WO2020136800A1 - 波面計測装置及び波面計測方法 - Google Patents
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Abstract
波面計測装置(100,100a)は、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体を画像光として出射する画像形成面(112)、及び、画像形成面(112)を照明する照明光学系(111)を有し、画像形成面(112)から出射される画像光による光束を被検体(10)へ出射する画像出射部(110)と、被検体(10)から戻ってきた光束を空間的に分割して複数の分割光束を生成する波面分割部(130)と、画像出射部(110)から出射される光束を被検体(10)へ導き、且つ、被検体(10)から戻ってきた光束を波面分割部(130)へ導く光路分割部(120)と、画像出射部(110)から出射された光束、又は、被検体(10)から戻ってきた光束の発散量を調整するフォーカス調整部(121)と、波面分割部(130)が生成した複数の分割光束を受光する受光部(140)と、を備えた。
Description
この発明は、波面計測装置及び波面計測方法に関するものである。
被検体に平面波を照射し、被検体により歪んだ波面を計測することで被検体の歪みを計測する波面収差計測装置がある。
例えば、特許文献1では、被検光学系を光路上から一旦退避させた状態で、可変形状ミラーの反射面形状を変化させながら、可変形状ミラーで反射され被検光学系を介さずに波面センサに入射する光束の平行度を観測し、反射面の形状を、該光束が平行光束となる最適形状に設定した上で、被検光学系を上述の光路上に配置して、被検光学系の波面収差を計測する波面計測装置が開示されている。
従来の波面計測方法では、被検体に平面波を照射する必要があり、無限遠に存在する点光源が必要であった。しかしながら、光源は、一般的に有限の大きさを有するものであり、また、波面計測装置の大きさも有限であるため、従来の波面計測方法では、有限の距離にある有限の大きさを有するが、十分に小さい点とみなせる光源からの光を平面波であるとみなして、波面計測を行っていた。一方、有限の距離にある大きさの無視できない有限の大きさを有する光源、非点光源からの光を用いて波面計測を行った場合、計測する際に用いる撮像手段に結ばれる像は、点にはならないため、波面計測の精度が低下してしまうという問題点があった。
この発明は、上述の課題を解決するためのもので、無限遠に存在する点光源が無い場合でも、波面計測の精度を向上できる波面計測装置を提供することを目的としている。
この発明に波面計測装置は、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体を画像光として出射する画像形成面、及び、画像形成面を照明する照明光学系を有し、照明光学系が画像形成面を照明することにより画像形成面から出射される画像光による光束を被検体へ出射する画像出射部と、被検体から戻ってきた光束を空間的に分割して複数の分割光束を生成する波面分割部と、画像出射部から出射される光束を被検体へ導き、且つ、被検体から戻ってきた光束を波面分割部へ導く光路分割部と、被検体と光路分割部の間に配置され、画像出射部から出射された光束、又は、被検体から戻ってきた光束の発散量を調整するフォーカス調整部と、波面分割部が生成した複数の分割光束を受光する受光部であって、受光部における各分割光束により結ばれる像の形状が、画像形成面から画像光として出射された物体の形状と同様の形状となる受光部と、を備えた。
この発明によれば、点光源が無い場合に非点光源を使うことが可能になり、波面計測の精度を向上できる。
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から図6までを参照して実施の形態1に係る波面計測装置100について説明する。
図1は、実施の形態1に係る波面計測装置100が適用された波面計測システム1の要部の構成の一例を示す図である。
特に図1は、実施の形態1に係る波面計測装置100のある方向における断面の一例を示している。
図1から図6までを参照して実施の形態1に係る波面計測装置100について説明する。
図1は、実施の形態1に係る波面計測装置100が適用された波面計測システム1の要部の構成の一例を示す図である。
特に図1は、実施の形態1に係る波面計測装置100のある方向における断面の一例を示している。
被検体10は、レンズ若しくはガラス板などの光波を透過させるもの、又は、反射鏡若しくは半導体ウェハ等の反射面を有するものである。
図1では、被検体10は、有限の焦点距離を有する透過凸レンズである場合を示している。
図1では、被検体10は、有限の焦点距離を有する透過凸レンズである場合を示している。
波面計測システム1は、光源30、導光部40、及び波面計測装置100を備える。
光源30は、例えば、電力の供給を受けることにより光を発するフィラメント又は発光ダイオード等の発光体である。より具体的には、例えば、光源30は、電力の供給を受けることにより単一波長光又は白色光を発する。
導光部40は、光源30が発した光を波面計測装置100における筐体101の内部に導く、光ファイバ等の導光部材等である。
導光部40は、光源30が発した光を波面計測装置100における筐体101の内部に導く、光ファイバ等の導光部材等である。
波面計測装置100は、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体の形状からなる画像光による光束X4を被検体10へ照射し、被検体10から戻ってきた光束X8を空間的に分割して、物体の形状と同様の形状の複数の像を受光部140上に結像させて、被検体10による波面歪みを計測するものである。
波面計測装置100は、筐体101、画像出射部110、光路分割部120、フォーカス調整部121、波面分割部130、受光部140、制御回路141、入出力部143、放熱体150、温度計測部160、演算部171、電源部172、遮断部173、温度記録部174、及び校正用原器190を備える。図1は、被検体10と受光部140とを結ぶ光束の伝搬の基準となる方向を示す光軸、又は、画像形成面112と被検体10とを光路分割部120により折り曲げて結ぶ光束の伝搬の基準となる方向を示す光軸を、点線により示している。
波面計測装置100は、筐体101、画像出射部110、光路分割部120、フォーカス調整部121、波面分割部130、受光部140、制御回路141、入出力部143、放熱体150、温度計測部160、演算部171、電源部172、遮断部173、温度記録部174、及び校正用原器190を備える。図1は、被検体10と受光部140とを結ぶ光束の伝搬の基準となる方向を示す光軸、又は、画像形成面112と被検体10とを光路分割部120により折り曲げて結ぶ光束の伝搬の基準となる方向を示す光軸を、点線により示している。
筐体101は、波面計測装置100の外装部材である。
実施の形態1において、光源30及び導光部40は、波面計測装置100における筐体101の外部に備えられており、導光部40の一端と筐体101とは、導光用コネクタ102を介して接続されている。光源30が発した光は、導光部40及び導光用コネクタ102を介して、波面計測装置100の内部に導かる。波面計測装置100の内部に導かれた光は、光束X0として画像出射部110に照射される。
光源30及び導光部40は、波面計測装置100における筐体101の外部に備えられているものとは限らず、光源30及び導光部40は、波面計測装置100における筐体101の内部に備えられていても良い。また、波面計測装置100は、構成要件として光源30及び導光部40を備えるものであっても良い。
実施の形態1において、光源30及び導光部40は、波面計測装置100における筐体101の外部に備えられており、導光部40の一端と筐体101とは、導光用コネクタ102を介して接続されている。光源30が発した光は、導光部40及び導光用コネクタ102を介して、波面計測装置100の内部に導かる。波面計測装置100の内部に導かれた光は、光束X0として画像出射部110に照射される。
光源30及び導光部40は、波面計測装置100における筐体101の外部に備えられているものとは限らず、光源30及び導光部40は、波面計測装置100における筐体101の内部に備えられていても良い。また、波面計測装置100は、構成要件として光源30及び導光部40を備えるものであっても良い。
画像出射部110は、照明光学系111、画像形成面112、画像形成切替部(不図示)、及びリレー光学系113を有する。
照明光学系111は、画像形成面112を照明する。具体的には、照明光学系111は、画像出射部110における照明光学系111に入射された光束X0から非平面波である光束X1を形成して出射する。照明光学系111は、一枚以上のレンズ、又は一枚以上の反射鏡等の光学部材により構成され、出射した光束X1を画像形成面112に導く。
画像形成面112は、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体を光束X2(以下「画像光」という。)として出射するものである。具体的には、画像形成面112は、照明光学系111が光束X1により画像形成面112を照明することにより、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体を画像光として形成し、光束X2として出射する。
図2を参照して画像形成面112の構成ついて説明する。
図2は、実施の形態1に係る画像形成面112の構成の一例を示す図である。
図2に示すとおり、例えば、画像形成面112は、照明光学系111から入射された光束X1を透過させる透過部112aと、透過部112aの周囲に受けた光束X1を遮断するマスク部112bとを有する。
図2を参照して画像形成面112の構成ついて説明する。
図2は、実施の形態1に係る画像形成面112の構成の一例を示す図である。
図2に示すとおり、例えば、画像形成面112は、照明光学系111から入射された光束X1を透過させる透過部112aと、透過部112aの周囲に受けた光束X1を遮断するマスク部112bとを有する。
