JP6289353B2 - 波面収差計測装置 - Google Patents

Description

この発明は、光学系の波面収差を測定する波面収差計測装置に関するものである。

撮像レンズやプロジェクタ等の光学系において、光学系を構成する複数のレンズが高精度に正しい位置関係で配置されていなかったり、個々のレンズの形状が許容限度を超えて歪んでいると、波面収差が発生する。波面収差は、例えば、撮像レンズにおいては、像のボケを生じさせるので、光学系の製造工程においては品質評価基準として用いられる。
光学系の性能評価波面収差を測定する測定装置として、シャックハルトマン式波面センサが広く用いられている。シャックハルトマン式波面センサによる光学系の波面収差測定において、瞳径がシャックハルトマン式波面センサの測定口径より大きい光学系を測定する場合、一般的には、被験光学系の瞳径をシャックハルトマン式波面センサの測定口径に縮小する光学系を用いる。

しかしながら、この場合、上記光学系の分、装置が大型化したり、シャックハルトマン方式波面センサの測定ピッチ、すなわち、レンズレットアレイの間隔が、上記光学系で拡大されるため横の分解能が悪化する等のデメリットがある。
そこで、例えば、特許文献１には、シャックハルトマン式波面センサを被験光学系の瞳径上を走査するように移動させて測定を繰り返し、得られた測定データをつなぎ合わせることで、被験光学系の瞳径をシャックハルトマン式波面センサの測定口径に縮小する光学系を不要とする技術が開示されている。

特開２０１０−１８５８０３号公報

上述したように、特許文献１に開示されているような技術においては、瞳径が大きい光学系においても、被験光学系の瞳径をシャックハルトマン式波面センサの測定口径に縮小する光学系を不要とした波面収差の測定を可能としている。
しかし、シャックハルトマン式波面センサを走査するように移動させて測定を繰り返す場合、シャックハルトマン式波面センサの移動に伴って光に対する角度が変化すると、当該角度の変化は、波面収差による傾きなのか、移動に伴う傾きの変化なのかが判別できず、測定データをつなぎ合わせる処理において測定誤差要因となる。

この問題に対して、特許文献１に開示されているような技術では、レーザ側長器やオートコリメータを用いて移動に伴う傾き変化量をモニタして、測定値を補正する傾き変化測定手段を採用している。
しかしながら、このような傾き変化測定手段は高精度を要求されるため、高コストであり、また、装置の大型化を招くという課題があった。

この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、オートコリメータ等を必要とせず、装置の小型化、低コスト化を可能とし、波面収差の測定精度を向上させる波面収差測定装置を得ることを目的としている。

この発明に係る波面収差計測装置は、被験レンズを透過した光源からの光を集光し、当該集光した光を画像信号に変換する波面検出部と、当該波面検出部が変換した画像信号に対し波面収差を算出する信号処理部とを有するシャックハルトマン方式の波面収差計測装置であって、波面検出部の基準光軸が重心を通り、波面検出部と被験レンズとの間で、表面が被験レンズと対向し、重心を通り基準光軸に垂直な線と被験レンズの重心を通り基準光軸に垂直な線とが平行となる位置に配置されて、波面検出部が被験レンズから集光する光を透過し、基準光軸に対して波面検出部側に傾斜する、任意に移動可能な光学平行平面板と、光学平行平面板を基準光軸のまわりに回転させる回転駆動部とを有する光測定位置走査部を備えたものである。

この発明によれば、オートコリメータ等を必要とせず、装置の小型化、低コスト化を可能とし、波面収差の測定精度を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る波面収差計測装置の構成図である。 光測定位置走査部が備える光学平行平面板において、レーザービームが伝搬する様子を説明する図である。 光学平行平面板を透過することによるトータルの平行移動長さを説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る波面収差計測装置の光測定位置走査部における駆動機構を説明する構成図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る波面収差計測装置１の構成図である。
この実施の形態１では、図１に示すような波面収差計測装置１が、被験レンズ１１の波面収差を計測するために、以下に説明するダブルパス測定を行うものとする。すなわち、波面収差計測装置１の内部に備えた光源部２が発生させたレーザービームを被験レンズ１１に入射させ、被験レンズ１１を透過した光を、高精度に球面に研磨された反射鏡である球面原器１２で折り返す。そして、球面原器１２で折り返されたレーザービームは、逆向きに伝搬して被験レンズ１１を透過し、波面収差計測装置１に戻り、波面収差計測装置１において波面収差を計測する。

