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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-11-26
(45)【発行日】2025-12-04
(54)【発明の名称】波面計測装置及び波面計測方法
(51)【国際特許分類】
G01J 9/00 20060101AFI20251127BHJP
【ＦＩ】
G01J9/00
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2021204867
(22)【出願日】2021-12-17
(65)【公開番号】P2023090091
(43)【公開日】2023-06-29
【審査請求日】2024-12-10
(73)【特許権者】
【識別番号】000236436
【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100140442
【弁理士】
【氏名又は名称】柴山 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100148013
【弁理士】
【氏名又は名称】中山 浩光
(72)【発明者】
【氏名】川合 一希
(72)【発明者】
【氏名】小林 覚
(72)【発明者】
【氏名】加藤 義則
(72)【発明者】
【氏名】関根 尊史
(72)【発明者】
【氏名】森田 宇亮
(72)【発明者】
【氏名】池谷 有貴
(72)【発明者】
【氏名】井口 琢斗
【審査官】嶋田 行志
(56)【参考文献】
【文献】特表２０２０－５１５８３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１９－５００６２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００９／０１０８１７２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１１－１０００１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】Algorithm for expanding the dynamic range of a Shack-Hartmann sensor by using a spatial light modula，Optical Engineering，Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers，2001年05月01日，Vol. 40, No. 5，pp. 837-840，doi: 10.1117/1.1357193
【文献】位相型マイクロホログラムアレイを用いたＳｈａｃｋ－Ｈａｒｔｍａｎｎ型波面センサーのダイナミックレンジ，第６１回応用物理学会春季学術講演会 講演予稿集，日本，応用物理学会，2014年03月03日，03-099，18p-PA2-10
【文献】相関ピーク検出法によるホログラフィックＳｈａｃｋ－Ｈａｒｔｍａｎｎ波面センサーのダイナミックレンジ拡，第７５回応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集，日本，応用物理学会，2014年09月01日，03-271，17a-S8-7
【文献】Adaptive Shack-Hartmann wavefront sensor accommodating large wavefront variations，Optics Express，Optical Society of America，2018年12月24日，Vol. 26, No. 26，pp. 34428-34441，doi: 10.1364/OE.26.034428
【文献】Hartmann-Shack wavefront sensing without a lenslet array using micromirror device，Applied Optics，Optical Society of America，2018年08月01日，Vol. 57, No. 22，pp. E199-E204，doi: 10.1364/AO.57.00E199
【文献】位相同期レーザを用いた波面計測方式，２０２１年電子情報通信学会総合大会 エレクトロニクス講演論文集１，IEICE，2021年02月23日，p 89，C-3/4-11
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｊ ９／００
Ｂ２３Ｋ ２６／００－Ｂ２３Ｋ ２６／７０
Ｇ０３Ｈ １／００－Ｇ０３Ｈ １／３４
Ｇ０１Ｂ ９／００－Ｇ０１Ｂ ９／１０
Ｇ０２Ｂ ２１／００－Ｇ０２Ｂ ２１／３６
Ｇ０２Ｆ １／００－Ｇ０２Ｆ １／３９
Ｇ０３Ｆ ７／００－Ｇ０３Ｆ ７／４２
Ｇ０３Ｆ ９／００－Ｇ０３Ｆ ９／０２
Ｈ０１Ｓ ３／００－Ｈ０１Ｓ ３／３０
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＯＰＴＩＣＡ
ＳＰＩＥ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｂｒａｒｙ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射光を変調する空間光変調器を有する位相変調部と、前記空間光変調器に入力される位相パターンを生成するパターン生成部と、
前記空間光変調器によって変調された前記入射光の少なくとも一部を計測光として撮像する撮像領域を有する撮像部と、
前記撮像部での撮像結果に基づいて前記入射光の波面を解析する解析部と、を備え、
前記パターン生成部は、前記空間光変調器によって変調された前記計測光の集光スポットが前記撮像領域の異なる位置に経時的にずれるように、計測用仮想パターンが互いに異なる位置にずれた複数の位相パターンを生成し、前記解析部での解析結果に基づいて前記入射光に対する波面変調パターンを生成及び更新する波面計測装置。
【請求項2】
前記パターン生成部は、前記複数の位相パターンのそれぞれにおいて、複数の計測用仮想パターンを形成する請求項１記載の波面計測装置。
【請求項3】
前記パターン生成部は、前記複数の位相パターンのそれぞれにおいて、単一の計測用仮想パターンを形成する請求項１記載の波面計測装置。
【請求項4】
前記パターン生成部は、前記複数の位相パターンを経時的に重ねた場合に、前記計測用仮想パターン同士が重ならないように各位相パターンを生成する請求項１～３のいずれか一項記載の波面計測装置。
【請求項5】
前記パターン生成部は、前記複数の位相パターンを経時的に重ねた場合に、前記計測用仮想パターンの一部同士が重なるように各位相パターンを生成する請求項１～３のいずれか一項記載の波面計測装置。
【請求項6】
前記パターン生成部は、前記複数の位相パターンのそれぞれに含まれる前記計測用仮想パターンが前記空間光変調器における変調可能領域の一部のみを占めるように各位相パターンを生成する請求項１～５のいずれか一項記載の波面計測装置。
【請求項7】
