JP5448932B2

JP5448932B2 - 波面計測装置

Info

Publication number: JP5448932B2
Application number: JP2010044466A
Authority: JP
Inventors: 二郎鈴木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-03-01
Also published as: JP2011179968A

Description

この発明は波面計測装置に関し、例えば大型光学望遠鏡のような、複雑な組み立て調整工程を要する光学機械の透過波面評価に用いる、波面計測装置の高機能化、高性能化に関する。

例えば、略無限遠の物体に焦点を合わせて撮像を行うことにより天体望遠鏡の波面収差を計測する方法として、ダブルパス波面計測法が知られている。ダブルパス波面計測法は、天体望遠鏡の像側から計測光を透過させ、天体望遠鏡の物体側に設置した平面鏡で折り返し、再び、天体望遠鏡の像側に戻った前記計測光の波面歪を波面計測装置で計測する方法である。ダブルパス波面計測法に用いられる波面計測装置では、多くの場合、内部に計測光を発生させる部位を備えている。例えば、特許文献１によって開示される従来の波面計測装置においては、計測光の開口数が被検光学系（前記例では天体望遠鏡）のＦ値に合致するように調整可能なマッチングレンズを設けることにより、広範な測定に対応している。

一方、被検光学系が、例えば、主鏡、副鏡、及び、コリメートレンズで構成される望遠鏡（例えば、非特許文献１に示すＯＴＡ）においては、像側から平行光である計測光を入射させるように構成された波面計測装置が用いられる。この場合、マッチングレンズは不要となる。

特開２００３−２７００９１号公報

鈴木二郎、外６名、「シャック・ハルトマンセンサーの適用による宇宙望遠鏡の高精度アライメント手法の検討」、日本光学会誌光学、日本光学会、２００６年、第３５巻、１０号、ｐｐ．５３４−５４１

従来の波面計測装置は以上述べたように構成されているため、ダブルパス波面計測を行うことができる。しかしながら、以下に示す問題点があった。

被検光学系が調整中であり、従ってコリメートレンズが光軸に沿う方向にずれていた場合、計測される波面にデフォーカス波面が生じるという課題があった。このデフォーカス波面によって計測光が光学系伝搬中に光束径を変化させて所定の有効口径の波面を計測できないなどの問題を生じるため、波面計測の事前作業としてコリメートレンズの光軸に沿う方向の位置を適正に調節する必要があった。さらに、デフォーカスオフセット波面は、主鏡と副鏡の間隔ずれによっても生じるので、主鏡と副鏡の相対位置調整を行う毎に、コリメートレンズの設置調整を行う必要があり、非常に手間がかかるという問題点があった。

第二に、コリメートレンズの設置調整を行う代わりに、デフォーカスオフセット波面を打ち消すような波面となるように計測光を制御するマッチングレンズを用いることが考えられる。しかし、このようなマッチングレンズは、複数の単体レンズで構成され、単体レンズ同士の相対位置関係を高精度に制御する駆動機構を必要とする。従って、装置が大型化、複雑化するという課題があった。

第三に、マッチングレンズを駆動することにより、被検光学系内における計測光のデフォーカスオフセット波面を打ち消した場合でも、波面検出部においてはデフォーカスオフセットが残存した波面を計測する必要がある。従って、波面検出部のダイナミックレンジはこのデフォーカスオフセットの分広い必要があるが、必ずしも実現が容易ではなかった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、簡便な操作で広範な被検光学系の測定を可能とする波面計測装置を提供することを目的とする。

この発明は、光源と、波面形状を測定する波面検出部と、を備え、前記光源から放出された計測光を、外部に設置された被検光学系に透過させ、前記被検光学系を透過したことによる前記計測光の波面形状の変化を前記波面検出部で計測することにより、前記被検光学系の光学特性を評価する波面計測装置であって、前記光源から放出された前記計測光を集光させる第一のレンズと、前記第一のレンズにより集光されて略一点に絞られた前記計測光を反射させるように配置された第一の反射鏡と、前記第一の反射鏡の位置を調整することにより、前記第一のレンズと前記第一の反射鏡との間隔を任意に変化させる反射鏡駆動機構と、前記反射鏡により反射された前記計測光を反射屈曲させる第一のビームスプリッタと、前記第一のビームスプリッタで反射屈曲された前記計測光を反射成分と透過成分とに分岐する第二のビームスプリッタとをさらに備え、前記第二のビームスプリッタにより反射屈曲された前記計測光を前記被検光学系に向けて放出させるとともに、前記第一の反射鏡で反射され前記被検光学系を往復した前記計測光の波面形状を前記波面検出部によって検出することを特徴とする波面計測装置である。

