(57)【要約】【課題】  光束分割素子と撮像素子の相対位置を精密調整する機構及び工程を省いた低コストの波面センサを実現する。【解決手段】  被検光を複数の光に分割する光束分割素子と、前記複数の光を受光する撮像素子と、前記撮像素子で受光した前記複数の光の強度分布に基づいて前記被検光の波面を算出する演算手段とを有し、前記光束分割素子と前記撮像素子とが接しており、または、前記光束分割素子と前記撮像素子の間に基準平板ガラスを有し、前記基準平板ガラスが前記光束分割素子と前記撮像素子との両方に接しており、前記演算手段は、前記被検光の波面の算出において、前記光束分割素子と前記撮像素子の相対位置の設計位置からの位置ずれを、特定の軸の周りに回転させる演算により補正することを特徴とする波面センサ。【選択図】  図１
2019203863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検光を複数の光に分割する光束分割素子と、
前記複数の光を受光する撮像素子と、
前記撮像素子で受光した前記複数の光の強度分布に基づいて前記被検光の波面を算出する演算手段とを有し、
前記光束分割素子と前記撮像素子とが接しており、または、前記光束分割素子と前記撮像素子の間に基準平板ガラスを有し、前記基準平板ガラスが前記光束分割素子と前記撮像素子に接しており、
前記演算手段は、前記被検光の波面の算出において、前記光束分割素子と前記撮像素子の相対位置の位置ずれを、特定の軸の周りに回転させる演算により補正することを特徴とする波面センサ。
【請求項２】
前記特定の軸は、前記撮像素子の面に直交する軸であることを特徴とする請求項１に記載の波面センサ。
【請求項３】
前記特定の軸は、前記撮像素子の面に平行な軸であることを特徴とする請求項１または２に記載の波面センサ。
【請求項４】
前記演算手段は、前記基準平板ガラスの厚み及び屈折率に基づいて前記被検光の波面を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の波面センサ。
【請求項５】
前記光束分割素子は、光入射側の面が光束を分割する機能を有し、光出射側の面が平面であり、
前記撮像素子または前記基準平板ガラスは、前記光束分割素子の光出射側の平面に接し、
前記演算手段は、前記光束分割素子の厚み及び屈折率に基づいて前記被検光の波面を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の波面センサ。
【請求項６】
前記撮像素子は、受光部の光入射側に光透過部材を有し、
前記光束分割素子または前記基準平板ガラスは、前記撮像素子の前記光透過部材と接し、
前記演算手段は、前記光透過部材の厚み及び屈折率に基づいて波面を算出することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の波面センサ。
【請求項７】
前記光透過部材は、カバーガラス、ローパスフィルタ、赤外カットフィルタの少なくとも１つにより構成されていることを特徴とする請求項６に記載の波面センサ。
【請求項８】
前記光束分割素子と前記撮像素子の間に基準平板ガラスを有し、該基準平板ガラスの光入射側の面と光出射側の面がなす角度は０．００５度以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の波面センサ。
【請求項９】
光源と、
前記光源からの光を被検物に入射させる投光系と、
前記被検物から出射した被検光を受光して該被検光の波面を算出する請求項１から８のいずれか１項に記載の波面センサを有することを特徴とする波面計測装置。
【請求項１０】
光学系を組み立てるステップと、
請求項９に記載の波面計測装置を用いて前記光学系の波面収差を計測することにより、前記光学系の光学性能を評価するステップを含むことを特徴とする光学系の製造方法。
【請求項１１】
光学素子を加工するステップと、
請求項９に記載の波面計測装置を用いて前記光学素子の波面収差を計測することにより、前記光学素子の光学性能を評価するステップを含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子や光学系の波面を計測する波面センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子や光学系の透過光または反射光の波面計測に、シャック・ハルトマンセンサやタルボ干渉計といった波面センサが用いられている。波面センサは、光束を複数の光に分割する光束分割素子（２次元マイクロレンズアレイや２次元回折格子）と、その複数の光を受光する撮像素子（ＣＭＯＳやＣＣＤ）を備えている。波面センサの計測精度は、光束分割素子と撮像素子の相対位置精度に依存する。
【０００３】
