JP3913407B2 - 屈折率分布の測定装置及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチックレンズ等の屈折率分布の測定装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルコピーやレーザープリンタ、カメラ等に使用される光学素子として、プラスチック材料による成形レンズが普及している。このプラスチック成形レンズは、ガラス研磨レンズに比べて非球面レンズの製作性に優れ低コストであるが、屈折率の分布が不安定で、レンズ内部に不均質性を生じることが多い。レンズ内部の屈折率の不均質性は、光学特性に大きな影響を及ぼし、結像性能を劣化させる原因となる恐れがある。このようなことから、プラスチックレンズの品質安定化のためには、屈折率の分布を高精度に測定する必要がある。
【０００３】
従来技術としては、最小偏角法などにより偏角を計測して屈折率を求める方法と、干渉計を構成して透過波面を計測し、屈折率分布を求める方法が知られている。しかしながら、いずれの方法も被検物を所定の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。
【０００４】
そこで、本出願人は、測定対象を非破壊のままそのレンズ等の屈折率分布を計測する装置を考案した。その代表的な例として、特開平８−１２２２１０号記載の「光学素子の屈折率分布の測定方法及び測定装置」を提供している。この種の測定装置を、図１３を用いて具体的に説明する。
【０００５】
図１３は、従来の屈折率分布の測定装置の全体構成を示している。この測定装置は、マッハ・ツェエ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５と、光束分割手段のビームスプリッタ７と、二つの高反射ミラー９，９’と、光束重畳手段のビームスプリッタ１１と、結像レンズ２０と、ＣＣＤなどによるエリアイメージセンサを用いた干渉縞検出器２２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２５とを含んでいる。
【０００６】
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５によって光束径を拡大され、光束分割手段であるビームスプリッタ７にて下方に直角に屈折する参照波ａと、ビームスプリッタ７によって直進する被検波ｂとに分割される。参照波ａは、参照用の高反射ミラー９’で反射して測定対象の被検物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で反射して被検物Ａを透過してビームスプリッタ１１に入射する。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２０によって干渉縞像を干渉縞検出器２２のＣＣＤ撮像面に結像する。
【０００７】
図１４に、上記参照波ａを反射する高反射ミラー９′のミラーホルダ８の概略構造を例示する。この参照波用の高反射ミラー９′は、あおり調整可能なミラーホルダ８に保持され、これがピエゾ駆動素子などよりなる電気―変位変換素子による光路差可変手段１３′で支持される。こうして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以下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。
【０００８】
図１３において、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被検物セル３１が配置されている。被検物セル３１内には、光軸方向に直交する軸ｙ周りに被検物Ａを回転させる回転被検物台３７が配置され、この回転被検物台３７は、図示しないサーボモータにより所定回転角位置に回転駆動される。また、被検物セル３１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）が充填されている。このような試液を以下、「マッチング液Ｂ」と称する。そして被検物セル３１が被検波ｂの光路を横切る両端面は、各々面精度が高い入射窓３８と出射窓３９とからなるオプチカルフラットによって液密にシールドされている。こうして、被検物Ａはマッチング液Ｂに浸された状態で、可干渉な被検波ｂは被検物セル３１全体を平行に透過するようになり、被検物Ａの外形形状に拘わらずその位相分布を容易に測定できるようになる。
【０００９】
上記結像レンズ２０によって干渉縞検出器２２の撮像面には、被検物Ａと共役な干渉縞像が結像し、干渉縞検出器２２によって光電変換されて電気的な画像信号となり、Ａ／Ｄ変換器を経てコンピュータ２４の演算装置２５に入力される。なお、演算装置２５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を含んでいる。
【００１０】
つぎに、上記構成の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、回転被検物台３７に被検物Ａをセットする前に、干渉縞検出器２２が出力する干渉縞像の画像信号を演算装置２５に取り込んで透過波面計測部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。
【００１１】
そして、回転被検物台３７に被検物Ａをセットし、干渉縞検出器２２が出力する干渉縞像の画像信号を演算装置２５に取り込んで透過波面計測部により干渉縞像の解析を行い、透過波面の計測する。ここで、被検物Ａの屈折率が完全に均一で、この屈折率が被検物セル３１内に充填されているマッチング液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、回転被検物台３７が一定の位置にあるとき、被検物Ａの屈折率がマッチング液の屈折率より僅かに相違している場合、干渉縞検出器２２の撮像面に結像した干渉縞像の解析結果は、ｚ方向（光路進行方向）に積算される。ここで、レーザ光の波長を「λ」とすれば、透過波面（ｒａｄ）は、次のように求まる。
透過波面＝（２π／λ）×∫（ＡとＢの屈折率差）ｄｘ
【００１２】
また、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ｙ軸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２４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）法により可能である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように被検物Ａをマッチング液Ｂに浸して測定する測定装置及び方法において、被検物セル３１内に充填したマッチング液は、屈折率の基準となるため均質な状態になければならない。
しかしながら、マッチング液Ｂは、僅かでも温度分布に偏りが有ると屈折率が変化するため、屈折率が不均質となってしまい、これが測定精度の低下の原因となっていた。
【００１４】
また、上記従来の測定装置では、光路差を変化させるためのピエゾ素子などの光路差可変手段１３′を参照波ａ用の高反射ミラー９′に設けることが一般的に行われている。この高反射ミラー９′は、光線が斜めから照射するため有効径が必然的に大きくなっている。また、図１４に示すように、高反射ミラー９′のミラーホルダ８は参照光ａの光軸と被検光ｂのそれとを合わせるためのあおり調整部分８ａを持つ構成である。このためもともと剛性が低く、その光路差可変手段の素子１３′がいくら高精度でもその光学面自体を精度良く駆動することが難しかった。
【００１５】
また、被検物Ａとして、例えばレーザープリンタなどの書込光学系に使用されるｆθレンズは、細長い形状のものである。このため、上記従来の装置においては、被検物Ａが大きい場合、その必要な有効領域を測定するには、光束の径によって制限されている有効径（以下「測定有効径」と称する）を越えて測定しなければならない。しかし、装置の構造上、測定有効径は限られることから、例えばｆθレンズのように主走査方向の屈折率分布に有効な測定が困難であった。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、マッチング液の屈折率を均質に保つことができ、また、精度良く光路差を変化させることができ、さらに、被検物の大きさに拘わらず容易に被検物の有効領域を測定できる屈折率分布の測定装置及び方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の屈折率分布の測定装置は、可干渉光を出射する光源と、該光源からの可干渉光を被検波と参照波とに分割する分割手段と、測定対象である被検物を該被検物とほぼ同一の屈折率のマッチング液内に保持する被検物収容器と、該被検物収容器を透過した被検波と上記参照波とを重畳させ干渉させる重畳手段と、該重畳手段から出射された光束を干渉縞像として結像可能な結像光学系と、該結像光学系により結像する光像を検出する干渉縞像検出器と、該干渉縞像検出器の検出結果から被検物の屈折率分布を求める演算装置と、を有する屈折率分布の測定装置において、上記分割手段又は上記重畳手段を、光軸方向に波長以下のオーダで変位可能な光路差可変手段を備え、上記マッチング液の屈折率をほぼ均一に維持するための制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１８】
