專利名稱：波面像差測量裝置及方法、以及波面像差調整方法
技術領域：
本發明是關于波面像差測量裝置及方法、以及波面像差調整方法，特別是關于使
用測量在被檢光學系統所發生的波面變化的信息的波面感測器的技術。
背景技術：
已知由光學系統(包含透鏡、反射鏡等單體的光學構件的廣義概念)會發生波面像差。實際制作的透鏡的波面像差，會有從透鏡設計中的波面像差設計值偏離的情形。例如專利文獻l，是已知的使用干涉法以外的方法，其是以由利用透鏡陣列的夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)法形成的波面感測器做為測量被檢光學系統的波面像差的波面像差測
量裝置。 專利文獻1 :日本專利第3417399號說明書。
發明內容
在使用干涉法的波面像差測量裝置中，光源必需為同調性光源，光源所耗的成本偏高，容易使裝置的制造成本亦偏高。又，由于必需有高價的原器(在干涉法中用以產生作為基準的參考波面的工具)，而易于使裝置的制造成本進一步的提高。 本發明，有鑒于上述問題而為，其目的在于，提供不使用干涉法，能以較為簡單的
構成來測量被檢光學系統的波面像差的波面像差測量裝置及方法。又，本發明的其他目的
在于，提供可降低或抵銷光學系統的波面像差的新型式波面像差調整方法。 為解決上述問題，本發明的第1型態，是用以測量被檢光學系統的波面像差的波
面像差測量裝置，其特征在于，具備 點光源，用以供應測量光； 光檢測器，其具有配置在與該點光源成光學共軛位置的檢測面； 波面變化賦予部，其是配置在該點光源與光檢測器間的光路中，能對于經過該被
檢光學系統的光賦予波面變化，及 測量部，其根據該光檢測器的輸出、與于該波面變化賦予部所賦予的波面變化，測量該被檢光學系統的波面像差。 依本發明的第2型態，是用以測量被檢光學系統的波面像差的波面像差測量方法，其特征在于， 對由點光源所放射且經過該被檢光學系統的光賦予波面變化； 檢測出被賦予該波面變化的光于與該點光源成光學共軛的既定面所形成的點光； 根據為使該點光為最大光強度而賦予的波面變化，測量該被檢光學系統的波面像差。 依本發明的第3型態，是提供一種波面像差的調整方法，其是根據由第2型態的波面像差測量方法所測得的波面像差，調整該被檢光學系統的波面像差。在該調整方法中，是將可變形反射鏡固定為可發生所欲波面像差的狀態，接著，點光調整該被檢光學系統的波面像差以使該點光有最大光強度。 在本發明的波面像差測量裝置及方法中，是對于由點光源所放射并經過被檢光學
系統的光賦予波面變化，并檢測出在與點光源成光學共軛的既定面所形成的點光。又例如，
可根據為使點光有最大光強度而賦予的波面變化，測量被檢光學系統的波面像差。 如所示，在本發明的波面像差測量裝置及方法中，并不使用干涉法，可以較為簡單
的構成來測量被檢光學系統的波面像差。其結果，無需具備同調性光源，因此，不僅是耗費
在光源的成本較低，亦無需具備高價的原器，而能壓低裝置的制造成本。 利用本發明的波面像差調整方法，能調整為有效率地降低或抵銷光學系統的波面像差。
圖1是概略顯示本發明的第1實施型態的波面像差測量裝置的構成圖。 圖2是概略顯示圖1的可變形反射鏡的內部構成圖。 圖3是概略顯示本發明的第2實施型態的波面像差測量裝置的構成圖。 圖4是概略顯示本發明的第3實施型態的波面像差測量裝置的構成圖。 圖5是可用在本發明的變形例的具有多個反射鏡要件的二維反射鏡陣列的概略圖。 附圖標號 1光源 2聚光透鏡 3針孔構件 3a針孔 4、10分束器 5可變形反射鏡(可調變聚焦鏡) 6控制處理系統 7光檢測器 8透鏡 9準直透鏡 ll聚光透鏡 20、21、22被檢光學系統
具體實施例方式