特許文献１に開示された波面センサは、光束分割素子と撮像素子の相対位置を精度よく調整する機構を設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１２−５３３７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された波面センサでは、光束分割素子と撮像素子の相対位置を精密調整することを前提としている。そのため、その精密調整機構及び精密調整工程の分だけ波面センサのコストが高くなる。
【０００６】
本発明は、光束分割素子と撮像素子の相対位置を精密調整する機構及び工程を省いた低コストの波面センサを提供することを例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態としての波面センサは、被検光を複数の光に分割する光束分割素子と、前記複数の光を受光する撮像素子と、前記撮像素子で受光した前記複数の光の強度分布に基づいて前記被検光の波面を算出する演算手段とを有し、前記光束分割素子と前記撮像素子とが接しており、または、前記光束分割素子と前記撮像素子の間に基準平板ガラスを有し、前記基準平板ガラスが前記光束分割素子と前記撮像素子との両方に接しており、前記演算手段は、前記被検光の波面の算出において、前記光束分割素子と前記撮像素子の相対位置の位置ずれを、特定の軸の周りに回転させる演算により補正することを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の実施形態としての波面計測装置は、光源と、前記光源からの光を被検光学系に入射させる投光系と、上記の波面センサを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の他の実施形態としての光学系の製造方法は、光学系を組み立てるステップと、上記の波面計測装置を用いて前記光学系の波面収差を計測することにより、前記光学系の光学性能を評価するステップを含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の実施形態としての光学素子の製造方法は、光学素子を加工するステップと、上記の波面計測装置を用いて前記光学素子の波面収差を計測することにより、前記光学素子の光学性能を評価するステップを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光束分割素子と撮像素子の相対位置を精密調整する機構及び工程を省いた低コストの波面センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１の波面センサの概略構成を示す図。
【図２】実施例２の波面センサの概略構成を示す図。
【図３】撮像素子のカバーガラスが歪んでいる場合の波面センサの概略構成を示す図。
【図４】実施例３の波面計測装置の概略構成を示す図。
【図５】光学系の製造方法の製造工程を示す図。
【図６】光学素子の製造方法の製造工程を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明における実施例１の波面センサ１００の概略構成を示している。波面センサ１００は、光束分割素子（マイクロレンズアレイ）１０、基準平板ガラス２０、撮像素子（例えばＣＭＯＳやＣＣＤ）３０、演算手段（コンピュータ）８０で構成される。撮像素子３０の面３０ａ（本実施例では受光部）に対して、水平方向にｘ軸とｙ軸が、垂直方向にｚ軸が定義されている。ｘ軸とｙ軸の方向は、撮像素子３０の画素の２次元配列方向と一致している。撮像素子３０の面３０ａは、ｚ＝０の位置にある。
【００１５】
光束分割素子１０の光入射側の面（第１面）１０ａはレンズ構造（光束を分割する機能）を有し、光出射側の面（第２面）１０ｂは平面である。基準平板ガラス２０の光入射側の面（第１面）２０ａ、光出射側の面（第２面）２０ｂは、ともに平面であり、第１面２０ａと第２面２０ｂとは平行になっている（第１面２０ａと第２面２０ｂのなす角度が０．００５度以下である）。光束分割素子１０の第２面１０ｂと基準平板ガラス２０の第１面２０ａとが接しており、また、基準平板ガラス２０の第２面２０ｂと撮像素子３０の面３０ａとが接している。
【００１６】
波面センサ１００に平行光が入射したとき、光束分割素子１０の各レンズの集光点がほぼ撮像素子３０の面３０ａ上に形成されるように、光束分割素子１０の厚みＴｍ及び屈折率Ｎｍ、基準平板ガラス２０の厚みＴｐ及び屈折率Ｎｐを選択する。例えば、数式１を満たすように選択する。
【００１７】
【数１】
2019203863.tif 000003
・・・数式１
【００１８】
ここでｆは光束分割素子１０の各レンズの焦点距離である。
【００１９】
