JP6212865B2

JP6212865B2 - 面形状測定装置

Info

Publication number: JP6212865B2
Application number: JP2013002232A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　二郎; 二郎鈴木; 貴雄遠藤; 俊行安藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2033-01-10
Also published as: JP2014134443A

Description

この発明は、例えば天体観測用大型反射望遠鏡の主鏡のような断面が凹である非球面鏡などの反射面形状精度を評価する、面形状測定装置の低コスト化に関するものである。

光学系の波面収差を計測する面形状測定装置として、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）が知られている。波面測定装置は、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）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが一般に用いられている。

波面測定装置は、断面が非球面の凹面である凹面鏡の鏡面精度を評価するための試験装置に応用されている。波面測定装置による非球面形状測定において、非球面形状の球面からの変位が大きく、反射波面が波面測定装置の深さ方向の測定ダイナミックレンジを超えると測定ができなくなるという課題がある。特許文献１においては、非球面鏡による反射波面を非球面から略球面に変換するヌルレンズを用いることにより、波面測定装置のダイナミックレンジを超えることなく計測できるようにする方式が開示されている。

特開２００３−３２２５９０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である凹面鏡の形状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。
第一に、異なる鏡面形状を有する複数種類の被験光学系を計測する用途の場合、鏡面形状に応じて異なる形状のヌルレンズを使用する必要があった。一般的にヌルレンズの製作には、通常のレンズよりも高精度で複雑な加工が要求されるので、高コストであり、また調達に時間を要するという課題があった。
第二に、波面測定装置を直線的に移動して測定する必要があった。この駆動機構の直進性誤差が測定精度に影響するため、高い精度を実現する必要があり高コストであるという課題があった。

この発明は以上述べた課題を解決するためになされたもので、面形状測定装置の低コスト化を目的とする。

この発明に係る面形状測定装置は、
面形状の評価対象である凹面鏡に照射するための球面波である光波を発生させる光源装置と、
前記凹面鏡の近似球面の曲率中心位置と前記凹面鏡との間に配置され、両面研磨されたガラス板であり、前記光源装置が発生した球面波である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凹面鏡に照射し、この凹面鏡から反射した前記第二の光波を再び透過する球面原器と、
この球面原器から反射された前記第一の光波と、前記球面原器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し、この画像信号から光波の波面形状を演算する二次元検出器と、
前記凹面鏡に照射される前記球面波である光波の、前記凹面鏡における照射位置を可変するための回転駆動機構と、
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、低コスト化が可能な面形状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一部分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による面形状測定装置の構成を説明するためのブロック図である。図１において、１は光源装置の一部である光源、２は波面測定装置、３は回転駆動機構である第１の回転ステージ、４は測定対象である凹面鏡、５は第２の回転ステージ、６は球面原器である透過球面原器である。波面測定装置２は、シャックハルトマン型波面センサである。

波面測定装置２は第１の回転ステージ３に据付けられ、波面を測定する方向を電動で任意に可変することが可能である。
図１において、第２の回転ステージ５は紙面の上下方向を回転軸として電動で任意に回転することができる。図１において、透過球面原器６、及び凹面鏡４は断面を示しており、これらはそれぞれ架台を介して第２の回転ステージ５に据え付けられており、相対的な位置を保持したまま曲率中心を通る軸周りに回転することができる。

図２は波面測定装置２の構成を示すブロック図である。図２において、図１と同一符号は同一の部位を示し、説明を省略する。図２において２０は光源装置の一部を構成する点光源である。点光源２０はレーザ光を光源１から供給され、球面波であるレーザ光を空間に放射する。点光源２０は、例えば、シングルモード光ファイバのファイバ端により実現する。レンズ２１はガラス製の凸レンズである。点光源２０から放射されたレーザ光はレンズ２１により再び空間のある１点に集光する。レンズ２１で集光された集光点にはビームスプリッタ２２が配置されている。ビームスプリッタ２２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。点光源２０からのレーザ光は、ビームスプリッタ２２で反射屈曲され球面波として凹面鏡４（図２中、左側）に向かう。凹面鏡４と波面測定装置２の間には透過球面原器６が配置される。透過球面原器６は両面をほぼ等しい曲率の球面に研磨したガラス板に、レーザ光の一部を反射、一部を透過させるコーティングを施した部分透過光学部品である。透過球面原器６の表面は十分に高精度な球面とみなせるように研磨されている。

