JPH11230855A

JPH11230855A - 位相分布の測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH11230855A
Application number: JP5001398A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Suhara; 浩之須原
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1998-02-17
Filing date: 1998-02-17
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】液体状の被検物でも、被検物を回転させるこ
となく静止させた状態で、位相分布の測定ができる測定
方法と装置を提供する。【解決手段】同一光源１からの可干渉光を、少なくと
も一方が被検物Ａを通過する２つの光束に分け、双方の
波面を重ねて干渉縞を形成する位相分布の測定方法にお
いて、上記被検物Ａを屈折率が被検物とほぼ同じ試液Ｂ
内に固定し、干渉光学系を、回転軸Ｏを中心に回転する
回転テーブル４０上に配置する。被検物を固定した状態
で、干渉光学系を回転軸Ｏの回りで回転させ、次々と干
渉縞を形成し、被検物Ａの３次元的な位相分布を測定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、干渉縞の解析によ
り被検物における位相分布を３次元的に測定する技術に
関し、特に、被検物が液体や気体の場合にも適用可能な
測定技術に関する。

【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
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】そこで、本発明の出願人は、特開平８−１
２２２１０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、これを一次フーリエ変換し、さらに、
二次元逆フーリエ変換を行って屈折率の分布を求める方
法を提案した。

【０００５】図３を用いて具体的に説明する。同図の装
置は、マハツェンダ型の干渉光学系を基本構成としてお
り、可干渉光としてのレーザ光を射出する光源１と、偏
光子２と、ミラー３と、ビームエキスパンダ４と、光束
分割用のビームスプリッタ５と、２つの反射ミラー７、
９と、光束重畳用のビームスプリッタ１１と、結像レン
ズ１３と、ＣＣＤなどからなる干渉縞検出器１５と、高
速画像処理装置、マイクロコンピュータなどからなる演
算処理装置１７とを備えている。以上の構成のうち、光
源１から干渉縞検出器１５までで、干渉光学系を構成し
ている。

【０００６】光源１より出射するレーザ光は、偏光子２
で直線偏光にされ、ミラー３で反射されてビームエキス
パンダ４に入射し、これによって光束径を拡大され、ビ
ームスプリッタ５によって直角に曲げられる参照波ａ
と、直進してミラー９で直角に曲げられ、被検物Ａ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１：１となるようになってい
る。

【０００７】反射ミラー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
のオーダで変更できるように配置されている。

【０００８】参照波ａは反射ミラー７で反射され、ビー
ムスプリッタ１１に達し、他方の被検波ｂは、被検物Ａ
を透過してビームスプリッタ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ｂ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。

【０００９】参照波ａと被検波ｂは重畳され、ビームス
プリッタ１１から２つの光束に分割される。一方の光束
は、直進して結像レンズ１３に入射し、干渉縞検出器１
５の撮像面に干渉縞を結像する。干渉縞検出器１５には
リニアＣＣＤやアレイ状のセンサを用いる。ビームスプ
リッタ１１で直角に曲げられた方の光束は、別の結像レ
ンズ２３に入射し、モニター２５に干渉縞を結像する。

【００１０】被検物Ａの屈折率は空気の屈折率とはかな
り相違しており、被検物の入射面と射出面とが平行でな
い限り、被検物Ａを透過した被検波ｂは、不規則に収束
・発散する。一方、干渉光学系で干渉縞を結像させるに
は、被検波ｂは、ほぼ平行な光束となっていなければな
らない。そこで、被検物Ａがどのような形状であって
も、被検物Ａを透過した被検波ｂがほぼ平行光束になる
ために、次のような構成としている。

【００１１】すなわち、被検物Ａは、被検波ｂの光路の
途中に設けられた容器状のセル２７内に設置する。セル
２７内には、その屈折率が被検物Ａの屈折率とほぼ同一
に調合された試液Ｂを満たしてある。なお、被検物Ａ
は、回転台２９上に載置され、回転台２９は、図示しな
いサーボモータなどにより、被検波ｂに対して直交する
回転軸Ｏを中心に任意の角度だけ回転自在である。セル
２７の両端、すなわち、被検波ｂの入射窓３１と射出窓
３３は互いに平行で、かつ、それぞれに面精度が高いオ
プチカルフラット３５，３７を取り付けて液密にシール
ドしている。したがって、被検物Ａと試液Ｂで充填され
たセル２７は、全体として均一な屈折率の物体となり、
かつ、入射面と射出面とが平行なので、セル２７内を透
過した被検波ｂは、ほぼ平行な光束となって射出される
ようになる。

【００１２】干渉縞像は、干渉縞検出器１５で検出さ
れ、光電変換されて電気的な画像信号となり、Ａ／Ｄ変
換された後、演算装置１７に入力される。なお、演算装
置１７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１８を含
んでいる。

