CN102062677B - 折射率分布测量方法和折射率分布测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了折射率分布测量方法和折射率分布测量装置，该方法包括将被检物(40)置于折射率比被检物的折射率低的第一和第二介质中并使基准光(21)入射到被检物上以测量第一和第二透射波前的第一和第二步骤。当入射到被检物的周边部分上并穿过被检物的同一点的光线被定义为第一和第二光线时，该方法使得这些光线沿相互不同的方向行进以改变基准光的NA，使得透过被检物之后的基准光比入射到被检物之前的基准光更接近于准直光。该方法使用被检物的几何厚度计算被检物的有效厚度，并通过使用第一和第二透射波前以及有效厚度计算其折射率分布。

Description

折射率分布测量方法和折射率分布测量装置

技术领域

本发明涉及用于测量诸如光学元件的被检物的折射率分布的方法和装置。

背景技术

用于诸如数字照相机和激光束打印机的光学装置的诸如透镜的光学元件需要高的折射率。另一方面，模制技术使得即使在使用具有高折射率的光学玻璃和塑料时也能够容易地制造诸如非球面的复杂形状。

但是，模制有时依赖于模制条件而在光学元件内造成折射率不均匀性。这种内部折射率不均匀性大大影响光学元件的光学特性，这会使得不能获得希望的光学特性。因此，需要具有高折射率的光学元件的内部光学均匀性的高度精确测量。

用于测量光学均匀性的方法通常包括测量经高精度加工的被检物(光学元件)的透射波前以测量其的内部折射率分布的干涉量度法。此外，提出如下这样的方法，该方法将被检物放置在玻璃板之间，并将被检物浸入被设置在其间且具有大致等于被检物的折射率的折射率的油中，以减少被检物的表面精度误差。

日本专利公开No.01-316627公开了如下这样的方法，该方法测量被浸入具有大致等于被检物的折射率的折射率的介质(匹配油)中的被检物的透射波前，以获得被检物的光学性能。该方法使得能够在被检物没有被精确加工的情况下测量被检物的内部折射率分布。

日本专利公开No.02-008726公开了如下这样的方法，该方法测量被浸入具有大致等于被检物的折射率的折射率的第一匹配油中的被检物的透射波前，并进一步测量被浸入具有与被检物的折射率稍微不同的折射率的第二匹配油中的被检物的透射波前。此公开的方法基于通过第一和第二匹配油测量的透射波前获得被检物的折射率分布和形状。

在通过第二匹配油进行的测量中，被检物的折射率分布和形状的影响在用于测量透射波前的检测器上作为干涉条纹出现。因此，第二匹配油的折射率必须在干涉条纹未极度加厚的范围内与被检物的折射率稍微不同。

在日本专利公开No.01-316627和No.02-008726中公开的测量方法需要具有大致等于被检物的折射率的折射率的匹配油。但是，具有高折射率的匹配油通常具有低的透射率。因此，当利用日本专利公开No.01-316627和No.02-008726中公开的测量方法测量具有高折射率的被检物的透射波前时，检测器仅输出小的信号，这使测量精度劣化。

另一方面，当使用低折射率匹配油时，由被检物的形状导致的像差被加到透射波前上。此外，由于用于测量的光变为非准直光，因此除被检物以外的光学元件的布置误差也影响透射波前。这些使得难以精确地从透射波前仅提取折射率分布。

发明内容

本发明提供了即使当将被检物浸入低折射率介质中时仍能够高度精确地测量高折射率被检物的内部折射率分布的方法和装置。

作为其一个方面，本发明提供了一种折射率分布测量方法，包括：第一测量步骤，用于将被检物置于第一介质中并使基准光入射到所述被检物以测量所述被检物的第一透射波前，所述第一介质的折射率低于所述被检物的折射率；第二测量步骤，用于将所述被检物置于第二介质中并使基准光入射到所述被检物以测量所述被检物的第二透射波前，所述第二介质的折射率比所述被检物的折射率低并且与所述第一介质的折射率不同；以及计算步骤，用于计算所述被检物的内部折射率分布。当在所述第一测量步骤中入射到所述被检物的基准光中，入射到所述被检物的远离所述被检物的位于光轴上的中心部分的周边部分并穿过所述被检物的某一点的光线被定义为第一光线，并且在所述第二测量步骤中入射到所述被检物的基准光中，入射到所述周边部分上并穿过所述某一点的光线被定义为第二光线时，在所述第一测量步骤和所述第二测量步骤中，所述方法使得所述第一光线和所述第二光线沿相互不同的方向行进，以改变所述基准光的数值孔径，使得与入射到所述被检物之前的基准光相比，透过所述被检物之后的基准光更接近于准直光。此外，在所述计算步骤中，所述方法通过使用所述被检物的分别沿所述第一光线和所述第二光线的几何厚度计算所述被检物的有效厚度，并通过使用在所述第一测量步骤和所述第二测量步骤中测量的所述第一透射波前和所述第二透射波前以及计算的所述有效厚度计算内部折射率分布。