前記パターン生成部は、前記複数の位相パターンを経時的に重ねた場合に、前記計測用仮想パターンが前記空間光変調器における前記入射光の入射領域の全体と重なるように各位相パターンを生成する請求項１～６のいずれか一項記載の波面計測装置。
【請求項8】
前記入射光のうち、前記計測用仮想パターンにて変調された前記計測光の焦点距離と、前記計測用仮想パターン以外の部分にて変調された光の焦点距離とが互いに異なっている請求項１～７のいずれか一項記載の波面計測装置。
【請求項9】
空間光変調器に位相パターンを入力するパターン入力ステップと、前記位相パターンが入力された前記空間光変調器に入射光を入射させ、前記入射光を位相変調する位相変調ステップと、
前記空間光変調器によって変調された前記入射光の一部を計測光として撮像部の撮像領域で撮像する撮像ステップと、
前記撮像ステップでの撮像結果に基づいて前記入射光の波面を解析する解析ステップと、
前記解析ステップでの解析結果に基づいて前記入射光に対する波面変調パターンを生成及び更新するステップと、を備え、
前記パターン入力ステップでは、前記空間光変調器によって変調された前記計測光の集光スポットが前記撮像領域の異なる位置に経時的にずれるように、計測用仮想パターンが互いに異なる位置にずれた複数の位相パターンを入力する波面計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、波面計測装置及び波面計測方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、光源からの光の空間的な分布を電気的に制御して変調するデバイスとして、空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）が知られている。空間光変調器は、光波形成形、光パルス成形、光計測、光演算といった様々な用途を有している。また、空間光変調器は、レーザ加工などの分野を念頭に、光波面計測への応用も期待されている。
【0003】
例えば非特許文献１に記載の技術では、デュアルマイクロレンズアレイパターンを表示した空間光変調器を用いてビームを変調し、各マイクロレンズでそれぞれ集光した線形スポット及び集光スポットにおける基準位置からの変位量をカメラによって取得している。線形スポット及び集光スポットの変位量に応じて検出領域をシフトさせ、各検出領域内の２×２の集光スポットの変位量を取得することで、ビーム断面内の位相勾配を計測している。
【0004】
また、例えば非特許文献２に記載の技術では、マイクロホログラムアレイパターンを表示した空間光変調器を用いてビームを変調し、任意の多点スポットにおける基準位置からの変位量をカメラによって取得している。非特許文献２では、任意の多点スポットの変位量に基づいて、ビーム断面内の位相勾配を計測することで、隣り合う検出領域に集光点が重なった場合でも基準位置からの変位量を認識できるようになっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【文献】“Shack-Hartmannwavefront sensor with large dynamic range by adaptive spot search method” Hironobu Shinto et al., Applied Optics Vol. 55, Issue 20, pp. 5413-5418(2016)
【文献】「機能性位相変調パターンの光学的応用に関する研究」最田裕介著、神戸大学大学院システム情報学研究科、学位論文甲第６６４９号、公開日２０１７年３月１日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ビームの波面計測においては、ダイナミックレンジの拡大と空間分解能の向上とを両立することが技術的な課題となっている。非特許文献１に記載の技術では、曲率の大きい波面がマイクロレンズパターン或いは非点収差マイクロレンズパターンによって変調されると、線形スポット及び集光スポットの形状が歪んでしまうという問題が生じ得る。歪みによってスポット形状が認識されない場合には、パターンマッチングが失敗するため、ダイナミックレンジの確保が難しくなると考えられる。
【0007】
また、非特許文献２に記載の技術では、良好な再生像を得られるマイクロホログラムの生成に一定の画素数を要するという問題が挙げられる。このため、空間分解能は、使用する空間光変調器の画素数に依存してしまうという問題がある。
【0008】
本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、ダイナミックレンジの拡大と空間分解能の向上とを両立できる波面計測装置及び波面計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本開示の一側面に係る波面計測装置は、入射光を変調する空間光変調器を有する位相変調部と、空間光変調器に入力される位相パターンを生成するパターン生成部と、空間光変調器によって変調された入射光の少なくとも一部を計測光として撮像する撮像領域を有する撮像部と、撮像部での撮像結果に基づいて入射光の波面を解析する解析部と、を備え、パターン生成部は、空間光変調器によって変調された計測光の集光スポットが撮像領域の異なる位置に経時的にずれるように、計測用仮想パターンが互いに異なる位置にずれた複数の位相パターンを生成する。
【0010】
この波面計測装置では、空間光変調器に入力される複数の位相パターンにおいて、計測用仮想パターンが互いに異なる位置にずれており、空間光変調器によって変調された計測光の集光スポットが撮像領域の異なる位置に経時的にずれるようになっている。これにより、複数の位相パターンにおいて、計測用仮想パターンのピッチ（中心間距離）を大きくすることが可能となり、撮像領域における集光スポットの配列ピッチを大きくすることができる。集光スポットの配列ピッチを大きくすることで、集光スポット１単位当たりの検出可能範囲を広くできるため、ダイナミックレンジの拡大が可能となる。また、集光スポットを経時的にずらしていくことで、ダイナミックレンジを拡大した状態で空間分解能を向上できる。すなわち、複数の位相パターンを用いた撮像の際に集光スポットの配列ピッチを大きくした状態で撮像し、複数の位相パターンによって集光スポットをずらして撮像した撮像結果を重ね合わせることで、空間分解能の向上が図られる。したがって、この波面計測装置では、ダイナミックレンジの拡大と空間分解能の向上とを両立できる。
【0011】
パターン生成部は、複数の位相パターンのそれぞれにおいて、複数の計測用仮想パターンを形成してもよい。この場合、１回の撮像によって得られる画像の空間分解能を向上できるため、集光スポットをずらす回数（撮像回数）を削減できる。したがって、計測用仮想パターンによる入射光の断面内のスキャン時間を短縮できる。
【0012】
パターン生成部は、複数の位相パターンのそれぞれにおいて、単一の計測用仮想パターンを形成してもよい。この場合、計測光の集光スポット１単位当たりの検出可能範囲を十分に確保できる。したがって、ダイナミックレンジの更なる拡大が可能となる。
