JP6407000B2 - 屈折率計測方法、屈折率計測装置、及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子の屈折率を計測する屈折率計測方法及び屈折率計測装置に関する。

光学素子の屈折率を計測する手法として、光学素子をプリズム形状に加工した後に、最小偏角法やＶブロック法により計測を行う方法が知られている。しかし、これらの方法による計測は、光学素子の加工を行う必要があるため、加工に時間を要し、さらにコストが増大してしまう。また、モールドで製造された光学素子の場合、光学素子に蓄積されていた応力が、加工の際に解放される。その応力解放によって光学素子の屈折率が変化してしまうため、屈折率を正確に計測することができない。そこで、光学素子に加工を施すことなく光学素子の屈折率を計測する方法が求められている。

特許文献１に開示された計測方法では、被検レンズと、屈折率及び形状が既知のガラス試料とを、被検レンズの屈折率とほぼ等しい屈折率を有する第１のマッチング液に浸して干渉縞を測定する。さらに、被検レンズとガラス試料とを、第１のマッチング液の屈折率とわずかに異なる屈折率を有する第２のマッチング液に浸して干渉縞を測定する。そして、第１のマッチング液による測定結果と第２のマッチング液による測定結果とから、被検レンズの形状と屈折率と屈折率分布とを求める。それぞれのマッチング液の屈折率は、干渉縞が密になりすぎない範囲で被検レンズの屈折率とわずかに異なっている必要がある。

特開平０２−００８７２６号公報

特許文献１に開示された計測方法では、被検レンズの屈折率とほぼ等しい屈折率を有するマッチング液が必要である。しかしながら、屈折率が高いマッチング液は、透過率が低い。このため、特許文献１で開示された計測方法により高屈折率の光学素子の干渉縞を測定すると、検出器から小さな信号しか得られず、測定精度が低くなる。

本発明は、被検レンズの屈折率を非破壊で高精度に計測することができる屈折率計測方法及び屈折率計測装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明の一側面としての屈折率計測方法は、被検レンズの端部の型の形状を有する基準台に被検レンズを配置し、複数の波長において被検レンズの端部の透過波面を測定するステップと、複数の波長における被検レンズの端部の透過波面と基準台の屈折率とに基づいて被検レンズの端部の屈折率を特定するステップと、を有することを特徴とする。

尚、光学素子をモールドするステップと、上記屈折率計測方法を用いて光学素子の屈折率を計測することによって、モールドされた光学素子の光学性能を評価するステップとを含む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計測装置は、被検レンズの端部の型の形状を有する基準台と、基準台に配置された被検レンズの透過波面を複数の波長において測定する測定手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、被検レンズの屈折率を非破壊で高精度に計測することができる。

本発明における実施例１の屈折率計測装置の概略構成を示す図。 実施例１における基準台と被検レンズそれぞれの形状と屈折率を示す図。 実施例１における被検レンズの屈折率の算出手順を示すフローチャート。 実施例１において検出器で検出される干渉光を示す図。 実施例１における基準台と異なる形状の基準台を示す図。 実施例１における基準台と異なる形状の基準台、及びその基準台において検出器で検出される干渉光を示す図。 本発明における実施例２の屈折率計測装置の概略構成を示す図。 実施例２における被検レンズの屈折率の算出手順を示すフローチャート。 本発明の光学素子の製造方法の製造工程を示す図。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明における実施例１の屈折率計測装置の概略構成を示している。本実施例の屈折率計測装置は、マッハツェンダ干渉計をもとに構成されている。計測装置は、光源１０、干渉光学系、基準台５０、検出器８０、コンピュータ９０を有し、被検レンズ６０の端部の屈折率を計測する。本実施例では、被検レンズ６０は負の屈折力を有するレンズであるが、屈折力の正負に依らず、屈折型光学素子であれば屈折率の計測を行うことができる。

光源１０は、複数の波長の光を射出することができる光源（例えば、白色ＬＥＤ）である。複数の波長の光は、分光器２０を通って準単色光となる。分光器２０を通った光は、ピンホール３０を通って発散波となり、コリメータレンズ４０を通って平行光となる。

