TWI453381B - Wavefront aberration measuring apparatus and method, and wavefront aberration adjustment method - Google Patents

Description

波面像差測量裝置及方法、以及波面像差調整方法

本發明係有關波面像差測量裝置及方法、以及波面像差調整方法，特別係有關使用測量在被檢光學系統所發生之波面變化之資訊之波面感測器之技術。

已知由光學系統(包含透鏡、反射鏡等單體之光學構件之廣義概念)會發生波面像差。實際製作之透鏡之波面像差，會有從透鏡設計中之波面像差設計值偏離的情形。例如專利文獻1，係已知之使用干涉法以外之方法者，其係以由利用透鏡陣列之Shack－Hartmann法形成之波面感測器做為測量被檢光學系統之波面像差的波面像差測量裝置。

(專利文獻1)日本專利第3417399號說明書

在使用干涉法之波面像差測量裝置中，光源必需為同調性光源，光源所耗之成本偏高，容易使裝置之製造成本亦偏高。又，由於必需有高價的原器(在干涉法中用以產生作為基準之參考波面之工具)，而易於使裝置之製造成本進一步的提高。

本發明，係有鑑於上述問題而為，其目的在於，提供不使用干涉法，能以較為簡單之構成來測量被檢光學系統之波面像差之波面像差測量裝置及方法。又，本發明之其 他目的在於，提供可降低或抵銷光學系統之波面像差之新型式波面像差調整方法。

為解決上述問題，本發明之第1形態，係用以測量被檢光學系統之波面像差的波面像差測量裝置，其特徵在於，具備：點光源，用以供應測量光；光檢測器，其具有配置在與該點光源成光學共軛位置之檢測面；波面變化賦予部，其係配置在該點光源與光檢測器間之光路中，能對於經過該被檢光學系統的光賦予波面變化，及測量部，其係根據該光檢測器之輸出、與於該波面變化賦予部所賦予的波面變化，測量該被檢光學系統之波面像差。

依本發明之第2形態，係用以測量被檢光學系統之波面像差之波面像差測量方法，其特徵在於，對由點光源所放射且經過該被檢光學系統的光賦予波面變化；檢測出被賦予該波面變化的光於與該點光源成光學共軛之既定面所形成的點光；根據為使該點光為最大光強度而賦予之波面變化，測量該被檢光學系統的波面像差。

依本發明之第3形態，係提供一種波面像差之調整方法，其係根據由第2形態之波面像差測量方法所測得之波 面像差，調整該被檢光學系統之波面像差。在該調整方法中，係將可變形反射鏡固定為可發生所欲波面像差之狀態，接著，點光調整該被檢光學系統的波面像差以使該點光有最大光強度。

在本發明之波面像差測量裝置及方法中，係對於由點光源所放射並經過被檢光學系統的光賦予波面變化，並檢測出在與點光源成光學共軛之既定面所形成的點光。又例如，可根據為使點光有最大光強度而賦予之波面變化，測量被檢光學系統的波面像差。

如所示，在本發明之波面像差測量裝置及方法中，並不使用干涉法，可以較為簡單之構成來測量被檢光學系統的波面像差。其結果，無需具備同調性光源，因此，不僅是耗費在光源之成本較低，亦無需具備高價之原器，而能壓低裝置的製造成本。

藉著本發明之波面像差調整方法的使用，能調整為有效率地降低或抵銷光學系統的波面像差。

以下根據附圖以說明本發明之實施形態。圖1係本發明之第1實施形態之波面像差測量裝置的概略構成圖。在第1實施形態中，係將本發明之波面像差測量裝置用在由1個或複數個透鏡構成之被檢光學系統20之波面像差測量。第1實施形態之波面像差測量裝置，具備有光源1，其能供應例如與被檢光學系統20之使用光具有相同波長的測量 光。可使用白熱燈泡、鹵素燈、水銀燈等作為光源1之用。

從光源1所放射的光，透過聚光透鏡2，照明在針孔構件3所形成的針孔3a。通過針孔3a的光，成為理想之球面波的光，射入分束器4。亦即，光源1與聚光透鏡2及針孔構件3，構成了點光源之形成手段，可供放射出理想球面波的光。射入分束器4而反射的光，射入被檢光學系統20。

