(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束の波面を分析する方法であって、
ａ）前記光束に垂直であって分析すべき波面の分析平面（ＰＤ）と光学的に共役な平面（ＰＣ）内に、方形メッシュを有する二次元の回折格子を設置し、これにより前記光束を回折して種々の二次束を発生させるステップと、
ｂ）該二次束の干渉によって形成され、その像の変形が分析される波面の勾配に関連する当該像を、前記平面（ＰＣ）から所定距離に位置する平面（ＰＳ）内で生成して観測するステップと
を備えており、
前記ステップａ）が、ａ１）前記回折格子によって実施される輝度関数であって、前記方形メッシュに従って配設された複数の二次束を形成するように前記光束から光を伝える二次ひとみの方形メッシュを前記二次元の回折格子内に規定する輝度関数（ＦＩ）と、ａ２）前記回折格子によって実施される位相関数であって、前記二次ひとみの方形メッシュの２つの隣接するメッシュを通過する２つの二次束が逆位相になるような位相ずれをこれら二次束の間にもたらす位相関数（ＦＰ）とを組み合わせることを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記輝度関数（ＦＩ）が、前記方形メッシュの基本メッシュの面積の半分に近い面積を有する二次ひとみを規定していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記輝度関数（ＦＩ）によって規定される前記方形メッシュが正方形メッシュであることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
光束の波面を分析する装置であって、
α）基準平面（ＰＣ）を、前記波面が分析される平面（ＰＤ）と光学的に共役させる入射光学系（Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４）と、
β）前記基準平面（ＰＣ）内に設置された方形メッシュを有しており、前記光束を回折して種々の二次束を発生させる二次元の回折格子（ＧＲ）と、
γ）前記二次束の干渉によって形成され、その像の変形が分析される波面の勾配に関連する当該像を観測する手段と
を備えており、
前記二次元の回折格子が、
前記方形メッシュの第１方向において長さＬであり、前記第１方向と垂直な前記方形メッシュの第２方向において幅ｌである輝度基本メッシュを有しており、分析すべき前記光束から二次束を形成するために前記輝度基本メッシュ内に輝度基本パターンが配置されている輝度格子（ＧＩ）と、
前記方形メッシュの前記第１方向において長さ２Ｌであり、前記方形メッシュの前記第２方向において幅２ｌである位相基本メッシュを有しており、該位相基本メッシュ内に位相基本パターンが配置されている位相格子（ＧＰ）とを備えており、
前記位相格子の前記位相基本メッシュ（２Ｌ、２ｌ）の辺が前記輝度格子の前記輝度基本メッシュの辺と一致し、
前記位相基本パターンが、隣接する２つの輝度基本パターンを通過する２つの二次束間にπ（２πモジューロ）に近い位相ずれをもたらすように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項５】
前記輝度格子（ＧＩ）が方形クロスロンチ型であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記位相格子（ＧＰ）が二段厚みの市松模様型であることを特徴とする請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
前記方形メッシュを有する二次元の回折格子（ＧＲ）が透過モードで動作することを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記方形メッシュを有する二次元の回折格子（ＧＲ）が反射モードで動作することを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光束の波面分析を目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
この種の分析により、光学要素の検査、光学機器の品質認証、ならびに能動または適応光学系内で使用される変形可能光学素子の制御が可能である。またこの種の分析により、地球の大気を通過する際、あるいは風洞内で遭遇する乱流媒質内の光学的屈折率の変化など、直接測定が不可能な物理的現象の研究も可能である。またこの種の分析は、たとえばマトリクス焦点面などの電子部品の平面度の検査、ならびに出力レーザビームの整形にも使用される。
