JP4895409B2 - 屈折率分布計測方法および屈折率分布計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、屈折率分布計測方法および屈折率分布計測装置に関する。

特許文献１は、波長の異なる２つの光を用いて平板状の被検物の屈折率分布を求める方法を提案している。特許文献２は、被検物に対して僅かに屈折率が異なる２種類のマッチングオイルのそれぞれに被検物を浸漬した状態で透過波面を計測することによって、被検物の屈折率分布を求める方法を提案している。

特開平０８−０１４８５２号公報 特開平０２−００８７２６号公報

特許文献１に開示された方法では、被検物を平板状に加工する必要がある。被検物の加工は、時間を要するだけでなく被検物内部の応力を変化させ、加工前後で内部屈折率分布も変化させるため、加工前の屈折率分布とは異なる屈折率分布となる可能性がある。

特許文献２に開示された方法では、被検物の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する２種類のマッチングオイルを用意する必要があり、マッチングオイルの屈折率の調整は、異なる種類のオイルを混ぜて調整するが、これには時間がかかる。また、屈折率が高いマッチングオイルは、透過率が低いため、特許文献２の方法により高屈折率の被検物の透過波面を計測すると、検出器からは小さな信号しか得られず、計測精度が低くなる。

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

本発明の屈折率分布計測方法は、被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質中に前記被検物を配置し、前記被検物に参照光を入射させて該被検物の透過波面を計測する計測ステップと、前記透過波面の計測結果を用いて前記被検物の屈折率分布を算出する算出ステップとを含む屈折率分布計測方法であって、前記計測ステップにおいて、第１の波長における第１の透過波面と、前記第１の波長とは異なる第２の波長における第２の透過波面とを計測し、前記算出ステップにおいて、前記第１および第２の透過波面の計測結果と、前記被検物と同一形状および特定の屈折率分布を有する基準被検物が前記媒質中に配置されているときの前記第１および第２の波長に対応する各透過波面とを用いて、前記被検物の形状成分を除去することによって、前記被検物の屈折率分布を算出することを特徴とする。

本発明によれば、被検物の屈折率分布を非破壊かつ短時間で高精度に計測することができる屈折率分布計測方法および屈折率分布計測装置を提供することができる。

屈折率分布計測装置のブロック図である。（実施例１） 屈折率分布の算出手順を示すフローチャートである。（実施例１） 被検物上に定義された座標系と計測装置内での光線の光路を示す図である。（実施例１） 屈折率分布計測装置のブロック図である。（実施例２） 屈折率分布計測装置のブロック図である。（実施例３）

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

まず、実施例１の屈折率分布計測方法を実施する屈折率分布計測装置について説明する。屈折率分布計測装置は、被検物を被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質中（媒質Ｍ）に浸漬配置した状態で、２種類の異なる波長の参照光（第１の波長の光と第２の波長の光）を使用して被検物の透過波面を計測する。その後、屈折率分布計測装置は、透過波面の計測結果を用いて被検物の屈折率分布を求める。被検物は、例えば、正のパワーを持つレンズ（光学素子）である。

図１は、被検物５０を異なる２つの波長の光を用いて透過波面を計測するトールボット干渉計（Ｔａｌｂｏｔ干渉計）（計測手段）のブロック図である。被検物ケース５１の側面は、光を透過する材質（例えばガラス）である。被検物ケース５１は媒質（例えばオイル）と被検物５０を収納している。

第１の波長λ_１を発光する光源（第１の光源）１０（例えばＨｅＮｅレーザ）から射出された光は、図１（ａ）のように、ビームスプリッタ２０（例えばダイクロイックミラー）を透過してピンホール板のピンホール３０へ到る。一方、第２の波長λ_２を発光する光源（第２の光源）１１（例えばＨｅＣｄレーザ）から射出された光は、図１（ｂ）のように、ビームスプリッタ２０で反射され、ピンホール３０に到達する。尚、光源１０の光が射出する方向を光軸方向、光束の中心を光軸という。

光は、ピンホール３０を通過する際に回折される。ピンホール３０の直径φは、回折光が理想球面波と見なせる程度に小さく、物体側の開口数（以下、開口数のことをＮＡという）と光の波長λを用いて数式１を満たすように設計されている。

本実施例の場合、ＨｅＣｄレーザの波長λ_２の方が、ＨｅＮｅレーザの波長λ_１より小さいので、波長λ_２において数式１を満たすようにピンホール３０を選べばよい。例えば、λ_２が４４２ｎｍ、ＮＡが０．２程度である場合は、ピンホール３０の直径φは２μｍ程度でよい。