針孔構件3之針孔3a，係配置在被檢光學系統20的後側焦點位置。因此，透過被檢光學系統20的光，在假若無視被檢光學系統20之波面像差影響即可視為平行光的狀態下，射入可變形反射鏡(可調變聚焦鏡)5。可變形反射鏡5如圖2所示，具備有例如：反射構件(反射鏡)5a，具有初期為平面形狀之反射面；複數個驅動元件5b，其以對應於反射構件5a之反射面(反射鏡)的方式呈2維地並排配置；反射鏡基材5c；以及用以對複數個驅動元件5b予以個別驅動的驅動部5d。反射構件5a，例如係由金、鋁之蒸鍍膜、或是介電體多層膜所形成。

驅動部5d係根據來自控制處理系統6的控制訊號，將複數個驅動元件5b予以個別的驅動。複數個驅動元件5b被安裝在反射鏡基材5c，藉由各自獨立之推/拉動作，將反射構件5a之反射面變更為所期望的面形狀。亦即，可以將反射構件5a的反射面看成，係被複數個部位所劃分，該複數個部位，係以連接有複數個驅動元件5b之位置作為中心。可使用例如壓電元件或滾珠螺桿等致動器作為驅動元件5b。舉例而言，使用鍍鋁之氮化矽薄膜，調整施加於薄 膜與背面之電極間的電壓，藉由靜電力而使反射鏡形狀變形的反射鏡，即係已知的反射構件。藉可變形反射鏡5的反射而被賦予波面變化的光，透過被檢光學系統20及分束器4，將針孔3a之像(亦即是點光)形成於，配置在與針孔3a成光學共軛位置之光檢測器7的檢測面。

光檢測器7可使用PSD(位置檢測元件：利用光電二極體之表面阻抗之點光位置感測器)、CCD(區域感測器)等。由光檢測器7所檢測出之點光的光強度資訊，被供應至控制處理系統6。控制處理系統6係邊監測光檢測器7的輸出，邊使可變形反射鏡5之反射面形狀作適當的變化，以使光檢測器7所檢測出之點光為最大的光強度。例如，能藉以下方式來控制可變形反射鏡5的驅動元件。在可變形反射鏡5的初期設定位置，複數個驅動元件依序伸縮，並測量光檢測器7的訊號。光檢測器7對於各驅動元件之驅動位置能達到最大值者，其驅動位置將會被視為各驅動元件之最佳位置，進而將其儲存在控制處理系統6的記憶體(未圖示)。等到對所有驅動元件皆求出最佳位置後，將所有之驅動元件設定在所求出之驅動位置(最佳位置)，亦即是設定可變形反射鏡5的反射面。

若是可變形反射鏡5之反射面形狀，與透過被檢光學系統20朝可變形反射鏡5射入之光的波面具有相同形狀，則在可變形反射鏡5之反射面所反射的光，會原原本本的循著透過被檢光學系統20而來的路徑而反向前進，在光檢測器7之檢測面，以針孔3a之鮮明像(點光)之擴張性最受 壓抑的狀態而形成，使點光的光強度(進而是光檢測器7的輸出)成為最大。

如所示，控制處理系統6，係適當地改變可變形反射鏡5的反射面形狀以使形成於光檢測器7之檢測面之點光有最大光強度，然後根據於點光為最大光強度時之可變形反射鏡5之反射面形狀的相關資訊，亦即是由可變形反射鏡5所賦予之波面變化之相關資訊，測量被檢光學系統20的波面像差。根據所測得之波面像差，亦可求出其與被檢光學系統20之波面像差設計值(理想的波面像差)間的偏離值。在第1實施形態之波面像差測量裝置，並不使用干涉法，能以較為簡單的構成來測量被檢光學系統20的波面像差。

此外，當被檢光學系統20未有偏心成分時，點光係在光檢測器7之檢測面形成於光軸的位置。因此，例如，若將光檢測器7之檢測面中心與光軸位置設定成一致，就能根據點光之形成位置離開光檢測器7之檢測面中心的位置偏離資訊(一般係點光的位置資訊)，來測量被檢光學系統20的偏心成分。

