JP3957911B2

JP3957911B2 - シアリング干渉計及び該干渉計を備えた屈折率分布測定装置及び屈折率分布の測定方法

Info

Publication number: JP3957911B2
Application number: JP04940499A
Authority: JP
Inventors: 浩之須原
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JP2000249510A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、干渉縞を形成して測定する技術に関し、特に、シアリング干渉計におけるゴースト対策に関する。また併せて、このようなシアリング干渉計を用いて光学素子、液体、又は気体などの位相物体の屈折率分布を測定する技術に関するものである。
【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、本発明の出願人は、先願特願平６−２０３５０２号において、被検物を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提案した。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の出願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。
【０００８】
このような問題を解決するために、出願人は特開平１０−９０１１７号において、図４に示すようなシアリング干渉計を用いた屈折率分布測定装置を提案している。
【０００９】
図４おいて、被検物Ｏは屈折率が被検物とほぼ一致した試液Ｓの中に浸された容器状の被検物支持手段１０中にあり、光束の入射口１２及び出射口１４には面精度の良いオプティカルフラット１６，１８を取り付けている。被検物Ｏは光軸に対して垂直な回転軸Ｐを持つ回転台２０上に設置されており被検物支持手段１０は固定された状態で被検物Ｏが軸Ｐを中心に回転可能である。また、回転台２０は、回転軸Ｐ方向にも昇降可能である。そして、回転台２０の回転や昇降は、微小な回転角や昇降量を与えられるもので、ステッピングモータ等が用いられている。
【００１０】
図４に示す装置は、マハツェンダ干渉計Ａとシアリング干渉計Ｂを組合せた構成である。マハツェンダ干渉計Ａ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、偏光ビームスプリッタからなる光分割器５と、参照波の光路内に置かれたミラーからなる反射装置７と、被検波を２つの光束に分割するビームスプリッタからなる反射装置兼光分割器９と、光重畳器１１としての偏光ビームスプリッタと、結像レンズ１３と、ＣＣＤなどからなる干渉縞検出器１５と、偏光子１７とを備えている。
【００１１】
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、光分割器５によってこれを直角に屈折して参照波ａとなるレーザ光束と、直進して被検物Ｏとしての位相物体を透過する被検波ｂとに分割される。参照波ａと被検波ｂとはほぼ１：３となるようになっている。
【００１２】
反射装置７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うために、参照波ａの光路長を波長以下のオーダで変更できるものである。
【００１３】
参照波ａは反射装置７で反射され、光重畳器１１に達し、他方の被検波ｂは、被検物Ｏを透過して反射装置兼光分割器９で一部ｂ２が反射され、光重畳器１１に達して参照波ａと重なり合うが、電気−変位変換素子１９により参照波ａと被検波ｂ２との光路長には、ｎπ／２の位相の差ができるように調整される。
【００１４】
参照波ａと被検波ｂ２は重畳され、光重畳器１１から射出されて偏光子１７を経て結像レンズ１３に入射し、干渉縞検出器１５の撮像面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。
【００１５】
一方、反射装置兼光分割器９を透過した光束ｂ１は、シアリング干渉計Ｂに入射する。シアリング干渉計Ｂは、入射した被検波ｂ１を２つの光束ｂ１１，ｂ１２に分割するビームスプリッタからなる光分割器２１と、これら２つの各光束内に配置されたミラーからなる反射装置２３，２５と、ビームスプリッタを用いた光重畳器２７と、結像レンズ２９及び第２検出器３１とを有する。
【００１６】
第２検出器３１には、ＣＣＤなどのエリアイメージセンサ又は干渉縞と直交する方向に配置されたラインセンサなどを使用している。また、反射装置２５は、シアリング部３３を有し、被検波ｂ１１の波面を光軸と垂直な方向に移動可能である。これは、電気−変位変換素子１９と同様にピエゾ素子等を用いた構成としている。
【００１７】
