JP7753129B2 - Wavefront sensor, wavefront measuring device - Google Patents
Wavefront sensor, wavefront measuring deviceInfo
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Description
本発明は、大収差の波面を高精度に計測可能な波面センサに関する。 The present invention relates to a wavefront sensor capable of measuring wavefronts with large aberrations with high accuracy.
波面センサ(シャックハルトマンセンサ、SHS)は、多数のマイクロレンズを格子状に並べたマイクロレンズアレイと撮像素子が一体となったものである。波面に波面収差がある場合はその波面の勾配に応じて点像の位置がずれる。このため、この点像の位置ずれ量から波面収差を求めることができる。点像は回折により有限のサイズを持つため、点像の位置は重心検出により求める。そのため、重心検出の精度が重要である。 A wavefront sensor (Shack-Hartmann sensor, SHS) combines an image sensor with a microlens array, which consists of numerous microlenses arranged in a grid pattern. If the wavefront has wavefront aberration, the position of the point image will shift according to the gradient of the wavefront. Therefore, the wavefront aberration can be calculated from the amount of positional shift of this point image. Because point images have a finite size due to diffraction, the position of the point image is determined by detecting the center of gravity. Therefore, the accuracy of the center of gravity detection is important.
特許文献1には、点像同士の間隔に応じて重心検出を行う領域を変える方法が記載されている。これは、重心検出を行う領域を最適化し、隣接する点像の影響を最小限にすることで、重心検出精度を向上するためのものである。 Patent Document 1 describes a method for changing the area where center of gravity detection is performed depending on the distance between point images. This is intended to improve center of gravity detection accuracy by optimizing the area where center of gravity detection is performed and minimizing the influence of adjacent point images.
サブピクセル精度で重心検出するためには、ある程度の点像サイズが必要である。しかし、特許文献1の方法では、隣接する点像の影響は低減可能だが、個々の点像サイズそのものが不足している場合は効果が期待できない。 Detecting the center of gravity with sub-pixel accuracy requires a certain level of point image size. However, while the method in Patent Document 1 can reduce the influence of adjacent point images, it cannot be expected to be effective if the individual point image sizes themselves are insufficient.
また、大収差の波面の場合、点像サイズは小さくなる傾向にある。ある値以上の大収差の場合、十分に低い敏感度と、十分な点像サイズの両立が困難であり、高精度な重心検出が困難という課題がある。 In addition, for wavefronts with large aberrations, the point image size tends to be small. For large aberrations above a certain value, it is difficult to achieve both sufficiently low sensitivity and a sufficient point image size, making it difficult to detect the center of gravity with high accuracy.
本発明は、大収差の波面でも高精度な重心検出が可能な波面センサを提供する。 The present invention provides a wavefront sensor that can detect the center of gravity with high accuracy even for wavefronts with large aberrations.
本発明の一側面としての波面センサは、夫々が物体の点像を形成する複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイにより形成された複数の点像を受光する撮像素子とを有し、使用波長をλ、前記複数のマイクロレンズの夫々の焦点距離をf、前記複数のマイクロレンズの夫々の有効径をΦ、前記撮像素子の画素ピッチをs、前記複数の点像の夫々のサイズが所定サイズより小さい場合に前記所定サイズの点像に対応する前記撮像素子の画素数をp、前記複数の点像の夫々をデフォーカスにより拡大した前記撮像素子の撮像面上での拡大点像に対応する前記撮像素子の画素数をm、前記複数のマイクロレンズの夫々の焦点位置からの前記デフォーカスをdとしたとき、前記撮像素子は、前記マイクロレンズアレイの光軸方向において、前記マイクロレンズアレイからf+dだけ離れた位置に配置されており、
2.44λf/Φ<ps
|d|>(ms-2.44λf/Φ)f/Φ
なる条件式を満たすことを特徴とする。
A wavefront sensor according to one aspect of the present invention includes a microlens array including a plurality of microlenses each forming a point image of an object, and an image sensor receiving the plurality of point images formed by the microlens array, wherein the image sensor is disposed at a position f+d away from the microlens array in the optical axis direction of the microlens array, where λ is a wavelength used, f is a focal length of each of the plurality of microlenses, Φ is an effective diameter of each of the plurality of microlenses, s is a pixel pitch of the image sensor, p is the number of pixels of the image sensor corresponding to a point image of a predetermined size when the size of each of the plurality of point images is smaller than a predetermined size, m is the number of pixels of the image sensor corresponding to an enlarged point image on an image capturing surface of the image sensor obtained by enlarging each of the plurality of point images by defocusing, and d is the defocus from the focal position of each of the plurality of microlenses,
2.44λf/Φ<ps
|d|>(ms-2.44λf/Φ)f/Φ
The present invention is characterized in that the following condition is satisfied:
本発明の他の側面としての波面センサは、夫々が物体の点像を形成する複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイにより形成された複数の点像を受光する撮像素子と、平行平板とを有し、使用波長をλ、前記複数のマイクロレンズの夫々の焦点距離をf、前記複数のマイクロレンズの夫々の有効径をΦ、前記撮像素子の画素ピッチをs、前記平行平板の厚みをt、前記平行平板の屈折率をn、前記複数の点像の夫々のサイズが所定サイズより小さい場合に前記所定サイズの点像に対応する前記撮像素子の画素数をp、前記複数の点像の夫々を前記平行平板により拡大した前記撮像素子の撮像面上での拡大点像に対応する前記撮像素子の画素数をmとしたとき、前記撮像素子は、前記マイクロレンズアレイの光軸方向において、前記マイクロレンズアレイからf離れた位置に配置されており、前記平行平板は、前記マイクロレンズアレイの光軸方向において、前記マイクロレンズアレイと前記撮像素子の間に配置されており、
