JP2025030070A - 光学計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子からの出力光の時間的変化を高精度に、また、回折光のような遠視野像をノイズに影響されずに計測することができる光学計測装置を提供する。
【解決手段】光学計測装置１は、計測対象の光Ｌ０、光Ｌ１、または光Ｌ２をコリメートするコリメートレンズ２２と、コリメートレンズ２２から出射した光を、光軸からの距離が当該光の延長上の位置よりも大きい出射位置から出射するプリズム群４と、プリズム群４から出射した光を受光するフォトディテクタ６を配列した第１撮像素子６０と、を備える。プリズム群４は、光を、拡散させずに、その入射角よりも大きな出射角で出射する第１プリズム４１と、第１プリズム４１から出射した光を、その入射角よりも小さな出射角で出射する第２プリズム４２と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子から出力する光パターンを計測する光学計測装置に関する。

近年、半導体プロセスの性能向上により、光集積回路においても微細化や高密度化が進み、それに伴い、光変調素子、光フェーズドアレイ（Optical Phased Array；ＯＰＡ）、アレイ導波路回折格子（Arrayed waveguide gratings；ＡＷＧ）、フォトニック結晶、メタサーフェス等のような、微小構造により出力光が干渉する光学素子が登場している。このような光学素子の光学性能評価では、光の出力部における光パターン（近視野像、Near Field Pattern；ＮＦＰ）と、出力部から遠方で観察される光パターン（遠視野像、Far Field Pattern；ＦＦＰ）と、が主に観察される。これらの光パターンの計測には、複数のレンズ等の光学素子およびＣＣＤ等のイメージセンサ（カメラ）を組み合わせた装置が用いられ、一部のレンズの取り外しにより近視野像と遠視野像とを切り替えてイメージセンサで結像させる装置（例えば、非特許文献１）や、ビームスプリッタおよび２台のイメージセンサを備えて近視野像と遠視野像とを同時に計測することができる装置が開示されている（例えば、特許文献１，２）。

さらに、特許文献１は、ピンホール板によって迷光を分離した遠視野像を観察して光偏向素子の出力ビームの広がり角を計測することができる。また、特許文献２は、空間フィルタによって選択した一部の導波路から出力するビームのビーム形状を計測することができる。

特開２０１４－１１５２４９号公報 特開２０２０－９８１０２号公報

N. L. Thomas, R. Houdre, M. Kotlyar, D. O’Brien, T. Krauss, "Exploring light propagating in photonic crystals with Fourier optics", Journal of the Optical Society of America, B, Volume 24, No. 12, p. 2964-2971, 2007

例えばビームの方向を制御する光偏向素子の光学性能評価では、ビームの静的な形状だけでなく、ビーム掃引の走査速度も計測することが要求される。しかし、フォトディテクタのような時間分解能の高い受光素子では、ＣＣＤイメージセンサのように高い空間分解能が得られないので、偏向角を高精度に計測することができず、結果、走査速度を高精度に計測することが困難である。あるいは、特定の２以上の偏向角のそれぞれに合わせてフォトディテクタを配置すると、偏向角同士の差分が数度程度と小さい場合には、パッケージサイズの大きいフォトディテクタでは光偏向素子からの距離を長く要し、フォトディテクタが受光する光量が減少して精度が低下し、また、偏向角に微小な誤差があるとフォトディテクタが受光しないので、評価が困難である。

また、光フェーズドアレイを用いた光偏向素子は、複数の導波路のそれぞれから出力する光を干渉させてビームを生成しているので、出力光に複数のピークを有することがあり、最も高出力であるメインローブがビームとして利用される。したがって、評価の対象は専らメインローブであり、それ以外のサイドローブはノイズとなり除去されることが望ましい。同様に、回折格子等から出力した回折光は、比較的高出力の低次光（例えば、０次光、１次光）のみを評価対象とすることがあり、高次光を除去できることが望ましい。特許文献１，２のピンホール板や空間フィルタは、光が出力される出力部近傍で評価しようとする光以外を除去するものであり、回折光に対してフィルタリングするものではない。

本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、光学素子の光学性能評価において、出力光の時間的変化のような動的な評価に好適であり、回折光のような遠視野像を、ノイズに影響されずに計測することができる光学計測装置を提供することが課題である。

すなわち、本発明に係る光学計測装置は、計測対象の光をコリメートするコリメート光学系と、前記コリメート光学系から出射した光を、光軸からの距離を広げて出射する発散光学系と、前記発散光学系から出射した光を受光する受光素子を１ないし一次元または二次元に配列した２以上備える第１撮像素子と、を備え、前記発散光学系が、光を、拡散させずに、その入射角よりも大きな出射角で出射する発散光学素子と、前記発散光学素子から出射した光を、その入射角よりも小さな出射角で出射する補整光学素子と、を備える構成である。

本発明に係る光学計測装置によれば、計測対象の光のビーム角度をより大きく変化させることができるので、時間分解能に対して空間分解能の高くないフォトディテクタのような受光素子を適用して、動的な評価を高精度に行うことができ、また、遠視野像をノイズに影響されずに計測することができる。

本発明に係る光学計測装置の概形を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態に係る光学計測装置の構造を説明する模式図である。 図１に示す光学計測装置による計測方法を説明する模式図である。 図１に示す光学計測装置による計測方法を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態の第１の変形例に係る光学計測装置の構造を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態の第２の変形例に係る光学計測装置の構造を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態の第３の変形例に係る光学計測装置の構造を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態の第４の変形例に係る光学計測装置の構造を説明する模式図である。 本発明の第２実施形態に係る光学計測装置の構造を説明する模式図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係る光学計測装置の構造を説明する模式図である。 本発明の第３実施形態に係る光学計測装置の構造を説明する模式図である。 本発明の第４実施形態に係る光学計測装置の構造を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態に係る光学計測装置を模擬したサンプル、およびシミュレーションによるビームの光路の画像である。 本発明の第２実施形態に係る光学計測装置を模擬したサンプル、およびシミュレーションによるビームの光路の画像である。 図１１Ａの光源側近傍の拡大図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係る光学計測装置を模擬したサンプル、およびシミュレーションによるビームの光路の画像である。 本発明の第２実施形態の変形例に係る光学計測装置を模擬したサンプル、およびシミュレーションによるビームの入射角の範囲を説明する画像である。 本発明の第２実施形態の変形例に係る光学計測装置を模擬したサンプル、およびシミュレーションによるビームの入射角の範囲を説明する画像である。 本発明の第３実施形態に係る光学計測装置を模擬したサンプル、およびシミュレーションによるビームの光路の画像である。

以下、本発明に係る光学計測装置を実現するための形態について、図面を参照して説明する。本発明に係る光学計測装置１は、光偏向素子や回折格子等の光学素子ＯＥを評価対象として、光源ＬＳから光を入力されて出力した光のパターン形状や時間的変化を計測するものであり、例えば、図１に示すように、出力光の遠視野像を撮像する２台の撮像素子６０，８１を備える。光学計測装置１は、光の入力部に光学素子ＯＥの光の出力部を接続または近接させて、光学素子ＯＥの出力光を入力され、撮像素子６０，８１にオシロスコープＯＳＣやパーソナル・コンピュータＰＣ等を接続して電気信号を取得する。光源ＬＳは、光学素子ＯＥに対応した波長、コヒーレンス（またはインコヒーレンス）、および出力の光を照射する装置であり、例えばレーザー光源である。また、光学素子ＯＥは、必要に応じて、電流源ＣＳにより駆動される。オシロスコープＯＳＣは、公知の装置であり、第１撮像素子６０のフォトディテクタ（受光素子）６（図２参照）のそれぞれの電気信号を取得する。ＰＣは、第２撮像素子８１およびＯＳＣに接続して、取得した画像や電気信号を解析する。また、ＰＣは、必要に応じて、電流源ＣＳに接続して光学素子ＯＥを制御し、さらに光源ＬＳを制御してもよい。図面に示す光学計測装置およびその要素は、明確に説明するために、大きさや位置関係等を誇張していることがあり、また、形状や構造を単純化していることがある。また、各実施形態の説明において、前の実施形態と同一の要素については、同一の符号を付し、説明を適宜省略する。

〔第１実施形態〕
（光学計測装置）
本発明の第１実施形態に係る光学計測装置１は、図２に示すように、コリメートレンズ（コリメート光学系）２２と、第１プリズム（発散光学素子）４１および第２プリズム（補整光学素子）４２からなるプリズム群（発散光学系）４と、フォトディテクタ（受光素子）６を一次元配列した第１撮像素子６０と、を備え、さらに集光レンズ（集光光学系）５を備えることが好ましい。光学計測装置１はさらに、コリメートレンズ２１と、ビームスプリッタ（光分岐素子）３１と、結像レンズ（結像光学系）７１と、第２撮像素子８１と、を備えていてもよい。詳しくは、光学計測装置１は、評価対象とする光学素子ＯＥの側、すなわち光の入射側から順に、コリメートレンズ２１、コリメートレンズ２２、ビームスプリッタ３１、第１プリズム４１、第２プリズム４２、集光レンズ５、第１撮像素子６０を配置して備え、さらにビームスプリッタ３１による光の分岐方向に、ビームスプリッタ３１の側から順に、結像レンズ７１、第２撮像素子８１を配置して備える。光学計測装置１に設けられたこれらの各要素は、光学計測装置１に入力する光、すなわち光学素子ＯＥから出力する光の波長に適応したものとし、また、図１に示すように筐体に収容されている。

本実施形態に係る光学計測装置１は、評価対象とする光学素子ＯＥが一次元の光偏向素子であり、出力したビームの形状、偏向角θ、およびビーム掃引の走査速度等を計測する。光偏向素子（光学素子ＯＥ）は、Ｚ軸を中心としてＸ方向にビームを走査し、例えば、複数本の光導波路を基板上に並設した平面光導波路回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）で構成される。

コリメートレンズ２１およびコリメートレンズ（コリメート光学系）２２はそれぞれ、拡散光を平行光とする（コリメートする）光学素子である。コリメートレンズ２１，２２は、公知の構成とすることができ、例えば、非球面レンズや２枚以上の球面レンズを適用することができ、さらにこれらを組み合わせてもよい。また、それぞれのレンズは、１枚ガラスで構成された単レンズでもよいし、屈折率の異なる２以上の材料を貼り合わせたアクロマティックレンズでもよい。また、コリメートレンズ２２は、出射面が平面の平凸レンズを適用して、後記のキューブ型のビームスプリッタ３１に密着されていてもよい。光学計測装置１において、コリメートレンズ２１は、光学素子ＯＥから出力した光の近視野像ＮＦＰにおける光を、所望のビーム径の平行光とするように、構成、配置され、また、遠視野像ＦＦＰよりも光学素子ＯＥ側に配置される。一方、コリメートレンズ２２は、光学素子ＯＥから出力した光の遠視野像ＦＦＰの光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２を、所望のビーム径ｄの平行光とするように、構成、配置される。さらに、コリメートレンズ２２は、光学計測装置１において着脱可能に設けられる。

