JP3423486B2 - Method and apparatus for measuring refractive index distribution of optical element - Google Patents

Method and apparatus for measuring refractive index distribution of optical element

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JP3423486B2
JP3423486B2 JP15494895A JP15494895A JP3423486B2 JP 3423486 B2 JP3423486 B2 JP 3423486B2 JP 15494895 A JP15494895 A JP 15494895A JP 15494895 A JP15494895 A JP 15494895A JP 3423486 B2 JP3423486 B2 JP 3423486B2
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refractive index
optical element
wave
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光学レンズなどの光学
素子の屈折率分布の測定方法および装置に関し、特に干
渉縞像の解析により光学素子の屈折率の分布を測定する
方法および装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for measuring a refractive index distribution of an optical element such as an optical lens, and more particularly to a method and apparatus for measuring a refractive index distribution of an optical element by analyzing an interference fringe image.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、レーザプリンタ、カメラなどの光
学機器に使用される光学レンズとして、プラスチックス
材料による成形レンズが普及している。このプラスチッ
クス成形レンズは、ガラス研磨レンズに比して非球面レ
ンズの製作性に優れ、安価であるが、製造上の屈折率の
分布が不安定で、レンズ内部に不均一性を生じることが
多い。レンズ内部の屈折率の不均一性は、光学特性に大
きい影響を及ぼし、画質、解像度を劣化する原因にな
る。このようなことから、光学レンズ内部の屈折率の分
布を高精度に測定し、光学レンズの均質性を評価する必
要がある。
2. Description of the Related Art In recent years, molded lenses made of plastics materials have become widespread as optical lenses used in optical devices such as laser printers and cameras. This plastics molded lens is superior in terms of manufacturability of an aspherical lens to a glass-polished lens and is inexpensive, but the distribution of the refractive index in manufacturing is unstable, and unevenness may occur inside the lens. Many. The non-uniformity of the refractive index inside the lens has a great influence on the optical characteristics and causes deterioration of image quality and resolution. For this reason, it is necessary to measure the distribution of the refractive index inside the optical lens with high accuracy and evaluate the homogeneity of the optical lens.

【0003】光学レンズの屈折率を測定する方法として
は、精密示差屈折計などを使用してVブロック法などに
より屈折角を計測して屈折率を求める方法と、トワイマ
ン・グリーン干渉計などの二光束干渉計を使用して干渉
縞より屈折率を測定する方法とがあり、また、光学的均
質性の測定法として、フィゾ干渉計、マッハツェンダ干
渉計などの二光束干渉計を使用して干渉縞像の解析より
透過波面を計測し、屈折率分布から光学的均質性を求め
る方法が知られている。
As a method of measuring the refractive index of an optical lens, there are two methods such as a method of measuring a refraction angle by a V-block method using a precision differential refractometer or the like to obtain a refractive index, and a method such as Twyman-Green interferometer. There is a method of measuring the refractive index from the interference fringes using a light flux interferometer, and as a method of measuring optical homogeneity, an interference fringe using a two-beam interferometer such as a Fizeau interferometer or a Mach-Zehnder interferometer. A method is known in which the transmitted wavefront is measured by image analysis and the optical homogeneity is determined from the refractive index distribution.

【0004】なお、これらの屈折率測定法、光学的均質
性の測定法について、より詳細な説明が必要ならば、光
学第20巻第2号(1991年2月)の63〜68頁の
「光学素材の屈折率および光学的均質性の測定」を参照
されたい。
If a more detailed explanation of these refractive index measuring methods and optical homogeneity measuring methods is required, see pages 63-68 of Optics Vol. 20, No. 2 (February 1991). See Refractive Index and Optical Homogeneity Measurements of Optical Materials.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
何れの方法においても、被検物、即ち試料を所定形状に
高精度に加工する必要があり、測定対象の光学素子を破
壊しなければならない。また、透過波面より求められる
屈折率分布は光路進行方向に積算された平均値となり、
3次元空間的な屈折率分布を測定することはできない。
このことにより屈折率の不均一部分を3次元空間的に特
定することができない。
However, in any of the above methods, it is necessary to process the object to be measured, that is, the sample into a predetermined shape with high accuracy, and the optical element to be measured must be destroyed. Further, the refractive index distribution obtained from the transmitted wavefront is an average value integrated in the traveling direction of the optical path,
It is not possible to measure the three-dimensional spatial refractive index distribution.
This makes it impossible to specify the non-uniform refractive index in three-dimensional space.

【0006】本発明は、上述の問題点に着目してなされ
たものであり、光学素子の屈折率分布を、形状に拘ら
ず、非破壊で、3次元空間的な屈折率分布として効率よ
く高精度に測定することができ、屈折率の不均一部分を
3次元空間的に特定することが可能な光学素子の屈折率
分布の測定方法とその装置を提供することを目的として
いる。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the refractive index distribution of an optical element is a non-destructive, three-dimensional spatial refractive index distribution efficiently regardless of the shape. It is an object of the present invention to provide a method of measuring a refractive index distribution of an optical element and a device therefor, which can be accurately measured and can specify a non-uniform refractive index portion three-dimensionally.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、請求項1の発明は、同一光源からの可干渉光を基
準となる参照波と測定対象の光学素子よりなる被検物を
透過する被検波とに分割し、参照波と被検波との重畳に
よる干渉縞像を形成し、形成された干渉縞像から光学素
子の屈折率分布を測定する光学素子の屈折率分布の測定
方法であって、参照波と被検波との重畳光束を二つに分
割し、その一方の重畳光束と他方の光束との間にnπ/
2の位相差を設けてその各光束による干渉縞像を各々形
成し、被検物を被検波の光軸に対して直交する軸線周り
に回転させてその二つの干渉縞像の明暗変化をカウント
して干渉縞の位相変位量を算出し、これより各回転角に
おける透過波面を計測することを特徴とする光学素子の
屈折率分布の測定方法である。また、請求項2の発明
は、前記被検物を光軸に対して直交する軸線周りに回転
させ、少なくとも二つの回転角位置の各々にて前記干渉
縞像の解析により透過波面を計測し、この複数方向から
の透過波面の測定結果から光学素子の屈折率分布を測定
するようにしたことを特徴とする請求項1記載の光学素
子の屈折率分布の測定方法である。また、請求項3の発
明は、同一光源からの可干渉光を基準となる参照波と測
定対象の光学素子よりなる被検物を透過する被検波とに
分割し、参照波と被検波との重畳による干渉縞像を形成
する二光束干渉計と、前記干渉縞像の結像面に配置され
た干渉縞像検出器と、前記干渉縞像検出器によって検出
された干渉縞像を解析して透過波面を計測する透過波面
計測手段と、を有している光学素子の屈折率分布の測定
装置であって、参照波と被検波との重畳光束を二つに分
割するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタによ
って二つに分割された重畳光束間にnπ/2の位相差を
与える光学異方性部材と、各重畳光束による干渉縞像の
結像面に各々一つずつ配置された二つの干渉縞像検出器
と、前記二つの干渉縞像検出器の各々により検出される
干渉縞像の明暗変化を被検面において相互に同一の部位
に対応する観測点にてカウントするカウント手段と、前
記カウント手段によりカウントされた干渉縞像の明暗変
化より干渉縞の位相変位量を算出し、これより各回転角
における透過波面量を算出する透過波面量算出手段とを
有していることを特徴とする光学素子の屈折率分布の測
定装置である。
In order to achieve the above object, the invention of claim 1 provides an object to be inspected which comprises a reference wave based on coherent light from the same light source and an optical element to be measured. A method of measuring the refractive index distribution of an optical element, which is divided into a transmitted test wave, forms an interference fringe image by superimposing a reference wave and the test wave, and measures the refractive index distribution of the optical element from the formed interference fringe image. Where the superposed light flux of the reference wave and the test wave is divided into two, and nπ / is provided between one superposed light flux and the other light flux.
An interference fringe image is formed by each light flux with a phase difference of 2 and the test object is rotated around an axis orthogonal to the optical axis of the test wave to count the change in brightness between the two interference fringe images. Then, the phase shift amount of the interference fringes is calculated, and the transmitted wavefront at each rotation angle is measured from the calculated phase shift amount. Further, the invention of claim 2 rotates the test object around an axis orthogonal to the optical axis, and measures the transmitted wavefront by analyzing the interference fringe image at each of at least two rotation angle positions, A refractive index distribution measuring method for an optical element according to claim 1, wherein the refractive index distribution of the optical element is measured from the measurement results of the transmitted wavefronts from a plurality of directions. According to the invention of claim 3, the coherent light from the same light source is divided into a reference wave serving as a reference and a test wave that passes through a test object formed of an optical element to be measured, and the reference wave and the test wave are separated. A two-beam interferometer that forms an interference fringe image by superposition, an interference fringe image detector arranged on the image plane of the interference fringe image, and an interference fringe image detected by the interference fringe image detector is analyzed. A transmitted wavefront measuring means for measuring a transmitted wavefront, and a device for measuring a refractive index distribution of an optical element having a beam splitter for splitting a superposed light flux of a reference wave and a test wave into two, and the beam. An optical anisotropic member that gives a phase difference of nπ / 2 between the superposed light beams split by the splitter, and two interference fringes arranged on the image plane of the interference fringe image by each superposed light beam. Image detector and the two interference fringe image detectors Counting means for counting the change in brightness of the interference fringe image at the observation points corresponding to the same part on the surface to be inspected, and the amount of phase displacement of the interference fringe from the change in brightness of the interference fringe image counted by the counting means. A device for measuring the refractive index distribution of an optical element, comprising: a transmitted wavefront amount calculating means for calculating and transmitting the transmitted wavefront amount at each rotation angle.

