JP2007085788A - ハルトマンセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 光反射手段の鏡面を下に向ける必要がある場合であっても、低コストで被検光学系の収差測定を行うことができるようにする。
【解決手段】 被検光学系（望遠鏡８０）を通過した被検光束を入射時とほぼ同じ光路上に反射する平面鏡ユニット３０と、平面鏡ユニット３０により反射されて被検光学系を入射時とは反対の方向に通過した被検光束を検出するＣＣＤ撮像装置１６と、ＣＣＤ撮像装置１６により検出された被検光束に基づいて被検光学系の収差を算出する演算装置１８とを備え、被検光束は被検光学系とＣＣＤ撮像装置１６との間に設けられたマイクロレンズアレイ１５によって複数の小光束に変換され、ＣＣＤ撮像装置１６は被検光束を複数の小光束として検出する構成のハルトマンセンサにおいて、平面鏡ユニット３０が、被検光学系の有効径よりも小さい口径を有する複数の平面鏡５５が被検光学系の光軸と直交する方向に並べられた構成を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、望遠鏡の収差計測等に用いられるハルトマンセンサに関する。

従来、望遠鏡の性能検査を行う手段のひとつとしてハルトマン法が公知である（例えば、下記の特許文献参照）。古典的なハルトマン法は、光源と被検光学系との間に複数の小孔を有した円板（ハルトマンプレートと呼ばれる）を配置し、これら小孔を通過した光源からの光によって形成される複数の小光束が被検光学系を通過した後に検査面上に形成する集光位置の検出結果から、被検光学系の収差を求めるものである。

近年知られているシャック・ハルトマンセンサは上記ハルトマン法の一種であり、被検光学系を通過した波面の傾きからその被検光学系の収差（波面収差）を計測するものである。シャック・ハルトマンセンサにより被検光学系の収差を計測しようとする場合、光源からの光をビームスプリッタ等の光分離手段によって第１の光と第２の光とに分離し、第１の光のみが被検光学系を通過するようにする。そして、被検光学系を通過した第１の光を光反射手段（折り返し平面）によって入射時とは反対の方向に反射させ、入射時とほぼ同じ光路上を入射時とは反対の方向に進んで被検光学系を通過した第１の光をマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）等の集光手段によって検査平面（例えばＣＣＤ撮像装置の撮像面）上に集光させる。一方、第２の光は被検光学系を通過させることなく参照面において反射させ、第１の光と同一の検査平面上に集光させる。ここで、検査平面上に形成された第１の光による集光スポットと第２の光による集光スポットとの位置ずれ量から波面の傾きを算出し、この波面の傾きから被検光学系の収差を求める。

上記のようなハルトマンセンサを用いて大口径の望遠鏡の収差を計測しようとする場合、対物レンズを下に向けたタイプの望遠鏡では非常に大きな基準平面鏡が必要になるが、上記光反射手段の鏡面は上を向くことになるため、その光反射手段には例えば液体ミラーを使用することができる。この液体ミラーは液槽に溜めた液体の表面による光の反射を利用したもので、液体には主として水銀が用いられる。このような液体ミラーは原理的に地球の曲率程度の平面度が得られるため、大口径を有する望遠鏡を被検光学系とする場合には極めて有利である。これは、大口径の望遠鏡用に平面度の高い平面鏡を用いようとすると、平面度の高い大型の平面鏡の作製はコストが非常に高くなることや材料の入手性に問題があるため一般に困難であるが、液体ミラーを使用することにより、極めて低いコストで、ハルトマンセンサによる大口径の望遠鏡の収差測定を行うことが可能となる。
特開２００２−２２８５４３号公報

しかしながら、同じ大口径の望遠鏡であっても、対物レンズが上を向いたタイプのものでは、光反射手段は鏡面を下に向ける必要があるため、上記のような液体ミラーを使用することはできない。従ってこの場合には平面度が高く、かつ口径の大きい平面鏡を作製する必要があるため多大なコストがかかるという問題が生じ、また材料の入手性や平面鏡の自重変形にも問題がある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、光反射手段の鏡面を下に向ける必要がある場合であっても、低コストで被検光学系の収差測定を行うことが可能な構成のハルトマンセンサを提供することを目的としている。

このような目的を達成するため、第１の本発明に係るハルトマンセンサは、光源と、光源から発せられた被検光束を被検光学系に導く導光光学系と、導光光学系により導かれて被検光学系を通過した被検光束を入射時とほぼ同じ光路上に反射する光反射手段と、光反射手段により反射されて被検光学系を入射時とは反対の方向に通過した被検光束を検出する被検光束検出手段と、被検光束検出手段により検出された被検光束に基づいて被検光学系の収差を算出する収差算出手段とを備え、被検光束は導光光学系の内部若しくは被検光学系と被検光束検出手段との間に設けられた光束変換手段によって複数の小光束に変換され、被検光束検出手段は被検光束を複数の小光束として検出する構成のハルトマンセンサにおいて、光反射手段は、被検光学系の有効径よりも小さい口径を有する複数の平面鏡が被検光学系の光軸と直交する方向に並べられてなる。

このようなハルトマンセンサにおいて、光反射手段を構成する各平面鏡は、被検光学系の光軸と直交するように配置された基準面（例えば液体ミラーの反射面）に対して平行となるように調整されていることが好ましい。更には、各平面鏡の基準面に対する傾き角を記憶させておく記憶手段と、記憶手段に記憶された平面鏡の基準面に対する傾き角から、収差算出手段により算出された被検光学系の収差を補正する収差補正手段とを備えていることが好ましい。