以下根據附圖以說明本發明的實施型態。圖1是本發明的第1實施型態的波面像差測量裝置的概略構成圖。在第1實施型態中，是將本發明的波面像差測量裝置用在由1個或多個透鏡構成的被檢光學系統20的波面像差測量。第1實施型態的波面像差測量裝置，具備有光源1，其能供應例如與被檢光學系統20的使用光具有相同波長的測量光。可使用白熱燈泡、鹵素燈、水銀燈等作為光源1之用。 從光源1所放射的光，通過聚光透鏡2，照明在針孔構件3所形成的針孔3a。通過
5針孔3a的光，成為理想的球面波的光，射入分束器4。也就是，光源1與聚光透鏡2及針孔 構件3，構成了點光源的形成手段，可供放射出理想球面波的光。射入分束器4而反射的光， 射入被檢光學系統20。 針孔構件3的針孔3a，是配置在被檢光學系統20的后側焦點位置。因此，通過被 檢光學系統20的光，在假若無視被檢光學系統20的波面像差影響即可視為平行光的狀態 下，射入可變形反射鏡(可調變聚焦鏡)5。可變形反射鏡5如圖2所示，具備有例如反射 構件(反射鏡)5a，具有初期為平面形狀的反射面；多個驅動元件5b，其以對應于反射構件 5a的反射面(反射鏡)的方式呈2維地并排配置；反射鏡基材5c ;以及用以對多個驅動元 件5b予以個別驅動的驅動部5d。反射構件5a，例如是由金、鋁的蒸鍍膜、或是介電體多層 膜所形成。 驅動部5d是根據來自控制處理系統6的控制信號，將多個驅動元件5b予以個別 的驅動。多個驅動元件5b被安裝在反射鏡基材5c，通過各自獨立的推/拉動作，將反射構 件5a的反射面變更為所期望的面形狀。也就是，可以將反射構件5a的反射面看成，是被多 個部位所劃分，該多個部位，是以連接有多個驅動元件5b的位置作為中心。可使用例如壓 電元件或滾珠螺桿等致動器作為驅動元件5b。舉例而言，使用鍍鋁的氮化硅薄膜，調整施加 于薄膜與背面的電極間的電壓，通過靜電力而使反射鏡形狀變形的反射鏡，即是已知的反 射構件。憑借可變形反射鏡5的反射而被賦予波面變化的光，通過被檢光學系統20及分束 器4，將針孔3a的像(也就是是點光)形成于，配置在與針孔3a成光學共軛位置的光檢測 器7的檢測面。 光檢測器7可使用PSD(位置檢測元件利用光電二極管的表面阻抗的點光位置感 測器)、CCD(區域感測器)等。由光檢測器7所檢測出的點光的光強度信息，被供應至控制 處理系統6。控制處理系統6邊監測光檢測器7的輸出，邊使可變形反射鏡5的反射面形狀 作適當的變化，以使光檢測器7所檢測出的點光為最大的光強度。例如，能通過以下方式來 控制可變形反射鏡5的驅動元件。在可變形反射鏡5的初期設定位置，多個驅動元件依序 伸縮，并測量光檢測器7的信號。光檢測器7對于各驅動元件的驅動位置能達到最大值的， 其驅動位置將會被視為各驅動元件的最佳位置，進而將其儲存在控制處理系統6的存儲器 (未圖示)。等到對所有驅動元件皆求出最佳位置后，將所有的驅動元件設定在所求出的驅 動位置(最佳位置)，也就是是設定可變形反射鏡5的反射面。 若是可變形反射鏡5的反射面形狀，與通過被檢光學系統20朝可變形反射鏡5射 入的光的波面具有相同形狀，則在可變形反射鏡5的反射面所反射的光，會原原本本的循 著通過被檢光學系統20而來的路徑而反向前進，在光檢測器7的檢測面，以針孔3a的鮮明 像(點光)的擴張性最受壓抑的狀態而形成，使點光的光強度(進而是光檢測器7的輸出) 成為最大。 如所示，控制處理系統6，適當地改變可變形反射鏡5的反射面形狀以使形成于光 檢測器7的檢測面的點光有最大光強度，然后根據于點光為最大光強度時的可變形反射鏡 5的反射面形狀的相關信息，也就是是由可變形反射鏡5所賦予的波面變化的相關信息，測 量被檢光學系統20的波面像差。根據所測得的波面像差，亦可求出其與被檢光學系統20的 波面像差設計值(理想的波面像差)間的偏離值。在第1實施型態的波面像差測量裝置， 并不使用干涉法，能以較為簡單的構成來測量被檢光學系統20的波面像差。