【0013】
パターン生成部は、複数の位相パターンを経時的に重ねた場合に、計測用仮想パターン同士が重ならないように各位相パターンを生成してもよい。この場合、計測用仮想パターン同士の一部が重なるように複数の位相パターンを生成する場合と比べて、最小限のスキャンで空間光変調器の全変調領域における波面計測を実施できる。
【0014】
パターン生成部は、複数の位相パターンを経時的に重ねた場合に、計測用仮想パターンの一部同士が重なるように各位相パターンを生成してもよい。この場合、撮像領域における集光スポットの配列ピッチを小さくできるため、空間分解能の更なる向上が図られる。
【0015】
パターン生成部は、複数の位相パターンのそれぞれに含まれる計測用仮想パターンが空間光変調器における変調可能領域の一部のみを占めるように各位相パターンを生成してもよい。この場合、計測用仮想パターンにて変調された計測光と、計測用仮想パターン以外の部分にて変調された光とを同時に生成できる。したがって、計測光によって入射光の波面計測を実施しつつ、計測光以外の光を出力光として外部に取り出すことが可能となる。
【0016】
パターン生成部は、複数の位相パターンを経時的に重ねた場合に、計測用仮想パターンが空間光変調器における入射光の入射領域の全体と重なるように各位相パターンを生成してもよい。この場合、入射光の入射領域全体で波面計測を実施できる。
【0017】
パターン生成部は、解析部での解析結果に基づいて入射光に対する波面変調パターンを生成及び更新してもよい。これにより、入射光の波面計測を行いつつ、入射光の波面変調を実施できる。
【0018】
入射光のうち、計測用仮想パターンにて変調された計測光の焦点距離と、計測用仮想パターン以外の部分にて変調された光の焦点距離とが互いに異なっていてもよい。この場合、入射光の波面計測を行いつつ、計測用仮想パターン以外の部分にて変調された光を出力光として取り出したとしても、撮像部の撮像領域に出力光が集光することを防止でき、且つ出力光の取り出し先に計測光が集光することを防止できる。
【0019】
本開示の一側面に係る波面計測方法は、空間光変調器に位相パターンを入力するパターン入力ステップと、位相パターンが入力された空間光変調器に入射光を入射させ、入射光を位相変調する位相変調ステップと、空間光変調器によって変調された入射光の一部を計測光として撮像部の撮像領域で撮像する撮像ステップと、撮像ステップでの撮像結果に基づいて入射光の波面を解析する解析ステップと、を備え、パターン入力ステップでは、空間光変調器によって変調された計測光が撮像領域の異なる位置に集光するように、計測用仮想パターンが互いに異なる位置にずれた複数の位相パターンを入力する。
【0020】
この波面計測方法では、空間光変調器に入力される複数の位相パターンにおいて、計測用仮想パターンを互いに異なる位置にずらすことにより、空間光変調器によって変調された計測光の集光スポットを撮像領域の異なる位置に経時的にずらしている。これにより、複数の位相パターンにおいて、計測用仮想パターンのピッチ（中心間距離）を大きくすることが可能となり、撮像領域における集光スポットの配列ピッチを大きくすることができる。集光スポットの配列ピッチを大きくすることで、集光スポット１単位当たりの検出可能範囲を広くできるため、ダイナミックレンジの拡大が可能となる。また、集光スポットを経時的にずらしていくことで、ダイナミックレンジを拡大した状態で空間分解能を向上できる。すなわち、複数の位相パターンを用いた撮像の際に集光スポットの配列ピッチを大きくした状態で撮像し、複数の位相パターンによって集光スポットをずらして撮像した撮像結果を重ね合わせることで、空間分解能の向上が図られる。したがって、この波面計測方法では、ダイナミックレンジの拡大と空間分解能の向上とを両立できる。
【発明の効果】
【0021】
本開示によれば、ダイナミックレンジの拡大と空間分解能の向上とを両立できる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】空間光変調器を用いた一般的な波面計測の原理図である。
【図2】（ａ）は、撮像領域上の集光スポットの一例を示す概略図であり、（ｂ）は、集光スポットの検出が困難となる場合の一例を示す概略図である。
【図4】本実施形態に係る波面計測装置の原理図である。
【図5】本実施形態に係る波面計測装置の構成を示す概略図である。
【図6】（ａ）～（ｄ）は、パターン生成部で生成される位相パターンの一例を示す概略図である。
【図8】波面変調パターンに計測用仮想パターンを重畳させた位相パターンの一例を示す概略図である。
【図10】変形例に係る波面計測装置の構成を示す概略図である。
【図11】別の変形例に係る波面計測装置の構成を示す概略図である。
【図12】（ａ）及び（ｂ）は、パターン生成部で生成される位相パターンの変形例を示す概略図である。
【図14】（ａ）及び（ｂ）は、パターン生成部で生成される位相パターンの別の変形例を示す概略図である。
【図16】（ａ）及び（ｂ）は、計測用仮想パターン１２のずらし方の別例を示す概略図である。
【図17】（ａ）及び（ｂ）は、計測用仮想パターン１２のずらし方の更なる別例を示す概略図である。
【図18】計測用仮想パターンのずらし方の更なる別例を示す概略図である。
【図19】計測用仮想パターンの別例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る波面計測装置及び波面計測方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
［空間光変調器を用いた一般的な波面計測の原理］
［空間光変調器を用いた一般的な波面計測の原理］
【0024】
図１は、空間光変調器を用いた一般的な波面計測の原理図である。同図に示すように、空間光変調器を用いた一般的な波面計測では、位相パターン１１１が空間光変調器１０７の変調可能領域１１３に入力される。位相パターン１１１には、例えばマイクロレンズ状の計測用仮想パターン１１２がマトリクス状に配置されている。位相パターン１１１が入力された空間光変調器１０７に入射光Ｌ１００が入射すると、計測用仮想パターン１１２によって入射光Ｌ１００が変調され、計測光Ｌ１０１が生成される。そして、計測光Ｌ１０１による複数の集光スポット１１６が撮像部の撮像領域１１４に形成される。
【0025】
図２（ａ）に示すように、入射光Ｌ１００の波面に歪みがない領域では、集光スポット１１６は、撮像領域１１４上において計測用仮想パターン１１２の光軸と一致する基準位置Ｋ０に集光する。一方、入射光Ｌ１００の波面に歪みがある領域では、集光スポット１１６は、基準位置Ｋ０から（Δｘ，Δｙ）だけ変位した変位位置Ｋ１に集光する。集光スポット１１６毎の基準位置Ｋ０からの変位量を検出することで、当該集光スポット１１６に対応する計測用仮想パターン１１２に入射した断面領域での入射光Ｌ１００の波面の歪みを検出できる。
【0026】
