JP6391550B2 - 波面センサ及び波面処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学系で透過または反射した光束の波面を計測する技術に関する。

波面センサは、光学レンズ、光反射面または生体の眼球などの光学系で透過または反射などした光束の波面形状を計測することができる。波面センサとしては、シャックハルトマン（Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎ）型波面センサが広く使用されており、シャックハルトマン型波面センサは、たとえば、特許文献１（特表２００４−５２４０５３号公報）及び下記の非特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されているシャックハルトマン型波面センサは、ピンホールアレイまたはレンズレットアレイにより形成された複数の光スポットを検出するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）アレイと、その検出結果を示すＣＣＤ画像に基づいてそれら光スポットの重心位置を算出し、当該重心位置の基準点からのシフト量に基づいて波面形状を算出するプロセッサとを備えている。このプロセッサは、所定のプロファイルを有する空間フィルタを用いて当該ＣＣＤ画像をフィルタリングすることにより、非一様な背景ノイズが除去されたフィルタ画像を生成することができ、そのフィルタ画像に基づいて波面形状を算出している。

また、非特許文献１には、レンズレットアレイにより形成された結像画像と基準画像との相互相関を演算し、その演算結果を用いて波面形状を計測する相関シャックハルトマン波面センサ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｎｇ Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｓｅｎｓｏｒ）が開示されている。

特表２００４−５２４０５３号公報

Ｌｉｖｉｎｇ Ｒｅｖｉｅｗｓ ｉｎ Ｓｏｌａｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ８， （２０１１），２．

測定対象である被検光学系の出射光束は、理想的な光源の光だけでなく、散乱光などの迷光または外乱光を含むことがある。この場合、その迷光または外乱光といった、波面計測に不要な光（以下「不要光」という。）が波面センサの計測精度を低下させるという問題がある。上述の通り、特許文献１のシャックハルトマン型波面センサは、空間フィルタを用いてＣＣＤ画像中の非一様な背景ノイズを除去することができる。しかしながら、空間フィルタのプロファイルに適合しない想定外の不要光成分がＣＣＤ画像に含まれていると、空間フィルタを用いてその種の不要光成分の影響を排除することが難しい。

また、非特許文献１の相関シャックハルトマン波面センサでは、レンズレットアレイにより形成された結像画像に不要光成分が含まれていると、当該結像画像と基準画像との間の相互相関に基づいて波面が計測されるため、不要光成分の影響を排除することが難しい。

上記に鑑みて本発明の目的は、迷光または外乱光などの不要光が入射光束に含まれる場合でも、不要光成分の影響を効率良く排除することができる波面センサ及び波面処理方法を提供する点にある。

本発明の一態様による波面センサは、入射された光の波面を空間的に分割して複数のスポット光学像を形成するレンズレットアレイと、前記複数のスポット光学像を撮像する撮像部と、前記レンズレットアレイへの入射光の光路に既知の光学収差量が付与される既知収差状態と当該光路に前記既知の光学収差量が付与されない無収差状態とを発生させる既知収差発生部と、前記レンズレットアレイに入射された基準波面について、前記無収差状態のときに前記撮像部から出力された第１の基準波面画像の画像成分と前記既知収差状態のときに前記撮像部から出力された第２の基準波面画像の画像成分との比較結果を示す基準データが記憶されているデータ記憶部と、前記レンズレットアレイに入射された被測定波面について、前記無収差状態のときに前記撮像部から出力された第１の波面画像の画像成分と前記既知収差状態のときに前記撮像部から出力された第２の波面画像の画像成分との比較結果を示す比較データを算出し、当該比較データと前記基準データとの比較結果に応じた補正量で前記第１の波面画像の当該画像成分を補正し、更にその補正結果を示す特徴量データを出力する特徴量抽出部と、前記特徴量データを用いて前記被測定波面の計測誤差を推定する波面計測部とを備えることを特徴とする。

本発明の他の態様による波面処理方法は、入射された光の波面を空間的に分割して複数のスポット光学像を形成するレンズレットアレイと、前記複数のスポット光学像を撮像する撮像部と、前記レンズレットアレイへの入射光の光路に既知の光学収差量が付与される既知収差状態と当該光路に前記既知の光学収差量が付与されない無収差状態とを発生させる既知収差発生部と、前記レンズレットアレイに入射された基準波面について前記無収差状態のときに前記撮像部から出力された第１の基準波面画像の画像成分と前記既知収差状態のときに前記撮像部から出力された第２の基準波面画像の画像成分との比較結果を示す基準データが記憶されているデータ記憶部とを備えた波面センサにおいて実行される波面処理方法であって、前記レンズレットアレイに入射された被測定波面について、前記無収差状態のときに前記撮像部から出力された第１の波面画像の画像成分と前記既知収差状態のときに前記撮像部から出力された第２の波面画像の画像成分との比較結果を示す比較データを算出するステップと、当該比較データと前記基準データとの比較結果に応じた補正量で前記第１の波面画像の当該画像成分を補正し、その補正結果を示す特徴量データを出力するステップと、前記特徴量データを用いて前記被測定波面の計測誤差を推定するステップとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、迷光または外乱光などの不要光が入射光束に含まれる場合でも、不要光成分の影響を効率良く排除することができる。したがって、信頼性の高い計測誤差を算出することができる。

本発明に係る実施の形態１の波面センサの概略構成を示す図である。 レンズレットアレイの概略図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、基準波面測定モード時に取得された基準波面画像の例を示す図である。 図３Ａ及び図３Ｂにそれぞれ示した基準波面画像を重ね合わせて得られる合成画像を示す図である。 実施の形態１に係る基準波面測定の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図６Ａ及び図６Ｂは、被測定波面処理モード時に取得された画像の例を示す図である。 図６Ａ及び図６Ｂにそれぞれ示した撮像画像を重ね合わせて得られる合成画像を示す図である。 被測定波面処理の手順の一例を示すフローチャートである。 図９Ａ及び図９Ｂは、特徴量算出方法の方法を説明するための図である。 図１０Ａ〜図１０Ｃは、特徴量算出方法の方法を説明するための図である。 実施の形態１の波面処理部のハードウェア構成例を示すブロック図である。 実施の形態１の波面処理部の他のハードウェア構成例を示すブロック図である。 本発明に係る実施の形態２の波面センサの概略構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態３の波面センサの概略構成を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。なお、図面全体において同一符号を付された構成要素は、同一構成及び同一機能を有するものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１の波面センサ１の概略構成を示す図である。この波面センサ１は、光源ＬＳから被検光学系ＯＪＴを介して伝搬した光束を受光するように配置されている。光源ＬＳの出射光束は、被検光学系ＯＪＴで透過もしくは反射、または透過及び反射の双方をした後に波面センサ１に入射される。図１に示されるように、本実施の形態の波面センサ１は、可変絞り機構１０、既知収差発生部１１、コリメータレンズ１２、レンズレットアレイ１３、撮像部２０及び波面処理部２５を備える。

可変絞り機構１０は、波面センサ１に入射された光束が通過する開口部を有している。この可変絞り機構１０は、波面処理部２５からの絞り制御信号Ｃａに応じて開口部の大きさを変更することができる。この可変絞り機構１０は、後述するように、波面収差の無い球面波を出力するピンホール部を形成するために使用される。なお、可変絞り機構１０に代えて、スライド機構付きのピンホール板を使用してもよい。

