光学系調整方法および装置
【課題】調整時間の短縮と調整精度の向上を図る。
【解決手段】光学系３の３つ以上の入射高のうちの２つの入射高を第１の入射高対とし、該第１の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを光学系３の像面で受光して得られる第１の出力対のずれ量を第１のずれ量として求め、光学系３の３つ以上の入射高のうち第１の入射高対とは異なる第２の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを光学系３の像面で受光して得られる第２の出力対のずれ量を第２のずれ量として求め、第１および第２のずれ量に基づいて光学系３の位置を調整する。
【解決手段】光学系３の３つ以上の入射高のうちの２つの入射高を第１の入射高対とし、該第１の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを光学系３の像面で受光して得られる第１の出力対のずれ量を第１のずれ量として求め、光学系３の３つ以上の入射高のうち第１の入射高対とは異なる第２の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを光学系３の像面で受光して得られる第２の出力対のずれ量を第２のずれ量として求め、第１および第２のずれ量に基づいて光学系３の位置を調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学系の調整方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の光学ブロックから構成される結像光学系の光学調整は、特定の光学ブロックの偏心量を微調整することによって行われている。つまり、調整対象の結像光学系により所定の位置にある点光源の像をイメージセンサー上に結像し、モニターに表示された点像ができる限りきれいになるように、結像光学系の特定の光学ブロックの位置を手動により動かして調整している。
この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【非特許文献１】第４ 光の鉛筆 鶴田 匡夫著 新技術コミュニケーションズ １９９７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した従来の調整方法では、特定の光学ブロックをどの方向に動かしてよいのか解らないので、試行錯誤で動かしながら良い位置に収斂させているが、この方法では調整に時間がかかる上に、定量性がないので調整者ごとのバラツキがあり、品質が安定しないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
(１) 請求項１の発明は、光学系の３つ以上の入射高のうちの２つの入射高を第１の入射高対とし、該第１の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第１の出力対のずれ量を第１のずれ量として求め、前記光学系の３つ以上の入射高のうち前記第１の入射高対とは異なる第２の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第２の出力対のずれ量を第２のずれ量として求め、前記第１および第２のずれ量に基づいて前記光学系の位置を調整する光学系調整方法である。
(２) 請求項２の発明は、請求項１に記載の光学系調整方法において、前記第１の入射高対は、前記光学系の第１の入射高と該第１の入射高とは異なる第２の入射高との対であり、前記２つの入射高対は、前記第１および第２の入射高とは異なる第３の入射高と前記第２の入射高との対である。
(３) 請求項３の発明は、請求項２に記載の光学系調整方法において、前記第２の入射高は、前記光学系の光軸に対応する入射高である。
(４) 請求項４の発明は、請求項２または請求項３に記載の光学系調整方法において、前記第１および第３の入射高に対する前記第１および第２のずれ量を表示し、前記表示に基づいて前記光学系の位置を調整する。
(５) 請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学系調整方法において、前記第１および第２のずれ量に基づいて前記光学系の位置の調整量を求める。
(６) 請求項６の発明は、請求項５に記載の光学系調整方法において、前記第１および第２のずれ量を、前記光学系の入射高を変数とする該変数のべき乗を含む関数として求め、前記関数の偶数次の項の係数に基づいて前記調整量を求める。
(７) 請求項７の発明は、請求項３に記載の光学系調整方法において、前記第１および第２のずれ量に対する前記調整量の関係を予め記憶し、前記関係に基づいて前記調整量を求める。
(８) 請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学系調整方法において、複数波長の前記光線のそれぞれについて前記第１および第２のずれ量を求める。
(９) 請求項９の発明は、光学系の３つ以上の入射高のうちの２つの入射高を第１の入射高対とし、該第１の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第１の出力対のずれを第１のずれ量として測定するとともに、前記光学系の３つ以上の入射高のうち前記第１の入射高対とは異なる第２の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第２の出力対のずれを第２のずれ量として測定する測定手段と、前記測定手段による前記第１および第２のずれ量に基づいて前記光学系の位置を調整する調整手段とを備えた光学系調整装置である。
(１０) 請求項１０の発明は、第１および第２のマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイと、前記第１および第２のマイクロレンズのそれぞれに対して少なくとも３つの受光素子を設けて光束を受光する受光素子アレイと、前記第１のマイクロレンズに対応する前記少なくとも３つの受光素子のうち互いに異なる第１および第２の受光素子を選択するとともに、前記第２のマイクロレンズに対応する前記少なくとも３つの受光素子のうち前記第１および第２の受光素子に対応する第３および第４の受光素子を選択する選択手段と、光学系からの光束を前記第１の受光素子で受光して得られる出力と、前記光束を前記第３の受光素子で受光して得られる出力とに基づいて第１信号列とするとともに、前記光束を前記第２の受光素子で受光して得られる出力と、前記光束を前記第４の受光素子で受光して得られる出力とに基づいて第２信号列とし、前記第１信号列と前記第２信号列とのずれ量を測定する測定手段と、前記選択手段が選択する受光素子対を変更することにより、前記測定手段によって複数の前記ずれ量を求める制御手段と、前記複数のずれ量に基づいて前記光学系の位置を調整する調整手段とを備えた光学系調整装置である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、容易に結像光学系を調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は一実施の形態の結像光学系調整装置の構成を示す。一実施の形態の結像光学系調整装置１は、図２に示すように、チャート像表示装置２の表示面に表示されたチャート像からの光を調整対象の結像光学系３の異なる部分瞳を介して受光し、それらのチャート像のずれ量を検出して結像光学系３の球面収差を測定し、測定結果の球面収差に基づいて調整対象の結像光学系３の光学調整を行う。ここで、収差測定装置４により検出される像のズレ量は、部分瞳の中心を光線の入射高とする結像光学系３の横収差を表す。
【０００７】
この一実施の形態では、調整対象の結像光学系３が第１光学ブロック３ａと第２光学ブロック３ｂから構成されているものとし、第２光学ブロック３ｂの位置を調整して結像光学系３の光学調整を行う例を示す。
【０００８】
