JP5032952B2 - 光束波面の曲率測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、光束波面の曲率測定方法に関する。

従来の光束波面の曲率測定方法及びその装置として、例えば特開２００１−１６６２０２号公報に開示されている焦点検出方法及び焦点検出装置が提案されている。当該従来例では、光学系である点光源とコリメータレンズからの射出光を集光レンズで集光させ、この集光レンズの焦点の前後のそれぞれにおいて第１の撮像素子と第２の撮像素子を配置し、これらの撮像素子で観察されたビーム径を比較することで、コリメート調整を行う方法である。
特開２００１−１６６２０２号公報

上述した従来例では、２つの撮像素子を用いてビーム径を測定するため、ビームは円形又は楕円形状に基づいた測定でなければならず、撮像素子のダイナミックレンジの違いにより同じ閾値でも常に同じビーム径であるとは限らず、そしてコリメート調整の状態により輝度分布に差が生じるため、光源の出力状態によっては、正確な測定ができない不都合がある。
また、集光レンズを用いるため、波長により焦点位置が変化し、波長ごとの校正又は補正値が必要となるので、調整や検査に手間がかかる。
この発明の目的は、光束の発散又は収束を正確に測定することができると共に、コリメート光の検査を容易にすることにある。

この発明の第１の特徴は、光束を少なくとも２つのピンホールを有するピンホールアレイに照射し、このピンホールアレイの各ピンホールを透過する各光点の位置の変化量を測定し、各光点の変化量から光束波面の曲率を算出測定する方法であって、上記ピンホールアレイから間隔を置いて配置されている撮像素子によって上記各ピンホールを透過した光線を検出し、上記撮像素子から出力される各ピンホール像の座標を計算する際に、これらのピンホール像毎に、上記撮像素子における各画素列及び各画素行の双方又はいずれか一方について、検出された光強度と位置情報の積を加算して値を求め、この値に基づいて座標位置を検出し、初期の座標位置からの変化量を計算し、各変化量とピンホールアレイと撮像素子までの距離から光束波面の曲率を算出することにある。
この発明の第２の特徴は、光束を少なくとも２つのピンホールを有するピンホールアレイに照射し、このピンホールアレイの各ピンホールを透過する各光点の位置の変化量を測定し、各光点の変化量から光束波面の曲率を算出測定する方法であって、上記ピンホールアレイから間隔を置いて配置されている撮像素子によって上記各ピンホールを透過した光線を検出し、上記撮像素子から出力される各ピンホール像の座標を計算する際に、これらのピンホール画像毎に、上記撮像素子における閾値で２値化し、各画素列数及び各画素行数のうち少なくとも一方について、２値化後の値と位置情報の積を加算して値を求め、この値に基づいて座標位置を検出し、初期の座標位置からの変化量を計算し、各変化量と、上記ピンホールアレイから上記撮像素子までの距離とから光束波面の曲率を算出することにある。

この発明によれば、光源の出力変動や波長によらず、光束の発散及び収束を常に高速に高精度に定量化し、干渉計と同等の精度を有しつつ、コリメート光の検査を容易に行えることができる。
この発明によれば、干渉計による測定のように干渉縞が不鮮明なことによる測定の不安定さや点光源の出力変動による測定値の変動はなく、ビーム形状が円形又は楕円形状に限定されることなく、常に光束の状態を安定した曲率値で示すことができる。
この発明によれば、使用ピクセル数に応じて、撮像素子のピクセルサイズ以下の分解能となるため、干渉計と同等の感度を有することができる。
この発明によれば、レンズやプリズム等の波長依存性を有する誘電体を使用しないため、波長毎の校正や測定値の補正の必要がない。
この発明によれば、ピンホールアレイの各ピンホールを通過し、これらピンホールの穴径の領域内で回折光の影響が平均化されるため、回折光の影響を受け難く、安定した測定が可能である。

この発明に係る光束波面の曲率測定方法は、図１及び図２に示す光束波面の曲率測定装置を用いることによって実施される。
上記光束波面の曲率測定装置は、光束である平行光束３が照射されるピンホールアレイ１と、このピンホールアレイから任意の距離ｄだけ離れて配置されている撮像素子２と、この撮像素子に接続されている演算装置４とを備えている。