作为其的另一方面，本发明提供了一种光学元件制造方法，所述方法包括：模制所述光学元件的形成步骤；和评估所述光学元件的评估步骤。在所述评估步骤中，所述方法通过使用上述折射率分布测量方法测量所述光学元件的内部折射率分布。

作为其的还另一方面，本发明提供了一种折射率分布测量装置，包括：测量部件，被配置为执行第一测量和第二测量，所述第一测量使基准光入射到被置于第一介质中的被检物以测量所述被检物的第一透射波前，所述第一介质的折射率低于所述被检物的折射率，所述第二测量使基准光入射到被置于第二介质中的所述被检物以测量所述被检物的第二透射波前，所述第二介质的折射率比所述被检物的折射率低并且与所述第一介质的折射率不同；以及计算部件，被配置为计算所述被检物的内部折射率分布。当在所述第一测量中入射到所述被检物的基准光中，入射到所述被检物的远离所述被检物的位于光轴上的中心部分的周边部分并穿过所述被检物的某一点的光线被定义为第一光线，并且在所述第二测量中入射到所述被检物的基准光中，入射到所述周边部分上并穿过所述某一点的光线被定义为第二光线时，所述测量部件被配置成使得所述第一光线和所述第二光线沿相互不同的方向行进，以改变所述基准光的数值孔径，使得与入射到所述被检物之前的基准光相比，透过所述被检物之后的基准光更接近于准直光。此外，所述计算部件被配置成通过使用所述被检物的分别沿所述第一光线和所述第二光线的几何厚度计算所述被检物的有效厚度，并通过使用在所述第一测量和所述第二测量中测量的所述第一透射波前和所述第二透射波前以及计算的所述有效厚度计算内部折射率分布。

从以下的描述和附图，本发明的其它方面将变得清楚。

附图说明

图1A和图1B示出实现作为本发明的实施例1的折射率分布测量方法的折射率分布测量装置的配置。

图2是示出实施例1中的折射率分布计算过程的流程图。

图3A和图3B示出在被检物上定义的坐标系和实施例1中的折射率分布测量装置中的光路。

图4A和图4B示出在CCD位置包含误差的情况下的光路长度的变化。

图5示出透过被检物的光的NA和折射率分布的误差之间的关系。

图6A和图6B示出在被检物的球面像差大的情况下透过被检物的光的状态。

图7A和图7B示出实现作为本发明的实施例2的折射率分布测量方法的折射率分布测量装置的配置。

图8A和图8B示出实现作为本发明的实施例3的折射率分布测量方法的折射率分布测量装置的配置。

图9示出使用实施例1～3的折射率分布测量方法中的任一个的光学元件的制造方法。

具体实施方式

以下参照附图描述本发明的示例性实施例。

首先描述实现作为本发明的第一实施例(实施例1)的折射率分布测量方法的折射率分布测量装置。本实施例的折射率分布测量方法测量被浸入两种介质(在本实施例中，作为例子，这两种介质为空气和水)中的被检物的透射波前以计算被检物的内部折射率分布，这两种介质的折射率比被检物的折射率低，并且这两种介质的折射率相互不同。在本实施例中，作为例子，被检物是诸如具有负光焦度的透镜的光学元件。

图1A和图1B示出将被检物40浸入空气(第一介质)和水(第二介质)中以测量被检物40的透射波前的Talbot干涉计(测量部分)的配置。被检物40在被检物外壳41中被浸入空气和水中。空气和水的折射率均比被检物40的折射率低。而且，水的折射率比空气的折射率高。

从激光源10(例如，He-Ne激光器)发射的激光穿过针孔20以在该处被衍射。针孔20的直径

被设计为小，使得衍射光可被看作理想球面波，并进一步使得第一准直透镜30的数值孔径(以下被称为“NA”)和激光源10的波长λ满足以下的表达式：

$\mathrm{\φ}\≈\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}---\left(1\right)$

在波长λ为600nm并且NA为大约0.3的情况下，针孔20的直径

可被设为大约2μm。

已穿过针孔20的激光透过第一准直透镜30和第二准直透镜31以由此被会聚。产生照射被检物40的光的光学系统被称为“照射光学系统”。在本实施例中，针孔20、第一准直透镜30和第二准直透镜31构成照射光学系统。

会聚的激光穿过被检物外壳41中的空气或水，然后入射到被检物40以从中透过。穿过被检物外壳41中的介质并然后入射到被检物40的激光被称为“基准光”。基准光21仅是来自照射光学系统的光中的实际透过被检物40的光分量。换句话说，基准光21不是诸如由于被检物外壳41和被检物40的形状而被它们反射的光分量的未透过被检物40的光分量。

已透过被检物外壳41中的空气或水的激光(透射光)变为大致准直光，并穿过作为二维衍射光栅的正交衍射光栅50。然后，透射光被作为检测器的诸如CCD传感器或CMOS传感器的图像拾取元件60捕获(测量)。图像拾取元件60在以下被称为“CCD 60”。当已透过被检物40的透射光的NA小时，满足以下的Talbot条件(2)的衍射光栅50和CCD 60之间的距离Z在CCD 60上产生作为衍射光栅50的自身图像(self-image)的干涉条纹：