2.44λf/Φ<ps
t>((ms-2.44λf/Φ)f/Φ)/(1-1/n)
なる条件式を満たすことを特徴とする。
a wavefront sensor according to another aspect of the present invention, the wavefront sensor comprising: a microlens array including a plurality of microlenses each forming a point image of an object; an image sensor receiving the plurality of point images formed by the microlens array; and a parallel plate, wherein: λ is a wavelength used; f is a focal length of each of the plurality of microlenses; Φ is an effective diameter of each of the plurality of microlenses; s is a pixel pitch of the image sensor; t is a thickness of the parallel plate; n is a refractive index of the parallel plate; p is a number of pixels of the image sensor corresponding to a point image of a predetermined size when the size of each of the plurality of point images is smaller than a predetermined size; and m is a number of pixels of the image sensor corresponding to an enlarged point image on an imaging surface of the image sensor obtained by enlarging each of the plurality of point images by the parallel plate; the image sensor is disposed at a position f away from the microlens array in an optical axis direction of the microlens array; and the parallel plate is disposed between the microlens array and the image sensor in the optical axis direction of the microlens array;
2.44λf/Φ<ps
t>((ms-2.44λf/Φ)f/Φ)/(1-1/n)
The present invention is characterized in that the following condition is satisfied:
上記波面センサを備える波面計測装置も本発明の他の側面を構成する。 A wavefront measuring device equipped with the above-mentioned wavefront sensor also constitutes another aspect of the present invention.
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。 Other objects and features of the present invention are described in the following embodiments.
本発明によれば、大収差の波面でも高精度な重心検出が可能な波面センサを提供することができる。 The present invention provides a wavefront sensor that can detect the center of gravity with high accuracy even for wavefronts with large aberrations.
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
(実施例1)
図1は実施例1における波面センサ100の概略図である。実施例1における波面センサ100は、夫々が物体の点像を形成する有効径Φ、焦点距離fの複数のマイクロレンズ101a~101dを含むマイクロレンズアレイ101と、画素ピッチsの撮像素子102を有する。マイクロレンズ101a~101dは格子状に並んでいる。撮像素子102はマイクロレンズアレイ101により形成された複数の点像を受光する。波面センサ100は、マイクロレンズアレイ101が結ぶ点像の重心位置の基準位置に対するずれから波面収差を求めるのに使用される。ここで有効径は、マイクロレンズのレンズ面を通過する光束のうち最も光軸から径方向(光軸と垂直方向)に離れた位置を通過する光束のレンズ面上の径を意味する。言い換えると、有効径は、レンズ面のうち結像に寄与する有効光束が通過する領域(有効領域)の径を意味する。撮像素子102は、マイクロレンズアレイ101の光軸方向において、マイクロレンズアレイ101から焦点距離fとデフォーカスdの和による距離(f+d)離れた位置に配置されている。デフォーカスdはマイクロレンズ101a~101dの有効径Φ、マイクロレンズ101a~101dの焦点距離fと、撮像素子102の画素ピッチsから求まる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same components, and redundant explanations will be omitted.
Example 1
FIG. 1 is a schematic diagram of a wavefront sensor 100 according to a first embodiment. The wavefront sensor 100 according to the first embodiment includes a microlens array 101 including multiple microlenses 101a to 101d, each of which has an effective diameter Φ and a focal length f and forms a point image of an object, and an image sensor 102 having a pixel pitch s. The microlenses 101a to 101d are arranged in a grid pattern. The image sensor 102 receives the multiple point images formed by the microlens array 101. The wavefront sensor 100 is used to calculate wavefront aberration from the deviation of the center of gravity of the point images formed by the microlens array 101 from a reference position. Here, the effective diameter refers to the diameter on the lens surface of a light beam that passes through a position farthest radially from the optical axis (perpendicular to the optical axis) among light beams that pass through the lens surface of the microlens. In other words, the effective diameter refers to the diameter of the area (effective area) on the lens surface through which the effective light beam that contributes to image formation passes. The image sensor 102 is disposed at a distance (f+d) from the microlens array 101 in the optical axis direction of the microlens array 101, the distance being the sum of the focal length f and the defocus d. The defocus d is calculated from the effective diameter Φ of the microlenses 101a to 101d, the focal length f of the microlenses 101a to 101d, and the pixel pitch s of the image sensor 102.
