JP6238592B2 - 光学系の偏芯量算出方法及びそれを用いた光学系の調整方法 - Google Patents
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Description
本発明は光学系の偏心量を容易に算出することができ、しかも光学系を構成する各光学素子の位置を容易に調整することができる光学系の偏芯量算出方法及びそれを用いた調整方法に関する。
高い光学性能を有する光学系では、光学系を構成する各光学素子には偏心が少ないことが要望される。レンズ，ミラー等の光学素子を複数個組み立てて光学系を構成するとき、各光学素子の組立によって発生した偏芯を調整することを必要とする光学系では、使用する像高や画角に合わせた光線を光学系に入射させる。そして光学系を通過した光を用いて光学系の光学評価を行い、所望の結像性能が得られるように各光学素子の偏芯の調整を行うことが知られている（特許文献１）。
特許文献１の収差補正系では、使用する像高や画角に合わせた光線を光学系に入射させて波面収差を測定し、zernike多項式のアス成分を補正するように各光学素子を回転させる。または、zernike多項式のコマ成分を補正するように光軸に対して各光学素子を偏芯調整している。
一方、天体観察等における反射望遠鏡においては、大気分散に起因して色収差が多く発生してくる。従来、反射望遠鏡において主鏡（反射鏡）の結像位置近傍に配置して大気分散による色収差を良好に補正した主焦点補正光学系が知られている（特許文献２）。
天体観察用の反射望遠鏡等の大型の光学系や、他の光学系と組合せて収差を補正するような収差補正光学系の場合、使用する像高や画角に合わせた光線を測定する光学系に入射させるためには、より大型な光学系が必要となる。この他、あらかじめ収差が確認されている別の光学系を使用する必要がある。前者は大型の光学系を用いるため測定が困難になる。後者はあらかじめ別の光学系を準備する必要があるため、やはり測定が困難になる。
例えば天体観察用の反射望遠鏡の一部を構成する大型の主鏡によって発生する収差を補正する収差補正光学系を構成する各光学素子の偏心を測定し、光学素子を調整する場合には、実際に使用する像高や画角に合わせた光線を収差補正光学系に入射させる必要がある。このためには、大型の主鏡、または別途複雑な光学系を必要とする。大型の主鏡や複雑な光学系を用意して反射望遠鏡の光学性能を測定することは大変困難である。
本発明は、測定対象となる光学系が大型であっても光学系を構成する光学素子の組立精度を容易に測定することができる光学系の偏心量算出方法の提供を目的とする。更に所望の結像性能が得られるように光学素子の偏芯等の光学調整が行える光学系の調整方法、そして全体としての光学系の光学性能を求めることができる光学系の光学性能の評価方法の提供を目的とする。
本発明の光学系の偏心量算出方法は、光源からの光束を第１測定光学系を介して光学系に入射させ、前記光学系を介した光束を検出手段で検出することにより前記光学系の波面収差を測定する第１測定工程と、
前記光源からの光束を、前記第１測定光学系とは異なる第２測定光学系を介して、前記第１測定光学系からの光束が前記光学系に入射する光路とは異なる光路で前記光学系に入射させ、前記光学系を介した光束を前記検出手段で検出することにより、前記光学系の波面収差を測定する第２測定工程と、
前記第１測定工程で得られた波面収差と前記第２測定工程で得られた波面収差より、前記光学系を構成する各光学素子の偏心量を算出する算出工程と、
を有することを特徴としている。
前記光源からの光束を、前記第１測定光学系とは異なる第２測定光学系を介して、前記第１測定光学系からの光束が前記光学系に入射する光路とは異なる光路で前記光学系に入射させ、前記光学系を介した光束を前記検出手段で検出することにより、前記光学系の波面収差を測定する第２測定工程と、
前記第１測定工程で得られた波面収差と前記第２測定工程で得られた波面収差より、前記光学系を構成する各光学素子の偏心量を算出する算出工程と、
を有することを特徴としている。
本発明によれば、測定対象となる光学系が大型であっても光学系を構成する光学素子の組立精度を容易に測定することができ、しかも所望の結像性能が得られるように光学素子の偏芯等の光学調整が行える光学系の偏心量算出方法が得られる。
以下、図を用いて本発明の実施例について説明する。本発明の光学系の偏心量算出方法では次の第１測定工程と第２測定工程を有する。第１測定工程では、光源からの光束を第１測定光学系を介して光学系に入射させ、光学系を介した光束を検出手段で検出することにより光学系の波面収差を測定する。第２測定工程では、光源からの光束を、第１測定光学系とは異なる第２測定光学系を介して、第１測定光学系からの光束が光学系に入射する光路とは異なる光路で光学系に入射させ、光学系を介した光束を検出手段で検出することにより、光学系の波面収差を測定する。そして第１測定工程で得られた波面収差と第２測定工程で得られた波面収差より、光学系を構成する各光学素子の偏心量を算出する算出工程と、を有する。ここで、後述するように、光学系は、反射望遠鏡を構成する主鏡と、撮像素子と、主鏡が反射した光を撮像素子に導く補正光学系のうちの補正光学系に該当する。
また本発明の光学系の調整方法では、前述した偏心量算出方法により得られた、光学系を構成する各光学素子の偏心量を用いて、各光学素子の位置を調整する調整工程を有する。また本発明の光学系の製造方法では、主鏡と、主鏡からの光を受ける光学系を組み立てる組立工程と、前述した光学系の偏心量算出方法を用いて、光学系を構成する各光学素子の偏心量を算出する算出工程と、算出工程によって算出された各光学素子の偏心量に基づいて各光学素子の位置を調整する調整工程と、を有する。また本発明の光学系の評価方法では、前述した光学系の偏心量算出方法における算出工程で算出された偏心量を用いて、光学系の各光学素子に関する偏心光学モデルを作成し、作成した偏心光学モデルを用いて光学系が他の光学系の一部に装着されて実際に使用される状態を想定してシミュレーションを行い、光学系の光学性能の評価を行う評価工程を有する。
以下、簡単のため、第１測定光学系を第１測定系、第２測定光学系を第２測定系、第１測定工程を第１工程、第２測定工程を第２工程という。