或者，使可變形反射鏡5之反射面形狀作適當的改變以使點光朝光檢測器7之檢測面之中心位置(一般係指檢測面上的既定位置)移動，然後根據點光形成於光檢測器7之檢測面之中心位置時，可變形反射鏡5之反射面形狀的傾斜成分(進而是由可變形反射鏡5所賦予之波面變化之傾斜成分)，測量被檢光學系統20的偏心成分，甚至可根據必要性而校正(調整)被檢光學系統20的偏心成分。若有偏心成 分的存在，會對想要檢測之被檢光學系統20所產生之波面造成影響。因此，為了要更為正確的檢測出波面像差，較佳係在已校正(調整)偏心成分之狀態下測量波面像差。

圖3係顯示本發明之第2實施形態之波面像差測量裝置的概略構成圖。在第2實施形態中，將本發明之波面像差測量裝置用在對由1個凹面反射鏡構成之被檢光學系統(亦即被檢凹面反射鏡21)的波面像差測量。以下著眼於與第1實施形態之相異點，說明第2實施形態之波面像差測量裝置之構成及作用效果。

在第2實施形態之波面像差測量裝置中，由光源1所放射的光，透過聚光透鏡2，照明針孔構件3的針孔3a。來自針孔3a的光，在理想球面波之狀態下射入分束器4。在分束器4所反射的光，藉由發揮準直透鏡功能之透鏡8而予以轉換成平行光後，射入被檢凹面反射鏡21。

由被檢凹面反射鏡21所反射的光，將針孔3a之像形成於透鏡8之被檢凹面反射鏡21側的光學面上後，透過透鏡8而射入分束器4。換言之，在第2實施形態中，透鏡8與被檢凹面反射鏡21之沿著光軸的間隔被調整為針孔3a之像會形成於透鏡8之被檢凹面反射鏡21側之光學面上。

透過分束器4的光，被準直透鏡9轉換成平行光後，射入分束器10。透過分束器10的光，在假若無視於被檢凹面反射鏡21之波面像差影響即可視為平行光的狀態下，射入可變形反射鏡5。藉可變形反射鏡5之反射而被賦予波面變化的光，射入分束器10。

在分束器10所反射的光，透過聚光透鏡11，將針孔3a之像(亦即點光)形成於，配置在與針孔3a成光學共軛位置之光檢測器7的檢測面。由光檢測器7所檢測出之點光的光強度資訊，被供應至作為測量被檢凹面反射鏡21之波面像差的測量部之控制處理系統6。

第2實施形態亦與第1實施形態相同，控制處理系統6係邊監測光檢測器7之輸出，邊使可變形反射鏡5的反射面形狀適當改變，以使光檢測器7所檢測出之點光有最大的光強度。又，控制處理系統6係根據形成於光檢測器7之檢測面之點光為最大光強度時可變形反射鏡5的反射面形狀之資訊(亦即由可變形反射鏡5所賦予之波面變化之相關資訊)，測量被檢凹面反射鏡21的波面像差。

然而，在第2實施形態，當被檢凹面反射鏡21的反射面，係具有之曲率半徑乃是沿著光軸(起自該反射面，迄透鏡8之被檢凹面反射鏡21側之光學面為止之光軸)之距離之2倍長度的拋物面時，形成於光檢測器7之檢測面的點光為最大的光強度(點光成為最小)。因此，考慮此種情事，控制處理系統6係將可變形反射鏡5所賦予的波面變化之相關資訊，轉換成被檢凹面反射鏡21的波面像差。如此，在第2實施形態，同樣未使用干涉法，即能以較為簡單之構成來測量被檢凹面反射鏡21的波面像差。

又，控制處理系統6係根據形成於光檢測器7之檢測面之點光的位置資訊(例如，點光之形成位置距離檢測面中心位置之偏離資訊)，測量被檢凹面反射鏡21的偏心成分。 或者，控制處理系統6使可變形反射鏡5之反射面形狀適當改變以使點光朝光檢測器7之檢測面之既定位置(例如檢測面的中心位置)移動，根據此時之可變形反射鏡5之反射面形狀的傾斜成分(進而是可變形反射鏡5所賦予之波面變化的傾斜成分)，測量被檢凹面反射鏡21的偏心成分。