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此外，當被檢光學系統20未有偏心成分時，點光是在光檢測器7的檢測面形成于光軸的位置。因此，例如，若將光檢測器7的檢測面中心與光軸位置設定成一致，就能根據點光的形成位置離開光檢測器7的檢測面中心的位置偏離信息(一般是點光的位置信息)，來測量被檢光學系統20的偏心成分。 或者，使可變形反射鏡5的反射面形狀作適當的改變以使點光朝光檢測器7的檢測面的中心位置(一般是指檢測面上的既定位置)移動，然后根據點光形成于光檢測器7的檢測面的中心位置時，可變形反射鏡5的反射面形狀的傾斜成分(進而是由可變形反射鏡5所賦予的波面變化的傾斜成分)，測量被檢光學系統20的偏心成分，甚至可根據必要性而校正(調整)被檢光學系統20的偏心成分。若有偏心成分的存在，會對想要檢測的被檢光學系統20所產生的波面造成影響。因此，為了要更為正確的檢測出波面像差，較佳是在已校正(調整)偏心成分的狀態下測量波面像差。 圖3是顯示本發明的第2實施型態的波面像差測量裝置的概略構成圖。在第2實施型態中，將本發明的波面像差測量裝置用在對由1個凹面反射鏡構成的被檢光學系統(也就是被檢凹面反射鏡21)的波面像差測量。以下著眼于與第l實施型態的相異點，說明第2實施型態的波面像差測量裝置的構成及作用效果。 在第2實施型態的波面像差測量裝置中，由光源1所放射的光，通過聚光透鏡2，照明針孔構件3的針孔3a。來自針孔3a的光，在理想球面波的狀態下射入分束器4。在分束器4所反射的光，通過發揮準直透鏡功能的透鏡8而予以轉換成平行光后，射入被檢凹面反射鏡21。 由被檢凹面反射鏡21所反射的光，將針孔3a的像形成于透鏡8的被檢凹面反射鏡21側的光學面上后，通過透鏡8而射入分束器4。換言之，在第2實施型態中，透鏡8與被檢凹面反射鏡21的沿著光軸的間隔被調整為針孔3a的像會形成于透鏡8的被檢凹面反射鏡21側的光學面上。 通過分束器4的光，被準直透鏡9轉換成平行光后，射入分束器10。通過分束器10的光，在假若無視于被檢凹面反射鏡21的波面像差影響即可視為平行光的狀態下，射入可變形反射鏡5。通過可變形反射鏡5的反射而被賦予波面變化的光，射入分束器10。
在分束器10所反射的光，通過聚光透鏡ll，將針孔3a的像(也就是點光)形成于，配置在與針孔3a成光學共軛位置的光檢測器7的檢測面。由光檢測器7所檢測出的點光的光強度信息，被供應至作為測量被檢凹面反射鏡21的波面像差的測量部的控制處理系統6。 第2實施型態也與第1實施型態相同，控制處理系統6邊監測光檢測器7的輸出，邊使可變形反射鏡5的反射面形狀適當改變，以使光檢測器7所檢測出的點光有最大的光強度。又，控制處理系統6是根據形成于光檢測器7的檢測面的點光為最大光強度時可變形反射鏡5的反射面形狀的信息(也就是由可變形反射鏡5所賦予的波面變化的相關信息)，測量被檢凹面反射鏡21的波面像差。 然而，在第2實施型態，當被檢凹面反射鏡21的反射面，是具有的曲率半徑乃是沿著光軸(起自該反射面，迄透鏡8的被檢光學系統21側的光學面為止的光軸)的距離的2倍長度的拋物面時，形成于光檢測器7的檢測面的點光為最大的光強度(點光成為最小)。因此，考慮此種情事，控制處理系統6是將可變形反射鏡5所賦予的波面變化的相關信息，轉換成被檢凹面反射鏡21的波面像差。如此，在第2實施型態，同樣未使用干涉法，即能以較為簡單的構成來測量被檢凹面反射鏡21的波面像差。 