以下、簡単のため、第１測定光学系を第１測定系、第２測定光学系を第２測定系、第１測定工程を第１工程、第２測定工程を第２工程という。
まず本発明の光学系の偏心量算出方法における光学系の構成について説明する。ここで光学系は例えば天体観察を行うときの反射望遠鏡の主鏡と共に用いられる補正光学系である。補正光学系は主鏡の収差を補正するとともに、大気分散による色収差を補正する機能を有している。
図２は本発明の光学系の偏心量算出方法で偏心量の算出対象とする光学系（補正光学系）を有する反射望遠鏡の光学配置の説明図である。図３は図２の光学系の拡大説明図である。図２において、１は反射望遠鏡である。Ｍ１は結像作用のある主鏡、１００は光学系である。主鏡Ｍ１は凹形状の回転双曲面（反射鏡）よりなっている。光学系１００は主鏡Ｍ１の焦点又はその近傍に配置され、主鏡Ｍ１によって発生する収差を補正する。天体からの光束は図中右方から主鏡Ｍ１に入射し、主鏡Ｍ１で反射したあとに光学系１００を介して撮像素子（撮像手段）が配置される撮像面Ｃ１に結像する。
図３に示した光学系１００の構成について説明する。光学系１００はレンズ（光学素子）Ｌ１１からレンズＬ１５、複合レンズ（光学素子）Ａ１を有している。反射望遠鏡１ではレンズＬ１１からレンズＬ１５の５枚のレンズの形状を最適化している。具体的には光学系は主鏡Ｍ１から撮像面Ｃ１に向かって順に第１レンズＬ１１、第２レンズＬ１２、２枚の単レンズからなる大気分散補正用（大気色分解の補正用）の複合レンズ（ＡＤＣ）Ａ１を有する。更に第３レンズＬ１３、第４レンズＬ１４、第５レンズＬ１５を有する。
天体からやってきた光は主鏡Ｍ１で反射されたあと、光学系１００の第１レンズＬ１１、第２レンズＬ１２、複合レンズ（Ａ１）、第３レンズＬ１３、第４レンズＬ１４、第５レンズＬ１５を順に通過したあと、撮像面Ｃ１に天体の像を結像する。これにより視野角１．６度の範囲内で良好に収差を補正している。光学系１００は有効視野角は１．５度としている。Ｆ１とＷ１は透過波長帯域を選択するためのフィルタとＣＣＤデュワーの窓材の厚みに相当する平行平面板である。
複合レンズＡ１は大気分散を補正するため、分散の異なる材料よりなる２つのレンズＡ１１，Ａ１２より構成されている。アクチュエータ（移動機構）により複合レンズＡ１を光軸に対し直交する方向の成分を持つように（図の矢印方向）に移動させることにより、大気分散による色ずれを補正する。
複合レンズＡ１は屈折率が近く、互いに分散の異なる材料よりなる一対のレンズＡ１１，Ａ１２を接合又は僅かの空気間隔（空気層）を隔てて隣接配置して構成している。具体的にはレンズＡ１１を構成する材料（商品名BSL7Y）の屈折率ｎｄが1.51633、アッベ数νｄが６４．２である。またレンズＡ１２を構成する材料（商品名PBL1Y）の屈折率ｎｄが1.54814、アッベ数νｄが４５．８である。このときレンズＡ１１とレンズＡ１２の材料の屈折率の比は
1.51633／1.54814＝0.979
である。即ち屈折率は互いに２．１％異なっている。
1.51633／1.54814＝0.979
である。即ち屈折率は互いに２．１％異なっている。
本実施例の複合レンズＡ１は材料の屈折率が互いに０．５％以上（好ましくは０．５％〜５％の範囲内）異なる正レンズ（レンズＡ１２）と負レンズ（レンズＡ１１）を光軸方向に隣接配置して構成されている。これらの材料の組み合わせ、しかも対向するレンズ面に同程度（曲率半径で±５％以内の差）の曲率を持たせている。これにより、複合レンズＡ１を光軸に対して直交する方向に移動させて大気分散の補正を行う場合に、必要な量の色収差を発生させている。なお、屈折率ｎｄはｄ線（587.6nm）に対する屈折率である。アッベ数νｄは以下によって定義される。
νｄ＝（ｎｄ−１）／（ｎＦ−ｎＣ）
但し、ｎｄ：ｄ線（587.6nm）に対する屈折率
ｎＦ：Ｆ線（486.1nm）に対する屈折率
ｎＣ：Ｃ線（656.3nm）に対する屈折率
また、レンズＡ１１は物体側（主鏡Ｍ１側）の面が平面、レンズＡ１２は撮像面（ＩＰ）側のレンズ面が平面となっている。すなわち、複合レンズＡ１の光入射面と光出射面は共に平面となっている。
但し、ｎｄ：ｄ線（587.6nm）に対する屈折率
ｎＦ：Ｆ線（486.1nm）に対する屈折率
ｎＣ：Ｃ線（656.3nm）に対する屈折率
また、レンズＡ１１は物体側（主鏡Ｍ１側）の面が平面、レンズＡ１２は撮像面（ＩＰ）側のレンズ面が平面となっている。すなわち、複合レンズＡ１の光入射面と光出射面は共に平面となっている。
これにより単色光線に対しては、複合レンズＡ１を光軸に対して直交する方向に移動させたときの項かは単純な平板ガラスを移動させた場合と大差がなくなり、単色収差の変化を小さく保っている。
次に表１に反射望遠鏡１の数値データを示す。表中の面番号は天体側から光束の進行順に各面に付した番号である。ｉは天体からの面の順序を示す。Ｒｉは各面の曲率半径、ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面との間の間隔を示す。Ｒ１は主鏡、Ｒ２からＲ１５は光学系１００の面である。
材料には石英（SILICA）と商品名BSL7Yと商品名PBL1Yの３種類の材料を用いている。詳細には、石英（SILICA）は屈折率ｎｄが1.45846、アッベ数νｄが６７．８である。材料BSL7Yは屈折率ｎｄが1.51633、アッベ数νｄが６４．２である。材料PBL1Yは屈折率ｎｄが1.54814、アッベ数νｄが４５．８である。実施例中の材料名は（株）オハラのガラス名を使用したが、同等品を使用しても良い。
本実施例の光学系１００は５つの非球面を有する。非球面形状は、光軸方向にｚ軸、光軸と垂直方向にｈ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐定数、Ａ〜Ｇを４次〜１６次の非球面係数としたとき、
なる式で表わしている。また、表１においてｆは主鏡Ｍ１と光学系１００の合成焦点距離、ＦＮＯはＦナンバー、２ωは全画角（視野角）（度）を表す。
［表１］
f = 18334.3mm FNO = 2.25 2ω= 1.5°
面番号 曲率半径R 面間隔d 材質 有効径