また、第２の本発明に係るハルトマンセンサは、光源と、光源から発せられた被検光束を被検光学系に導く導光光学系と、導光光学系により導かれて被検光学系を通過した被検光束を入射時とほぼ同じ光路上に反射する光反射手段と、光反射手段により反射されて被検光学系を入射時とは反対の方向に通過した被検光束を検出する被検光束検出手段と、被検光束検出手段により検出された被検光束に基づいて被検光学系の収差を算出する収差算出手段とを備え、被検光束は導光光学系の内部若しくは被検光学系と被検光束検出手段との間に設けられた光束変換手段によって複数の小光束に変換され、被検光束検出手段は被検光束を複数の小光束として検出する構成のハルトマンセンサにおいて、光反射手段は、被検光学系の有効径よりも小さい口径を有する一又は複数の平面鏡が被検光学系の光軸と直交する平面内で走査可能に構成されてなる。

このようなハルトマンセンサにおいては、平面鏡の被検光学系の光軸と直交する平面からのピッチ角を検出するピッチ角検出手段と、ピッチ角検出手段において検出された平面鏡の被検光学系の光軸と直交する平面からのピッチ角から、収差算出手段により算出された被検光学系の収差を補正する収差補正手段とを備えていることが好ましい。

第１の本発明に係るハルトマンセンサでは、被検光学系を通過した被検光束を入射時とほぼ同じ光路上に反射する光反射手段が、高精度な平面度を実現しにくい大口径の（被検光学系の有効径以上の口径を有する）一枚の平面鏡からなるのではなく、高精度な平面度を実現し易い小口径の（被検光学系の有効径よりも小さい口径の）平面鏡を複数枚、被検光学系の光軸と直交する方向に並べた構成となっているので、光反射手段の鏡面を下に向ける必要があり、基準となる大きなミラー（例えば液体ミラー）を使用することができない場合であっても、低コストで被検光学系の収差測定を行うことが可能である。

第２の本発明に係るハルトマンセンサでは、被検光学系を通過した被検光束を入射時とほぼ同じ光路上に反射する光反射手段が、高精度な平面度を実現しにくい大口径の（被検光学系の有効径以上の口径を有する）一枚の平面鏡からなるのではなく、高精度な平面度を実現し易い小口径の（被検光学系の有効径よりも小さい口径の）平面鏡を一又は複数枚、被検光学系の光軸と直交する平面内で走査可能にした構成となっているので、光反射手段の鏡面を下に向ける必要があり、基準となる大きなミラーを使用することができない場合であっても、低コストで被検光学系の収差測定を行うことが可能である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るハルトマンセンサ１を示しており、カセグレン式反射望遠鏡８０を被検光学系としたものである。この第１実施形態におけるハルトマンセンサ１において、光源１１及び光源１１から出た光を平行光にするコリメータレンズ１２からなる平行光生成手段によって平行光が生成され、この平行光生成手段によって生成された平行光が光分離手段であるビームスプリッタ１３において互いに直交する反射光（第１の光とする）と透過光（第２の光とする）とに分離される。ビームスプリッタ１３において反射された第１の光は図１の紙面上方に進んで集光レンズ１４により集光された後、被検光学系であるカセグレン式反射望遠鏡８０に入射する。ここで、光源１１は例えばＳＬＤ（Super Luminescent Diode）などの高輝度光源と、これを所定の発光位置まで導く光ファイバーとから構成される。ＳＬＤは可干渉性のよくない光源であるが、ハルトマンセンサは干渉計と異なり、このような可干渉性のよくない光源を用いることができ、また干渉計のように光路長を揃えるための装置を備える必要がないところに特徴がある。なお、この第１実施形態（後述の第２及び第３実施形態でも同じ）では説明の便宜上、鉛直軸をｚ軸とし、これに直交する水平面内の直交２軸をｘ軸及びｙ軸と定義する。

カセグレン式反射望遠鏡（以下、単に望遠鏡と称する）８０は主鏡である凹面鏡８１と副鏡である凸面鏡８３とがその鏡面８１ａ，８３ａ同士が対向するように配設された構成を有する。凹面鏡８１はその鏡面８１ａを観測対象物（図示せず）側に向けて配置され、凸面鏡８３は凹面鏡８１の焦点ｆの内側に配置される。なお、この望遠鏡８０は、本ハルトマンセンサ１により収差計測を行うときには、その光軸ＡＸが鉛直方向に沿い、凹面鏡８１の鏡面８１ａが上方を向くように設置される。

本実施形態に係るハルトマンセンサ１では、集光レンズ１４の焦点位置を望遠鏡８０の焦点位置Ｆに一致させており、焦点位置Ｆ側から望遠鏡８０に入射した光（第１の光）は凸面鏡８３の鏡面８３ａにおいて反射した後、凹面鏡８１の鏡面８１ａにおいて反射し、平行光となって望遠鏡８０の外（紙面上方であり、観測対象物側）に進む。このようにして望遠鏡８０を通過した光（第１の光）は望遠鏡８０の主鏡である凹面鏡８１の鏡面８１ａと対向配置された光反射手段である平面鏡ユニット３０の鏡面（後述する平面鏡ユニット３０を構成する各平面鏡５５の鏡面５５ａ）において反射された後、入射時とほぼ同じ光路上を入射時とは反対の方向に進んで望遠鏡８０を（逆方向に）通過する。そして、焦点Ｆを通って集光レンズ１４に入射し、集光レンズ１４によって平行光となった後、ビームスプリッタ１３を透過してマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）１５に入射する。マイクロレンズアレイ１５に入射した第１の光（被検光束）はマイクロレンズアレイ１５を通過し、この際、マイクロレンズアレイ１５を構成するレンズごとの小光束に変換される。マイクロレンズアレイ１５によって変換された複数の小光束は各々２次元検出手段であるＣＣＤ撮像装置１６の撮像面１６ａ上に結像（集光）され、集光スポット（第１の集光スポットとする）を形成する。ここで、上記コリメータレンズ１２、ビームスプリッタ１３及び集光レンズ１４は光源１１から発せられた被検光束（第１の光）を被検光学系に導く導光光学系としての役割を果たしており、また、上記マイクロレンズアレイ１５は被検光学系である望遠鏡８０と被検光束検出手段であるＣＣＤ撮像装置１６との間に設けられて被検光束を複数の小光束に変換する光束変換手段としての役割を果たすとともに、被検光学系を通過した被検光束（複数の小光束）をＣＣＤ撮像装置１６の撮像面１６ａ上に集光する集光手段としての役割を果たしている。