既知収差発生部１１は、波面処理部２５からの収差制御信号Ｃｎに応じて、可変絞り機構１０とコリメータレンズ１２との間の光路に既知の光学収差量（以下「既知収差量」という。）が付与される既知収差状態と、この光路に光学収差が付与されない無収差状態とを選択的に発生させるモジュールである。既知収差発生部１１は、たとえば、光軸方向またはこれに垂直な方向に移動自在な光学レンズ（図示せず）と、この光学レンズを駆動する電動ステージまたはアクチュエータ（図示せず）とを用いて構成されればよい。この光学レンズを光軸方向に垂直な方向に変位させることでコマ収差または非点収差を発生させることができる。また、この光学レンズを光軸方向に沿って変位させることでデフォーカス状態による光学収差を発生させることも可能である。この構成により、既知収差状態と無収差状態との間を切り替えることができる。なお、後述する実施の形態３の既知収差発生部５０（図１４）を用いて既知収差発生部１１の構成を実現してもよい。

コリメータレンズ１２は、入射光を平行光に変換してレンズレットアレイ１３に入射させる。レンズレットアレイ１３は、光軸に垂直な方向に２次元配列された多数のマイクロレンズ（レンズレットとも呼ばれる。）で構成されている。図２は、光軸方向から視たときのレンズレットアレイ１３の一例を示す図である。レンズレットアレイ１３は、多数のマイクロレンズＬ_１，Ｌ_２，…，Ｌ_ｉ，…の配列からなり、入射された光学像を空間的に分割して撮像部２０の撮像面に複数のスポット光学像（以下「スポット像」ともいう。）を形成する機能を有している。

撮像部２０は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサなどの撮像素子２１と、撮像素子２１の出力信号に信号処理を施して画像信号ＩＳを出力する信号処理部２２とで構成されている。この撮像部２０は、撮像素子２１の撮像面上に形成された複数のスポット光学像を撮像することができる。

波面処理部２５は、図１に示されるように、特徴量抽出部３１、画像比較部３２、画像変位検出部３３、波面演算部３４、誤差推定部３５、動作制御部３６及びデータ記憶部３７を備えて構成されている。この波面処理部２５の構成のうち、画像比較部３２、画像変位検出部３３、波面演算部３４及び誤差推定部３５によって、被測定波面の収差を計測し且つ被測定波面の計測誤差を推定する波面計測部が構成され得る。

動作制御部３６は、絞り制御信号Ｃａを可変絞り機構１０に供給して可変絞り機構１０の絞りを制御することができ、収差制御信号Ｃｎを既知収差発生部１１に供給して上記した既知収差状態及び無収差状態を選択的に発生させることができる。また、動作制御部３６は、動作モード制御信号Ｓｗを特徴量抽出部３１、画像比較部３２、画像変位検出部３３及び波面演算部３４に供給することにより、波面処理部２５の動作モードを基準波面処理モード及び被測定波面処理モードのうちの一方から他方へ切り替えることができる。基準波面処理モード時には、動作制御部３６は、絞り制御信号Ｃａにより可変絞り機構１０の開口部をピンホールにする。これにより、可変絞り機構１０は、波面収差の無い基準波面を有する球面波を既知収差発生部１１に出射することができる。

また、基準波面処理モード時には、動作制御部３６は、絞り制御信号Ｃａの供給により可変絞り機構１０に基準波面を発生させる。また、動作制御部３６は、収差制御信号Ｃｎの供給により既知収差発生部１１に無収差状態と既知収差状態とを順次発生させる。図１に示される画像変位検出部３３は、基準波面処理モード時に動作する画像変位検出部３３Ｒを有している。この基準変位検出部３３Ｒは、基準波面について、無収差状態のときの撮像部２０の出力画像（以下「第１の基準波面画像」）ＩＭＧ１の画像成分と既知収差状態のときの撮像部２０の出力画像（以下「第２の基準波面画像」）ＩＭＧ２の画像成分とを互いに比較し、その比較結果を示す基準データを算出する。たとえば、第１の基準波面画像ＩＭＧ１に対する第２の基準波面画像ＩＭＧ２の局所変位量Δ_ｉ（ｉは、マイクロレンズＬ_ｉに対応する局所領域画像の番号である。）を基準データとして算出すればよい。

図３Ａ及び図３Ｂは、基準波面処理モード時における第１の基準波面画像ＩＭＧ１及び第２の基準波面画像ＩＭＧ２の例を模式的に示す図である。図３Ａに示される第１の基準波面画像ＩＭＧ１では、複数のスポット像の中心（重心位置）が記号「＋」で示されており、図３Ｂに示される第２の基準波面画像ＩＭＧ２では、既知収差により局所的に変位した複数のスポット像の中心（重心位置）が記号「×」で示されている。図４Ａは、図３Ａ及び図３Ｂに示した第１及び第２の基準波面画像ＩＭＧ１，ＩＭＧ２を互いに重畳して得られる合成画像ＩＭＧ３を示す図であり、図４Ｂは、ｉ番目のマイクロレンズＬ_ｉにより形成された２個のスポット像を有する局所領域画像ｓ_ｉを示す図である。

図４Ｂの例に示されるように、基準変位検出部３３Ｒは、次式（１）によりベクトル量である局所変位量Δ_ｉを算出することができる。

ここで、Δｘ_ｉは、水平画素方向の変位量を示し、Δｙ_ｉは、垂直画素方向の変位量を示している。局所変位量Δ_ｉは、第１の基準波面画像ＩＭＧ１の各スポット像の中心を原点とする局所的な座標値で特定される量である。局所変位量Δ_ｉのデータＴｄ（以下、「基準データＴｄ」ともいう。）は、データ記憶部３７に格納される。

また、図１に示される波面演算部３４は、基準波面処理モード時に動作する既知収差量演算部３４Ｎを有している。この既知収差量演算部３４Ｎは、局所変位量Δ_ｉを基準波面の局所勾配に相当するものとして、既知収差量ΔＷ（Ｘ，Ｙ）を算出することができる。ここで、Ｘ，Ｙは、撮像部２０の出力画像全体における座標位置を指定する値であり、Ｘは、水平画素方向における座標値を、Ｙは、垂直画素方向における座標値をそれぞれ示している。

具体的には、次式（２）に基づいて基準波面の局所勾配を求めることができる。

ここで、ｆ_ＬＡは、レンズレットアレイ１３の各マイクロレンズの焦点距離である。

そして、既知収差量演算部３４Ｎは、式（２）により得られた局所勾配を、公知のゼルニケ多項式（Ｚｅｒｎｉｋｅ ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ）などの関数でフィッティングすることにより、既知収差量ΔＷ（Ｘ，Ｙ）を算出することができる。このフィッティングは、たとえば公知の最小自乗法を用いて実行可能である。既知収差量ΔＷ（Ｘ，Ｙ）のデータＴｗは、データ記憶部３７に格納される。

図５は、基準波面処理の手順の一例を概略的に示す図である。図５に示されるように、動作制御部３６は、絞り制御信号Ｃａを可変絞り機構１０に供給して基準波面を発生させる（ステップＳＴ１）。次いで、動作制御部３６は、収差制御信号Ｃｎを既知収差発生部１１に供給して既知収差をゼロにする（ステップＳＴ２）。そして、画像変位検出部３３は、撮像部２０の出力画像ＩＳをサンプリングすることで第１の基準波面画像ＩＭＧ１を取得する（ステップＳＴ３）。その後、動作制御部３６は、収差制御信号Ｃｎを既知収差発生部１１に供給して既知収差を発生させる（ステップＳＴ４）。そして、画像変位検出部３３は、撮像部２０の出力画像ＩＳをサンプリングすることで第２の基準波面画像ＩＭＧ２を取得する（ステップＳＴ５）。