1(主鏡) 30000.0000(非球面) 13456.4205 8200.0
2 760.000 100.0000 SILICA 820.0
3 1375.5000(非球面) 372.8500 801.0
4 -3530.0000(非球面) 46.0000 BSL7Y 320.8
5 656.2498 318.0000 574.6
6(ADC) 平面 40.0000 BSL7Y 611.0
7(ADC) 1058.0000 3.0000 611.0
8(ADC) 1040.0000 82.0000 PBL1Y 611.9
9(ADC) 平面 274.3000 611.2
10 -840.0002(非球面) 40.0000 PBL1Y 552.2
11 9800.0000 90.00000 568.9
12 480.0000(非球面) 102.0000 BSL7Y 628.0
13 4021.4590 100.2000 628.0
14 4176.7483 88.0000 SILICA 616.0
15 -1272.8222(非球面) 90.0412 616.0
16(Filter) ∞ 15.0000 SILICA 520.6
17(Filter) ∞ 32.5000 510.3
18(Window) ∞ 37.0000 SILICA 520.6
19(Window) ∞ 15.0000 510.3
20 像面 ∞ --- --- 500.3
f = 18334.3mm FNO = 2.25 2ω= 1.5°
面番号 曲率半径R 面間隔d 材質 有効径
1(主鏡) 30000.0000(非球面) 13456.4205 8200.0
2 760.000 100.0000 SILICA 820.0
3 1375.5000(非球面) 372.8500 801.0
4 -3530.0000(非球面) 46.0000 BSL7Y 320.8
5 656.2498 318.0000 574.6
6(ADC) 平面 40.0000 BSL7Y 611.0
7(ADC) 1058.0000 3.0000 611.0
8(ADC) 1040.0000 82.0000 PBL1Y 611.9
9(ADC) 平面 274.3000 611.2
10 -840.0002(非球面) 40.0000 PBL1Y 552.2
11 9800.0000 90.00000 568.9
12 480.0000(非球面) 102.0000 BSL7Y 628.0
13 4021.4590 100.2000 628.0
14 4176.7483 88.0000 SILICA 616.0
15 -1272.8222(非球面) 90.0412 616.0
16(Filter) ∞ 15.0000 SILICA 520.6
17(Filter) ∞ 32.5000 510.3
18(Window) ∞ 37.0000 SILICA 520.6
19(Window) ∞ 15.0000 510.3
20 像面 ∞ --- --- 500.3
（非球面）
面1
k=-1.00835 A(4次)=0.00000 B(6次)=0.00000 C(8次)=0.00000
D(10次)=0.00000 E(12次)=0.00000 F(14次)=0.00000 G(16次)=0.00000
面3
k=0.00000 A(4次)=-1.49749E-11 B(6次)=-7.57907E-17
C(8次)=-7.70529 E-22 D(10次)=1.026626E-26 E(12次)=-7.07883E-32
F(14次)=2.559601E-37 G(16次)=-3.76155E-43
面4
k=0.00000 A(4次)=6.914718E-11 B(6次)=6.03728E-16
C(8次)=-1.53262E-20 D(10次)=3.61811E-25 E(12次)=-4.74168E-30
E(12次)=3.217309E-35 G(16次)=-8.85988E-41
面10
k=0.00000 A(4次)=2.768476E-09 B(6次)=-4.8556E-14
C(8次)=7.176113E-19 D(10次)=-1.07637E-24 E(12次)=1.187443E-28
F(14次)=-7.98382E-34 G(16次)=2.393557E-39
面12
k=0.00000 A(4次)=-4.35553E-09 B(6次)=3.635868E-14
C(8次)=-5.95127E-19 D(10次)=7.658840E-24 E(12次)=-7.19412E-29
F(14次)=3.942821E-34 G(16次)=-9.54343E-40
面15
k=0.00000 A(4次)=-1.06469E-09 B(6次)=3.377750E-14
C(8次)=-1.10265E-19 D(10次)=2.282369E-24 E(12次)=-2.74304E-29
F(14次)=1.755771E-34 G(16次)=-4.82195E-40
面1
k=-1.00835 A(4次)=0.00000 B(6次)=0.00000 C(8次)=0.00000
D(10次)=0.00000 E(12次)=0.00000 F(14次)=0.00000 G(16次)=0.00000
面3
k=0.00000 A(4次)=-1.49749E-11 B(6次)=-7.57907E-17
C(8次)=-7.70529 E-22 D(10次)=1.026626E-26 E(12次)=-7.07883E-32
F(14次)=2.559601E-37 G(16次)=-3.76155E-43
面4
k=0.00000 A(4次)=6.914718E-11 B(6次)=6.03728E-16
C(8次)=-1.53262E-20 D(10次)=3.61811E-25 E(12次)=-4.74168E-30
E(12次)=3.217309E-35 G(16次)=-8.85988E-41
面10
k=0.00000 A(4次)=2.768476E-09 B(6次)=-4.8556E-14
C(8次)=7.176113E-19 D(10次)=-1.07637E-24 E(12次)=1.187443E-28