一方、ビームスプリッタ１３を透過した第２の光は光軸方向に移動可能に構成された可動ミラー１７の反射面（参照面）１７ａによって反射され、入射時と同じ光路上を入射時とは反対の方向に進んだ後、再びビームスプリッタ１３に入射して紙面下方に反射され、マイクロレンズアレイ１５に入射する。マイクロレンズアレイ１５に入射した第２の光は第１の光と同様にマイクロレンズアレイ１５を構成するレンズごとにＣＣＤ撮像装置１６の撮像面１６ａ上に結像され、集光スポット（第２の集光スポットとする）を形成する。すなわち、ビームスプリッタ１３により分離されて被検光学系（望遠鏡８０）を通過した後、平面鏡ユニット３０によって反射されて入射時とほぼ同じ光路上を入射時とは反対の方向に進んで望遠鏡８０を通過した第１の光（被検光束）と、ビームスプリッタ１３によって分離されて被検光学系（望遠鏡８０）を通過していない第２の光とは、ビームスプリッタ１３及びマイクロレンズアレイ１５によって、同一の検査平面（ここではＣＣＤ撮像装置１６の撮像面１６ａ）上に集光される。

ここで、マイクロレンズアレイ１５を構成するレンズごとに形成された第２の集光スポットは理想波面を形成させる参照面（可動ミラー１７の反射面１７ａ）において反射されたものであるので、マイクロレンズアレイ１５を構成する各レンズの光軸上に形成されるのに対し、第１の集光スポットは収差を含んだ望遠鏡８０を通過したものであるため、必ずしもマイクロレンズアレイ１５を構成する各レンズの光軸上に形成されない。そして、この第１の集光スポットが第２の集光スポット（すなわち光軸）からずれた位置ずれ量は、望遠鏡８０が有する収差に起因する波面の傾きに対応する。ＣＣＤ撮像装置１６には演算装置１８が接続されており、演算装置１８はＣＣＤ撮像装置１６の撮像面１６ａ上に形成された第１の集光スポットと第２の集光スポットそれぞれの座標から得られる双方の位置関係、すなわちマイクロレンズアレイ１５を構成するレンズごとの、第２の集光スポットの位置に対する第１の集光スポットの位置ずれ量から、望遠鏡８０の収差（波面収差）を算出する。そして、演算装置１８はディスプレイやプリンタ等からなる出力装置１９にその結果を視覚的に表示する。

このような構成のハルトマンセンサ１において、上述の平面鏡ユニット３０は従来の構成、すなわち被検光学系の有効径（ここでは望遠鏡８０の主鏡である凹面鏡８１の有効径）よりも大きい口径を有する一枚の平面鏡からなる構成とは異なり、図１及び図２に示すように、被検光学系の有効径よりも小さい口径を有する複数の平面鏡５５が被検光学系（望遠鏡８０）の光軸ＡＸと直交する方向（ｘｙ平面内）に並べられた構成を有している。この平面鏡ユニット３０は、具体的には、図１〜図３に示すように、全体としてほぼ正方形状に形成されて上下方向に貫通する円孔３２が複数個（ここでは１６個）整列状態で設けられた正方形状の板材からなるベース部材３１と、ベース部材３１の各円孔３２に対応して設けられた複数の（ここでは１６個）平面鏡保持機構４０と、各平面鏡保持機構４０によって保持されてその鏡面５５ａを下方に向けた複数（ここでは１６個）の平面鏡５５とから構成されている。

平面鏡保持機構４０は、平面鏡５５をベース部材３１に対して支持するとともに、ベース部材３１に対する平面鏡５５の姿勢を変化させ得る構成を有しており、図３に示すように支柱支持板４１と、揺動支柱４７と、平面鏡保持体５２とからなる。支柱支持板４１は円孔３２の内径よりも大きい外径を有した円盤状の部材からなり、円孔３２と同心に配置されてその外周部が複数の固定螺子４５によりベース部材３１の上面に取付けられている。支柱支持板４１には中心角がほぼ１２０度となる同形の３つの扇形穴４２が設けられており、その結果支柱支持板４１にはほぼ１２０度間隔で交わる３つの渡り部４３が形成されている。３つの渡り部４３が交わる支柱支持板４１の中央部には面外方向（ｚ軸方向）に延びた雌螺子部４４が設けられている。揺動支柱４７は上下方向に延びた円筒状の部材であり、その外周面には上記雌螺子部４４と螺合する雄螺子部４８が設けられており、下端部には球状部４９が形成されている。揺動支柱４７はその雄螺子部４８を支柱支持板４１の雌螺子部４４に螺合させることによって支柱支持板４１により鉛直姿勢に保持される。なお、揺動支柱４７は支柱支持板４１の上面側から雄螺子部４８に捻じ込まれた固定ナット５０によって支柱支持板４１にしっかりと固定される。

平面鏡５５は自身の口径に対して厚さ寸法の小さい円盤形状をなしており、口径は前述のように被検光学系である望遠鏡８０の（凹面鏡８１の）有効径よりも小さくなっている（例えば、望遠鏡８０の有効径が１０００ｍｍである場合に、平面鏡５５の口径が１２５ｍｍ）。平面鏡５５の材質は特に限定されないが、温度変化による影響の少ない低膨張ガラスであることが好ましい。平面鏡保持体５２はこの平面鏡５５よりも直径及び厚さの大きい円盤状の部材からなっており、その下面側に平面鏡５５が嵌め込まれている。平面鏡保持体５２の上面側には揺動支柱４７の下端部に設けられた球状部４９の外径よりも若干大きい内径を有する凹状部５３が設けられており、この凹状部５３は揺動支柱４７の球状部４９に外嵌している。このため平面鏡保持体５２は（すなわち平面鏡５５は）は平面鏡５５の鏡面５５ａを下方に向けた状態で、揺動支柱４７の球状部４９を中心に自在に揺動することができる。

