JP2003106934A - 光路長測定装置及び方法、厚さ測定装置及び方法、屈折率分布傾斜成分測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レンズの屈折率分布の傾斜成分を正確に測定
する。 【解決手段】 光源１１より射出された光を測定光９１
ａと参照光９１ｂとに分割して測定光を被検レンズ１の
厚さ方向に延びる被検部位と被検レンズの主平面Ｓとの
交点Ｐ上に集光させ、この部位を透過した測定光を被検
レンズに至らせない参照光と干渉させて得られた干渉縞
から測定光の被検部位内における光路長を求める。ま
た、光源２１１より射出された光を測定光２９１ａと参
照光２９１ｂとに分割して測定光を被検部位における被
検レンズの一面側の端点Ｔ１でキャッツアイ反射させた
後、この部位における他面側の端点Ｔ２でキャッツアイ
反射させ、この端点Ｔ２でキャッツアイ反射した測定光
を被検レンズに至らせない参照光と干渉させて得られた
干渉縞から被検部位の厚さを求める。このようにして複
数箇所の被検部位についての光路長及び厚さデータを得
て被検レンズの屈折率分布の傾斜成分を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検物の厚さ方向
に延びる被検部位を透過する光の被検部位内における光
路長を測定する光路長測定装置及び方法と、この被検部
位の厚さ方向寸法を測定する厚さ測定装置及び方法と、
被検物の屈折率分布の傾斜成分を測定する屈折率分布傾
斜成分測定装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レンズ等の光学要素を透過する光
の光学要素内における光路長は、被検対象となる光学要
素が面精度の高い平行平板ガラス部材であれば、これを
被検物としてトワイマングリーン干渉計等により干渉縞
を形成させ、その位相分布等を解析することにより得る
ことができた。これは、面精度の高い平行平板では光学
要素の厚さは被検領域内の何処をとっても全て同じであ
るので、得られた干渉縞の位相分布は屈折率の分布に対
応するためである。

【０００３】また従来、レンズをはじめとする光学要素
の厚さ方向寸法、すなわち光学要素の厚さは、接触プロ
ーブなどの接触型センサを被検部位（厚さ方向に延びる
被検部位）の一面側と他面側とに当ててそれぞれの面側
の位置を共通の基準位置からの距離として求め、これら
両位置の差を算出することにより得ることができた。

【０００４】また、レンズ等の光学部材の屈折率分布は
その部材上に定めた所定の基準点（例えば被検対象とな
る光学部材がレンズであればその光軸）からの距離につ
いての多項式関数として表すことができ、その多項式関
数の一次成分、すなわち傾斜成分を如何にして測定する
かは光学部材の屈折率特性を知る上で大変重要である。
この屈折率分布の傾斜成分の測定は、従来、被検物を２
枚の基準ガラスで挟み込むとともにこれら両基準ガラス
の間に被検物と同じ屈折率を持つ液体を充填しておき、
被検物を１８０度回転させる前と後との２回にわたって
干渉縞を取得し（この際、測定光が被検物及び２枚の基
準ガラスを透過するようにする）、このようにして得ら
れた２つの干渉縞の相違を検出することにより求めるこ
とができた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の光路長を測定する方法では、被検物における被検対
象領域（光路長のデータを必要とする領域）全体につい
ての干渉縞を形成させるようにしているため、得られた
干渉縞から個々の部分の光路長を求め得るのは上記した
面精度が高い平行平板ガラス部材のように厚さが被検部
位によって変化しない光学要素に限られており、例えば
レンズのように被検対象領域内の個々の部位について厚
さが異なっている光学要素については上記方法は適用で
きないという問題があった。

【０００６】また、上記従来の厚さを測定する方法にお
いては、接触プローブは被検物の表面と物理的な接触を
するため被検物に傷をつけてしまう虞があり、測定に際
しては大変な注意が必要となって測定効率が悪かった。
また、接触プローブと被検レンズ表面とが接触する部分
は或る程度の領域（面積）を有しているため、レンズの
ように被検面が傾いている場合には測定精度が良くなか
った。更に、被検物が傾いている場合には測定すべき被
検物両面の測定位置にずれが生じ、大きな測定誤差が発
生してしまうという問題があった。

【０００７】更に、上記従来の屈折率分布傾斜成分の測
定方法においては、平行平板レンズ部材を被検物とする
場合には被検物を両基準ガラスで安定して挟み込むこと
ができるため高精度の測定結果を得ることができるが、
被検物がレンズである場合には両基準ガラスで安定した
挟み込みができないため正確な測定が行いにくいという
問題があった。

【０００８】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであり、レンズのように厚さが被検部位によって変
化する被検物に対しても正確な光路長測定ができる光路
長測定装置及び方法と、被検物に傷を付けることなくそ
の厚さを測定することが可能な厚さ測定装置及び方法
と、被検物の屈折率分布の傾斜成分を正確に測定するこ
とができる屈折率分布傾斜成分測定装置及び方法を提供
することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光路長測定
装置は、被検物の厚さ方向に延びる被検部位を透過する
光の被検部位内における光路長を測定する光路長測定装
置であって、光源より射出された可干渉光を測定光と参
照光とに分割して測定光を被検部位と被検物の主平面と
の交点上に集光させ、この被検部位を透過した測定光を
被検物に至らせない参照光と干渉させて干渉縞を形成さ
せる干渉光学系と、この干渉光学系において得られた干
渉縞の位相分布に基づいて測定光の被検部位内における
光路長を算出する光路長算出手段とを備える。

【００１０】また、本発明に係る光路長測定方法は、被
検物の厚さ方向に延びる被検部位を透過する光の被検部
位内における光路長を測定する光路長測定方法であっ
て、光源より射出された可干渉光を測定光と参照光とに
分割して測定光を被検部位と被検物の主平面との交点上
に集光させ、この被検部位を透過した測定光を被検物に
至らせない参照光と干渉させて得られた干渉縞の位相分
布に基づいて測定光の被検部位内における光路長を求め
る。

