专利名称：波面像差测量装置及方法、以及波面像差调整方法
技术领域：
本发明是关于波面像差测量装置及方法、以及波面像差调整方法，特别是关于使
用测量在被检光学系统所发生的波面变化的信息的波面感测器的技术。
背景技术：
已知由光学系统(包含透镜、反射镜等单体的光学构件的广义概念)会发生波面像差。实际制作的透镜的波面像差，会有从透镜设计中的波面像差设计值偏离的情形。例如专利文献l，是已知的使用干涉法以外的方法，其是以由利用透镜阵列的夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)法形成的波面感测器做为测量被检光学系统的波面像差的波面像差测
量装置。 专利文献1 :日本专利第3417399号说明书。
发明内容
在使用干涉法的波面像差测量装置中，光源必需为同调性光源，光源所耗的成本偏高，容易使装置的制造成本亦偏高。又，由于必需有高价的原器(在干涉法中用以产生作为基准的参考波面的工具)，而易于使装置的制造成本进一步的提高。 本发明，有鉴于上述问题而为，其目的在于，提供不使用干涉法，能以较为简单的
构成来测量被检光学系统的波面像差的波面像差测量装置及方法。又，本发明的其他目的
在于，提供可降低或抵销光学系统的波面像差的新型式波面像差调整方法。 为解决上述问题，本发明的第1型态，是用以测量被检光学系统的波面像差的波
面像差测量装置，其特征在于，具备 点光源，用以供应测量光； 光检测器，其具有配置在与该点光源成光学共轭位置的检测面； 波面变化赋予部，其是配置在该点光源与光检测器间的光路中，能对于经过该被
检光学系统的光赋予波面变化，及 测量部，其根据该光检测器的输出、与于该波面变化赋予部所赋予的波面变化，测量该被检光学系统的波面像差。 依本发明的第2型态，是用以测量被检光学系统的波面像差的波面像差测量方法，其特征在于， 对由点光源所放射且经过该被检光学系统的光赋予波面变化； 检测出被赋予该波面变化的光于与该点光源成光学共轭的既定面所形成的点光； 根据为使该点光为最大光强度而赋予的波面变化，测量该被检光学系统的波面像差。 依本发明的第3型态，是提供一种波面像差的调整方法，其是根据由第2型态的波面像差测量方法所测得的波面像差，调整该被检光学系统的波面像差。在该调整方法中，是将可变形反射镜固定为可发生所欲波面像差的状态，接着，点光调整该被检光学系统的波面像差以使该点光有最大光强度。 在本发明的波面像差测量装置及方法中，是对于由点光源所放射并经过被检光学
系统的光赋予波面变化，并检测出在与点光源成光学共轭的既定面所形成的点光。又例如，
可根据为使点光有最大光强度而赋予的波面变化，测量被检光学系统的波面像差。 如所示，在本发明的波面像差测量装置及方法中，并不使用干涉法，可以较为简单
的构成来测量被检光学系统的波面像差。其结果，无需具备同调性光源，因此，不仅是耗费
在光源的成本较低，亦无需具备高价的原器，而能压低装置的制造成本。 利用本发明的波面像差调整方法，能调整为有效率地降低或抵销光学系统的波面像差。
图1是概略显示本发明的第1实施型态的波面像差测量装置的构成图。 图2是概略显示图1的可变形反射镜的内部构成图。 图3是概略显示本发明的第2实施型态的波面像差测量装置的构成图。 图4是概略显示本发明的第3实施型态的波面像差测量装置的构成图。 图5是可用在本发明的变形例的具有多个反射镜要件的二维反射镜阵列的概略图。 附图标号 1光源 2聚光透镜 3针孔构件 3a针孔 4、10分束器 5可变形反射镜(可调变聚焦镜) 6控制处理系统 7光检测器 8透镜 9准直透镜 ll聚光透镜 20、21、22被检光学系统
具体实施例方式