上記被検物収容器が、上記マッチング液の接触する隔壁の外側に沿って熱交換媒体が流れる通路を有し、上記制御手段により、上記通路へ温度制御された熱交換媒体を循環させる構成とすることができる。この場合、上記通路は、ほぼ同一の横断面形状が連続するもので、上記マッチング液の接触する隔壁に沿って隙間無く蛇行するように配置されているとよい。
【００１９】
上記結像光学系が、上記干渉縞像検出器に結像する光像の大きさを可変とする変倍手段を備え、少なくとも該変倍手段に基準となるスケール像を投影可能な投光手段と、上記変倍手段を介して結像したスケール像からその変倍率を求める計算手段とを有する構成とすることができる。
【００２０】
上記結像光学系が、上記重畳手段から投影された光像を非干渉な光像に変換する拡散手段を備えた構成にするとよい。この場合、上記変倍手段の入射側手前に上記拡散手段を配置し、該拡散手段上の非干渉な光像が上記変倍手段を介して上記干渉縞像検出器に結像する構成にすることができる。
【００２２】
上記被検物に対する被検波の透過位置をその光軸方向と直交する方向へ移動させる透過位置変位手段を備えた構成にすることができる。
【００２３】
上記干渉縞像検出器が、２次元方向に配した複数画素よりなる光センサを有するものであり、該光センサにより２次元の屈折率分布を測定可能な構成にすることができる。
【００２４】
また、本発明の屈折率分布の測定方法は、上記いずれかの構成の測定装置を用い、上記干渉縞像検出器で検出される干渉縞像を解析し、各透過位置における透過波面を計測することにより、その光軸方向に平均化された屈折率分布を測定することを特徴としている。
【００２５】
上記被検物に対する被検波の透過位置を移動させ、各移動位置にて透過波面を計測し、各透過波面データをつなぎ合わせ処理することにより、その測定有効径を越えた範囲の屈折率分布を求めることができる。
【００２６】
上記光軸方向と直交する軸線周りに被検物を相対的に回転させ、各回転位置にて透過波面を計測し、各透過波面データからＣＴ（コンピュータ・トモグラフィ）法により画像を再構成し、該再構成画像より被検物の屈折率分布を求めることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
図１は、本実施例の屈折率分布測定装置の全体構成を示している。同図に示すように、この測定装置の光学系には、上記従来例と同様のマハツェンダ干渉計を採用している。したがって、大部分の構成が従来例と共通しているため、同一の部分には同じ符号を付して説明は省略する。
【００２８】
光源１から照射されたレーザービーム(Ｈｅ―Ｎｅレーザー、波長６３３ｎｍ)は、ＮＤフィルタ２を通過し、ミラー３で偏向されて２枚の偏光板４を通過する。各偏光板４により光量と偏光方向を適正に調整されたビームは、２つのビームエキスパンダレンズ５によって必要な大きさの有効径まで拡大される。また、ビームエキスパンダレンズ５間に配した空間フィルタ６により、フレア光、ゴースト光といった不要な光がカットされる。そして、ビームスプリッタ７によって、直角に曲げられた参照波ａと、直進して測定対象の位相物体である被検物Ａを通過する被検波ｂとに分割される。
【００２９】
図２は、本実施例の被検物収容器の内部構造を示しており、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。被検物収容器３０のセル３１内には、その屈折率が被検物Ａとほぼ等しいマッチング液Ｂが充填されており、被検物Ａの表面における屈折を排除するとともに、マッチング液Ｂに対してもその入射側および射出側の窓には面精度の高いオプティカルフラットを配置している。したがって、被検物Ａがいかなる外径形状であっても被検波ｂは直進可能となっている。ここで被検物Ａに対する光軸の水平幅方向をｘ軸、その光軸と直交する上下方向をｙ軸、光軸方向をｚ軸として説明する。
【００３０】
被検物Ａは、図２（ｂ）に示すようにセル３１内にある被検物保持台３２により保持されている。被検物保持台３２は、被検物Ａに対する被検波ｂの透過位置を移動する透過位置変位手段を構成する。すなわち、この透過位置変位手段としての被検物保持台３２は、被検物Ａをセル３１内のほぼ中央に保持した状態でｙ軸方向を軸として回動自在である。また同時に、その被検波ｂが透過する一の測定有効径よりも大きな被検物Ａを測定可能とするために、その保持した被検物Ａをｙ軸方向に沿って所定距離内で上下に変位可能な昇降手段を備えている。
【００３１】
これにより、透過角度や透過位置を移動させ、被検物Ａの任意方向からの透過波面を測定できる。なお、このように被検物Ａ自体を移動する手段に限らず、例えば、被検物Ａは動かさずに固定し、これに対して干渉計全体を昇降自在な一の回転台に載せるような構成によっても透過位置を相対的に変更することができる。この場合、液状又は気体状の被検物Ａの測定に有効である。
【００３２】
上記被検物収容器３０のセル１内のマッチング液Ｂの屈折率を均質化するためには、その温度分布を高精度に制御する必要がある。そこで、図１にも示されるように、マッチング液Ｂの屈折率を均一にするための制御手段として、セル３１の周りを熱交換媒体としての水で満たし、セル３１に接触する水が常に一定温度を維持するようにな循環流水装置Ｃを設けている。
【００３３】
このため、本実施例の被検物収容器３０は、マッチング液Ｂを充填する円筒状のセル３１と、水の循環する通路である水槽部３３とをアルミ一体鋳造によって形成した二重の円筒形状となっている。このセル３１は、レーザ光軸の入射及び出射用の窓を除いて円筒状の隔壁がそのまま水槽部３３の内壁を形成し、さらに、この水槽部３３は外気と間の熱伝達を遮断するために外側に断熱材が充填されている。また、水が出入りする注入口３４及び排出口３５は、被検物収容器３０の一側面の下方位置に設けている。
【００３４】
上記水槽部３３は、その周方向に等間隔で且つｙ軸方向に平行な複数の仕切３６によって流水通路となる４つの小部屋３３ａ〜３３ｄに区切られ、また、流れの方向からみて各部屋３３ａ〜３３ｄの断面積が常に一定であり、流れの抵抗を低減して水流をスムーズにしている。図示の例では、注入口３４から進入した水は、４つの仕切３６ａ〜３６ｄにより小部屋３３ａから、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄの順番に流れるようになっている。
【００３５】
すなわち、注入口３４と排出口３５との間を仕切る仕切３６ａと、小部屋３３ａの上方と小部屋３３ｂの上方を接続する仕切３６ｂと、小部屋３３ｂの下方と小部屋３３ｃの下方とを接続する仕切３６ｃと、小部屋３３ｃの上方と小部屋３３ｄの上方とを接続する仕切３６ｄと、が設けられ、小部屋３６ａ〜３６ｄからなる一続きの通路はセル３１の隔壁を隙間無く上下に蛇行するようになっている。この場合、本実施例のように隣り合う注入口３４と排出口３５とが同じ高さにあれば、上記のように注入口３４と排出口３５間を完全に仕切る一枚の仕切と、注入口３４から排出口３５までの通路を形成するために奇数枚の仕切が必要となる。なお、例えば、注入口３４と排出口３５のいずれかが側面の上方にあり、注入口３４と排出口３５が上下反対位置の関係ならば上記仕切３６ａの間に偶数枚の仕切を設けることとなる。
【００３６】
上記セル内の温度均一化を目的とする制御手段は、注入口３４及び排出口３５から循環流水装置Ｃの図示しないサーキュレータを介して温度制御された水を、各小部屋３６ａ〜３６ｄの上方向と下方向の交互に循環させ、マッチング液Ｂとの熱交換を行う。これにより、常に一定の温度の水を交換しつづけ、セル３１の円筒状の隔壁を均一な温度にし、さらにセル３１を介した熱交換によりマッチング液Ｂの温度も一定になり、その温度分布は±０．１℃以下の範囲で均一に維持される。また、セル３１の円筒隔壁のうち、入射・出射窓の部分を除くすべての隔壁が循環水流と接触するため、熱の伝達が良く温度制御の効率を高めることができる。
【００３７】
上記被検物収容器３０に被検物Ａをセットしたマッハ・ツェンダ干渉計において、図１に示すように、上記被検物Ａを通過しビームスプリッタ１０で図中の下方に直角に曲げられた被検波ｂと、高反射ミラー９で直角に曲げられた参照波ａとは、ビームスプリッタ１１により干渉を起こす。ここで本実施例では、干渉縞解析のための光路差可変手段は、上記重畳手段であるビームスプリッタ１１に設けている。
【００３８】