波面収差計測装置１は、光源部２と、無偏光ビームスプリッタ３と、光測定位置走査部４と、波面検出部６と、信号処理部７とを備える。
光源部２は、略平行光であるレーザービームを発生する。
無偏光ビームスプリッタ３は、光源部２から入射した光の一部を反射、一部を透過させる。
光測定位置走査部４は、内部に、高精度に表裏面が平行に研磨されたガラスである光学平行平面板５ａ，５ｂを備える（光学平行平面板５ａ，５ｂの詳細は後述する）。
光源部２から放射されたレーザービームの一部は、無偏光ビームスプリッタ３で反射および屈曲されて、光測定位置走査部４に入射する。

光測定位置走査部４は、入射されたレーザービームを、その進行方向と直角となる方向に平行移動させる機能をもつ（図１の１５ｂ，１５ｃ参照。詳細については後述する）。
光測定位置走査部４は、光学平行平面板５ａ，５ｂを回転させることによって、レーザービームの位置１５ｂを、被験レンズ１１の波面の測定を行う位置、例えば、１５ｃで示す位置となるよう、移動させる（光学平行平面板５ａ，５ｂの回転については後述する）。
被験レンズ１１を往復したレーザービームは光測定位置走査部４を逆向きに伝搬し、無偏光ビームスプリッタ３に入射する。なお、図１において、Ｐで示す点は、被験レンズ１１の焦点距離にある点であり、球面原器１２の球中心の位置を示す点である。従って、光源部２が発生させ、被験レンズ１１を透過したレーザービームは、球面原器１２で折り返され、逆向きに伝搬するようになっている。
無偏光ビームスプリッタ３を透過した一部のレーザービームは波面検出部６に入射する。

波面検出部６は、複数のレンズを格子状に配列し、被験レンズ１１を透過した光源部２からの光を集光するレンズレットアレイと、当該レンズレットアレイが集光した集光スポット像を受光して画像信号に変換する二次元撮像素子とを内蔵しており（図示を省略する）、シャックハルトマン方式の原理により波面収差の検出を行う。なお、図１において、基準光軸１０は、波面検出部６が測定するレーザービームの角度および位置範囲の中心を示す基準となる光軸であり、レーザービームは、この基準光軸１０と同軸で波面検出部６に入射するように構成されている。
信号処理部７は、画像信号入力インタフェースを備えた一般的なパーソナルコンピュータであり、波面検出部６で変換された、波面情報を示す画像信号を内部のメモリに取り込み、一般に知られている信号処理により、被験レンズ１１の波面収差を演算し、出力する。

ここで、光測定位置走査部４において、レーザービームを平行移動させる方法について説明する。
光測定位置走査部４においては、光学平行平面板５ａ，５ｂにより、レーザービームを移動させる。
光学平行平面板５ａ，５ｂは、それぞれ、波面検出部６で検出される光波を透過する。また、光学平行平面板５ａと、光学平行平面板５ｂとは、それぞれ厚さ、屈折率が等しく、かつ、波面検出部６の基準光軸１０に対して等しい角度で傾斜する（図１参照）。
なお、光学平行平面板５ａ，５ｂは、波面検出部６で検出される光波の空間的な位置を任意に移動可能とする。

図２は、光測定位置走査部４が備える光学平行平面板５ａにおいて、レーザービームが伝搬する様子を説明する図である。
なお、図２において、図１で説明したものと同様の構成については、同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図２において、１０ａで示す点線は、レーザービームの中心（以下、ビーム中心１０ａとする）の軌跡を示す。
光学平行平面板５ａは、基準光軸１０に対して波面検出部６側に角度θだけ傾斜しているものとする。また、光学平行平面板５ａの厚さをｔとする。
なお、角度θ、および、厚さｔは任意に設定可能とする。