【００１１】このように本発明に係る光路長測定装置及
び方法においては、光源より射出された可干渉光を測定
光と参照光とに分割して測定光を被検部位と被検物の主
平面との交点上に集光させ、この被検部位を透過した測
定光を被検物に至らせない参照光と干渉させて得られた
干渉縞の位相分布に基づいて測定光の被検部位内におけ
る光路長を求めるようになっており、被検物の被検対象
領域全体ではなく、被検対象領域内の任意の被検部位に
ついての光路長を個々に測定することができるので、レ
ンズのように厚さが被検部位によって変化する被検物に
対しても正確な光路長測定をすることができる。ここ
で、測定光は被検物の主平面上に集光するようになって
おり、被検物を出射する際にはほぼ球面波となるので、
被検物の出射側に被検物の主平面上に焦点を有するレン
ズを配置しておけばそのレンズを透過した測定光を平行
光にすることができ、被検物を透過した後の測定光を受
ける光学系の配置自由度を高めることができる。また、
本光路長測定装置は被検物の透過偏芯測定装置としても
使用することが可能である。

【００１２】本発明に係る厚さ測定装置は、被検物の厚
さ方向に延びる被検部位の厚さ方向寸法を測定する厚さ
測定装置であって、光源より射出された可干渉光を測定
光と参照光とに分割して測定光を被検部位における被検
物の一面側でキャッツアイ反射させた後、この被検部位
における被検物の他面側でキャッツアイ反射させ、被検
物の他面側でキャッツアイ反射した測定光を被検物に至
らせない参照光と干渉させて干渉縞を形成させる干渉光
学系と、この干渉光学系において得られた干渉縞の位相
分布に基づいて被検部位の厚さ方向寸法を算出する厚さ
算出手段とを備える。

【００１３】また、本発明に係る厚さ測定方法は、被検
物の厚さ方向に延びる被検部位の厚さ方向寸法を測定す
る厚さ測定方法であって、光源より射出された可干渉光
を測定光と参照光とに分割して測定光を被検部位におけ
る被検物の一面側でキャッツアイ反射させた後、この被
検部位における被検物の他面側でキャッツアイ反射さ
せ、被検物の他面側でキャッツアイ反射した測定光を被
検物に至らせない参照光と干渉させて得られた干渉縞の
位相分布に基づいて被検部位の厚さ方向寸法を求める。

【００１４】このように本発明に係る厚さ測定装置及び
方法においては、光源より射出された可干渉光を測定光
と参照光とに分割して測定光を被検部位における被検物
の一面側でキャッツアイ反射させた後、この被検部位に
おける被検物の他面側でキャッツアイ反射させ、被検物
の他面側でキャッツアイ反射した測定光を被検物に至ら
せない参照光と干渉させて得られた干渉縞の位相分布に
基づいて被検部位の厚さ方向寸法を求めるようになって
おり、被検物に対して物理的な接触をさせることなくそ
の厚さを測定することができるので、被検物に傷を付け
ないように注意を払う必要がなくなって測定効率が向上
する。また、測定光は被検物の一面側及び他面側のそれ
ぞれにおいてキャッツアイ反射させるようになっている
ので、被検物がレンズであり、その表面形状が測定光に
対して傾く場合であっても、或いは被検物である平板ガ
ラスが傾いていてその表面が測定光に対して傾いている
場合であっても正確な測定を行うことが可能である。

【００１５】本発明に係る屈折率分布傾斜成分測定装置
は、上記本発明に係る光路長測定装置と、上記本発明に
係る厚さ測定装置とを備え、被検物の厚さ方向に延びる
複数箇所の被検部位についての光路長データを光路長測
定装置により求めるとともに、これら複数箇所の被検部
位についての厚さデータを厚さ測定装置により求め、こ
のようにして得られた複数箇所の被検部位についての光
路長データ及び厚さデータを用いて被検物の屈折率分布
の傾斜成分を求める構成になっている。被検物の屈折率
分布はその被検物の半径方向距離についての多項式関数
として表されるが、ここでいう屈折率分布の傾斜成分と
は、その多項式関数の一次成分のことである。

【００１６】また、本発明に係る屈折率分布傾斜成分測
定方法は、被検物の厚さ方向に延びる複数箇所の被検部
位についての光路長データを上記本発明に係る光路長測
定方法を用いて求めるとともに、これら複数箇所の被検
部位についての厚さデータを上記本発明に係る厚さ測定
方法を用いて求め、このようにして得られた複数箇所の
被検部位についての光路長データ及び厚さデータを用い
て被検物の屈折率分布の傾斜成分を求める。

【００１７】このように本発明に係る屈折率分布傾斜成
分測定装置及び方法においては、被検物の厚さ方向に延
びる複数箇所の被検部位についての光路長データを上記
本発明に係る光路長測定装置（又は方法）を用いて求め
るとともに、これら複数箇所の被検部位についての厚さ
データを上記本発明に係る厚さ測定装置（又は方法）を
用いて求め、このようにして得られた複数箇所の被検部
位についての光路長データ及び厚さデータを用いて被検
物の屈折率分布の傾斜成分を求めるようになっており、
本発明に係る光路長測定装置（及び方法）を用いて得ら
れる正確な光路長データと、本発明に係る厚さ測定装置
（及び方法）を用いて得られる正確な厚さデータを利用
することができるので、被検物がレンズである場合であ
っても、そのレンズの正確な屈折率分布の傾斜成分を求
めることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
ましい実施形態について説明する。図１は第１の本発明
に係る光路長測定装置の一例を示したものである。本光
路長測定装置において、光源（例えばレーザー光源）１
１より射出された可干渉光９１はレンズ１２ａ，１２ｂ
及びピンホール１２ｃからなるビーム拡大器１２により
或る程度広がりのある平行光にされた後、偏光ビームス
プリッタ１３に図の下方より入射する。偏光ビームスプ
リッタ１３に入射した可干渉光９１のうちＰ偏光成分は
偏向ビームスプリッタ１３の半透膜１３ａを図の上方に
透過して測定光９１ａとなり、Ｓ偏光成分は半透膜１３
ａにおいて図の左方に反射して参照光９１ｂとなる。

