JP3670821B2 - 屈折率分布の測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子、液体、又は気体などの位相物体の測定装置に関するもので、特に、干渉縞の解析により位相物体における屈折率分布の測定ができるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザプリンタやカメラなどの光学機器に使用される光学レンズの材料としてプラスチックを用いることが多くなっている。プラスチック成形レンズはガラス研磨レンズに比較して、コスト低減や非球面レンズの製作性に優れ、安価であるというメリットがある。
【０００３】
しかし、その反面、ガラスレンズに比べ製造上、屈折率分布が不安定でレンズの内部に不均一性を生じることがある。レンズ内部に不均一性があると、光学特性に大きな影響を及ぼし、画質の劣化やボケといった原因につながる。従って、レンズ内部の屈折率分布を３次元的に高精度に測定し、光学レンズの均質性を評価する必要がある。
【０００４】
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ブロック法等により屈折角を計測して屈折率を求める方法や、トワイマン・グリーン干渉計などの干渉計を使用して干渉縞より屈折率を測定する方法などがあり、また、光学的均質性の測定方法として、フィゾー干渉計、マハツェンダ干渉計などの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。
【０００５】
しかしながら、上記のいずれの方法においても、被検物は、所定形状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し、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。
【０００６】
そこで、本願の発明者は、被検物を屈折率がほぼ同じ試液中に浸した状態で光軸と直交する軸を中心に回転させ、複数の回転角の位置の各々で干渉縞の解析を行い、これらの干渉縞から透過波面量を算出し、これを１次フーリエ変換し、さらに、２次元逆フーリエ変換を行って３次元的な屈折率の分布を求める方法を開発した。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の技術による屈折率分布の測定方法及び装置によれば、試液との屈折率差がわずかでも、高精度で計測が可能であるという利点を有している。
しかしながら、屈折率差が大きい場合など、透過波面量が大きい位相物体を計測する場合は干渉縞の本数が多くなり、検出器の分解能を越えてしまうことがある。
そこで、上記発明者は、屈折率差が大きい場合は、シェアリング干渉計を用い、縞の間隔を拡げて測定することも開発した。
【０００８】
しかしながら、屈折率差が小さい場合は、マハツェンダ干渉計等の通常の干渉計を使用し、屈折率差が大きい場合は、シェアリング干渉計を使用することとすると、測定装置に２つの干渉計を設けなければならず、ビームスプリッタ等の光学素子数が増加して装置が高価になってしまう。
本発明は、このような事実から考えられたもので、屈折率差が小さい場合でも、大きい場合でも計測が可能で、しかも、光学素子の数を減少させることができる屈折率測定装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の測定装置は、光源からの可干渉光を参照波と被検物を透過する被検波とに分割し、両波を重ねて干渉させる第１干渉計と、上記被検波を二つの光束に分割し、一方の光束の波面を光軸と垂直方向にずらした後重畳してシェアリング干渉による干渉縞を形成する第２干渉計と、を設け、両干渉計を切り替え可能にしていずれかの干渉縞を解析することにより被検物の屈折率分布を測定することを特徴としている。
【００１０】
上記第１干渉計と、第２干渉計の光束は、相互に直交する方向の直線偏光であり、これらは共通の偏光子に入射させられる。そして、該偏光子を回転することによって両干渉計の切り替えをする。
【００１１】