入射光103は、マイクロレンズアレイ101により微小な光束要素103a~103dに分割され、それぞれの光束要素は概ね平行光とみなすことができる。光束要素103a~103dは、マイクロレンズアレイ101から焦点距離f離れた焦点面104に、それぞれ点像105a~105dを形成する。点像105a~105dの位置はそれぞれ光束要素103a~103dの勾配に依存するため、点像105a~105dの位置を重心検出することで、光束要素103a~103dの勾配を求めることができる。光束要素103a~103dの勾配を合わせることで、入射光103の波面収差を求めることができる。しかし、撮像素子102の解像度に対して点像105a~105dのサイズが小さすぎると十分な重心検出精度を得られない。本実施例では、撮像素子102を焦点面104からデフォーカスd離れた位置に配置する。点像105a~105dをデフォーカスにより拡大した撮像素子102の撮像面上での拡大点像106a~106dを検出することで、重心検出精度が向上する。 Incoming light 103 is divided by the microlens array 101 into tiny beam elements 103a-103d, each of which can be considered to be roughly parallel light. The beam elements 103a-103d form point images 105a-105d, respectively, on a focal plane 104 that is a focal distance f away from the microlens array 101. Because the positions of the point images 105a-105d depend on the gradient of each beam element 103a-103d, the gradient of each beam element 103a-103d can be determined by detecting the center of gravity of the positions of the point images 105a-105d. The wavefront aberration of the incident light 103 can be determined by adjusting the gradients of the beam elements 103a-103d. However, if the size of the point images 105a-105d is too small compared to the resolution of the image sensor 102, sufficient center of gravity detection accuracy cannot be achieved. In this embodiment, the image sensor 102 is positioned at a distance of defocus d from the focal plane 104. The accuracy of center of gravity detection is improved by detecting enlarged point images 106a-106d on the image sensor surface of the image sensor 102, which are enlarged by defocusing point images 105a-105d.
次に、デフォーカスdの求め方について説明する。焦点面104における点像サイズw0は、使用波長をλとして以下の式(1)で求まる。 Next, a method for calculating the defocus d will be described. The point image size w 0 on the focal plane 104 is calculated by the following equation (1) where λ is the wavelength used.
w0=2.44λf/Φ ・・・(1)
点像サイズw0が十分な重心検出精度を与える点像サイズであれば、d=0で良いが、十分な重心精度が得られない場合には点像サイズを拡大する必要がある。そこで、点像サイズの拡大の必要性を判断する。精細な撮像素子であれば点像サイズは小さめで良いが、粗い撮像素子であれば大きめの点像サイズが必要となる。点像サイズそのものではなく、画素数に換算して考える必要がある。点像105a~105dのサイズが所定サイズより小さい場合に該所定サイズの点像に対応する撮像素子102の画素数をpとしたとき、点像サイズの拡大の必要性は以下の条件式(2)で表される。
w 0 =2.44λf/Φ...(1)
If the point image size w0 is a point image size that provides sufficient accuracy in detecting the center of gravity, then d = 0 is sufficient, but if sufficient accuracy in the center of gravity is not obtained, then the point image size must be enlarged. Therefore, the need to enlarge the point image size is determined. A fine image sensor can have a small point image size, but a coarse image sensor requires a larger point image size. It is necessary to consider the point image size in terms of the number of pixels rather than the point image size itself. When the size of the point images 105a to 105d is smaller than a predetermined size, and the number of pixels of the image sensor 102 that correspond to the predetermined size is p, the need to enlarge the point image size is expressed by the following conditional expression (2).
2.44λf/Φ<ps ・・・(2)
条件式(2)は、大収差の波面を対象とする場合や、ロバスト性を高くしたい場合に満たしやすい。これは、波面の勾配に対する重心ずれ敏感度を抑制するために焦点距離を短くする必要があり、その結果、条件式(2)の左辺の値が小さくなるためである。
2.44λf/Φ<ps...(2)
Conditional expression (2) is easy to satisfy when a wavefront with large aberration is targeted or when high robustness is desired. This is because the focal length needs to be short in order to suppress sensitivity of the center of gravity shift to the gradient of the wavefront, and as a result, the value of the left side of conditional expression (2) becomes small.