【０００３】
本発明による波面の分析の種類は、分析すべき束の進路上に位置決めされた回折格子を使用することに基づく。
【０００４】
以下の説明をよく理解するために、このような格子を、位相、輝度、あるいは両者の周期的変動をもたらす光学装置であると規定する。あらゆる格子は、格子によりもたらされる周期的位相変動を示す位相関数と、格子によりもたらされる周期的輝度変動を示す輝度関数の２つの関数を乗算することを特徴とする。
【０００５】
出願人は、そのフランス特許第２７１２９７８号に従い、二次元格子の構成形態および規定を再度記す。２方向において等間隔で配置された点の集合は平面メッシュを構成する。この点は基本メッシュを規定する。基本メッシュは、面を規定する二方向に沿って非間隙で覆うための最小表面積である。基本メッシュの多角形は、集合の任意の点をその最も近い隣接点に接続する区間の垂直二等分線により辺が支持される最小表面積の多角形である。二次元格子は、平面メッシュに従い配置された基本モチーフの任意の反復である。平面メッシュは、六角形または矩形（正方メッシュは後者の特別な場合に過ぎない）の基本メッシュを規定することができる。
【０００６】
入射束と呼ばれる光束を回折格子に当てる場合、出射束と呼ばれる格子によって回折された光束は等価な２つの手法により記述することができる。
【０００７】
第１の手法は、出射束を入射束の複製とみなすことにある。この複製は二次束と呼ばれ、それぞれが格子の回折命令に対応する。
【０００８】
第２の手法は、出射束を格子の各メッシュにより回折される束とみなすことにある。これらは二次束と呼ばれる。
【０００９】
格子により輝度関数がもたらされる場合、各二次束は二次ひとみから出される。
【００１０】
「Ｐｈａｓｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  ａｄａｐｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃｓ」、Ｊ．Ｃ．ＷＹＡＮＴ、ＡＧＡＲＤ  Ｃｏｎｆ．Ｐｒｏｃ．，Ｎｏ３００、１９８１に記述されている「ハルトマン−シャック」分析器が知られている。全体的な動作原理は、分析すべき位相不良を、位相関数で構成される二次元格子を規定するマイクロレンズであって、それぞれが二次束を画定するマイクロレンズのグリッドが設置される分析面と共役させることにある。観測面と呼ばれる、マイクロレンズの焦点の共通面には、波面の勾配に従って変形された斑の二次メッシュが見られる。能動または適応光学系の制御という適用の場合、主なメッシュは矩形である。上の説明は、ハルトマン−シャックの分析器の従来の記述によるものであり、二次ビームへの分解の手法に基づく。マイクロレンズ格子により回折される二次束への分解に基づく別の解釈は、刊行物「Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ  ｏｎ  ａ  Ｈａｒｔｍａｎｎ  ｔｈｅｍｅ」、Ｆ．Ｒｏｄｄｉｅｒ、ＳＰＩＥ、ＴＵＸＯＮ  １９９０において概略が示されている。
【００１１】
この種の分析器は、検出すべき作動差の不良が波長に依存しない限り、多色光で動作するという利点を有する。この分析器は、ただ１つの光学素子で構成され、実施がきわめて簡単であり、その光効率はきわめて良い。しかしながら、その感度およびその動力特性はマイクロレンズのグリッドを交換しないと調節することができない。副次抽出法と呼ばれる分析モードでは、この分析器により、低輝度光源を基にして波面の分析も可能である。この分析モードは、波面の勾配のいくつかの側定点に細い有効束を集中するために、測定すべき波面の如何に関わらず、少数のマイクロレンズを使用する。
【００１２】
出願人は上述のフランス特許第２７１２９７８号は、二次元位相および／または輝度格子および空間ろ波システムを使用する三辺偏移干渉計を記述している。二次束への分解による手法によれば、格子は、不良の共役面内で、分析すべき入射束を３つの二次束に光学的に分割する。このようにして得られた３つの二次束の特別な光学的処理により、採用する観測面の如何に関わらずコントラストが不変である光斑の六角形メッシュから成る干渉写真を観測することができる。この干渉写真は波面の勾配に対し感応し、しかもダイナミックレンジおよび感度の無段調節が可能である。そこにおける観測距離は、観測面と、感度０と呼ばれる面との距離と規定され、後者は、空間フィルタの下流側に位置する格子の面の共役面である。