$\frac{Z_{0}Z}{Z_0-Z}=\frac{{\mathrm{md}}^2}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

在表达式(2)中，Z表示衍射光栅50和CCD 60之间的距离，其以下被称为“Talbot距离”。此外，m表示自然数，d表示衍射光栅50的光栅间距。Z₀表示从衍射光栅50到被检物40的像面的距离。距离Z₀的符号在从衍射光栅50朝向CCD 60的方向上为正。当已透过被检物40的透射光为大致准直光时，Talbot距离Z对应于表达式(2)中的Z₀＝∞时的值。依赖于被检物40的像差的量设定衍射光栅50的光栅间距d。

图2示出用于使用由CCD 60捕获的图像计算被检物40的内部折射率分布GI的过程。在该过程中，通过诸如微型计算机的图1A所示的计算单元(计算部分)70根据计算机程序执行计算处理。

首先，如图1A所示，该过程在被检物外壳41的内部填充空气，并将被检物40置于其中(步骤S10)。空气在图2中被示为“介质1”。

接下来，该过程改变基准光21的NA，使得与入射到被检物40之前的基准光相比，透过被检物40之后的基准光(透射光)变得更接近于准直光(步骤S20)。可通过在利用CCD 60监视透射光的光强度分布时调整沿光轴方向的第二准直透镜31的位置(即，第二准直透镜31和被检物40之间的距离)，改变基准光21的NA。第二准直透镜31对应于构成照射光学系统的光学元件中的最接近被检物40的光学元件。

基准光21的NA不指的是紧接在透过照射光学系统之后的基准光的NA，而指的是该基准光的在介质中的NA。作为CCD 60的替代，可通过使用诸如屏幕的散射元件执行透射光的光强度分布的监视。作为透射光的光强度分布的监视的替代，可基于这样的值布置第二准直透镜31和被检物40，该值被设计为使得透射光接近于准直光。

然后，该过程(计算处理)根据将在后面描述的步骤A计算当被检物外壳41中的介质为空气时的第一透射波前(第一波前像差)W₁(步骤S30)。步骤A包括以下三个步骤。

在步骤A中，计算处理首先计算当假定浸入空气中的被检物40具有理想的内部折射率分布时的模拟波前W_sim(步骤S31)。该步骤S31是独立计算在如下的状态中的透射波前的步骤，在该状态中，第二准直透镜31和被检物40的布置与步骤20中的布置相同，并且向被检物40的内部提供均匀的折射率分布。折射率均匀的这种被检物被称为“基准被检物”。换句话说，模拟波前W_sim是与基准被检物对应的透射波前。

图3A中所示的被检物40中的点(x，y)处的模拟波前W_sim由下列表达式(3)表示。为了简化起见，表达式(3)忽略了被检物外壳41的壁厚。被检物外壳41的壁由诸如玻璃的透光材料形成。

W_sim＝{L_1a(x，y)+N₁L_1b(x，y)+N(0，0)L₁(x，y)+N₁L_1c(x，y)+L_1d(x，y)}

-{L_1a(0，0)+N₁L_1b(0，0)+N(0，0)L₁(0，0)+N₁L_1c(0，0)+L_1d(0，0)}

                                                                    (3)

L_1a(x，y)到L_1d(x，y)表示沿图3B所示的基准光的光线21a的上述构成元件之间的几何距离。光线21a穿过图3A中所示的被检物40中的某一点(x，y)。距离L₁(x，y)是被检物40中的光线21a的光路的几何长度(距离)，即被检物40的沿光线21a的几何厚度。

可使用基准被检物利用光线跟踪计算距离L₁(x，y)。当计算模拟波前W_sim时，计算处理还计算任意点的距离L₁(x，y)。N₁表示空气的折射率，并且N(0，0)表示基准被检物的折射率。折射率N(0，0)与当沿光轴方向执行其平均化时的被检物40的中心坐标(0，0)的平均折射率对应。必须通过另一测量方法检查折射率N(0，0)。

接下来，计算处理测量在如下状态中的透射波前，在该状态中，在图1A所示的测量装置中被检物40被浸入空气(第一介质)中(步骤S32)。该步骤S32包括用于通过CCD 60捕获干涉条纹的图像的图像捕获处理和用于通过处理电路(未示出)检索(retrieve)透射波前的图像检索处理。通过FFT(快速傅立叶变换)方法执行透射波前的图像检索处理(以下称为“波前检索”)。

通过FFT方法的波前检索利用扰乱干涉条纹的载波条纹(carrierfringe)的像差的性质以使载波条纹与像差分离。具体来说，波前检索对干涉条纹执行二维FFT以将其转换成频率图。然后，波前检索从频率图中提取载波频率附近的部分，以执行其坐标变换，使得载波频率变为坐标原点，然后执行iFFT(逆快速傅立叶变换)。该处理使得能够计算复振幅图的相位项，并且，由此获得的相位图示出透射波前。