又，控制處理系統6是根據形成于光檢測器7的檢測面的點光的位置信息(例如，點光的形成位置距離檢測面中心位置的偏離信息)，測量被檢凹面反射鏡21的偏心成分。或者，控制處理系統6使可變形反射鏡5的反射面形狀適當改變以使點光朝光檢測器7的檢測面的既定位置(例如檢測面的中心位置)移動，根據此時的可變形反射鏡5的反射面形狀的傾斜成分(進而是可變形反射鏡5所賦予的波面變化的傾斜成分)，測量被檢凹面反射鏡21的偏心成分。 圖4是顯示本發明的第3實施型態的波面像差測量裝置的概略構成圖。在第3實施型態中，將本發明的波面像差測量裝置用在由l個凸面反射鏡構成的被檢光學系統(也就是被檢凸面反射鏡22)的波面像差測量。以下，著眼于與第1實施型態及第2實施型態的相異點，說明第3實施型態的波面像差測量裝置的構成及作用效果。
在第3實施型態的波面像差測量裝置中，由光源1所放射的光，通過聚光透鏡2，照明針孔構件3的針孔3a。來自針孔3a的光，在理想球面波的狀態下射入分束器4。在分束器4所反射的光，通過具有聚光透鏡功能的透鏡8，垂直的射入被檢凸面反射鏡22以會聚在被檢凸面反射鏡22的反射面的曲率中心位置0'。 換言之，在第3實施型態，針孔3a與透鏡8的沿著光軸的間隔是被調整為能在不介入被檢凸面反射鏡22的狀態下，使針孔3a的像形成于被檢凸面反射鏡22的反射面的曲率中心位置O'。由被檢凸面反射鏡22所反射的光，通過透鏡8而射入分束器4。
通過分束器4的光，在形成針孔3a的像后，被準直透鏡9轉換成平行光，射入分束器10。通過分束器10的光，在假使無視于被檢凸面反射鏡22的波面像差影響即可視為平行光的狀態下，射入可變形反射鏡5。通過可變形反射鏡5的反射而被賦予波面變化的光，射入分束器10。 在分束器10所反射的光，通過聚光透鏡ll，將針孔3a的像(也就是點光)形成于，配置在與針孔3a成光學共軛位置的光檢測器7的檢測面。由光檢測器7所檢測出的點光的光強度信息，被供應至作為測量被檢凸面反射鏡22的波面像差的測量部的控制處理系統6。 第3實施型態亦與第1實施型態相同，控制處理系統6邊監測光檢測器7的輸出，邊使可變形反射鏡5的反射面形狀適當改變，以使光檢測器7所檢測出的點光為最大的光強度。又，控制處理系統6是根據形成于光檢測器7的檢測面的點光為最大光強度時可變形反射鏡5的反射面形狀信息(也就是由可變形反射鏡5所賦予的波面變化的相關信息)，測量被檢凸面反射鏡22的波面像差。如此，在第3實施型態，同樣未使用干涉法，即能以較為簡單的構成來測量被檢凸面反射鏡22的波面像差。 又，控制處理系統6是根據形成于光檢測器7的檢測面的點光的位置信息(例如，點光的形成位置距離檢測面中心位置的偏離信息)，測量被檢凸面反射鏡22的偏心成分。或者，控制處理系統6，使可變形反射鏡5的反射面形狀適當改變，以使點光朝光檢測器7的檢測面的既定位置(例如檢測面的中心位置)移動，根據此時的可變形反射鏡5的反射面形狀的傾斜成分(進而是可變形反射鏡5所賦予的波面變化的傾斜成分)，測量被檢凸面反射鏡22的偏心成分。
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經比較第2實施型態與第3實施型態，波面像差測量裝置是以具有彼此相同功能的要件所構成。因此，通過光源單元(光源1、聚光透鏡2、針孔構件3)與透鏡8之間的間隔調整機構的設置，以及分束器4與檢測/控制單元(準直透鏡9、分束器10、可變形反射鏡5、聚光透鏡11、光檢測器7、控制處理系統6)之間的間隔調整機構的設置，可實現無論是對于凹面反射鏡所構成的被檢光學系統，或是由凸面反射鏡所構成的被檢光學系統，皆可適用的波面像差測量裝置。 