波面センサ
【課題】面光源や複数の点光源等、一点とみなせない光源からの波面に対しても計測を行うことができる波面センサを提供する。
【解決手段】入射瞳Ｐに入った被測定光波面は半透鏡３で第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２とに分岐され、第１の光路Ｌ１を進む波面Ｗ１は第１の光路差補償部材７を透過し、第２の光路Ｌ２を進む波面Ｗ２は第２の光路差補償部材８を透過する。これら波面Ｗ１及びＷ２は、シェアリング量Ｓだけ互いに位置をずらした状態で半透鏡６により再度混合され、干渉計測面Ｍに干渉縞を形成する。この干渉縞の強度分布が光検出器９によって測定され、波面計測部１０で被測定光波面の形状が測定される。被測定光波面の到来方向に起因して傾斜した状態で干渉計測面Ｍに至る波面Ｗ１’と波面Ｗ２’との間に発生する光路差は、これら波面Ｗ１’及びＷ２’がそれぞれ第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８を透過する際に事前に補償される。
【解決手段】入射瞳Ｐに入った被測定光波面は半透鏡３で第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２とに分岐され、第１の光路Ｌ１を進む波面Ｗ１は第１の光路差補償部材７を透過し、第２の光路Ｌ２を進む波面Ｗ２は第２の光路差補償部材８を透過する。これら波面Ｗ１及びＷ２は、シェアリング量Ｓだけ互いに位置をずらした状態で半透鏡６により再度混合され、干渉計測面Ｍに干渉縞を形成する。この干渉縞の強度分布が光検出器９によって測定され、波面計測部１０で被測定光波面の形状が測定される。被測定光波面の到来方向に起因して傾斜した状態で干渉計測面Ｍに至る波面Ｗ１’と波面Ｗ２’との間に発生する光路差は、これら波面Ｗ１’及びＷ２’がそれぞれ第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８を透過する際に事前に補償される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波面センサに係り、特にシェアリング干渉法を利用して光波の波面を計測するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光波の干渉現象を利用した干渉計は、光の波長以上の精度で非接触計測が可能なため、高精度の計測に広く用いられている。
例えば、特許文献１には、被測定光波面を２つの光路に分岐して互いに位置をずらし、これらの波面を再度混合させて、その干渉縞から被測定光波面の形状を測定するシェアリング干渉計が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−７７４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、２つの光路に分岐した波面を再度混合させて干渉計測面で干渉縞（干渉後の強度）を観察する際に、２つの光路における干渉計測面までの伝播光路差が被測定光波面の到来方向に依存して変化することが知られている。したがって、被測定光波面が到来する方向ごとに異なった干渉状態が形成されることとなり、一点とみなせない光源からの波面や、機器の振動などにより一点とみなせる大きさ以上に動いてしまう点光源からの波面に対しては、互いに異なった干渉状態の光が干渉計測面で合成されてしまうため、干渉縞の観察による波面形状の測定を行うことができないという問題点があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、面光源や複数の点光源等、一点とみなせない光源からの波面や、一点とみなせる大きさ以上に動いてしまう点光源からの波面に対しても計測を行うことができる波面センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る波面センサは、被測定光波面を２つの光路に分岐して互いに位置をずらし、これらの波面を再度混合させて干渉計測面に形成された干渉縞から被測定光波面の形状を測定する波面センサにおいて、２つの光路に分岐された波面をそれぞれ一旦結像させて再度コリメートすることにより被測定光波面の入射角度に依存して発生する光路差を除去するための光路差補償部材を２つの光路上にそれぞれ配置し、２つの光路における干渉計測面までの伝播光路差が被測定光波面の入射角度に関わらずに一定となるようにしたものである。
なお、それぞれの光路差補償部材が対応する光路に対して所定角度だけ傾斜して配置されたレンズを有し、２つの光路に対してレンズが互いに逆方向に傾斜するように双方の光路差補償部材を配置することが好ましい。
この場合、それぞれの光路差補償部材が、結像レンズとコリメータレンズとを有するように構成することができる。
【発明の効果】
【０００６】
この発明によれば、分岐した２つの光路上に被測定光波面の入射角度に依存して発生する光路差を除去するための光路差補償部材をそれぞれ配置することにより、２つの光路における干渉計測面までの伝播光路差を被測定光波面の入射角度に関わらずに一定とするので、互いに異なった方向から到来する被測定光波面でも干渉計測面において同一の干渉状態が得られる。このため、一点とみなせない光源からの波面や、一点とみなせる大きさ以上に動いてしまう点光源からの波面に対しても、同一の干渉状態の光が干渉計測面で合成されることとなり、干渉縞の観察による波面の計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に実施の形態１に係る波面センサの構成を示す。入射瞳Ｐの次に半透鏡３が配置され、入射瞳Ｐから半透鏡３に至る光路がこの半透鏡３により第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２とに分岐される。半透鏡３を透過する第１の光路Ｌ１上には第１の平面鏡４が配置され、半透鏡３で反射する第２の光路Ｌ２上には第２の平面鏡５が配置されている。第１の平面鏡４によって反射された第１の光路Ｌ１と第２の平面鏡５によって反射された第２の光路Ｌ２とが交差する位置に半透鏡６が配置され、この半透鏡６により第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２が互いにシェアリング量Ｓだけ位置をずらした状態で再び結合される。さらに、半透鏡６の次に干渉計測面Ｍが規定されている。なお、入射瞳ＰはＸＹ面内に規定され、Ｚ軸は、入射瞳Ｐでの軸上光の進行方向とする。また、干渉計測面ＭはＸ’Ｙ’面内に規定され、第１の光路Ｌ１に対して第２の光路Ｌ２が＋Ｘ’方向にシェアリング量Ｓだけずらした状態で結合されるものとする。また、Ｚ’軸は、干渉計測面Ｍでの軸上光の進行方向とする。
【０００８】
また、第１の光路Ｌ１上には半透鏡３と第１の平面鏡４との間に第１の光路差補償部材７が配置され、第２の光路Ｌ２上には第２の平面鏡５と半透鏡６との間に第２の光路差補償部材８が配置されている。これら第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８は、入射瞳Ｐへの被測定光波面の入射角度に依存して発生する光路差を除去するためのものである。
第１の光路差補償部材７は、半透鏡３の前方で且つ第１の光路Ｌ１の光軸に対して角度φだけ傾斜させて配置された結像レンズ７ａと、結像レンズ７ａに対して平行に配置されたコリメータレンズ７ｂとを有している。これらの結像レンズ７ａとコリメータレンズ７ｂは、共通の焦点距離Ｆを有し、互いにそれらの光軸上で距離２・Ｆだけ隔てるように配置されている。
第２の光路差補償部材８は、第２の平面鏡５の前方で且つ第２の光路Ｌ２の光軸に対して角度−φだけ傾斜させて配置された結像レンズ８ａと、結像レンズ８ａに対して平行に配置されたコリメータレンズ８ｂとを有している。これらの結像レンズ８ａとコリメータレンズ８ｂは、それぞれ第１の光路差補償部材７の結像レンズ７ａ及びコリメータレンズ７ｂと同一の焦点距離Ｆを有し、互いにそれらの光軸上で距離２・Ｆだけ隔てるように配置されている。
【０００９】
