(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ受けに載置される被検レンズを透過した測定光束をもとに該被検レンズの光学特性を求めるレンズメータにおいて、
前記レンズ受けを通過した光束を受光する波面センサを備え、
前記波面センサは、同一平面内に設けられた複数のレンズと、前記レンズ受けを通過しかつ前記複数のレンズを構成する各レンズを透過して集光された前記光束を光点として受光するエリアセンサとからなり、
前記各レンズは最小の焦点距離を有する領域と最大の焦点距離を有する領域と両焦点距離の間の焦点距離を有する領域との複数の同心状の領域からなり、前記両焦点距離の間の焦点距離を有する領域は前記被検レンズの屈折力の０ディオプターに対応され、前記最大の焦点距離を有する領域は前記被検レンズのプラスディオプターに対応され、前記最小の焦点距離を有する領域は前記被検レンズのマイナスディオプターに対応され、
前記エリアセンサは前記両焦点距離の間の焦点距離を有する領域を通る平面波の光束が結像する位置に配設されていることを特徴とするレンズメータ。
【請求項２】
前記複数の同心状の領域の各焦点距離が前記各レンズの中心部から周縁部に向けて連続的に又は段階的に変化していることを特徴とする請求項１に記載のレンズメータ。
【請求項３】
前記各レンズの中心部が最大の焦点距離を有し、前記各レンズの周縁部が最小の焦点距離を有することを特徴とする請求項２に記載のレンズメータ。
【請求項４】
前記各レンズが回折格子からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレンズメータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波面センサを用いたレンズメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光束の波面形状を測定する波面センサとして、ハルトマンタイプのものが知られている。このハルトマンタイプの波面センサは、複数の微小開口が一定の間隔で規則的に形成されたハルトマンプレートと呼ばれる板状体と、ハルトマンプレートと平行に配置されたエリアセンサとを備える。ハルトマンプレートにはエリアセンサと反対側から光束が入射され、この入射光束は各開口を通過して細い光線となり、エリアセンサ上に開口の数に応じた複数の光点を形成して受光される。
【０００３】
その入射光束が平面波である場合には、ハルトマンプレートにおける開口の間隔とエリアセンサ上の光点の間隔とは等しくなる。また、その開口の間隔と光点の間隔とに異なるところがある場合にも、ハルトマンプレートからエリアセンサまでの距離及びハルトマンプレート上の開口の位置は既知であるため、エリアセンサ上の光点の位置から透過光束の光線方向を算出することができる。この光線方向は入射光束の波面の法線方向に相当するので、複数の光線方向から入射光束の波面形状が測定される。
【０００４】
ところで、Ｓ／Ｎ比の向上を図るため、ハルトマンプレートの各開口には通常同一仕様の単焦点レンズが取り付けられており、エリアセンサはその各レンズの焦点位置に配置されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の波面センサでは、その各開口に取り付けられたレンズが単焦点でかつこの焦点位置にエリアセンサを配置することより、入射光束が平面波である場合にはＳ／Ｎ比を十分に向上させることができるものの、平面波でない場合にはエリアセンサ上における光点がボケてＳ／Ｎ比が著しく低下するという問題がある。
【０００６】
すなわち、図１２（ａ）に示すように、ハルトマンプレート１に取り付けられたレンズ２に入射する光束Ｐが平面波である場合には、レンズ２の透過光束はエリアセンサ３上の一点に集光されて光点Ｑ1を形成し、この光点Ｑ1は図１２に実線で示すような光量分布を有する。ところが、図１２（ｂ）、（ｃ）に示すように、その入射光束Ｐが発散光又は収束光である場合には、レンズ２の透過光束はエリアセンサ３上には集光せずにエリアセンサ３上に比較的大面積の光点Ｑ2，Ｑ3を形成する。この光点Ｑ2，Ｑ3はともに図１３に破線で示すような光量分布を有し、光点Ｑ1のように明確な光量差を持たず甚だボケた状態にある。よって、例えばゴミや傷の存在によりエリアセンサ３の受光量が減少すると光点Ｑ2，Ｑ3はその影響を受けやすく、場合によっては光点として認識されなくなるおそれがある。
【０００７】
