JP2016109593A - Refractive index distribution measurement method, refractive index distribution measurement device, and optical element manufacturing method - Google Patents
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本発明は、光学素子の屈折率を計測する屈折率計測方法及び屈折率計測装置に関する。 The present invention relates to a refractive index measuring method and a refractive index measuring apparatus for measuring a refractive index of an optical element.
光学素子の屈折率を計測する手法として、光学素子をプリズム形状に加工した後に、最小偏角法やVブロック法により計測を行う方法が知られている。しかし、これらの方法による計測は、光学素子の加工を行う必要があるため、加工に時間を要し、さらにコストが増大してしまう。また、モールドで製造された光学素子の場合、光学素子に蓄積されていた応力が、加工の際に解放される。その応力解放によって光学素子の屈折率が変化してしまうため、屈折率を正確に計測することができない。そこで、光学素子に加工を施すことなく光学素子の屈折率を計測する方法が求められている。 As a method for measuring the refractive index of an optical element, a method is known in which measurement is performed by a minimum deflection angle method or a V-block method after processing the optical element into a prism shape. However, since measurement by these methods requires processing of the optical element, processing takes time and the cost further increases. In the case of an optical element manufactured by a mold, the stress accumulated in the optical element is released during processing. Since the refractive index of the optical element changes due to the stress release, the refractive index cannot be measured accurately. Therefore, a method for measuring the refractive index of an optical element without processing the optical element is required.
特許文献1に開示された計測方法では、被検レンズと、屈折率及び形状が既知のガラス試料とを、被検レンズの屈折率とほぼ等しい屈折率を有する第1のマッチング液に浸して干渉縞を測定する。さらに、被検レンズとガラス試料とを、第1のマッチング液の屈折率とわずかに異なる屈折率を有する第2のマッチング液に浸して干渉縞を測定する。そして、第1のマッチング液による測定結果と第2のマッチング液による測定結果とから、被検レンズの形状と屈折率と屈折率分布とを求める。それぞれのマッチング液の屈折率は、干渉縞が密になりすぎない範囲で被検レンズの屈折率とわずかに異なっている必要がある。 In the measurement method disclosed in Patent Document 1, a test lens and a glass sample whose refractive index and shape are known are immersed in a first matching liquid having a refractive index substantially equal to the refractive index of the test lens and interfered. Measure streaks. Further, the interference fringes are measured by immersing the lens to be examined and the glass sample in a second matching liquid having a refractive index slightly different from the refractive index of the first matching liquid. Then, the shape, refractive index, and refractive index distribution of the test lens are obtained from the measurement result using the first matching liquid and the measurement result using the second matching liquid. The refractive index of each matching liquid needs to be slightly different from the refractive index of the lens to be measured within a range where interference fringes are not too dense.
特許文献1に開示された計測方法では、被検レンズの屈折率とほぼ等しい屈折率を有するマッチング液が必要である。しかしながら、屈折率が高いマッチング液は、透過率が低い。このため、特許文献1で開示された計測方法により高屈折率の光学素子の干渉縞を測定すると、検出器から小さな信号しか得られず、測定精度が低くなる。 In the measurement method disclosed in Patent Document 1, a matching liquid having a refractive index substantially equal to the refractive index of the test lens is required. However, the matching liquid having a high refractive index has a low transmittance. For this reason, when the interference fringes of the optical element having a high refractive index are measured by the measurement method disclosed in Patent Document 1, only a small signal can be obtained from the detector, and the measurement accuracy is lowered.
本発明は、被検レンズの屈折率を非破壊で高精度に計測することができる屈折率計測方法及び屈折率計測装置を提供することを例示的な目的とする。 An object of the present invention is to provide a refractive index measuring method and a refractive index measuring apparatus capable of measuring a refractive index of a lens to be examined with high accuracy in a nondestructive manner.