さらに、干渉計測面Ｍには干渉縞の強度分布を測定するための光検出器９が配置され、この光検出器９に波面計測部１０が接続されている。光検出器９は、例えばＣＣＤから形成され、波面計測部１０は、光検出器９で得られた測定データに基づいて被測定光波面の形状を求めるもので、例えばコンピュータから形成される。
また、第２の平面鏡５には、この第２の平面鏡５の配置位置及び角度を移動させることにより光路Ｌ１及びＬ２の間に任意の相対的な光路差を生じさせる移動装置１１が接続されている。
【００１０】
次に、この実施の形態１に係る波面センサの動作について説明する。入射瞳Ｐに入った被測定光波面は、Ｚ方向に進行して半透鏡３で第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２とに分岐される。第１の光路Ｌ１を進む波面Ｗ１は、第１の光路差補償部材７の結像レンズ７ａ及びコリメータレンズ７ｂを透過した後、第１の平面鏡４で反射して半透鏡６へと向かう。一方、第２の光路Ｌ２を進む波面Ｗ２は、第２の平面鏡５で反射した後、第２の光路差補償部材８の結像レンズ８ａ及びコリメータレンズ８ｂを透過して半透鏡６へと向かう。第１の光路Ｌ１を進む波面Ｗ１と第２の光路Ｌ２を進む波面Ｗ２は、シェアリング量Ｓだけ互いに横方向に位置をずらした状態で半透鏡６により再度混合され、干渉計測面Ｍに至る。干渉計測面Ｍには、入射瞳Ｐが再結像されるが、第１の光路Ｌ１による瞳像Ｇ１に対して第２の光路Ｌ２による瞳像Ｇ２がシェアリング量Ｓだけ＋Ｘ’方向に位置をずらして重なるように構成されており、これにより第１の光路Ｌ１を進む波面Ｗ１と第２の光路Ｌ２を進む波面Ｗ２とが横ずれした状態で干渉して干渉計測面Ｍに干渉縞を形成する。
【００１１】
この干渉縞の強度分布が干渉計測面Ｍに配置された光検出器９によって測定され、この強度分布が波面計測部１０に送られて被測定光波面の形状が測定される。
なお、移動装置１１で第２の平面鏡５の配置位置や角度を移動させることにより、被測定光波の波長をλとして、第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２との間の光路差をλ／４、λ／２、３λ／４などとずらした状態の干渉縞を干渉計測面Ｍに形成し、光検出器９で測定されたこの干渉縞の強度分布をも使用して波面計測部１０で被測定光波面の形状を測定することもできる。
【００１２】
ここで、光軸上に沿って被測定光波面が入射瞳Ｐに入射したときには、図２に示されるように、第１の光路Ｌ１を経た波面Ｗ１と第２の光路Ｌ２を経た波面Ｗ２が共に干渉計測面Ｍに垂直に進むため、この干渉計測面Ｍに至る際にこれら波面Ｗ１及びＷ２の間に光路差を生じることはない。しかしながら、被測定光波面が光軸に対して傾斜した方向から入射瞳Ｐに入射したために第１の光路Ｌ１を経た波面Ｗ１’と第２の光路Ｌ２を経た波面Ｗ２’の進行方向がＸ’Ｚ’面内でＺ’軸から＋Ｘ’方向に角度θだけ光軸から傾いて干渉計測面Ｍに至ると、光路差補償部材のない場合には、第２の光路Ｌ２を経た波面Ｗ２’は第１の光路Ｌ１を経た波面Ｗ１’よりも光路長Ａだけ先を進んでおり、第１の光路Ｌ１における波面Ｗ１’の光路長が第２の光路Ｌ２における波面Ｗ２’の光路長に対してＡだけ長いことがわかる。このとき生じる光路差Ａは、
Ａ＝Ｓ・sinθ ・・・（１）
と表される。ただし、Ｓは、第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２との間のシェアリング量である。
【００１３】
このように、被測定光波面の到来方向すなわち入射瞳Ｐへの入射角度に起因して干渉計測面Ｍに至る際に波面Ｗ１’と波面Ｗ２’との間に光路差Ａが発生するが、第１の光路Ｌ１上に配置されている第１の光路差補償部材７と第２の光路Ｌ２上に配置されている第２の光路差補償部材８の作用によってこの光路差Ａが事前に補償されることとなる。以下、この補償作用について詳述する。
【００１４】
図３に示されるように、第１の光路差補償部材７において、結像レンズ７ａとコリメータレンズ７ｂは、互いに平行に配置されると共にそれらの光軸上で距離２・Ｆだけ隔てて配置されているので、共通の焦平面Ｑ１を有している。ただし、実際には、レンズの収差のために、結像レンズ７ａ及びコリメータレンズ７ｂはそれぞれ湾曲した等光路長面Ｑ１ａ及びＱ１ｂを有し、入射瞳Ｐ上の中心点Ｐ０から光路長が等しい点を焦平面Ｑ１で見ると、入射瞳Ｐへの入射角度に依存して焦平面Ｑ１からずれることとなる。このため、入射瞳Ｐ上の中心点Ｐ０から焦平面Ｑ１までの、レンズの軸上光を基準とした光路長の増加分Δｒ１は、結像レンズ７ａへの入射角度αの関数Ｊ（α）として表すことができる。
Δｒ１＝Ｊ（α）
【００１５】
結像レンズ７ａの光軸は、第１の光路Ｌ１に対して角度φだけ傾斜しているので、入射瞳Ｐに角度θで入射した光の結像レンズ７ａへの入射角度は（θ−φ）となり、光路長の増加分Δｒ１は、
Δｒ１＝Ｊ（θ−φ）
と表される。
焦平面Ｑ１からコリメータレンズ７ｂによって入射瞳Ｐが再結像される干渉計測面Ｍまでの光路が、入射瞳Ｐから焦平面Ｑ１までの光路と対称的であるとすると、互いに光路長の増加分Δｒ１が等しくなり、入射瞳Ｐ上の中心点Ｐ０から第１の光路Ｌ１を通って干渉計測面Ｍに再結像された瞳の中心点Ｍ０にまで至る光路長の増加分ΔＲ１は、
ΔＲ１＝２・Δｒ１＝２・Ｊ（θ−φ） ・・・（２）
となる。
【００１６】
同様に、図４に示されるように、第２の光路差補償部材８において、結像レンズ８ａとコリメータレンズ８ｂは、互いに平行に配置されると共にそれらの光軸上で距離２・Ｆだけ隔てて配置されているので、共通の焦平面Ｑ２を有している。ただし、実際には、レンズの収差のために、結像レンズ８ａ及びコリメータレンズ８ｂはそれぞれ湾曲した等光路長面Ｑ２ａ及びＱ２ｂを有し、入射瞳Ｐ上の中心点Ｐ０から光路長が等しい点を焦平面Ｑ２で見ると、入射瞳Ｐへの入射角度に依存して焦平面Ｑ２からずれることとなる。このため、入射瞳Ｐ上の中心点Ｐ０から焦平面Ｑ２までの、レンズの軸上光を基準とした光路長の増加分Δｒ２は、結像レンズ８ａへの入射角度αの関数Ｊ（α）として表すことができる。
Δｒ２＝Ｊ（α）
【００１７】
結像レンズ８ａの光軸は、第２の光路Ｌ２に対して角度（−φ）だけ傾斜しているので、入射瞳Ｐに角度θで入射した光の結像レンズ８ａへの入射角度は（θ＋φ）となり、光路長の増加分Δｒ２は、
Δｒ２＝Ｊ（θ＋φ）
と表される。
焦平面Ｑ２からコリメータレンズ８ｂによって入射瞳Ｐが再結像される干渉計測面Ｍまでの光路が、入射瞳Ｐから焦平面Ｑ２までの光路と対称的であるとすると、互いに光路長の増加分Δｒ２が等しくなり、入射瞳Ｐ上の中心点Ｐ０から第２の光路Ｌ２を通って干渉計測面Ｍに再結像された瞳の中心点Ｍ０にまで至る光路長の増加分ΔＲ２は、
ΔＲ２＝２・Δｒ２＝２・Ｊ（θ＋φ） ・・・（３）
となる。
【００１８】
したがって、被測定光波面が光軸に対して傾斜した方向から入射瞳Ｐに入射したために、それぞれ角度θだけ光軸から傾いて第１の光路Ｌ１を進行する波面Ｗ１’と第２の光路Ｌ２を進行する波面Ｗ２’との間には、式（２）と（３）から、第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８を配置したことにより、以下の光路差Ｂが生じることがわかる。
Ｂ＝ΔＲ１−ΔＲ２
＝２・Ｊ（θ−φ）−２・Ｊ（θ＋φ） ・・・（４）
【００１９】
一般に、レンズの収差により等光路長面が湾曲した場合の入射瞳上の中心点から焦平面までの光路長の増加分を示す関数Ｊ（α）は、２次以上の偶数次のαの多項式で表すことができる。すなわち、
Ｊ（α）＝ａα２＋ｂα４＋・・・ ・・・（５）
となる。
ここで、関数Ｊ（α）が２次式で表されるものとすると、式（４）及び（５）から、
Ｂ＝２・ａ（θ−φ）２−２・ａ（θ＋φ）２
＝２・ａ（θ２−２θφ＋φ２）−２・ａ（θ２＋２θφ＋φ２）
＝−８・ａθφ ・・・（６）
と表される。なお、比例定数ａは、使用する結像レンズ７ａ、８ａ及びコリメータレンズ７ｂ、８ｂのパラメータとして既知であるものとする。
【００２０】
