(57)【要約】【課題】簡便な構成でありながら、光の波面測定を適切に行うことを可能とした波面測定方法及び波面測定装置を提供する。【解決手段】測定対象となる光ＬＴの位相分布又は強度分布にランダムに変調を与えるＳＬＭ２と、ＳＬＭ２により変調が与えられた光ＬＴの強度分布を測定するＣＣＤカメラ３と、ＣＣＤカメラ３により測定された光の強度分布を用いて、複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を繰り返すコンピュータ４とを備え、ＳＬＭ２とＣＣＤカメラ３との間の距離を一定にしたまま、ＣＣＤカメラ３が光ＬＴの位相分布又は強度分布にランダムに変調を与えることにより複数枚の強度分布を取得し、取得した複数枚の強度分布を用いて、コンピュータ４が複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を繰り返すことにより、収束した複素振幅分布の位相から光の波面を求める。【選択図】図１
2011053150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象となる光の位相分布又は強度分布に変調を与え、この変調が与えられた光の強度分布を測定し、異なる変調を与えた複数枚の強度分布を取得し、取得した複数枚の強度分布を用いて、複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を繰り返しながら、収束した複素振幅分布の位相から光の波面を求めることを特徴とする波面測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の波面測定方法において、
異なる変調が与えられた複数枚の前記強度分布のうちの第１の変調に対応する強度分布と、初期値として与えた位相とから測定位置における第１の複素振幅分布を求めるステップと、
前記第１の複素振幅分布の逆伝搬計算により変調直後における第２の複素振幅分布を求めるステップと、
前記第２の複素振幅分布の復調計算により変調直前における第３の複素振幅分布を求めるステップと、
前記第３の複素振幅分布に対して前記第１の変調と異なる第２の変調を与える計算により変調直後の第４の複素振幅分布を求めるステップと、
前記第４の複素振幅分布に対して測定位置までの伝搬計算を行うことで第５の複素振幅分布を求めるステップと、
前記第５の複素振幅分布における振幅を、複数枚の前記強度分布のうち前記第２の変調に対応する強度分布から算出された振幅に置換することで、測定された強度分布に基づく情報が付加された第６の複素振幅分布を求めるステップと、
を複数サイクル繰り返して実行することで複素振幅分布の位相を収束させ、得られた位相から光の波面を求めることを特徴とする波面測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の波面測定方法において、
測定対象となる光に変調を与える反射型の光変調手段と、変調が与えられた光の強度分布を測定する光検出手段と、前記光変調手段と前記光検出手段との間に設けられた光反射分離手段とを用い、
前記光反射分離手段で光を反射させることで前記光変調手段に測定対象の光を供給する一方、変調を与えられた光を前記光反射分離手段に透過させて前記光検出手段に入射させることを特徴とする波面測定方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の波面測定方法において、
測定対象となる光に変調を与える反射型の光変調手段と、変調が与えられた光の強度分布を測定する光検出手段とを用い、
測定対象の光を前記光変調手段に入射させ、反射光として射出される変調を与えられた光を前記光検出手段に入射させることを特徴とする波面測定方法。
【請求項５】
測定対象となる光の位相分布又は強度分布に変調を与える光変調手段と、
前記光変調手段により変調が与えられた光の強度分布を測定する光検出手段と、
前記光検出手段により測定された光の強度分布を用いて、複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を繰り返す演算手段と、を備え、
前記光変調手段と前記光検出手段との間の距離を一定にしたまま、前記光検出手段が光の位相分布又は強度分布に異なる変調を与えることにより複数枚の強度分布を取得し、取得した複数枚の強度分布を用いて、前記演算手段が複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を繰り返すことにより、収束した複素振幅分布の位相から光の波面を求めることを特徴とする波面測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の波面測定装置において、