この発明は、光源と、波面形状を測定する波面検出部と、を備え、前記光源から放出された計測光を、外部に設置された被検光学系に透過させ、前記被検光学系を透過したことによる前記計測光の波面形状の変化を前記波面検出部で計測することにより、前記被検光学系の光学特性を評価する波面計測装置であって、前記光源から放出された前記計測光を集光させる第一のレンズと、前記第一のレンズにより集光されて略一点に絞られた前記計測光を反射させるように配置された第一の反射鏡と、前記第一の反射鏡の位置を調整することにより、前記第一のレンズと前記第一の反射鏡との間隔を任意に変化させる反射鏡駆動機構と、前記反射鏡により反射された前記計測光を反射屈曲させる第一のビームスプリッタと、前記第一のビームスプリッタで反射屈曲された前記計測光を反射成分と透過成分とに分岐する第二のビームスプリッタとをさらに備え、前記第二のビームスプリッタにより反射屈曲された前記計測光を前記被検光学系に向けて放出させるとともに、前記第一の反射鏡で反射され前記被検光学系を往復した前記計測光の波面形状を前記波面検出部によって検出することを特徴とする波面計測装置であるので、簡便な操作で広範な被検光学系の測定が可能になる。

この発明の実施の形態１に係る波面計測装置を適用する評価試験装置の構成を示す構成図である。この発明の実施の形態１に係る波面計測装置の構成を示す構成図である。この発明の実施の形態１に係る波面計測装置の動作を説明する説明図である。この発明の実施の形態２に係る波面計測装置の構成を示す構成図である。この発明の実施の形態２に係る波面計測装置を適用する評価試験装置の動作を説明する説明図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る波面計測装置を適用する評価試験装置の構成を説明する図である。図１において、１は波面計測装置、２は被検光学系、３は平面鏡である。被検光学系２は、主鏡１０と副鏡１１とからなるカセグレン望遠鏡と、コリメートレンズ１２とで構成され、無限遠物体を無限遠に結像するアフォーカル光学系である。波面計測装置１、被検光学系２、および、平面鏡３は、図１に示すように順に配置されている。すなわち、波面計測装置１から発射された計測光５が被検光学系２に入射され、そこを透過し、平面鏡３で反射され、再び、被検光学系２に入射して、そこを逆方向に透過し、波面計測装置１に戻れるように、配置されている。すなわち、波面計測装置１、被検光学系２、および、平面鏡３は、図１に示すように、光の進路が一直線上になるように、それぞれの装置が直線状に並んで設置されることが望ましい。

このように構成された評価試験装置においては、まず、波面計測装置１から平行光である計測光５を被検光学系２に対して入射させ、被検光学系２を透過させる。次に、物体側に置いた平面鏡３により、被検光学系２を透過した計測光５を折り返し、再び、被検光学系２に入射させ、被検光学系２を逆方向に透過させた計測光４を、波面計測装置１で計測する。

図１に示す評価試験装置の第一目的は、主鏡１０と副鏡１１の相対偏心ずれ及び傾きずれによって生じる波面収差を波面計測装置１で検出し、波面収差が許容上限以下となるように前記ずれを調整することにある。このとき、主鏡１０と副鏡１１とで構成されるカセグレン望遠鏡の焦点１４と、コリメートレンズ１２の焦点１３とが、図１のように一致しないと、光路が点線のようにずれる。このずれは最終的にコリメートレンズ１２の位置を調整して除去できれば良いのだが、主鏡１０と副鏡１１の調整のための波面計測においても主鏡１０や副鏡１１の有効径全体が計測されない等の問題を生じるため、除去する必要がある。