図３は、上記光路差可変手段を設けたビームスプリッタ１１の構成を示す斜視図である。ビームスプリッタ１１は、スプリッタホルダ１２と共に光路差可変手段としてのピエゾ素子１３上に設置され、このピエゾ素子１３がスプリッタベース１４上に固定されている。このピエゾ素子１３によりビームスプリッタ１１を図中矢印方向に駆動可能である。この場合、ピエゾ素子１３の駆動方向は被検波ｂと平行な方向であり、参照波ａの光路長を波長以下のオーダで可変としている。なお、光路差は相対的なものであるから、ピエゾ素子１３の駆動方向はそのような被検波ｂ方向に限らず、被検波ｂと垂直な別光路の参照波ａに沿った方向でもよく、また、このような光路差可変手段は可干渉光の分割手段であるビームスプリッタ７に設けてもよい。
【００３９】
このようにビームスプリッタ１１にピエゾ素子１３を取り付けた構成により、その光学面が非常に安定した状態で駆動可能となる。すなわち、この光学系では干渉縞像の解析のために駆動するステップ量π／２は、λ／４（波長λ＝６３３ｎｍ）の約１６０ｎｍであるが、ピエゾ素子１３を参照ミラー９に取り付けた構成では、（λ／４）／√２の約１１０ｎｍである。したがって、同じ駆動素子を使用した場合、駆動誤差の割合が相対的に小さくなる。
【００４０】
上記重畳手段にて干渉を起こした干渉光束は、次に説明する結像光学系によって、干渉縞検出器２２，２３のＣＣＤ受光部に干渉縞像を結像させる。この結像光学系は、ミラー１５と、結像レンズ１６，２０，２１、拡散板１７からなる拡散手段(diffuser)、ズームレンズ１８からなる変倍手段と、２つの干渉縞検出器へ光路を分割するビームスプリッタ１９とを有する。拡散板１７の手前には、拡散板１７が被検物Ａと幾何光学的に共役関係になるように結像レンズ１６を配置している。
【００４１】
干渉縞検出器２２は１次元ＣＣＤを、干渉縞検出器２３は２次元ＣＣＤを用いている。干渉縞検出器２２の１次元ＣＣＤはx方向に配列されたデータ取り込み用のラインセンサである。干渉縞検出器２３の２次元ＣＣＤは、ｘ，ｙ面の２次元データを取り込むことのできるエリアセンサであってこれはアライメント用のモニターとしても使用される。また、拡散板１７の結像面と、干渉縞検出器２２の１次元ＣＣＤの受光面とがズームレンズ１８及び結像レンズ２０によってそれぞれ幾何光学的に共役関係にあり、また、干渉縞検出器２３の２次元ＣＣＤの受光面が、ビームスプリッタ１９の別光路において、ズームレンズ１８及び結像レンズ２１によって同様に拡散板１７と共役関係である。このズームレンズ１８を備えた結像光学系により、干渉縞検出器２２，２３の位置を変えることなく各ＣＣＤ面に結像する干渉縞像の大きさが可変となっている。各干渉縞検出器２２，２３からの出力は、図示しないＡ／Ｄ変換器を経てコンピュータの演算装置に取り込まれる。
【００４２】
上記構成の結像光学系において、ビームスプリッタ１１からの光束はミラー１５で反射し、拡散板１７に結像レンズ１６を介して干渉縞像が結像する。この拡散板１７に至るまでの光束は、可干渉（コヒーレント）なレーザ光であるが、ここで一旦、拡散板１７に映し出される干渉縞像はその裏面に非干渉光（インコヒーレント光）な光像として投影される。ズームレンズ１８には、その拡散板１７からの非干渉な光束が入射する。したがって、これによって拡散板１７以降にある光学部品、すなわち、干渉縞検出器２２，２３の前面の保護ガラス等での多重反射による干渉が起こらないので、干渉縞ノイズが低減される。
【００４３】
上記ズームレンズ１８を使用する結像光学系で、被検物Ａの実長を計測するための手段の一例を説明する。本実施例で採用する計測手段は、ビームスプリッタ１０の別光路にハロゲンランプ２６からなる光源と、その大きさが既知のスケール板２７と、ミラー２８とを設置し、スケール板２７の背後から照射されたスケール像を結像光学系を介してＣＣＤ面にて検出し、ズームレンズ１８の実際の変倍率についてキャリブレーション可能としている。
【００４４】
上記計測手段によるズームレンズ１８の倍率の求め方を説明する。例えば、スケール板２７には短形をした不透明の板であり、基準となるスケール像を投影するために２本の透明なスリットが既知のＬｍｍの間隔で平行に形成されている。ハロゲンランプ２６が点灯するとスケール板２７のスリットを透過した光束がビームスプリッタ１０を直進し干渉光と同様の光路でズームレンズ１８に入射する。スケール板２７から投影されるスケール像は、ズームレンズ１８の設定倍率Ｍにより拡大されて干渉縞検出器２２，２３のＣＣＤ面に結像する。ここでＬｍｍの間隔のスリット状の透過光が受光された画素のレベルのみが大きくなるので、この結像したスケール像の間隔Ｌ′を測定し、Ｍ＝Ｌ／Ｌ′からズームレンズ１８の設定倍率が求まる。
【００４５】
つぎに、上記測定装置による屈折率分布の測定方法を説明する。図４に被検物と共役な干渉縞像の一例を示す。１次元ＣＣＤではこの干渉縞像のｘ方向断面の波面が検出される。以下、干渉縞像の解析方法としては、上記光路差可変手段により光路差をπ／２間隔でステップ状に駆動し、５回前後、干渉縞像を取り込んで解析する位相シフト法を用いる。なおこれに限らず、フーリエ変換法等の他の公知の縞解析方法を使用してもよい。
【００４６】
図５は、ｘ方向における透過波面の測定結果を示している。まず、設計値又は汎用測定器等を用い、あらかじめ被検物Ａの光軸方向肉厚ｄ（ｘ）を計算しておく。被検物Ａに被検波ｂを透過して干渉縞検出器２２に干渉縞像を結像させる。そして、そのリニアＣＣＤで受光を行う干渉縞検出器２２の出力が、透過波面計測部を有する演算装置２５に取り込まれる。その透過波面計測部により、位相シフト法などの縞解析方法を用いて、透過波面ＷＦ（ｘ）(単位：λ）を計測することができる。
【００４７】
図６は、ｘ−ｚ一断面について得られた屈折率分布Δｎ（ｘ）を示している。このλは、光源の波長である。ＣＣＤの任意の位置をｘ＝０として基準の透過波面ＷＦ（０）を求め、次式によりｚ方向（光軸方向）に平均化された屈折率分布Δｎ（ｘ）を算出することができる。
Δｎ（ｘ）＝（ＷＦ（ｘ）−ＷＦ（０））・λ／ｄ（ｘ）
【００４８】
図７は、ｘ−ｚ断面の平均屈折率分布を立体的に表したものである。上記透過位置変位手段によって、被検物Ａをｙ軸に沿って昇降させてyの値を変えながら複数のｘ−ｚ断面について計測する。こうして任意の測定断面について干渉縞検出器２２からの出力をコンピュータ２４の演算装置２５に取り込みそれぞれの透過波面を計測し、上記複数の断面の測定結果から、下記の式により２次元的に表現できる。これにより、ｘ，ｙの２次元においてｚ方向（光軸方向）に平均化された平均屈折率分布が得られる。これを、図７に示すように平均屈折率分布を縦軸にとれば、立体的に示すことができる。こうして被検物Ａの外形形状に拘わらず、非破壊で２次元の平均屈折率分布Δｎの測定結果を得ることができる。
Δｎ（ｘ，ｙ）＝（ＷＦ（ｘ，ｙ）−ＷＦ（０，ｙ））・λ／ｄ（ｘ，ｙ）
【００４９】
また、この式では、基準となる波面をＷＦ（０，０）ではなくＷＦ（０，ｙ）としている。これは、ｆθレンズのように、被検物Ａの肉厚がｙ方向で数１０％以上異なる場合に、被検物Ａとマッチング液Ｂとの僅かなずれに伴う誤差要因となるのを補正するためである。このためΔｎ（０，ｙ）＝０と近似している。また、上記Δｎ（ｘ,ｙ）を多項式級数に展開することも可能であり、これによりレンズ設計へのフィードバックが容易となる。また、ここでは、１次元ＣＣＤよりなるラインセンサを使用し光軸方向に積算された結果としてＺ方向で平均化した分布を測定する簡便な方法であるが、このような平均屈折率分布について、つぎに説明するように２次元ＣＣＤよりなるエリアセンサによっても同様な測定が可能である。
【００５０】
図８は、２次元ＣＣＤの干渉縞検出器に検出された干渉縞像の測定結果を示している。また、図９は、図８の測定結果におけるｙ方向断面のデータを示している。一般に２次元ＣＣＤは１次元ＣＣＤの一方向画素数と比べて、そのｘ，ｙの各方向における画素数は少ない。このため空間的な分解能はやや落ちることもあるが、１次元ＣＣＤと異なり被検物Ａを昇降させなくとも２次元の屈折率分布を測定することができる。例えば、図９に示すように、ｙ軸方向に局所的な屈折率分布が存在する場合、これを検出するのに有効である。干渉縞検出器２３の２次元ＣＣＤで検出された干渉縞像を解析する場合、ｘ−ｙ面の２次元撮像面にて干渉縞を受光し、位相シフト法などを用いて縞解析を行い位相分布を算出する。
【００５１】
また、被検波の透過位置を移動させることでｙ値を変えながら、各移動位置にて透過波面を計測し、各透過波面データをつなぎ合わせ処理することにより、その測定有効径を越えた範囲の屈折率分布を求めることができる。これにより例えば、ｆθレンズのようにｙ軸方向にかなり大きな被検物Ａも効率的に測定できる。このような計測及びデータ処理は、上記ラインセンサ又はエリアセンサのいずれを用いた測定であっても適用可能である。
【００５２】
以上のように入射方向が一定である場合のｚ軸方向における平均屈折率分布のみでは、屈折率分布を３次元的に特定することはできない。以下、公知のＣＴ（Computed Tomography)法によるＺ方向も加味した３次元屈折率分布の測定方法を説明する。