この光路差Ｂは、光路差補償部材における、第２の光路Ｌ２を進行する波面Ｗ２’の光路長に対する第１の光路Ｌ１を進行する波面Ｗ１’の光路長の差分を表しており、式（１）で表される干渉計測面Ｍに波面が傾斜して至る際に生じる光路差Ａとは逆に、波面Ｗ１’の光路長を波面Ｗ２’の光路長より短くするものを採用する。そこで、光路差Ａと光路差Ｂの絶対値を波長以下の誤差でほぼ等しい値にすれば、光路差Ａが補償されることになる。
【００２１】
すなわち、
Ａ≒−Ｂ
とすればよい。言い換えると、光路差Ａと光路差Ｂとを加算した全体の光路差Ｃをほぼ０とすればよい。
Ａ＋Ｂ＝Ｃ≒０
式（１）と（６）を用いると、
Ｓ・sinθ−８・ａθφ≒０ ・・・（７）
と表される。
角度θの絶対値が小さい場合には、
sinθ≒θ
と近似することができるので、式（７）は、
Ｓ−８・ａφ≒０
と表される。
このとき、
φ＝Ｓ／（８・ａ） ・・・（８）
となる。
【００２２】
そこで、第１の光路差補償部材７において、結像レンズ７ａ及びコリメータレンズ７ｂの光軸を第１の光路Ｌ１の光軸に対して角度φ＝Ｓ／（８・ａ）だけ傾斜させて配置し、第２の光路差補償部材８において、結像レンズ８ａ及びコリメータレンズ８ｂの光軸を第２の光路Ｌ２の光軸に対して角度−φ＝−Ｓ／（８・ａ）だけ傾斜させて配置することにより、互いに異なった方向から到来する被測定光波面でも干渉計測面Ｍにおいて、ほぼ同一の干渉状態を得ることができる。このため、面光源や複数の点光源等、一点とみなせない光源からの波面や、機器の振動などにより一点とみなせる大きさ以上に動いてしまう点光源からの波面に対しても、同一の干渉状態の光が干渉計測面Ｍで合成されることとなり、光検出器９で測定された干渉縞の強度分布に基づいて波面計測部１０で被測定光波面の形状を求めることが可能となる。
【００２３】
なお、光路差補償部材７及び８をそれぞれ角度φ及び−φだけ傾斜することで、光路差補償部材７及び８を通過してコリメートされた光がそれぞれ平行光とみなせなくなる場合には、結像レンズ７ａとコリメータレンズ７ｂの間隔２・Ｆ及び結像レンズ８ａとコリメータレンズ８ｂの間隔２・Ｆを微調整し、光路差補償部材７及び８を通過してコリメートされた光がそれぞれ平行光とみなせるようにすることが好ましい。
また、波面Ｗ１’及びＷ２’の進行方向が、図１、図３及び図４に示した角度θとは逆方向に傾いた場合でも、同様に、その傾きに起因して発生する光路差が第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８の作用によって事前に補償され、干渉計測面Ｍにおいてほぼ同一の干渉状態を得ることができる。
なお、上記の説明では、レンズの収差により等光路長面が湾曲した場合の入射瞳上の中心点から焦平面までの光路長の増加分を示す関数Ｊ（α）が２次式で表されるものとしたが、４次以上の偶数次の多項式で表されるものとしても、同様にして、全体の光路差Ｃが入射角度θの値に関わらずにほぼ一定値０となるような結像レンズ７ａ、８ａ及びコリメータレンズ７ｂ、８ｂの傾斜角度φを求めることができる。
【００２４】
ここで、シェアリング量Ｓ＝１００μｍ、結像レンズ７ａ、８ａまたはコリメータレンズ７ｂ、８ｂにおける光路長の増加分を示す関数Ｊ（α）の比例定数ａ＝５００μｍ、第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８の光軸からの傾斜角度φ及び−φの絶対値を０．０２５ｒａｄとして、入射瞳Ｐに入射した被測定光波面の入射角度θを＋Ｘ方向及び−Ｘ方向に種々変化させたときの、干渉計測面Ｍに至る際に生じる光路差Ａ、第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８により生じる光路差Ｂ、光路差Ａと光路差Ｂとを加算した全体の光路差Ｃをそれぞれシミュレートした結果を図５に示す。なお、図５における横軸はθ（ｒａｄ）、縦軸は光路差（μｍ）である。入射角度θの値に応じて光路差Ａが変化し、その光路差Ａを補償するように光路差Ｂが変化している様子が示されている。光路差Ａと光路差Ｂとを加算した全体の光路差Ｃは入射角度θの値に関わらずにほぼ一定値０となっている。
【００２５】
図５の光路差を表す縦軸を２００倍に拡大したグラフを図６に示す。全体の光路差Ｃは入射角度θの値に応じて変化しているが、−０．１５≦θ≦＋０．１５（ｒａｄ）（角度θの絶対値≦約８．６度）の範囲において±６０ｎｍ以下の値である。シェアリング量Ｓが１００μｍで光路差補償部材がない場合に、光路差Ａを±６０ｎｍ以下に抑えるには、式（１）からＡ＝Ｓ・sinθであるので、
−０．００００６≦０．１・sinθ≦０．００００６
すなわち、
−０．０００６≦sinθ≦０．０００６
でなければならず、このように角度θの絶対値が小さい場合には、
sinθ≒θ
であるので、およそ、
−０．０００６≦θ≦０．０００６（ｒａｄ）
となり、光路差補償部材を採用することによって、同じ光路差が発生する角度範囲が約２５０倍も広くなっていることがわかる。
【００２６】
なお、上記の例では式（８）を満たす傾斜角度φを用いたが、第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８の光軸からの傾斜角度φ及び−φを微調整すれば、さらに広い角度範囲で光路差補償を行うことが可能となる。
また、±６０ｎｍ以下を光路差Ｃ及び光路差Ａの許容量として、光路差補償部材を採用したときと採用しないときの光路差補償を行い得る角度範囲を比較したが、光路差Ｃ及び光路差Ａの許容量を変えると、それに応じて光路差補償を行い得る角度範囲は変化する。
【００２７】
上述したシミュレーションにおけるシェアリング量Ｓと、結像レンズ７ａ、コリメータレンズ７ｂ、結像レンズ８ａ及びコリメータレンズ８ｂのパラメータとを同じくして、入射瞳Ｐに入射した被測定光波面の入射角度θを二次元的にＸＹ方向に種々変化させたときの、全体の光路差Ｃをシミュレートした結果を図７に示す。入射光の進行方向をＸＺ平面及びＹＺ平面へ投影したときの角度θｘ及びθｙに対する光路差Ｃの値が示されている。なお、図７は、図６と同様に縦軸の光路差Ｃが大きく拡大され、±０．１５μｍの範囲で示されている。
光路差Ｃは、入射角度θｘ及びθｙの値に応じて変化しているが、−０．１５≦θｘ≦＋０．１５（ｒａｄ）、−０．１５≦θｙ≦＋０．１５（ｒａｄ）の範囲において±０．１１μｍ以下の値であり、高精度に波面の光路差が補償されて、干渉状態が変わらず、波面計測が可能となることがわかる。
【００２８】
実施の形態２
上述した実施の形態１の波面センサにおいては、半透鏡６で反射した第１の光路Ｌ１と半透鏡６を透過した第２の光路Ｌ２を互いにシェアリング量Ｓだけ位置をずらした状態で結合させたが、半透鏡６を透過した第１の光路Ｌ１と半透鏡６で反射した第２の光路Ｌ２も互いにシェアリング量Ｓだけ位置をずらした状態で結合させることができる。そこで、この実施の形態２では、図８に示されるように、第１の光路Ｌ１を進んで半透鏡６を透過した波面Ｗ１と第２の光路Ｌ２を進んで半透鏡６で反射した波面Ｗ２とにより入射瞳Ｐが再結像される位置に干渉計測面Ｍａが規定され、この干渉計測面Ｍａに光検出器９ａが配置されている。そして、干渉計測面Ｍに配置されている光検出器９と干渉計測面Ｍａに配置された光検出器９ａの双方に波面計測部１０が接続されている。
双方の光検出器９及び９ａにより得られた干渉縞の強度分布に基づいて波面計測部１０が被測定光波面の形状を測定する。
【００２９】
ここで、干渉計測面ＭａはＸ’’Ｙ’’面内に規定され、第１の光路Ｌ１に対して第２の光路Ｌ２が＋Ｘ’’方向にシェアリング量Ｓだけずらした状態で結合されるものとする。また、Ｚ’’軸は、干渉計測面Ｍａでの軸上光の進行方向とする。
干渉計測面Ｍａには、第１の光路Ｌ１を進んで半透鏡６を透過した波面Ｗ１と第２の光路Ｌ２を進んで半透鏡６で反射した波面Ｗ２とにより入射瞳Ｐが再結像されるが、第１の光路Ｌ１による瞳像Ｇ１ａに対して第２の光路Ｌ２による瞳像Ｇ２ａがシェアリング量Ｓだけ＋Ｘ’’方向に位置をずらして重なるように構成され、干渉計測面Ｍに形成される干渉縞に対して明暗が反転した干渉縞が干渉計測面Ｍａに同時に得られることとなる。このため、２つの波面Ｗ１とＷ２の位相差のほかに、２つの波面Ｗ１とＷ２の光の強度の合計、すなわち、瞳面Ｐにおける光の強度を、２つの干渉計測面Ｍ及びＭａにおける強度の和から求めることができ、波面計測部１０で波面を算出する際に、瞳面の明るさの変化による誤差を減らすことが可能となる。