【００１９】偏光ビームスプリッタ１３の半透膜１３ａ
を透過した測定光９１ａは被検レンズ（被検物）１の厚
さ方向に延びる被検部位に入射される。この際、測定光
９１ａは集光レンズ１４により、被検部位と被検レンズ
１の主平面Ｓとの交点Ｐ上に集光される。被検レンズ１
の主平面Ｓ上に集光された測定光９１ａはほぼ球面波と
なってこの被検レンズ１を透過し、被検レンズ１の主平
面Ｓ上に前方焦点を有するコリメータレンズ１５を図の
上方に透過して平行光になった後、反射ミラー１６にお
いて図の左方に反射して偏光ビームスプリッタ１７に図
の右方より入射する。この測定光９１ａはＰ偏光である
ため偏光ビームスプリッタ１７の半透膜１７ａを図の左
方に透過する。

【００２０】一方、偏光ビームスプリッタ１３の半透膜
１３ａにおいて図の左方に反射した参照光９１ｂは反射
ミラー１８において図の上方に反射し、集光レンズ１９
により集光された後、その集光点に前方焦点を有するコ
リメータレンズ２０を図の上方に透過して平行光になっ
た後、偏光ビームスプリッタ１７に図の下方より入射す
る。この参照光９１ｂはＳ偏光であるため偏光ビームス
プリッタ１７の半透膜１７ａにおいて図の左方に反射す
る。

【００２１】偏光ビームスプリッタ１７の半透膜１７ａ
を図の左方に透過した測定光９１ａと同半透膜１７ａを
図の左方に反射した参照光９１ｂとは重ね合わされて検
光子２１を図の左方に透過した後、イメージングレンズ
２２により集光されてイメージセンサ２３上に干渉縞を
形成する。ここで、イメージセンサ２３上に形成された
干渉縞の数が最も少なくなるように両レンズ１４，１５
をそれぞれの光軸方向にシフトさせる（この両レンズ１
４，１５の位置調整は被検物を入れ換えたときには必ず
行う必要がある）。なお、この装置において、参照光９
１ｂの光路中に集光レンズ１９及びコリメータレンズ２
０を入れているのは、光源１１側の光の有する波面収差
の影響を少なくするためである。

【００２２】イメージセンサ２３には光路長算出装置
（演算装置）２４が繋がっており、この光路長算出装置
２４はイメージセンサ２３上に形成された干渉縞の位相
分布を解析して測定光９１ａの被検部位内における光路
長を算出する。

【００２３】このように本光路長測定装置を用いれば、
被検レンズ１における所望の被検部位を透過する光のそ
の被検部位内における光路長の測定を行うことができる
が、光源１１からの光９１を被検レンズ１の複数箇所或
いは全域について照射（走査）して上記光路長測定を行
えば、その被検レンズ１全体についての光路長分布を知
ることができる。

【００２４】測定精度を上げるためにはフリンジスキャ
ンが有効であるが、この場合には両反射ミラー１６，１
８の少なくとも一つをその鏡面の法線方向（図１では斜
め方向）にシフトすればよい。また、イメージセンサ２
３上に形成された干渉縞のコントラストを調整するには
検光子２１を光軸まわりに回転させればよい。また、光
量を調整するには、測定光９１ａの腕と参照光９１ｂの
腕の少なくとも一方に偏光素子或いはＮＤフィルターを
挿入するようにすればよい。

【００２５】また、測定光９１ａの腕と参照光９１ｂの
腕を変化させることによりこれら両光９１ａ，９１ｂの
光路長差を調整することが可能な光路長補正機構を設け
るようにしてもよい。この光路長補正機構を用いて測定
光９１ａと参照光９１ｂの光路長差を変化させた場合、
その光路長差が光源１１より射出される可干渉光９１の
コヒーレント長よりときには両光９１ａ，９１ｂは干渉
せず、イメージセンサ２３上において観察される干渉縞
の強度は一定であるが、両光９１ａ，９２ｂの光路路長
差が小さくなるにつれて干渉縞のコントラストは向上し
ていき、両光９１ａ，９１ｂの光路長差がほぼ０になっ
たときに干渉縞のコントラストは最大となる。そして、
再び両光９１ａ，９１ｂの光路長差が大きくなると干渉
縞のコントラストは低下していき、両光９１ａ，９１ｂ
の光路長差が可干渉光９１のコヒーレント長より大きく
なったときには、干渉縞の明暗は一様になる。

【００２６】被検レンズ１をその光軸Ｌまわりに回転可
能な図示しない回転台に被検レンズ１を載置し、上記工
程における光路長補正機構の調整量と両光９１ａ，９１
ｂの光路長差との関係を、被検レンズ１の光軸Ｌまわり
の回転角度が０度である場合、１８０度である場合を含
む３通り以上の場合について記録する。そして、干渉縞
のコントラストが最大になる光路長補正機構の調整量の
変化を検出し、この調整量に基づいて被検レンズ１の光
路長を算出（補正）するようにすれば、被検レンズ１の
表面で反射した光（ノイズ光）が干渉縞に与える影響を
除去した正確な測定結果を得ることができる。

【００２７】このように本発明に係る光路長測定装置
（及び光路長測定方法）においては、光源１１より射出
された可干渉光９１を測定光９１ａと参照光９１ｂとに
分割して測定光９１ａを被検レンズ（被検物）１の厚さ
方向に延びる被検部位と被検レンズ１の主平面Ｓとの交
点Ｐ上に集光させ、この被検部位を透過した測定光９１
ａを被検レンズ１に至らせない参照光９１ｂと干渉させ
て得られる干渉縞の位相分布に基づいて測定光９１ａの
被検部位内における光路長を求めるようになっており、
被検レンズ１の被検対象領域全体ではなく、被検対象領
域内の任意の被検部位についての光路長を個々に測定す
ることができるので、レンズのように厚さが被検部位に
よって変化する被検物に対しても正確な光路長測定をす
ることができる。