【００１３】次に上述の構成よりなる測定装置を利用し
て被検物Ａの屈折率を計測する方法を図４のフローチャ
ートを使用して説明する。まず、被検物Ａを回転台２９
にセットしない状態で、干渉縞検出器１５が出力する干
渉縞像の画像信号を演算処理装置１７に取り込んで演算
処理装置内部の透過波面計測部１８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をする。この計測
結果に基づいて測定装置自身の定常的な誤差成分を排除
する初期処理を行う。

【００１４】次に、回転台２９に被検物Ａをセットし
（Ｓ１）、回転台２９がθ＝０の位置（基準となる位
置）で干渉縞検出器１５の撮像面に干渉縞を結像し、干
渉縞検出器１５が出力する干渉縞像の画像信号を演算処
理装置１７に取り込んで干渉縞像の解析を行う（Ｓ
２）。

【００１５】回転台２９が初期回転位置にある透過波面
の計測では、干渉縞像の解析結果は被検物Ａの厚み方向
（光軸方向）に積算されており、これだけでは屈折率の
不均一部分の空間的な位置を特定することができない。

【００１６】そこで、回転台２９を初期回転位置より、
所定角度回転させ、回転台２９上の被検物Ａを被検波ｂ
の光軸に対して変化させる（Ｓ３）。このように被検物
Ａが回転変位しても干渉縞像は干渉縞検出器１５の撮像
面に結像する。この状態で干渉縞検出器１５が出力する
干渉縞像の画像信号を演算処理装置１７に取り込んで透
過波面の計測をする（Ｓ２）。こうしてたとえば、１゜
刻みで１８０゜（π）あるいは３６０゜（２π）の方向
から複数回に渡って干渉縞を形成し（Ｓ４）、この透過
波面を計測して、コンピュータ、すなわち、演算処理装
置１７上で再合成する。この画像の再構成は、公知のＸ
線ＣＴ（Computed Tomography）解析の手法を用いて行
うことができる。

【００１７】図５はＣＴ法の原理を示すものであり、角
度θから入射した被検波による透過波面のデータｐ
（ｘ，θ）を変数ｘについて一次元フーリエ変換すれ
ば、求めるべき屈折率の分布Δｎ（ｘ，ｙ）の二次元フ
ーリエ変換の極座標表現におけるθ方向成分が得られ
る。

【００１８】すなわち、０≦θ≦２π又は０≦θ≦πの
角度範囲にわたって透過波面を計測し、その透過波面デ
ータを位相つなぎ処理によって接続し（Ｓ５）、一次元
フーリエ変換し（Ｓ６）、フーリエ変換された各断面の
極座標データＰ（ｘ，θ）を直交座標データに変換し
（Ｓ７）、その後二次元逆フーリエ変換し（Ｓ８）、さ
らに屈折率に変換することにより被検物Ａの三次元屈折
率分布を再構成することができる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上記の屈折率測定方法
によれば、被検物がレンズのように固体で、時間的に変
化しない被検物には非常に有効な方法である。しかし、液体や気体の屈折率分布及び濃度分布の測定時間的に変化する媒質の分布の測定結晶成長時の経時変化の状態を３次元の分布として
測定する等の場合、従来のように、被検物を回転させる
方式では、被検物の状態が変化してしまい、測定が難し
い。

【００２０】本発明は、このような事情からなされたも
ので、被検物を静止させた状態でも位相分布の測定がで
きる測定方法と装置を提供する事を目的としている。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の位相分布測定方法は、同一光源からの可干
渉光を、少なくとも一方が被検物を通過する２つの光束
に分け、双方の波面を重ねて干渉縞を形成する位相分布
の測定方法において、上記被検物を屈折率が被検物とほ
ぼ同じ試液内に固定するとともに被検物に対して１つの
軸を設定し、該軸に垂直な複数の方向から上記可干渉光
を入射して被検物を通過させ、透過波面を測定すること
を特徴としている。

【００２２】また、上記軸を回転軸として被検物に入射
する可干渉光を回転させながら次々に透過波面を測定
し、ＣＴ（computed tomography）法を用いて再構成
し、被検物の位相分布を三次元的に計測することができ
る。また、上記被検物を上記可干渉光が透過する容器内
に入れ、該容器を上記試液内に固定してもよい。

【００２３】本発明の位相分布の測定装置は、同一光源
からの可干渉光を、少なくとも一方が被検物を通過する
２つの光束に分け、双方の波面を重ねて干渉縞を形成す
る干渉光学系と、該干渉光学系を光軸と直交する回転軸
回りに回転させる回転テーブルと、該回転軸近傍に上記
被検物を回転しない状態で保持する被検物保持体と、該
被検物保持体に保持された被検物を該被検物とほぼ同じ
屈折率の試液内に保持するセルと、を有することを特徴
としている。

【００２４】上記被検物保持体が、上記被検物と上記試
液とを隔離するための容器を有する構成や、上記被検物
保持体が上記容器を兼ねている構成や、上記容器が、上
記回転軸と平行な方向に中心軸を有する円筒形状で、薄
肉素材からなる構成とすることが望ましい。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明の
実施例を詳細に説明する。本発明の位相分布の測定装置
は、従来の測定装置と同様に、被検物Ａを屈折率が被検
物Ａとほぼ同じ試液Ｂ内に保持して、透過波面を計測
し、被検物の位相分布（濃度分布も含む）を測定するも
のである。

