JP2016109670A - 屈折率分布計測方法、屈折率分布計測装置、及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検レンズの屈折率分布を高精度に計測する。【解決手段】 形状及び屈折率が既知の第１基準レンズ１２０と、形状及び屈折率が既知の第２基準レンズ１２５と、媒質７１とを用いて被検レンズ６０を挟み、被検ユニット２００を構成する。被検ユニット２００の透過波面を測定し、第１基準レンズ１２０の形状及び屈折率と第２基準レンズの形状及び屈折率と、被検ユニット２００の透過波面とを用いて被検レンズ６０の屈折率分布を算出する。【選択図】 図１

Description

本発明は、光学素子の屈折率分布を計測する屈折率分布計測方法及び屈折率分布計測装置に関する。

モールドによるレンズ製造方法では、形状、屈折率、屈折率分布の３つの物理量が設計値から乖離する。特に、レンズ内部に発生する屈折率分布は、光学性能に悪影響を及ぼす。そのため、モールドレンズの製造には、形状および屈折率が設計値と異なるという条件のもとで、モールド後のレンズの屈折率分布を非破壊で計測する技術が必要である。

特許文献１に開示された計測方法では、被検物の屈折率と略同じ屈折率を有し、被検物の面形状と逆の面形状を有する第１および第２基準素子で被検物を挟み、第１及び第２基準素子と被検物との隙間にマッチングオイルを充填させて測定セルを構成する。そして、測定セルの干渉縞を測定し、干渉縞から位相分布データを算出し、あらかじめ設定された基準値との差を求めることで被検物の屈折率分布を求める。

特開２０１４−１９６９６６号公報

特許文献１に開示された計測方法では、被検物の屈折率と略同じ屈折率を有する基準素子とマッチングオイルとを用いて、被検物の形状による屈折の影響を低減して被検物の屈折率分布を求めている。しかしながら、モールドによるレンズ製造方法では、モールド条件ごとに被検物の形状だけでなく被検物の屈折率も設計値から乖離するため、被検物、基準素子、マッチングオイルそれぞれの屈折率の間に差異が生じる。

この屈折率の差異によって、被検物の形状誤差（形状の設計値からの乖離）が、屈折率分布の誤差となって現れる。さらに、被検物と基準素子の屈折率の差そのものも、屈折率分布の算出誤差につながる。そのため、高精度に屈折率分布を求めるためには被検物の形状誤差及び被検物の屈折率誤差（屈折率の設計値からの乖離）の影響を補正する演算が必要である。

本発明は、レンズの屈折率分布を非破壊かつ高精度に計測することができる屈折率分布計測方法および屈折率分布計測装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明の一側面としての屈折率分布計測方法は、形状及び屈折率が既知の第１基準レンズと、形状及び屈折率が既知の第２基準レンズと、媒質とを用いて前記被検レンズを挟むことにより構成される被検ユニットの透過波面を測定する測定ステップと、前記第１基準レンズの形状及び屈折率と、前記第２基準レンズの形状及び屈折率と、前記被検ユニットの透過波面とを用いて、前記被検レンズの屈折率分布を算出する算出ステップと、を含むことを特徴とする。

尚、レンズをモールドするステップと、上記の屈折率分布計測方法を用いてレンズの屈折率分布を計測することによって、モールドされたレンズの光学性能を評価するステップとを含むレンズの製造方法も、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、形状及び屈折率が既知の第１基準レンズと、形状及び屈折率が既知の第２基準レンズと、媒質を用いて前記被検レンズを挟むことにより構成される被検ユニットの透過波面を測定する測定手段と、前記第１基準レンズの形状及び屈折率と、前記第２基準レンズの形状及び屈折率と、前記被検ユニットの透過波面とを用いて、前記被検レンズの屈折率分布を算出する算出手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、レンズの屈折率分布を非破壊かつ高精度に計測することができる。

本発明における実施例１の屈折率分布計測装置の概略構成を示す図。 実施例１における被検レンズの屈折率分布の算出手順を示すフローチャート。 実施例１における被検レンズと第１及び第２基準レンズの屈折率の分散曲線を示す図。 実施例１において被検レンズ上に定義された座標系と計測装置内での光線の光路を示す図。 実施例１において被検光に対する被検ユニットの傾きが異なる複数の配置を示す図。 本発明における実施例２の屈折率分布計測装置の概略構成を示す図。 本発明の光学素子の製造方法の製造工程を示す図。

