JP2001021448A

JP2001021448A - 屈折率分布の測定装置及び方法

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Publication number: JP2001021448A
Application number: JP11195230A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Suhara; 浩之須原
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2001-01-26
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: JP3913407B2

Abstract

(57)【要約】【課題】レンズ等の被検物の屈折率分布を精度良く測
定できる装置及び方法を提供する。【解決手段】同一光源からの可干渉光を参照波ａと被
検波ｂとに分割し、被検物Ａとほぼ同一の屈折率のマッ
チング液内に保持した被検物収容器30に上記被検波を透
過させビームスプリッタ11にて基準となる参照波と重畳
させる二光束干渉計と、該二光束干渉計にて重畳された
光束を干渉縞像として結像可能な結像光学系１５〜２１
と、該結像光学系により結像する光像を検出する干渉縞
像検出器22,23と、該干渉縞像検出器の検出結果から被
検物Ａの屈折率分布を求める演算装置24と、を有する位
相分布測定装置であって、上記二光束干渉計には、ビー
ムスプリッタ11をその光軸方向に波長オーダで変位させ
る光路差可変手段13と、上記被検物Ａの被検波透過位置
を光軸の直交方向へ移動させる透過位置変位手段とを備
え、上記結像光学系には、上記干渉計からの光束を非干
渉光に変換する拡散手段17と、該拡散手段から入射し干
渉縞像検出器22,23に結像する干渉縞の大きさを可変と
する変倍手段18とを備える構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラスチックレン
ズ等の屈折率分布の測定装置及び方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】デジタルコピーやレーザープリンタ、カ
メラ等に使用される光学素子として、プラスチック材料
による成形レンズが普及している。このプラスチック成
形レンズは、ガラス研磨レンズに比べて非球面レンズの
製作性に優れ低コストであるが、屈折率の分布が不安定
で、レンズ内部に不均質性を生じることが多い。レンズ
内部の屈折率の不均質性は、光学特性に大きな影響を及
ぼし、結像性能を劣化させる原因となる恐れがある。こ
のようなことから、プラスチックレンズの品質安定化の
ためには、屈折率の分布を高精度に測定する必要があ
る。

【０００３】従来技術としては、最小偏角法などにより
偏角を計測して屈折率を求める方法と、干渉計を構成し
て透過波面を計測し、屈折率分布を求める方法が知られ
ている。しかしながら、いずれの方法も被検物を所定の
形状に加工する必要があり、測定対象の光学素子を破壊
しなければならない。

【０００４】そこで、本出願人は、測定対象を非破壊の
ままそのレンズ等の屈折率分布を計測する装置を考案し
た。その代表的な例として、特開平８−１２２２１０号
記載の「光学素子の屈折率分布の測定方法及び測定装
置」を提供している。この種の測定装置を、図１３を用
いて具体的に説明する。

【０００５】図１３は、従来の屈折率分布の測定装置の
全体構成を示している。この測定装置は、マッハ・ツェ
エンダ型の干渉計を基本構成としており、レーザ光源１
と、ビームエキスパンダ５と、光束分割手段のビームス
プリッタ７と、二つの高反射ミラー９，９′と、光束重
畳手段のビームスプリッタ１１と、結線レンズ２０と、
ＣＣＤなどによるエリアイメージセンサを用いた干渉縞
検出器２２と、高速画像処理装置、マイクロコンピュー
タなどよりなる演算処理装置２５とを含んでいる。

【０００６】レーザ光源１より出射する可干渉光として
のレーザ光は、ビームエキスパンダ５によって光束径を
拡大され、光束分割手段であるビームスプリッタ７にて
下方に直角に屈折する参照波ａと、ビームスプリッタ７
によって直進する被検波ｂとに分割される。参照汲ａ
は、参照用の高反射ミラー９′で反射して測定対象の被
検物Ａを透過することなくビームスプリッタ１１に入射
し、被検波ｂは高反射ミラー９で反射して被検物Ａを透
過してビームスプリッタ１１に入射する。ビームスプリ
ッタ１１に入射した参照波ａと被検波ｂとはビームスプ
リッタ１１によって相互に重畳され、結像レンズ２０に
よって干渉縞像を干渉縞検出器２２のＣＣＤ撮像面に結
像する。

【０００７】図１４に、上記参照波ａを反射する高反射
ミラー９′のミラーホルダ８の概略構造を例示する。こ
の参照波用の高反射ミラー９′は、あおり調整可能なミ
ラーホルダ８に保持され、これがピエゾ駆動素子などよ
りなる電気―変位変換素子による光路差可変手段１３′
で支持される。こうして位相シフト法による干渉縞解析
を行なうために、被検波ｂの光路長を波長オーダ以下で
可変設定すべく光路方向に微動変位可能に配置されてい
る。

【０００８】図１３において、被検波ｂの光路の途中に
は被検物Ａを収容する容器状の被検物セル３１が配置さ
れている。被検物セル３１内には、光軸方向に直交する
軸ｙ周りに被検物Ａを回転させる回転被検物台３７が配
置され、この回転被検物台３７は、図示しないサーボモ
ータにより所定回転角位置に回転駆動される。また、被
検物セル３１内には屈折率を被検物Ａの屈折率とほば同
一に調合された試液（接触液）が充填されている。この
ような試液を以下、「マッチング液Ｂ」と称する。そし
て被検物セル３１が被検波ｂの光路を横切る両端面は、
各々面精度が高い入射窓３８と出射窓３９とからなるオ
フチカルフラットによって液密にシールドされている。
こうして、被検物Ａはマッチング液Ｂに浸された状態
で、可干渉な被検波ｂは被検物セル３１全体を平行に透
過するようになり、被検物Ａの外形形状に拘わらずその
位相分布を容易に測定できるようになる。