ピンホール３０を通って発散光となった光は、被検物ケース５１内の媒質Ｍを通って被検物５０に入射し、本実施例では、被検物５０の正のパワーによって収束光となって、２次元直交回折格子６０を通過する。そして、検出器である撮像素子７０（ＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサ）によって撮像（計測）される。被検物５０を透過した透過光のＮＡが小さい場合、回折格子６０と撮像素子７０の間の距離Ｚが数式２で示されるトールボット条件を満たすと、撮像素子７０上に回折格子６０の自己像が干渉縞として得られる。

ここで、Ｚは回折格子６０と撮像素子７０の間の距離を示し、ここではトールボット距離という。また、ｍは自然数、ｄは回折格子６０の格子ピッチ、Ｚ_０は回折格子６０から被検物５０の像面までの距離である。ただし、距離Ｚ_０は回折格子６０から撮像素子７０に向かう向きを正としている。回折格子６０の格子ピッチｄは、被検物５０の収差の大きさ、撮像素子７０のピクセルサイズに応じて決められる。

図２は、被検物５０の内部屈折率分布を算出する処理の手順を示すフローチャートであり、「Ｓ」はＳｔｅｐ（ステップ）の略である。算出処理は、図１に示したマイクロコンピュータ等の演算ユニット８０（演算手段）によってコンピュータプログラムに従って行われる。

まず、図１に示したように、被検物ケース５１内に媒質Ｍを満たし、媒質中に被検物５０を配置する（Ｓ１０）。
次に、第１の波長の光を被検物５０に入射させる（Ｓ２０）。第１の波長における透過波面を計測する際には、第２の波長の光が混入するのを防ぐ。本実施例では、光源１１をＯＦＦにするか、光源１１とビームスプリッタ２０の間にシャッタ等を挿入する。または、ビームスプリッタ２０とピンホール３０の間に第２の波長を透過しない波長選択フィルタ等を挿入する。

そして、被検物５０、回折格子６０、撮像素子７０（回折格子６０と撮像素子７０をまとめてセンサという）を適切な位置に調整する（Ｓ３０）。ピンホール３０と被検物５０との光軸方向の間隔を変えることで、像側のＮＡを小さくする。トールボット干渉計において撮像素子７０の全面で回折格子６０の自己像を得るためには、ＮＡを０．３程度以下に抑える必要がある。センサの受光面が、被検物５０を透過した光束の径よりも小さい場合には、センサを被検物５０から離すことで、該光束を受光面内に収めることができる。また、被検物５０の光軸に対する偏心、傾きも調整する。

次に、既知の形状と屈折率分布を有する基準被検物のシミュレーション波面Ｗ_ｓｉｍ１（第１の波長と対応する媒質で計測するときに得られる第１の基準透過波面）を計算する（Ｓ４０）。このステップは、被検物５０と同一形状と、一様な特定の屈折率分布を持つ被検物（基準被検物）を仮定し、Ｓ３０と同じ位置に配置されている状態で、別途、透過波面（基準透過波面）を計算するステップである。被検物５０と同じ形状とは、被検物５０の設計値を意味する。シミュレーションの代わりに、研削・研磨等によって被検物５０と同じ形状かつ屈折率分布を持たない基準被検物を実際に作製し、図１に示した装置で透過波面を計測してもよい。

図３（ａ）に示される被検物５０内にある点（ｘ，ｙ）における、第１の基準透過波面Ｗ_ｓｉｍ１は数式３で表される。図３（ａ）の座標（０，０）は、被検物５０の中心座標であり、光軸上の点に相当する。ここでは、数式３を簡略化するために、被検物ケース５１の側面の厚さを無視している。

但し、Ｌ_１ａ（ｘ，ｙ）、Ｌ_１ｂ（ｘ，ｙ）、Ｌ_１ｃ（ｘ，ｙ）、Ｌ_１ｄ（ｘ，ｙ）は、図３（ｂ）に示される光線に沿った各構成要素間の幾何学的距離である。図３（ｂ）の光線は、図３（ａ）に示す被検物５０の内部のある点（ｘ，ｙ）を通る光線を指す。Ｌ_１（ｘ，ｙ）は、被検物５０内における光線の光路の幾何学的長さ、すなわち光線に沿った被検物の厚みである。Ｌ_１（ｘ，ｙ）は、基準被検物を用いた光線追跡によって計算することができる。そこで、第１の基準透過波面Ｗ_ｓｉｍ１を計算する際に、任意の点のＬ_１（ｘ，ｙ）も算出すればよい。