波面センサ１００は、光束分割素子１０と撮像素子３０の相対位置を精密調整する機構を備えていない。さらに、波面センサ１００を組み立てるときは、精密調整工程を省略し、光束分割素子１０、基準平板ガラス２０、撮像素子３０が接するように不図示の治具で固定するか、または、接着剤等で固定するだけである。接着剤を使用する場合、接着剤は、各素子が接する面（１０ｂと２０ａ、２０ｂと３０ａ）に塗布するのではなく、側面（光が透過しない面）に塗布する。接着剤を使用する代わりに、オプティカルコンタクトで結合させてもよい。
【００２０】
本実施例では、光束分割素子１０と撮像素子３０が基準平板ガラス２０に接することで、光束分割素子１０と撮像素子３０のｚ方向の相対位置が高精度に位置決めされている。つまり、光束分割素子１０の第１面１０ａと撮像素子３０の面３０ａの距離が一定である。したがって、従来実施していたｚ方向の相対位置の精密調整は省くことができる。一方、光束分割素子１０のマイクロレンズの配列方向と撮像素子３０の画素の配列方向（＝ｘ方向、ｙ方向）は、精密調整を省略した影響で一致していない。つまり、光束分割素子１０のマイクロレンズの配列方向は、撮像素子３０の画素の配列方向に対して、ｚ軸（撮像素子３０の面３０ａに直交する軸）周りに回転している。このｚ軸（特定の軸）周りの回転による相対位置誤差は、後述する演算処理で補正する。
【００２１】
波面センサ１００に、ある波面Ｗ（ｘ，ｙ）を有する被検光９０が入射すると、図１のように、撮像素子３０の面３０ａ上に、波面形状に応じた集光スポットが形成される。そして、撮像素子３０で集光スポットの強度分布（複数の光の強度分布）が受光される。撮像素子３０で受光された強度分布のデータは、コンピュータ８０に送られ、各集光スポットの重心座標が計算される。光束分割素子１０のｉ行ｊ列に位置するマイクロレンズの座標を（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ，Ｔｍ＋Ｔｐ）、そのレンズによって形成される集光スポットの重心座標を（Ｘｉｊ＋δＸｉｊ，Ｙｉｊ＋δＸｉｊ，０）とすると、数式２の関係式が成り立つ。ただし、φｘｉｊ、φｙｉｊは、各マイクロレンズに入射するｘ方向、ｙ方向それぞれの入射角である。
【００２２】
【数２】
2019203863.tif 000004
・・・数式２
【００２３】
各マイクロレンズに入射する光の角度が小さければ、数式２は、数式１を用いて数式３のように近似的に変形できる。
【００２４】
【数３】
2019203863.tif 000005
・・・数式３
【００２５】
光束分割素子１０のマイクロレンズの配列方向と撮像素子３０の画素の配列方向とがほぼ一致していると仮定する（つまり、従来通り精密調整した場合）。このとき、光束分割素子１０のマイクロレンズの座標Ｘｉｊ，Ｙｉｊは、数式４のように、ｘ方向とｙ方向それぞれに光束分割素子３０のマイクロレンズの周期（例えばΛ＝１５０μｍ）で配列された値になる。
Ｘｉｊ＝Λｊ＋ａ
Ｙｉｊ＝Λｉ＋ｂ
・・・数式４
【００２６】
ここで、ａはｘ座標のオフセット定数、ｂはｙ座標のオフセット定数である。一方、本実施例では、光束分割素子１０のマイクロレンズの配列方向が、撮像素子３０の画素の配列方向に対してｚ軸（特定の軸）周りに回転しているので、数式５のように補正をする必要がある。
【００２７】
【数４】
2019203863.tif 000006
・・・数式５
【００２８】
ここで、θｚはｚ軸周りの回転による相対位置誤差である。θｚの量は、あらかじめ、波面センサ１００に平行光を入射させたときに撮像素子３０で測定される集光スポットの重心座標配列から計算しておく。この数式５を、数式２または数式３と組み合わせることで、被検光の波面Ｗ（ｘ，ｙ）を算出することができる。精密調整無しでも偶然θｚの値が小さいときがある。そのときは、数式５の代わりに数式４を用いてもよい。
【００２９】
以上のように、本実施例では、光束分割素子１０と撮像素子３０を基準平板ガラス２０に接するように配置することで、光束分割素子１０と撮像素子３０のｚ方向の相対位置を高精度に位置決めしている。そして、ｚ軸（特定の軸）周りの回転による相対位置誤差に関しては数式５のような演算で補正することで、精密調整機構及び精密調整工程を省き、低コストの波面センサを実現している。また、本実施例には次のような効果もある。
【００３０】
光束分割素子１０の有効領域外（≒周辺部）を保持する従来の固定方法では、光束分割素子１０の自重変形、応力による変形、熱膨張・熱収縮による変形の影響を受けて、光束分割素子１０と撮像素子３０のｚ方向の距離に、非線形な分布が発生することがある。ここで、非線形な分布とは、例えば、有効領域の中央に凹または凸をもつ２次関数（＋高次関数）のような分布である。一方、本実施例では、光束分割素子１０の全有効領域を基準平板ガラス２０が支えているため、上記のような非線形な分布を抑制することができる。つまり、堅牢な波面センサが実現できる。