【００３０】
実施の形態１及び２で用いられた結像レンズ７ａ、コリメータレンズ７ｂ、結像レンズ８ａ及びコリメータレンズ８ｂの材質としては、光透過性を有するガラス、結晶、樹脂、プラスチック等、各種のものを用いることができる。
また、結像とコリメートを行い得る光学系であれば、レンズの代わりに凹面鏡等の反射鏡を使用して同様の効果を得ることもできる。さらに、結像とコリメートのうち、一方をレンズにより、他方を反射鏡により行ってもよい。
【００３１】
また、この発明は、シェアリング干渉法を用いているので、２つの光路の位置をずらした方向の波面の微分（差分）量のみが計測される。このため、２次元の波面形状を測定する場合には、被測定光波面を２つに分岐して２つの波面センサで互いに異なる２方向の波面の微分（差分）量をそれぞれ計測し、それらを合わせて解析することが望ましい。
さらに、この発明は、シェアリング干渉法を用いているので、広帯域の光を使用する場合には、第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２の光路長が光のコヒーレンス長以下の精度で互いに等距離に調整されていることが好ましい。
【００３２】
この発明は、広範囲の波面計測に適用することができ、例えば、図９に示されるように、照明用光源１８からの照明光を眼球１９内に照射し、その反射光をこの発明の波面センサ２０で捉えることにより、角膜・眼球光学系の収差計測、視力検査、眼底カメラ・網膜検査カメラの補償光学、等に用いることができる。この場合、従来のように波面計測用の小さな参照光スポットを網膜上に形成する必要がなく、白色光からなる照明光を広く分散照射するだけで、波面センサ２０内で選択した必要な範囲の光を利用して波面計測を行うことが可能となる。
【００３３】
同様にして、図１０に示されるように、照明用光源１８からの照明光を光学素子２１に照射し、その反射光を波面センサ２０で捉えることにより、光学素子２１の収差を計測することができる。また、図１１に示されるように、外部光源１８ａから光学素子２１に照明光を照射して、その反射光を波面センサ２０で捉えることもできる。このような方法に基づいて、レンズやミラー等の検査、メガネやコンタクトレンズの性能評価が可能となる。なお、計測対象となる光学素子２１に応じて、波面センサ２０に反射光を入射させるために必要な光学系を追加したり、光学素子２１の配置位置を変える必要がある。例えば、平行平面基板等の光透過素子を計測対象とする場合には、図１０または１１における光学素子２１の位置に基準鏡を配置し、平行光の中に光透過素子を挿入して計測する。また、図１０において凸レンズを計測対象とする場合には、光学素子２１の位置に基準の凹球面鏡を配置し、凸レンズで一旦焦点を結んだ後に、基準の凹球面鏡で元の方向へ光を戻せばよい。
【００３４】
ここで、照明用光源１８及び外部光源１８ａはピンホールのような点光源である必要がなく、この波面センサ２０の許容範囲で広がった光源を用いることができる。光学素子２１と波面センサ２０の位置関係が相対的に振動などで変化するような条件下でも、被測定波面の入射角の変化が波面センサ２０の許容範囲内であれば、波面を計測することができる。
また、図１２のように、大型の光学素子２２を測定対象とする場合には、光学素子２３を用いて照明用光源１８からのビーム径を拡大することが好ましい。
さらに、図１３に示されるように、光源２４から発せられる光を波面センサ２０に入射させて、光源２４の品質検査を行うこともできる。
【００３５】
さらに、この発明を天体観測補償光学装置のための波面計測として適用することにより、広範囲の天体光や黄道光のように広がった背景光を用いた波面計測が可能となり、太陽面・惑星面等の点光源が確保しにくい天体や、明るい点光源の天体はないが全体では波面計測に十分な明るさを持つ恒星の集団等、従来の波面センサではなし得なかった天体の補償光学観測を行うことができるようになる。巨大望遠鏡の補償光学において、レーザガイド星が絞り込めずに広がる場合でも、正確な波面計測が可能になる。ただし、この発明の波面センサは、波面の傾斜成分に感度を有しないセンサであるので、波面傾斜成分を測定する装置と組み合わせて用いることが好ましい。
【００３６】
なお、移動装置１１により第２の平面鏡５の配置位置及び角度を移動させて光路Ｌ１及びＬ２の間に光路差を生じさせたが、第２の平面鏡５の代わりに移動装置１１により第１の平面鏡４の配置位置及び角度を移動させて光路Ｌ１及びＬ２の間に光路差を生じさせるように構成してもよい。
分岐した２つの波面を混合する際に、２つの波面の位相差が半波長より十分小さく、強めあう干渉と弱めあう干渉の中間の強度になるように平均の位相差を調整すれば、干渉強度と２つの波面の位相差が単調な関係になるため、分岐した光路Ｌ１とＬ２の相対的な光路長を固定したままで、波面形状を求めることも可能である。
【００３７】
上記の実施の形態１及び２では、マッハ・ツェンダー型の干渉計を使って説明したが、２つの光路を横ずらししたシェアリング干渉計を構成できる干渉計で、且つ、光路差補償部材を設置できるものであれば、どのようなタイプの干渉計にもこの発明を適用することができる。
この他、この発明の波面センサは、レーザビーム制御用の波面計測に適用することもできる。
さらに、この発明は、干渉計測面において２つの波面を互いに傾けることにより多数の干渉縞を形成して波面計測を行う方法にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る波面センサの構成を示す図である。
【図２】波面が干渉計測面に至る状態を示す図である。
【図３】波面が第１の光路差補償部材を透過する状態を示す図である。
【図４】波面が第２の光路差補償部材を透過する状態を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る波面センサにおいて被測定光波面の入射角度を一次元的に変化させたときの光路差をシミュレートした結果を示すグラフである。
【図６】図５の縦軸を拡大したグラフである。
【図７】実施の形態１に係る波面センサにおいて被測定光波面の入射角度を二次元的に変化させたときの光路差をシミュレートした結果を示すグラフである。
【図８】実施の形態２に係る波面センサの構成を示す図である。
【図９】この発明の波面センサを眼球光学系の収差計測に適用した状態を示す図である。
【図１０】この発明の波面センサを光学素子の収差計測に適用した状態を示す図である。
【図１１】この発明の波面センサを光学素子の収差計測に適用した状態を示す図である。
【図１２】この発明の波面センサを光学素子の収差計測に適用した状態を示す図である。
【図１３】この発明の波面センサを光源の品質検査に適用した状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
３，６ 半透鏡、４ 第１の平面鏡、５ 第２の平面鏡、７ 第１の光路差補償部材、８ 第２の光路差補償部材、９，９ａ 光検出器、１０ 波面計測部、１１ 移動装置、１８ 照明用光源、１８ａ 外部光源、１９ 眼球、２０ 波面センサ、２１〜２３ 光学素子、２４ 光源、７ａ，８ａ 結像レンズ、７ｂ，８ｂ コリメータレンズ、Ｐ 入射瞳、Ｌ１ 第１の光路、Ｌ２ 第２の光路、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ１’，Ｗ２’ 波面、Ｍ，Ｍａ 干渉計測面、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ１ａ，Ｇ２ａ 瞳像、Ｓ シェアリング量、θ 被測定光波面の入射角度、φ 光路差補償部の傾斜角度、Ａ，Ｂ，Ｃ 光路差。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波面センサに係り、特にシェアリング干渉法を利用して光波の波面を計測するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光波の干渉現象を利用した干渉計は、光の波長以上の精度で非接触計測が可能なため、高精度の計測に広く用いられている。