ビームスプリッタ（光分岐素子）３１は、入射した光を異なる２方向へ分岐させる光学素子であり、具体的には、入射した光を透過させて進行方向が変わらずに通過する光と、反射して進行方向が変化して（例えば、入射角０°の光が９０°変化して）出射する光と、に分岐させる。このようなビームスプリッタ３１は、無偏光タイプのプレート型やキューブ型の公知のビームスプリッタを適用することができる。また、ビームスプリッタ３１における反射光と透過光の光量分岐比は特に限定されず、１：１のハーフミラーでもよいし、相対的に一方を高出力としてもよく、撮像素子６０，８１のそれぞれの感度等に応じて選択することが好ましい。なお、図２において、ビームスプリッタ３１は、光をＸ方向（図における下方向）に反射させているが、Ｙ方向（図における紙面垂直方向）に反射させるように配置されていてもよい。光学計測装置１は、ビームスプリッタ３１を備えることにより、光学素子ＯＥの遠視野像ＦＦＰを、時間分解能の高い第１撮像素子６０のフォトディテクタ６と空間分解能の高い第２撮像素子８１とで同時に観測することができる。

プリズム群（発散光学系）４は、コリメートレンズ２２によって平行光となった遠視野像ＦＦＰの光Ｌ１，Ｌ２を、光軸（Ｚ軸。図中、一点鎖線で表す）からの距離を広げて出射、すなわち光軸から遠ざけて出射する。詳しくは、プリズム群４は、光を、直進した場合の出射位置よりも光軸からの距離の長い出射位置から出射させる。ただし、プリズム群４は、光軸（Ｚ軸）上の入射角（光学素子ＯＥの偏向角）０°の光Ｌ０については、光軸上を直進させる。なお、プリズム群４の入射位置および出射位置は、光軸に垂直な、プリズム群４の仮想的な入射面４ｉおよび出射面４ｅにおける位置とする。また、プリズム群４からの光の出射角θｅの絶対値｜θｅ｜（≧０°）は、入射角θｉ（＝θ）以下であることが好ましく、０°により近いことがさらに好ましい。

ここで、光軸（Ｚ軸）上の入射角０°の光Ｌ０、入射角θ１の光Ｌ１、入射角θ２の光Ｌ２、の３本の光（０°＜θ１＜θ２）はそれぞれ、プリズム群４に、その入射角に応じた光軸からの距離０，ｘ_1i，ｘ_2iの位置に入射し（０＜ｘ_1i＜ｘ_2i）光軸からの距離０，ｘ_1e，ｘ_2eの位置から出射する。プリズム群４の入射面４ｉから出射面４ｅまでの距離をΔｚで表すと、光Ｌ１，Ｌ２が直進した場合（図２に二点鎖線で示す）の出射面４ｅにおける出射位置の光軸からの距離（以下、適宜、出射位置の距離という）はそれぞれ、ｘ_1i＋Δｚ・ｔａｎθ１、ｘ_2i＋Δｚ・ｔａｎθ２となる。しかし、プリズム群４により、前記した通り、ｘ_1e＞ｘ_1i＋Δｚ・ｔａｎθ１、ｘ_2e＞ｘ_2i＋Δｚ・ｔａｎθ２となり、さらに、ｘ_2e－ｘ_1e＞(ｘ_2i＋Δｚ・ｔａｎθ２)－(ｘ_1i＋Δｚ・ｔａｎθ１)となることが好ましい。すなわち、プリズム群４は、光を、光軸から遠方へ発散させると共に、入射角の異なる光同士の間隔を広げて出射する。プリズム群４、さらに後記の集光レンズ５により、遠視野像ＦＦＰの光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２は、コリメートレンズ２２によって平行光となった後は、拡散することなく、第１撮像素子６０のフォトディテクタ６に受光される。

プリズム群４は、光を拡散させずに、その入射角よりも大きな出射角で出射する第１プリズム４１と、第１プリズム４１から出射した光を、その入射角よりも小さな出射角で出射する第２プリズム４２と、からなる。第１プリズム４１および第２プリズム４２はそれぞれ、光学計測装置１の計測対象における最大の入射角（光学素子ＯＥの偏向角）θ_max（＞０°）の光が入射面に入射して、出射面から出射するような寸法に形成される。

第１プリズム（発散光学素子）４１は、コリメートレンズ２２によって平行光となった光を、平行光のまま、その入射角θｉ（＞０°）の大きさよりも大きな出射角θｅ´で出射する（θｉ＜θｅ´）。ただし、光軸（Ｚ軸）上の入射角０°の光Ｌ０は直進させる。このような光学素子として、回転対称プリズムであるアキシコンレンズが挙げられる。さらに本実施形態においては、光学素子ＯＥの偏向角が一次元（Ｘ方向）に変化する光を計測対象とするので、第１プリズム４１は、光軸（Ｚ軸）を含む平面（ＺＹ面）を対称面とした面対称なプリズム（面対称プリズム）を適用することもできる。第１プリズム４１は、入射面４１ｉが凹形状の斜面、出射面が光軸に垂直な平面（垂直面）で、アキシコンレンズ（平凹アキシコンレンズ）であれば入射面４１ｉが円錐面、面対称プリズムであればＸＺ方向に傾斜した平面である。ただし、Ｚ軸上の光Ｌ０を直進させるために、第１プリズム４１は、光軸を中心とした所定の領域においては、入射面が垂直面である、または光軸に沿った貫通孔が形成され、面対称プリズムであれば２個のプリズムが間隙を空けて面対称に配置される。この所定の領域は、ビーム径ｄ以上、かつ、光学計測装置１の計測対象における最小の入射角θ_min（＞０°）の光が入射面（傾斜面）４１ｉに入射するような範囲に設計される。すなわち、第１プリズム４１は、入射面４１ｉへの入射角θ_minの光の入射位置が、Ｚ軸からの距離ｄ／２以上となるように配置される。

第１プリズム４１は、入射角θ１，θ２の光Ｌ１，Ｌ２（θ１＜θ２）について、前記した通り、θ１＜θ１ｅ´、θ２＜θ２ｅ´となり、かつ、θ１ｅ´＜θ２ｅ´となるように構成される。さらに、θ１ｅ´－θ１≦θ２ｅ´－θ２となることが好ましく、θ１ｅ´－θ１＜θ２ｅ´－θ２となることがより好ましく、互いの差がより大きいことがさらに好ましい。このような構成により、光Ｌ１，Ｌ２が、第１プリズム４１から出射すると互いの間隔をいっそう広げて進行する。第１プリズム４１は、入射角θｉ（＝θ）と出射角θｅ´の差（偏角）δ１が、このように入射角θｉが大きいほど大きくなるように、入射面４１ｉの傾斜角（頂角）α１および材料の屈折率ｎ１が設計される。頂角α１が大きいほど、また、屈折率ｎ１が高いほど、偏角δ１が大きくなる。また、屈折率ｎ１が高いと、入射角θｉが大きいほど偏角δ１が大きくなるようにすることができる。したがって、第１プリズム４１は、高屈折材料で形成されることが好ましい。なお、第１プリズム４１の頂角α１および屈折率ｎ１によっては、入射角の大きな光が第１プリズム４１を透過することができない。すなわち、光学計測装置１の計測対象の限界（最大）の入射角θ_maxが、第１プリズム４１の構造によって制限される場合がある。

第２プリズム（補整光学素子）４２は、第１プリズム４１から出射した光を、その入射角θｅ´（＞０°）の大きさよりも小さな出射角θｅで出射する（θｅ´＞θｅ）。第２プリズム４２はさらに、出射角θｅが、第１プリズム４１への入射角θｉ以下であることが好ましく（θｉ≧θｅ）、０°により近いことがより好ましい。なお、第２プリズム４２は、第１プリズム４１と同様、光軸（Ｚ軸）上の入射角０°の光Ｌ０は直進させる。このような光学素子として、第１プリズム４１と同様に、回転対称プリズムであるアキシコンレンズが挙げられる。さらに、後記の集光レンズ５が第２プリズム（補整光学素子）４２を兼用していてもよい。また、本実施形態においては、光学素子ＯＥの偏向角が一次元（Ｘ方向）に変化する光を計測対象とするので、第２プリズム４２は、第１プリズム４１と同様に面対称プリズムを適用することもできる。第２プリズム４２は、入射面が垂直面、出射面４２ｅが凸形状の斜面で、アキシコンレンズ（平凸アキシコンレンズ）であれば出射面４２ｅが円錐面、面対称プリズムであればＸＺ方向に傾斜した平面である。ただし、Ｚ軸上の光Ｌ０を直進させるために、第２プリズム４２は、光軸を中心とした所定の領域においては出射面が垂直面である、または光軸に沿った貫通孔が形成され、面対称プリズムであれば２個のプリズムが間隙を空けて面対称に配置される。この所定の領域は、ビーム径ｄ以上、かつ、最小の入射角θ_minの光が出射面（傾斜面）４２ｅから出射するような範囲に設計される。

第２プリズム４２は、前記した通り、θｅ≦θｉとなるように構成され、そのために、偏角δ２が第１プリズム４１の偏角δ１以上（δ１≦δ２）とする。第２プリズム４２は、例えば、出射面４２ｅの傾斜角（頂角）α２および材料の屈折率ｎ２が第１プリズム４１の頂角α１および屈折率ｎ１と同じ構造であれば、θｉ＝θｅとなる。第１プリズム４１への入射角θｉにかかわらず、すなわち第２プリズム４２への入射角θｅ´にかかわらず、出射角θｅを０°により近付けるために、第２プリズム４２は、例えば、屈折率ｎ２をある程度低くし、一方で偏角δ２が第１プリズム４１の偏角δ１よりも大きくなるように、頂角α２を大きくする。また、第１プリズム４１、第２プリズム４２間の間隔が長くなるにしたがい、光Ｌ１，Ｌ２の出射位置ｘ_1e，ｘ_2eの距離が大きくなる。プリズム群４は、出射した光Ｌ１，Ｌ２が、後続の集光レンズ５を経由して第１撮像素子６０上で異なるフォトディテクタ６に受光されるように、プリズム４１，４２の構造（材料の屈折率、頂角）および互いの間隔を設計される。また、プリズム４１，４２が、それぞれ光軸（Ｚ軸）方向に移動可能に設けられて、位置を調整可能としてもよい。

集光レンズ（集光光学系）５は、プリズム群４から出射した光Ｌ０、光Ｌ１、または光Ｌ２を、第１撮像素子６０のフォトディテクタ６に集光する。集光レンズ５は、必要に応じて設けられ、コリメートレンズ２２による光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２のビーム径ｄがフォトディテクタ６に受光されるために十分に小さければ不要である。本実施形態においてはさらに、集光レンズ５は、光Ｌ１，Ｌ２をフォトディテクタ６に、その受光面（受光領域）に、かつ所定の入射角範囲内で入射するように出射角を変化させる。入射角範囲は、フォトディテクタ６の入射角依存性が十分に低い範囲に設定されることが好ましい。すなわち、集光レンズ５は、第２プリズム（補整光学素子）４２を補填する、プリズム群（発散光学系）４の一部でもあるといえる。そのために、集光レンズ５は、第１撮像素子６０のすべてのフォトディテクタ６に対面する径を有する。集光レンズ５は、公知の構成とすることができ、１枚ないし２枚以上を組み合わされていてもよいし、また、単レンズでもよいしアクロマティックレンズでもよい。さらに本実施形態においては、光学素子ＯＥの偏向角が一次元（Ｘ方向）に変化する光を計測対象とするので、集光レンズ５は、シリンドリカルレンズやロッドレンズを適用することもできる。また、集光レンズ（集光光学系）は、フォトディテクタ６のそれぞれに対面する小径のレンズを配列した構成でもよく（第２、第３、第４実施形態参照）、または、集光レンズ５の光の出射側に小径のレンズを配列して組み合わされてもよい。