被検物Ｏを透過し、さらに反射装置兼光分割器９を透過した被検波ｂ１は、光分割器２１で再びｂ１１とｂ１２とに２分割され、それぞれ反射装置２３，２５で反射された後、再び光重畳器２７で重畳される。このときシアリング部３３が反射装置２５にシアー（横変位）を与え、被検波の波面を光軸と垂直方向にずらすことで、この部分はシアリング干渉を起こす。
【００１８】
以上の構成により、図４の装置では、マハツェンダ干渉計Ａによる干渉縞の測定と、シアリング干渉計Ｂによる干渉縞の測定の双方が可能である。そこで、透過波面量が小さい（数λ程度以下）位相物体を計測する場合は、マハツェンダ干渉計Ａの干渉縞を第１検出器１５で位相シフト法により縞解析を行う。
【００１９】
上記の測定装置はＣＴ（コンピュータトモグラフィ）解析を用いて被検物の屈折率を３次元的に再構成することが可能である。以下にＣＴ解析を簡単に説明する。
【００２０】
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を回転台２０にセットし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試液Ｓ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Ｓ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。
【００２１】
φ（ｙ）＝（２π／λ）∫Δｎ（ｘ，ｙ）ｄｘ
ただし、
φ（ｙ）：透過波面（ｒａｄ）
Δｎ（ｘ，ｙ）：被検物Ｏと試液Ｂとの屈折率差
λ ：レーザ光の波長
【００２２】
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、第１検出器１５又は第２検出器３１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。
【００２３】
しかし、図５に示すように、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。コンピュータ上の処理法法としてはＸ線ＣＴ（ＣｏｍｐｕｔｅｄＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）解析の手法を用いる。
【００２４】
図５において、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。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の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。
【００２５】
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かつ縞のピッチが細かくなるので、第１検出器１５の分解能を越えてしまうことがある。これに対し、シ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。すなわち第２検出器３１上での透過波面は少なくなり第１検出器１５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。
【００２６】
そこで、透過波面量が多く、第１検出器１５の分解能を越えるような場合は、マハツェンダ干渉計Ａによる干渉縞の測定を行わず、シアリング干渉計Ｂにより得られた波面ΔＷ（ｙ）を、第２検出器３１のラインセンサの長さ方向ｙで積分した次式より波面を解析する。
Ｗ（ｙ）＝（１／Ｓ）∫ΔＷ（ｙ）ｄｙ
【００２７】
以上のように、この測定装置では、マハツェンダ干渉計とシアリング干渉計（第１、第２検出器）による同時測定が可能である。干渉縞の本数が少ない場合は第１検出器１５で位相シフトより計測する。干渉縞の本数が多く第１検出器１５の分解能を越えている場合には、第２検出器３１を用いてシアリング干渉により解析する。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。また、試液Ｓを用いないで、回転台上に被検物を置き、回転させつつ干渉縞を作り、測定することでも３次元的な屈折率の測定が可能である。
【００２８】
図６は、別のシアリング干渉計の構成を示す。図４のシアリング干渉計は、光分割器２１で２光束に分割し、２つの反射装置２３，２５を各光束内に配置し、一方の反射装置２５にシアリング部３３を形成している。このような構成の場合、反射装置２３，２５のセッティングの調整が難しい。また、高価な光分割器２１が必要である。
【００２９】
これに対し、図６のように反射装置を２枚の平行平板３５，３７とし、後ろ側の平行平板３５にシアリング部３３を取り付けた構成も知られている。被検物Ｏを透過した光束ｂは平板３５，３７により反射され実線に示す光束ｂ１と点線に示す光束ｂ２とに分割される。平行平板３５と３７の隙間の間隔をシアリング部３３で調整し、光束ｂ１とｂ２とのずれを所望の量にすることができるものである。このような構成にすると、光分割器２１が不要になり、また、反射装置のセッティングも容易になる。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記図６のシアリング干渉計では、図７で説明するような問題がある。ここで図７は、図６の反射装置３５，３７の部分を拡大した図である。
