(57)【要約】【課題】光の波面の状態を測定する波面測定装置及び波面測定方法に関し、簡単な構成、処理で波面の測定が可能となる波面測定装置及び波面測定方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、入射光の波面の状態を測定する波面測定装置であって、入射光のうち所定の部位を位相変調可能とされた位相変調手段と、位相変調手段を通過した光を集光する集光レンズと、集光レンズの焦点付近の所定の位置において所定の大きさの光を検出する検出手段と、検出手段で検出された光の光量に応じて位相変調手段の所定の部位の位相変調量を制御し、位相変調手段の位相制御量に応じて入射光の波面の状態を測定する測定処理手段とを有することを特徴とする。【選択図】図１
2006003315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の波面の状態を測定する波面測定装置であって、
前記入射光のうち所定の部位を位相変調可能とされた位相変調手段と、
前記位相変調手段を通過した光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズの焦点付近の所定の位置の光の光量を検出する検出手段と、
前記位相変調手段により所定の部位の位相を変位させつつ、前記検出手段により前記光の光量を検出し、検出された光の光量に応じて前記入射光の波面の状態を測定する測定処理手段とを有することを特徴とする波面測定装置。
【請求項２】
前記検出手段は、前記集光レンズの焦点付近において所定の大きさの光を通過させるピンホールが設けられた遮光手段と、
前記遮光手段に設けられた前記ピンホールを通過した光を検出する受光手段とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の波面測定装置。
【請求項３】
前記ピンホールは、前記入射光の波面が平面波で、かつ、前記位相変調手段が全面で略均一な位相制御量の状態のときに、その位置が前記集光レンズで集光された光の焦点付近に位置し、かつ、その大きさが前記焦点の径程度の大きさに設定されたことを特徴とする請求項２記載の波面測定装置。
【請求項４】
前記測定処理手段は、前記位相変調手段の位相変調部位、及び、前記検出手段で検出される光量が最大となる位相制御量に基づいて前記入射光の波面の状態を測定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の波面測定装置。
【請求項５】
前記測定処理手段は、前記位相変調手段の位相変調領域を順次、微小に分割しつつ、前記検出手段で検出される光の光量が最大となるように位相制御していくことにより、前記波面の状態を測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の波面測定装置。
【請求項６】
前記集光レンズは、単焦点レンズであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の波面測定装置。
【請求項７】
入射光の波面の状態を測定する波面測定方法であって、
前記入射光のうち所定の部位の位相を順次に変位させつつ、該位相変調された光、及び、他の部位の光を集光して、該集光された光の焦点付近の所定の位置の光の光量を順次検出し、記憶し、順次に記憶された光量に応じて前記入射光の波面の状態を測定することを特徴とする波面測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波面測定装置、及び、波面測定方法に係り、特に、光の波面の状態を測定する波面測定装置、及び、波面測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源、光学系などの評価を行うために光の波面の状態を測定する必要がある。光の波面を測定する方法としては、入射光を２分割して、分割された光の干渉パターンを用いることにより波面を測定する方法、及び、シャックハルトマンセンサによる測定方法などが提案されている。
【０００３】
入射光を２分割して、分割された光の干渉パターンを用いることにより波面を測定する波面測定方法、及び、シャックハルトマンセンサによる波面測定方法としては、マイクロレンズアレーと二次元検出器を用いて波面の位相分布を計測する波面測定方法（例えば、特許文献１参照）、及び、レンズアレイを透過した被計測光が収束されて生じる集光スポットを二次元検出器により画像信号に変換し、変換した画像信号から集光スポットの存在領域を個別に抽出し、これらの集光スポットの存在領域において集光スポットの座標を二値化重心演算により求め、これらの集光スポットの座標から被計測光の波面を計算する波面測定方法（例えば、特許文献２参照）が既に提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２９５１５２号公報