【０００９】上記結線レンズ２０によって干渉縞検出器
２２の撮像面には、被検物Ａと共役な干渉縞像が結像
し、干渉縞検出器２２によって光電変換されて電気的な
画像信号となり、Ａ／Ｄ変換器を経てコンピュータ２４
の演算装置２５に入力される。なお、演算装置２５は、
位相シフト法などによる干渉縞像の解析によって透過波
面の計測演算を行う透過波面計測部を含んでいる。

【００１０】つぎに、上記構成の測定装置を使用して被
検物Ａの屈折率分布を計測する方法を説明する。まず、
回転被検物台３７に被検物Ａをセットする前に、干渉縞
検出器２２が出力する干渉縞像の画像信号を演算装置２
５に取り込んで透過波面計測部により干渉縞橡の解析を
行い、初期状態の透過波面の計測する。この計測結果に
基づいて測定装置自体の定常的な誤差成分を排除する初
期処理を行う。

【００１１】そして、回転被検物台３７に被検物Ａをセ
ットし、干渉縞検出器２２が出力する干渉縞像の画橡信
号を演算装置２５に取り込んで透過波面計測部により干
渉縞像の解析を行い、透過波面の計測する。ここで、被
検物Ａの屈折率が完全に均一で、この屈折率が被検物セ
ル３１内に充填されているマッチング液Ｂの屈折率と等
しい場合には、位相シフト法による干渉縞俊の解析は０
になるはずである。これに対し、回転被検物台３７が一
定の位置にあるとき、被検物Ａの屈折率がマッチング液
の屈折率より僅かに相違している場合、干渉縞検出器２
２の撮像面に結像した干渉縞像の解析結果は、ｚ方向
（光路進行方向）に積算される。ここで、レーザ光の波
長を「λ」とすれば、透過波面（ｒａｄ）は、次のよう
に求まる。透過波面＝（２π／λ）×∫（ＡとＢの屈折率差）ｄｘ

【００１２】また、被検物Ａの屈折率分布を完全な３次
元空間分布として測定する場合には、被検物Ａをｙ軸周
りに回転させて被検物Ａに対する被検波ｂの入射方向を
１８０度あるいは３６０度の範囲で変化させ、各回転角
位置における透過波面の計測データを収集してコンピュ
ータ２４により画俊を再構成する。この画像の再構成は
公知のＣＴ（コンピュータ・トモグラフイ）法により可
能である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように被検物Ａ
をマッチング液Ｂに浸して測定する測定装置及び方法に
おいて、被検物セル３１内に充填したマッチング液は、
屈折率の基準となるため均質な状態になければならな
い。しかしながら、マッチング液Ｂは、僅かでも温度分
布に偏りが有ると屈折率が変化するため、屈折率が不均
質となってしまい、これが測定精度の低下の原因となっ
ていた。

【００１４】また、上記従来の測定装置では、光路差を
変化させるためのピエゾ素子などの光路差可変手段１
３′を参照波ａ用の高反射ミラー９′に設けることが一
般的に行われている。この高反射ミラー９′は、光線が
斜めから照射するため有効径が必然的に大きくなってい
る。また、図１４に示すように、高反射ミラー９′のミ
ラーホルダ８は参照光ａの光軸と被検光ｂのそれとを合
わせるためのあおり調整部分８ａを持つ構成である。こ
のためもともと剛性が低く、その光路差可変手段の素子
１３′がいくら高精度でもその光学面自体を精度良く駆
動することが難しかった。

【００１５】また、被検物Ａとして、例えばレーザープ
リンタなどの書込光学系に使用されるｆθレンズは、細
長い形状のものである。このため、上記従来の装置にお
いては、被検物Ａが大きい場合、その必要な有効領域を
測定するには、光束の径によって制限されている有効径
（以下「測定有効径」と称する）を越えて測定しなけれ
ばならない。しかし、装置の構造上、測定有効径は限ら
れることから、例えばｆθレンズのように主走査方向の
屈折率分布に有効な測定が困難であった。

【００１６】そこで、本発明の目的は、マッチング液の
屈折率を均質に保つことができ、また、精度良く光路差
を変化させることができ、さらに、被検物の大きさに拘
わらず容易に被検物の有効領域を測定できる屈折率分布
の測定装置及び方法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の屈折率分布の測定装置は、可干渉光を出射す
る光源と、該光源からの可干渉光を被検波と参照波とに
分割する手段と、測定対象である被検物を該被検物とほ
ぼ同一の屈折率のマッチング液内に保持する被検物収容
器と、該被検物収容器を透過した被検波と上記参照波と
を重畳させ干渉させる重畳手段と、該重畳手段から出射
された光束を干渉縞像として結像可能な結像光学系と、
該結像光学系により結像する光像を検出する干渉縞像検
出器と、該干渉縞像検出器の検出結果から被検物の屈折
率分布を求める演算装置と、を有する屈折率分布の測定
装置において、上記マッチング液の屈折率をほぼ均一に
維持するための制御手段を備えたことを特徴としてい
る。