【００２８】ここで、測定光９１ａは被検レンズ１の主
平面Ｓ上に集光されるようになっており、被検レンズ１
を出射する際にははほぼ球面波となるので、被検レンズ
１の出射側に被検レンズ１の主平面Ｓ上に焦点を有する
レンズ（ここではコリメータレンズ１５）を配置してお
けばそのレンズを透過した測定光を平行光にすることが
でき、被検レンズ１を透過した後の測定光９１ａを受け
る光学系の配置自由度を高めることができる。

【００２９】また、本光路長測定装置（及び方法）によ
れば被検レンズ１の透過偏芯を求めることも可能であ
る。以下、本光路長測定装置を用いた被検レンズ１の偏
芯測定について説明する。

【００３０】本光路長測定装置を用いた透過偏芯測定に
おいては、測定光９１ａを被検レンズ１上の所望位置を
透過させてこれを参照光９１ｂと干渉させる。ここで、
被検レンズ１を光軸Ｌまわりに回転させるとイメージセ
ンサ２３上の干渉縞の位相分布が変化する。この位相分
布は干渉縞の位相をΨ、被検レンズ１の所定位置から回
転した角度をθ、未知の定数をＡ、Ｂ、θ₀として下式
（１）により表すことができる。

【００３１】

【数１】Ψ＝Ａ＋Ｂcos(θ＋θ₀) ……（１）

【００３２】上記測定を被検レンズ１上の多数の点につ
いて行い、上式（１）を用いて最小自乗法を適用すれば
未知数Ａ、Ｂ、θ₀を決定することができ、このうち未
知数Ｂが決定したら下式（２）より被検レンズ１の透過
偏芯量εを算出することができる。ここで、λは光源１
１の波長、Ｄは被検レンズ１上の測定点と光軸（回転
軸）Ｌとの間の距離である。

【００３３】

【数２】ε＝（λＢ／２πＤ） ……（２）

【００３４】或いは、偏光ビームスプリッタ１３により
分割した２光を測定光としてそれぞれ被検レンズ１上の
異なる位置に入射し、被検レンズ１を厚さ方向に透過さ
せた両測定光を重ね合わせて得られた干渉縞を解析して
透過偏芯を求めることも可能である。この場合も、被検
レンズ１を光軸Ｌまわりに回転させたときの位相分布は
干渉縞の位相をΨ、被検レンズ１の所定位置から回転し
た角度をθ、未知の定数をＡ、Ｂ、θ₀として前述の式
（１）により表すことができる。

【００３５】上記のような測定を被検レンズ１上の多数
の点について行い、前述の式（１）を用いて最小自乗法
を適用すれば未知数Ａ、Ｂ、θ₀を決定することがで
き、このうち未知数Ｂが決定したら下式（３）より被検
レンズ１の透過偏芯量εを算出することができる。ここ
で、λは光源１１の波長、Ｌは被検レンズ１を透過する
両測定光の光軸間距離である。

【００３６】

【数３】ε＝（λＢ／２πＬ） ……（３）

【００３７】図２は本発明に係る厚さ測定装置の一例を
示したものである。本厚さ測定装置において、光源（例
えばレーザー光源）２１１より射出された可干渉光２９
１はレンズ２１２ａ，２１２ｂ及びピンホール２１２ｃ
からなるビーム拡大器２１２により或る程度広がりのあ
る平行光にされた後、偏光ビームスプリッ２１３に図の
下方より入射する。偏光ビームスプリッタ２１３に入射
した可干渉光２９１のうちＰ偏光成分は偏向ビームスプ
リッタ２１３の半透膜２１３ａを図の上方に透過して測
定光２９１ａとなり、Ｓ偏光成分は半透２１３ａにおい
て図の右方に反射して参照光２９１ｂとなる。

【００３８】偏光ビームスプリッタ２１３の半透膜２１
３ａを透過した測定光２９１ａは１／４波長板２１４を
図の上方に透過した後、被検レンズ（被検物）１の厚さ
方向に延びる被検部位に入射される。この際、測定光２
９１ａは集光レンズ２１５により、被検部位における被
検レンズ１の一面１ａ側の端点Ｔ１上に集光される。被
検レンズ１の一面１ａ側の端点Ｔ１上に集光された測定
光２９１ａはキャッツアイ反射して集光レンズ２１５及
び１／４波長板２１４を図の下方に透過した後、偏光ビ
ームスプリッタ２１３に図の上方から入射する。このよ
うに測定光２９１ａは偏光ビームスプリッタ２１３の半
透膜２１３ａを透過した後再び戻ってくるのであるが、
その間に１／４波長板２１４を２回透過してＳ偏光にな
っているので偏光ビームスプリッタ２１３に戻ってきた
際にはその半透膜２１３ａにおいて図の左方に反射す
る。

【００３９】図の左方に反射した測定光２９１ａは反射
ミラー２１６により図の上方に反射された後、続いて反
射ミラー２１７により図の右方に反射される。反射ミラ
ー２１７により反射された測定光２９１ａは偏光ビーム
スプリッタ２１８に図の左方から入射するが、この測定
光２９１ａはＳ偏光であるので偏光ビームスプリッタ２
１８の半透膜２１８ａにおいて図の下方に反射する。そ
して、１／４波長板２１９を図の下方に透過した後、集
光レンズ２２０により被検部位における被検レンズ１の
他面１ｂ側の端点Ｔ２上に集光される。被検レンズ１の
他面１ｂ側の端点Ｔ２上に集光された測定光２９１ａは
キャッツアイ反射して集光レンズ２２０及び１／４波長
板２１９を図の上方に透過した後、偏光ビームスプリッ
タ２１８に図の下方より入射する。このように測定光２
９１ａは偏光ビームスプリッタ２１８の半透膜２１８ａ
において反射した後再び偏光ビームスプリッタ２１８に
戻ってくるのであるが、その間に１／４波長板２１９を
２回透過してＰ偏光になっているので偏光ビームスプリ
ッタ２１８に戻ってきた際にはその半透膜２１８ａを図
の上方に透過する。

