JP2008107144A - 屈折率分布測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定装置として大型化することなく、また測定が短時間で可能であって、測定対象物の三次元的な屈折率分布を定量的に求めることが可能な屈折率分布測定装置を提供する。
【解決手段】コヒーレンスの高い複数の光源を平面上に配して成る複数点光源、被検光路と参照光路、及び二次元イメージセンサー２８１を有する干渉計光学系を有し、前記被検光路には、測定対象物９をマッチング液１１と共に内包する容器８が配設され、前記測定対象物９が前記被検光路の光軸６に沿って移動可能とされ、前記干渉計光学系において、前記複数点光源が、前記容器８内に結像され、更に、前記容器８内に生成された複数点光源像が前記二次元イメージセンサー２８１近傍に結像されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズやプリズムなどの光透過性光学素子の屈折率分布を３次元的に測定する測定装置および測定方法に関するものである。

レンズやプリズムなどの光透過性光学素子においては、その内部に屈折率の不均一性があると、通過する光の波面が擾乱を受け、これらレンズやプリズムを用いた光学系が所望の性能を得られないことがある。特に、プラスティックやガラスを材料として成型によってレンズやプリズムなどを作る場合は、高温状態で成形し、これを常温に戻す工程が入るため、大きな屈折率の不均一性が生じ易い。この問題を解決するためにはまず、製作したこれら光学素子の屈折率の不均一性、換言すれば屈折率分布を測定する必要がある。

レンズやプリズムなどの光透過性光学素子の屈折率分布を測定する方法として、従来、以下の文献に示されているような方法が知られている。
特開２０００−１９３５５３号公報 特開２００３−９８０４０号公報 特開平８−１２２２１０号公報 特表２００４−５２０５９９号公報 特許文献１では、測定対象レンズに２つの可干渉光束を、測定対象レンズの光入射面の反対面の見かけの曲率中心で交差するよう入射せしめ、この反対面から反射する２光束の干渉縞を、測定対象レンズをその光軸の周りに回転させつつ観測することで、測定対象レンズ全周について光路長差が求まり、これより屈折率分布が計算される。 特許文献２では、まず測定対象レンズの形状を測定し、この形状データに基づいて光線追跡シミュレーションを行い、該測定対象レンズを透過した光の波面を計算する。次に、該測定対象レンズを透過した光と参照光を干渉させて、その干渉縞から該測定対象レンズを透過した光の波面を計算する。そして、光線追跡シミュレーションから求めた波面と干渉縞から求めた波面の差が、測定対象レンズの内部不均一に依るとみなして屈折率分布を求める。 特許文献３では、まず測定装置構成として、測定対象物をその平均屈折率に近い屈折率を有する試液（マッチング液）に浸漬し、この測定対象物および試液を透過した光を物体光とし、これと参照光を干渉させて、その干渉縞を検出器で検出するようにする。また、測定対象物を所定の軸の周りに回転できる機構を備えている。測定データは、測定対象物の複数の回転位置について干渉縞として取得され、この干渉縞から透過物体光の波面が求められる。そして、このようにして求まった測定対象物の複数の回転位置についての波面データから、ＣＴ（コンピュータートモグラフィー）の原理に基づき、測定対象物の３次元的屈折率分布が計算される。 特許文献４では、先ず、干渉計例えばフィゾー干渉計内に平行平板状の測定対象物を干渉計光軸（Ｚ軸）に垂直に配置して、参照面と測定対象物の第１面の間の干渉測定、参照面と測定対象物の第２面の間の干渉測定、参照面と反射鏡の間の干渉測定、及び測定対象物を除いた参照面と反射鏡の間の干渉測定をそれぞれ行い、計算処理によって、２次元的な屈折率分布を求める。次に、干渉計内にＺ軸に垂直に配置した測定対象物をＸ軸の周りに＋４５度回転して参照面と反射鏡の間の干渉測定を行う。次に同様に、−４５度回転して干渉測定を行う。更に同様にＹ軸の周りに＋４５度、及び−４５度回転してそれぞれ干渉測定を行う。そこで、先に求めた２次元的な屈折率分布の結果、及びこれら測定対象物を回転配置して得られた測定結果から計算処理によって３次元的な屈折率分布を求める。

しかしながら、特許文献１の構成では、測定できるのは、測定対象レンズの二次元的な屈折率分布であって、三次元的な屈折率分布を見ることはできない。また、測定対象レンズの全面について測定するためには、測定対象レンズを回転させるとともに、二光束の間隔を変えて多数の半径について測定する必要があるため測定に時間がかかる。また、測定対象レンズの面形状の誤差の影響を受け易い。

また、特許文献２の構成では、測定対象レンズを固定したままで測定が可能である。しかし別途、測定対象レンズの形状を測定し、さらにそれに基づいた光線追跡シミュレーションを行うことが必要になり、結局、最終的に屈折率分布を求めるまでに時間と労力がかかってしまう。更に、上記文献１同様、三次元的な屈折率分布を見ることができない。