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。

図１は、本発明における実施例１の屈折率分布計測装置の概略構成を示している。本実施例の屈折率分布計測装置は、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、被検ユニット２００、補償板１３０、検出器８０、コンピュータ９０を有し、被検レンズ６０の屈折率分布を計測する。本実施例では、被検レンズは正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分布の計測を行うことができる。

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、スーパーコンティニューム光源）である。複数の波長の光は、モノクロメータ２０を通って準単色光となる。モノクロメータ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。

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、被検レンズを透過しない参照光と被検レンズを透過する被検光に分割し、参照光と被検光を干渉させて、その干渉光を検出器８０に導光する。

被検ユニット２００は、被検レンズ６０、第１基準レンズ１２０、第２基準レンズ１２５、媒質７１で構成され、第１基準レンズ１２０、媒質７１、被検レンズ６０、媒質７１、第２基準レンズ１２５の順で並んでいる。

第１基準レンズ１２０は、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。被検レンズ６０は屈折率分布をもつため、上記被検レンズ６０の屈折率とは、被検レンズ６０の特定の一部の屈折率を指している。特定の一部は、任意の部分でよい。

第２基準レンズ１２５は、第１基準レンズ１２０と同一の材料でつくられている。媒質７１の屈折率は、被検レンズ６０の屈折率と等しい必要はない（例えば、被検レンズ６０の屈折率ｎ_ｄが約１．９であるとき、媒質７１の屈折率ｎ_ｄを約１．７程度でよい）。尚、媒質の屈折率は被検レンズ６０の屈折率に近いほど被検レンズ６０の表面における屈折の影響を低減できるため好ましいが、媒質を空気とすることもできる。

第１基準レンズ１２０は、平面と被検レンズ６０の第１面の面形状とほぼ等しい形状の面とを有し、第２基準レンズ１２５は、被検レンズ６０の第２面の面形状とほぼ等しい形状の面と平面とを有している。すなわち、第１基準レンズ１２０及び第２基準レンズ１２５は、被検レンズ６０に対向する面とは反対側の面が平面である。

本実施例において、ほぼ等しい形状の面とは、例えば、被検レンズの面形状の製造誤差程度の範囲で形状が一致している面のことである。第１基準レンズ１２０と第２基準レンズ１２５の面形状及び屈折率は既知である。第１基準レンズ１２０及び第２基準レンズ１２５は、屈折率分布が無視できるレンズであり、例えば、研削・研磨で製作されたものである。被検ユニット２００は、入射する被検光に対して垂直方向に回転軸をもつ回転ステージ１４０上に配置されている。

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、被検ユニット２００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、補償板１３０を透過し、ミラー１０５で反射する。補償板１３０は、被検光と参照光の光路長差を小さくするためのガラスブロックである。モノクロメータ２０を透過した光の可干渉距離が長ければ、補償板１３０は必要ない。参照光と被検光は、ビームスプリッタ１０１で合波されて、干渉光を形成する。

媒質７１の屈折率は、不図示の温度計を用いて媒質７１付近の大気の温度を測定し、測定した温度をもとに屈折率に換算することで算出できる。ただし、本実施例では、媒質７１の屈折率の算出は必須ではない。

ミラー１０５は、不図示の駆動機構により、図１中の矢印方向に駆動される。駆動方向は図１の矢印方向に限らず、ミラー１０５の駆動によって参照光と被検光の光路長差が変化しさえすれば任意の方向でよい。ミラー１０５の駆動機構は、例えば、ピエゾステージ等から構成される。ミラー１０５の駆動量は、不図示の測長器（例えば、レーザ変位計やエンコーダ）によって測定され、コンピュータ９０によって制御される。参照光と被検光の光路長差は、ミラー１０５の駆動機構によって調整される。

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。

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の屈折率分布を算出する算出手段や、モノクロメータ２０を透過する光の波長、ミラー１０５の駆動量、回転ステージ１４０の回転量を制御する制御手段を有し、ＣＰＵ等から成る。

