JP5868142B2 - 屈折率分布測定方法および屈折率分布測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、レンズ等の被検光学素子の屈折率分布を測定する屈折率分布測定方法および装置に関する。

レンズ等の被検光学素子（以下、被検レンズという）の屈折率分布を測定する屈折率分布測定装置には、いわゆる２媒質法（特許文献１参照）や２波長法を用いるものがある。これら２媒質法や２波長法を用いる屈折率分布測定装置において、被検レンズの大きさや種類によっては、射出ＮＡ（開口数）が大きい照明光学系が用いられることがある。このような射出ＮＡが大きい照明光学系を用いる場合、該照明光学系からの射出光の波面（射出波面）を、収差を含まない理想波面にすることは難しい。２媒質法や２波長法を用いる屈折率分布測定装置において、照明光学系で発生する波面収差は、被検レンズの屈折率分布の測定値に影響を与える。このため、被検レンズの透過波面の計測値から照明光学系で発生する波面収差の影響を除外する必要がある。

ただし、従来、２媒質法や２波長法を用いる屈折率分布測定装置において、照明光学系で発生する波面収差の影響を除外する方法は提案されていない。

特許文献２には、集光レンズの収差に影響されず、被検面の形状を高精度に測定可能とした形状測定装置が開示されている。この装置は、集光レンズの参照面で反射した光と、該光の光源と同一の光源から照射されて所定の基準面で反射した光との干渉による干渉縞の像から集光レンズの収差を算出する。そして、該算出した収差を用いて、参照面に対する被検面の形状偏差と、参照面に対する基準ゲージの形状偏差をそれぞれ補正する。さらに、それぞれ補正された被検面の形状偏差と基準ゲージの形状偏差との差分を算出し、最終的に集光レンズの収差の影響による測定誤差を含まない形状データを得る。

特開２０１０−２２３９０３号公報 特開平１０−３０９１６号公報

しかしながら、特許文献２にて開示された技術を２媒質法や２波長法による波面計測に適用しようとしても、２媒質法や２波長法では、媒質や波長ごとに照明光学系の瞳の大きさが異なるため、照明光学系の波面収差の影響を除外することは困難である。

本発明は、２媒質法や２波長を用いて屈折率分布を測定する場合に、媒質や波長ごとに照明光学系の瞳の大きさが異なっていても該照明光学系の波面収差の影響を低減し、高精度な屈折率分布の測定を可能とする屈折率分布測定方法を提供する。

本発明の一側面としての屈折率分布測定方法は、照明光学系から射出された光を被検光学素子の屈折率とは異なる第１の屈折率を有する第１の媒質中に配置された被検光学素子に入射させ、該被検光学素子を透過した光の波面の計測値である第１の波面計測値を取得するステップと、照明光学系から射出された光を被検光学素子の屈折率および第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質中に配置された被検光学素子に入射させ、該被検光学素子を透過した光の波面の計測値である第２の波面計測値を取得するステップと、第１の媒質中に配置された被検光学素子における光の透過領域に対応する照明光学系における光の透過領域である第１の光線透過領域を計算するステップと、第２の媒質中に配置された被検光学素子における光の透過領域に対応する照明光学系における光の透過領域である第２の光線透過領域を計算するステップと、照明光学系の波面収差を計測するステップと、照明光学系の波面収差の近似関数を計算するステップと、第１の光線透過領域と近似関数から、第１の光線透過領域に対応する前記照明光学系の波面収差の計算値である第１の波面収差を計算するステップと、第２の光線透過領域と近似関数から、第２の光線透過領域に対応する照明光学系の波面収差の計算値である第２の波面収差を計算するステップと、第１の波面計測値と第１の波面収差を同じ座標に変換したのち、第１の波面計測値を第１の波面収差を用いて補正して第１の補正波面を求めるステップと、第２の波面計測値と第２の波面収差を同じ座標に変換したのち、第２の波面計測値を第２の波面収差を用いて補正して第２の補正波面を求めるステップと、第１および第２の補正波面を用いて、被検光学素子の屈折率分布を計算するステップとを有することを特徴とする。

本発明の他の一側面としての屈折率分布測定方法は、照明光学系から射出された第１の波長を有する第１の光を被検光学素子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被検光学素子に入射させ、該被検光学素子を透過した第１の光の波面の計測値である第１の波面計測値を取得するステップと、照明光学系から射出された第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の光を該媒質中に配置された被検光学素子に入射させ、該被検光学素子を透過した第２の光の波面の計測値である第２の波面計測値を取得するステップと、該媒質中に配置された被検光学素子における第１の光の透過領域に対応する照明光学系における第１の光の透過領域である第１の光線透過領域を計算するステップと、該媒質中に配置された被検光学素子における第２の光の透過領域に対応する照明光学系における第２の光の透過領域である第２の光線透過領域を計算するステップと、照明光学系の波面収差を第１の波長と第２の波長で計測するステップと、第１の波長で計測された照明光学系の波面収差の近似関数である第１の近似関数と、第２の波長で計測された照明光学系の波面収差の近似関数である第２の近似関数を計算するステップと、第１の光線透過領域と第１の近似関数から、第１の光線透過領域に対応する照明光学系の波面収差の計算値である第１の波面収差を計算するステップと、第２の光線透過領域と第２の近似関数から、第２の光線透過領域に対応する照明光学系の波面収差の計算値である第２の波面収差を計算するステップと、第１の波面計測値と第１の波面収差を同じ座標に変換したのち、第１の波面計測値を第１の波面収差を用いて補正して第１の補正波面を求めるステップと、第２の波面計測値と第２の波面収差を同じ座標に変換したのち、第２の波面計測値を第２の波面収差を用いて補正して第２の補正波面を求めるステップと、第１および第２の補正波面を用いて、被検光学素子の屈折率分布を計算するステップとを有することを特徴とする。

なお、光学素子をモールド成形する成形ステップと、光学素子を評価する評価ステップとを有し、該評価ステップにおいて、上記屈折率分布測定方法を用いて光学素子の屈折率分布を測定する光学素子の製造方法も、本発明の他の一側面を構成する。