ピンホールアレイ１としては、少なくとも２つ、換言すれば２箇所以上のピンホールを有するものが使用される。図３（ア）に示す例では遮光物面にピンホールを２つ開けたピンホールアレイ１Ａ１、（イ）に示す例ではピンホールを正方格子間隔に９つ開けたピンホールアレイ１Ａ２、（ウ）に示す例ではピンホールを六方格子状に７つ開けたピンホールアレイ１Ａ３である。もっとも、ピンホールアレイ１は、２つ以上のピンホールが開いていれば、遮光物の材質及び厚さ並びにピンホールの形状は自由に決めることができる。ピンホールアレイ１におけるピンホールは回折によりビーム径が広がるため、所定の口径以上が必要となる。また、ピンホールの間隔は測定するビーム径よりも小さく設定する必要がある。

撮像素子２としては、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子を使用する。撮像素子２はピンホールアレイ１のすべてのピンホール（図１ではピンホール１ａ１，１ａ２）を通過する光線を一括して撮像する。もちろん、撮像素子２はピンホールアレイ１のピンホール（図１ではピンホール１ａ１，１ａ２）毎に配置しても良い。
撮像素子２はピンホール像として演算装置４に送信するものである。
なお、撮像素子２は上記固体撮像素子に限られない。

演算装置４は撮像素子２から出力される画像である各ピンホール像を受信して、内蔵する画像処理部によって各ピンホール像の座標を計算することができる。演算装置４では、各ピンホール像の座標を計算する際、ピンホール像毎に撮像素子２における各画素列及び各画素行の双方について検出された光点の輝度の重心の座標計算を行うことができる。
また、演算装置４による各ピンホール像の座標を計算する際に、ピンホール像毎に撮像素子２における各画素列及び各画素行について検出された光点の輝度値を任意の閾値により２値化し、面積中心の座標計算を行うことができる。
なお、上記いずれの場合においても、撮像素子２における各画素列及び各画素行については、いずれか一方であっても良い。

図１において、平行光束３（図２）をピンホールアレイ１へ照射したとき、ピンホールアレイの各ピンホール１ａ１，１ａ２を通過する光線群が任意の距離ｄだけ進み、撮像素子２へ照射される。図２に示すように、この撮像素子では、得られた光点群の各光点の情報をピンホール像として演算装置４に送信する。演算装置４は、内蔵する画像処理部で上記各ピンホール像の位置座標を任意のアルゴリズムで検出し、計算によって求められた座標値は、内蔵する演算回路により下記に説明する計算過程を行うことで光束の波面曲率を算出する。

光束の波面曲率の計算過程について図１を参照して説明する。
演算装置４（図２）の画像処理部によって計算された上記光点群の各光点の座標値を演算回路に渡し、初期の座標値との変化量を求める。
各光点の変化量δ_１，δ_i+1と、ピンホールアレイ１と撮像素子２までの距離ｄからピンホールアレイ面での光束波面の入射法線の角度−θ _i ，θ _i+1を求め、これらの角度差から曲率を算出測定する。
まず、ピンホールの間隔ｐの制約条件を設定する。
すなわち、ピンホール径をφ、光束の波長をλとし、ピンホールアレイ面と撮像素子面までの距離ｄとピンホールの間隔ｐの制約条件は、下記の数式１による。

次に、光線がピンホール１ａ１，１ａ２を通過する際の角度θを計算する。
すなわち、ピンホール像の座標を計算する際に、ピンホール像毎に、撮像素子２で検出された光点の輝度の重心を計算し、各座標位置を検出し、初期の座標位置からの変化量δとピンホールアレイと撮像素子までの距離ｄから、ピンホールを通過する際の角度θを下記の数式２によって計算する。

また、ピンホールアレイ１において、２つのピンホール１ａ１，１ａ２の変化量δ_１，δ_i+1を求め、ピンホールアレイから撮像素子２までの距離ｄから、ピンホールを通過する際の角度θ _i+1及び−θ_iを計算する。
ここで、円弧Ｌの計算式は曲率半径Ｒを用いて表すと、下記の数式３