条件式(2)を満たしたとき、焦点面104からデフォーカスした、マイクロレンズアレイ101から距離f+dの位置における点像サイズwは以下の式(3)で求まる。 When conditional expression (2) is satisfied, the point image size w at a position defocused from the focal plane 104 and at a distance f+d from the microlens array 101 is calculated by the following expression (3):
w=2.44λf/Φ+|d|Φ/f ・・・(3)
デフォーカスにより点像を拡大するのだが、点像をどのサイズまで拡大するかによりデフォーカスdの値も変わる。点像105a~105dをデフォーカスにより拡大した撮像素子102の撮像面上での拡大点像106a~106dに対応する撮像素子102の画素数をm(≧p)として、点像サイズの拡大に必要なデフォーカスdは以下の条件式(4)で求まる。
w=2.44λf/Φ+|d|Φ/f...(3)
The point image is enlarged by defocusing, and the value of defocus d changes depending on the size of the point image to be enlarged. If the number of pixels of the image sensor 102 corresponding to enlarged point images 106a to 106d on the imaging surface of the image sensor 102, obtained by enlarging point images 105a to 105d by defocusing, is m (≧p), the defocus d required to enlarge the point image size is found by the following conditional expression (4):
|d|>(ms-2.44λf/Φ)f/Φ ・・・(4)
なお、図1では撮像素子102をマイクロレンズアレイ101に対して焦点面104より遠い位置に配置しているが、撮像素子102を焦点面104より近い位置に配置しても良い。デフォーカスdの符号は、撮像素子102がマイクロレンズアレイ101に対して焦点面104より遠い位置に配置されている場合を正とし、撮像素子102がマイクロレンズアレイ101に対して焦点面104より近い位置に配置されている場合を負とする。
|d|>(ms-2.44λf/Φ)f/Φ...(4)
1, the image sensor 102 is disposed at a position farther from the focal plane 104 than the microlens array 101, but the image sensor 102 may be disposed at a position closer to the focal plane 104. The sign of the defocus d is positive when the image sensor 102 is disposed at a position farther from the focal plane 104 than the microlens array 101, and negative when the image sensor 102 is disposed at a position closer to the microlens array 101 than the focal plane 104.
次に、画素数pと、拡大点像106a~106dの画素数mの値を求める。その根拠として、点像サイズと重心検出精度の関係について説明する。要求される重心検出精度はサブμmであるが、撮像素子102の画素ピッチsは数μm程度である。そのため、サブピクセル精度で重心検出する必要があり、そのためには、点像サイズが画素ピッチより大きい(点像サイズ>画素ピッチ)である必要がある。図2、図3、図4に、点像サイズに対する重心検出精度のシミュレーション結果を示す。図2は点像サイズと重心検出精度の関係である。(a)~(h)の順に点像サイズが1pixずつ大きくなっており、(a)は3pix、(h)は10pixの点像になっている。また、これらはすべてに対して、ランダムノイズは0だが、1.25pixの位置ずれを付与している。図3は図2の重心検出結果をプロットしたものである。点像サイズ<5pixでは、重心検出精度が低下している。十分な精度で重心検出するには、5pix以上の点像サイズが必要なことが分かる。図4は図2の点像に10000通りのランダムノイズを付与し、同様に重心検出した結果をプロットしたものである。ノイズまで考慮すると5pixでもやや精度が落ちることが分かる。そのため、5pixではなく、余裕をもって6pix程度までは点像を拡大した方が良い。つまり、画素数pは5以上(p≧5)、拡大点像106a~106dの画素数mはp+1以上(m≧p+1)とすることが好ましい。 Next, we calculate the number of pixels p and the number of pixels m of the enlarged point images 106a-106d. As a basis for this calculation, we explain the relationship between point image size and centroid detection accuracy. The required centroid detection accuracy is sub-micron, but the pixel pitch s of the image sensor 102 is on the order of a few microns. Therefore, centroid detection with sub-pixel accuracy is required, which requires that the point image size be larger than the pixel pitch (point image size > pixel pitch). Figures 2, 3, and 4 show simulation results of centroid detection accuracy versus point image size. Figure 2 shows the relationship between point image size and centroid detection accuracy. The point image size increases by 1 pixel in the order (a) through (h), with (a) being a 3-pixel point image and (h) being a 10-pixel point image. Furthermore, all of these have zero random noise, but a 1.25-pixel positional shift is added. Figure 3 plots the centroid detection results of Figure 2. When the point image size is less than 5 pixels, centroid detection accuracy decreases. It can be seen that a point image size of 5 pixels or more is required to detect the center of gravity with sufficient accuracy. Figure 4 plots the results of similar center of gravity detection when 10,000 random noise patterns are added to the point image of Figure 2. When noise is taken into account, it can be seen that accuracy drops slightly even at 5 pixels. For this reason, it is better to enlarge the point image to around 6 pixels rather than 5 pixels, to provide some leeway. In other words, it is preferable that the number of pixels p be 5 or more (p≧5) and the number of pixels m of the enlarged point images 106a-106d be p+1 or more (m≧p+1).