第１撮像素子６０は、フォトディテクタ（受光素子）６を配列して備え、そのいずれか１つで遠視野像ＦＦＰの光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２を撮像する。本実施形態においては、光学素子ＯＥの偏向角が一次元（Ｘ方向）に変化する光を計測対象とするので、第１撮像素子６０は、フォトディテクタ６をＸ方向に１列に配列して備え、Ｚ軸上の１個を中心に奇数個備える。図２においては、第１撮像素子６０は、７個のフォトディテクタ６を等間隔に配列して備える。このような第１撮像素子６０により、光学計測装置１は、光学素子ＯＥの０°以外の３段階の偏向角θの計測に対応することができる。

フォトディテクタ６は、光信号を電気信号に変換する素子であり、前記したように光学素子ＯＥから出力する光の波長に対応した公知のものが適用され、可視光領域ではＣＣＤセンサーやＣＭＯＳセンサーが、赤外領域では例えばＩｎＧａＡｓセンサーが、それぞれ適用され得る。フォトディテクタ６は、計測に必要な時間分解能を有し、応答速度はセンサーサイズ等によっても異なるが数百ＭＨｚ以上であることが好ましい。また、フォトディテクタ６は、ファイバー付きフォトディテクタを適用することもでき、この場合、ファイバー側に市販のファイバーカプラーを使用することで集光レンズ５の代わりとしてもよい。第１撮像素子６０において、フォトディテクタ６は、そのパッケージサイズ等に対応した、例えば１０ｍｍ～数十ｍｍのピッチで配列され、等間隔に限定されず、光学素子ＯＥの異なる偏向角θのそれぞれの光の第１撮像素子６０への入射位置に合わせて配置することができる。なお、図２において、フォトディテクタ６は、受光面（受光領域）のみを示す。フォトディテクタ６は、パッケージサイズ等の配列可能なピッチが狭いほど、第１撮像素子６０を小型化することができ、さらに光学計測装置１を小型化することができる。また、フォトディテクタ６は、受光面が配列ピッチあたりで大きいほど、光学素子ＯＥの偏向角θの誤差が大きくても計測することができる。

結像レンズ（結像光学系）７１は、平行光を第２撮像素子８１の受光面で結像させる。結像レンズ７１は、公知の構成とすることができ、例えば、非球面レンズや２枚以上の球面レンズを適用することができ、さらにこれらを組み合わせてもよい。また、それぞれのレンズは、１枚ガラスで構成された単レンズでもよいし、屈折率の異なる２以上の材料を貼り合わせたアクロマティックレンズでもよい。

第２撮像素子８１は、受光素子を二次元に配列して備える二次元センサーであり、近視野像ＮＦＰの光Ｌ_Nまたは遠視野像ＦＦＰの光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２の一方を撮像する。第２撮像素子８１は、前記したように光学素子ＯＥから出力する光の波長に対応した公知の撮像素子を適用することができ、可視光領域ではＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサが、赤外領域では例えばＩｎＧａＡｓセンサが、それぞれ適用され得る。複数波長対応のために、混載したセンサーを用いてもよい。また、必要な画素数や画素ピッチ等を有するものとする。また、応答速度であるフレームレートは最速１２０Ｈｚ程度のものを適用することができる。第２撮像素子８１が、近視野像ＮＦＰまたは遠視野像ＦＦＰの一方を選択して撮像する方法については、後記する。

なお、光学計測装置１は、ビームスプリッタ３１の透過光を第２撮像素子８１に、反射光を第１撮像素子６０に、それぞれ入射させる構成とすることもできる。すなわち、光学計測装置１は、プリズム群４、集光レンズ５、および第１撮像素子６０と、結像レンズ７１および第２撮像素子８１と、を入れ替えて配置することができる。

（光学計測装置の動作）
本発明の第１実施形態に係る光学計測装置の動作を、図２、図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明する。図３Ａおよび図３Ｂにおいては、簡潔に説明するために、結像レンズ７１および第２撮像素子８１を、ビームスプリッタ３１の透過光が入射するように配置し、また、光学素子ＯＥから出力した遠視野像ＦＦＰについて偏向角０°の光Ｌ０のみを示す。光源ＬＳから光を光学素子ＯＥに入力すると、光学素子ＯＥは、近視野像ＮＦＰの光Ｌ_N、および遠視野像ＦＦＰとして光Ｌ０、光Ｌ１、または光Ｌ２のいずれかを出力する。

図２および図３Ａに示すように、遠視野像ＦＦＰの光Ｌ０、光Ｌ１、または光Ｌ２は、コリメートレンズ２２によってビーム径ｄの平行光となり、その偏向角０°，θ１，θ２で進行する。そして、光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２は、ビームスプリッタ３１で２方向に分岐する。一方の光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２は、結像レンズ７１によって第２撮像素子８１の受光面で結像する。第２撮像素子８１は光Ｌ０、光Ｌ１、または光Ｌ２を撮像し、そのビーム形状や偏向角θをＰＣが解析する。

ビームスプリッタ３１で分岐した他方の光Ｌ０、光Ｌ１、または光Ｌ２は、プリズム群４に入射する。偏向角（入射角）０°の光Ｌ０は、プリズム群４のプリズム４１，４２の光軸上を直進して透過し、集光レンズ５によって集光し、第１撮像素子６０のＺ軸上のフォトディテクタ６に入射して受光される。光Ｌ１，Ｌ２は、それぞれの入射角θ１，θ２に応じて、プリズム群４において、光路がＺ軸から遠ざかるように進行し、さらに集光レンズ５によって進行方向を補整されると共に集光し、第１撮像素子６０における異なるフォトディテクタ６に入射して受光される。ＯＳＣはフォトディテクタ６の光電流を検出して、光Ｌ０と光Ｌ１、光Ｌ０と光Ｌ２、または光Ｌ１と光Ｌ２の切り換わりの速度、すなわち走査速度をＰＣが解析する。

一方、図３Ａに示すように、近視野像ＮＦＰの光Ｌ_Nは、コリメートレンズ２１によって平行光となるが、その出射側に配置されたコリメートレンズ２２によって拡散光となるので、結像レンズ７１により第２撮像素子８１の受光面で結像しない。したがって、第２撮像素子８１において、遠視野像ＦＦＰの撮像が妨げられない。第１撮像素子６０（フォトディテクタ６）においても同様である。

光学計測装置１は、近視野像ＮＦＰを観測するためには、図３Ｂに示すようにコリメートレンズ２２（図中、二点鎖線で示す）を取り外す。すると、近視野像ＮＦＰの光Ｌ_Nは、コリメートレンズ２１によって平行光となって、そのまま結像レンズ７１に入射して第２撮像素子８１の受光面で結像する。一方、遠視野像ＦＦＰの光Ｌ０（Ｌ１，Ｌ２）は、拡散光のまま進行するので、結像レンズ７１により第２撮像素子８１の受光面で結像しない。したがって、第２撮像素子８１において、近視野像ＮＦＰの撮像が妨げられない。

光学計測装置１は、例えば、遠視野像ＦＦＰにおける偏向角θが５°刻みの光、すなわちθ＝０°，５°，１０°，１５°，・・・の光が、第１撮像素子６０の異なるフォトディテクタ６で受光され、さらに、θがそれぞれ誤差範囲内（例えば、±１°）において同じフォトディテクタ６で受光されるように設計されていることが好ましい。

本実施形態に係る光学計測装置１は、二次元（ＸＹ方向）にビームを走査する光偏向素子も評価対象とすることができるように構成してもよい。このような構成においては、プリズム群４の第１プリズム４１および第２プリズム４２はそれぞれ、アキシコンレンズを適用する。また、第１撮像素子６０は、フォトディテクタ６を二次元配列して備え、例えば、ＸＹ方向の正方格子状に、またはＺ軸を中心に同心円上に配置する。

本実施形態に係る光学計測装置１によれば、遠視野像ＦＦＰの光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２を、比較的短い光路長で、その偏向角に対応したフォトディテクタ６に受光させることができ、装置が大型化せず、ビーム掃引の走査速度を高精度に計測することができる。さらに、光学計測装置１においては、光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２がコリメートレンズ２２により平行光となった後は、拡散することなくフォトディテクタ６に入射するので、光効率よく計測することができる。また、光学計測装置１は、光学素子を多数備えたり、複雑な、また緻密な構造としたりすることなく、光学素子ＯＥの遠視野像ＦＦＰを、素子の配列ピッチや受光面積等のまったく異なる第１撮像素子６０と第２撮像素子８１とで同時に観測することができる。

本実施形態に係る光学計測装置１は、光学計測装置１は、コリメートレンズ２１が遠視野像ＦＦＰの光の出力側に配置されていてもよく、この場合には、コリメートレンズ２２がコリメートレンズ２１と組み合わされて遠視野像ＦＦＰにおける光をコリメートするように構成される。また、光学計測装置１は、遠視野像ＦＦＰの光を、コリメートする前にビームスプリッタ３１で分岐させてもよい（後記変形例、第３、第４実施形態参照）。

光学計測装置１は、遠視野像ＦＦＰのみを観測対象とする（近視野像ＮＦＰを観測対象としない）構成としてもよく、この場合には、コリメートレンズ２１を備えず、また、コリメートレンズ２２が取り外し可能でなくてよい。さらに、光学計測装置１は、近視野像ＮＦＰを観測対象とせず、かつ第２撮像素子８１による観測をしない構成としてもよい。このような光学計測装置１は、コリメートレンズ２１、第２撮像素子８１、結像レンズ７１、およびビームスプリッタ３１を備えなくてよく、すなわち、コリメートレンズ２２、プリズム群４、集光レンズ５、および第１撮像素子６０を備える。

（変形例）
第１実施形態に係る光学計測装置は、一部の光学素子（コリメートレンズ）の着脱により、評価対象の光学素子の出力光の遠視野像と近視野像とを切り替えて観測することができるが、遠視野像と近視野像を同時に観測可能な構成とすることができる。以下、図４、図５、図６、および図７を参照して、本発明の第１実施形態の変形例に係る光学計測装置について説明する。