画像形成面112は、透過部112aとマスク部112bとにより、照明光学系111から入射された光束X1から、非点、すなわち、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体、を画像光として形成し、光束X2として出射する。
マスク部112bは、不透明の樹脂板、不透明なガラス、又は金属等により構成される。透過部112aは、ガラス若しくは樹脂等の透明板、又はマスク部112bを形成する不透明の樹脂板、不透明なガラス、若しくは金属等の部材に開けられた穴等により構成される。
透過部112a及びマスク部112bは、上述の構成に限るものではない。
透過部112a及びマスク部112bは、画像形成面112が透過型液晶パネルにより構成される場合、透過型液晶パネルの液晶層を電気的に制御されることにより、透過型液晶パネルにおいて形成されるものであっても良い。
マスク部112bは、不透明の樹脂板、不透明なガラス、又は金属等により構成される。透過部112aは、ガラス若しくは樹脂等の透明板、又はマスク部112bを形成する不透明の樹脂板、不透明なガラス、若しくは金属等の部材に開けられた穴等により構成される。
透過部112a及びマスク部112bは、上述の構成に限るものではない。
透過部112a及びマスク部112bは、画像形成面112が透過型液晶パネルにより構成される場合、透過型液晶パネルの液晶層を電気的に制御されることにより、透過型液晶パネルにおいて形成されるものであっても良い。
また、画像形成面112は、画像光を形成するために、照明光学系111から入射された光束X1を反射させる反射部(不図示)と、反射部の周囲に受けた光束X1を吸収する吸収部(不図示)とを有するものであっても良い。
画像形成面112は、反射部と吸収部とにより、照明光学系111から入射された光束X1から、非点、すなわち、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体、を画像光として形成し、光束X2として出射する。
反射部は、例えば、反射鏡により構成させる。吸収部は、例えば、樹脂性の吸光材により構成される。また、反射部及び吸収部は、画像形成面112が反射型液晶パネルにより構成される場合、反射型液晶パネルの液晶層を電気的に制御されることにより、反射型液晶パネルにおいて形成されるものであっても良い。
画像形成面112は、反射部と吸収部とにより、照明光学系111から入射された光束X1から、非点、すなわち、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体、を画像光として形成し、光束X2として出射する。
反射部は、例えば、反射鏡により構成させる。吸収部は、例えば、樹脂性の吸光材により構成される。また、反射部及び吸収部は、画像形成面112が反射型液晶パネルにより構成される場合、反射型液晶パネルの液晶層を電気的に制御されることにより、反射型液晶パネルにおいて形成されるものであっても良い。
図3A、図3B、図3C、及び図3Dは、実施の形態1に係る画像形成面112が形成する画像光の形状の一例を示す図である。
実施の形態1に係る画像出射部110は、画像形成面112として、それぞれ異なる形状の画像光を形成する4種類の画像形成面112-1,112-2,112-3,112-4を備える。
実施の形態1に係る画像出射部110は、画像形成面112として、それぞれ異なる形状の画像光を形成する4種類の画像形成面112-1,112-2,112-3,112-4を備える。
画像出射部110は、画像形成切替部により、複数の画像形成面112-1,112-2,112-3,112-4のうち、いずれか1つを選択的に切り替えて、各画像形成面112-1,112-2,112-3,112-4に対応する画像光を形成させることができる。なお、画像出射部110における画像形成面112-1,112-2,112-3,112-4の画像形成切替部による切り換えは、予め用意された画像形成面112-1,112-2,112-3,112-4を可動部(不図示)により切り替えることにより行うことができる。また、画像形成面112が、透過型液晶パネル又は反射型液晶パネル等により構成される場合、画像形成面112は、二次元空間に任意の濃淡によるパターンにより形成することにより、有限の大きさの物体を画像光として出射するようにしても良い。具体的には、画像形成面112が透過型液晶パネル又は反射型液晶パネル等により構成される場合、画像形成切替部が、透過型液晶パネル又は反射型液晶パネルの液晶層を電気的に制御することにより、画像形成面112-1,112-2,112-3,112-4の切り換えを行う。
以下、画像形成面112-1,112-2,112-3,及び画像形成面112-4が形成する画像光の形状は、それぞれ、図3A、図3B、図3C、及び図3Dに示すものに相当するものとして説明する。
なお、画像出射部110が備える画像形成面112が形成する画像光の形状は、図3A、図3B、図3C、及び図3Dに示すものとは限らず、非点、すなわち、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体の形状であれば良い。
なお、画像出射部110が備える画像形成面112が形成する画像光の形状は、図3A、図3B、図3C、及び図3Dに示すものとは限らず、非点、すなわち、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体の形状であれば良い。
また、画像出射部110が備える画像形成面112の種類の数は、4個とは限らず、1個以上であれば、3個以下でも、5個以上でも良い。
なお、図3において、図3A又は図3Bに示す画像形成面112-1又は画像形成面112-2は、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体を画像光として出射する画像形成面112の一例を示すものである。また、図3Cに示す画像形成面112-3は、例えば、図2に示す透過部112aの大きさが光の波長の長さと同程度の大きさの点である。透過部112aの大きさが光の波長の長さと同程度の大きさの点である場合、透過部112aの大きさは、無視できるものとなる。このため、画像形成面112-3は、実際には非点であるが、濃淡によるパターンにより形成された実質的に点とみなせる物体を画像光として出射する画像形成面112の一例を示すものである。また、図3Dに示す画像形成面112-4は、図3Cに示す実質的に点とみなせる物体を空間的な並びを持たせて配置した物体を画像光として出射する画像形成面112の一例を示すものである。
なお、図3において、図3A又は図3Bに示す画像形成面112-1又は画像形成面112-2は、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体を画像光として出射する画像形成面112の一例を示すものである。また、図3Cに示す画像形成面112-3は、例えば、図2に示す透過部112aの大きさが光の波長の長さと同程度の大きさの点である。透過部112aの大きさが光の波長の長さと同程度の大きさの点である場合、透過部112aの大きさは、無視できるものとなる。このため、画像形成面112-3は、実際には非点であるが、濃淡によるパターンにより形成された実質的に点とみなせる物体を画像光として出射する画像形成面112の一例を示すものである。また、図3Dに示す画像形成面112-4は、図3Cに示す実質的に点とみなせる物体を空間的な並びを持たせて配置した物体を画像光として出射する画像形成面112の一例を示すものである。
リレー光学系113は、画像形成面112から入射された画像光である光束X2を被検体10の方向へ導く。実施の形態1に係るリレー光学系113は、一例として、透過凸レンズにより構成され、光束X3を光路分割部120に導くものである。
以上のとおり、画像出射部110は、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体を画像光として出射する画像形成面112、及び、画像形成面112を照明する照明光学系111を有し、照明光学系111が画像形成面112を照明することにより画像形成面112から出射される画像光による光束X3を被検体10へ出射するものである。
光路分割部120は、筐体101の内部に配されるハーフミラー等により構成されたビームスプリッタ等である。光路分割部120は、第1入射面120aと、第1入射面120aと直交する、第1出射面であり第2入射面である出入射面120bと、出入射面120bと平行する第2出射面120cを有する。
光路分割部120は、リレー光学系113から第1入射面120aに入射された光束X3を90度屈曲させて出入射面120bから出射し、出入射面120bから出射した光束X3をフォーカス調整部121に導く。
一方、光路分割部120は、出入射面120bに入射された被検体10から戻ってきた光束X8を透過させて、第2出射面120cから波面分割部130に導く。
以上のとおり、光路分割部120は、画像出射部110が出射する光束X3を、出入射面120bを経由して被検体10へ導く光路、及び、被検体10から戻ってきた光束X8を、第2出射面120cを経由し波面分割部130に導く光路の二つ光路を分割するためのものである。
一方、光路分割部120は、出入射面120bに入射された被検体10から戻ってきた光束X8を透過させて、第2出射面120cから波面分割部130に導く。
以上のとおり、光路分割部120は、画像出射部110が出射する光束X3を、出入射面120bを経由して被検体10へ導く光路、及び、被検体10から戻ってきた光束X8を、第2出射面120cを経由し波面分割部130に導く光路の二つ光路を分割するためのものである。
フォーカス調整部121は、筐体101の内部に配される透過凸レンズ等により構成されたの光学系部材である。フォーカス調整部121は、可動部(不図示)により透過凸レンズ等の位置を被検体10から戻ってきた光束X7が進む方向に対して前後に移動させることにより、出入射面120bから入射された光束X3、及び被検体10から入射された光束X7の発散量を調整するものである。