F(14次)=-7.98382E-34 G(16次)=2.393557E-39
面12
k=0.00000 A(4次)=-4.35553E-09 B(6次)=3.635868E-14
C(8次)=-5.95127E-19 D(10次)=7.658840E-24 E(12次)=-7.19412E-29
F(14次)=3.942821E-34 G(16次)=-9.54343E-40
面15
k=0.00000 A(4次)=-1.06469E-09 B(6次)=3.377750E-14
C(8次)=-1.10265E-19 D(10次)=2.282369E-24 E(12次)=-2.74304E-29
F(14次)=1.755771E-34 G(16次)=-4.82195E-40
次に本発明の光学系の偏心量算出方法、光学系の調整方法、そして光学系の光学性能の表方法等（以下「光学系の調整方法等」という。）について説明する。本発明に係る光学系は、天体観察用の反射望遠鏡等の大型で高重量であり、本来の使用状態において光学性能を測定することが困難な光学系を測定対象としている。
図１は本発明の光学系の調整方法等のフローチャートである。図１のフローチャートは、例として図２に示す反射望遠鏡１で用いる光学系（補正光学系）を対象としている。本実施例では、本来の用途に近い画角（観察視野）、像高で光学性能を評価できない光学系を、光学系を通過する光路が互いに異なる光路を放射する第１測定系と第２測定系の２つの測定系によって光学系の波面収差を測定する（ステップＳ１）。その２つの波面収差からzernike係数のコマ成分をそれぞれ算出する（ステップＳ２）。
光学系に関し、実測した屈折率、屈折率分布、面形状、レンズ肉厚を加味した設計値モデルをそれぞれ作成する（表４）。それぞれ算出したコマ収差を目標、光学系の各レンズ（各光学素子）の偏芯を変数にして、光学設計ソフトによって最適化する。最適化後の各レンズの偏芯量は光学系の光軸を基準とした偏芯量となる（表５）（ステップＳ３）。
ここで、偏芯量が許容できない場合は、光学系の再組立（調整）を行う（ステップＳ４ａ）。また偏芯量のみで判定できない場合やより詳細な判定を行う場合、偏心光学モデルを作成する（ステップＳ４ｂ）。次いで実測した屈折率、屈折率分布、面形状、レンズ肉厚を加味した設計値に偏芯量も加味して、シミュレーションにより光学系の光学性能を評価する（ステップＳ５）。その後完成する（ステップＳ６）。
図４（Ａ），（Ｂ）は光学系１００を通過する光路が互いに異なる光束を放射する第１測定系と第２測定系の２つの測定形態での波面測定を示す概念図である。１１００ａ，１１０ｂは各々第１測定系と第２測定系である。第１測定系１１００ａでは光学系１００の光軸中心を通過する光束を放射する。
第２測定系１１００ｂでは光学系１００の有効径全体を通過する光束を放射する。第１測定系１１００ａと第２測定系１１００ｂは各々干渉計を有している。Ｌ１，Ｌ２はそれぞれの波面測定形態で光学系１００の波面収差を補正する測定光学系である。Ｍ２，Ｍ３は光学系１００を通過した光束を測定系側へ折り返すミラー（凹面ミラー）である。表２に図４（Ａ）の波面測定形態１における測定光学系Ｌ１の数値データを示す。
［表２］
面番号 曲率半径R 面間隔ｄ 材質 有効径
1 平面 89.564
2 -97.428 10.000 BSL7Y 52
3 -446.097 20.000 56
4 -131.553 15.000 BSL7Y 68
5 -88.858 30.000 74
6 1272.822(非球面) 88.000 SILICA 661
7 -4176.748 100.200 661
8 -4021.459(非球面) 102.000 BSL7Y 646.26
9 -480.000(非球面) 90.000 674
10 -9800.000 40.000 PBL1Y 610
11 840.000(非球面) 274.300 561.62
12 平面 82.000 PBL1Y 636
13 -1040.201 3.000 636
14 -1058.165 40.000 BSL7Y 618
15 平面 318.000 638
16 -656.249 46.000 BSL7Y 626
17 3530.000(非球面) 372.85 662
18 -1375.500(非球面) 100.000 SILICA 821.24
19 -760.0000 156.400 854
20 -1700 -156.4 MIRROR 960
21 -760.0000 -100.000 SILICA 854
22 -1375.500(非球面) -372.85 821.24
23 3530.500(非球面) -46.000 BSL7Y 662
24 -656. 249 -318.000 626
25 平面 -40.000 BSL7Y 638
26 -1058.165 -3.000 618
27 -1040.201 -82.000 PBL1Y 636
28 平面 274.300 636
29 840.000(非球面) -40.000 PBL1Y 561.62
30 -9801.893 -90.000 610
31 -480.000(非球面) -102.000 BSL7Y 674
32 -4021.459(非球面) -100.200 646.26
33 -4176.798 -88.000 SILICA 661
34 1272.838(非球面) - 30.000 661
35 -88.8581 -15.000 BSL7Y 74
36 -131.553 -20.000 68
37 -446.097 -10.000 BSL7Y 56
38 -97.4287 -89.564 52
39 平面
面番号 曲率半径R 面間隔ｄ 材質 有効径
1 平面 89.564
2 -97.428 10.000 BSL7Y 52
3 -446.097 20.000 56
4 -131.553 15.000 BSL7Y 68
5 -88.858 30.000 74
6 1272.822(非球面) 88.000 SILICA 661
7 -4176.748 100.200 661
8 -4021.459(非球面) 102.000 BSL7Y 646.26
