケてS/N比が著しく低下するという問題がある。
【0006】
すなわち、図12(a)に示すように、ハルトマンプレート1に取り付けられたレンズ2に入射する光束Pが平面波である場合には、レンズ2の透過光束はエリアセンサ3上の一点に集光されて光点Q1を形成し、この光点Q1は図12に実線で示すような光量分布を有する。ところが、図12(b)、(c)に示すように、その入射光束Pが発散光又は収束光である場合には、レンズ2の透過光束はエリアセンサ3上には集光せずにエリアセンサ3上に比較的大面積の光点Q2,Q3を形成する。この光点Q2,Q3はともに図13に破線で示すような光量分布を有し、光点Q1のように明確な光量差を持たず甚だボケた状態にある。よって、例えばゴミや傷の存在によりエリアセンサ3の受光量が減少すると光点Q2,Q3はその影響を受けやすく、場合によっては光点として認識されなくなるおそれがある。
【0007】
また、このようにボケた光点の外縁は不明確であるとともに、光点の中心から外方に大きく広がっているので、エリアセンサ3上において隣接する光点同士がくっつき重なり合うおそれがある。これを回避するにはハルトマンプレート1とエリアセンサ3との離間距離を小さくするか、ハルトマンプレート1の開口間隔を広げる必要があるが、前者では平面波以外のときの光点のずれが小さくなって移動感度が鈍くなり、後者では光点の密度が小さくなって測定点が減少するので、波面形状の測定精度の低下をきたす。
【0008】
特に、レンズの透過光束等のように波面が平面から大きく変位しているものを測定する場合には、以上のような問題は軽視することができず、光点の大きなボケを回避して測定精度を改善する必要性が高い。
【0009】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、波面形状にかかわらず光点の大きなボケを回避して、測定を常に高精度に行うことのできる波面センサを用いたレンズメータを提供することを課題としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1に記載のレンズメータは、レンズ受けに載置される被検レンズを透過した測定光束をもとに該被検レンズの光学特性を求めるレンズメータにおいて、
前記レンズ受けを通過した光束を受光する波面センサを備え、
前記波面センサは、同一平面内に設けられた複数のレンズと、前記レンズ受けを通過しかつ前記複数のレンズを構成する各レンズを透過して集光された前記光束を光点として受光するエリアセンサとからなり、
前記各レンズは最小の焦点距離を有する領域と最大の焦点距離を有する領域と両焦点距離の間の焦点距離を有する領域との複数の同心状の領域からなり、前記両焦点距離の間の焦点距離を有する領域は前記被検レンズの屈折力の0ディオプターに対応され、前記最大の焦点距離を有する領域は前記被検レンズのプラスディオプターに対応され、前記最小の焦点距離を有する領域は前記被検レンズのマイナスディオプターに対応され、
前記エリアセンサは前記両焦点距離の間の焦点距離を有する領域を通る平面波の光束が結像する位置に配設されていることを特徴とする。
請求項2に記載のレンズメータは、請求項1に記載のレンズメータにおいて、前記複数の同心状の領域の各焦点距離が前記各レンズの中心部から周縁部に向けて連続的に又は段階的に変化していることを特徴とする。
請求項3に記載のレンズメータは、請求項2に記載のレンズメータにおいて、前記各レンズの中心部が最大の焦点距離を有し、前記各レンズの周縁部が最小の焦点距離を有することを特徴とする。
請求項4に記載のレンズメータは、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のレンズメータにおいて、前記各レンズが回折格子からなることを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0017】
図1は本発明に係るハルトマンタイプの波面センサの概略構成を示す。この波面センサ4は、複数の開口5が一定の間隔で規則的に形成されたハルトマンプレート6と、ハルトマンプレート6と平行に配置されたエリアセンサ7とを備える。ハルトマンプレート6にはエリアセンサ7と反対側から光束Pが入射され、この入射光束Pは各開口5を透過して細い光線となり、エリアセンサ7上に開口5の数に応じた複数の光点を形成する。
【0018】
ハルトマンプレート6の各開口5には、部位によって異なる焦点距離を有するレンズ8が取り付けられている。ここでは、図2に示すように、レンズ8は互いに焦点距離が異なる三つの同心円状の領域8a,8b,8cからなり、レンズ8の中心部(領域8a)から周縁部(領域8c)に向けて段階的に焦点距離が短くなっている。また、このレンズ8は製作上の便宜から図3に示すような回折光学素子からなるものが望ましい。
【0019】