図１０は、ＣＴ解析法の原理を説明する図である。同図に示した投影切断面定理によれば、物理分布量をもつ物体ｆ（ｘ，ｙ）のｒａｄｏｎ変換、すなわち角度θの方向からの投影データｇ（ｘ，θ）を１次元フーリエ変換した結果のＧ（ζ，θ）は、物体の２次元フーリエ変換した結果のＦ（ξ，η）の極座標表現におけるθ方向成分と一致することがわかっている。数式で表すと次式となる。
Ｆ（ζｃｏｓθ，ζｓｉｎθ）＝Ｇ（ζ，θ）
ここで、物体ｆ（ｘ，ｙ）を被検物Ａの屈折率分布とするならば、ｇ（ｘ，θ）は光路差である。この光路差は、本実施例のようなマッハ・ツェエンダ干渉計の場合、透過波面として計測される。
【００５３】
図１１は、ＣＴ解析法の手順を示すフローチャートである。まず、被検物Ａをセットしない状態で初期処理を行った後、被検物Ａを被検物保持台３２にセットし（Ｓ１）、θ=の位置（基準となる位置）で干渉縞検出器２２が出力する画像信号を演算装置２５に取り込んで透過波面を計測する（Ｓ２）。ついで被検物保持台３２の回転により被検物Ａを０≦θ≦π（又は０≦θ≦２π）の角度範囲にわたって回転させ（Ｓ３，Ｓ４）、例えば１゜刻みで透過波面を計測する。それらの透過波面データは、位相つなぎ処理により接続し（Ｓ５）、１次元フーリエ変換する（Ｓ６）。１次フーリエ変換された各断面の極座標データＧ（ζ，θ）を直交座標データに変換することによりＦ（ξ，η）を計算して（Ｓ７）、これを２次元逆フーリエ変換（Ｓ８）すれば、被検物Ａのｘ−ｚ断面の屈折率分布を再構成することができる（Ｓ９）。このＣＴ解析法による場合、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Ａであっても、屈折率分布を被検物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。
【００５４】
図１２に、上記ＣＴ解析法によって構成した屈折率分布データを示す。上記のように被検物Ａを回転させてＣＴ解析を行えば、（ｘ，ｚ）の各位置について実際の屈折率が得られる。そして、上記被検物Ａの昇降手段によりｙ値を変えながら、被検波透過位置をｙ軸方向へ相対的に移動させて連続的に計測し、これら複数の屈折率分布データから３次元の屈折率分布を構成することができる。なお、上記屈折率分布の測定において、測定断面数やその間隔には特に制限はない。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の屈折率分布の測定装置は、可干渉光を出射する光源と、該光源からの可干渉光を被検波と参照波とに分割する手段と、測定対象である被検物を該被検物とほぼ同一の屈折率のマッチング液内に保持する被検物収容器と、該被検物収容器を透過した被検波と上記参照波とを重畳させ干渉させる重畳手段と、該重畳手段から出射された光束を干渉縞像として結像させる結像光学系と、該結像光学系により結像する光像を検出する干渉縞像検出器と、該干渉縞像検出器の検出結果から被検物の屈折率分布を求める演算装置と、を有する屈折率分布の測定装置において、上記分割手段又は上記重畳手段を、光軸方向に波長以下のオーダで変位可能な光路差可変手段を備え、上記マッチング液の屈折率をほぼ均一に維持するための制御手段を備えた構成なので、光路差を精度良く可変することができ、また、外乱の影響も小さく抑えるので、再現性がよく測定精度が向上するとともに、被検物の外形形状にかかわらず非破壊でその屈折率分布を精度良く測定することができる。
【００５６】
上記結像光学系が、上記干渉縞像検出器に結像する光像の大きさを可変とする変倍手段を備え、少なくとも該変倍手段に基準となるスケール像を投影可能な投光手段と、上記変倍手段を介して結像したスケール像からその変倍率を求める計算手段とを有する構成によれば、大きさの異なる種々の被検物に対して、良好な条件で測定できる。
【００５７】
上記結像光学系が、上記重畳手段から投影された光像を非干渉な光像に変換する拡散手段を備えた構成によれば、拡散手段以降にあるレンズ系や保護ガラス等での多重反射による干渉縞ノイズを低減でき、精度良く測定できる。
【００５９】
上記被検物に対する被検波の透過位置をその光軸方向と直交する方向へ移動させる透過位置変位手段を備えた構成によれば、光軸方向の平均屈折率分布を簡易に計測することができ、測定有効径よりも大きな被検物を測定することが容易となる。特に、書込光学系のｆθレンズなどの測定対象物に有効で、測定結果をレンズ設計へフィードバックすることが容易となる。
【００６０】
上記干渉縞像検出器が、２次元方向に配した複数画素よりなる光センサを有するものであり、該光センサにより２次元の屈折率分布を測定可能とした構成によれば、透過波面又は、屈折率分布を２次元的に測定することができ、局所的な屈折率の異常分布の検出や任意の方向の断面の計測に適した測定が可能となる。
【００６１】
また、上記いずれかの構成の測定装置を用い、上記光軸方向と直交する軸線周りに被検物を相対的に回転させ、各回転位置にて透過波面を計測し、各透過波面データからＣＴ（コンピュータ・トモグラフィ）法により画像を再構成し、該再構成画像より被検物の屈折率分布を求める測定方法によれば、被検物の外形形状に関わらず非破壊で３次元的な屈折率分布を、より高精度に計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の屈折率分布の測定装置の全体構成を示す平面図である。
【図２】本実施例に係る被検物収容器の内部構造を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。
【図３】本実施例に係る光路差可変手段を設けた重畳手段の構成を示す斜視図である。
【図４】本実施例に係る干渉計で形成される干渉縞像の一例を示す。
【図５】本実施例の測定装置で測定した一光軸方向の透過波面を示す線図である。
【図６】図５の透過波面データより求めた平均屈折率分布を示す線図である。
【図７】光軸方向の平均屈折率分布を垂直方向に繋いで立体的に示した図である。
【図８】本実施例の測定装置の２次元ＣＣＤで検出された平均屈折率分布データを示す図である。
【図９】図８のｙ軸方向一断面のデータを示す線図である。
【図１０】本実施例の測定方法に使用するＣＴ解析法の原理を説明する図である。
【図１１】本実施例の測定方法のＣＴ解析法の手順を示すフローチャートである。
【図１２】本実施例の測定方法のＣＴ解析法によって求めた屈折率分布の一断面データを示す図である。
【図１３】従来の屈折率分布の測定装置の全体構成を示す平面図である。
【図１４】従来の測定装置の参照ミラーのミラーホルダの概略構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 光源
１１ 重畳手段
１３ 光路差可変手段
１７ 拡散手段
１８ 変倍手段
２２，２３ 干渉縞像検出器
２４ 演算装置
３０ 被検物収容器
３１ マッチング液の接触する隔壁（被検物セル）
３２ 透過位置変位手段
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ 通路
Ａ 被検物
Ｂ マッチング液
ａ 参照波
ｂ 被検波
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチックレンズ等の屈折率分布の測定装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルコピーやレーザープリンタ、カメラ等に使用される光学素子として、プラスチック材料による成形レンズが普及している。このプラスチック成形レンズは、ガラス研磨レンズに比べて非球面レンズの製作性に優れ低コストであるが、屈折率の分布が不安定で、レンズ内部に不均質性を生じることが多い。レンズ内部の屈折率の不均質性は、光学特性に大きな影響を及ぼし、結像性能を劣化させる原因となる恐れがある。このようなことから、プラスチックレンズの品質安定化のためには、屈折率の分布を高精度に測定する必要がある。
【０００３】
従来技術としては、最小偏角法などにより偏角を計測して屈折率を求める方法と、干渉計を構成して透過波面を計測し、屈折率分布を求める方法が知られている。しかしながら、いずれの方法も被検物を所定の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。
【０００４】
そこで、本出願人は、測定対象を非破壊のままそのレンズ等の屈折率分布を計測する装置を考案した。その代表的な例として、特開平８−１２２２１０号記載の「光学素子の屈折率分布の測定方法及び測定装置」を提供している。この種の測定装置を、図１３を用いて具体的に説明する。
【０００５】
図１３は、従来の屈折率分布の測定装置の全体構成を示している。この測定装置は、マッハ・ツェエ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５と、光束分割手段のビームスプリッタ７と、二つの高反射ミラー９，９’と、光束重畳手段のビームスプリッタ１１と、結像レンズ２０と、ＣＣＤなどによるエリアイメージセンサを用いた干渉縞検出器２２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２５とを含んでいる。