【特許文献２】特開２０００−２８３８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかるに、従来の波面測定方法では、マイクロレンズアレーやＣＣＤなどの２次元検出器が必要となるため、構成が複雑となる。また、２次元検出器により干渉パターンを検出し、その重心位置を算出するなどの複雑な処理を行う必要がったため、処理が複雑になるなどの課題があった。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、簡単な構成、及び、処理で波面の測定が可能となる波面測定装置、及び、波面測定方法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】
【０００７】
本発明は、入射光の波面の状態を測定する波面測定装置であって、入射光のうち所定の部位を位相変調可能とされた位相変調手段と、位相変調手段を通過した光を集光する集光レンズと、集光レンズの焦点付近の所定の位置において所定の大きさの光を検出する検出手段と、位相変調手段により所定の部位の位相を変位させつつ、検出手段により光の光量を検出し、検出された光の光量に応じて入射光の波面の状態を測定する測定処理手段とを有することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、位相変調手段により所定の部位の位相を変位させつつ、検出手段により光の光量を検出し、検出された光量を解析することにより、所定の部位の波面と他の部位の波面との位相差が小さい程光量が大きくなる光量の変位を求めることができ、これによって、最大の光量となる位相差を求めることにより、所定の部位と他の部位との波面の位相差を検出できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、入射光のうち所定の部位を位相変調可能とされた位相変調手段と、位相変調手段を通過した光を集光する集光レンズと、集光レンズの焦点付近の所定の位置において所定の大きさの光を検出する検出手段の簡単な構成で、また、位相変調手段により所定の部位の位相を変位させつつ、検出手段により光の光量を検出し、検出された光の最大光量を求めることにより、簡単な処理で、入射光の波面の状態を測定することができる。よって、簡単な構成及び処理で波面測定装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
[構成]
【００１１】
図１は本発明の一実施例のブロック構成図を示す。
【００１２】
本実施例の波面測定装置１は、入射光Ｌの波面Ｓの状態を測定する装置であり、入射光のうち所定の部位を位相変調可能とされた位相変調手段１１と、位相変調手段１１を通過した光を集光する集光レンズ１２と、集光レンズ１２の焦点付近の所定の位置において所定の大きさの光を検出する検出手段１３と、検出手段１３で検出された光の光量に応じて位相変調手段１１の所定の部位の位相変調量を制御し、位相変調手段１１の位相制御量に応じて入射光Ｌの波面Ｓの状態を測定する測定処理手段１４とから構成される。
【００１３】
図２は本発明の一実施例の要部の分解斜視図を示す。
【００１４】
位相変調手段１１は、例えば、液晶に印加する電圧を制御することにより入射光の位相を変位させる手段であり、上部基板２１、下部基板２２、スペーサ２３、液晶２４から構成されている。
【００１５】
上部基板２１は、透明基板３１の下面にＩＴＯ（indium-tin-oxide）などからなる複数の透明電極３２−１〜３２−４を形成した構成とされている。下部基板２２は、透明基板４１の上面全面にＩＴＯなどからなる透明電極４２を形成した構成とされている。
【００１６】
スペーサ２３は、上部基板２１と下部基板２２との間に間挿され、その周囲を封止する。スペーサ２３により、上部基板２１と下部基板２２との間に空隙が生じる。上部基板２１と下部基板２２との間に生じる空隙に液晶２４が注入される。
上部基板２１の下面に設けられた透明電極３２−１〜３２−４と下部基板２２の上面に設けられた透明電極４２との間には、測定処理手段１４より位相制御用の電圧が印加されている。透明電極３２−１〜３２−４のうちの電圧が印加される電極に対応する電極によって位相が変調される部位が決定される。
【００１７】