エリアセンサ7は、最小の焦点距離f3を有する領域8cを通るときに平面波が結像する位置と、最大の焦点距離f1を有する領域8aを通るときに平面波が結像する位置との略中間に配置されている。すなわち、ハルトマンプレート6からエリアセンサ7までの距離をLとすると、
f3<L<f1
の関係が満たされている。
【0020】
[波面センサのレンズメータへの適用]
図4は波面センサ4をレンズメータに適用する場合の具体的形態を示し、この波面センサ9の波面センサ4に対応する要素には同一符号を付して説明を省略する。図5はその波面センサ9を用いたレンズメータ10の概略構成を示す。
【0021】
波面センサ9のハルトマンプレート6及びエリアセンサ7の中心はレンズメータ10において光軸と合致する。ハルトマンプレート6にはその中心を中心とする円周上に四つの開口5が等間隔に(90°ピッチで)形成されている。この開口5は、測定するレンズ特性が球面度数、円柱度数、円柱軸角度、又は偏心量であれば三つあれば足りるが、測定精度等の観点からは本実施の形態のように四つ以上あることが望ましい。
【0022】
レンズメータ10は、光源11と、ピンホール12と、コリメータレンズ13と、レンズ受け14と、波面センサ9とを備える。ピンホール12はコリメータレンズ13の前側焦点位置に配置され、レンズ受け14には被検レンズTLが載置される。また、図中WFは光束Pの波面を表している。
【0023】
光源11の出射光はピンホール12により点光源となり、この点光源からの光束はコリメータレンズ13を透過して平面波(平行光束)となる。レンズ受け14に被検レンズTLが設置されていない場合には、その平面波がそのままレンズ8に入射してエリアセンサ7に受光される。このとき、エリアセンサ7上の光点の間隔はハルトマンプレート6における開口5の間隔と等しくなる。
【0024】
レンズ受け14に被検レンズTLが設置されると、被検レンズTLに入射した平面波は被検レンズTLの性質に応じて球面波に変換され、ハルトマンプレート6の各開口5を透過する。被検レンズTLがプラスレンズの場合には、エリアセンサ7上の光点間隔はハルトマンプレート6における開口間隔よりも小さくなり、被検レンズTLがマイナスレンズの場合には、エリアセンサ7上の光点間隔はハルトマンプレート6における開口間隔よりも大きくなる。したがって、エリアセンサ7上の光点間隔を求めることにより、光路中に挿入した被検レンズTLの光学特性を算出することができる。例えば、被検レンズTLの裏面頂点からハルトマンプレート6までの距離をΔL、ハルトマンプレート6における開口5の間隔をd、被検レンズTLが非設置の場合に対するエリアセンサ7上の光点の変位量をΔdとすると、設置された被検レンズTLのバックフォーカスBfは次式により算出される。
【0025】
Bf=ΔL−L・d/Δd
以下、より具体的な実施例について比較例と対比して説明する。
【0026】
[比較例]
比較例では、図12に示す波面センサを波面センサ9の代わりにレンズメータ10に用いる。この従来の波面センサを構成するハルトマンプレート1及びエリアセンサ3は波面センサ9のハルトマンプレート6及びエリアセンサ7と同様であるが、レンズ2は単焦点であるためレンズ8と異なる。
【0027】
被検レンズTLの屈折力が0D近傍の場合には、平面波に近い波面がハルトマンプレート1に入射するため、エリアセンサ3上に点光源であるピンホール12の像が結像して光点Q1が明確に現れる(図12(a))。この場合、光点Q1のピーク光量が高く(図13の実線参照)、S/N比に優れるので、光点Q1の位置検出を高精度で行うことができる。また、被検レンズTLの表面に多少の傷や汚れがあっても、測定結果はこれらの影響を受けにくい。
【0028】
一方、被検レンズTLの屈折力が大きい場合には、ハルトマンプレート1に入射する光束Pの波面が曲率の小さい球面波となり、被検レンズTLがプラスの強度数のときにはエリアセンサ3の遥か手前で結像し(図12(b))、被検レンズTLがマイナスの強度数のときにはエリアセンサ3の遥か奥で結像するので(図12(c))、エリアセンサ3上の光点Q2,Q3は大きくボケてしまう。このため、光点Q2,Q3のピーク光量は低く(図13の破線参照)、S/N比が低下するので、光点Q2,Q3の位置検出精度が極端に悪化する。また、被検レンズTLの表面に傷や汚れ等があると、測定結果に誤差を生じやすくなる。
【0029】
なお、ハルトマンプレート1の開口を小さくし焦点深度を深くして光点をボケにくくすることも可能ではあるが、この場合はエリアセンサ3上での光量が低下するので好ましくない。また、被検レンズTLの度数に応じてエリアセンサ3等を移動させ、常にエリアセンサ3上に合焦した状態とする方法も考えられるが、移動機構の追加、光学系の複雑化によるレンズメータの大型化、コストアップの原因を招き、測定に時間がかかる等の不都合をも生じる。
【0030】
[実施例]
