(57)【要約】【課題】  多様な被検光学系を測定できる収差測定装置を提供すること。【解決手段】  シャックハルトマン測定系において、被検レンズのＦナンバーに応じて測定系のコリメータレンズの焦点距離を変更可能とする手段及び／又は被検レンズの射出瞳距離に応じてマイクロレンズの位置を光軸方向に移動可能な手段を有する構成とした。【選択図】  図１
2005098933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検光学系の収差を測定する収差測定装置において、
被検光学系を照明する光源と、
被検光学系からの光を略平行光とするコリメータレンズと、
該コリメータレンズからの略平行光を検出手段上に結像させるマイクロレンズアレイと、を有し、
前記コリメータレンズは、その焦点距離が変更可能であることを特徴とする収差測定装置。
【請求項２】
前記被検光学系のＦナンバーに応じて、前記コリメータレンズの焦点距離を調整することを特徴とする請求項１記載の収差測定装置。
【請求項３】
前記マイクロレンズアレイは、前記コリメータレンズの光軸方向に移動可能であることを特徴とする請求項１記載の収差測定装置。
【請求項４】
被検光学系の収差を測定する収差測定装置において、
被検光学系を照明する光源と、
被検光学系からの光を略平行光とするコリメータレンズと、
該コリメータレンズからの略平行光を検出手段上に結像させるマイクロレンズアレイと、を有し、
前記マイクロレンズアレイは、前記コリメータレンズの光軸方向に移動可能であることを特徴とする収差測定装置。
【請求項５】
前記マイクロレンズアレイは、前記検出手段と一体で前記光軸方向に移動可能であることを特徴とする請求項３又は４記載の収差測定装置。
【請求項６】
前記被検光学系の射出瞳距離に応じて、前記マイクロレンズの位置を調整することを特徴とする請求項３又は４記載の収差測定装置。
【請求項７】
前記被検光学系と前記コリメータレンズによって形成される射出瞳の位置を検知する手段を有し、該手段による検知結果に基づいて前記マイクロレンズアレイを前記コリメータレンズの光軸方向に移動することを特徴とする請求項３又は４記載の収差測定装置。
【請求項８】
被検光学系の収差を測定する収差測定装置において、
被検光学系を照明する光源と、
被検光学系からの光を略平行光とするコリメータレンズと、
該コリメータレンズからの略平行光を検出手段上に結像させるマイクロレンズアレイと、
前記マイクロレンズアレイの所定のレンズからの光のみが、前記検出手段上に結像されるように制御する機構と、を有することを特徴とする収差測定装置。
【請求項９】
前記機構は、前記マイクロレンズアレイの所定の１つのレンズからの光のみが、前記検出手段上に結像されるように制御することを特徴とする請求項８記載の収差測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的大きな収差を有する光学系あるいは光学素子の収差を測定するための装置に関し、特に銀塩カメラやビデオカメラ、放送機器用カメラ等に使われる撮影レンズの収差特性を効果的に測定できるシャックハルトマン方式の収差測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学系あるいは光学素子の結像性能を評価するための装置としては、チャート投影器、ＭＴＦ測定器、ピンホール顕微鏡などが広く使われている。また、定量的に収差量を測定するための装置としては、フィゾー型干渉計やシアリング干渉計などが広く使われている。しかしながら上述の干渉計は測定精度が高い反面、収差量が大きすぎると干渉縞の本数が２次元フォトセンサで識別不可能なほど多くなり、測定できなくなってしまう。また、干渉計では基本的にコヒーレント光源を必要とするため、測定できる波長が制約されてしまうという短所があった。
【０００３】
銀塩カメラやビデオカメラ、放送機器用カメラ等に使用される撮影レンズは、波面収差が比較的大きく、干渉計での収差測定が困難な場合がある。特に焦点距離の長いレンズでは、性能上許容レベルの横収差量であっても波面収差量としては干渉計で測定できる範囲を越えていることが多い。
【０００４】
さらに、組立調整前のレンズユニットやレンズ単体の収差量を評価したい場合にも、収差量が大きすぎて干渉計では測定できないことが多い。
【０００５】
また、撮影レンズでは色収差や波長による収差特性の違いを評価することが必要であるが、これはコヒーレント単色光源を使う干渉計では測定困難なため、定性的な評価やＭＴＦ測定だけで評価せざるを得ないことが多い。ＭＴＦ測定ではトータルな解像度やコントラストを定量的に評価することができるが、具体的にどのような収差が発生しているかが分かりにくいため、結像性能が期待通りで無い場合の原因究明や、光軸調整のための指針としては役に立たない場合が多い。