また、特許文献３の構成では、測定対象物の三次元的な屈折率分布を定量的に測定することが可能である。しかし、測定対象物をマッチング液の中で所定の軸の周りに回転させる機構が必要であるから、測定装置として大型化し、よって高価格化を招く。また、対象物を所定の軸の周りに回転させて、多数の回転位置でデータを取る必要があるので、測定に時間がかかる。

また、特許文献４の構成では、測定対象物の三次元的な屈折率分布を定量的に測定することが可能である。しかし、測定対象物が平行平板状のものに限られるので、所定の形状を持つ成型レンズなどについては測定できない。また、測定対象物を配置しない状態、光軸（Ｚ軸）に垂直に配置した状態、Ｘ軸、Ｙ軸の周りにそれぞれ±４５度回転配置した状態でそれぞれ干渉測定を行う必要があるので測定に時間がかかる。

そこで本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであり、測定装置として大型化することなく、また測定が短時間で可能であって、測定対象物の三次元的な屈折率分布を定量的に求めることが可能な屈折率分布の測定装置及び測定方法を提供することをその主たる課題としたものである。

すなわち、本発明に係る屈折率分布測定装置は、コヒーレンスの高い複数の光源を平面上に配して成る複数点光源、被検光路と参照光路、及び二次元イメージセンサーを有する干渉計光学系を有し、前記被検光路には、測定対象物をマッチング液と共に内包する容器が配設され、前記測定対象物が前記被検光路の光軸に沿って移動可能とされ、前記干渉計光学系において、前記複数点光源が、前記容器内に結像され、更に、前記容器内に生成された複数点光源像が前記二次元イメージセンサー近傍に結像されることを特徴とする。

ここで、」コヒーレンスの高い光源」の具体例としては、例えば、レーザのように“高コヒーレント光”を放射する光源が挙げられる。

また、」マッチング液」とは、測定対象物とほぼ同一の屈折率を有するものを言い、ジェルのように水よりも粘度の大きいものを用いることもできる。

また、」複数点光源像が二次元イメージセンサー近傍に結像される」とは、二次元イメージセンサー上に結像されることを含む。

このようなものによれば、複数点光源からの光を、被検光と参照光とに分離し、そのうち被検光を容器内の仮想面（測定対象物を横断する一横断面）上の複数点でそれぞれ結像させたのち、二次元イメージセンサー近傍で前記参照光と干渉させ、それらの光路差に応じた明暗状態を有する複数のスポット状の干渉縞を生成させるようにしているため、この干渉縞から、前記仮想面における測定対象物の屈折率の値及び屈折率分布を求めることができる。そして、測定対象物を被検光路の光軸に沿って移動可能としているため、測定対象物を被検光路の光軸に沿って移動させれば、仮想面が測定対象物を横断する位置を変えることができ、その変えた位置（測定対象物を横断する他の横断面）における測定対象物の屈折率の値及び屈折率分布を求めることができる。

このように測定対象物を被検光路の光軸に沿って移動させるのは、例えばスライド機構により実現でき、しかも特許文献１、３のように所定軸の回りに回転させる機構や３次元方向全てに対する位置精度も特に要求されないため、装置の大型化を招くことも無い。そして、特許文献１のように、測定対象物の外側を保持したまま回転させることによる面形状の誤差の影響が、屈折率分布の測定結果に表れることを好適に防止できる。

容器内の仮想面上に結像される複数点光源像の全部を、測定対象物を横断しない位置（すなわちマッチング液の位置）に結像させると、これを屈折率分布がない基準面とできるため、光学系全体に起因する位相誤差を補正でき、精度の良い測定に資する。

さらに、特許文献４のように測定可能な形状が平行平板状のものに限られるといった特段の制限は無い。

本発明によれば、特許文献２のように、屈折率分布を求めるのに、測定対象レンズの形状を測定しさらにそれに基づいた光線追跡シミュレーションを行う必要もない。

すなわち、測定装置として大型化することなく、また測定が短時間で可能であって、測定対象物の三次元的な屈折率分布を定量的に精度良く求めることが可能な屈折率分布測定装置を提供することができる。

本発明の望ましい態様としては、前記複数点光源に対する、前記二次元イメージセンサー近傍に結像される複数点光源像の倍率と相等の倍率で、前記複数点光源が前記参照光路を経由して、前記二次元イメージセンサー近傍に結像されるように構成しているものが挙げられる。

本発明の他の屈折率分布測定装置の望ましい態様としては、コヒーレンスの高い複数の光源を平面上に配して成る複数点光源、被検光路と参照光路、及び二次元イメージセンサー有する干渉計光学系を有し、更に、該干渉計光学系は、該二次元イメージセンサー近傍に多点ピンホール開口板を有し、前記被検光路には、測定対象物をマッチング液と共に内包する容器が配設され、前記測定対象物が前記被検光路の光軸に沿って移動可能とされ、前記干渉計光学系において、前記複数点光源が、前記容器内に結像され、更に、前記容器内に生成された複数点光源像が前記多点ピンホール開口板近傍に結像されるようにしたものが挙げられる。