支柱支持板４１の３つの渡り部４３それぞれの中央部には上下方向に延びた雌螺子部４６が設けられており、各雌螺子部４６には外周面に設けられた雄螺子部５８が上記雌螺子部４６に螺合する姿勢固定螺子５７が上下方向に延びた状態で取付けられている。各姿勢固定螺子５７の上端部にはつまみ部５９が設けられており、このつまみ部５９を捻り操作することによって姿勢固定螺子５７全体を支柱支持板４１に対して上下方向に移動させることができる。平面鏡保持体５２は上記のように揺動支柱４７の球状部４９を中心に自在に揺動可能であるが、或る姿勢（ベース部材３１に対する姿勢）において、これら３つの姿勢固定螺子５７（の下端部５７ａ）の全てが平面鏡保持体５２の上面５２ａに当接した状態とすることにより、平面鏡保持体５２を（すなわち平面鏡５５を）その姿勢に固定することが可能である。

平面鏡ユニット３０を構成する各平面鏡５５は、平面鏡ユニット３０が望遠鏡８０と対向する位置に設置される前に平行調整（姿勢調整）がなされる。この平行調整は、各平面鏡５５を望遠鏡８０の光軸ＡＸと直交するように配置された基準面に対して平行となるように調整することにより、結果として平面鏡５５同士が互いに平行となるようにするものである。この平行調整には、本実施形態では、図４に示すように、液体ミラー６０とペンタプリズム７１を利用した平行測定装置７０を用いる。液体ミラー６０は平面鏡ユニット３０のベース部材３１よりも大きい底面６１ａを有する液槽６１内に液体（水銀が好ましい）６２を溜めてなるものであり、液体６２の液面６２ａが反射面となる。この液体ミラー６０では、液体６２の液面６２ａが地球の曲率程度の平面度となることから、高度な平面度を有するミラーとして使用することができる。平行測定装置７０は、液体ミラー６０の液面６２ａと平行に進んできた光を下方に（液体ミラー６０側に）反射する第１のペンタプリズム７２及び液体ミラー６０の液面６２ａと平行に進んできた光を上方に（平面鏡ユニット３０側に）反射する第２のペンタプリズム７３が接合されてなるペンタプリズム７１と、液体ミラー６０の液面６２ａと平行にペンタプリズム７１に向けて測定光を射出するとともに、ペンタプリズム７１から戻ってきた測定光を受光して干渉縞を形成させる干渉計７４と、液体ミラー６０の上方においてペンタプリズム７１を液体ミラー６０の液面６２ａと平行な面内（すなわち水平面内）において移動（走査）させるペンタプリズム移動機構７５とから構成される。なお、ペンタプリズム移動機構７５は、ペンタプリズム７１を干渉計７４からの測定光の射出方向と直交する方向に移動させるときには干渉計７４もその方向に移動させるようになっている。

上記液体ミラー６０及び平行測定装置７０を用いて平面鏡ユニット３０の平行調整を行うには、液体ミラー６０の上方に平面鏡ユニット３０を配置したうえで（このときベース部材３１を液体ミラー６０の液面６２ａに対して平行に配置し、各平面鏡５５の鏡面５５が下方を向くようにする）、液体ミラー６０と平面鏡ユニット３０との間の空間内にペンタプリズム７１を配置する。そして、ペンタプリズム移動機構７５からペンタプリズム７１を液体ミラー６０の液面６２ａに平行な面内（水平面内）で移動（走査）させつつ、干渉計７４から射出された測定光がペンタプリズム７１に入射されるようにする。

干渉計７４から射出された測定光はペンタプリズム７１に入射し、第１のペンタプリズム７２と第２のペンタプリズム７３との接合面７１ａを透過する透過光と、接合面７１ａにおいて反射する反射光とに分離される（上記接合面７１ａには透過光と反射光とを等しく分割するためのコーティングが施されている）。そして、接合面７１ａを透過した透過光は第１のペンタプリズム７２の２つの反射面７２ａ，７２ｂにおいて反射されて液体ミラー６０の液面６２ａに対して垂直に入射し、液面６２ａに反射されて入射時と同じ光路を戻って（接合面７１ａは透過する）干渉計７４に入射する。一方、接合面７１ａにおいて反射した反射光は第２のペンタプリズム７３の反射面７３ａにおいて反射されて平面鏡５５のひとつに入射する。この平面鏡５５に入射した光（接合面７１ａにおける反射光）は、平面鏡５５が液体ミラー６０の液面６２ａに対して平行な姿勢になっているときには入射時と同じ光路を戻って（接合面７１ａでは反射される）干渉計７４に入射するが、平面鏡５５が液体ミラー６０の液面６２ａに対して平行な姿勢になっていないときには、入射時とはわずかにずれた（入射光路に対して微小な角度誤差を持った）光路を戻って（接合面７１ａでは反射される）干渉計７４に入射する。このため、平面鏡５５が液体ミラー６０の液面６２ａに対して平行な姿勢になっているときには干渉計７４においてワンカラーの干渉縞が観測され、平面鏡５５が液体ミラー６０の液面６２ａに対して平行な姿勢になっていないときには、平面鏡５５の液面６２ａに対する傾きに応じた干渉縞が観測されることになる。

