JP7241986B2 - 波面測定装置、および波面測定方法 - Google Patents

Description

本開示は、波面測定装置に関する。

波面測定装置は、光波面の収差を測定する。波面測定装置の一例として、シャック・ハルトマン方式の波面センサがある。シャック・ハルトマン方式の波面センサは被検光束をレンズアレイにより分割・集光し、スポット像の集光位置の相対的な変化から、局所的な波面傾斜を測定することにより、被検光学系の波面形状を測定する。そのため、シャック・ハルトマン方式の波面センサは、位相シフト干渉計よりも、振動等の測定環境の影響を受けにくい利点がある。

例えば、特許文献１に記載の波面計測装置は、シャック・ハルトマン方式の波面センサを用いたものである。特許文献１に記載の波面計測装置では、リレー光学系にて被検光学系から出射されたビーム径を拡大もしくは縮小して、ディテクタアレイの開口幅に合わせた後に、波面センサに入射する。そして、波面センサでは、レンズレットアレイで被検光束を分割・集光し、ディテクタアレイに撮像される集光スポット像の重心位置から、信号処理部にて、透過波面形状を算出している。

特開２０１５－５５５４４号公報（第５頁００１６～００１８、図１）

特許文献１に記載の波面計測装置は、コリメートした光束をレンズアレイで分割・集光して、ディテクタアレイに光束の像面が形成されるように構成していた。ディテクタアレイの大きさの平行光を生成するために、光学系の全長を短くすることができず、装置を小型化しにくいという課題があった。

上述のような課題を解決するためになされたもので、光学系の全長を短くすることを目的とする。

波面測定装置は、被検光学系から出射され結像した後に広がりながら伝搬する光束を分割し、分割した光束をそれぞれ集光する第１のレンズアレイと、第１のレンズアレイからの複数の光束をさらに放射状に広げる凹レンズと、第１のレンズアレイから放射状に広がる複数の光束の集光スポットが形成される位置に配置する検出部と、第１のレンズアレイが被検光学系と共役となる位置に配置された場合に集光スポットの位置より被検光学系の透過波面を算出する制御部とを備える。

光学系の全長を短くすることができ、装置を小型化することができる。

実施の形態１に係る波面測定装置１０を用いて波面測定を行う場合の一例を示す構成図である。 シャック・ハルトマン方式の透過波面収差を示す説明図である。 波面測定装置１０の処理フローの一例を示すフローチャートである。 実施の形態１の変形例１に係る波面測定装置１１を用いて波面測定を行う場合の一例を示す構成図である。 実施の形態１の変形例１に係るレンズ５０と画素５１の配置関係の一例を示す説明図である。 実施の形態１の変形例１に係るレンズ５０と画素５１の配置関係の別の例を示す説明図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態１に係る波面測定装置１０について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態１は、一具体例を示すものである。したがって、各構成要素の形状、配置および材料などは一例であり、限定する趣旨はない。また、各図は模式図であり、厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成要素については同じ符号を付している。

図１は、実施の形態１に係る波面測定装置１０を用いて波面測定を行う場合の一例を示す構成図である。波面形状を測定する対象物である被検光学系１に、光源部７から光束４０を照射し、被検光学系１から出射される被検光束を波面測定装置１０で受光して波面を計測する。

＜波面測定装置１０の構成＞
波面測定装置１０は、レンズアレイ３、検出部５、および処理部６を備える。波面測定装置１０は、レンズ２、およびレンズ４を備えてもよい。

≪レンズアレイ３≫
レンズアレイ３は、複数のレンズを並列に並べたものである。レンズアレイ３は、例えば、複数のレンズが入射光を集光するため、複数の焦点スポットを生成する。

≪検出部５≫
検出部５は、光を検出する。検出部５は、例えば、撮像素子である。検出部５は、例えば、投射される画像を検出する。

≪処理部６≫
処理部６は、検出部５から出力される情報から波面収差を算出する。処理部６は、例えば、プロセッサーとメモリを備える。処理部６は、例えば、ＰＣである。

≪レンズ２，４≫
レンズ２，４は、光を収束もしくは発散させる。レンズ２は、例えば、凸レンズである。レンズ４は、例えば、凹レンズである。

＜その他の構成＞
≪被検光学系１≫
被検光学系１は、波面形状を測定する対象となる光学系である。被検光学系１は、例えば、レンズを備える。被検光学系１は、望遠鏡のような複数枚のレンズで構成されるものであっても良い。また、被検光学系１は、アフォーカル系でも結像光学系でも良い。

≪光源部７≫
光源部７は、被検光学系１に光を照射する。光源部７は、光源２０およびレンズ２１を備える。光源部７は、レンズ２２およびその他のレンズを備えても良い。光源２０は、光束４０を出射する。レンズ２１，２２は、光束４０を所望の光束に整形する。光源２０から出射された光束４０はレンズ２１，２２によって、被検光学系１の入射側の光学仕様に調整される。レンズ２１，２２から出射される光束４０は、コリメート光でも集光光でも良い。