これら条件を満たせば、これらの値は適宜変えても良い。例えば、点像の大小の判断に余裕を持たせたければ、pを大きめにすれば良い。例えば、5.5pixの点像は、p=5とすれば大きい点像と判断されるためデフォーカスは行わず、p=6とすれば小さい点像と判断されるためデフォーカスを行うようになる。また、ノイズに対するロバスト性を高めたければ、mを大きくすることでデフォーカス量を増やし、点像サイズを大きめにすれば良い。 As long as these conditions are met, these values may be changed as appropriate. For example, if you want more leeway in determining the size of a point image, you can increase p. For example, if a 5.5 pix point image is determined to be a large point image when p = 5, it will not be defocused, but if p = 6 it will be determined to be a small point image and defocused. Also, if you want to increase robustness against noise, you can increase m to increase the amount of defocus and make the point image size larger.
また、本実施例ではデフォーカスdを変数として説明したが、条件式(4)を満たしていれば、どれを変数としても良い。例えば、焦点距離fを変数にしても良いし、2つ以上の多変数としても良い。 In addition, while this embodiment has been described with defocus d as a variable, any variable may be used as long as conditional expression (4) is satisfied. For example, focal length f may be used as a variable, or two or more variables may be used.
この方法を使えば、マイクロレンズ101a~101dの焦点距離fを短くすることで敏感度を下げつつ、点像サイズはデフォーカスdで制御できる。このため、十分に低い敏感度と、十分な点像サイズを両立した波面センサ100を実現可能となる。
(実施例2)
図5は、実施例2における波面センサ500の概略図である。実施例2における波面センサ500は、夫々が物体の点像を形成する有効径Φ、焦点距離fの複数のマイクロレンズ501a~501dを含むマイクロレンズアレイ501と、画素ピッチsの撮像素子502と、厚みt、屈折率nの平行平板507とを有する。マイクロレンズ501a~501dは格子状に並んでいる。撮像素子502はマイクロレンズアレイ501により形成された複数の点像を受光する。波面センサ500は、マイクロレンズアレイ501が結ぶ点像の重心位置の基準位置に対するずれから波面収差を求めるのに使用される。撮像素子502は、マイクロレンズアレイ501の光軸方向において、マイクロレンズアレイ501から焦点距離f離れた位置(焦点位置)に配置されている。マイクロレンズアレイ501の光軸方向において、マイクロレンズアレイ501と撮像素子502の間に厚みt、屈折率nの平行平板507が挿入されている。平行平板507により、撮像素子502の見た目の位置は、マイクロレンズアレイ501から焦点距離f離れた位置より距離(1-1/n)tだけマイクロレンズアレイ501に近い位置508となる。実施例2では、実施例1においてデフォーカスdをd=(1-1/n)tとしたのと同様の効果が得られる。点像505a~505dを平行平板507により拡大した撮像素子502の撮像面上での拡大点像506a~506dを検出することで、重心検出精度が向上する。
By using this method, the sensitivity can be reduced by shortening the focal length f of the microlenses 101a to 101d, while the point image size can be controlled by the defocus d. This makes it possible to realize a wavefront sensor 100 that achieves both sufficiently low sensitivity and a sufficient point image size.
Example 2
FIG. 5 is a schematic diagram of a wavefront sensor 500 according to a second embodiment. The wavefront sensor 500 according to the second embodiment includes a microlens array 501 including a plurality of microlenses 501a to 501d, each of which has an effective diameter Φ and a focal length f and forms a point image of an object; an image sensor 502 having a pixel pitch s; and a parallel plate 507 having a thickness t and a refractive index n. The microlenses 501a to 501d are arranged in a lattice pattern. The image sensor 502 receives the plurality of point images formed by the microlens array 501. The wavefront sensor 500 is used to calculate wavefront aberration from the deviation of the center of gravity of the point images formed by the microlens array 501 from a reference position. The image sensor 502 is disposed at a position (focal position) that is a focal length f away from the microlens array 501 in the optical axis direction of the microlens array 501. A parallel plate 507 having a thickness t and a refractive index n is inserted between the microlens array 501 and the image sensor 502 in the optical axis direction of the microlens array 501. The parallel plate 507 causes the apparent position of the image sensor 502 to be a position 508 that is closer to the microlens array 501 by a distance (1-1/n)t than a position that is a focal length f away from the microlens array 501. In the second embodiment, the same effect as when the defocus d is set to d=(1-1/n)t in the first embodiment can be obtained. The accuracy of center of gravity detection is improved by detecting enlarged point images 506a to 506d on the image sensor surface of the image sensor 502 that are obtained by enlarging the point images 505a to 505d using the parallel plate 507.