9 -480.000(非球面) 90.000 674
10 -9800.000 40.000 PBL1Y 610
11 840.000(非球面) 274.300 561.62
12 平面 82.000 PBL1Y 636
13 -1040.201 3.000 636
14 -1058.165 40.000 BSL7Y 618
15 平面 318.000 638
16 -656.249 46.000 BSL7Y 626
17 3530.000(非球面) 372.85 662
18 -1375.500(非球面) 100.000 SILICA 821.24
19 -760.0000 156.400 854
20 -1700 -156.4 MIRROR 960
21 -760.0000 -100.000 SILICA 854
22 -1375.500(非球面) -372.85 821.24
23 3530.500(非球面) -46.000 BSL7Y 662
24 -656. 249 -318.000 626
25 平面 -40.000 BSL7Y 638
26 -1058.165 -3.000 618
27 -1040.201 -82.000 PBL1Y 636
28 平面 274.300 636
29 840.000(非球面) -40.000 PBL1Y 561.62
30 -9801.893 -90.000 610
31 -480.000(非球面) -102.000 BSL7Y 674
32 -4021.459(非球面) -100.200 646.26
33 -4176.798 -88.000 SILICA 661
34 1272.838(非球面) - 30.000 661
35 -88.8581 -15.000 BSL7Y 74
36 -131.553 -20.000 68
37 -446.097 -10.000 BSL7Y 56
38 -97.4287 -89.564 52
39 平面
（非球面）
面18, 22
k=-1.00835 A(4次)=0.00000 B(6次)=0.00000 C(8次)=0.00000
D(10次)=0.00000 E(12次)=0.00000 F(14次)=0.00000
G(16次)=0.00000
面17, 23
k=0.00000 A(4次)=-1.49749E-11 B(6次)=-7.57907E-17
C(8次)=-7.70529 E-22 D(10次)=1.026626E-26 E(12次)=-7.07883E-32
F(14次)=2.559601E-37 G(16次)=-3.76155E-43
面11, 29
k=0.00000 A (4次)=6.914718E-11 B(6次)=6.03728E-16
C(8次)=-1.53262E-20 D(10次)=3.61811E-25 E(12次)=-4.74168E-30
F(14次)=3.217309E-35 G(16次)=-8.85988E-41
面9, 31
k=0.00000 A (4次)=2.768476E-09 B(6次)=-4.8556E-14
C(8次)=7.176113E-19 D(10次)=-1.07637E-24 E(12次)=1.187443E-28
F(14次)=-7.98382E-34 G(16次)=2.393557E-39
面8, 32
k=0.00000 A (4次)=-4.35553E-09 B(6次)=3.635868E-14
C(8次)=-5.95127E-19 D(10次)=7.658840E-24 E(12次)=-7.19412E-29
F(14次)=3.942821E-34 G(16次)=-9.54343E-40
面6, 34
k=0.00000 A (4次)=-1.06469E-09 B(6次)=3.377750E-14
C(8次)=-1.10265E-19 D(10次)=2.282369E-24 E(12次)=-2.74304E-29
F(14次)=1.755771E-34 G(16次)-4.82195E-40
面18, 22
k=-1.00835 A(4次)=0.00000 B(6次)=0.00000 C(8次)=0.00000
D(10次)=0.00000 E(12次)=0.00000 F(14次)=0.00000
G(16次)=0.00000
面17, 23
k=0.00000 A(4次)=-1.49749E-11 B(6次)=-7.57907E-17
C(8次)=-7.70529 E-22 D(10次)=1.026626E-26 E(12次)=-7.07883E-32
F(14次)=2.559601E-37 G(16次)=-3.76155E-43
面11, 29
k=0.00000 A (4次)=6.914718E-11 B(6次)=6.03728E-16
C(8次)=-1.53262E-20 D(10次)=3.61811E-25 E(12次)=-4.74168E-30
F(14次)=3.217309E-35 G(16次)=-8.85988E-41
面9, 31
k=0.00000 A (4次)=2.768476E-09 B(6次)=-4.8556E-14
C(8次)=7.176113E-19 D(10次)=-1.07637E-24 E(12次)=1.187443E-28
F(14次)=-7.98382E-34 G(16次)=2.393557E-39
面8, 32
k=0.00000 A (4次)=-4.35553E-09 B(6次)=3.635868E-14
C(8次)=-5.95127E-19 D(10次)=7.658840E-24 E(12次)=-7.19412E-29
F(14次)=3.942821E-34 G(16次)=-9.54343E-40
面6, 34
k=0.00000 A (4次)=-1.06469E-09 B(6次)=3.377750E-14
C(8次)=-1.10265E-19 D(10次)=2.282369E-24 E(12次)=-2.74304E-29
F(14次)=1.755771E-34 G(16次)-4.82195E-40
表３に図４（Ｂ）の波面測定形態２における測定光学系Ｌ２の数値データを示す。
［表３］
面番号 曲率半径R 面間隔ｄ 材質 有効径