図２に示すような配置において、ビーム中心１０ａは、光学平行平面板５ａの入射前後において、光学平行平面板５ａの傾斜角θと光学平行平面板５ａの厚さｔに応じた長さｄｘだけ平行移動する。
なお、図２においては図示を省略しているが、光学平行平面板５ｂの厚さｔ、傾斜角θ、屈折率も、光学平行平面板５ａと一致しており、ビーム中心１０ａは、光学平行平面板５ｂの入射前後において長さｄｘだけ変位する。
光学平行平面板５ａ，５ｂが基準光軸１０を回転軸として回転すると、θは維持されるため、ｄｘは一定であるが、ｄｘの方位が回転角に応じて変化する。

図３は、光学平行平面板５ａ，５ｂを透過することによるトータルの平行移動長さを説明する図である。なお、図３におけるＸ，Ｙ，Ｚ軸は、それぞれ、図１で示すＸ，Ｙ，Ｚ軸と同様である。
図３において、光学平行平面板５ａを透過したレーザービームの平行移動長さと方位をベクトル５１で示す。また、光学平行平面板５ｂを透過したレーザービームの平行移動長さと方位をベクトル５２で示す。また、平行移動長さのベクトル５１，５２のベクトル和をベクトル５３で示す。ベクトル５３は、同時に、レーザービームのトータルの平行移動長さ、方位を意味する。
図３に示すように、θａ，θｂを任意に制御することで、レーザービームのトータルの平行移動長さ、方位のベクトル５３は、独立に制御することが可能なことがわかる。

この実施の形態１では、被験レンズ１１の瞳径と波面検出部６の口径との大きさの違いに応じてθａ，θｂを制御し、当該制御した光学平行平面板５ａ，光学平行平面板５ｂの位置を初期設定位置として、初期設定位置から、光学平行平面板５ａ，光学平行平面板５ｂを同じ角度ずつ回転させ、入射されたレーザービームを、その進行方向に対して平行移動させて、波面検出部６において、被験レンズ１１の波面収差の検出を繰り返す。このようにすることで、被験レンズ１１の瞳径が波面検出部６の口径より大きい場合であっても、精度よく波面収差の検出を行うことができる。また、レーザービームのトータルの平行移動長さ、方位のベクトル５３は、独立に制御できるため、被験レンズ１１の瞳径の大きさにあわせて被験レンズ１１の全面の波面収差の検出を行うことができる。
なお、θａ，θｂの制御は、図示しない制御部が行う。

図４は、この発明の実施の形態１に係る波面収差計測装置１の光測定位置走査部４における駆動機構を説明する構成図である。
なお、図４において、図１〜３で説明したものと同様の構成については、同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図４に示すように、光測定位置走査部４は、アンギュラーベアリング２０ａ，２０ｂと、ステッピングモータ（電気モータ）２１ａ，２１ｂと、ピニオンギア２３ａ，２３ｂと、スーパーギア２４ａ，２４ｂと、光学平行平面板ホルダー２５ａ，２５ｂとを備える。
光学平行平面板５ａ，５ｂは、光学平行平面板ホルダー２５ａ，２５ｂにそれぞれ固定された後、アンギュラーベアリング２０ａ，２０ｂの回転子に装着される。
なお、アンギュラーベアリング２０ｂと、ステッピングモータ２１ｂと、ピニオンギア２３ｂと、スーパーギア２４ｂと、光学平行平面板ホルダー２５ｂとで、第一の回転駆動部を構成し、アンギュラーベアリング２０ａと、ステッピングモータ２１ａと、ピニオンギア２３ａと、スーパーギア２４ａと、光学平行平面板ホルダー２５ａとで、第二の回転駆動部を構成する。

アンギュラーベアリング２０ａ，２０ｂは、その回転軸が基準光軸１０と一致するように配置されている。ここで、一致するとは、略一致することを含む。
アンギュラーベアリング２０ａ，２０ｂの回転子には、光学平行平面板ホルダー２５ａ，２５ｂと、スーパーギア２４ａ，２４ｂが保持されており、光学平行平面板５ａ，５ｂは、回転子と伴って基準光軸１０の周りを回転する。
ピニオンギア２３ａ，２３ｂは、ステッピングモータ２１ａ，２１ｂの回転シャフトに直結しており、また、スーパーギア２４ａ，２４ｂと噛み合っている。