出願人は、論文「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｔｈｒｅｅ−Ｗａｖｅ（ｏｒ  ｍｏｒｅ）Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｈｅａｒｉｎｇ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ」Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ａ，ｖｏｌｕｍｅ１２，Ｎｏ１２，ｄｅｃｅｍｂｅｒ  １９９５において、この干渉計から、干渉写真において観測される光斑の二次元メッシュが矩形であり、したがって能動または適応光学系の制御という適用により適した四辺偏移干渉計への改修の概略説明を行っている。
【００１３】
この種の分析器は色消しでありその光効率はハルトマン−シャック分析器の光効率に近い。反対に、この種の分析器は、二次束を選択するための空間ろ波システムを、格子と干渉縞システムの干渉面との間に挿入することから、実施がより複雑である。さらに、空間ろ波システムは、強く擾乱された光束またはきわめて広いスペクトル幅の光束の測定に対して制限を課す。このように、この種の分析器では、ハルトマン−シャック分析器に関して提起した副次抽出分析モードができない。
【００１４】
したがって、実施が簡単であることと、強く擾乱されたまたはきわめて広いスペクトル幅の低輝度光源を基にしたハルトマン−シャック分析器の動作能力と、フランス特許第２７１２９７８号の三辺偏位干渉計、あるいは論文「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ｔｈｒｅｅ−Ｗａｖｅ（ｏｒ  ｍｏｒｅ）Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｈｅａｒｉｎｇ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ」に概略が記されている四辺偏移干渉計のダイナミックレンジ調節の柔軟性とを同時に兼備した干渉計を自由に使用できることがきわめて望まれる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこの意味において進歩をもたらすことを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、方法または装置の形態で想定することができる。
【００１７】
提供される方法は、
ａ）分析すべき光束に直角であって波面の分析平面と光学的に共役な平面内あるいはその近くに、方形メッシュ二次元格子を設置し、これにより、種々の出射束において束の回折を発生させ、
ｂ）出射束の干渉によって形成され、その変形が分析される波面の勾配に関連する像を、平面内で生成し観測する、
光束の波面を分析するための方法である。
【００１８】
本発明の一態様によれば、操作ａ）は、
ａ１）分析すべき束の光に、二次束の方形メッシュを透過させる、二次ひとみの方形メッシュを規定する輝度関数と、
ａ２）隣接する２つの二次束が逆位相になるような位相ずれをこれらの二次束の間にもたらす位相関数と
を乗算することを含む。
【００１９】
逆位相という言葉から、絶対逆位相に実質的に近い位相ずれも理解しなければならない。
【００２０】
これにより、このようにして規定された２つの関数の乗算を実現する回折格子は、伝播し干渉して、格子の面に平行なあらゆる観測面において、コントラストが実質的に観測距離および使用波長とは無関係な光スポットの方形メッシュの形態の像を生成する二次束方形メッシュを回折する。
【００２１】
光スポットの方形メッシュは、感度０の面である格子の面内で観測することができる。有利には、メッシュは、分析すべき波面の勾配および所望するダイナミックレンジに応じてユーザ選択した観測距離のところに位置する面内で行われる。
【００２２】
この方法は多色光で動作し、また観測距離を調節することにより、機器の感度および動力特性の無段階調節を通して、強く擾乱された光束の測定が可能である。
【００２３】
こうしてユーザは、空間ろ波システムの挿入にともなう実施の制約をうけることなく四辺偏移干渉計の動力特性の無段階調節という柔軟性を得ることができる。
【００２４】
本発明は、提案された方法を実施することが可能な装置も包含する。このような装置は、
α）基準面を、波面が分析される平面と共役させる入射光学系と、
β）基準面内に設置され、種々の出射束への束の回折を発生させる方形メッシュ二次元格子と、