【００１８】上記被検物収容器が、上記マッチング液の
接触する隔壁の外側に沿って熱交換媒体が流れる通路を
有し、上記制御手段により、上記通路へ温度制御された
熱交換媒体を循環させる構成とすることができる。この
場合、上記通路は、ほぼ同一の横断面形状が連続するも
ので、上記マッチング液の接触する隔壁に沿って隙間無
く蛇行するように配置されているとよい。

【００１９】上記結像光学系が、上記干渉縞像検出器に
結像する光像の大きさを可変とする変倍手段を備え、少
なくとも該変倍手段に基準となるスケール像を投影可能
な投光手段と、上記変倍手段を介して結像したスケール
像からその変倍率を求める計算手段とを有する構成とす
ることができる。

【００２０】上記結像光学系が、上記重畳手段から投影
された光像を非干渉な光像に変換する拡散手段を備えた
構成にするとよい。この場合、上記変倍手段の入射側手
前に上記拡散手段を配置し、該拡散手段上の非干渉な光
像が上記変倍手段を介して上記干渉縞像検出器に結像す
る構成にすることができる。

【００２１】上記分割手段又は上記重畳手段を、光軸方
向に波長以下のオーダで変位可能な光路差可変手段を備
えた構成にすることができる。

【００２２】上記被検物に対する被検波の透過位置をそ
の光軸方向と直交する方向へ移動させる透過位置変位手
段を備えた構成にすることができる。

【００２３】上記干渉縞像検出器が、２次元方向に配し
た複数画素よりなる光センサを有するものであり、該光
センサにより２次元の屈折率分布を測定可能な構成にす
ることができる。

【００２４】また、本発明の屈折率分布の測定方法は、
上記いずれかの構成の測定装置を用い、上記干渉縞像検
出器で検出される干渉縞像を解析し、各透過位置におけ
る透過波面を計測することにより、その光軸方向に平均
化された屈折率分布を測定することを特徴としている。

【００２５】上記被検物に対する被検波の透過位置を移
動させ、各移動位置にて透過波面を計測し、各透過波面
データをつなぎ合わせ処理することにより、その測定有
効径を越えた範囲の屈折率分布を求めることができる。

【００２６】上記光軸方向と直交する軸線周りに被検物
を相対的に回転させ、各回転位置にて透過波面を計測
し、各透過波面データからＣＴ（コンピュータ・トモグ
ラフィ）法により画像を再構成し、該再構成画像より被
検物の屈折率分布を求めることができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施例を説明する。図１は、本実施例の屈折率分布測
定装置の全体構成を示している。同図に示すように、こ
の測定装置の光学系には、上記従来例と同様のマハツェ
ンダ干渉計を採用している。したがって、大部分の構成
が従来例と共通しているため、同一の部分には同じ符号
を付して説明は省略する。

【００２８】光源１から照射されたレーザービーム(Ｈ
ｅ―Ｎｅレーザー、波長６３３ｎｍ)は、ＮＤフィルタ
２を通過し、ミラー３で偏向されて２枚の偏光板４を通
過する。各偏光板４により光量と偏光方向を適正に調整
されたビームは、２つのビームエキスパンダレンズ５に
よって必要な大きさの有効径まで拡大される。また、ビ
ームエキスパンダレンズ５間に配した空間フィルタ６に
より、フレア光、ゴースト光といった不要な光がカット
される。そして、ビームスプリッタ７によって、直角に
曲げられた参照波ａと、直進して測定対象の位相物体で
ある被検物Ａを通過する被検波ｂとに分割される。

【００２９】図２は、本実施例の被検物収容器の内部構
造を示しており、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図であ
る。被検物収容器３０のセル３１内には、その屈折率が
被検物Ａとほぼ等しいマッチング液Ｂが充填されてお
り、被検物Ａの表面における屈折を排除するとともに、
マッチング液Ｂに対してもその入射側および射出側の窓
には面精度の高いオプティカルフラットを配置してい
る。したがって、被検物Ａがいかなる外径形状であって
も被検波ｂは直進可能となっている。ここで被検物Ａに
対する光軸の水平幅方向をｘ軸、その光軸と直交する上
下方向をｙ軸、光軸方向をｚ軸として説明する。

【００３０】被検物Ａは、図２（ｂ）に示すようにセル
３１内にある被検物保持台３２により保持されている。
被検物保持台３２は、被検物Ａに対する被検波ｂの透過
位置を移動する透過位置変位手段を構成する。すなわ
ち、この透過位置変位手段としての被検物保持台３２
は、被検物Ａをセル３１内のほぼ中央に保持した状態で
ｙ軸方向を軸として回動自在である。また同時に、その
被検波ｂが透過する一の測定有効径よりも大きな被検物
Ａを測定可能とするために、その保持した被検物Ａをｙ
軸方向に沿って所定距離内で上下に変位可能な昇降手段
を備えている。