フォーカス調整部121は、光束X3の発散量を調整して、光束X4として出射し、被検体10に導く。
また、フォーカス調整部121は、光束X7の発散量を調整して、光束X8として出射し、光路分割部120の出入射面120bへ導く。
フォーカス調整部121は、光束X3の発散量を調整して、光束X4として出射し、被検体10に導く。
また、フォーカス調整部121は、光束X7の発散量を調整して、光束X8として出射し、光路分割部120の出入射面120bへ導く。
フォーカス調整部121から出射された光束X4は、筐体101に備えられた開口部103を介して、筐体101の外部に配置された被検体10に照射される。開口部103は、筐体101において必ずしも開口しているものととは限らず、例えば、開口部103は、光束X4が可視光線である場合、透明なガラス板等で覆われていても良い。
図1に示す被検体10は、有限の焦点距離を有する透過凸レンズであるため、フォーカス調整部121から被検体10に入射された光束X4は、被検体10を透過して、被検体10から光束X5として出射される。被検体10から出射された光束X5は、折り返しミラー20に導かれる。
折り返しミラー20は、例えば、平面鏡又は凹面鏡等に代表される反射鏡により構成される。折り返しミラー20は、被検体10が、図1に示すような透過レンズ等の光束を透過するものである場合、折り返しミラー20は、被検体10を透過した光束X5を反射させて、被検体10に向かって光束X5を光束X6として光路又は光軸を折り返す。
折り返しミラー20により折り返された光束X6は、再び、被検体10に入射される。
折り返しミラー20により折り返された光束X6は、再び、被検体10に入射される。
なお、実施の形態1に係る折り返しミラー20は、折り返しミラー20の光軸が、被検体10及び波面計測装置100の光軸と同軸になるように揃えたものである。また、折り返しミラー20は、折り返しミラー20の位置又は角度等の調整するための調整機構(不図示)を用いて、折り返しミラー20、被検体10、及び波面計測装置100の光軸を揃えるように調整可能なものであっても良い。
被検体10に入射された光束X6は、被検体10を透過して、被検体10から光束X7として出射され、フォーカス調整部121に導かれる。
また、被検体10が光束X4を透過するものではなく、被検体10が光束X4を反射するものである場合、折り返しミラー20は、必須なものではない。
被検体10に入射された光束X6は、被検体10を透過して、被検体10から光束X7として出射され、フォーカス調整部121に導かれる。
また、被検体10が光束X4を透過するものではなく、被検体10が光束X4を反射するものである場合、折り返しミラー20は、必須なものではない。
フォーカス調整部121に入射された光束X7は、上述のとおり、フォーカス調整部121を透過して、光束X8として光路分割部120の出入射面120bに導かれる。
出入射面120bに入射された光束X8は、上述のとおり、光路分割部120の第2出射面120cから波面分割部130に導かれる。
出入射面120bに入射された光束X8は、上述のとおり、光路分割部120の第2出射面120cから波面分割部130に導かれる。
図4を参照して、実施の形態1に係る波面分割部130及び受光部140について説明する。
波面分割部130は、光路分割部120の第2出射面120cから入射された光束X8を空間的に分割するものである。
実施の形態1に係る波面分割部130は、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイ131により構成される。
波面分割部130は、光路分割部120の第2出射面120cから入射された光束X8を空間的に分割するものである。
実施の形態1に係る波面分割部130は、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイ131により構成される。
図4Aは、実施の形態1に係る波面分割部130を構成するマイクロレンズアレイ131を光束X8の光軸に沿って見た際の一例を示す図である。
波面分割部130を構成するマイクロレンズアレイ131は、図4Aに示すように、平面上に複数のマイクロレンズが二次元的、つまり、複数行複数列の格子状に配置されたものである。波面分割部130を構成するマイクロレンズアレイ131における各マイクロレンズの入射面は、光軸に直交して配置される。
各マイクロレンズは、入射された光束X8を空間的に分割し、各マイクロレンズにより分割した光束(以下「分割光束」という。)を、各マイクロレンズに対向する受光部140における各位置に集光させ、受光部140における当該各位置に結像させる。
波面分割部130を構成するマイクロレンズアレイ131は、図4Aに示すように、平面上に複数のマイクロレンズが二次元的、つまり、複数行複数列の格子状に配置されたものである。波面分割部130を構成するマイクロレンズアレイ131における各マイクロレンズの入射面は、光軸に直交して配置される。
各マイクロレンズは、入射された光束X8を空間的に分割し、各マイクロレンズにより分割した光束(以下「分割光束」という。)を、各マイクロレンズに対向する受光部140における各位置に集光させ、受光部140における当該各位置に結像させる。
図4Aに示すマイクロレンズアレイ131は、一例として、10行10列の格子状に配置された複数のマイクロレンズを有するものである。
図4Aに示すマイクロレンズアレイ131における複数のマイクロレンズの配置は、一例に過ぎず、これに限るものではない。例えば、マイクロレンズアレイ131における複数のマイクロレンズは、行と列とにおいて異なる数により格子状に配列されたものであっても良い。また、例えば、マイクロレンズアレイ131における複数のマイクロレンズは、複数行複数列の格子状に配列されたものから、マイクロレンズアレイ131における光束X8が入射されない領域のマイクロレンズを取り去るように配列されたものでも良い。また、マイクロレンズアレイ131における複数のマイクロレンズは、格子状に配置されたものに限るものではなく、例えば、ハニカム状に配置されたものであっても良い。
図4Aに示すマイクロレンズアレイ131における複数のマイクロレンズの配置は、一例に過ぎず、これに限るものではない。例えば、マイクロレンズアレイ131における複数のマイクロレンズは、行と列とにおいて異なる数により格子状に配列されたものであっても良い。また、例えば、マイクロレンズアレイ131における複数のマイクロレンズは、複数行複数列の格子状に配列されたものから、マイクロレンズアレイ131における光束X8が入射されない領域のマイクロレンズを取り去るように配列されたものでも良い。また、マイクロレンズアレイ131における複数のマイクロレンズは、格子状に配置されたものに限るものではなく、例えば、ハニカム状に配置されたものであっても良い。
受光部140は、波面分割部130が空間的に分割して生成した複数の分割光束を受光し、各分割光束により結ばれる像を受光面において取得するためのものである。この際、画像形成面112と受光部140は光学的に共役な関係にあるため、受光部140において各分割光束により結ばれる像の形状は、前記画像形成面から画像光として出射される、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体の形状と同様の形状となる。
具体的には、受光部140は、波面分割部130を構成するマイクロレンズアレイ131における各マイクロレンズにより集光された分割光束を、当該各マイクロレンズに対向する受光部140における各位置において受光する。当該各マイクロレンズに対向する受光部140における各位置において結ばれる像の形状は、画像形成面112により形成された有限の大きさの物体の形状と同様の形状となる。つまり、画像形成面112により形成された有限の大きさの物体と同様の形状の像は、波面分割部130により分割した分割光束の数だけ受光部140における受光面上に作られる。
具体的には、受光部140は、波面分割部130を構成するマイクロレンズアレイ131における各マイクロレンズにより集光された分割光束を、当該各マイクロレンズに対向する受光部140における各位置において受光する。当該各マイクロレンズに対向する受光部140における各位置において結ばれる像の形状は、画像形成面112により形成された有限の大きさの物体の形状と同様の形状となる。つまり、画像形成面112により形成された有限の大きさの物体と同様の形状の像は、波面分割部130により分割した分割光束の数だけ受光部140における受光面上に作られる。
画像出射部110において、図3A又は図3Bに示した画像形成面112-1又は画像形成面112-2を選択している場合、受光部140における各位置において結ばれる像は、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの像(以下「非点像」という。)となる。また、画像出射部110において、図3C又は図3Dに示した画像形成面112-3又は画像形成面112-4を選択している場合、受光部140における各位置において結ばれる像は、濃淡によるパターンにより形成された実質的に点とみなせる像(以下「点像」という。)となる。
受光部140は、例えば、CCD又はCMOS等に代表されるイメージセンサにより構成される。受光部140がCMOSにより構成される場合、受光部140を構成するCMOSは、CMOSカメラセンサを構成している。
受光部140は、例えば、CCD又はCMOS等に代表されるイメージセンサにより構成される。受光部140がCMOSにより構成される場合、受光部140を構成するCMOSは、CMOSカメラセンサを構成している。
図4Bは、実施の形態1に係る受光部140を光束X8の光軸に沿って見た際の一例を示す図である。
受光部140は、図4Bに示すように、平面上に複数の受光素子が二次元的、つまり、複数行複数列の格子状に配置され、波面分割部130を構成するマイクロレンズアレイ131に対向して配置される。図4Bに示す受光部140は、一例として、100行100列の格子状に配置された複数の受光素子を有するものである。図4Bにおいて、網目の一つひとつは、1つの受光素子を示している。