ｎ_１は第１の波長における媒質Ｍの屈折率である。Ｎ_１（０，０）は、第１の波長における基準被検物の屈折率である。Ｎ_１（０，０）は、図３（ａ）に示した被検物５０の中心座標（０，０）の屈折率を、光軸方向に平均化したときの屈折率に相当する。尚、被検物５０のｎ_１（０，０）は、別の計測方法（例えば低コヒーレンス干渉法を用いた屈折率計測方法）によって調べる必要がある。

次に、図１（ａ）に示したように、第１の波長に対応する被検物５０の透過波面Ｗ_ｍ１（第１の透過波面）を計測する（Ｓ５０）。このステップは、撮像素子７０による干渉縞の画像取得と、不図示の処理回路による透過波面の画像回復処理とを含む。透過波面の画像回復処理（以下、波面回復という）は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）法によって行う。

ＦＦＴ法による波面回復は、収差が干渉縞のキャリア縞を乱す性質を利用して、キャリア縞と収差とを分離する方法である。具体的には、干渉縞に２次元ＦＦＴを行い、周波数マップに変換する。次に、周波数マップにおけるキャリア周波数の近傍部分のみを切り出して、キャリア周波数が原点になるように座標変換した上で、ｉＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）を行う。これにより、複素振幅マップの位相項が求められる。その結果得られた位相マップが、透過波面となる。

第１の透過波面Ｗ_ｍ１は、図３（ｂ）の幾何学的距離を用いて数式４のように表される。

Ｎ_１（ｘ，ｙ）は、図３（ｂ）に示した光線の進行方向に平均化された屈折率を意味する。ｄＬ（ｘ，ｙ）は、光線の進行方向における被検物５０の設計値からの厚み誤差（形状誤差）である。数式３と４におけるＬ_１ａ（ｘ，ｙ）、Ｌ_１ｂ（ｘ，ｙ）、Ｌ_１ｃ（ｘ，ｙ）、Ｌ_１ｄ（ｘ，ｙ）とＬ_１（ｘ，ｙ）は同じ値を用いている。これは、屈折率分布がある場合と無い場合の光路の違いは無視できるほど小さいためである。

そして、Ｓ４０で求めた第１の基準透過波面Ｗ_ｓｉｍ１とＳ５０で求めた第１の透過波面Ｗ_ｍ１の差分に相当する波面収差Ｗ_１（第１の波面収差）を数式５に示すように計算する。

そして、数式６に示す近似を行うことで、第１の波長における波面収差Ｗ_１を算出する（Ｓ６０）。数式７は、第１の波長における、波面収差Ｗ_１と屈折率分布ＧＩ_１との関係を示す。

Ｓ５０で得られる透過波面Ｗ_ｍ１の計測結果には、被検物５０の屈折率分布と被検物形状の影響と被検物形状誤差の影響と計測システムによるオフセットが含まれる。透過波面Ｗ_ｍ１から基準透過波面Ｗ_ｓｉｍ１を引くことによって被検物形状の影響と計測システムによるオフセットを相殺する。この結果、Ｓ６０は、波面収差Ｗ１を求めて残渣である被検物５０の屈折率分布と被検物形状誤差の影響の情報を取得する。

続いて、図１（ｂ）示したように、第２の波長の光を被検物５０に入射させる（Ｓ７０）。第２の波長における透過波面を計測する際には、第１の波長の光が混入するのを防ぐ。本実施例では、光源１０をＯＦＦにするか、光源１０とビームスプリッタ２０の間にシャッタ等を挿入する。または、ビームスプリッタ２０とピンホール３０の間に第１の波長を透過しない波長選択フィルタ等を挿入する。

次に、センサの位置を調整する（Ｓ８０）。数式２に示したように、波長が変わるとトールボット距離が変化するので、回折格子６０と撮像素子７０を適切な位置に変更する。

そして、第１の波長の場合と同様の手順で、第２の波長における波面収差Ｗ_２を求める。即ち、まず、第２の波長において基準被検物のシミュレーション波面Ｗ_ｓｉｍ２（第２の波長で計測するときに得られる第２の基準透過波面）を計算する（Ｓ９０）。次に、第２の波長に対応する被検物５０の透過波面Ｗ_ｍ２（第２の透過波面）を計測する（Ｓ１００）。最後に、第２の基準透過波面Ｗ_ｓｉｍ２と第２の透過波面Ｗ_ｍ２との差分に相当する波面収差Ｗ_２（第２の波面収差）を求める（Ｓ１１０）。数式８に、第２の波長における、波面収差Ｗ_２と屈折率分布ＧＩ_２との関係を示す。