このようなものによれば、上述した屈折率分布測定装置が奏する効果に加え、多点ピンホール開口板によって、干渉計光学系に起因する収差、迷光を低減でき、干渉縞のより正確な位相測定が可能となり、より精度の高い屈折率分布測定が可能になる。

ところで、複数点光源の望ましい態様としては、例えば、コヒーレンスの高い一次光源から発せられた光ビームの入射を受け、各点が実質的に点光源とみなせる二次光源を生成する複数点二次光源生成部を具備し、該複数点光源が、この複数点二次光源生成部により生成される二次光源としたものが挙げられる。ここで、複数点二次光源生成部の具体的態様としては、レンズアレイとこの後段に配した複数のピンホールを有する多点ピンホール開口板とを具備して成るものが挙げられる。

各光路から来る光の干渉によって生じるスポット状の干渉縞に位相シフトを加え、各干渉縞スポットの位相を精度よく求められるようにするには、前記参照光路上に位相シフト機構が配されていることが好ましい。

このように本発明によれば、複数点光源を採用するとともに、レンズ等の測定対象物を被検光路の光軸に沿って移動させる構成としたため、従来の回転機構の不要化等に伴う構成簡単化や測定時間の短縮化、あるいは、屈折率測定の高精度化、省力化等を図ることができる。

＜第１実施形態＞

以下、本発明の一実施形態について、図１、図２を参照しつつ説明する。

図１は、本発明に基づく屈折率分布測定装置Ａの全体構成を示す。１はコヒーレンスの高い光源（本発明の「一次光源」に相当）、例えばレーザーである。光源１から発せられる光は、実効的に単色とみなし得る光で、その波長λは、測定対象物が実使用される際に用いられる波長、もしくはそれに近い波長であることが望ましい。測定対象物がある波長帯域、例えば白色光に対して用いられる場合は、その波長帯域内の一つの波長とする。

２は、光源１から発せられた光ビームの光束径を所定の光束径に拡大するビームエキスパンダーである。図１ではビームエキスパンダー２は、凸レンズ群２０１と凸レンズ群２０２の組み合わせとして示しているが、凹レンズ群と凸レンズ群の組み合わせで構成することもできる。

３は多点二次光源生成部（本発明の「複数点二次光源生成部」に相当）で、レンズアレイ３０１と多点ピンホール開口板３０２とを含む。レンズアレイ３０１は同一特性の要素レンズ３０１１が二次元的に多数配列されたものであって、個別の要素レンズを組み合わせて一体的に保持したものとしてもよいし、初めからレンズアレイとして一体的に製作されたものでもよい。多点ピンホール開口板３０２は、平板状のものであり、所定の直径を有する多数のピンホール３０２１が、レンズアレイ３０１の個々の要素レンズ３０１１の後側焦点位置に配設されている。ピンホール３０２１の直径は、要素レンズ３０１１の開口数（ＮＡ）と波長から決まるエアリーディスクの直径と同程度から１０倍程度の範囲内に設定するのが望ましい。レンズアレイ３０１と多点ピンホール開口板３０２は一体的に係止される。

４は、所定の焦点距離ｆ１（＞０）を有する第１のレンズであって、その前側焦平面が多点ピンホール開口板３０２の位置と一致するよう配設される。図１では第１のレンズ４は１枚のレンズ素子からなるように示しているが、一般的には必要な収差補正のため複数のレンズ素子より構成される。これは以下に記述するレンズにおいても同様である。

５は、所定の分岐比で、例えば透過約５０％、反射約５０％で入射光を分岐する第１のビームスプリッターである。図１では第１のビームスプリッター５は分岐面のみを示しているが、所定の厚さを有する透明性平行平板の一面に、ビーム分岐のための薄膜を具備したものでもよいし、２つのプリズム接合面にビーム分岐のための薄膜を具備したいわゆるキューブ型のものであってもよい。第１のビームスプリッター５はその分岐面が光軸６に対して約４５度の角度となるよう配設される。

７は、所定の焦点距離ｆ２（＞０）を有する第２のレンズである。

８は、測定対象物９を内包する容器である。測定対象物９は、係止部材１０により容器８の中で所定位置に係止される。容器８は、窓８１、窓８２を有する。窓８１、及び窓８２には、光源１が発する光の波長に対し透明であって、しかも均質性の十分高い部材、例えば高均質光学ガラスが材料として用いられる。更に窓８１、及び窓８２は、その両面が高い平面性を有する平面とされる。容器８と測定対象物９の空隙には、測定対象物９の平均屈折率に近い屈折率を有するマッチング液１１が充填される。マッチング液１１はまた、光源１が発する光の波長に対し透明である。

１２は、測定対象物９を内包する容器７の全体的な温度の均一化、及び外部温度変化の補償を行う温度調節器である。但し、本測定装置全体が良好に温度調節された環境に置かれる場合などは、温度調節器１２はなくともよい。

