JP5857887B2

JP5857887B2 - 波面測定装置

Info

Publication number: JP5857887B2
Application number: JP2012133921A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　二郎; 二郎鈴木; 俊行安藤; 貴雄遠藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: JP2013257228A

Description

この発明は、光波の波面歪を検出するシャックハルトマン方式波面測定装置の測定精度向上技術に関するものである。

シャックハルトマン方式の波面測定装置（以下、単に波面測定装置という）は、多数の小レンズ（レンズレット）を格子状に配列したレンズレットアレイによって光波を多数のスポット像に結像し、その結像パターンから波面分布を計測する。スポット像の結像パターン検出のために、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）が一般に用いられている。

波面測定装置のレンズレットアレイは、一般に平面である波面からのわずかな歪を計測するように構成されている。従って、撮像レンズや天体望遠鏡などの、球面波面を生じさせる光学系の収差を計測するためには、被験光学系を透過した球面波面を平面波面に変換するコリメートレンズの光学系が必要である。あるいは、被験光学系がアフォーカル光学系の場合は、被験光学系を透過した波面は平面波であるが、波面測定装置の測定口径に平面波の幅が一致するように縮小、拡大するアフォーカル光学系が必要である。これら、コリメートレンズやアフォーカル光学系である測定用光学系には製造誤差による固有の収差があり、波面測定装置の測定する波面は、この測定用光学系の収差が作用した波面である。測定用光学系の収差の影響は通常要求する測定精度に対し無視できず、校正データによる補正を要する。校正方法の典型的手法が特許文献１に開示されている。球面原器等の原器を使って測定用光学系（特許文献１においては「マッチングレンズ」）のみの影響をうけた波面を事前に測定しておき（校正データの取得）、後の波面測定値から校正データを使って測定用光学系の収差成分を除去する処理を行う。

特開２００３−２７００９１号公報

従来の波面測定装置は以上述べたように構成されているため、高精度に被験光学系の収差を計測することが可能である。しかしながら、以下に示す課題があった。
従来の波面測定装置では、球面原器等の原器を測定用光学系の前面に設置して校正を行った後、原器を退避させる必要があった。このとき必然的に校正と測定とに時間差が生じることになり、時間差における周囲環境の変化に追随し測定用光学系の収差特性が変化する。特に測定用光学系が大きい場合に収差特性の変化の抑制がかならずしも簡単ではなく、測定精度が悪化する問題があった。

本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あり、測定精度向上ができる波面測定装置を得ることを目的とする。

この発明に係る波面測定装置は、
評価対象である光学系に照射するための光波を発生させる光源と、
この光源から発生した光波の波面に幅の変換又は球面成分の追加若しくは除去を施す測定用光学系と、
両面研磨され、前記測定用光学系を透過した光波の波面の一部を反射して第一の光波とし、他の一部を透過して第二の光波として前記評価対象である光学系に照射し、この評価対象である光学系から反射した前記第二の光波を再び透過し、反射した前記第一の光波と再び透過した前記第二の光波とに角度差を生じさせる光学原器と、
この光学原器から反射されて前記測定用光学系を再び透過した前記第一の光波と、前記光学原器を再び透過し、さらに前記測定用光学系を再び透過した前記第二の光波と、を受光し、これら光波の波面形状に応じた多数の集光点パターンを結像するレンズレットアレイと、
このレンズレットアレイが結像する多数の集光点パターンを撮像して画像信号に変換する二次元検出器と、
この二次元検出器からの画像信号から光波の波面形状を演算する計算機と、
を備えたことを特徴とするものである。

この発明によれば、測定精度向上ができる波面測定装置を得られるという効果がある。

この発明の実施の形態１による波面測定装置を示す構成図この発明の実施の形態１による波面測定装置の動作を示す説明図この発明の実施の形態２による波面測定装置を示す構成図この発明の実施の形態２による波面測定装置の動作を示す説明図

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実施の形態について、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による波面測定装置を示す構成図である。図中、１はレンズレットアレイ、２は二次元検出器であるＣＭＯＳカメラ、３は計算機、４は光源、５はビームスプリッタ、６は測定用光学系、７、８は凸レンズ、９は光学原器である原器、１０は評価対象である光学系となる供試体である。また図において、Ｐ１は測定光路を、Ｐ２は校正光路を示している。