γ）出射束の干渉によって形成され、その変形が分析される波面の勾配に関連する像を観測する手段と
を備える光束の波面を分析するための装置である。
【００２５】
本発明によれば、本装置は、β）の格子が、
−  メッシュの第１方向において長さＬ、メッシュの第２方向において幅ｌの輝度基本メッシュを有し、そこに輝度基本モチーフが配置される輝度格子と、
−  メッシュの第１方向において長さ２Ｌ、メッシュの第２方向において幅２ｌの位相基本メッシュを有し、そこに位相基本モチーフが配置される位相格子とを備え、
位相格子のメッシュの側が輝度格子のメッシュの側と一致し、
位相基本モチーフが、隣接する２つの輝度基本モチーフを横断する２つの二次束間にπに近い位相ずれ（２πモジューロ）をもたらすようになっている
ことを特徴とする。
【００２６】
本発明による好ましい二次元輝度格子は、表面積が輝度基本メッシュの表面積の５０％前後の方形輝度基本モチーフを有する。
【００２７】
ある厚さとある透過率を有する材料で実施された本発明による好ましい二次元位相格子は、４つの目を有する市松模様型の位相基本モチーフを有し、市松模様のそれぞれの目は、輝度基本メッシュの長さＬ、幅ｌを有し、隣接する２つの目は、屈折率の変化により、規定の位相関数を実現する種々の厚さを有する。
【００２８】
本発明の他の特徴および長所は、以下の詳細な記述と添付の図面を参照することにより明らかになろう。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１Ａにおいて、多色光光源ＳはコリメータレンズＯ１の焦点に設置される。レンズＯ１から出た平行光束は被試験試料を照射するが、この被試験試料は平面ＬＡとして略図で示してあり、平面ＰＤ内に設置され、平面度不良Ｄ１を有する。試料は別の任意の光学システム（レンズまたは鏡、特に反射望遠鏡の鏡）、あるいは単に、たとえば流れによって乱されるガス媒質とすることができる。
【００３０】
天文学における適用の場合に本発明を実施することが可能な装置を図１Ｂに示す。たとえば星のようにきわめて遠い光源から出される平面波は、回折率の変動を波線で示す乱流媒質を通過する。
【００３１】
入力部は、本発明による方法を実施することができる光学的適合を実現する。
【００３２】
この適合は好ましくは、２つのレンズＯ２およびＯ４から成り、中間位置に視野レンズＯ３を置いた無限遠焦点レンズにより実現される。この無限遠焦点レンズは、面ＰＤ内で分析される光束の直径を面ＰＣ内に位置する二次元格子の直径に適合させる機能と、分析すべき不良が位置する平面ＰＤと平面ＰＣを光学的に共役させる機能とを有する。
【００３３】
これら２つの面の間でこの共役を実現する他の手段も可能である。
【００３４】
分析面ＰＣ内に、輝度関数および位相関数の組み合せを実施することができる二次元格子（ＧＲ）を設置する。この格子は、たとえば図５の格子のように、２つまたはそれ以上の格子（ＧＩ３Ａ、ＧＰ４）で構成することができる。本発明の格子の特徴となるのは関数の特定の組み合せであって、特定の実施形態ではない。
【００３５】
図示する実施例では、格子は、輝度格子ＧＩと位相格子ＧＰとで構成される。
【００３６】
輝度格子ＧＩは、分析すべき束の光をいくつもの二次束で伝搬する二次ひとみの方形メッシュを規定する輝度関数ＦＩを実現する。
【００３７】
位相格子ＧＰは、隣接する２つの二次束の間に、π（２πモジューロ）に近い平均位相ずれをもたらす位相関数ＦＰを実現する。
【００３８】
面内でこれら２つの関数が実現される順序は重要ではない。
【００３９】
本発明によれば、干渉写真はスポットの方形メッシュで構成される。
【００４０】
面ＰＣは感度０の面である。
【００４１】
観測は、面ＰＣから選択した観測距離ｄのところに位置する面ＰＳ内で行われる。
【００４２】
本装置のダイナミックレンジおよび感度は観測距離により異なる。したがってｄが０の時には、観測面は、格子が位置し感度が０である分析面ＰＣと同じであるとみなされる。
【００４３】
一般に、面ＰＳとより接近し易い作業面との間に光学的共役を実現するレンズでたとえば構成される面ＰＳの補完的観察手段を使用することができる。
【００４４】
図２は、長さＬ、幅ｌの方形基本メッシュを特徴とする方形メッシュ二次元格子ＧＲを示す図である。破線で示すメッシュは最終の格子において必ずしも可視であるとは限らない。各メッシュ内にはモチーフＭＯが示してあるが、これは入射光束に対し、位相の変化、輝度の変化、あるいは両者の変化をもたらすものである。
【００４５】