圖4係顯示本發明之第3實施形態之波面像差測量裝置的概略構成圖。在第3實施形態中，將本發明之波面像差測量裝置用在由1個凸面反射鏡構成之被檢光學系統(亦即被檢凸面反射鏡22)的波面像差測量。以下，著眼於與第1實施形態及第2實施形態之相異點，說明第3實施形態之波面像差測量裝置之構成及作用效果。

在第3實施形態之波面像差測量裝置中，由光源1所放射的光，透過聚光透鏡2，照明針孔構件3的針孔3a。來自針孔3a的光，在理想球面波之狀態下射入分束器4。在分束器4所反射的光，透過具有聚光透鏡功能之透鏡8，垂直的射入被檢凸面反射鏡22以會聚在被檢凸面反射鏡22之反射面之曲率中心位置O'。

換言之，在第3實施形態，針孔3a與透鏡8之沿著光軸的間隔係被調整為能在不介入被檢凸面反射鏡22之狀態下，使針孔3a之像形成於被檢凸面反射鏡22之反射面的曲率中心位置O'。由被檢凸面反射鏡22所反射的光，透過透鏡8而射入分束器4。

透過分束器4的光，在形成針孔3a之像後，被準直透鏡9轉換成平行光，射入分束器10。透過分束器10的光， 在假使無視於被檢凸面反射鏡22之波面像差影響即可視為平行光的狀態下，射入可變形反射鏡5。藉可變形反射鏡5之反射而被賦予波面變化的光，射入分束器10。

在分束器10所反射的光，透過聚光透鏡11，將針孔3a之像(亦即點光)形成於，配置在與針孔3a成光學共軛位置之光檢測器7的檢測面。由光檢測器7所檢測出之點光的光強度資訊，被供應至作為測量被檢凸面反射鏡22之波面像差的測量部之控制處理系統6。

第3實施形態亦與第1實施形態相同，控制處理系統6係邊監測光檢測器7之輸出，邊使可變形反射鏡5的反射面形狀適當改變，以使光檢測器7所檢測出之點光為最大的光強度。又，控制處理系統6係根據形成於光檢測器7之檢測面之點光為最大光強度時可變形反射鏡5的反射面形狀資訊(亦即由可變形反射鏡5所賦予之波面變化之相關資訊)，測量被檢凸面反射鏡22的波面像差。如此，在第3實施形態，同樣未使用干涉法，即能以較為簡單之構成來測量被檢凸面反射鏡22的波面像差。

又，控制處理系統6係根據形成於光檢測器7之檢測面之點光的位置資訊(例如，點光之形成位置距離檢測面中心位置之偏離資訊)，測量被檢凸面反射鏡22的偏心成分。或者，控制處理系統6，使可變形反射鏡5之反射面形狀適當改變，以使點光朝光檢測器7之檢測面之既定位置(例如檢測面的中心位置)移動，根據此時之可變形反射鏡5之反射面形狀的傾斜成分(進而是可變形反射鏡5所賦予之波面 變化的傾斜成分)，測量被檢凸面反射鏡22的偏心成分。

經比較第2實施形態與第3實施形態，波面像差測量裝置係以具有彼此相同功能之要件所構成。因此，藉由光源單元(光源1、聚光透鏡2、針孔構件3)與透鏡8之間的間隔調整機構的設置，以及分束器4與檢測/控制單元(準直透鏡9、分束器10、可變形反射鏡5、聚光透鏡11、光檢測器7、控制處理系統6)之間的間隔調整機構的設置，可實現無論是對於凹面反射鏡所構成之被檢光學系統，或是由凸面反射鏡所構成之被檢光學系統，皆可適用之波面像差測量裝置。