干渉光学系は、ビームスプリッタ１００、１０１、ミラー１０５、１０６を有する。干渉光学系は、コリメータレンズ４０を通った光を、被検レンズ６０を透過する被検光と透過しない参照光に分割し、被検光と参照光とを干渉させて、その干渉光を検出器８０に導光する。

被検レンズ６０は、基準台５０の上に試液（液体）７０を介在させて配置されている。図２（ａ）は、基準台５０上に設置された被検レンズ６０の斜視図である。被検レンズ６０の端部が基準台５０にフィットするように、基準台５０は被検レンズ６０の型の形状を有している。図１では、基準台５０と被検レンズ６０とを、鉛直方向と光軸方向に平行な断面図で示している。尚、被検レンズ６０の端部の面は、鏡面である必要はなく、砂ずり面でよい。

基準台５０は、被検レンズ６０と異なる屈折率分散を有し、かつ、特定の波長において被検レンズ６０の屈折率と等しい屈折率を有する。図２（ｂ）は、基準台５０と被検レンズ６０それぞれの屈折率分散を示す図である。図２（ｂ）は、特定の波長λ_０において基準台５０の屈折率と被検レンズ６０の屈折率とが等しいことを表している。本実施例では、基準台５０の形状及び屈折率は既知の値としている。

試液７０の屈折率は、被検レンズ６０の屈折率と一致している必要はない（例えば、被検レンズ６０の屈折率を約１．９として、試液７０の屈折率を約１．７とすればよい）。

ビームスプリッタ１００で反射した被検光は、ミラー１０６で反射し、基準台５０と試液７０と被検レンズ６０の端部とを透過する。一方、ビームスプリッタ１００を透過した参照光は、基準台５０を透過し、ミラー１０５で反射する。被検光と参照光とがともに基準台５０を透過することで、被検光と参照光の光路長差が小さくなる。つまり、参照光が透過する基準台５０は、補償板の役割を担う。もちろん、参照光の光路に、基準台５０の代わりに補償板を挿入してもよい。被検光と参照光は、ビームスプリッタ１０１で合波されて、干渉光を形成する。

ビームスプリッタ１０１で形成された干渉光は、結像レンズ４５を介して検出器８０（例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ）で検出される。検出器８０で検出された干渉信号は、コンピュータ９０に送られる。検出器８０は、被検レンズ６０の位置と結像レンズ４５に関して共役な位置に配置されている。つまり、被検レンズ６０の像と干渉縞とが検出器８０上に結像される。

コンピュータ９０は、検出器８０の検出結果をもとに被検レンズ６０の屈折率を算出する算出手段や、分光器２０を透過する波長を制御する制御手段を有し、ＣＰＵ等から成る。

図３は、本実施例において被検レンズ６０の端部の屈折率を算出する算出手段を示すフローチャートである。まず基準台５０上に試液７０を挟んで被検レンズ６０が設置される（Ｓ１０）。分光器２０で波長を制御しながら、複数の波長における被検レンズ６０の端部の透過波面（干渉光）が測定される（Ｓ２０）。複数の波長における透過波面から特定の波長λ_０が決定される（Ｓ３０）。

図４は、検出器８０で検出される干渉光を示している。被検レンズ６０の端部の屈折率と基準台５０の屈折率とに差があれば、図４のように被検レンズ６０の端部に干渉縞が現れる。分光器２０で波長を掃引していくと、被検レンズ６０の干渉縞が最も少なくなる波長が存在する。その波長が特定の波長λ_０であり、λ_０において被検レンズ６０の端部と基準台５０の屈折率とが一致する。以上より、特定の波長λ_０における基準台５０の屈折率に基づいて、被検レンズ６０の端部の屈折率が特定される（Ｓ４０）。

本実施例の計測方法は、被検レンズ６０の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する試液（マッチング液）を用いずに、被検レンズ６０の屈折率を計測する。したがって、実効的なマッチング液が得られない高屈折率（〜１．８以上）の光学素子の屈折率も、非破壊かつ高精度に計測できる。