【００３１】これにより、透過角度や透過位置を移動さ
せ、被検物Ａの任意方向からの透過波面を測定できる。
なお、このように被検物Ａ自体を移動する手段に限ら
ず、例えば、被検物Ａは動かさずに固定し、これに対し
て干渉計全体を昇降自在な一の回転台に載せるような構
成によっても透過位置を相対的に変更することができ
る。この場合、液状又は気体状の被検物Ａの測定に有効
である。

【００３２】上記被検物収容器３０のセル１内のマッチ
ング液Ｂの屈折率を均質化するためには、その温度分布
を高精度に制御する必要がある。そこで、図１にも示さ
れるように、マッチング液Ｂの屈折率を均一にするため
の制御手段として、セル３１の周りを熱交換媒体として
の水で満たし、セル３１に接触する水が常に一定温度を
維持するようにな循環流水装置Ｃを設けている。

【００３３】このため、本実施例の被検物収容器３０
は、マッチング液Ｂを充填する円筒状のセル３１と、水
の循環する通路である水槽部３３とをアルミ一体鋳造に
よって形成した二重の円筒形状となっている。このセル
３１は、レーザ光軸の入射及び出射用の窓を除いて円筒
状の隔壁がそのまま水槽部３３の内壁を形成し、さら
に、この水槽部３３は外気と間の熱伝達を遮断するため
に外側に断熱材が充填されている。また、水が出入りす
る注入口３４及び排出口３５は、被検物収容器３０の一
側面の下方位置に設けている。

【００３４】上記水槽部３３は、その周方向に等間隔で
且つｙ軸方向に平行な複数の仕切３６によって流水通路
となる４つの小部屋３３ａ〜３３ｄに区切られ、また、
流れの方向からみて各部屋３３ａ〜３３ｄの断面積が常
に一定であり、流れの抵抗を低減して水流をスムーズに
している。図示の例では、注入口３４から進入した水
は、４つの仕切３６ａ〜３６ｄにより小部屋３３ａか
ら、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄの順番に流れるようになっ
ている。

【００３５】すなわち、注入口３４と排出口３５との間
を仕切る仕切３６ａと、小部屋３３ａの上方と小部屋３
３ｂの上方を接続する仕切３６ｂと、小部屋３３ｂの下
方と小部屋３３ｃの下方とを接続する仕切３６ｃと、小
部屋３３ｃの上方と小部屋３３ｄの上方とを接続する仕
切３６ｄと、が設けられ、小部屋３６ａ〜３６ｄからな
る一続きの通路はセル３１の隔壁を隙間無く上下に蛇行
するようになっている。この場合、本実施例のように隣
り合う注入口３４と排出口３５とが同じ高さにあれば、
上記のように注入口３４と排出口３５間を完全に仕切る
一枚の仕切と、注入口３４から排出口３５までの通路を
形成するために奇数枚の仕切が必要となる。なお、例え
ば、注入口３４と排出口３５のいずれかが側面の上方に
あり、注入口３４と排出口３５が上下反対位置の関係な
らば上記仕切３６ａの間に偶数枚の仕切を設けることと
なる。

【００３６】上記セル内の温度均一化を目的とする制御
手段は、注入口３４及び排出口３５から循環流水装置Ｃ
の図示しないサーキュレータを介して温度制御された水
を、各小部屋３６ａ〜３６ｄの上方向と下方向の交互に
循環させ、マッチング液Ｂとの熱交換を行う。これによ
り、常に一定の温度の水を交換しつづけ、セル３１の円
筒状の隔壁を均一な温度にし、さらにセル３１を介した
熱交換によりマッチング液Ｂの温度も一定になり、その
温度分布は±０．１℃以下の範囲で均一に維持される。
また、セル３１の円筒隔壁のうち、入射・出射窓の部分
を除くすべての隔壁が循環水流と接触するため、熱の伝
達が良く温度制御の効率を高めることができる。

【００３７】上記被検物収容器３０に被検物Ａをセット
したマッハ・ツェンダ干渉計において、図１に示すよう
に、上記被検物Ａを通過しビームスプリッタ１０で図中
の下方に直角に曲げられた被検波ｂと、高反射ミラー９
で直角に曲げられた参照波ａとは、ビームスプリッタ１
１により干渉を起こす。ここで本実施例では、干渉縞解
析のための光路差可変手段は、上記重畳手段であるビー
ムスプリッタ１１に設けている。

【００３８】図３は、上記光路差可変手段を設けたビー
ムスプリッタ１１の構成を示す斜視図である。ビームス
プリッタ１１は、スプリッタホルダ１２と共に光路差可
変手段としてのピエゾ素子１３上に設置され、このピエ
ゾ素子１３がスプリッタベース１４上に固定されてい
る。このピエゾ素子１３によりビームスプリッタ１１を
図中矢印方向に駆動可能である。この場合、ピエゾ素子
１３の駆動方向は被検波ｂと平行な方向であり、参照波
ａの光路長を波長以下のオーダで可変としている。な
お、光路差は相対的なものであるから、ピエゾ素子１３
の駆動方向はそのような被検波ｂ方向に限らず、被検波
ｂと垂直な別光路の参照波ａに沿った方向でもよく、ま
た、このような光路差可変手段は可干渉光の分割手段で
あるビームスプリッタ７に設けてもよい。

