JP2011117897A - 屈折率分布の計測方法および計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高屈折率の被検物を低屈折率の媒質に浸して被検物の内部屈折率分布を高精度に計測する。
【解決手段】計測方法は、被検物１２０の屈折率よりも低い第１の屈折率を有する第１の媒質中で被検物に参照光を入射させて被検物の第１の透過波面を計測する。被検物の屈折率よりも低く、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質中で被検物に参照光を入射させて被検物の第２の透過波面を計測する。第１、第２の媒質中にて被検物の配置位置を計測する。第１および第２の透過波面の計測結果を用いて被検物の内部屈折率分布を算出する。内部屈折率分布を算出する際、第１、第２の透過波面の計測結果と、被検物と同一形状および特定の内部屈折率分布を有する基準被検物が、計測された第１、第２の媒質中での被検物の配置位置と同一位置に配置されているときの透過波面とを用いて被検物の形状成分を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子等の被検物の屈折率分布を測定する方法および装置に関する。

デジタルカメラやレーザービームプリンタ等の光学機器に用いられるレンズ等の光学素子には、高い屈折率が求められている。また、高屈折率の光学ガラスやプラスチック材料でも、モールド成形技術を用いることで、非球面等の複雑な形状も容易に製作することができる。
ただし、モールド成形では、成形条件によって、光学素子の内部に屈折率の不均一が生じることがある。このような内部屈折率の不均一は、光学素子の光学特性に大きな影響を及ぼし、所望の光学特性を得られなくするおそれがある。このため、高屈折率を有する光学素子の内部の光学的均質性を高精度に計測することが求められている。
光学的均質性の測定法としては、一般に干渉測定法が知られている。干渉測定法によれば、被検物（光学素子）を高精度に加工して、その透過波面を計測することで、内部屈折率分布を計測することが可能である。また、被検物をガラスプレートに挟み、その間に注入した被検物とほぼ等しい屈折率を有するオイルに被検物を浸すことで、該被検物の面精度誤差を低減させる方法も提案されている。

特許文献１には、被検物を該被検物とほぼ等しい屈折率を有する媒質（マッチングオイル）に浸して透過波面を計測することで、該被検物の光学的性質を求める方法が開示されている。この方法によれば、被検物を高精度に加工することなく該被検物の内部屈折率分布を求めることができる。

また、特許文献２にて開示された計測方法では、被検物を、該被検物とほぼ等しい屈折率を有する第１のマッチングオイルに浸して透過波面を計測する。さらに、該被検物をこれとはわずかに異なる屈折率を有する第２のマッチングオイルに浸して透過波面を計測する。そして、第１のマッチングオイルによる計測結果と第２のマッチングオイルによる計測結果とから、被検物の形状と屈折率分布を求める。

第２のマッチングオイルによる計測では、検出器に、屈折率分布と被検物の形状の影響が干渉縞となって現れる。このため、第２のマッチングオイルの屈折率は、干渉縞が密になりすぎない範囲で被検物とわずかに異なっている必要がある。

特開平０１−３１６６２７号公報 特開平０２−００８７２６号公報

特許文献１，２にて開示された計測方法では、被検物の屈折率とほぼ等しい屈折率を有するマッチングオイルが必要である。しかしながら、屈折率が高いマッチングオイルは、透過率が低い。このため、特許文献１，２にて開示された計測方法により高屈折率の被検物の透過波面を計測すると、検出器からは小さな信号しか得られず、計測精度が低くなる。
本発明は、高屈折率の被検物を低屈折率の媒質に浸す場合でも、被検物の内部屈折率分布を高精度に計測できる計測方法および計測装置を提供する。