図２は、被検レンズ６０の屈折率分布を算出する算出手順を示すフローチャートである。本実施例では、まず、第１基準レンズ１２０と第２基準レンズ１２５と媒質７１とを用いて被検レンズ６０を挟み、被検ユニット２００を構成する（Ｓ１０）。

第１基準レンズ１２０と第２基準レンズ１２５は、図３に示すように、被検レンズ６０とは異なる屈折率分散を有し、特定の波長λ_０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。一般に、モールドレンズの屈折率絶対値は、モールドの条件によって大きく変化する。もし、第１及び第２基準レンズが被検レンズ６０と同じ屈折率分散を有していると、図３の２つの曲線がほぼ同じ傾きとなるため、２曲線の交点（特定の波長λ_０）が存在しない場合がある。したがって、本実施例では、第１基準レンズ１２０と第２基準レンズ１２５は、被検レンズ６０の材料とは異なる材料が望ましい。

次に、被検ユニット２００が被検光路上に配置される（Ｓ２０）。モノクロメータ２０で波長を制御しながら、複数の波長における被検ユニット２００の透過波面が測定される（Ｓ３０）。そして、複数の波長における被検ユニット２００の透過波面から特定の波長λ_０が決定される（Ｓ４０）。

特定の波長λ_０とは、被検レンズ６０内部の特定の位置の屈折率と第１及び第２基準レンズの屈折率とが一致する波長である。屈折率が一致している波長においては、被検ユニット２００の前後で波面の変化が小さくなるため、透過波面の大きさから特定の波長λ_０を決定できる。特に、被検レンズ６０の第１面に対する第２面の傾きが急な部分において透過波面は大きくなるため、その部分を用いると特定の波長λ_０を決定しやすい。例えば、被検レンズの切断端（コバ）付近の透過波面が特定の波長λ_０の決定に適している。

特定の波長λ_０は、透過波面ではなく干渉縞から決定することもできる。干渉縞から特定の波長λ_０を決定する場合、モノクロメータ２０で波長を制御しながら複数の波長における干渉縞を測定し、干渉縞が最も少なくなる波長（＝特定の波長λ_０）を決定すればよい。

透過波面は、ミラー１０５の駆動を用いたフリンジスキャン法によって測定される。特定の波長λ_０における被検ユニットの透過波面Ｗ（λ_０，ｘ，ｙ）は、数式１のように表される。

Ｌ_Ａ（ｘ，ｙ）、Ｌ_Ｂ（ｘ，ｙ）、Ｌ（ｘ，ｙ）、Ｌ_Ｃ（ｘ，ｙ）、Ｌ_Ｄ（ｘ，ｙ）は、図４（ｂ）に示される光線に沿った各構成要素間の幾何学距離である。図４（ｂ）の光線は、図４（ａ）に示す被検レンズ６０の内部にある点（ｘ，ｙ）を通る光線を指す。図４（ｂ）は、各面における屈折による光線の偏向を無視して描かれている。

Ｌ（ｘ，ｙ）は被検レンズ６０の厚み、Ｌ_Ａ（ｘ，ｙ）は第１基準レンズ１２０の厚み、Ｌ_Ｄ（ｘ，ｙ）は第２基準レンズ１２５の厚みである。Ｌ_Ａ（ｘ，ｙ）、Ｌ_Ｄ（ｘ，ｙ）は、触針式の面形状計測方法等によって計測されているものとし、ここでは既知の量と定義している。Ｌ_Ｂ（ｘ，ｙ）とＬ_Ｃ（ｘ，ｙ）は、第１基準レンズ１２０の第２面と被検レンズ６０の第１面、被検レンズ６０の第２面と第２基準レンズ１２５の第１面、の面形状がわずかに異なることによって発生する隙間であり、その隙間には媒質７１が満たされている。

ｎ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ_０，ｘ，ｙ）は、特定の波長λ_０における被検レンズ６０の屈折率である。ｎ_０（λ_０）は、第１基準レンズ１２０、第２基準レンズ１２５の特定の波長λ_０における屈折率であり、既知である。本実施例では、第１基準レンズ１２０、第２基準レンズ１２５の屈折率は同一で、レンズ内に一様に分布しているものと仮定している。ｎ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ_０）は、特定の波長λ_０における媒質７１の屈折率である。