【0008】また、請求項4の発明は、同一光源からの
可干渉光を基準となる参照波と測定対象の光学素子より
なる被検物を透過する被検波とに分割し、参照波と被検
波との重畳による干渉縞像を形成する二光束干渉計と、
前記干渉縞像の結像面に配置された干渉縞像検出器と、
前記干渉縞像検出器によって検出された干渉縞像を解析
して透過波面を計測する透過波面計測手段と、を有して
いる光学素子の屈折率分布の測定装置であって、参照波
と被検波との重畳光束を二つに分割するビームスプリッ
タと、前記ビームスプリッタによって二つに分割された
重畳光束間にnπ/2の位相差を与える光学異方性部材
と、各重畳光束による干渉縞像の結像面に各々一つずつ
配置された二つの干渉縞像検出器と、前記二つの干渉縞
像検出器の各々により検出される干渉縞像の明暗変化を
被検面において相互に同一の部位に対応する観測点にて
カウントするカウント手段と、前記カウント手段により
カウントされた干渉縞像の明暗変化より干渉縞の位相変
位量を算出し、これより各回転角における透過波面量を
算出する透過波面量算出手段とを有し、前記干渉縞像検
出器に入射させる重畳光の一方を回転させ、二つの干渉
縞像検出器を平行して配置できるようにしたことを特徴
とする光学素子の屈折率分布の測定装置である。
Further, in the invention of claim 4, the coherent light from the same light source is divided into a reference wave serving as a reference and a test wave passing through a test object formed of an optical element to be measured. A two-beam interferometer that forms an interference fringe image by superimposition with detection,
An interference fringe image detector arranged on the image plane of the interference fringe image,
A device for measuring the refractive index distribution of an optical element, comprising: a transmitted wavefront measuring means for analyzing an interference fringe image detected by the interference fringe image detector to measure a transmitted wavefront. A beam splitter that splits the superposed light flux with the detection into two, an optical anisotropic member that gives a phase difference of nπ / 2 between the superposed light flux split into two by the beam splitter, and an interference fringe by each superposed light flux. Two interference fringe image detectors, one on each of the image planes of the images, and the bright and dark changes of the interference fringe images detected by each of the two interference fringe image detectors are the same on the test surface. The counting means that counts at the observation point corresponding to the part of ## EQU1 ## and the phase shift amount of the interference fringes is calculated from the change in brightness of the interference fringe image counted by the counting means, and the transmitted wavefront amount at each rotation angle is calculated from this. Transmitted wavefront A refractive index of an optical element, characterized in that it has a calculating means, and one of the superposed light incident on the interference fringe image detector is rotated so that the two interference fringe image detectors can be arranged in parallel. This is a distribution measuring device.

【0009】また、請求項5の発明は、前記被検物を光
軸に対して直交する軸線周りに回転させる回転手段を有
していることを特徴とする請求項3又は4の何れかに記
載の光学素子の屈折率分布の測定装置である。また、請
求項6の発明は、前記透過波面計測手段は各回転角位置
の透過波面データからCT法により画像を再構成するC
T処理部を含んでいることを特徴とする請求項5に記載
の光学素子の屈折率分布の測定装置である。
Further, the invention of claim 5 has a rotating means for rotating the object to be tested around an axis orthogonal to the optical axis. It is a device for measuring the refractive index distribution of the optical element described. Further, in the invention of claim 6, the transmitted wavefront measuring means reconstructs an image by the CT method from the transmitted wavefront data at each rotation angle position.
The apparatus for measuring the refractive index distribution of an optical element according to claim 5, further comprising a T processing unit.

【0010】また、請求項7の発明は、同一光源からの
可干渉光を基準となる参照波と測定対象の光学素子より
なる被検物を透過する被検波とに分割し、参照波と被検
波との重畳による干渉縞像を形成し、位相シフト法によ
る干渉縞解析を行うために、前記参照波または前記被検
波の光路長を波長オーダで可変設定し、形成された干渉
縞像から光学素子の屈折率分布を測定する光学素子の屈
折率分布の測定方法であって、前記被検物を光軸に対し
て直交する軸線周りに回転させ、少なくとも二つの回転
角位置の各々にて前記干渉縞像の解析により透過波面を
計測し、この複数方向からの透過波面の測定結果から光
学素子の屈折率分布を測定するようにしたことを特徴と
する光学素子の屈折率分布の測定方法である。
Further, in the invention of claim 7, the coherent light from the same light source is divided into a reference wave serving as a reference and a test wave passing through an object including an optical element to be measured. To form an interference fringe image by superimposition with the detection wave, and perform the interference fringe analysis by the phase shift method, the optical path length of the reference wave or the detected wave is variably set in the wavelength order, and the formed interference fringe image is optically converted. A method for measuring a refractive index distribution of an optical element for measuring a refractive index distribution of an element, wherein the test object is rotated around an axis line orthogonal to an optical axis, and at each of at least two rotation angle positions. The method of measuring the refractive index distribution of an optical element is characterized in that the transmitted wave front is measured by analyzing the interference fringe image, and the refractive index distribution of the optical element is measured from the measurement results of the transmitted wave fronts from multiple directions. is there.

【0011】また、請求項8の発明は、前記被検物を屈
折率がほぼ同一の試液中に浸すようにしたことを特徴と
する請求項1、2又は7記載の光学素子の屈折率分布の
測定方法である。また、請求項9の発明は、被検物を被
検波の光軸に対して直交する軸線周りに回転させて各回
転角位置にて透過波面を計測し、その透過波面データか
らCT法により画像を再構成し、この再構成画像より光
学素子の屈折率分布を測定することを特徴とする請求項
2、7または8に記載の光学素子の屈折率分布の測定方
法である。
The invention according to claim 8 is characterized in that the test object is immersed in a test solution having a refractive index substantially the same as that of the optical element according to claim 1, 2 or 7. Is a measuring method of. According to the invention of claim 9, the object to be inspected is rotated around an axis orthogonal to the optical axis of the wave to be inspected, the transmitted wave front is measured at each rotation angle position, and an image is obtained from the transmitted wave front data by a CT method. Is measured, and the refractive index distribution of the optical element is measured from the reconstructed image. The method for measuring the refractive index distribution of the optical element according to claim 2, 7, or 8.

【0012】また、請求項10の発明は、同一光源から
の可干渉光を基準となる参照波と測定対象の光学素子よ
りなる被検物を透過する被検波とに分割し、参照波と被
検波との重畳による干渉縞像を形成する二光束干渉計
と、前記干渉縞像の結像面に配置された干渉縞像検出器
と、位相シフト法による干渉縞解析を行うために、前記
参照波または前記被検波の光路長を波長オーダで可変設
定可能な電気−変位変換手段と、前記干渉縞像検出器に
よって検出された干渉縞像を解析して透過波面を計測す
る透過波面計測手段と、を有していることを特徴とする
光学素子の屈折率分布の測定装置であって、前記被検物
を光軸に対して直交する軸線周りに回転させる回転手段
を有していることを特徴とする光学素子の屈折率分布の
測定装置である。
Further, in the invention of claim 10, the coherent light from the same light source is divided into a reference wave serving as a reference and a test wave passing through a test object formed of an optical element to be measured. A two-beam interferometer that forms an interference fringe image by superimposition with detection, an interference fringe image detector disposed on the image plane of the interference fringe image, and an interference fringe analysis by the phase shift method. Wave or the optical path length of the wave to be detected can be variably set in the wavelength order electrical-displacement conversion means, and a transmission wavefront measuring means for analyzing the interference fringe image detected by the interference fringe image detector to measure the transmission wavefront. A measuring device for the refractive index distribution of an optical element, characterized in that it has a rotating means for rotating the object around an axis orthogonal to the optical axis. It is a device for measuring the refractive index distribution of a characteristic optical element.