【００３１】
光源１からの可干渉光は、図６に示すように被検物Ｏを透過して透明な平板３７の表面３７ａに達し、平板で屈折されて平板３７の裏面３７ｂで反射されるものと再度屈折して平板３５に向かうものとに分かれる。反射されたものは表面３７ａで再度屈折して外部に射出されて光束▲１▼となる。裏面３７ｂを透過して平板３５に向かった光束は、平板３５の表面３５ａで反射され、平板３７の裏面３７ｂから屈折して平板内に入射し、平板３７の表面３７ａで再度屈折して外部に出て光束▲２▼となる。このとき、隙間間隔ｄにより、光束▲１▼と▲２▼の間にずれが与えられ、▲１▼と▲２▼を重畳すれば、シアリング干渉を起こすことができる。
【００３２】
しかし、平板３５，３７から射出される光束はこれら▲１▼、▲２▼のみではなく、いくつものゴースト光がある。まず、入射光束が平板３７に入射したとき、その一部が反射されて生じる表面反射ゴースト光▲３▼がある。次ぎに、平板３５，３７の間で２回以上反射されてから射出される多重反射ゴースト光▲４▼がある。さらに、平板３５を透過してその裏面３５ｂに達し、ここで反射されて戻る裏面反射ゴースト光▲５▼がある。
【００３３】
平板３５，３７は平行平板を使用しているので、上記光束▲３▼、▲４▼、▲５▼は、全て光束▲１▼、▲２▼と平行な光束であるから、干渉縞測定に影響を与え、そのＳ／Ｎ比を劣化させる。
【００３４】
もし、光束▲１▼と▲２▼の光強度が１：１で、その他の▲３▼から▲５▼の光強度が０であれば、問題ないのであるが、多重反射ゴースト光▲４▼は、理論上生じてしまう。この多重反射ゴースト光▲４▼を抑制するためには、面３７ｂと３５ａの反射率をある程度低く抑える必要がある。しかし、そうすると、面３７ａと３５ｂとによる表面反射ゴースト光▲３▼と裏面反射ゴースト光▲５▼の影響が相対的に増加してしまう。そこで、さらにこれらの面３７ａ，３５ｂの反射率を小さくするために、反射防止コートを施さなければならない。しかしながら、４５度入射で無偏光の反射防止コートには加工上限界があり、反射率は０にはならず、無視できない程度の反射がどうしても残ってしまい、Ｓ／Ｎ比が劣化する要因となる。
【００３５】
本発明は、シアリング干渉計において、このようなゴースト光を抵減し、Ｓ／Ｎ比を向上させる構成を提供することを目的としている。また、このようなシアリング干渉計を使用して屈折率分布を測定する装置と測定方法を提供することを目的としている。
【００３６】
【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シアリング干渉計は、被検物を透過した可干渉光の被検波を２つの光束に分割し、両光束間に光軸と垂直方向のずれを与えてから重畳させるシアリング干渉計において、上記被検波を分割し両光束間に光軸と垂直方向のずれを与える手段が、隙間を介して対向配置される２枚の平板からなり、これら２枚の平板が有する４つの面のうち上記隙間を介して対向配置される２面を平行とし、残り２面を上記平行な２平面に対し、非平行としたことを特徴としている。
【００３８】
また、シアリング干渉計を備えた屈折率分布測定装置は、可干渉光の光源と、該光源の入射口と射出口とを有するとともに被検物と屈折率がほぼ同じ試液が充填された被検物支持手段と、該被検物支持手段内にある被検物を光軸と直交する回転軸中心に回転可能に支持する回転台と、被検物支持手段を透過した光束を２つに分割して２光束間に光軸と直交する方向にずれを与える手段と、該ずれた２光束を重畳して干渉させ干渉縞像を結像させる光学系と、干渉縞像の結像位置に設けられた受光手段と、を有し、上記ずれを与える手段が、隙間を介して対向配置される２枚の平板からなり、上記２枚の平板の４つの面のうち上記隙間を介して対向配置される２面を平行平面とし、残り２面を上記平行な２平面に対し、非平行としたことを特徴としている。
【００３９】
また、屈折率分布の測定方法は、上記のシアリング干渉計を備えた屈折率分布測定装置を用い、被検物を屈折率がほぼ同一の試液中に浸し、上記被検物を光軸に対して直交する紬線周りに回転させ、各回転角位置にて干渉縞強度を計測し、干渉縞強度を解析して透過波面を算出し、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被検物の屈折率分布を測定することを特徴としている。
【００４０】
【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は本発明のシアリング干渉計を使用した屈折率分布測定装置の構成を示す図である。図６で説明したものと大部分が共通しており、シアリング部３３に設けられた２枚の平板４５，４７が平行平板ではない点でのみ相違している。
【００４１】