異なる変調が与えられた複数枚の前記強度分布のうちの第１の変調に対応する強度分布と、初期値として与えた位相とから測定位置における第１の複素振幅分布を求めるステップと、
前記第１の複素振幅分布の逆伝搬計算により変調直後における第２の複素振幅分布を求めるステップと、
前記第２の複素振幅分布の復調計算により変調直前における第３の複素振幅分布を求めるステップと、
前記第３の複素振幅分布に対して前記第１の変調と異なる第２の変調を与える計算により変調直後の第４の複素振幅分布を求めるステップと、
前記第４の複素振幅分布に対して測定位置までの伝搬計算を行うことで第５の複素振幅分布を求めるステップと、
前記第５の複素振幅分布における振幅を、複数枚の前記強度分布のうち前記第２の変調に対応する強度分布から算出された振幅に置換することで、測定された強度分布に基づく情報が付加された第６の複素振幅分布を求めるステップと、
を複数サイクル繰り返し実行することで複素振幅分布の位相を収束させ、得られた位相から光の波面を求めることを特徴とする波面測定装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の波面測定装置において、
反射型の前記光変調手段と、前記光変調手段と前記光検出手段との間に設けられた光反射分離手段とを有することを特徴とする波面測定装置。
【請求項８】
請求項５又は６に記載の波面測定装置において、
反射型の光変調手段を備え、前記光変調手段は、測定対象の光に変調を与えるとともに入射方向とは異なる方向に反射させ、変調を与えられた光を前記光検出手段に入射させることを特徴とする波面測定装置。
【請求項９】
請求項５から８のいずれか１項に記載の波面測定装置において、
前記光変調手段として、空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial light modulator）を用いることを特徴とする波面測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の波面を測定する波面測定方法及び波面測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の波面を測定するための技術として、シャック＝ハルトマン・センサがよく知られているが、このセンサは分解能が低かった。そこで、ランダム位相マスクやランダム強度マスクを透過させた光の強度を複数枚に亘って測定し、それらの情報から波面伝搬を用いた反復計算によって光の波面を求める方法が提案されていた（例えば、非特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】A.Anand, G.Pedrini, W.Osten, and P.Almoro, "Wavefront sensing with random amplitude mask and phase retrieval" Opt. Lett. vol.32 No.11 1584-1586 (2007)
【非特許文献２】P.F.Almoro and S.G.Hanson, "Random phase plate for wavefront sensing via phase retrieval and a volume speckle field", Appl. Opt. vol.47 No.16 2979-2987 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の測定方法では、ランダムマスクと撮像素子との間の距離Ｚを変えながら複数の位置でのスペックル強度を測定するため、撮像素子を光軸方向に移動させるとともに各位置で正確に位置決めする移動機構が必要であった。
【０００５】
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、簡便な構成でありながら、光の波面測定を適切に行うことを可能とした波面測定方法及び波面測定装置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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の一態様における波面測定方法は、測定対象となる光の位相分布又は強度分布に変調を与え、この変調が与えられた光の強度分布を測定し、異なる変調を与えた複数枚の強度分布を取得し、取得した複数枚の強度分布を用いて、複