図２は、この発明の実施の形態１に係る波面計測装置１の構成を示す構成図である。図２において、３１は計測光５を発生する光源、３２は光源３１を構成する点光源、３３，３４はレンズ、３６は平面鏡、３７は平面鏡３６の位置を制御する平面鏡駆動機構、３８，３９は光波を反射成分と透過成分とに２分岐するビームスプリッタ、４３は波面検出部である。点光源３２は、例えば光ファイバの端面から空間に放射されるレーザ光源であり、波面が略球面波である計測光を生じさせる。点光源３２は、レンズ３３の焦点位置に配置されており、結果として光源３１は波面が略平面波である計測光を発生する。計測光５は、ビームスプリッタ３８に入射し、透過成分はレンズ３４へ向かう。

平面鏡３６は、平面鏡駆動機構３７によって水平移動でき、これにより、レンズ３４との間隔を任意に可変可能である。初期状態においては、平面鏡３６の位置は、平面鏡３６の反射面がレンズ３４の焦点に一致するように設定される。レンズ３４で集光された計測光５は平面鏡３６で反射されると、ほぼ入射と同じ光路を逆向きに進行し、再び、レンズ３４に戻る。レンズ３４では、略平面波となるように、計測光５の波面形状が変換される。計測光５は、次に、ビームスプリッタ３８，３９で反射屈曲され、被検光学系２へと向かう。すなわち、計測光５は、ビームスプリッタ３８で、現在の光路に対して右に略９０°屈折して、ビームスプリッタ３９に入射され、ビームスプリッタ３９で、再び、現在の光路に対して右に略９０°屈折して、被検光学系２へと向かう。この計測光５は、図１に示すように、被検光学系２を往復し、波面計測装置１へと戻る。被検光学系２から波面計測装置１に戻った計測光４は、ビームスプリッタ３９を透過して波面検出部４３へ向かう。波面検出部４３は、例えばシャックハルトマン式の波面計測器であり、光学機器開発に関する当該業者において公知の装置である。なお、波面検出部４３はシャックハルトマン式に限定されるものではなく、同様の機能を有する測定器であれば、別の原理の測定器（例えば干渉計）を用いてもよい。

次に、この発明の実施の形態１による波面計測装置１の動作について説明する。図３は、被検光学系２に設けられたコリメートレンズ１２から副鏡１１へ向かう計測光５の光路を説明する説明図である。図３（ａ）は、平面鏡３６が初期状態、すなわち、その反射面がレンズ３４の焦点位置にある場合の光路を示す。このときの計測光５の波面形状５ａは平面波である。この場合、従来の波面計測装置と同様、コリメートレンズ１２の焦点１３ａと主鏡１０と副鏡１１とで構成されるカセグレン望遠鏡の焦点１４とがずれていることにより、正規の光路と異なる光路（点線で図示）を計測光５が進行する問題がある。そこで、本実施の形態においては、平面鏡駆動機構３７を用いて平面鏡３６を適当に変位させることにより、図３（ｂ）に示すように、コリメートレンズ１２より入射する計測光５の波面形状５ｂを任意の曲率の略球面波に変換することができるようにした。これにより、コリメートレンズ１２で集光する焦点１３ｂを主鏡１０と副鏡１１とで構成されるカセグレン望遠鏡の焦点１４に一致させることが可能となる。この操作により、被検光学系２内を伝搬する計測光５の光路を所定の光路に一致させることが可能となる。

本発明の実施の形態１による波面計測装置は以上述べたように構成されているので、従来の波面計測装置と比較し以下に述べる効果を奏する。

第一に、被検光学系２内のコリメートレンズ１２が所定の位置に固定されていない場合であっても、被検光学系２内の光路を所定の光路に設定し、デフォーカスオフセット波面を打ち消すことが可能となり、評価試験の精度が向上する。

第二に、レンズ３４の焦点付近の平面鏡３６を駆動する方式を用いたため、マッチングレンズを駆動する従来の方式と比較し、駆動機構３７を簡易で小型にすることができ、低コストで信頼性が向上する。