W_m通过使用图3B中所示的L_1a(x，y)到L_1d(x，y)被表达为下列表达式(4)：

W_m＝{L_1a(x，y)+N₁L_1b(x，y)+N(x，y)[L₁(x，y)+dL(x，y)]+N₁[L_1c(x，y)-dL(x，y)]+L_1d(x，y)}

-{L_1a(0，0)+N₁L_1b(0，0)+N(0，0)[L₁(0，0)+dL(0，0)]+N₁[L_1c(0，0)+dL0，0)]+L_1d(0，0)}

                                                                                    (4)

在表达式(4)中，N(x，y)表示被检物40上的坐标为(x，y)的某一点处的沿光线21a的行进方向被平均化的折射率。dL(x，y)表示沿光线21a的行进方向的被检物40的厚度误差分量(形状误差分量)。由于存在折射率分布的情况和不存在折射率分布的情况之间的光路差小到可以忽略不计，因此表达式(3)和(4)中的L_1a(x，y)到L_1d(x，y)以及L₁(x，y)的值彼此相等。

计算处理在步骤A的结束时计算与在步骤S31获得的模拟波前W_sim和在步骤S32获得的透射波前W_m之间的差对应的波前。该波前由下列表达式(5)表达：

W_m-W_sim＝(N(x，y)-N(0，0))L₁(x，y)+(N(x，y)-N₁)dL(x，y)

                                                        (5)

-(N(0，0)-N₁)dL(0，0)

然后，计算处理执行由下列表达式(6)表示的近似，以计算第一透射波前W₁(步骤S33)。下列表达式(7)示出内部折射率分布GI和第一透射波前W₁之间的关系。

(N(x，y)-N(0，0))dL(x，y)≈0

                                                            (6)

W₁＝GI·L₁(x，y)+(N(0，0)-N₁)dL(x，y)-(N(0，0)-N₁)dL(0，0)

                                                            (7)

GI＝N(x，y)-N(0，0)

本实施例的折射率分布测量方法中的上述第一测量步骤(第一测量)提供第一透射波前W₁作为其的测量结果。

接下来，如图1B所示，该过程将被检物外壳41的内部填充水，并将被检物40置于其中(步骤S40)。水在图2中被示出为“介质2”。然后，该过程如步骤S20那样改变基准光21的NA，使得与入射到被检物40之前的基准光相比，透过被检物40之后的基准光(透射光)变得更接近于准直光(步骤S50)。水的折射率比空气的折射率大，因此，第二准直透镜31和被检物40之间的沿光轴方向的距离在被检物40被浸入水中的情况下比在被检物40被浸入空气中的情况下短。

接下来，计算处理计算在浸入水中的被检物40被假定为具有理想内部折射率分布时的模拟波前W_sim(步骤S31)。然后，计算处理测量在被检物40被浸入水中的状态下的透射波前W_m(步骤S32)，并且计算与模拟波前W_sim和透射波前W_m之间的差对应的第二透射波前(第二透射像差)W₂(步骤S33)。该第二透射波前W₂由下列表达式(8)表达：

W₂＝GI·L₂(x，y)+(N(0，0)-N₂)dL(x，y)-(N(0，0)-N₂)dL(0，0)

                                                        (8)

在表达式(8)中，N₂表示水的折射率，并且，L₂(x，y)表示在被检物40中的光线21a的光路的几何长度(距离)，即被检物40的沿光线21a的几何厚度。也可在计算模拟波前W_sim时通过光线跟踪计算L₂(x，y)。本实施例的折射率分布测量方法中的上述第二测量步骤(第二测量)提供第二透射波前W₂作为其测量结果。

如上所述，在第一和第二测量步骤中，该过程设定(改变)基准光的NA，使得来自被检物40的透射光接近于准直光。因此，当被检物40中的远离其在光轴上的中心部分的周边部分中的某一点(同一点)的坐标被定义为(x，y)时，L₁(x，y)和L₂(x，y)的值不可避免地相互不同。换句话说，当穿过第一介质和点(x，y)的光线21a被定义为第一光线，并且穿过第二介质和点(x，y)的光线21a被定义为第二光线时，这些第一光线和第二光线的行进方向(即，相对于光轴的倾度)相互不同。换句话说，第一光线和第二光线的光路在被检物40中的点(x，y)处彼此相交。

因此，本实施例在第一和第二测量步骤中改变基准光的NA以使第一光线和第二光线沿相互不同的方向行进，这使得在各测量步骤中，与入射到被检物40之前的基准光相比，透过被检物40之后的基准光(透射光)更接近于准直光。

在本实施例中描述的措词“使得透射光接近于准直光”指的是希望透射光接近于准直光，但它可变为非准直光。即，透射光可变为轻微发散的光或轻微会聚的光。在这种情况下，希望透射光中的在透射波前测量中的有效光束直径(有效直径)的光轴侧50％内的光分量(部分光)变为准直光。光轴侧50％也可被称为“中心侧50％”。