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を繰り返しながら、収束した複素振幅分布の位相から光の波面を求めることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の別の態様における波面測定装置は、測定対象となる光の位相分布又は強度分布に変調を与える光変調手段と、光変調手段により変調が与えられた光の強度分布を測定する光検出手段と、光検出手段により測定された光の強度分布を用いて、複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を繰り返す演算手段と、を備え、光変調手段と光検出手段との間の距離を一定にしたまま、光検出手段が光の位相分布又は強度分布に異なる変調を与えることにより複数枚の強度分布を取得し、取得した複数枚の強度分布を用いて、演算手段が複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を繰り返すことにより、収束した複素振幅分布の位相から光の波面を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように、本発明の態様では、光変調手段と光検出手段との間の距離を一定にしたまま、光検出手段が光の位相分布又は強度分布にランダムに変調を与える構成のため、従来のような光変調手段を光軸方向に移動させるための機構を必要とせず、波面測定装置を簡便な構成とすることが可能である。
【０００９】
そして、本発明の態様では、測定対象となる光の位相分布又は強度分布に異なる変調を与えることにより複数枚の強度分布を取得し、取得した複数枚の強度分布を用いて、複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を繰り返すことにより、収束した複素振幅分布の位相から光の波面を適切に求めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る波面測定装置の一構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る波面測定装置の別の構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る波面測定方法を説明するための図である。
【図４】本発明の実施形態に係る波面測定方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態に係る波面測定方法を示すフローチャートである。
【図６】実施例において測定した光の測定結果を示す図である。
【図７】比較例の波面測定方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態における波面測定方法及び波面測定装置について、図面を参照して詳細に説明する。
（波面測定装置）
先ず、本発明の実施形態における波面測定装置について説明する。
本発明の実施形態における波面測定装置は、図１に示すように、ハーフミラー１と、ハーフミラー１を挟んだ一方側に配置された反射型のＳＬＭ(Spatial light modulator)２と、ハーフミラー１を挟んだ他方側に配置されたＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラ３と、ＳＬＭ２及びＣＣＤカメラ３に接続されたコンピュータ４とを備えて概略構成されている。
【００１２】
このうち、ハーフミラー１は、測定対象となる光ＬＴをＳＬＭ２に向かって反射させると共に、このＳＬＭ２で反射された光ＬＴをＣＣＤカメラ３に向かって透過させるもの（ビームスプリッタ）である。また、ハーフミラー１には、プリズム型と平面型とがあり、本例では平面型を用いている。
【００１３】
ＳＬＭ２は、光ＬＴの位相分布又は強度分布に所定の変調を与える光変調手段として、光変調素子と呼ばれる微小素子を２次元的に複数並べて、光の振幅、位相、偏光などの空間的な分布を電気的に制御することにより、光を変調させるもの（空間光変調器）である。また、ＳＬＭ２には、位相変調型と強度変調型があり、本例では位相変調型を用いた場合について説明する。
【００１４】
ＳＬＭ２としては、具体的には、画素ピッチが数μｍ〜数十μｍ程度の反射型液晶パネルを用いることができる。液晶パネルは偏光板の有無により強度変調型と位相変調型のいずれとしても構成できる。すなわち、液晶パネルの前面に偏光板を設けない場合には、画素（光変調素子）毎に設定された位相差を光ＬＴに対して付与し、変調を与えた光を反射光として出力する。一方、液晶パネルの前面に偏光板を設ければ、画素毎に透過率を設定し、光ＬＴの強度を変調した光を反射光として出力することができる。そのほか、強度変調型のＳＬＭ２としては、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device；登録商標）パネルなどが挙げられる。