本発明の一側面としての屈折率計測方法は、被検レンズの端部の型の形状を有する基準台に被検レンズを配置し、複数の波長において被検レンズの端部の透過波面を測定するステップと、複数の波長における被検レンズの端部の透過波面と基準台の屈折率とに基づいて被検レンズの端部の屈折率を特定するステップと、を有することを特徴とする。 The refractive index measurement method according to one aspect of the present invention is such that a test lens is arranged on a reference table having a shape of a mold at the end of a test lens, and a transmitted wavefront at the end of the test lens is measured at a plurality of wavelengths. And a step of specifying the refractive index of the end of the test lens based on the transmitted wavefront of the end of the test lens at a plurality of wavelengths and the refractive index of the reference table.
尚、光学素子をモールドするステップと、上記屈折率計測方法を用いて光学素子の屈折率を計測することによって、モールドされた光学素子の光学性能を評価するステップとを含む光学素子の製造方法も、本発明の他の一側面を構成する。 An optical element manufacturing method including the steps of molding an optical element and evaluating the optical performance of the molded optical element by measuring the refractive index of the optical element using the refractive index measurement method. This constitutes another aspect of the present invention.
また、本発明のさらに他の一側面としての屈折率計測装置は、被検レンズの端部の型の形状を有する基準台と、基準台に配置された被検レンズの透過波面を複数の波長において測定する測定手段を有することを特徴とする。 Further, the refractive index measuring apparatus as still another aspect of the present invention includes a reference table having a shape of an end mold of a test lens, and a transmission wavefront of the test lens arranged on the reference table having a plurality of wavelengths. It has the measurement means to measure in.
本発明によれば、被検レンズの屈折率を非破壊で高精度に計測することができる。 According to the present invention, it is possible to measure the refractive index of a lens to be examined with high accuracy in a nondestructive manner.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明における実施例1の屈折率計測装置の概略構成を示している。本実施例の屈折率計測装置は、マッハツェンダ干渉計をもとに構成されている。計測装置は、光源10、干渉光学系、基準台50、検出器80、コンピュータ90を有し、被検レンズ60の端部の屈折率を計測する。本実施例では、被検レンズ60は負の屈折力を有するレンズであるが、屈折力の正負に依らず、屈折型光学素子であれば屈折率の計測を行うことができる。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a refractive index measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. The refractive index measuring apparatus of the present embodiment is configured based on a Mach-Zehnder interferometer. The measuring device includes a
光源10は、複数の波長の光を射出することができる光源(例えば、白色LED)である。複数の波長の光は、分光器20を通って準単色光となる。分光器20を通った光は、ピンホール30を通って発散波となり、コリメータレンズ40を通って平行光となる。
The
干渉光学系は、ビームスプリッタ100、101、ミラー105、106を有する。干渉光学系は、コリメータレンズ40を通った光を、被検レンズ60を透過する被検光と透過しない参照光に分割し、被検光と参照光とを干渉させて、その干渉光を検出器80に導光する。
The interference optical system includes
被検レンズ60は、基準台50の上に試液(液体)70を介在させて配置されている。図2(a)は、基準台50上に設置された被検レンズ60の斜視図である。被検レンズ60の端部が基準台50にフィットするように、基準台50は被検レンズ60の型の形状を有している。図1では、基準台50と被検レンズ60とを、鉛直方向と光軸方向に平行な断面図で示している。尚、被検レンズ60の端部の面は、鏡面である必要はなく、砂ずり面でよい。