以下根据附图以说明本发明的实施型态。图1是本发明的第1实施型态的波面像差测量装置的概略构成图。在第1实施型态中，是将本发明的波面像差测量装置用在由1个或多个透镜构成的被检光学系统20的波面像差测量。第1实施型态的波面像差测量装置，具备有光源1，其能供应例如与被检光学系统20的使用光具有相同波长的测量光。可使用白热灯泡、卤素灯、水银灯等作为光源1之用。 从光源1所放射的光，通过聚光透镜2，照明在针孔构件3所形成的针孔3a。通过
5针孔3a的光，成为理想的球面波的光，射入分束器4。也就是，光源1与聚光透镜2及针孔 构件3，构成了点光源的形成手段，可供放射出理想球面波的光。射入分束器4而反射的光， 射入被检光学系统20。 针孔构件3的针孔3a，是配置在被检光学系统20的后侧焦点位置。因此，通过被 检光学系统20的光，在假若无视被检光学系统20的波面像差影响即可视为平行光的状态 下，射入可变形反射镜(可调变聚焦镜)5。可变形反射镜5如图2所示，具备有例如反射 构件(反射镜)5a，具有初期为平面形状的反射面；多个驱动元件5b，其以对应于反射构件 5a的反射面(反射镜)的方式呈2维地并排配置；反射镜基材5c ;以及用以对多个驱动元 件5b予以个别驱动的驱动部5d。反射构件5a，例如是由金、铝的蒸镀膜、或是介电体多层 膜所形成。 驱动部5d是根据来自控制处理系统6的控制信号，将多个驱动元件5b予以个别 的驱动。多个驱动元件5b被安装在反射镜基材5c，通过各自独立的推/拉动作，将反射构 件5a的反射面变更为所期望的面形状。也就是，可以将反射构件5a的反射面看成，是被多 个部位所划分，该多个部位，是以连接有多个驱动元件5b的位置作为中心。可使用例如压 电元件或滚珠螺杆等致动器作为驱动元件5b。举例而言，使用镀铝的氮化硅薄膜，调整施加 于薄膜与背面的电极间的电压，通过静电力而使反射镜形状变形的反射镜，即是已知的反 射构件。凭借可变形反射镜5的反射而被赋予波面变化的光，通过被检光学系统20及分束 器4，将针孔3a的像(也就是是点光)形成于，配置在与针孔3a成光学共轭位置的光检测 器7的检测面。 光检测器7可使用PSD(位置检测元件利用光电二极管的表面阻抗的点光位置感 测器)、CCD(区域感测器)等。由光检测器7所检测出的点光的光强度信息，被供应至控制 处理系统6。控制处理系统6边监测光检测器7的输出，边使可变形反射镜5的反射面形状 作适当的变化，以使光检测器7所检测出的点光为最大的光强度。例如，能通过以下方式来 控制可变形反射镜5的驱动元件。在可变形反射镜5的初期设定位置，多个驱动元件依序 伸縮，并测量光检测器7的信号。光检测器7对于各驱动元件的驱动位置能达到最大值的， 其驱动位置将会被视为各驱动元件的最佳位置，进而将其储存在控制处理系统6的存储器 (未图示)。等到对所有驱动元件皆求出最佳位置后，将所有的驱动元件设定在所求出的驱 动位置(最佳位置)，也就是是设定可变形反射镜5的反射面。 若是可变形反射镜5的反射面形状，与通过被检光学系统20朝可变形反射镜5射 入的光的波面具有相同形状，则在可变形反射镜5的反射面所反射的光，会原原本本的循 着通过被检光学系统20而来的路径而反向前进，在光检测器7的检测面，以针孔3a的鲜明 像(点光)的扩张性最受压抑的状态而形成，使点光的光强度(进而是光检测器7的输出) 成为最大。 如所示，控制处理系统6，适当地改变可变形反射镜5的反射面形状以使形成于光 检测器7的检测面的点光有最大光强度，然后根据于点光为最大光强度时的可变形反射镜 5的反射面形状的相关信息，也就是是由可变形反射镜5所赋予的波面变化的相关信息，测 量被检光学系统20的波面像差。根据所测得的波面像差，亦可求出其与被检光学系统20的 波面像差设计值(理想的波面像差)间的偏离值。在第1实施型态的波面像差测量装置， 并不使用干涉法，能以较为简单的构成来测量被检光学系统20的波面像差。