【００１５】
また、光変調手段としては、その他にも位相差を付けたガラス基板（透過光に対して付与する位相差に面内分布を有するガラス基板）などを用いることができ、このガラス基板を面内で回転又は平行移動させることで、光の位相分布を変化させることが可能である。なお、この場合は、ガラス基板を移動させる可動部が必要となるが、従来のようなＣＣＤカメラを光軸方向に移動させる場合よりも、簡便な機構とすることが可能である。
【００１６】
また、これらの光変調手段によって与えられる位相（強度）変調は、ランダム分布であっても、グレーティングのような規則的な分布を向きやピッチを色々変えたものであってもよい。
【００１７】
ＣＣＤカメラ３は、ＳＬＭ２により変調が与えられた光ＬＴの強度分布を測定する光検出手段であり、ＳＬＭ２との画素サイズの違いなどを考慮して、ＳＬＭ２とは所定の距離だけ離れた位置に固定配置されている。また、光検出手段としては、その他にもＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラなどの撮像素子を用いることができる。
【００１８】
コンピュータ４は、図１に示す波面測定装置を総合的に制御する制御部であるとともに、測定された光ＬＴの強度分布から光ＬＴの波面を求める演算手段でもある。すなわち、コンピュータ４は、ＳＬＭ２を駆動制御して光ＬＴに所定の変調を与えるとともに、ＣＣＤカメラ３を駆動制御して変調を与えられた光ＬＴの強度分布を測定する。また、ＣＣＤカメラ３により測定された光ＬＴの強度分布を用いて、複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を繰り返すことで光ＬＴの波面（強度及び位相の分布）を求める。コンピュータ４には、後述する本発明の実施形態における波面測定方法を実行するためのプログラムが予め組み込まれている。
【００１９】
波面測定装置では、上記プログラムの実行により、ＳＬＭ２とＣＣＤカメラ３との間の距離を一定にしたまま、ＳＬＭ２が光ＬＴの位相分布又は強度分布に所定のランダム変調を与える一方、ＣＣＤカメラ３が与えられたランダム変調ごとに光ＬＴの強度分布を測定する。これにより与えられた変調の異なる複数枚の強度分布が取得される。コンピュータ４は、取得した複数枚の強度分布を用いて、複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を繰り返すことにより、収束した複素振幅分布の位相から光の波面を適切に求めることが可能である。
【００２０】
なお、本発明の実施形態における波面測定装置は、上記構成のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、図２に示すように、上記ハーフミラー１を省略し、ＳＬＭ２により光ＬＴに変調を与えるとともに入射方向とは異なる方向に反射させ、反射された光ＬＴをＣＣＤカメラ３に直接導く構成とすることも可能である。また、上記反射型のＳＬＭ２の代わりに、透過型のＳＬＭ２を用いることも可能である。
【００２１】
また、測定対象となる光ＬＴの光束径によっては、光路中に集光レンズ等を配置してもよい。なお、この場合は、光の伝搬計算方法が変わるものの、計算アルゴリズム自体は同じである。また、光ＬＴをＳＬＭ２に導く光路に集光レンズやコリメートレンズを設けてもよい。
【００２２】
（波面測定方法）
次に、本発明の実施形態における波面測定方法について説明する。
図３は、実施形態における波面測定方法の説明図であり、図４及び図５は実施形態における波面測定方法を示すフローチャートである。
【００２３】
本発明の実施形態における波面測定方法は、図４に示すように、測定対象となる光の位相分布又は強度分布に変調を与えるステップＳ１０１と、この変調が与えられた光の強度分布を測定するステップＳ１０２と、取得した強度分布の枚数を判定し、取得枚数が設定値に等しくない場合にステップＳ１０１、Ｓ１０２を再実行させるステップＳ１０３と、取得した複数枚の強度分布を用いて、複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を繰り返しながら、収束した複素振幅分布の位相から光の波面を求めるステップＳ１０４とを含む。
【００２４】