撮像領域１１４における複数の集光スポット１１６の配列ピッチは、計測用仮想パターン１１２の配列ピッチ（計測用仮想パターン１１２の中心間距離）によって定まる。集光スポット１１６の配列ピッチにより、集光スポット１１６における１単位当たりの検出可能範囲Ｒの大きさが定まる。図２（ｂ）に示すように、検出可能範囲Ｒ内に集光スポット１１６が存在しない場合（右下の検出可能範囲Ｒ）、１つの検出可能範囲Ｒに集光スポット１１６が２点以上存在する場合（右上の検出可能範囲Ｒ）、或いは隣り合う検出可能範囲Ｒ，Ｒの境界上に集光スポット１１６が存在する場合、当該集光スポット１１６がいずれの検出可能範囲Ｒの基準位置Ｋ０から変位したかを検出することが困難となる。検出可能な集光スポット１１６の変位量の上限は、検出可能範囲Ｒ内に制限される。
【0027】
したがって、入射光Ｌ１００の波面計測のダイナミックレンジは、検出可能範囲Ｒの大きさ、すなわち、計測用仮想パターン１１２の配列ピッチに依存する。計測用仮想パターン１１２の配列ピッチが大きいほど撮像領域１１４における集光スポット１１６の間隔が疎となり、検出可能範囲Ｒが大きくなることで、波面計測のダイナミックレンジが大きくなる。計測用仮想パターン１１２の配列ピッチが小さいほど撮像領域１１４における集光スポット１１６の間隔が密となり、検出可能範囲Ｒが小さくなることで、波面計測のダイナミックレンジが小さくなる。
【0028】
一方、図１に示した一般的な波面計測では、入射光Ｌ１００の波面計測の空間分解能は、計測用仮想パターン１１２の配列ピッチに依存する。例えば図３の形態では、図１の形態に比べて計測用仮想パターン１１２の配列ピッチが大きくなっている。計測用仮想パターン１１２の配列ピッチが小さいほど撮像領域１１４における集光スポット１１６の間隔が密となり、波面計測の空間分解能が高くなる。計測用仮想パターン１１２の配列ピッチが大きいほど撮像領域１１４における集光スポット１１６の間隔が疎となり、波面計測の空間分解能が低くなる。したがって、空間光変調器１０７を用いた一般的な波面計測では、ダイナミックレンジと空間分解能とがトレードオフの関係にあると言える。
［本実施形態に係る波面計測装置］
［本実施形態に係る波面計測装置］
【0029】
上記課題に対し、本実施形態に係る波面計測装置は、ダイナミックレンジの拡大と空間分解能の向上とを両立することを目的としている。図４は、本実施形態に係る波面計測装置の原理図である。同図に示すように、本実施形態に係る波面計測装置１では、空間光変調器７に入力される複数の位相パターン１１において、計測用仮想パターン１２が互いに異なる位置にずれている。波面計測装置１では、複数の位相パターン１１が空間光変調器７に順次入力されることで、空間光変調器７の変調可能領域１３における計測用仮想パターン１２が経時的に変位する。これにより、空間光変調器７によって変調された計測光Ｌ１の集光スポット１６及び集光スポット１６の１単位当たりの検出可能範囲Ｒが撮像領域１４の異なる位置に経時的にずれるようになっている。
【0030】
以下、上述した波面計測装置１の構成について詳述する。図５は、本開示の一実施形態に係る波面計測装置の構成を示す概略図である。同図に示すように、波面計測装置１は、位相変調部２と、パターン生成部３と、撮像部４と、解析部５と、出力部６とを含んで構成されている。図５の例では、波面計測装置１は、レーザ加工装置として構成されている。レーザ加工装置としての波面計測装置１は、位相変調部２によって波面が補正された出力光Ｌ２を照射することによって加工対象物Ｐを加工する。
【0031】
位相変調部２は、入射光Ｌ０が入射する空間光変調器７（図４参照）を有している。空間光変調器７は、光源からの光の空間的な分布を電気的に制御して変調するデバイスである。入射光Ｌ０は、計測光Ｌ１及び出力光Ｌ２の元となる光である。ここでは、入射光Ｌ０のうち、後述の計測用仮想パターン１２にて変調された部分が計測光Ｌ１となり、計測用仮想パターン１２以外の部分にて変調された部分が出力光Ｌ２となる。入射光Ｌ０を出力する光源（不図示）としては、例えばファイバーレーザ、固体レーザなどが挙げられる。レーザ光の発振形態としては、パルス発振、連続発振のいずれであってもよい。
【0032】
パターン生成部３は、空間光変調器７に入力される位相パターンを生成する部分である。パターン生成部３は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、及びＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えたコンピュータシステムである。かかるコンピュータシステムとしては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）、マイクロコンピュータ、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などが挙げられる。パターン生成部３は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより、空間光変調器７のコントローラとして機能する。
【0033】
図６（ａ）～図６（ｄ）は、パターン生成部で生成される位相パターンの一例を示す概略図である。図６（ａ）～図６（ｄ）に示すように、パターン生成部３は、計測用仮想パターン１２が互いに異なる位置にずれた複数の位相パターン１１Ａ～１１Ｄをこの順に繰り返し生成する。ここでは、パターン生成部３は、位相パターン１１Ａ～１１Ｄのそれぞれにおいて、複数の計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄを形成する。
【0034】
図６（ａ）～図６（ｄ）の例では、位相パターン１１Ａ～１１Ｄのそれぞれに含まれる計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄは、空間光変調器７における変調可能領域１３の一部のみを占めるように形成されている。すなわち、位相パターン１１Ａ～１１Ｄが空間光変調器７に入力された際、空間光変調器７の変調可能領域１３には、計測用仮想パターン１２が形成されない領域が存在する。
【0035】
同図の例では、位相パターン１１Ａ～１１Ｄにおいて、計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄは、３×３のマトリクス状に計９つの計測用仮想パターン１２によって構成されている。計測用仮想パターン１２は、例えば正方形状のマイクロレンズ状のパターンである。隣り合う計測用仮想パターン１２，１２同士は、計測用仮想パターン１２の１つ分の間隔をもって離間している。すなわち、図６（ａ）～図６（ｄ）の例では、計測用仮想パターン１２の配列ピッチ（隣り合う計測用仮想パターン１２，１２の中心間距離）は、正方形状である計測用仮想パターン１２の一辺の長さの２倍と等しくなっている。これにより、位相パターン１１Ａ～１１Ｄを経時的に重ねた場合に、計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄ同士が重ならないようになっている。
【0036】