例えば、特許文献１には、被測定光波面を２つの光路に分岐して互いに位置をずらし、これらの波面を再度混合させて、その干渉縞から被測定光波面の形状を測定するシェアリング干渉計が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−７７４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、２つの光路に分岐した波面を再度混合させて干渉計測面で干渉縞（干渉後の強度）を観察する際に、２つの光路における干渉計測面までの伝播光路差が被測定光波面の到来方向に依存して変化することが知られている。したがって、被測定光波面が到来する方向ごとに異なった干渉状態が形成されることとなり、一点とみなせない光源からの波面や、機器の振動などにより一点とみなせる大きさ以上に動いてしまう点光源からの波面に対しては、互いに異なった干渉状態の光が干渉計測面で合成されてしまうため、干渉縞の観察による波面形状の測定を行うことができないという問題点があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、面光源や複数の点光源等、一点とみなせない光源からの波面や、一点とみなせる大きさ以上に動いてしまう点光源からの波面に対しても計測を行うことができる波面センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る波面センサは、被測定光波面を２つの光路に分岐して互いに位置をずらし、これらの波面を再度混合させて干渉計測面に形成された干渉縞から被測定光波面の形状を測定する波面センサにおいて、２つの光路に分岐された波面をそれぞれ一旦結像させて再度コリメートすることにより被測定光波面の入射角度に依存して発生する光路差を除去するための光路差補償部材を２つの光路上にそれぞれ配置し、２つの光路における干渉計測面までの伝播光路差が被測定光波面の入射角度に関わらずに一定となるようにしたものである。
なお、それぞれの光路差補償部材が対応する光路に対して所定角度だけ傾斜して配置されたレンズを有し、２つの光路に対してレンズが互いに逆方向に傾斜するように双方の光路差補償部材を配置することが好ましい。
この場合、それぞれの光路差補償部材が、結像レンズとコリメータレンズとを有するように構成することができる。
【発明の効果】
【０００６】
この発明によれば、分岐した２つの光路上に被測定光波面の入射角度に依存して発生する光路差を除去するための光路差補償部材をそれぞれ配置することにより、２つの光路における干渉計測面までの伝播光路差を被測定光波面の入射角度に関わらずに一定とするので、互いに異なった方向から到来する被測定光波面でも干渉計測面において同一の干渉状態が得られる。このため、一点とみなせない光源からの波面や、一点とみなせる大きさ以上に動いてしまう点光源からの波面に対しても、同一の干渉状態の光が干渉計測面で合成されることとなり、干渉縞の観察による波面の計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に実施の形態１に係る波面センサの構成を示す。入射瞳Ｐの次に半透鏡３が配置され、入射瞳Ｐから半透鏡３に至る光路がこの半透鏡３により第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２とに分岐される。半透鏡３を透過する第１の光路Ｌ１上には第１の平面鏡４が配置され、半透鏡３で反射する第２の光路Ｌ２上には第２の平面鏡５が配置されている。第１の平面鏡４によって反射された第１の光路Ｌ１と第２の平面鏡５によって反射された第２の光路Ｌ２とが交差する位置に半透鏡６が配置され、この半透鏡６により第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２が互いにシェアリング量Ｓだけ位置をずらした状態で再び結合される。さらに、半透鏡６の次に干渉計測面Ｍが規定されている。なお、入射瞳ＰはＸＹ面内に規定され、Ｚ軸は、入射瞳Ｐでの軸上光の進行方向とする。また、干渉計測面ＭはＸ’Ｙ’面内に規定され、第１の光路Ｌ１に対して第２の光路Ｌ２が＋Ｘ’方向にシェアリング量Ｓだけずらした状態で結合されるものとする。また、Ｚ’軸は、干渉計測面Ｍでの軸上光の進行方向とする。
【０００８】
また、第１の光路Ｌ１上には半透鏡３と第１の平面鏡４との間に第１の光路差補償部材７が配置され、第２の光路Ｌ２上には第２の平面鏡５と半透鏡６との間に第２の光路差補償部材８が配置されている。これら第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８は、入射瞳Ｐへの被測定光波面の入射角度に依存して発生する光路差を除去するためのものである。
第１の光路差補償部材７は、半透鏡３の前方で且つ第１の光路Ｌ１の光軸に対して角度φだけ傾斜させて配置された結像レンズ７ａと、結像レンズ７ａに対して平行に配置されたコリメータレンズ７ｂとを有している。これらの結像レンズ７ａとコリメータレンズ７ｂは、共通の焦点距離Ｆを有し、互いにそれらの光軸上で距離２・Ｆだけ隔てるように配置されている。
第２の光路差補償部材８は、第２の平面鏡５の前方で且つ第２の光路Ｌ２の光軸に対して角度−φだけ傾斜させて配置された結像レンズ８ａと、結像レンズ８ａに対して平行に配置されたコリメータレンズ８ｂとを有している。これらの結像レンズ８ａとコリメータレンズ８ｂは、それぞれ第１の光路差補償部材７の結像レンズ７ａ及びコリメータレンズ７ｂと同一の焦点距離Ｆを有し、互いにそれらの光軸上で距離２・Ｆだけ隔てるように配置されている。
【０００９】
さらに、干渉計測面Ｍには干渉縞の強度分布を測定するための光検出器９が配置され、この光検出器９に波面計測部１０が接続されている。光検出器９は、例えばＣＣＤから形成され、波面計測部１０は、光検出器９で得られた測定データに基づいて被測定光波面の形状を求めるもので、例えばコンピュータから形成される。
また、第２の平面鏡５には、この第２の平面鏡５の配置位置及び角度を移動させることにより光路Ｌ１及びＬ２の間に任意の相対的な光路差を生じさせる移動装置１１が接続されている。
【００１０】
次に、この実施の形態１に係る波面センサの動作について説明する。入射瞳Ｐに入った被測定光波面は、Ｚ方向に進行して半透鏡３で第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２とに分岐される。第１の光路Ｌ１を進む波面Ｗ１は、第１の光路差補償部材７の結像レンズ７ａ及びコリメータレンズ７ｂを透過した後、第１の平面鏡４で反射して半透鏡６へと向かう。一方、第２の光路Ｌ２を進む波面Ｗ２は、第２の平面鏡５で反射した後、第２の光路差補償部材８の結像レンズ８ａ及びコリメータレンズ８ｂを透過して半透鏡６へと向かう。第１の光路Ｌ１を進む波面Ｗ１と第２の光路Ｌ２を進む波面Ｗ２は、シェアリング量Ｓだけ互いに横方向に位置をずらした状態で半透鏡６により再度混合され、干渉計測面Ｍに至る。干渉計測面Ｍには、入射瞳Ｐが再結像されるが、第１の光路Ｌ１による瞳像Ｇ１に対して第２の光路Ｌ２による瞳像Ｇ２がシェアリング量Ｓだけ＋Ｘ’方向に位置をずらして重なるように構成されており、これにより第１の光路Ｌ１を進む波面Ｗ１と第２の光路Ｌ２を進む波面Ｗ２とが横ずれした状態で干渉して干渉計測面Ｍに干渉縞を形成する。
【００１１】
この干渉縞の強度分布が干渉計測面Ｍに配置された光検出器９によって測定され、この強度分布が波面計測部１０に送られて被測定光波面の形状が測定される。
なお、移動装置１１で第２の平面鏡５の配置位置や角度を移動させることにより、被測定光波の波長をλとして、第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２との間の光路差をλ／４、λ／２、３λ／４などとずらした状態の干渉縞を干渉計測面Ｍに形成し、光検出器９で測定されたこの干渉縞の強度分布をも使用して波面計測部１０で被測定光波面の形状を測定することもできる。
【００１２】