【０００６】
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５によって光束径を拡大され、光束分割手段であるビームスプリッタ７にて下方に直角に屈折する参照波ａと、ビームスプリッタ７によって直進する被検波ｂとに分割される。参照波ａは、参照用の高反射ミラー９’で反射して測定対象の被検物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で反射して被検物Ａを透過してビームスプリッタ１１に入射する。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２０によって干渉縞像を干渉縞検出器２２のＣＣＤ撮像面に結像する。
【０００７】
図１４に、上記参照波ａを反射する高反射ミラー９′のミラーホルダ８の概略構造を例示する。この参照波用の高反射ミラー９′は、あおり調整可能なミラーホルダ８に保持され、これがピエゾ駆動素子などよりなる電気―変位変換素子による光路差可変手段１３′で支持される。こうして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以下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。
【０００８】
図１３において、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被検物セル３１が配置されている。被検物セル３１内には、光軸方向に直交する軸ｙ周りに被検物Ａを回転させる回転被検物台３７が配置され、この回転被検物台３７は、図示しないサーボモータにより所定回転角位置に回転駆動される。また、被検物セル３１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）が充填されている。このような試液を以下、「マッチング液Ｂ」と称する。そして被検物セル３１が被検波ｂの光路を横切る両端面は、各々面精度が高い入射窓３８と出射窓３９とからなるオプチカルフラットによって液密にシールドされている。こうして、被検物Ａはマッチング液Ｂに浸された状態で、可干渉な被検波ｂは被検物セル３１全体を平行に透過するようになり、被検物Ａの外形形状に拘わらずその位相分布を容易に測定できるようになる。
【０００９】
上記結像レンズ２０によって干渉縞検出器２２の撮像面には、被検物Ａと共役な干渉縞像が結像し、干渉縞検出器２２によって光電変換されて電気的な画像信号となり、Ａ／Ｄ変換器を経てコンピュータ２４の演算装置２５に入力される。なお、演算装置２５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を含んでいる。
【００１０】
つぎに、上記構成の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、回転被検物台３７に被検物Ａをセットする前に、干渉縞検出器２２が出力する干渉縞像の画像信号を演算装置２５に取り込んで透過波面計測部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。
【００１１】
そして、回転被検物台３７に被検物Ａをセットし、干渉縞検出器２２が出力する干渉縞像の画像信号を演算装置２５に取り込んで透過波面計測部により干渉縞像の解析を行い、透過波面の計測する。ここで、被検物Ａの屈折率が完全に均一で、この屈折率が被検物セル３１内に充填されているマッチング液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、回転被検物台３７が一定の位置にあるとき、被検物Ａの屈折率がマッチング液の屈折率より僅かに相違している場合、干渉縞検出器２２の撮像面に結像した干渉縞像の解析結果は、ｚ方向（光路進行方向）に積算される。ここで、レーザ光の波長を「λ」とすれば、透過波面（ｒａｄ）は、次のように求まる。
透過波面＝（２π／λ）×∫（ＡとＢの屈折率差）ｄｘ
【００１２】
また、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ｙ軸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２４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）法により可能である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように被検物Ａをマッチング液Ｂに浸して測定する測定装置及び方法において、被検物セル３１内に充填したマッチング液は、屈折率の基準となるため均質な状態になければならない。
しかしながら、マッチング液Ｂは、僅かでも温度分布に偏りが有ると屈折率が変化するため、屈折率が不均質となってしまい、これが測定精度の低下の原因となっていた。
【００１４】
また、上記従来の測定装置では、光路差を変化させるためのピエゾ素子などの光路差可変手段１３′を参照波ａ用の高反射ミラー９′に設けることが一般的に行われている。この高反射ミラー９′は、光線が斜めから照射するため有効径が必然的に大きくなっている。また、図１４に示すように、高反射ミラー９′のミラーホルダ８は参照光ａの光軸と被検光ｂのそれとを合わせるためのあおり調整部分８ａを持つ構成である。このためもともと剛性が低く、その光路差可変手段の素子１３′がいくら高精度でもその光学面自体を精度良く駆動することが難しかった。
【００１５】
また、被検物Ａとして、例えばレーザープリンタなどの書込光学系に使用されるｆθレンズは、細長い形状のものである。このため、上記従来の装置においては、被検物Ａが大きい場合、その必要な有効領域を測定するには、光束の径によって制限されている有効径（以下「測定有効径」と称する）を越えて測定しなければならない。しかし、装置の構造上、測定有効径は限られることから、例えばｆθレンズのように主走査方向の屈折率分布に有効な測定が困難であった。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、マッチング液の屈折率を均質に保つことができ、また、精度良く光路差を変化させることができ、さらに、被検物の大きさに拘わらず容易に被検物の有効領域を測定できる屈折率分布の測定装置及び方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の屈折率分布の測定装置は、可干渉光を出射する光源と、該光源からの可干渉光を被検波と参照波とに分割する分割手段と、測定対象である被検物を該被検物とほぼ同一の屈折率のマッチング液内に保持する被検物収容器と、該被検物収容器を透過した被検波と上記参照波とを重畳させ干渉させる重畳手段と、該重畳手段から出射された光束を干渉縞像として結像可能な結像光学系と、該結像光学系により結像する光像を検出する干渉縞像検出器と、該干渉縞像検出器の検出結果から被検物の屈折率分布を求める演算装置と、を有する屈折率分布の測定装置において、上記分割手段又は上記重畳手段を、光軸方向に波長以下のオーダで変位可能な光路差可変手段を備え、上記マッチング液の屈折率をほぼ均一に維持するための制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１８】
上記被検物収容器が、上記マッチング液の接触する隔壁の外側に沿って熱交換媒体が流れる通路を有し、上記制御手段により、上記通路へ温度制御された熱交換媒体を循環させる構成とすることができる。この場合、上記通路は、ほぼ同一の横断面形状が連続するもので、上記マッチング液の接触する隔壁に沿って隙間無く蛇行するように配置されているとよい。
【００１９】
上記結像光学系が、上記干渉縞像検出器に結像する光像の大きさを可変とする変倍手段を備え、少なくとも該変倍手段に基準となるスケール像を投影可能な投光手段と、上記変倍手段を介して結像したスケール像からその変倍率を求める計算手段とを有する構成とすることができる。
【００２０】
上記結像光学系が、上記重畳手段から投影された光像を非干渉な光像に変換する拡散手段を備えた構成にするとよい。この場合、上記変倍手段の入射側手前に上記拡散手段を配置し、該拡散手段上の非干渉な光像が上記変倍手段を介して上記干渉縞像検出器に結像する構成にすることができる。
【００２２】
上記被検物に対する被検波の透過位置をその光軸方向と直交する方向へ移動させる透過位置変位手段を備えた構成にすることができる。
【００２３】
上記干渉縞像検出器が、２次元方向に配した複数画素よりなる光センサを有するものであり、該光センサにより２次元の屈折率分布を測定可能な構成にすることができる。
【００２４】