本発明の第１実施形態の第１の変形例に係る光学計測装置１０は、図４に示すように、コリメートレンズ２１と、コリメートレンズ（コリメート光学系）２２と、プリズム群（発散光学系）４と、集光レンズ（集光光学系）５と、第１撮像素子６０と、ビームスプリッタ（光分岐素子）３１，３２と、結像レンズ（結像光学系）７１，７２と、第２撮像素子８１と、第３撮像素子８２と、を備える。詳しくは、光学計測装置１０は、光学素子ＯＥの側から順に、コリメートレンズ２１、ビームスプリッタ３２、コリメートレンズ２２、ビームスプリッタ３１、プリズム群４（第１プリズム４１、第２プリズム４２）、集光レンズ５、第１撮像素子６０を配置して備える。そして、さらに、ビームスプリッタ３１による光の分岐方向に、ビームスプリッタ３１の側から順に、結像レンズ７１、第２撮像素子８１を配置して備え、ビームスプリッタ３２による光の分岐方向に、ビームスプリッタ３２の側から順に、結像レンズ７２、第３撮像素子８２を配置して備える。すなわち、光学計測装置１０は、前記実施形態に係る光学計測装置１に、コリメートレンズ２１とコリメートレンズ２２の間に、ビームスプリッタ３２を追加し、ビームスプリッタ３２による光の分岐方向に結像レンズ７２および第３撮像素子８２を追加した構成である。

ビームスプリッタ３２は、ビームスプリッタ３１と同様の構成とすることができる。なお、図４においては、ビームスプリッタ３１，３２が共に下へ反射させるように配置されているが、互いに異なる方向でもよく、上へ反射させたり、紙面垂直方向へ反射させたりすることもできる。また、結像レンズ７２および第３撮像素子８２はそれぞれ、結像レンズ７１および第２撮像素子８１と同様の構成とすることができる。本変形例においては、第２撮像素子８１は遠視野像ＦＦＰを、第３撮像素子８２は近視野像ＮＦＰを、それぞれ撮像する。また、本変形例において、コリメートレンズ２２は、取り外し可能でなくてよい。

光学計測装置１０においては、コリメートレンズ２１によって平行光となった近視野像ＮＦＰの光Ｌ_Nをビームスプリッタ３２で分岐させて、透過光または反射光（図４においては反射光）を結像レンズ７２により第３撮像素子８２の受光面で結像させる。本変形例に係る光学計測装置１０によれば、光学素子ＯＥの近視野像ＮＦＰと遠視野像ＦＦＰを同時に観測することができ、さらに第１実施形態と同様に、遠視野像ＦＦＰを第１撮像素子６０と第２撮像素子８１とで観測することができる。なお、本変形例においても、ビームスプリッタ３１の透過光と反射光とを入れ替えて配置することができ、また、ビームスプリッタ３２の透過光と反射光とを入れ替えて配置することもできる。

本変形例においては、図５に示すように、ビームスプリッタ３２がコリメートレンズ２２の光の出射側に配置されていてもよい。このような光学計測装置１０Ａは、コリメートレンズ２２により拡散光となった近視野像ＮＦＰの光Ｌ_Nを、第３撮像素子８２の受光面で結像させる結像レンズ７２Ａを備える。

また、図６に示すように、コリメートレンズ２２Ｂにより、遠視野像ＦＦＰの光Ｌ０（Ｌ１，Ｌ２）をコリメートし、かつ近視野像ＮＦＰの光Ｌ_Nを第３撮像素子８２の受光面で結像させる構成としてもよい。さらに、図７に示すように、コリメートレンズ２２Ｂの光の入射側にビームスプリッタ３１を配置して、遠視野像ＦＦＰの光Ｌ０（Ｌ１，Ｌ２）を結像レンズ７１Ａにより第２撮像素子８１の受光面で結像させる構成としてもよい。

〔第２実施形態〕
第１実施形態に係る光学計測装置は、計測対象の偏向角に応じて異なるフォトディテクタに入射させて計測するが、偏向角０°以外の光を同一のフォトディテクタに入射させて計測する構成とすることもできる。

（光学計測装置）
本発明の第２実施形態に係る光学計測装置１Ａは、第１実施形態に係る光学計測装置１に対して、図８に示すように、プリズム群４に代えて、第１プリズム４１Ａおよび第２プリズム４２Ａからなるプリズム群（発散光学系）４Ａを、集光レンズ５に代えて集光レンズ（集光光学系）５Ａを、それぞれ備える。また、本実施形態においては、第１撮像素子６０は、Ｘ方向に３個のフォトディテクタ６を等間隔に配列して備える。

プリズム群（発散光学系）４Ａは、第１実施形態のプリズム群４と同様に、コリメートレンズ２２によって平行光となった遠視野像ＦＦＰの光Ｌ１，Ｌ２を、光軸（Ｚ軸）から遠ざけて出射させ、光軸（Ｚ軸）上の入射角（光学素子ＯＥの偏向角）０°の光Ｌ０は直進させる。ただし、プリズム群４Ａは、入射角０°以外の光Ｌ１，Ｌ２の出射位置が互いにより近いことが好ましい。このようなプリズム群４Ａは、第１プリズム４１Ａおよび第２プリズム４２Ａのそれぞれの材料の屈折率や頂角、互いの間隔を設計して得られる。また、後記の集光レンズ５Ａのレンズ５ａが第２プリズム（補整光学素子）４２Ａを兼用していてもよい。また、第２プリズム（補整光学素子）４２Ａは、Ｚ軸を中心とした少なくともビーム径ｄの領域が空いた、環状シリンドリカルレンズを適用することもでき、アキシコンレンズと組み合わされていてもよい。

光学素子ＯＥの偏向角が一次元（Ｘ方向）に変化する光を計測対象とする場合には、第２プリズム（補整光学素子）４２Ａは、第１実施形態と同様に面対称プリズムを適用することができ、または面対称に配置した２枚（または２組）のレンズを適用することもできる。補整光学素子４２Ａとしてレンズを適用する場合には、２枚（または２組）のレンズを、Ｚ軸を中心とした少なくともビーム径ｄの領域を空けて対称に配置する。レンズは、球面レンズや非球面レンズ、またはシリンドリカルレンズやロッドレンズを適用することができる。

集光レンズ（集光光学系）５Ａは、プリズム群４Ａから出射した光Ｌ０、光Ｌ１、または光Ｌ２を、第１撮像素子６０のフォトディテクタ６に集光する。集光レンズ５Ａはさらに、入射角０°以外の光Ｌ１，Ｌ２を第１撮像素子６０における同じフォトディテクタ６に入射させる。そのために、集光レンズ５Ａは、フォトディテクタ６のそれぞれに対面する小径のレンズ５ａを配列して備える。レンズ５ａは、公知の構成とすることができ、１枚ないし２枚以上を組み合わされていてもよいし、また、単レンズでもよいしアクロマティックレンズでもよい。さらに、光学素子ＯＥの偏向角が一次元（Ｘ方向）に変化する光を計測対象とする場合には、レンズ５ａは、シリンドリカルレンズやロッドレンズを適用することもできる。

（光学計測装置の動作）
本発明の第２実施形態に係る光学計測装置の動作は、第１実施形態と同様である。ただし、本実施形態においては、プリズム群４Ａにより、入射角０°の光Ｌ０、それ以外の＋方向の光および－方向の光、が、それぞれ異なるフォトディテクタ６に受光される。したがって、入射角０°とそれ以外の入射角との切り換わりの速度、すなわち走査速度を計測することができる。

本実施形態に係る光学計測装置１Ａは、例えば、偏向角θが５°近傍から１５°近傍までの光をＺ軸側から１つ目（Ｚ軸上を除く）のフォトディテクタ６に、偏向角θが２０°近傍から３０°近傍までの光を２つ目のフォトディテクタ６（図示せず）に、それぞれ入射するように、プリズム群４Ａ（プリズム４１Ａ，４２Ａ）や集光レンズ５Ａの構成および配置を設計することもできる。このように、光学計測装置１Ａは、ある程度の範囲の入射角の光を同じフォトディテクタ６で受光することにより、第１実施形態と比較して部品点数を少なくしてより簡易な構造としつつ、第２撮像素子８１による解析と組み合わせて偏向角や走査速度を高精度に計測することができる。

（変形例）
第２実施形態に係る光学計測装置は、プリズム群（発散光学系）の第１プリズムが、入射面が凸形状の斜面であってもよい。第１、第２実施形態に示したように、入射面を凹形状の斜面とする第１プリズムに入射した光は、その入射角が大きいほど第１プリズムからの出射角も大きい。これに対して、入射面を凸形状の斜面とするプリズムにおいては、入射角と出射角とで大小関係が逆転する。

本発明の第２実施形態の変形例に係る光学計測装置１Ｂは、第２実施形態に係る光学計測装置１Ａに対して、図９に示すように、プリズム群４Ａに代えてプリズム（発散光学素子）４３Ｂを、集光レンズ５Ａに代えて集光レンズ（補整光学素子、集光光学系）５Ｂを、それぞれ備え、プリズム４３Ｂおよび集光レンズ５Ｂで発散光学系４Ｂを構成する。

発散光学系４Ｂは、第２実施形態のプリズム群（発散光学系）４Ａと同様に、コリメートレンズ２２によって平行光となった遠視野像ＦＦＰの光のうちの入射角０°以外の光Ｌ１，Ｌ２を、光軸（Ｚ軸）から遠ざけて出射させると共に、互いの出射位置を近付ける。このような発散光学系４Ｂは、光の入射側から順に、プリズム４３Ｂ、集光レンズ５Ｂを配置して備える。

プリズム（発散光学素子）４３Ｂは、コリメートレンズ２２によって平行光となった光を、平行光のまま、その入射角θｉ（＞０°）の大きさよりも大きな絶対値の出射角θｅ´で出射する（θｉ＜|θｅ´|）。ただし、光軸（Ｚ軸）上の入射角０°の光Ｌ０は直進させる。プリズム４３Ｂはさらに、入射角θ１，θ２の光Ｌ１，Ｌ２（θ１＜θ２）について、前記した通り、θ１＜|θ１ｅ´|、θ２＜|θ２ｅ´|となり、かつ、|θ１ｅ´|＞|θ２ｅ´|となるように構成される。さらに、θ２－θ１≧|θ１ｅ´|－|θ２ｅ´|となることが好ましく、θ２－θ１＞|θ１ｅ´|－|θ２ｅ´|となることがより好ましい。このような光学素子として、第１、第２実施形態の第１プリズム４１，４１Ａと同様に、アキシコンレンズが挙げられ、一次元（Ｘ方向）のみを計測対象とする場合には面対称プリズムを適用することもできる。ただし、プリズム４３Ｂは、入射面が凸形状の斜面、出射面が光軸に垂直な平面（垂直面）である。一方で、プリズム４３Ｂは、第１プリズム４１と同様に、Ｚ軸上の光Ｌ０を直進させるために光軸を中心とした所定の領域においては入射面が垂直面であり、断面形状が等脚台形である。プリズム４３Ｂにより、光の進行方向が光軸（Ｚ軸）を挟んで反転する。すなわち、入射角θｉが＋（θｉ＞０°）の光は出射角θｅ´が－（θｅ´＜０°）となる。