次に、基準変位検出部３３Ｒは、上述したように、第１及び第２の基準波面画像ＩＭＧ１，ＩＭＧ２間の局所変位量Δ_ｉを算出し（ステップＳＴ６）、これら局所変位量Δ_ｉを示す基準データＴｄをメモリすなわちデータ記憶部３７に記録する（ステップＳＴ７）。その後、既知収差量演算部３４Ｎは、上述したように、局所変位量Δ_ｉに基づいて既知収差量ΔＷ（Ｘ，Ｙ）を算出し（ステップＳＴ８）、これら既知収差量ΔＷ（Ｘ，Ｙ）を示すデータＴｗをメモリすなわちデータ記憶部３７に記録する（ステップＳＴ９）。

次に、被測定波面処理モードについて説明する。このとき、動作制御部３６は、絞り制御信号Ｃａにより可変絞り機構１０の開口部を開放する。これにより、可変絞り機構１０は、被検光学系ＯＪＴで生じた被測定波面を有する光束を既知収差発生部１１に出射する。

また、被測定波面処理モード時には、動作制御部３６は、収差制御信号Ｃｎの供給により既知収差発生部１１に無収差状態と既知収差状態とを順次発生させる。図６Ａ及び図６Ｂは、無収差状態のときの撮像部２０の出力画像（以下「第１の波面画像」）ＩＭＧ４と既知収差状態のときの撮像部２０の出力画像（以下「第２の波面画像」）ＩＭＧ５とを例示する図である。図６Ａに示される第１の波面画像ＩＭＧ４では、複数のスポット像の中心（重心位置）が記号「○」で示されており、図６Ｂに示される第２の波面画像ＩＭＧ５では、既知収差により局所的に変位した複数のスポット像の中心（重心位置）が記号「△」で示されている。図７は、図６Ａ及び図６Ｂに示した第１及び第２の波面画像ＩＭＧ４，ＩＭＧ５を互いに重畳して得られる合成画像ＩＭＧ６を示す図である。

図１に示される画像比較部３２は、被測定波面処理モード時に動作する第１画像比較部３２Ａ及び第２画像比較部３２Ｂを有し、画像変位検出部３３は、被測定波面処理モード時に動作する第１変位検出部３３Ａ及び第２変位検出部３３Ｂを有している。また、波面演算部３４は、被測定波面処理モード時に動作する第１相対波面演算部３４Ａ、第２相対波面演算部３４Ｂ及び被測定波面演算部３４Ｃを有する。誤差推定部３５も、被測定波面処理モード時に動作する。

以下、図８を参照しつつ、被測定波面処理について説明する。図８は、被測定波面処理の手順の一例を示す図である。

図８を参照すると、動作制御部３６は、収差制御信号Ｃｎを既知収差発生部１１に供給して既知収差をゼロにする（ステップＳＴ１１）。次に、特徴量抽出部３１は、撮像部２０の出力画像ＩＳをサンプリングすることで第１の波面画像ＩＭＧ４を取得する（ステップＳＴ１２）。その後、動作制御部３６は、収差制御信号Ｃｎを既知収差発生部１１に供給して既知収差を発生させる（ステップＳＴ１３）。次に、特徴量抽出部３１は、撮像部２０の出力画像ＩＳをサンプリングすることで第２の波面画像ＩＭＧ５を取得する（ステップＳＴ１４）。ここで、第１の波面画像ＩＭＧ４及び第２の波面画像ＩＭＧ５は、第１画像比較部３２Ａ及び第２画像比較部３２Ｂの処理でも使用されるため、画像メモリ（図示せず）に格納される。

その後、特徴量抽出部３１は、第１の波面画像ＩＭＧ４及び第２の波面画像ＩＭＧ５に基づいて第１の波面画像ＩＭＧ４の特徴量（光源ＬＳの特徴量も含む。）を検出し（ステップＳＴ１５）、その特徴量のデータＴｃをメモリすなわちデータ記憶部３７に記録する（ステップＳＴ１６）。

以下、特徴量算出方法の例について説明する。この例においては、特徴量抽出部３１は、先ず、第１の波面画像ＩＭＧ４の画像成分と第２の波面画像ＩＭＧ５の画像成分とを互いに比較し、その比較結果を示す比較データを算出する。画像成分の一種である位相成分に着目すれば、特徴量抽出部３１は、第１の波面画像ＩＭＧ４の位相成分と第２の波面画像ＩＭＧ５の位相成分との間の差分を比較データとして算出することができる。次に、特徴量抽出部３１は、そのような比較データを基準データＴｄと比較し、その比較結果に応じた補正量で第１の波面画像ＩＭＧ４の画像成分を補正し、その補正結果を特徴量として出力することができる。これにより、後述するように第１の波面画像ＩＭＧ４の不要光成分を低減させることが可能となる。

今、無収差状態での第１の波面画像ＩＭＧ４におけるｉ番目のマイクロレンズＬ_ｉに対応する局所領域画像をｓ_ｉ，ａ（ｘ，ｙ）とし、既知収差状態での第２の波面画像ＩＭＧ５におけるｉ番目のマイクロレンズＬ_ｉに対応する局所領域画像をｓ_ｉ，ｂ（ｘ，ｙ）とする。特徴量抽出部３１は、次式（３）に示されるように、局所領域画像ｓ_ｉ，ａ（ｘ，ｙ）に離散フーリエ変換Ｆを施すことで、空間周波数成分Ｓ_ｉ，ａ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）を得る。

ここで、Ｗ_Ｎ，Ｗ_Ｍは、次式（４）で定義される。

また、特徴量抽出部３１は、次式（５）に示されるように、局所領域画像ｓ_ｉ，ｂ（ｘ，ｙ）に離散フーリエ変換Ｆを施すことで、空間周波数成分Ｓ_ｉ，ｂ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）を得る。

特徴量抽出部３１は、上式（３），（５）に現れる位相成分の差θ_ｉ，ａ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）−θ_ｉ，ｂ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）を比較データとして算出し、上記基準データＴｄ（局所変位量Δ_ｉ）と比較することができる。具体的には、特徴量抽出部３１は、次式（６）の位相差パラメータΔθ_ｉ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）に基づいてその比較を行うことが可能である。

不要光が発生しない理想的な状況では、位相差パラメータΔθ_ｉ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）の値は略ゼロになる。ところで、上式（３），（５）に現れる強度成分同士の比較は、次式（７）の強度残差パラメータΔＡ_ｉ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）で与えられる。

ここで、ｇ_ｉ，ａ、ｇ_ｉ，ｂは、オフセット成分Ａ_ｉ，ａ（０，０）、Ａ_ｉ，ｂ（０，０）をゼロにし、オフセット成分以外の強度成分が同等の大きさとなるように調整された一様なゲインである。また不要光が発生しない理想的な状況では、強度残差パラメータΔＡ_ｉ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）の値が略ゼロとなるように、ゲインｇ_ｉ，ａ、ｇ_ｉ，ｂの値が調整されている。

次式（８）に示されるように、位相差パラメータΔθ_ｉ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）と強度残差パラメータΔＡ_ｉ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）とを独立変数とする重みＤ_ｉ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）を定めることができる。

また、次式（９），（１０）に示されるように、重みＤ_ｉ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）及びゲインｇ_ｉ，ａを用いて、第１の波面画像ＩＭＧ４の空間周波数成分Ｓ_ｉ，ａ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）を補正して空間周波数成分Ｐ_ｉ，ａ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）を算出することができる。

特徴量抽出部３１は、この補正された空間周波数成分Ｐ_ｉ，ａ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）を特徴量として算出することができる。重みＤ_ｉ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）は、位相差パラメータΔθ_ｉ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）の絶対値が大きいほど小さい値となり、且つ、強度残差パラメータΔＡ_ｉ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）の絶対値が大きいほど小さい値となるように設定される。不要光成分が大きいほど、位相差パラメータΔθ_ｉ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）が大きくなり、あるいは、不要光成分が大きいほど、強度残差パラメータΔＡ_ｉ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）が大きくなると考えられるため、式（１０）に示した空間周波数成分Ｐ_ｉ，ａ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）は、不要光成分が低減された第１の波面画像（以下「補正波面画像」という。）の空間周波数成分と考えることができる。