【００４０】一方、偏光ビームスプリッタ２１３の半透
膜２１３ａにおいて図の右方に反射した参照光２９１ｂ
は１／４波長板２２１を図の右方に透過した後、集光レ
ンズ２２２に集光されて反射ミラー２２３に至る。反射
ミラー２２３に至った参照光２９１ｂはその鏡面におい
て図の左方に反射した後、集光レンズ２２２及び１／４
波長板２２１を図の左方に透過し、偏光ビームスプリッ
タ２１３に図の右方より入射する。このように参照光２
９１ｂは偏光ビームスプリッタ２１３の半透膜２１３ａ
において反射した後再び偏光ビームスプリッタ２１３に
戻ってくるのであるが、その間に１／４波長板２２１を
２回透過してＰ偏光になっているので偏光ビームスプリ
ッタ２１３に戻ってきた際にはその半透膜２１３ａを図
の左方に透過する。

【００４１】偏光ビームスプリッタ２１８の半透膜２１
８ａを透過した参照光２９１ｂは反射ミラー２１６によ
り図の上方に反射された後、続いて反射ミラー２１７に
より図の右方に反射される。反射ミラー２１７により反
射された参照光２９１ｂは偏光ビームスプリッタ２１８
に図の左方から入射するが、この参照光２９１ｂはＰ偏
光であるので偏光ビームスプリッタ２１８の半透膜２１
８ａを図の右方に透過する。そして、１／４波長２２４
を図の右方に透過した後、集光レンズ２２５に集光され
て反射ミラー２２６に至る。反射ミラー２２６に至った
参照光２９１ｂはその鏡面おいて図の左方に反射した
後、集光レンズ２２５及び１／４波長板２２４を図の左
方に透過し、偏光ビームスプリッタ２１８に図の右方よ
り入射する。このように参照光２９１ｂは偏光ビームス
プリッ２１８の半透膜２１８ａを透過した後再び偏光ビ
ームスプリッタ２１８に戻ってくるのであるが、その間
に１／４波長板２２４を２回透過してＳ偏光になってい
るので偏光ビームスプリッタ２１８に戻ってきた際には
その半透膜２１８ａにおいて図の上方に反射する。

【００４２】偏光ビームスプリッタ２１８の半透膜２１
８ａを図の上方に透過した測定光２９１ａと同半透膜２
１８ａにおいて図の上方に反射した参照光２９１ｂとは
重ね合わされてリレーレンズ２２７により集光された
後、その集光点に位置したピンホール２２８を図の上方
に通過する。そしてピンホール２２８の位置が前方焦点
に一致するように設置されたリレーレンズ２２９を図の
上方に透過して平行光になった後、検光子２３０を図の
上方に透過し、イメージングレンズ２３１により集光さ
れてイメージセンサ２３２上に干渉縞を形成する。ここ
で、イメージセンサ２３２上に形成された干渉縞の数が
最も少なくなるように両レンズ２１５，２２０をそれぞ
れの光軸方向にシフトさせる（この両レンズ２１５，２
２０の位置調整は被検物を入れ換えたときには必ず行う
必要がある）。

【００４３】イメージセンサ２３２には厚さ算出装置
（演算装置）２３３が繋がっており、この厚さ算出装置
２３３はイメージセンサ２３２上に形成された干渉縞の
位相分布を解析して被検部位の厚さ方向寸法、すなわち
被検部位の厚さを算出する。

【００４４】このように本厚さ測定装置を用いれば、被
検レンズ１における所望の被検部位の厚さ測定を行うこ
とができるが、光源２１１からの光２９１を被検レンズ
１の複数箇所或いは全域について照射（走査）して上記
厚さ測定を行えば、その被検レンズ１全体についての厚
さ分布を知ることができる。

【００４５】ここで、この厚さ測定装置を用いて被検レ
ンズ１の厚さが被検レンズ１の全域に亘って等しい厚さ
であるか否かを調べるには、被検レンズ１を図示しない
高精度の回転台に載せてこれを被検レンズ１の光軸Ｌま
わりに回転させ、イメージセンサ２３２上に形成される
干渉縞の位相分布の変化を観察すればよい。このときイ
メージセンサ２３２上の干渉縞の位相分布が変化しなけ
れば光軸（回転軸）Ｌを中心とする同心円状において被
検レンズ１の厚さが等しいことが分かり、干渉縞の位相
分布が変化すれば厚さは等しくない（一様でない）こと
が分かる。

【００４６】測定精度を上げるためにはフリンジスキャ
ンが有効であるが、この場合には集光レンズ２２２と反
射ミラー２２３を一体にした光学系若しくは集光レンズ
２２５と反射ミラー２２６を一体にした光学系のうち少
なくとも一つの光学系をそれぞれの光軸方向にシフトさ
せるようにすればよい。或いは、反射ミラー２１６，２
１７のいずれか一方をその鏡面の法線方向（図２では斜
め方向）にシフトさせるようにしてもよい。また、イメ
ージセンサ２３２上に形成された干渉縞のコントラスト
を調整するには検光子２３０を光軸まわりに回転させれ
ばよい。また、光量を調整するには、測定光２９１ａの
腕と参照光２９１ｂの腕の少なくとも一方に偏光素子或
いはＮＤフィルターを挿入するようにすればよい。