結像光学系調整装置１は、収差測定装置４、調整信号作成装置５および位置調整装置６から構成されている。収差測定装置４は、結像光学系３の異なる部分瞳を介してチャート像を受光し、それらのチャート像のずれ量を検出して結像光学系３の球面収差を測定する。調整信号作成装置５は、収差測定装置４による測定結果に基づいて結像光学系３の調整信号を作成し、位置調整装置６へ出力する。位置調整装置６は、調整信号作成装置５からの調整信号にしたがって調整対象の結像光学系３の第２光学ブロック３ｂの位置を調整する。
【０００９】
チャート像表示装置２は、測定対象の結像光学系３を挟んで結像光学系調整装置１の反対側に設置され、図３に示すような黒色のバーを並べたチャート（パターン）を表示する。チャートは、図３(ａ)に示すような１本線のエッジチャート、好ましくは図３(ｂ)、(ｃ)に示すような複数の境界を有する多本線のエッジチャートで、かつ、偽合焦を避けるために黒色バーの幅と配置間隔を変え、配列周期の変化があるチャートを用いるのが望ましい。
【００１０】
図４は結像光学系調整装置１の収差測定装置４の構成を示し、(ａ)がその横断面図、(ｂ)が結像光学系３側から見た正面図である。収差測定装置４は、複数のマイクロレンズ（例えばこの実施例ではＬ１〜Ｌ６）を一列に配列したマイクロレンズアレイ４１と、複数の受光素子（例えばこの実施例ではＳ１〜Ｓ６）を一列に配列した受光素子アレイ４２とを備え、結像光学系３から入射した光束を各マイクロレンズＬ１〜Ｌ６を介して各受光素子Ｓ１〜Ｓ６により受光する。なお、マイクロレンズおよび受光素子の個数はこの実施例に限定されない。また、受光素子Ｓ１〜Ｓ６は、この実施例では複数の受光部が縦８個、横８個のマトリクス状に配列された受光素子を例に上げて説明するが、受光素子内の受光部の数と配置はこの実施例に限定されない。
【００１１】
ここで、図５を参照して像のズレ量の検出原理を説明する。説明を解りやすくするために、図５では、収差測定装置４が、５個のマイクロレンズＬ１〜Ｌ５が一列に配列されたマイクロレンズアレイと、５個の受光素子Ｓ１〜Ｓ５が一列に配列された受光素子アレイとを備えているものとして説明する。調整対象の結像光学系３の瞳面には、結像光学系３の光軸と交わる点を通る直線上に５個の部分瞳Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅが設定されている。なお、部分瞳Ｃは結像光学系３の光軸との交点を中心とする部分瞳である。
【００１２】
マイクロレンズＬ１〜Ｌ５のレンズ面（図５に破線で示す）を像ズレ検出面としたとき、各マイクロレンズＬ１〜Ｌ５のレンズ面に結像された像について考察する。結像光学系３の部分瞳Ｃを通過した光束に関して、マイクロレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５のレンズ面にできた像に寄与する光は、各受光素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５の受光部ｃ(1)、ｃ(2)、ｃ(3)、ｃ(4)、ｃ(5)で受光される。ここで、結像光学系３の部分瞳Ｃを通過した光束による受光部ｃ(1)、ｃ(2)、ｃ(3)、ｃ(4)、ｃ(5)の検出像を、｛ｃ(i)｝（ｉ＝１，２，３，４，５）で表す。
【００１３】
同様に、結像光学系３の部分瞳Ａを通過した光束に関して、マイクロレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５のレンズ面にできた像に寄与する光は、各受光素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５の受光部ａ(1)、ａ(2)、ａ(3)、ａ(4)、ａ(5)で受光され、これらの受光部の検出像を｛ａ(i)｝（ｉ＝１，２，３，４，５）で表す。結像光学系３の部分瞳Ｂを通過した光束に関して、マイクロレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５のレンズ面にできた像に寄与する光は、各受光素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５の受光部ｂ(1)、ｂ(2)、ｂ(3)、ｂ(4)、ｂ(5)で受光され、これらの受光部の検出像を｛ｂ(i)｝（ｉ＝１，２，３，４，５）で表す。
【００１４】
また、結像光学系３の部分瞳Ｄを通過した光束に関して、マイクロレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５のレンズ面にできた像に寄与する光は、各受光素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５の受光部ｄ(1)、ｄ(2)、ｄ(3)、ｄ(4)、ｄ(5)で受光され、これらの受光部の検出像を｛ｄ(i)｝（ｉ＝１，２，３，４，５）で表す。結像光学系３の部分瞳Ｅを通過した光束に関して、マイクロレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５のレンズ面にできた像に寄与する光は、各受光素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５の受光部ｅ(1)、ｅ(2)、ｅ(3)、ｅ(4)、ｅ(5)で受光され、これらの受光部の検出像を｛ｅ(i)｝（ｉ＝１，２，３，４，５）で表す。
【００１５】
今、図６(ａ)に示すように、物点Ｏからの光束のうち結像光学系３の各入射高の位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに入手した光線が、像面Ｉにおいて、それぞれａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの位置に入射するものとする。各位置Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅに入射する光線の像面Ｉにおける入射位置ａ、ｂ、ｄ、ｅの、近軸のＣに入射する光線の像面Ｉの入射位置ｃに対する位置ズレ量Ｓac、Ｓbc、Ｓdc、Ｓecが横収差である。そして、この位置ズレ量Ｓac、Ｓbc、Ｓdc、Ｓecを求めるために、図４、図５に示すような像ズレ検出装置を用いる。
【００１６】
次に、像｛ｃ(i)｝を基準にした像｛ａ(i)｝のズレ量Ｓacを演算する。同様に、像｛ｃ(i)｝を基準にした像｛ｂ(i)｝のズレ量Ｓbc、像｛ｄ(i)｝のズレ量Ｓdc、像｛ｅ(i)｝のズレ量Ｓecをそれぞれ演算する。
【００１７】
このような２像のズレ量は、例えば次のようにして求める。ここでは、２像に関する信号列を｛ａ(i)｝、｛ｂ(i)｝（ｉ＝１、２、・・）として説明する。まず、２像に関する信号列｛ａ(i)｝、｛ｂ(i)｝の相関量Ｃ(N)を次式により算出する。
Ｃ(N)＝Σ｜ａ(i)−ｂ(i)｜ ・・・（１）
（１）式において、Σはｉ＝ｐＬ〜ｑＬの総和演算を表し、Ｎ＝ｉ−ｊが２像に関する信号列のシフト量、すなわち２像の像ズレ量である。離散的に求められた相関量Ｃ(N)に基づいて、三点内挿の手法により連続的な相関量の最小値を与えるシフト量（像ズレ量）Ｌを求める。ここで、シフト量Ｎのときの相関量をＣ０とし、シフト量(Ｎ−１)のときの相関量をＣｒとし、シフト(Ｎ＋１)のときの相関量をＣｆとすると、シフト量（像ズレ量）Ｌは（２）式により求められる。
ＤＬ＝０．５・（Ｃｒ−Ｃｆ），
Ｅ＝max{Ｃｆ−Ｃ０、Ｃｒ−Ｃ０}，
Ｌ＝Ｎ＋ＤＬ／Ｅ ・・・（２）
【００１８】
このようにして算出された像ズレ量Ｓac、Ｓbc、Ｓdc、Ｓecを並べれば、それぞれ部分瞳Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの中心を光線の入射高とする結像光学系３の横収差を表し、図６(ｂ)に示すように部分瞳Ｃを基準にした場合の横収差図を描くことができる。なお、横収差図から縦収差図に書き直す方法は周知であり、説明を省略する。収差測定装置１のマイクロコンピューター（不図示）は、収差測定装置４により検出されたズレ量に基づいて結像光学系３の球面収差特性を演算する。
【００１９】
このように、一実施の形態の収差測定装置４によれば、調整対象の結像光学系３の球面収差特性を簡便に測定することができ、しかも、収差測定装置４の受光素子アレイ４２から出力される像信号をコンピューターを用いて演算処理するので、高速な測定が可能になる。