【0013】また、請求項11の発明は、前記被検物を
屈折率がほぼ同一の試液中に浸すようにしたことを特徴
とする請求項3、4、5又は10記載の光学素子の屈折
率分布の測定装置である。また、請求項12の発明は、
前記透過波面計測手段は各回転角位置の透過波面データ
からCT法により画像を再構成するCT処理部を含んで
いることを特徴とする請求項10または請求項11に記
載の光学素子の屈折率分布の測定装置である。また、請
求項13の発明は、前記干渉縞像検出器はリニアイメー
ジセンサであることを特徴とする請求項3、4、5、
6、10、11又は12記載の光学素子の屈折率分布の
測定装置である。
The invention according to claim 11 is characterized in that the object to be inspected is immersed in a test solution having substantially the same refractive index, and the refraction of the optical element according to claim 3, 4, 5 or 10. This is a device for measuring the rate distribution. The invention of claim 12 is
The refractive index of the optical element according to claim 10 or 11, wherein the transmitted wavefront measuring means includes a CT processing unit that reconstructs an image from the transmitted wavefront data at each rotation angle position by a CT method. This is a distribution measuring device. Further, the invention of claim 13 is characterized in that the interference fringe image detector is a linear image sensor.
An apparatus for measuring a refractive index distribution of an optical element according to 6, 10, 11 or 12.

【0014】[0014]

【作用】光源からの光を参照波と被検波とに2分割し、
分割した被検波を測定対象の光学素子よりなる被検物を
透過させ、透過後に参照波と被検波とを重畳して干渉縞
像を形成させ、形成された干渉縞像から光学素子の屈折
率分布を測定する。また、被検物を屈折率がほぼ同一の
試液中に浸して屈折率分布の測定を行なう。これにより
被検物の形状にかかわらず高精度で屈折率の測定が可能
になる。
[Operation] The light from the light source is divided into a reference wave and a test wave,
The divided test wave is transmitted through the test object composed of the optical element to be measured, and after passing, the reference wave and the test wave are superimposed to form an interference fringe image, and the refractive index of the optical element is determined from the formed interference fringe image. Measure the distribution. Further, the test object is dipped in a test solution having almost the same refractive index to measure the refractive index distribution. This makes it possible to measure the refractive index with high accuracy regardless of the shape of the test object.

【0015】また、被検波の光軸に対して直交する軸線
周りに回転させて少なくとも二つの回転角位置の各々に
て前記干渉縞像の解析により透過波面を計測する。これ
により、被検物に対して複数方向から入射させた被検波
による透過波面が計測され、この複数個の透過波面デー
タの組み合わせにより被検物に対して深さ方向の屈折率
分布も測定され、屈折率の不均一部分を3次元空間的に
特定することが可能になる。
Further, the transmitted wavefront is measured by analyzing the interference fringe image at each of at least two rotation angle positions while rotating around the axis orthogonal to the optical axis of the wave to be detected. As a result, the transmitted wavefront of the test wave incident on the test object from multiple directions is measured, and the refractive index distribution in the depth direction of the test object is also measured by combining the plurality of transmitted wavefront data. , It becomes possible to specify the non-uniform portion of the refractive index in a three-dimensional space.

【0016】また、被検物を被検波の光軸に対して直交
する軸線周りに回転させ、各回転角位置における透過波
面データからCT法により画像を再構成する。これによ
り、光学素子の3次元空間的な屈折率分布をより厳密
に、かつ高精度に測定できる。
Further, the object is rotated around an axis orthogonal to the optical axis of the wave to be detected, and an image is reconstructed by the CT method from the transmitted wavefront data at each rotation angle position. As a result, the three-dimensional spatial refractive index distribution of the optical element can be measured more strictly and highly accurately.

【0017】また、nπ/2の位相差を設けられた二つ
の重畳光束による各干渉縞像を明暗変化をカウントして
干渉縞の位相変位量を算出させる。これより各回転角に
おける透過波面量を算出して透過波面を計測することに
より、透過波面の計測が被検物の回転させた状態にて静
止させることなく連続的に行われ得るようになる。
Further, the phase shift amount of the interference fringes is calculated by counting the change in brightness and darkness of each interference fringe image formed by the two superimposed light beams provided with a phase difference of nπ / 2. By calculating the transmitted wavefront amount at each rotation angle and measuring the transmitted wavefront from this, the transmitted wavefront can be continuously measured in a rotated state of the test object without stopping.

【0018】また、二つの重畳光束の一方を回転させ、
干渉縞像を検出する検出器を平行になるよう設置する。
これにより二つの検出器の位置ずれ誤差が少なくなり、
測定精度を向上させることができる。この場合におい
て、干渉縞像検出器としてリニアイメージセンサを使用
すれば、干渉縞像の検出を高い分解能をもって高速に、
しかもシリアル出力として得ることができる。
Further, one of the two superposed light beams is rotated,
The detector for detecting the interference fringe image is installed in parallel.
This reduces the positional error between the two detectors,
The measurement accuracy can be improved. In this case, if a linear image sensor is used as the interference fringe image detector, the interference fringe image can be detected with high resolution and at high speed.
Moreover, it can be obtained as a serial output.

【0019】[0019]

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につき
詳細に説明する。図1は、本発明による光学素子の屈折
率分布測定装置の一つの実施例を示している。この測定
装置は、マッハツェンダ型の干渉計を基本構成としてお
り、レーザ光源1と、ビームエキスパンダ3と、光束分
割用のビームスプリッタ5と、二つの高反射ミラー7、
9と、光束重畳用のビームスプリッタ11と、結像レン
ズ13と、CCDなどによるエリアイメージセンサによ
る干渉縞検出器15と、高速画像処理装置、マイクロコ
ンピュータなどよりなる演算処理装置17とを含んでい
る。
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows one embodiment of the refractive index distribution measuring apparatus for an optical element according to the present invention. This measuring apparatus has a basic configuration of a Mach-Zehnder interferometer, and includes a laser light source 1, a beam expander 3, a beam splitter 5 for splitting a light beam, two high-reflecting mirrors 7,
9, a beam splitter 11 for superimposing a light flux, an imaging lens 13, an interference fringe detector 15 by an area image sensor such as a CCD, a high speed image processing device, and an arithmetic processing device 17 including a microcomputer and the like. There is.

【0020】レーザ光源1より出射する可干渉光として
のレーザ光は、ビームエキスパンダ3によって光束径を
拡大され、ビームスプリッタ5によってこれを直進して
参照波aとなるレーザ光束と、図1にて下方に直角に屈
折して進んで被検波bとなるもう一つのレーザ光束とに
分割される。参照波aは高反射ミラー7にて反射して後
述の被検物Aを透過することなくビームスプリッタ11
に入射し、被検波bは高反射ミラー9にて反射して被検
物Aを透過してビームスプリッタ11に入射する。
A laser beam as a coherent beam emitted from the laser light source 1 has a beam diameter expanded by a beam expander 3 and goes straight through the beam splitter 5 to become a reference wave a, and FIG. Then, it is refracted downward at a right angle to proceed and is split into another laser beam which becomes the detected wave b. The reference wave a is reflected by the high-reflecting mirror 7 and does not pass through an object A to be described later, and the beam splitter 11
The incident wave b is reflected by the high-reflection mirror 9, passes through the object A, and enters the beam splitter 11.

【0021】ビームスプリッタ11に入射した参照波a
と被検波bとはビームスプリッタ11によって相互に重
畳され、結像レンズ13によって干渉縞像を干渉縞検出
器15の撮像面に結像する。高反射ミラー9は、ピエゾ
素子などによる電気−変位変換素子19により支持さ
れ、位相シフト法による干渉縞解析を行なうために、被
検波bの光路長を波長オーダで可変設定すべく光路方向
に微動変位可能に配置されている。
Reference wave a incident on the beam splitter 11
And the wave b to be detected are mutually superposed by the beam splitter 11, and the imaging fringe 13 forms an interference fringe image on the imaging surface of the interference fringe detector 15. The high-reflecting mirror 9 is supported by an electric-displacement conversion element 19 such as a piezo element. In order to perform interference fringe analysis by the phase shift method, the high-reflection mirror 9 is slightly moved in the optical path direction in order to variably set the optical path length of the test wave b in the wavelength order. It is arranged so that it can be displaced.

【0022】被検波bの光路の途中には被検物Aを収容
する容器状のセル21が配置されている。セル21内に
は、測定対象の光学素子たる被検物Aを固定状態にセッ
トするとともに、図中矢印で示すように被検波bの光軸
に対して直交する軸線周り(紙面に対して垂直な軸線周
り)に回転可能とされた回転被検物台23が配置されて
いる。回転被検物台23は、図示されていないサーボモ
ータと駆動連結され、このサーボモータにより所定回転
角位置に回転駆動される。
A container-shaped cell 21 for accommodating the object A to be inspected is arranged in the optical path of the wave to be inspected b. An object A, which is an optical element to be measured, is set in a fixed state in the cell 21, and as shown by an arrow in the figure, the axis A is orthogonal to the optical axis of the wave b to be measured (perpendicular to the paper surface). A rotatable test table 23 is arranged so as to be rotatable about its axis. The rotary inspection table 23 is drivingly connected to a servo motor (not shown), and is rotationally driven to a predetermined rotation angle position by the servo motor.