【０００６】
コヒーレントな光源を必要としない収差測定器としてはシャックハルトマン方式が知られており、大型望遠鏡の波面収差測定などに使用されている（例えば、特許文献１参照。）。シャックハルトマン方式では被検光学系で集光された光束をコリメータレンズで平行光とし、マイクロレンズアレイを通して瞳分割された複数の像を作り、２次元フォトセンサで検出した各々の像位置のズレから収差量を算出する仕組みになっている。
【０００７】
大型望遠鏡では光源として恒星からの略平行光を使用し、望遠鏡の主鏡面と共役な射出瞳位置にマイクロレンズアレイを配置している。また、測定値の校正のために参照光源を別途用意して、ビームスプリッタにより測定光と同じ光路を通して検出手段としての２次元フォトセンサに導いている。
【０００８】
シャックハルトマン方式による被検光学系としての反射面の波面収差測定法の構成を図６に示す。
【０００９】
図６において５は波面収差を測定する被検反射面を有する反射鏡（被検光学系）、７は被検反射面からの射出光が結像した後、再度略平行光束に変換されるコリメータレンズである。８はマイクロレンズアレイで、７のコリメータレンズからの略平行光束をマイクロレンズアレイのレンズごとに９の検出手段としての受光素子上に結像させる働きをする。
【００１０】
マイクロレンズアレイへの入射光が平面波であれば、９の受光素子上においてマイクロレンズアレイの各レンズの光軸上に結像し、入射光の傾きにほぼ比例して結像点が移動する。
【００１１】
マイクロレンズアレイと被検面はほぼ共役とすると、マイクロレンズアレイの一つのレンズ範囲は被検面の一領域に対応する。
【００１２】
その一領域内にスロープエラーがあると、その領域内のスロープエラーの平均値に比例して、傾きを持った光束が８のマイクロレンズアレイに入射し、９の受光素子上において、基準結像点から離れた点に結像する。
【００１３】
該基準結像点を得るための光学系は、１２の参照光源、７の参照光源用ピンホール、６のビームスプリッタ（ハーフプリズム）によって構成される。
【００１４】
参照光源１２で照明された１３の参照光源用ピンホールを、６のビームスプリッタの反射面に対して、５の被検反射面の焦点位置と対称な位置に配置し、６のビームスプリッタで測定光路に導き、７のコリメータレンズ（リレーレンズ）及び８のマイクロレンズアレイによって９の受光素子（撮像素子）上に結像させた点を基準結像点とする。
【００１５】
１７及び１８はシャッターで、９の受光素子上に結像する像が、５の被検反射面からの光束による像、もしくは１３の参照光源用ピンホールからの光束による像を判別できるように光路を開閉する為のものである。
【００１６】
１８のシャッターを閉じ、１７のシャッターを開けると、８のマイクロレンズアレイには１３の参照光源用ピンホールからの収差の無いほぼ理想的な光束が入射し、図３のマイクロレンズアレイにおいて、レンズ部Ａ１に入射した略平行光束は、レンズ部Ａ１の光軸上にある図４の受光素子上のＳ１に結像する。同様にレンズ部Ａ２、Ａ３及びＡ４に入射した光束はそれぞれのレンズ部の光軸上にある受光素子上Ｓ２、Ｓ３及びＳ４に結像する。
【００１７】
１７のシャッターを閉じ、１８のシャッターを開けると、８のマイクロレンズアレイには５の被検反射面からの光束が入射する。もし５の被検反射面に収差があると、７のコリメータレンズからの射出光が収差の分だけ傾きが発生し、レンズ部Ａ１に入射した光束は、図４の受光素子上のレンズ部Ａ１の光軸上から離れたＬ１に結像する。
【００１８】
同様にレンズ部Ａ２、Ａ３及びＡ４に入射した光束もそれぞれ同様に光軸上から離れた受光素子上Ｌ２、Ｌ３及びＬ４に結像する。
【００１９】
レンズ部Ａ１に対応する５の被検反射面の領域の収差は、Ｌ１とＳ１の結像位置の差から算出される。
【００２０】
同様にレンズ部Ａ２，Ａ３及びＡ４に対応する５の被検反射面の領域の収差は、Ｌ２とＳ２，Ｌ３とＳ３、及びＬ４とＳ４の結像位置の差から算出される。
【特許文献１】特開平０５−０１８７１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
収差を測定する場合、検出手段上の多数の結像位置の中からマイクロレンズアレイの同一レンズを通過した基準結像点位置と、５の被検反射面による結像点位置の組合せを見分けなければならない。
【００２２】
５の被検反射面の収差量が比較的小さい場合、基準結像点位置と５の被検反射面による結像点位置の差は小さいので、結像点を識別するには５の被検反射面による結像点位置に最も近い基準結像点位置を選択して組み合わせばよい。