【００２０】
なお、上述した実施例では結像光学系３の光軸上の部分瞳Ｃを基準にし、部分瞳Ｃと他の部分瞳Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅとの間の像のズレ量Ｓac、Ｓbc、Ｓdc、Ｓecを検出し、これらの像ズレ量に基づいて結像光学系３の球面収差を測定する例を示したが、隣接する部分瞳の間の像のズレ量が求められる部分瞳対の組み合わせにしたがって像ズレ量を求め、球面収差を測定してもよい。例えば図５に示す例では、部分瞳ＡとＢの間の像ズレ量Ｓabと、部分瞳ＢとＣの間の像ズレ量Ｓbcと、部分瞳ＣとＤの間の像ズレ量Ｓcdと、部分瞳ＤとＥの間の像ズレ量Ｓdeとを求め、これらの像ズレ量に基づいて球面収差を測定してもよい。
【００２１】
上述した一実施の形態では、複数のマイクロレンズを一列に配列したマイクロレンズアレイと、複数の受光素子を一列に配列した受光素子アレイを用いた像ズレ検出装置４の実施例を示したが、図７に示すように、複数のマイクロレンズを二次元状に配列したマイクロレンズアレイと、複数の受光素子を二次元状に配列した受光素子アレイを用いて像ズレ量を検出するようにしてもよい。図７に示す変形例では、複数のマイクロレンズと複数の受光素子を偶数列と奇数列で互いに違いに並べ（偶数列と奇数列でマイクロレンズの横方向のピッチの半分だけずらして並べる）、二次元配列を形成している。この場合、チャート回転装置などにより図３(ｂ)、(ｃ)に示すようにチャートの方向を切り換えれば、結像光学系３の複数の方向における球面収差を測定することができる。
【００２２】
また、図８に示すように、偶数列の受光素子列５１で求めた像ズレ量と、これと同一の瞳対に関して奇数列の受光素子列５２で求めた像ズレ量とを平均し、瞳対を変えながらそれぞれの瞳対に対する平均ズレ量を求めて球面収差を測定することによって、さらに収差の測定精度を向上させることができる。さらに、図９に示すように、偶数行の受光素子行５３で求めた像ズレ量と、これと同一の瞳対に関して奇数行の受光素子列５４で求めた像ズレ量とを平均し、瞳対を変えながらそれぞれの瞳対に対する平均ズレ量を求めて球面収差を測定することによって、縦方向（図８の検出方向から９０度回転させた方向）においてさらに収差の測定精度を向上させることができる。
【００２３】
さらに、図１０に示すように、赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂなどの特定波長の光源を有する照明装置２１によりチャート面を照明すれば、特定波長における結像光学系３の球面収差特性を測定することができる。さらに、ディスプレイ上にチャートを表示し、これを回転させたり、色を変えたりすれば、簡易的にチャートを表示することができる。
【００２４】
ここで、マイクロレンズアレイと受光素子アレイを用いて結像光学系の特性を測定する方法として、結像光学系の瞳面の波面収差を測定する方法が知られている。これは、結像光学系の瞳面の波面収差を測定するために、瞳面近傍もしくはこれと等価な位置に二次元マイクロレンズアレイを配置するとともに、その背後に二次元受光素子アレイを配置し、二次元受光素子アレイ上の点像の位置から各マイクロレンズに入射する光線の方向を検出し、これにより瞳面における波面を検出するものである。この方法は瞳面における波面を検出する方式である。
【００２５】
これに対し本願発明に関わる収差測定方法は、結像面近傍に配置されたマイクロレンズアレイと受光素子アレイを用いて像のズレ量を検出し、像ズレ量に基づいて結像光学系の収差を測定するものであり、波面を測定する上記従来のものとはまったく異なるものである。
【００２６】
また、従来から、結像光学系の球面収差を測定する方法が知られており、図１１を参照してこの測定方法を説明する。入射高ｈで結像光学系１００に入射する光線１０１が、結像光学系１００の焦点面近傍において光軸１０２に垂直な第１面１０３に入射してできる第１点像１０４と、第１面から少し離れた光軸１０２に垂直な第２面１０５に入射してできる第２点像１０６とを求め、第１点像１０４の重心と第２点像１０６の重心とを結ぶ直線が光軸と交わる位置ｚ(ｈ)を求め、光線の入射高ｈを順次変更して位置ｚ(ｈ)を求め、入射高ｈに対する位置ｚ(ｈ)をプロットして結像光学系の球面収差を測定する。
【００２７】
しかしながら、上述した従来の収差測定方法はすべて手作業で行わなければならず、非常に煩雑で工数がかかるという問題がある。これに対し上述した一実施の形態の収差測定方法によれば、簡便かつ短時間で光学系の球面収差を測定することができる。
【００２８】
収差測定装置４により結像光学系３の横収差を測定した後、調整信号作成装置５により複数の像ズレ量から収差の対称性に関する物理量を計算し、この収差対称性に関する物理量に基づいて結像光学系３の第２光学ブロック３ｂ（図１参照）を調整するための調整信号を作成する。
【００２９】
図１２および図１３は収差測定装置４から得られた収差特性ｆ(ｘ)の一例を示し、横軸ｘは像高を、縦軸ｙが像ズレ量を表す。図１２に示すように、収差特性ｆ(ｘ)が原点（図２に示す像ズレ検出面と結像光学系３の光軸との交点）に関して点対称である場合は、収差は光軸に関して対象であり、これ以上の調整は不要である。一方、図１３に示すように、収差特性ｆ(ｘ)が原点に関して点対称でない場合には、収差は光軸に関して対象ではない。したがって、結像光学系３の調整対象の第２光学ブロック３ｂの位置を調整し、収差特性が図１２に示す特性になるようにしなければならない。以下に、いくつかの調整方法を説明する。
【００３０】
《第１の調整方法》
まず、収差測定装置４から得られた収差特性ｆ(ｘ)を像高ｘの“べき乗”に展開した係数を求める。ｆ(０)＝０の条件で収差特性ｆ(ｘ)を表現しているとすると、収差特性ｆ(ｘ)は次のように表される。
ｆ(ｘ)＝ａ1・ｘ＋ａ2・ｘ２＋ａ3・ｘ３＋ａ4・ｘ４＋ａ5・ｘ５＋・・・ ・・・（３）
（３）式において、ｘの１次の項はデフォーカス量に関する量を表すので無視する。ｘの１次項以外の奇数次の項は原点に関して点対称な成分を表すので、光軸に関する収差対称性については問題ない。
【００３１】
結像光学系３に偏芯があるとｘの偶数次の項の係数ａ2、ａ4、・・が０にならない。この第１の調整方法において、収差特性に関する物理量とは、収差特性ｆ(ｘ)を像高ｘのべき乗に展開したときのｘの偶数次の項の係数ａ2、ａ4、・・、あるいはこれらの係数の線形結合である。
【００３２】
調整信号作成装置５は、像高ｘの偶数次の項の係数ａ2、ａ4、・・が０になる調整信号、換言すれば収差特性ｆ(ｘ)を図１２に示すような原点に関して点対称にするための調整信号、つまり収差特性ｆ(ｘ)を光軸に関して対象とするための調整信号を生成し、位置調整装置６へ送る。位置調整装置６は、この調整信号にしたがって結像光学系３の第２光学ブロック３ｂの位置を調整する。収差測定装置４は位置調整装置６による調整後の収差を測定して収差特性ｆ(ｘ)を出力し、調整信号作成装置５は新しい収差特性ｆ(ｘ)に基づいて調整信号を生成する。つまり、結像光学系３の収差特性ｆ(ｘ)が図１２に示す理想的な特性になるようにフィードバック制御を行う。
【００３３】
なお、計算もしくは実験により上述した収差対称性に関する物理量を調整量に変換する変換テーブルを予め作成しておき、この変換テーブルを用いて調整量を決定すれば、効率的な調整が可能である。
【００３４】
《第２の調整方法》
この第２の調整方法では、調整信号作成装置５が、図１４に示すような収差特性に対する調整量を表すテーブルを予め内蔵メモリ（不図示）に記憶しており、このテーブルデータから収差測定装置４により測定された収差特性に近い収差特性を検索し、検索結果の収差特性に対応する調整量にしたがって位置調整装置６により調整を行う。
【００３５】