まず、ステップＳ１０１では、コンピュータ４は、予め設定されるかあるいはリアルタイムに生成したランダムパターンの位相分布データＭｎ（ｎ＝１，２，…，ｍ）をＳＬＭ２に設定し、ＳＬＭ２は入力された位相分布データに基づいて個々の位相変調素子を駆動し、測定対象となる光ＬＴに所定の位相変調を与える。
次いで、ステップＳ１０２では、ＳＬＭ２で位相変調された光ＬＴをＣＣＤカメラ３により観測し、光ＬＴの強度分布Ｉｎ（ｎ＝１，２，…，ｍ）を測定する。測定された強度分布Ｉｎはコンピュータ４に送信され、図示略の記憶装置に記憶される。
なお、強度分布Ｉｎは、位相分布データＭｎに基づいて変調された光ＬＴの各位相変調素子に対応する位置における強度の集合である。
【００２５】
次に、ステップＳ１０３では、取得された強度分布Ｉｎの枚数と設定値とを比較し、予め設定された枚数（ｍ枚）の強度分布Ｉ１，Ｉ２，…，Ｉｍが取得されているかを判定する。取得枚数が設定値に満たない場合には、設定した取得枚数になるまでステップＳ１０１、Ｓ１０２を繰り返し実行する。
なお、ステップＳ１０１においてＳＬＭ２に設定される位相分布データＭｎは、再実行される毎に異なるランダムパターンの位相分布データが設定される。つまり、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３により、異なる位相変調を与えられた光ＬＴの強度分布をｍ枚取得することになる。
【００２６】
以上のステップＳ１０１〜Ｓ１０３によりｍ枚の強度分布Ｉ１，Ｉ２，・・・，Ｉｍを取得したならば、ステップＳ１０４に移行し、コンピュータ４により図５に示すステップＳ２０１〜Ｓ２０８の演算処理が実行される。
【００２７】
まず、図５に示すステップＳ２０１では、１枚目の強度分布Ｉ１から強度測定位置γにおける振幅Ａ（＝√Ｉ）を算出する。本実施形態では、１〜ｍ枚目の強度測定位置γでの振幅を、変数ｉ（＝１，２，…，ｍ）を用いて下記数１のように表する。添字ｉはｉ番目の強度分布Ｉｉに対応する振幅であることを示し、添字γは複素振幅分布の位置情報を示している。添字ｃｃｄは、ＣＣＤカメラ３により測定された強度分布Ｉｉに基づく振幅であることを示している。
【００２８】
【数１】
2011053150.tif 000003
【００２９】
また、初期値として初期位相φ１を設定する。初期位相φ１は任意の角度に設定することができ、例えば０［ｒａｄ］に設定することもでき、０以外の任意の一定角度に設定することもできる。さらに、各々の位相変調素子に対応させたランダムな角度を設定してもよく、規則的に角度を設定してもよい。
そして、上記により算出された振幅及び設定された初期位相φ１から、数２に示す複素振幅分布（第１の複素振幅分布）が求められる。この複素振幅分布は、１枚目の強度分布Ｉ１に対応する光ＬＴの強度測定位置γにおける複素振幅分布である。
【００３０】
【数２】
2011053150.tif 000004
【００３１】
次に、ステップＳ２０２では、ステップＳ２０１で求めた複素振幅分布に対して距離−Ｌ（図３参照）の逆伝搬計算を行い、強度測定位置γから距離−Ｌだけ離れたＳＬＭ２の位相変調直後位置βでの複素振幅分布（第２の複素振幅分布）を求める。１枚目の強度分布Ｉ１に対応する第２の複素振幅分布を数３に示す。数３において、ＲＬは距離Ｌを伝搬する演算子を表す。
【００３２】
【数３】
2011053150.tif 000005
【００３３】
次に、ステップＳ２０３において、上記逆伝搬計算により得られた第２の複素振幅分布から１枚目の位相変調（位相分布データＭ１）をキャンセルすることで、下記数４に示すように、ＳＬＭ２の位相変調直前位置αにおける１枚目の複素振幅分布（第３の複素振幅分布）が求まる。数４における右辺末尾の項ｅｘｐ（−ｉθＳＬＭ，１）が、位相分布データＭ１に基づき付与された位相差をキャンセルする項である。
【００３４】
【数４】
2011053150.tif 000006
【００３５】
次に、ステップＳ２０４において、位相変調直前位置αにおける第３の複素振幅分布に２枚目の位相変調（位相分布データＭ２）を与えることで、下記数５に示す位相変調直後位置βでの２枚目の複素振幅分布（第４の複素振幅分布）を求める。数５における右辺末尾の項ｅｘｐ（ｉθＳＬＭ，２）が位相分布データＭ２に基づいて付与される位相差である。
【００３６】
【数５】
2011053150.tif 000007
【００３７】
次に、ステップＳ２０５に移行し、上記第４の複素振幅分布に対してＳＬＭ２から距離Ｌだけ離れた強度測定位置γまでの伝搬計算を行うことで、下記数６に示す強度測定位置γにおける複素振幅分布（第５の複素振幅分布）が得られる。
【００３８】
【数６】
2011053150.tif 000008