また、本発明のさらに他の一側面としての屈折率分布測定装置は、被検光学素子に向けて光を射出する照明光学系と、被検光学素子を透過した光の波面を計測するための検出部と、演算部とを有する。該演算部は、照明光学系からの光を被検光学素子の屈折率とは異なる第１の屈折率を有する第１の媒質中に配置された被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した光の波面の計測値である第１の波面計測値を検出器を用いて取得し、照明光学系から射出された光を被検光学素子の屈折率および第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質中に配置された被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した光の波面の計測値である第２の波面計測値を検出器を用いて取得する。さらに、演算部は、第１の媒質中に配置された被検光学素子における光の透過領域に対応する照明光学系における光の透過領域である第１の光線透過領域を計算し、第２の媒質中に配置された被検光学素子における光の透過領域に対応する照明光学系における光の透過領域である第２の光線透過領域を計算し、照明光学系の波面収差を取得し、照明光学系の波面収差の近似関数を計算し、第１の光線透過領域と近似関数から、第１の光線透過領域に対応する照明光学系の波面収差の計算値である第１の波面収差を計算し、第２の光線透過領域と近似関数から、第２の光線透過領域に対応する照明光学系の波面収差の計算値である第２の波面収差を計算し、第１の波面計測値と第１の波面収差を同じ座標に変換したのち、第１の波面計測値を第１の波面収差を用いて補正して第１の補正波面を求め、第２の波面計測値と第２の波面収差を同じ座標に変換したのち、第２の波面計測値を第２の波面収差を用いて補正して第２の補正波面を求め、第１および第２の補正波面を用いて、被検光学素子の屈折率分布を計算することを特徴とする。

また、本発明のさらに他の一側面としての屈折率分布測定装置は、被検光学素子に向けて光を射出する照明光学系と、被検光学素子を透過した光の波面を計測するための検出部と、演算部とを有する。該演算部は、照明光学系から射出された第１の波長を有する第１の光を被検光学素子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被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した第１の光の波面の計測値である第１の波面計測値を検出器を用いて取得し、照明光学系から射出された第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の光を該媒質中に配置された被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した第２の光の波面の計測値である第２の波面計測値を検出器を用いて取得する。さらに、演算部は、該媒質中に配置された被検光学素子における第１の光の透過領域に対応する照明光学系における第１の光の透過領域である第１の光線透過領域を計算し、該媒質中に配置された被検光学素子における第２の光の透過領域に対応する照明光学系における第２の光の透過領域である第２の光線透過領域を計算し、第１の波長と第２の波長における照明光学系の波面収差を取得し、第１の波長における照明光学系の波面収差の近似関数である第１の近似関数と、第２の波長における照明光学系の波面収差の近似関数である第２の近似関数を計算し、第１の光線透過領域と第１の近似関数から、第１の波長に対する第１の光線透過領域に対応する照明光学系の波面収差の計算値である第１の波面収差を計算し、第２の光線透過領域と第２の近似関数から、第２の波長に対する第２の光線透過領域に対応する照明光学系の波面収差の計算値である第２の波面収差を計算し、第１の波面計測値と第１の波面収差を同じ座標に変換したのち、第１の波面計測値を第１の波面収差を用いて補正して第１の補正波面を求め、第２の波面計測値と第２の波面収差を同じ座標に変換したのち、第２の波面計測値を第２の波面収差を用いて補正して第２の補正波面を求め、第１および第２の補正波面を用いて、被検光学素子の屈折率分布を計算することを特徴とする。

さらに、本発明の他の一側面としての屈折率分布測定プログラムは、コンピュータに、以下のステップを含む処理を実行させることを特徴とする。該処理は、照明光学系から射出された光を被検光学素子の屈折率とは異なる第１の屈折率を有する第１の媒質中に配置された被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した光の波面の計測値である第１の波面計測値を取得するステップと、照明光学系から射出された光を被検光学素子の屈折率および第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質中に配置された被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した光の波面の計測値である第２の波面計測値を取得するステップと、第１の媒質中に配置された被検光学素子における光の透過領域に対応する照明光学系における光の透過領域である第１の光線透過領域を計算するステップと、第２の媒質中に配置された被検光学素子における光の透過領域に対応する照明光学系における光の透過領域である第２の光線透過領域を計算するステップと、照明光学系の波面収差を計測するステップと、照明光学系の波面収差の近似関数を計算するステップと、第１の光線透過領域と近似関数から、第１の光線透過領域に対応する照明光学系の波面収差の計算値である第１の波面収差を計算するステップと、第２の光線透過領域と近似関数から、第２の光線透過領域に対応する照明光学系の波面収差の計算値である第２の波面収差を計算するステップと、第１の波面計測値と第１の波面収差を同じ座標に変換したのち、第１の波面計測値を第１の波面収差を用いて補正して第１の補正波面を求めるステップと、第２の波面計測値と第２の波面収差を同じ座標に変換したのち、第２の波面計測値を第２の波面収差を用いて補正して第２の補正波面を求めるステップと、第１および第２の補正波面を用いて、被検光学素子の屈折率分布を計算するステップとを含む。