マイクロレンズアレイ131が、図4Aに示すように10行10列の格子状に配置された複数のマイクロレンズを有するものである場合、受光部140は、図4Bに示すように各マイクロレンズにより集光された分割光束を、当該各マイクロレンズに対向する10行10列に配置された複数の受光素子により受光する。
受光部140は、図4Bに示すように、平面上に複数の受光素子が二次元的、つまり、複数行複数列の格子状に配置され、波面分割部130を構成するマイクロレンズアレイ131に対向して配置される。図4Bに示す受光部140は、一例として、100行100列の格子状に配置された複数の受光素子を有するものである。図4Bにおいて、網目の一つひとつは、1つの受光素子を示している。
マイクロレンズアレイ131が、図4Aに示すように10行10列の格子状に配置された複数のマイクロレンズを有するものである場合、受光部140は、図4Bに示すように各マイクロレンズにより集光された分割光束を、当該各マイクロレンズに対向する10行10列に配置された複数の受光素子により受光する。
図4Bに示す受光部140における複数の受光素子の配置は、一例に過ぎず、これに限るものではない。受光部140は、少なくとも、マイクロレンズアレイ131における任意のマイクロレンズにより集光される分割光束を、複数の受光素子により受光するものあれば良い。例えば、受光部140における複数の受光素子は、行と列とにおいて異なる数により格子状に配列されたものであっても良い。また、例えば、受光部140における複数の受光素子は、複数行複数列の格子状に配列されたものから、受光部140においてマイクロレンズにより集光される分割光束を受光しない領域の受光素子を取り去るように配列されたものでも良い。また、受光部140における複数の受光素子は、格子状に配置されたものに限るものではなく、例えば、ハニカム状に配置されたものであっても良い。
波面分割部130を構成するマイクロレンズアレイ131における各マイクロレンズと、各マイクロレンズにより集光された分割光束が受光部140において結像される点像又は非点像との関係は、光学的に言うと瞳と像との関係になっている。受光部140と、波面分割部130を構成するマイクロレンズアレイ131とを組み合わせた波面センサ180は、一般にシャック・ハルトマン方式の波面センサとして知られている。シャック・ハルトマン方式の波面センサにおいて、集光された光は、イメージセンサによって光電変換され、光電変換後の電気信号は、光の位置と量を示す信号として読み出される。
制御回路141は、受光部140に対する露光制御、及び、受光部140における各受光素子が受光した光の量を示す電気信号(以下「受光信号」という。)を受光部140から受信するための受信制御を行うためのものである。
配線142は、受光部140と制御回路141との間で受光信号等の電気信号を伝達するためのものである。
制御回路141は、筐体101の外部にある電源部172から駆動するための電源が供給される。
受光部140は、制御回路141及び配線142を介して電源部172から駆動するための電源が供給される。
配線142は、受光部140と制御回路141との間で受光信号等の電気信号を伝達するためのものである。
制御回路141は、筐体101の外部にある電源部172から駆動するための電源が供給される。
受光部140は、制御回路141及び配線142を介して電源部172から駆動するための電源が供給される。
入出力部143は、制御回路141が露光制御を行うための露光条件を制御回路141に入力するためのものである。更に、入出力部143は、制御回路141が受信した受光信号を筐体101の外部にある演算部171に出力するためのものである。
入出力部143は、波面計測装置100と、筐体101の外部にある演算部171との間でデータの送受を行うためのインターフェースである。入出力部143は、USB、RJ45、RS232C、又はIEEE1394等の汎用的な通信規格に基づいてデータの送受を行う。
制御回路141は、上述の通信規格が筐体101の外部にある電源部172からの電源供給が可能なものである場合、入出力部143を介して、筐体101の外部にある電源部172から電源供給されるものであっても良い。
入出力部143は、波面計測装置100と、筐体101の外部にある演算部171との間でデータの送受を行うためのインターフェースである。入出力部143は、USB、RJ45、RS232C、又はIEEE1394等の汎用的な通信規格に基づいてデータの送受を行う。
制御回路141は、上述の通信規格が筐体101の外部にある電源部172からの電源供給が可能なものである場合、入出力部143を介して、筐体101の外部にある電源部172から電源供給されるものであっても良い。
放熱体150は、筐体101の一部を構成する放熱部材、又は筐体101に固定される放熱部材である。
放熱体150は、接着剤151を介して、制御回路141及び入出力部143を放熱体150に固定しつつ、制御回路141及び入出力部143と熱的に接触されるものである。結果として、制御回路141及び入出力部143で発生する熱は放熱体150を介して筐体101の外部に放散される。
放熱体150は、接着剤151を介して、制御回路141及び入出力部143を放熱体150に固定しつつ、制御回路141及び入出力部143と熱的に接触されるものである。結果として、制御回路141及び入出力部143で発生する熱は放熱体150を介して筐体101の外部に放散される。
受光部140又は制御回路141等は、半導体等の電子部品により構成されている。電子部品は、動作保障温度が予め定められているため、受光部140又は制御回路141等を構成する電子部品の温度が上昇すると、動作が不安定になることがある。
波面計測装置100は、放熱体150を備えることにより、制御回路141及び入出力部143で発生する熱を筐体101の外部に放散できるため、受光部140又は制御回路141等を構成する電子部品の温度上昇を抑制できる。
波面計測装置100は、放熱体150を備えることにより、制御回路141及び入出力部143で発生する熱を筐体101の外部に放散できるため、受光部140又は制御回路141等を構成する電子部品の温度上昇を抑制できる。
温度計測部160は、受光部140、制御回路141、又は入出力部143等の温度を計測するためのものである。図1では、一例として、温度計測部160は、受光部140の温度を計測する例を示している。また、図1では、温度計測部160は、1つしか示されていないが、波面計測装置100は、受光部140、制御回路141、又は入出力部143等における各温度を計測するために、複数の温度計測部160を備えていても良い。
温度計測部160は、計測した温度を示す温度情報を筐体101の外部にある温度記録部174に記録させる。
温度計測部160は、計測した温度を示す温度情報を筐体101の外部にある温度記録部174に記録させる。
演算部171、電源部172、遮断部173、及び温度記録部174は、筐体101の外部に存在する。演算部171、電源部172、遮断部173、及び温度記録部174は、それぞれ、例えば、汎用計算機170におけるCPU等の演算処理手段、電源供給手段、電源制御手段、RAM又はHDD等の記憶手段により構成される。
電源部172は、演算部171、遮断部173、温度記録部174、及び筐体101の内部の制御回路141に電源を供給するものである。
温度記録部174は、温度計測部160が計測した温度を示す温度情報を記憶するものである。
温度記録部174は、温度計測部160が計測した温度を示す温度情報を記憶するものである。
遮断部173は、温度記録部174に記録された温度情報を読み出し、読み出した温度情報が示す温度値と、予め設定された温度閾値とを比較して、電源部172による筐体101の内部の制御回路141への電源の供給を制御するものである。
遮断部173は、温度記録部174から読み出した温度情報が示す温度値が温度閾値を超えた場合、電源部172による筐体101の内部の制御回路141への電源の供給を停止するように制御する。
遮断部173は、電源部172による筐体101の内部の制御回路141への電源の供給を停止させた後においても、温度記録部174に記録された温度情報を読み出すようにしても良い。遮断部173は、電源部172による制御回路141への電源の供給が停止されている場合における温度情報が示す温度値と、予め設定された温度閾値とを比較し、当該温度値が温度閾値以下になった場合、電源部172による筐体101の内部の制御回路141への電源の供給を再開するように制御する。
遮断部173は、温度記録部174から読み出した温度情報が示す温度値が温度閾値を超えた場合、電源部172による筐体101の内部の制御回路141への電源の供給を停止するように制御する。
遮断部173は、電源部172による筐体101の内部の制御回路141への電源の供給を停止させた後においても、温度記録部174に記録された温度情報を読み出すようにしても良い。遮断部173は、電源部172による制御回路141への電源の供給が停止されている場合における温度情報が示す温度値と、予め設定された温度閾値とを比較し、当該温度値が温度閾値以下になった場合、電源部172による筐体101の内部の制御回路141への電源の供給を再開するように制御する。
なお、制御回路141への電源の供給を停止するか否かを判定するために用いる温度閾値(以下「停止閾値」という。)と、制御回路141への電源の供給を再開するか否かを判定するために用いる温度閾値(以下「再開閾値」という。)とは、再開閾値が停止閾値以下であれば良く、同じ値に限るものではない。
また、遮断部173は、電源部172による筐体101の内部の制御回路141への電源の供給を開始してから連続して当該供給を行った期間と、予め設定された期間閾値とを比較し、当該期間が期間閾値を超えた場合、電源部172による筐体101の内部の制御回路141への電源の供給を停止するように制御するものであっても良い。
また、遮断部173は、電源部172による筐体101の内部の制御回路141への電源の供給を停止してから連続して当該供給を停止した期間と、予め設定された期間閾値とを比較し、当該期間が期間閾値を超えた場合、電源部172による筐体101の内部の制御回路141への電源の供給を再開するように制御するものであっても良い。