拡大点像506a~506dの点像サイズは、平行平板507の厚みtと屈折率nで決まる。点像サイズの拡大に必要な平行平板507の厚みtは、条件式(4)のデフォーカスdを(1-1/n)tに置き換えることで得られる以下の条件式(5)で求まる。 The point image size of the enlarged point images 506a to 506d is determined by the thickness t and refractive index n of the parallel plate 507. The thickness t of the parallel plate 507 required to enlarge the point image size is determined by the following conditional expression (5), which is obtained by replacing the defocus d in conditional expression (4) with (1-1/n)t.
t>((ms-2.44λf/Φ)f/Φ)/(1-1/n) ・・・(5)
ここで、λは使用波長、mは点像505a~505dを平行平板507により拡大した撮像素子502の撮像面上での拡大点像506a~506dに対応する撮像素子502の画素数である。
t>((ms-2.44λf/Φ)f/Φ)/(1-1/n)...(5)
Here, λ is the wavelength used, and m is the number of pixels of the image sensor 502 corresponding to the enlarged point images 506 a to 506 d on the image sensing surface of the image sensor 502 obtained by enlarging the point images 505 a to 505 d by the parallel plate 507 .
点像サイズの拡大の必要性は、実施例1と同様、条件式(2)で判断できる。画素数pと拡大点像506a~506dの画素数mは、実施例1と同様、p≧5、m≧p+1とすることが好ましいが、条件を満たしていれば、適宜変えても良い。 The need to enlarge the point image size can be determined by conditional expression (2), as in Example 1. As in Example 1, it is preferable that the number of pixels p and the number of pixels m of the enlarged point images 506a to 506d satisfy p ≥ 5 and m ≥ p + 1, respectively, but these may be changed as appropriate as long as the conditions are met.
また、本実施例では平行平板の厚みtを変数として説明したが、条件式(5)を満たしていれば、どれを変数としても良い。例えば、焦点距離fを変数にしても良いし、2つ以上の多変数としても良い。 In addition, in this embodiment, the thickness t of the parallel plate is described as a variable, but any variable may be used as long as conditional expression (5) is satisfied. For example, the focal length f may be used as a variable, or two or more variables may be used.
この方法を使えば、マイクロレンズ501a~501dの焦点距離を短くすることで敏感度を下げつつ、点像サイズは平行平板507で制御できる。このため、十分に低い敏感度と、十分な点像サイズを両立した波面センサ500を実現可能となる。
(実施例3)
図6は、実施例1で示した波面センサ100を使った波面計測装置600の概略図である。波面計測装置600は、点光源601、点光源601からの光を被検光として出射する被検光学系602、被検光を受光して該被検光の波面収差を計測する実施例1における波面センサ100として波面センサ604を有する。点光源601から射出された光線は被検光学系602を透過して被検光603となり、被検光603は微小な光束要素603a~603dに分割される。波面センサ604では、各光束要素603a~603dの点像が取得される。これらの点像はデフォーカスdにより拡大されているため、被検光603が比較的大収差であっても精度良く重心検出することが可能である。
By using this method, the sensitivity can be reduced by shortening the focal lengths of the microlenses 501a to 501d, while the point image size can be controlled by the parallel plate 507. This makes it possible to realize a wavefront sensor 500 that achieves both sufficiently low sensitivity and a sufficient point image size.
Example 3
6 is a schematic diagram of a wavefront measuring device 600 using the wavefront sensor 100 shown in Example 1. The wavefront measuring device 600 includes a point light source 601, a test optical system 602 that emits light from the point light source 601 as test light, and a wavefront sensor 604 serving as the wavefront sensor 100 in Example 1 that receives the test light and measures the wavefront aberration of the test light. The light beam emitted from the point light source 601 passes through the test optical system 602 to become test light 603, which is split into minute beam elements 603a to 603d. The wavefront sensor 604 acquires point images of the beam elements 603a to 603d. Because these point images are enlarged by defocus d, it is possible to accurately detect the center of gravity even if the test light 603 has a relatively large aberration.
各光束要素603a~603dが無収差のときに点像を形成する位置を基準位置とした、各光束要素603a~603dが形成する点像の重心位置をΔxnとしたとき、各光束要素603a~603dの勾配θnは以下の式(6)で求まる。 When the position where each of the light beam elements 603 a to 603 d forms a point image when there is no aberration is taken as the reference position and the position of the center of gravity of the point image formed by each of the light beam elements 603 a to 603 d is taken as Δx n , the gradient θ n of each of the light beam elements 603 a to 603 d can be found by the following equation (6):
θn=tan-1(Δxn/(f+d)) ・・・(6)
式(6)は、基本的には一般的な波面センサにおける場合と同じだが、デフォーカスdの分異なっている。
θ n =tan −1 (Δx n /(f+d)) (6)
Equation (6) is basically the same as that in a general wavefront sensor, but differs by the amount of defocus d.