集光レンズ（補整光学素子、集光光学系）５Ｂは、プリズム４３Ｂから出射した光を、その入射角θｅ´（≠０°）よりも絶対値の小さい出射角θｅで出射する（|θｅ´|＞|θｅ|）。集光レンズ５Ｂはさらに、出射角θｅの絶対値が、プリズム４３Ｂへの入射角θｉ以下であることが好ましく（θｉ≧|θｅ|）、０°により近いことがより好ましい。なお、集光レンズ５Ｂは、プリズム４３Ｂと同様、光軸（Ｚ軸）上の入射角０°の光Ｌ０は直進させる。このような光学素子として、集光光学系でもある集光レンズ５Ｂを適用することができる。集光レンズ５Ｂは、第１実施形態の集光レンズ５と同様の構成とすることができる。集光レンズ５Ｂにより、光Ｌ１，Ｌ２は、第１撮像素子６０における同じフォトディテクタ６に入射、かつ集光するように、互いに近付きながら進行する。なお、光学計測装置１Ｂは、集光光学系としてさらに、フォトディテクタ６のそれぞれに対面するレンズ５ａを配列した集光レンズ５Ａを備えてもよい。

発散光学系４Ｂは、前記したように、入射角０°以外の光Ｌ１，Ｌ２を第１撮像素子６０における同じフォトディテクタ６に集光するように、プリズム４３Ｂの材料の屈折率や頂角、集光レンズ５Ｂの焦点距離、互いの間隔等を設計される。なお、プリズム４３Ｂの頂角が大きくなるにしたがい、光学計測装置１の計測対象の限界（最大）の入射角θ_maxが小さくなる。

（光学計測装置の動作）
本発明の第２実施形態の変形例に係る光学計測装置の動作は、第２実施形態（図８参照）と同様である。ただし、本変形例においては、プリズム４５Ｂにより光の進行方向が光軸（Ｚ軸）を挟んで反転するので、第２実施形態に対して、入射角０°以外の光は、光軸を挟んだ反対側のフォトディテクタ６に受光される。また、本変形例においては、計測対象の入射角（偏向角）が一定以上大きい光については、発散光学系４Ｂにより、出射位置における光軸からの距離が短くなる場合がある。

第２実施形態およびその変形例に係る光学計測装置１Ａ，１Ｂは、第１実施形態の変形例に係る光学計測装置１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ（図４～図７参照）のように、ビームスプリッタ３２、第３撮像素子８２、および結像レンズ７２等を備える構成として、光学素子ＯＥの近視野像ＮＦＰと遠視野像ＦＦＰを同時に観測することもできる。

〔第３実施形態〕
計測対象の光をすべて、０°方向かつ偏向角に応じた光軸からの距離の光路としてから、異なるフォトディテクタに入射するように光路を互いに遠ざける構成とすることもできる。

（光学計測装置）
本発明の第３実施形態に係る光学計測装置１Ｃは、図１０に示すように、ビームスプリッタ（光分岐素子）３１と、放物面鏡２４と、コリメートレンズ（コリメート光学系）２２ａと、プリズム４３，４４，４５，４６からなるプリズム群（発散光学系）４Ｃと、フォトディテクタ（受光素子）６を二次元配列した第１撮像素子６０と、を備え、さらに集光レンズ（集光光学系）５Ａを備えることが好ましい。光学計測装置１Ｃはさらに、コリメートレンズ２１，２３と、結像レンズ（結像光学系）７１と、第２撮像素子８１と、を備えていてもよい。詳しくは、光学計測装置１Ｃは、評価対象とする光学素子ＯＥの側、すなわち光の入射側から順に、コリメートレンズ２１、ビームスプリッタ３１、放物面鏡２４、コリメートレンズ２２ａ、第３プリズム４５、第２プリズム４４、第１プリズム４３、第４プリズム４６、集光レンズ５Ａ、第１撮像素子６０を配置して備え、さらにビームスプリッタ３１による光の分岐方向に、ビームスプリッタ３１の側から順に、コリメートレンズ２３、結像レンズ７１、第２撮像素子８１を配置して備える。

放物面鏡２４は、光学素子ＯＥの遠視野像ＦＦＰの偏向角の異なる光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を、同じ進行方向（ここでは、０°）かつ異なる光路に、詳しくは、偏向角が大きいほど光軸（Ｚ軸。図中、一点鎖線で表す）からの距離が長い光路とする。偏向角が小さい順に、光Ｌ０、光Ｌ１、光Ｌ２、光Ｌ３であり、偏向角０°の光Ｌ０は光軸上を光路とする。放物面鏡２４は、鏡面（反射面）形状が放物面の公知の構成とすることができ、一次元（Ｘ方向）のみを計測対象とする場合には、鏡面形状が柱面（断面が放物線）でもよい。ビームスプリッタ３１は、第１実施形態と同様に、遠視野像ＦＦＰの光を分岐させて第１撮像素子６０のフォトディテクタ６と第２撮像素子８１とに同時に入射させると共に、放物面鏡２４に光学素子ＯＥから入射する光と反射する光の光路を異なるものとする。そのために、ビームスプリッタ３１は、放物面鏡２４とその反射面の焦点Ｆとの間に配置される。図１０においては、光学素子ＯＥから下向きに出力した光をビームスプリッタ３１で反射させて側方（左側）の放物面鏡２４に入射させ、反射した光をビームスプリッタ３１を透過させて右向きへ進行させる。

コリメートレンズ（コリメート光学系）２２ａは、放物面鏡２４で反射した光を平行光とする光学素子であり、放物面鏡２４で反射した遠視野像ＦＦＰの光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の各光路上に配置される。放物面鏡２４により光の拡がり角がある程度小さくなるので、コリメートレンズ２２ａは、光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を放物面鏡２４と併せて平行光とするように設計される。また、コリメートレンズ２２ａは、入射する光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のビーム径以上の径であり、互いの間隔を狭く配置されるほど、偏向角θの分解能が小さくなる。コリメートレンズ２２ａは、放物面鏡２４の光学軸上の１個を中心に奇数個備え、図１０においては、Ｘ方向に７個のコリメートレンズ２２ａが設けられ、光学計測装置１Ｃは、光学素子ＯＥの０°以外の３段階の偏向角θの計測に対応することができる。

コリメートレンズ２３は、ビームスプリッタ３１により分岐されて第２撮像素子８１に入射する光をコリメートする。コリメートレンズ２３は、第１実施形態に係る光学計測装置１のコリメートレンズ２２と同様の構成とすることができ、さらに、光学計測装置１におけるコリメートレンズ２２と同様に、着脱可能に設けられる。

プリズム群（発散光学系）４Ｃは、放物面鏡２４およびコリメートレンズ２２ａによって、光軸方向（０°）の平行光となった遠視野像ＦＦＰの光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を、光軸（Ｚ軸）からの距離を広げて出射する。さらに、プリズム群４Ｃは、光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を、その入射位置における光軸からの距離が大きいほど、出射位置における距離をより大きくする。なお、プリズム群４Ｃは、距離０、すなわち光軸上を進行する光Ｌ０はそのまま光軸上を直進させる。プリズム群４Ｃの入射位置および出射位置は、光軸に垂直な、プリズム群４Ｃの仮想的な入射面４ｉおよび出射面４ｅにおける位置とする。また、プリズム群４Ｃは、出射した光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が互いに平行であることが好ましく、そのために、出射角を入射角と同じ０°とする。

プリズム群４Ｃは、光を拡散させずに、その入射角よりも大きな出射角で出射する第１、第２、第３プリズム（発散光学素子）４３，４４，４５、および第１、第２、第３プリズム４３，４４，４５のそれぞれから出射した光を、その入射角よりも小さな出射角で出射する第４プリズム（補整光学素子）４６からなる。プリズム群４Ｃは、光の入射側から順に、第３プリズム４５、第２プリズム４４、第１プリズム４３、第４プリズム４６を配置して備える。プリズム４３，４４，４５，４６はそれぞれ、第１実施形態の第１プリズム４１や第２プリズム４２（図２参照）と同様に、回転対称プリズムであるアキシコンレンズが挙げられる。さらに、一次元（Ｘ方向）のみを計測対象とする場合には、プリズム４３，４４，４５，４６は、光軸（Ｚ軸）を含む平面（ＺＹ面）を対称面とした面対称プリズムを適用することもできる。

第１、第２、第３プリズム（発散光学素子）４３，４４，４５はそれぞれ、コリメートレンズ２２ａによって平行光となった光を入射角０°で入射されて、屈曲させて所定の出射角（＞０°）で出射する。第１プリズム４３は光Ｌ１を屈曲させ、第２プリズム４４は光Ｌ２を屈曲させ、第３プリズム４５は光Ｌ３を屈曲させ、その他の光は直進させる。したがって、プリズム４３，４４，４５はいずれも、光軸（Ｚ軸）上の光Ｌ０を直進させる。プリズム４３，４４，４５は、入射面が凸形状の斜面、出射面が光軸に垂直な平面（垂直面）であり、アキシコンレンズ（平凸アキシコンレンズ）であれば斜面が円錐面、面対称プリズムであればＸＺ方向に傾斜した平面である。ただし、プリズム４３，４４，４５は、光軸を中心とした所定の領域においては入射面が垂直面であり、断面形状が等脚台形である。また、プリズム４３，４４，４５は、入射面の傾斜角（頂角）が大きいほど、また材料の屈折率が高いほど、出射角が大きくなり、ただし、入射光が全反射しないように、頂角を臨界角未満とする。プリズム４３，４４，４５は、光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３をそれぞれ同じ出射角θｅで出射するように、材料の屈折率および頂角を同じとする。

最も入射側に配置された第３プリズム４５は、光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２が入射角０°で入射する領域においては入射面が垂直面であり、かつ光Ｌ３が入射する領域においては傾斜面に設計される。第３プリズム４５の光の出射側に配置された第２プリズム４４は、光Ｌ０，Ｌ１が入射角０°で入射する領域においては入射面が垂直面であり、かつ光Ｌ２が入射する領域においては傾斜面であり、さらに、θｅ方向に進行する光Ｌ３が入射しないような外径またはＸ方向長に設計される。最も出射側に配置された第１プリズム４３は、光Ｌ０が入射する、光軸を中心とした少なくともビーム径ｄの領域においては入射面が垂直面であり、かつ光Ｌ１が入射する領域においては傾斜面であり、さらに、θｅ方向に進行する光Ｌ２，Ｌ３が入射しないような外径またはＸ方向長に設計される。

第４プリズム（補整光学素子）４６は、光を、その入射角（＞０°）の大きさよりも小さな出射角で出射し、第１、第２、第３プリズム４３，４４，４５への入射角と同じ出射角（０°）であることが好ましい。第４プリズム４６は、入射面が垂直面、出射面が凸形状の斜面であり、アキシコンレンズ（平凸アキシコンレンズ）であれば斜面が円錐面、面対称プリズムであればＸＺ方向に傾斜した平面である。ただし、第４プリズム４６は、入射角０°の光軸上の光Ｌ０を直進させるように、光軸を中心とした少なくともビーム径ｄの領域においては出射面が垂直面であり、かつ、少なくとも光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が出射する領域は傾斜面として、断面形状が等脚台形である。第４プリズム４６は、材料の屈折率および頂角がプリズム４３，４４，４５と同じであること、すなわち、第４プリズム４６は、第１プリズム４３、第２プリズム４４、第３プリズム４５とそれぞれプリズム対を構成することが好ましい。このような構成により、第１、第２、第３プリズム４３，４４，４５への入射角と第４プリズム４６からの出射角が同じ値（０°）となる。