位相パターン１１Ａの計測用仮想パターン群１２Ａの位置を基準位置とした場合、位相パターン１１Ｂの計測用仮想パターン群１２Ｂは、位相パターン１１Ａの計測用仮想パターン群１２Ａに対し、計測用仮想パターン１２の１つ分だけ＋ｘ方向（紙面右方向）にずれている（図６（ｂ）参照）。位相パターン１１Ｃの計測用仮想パターン群１２Ｃは、位相パターン１１Ｂの計測用仮想パターン群１２Ｂに対し、計測用仮想パターン１２の１つ分だけ＋ｙ方向（紙面下方向）にずれている（図６（ｃ）参照）。
【0037】
位相パターン１１Ｄの計測用仮想パターン群１２Ｄは、位相パターン１１Ｃの計測用仮想パターン群１２Ｃに対し、計測用仮想パターン１２の１つ分だけ－ｘ方向（紙面左方向）にずれている（図６（ｄ）参照）。位相パターン１１Ａの計測用仮想パターン群１２Ａは、位相パターン１１Ｄの計測用仮想パターン群１２Ｄに対し、計測用仮想パターン１２の１つ分だけ－ｙ方向（紙面上方向）にずれている（図６（ａ）参照）。これにより、位相パターン１１Ａ～１１Ｄを経時的に重ねた場合に、位相パターン１１Ａ～１１Ｄのそれぞれに含まれる計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄが空間光変調器７における入射光Ｌ０の入射領域の全体と重なるようになっている。
【0038】
撮像部４は、空間光変調器７によって変調された計測光Ｌ１を撮像する部分である。撮像部４を構成するデバイスとしては、例えばＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラなどを用いることができる。同図に示すように、撮像部４は、複数の画素（不図示）によって構成される二次元の撮像領域１４（図７（ａ）～図７（ｄ）参照）を有している。撮像領域１４には、位相パターン１１Ａ～１１Ｄに含まれる計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄによって集光した計測光Ｌ１がこの順に繰り返し結像する。撮像部４は、計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄによる集光スポット群１６Ａ～１６Ｄの光像を順次撮像し、それぞれの画像データを解析部５に出力する。
【0039】
図７（ａ）～図７（ｄ）は、図６（ａ）～図６（ｄ）に示した位相パターンを用いた場合に撮像部で撮像される集光スポットの一例を示す概略図である。ここでは、計測用仮想パターン１２のずれと集光スポット１６のずれとの関係を説明する便宜上、入射光Ｌ０に波面の歪みが無い場合の基準位置Ｋ０（図２参照）において集光スポット１６を図示している。同図に示すように、集光スポット群１６Ａ～１６Ｄは、図６（ａ）～図６（ｄ）に示した位相パターン１１Ａ～１１Ｄにおける計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄのそれぞれに対応し、３×３のマトリクス状に計９つの集光スポット１６によって構成されている。
【0040】
集光スポット群１６Ａ～１６Ｄを構成する各集光スポット１６の径は、計測用仮想パターン１２によって表されるマイクロレンズの口径（すなわち、計測用仮想パターン１２のサイズ）に反比例する。隣り合う集光スポット１６，１６の基準位置Ｋ０，Ｋ０同士は、計測用仮想パターン１２の配列ピッチに応じた間隔をもって離間している。計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄによって形成される計測光Ｌ１の集光スポット１６の１単位当たりの検出可能範囲Ｒは、計測用仮想パターン１２の配列ピッチに応じて定まる。計測用仮想パターン１２の配列ピッチが小さいほど、集光スポット１６の１単位当たりの検出可能範囲Ｒは小さくなる。計測用仮想パターン１２の配列ピッチが大きいほど、集光スポット１６の１単位当たりの検出可能範囲Ｒは大きくなる。
【0041】
計測用仮想パターン群１２Ａによって結像する集光スポット群１６Ａの位置を基準位置とした場合、集光スポット群１６Ｂの位置は、集光スポット群１６Ａに対し、計測用仮想パターン１２の配列ピッチの分だけ＋ｘ方向（紙面右方向）にずれる（図７（ｂ）参照）。集光スポット群１６Ｃの位置は、集光スポット群１６Ｂに対し、計測用仮想パターン１２の配列ピッチの分だけ＋ｙ方向（紙面下方向）にずれる（図７（ｃ）参照）。
【0042】
集光スポット群１６Ｄの位置は、集光スポット群１６Ｃに対し、計測用仮想パターン１２の配列ピッチの分だけ－ｘ方向（紙面左方向）にずれる（図７（ｄ）参照）。集光スポット群１６Ａの位置は、集光スポット群１６Ｄに対し、計測用仮想パターン１２の配列ピッチの分だけ－ｙ方向（紙面上方向）にずれる（図７（ａ）参照）。
【0043】
解析部５は、撮像部４での撮像結果に基づいて入射光Ｌ０の波面を解析する部分である。解析部５は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、及びＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えたコンピュータシステムである。かかるコンピュータシステムとしては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）、マイクロコンピュータ、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などが挙げられる。解析部５は、パターン生成部３と一体のシステムであってもよい。解析部５は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより、入射光Ｌ０の波面の解析を実行する。
【0044】
解析部５は、空間光変調器７によって経時的にずらされた計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄを用いて生成された集光スポット群１６Ａ～１６Ｄのそれぞれの撮像結果である複数の画像データに基づいて、入射光Ｌ０の波面を解析する。解析部５は、撮像部４から受け取った画像データに基づき、集光スポット１６の検出可能範囲Ｒ毎に集光スポット１６の基準位置Ｋ０からの変位量（Δｘ，Δｙ）を検出する（図２参照）。解析部５は、各集光スポット１６の基準位置Ｋ０からの変位量を検出することで、各集光スポット１６に対応する計測用仮想パターン１２に入射した断面領域での入射光Ｌ０の波面の歪みを検出する。
【0045】
解析部５は、入射光Ｌ０の各断面領域における波面の歪みをマッピングし、入射光Ｌ０の波面を出力光Ｌ２の用途に応じた所望の波面に変調するための波面変調パターン１８（図８参照）を生成してもよい。波面変調パターン１８は、空間光変調器７に入射する入射光Ｌ０の波面を変調するパターンであり、計測用仮想パターン１２とは別に生成される。解析部５で生成した設計情報をパターン生成部３に出力し、パターン生成部３で生成した波面変調パターン１８を空間光変調器７に入力することで、出力光Ｌ２のビームパターンがトップハット型やガウシアン型といった様々な型となるように、入射光Ｌ０の波面を補正することが可能となる。
【0046】