Ｌは、Ｌ_Ａ（ｘ，ｙ）、Ｌ_Ｂ（ｘ，ｙ）、Ｌ（ｘ，ｙ）、Ｌ_Ｃ（ｘ，ｙ）、Ｌ_Ｄ（ｘ，ｙ）の和である。つまり、数式２の関係式がある。数式２の右辺は既知の量であり、被検レンズ６０の厚みの設計値とほぼ等しい。

Ｃは任意定数である。干渉計では、波面、つまり等位相面の定数成分（ＤＣ成分）を測定できない。したがって、干渉計で測定された波面は、定数成分の不確定量Ｃを含む。数式１のｎ_０（λ_０）Ｌの項は、定数項であり定数項Ｃの一部であるが、後の計算のため、定数項Ｃから分離して表記している。数式１は、数式２を用いて数式３のように変形できる。

数式３の両辺を、Ｌ−（Ｌ_Ａ（ｘ，ｙ）＋Ｌ_Ｄ（ｘ，ｙ））で除算すれば、数式４で表される屈折率分布が算出される。数式４中の右辺第２項と右辺第３項は、屈折率分布の算出誤差に相当する。

数式４の第３項は、干渉計で測定できない不確定な定数項Ｃに由来する成分のため、Ｃの値によっては大きな屈折率分布誤差になりうる。そこで、以下のような補正演算を行う。

被検レンズ６０内部の特定の位置（ｘ_０，ｙ_０）において、被検レンズ６０の屈折率が第１及び第２基準レンズの屈折率ｎ_０（λ_０）と等しいとする（ｎ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ_０，ｘ_０，ｙ_０）＝ｎ_０（λ_０））。このとき、数式３は位置（ｘ_０，ｙ_０）において、数式５のように表される。数式３を数式５で減算した後に、Ｌ−（Ｌ_Ａ（ｘ，ｙ）＋Ｌ_Ｄ（ｘ，ｙ））で除算すれば、数式６のように、定数項Ｃに由来する屈折率分布の誤差成分が混入しない屈折率分布が得られる。

定数項Ｃは、被検レンズ６０の屈折率と第１及び第２基準レンズの屈折率との差が小さく、かつ、被検レンズ６０の屈折率分布がゼロに近ければ、Ｃ＝０としても問題ない。しかし、一般的に、モールドによって被検レンズ６０の屈折率は変化し、屈折率分布も発生するため、Ｃ＝０とすると精度が悪化する。本実施例では、被検レンズ６０の屈折率と第１及び第２基準レンズの屈折率とが等しくなる特定の波長λ_０において透過波面を測定し、数式５及び数式６の演算によって定数項Ｃに由来する屈折率分布誤差を消去しているため、精度が高い。

被検レンズ６０の第１面の面形状と第１基準レンズ１２０の第２面の面形状、及び被検レンズ６０の第２面の面形状と第２基準レンズ１２５の第１面の面形状が、被検レンズの面形状の製造誤差程度の範囲で一致していれば、数式６の右辺第２項は無視できる。つまり、数式７の近似が成り立つ。

以上より、特定の波長における被検レンズ６０の屈折率分布ＧＩ（λ_０，ｘ，ｙ）が、数式８のように算出される。数式８の右辺の分母Ｌ−（Ｌ_Ａ（ｘ，ｙ）＋Ｌ_Ｄ（ｘ，ｙ））は、被検レンズ６０の厚みの設計値とほぼ等しいため、Ｌ−（Ｌ_Ａ（ｘ，ｙ）＋Ｌ_Ｄ（ｘ，ｙ））の代わりに被検レンズ６０の厚みの設計値で代用してもよい。

本実施例の計測方法は、被検レンズ６０の形状誤差（形状の設計値からの乖離）及び被検レンズ６０の屈折率誤差（屈折率の設計値からの乖離）によって発生する屈折率分布の算出誤差を、基準レンズの形状及び屈折率を用いて補正している。そのため、光学素子の屈折率分布を非破壊かつ高精度に計測できる。

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媒質（マッチング液）を用いずに、被検レンズ６０の屈折率分布を計測する。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（ｎ_ｄ〜１．８以上）の光学素子の屈折率分布も、高精度に算出できる。