数式８中のｎ_２は、第２の波長における媒質Ｍの屈折率である。Ｎ_２（ｘ，ｙ）は、第２の波長において、被検物５０内における座標（ｘ，ｙ）を通る光線の進行方向に平均化された屈折率を示す。Ｎ_２（０，０）は、Ｎ_１（０，０）と同様に、別の計測によって得られた屈折率である。

Ｌ_２（ｘ，ｙ）は、第２の波長において、座標（ｘ，ｙ）を通る光線の光路の幾何学的長さ、すなわち光線に沿った被検物５０の厚みである。Ｌ_２（ｘ，ｙ）も、第２の基準透過波面Ｗ_ｓｉｍ２を計算する際に、光線追跡によって計算できる。色収差の影響でＬ_１（ｘ，ｙ）とＬ_２（ｘ，ｙ）はわずかに異なる。一方、形状誤差ｄＬ（ｘ，ｙ）は、Ｌ_１（ｘ，ｙ）やＬ_２（ｘ，ｙ）と比較して非常に小さな値なので、第１の波長と第２の波長とで同じ値を用いても問題ない。

被検物５０内の座標（ｘ，ｙ）における屈折率の波長依存性も、屈折率分布に伴って分布する。Ｎ_１（ｘ，ｙ）とＮ_２（ｘ，ｙ）は、近似式である数式９で関係付けられる。

ただし、Ｎ_０１、Ｎ_０２はモールド成形前の硝材の、第１の波長、第２の波長それぞれにおける屈折率（文献値）である。また、これらの屈折率は、文献値の代わりに、別途計測したＮ_１（０，０）、Ｎ_２（０，０）を用いてもよい。尚、数式９において、Ｎ_１（ｘ，ｙ）、Ｎ_２（ｘ，ｙ）、Ｎ_０１、Ｎ_０２は、厳密には、真空に対する屈折率（絶対屈折率）を用いるべきであるが、空気の屈折率はほぼ１なので、絶対屈折率の代わりに、空気に対する屈折率（相対屈折率）を用いてもよい。

数式９により、第１の波長における屈折率分布ＧＩ_１と第２の波長における屈折率分布ＧＩ_２は、数式１０で関係付けられる。

数式７の第１の波長における波面収差Ｗ_１と、数式８の第２の波長における波面収差Ｗ_２から、被検物５０の形状誤差ｄＬ（ｘ，ｙ）を除去する。さらに、数式１０を用いると、被検物５０の第１波長における内部屈折率分布ＧＩ_１を抽出する数式１１が導ける。

ここで、Ｌ_ｅｆｆ（ｘ，ｙ）は、Ｌ_１（ｘ，ｙ）とＬ_２（ｘ，ｙ）から得られる、被検物５０の実効的な厚みを意味する。Ｌ_１（ｘ，ｙ）がＬ_２（ｘ，ｙ）と等しい、すなわち第１及び第２の波長における光線の進行方向が一致するとき、Ｌ_ｅｆｆ（ｘ，ｙ）はＬ_１（ｘ，ｙ）及びＬ_２（ｘ，ｙ）と等しくなる。

最後に、第１の波長における波面収差Ｗ_１と第２の波長における波面収差Ｗ_２と、実効的な厚みＬ_ｅｆｆ（ｘ，ｙ）を数式１１に代入することで、形状成分を除去して、第１の波長における被検物５０の屈折率分布ＧＩ_１を算出する（Ｓ１２０）。形状成分とは、上述した被検物形状誤差の影響であり、被検物５０の設計値から得られる実効的な厚みＬ_ｅｆｆ（ｘ，ｙ）と、被検物５０の設計値からの形状誤差ｄＬ（ｘ，ｙ）を合わせたものを意味する。また、第２の波長における被検物５０の内部屈折率分布ＧＩ_２を算出したい場合には、求めたＧＩ_１を数式１０に代入すればよい。

Ｓ４０、Ｓ９０において、第１の基準透過波面Ｗ_ｓｉｍ１と第２の基準透過波面Ｗ_ｓｉｍ２を求める際と、数式１１を用いて被検物５０の内部屈折率分布ＧＩ_１を算出する際に、媒質Ｍの屈折率が必要である。媒質Ｍの屈折率は、屈折率と温度の関係（文献値）を用いて算出するか、別途、低コヒーレンス干渉法等を用いて計測すればよい。

屈折率と温度の関係を用いて算出する場合には、第１の透過波面Ｗ_ｍ１と第２の透過波面Ｗ_ｍ２を計測する（Ｓ５０、Ｓ１００）ときに、媒質Ｍの温度を温度計等で計測しておく必要がある。