次に、図８を参照すると、上記ステップＳＴ１６の後は、図１の第１画像比較部３２Ａ及び第１変位検出部３３Ａは、特徴量データＴｃに基づいて第１の波面画像ＩＭＧ４の局所変位量Δ_ｐ，ａ（ｐ＝１，２，３，…）を検出し（ステップＳＴ１７）、第２画像比較部３２Ｂ及び第２変位検出部３３Ｂは、特徴量データＴｃに基づいて第２の波面画像ＩＭＧ５の局所変位量Δ_ｐ，ｂ（ｐ＝１，２，３，…）を検出する（ステップＳＴ１８）。

具体的には、第１画像比較部３２Ａは、画像メモリ（図示せず）から第１の波面画像ＩＭＧ４を読み出し、上記特徴量データＴｃと第１の波面画像ＩＭＧ４の画像成分とを互いに比較する。第１変位検出部３３Ａは、その比較結果に基づいて第１の波面画像ＩＭＧ４の局所変位量Δ_ｐ，ａを算出することができる（ステップＳＴ１７）。第２画像比較部３２Ｂも、画像メモリ（図示せず）から第２の波面画像ＩＭＧ５を読み出し、上記特徴量データＴｃと第２の波面画像ＩＭＧ５の画像成分とを互いに比較する。第２変位検出部３３Ｂは、その比較結果に基づいて第２の波面画像ＩＭＧ５の局所変位量Δ_ｐ，ｂを算出することができる（ステップＳＴ１８）。

より具体的に説明すると、第１画像比較部３２Ａは、次式（１１）に示されるように補正波面画像の空間周波数成分である特徴量Ｐ_ｉ，ａ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）と、第１の波面画像ＩＭＧ４のｐ番目の局所領域画像ｓ_ｐ，ａの空間周波数成分Ｋ_ｉ，ａ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）との相互相関値、すなわち相互パワースペクトルＲ_ｐ，ａ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）を算出することができる。

ここで、ｉは、特定の番号であり、ｐは、全ての局所領域画像の番号（＝１，２，３，…）をとり得るものとする。また、第１画像比較部３２Ａは、次式（１２）に示されるように、相互パワースペクトルＲ_ｐ，ａ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）に逆離散フーリエ変換Ｆ^−１を施すことで、相関関数ｒ_ｐ，ａ（ｘ，ｙ）を算出することができる。

相関関数ｒ_ｐ，ａ（ｘ，ｙ）のピーク位置は、補正波面画像に対する第１の波面画像ＩＭＧ４の局所変位量Δ_ｐ，ａを示すので、第１変位検出部３３Ａは、相関関数ｒ_ｐ，ａ（ｘ，ｙ）のピーク位置に基づいて次式（１３）の局所変位量Δ_ｐ，ａを算出することができる（ステップＳＴ１７）。

なお、式（１１）に代えて、位相成分のみを用いる次式（１４）を使用してもよい。

同様に、第２画像比較部３２Ｂは、次式（１５）に示されるように補正波面画像の空間周波数成分である特徴量Ｐ_ｉ，ａ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）と、第２の波面画像ＩＭＧ５のｐ番目の局所領域画像ｓ_ｐ，ｂの空間周波数成分Ｋ_ｉ，ｂ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）との相互相関値、すなわち相互パワースペクトルＲ_ｐ，ｂ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）を算出することができる。

ここでも、ｉは、特定の番号であり、ｐは、全ての局所領域画像の番号（＝１，２，３，…）をとり得るものとする。また、第２画像比較部３２Ｂは、次式（１６）に示されるように、相互パワースペクトルＲ_ｐ，ｂ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）に逆離散フーリエ変換Ｆ^−１を施すことで、相関関数ｒ_ｐ，ｂ（ｘ，ｙ）を算出することができる。

第２変位検出部３３Ｂは、相関関数ｒ_ｐ，ｂ（ｘ，ｙ）のピーク位置に基づいて次式（１７）の局所変位量Δ_ｐ，ｂを算出することが可能である（ステップＳＴ１８）。

なお、式（１５）に代えて、位相成分のみを用いる次式（１８）を使用してもよい。

上記ステップＳＴ１８の後は、被測定波面演算部３４Ｃは、被検光学系ＯＪＴの波面収差を算出する（ステップＳＴ１９）。すなわち、被測定波面演算部３４Ｃは、前記第１の波面画像の局所変位量Δ_ｐ，ａに基づいて被測定波面の収差量Ｗ（Ｘ，Ｙ）を計測し、その計測データＷＦを出力する。

具体的には、被測定波面演算部３４Ｃは、第１の波面画像ＩＭＧ４の局所変位量Δ_ｐ，ａ（ｐ＝１，２，３，…）のうち当該第１の波面画像ＩＭＧ４の画像中心位置における局所変位量Δ_κ，ａ（ｐ＝κ）に着目し、次式（１９）に示されるように、この局所変位量Δ_κ，ａで、当該第１の波面画像ＩＭＧ４の全ての局所変位量Δ_ｐ，ａをオフセットすることで、局所変位量Δ_ｐ，ｃを算出することができる。

次いで、被測定波面演算部３４Ｃは、次式（２０）に基づいて被測定波面の局所勾配を求めることができる。

そして、被測定波面演算部３４Ｃは、式（２０）により得られた局所勾配を、公知のゼルニケ多項式などの関数でフィッティングすることにより、波面収差量Ｗ（Ｘ，Ｙ）を算出することができる（ステップＳＴ１９）。

ステップＳＴ１９の後は、第１相対波面演算部３４Ａは、次式（２１）に基づいて第１の波面画像ＩＭＧ４の局所勾配を求め、これら局所勾配を公知のゼルニケ多項式などの関数でフィッティングすることにより、相対波面分布Ｗ_ａ（Ｘ，Ｙ）を算出する（ステップＳＴ２０）。

また、第２相対波面演算部３４Ｂは、次式（２２）に基づいて第２の波面画像ＩＭＧ５の局所勾配を求め、これら局所勾配を公知のゼルニケ多項式などの関数でフィッティングすることにより、相対波面分布Ｗ_ｂ（Ｘ，Ｙ）を算出する（ステップＳＴ２１）。

そして、誤差推定部３５は、次式（２３）により、被測定波面の計測誤差Ｅｒ（Ｘ，Ｙ）を算出し、そのデータＥｒを出力する（ステップＳＴ２２）。以上で、被測定波面処理は完了する。

計測誤差Ｅｒ（Ｘ，Ｙ）からは、波面精度に関する様々な情報を得ることができる。たとえば、波面収差量Ｗ（Ｘ，Ｙ）のＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ：二乗平均平方根）の誤差を、計測誤差Ｅｒ（Ｘ，Ｙ）のＲＭＳ値で推定することができる。このＲＭＳ値は、計測誤差Ｅｒ（Ｘ，Ｙ）を二乗して得られる値の平均の平方根である。また、計測誤差Ｅｒ（Ｘ，Ｙ）のＲＭＳ値を２^１／２で除算することで不偏推定量という統計量を得ることができる。更に、上述の通り、既知収差量ΔＷ（Ｘ，Ｙ）と相対波面分布Ｗ_ａ（Ｘ，Ｙ），Ｗ_ｂ（Ｘ，Ｙ）とは、それぞれゼルニケ多項式展開で表現され得ることから、計測誤差Ｅｒ（Ｘ，Ｙ）もゼルニケ多項式展開で表現することができる。このため、計測誤差Ｅｒ（Ｘ，Ｙ）を表現するゼルニケ多項式の各次数の項から、特定の波面収差成分（たとえば、非点収差成分またはコマ収差成分）の計測誤差を得ることが可能である。