本実施例では、複数の波長の光を射出する光源と分光器の組み合わせで波長を走査した。複数の波長の光を射出する光源として白色ＬＥＤが使用されているが、スーパーコンティニューム光源、短パルスレーザ、ハロゲンランプが代用できる。その他にも、波長掃引光源でもよいし、複数の波長を離散的に射出するマルチラインレーザでもよい。複数の波長の光を射出する光源は、単一の光源に限らず、複数の光源を組み合わせでもよい。

本実施例では、被検光と参照光を干渉させる干渉光学系としてマッハツェンダ干渉計を用いたが、フィゾー干渉計やトワイマングリーン干渉計も代用できる。被検光と参照光を干渉させる干渉光学系の代わりに、タルボ干渉計のようなシアリング干渉計やシャックハルトマンセンサを用いてもよい。

本実施例の基準台５０は、図１や図２（ａ）のように１つの部品で構成されていたが、図５のように２つ以上の部品で構成されてもよい。

また、本実施例における基準台５０は、図２（ａ）のように、被検レンズ６０の外周部と接する形状を有していた。その代わりに、基準台５０と被検レンズ６０との接する範囲が、図１で示した１つの断面（図４における直線ＡＢを含む面）のみでもよい。つまり、基準台５０が図６（ａ）のような形状でもよい。本発明において、被検レンズの端部の型の形状を有する基準台とは、図４における直線ＡＢを含む面において被検レンズの端部とフィットする形状を有する基準台のことを意味する。

図６（ｂ）は、基準台５０が図６（ａ）のような形状を有しているときに検出される干渉光の様子を示している。直線ＡＢ上の干渉縞のみに着目すれば、上記の方法と同様に、特定の波長λ_０を決定することができる。

本実施例では、被検レンズ６０端部の屈折率と基準台５０の屈折率とが等しくなる特定の波長λ_０を決定し、特定の波長λ_０における被検レンズ６０の端部の屈折率を算出した。特定の波長λ_０を決定する代わりに、透過波面の値と基準台５０の形状とから被検レンズ６０の端部の屈折率を算出することができる。例えば、波長λ_１において、図４の点Ａと点Ｂの光路長差が５λ_１（干渉縞５本分）のとき、被検レンズ６０の端部の屈折率Ｎ^Ｌｅｎｓ（λ_１）と基準台５０の屈折率Ｎ^{Ｂｌｏｃｋ}（λ_１）との差は数式１で算出される。

Ｌは図１に示されている被検レンズ端部（図４の点Ａ）を透過する光線の幾何学的距離であり、基準台の形状から算出できる。基準台５０の屈折率Ｎ^{Ｂｌｏｃｋ}（λ_１）は既知の量なので、被検レンズ６０の端部の屈折率Ｎ^Ｌｅｎｓ（λ_１）を算出できる。ただし、この算出方法の使用可能条件は、検出器８０において干渉縞が分解できることである。

図７は、本発明における実施例２の屈折率計測装置の概略構成を示している。本実施例の屈折率計測装置は、波面センサを用いて透過波面を測定する。計測装置は、光源１１、基準台５０、シャックハルトマンセンサ８１、コンピュータ９０を有し、被検レンズ６０の端部の屈折率を計測する。本実施例では、被検レンズ６０は正の屈折力を有するレンズである。本実施例では、被検レンズ６０の端部の形状と基準台５０の形状との差が大きい場合における、被検レンズ６０の端部の屈折率計測方法を説明する。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。

光源１１は波長掃引光源（例えば、半導体レーザ）である。光源１１の波長は、コンピュータ９０により制御される。光源１１から射出された光は、ピンホール３０を通って発散波となり、コリメータレンズ４０で平行光になる。コリメータレンズ４０を通った光は、基準台５０上に試液を介して設置された被検レンズ６０を透過し、シャックハルトマンセンサ８１で検出される。

本実施例における基準台５０は、被検レンズ６０と同一材質で製作されているため、被検レンズ６０とほぼ同一の屈折率分散を有する。また、本実施例における基準台５０は、図７のように５０ａと５０ｂの２部品で構成されている。部品５０ａは平面形状を有し、部品５０ｂは被検レンズ６０の第２面に近い形状を有する。被検レンズ６０の第２面に近い形状とは、例えば、被検レンズ６０の第２面の設計値の形状を意味する。