または、光源と、該光源からの可干渉光を２つに分割する第１の光分割器と、分割された一方の光路内に置かれ被検物を透過した光束を２つに分割する第２の光分割器と、第１の光分割器で分割された他方の光路内に配置された第１のミラーと、該第１のミラーを波長以下のオーダで移動可能な第１の駆動手段と、上記第２の光分割器で分割された一方の光束と上記第１のミラーで反射された光束とを重畳して干渉をさせるための第１の光重畳器と、上記第２の光分割器で分割された他方の光束内にあって２枚の平行な反射面を有する第２のミラーと、該第２のミラーの一方の反射面を波長以下のオーダで移動可能な第２の駆動手段と、を有することを特徴としている。
上記第２のミラーの反射光と、上記第１の光重畳器の射出光とを異なる方向から受光する第２の光重畳器を有することとすることができる。
【００１２】
上記第１の光重畳器と第２の光重畳器との間に第１の偏光子を配置し、第２のミラーと第２の光重畳器の間に第２の偏光子を設け、第１と第２の偏光子の偏光方向を直交させ、上記第２の光重畳器から射出される光束内に第３の偏光子を光軸中心に回動自在に設けた構成とすることが望ましい。
【００１３】
上記第１の光分割器が偏光ビームスプリッタで、上記第２の光分割器と第１の光重畳器との間に１／２波長板を設けた構成や、被検物が光軸と直交する軸を中心に回転可能に保持されている構成としてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を図面によって詳細に説明する。
図１は、本発明の屈折率分布測定装置の一実施例を示す図である。同図に示す装置は、第１の干渉計としてのマハツェンダ干渉計と、第２の干渉計としてのシェアリング干渉計の組合せで構成されている。
【００１５】
装置全体の構成は、可干渉光としてのレーザ光を射出する光源１と、ビームエキスパンダ３と、ビームエキスパンダからの光束を参照波ａと被検波ｂとに分割する第１の光分割器５と、参照波ａの光路内に置かれた第１のミラー７と、被検波ｂを２つの光束ｂ１，ｂ２に分割する第２の光分割器９と、光束ｂ１と第１のミラー７で反射された光ａとを重畳する第１の光重畳器１１と、光束ｂ２内に配置され２枚の平行な反射面１３ａ，１３ｂを有する第２のミラー１３と、第２の光重畳器１５と、第１の偏光子１７と、第２の偏光子１９と、回転可能な第３の偏光子２１と、該第３の偏光子２１からの光路内に設けられた結像レンズ２３と、この結像レンズ２３の結像位置に設けられた干渉縞検出器２５とからなる。
被検物Ｏは、第１の光分割器５と第２の光分割器９との間に配置されている。
【００１６】
第１のミラー７には、第１の駆動装置７ａが設けられ、第１のミラーの反射面７ｂを波長以下のオーダで移動でき、参照波ａと被検波ｂとの光路長にｎπ／２（ｎは正の整数）の位相の差ができるようにする。
【００１７】
第２のミラー１３には第２の駆動手段１３ｃがあり、反射面１３ｂを波長以下のオーダで移動して、１３ａで反射する光束ｂ２１と１３ｂで反射する光束ｂ２２とに光軸と直交する方向の微少なずれを形成する。
【００１８】
第１の偏光子１７と第２の偏光子１９とは、共に入射した円偏光を直線偏光にして射出するものであるが、直線偏光の方向が相互に直交するようになっている。また、第３の偏光子２１は、光軸を中心に少なくとも９０゜の回転が可能なもので、たとえば、ある回転位置で第１の偏光子１７からの直線偏光が透過できるとした場合、その位置から９０゜回転すると、今度は第２の偏光子１９からの直線偏光を透過することができるものである。
【００１９】
干渉縞検出器２５は、ＣＣＤのイメージセンサを使用している。また、被検物Ｏは第１の光分割器５と第２の光分割器９との間に配置される。被検物Ｏは、図示しない被検物支持装置によって支持され、光軸と直交する軸を中心に回転自在である。
【００２０】
以上の構成から明確なように、本発明の装置は、第１の干渉計としてのマハツェンダ干渉計と、第２の干渉計としてのシェアリング干渉計とが一部の光学素子を共有する形で併存した構成となっている。
【００２１】
次に、第１の干渉計による干渉縞の形成について説明する。光源１より出射するレーザ光は、ビームエキスパンダ３によって光束径を拡大され、第１の光分割器５によって直進する参照波ａと、直角に屈折する被検波ｂとに分割される。ａ：ｂは、ほぼ１：３なるように分割される。
【００２２】