【0023】セル21が被検波bの光路を横切る両端面
は光束の入射窓25と出射窓27とされ、これら入射窓
25、出射窓27は各々面精度が高いオプチカルフラッ
ト29、31によって液密にシールドされている。そし
てセル21内には屈折率を被検物Aの屈折率とほぼ同一
に調合された試液(接触液)Bが充填されており、回転
被検物台23上の被検物Aは試液B中に浸されている。
Both end surfaces of the cell 21 which cross the optical path of the wave to be detected b are an entrance window 25 and an exit window 27 of a light beam, and these entrance window 25 and exit window 27 are liquid-tight by optical flats 29 and 31 having high surface precision. Is shielded by. The cell 21 is filled with a test solution (contact solution) B having a refractive index almost equal to that of the test object A, and the test object A on the rotating test table 23 is the test solution B. It is soaked in.

【0024】上述のようにして結像レンズ13によって
干渉縞検出器15の撮像面に結像した干渉縞像は、干渉
縞検出器15によって光電変換されて電気的な画像信号
となり、A/D変換器33によってA/D変換された
後、演算装置17に入力される。なお、演算装置17
は、位相シフト法などによる干渉縞像の解析によって透
過波面の計測演算を行う透過波面計測部35を含んでい
る。
The interference fringe image formed on the image pickup surface of the interference fringe detector 15 by the imaging lens 13 as described above is photoelectrically converted by the interference fringe detector 15 into an electric image signal, and the A / D After being A / D converted by the converter 33, it is input to the arithmetic unit 17. The arithmetic unit 17
Includes a transmitted wavefront measuring unit 35 that performs a calculation calculation of a transmitted wavefront by analyzing an interference fringe image by a phase shift method or the like.

【0025】次に上述の構成よりなる測定装置を使用し
て被検物Aの屈折率分布を計測する方法を説明する。ま
ず最初に、回転被検物台23に被検物Aをセットする前
に、干渉縞検出器15が出力する干渉縞像の画像信号を
演算装置17に取り込んで透過波面計測部35により干
渉縞像の解析を行い、初期状態の透過波面の計測する。
この計測結果に基づいて測定装置自体の定常的な誤差成
分を排除する初期処理を行う。
Next, a method of measuring the refractive index distribution of the object A to be measured by using the measuring device having the above-mentioned structure will be described. First, before setting the inspection object A on the rotating inspection table 23, the image signal of the interference fringe image output from the interference fringe detector 15 is taken into the arithmetic unit 17 and the transmission wavefront measuring unit 35 causes the interference fringes. Analyze the image and measure the transmitted wavefront in the initial state.
Based on this measurement result, initial processing is performed to eliminate the steady error component of the measuring device itself.

【0026】次に、回転被検物台23に被検物Aをセッ
トし、回転被検物台23が初期回転位置に位置している
状態にて干渉縞検出器15が出力する干渉縞像の画像信
号を演算装置17に取り込んで透過波面計測部35によ
り干渉縞像の解析を行い、透過波面の計測する。
Next, the inspection object A is set on the rotating inspection object table 23, and the interference fringe image output from the interference fringe detector 15 in a state where the rotating inspection object table 23 is positioned at the initial rotation position. The image signal of 1 is taken into the arithmetic unit 17, the interference fringe image is analyzed by the transmitted wavefront measuring unit 35, and the transmitted wavefront is measured.

【0027】ここで、被検物Aの屈折率が完全に均一
で、この屈折率がセル21内に充填されている試液Bの
屈折率と等しい場合には、位相シフト法による干渉縞像
の解析は0になるはずである。これに対し、被検物Aの
屈折率が試液Bの屈折率より僅かに相違していると、次
の関係式が成立する。
Here, when the refractive index of the test object A is completely uniform and this refractive index is equal to the refractive index of the reagent solution B filled in the cell 21, an interference fringe image by the phase shift method is obtained. The analysis should be zero. On the other hand, when the refractive index of the test object A is slightly different from the refractive index of the test solution B, the following relational expression holds.

【0028】 φ(y)=(2π/λ)∫Δn(x,y)dx 但し、 φ(y):透過波面(rad) Δn(x,y):被検物Aと試液Bとの屈折率差 λ:レーザ光の波長[0028] φ (y) = (2π / λ) ∫Δn (x, y) dx However, φ (y): Transmitted wavefront (rad) Δn (x, y): Refractive index difference between the sample A and the test solution B λ: wavelength of laser light

【0029】回転被検物台23が初期回転位置に位置し
ている状態下のみの透過波面の計測では、干渉縞像の解
析結果はx方向(光路進行方向)に積算されており、こ
れだけでは屈折率の不均一部分の空間的な位置を特定す
ることができない。
In the measurement of the transmitted wavefront only under the condition that the rotating object table 23 is located at the initial rotation position, the analysis result of the interference fringe image is integrated in the x direction (optical path traveling direction), and this is enough. It is not possible to specify the spatial position of the nonuniform refractive index portion.

【0030】このため、回転被検物台23を初期回転位
置より所定角度、例えば90度回転させ、回転被検物台
23上の被検物Aの被検波bの光軸に対する向きを回転
被検物台23の初期回転位置よりの回転角だけ変化させ
る。このように被検物Aが回転変位しても被検物Aが試
液B中に浸されていることから、回転変位前と同様に、
参照波aと被検波bとの重畳によって干渉縞像が干渉縞
検出器15の撮像面に結像する。この状態下にて干渉縞
検出器15が出力する干渉縞像の画像信号を演算装置1
7に取り込んで透過波面計測部35より透過波面の計測
する。
Therefore, the rotary inspection table 23 is rotated by a predetermined angle, for example, 90 degrees from the initial rotation position, and the direction of the inspection wave b of the inspection object A on the rotational inspection table 23 is rotated with respect to the optical axis. The rotation angle from the initial rotation position of the inspection table 23 is changed. Even when the test object A is rotationally displaced in this way, the test object A is immersed in the test solution B, and therefore, as before the rotational displacement,
An interference fringe image is formed on the imaging surface of the interference fringe detector 15 by superimposing the reference wave a and the test wave b. Under this condition, the image signal of the interference fringe image output from the interference fringe detector 15 is used as the arithmetic unit 1
Then, the transmitted wavefront is measured by the transmitted wavefront measuring unit 35.

【0031】これにより、被検物Aに対して複数方向、
この場合、2方向から入射させた被検波bにより透過波
面が各々計測され、この複数個の透過波面データの組み
合わせにより、被検物Aの屈折率の不均一部分の空間的
位置を特定することが可能になる。
As a result, in a plurality of directions with respect to the inspection object A,
In this case, the transmitted wavefronts are respectively measured by the test wave b incident from two directions, and the spatial position of the non-uniform refractive index portion of the test object A is specified by the combination of the plurality of transmitted wavefront data. Will be possible.

【0032】被検物Aの屈折率分布を完全な3次元空間
分布として測定する場合には、被検物Aを被検波bの光
軸に対して直交する軸線周りに回転させて被検物Aに対
する被検波bの入射方向を180度あるいは360度の
範囲で変化させ、各回転角位置における透過波面の計測
データを収集してコンピュータにより画像を再構成す
る。この画像の再構成は公知のCT(コンピュータ・ト
モグラフィ)法により行う。
When the refractive index distribution of the test object A is measured as a complete three-dimensional spatial distribution, the test object A is rotated around an axis orthogonal to the optical axis of the test wave b. The incident direction of the test wave b with respect to A is changed within a range of 180 degrees or 360 degrees, measurement data of the transmitted wave front at each rotation angle position is collected, and an image is reconstructed by a computer. Reconstruction of this image is performed by a known CT (Computer Tomography) method.

【0033】図2はCT法の原理を示すものであり、角
度φの方向から入射した被検波による透過波面のデータ
p(X,φ)を変数Xについて1次元フーリエ変換を行
えば、求めるべき屈折率の分布Δn(x,y)の2次元
フーリエ変換の極座標表現におけるφ方向成分が得られ
る。
FIG. 2 shows the principle of the CT method, which should be obtained by performing a one-dimensional Fourier transform on the variable X with respect to the transmitted wavefront data p (X, φ) of the test wave incident from the direction of the angle φ. The φ direction component in the polar coordinate representation of the two-dimensional Fourier transform of the refractive index distribution Δn (x, y) can be obtained.

【0034】すなわち、0≦φ≦2πまたは0≦φ≦π
の角度範囲にわたって透過波面を計測し、その透過波面
データを1次元フーリエ変換し、フーリエ変換された各
断面の極座標データを直交座標データに変換した後、2
次元逆フーリエ変換を行うことにより被検物Aの3次元
屈折率分布を再構成することができる。
That is, 0 ≦ φ ≦ 2π or 0 ≦ φ ≦ π
After measuring the transmitted wavefront over the angle range of, the transmitted wavefront data is subjected to one-dimensional Fourier transform, and the Fourier-transformed polar coordinate data of each cross section is converted into rectangular coordinate data, and then 2
By performing the three-dimensional inverse Fourier transform, the three-dimensional refractive index distribution of the test object A can be reconstructed.