また、このようにボケた光点の外縁は不明確であるとともに、光点の中心から外方に大きく広がっているので、エリアセンサ３上において隣接する光点同士がくっつき重なり合うおそれがある。これを回避するにはハルトマンプレート１とエリアセンサ３との離間距離を小さくするか、ハルトマンプレート１の開口間隔を広げる必要があるが、前者では平面波以外のときの光点のずれが小さくなって移動感度が鈍くなり、後者では光点の密度が小さくなって測定点が減少するので、波面形状の測定精度の低下をきたす。
【０００８】
特に、レンズの透過光束等のように波面が平面から大きく変位しているものを測定する場合には、以上のような問題は軽視することができず、光点の大きなボケを回避して測定精度を改善する必要性が高い。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、波面形状にかかわらず光点の大きなボケを回避して、測定を常に高精度に行うことのできる波面センサを用いたレンズメータを提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載のレンズメータは、レンズ受けに載置される被検レンズを透過した測定光束をもとに該被検レンズの光学特性を求めるレンズメータにおいて、
前記レンズ受けを通過した光束を受光する波面センサを備え、
前記波面センサは、同一平面内に設けられた複数のレンズと、前記レンズ受けを通過しかつ前記複数のレンズを構成する各レンズを透過して集光された前記光束を光点として受光するエリアセンサとからなり、
前記各レンズは最小の焦点距離を有する領域と最大の焦点距離を有する領域と両焦点距離の間の焦点距離を有する領域との複数の同心状の領域からなり、前記両焦点距離の間の焦点距離を有する領域は前記被検レンズの屈折力の０ディオプターに対応され、前記最大の焦点距離を有する領域は前記被検レンズのプラスディオプターに対応され、前記最小の焦点距離を有する領域は前記被検レンズのマイナスディオプターに対応され、
前記エリアセンサは前記両焦点距離の間の焦点距離を有する領域を通る平面波の光束が結像する位置に配設されていることを特徴とする。
請求項２に記載のレンズメータは、請求項１に記載のレンズメータにおいて、前記複数の同心状の領域の各焦点距離が前記各レンズの中心部から周縁部に向けて連続的に又は段階的に変化していることを特徴とする。
請求項３に記載のレンズメータは、請求項２に記載のレンズメータにおいて、前記各レンズの中心部が最大の焦点距離を有し、前記各レンズの周縁部が最小の焦点距離を有することを特徴とする。
請求項４に記載のレンズメータは、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレンズメータにおいて、前記各レンズが回折格子からなることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は本発明に係るハルトマンタイプの波面センサの概略構成を示す。この波面センサ４は、複数の開口５が一定の間隔で規則的に形成されたハルトマンプレート６と、ハルトマンプレート６と平行に配置されたエリアセンサ７とを備える。ハルトマンプレート６にはエリアセンサ７と反対側から光束Ｐが入射され、この入射光束Ｐは各開口５を透過して細い光線となり、エリアセンサ７上に開口５の数に応じた複数の光点を形成する。
【００１８】
ハルトマンプレート６の各開口５には、部位によって異なる焦点距離を有するレンズ８が取り付けられている。ここでは、図２に示すように、レンズ８は互いに焦点距離が異なる三つの同心円状の領域８ａ，８ｂ，８ｃからなり、レンズ８の中心部（領域８ａ）から周縁部（領域８ｃ）に向けて段階的に焦点距離が短くなっている。また、このレンズ８は製作上の便宜から図３に示すような回折光学素子からなるものが望ましい。
【００１９】
エリアセンサ７は、最小の焦点距離ｆ3を有する領域８ｃを通るときに平面波が結像する位置と、最大の焦点距離ｆ1を有する領域８ａを通るときに平面波が結像する位置との略中間に配置されている。すなわち、ハルトマンプレート６からエリアセンサ７までの距離をＬとすると、
ｆ3＜Ｌ＜ｆ1
の関係が満たされている。
【００２０】
［波面センサのレンズメータへの適用］
図４は波面センサ４をレンズメータに適用する場合の具体的形態を示し、この波面センサ９の波面センサ４に対応する要素には同一符号を付して説明を省略する。図５はその波面センサ９を用いたレンズメータ１０の概略構成を示す。