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此外，当被检光学系统20未有偏心成分时，点光是在光检测器7的检测面形成于光轴的位置。因此，例如，若将光检测器7的检测面中心与光轴位置设定成一致，就能根据点光的形成位置离开光检测器7的检测面中心的位置偏离信息(一般是点光的位置信息)，来测量被检光学系统20的偏心成分。 或者，使可变形反射镜5的反射面形状作适当的改变以使点光朝光检测器7的检测面的中心位置(一般是指检测面上的既定位置)移动，然后根据点光形成于光检测器7的检测面的中心位置时，可变形反射镜5的反射面形状的倾斜成分(进而是由可变形反射镜5所赋予的波面变化的倾斜成分)，测量被检光学系统20的偏心成分，甚至可根据必要性而校正(调整)被检光学系统20的偏心成分。若有偏心成分的存在，会对想要检测的被检光学系统20所产生的波面造成影响。因此，为了要更为正确的检测出波面像差，较佳是在已校正(调整)偏心成分的状态下测量波面像差。 图3是显示本发明的第2实施型态的波面像差测量装置的概略构成图。在第2实施型态中，将本发明的波面像差测量装置用在对由1个凹面反射镜构成的被检光学系统(也就是被检凹面反射镜21)的波面像差测量。以下着眼于与第l实施型态的相异点，说明第2实施型态的波面像差测量装置的构成及作用效果。 在第2实施型态的波面像差测量装置中，由光源1所放射的光，通过聚光透镜2，照明针孔构件3的针孔3a。来自针孔3a的光，在理想球面波的状态下射入分束器4。在分束器4所反射的光，通过发挥准直透镜功能的透镜8而予以转换成平行光后，射入被检凹面反射镜21。 由被检凹面反射镜21所反射的光，将针孔3a的像形成于透镜8的被检凹面反射镜21侧的光学面上后，通过透镜8而射入分束器4。换言之，在第2实施型态中，透镜8与被检凹面反射镜21的沿着光轴的间隔被调整为针孔3a的像会形成于透镜8的被检凹面反射镜21侧的光学面上。 通过分束器4的光，被准直透镜9转换成平行光后，射入分束器10。通过分束器10的光，在假若无视于被检凹面反射镜21的波面像差影响即可视为平行光的状态下，射入可变形反射镜5。通过可变形反射镜5的反射而被赋予波面变化的光，射入分束器10。
在分束器10所反射的光，通过聚光透镜ll，将针孔3a的像(也就是点光)形成于，配置在与针孔3a成光学共轭位置的光检测器7的检测面。由光检测器7所检测出的点光的光强度信息，被供应至作为测量被检凹面反射镜21的波面像差的测量部的控制处理系统6。 第2实施型态也与第1实施型态相同，控制处理系统6边监测光检测器7的输出，边使可变形反射镜5的反射面形状适当改变，以使光检测器7所检测出的点光有最大的光强度。又，控制处理系统6是根据形成于光检测器7的检测面的点光为最大光强度时可变形反射镜5的反射面形状的信息(也就是由可变形反射镜5所赋予的波面变化的相关信息)，测量被检凹面反射镜21的波面像差。 然而，在第2实施型态，当被检凹面反射镜21的反射面，是具有的曲率半径乃是沿着光轴(起自该反射面，迄透镜8的被检光学系统21侧的光学面为止的光轴)的距离的2倍长度的抛物面时，形成于光检测器7的检测面的点光为最大的光强度(点光成为最小)。因此，考虑此种情事，控制处理系统6是将可变形反射镜5所赋予的波面变化的相关信息，转换成被检凹面反射镜21的波面像差。如此，在第2实施型态，同样未使用干涉法，即能以较为简单的构成来测量被检凹面反射镜21的波面像差。 