干渉計７４において干渉縞が観測され、液体ミラー６０の液面６２ａに対して平行な姿勢になっていないことが分かった平面鏡５５については、その平面鏡５５に対応する平面鏡保持機構４０の３つの姿勢固定螺子５７を緩めた状態で平面鏡保持体５２の姿勢調整を行い（この平面鏡保持体５２の姿勢調整は扇形穴４２から指を入れ、平面鏡保持体５２の上面５２ａを指で下方に押圧して行う）、その平面鏡５５について改めて測定を行う。そして、その平面鏡５５について、液体ミラー６０の液面６２ａに対して平行な姿勢になる平面鏡保持体５２の姿勢が決定したら、３つの姿勢固定螺子５７を捻り下げ、ベース部材３１に対する平面鏡保持体５２の姿勢を固定しておく。なお、この例では、各平面鏡５５の平行調整に液体ミラー６０を用いているが、液体ミラー６０以外に大きな基準平面となり得るミラーを用いることができるのであれば、それを用いてもよい。また、液体ミラー６０には、前述のように１つの大きな液槽６１に液体６２を入れて構成したもののほか、小さい液槽に液体６２を入れたものを寄せ集めて構成したものを用いることができる。

このような平面鏡５５の姿勢調整を全ての平面鏡５５に対して実施すると、全ての平面鏡５５は液体ミラー６０の液面６２ａに対して平行となり、結果として全ての平面鏡５５は互いに平行となる。平面鏡ユニット３０を構成する全ての平面鏡５５についての姿勢調整が終了したら、平面鏡ユニット３０を望遠鏡８０と対向する位置に設定し、被検光学系（望遠鏡８０）の収差測定を行う。このとき、ベース部材３１は平面鏡５５の姿勢調整を行ったときと同じ水平な姿勢に（すなわち液体ミラー６０の液面６２ａと平行な姿勢に）配置される。このように本発明の第１実施形態では、平面鏡ユニット３０の各平面鏡５５の姿勢調整は被検光学系の収差測定を行うときと同じ、鏡面５５ａが下方に向けられた状態でなされるので、測定により得られる被検光学系の収差は信頼度が高いものとなる。

なお、上記平面鏡５５の平行調整（姿勢調整）において、液体ミラー６０の液面６２ａに対して平行な姿勢となるように調整できなかった平面鏡５５については、干渉計７４により観測される干渉縞から液面６２ａに対する平面鏡５５の傾き角を求め、これを記憶装置７６に記憶させておく。そして、演算装置１８は、この記憶装置７６に記憶された各平面鏡５５の傾き角のデータを参照し、算出した望遠鏡８０の収差を補正する。このため、平面鏡ユニット３０が備える一又は複数の平面鏡５５が他の平面鏡５５に対して平行でなかったとしても、望遠鏡８０の正確な収差を求めることができる。なお、本実施形態に示すハルトマンセンサ（シャック・ハルトマンセンサ）では被検光学系（ここでは望遠鏡８０）を通過した波面の傾きを検出するものであるので、平面鏡５５同士が平行であればよく、平面鏡５５間に段差があっても構わない。

上記のように、本発明の第１実施形態に係るハルトマンセンサ１では、被検光学系（望遠鏡８０）を通過した被検光束（第１の光）を入射時とほぼ同じ光路上に反射する光反射手段（平面鏡ユニット３０）が、高精度な平面度を実現しにくい大口径の（被検光学系の有効径以上の口径を有する）一枚の平面鏡からなるのではなく、高精度な平面度を実現し易い小口径の（被検光学系の有効径よりも小さい口径の）平面鏡を複数枚、被検光学系の光軸と直交する方向に並べた構成となっているので、光反射手段の鏡面を下に向ける必要があり、基準となる大きなミラー（例えば上述の液体ミラー６０）を使用することができない場合であっても、低コストで被検光学系の収差測定を行うことが可能である。特に、望遠鏡のように一般に対物レンズの口径の大きい光学系に対して本発明は効果がある。また、口径の小さいな平面鏡は移動や保管がし易いため取り扱いが容易であり、一部の平面鏡を破損したとしてもその平面鏡を取り替えれば済むという利点もある。

また、上記第１実施形態に係るハルトマンセンサ１では、光反射手段である平面鏡ユニット３０を構成する各平面鏡５５は、被検光学系（望遠鏡８０）の光軸ＡＸと直交するように配置された基準面に対して平行となるように調整され、被検光学系８０の収差計測時と同じ姿勢で平行調整がなされることになるので、収差計測の結果の精度を高めることができる。ここで、基準面が上述の実施形態に示したように液体ミラー６０の反射面（液面６２a）からなるのであれば、安価にして平面度の高い基準面を得ることができる。

図５は本発明の第２実施形態に係るハルトマンセンサ１′を示しており、上述の第１実施形態に係るハルトマンセンサ１と同じくカセグレン式反射望遠鏡８０を被検光学系としたものである。この第２実施形態に係るハルトマンセンサ１′において、上述の第１実施形態に係るハルトマンセンサ１と同じ構成部品については同一の符号を付してその説明を省略することにする。

この第２実施形態に係るハルトマンセンサ１′において、第１実施形態に係るハルトマンセンサ１と異なるところは被検光束を複数の小光束へ変換する方法（変換する位置）である。すなわち、本実施形態においては、光源１１と被検光学系である望遠鏡８０との間（具体的にはコリメータレンズ１２とビームスプリッタ１３との間）に複数の小孔２１ａを有した円板であるハルトマンプレート２１が設けられており、光源１１より発せられた被検光束はハルトマンプレート２１の複数の小孔２１ａを通過することによって複数の小光束に変換される。このハルトマンプレート２１は被検光束を複数の小光束に変換する光束変換手段であり、第１実施形態におけるマイクロレンズアレイ１５に相当するものである。