さらに、本発明の他の一側面としての屈折率分布測定プログラムは、コンピュータに、以下のステップを含む処理を実行させることを特徴とする。該処理は、照明光学系から射出された第１の波長を有する第１の光を被検光学素子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被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した第１の光の波面の計測値である第１の波面計測値を取得するステップと、照明光学系から射出された第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の光を媒質中に配置された被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した第２の光の波面の計測値である第２の波面計測値を取得するステップと、該媒質中に配置された被検光学素子における第１の光の透過領域に対応する照明光学系における第１の光の透過領域である第１の光線透過領域を計算するステップと、該媒質中に配置された被検光学素子における第２の光の透過領域に対応する照明光学系における第２の光の透過領域である第２の光線透過領域を計算するステップと、照明光学系の波面収差を計測するステップと、照明光学系の波面収差の近似関数を計算するステップと、第１の光線透過領域と近似関数から、前記第１の光線透過領域に対応する照明光学系の波面収差の計算値である第１の波面収差を計算するステップと、第２の光線透過領域と近似関数から、第２の光線透過領域に対応する照明光学系の波面収差の計算値である第２の波面収差を計算するステップと、第１の波面計測値と第１の波面収差を同じ座標に変換したのち、第１の波面計測値を第１の波面収差を用いて補正して第１の補正波面を求めるステップと、第２の波面計測値と第２の波面収差を同じ座標に変換したのち、第２の波面計測値を第２の波面収差を用いて補正して第２の補正波面を求めるステップと、第１および第２の補正波面を用いて、被検光学素子の屈折率分布を計算するステップとを含む。

本発明によれば、被検光学素子の屈折率分布を、照明光学系の波面収差の影響を十分に低減して高精度に測定することができる。

本発明の実施例１である屈折率分布測定方法（２媒質法）を用いる屈折率分布測定装置の第１の媒質使用時の構成を示す図。 実施例１の屈折率分布測定方法を用いる屈折率分布測定装置の第２の媒質使用時の構成を示す図。 実施例１の屈折率分布測定方法を示すフローチャート。 図１および図２に示した屈折率分布測定装置の照明光学系の収差を測定する際の光学配置を示す図。 本発明の実施例２である屈折率分布測定方法（２波長法）を用いる屈折率分布測定装置の構成を示す図。 実施例２の屈折率分布測定方法を示すフローチャート。 図５に示した屈折率分布測定装置の照明光学系の収差を測定する際の光学配置を示す図。 実施例１，２にて説明した屈折率分布計測方法を用いた光学素子の製造方法を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１および図２には、本発明の実施例１である２媒質法による屈折率分布測定方法を用いる屈折率分布測定装置の構成を示している。図１は、被検光学素子としての被検レンズの屈折率とは異なる第１の屈折率を有する第１の媒質中に被検レンズを配置して該被検レンズを透過した波面を計測するときの装置構成を示している。図２は、被検レンズの屈折率および第１の媒質の第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質中に被検レンズを配置して該被検レンズを透過した波面を計測するときの装置構成を示している。

照明光学系Ｌは、レーザ等の光源１と、開口が十分に小さいピンホール２と、集光レンズ３とにより構成され、収束球面波としての光（参照光）を後述する被検レンズ１５に向けて射出する。ＲＡは、照明光学系Ｌの光軸である。

照明光学系Ｌの射出側（下流側）における光軸ＲＡ上に配置された液槽５は、照明光学系Ｌに近い側に配置された前側窓ガラス１６と、照明光学系Ｌから遠い側に配置された後側窓ガラス１７とを有する。前側窓ガラス１６と後側窓ガラス１７のそれぞれの厚みと屈折率は既知であり、また前側窓ガラス１６と後側窓ガラス１７との間の間隔も既知である。

液槽５中には、屈折率が既知である第１の媒質１８（図１）又は第２の媒質１９（図２）が満たされる。そして、液漕５（第１の媒質１８または第２の媒質１９）内における光軸ＲＡ上には、被検レンズ１５が配置される。本実施例は、被検レンズ１５として正の光学パワーを有するレンズを用いる場合について説明し、該被検レンズ１５を照明光学系Ｌの像点よりも下流に配置する。なお、被検レンズとして負の光学パワーを有するレンズを用いることもでき、この場合は、照明光学系Ｌの像点より上流に被検レンズを配置する。被検光学素子として、レンズ以外の光学素子を用いてもよい。

液槽５よりも下流における光軸ＲＡ上には、被検レンズ１５を透過した光の波面（透過波面）を計測するための波面検出部Ｓが配置されている。本実施例では、波面検出部Ｓとして、回折格子７と検出器９とにより構成されるトールボット干渉計を用いる。ただし、トールボット干渉計に代えて、シャックハルトマンセンサ等の波面センサを用いてもよい。

回折格子７としては、透過型回折格子であって、互いに直交する２方向にて既知の周期を有する正方格子が用いられる。回折格子７は、厚みと屈折率が既知である基板ガラス１３上に形成されている。また、検出器９としては、ＣＣＤセンサ等の撮像素子が用いられる。検出器９は、回折格子７から射出した回折光同士の干渉による発生する干渉縞を撮影する。検出器９の入射面側には、厚みと屈折率が既知であるカバーガラス１４が配置されている。

液槽５、回折格子７および検出器９はそれぞれ、液漕駆動部６、回折格子駆動部８および検出器駆動部１０を備えており、光軸ＲＡに平行に設置されたレール１１上を互いに独立に移動することができる。

演算部１２は、コンピュータプログラムとしての屈折率分布測定プログラムによって動作するパーソナルコンピュータにより構成されており、検出器９にて撮影された干渉縞から波面を計測する。具体的には、第１の媒質１８中に配置された被検レンズ１５を透過した光の干渉縞から波面計測値としての透過波面Ｗ１を計算し、第２の媒質１９中に配置された被検レンズ１５を透過した光の干渉縞から波面計測値としての透過波面Ｗ２を計算する。また、演算部１２は、内部メモリを備えており、該内部メモリに、予め測定した照明光学系Ｌの波面収差Ｗｉのデータを格納している。演算部１２は、透過波面Ｗ１，Ｗ２を用いて照明光学系Ｌの波面収差Ｗｉの影響を補正、すなわち低減（除去を含む）した被検レンズ１５の屈折率分布を計算する。

さらに、演算部１２は、光軸ＲＡ上に配置された上記素子の設計情報から、波面計測に適した該素子の配置を計算することができ、該計算した配置の情報（以下、配置情報という）に基づいて各駆動部６，８，１０を駆動する。例えば、回折格子７と検出器９との間の間隔を、トールボット条件を満足するように調整する。