【００３１】
本実施例では、光束分割素子１０の屈折率Ｎｍと基準平板ガラス２０の屈折率Ｎｐが異なる（つまり、光束分割素子１０と基準平板ガラス２０の材質が異なる）前提で説明したが、両者の屈折率（材質）は同じでもよい。その場合、数式２、数式３において、ＴｍにＴｍ＋Ｔｐを、Ｔｍに０を代入した式になる。もし、厚みＴｍ＋Ｔｐを有する光束分割素子１０を製造できるのであれば、基準平板ガラス２０は無くてもよい。その場合、光束分割素子１０と撮像素子３０が直接接していることになる。一般的に、フォトリソグラフィで製作したマイクロレンズアレイは厚みが１ｍｍ程度である。光束分割素子１０の厚みを増やして基準平板ガラス２０を除くためには、例えば、マイクロレンズの焦点距離ｆ〜５ｍｍ、マイクロレンズアレイの屈折率Ｎｍ〜１．５のとき、厚み〜７．５ｍｍ（従来の７、８倍）程度のマイクロレンズアレイを準備する必要がある。
【００３２】
本実施例では、光束分割素子１０の第１面１０ａはレンズ構造、第２面１０ｂは平面としたが、第１面１０ａが平面で、第２面１０ｂがレンズ構造（もしくは、第１面１０ａ、第２面１０ｂともにレンズ構造）でもよい。その場合、数式１の代わりに、ｆ＝Ｔｐ／Ｎｐを満たす基準平板ガラス２０を準備する必要がある。そして、数式２、数式３は、Ｔｍに０を代入した式になる。
【００３３】
本実施例では、数式５のように、光束分割素子１０のマイクロレンズの座標をθｚ回転させる演算をしているが、その代わりに、各集光スポットの重心座標のずれ量δＸｉｊ，δＸｉｊを−θｚ回転させてもよい。
【００３４】
本実施例では、波面センサとして、光束分割素子１０にマイクロレンズアレイを用いたシャック・ハルトマンセンサを採用したが、代わりにピンホールアレイを用いたハルトマンセンサや、回折格子を用いたタルボ干渉計にしてもよい。波面回復の方法は、本実施例のように各集光スポットの重心座標を計算する方法でもよいし、フーリエ変換法でもよい。
【実施例２】
【００３５】
図２は、本発明における実施例２の波面センサ２００の概略構成を示している。実施例１と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。波面センサ２００は、光束分割素子１０、基準平板ガラス２０、カバーガラス３５を有する撮像素子３０、コンピュータ８０で構成される。本実施例では、カバーガラス３５も含めて撮像素子３０と定義し、撮像素子３０の面３０ａはカバーガラス（光透過部材）３５の面を意味する。カバーガラス３５と撮像素子３０の受光部３０ｂの間には空気の層があるとする。
【００３６】
本実施例では、実施例１の構成（図１）に加えてカバーガラス３５（厚みＴｃ、屈折率Ｎｃ）と空気（厚みＴａ、屈折率１）の層があるため、実施例１の数式１、数式２のそれぞれに相当するものは、数式６、数式７になる。本実施例の構成においては、数式５と数式７（または数式６のｆを数式３に代入した式）を組み合わせることで被検光の波面を算出することができる。
【００３７】
【数５】
2019203863.tif 000007
・・・数式６
【００３８】
【数６】
2019203863.tif 000008
・・・数式７
【００３９】
本実施例では、撮像素子３０の受光部３０ｂの前方（＋ｚ軸方向）にカバーガラス３５があるとしたが、カバーガラスの代わりにローパスフィルタや赤外カットフィルタ、もしくは、それら複数の組合せがあってもよい。光束分割素子１０の光束分割面１０ａ（レンズや回折格子の構造がある面）から、撮像素子３０の受光部３０ｂにいたるまでに、厚みＴｋ、屈折率Ｎｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｍ）の層があるとき、数式６、数式７は数式８、数式９のように一般化される。
【００４０】
【数７】
2019203863.tif 000009
・・・数式８
【００４１】
【数８】
2019203863.tif 000010
・・・数式９
【００４２】
上記の説明では、撮像素子３０内において、受光部３０ｂに対してカバーガラス３５が平行かつ歪無く取り付けられていると仮定した。しかし、使用する撮像素子によっては、図３の波面センサ２０１のようにカバーガラス３５の取り付け精度が悪い場合もありうる。その場合、光束分割素子１０と基準平板ガラス２０が撮像素子３０の受光部３０ｂに対して傾いた状態になる（ｘ軸周り及びｙ軸周りの回転による相対位置誤差が生じる）。光束分割素子１０の面積が、例えば、１５×１５ｍｍ、基準平板ガラス２０の厚みが、例えば５ｍｍ程度であれば、光束分割素子１０と基準平板ガラス２０のセットで構成される部分は、ほぼ歪み無しで配置できる。光束分割素子１０を大面積にする場合は、面積に応じて基準平板ガラス２０の厚みも大きくすれば歪を抑制できる。