本実施例において、被検レンズ６０の第２面は設計値からの形状誤差を有し、基準台５０（部品５０ｂ）の形状との差が大きい。形状誤差が大きい場合、透過波面に形状誤差の影響（形状成分）が現れるため、屈折率計測精度が低下する。本実施例では、形状誤差の影響を除去するために、互いに異なる屈折率を有する２種類の試液を用いる。図８は、本実施例において被検レンズ６０の端部の屈折率を算出する算出手段を示すフローチャートである。

まず、基準台５０上に第１の試液７０（例えば、屈折率１．７）を挟んで被検レンズ６０が設置される（Ｓ１１０）。波長掃引光源の波長を制御しながら、複数の波長における被検レンズ６０の端部の第１の透過波面Ｗ_１（λ）が測定される（Ｓ１２０）。第１の透過波面Ｗ_１（λ）は、数式２で表される。

ここで、Ｎ^Ｌｅｎｓ（λ）は被検レンズ６０の端部の屈折率、Ｎ^{Ｂｌｏｃｋ}（λ）は基準台５０の屈折率、Ｎ_１ ^Ｏｉｌ（λ）は第１の試液７０の屈折率である。ｙは図７に記載の座標、δ（ｙ）は図７に示されている試液内を透過する光線の幾何学距離、Ｌ（ｙ）−δ（ｙ）は図７に示されている被検レンズ６０の端部を透過する光線の幾何学距離である。被検レンズ６０が設計値通りの形状を有している場合、δ（ｙ）＝０となる。つまり、δ（ｙ）は形状誤差に由来する量（形状成分）である。数式２は、数式３の近似式を用いて数式４のように変形される。

次に、基準台５０上に、第２の試液（例えば、屈折率〜１．７５）を挟んで被検レンズ６０が設置される（Ｓ１３０）。そして、複数の波長における被検レンズ６０の端部の第２の透過波面Ｗ_２（λ）が測定される（Ｓ１４０）。第２の透過波面Ｗ_２（λ）は、第１の透過波面Ｗ_１（λ）と同様にして数式５で表される。Ｎ_２ ^Ｏｉｌ（λ）は第２の試液の屈折率である。

最後に、第１の透過波面Ｗ_１（λ）と第２の透過波面Ｗ_２（λ）とから形状成分δ（ｙ）を消去すると、被検レンズ６０の端部の屈折率Ｎ^Ｌｅｎｓ（λ）が数式６のように算出される（Ｓ１５０）。

実施例１、実施例２で説明した装置及び方法を用いて、計測された屈折率の結果を、モールド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９には、モールド成型を利用した光学素子の製造工程の例を示している。

光学素子は、光学素子の設計工程、金型の設計工程及び、設計された金型を用いた光学素子のモールド工程を経て製造される。モールドされた光学素子は、その形状精度が評価され、精度不足である場合は金型を補正して再度モールドを行う。形状精度が良好であれば、光学素子の光学性能が評価される。この光学性能の評価工程に、図３や図８を用いて説明した屈折率算出フローを組み込むことで、高屈折率硝材を母材としてモールドされる光学素子の量産が可能になる。なお、光学性能が低い場合は、光学面を補正した光学素子を設計し直す。

以上、説明した各実施例は代表的な例に過ぎず、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。

１０ 光源
５０ 基準台
６０ 被検レンズ
７０ 試液

Claims (19)