１３は、容器８全体を、温度調節器１２がある場合はこれも含め、光軸６の方向に沿って移動させる移動機構である。移動機構１３はドライバー１４を介して、コンピューター１５により制御される。また、移動機構１３は、容器８の位置調整を行う機構１３１を有する。尚、容器８は移動機構１３に対して容易に着脱できる機構を有するのが望ましい。

１６は、所定の焦点距離ｆ３（＞０）を有する第３のレンズである。

１７は、第１の反射鏡であって、高い反射率と高い平面性を備えた反射面１７１を有する。第１の反射鏡１７は、反射面１７１が光軸６に対して約４５度の角度となるよう配設される。

１８は、所定の焦点距離ｆ４（＞０）を有する第４のレンズである。

１９は第２の反射鏡であって、高い反射率と高い平面性を備えた反射面１９１を有する。第２の反射鏡１９は、反射面１９１が光軸２０に対して約４５度の角度となるよう配設される。第２の反射鏡１９には、例えばピエゾ素子を用いた位相シフト機構である微小変位装置２１が装着されており、反射面１９１の垂直方向に第２の反射鏡１９を微小量変位させることができる。微小変位装置２１は、駆動器２２を介して、コンピューター１４によって制御される。

２３は所定の焦点距離ｆ５（＞０）を有する第５のレンズである。

２４は、所定の分岐比、例えば透過約５０％、反射約５０％を有する第２のビームスプリッターである。図１では第２のビームスプリッター２４は分岐面のみを示しているが、所定の厚さを有する透明性平行平板の一面に、ビーム分岐のための薄膜を具備したものでもよいし、２つのプリズム接合面にビーム分岐のための薄膜を具備したいわゆるキューブ型のものであってもよい。第２のビームスプリッター２４はその分岐面が光軸２５、及び２６に対して約４５度の角度となるよう配設される。尚、第２のビームスプリッター２４は、名前に拘わらず、後述の通り光結合器として用いられる。

２７は、所定の焦点距離ｆ６（＞０）を有する第６のレンズである。

２８は、撮像装置であり、ＣＣＤ（電荷結合素子）などの二次元イメージセンサー２８１、駆動回路２８２を含む。図１では、撮像装置２８は光軸２５上に配置した状態で示しているが、光軸２６の延長上に配置してもよい。撮像装置２８はコンピューター１５に電気的に接続されている。

全体的に見ると、本装置の光学系の構成は、いわゆるマッハ・ツェンダー型干渉計と類似の構成となっていて、第１のビームスプリッター５から、測定対象物９を内包する容器８、第１の反射鏡１７を経て、第２のビームスプリッター２４に到る光路は被検光路であり、第１のビームスプリッター５から、第２の反射鏡１９を経て、第２のビームスプリッター２４に到る光路は参照光路である。

次に、上記のように構成した測定装置の動作について説明する。

光源１を発した光ビームは、ビームエキスパンダー２に入射し、光束径の拡大された平行光束２９として、従って平面波としてこれを射出する。平行光束２９は多点二次光源生成部３のレンズアレイ３０１に入射し、レンズアレイ３０１によって波面分割され、分割された各光束３０はレンズアレイ３０１の各要素レンズ３０１１の後側焦点に収束する。各要素レンズ３０１１の後側焦点には所定の直径を持つピンホールが開いているから、収束した各光束３０はエネルギーの大部分がここを通過するとともに、良好な波面形状を持った球面波３１として射出する。即ち、多点二次光源生成部３では、各ピンホール３０２１に実質的に点光源とみなせる二次光源がそれぞれ生成され、全体として多点二次光源（本発明の」複数点光源」に相当）となる。尚、図１では、各光束３０とこれに由来する以降の光束や波面は、分かりやすさのため、軸上のものと軸外の一つについてのみ示している。生成された各球面波３１は第１のレンズ４に入射し、平行光束３２となって第１のビームスプリッター５に入射する。

第１のビームスプリッター５に入射した平行光束３２は、第１のビームスプリッター５の分岐比に応じて、透過光と反射光に分岐される。

透過した平行光束３２１は第２のレンズ７に入射し、収束光束３３ｘとなって、測定対象物９が内部に係止された容器８に入射する。容器８に入射した収束光束３３ｘは各々、測定対象物９を横断するある仮想面３４上で、収束スポット３３１を形成する。これは、第１のレンズ４と第２のレンズ７の組み合わせで一つのレンズとみなしたとき、多点二次光源を仮想面３４上に結像していると見ることができる。尚、後述の通り、測定の手順の中で、仮想面３４が測定対象物９を横断しないこともある。また、仮想面３４が測定対象物９を横断する場合であっても、多数ある収束スポット３３１のうちのいくつかは、測定対象物９を外れている。

測定対象物９と仮想面３４の相対位置関係は移動機構１３を動作させることで変えることができる。但し、このとき、収束光束３３ｘはある屈折率をもったマッチング液１１と測定対象物９の中を進み、その通過距離は移動機構１３を動作させたとき変化するが、それに伴い収束光束３３ｘの収差状態、特に球面収差が変化するので、第２のレンズ７に収差補正機構を付与しておくのが望ましい。