なお、上記ステップＳＴ１１，ＳＴ１２の組とステップＳＴ１３，ＳＴ１４の組とは、この順番で実行される必要はなく、逆の順番であるいは同時並行に実行されてもよい。また、上記ステップＳＴ１７，ＳＴ１８も、この順番で実行される必要はなく、逆の順番であるいは同時並行に実行されてよい。更に、上記ステップＳＴ２０，ＳＴ２１も、この順番で実行される必要はなく、逆の順番であるいは同時並行に実行されてよい。

ところで、上記ステップＳＴ１５での特徴量算出処理を別の方法で行い、この方法で得られた特徴量を用いて、上記ステップＳＴ１７，ＳＴ１８の方法とは異なる方法で局所変位量Δ_ｐ，ａ，Δ_ｐ，ｂの算出を行うことも可能である。以下、この方法について説明する。

特徴量抽出部３１は、無収差状態で得た第１の波面画像ＩＭＧ４の局所領域画像ｓ_ｉ，ａから、基準値以上の明るさ（輝度）を持つ画像成分を有するスポット領域ＰＡ_１，…，ＰＡ_Ｋ（Ｋは正整数）を抽出し、これらスポット領域ＰＡ_１，…，ＰＡ_Ｋにそれぞれ識別番号を付ける。次に、特徴量抽出部３１は、これらスポット領域ＰＡ_１，…，ＰＡ_Ｋの光量分布に基づいてそれぞれの対応する重心座標を算出する。同様に、特徴量抽出部３１は、既知収差状態で得た第２の波面画像ＩＭＧ５の局所領域画像ｓ_ｉ，ｂから、基準値以上の明るさ（輝度）を持つ画像成分を有するスポット領域ＰＢ_１，…，ＰＢ_Ｑ（Ｑは正整数）を抽出し、これらスポット領域ＰＢ_１，…，ＰＢ_Ｑにそれぞれ識別番号を付ける。次に、特徴量抽出部３１は、これらスポット領域ＰＢ_１，…，ＰＢ_Ｑの光量分布に基づいてそれぞれの対応する重心座標を算出する。
図９Ａ及び図９Ｂは、第１の波面画像ＩＭＧ４の局所領域画像ｓ_ｉ，ａ内のスポット領域ＰＡ_１〜ＰＡ_４の例、及び、第２の波面画像ＩＭＧ５の局所領域画像ｓ_ｉ，ｂ内のスポット領域ＰＢ_１〜ＰＢ_５の例をそれぞれ示す図である。図９Ａに示されるスポット領域ＰＡ_１〜ＰＡ_４は、図１の光源ＬＳをなす複数の点光源のスポット像を表すスポット領域と、不要光を表す偽のスポット領域とが混在したものである。図９Ｂに示されるスポット領域ＰＢ_１〜ＰＢ_５も同様である。

次に、特徴量抽出部３１は、局所領域画像ｓ_ｉ，ａ内のスポット領域ＰＡ_１，…，ＰＡ_Ｋと局所領域画像ｓ_ｉ，ｂ内のスポット領域ＰＢ_１，…，ＰＢ_Ｑとを互いに比較し、その比較結果を示す差分ベクトルを比較データとして算出する。具体的には、特徴量抽出部３１は、第１の波面画像ＩＭＧ４と第２の波面画像ＩＭＧ５との間で重心座標が一致または近接するスポット領域同士を関連付け、これら関連付けられたスポット領域の重心座標間の差分ベクトルを算出する。今、局所領域画像ｓ_ｉ，ａ内のスポット領域ＰＡ_ｕに対する局所領域画像ｓ_ｉ，ｂ内のスポット領域ＰＢ_ｖの差分ベクトルをδ_ｉ（ｕ，ｖ）で表すとき、この差分ベクトルδ_ｉ（ｕ，ｖ）は次式で与えられる。
δ_ｉ（ｕ，ｖ）＝（ｘ_ｖ−ｘ_ｕ，ｙ_ｖ−ｙ_ｕ）

ここで、（ｘ_ｕ，ｙ_ｕ）は、ｕ番目のスポット領域ＰＡ_ｕの重心座標を表し、（ｘ_ｖ，ｙ_ｖ）は、ｖ番目のスポット領域ＰＢ_ｖの重心座標を表している。

次に、特徴量抽出部３１は、上記差分ベクトルδ_ｉ（ｕ，ｖ）を上記基準データＴｄ（局所変位量Δ_ｉ）と比較し、上記差分ベクトルδ_ｉ（ｕ，ｖ）の中から、ベクトル空間内で局所変位量Δ_ｉと一致または近接する差分ベクトルを選択する。具体的には、特徴量抽出部３１は、差分ベクトルδ_ｉ（ｕ，ｖ）と局所変位量Δ_ｉとの間の差分の大きさが一定範囲内にある差分ベクトルのみを選択することができる。更に、特徴量抽出部３１は、局所領域画像ｓ_ｉ，ａ内のスポット領域ＰＡ_１，…，ＰＡ_Ｋの中から、当該選択された差分ベクトルを構成しないスポット領域を除外する。
図１０Ａは、図９Ａの局所領域画像ｓ_ｉ，ａからスポット領域の一部を除外して得られる局所領域画像ｚ_ｉ，ａの一例を示す図である。図１０Ａの局所領域画像ｚ_ｉ，ａでは、図９Ａのスポット領域ＰＡ_４は、不要光を表す偽のスポット領域であるとして除外されている。よって、局所領域画像ｚ_ｉ，ａは、図９Ａの局所領域画像ｓ_ｉ，ａ中の不要光成分を低減させたものとみることができる。

次に、特徴量抽出部３１は、不要光成分が低減された局所領域画像ｚ_ｉ，ａの中のスポット領域間の相対位置ベクトルを特徴量として算出する。局所領域画像ｚ_ｉ，ａ内の任意のスポット領域ＰＡ_ｔ，ＰＡ_ｕ間の相対位置ベクトルＶ_ｉ，ａ（ｔ，ｕ）は、次式で与えられる。
Ｖ_ｉ，ａ（ｔ，ｕ）＝（ｘ_ｕ−ｘ_ｔ，ｙ_ｕ−ｙ_ｔ）

そして、特徴量抽出部３１は、相対位置ベクトルＶ_ｉ，ａ（ｔ，ｕ）を示す特徴量データＴｃをデータ記憶部３７に記録する。図１０Ａの例では、３つの相対位置ベクトルＶ_ｉ，ａ（１，２），Ｖ_ｉ，ａ（２，３），Ｖ_ｉ，ａ（１，３）が特徴量として算出される。このような相対位置ベクトルＶ_ｉ（ｔ，ｕ）は、光源ＬＳをなす単数または複数の光源の特徴を表すものであり、第１の波面画像ＩＭＧ４を構成する全ての局所領域画像ｓ_１，ａ，ｓ_２，ａ，…において共通の特徴量とみなすことができる。よって、相対位置ベクトルＶ_ｉ（ｔ，ｕ）は、第１の波面画像ＩＭＧ４を構成する局所領域画像ｓ_１，ａ，ｓ_２，ａ，…のうちの特定の１つの局所領域画像ｓ_ｉ，ａについて算出されていればよい。