なお、制御回路141への電源の供給を停止するか否かを判定するために用いる期間閾値と、制御回路141への電源の供給を再開するか否かを判定するために用いる期間閾値とは、同じ値に限るものではない。
また、遮断部173は、電源部172による筐体101の内部の制御回路141への電源の供給を停止してから連続して当該供給を停止した期間と、予め設定された期間閾値とを比較し、当該期間が期間閾値を超えた場合、電源部172による筐体101の内部の制御回路141への電源の供給を再開するように制御するものであっても良い。
なお、制御回路141への電源の供給を停止するか否かを判定するために用いる期間閾値と、制御回路141への電源の供給を再開するか否かを判定するために用いる期間閾値とは、同じ値に限るものではない。
上述のとおり、受光部140又は制御回路141等は、半導体等の電子部品により構成されている。電子部品は、動作保障温度が予め定められているため、受光部140又は制御回路141等を構成する電子部品の温度が動作保障温度を超えて上昇すると、動作が不安定になるばかりか、電子部品が故障し、波面計測装置100が動作しなくなることがある。
波面計測装置100は、遮断部173を備えることにより、受光部140、制御回路141、又は入出力部143等の温度上昇を監視することで、電子部品の故障又は不安定な動作を未然に抑制できる。
波面計測装置100は、遮断部173を備えることにより、受光部140、制御回路141、又は入出力部143等の温度上昇を監視することで、電子部品の故障又は不安定な動作を未然に抑制できる。
演算部171は、入出力部143を介して取得した受信信号に基づいて、集光した光の位置及び量を定量的に計算する。集光した光の量が多い位置(以下「集光スポット」という。)の空間分布は、マイクロレンズアレイ131に入射された局所的な波面の傾きと相関がある。したがって、演算部171は、集光スポットの空間分布から、マイクロレンズアレイ131に入射された光束X8の波面を計測することにより、被検体10の歪みを計測する。
実施の形態1に係る波面計測装置100の動作について説明する。
まず、波面計測装置100は、被検体10の波面を計測する際の基準となる波面を特定するために、校正用原器190に光束X4を照射した際に取得した受信信号に基づいて、波面の計測を行う。
校正用原器190は、例えば、既知の光学特性を有する反射鏡である。具体的には、例えば、校正用原器190は、表面の形状が既知、又は所定の手段により平面度が保証された平面鏡等である。
図9は、実施の形態1に係る波面計測装置100において、校正用原器190を用いた際の光束の光路を示す図である。
波面計測装置100は、図9に示すように、筐体101における開口部103と、フォーカス調整部121との間における光束X4の光軸上に校正用原器190を配置し、光束X4を校正用原器190によりフォーカス調整部121に向かって反射させることにより、校正用原器190に光束X4を照射した際の波面測定を行う。
まず、波面計測装置100は、被検体10の波面を計測する際の基準となる波面を特定するために、校正用原器190に光束X4を照射した際に取得した受信信号に基づいて、波面の計測を行う。
校正用原器190は、例えば、既知の光学特性を有する反射鏡である。具体的には、例えば、校正用原器190は、表面の形状が既知、又は所定の手段により平面度が保証された平面鏡等である。
図9は、実施の形態1に係る波面計測装置100において、校正用原器190を用いた際の光束の光路を示す図である。
波面計測装置100は、図9に示すように、筐体101における開口部103と、フォーカス調整部121との間における光束X4の光軸上に校正用原器190を配置し、光束X4を校正用原器190によりフォーカス調整部121に向かって反射させることにより、校正用原器190に光束X4を照射した際の波面測定を行う。
図5Aは、校正用原器190に光束X4を照射した際のマイクロレンズアレイ131と受光部140とを有するシャック・ハルトマン方式の波面センサにおける光波の一例を示す断面図である。
図5Bは、校正用原器190に光束X4を照射した際の受光部140において結ばれる像の一例を示す図である。なお、図5Bは、画像形成面112が図3Aに示す画像形成面112-1を選択している場合における、校正用原器190に光束X4を照射した際の受光部140において結ばれる非点像の一例を示している。
校正用原器190に光束X4を照射した際の校正用原器190から戻ってきた光束X8における波面の位相空間分布が、図5Aに示すように、光束X8の光軸に直交する面に平行な面である場合、受光部140において結ばれる像は、マイクロレンズアレイ131における各マイクロレンズの中心位置に対向する位置に結像される。例えば、マイクロレンズアレイ131における各マイクロレンズが複数行複数列の格子状に等間隔に配置されている場合、受光部140において結ばれる非点像は、図5Bに示すように、受光部140上に等間隔に並ぶ。このようにマイクロレンズアレイ131による非点像の位置は、マイクロレンズアレイ131に入射された局所的な波面の傾斜と相関があるため、非点像の位置から波面の傾斜を求めることが可能となる。
図5Bは、校正用原器190に光束X4を照射した際の受光部140において結ばれる像の一例を示す図である。なお、図5Bは、画像形成面112が図3Aに示す画像形成面112-1を選択している場合における、校正用原器190に光束X4を照射した際の受光部140において結ばれる非点像の一例を示している。
校正用原器190に光束X4を照射した際の校正用原器190から戻ってきた光束X8における波面の位相空間分布が、図5Aに示すように、光束X8の光軸に直交する面に平行な面である場合、受光部140において結ばれる像は、マイクロレンズアレイ131における各マイクロレンズの中心位置に対向する位置に結像される。例えば、マイクロレンズアレイ131における各マイクロレンズが複数行複数列の格子状に等間隔に配置されている場合、受光部140において結ばれる非点像は、図5Bに示すように、受光部140上に等間隔に並ぶ。このようにマイクロレンズアレイ131による非点像の位置は、マイクロレンズアレイ131に入射された局所的な波面の傾斜と相関があるため、非点像の位置から波面の傾斜を求めることが可能となる。
演算部171は、校正用原器190に光束X4を照射した際に取得した受信信号が示す受光部140上に結像された各像の受光部140における位置(以下「基準位置」という。)を特定する。
図5Bに示すような、受光部140上に並んだ点像又は非点像の位置を特定するには、いくつかの方法がある。基準位置の特定方法の一例を図12を参照して説明する。
図12は、実施の形態1に係る波面計測装置100における演算部171が基準位置を特定する処理の一例を説明するフローチャートである。
図5Bに示すような、受光部140上に並んだ点像又は非点像の位置を特定するには、いくつかの方法がある。基準位置の特定方法の一例を図12を参照して説明する。
図12は、実施の形態1に係る波面計測装置100における演算部171が基準位置を特定する処理の一例を説明するフローチャートである。
まず、ステップST1にて、演算部171は、受光部140上に並んだ像が非点像であるか否かを判定する。受光部140に結ばれる像は、画像形成面112において図3に示す画像形成面112-1,112-2,112-3,112-4のうち、いずれかが選択されることにより決定されているため、既知のものであるとする。
ステップST1にて、演算部171が、受光部140上に並んだ像が非点像であると判定した場合、すなわち、例えば、画像形成面112において図3A又は図3Bに示す画像形成面112-1又は画像形成面112-2が選択されている場合、演算部171は、ステップST2からステップST4までの処理を行う。
ステップST1にて、演算部171が、受光部140上に並んだ像が非点像であると判定した場合、すなわち、例えば、画像形成面112において図3A又は図3Bに示す画像形成面112-1又は画像形成面112-2が選択されている場合、演算部171は、ステップST2からステップST4までの処理を行う。
ステップST2及びステップST3の処理について、図11を参照して、具体例を説明する。
図11Aは、図3A示す画像形成面112-1を選択している場合における受光部140上に並んだ非点像の一例を示す図である。
ステップST2にて、演算部171は、受光部140上に並んだ非点像の中から、基準となる任意の1つの非点像(以下「基準非点像」という。)を選択する。
図11Bは、受光部140上に並んだ非点像の中から演算部171が選択した基準非点像の一例を示す図である。
図11Aは、図3A示す画像形成面112-1を選択している場合における受光部140上に並んだ非点像の一例を示す図である。
ステップST2にて、演算部171は、受光部140上に並んだ非点像の中から、基準となる任意の1つの非点像(以下「基準非点像」という。)を選択する。
図11Bは、受光部140上に並んだ非点像の中から演算部171が選択した基準非点像の一例を示す図である。
ステップST2の後、ステップST3にて、演算部171は、図11Aに示す受光部140上に並んだ各非点像と、図11Bに示す基準非点像との相互相関関数を算出する。
具体的には、演算部171は、SSD(Sum of Squared Difference)法、SAD(Sum of Absolute Difference)法、相互相関(Cross Correlation)法、正規化相互相関(NCC:Normalized Cross Correlation)法、零平均正規化相互相関(ZNCC:Zero means Normalized Cross Correlation)法、又は位相限定相関(POC:Phase-Only Correlation)法等のパターンマッチングにおける画像処理を用いて、画像の中から特定の特徴点を検出し、検出した特徴点に基づいて基準非点像の位置に対する受光部140上に並んだ各非点像の位置の相対関係を示す相互相関関数を算出する。