波面変調パターン１８は、入射光Ｌ０の波面の歪みの検出結果に応じて随時更新される。波面変調パターン１８を用いた入射光Ｌ０の変調により、加工対象物Ｐに照射される出力光Ｌ２の波面を所望の波面に維持できる。図８に示すように、空間光変調器７に位相パターン１１Ａ～１１Ｄと波面変調パターン１８とを重複して入力する場合、入射光Ｌ０の波面計測と入射光Ｌ０の波面変調とを同時に実施することが可能となる。
【0047】
出力部６は、出力光Ｌ２を外部に出力する部分である。本実施形態では、図５に示すように、位相変調部２から撮像部４に向かう計測光Ｌ１及び出力光Ｌ２の光路上にビームスプリッタ１９が配置されている。計測光Ｌ１は、ビームスプリッタ１９を透過して撮像部４に向かい、出力光Ｌ２は、ビームスプリッタ１９で反射して加工対象物Ｐに向かう。出力光Ｌ２は、集光レンズ２０によって集光され、加工対象物Ｐの表面に照射される。ビームスプリッタ１９は、光量調整のための素子であり、例えば透過率５％程度（反射率９５％程度）となっている。図５では省略されているが、実際には、撮像部４に向かう光に出力光Ｌ２の一部が含まれることもあり、加工対象物Ｐに向かう光に計測光Ｌ１の一部が含まれることもある。
【0048】
本実施形態では、計測光Ｌ１の焦点が撮像部４の撮像領域１４に合うように調整され、出力光Ｌ２の焦点が加工対象物Ｐの表面に合うように調整されている。また、本実施形態では、計測用仮想パターン１２にて変調された計測光Ｌ１の焦点距離と、計測用仮想パターン１２以外の部分にて変調された光（出力光Ｌ２）の焦点距離とが互いに異なっている。空間光変調器７からビームスプリッタ１９を透過して撮像部４の撮像領域１４に結像する計測光Ｌ１の焦点距離をＦ１、空間光変調器７からビームスプリッタ１９で反射して集光レンズ２０を介して加工対象物Ｐの表面に結像する出力光Ｌ２の焦点距離をＦ２とした場合に、Ｆ１≠Ｆ２となっている。Ｆ１とＦ２との大小関係は、任意である。Ｆ１＞Ｆ２であってもよく、Ｆ２＞Ｆ１であってもよい。
【0049】
図９は、図５に示した波面計測装置の動作の一例を示すフローチャートである。同図に示すように、波面計測装置１では、まず、空間光変調器７への入射光Ｌ０の入力及び加工対象物Ｐへの出力光Ｌ２の照射が行われる（ステップＳ０１）。次に、空間光変調器７への複数の位相パターン１１の入力がなされる（ステップＳ０２：パターン入力ステップ）。ステップＳ０２では、計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄが互いに異なる位置にずれた位相パターン１１Ａ～１１Ｄが空間光変調器７にこの順に繰り返し入力される。位相パターン１１Ａ～１１Ｄが順次入力された空間光変調器７に入射光Ｌ０が入射することで入射光Ｌ０の位相変調がなされ、計測光Ｌ１が生成される（ステップＳ０３：位相変調ステップ）。
【0050】
次に、空間光変調器７によって変調された計測光Ｌ１の撮像がなされる（ステップＳ０４：撮像ステップ）。ステップＳ０４では、計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄによる集光スポット群１６Ａ～１６Ｄの光像が順次撮像される。すなわち、計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄによって撮像領域１４の異なる位置に経時的にずれる集光スポット群１６Ａ～１６Ｄの光像の画像データを順次取得する。
【0051】
画像データを取得した後、ステップＳ０４での撮像結果に基づいて、入射光Ｌ０の波面の解析が行われる（ステップＳ０５：解析ステップ）。ステップＳ０５では、空間光変調器７によって経時的にずらされた計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄを用いて生成された集光スポット群１６Ａ～１６Ｄのそれぞれの撮像結果である複数の画像データに基づいて、入射光Ｌ０の波面の解析が行われる。ステップＳ０５では、各集光スポット１６の基準位置Ｋ０からの変位量を検出することで、各集光スポット１６に対応する計測用仮想パターン１２に入射した断面領域での入射光Ｌ０の波面の歪みが検出される。波面の歪みの検出の後、波面変調パターン１８の生成が行われる（ステップＳ０６）。既に波面変調パターン１８が生成されている場合には、波面の新たな検出結果に基づく波面変調パターン１８の更新が行われる。
【0052】
次に、ステップＳ０６で生成又は更新された波面変調パターン１８が空間光変調器７に入力される（ステップＳ０７）。波面変調パターン１８は、位相パターン１１Ａ～１１Ｄと重畳して空間光変調器７に入力され、入射光Ｌ０の波面の解析と加工対象物Ｐへの出力光Ｌ２の照射とが同時に実施される。その後、加工対象物Ｐの加工が終了したか否かが判断される（ステップＳ０８）。ステップＳ０８において加工対象物Ｐの加工が終了したと判断された場合、処理が終了する。ステップＳ０８において加工対象物Ｐの加工が終了していないと判断された場合、ステップＳ０２に戻り、ステップＳ０２～ステップＳ０８の処理が再び実行される。
【0053】
以上説明したように、波面計測装置１では、空間光変調器７に入力される複数の位相パターン１１Ａ～１１Ｄにおいて、計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄが互いに異なる位置にずれており、空間光変調器７によって変調された計測光Ｌ１の集光スポット群１６Ａ～１６Ｄが撮像領域１４の異なる位置に経時的にずれるようになっている。これにより、複数の位相パターン１１Ａ～１１Ｄにおいて、計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄに含まれる計測用仮想パターン１２のピッチ（中心間距離）を大きくすることが可能となり、撮像領域１４における集光スポット群１６Ａ～１６Ｄの集光スポット１６の配列ピッチを大きくすることができる。集光スポット１６の配列ピッチを大きくすることで、集光スポット１６の１単位当たりの検出可能範囲Ｒを広くできるため、ダイナミックレンジの拡大が可能となる。また、集光スポット１６を経時的にずらしていくことで、ダイナミックレンジを拡大した状態で空間分解能を向上できる。すなわち、複数の位相パターン１１Ａ～１１Ｄを用いた撮像の際に集光スポット１６の配列ピッチを大きくした状態で撮像し、複数の位相パターン１１Ａ～１１Ｄによって集光スポット１６をずらして撮像した撮像結果を重ね合わせることで、空間分解能の向上が図られる。したがって、波面計測装置１では、ダイナミックレンジの拡大と空間分解能の向上とを両立できる。
【0054】
本実施形態では、パターン生成部３は、複数の位相パターン１１Ａ～１１Ｄのそれぞれにおいて、複数の計測用仮想パターン（計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄ）を形成している。これにより、１回の撮像によって得られる画像の空間分解能を向上できるため、集光スポット１６をずらす回数（撮像回数）を削減できる。したがって、計測用仮想パターン１２による入射光Ｌ０の断面内のスキャン時間を短縮できる。
【0055】