ハルトマンプレート２１により複数の小光束に変換された被検光束はコリメータレンズ１２、ビームスプリッタ１３及び集光レンズ１４からなる導光光学系によって被検光学系である望遠鏡８０へ導かれた後、この望遠鏡８０を通過し、平面鏡ユニット３０によって入射時とほぼ同じ光路上に反射された後、入射時とは反対の方向に望遠鏡８０を通過する。その後集光レンズ１４及びビームスプリッタ１３を通過し、集光レンズ２２により被検光束検出手段であるＣＣＤ撮像装置１６の撮像面１６ａ上に結像（集光）され、演算装置１８においてその集光スポットの撮像面１６ａ上の位置（座標）が求められる。ＣＣＤ撮像装置１６は少なくとも被検光学系の光軸ＡＸ上の位置を２箇所変えて測定が行われ、その測定結果から焦点面での収差量が算出される。ここで、ハルトマンプレート２１によって複数の小光束に変換された被検光束は、平面鏡ユニット３０を構成する複数の平面鏡５５のいずれかによって反射されるように配置される。平面鏡ユニット３０を構成する各平面鏡５５の平行調整の方法は第１実施形態の場合と同じである。このように、前述の第１実施形態では、被検光学系である望遠鏡８０と被検光束検出手段であるＣＣＤ撮像装置１６との間に設けられた光変換手段（マイクロレンズアレイ１５）によって被検光束が複数の小光束に変換される構成となっていたが、この第２実施形態では、導光光学系の内部に設けられた光束変換手段（ハルトマンプレート２１）によって被検光束が複数の小光束に変換される構成となっている。

図６は本発明の第３実施形態に係るハルトマンセンサ１０１を示しており、上述の第１実施形態に係るハルトマンセンサ１と同じくカセグレン式反射望遠鏡８０を被検光学系としたものである。この第３実施形態におけるハルトマンセンサ１０１において、上述の第１実施形態に係るハルトマンセンサ１と同じ構成部品については同一の符号を付してその説明を省略することにする。

この第３実施形態に係るハルトマンセンサ１０１において、第１実施形態に係るハルトマンセンサ１と異なるところは平面鏡ユニット１３０の構成である。この第３実施形態に係る平面鏡ユニット１３０は、被検光学系（望遠鏡８０の主鏡である凹面鏡８１の有効径）の有効径よりも小さい口径を有する平面鏡５５が被検光学系の光軸と直交する平面内で走査可能に構成されている。

平面鏡ユニット１３０の具体的構成は図６〜図８に示すように、被検光学系である望遠鏡８０の光軸ＡＸと直交する平面内（水平面内）において四辺がｘ軸又はｙ軸に沿うように配置された正方形状の枠体１６１と、枠体１６１の内部をｘ軸方向にスライド移動可能なｘ軸方向移動体１６２と、ｘ軸方向移動体１６２内をｙ軸方向にスライド移動可能なｙ軸方向移動体１６３と、ｘ軸方向移動体１６２をｘ軸方向に移動させるｘ軸方向移動機構１６４と、ｙ軸方向移動体１６３をｙ軸方向に移動させるｙ軸方向移動機構１６５と、ｘ軸方向移動機構１６４及びｙ軸方向移動機構１６５の作動制御を行う制御装置１６６と、ｙ軸方向移動体１６３に取付けられて平面鏡５５を支持するとともに平面鏡５５のｙ軸方向移動体１６３に対する姿勢を変化させ得る機能を有した前述の（第１実施形態と同じ）平面鏡保持機構４０と、平面鏡保持機構４０に保持された前述の平面鏡５５とを有して構成される。

ｘ軸方向移動体１６２はｙ軸方向の長さが枠体１６１内部のｙ軸方向の長さよりも若干小さい平面視長方形状の下方に開口した筐体からなっている。ｙ軸方向移動体１６３はｘ軸方向移動体１６２内部のｘ軸方向の長さよりも若干小さい長さの長辺を有する平面視長方形板状の部材からなる。ｙ軸方向移動体１６３には上下方向に貫通した円孔１３２が設けられており、この円孔１３２内には、ｙ軸方向移動体１６３に取付けられた平面鏡保持機構４０によって平面鏡５５が保持されている。

ｘ軸方向移動機構１６４は枠体１６１の内部空間内をｘ軸方向に延びたｘ軸方向移動ボール螺子１６４ａ及びｘ軸方向移動ガイド部材１６４ｂと、枠体１６１に取付けられてｘ軸方向移動ボール螺子１６４ａをその軸回りに回転させるｘ軸方向移動ステッピングモータ１６４ｃとから構成される。ｘ軸方向移動ボール螺子１６４ａ及びｘ軸方向移動ガイド部材１６４ｂはいずれもｘ軸方向移動体１６２をｘ軸方向に貫通して延びており、ｘ軸方向移動ボール螺子１６４ａはその外周部に設けられた雄螺子部が、ｘ軸方向移動体１６２の内部をｘ軸方向に延びて設けられた雌螺子部とこれら両者（雄螺子部と雌螺子部）の間に介在する小剛球を挟んで螺合している。ｘ軸方向移動ステッピングモータ１６４ｃは制御装置１６６からの指令を受けて回転及び停止動作をするようになっており、ｘ軸方向移動ステッピングモータ１６４ｃが制御装置１６６からの指令を受けて作動し、これによりｘ軸方向移動ボール螺子１６４ａが軸回りに回転すると、ｘ軸方向移動体１６２はｘ軸方向移動ボール螺子１６４ａ及びｘ軸方向移動ガイド部材１６４ｂにガイドされた状態で、枠体１６１の内部をｘ軸方向に移動する。