また、本発明の屈折率分布の測定方法は、上記いずれかの構成の測定装置を用い、上記干渉縞像検出器で検出される干渉縞像を解析し、各透過位置における透過波面を計測することにより、その光軸方向に平均化された屈折率分布を測定することを特徴としている。
【００２５】
上記被検物に対する被検波の透過位置を移動させ、各移動位置にて透過波面を計測し、各透過波面データをつなぎ合わせ処理することにより、その測定有効径を越えた範囲の屈折率分布を求めることができる。
【００２６】
上記光軸方向と直交する軸線周りに被検物を相対的に回転させ、各回転位置にて透過波面を計測し、各透過波面データからＣＴ（コンピュータ・トモグラフィ）法により画像を再構成し、該再構成画像より被検物の屈折率分布を求めることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
図１は、本実施例の屈折率分布測定装置の全体構成を示している。同図に示すように、この測定装置の光学系には、上記従来例と同様のマハツェンダ干渉計を採用している。したがって、大部分の構成が従来例と共通しているため、同一の部分には同じ符号を付して説明は省略する。
【００２８】
光源１から照射されたレーザービーム(Ｈｅ―Ｎｅレーザー、波長６３３ｎｍ)は、ＮＤフィルタ２を通過し、ミラー３で偏向されて２枚の偏光板４を通過する。各偏光板４により光量と偏光方向を適正に調整されたビームは、２つのビームエキスパンダレンズ５によって必要な大きさの有効径まで拡大される。また、ビームエキスパンダレンズ５間に配した空間フィルタ６により、フレア光、ゴースト光といった不要な光がカットされる。そして、ビームスプリッタ７によって、直角に曲げられた参照波ａと、直進して測定対象の位相物体である被検物Ａを通過する被検波ｂとに分割される。
【００２９】
図２は、本実施例の被検物収容器の内部構造を示しており、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。被検物収容器３０のセル３１内には、その屈折率が被検物Ａとほぼ等しいマッチング液Ｂが充填されており、被検物Ａの表面における屈折を排除するとともに、マッチング液Ｂに対してもその入射側および射出側の窓には面精度の高いオプティカルフラットを配置している。したがって、被検物Ａがいかなる外径形状であっても被検波ｂは直進可能となっている。ここで被検物Ａに対する光軸の水平幅方向をｘ軸、その光軸と直交する上下方向をｙ軸、光軸方向をｚ軸として説明する。
【００３０】
被検物Ａは、図２（ｂ）に示すようにセル３１内にある被検物保持台３２により保持されている。被検物保持台３２は、被検物Ａに対する被検波ｂの透過位置を移動する透過位置変位手段を構成する。すなわち、この透過位置変位手段としての被検物保持台３２は、被検物Ａをセル３１内のほぼ中央に保持した状態でｙ軸方向を軸として回動自在である。また同時に、その被検波ｂが透過する一の測定有効径よりも大きな被検物Ａを測定可能とするために、その保持した被検物Ａをｙ軸方向に沿って所定距離内で上下に変位可能な昇降手段を備えている。
【００３１】
これにより、透過角度や透過位置を移動させ、被検物Ａの任意方向からの透過波面を測定できる。なお、このように被検物Ａ自体を移動する手段に限らず、例えば、被検物Ａは動かさずに固定し、これに対して干渉計全体を昇降自在な一の回転台に載せるような構成によっても透過位置を相対的に変更することができる。この場合、液状又は気体状の被検物Ａの測定に有効である。
【００３２】
上記被検物収容器３０のセル１内のマッチング液Ｂの屈折率を均質化するためには、その温度分布を高精度に制御する必要がある。そこで、図１にも示されるように、マッチング液Ｂの屈折率を均一にするための制御手段として、セル３１の周りを熱交換媒体としての水で満たし、セル３１に接触する水が常に一定温度を維持するようにな循環流水装置Ｃを設けている。
【００３３】
このため、本実施例の被検物収容器３０は、マッチング液Ｂを充填する円筒状のセル３１と、水の循環する通路である水槽部３３とをアルミ一体鋳造によって形成した二重の円筒形状となっている。このセル３１は、レーザ光軸の入射及び出射用の窓を除いて円筒状の隔壁がそのまま水槽部３３の内壁を形成し、さらに、この水槽部３３は外気と間の熱伝達を遮断するために外側に断熱材が充填されている。また、水が出入りする注入口３４及び排出口３５は、被検物収容器３０の一側面の下方位置に設けている。
【００３４】
上記水槽部３３は、その周方向に等間隔で且つｙ軸方向に平行な複数の仕切３６によって流水通路となる４つの小部屋３３ａ〜３３ｄに区切られ、また、流れの方向からみて各部屋３３ａ〜３３ｄの断面積が常に一定であり、流れの抵抗を低減して水流をスムーズにしている。図示の例では、注入口３４から進入した水は、４つの仕切３６ａ〜３６ｄにより小部屋３３ａから、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄの順番に流れるようになっている。
【００３５】
すなわち、注入口３４と排出口３５との間を仕切る仕切３６ａと、小部屋３３ａの上方と小部屋３３ｂの上方を接続する仕切３６ｂと、小部屋３３ｂの下方と小部屋３３ｃの下方とを接続する仕切３６ｃと、小部屋３３ｃの上方と小部屋３３ｄの上方とを接続する仕切３６ｄと、が設けられ、小部屋３６ａ〜３６ｄからなる一続きの通路はセル３１の隔壁を隙間無く上下に蛇行するようになっている。この場合、本実施例のように隣り合う注入口３４と排出口３５とが同じ高さにあれば、上記のように注入口３４と排出口３５間を完全に仕切る一枚の仕切と、注入口３４から排出口３５までの通路を形成するために奇数枚の仕切が必要となる。なお、例えば、注入口３４と排出口３５のいずれかが側面の上方にあり、注入口３４と排出口３５が上下反対位置の関係ならば上記仕切３６ａの間に偶数枚の仕切を設けることとなる。
【００３６】
上記セル内の温度均一化を目的とする制御手段は、注入口３４及び排出口３５から循環流水装置Ｃの図示しないサーキュレータを介して温度制御された水を、各小部屋３６ａ〜３６ｄの上方向と下方向の交互に循環させ、マッチング液Ｂとの熱交換を行う。これにより、常に一定の温度の水を交換しつづけ、セル３１の円筒状の隔壁を均一な温度にし、さらにセル３１を介した熱交換によりマッチング液Ｂの温度も一定になり、その温度分布は±０．１℃以下の範囲で均一に維持される。また、セル３１の円筒隔壁のうち、入射・出射窓の部分を除くすべての隔壁が循環水流と接触するため、熱の伝達が良く温度制御の効率を高めることができる。
【００３７】
上記被検物収容器３０に被検物Ａをセットしたマッハ・ツェンダ干渉計において、図１に示すように、上記被検物Ａを通過しビームスプリッタ１０で図中の下方に直角に曲げられた被検波ｂと、高反射ミラー９で直角に曲げられた参照波ａとは、ビームスプリッタ１１により干渉を起こす。ここで本実施例では、干渉縞解析のための光路差可変手段は、上記重畳手段であるビームスプリッタ１１に設けている。
【００３８】
図３は、上記光路差可変手段を設けたビームスプリッタ１１の構成を示す斜視図である。ビームスプリッタ１１は、スプリッタホルダ１２と共に光路差可変手段としてのピエゾ素子１３上に設置され、このピエゾ素子１３がスプリッタベース１４上に固定されている。このピエゾ素子１３によりビームスプリッタ１１を図中矢印方向に駆動可能である。この場合、ピエゾ素子１３の駆動方向は被検波ｂと平行な方向であり、参照波ａの光路長を波長以下のオーダで可変としている。なお、光路差は相対的なものであるから、ピエゾ素子１３の駆動方向はそのような被検波ｂ方向に限らず、被検波ｂと垂直な別光路の参照波ａに沿った方向でもよく、また、このような光路差可変手段は可干渉光の分割手段であるビームスプリッタ７に設けてもよい。
【００３９】
このようにビームスプリッタ１１にピエゾ素子１３を取り付けた構成により、その光学面が非常に安定した状態で駆動可能となる。すなわち、この光学系では干渉縞像の解析のために駆動するステップ量π／２は、λ／４（波長λ＝６３３ｎｍ）の約１６０ｎｍであるが、ピエゾ素子１３を参照ミラー９に取り付けた構成では、（λ／４）／√２の約１１０ｎｍである。したがって、同じ駆動素子を使用した場合、駆動誤差の割合が相対的に小さくなる。
【００４０】
上記重畳手段にて干渉を起こした干渉光束は、次に説明する結像光学系によって、干渉縞検出器２２，２３のＣＣＤ受光部に干渉縞像を結像させる。この結像光学系は、ミラー１５と、結像レンズ１６，２０，２１、拡散板１７からなる拡散手段(diffuser)、ズームレンズ１８からなる変倍手段と、２つの干渉縞検出器へ光路を分割するビームスプリッタ１９とを有する。拡散板１７の手前には、拡散板１７が被検物Ａと幾何光学的に共役関係になるように結像レンズ１６を配置している。
【００４１】