図２は本発明のシアリング干渉計の第１実施例の要部を示す図で、図１における平板４５，４７の部分を拡大した図である。平板４７の表面４７ａと裏面４７ｂ及び平板４５の表面４５ａの３つの面は互いに平行であるが、平板４５の裏面４５ｂのみにウェッジを付けて非平行面としている。非平行の角度αは、図では誇大しているが、実際は１゜程度である。この場合、ウェッジの付けられる方向は図における時計方向、反時計方向のいずれでもよい。
【００４２】
このような構成とすることによって、裏面反射ゴースト光▲５▼の射出角度がシアリング干渉をする光束▲１▼、▲２▼と大きくずれるので、ゴースト光を分離して干渉縞像に入射しないようにできる。したがって、ゴーストのないＳ／Ｎ比の向上した測定が可能になる。
【００４３】
図３は本発明のシアリング干渉計の第２実施例の要部を示す図である。この実施例は、平板４７の表面４７ａを非平行としている。このような構成にすれば、表面反射ゴースト光▲３▼の射出角度を変えることができ、ゴーストの影響を排除して測定できる。
【００４４】
ただし、図３のように４７ａ面にウエッジがつく場合、４５ｂ面の場合と異なり、シアリング光自身の射出方向が異なってくる。また、ウエッジのつける方向でシアリング光とゴースト光の方向が変わるのでそれに対応した光学レイアウトを設計する必要がある。図２，３では紙面内ウェッジをつけた実施例を示したが、紙面垂直方向にウエッジをつけることも可能である．
【００４５】
その他、図示は省略するが、図２と図３の双方を併せたもの、すなわち、平板４７の表面４７ａと平板４５の裏面４５ｂの双方を非平行にする構成とすれば、表面反射ゴースト光▲３▼と裏面反射ゴースト光▲５▼の双方を排除することができる。
【００４６】
また、図４の従来例で示したマハツェンダ干渉とシアリング干渉の双方の測定が可能な装置を構成すれば、１つの装置で双方の測定を任意に行うことができ、多様な被検体の計測が可能となる。また、双方の干渉を同時に測定することができ、より高分解能でかつ高ダイナミックレンジな計測が可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、シアリング干渉計で測定する際に発生するゴースト光を排除できるので、Ｓ／Ｎ比の向上した計測が可能になる。
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシアリング干渉計を用いた屈折率分布測定装置の構成を示す平面図である。
【図２】図１のシアリング干渉計における第１実施例の要部構成を示す図である。
【図３】図１のシアリング干渉計における第１実施例の要部構成を示す図である。
【図４】従来の屈折率分布測定装置の構成を示す図である。
【図５】ＣＴ解析の原理を説明する図である。
【図６】屈折率分布を測定する装置の別の従来例を示す図である。
【図７】従来技術の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１光源
１０被検物支持手段
２０回転台
２９干渉縞を結像させる光学系
３１受光手段
４５，４７２枚の平板
４５ａ光源から遠い方の平板の光源に近い面
４５ｂ光源から遠い方の平板の光源から遠い面
４７ａ光源から近い方の平板の光源に近い面
４７ｂ光源から近い方の平板の光源から遠い面
４７ｂ，４５ａ２枚の平板の相手側に対向する面
４７ａ，４５ｂ２枚の平板の相手側に対向しない面
Ｏ被検物

Claims

被検物を透過した可干渉光の被検波を２つの光束に分割し、両光束間に光軸と垂直方向のずれを与えてから重畳させるシアリング干渉計において、上記被検波を分割し両光束間に光軸と垂直方向のずれを与える手段が、隙間を介して対向配置される２枚の平板からなり、これら２枚の平板が有する４つの面のうち上記隙間を介して対向配置される２面を平行とし、残り２面を上記平行な２平面に対し、非平行としたことを特徴とするシアリング干渉計。
可干渉光の光源と、該光源の入射口と射出口とを有するとともに被検物と屈折率がほぼ同じ試液が充填された被検物支持手段と、該被検物支持手段内にある被検物を光軸と直交する回転軸中心に回転可能に支持する回転台と、被検物支持手段を透過した被検波の光束を２つに分割して２光束間に光軸と直交する方向にずれを与える手段と、該ずれた２光束を重畳して干渉させ干渉縞像を結像させる光学系と、干渉縞像の結像位置に設けられた受光手段と、を有し、上記ずれを与える手段が、隙間を介して対向配置される２枚の平板からなり、上記２枚の平板の４つの面のうち上記隙間を介して対向配置される２面を平行平面とし、残り２面を上記平行な２平面に対し、非平行としたことを特徴とするシアリング干渉計を備えた屈折率分布測定装置。
請求項２記載のシアリング干渉計を備えた屈折率分布測定装置を用い、被検物を屈折率がほぼ同一の試液中に浸し、上記被検物を光軸に対して直交する紬線周りに回転させ、各回転角位置にて干渉縞強度を計測し、干渉縞強度を解析して透過波面を算出し、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被検物の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。