具体的には、演算部171は、SSD(Sum of Squared Difference)法、SAD(Sum of Absolute Difference)法、相互相関(Cross Correlation)法、正規化相互相関(NCC:Normalized Cross Correlation)法、零平均正規化相互相関(ZNCC:Zero means Normalized Cross Correlation)法、又は位相限定相関(POC:Phase-Only Correlation)法等のパターンマッチングにおける画像処理を用いて、画像の中から特定の特徴点を検出し、検出した特徴点に基づいて基準非点像の位置に対する受光部140上に並んだ各非点像の位置の相対関係を示す相互相関関数を算出する。
図11Cは、基準非点像の位置に対する受光部140上に並んだ各非点像の位置の相対関係を示す図である。
図11Aに示すような受光部140上に並んだ非点像において、演算部171が上述の相互相関処理を行うことにより算出された相互相関関数は、図11Cに示すような各マイクロレンズに対応する位置に点像が作られたものに類似した関数になる。つまり、ステップST2、ステップST3の前処理により、ステップST1にて受光部140上に並んだ像が点像とであると判定した場合と同様の処理ステップST4を行うことができるメリットがある。
ステップST3の後、ステップST4にて、演算部171は、演算部171が算出した相互相関関数の各領域に対して重心演算を行うことにより、受光部140における非点像の位置を特定する。
ステップST4の後、演算部171は、当該フローチャートの処理を終了する。
図11Aに示すような受光部140上に並んだ非点像において、演算部171が上述の相互相関処理を行うことにより算出された相互相関関数は、図11Cに示すような各マイクロレンズに対応する位置に点像が作られたものに類似した関数になる。つまり、ステップST2、ステップST3の前処理により、ステップST1にて受光部140上に並んだ像が点像とであると判定した場合と同様の処理ステップST4を行うことができるメリットがある。
ステップST3の後、ステップST4にて、演算部171は、演算部171が算出した相互相関関数の各領域に対して重心演算を行うことにより、受光部140における非点像の位置を特定する。
ステップST4の後、演算部171は、当該フローチャートの処理を終了する。
ステップST1にて、演算部171が、受光部140上に並んだ像が非点像でない、つまり、受光部140上に並んだ像が点像であると判定した場合、すなわち、例えば、画像形成面112において図3Cに示す画像形成面112-3が選択されている場合、ステップST4にて、演算部171は、各マイクロレンズに対応する受光部140の各領域にて重心演算を行うことにより、受光部140における各点像の位置を特定する。
ステップST4の後、演算部171は、当該フローチャートの処理を終了する。
図12に示すフローチャートに従って処理を行うことにより、受光部140上に並んだ像が点像であるか非点像であるかに関わらず、受光部140上に並んだ各像の位置を特定することが可能となる。
ステップST4の後、演算部171は、当該フローチャートの処理を終了する。
図12に示すフローチャートに従って処理を行うことにより、受光部140上に並んだ像が点像であるか非点像であるかに関わらず、受光部140上に並んだ各像の位置を特定することが可能となる。
演算部171は、演算部171が上述の方法により特定した基準位置に基づいて、校正用原器190に光束X4を照射した際のマイクロレンズアレイ131に入射された光束X8における波面の位相空間分布(以下「基準位相分布」という。)を特定する。
演算部171は、例えば、田中済らにより「国立天文台報 Vol.2,No.2 “シャック・ハルトマン鏡面測定装置のデータ処理”」(URL:http://dbc.nao.ac.jp/cgi-bin-jp/display/rep/vol2/431/0001)に示された方法を用いることにより、マイクロレンズで分割された点像、あるいは非点像の受光部140上の位置に基づいて、マイクロレンズアレイ131に入射された光束X8における波面の位相空間分布を特定することが可能である。
演算部171は、例えば、田中済らにより「国立天文台報 Vol.2,No.2 “シャック・ハルトマン鏡面測定装置のデータ処理”」(URL:http://dbc.nao.ac.jp/cgi-bin-jp/display/rep/vol2/431/0001)に示された方法を用いることにより、マイクロレンズで分割された点像、あるいは非点像の受光部140上の位置に基づいて、マイクロレンズアレイ131に入射された光束X8における波面の位相空間分布を特定することが可能である。
次に、波面計測装置100は、校正用原器190を光軸上から取り除き、被検体10に光束X4を照射することにより取得した受信信号に基づいて、波面の計測を行う。
図6Aは、被検体10に光束X4を照射した際のマイクロレンズアレイ131と受光部140とを有するシャック・ハルトマン方式の波面センサにおける光波の一例を示す断面図である。
図6Bは、被検体10に光束X4を照射した際の受光部140において結ばれる像の一例を示す図である。なお、図6Bは、画像形成面112が図3Aに示す画像形成面112-1が選択されている場合における、被検体10に光束X4を照射した際の受光部140において結ばれる像の一例を示している。
図6Bは、被検体10に光束X4を照射した際の受光部140において結ばれる像の一例を示す図である。なお、図6Bは、画像形成面112が図3Aに示す画像形成面112-1が選択されている場合における、被検体10に光束X4を照射した際の受光部140において結ばれる像の一例を示している。
被検体10から戻ってきた光束X8における波面の位相空間分布が、図6Aに示すように、光束X8の光軸に直交する面に対して歪みがある場合、受光部140において結ばれる像は、マイクロレンズアレイ131における各マイクロレンズの中心位置に対向する位置に対してずれた位置に結像される。例えば、マイクロレンズアレイ131に入射した局所的な波面は、光軸に対して傾いている場合、図6Aの分割光束に示すように斜めに進むことから、各マイクロレンズが作る非点像の相対位置から、マイクロレンズアレイ131に入射した波面の位相空間分布を求めることができる。
マイクロレンズアレイ131における各マイクロレンズが複数行複数列の格子状に等間隔に配置されている場合、受光部140において結ばれる非点像は、図6Bに示すように、マイクロレンズアレイ131に入射した波面の局所的な傾きに比例して、各マイクロレンズの中央位置からずれて結像される。
マイクロレンズアレイ131における各マイクロレンズが複数行複数列の格子状に等間隔に配置されている場合、受光部140において結ばれる非点像は、図6Bに示すように、マイクロレンズアレイ131に入射した波面の局所的な傾きに比例して、各マイクロレンズの中央位置からずれて結像される。
演算部171は、被検体10に光束X4を照射した際に取得した受信信号が示す受光部140上に結像された各像の受光部140における位置(以下「被検体計測位置」という。)を図12に示すフローチャートを参照して説明した方法により特定する。
更に、演算部171は、演算部171が特定した被検体計測位置に基づいて、被検体10に光束X4を照射した際の、マイクロレンズアレイ131に入射された光束X8における波面の位相空間分布(以下「被検体位相分布」)を特定する。
更に、演算部171は、演算部171が特定した被検体計測位置に基づいて、被検体10に光束X4を照射した際の、マイクロレンズアレイ131に入射された光束X8における波面の位相空間分布(以下「被検体位相分布」)を特定する。
演算部171は、基準位相分布と被検体位相分布との差分を算出する。この基準位相分布と被検体位相分布の差分は図1と図9の光路の違いによって生じる波面の歪み、又は収差であるため、被検体10の歪みを計測することが可能となる。なお、実施の形態1において計測される被検体10の歪みは、厳密には折り返しミラー20の歪みも含むものである。また、実施の形態1において計測される被検体10の歪みは、折り返しミラー20を経由して2回計測される、所謂、ダブルパス計測により計測されるものであるため、実施の形態1において計測される被検体10の歪みは、被検体10が有する歪みの2倍の値となる。
実施の形態1に係る波面計測装置100における画像出射部110は、互いに異なる形状の画像光を形成する複数の画像形成面112のうち、いずれか1つを画像形成切替部により選択的に切り替えることが可能なものである。波面計測装置100は、画像形成面112を切り替えることにより、様々な濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体を画像光を形成し、形成した画像光を画像出射部110から光束X3として出射して基準位相分布と被検体位相分布とを計測することにより、被検体10の歪みを高精度に計測することが可能になる。
以上のように、波面計測装置100は、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体を画像光として出射する画像形成面112、及び、画像形成面112を照明する照明光学系111を有し、照明光学系111が画像形成面112を照明することにより画像形成面112から出射される画像光による光束X3を被検体10へ出射する画像出射部110と、被検体10から戻ってきた光束X8を空間的に分割して複数の分割光束を生成する波面分割部130と、画像出射部110から出射される光束X3を被検体10へ導き、且つ、被検体10から戻ってきた光束X8を波面分割部130へ導く光路分割部120と、被検体10と光路分割部120の間に配置され、画像出射部110から出射された光束X3、又は、被検体10から戻ってきた光束X7の発散量を調整するフォーカス調整部121と、波面分割部130が生成した複数の分割光束を受光する受光部140であって、受光部140における各分割光束により結ばれる像の形状が、画像形成面112から画像光として出射された物体の形状と同様の形状となる受光部140と、を備えた。
このように構成することで、波面計測装置100は、点光源が無い場合に非点光源を使うことが可能になり、波面計測の精度を向上できる。
実施の形態2.