【００２１】
波面センサ９のハルトマンプレート６及びエリアセンサ７の中心はレンズメータ１０において光軸と合致する。ハルトマンプレート６にはその中心を中心とする円周上に四つの開口５が等間隔に（９０°ピッチで）形成されている。この開口５は、測定するレンズ特性が球面度数、円柱度数、円柱軸角度、又は偏心量であれば三つあれば足りるが、測定精度等の観点からは本実施の形態のように四つ以上あることが望ましい。
【００２２】
レンズメータ１０は、光源１１と、ピンホール１２と、コリメータレンズ１３と、レンズ受け１４と、波面センサ９とを備える。ピンホール１２はコリメータレンズ１３の前側焦点位置に配置され、レンズ受け１４には被検レンズＴＬが載置される。また、図中ＷＦは光束Ｐの波面を表している。
【００２３】
光源１１の出射光はピンホール１２により点光源となり、この点光源からの光束はコリメータレンズ１３を透過して平面波（平行光束）となる。レンズ受け１４に被検レンズＴＬが設置されていない場合には、その平面波がそのままレンズ８に入射してエリアセンサ７に受光される。このとき、エリアセンサ７上の光点の間隔はハルトマンプレート６における開口５の間隔と等しくなる。
【００２４】
レンズ受け１４に被検レンズＴＬが設置されると、被検レンズＴＬに入射した平面波は被検レンズＴＬの性質に応じて球面波に変換され、ハルトマンプレート６の各開口５を透過する。被検レンズＴＬがプラスレンズの場合には、エリアセンサ７上の光点間隔はハルトマンプレート６における開口間隔よりも小さくなり、被検レンズＴＬがマイナスレンズの場合には、エリアセンサ７上の光点間隔はハルトマンプレート６における開口間隔よりも大きくなる。したがって、エリアセンサ７上の光点間隔を求めることにより、光路中に挿入した被検レンズＴＬの光学特性を算出することができる。例えば、被検レンズＴＬの裏面頂点からハルトマンプレート６までの距離をΔＬ、ハルトマンプレート６における開口５の間隔をｄ、被検レンズＴＬが非設置の場合に対するエリアセンサ７上の光点の変位量をΔｄとすると、設置された被検レンズＴＬのバックフォーカスＢｆは次式により算出される。
【００２５】
Ｂｆ＝ΔＬ−Ｌ・ｄ／Δｄ
以下、より具体的な実施例について比較例と対比して説明する。
【００２６】
［比較例］
比較例では、図１２に示す波面センサを波面センサ９の代わりにレンズメータ１０に用いる。この従来の波面センサを構成するハルトマンプレート１及びエリアセンサ３は波面センサ９のハルトマンプレート６及びエリアセンサ７と同様であるが、レンズ２は単焦点であるためレンズ８と異なる。
【００２７】
被検レンズＴＬの屈折力が０Ｄ近傍の場合には、平面波に近い波面がハルトマンプレート１に入射するため、エリアセンサ３上に点光源であるピンホール１２の像が結像して光点Ｑ1が明確に現れる（図１２（ａ））。この場合、光点Ｑ1のピーク光量が高く（図１３の実線参照）、Ｓ／Ｎ比に優れるので、光点Ｑ1の位置検出を高精度で行うことができる。また、被検レンズＴＬの表面に多少の傷や汚れがあっても、測定結果はこれらの影響を受けにくい。
【００２８】
一方、被検レンズＴＬの屈折力が大きい場合には、ハルトマンプレート１に入射する光束Ｐの波面が曲率の小さい球面波となり、被検レンズＴＬがプラスの強度数のときにはエリアセンサ３の遥か手前で結像し（図１２（ｂ））、被検レンズＴＬがマイナスの強度数のときにはエリアセンサ３の遥か奥で結像するので（図１２（ｃ））、エリアセンサ３上の光点Ｑ2，Ｑ3は大きくボケてしまう。このため、光点Ｑ2，Ｑ3のピーク光量は低く（図１３の破線参照）、Ｓ／Ｎ比が低下するので、光点Ｑ2，Ｑ3の位置検出精度が極端に悪化する。また、被検レンズＴＬの表面に傷や汚れ等があると、測定結果に誤差を生じやすくなる。
【００２９】
なお、ハルトマンプレート１の開口を小さくし焦点深度を深くして光点をボケにくくすることも可能ではあるが、この場合はエリアセンサ３上での光量が低下するので好ましくない。また、被検レンズＴＬの度数に応じてエリアセンサ３等を移動させ、常にエリアセンサ３上に合焦した状態とする方法も考えられるが、移動機構の追加、光学系の複雑化によるレンズメータの大型化、コストアップの原因を招き、測定に時間がかかる等の不都合をも生じる。
【００３０】
［実施例］
実施例では、波面センサ９におけるレンズ８の領域８ａ，８ｂ，８ｃの焦点距離ｆ1，ｆ2，ｆ3をそれぞれ、レンズメータ１０において＋１０Ｄ、０Ｄ、−１０Ｄの被検レンズＴＬが設置された際にエリアセンサ７上に結像するように設定する。例えばΔＬ＝５［ｍｍ］、Ｌ＝１５［ｍｍ］とすると、焦点距離ｆ1，ｆ2，ｆ3はそれぞれ＋１７．８、＋１５、＋１３．１［ｍｍ］とすればよい。