ｙ軸方向移動機構１６５はｘ軸方向移動体１６２の内部空間内をｙ軸方向に延びたｙ軸方向移動ボール螺子１６５ａ及びｙ軸方向移動ガイド部材１６５ｂと、ｘ軸方向移動体１６２に取付けられてｙ軸方向移動ボール螺子１６５ａをその軸回りに回転させるｙ軸方向移動ステッピングモータ１６５ｃとから構成される。ｙ軸方向移動ボール螺子１６５ａはｙ軸方向移動体１６３をｙ軸方向に貫通して延びており、ｙ軸方向移動ボール螺子１６５ａはその外周部に設けられた雄螺子部が、ｙ軸方向移動体１６３の内部をｙ軸方向に延びて設けられた雌螺子部とこれら両者（雄螺子部と雌螺子部）の間に介在する小剛球を挟んで螺合している。ｙ軸方向移動ステッピングモータ１６５ｃは制御装置１６６からの指令を受けて回転及び停止動作をするようになっており、ｙ軸方向移動ステッピングモータ１６５ｃが制御装置１６６からの指令を受けて作動し、これによりｙ軸方向移動ボール螺子１６５ａが軸回りに回転すると、ｙ軸方向移動体１６３はｙ軸方向移動ボール螺子１６５ａ及びｙ軸方向移動ガイド部材１６５ｂによりガイドされた状態で、ｘ軸方向移動体１６２の内部をｙ軸方向に移動する。

このような構成の平面鏡ユニット１３０は、枠体１６１及び平面鏡５５が被検光学系である望遠鏡８０の光軸ＡＸと直交するように配置された基準面（例えば前述の液体ミラー６０の液面６２ａ）に対して平行となるように調整されたうえで、望遠鏡８０と対向するように、枠体１６１が水平面内（ｘｙ面内）に設置される。そして、望遠鏡８０の収差計測においては、制御装置１６６からｘ軸方向移動ステッピングモータ１６４ｃを作動させてｘ軸方向移動体１６２をｘ軸方向に移動させつつ、ｙ軸方向移動ステッピングモータ１６５ｃを作動させてｙ軸方向移動体１６３をｙ軸方向に移動させる。これにより平面鏡５５は望遠鏡８０の上方においてｘｙ平面内（水平面内）を二次元的に移動（走査）され、第１実施形態の場合と同様にして望遠鏡８０の収差が求められる。

上記のような平面鏡５５の移動（走査）において、平面鏡保持機構４０を介してｙ軸方向移動体１６３に保持された平面鏡５５は走査中に何らかの原因により、望遠鏡８０の光軸ＡＸと直交する平面（水平面）からの傾き（ピッチ角）を有してしまっている場合がある。本第３実施形態ではこの平面鏡５５の望遠鏡８０の光軸ＡＸと直交する平面からの傾きをｙ軸まわりピッチ角検出器１７１とｘ軸まわりピッチ角検出器１７２とを用いて検出するようにしている（図６参照）。

ｙ軸まわりピッチ角検出器１７１は、ｘ軸方向に射出した測定光が平面鏡保持体５２の円筒状の側面において反射した光と、図示しない参照面において反射した光との干渉縞から平面鏡５５のｙ軸まわりピッチ角を検出するレーザ干渉計であり、ｘ軸まわりピッチ角検出器１７２は、ｙ軸方向に射出した測定光が平面鏡保持体５２の円筒状の側面において反射した光と、図示しない参照面において反射した光との干渉縞から平面鏡５５のｘ軸まわりピッチ角を検出するレーザ干渉計である。これらｙ軸まわりピッチ角検出器１７１及びｘ軸まわりピッチ角検出器１７２それぞれにおいて観測される干渉縞の間隔は平面鏡５５の（平面鏡保持体５２の）水平面（ｘｙ平面）からの傾き角θ（図９参照）に比例することから、ｙ軸まわりピッチ角検出器１７１及びx軸まわりピッチ角検出器１７２は、それぞれ観測される干渉縞から平面鏡５５の（平面鏡保持体５２の）水平面からのｙ軸まわりピッチ角、ｘ軸まわりピッチ角を算出する。そして、演算装置１８は、このようにして算出された平面鏡５５のｙ軸まわりのピッチ角とｘ軸まわりのピッチ角とから、これらピッチ角に起因する検査平面（ＣＣＤ撮像装置１６の撮像面１６ａ）上での集光スポット（第１の集光スポット）の位置を補正する。これにより、被検光学系の収差計測中に何らかの原因によって平面鏡５５が望遠鏡８０の光軸ＡＸと直交する平面（水平面）からの傾き（ピッチ角）を有してしまった場合であっても、被検光学系の正確な収差を求めることができる。

上記のように、本発明の第３実施形態に係るハルトマンセンサ１０１では、被検光学系（望遠鏡８０）を通過した被検光束（第１の光）を入射時とほぼ同じ光路上に反射する光反射手段（平面鏡ユニット３０）が、高精度な平面度を実現しにくい大口径の（被検光学系の有効径以上の口径を有する）一枚の平面鏡からなるのではなく、高精度な平面度を実現し易い小口径の（被検光学系の有効径よりも小さい口径の）平面鏡を１枚、被検光学系の光軸と直交する平面内で走査可能にした構成となっているので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、上記第３実施形態に係るハルトマンセンサ１０１では、一枚の平面鏡５５を被検光学系（望遠鏡８０）の光軸と直交する平面内（ｘｙ平面内）で走査するように構成されていたが、複数枚の平面鏡５５を被検光学系の光軸と直交する平面内で走査するように構成されていてもよい。また、複数の平面鏡５５をｙ軸方向の走査領域をカバーし得る数だけ並べた構成とすれば、上述の実施形態におけるｙ軸方向移動機構１６５が不要となるので、平面鏡ユニット１３０の構成を非常に簡単なものとすることができる。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は上述の実施形態に示したものに限定されない。例えば、平面鏡保持機構４０の構成は一例に過ぎず、平面鏡５５を保持するとともに、その姿勢を任意に変化させることのできる構成であれば、上述の実施形態に示した構成でなくてもよい。また、上述の実施形態では、平面鏡５５の姿勢は手作業により変化させていたが、電動モータ等を用いて電気・機械式に平面鏡５５の姿勢を変化させることができるようにしてもよい。更に、平面鏡ユニット３０を構成する全ての平面鏡５５が互いに完全に平行となる状態でベース部材３１に組み付け得るのであれば、必ずしも平面鏡５５の姿勢を変化させ得る機構を有していなくてもよい。