接下来，计算处理通过下列表达式(9)从由表达式(7)获得的第一透射波前W₁和由表达式(8)获得的第二透射波前W₂去除被检物40的形状误差分量dL(x，y)。这使得能够提取被检物40的内部折射率分布GI。

$\mathrm{GI}=\frac{(N\left(\mathrm{0,0}\right)-N_1)W_2-(N\left(\mathrm{0,0}\right)-N_2)W_1}{(N\left(\mathrm{0,0}\right)-N_1)-(N\left(\mathrm{0,0}\right)-N_2)}\·\frac{1}{L_{\mathrm{eff}}(x,y)}$

$L_{\mathrm{eff}}(x,y)=\frac{(N\left(\mathrm{0,0}\right)-N_1)L_2(x,y)-(N\left(\mathrm{0,0}\right)-N_2)L_1(x,y)}{(N\left(\mathrm{0,0}\right)-N_1)-(N\left(\mathrm{0,0}\right)-N_2)}---\left(9\right)$

在表达式(9)中，L_eff(x，y)表示从作为被检物40的沿第一光线和第二光线的几何厚度的L₁(x，y)和L₂(x，y)获得的被检物40的有效厚度。当L₁(x，y)等于L₂(x，y)时，即，当第一光线和第二光线的行进方向(倾度)彼此相同时，L_eff(x，y)等于L₁(x，y)和L₂(x，y)中的每一个。

因此，可通过使用由光线跟踪获得的L₁(x，y)和L₂(x，y)计算被检物40的有效厚度L_eff(x，y)。

最后，计算处理通过使用分别在步骤S30和步骤S60获得的第一和第二透射波前W₁和W₂以及L_eff(x，y)计算被检物40的内部折射率分布GI(步骤S70)。

被执行以使得来自被检物40的透射光接近于准直光的步骤S20和步骤S50提供了这样的效果：降低由测量装置中的各种几何误差导致的被检物40的折射率分布的测量误差。例如，以下将描述CCD 60的对准误差对于折射率分布测量的影响。

图4A和图4B示出CCD 60的对准位置从位置60a偏移到位置60b时的光路长度的变化。图4A示出透射光的NA大的情况，图4B示出其NA小的情况。在这些图中，ΔL_1d(x，y)表示由CCD 60的对准误差导致的光线21a的光路长度的变化量。ΔL_1d(x，y)和ΔL_1d(0，0)之间的差作为测量误差被加到折射率分布上。折射率分布的测量误差随透射光的NA的增大而增大(即，测量误差随NA的减小而减小)，并且，当透射光为完全准直光时，它变为0。

折射率分布的测量误差和透射光的NA之间的这种关系不仅适用于CCD 60的对准误差，而且适用于第二准直透镜31和被检物40之间的距离的误差、被检物40的厚度的误差、被检物外壳41的壁厚的误差以及被检物外壳41的壁和被检物40之间的距离的误差。此外，该关系还适用于被检物40和衍射光栅50之间的距离的误差、Talbot距离的误差和衍射光栅50的光栅周期的误差。

图5示出得自以下的模拟方法的折射率分布的测量误差和透射光的NA之间的关系。

首先，考虑具有某一折射率分布(例如，从被检物的在光轴上的中心部分向其周边部分以二次函数的方式改变的折射率分布)的被检物。模拟方法分别如图1A和图1B所示的那样安置各光学元件，并且调整第二准直透镜31和被检物40之间的距离以将来自被检物40的透射光的NA设为某一值(例如，NA＝0)。

接下来，模拟方法独立地向光学元件提供对准误差，并且计算相应光学元件的折射率分布。这些折射率分布中的每一个包含误差。模拟方法单独地计算在光学元件被理想地布置而没有对准误差的情况下的各光学元件的折射率分布，并然后对于光学元件中的每一个计算提供对准误差的情况下的折射率分布和不提供对准误差的情况下的折射率分布之间的差。

该模拟方法使得能够计算作为与例如上述的在对于CCD 60提供对准误差的情况下的ΔL_1d(x，y)和ΔL_1d(0，0)之间的差对应的量的折射率分布的测量误差。另外，该模拟方法使得能够通过计算对于各光学元件计算的在提供对准误差的情况下的折射率分布与不提供对准误差的情况下的折射率分布之间的差的和的平方根，计算在测量装置中导致的折射率分布的测量误差。

模拟方法对于其它的NA执行类似的计算，并且在如图5所示的曲线图中绘出计算出的在测量装置中导致的折射率分布的测量误差(折射率分布误差)，在该曲线图中，其横轴表示NA，而其竖轴表示折射率分布误差。

图5示出随着来自被检物40的透射光的NA减小，折射率分布的测量误差减小。图5还示出，当NA为0.2或更小时，折射率分布的测量误差相对于NA的梯度减小，并且，当NA为0(即，透射光为准直光)时，测量误差变为最小值。因此，使得来自被检物40的透射光尽可能地接近于准直光使得能够执行高精度的折射率分布测量。