本発明の一側面としての屈折率分布計測方法は、被検物の屈折率よりも低い第１の屈折率を有する第１の媒質中に該被検物を配置し、該被検物に参照光を入射させて該被検物の第１の透過波面を計測する第１の計測ステップと、被検物の屈折率よりも低く、かつ第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質中に該被検物を配置し、該被検物に上記参照光を入射させて該被検物の第２の透過波面を計測する第２の計測ステップと、第１および第２の媒質中において被検物が配置された位置を計測する位置計測ステップと、第１および第２の透過波面の計測結果を用いて被検物の内部屈折率分布を算出する算出ステップとを有する。そして、算出ステップにおいて、第１および第２の透過波面の計測結果と、被検物と同一形状および特定の内部屈折率分布を有する基準被検物が位置計測ステップにて計測された第１および前記第２の媒質中のそれぞれにおける被検物の配置位置と同一位置に配置されているときの透過波面とを用いて、被検物の形状成分を除去することを特徴とする。
なお、光学素子をモールド成形する成形ステップと、該光学素子を評価する評価ステップとを有し、評価ステップにおいて、上記計測方法を用いて光学素子の内部屈折率分布を計測する光学素子の製造方法も本発明の他の一側面を構成する。

また、本発明のさらに他の一側面としての屈折率分布計測装置は、被検物の屈折率よりも低い第１の屈折率を有する第１の媒質中に被検物を配置し、該被検物に参照光を入射させて該被検物の第１の透過波面を計測する第１の計測、および該被検物の屈折率よりも低く、かつ第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質中に該被検物を配置し、該被検物に上記参照光を入射させて該被検物の第２の透過波面を計測する第２の計測を行う透過波面計測部と、第１および第２の媒質中において被検物が配置された位置を計測する位置計測部と、第１および第２の透過波面の計測結果を用いて被検物の内部屈折率分布を算出する算出部とを有する。そして、算出部は、第１および第２の透過波面の計測結果と、被検物と同一形状および特定の内部屈折率分布を有する基準被検物が位置計測ステップにて計測された第１および第２の媒質中のそれぞれにおける被検物の配置位置と同一位置に配置されているときの透過波面とを用いて、被検物の形状成分を除去することを特徴とする。

本発明によれば、高い屈折率の被検物をそれよりも低い屈折率を有する媒質に浸して該被検物の内部屈折率分布を高い精度で計測することができる。また、透過波面を計測する際に被検物を媒質中にて高い精度で位置決めする必要をなくすることができる。

本発明の実施例１である屈折率分布計測装置の概略構成を示す図。 実施例１における内部屈折率分布の算出手順を示すフローチャート。 実施例１のステップＳ２０７の構成を示す図。 実施例１の計測装置内での光路を示す図。 実施例２における内部屈折率分布の算出手順を示すフローチャート 本発明の実施例３である計測装置の概念図。 実施例３で用いられるシャックハルトマンセンサの概略図。 本実施例を用いた光学素子の製造工程を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本実施例では、被検物を２種類の媒質（空気と水）に浸してそれぞれ透過波面の計測を行い、被検物の内部屈折率分布を求める屈折率分布計測方法について説明する。
図１（ａ）には、被検物を空気中（第１の媒質中）で計測する際のＴａｌｂｏｔ干渉計（屈折率分布計測装置）の概略構成を示している。レンズ等の光学素子である被検物１２０は、液槽１２１内に配置され、空気に浸されている。空気の屈折率（第１の屈折率）は、被検物１２０の屈折率よりも０．０１以上低いものとする。
レーザ光源（例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ）１００から射出されたレーザ光１０１は、ピンホール（光学部材）１１０を通過する際に回折される。ピンホール１１０により回折された回折光としての参照光１０２は、液槽１２１内の空気の中を通り、ピンホール１１０を物体面とする被検物１２０に入射してこれを透過する。ピンホール１１０の直径φは、参照光１０２を理想球面波と見なせる程度に小さく、物体側の開口ＮＡＯとレーザ光源１００の波長λとを用いて、以下の式（１）を満たすように設計されている。

例えば、λが６００ｎｍであり、ＮＡＯが０．３程度である場合は、ピンホール１１０の直径φは２μｍ程度でよい。
被検物１２０および液槽１２１内の空気を透過したレーザ光は、２次元回折格子である直交回折格子１３０を通り、検出器であるＣＣＤ１４０によって撮像（計測）される。
被検物１２０の像側ＮＡが小さい場合、回折格子１３０とＣＣＤ１４０間の距離Ｚが、以下の式（２）で示されるＴａｌｂｏｔ条件を満たすと、ＣＣＤ１４０上に回折格子１３０の偽解像が干渉縞として得られる。