であるが、曲率半径Ｒを２００ｍｍ以上に設定し、ピンホールの間隔ｐを例えば１ｍｍ以下に設定し、円弧Ｌと間隔ｐはほぼ等しいとする。
したがって、ピンホール１ａ１，１ａ２を通過する際の角度θ _i+1 と角度−θ _iの差と、ピンホールの間隔ｐから光束波面の曲率ρは、下記の数式４によって求められる。

なお、上述のように、隣接する２点のピンホール１ａ１，１ａ２の変化量δ_１，δ_i+1から曲率ρは求まるが、複数の点からの曲率の平均を取ることで、再現性のある測定結果を得ることができる。

前記光束波面の曲率測定装置へ進む光束の状態と撮像素子面での光点群の関係について図４を参照して説明する。
なお、使用するピンホールアレイ１はピンホールを正方格子間隔に９つ開けている。
図４（ア）において、半導体レーザのような点光源５とコリメータレンズ（集光レンズ）６を、このコリメータレンズの焦点距離ｆだけ離し焦点に配置している。平行光束をピンホールアレイ１に照射したとき、このピンホールアレイを通過する光線群はピンホールアレイ面に対して垂直に距離ｄだけ進み、撮像素子２では、ピンホールアレイのピンホール間隔と同様の間隔のピンホール像７Ａ１が得られる。ＷＤはコリメータレンズ６の焦点の位置からピンホールアレイ１までの距離である。
図４（ア）では光束の波面曲率は０（零）となり、理想の状態になる。

図４（イ）において、点光源５とコリメータレンズ６の間隔が、このコリメータレンズの焦点距離ｆよりΔだけ小さく配置したとき、コリメータレンズ６から出射される光束は発散光となり、ピンホールアレイ１を通過する光線群は、ピンホールアレイ面に対し、任意の角度でそれぞれ距離ｄだけ進むため、撮像素子２ではピンホールアレイのピンホール間隔より広い間隔のピンホール像７Ａ２が得られる。
図４（イ）では光束の波面曲率は正の値となる。

図４（ウ）において、点光源５とコリメータレンズ６の間隔が、このコリメータレンズの焦点距離ｆよりΔだけ大きく配置したとき、コリメータレンズ６から出射される光束は収束光となり、ピンホールアレイ１を通過する光線群は、ピンホールアレイ面に対し、任意の角度でそれぞれ距離ｄだけ進むため、撮像素子２ではピンホールアレイのピンホール間隔より狭い間隔のピンホール像７Ａ３が得られる。
図４（ウ）では光束の波面曲率は負の値となる。

光束波面の曲率を測定した結果、光束の波面曲率が図４（イ）に示す例のように正の値となった場合、そして（ウ）に示す例のように負の値となった場合には、いずれも光束が平行光束ではないことが判明される。
測定結果に基づいて、適宜の方法によって平行光束となるようにコリメート光の調整をする。

図１及び図２に示す発明によれば、各ピンホール像の初期の座標位置からの変化量を計算し、各変化量と、ピンホールアレイ１から撮像素子２までの距離ｄとから光束波面を算出するため、干渉計を使用しないので、干渉計による測定のように干渉縞が不鮮明なことによる測定の不安定さや点光源の出力変動による測定値の変動はなく、ビーム形状が円形又は楕円形状に限定されることなく、常に光束の状態を安定した曲率値で示すことができるので、測定が正確になる。
図１及び図２に示す発明によれば、（１）撮像素子２から出力される各ピンホール像の座標を計算する際に、これらのピンホール像毎に、上記撮像素子における各画素列及び各画素行の双方又はいずれか一方について（少なくとも一方について）、検出された光強度と位置情報の積を加算して値を求め、この値に基づいて座標位置を検出するために、又は（２）撮像素子２から出力される各ピンホール像の座標を計算する際に、これらのピンホール像毎に、上記撮像素子における閾値で２値化し、各画素列及び各画素行の双方又はいずれか一方について（少なくとも一方について）、２値化後の値と位置情報の積を加算して値を求め、この値に基づいて座標位置を検出するために、使用ピクセル数に応じて、撮像素子２のピクセルサイズ以下の分解能となるため、干渉計と同等の感度を有することができる。
図１及び図２に示す発明によれば、上記数式４によって、少なくとも２点の座標変位量を把握することによって、曲率の計算が可能になるため、非常に高速な処理が行える。
図１及び図２に示す発明によれば、レンズやプリズム等の波長依存性を有する誘電体を使用しないため、波長毎の校正や測定値の補正の必要がない。
図１及び図２に示す発明によれば、従来例と比較して撮像素子２の設置数が最小限の１つですむので、機能素子が少なくなり、組立てや調整が容易となり、小型化や製造のコストダウンに寄与する。
図１及び図２に示す発明によれば、ピンホールアレイ１に設けてある任意の穴径の複数のピンホールを通過し、これらピンホールの穴径の領域内で回折光の影響が平均化されるため、回折光の影響を受け難く、安定した測定が可能である。