【００２３】
図４において５の被検反射面による結像点位置Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３及びＬ４の各位置に対して、最も近い基準結像点位置Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３及びＳ４を選ぶことによりＬ１／Ｓ１、Ｌ２／Ｓ２、Ｌ３／Ｓ３、及びＬ４／Ｓ４の結像点位置の組合せが得られる。
【００２４】
５の被検反射面の収差量が比較的大きい場合、５の被検反射面による結像点位置は光軸上から大きく離れてしまい、最も近い基準結像点位置が正しい組合せの結像点ではない場合が生じる。
【００２５】
例えば図５の５の被検反射面による結像点位置Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３及びＬ１４に対して、最も近い基準結像点位置を選択すると、Ｌ１１／Ｓ１、Ｌ１２／Ｓ２、Ｌ１３／Ｓ４、Ｌ１４／Ｓ５の組合せになってしまい、マイクロレンズアレイの同一レンズを通過した光束の結像点ではない組合せになってしまい、正しい収差が測定できなくなるという問題がある。
【００２６】
また、シャックハルトマン方式では像位置の変化から収差量を求めるので、焦点距離の長い大型望遠鏡に使用した場合には回折限界以上の高い精度で波面収差を測定できる一方、撮影レンズなど比較的大きい収差を有する光学系あるいは光学素子の収差測定にも対応可能である。ただし、大型望遠鏡のような場合には被検光学系（望遠鏡）が不変なので、シャックハルトマン測定系の配置は被検光学系に最適化することが可能であるが、撮影レンズのように多様な焦点距離やＦナンバーの光学系を測定する場合には問題が生じる。一般にシャックハルトマン測定系では、被検光学系の瞳を分割するマイクロレンズアレイの配列数に制約があるため、フィゾー干渉計等に比べて測定の空間分解能が低くなってしまう短所があり、被検光学系の射出側Ｆナンバーとシャックハルトマン測定系の入射側Ｆナンバーが一致しないとマイクロレンズアレイの一部しか活用できなくなる。その結果、瞳の分割数が少なくなり、被検光学系の収差に急峻な空間的変化がある場合には検出できなくなってしまうという問題があった。
【００２７】
さらに、多様な被検光学系を測定しようとすると、被検光学系の射出瞳位置もレンズによって異なるため、マイクロレンズアレイの位置が被検光学系の入射瞳と共役な射出瞳の位置から大きくずれてしまい、各々のマイクロレンズが受け持つ領域が瞳の正確な分割領域に対応しなくなってしまう。その結果、被検光学系の収差に急峻な空間的変化があった場合には正確に検出することができなくなってしまうという問題があった。
【００２８】
そこで、本発明の例示的な目的は、多様な被検光学系を測定できる収差測定装置を提供することにある。
【００２９】
また、本発明の更なる例示的な目的は、被検光学系の収差量が大きい場合にも、正しい収差が測定できる収差測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての収差測定装置は、被検光学系の収差を測定する収差測定装置において、被検光学系を照明する光源と、被検光学系からの光を略平行光とするコリメータレンズと、該コリメータレンズからの略平行光を検出手段上に結像させるマイクロレンズアレイと、を有し、前記コリメータレンズは、その焦点距離が変更可能であることを特徴とする。
【００３１】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての収差測定装置は、被検光学系の収差を測定する収差測定装置において、被検光学系を照明する光源と、被検光学系からの光を略平行光とするコリメータレンズと、該コリメータレンズからの略平行光を検出手段上に結像させるマイクロレンズアレイと、を有し、前記マイクロレンズアレイは、前記コリメータレンズの光軸方向に移動可能であることを特徴とする。
【００３２】
上記目的を達成するために、本発明の別の一側面としての収差測定装置は、被検光学系の収差を測定する収差測定装置において、被検光学系を照明する光源と、被検光学系からの光を略平行光とするコリメータレンズと、該コリメータレンズからの略平行光を検出手段上に結像させるマイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイの所定のレンズからの光のみが、前記検出手段上に結像されるように制御する機構と、を有することを特徴とする。
【００３３】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施例等によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００３４】
