JP2001188025A - 波面センサ、これを用いたレンズメータ及び能動光学式反射望遠鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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
サを提供する。 【解決手段】 本発明に係る波面センサ４は、同一平面
内に設けられた複数のレンズ８と、各レンズ８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７
とを備え、各レンズ８は互いに焦点距離が異なる複数の
同心状の領域からなり、最小の焦点距離を有する領域を
通るときに平面波が結像する位置と最大の焦点距離を有
する領域を通るときに平面波が結像する位置との略中間
にエリアセンサ７が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光束の波面形状を
測定する波面センサと、この波面センサを用いたレンズ
メータ及び能動光学式反射望遠鏡に関する。

【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、
この波面センサを用いたレンズメータ及び反射式望遠鏡
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の発明は、同一平面内に設けられた複数の
レンズと、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を備え、該エリアセンサ上
の光点の位置に基づいて前記レンズの入射光束の波面形
状を測定する波面センサにおいて、前記各レンズは互い
に焦点距離が異なる複数の同心状の領域からなり、最小
の焦点距離を有する領域を通るときに平面波が結像する
位置と最大の焦点距離を有する領域を通るときに平面波
が結像する位置との略中間に前記エリアセンサが配置さ
れていることを特徴とする。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１に記載の波面
センサにおいて、前記複数の同心状の領域の各焦点距離
が前記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。

【００１２】請求項３の発明は、請求項２に記載の波面
センサにおいて、前記レンズの中心部が最大の焦点距離
を有し、前記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。

【００１３】請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３
のいずれか１項に記載の波面センサにおいて、前記レン
ズが回折光学素子からなることを特徴とする。

【００１４】請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４
のいずれか１項に記載の波面センサを用いたレンズメー
タを特徴とする。

【００１５】請求項６の発明は、請求項１乃至請求項４
のいずれか１項に記載の波面センサを用いた能動光学式
反射望遠鏡を特徴とする。

【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，８
ｂ，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＋１０
Ｄ、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Δ
Ｌ＝５［ｍｍ］、Ｌ＝１５［ｍｍ］とすると、焦点距離
ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃はそれぞれ＋１７．８、＋１５、＋１
３．１［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Ｐ
₁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８
ａ，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、−２
５Ｄ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２
６．３［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１
１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１
６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構成した
ので、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測定を常に高精度に行う
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

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同一平面内に設けられた複数のレンズと、
   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
   るエリアセンサとを備え、該エリアセンサ上の光点の位
   置に基づいて前記レンズの入射光束の波面形状を測定す
   る波面センサにおいて、 前記各レンズは互いに焦点距離が異なる複数の同心状の
   領域からなり、最小の焦点距離を有する領域を通るとき
   に平面波が結像する位置と最大の焦点距離を有する領域
   を通るときに平面波が結像する位置との略中間に前記エ
   リアセンサが配置されていることを特徴とする波面セン
   サ。
2. 【請求項２】前記複数の同心状の領域の各焦点距離が前
   記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に記載の波
   面センサ。
3. 【請求項３】前記レンズの中心部が最大の焦点距離を有
   し、前記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に記載の波面センサ。
4. 【請求項４】前記レンズが回折光学素子からなることを
   特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載
   の波面センサ。
5. 【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記
   載の波面センサを用いたことを特徴とするレンズメー
   タ。
6. 【請求項６】請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記
   載の波面センサを用いたことを特徴とする能動光学式反
   射望遠鏡。