【００４７】図２中の集光レンズ２２２と反射ミラー２
２３、或いは集光レンズ２２５と反射ミラー２２６を同
時に光軸方向にシフトすることにより測定光２９１ａの
腕と参照光２９１ｂの腕を変化させ、これら両光２９１
ａ，２９１ｂの光路長差を調整するようにしてもよい。
このような構成の光路長補正機構を用いて測定光２９１
ａと参照光２９１ｂの光路長差を変化させた場合、その
光路長差が光源２１１より射出される可干渉光２９１の
コヒーレント長よりときには両光２９１ａ，２９１ｂは
干渉せず、イメージセンサ２３２上において観察される
干渉縞の強度は一定であるが、両光２９１ａ，２９２ｂ
の光路路長差が小さくなるにつれて干渉縞のコントラス
トは向上していき、両光２９１ａ，２９１ｂの光路長差
がほぼ０になったときに干渉縞のコントラストは最大と
なる。そして、再び両光２９１ａ，２９１ｂの光路長差
が大きくなると干渉縞のコントラストは低下していき、
両光２９１ａ，２９１ｂの光路長差が可干渉光２９１の
コヒーレント長より大きくなったときには、干渉縞の明
暗は一様になる。なお、図２中に示す矢印は、集光レン
ズ２２５と反射ミラー２２６を同時に光軸方向に調整す
る場合の例を示したものである。

【００４８】被検レンズ１をその光軸Ｌまわりに回転可
能な図示しない回転台に被検レンズ１を載置し、上記工
程における光路長補正機構の調整量と両光２９１ａ，２
９１ｂの光路長差との関係を、被検レンズ１の光軸Ｌま
わりの回転角度が０度である場合、１８０度である場合
を含む３通り以上の場合について記録する。そして、干
渉縞のコントラストが最大になる光路長補正機構の調整
量の変化を検出し、この調整量に基づいて被検レンズ１
の光路長を算出（補正）するようにすれば、被検レンズ
１を透過した光（ノイズ光）が干渉縞に与える影響を除
去した正確な測定結果を得ることができる。

【００４９】また、偏光ビームスプリッタ２１３の半透
膜２１３ａを図の上方に透過して被検レンズ１の一面１
ａ上に集光した測定光２９１ａの一部の光は被検レンズ
１内を図の上方に透過した後、集光レンズ２２０及び１
／４波長板２１９を図の上方に透過して偏光ビームスプ
リッタ２１８に至る。この光は偏光ビームスプリッタ２
１８の半透膜２１８ａにおいて図の左方に反射し、反射
ミラー２１７，２１６及び偏光ビームスプリッタ２１３
の半透膜２１３ａにおいて反射して再び被検レンズ１を
透過した後偏光ビームスプリッタ２１８に至り、その半
透膜２１８ａを図の上方に透過する。このような光もノ
イズ光であるが、このノイズ光は測定光２９１ａの光路
及び参照光２９１ｂの光路と大きく異なるのでピンホー
ル２２８でカットされるため、干渉縞には悪影響を及ぼ
すことはほとんどない。

【００５０】また、上記のフリンジスキャンにおいて、
反射ミラー２１６，２１７の少なくとも一つをその光軸
方向にシフトして測定光２９１ａの光路長と参照光２９
１ｂの光路長を同量だけ変化させるとともに、集光レン
ズ２２２と反射ミラー２２３を一体にした光学系若しく
は集光レンズ２２５と反射ミラー２２６を一体にした光
学系のうち少なくとも一つの光学系をその光軸方向にシ
フトして参照光２９１ｂの光路長のみを変化させ、参照
光２９１ｂの光路長変化が測定光２９１ａの光路長変化
の半分になるようにしてこれら両光２９１ａ，２９１ｂ
の位相差がπ／２になるようにしつつ測定光２９１ａと
ノイズ光との位相差がπになるようにすれば、測定光２
９１ａとノイズ光とが干渉により強め合うことを防止す
ることができるので、より効果的にノイズ光の影響を除
去することができる。

【００５１】本厚さ測定装置を用いてより高精度な測定
結果を得るためには、厚さが既知である基準工具（レン
ズ）を用いる方法を採用すればよい。この方法の手順を
説明すると、先ず被検レンズ１の厚さ測定に先立ってこ
の基準工具を被検物として本装置に設置し、測定光２９
１ａと参照光２９１ｂの光路差長を調整しながら干渉縞
のコントラストを検出してその包絡線を描く。そして、
描かれた包絡線の最大値に当たる反射ミラー２２３（或
いは２２６）の位置を図示しない位置測定器により測定
し、この位置を基準位置として記録しておく。このよう
な準備段階が終了したら、測定対象である被検レンズ１
を本測定装置に設置した（基準工具と取り替えた）うえ
で干渉縞のコントラストが最大になるときの反射ミラー
２２３（或いは２２６）の位置を上記基準位置からの距
離として測定し、これを基準工具の厚さに加算する。こ
のような方法によれば本厚さ測定装置に固有の測定誤差
（例えば組み付け誤差）の影響を除くことができるの
で、被検レンズ１の厚さを正確に求めることが可能とな
る。

【００５２】このように本発明に係る厚さ測定装置（及
び厚さ測定方法）においては、光源２１１より射出され
た可干渉光２９１を測定光２９１ａと参照光２９１ｂと
に分割して測定光２９１ａを被検レンズ（被検物）１の
厚さ方向に延びる被検部位における被検レンズ１の一面
１ａ側の端点Ｔ１でキャッツアイ反射させた後、この被
検部位における他面１ｂ側の端点Ｔ２でキャッツアイ反
射させ、被検レンズ１の他面側１ｂの端点Ｔ２でキャッ
ツアイ反射した測定光２９１ａを被検レンズ１に至らせ
ない参照光２９１ｂと干渉させて得られた干渉縞の位相
分布に基づいて被検部位の厚さ方向寸法を求めるように
なっており、被検レンズ１に対して物理的な接触をさせ
ることなくその厚さを測定することができるので、被検
レンズ１に傷を付けないように注意を払う必要がなくな
って測定効率が向上する。また、測定光２９１ａは被検
レンズ１の一面１ａ側及び他面１ｂ側のそれぞれにおい
てキャッツアイ反射させるようになっているので、被検
物がレンズであり、その表面形状が測定光２９１ａに対
して傾く場合であっても正確な測定を行うことが可能で
ある。