実施例では、波面センサ9におけるレンズ8の領域8a,8b,8cの焦点距離f1,f2,f3をそれぞれ、レンズメータ10において+10D、0D、−10Dの被検レンズTLが設置された際にエリアセンサ7上に結像するように設定する。例えばΔL=5[mm]、L=15[mm]とすると、焦点距離f1,f2,f3はそれぞれ+17.8、+15、+13.1[mm]とすればよい。
【0031】
このレンズ8に+10Dの被検レンズTLによる球面波が入射すると、図6(a)、図7(a)に示すように、領域8aを透過した光束P1がエリアセンサ7上に結像する。このとき、領域8bを透過した光束P2はエリアセンサ7の手前で結像し、領域8cを透過した光束P3はさらにその手前で結像する。
【0032】
また、レンズ8に0Dの被検レンズTLによる平面波が入射すると、図6(b)、図7(b)に示すように、領域8bを透過した光束P2がエリアセンサ7上に結像する。このとき、領域8aを透過した光束P1はエリアセンサ7の奥で結像し(実際にはエリアセンサ7に遮光されて結像には至らない。)、領域8cを透過した光束P3はエリアセンサ7の手前で結像する。
【0033】
レンズ8に−10Dの被検レンズTLによる球面波が入射すると、図6(c)、図7(c)に示すように、領域8cを透過した光束P3がエリアセンサ7上に結像する。このとき、領域8bを透過した光束P2はエリアセンサ7の奥に結像し、領域8aを透過した光束P1はさらにその奥に結像する。
【0034】
なお、図7(a)〜(c)において、R1,R2,R3はそれぞれ光束P1,P2,P3の結像点を示している。
【0035】
この実施例では、入射光束Pの波面形状にかかわらず、その光束Pの一部はレンズ8の領域8a,8b,8cのいずれかによってエリアセンサ7上又はその近傍に結像するので、たとえ平面波に対する領域8a,8cのように対応しない領域に入射した光束Pの残部がエリアセンサ7上に結像しなくても、図8に示すような光量分布を確保することができる。この光量分布は、従来合焦していた0D近傍についての光量分布(図13の実線)と比較するとピーク光量が低くボケた光点を表すが、エリアセンサ7による光点の検出精度に影響が及ぶ程のものではなく、逆に従来合焦していなかった屈折力の大きな被検レンズTLについての光量分布(図13の破線)と比較すると、ピーク光量が高く径の小さな光点を表し測定精度を向上させることができる。
【0036】
すなわち、比較例に示した波面センサでは、入射光束Pの波面形状により光点の光量や径に大幅な違いを生じて測定精度を一定に保つことが難しかったが、この実施例に示した波面センサ9では、入射光束Pの波面形状にかかわらず光点の光量や径を一定に維持することができ、常に高精度に測定を行うことができる。
【0037】
なお、上記の例ではレンズ8の焦点距離をf1,f2,f3と段階的に変化させたが、図9に示す球面収差曲線のようにレンズの焦点距離を中心部から周縁部に向けて連続的に変化させてもよい。例えば+25Dの被検レンズTLの透過光束が光軸を含むレンズ8の中心部を透過した場合にエリアセンサ7上に結像し、−25Dの被検レンズTLの透過光束がレンズ8の最外縁部を透過した場合にエリアセンサ7上に結像するとすると、その中心部の焦点距離を26.3[mm]、最外縁部の焦点距離を11.3[mm](最外縁部の球面収差を−15[mm])とし、その間の領域の焦点距離を26.3[mm]から11.3[mm]の間で連続的に変化させればよい。
【0038】
あるいは、以上でレンズ8の中心部から周縁部に向けて焦点距離を小さくしたのはレンズ製作上の便宜等のためであり、必ずしもこれに限られる必要はなく、周縁部から中心部に向けて焦点距離を小さくしても、若しくは、半径方向に沿って焦点距離に連続性、段階性を持たせなくてもかまわない。
【0039】
また、このような非球面レンズは研磨加工により製造するのは難しいことから、上記同様に回折光学素子として製造するのが望ましく、図10に示すように一枚のバイナリーレンズアレイとして一体的に成形してもよい。
【0040】
[波面センサの反射望遠鏡への適用]
図11は本発明に係る波面センサを用いる能動光学式反射望遠鏡の概略構成を模式的に示す。この反射望遠鏡15では、遠方からの入射光束Pが凹面ミラー16により凸面ミラー17に向けて反射され、凸面ミラー17の反射光束が凹面ミラー16の中央部に形成された開口18を通過し、ビームスプリッタ19を透過した後に観察面20に導かれる。一方、ビームスプリッタ19により反射された一部の光束は、コリメータレンズ21を通過して平行光束となり、レンズ8が取り付けられたハルトマンプレート6とエリアセンサ7とを有する波面センサ22に導かれる。
【0041】