【0035】これを数式により表すと、次のようにな
る。直交座標系(ξ,η)と極座標系(r,φ)との関
係を、 ξ=r cosθ η=r sinθ 透過波面をp(X,φ)、被検物Aと試液Bとの屈折率
差をΔn(x,y)とすれば、2次元フーリエ変換F
(ξ,η)は次のように表される。
This can be expressed by the following equation. The relationship between the Cartesian coordinate system (ξ, η) and the polar coordinate system (r, φ) is expressed as follows: ξ = r cos θ η = r sin θ The transmitted wavefront is p (X, φ), and the refractive index of the sample A and the test solution B is If the difference is Δn (x, y), the two-dimensional Fourier transform F
(Ξ, η) is expressed as follows.

【0036】[0036]

【数1】 [Equation 1]

【0037】Δn(x,y)=(1/4π2)∫∫F
(ξ,η) exp i(ξx+ηy) dξdη
Δn (x, y) = (1 / 4π 2 ) ∫∫F
(Ξ, η) exp i (ξx + ηy) dξdη

【0038】図3は、CT法により画像を再構成して被
検物Aの3次元屈折率分布を得る場合の演算装置17の
構成を示している。この場合、演算装置17は、干渉縞
検出器15より回転角φ毎に画像信号を入力して透過波
面の収差量を算出する透過波面量算出部37と、回転角
φ毎の波面収差量を1次元フーリエ変換する1次元フー
リエ変換部39と、フーリエ変換された各断面の極座標
データを直交座標データに変換する極座標−直交座標変
換部41と、直交座標データの2次元逆フーリエ変換を
行う2次元逆フーリエ変換部43と、2次元逆フーリエ
変換の結果を屈折率に変換する屈折率変換部45と、屈
折率変換部45により変換された屈折率に基づいて屈折
率分布を出力する屈折率分布出力部47とを有してい
る。
FIG. 3 shows the configuration of the arithmetic unit 17 in the case of reconstructing an image by the CT method to obtain the three-dimensional refractive index distribution of the test object A. In this case, the arithmetic unit 17 inputs the image signal from the interference fringe detector 15 for each rotation angle φ and calculates the amount of aberration of the transmitted wavefront, and the wavefront aberration amount for each rotation angle φ. A one-dimensional Fourier transform unit 39 for performing a one-dimensional Fourier transform, a polar coordinate-orthogonal coordinate transform unit 41 for transforming the Fourier-transformed polar coordinate data of each section into rectangular coordinate data, and a two-dimensional inverse Fourier transform of the orthogonal coordinate data 2 Dimensional inverse Fourier transform unit 43, refractive index conversion unit 45 that converts the result of two-dimensional inverse Fourier transform into a refractive index, and refractive index that outputs a refractive index distribution based on the refractive index converted by the refractive index conversion unit 45. And a distribution output unit 47.

【0039】このCT法による場合には、屈折率分布に
規則性がなく、またその分布が不明である被検物であっ
ても、屈折率分布を被検物の屈折率の不均一部分の空間
的位置を特定することが可能になる。
In the case of the CT method, the refractive index distribution has no regularity, and even for an object whose distribution is unknown, the refractive index distribution is determined by the non-uniform portion of the refractive index of the object. It becomes possible to specify the spatial position.

【0040】図4は、本発明による光学素子の屈折率分
布測定装置の他の実施例を示している。なお、図4にお
いて、図1に対応する部分は図1に付した符号と同一の
符号により示されている。この実施例においては、レー
ザ光源1が出射するレーザ光の偏光方向は紙面に対して
約45度になるように設定し、ビームスプリッタ5、1
1として各々偏光ビームスプリッタを使用する。参照波
aと被検波bとはビームスプリッタ11を通過すること
により重なり合うが、偏光面が相互に直交しているため
干渉はしない。
FIG. 4 shows another embodiment of the refractive index distribution measuring apparatus for an optical element according to the present invention. Note that, in FIG. 4, portions corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. In this embodiment, the polarization direction of the laser light emitted from the laser light source 1 is set to be about 45 degrees with respect to the paper surface, and the beam splitters 5 and 1 are used.
A polarization beam splitter is used as each 1. The reference wave a and the test wave b are overlapped by passing through the beam splitter 11, but they do not interfere with each other because their polarization planes are orthogonal to each other.

【0041】また、この実施例では、もう一つのビーム
スプリッタ49が設けられており、ビームスプリッタ4
9はビームスプリッタ11よりの参照波aと被検波bと
の重畳光束を二つに分割する。ビームスプリッタ49に
より2分割された重畳光束の一方は偏光子51を通過す
ることにより干渉を生じ、その干渉縞は結像レンズ13
によって第一の干渉縞検出器15の撮像面に結像する。
他方の重畳光束は光学異方性部材であるλ/4板53を
通過することにより一方の重畳光束に対してπ/2の位
相差を生じる。この他方の重畳光束はその後に偏光子5
5を通過することにより干渉を生じ、その干渉縞は結像
レンズ57によって第二の干渉縞検出器59の撮像面に
結像する。
Further, in this embodiment, another beam splitter 49 is provided, and the beam splitter 4
Reference numeral 9 divides the superposed light flux of the reference wave a and the test wave b from the beam splitter 11 into two. One of the superimposed light beams split into two by the beam splitter 49 passes through the polarizer 51 to cause interference, and the interference fringes form the imaging lens 13
An image is formed on the imaging surface of the first interference fringe detector 15 by.
The other superimposed light flux passes through the λ / 4 plate 53, which is an optically anisotropic member, so that a phase difference of π / 2 is generated with respect to the one superimposed light flux. The other superposed light flux is then transmitted to the polarizer 5
As a result, the interference fringes are imaged on the image pickup surface of the second interference fringe detector 59 by the imaging lens 57.

【0042】第一の干渉縞検出器15と第二の干渉縞検
出器59に結像した干渉縞像は、共に同一の被検物Aに
ついてのものであるが、第二の干渉縞検出器59に至る
光路にはλ/4板53が存在することにより、相互に9
0度、位相がずれたものになる。例えば第一の干渉縞検
出器15に結像した干渉縞像が図5(a)に示す状態で
あるとすると、第二の干渉縞検出器59に結像する干渉
縞像は図5(b)に示す状態となり、干渉縞像が半分ず
れたものになる。
The interference fringe images formed on the first interference fringe detector 15 and the second interference fringe detector 59 are for the same object A, but the second interference fringe detector is the same. The presence of the λ / 4 plate 53 in the optical path leading to
It is 0 degrees out of phase. For example, assuming that the interference fringe image formed on the first interference fringe detector 15 is in the state shown in FIG. 5A, the interference fringe image formed on the second interference fringe detector 59 is shown in FIG. ), And the interference fringe image is shifted by half.

【0043】この場合、第一の干渉縞検出器15と第二
の干渉縞検出器59は、被検物Aの同一点からの光情報
を受けるように配置されている。なお、干渉縞像のずれ
は、90度=π/2に限らず、一般にnを自然数として
nπ/2であればよい。
In this case, the first interference fringe detector 15 and the second interference fringe detector 59 are arranged so as to receive optical information from the same point on the object A to be inspected. The deviation of the interference fringe image is not limited to 90 degrees = π / 2, and may be nπ / 2 in general, where n is a natural number.

【0044】図6は、第一の干渉縞検出器15と第二の
干渉縞検出器59の出力信号より干渉縞の位相変位量を
算出する装置を示している。この算出装置は第一の干渉
縞検出器15と第二の干渉縞検出器59の出力信号より
リサージュ波形を得てその干渉縞の明暗変化をカウント
するものである。
FIG. 6 shows an apparatus for calculating the phase displacement amount of the interference fringes from the output signals of the first interference fringe detector 15 and the second interference fringe detector 59. This calculation device obtains a Lissajous waveform from the output signals of the first interference fringe detector 15 and the second interference fringe detector 59 and counts the change in brightness of the interference fringes.

【0045】第一の干渉縞検出器15、第二の干渉縞検
出器59には各々増幅回路61、63と方形波変換回路
65、67とが接続されている。第一の干渉縞検出器1
5、第二の干渉縞検出器59が出力する出力信号は各々
増幅回路61、63によって増幅される。
Amplifier circuits 61 and 63 and square wave conversion circuits 65 and 67 are connected to the first interference fringe detector 15 and the second interference fringe detector 59, respectively. First interference fringe detector 1
5, the output signals output from the second interference fringe detector 59 are amplified by amplifier circuits 61 and 63, respectively.