他に、媒質Ｍの屈折率とほぼ等しく、かつ屈折率と形状が既知の楔形状のもの（例えばガラスプリズム）を用いて媒質Ｍの屈折率を計測することもできる。具体的には、該プリズムを媒質中に浸し、第１の波長と第２の波長の光においてそれぞれの透過波面を計測し、波面の傾きと形状の情報から媒質Ｍの屈折率を算出すればよい。

本実施例では、媒質Ｍにオイルを用いたが、水やエタノールでも計測することができる。あるいは、媒質Ｍが気体や固体でも計測可能である。ただし、媒質Ｍが気体のときには、数式９の屈折率として、絶対屈折率を用いる必要がある。また、媒質Ｍの屈折率にムラがあると、被検物５０の屈折率分布の精度が低下する。そのため、媒質Ｍは屈折率が一様に分布するものが好ましい。

また、本実施例の屈折率分布計測方法においては、第１の波長と第２の波長とにおけるそれぞれの被検物５０と媒質Ｍの屈折率の関係が、算出する屈折率分布の計測精度に大きく影響をする。そこで、第１の波長における波面収差Ｗ_１と第２の波長における波面収差Ｗ_２が、それぞれ誤差δＷ_１、δＷ_２を含むとき、算出する屈折率分布ＧＩ_１の誤差を考える。簡単のため、第１波長と第２波長とにおける波面収差の誤差が、それぞれ独立で、かつδＷ_１＝δＷ_２＝δＷとする。波面収差Ｗ_ＧＩ１（＝ＧＩ_１×Ｌ_ｅｆｆ（ｘ，ｙ））の誤差δＷ_ＧＩ１と誤差δＷの関係は数式１２で表される。

例えば、Ｎ_１（０，０）＝Ｎ_０１＝１．８０、Ｎ_２（０，０）＝Ｎ_０２＝１．８３、ｎ_１＝１．７０、ｎ_２＝１．７５、δＷ＝０．１％とすると、δＷ_ＧＩ１＝０．５％となる。

誤差δＷ_ＧＩ１を減らすには、数式１２におけるδＷの係数の分子を小さく、かつ係数の分母を大きくすればよい。誤差δＷ_ＧＩ１の低減の指針としては、被検物５０と媒質Ｍの屈折率差が小さく、かつ被検物５０と媒質Ｍそれぞれの屈折率の波長依存性が大きく異なるように媒質Ｍを選べばよい。また、屈折率の波長依存性の差異が顕著に現れるように、第１の波長と第２の波長の差を大きくとることが好ましい。

本実施例のように、計測装置にトールボット干渉計を用いることで、被検物と媒質Ｍの屈折率差によって生じる大きな収差を計測することができる。トールボット干渉計は、ラテラルシアリング干渉計の一種であり、透過波面が横ずらし（シア）された自身の透過波面との差分を、干渉縞として計測する。

シアリング干渉計は、透過波面の波面形状の勾配に相当する量を求める計測手段である。透過波面の横ずらし量は、シア量と呼び、光束の直径に対するシア量の割合を、シア比と呼ぶ。シア比を小さくすることで、大きな透過波面収差に対しても、干渉縞が密にならない程度の小さい収差（シア波面）として計測が可能になる。

一般に、シアリング干渉計では、シア比が小さすぎるとシア波面がノイズに埋もれて精度が落ちるため、シア比は瞳の直径に対して３〜５％が良いとされる。しかし、本実施例では、大きな収差の透過波面を小さいシア波面で計測するために、シア比を０．３〜１．５％程度まで小さく設定している。

シア比（Ｓｈｅａｒ Ｒａｔｉｏ）は、撮像素子７０上の光束の直径をＤ、回折格子６０上の光束の直径をＤ_０とすると、数式２を用いて数式１３のように表せる。

数式１３からシア比と回折格子６０の格子ピッチｄとは比例し、数式２から回折格子６０のピッチはトールボット距離Ｚにも影響を与えるため、計測装置の構成要素間が干渉しないように考えて決定する必要がある。例えば、ｍ＝１のとき、Ｄ_０が１０ｍｍ程度であるとすると、格子ピッチは３０〜１５０μｍ程度が望ましい。

本実施例では、トールボット干渉計を用いた場合について説明したが、これと異なるラテラルシアリング干渉計、ラジアルシアリング干渉計、またはその他のシアリング干渉計も用いることができる。

また、シアリング干渉計に限らず、大きな収差を持つ透過波面においても、波面の勾配または傾きを計測可能な物理量として検出することができるものであればよい。例えば、ハルトマン法、シャックハルトマン法、またはロンキーテストを用いた計測装置でもよい。