本実施の形態１においては、平面ミラーを供試体１０として、その平面度を評価することを目的とした例について説明する。なお、供試体１０が必ずしも平面ミラーである必要はなく、球面ミラーであってもよい。図１では供試体１０の反射面を強調のため曲面として描いているが、実際には極めて平面に近いものである。

２は画像を撮像するＣＭＯＳカメラであるが、これに限らず他の二次元検出器（ＣＣＤ等）を使ってもよい。ＣＭＯＳカメラ２の動作は、従来のシャックハルトマン型波面センサの二次元検出器と同一のものであり、説明を省略する。４は光波であり略平面波であるレーザー光を発生させる光源である。光源４からは光波として球面波を発生し、他の光学部品により略平面波に変換することもできる。

光源４から放射されたレーザー光はビームスプリッタ５に入射する。ビームスプリッタ５は光の一部を透過、一部を反射屈曲させる光学部品である。光源４からのレーザー光は、ビームスプリッタ５で反射され、測定用光学系６に入射する。測定用光学系６は光波の波面に幅の変換を施す、すなわち平行光束の径を拡大するビームエキスパンダであり、２つの焦点距離の異なる凸レンズ７、８から構成される。測定用光学系６により拡大されたレーザー光は原器９に入射する。

原器９は両面研磨したガラス板に、レーザー光の一部を第一の光波として反射し、一部を第二の光波として透過させるコーティングを施した部分透過ミラーである。原器９の表面は十分に高精度な平面とみなせるように研磨されている。平面ミラーである原器９を透過した第二の光波であるレーザー光は、供試体１０に照射される。この供試体１０で反射したレーザー光は、実線で示した測定光路Ｐ１を通って測定用光学系６を再び透過し、次にビームスプリッタ５を透過し、レンズレットアレイ１に入射する。一方、原器９で反射した第一の光波であるレーザー光は、点線で示した校正光路Ｐ２を通って測定用光学系６を透過し、次にビームスプリッタ５を透過し、レンズレットアレイ１に入射する。測定光路Ｐ１と校正光路Ｐ２は、角度がわずかに異なるように供試体１０と原器９の位置関係が調整されている。例えば供試体１０と原器９の間の距離に、図中の上部と下部とでレーザー光の５波長程度の距離差が設けられており、これにより測定光路Ｐ１と校正光路Ｐ２の角度がわずかに異なるようにしている。

図２は、この発明の実施の形態１によるＣＭＯＳカメラ２が撮像した集光点パターン、すなわち集光スポット像を示す。ＣＭＯＳカメラ２はこの集光スポット像を画像信号に変換して計算機３に出力する。

図２（ａ）は仮に原器９が無かった場合の集光スポット像を示し、（ｂ）は図１の構成で取得される集光スポット像を示す。２０は供試体１０で反射され、測定光路Ｐ１を通ってきたレーザー光に由来する集光スポット像である。２１は原器９で反射され、校正光路Ｐ２を通ってきたレーザー光に由来する集光スポット像である。（ａ）において、集光スポット像２０の個々の集光スポットの間に黒い領域が存在する。（ｂ）における集光スポット像２１はこの黒い領域だった部分に結像するように構成されている。これを実現する方式としては、例えば原器９のみをまず設置して、画像を記憶しておき、次に供試体１０を設置し、画像を見ながらレーザー光に対する供試体１０の角度を調整すれば良い。

計算機３はＣＭＯＳカメラ２からの画像信号である、図２（ｂ）で示す１枚の画像から、集光スポット像２０を抽出して演算した光波の波面形状である波面Ｗ１と、集光スポット像２１を抽出して演算した光波の波面形状である波面Ｗ２を出力する。ここで、Ｗ１、Ｗ２は、例えば当該業者に極一般的に知られているZernike多項式の係数値である。次に、計算機３は測定値Ｗoutを次式により演算する。
Ｗout ＝Ｗ１ − Ｗ２（１）

波面Ｗ１は供試体１０の表面形状に由来するレーザー光波面の表面形状に加えて測定用光学系６の収差の影響や空間伝搬中の大気ゆらぎの影響をうけた波面である。波面Ｗ２は原器９の表面形状に加えて測定用光学系６の収差の影響や空間伝搬中の大気ゆらぎの影響をうけた波面である。従って式（１）の演算により、測定用光学系６や空間伝搬中の大気ゆらぎの影響が除去されて、供試体１０と原器９の表面形状の差が求められることになる。原器９は高精度な平面とみなせるので、測定値Ｗoutは供試体１０の平面度を表すことになる。