干渉縞検出器２２は１次元ＣＣＤを、干渉縞検出器２３は２次元ＣＣＤを用いている。干渉縞検出器２２の１次元ＣＣＤはx方向に配列されたデータ取り込み用のラインセンサである。干渉縞検出器２３の２次元ＣＣＤは、ｘ，ｙ面の２次元データを取り込むことのできるエリアセンサであってこれはアライメント用のモニターとしても使用される。また、拡散板１７の結像面と、干渉縞検出器２２の１次元ＣＣＤの受光面とがズームレンズ１８及び結像レンズ２０によってそれぞれ幾何光学的に共役関係にあり、また、干渉縞検出器２３の２次元ＣＣＤの受光面が、ビームスプリッタ１９の別光路において、ズームレンズ１８及び結像レンズ２１によって同様に拡散板１７と共役関係である。このズームレンズ１８を備えた結像光学系により、干渉縞検出器２２，２３の位置を変えることなく各ＣＣＤ面に結像する干渉縞像の大きさが可変となっている。各干渉縞検出器２２，２３からの出力は、図示しないＡ／Ｄ変換器を経てコンピュータの演算装置に取り込まれる。
【００４２】
上記構成の結像光学系において、ビームスプリッタ１１からの光束はミラー１５で反射し、拡散板１７に結像レンズ１６を介して干渉縞像が結像する。この拡散板１７に至るまでの光束は、可干渉（コヒーレント）なレーザ光であるが、ここで一旦、拡散板１７に映し出される干渉縞像はその裏面に非干渉光（インコヒーレント光）な光像として投影される。ズームレンズ１８には、その拡散板１７からの非干渉な光束が入射する。したがって、これによって拡散板１７以降にある光学部品、すなわち、干渉縞検出器２２，２３の前面の保護ガラス等での多重反射による干渉が起こらないので、干渉縞ノイズが低減される。
【００４３】
上記ズームレンズ１８を使用する結像光学系で、被検物Ａの実長を計測するための手段の一例を説明する。本実施例で採用する計測手段は、ビームスプリッタ１０の別光路にハロゲンランプ２６からなる光源と、その大きさが既知のスケール板２７と、ミラー２８とを設置し、スケール板２７の背後から照射されたスケール像を結像光学系を介してＣＣＤ面にて検出し、ズームレンズ１８の実際の変倍率についてキャリブレーション可能としている。
【００４４】
上記計測手段によるズームレンズ１８の倍率の求め方を説明する。例えば、スケール板２７には短形をした不透明の板であり、基準となるスケール像を投影するために２本の透明なスリットが既知のＬｍｍの間隔で平行に形成されている。ハロゲンランプ２６が点灯するとスケール板２７のスリットを透過した光束がビームスプリッタ１０を直進し干渉光と同様の光路でズームレンズ１８に入射する。スケール板２７から投影されるスケール像は、ズームレンズ１８の設定倍率Ｍにより拡大されて干渉縞検出器２２，２３のＣＣＤ面に結像する。ここでＬｍｍの間隔のスリット状の透過光が受光された画素のレベルのみが大きくなるので、この結像したスケール像の間隔Ｌ′を測定し、Ｍ＝Ｌ／Ｌ′からズームレンズ１８の設定倍率が求まる。
【００４５】
つぎに、上記測定装置による屈折率分布の測定方法を説明する。図４に被検物と共役な干渉縞像の一例を示す。１次元ＣＣＤではこの干渉縞像のｘ方向断面の波面が検出される。以下、干渉縞像の解析方法としては、上記光路差可変手段により光路差をπ／２間隔でステップ状に駆動し、５回前後、干渉縞像を取り込んで解析する位相シフト法を用いる。なおこれに限らず、フーリエ変換法等の他の公知の縞解析方法を使用してもよい。
【００４６】
図５は、ｘ方向における透過波面の測定結果を示している。まず、設計値又は汎用測定器等を用い、あらかじめ被検物Ａの光軸方向肉厚ｄ（ｘ）を計算しておく。被検物Ａに被検波ｂを透過して干渉縞検出器２２に干渉縞像を結像させる。そして、そのリニアＣＣＤで受光を行う干渉縞検出器２２の出力が、透過波面計測部を有する演算装置２５に取り込まれる。その透過波面計測部により、位相シフト法などの縞解析方法を用いて、透過波面ＷＦ（ｘ）(単位：λ）を計測することができる。
【００４７】
図６は、ｘ−ｚ一断面について得られた屈折率分布Δｎ（ｘ）を示している。このλは、光源の波長である。ＣＣＤの任意の位置をｘ＝０として基準の透過波面ＷＦ（０）を求め、次式によりｚ方向（光軸方向）に平均化された屈折率分布Δｎ（ｘ）を算出することができる。
Δｎ（ｘ）＝（ＷＦ（ｘ）−ＷＦ（０））・λ／ｄ（ｘ）
【００４８】
図７は、ｘ−ｚ断面の平均屈折率分布を立体的に表したものである。上記透過位置変位手段によって、被検物Ａをｙ軸に沿って昇降させてyの値を変えながら複数のｘ−ｚ断面について計測する。こうして任意の測定断面について干渉縞検出器２２からの出力をコンピュータ２４の演算装置２５に取り込みそれぞれの透過波面を計測し、上記複数の断面の測定結果から、下記の式により２次元的に表現できる。これにより、ｘ，ｙの２次元においてｚ方向（光軸方向）に平均化された平均屈折率分布が得られる。これを、図７に示すように平均屈折率分布を縦軸にとれば、立体的に示すことができる。こうして被検物Ａの外形形状に拘わらず、非破壊で２次元の平均屈折率分布Δｎの測定結果を得ることができる。
Δｎ（ｘ，ｙ）＝（ＷＦ（ｘ，ｙ）−ＷＦ（０，ｙ））・λ／ｄ（ｘ，ｙ）
【００４９】
また、この式では、基準となる波面をＷＦ（０，０）ではなくＷＦ（０，ｙ）としている。これは、ｆθレンズのように、被検物Ａの肉厚がｙ方向で数１０％以上異なる場合に、被検物Ａとマッチング液Ｂとの僅かなずれに伴う誤差要因となるのを補正するためである。このためΔｎ（０，ｙ）＝０と近似している。また、上記Δｎ（ｘ,ｙ）を多項式級数に展開することも可能であり、これによりレンズ設計へのフィードバックが容易となる。また、ここでは、１次元ＣＣＤよりなるラインセンサを使用し光軸方向に積算された結果としてＺ方向で平均化した分布を測定する簡便な方法であるが、このような平均屈折率分布について、つぎに説明するように２次元ＣＣＤよりなるエリアセンサによっても同様な測定が可能である。
【００５０】
図８は、２次元ＣＣＤの干渉縞検出器に検出された干渉縞像の測定結果を示している。また、図９は、図８の測定結果におけるｙ方向断面のデータを示している。一般に２次元ＣＣＤは１次元ＣＣＤの一方向画素数と比べて、そのｘ，ｙの各方向における画素数は少ない。このため空間的な分解能はやや落ちることもあるが、１次元ＣＣＤと異なり被検物Ａを昇降させなくとも２次元の屈折率分布を測定することができる。例えば、図９に示すように、ｙ軸方向に局所的な屈折率分布が存在する場合、これを検出するのに有効である。干渉縞検出器２３の２次元ＣＣＤで検出された干渉縞像を解析する場合、ｘ−ｙ面の２次元撮像面にて干渉縞を受光し、位相シフト法などを用いて縞解析を行い位相分布を算出する。
【００５１】
また、被検波の透過位置を移動させることでｙ値を変えながら、各移動位置にて透過波面を計測し、各透過波面データをつなぎ合わせ処理することにより、その測定有効径を越えた範囲の屈折率分布を求めることができる。これにより例えば、ｆθレンズのようにｙ軸方向にかなり大きな被検物Ａも効率的に測定できる。このような計測及びデータ処理は、上記ラインセンサ又はエリアセンサのいずれを用いた測定であっても適用可能である。
【００５２】
以上のように入射方向が一定である場合のｚ軸方向における平均屈折率分布のみでは、屈折率分布を３次元的に特定することはできない。以下、公知のＣＴ（Computed Tomography)法によるＺ方向も加味した３次元屈折率分布の測定方法を説明する。
図１０は、ＣＴ解析法の原理を説明する図である。同図に示した投影切断面定理によれば、物理分布量をもつ物体ｆ（ｘ，ｙ）のｒａｄｏｎ変換、すなわち角度θの方向からの投影データｇ（ｘ，θ）を１次元フーリエ変換した結果のＧ（ζ，θ）は、物体の２次元フーリエ変換した結果のＦ（ξ，η）の極座標表現におけるθ方向成分と一致することがわかっている。数式で表すと次式となる。
Ｆ（ζｃｏｓθ，ζｓｉｎθ）＝Ｇ（ζ，θ）
ここで、物体ｆ（ｘ，ｙ）を被検物Ａの屈折率分布とするならば、ｇ（ｘ，θ）は光路差である。この光路差は、本実施例のようなマッハ・ツェエンダ干渉計の場合、透過波面として計測される。
【００５３】
図１１は、ＣＴ解析法の手順を示すフローチャートである。まず、被検物Ａをセットしない状態で初期処理を行った後、被検物Ａを被検物保持台３２にセットし（Ｓ１）、θ=の位置（基準となる位置）で干渉縞検出器２２が出力する画像信号を演算装置２５に取り込んで透過波面を計測する（Ｓ２）。ついで被検物保持台３２の回転により被検物Ａを０≦θ≦π（又は０≦θ≦２π）の角度範囲にわたって回転させ（Ｓ３，Ｓ４）、例えば１゜刻みで透過波面を計測する。それらの透過波面データは、位相つなぎ処理により接続し（Ｓ５）、１次元フーリエ変換する（Ｓ６）。１次フーリエ変換された各断面の極座標データＧ（ζ，θ）を直交座標データに変換することによりＦ（ξ，η）を計算して（Ｓ７）、これを２次元逆フーリエ変換（Ｓ８）すれば、被検物Ａのｘ−ｚ断面の屈折率分布を再構成することができる（Ｓ９）。このＣＴ解析法による場合、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Ａであっても、屈折率分布を被検物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。
【００５４】
