JP4649663B2

JP4649663B2 - 光波面測定方法および装置

Info

Publication number: JP4649663B2
Application number: JP2006171246A
Authority: JP
Inventors: 耕平竹野; 孝二天神林; 智宏白井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2026-06-21
Also published as: JP2008002881A

Description

本発明は、光波面の測定に関し、特に光波面の収差を検出する方法および装置に関する。

技術背景

従来、光波面の収差を検出するにはマッハツェンダ干渉計やシャックハルトマン波面センサなどが用いられている（特許文献１、２参照）。
特開平６−１０９５８２号公報特開２００４−１９８１９２号公報

従来のマッハツェンダ干渉計を使用した波面計測では、位相の参照となる波面を測定対象の光自体から高精度に生成することは一般に困難であり、たとえ収差を含む波面の一部分を拡大することで近似的に理想的な波面を生成したとしても、干渉に利用できる光のパワーが下がってしまい測定が困難となる。

また、同じく従来の方法であるシャックハルトマン波面センサは、レンズアレイを使用して測定対象の光の波面を分割して光検出器上に集光させ、その集光点の変位に応じて分割された波面それぞれの傾きを検出し波面の計測を行うが、測定対象の波面に大きい収差がある場合、レンズアレイで生成する集光位置が大きくずれて、どのレンズで集光されたのか判別不可能になるため、収差の大きな場合には波面測定ができない。

本発明は、これらの問題点を解決することを目的とするものであり、干渉に利用できる光のパワーを下げることなく高精度の参照波面を生成することが可能で、かつ収差の大きさに依存せずに測定することが可能な波面測定の方法および装置を実現するものである。

本発明は上記課題を解決するために、測定対象となる光をファブリ・ペロ干渉計に入射させてファブリ・ペロ干渉計の最低次の空間モードに共振させ、ファブリ・ペロ干渉計を透過してくる光を干渉の参照光として、ファブリ・ペロ干渉計と共振せずに反射される光の成分と干渉させることで収差を検出する波面の収差を測定する装置を提供する。

さらに、本発明は上記課題を解決するために、測定対象となる光をファブリ・ペロ干渉計に入射させてファブリ・ペロ干渉計の最低次の空間モードに共振させ、ファブリ・ペロ干渉計を透過してくる光を干渉の参照光として、ファブリ・ペロ干渉計と共振せずに反射される光の成分と干渉させることで収差を検出する波面の収差を測定する方法を提供する。

本発明に係る波面測定の方法および装置によれば、干渉に利用できる光のパワーを下げることなく高精度の参照波面を生成することが可能で、かつ収差の大きさに依存せずに測定することができる。

本発明に係る波面測定の方法および装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。

図１は、本発明に係る波面測定の方法および装置の実施例を説明する図である。図１において、１は光波面測定方法および装置である。２は、レーザー光源等の単一周波数の光源である。光源２から放出された光は、電気光学変調器１６、偏光子３、半波長板４及びレンズ５を通過し、偏光ビームスプリッタ６に入射可能に構成されている。

偏光ビームスプリッタ６の延長光軸上には、４分の１波長板９、ファブリ・ペロ干渉計１０（本実施例では２枚の互いに内側に対向する凹面鏡から構成されている。）、４分の１波長板１１が順次設けられ、これらを通過した光は全反射鏡１２に入射可能な構成となっている。全反射鏡１２の反射光路上には、レンズ１３を介して部分反射鏡１４（半透過型反射鏡）が設けられている。

ファブリ・ペロ干渉計１０を構成する鏡のうちのひとつはピエゾ素子１７に貼り付けられており、ピエゾ素子１７に電圧を加えて伸縮させることで、ファブリ・ペロ干渉計の長さが調節できるようになっている。

偏光ビームスプリッタ６は、ファブリ・ペロ干渉計１０からの反射光を反射するが、その反射光路上にレンズ７を介して部分反射鏡８が設けられ、さらにこの部分反射鏡８の反射光路上に、部分反射鏡１４が配置されている。部分反射鏡１４の反射光路上には、ＣＣＤカメラ１５が設けられている。

一方、部分反射鏡８を透過する光は、レンズ１８により光検出器１９に集光し電気信号に変換される構成となっている。その電気信号と、高周波発振器２１で発生され位相シフト回路２２を介して出力される正弦波の電気信号とを、それぞれダブルバランストミキサ２０のRFポート、LOポートに入力する構成となっている。ダブルバランストミキサ２０のIFポートからの出力信号をローパスフィルタ２３およびサーボ回路２４を介してピエゾ素子１７に加えられるようになっている。

電気光学変調器１６は高周波発振器２１から出力される正弦波（数ＭＨｚ）で駆動され、光源２から放出された光は電気光学変調気１６により位相変調をかけられるようになっている。

以上の構成から成る本発明に係る波面測定装置の特徴をより明確にするために、この装置を利用した本発明に係る波面測定方法を以下に説明する。

光源２から放出された光を偏光子３で直線偏光に変換した後、半波長板４で偏光方向を回転させることによって、偏光ビームスプリッタ６に到達した光がまず一旦すべて透過するように調整する。