その後、第１画像比較部３２Ａは、特徴量データＴｃと、他の局所領域画像ｓ_ｐ，ａ（ｐ≠ｉ）内のスポット領域間の相対位置ベクトルとを互いに比較し、第１変位検出部３３Ａは、その比較結果に基づいて第１の波面画像ＩＭＧ４の局所変位量Δ_ｐ，ａ（ｐ＝１，２，３，…）を検出する。同様に、第２画像比較部３２Ｂは、特徴量データＴｃと、局所領域画像ｓ_ｐ，ｂ（ｐ＝１，２，３，…）内のスポット領域間の相対位置ベクトルとを互いに比較し、第２変位検出部３３Ｂは、その比較結果に基づいて第２の波面画像ＩＭＧ５の局所変位量Δ_ｐ，ｂ（ｐ＝１，２，３，…）を検出する。

具体的には、第１画像比較部３２Ａは、他の局所領域画像ｓ_ｐ，ａ（ｐ≠ｉ）のスポット領域間の相対位置ベクトルＶ_ｐ，ａ（ｔ，ｕ）を算出し、当該相対位置ベクトルＶ_ｐ，ａ（ｔ，ｕ）のうち、ベクトル空間内で特徴量データＴｃと一致または近接する相対位置ベクトルのみを選択してその選択結果を第１変位検出部３３Ａに通知する。第１画像比較部３２Ａは、相対位置ベクトルＶ_ｐ，ａ（ｔ，ｕ）と特徴量データＴｃとの間の差分の大きさが一定範囲内にある相対位置ベクトルのみを選択することができる。第１変位検出部３３Ａは、当該他の局所領域画像ｓ_ｐ，ａ（ｐ≠ｉ）内のスポット領域のうち、当該選択された相対位置ベクトルを構成するスポット領域のみを選択する。そして、第１変位検出部３３Ａは、局所領域画像ｚ_ｉ，ａ内のスポット領域の重心の平均座標に対する、当該他の局所領域画像ｓ_ｐ，ａ（ｐ≠ｉ）内の選択されたスポット領域の重心の平均座標の相対位置を局所変位量Δ_ｐ，ａ（ｐ＝１，２，３，…）として算出することができる。
図１０Ｂは、当該他の局所領域画像ｓ_ｐ，ａ内のスポット領域ＰＰ_１〜ＰＰ_４の例を示す図である。この場合、スポット領域ＰＰ_４は、不要光を表すものとして選択されない。よって、第１変位検出部３３Ａは、図１０Ａのスポット領域ＰＡ_１〜ＰＡ_３の重心の平均座標に対する、図１０Ｂのスポット領域ＰＰ_１〜ＰＰ_３の重心の平均座標の相対位置を局所変位量Δ_ｐ，ａとして算出する。

同様に、第２画像比較部３２Ｂは、第２の波面画像ＩＭＧ５の局所領域画像ｓ_ｐ，ｂ（ｐ＝１，２，３，…）のスポット領域間の相対位置ベクトルＶ_ｐ，ｂ（ｔ，ｕ）を算出し、当該相対位置ベクトルＶ_ｐ，ｂ（ｔ，ｕ）のうち、ベクトル空間内で特徴量データＴｃと一致または近接する相対位置ベクトルのみを選択してその選択結果を第２変位検出部３３Ｂに通知する。次に、第２変位検出部３３Ｂは、当該局所領域画像ｓ_ｐ，ｂ内のスポット領域のうち、当該選択された相対位置ベクトルを構成するスポット領域のみを選択する。そして、第２変位検出部３３Ｂは、局所領域画像ｚ_ｉ，ａ内のスポット領域の重心の平均座標に対する、当該局所領域画像ｓ_ｐ，ｂ内の選択されたスポット領域の重心の平均座標の相対位置を局所変位量Δ_ｐ，ｂ（ｐ＝１，２，３，…）として算出することができる。
図１０Ｃは、当該局所領域画像ｓ_ｐ，ｂ内のスポット領域ＰＢ_１〜ＰＢ_５の例を示す図である。この場合、スポット領域ＰＢ_４，ＰＢ_５は、不要光を表すものとして選択されない。よって、第２変位検出部３３Ｂは、図１０Ａのスポット領域ＰＡ_１〜ＰＡ_３の重心の平均座標に対する、図１０Ｃのスポット領域ＰＢ_１〜ＰＢ_３の重心の平均座標の相対位置を局所変位量Δ_ｐ，ｂとして算出することとなる。

以上に説明した波面処理部２５のハードウェア構成は、たとえば、ワークステーションまたはメインフレームなどの、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）内蔵のコンピュータで実現可能である。あるいは、上記波面処理部２５のハードウェア構成は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）またはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などのＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）により実現されてもよい。

図１１は、ＬＳＩなどの信号処理回路を用いて構成される波面処理部２５のハードウェア構成例を示すブロック図である。図１１の例では、波面処理部２５は、信号処理回路７０、入力インタフェース部７１、出力インタフェース部７２、記録媒体７３及びバスなどの信号路７４により構成されている。記録媒体７３は、データ記憶部３７、及び、画像信号ＩＳを一時的に記憶する画像メモリとして利用され得る。記録媒体７３としては、たとえば、ＳＤＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ＤＲＡＭ）などの揮発性メモリ、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）またはＳＳＤ（ソリッドステートドライブ）を使用することが可能である。

一方、図１２は、コンピュータを用いて構成される波面処理部２５のハードウェア構成例を示すブロック図である。図１２の例では、波面処理部２５は、ＣＰＵ８０ｃを内蔵するプロセッサ８０、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）８１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）８２、入力インタフェース部８３、出力インタフェース部８４、記録媒体８５及びバスなどの信号路８６により構成されている。記録媒体８５は、データ記憶部３７、及び、画像信号ＩＳを一時的に記憶する画像メモリとして利用され得る。記録媒体８５としては、たとえば、ＳＤＲＡＭなどの揮発性メモリ、ＨＤＤまたはＳＳＤを使用することが可能である。

以上に説明したように実施の形態１の波面センサ１は、不要光成分の影響が低減された特徴量データＴｃを用いて被検光学系ＯＪＴの波面収差量Ｗ（Ｘ，Ｙ）を計測し、被測定波面の計測誤差Ｅｒ（Ｘ，Ｙ）を推定している。したがって、迷光または外乱光などの不要光が入射光束に含まれる場合でも、不要光成分の影響を効率良く排除して高い精度で波面収差量Ｗ（Ｘ，Ｙ）を計測し、信頼性の高い計測誤差Ｅｒ（Ｘ，Ｙ）を推定することができる。

実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２について説明する。図１３は、本発明に係る実施の形態２の波面センサ２の概略構成を示す図である。図１３に示されるように波面センサ２は、波長選択フィルタ４１及び接合レンズ４２からなる既知収差発生部４０と、撮像部２０Ｃとを備える点を除いて、上記実施の形態１の波面センサ１と同様の構成を有している。

既知収差発生部４０は、入射光のうち第１波長域λ１及び第２波長域λ２の光を選択的に透過させる波長選択フィルタ４１と、入射光の第１波長域λ１に対して上記の無収差状態を発生させると同時に入射光の第２波長域λ２に対しては上記の既知収差状態を発生させる接合レンズ４２とを有する。接合レンズ４２は、正のパワーを有する第１のレンズと負のパワーを有する第２のレンズとを貼り合わせて構成される色収差発生レンズである。接合レンズ４２は、たとえば、フリントガラスの凸レンズと、クラウンガラスの凹レンズとを貼り合わせて構成されればよい。この接合レンズ４２は、クラウンガラスの凸レンズとフリントガラスの凹レンズとを貼り合わせて構成される公知の色消しレンズとは光学的に逆の構成を有するので、単レンズよりも大きな色収差を発生することができる。