The
基準台50は、被検レンズ60と異なる屈折率分散を有し、かつ、特定の波長において被検レンズ60の屈折率と等しい屈折率を有する。図2(b)は、基準台50と被検レンズ60それぞれの屈折率分散を示す図である。図2(b)は、特定の波長λ0において基準台50の屈折率と被検レンズ60の屈折率とが等しいことを表している。本実施例では、基準台50の形状及び屈折率は既知の値としている。
The reference table 50 has a refractive index dispersion different from that of the
試液70の屈折率は、被検レンズ60の屈折率と一致している必要はない(例えば、被検レンズ60の屈折率を約1.9として、試液70の屈折率を約1.7とすればよい)。
The refractive index of the
ビームスプリッタ100で反射した被検光は、ミラー106で反射し、基準台50と試液70と被検レンズ60の端部とを透過する。一方、ビームスプリッタ100を透過した参照光は、基準台50を透過し、ミラー105で反射する。被検光と参照光とがともに基準台50を透過することで、被検光と参照光の光路長差が小さくなる。つまり、参照光が透過する基準台50は、補償板の役割を担う。もちろん、参照光の光路に、基準台50の代わりに補償板を挿入してもよい。被検光と参照光は、ビームスプリッタ101で合波されて、干渉光を形成する。
The test light reflected by the
ビームスプリッタ101で形成された干渉光は、結像レンズ45を介して検出器80(例えば、CCDやCMOS)で検出される。検出器80で検出された干渉信号は、コンピュータ90に送られる。検出器80は、被検レンズ60の位置と結像レンズ45に関して共役な位置に配置されている。つまり、被検レンズ60の像と干渉縞とが検出器80上に結像される。
The interference light formed by the
コンピュータ90は、検出器80の検出結果をもとに被検レンズ60の屈折率を算出する算出手段や、分光器20を透過する波長を制御する制御手段を有し、CPU等から成る。
The
図3は、本実施例において被検レンズ60の端部の屈折率を算出する算出手段を示すフローチャートである。まず基準台50上に試液70を挟んで被検レンズ60が設置される(S10)。分光器20で波長を制御しながら、複数の波長における被検レンズ60の端部の透過波面(干渉光)が測定される(S20)。複数の波長における透過波面から特定の波長λ0が決定される(S30)。
FIG. 3 is a flowchart showing calculation means for calculating the refractive index of the end portion of the
図4は、検出器80で検出される干渉光を示している。被検レンズ60の端部の屈折率と基準台50の屈折率とに差があれば、図4のように被検レンズ60の端部に干渉縞が現れる。分光器20で波長を掃引していくと、被検レンズ60の干渉縞が最も少なくなる波長が存在する。その波長が特定の波長λ0であり、λ0において被検レンズ60の端部と基準台50の屈折率とが一致する。以上より、特定の波長λ0における基準台50の屈折率に基づいて、被検レンズ60の端部の屈折率が特定される(S40)。
FIG. 4 shows the interference light detected by the detector 80. If there is a difference between the refractive index at the end of the
本実施例の計測方法は、被検レンズ60の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する試液(マッチング液)を用いずに、被検レンズ60の屈折率を計測する。したがって、実効的なマッチング液が得られない高屈折率(〜1.8以上)の光学素子の屈折率も、非破壊かつ高精度に計測できる。
The measurement method of the present embodiment measures the refractive index of the
本実施例では、複数の波長の光を射出する光源と分光器の組み合わせで波長を走査した。複数の波長の光を射出する光源として白色LEDが使用されているが、スーパーコンティニューム光源、短パルスレーザ、ハロゲンランプが代用できる。その他にも、波長掃引光源でもよいし、複数の波長を離散的に射出するマルチラインレーザでもよい。複数の波長の光を射出する光源は、単一の光源に限らず、複数の光源を組み合わせでもよい。 In this example, the wavelength was scanned with a combination of a light source that emits light of a plurality of wavelengths and a spectroscope. A white LED is used as a light source that emits light of a plurality of wavelengths, but a supercontinuum light source, a short pulse laser, and a halogen lamp can be substituted. In addition, a wavelength swept light source or a multiline laser that emits a plurality of wavelengths discretely may be used. A light source that emits light of a plurality of wavelengths is not limited to a single light source, and a plurality of light sources may be combined.