第１プリズム４３、第４プリズム４６間の間隔が長くなるにしたがい、光Ｌ１の出射位置の距離が大きくなる。同様に、第２プリズム４４、第４プリズム４６間、第３プリズム４５、第４プリズム４６間の、それぞれの間隔が長くなるにしたがい、光Ｌ２、光Ｌ３の出射位置の距離が大きくなる。したがって、入射位置の距離に対して出射位置の距離を最も大きくする光Ｌ３を屈曲させる第３プリズム４５が、第４プリズム４６から最も離れた最も入射側に配置される。

（光学計測装置の動作）
本発明の第３実施形態に係る光学計測装置の動作を、図１０を参照して説明する。
第１実施形態で説明したように、光学素子ＯＥは、光源ＬＳから光を入力されると、近視野像ＮＦＰの光Ｌ_N、および遠視野像ＦＦＰとして光Ｌ０、光Ｌ１、光Ｌ２、または光Ｌ３のいずれかを出力する。

遠視野像ＦＦＰの光Ｌ０、光Ｌ１、光Ｌ２、または光Ｌ３は、ビームスプリッタ３１で２方向に分岐する。一方の光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、コリメートレンズ２３によって所定のビーム径の平行光となり、その偏向角で進行し、結像レンズ７１によって第２撮像素子８１の受光面で結像する。

ビームスプリッタ３１で分岐した他方の光Ｌ０、光Ｌ１、光Ｌ２、または光Ｌ３は、放物面鏡２４で反射して、反射位置から０°方向で出射し、各々のコリメートレンズ２２ａに入射してビーム径ｄの平行光となり、プリズム群４Ｃに入射する。光軸（Ｚ軸）上の光Ｌ０は、プリズム群４Ｃのプリズム４５，４４，４３，４６を直進して透過し、Ｚ軸上の集光レンズ５ａによって集光し、第１撮像素子６０のＺ軸上のフォトディテクタ６に入射して受光される。光Ｌ１は、プリズム４５，４４を直進して透過し、第１プリズム４３で屈曲して出射角θｅで出射して第４プリズム４６で０°方向に戻ると共に光軸からの距離を大きくし、Ｚ軸側から１つ目（Ｚ軸上を除く）のフォトディテクタ６に、対面する集光レンズ５ａを経由して入射する。光Ｌ２は、第３プリズム４５を直進して透過し、第２プリズム４４で屈曲し、進行方向θｅで光路がＺ軸から遠ざかるように、第１プリズム４３の外側を進行し、第４プリズム４６に入射して０°方向に戻る。そして、Ｚ軸側から２つ目のフォトディテクタ６に、対面する集光レンズ５ａを経由して入射する。光Ｌ３は、第３プリズム４５で屈曲し、進行方向θｅで光路がＺ軸から遠ざかるように、プリズム４４，４３の外側を進行し、第４プリズム４６に入射して０°方向に戻る。そして、Ｚ軸側から３つ目のフォトディテクタ６に、対面する集光レンズ５ａを経由して入射する。

第１実施形態で説明したように、近視野像ＮＦＰの光Ｌ_Nは、コリメートレンズ２１によって平行光となるが、ビームスプリッタ３１を経由してその出射側に配置されたコリメートレンズ２３によって拡散光となるので、結像レンズ７１により第２撮像素子８１の受光面で結像しない。光学計測装置１Ｃは、近視野像ＮＦＰを観測するためには、コリメートレンズ２３を取り外す。

光学計測装置１Ｃは、０°以外の２段階の偏向角θの光を計測する場合には、コリメートレンズ２２ａを５個備え、また、プリズム群４Ｃがプリズム４３，４４，４６を備えればよい。一方、コリメートレンズ２２ａの数を増やし、またプリズム群４Ｃが発散光学素子となるプリズムを追加して備えることにより、４段階以上の偏向角θの光を計測することができる。

プリズム群４Ｃは、補整光学素子として１個のプリズム４６を備えるが、プリズム４３，４４，４５毎にプリズム対を構成する３個のプリズムを備えていてもよい。また、第１プリズム４３、第２プリズム４４、および第３プリズム４５のいずれか１以上ないしすべてが、第１実施形態の第１プリズム４１（図２参照）のように、入射面が凹形状の斜面でもよい。プリズム４３，４４，４５を凹形状の入射面とすることにより、第４プリズム４６との間隔を短く配置することができる（第４実施形態参照）。

（変形例）
第３実施形態に係る光学計測装置１Ｃは、放物面鏡２４に代えてコリメートレンズを備えていてもよい。また、光学計測装置１Ｃは、発散光学系４Ｃの発散光学素子４３，４４，４５および補整光学素子４６として、アキシコンミラーを備えていてもよい。アキシコンミラーは鏡面が凹状の円錐面であり、本実施形態においては底部に光軸に垂直な平面（垂直面）を有する。アキシコンミラー４３，４６は光Ｌ０が入射する部分を垂直面とし、アキシコンミラー４４は光Ｌ０，Ｌ１が入射する部分を垂直面とし、アキシコンミラー４５は光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２が入射する部分を垂直面とする。

第３実施形態に係る光学計測装置１Ｃは、コリメートレンズ２２ａに代えて、ビームスプリッタ３１の入射側に、遠視野像ＦＦＰの光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３をすべて入射されるレンズを備えていてもよい。このレンズは、放物面鏡２４と併せて光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を平行光とするように、光の拡がり角を小さくする。

第３実施形態に係る光学計測装置１Ｃは、第１実施形態の変形例に係る光学計測装置１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ（図４～図７参照）のように、ビームスプリッタ３２、第３撮像素子８２、および結像レンズ７２等を備える構成として、光学素子ＯＥの近視野像ＮＦＰと遠視野像ＦＦＰを同時に観測することもできる。具体的には、例えば、コリメートレンズ２３の光の出射側にビームスプリッタ３２を配置し、分岐した一方の出射側に結像レンズ７１および第２撮像素子８１を、他方の出射側に結像レンズ７２Ａおよび第３撮像素子８２を、それぞれ配置する（図５参照）。

〔第４実施形態〕
第３実施形態に係る光学計測装置は、発散光学系が、０°方向の光を、入射位置における光軸からの距離に応じて異なるフォトディテクタに入射するように、距離を広げて出射する。そこで、本発明に係る光学計測装置は、回折光について、メインローブや低次光を、その他の光をノイズとして除去し、さらに次数別に計測する構成とすることができる。

（光学計測装置）
本発明の第４実施形態に係る光学計測装置１Ｄは、図１１に示すように、コリメートレンズ（コリメート光学系）２２と、プリズム４７，４８，４９からなるプリズム群（発散光学系）４Ｄと、フォトディテクタ（受光素子）６を一次元配列した第１撮像素子６０と、を備え、さらに集光レンズ（集光光学系）５Ａを備えることが好ましい。光学計測装置１Ｄはさらに、コリメートレンズ２１，２３と、ビームスプリッタ（光分岐素子）３１と、結像レンズ（結像光学系）７１と、第２撮像素子８１と、を備えていてもよい。詳しくは、光学計測装置１Ｄは、評価対象とする光学素子ＯＥの側、すなわち光の入射側から順に、コリメートレンズ２１、ビームスプリッタ３１、コリメートレンズ２２、第１プリズム４７、第２プリズム４８、第３プリズム４９、集光レンズ５Ａ、第１撮像素子６０を配置して備え、さらにビームスプリッタ３１による光の分岐方向に、ビームスプリッタ３１の側から順に、コリメートレンズ２３、結像レンズ７１、第２撮像素子８１を配置して備える。また、本実施形態においては、第１撮像素子６０は、Ｘ方向に５個のフォトディテクタ６を等間隔に配列して備える。

本実施形態に係る光学計測装置１Ｄは、評価対象とする光学素子ＯＥが第１実施形態と同様の光偏向素子、または回折格子である。回折格子は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、液晶、分光プリズム、メタサーフェス、フォトニック結晶デバイス、グレーティング（回折格子）面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ等）、アレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）、空間光変調器（ＳＬＭ等）、ファイバーアレイ、拡張現実（ＡＲ）ヘッドマウントディスプレイ用の導光板が挙げられる。光学計測装置１Ｄは、光偏向素子や回折格子の、０°方向等、一方向を中心に出力した回折光について、０次光、±１次光、±２次光、のそれぞれの強度を計測する。図１１では、光学素子ＯＥから出力した光の遠視野像ＦＦＰの光Ｌ_Fについて、強度のピークをパターンの濃淡で表し、最も強度の高い０次光を黒色で、±１次光を濃灰色で、±２次光を灰色で、それぞれ表す。

コリメートレンズ２２およびコリメートレンズ２３は、ビームスプリッタ３１により分岐された光のそれぞれをコリメートする。コリメートレンズ２３は、第３実施形態と同様に、着脱可能に設けられる。一方、コリメートレンズ２２は、取り外し可能でなくてよい。本実施形態においては、第１撮像素子６０（フォトディテクタ６）に入射する光と、第２撮像素子８１に入射する光と、を別々にコリメートするので、遠視野像ＦＦＰの光Ｌ_Fを、それぞれに好適なビーム径とすることができる。特に、第１撮像素子６０に入射する光は、後記のプリズム群４Ｄで次数別に分岐されるために、プリズム群４Ｄのプリズム４７，４８，４９の寸法精度や位置精度に対応したビーム径とする。

プリズム群（発散光学系）４Ｄは、コリメートレンズ２２によって光軸（Ｚ軸。図中、一点鎖線で表す）方向（０°）の平行光となった遠視野像ＦＦＰの光（回折光）Ｌ_Fを、次数別に分岐させ、互いの間隔を広げて出射させる。具体的には、互いの間隔を、第１撮像素子６０におけるフォトディテクタ６の配列ピッチとする。そのために、プリズム群４Ｄは、第３実施形態に係る光学計測装置１Ｃのプリズム群４Ｃ（図１０参照）と同様に、光を、その入射位置における光軸からの距離が大きいほど、出射位置における距離をより大きくして出射する。また、プリズム群４Ｄは、光軸（Ｚ軸）上の光、すなわち０次光はそのまま光軸上を直進させる。なお、プリズム群４Ｄの入射位置および出射位置は、光軸に垂直な、プリズム群４Ｄの仮想的な入射面４ｉおよび出射面４ｅにおける位置とする。また、プリズム群４Ｄは、分岐させたそれぞれの回折光が互いに平行であることが好ましく、そのために、出射角を入射角と同じ０°とする。