＜波面測定装置１０の動作＞
次に、波面測定装置１０の動作について説明する。

光源部７から出射された光束４０は、被検光学系１に入射する。被検光学系１が結像光学系の場合、被検光学系１から出射した光束４０は、焦点にて一度結像した後、波面測定装置１０へ入射する。

波面測定装置１０へ入射した光束４０は、レンズ２によって、被検光学系１の焦点から伝搬される光束４０の拡がり角度を変化する。レンズ２から出射される光束４０によって、被検光学系１の瞳をレンズアレイ３に転写する。つまり、被検光学系１とレンズアレイ３は共役の関係にある。被検光学系１から出射される光束４０の全てをレンズアレイ３に入射するように、レンズ２は所望の光学パラメータを有する。レンズ２は、光束４０の入射側と出射側とのどちらか一方又は双方に、凸面を備えてもよい。また、被検光学系１がアフォーカル系の場合には、レンズ２は不要である。レンズ２から出射される光束４０は、光軸に対して拡がった角度でレンズアレイ３に伝搬する。

レンズアレイ３は、レンズ２から伝搬された光束４０をＮ個に分割し、検出部５で像面を生成する集光ビームを生成する。Ｎは２以上の自然数である。Ｎはレンズアレイ３を構成するレンズの個数である。レンズアレイ３から出射した光束４０は、レンズアレイ３に対する入射角度および入射位置に応じて、光軸に対して拡がった角度でレンズ４に伝搬する。

レンズアレイ３から伝搬された複数の光束４０は、レンズ４への入射角度および入射位置に応じて、中央の光束４０の光軸に対して更に拡がる方向に曲がり、検出部５に伝搬する。レンズ４は、検出部５に対する入射ビーム幅と検出部５の開口幅とが揃うような光学パラメータを持つレンズである。また、レンズ４は、光軸に対して更に拡がる方向に曲げる機能を有する、屈折レンズ群に置き換えても良い。レンズ４を使用しない場合、レンズアレイ３から放射状に広がる複数の光束４０の集光スポットが検出部５上に形成される。

検出部５は、レンズアレイ３もしくはレンズ４から伝搬された集光光線のスポット像を撮像する。検出部５にはレンズアレイ３の分割数に応じたスポット像が生成される。スポット像の重心位置変化から被検光学系１の透過波面収差を算出できる。

処理部６は、制御回路３０、信号処理部３１、および演算部３２を備える。制御回路３０は、露光時間などの撮像条件に対応した制御信号を生成し、検出部５に伝送する。制御回路３０は、検出部５からの読み出し信号を制御し、信号処理部３１に伝送する。信号処理部３１は制御回路３０に対して、露光時間などの撮像条件を入力する。信号処理部３１は、検出部５及び制御回路３０からの読み出し信号に応じた測定値を演算部３２に出力する。演算部３２は信号処理部３１からの測定値に応じて、計算波面を演算する。演算部３２は集光スポット像の重心演算から被検光学系１の透過波面収差を算出する。測定値は、集光スポット像の画像に関する情報である。

図２は、シャック・ハルトマン方式の透過波面収差を示す説明図である。特許文献１に記載の波面計測装置における、被検光学系８１、レンズレットアレイ８３、およびディテクタアレイ８５を記したものである。ディテクタアレイ８５におけるスポット像の重心位置のずれをΔｙｉ、レンズレットアレイ８３の焦点距離をｆ、レンズレットアレイ８３の入射瞳における局所波面の傾きをθｉとする。式Δｙｉ＝２ｆθｉの関係から、被検光学系８１の透過波面収差を算出できる。一方、波面測定装置１０では、レンズアレイ３に平行光ではなく、発散光が入射されるため、焦点スポットは検出部の中心点から外側に広がるようにずれる。予めこのずれを考慮しておくことで、透過波面収差を算出することができる。

＜処理フローチャート＞
図３は、波面測定装置１０の処理フローの一例を示すフローチャートである。図３に基づいて、波面測定装置１０の動作を説明する。

ステップＳ１において、被検光学系１から出射し、焦点にて一度結像した被検光束を受光する。そしてステップＳ２へ。

ステップＳ２において、レンズ２によって光束４０の拡がり角度を調整する。レンズ２から出射される光束４０は、光軸に対して拡がった角度でレンズアレイ３に伝搬する。そしてステップＳ３へ。