完全に調整された結像光学系の収差特性をｇ5(ｘ)として記録し、この収差特性ｇ5(ｘ)の場合の調整量をｄ5＝０として記録する。この状態から調整量ｄ6＝Δだけ位置調整したときに測定された収差特性をｇ6(ｘ)とし、収差特性ｇ6(ｘ)と調整量ｄ6を対応づけて記録する。同様に、調整量をｄ7＝２Δとしたときに測定された収差特性をｇ7(ｘ)として記録し、調整量をｄ8＝３Δとしたときに測定された収差特性をｇ8(ｘ)として記録する。また、調整量をｄ4＝−Δとしたときに測定された収差特性をｇ4(ｘ)として記録し、調整量をｄ5＝−２Δとしたときに測定された収差特性をｇ5(ｘ)として記録し、調整量をｄ6＝−３Δとしたときに測定された収差特性をｇ6(ｘ)として記録する。このようにして図１４に示す収差特性と調整量のテーブルを作成し、調整信号生成装置５の内蔵メモリに記憶する。
【００３６】
収差測定装置４により調整対象の結像光学系３の収差特性ｆ(ｘ)が測定されたら、テーブルデータの収差特性ｇi(ｉ＝１、２、・・)と測定した収差特性ｆ(ｘ)との差Ｃiを演算する。
Ｃi＝Σ｜ｇi(ｘ)−ｆ(ｘ)｜ ・・・（４）
（４）式において、ｘは結像光学系の光軸中心からの入射光の光線の入射高（像高）であり、ｘ＝１，２，３，・・・である。Σはｘの離散的な値に関する和を表す。データテーブル上のすべての収差特性ｇiに対して（４）式により差Ｃiを演算し、最小値を示す差Ｃiに対応する調整量ｄiを採用する。位置調整装置６は、採用された調整量ｄiだけ結像光学系３の第２光学ブロック３ｂの位置を調整する。
【００３７】
なお、補間により真の最小値を示す収差特性ｇiと調整量ｄiを演算してもよい。また、（４）式においてデフォーカス量が同じ条件で横収差を比較する必要があるので、測定した収差特性ｆ(ｘ)を上記（３）式に展開した場合の１次の項の係数ａ1と、テーブルデータｇi(ｘ)を次式のようにべき乗に展開した場合の１次の項の係数ｂ1とが同じになるように、収差特性の検出位置をそろえる必要がある。
ｇi(ｘ)＝ｂ1・ｘ＋ｂ2・ｘ２＋ｂ3・ｘ３＋ｂ4・ｘ４＋・・・ ・・・（５）
これには色々な方法が考えられるが、（５）式の１次項の係数ｂ1が（３）式の１次項の係数ａ1に等しくなる位置に収差検出面を調整し、ａ1をｂ1に置換して比較すればよい。
【００３８】
なお、上述した実施の形態とそれらの変形例において、実施の形態どうし、または実施の形態と変形例とのあらゆる組み合わせが可能である。例えば図７〜図９により説明したように、結像光学系の球面収差を複数の方向において測定し、それらの方向ごとに光学調整を行うようにしてもよい。
【００３９】
上述した実施の形態とその変形例によれば以下のような作用効果を奏することができる。まず、(１)短時間で正確に結像光学系を調整することができる。また、(２)正確な調整量を決定することができる。さらに、(３)簡易的に短時間で光学調整を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】一実施の形態の収差測定装置の構成を示す
【図２】収差の測定原理を説明するための図
【図３】チャート例を示す図
【図４】収差測定装置の構成を示す図
【図５】像ズレ量の検出方法を説明するための図
【図６】横収差の測定結果を示す図
【図７】複数のマイクロレンズと受光素子を二次元状に配列した像ズレ検出装置を示す図
【図８】マイクロレンズと受光素子を二次元配列した像ズレ検出装置による変形例の像ズレ検出方法を説明するための図
【図９】マイクロレンズと受光素子を二次元配列した像ズレ検出装置による他の変形例の像ズレ検出方法を説明するための図
【図１０】チャート像表示装置の変形例を示す図
【図１１】従来の光学系の球面収差測定方法を説明するための図
【図１２】光軸に関して対象な収差特性の例を示す図
【図１３】光軸に関して対象でない収差特性の例を示す図
【図１４】収差特性に対する調整量のテーブルを示す図
【符号の説明】
【００４１】
１；結像光学系調整装置、２；チャート像表示装置、３；結像光学系、３ａ；第１光学ブロック、３ｂ；第２光学ブロック、４；収差測定装置、５；調整信号作成装置、６；位置調整装置、４１；マイクロレンズアレイ、４２；受光素子アレイ
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学系の調整方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の光学ブロックから構成される結像光学系の光学調整は、特定の光学ブロックの偏心量を微調整することによって行われている。つまり、調整対象の結像光学系により所定の位置にある点光源の像をイメージセンサー上に結像し、モニターに表示された点像ができる限りきれいになるように、結像光学系の特定の光学ブロックの位置を手動により動かして調整している。
この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【非特許文献１】第４ 光の鉛筆 鶴田 匡夫著 新技術コミュニケーションズ １９９７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した従来の調整方法では、特定の光学ブロックをどの方向に動かしてよいのか解らないので、試行錯誤で動かしながら良い位置に収斂させているが、この方法では調整に時間がかかる上に、定量性がないので調整者ごとのバラツキがあり、品質が安定しないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
(１) 請求項１の発明は、光学系の３つ以上の入射高のうちの２つの入射高を第１の入射高対とし、該第１の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第１の出力対のずれ量を第１のずれ量として求め、前記光学系の３つ以上の入射高のうち前記第１の入射高対とは異なる第２の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第２の出力対のずれ量を第２のずれ量として求め、前記第１および第２のずれ量に基づいて前記光学系の位置を調整する光学系調整方法である。
(２) 請求項２の発明は、請求項１に記載の光学系調整方法において、前記第１の入射高対は、前記光学系の第１の入射高と該第１の入射高とは異なる第２の入射高との対であり、前記２つの入射高対は、前記第１および第２の入射高とは異なる第３の入射高と前記第２の入射高との対である。
(３) 請求項３の発明は、請求項２に記載の光学系調整方法において、前記第２の入射高は、前記光学系の光軸に対応する入射高である。
(４) 請求項４の発明は、請求項２または請求項３に記載の光学系調整方法において、前記第１および第３の入射高に対する前記第１および第２のずれ量を表示し、前記表示に基づいて前記光学系の位置を調整する。
(５) 請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学系調整方法において、前記第１および第２のずれ量に基づいて前記光学系の位置の調整量を求める。
(６) 請求項６の発明は、請求項５に記載の光学系調整方法において、前記第１および第２のずれ量を、前記光学系の入射高を変数とする該変数のべき乗を含む関数として求め、前記関数の偶数次の項の係数に基づいて前記調整量を求める。
(７) 請求項７の発明は、請求項３に記載の光学系調整方法において、前記第１および第２のずれ量に対する前記調整量の関係を予め記憶し、前記関係に基づいて前記調整量を求める。
(８) 請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学系調整方法において、複数波長の前記光線のそれぞれについて前記第１および第２のずれ量を求める。
(９) 請求項９の発明は、光学系の３つ以上の入射高のうちの２つの入射高を第１の入射高対とし、該第１の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第１の出力対のずれを第１のずれ量として測定するとともに、前記光学系の３つ以上の入射高のうち前記第１の入射高対とは異なる第２の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第２の出力対のずれを第２のずれ量として測定する測定手段と、前記測定手段による前記第１および第２のずれ量に基づいて前記光学系の位置を調整する調整手段とを備えた光学系調整装置である。