測定対象物９内で収束した光束３３ｘは発散光束３３ｙとなって容器８を射出する。このとき、一般に光は通過した領域の屈折率に応じた位相変調を受けるのであるが、光束３３ｙの位相状態は光束の収束点近傍、即ち、仮想面近傍の屈折率の影響を最も強く受けている。

この後、光束３３ｙは第３のレンズ１６に入射して平行光束３５に変換される。平行光束３５は第１の反射鏡１７で反射され、第２のビームスプリッター２４に入射し、これを透過して第６のレンズ２７に入射する。第６のレンズ２７に入射した平行光束３５は収束光束３６となって、撮像装置２８の二次元イメージセンサー２８１の近傍に収束する。このことは、第３のレンズ１６と第６のレンズ２７の組み合わせで一つのレンズとみなしたとき、仮想面３４を二次元イメージセンサー２８１の近傍に結像していると見ることができる。尚、第２のレンズ７についてと同様の理由で第３のレンズ１６にも収差補正機構を付与しておくのが望ましい。

一方、第１のビームスプリッター５に入射した平行光束３２のうち、第１のビームスプリッター５で反射した平行光束３２２は、第４のレンズ１８に入射し、その射出光束３７は一旦収束した後発散光束となって、第２の反射鏡１９での反射を経て、第５のレンズ２３に入射する。尚、光束３７が収束する前に第２の反射鏡１９で反射を受ける構成であってもよい。光束３７は第５のレンズ２３によって平行光束３８に変換され、第２のビームスプリッター２４に入射し、ここで反射を受けて第６のレンズ２７に入射する。第６のレンズ２７に入射した平行光束３８は収束光束３９となって、撮像装置２８の二次元イメージセンサー２８１の近傍に収束する。このことは、第１のレンズ４、第４のレンズ１８、第５のレンズ２３、及び第６のレンズ２７の組み合わせで一つのレンズとみなしたとき、多点二次光源生成部３で生成される多点二次光源を二次元イメージセンサー２８１の近傍に結像していると見ることができる。

このとき、被検光路側のレンズ系の総合倍率と参照光路側のレンズ系の倍率を揃える構成とする。これは、第２から第５のレンズの焦点距離を概ね、ｆ２／ｆ３＝ｆ４／ｆ５に従って選べば実現できる。これによって、二次元イメージセンサー２８１上に収束光束３６が到達する位置とほぼ同じ位置に収束光束３９も到達する。

以上のように、多点二次光源生成部３の各二次点光源を発した光は、被検光路と参照光路とに分かれ、二次元イメージセンサー２８１上の一点近傍で重なるから、干渉によって光路差に応じた明暗状態が生じる。即ち、多数のスポット状の干渉縞４０が生成され、それを撮像装置２８によって観測することができる。尚この場合、干渉縞という表現を用いたが、各スポット４０内でいわゆる縞模様が形成されることを意味するものではない。

次に測定手順について、図２も参照しつつ説明する。図２は、容器８の近辺のみを示す。

容器８の中に測定対象物９を、係止部材１０を使って所定の位置に保持し、測定対象物９の平均屈折率に近い屈折率を有するマッチング液１１を容器８と測定対象物９の空隙に充填する。これを移動機構１３上に設置し、位置調整機構１３１を用いて、容器８の光軸１４に対する角度などを調整する。測定環境の温度が安定していない場合は、温度調節器１２を動作させる。尚、マッチング液１１の屈折率は別途測定しておく。但し、必ずしも高精度に測定する必要はない。

次に、移動機構１３を動作させて容器８を、仮想面３４が測定対象物９を外れた状態になる位置（３４ａ）まで移動させる。このとき、仮想面３４は、測定対象物９と窓８１の間に位置している。この状態を第一状態と呼ぶ。この状態で、撮像装置２８により、各干渉縞スポット４０の明暗状態を観察する。さらにこのとき、微小変位装置２１によって第２の反射鏡１９を微小量変位させ、参照光路側の光路長を波長以下の微小量だけ数回変化させる。これにより、各干渉縞スポット４０に位相シフトが加えられ、各干渉縞スポット４０の位相を精度よく求めることができる。これは一般に位相シフト法として知られている方法であるから、詳説は省略する。このように各干渉縞スポット４０の位相を求め、コンピューター１４に記憶させる。

次に、容器８を、仮想面３４が測定対象物９にわずかにかかる状態になる位置（３４ｂ）まで、左方に移動させる。この状態を第二の１番目の状態と呼ぶ。この状態で、第一状態におけるのと同様の方法で、各干渉縞スポット４０の位相を求め、コンピューター１４に記憶させる。

次に、更に容器８を所定量だけ、仮想面３４が測定対象物９にかかっている範囲内で、左方に移動させ（３４ｃ）、第一状態におけるのと同様の方法で、各干渉縞スポット４０の位相を求め、コンピューター１４に記憶させる。更に、仮想面３４が測定対象物９にかかっている範囲内で、同様の操作を繰り返す。このように仮想面３４が測定対象物９にかかっている各状態を、第二のｋ番目の状態と呼ぶ（ｋは整数）。