本実施例では、被検光と参照光を干渉させる干渉光学系としてマッハツェンダ干渉計を用いたが、フィゾー干渉計やトワイマングリーン干渉計も代用できる。被検光と参照光を干渉させる干渉光学系の代わりに、タルボ干渉計のようなシアリング干渉計やシャックハルトマンセンサを用いてもよい。 In this embodiment, a Mach-Zehnder interferometer is used as an interference optical system for causing the test light and the reference light to interfere with each other. However, a Fizeau interferometer or a Twiman Green interferometer can be used instead. A shearing interferometer such as a Talbot interferometer or a Shack-Hartmann sensor may be used instead of the interference optical system that causes the test light and the reference light to interfere with each other.
本実施例の基準台50は、図1や図2(a)のように1つの部品で構成されていたが、図5のように2つ以上の部品で構成されてもよい。 The reference table 50 of the present embodiment is composed of one component as shown in FIG. 1 and FIG. 2A, but may be composed of two or more components as shown in FIG.
また、本実施例における基準台50は、図2(a)のように、被検レンズ60の外周部と接する形状を有していた。その代わりに、基準台50と被検レンズ60との接する範囲が、図1で示した1つの断面(図4における直線ABを含む面)のみでもよい。つまり、基準台50が図6(a)のような形状でもよい。本発明において、被検レンズの端部の型の形状を有する基準台とは、図4における直線ABを含む面において被検レンズの端部とフィットする形状を有する基準台のことを意味する。
In addition, the reference table 50 in the present embodiment has a shape in contact with the outer peripheral portion of the
図6(b)は、基準台50が図6(a)のような形状を有しているときに検出される干渉光の様子を示している。直線AB上の干渉縞のみに着目すれば、上記の方法と同様に、特定の波長λ0を決定することができる。 FIG. 6B shows the state of interference light detected when the reference table 50 has a shape as shown in FIG. If attention is paid only to the interference fringes on the straight line AB, the specific wavelength λ 0 can be determined similarly to the above method.
本実施例では、被検レンズ60端部の屈折率と基準台50の屈折率とが等しくなる特定の波長λ0を決定し、特定の波長λ0における被検レンズ60の端部の屈折率を算出した。特定の波長λ0を決定する代わりに、透過波面の値と基準台50の形状とから被検レンズ60の端部の屈折率を算出することができる。例えば、波長λ1において、図4の点Aと点Bの光路長差が5λ1(干渉縞5本分)のとき、被検レンズ60の端部の屈折率NLens(λ1)と基準台50の屈折率NBlock(λ1)との差は数式1で算出される。
In this embodiment, a specific wavelength λ 0 at which the refractive index of the end of the
Lは図1に示されている被検レンズ端部(図4の点A)を透過する光線の幾何学的距離であり、基準台の形状から算出できる。基準台50の屈折率NBlock(λ1)は既知の量なので、被検レンズ60の端部の屈折率NLens(λ1)を算出できる。ただし、この算出方法の使用可能条件は、検出器80において干渉縞が分解できることである。
L is the geometric distance of the light beam that passes through the end of the lens shown in FIG. 1 (point A in FIG. 4), and can be calculated from the shape of the reference table. Since the refractive index N Block (λ 1 ) of the reference table 50 is a known amount, the refractive index N Lens (λ 1 ) at the end of the