例えば、シャックハルトマンセンサは、レンズアレイに入射した光を、ＣＣＤに集光させる構造を有する。レンズアレイに傾いた透過波面が入射すると、ＣＣＤ上の集光点の位置がずれる。シャックハルトマンセンサは、透過波面の傾きを集光点の位置ずれに変換して計測できるため、大きな収差を持つ波面の計測が可能である。

また、シャックハルトマンセンサを用いた場合、第１の透過波面Ｗ_ｍ１と第２の透過波面Ｗ_ｍ２の計測において、計測装置内の素子の配置は同一でよい。そのため、第１の透過波面Ｗ_ｍ１が誤差δＷを持っていた場合、第２の波長における波面収差Ｗ_ｍ２もほぼ同量同種の誤差（収差）δＷを持つことになる。

本実施例の屈折率分布計測方法では、Ｎ_１（０，０）−ｎ_１とＮ_２（０，０）−ｎ_２の値が近いので、誤差δＷを数式１１に代入すると誤差δＷをある程度打ち消す効果があり、計測装置内の光学素子の配置誤差敏感度が低く、高精度な計測が可能となる。

本実施例では、第１の波長と第２の波長の光を出力する光源として、２種類の光源を用意した。しかし、半導体レーザのような波長可変の同一光源で２種類の波長の光を得てもよいし、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ光源のような広帯域光源と狭帯域フィルタで２種類の波長の光を生成してもよい。また、シアリング干渉法やハルトマン法を用いるので、広帯域光源としてハロゲンランプのようなインコヒーレント光源も使うことができる。

以上の説明したように、本実施例屈折率分布計測方法は、被検物を媒質Ｍに浸し、波長を切り替えて、第１の透過波面と第２の透過波面を計測する。この作業は、単純に波長を切り替えるだけであり、媒質Ｍの屈折率の調整もいらない。さらに、被検物を加工する必要もないために、計測時間が短い。また、被検物の加工による屈折率分布の変化も生じない。したがって、本実施例の屈折率分布計測方法を用いれば、被検物の内部屈折率分布を、非破壊かつ短時間で高精度に計測することができる。

実施例２では、負のパワーを持つ被検物を、干渉計以外の計測装置で計測する場合について説明する。尚、実施例１と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。

図４は、本実施例の計測装置のブロック図である。被検物５０は負のパワーを持つレンズ（光学素子）である。被検物５０の周囲を満たす媒質Ｍは、例として水（図４中では媒質と記す）を用いている。

光源１２は、マルチモード発振のレーザ（例えばＹＡＧレーザの基本波と２倍波）、もしくは、広帯域光源（例えばＳｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ光源）と特定波長透過フィルタの組み合わせのように、２種類以上の波長の光を同時に出力する光源である。透過波面の計測には、シャックハルトマンセンサ７１ａ、７１ｂを用いている。

光源１２から射出された第１波長λ_１と第２の波長λ_２の光は、ビームスプリッタ２１（例えばハーフミラー）において、それぞれ透過光と反射光に分けられる。ビームスプリッタ２１で反射された光は、波長計９０（例えば分光器や光スペクトラムアナライザ）で受光される。波長計９０によって、第１波長λ_１と第２の波長λ_２を正確に特定する。ここでは、光源１２の光が射出する方向を光軸方向、光束の中心を光軸という。

ビームスプリッタ２１を透過した光は、ピンホール３０を通ることで理想球面波となる。第１波長λ_１と第２の波長λ_２の光は、コリメータレンズ４０、４１を介して、それぞれ収束光に変換される。コリメータレンズ４０、４１には、アクロマートレンズのように、ある程度色収差の補正されているレンズが好ましい。収束光は、被検物ケース５１内の水を通り被検物５０へ入射する。被検物５０を透過した光は、概ね平行光となり、水を通って被検物ケース５１を出る。

第１の波長λ_１の光は、ビームスプリッタ２２（例えばダイクロイックミラー）を透過してシャックハルトマンセンサ７１ａで計測され、第２の波長λ_２の光は、ビームスプリッタ２２で反射されシャックハルトマンセンサ７１ｂで計測される。シャックハルトマンセンサ７１ａ、７１ｂで撮像された画像を元に、演算ユニット８０で被検物５０の内部屈折率分布を算出する。

シャックハルトマンセンサは、トールボット干渉計に比べて、センサに入射する光束のＮＡを厳しく管理する必要がある。しかし、シャックハルトマンセンサを用いる場合、トールボット距離のような調整が必要ないため、位置合わせが容易であり、短時間計測が可能である。