【００３９】このようにビームスプリッタ１１にピエゾ
素子１３を取り付けた構成により、その光学面が非常に
安定した状態で駆動可能となる。すなわち、この光学系
では干渉縞像の解析のために駆動するステップ量π／２
は、λ／４（波長λ＝６３３ｎｍ）の約１６０ｎｍであ
るが、ピエゾ素子１３を参照ミラー９に取り付けた構成
では、（λ／４）／√２の約１１０ｎｍである。したが
って、同じ駆動素子を使用した場合、駆動誤差の割合が
相対的に小さくなる。

【００４０】上記重畳手段にて干渉を起こした干渉光束
は、次に説明する結像光学系によって、干渉縞検出器２
２，２３のＣＣＤ受光部に干渉縞像を結像させる。この
結像光学系は、ミラー１５と、結像レンズ１６，２０，
２１、拡散板１７からなる拡散手段(diffuser)、ズーム
レンズ１８からなる変倍手段と、２つの干渉縞検出器へ
光路を分割するビームスプリッタ１９とを有する。拡散
板１７の手前には、拡散板１７が被検物Ａと幾何光学的
に共役関係になるように結像レンズ１６を配置してい
る。

【００４１】干渉縞検出器２２は１次元ＣＣＤを、干渉
縞検出器２３は２次元ＣＣＤを用いている。干渉縞検出
器２２の１次元ＣＣＤはx方向に配列されたデータ取り
込み用のラインセンサである。干渉縞検出器２３の２次
元ＣＣＤは、ｘ，ｙ面の２次元データを取り込むことの
できるエリアセンサであってこれはアライメント用のモ
ニターとしても使用される。また、拡散板１７の結像面
と、干渉縞検出器２２の１次元ＣＣＤの受光面とがズー
ムレンズ１８及び結像レンズ２０によってそれぞれ幾何
光学的に共役関係にあり、また、干渉縞検出器２３の２
次元ＣＣＤの受光面が、ビームスプリッタ１９の別光路
において、ズームレンズ１８及び結像レンズ２１によっ
て同様に拡散板１７と共役関係である。このズームレン
ズ１８を備えた結像光学系により、干渉縞検出器２２，
２３の位置を変えることなく各ＣＣＤ面に結像する干渉
縞像の大きさが可変となっている。各干渉縞検出器２
２，２３からの出力は、図示しないＡ／Ｄ変換器を経て
コンピュータの演算装置に取り込まれる。

【００４２】上記構成の結像光学系において、ビームス
プリッタ１１からの光束はミラー１５で反射し、拡散板
１７に結像レンズ１６を介して干渉縞像が結像する。こ
の拡散板１７に至るまでの光束は、可干渉（コヒーレン
ト）なレーザ光であるが、ここで一旦、拡散板１７に映
し出される干渉縞像はその裏面に非干渉光（インコヒー
レント光）な光像として投影される。ズームレンズ１８
には、その拡散板１７からの非干渉な光束が入射する。
したがって、これによって拡散板１７以降にある光学部
品、すなわち、干渉縞検出器２２，２３の前面の保護ガ
ラス等での多重反射による干渉が起こらないので、干渉
縞ノイズが低減される。

【００４３】上記ズームレンズ１８を使用する結像光学
系で、被検物Ａの実長を計測するための手段の一例を説
明する。本実施例で採用する計測手段は、ビームスプリ
ッタ１０の別光路にハロゲンランプ２６からなる光源
と、その大きさが既知のスケール板２７と、ミラー２８
とを設置し、スケール板２７の背後から照射されたスケ
ール像を結像光学系を介してＣＣＤ面にて検出し、ズー
ムレンズ１８の実際の変倍率についてキャリブレーショ
ン可能としている。

【００４４】上記計測手段によるズームレンズ１８の倍
率の求め方を説明する。例えば、スケール板２７には短
形をした不透明の板であり、基準となるスケール像を投
影するために２本の透明なスリットが既知のＬｍｍの間
隔で平行に形成されている。ハロゲンランプ２６が点灯
するとスケール板２７のスリットを透過した光束がビー
ムスプリッタ１０を直進し干渉光と同様の光路でズーム
レンズ１８に入射する。スケール板２７から投影される
スケール像は、ズームレンズ１８の設定倍率Ｍにより拡
大されて干渉縞検出器２２，２３のＣＣＤ面に結像す
る。ここでＬｍｍの間隔のスリット状の透過光が受光さ
れた画素のレベルのみが大きくなるので、この結像した
スケール像の間隔Ｌ′を測定し、Ｍ＝Ｌ／Ｌ′からズー
ムレンズ１８の設定倍率が求まる。

【００４５】つぎに、上記測定装置による屈折率分布の
測定方法を説明する。図４に被検物と共役な干渉縞像の
一例を示す。１次元ＣＣＤではこの干渉縞像のｘ方向断
面の波面が検出される。以下、干渉縞像の解析方法とし
ては、上記光路差可変手段により光路差をπ／２間隔で
ステップ状に駆動し、５回前後、干渉縞像を取り込んで
解析する位相シフト法を用いる。なおこれに限らず、フ
ーリエ変換法等の他の公知の縞解析方法を使用してもよ
い。