(１０) 請求項１０の発明は、第１および第２のマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイと、前記第１および第２のマイクロレンズのそれぞれに対して少なくとも３つの受光素子を設けて光束を受光する受光素子アレイと、前記第１のマイクロレンズに対応する前記少なくとも３つの受光素子のうち互いに異なる第１および第２の受光素子を選択するとともに、前記第２のマイクロレンズに対応する前記少なくとも３つの受光素子のうち前記第１および第２の受光素子に対応する第３および第４の受光素子を選択する選択手段と、光学系からの光束を前記第１の受光素子で受光して得られる出力と、前記光束を前記第３の受光素子で受光して得られる出力とに基づいて第１信号列とするとともに、前記光束を前記第２の受光素子で受光して得られる出力と、前記光束を前記第４の受光素子で受光して得られる出力とに基づいて第２信号列とし、前記第１信号列と前記第２信号列とのずれ量を測定する測定手段と、前記選択手段が選択する受光素子対を変更することにより、前記測定手段によって複数の前記ずれ量を求める制御手段と、前記複数のずれ量に基づいて前記光学系の位置を調整する調整手段とを備えた光学系調整装置である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、容易に結像光学系を調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は一実施の形態の結像光学系調整装置の構成を示す。一実施の形態の結像光学系調整装置１は、図２に示すように、チャート像表示装置２の表示面に表示されたチャート像からの光を調整対象の結像光学系３の異なる部分瞳を介して受光し、それらのチャート像のずれ量を検出して結像光学系３の球面収差を測定し、測定結果の球面収差に基づいて調整対象の結像光学系３の光学調整を行う。ここで、収差測定装置４により検出される像のズレ量は、部分瞳の中心を光線の入射高とする結像光学系３の横収差を表す。
【０００７】
この一実施の形態では、調整対象の結像光学系３が第１光学ブロック３ａと第２光学ブロック３ｂから構成されているものとし、第２光学ブロック３ｂの位置を調整して結像光学系３の光学調整を行う例を示す。
【０００８】
結像光学系調整装置１は、収差測定装置４、調整信号作成装置５および位置調整装置６から構成されている。収差測定装置４は、結像光学系３の異なる部分瞳を介してチャート像を受光し、それらのチャート像のずれ量を検出して結像光学系３の球面収差を測定する。調整信号作成装置５は、収差測定装置４による測定結果に基づいて結像光学系３の調整信号を作成し、位置調整装置６へ出力する。位置調整装置６は、調整信号作成装置５からの調整信号にしたがって調整対象の結像光学系３の第２光学ブロック３ｂの位置を調整する。
【０００９】
チャート像表示装置２は、測定対象の結像光学系３を挟んで結像光学系調整装置１の反対側に設置され、図３に示すような黒色のバーを並べたチャート（パターン）を表示する。チャートは、図３(ａ)に示すような１本線のエッジチャート、好ましくは図３(ｂ)、(ｃ)に示すような複数の境界を有する多本線のエッジチャートで、かつ、偽合焦を避けるために黒色バーの幅と配置間隔を変え、配列周期の変化があるチャートを用いるのが望ましい。
【００１０】
図４は結像光学系調整装置１の収差測定装置４の構成を示し、(ａ)がその横断面図、(ｂ)が結像光学系３側から見た正面図である。収差測定装置４は、複数のマイクロレンズ（例えばこの実施例ではＬ１〜Ｌ６）を一列に配列したマイクロレンズアレイ４１と、複数の受光素子（例えばこの実施例ではＳ１〜Ｓ６）を一列に配列した受光素子アレイ４２とを備え、結像光学系３から入射した光束を各マイクロレンズＬ１〜Ｌ６を介して各受光素子Ｓ１〜Ｓ６により受光する。なお、マイクロレンズおよび受光素子の個数はこの実施例に限定されない。また、受光素子Ｓ１〜Ｓ６は、この実施例では複数の受光部が縦８個、横８個のマトリクス状に配列された受光素子を例に上げて説明するが、受光素子内の受光部の数と配置はこの実施例に限定されない。
【００１１】
ここで、図５を参照して像のズレ量の検出原理を説明する。説明を解りやすくするために、図５では、収差測定装置４が、５個のマイクロレンズＬ１〜Ｌ５が一列に配列されたマイクロレンズアレイと、５個の受光素子Ｓ１〜Ｓ５が一列に配列された受光素子アレイとを備えているものとして説明する。調整対象の結像光学系３の瞳面には、結像光学系３の光軸と交わる点を通る直線上に５個の部分瞳Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅが設定されている。なお、部分瞳Ｃは結像光学系３の光軸との交点を中心とする部分瞳である。
【００１２】
マイクロレンズＬ１〜Ｌ５のレンズ面（図５に破線で示す）を像ズレ検出面としたとき、各マイクロレンズＬ１〜Ｌ５のレンズ面に結像された像について考察する。結像光学系３の部分瞳Ｃを通過した光束に関して、マイクロレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５のレンズ面にできた像に寄与する光は、各受光素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５の受光部ｃ(1)、ｃ(2)、ｃ(3)、ｃ(4)、ｃ(5)で受光される。ここで、結像光学系３の部分瞳Ｃを通過した光束による受光部ｃ(1)、ｃ(2)、ｃ(3)、ｃ(4)、ｃ(5)の検出像を、｛ｃ(i)｝（ｉ＝１，２，３，４，５）で表す。
【００１３】
同様に、結像光学系３の部分瞳Ａを通過した光束に関して、マイクロレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５のレンズ面にできた像に寄与する光は、各受光素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５の受光部ａ(1)、ａ(2)、ａ(3)、ａ(4)、ａ(5)で受光され、これらの受光部の検出像を｛ａ(i)｝（ｉ＝１，２，３，４，５）で表す。結像光学系３の部分瞳Ｂを通過した光束に関して、マイクロレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５のレンズ面にできた像に寄与する光は、各受光素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５の受光部ｂ(1)、ｂ(2)、ｂ(3)、ｂ(4)、ｂ(5)で受光され、これらの受光部の検出像を｛ｂ(i)｝（ｉ＝１，２，３，４，５）で表す。
【００１４】
また、結像光学系３の部分瞳Ｄを通過した光束に関して、マイクロレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５のレンズ面にできた像に寄与する光は、各受光素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５の受光部ｄ(1)、ｄ(2)、ｄ(3)、ｄ(4)、ｄ(5)で受光され、これらの受光部の検出像を｛ｄ(i)｝（ｉ＝１，２，３，４，５）で表す。結像光学系３の部分瞳Ｅを通過した光束に関して、マイクロレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５のレンズ面にできた像に寄与する光は、各受光素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５の受光部ｅ(1)、ｅ(2)、ｅ(3)、ｅ(4)、ｅ(5)で受光され、これらの受光部の検出像を｛ｅ(i)｝（ｉ＝１，２，３，４，５）で表す。
【００１５】