位相変調手段１１を透過した光は、集光レンズ１２に供給される。集光レンズ１２は、位相変調手段１１を通過した光を所定の焦点位置に集光する。集光レンズ１２で集光された光は、検出手段１３に供給される。
【００１８】
検出手段１３は、集光レンズ１２の焦点付近において所定の大きさの光を通過させるピンホール６２が設けられた遮光手段５１と、遮光手段５１に設けられたピンホール６２を通過した光の光量を検出する受光手段５２から構成される。
【００１９】
遮光手段５１は、光の反射などが発生しない、例えば、光を透過しない材料から構成される遮光板６１にピンホール６２を形成した構成とされている。遮光手段５１は、集光レンズ１２から供給された光のうちピンホール６２の部分に供給された光のみを通過させる。ピンホール６２を通過した光は、受光手段５２に供給される。
【００２０】
受光手段５２は、フォトダイオード、あるいは、フォトトランジスタなどの受光素子などから構成されており、ピンホール６２を通過した光が入射され、その入射光の光量に応じた電気信号を出力する。受光手段５２から出力された電気信号は、測定処理手段１５に供給される。
【００２１】
図３はピンホール６２の位置及び大きさを説明するための図を示す。図３（Ａ）は斜視図、図３（Ｂ）は平面図を示す。
【００２２】
遮光手段５１は、集光レンズ１２の略焦点面に上に配置される。このとき、ピンホール６２は、入射光Ｌの波面Ｓが平面のときの光が集光レンズ１２により集光されたときの焦点の位置Ｐ0＝（Ｘ0、Ｙ0）が中心となるように遮光板６１上に形成される。また、その大きさは、焦点のスポット径ｒ0と略等しい径ｒ１程度に設定されている。
【００２３】
ピンホール６２を通過した光は、ピンホール６２の直下に配置された受光手段５２に供給される。受光手段５２は、ピンホール６２を透過した光のみを検出し、その光量に応じた電気信号を出力する。
【００２４】
測定処理手段１５は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器７１、信号処理部７２、駆動回路７３、記憶装置７４から構成される。
【００２５】
Ａ／Ｄ変換器７１は、受光手段５２から出力されるアナログ電気信号をそのレベルに応じたデジタルデータに変換する。Ａ／Ｄ変換器７１で変換されたデジタルデータは、信号処理部７２に供給される。
【００２６】
信号処理部７２は、入射光Ｌの波面Ｓの状態を検出するとき、駆動回路７３を介して位相変調手段１１を駆動する。駆動回路７３は、信号処理部７２により制御信号が供給されており、信号処理部７２からの制御信号に基づいて位相変調手段１１の透明電極３２−１〜３２−４の各々と透明電極４２との間に電圧を印加する。
【００２７】
このとき、位相変調手段１１のうち半分領域である第１の領域Ａ１の位相変調を「０」とし、他の半分の領域である第２の領域Ａ２の位相を「０〜２π」の間で変化させる。信号処理部７２は、変化時にＡ／Ｄ変換器７１から供給されるデジタルデータを記憶装置７４に記憶する。記憶装置７４は、例えば、メモリ、ハードディスクドライブなどから構成される。
【００２８】
信号処理部７２は、記憶装置７４に記憶されたデジタルデータから受光手段５２で受光された光の光量を解析する。最大光量時の位相分だけ、第１の領域Ａ２の入射光Ｌの波面Ｓが第１の領域Ａ１の入射光Ｌの波面Ｓに対してずれていることがわかる。信号処理部７２は、ディスプレイなどに解析結果を出力する。
[動作]
【００２９】
図４は信号処理部７２の処理フローチャート、図５は位相変調手段１１の駆動状態を説明するための図を示す。
【００３０】
信号処理部７２は、ステップＳ１−１で外部からの測定指示に応じて測定が開始されると、ステップＳ１−２で位相変調手段１１の領域Ａ１の位相φ１と領域Ａ２の位相φ2との位相差が「０」となるように位相変調手段１１を制御する。例えば、位相変調手段１１の透明電極３２−１〜３２−４と透明電極４２との間に印加される電圧を「０」とする。
【００３１】
次に信号処理部７２はステップＳ１−３でＡ／Ｄ変換器７１からデジタルデータを取り込み、ステップＳ１−４で記憶装置７４に記憶する。次に信号処理部７２は、ステップＳ１−５で位相変調手段１１の領域Ａ２の位相φ2を増加するように変位させる。例えば、位相変調手段１１の透明電極３２−１、３２−２と透明電極４２との間に印加される電圧を増加させる。
【００３２】
次に信号処理部７２は、ステップＳ１−６で位相変調手段１１の領域Ａ２の位相φ2が「２π」に達したか否かを判定する。信号処理部７２はステップＳ１−６で位相変調手段１１の領域Ａ２の位相φ2が「２π」に達していないと判定された場合には、ステップＳ１−３に戻ってステップＳ１−３〜Ｓ１−５の処理を繰り返す。