【００３１】
このレンズ８に＋１０Ｄの被検レンズＴＬによる球面波が入射すると、図６（ａ）、図７（ａ）に示すように、領域８ａを透過した光束Ｐ1がエリアセンサ７上に結像する。このとき、領域８ｂを透過した光束Ｐ2はエリアセンサ７の手前で結像し、領域８ｃを透過した光束Ｐ3はさらにその手前で結像する。
【００３２】
また、レンズ８に０Ｄの被検レンズＴＬによる平面波が入射すると、図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すように、領域８ｂを透過した光束Ｐ2がエリアセンサ７上に結像する。このとき、領域８ａを透過した光束Ｐ1はエリアセンサ７の奥で結像し（実際にはエリアセンサ７に遮光されて結像には至らない。）、領域８ｃを透過した光束Ｐ3はエリアセンサ７の手前で結像する。
【００３３】
レンズ８に−１０Ｄの被検レンズＴＬによる球面波が入射すると、図６（ｃ）、図７（ｃ）に示すように、領域８ｃを透過した光束Ｐ3がエリアセンサ７上に結像する。このとき、領域８ｂを透過した光束Ｐ2はエリアセンサ７の奥に結像し、領域８ａを透過した光束Ｐ1はさらにその奥に結像する。
【００３４】
なお、図７（ａ）〜（ｃ）において、Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3はそれぞれ光束Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3の結像点を示している。
【００３５】
この実施例では、入射光束Ｐの波面形状にかかわらず、その光束Ｐの一部はレンズ８の領域８ａ，８ｂ，８ｃのいずれかによってエリアセンサ７上又はその近傍に結像するので、たとえ平面波に対する領域８ａ，８ｃのように対応しない領域に入射した光束Ｐの残部がエリアセンサ７上に結像しなくても、図８に示すような光量分布を確保することができる。この光量分布は、従来合焦していた０Ｄ近傍についての光量分布（図１３の実線）と比較するとピーク光量が低くボケた光点を表すが、エリアセンサ７による光点の検出精度に影響が及ぶ程のものではなく、逆に従来合焦していなかった屈折力の大きな被検レンズＴＬについての光量分布（図１３の破線）と比較すると、ピーク光量が高く径の小さな光点を表し測定精度を向上させることができる。
【００３６】
すなわち、比較例に示した波面センサでは、入射光束Ｐの波面形状により光点の光量や径に大幅な違いを生じて測定精度を一定に保つことが難しかったが、この実施例に示した波面センサ９では、入射光束Ｐの波面形状にかかわらず光点の光量や径を一定に維持することができ、常に高精度に測定を行うことができる。
【００３７】
なお、上記の例ではレンズ８の焦点距離をｆ1，ｆ2，ｆ3と段階的に変化させたが、図９に示す球面収差曲線のようにレンズの焦点距離を中心部から周縁部に向けて連続的に変化させてもよい。例えば＋２５Ｄの被検レンズＴＬの透過光束が光軸を含むレンズ８の中心部を透過した場合にエリアセンサ７上に結像し、−２５Ｄの被検レンズＴＬの透過光束がレンズ８の最外縁部を透過した場合にエリアセンサ７上に結像するとすると、その中心部の焦点距離を２６．３［ｍｍ］、最外縁部の焦点距離を１１．３［ｍｍ］（最外縁部の球面収差を−１５［ｍｍ］）とし、その間の領域の焦点距離を２６．３［ｍｍ］から１１．３［ｍｍ］の間で連続的に変化させればよい。
【００３８】
あるいは、以上でレンズ８の中心部から周縁部に向けて焦点距離を小さくしたのはレンズ製作上の便宜等のためであり、必ずしもこれに限られる必要はなく、周縁部から中心部に向けて焦点距離を小さくしても、若しくは、半径方向に沿って焦点距離に連続性、段階性を持たせなくてもかまわない。
【００３９】
また、このような非球面レンズは研磨加工により製造するのは難しいことから、上記同様に回折光学素子として製造するのが望ましく、図１０に示すように一枚のバイナリーレンズアレイとして一体的に成形してもよい。
【００４０】
［波面センサの反射望遠鏡への適用］
図１１は本発明に係る波面センサを用いる能動光学式反射望遠鏡の概略構成を模式的に示す。この反射望遠鏡１５では、遠方からの入射光束Ｐが凹面ミラー１６により凸面ミラー１７に向けて反射され、凸面ミラー１７の反射光束が凹面ミラー１６の中央部に形成された開口１８を通過し、ビームスプリッタ１９を透過した後に観察面２０に導かれる。一方、ビームスプリッタ１９により反射された一部の光束は、コリメータレンズ２１を通過して平行光束となり、レンズ８が取り付けられたハルトマンプレート６とエリアセンサ７とを有する波面センサ２２に導かれる。