なお、本発明の実施の形態１においては、コリメートレンズ１２は被検光学系２を構成する一部であったが、被検光学系２がコリメートレンズ１２を内包しない、例えば、主鏡１０および副鏡１１だけで構成されるカセグレン望遠鏡の場合は、波面計測装置１の内部に組み込まれていても良い。

実施の形態２．
図４および図５は、この発明の実施の形態２に係る波面計測装置１の構成を説明する説明図である。図４および図５において、図１または図２と同じ記号および数字は同一の部位を示しているため、ここではその説明を省略する。図４および図５において、３５はレンズ、４０は球面鏡、４１，４２はシャッターである。レンズ３５は、被検光学系２を構成するコリメートレンズ１２と形状および材質が等しい同一設計のレンズである。球面鏡４０は、反射面が原器として使用可能な品質の球面鏡であり、その球面の曲率中心がレンズ３５の焦点に一致するように配置されている。シャッター４１，４２は、計測光の進行の遮断、開放を自由に選択可能にする手段であり、例えば、黒色にめっきした薄い金属板を挿入、退避させるレンズシャッターと同様の構造で実現する。シャッター４１は、ビームスプリッタ３９とレンズ３５との間に設けられ、ビームスプリッタ３９からレンズ３５へ向かう計測光の光路の遮断または開放の切り替えを行い、シャッター４２は、ビームスプリッタ３９と被検光学系２との間に設けられ、ビームスプリッタ３９と被検光学系２へ向かう計測光５の光路の遮断または開放の切り替えを行う。

図４および図５の構成は、上記の実施の形態１の末文で説明したようなコリメートレンズ１２が被検光学系２の一部ではなく、波面計測装置１の一部である場合を示している。本実施の形態においては、ビームスプリッタ３８により反射屈曲された後、ビームスプリッタ３９により再び反射屈曲された計測光５を、コリメートレンズ１２が、集光光束に変換して、被検光学系２へ向けて放出する。また、レンズ３５は、ビームスプリッタ３８により反射屈曲された後、ビームスプリッタ３９を透過した計測光５を集光光束に変換する。球面鏡４０は、レンズ３５によって集光された計測光５を反射により折り返し、再び、レンズ３５に入射する。

次に、この発明の実施の形態２に係る波面計測装置１の動作について説明する。図４は、シャッター４１が遮蔽、シャッター４２が開放の状態を示す。この場合、実施の形態１と全く同様に動作する。すなわち、平面鏡３６を変位することで、コリメートレンズ１２の位置調整をすることなく、被検光学系２内のデフォーカスオフセットを除去することが可能である。平面鏡３６を平面鏡駆動機構３７により駆動するとき、厳密にはレンズ３４及びコリメートレンズ１２内の光路が変化する。詳細には、例えば、レンズ１２内の光路の変化とは、図３（ａ）で計測光５の波面形状５ａが平面波であったものが、図３（ｂ）おける計測光５の波面形状５ｂのように球面波となることにより生じる変化である。この光路の変化は、レンズ３４及びコリメートレンズ１２で生じる波面収差量が変化することを示す。この波面収差量の変化は通常は測定前に球面原器をコリメートレンズ１２から被検光学系２へと向かう光路に挿入して校正する必要があったが、この発明の実施の形態２に係る波面計測装置１では球面鏡４０がその役割を果たす。

図５は、この発明の実施の形態２に係る波面計測装置1を適用する評価試験装置の校正方法を示す説明図である。図５は、シャッター４２が計測光を遮断、シャッター４１が計測光を開放した状態を示す。このとき、ビームスプリッタ３８からビームスプリッタ３９へと入射し、反射成分と透過成分に分岐された計測光５の反射成分はシャッター４２で遮断され、吸収される。一方、分岐された計測光５の透過成分はレンズ３５で集光され、球面鏡４０で折り返される。次に、この計測光５の透過成分はレンズ３５を透過し、ビームスプリッタ３９で波面検出部４３へ向けて反射屈曲される。レンズ３５はコリメートレンズ１２と完全に同一の設計のため、透過により生じる波面収差も等しい。また、平面鏡３６を平面鏡駆動機構３７により駆動したことによる波面収差の変化も等しい。従って以下に説明する手順で校正を行うことにより、平面鏡３６を平面鏡駆動機構３７により駆動したことによる波面収差の影響を除去することが可能となる。