【００４６】図５は、ｘ方向における透過波面の測定結
果を示している。まず、設計値又は汎用測定器等を用
い、あらかじめ被検物Ａの光軸方向肉厚ｄ（ｘ）を計算
しておく。被検物Ａに被検波ｂを透過して干渉縞検出器
２２に干渉縞像を結像させる。そして、そのリニアＣＣ
Ｄで受光を行う干渉縞検出器２２の出力が、透過波面計
測部を有する演算装置２５に取り込まれる。その透過波
面計測部により、位相シフト法などの縞解析方法を用い
て、透過波面ＷＦ（ｘ）(単位：λ）を計測することが
できる。

【００４７】図６は、ｘ−ｚ一断面について得られた屈
折率分布Δｎ（ｘ）を示している。このλは、光源の波
長である。ＣＣＤの任意の位置をｘ＝０として基準の透
過波面ＷＦ（０）を求め、次式によりｚ方向（光軸方
向）に平均化された屈折率分布Δｎ（ｘ）を算出するこ
とができる。 Δｎ（ｘ）＝（ＷＦ（ｘ）−ＷＦ（０））・λ／ｄ
（ｘ）

【００４８】図７は、ｘ−ｚ断面の平均屈折率分布を立
体的に表したものである。上記透過位置変位手段によっ
て、被検物Ａをｙ軸に沿って昇降させてyの値を変えな
がら複数のｘ−ｚ断面について計測する。こうして任意
の測定断面について干渉縞検出器２２からの出力をコン
ピュータ２４の演算装置２５に取り込みそれぞれの透過
波面を計測し、上記複数の断面の測定結果から、下記の
式により２次元的に表現できる。これにより、ｘ，ｙの
２次元においてｚ方向（光軸方向）に平均化された平均
屈折率分布が得られる。これを、図７に示すように平均
屈折率分布を縦軸にとれば、立体的に示すことができ
る。こうして被検物Ａの外形形状に拘わらず、非破壊で
２次元の平均屈折率分布Δｎの測定結果を得ることがで
きる。 Δｎ（ｘ，ｙ）＝（ＷＦ（ｘ，ｙ）−ＷＦ（０，ｙ））
・λ／ｄ（ｘ，ｙ）

【００４９】また、この式では、基準となる波面をＷＦ
（０，０）ではなくＷＦ（０，ｙ）としている。これ
は、ｆθレンズのように、被検物Ａの肉厚がｙ方向で数
１０％以上異なる場合に、被検物Ａとマッチング液Ｂと
の僅かなずれに伴う誤差要因となるのを補正するためで
ある。このためΔｎ（０，ｙ）＝０と近似している。ま
た、上記Δｎ（ｘ,ｙ）を多項式級数に展開することも
可能であり、これによりレンズ設計へのフィードバック
が容易となる。また、ここでは、１次元ＣＣＤよりなる
ラインセンサを使用し光軸方向に積算された結果として
Ｚ方向で平均化した分布を測定する簡便な方法である
が、このような平均屈折率分布について、つぎに説明す
るように２次元ＣＣＤよりなるエリアセンサによっても
同様な測定が可能である。

【００５０】図８は、２次元ＣＣＤの干渉縞検出器に検
出された干渉縞像の測定結果を示している。また、図９
は、図８の測定結果におけるｙ方向断面のデータを示し
ている。一般に２次元ＣＣＤは１次元ＣＣＤの一方向画
素数と比べて、そのｘ，ｙの各方向における画素数は少
ない。このため空間的な分解能はやや落ちることもある
が、１次元ＣＣＤと異なり被検物Ａを昇降させなくとも
２次元の屈折率分布を測定することができる。例えば、
図９に示すように、ｙ軸方向に局所的な屈折率分布が存
在する場合、これを検出するのに有効である。干渉縞検
出器２３の２次元ＣＣＤで検出された干渉縞像を解析す
る場合、ｘ−ｙ面の２次元撮像面にて干渉縞を受光し、
位相シフト法などを用いて縞解析を行い位相分布を算出
する。

【００５１】また、被検波の透過位置を移動させること
でｙ値を変えながら、各移動位置にて透過波面を計測
し、各透過波面データをつなぎ合わせ処理することによ
り、その測定有効径を越えた範囲の屈折率分布を求める
ことができる。これにより例えば、ｆθレンズのように
ｙ軸方向にかなり大きな被検物Ａも効率的に測定でき
る。このような計測及びデータ処理は、上記ラインセン
サ又はエリアセンサのいずれを用いた測定であっても適
用可能である。

【００５２】以上のように入射方向が一定である場合の
ｚ軸方向における平均屈折率分布のみでは、屈折率分布
を３次元的に特定することはできない。以下、公知のＣ
Ｔ（Computed Tomography)法によるＺ方向も加味した３
次元屈折率分布の測定方法を説明する。図１０は、ＣＴ
解析法の原理を説明する図である。同図に示した投影切
断面定理によれば、物理分布量をもつ物体ｆ（ｘ，ｙ）
のｒａｄｏｎ変換、すなわち角度θの方向からの投影デ
ータｇ（ｘ，θ）を１次元フーリエ変換した結果のＧ
（ζ，θ）は、物体の２次元フーリエ変換した結果のＦ
（ξ，η）の極座標表現におけるθ方向成分と一致する
ことがわかっている。数式で表すと次式となる。Ｆ（ζｃｏｓθ，ζｓｉｎθ）＝Ｇ（ζ，θ）ここで、物体ｆ（ｘ，ｙ）を被検物Ａの屈折率分布とす
るならば、ｇ（ｘ，θ）は光路差である。この光路差
は、本実施例のようなマッハ・ツェエンダ干渉計の場
合、透過波面として計測される。