今、図６(ａ)に示すように、物点Ｏからの光束のうち結像光学系３の各入射高の位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに入手した光線が、像面Ｉにおいて、それぞれａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの位置に入射するものとする。各位置Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅに入射する光線の像面Ｉにおける入射位置ａ、ｂ、ｄ、ｅの、近軸のＣに入射する光線の像面Ｉの入射位置ｃに対する位置ズレ量Ｓac、Ｓbc、Ｓdc、Ｓecが横収差である。そして、この位置ズレ量Ｓac、Ｓbc、Ｓdc、Ｓecを求めるために、図４、図５に示すような像ズレ検出装置を用いる。
【００１６】
次に、像｛ｃ(i)｝を基準にした像｛ａ(i)｝のズレ量Ｓacを演算する。同様に、像｛ｃ(i)｝を基準にした像｛ｂ(i)｝のズレ量Ｓbc、像｛ｄ(i)｝のズレ量Ｓdc、像｛ｅ(i)｝のズレ量Ｓecをそれぞれ演算する。
【００１７】
このような２像のズレ量は、例えば次のようにして求める。ここでは、２像に関する信号列を｛ａ(i)｝、｛ｂ(i)｝（ｉ＝１、２、・・）として説明する。まず、２像に関する信号列｛ａ(i)｝、｛ｂ(i)｝の相関量Ｃ(N)を次式により算出する。
Ｃ(N)＝Σ｜ａ(i)−ｂ(i)｜ ・・・（１）
（１）式において、Σはｉ＝ｐＬ〜ｑＬの総和演算を表し、Ｎ＝ｉ−ｊが２像に関する信号列のシフト量、すなわち２像の像ズレ量である。離散的に求められた相関量Ｃ(N)に基づいて、三点内挿の手法により連続的な相関量の最小値を与えるシフト量（像ズレ量）Ｌを求める。ここで、シフト量Ｎのときの相関量をＣ０とし、シフト量(Ｎ−１)のときの相関量をＣｒとし、シフト(Ｎ＋１)のときの相関量をＣｆとすると、シフト量（像ズレ量）Ｌは（２）式により求められる。
ＤＬ＝０．５・（Ｃｒ−Ｃｆ），
Ｅ＝max{Ｃｆ−Ｃ０、Ｃｒ−Ｃ０}，
Ｌ＝Ｎ＋ＤＬ／Ｅ ・・・（２）
【００１８】
このようにして算出された像ズレ量Ｓac、Ｓbc、Ｓdc、Ｓecを並べれば、それぞれ部分瞳Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの中心を光線の入射高とする結像光学系３の横収差を表し、図６(ｂ)に示すように部分瞳Ｃを基準にした場合の横収差図を描くことができる。なお、横収差図から縦収差図に書き直す方法は周知であり、説明を省略する。収差測定装置１のマイクロコンピューター（不図示）は、収差測定装置４により検出されたズレ量に基づいて結像光学系３の球面収差特性を演算する。
【００１９】
このように、一実施の形態の収差測定装置４によれば、調整対象の結像光学系３の球面収差特性を簡便に測定することができ、しかも、収差測定装置４の受光素子アレイ４２から出力される像信号をコンピューターを用いて演算処理するので、高速な測定が可能になる。
【００２０】
なお、上述した実施例では結像光学系３の光軸上の部分瞳Ｃを基準にし、部分瞳Ｃと他の部分瞳Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅとの間の像のズレ量Ｓac、Ｓbc、Ｓdc、Ｓecを検出し、これらの像ズレ量に基づいて結像光学系３の球面収差を測定する例を示したが、隣接する部分瞳の間の像のズレ量が求められる部分瞳対の組み合わせにしたがって像ズレ量を求め、球面収差を測定してもよい。例えば図５に示す例では、部分瞳ＡとＢの間の像ズレ量Ｓabと、部分瞳ＢとＣの間の像ズレ量Ｓbcと、部分瞳ＣとＤの間の像ズレ量Ｓcdと、部分瞳ＤとＥの間の像ズレ量Ｓdeとを求め、これらの像ズレ量に基づいて球面収差を測定してもよい。
【００２１】
上述した一実施の形態では、複数のマイクロレンズを一列に配列したマイクロレンズアレイと、複数の受光素子を一列に配列した受光素子アレイを用いた像ズレ検出装置４の実施例を示したが、図７に示すように、複数のマイクロレンズを二次元状に配列したマイクロレンズアレイと、複数の受光素子を二次元状に配列した受光素子アレイを用いて像ズレ量を検出するようにしてもよい。図７に示す変形例では、複数のマイクロレンズと複数の受光素子を偶数列と奇数列で互いに違いに並べ（偶数列と奇数列でマイクロレンズの横方向のピッチの半分だけずらして並べる）、二次元配列を形成している。この場合、チャート回転装置などにより図３(ｂ)、(ｃ)に示すようにチャートの方向を切り換えれば、結像光学系３の複数の方向における球面収差を測定することができる。
【００２２】
また、図８に示すように、偶数列の受光素子列５１で求めた像ズレ量と、これと同一の瞳対に関して奇数列の受光素子列５２で求めた像ズレ量とを平均し、瞳対を変えながらそれぞれの瞳対に対する平均ズレ量を求めて球面収差を測定することによって、さらに収差の測定精度を向上させることができる。さらに、図９に示すように、偶数行の受光素子行５３で求めた像ズレ量と、これと同一の瞳対に関して奇数行の受光素子列５４で求めた像ズレ量とを平均し、瞳対を変えながらそれぞれの瞳対に対する平均ズレ量を求めて球面収差を測定することによって、縦方向（図８の検出方向から９０度回転させた方向）においてさらに収差の測定精度を向上させることができる。
【００２３】
さらに、図１０に示すように、赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂなどの特定波長の光源を有する照明装置２１によりチャート面を照明すれば、特定波長における結像光学系３の球面収差特性を測定することができる。さらに、ディスプレイ上にチャートを表示し、これを回転させたり、色を変えたりすれば、簡易的にチャートを表示することができる。
【００２４】
ここで、マイクロレンズアレイと受光素子アレイを用いて結像光学系の特性を測定する方法として、結像光学系の瞳面の波面収差を測定する方法が知られている。これは、結像光学系の瞳面の波面収差を測定するために、瞳面近傍もしくはこれと等価な位置に二次元マイクロレンズアレイを配置するとともに、その背後に二次元受光素子アレイを配置し、二次元受光素子アレイ上の点像の位置から各マイクロレンズに入射する光線の方向を検出し、これにより瞳面における波面を検出するものである。この方法は瞳面における波面を検出する方式である。
【００２５】
これに対し本願発明に関わる収差測定方法は、結像面近傍に配置されたマイクロレンズアレイと受光素子アレイを用いて像のズレ量を検出し、像ズレ量に基づいて結像光学系の収差を測定するものであり、波面を測定する上記従来のものとはまったく異なるものである。
【００２６】
また、従来から、結像光学系の球面収差を測定する方法が知られており、図１１を参照してこの測定方法を説明する。入射高ｈで結像光学系１００に入射する光線１０１が、結像光学系１００の焦点面近傍において光軸１０２に垂直な第１面１０３に入射してできる第１点像１０４と、第１面から少し離れた光軸１０２に垂直な第２面１０５に入射してできる第２点像１０６とを求め、第１点像１０４の重心と第２点像１０６の重心とを結ぶ直線が光軸と交わる位置ｚ(ｈ)を求め、光線の入射高ｈを順次変更して位置ｚ(ｈ)を求め、入射高ｈに対する位置ｚ(ｈ)をプロットして結像光学系の球面収差を測定する。
【００２７】
しかしながら、上述した従来の収差測定方法はすべて手作業で行わなければならず、非常に煩雑で工数がかかるという問題がある。これに対し上述した一実施の形態の収差測定方法によれば、簡便かつ短時間で光学系の球面収差を測定することができる。
【００２８】
収差測定装置４により結像光学系３の横収差を測定した後、調整信号作成装置５により複数の像ズレ量から収差の対称性に関する物理量を計算し、この収差対称性に関する物理量に基づいて結像光学系３の第２光学ブロック３ｂ（図１参照）を調整するための調整信号を作成する。
【００２９】
図１２および図１３は収差測定装置４から得られた収差特性ｆ(ｘ)の一例を示し、横軸ｘは像高を、縦軸ｙが像ズレ量を表す。図１２に示すように、収差特性ｆ(ｘ)が原点（図２に示す像ズレ検出面と結像光学系３の光軸との交点）に関して点対称である場合は、収差は光軸に関して対象であり、これ以上の調整は不要である。一方、図１３に示すように、収差特性ｆ(ｘ)が原点に関して点対称でない場合には、収差は光軸に関して対象ではない。したがって、結像光学系３の調整対象の第２光学ブロック３ｂの位置を調整し、収差特性が図１２に示す特性になるようにしなければならない。以下に、いくつかの調整方法を説明する。