以上のように、本実施の形態１では、平面ミラーである供試体１０の形状に由来する測定波面のみを高精度に測定することができる。

なお、本実施の形態では供試体１０が平面ミラーである場合について説明したが、供試体１０が球面ミラーであってもよい。この場合、原器９と供試体１０の間にレーザー光を平面波から球面波に変換する変換光学系を挿入しても良い。また、原器９の供試体１０側の面を曲面にして、原器９においてレーザー光を平面波から球面波に変換するようにしても良い。また、測定用光学系６を光波の波面に球面成分の追加若しくは除去を施すような構成としても良い。

また、本実施の形態では供試体１０が反射型のものである場合を示したが、透過型の供試体１０の波面測定を行うこともできる。この場合は、図１の原器９を透過原器として用い、透過型である供試体１０の後方に、さらに反射原器（図示せず）を配置する。

この場合、反射原器も反射面を高精度な平面とし、供試体１０を透過したレーザー光を反射させれば良い。反射原器で反射したレーザー光は再び供試体１０を透過し、透過原器である原器９に到達する。他の動作は、反射型の供試体１０を測定する場合と同様である。このとき、必要に応じて反射原器の反射面を曲面としても良い。

なお、図１では原器９の表裏面が平面状であり互いにほぼ平行なものを示したが、これに限らず、原器９の表裏面が平面状であり互い平行ではない所定の角度をもっているものを用いても良い。この場合、原器９の裏面から反射する不要な光波を、測定用光学系６の方向とは異なる斜め方向に反射させることができ、不要波に影響されないより高精度な測定ができる効果がある。

本発明の実施の形態１による波面測定装置は以上説明したように構成されているため、以下に示す効果を奏する。
第一に、従来の波面測定装置では時間差が生じていた校正波面と測定波面の取得を同時に行うことができる。従って、測定用光学系６の収差の時間変化が無視できない場合であっても、従来の波面測定装置より高精度な計測が可能となる。
第二に、従来の波面測定装置では困難であった、光の空間伝搬中における大気ゆらぎの影響を除去することが可能であり、高精度な測定が可能となる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２による波面測定装置の構成を示す構成図である。図３において、図１と同一の符号は同一もしくは相当する部位を示し、説明を省略する。

図３において、３０は少なくとも２つの波長帯の光波を発生する、すなわち所定の波長帯１のレーザー光１と、波長帯１とは異なる所定の波長帯２のレーザー光２とを同時に発生させることが可能な光源である。３１は、前記２つの波長帯の光波をそれぞれ第一の光波と第二の光波とに選択分離する波長フィルタを有する光学原器であって、第二の光波である前記波長帯１の光をほぼ１００％透過し、かつ、第一の光波である前記波長帯２の光をほぼ１００％反射する波長選択性のコーティングを施行した平面ガラス板で構成された原器である。原器３１は波長フィルタを有すること、すなわちコーティングが異なることを除き、原器９と同一の機能、性能を有する。

３２は波長切替え手段であって、特定の波長帯のみを透過させるフィルタコーティングが施行されたガラス板と、ガラス板を回転させる電動モータとで構成されたカラーホイールである。カラーホイール３２のフィルタコーティングは面内で２種類のコーティングが施行されている。一方のコーティングは前記波長帯１の光を透過し、かつ前記波長帯２の光を遮断する特性を有する。また、他方のコーティングは前記波長帯２の光を透過し、かつ前記波長帯１の光を遮断する特性を有する。

ＣＭＯＳカメラ２の撮像周期と計算機３による演算は、カラーホイール３２の回転による波長帯域の切り替えはタイミング同期するように動作する。図４は本発明の実施の形態２におけるカラーホイール３２の透過波長帯域と、ＣＭＯＳカメラ２の撮像、及び計算機３による測定、校正とのタイミングを示すタイミングチャートである。Ｔ１はカラーホイール３２の透過波長帯域のタイミング、Ｔ２は測定、校正のタイミングである。カラーホイール３２が波長１を透過しているタイミングでは、供試体１０に反射されたレーザー光Ｐ１のみがＣＭＯＳカメラ２に撮像され、計算機３はＣＭＯＳカメラ２の撮像した画像から波面Ｗ１を測定、記憶する。すなわち計算機３は、カラーホイール３２の回転による所定の時間周期に同期して、第一の光波と第二の光波のうちカラーホイール３２で透過した光波の波面形状を順次演算する。