【００４１】
凹面ミラー１６の裏面には、その鏡面を変形させるための複数のアクチュエータ２３が設けられている。このアクチュエータ２３を駆動して凹面ミラー１６の鏡面を変形させることにより、歪んだ波面ＷＦを整った球面波ＷＦ’に変換することができる。この際、入射波面ＷＦの歪み量を検出し、これを補正するための鏡面の変形量を求め、この変形量に応じたアクチュエータ２３の駆動量を決定する必要があるが、波面センサ２２はその歪み量の検出に使用され、波面センサ２２に接続された演算回路２４によりアクチュエータ２３の駆動量が決定されてアクチュエータ２３が駆動される。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、波面センサを、同一平面内に設けられた複数のレンズと、レンズ受けに載置される被検レンズを透過しかつ複数のレンズを構成する各レンズを透過して集光された光束を光点として受光するエリアセンサとから構成し、各レンズは最小の焦点距離を有する領域と最大の焦点距離を有する領域と両焦点距離の間の焦点距離を有する領域との複数の同心状の領域から形成し、両焦点距離の間の焦点距離を有する領域は被検レンズの屈折力の０ディオプターに対応させ、最大の焦点距離を有する領域は被検レンズのプラスディオプターに対応させ、最小の焦点距離を有する領域は被検レンズのマイナスディオプターに対応させ、エリアセンサは両焦点距離の間の焦点距離を有する領域を通る平面波の光束が結像する位置に配設したので、複数のレンズを構成する各レンズのいずれかの領域を透過する光束がエリアセンサ上又はその近傍に結像し、波面形状にかかわらず光点の大きなボケを回避して常に高精度に行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る波面センサの概略構成を示す説明図である。
【図２】波面センサに取り付けられるレンズを示す説明図である。
【図３】レンズを構成する回折光学素子を示す説明図である。
【図４】本発明に係る波面センサをレンズメータに適用する場合の態様を示す説明図である。
【図５】本発明に係る波面センサを用いたレンズメータの概略構成を示す説明図である。
【図６】波面センサにおける結像状態を示し、（ａ）は収束光束が入射した場合、（ｂ）は平行光束が入射した場合、（ｃ）は発散光束が入射した場合を示す説明図である。
【図７】図６のエリアセンサ近傍における結像状態を拡大して示し、（ａ）は図６（ａ）に対応する拡大図、（ｂ）は図６（ｂ）に対応する拡大図、（ｃ）は図６（ｃ）に対応する拡大図である。
【図８】図６の波面センサのエリアセンサ上における光量分布を示す説明図である。
【図９】レンズの焦点距離が連続的に変化する例を示す説明図である。
【図１０】複数のレンズが同一平面内に一体的に形成された例を示す説明図である。
【図１１】本発明に係る波面センサを用いた能動光学式反射望遠鏡の概略構成を示す説明図である。
【図１２】従来の波面センサにおける結像状態を示し、（ａ）は平行光束が入射した場合、（ｂ）は収束光束が入射した場合、（ｃ）は発散光束が入射した場合を示す説明図である。
【図１３】図１２の波面センサのエリアセンサ上における光量分布を示す説明図である。
【符号の説明】
４，９，２２  波面センサ
５    開口
６    ハルトマンプレート
７    エリアセンサ
８    レンズ
８ａ，８ｂ，８ｃ  領域
１０  レンズメータ
１５  能動光学式反射望遠鏡
【図１】
0004549468.tif 000002
【図２】
0004549468.tif 000003
【図３】
0004549468.tif 000004
【図４】
0004549468.tif 000005
【図５】
0004549468.tif 000006
【図６】
0004549468.tif 000007
【図７】
0004549468.tif 000008
【図８】
0004549468.tif 000009
【図９】
0004549468.tif 000010
【図１０】
0004549468.tif 000011
【図１１】
0004549468.tif 000012
【図１２】
0004549468.tif 000013
【図１３】
0004549468.tif 000014