在上述實施型態中，是以本發明的波面像差測量裝置及波面像差測量方法來說明，然而，可將本發明用在被檢光學系統所用的波面像差調整方法。在第1實施型態，已測得被檢光學系統的波面像差，因此，可使用已測得的波面像差來調整(或修正)被檢光學系統，使被檢光學系統的波面像差成為所欲波面像差數值。以下說明其具體方法。將具有設計值(例如O)的波面像差的被檢光學系統20，作為理想的被檢光學系統20。首先，將可變形反射鏡5的面形狀設定成，經過此種理想的被檢光學系統20后應有理想的波面像差的面形狀，且予以固定。例如，若是理想的被檢光學系統20的波面像差為O，該種被檢光學系統20并不需要將可變形反射鏡5的面形狀予以變形以調節波面像差，因此，可將可變形反射鏡5的面形狀設定成完全平坦的面，且予以固定。將經此方式固定的可變形反射鏡5以圖1的配置方式來設置。假使在被檢光學系統20的波面像差可成為0 (所欲波面像差)的狀態(被檢光學系統已被調整)，在可變形反射鏡5所反射的反射光，會原原本本的循著通過被檢光學系統的光路而反向前進，因此，照射在光檢測器7的點光的強度，應該會達到最大。若是被檢光學系統20的波面像差未達到O，換言之，被檢光學系統20尚未被調整成能產生所要波面像差的狀態，則會因為點光發生擴散，檢測出的光強度不會到達最大。因此，乃重復被檢光學系統20的調整(或修正)，使照射于光檢測器7的點光的強度接近最大。被檢光學系統20的調整或修正，例如，能以對于構成被檢光學系統20的透鏡表面實施研磨的方式來進行。當被檢光學系統20是由多個透鏡所構成時，能以調節透鏡間隔的方式來調整之。以該種調整，究竟能對波面像差達到何種程度的改善，可由輸出光的頂峰強度對入射光的頂峰強度的比值(斯特列爾比Strehl Ratio)來評估。再者，在第1實施型態中，被檢光學系統20的波面像差已經有測得，因此，可根據其測得的量，以預先對被檢光學系統20實施研磨等方式而予調整(預先調整)，將經上述方式預先調整的被檢光學系統20以圖1的配置方式設置，確認光檢測器7的點光的強度是否為最大。若是并未成為最大，則是將被檢光學系統20再度調整后，以圖1的方式來設置以檢查點光的強度。通過此作業的重復實施，能有效率且確實的調整(或修正)被檢光學系統。 再者，在上述的各實施型態，是使用具有可變形的1個連續反射面的可變形反射鏡(可調變聚焦鏡)5，來作為配置在點光源(3a:l 3)與光檢測器7間的光路中、用以對經過被檢光學系統(20 ;21 ;22)的光賦予波面變化的波面變化賦予部。然而，并不局限于此，亦可如圖5所示，使用具有能獨立地改變角度且呈二維并列配置的多個反射鏡要件50的二維反射鏡陣列51 (例如二維MEMS陣列等)，作為波面變化賦予部。在此情形的反射鏡要件50是如圖2所示，可通過驅動元件5b予以獨立的驅動。但并不局限于此，用以將波面變化賦予經過被檢光學系統的光的波面變化賦予部的構成，可采各種型態。例如，可先將具有既定折射率的流體充填至被2維式的區分開來的多個小區塊，使各小區塊的光路長或流體的折射率獨立變化，藉此，可對于通過其等各個小區塊的光賦予波面變化。在此情形，可使用平面反射鏡，使通過波面變化賦予部的光經反射而回到被檢光學系統。 上述實施型態的波面像差測量裝置及波面像差調整機構，光源并非絕對必備，可
利用在進行測量或調整的場所內設置的光源。又，在上述實施型態中，是使用具有光的會
聚、反射、及分割作用的特定的光學元件，然而，本發明并不局限于使用其等特定的光學元
件，可使用能帶來此類作用的任意的光學元件。 本發明的波面像差測量裝置及方法由于不使用干涉法便能容易測量被檢光學系統的波面像差，故對光學系統的調整極有效。
權利要求