従来よりも、性能の良い収差測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００３６】
図１に本発明の実施形態１の説明図を示す。
【００３７】
図中の１は測定光源、２は波長選択フィルタ、３は測定光源用ピンホール、４は測定光源用コリメータ、５’は被検レンズ、６はビームスプリッタ、７はコリメータレンズ、８はマイクロレンズアレイ、９は２次元フォトセンサ、１０は画像信号処理部、１１は収差演算部、１２は参照光源、１３は参照光源用ピンホール、１４はコリメータレンズ変更手段、１５はマイクロレンズアレイ移動手段、を表している。
【００３８】
測定用光源１から発した白色光は波長選択フィルタ２により所望の単色光に変換され、測定光源用ピンホールを通過して点光源となる。この点光源からの光は測定光源用コリメータ４により必要な口径を有する平行光となり、被検レンズ５’に入射する。被検レンズ５’からの射出光は焦点面で結像した後、ビームスプリッタ６およびコリメータレンズ７を通過して小口径の平行光となり、マイクロレンズアレイ８にて多数の像点に結像される。その結像面にはＣＣＤ等の２次元フォトセンサ９が置かれ、マイクロレンズアレイ８によって生成された像点の各々の光量分布を検出する。２次元フォトセンサ９からの信号は画像信号処理部１０によって演算され、各像点の位置情報が算出される。
【００３９】
一方、参照光源１２から発した光はビームスプリッタ６で反射し、被検光と同様にコリメータレンズ７，マイクロレンズアレイ８を通って２次元フォトセンサ９の上で多数の像点に結像される。
【００４０】
図中には記していないが、測定光源用ピンホール３と参照光源用ピンホール１３はそれぞれシャッタ機能を有しており、被検光を検出する際には参照光源１２からの光を遮光し、参照光を検出する際には測定光源１からの光を遮光することができる。そして、検出された被検光の像点位置と参照光の像点位置のズレ量から、収差演算部１１により横収差または波面収差が算出される。ここで被検光学系のＦナンバーあるいはＮＡ値を収差演算部に与えれば、縦収差を算出することも可能である。なお、参照光のビームスプリッタ６以降の光路が測定光と参照光で共通なため、コリメータレンズ７およびマイクロレンズアレイ８の収差の影響はキャンセルされて測定誤差に寄与しない。
【００４１】
このような測定装置において、被検光学系５’のＦナンバーがコリメータレンズ７のＦナンバーより大きい場合、コリメータレンズ７を通過後の測定光束の口径がマイクロレンズアレイ８の口径より小さくなってしまい、マイクロレンズアレイ８の一部のマイクロレンズしか活用できなくなってしまう。そうすると収差測定の空間分解能が著しく低下してしまう。逆に被検光学系５’のＦナンバーがコリメータレンズ７のＦナンバーより小さい場合には、被検光学系５’のアパチャーを通過した光束の一部しかコリメータレンズを通過できないため、アパチャー全域の収差測定ができなくなる。それを防ぐため本実施形態では、コリメータの焦点距離変更手段として、焦点距離が異なる複数のコリメータレンズを回転するターレットに保持して配置している。ただし、これら複数のコリメータレンズは全てバックフォーカスの長さが同じになるように設計する。コリメータレンズ７をターレットではなくスライドステージ上に保持してレンズ交換式としてもよい。この場合は各コリメータレンズ７のバックフォーカス長さを共通にする必要はない。あるいは別の変更手段として、コリメータレンズ７を連続的に焦点距離が変更可能なズームレンズとしてもよい。
【００４２】
次に、マイクロレンズアレイ移動手段について説明する。マイクロレンズアレイ８は被検光学系の瞳を複数に分割した各領域の収差量を測定するための素子であるから、入射瞳と光学的に共役な位置に置くことが望ましい。この位置は、被検光学系５’とコリメータレンズ７を合成した系の射出瞳位置である。この位置から大きくずれると、各マイクロレンズの境界が分割された瞳の各領域の境界と対応しなくなり、収差測定の正確性が失われる。本実施形態では、被検光学系の様々な射出瞳距離に対しても正確な収差測定ができるように、マイクロレンズアレイ８をスライドステージ上に保持することによって光軸方向に移動可能としている。その際、マイクロレンズアレイ８の理想像点位置が常に検出面上にあるように、マイクロレンズアレイ８とＣＣＤ９は一体に動かすようにしている。マイクロレンズアレイ８の移動量は、不図示の射出瞳検知手段によって決定される。射出瞳検知手段としてはＣＣＤ９を使用する。射出瞳位置の検出に際しては、測定光源用ピンホール３の代わりに透過型拡散板を置いて面積光源とし、マイクロレンズアレイ８を一時的に光軸上から退避させることにより、ＣＣＤ９にはコリメータレンズ７からの光束が直接入射する。射出瞳とはいろいろな入射角の光が集約される位置であるから、ＣＣＤ９上に投影される光の面積が最小になる位置を検出すればよい。ただし、被検光学系の射出瞳距離が予め分かっている場合には、測定作業者による入力情報を射出瞳位置の検知手段としてもよい。