Ｒは照明光学系Ｌの射出瞳の半径を示す。また、ｒ１は第１の媒質１８中に配置された被検レンズ１５における照明光学系Ｌからの光（光線）の透過領域に対応する照明光学系Ｌにおける当該光線の透過領域（第１の光線透過領域）の半径を示す。ｒ２は第２の媒質１９中に配置された被検レンズ１５における照明光学系Ｌからの光（光線）の透過領域に対応する照明光学系Ｌにおける当該光線の透過領域（第２の光線透過領域）の半径を示す。

次に、本実施例において、照明光学系Ｌの波面収差Ｗｉの影響を補正しつつ被検レンズ１５の屈折率分布を求める処理（２媒質法による屈折率分布測定方法）を、図３のフローチャートに従って説明する。該処理は、演算部１２が上述した屈折率分布測定プログラムを実行することで行われる。

まずステップ００１では、照明光学系Ｌの波面収差Ｗｉ（Ｒ，θ）を計測する。θは偏角を表す。波面収差Ｗｉ（Ｒ，θ）は、例えば図４に示すように、液槽５を光軸ＲＡ上から除去した状態で波面検出部Ｓにて計測される。ただし、これに限らず、波面収差Ｗｉ（Ｒ，θ）を、照明光学系Ｌと液槽５との間の光軸ＲＡ上に別途波面センサを挿入して計測してもよい。また、ピンホール２の射出波面が理想球面であることを確認した後、集光レンズ３を別の波面測定器に移設して測定した透過波面の測定値をＷｉ（Ｒ，θ）としてもよい。

次にステップ００２では、Ｗｉ（Ｒ，θ）を多項式により近似して波面収差近似関数Ｗｉ（ｒ，θ）を求める。このときに用いる近似多項式として、例えば、ゼルニケ多項式がある。簡易的に実施する場合、近似多項式は、照明光学系Ｌの瞳に対して回転対称な関数でもよい。波面収差Ｗｉ（Ｒ，θ）の経時変化が少なければ、一度求めた関数Ｗｉ（ｒ，θ）を常に用いてもかまわない。この場合、２回目以降の測定からはステップ００１とステップ００２を省略することができる。

次にステップ１０１では、第１の媒質１８中に配置した被検レンズ１５を透過した光の波面を計測して第１の波面計測値としての透過波面Ｗ１を取得する。透過波面Ｗ１は、例えば、得られた干渉縞に対して、演算部１２でフーリエ変換位相回復法と、位相アンラップと、差分波面の積分処理とを行って求める。

次にステップ１０２では、第２の媒質１９中に配置した被検レンズ１５を透過した光の波面を計測して第２の波面計測値としての透過波面Ｗ２を取得する。透過波面Ｗ２も、得られた干渉縞に対して、上述した透過波面Ｗ１と同様の処理を行って求める。

続いてステップ１０３では、光軸ＲＡ上の各素子の配置情報から、光線追跡シミュレーションによって、第１および第２の媒質１８，１９の媒質ごとに被検レンズ１５の光線透過領域に対応する照明光学系Ｌの光線透過領域の半径ｒ１，ｒ２を計算する。

さらにステップ１０４では、波面収差近似関数Ｗｉ（ｒ，θ）に半径ｒ１，ｒ２を代入して、媒質ごとに異なる光線透過領域に対応する照明光学系Ｌの波面収差近似関数Ｗｉ（ｒ１，θ），Ｗｉ（ｒ２，θ）を計算する。なお、波面収差近似関数Ｗｉ（ｒ１，θ），Ｗｉ（ｒ２，θ）を計算することは、第１および第２の媒質１８，１９に対する照明光学系Ｌの波面収差の計算値である第１の波面収差および第２の波面収差を取得（計算）することに相当する。

次にステップ１０５では、上記配置情報から、光線追跡シミュレーションによって、透過波面Ｗ１，Ｗ２および波面収差近似関数Ｗｉ（ｒ１，θ），Ｗｉ（ｒ２，θ）のそれぞれの座標軸を被検レンズ１５の瞳座標に変換する。

次にステップ１０６では、以下の式（１）に示すように、媒質ごとの透過波面Ｗ１，Ｗ２から波面収差近似関数Ｗｉ（ｒ１，θ），Ｗｉ（ｒ２，θ）をそれぞれ減算する。これにより、照明光学系Ｌの収差の影響が補正された透過波面（第１の補正波面および第２の補正波面：以下、まとめて補正透過波面という）Ｗ１′，Ｗ２′を算出する。

次にステップ１０７では、補正透過波面Ｗ１′，Ｗ２′を用いて、以下の式（２）に示す２媒質法での計算式に従って、被検レンズ１５の屈折率分布ＧＩを求める。式（２）において、Ｎ_０は被検レンズ１５の屈折率であり、ｎ_１は第１の媒質１８の屈折率である。ｎ_２は第２の媒質１９の屈折率であり、Ｄは被検レンズ１５の光線透過方向での幾何学的厚みを示す。

本実施例によれば、照明光学系Ｌの射出ＮＡ（開口数）が大きく、従来であれば照明光学系Ｌの波面収差の影響を低減することが困難であった場合でも、該波面収差の影響を十分に低減して被検レンズ１５の屈折率分布を高精度に得ることができる。

図５には、本発明の実施例２である２波長法による屈折率分布測定方法を用いる屈折率分布測定装置の構成を示している。

照明光学系Ｌは、レーザ等の光源１と、ビームスプリッタＢＳと、波長計測器２０と、開口が十分に小さいピンホール２と、集光レンズ３とにより構成され、収束球面波としての光（参照光）を後述する被検レンズ１５に向けて射出する。本実施例で用いる光源１は、互いに異なる波長を有する２種類の光を適宜出力することができる。該２種類の光のうち第１の光の波長（第１の波長）をλ１とし、第２の光の波長（第２の波長）をλ２とする。また、ＲＡは、照明光学系Ｌの光軸である。