本実施例では、図１のように、被検レンズ６０に対して被検光が垂直に入射する構成で被検レンズ６０の屈折率分布を計測したが、図５のように被検レンズ６０に対して被検光が斜めに入射する構成でも被検レンズ６０の屈折率分布を計測できる。斜入射配置による被検レンズ６０の屈折率分布計測によって、被検レンズ６０の光軸方向の屈折率分布が算出できる。光軸方向とは、被検レンズ６０の第１面頂点から第２面頂点に向かう方向を指す。

まず、被検光に対して被検ユニット２００の傾きが異なる複数の配置において、被検ユニット２００の透過波面が測定される。被検光に対する被検ユニット２００の傾き角度は、回転ステージ１４０の回転量をコンピュータ９０で制御することで調整される。

そして、複数の配置において、被検レンズ６０の屈折率分布が算出される。本実施例で算出される屈折率分布は、被検レンズ６０の３次元屈折率分布を、被検光の透過方向に投影した屈折率分布投影値である。斜入射配置による被検レンズ６０の屈折率分布投影値は、傾き角度に応じた被検レンズ６０の光軸方向の屈折率分布情報を有する。複数の配置において屈折率分布投影値を算出すれば、被検レンズ６０の光軸方向の屈折率分布情報を抽出できる。

図５（ａ）、（ｂ）は、被検光に対して被検ユニット２００を傾けたときの光線の進み方を示している。被検ユニット２００の傾き角が大きくなるに従い、被検ユニット２００の表面における屈折角が大きくなる。屈折角が大きくなると、入射する被検光に対して透過する被検光のシフト量が大きくなる。また、この屈折の影響で、被検レンズ６０に対する被検光の入射角度が、被検ユニット２００の傾き角度に比べて小さいという問題がある。入射角度が小さいと、被検レンズ６０の光軸方向の屈折率分布情報はあまり得られない。

図５（ｃ）、（ｄ）は、上記問題を解決する方法を示している。被検ユニット２００の傾き角度と同じ角度の頂角を有するプリズム１５０、１５１、１５５、１５６を被検ユニット２００の前後に挿入することで、屈折の影響を低減している。

プリズム１５０、１５１、１５５、１５６は、第１及び第２基準レンズと同一材質で製作されている。プリズム１５０、１５１、１５５、１５６と被検ユニット２００のそれぞれの隙間には、隙間における屈折の影響を低減するために媒質７１が塗布されている。

図５（ｃ）、（ｄ）のように、被検ユニット２００の傾き角と同じ頂角を有するプリズムを用いることで、被検ユニット２００の傾き角度と同じ入射角度の屈折率分布投影値が得られる。

光路長分布（＝屈折率分布×Ｌ（ｘ，ｙ））は、モールドレンズの光学性能を示す物理量として、屈折率分布の代用が可能である。したがって、本発明の屈折率分布計測方法（屈折率分布計測装置）は、光路長分布計測方法（光路長分布計測装置）も意味する。

本実施例では、複数の波長の光を射出する光源とモノクロメータ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スーパーコンティニューム光源が使用されているが、光周波数コム、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、短パルスレーザ、ハロゲンランプが代用できる。

複数の波長の光を射出する光源とモノクロメータの組み合わせの代わりに、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。本実施例は、２種類以上の波長の光を射出する光源であれば足りる。

本実施例では、干渉光学系にマッハツェンダ干渉計を用いた。その代わりにトワイマングリーン干渉計やフィゾー干渉計が代用できる。

本実施例では、第１基準レンズ１２０の第２面の面形状と被検レンズ６０の第１面の面形状との差、及び被検レンズ６０の第２面の面形状と第２基準レンズの第１面の面形状との差が、実施例１よりも大きい場合の屈折率分布計測方法を説明する。本実施例では、この面形状の差（形状成分）を、２種類の異なる波長における透過波面を用いて除去する。

図６は、本発明における実施例２の屈折率分布計測装置の概略構成を示す図である。本実施例では、実施例１で使用した干渉光学系を使用せずに、シャックハルトマンセンサ８１を用いて透過波面を測定する。光源１１はマルチラインガスレーザ（例えば、アルゴンレーザやクリプトンレーザ）、被検レンズ６０は負の屈折力をもつレンズである。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。