各光束要素603a~603dの勾配θnを合わせることで、被検光603の波面収差、つまり被検光学系602の収差を求めることができる。 By adjusting the gradients θ n of the light beam elements 603 a to 603 d, the wavefront aberration of the test light 603, that is, the aberration of the test optical system 602, can be obtained.
また、本実施例では簡略化のため点光源601と被検光学系602のみ記載しているが、収差補正や光束サイズ制御のための補助光学系があっても良い。 Furthermore, for simplicity, this embodiment describes only a point light source 601 and a test optical system 602, but an auxiliary optical system for aberration correction and light beam size control may also be included.
この方法を使えば、マイクロレンズ101a~101dの焦点距離を短くすることで敏感度を下げつつ、点像サイズはデフォーカスdで制御できる。このため、十分に低い敏感度と、十分な点像サイズを両立し、大収差の波面を精度良く計測可能な波面計測装置600を実現できる。
(実施例4)
図7は、実施例2で示した波面センサを使った波面計測装置の概略図である。波面計測装置700は、点光源701、点光源601からの光を被検光として出射する被検光学系702、被検光を受光して該被検光の波面収差を計測する実施例2における波面センサ500として波面センサ704を有する。
Using this method, the sensitivity can be reduced by shortening the focal lengths of the microlenses 101a to 101d, while the point image size can be controlled by the defocus d. Therefore, it is possible to realize a wavefront measuring device 600 that achieves both sufficiently low sensitivity and a sufficient point image size, and is capable of measuring a wavefront with large aberrations with high accuracy.
Example 4
7 is a schematic diagram of a wavefront measuring device using the wavefront sensor shown in Example 2. The wavefront measuring device 700 includes a point light source 701, a test optical system 702 that emits light from the point light source 601 as test light, and a wavefront sensor 704 serving as the wavefront sensor 500 in Example 2 that receives the test light and measures the wavefront aberration of the test light.
点光源701から射出された光線は被検光学系702を透過して被検光703となり、被検光703は微小な光束要素703a~703dに分割される。これらの点像は平行平板による距離(1-1/n)t相当のデフォーカス効果により拡大されているため、被検光703が比較的大収差であっても精度良く重心検出することが可能である。 Light emitted from point light source 701 passes through test optical system 702 to become test light 703, which is then split into tiny beam elements 703a to 703d. These point images are enlarged by the defocusing effect of the parallel plate, equivalent to a distance of (1-1/n)t, making it possible to accurately detect the center of gravity even if test light 703 has a relatively large aberration.
各光束要素703a~703dが無収差のときに点像を形成する位置を基準位置とした、各光束要素703a~703dが形成する点像の重心位置をΔxnとしたとき、各光束要素503a~503dの勾配θnは以下の式(7)で求まる。 When the position where each of the light beam elements 703a to 703d forms a point image when there is no aberration is taken as the reference position and the position of the center of gravity of the point image formed by each of the light beam elements 703a to 703d is taken as Δxn , the gradient θn of each of the light beam elements 503a to 503d can be found by the following equation (7):
θn=tan-1(Δxn/(f-(1-1/n)t)) ・・・(7)
式(7)は、基本的には一般的な波面センサにおける場合と同じだが、平行平板によるデフォーカス(1-1/n)tの分異なっている。
θ n =tan -1 (Δx n /(f-(1-1/n)t)) ...(7)
Equation (7) is basically the same as that in a general wavefront sensor, but differs by the amount of defocus (1-1/n)t caused by the parallel plate.
各光束要素703a~703dの勾配θnを合わせることで、被検光703の波面収差、つまり被検光学系702の収差を求めることができる。 By adjusting the gradients θ n of the light beam elements 703 a to 703 d, the wavefront aberration of the test light 703, that is, the aberration of the test optical system 702, can be obtained.
また、本実施例では簡略化のため点光源701と被検光学系702のみ記載しているが、収差補正や光束サイズ制御のための補助光学系があっても良い。 Furthermore, for simplicity, this embodiment describes only the point light source 701 and the optical system to be tested 702, but an auxiliary optical system for aberration correction and light beam size control may also be included.