プリズム群４Ｄは、光を拡散させずに、その入射角よりも大きな出射角で出射する第１プリズム（発散光学素子）４７、および第１プリズム４７から出射した光を、その入射角よりも小さな出射角で出射する第２、第３プリズム（補整光学素子）４８，４９からなる。プリズム群４Ｄは、光の入射側から順に、第１プリズム４７、第２プリズム４８、第３プリズム４９を配置して備える。プリズム４７，４８，４９はそれぞれ、第１実施形態の第１プリズム４１や第２プリズム４２（図２参照）と同様に、回転対称プリズムであるアキシコンレンズが挙げられる。さらに、一次元（Ｘ方向）のみを計測対象とする場合には、プリズム４７，４８，４９は、光軸（Ｚ軸）を含む平面（ＺＹ面）を対称面とした面対称プリズムを適用することもできる。

第１プリズム（発散光学素子）４７は、コリメートレンズ２２によって平行光となった光を、入射角０°で入射されて、所定の出射角θｅ（＞０°）で出射する。第１プリズム４７は、第１実施形態の第１プリズム４１と同様に、入射面が凹形状の斜面、出射面が光軸に垂直な平面（垂直面）であり、アキシコンレンズ（平凹アキシコンレンズ）であれば斜面が円錐面、面対称プリズムであればＸＺ方向に傾斜した平面である。ただし、第１プリズム４７は、光軸を中心とした所定の領域においては入射面が垂直面である、または光軸に沿った貫通孔が形成され、面対称プリズムであれば２個のプリズムが間隙を空けて面対称に配置される。詳しくは、プリズム群４Ｄの入射面４ｉにおける０次光と±１次光とのスポット間距離をΔｘ１とすると、光軸を中心とした径または幅がΔｘ１（光軸からΔｘ１／２まで）の領域のみを垂直面または貫通孔等とすることが好ましい。第１プリズム４７は、このような構成により、光軸（Ｚ軸）上の所定のビーム径の光（０次光）を直進させ、かつ、１次以上の回折光を屈曲させて０次光と分離する。また、第１プリズム４７は、入射面の傾斜角（頂角）が大きいほど、また材料の屈折率が高いほど、出射角θｅが大きくなる。ただし、入射光が全反射しないように、第１プリズム４７は、頂角を臨界角未満とする。

第２、第３プリズム（補整光学素子）４８，４９は、光を、その入射角θｅ（＞０°）の大きさよりも小さな出射角で出射し、互いに同じ出射角であることが好ましく、さらに第１プリズム４７への入射角と同じ出射角（０°）であることが好ましい。第２、第３プリズム４８，４９は、入射面が垂直面、出射面が凸形状の斜面である。アキシコンレンズ（平凸アキシコンレンズ）であれば斜面が円錐面、面対称プリズムであればＸＺ方向に傾斜した平面である。ただし、第２、第３プリズム４８，４９は、後記するように、それぞれ光軸を中心とした所定の領域においては出射面が垂直面である、または光軸に沿った貫通孔が形成され、面対称プリズムであれば２個のプリズムが間隙を空けて面対称に配置される。第２、第３プリズム４８，４９は、材料の屈折率および頂角が第１プリズム４７と同じであること、すなわち、それぞれが第１プリズム４７とプリズム対を構成することが好ましい。このような構成により、第１プリズム４７への入射角と第２、第３プリズム４８，４９からの出射角が同じ値（０°）となる。

第２プリズム４８は、θｅ方向に進行する１次以上の回折光のうちの±１次光のみを出射角０°で出射し、その他の光を直進させる。詳しくは、第２プリズム４８は、０°方向に進行する０次光を直進させるために、光軸を中心とした少なくとも径または幅がΔｘ１の領域を垂直面の出射面または貫通孔等とし、かつ、±１次光が出射する領域においては傾斜面とし、さらに、２次以上の回折光が入射しないような外径またはＸ方向長に設計される。第３プリズム４９は、θｅ方向に進行する２次以上の回折光のうちの±２次光のみを出射角０°で出射し、その他の光を直進させる。詳しくは、第３プリズム４９は、０°方向に進行する０次光および±１次光を直進させるために、これらの光が入射する光軸を中心とした所定の領域を垂直面の出射面または貫通孔等とし、かつ、±２次光が出射する領域においては傾斜面とし、さらに、３次以上の回折光が入射しないような外径またはＸ方向長に設計される。

第１プリズム４７、第２プリズム４８間の間隔が長くなるにしたがい、±１次光の出射位置の距離が大きくなる。同様に、第１プリズム４７、第３プリズム４９間の間隔が長くなるにしたがい、±２次光の出射位置の距離が大きくなる。したがって、±１次光および±２次光がそれぞれ所定のフォトディテクタ６に受光されるように、プリズム４７，４８，４９の構造（屈折率、頂角）および互いの間隔を設計される。

（光学計測装置の動作）
本発明の第４実施形態に係る光学計測装置の動作を、図１１を参照して説明する。
光学素子ＯＥから０°方向中心に出力した遠視野像ＦＦＰの光Ｌ_Fは、ビームスプリッタ３１で２方向に分岐する。一方の光Ｌ_Fは、コリメートレンズ２３によって平行光となり、結像レンズ７１によって第２撮像素子８１の受光面で結像する。

ビームスプリッタ３１で分岐した他方の光Ｌ_Fは、コリメートレンズ２２によって平行光となり、プリズム群４Ｄに入射角０°で入射する。光軸（Ｚ軸）上の０次光は、プリズム群４Ｄのプリズム４７，４８，４９を直進して透過し、Ｚ軸上の集光レンズ５ａによって集光し、第１撮像素子６０のＺ軸上のフォトディテクタ６に入射して受光される。１次以上の回折光は、第１プリズム４７により出射角θｅ（＞０°）で出射して０次光と分離されてＺ軸から遠ざかるように進行する。θｅ方向に進行する１次以上の回折光は、±１次光のみが第２プリズム４８に入射して出射角０°に戻ると共に２次以上の回折光と分離される。そして、±１次光は、第３プリズム４９を直進して透過し、第１撮像素子６０のＺ軸側から１つ目（Ｚ軸上を除く）のフォトディテクタ６に、対面するレンズ５ａを経由して入射して受光される。２次以上の回折光は、第２プリズム４８の外側を進行し、±２次光のみが第３プリズム４９に入射して出射角０°に戻ると共に３次以上の回折光と分離される。そして、±２次光は、第１撮像素子６０のＺ軸側から２つ目のフォトディテクタ６に、対面するレンズ５ａを経由して入射して受光される。その結果、それぞれのフォトディテクタ６は、図１１における上から順に、＋２次光、＋１次光、０次光、－１次光、－２次光を受光する。

なお、第１実施形態で図３Ａを参照して説明したように、近視野像ＮＦＰの光Ｌ_Nは、コリメートレンズ２１によって平行光となるが、その出射側に配置されたコリメートレンズ２２，２３によって拡散光となるので、結像レンズ７１により第２撮像素子８１の受光面で結像しない。したがって、第２撮像素子８１において、遠視野像ＦＦＰの撮像が妨げられない。第１撮像素子６０においても同様である。光学計測装置１Ｄは、近視野像ＮＦＰを観測するためには、コリメートレンズ２３を取り外す（図３Ｂ参照）。

本実施形態に係る光学計測装置１Ｄは、１次以下の低次光（－１次光、０次光、＋１次光）のみを計測する場合には、プリズム群４Ｄが第１プリズム４７および第２プリズム４８の１組のプリズム対を備えていればよい。さらに、０次光（メインローブ）のみを計測する場合には、プリズム群４Ｄが第１プリズム４７のみを備えていればよく、また、Ｚ軸上の１個のフォトディテクタ６のみを備えていればよい。また、光学計測装置１Ｄは、プリズム群４Ｄが補整光学素子となるプリズムを追加して備え、第１撮像素子６０がフォトディテクタ６の数を増やすことにより、３次以上の回折光も計測することができる。

（変形例）
本実施形態に係る光学計測装置１Ｄは、コリメート光学系２２として放物面鏡を備えていてもよく、放物面鏡２２の鏡面と焦点の間にビームスプリッタ３１を配置して、光学素子ＯＥの出力光の光路に対して放物面鏡２２からの反射光の光路が重複しないように構成する。

本実施形態に係る光学計測装置１Ｄは、発散光学系４Ｄの発散光学素子４７および補整光学素子４８，４９として、アキシコンミラーを備えていてもよい。アキシコンミラーは鏡面が凹状の円錐面であり、本実施形態においては底部に光軸に垂直な平面（垂直面）を有する。アキシコンミラー４７は０次光が入射する部分を垂直面とする。アキシコンミラー４８は０次光が入射する部分を垂直面とし、２次以上の回折光が入射しないような外径とする。アキシコンミラー４９は１次以下の低次光が入射する部分を垂直面とし、３次以上の高次光が入射しないような外径とする。

本実施形態に係る光学計測装置１Ｄは、第１実施形態に係る光学計測装置１と同様に、コリメートレンズ２２をビームスプリッタ３１の光の入射側（コリメートレンズ２１との間）に配置して、コリメートレンズ２３を備えない構成としてもよい。また、光学計測装置１Ｄは、第１実施形態の変形例に係る光学計測装置１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ（図４～図７参照）のように、ビームスプリッタ３２、結像レンズ７２、および第３撮像素子８２を備える構成として、光学素子ＯＥの近視野像ＮＦＰと遠視野像ＦＦＰを同時に観測することもできる。

本発明の効果を確認するために、本発明の第１～第４実施形態に係る光学計測装置を模擬したサンプルでシミュレーションを実行し、各光学素子におけるビームの入射角・出射角を求めた。

〔実施例１〕
図２に示す本発明の第１実施形態に係る光学計測装置を模擬したサンプルとして、図１２に示すように、光の入射側から順に、発散光学素子として面対称プリズム（第１プリズム）、補正光学素子として面対称プリズム（第２プリズム）、および集光レンズとして凸レンズを配置した。なお、同図、および後記の実施例２以降のサンプルを示す図面における右側が光の入射側で、左方向へビームが進行する。また、実施例２以降も含め、プリズムや凸レンズ等の光学素子はいずれも、ＢＫ７製（屈折率１．５）である。第１プリズムは、入射面が凹面で出射面が垂直面となるように、頂角４５°で１辺の長さ（光軸方向長）２０ｍｍの２個の直角プリズムを、互いの間隙が２ｍｍ（光軸からの距離１ｍｍ）、入射面の位置（遠視野像の位置を０とする）が８ｍｍで配置したものである。第２プリズムは、入射面が垂直面で出射面が凸面となるように、頂角４５°で１辺の長さ４０ｍｍの２個の直角プリズムを、互いの間隙が４０ｍｍ（光軸からの距離２０ｍｍ）、入射面の位置が６０ｍｍ（第１プリズムとの間隔が３２ｍｍ）で配置したものである。凸レンズは１５０ｍｍ径の２枚の平凸レンズをその平面同士を貼り合わせてなり、入射面がｆ１８００、出射面がｆ８００であり、入射面の位置が３００ｍｍ、貼り合わせ面の位置が３５０ｍｍである。