在上述實施形態中，係以本發明之波面像差測量裝置及波面像差測量方法來說明，然而，可將本發明用在被檢光學系統所用之波面像差調整方法。在第1實施形態，已測得被檢光學系統之波面像差，因此，可使用已測得之波面像差來調整(或修正)被檢光學系統，使被檢光學系統之波面像差成為所欲波面像差數值。以下說明其具體方法。將具有設計值(例如0)之波面像差之被檢光學系統20，作為理想的被檢光學系統20。首先，將可變形反射鏡5之面形狀設定成，經過此種理想之被檢光學系統20後應有理想之波面像差之面形狀，且予以固定。例如，若是理想之被檢光學系統20之波面像差為0，該種被檢光學系統20並不需要將可變形反射鏡5之面形狀予以變形以調節波面像差，因此，可將可變形反射鏡5之面形狀設定成完全平坦的面，且予以固定。將經此方式固定之可變形反射鏡5以圖1之 配置方式來設置。假使在被檢光學系統20之波面像差可成為0(所欲波面像差)之狀態(被檢光學系統已被調整)，在可變形反射鏡5所反射的反射光，會原原本本的循著通過被檢光學系統之光路而反向前進，因此，照射在光檢測器7之點光的強度，應該會達到最大。若是被檢光學系統20之波面像差未達到0，換言之，被檢光學系統20尚未被調整成能產生所要波面像差之狀態，則會因為點光發生擴散，檢測出之光強度不會到達最大。因此，乃重複被檢光學系統20之調整(或修正)，使照射於光檢測器7之點光的強度接近最大。被檢光學系統20之調整或修正，例如，能以對於構成被檢光學系統20之透鏡表面實施研磨的方式來進行。當被檢光學系統20係由複數個透鏡所構成時，能以調節透鏡間隔之方式來調整之。以該種調整，究竟能對波面像差達到何種程度之改善，可由輸出光之頂峰強度對入射光之頂峰強度的比值(斯特列爾比：Strehl Ratio)來評估。再者，在第1實施形態中，被檢光學系統20之波面像差已經有測得，因此，可根據其測得之量，以預先對被檢光學系統20實施研磨等方式而予調整(預先調整)，將經上述方式預先調整之被檢光學系統20以圖1之配置方式設置，確認光檢測器7之點光的強度是否為最大。若是並未成為最大，則是將被檢光學系統20再度調整後，以圖1之方式來設置以檢查點光的強度。藉由此作業的重複實施，能有效率且確實的調整(或修正)被檢光學系統。

再者，在上述之各實施形態，係使用具有可變形之1 個連續反射面的可變形反射鏡(可調變聚焦鏡)5，來作為配置在點光源(3a：1~3)與光檢測器7間之光路中、用以對經過被檢光學系統20；被檢凹面反射鏡21；被檢凸面反射鏡22的光賦予波面變化的波面變化賦予部。然而，並不侷限於此，亦可如圖5所示，使用具有能獨立地改變角度且呈二維並列配置之複數個反射鏡要件50的二維反射鏡陣列51(例如二維MEMS陣列等)，作為波面變化賦予部。在此情形之反射鏡要件50係如圖2所示，可藉由驅動元件5b予以獨立的驅動。但並不侷限於此，用以將波面變化賦予經過被檢光學系統的光之波面變化賦予部的構成，可採各種形態。例如，可先將具有既定折射率之流體充填至被2維式的區分開來之複數個小區塊，使各小區塊之光路長或流體之折射率獨立變化，藉此，可對於透過其等各個小區塊的光賦予波面變化。在此情形，可使用平面反射鏡，使透過波面變化賦予部的光經反射而回到被檢光學系統。

上述實施形態之波面像差測量裝置及波面像差調整機構，光源並非絕對必備者，可利用在進行測量或調整之場所內設置的光源。又，在上述實施形態中，係使用具有光之會聚、反射、及分割作用之特定的光學元件，然而，本發明並不侷限於使用其等特定之光學元件，可使用能帶來此類作用之任意的光學元件。

1‧‧‧光源

2‧‧‧聚光透鏡

3‧‧‧針孔構件

3a‧‧‧針孔

4、10‧‧‧分束器

5‧‧‧可變形反射鏡(可調變聚焦鏡)