ビームスプリッタＢＳは、光源１から射出した光の一部を分割（反射）して波長計測器２０に入射させる。波長計測器２０は、分光器や光スペクトルアナライザ等により構成され、ビームスプリッタＢＳから入射した光の波長をモニタする。

照明光学系Ｌの射出側（下流側）における光軸ＲＡ上に配置された液槽５は、照明光学系Ｌに近い側に配置された前側窓ガラス１６と、照明光学系Ｌから遠い側に配置された後側窓ガラス１７とを有する。前側窓ガラス１６と後側窓ガラス１７のそれぞれの厚みと波長ごとの屈折率は既知であり、また前側窓ガラス１６と後側窓ガラス１７との間の間隔も既知である。

液槽５中には、波長ごとの屈折率が既知である媒質１８が満たされる。そして、液漕５（媒質１８）内における光軸ＲＡ上には、被検レンズ１５が配置される。本実施例は、被検レンズ１５として正の光学パワーを有するレンズを用いる場合について説明し、該被検レンズ１５を照明光学系Ｌの像点よりも下流に配置する。なお、被検レンズとして負の光学パワーを有するレンズを用いることもでき、この場合は、照明光学系Ｌの像点より上流に被検レンズを配置する。被検光学素子として、レンズ以外の光学素子を用いてもよい。

液槽５よりも下流における光軸ＲＡ上には、被検レンズ１５を透過した光の波面（透過波面）を計測するための波面検出部Ｓが配置されている。本実施例では、波面検出部Ｓとして、回折格子７と検出器９とにより構成されるトールボット干渉計を用いる。ただし、トールボット干渉計に代えて、シャックハルトマンセンサ等の波面センサを用いてもよい。

回折格子７としては、透過型回折格子であって、互いに直交する２方向にて既知の周期を有する正方格子が用いられる。回折格子７は、厚みと波長ごとの屈折率が既知である基板ガラス１３上に形成されている。また、検出器９としては、ＣＣＤセンサ等の撮像素子が用いられる。検出器９は、回折格子７から射出した回折光同士の干渉による発生する干渉縞を撮影する。検出器９の入射面側には、厚みと波長ごとの屈折率が既知であるカバーガラス１４が配置されている。

液槽５、回折格子７および検出器９はそれぞれ、液漕駆動部６、回折格子駆動部８および検出器駆動部１０を備えており、光軸ＲＡに平行に設置されたレール１１上を互いに独立に移動することができる。

演算部１２は、コンピュータプログラムとしての屈折率分布測定プログラムによって動作するパーソナルコンピュータにより構成されており、検出器９にて撮影された干渉縞から波面を計測する。具体的には、媒質１８中に配置された被検レンズ１５を透過した第１の光（波長λ１）の干渉縞から波面計測値としての透過波面Ｗλ１を計算し、該被検レンズ１５を透過した第２の光（波長λ２）の干渉縞から波面計測値としての透過波面Ｗλ２を計算する。また、演算部１２は、内部メモリを備えており、該内部メモリに、予め測定した、波長λ１，λ２のそれぞれに対する照明光学系Ｌの波面収差Ｗλ１ｉ，Ｗλ２ｉのデータを格納している。演算部１２は、透過波面Ｗλ１，Ｗλ２を用いて照明光学系Ｌの波面収差λ１ｉ，Ｗλ２ｉの影響を補正、すなわち低減（除去を含む）した被検レンズ１５の屈折率分布を計算する。

さらに、演算部１２は、光軸ＲＡ上に配置された上記素子の設計情報から、波面計測に適した該素子の配置を計算することができ、該計算した配置の情報（以下、配置情報という）に基づいて各駆動部６，８，１０を駆動する。例えば、回折格子７と検出器９との間の間隔を、波長ごとにトールボット条件を満足するように調整する。

Ｒは照明光学系Ｌの射出瞳の半径を示す。また、ｒλ１は媒質１８中に配置された被検レンズ１５における照明光学系Ｌからの第１の光（光線）の透過領域に対応する照明光学系Ｌにおける当該光線の透過領域（第１の光線透過領域）の半径を示す。ｒλ２は媒質１８中に配置された被検レンズ１５における照明光学系Ｌからの第２の光（光線）の透過領域に対応する照明光学系Ｌにおける当該光線の透過領域（第２の光線透過領域）の半径を示す。

次に、本実施例において、照明光学系Ｌの波面収差Ｗλ１ｉ，Ｗλ２ｉの影響を補正しつつ被検レンズ１５の屈折率分布を求める処理（２波長法による屈折率分布測定方法）を、図６のフローチャートに従って説明する。該処理は、演算部１２が上述した屈折率分布測定プログラムを実行することで行われる。

まずステップ２０１では、第１の光（波長λ１）を用いて照明光学系Ｌの波面収差Ｗλ１ｉ（Ｒ，θ）を計測し、さらに第２の光（波長λ２）を用いて照明光学系Ｌの波面収差Ｗλ２ｉ（Ｒ，θ）を計測する。θは偏角を表す。波面収差Ｗλ１ｉ（Ｒ，θ），Ｗλ２ｉ（Ｒ，θ）は、例えば図７に示すように、液槽５を光軸ＲＡ上から除去した状態で波面検出部Ｓにて計測される。ただし、これに限らず、波面収差Ｗλ１ｉ（Ｒ，θ），Ｗλ２ｉ（Ｒ，θ）を、照明光学系Ｌと液槽５との間の光軸ＲＡ上に別途波面センサを挿入して計測してもよい。また、ピンホール２の射出波面が理想球面であることを確認した後、集光レンズ３を別の波面測定器に移設して第１の光（波長λ１）と第２の光（波長λ２）を用いて測定した透過波面の測定値をそれぞれ、Ｗλ１ｉ（Ｒ，θ），Ｗλ２ｉ（Ｒ，θ）としてもよい。