本実施例では、２つのシャックハルトマンセンサを用いて、第１透過波面Ｗ_ｍ１と第２の透過波面Ｗ_ｍ２を同時に計測している。代わりに、１つのシャックハルトマンセンサを用いる場合は、ビームスプリッタ２２の代わりに、波長選択フィルタ等を出し入れして２回計測すればよい。波長選択フィルタは、シャックハルトマンセンサ７１ａの前でもよいし、光源１２とピンホール３０の間でもよい。

以下に、本実施例における被検物５０の内部屈折率分布の算出手順を示す。まず、図４に示したように、被検物５０の周囲を水で満たす（Ｓ１０）。次に、第１の波長λ_１と第２の波長λ_２の光を同時に被検物へ入射させる（Ｓ２０及びＳ７０）。そして、被検物５０の光軸に対する偏心、傾きを調整する。

また、光軸方向の位置を調整し、被検物５０の透過光を概ね平行光にする（Ｓ３０）。透過光を平行光にするための調整は、被検物５０の位置を調整する代わりに、コリメータレンズ４１を適切なＮＡのレンズに変えてもよい。トールボット干渉計と異なり、シャックハルトマンセンサ７１ａ、７１ｂの位置は、調整しなくてもよい。

そして、第１の波長λ_１と第２の波長λ_２におけるそれぞれの波面収差Ｗ_１、Ｗ_２を、実施例１と同様の手順で求める（Ｓ６０とＳ１１０）。本実施例では、シャックハルトマンセンサを用いているので、Ｓ８０の作業（センサの位置調整）は必要ない。シャックハルトマンセンサ７１ａ、７１ｂを用いて、第１の透過波面Ｗ_ｍ１と第２の透過波面Ｗ_ｍ２を一度に計測できるため、Ｓ４０〜Ｓ６０とＳ９０〜Ｓ１１０を同時に進行できる。

最後に、数式１１を用いて、被検物５０の内部屈折率分布を算出する（Ｓ１２０）。

実施例３は、実施例１、２で必要だった被検物５０の偏心、傾き、光軸方向の位置の調整を省くことができる屈折率分布の計測装置について説明する。尚、実施例１、２と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。

図５は、本実施例の計測装置のブロック図である。被検物５０は負のパワーを持つレンズ（光学素子）である。被検物５０の周囲を満たす媒質Ｍは、例としてオイルである。光源１３は、波長可変レーザ（例えば半導体レーザ）、もしくは、広帯域光源（例えばハロゲンランプ）と特定波長透過フィルタの組み合わせのように、２波長以上の光を適宜出力できる光源である。透過波面の計測には、トールボット干渉計を用いている。各光学素子は、支持具（例えば台やレール）に固定されている。

光源１３から射出された第１の波長λ_１（または第２の波長λ_２）の光は、ビームスプリッタ２１において、透過光と反射光に分けられる。ビームスプリッタ２１で反射された光は、ミラー２５ａ（例えばアルミミラー）で反射後、波長計９０で受光される。波長計９０によって、第１の波長λ_１（または第２の波長λ_２）を正確に特定する。ここでは、光源１３の光が射出する方向を光軸方向、光束の中心を光軸という。

ビームスプリッタ２１を透過した光は、ピンホール３０を通ることで理想球面波となる。発散光となった光は、コリメータレンズ４０によって平行光となり、平面ミラー２５ｂで垂直上方に反射される。尚、光軸も垂直上方に折れ曲がるものとする。

平行光は、絞り３５（例えばダイアフラム）によって、必要な光以外は遮断され、被検物ケース５１内のオイルを通って被検物５０に入射する。被検物を透過した光は発散光となり、回折格子６０と撮像素子７０から構成されるトールボット干渉計によって計測される。尚、被検物ケース５１の底面は、光軸と垂直になるように設計しておくとよい。

本実施例における被検物５０の屈折率分布の算出手順を示す。まず、図５のように、被検物５０をオイル中に浸す（Ｓ１０）。次に、光源１３から第１の波長の光λ_１を出力する（Ｓ２０）。広帯域光源を用いる場合は、第１の波長λ_１を透過させる狭帯域フィルタを、光源１３とビームスプリッタ２１の間に挿入すればよい。
そして、センサの位置、トールボット距離を調整する（Ｓ３０）。被検物ケース５１は光軸と垂直であり、被検物５０へ入射する光は平行光である。このため、被検物５０を被検物ケース５１に中に置くだけで、被検物５０の偏心、傾き、光軸方向の位置が調整されたことになる。