6‧‧‧控制處理系統

7‧‧‧光檢測器

8‧‧‧透鏡

9‧‧‧準直透鏡

11‧‧‧聚光透鏡

20‧‧‧被檢光學系統

21‧‧‧被檢凹面反射鏡

22‧‧‧被檢凸面反射鏡

圖1係概略顯示本發明之第1實施形態之波面像差測 量裝置的構成之圖。

圖2係概略顯示圖1之可變形反射鏡之內部構成之圖。

圖3係概略顯示本發明之第2實施形態之波面像差測量裝置的構成之圖。

圖4係概略顯示本發明之第3實施形態之波面像差測量裝置的構成之圖。

圖5係可用在本發明之變形例之具有複數個反射鏡要件之二維反射鏡陣列的概略圖。

1‧‧‧光源

2‧‧‧聚光透鏡

3‧‧‧針孔構件

3a‧‧‧針孔

4‧‧‧分束器

5‧‧‧可變形反射鏡(可調變聚焦鏡)

6‧‧‧控制處理系統

7‧‧‧光檢測器

20‧‧‧被檢光學系統

Claims (13)

1. 一種波面像差測量裝置，用以測量被檢光學系統之波面像差，其特徵在於，具備：點光源，用以供應測量光；光檢測器，具有配置在與該點光源成光學共軛位置之檢測面；波面變化賦予部，係配置在該點光源與該光檢測器間之光路中，基於經過該被檢光學系統的光射入之該光檢測器之輸出，以在該光檢測器測量之點光之強度成為最大之方式賦予波面變化；及測量部，係根據該光檢測器之輸出、與於該波面變化賦予部所賦予的波面變化，測量該被檢光學系統之波面像差。
2. 如申請專利範圍第1項之波面像差測量裝置，其中，該測量部係根據為使形成於該檢測面之點光之位置能朝既定位置移動而賦予之波面變化的傾斜成分，測量該被檢光學系統的偏心成分。
3. 如申請專利範圍第1項之波面像差測量裝置，其中，該測量部係根據形成於該檢測面之點光之位置資訊，測量該被檢光學系統的偏心成分。
4. 如申請專利範圍第1項之波面像差測量裝置，其中，該波面變化賦予部具有可變形之反射面與驅動其之驅動元件。
5. 如申請專利範圍第1項之波面像差測量裝置，其中該 波面變化賦予部具有呈二維並排配置並可獨立地改變角度之複數個反射鏡要件與驅動其等之驅動元件。
6. 如申請專利範圍第1項之波面像差測量裝置，其中，該光源係非同調性光源。
7. 如申請專利範圍第1項之波面像差測量裝置，其進一步具備控制該驅動元件之控制部，控制部係控制該驅動元件使形成於該檢測面之點光為最大的光強度。
8. 一種波面像差測量方法，用以測量被檢光學系統之波面像差，其特徵在於：基於經過該被檢光學系統的光射入之該光檢測器之輸出，以在該光檢測器測量之點光之強度成為最大之方式對由點光源所放射且經過該被檢光學系統的光賦予波面變化；檢測出被賦予該波面變化的光於與該點光源成光學共軛之既定面所形成的點光；根據為使該點光為最大光強度而賦予之波面變化，測量該被檢光學系統的波面像差。
9. 如申請專利範圍第8項之波面像差測量方法，其中，係根據為使該點光位置朝既定位置移動而賦予之波面變化，測量該被檢光學系統的偏心成分。
10. 如申請專利範圍第8項之波面像差測量方法，其中，係根據該點光之位置資訊，測量該被檢光學系統的偏心成分。
11. 如申請專利範圍第8項之波面像差測量方法，其 中，係使用可變形反射鏡對經過該被檢光學系統的光賦予波面變化。
12. 一種波面像差調整方法，係使用申請專利範圍第11項之波面像差測量方法中所取得之波面像差，調整該被檢光學系統的波面像差。
13. 如申請專利範圍第12項之波面像差調整方法，其中，係將該可變形反射鏡固定成對具有設計值波面像差之被檢光學系統產生所欲波面像差的狀態，繼而調整該被檢光學系統的波面像差以使該點光為最大光強度。