【００３０】
《第１の調整方法》
まず、収差測定装置４から得られた収差特性ｆ(ｘ)を像高ｘの“べき乗”に展開した係数を求める。ｆ(０)＝０の条件で収差特性ｆ(ｘ)を表現しているとすると、収差特性ｆ(ｘ)は次のように表される。
ｆ(ｘ)＝ａ1・ｘ＋ａ2・ｘ２＋ａ3・ｘ３＋ａ4・ｘ４＋ａ5・ｘ５＋・・・ ・・・（３）
（３）式において、ｘの１次の項はデフォーカス量に関する量を表すので無視する。ｘの１次項以外の奇数次の項は原点に関して点対称な成分を表すので、光軸に関する収差対称性については問題ない。
【００３１】
結像光学系３に偏芯があるとｘの偶数次の項の係数ａ2、ａ4、・・が０にならない。この第１の調整方法において、収差特性に関する物理量とは、収差特性ｆ(ｘ)を像高ｘのべき乗に展開したときのｘの偶数次の項の係数ａ2、ａ4、・・、あるいはこれらの係数の線形結合である。
【００３２】
調整信号作成装置５は、像高ｘの偶数次の項の係数ａ2、ａ4、・・が０になる調整信号、換言すれば収差特性ｆ(ｘ)を図１２に示すような原点に関して点対称にするための調整信号、つまり収差特性ｆ(ｘ)を光軸に関して対象とするための調整信号を生成し、位置調整装置６へ送る。位置調整装置６は、この調整信号にしたがって結像光学系３の第２光学ブロック３ｂの位置を調整する。収差測定装置４は位置調整装置６による調整後の収差を測定して収差特性ｆ(ｘ)を出力し、調整信号作成装置５は新しい収差特性ｆ(ｘ)に基づいて調整信号を生成する。つまり、結像光学系３の収差特性ｆ(ｘ)が図１２に示す理想的な特性になるようにフィードバック制御を行う。
【００３３】
なお、計算もしくは実験により上述した収差対称性に関する物理量を調整量に変換する変換テーブルを予め作成しておき、この変換テーブルを用いて調整量を決定すれば、効率的な調整が可能である。
【００３４】
《第２の調整方法》
この第２の調整方法では、調整信号作成装置５が、図１４に示すような収差特性に対する調整量を表すテーブルを予め内蔵メモリ（不図示）に記憶しており、このテーブルデータから収差測定装置４により測定された収差特性に近い収差特性を検索し、検索結果の収差特性に対応する調整量にしたがって位置調整装置６により調整を行う。
【００３５】
完全に調整された結像光学系の収差特性をｇ5(ｘ)として記録し、この収差特性ｇ5(ｘ)の場合の調整量をｄ5＝０として記録する。この状態から調整量ｄ6＝Δだけ位置調整したときに測定された収差特性をｇ6(ｘ)とし、収差特性ｇ6(ｘ)と調整量ｄ6を対応づけて記録する。同様に、調整量をｄ7＝２Δとしたときに測定された収差特性をｇ7(ｘ)として記録し、調整量をｄ8＝３Δとしたときに測定された収差特性をｇ8(ｘ)として記録する。また、調整量をｄ4＝−Δとしたときに測定された収差特性をｇ4(ｘ)として記録し、調整量をｄ5＝−２Δとしたときに測定された収差特性をｇ5(ｘ)として記録し、調整量をｄ6＝−３Δとしたときに測定された収差特性をｇ6(ｘ)として記録する。このようにして図１４に示す収差特性と調整量のテーブルを作成し、調整信号生成装置５の内蔵メモリに記憶する。
【００３６】
収差測定装置４により調整対象の結像光学系３の収差特性ｆ(ｘ)が測定されたら、テーブルデータの収差特性ｇi(ｉ＝１、２、・・)と測定した収差特性ｆ(ｘ)との差Ｃiを演算する。
Ｃi＝Σ｜ｇi(ｘ)−ｆ(ｘ)｜ ・・・（４）
（４）式において、ｘは結像光学系の光軸中心からの入射光の光線の入射高（像高）であり、ｘ＝１，２，３，・・・である。Σはｘの離散的な値に関する和を表す。データテーブル上のすべての収差特性ｇiに対して（４）式により差Ｃiを演算し、最小値を示す差Ｃiに対応する調整量ｄiを採用する。位置調整装置６は、採用された調整量ｄiだけ結像光学系３の第２光学ブロック３ｂの位置を調整する。
【００３７】
なお、補間により真の最小値を示す収差特性ｇiと調整量ｄiを演算してもよい。また、（４）式においてデフォーカス量が同じ条件で横収差を比較する必要があるので、測定した収差特性ｆ(ｘ)を上記（３）式に展開した場合の１次の項の係数ａ1と、テーブルデータｇi(ｘ)を次式のようにべき乗に展開した場合の１次の項の係数ｂ1とが同じになるように、収差特性の検出位置をそろえる必要がある。
ｇi(ｘ)＝ｂ1・ｘ＋ｂ2・ｘ２＋ｂ3・ｘ３＋ｂ4・ｘ４＋・・・ ・・・（５）
これには色々な方法が考えられるが、（５）式の１次項の係数ｂ1が（３）式の１次項の係数ａ1に等しくなる位置に収差検出面を調整し、ａ1をｂ1に置換して比較すればよい。
【００３８】
なお、上述した実施の形態とそれらの変形例において、実施の形態どうし、または実施の形態と変形例とのあらゆる組み合わせが可能である。例えば図７〜図９により説明したように、結像光学系の球面収差を複数の方向において測定し、それらの方向ごとに光学調整を行うようにしてもよい。
【００３９】
上述した実施の形態とその変形例によれば以下のような作用効果を奏することができる。まず、(１)短時間で正確に結像光学系を調整することができる。また、(２)正確な調整量を決定することができる。さらに、(３)簡易的に短時間で光学調整を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】一実施の形態の収差測定装置の構成を示す
【図２】収差の測定原理を説明するための図
【図３】チャート例を示す図
【図４】収差測定装置の構成を示す図
【図５】像ズレ量の検出方法を説明するための図
【図６】横収差の測定結果を示す図
【図７】複数のマイクロレンズと受光素子を二次元状に配列した像ズレ検出装置を示す図
【図８】マイクロレンズと受光素子を二次元配列した像ズレ検出装置による変形例の像ズレ検出方法を説明するための図
【図９】マイクロレンズと受光素子を二次元配列した像ズレ検出装置による他の変形例の像ズレ検出方法を説明するための図
【図１０】チャート像表示装置の変形例を示す図
【図１１】従来の光学系の球面収差測定方法を説明するための図
【図１２】光軸に関して対象な収差特性の例を示す図
【図１３】光軸に関して対象でない収差特性の例を示す図
【図１４】収差特性に対する調整量のテーブルを示す図
【符号の説明】
【００４１】
１；結像光学系調整装置、２；チャート像表示装置、３；結像光学系、３ａ；第１光学ブロック、３ｂ；第２光学ブロック、４；収差測定装置、５；調整信号作成装置、６；位置調整装置、４１；マイクロレンズアレイ、４２；受光素子アレイ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系の３つ以上の入射高のうちの２つの入射高を第１の入射高対とし、該第１の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第１の出力対のずれ量を第１のずれ量として求め、
前記光学系の３つ以上の入射高のうち前記第１の入射高対とは異なる第２の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第２の出力対のずれ量を第２のずれ量として求め、
前記第１および第２のずれ量に基づいて前記光学系の位置を調整することを特徴とする光学系調整方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光学系調整方法において、
前記第１の入射高対は、前記光学系の第１の入射高と該第１の入射高とは異なる第２の入射高との対であり、前記２つの入射高対は、前記第１および第２の入射高とは異なる第３の入射高と前記第２の入射高との対であることを特徴とする光学系調整方法。
【請求項３】
請求項２に記載の光学系調整方法において、
前記第２の入射高は、前記光学系の光軸に対応する入射高であることを特徴とする光学系調整方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の光学系調整方法において、
前記第１および第３の入射高に対する前記第１および第２のずれ量を表示し、前記表示に基づいて前記光学系の位置を調整することを特徴とする光学系調整方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学系調整方法において、