第１の波長における波面収差Ｗ_１を、実施例１と同様の手順で求める（Ｓ４０〜Ｓ６０）。そして、光源１３から第２の波長の光λ_２を出力し（Ｓ７０）、適切なトールボット距離に調整して（Ｓ８０）、第２の波長における波面収差Ｗ_２を求める（Ｓ９０〜Ｓ１１０）。最後に、数式１１を用いて、被検物５０の内部屈折率分布を算出する（Ｓ１２０）。

本実施例では、平面ミラー２５ｂで平行光を垂直上方に跳ね上げ、被検物５０を被検物ケース５１に接触させて置くことで、被検物の偏心、傾き、光軸方向の位置の調整を省いている。平行光を垂直上方に偏向させる代わりに、垂直下方に偏向させ、絞り３５、被検物ケース５１、被検物５０、回折格子６０、撮像素子７０を下方に配置してもよい。

また、本実施例では、被検物５０の内部屈折率分布の算出処理を簡単にするため、絞り３５によって必要な光以外（媒質Ｍを透過した平行光）を遮断している。しかし、数式２から分かるように、平行光と発散光ではトールボット距離が異なる。そのため、絞り３５を用いずに、平行光の発散光を分離することも可能である。

実施例１〜３にて説明した屈折率分布計測装置（屈折率分布計測方法）によって計測された結果を、光学素子の製造方法にフィードバックすることができる。この光学素子の製造方法は、設計された光学素子に基づいて、光学素子をモールド成形するステップと、成形された光学素子の形状を計測し、形状精度を評価するステップと、形状精度を満足する光学素子の光学性能を評価するステップと、を有する。そして、光学性能を評価するステップに、本実施例の屈折率分布計測方法を適用することができる。評価された光学性能が、要求する仕様を満足しなかった場合には、光学素子の光学面の補正量が算出され、その結果を用いて再度、光学素子を設計し、満足する場合には光学素子を量産する。

本実施例の光学素子の製造方法により、光学素子の内部屈折率分布を高精度に計測することができるので、高屈折率硝材を用いた光学素子であっても、モールド成形で精度良く量産することが可能になる。

屈折率分布計測装置は光学素子を製造する用途に適用することができる。

Ｍ 媒質
１０ 第１の波長で発光する光源
１１ 第２の波長で発光する光源
５０ 被検物
８０ 演算ユニット（コンピュータ）

Claims (7)

1. 被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質中に前記被検物を配置し、前記被検物に参照光を入射させて該被検物の透過波面を計測する計測ステップと、前記透過波面の計測結果を用いて前記被検物の屈折率分布を算出する算出ステップとを含む屈折率分布計測方法であって、
   前記計測ステップにおいて、第１の波長における第１の透過波面と、前記第１の波長とは異なる第２の波長における第２の透過波面とを計測し、
   前記算出ステップにおいて、前記第１および第２の透過波面の計測結果と、前記被検物と同一形状および特定の屈折率分布を有する基準被検物が前記媒質中に配置されているときの前記第１および第２の波長に対応する各透過波面とを用いて、前記被検物の形状成分を除去することによって、前記被検物の屈折率分布を算出することを特徴とする屈折率分布計測方法。
2. 前記計測ステップにおける前記被検物の透過波面の計測は、シアリング干渉計を用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の屈折率分布計測方法。
3. 前記計測ステップにおける前記被検物の透過波面の計測は、ハルトマンセンサを用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の屈折率分布計測方法。
4. 光学素子をモールド成形するステップと、
   請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の屈折率分布計測方法を用いて前記光学素子の屈折率分布を計測することによって、成形された光学素子を評価するステップと、
   を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
5. 第１および第２の波長で発光する光源と、前記光源からの光を用いて被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質中に配置された前記被検物の透過波面を計測する計測手段と、前記第１および第２の波長においてそれぞれ計測された第１の透過波面と第２の透過波面に基づいて前記被検物の屈折率分布を求める演算手段とを有する屈折率分布計測装置において、
   前記演算手段は、前記第１および第２の透過波面の計測結果と、前記被検物と同一形状および特定の屈折率分布を有する基準被検物が前記媒質中に配置されているときの前記第１および第２の波長に対応する各透過波面とを用いて、前記被検物の形状成分を除去することによって、前記被検物の屈折率分布を算出することを特徴とする屈折率分布計測装置。
6. 前記計測手段は、シアリング干渉計を有することを特徴とする請求項５に記載の屈折率分布計測装置。
7. 前記計測手段は、ハルトマンセンサを有することを特徴とする請求項５に記載の屈折率分布計測装置。