ただし、Ｚは回折格子１３０とＣＣＤ１４０間の距離を示し、ここではＴａｌｂｏｔ距離と称する。また、ｍは０を除く整数であり、ｄは回折格子１３０のピッチである。Ｚ_０は回折格子１３０から被検物１２０の像面までの距離である。回折格子１３０の格子ピッチｄは、被検物１２０の収差の大きさに応じて決められる。
計測装置の構成要素であるレーザ光源１００、ピンホール１１０、回折格子１３０およびＣＣＤ１４０と、液槽１２１（被検物１２０）とは、被検物１２０の光軸に平行に設置されたレール１５０によりガイドされて、光軸方向に相対移動可能である。レーザ光源１００、ピンホール１１０、回折格子１３０、ＣＣＤ１４０および液槽１２１により透過波面計測部が構成される。
図１（ｂ）には、被検物１２０を水中（第２の媒質中）で計測する際のＴａｌｂｏｔ干渉計の概略構成を示している。被検物１２０は、液槽１２１内に配置され、水に浸されている。水の屈折率（第２の屈折率）は、被検物１２０の屈折率よりも０．０１以上小さく、かつ当然ながら空気の屈折率と異なっている。
回折格子１３０とＣＣＤ１４０は、図１（ａ）に示した空気を媒質として用いる場合に比べて、被検物１２０から離して配置される。
レーザ光源１００から射出されたレーザ光１０１は、ピンホール１１０により回折されて回折光（参照光）１０２となり、液槽１２１内の水の中を通って、ピンホール１１０を物体面とする被検物１２０に入射し、これを透過する。被検物１２０及び液槽１２１内の水を透過したレーザ光は、回折格子１３０を通り、ＣＣＤ１４０により撮像（計測）される。
図２のフローチャートには、上記ＣＣＤ１４０により撮像された画像を用いて、被検物１２０の内部屈折率分布（以下、単に屈折率分布ともいう）ＧＩを算出する手順を示している。この算出は、図１（ａ）に示したマイクロコンピュータ等の演算ユニット１６０によって、コンピュータプログラムに従って行われる。演算ユニット１６０は算出部として機能する。
まず、図１（ａ）に示したように、液槽１２１内に空気（図２には媒質１と記す）を満たす（ステップＳ１０）。
次に、以下に示すステップＡの手順により、液槽１２１内の媒質が空気である場合の透過波面を計測し、波面収差Ｗ１を算出する（ステップＳ２０：第１の計測ステップ）。
ステップＡについて説明する。本実施例において、透過波面の計測結果には、（１）被検物の屈折率分布、（２）被検物の形状の影響、（３）被検物の形状誤差の影響および（４）計測システムによるオフセットが含まれる。ここから、（２）被検物の形状の影響と（４）計測システムによるオフセットを後述するシミュレーションによって計算し、透過波面の計測結果から差し引く。ステップＡは、その残りである（１）被検物の屈折率分布と（３）被検物の形状誤差（形状成分）の影響を、波面収差Ｗ１として算出する工程である。
ステップＡは、次の１０のステップにより構成される。まず、光学素子（ピンホール１１０、液槽１２１、格子１３０およびＣＣＤ１４０）および被検物１２０の配置である光学配置を設定する（ステップＳ２０１）。
続いてステップＳ２０１で設定した光学配置においてＣＣＤ１４０でどのような透過波面が得られるかを計算する（ステップＳ２０２）。このとき、被検物１２０の屈折率分布は未知であるため、適当な屈折率分布を仮定するかあるいは屈折率分布が無い理想的な（特定の）屈折率分布を想定して透過波面を計算する。
次に、計算された透過波面が計測可能な波面かどうかを判断する（ステップＳ２０３）。Ｔａｌｂｏｔ干渉計においてＣＣＤ１４０上の全面で回折格子１３０の偽解像を得るためには、ＮＡを０．３程度以下に抑える必要がある。ＣＣＤ１４０に到達する光束のＮＡが０．３より大きい場合、被検物１２０上の異なる位置を通った光がＣＣＤ１４０上で重なる場合およびＣＣＤ１４０上の光束サイズが大きすぎたり小さすぎたりする場合等では、ステップＳ２０１に戻って光学配置を再設定する。計算された透過波面が計測可能と判断できた場合は、そのときに設定された光学配置を計測で用いる配置として採用し（ステップＳ２０４）、決定された光学配置付近に被検物１２０と各光学素子をレール１５０上で移動させて配置する（ステップＳ２０５）。以下の説明では、回折格子１３０とＣＣＤ１４０をまとめてセンサと称する。
続いて被検物１２０および光学素子間の面間隔（被検物１２０および光学素子の配置位置）を計測するステップ（位置計測ステップ）を、図３を用いて説明する。ここでは、液槽１２１の外側からケース１２１および被検物１２０の厚みを計測可能な面間隔測定器１７０を用いる。
各光学素子の面間隔を計測する場合は、面間隔測定器（位置計測部）１７０を計測時の光束中に挿入する（ステップＳ２０６）。ここでいう光束とは、図１（ａ）に示す参照光１０２を含み、ピンホール１１０から射出した光がＣＣＤ１４０に到達するまでの光束である。面間隔測定器１７０を挿入するスペースがない場合は、図３に示すように、ミラー１７１を光束中に挿入し、面間隔測定器１７０を計測時の光束外に設置してもよい。この場合、面間隔測定器１７０は移動させる必要がない。
続いて、面間隔測定器１７０を用いて、液槽１２１の窓ガラスから被検物１２０までの間隔を計測する（ステップＳ２０７）。このときに、液槽１２１の窓ガラスの厚みや液槽１２１から回折格子１３０およびＣＣＤ１４０までの距離を計測してもよい。図３では、ピンホール１１０と液槽１２１との間にミラー１７１を挿入したが、ミラー１７１を液槽１２１と回折格子１３０との間に挿入すれば、ピンホール１１０から液槽１２１までの距離を計測することもできる。
面間隔測定器１７０は、例えば、低コヒーレンス光源と、参照光と被検光を分割するビームスプリッターを有し、参照光と被検光の光路長が一致したときに干渉信号が得られるタイプのものを用いてもよい。この場合、被検光側に液槽１２１や被検物１２０等の複数の光学素子があっても、参照光の光路長を変化させることで、各面の位置を求めることができる。また、計測される各面間の距離は、光学的面間隔、すなわち真空中の距離に相当するため、各面間の材質および媒質の屈折率を用いて幾何学的な面間隔を求める。
また、面間隔測定器１７０は、特開２００１−０９９６２４号公報にて開示されているように、内蔵された光源の波長を変化させられるものであってもよい。この場合、波長を変化（位相シフト）させて画像を取得することで、各光学面からの反射光を分離し、位置を特定することが可能になる。
さらに、面間隔測定器１７０は、特開平１０−３２５７９５号公報にて開示されているように、集光レンズと該集光レンズの位置を特定できる位置センサとを有するものであってもよい。この場合、干渉強度から光学素子の各面のフォーカス位置を求め、かつ集光レンズの移動距離を求めることで、各面間の面間隔を計測することが可能になる。
次に、ステップＳ２０７で計測した面間隔情報を用いて、被検物１２０が特定の屈折率分布を有する場合のシミュレーション波面Ｗ_ｓｉｍを計算する（ステップＳ２０８）。このステップは、ステップＳ２０４と同じ光学配置（被検物および光学素子が同一位置に配置された状態）において、被検物の屈折率分布が既知である場合の透過波面を別途計算するステップである。このように屈折率分布が既知である被検物を、基準被検物ともいう。基準被検物は、被検物と同一形状を有する。既知の屈折率分布は、設計値でもよいし、計測値でもよい。
シミュレーション波面Ｗ_ｓｉｍは、基準被検物に対応する透過波面ということもできる。基準被検物内のある点（ｘ，ｙ）におけるＷ_ｓｉｍは、以下の式（３）のように表される。