被検ユニット２００は、容器５０内に満たされた媒質７０中に配置されている。本実施例における被検ユニット２００は、図６のように、第１基準レンズ１２０、被検レンズ６０、第２基準レンズ１２５、媒質７０、補助ガラス１２７、１２８、１２９で構成されており、全体で直方体（または円柱）になっている。被検レンズ６０の第１面及び第２面は非球面である。第１基準レンズ１２０の第２面は、被検レンズ６０の第１面の非球面形状に近い球面であり、第２基準レンズ１２５の第１面は、被検レンズ６０の第２面の非球面形状に近い球面である。

本実施例では、被検レンズ６０の切断端（コバ）付近の屈折率ｎ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ，ａ，ｂ）が既知としている。被検レンズ６０の屈折率は、例えば、被検レンズ６０のコバ付近をプリズム形状に加工して最小偏角法で計測できる。また、第１基準レンズ１２０、第２基準レンズ１２５、補助ガラス１２７、１２８、１２９はすべて同一材質で製作されており、すべての面形状及び屈折率ｎ_０（λ）が既知の量である。

光源１１から射出した光は、モノクロメータ２０によって分光され、ピンホール３０を透過して発散光となり、コリメータレンズ４０によって平行光となる。平行光は、容器５０内の媒質７０中に配置された被検ユニット２００を透過し、シャックハルトマンセンサ８１で検出される。シャックハルトマン８１で検出された信号は、コンピュータ９０に送られる。容器５０には、不図示の温度計が配置されている。媒質７０の屈折率は、温度計により測定された媒質７０の温度と、媒質７０の屈折率の温度係数とを用いてコンピュータ９０で算出される。

本実施例における被検レンズ６０の屈折率分布の算出方法を以下に示す。本実施例は、まず、被検レンズ６０を第１基準レンズ１２０と第２基準レンズ１２５と媒質７０と補助ガラス１２７、１２８、１２９とで挟んで被検ユニット２００を構成し、被検ユニット２００を容器５０内の光路上に配置する。

そして、第１の波長λ_１（例えば、λ_１＝４５７ｎｍ）における被検ユニット２００の第１の透過波面Ｗ（λ_１，ｘ，ｙ）と、第２の波長λ_２（例えば、λ_２＝５１４ｎｍ）における被検ユニット２００の第２の透過波面Ｗ（λ_２，ｘ，ｙ）とを測定する。波長λにおける透過波面Ｗ（λ，ｘ，ｙ）は、数式９で表される。さらに、数式９は、数式２と、数式１０の近似を用いて数式１１のように変形できる。数式１１は、座標（ａ，ｂ）において、数式１２のように表される。数式１３は、数式１１から数式１２を減算して、定数項Ｃを消去した式である。数式中の記号の意味は、実施例１と同一である。

第１基準レンズ１２０の形状及び屈折率と、第２基準レンズ１２５の形状及び屈折率と、第１の波長における被検ユニット２００の透過波面と、第２の波長における被検ユニット２００の透過波面とを用いて、第１及び第２基準レンズと被検レンズ６０との面形状の差（形状成分）Ｌ_Ｂ（ｘ，ｙ）−Ｌ_Ｂ（０，０）＋Ｌ_Ｃ（ｘ，ｙ）−Ｌ_Ｃ（０，０）を除去できる。

第１波長における被検レンズ６０の屈折率分布ＧＩ（λ_１，ｘ，ｙ）は、数式１４の近似を用いて数式１５のように算出される。第２波長における被検レンズ６０の屈折率分布ＧＩ（λ_２，ｘ，ｙ）は、数式１４、数式１５を用いて数式１６のように表される。

本実施例では、第１及び第２基準レンズと被検レンズとの面形状差が大きい場合に、異なる２種類の波長における透過波面を用いて面形状差（形状成分）を除去して屈折率分布を算出した。形状成分の除去には、２種類の波長の代わりに、屈折率の異なる２種類の媒質を利用してもよい。屈折率の異なる２種類の媒質を用いて被検ユニット２００を構成し、被検ユニット２００の透過波面を測定すれば、形状成分を除去して屈折率分布を算出できる。その方法は次のとおりである。