（１）被検光学系２内のデフォーカスオフセットを除去するように平面鏡３６を移動する。
（２）シャッター４１，４２を図５の状態にセットし、波面検出部４３で計測される計測値を記録する。この計測値をＷ１とする。
（３）シャッター４１，４２を図４の状態にセットし、波面検出部４３で計測される計測値を記録する。この計測値をＷ２とする。
（４）被検光学系の波面計測値Ｗ３を以下の式（１）により求める。

Ｗ３＝Ｗ２ − Ｗ１（１）

本発明の実施の形態２による波面計測装置１は以上述べたように構成されているので、従来の波面計測装置と比較し以下に述べる効果を奏する。

第一に、校正用原器を計測光路中に挿入または退避しなくてもコリメートレンズ１２で生じる波面収差を除去でき、従って、測定を簡便で短時間に行うことが可能となる。

第二に、波面検出部４３がシャックハルトマン方式である場合、Ｗ２の測定によってＷ２を信号処理における基準波面として利用することが可能である。シャックハルトマン方式の場合、基準波面から所定の高さの波面変位内の波面が計測可能である。従って、Ｗ２を基準波面とすることにより、測定可能な波面範囲が向上する。

１波面計測装置、２被検光学系、３平面鏡、４計測光、５計測光、５ａ波面形状、５ｂ波面形状、１０主鏡、１１副鏡、１２コリメートレンズ、１３焦点、１３ａ焦点、１３ｂ焦点、１４焦点、３１光源、３２点光源、３３，３４レンズ、３６平面鏡、３７平面鏡駆動機構、３８，３９ビームスプリッタ、４０球面鏡、４１，４２シャッター、４３波面検出部。

Claims

光源と、波面形状を測定する波面検出部と、を備え、前記光源から放出された計測光を、外部に設置された被検光学系に透過させ、前記被検光学系を透過したことによる前記計測光の波面形状の変化を前記波面検出部で計測することにより、前記被検光学系の光学特性を評価する波面計測装置であって、
前記光源から放出された前記計測光を集光させる第一のレンズと、
前記第一のレンズにより集光されて略一点に絞られた前記計測光を反射させるように配置された第一の反射鏡と、
前記第一の反射鏡の位置を調整することにより、前記第一のレンズと前記第一の反射鏡との間隔を任意に変化させる反射鏡駆動機構と、
前記反射鏡により反射された前記計測光を反射屈曲させる第一のビームスプリッタと、
前記第一のビームスプリッタで反射屈曲された前記計測光を反射成分と透過成分とに分岐する第二のビームスプリッタと
をさらに備え、
前記第二のビームスプリッタにより反射屈曲された前記計測光を前記被検光学系に向けて放出させるとともに、前記第一の反射鏡で反射され前記被検光学系を往復した前記計測光の波面形状を前記波面検出部によって検出する
ことを特徴とする波面計測装置。
前記第一のビームスプリッタにより反射屈曲された後、前記第二のビームスプリッタにより反射屈曲された前記計測光を集光光束に変換する第二のレンズと、
前記第一のビームスプリッタにより反射屈曲された後、前記第二のビームスプリッタを透過した前記計測光を集光光束に変換する第三のレンズと、
前記第三のレンズからの計測光を反射により折り返す第二の反射鏡と
をさらに備え、
前記第二および第三のレンズは形状および材質が等しい同一設計であるように構成され、
前記第二の反射鏡により折り返された前記計測光は再び前記第三のレンズを透過し、さらに第二のビームスプリッタで反射屈曲されて、前記波面検出部に入射され、波面形状を計測される
ことを特徴とする請求項１に記載の波面計測装置。
前記第二のビームスプリッタにより反射屈曲されて前記第二のレンズに向かう前記計測光を遮断または開放に切り替え可能な第一のシャッターと、
前記第二のビームスプリッタを透過し前記第三のレンズに向かう前記計測光を遮断または開放に切り替え可能な第二のシャッターと
をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の波面計測装置。
前記波面検出部はシャックハルトマン方式の波面計測器から構成される
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の波面計測装置。