被検波ｂは、被検物Ｏとしての位相物体を透過し、第２の光分割器９で光束ｂ１と光束ｂ２とに分割される。ｂ１：ｂ２は、ほぼ１：２となるようにしている。 第１の光分割器５から射出された参照波の光束ａは、第１のミラー７で反射され、第１の光重畳器１１に達する。一方、第２の光分割器９から射出された光束ｂ１もこの第１の光重畳器１１に達する。第１の光重畳器１１は、参照波の光束ａと被検波の光束ｂ１とを重畳されるが、第１の駆動手段７ａで、光束ａと光束ｂ１の光路長にはｎπ／２の位相の差ができるようにするので、２つの光束は干渉することになる。第１の光重畳器１１から出たａ＋ｂ１の光束は、第１の偏光子１７により、図の矢印に示すように紙面に平行な方向の直線偏光成分のみが通過することになる。
【００２３】
第１の偏光子１７を透過した直線偏光は、偏光ビームスプリッタからなる第２の光重畳器１５の反射面を直進し、第３の偏光子２１に達する。第３の偏光子２１の偏光方向が第１の偏光子１７と同じ方向であれば、光束ａ＋ｂ１は第３の偏光子を透過して結像レンズ２３により干渉縞検出器２５上に干渉縞を結像する。干渉縞検出器１５には干渉縞と直交する方向に配置されたリニアＣＣＤやアレイ状のセンサを用いる。
【００２４】
次に、第２の干渉計、すなわち、シェアリング干渉計による干渉縞の形成について説明する。
光源１からビームエキスパンダ３を経た光束のうち、第１の光分割器５で反射された光束ｂは、被検物Ｏを透過し、第２の光分割器９に達する。そして、この第２の光分割器９を透過した光束ｂ２は、第２のミラー１３の２つの反射面１３ａ，１３ｂで反射される。第２のミラー１３には第２の駆動手段１３ｃがあり、ピエゾ素子などによる電気−変位変換素子により反射面１３ｂを反射面１３ａに対して波長以下のオーダで接近・離反させ、反射面１３ａで反射した光束ｂ２１と反射面１３ｂで反射した光束ｂ２２とが光軸と直交する方向に微少な距離δだけずれるようにする。そして、光束ｂ２１，ｂ２２を重畳すると、シェアリング干渉を起こし、第２の光重畳器１５を経て干渉縞検出器２５上に干渉縞像を結像する。
【００２５】
以上の構成により、図１の装置では、第１の干渉計（マハツェンダ干渉計）による干渉縞の測定と、第２の干渉計（シェアリング干渉計）による干渉縞の測定の双方が可能である。そこで、被検物Ｏ内部の屈折率の変化が小さい場合は、マハツェンダ干渉計の干渉縞を干渉縞検出器２５に結像させて位相シフト法により縞解析を行う。
【００２６】
被検物内部の屈折率の変化が大きい場合は、干渉縞の本数が多くかつ縞のピッチが細かくなるので、干渉縞検出器２５の分解能を越えてしまう。これに対し、シェアリング干渉は被検波同士の干渉であるため感度を落とす効果がある。すなわち干渉縞検出器２５上での透過波面は少なくなりマハツェンダ干渉計では縞解析できない位相物体であっても計測可能となる。
【００２７】
上記の干渉計において、マハツェンダ干渉計における光束ａ＋ｂ１の偏光方向と、シェアリング干渉計における光束ｂ２１＋ｂ２２の偏光方向とは、相互に直交する方向となっている。また、第３の偏光子２１は、光軸を中心に回転可能であるが、いずれか一方の偏光しか透過できない。したがって、第３の偏光子２１をいずれかの方向に９０゜回転することで、マハツェンダ干渉計の干渉縞を結像させるか、シェアリング干渉計の干渉縞を結像させるかを簡単に切り替えることができる。
【００２８】
図２は、本発明の第２実施例の測定装置である。大部分が図１の実施例と共通しているので、相違点を中心に説明する。
第１の光分割器５′は、この実施例では偏光ビームスプリッタを使用している。そして、分割する光束ａ：ｂがほぼ１：２になるように、直線偏光面の入射角度を調整している。この構成により装置内の光束は全て直線偏光となるが、その方向を図面中に矢印と、中心が黒丸の二重丸とで示した。
【００２９】
また、第１と第２の偏光子１７，１９が無く、代わりに第２の光分割器９と第１の光重畳器１１との間に１／２波長板２７を設けている。
マハツェンダ干渉計による干渉縞を形成する場合、参照波の光束ａと被検波の光束ｂとは相互に直交するので、このまま重畳しても干渉は起こらない。そこで、第２の光分割器９と第１の光重畳器１１との間に１／２波長板２７を設けたのである。すなわち、第２光分割器９で反射された光束ｂ１は、１／２波長板２７を通過することによって、偏光方向を９０゜変更し、参照波の光束ａと同じ方向の直線偏光となり、干渉を起こすことができる。