以上の手順で、各状態の各収束スポット３３１に対応する位相が求まったことになる。即ち、仮想面３４上の各収束スポット３３１の位置を（ｉ，ｊ）（ｉ，ｊは整数）とし、第１状態のｋを０とすると、各点（ｉ，ｊ，ｋ）に対応する位相が求まったことになる。この位相をφ（ｉ，ｊ，ｋ）と表す。また、第二のｋ番目の状態において、測定対象物９を外れた収束スポット３３１に対応する位相をφ（ｐ，ｑ，ｋ）と表す。

次に、位相φ（ｉ，ｊ，ｋ）、及び位相φ（ｐ，ｑ，ｋ）から測定対象物９の屈折率分布を求める手順について説明する。

先ず、以下の計算を行う。

Ψ（ｉ，ｊ，ｋ）＝φ（ｉ，ｊ，ｋ）―φ（ｉ，ｊ，０） ・・・（１）

Ψ（ｐ，ｑ，ｋ）＝φ（ｐ，ｑ，ｋ）―φ（ｐ，ｑ，０） ・・・（２）

これは、第一状態はマッチング液１１を見ているので、屈折率分布がなく基準面とおくことができるから、光学系全体に起因する位相誤差を補正することに相当する。

次に、測定対象物９内の各点（ｉ，ｊ，ｋ）の屈折率をｎ_ｓ（ｉ，ｊ，ｋ），マッチング液１１の屈折率をｎ_ｂ、収束スポット３３１の実効作用長をＬとし、以下の計算から求まる（５）式によって屈折率ｎ_ｓ（ｉ，ｊ，ｋ）を求める。尚、実効作用長は結像光学系における焦点深度（＝λ／ＮＡ²、ＮＡは光学系の開口数）に比例する量であり、その比例係数は実験的に求めるのが望ましいが、高精度な屈折率分布測定を求めない場合は１とおいてもよい。本実施形態では、結像光学系は、第１のレンズ４と第２のレンズ７の組み合わせで一つのレンズとみなしたものが相当する。

各点（ｉ，ｊ，ｋ）の屈折率と、マッチング液１１の屈折率の差を∠ｎ_ｓ（ｉ，ｊ，ｋ）とおくと、

ｎ_ｓ（ｉ，ｊ，ｋ）＝ｎ_ｂ+∠ｎ_ｓ（ｉ，ｊ，ｋ） ・・・（３）

一方、

（２π／λ）∠ｎ_ｓ（ｉ，ｊ，ｋ）Ｌ＝Ψ（ｉ，ｊ，ｋ）−Ψ（ｐ，ｑ，ｋ） ・・・（４）

と表せるから、

ｎ_ｓ（ｉ，ｊ，ｋ）＝ｎ_ｂ+｛１／（２πＬ／λ）｝｛Ψ（ｉ，ｊ，ｋ）−Ψ（ｐ，ｑ，ｋ）｝ ・・・（５）

このように本実施形態の屈折率分布測定装置Ａに依れば、測定対象物９内の多数の点について屈折率も求まるのであるが、実用的には屈折率の値より、屈折率分布が求まることに意味がある。

以上のように本実施形態にかかる屈折率分布測定装置Ａによれば、多点二次光源を生成する多点二次光源生成部３を設けるとともに、マッチング液１１とともに容器８内に内包させた測定対象物９を、被検光路の光軸に沿って移動可能と構成していることにより、被検光路を進んできた光と参照光路を進んできた光とを二次元イメージセンサー２８１近傍で干渉させて、多数のスポット状の干渉縞を生成でき、また、測定対象物９を被検光路の光軸６に沿って移動させれば、容器８内の仮想面３４上に結像される多点二次光源像の一部または全部を、測定対象物９を横断する位置や、その全部を、測定対象物９を横断しない位置に結像させることができる。

このように、測定対象物９を回転させることなくその測定対象物９の三次元的な屈折率分布を精度良く測定することができる。また、測定対象物９の形状に特段の制限もない。そして、屈折率分布を求めるのに、事前の形状測定やそれに基づく光線追跡シミュレーションが不要であり、屈折率分布を求めるのに短時間で且つ省労力で行える。

すなわち、測定装置として大型化することなく、また測定が短時間で可能であって、測定対象物９の三次元的な屈折率分布を定量的に精度良く求めることが可能な屈折率分布測定装置Aを提供することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではなく、例えば、以下の実施形態に示すような種々の変形例がありうる。

＜第２実施形態＞

なお、前述の実施形態と同様のものについては同様の符号を付すとともに説明を省略し、異なるものについてのみを説明する。

上記測定手順においては、測定対象物９を入れた容器８の設置・調整後、移動機構１３を動作させて容器８を、仮想面３４が測定対象物９の左側に外れた状態になる位置（３４ａ）まで移動させ、位相測定を行いつつ順次左方に移動させたが、測定対象物９を入れた容器８の設置・調整後、移動機構１３を動作させて容器８を、仮想面３４が測定対象物９の右側に外れた状態になる位置（３４ｘ）まで移動させ、位相測定を行いつつ順次右方に移動させてもよい。屈折率ｎ_ｓ（ｉ，ｊ，ｋ）を求める計算手順は同様である。これによれば、第１実施形態と同様の効果を得られる。