ただし、Ｌ１〜Ｌ５は、図４に示す光線１０２ａに沿った上記各要素間の幾何学的距離である。光線１０２ａは、基準被検物内のある点（ｘ，ｙ）を通る光線を模式的に表現したものである。また、Ｎ_１は空気の屈折率であり、Ｎｇは被検物１２０の理想的な屈折率（基準被検物の屈折率）を示す。なお、ここでは式を簡略化するため、液槽１２１の壁の厚さは無視する。
次に、図１（ａ）に示すＴａｌｂｏｔ干渉計、すなわち被検物１２０を空気に浸した状態で透過波面（第１の透過波面）Ｗ_ｍを計測する（ステップＳ２０８）。このステップには、ＣＣＤ１４０による干渉縞の画像の取得と、不図示の処理回路による透過波面の画像回復を含む。透過波面の画像回復（以下、波面回復ともいう）は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）法によって行う。ＦＦＴ法による波面回復は、収差が干渉縞のキャリア縞を乱す性質を利用して、キャリア縞と収差とを分離する方法である。
具体的には、干渉縞に２次元ＦＦＴを行い、周波数マップに変換する。次に、周波数マップにおけるキャリア周波数の近傍部分のみを切り出して、キャリア周波数が原点になるように座標変換をした上で、ｉＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）を行う。これにより、複素振幅マップの位相項が求められる。その結果得られた位相マップが、透過波面となる。
Ｗ_ｍは、図４のＬ１〜Ｌ５を用いて、以下の式のように表される。