図7は、本発明における実施例2の屈折率計測装置の概略構成を示している。本実施例の屈折率計測装置は、波面センサを用いて透過波面を測定する。計測装置は、光源11、基準台50、シャックハルトマンセンサ81、コンピュータ90を有し、被検レンズ60の端部の屈折率を計測する。本実施例では、被検レンズ60は正の屈折力を有するレンズである。本実施例では、被検レンズ60の端部の形状と基準台50の形状との差が大きい場合における、被検レンズ60の端部の屈折率計測方法を説明する。実施例1と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。
FIG. 7 shows a schematic configuration of the refractive index measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. The refractive index measurement apparatus of the present embodiment measures a transmitted wavefront using a wavefront sensor. The measuring device has a
光源11は波長掃引光源(例えば、半導体レーザ)である。光源11の波長は、コンピュータ90により制御される。光源11から射出された光は、ピンホール30を通って発散波となり、コリメータレンズ40で平行光になる。コリメータレンズ40を通った光は、基準台50上に試液を介して設置された被検レンズ60を透過し、シャックハルトマンセンサ81で検出される。
The
本実施例における基準台50は、被検レンズ60と同一材質で製作されているため、被検レンズ60とほぼ同一の屈折率分散を有する。また、本実施例における基準台50は、図7のように50aと50bの2部品で構成されている。部品50aは平面形状を有し、部品50bは被検レンズ60の第2面に近い形状を有する。被検レンズ60の第2面に近い形状とは、例えば、被検レンズ60の第2面の設計値の形状を意味する。
Since the reference table 50 in this embodiment is made of the same material as the
本実施例において、被検レンズ60の第2面は設計値からの形状誤差を有し、基準台50(部品50b)の形状との差が大きい。形状誤差が大きい場合、透過波面に形状誤差の影響(形状成分)が現れるため、屈折率計測精度が低下する。本実施例では、形状誤差の影響を除去するために、互いに異なる屈折率を有する2種類の試液を用いる。図8は、本実施例において被検レンズ60の端部の屈折率を算出する算出手段を示すフローチャートである。
In the present embodiment, the second surface of the
まず、基準台50上に第1の試液70(例えば、屈折率1.7)を挟んで被検レンズ60が設置される(S110)。波長掃引光源の波長を制御しながら、複数の波長における被検レンズ60の端部の第1の透過波面W1(λ)が測定される(S120)。第1の透過波面W1(λ)は、数式2で表される。
First, the
ここで、NLens(λ)は被検レンズ60の端部の屈折率、NBlock(λ)は基準台50の屈折率、N1 Oil(λ)は第1の試液70の屈折率である。yは図7に記載の座標、δ(y)は図7に示されている試液内を透過する光線の幾何学距離、L(y)−δ(y)は図7に示されている被検レンズ60の端部を透過する光線の幾何学距離である。被検レンズ60が設計値通りの形状を有している場合、δ(y)=0となる。つまり、δ(y)は形状誤差に由来する量(形状成分)である。数式2は、数式3の近似式を用いて数式4のように変形される。
Here, N Lens (λ) is the refractive index of the end of the
次に、基準台50上に、第2の試液(例えば、屈折率〜1.75)を挟んで被検レンズ60が設置される(S130)。そして、複数の波長における被検レンズ60の端部の第2の透過波面W2(λ)が測定される(S140)。第2の透過波面W2(λ)は、第1の透過波面W1(λ)と同様にして数式5で表される。N2 Oil(λ)は第2の試液の屈折率である。
Next, the
最後に、第1の透過波面W1(λ)と第2の透過波面W2(λ)とから形状成分δ(y)を消去すると、被検レンズ60の端部の屈折率NLens(λ)が数式6のように算出される(S150)。 Finally, when the shape component δ (y) is eliminated from the first transmitted wavefront W 1 (λ) and the second transmitted wavefront W 2 (λ), the refractive index N Lens (λ ) Is calculated as in Equation 6 (S150).
実施例1、実施例2で説明した装置及び方法を用いて、計測された屈折率の結果を、モールド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。 Using the apparatus and method described in the first and second embodiments, the result of the measured refractive index can be fed back to a method for manufacturing an optical element such as a molded lens.
図9には、モールド成型を利用した光学素子の製造工程の例を示している。 FIG. 9 shows an example of a manufacturing process of an optical element using molding.