ここで、光軸上に沿って被測定光波面が入射瞳Ｐに入射したときには、図２に示されるように、第１の光路Ｌ１を経た波面Ｗ１と第２の光路Ｌ２を経た波面Ｗ２が共に干渉計測面Ｍに垂直に進むため、この干渉計測面Ｍに至る際にこれら波面Ｗ１及びＷ２の間に光路差を生じることはない。しかしながら、被測定光波面が光軸に対して傾斜した方向から入射瞳Ｐに入射したために第１の光路Ｌ１を経た波面Ｗ１’と第２の光路Ｌ２を経た波面Ｗ２’の進行方向がＸ’Ｚ’面内でＺ’軸から＋Ｘ’方向に角度θだけ光軸から傾いて干渉計測面Ｍに至ると、光路差補償部材のない場合には、第２の光路Ｌ２を経た波面Ｗ２’は第１の光路Ｌ１を経た波面Ｗ１’よりも光路長Ａだけ先を進んでおり、第１の光路Ｌ１における波面Ｗ１’の光路長が第２の光路Ｌ２における波面Ｗ２’の光路長に対してＡだけ長いことがわかる。このとき生じる光路差Ａは、
Ａ＝Ｓ・sinθ ・・・（１）
と表される。ただし、Ｓは、第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２との間のシェアリング量である。
【００１３】
このように、被測定光波面の到来方向すなわち入射瞳Ｐへの入射角度に起因して干渉計測面Ｍに至る際に波面Ｗ１’と波面Ｗ２’との間に光路差Ａが発生するが、第１の光路Ｌ１上に配置されている第１の光路差補償部材７と第２の光路Ｌ２上に配置されている第２の光路差補償部材８の作用によってこの光路差Ａが事前に補償されることとなる。以下、この補償作用について詳述する。
【００１４】
図３に示されるように、第１の光路差補償部材７において、結像レンズ７ａとコリメータレンズ７ｂは、互いに平行に配置されると共にそれらの光軸上で距離２・Ｆだけ隔てて配置されているので、共通の焦平面Ｑ１を有している。ただし、実際には、レンズの収差のために、結像レンズ７ａ及びコリメータレンズ７ｂはそれぞれ湾曲した等光路長面Ｑ１ａ及びＱ１ｂを有し、入射瞳Ｐ上の中心点Ｐ０から光路長が等しい点を焦平面Ｑ１で見ると、入射瞳Ｐへの入射角度に依存して焦平面Ｑ１からずれることとなる。このため、入射瞳Ｐ上の中心点Ｐ０から焦平面Ｑ１までの、レンズの軸上光を基準とした光路長の増加分Δｒ１は、結像レンズ７ａへの入射角度αの関数Ｊ（α）として表すことができる。
Δｒ１＝Ｊ（α）
【００１５】
結像レンズ７ａの光軸は、第１の光路Ｌ１に対して角度φだけ傾斜しているので、入射瞳Ｐに角度θで入射した光の結像レンズ７ａへの入射角度は（θ−φ）となり、光路長の増加分Δｒ１は、
Δｒ１＝Ｊ（θ−φ）
と表される。
焦平面Ｑ１からコリメータレンズ７ｂによって入射瞳Ｐが再結像される干渉計測面Ｍまでの光路が、入射瞳Ｐから焦平面Ｑ１までの光路と対称的であるとすると、互いに光路長の増加分Δｒ１が等しくなり、入射瞳Ｐ上の中心点Ｐ０から第１の光路Ｌ１を通って干渉計測面Ｍに再結像された瞳の中心点Ｍ０にまで至る光路長の増加分ΔＲ１は、
ΔＲ１＝２・Δｒ１＝２・Ｊ（θ−φ） ・・・（２）
となる。
【００１６】
同様に、図４に示されるように、第２の光路差補償部材８において、結像レンズ８ａとコリメータレンズ８ｂは、互いに平行に配置されると共にそれらの光軸上で距離２・Ｆだけ隔てて配置されているので、共通の焦平面Ｑ２を有している。ただし、実際には、レンズの収差のために、結像レンズ８ａ及びコリメータレンズ８ｂはそれぞれ湾曲した等光路長面Ｑ２ａ及びＱ２ｂを有し、入射瞳Ｐ上の中心点Ｐ０から光路長が等しい点を焦平面Ｑ２で見ると、入射瞳Ｐへの入射角度に依存して焦平面Ｑ２からずれることとなる。このため、入射瞳Ｐ上の中心点Ｐ０から焦平面Ｑ２までの、レンズの軸上光を基準とした光路長の増加分Δｒ２は、結像レンズ８ａへの入射角度αの関数Ｊ（α）として表すことができる。
Δｒ２＝Ｊ（α）
【００１７】
結像レンズ８ａの光軸は、第２の光路Ｌ２に対して角度（−φ）だけ傾斜しているので、入射瞳Ｐに角度θで入射した光の結像レンズ８ａへの入射角度は（θ＋φ）となり、光路長の増加分Δｒ２は、
Δｒ２＝Ｊ（θ＋φ）
と表される。
焦平面Ｑ２からコリメータレンズ８ｂによって入射瞳Ｐが再結像される干渉計測面Ｍまでの光路が、入射瞳Ｐから焦平面Ｑ２までの光路と対称的であるとすると、互いに光路長の増加分Δｒ２が等しくなり、入射瞳Ｐ上の中心点Ｐ０から第２の光路Ｌ２を通って干渉計測面Ｍに再結像された瞳の中心点Ｍ０にまで至る光路長の増加分ΔＲ２は、
ΔＲ２＝２・Δｒ２＝２・Ｊ（θ＋φ） ・・・（３）
となる。
【００１８】
したがって、被測定光波面が光軸に対して傾斜した方向から入射瞳Ｐに入射したために、それぞれ角度θだけ光軸から傾いて第１の光路Ｌ１を進行する波面Ｗ１’と第２の光路Ｌ２を進行する波面Ｗ２’との間には、式（２）と（３）から、第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８を配置したことにより、以下の光路差Ｂが生じることがわかる。
Ｂ＝ΔＲ１−ΔＲ２
＝２・Ｊ（θ−φ）−２・Ｊ（θ＋φ） ・・・（４）
【００１９】
一般に、レンズの収差により等光路長面が湾曲した場合の入射瞳上の中心点から焦平面までの光路長の増加分を示す関数Ｊ（α）は、２次以上の偶数次のαの多項式で表すことができる。すなわち、
Ｊ（α）＝ａα２＋ｂα４＋・・・ ・・・（５）
となる。
ここで、関数Ｊ（α）が２次式で表されるものとすると、式（４）及び（５）から、
Ｂ＝２・ａ（θ−φ）２−２・ａ（θ＋φ）２
＝２・ａ（θ２−２θφ＋φ２）−２・ａ（θ２＋２θφ＋φ２）
＝−８・ａθφ ・・・（６）
と表される。なお、比例定数ａは、使用する結像レンズ７ａ、８ａ及びコリメータレンズ７ｂ、８ｂのパラメータとして既知であるものとする。
【００２０】
この光路差Ｂは、光路差補償部材における、第２の光路Ｌ２を進行する波面Ｗ２’の光路長に対する第１の光路Ｌ１を進行する波面Ｗ１’の光路長の差分を表しており、式（１）で表される干渉計測面Ｍに波面が傾斜して至る際に生じる光路差Ａとは逆に、波面Ｗ１’の光路長を波面Ｗ２’の光路長より短くするものを採用する。そこで、光路差Ａと光路差Ｂの絶対値を波長以下の誤差でほぼ等しい値にすれば、光路差Ａが補償されることになる。
【００２１】
すなわち、
Ａ≒−Ｂ
とすればよい。言い換えると、光路差Ａと光路差Ｂとを加算した全体の光路差Ｃをほぼ０とすればよい。
Ａ＋Ｂ＝Ｃ≒０
式（１）と（６）を用いると、
Ｓ・sinθ−８・ａθφ≒０ ・・・（７）
と表される。
角度θの絶対値が小さい場合には、
sinθ≒θ
と近似することができるので、式（７）は、
Ｓ−８・ａφ≒０
と表される。
このとき、
φ＝Ｓ／（８・ａ） ・・・（８）
となる。
【００２２】
そこで、第１の光路差補償部材７において、結像レンズ７ａ及びコリメータレンズ７ｂの光軸を第１の光路Ｌ１の光軸に対して角度φ＝Ｓ／（８・ａ）だけ傾斜させて配置し、第２の光路差補償部材８において、結像レンズ８ａ及びコリメータレンズ８ｂの光軸を第２の光路Ｌ２の光軸に対して角度−φ＝−Ｓ／（８・ａ）だけ傾斜させて配置することにより、互いに異なった方向から到来する被測定光波面でも干渉計測面Ｍにおいて、ほぼ同一の干渉状態を得ることができる。このため、面光源や複数の点光源等、一点とみなせない光源からの波面や、機器の振動などにより一点とみなせる大きさ以上に動いてしまう点光源からの波面に対しても、同一の干渉状態の光が干渉計測面Ｍで合成されることとなり、光検出器９で測定された干渉縞の強度分布に基づいて波面計測部１０で被測定光波面の形状を求めることが可能となる。
【００２３】
なお、光路差補償部材７及び８をそれぞれ角度φ及び−φだけ傾斜することで、光路差補償部材７及び８を通過してコリメートされた光がそれぞれ平行光とみなせなくなる場合には、結像レンズ７ａとコリメータレンズ７ｂの間隔２・Ｆ及び結像レンズ８ａとコリメータレンズ８ｂの間隔２・Ｆを微調整し、光路差補償部材７及び８を通過してコリメートされた光がそれぞれ平行光とみなせるようにすることが好ましい。
また、波面Ｗ１’及びＷ２’の進行方向が、図１、図３及び図４に示した角度θとは逆方向に傾いた場合でも、同様に、その傾きに起因して発生する光路差が第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８の作用によって事前に補償され、干渉計測面Ｍにおいてほぼ同一の干渉状態を得ることができる。