【００３３】
また、信号処理部７２は、ステップＳ１−６で位相変調手段１１の領域Ａ２の位相φ2が「２π」に達したと判定された場合には、ステップＳ１−７で記憶装置７４に記憶されたデジタルデータから最大光量のデジタルデータに相当する位相φmaxを取得する。
【００３４】
次に、入射光Ｌの波面Ｓの測定動作について説明する。
【００３５】
図６は入射光Ｌの波面Ｓが平面である場合の位相に対する検出信号の特性を示す図、図７は集光レンズ１２の焦点位置における光量パターンを示す図である。なお、図６、図７は位相変調手段１１の第１の領域Ａ１の位相変調を「０」に固定して、第２の領域Ａ２の位相を「０〜π」までずらした場合の位相に対する検出信号の特性を示している。また、図７（Ａ）は第２の領域Ａ２が「π／６」、図７（Ｂ）は第２の領域Ａ２が「π／３」、図７（Ｃ）は第２の領域Ａ２が「２π／３」、図７（Ｄ）は第２の領域Ａ２が「５π／６」、図７（Ｅ）は第２の領域Ａ２が「π」のときの集光レンズ１２の焦点位置における光量パターンを示す。
【００３６】
第２の領域Ａ２の位相が「０」のときには、集光レンズ１２で集光された光はピンホール６２を通してほとんど全てが受光手段５２に供給される。よって、このとき、受光手段５２で検出される信号は図６に示すように最大値となる。
【００３７】
次に、第２の領域Ａ２の位相を「π／６」とすると、図７（Ａ）に示すようにピンホール６２に対して焦点の位置が上方にずれるので、ピンホール６２を透過する光が第２の領域Ａ２の位相が「０」のときに比べて低減する。これによって、図６に示すように受光手段５２で検出される信号が低下する。
【００３８】
さらに、第２の領域Ａ２の位相を「π／３」とすると、図７（Ｂ）に示すようにピンホール６２に対して光量パターンの位置が第２の領域Ａ２の位相を「π／６」の場合より更に上方にずれるので、ピンホール６２を透過する光が第２の領域Ａ２の位相が「π／６」のときに比べて更に低減する。これによって、図６に示すように受光手段５２で検出される信号がさらに低下する。
【００３９】
図７（Ｃ）、図７（Ｄ）、図７（Ｅ）、図７（Ｆ）に示すように第２の領域Ａ２の位相が「π」となるまで、ピンホール６２に対して焦点の位置が上方にずれて、図６に示すように受光手段５２で検出される信号が低下しつづける。なお、このとき、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）、図７（Ｄ）、図７（Ｅ）、図７（Ｆ）に示すように第１の領域Ａ１を透過した光と第２の領域Ａ２を透過した光との干渉によって複数の光量パターンが顕著となる。
【００４０】
図７（Ｄ）、図７（Ｅ）、図７（Ｆ）に示されるように複数の光量パターンは、ピンホール６２を通して受光手段５２に供給されるが、光量パターンの位置がずれるとともに、光量が分散されているので、ピンホール６２を透過して、受光手段５２に供給される光量は減少し、この結果、図６に示すように受光手段５２で検出される信号は低下する。
【００４１】
このとき、第２の領域Ａ２の波面Ｓが傾斜、或いは、乱れていれば、最大光量となる位相が変位することになる。
【００４２】
よって、受光手段５２で検出される信号が最大となる位相φmaxが第１の領域Ａ１への入射光Ｌの波面Ｓとの位相差であると認識できる。このため、記憶装置７４に記憶されたデジタルデータを解析し、デジタルデータが最大となる位相φmaxを検出することにより、第２の領域Ａ２の第１の領域Ａ１との位相差を認識できる。
【００４３】
信号処理部７２は、ステップＳ１−７で記憶装置７４に記憶されたデジタルデータを解析し、デジタルデータが最大となる位相φmaxが検出されると、ステップＳ１−８で第２の領域Ａ２で波面Ｓが位相φmaxだけ第１の領域Ａ１の波面からずれた状態である旨出力する。信号処理部７２の出力によって、入射光Ｌの波面Ｓの状態を認識できる。
[変形例]
【００４４】
なお、本実施例では、位相変調手段１１として液晶を用いたものを用いたが、これに限定されるものではなく、要は入射光Ｌの位相を変位させて出射させることができるものであればよい。
【００４５】
また、本実施例では、位相変調手段１１により入射光Ｌの矢印Ｙ方向の傾斜或いは位相の変位を検出したが、位相変調手段１１の位相変調する透明電極を切り換え、同様な動作を行うことにより、入射光Ｌの矢印Ｙ方向に直交する矢印Ｘ方向の傾斜或いは位相の変位を検出することもできる。
【００４６】
さらに、位相変調手段１１の位相変調領域を順次、微小に分割しつつ、検出手段で検出される光の光量が最大となるように位相制御していくことにより、波面の状態を更に詳細に測定することができる。