【００５３】図１１は、ＣＴ解析法の手順を示すフロー
チャートである。まず、被検物Ａをセットしない状態で
初期処理を行った後、被検物Ａを被検物保持台３２にセ
ットし（Ｓ１）、θ=の位置（基準となる位置）で干渉
縞検出器２２が出力する画像信号を演算装置２５に取り
込んで透過波面を計測する（Ｓ２）。ついで被検物保持
台３２の回転により被検物Ａを０≦θ≦π（又は０≦θ
≦２π）の角度範囲にわたって回転させ（Ｓ３，Ｓ
４）、例えば１゜刻みで透過波面を計測する。それらの
透過波面データは、位相つなぎ処理により接続し（Ｓ
５）、１次元フーリエ変換する（Ｓ６）。１次フーリエ
変換された各断面の極座標データＧ（ζ，θ）を直交座
標データに変換することによりＦ（ξ，η）を計算して
（Ｓ７）、これを２次元逆フーリエ変換（Ｓ８）すれ
ば、被検物Ａのｘ−ｚ断面の屈折率分布を再構成するこ
とができる（Ｓ９）。このＣＴ解析法による場合、屈折
率分布に規則性がなく、またその分布が不明である被検
物Ａであっても、屈折率分布を被検物Ａの屈折率の不均
一部分の空間的位置を特定することが可能になる。

【００５４】図１２に、上記ＣＴ解析法によって構成し
た屈折率分布データを示す。上記のように被検物Ａを回
転させてＣＴ解析を行えば、（ｘ，ｚ）の各位置につい
て実際の屈折率が得られる。そして、上記被検物Ａの昇
降手段によりｙ値を変えながら、被検波透過位置をｙ軸
方向へ相対的に移動させて連続的に計測し、これら複数
の屈折率分布データから３次元の屈折率分布を構成する
ことができる。なお、上記屈折率分布の測定において、
測定断面数やその間隔には特に制限はない。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の屈折率分
布の測定装置は、可干渉光を出射する光源と、該光源か
らの可干渉光を被検波と参照波とに分割する手段と、測
定対象である被検物を該被検物とほぼ同一の屈折率のマ
ッチング液内に保持する被検物収容器と、該被検物収容
器を透過した被検波と上記参照波とを重畳させ干渉させ
る重畳手段と、該重畳手段から出射された光束を干渉縞
像として結像させる結像光学系と、該結像光学系により
結像する光像を検出する干渉縞像検出器と、該干渉縞像
検出器の検出結果から被検物の屈折率分布を求める演算
装置と、を有する屈折率分布の測定装置において、上記
マッチング液の屈折率をほぼ均一に維持するための制御
手段を備えた構成なので、被検物の外形形状にかかわら
ず非破壊でその屈折率分布を精度良く測定することがで
きる。

【００５６】上記結像光学系が、上記干渉縞像検出器に
結像する光像の大きさを可変とする変倍手段を備え、少
なくとも該変倍手段に基準となるスケール像を投影可能
な投光手段と、上記変倍手段を介して結像したスケール
像からその変倍率を求める計算手段とを有する構成によ
れば、大きさの異なる種々の被検物に対して、良好な条
件で測定できる。

【００５７】上記結像光学系が、上記重畳手段から投影
された光像を非干渉な光像に変換する拡散手段を備えた
構成によれば、拡散手段以降にあるレンズ系や保護ガラ
ス等での多重反射による干渉縞ノイズを低減でき、精度
良く測定できる。

【００５８】上記分割手段又は上記重畳手段を、光軸方
向に波長以下のオーダで変位可能な光路差可変手段を備
えた構成によれば、光路差を精度良く可変することがで
き、また、外乱の影響も小さく抑えるので、再現性がよ
く測定精度が向上する。

【００５９】上記被検物に対する被検波の透過位置をそ
の光軸方向と直交する方向へ移動させる透過位置変位手
段を備えた構成によれば、光軸方向の平均屈折率分布を
簡易に計測することができ、測定有効径よりも大きな被
検物を測定することが容易となる。特に、書込光学系の
ｆθレンズなどの測定対象物に有効で、測定結果をレン
ズ設計へフィードバックすることが容易となる。

【００６０】上記干渉縞像検出器が、２次元方向に配し
た複数画素よりなる光センサを有するものであり、該光
センサにより２次元の屈折率分布を測定可能とした構成
によれば、透過波面又は、屈折率分布を２次元的に測定
することができ、局所的な屈折率の異常分布の検出や任
意の方向の断面の計測に適した測定が可能となる。

【００６１】また、上記いずれかの構成の測定装置を用
い、上記光軸方向と直交する軸線周りに被検物を相対的
に回転させ、各回転位置にて透過波面を計測し、各透過
波面データからＣＴ（コンピュータ・トモグラフィ）法
により画像を再構成し、該再構成画像より被検物の屈折
率分布を求める測定方法によれば、被検物の外形形状に
関わらず非破壊で３次元的な屈折率分布を、より高精度
に計測することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の屈折率分布の測定装置の全体構成を
示す平面図である。