【００３０】
シェアリング干渉計では、マハツェンダ干渉計とは直交する方向の直線偏光が使用されるので、第３の偏光子２１を回転して切り替えることができる。
【００３１】
図３は本発明の第３実施例の測定装置で、Ｘ線ＣＴ（Computed Tomography）解析の手法を用いる例である。この実施例の測定装置は、被検物Ｏの周辺部以外は、図２の装置と同じである。
被検物０は屈折率が被検物Ｏとほぼ一致した試液Ａの中に浸された容器３１中にあり、光束の入射窓及び出射窓には面精度の良いオプティカルフラット３３，３５を用いている。被検物Ｏは光軸に対して垂直な回転軸Ｐを持つ図示しない支持装置に把持されており容器３１は固定された状態で被検物０が軸Ｐを中心として回転可能な構造になっている。
【００３２】
上記の試液Ａは、温度でその屈折率が変化する性質がある。そのため、試液Ａの温度を一定に保っておくことが望ましい。そのため、容器３１の外側に外箱３７を設け、この中に一定の温度に保たれた水などの液体Ｂを入れ、循環できるようにしている。このような構成とすることによって、試液Ｂの温度を一定に保ち、精度の良い測定が可能となる。
【００３３】
次に、Computed Tomographyによる解析の手法を簡単に説明する。
あらかじめ被検物Ｏをセットしない状態で透過波面を測定し装置自身の定常的な誤差成分を排除する。次に被検物Ｏを容器３１内にセットし、光源１からの光束を照射して透過波面を測定する。このとき被検物Ｏの屈折率が完全に均一でかつ試液Ａの屈折率と等しい場合、縞解析結果は０となる。しかし、被検物Ｏが試液Ａの屈折率よりわずかにずれている場合、以下の関係式が成り立つ。
【００３４】
φ（ｙ）＝（２π／λ）∫Δｎ（ｘ，ｙ）ｄｘ （３）
ただし、
φ（ｙ） ： 透過波面（ｒａｄ）
Δｎ（ｘ，ｙ）：被検物Ｏと試液Ａとの屈折率差
λ ： レーザ光の波長
【００３５】
屈折率分布が一様でない被検物Ｏに光源１のレーザ光を透過し、干渉縞検出器２５上に生じた干渉縞を取り込み縞解析を行うことで、得られた透過波面から屈折率分布を求めることができる。
【００３６】
しかし、一度の測定で得られる結果は、被検物Ｏの厚み方向（ｘ方向）に積算された透過波面である。従って、不均一部分の空間的な位置を決定するためには被検物を回転させ、同様の縞解析を複数回行う必要がある。すなわち、被検物を干渉計の光軸に対して（相対的）ｚ軸のまわりに回転し、入射方向１８０度（あるいは３６０度）にわたる範囲で測定し、コンピュータ上で再合成することにより被検物の３次元屈折率分布を測定することができる。これがＸ線ＣＴ（Computed Tomography）である。
【００３７】
概略を説明すると、まず、角度φの方向から入射した透過波面データＰ（ｙ，φ）を１次元フーリエ変換する。こうしてフーリエ変換された各断面の極座標のデータを直交座標に変換した後、２次元逆フーリエ変換を施す事により、被検物の２次元屈折率分布を再構成する事が可能である。この再構成された２次元屈折率分布をディスプレイなどに出力させて表示することにより、あるいは適宜の出力手段を用いて出力させることにより、被検物Ｏの屈折率分布を測定することができる。
【００３８】
本発明の測定装置では、マハツェンダ干渉計とシェアリング干渉計（第１、第２検出器）による測定が可能である。干渉縞の本数が少ない場合はマハツェンダ干渉計で、干渉縞を結像させ、位相シフトより計測する。干渉縞の本数が多く干渉縞検出器２５の分解能を越えている場合には、シェアリング干渉により解析する。
【００３９】
したがって、本発明によれば、２つの干渉計を組み合わせる事で屈折率差の大きい被検物を高分解能に計測する事ができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、通常の干渉縞測定方法では縞の本数が多くて分解能を越えるような測定でも、シェアリング干渉により測定できるので、高分解能に計測することができる。また、被検物を光軸と垂直な回転軸回りに回転させつつ測定すると、ＣＴ解析により被検物の３次元的な屈折率の測定が可能となる。