本実施形態では、パターン生成部３は、複数の位相パターン１１Ａ～１１Ｄを経時的に重ねた場合に、計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄ同士が重ならないように各位相パターン１１Ａ～１１Ｄを生成している。例えば計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄでは、隣り合う計測用仮想パターン１２，１２同士は、計測用仮想パターン１２の１つ分の間隔をもって離間している（図６（ａ）～図６（ｄ）参照）。これにより、計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄ同士の一部が重なるように各位相パターン１１Ａ～１１Ｄを生成する場合と比べて、最小限のスキャンで空間光変調器７の全変調領域における波面計測を実施できる。
【0056】
本実施形態では、パターン生成部３は、複数の位相パターン１１Ａ～１１Ｄのそれぞれに含まれる計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄが空間光変調器７における変調可能領域１３の一部のみを占めるように各位相パターンを生成している。これにより、計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄにて変調された計測光Ｌ１と、計測用仮想パターン群１２Ａ～１２Ｄ以外の部分にて変調された光とを同時に生成できる。したがって、計測光Ｌ１によって入射光Ｌ０の波面計測を実施しつつ、計測光Ｌ１以外の光を出力光Ｌ２として外部に取り出すことが可能となる。
【0057】
本実施形態では、パターン生成部３は、複数の位相パターン１１Ａ～１１Ｄを経時的に重ねた場合に、計測用仮想パターン１２が空間光変調器７における入射光Ｌ０の入射領域の全体と重なるように各位相パターン１１Ａ～１１Ｄを生成している。これにより、入射光Ｌ０の入射領域全体で波面計測を実施できる。この結果、波面変調パターン１８を出力光Ｌ２の断面全体に適用することが可能となり、出力光Ｌ２の波面を所望の波面に容易に近づけることができる。
【0058】
本実施形態では、パターン生成部３は、解析部５での解析結果に基づいて入射光Ｌ０に対する波面変調パターン１８を生成及び更新している。これにより、入射光Ｌ０の波面計測を行いつつ、入射光Ｌ０の波面変調を実施できる。また、本実施形態では、計測用仮想パターン１２にて変調された計測光Ｌ１の焦点距離と、計測用仮想パターン１２以外の部分にて変調された光（出力光Ｌ２）の焦点距離とが互いに異なっている。これにより、入射光Ｌ０の波面計測を行いつつ、計測用仮想パターン１２以外の部分にて変調された光を出力光Ｌ２として取り出したとしても、撮像部４の撮像領域１４に出力光Ｌ２が集光することを防止でき、且つ出力光Ｌ２の取り出し先である加工対象物Ｐに計測光Ｌ１が集光することを防止できる。
［変形例］
［変形例］
【0059】
本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば図１０に示す波面計測装置１Ａのように、ビームスプリッタ１９と撮像部４との間の計測光Ｌ１の光路に像転送レンズ系２１が配置されていてもよい。像転送レンズ系２１は、例えば一対の凸レンズ２２，２２によって構成することができる。この場合、計測光Ｌ１の集光スポット１６を撮像部４の撮像領域１４の直接結像させる必要が無くなるため、光学的な配置の自由度を高めることができる。また、上記実施形態では、空間光変調器７で入射光Ｌ０を反射させる態様となっているが、例えば図１１に示す波面計測装置１Ｂのように、空間光変調器７に入射光Ｌ０を透過させる態様であってもよい。このような態様であっても、上記実施形態と同様の作用効果が奏される。
【0060】
上記実施形態では、正方形状の計測用仮想パターン１２を例示したが、撮像部４の撮像領域１４において集光スポット１６が形成可能である限り、計測用仮想パターン１２の形状は、任意の形状であってよい。すなわち、計測用仮想パターン１２は、正方形状に限られず、例えば円形、長方形、楕円形、三角形、多角形などの他の形状であってもよい。
【0061】
上記実施形態では、３×３のマトリクス状に計測用仮想パターン１２が配列された位相パターン１１Ａ～１１Ｄを例示したが、計測用仮想パターン１２の配列数及び配列ピッチは、任意に設定することができる。例えば図１２（ａ）に示すように、４×４のマトリクス状に計測用仮想パターン１２が配列された位相パターン１１を用いてもよく、図１２（ｂ）に示すように２×２のマトリクス状に計測用仮想パターン１２が配列された位相パターン１１を用いてもよい。
【0062】
計測用仮想パターン１２のサイズを変えない場合、計測用仮想パターン１２の配列数を多くするほど、隣り合う集光スポット１６，１６間の配列ピッチが小さくなる（図１３（ａ）参照）。したがって、空間分解能の向上が図られる。空間分解能の向上により、一定の空間分解能を得るために必要な撮像回数を削減できるため、波面計測の速度の向上も図られる。また、計測用仮想パターン１２のサイズを変えない場合、計測用仮想パターン１２の配列数を多くするほど、空間光変調器７の変調可能領域１３に対して計測用仮想パターン１２が占める面積が大きくなる。したがって、入射光Ｌ０の入射領域全体の波面計測に要する位相パターン１１のパターン数を削減でき、撮像回数も削減できるため、波面計測の速度を向上できる。
【0063】
計測用仮想パターン１２のサイズを変えない場合、計測用仮想パターン１２の配列数を少なくするほど、隣り合う集光スポット１６，１６間の配列ピッチが大きくなる（図１３（ｂ）参照）。したがって、集光スポット１６の１単位当たりの検出可能範囲Ｒが大きくなり、ダイナミックレンジの向上が図られる。また、計測用仮想パターン１２のサイズを変えない場合、計測用仮想パターン１２の配列数を少なくするほど、空間光変調器７の変調可能領域１３に対して計測用仮想パターン１２が占める面積が小さくなる。このため、波面計測に使用される光の損失が抑えられ、出力光Ｌ２の強度を十分に維持した状態で入射光Ｌ０の波面計測が可能となる。
【0064】
入射光Ｌ０の波面は、光源の自己発熱等の影響によって経時的に変化し得る。本実施形態のように加工対象物Ｐのレーザ加工を行う場合、リアルタイムに波面を計測して入射光Ｌ０（出力光Ｌ２）の波面の変調を行うことが有用となる。この場合、加工対象物Ｐへの出力光Ｌ２の照射前の段階では、計測用仮想パターン１２の配列数を多くし、波面計測を高速で実施して波面変調パターン１８を生成することが好適である。加工対象物Ｐへの出力光Ｌ２の照射中の段階では、計測用仮想パターン１２のサイズを変えずに配列数を少なくし、又は計測用仮想パターンの配列数を変えずにサイズを小さくすることで、空間光変調器７の変調可能領域１３に対して計測用仮想パターン１２が占める面積を相対的に小さくし、出力光Ｌ２の強度を維持しながらリアルタイムで波面計測を実施する、といった態様とすることもできる。
【0065】