1 ∞ 315.730
2 -163.089 35.000 BSL7Y 150
3 -115.189 9.100 160
4 352.573 25.000 BSL7Y 170
5 151.4205 780.000 160
6 1272.822(非球面) 88.000 SILICA 661
7 -4176.748 100.200 661
8 -4021.459(非球面) 102.000 BSL7Y 646.26
9 -480.000(非球面) 90.000 674
10 -9800.000 40.000 PBL1Y 610
11 840.000(非球面) 274.300 561.62
12 平面 82.000 PBL1Y 636
13 -1040.201 3.000 636
14 -1058.165 40.000 BSL7Y 618
15 平面 318.000 638
16 -656.249 46.000 BSL7Y 626
17 3530.000(非球面) 372.85 662
18 -1375.500(非球面) 100.000 SILICA 821.24
19 -760.0000 156.400 854
20 -1700 -156.4 MIRROR 960
21 -760.0000 -100.000 SILICA 854
22 -1375.500(非球面) -372.85 821.24
23 3530.500(非球面) -46.000 BSL7Y 662
24 -656. 249 -318.000 626
25 平面 -40.000 BSL7Y 638
26 -1058.165 -3.000 618
27 -1040.201 -82.000 PBL1Y 636
28 平面 -274.300 636
29 840.000(非球面) -40.000 PBL1Y 561.62
30 -9801.893 -90.000 610
31 -480.000(非球面) -102.000 BSL7Y 674
32 -4021.459(非球面) -100.200 646.26
33 -4176.798 -88.000 SILICA 661
34 1272.838(非球面) -780.000 661
35 151.420 -25.000 BSL7Y 160
36 352.573 -9.100 170
37 -115.189 -35.000 BSL7Y 160
38 -163.089 -315.73 150
39 ∞
［表３］
面番号 曲率半径R 面間隔ｄ 材質 有効径
1 ∞ 315.730
2 -163.089 35.000 BSL7Y 150
3 -115.189 9.100 160
4 352.573 25.000 BSL7Y 170
5 151.4205 780.000 160
6 1272.822(非球面) 88.000 SILICA 661
7 -4176.748 100.200 661
8 -4021.459(非球面) 102.000 BSL7Y 646.26
9 -480.000(非球面) 90.000 674
10 -9800.000 40.000 PBL1Y 610
11 840.000(非球面) 274.300 561.62
12 平面 82.000 PBL1Y 636
13 -1040.201 3.000 636
14 -1058.165 40.000 BSL7Y 618
15 平面 318.000 638
16 -656.249 46.000 BSL7Y 626
17 3530.000(非球面) 372.85 662
18 -1375.500(非球面) 100.000 SILICA 821.24
19 -760.0000 156.400 854
20 -1700 -156.4 MIRROR 960
21 -760.0000 -100.000 SILICA 854
22 -1375.500(非球面) -372.85 821.24
23 3530.500(非球面) -46.000 BSL7Y 662
24 -656. 249 -318.000 626
25 平面 -40.000 BSL7Y 638
26 -1058.165 -3.000 618
27 -1040.201 -82.000 PBL1Y 636
28 平面 -274.300 636
29 840.000(非球面) -40.000 PBL1Y 561.62
30 -9801.893 -90.000 610
31 -480.000(非球面) -102.000 BSL7Y 674
32 -4021.459(非球面) -100.200 646.26
33 -4176.798 -88.000 SILICA 661
34 1272.838(非球面) -780.000 661
35 151.420 -25.000 BSL7Y 160
36 352.573 -9.100 170
37 -115.189 -35.000 BSL7Y 160
38 -163.089 -315.73 150
39 ∞
（非球面）
面18, 22
k =-1.00835 A (4次)=0.00000 B(6次)=0.00000 C(8次)=0.00000
D(10次)=0.00000 E(12次)=0.00000 F(14次)=0.00000
G(16次)=0.00000
面17, 23
k =0.00000 A (4次)=-1.49749E-11 B(6次)=-7.57907E-17
C(8次)=-7.70529 E-22 D(10次)=1.026626E-26 E(12次)=-7.07883E-32
F(14次)=2.559601E-37 G(16次)=-3.76155E-43
面11, 29
k =0.00000 A (4次)= 6.914718E-11 B(6次)= 6.03728E-16
C(8次)=-1.53262E-20 D(10次)=3.61811E-25 E(12次)=-4.74168E-30
F(14次)= 3.217309E-35 G(16次)=-8.85988E-41
面9, 31
k =0.00000 A (4次)=2.768476E-09 B(6次)=-4.8556E-14
C(8次)=7.176113E-19 D(10次)=-1.07637E-24 E(12次)=1.187443E-28