1. 被検レンズの端部の型の形状を有する基準台に前記被検レンズを配置し、複数の波長において前記被検レンズの端部の透過波面を測定するステップと、
   前記複数の波長における前記被検レンズの端部の透過波面と前記基準台の屈折率とに基づいて前記被検レンズの端部の屈折率を特定するステップと、
   を含むことを特徴とする屈折率計測方法。
2. 前記基準台と前記被検レンズの間に液体を介在させて前記被検レンズの端部の透過波面を測定することを特徴とする請求項１に記載の屈折率計測方法。
3. 前記液体の屈折率は、前記被検レンズの屈折率よりも低いことを特徴とする請求項２に記載の屈折率計測方法。
4. 前記被検レンズの屈折率分散と前記基準台の屈折率分散が互いに異なることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の屈折率計測方法。
5. 前記複数の波長における前記被検レンズの端部の透過波面から、前記被検レンズの端部の屈折率と前記基準台の屈折率とが等しくなる特定の波長を決定し、前記特定の波長における前記基準台の屈折率を前記被検レンズの端部の屈折率として特定することを特徴とする請求項４に記載の屈折率計測方法。
6. 前記複数の波長における前記被検レンズの端部の透過波面と前記基準台の形状とから、前記被検レンズの端部の屈折率と前記基準台の屈折率との差を算出し、前記基準台の屈折率に基づいて前記被検レンズの端部の屈折率を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の屈折率計測方法。
7. 前記基準台と前記被検レンズの間に第１の液体を介在させて、複数の波長において前記被検レンズの端部の第１の透過波面を測定し、
   前記基準台と前記被検レンズの間に、前記第１の液体の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の液体を介在させて、複数の波長において前記被検レンズの端部の第２の透過波面を測定し、
   前記第１の透過波面と前記第２の透過波面と前記基準台の屈折率とに基づいて前記被検レンズの形状成分を除去し、前記被検レンズの端部の屈折率を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の屈折率計測方法。
8. 光学素子をモールドするステップと、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の屈折率計測方法を用いて前記光学素子の屈折率を計測することによって、モールドされた光学素子の光学性能を評価するステップと、を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
9. 被検レンズの端部の型の形状を有する基準台と、
   前記基準台に配置された前記被検レンズの透過波面を複数の波長において測定する測定手段を有することを特徴とする屈折率計測装置。
10. 前記基準台と前記被検レンズの間に液体を介在させて前記被検レンズの端部の透過波面を測定することを特徴とする請求項９に記載の屈折率計測装置。
11. 前記液体の屈折率は、前記被検レンズの屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１０に記載の屈折率計測装置。
12. 前記被検レンズの屈折率分散と前記基準台の屈折率分散が互いに異なることを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の屈折率計測装置。
13. 前記複数の波長における前記被検レンズの端部の透過波面から、前記被検レンズの端部の屈折率と前記基準台の屈折率とが等しくなる特定の波長が決定され、前記特定の波長における前記基準台の屈折率が前記被検レンズの端部の屈折率として特定されることを特徴とする請求項１２に記載の屈折率計測装置。
14. 前記複数の波長における前記被検レンズの端部の透過波面と前記基準台の形状とから、前記被検レンズの端部の屈折率と前記基準台の屈折率との差を算出し、前記基準台の屈折率に基づいて前記被検レンズの端部の屈折率を算出する算出手段を有することを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項に記載の屈折率計測装置。
15. 前記測定手段は、前記基準台と前記被検レンズの間に第１の液体を介在させて、複数の波長において前記被検レンズの端部の第１の透過波面を測定し、前記基準台と前記被検レンズの間に、前記第１の液体の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の液体を介在させて、複数の波長において前記被検レンズの端部の第２の透過波面を測定し、
    前記第１の透過波面と前記第２の透過波面と前記基準台の屈折率とに基づいて前記被検レンズの形状成分を除去し、前記被検レンズの端部の屈折率を算出する算出手段を有することを特徴とする請求項９に記載の屈折率計測装置。
16. 前記測定手段は、マッハツェンダ干渉計を有することを特徴とする請求項９から１５のいずれか１項に記載の屈折率計測装置。
17. 前記測定手段は、シアリング干渉計を有することを特徴とする請求項９から１５のいずれか１項に記載の屈折率計測装置。
18. 前記測定手段は、シャックハルトマンセンサを有することを特徴とする請求項９から１５のいずれか１項に記載の屈折率計測装置。
19. 前記基準台は、２つ以上の部品から構成されていることを特徴とする請求項９から１８のいずれか１項に記載の屈折率計測装置。

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