【図２】本実施例に係る被検物収容器の内部構造を示す
図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。

【図３】本実施例に係る光路差可変手段を設けた重畳手
段の構成を示す斜視図である。

【図４】本実施例に係る干渉計で形成される干渉縞像の
一例を示す。

【図５】本実施例の測定装置で測定した一光軸方向の透
過波面を示す線図である。

【図６】図５の透過波面データより求めた平均屈折率分
布を示す線図である。

【図７】光軸方向の平均屈折率分布を垂直方向に繋いで
立体的に示した図である。

【図８】本実施例の測定装置の２次元ＣＣＤで検出され
た平均屈折率分布データを示す図である。

【図９】図８のｙ軸方向一断面のデータを示す線図であ
る。

【図１０】本実施例の測定方法に使用するＣＴ解析法の
原理を説明する図である。

【図１１】本実施例の測定方法のＣＴ解析法の手順を示
すフローチャートである。

【図１２】本実施例の測定方法のＣＴ解析法によって求
めた屈折率分布の一断面データを示す図である。

【図１３】従来の屈折率分布の測定装置の全体構成を示
す平面図である。

【図１４】従来の測定装置の参照ミラーのミラーホルダ
の概略構造を示す斜視図である。

【符号の説明】

１光源１１重畳手段１３光路差可変手段１７拡散手段１８変倍手段２２，２３干渉縞像検出器２４演算装置３０被検物収容器３１マッチング液の接触する隔壁（被検物セル）３２透過位置変位手段３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ通路Ａ被検物Ｂマッチング液ａ参照波ｂ被検波

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可干渉光を出射する光源と、該光源から
の可干渉光を被検波と参照波とに分割する手段と、測定
対象である被検物を該被検物とほぼ同一の屈折率のマッ
チング液内に保持する被検物収容器と、該被検物収容器
を透過した被検波と上記参照波とを重畳させ干渉させる
重畳手段と、該重畳手段から出射された光束を干渉縞像
として結像させる結像光学系と、該結像光学系により結
像する光像を検出する干渉縞像検出器と、該干渉縞像検
出器の検出結果から被検物の屈折率分布を求める演算装
置と、を有する屈折率分布の測定装置において、上記マッチング液の屈折率をほぼ均一に維持するための
制御手段を備えたことを特徴とする屈折率分布の測定装
置。
【請求項２】上記被検物収容器が、上記マッチング液
の接触する隔壁の外側に沿って熱交換媒体が流れる通路
を有し、上記制御手段により、上記通路へ温度制御され
た熱交換媒体を循環させることを特徴とする請求項１記
載の屈折率分布の測定装置。
【請求項３】上記通路は、ほぼ同一の横断面形状が連
続するもので、上記マッチング液の接触する隔壁に沿っ
て隙間無く蛇行するように配置されていることを特徴と
する請求項２記載の屈折率分布の測定装置。
【請求項４】上記結像光学系が、上記干渉縞像検出器
に結像する光像の大きさを可変とする変倍手段を備え、
少なくとも該変倍手段に基準となるスケール像を投影可
能な投光手段と、上記変倍手段を介して結像したスケー
ル像からその変倍率を求める計算手段とを有することを
特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の屈折率分
布の測定装置。
【請求項５】上記結像光学系が、上記重畳手段から投
影された光像を非干渉な光像に変換する拡散手段を備え
たことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の
屈折率分布の測定装置。
【請求項６】上記変倍手段の入射側手前に上記拡散手
段を配置し、該拡散手段の非干渉な光像が上記変倍手段
を介して上記干渉縞像検出器に結像するようにしたこと
を特徴とする請求項５記載の屈折率分布の測定装置。
【請求項７】上記分割手段又は上記重畳手段を、光軸
方向に波長以下のオーダで変位可能な光路差可変手段を
備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記
載の屈折率分布の測定装置。
【請求項８】上記被検物に対する被検波の透過位置を
その光軸方向と直交する方向へ移動させる透過位置変位
手段を備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれ
かに記載の屈折率分布の測定装置。
【請求項９】上記干渉縞像検出器が、２次元方向に配
した複数画素よりなる光センサを有するものであり、該
光センサにより２次元の屈折率分布を測定可能としたこ
とを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の屈折
率分布の測定装置。
【請求項１０】請求項１から８のいずれかの測定装置
を用い、上記干渉縞像検出器で検出される干渉縞像を解
析し、各透過位置における透過波面を計測することによ
り、その光軸方向に平均化された屈折率分布を測定する
ことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の屈
折率分布の測定方法。
【請求項１１】上記被検物に対する被検波の透過位置
を移動させ、各移動位置にて透過波面を計測し、各透過
波面データをつなぎ合わせ処理することにより、その測
定有効径を越えた範囲の屈折率分布を求めることを特徴
とする請求項１から１０のいずれかに記載の屈折率分布
の測定方法。
【請求項１２】上記光軸方向と直交する軸線周りに被
検物を相対的に回転させ、各回転位置にて透過波面を計
測し、各透過波面データからＣＴ（コンピュータ・トモ
グラフィ）法により画像を再構成し、該再構成画像より
被検物の屈折率分布を求めることを特徴とする請求項１
から１１のいずれかに記載の屈折率分布の測定方法。