この方法を使えば、マイクロレンズ501a~501dの焦点距離を短くすることで敏感度を下げつつ、点像サイズは平行平板507で制御できる。このため、十分に低い敏感度と、十分な点像サイズを両立し、大収差の波面を精度良く計測可能な波面計測装置700を実現できる。 Using this method, sensitivity can be reduced by shortening the focal length of the microlenses 501a to 501d, while the point image size can be controlled with the parallel plate 507. This makes it possible to realize a wavefront measuring device 700 that combines sufficiently low sensitivity with a sufficient point image size, and is capable of accurately measuring wavefronts with large aberrations.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 The above describes preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and variations are possible within the scope of the invention.
101 マイクロレンズアレイ
102 撮像素子
101 Microlens array 102 Image pickup element
Claims (6)
使用波長をλ、前記複数のマイクロレンズの夫々の焦点距離をf、前記複数のマイクロレンズの夫々の有効径をΦ、前記撮像素子の画素ピッチをs、前記複数の点像の夫々のサイズが所定サイズより小さい場合に前記所定サイズの点像に対応する前記撮像素子の画素数をp、前記複数の点像の夫々をデフォーカスにより拡大した前記撮像素子の撮像面上での拡大点像に対応する前記撮像素子の画素数をm、前記複数のマイクロレンズの夫々の焦点位置からの前記デフォーカスをdとしたとき、
前記撮像素子は、前記マイクロレンズアレイの光軸方向において、前記マイクロレンズアレイからf+dだけ離れた位置に配置されており、
2.44λf/Φ<ps
|d|>(ms-2.44λf/Φ)f/Φ
なる条件式を満たすことを特徴とする波面センサ。 a microlens array including a plurality of microlenses each forming a point image of an object; and an image pickup element receiving the plurality of point images formed by the microlens array;
When a wavelength used is λ, a focal length of each of the plurality of microlenses is f, an effective diameter of each of the plurality of microlenses is Φ, a pixel pitch of the image sensor is s, the number of pixels of the image sensor corresponding to a point image of a predetermined size when the size of each of the plurality of point images is smaller than a predetermined size is p, the number of pixels of the image sensor corresponding to an enlarged point image on the imaging surface of the image sensor obtained by enlarging each of the plurality of point images by defocusing is m, and the defocus from the focal position of each of the plurality of microlenses is d,
the imaging element is disposed at a position f+ d away from the microlens array in the optical axis direction of the microlens array,
2.44λf/Φ<ps
|d|>(ms-2.44λf/Φ)f/Φ
A wavefront sensor characterized by satisfying the following conditional expression:
使用波長をλ、前記複数のマイクロレンズの夫々の焦点距離をf、前記複数のマイクロレンズの夫々の有効径をΦ、前記撮像素子の画素ピッチをs、前記平行平板の厚みをt、前記平行平板の屈折率をn、前記複数の点像の夫々のサイズが所定サイズより小さい場合に前記所定サイズの点像に対応する前記撮像素子の画素数をp、前記複数の点像の夫々を前記平行平板により拡大した前記撮像素子の撮像面上での拡大点像に対応する前記撮像素子の画素数をmとしたとき、
前記撮像素子は、前記マイクロレンズアレイの光軸方向において、前記マイクロレンズアレイからfだけ離れた位置に配置されており、
前記平行平板は、前記マイクロレンズアレイの光軸方向において、前記マイクロレンズアレイと前記撮像素子の間に配置されており、
2.44λf/Φ<ps
t>((ms-2.44λf/Φ)f/Φ)/(1-1/n)
なる条件式を満たすことを特徴とする波面センサ。 a microlens array including a plurality of microlenses each forming a point image of an object; an image pickup element receiving the plurality of point images formed by the microlens array; and a parallel plate;
When a wavelength used is λ, a focal length of each of the plurality of microlenses is f, an effective diameter of each of the plurality of microlenses is Φ, a pixel pitch of the image sensor is s, a thickness of the parallel plate is t, a refractive index of the parallel plate is n, when the size of each of the plurality of point images is smaller than a predetermined size, the number of pixels of the image sensor corresponding to the predetermined size point image is p, and the number of pixels of the image sensor corresponding to the enlarged point image on the imaging surface of the image sensor obtained by enlarging each of the plurality of point images by the parallel plate is m,
the imaging element is disposed at a position spaced a distance f from the microlens array in the optical axis direction of the microlens array,
the parallel plate is disposed between the microlens array and the image sensor in the optical axis direction of the microlens array,
2.44λf/Φ<ps
t>((ms-2.44λf/Φ)f/Φ)/(1-1/n)
A wavefront sensor characterized by satisfying the following conditional expression:
光源と、
前記光源からの光を被検光として出射する被検光学系とを有し、
前記被検光を前記波面センサで受光し、該被検光の波面収差を計測することを特徴とする波面計測装置。 A wavefront sensor according to any one of claims 1 to 5;
A light source and
a test optical system that emits light from the light source as test light,
a wavefront sensor for receiving the test light and measuring the wavefront aberration of the test light;
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