次にステップ２０２では、波面収差Ｗλ１ｉ（Ｒ，θ），Ｗλ２ｉ（Ｒ，θ）のそれぞれを多項式により近似して波面収差近似関数Ｗλ１ｉ（ｒ，θ），Ｗλ２ｉ（ｒ，θ）を求める。このときに用いる近似多項式として、例えば、ゼルニケ多項式がある。簡易的に実施する場合、近似多項式は、照明光学系Ｌの瞳に対して回転対称な関数でもよい。波面収差Ｗλ１ｉ（Ｒ，θ），Ｗλ２ｉ（Ｒ，θ）の経時変化が少なければ、一度求めた関数Ｗλ１ｉ（ｒ，θ），Ｗλ２ｉ（ｒ，θ）を常に用いてもかまわない。この場合、２回目以降の測定からはステップ２０１とステップ２０２を省略することができる。

次にステップ３０１では、媒質１８中に配置した被検レンズ１５を透過した第１の光（波長λ１）の波面を計測して透過波面Ｗλ１を取得する。透過波面Ｗλ１は、例えば、得られた干渉縞に対して、演算部１２でフーリエ変換位相回復法と、位相アンラップと、差分波面の積分処理とを行って求める。

次にステップ３０２では、媒質１８中に配置した被検レンズ１５を透過した第２の光（波長λ２）光の波面を計測して透過波面Ｗλ２を取得する。透過波面Ｗλ２も、得られた干渉縞に対して、上述した透過波面Ｗλ１と同様の処理を行って求める。

続いてステップ３０３では、光軸ＲＡ上の各素子の配置情報から、光線追跡シミュレーションによって、第１および第２の光の光ごと（波長ごと）に被検レンズ１５の光線透過領域に対応する照明光学系の光線透過領域の半径ｒλ１，ｒλ２を計算する。

さらにステップ３０４では、波面収差近似関数Ｗλ１ｉ（ｒ，θ）に半径ｒλ１を代入し、波面収差近似関数Ｗλ２ｉ（ｒ，θ）に半径ｒλ２を代入する。これにより、波長ごとに異なる光線透過領域に対応する照明光学系Ｌの波面収差近似関数Ｗλ１ｉ（ｒλ１，θ），Ｗλ２ｉ（ｒλ２，θ）を計算する。なお、波面収差近似関数Ｗλ１ｉ（ｒλ１，θ），Ｗλ２ｉ（ｒλ２，θ）を計算することは、第１および第２の波長に対する照明光学系Ｌの波面収差の計算値である第１の波面収差および第２の波面収差を取得（計算）することに相当する。

次にステップ３０５では、上記配置情報から、光線追跡シミュレーションによって、透過波面Ｗλ１，Ｗλ２および波面収差近似関数Ｗλ１ｉ（ｒλ１，θ），Ｗλ２ｉ（ｒλ２，θ）のそれぞれの座標軸を被検レンズ１５の瞳座標に変換する。

次にステップ３０６では、以下の式（３）で示すように、波長ごとの透過波面Ｗλ１，Ｗλ２からＷλ１ｉ（ｒλ１，θ），Ｗλ２ｉ（ｒλ２，θ）をそれぞれ減算する。これにより、照明光学系Ｌの収差の影響が補正された透過波面（第１の補正波面および第２の補正波面：以下、まとめて補正透過波面という）Ｗλ１′，Ｗλ２′を算出する。

次にステップ３０７では、補正透過波面Ｗλ１′，Ｗλ２′を用いて、以下の式（４）に示す２波長法での計算式に従って、被検レンズ１５の波長λ１に対する屈折率分布ＧＩ（λ１）を求める。式（４）において、Ｎ_０（λ１），Ｎ_０（λ２）はそれぞれ被検レンズ１５の波長λ１，λ２に対する屈折率であり、ｎ（λ１），ｎ（λ２）はそれぞれ媒質１８の波長λ１，λ２に対する屈折率である。Ｄは被検レンズ１５の光線透過方向での幾何学的厚みを示す。

本実施例によれば、照明光学系Ｌの射出ＮＡ（開口数）が大きく、従来であれば照明光学系Ｌの波面収差の影響を低減することが困難であった場合でも、該波面収差の影響を十分に低減して被検レンズ１５の屈折率分布を高精度に得ることができる。

実施例１および実施例２にて説明した屈折率分布測定装置（屈折率分布測定方法）によって測定された結果を、レンズ等の光学素子の製造方法にフィードバックすることも可能である。図８には、モールド成形を利用した光学素子の製造方法の例を示している。

図８において、ステップＳ４００は光学素子を設計するステップであり、設計者が光学設計ソフト等を用いて光学素子を設計する。

ステップＳ４１０は、ステップＳ４００で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ための金型を設計・加工するステップである。

ステップＳ４２０は、ステップＳ４１０で加工された金型を用いて、光学素子をモールド成形するステップである。

ステップＳ４３０は、ステップＳ４２０で成形された光学素子の形状を計測し、その精度を評価するステップである。ステップＳ４３０にて評価された形状が、要求する精度を満足しなかった場合、ステップＳ４４０にて金型の鏡面の補正量が算出され、ステップＳ４１０で再度金型を加工する。

ステップＳ４５０は、ステップＳ４３０で所望の形状精度を満足していた光学素子の光学性能を評価するステップである。ステップＳ４５０では、実施例１および実施例２のそれぞれで図３および図６を用いて説明した屈折率分布測定方法を実行し、その結果を用いて光学素子の光学性能を評価する。ステップＳ４５０にて評価された光学性能が、要求する仕様に達しなかった場合は、ステップＳ４６０にて光学面の補正量が算出され、その結果を用いてステップＳ４００で再度、光学素子を設計する。

ステップＳ４７０は、ステップＳ４５０で所望の光学性能を実現できた光学素子の製造条件で、光学素子を量産するステップである。

本実施例の光学素子の製造方法により、光学素子の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。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

レンズ等の被検光学素子の屈折率分布を高精度に測定する測定方法および測定装置を提供できる。

１５ 被検レンズ
１８ 第１の媒質
１９ 第２の媒質
Ｌ 照明光学系
ｒ１，ｒ２，ｒλ１，ｒλ２ 照明光学系における光線透過領域の半径

Claims (7)