图6A和图6B示出来自具有大的球面像差的被检物的透射光。当球面像差大时，将NA设为0可导致透过被检物40的中心部分附近的光线如图6A所示的那样彼此相交。在这种情况下，不能区分到达CCD60的光线穿过被检物40中的哪个位置。

因此，当被检物40的球面像差大时，希望调整照射光学系统的布置，使得透过被检物40的中心部分附近的透射光如图6B所示的那样接近于准直光。例如，如上所述，希望调整照射光学系统的布置，使得透射光的有效直径的光轴侧(中心侧)50％内的光分量接近于准直光。

但是，更希望将NA设为0.2或更小，使得至少折射率分布误差相对于NA的梯度小于图5所示的梯度，以使得能够实现高度精确的折射率分布测量。

以下将描述使来自被检物40的透射光接近于准直光对于测量精度的好处。

在第一和第二测量步骤中使来自被检物40的透射光接近于准直光导致第一和第二光线在被检物40中在相互不同的光路上行进。因此，被检物40中的第一和第二光线的光路上的N(x，y)的值也相互不同。当第一光线的行进方向上的折射率被定义为N(x，y)并且第二光线的行进方向上的折射率被定义为N(x，y)+ΔN(x，y)时，由于ΔN(x，y)导致的内部折射率分布G1的测量误差ΔGI由下列表达式(10)表达：

$\mathrm{\ΔGI}=\frac{(N\left(\mathrm{0,0}\right)-N_1)L_2(x,y)}{(N\left(\mathrm{0,0}\right)-N_1)L_2(x,y)-(N\left(\mathrm{0,0}\right)-N_2)L_1(x,y)}\mathrm{\ΔN}(x,y)---\left(10\right)$

为了减小由表达式(10)表达的测量误差ΔGI，必须减小ΔN(x，y)。随着第一光线的光路和第二光线的光路进一步相互远离，ΔN(x，y)增大。例如，当第一光线和第二光线的光路穿过的同一点的坐标(x，y)位于被检物40的前表面或后表面上时，第一和第二光线的光路相互离得最远，使得ΔN(x，y)变得最大。另一方面，当坐标(x，y)位于被检物40的前表面和后表面之间的中间点附近时，第一光线和第二光线的光路相互离得最近，使得ΔN(x，y)变小。

因此，希望调整基准光21的有效直径，使得在该处光路之间的扩展性(spread)特别大的被检物40的周边部分中，使光路尽可能地相互接近。可以从被检物40中的光路穿过的坐标确定基准光21的最佳有效直径，这些坐标是通过在各介质中执行边缘(marginal)光线的光线跟踪获得的。为了将有效直径应用于测量，希望通过在针孔20和被检物40之间安置光阑调整基准光21的光束直径。此外，作为基准光21的有效直径的这种调整的替代，可以调整基准光21的有效直径的、即透射波前W_m的解析区域。

使在被检物40中的第一和第二光线的光路(行进方向)相互一致使得由表达式(10)表达的测量误差ΔGI为零。但是，使在被检物40中的第一和第二光线的光路一致导致来自被检物40的透射光远离准直光，这与使来自被检物40的透射光接近于准直光相反。此外，由于透射光的NA(即，由于使透射光远离准直光)而导致的误差比由表达式(10)所示的误差大。因此，与使第一和第二光线的光路在被检物40中相互一致的情况相比，使得来自被检物40的透射光接近于准直光对于提高测量精度的作用更大。

〔实施例2〕

实施例1描述了这样的折射率分布测量方法，该方法调整照射被检物40的照射光学系统中的最接近被检物40的光学元件的位置(即，光学元件和被检物40之间的距离)，以改变基准光的NA。与此形成对比，作为本发明的第二实施例(实施例2)的折射率分布测量方法替换照射光学系统中的最接近被检物40的光学元件，以改变基准光的NA。

图7A和图7B示出实现实施例2的折射率分布测量方法的折射率分布测量装置的配置。被检物40是诸如具有负光焦度的透镜的光学元件。本实施例中的填充被检物外壳41的两种介质是水(第一介质)和油(第二介质)。

从激光源10发射的激光穿过针孔20以变为理想球面波。激光透过第一准直透镜30和第二准直透镜31(31′)以被转换成会聚光。第二准直透镜31(31′)在本实施例中也是照射被检物40的照射光学系统中的最接近被检物40的光学元件，并且它还可被替换。会聚光透过被置于被检物外壳41中的被检物40。透过被检物40的光(以下，被称为“透射光”)如实施例1那样变为大致准直光。然后，通过作为波前测量传感器的Talbot干涉计(具体而言，通过衍射光栅50和CCD60)测量透射光的透射波前。