ステップＳ３において、被検光学系１と共役の関係にあるレンズアレイ３は、光束４０をＮ個に分割し、検出部５で像面を生成する集光ビームを生成する。Ｎは２以上の自然数である。レンズアレイ３から出射した光束４０は、レンズアレイ３に対する入射角度および入射位置に応じて、光軸に対して拡がった角度でレンズ４に伝搬する。そしてステップＳ４へ。

ステップＳ４において、複数の光束４０は、レンズ４への入射角度および入射位置に応じて、中央の光束４０の光軸に対して更に拡がる方向に曲がり、検出部５に伝搬する。そしてステップＳ５へ。なお、ステップＳ４は省略することができる。

ステップＳ５において、 検出部５は集光光線のスポット像を撮像する。そしてステップＳ６へ。

ステップＳ６において、処理部６は、集光スポット像の重心演算から被検光学系１の透過波面収差を算出する。

特許文献１に記載の波面計測装置は、レンズアレイの大きさの平行光を生成するために、被検光学系からレンズアレイまでの距離を短縮することが難しい。また、レンズアレイとディテクタアレイとの間の距離はレンズアレイの焦点距離で律速されるため、この部分の距離を短縮することもできない。実施の形態１に示す構成では、拡散光をレンズアレイ３に入射することで、被検光学系１からレンズアレイ３までの距離を短縮することが可能となる。レンズアレイ３から出射される光束４０も広がりを保つため、検出部５の面積を大きくとることができる。これによって、波面測定の精度向上が行える。もしくは、検出部５の大きさを従来と同じ大きさにした場合には、被検光学系１から検出部５までの距離をさらに短くすることが可能となる。拡散光とは、広がりながら伝搬する光束のことである。

さらにレンズ４を加えることにより、レンズアレイ３から出射される光束４０はさらに広がるため、波面測定の精度向上が行える。もしくは、検出部５の大きさを従来と同じ大きさにした場合には、被検光学系１から検出部５までの距離をさらに短くすることが可能となる。

レンズ４のベンディングを調整することにより、レンズアレイ３で生じる像面湾曲を補正可能であり、波面測定装置１０内部で生じる収差を低減化でき、波面測定装置１０の測定精度の向上に寄与する。

特許文献１に記載の波面計測装置では、撮像素子の開口幅と入射ビーム幅を揃えるため、特にＦ値が大きい光学系の場合では、波面計測装置の光学系の全長が長大化する課題があった。実施の形態１に示す波面測定装置１０の構成では、レンズ４を加えて光束を拡げることにより、波面測定装置１０の測定性能の確保と光学系全長の短縮化が両立できる。

以上のように、拡散光をレンズアレイ３に入射することで、光学系の全長を短くすることができ、装置を小型化することができる。さらにレンズ４を加えることで更なる小型化、もしくは検出精度の向上が行える。

≪変形例１≫
レンズアレイ付きの検出部を用いた例を示す。図４は、実施の形態１の変形例１に係る波面測定装置１１を用いて波面測定を行う場合の一例を示す構成図である。

波面測定装置１１は、波面測定装置１０に対して、レンズアレイ８を追加したものである。他の構成要素は、図１と同じであるので、説明を省略する。

＜波面測定装置１１の構成＞
波面測定装置１１は、レンズアレイ３，８、検出部５、および処理部６を備える。波面測定装置１１は、レンズ２、およびレンズ４を備えてもよい。

≪レンズアレイ８≫
レンズアレイ８は、複数のレンズ５０を並列に並べたものである。レンズアレイ８は、例えば、複数のレンズ５０が入射光を集光するため、複数の焦点スポットを生成する。レンズアレイ８は、検出部５へ光束４０が入射する前段に備える。レンズアレイ８は検出部５に装着される。変形例１において、レンズアレイ３を第１のレンズアレイ、レンズアレイ８を第２のレンズアレイとする。

レンズアレイ８のレンズ５０と検出部５の画素５１とは、１対１で対応している。レンズ５０間の間隔は、画素５１間の間隔より小さい。

図５は、実施の形態１の変形例１に係るレンズ５０と画素５１の配置関係の一例を示す説明図である。図４は、レンズアレイ３側から検出部５を見た図である。記載を省略しているため、一部のレンズ５０と画素５１しか描かれていない。レンズ５０は周囲のレンズ５０と隣接している。画素５１は周囲の画素５１と隣接している。レンズアレイ８のレンズ５０のレンズピッチのＭ倍（Ｍは自然数）の値Ｘは、検出部５の画素５１の画素ピッチのＭ倍の値Ｙより小さい。

図５において、開口中心部ではレンズアレイ８のレンズ５０の中心位置と、検出部５の画素５１の中心位置とは一致して配置される。開口端部では、レンズアレイ８のレンズ５０の中心位置と、検出部５の画素５１の中心位置とはずれて配置される。