光源２から放出された光の光軸がファブリ・ペロ干渉計１０の光軸と一致するように調整し、かつレンズ５で、光源２から放出された光のビーム径が極小になる位置（以下、ウエスト位置と呼ぶ）およびウエスト位置でのビーム径（以下、ウエストサイズと呼ぶ）が、ファブリ・ペロ干渉計１０の幾何学的形状で決まる固有空間モードのうち最低次の固有空間モードのウエスト位置とウエストサイズに一致するように調整する。

光源２から放出された光がファブリ・ペロ干渉計の固有空間モードと共振していない状態で、ファブリ・ペロ干渉計１０から反射されて偏光ビームスプリッタ６に戻ってくる光がすべて偏光ビームスプリッタ６に反射されてレンズ７に向かうように４分の１波長板９を調整する。

光源２から放出された光がファブリ・ペロ干渉計１０の固有空間モードと共振していない状態で、レンズ７を透過する光が平行光になるようにレンズ７を調整する。

光源２から放出された光に電気光学変調器１６で数ＭＨｚの位相変調をかけ、ファブリ・ペロ干渉計１０から反射され部分反射鏡８を透過した光を光検出器１９で検出する。

光検出器１９から出力される電気信号と、高周波発振器２１で発生され位相シフト回路２２を介して出力される正弦波の電気信号とを、ダブルバランストミキサ２０に入力し演算を行った後、その演算の出力信号をローパスフィルタ２３に通す。

光源２から放出された光の周波数とファブリ・ペロ干渉計１０の共振周波数の差に対して、ローパスフィルタ２３の出力信号（以下、誤差信号と呼ぶ）の感度が最大となるように位相シフト回路２２の位相シフト量を調整する。

誤差信号をサーボ回路２３で増幅した後、ファブリ・ペロ干渉計１０の最低次の固有空間モードの共振周波数と、光源２から放出される光の周波数が十分に近付いた状態にしてフィードバック制御を行う。

光源２から放出された光がファブリ・ペロ干渉計１０の最低次の固有空間モードと共振している状態で、４分の１波長板１１を回し、ファブリ・ペロ共振器１０を透過した光が、波長板４で調整した光源２の偏光方向と一致する向きの直線偏光となるように調整する。

光源２から放出された光がファブリ・ペロ干渉計１０の最低次の空間モードと共振する状態を保ちつつ、レンズ１３を調整して、ファブリ・ペロ干渉計１０の最低次の空間モードと共振して透過してくる光を平行光とする。

光源２から放出された光がファブリ・ペロ干渉計１０の最低次の空間モードと共振する状態を保ちつつ、光源２から放出された光のうちファブリ・ペロ干渉計１０を透過してくる成分と、光源２から放出された光のうちファブリ・ペロ干渉計１０と共振せずに偏光ビームスプリッタ６の方向に戻って偏光ビームスプリッタ６で反射されレンズ７を透過してくる成分とを、部分反射鏡１４で干渉させることにより干渉縞を生成する。

前記干渉縞をＣＣＤカメラ１５で撮影して取得される画像を解析することで、光源２から放出される光波面の収差を検出する。

以上の構成から成る本発明に係る波面測定の方法および装置によれば、光がファブリ・ペロ干渉計に最低次の固有空間モードに共振する際に、光がファブリ・ペロ共振器内部を多数回往復する間に波面の位相が揃った光のみが選別されて透過するため、収差の少ない高精度の参照面を生成することができる。

また、透過してくる光をすべて干渉の参照として利用できるため、従来の波面を拡大してその波面の一部を参照面とする方法と異なり、光のパワーを損なうことなく参照として利用することが可能である。ファブリ・ペロ干渉計の共振は入射光の波面の収差量に制限がないため、収差の大きな波面でも収差を測定することができる。

以上、本発明に係る波面測定の方法および装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。

本発明は、以上のような構成であるから、各種の光学機器において生じる光波面の収差を検出する手段として適用可能である。

本発明の実施例を説明する図である。

符号の説明

１光波面測定方法および装置
２光源
３偏光子
４半波長板
５レンズ
６偏光ビームスプリッタ
７レンズ
８部分反射鏡
９４分の１波長板
１０ファブリ・ペロ干渉計
１１４分の１波長板
１２全反射鏡
１３レンズ
１４部分反射鏡
１５ＣＣＤカメラ
１６電気光学変調器
１７ピエゾ素子
１８レンズ
１９光検出器
２０ダブルバランストミキサ
２１高周波発振器
２２位相シフト回路
２３ローパスフィルタ
２４サーボ回路

Claims

２枚以上の鏡から構成されるファブリ・ペロ干渉計に光を入射させて入射光とし、前記入射光のうち前記ファブリ・ペロ干渉計の最低次の空間モードと共振する成分を透過させて透過光とし、前記ファブリ・ペロ干渉計と共振せず反射された収差を含む空間成分を反射光とし、前記透過光と前記反射光を干渉させることで収差の情報を含む干渉縞を形成させて前記入射光の波面の収差を検出する構成であることを特徴とする光波面測定装置。
２枚以上の鏡から構成されるファブリ・ペロ干渉計に光を入射させて入射光とし、前記入射光のうち前記ファブリ・ペロ干渉計の最低次の空間モードと共振する成分を透過させて透過光とし、前記ファブリ・ペロ干渉計と共振せず反射された収差を含む空間成分を反射光とし、前記透過光と前記反射光を干渉させることで収差の情報を含む干渉縞を形成させて前記入射光の波面の収差を検出することを特徴とする光波面測定方法。