また、撮像部２０Ｃは、カラー撮像素子２１Ｃと、このカラー撮像素子２１Ｃの出力を信号処理する信号処理部２２Ｃとを備えている。信号処理部２２Ｃは、レンズレットアレイ１３により形成された複数のスポット光学像のうち第１波長域λ１の光学像群を検出して第１画像信号ＩＳａを出力すると同時に、複数のスポット光学像のうち第２波長域λ２の光学像群を検出して第２画像信号ＩＳｂを出力することができる。

カラー撮像素子２１Ｃとしては、たとえば、第１波長域λ１の色の光を透過させるフィルタと第２波長域λ２の色の光を透過させるフィルタとの配列からなるカラーフィルタ素子と、単一撮像面とを有する単板式の撮像素子を使用することができる。あるいは、第１波長域λ１の色の光を検出する撮像面と、第２波長域λ２の色の光を検出する撮像面とを有する複数板式の撮像素子を撮像素子２１Ｃとして使用してもよい。これら撮像素子には、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサを使用可能である。

波面処理部２５Ｃは、上記実施の形態１の波面処理部２５と同様に、特徴量抽出部３１、画像比較部３２、画像変位検出部３３、波面演算部３４、誤差推定部３５及びデータ記憶部３７を有している。また、波面処理部２５Ｃは、動作制御部３６Ｃを有しており、この動作制御部３６Ｃは、上記実施の形態１の動作制御部３６と同様に、絞り制御信号Ｃａを可変絞り機構１０に供給して可変絞り機構１０の絞りを制御する機能と、動作モード制御信号Ｓｗを特徴量抽出部３１、画像比較部３２、画像変位検出部３３及び波面演算部３４に供給して動作モードを切り替える機能とを有する。

このような構成により、基準波面処理モード時には、波面処理部２５Ｃは、第１画像信号ＩＳａに基づいて上記した第１の基準波面画像ＩＭＧ１を取得し、第２画像信号ＩＳｂに基づいて上記した第２の基準波面画像ＩＭＧ２を取得することができる。また、被測定波面処理モード時には、波面処理部２５Ｃは、第１画像信号ＩＳａに基づいて上記した第１の波面画像ＩＭＧ４を取得し、第２画像信号ＩＳｂに基づいて上記した第２の波面画像ＩＭＧ５を取得することができる。よって、本実施の形態の波面処理部２５Ｃも、上記実施の形態１の波面処理部２５と同様に、高い精度で波面収差量Ｗ（Ｘ，Ｙ）を計測し、信頼性の高い計測誤差Ｅｒ（Ｘ，Ｙ）を推定することができる。したがって、本実施の形態においても、上記実施の形態１と同様の効果を奏することが可能である。

本実施の形態の構成は、被検光学系ＯＪＴが反射型光学系などである場合に当該被検光学系ＯＪＴの色収差を無視することができる場合に適した構成である。また、上記実施の形態１の場合と比べると、本実施の形態の構成は、既知収差状態と無収差状態との間の切り替えに可動部品を必要としないため、長寿命化と高信頼性とを確保することができる。

実施の形態３．
次に、本発明に係る実施の形態３について説明する。本実施の形態は上記実施の形態１の変形例である。すなわち、図１４に示されるように、本実施の形態の波面センサ３の構成は、既知収差発生部５０を除いて、上記実施の形態１の波面センサ１の構成と同様である。

既知収差発生部５０は、可変絞り機構１０からの入射光を第１光束と第２光束とに分割するビームスプリッタ５１と、既知収差発生光学系５５、反射ミラー５６及びシャッタ５７を含む第１の光路と、対照光学系５２、反射ミラー５３及びシャッタ５４を含む第２の光路と、これら第１の光路と第２の光路とが合流する位置に配置される光合波器５８とを有している。光合波器５８は、第１の光路を伝搬した光束と第２の光路を伝搬した光束とを合波してコリメータレンズ１２に出力する。図１４に示されるように、対照光学系５２を含む第２の光路では無収差状態が発生し、第１の光路では既知収差発生光学系５５が既知収差状態（たとえば色収差）を発生させる。また、シャッタ５４，５７の開閉状態によって、第１の光路または第２の光路のいずれか一方を遮蔽することができる。

このような構成により、一方のシャッタ５７を閉状態にして第１の光路を遮光し且つ他方のシャッタ５４を開状態にして第２の光路を開放することにより、撮像部２０は、無収差状態時の画像信号ＩＳを波面処理部２５に供給することができる。また、一方のシャッタ５７を開状態にして第１の光路を開放し且つ他方のシャッタ５４を閉状態にして第２の光路を遮光することにより、撮像部２０は、既知収差状態時の画像信号ＩＳを波面処理部２５に供給することができる。したがって、本実施の形態の波面処理部２５も、上記実施の形態１の波面処理部２５と同様に、高い精度で波面収差量Ｗ（Ｘ，Ｙ）を計測し、信頼性の高い計測誤差Ｅｒ（Ｘ，Ｙ）を推定することができる。

本実施の形態の構成は、被検光学系ＯＪＴが屈折型光学系などである場合に当該被検光学系ＯＪＴの色収差が無視することができない場合に適した構成である。また、シャッタ５４，５７を同時に開放することで、干渉計により既知収差量ΔＷ（Ｘ，Ｙ）を精密に評価し調整することができるという利点がある。更に、収差発生量が可動部品の運動精度に依存しないため、収差発生量をメンテナンスフリーで長期間一定に保つ必要がある用途にも本実施の形態の構成は適している。

また、実施の形態３の変形例として、撮像部２０及び波面処理部２５の組み合わせに代えて、上記実施の形態２の撮像部２０Ｃ及び波面処理部２５Ｃの組み合わせを使用する形態もあり得る。この場合、非波長選択型のビームスプリッタ５１に代えて、波長選択型ビームスプリッタを使用することが可能である。この変形例では、波長選択型ビームスプリッタは、入射光のうち第１波長域λ１の光を対照光学系５２の方向に出射するが、その他の波長域の光を対照光学系５２の方向に出射しない。また、波長選択型ビームスプリッタは、入射光のうち第２波長域λ２の光を既知収差発生光学系５５の方向に出射するが、その他の波長域の光を既知収差発生光学系５５の方向に出射しない。このような構成により、シャッタ５４，５７が共に開放状態にあるときには、撮像部２０Ｃは、上記実施の形態２の撮像部２０Ｃと同様に第１画像信号ＩＳａ及び第２画像信号ＩＳｂを波面処理部２５Ｃに出力することができる。したがって、この変形例の波面処理部２５Ｃも、上記実施の形態２の波面処理部２５Ｃと同様に、高い精度で波面収差量Ｗ（Ｘ，Ｙ）を計測し、信頼性の高い計測誤差Ｅｒ（Ｘ，Ｙ）を推定することができる。

以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態について述べたが、これら実施の形態は本発明の例示であり、これら実施の形態以外の様々な形態を採用することができる。

なお、本発明の範囲内において、上記実施の形態１〜３の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

本発明は、被検光学系で透過または反射した光の波面形状を計測する任意の機器に適用可能なものである。たとえば、天体観測機器、眼球の波面収差測定機器、または半導体ウエハの平面度を測定する機器に本発明を適用することができる。

ＯＪＴ 被検光学系、ＬＳ 光源、１〜３ 波面センサ、１０ 可変絞り機構、１１ 既知収差発生部、２０ 撮像部、２１ 撮像素子、２２ 信号処理部、２５ 波面処理部、３１ 特徴量抽出部、３２ 画像比較部、３３ 画像変位検出部、３４ 波面演算部、３５ 誤差推定部、３６ 動作制御部、３７ データ記憶部、４０ 既知収差発生部、４１ 波長選択フィルタ、４２ 接合レンズ、５０ 既知収差発生部、５１ ビームスプリッタ、５２ 対照光学系、５３ 反射ミラー、５４ シャッタ、５５ 既知収差発生光学系、５６ 反射ミラー、５７ シャッタ、５８ 光合波器。