F(14次)=-7.98382E-34 G(16次)2.393557E-39
面8, 32
k =0.00000 A (4次)=-4.35553E-09 B(6次)=3.635868E-14
C(8次)=-5.95127E-19 D(10次)=7.658840E-24 E(12次)=-7.19412E-29
F(14次)=3.942821E-34 G(16次)=-9.54343E-40
面6, 34
k=0.00000 A (4次)=-1.06469E-09 B(6次)=3.377750E-14
C(8次)=-1.10265E-19 D(10次)=2.282369E-24 E(12次)=-2.74304E-29
F(14次)=1.755771E-34 G(16次)=-4.82195E-40
面18, 22
k =-1.00835 A (4次)=0.00000 B(6次)=0.00000 C(8次)=0.00000
D(10次)=0.00000 E(12次)=0.00000 F(14次)=0.00000
G(16次)=0.00000
面17, 23
k =0.00000 A (4次)=-1.49749E-11 B(6次)=-7.57907E-17
C(8次)=-7.70529 E-22 D(10次)=1.026626E-26 E(12次)=-7.07883E-32
F(14次)=2.559601E-37 G(16次)=-3.76155E-43
面11, 29
k =0.00000 A (4次)= 6.914718E-11 B(6次)= 6.03728E-16
C(8次)=-1.53262E-20 D(10次)=3.61811E-25 E(12次)=-4.74168E-30
F(14次)= 3.217309E-35 G(16次)=-8.85988E-41
面9, 31
k =0.00000 A (4次)=2.768476E-09 B(6次)=-4.8556E-14
C(8次)=7.176113E-19 D(10次)=-1.07637E-24 E(12次)=1.187443E-28
F(14次)=-7.98382E-34 G(16次)2.393557E-39
面8, 32
k =0.00000 A (4次)=-4.35553E-09 B(6次)=3.635868E-14
C(8次)=-5.95127E-19 D(10次)=7.658840E-24 E(12次)=-7.19412E-29
F(14次)=3.942821E-34 G(16次)=-9.54343E-40
面6, 34
k=0.00000 A (4次)=-1.06469E-09 B(6次)=3.377750E-14
C(8次)=-1.10265E-19 D(10次)=2.282369E-24 E(12次)=-2.74304E-29
F(14次)=1.755771E-34 G(16次)=-4.82195E-40
表２，表３においてＲは曲率半径、ｄは面間隔を表す。表２において、面番号６〜１９，２１〜３４は各々光学系１００である。面番号２〜５，３５〜３８は各々測定光学系Ｌ１である。面番号２０はミラーＭ１である。表３において面番号６〜１９，２１〜３４は各々光学系である。面番号２〜５，３５〜３８は各々測定光学系Ｌ２である。面番号２０はミラーＭ２である。
今、便宜上、図４（Ａ），（Ｂ）の第１測定系１１００ａと第２測定系１１００ｂの波面測定形態１，２において、光学系１００のレンズＬ１１からＬ１５までが、表４に示すように偏芯したと仮定する。また表４においてミラーＭ２、ミラーＭ３の偏芯量は、レンズＬ１１からＬ１５までの偏芯によって発生したチルト成分（zernike2項、３項）を補正するために、ミラーＭ２、ミラーＭ３をそれぞれの偏芯させた量とする。
［表４］
レンズ名 Ｘ偏芯量 Ｙ偏芯量
Ｌ11 +50.000um -50.000um
Ｌ12 -50.000um +50.000um
Ｌ13 +50.000um +50.000um
Ｌ14 -50.000um +50.000um
Ｌ15 +50.000um +50.000um
Ｍ２ -39.900um +58.170um
Ｍ３ -56.820um +64.570um
レンズ名 Ｘ偏芯量 Ｙ偏芯量
Ｌ11 +50.000um -50.000um
Ｌ12 -50.000um +50.000um
Ｌ13 +50.000um +50.000um
Ｌ14 -50.000um +50.000um
Ｌ15 +50.000um +50.000um
Ｍ２ -39.900um +58.170um
Ｍ３ -56.820um +64.570um
このとき、波面測定形態１，２における波面収差のコマ成分の計算値は表５に示すようになる。
［表５］
波面測定形態1 波面測定形態2
zernike7 -1.051458λ -7.837996λ
zernike8 0.921803λ 1.738226λ
zernike14 0.068602λ -1.227027λ
zernike15 -0.032967λ -0.012590λ
zernike23 -5.1506E-4λ -0.374624λ
zernike24 -1.005759E-3λ -0.012639λ
λ＝632.8nm
表５の波面収差のコマ成分を目標に、光学系の各レンズＬ１１〜Ｌ１５の偏芯とミラーＭ２，ミラーＭ３の偏芯を変数にして、光学設計ソフトによって最適化した計算結果が表６となる。
［表５］
波面測定形態1 波面測定形態2
zernike7 -1.051458λ -7.837996λ
zernike8 0.921803λ 1.738226λ
zernike14 0.068602λ -1.227027λ
zernike15 -0.032967λ -0.012590λ
zernike23 -5.1506E-4λ -0.374624λ
zernike24 -1.005759E-3λ -0.012639λ
λ＝632.8nm
表５の波面収差のコマ成分を目標に、光学系の各レンズＬ１１〜Ｌ１５の偏芯とミラーＭ２，ミラーＭ３の偏芯を変数にして、光学設計ソフトによって最適化した計算結果が表６となる。
［表６］
レンズ名 Ｘ偏芯算出結果 Ｙ偏芯算出結果
Ｌ11 +50.000um -50.000um
Ｌ12 -50.000um +50.000um