図7及び図8を参照して、実施の形態2に係る波面計測装置100aについて説明する。
波面計測装置100aは、波面計測装置100における波面分割部130を切り替え可能にしたものである。
図7及び図8を参照して、実施の形態2に係る波面計測装置100aについて説明する。
波面計測装置100aは、波面計測装置100における波面分割部130を切り替え可能にしたものである。
図7は、実施の形態2に係る波面計測装置100aが適用された波面計測システム1aの要部の構成の一例を示す図である。
特に図7は、実施の形態2に係る波面計測装置100aのある方向における断面の一例を示している。
波面計測装置100aは、波面分割部130として、入射された光束X8を空間的に、それぞれ異なる分割数に分割する2種類の波面分割部130-1,130-2を備える。波面計測装置100aは、波面分割切替部(不図示)により、波面分割部130-1,130-2のうち、いずれか1つを選択的に切り替えて、入射された光束X8を空間的に分割することができる。なお、波面分割部130における波面分割部130-1,130-2の波面分割切替部による切り換えは、予め用意された波面分割部130-1,130-2を可動部(不図示)により切り替えることにより行う。波面計測装置100aが備える波面分割部130の種類の数は、2個とは限らず、3個以上でも良い。
特に図7は、実施の形態2に係る波面計測装置100aのある方向における断面の一例を示している。
波面計測装置100aは、波面分割部130として、入射された光束X8を空間的に、それぞれ異なる分割数に分割する2種類の波面分割部130-1,130-2を備える。波面計測装置100aは、波面分割切替部(不図示)により、波面分割部130-1,130-2のうち、いずれか1つを選択的に切り替えて、入射された光束X8を空間的に分割することができる。なお、波面分割部130における波面分割部130-1,130-2の波面分割切替部による切り換えは、予め用意された波面分割部130-1,130-2を可動部(不図示)により切り替えることにより行う。波面計測装置100aが備える波面分割部130の種類の数は、2個とは限らず、3個以上でも良い。
実施の形態2に係る波面分割部130-1,130-2は、それぞれ、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイ131-1,131-2により構成される。
波面計測装置100aの構成において、波面計測装置100と同様の構成については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。すなわち、図1に記載した符号と同じ符号を付した図7の構成については、説明を省略する。
波面計測装置100aの構成において、波面計測装置100と同様の構成については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。すなわち、図1に記載した符号と同じ符号を付した図7の構成については、説明を省略する。
図8は、マイクロレンズアレイ131-1,131-2により構成される波面分割部130-1,130-2と、波面分割部130-1,130-2を介して受光部140おいてに結ばれる非点像の一例を示す図である。
図8において、マイクロレンズアレイ131-1は、8行8列の格子状に配列されたマイクロレンズを有する。また、マイクロレンズアレイ131-2は、4行4列の格子状に配列されたマイクロレンズを有する。すなわち、マイクロレンズアレイ131-1は、マイクロレンズアレイ131-2と比較して、マイクロレンズの数が多く、複数のマイクロレンズが配置されている間隔が狭いものである。
マイクロレンズアレイ131-1,131-2を介して受光部140に結ばれる像は、各マイクロレンズに対向した受光部140上の位置に結像される。したがって、マイクロレンズアレイ131-1を介して受光部140に結ばれる像は、マイクロレンズアレイ131-2を介して受光部140に結ばれる像と比較して、数が多く、複数の像が結像される間隔が狭くなる。
図8において、マイクロレンズアレイ131-1は、8行8列の格子状に配列されたマイクロレンズを有する。また、マイクロレンズアレイ131-2は、4行4列の格子状に配列されたマイクロレンズを有する。すなわち、マイクロレンズアレイ131-1は、マイクロレンズアレイ131-2と比較して、マイクロレンズの数が多く、複数のマイクロレンズが配置されている間隔が狭いものである。
マイクロレンズアレイ131-1,131-2を介して受光部140に結ばれる像は、各マイクロレンズに対向した受光部140上の位置に結像される。したがって、マイクロレンズアレイ131-1を介して受光部140に結ばれる像は、マイクロレンズアレイ131-2を介して受光部140に結ばれる像と比較して、数が多く、複数の像が結像される間隔が狭くなる。
受光部140と被検体10が光学的に共役になるように配置した場合、受光部140に結ばれる各像の受光部140上における位置は、被検体10における位置に対応する。したがって、波面計測装置100aは、マイクロレンズアレイ131における分割数が多いほど、受光部140上に多くの非点像が作られることになるため、被検体10から戻ってきた光束X8を空間的に細かくサンプリングすることができる。すなわち、マイクロレンズアレイ131-1は、マイクロレンズアレイ131-2と比較して、波面をより細かく詳細に測定することを可能にする。
一方、マイクロレンズアレイ131-1はマイクロレンズアレイ131-2と比較して分割数が多いため、1つの分割光束に対応する受光部140における領域が狭くなり、当該領域における受光部140の受光素子が少なくなる。具体的には、例えば、受光部140が80行80列の格子状に配列された受光素子を有する場合、マイクロレンズアレイ131-1により分割された1つの分割光束に対応する受光素子は、10行10列の100個となる。また、マイクロレンズアレイ131-1により分割された1つの分割光束に対応する受光素子は、20行20列の400個となる。
したがって、被検体10の歪みが大きい場合、マイクロレンズアレイ131-1のように分割数が多い場合、マイクロレンズアレイ131-1を介して受光部140に結ばれる像が、例えば、図8の円Cで囲んだ領域にある像のように、隣接するマイクロレンズに対向する受光部140上の位置に跨って結像されてしまうことがある。このような場合、波面計測装置100aは、演算部171において、正確な被検体計測位置を特定することができない。このような場合、波面計測装置100aは、波面分割切替部により波面分割部130を分割数の少ないものに切り替えることで、波面の計測を行うことができる。実施の形態2の例では、波面計測装置100aは、波面分割切替部によりマイクロレンズアレイ131-1をマイクロレンズアレイ131-2に切り替える。
以上のように、波面計測装置100aは、波面計測装置100の構成に加えて、複数の波面分割部130と、複数の波面分割部130-1,130-2のうち、いずれか1つの波面分割部130を選択的に切り替える波面分割切替部とを備えた。
このように構成することで、波面計測装置100aは、被検体10の歪みの度合い合わせて、波面分割部130-1,130-2を選択的に切り替えることにより、精度の高い波面計測が可能となる。
このように構成することで、波面計測装置100aは、被検体10の歪みの度合い合わせて、波面分割部130-1,130-2を選択的に切り替えることにより、精度の高い波面計測が可能となる。
実施の形態3.