【0046】図7(a)は第一の干渉縞検出器15の出
力信号波形を、図7(b)は第二の干渉縞検出器59の
出力信号波形を各々示している。これらは被検物Aを光
軸に対して直交する軸線周りに回転させることによって
干渉縞が一定の速度で変化した場合の出力信号波形であ
り、第一の干渉縞検出器15の出力信号波形は第一の干
渉縞検出器15の点P1 (図5参照)における光強度変
化を観測したことによるものであり、第二の干渉縞検出
器59の出力信号波形は点P1 と同一の観測点に相当す
る第二の干渉縞検出器15の点P2 (図5参照)におけ
る光強度変化における光強度変化を観測したことによる
ものであり、この両者には90度の位相ずれがある。
FIG. 7A shows the output signal waveform of the first interference fringe detector 15, and FIG. 7B shows the output signal waveform of the second interference fringe detector 59. These are output signal waveforms when the interference fringes change at a constant speed by rotating the test object A around an axis orthogonal to the optical axis, and the output signal waveforms of the first interference fringe detector 15 Is due to the observation of the light intensity change at the point P1 of the first interference fringe detector 15 (see FIG. 5), and the output signal waveform of the second interference fringe detector 59 is the same observation point as the point P1. This is because the change in the light intensity due to the change in the light intensity at the point P2 (see FIG. 5) of the second interference fringe detector 15 corresponding to the above is observed, and both have a phase shift of 90 degrees.

【0047】これら出力信号は、方形波変換回路65、
67によって所定のスレッシュレベルにより図7
(c)、(d)に示されているような方形波信号に変換
される。この二つの方形波信号はパルスカウント回路6
9に入力され、パルスカウント回路69は二つの方形波
信号の入力タイミング検出とアップパルスおよびダウン
パルスのカウントにより、干渉縞の移動方向と移動本数
を検出する。
These output signals are converted into a square wave conversion circuit 65,
67 according to a predetermined threshold level shown in FIG.
It is converted into a square wave signal as shown in (c) and (d). These two square wave signals are used for the pulse counting circuit 6
9, the pulse count circuit 69 detects the moving direction and the number of moving interference fringes by detecting the input timing of the two square wave signals and counting the up pulse and the down pulse.

【0048】この干渉縞の移動方向と移動本数のデータ
は位相変位量算出装置71に入力され、位相変位量算出
装置71はこれらのデータより光軸方向の位相変位量を
算出し、この位相変位量に予め位相シフト法によって測
定した初期値を加えることにより透過波面の収差量を算
出する。この操作が各干渉縞検出器の各画素について行
われることにより、被検物全体の位相変位量ならびに透
過波面量が求められる。
The data of the moving direction and the number of moving interference fringes are input to the phase shift amount calculating device 71, and the phase shift amount calculating device 71 calculates the phase shift amount in the optical axis direction from these data, and the phase shift amount is calculated. The amount of aberration of the transmitted wavefront is calculated by adding the initial value previously measured by the phase shift method to the amount. By performing this operation for each pixel of each interference fringe detector, the amount of phase displacement and the amount of transmitted wave front of the entire test object can be obtained.

【0049】上述の構成よりなる測定装置を使用して被
検物Aの屈折率分布を計測する方法を説明する。まず、
電気−変位変換素子19を駆動して位相シフト法などの
解析方法を用いて透過波面分布の初期値を測定する。
A method for measuring the refractive index distribution of the object A to be measured using the measuring device having the above structure will be described. First,
The electric-displacement conversion element 19 is driven and the initial value of the transmitted wavefront distribution is measured using an analysis method such as a phase shift method.

【0050】次に、回転被検物台23を矢印方向に回転
駆動し、被検物Aを光軸に対して直交する軸線周り(紙
面に対して垂直な軸線周り)に回転させる。この被検物
Aの回転によって第一の干渉縞検出器15と第二の干渉
縞検出器59に結像する干渉縞像が移動し、その干渉縞
の移動方向と移動量(移動本数)を上述の如くパルスカ
ウント回路69によって検出する。
Next, the rotary inspection table 23 is rotationally driven in the direction of the arrow, and the inspection object A is rotated around the axis line orthogonal to the optical axis (around the axis line perpendicular to the paper surface). The rotation of the object A moves the interference fringe images formed on the first interference fringe detector 15 and the second interference fringe detector 59, and the movement direction and movement amount (number of movements) of the interference fringes are determined. It is detected by the pulse counting circuit 69 as described above.

【0051】次いで、位相変位量算出装置71が干渉縞
の移動方向と移動本数より光軸方向の位相変位量を算出
し、この位相変位量に予め位相シフト法によって測定し
た初期値を加えることにより、ある回転角φにおける透
過波面の収差量p(x,θ)を算出する。この操作を入
射方向が180度あるいは360度にわたる範囲で行
い、計測データをCT法を用いて解析し、屈折率分布を
算出する。
Next, the phase shift amount calculation device 71 calculates the phase shift amount in the optical axis direction from the moving direction of the interference fringes and the number of moving lines, and adds the initial value previously measured by the phase shift method to this phase shift amount. , The aberration amount p (x, θ) of the transmitted wavefront at a certain rotation angle φ is calculated. This operation is performed within a range in which the incident direction extends over 180 degrees or 360 degrees, the measurement data is analyzed using the CT method, and the refractive index distribution is calculated.

【0052】図4に示されている測定装置においては、
第一の干渉縞検出器15、第二の干渉縞検出器59は1
次元CCDなどによるリニアイメージセンサにより構成
されてよい。1次元CCDなどによるリニアイメージセ
ンサは画像信号を高速にシリアル出力することが可能で
あるから、干渉縞のリアルタイム計測が可能になる。
In the measuring device shown in FIG.
The first interference fringe detector 15 and the second interference fringe detector 59 are 1
A linear image sensor such as a three-dimensional CCD may be used. A linear image sensor such as a one-dimensional CCD can serially output an image signal at high speed, and thus real-time measurement of interference fringes becomes possible.

【0053】例えば、7μm×5000画素の高分解能
な1次元CCDを用いた場合、フリンジ1本に対して必
要な画像数が10画素であるとしても、分解能70μm
で、最大500フリンジ、即ち波面収差量にして500
λ(概ね300μm)まで対応可能であり、被検物の大
きさd=50mm、試液との屈折率差Δn=0.001
であったとしても、Δndは概ね79λであり、充分許
容できる。
For example, when a high-resolution one-dimensional CCD of 7 μm × 5000 pixels is used, the resolution is 70 μm even if the number of images required for one fringe is 10 pixels.
Then, a maximum of 500 fringes, that is, a wavefront aberration amount of 500
It can handle up to λ (approximately 300 μm), the size of the test object d = 50 mm, the refractive index difference Δn = 0.001 from the test solution.
However, Δnd is approximately 79λ, which is sufficiently acceptable.

【0054】また、試液との屈折率差が大きいと被検物
の回転によって干渉縞が急激に変化するが、1次元CC
Dは画像信号を数m秒以下の応答速度で高速にシリアル
出力することができるので、回転させながらリアルタイ
ムで透過波面量を算出することが可能となる。
When the difference in the refractive index from the test solution is large, the interference fringes change rapidly due to the rotation of the test object.
Since D can serially output the image signal at a high speed with a response speed of several milliseconds or less, it is possible to calculate the transmitted wavefront amount in real time while rotating.

【0055】図8は、本発明の他の実施例を示してお
り、高反射ミラー72以外は図4で説明した通りであ
る。高反射ミラー72で重畳光を反射させ、第2の干渉
縞像検出器59を第1の干渉縞像検出器15と平行して
配置する。このように2つの検出器を平行して配置する
と検出器の位置ずれ誤差が低減し、測定精度を向上させ
ることができる。
FIG. 8 shows another embodiment of the present invention, which is the same as described with reference to FIG. 4 except for the high reflection mirror 72. The high-reflection mirror 72 reflects the superimposed light, and the second interference fringe image detector 59 is arranged in parallel with the first interference fringe image detector 15. By arranging the two detectors in parallel with each other in this way, the positional deviation error of the detectors is reduced, and the measurement accuracy can be improved.

【0056】[0056]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
の効果が得られる。同一光源から参照波と被検波とに分
割し、被検波と測定対象となる光学素子よりなる被検物
を透過した後で重畳して干渉縞像を形成させ、形成され
た干渉縞像から光学素子の屈折率分布を測定するように
したので、高精度の屈折率分布を測定することができ
る。
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained. The reference light and the test wave are split from the same light source, the test wave and the test object consisting of the optical element to be measured are transmitted, and then superimposed to form an interference fringe image. Since the refractive index distribution of the element is measured, it is possible to measure the refractive index distribution with high accuracy.

【0057】また、被検物を屈折率がほぼ同一の試液中
に浸すようにしたので、被検物の形状に関係なく屈折率
分布を測定することができる。また、被検物を試液中に
浸した状態にて被検物に対して複数方向から入射させた
被検波による透過波面を計測し、この複数個の透過波面
データの組み合わせにより、任意の形状の被検物に対し
て深さ方向の屈折率分布も測定されるから、屈折率の不
均一部分を3次元空間的に特定することが可能になる。
Further, since the test object is immersed in the test solution having almost the same refractive index, the refractive index distribution can be measured regardless of the shape of the test object. In addition, while measuring the transmitted wavefront of the test wave incident on the test object in multiple directions while the test object is immersed in the test solution, a combination of the plurality of transmitted wavefront data sets Since the refractive index distribution in the depth direction is also measured with respect to the test object, it becomes possible to specify the non-uniform refractive index portion three-dimensionally.