前記第１および第２のずれ量に基づいて前記光学系の位置の調整量を求めることを特徴とする光学系調整方法。
【請求項６】
請求項５に記載の光学系調整方法において、
前記第１および第２のずれ量を、前記光学系の入射高を変数とする該変数のべき乗を含む関数として求め、
前記関数の偶数次の項の係数に基づいて前記調整量を求めることを特徴とする光学系調整方法。
【請求項７】
請求項３に記載の光学系調整方法において、
前記第１および第２のずれ量に対する前記調整量の関係を予め記憶し、
前記関係に基づいて前記調整量を求めることを特徴とする光学系調整方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学系調整方法において、
複数波長の前記光線のそれぞれについて前記第１および第２のずれ量を求めることを特徴とする光学系調整方法。
【請求項９】
光学系の３つ以上の入射高のうちの２つの入射高を第１の入射高対とし、該第１の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第１の出力対のずれを第１のずれ量として測定するとともに、前記光学系の３つ以上の入射高のうち前記第１の入射高対とは異なる第２の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第２の出力対のずれを第２のずれ量として測定する測定手段と、
前記測定手段による前記第１および第２のずれ量に基づいて前記光学系の位置を調整する調整手段とを備えたことを特徴とする光学系調整装置。
【請求項１０】
第１および第２のマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイと、
前記第１および第２のマイクロレンズのそれぞれに対して少なくとも３つの受光素子を設けて光束を受光する受光素子アレイと、
前記第１のマイクロレンズに対応する前記少なくとも３つの受光素子のうち互いに異なる第１および第２の受光素子を選択するとともに、前記第２のマイクロレンズに対応する前記少なくとも３つの受光素子のうち前記第１および第２の受光素子に対応する第３および第４の受光素子を選択する選択手段と、
光学系からの光束を前記第１の受光素子で受光して得られる出力と、前記光束を前記第３の受光素子で受光して得られる出力とに基づいて第１信号列とするとともに、前記光束を前記第２の受光素子で受光して得られる出力と、前記光束を前記第４の受光素子で受光して得られる出力とに基づいて第２信号列とし、前記第１信号列と前記第２信号列とのずれ量を測定する測定手段と、
前記選択手段が選択する受光素子対を変更することにより、前記測定手段によって複数の前記ずれ量を求める制御手段と、
前記複数のずれ量に基づいて前記光学系の位置を調整する調整手段とを備えたことを特徴とする光学系調整装置。
【請求項１】
光学系の３つ以上の入射高のうちの２つの入射高を第１の入射高対とし、該第１の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第１の出力対のずれ量を第１のずれ量として求め、
前記光学系の３つ以上の入射高のうち前記第１の入射高対とは異なる第２の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第２の出力対のずれ量を第２のずれ量として求め、
前記第１および第２のずれ量に基づいて前記光学系の位置を調整することを特徴とする光学系調整方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光学系調整方法において、
前記第１の入射高対は、前記光学系の第１の入射高と該第１の入射高とは異なる第２の入射高との対であり、前記２つの入射高対は、前記第１および第２の入射高とは異なる第３の入射高と前記第２の入射高との対であることを特徴とする光学系調整方法。
【請求項３】
請求項２に記載の光学系調整方法において、
前記第２の入射高は、前記光学系の光軸に対応する入射高であることを特徴とする光学系調整方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の光学系調整方法において、
前記第１および第３の入射高に対する前記第１および第２のずれ量を表示し、前記表示に基づいて前記光学系の位置を調整することを特徴とする光学系調整方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学系調整方法において、
前記第１および第２のずれ量に基づいて前記光学系の位置の調整量を求めることを特徴とする光学系調整方法。
【請求項６】
請求項５に記載の光学系調整方法において、
前記第１および第２のずれ量を、前記光学系の入射高を変数とする該変数のべき乗を含む関数として求め、
前記関数の偶数次の項の係数に基づいて前記調整量を求めることを特徴とする光学系調整方法。
【請求項７】
請求項３に記載の光学系調整方法において、
前記第１および第２のずれ量に対する前記調整量の関係を予め記憶し、
前記関係に基づいて前記調整量を求めることを特徴とする光学系調整方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学系調整方法において、
複数波長の前記光線のそれぞれについて前記第１および第２のずれ量を求めることを特徴とする光学系調整方法。
【請求項９】
光学系の３つ以上の入射高のうちの２つの入射高を第１の入射高対とし、該第１の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第１の出力対のずれを第１のずれ量として測定するとともに、前記光学系の３つ以上の入射高のうち前記第１の入射高対とは異なる第２の入射高対から入射する一対の光線のそれぞれを前記光学系の像面で受光して得られる第２の出力対のずれを第２のずれ量として測定する測定手段と、
前記測定手段による前記第１および第２のずれ量に基づいて前記光学系の位置を調整する調整手段とを備えたことを特徴とする光学系調整装置。
【請求項１０】
第１および第２のマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイと、
前記第１および第２のマイクロレンズのそれぞれに対して少なくとも３つの受光素子を設けて光束を受光する受光素子アレイと、
前記第１のマイクロレンズに対応する前記少なくとも３つの受光素子のうち互いに異なる第１および第２の受光素子を選択するとともに、前記第２のマイクロレンズに対応する前記少なくとも３つの受光素子のうち前記第１および第２の受光素子に対応する第３および第４の受光素子を選択する選択手段と、
光学系からの光束を前記第１の受光素子で受光して得られる出力と、前記光束を前記第３の受光素子で受光して得られる出力とに基づいて第１信号列とするとともに、前記光束を前記第２の受光素子で受光して得られる出力と、前記光束を前記第４の受光素子で受光して得られる出力とに基づいて第２信号列とし、前記第１信号列と前記第２信号列とのずれ量を測定する測定手段と、
前記選択手段が選択する受光素子対を変更することにより、前記測定手段によって複数の前記ずれ量を求める制御手段と、
前記複数のずれ量に基づいて前記光学系の位置を調整する調整手段とを備えたことを特徴とする光学系調整装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−８５６２８（Ｐ２０１０−８５６２８Ａ）
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５３５８３（Ｐ２００８−２５３５８３）
【出願日】平成２０年９月３０日（２００８．９．３０）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月３０日（２００８．９．３０）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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