又，控制处理系统6是根据形成于光检测器7的检测面的点光的位置信息(例如，点光的形成位置距离检测面中心位置的偏离信息)，测量被检凹面反射镜21的偏心成分。或者，控制处理系统6使可变形反射镜5的反射面形状适当改变以使点光朝光检测器7的检测面的既定位置(例如检测面的中心位置)移动，根据此时的可变形反射镜5的反射面形状的倾斜成分(进而是可变形反射镜5所赋予的波面变化的倾斜成分)，测量被检凹面反射镜21的偏心成分。 图4是显示本发明的第3实施型态的波面像差测量装置的概略构成图。在第3实施型态中，将本发明的波面像差测量装置用在由l个凸面反射镜构成的被检光学系统(也就是被检凸面反射镜22)的波面像差测量。以下，着眼于与第1实施型态及第2实施型态的相异点，说明第3实施型态的波面像差测量装置的构成及作用效果。
在第3实施型态的波面像差测量装置中，由光源1所放射的光，通过聚光透镜2，照明针孔构件3的针孔3a。来自针孔3a的光，在理想球面波的状态下射入分束器4。在分束器4所反射的光，通过具有聚光透镜功能的透镜8，垂直的射入被检凸面反射镜22以会聚在被检凸面反射镜22的反射面的曲率中心位置0'。 换言之，在第3实施型态，针孔3a与透镜8的沿着光轴的间隔是被调整为能在不介入被检凸面反射镜22的状态下，使针孔3a的像形成于被检凸面反射镜22的反射面的曲率中心位置O'。由被检凸面反射镜22所反射的光，通过透镜8而射入分束器4。
通过分束器4的光，在形成针孔3a的像后，被准直透镜9转换成平行光，射入分束器10。通过分束器10的光，在假使无视于被检凸面反射镜22的波面像差影响即可视为平行光的状态下，射入可变形反射镜5。通过可变形反射镜5的反射而被赋予波面变化的光，射入分束器10。 在分束器10所反射的光，通过聚光透镜ll，将针孔3a的像(也就是点光)形成于，配置在与针孔3a成光学共轭位置的光检测器7的检测面。由光检测器7所检测出的点光的光强度信息，被供应至作为测量被检凸面反射镜22的波面像差的测量部的控制处理系统6。 第3实施型态亦与第1实施型态相同，控制处理系统6边监测光检测器7的输出，边使可变形反射镜5的反射面形状适当改变，以使光检测器7所检测出的点光为最大的光强度。又，控制处理系统6是根据形成于光检测器7的检测面的点光为最大光强度时可变形反射镜5的反射面形状信息(也就是由可变形反射镜5所赋予的波面变化的相关信息)，测量被检凸面反射镜22的波面像差。如此，在第3实施型态，同样未使用干涉法，即能以较为简单的构成来测量被检凸面反射镜22的波面像差。 又，控制处理系统6是根据形成于光检测器7的检测面的点光的位置信息(例如，点光的形成位置距离检测面中心位置的偏离信息)，测量被检凸面反射镜22的偏心成分。或者，控制处理系统6，使可变形反射镜5的反射面形状适当改变，以使点光朝光检测器7的检测面的既定位置(例如检测面的中心位置)移动，根据此时的可变形反射镜5的反射面形状的倾斜成分(进而是可变形反射镜5所赋予的波面变化的倾斜成分)，测量被检凸面反射镜22的偏心成分。
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经比较第2实施型态与第3实施型态，波面像差测量装置是以具有彼此相同功能的要件所构成。因此，通过光源单元(光源1、聚光透镜2、针孔构件3)与透镜8之间的间隔调整机构的设置，以及分束器4与检测/控制单元(准直透镜9、分束器10、可变形反射镜5、聚光透镜11、光检测器7、控制处理系统6)之间的间隔调整机构的设置，可实现无论是对于凹面反射镜所构成的被检光学系统，或是由凸面反射镜所构成的被检光学系统，皆可适用的波面像差测量装置。 