また、前述の第１実施形態では、平面鏡５５は１６枚であるとして説明したが、これは一例に過ぎず、平面鏡５５は何枚であってもよい。また、平面鏡５５にマスクを取付けることにより、或る平面鏡５５内の特定位置における反射光（第１の光の反射光）による集光スポット（第１の集光スポット）のみを検査平面（ＣＣＤ撮像装置１６の撮像面１６ａ）上に取出すことも可能である。また、上述の実施形態では、カセグレン式反射望遠鏡を被検光学系とする例を示したが、これは一例に過ぎず、他のタイプの望遠鏡であってもよいし、望遠鏡以外の光学系であってもよい。また、上述の実施形態では、本発明に係るハルトマンセンサをシャック・ハルトマンセンサとして使用するものであったが、本発明に係るハルトマンセンサは、干渉式のハルトマンセンサとしても使用することができる。

本発明の第1実施形態に係るハルトマンセンサの構成概念図である。 第1実施形態に係るハルトマンセンサにおける平面鏡ユニットを下面側から見た図である。 （Ａ）は図２における領域IIIを平面鏡ユニットの上面側から見た拡大図であり、（Ｂ）は（Ａ）における矢視IIIＢ−IIIＢから見た断面図である。 平行測定装置を用いた各平面鏡の平行調整の様子を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るハルトマンセンサの構成概念図である。 本発明の第３実施形態に係るハルトマンセンサの構成概念図である。 第３実施形態に係るハルトマンセンサにおける平面鏡ユニットを下面側から見た図である。 第３実施形態に係るハルトマンセンサにおける平面鏡ユニットの一部を示す斜視図である。 平面鏡の水平面からの傾き角を示す平面鏡ユニットの図３（Ｂ）に対応する図である。

符号の説明

１ ハルトマンセンサ
１１ 光源
１２ コリメータレンズ（導光光学系）
１３ ビームスプリッタ（導光光学系）
１４ 集光レンズ（導光光学系）
１５ マイクロレンズアレイ（光束変換手段）
１６ ＣＣＤ撮像装置（被検光束検出手段）
１８ 演算装置（収差算出手段、収差補正手段）
３０ 平面鏡ユニット（光反射手段）
４０ 平面鏡保持機構
４７ 揺動支柱
５２ 平面鏡保持体
５５ 平面鏡
５５ａ 平面鏡の鏡面
５７ 姿勢固定螺子
６０ 液体ミラー
６２ａ 液体の液面
７０ 平行測定装置
７６ 記憶装置（記憶手段）
１７１ ｙ軸まわりピッチ角検出器（ピッチ角検出手段）
１７２ ｘ軸まわりピッチ角検出器（ピッチ角検出手段）

Claims (6)

1. 光源と、前記光源から発せられた被検光束を被検光学系に導く導光光学系と、前記導光光学系により導かれて前記被検光学系を通過した前記被検光束を入射時とほぼ同じ光路上に反射する光反射手段と、前記光反射手段により反射されて前記被検光学系を入射時とは反対の方向に通過した前記被検光束を検出する被検光束検出手段と、前記被検光束検出手段により検出された前記被検光束に基づいて前記被検光学系の収差を算出する収差算出手段とを備え、前記被検光束は前記導光光学系の内部若しくは前記被検光学系と前記被検光束検出手段との間に設けられた光束変換手段によって複数の小光束に変換され、前記被検光束検出手段は前記被検光束を前記複数の小光束として検出する構成のハルトマンセンサにおいて、
   前記光反射手段は、前記被検光学系の有効径よりも小さい口径を有する複数の平面鏡が前記被検光学系の光軸と直交する方向に並べられてなることを特徴とするハルトマンセンサ。
2. 前記光反射手段を構成する前記各平面鏡は、前記被検光学系の光軸と直交するように配置された基準面に対して平行となるように調整されていることを特徴とする請求項１記載のハルトマンセンサ。
3. 前記基準面が液体ミラーの反射面からなることを特徴とする請求項２記載のハルトマンセンサ。
4. 前記各平面鏡の前記基準面に対する傾き角を記憶させておく記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記平面鏡の前記基準面に対する傾き角から、前記収差算出手段により算出された前記被検光学系の収差を補正する収差補正手段とを備えたことを特徴とする請求項２又は３記載のハルトマンセンサ。
5. 光源と、前記光源から発せられた被検光束を被検光学系に導く導光光学系と、前記導光光学系により導かれて前記被検光学系を通過した前記被検光束を入射時とほぼ同じ光路上に反射する光反射手段と、前記光反射手段により反射されて前記被検光学系を入射時とは反対の方向に通過した前記被検光束を検出する被検光束検出手段と、前記被検光束検出手段により検出された前記被検光束に基づいて前記被検光学系の収差を算出する収差算出手段とを備え、前記被検光束は前記導光光学系の内部若しくは前記被検光学系と前記被検光束検出手段との間に設けられた光束変換手段によって複数の小光束に変換され、前記被検光束検出手段は前記被検光束を前記複数の小光束として検出する構成のハルトマンセンサにおいて、
   前記光反射手段は、前記被検光学系の有効径よりも小さい口径を有する一又は複数の平面鏡が前記被検光学系の光軸と直交する平面内で走査可能に構成されてなることを特徴とするハルトマンセンサ。
6. 前記平面鏡の前記被検光学系の光軸と直交する平面からのピッチ角を検出するピッチ角検出手段と、前記ピッチ角検出手段において検出された前記平面鏡の前記被検光学系の光軸と直交する平面からのピッチ角から、前記収差算出手段により算出された前記被検光学系の収差を補正する収差補正手段とを備えたことを特徴とする請求項５記載のハルトマンセンサ。

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