図６は、実施の形態１の変形例１に係るレンズ５０と画素５１との配置関係の別の例を示す説明図である。図５は、図３のレンズアレイ８および検出部５の一部を拡大した図である。記載を省略しているため、上部と中央部に配置されるレンズ５０および画素５１の組を２つしか描いていない。複数のレンズ５０は垂直に並べられる。複数の画素５１は垂直に並べられる。中央部に配置されるレンズ５０および画素５１は、その中央部分を光束４０の光軸が通過する。この場合、光軸は水平である。上部に配置される画素５１の中央部に対して、レンズ５０の中央部は低い位置に配置される。この場合、光軸は右上がりである。

レンズアレイ８が付属した検出部５は、例えば、カメラ用に量産された市販のマイクロレンズ付き撮像素子などを代用しても良い。

＜波面測定装置１１の動作＞
波面測定装置１１は、基本的に波面測定装置１０と同じように動作する。検出部５は、レンズアレイ８から伝搬された集光光線のスポット像を撮像する。検出部５にはレンズアレイ３の分割数に応じたスポット像が生成される。スポット像の重心位置変化から被検光学系１の透過波面収差を算出できる。

検出部５の前段にレンズアレイ８を追加することによって、レンズ４から伝搬された光線を広視野にわたって、画素５１に入射させることができ、集光スポット像の開口率が改善する。その結果、集光スポット像の解像限界が向上し、重心演算で波面収差を算出する波面センサの測定精度が向上する。

レンズ５０及び画素５１に対して、角度がついた光束４０が入射する。その結果、レンズアレイ８が付属した検出部５は、カメラ用に量産された、市販のマイクロレンズ付き撮像素子の適用が可能となり、装置の低コスト化が可能となる。市販のマイクロレンズ付き撮像素子では、角度がついた光線を受光部に入射させるため、開口の端部では、マイクロレンズの中心位置と撮像素子の中心位置をずらして製造することが多い。そのため、特許文献１に記載された波面計測装置では、マイクロレンズの中心位置と撮像素子の中心位置を合わせる必要があるため、市販のマイクロレンズ付き撮像素子の適用が困難であった。しかし、実施の形態１の変形例１の構成では、市販のマイクロレンズ付き撮像素子の適用が可能となる。

なお、上述の各実施の形態において、製造上の公差や組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含んでいる。このため、請求の範囲に部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す記載をした場合には、製造上の公差又は組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを示している。

また、以上のように本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限るものではない。

１ 被検光学系、２ レンズ、３ レンズアレイ、４ レンズ、５ 検出部、６ 処理部、７ 光源部、８ レンズアレイ、１０，１１ 波面測定装置、２０ 光源、２１、２２ レンズ、３０ 制御回路、３１ 信号処理部、３２ 演算部、４０ 光束、５０ レンズ、５１ 画素、８１ 被検光学系、８３ レンズレットアレイ、８５ ディテクタアレイ。

Claims (5)

1. 被検光学系から出射され結像した後に広がりながら伝搬する光束を分割し、分割した光束をそれぞれ集光する第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイからの複数の光束をさらに放射状に広げる凹レンズと、
   前記第１のレンズアレイから放射状に広がる複数の光束の集光スポットが形成される位置に配置する検出部と、
   前記第１のレンズアレイが前記被検光学系と共役となる位置に配置された場合に、前記集光スポットの位置より前記被検光学系の透過波面を算出する制御部と
   を備えた波面測定装置。
2. 被検光学系から出射され結像した後に広がりながら伝搬する光束を分割し、分割した光束をそれぞれ集光する第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイから放射状に広がる複数の光束の集光スポットが形成される位置に配置する検出部と、
   前記検出部へ光束が入射する前段に設けられた第２のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイが前記被検光学系と共役となる位置に配置された場合に、前記集光スポットの位置より前記被検光学系の透過波面を算出する制御部と
   を備えた波面測定装置。
3. 前記第２のレンズアレイは、前記検出部の表面積よりも小さい請求項２記載の波面測定装置。
4. 被検光学系と共役となる位置において、前記被検光学系からの光束を分割してそれぞれ集光する分割集光ステップと、
   放射状に広がる複数の分割・集光された光束をさらに放射状に広げるステップと、
   放射状に広がる複数の分割・集光された光束を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップで検出する光束の位置より前記被検光学系の透過波面を算出する処理ステップと
   を備えた波面測定方法。
5. 被検光学系と共役となる位置において、第１のレンズアレイにより、前記被検光学系からの光束を分割してそれぞれ集光する分割集光ステップと、
   放射状に広がる複数の分割・集光された光束を、画素と１対１で対応する複数のレンズを有する第２のレンズアレイを通して前記画素に入射させるステップと、
   前記画素に入射された光束を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップで検出する光束の位置より前記被検光学系の透過波面を算出する処理ステップと
   を備えた波面測定方法。

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