図7及び図10を参照して、実施の形態3に係る波面計測装置100aについて説明する。波面計測装置100aは、波面計測装置100における画像形成面112と波面分割部130との組み合わせを切り替え可能にしたものである。
実施の形態1で説明したように、画像出射部110において、画像形成面112として図3Cに示す画像形成面112-3を選択している場合、受光部140における各位置において結ばれる像は、濃淡によるパターンにより形成された実質的に点とみなせる点像となる。この場合、図10Aに示すように、受光部140における各位置において結ばれる像は、実質的に点であることから空間的な広がりは狭いため、波面分割部130の分割数を多くすることにより、高解像度な波面計測が可能となる。つまり2種類の波面分割部130-1,130-2のうち、分割数の多い波面分割部130-1と組み合わせた計測を行うことができる。
図7及び図10を参照して、実施の形態3に係る波面計測装置100aについて説明する。波面計測装置100aは、波面計測装置100における画像形成面112と波面分割部130との組み合わせを切り替え可能にしたものである。
実施の形態1で説明したように、画像出射部110において、画像形成面112として図3Cに示す画像形成面112-3を選択している場合、受光部140における各位置において結ばれる像は、濃淡によるパターンにより形成された実質的に点とみなせる点像となる。この場合、図10Aに示すように、受光部140における各位置において結ばれる像は、実質的に点であることから空間的な広がりは狭いため、波面分割部130の分割数を多くすることにより、高解像度な波面計測が可能となる。つまり2種類の波面分割部130-1,130-2のうち、分割数の多い波面分割部130-1と組み合わせた計測を行うことができる。
これに対して、実施の形態1で説明したように、画像出射部110において、画像形成面112として図3A又は図3Bに示す画像形成面112-1又は画像形成面112-2を選択している場合、受光部140における各位置において結ばれる像は、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの非点像となる。
画像出射部110において、図10Cに示すように画像形成面112として図3Bに示す画像形成面112-2を選択している場合、波面分割部130の分割数を多くすると、実施の形態2で説明したように、1つの分割光束に対応する受光部140における領域は狭くなり、当該領域における受光部140の受光素子は少なくなる。このため、あるマイクロレンズに対向する受光部140上の位置に結ばれる非点像が、隣接するマイクロレンズに対向する受光部140上の位置に跨って結像されてしまう場合がある。このような場合、波面計測装置100aは、正確な被検体計測位置を特定することができないため、被検体10の波面を測定することができなくなる。
画像出射部110において、図10Cに示すように画像形成面112として図3Bに示す画像形成面112-2を選択している場合、波面分割部130の分割数を多くすると、実施の形態2で説明したように、1つの分割光束に対応する受光部140における領域は狭くなり、当該領域における受光部140の受光素子は少なくなる。このため、あるマイクロレンズに対向する受光部140上の位置に結ばれる非点像が、隣接するマイクロレンズに対向する受光部140上の位置に跨って結像されてしまう場合がある。このような場合、波面計測装置100aは、正確な被検体計測位置を特定することができないため、被検体10の波面を測定することができなくなる。
そこで、波面計測装置100aは、2種類の波面分割部130-1,130-2のうち、分割数の少ない波面分割部130-2を波面分割切替部により選択し、画像形成面112-2と、波面分割部130-2とを組み合わせて、被検体10の波面を測定する。波面分割部130-2は、分割数が少ないため、波面分割部130-1の場合と比較して、1つの分割光束に対応する受光部140における領域は広くなり、当該領域における受光部140の受光素子は多くなる。波面計測装置100aは、画像形成面112-2を選択している場合であっても、あるマイクロレンズに対向する受光部140上の位置に結ばれる非点像が、隣接するマイクロレンズに対向する受光部140上の位置に跨って結像されることなく、波面を測定することが可能である。
画像形成面112-3と波面分割部130-1との組み合わせ、及び、画像形成面112-2と波面分割部130-2との組み合わせは、点像を用いた空間的なサンプリング数が多い波面計測と、非点像を用いたサンプリング数の少ない波面計測を表している。上述の2つの波面計測は、画像光として出射された物体と、サンプリング数とがいずれも異なるため、上述の2つの波面計測により計測した波面に誤差等の違いがあった場合、画像光として出射された物体の違いによるものか、サンプリング数の違いによるものを判断することができない。
そこで、波面計測装置100aは、図10Bに示すように、画像形成面112-3と波面分割部130-2とを組み合わせて波面計測を行う。画像形成面112-3と波面分割部130-2とを組み合わせた場合、波面分割部130-2は、分割数が少ないため、波面分割部130-1の場合と比較して、1つの分割光束に対応する受光部140における領域は広くなり、当該領域における受光部140の受光素子は多くなる。一方で、画像形成面112として画像形成面112-3を選択していることから、図10Bに示すように、受光部140における各位置において結ばれる像は、実質的に点であることから空間的な広がりは狭く、点像の周囲に像のない領域が広く存在する。したがって、図10Cに示す画像形成面112-3と波面分割部130-1との組み合わせによる波面計測と、同じサンプリング条件により波面計測を行うことができるため、波面計測装置100aは、点像と非点像とによる波面計測の違いを確認することができる。
以上のように、波面計測装置100aは、波面計測装置100の構成に加えて、複数の波面分割部130と、複数の波面分割部130-1,130-2のうち、いずれか1つの波面分割部130を選択的に切り替える波面分割切替部と、複数の画像形成面112である、濃淡によるパターンにより形成された実質的に点とみなせる物体を画像光として出射する画像形成面112-3と、濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体を画像光として出射する画像形成面112-1,112-2と、当該複数の画像形成面112を選択的に切り替える画像形成切替部と、を備える。
このように構成することで、波面計測装置100aは、例えば、点とみなせる物体を画像光として出射する画像形成面112-3と、分割数の多い波面分割部130-1との組み合わせ、及び、有限の大きさの物体を画像光として出射する画像形成面112-1,112-2と、分割数の少ない波面分割部130-2との組み合わせだけでなく、画像形成面112-3と波面分割部130-2との組み合わせにより波面計測が可能となり、点像と非点像とによる波面計測の誤差等の違いを検証することができる。
このように構成することで、波面計測装置100aは、例えば、点とみなせる物体を画像光として出射する画像形成面112-3と、分割数の多い波面分割部130-1との組み合わせ、及び、有限の大きさの物体を画像光として出射する画像形成面112-1,112-2と、分割数の少ない波面分割部130-2との組み合わせだけでなく、画像形成面112-3と波面分割部130-2との組み合わせにより波面計測が可能となり、点像と非点像とによる波面計測の誤差等の違いを検証することができる。
なお、この発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
この発明に係る波面計測装置は、波面計測システムに適用することができる。
1,1a 波面計測システム、10 被検体、20 折り返しミラー、30 光源、40 導光部、100,100a 波面計測装置、101 筐体、102 導光用コネクタ、103 開口部、110 画像出射部、111 照明光学系、112,112-1,112-2,112-3,112-4 画像形成面、112a 透過部、112b マスク部、113 リレー光学系、120 光路分割部、120a 第1入射面、120b 出入射面、120c 第2出射面、121 フォーカス調整部、130,130-1,130-2 波面分割部、131,131-1,131-2 マイクロレンズアレイ、140 受光部、141 制御回路、142 配線、143 入出力部、150 放熱体、151 接着剤、160 温度計測部、170 汎用計算機、171 演算部、172 電源部、173 遮断部、174 温度記録部、180 波面センサ、190 校正用原器。
Claims (6)
- 濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体を画像光として出射する画像形成面、及び、前記画像形成面を照明する照明光学系を有し、前記照明光学系が前記画像形成面を照明することにより前記画像形成面から出射される前記画像光による光束を被検体へ出射する画像出射部と、
前記被検体から戻ってきた光束を空間的に分割して複数の分割光束を生成する波面分割部と、
前記画像出射部から出射される光束を前記被検体へ導き、且つ、前記被検体から戻ってきた光束を前記波面分割部へ導く光路分割部と、
前記被検体と前記光路分割部の間に配置され、前記画像出射部から出射された光束、又は、前記被検体から戻ってきた光束の発散量を調整するフォーカス調整部と、
前記波面分割部が生成した前記複数の前記分割光束を受光する受光部であって、前記受光部における前記各分割光束により結ばれる像の形状が、前記画像形成面から前記画像光として出射された前記物体の形状と同様の形状となる前記受光部と、
を備えたこと
を特徴とする波面計測装置。 - 複数の前記波面分割部と、
前記複数の前記波面分割部のうち、いずれか1つの前記波面分割部を選択的に切り替える波面分割切替部と、
を備えたこと
を特徴とする請求項1記載の波面計測装置。 - 前記画像出射部は、
複数の前記画像形成面と、
前記複数の前記画像形成面のうち、いずれか1つの前記画像形成面を選択的に切り替える画像形成切替部と、
を有すること
を特徴とする請求項2記載の波面計測装置。 - 前記画像出射部は、
外部からの入力を受けて二次元空間に任意の前記物体を形成する前記画像形成面
を有すること
を特徴とする請求項2記載の波面計測装置。 - 前記受光部における前記波面分割部により分割された前記各分割光束により結ばれる各像が実質的に点像である場合、重心演算を行うことにより各像の位置を特定し、前記受光部における前記波面分割部により分割された前記各分割光束により結ばれる各像が実質的に非点像である場合、各像の相互相関関数を特定し、特定した各像の相互相関関数について重心演算を行うことにより各像の位置を特定する演算部
を備えたこと
を特徴とする請求項3又は請求項4記載の波面計測装置。 - 濃淡によるパターンにより形成された有限の大きさの物体を画像光として出射する画像形成面、及び、前記画像形成面を照明する照明光学系を有する画像出射部が、前記照明光学系が前記画像形成面を照明することにより前記画像形成面から出射される前記画像光による光束を被検体へ出射し、
波面分割部が、前記被検体から戻ってきた光束を空間的に分割して複数の分割光束を生成し、
光路分割部が、前記画像出射部から出射される光束を前記被検体へ導き、且つ、前記被検体から戻ってきた光束を前記波面分割部へ導き、
前記被検体と前記光路分割部の間に配置されるフォーカス調整部が、前記画像出射部から出射される光束、又は、前記被検体から戻ってきた光束の発散量を調整し、
前記波面分割部が生成した前記複数の前記分割光束を受光する受光部が、前記受光部における前記各分割光束により結ばれる像の形状が、前記画像形成面から前記画像光として出射された前記物体の形状と同様の形状となるように前記分割光束を受光すること
を特徴とする波面計測方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Patent Citations (4)
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