図３は、本発明の方法による輝度関数を実現する簡単な手段を提供する二次元輝度格子Ｇ１を示す図である。図３Ａは、長さＬ、幅ｌの方形メッシュで交差するクロスロンチ型格子ＧＩ３Ａを示す図である。塗りつぶした部分は透過が０であり、空白の部分は透明であるか反射する。これらの空白部分は二次ひとみを構成する。これらの空白部分の寸法ＬＩおよびｌＩはとくに、それぞれ２Ｌ／３、２ｌ／３に近い。したがって二次ひとみの表面積は、基本メッシュの表面積の半分に近い。図３Ｂは、寸法Ｌの正方メッシュクロスロンチ型格子ＧＩ３Ｂを示す図であり、出願人の見解によれば、本発明の最も有利な使用形態である。
【００４６】
図４は、本発明の方法により位相関数を実施する簡単な手段を提供する二次元位相格子ＧＰの例の斜視図である。図４は、辺２Ｌおよび２ｌの方形メッシュの市松模様形格子ＧＰ４を示す図である。格子ＧＰ４は、段階的に厚さが周期的に変化するため、隣接する段の間の厚さの差ｅは以下の式に従う。
ｅ＝λ／ｎ＊（ｋ＋１／２）
ここでλは使用平均波長であり、
ｎは、
−  伝搬中に位相格子を使用する場合には材料の屈折率、あるいは
−  反射中に位相格子を使用する場合には伝搬媒質の屈折率の２倍
であり、ｋは整数である。
【００４７】
格子ＧＰ４の塗りつぶし面は、透過時に使用される格子の場合には透明にし、反射時に使用される格子の場合には反射するようにすることができる。
【００４８】
格子ＧＩおよびＧＰを実施するのに有利な手段は、半導体産業で広く使われているフォトリソグラフィによるマスキングおよびエッチング技術である。したがってＧＩは、金属マスクの堆積により基板エッジ上に実施し、ＧＰは基板エッジのエッチングにより実施することができる。これらの技術により、１つの基板エッジだけで、ＧＩおよびＧＰの２つの関数ＦＩおよびＦＰを兼備した二次元位相および輝度格子を実施することが可能である。
【００４９】
たとえば干渉写真の感光板への記録の原理に基づいて、格子ＧＩおよびＧＰによる２つの関数ＦＩおよびＦＰの別の実施方法も可能であり、それによりホログラフィ格子を実現することができる。
【００５０】
格子ＧＩおよびＧＰを組み合わせることにより、コントラストが実質的に観測距離ｄおよび使用波長とは無関係な光スポットメッシュを生成することができる。ロンチ型の輝度格子ＧＩによってもたらされる突然の輝度変化のため、伝播途中にコントラストの変化が生じ、その結果、光スポットの高周波の局部的変形が生じる。この寄生変形は、２方向において見られる輝度の正弦変調と比較すればまだ微細であり、波面の分析を混乱させることはない。
【００５１】
フランス特許出願第２６８２７６１号では、出願人は、波面の勾配を知るために、得られた干渉像の分析手法を提案した。これらの手法は、本発明により得られる光スポットのメッシュにそのまま適用することができる。
【００５２】
光スポットのメッシュの変形の格子は、光スポットの共通重心の位置の計算によっても得ることができる。ハルトマン−シャック型分析器の場合に頻用されるこの手法は、本発明により得られる光スポットの方形メッシュにそのまま適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】光学要素の制御のための本発明の実施が可能な装置の原理の概略図である。
【図１Ｂ】星のような多色光源から出た束を横切る地球大気などの擾乱媒質を測定するための本発明の実施が可能な装置の原理の概略図である。
【図２】方形メッシュ二次元格子を示す図である。
【図３Ａ】本発明において使用可能な方形メッシュ輝度格子の例を示す図である。
【図３Ｂ】本発明において使用可能な正方メッシュ輝度格子の例を示す図である。
【図４】本発明において使用可能な方形メッシュ位相格子の例を示す図である。
【図５】本発明による方形メッシュ格子の例を示す図である。
【符号の説明】
ｄ  距離
Ｄ１  平面度不良
ｅ  厚さ
ＦＩ  輝度関数
ＦＰ  位相関数
ＧＩ  輝度格子
ＧＩ３Ａ、ＧＩ３Ｂ  クロスロンチ型格子
ＧＰ  位相格子
ＧＰ４  方形メッシュの市松模様形格子
ＧＲ  二次元格子
ｌ  幅
Ｌ  長さ
ＬＡ  平面
ＭＯ  モチーフ
Ｏ１  コリメータレンズ
Ｏ２、Ｏ４  レンズ
Ｏ３  視野レンズ
ＰＣ  基準面
ＰＤ  分析面
Ｓ  多色光光源
【図１Ａ】
0004834211.tif 000002
【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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