凹面鏡４で反射し、透過球面原器６を透過したレーザ光は再び（図２中、左側より）ビームスプリッタ２２に入射し、ビームスプリッタ２２を透過して、レンズ２３で略平行光に変換される。次に、前記レーザ光は、レンズレットアレイ２４に入射して分割集光され、二次元検出器である撮像素子２５に入射する。レンズレットアレイ２４は小さい凸レンズを格子状に集積配列した光学部品であり、従来のシャックハルトマン型波面センサに用いられる一般的な部品である。撮像素子２５はＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等の光電変換素子であり、従来のシャックハルトマン型波面センサに用いられる一般的な部品である。
一方、透過球面原器６で反射したレーザ光は、ビームスプリッタ２２を透過し、レンズ２３で略平行光に変換され、レンズレットアレイ２４に入射する。

凹面鏡４の反射非球面を球面で近似した近似球面の曲率中心と、透過球面原器６の反射球面の曲率中心、及び、波面測定装置２から放射された球面波の曲率中心はほぼ一致するように配置されている。また、図１の７、８は波面測定装置２が瞬間的に受光できるレーザ光路を示しており、それぞれ透過球面原器６、及び凹面鏡４の一部分により反射されたレーザ光である。第１の回転ステージ３を回転させると、レーザ光路７、８の方向が変化し、凹面鏡４、及び透過球面原器６に反射する部分が直径方向に変化する。すなわち、球面波である光波の、凹面鏡４における照射位置が可変する。また、第２の回転ステージ５を回転すると、レーザ光路７、８が反射する部分が凹面鏡４及び透過球面原器６の円周に沿う方向に変化する。以上のように第１の回転ステージ３、第２の回転ステージ５を駆動することにより波面測定装置２は凹面鏡４、及び透過球面原器６の全体を走査して、反射光を受光し、形状を測定することができる。

図３は、この発明の実施の形態１による撮像素子２５が撮像した集光スポット像を示す。図３（ａ）は仮に透過球面原器６がなかった場合の集光スポット像を示し、図３（ｂ）は透過球面原器６が設置された場合（図１の構成）に取得される集光スポット像を示す。２６は凹面鏡４で反射され、光路７を通ってきたレーザ光に由来する集光スポット像である。２７は透過球面原器６で反射され、光路８を通ってきたレーザ光に由来する集光スポット像である。
図３（ａ）において、集光スポット像２６の個々の集光スポットの間に黒い領域が存在する。図３（ｂ）における集光スポット像２７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、凹面鏡４のみをまず設置して、集光スポット像２６の画像位置を記憶しておき、次に透過球面原器６を設置し、画像を見ながら透過球面原器６のレーザ光に対する設置位置や角度を調整して、図３（ｂ）のように、透過球面原器６で反射された集光スポット像２７が、凹面鏡４からの集光スポット像２６の間に位置するように、透過球面原器６を固定すればよい。

波面測定装置２に内蔵または外付けされており、二次元検出器の一部を構成する計算機等の信号処理装置（図示せず）は図３（ｂ）で示す１枚の画像から、集光スポット像２６を抽出して演算した波面Ｗ１と、集光スポット像２７を抽出して演算した波面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、信号処理装置は測定値Ｗoutを次式により演算する。
Ｗout ＝Ｗ１ − Ｗ２（１）

波面Ｗ１は凹面鏡４の表面形状を反映した波面に加えて第１の回転ステージ３、及び第２の回転ステージ５の回転駆動に伴う姿勢制御誤差で生じる波面誤差を含んでいる。波面Ｗ２は透過球面原器６の表面形状に加えて、第１の回転ステージ３、及び第２の回転ステージ５の回転駆動に伴う姿勢制御誤差で生じる波面誤差を含んでいる。従って式１の演算により、第１の回転ステージ３、及び第２の回転ステージ５の回転駆動に伴う姿勢制御誤差で生じる波面誤差の影響が除去されて、凹面鏡４の表面形状と透過球面原器６の表面形状の差が求められることになる。透過球面原器６は高精度な球面とみなせるので、測定値Ｗoutは凹面鏡４の球面からの変位を正確に表すことになる。

本発明の実施の形態１による面形状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、凹面鏡４の一部分により反射されたレーザ光を測定するように構成したことで、凹面鏡４が開口全体で近似した球面から大きく変位した非球面であっても、波面測定装置２の測定ダイナミックレンジ内に収めることができる。従って従来の面形状測定装置で必要であったヌルレンズや直進性の駆動機構を不要とすることができるので、低コスト化が可能となる。
第二に常に透過球面原器６を基準とした相対計測することにより、第１の回転ステージ３、第２の回転ステージ５の回転駆動に伴い生じる測定誤差の影響を除去することができ、高精度な計測が可能となる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による面形状測定装置の構成を示す構成図である。図４において、図１と同一の符号は同一の部位を示し、説明を省略する。