【００４７】
図８は本発明の一実施例の変形例の動作説明図を示す。図８（Ａ）は他方向の波面の状態を検出する場合、図８（Ｂ）は波面の状態を詳細に測定する場合の動作説明図を示す。
【００４８】
入射光Ｌの矢印Ｙ方向に直交する矢印Ｘ方向の波面の傾斜或いは位相の変位を検出する場合には、矢印Ｙ方向の波面の傾斜或いは位相の変位を検出する場合と同様に、信号処理部７２により、図８（Ａ）に示すように位相変調手段１１の透明電極３２−２及び透明電極３２−３と透明電極４２との間に印加する電圧のレベルを制御することにより、領域Ａ3の波面Ｓの位相を「０」〜「２π」の間で変位させ、受光手段５２の出力検出信号に応じたデジタルデータを記憶し、最大値となる位相を位相差として検出する。
【００４９】
また、波面の状態を更に詳細に測定する場合には、図８（Ｂ）に示すように位相変調手段１１の平面領域について独立して位相変調できる領域を細分化しておく。これは、例えば、位相変調手段１１の上部基板２１に形成される透明電極を細分化することによって実現できる。
【００５０】
まず、領域Ａ１と領域Ａ２とで、図５と同様な処理によって、矢印Ｙ方向の波面Ｓの位相差Ｘ１を検出する。次に、領域Ａ21、Ａ221を領域Ａ１と位相差がない状態とし、領域Ａ222の位相を「０」〜「２π」の間で変位させ、受光手段５２の出力検出信号に応じたデジタルデータを記憶し、最大値となる位相を位相差として検出する。
【００５１】
これによって、領域Ａ22における波面の位相が変位する状態を測定することができる。上記動作を各領域で行うことによって、波面全面に対して詳細な波面の状態を検出することが可能となる。
【００５２】
位相変調手段１１の独立して位相変調できる領域をさらに細分化しておくことにより、波面の状態を更に詳細に測定することが可能である。
【００５３】
また、本実施例では、検出手段１３を遮光手段５１及び受光手段５２から構成し、遮光手段５１の遮光板６１に形成されたピンホール６２により、光量パターンの位置ずれを検出するようにしたが、受光手段５２の受光面の位置及びサイズをピンホール６２の位置及びサイズと同等に設定できれば、遮光手段６１を設けることなく、同様に検出を行える。
【００５４】
図９は本発明の一実施例の要部の他の変形例の動作説明図を示す。同図中、図２と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００５５】
本変形例は、検出手段１１３の構成が図２とは相違する。本変形例の検出手段１１３は、受光手段１５２だけで構成されている。本変形例の受光手段１５２は、受光面が集光レンズ１２の略焦点面の上に配置されている。また、本変形例の受光手段１５２は、受光面の大きさが集光レンズ１２の焦点位置における光量パターンＰの大きさ程度に設定されている。
【００５６】
これにより、波面の傾斜や乱れなどにより、光量パターンＰが焦点位置からずれたときには、受光手段１５２の受光面から光量パターンＰがずれて、ピンホール６２を設けたときと同様な検出結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施例のブロック構成図である。
【図２】本発明の一実施例の要部の分解斜視図である。
【図３】ピンホール６２の位置及び大きさを説明するための図である。
【図４】入射光Ｌの波面Ｓが平面である場合の位相に対する検出信号の特性を示す図である。
【図５】位相変調手段１１の駆動状態を説明するための図である。
【図６】位相変調手段１１の駆動状態を説明するための図である。
【図７】集光レンズ１２の焦点位置における光量パターンを示す図である。
【図８】本発明の一実施例の変形例の動作説明図である。
【図９】本発明の一実施例の他の変形例の動作説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  波面測定装置
１１  位相変調手段、１２  集光レンズ、１３  検出手段、１４  測定処理手段
２１  上部基板、２２  下部基板、２３  スペーサ、２４  液晶
３１  透明基板、３２−１〜３２−４  透明電極
４１  透明基板、４２  透明電極
５１  遮光手段、５２  受光手段
６１  遮光板、６２  ピンホール
７１  Ａ／Ｄ変換器、７２  信号処理部、７３  駆動回路、７４  記憶装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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