Ｌ13 +50.000um +50.000um
Ｌ14 -50.000um +50.000um
Ｌ15 +50.000um +50.000um
Ｍ２ -39.900um +58.170um
Ｍ３ -56.820um +64.570um
レンズ名 Ｘ偏芯算出結果 Ｙ偏芯算出結果
Ｌ11 +50.000um -50.000um
Ｌ12 -50.000um +50.000um
Ｌ13 +50.000um +50.000um
Ｌ14 -50.000um +50.000um
Ｌ15 +50.000um +50.000um
Ｍ２ -39.900um +58.170um
Ｍ３ -56.820um +64.570um
表４，表６の数値は一致し、これより偏心量を求めるために計算した光学設計最適化手法が正しく信頼できるものであることがわかる。表４と表５より、第１測定系１１００ａと第２測定系１１００ｂの２つの測定形態での波面測定の結果から、光学系のレンズＬ１１からレンズＬ１５まで偏芯（表５）を正しく算出できることがわかる。
図５は表５を算出した偏芯の算出結果（算出方法）を光学ソフトのモデルに組込み、図２に示す反射望遠鏡１の光学性能をシミュレーションによって計算した横収差である。
本発明の光学系の調整方法等では光学系の波面収差を改善するように調整するだけではなく、各レンズの偏芯を求めて光学ソフトのモデルに組み込む。これにより、図５に示すように実際に使用する図２に示すような画角や像高で測定できない場合でも光学性能をシミュレーションによって評価することができるようにしている。
図６は図４（Ａ），（Ｂ）で示す実施例の第１測定系１１００ａと第２測定系１１００ｂで用いる一例としてのフィゾー型の干渉計の説明図である。図６においてレーザ光源１１から放射されたレーザ光（波長６３２．８ｎｍ）はビームエクスパンダ１２とコリメータレンズ１３によって平行光となり、ハーフミラー１４に入射する。ハーフミラー１４のハーフミラー面１４ａを通過したレーザ光の一部は参照光学系１５のハーフミラーよりなる参照面１５ａで反射し、参照光となりハーフミラー面１４ａで反射し、結像レンズ１６で集光されて検出手段１７に入射する。
一方、参照光学系１５を通過したレーザ光は集光された後に、図４に示す測定光学系Ｌ１（Ｌ２）に入射する。測定光学系Ｌ１（Ｌ２）を通過したレーザ光は図４（Ａ），（Ｂ）に示すように光学系１００、ミラーＭ１（Ｍ２）を介して戻り、参照光学系１５、ハーフミラー１４ａ、結像レンズ１６を介して検出手段１７に入射する。そして、参照面１５ａで反射したレーザ光と干渉して干渉パターンを形成する。検出手段１７で干渉パターンのフリンジを検出することによって、光学系１００の波面収差を測定する（図１のステップ１）。
尚、光学系１００の波面収差の測定は、この干渉方法に限らず、どのような方法であっても良い。
以上のように本発明によれば、測定対象となる光学系が大型であっても光学系を構成する光学素子の組立精度を容易に測定することができ、しかも所望の結像性能が得られるように光学素子の偏芯等の光学調整が容易に行える。
１ 反射望遠鏡 １００ 光学系 Ｌ１１〜Ｌ１５ 光学部材
Ｍ１，Ｍ２ ミラー １１００ａ 第１測定系 １１００ｂ 第２測定系
Ｌ１，Ｌ２ 測定光学系
Ｍ１，Ｍ２ ミラー １１００ａ 第１測定系 １１００ｂ 第２測定系
Ｌ１，Ｌ２ 測定光学系
Claims (5)
- 光源からの光束を第１測定光学系を介して光学系に入射させ、前記光学系を介した光束を検出手段で検出することにより前記光学系の波面収差を測定する第１測定工程と、
前記光源からの光束を、前記第１測定光学系とは異なる第２測定光学系を介して、前記第１測定光学系からの光束が前記光学系に入射する光路とは異なる光路で前記光学系に入射させ、前記光学系を介した光束を前記検出手段で検出することにより、前記光学系の波面収差を測定する第２測定工程と、
前記第１測定工程で得られた波面収差と前記第２測定工程で得られた波面収差より、前記光学系を構成する各光学素子の偏心量を算出する算出工程と、
を有することを特徴とする光学系の偏心量算出方法。 - 前記光学系は、反射望遠鏡を構成する主鏡と、撮像素子と、該主鏡が反射した光を前記撮像素子に導く補正光学系のうち、前記補正光学系に該当する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学系の偏心量算出方法。 - 請求項１又は２に記載の偏心量算出方法により得られた、前記光学系を構成する各光学素子の偏心量を用いて、前記各光学素子の位置を調整する調整工程を有することを特徴とする光学系の調整方法。
- 主鏡と、該主鏡からの光を受ける光学系を組み立てる組立工程と、
請求項１又は２に記載の偏心量算出方法を用いて、前記光学系を構成する各光学素子の偏心量を算出する算出工程と、
該算出工程によって算出された前記各光学素子の偏心量に基づいて前記各光学素子の位置を調整する調整工程と、
を有することを特徴とする光学系の製造方法。 - 請求項１又は２に記載の光学系の偏心量算出方法における前記算出工程で算出された偏心量を用いて、前記光学系の各光学素子に関する偏心光学モデルを作成し、作成した偏心光学モデルを用いて前記光学系が他の光学系の一部に装着されて実際に使用される状態を想定してシミュレーションを行い、前記光学系の光学性能の評価を行う評価工程を有することを特徴とする光学系の評価方法。
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2013
- 2013-06-24 JP JP2013131509A patent/JP6238592B2/ja active Active
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| CN111811785B (zh) * | 2020-07-21 | 2021-07-06 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 大动态范围望远镜像差的检测方法、装置、设备及介质 |
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