一種波面像差測量裝置，用以測量被檢光學系統的波面像差，其特征在于，所述波面像差測量裝置包括點光源，用以供應測量光；光檢測器，具有配置在與所述點光源成光學共軛位置的檢測面；波面變化賦予部，配置在所述點光源與所述光檢測器間的光路中，能對于經過所述被檢光學系統的光賦予波面變化；及測量部，根據所述光檢測器的輸出、與于所述波面變化賦予部所賦予的波面變化，測量所述被檢光學系統的波面像差。
2. 如權利要求1所述的波面像差測量裝置，其特征在于，所述測量部根據為使形成于所述檢測面的點光為最大光強度而賦予的波面變化，測量所述被檢光學系統的波面像差。
3. 如權利要求1或2所述的波面像差測量裝置，其特征在于，所述測量部根據為使形成于所述檢測面的點光的位置能朝既定位置移動而賦予的波面變化的傾斜成分，測量所述被檢光學系統的偏心成分。
4. 如權利要求1或2所述的波面像差測量裝置，其特征在于，所述測量部根據形成于所述檢測面的點光的位置信息，測量所述被檢光學系統的偏心成分。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的波面像差測量裝置，其特征在于，所述波面變化賦予部具有可變形的反射面與驅動其的驅動元件。
6. 如權利要求1至4中任一項所述的波面像差測量裝置，其特征在于，所述波面變化賦予部具有呈二維并排配置并可獨立地改變角度的多個反射鏡要件與驅動其等的驅動元件。
7. 7.如權利要求1至6中任一項所述的波面像差測量裝置，其特征在于，所述光源是非同調性光源。
8. 如權利要求1所述的波面像差測量裝置，其特征在于，所述波面像差測量裝置進一步包括控制所述驅動元件的控制部，控制部控制所述驅動元件使形成于所述檢測面的點光為最大的光強度。
9. 一種波面像差測量方法，用以測量被檢光學系統的波面像差，其特征在于對由點光源所放射且經過所述被檢光學系統的光賦予波面變化；檢測出被賦予所述波面變化的光于與所述點光源成光學共軛的既定面所形成的點光；根據為使所述點光為最大光強度而賦予的波面變化，測量所述被檢光學系統的波面像差。
10. 如權利要求9所述的波面像差測量方法，其特征在于，根據為使所述點光位置朝既定位置移動而賦予的波面變化，測量所述被檢光學系統的偏心成分。
11. 如權利要求9所述的波面像差測量方法，其特征在于，根據所述點光的位置信息，測量所述被檢光學系統的偏心成分。
12. 如權利要求9所述的波面像差測量方法，其特征在于，使用可變形反射鏡對經過所述被檢光學系統的光賦予波面變化。
13. —種波面像差調整方法，其特征在于，使用如權利要求12所述的波面像差測量方法中所取得的波面像差，調整所述被檢光學系統的波面像差。
14. 如權利要求13所述的波面像差調整方法，其特征在于，將所述可變形反射鏡固定成對具有設計值波面像差的被檢光學系統產生所欲波面像差的狀態，繼而調整所述被檢光學系統的波面像差以使所述點光為最大光強度。
全文摘要
本發明關于用以測量被檢光學系統(20)的波面像差的波面像差測量裝置，其具備點光源(3a1～3)，用以供應測量光；光檢測器(7)，具有配置在與點光源成光學共軛位置的檢測面；波面變化賦予部(5)，配置在點光源與光檢測器間的光路中，能對于經過被檢光學系統的光賦予波面變化；及測量部(6)，根據光檢測器的輸出、與波面變化賦予部中所賦予的波面變化，測量被檢光學系統的波面像差。其并不使用干涉法，能以較簡單的構成來測量被檢光學系統的波面像差。
文檔編號G01M11/02GK101772696SQ20088010196
公開日2010年7月7日 申請日期2008年8月13日 優先權日2007年8月27日
發明者根岸武利 申請人:株式會社尼康