＜第３実施形態＞

なお、前述の実施形態と同様のものについては同様の符号を付すとともに説明を省略し、異なるものについてのみを説明する。

本発明によれば、測定対象物９の、空間的に離散的な位置（ｉ，ｊ，ｋ）における屈折率が求まる。光軸６をＺ軸、これに垂直な面内の互いに垂直な２軸をＸ軸、Ｙ軸とすると、測定の空間分解能は、Ｚ方向は容器８の移動ステップ距離で決まり、ＸＹ方向は多点二次光源生成部３のレンズアレイ３０１の隣接する要素レンズ３０１１間の距離に依存する。個々の要素レンズ３０１１を小さくし、その数を増せばＸＹ方向の空間分解能は高まるが、個々の二次光源が暗くなり、撮像装置２８によって観測される干渉スポットのＳ／Ｎ比（信号対雑音比）が悪化する。そこで、多点二次光源生成部３にＸＹ移動機構３０３を付加し、多点二次光源生成部３のＸＹ方向への移動を可能とする。そして、容器８がＺ方向のある位置にある状態で、多点二次光源生成部３をＸＹ方向に、隣接する要素レンズ３０１１間の距離の１／２以下のステップで順次移動させ、上記同様に位相測定を行う。これによれば、測定に要する時間は増すが、要素レンズ３０１１の数を増やすことなく、実効的に多点二次光源の間隔が狭くなったことになるので、ＸＹ方向の空間分解能を向上させることができる。

＜第４実施形態＞

なお、前述の実施形態と同様のものについては同様の符号を付すとともに説明を省略し、異なるものについてのみを説明する。

上記測定手順においては、測定対象物９を入れた容器８の設置・調整後、移動機構１３を動作させて容器８を、左方、または右方に順次移動させ位相測定を行った。この際、上記説明の通り、収束光束３３ｘはある屈折率をもったマッチング液１１と測定対象物９の中を進み、その通過距離は移動機構１３を動作させたとき変化し、それに伴い収束光束３３ｘの収差状態、特に球面収差が変化するので、第２のレンズ７、更には第３のレンズ１６にも収差補正機構を付与しておくのが望ましい。しかし、容器８を順次移動させる毎に、第２のレンズ７、第３のレンズ１６の収差補正機構を動作させる必要がある。そこで、容器８は移動させず、測定対象物９を係止する係止部材１０に移動機構を付加し、容器８内で測定対象物９をＺ方向に移動可能とする。これによれば、測定対象物９を移動させても収束光束３３ｘの収差状態はほとんど変化しないので、第２のレンズ７、第３のレンズ１６に収差補正機構を持たせる必要がなくなる。

＜第５実施形態＞

なお、前述の実施形態と同様のものについては同様の符号を付すとともに説明を省略し、異なるものについてのみを説明する。

図３も参照しつつ説明する。図３は、二次元イメージセンサー２８１の近辺のみを示す。

本実施形態の上記説明による構成では、収束光束３６および収束光束３９は二次元イメージセンサー２８１近傍で収束する構成とした。本実施形態では、図３に示す如く、収束光束３６および収束光束３９の収束点近傍に第２の多点ピンホール開口板２８３が配設され、二次元イメージセンサー２８１は多点ピンホール開口板２８３と僅かの間隙をおいて配置される。第２の多点ピンホール開口板２８３は、収束光束３６または収束光束３９の収束点のおのおのに対応する位置に所定の直径を有するピンホールを有する。これらピンホールの直径は、第６のレンズ２７の有効開口数（ＮＡ）と波長から決まるエアリーディスクの直径と同程度から１０倍程度の範囲内に設定するのが望ましい。また、二次元イメージセンサー２８１はより感度の高いものとするのが望ましい。

このような構成によれば、各収束光束３６およびそれに対応する収束光束３９は、第２の多点ピンホール開口板２８３のあるピンホールを通過する際、光エネルギーの一部は失われるが、本装置の光学系に起因する収差、迷光が低減され、干渉縞のより正確な位相測定が可能となり、以って、より精度の高い屈折率分布測定が可能になる。

＜第６実施形態＞

なお、前述の実施形態と同様のものについては同様の符号を付すとともに説明を省略し、異なるものについてのみを説明する。

上記測定手順においては、光学系全体に起因する位相誤差を補正するため第一状態を基準として用いた。

本実施形態では、容器８がマッチング液１１は内包しつつも測定対象物９を内包しない状態で同様の位相測定を行う手順を更に合み、これにより求まる各点（ｉ，ｊ，ｋ）及び（ｐ，ｑ，ｋ）の位相φｏ（ｉ，ｊ，ｋ）、φｏ（ｐ，ｑ，ｋ）を基準として用いる。測定対象物９内の各点（ｉ，ｊ，ｋ）の屈折率をｎ_ｓ（ｉ，ｊ，ｋ）を求める計算手順では、上記（１）、（２）式において、φ（ｉ，ｊ，０）、φ（ｐ，ｑ，０）の代わりにそれぞれφｏ（ｉ，ｊ，ｋ）、φｏ（ｐ，ｑ，ｋ）を用いる。