第１基準レンズ１２０と、第２基準レンズ１２５と、第１の屈折率ｎ_１ ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）を有する第１の媒質と補助ガラス１２７、１２８、１２９とを用いて被検レンズ６０を挟み、第１の被検ユニットを構成する。そして、第１の被検ユニットの第１の透過波面を測定する。第１の被検ユニットの第１の透過波面Ｗ_１（λ，ｘ，ｙ）は、数式１７のように表される。

第１基準レンズ１２０と、第２基準レンズ１２５と、第１の屈折率ｎ_１ ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）と異なる第２の屈折率ｎ_２ ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）を有する第２の媒質と補助ガラス１２７、１２８、１２９とを用いて被検レンズ６０を挟み、第２の被検ユニットを構成する。そして、第２の被検ユニットの第２の透過波面を測定する。第２の被検ユニットの第２の透過波面Ｗ_２（λ，ｘ，ｙ）は、数式１８のように表される。

最後に、第１基準レンズ１２０の形状及び屈折率と、第２基準レンズ１２５の形状及び屈折率と、第１の透過波面と、第２の透過波面とを用いて、被検レンズ６０の形状成分を除去して屈折率分布を算出する。定数項Ｃは、数式１２、１３と同様の方法で消去できる。被検レンズ６０の屈折率分布ＧＩ（λ，ｘ，ｙ）は、数式１９のように表される。

２種類の波長や２種類の媒質を用いる代わりに、第１、第２基準レンズを用いて特定の屈折率分布を有する基準被検レンズを挟んで構成された基準被検ユニットの透過波面を用いて、第１、第２基準レンズと被検レンズ６０との面形状の差の影響を低減できる。

本実施例では、基準被検レンズの屈折率分布として、屈折率ｎ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ，ａ，ｂ）の一様な屈折率分布を仮定する。基準被検レンズの形状として被検レンズ６０の設計値を用いる。第１基準レンズと第２基準レンズとを用いて基準被検レンズを挟むことにより構成される基準被検ユニットの透過波面Ｗ_ｓｉｍ（λ，ｘ，ｙ）は、数式２０のように表される。ただし、Ｃ’は任意定数である。

δＬ_Ｂ（ｘ，ｙ）は被検レンズ６０の第１面形状と基準被検レンズの第１面形状との差、δＬ_Ｃ（ｘ，ｙ）は被検レンズ６０の第２面形状と基準被検レンズの第２面形状との差である。この基準被検ユニットの透過波面Ｗ_ｓｉｍ（λ，ｘ，ｙ）を用いると、第１及び第２基準レンズと被検レンズ６０との面形状の差の影響（数式１１の右辺第２項）を低減できる。

被検ユニット２００の透過波面Ｗ（λ，ｘ，ｙ）（数式１１）と、基準被検ユニットの透過波面Ｗ_ｓｉｍ（λ，ｘ，ｙ）（数式２０）との差は、数式２１のように表される。

δＬ_Ｂ（ｘ，ｙ）やδＬ_Ｃ（ｘ，ｙ）は、被検レンズ６０の製造誤差程度の小さな値なので、数式２２の近似が成り立つ。数式２１から数式１２、１３と同様の方法で定数項Ｃ−Ｃ’を消去して、数式２２の近似を用いると、被検レンズ６０の屈折率分布ＧＩ（λ，ｘ，ｙ）が、数式２３のように表される。

本実施例では、被検ユニット２００の透過波面の測定にシャックハルトマンセンサ８１を使用した。シャックハルトマンセンサの代わりにタルボ干渉計のようなシアリング干渉計を用いてもよい。

本実施例では、モノクロメータ２０を用いて波長を制御したが、モノクロメータの代わりに波長選択フィルタを用いてもよい。

本実施例では、複数の波長を射出する光源（マルチラインガスレーザ）を用いたが、２種類の媒質を用いる方式や基準被検レンズを用いる方式を使用する場合は、単一波長の光源（例えば、ＨｅＮｅレーザ）で良い。

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分布の結果を、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。

図７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。

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、本発明の屈折率分布計測方法を組み込むことで、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。

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。

１０ 光源
６０ 被検レンズ
７１ 媒質
８０ 検出器
９０ コンピュータ
１２０ 第１基準レンズ
１２５ 第２基準レンズ
２００ 被検ユニット

Claims (13)