在上述实施型态中，是以本发明的波面像差测量装置及波面像差测量方法来说明，然而，可将本发明用在被检光学系统所用的波面像差调整方法。在第1实施型态，已测得被检光学系统的波面像差，因此，可使用已测得的波面像差来调整(或修正)被检光学系统，使被检光学系统的波面像差成为所欲波面像差数值。以下说明其具体方法。将具有设计值(例如O)的波面像差的被检光学系统20，作为理想的被检光学系统20。首先，将可变形反射镜5的面形状设定成，经过此种理想的被检光学系统20后应有理想的波面像差的面形状，且予以固定。例如，若是理想的被检光学系统20的波面像差为O，该种被检光学系统20并不需要将可变形反射镜5的面形状予以变形以调节波面像差，因此，可将可变形反射镜5的面形状设定成完全平坦的面，且予以固定。将经此方式固定的可变形反射镜5以图1的配置方式来设置。假使在被检光学系统20的波面像差可成为0 (所欲波面像差)的状态(被检光学系统已被调整)，在可变形反射镜5所反射的反射光，会原原本本的循着通过被检光学系统的光路而反向前进，因此，照射在光检测器7的点光的强度，应该会达到最大。若是被检光学系统20的波面像差未达到O，换言之，被检光学系统20尚未被调整成能产生所要波面像差的状态，则会因为点光发生扩散，检测出的光强度不会到达最大。因此，乃重复被检光学系统20的调整(或修正)，使照射于光检测器7的点光的强度接近最大。被检光学系统20的调整或修正，例如，能以对于构成被检光学系统20的透镜表面实施研磨的方式来进行。当被检光学系统20是由多个透镜所构成时，能以调节透镜间隔的方式来调整之。以该种调整，究竟能对波面像差达到何种程度的改善，可由输出光的顶峰强度对入射光的顶峰强度的比值(斯特列尔比Strehl Ratio)来评估。再者，在第1实施型态中，被检光学系统20的波面像差已经有测得，因此，可根据其测得的量，以预先对被检光学系统20实施研磨等方式而予调整(预先调整)，将经上述方式预先调整的被检光学系统20以图1的配置方式设置，确认光检测器7的点光的强度是否为最大。若是并未成为最大，则是将被检光学系统20再度调整后，以图1的方式来设置以检查点光的强度。通过此作业的重复实施，能有效率且确实的调整(或修正)被检光学系统。 再者，在上述的各实施型态，是使用具有可变形的1个连续反射面的可变形反射镜(可调变聚焦镜)5，来作为配置在点光源(3a:l 3)与光检测器7间的光路中、用以对经过被检光学系统(20 ;21 ;22)的光赋予波面变化的波面变化赋予部。然而，并不局限于此，亦可如图5所示，使用具有能独立地改变角度且呈二维并列配置的多个反射镜要件50的二维反射镜阵列51 (例如二维MEMS阵列等)，作为波面变化赋予部。在此情形的反射镜要件50是如图2所示，可通过驱动元件5b予以独立的驱动。但并不局限于此，用以将波面变化赋予经过被检光学系统的光的波面变化赋予部的构成，可采各种型态。例如，可先将具有既定折射率的流体充填至被2维式的区分开来的多个小区块，使各小区块的光路长或流体的折射率独立变化，藉此，可对于通过其等各个小区块的光赋予波面变化。在此情形，可使用平面反射镜，使通过波面变化赋予部的光经反射而回到被检光学系统。 上述实施型态的波面像差测量装置及波面像差调整机构，光源并非绝对必备，可
利用在进行测量或调整的场所内设置的光源。又，在上述实施型态中，是使用具有光的会
聚、反射、及分割作用的特定的光学元件，然而，本发明并不局限于使用其等特定的光学元
件，可使用能带来此类作用的任意的光学元件。 本发明的波面像差测量装置及方法由于不使用干涉法便能容易测量被检光学系统的波面像差，故对光学系统的调整极有效。
权利要求