1. 照明光学系から射出された光を被検光学素子の屈折率とは異なる第１の屈折率を有する第１の媒質中に配置された前記被検光学素子に入射させ、該被検光学素子を透過した前記光の波面の計測値である第１の波面計測値を得るステップと、
   前記照明光学系から射出された前記光を前記被検光学素子の屈折率および前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質中に配置された前記被検光学素子に入射させ、該被検光学素子を透過した前記光の波面の計測値である第２の波面計測値を得るステップと、
   前記第１の媒質中に配置された前記被検光学素子における前記光の透過領域に対応する前記照明光学系における前記光の透過領域である第１の光線透過領域を計算するステップと、
   前記第２の媒質中に配置された前記被検光学素子における前記光の透過領域に対応する前記照明光学系における前記光の透過領域である第２の光線透過領域を計算するステップと、
   前記照明光学系の波面収差を計測するステップと、
   前記照明光学系の波面収差の近似関数を計算するステップと、
   前記第１の光線透過領域と前記近似関数から、前記第１の光線透過領域に対応する前記照明光学系の波面収差の計算値である第１の波面収差を計算するステップと、
   前記第２の光線透過領域と前記近似関数から、前記第２の光線透過領域に対応する前記照明光学系の波面収差の計算値である第２の波面収差を計算するステップと、
   前記第１の波面計測値と前記第１の波面収差を同じ座標に変換したのち、前記第１の波面計測値を前記第１の波面収差を用いて補正して第１の補正波面を求めるステップと、
   前記第２の波面計測値と前記第２の波面収差を同じ座標に変換したのち、前記第２の波面計測値を前記第２の波面収差を用いて補正して第２の補正波面を求めるステップと、
   前記第１および第２の補正波面を用いて、前記被検光学素子の屈折率分布を計算するステップとを有することを特徴とする屈折率分布測定方法。
2. 照明光学系から射出された第１の波長を有する第１の光を被検光学素子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光学素子に入射させ、該被検光学素子を透過した前記第１の光の波面の計測値である第１の波面計測値を得るステップと、
   前記照明光学系から射出された前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の光を前記媒質中に配置された前記被検光学素子に入射させ、該被検光学素子を透過した前記第２の光の波面の計測値である第２の波面計測値を得るステップと、
   前記媒質中に配置された前記被検光学素子における前記第１の光の透過領域に対応する前記照明光学系における前記第１の光の透過領域である第１の光線透過領域を計算するステップと、
   前記媒質中に配置された前記被検光学素子における前記第２の光の透過領域に対応する前記照明光学系における前記第２の光の透過領域である第２の光線透過領域を計算するステップと、
   前記照明光学系の波面収差を前記第１の波長と前記第２の波長で計測するステップと、
   前記第１の波長で計測された前記照明光学系の波面収差の近似関数である第１の近似関数と、前記第２の波長で計測された前記照明光学系の波面収差の近似関数である第２の近似関数を計算するステップと、
   前記第１の光線透過領域と前記第１の近似関数から、前記第１の光線透過領域に対応する前記照明光学系の波面収差の計算値である第１の波面収差を計算するステップと、
   前記第２の光線透過領域と前記第２の近似関数から、前記第２の光線透過領域に対応する前記照明光学系の波面収差の計算値である第２の波面収差を計算するステップと、
   前記第１の波面計測値と前記第１の波面収差を同じ座標に変換したのち、前記第１の波面計測値を前記第１の波面収差を用いて補正して第１の補正波面を求めるステップと、
   前記第２の波面計測値と前記第２の波面収差を同じ座標に変換したのち、前記第２の波面計測値を前記第２の波面収差を用いて補正して第２の補正波面を求めるステップと、
   前記第１および第２の補正波面を用いて、前記被検光学素子の屈折率分布を計算するステップとを有することを特徴とする屈折率分布測定方法。
3. 光学素子をモールド成形する成形ステップと、
   前記光学素子を評価する評価ステップとを有し、
   前記評価ステップにおいて、請求項１又は２に記載の屈折率分布測定方法を用いて前記光学素子の屈折率分布を測定することを特徴とする光学素子の製造方法。
4. 被検光学素子に向けて光を射出する照明光学系と、
   前記被検光学素子を透過した光の波面を計測するための検出部と、
   演算部とを有し、
   前記演算部は、
   前記照明光学系からの前記光を前記被検光学素子の屈折率とは異なる第１の屈折率を有する第１の媒質中に配置された前記被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した前記光の波面の計測値である第１の波面計測値を、前記検出器を用いて取得し、
   前記照明光学系から射出された前記光を前記被検光学素子の屈折率および前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質中に配置された前記被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した前記光の波面の計測値である第２の波面計測値を、前記検出器を用いて取得し、
   前記第１の媒質中に配置された前記被検光学素子における前記光の透過領域に対応する前記照明光学系における前記光の透過領域である第１の光線透過領域を計算し、
   前記第２の媒質中に配置された前記被検光学素子における前記光の透過領域に対応する前記照明光学系における前記光の透過領域である第２の光線透過領域を計算し、
   前記照明光学系の波面収差を取得し、
   前記照明光学系の波面収差の近似関数を計算し、
   前記第１の光線透過領域と前記近似関数から、前記第１の光線透過領域に対応する前記照明光学系の波面収差の計算値である第１の波面収差を計算し、
   前記第２の光線透過領域と前記近似関数から、前記第２の光線透過領域に対応する前記照明光学系の波面収差の計算値である第２の波面収差を計算し、
   前記第１の波面計測値と前記第１の波面収差を同じ座標に変換したのち、前記第１の波面計測値を前記第１の波面収差を用いて補正して第１の補正波面を求め、前記第２の波面計測値と前記第２の波面収差を同じ座標に変換したのち、前記第２の波面計測値を前記第２の波面収差を用いて補正して第２の補正波面を求め、前記第１および第２の補正波面を用いて、前記被検光学素子の屈折率分布を計算することを特徴とする屈折率分布測定装置。
5. 被検光学素子に向けて光を射出する照明光学系と、
   前記被検光学素子を透過した光の波面を計測するための検出部と、
   演算部とを有し、
   前記演算部は、