ただし、Ｎ（ｘ，ｙ）は、座標（ｘ，ｙ）における被検物１２０の光路方向に平均化された屈折率を示す。ｄＬは、座標（ｘ，ｙ）における被検物１２０の厚み誤差を示す。
ステップＡの最後に、ステップＳ２０８で求めたシミュレーション波面Ｗ_ｓｉｍとステップＳ２０９で求めた透過波面Ｗ_ｍとの差分に相当する波面収差Ｗ１を、以下の式（５）により求める（ステップＳ２１０）。なお、ここでは式を簡略化するため、屈折率Ｎｇは被検物１２０の中心屈折率Ｎ（０，０）と等しいものとする。

次に、図１（ｂ）に示したように、液槽１２１内に水（図２には媒質２と記す）を満たした状態で、液槽１２１内に被検物１２０を配置する（ステップＳ３０）。続いて、前述したステップＡに従って、液槽１２１内の媒質が水である場合の透過波面を計測し、波面収差Ｗ２を算出する（ステップＳ４０：第２の計測ステップ）。ただし、式（６）中のＮ_２は水の屈折率を示す。

次に、以下の式（７）により、波面収差Ｗ１と波面収差Ｗ２とから被検物１２０の厚み誤差（形状成分）ｄＬを除去し、被検物１２０の屈折率分布Ｎ（ｘ、ｙ）を算出する（ステップＳ５０）。これにより、屈折率分布の計測および算出が完了する。ただし、ここでは式（８）に示す近似式を用いる。

本実施例中では、液槽に媒質を入れてから面間隔測定を行うフローを説明したが、この順序に縛られる必要はない。例えば、液槽内が空気で満たされている状態で、被検物を液槽内に入れ、面間隔測定を行った後に、液槽に計測用の媒質を入れる順序で計測してもよい。
本実施例のように、計測装置としてＴａｌｂｏｔ干渉計を用いることで、被検物と媒質との屈折率差によって生じる大きな収差を計測することができる。Ｔａｌｂｏｔ干渉計は、ラテラルシアリング干渉計の一種であり、透過波面が横ずらし（シア）された自身の透過波面との差分を干渉縞として計測する。このため、シアリング干渉計は、透過波面の波面形状の勾配（傾き）に相当する量を求める計測装置と言える。透過波面の横ずらし量は、シア量と呼び、シア量を小さくすることで、大きな透過波面収差に対しても、干渉縞が密にならない程度の小さい収差（シア波面）として計測が可能になる。
シアリング干渉計では、一般に、シア量が小さすぎるとシア波面がノイズに埋もれて精度が低下するため、シア量は瞳の直径に対して３〜５％程度がよいとされる。しかし、本実施例では、大きな収差の透過波面を小さいシア波面で計測するために、シア量を１．５％ 以下、好ましくは０．４〜０．９％程度まで小さくするとよい。
シア量ｓｈｅａｒは、Ｔａｌｂｏｔ距離Ｚと、ＣＣＤ１４０上の干渉縞データの直径Ｄとを用いて、以下の式（９）により定義される。