なお、上記の説明では、レンズの収差により等光路長面が湾曲した場合の入射瞳上の中心点から焦平面までの光路長の増加分を示す関数Ｊ（α）が２次式で表されるものとしたが、４次以上の偶数次の多項式で表されるものとしても、同様にして、全体の光路差Ｃが入射角度θの値に関わらずにほぼ一定値０となるような結像レンズ７ａ、８ａ及びコリメータレンズ７ｂ、８ｂの傾斜角度φを求めることができる。
【００２４】
ここで、シェアリング量Ｓ＝１００μｍ、結像レンズ７ａ、８ａまたはコリメータレンズ７ｂ、８ｂにおける光路長の増加分を示す関数Ｊ（α）の比例定数ａ＝５００μｍ、第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８の光軸からの傾斜角度φ及び−φの絶対値を０．０２５ｒａｄとして、入射瞳Ｐに入射した被測定光波面の入射角度θを＋Ｘ方向及び−Ｘ方向に種々変化させたときの、干渉計測面Ｍに至る際に生じる光路差Ａ、第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８により生じる光路差Ｂ、光路差Ａと光路差Ｂとを加算した全体の光路差Ｃをそれぞれシミュレートした結果を図５に示す。なお、図５における横軸はθ（ｒａｄ）、縦軸は光路差（μｍ）である。入射角度θの値に応じて光路差Ａが変化し、その光路差Ａを補償するように光路差Ｂが変化している様子が示されている。光路差Ａと光路差Ｂとを加算した全体の光路差Ｃは入射角度θの値に関わらずにほぼ一定値０となっている。
【００２５】
図５の光路差を表す縦軸を２００倍に拡大したグラフを図６に示す。全体の光路差Ｃは入射角度θの値に応じて変化しているが、−０．１５≦θ≦＋０．１５（ｒａｄ）（角度θの絶対値≦約８．６度）の範囲において±６０ｎｍ以下の値である。シェアリング量Ｓが１００μｍで光路差補償部材がない場合に、光路差Ａを±６０ｎｍ以下に抑えるには、式（１）からＡ＝Ｓ・sinθであるので、
−０．００００６≦０．１・sinθ≦０．００００６
すなわち、
−０．０００６≦sinθ≦０．０００６
でなければならず、このように角度θの絶対値が小さい場合には、
sinθ≒θ
であるので、およそ、
−０．０００６≦θ≦０．０００６（ｒａｄ）
となり、光路差補償部材を採用することによって、同じ光路差が発生する角度範囲が約２５０倍も広くなっていることがわかる。
【００２６】
なお、上記の例では式（８）を満たす傾斜角度φを用いたが、第１の光路差補償部材７及び第２の光路差補償部材８の光軸からの傾斜角度φ及び−φを微調整すれば、さらに広い角度範囲で光路差補償を行うことが可能となる。
また、±６０ｎｍ以下を光路差Ｃ及び光路差Ａの許容量として、光路差補償部材を採用したときと採用しないときの光路差補償を行い得る角度範囲を比較したが、光路差Ｃ及び光路差Ａの許容量を変えると、それに応じて光路差補償を行い得る角度範囲は変化する。
【００２７】
上述したシミュレーションにおけるシェアリング量Ｓと、結像レンズ７ａ、コリメータレンズ７ｂ、結像レンズ８ａ及びコリメータレンズ８ｂのパラメータとを同じくして、入射瞳Ｐに入射した被測定光波面の入射角度θを二次元的にＸＹ方向に種々変化させたときの、全体の光路差Ｃをシミュレートした結果を図７に示す。入射光の進行方向をＸＺ平面及びＹＺ平面へ投影したときの角度θｘ及びθｙに対する光路差Ｃの値が示されている。なお、図７は、図６と同様に縦軸の光路差Ｃが大きく拡大され、±０．１５μｍの範囲で示されている。
光路差Ｃは、入射角度θｘ及びθｙの値に応じて変化しているが、−０．１５≦θｘ≦＋０．１５（ｒａｄ）、−０．１５≦θｙ≦＋０．１５（ｒａｄ）の範囲において±０．１１μｍ以下の値であり、高精度に波面の光路差が補償されて、干渉状態が変わらず、波面計測が可能となることがわかる。
【００２８】
実施の形態２
上述した実施の形態１の波面センサにおいては、半透鏡６で反射した第１の光路Ｌ１と半透鏡６を透過した第２の光路Ｌ２を互いにシェアリング量Ｓだけ位置をずらした状態で結合させたが、半透鏡６を透過した第１の光路Ｌ１と半透鏡６で反射した第２の光路Ｌ２も互いにシェアリング量Ｓだけ位置をずらした状態で結合させることができる。そこで、この実施の形態２では、図８に示されるように、第１の光路Ｌ１を進んで半透鏡６を透過した波面Ｗ１と第２の光路Ｌ２を進んで半透鏡６で反射した波面Ｗ２とにより入射瞳Ｐが再結像される位置に干渉計測面Ｍａが規定され、この干渉計測面Ｍａに光検出器９ａが配置されている。そして、干渉計測面Ｍに配置されている光検出器９と干渉計測面Ｍａに配置された光検出器９ａの双方に波面計測部１０が接続されている。
双方の光検出器９及び９ａにより得られた干渉縞の強度分布に基づいて波面計測部１０が被測定光波面の形状を測定する。
【００２９】
ここで、干渉計測面ＭａはＸ’’Ｙ’’面内に規定され、第１の光路Ｌ１に対して第２の光路Ｌ２が＋Ｘ’’方向にシェアリング量Ｓだけずらした状態で結合されるものとする。また、Ｚ’’軸は、干渉計測面Ｍａでの軸上光の進行方向とする。
干渉計測面Ｍａには、第１の光路Ｌ１を進んで半透鏡６を透過した波面Ｗ１と第２の光路Ｌ２を進んで半透鏡６で反射した波面Ｗ２とにより入射瞳Ｐが再結像されるが、第１の光路Ｌ１による瞳像Ｇ１ａに対して第２の光路Ｌ２による瞳像Ｇ２ａがシェアリング量Ｓだけ＋Ｘ’’方向に位置をずらして重なるように構成され、干渉計測面Ｍに形成される干渉縞に対して明暗が反転した干渉縞が干渉計測面Ｍａに同時に得られることとなる。このため、２つの波面Ｗ１とＷ２の位相差のほかに、２つの波面Ｗ１とＷ２の光の強度の合計、すなわち、瞳面Ｐにおける光の強度を、２つの干渉計測面Ｍ及びＭａにおける強度の和から求めることができ、波面計測部１０で波面を算出する際に、瞳面の明るさの変化による誤差を減らすことが可能となる。
【００３０】
実施の形態１及び２で用いられた結像レンズ７ａ、コリメータレンズ７ｂ、結像レンズ８ａ及びコリメータレンズ８ｂの材質としては、光透過性を有するガラス、結晶、樹脂、プラスチック等、各種のものを用いることができる。
また、結像とコリメートを行い得る光学系であれば、レンズの代わりに凹面鏡等の反射鏡を使用して同様の効果を得ることもできる。さらに、結像とコリメートのうち、一方をレンズにより、他方を反射鏡により行ってもよい。
【００３１】
また、この発明は、シェアリング干渉法を用いているので、２つの光路の位置をずらした方向の波面の微分（差分）量のみが計測される。このため、２次元の波面形状を測定する場合には、被測定光波面を２つに分岐して２つの波面センサで互いに異なる２方向の波面の微分（差分）量をそれぞれ計測し、それらを合わせて解析することが望ましい。
さらに、この発明は、シェアリング干渉法を用いているので、広帯域の光を使用する場合には、第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２の光路長が光のコヒーレンス長以下の精度で互いに等距離に調整されていることが好ましい。
【００３２】
この発明は、広範囲の波面計測に適用することができ、例えば、図９に示されるように、照明用光源１８からの照明光を眼球１９内に照射し、その反射光をこの発明の波面センサ２０で捉えることにより、角膜・眼球光学系の収差計測、視力検査、眼底カメラ・網膜検査カメラの補償光学、等に用いることができる。この場合、従来のように波面計測用の小さな参照光スポットを網膜上に形成する必要がなく、白色光からなる照明光を広く分散照射するだけで、波面センサ２０内で選択した必要な範囲の光を利用して波面計測を行うことが可能となる。
【００３３】
同様にして、図１０に示されるように、照明用光源１８からの照明光を光学素子２１に照射し、その反射光を波面センサ２０で捉えることにより、光学素子２１の収差を計測することができる。また、図１１に示されるように、外部光源１８ａから光学素子２１に照明光を照射して、その反射光を波面センサ２０で捉えることもできる。このような方法に基づいて、レンズやミラー等の検査、メガネやコンタクトレンズの性能評価が可能となる。なお、計測対象となる光学素子２１に応じて、波面センサ２０に反射光を入射させるために必要な光学系を追加したり、光学素子２１の配置位置を変える必要がある。例えば、平行平面基板等の光透過素子を計測対象とする場合には、図１０または１１における光学素子２１の位置に基準鏡を配置し、平行光の中に光透過素子を挿入して計測する。また、図１０において凸レンズを計測対象とする場合には、光学素子２１の位置に基準の凹球面鏡を配置し、凸レンズで一旦焦点を結んだ後に、基準の凹球面鏡で元の方向へ光を戻せばよい。