入力光はビーム径１ｍｍのコリメート光とし、入射角０°、５°、１０°、１５°の４段階とした。シミュレーションは、FRED光学ソフトウェア（Photon Engineering、LLC製）を使用した。シミュレーションによるビームの光路の画像を図１２に示す。第１プリズムからの出射角、第２プリズムからの出射角、およびフォトディテクタ（ＰＤ）への入射角として凸レンズからの出射角を求めた。さらに、フォトディテクタが遠視野像から１０００ｍｍの位置に配列されていると仮定して、この位置における光軸からの距離（出射位置）を求めた。入射角５°、１０°、１５°の入力光について、これらの値を表１に示す。

表１および図１２に示すように、２個の面対称プリズム（２組のプリズム）により、入射角の異なる光同士を離間させつつ、その出射角を入射角に対して大きく変化させず、さらに凸レンズと組み合わされることにより、フォトディテクタへの入射角を０°近傍とすることができた。２個のプリズムのそれぞれの屈折率および頂角、さらにはフォトディテクタの受光面積や入射角の許容範囲等によっては、フォトディテクタまでの光路長をいっそう短くすることができると推測される。

〔実施例２〕
図８に示す本発明の第２実施形態に係る光学計測装置を模擬したサンプルとして、図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、光の入射側から順に、発散光学素子として面対称プリズム（第１プリズム）、補正光学素子として２枚の凸レンズおよび面対称プリズム（第２プリズム）を配置した。第１プリズムは、実施例１の第１プリズムと同じ構造である。すなわち、第１プリズムは、入射面が凹面で出射面が垂直面となるように、頂角４５°で１辺の長さ（光軸方向長）２０ｍｍの２個の直角プリズムを、互いの間隙が２ｍｍ（光軸からの距離１ｍｍ）、入射面の位置（遠視野像の位置を０とする）が８ｍｍで配置したものである。凸レンズは共に、１００ｍｍ径、ｆ８００であり、入射面の位置は、１枚目が３００ｍｍ（第１プリズムとの間隔が２７２ｍｍ）、２枚目が３６０ｍｍ（１枚目の凸レンズとの間隔が３０ｍｍ）である。第２プリズムは、入射面が垂直面で出射面が凸面となるように、頂角４５°で１辺の長さ５０ｍｍの２個の直角プリズムを、互いの間隙が１１５０ｍｍ（光軸からの距離５７５ｍｍ）、入射面の位置が８６０ｍｍ（２枚目の凸レンズとの間隔が４７０ｍｍ）で配置したものである。

入力光はビーム径１ｍｍのコリメート光とし、入射角０°、５°、１０°、１５°の４段階とした。シミュレーションによるビームの光路の画像を図１３Ａに示す。また、図１３Ａの第１プリズム近傍の拡大図を図１３Ｂに示す。第１プリズムからの出射角、第２プリズムへの入射角（２枚目の凸レンズからの出射角）、およびフォトディテクタ（ＰＤ）への入射角として第２プリズムからの出射角、さらに、フォトディテクタが遠視野像から１０００ｍｍの位置に配列されていると仮定して、この位置における光軸からの距離（出射位置）を求めた。また、遠視野像から１００ｍｍにおける出射位置を求めた。入射角５°、１０°、１５°の入力光について、これらの値を表２に示す。

表２、図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、２個の面対称プリズム（２組のプリズム）およびその間の２枚の凸レンズにより、０°以外の入射角の異なる光を光軸から離間させつつ、互いの出射位置を近付け、さらにフォトディテクタへの入射角を０°近傍とすることができた。

〔実施例３〕
図９に示す本発明の第２実施形態の変形例に係る光学計測装置を模擬したサンプルとして、図１４に示すように、光の入射側から順に、発散光学素子として面対称プリズム（プリズム）、補正光学素子兼集光光学系として平凸レンズを配置した。プリズムは、入射面が中央に垂直面を含む凸面で出射面が垂直面の、断面形状が等脚台形であり、頂角４５°、光軸（Ｚ軸）方向長が１４ｍｍ、Ｘ方向長が３０ｍｍ、入射面の垂直面のＸ方向長が２ｍｍ、入射面の位置（遠視野像の位置を０とする）が２０ｍｍである。平凸レンズは、３０ｍｍ径、入射面がｆ８０、出射面が垂直面で、入射面の位置が９０ｍｍ（プリズムとの間隔が５６ｍｍ）である。

入力光はビーム径１ｍｍのコリメート光とし、入射角０°、５°、１０°、１５°の４段階とした。シミュレーションによるビームの光路の画像を図１４に示す。プリズムからの出射角、およびフォトディテクタ（ＰＤ）への入射角として平凸レンズからの出射角、さらに、フォトディテクタが遠視野像から２１０ｍｍの位置に配列されていると仮定して、この位置における光軸からの距離（出射位置）を求めた。入射角５°、１０°、１５°の入力光について、これらの値を表３に示す。

表３および図１４に示すように、１個の面対称プリズムおよび１枚の凸レンズにより、０°以外の入射角の異なる光を光軸から離間させつつ、互いの出射位置を近付け、さらにフォトディテクタへの入射角を０°近傍とすることができた。なお、遠視野像から２１０ｍｍの位置において光が拡散しているが、フォトディテクタ毎に対面する集光レンズを追加することにより、集光することができる。

ここで、図１４に示すサンプルは、図１５Ａに示すように、計測対象における入射角の範囲が３°以上２３°以下である。入射角の上限を大きくするためには、プリズムの寸法を大きくすればよい。例えば、図１５Ｂに示すように、プリズムの光軸方向長を１７ｍｍに大きくすると、入射角２５°まで計測可能となる。

〔実施例４〕
図１０に示す本発明の第３実施形態に係る光学計測装置のプリズム群（発散光学系）を模擬したサンプルとして、図１６に示すように、光の入射側から順に、発散光学素子として回転対称プリズム（第１プリズム）、補正光学素子として回転対称プリズム（第２プリズム）を配置した。第１プリズムは、入射面が中央に垂直面を含む凸面で出射面が垂直面の、断面形状が等脚台形であり、頂角４５°、光軸方向長が２ｍｍ、径が５ｍｍ、入射面の垂直面の径が１ｍｍ、入射面の位置（遠視野像の位置を０とする）が５ｍｍである。第２プリズムは、入射面が垂直面で出射面が中央に垂直面を含む凸面の、断面形状が等脚台形であり、頂角４５°、光軸方向長が３ｍｍ、径が２８ｍｍ、出射面の垂直面の径が２２ｍｍ、入射面の位置が３３ｍｍ（第１プリズムとの間隔が２６ｍｍ）である。

入力光はビーム径１ｍｍのコリメート光とし、入射角０°で、入射位置を－１ｍｍ，０，＋１ｍｍの３段階とした。シミュレーションによるビームの光路の画像を図１６に示す。第１プリズムからの出射角、およびフォトディテクタ（ＰＤ）への入射角として第２プリズムからの出射角を求めた。さらに、フォトディテクタが遠視野像から２００ｍｍの位置に配列されていると仮定して、この位置における光軸からの距離（出射位置）を求めた。入射位置－１ｍｍ，＋１ｍｍの入力光について、これらの値を表４に示す。

表４および図１６に示すように、プリズム対を構成する２個の回転対称プリズムにより、入射位置±１ｍｍの平行光を、遠視野像から２００ｍｍにおいて出射位置を±１２ｍｍ超に離間させ、また、第２プリズムからの出射角、すなわちフォトディテクタへの入射角を０．０８°、すなわちほぼ０°の、かつ平行光のままとした。２個のプリズム同士の間隔によって、出射位置をフォトディテクタの配列ピッチに合わせることができるといえる。

以上、本発明に係る光学計測装置を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 光学計測装置
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 光学計測装置
２１ コリメートレンズ
２２，２２Ｂ コリメートレンズ（コリメート光学系）
２２ａ コリメートレンズ（コリメート光学系）
２３ コリメートレンズ
３１，３２ ビームスプリッタ（光分岐素子）
４，４Ａ，４Ｃ，４Ｄ プリズム群（発散光学系）
４Ｂ 発散光学系
４１，４１Ａ 第１プリズム（発散光学素子）
４２，４２Ａ 第２プリズム（補整光学素子）
４３ 第１プリズム（発散光学素子）
４３Ｂ プリズム（発散光学素子）
４４ 第２プリズム（発散光学素子）
４５ 第３プリズム（発散光学素子）
４６ 第４プリズム（補整光学素子）
４７ 第１プリズム（発散光学素子）
４８ 第２プリズム（補整光学素子）
４９ 第３プリズム（補整光学素子）
５，５Ａ 集光レンズ（集光光学系）
５Ｂ 集光レンズ（補整光学素子、集光光学系）
６０ 第１撮像素子
６ フォトディテクタ（受光素子）
７１，７１Ａ 結像レンズ（結像光学系）
７２，７２Ａ 結像レンズ（結像光学系）
８１ 第２撮像素子
８２ 第３撮像素子

Claims (9)

1. 計測対象の光をコリメートするコリメート光学系と、前記コリメート光学系から出射した光を、光軸からの距離を広げて出射する発散光学系と、前記発散光学系から出射した光を受光する受光素子を１ないし一次元または二次元に配列した２以上備える第１撮像素子と、を備え、
   前記発散光学系は、光を、拡散させずに、その入射角よりも大きな出射角で出射する発散光学素子と、前記発散光学素子から出射した光を、その入射角よりも小さな出射角で出射する補整光学素子と、を備える光学計測装置。
2. 前記発散光学素子は回転対称プリズムである請求項１に記載の光学計測装置。
3. 前記第１撮像素子は、前記受光素子を１ないし一次元に配列した２以上備え、
   前記発散光学素子は、光軸を含む平面を対称面とする面対称なプリズムである請求項１に記載の光学計測装置。
4. 前記発散光学系から出射した光を前記第１撮像素子の受光素子に集光する集光光学系をさらに備える請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光学計測装置。
5. 光が、前記発散光学系への入射位置の光軸からの距離または入射角に対応して、異なる前記受光素子に入射する請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光学計測装置。
6. 前記発散光学系への入射位置の光軸からの距離または入射角が所定範囲内の光が、同じ前記受光素子に入射する請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光学計測装置。
7. 光を２以上に分岐させる光分岐素子と、複数の受光素子を二次元に配列して備える第２撮像素子と、光を前記第２撮像素子の受光面で結像する結像光学系と、をさらに備え、
   前記発散光学系は、前記光分岐素子により分岐した２つの光の一方を入射され、前記第２撮像素子は、他方の光を前記結像光学系を経由して入射される請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光学計測装置。
8. 前記コリメート光学系は２以上の光学素子からなり、前記２以上の光学素子のうちの光の一部が着脱可能である請求項７に記載の光学計測装置。
9. 複数の受光素子を二次元に配列して備える第３撮像素子と、光を前記第３撮像素子の受光面で結像する結像光学系と、をさらに備え、
   前記光分岐素子は、光を３以上に分岐させ、
   前記第３撮像素子は、前記光分岐素子により分岐した光のうちの前記２つの光とは異なる光を、前記結像光学系を経由して入射される請求項７に記載の光学計測装置。