このような測定方法によれば、測定容器８の順次移動に伴う収束光束３３ｘの収差状態に起因する位相誤差も含め、その補正が行えるので、より正確な屈折率分布の測定が可能になる。また、第２のレンズ７、第３のレンズ１６に収差補正機構を持たせる必要がなくなる。

また、第１〜第６実施形態では、多点光源を、多点二次光源生成部により生成される二次光源としているが、これに限られるものでなく、例えば、複数のレーザ光源を平面状に配した光源を用いることもできる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態に係る屈折率分布測定装置を模式的に示す全体構成図。 同実施形態における容器に保持させた測定対象物の測定方法を説明するための図。 本発明の他の実施形態における二次元イメージセンサー近傍を拡大して示す図。

符号の説明

Ａ・・・・・屈折率分布測定装置
１・・・・・光源（一次光源）
３・・・・・多点二次光源生成部（複数点二次光源生成部）
６・・・・・被検光路の光軸
８・・・・・容器
９・・・・・測定対象物
１１・・・・マッチング液
２１・・・・位相シフト機構（微小変位装置）
２８１・・・二次元イメージセンサー
２８３・・・多点ピンホール開口板（第２の多点ピンホール開口板）

Claims (9)

1. コヒーレンスの高い複数の光源を平面上に配して成る複数点光源、被検光路と参照光路、及び二次元イメージセンサーを有する干渉計光学系を有し、
   前記被検光路には、測定対象物をマッチング液と共に内包する容器が配設され、前記測定対象物が前記被検光路の光軸に沿って移動可能とされ、前記干渉計光学系において、前記複数点光源が、前記容器内に結像され、更に、前記容器内に生成された複数点光源像が前記二次元イメージセンサー近傍に結像されることを特徴とする屈折率分布測定装置。
2. 前記複数点光源に対する、前記二次元イメージセンサー近傍に結像される複数点光源像の倍率と相等の倍率で、前記複数点光源が前記参照光路を経由して、前記二次元イメージセンサー近傍に結像されることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布測定装置。
3. コヒーレンスの高い複数の光源を平面上に配して成る複数点光源、被検光路と参照光路、及び二次元イメージセンサー有する干渉計光学系を有し、更に、該干渉計光学系は、該二次元イメージセンサー近傍に多点ピンホール開口板を有し、
   前記被検光路には、測定対象物をマッチング液と共に内包する容器が配設され、前記測定対象物が前記被検光路の光軸に沿って移動可能とされ、前記干渉計光学系において、前記複数点光源が、前記容器内に結像され、更に、前記容器内に生成された複数点光源像が前記多点ピンホール開口板近傍に結像されることを特徴とする屈折率分布測定装置。
4. 前記複数点光源に対する、前記二次元イメージセンサー近傍に結像される複数点光源像の倍率と相等の倍率で、前記複数点光源が前記参照光路を経由して、前記多点ピンホール開口板近傍に結像されることを特徴とする請求項３記載の屈折率分布測定装置。
5. コヒーレンスの高い一次光源から発せられた光ビームの入射を受け、各点が実質的に点光源とみなせる二次光源を生成する複数点二次光源生成部を具備し、
   前記複数点光源が、この複数点二次光源生成部により生成される二次光源であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の屈折率分布測定装置。
6. 前記参照光路上に位相シフト機構が配されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載の屈折率分布測定装置。
7. 請求項１乃至６いずれか記載の屈折率分布測定装置を用いて測定対象物の屈折率分布を測定することを特徴とする屈折率分布測定方法。
8. 前記測定対象物が前記被検光路の前記光軸に沿って順次移動され、このとき、前記複数点光源が結像される前記容器内の仮想面が、前記測定対象物を横断する前記光軸方向に関する複数の位置、更に前記測定対象物を横断しない少なくとも一つの位置を取り、これらの位置において順次干渉縞スポットの位相測定がなされることを特徴とする請求項７記載の屈折率分布測定方法。
9. 前記測定対象物を内包する前記容器が前記被検光路の前記光軸に沿って順次移動され、このとき、前記複数点光源が結像される前記容器内の仮想面が、少なくとも前記測定対象物を横断する前記光軸方向に関する複数の位置を取り、これらの位置において順次干渉縞スポットの位相測定がなされる手順、前記容器が前記マッチング液を内包し、かつ前記測定対象物を内包しない状態で、前記手順において位相測定がなされる前記光軸方向に関する複数の位置において順次干渉縞スポットの位相測定がなされる手順、を含むことを特徴とする請求項７記載の屈折率分布測定方法。