【００５３】なお、ここでは上記実施形態では被検物が
レンズである例を示したが、被検物はこのようなレンズ
に限られず、平行平板ガラス部材をはじめとする他の光
学部材であってもよい。そして、本厚さ測定装置（及び
方法）によれば、被検物である平板ガラスが傾いていて
その表面が測定光２９１ａに対して傾いている場合であ
っても上記と同様な理由により正確な測定を行うことが
可能である。

【００５４】図３は本発明に係る屈折率分布傾斜成分測
定装置の一例を示したものである。本屈折率分布傾斜成
分測定装置は上述の光路長測定装置と上述の厚さ測定装
置とを組み合わせた構成となっている。被検レンズ（被
検物）１の屈折率分布の傾斜成分を求めるには、被検レ
ンズ１の複数箇所の被検部位についての屈折率が分かれ
ば良く、被検レンズ１の被検部位についての屈折率は、
その部位を透過する光の光路長とその部位の厚さとが分
かればよい。このため本装置では、被検レンズ１におけ
る所望の被検部位についての光路長を光路長測定装置に
より測定するとともに、同部位についての厚さを厚さ測
定装置により測定し、これらの結果を用いてその被検部
位における屈折率を求める。そして、このような屈折率
の測定を被検レンズ１の複数箇所について行って、その
被検レンズ１の屈折率分布の傾斜成分を求める。以下、
本装置を用いた屈折率分布の傾斜成分測定の具体的手順
について説明する。

【００５５】本屈折率分布傾斜成分測定装置では、上記
実施形態において示した光路長測定装置と上記実施形態
において示した厚さ測定装置とが被検レンズ１の光軸Ｌ
を挟んだ対称位置に配置されているが、両測定装置は必
ずしもこのような位置関係を保つ位置に設けられなけれ
ばならないわけではない。本測定装置による屈折率分布
の傾斜成分の測定では、光源１１を被検レンズ１の半径
方向に移動させて被検レンズ１の複数箇所の被検部位に
ついての光路長データを取得しつつ、被検レンズ１をそ
の光軸Ｌまわりに回転させ、且つ光源２１１を被検レン
ズ１の半径方向に移動させて同じ複数箇所の被検部位に
ついての厚さデータを取得する。光路長データの取得と
厚さデータの取得を取得する順はこの逆であってもよ
い。

【００５６】光路長測定装置により得られた複数箇所の
被検部位についての光路長データと厚さ測定装置により
得られた同複数箇所の被検部位についての厚さデータは
それぞれ屈折率分布傾斜成分算出装置（演算装置）３０
０に送られる。ここで、光路長測定装置における測定光
９１ａ或いは厚さ装置装置における測定光２９１ａの軸
線と被検レンズ１の光軸（回転軸）Ｌとの間の距離を
Ｄ、被検レンズ１の屈折率分布の傾斜成分をｎ₁、被検
レンズ１の屈折率分布の軸対称成分をｎ₀、被検レンズ
１の初期位置からの回転角度をθ、被検レンズ１の傾斜
成分の上記初期位置からの方向を示す角度をθ₀とする
と、下式（４）が成り立つ。

【００５７】

【数４】ｎ₁＝ｎ₀＋ｎ₁Ｄcos（θ＋θ₀） ……（４）

【００５８】従って、被検レンズ１を透過する光の光路
長をＰ、被検部位の厚さをＴとすると、Ｐ＝Ｔｎ₁の関
係より下式（５）が成り立つことになる。

【００５９】

【数５】 Ｐ＝Ｔｎ₀＋Ｔｎ₁Ｄcos（θ＋θ₀） ……（５）

【００６０】屈折率分布傾斜成分算出装置３００は被検
レンズ１における複数箇所の被検部位について得られた
光路長データと厚さデータとを上式（５）に代入し、最
小自乗法を適用することにより測定目的である被検レン
ズ１の屈折率分布の傾斜成分ｎ₁と、その傾斜成分の初
期位置からの方向を示す角度θ₀とを得ることができ
る。

【００６１】このように本発明に係る屈折率分布傾斜成
分測定装置（及び屈折率分布傾斜成分測定方法）におい
ては、被検レンズ（被検物）１の厚さ方向に延びる複数
箇所の被検部位についての光路長データを上記本発明に
係る光路長測定装置（又は方法）を用いて求めるととも
に、これら複数箇所の被検部位についての厚さデータを
上記本発明に係る厚さ測定装置（又は方法）を用いて求
め、このようにして得られた複数箇所の被検部位につい
ての光路長データ及び厚さデータを用いて被検レンズ１
の屈折率分布の傾斜成分を求めるようになっており、上
記本発明に係る光路長測定装置（及び方法）を用いて得
られる正確な光路長データと、上記本発明に係る厚さ測
定装置（及び方法）を用いて得られる正確な厚さデータ
を利用することができるので、被検物がレンズである場
合であっても、そのレンズの正確な屈折率分布の傾斜成
分を求めることができる。

【００６２】これまで本発明の好ましい実施形態につい
て説明してきたが、本発明の範囲は上述のものに限定さ
れない。例えば、上述の３つの実施形態において使用さ
れる偏光ビームスプリッタはハーフミラーに替えてもよ
く、光源は必ずしもレーザー光源でなくてもよい。ま
た、本発明に係る厚さ測定装置の実施形態における反射
ミラー２２３，２２６はコーナーキューブに替えること
ができる。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る光路
長測定装置及び方法によれば、被検物の被検対象領域全
体ではなく、被検対象領域内の任意の被検部位について
の光路長を個々に測定することができるので、レンズの
ように厚さが被検部位によって変化する被検物に対して
も正確な光路長測定をすることができる。ここで、測定
光は被検物の主平面上に集光するようになっており、被
検物を出射する際にはほぼ球面波となるので、被検物の
出射側に被検物の主平面上に焦点を有するレンズを配置
しておけばそのレンズを透過した測定光を平行光にする
ことができ、被検物を透過した後の測定光を受ける光学
系の配置自由度を高めることができる。また、本光路長
測定装置は被検物の透過偏芯測定装置としても使用する
ことが可能である。