図４において、３０は所定の波長帯１のレーザ光１を発生させることが可能なレーザ光源である。３１は、波長帯１とは異なる所定の波長帯２のレーザ光２を発生させることが可能なレーザ光源である。３６は前記波長帯１の光をほぼ１００％透過し、かつ、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球面ガラスで構成された透過球面原器である。透過球面原器３６はコーティングが異なることを除き、透過球面原器６と同一の機能、性能を有する。

強度変調器３４は、外部のクロック発振器であるクロックジェネレータ３７に同期し、レーザ光１の強度を変化させる強度変調器である。強度変調器３５は、クロックジェネレータ３７に同期し、レーザ光２の強度を任意の時間タイミングで変化させる強度変調器である。強度変調器３４、強度変調器３５、は例えばＡ−Ｏ（Acousto-Optics）変調器等、光通信技術分野で一般的に用いられている機器により実現する。本実施の形態２において、レーザ光源３０、レーザ光源３１、強度変調器３４、強度変調器３５は、共に光源装置を構成している。

クロックジェネレータ３７から発信されるクロック信号の位相は強度変調器３４と、強度変調器３５とで位相が１８０°ずれており、レーザ光１とレーザ光２は一方が高強度となる時間に他方は消光状態となる。すなわち、２つの波長帯の光波であるレーザ光１とレーザ光２は異なるタイミングで強弱を繰り返すように発生し、点光源２０から同一方向に放射される。

波面測定装置２を構成する撮像素子２５の撮像周期と、強度変調器３４、強度変調器３５によるレーザ光１とレーザ光２の切り替えはタイミング同期するように動作する。図５は本発明の実施の形態２におけるレーザ光１とレーザ光２の切り替えと、撮像素子２５の撮像とのタイミングを示すタイミングチャートである。４１は強度変調器３４、強度変調器３５のタイミング、４２は撮像素子２５のタイミングである。強度変調器３４、強度変調器３５が波長１(レーザ光１)を選択しているタイミングでは、凹面鏡４に反射されたレーザ光のみが撮像素子２５に撮像され、波面測定装置２は波面Ｗ１を測定、記憶する。

強度変調器３４、強度変調器３５が波長２(レーザ光２)を透過しているタイミングでは、透過球面原器３６に反射されたレーザ光のみが撮像素子２５に撮像され、波面測定装置２は撮像素子２５の撮像した画像から波面Ｗ２を測定、記憶する。波面測定装置２は連続して取得した２つの波面Ｗ１、Ｗ２から数１を使って測定値Ｗoutを取得する。凹面鏡４の反射光を測定したＷ１と、透過球面原器３６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１／１０００秒程度まで短くすることが可能であり、同時に測定した場合に等しい測定結果が得られる。

ここで、レンズ２３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、レンズ２３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による面形状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による面形状測定装置と同一の効果を奏する。
第二に、測定波面Ｗ１と基準波面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と基準波面Ｗ２を１つの画像から演算する場合と比較し、両者の数値差が大きく、従って一部の集光スポットが重なって測定されてしまうような場合でも、測定することが可能であり、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、空間分解能を向上することが容易となる。

１光源、２波面測定装置、３第１の回転ステージ、４凹面鏡、５第２の回転ステージ、６透過球面原器、７、８レーザ光路、２０点光源、２１レンズ、２２ビームスプリッタ、２３レンズ、２４レンズレットアレイ、２５撮像素子、２６、２７集光スポット像、３０、３１レーザ光源、３４、３５強度変調器、３６透過球面原器、３７クロックジェネレータ、４１、４２タイミングチャート

Claims

面形状の評価対象である凹面鏡に照射するための球面波である光波を発生させる光源装置と、
前記凹面鏡の近似球面の曲率中心位置と前記凹面鏡との間に配置され、両面研磨されたガラス板であり、前記光源装置が発生した球面波である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凹面鏡に照射し、この凹面鏡から反射した前記第二の光波を再び透過する球面原器と、
この球面原器から反射された前記第一の光波と、前記球面原器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し、この画像信号から光波の波面形状を演算する二次元検出器と、
前記凹面鏡に照射される前記球面波である光波の、前記凹面鏡における照射位置を可変するための回転駆動機構と、
を備えたことを特徴とする面形状測定装置。
前記光源装置が発生した球面波である光波の曲率中心位置と前記球面原器の反射球面の曲率中心位置とは略一致しており、
前記回転駆動機構は、前記球面波である光波の照射位置を、前記球面波である光波の曲率中心位置を中心に可変することを特徴とする請求項１に記載の面形状測定装置。
前記光源装置は、２つの波長帯の光波を異なるタイミングで強弱を繰り返すように同一方向に発生し、
前記球面原器は、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選択性コーティングを有していることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の面形状測定装置。