【0058】また、被検物を被検波の光軸に対して直交
する軸線周りに回転させて各回転角位置における透過波
面データからCT法により画像を再構成することによ
り、光学素子の3次元空間的な屈折率分布がより多くの
情報量をもとにして、より厳密に高精度測定される。
Further, by rotating the test object around an axis orthogonal to the optical axis of the test wave and reconstructing an image by the CT method from the transmitted wavefront data at each rotation angle position, the three-dimensional shape of the optical element is obtained. The spatial refractive index distribution is measured more strictly and highly accurately based on a larger amount of information.

【0059】また、nπ/2の位相差を設けられた二つ
の重畳光束による各干渉縞像を明暗変化をカウントして
干渉縞の位相変位量を算出し、これより各回転角におけ
る透過波面収差量を算出して透過波面を計測することに
より、透過波面の計測が被検物の回転させた状態にて静
止させることなく連続的に行われ得るようになり、測定
時間を短縮することができる。
Further, the phase shift amount of the interference fringes is calculated by counting the change in brightness and darkness of each interference fringe image by the two superimposed light fluxes provided with the phase difference of nπ / 2, and the transmitted wavefront aberration at each rotation angle is calculated from this. By calculating the amount and measuring the transmitted wavefront, the transmitted wavefront can be continuously measured without rotating in the rotated state of the test object, and the measurement time can be shortened. .

【0060】この場合において、干渉縞像検出器として
リニアイメージセンサを使用すれば、干渉縞像の検出を
高い分解能をもって高速に、しかもシリアル出力として
得ることができるので、透過波面をリアルタイムに計測
することが可能となる。また、重畳光の一方を回転さ
せ、2つの干渉縞像検出器を平行して配置するようにし
たので、検出器の位置精度が良くなり、測定精度を良く
することができる。
In this case, if a linear image sensor is used as the interference fringe image detector, the interference fringe image can be detected with high resolution at high speed and as a serial output, so that the transmitted wave front is measured in real time. It becomes possible. Further, since one of the superposed light beams is rotated and the two interference fringe image detectors are arranged in parallel, the position accuracy of the detectors is improved and the measurement accuracy can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による光学素子の屈折率分布の測定装置
の一実施例を示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a device for measuring a refractive index distribution of an optical element according to the present invention.

【図2】CT法の原理説明図である。FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of the CT method.

【図3】CT法による演算装置の一実施例を示すブロッ
ク線図である。
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of an arithmetic unit based on the CT method.

【図4】本発明による光学素子の屈折率分布測定装置の
他の実施例を示す構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram showing another embodiment of the refractive index distribution measuring apparatus for an optical element according to the present invention.

【図5】(a)、(b)は各々干渉縞像の例を示す説明
図である。
5A and 5B are explanatory diagrams showing examples of interference fringe images.

【図6】干渉縞の位相変位量算出装置の一実施例を示す
ブロック線図である。
FIG. 6 is a block diagram showing an embodiment of an apparatus for calculating a phase displacement amount of interference fringes.

【図7】(a)、(b)は各々干渉縞検出器の出力信号
の波形例を、(c)、(d)は各々方形波の波形例を示
す説明図である。
7A and 7B are explanatory views showing waveform examples of output signals of the interference fringe detector, and FIGS. 7C and 7D are waveform diagrams of square waves.

【図8】本発明による光学素子の屈折率分布測定装置の
他の実施例を示す構成図である。
FIG. 8 is a configuration diagram showing another embodiment of the refractive index distribution measuring apparatus for an optical element according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 レーザ光源 11 ビームスプリッタ 15 干渉縞検出器(第一の干渉縞検出器) 17 演算処理装置 21 セル 23 回転被検物台 29 オプチカルフラット 31 オプチカルフラット 35 透過波面計測部 37 透過波面量算出部 39 1次元フーリエ変換部 41 極座標−直交座標変換部 43 2次元逆フーリエ変換部 45 屈折率変換部 47 屈折率分布出力部 49 ビームスプリッタ 53 λ/4板 59 第二の干渉縞検出器 69 パルスカウント回路 71 位相変位量算出装置 1 laser light source 11 Beam splitter 15 Interference fringe detector (first interference fringe detector) 17 Processor 21 cells 23 Rotating test table 29 Optical Flat 31 optical flat 35 Transmitted wavefront measurement unit 37 Transmitted wavefront amount calculator 39 One-dimensional Fourier transform unit 41 Polar coordinate-Cartesian coordinate converter 43 Two-dimensional inverse Fourier transform unit 45 Refractive Index Converter 47 Refractive index distribution output section 49 beam splitter 53 λ / 4 plate 59 Second interference fringe detector 69 pulse counting circuit 71 Phase displacement calculation device