カラーホイール３２が波長２を透過しているタイミングでは、原器３１に反射されたレーザー光Ｐ２のみがＣＭＯＳカメラ２に撮像され、計算機３はＣＭＯＳカメラ２の撮像した画像から波面Ｗ２を測定し、記憶する。計算機３は連続して取得した２つの波面Ｗ１、Ｗ２から式（１）を使って測定値Ｗoutを取得する。供試体１０の反射光を測定したＷ１と、原器３１の反射光を測定したＷ２は測定時刻がずれているが、その差は千分の１秒程度まで短くすることが可能であり、測定光路の大気ゆらぎの変動周期に対し十分に短くなるように構成されている。

ここで、測定用光学系６の波長依存性収差が存在する場合Ｗ１、Ｗ２に波長依存性収差が含まれ、測定精度を悪化させる。この対策として、Ｗ１、Ｗ２の波長帯を波長依存性収差が無視出来る程度に近接させる。別の対策として、測定用光学系をＷ１、Ｗ２の波長帯で波長無依存となるような複数の屈折材料を組み合わせた色消し光学系としてもよい。さらに別の対策として、波長依存性収差を計算、または事前の波長選択性のない反射原器を使った校正により、測定値から差し引く処理を行なってもよい。

本発明の実施の形態２による波面測定装置は以上説明したように構成されているため、以下に示す効果を奏する。
第一に、本発明の実施の形態１による波面測定装置と同一の効果を奏する。
第二に、測定波面Ｗ１と校正波面Ｗ２を個別の画像から演算することが可能となる。従って、測定波面Ｗ１と校正波面Ｗ２を１つの画像から演算する場合と比較し、画像処理が簡単となり、測定信頼性が向上する。
第三に、スポット像の間隔を密接にすることが可能となり、測定の空間分解能を向上することが容易となる。

１レンズレットアレイ、２ＣＭＯＳカメラ、３計算機、４光源、５ビームスプリッタ、６測定用光学系、７、８凸レンズ、９原器、１０供試体、２０、２１集光スポット像、３０光源、３１原器、３２カラーホイール

Claims

評価対象である光学系に照射するための光波を発生させる光源と、
この光源から発生した光波の波面に幅の変換又は球面成分の追加若しくは除去を施す測定用光学系と、
両面研磨され、前記測定用光学系を透過した光波の波面の一部を反射して第一の光波とし、他の一部を透過して第二の光波として前記評価対象である光学系に照射し、この評価対象である光学系から反射した前記第二の光波を再び透過し、反射した前記第一の光波と再び透過した前記第二の光波とに角度差を生じさせる光学原器と、
この光学原器から反射されて前記測定用光学系を再び透過した前記第一の光波と、前記光学原器を再び透過し、さらに前記測定用光学系を再び透過した前記第二の光波と、を受光し、これら光波の波面形状に応じた多数の集光点パターンを結像するレンズレットアレイと、
このレンズレットアレイが結像する多数の集光点パターンを撮像して画像信号に変換する二次元検出器と、
この二次元検出器からの画像信号から光波の波面形状を演算する計算機と、
を備えたことを特徴とする波面測定装置。
前記光源は、少なくとも２つの波長帯の光波を発生し、
前記光学原器は、前記２つの波長帯の光波をそれぞれ前記第一の光波と前記第二の光波とに選択分離する波長フィルタを有していることを特徴とする請求項１に記載の波面測定装置。
所定の時間周期ごとに前記第一の光波と前記第二の光波の一方のみを透過させて前記レンズレットアレイに入力する波長切替え手段を備え、
前記計算機は、前記所定の時間周期に同期して、前記第一の光波と前記第二の光波のうち前記波長切替え手段で透過した光波の波面形状を順次演算することを特徴とする請求項２に記載の波面測定装置。
前記光学原器は、その表裏面が平面状であり互いに平行ではない所定の角度をもっていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の波面測定装置。