一种波面像差测量装置，用以测量被检光学系统的波面像差，其特征在于，所述波面像差测量装置包括点光源，用以供应测量光；光检测器，具有配置在与所述点光源成光学共轭位置的检测面；波面变化赋予部，配置在所述点光源与所述光检测器间的光路中，能对于经过所述被检光学系统的光赋予波面变化；及测量部，根据所述光检测器的输出、与于所述波面变化赋予部所赋予的波面变化，测量所述被检光学系统的波面像差。
2. 如权利要求1所述的波面像差测量装置，其特征在于，所述测量部根据为使形成于所述检测面的点光为最大光强度而赋予的波面变化，测量所述被检光学系统的波面像差。
3. 如权利要求1或2所述的波面像差测量装置，其特征在于，所述测量部根据为使形成于所述检测面的点光的位置能朝既定位置移动而赋予的波面变化的倾斜成分，测量所述被检光学系统的偏心成分。
4. 如权利要求1或2所述的波面像差测量装置，其特征在于，所述测量部根据形成于所述检测面的点光的位置信息，测量所述被检光学系统的偏心成分。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的波面像差测量装置，其特征在于，所述波面变化赋予部具有可变形的反射面与驱动其的驱动元件。
6. 如权利要求1至4中任一项所述的波面像差测量装置，其特征在于，所述波面变化赋予部具有呈二维并排配置并可独立地改变角度的多个反射镜要件与驱动其等的驱动元件。
7. 7.如权利要求1至6中任一项所述的波面像差测量装置，其特征在于，所述光源是非同调性光源。
8. 如权利要求1所述的波面像差测量装置，其特征在于，所述波面像差测量装置进一步包括控制所述驱动元件的控制部，控制部控制所述驱动元件使形成于所述检测面的点光为最大的光强度。
9. 一种波面像差测量方法，用以测量被检光学系统的波面像差，其特征在于对由点光源所放射且经过所述被检光学系统的光赋予波面变化；检测出被赋予所述波面变化的光于与所述点光源成光学共轭的既定面所形成的点光；根据为使所述点光为最大光强度而赋予的波面变化，测量所述被检光学系统的波面像差。
10. 如权利要求9所述的波面像差测量方法，其特征在于，根据为使所述点光位置朝既定位置移动而赋予的波面变化，测量所述被检光学系统的偏心成分。
11. 如权利要求9所述的波面像差测量方法，其特征在于，根据所述点光的位置信息，测量所述被检光学系统的偏心成分。
12. 如权利要求9所述的波面像差测量方法，其特征在于，使用可变形反射镜对经过所述被检光学系统的光赋予波面变化。
13. —种波面像差调整方法，其特征在于，使用如权利要求12所述的波面像差测量方法中所取得的波面像差，调整所述被检光学系统的波面像差。
14. 如权利要求13所述的波面像差调整方法，其特征在于，将所述可变形反射镜固定成对具有设计值波面像差的被检光学系统产生所欲波面像差的状态，继而调整所述被检光学系统的波面像差以使所述点光为最大光强度。
全文摘要
本发明关于用以测量被检光学系统(20)的波面像差的波面像差测量装置，其具备点光源(3a1～3)，用以供应测量光；光检测器(7)，具有配置在与点光源成光学共轭位置的检测面；波面变化赋予部(5)，配置在点光源与光检测器间的光路中，能对于经过被检光学系统的光赋予波面变化；及测量部(6)，根据光检测器的输出、与波面变化赋予部中所赋予的波面变化，测量被检光学系统的波面像差。其并不使用干涉法，能以较简单的构成来测量被检光学系统的波面像差。
文档编号G01M11/02GK101772696SQ20088010196
公开日2010年7月7日 申请日期2008年8月13日 优先权日2007年8月27日
发明者根岸武利 申请人:株式会社尼康