上式（９）は、式（２）と回折格子１３０上の光束の直径Ｄ_０とを用いて、以下の式（１０）のようにも表せる。

上式から、シア量と回折格子１３０の格子ピッチとは比例することが分かる。回折格子１３０のピッチは、式（２）から分かるように、Ｔａｌｂｏｔ距離Ｚにも影響を与えるため、計測装置の構成要素間の干渉を考えて決定する必要がある。例えば、ｍ＝１のとき、Ｄ_０が１０〜２０ｍｍ程度であるとすると、格子ピッチは４０〜１８０μｍ程度が望ましい。
以上説明したように、本実施例では、被検物の屈折率よりも０．０１以上低い屈折率を有する空気中で、該被検物に参照光を入射させて該被検物の第１の透過波面を計測する。また、被検物の屈折率よりも０．０１以上低く、かつ空気の屈折率とは異なる屈折率を有する水中で、被検物に参照光を入射させて該被検物の第２の透過波面を計測する。さらに、空気中および水中のそれぞれの被検物の配置位置を計測する。また、特定の屈折率分布を有する基準被検物が空気中および水中のそれぞれでの計測時の配置位置と同一位置に配置されているときの透過波面を計算する。また、計測された第１および第２の透過波面と、計算された第１および第２の透過波面の差分をそれぞれ求める。そして、第１および第２の透過波面の差分に基づいて被検物の屈折率分布を求める。
本実施例によれば、被検物の屈折率が高い場合でも、被検物の高精度の位置決めを必要とすることなく、被検物の屈折率よりも低い屈折率を有する媒質を用いて該被検物の内部屈折率分布を高精度に計測することができる。
なお、本実施例では、２種類の媒質が空気と水である場合について説明したが、屈折率が互いに０．０１以上異なる２種類の媒質であれば、これらの媒質に限定されない。また、２種類の媒質とは、同じ材料の温度を変えて屈折率を変えたものであってもよい。
また、本実施例では、Ｔａｌｂｏｔ干渉計を用いた場合について説明したが、これと異なるラテラルシアリング干渉計、ラジアルシアリング干渉計およびその他のシアリング干渉計を用いることもできる。

本発明の実施例２では、媒質の屈折率を同時に計測して屈折率分布計算に反映させる場合について説明する。図５のフローチャートには、本実施例における内部屈折率分布の算出手順を示す。ここでは、実施例１（図２）に示した内部屈折率分布の算出手順との差異を説明する。図５に示した算出手順は、図２のそれとステップＴ１０およびステップＴ３０５〜ステップＴ３１１にて異なる。
本実施例では、まず被検物１２０の中心厚みＤか、中心厚み方向に平均化された中心屈折率Ｎ_{ｇｌａｓｓ}を別途計測する（ステップＴ１０）。
その後、ステップＴ２０〜Ｔ６０では、以下に示すステップＢの手順により、液槽１２１内の媒質が空気である場合の波面収差Ｗ１と空気である場合の波面収差Ｗ２とを算出する。
ステップＢでは、まず実施例１のステップＳ２０１〜Ｓ２０４と同じ工程を行う（ステップＴ３０１〜Ｔ３０４）。
その後、ステップＴ３０５では、前のステップＴ３０４（図２ではステップＳ２０４に相当する）で決定した光学配置付近に光学素子を配置する。このとき、後の工程で液槽１２１単体の面間隔を測定するために、被検物１２０は液槽１２１に入れない状態にしておく。
続いてステップＳ２０６と同様に面間隔測定器を挿入する（ステップＴ３０６）。その後、液槽１２１単体の光学的面間隔Ｚ_０を計測する（ステップＴ３０７）。さらに、液槽１２１に被検物１２０を挿入する（ステップＴ３０８）。そして、ステップＴ３０７と同様に、液槽１２１と被検物１２０の光学的面間隔を計測する（ステップＴ３０９）。このとき液槽１２１のガラス窓から被検物１２０までの光学的面間隔であって被検物１２０の前側の面間隔をＺ_１とし、後側の面間隔をＺ_３とする。また、被検物１２０の光学厚みをＺ_２とする
続いてステップＴ３０７とステップＴ３０９で計測した光学的面間隔（被検物１２０の光学厚みＺ_２を含む）から、媒質の屈折率を算出する（ステップＴ３１０）。
ステップＴ１０で被検物１２０の中心厚みＤが既知である場合は、次の式（１１）に従って媒質の屈折率を算出する。ここで、Ｎ_１は媒質１の屈折率である。