【００４３】
図３の構成の場合、光束分割素子１０の厚みＴｍ、基準平板ガラス２０の厚みＴｐ、カバーガラス３５の厚みＴｃは、図２と同様に、場所によらず一定とみなせる（カバーガラス３５も、形状が変わるだけで厚みはほぼ一定）。一方、空気の層の厚み（カバーガラス３５と受光面３０ｂの間の空気層だけでなく、基準平板ガラス２０の第２面２０ｂと撮像素子３０の面３０ａの間の空気層も加算した厚み）は、分布をもつ（Ｔａ＝Ｔａ（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ）＝Ｔａｉｊ）。この厚み分布Ｔａｉｊを無視すると、波面算出誤差が発生する。従来では、この分布を取り除くために光束分割素子１０を精密調整していたが、本実施例では、精密調整の代わりに空気層の厚みの補正計算（ｘ軸およびｙ軸を特定の軸とした軸周りの回転による補正演算）をすることで、従来の精密調整機構及び工程を省略する。
【００４４】
本実施例の構成では、光束分割素子１０と基準平板ガラス２０のセットが歪み無く傾いているだけとみなせるので、空気の層の厚み分布Ｔａｉｊは、数式１０のように、線形に変化する分布と近似できる。
Ｔａｉｊ＝Ｔａ＋ＡＸｉｊ＋ＢＹｉｊ
・・・数式１０
【００４５】
ここで、Ａ、Ｂは比例定数、Ｔａは空気層の厚み分布の平均値である。数式１０の第２項および第３項は、ｘｙ平面内において、ｙ軸からａｒｃｔａｎ（Ｂ／Ａ）回転した軸（撮像素子３０の面３０ａに平行な軸）に関して、ａｒｃｔａｎ（√（Ａ２＋Ｂ２））回転する補正を加えていることを意味する。この数式１０のＴａｉｊを、数式７のＴａに代入して波面を算出すれば、図３の構成の波面センサにおける波面が得られる。
【実施例３】
【００４６】
図４は、実施例１の波面センサ１００を用いた波面計測装置１の概略構成を示している。波面計測装置１は、光源５０、投光系６０、波面センサ１００で構成されており、被検物７０の波面を計測する。本実施例では、被検物７０は複数の光学素子を組み合わせた光学系または単一の光学素子である。
【００４７】
光源５０から射出した発散光は、投光系６０で収束し、被検物７０に入射する。被検物７０を透過した光は、波面センサ１００に入射し、被検物７０の波面収差９０が計測される。この波面収差の計測結果を、光学系や光学素子の製造方法にフィードバックすることができる。光源５０としては、例えば、レーザダイオードやＬＥＤが用いられる。投光系６０は、例えば、単レンズ、複数レンズ、ＣＧＨ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ）により構成される。本実施例によれば、光束分割素子と撮像素子の相対位置を精密調整する機構及び工程を省いた波面センサを利用することにより、低コストの波面計測装置を実現することができる。
【００４８】
図５は、光学系の製造方法を示している。まず、複数の光学素子を用いて光学系を組み立て、各光学素子の位置を調整する（Ｓ１１）。組立調整された光学系は、その光学性能が評価され（Ｓ１２）、精度不足である場合は再度組立調整を行う。この光学性能評価に、実施例１や実施例２の波面センサを備えた波面計測装置１を利用することができる。
【００４９】
図６は、モールド加工を利用した光学素子の製造方法を示している。光学素子は、光学素子の設計工程（Ｓ２１）、金型の設計工程（Ｓ２２）、及び、設計された金型を用いた光学素子のモールド工程（Ｓ２３）を経て製造される。モールドされた光学素子は、その形状精度が評価され（Ｓ２４）、精度不足である場合は金型を補正して（Ｓ２５）再度モールドを行う。形状精度が良好であれば、光学素子の光学性能が評価される（Ｓ２６）。光学性能が低い場合は、光学面を補正した光学素子を設計し直す（Ｓ２７）。光学性能が良好である場合は、モールドされる光学素子の量産工程（Ｓ２８）に進む。この光学性能の評価に波面計測装置１を利用することができる。上記光学素子の製造方法は、モールドに限られず、研削、研磨による光学素子の製造にも同様に適用することができる。
【００５０】
以上、説明した各実施例は代表的な例に過ぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  光束分割素子
２０  基準平板ガラス
３０  撮像素子
８０  演算手段
【図１】
2019203863.tif 000011
【図２】
2019203863.tif 000012
【図３】
2019203863.tif 000013
【図４】
2019203863.tif 000014
【図５】
2019203863.tif 000015
【図６】
2019203863.tif 000016