以下描述本实施例的折射率分布测量方法的过程。首先，如图7A所示，该过程将被检物40置于(浸入)填充被检物外壳41的水中(图2中的步骤S10)。然后，该过程设定具有适当的F数和适当的孔径的第二准直透镜31，使得来自被检物40的透射光接近于准直光(步骤S20)。例如，当来自被检物40的透射光为发散光时，希望以具有小的F数和大的孔径的另一第二准直透镜替换第二准直透镜31。可通过观察测量装置中的透射光的光强度分布选择第二准直透镜31。作为观察光强度分布的替代，可以事先进行照射光学系统中的光学元件的布置设计，使得透射光接近于准直光，并然后基于所设计的布置选择第二准直透镜31。

接下来，通过与在实施例1中描述的步骤A中的处理相同的处理，该过程(计算处理)计算当被检物外壳41中的介质为水时的第一透射波前(第一波前像差)W₁(步骤S30)。

接下来，如图7B所示，该过程将被检物40置于(浸入)填充被检物外壳41的油中(步骤S40)。油的折射率与水的折射率不同。然后，该过程以具有适当的F数和适当的孔径的第二准直透镜31′替换第二准直透镜31，使得来自被检物40的透射光接近于准直光(步骤S50)。例如，当油的折射率比水的折射率高时，希望以这样的第二准直透镜31′替换第二准直透镜31，与第二准直透镜31相比，该第二准直透镜31′具有更大的F数和更小的孔径。

接下来，该过程(计算处理)根据步骤A计算当被检物外壳41中的介质为油时的第二透射波前(第二波前像差)W₂(步骤S60)。

最后，计算处理通过使用表达式(9)计算被检物40的有效厚度，并进一步计算被检物40的内部折射率分布GI(步骤S70)。

〔实施例3〕

实施例1和2描述了调整照射被检物40的照射光学系统中的最接近被检物40的光学元件的位置或替换该光学元件以改变基准光的NA的折射率分布测量方法。与此形成对比，作为本发明的第三实施例(实施例3)的折射率分布测量方法调整填充被检物外壳41的介质的折射率以改变基准光的NA。

图8A和图8B示出实现实施例3的折射率分布测量方法的折射率分布测量装置的配置。被检物40是诸如具有正光焦度的透镜的光学元件。

从激光源10发射的激光穿过针孔20以变为理想球面波。激光透过第一准直透镜30和第二准直透镜31以被转换成为会聚光。会聚光会聚一次，然后发散。

发散光透过置于被检物外壳41中的被检物40。透过被检物40的光(以下，称为“透射光”)变为大致准直光。然后，通过作为波前测量传感器的Shack-Hartmann传感器61测量透射光的透射波前。在被检物40为具有正光焦度的光学元件的情况下，来自针孔20的发散光可直接入射到被检物40而不通过第一和第二准直透镜30和31。

以下描述本实施例的折射率分布测量方法的过程。首先，该过程将被检物40置于被检物外壳41中并用具有适当的折射率的第一介质填充被检物外壳41，使得来自被检物40的透射光接近于准直光(图2中的步骤S10和S20)。例如，当在被检物外壳41填充有第一介质的状态下来自被检物40的透射光为发散光时，希望通过具有更高的折射率的另一第一介质替换该第一介质。另一方面，当在被检物外壳41填充有第一介质的状态下来自被检物40的透射光为会聚光时，希望通过具有更低的折射率的另一第一介质替换该第一介质。可通过观察测量装置中的透射光的光强度分布选择第一介质。作为观察光强度分布的替代，可以事先进行照射光学系统中的光学元件的布置设计，使得透射光接近于准直光，并然后可基于所设计的布置选择第一介质。

图8A示出被选择以使得透射光接近于准直光的第一介质为乙醇的情况。通过与在实施例1中描述的步骤A中的处理相同的处理，该过程(计算处理)计算当被检物外壳41中的介质为乙醇时的第一透射波前(第一波前像差)W₁(步骤S30)。

接下来，该过程将被检物40置于被检物外壳41中并用具有适当的折射率的第二介质填充被检物外壳41，使得来自被检物40的透射光接近于准直光(步骤S40和S50)。第二介质的折射率与第一介质的折射率不同。但是，在第二准直透镜31和被检物40之间的在光轴方向上的距离不改变的情况下，第二介质的折射率不可避免地变得接近第一介质的折射率。能够使用通过调整其温度而改变其折射率的同一材料作为第一和第二介质。

图8B表示第二介质为水的情况。该过程根据步骤A计算当被检物外壳41中的介质为水时的第二透射波前(第二波前像差)W₂(步骤S60)

最后，该过程通过使用表达式(9)计算被检物40的有效厚度，并进一步计算被检物40的内部折射率分布GI(步骤S70)。

〔实施例4〕

能够将通过在实施例1～3中的任一个中描述的折射率分布测量装置(或折射率分布测量方法)获得的测量结果反馈到诸如透镜的光学元件的制造方法。图9示出使用模制的光学元件的制造方法的例子。