   前記照明光学系から射出された第１の波長を有する第１の光を被検光学素子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光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した前記第１の光の波面の計測値である第１の波面計測値を、前記検出器を用いて取得し、
   前記照明光学系から射出された前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の光を前記媒質中に配置された前記被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した前記第２の光の波面の計測値である第２の波面計測値を、前記検出器を用いて取得し、前記媒質中に配置された前記被検光学素子における前記第１の光の透過領域に対応する前記照明光学系における前記第１の光の透過領域である第１の光線透過領域を計算し、
   前記媒質中に配置された前記被検光学素子における前記第２の光の透過領域に対応する前記照明光学系における前記第２の光の透過領域である第２の光線透過領域を計算し、
   前記第１の波長と前記第２の波長における前記照明光学系の波面収差を取得し、
   前記第１の波長における前記照明光学系の波面収差の近似関数である第１の近似関数と、前記第２の波長における前記照明光学系の波面収差の近似関数である第２の近似関数を計算し、
   前記第１の光線透過領域と前記第１の近似関数から、前記第１の波長に対する前記第１の光線透過領域に対応する前記照明光学系の波面収差の計算値である第１の波面収差を計算し、
   前記第２の光線透過領域と前記第２の近似関数から、前記第２の波長に対する前記第２の光線透過領域に対応する前記照明光学系の波面収差の計算値である第２の波面収差を計算し、
   前記第１の波面計測値と前記第１の波面収差を同じ座標に変換したのち、前記第１の波面計測値を前記第１の波面収差を用いて補正して第１の補正波面を求め、前記第２の波面計測値と前記第２の波面収差を同じ座標に変換したのち、前記第２の波面計測値を前記第２の波面収差を用いて補正して第２の補正波面を求め、前記第１および第２の補正波面を用いて、前記被検光学素子の屈折率分布を計算することを特徴とする屈折率分布測定装置。
6. コンピュータに、
   照明光学系から射出された光を被検光学素子の屈折率とは異なる第１の屈折率を有する第１の媒質中に配置された前記被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した前記光の波面の計測値である第１の波面計測値を取得するステップと、
   前記照明光学系から射出された前記光を前記被検光学素子の屈折率および前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質中に配置された前記被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した前記光の波面の計測値である第２の波面計測値を取得するステップと、
   前記第１の媒質中に配置された前記被検光学素子における前記光の透過領域に対応する前記照明光学系における前記光の透過領域である第１の光線透過領域を計算するステップと、
   前記第２の媒質中に配置された前記被検光学素子における前記光の透過領域に対応する前記照明光学系における前記光の透過領域である第２の光線透過領域を計算するステップと、
   前記照明光学系の波面収差を計測するステップと、
   前記照明光学系の波面収差の近似関数を計算するステップと、
   前記第１の光線透過領域と前記近似関数から、前記第１の光線透過領域に対応する前記照明光学系の波面収差の計算値である第１の波面収差を計算するステップと、
   前記第２の光線透過領域と前記近似関数から、前記第２の光線透過領域に対応する前記照明光学系の波面収差の計算値である第２の波面収差を計算するステップと、
   前記第１の波面計測値と前記第１の波面収差を同じ座標に変換したのち、前記第１の波面計測値を前記第１の波面収差を用いて補正して第１の補正波面を求めるステップと、
   前記第２の波面計測値と前記第２の波面収差を同じ座標に変換したのち、前記第２の波面計測値を前記第２の波面収差を用いて補正して第２の補正波面を求めるステップと、
   前記第１および第２の補正波面を用いて、前記被検光学素子の屈折率分布を計算するステップとを含む処理を実行させるコンピュータプログラムであることを特徴とする屈折率分布測定プログラム。
7. コンピュータに、
   照明光学系から射出された第１の波長を有する第１の光を被検光学素子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光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した前記第１の光の波面の計測値である第１の波面計測値を取得するステップと、
   前記照明光学系から射出された前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の光を前記媒質中に配置された前記被検光学素子に入射させたときの該被検光学素子を透過した前記第２の光の波面の計測値である第２の波面計測値を取得するステップと、
   前記媒質中に配置された前記被検光学素子における前記第１の光の透過領域に対応する前記照明光学系における前記第１の光の透過領域である第１の光線透過領域を計算するステップと、
   前記媒質中に配置された前記被検光学素子における前記第２の光の透過領域に対応する前記照明光学系における前記第２の光の透過領域である第２の光線透過領域を計算するステップと、
   前記照明光学系の波面収差を前記第１の波長と前記第２の波長で計測するステップと、
   前記第１の波長で計測された前記照明光学系の波面収差の近似関数である第１の近似関数と、前記第２の波長で計測された前記照明光学系の波面収差の近似関数である第２の近似関数を計算するステップと、
   前記第１の光線透過領域と前記第１の近似関数から、前記第１の波長に対する前記第１の光線透過領域に対応する前記照明光学系の波面収差の計算値である第１の波面収差を計算するステップと、
   前記第２の光線透過領域と前記２の近似関数から、前記第２の波長に対する前記第２の光線透過領域に対応する前記照明光学系の波面収差の計算値である第２の波面収差を計算するステップと、
   前記第１の波面計測値と前記第１の波面収差を同じ座標に変換したのち、前記第１の波面計測値を前記第１の波面収差を用いて補正して第１の補正波面を求めるステップと、
   前記第２の波面計測値と前記第２の波面収差を同じ座標に変換したのち、前記第２の波面計測値を前記第２の波面収差を用いて補正して第２の補正波面を求めるステップと、
   前記第１および第２の補正波面を用いて、前記被検光学素子の屈折率分布を計算するステップとを含む処理を実行させるコンピュータプログラムであることを特徴とする屈折率分布測定プログラム。