【００６４】また、本発明に係る厚さ測定装置及び方法
によれば、被検物に対して物理的な接触をさせることな
くその厚さを測定することができるので、被検物に傷を
付けないように注意を払う必要がなくなって測定効率が
向上する。また、測定光は被検物の一面側及び他面側の
それぞれにおいてキャッツアイ反射させるようになって
いるので、被検物がレンズであり、その表面形状が測定
光に対して傾く場合であっても、或いは被検物である平
板ガラスが傾いていてその表面が測定光に対して傾いて
いる場合であっても正確な測定を行うことが可能であ
る。

【００６５】また、本発明に係る屈折率分布傾斜成分測
定装置及び方法によれば、本発明に係る光路長測定装置
（及び方法）を用いて得られる正確な光路長データと、
本発明に係る厚さ測定装置（及び方法）を用いて得られ
る正確な厚さデータを利用することができるので、被検
物がレンズである場合であっても、そのレンズの正確な
屈折率分布の傾斜成分を求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光路長測定装置の一例を示す図で
ある。

【図２】本発明に係る厚さ測定装置の一例を示す図であ
る。

【図３】本発明に係る屈折率分布傾斜成分測定装置の一
例を示す図である。

【符号の説明】

１ 被検レンズ １１ 光源 １２ ビーム拡大器 １３，１７ 偏光ビームスプリッタ １４，１９ 集光レンズ １５，２０ コリメータレンズ １６，１８ 反射ミラー ２１ 検光子 ２２ イメージングレンズ ２３ イメージセンサ ２４ 光路長算出装置 Ｓ 主平面 Ｌ 光軸

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F064 BB04 CC01 CC04 EE02 FF01 GG12 GG23 GG34 GG41 HH08 JJ01 KK01 2F065 AA30 BB24 CC22 DD03 DD04 FF51 GG04 JJ03 JJ26 LL12 LL21 LL30 LL34 LL37 QQ17 QQ28 QQ31 2G059 AA02 AA05 BB08 BB15 EE01 EE05 EE09 FF08 FF09 GG01 GG04 JJ11 JJ13 JJ19 JJ20 JJ22 JJ25 KK04 LL04 MM01 MM14 NN01 2G086 FF02

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検物の厚さ方向に延びる被検部位を透
   過する光の前記被検部位内における光路長を測定する光
   路長測定装置であって、 光源より射出された可干渉光を測定光と参照光とに分割
   して前記測定光を前記被検部位と前記被検物の主平面と
   の交点上に集光させ、前記被検部位を透過した前記測定
   光を前記被検物に至らせない前記参照光と干渉させて干
   渉縞を形成させる干渉光学系と、 前記干渉光学系において得られた前記干渉縞の位相分布
   に基づいて前記測定光の前記被検部位内における光路長
   を算出する光路長算出手段とを備えたことを特徴とする
   光路長測定装置。
2. 【請求項２】 被検物の厚さ方向に延びる被検部位を透
   過する光の前記被検部位内における光路長を測定する光
   路長測定方法であって、 光源より射出された可干渉光を測定光と参照光とに分割
   して前記測定光を前記被検部位と前記被検物の主平面と
   の交点上に集光させ、前記被検部位を透過した前記測定
   光を前記被検物に至らせない前記参照光と干渉させて得
   られた干渉縞の位相分布に基づいて前記測定光の前記被
   検部位内における光路長を求めることを特徴とする光路
   長測定方法。
3. 【請求項３】 被検物の厚さ方向に延びる被検部位の厚
   さ方向寸法を測定する厚さ測定装置であって、 光源より射出された可干渉光を測定光と参照光とに分割
   して前記測定光を前記被検部位における前記被検物の一
   面側でキャッツアイ反射させた後、前記被検部位におけ
   る前記被検物の他面側でキャッツアイ反射させ、前記被
   検物の他面側でキャッツアイ反射した前記測定光を前記
   被検物に至らせない前記参照光と干渉させて干渉縞を形
   成させる干渉光学系と、 前記干渉光学系において得られた前記干渉縞の位相分布
   に基づいて前記被検部位の厚さ方向寸法を算出する厚さ
   算出手段とを備えたことを特徴とする厚さ測定装置。
4. 【請求項４】 被検物の厚さ方向に延びる被検部位の厚
   さ方向寸法を測定する厚さ測定方法であって、 光源より射出された可干渉光を測定光と参照光とに分割
   して前記測定光を前記被検部位における前記被検物の一
   面側でキャッツアイ反射させた後、前記被検部位におけ
   る前記被検物の他面側でキャッツアイ反射させ、前記被
   検物の他面側でキャッツアイ反射した前記測定光を前記
   被検物に至らせない前記参照光と干渉させて得られた干
   渉縞の位相分布に基づいて前記被検部位の厚さ方向寸法
   を求めることを特徴とする厚さ測定方法。
5. 【請求項５】 請求項１記載の光路長測定装置と、 請求項３記載の厚さ測定装置とを備え、 被検物の厚さ方向に延びる複数箇所の被検部位について
   の光路長データを前記光路長測定装置により求めるとと
   もに、前記複数箇所の被検部位についての厚さデータを
   前記厚さ測定装置により求め、このようにして得られた
   前記複数箇所の被検部位についての光路長データ及び厚
   さデータを用いて前記被検物の屈折率分布の傾斜成分を
   求める構成になっていることを特徴とする屈折率分布傾
   斜成分測定装置。
6. 【請求項６】 被検物の厚さ方向に延びる複数箇所の被
   検部位についての光路長データを請求項２記載の前記光
   路長測定方法を用いて求めるとともに、前記複数箇所の
   被検部位についての厚さデータを請求項４記載の厚さ測
   定方法を用いて求め、このようにして得られた前記複数
   箇所の被検部位についての光路長データ及び厚さデータ
   を用いて前記被検物の屈折率分布の傾斜成分を求めるこ
   とを特徴とする屈折率分布傾斜成分測定方法。