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 同一光源からの可干渉光を基準となる参
照波と測定対象の光学素子よりなる被検物を透過する被
検波とに分割し、参照波と被検波との重畳による干渉縞
像を形成し、形成された干渉縞像から光学素子の屈折率
分布を測定する光学素子の屈折率分布の測定方法であっ
て、 参照波と被検波との重畳光束を二つに分割し、その一方
の重畳光束と他方の光束との間にnπ/2の位相差を設
けてその各光束による干渉縞像を各々形成し、被検物を
被検波の光軸に対して直交する軸線周りに回転させてそ
の二つの干渉縞像の明暗変化をカウントして干渉縞の位
相変位量を算出し、これより各回転角における透過波面
を計測することを特徴とする光学素子の屈折率分布の測
定方法。
1. Coherent light from the same light source is divided into a reference wave that serves as a reference and a test wave that passes through a test object formed of an optical element to be measured, and interference fringes are formed by superimposing the reference wave and the test wave. A method of measuring the refractive index distribution of an optical element, which forms an image and measures the refractive index distribution of the optical element from the formed interference fringe image, wherein a superposed light flux of a reference wave and a test wave is divided into two, A phase difference of nπ / 2 is provided between the one superposed light beam and the other light beam to form interference fringe images by the respective light beams, and the test object is rotated around an axis line orthogonal to the optical axis of the test wave. Rotate to calculate the phase shift amount of the interference fringes by counting the change in lightness and darkness of the two interference fringe images, and measure the transmitted wavefront at each rotation angle from this. Measuring method.
【請求項2】 前記被検物を光軸に対して直交する軸線
周りに回転させ、少なくとも二つの回転角位置の各々に
て前記干渉縞像の解析により透過波面を計測し、この複
数方向からの透過波面の測定結果から光学素子の屈折率
分布を測定するようにしたことを特徴とする請求項1記
載の光学素子の屈折率分布の測定方法。
2. The transmitted wavefront is measured by analyzing the interference fringe image at each of at least two rotation angle positions by rotating the test object around an axis orthogonal to the optical axis, and measuring the transmitted wavefront from a plurality of directions. 2. The method for measuring the refractive index distribution of an optical element according to claim 1, wherein the refractive index distribution of the optical element is measured based on the measurement result of the transmitted wave front.
【請求項3】 同一光源からの可干渉光を基準となる参
照波と測定対象の光学素子よりなる被検物を透過する被
検波とに分割し、参照波と被検波との重畳による干渉縞
像を形成する二光束干渉計と、前記干渉縞像の結像面に
配置された干渉縞像検出器と、前記干渉縞像検出器によ
って検出された干渉縞像を解析して透過波面を計測する
透過波面計測手段と、を有している光学素子の屈折率分
布の測定装置であって、 参照波と被検波との重畳光束を二つに分割するビームス
プリッタと、前記ビームスプリッタによって二つに分割
された重畳光束間にnπ/2の位相差を与える光学異方
性部材と、各重畳光束による干渉縞像の結像面に各々一
つずつ配置された二つの干渉縞像検出器と、前記二つの
干渉縞像検出器の各々により検出される干渉縞像の明暗
変化を被検面において相互に同一の部位に対応する観測
点にてカウントするカウント手段と、前記カウント手段
によりカウントされた干渉縞像の明暗変化より干渉縞の
位相変位量を算出し、これより各回転角における透過波
面量を算出する透過波面量算出手段とを有していること
を特徴とする光学素子の屈折率分布の測定装置。
3. Coherent light from the same light source is divided into a reference wave serving as a reference and a test wave that passes through a test object formed of an optical element to be measured, and interference fringes are formed by superimposing the reference wave and the test wave. A two-beam interferometer that forms an image, an interference fringe image detector arranged on the image plane of the interference fringe image, and an interference fringe image detected by the interference fringe image detector is analyzed to measure a transmitted wavefront. A transmitted wavefront measuring means for measuring the refractive index distribution of an optical element having a beam splitter for splitting a superposed light flux of a reference wave and a test wave into two, and two by the beam splitter. An optical anisotropic member that gives a phase difference of nπ / 2 between the superposed light beams divided into two, and two interference fringe image detectors arranged one on each of the image planes of the interference fringe images formed by the respective superposed light beams. , Of the interference fringe images detected by each of the two interference fringe image detectors Counting means for counting light and dark changes at observation points corresponding to the same part on the surface to be inspected, and calculating the phase displacement amount of the interference fringes from the light and dark changes of the interference fringe image counted by the counting means, An apparatus for measuring a refractive index distribution of an optical element, further comprising: a transmitted wavefront amount calculating means for calculating the transmitted wavefront amount at each rotation angle.
【請求項4】 同一光源からの可干渉光を基準となる参
照波と測定対象の光学素子よりなる被検物を透過する被
検波とに分割し、参照波と被検波との重畳による干渉縞
像を形成する二光束干渉計と、前記干渉縞像の結像面に
配置された干渉縞像検出器と、前記干渉縞像検出器によ
って検出された干渉縞像を解析して透過波面を計測する
透過波面計測手段と、を有している光学素子の屈折率分
布の測定装置であって、 参照波と被検波との重畳光束を二つに分割するビームス
プリッタと、前記ビームスプリッタによって二つに分割
された重畳光束間にnπ/2の位相差を与える光学異方
性部材と、各重畳光束による干渉縞像の結像面に各々一
つずつ配置された二つの干渉縞像検出器と、前記二つの
干渉縞像検出器の各々により検出される干渉縞像の明暗
変化を被検面において相互に同一の部位に対応する観測
点にてカウントするカウント手段と、前記カウント手段
によりカウントされた干渉縞像の明暗変化より干渉縞の
位相変位量を算出し、これより各回転角における透過波
面量を算出する透過波面量算出手段とを有し、 前記干渉縞像検出器に入射させる重畳光の一方を回転さ
せ、二つの干渉縞像検出器を平行して配置できるように
したことを特徴とする光学素子の屈折率分布の測定装
置。
4. Coherent light from the same light source is divided into a reference wave that serves as a reference and a test wave that passes through a test object formed of an optical element to be measured, and interference fringes are formed by superimposing the reference wave and the test wave. A two-beam interferometer that forms an image, an interference fringe image detector arranged on the image plane of the interference fringe image, and an interference fringe image detected by the interference fringe image detector is analyzed to measure a transmitted wavefront. A transmitted wavefront measuring means for measuring the refractive index distribution of an optical element having a beam splitter for splitting a superposed light flux of a reference wave and a test wave into two, and two by the beam splitter. An optical anisotropic member that gives a phase difference of nπ / 2 between the superposed light beams divided into two, and two interference fringe image detectors arranged one on each of the image planes of the interference fringe images formed by the respective superposed light beams. , Of the interference fringe images detected by each of the two interference fringe image detectors Counting means for counting light and dark changes at observation points corresponding to the same part on the surface to be inspected, and calculating the phase displacement amount of the interference fringes from the light and dark changes of the interference fringe image counted by the counting means, And a transmitted wavefront amount calculating means for calculating the transmitted wavefront amount at each rotation angle, rotating one of the superposed light beams incident on the interference fringe image detector, and arranging the two interference fringe image detectors in parallel. An apparatus for measuring the refractive index distribution of an optical element, which is characterized in that it is made possible.
【請求項5】 前記被検物を光軸に対して直交する軸線
周りに回転させる回転手段を有していることを特徴とす
る請求項3又は4の何れかに記載の光学素子の屈折率分
布の測定装置。
5. The refractive index of the optical element according to claim 3, further comprising rotating means for rotating the test object around an axis orthogonal to the optical axis. Distribution measuring device.
【請求項6】 前記透過波面計測手段は各回転角位置の
透過波面データからCT法により画像を再構成するCT
処理部を含んでいることを特徴とする請求項5に記載の
光学素子の屈折率分布の測定装置。
6. The CT for reconstructing an image by the CT method from the transmitted wavefront data at each rotation angle position by the transmitted wavefront measuring means.
The apparatus for measuring the refractive index distribution of an optical element according to claim 5, further comprising a processing unit.
【請求項7】 同一光源からの可干渉光を基準となる参
照波と測定対象の光学素子よりなる被検物を透過する被
検波とに分割し、参照波と被検波との重畳による干渉縞
像を形成し、 位相シフト法による干渉縞解析を行うために、前記参照
波または前記被検波の光路長を波長オーダで可変設定
し、 形成された干渉縞像から光学素子の屈折率分布を測定す
る光学素子の屈折率分布の測定方法であって、 前記被検物を光軸に対して直交する軸線周りに回転さ
せ、少なくとも二つの回転角位置の各々にて前記干渉縞
像の解析により透過波面を計測し、この複数方向からの
透過波面の測定結果から光学素子の屈折率分布を測定す
るようにしたことを特徴とする光学素子の屈折率分布の
測定方法。
7. Coherent light from the same light source is divided into a reference wave serving as a reference and a test wave that passes through a test object formed of an optical element to be measured, and interference fringes are formed by superimposing the reference wave and the test wave. See above for forming images and performing interference fringe analysis by the phase shift method .
A method for measuring the refractive index distribution of an optical element, in which the optical path length of the wave or the test wave is variably set in the wavelength order, and the refractive index distribution of the optical element is measured from the formed interference fringe image. Rotate around an axis orthogonal to the optical axis, measure the transmitted wavefront by analysis of the interference fringe image at each of at least two rotation angle positions, from the measurement results of the transmitted wavefront from multiple directions of the optical element A method for measuring the refractive index distribution of an optical element, characterized in that the refractive index distribution is measured.
【請求項8】 前記被検物を屈折率がほぼ同一の試液中
に浸すようにしたことを特徴とする請求項1、2又は7
記載の光学素子の屈折率分布の測定方法。
8. The method according to claim 1, 2 or 7, wherein the test object is immersed in a test solution having substantially the same refractive index.
A method for measuring the refractive index distribution of the optical element as described above.
【請求項9】 被検物を被検波の光軸に対して直交する
軸線周りに回転させて各回転角位置にて透過波面を計測
し、その透過波面データからCT法により画像を再構成
し、この再構成画像より光学素子の屈折率分布を測定す
ることを特徴とする請求項2、7または8に記載の光学
素子の屈折率分布の測定方法。
9. The transmitted wavefront is measured at each rotation angle position by rotating an object to be examined around an axis orthogonal to the optical axis of the wave to be inspected, and an image is reconstructed by CT method from the transmitted wavefront data. The method for measuring the refractive index distribution of an optical element according to claim 2, 7 or 8, wherein the refractive index distribution of the optical element is measured from the reconstructed image.
【請求項10】 同一光源からの可干渉光を基準となる
参照波と測定対象の光学素子よりなる被検物を透過する
被検波とに分割し、参照波と被検波との重畳による干渉
縞像を形成する二光束干渉計と、 前記干渉縞像の結像面に配置された干渉縞像検出器と、 位相シフト法による干渉縞解析を行うために、前記参照
波または前記被検波の光路長を波長オーダで可変設定可
能な電気−変位変換手段と、 前記干渉縞像検出器によって検出された干渉縞像を解析
して透過波面を計測する透過波面計測手段と、 を有していることを特徴とする光学素子の屈折率分布の
測定装置であって、 前記被検物を光軸に対して直交する軸線周りに回転させ
る回転手段を有していることを特徴とする光学素子の屈
折率分布の測定装置。
10. Coherent light from the same light source is divided into a reference wave serving as a reference and a test wave that passes through a test object formed of an optical element to be measured, and interference fringes are formed by superimposing the reference wave and the test wave. A two-beam interferometer that forms an image, an interference fringe image detector disposed on the image plane of the interference fringe image, and an interference fringe analysis by the phase shift method .
Wave or the optical path length of the wave to be detected can be variably set in the wavelength order, electrical-displacement conversion means, and transmitted wavefront measuring means for analyzing the interference fringe image detected by the interference fringe image detector to measure the transmitted wavefront. A device for measuring the refractive index distribution of an optical element, characterized in that it has a rotating means for rotating the object around an axis orthogonal to the optical axis. A device for measuring the refractive index distribution of a characteristic optical element.
【請求項11】 前記被検物を屈折率がほぼ同一の試液
中に浸すようにしたことを特徴とする請求項3、4、5
又は10記載の光学素子の屈折率分布の測定装置。
11. The test object is soaked in a test solution having substantially the same refractive index.
Or the measuring device of the refractive index distribution of the optical element according to 10.
【請求項12】 前記透過波面計測手段は各回転角位置
の透過波面データからCT法により画像を再構成するC
T処理部を含んでいることを特徴とする請求項10また
は請求項11に記載の光学素子の屈折率分布の測定装
置。
12. The transmitted wavefront measuring means reconstructs an image from the transmitted wavefront data at each rotation angle position by a CT method.
The apparatus for measuring the refractive index distribution of an optical element according to claim 10 or 11, further comprising a T processing section.
【請求項13】 前記干渉縞像検出器はリニアイメージ
センサであることを特徴とする請求項3、4、5、6、
10、11又は12記載の光学素子の屈折率分布の測定
装置。
13. The interference fringe image detector is a linear image sensor, as claimed in claim 3,
10. The measuring device for the refractive index distribution of the optical element according to 10, 11, or 12.
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