凹面ミラー16の裏面には、その鏡面を変形させるための複数のアクチュエータ23が設けられている。このアクチュエータ23を駆動して凹面ミラー16の鏡面を変形させることにより、歪んだ波面WFを整った球面波WF’に変換することができる。この際、入射波面WFの歪み量を検出し、これを補正するための鏡面の変形量を求め、この変形量に応じたアクチュエータ23の駆動量を決定する必要があるが、波面センサ22はその歪み量の検出に使用され、波面センサ22に接続された演算回路24によりアクチュエータ23の駆動量が決定されてアクチュエータ23が駆動される。
【0042】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、波面センサを、同一平面内に設けられた複数のレンズと、レンズ受けに載置される被検レンズを透過しかつ複数のレンズを構成する各レンズを透過して集光された光束を光点として受光するエリアセンサとから構成し、各レンズは最小の焦点距離を有する領域と最大の焦点距離を有する領域と両焦点距離の間の焦点距離を有する領域との複数の同心状の領域から形成し、両焦点距離の間の焦点距離を有する領域は被検レンズの屈折力の0ディオプターに対応させ、最大の焦点距離を有する領域は被検レンズのプラスディオプターに対応させ、最小の焦点距離を有する領域は被検レンズのマイナスディオプターに対応させ、エリアセンサは両焦点距離の間の焦点距離を有する領域を通る平面波の光束が結像する位置に配設したので、複数のレンズを構成する各レンズのいずれかの領域を透過する光束がエリアセンサ上又はその近傍に結像し、波面形状にかかわらず光点の大きなボケを回避して常に高精度に行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る波面センサの概略構成を示す説明図である。
【図2】波面センサに取り付けられるレンズを示す説明図である。
【図3】レンズを構成する回折光学素子を示す説明図である。
【図4】本発明に係る波面センサをレンズメータに適用する場合の態様を示す説明図である。
【図5】本発明に係る波面センサを用いたレンズメータの概略構成を示す説明図である。
【図6】波面センサにおける結像状態を示し、(a)は収束光束が入射した場合、(b)は平行光束が入射した場合、(c)は発散光束が入射した場合を示す説明図である。
【図7】図6のエリアセンサ近傍における結像状態を拡大して示し、(a)は図6(a)に対応する拡大図、(b)は図6(b)に対応する拡大図、(c)は図6(c)に対応する拡大図である。
【図8】図6の波面センサのエリアセンサ上における光量分布を示す説明図である。
【図9】レンズの焦点距離が連続的に変化する例を示す説明図である。
【図10】複数のレンズが同一平面内に一体的に形成された例を示す説明図である。
【図11】本発明に係る波面センサを用いた能動光学式反射望遠鏡の概略構成を示す説明図である。
【図12】従来の波面センサにおける結像状態を示し、(a)は平行光束が入射した場合、(b)は収束光束が入射した場合、(c)は発散光束が入射した場合を示す説明図である。
【図13】図12の波面センサのエリアセンサ上における光量分布を示す説明図である。
【符号の説明】
4,9,22 波面センサ
5 開口
6 ハルトマンプレート
7 エリアセンサ
8 レンズ
8a,8b,8c 領域
10 レンズメータ
15 能動光学式反射望遠鏡
Claims (4)
- レンズ受けに載置される被検レンズを透過した測定光束をもとに該被検レンズの光学特性を求めるレンズメータにおいて、
前記レンズ受けを通過した光束を受光する波面センサを備え、
前記波面センサは、同一平面内に設けられた複数のレンズと、前記レンズ受けを通過しかつ前記複数のレンズを構成する各レンズを透過して集光された前記光束を光点として受光するエリアセンサとからなり、
前記各レンズは最小の焦点距離を有する領域と最大の焦点距離を有する領域と両焦点距離の間の焦点距離を有する領域との複数の同心状の領域からなり、前記両焦点距離の間の焦点距離を有する領域は前記被検レンズの屈折力の0ディオプターに対応され、前記最大の焦点距離を有する領域は前記被検レンズのプラスディオプターに対応され、前記最小の焦点距離を有する領域は前記被検レンズのマイナスディオプターに対応され、
前記エリアセンサは前記両焦点距離の間の焦点距離を有する領域を通る平面波の光束が結像する位置に配設されていることを特徴とするレンズメータ。 - 前記複数の同心状の領域の各焦点距離が前記各レンズの中心部から周縁部に向けて連続的に又は段階的に変化していることを特徴とする請求項1に記載のレンズメータ。
- 前記各レンズの中心部が最大の焦点距離を有し、前記各レンズの周縁部が最小の焦点距離を有することを特徴とする請求項2に記載のレンズメータ。
- 前記各レンズが回折格子からなることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のレンズメータ。
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