在图9中，步骤S200是设计光学元件的步骤，其中，设计人员通过使用光学设计软件设计光学元件。

步骤S210是基于在步骤S20上进行的光学元件设计来设计和加工用于模制光学元件的金属模具的步骤。

步骤S220是通过使用在步骤S210中加工的金属模具模制光学元件的步骤。

步骤S230是测量在步骤S220中模制的光学元件的形状并评估其精度的步骤。如果在步骤S230中被评估的形状不满足需要的精度，那么制造方法在步骤S240中计算金属模具的校正量，并然后通过使用该校正量在步骤S210中重新加工金属模具。

步骤S250是评估在步骤S230中满足所需要的形状精度的光学元件的光学性能的步骤。该制造方法在步骤S250中执行在图2中描述的折射率分布计算处理，并通过使用计算结果评估光学元件的光学性能。如果在步骤S250中评估的光学性能不满足所需要的规定，那么制造方法在步骤S260中计算光学元件的光学表面的校正量，并通过使用该校正量在步骤S200重新设计光学元件。

步骤S270是在可在步骤S250实现所需要的光学性能的光学元件制造条件下批量生产光学元件步骤。

本实施例的光学元件制造方法使得能够实现光学元件的内部折射率分布的精确测量，这使得即使当光学元件由高折射率玻璃材料形成时，也能够通过模制来精确地批量生产光学元件。

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式以及等同结构和功能。

Claims (3)

1.一种折射率分布测量方法，包括：

第一测量步骤，用于将被检物置于第一介质中并使基准光入射到所述被检物以测量所述被检物的第一透射波前，所述第一介质的折射率低于所述被检物的折射率；

第二测量步骤，用于将所述被检物置于第二介质中并使基准光入射到所述被检物以测量所述被检物的第二透射波前，所述第二介质的折射率比所述被检物的折射率低并且与所述第一介质的折射率不同；以及

计算步骤，用于计算所述被检物的折射率分布，

其特征在于，当在所述第一测量步骤中入射到所述被检物的基准光中，入射到所述被检物的远离所述被检物的位于光轴上的中心部分的周边部分并穿过所述被检物的某一点的光线被定义为第一光线，并且在所述第二测量步骤中入射到所述被检物的基准光中，入射到所述周边部分并穿过所述某一点的光线被定义为第二光线时，

在所述第一测量步骤和所述第二测量步骤中，所述方法使得所述第一光线和所述第二光线沿相互不同的方向行进，使得与入射到所述被检物之前的基准光相比，透过所述被检物之后的基准光更接近于准直光，并且测量所述第一透射波前和所述第二透射波前，并且，

其特征在于，在所述计算步骤中，所述方法计算第一波前像差，所述第一波前像差是在所述第一测量步骤中测量的所述第一透射波前与当其折射率均匀的基准被检物被放置在所述第一介质中时的所述基准被检物的透射波前之间的差；计算第二波前像差，所述第二波前像差是所述第二透射波前的测量结果与当所述基准被检物被放置在所述第二介质中时的所述基准被检物的透射波前之间的差；通过使用所述被检物的分别沿所述第一光线和所述第二光线的几何厚度计算所述被检物的有效厚度；并通过使用所述第一波前像差和所述第二波前像差以及计算的所述有效厚度计算折射率分布。

2.一种光学元件制造方法，所述方法包括：

模制所述光学元件的形成步骤；和

评估所述光学元件的评估步骤，

其特征在于，在所述评估步骤中，所述方法通过使用根据权利要求1的折射率分布测量方法测量所述光学元件的折射率分布。

3.一种折射率分布测量装置，包括：

测量部件，被配置为执行第一测量和第二测量，所述第一测量使基准光入射到被置于第一介质中的被检物以测量所述被检物的第一透射波前，所述第一介质的折射率低于所述被检物的折射率，所述第二测量使基准光入射到被置于第二介质中的所述被检物以测量所述被检物的第二透射波前，所述第二介质的折射率比所述被检物的折射率低并且与所述第一介质的折射率不同；以及

计算部件，被配置为计算所述被检物的折射率分布，

其特征在于，当在所述第一测量中入射到所述被检物的基准光中，入射到所述被检物的远离所述被检物的位于光轴上的中心部分的周边部分并穿过所述被检物的某一点的光线被定义为第一光线，并且在所述第二测量中入射到所述被检物的基准光中，入射到所述周边部分并穿过所述某一点的光线被定义为第二光线时，

所述测量部件被配置成使得所述第一光线和所述第二光线沿相互不同的方向行进，使得与入射到所述被检物之前的基准光相比，透过所述被检物之后的基准光更接近于准直光，并且测量所述第一透射波前和所述第二透射波前，并且，

其特征在于，所述计算部件被配置成计算第一波前像差，所述第一波前像差是在所述第一测量中测量的所述第一透射波前与当其折射率均匀的基准被检物被放置在所述第一介质中时的透射波前之间的差；计算第二波前像差，所述第二波前像差是所述第二透射波前的测量结果与当所述基准被检物被放置在所述第二介质中时的透射波前之间的差；通过使用所述被检物的分别沿所述第一光线和所述第二光线的几何厚度计算所述被检物的有效厚度；并通过使用所述第一波前像差和所述第二波前像差以及计算的所述有效厚度计算折射率分布。

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