【００３４】
ここで、照明用光源１８及び外部光源１８ａはピンホールのような点光源である必要がなく、この波面センサ２０の許容範囲で広がった光源を用いることができる。光学素子２１と波面センサ２０の位置関係が相対的に振動などで変化するような条件下でも、被測定波面の入射角の変化が波面センサ２０の許容範囲内であれば、波面を計測することができる。
また、図１２のように、大型の光学素子２２を測定対象とする場合には、光学素子２３を用いて照明用光源１８からのビーム径を拡大することが好ましい。
さらに、図１３に示されるように、光源２４から発せられる光を波面センサ２０に入射させて、光源２４の品質検査を行うこともできる。
【００３５】
さらに、この発明を天体観測補償光学装置のための波面計測として適用することにより、広範囲の天体光や黄道光のように広がった背景光を用いた波面計測が可能となり、太陽面・惑星面等の点光源が確保しにくい天体や、明るい点光源の天体はないが全体では波面計測に十分な明るさを持つ恒星の集団等、従来の波面センサではなし得なかった天体の補償光学観測を行うことができるようになる。巨大望遠鏡の補償光学において、レーザガイド星が絞り込めずに広がる場合でも、正確な波面計測が可能になる。ただし、この発明の波面センサは、波面の傾斜成分に感度を有しないセンサであるので、波面傾斜成分を測定する装置と組み合わせて用いることが好ましい。
【００３６】
なお、移動装置１１により第２の平面鏡５の配置位置及び角度を移動させて光路Ｌ１及びＬ２の間に光路差を生じさせたが、第２の平面鏡５の代わりに移動装置１１により第１の平面鏡４の配置位置及び角度を移動させて光路Ｌ１及びＬ２の間に光路差を生じさせるように構成してもよい。
分岐した２つの波面を混合する際に、２つの波面の位相差が半波長より十分小さく、強めあう干渉と弱めあう干渉の中間の強度になるように平均の位相差を調整すれば、干渉強度と２つの波面の位相差が単調な関係になるため、分岐した光路Ｌ１とＬ２の相対的な光路長を固定したままで、波面形状を求めることも可能である。
【００３７】
上記の実施の形態１及び２では、マッハ・ツェンダー型の干渉計を使って説明したが、２つの光路を横ずらししたシェアリング干渉計を構成できる干渉計で、且つ、光路差補償部材を設置できるものであれば、どのようなタイプの干渉計にもこの発明を適用することができる。
この他、この発明の波面センサは、レーザビーム制御用の波面計測に適用することもできる。
さらに、この発明は、干渉計測面において２つの波面を互いに傾けることにより多数の干渉縞を形成して波面計測を行う方法にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る波面センサの構成を示す図である。
【図２】波面が干渉計測面に至る状態を示す図である。
【図３】波面が第１の光路差補償部材を透過する状態を示す図である。
【図４】波面が第２の光路差補償部材を透過する状態を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る波面センサにおいて被測定光波面の入射角度を一次元的に変化させたときの光路差をシミュレートした結果を示すグラフである。
【図６】図５の縦軸を拡大したグラフである。
【図７】実施の形態１に係る波面センサにおいて被測定光波面の入射角度を二次元的に変化させたときの光路差をシミュレートした結果を示すグラフである。
【図８】実施の形態２に係る波面センサの構成を示す図である。
【図９】この発明の波面センサを眼球光学系の収差計測に適用した状態を示す図である。
【図１０】この発明の波面センサを光学素子の収差計測に適用した状態を示す図である。
【図１１】この発明の波面センサを光学素子の収差計測に適用した状態を示す図である。
【図１２】この発明の波面センサを光学素子の収差計測に適用した状態を示す図である。
【図１３】この発明の波面センサを光源の品質検査に適用した状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
３，６ 半透鏡、４ 第１の平面鏡、５ 第２の平面鏡、７ 第１の光路差補償部材、８ 第２の光路差補償部材、９，９ａ 光検出器、１０ 波面計測部、１１ 移動装置、１８ 照明用光源、１８ａ 外部光源、１９ 眼球、２０ 波面センサ、２１〜２３ 光学素子、２４ 光源、７ａ，８ａ 結像レンズ、７ｂ，８ｂ コリメータレンズ、Ｐ 入射瞳、Ｌ１ 第１の光路、Ｌ２ 第２の光路、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ１’，Ｗ２’ 波面、Ｍ，Ｍａ 干渉計測面、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ１ａ，Ｇ２ａ 瞳像、Ｓ シェアリング量、θ 被測定光波面の入射角度、φ 光路差補償部の傾斜角度、Ａ，Ｂ，Ｃ 光路差。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定光波面を２つの光路に分岐して互いに位置をずらし、これらの波面を再度混合させて干渉計測面に形成された干渉縞から被測定光波面の形状を測定する波面センサにおいて、
前記２つの光路に分岐された波面をそれぞれ一旦結像させて再度コリメートすることにより被測定光波面の入射角度に依存して発生する光路差を除去するための光路差補償部材を前記２つの光路上にそれぞれ配置し、前記２つの光路における干渉計測面までの伝播光路差が被測定光波面の入射角度に関わらずに一定となるようにしたことを特徴とする波面センサ。
【請求項２】
それぞれの前記光路差補償部材は、対応する光路に対して所定角度だけ傾斜して配置されたレンズを有し、
前記２つの光路に対して前記レンズが互いに逆方向に傾斜するように双方の前記光路差補償部材が配置される請求項１に記載の波面センサ。
【請求項３】
それぞれの前記光路差補償部材は、結像レンズとコリメータレンズとを有する請求項２に記載の波面センサ。
【請求項１】
被測定光波面を２つの光路に分岐して互いに位置をずらし、これらの波面を再度混合させて干渉計測面に形成された干渉縞から被測定光波面の形状を測定する波面センサにおいて、
前記２つの光路に分岐された波面をそれぞれ一旦結像させて再度コリメートすることにより被測定光波面の入射角度に依存して発生する光路差を除去するための光路差補償部材を前記２つの光路上にそれぞれ配置し、前記２つの光路における干渉計測面までの伝播光路差が被測定光波面の入射角度に関わらずに一定となるようにしたことを特徴とする波面センサ。
【請求項２】
それぞれの前記光路差補償部材は、対応する光路に対して所定角度だけ傾斜して配置されたレンズを有し、
前記２つの光路に対して前記レンズが互いに逆方向に傾斜するように双方の前記光路差補償部材が配置される請求項１に記載の波面センサ。
【請求項３】
それぞれの前記光路差補償部材は、結像レンズとコリメータレンズとを有する請求項２に記載の波面センサ。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−１５０８１３（Ｐ２００９−１５０８１３Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３００２３（Ｐ２００７−３３００２３）
【出願日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【出願人】（５０４２６１０７７）大学共同利用機関法人自然科学研究機構 (156)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【出願人】（５０４２６１０７７）大学共同利用機関法人自然科学研究機構 (156)
【Ｆターム（参考）】
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