【００３９】
以上のステップＳ２０１〜Ｓ２０５により、強度測定位置γからＳＬＭ２で折り返して強度測定位置γへ戻る経路における複素振幅分布の変化を計算することができる。
そして本実施形態では、続くステップＳ２０６において、ステップＳ２０５で得られた第５の複素振幅分布の振幅を、２枚目の強度分布Ｉ２（位相分布データＭ２に基づいて変調された光ＬＴを測定して得られた強度分布）から求めた振幅に置換する。これにより、数７に示すように強度測定位置γでの更新された複素振幅分布（第６の複素振幅分布）を求める。
すなわち本実施形態では、任意に設定された初期位相φ１に基づいて強度測定位置γから位相変調直前位置αを往復する経路を順次移動させる伝搬計算において、計算中の複素振幅分布の位置が強度測定位置γに戻ったときに、複素振幅分布の振幅Ａを測定に基づく振幅Ａｃｃｄに置き換えることで、伝搬計算に対して測定に基づく情報を順次付加する。
【００４０】
【数７】
2011053150.tif 000009
【００４１】
その後、ステップＳ２０７では、測定に基づく情報が付加された第６の複素振幅分布を用いてステップＳ２０２〜Ｓ２０６の演算を、ｍ枚目の強度分布Ｉｍの情報を付加した複素振幅分布の演算が完了するまで実行する。
より詳しくは、２枚目の強度分布Ｉ２に基づく振幅と伝搬計算により得られた位相とを含む複素振幅分布に対して、強度測定位置γから位相変調直前位置αを往復する伝搬計算を行い、得られた強度測定位置γにおける複素振幅分布の振幅を、３枚目の強度分布Ｉ３に基づく振幅に置換する。同様の演算をｍ枚目の強度分布Ｉｍから求めた振幅に置換した複素振幅分布の演算が完了するまで繰り返す。
【００４２】
さらに、ステップＳ２０１〜Ｓ２０７の一連の演算（強度分布Ｉ１〜Ｉｍに基づく演算）を１サイクルとして、複数サイクル（例えば数サイクルから数百サイクル）の演算を繰り返すようにプログラムされている場合には、ステップＳ２０１〜Ｓ２０７を設定サイクル数Ｎまで繰り返して実行する。これにより、位相変調直前位置αにおける複素振幅分布の位相を真の値に収束させる。最終的に得られる複素振幅分布は、下記数８に示すように、位相変調直前位置αでのＮサイクル目のｍ枚目の強度分布Ｉｍに対応する複素振幅分布として表される。数８左辺の項における「ｉφα，ｍ」が測定対象の光ＬＴの位相（波面）を表している。
【００４３】
【数８】
2011053150.tif 000010
【００４４】
以上のように、本発明の実施形態では、ＳＬＭ２とＣＣＤカメラ３との間の距離Ｌを一定にしたまま、ＳＬＭ２に設定する位相分布データを異ならせることで、光ＬＴに異なる変調を与え、複数の異なる強度分布を測定可能にしている。したがって、従来のようなＣＣＤカメラを光軸方向に移動させるための機構を必要とせず、上記波面測定装置を簡便な構成とすることが可能である。
【００４５】
そして、本発明の実施形態では、測定対象となる光ＬＴの位相分布又は強度分布にランダムに変調を与えることにより複数枚の強度分布を取得し、取得した複数枚の強度分布を用いて、複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を繰り返すことにより、収束した複素振幅分布の位相から光の波面を適切に求めることが可能である。
また本発明の実施形態では、伝搬計算により複素振幅分布を求めているため、最終的に得られる複素振幅分布から、光ＬＴの位相分布（波面）と同時に光ＬＴの強度分布も得ることができる。
【００４６】
なお、測定対象となる光ＬＴがレンズなどの光学素子を通過した光である場合は、この測定対象となる光ＬＴの位相を求めることで、当該光学素子の面形状を測定することも可能である。
【実施例】
【００４７】
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【００４８】
本実施例では、本発明の実施形態における波面測定方法を用いて、光の波面の測定のシミュレーションを行った。
具体的に、本実施例では、測定光に波長０．６３３μｍのＨｅＮｅレーザー光を用い、この測定光にＳＬＭがランダムな位相変調を与えて、ＣＣＤカメラで２０枚の強度分布を取得したと想定した。
【００４９】
なお、ＳＬＭは、ピクセル数が５１２×５１２（ｐｉｘ）、ピクセル幅が１０μｍ／ｐｉｘであり、このうち４×４（ｐｉｘ）ずつまとめて深さ０〜１ｒａｄのランダムな位相を与えたものをＳＬＭでの位相変調とみなした。また、ＳＬＭとＣＣＤカメラとの間の距離Ｌは５０ｍｍとした。計算サイズは、２５６×２５６（ｐｉｘ）、有効径は１２８ｐｉｘである。また、強度分布を取得する際は、計算領域を５１２×５１２（ｐｉｘ）とした。