【００４１】
また、第１の干渉計（マハツェンダ干渉計）と第２の干渉計（シェアリング干渉計）を切り替えて使用するので、光学素子の一部を共有することができ、装置全体を安価に作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の屈折率分布を測定する装置の第１実施例の構成を示す図である。
【図２】本発明の屈折率分布を測定する装置の第２実施例の構成を示す図である。
【図３】本発明の屈折率分布を測定する装置の第３実施例の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源
５ 第１の光分割器
５′ 第１の光分割器（偏光ビームスプリッタ）
７ 第１のミラー
７ａ 第１の駆動手段
９ 第２の光分割器
１１ 第１の光重畳器
１３ 第２のミラー
１３ｃ 第２の駆動手段
１５ 第２の光重畳器
１７ 第１の偏光子
１９ 第２の偏光子
２１ 第３の偏光子（共通の偏光子）
２３ 結像レンズ
２５ 干渉縞検出器
Ｏ 被検物
Ｐ 光軸と直交する軸
ａ 参照波
ｂ 被検波

Claims (7)

1. 光源からの可干渉光を参照波と被検物を透過する被検波とに分割し、両波を重ねて干渉させる第１干渉計と、上記被検波を二つの光束に分割し、一方の光束の波面を光軸と垂直方向にずらした後重畳してシェアリング干渉による干渉縞を形成する第２干渉計と、を設け、両干渉計を切り替え可能にしていずれかの干渉縞を解析することにより被検物の屈折率分布を測定する測定装置であって、
   上記第１干渉計と、第２干渉計の光束が、相互に直交する方向の直線偏光であり、これらが共通の偏光子に入射させられ、該偏光子を回転することによって両干渉計の切り替えをすることを特徴とする屈折率分布の測定装置。
2. 光源と、該光源からの可干渉光を２つに分割する第１の光分割器と、分割された一方の光路内に置かれ被検物を透過した光束を２つに分割する第２の光分割器と、第１の光分割器で分割された他方の光路内に配置された第１のミラーと、該第１のミラーを波長以下のオーダで移動可能な第１の駆動手段と、上記第２の光分割器で分割された一方の光束と上記第１のミラーで反射された光束とを重畳して干渉をさせるための第１の光重畳器と、上記第２の光分割器で分割された他方の光束内にあって２枚の平行な反射面を有する第２のミラーと、該第２のミラーの一方の反射面を波長以下のオーダで移動可能な第２の駆動手段と、を有することを特徴とする屈折率分布の測定装置。
3. 上記第２のミラーの反射光と、上記第１の光重畳器の射出光とを異なる方向から受光する第２の光重畳器を有することを特徴とする請求項２記載の屈折率分布の測定装置。
4. 上記第１の光重畳器と第２の光重畳器との間に第１の偏光子を配置し、第２のミラーと第２の光重畳器の間に第２の偏光子を設け、第１と第２の偏光子の偏光方向を直交させ、上記第２の光重畳器から射出される光束内に第３の偏光子を光軸中心に回動自在に設けたことを特徴とする請求項３記載の屈折率分布の測定装置。
5. 上記第１の光分割器が偏光ビームスプリッタで、上記第２の光分割器と第１の光重畳器との間に１／２波長板を設けたことを特徴とする請求項２又は３記載の屈折率分布の測定装置。
6. 光源からの可干渉光を参照波と被検物を透過する被検波とに分割し、両波を重ねて干渉させる第１干渉計と、上記被検波を二つの光束に分割し、一方の光束の波面を光軸と垂直方向にずらした後重畳してシェアリング干渉による干渉縞を形成する第２干渉計と、を設け、両干渉計を切り替え可能にしていずれかの干渉縞を解析することにより被検物の屈折率分布を測定する測定装置であって、
   第２干渉計の光路内に設けられた互いに平行で近接した２面の反射面により、上記被検物を透過した被検波を二つの光束に分割するとともに、一方の光束の波面を光軸と垂直方向にずらすことを特徴とする屈折率分布の測定装置。
7. 被検物が光軸と直交する軸を中心に回転可能に保持されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の屈折率分布の測定装置。

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