また、ステップＴ１０で、被検物１２０の中心屈折率Ｎ_{ｇｌａｓｓ}が既知である場合は、次の式（１２）に従って媒質の屈折率を算出する。

次に、ステップＴ３０９で計測した光学的面間隔情報と、ステップＴ３１０で計算した屈折率とを用いて、被検物１２０が理想的な屈折率分布（特定の屈折率分布）を有する場合のシミュレーション波面Ｗ_ｓｉｍを計算する（ステップＴ３１１）。すなわち、式（３）における媒質の屈折率Ｎ_１として、ステップＴ３１０で計算した屈折率を用いて計算する工程である。計算式は実施例１と同様である。ここでは媒質１の屈折率Ｎ_１を求める工程について説明したが、媒質２の屈折率Ｎ_２を求める場合も同様である。この媒質の屈折率を求める工程は、媒質１および媒質２のうち少なくとも一方に対して行ってもよい。また、媒質の屈折率は、被検物の厚みおよび屈折率のうち少なくとも１つに基づいて求めてもよい。
ステップＢの最後に、ステップＳ２０９，Ｓ２１０と同様に、被検物１２０の透過波面を計測し（ステップＴ３１２）、計算波面と計測値の差分を算出する（ステップＴ３１３）。
本実施例によれば、媒質の屈折率が未知である場合にも、高精度に被検物１２０の屈折率分布を計測することができる。

本発明の実施例３では、被検物１２０が負の光学パワー（焦点距離の逆数）を持つ場合と、計測装置がシアリング干渉計以外の装置である場合について説明する。図６には、本実施例の計測装置の概略構成を示している。
ピンホール１１０は、レーザ光源１００から射出されたレーザ光を用いて理想球面波を有する光（参照光）を生成する。この光は、照明系６００によって収束光に変換される。収束光は、メニスカスレンズである被検物１２０を通過し、その透過波面が波面計測センサであるシャックハルトマンセンサ６１０により計測される。シャックハルトマンセンサ６１０は、図７に示すように、レンズアレイ６１１とＣＣＤ６１２とにより構成されている。
レール１５０上で被検物１２０を光軸方向に移動させることで、被検物１２０に入射する光束を発散光束、平行光束および収束光束のいずれにも変更することができる。これにより、シャックハルトマンセンサ６１０に入射する光束のＮＡを調節することができる。
シャックハルトマンセンサは、Ｔａｌｂｏｔ干渉計に比べて、センサ６１０に入射する光束のＮＡを厳しく管理する必要がある。シャックハルトマンセンサ６１０は、レンズアレイ６１１に入射した光を、ＣＣＤ６１２に集光させる構造を有する。レンズアレイ６１１に傾いた透過波面が入射すると、集光点の位置がずれる。シャックハルトマンセンサ６１０は、透過波面の傾きを集光点の位置ずれに換算して計測できるため、大きな収差を持つ波面の計測が可能である。
本実施例での被検物１２０の内部屈折率分布の算出方法は、実施例１と同じであるため、ここでは説明を省略する。
本発明の実施に用いる計測装置は、透過波面の波面形状の勾配又は光線の傾きに相当する量を計測可能であり、大きな収差を持つ透過波面においても該勾配又は傾きを計測可能な物理量として検出することができるものであればよい。このため、シャックハルトマン法に限らず、ハルトマン法やロンキーテストを用いた計測装置を用いてもよい。