【００４３】
なお、本実施例では被検レンズ５’に入射する略平行光を生成するために測定光源用コリメータ４を使用しているが、被検レンズ４の焦点面に点光源を置き、被検レンズ５’を通過した後の略平行光を平面鏡で折り返すというオートコリメーション式の測定配置にも適用可能である。
【００４４】
以上説明したように、本実施例によれば、干渉計では測定困難な比較的収差の大きい光学系あるいは光学素子の収差を任意の波長で高精度に測定することが可能であり、特に被検光学系のＦナンバーや射出瞳距離が多様であっても支障をきたさずに測定できる。
【実施例２】
【００４５】
図２は本実施例の収差測定装置の図である。
【００４６】
図２において５は波面収差を測定する被検反射面を有する反射鏡、７は被検反射面からの射出光が結像した後、再度略平行光束に変換されるコリメータレンズである。８はマイクロレンズアレイで、７のコリメータレンズからの略平行光束をマイクロレンズアレイのレンズごとに９の受光素子上に結像させる働きをする。
【００４７】
１６はマイクロレンズアレイの各単一レンズに対応する液晶シャッターアレイで、各単一レンズごとに光束の入射を制限するものである。
【００４８】
１６の液晶シャッターアレイを、図３のマイクロレンズアレイにおけるレンズ部Ａ３だけが開いている状態にして、１８のシャッターを閉じ、１７のシャッターを開けると、８のマイクロレンズアレイには１３の参照光源用ピンホールからの収差の無いほぼ理想的な光束が入射し、レンズ部Ａ３に入射した略平行光束は、レンズ部Ａ３の光軸上にある図５の受光素子上のＳ３に結像する。この時Ａ１，Ａ２及びＡ４は１６の液晶シャッターが閉まっているため光束は入射せず、９の受光素子上にはＳ３の像だけとなり、結像位置を測定できる。
【００４９】
次に１８のシャッターを開け、１７のシャッターを閉じると８のマイクロレンズアレイには５の被検反射面からの光束が入射するが、１６の液晶シャッターアレイはレンズ部Ａ３だけ開いている状態なので、受光素子上のＬ１３の像だけとなり、結像位置を測定できる。
【００５０】
１６の液晶シャッターアレイの開閉を制御することにより、マイクロレンズアレイの各単一レンズごとに結像位置を測定する。
【００５１】
以上説明したように、本実施例の発明によれば、被検反射面の収差量が大きい為に、基準結像点位置と被検反射面による結像点位置が検出手段上で離れて結像した場合でも、マイクロレンズアレイの同一レンズを通過した光束の組合せを決定でき、正しい収差が測定できる。
【００５２】
なお、本実施例のおいては、液晶シャッターアレイ１６をコリメータレンズ７とマイクロレンズアレイ８の間に配置したが、マイクロレンズアレイ８と受光素子９の間に配置しても良い。
【００５３】
また、本実施例２を実施例１に適用してもよい。
【００５４】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施例１の説明図である。
【図２】実施例２の収差測定装置の概略光路図である。
【図３】マイクロレンズアレイの概略図である。
【図４】被検反射面の収差が小さい場合の、検出手段上の結像点概略図である。
【図５】被検反射面の収差が大きい場合の、検出手段上の結像点概略図である。
【図６】従来例の概略図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  測定光源
２  波長選択フィルタ
３  測定光源用ピンホール
４  測定光源用コリメータ
５  被検光学系（被検反射面）
５’  被検光学系（被検レンズ）
６  ビームスプリッタ
７  コリメータレンズ
８  マイクロレンズアレイ
９  検出手段（２次元フォトセンサ）
１０  画像信号処理部
１１  収差演算部
１２  参照光源
１３  参照光源用ピンホール
１４  コリメータレンズ変更手段
１５  マイクロレンズアレイ移動手段
１６  液晶シャッターアレイ
１７  シャッター
１８  シャッター
【図１】
2005098933.tif 000003
【図２】
2005098933.tif 000004
【図３】
2005098933.tif 000005
【図４】
2005098933.tif 000006
【図５】
2005098933.tif 000007
【図６】
2005098933.tif 000008