Claims (17)

1. 入射された光の波面を空間的に分割して複数のスポット光学像を形成するレンズレットアレイと、
   前記複数のスポット光学像を撮像する撮像部と、
   前記レンズレットアレイへの入射光の光路に既知の光学収差量が付与される既知収差状態と当該光路に前記既知の光学収差量が付与されない無収差状態とを発生させる既知収差発生部と、
   前記レンズレットアレイに入射された基準波面について、前記無収差状態のときに前記撮像部から出力された第１の基準波面画像の画像成分と前記既知収差状態のときに前記撮像部から出力された第２の基準波面画像の画像成分との比較結果を示す基準データが記憶されているデータ記憶部と、
   前記レンズレットアレイに入射された被測定波面について、前記無収差状態のときに前記撮像部から出力された第１の波面画像の画像成分と前記既知収差状態のときに前記撮像部から出力された第２の波面画像の画像成分との比較結果を示す比較データを算出し、当該比較データと前記基準データとの比較結果に応じた補正量で前記第１の波面画像の当該画像成分を補正し、更にその補正結果を示す特徴量データを出力する特徴量抽出部と、
   前記特徴量データを用いて前記被測定波面の計測誤差を推定する波面計測部と
   を備えることを特徴とする波面センサ。
2. 請求項１記載の波面センサであって、
   前記波面計測部は、
   前記特徴量データと前記第１の波面画像の画像成分とを互いに比較し、且つ前記特徴量データと前記第２の波面画像の画像成分とを互いに比較する画像比較部と、
   前記画像比較部による比較結果に基づいて、前記第１の波面画像の局所変位量と前記第２の波面画像の局所変位量とを検出する画像変位検出部と、
   前記第１の波面画像の局所変位量に基づいて第１の相対波面分布を算出し、且つ前記第２の波面画像の局所変位量に基づいて第２の相対波面分布を算出する波面演算部と、
   前記第１の相対波面分布、前記第２の相対波面分布及び前記既知の光学収差量に基づいて前記計測誤差を算出する誤差推定部と
   を含むことを特徴とする波面センサ。
3. 請求項２記載の波面センサであって、前記波面演算部は、前記第１の波面画像の局所変位量に基づいて前記被測定波面の収差を計測することを特徴とする波面センサ。
4. 請求項２または請求項３記載の波面センサであって、前記画像比較部は、前記補正波面画像と前記第１の波面画像との相互相関を演算することにより前記補正波面画像と前記第１の波面画像とを互いに比較し、且つ前記補正波面画像と前記第２の波面画像との相互相関を演算することにより前記補正波面画像と前記第２の波面画像とを互いに比較することを特徴とする波面センサ。
5. 請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の波面センサであって、前記基準データは、前記第１の基準波面画像に対する前記第２の基準波面画像の局所変位量を示すデータであることを特徴とする波面センサ。
6. 請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の波面センサであって、前記既知収差発生部は、前記既知収差状態と前記無収差状態とを選択的に発生させることを特徴とする波面センサ。
7. 請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の波面センサであって、
   前記既知収差発生部は、前記入射光の第１波長域に対して前記無収差状態を発生させると同時に前記入射光の第２波長域に対して前記既知収差状態を発生させ、
   前記撮像部は、前記複数のスポット光学像のうち前記第１波長域の光学像群を検出して前記第１の波面画像を出力し、且つ、前記複数のスポット光学像のうち前記第２波長域の光学像群を検出して前記第２の波面画像を出力する、
   ことを特徴とする波面センサ。
8. 請求項７記載の波面センサであって、前記既知収差発生部は、前記光路に色収差を付与して前記既知収差状態を発生させる光学素子を含むことを特徴とする波面センサ。
9. 請求項８記載の波面センサであって、前記光学素子は、正のパワーを有する第１のレンズと負のパワーを有する第２のレンズとを含む接合レンズであることを特徴とする波面センサ。
10. 請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の波面センサであって、
    前記既知収差発生部は、
    前記入射光を第１光束と第２光束とに分割するビームスプリッタと、
    前記第１光束が伝搬する第１の光路と、
    前記第２光束が伝搬する第２の光路と、
    前記第１の光路と前記第２の光路とが合流する位置に配置される光合波器とを含み、
    前記第１の光路は前記既知収差状態を発生させ、前記第２の光路は前記無収差状態を発生させることを特徴とする波面センサ。
11. 請求項１０記載の波面センサであって、前記第１の光路及び前記第２の光路のうちの一方の光路を遮断し、他方の光路を開放するシャッタ機構を更に備えることを特徴とする波面センサ。
12. 請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項記載の波面センサであって、前記基準波面を持つ球面波を発生させる絞り機構を更に備えることを特徴とする波面センサ。
13. 請求項１から請求項１２のうちのいずれか１項記載の波面センサであって、前記波面計測部は、前記特徴量データが出力される前に、前記基準データを算出して前記データ記憶部に記憶することを特徴とする波面センサ。
14. 請求項１から請求項１３のうちのいずれか１項記載の波面センサであって、前記波面計測部は、前記基準データに基づいて前記既知の光学収差量を算出する既知収差量演算部を含むことを特徴とする波面センサ。
15. 入射された光の波面を空間的に分割して複数のスポット光学像を形成するレンズレットアレイと、前記複数のスポット光学像を撮像する撮像部と、前記レンズレットアレイへの入射光の光路に既知の光学収差量が付与される既知収差状態と当該光路に前記既知の光学収差量が付与されない無収差状態とを発生させる既知収差発生部と、前記レンズレットアレイに入射された基準波面について前記無収差状態のときに前記撮像部から出力された第１の基準波面画像の画像成分と前記既知収差状態のときに前記撮像部から出力された第２の基準波面画像の画像成分との比較結果を示す基準データが記憶されているデータ記憶部とを備えた波面センサにおいて実行される波面処理方法であって、
    前記レンズレットアレイに入射された被測定波面について、前記無収差状態のときに前記撮像部から出力された第１の波面画像の画像成分と前記既知収差状態のときに前記撮像部から出力された第２の波面画像の画像成分との比較結果を示す比較データを算出するステップと、
    当該比較データと前記基準データとの比較結果に応じた補正量で前記第１の波面画像の当該画像成分を補正し、その補正結果を示す特徴量データを出力するステップと、
    前記特徴量データを用いて前記被測定波面の計測誤差を推定するステップと
    を備えることを特徴とする波面処理方法。
16. 請求項１５記載の波面処理方法であって、
    前記特徴量データと前記第１の波面画像の画像成分とを互いに比較し、且つ前記特徴量データと前記第２の波面画像とを互いに比較するステップと、
    当該比較結果に基づいて、前記第１の波面画像の局所変位量と前記第２の波面画像の局所変位量とを検出するステップと、
    前記第１の波面画像の局所変位量に基づいて第１の相対波面分布を算出するステップと、
    前記第２の波面画像の局所変位量に基づいて第２の相対波面分布を算出するステップとを更に備え、
    前記計測誤差は、前記第１の相対波面分布、前記第２の相対波面分布及び前記既知の光学収差量に基づいて算出されることを特徴とする波面処理方法。
17. 請求項１６記載の波面処理方法であって、前記第１の波面画像の局所変位量に基づいて前記被測定波面の収差を計測するステップを更に備えることを特徴とする波面処理方法。

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