実施例１〜３にて説明した装置および方法を用いて計測された屈折率分布の測定結果をレンズ等の光学素子の製造方法にフィードバックすることも可能である。
図８には、モールド成形を利用した光学素子の製造フローの例を示している。
光学素子は、光学素子の設計工程、金型の設計工程および該金型を用いた光学素子のモールド成形工程を経て製造される。成形された光学素子は、その形状精度が評価され、精度不足である場合は金型を補正して再度モールド成形を行う。形状精度が良好であれば、該光学素子の光学性能が評価される。この光学性能の評価工程に、図２や図５を用いて説明した屈折率算出フローを組み込むことで、高屈折率硝材によりモールド成形される光学素子の量産が可能になる。
なお、光学性能が低い場合は、光学面を補正した光学素子を設計し直す。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

高屈折率の被検物の内部屈折率分布を高精度に計測できる計測方法および計測装置を提供できる。

１２０ 被検物
１２１ 液槽
１３０ ２次元直交回折格子
１７０ 面間隔測定器

Claims (6)

1. 被検物の屈折率よりも低い第１の屈折率を有する第１の媒質中に前記被検物を配置し、前記被検物に参照光を入射させて該被検物の第１の透過波面を計測する第１の計測ステップと、
   前記被検物の屈折率よりも低く、かつ前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質中に前記被検物を配置し、前記被検物に前記参照光を入射させて該被検物の第２の透過波面を計測する第２の計測ステップと、
   前記第１および第２の媒質中において前記被検物が配置された位置を計測する位置計測ステップと、
   前記第１および第２の透過波面の計測結果を用いて前記被検物の内部屈折率分布を算出する算出ステップとを有し、
   前記算出ステップにおいて、前記第１および第２の透過波面の計測結果と、前記被検物と同一形状および特定の内部屈折率分布を有する基準被検物が前記位置計測ステップにて計測された前記第１および前記第２の媒質中のそれぞれにおける前記被検物の配置位置と同一位置に配置されているときの透過波面とを用いて、前記被検物の形状成分を除去することを特徴とする屈折率分布計測方法。
2. 前記算出ステップにおいて、前記第１および第２の媒質のうち少なくとも一方の屈折率を、前記被検物の厚みおよび屈折率のうち少なくとも１つに基づいて算出することを特徴とする請求項１に記載の屈折率分布計測方法。
3. 前記第１および第２の計測ステップのそれぞれにおいて、前記第１および第２の透過波面の波面形状の勾配に相当する量を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の屈折率分布計測方法。
4. 前記第１の屈折率と前記第２の屈折率とが互いに０．０１以上異なることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の屈折率分布計測方法。
5. 光学素子をモールド成形する成形ステップと、
   前記光学素子を評価する評価ステップとを有し、
   前記評価ステップにおいて、請求項１から４のいずれか一項に記載の計測方法を用いて前記光学素子の内部屈折率分布を計測することを特徴とする光学素子の製造方法。
6. 被検物の屈折率よりも低い第１の屈折率を有する第１の媒質中に前記被検物を配置し、前記被検物に参照光を入射させて該被検物の第１の透過波面を計測する第１の計測、および前記被検物の屈折率よりも低く、かつ前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質中に前記被検物を配置し、前記被検物に前記参照光を入射させて該被検物の第２の透過波面を計測する第２の計測を行う透過波面計測部と、
   前記第１および第２の媒質中において前記被検物が配置された位置を計測する位置計測部と、
   前記第１および第２の透過波面の計測結果を用いて前記被検物の内部屈折率分布を算出する算出部とを有し、
   前記算出部は、前記第１および第２の透過波面の計測結果と、前記被検物と同一形状および特定の内部屈折率分布を有する基準被検物が前記位置計測ステップにて計測された前記第１および前記第２の媒質中のそれぞれにおける前記被検物の配置位置と同一位置に配置されているときの透過波面とを用いて、前記被検物の形状成分を除去することを特徴とする屈折率分布計測装置。