光学素子は、光学素子の設計工程、金型の設計工程及び、設計された金型を用いた光学素子のモールド工程を経て製造される。モールドされた光学素子は、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を行う。形状精度が良好であれば、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3や図8を用いて説明した屈折率算出フローを組み込むことで、高屈折率硝材を母材としてモールド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。 The optical element is manufactured through an optical element design process, a mold design process, and an optical element mold process using the designed mold. The molded optical element is evaluated for its shape accuracy, and when the accuracy is insufficient, the mold is corrected and the molding is performed again. If the shape accuracy is good, the optical performance of the optical element is evaluated. By incorporating the refractive index calculation flow described with reference to FIGS. 3 and 8 into this optical performance evaluation step, it is possible to mass-produce optical elements molded using a high refractive index glass material as a base material. If the optical performance is low, the optical element whose optical surface is corrected is redesigned.
以上、説明した各実施例は代表的な例に過ぎず、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。 The embodiments described above are merely representative examples, and various modifications and changes can be made to the embodiments when the present invention is implemented.
10 光源
50 基準台
60 被検レンズ
70 試液
10
Claims (19)
前記複数の波長における前記被検レンズの端部の透過波面と前記基準台の屈折率とに基づいて前記被検レンズの端部の屈折率を特定するステップと、
を含むことを特徴とする屈折率計測方法。 Placing the test lens on a reference table having the shape of the mold at the end of the test lens, and measuring a transmitted wavefront at the end of the test lens at a plurality of wavelengths;
Identifying the refractive index of the end of the test lens based on the transmitted wavefront of the end of the test lens at the plurality of wavelengths and the refractive index of the reference table;
A refractive index measuring method comprising:
前記基準台と前記被検レンズの間に、前記第1の液体の屈折率とは異なる屈折率を有する第2の液体を介在させて、複数の波長において前記被検レンズの端部の第2の透過波面を測定し、
前記第1の透過波面と前記第2の透過波面と前記基準台の屈折率とに基づいて前記被検レンズの形状成分を除去し、前記被検レンズの端部の屈折率を算出することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の屈折率計測方法。 Measuring a first transmitted wavefront at the end of the test lens at a plurality of wavelengths by interposing a first liquid between the reference table and the test lens;
A second liquid having a refractive index different from the refractive index of the first liquid is interposed between the reference stage and the test lens, so that the second end of the test lens at a plurality of wavelengths is provided. Measure the transmitted wavefront of
Removing the shape component of the test lens based on the first transmitted wavefront, the second transmitted wavefront, and the refractive index of the reference table, and calculating the refractive index of the end of the test lens. The refractive index measuring method according to claim 1, wherein the refractive index is measured.
請求項1から7のいずれか1項に記載の屈折率計測方法を用いて前記光学素子の屈折率を計測することによって、モールドされた光学素子の光学性能を評価するステップと、を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。 Molding the optical element;
Evaluating the optical performance of the molded optical element by measuring the refractive index of the optical element using the refractive index measurement method according to any one of claims 1 to 7. A method for manufacturing an optical element.
前記基準台に配置された前記被検レンズの透過波面を複数の波長において測定する測定手段を有することを特徴とする屈折率計測装置。 A reference table having the shape of the mold at the end of the lens to be examined;
An apparatus for measuring a refractive index, comprising: a measuring unit that measures a transmission wavefront of the lens to be measured arranged on the reference table at a plurality of wavelengths.
前記第1の透過波面と前記第2の透過波面と前記基準台の屈折率とに基づいて前記被検レンズの形状成分を除去し、前記被検レンズの端部の屈折率を算出する算出手段を有することを特徴とする請求項9に記載の屈折率計測装置。 The measuring means includes a first liquid interposed between the reference table and the lens to be measured, measures a first transmitted wavefront at an end of the test lens at a plurality of wavelengths, and By interposing a second liquid having a refractive index different from the refractive index of the first liquid between the test lenses, a second transmitted wavefront at the end of the test lens at a plurality of wavelengths. Measure and
Calculation means for removing a shape component of the test lens based on the first transmitted wavefront, the second transmitted wavefront, and the refractive index of the reference table, and calculating the refractive index of the end of the test lens The refractive index measuring device according to claim 9, wherein
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