1. 形状及び屈折率が既知の第１基準レンズと、形状及び屈折率が既知の第２基準レンズと、媒質とを用いて前記被検レンズを挟むことにより構成される被検ユニットの透過波面を測定する測定ステップと、
   前記第１基準レンズの形状及び屈折率と、前記第２基準レンズの形状及び屈折率と、前記被検ユニットの透過波面とを用いて、前記被検レンズの屈折率分布を算出する算出ステップと、
   を含むことを特徴とする屈折率分布計測方法。
2. 前記第１基準レンズと前記第２基準レンズは同一の材料で形成されており、前記第１基準レンズと前記第２基準レンズは、特定の波長において前記被検レンズの屈折率と等しい屈折率を有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. 複数の波長において前記被検ユニットの透過波面を測定し、
   前記複数の波長における前記被検ユニットの透過波面から前記特定の波長を決定し、
   前記特定の波長における透過波面を用いて、前記被検レンズの屈折率分布を算出することを特徴とする請求項２に記載の屈折率分布計測方法。
4. 前記被検光に対する前記被検ユニットの傾きが異なる複数の配置について前記被検ユニットの透過波面を測定し、
   前記複数の配置における前記被検ユニットの透過波面を用いて、前記被検レンズの光軸方向の屈折率分布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項に記載の屈折率分布計測方法。
5. 第１の波長における前記被検ユニットの透過波面と、前記第１の波長とは異なる第２の波長における前記被検ユニットの透過波面とを測定し、
   前記第１基準レンズの形状及び屈折率と、前記第２基準レンズの形状及び屈折率と、前記第１の波長における前記被検ユニットの透過波面と、前記第２の波長における前記被検ユニットの透過波面とを用いて、前記被検レンズの形状成分を除去して、前記被検レンズの屈折率分布を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の屈折率分布計測方法。
6. 前記第１基準レンズと、前記第２基準レンズと、第１の屈折率を有する第１の媒質とを用いて前記被検レンズを挟むことにより構成される第１の被検ユニットの透過波面を測定し、
   前記第１基準レンズと、前記第２基準レンズと、前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する第２の媒質とを用いて前記被検レンズを挟むことにより構成される第２の被検ユニットの透過波面を測定し、
   前記第１基準レンズの形状及び屈折率と、前記第２基準レンズの形状及び屈折率と、前記第１の被検ユニットの透過波面と、前記第２の被検ユニットの透過波面とを用いて、前記被検レンズの形状成分を除去して、前記被検レンズの屈折率分布を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の屈折率分布計測方法。
7. 前記第１基準レンズの形状及び屈折率と、前記第２基準レンズの形状及び屈折率と、前記被検ユニットの透過波面と、前記第１基準レンズと前記第２基準レンズとを用いて特定の屈折率分布を有する基準被検レンズを挟むことにより構成される基準被検ユニットの透過波面とを用いて、前記被検レンズの屈折率分布を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の屈折率分布計測方法。
8. 光学素子をモールドするステップと、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の屈折率分布計測方法を用いて前記光学素子の屈折率分布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。
9. 形状及び屈折率が既知の第１基準レンズと、形状及び屈折率が既知の第２基準レンズと、媒質を用いて前記被検レンズを挟むことにより構成される被検ユニットの透過波面を測定する測定手段と、
   前記第１基準レンズの形状及び屈折率と、前記第２基準レンズの形状及び屈折率と、前記被検ユニットの透過波面とを用いて、前記被検レンズの屈折率分布を算出する算出手段と、
   を有することを特徴とする屈折率分布計測装置。
10. 前記第１及び第２基準レンズは、前記被検レンズに対向する面とは反対側の面が平面であることを特徴とする請求項９に記載の屈折率分布計測装置。
11. 前記測定手段は、マッハツェンダ干渉計を有することを特徴とする請求項９または１０に記載の屈折率分布計測装置。
12. 前記測定手段は、シャックハルトマンセンサを有することを特徴とする請求項９または１０に記載の屈折率分布計測装置。
13. 前記測定手段は、シアリング干渉計を有することを特徴とする請求項９または１０に記載の屈折率分布計測装置。

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