【００５０】
（実施例１）
そして、実施例１では、上記数２で表される初期位相φ１を０（ゼロ）にして、上記本発明の実施形態における複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を１〜２０枚目まで繰り返し、最終的に位相が真の値に収束するまで、この１〜２０枚までの伝搬計算を１０回に亘って繰り返した。
【００５１】
（実施例２）
一方、実施例２では、上記数２で表される初期位相φ１を１ｐｉｘずつランダム位相にして、上記本発明の実施形態における複素振幅分布を求める計算アルゴリズムに従って伝搬計算を１〜２０枚目まで繰り返し、最終的に位相が真の値に収束するまで、この１〜２０枚までの伝搬計算を１００回に亘って繰り返した。
【００５２】
そして、これら実施例１，２の収束した複素振幅分布の位相から光の位相分布（波面）を得た。その測定結果を図６に示す。なお、図６（ａ）は、測定光のα位置（図３参照）での波面を示す理想波面の画像であり、０．３６２ｒａｄ．ｒｍｓ（root mean square）である。また、図６（ｂ）は、実施例１のシミュレーション結果とその誤差を示す画像であり、図６（ｃ）は、実施例２のシミュレーション結果とその誤差を示す画像である。
【００５３】
図６（ｂ），（ｃ）に示す実施例１，２により得られた波面は、図４（ａ）に示す元の測定光の波面とほとんど誤差がなく、良好な結果が得られた。
【００５４】
（比較例）
図７は、従来の波面測定装置を示す説明図である。
図７に示す波面測定装置は、測定する光の光路中にランダムマスク１００と、ランダムマスク１００の後方に配置されたＣＣＤカメラ１０１とを備えており、ランダムマスク１００に入射させた光のスペックル強度をＣＣＤカメラ１０１により測定する。
またＣＣＤカメラ１０１は、ランダムマスク１００からの距離Ｚを任意に変更することが可能である。そして、ランダムマスク１００とＣＣＤカメラ１０１との間の距離Ｚを変化させながら、複数の位置でスペックル強度を測定する。
【００５５】
例えば、Ｎ枚のスペックル強度分布を取得し、このＮ枚のスペックル強度分布からランダムマスク位置での光の波面を求める場合は、先ず、上記取得したＮ枚の強度分布のうち、１枚目の強度取得位置Ｚ１で測定したスペックル強度分布Ｉ１から、振幅Ａ１＝√Ｉ１を計算により求める。
【００５６】
次に、１枚目における位相φ１を適当（定数ゼロでもランダムでもよい。）に仮定して、１枚目の強度取得位置Ｚ１での複素振幅分布ｕ１＝Ａ１＊ｅｘｐ（ｉ＊φ１）とする。そして、これを伝搬計算し、２枚目の強度取得位置Ｚ２での複素振幅分布ｕ２を求める。
【００５７】
すなわち、上記の計算結果をｕ２’＝Ａ２’＊ｅｘｐ（ｉ＊φ２）とすると、この結果とスペックル強度分布Ｉ２から、２枚目の強度取得位置Ｚ２での複素振幅分布ｕ２＝（√Ｉ２）＊ｅｘｐ（ｉ＊φ２）が求まる。
【００５８】
次に、これを伝搬計算し、３枚目の強度取得位置Ｚ３での複素振幅分布ｕ３を同様に求める。以上のような伝搬計算をＮ枚目の強度取得位置ＺＮまで繰り返し、Ｎ枚目の強度取得位置ＺＮでの複素振幅分布ｕＮ＝（√ＩＮ）＊ｅｘｐ（ｉ＊φＮ）を求める。
【００５９】
さらに、上記の伝搬計算をＮ枚目の強度取得位置ＺＮまで繰り返した後、再び伝搬計算により１枚目の強度取得位置Ｚ３での複素振幅分布ｕ３を求め、このような伝搬計算を位相が真の値に収束するまで繰り返す。
【００６０】
そして、この収束した位相を用いることで、ランダムマスク位置での複素振幅分布が求まる。すなわち、この複素振幅からランダムマスク位置での光の位相（波面）を求めることができる。
【００６１】
以上に説明した比較例によれば、比較的高精度に波面を求めることができるが、ＣＣＤカメラ１０１を光軸方向に移動させるとともに、各位置で正確に位置決めする必要があり、装置が複雑であるとともにＣＣＤカメラ１０１の位置精度が測定に影響する。これに対して、本発明の実施形態では、ＳＬＭ２とＣＣＤカメラ３との距離Ｌを一定に固定したままで複数枚の強度分布Ｉを取得できる。したがって、ＣＣＤカメラ３を移動させる機構が不要であることから装置構成を簡素なものとすることができ、また光ＬＴが伝搬する距離Ｌが不変であることからＣＣＤカメラ３の位置決め精度が波面測定に影響することもない。
【符号の説明】
【００６２】
１…ハーフミラー  ２…ＳＬＭ（光変調手段）  ３…ＣＣＤカメラ（光検出手段）  ４…コンピュータ（演算手段）
【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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