ここで、ステッピングモータ２１ａ，２１ｂを回転させると、ピニオンギア２３ａ，２３ｂ、スーパーギア２４ａ，２４ｂ、光学平行平面板ホルダー２５ａ，２５ｂの順に回転力が伝達され、結果として光学平行平面板５ａ，５ｂが回転する。ステッピングモータ２１ａ，２１ｂの回転を受けて光学平行平面板５ａ，５ｂを回転させるピニオンギア２３ａ，２３ｂ、スーパーギア２４ａ，２４ｂ、光学平行平面板ホルダー２５ａ，２５ｂを、ここでは、平歯車群という。
上述したように、アンギュラーベアリング２０ａ，２０ｂは、その回転軸が基準光軸１０と一致しているので、光学平行平面板５ａ，５ｂは、基準光軸１０に対して角度を維持したまま回転する。
以上により、光測定位置走査部４の動作に必要な駆動制御が可能となる。

なお、図４において、ピニオンギア２３ａとスーパーギア２４ａはアンギュラーベアリング２０ａの波面検出部６側に、ピニオンギア２３ｂとスーパーギア２４ｂはアンギュラーベアリング２０ｂの被験レンズ１１側に配置されるようにしたが、これに限らず、ピニオンギア２３ａとスーパーギア２４ａをアンギュラーベアリング２０ａの被験レンズ１１側に配置するようにしてもよいし、ピニオンギア２３ｂとスーパーギア２４ｂをアンギュラーベアリング２０ｂの波面検出部６側に配置するようにしてもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、被験レンズ１１の瞳径が波面検出部６の測定口径よりも大きくても、レーザービームを平行走査させながら被験レンズ１１の波面収差の測定を繰り返すことにより、被験レンズ１１の瞳径内における波面収差をくまなく測定することが可能となる。
また、光測定位置走査部４では、原理上レーザービームの平行移動のみが生じ、角度変位は生じないため、従来の波面収差計測装置１で必要であったオートコリメータ等の角度補償のための計測手段が不要であり、装置の小型化、低コスト化、信頼性向上が可能となる。
また、光測定位置走査部４において、平行移動長さ、方位に依存せず、光路長が一定であるため、光路長変化に伴う波面収差の変化がなく、測定精度の向上が可能となる。

なお、この発明の実施の形態１において、波面収差計測装置１は、図１で示すような構成としたが、波面収差計測装置１は、波面検出部６と、信号処理部７と、光測定位置走査部４とを備えることにより、上述したような効果が得られるものである。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 波面収差計測装置、２ 光源部、３ 無偏光ビームスプリッタ、４ 光測定位置走査部、５ａ，５ｂ 光学平行平面板、６ 波面検出部、７ 信号処理部、１０ 基準光軸、１１ 被験レンズ、１２ 球面原器、２０ａ，２０ｂ アンギュラーベアリング、２１ａ，２１ｂ ステッピングモータ、２３ａ，２３ｂ ピニオンギア、２４ａ，２４ｂ スーパーギア、２５ａ，２５ｂ 光学平行平面板ホルダー。

Claims (3)

1. 被験レンズを透過した光源からの光を集光するレンズレットアレイと、当該レンズレットアレイが集光した集光スポット像を受光して画像信号に変換する二次元撮像素子とを内蔵し、波面収差を検出する波面検出部と、前記波面検出部が出力した前記画像信号に対し信号処理を行い、前記被験レンズの前記波面収差を演算する信号処理部とを有する波面収差計測装置であって、
   前記波面検出部で検出される光波を各々透過し、厚さ、屈折率が等しく、かつ、前記波面検出部の基準光軸に対し等しい角度で傾斜する第一の光学平行平面板および第二の光学平行平面板と、前記第一の光学平行平面板と前記第二の光学平行平面板とを前記基準光軸のまわりに各々回転させる第一の回転駆動部と第二の回転駆動部とを有する光測定位置走査部
   を備えた波面収差計測装置。
2. 前記波面検出部は、
   シャックハルトマン方式の原理により前記波面収差の検出を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の波面収差計測装置。
3. 前記第一の回転駆動部および前記第二の回転駆動部は、
   各々、電気モータと、前記電気モータの回転を前記光学平行平面板の回転に変換する平歯車群と、前記波面検出部の基準光軸と回転軸が一致する回転ベアリングとを有し、
   前記第一の光学平行平面板および前記第二の光学平行平面板は、
   各々、前記回転ベアリングの回転子に装着される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の波面収差計測装置。

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