計測用仮想パターン１２のサイズも任意に調整可能である。例えば図１４（ａ）に示すように、計測用仮想パターン１２のサイズが図６（ａ）～図６（ｄ）で示した計測用仮想パターン１２の２倍程度となっていてもよい。また、例えば図１４（ｂ）に示すように、計測用仮想パターン１２のサイズが図６（ａ）～図６（ｄ）で示した計測用仮想パターン１２の半分程度となっていてもよい。撮像領域１４における集光スポット１６の大きさは、計測用仮想パターン１２のサイズによって変化する。図１４（ａ）のように計測用仮想パターン１２のサイズを大きくする場合、撮像領域１４における集光スポット１６の大きさが小さくなる（図１５（ａ）参照）。図１４（ｂ）のように計測用仮想パターン１２のサイズを小さくする場合、撮像領域１４における集光スポット１６の大きさが大きくなる（図１５（ｂ）参照）。
【0066】
集光スポット１６の大きさを小さくする場合、集光スポット１６における光の強度が大きくなる。例えば入射光Ｌ０の強度がレーザ断面の中心部分において強く且つ周辺部分について弱いような場合、計測用仮想パターン１２をずらす位置によって計測用仮想パターン１２のサイズを変更することで、波面計測の精度の安定化が図られる。集光スポット１６の大きさを大きくする場合、集光スポット１６の強度分布を基にして中心演算をすることにより、集光スポット１６の中心点を把握できる。このため、計測用仮想パターン１２のサイズに関わらず、ダイナミックレンジの向上及び空間分解能の向上の両立が可能である。
【0067】
上記実施形態では、複数の位相パターン１１Ａ～１１Ｄのそれぞれにおいて、複数の計測用仮想パターン１２が形成されているが、パターン生成部３は、複数の位相パターン１１のそれぞれにおいて、単一の計測用仮想パターン１２を形成してもよい。この場合も、単一の計測用仮想パターン１２が互いに異なる位置にずれた複数の位相パターン１１を生成することにより、上記実施形態と同様の作用効果が奏される。また、単一の計測用仮想パターン１２とする場合、計測光Ｌ１の集光スポット１６の１単位当たりの検出可能範囲Ｒを十分に確保できる。例えば単一の計測用仮想パターン１２とする場合、撮像領域１４に単一の集光スポット１６が形成されるため、撮像領域１４の全領域を検出可能範囲Ｒとすることができる。したがって、ダイナミックレンジの更なる拡大が可能となる。
【0068】
複数の位相パターン１１による計測用仮想パターン１２のずらし方（スキャン方向）は、任意に設定することができる。各位相パターン１１に単一の計測用仮想パターン１２が含まれる場合、例えば図１６（ａ）に示すように、初期位置から－ｘ方向（紙面左方向）及び＋ｘ方向（紙面右方向）に計測用仮想パターン１２を往復動させ、－ｘ方向及び＋ｘ方向の一回のスキャンごとに計測用仮想パターン１２を＋ｙ方向にずらすようにしてもよい。
【0069】
また、例えば図１６（ｂ）に示すように、初期位置から＋ｙ方向（紙面下方向）及び－ｙ方向（紙面上方向）に計測用仮想パターン１２を往復動させ、＋ｙ方向及び－ｙ方向の一回のスキャンごとに計測用仮想パターン１２を＋ｘ方向にずらすようにしてもよい。図１６（ａ）と左右反転した方向に計測用仮想パターン１２をずらしていってもよく、図１６（ｂ）と上下反転した方向に計測用仮想パターン１２をずらしていってもよい。
【0070】
各位相パターン１１に複数の計測用仮想パターン１２が含まれる場合、例えば図１７（ａ）に示すように、初期位置から＋ｘ方向（紙面右方向）及び－ｘ方向（紙面左方向）に計測用仮想パターン１２のそれぞれを往復動させ、＋ｘ方向及び－ｘ方向の一回のスキャンごとに計測用仮想パターン１２を＋ｙ方向にずらすようにしてもよい。
【0071】
また、例えば図１７（ｂ）に示すように、一対の計測用仮想パターン１２，１２のスキャン方向を互いに反転させる態様としてもよい。この場合、一方の計測用仮想パターン１２については、初期位置から＋ｘ方向（紙面右方向）及び－ｘ方向（紙面左方向）に往復動させ、＋ｘ方向及び－ｘ方向の一回のスキャンごとに計測用仮想パターン１２を＋ｙ方向にずらせばよい。他方の計測用仮想パターン１２については、初期位置から－ｘ方向（紙面左方向）及び＋ｘ方向（紙面右方向）に往復動させ、－ｘ方向及び＋ｘ方向の一回のスキャンごとに計測用仮想パターン１２を－ｙ方向にずらせばよい。
【0072】
図１７（ａ）及び図１７（ｂ）の例においては、各計測用仮想パターン１２のスキャン領域が互いに重ならないようになっている。これにより、入射光Ｌ０の入射領域全体の波面計測に要する位相パターン１１のパターン数を削減でき、撮像回数も削減できるため、波面計測の速度を向上できる。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）の場合と同様に、図１７（ａ）と左右反転した方向に各計測用仮想パターン１２をずらしていってもよく、図１７（ｂ）と上下反転した方向に各計測用仮想パターン１２をずらしていってもよい。位相パターン１１に含まれる計測用仮想パターン１２の数が更に多い場合でも、図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に示したずらし方を各計測用仮想パターン１２に適用してもよい。
【0073】
上記実施形態では、位相パターン１１Ａ～１１Ｄにおいて隣り合う計測用仮想パターン１２，１２同士が計測用仮想パターン１２の１つ分の間隔をもって離間しており、複数の位相パターン１１を経時的に重ねた場合に、計測用仮想パターン１２同士が重ならないようになっている。しかしながら、計測用仮想パターン１２のずらし方はこれに限られない。例えばパターン生成部３は、図１８に示すように、複数の位相パターン１１を経時的に重ねた場合に、計測用仮想パターン１２，１２の一部同士が重なるように各位相パターン１１を生成してもよい。
【0074】
このような構成によれば、各位相パターン１１における計測用仮想パターン１２の配置数を少なくした場合であっても、撮像領域１４における集光スポット１６の配列ピッチを小さくできる。したがって、空間分解能の更なる向上が図られる。計測用仮想パターン１２，１２の一部同士の重なり幅に特に制限はない。計測用仮想パターン１２，１２の半分以上の領域が重なっていてもよく、計測用仮想パターン１２，１２の半分未満の領域が重なっていてもよい。
【0075】
上記実施形態では、計測用仮想パターン１２としてマイクロレンズ状のパターンを例示したが、計測用仮想パターン１２の態様はこれに限られない。計測用仮想パターン１２は、例えば回折格子状のパターンであってもよく、ホログラムアレイ状のパターンであってもよい。また、例えば図１９（ａ）に示す１０×１０のマイクロレンズ状の計測用仮想パターン１２に、図１９（ｂ）に示す１０×１０の光渦状の計測用仮想パターン１２を重畳したものを用いてもよい。この場合、図１９（ｃ）に示すように、撮像領域１４上の集光スポット１６は、１０×１０の多点光渦ビームによって形成される。このような態様においても、計測用仮想パターン１２を経時的にずらしていくことで、上記実施形態と同様の作用効果が奏される。
【符号の説明】
【0076】
１，１Ａ，１Ｂ…波面計測装置、２…位相変調部、３…パターン生成部、４…撮像部、５…解析部、７…空間光変調器、１１…位相パターン、１２…計測用仮想パターン、１３…変調可能領域、１４…撮像領域、１６…集光スポット、１８…波面変調パターン、Ｌ０…入射光、Ｌ１…計測光。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