図１２に、上記ＣＴ解析法によって構成した屈折率分布データを示す。上記のように被検物Ａを回転させてＣＴ解析を行えば、（ｘ，ｚ）の各位置について実際の屈折率が得られる。そして、上記被検物Ａの昇降手段によりｙ値を変えながら、被検波透過位置をｙ軸方向へ相対的に移動させて連続的に計測し、これら複数の屈折率分布データから３次元の屈折率分布を構成することができる。なお、上記屈折率分布の測定において、測定断面数やその間隔には特に制限はない。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の屈折率分布の測定装置は、可干渉光を出射する光源と、該光源からの可干渉光を被検波と参照波とに分割する手段と、測定対象である被検物を該被検物とほぼ同一の屈折率のマッチング液内に保持する被検物収容器と、該被検物収容器を透過した被検波と上記参照波とを重畳させ干渉させる重畳手段と、該重畳手段から出射された光束を干渉縞像として結像させる結像光学系と、該結像光学系により結像する光像を検出する干渉縞像検出器と、該干渉縞像検出器の検出結果から被検物の屈折率分布を求める演算装置と、を有する屈折率分布の測定装置において、上記分割手段又は上記重畳手段を、光軸方向に波長以下のオーダで変位可能な光路差可変手段を備え、上記マッチング液の屈折率をほぼ均一に維持するための制御手段を備えた構成なので、光路差を精度良く可変することができ、また、外乱の影響も小さく抑えるので、再現性がよく測定精度が向上するとともに、被検物の外形形状にかかわらず非破壊でその屈折率分布を精度良く測定することができる。
【００５６】
上記結像光学系が、上記干渉縞像検出器に結像する光像の大きさを可変とする変倍手段を備え、少なくとも該変倍手段に基準となるスケール像を投影可能な投光手段と、上記変倍手段を介して結像したスケール像からその変倍率を求める計算手段とを有する構成によれば、大きさの異なる種々の被検物に対して、良好な条件で測定できる。
【００５７】
上記結像光学系が、上記重畳手段から投影された光像を非干渉な光像に変換する拡散手段を備えた構成によれば、拡散手段以降にあるレンズ系や保護ガラス等での多重反射による干渉縞ノイズを低減でき、精度良く測定できる。
【００５９】
上記被検物に対する被検波の透過位置をその光軸方向と直交する方向へ移動させる透過位置変位手段を備えた構成によれば、光軸方向の平均屈折率分布を簡易に計測することができ、測定有効径よりも大きな被検物を測定することが容易となる。特に、書込光学系のｆθレンズなどの測定対象物に有効で、測定結果をレンズ設計へフィードバックすることが容易となる。
【００６０】
上記干渉縞像検出器が、２次元方向に配した複数画素よりなる光センサを有するものであり、該光センサにより２次元の屈折率分布を測定可能とした構成によれば、透過波面又は、屈折率分布を２次元的に測定することができ、局所的な屈折率の異常分布の検出や任意の方向の断面の計測に適した測定が可能となる。
【００６１】
また、上記いずれかの構成の測定装置を用い、上記光軸方向と直交する軸線周りに被検物を相対的に回転させ、各回転位置にて透過波面を計測し、各透過波面データからＣＴ（コンピュータ・トモグラフィ）法により画像を再構成し、該再構成画像より被検物の屈折率分布を求める測定方法によれば、被検物の外形形状に関わらず非破壊で３次元的な屈折率分布を、より高精度に計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の屈折率分布の測定装置の全体構成を示す平面図である。
【図２】本実施例に係る被検物収容器の内部構造を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。
【図３】本実施例に係る光路差可変手段を設けた重畳手段の構成を示す斜視図である。
【図４】本実施例に係る干渉計で形成される干渉縞像の一例を示す。
【図５】本実施例の測定装置で測定した一光軸方向の透過波面を示す線図である。
【図６】図５の透過波面データより求めた平均屈折率分布を示す線図である。
【図７】光軸方向の平均屈折率分布を垂直方向に繋いで立体的に示した図である。
【図８】本実施例の測定装置の２次元ＣＣＤで検出された平均屈折率分布データを示す図である。
【図９】図８のｙ軸方向一断面のデータを示す線図である。
【図１０】本実施例の測定方法に使用するＣＴ解析法の原理を説明する図である。
【図１１】本実施例の測定方法のＣＴ解析法の手順を示すフローチャートである。
【図１２】本実施例の測定方法のＣＴ解析法によって求めた屈折率分布の一断面データを示す図である。
【図１３】従来の屈折率分布の測定装置の全体構成を示す平面図である。
【図１４】従来の測定装置の参照ミラーのミラーホルダの概略構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 光源
１１ 重畳手段
１３ 光路差可変手段
１７ 拡散手段
１８ 変倍手段
２２，２３ 干渉縞像検出器
２４ 演算装置
３０ 被検物収容器
３１ マッチング液の接触する隔壁（被検物セル）
３２ 透過位置変位手段
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ 通路
Ａ 被検物
Ｂ マッチング液
ａ 参照波
ｂ 被検波
Claims (11)
- 可干渉光を出射する光源と、該光源からの可干渉光を被検波と参照波とに分割する分割手段と、測定対象である被検物を該被検物とほぼ同一の屈折率のマッチング液内に保持する被検物収容器と、該被検物収容器を透過した被検波と上記参照波とを重畳させ干渉させる重畳手段と、該重畳手段から出射された光束を干渉縞像として結像させる結像光学系と、該結像光学系により結像する光像を検出する干渉縞像検出器と、該干渉縞像検出器の検出結果から被検物の屈折率分布を求める演算装置と、を有する屈折率分布の測定装置において、上記分割手段又は上記重畳手段を、光軸方向に波長以下のオーダで変位可能な光路差可変手段を備え、上記マッチング液の屈折率をほぼ均一に維持するための制御手段を備えたことを特徴とする屈折率分布の測定装置。
- 上記被検物収容器が、上記マッチング液の接触する隔壁の外側に沿って熱交換媒体が流れる通路を有し、上記制御手段により、上記通路へ温度制御された熱交換媒体を循環させることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布の測定装置。
- 上記通路は、ほぼ同一の横断面形状が連続するもので、上記マッチング液の接触する隔壁に沿って隙間無く蛇行するように配置されてい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。
- 上記結像光学系が、上記干渉縞像検出器に結像する光像の大きさを可変とする変倍手段を備え、少なくとも該変倍手段に基準となるスケール像を投影可能な投光手段と、上記変倍手段を介して結像したスケール像からその変倍率を求める計算手段とを有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の屈折率分布の測定装置。
- 上記結像光学系が、上記重畳手段から投影された光像を非干渉な光像に変換する拡散手段を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の屈折率分布の測定装置。
- 上記変倍手段の入射側手前に上記拡散手段を配置し、該拡散手段の非干渉な光像が上記変倍手段を介して上記干渉縞像検出器に結像するようにしたことを特徴とする請求項５記載の屈折率分布の測定装置。
- 上記被検物に対する被検波の透過位置をその光軸方向と直交する方向へ移動させる透過位置変位手段を備えた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。
- 上記干渉縞像検出器が、２次元方向に配した複数画素よりなる光センサを有するものであり、該光センサにより２次元の屈折率分布を測定可能としたことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の屈折率分布の測定装置。
- 請求項１から８のいずれかの測定装置を用いる屈折率分布の測定方法であって、上記干渉縞像検出器で検出される干渉縞像を解析し、各透過位置における透過波面を計測することにより、その光軸方向に平均化された屈折率分布を測定することを特徴とする屈折率分布の測定方法。
- 上記被検物に対する被検波の透過位置を移動させ、各移動位置にて透過波面を計測し、各透過波面データをつなぎ合わせ処理することにより、その測定有効径を越えた範囲の屈折率分布を求めることを特徴とする請求項９に記載の屈折率分布の測定方法。
- 上記光軸方向と直交する軸線周りに被検物を相対的に回転させ、各回転位置にて透過波 面を計測し、各透過波面データからＣＴ（コンピュータ・トモグラフィ）法により画像を再構成し、該再構成画像より被検物の屈折率分布を求め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の測定方法。
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