この発明に係る光束波面の曲率測定方法を実施するための曲率測定装置の主要部を構成しているピンホールアレイと撮像素子との関係を示す図である。 この発明に係る光束波面の曲率測定方法を実施するための光束波面の曲率測定装置の構成図である。 この発明に係る光束波面の曲率測定方法を実施するための光束波面の曲率測定装置におけるピンホールアレイのピンホール配置例を示し、（ア）は２つのピンホールを有するピンホールアレイの図であり、（イ）は９つのピンホールを有する正方格子状のピンホールアレイの図であり、（ウ）は７つのピンホールを有する六方格子状のピンホールアレイの図である。 この発明に係る光束波面の曲率測定方法を実施するための光束波面の曲率測定装置と、集光レンズを動かしたときの光束の状態と、ピンホール像の変化を示す図であって、（ア）の右端に示す図は平行光束の状態におけるピンホール像を示し、（イ）の右端に示す図は光束の発散の状態におけるピンホール像を示し、（ウ）の右端に示す図は光束の収束の状態におけるピンホール像を示す。

符号の説明

１，１Ａ１，１Ａ２，１Ａ３ ピンホールアレイ
１ａ１，１ａ２ ピンホール
２ 撮像素子
３ 平行光束（光束）
４ 演算装置
５ 点光源
６ コリメータレンズ
７Ａ１，７Ａ２，７Ａ３ ピンホール像

Claims (2)

1. 光束を少なくとも２つのピンホールを有するピンホールアレイに照射し、このピンホールアレイの各ピンホールを透過する各光点の位置の変化量を測定し、各光点の変化量から光束波面の曲率を算出測定する方法であって、
   上記ピンホールアレイから間隔を置いて配置されている撮像素子によって上記各ピンホールを透過した光線を検出し、
   上記撮像素子から出力される各ピンホール像の座標を計算する際に、これらのピンホール像毎に、上記撮像素子における各画素列及び各画素行のうち少なくとも一方について、検出された光強度と位置情報の積を加算して値を求め、
   この値に基づいて座標位置を検出し、
   初期の座標位置からの変化量を計算し、各変化量とピンホールアレイと撮像素子までの距離から光束波面の曲率を算出する
   ことを特徴とする光束波面の曲率測定方法。
2. 光束を少なくとも２つのピンホールを有するピンホールアレイに照射し、このピンホールアレイの各ピンホールを透過する各光点の位置の変化量を測定し、各光点の変化量から光束波面の曲率を算出測定する方法であって、
   上記ピンホールアレイから間隔を置いて配置されている撮像素子によって上記各ピンホールを透過した光線を検出し、
   上記撮像素子から出力される各ピンホール像の座標を計算する際に、これらのピンホール画像毎に、上記撮像素子における閾値で２値化し、各画素列数及び各画素行数のうち少なくとも一方について、２値化後の値と位置情報の積を加算して値を求め、
   この値に基づいて座標位置を検出し、
   初期の座標位置からの変化量を計算し、各変化量と、上記ピンホールアレイから上記撮像素子までの距離とから光束波面の曲率を算出する
   ことを特徴とする光束波面の曲率測定方法。

Images