【００２６】図１は本発明の測定装置であるが、大部分
が従来例と共通しているので、共通する構成には同一の
符号を付して説明を省略する。本発明の測定装置は、装
置全体を回転テーブル４０上に載せている。回転テーブ
ル４０は、被検物Ａのほぼ中心を通る回転軸Ｏの回りに
回動自在な構成である。そして、この回転テーブル４０
は、サーボモータ等により、例えば、１゜刻みの微小な
回転ができるようになっている。セル２７も回転テーブ
ル４０と一緒に回転軸Ｏを中心に回転自在である。ただ
し、本発明の測定装置ではセル２７内には回転台２９が
無く、代わりに被検物保持体４１を設け、ここに被検物
Ａを保持している。そして、この被検物保持体４１は、
回転テーブル４０が回転軸Ｏを中心に回転しても回転す
ることはなく、被検物Ａを固定した状態に保つ。

【００２７】以上の構成であるから、被検物Ａを固定し
た状態で、回転テーブル４０を回転することによって、
周囲の干渉光学系を回転し、被検物Ａに対し任意の方向
から光源１の光束を入射させ、干渉縞を結像して透過波
面を測定することができる。

【００２８】なお、被検物Ａは、その中心が回転軸Ｏと
一致する位置が望ましいのであるが、多少ずれていて
も、回転によって被検物Ａがセル３１からはみ出ないよ
うになっており、かつ、常に測定部分が光束内に入って
いればよい。また、図示の実施例では、演算処理装置１
７と透過波面計測部１８とを回転テーブル４０上に配置
しているが、これらは、別の場所に配置して回転させな
い構成とすることもできる。

【００２９】回転テーブルを０≦θ≦πの範囲にわたっ
て回転させ、次々と干渉縞を結像し、透過波面を計測す
る。干渉縞の解析方法としては、位相シフト法等を用い
る。投影切断面定理によれば、物理分布量を持つ物体の
ラドン変換、すなわち角度θの方向からの投影データを
１次元フーリエ変換した結果は、物体の２次元フーリエ
変換の極座標表現におけるθ方向成分と一致する。ＣＴ
解析法には、逐次近似法やフィルタ補正逆投影法などが
あるが、最も簡潔に投影データから画像を再構成する厳
密な方法は、従来例で説明したフーリエ変換法である。

【００３０】図２は本発明の第２実施例で、セル２７内
の構造を示す図である。その他の構成は図１の実施例と
おなじである。図１の実施例では、被検物Ａと試液Ｂと
が直接接触していたが、被検物Ａが液体で、その内部に
結晶が成長していく経時的な変化を測定するような場
合、溶媒である被検物Ａを試液Ｂと隔離する必要があ
る。図２の実施例では、そのためにセル２７内に容器４
５を配置し、この容器４５内に液体状の被検物Ａを入れ
ている。セル２７やオプチカルフラット３５，３７は周
辺の干渉光学系と一緒に回転軸Ｏを中心に回動するが、
容器４５は固定され、回動しない。したがって、被検物
Ａとしての液体も流動することはない。

【００３１】容器４５は、試液Ｂと被検物Ａとを隔離す
ることが主な目的であるから、光源の光を透過できれ
ば、形状や材質は原則的には任意のものでよい。しか
し、透過波面の影響を抑えるためには、中心軸が回転軸
Ｏと平行な円筒状で肉厚の薄いものが望ましく、また、
被検物Ａと化学反応しない材質を選ぶとよい。

【００３２】なお、図２の実施例では、容器４５が図１
の実施例における被検物保持体４１を兼ねているが、容
器４５と被検物保持体４１とを別個のものとしてもよい
ことは言うまでもない。

【００３３】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
同一光源からの可干渉光を、少なくとも一方が被検物を
通過する２つの光束に分け、双方の波面を重ねて干渉縞
を形成する位相分布の測定方法において、上記被検物を
屈折率が被検物とほぼ同じ試液内に固定するとともに被
検物に対して１つの軸を設定し、該軸に垂直な複数の方
向から上記可干渉光を入射して被検物を通過させ、透過
波面を測定するので、被検物が液体の場合でも、被検物
を回転によって流動させることなくその位相分布を測定
することができる。

【００３４】上記軸を回転軸として被検物に入射する可
干渉光を回転させながら次々に透過波面を測定し、ＣＴ
（computed tomography）法を用いて再構成し、被検物
の位相分布を三次元的に計測することとすれば、静的状
態での被検物の位相分布を計測することができる。

【００３５】上記被検物を上記可干渉光が透過する容器
内に入れ、該容器を上記試液内に固定するようにすれ
ば、被検物と試液とが混ざり合うことを防止できる。上
記容器が、上記回転軸と平行な方向に中心軸を有する円
筒形状で、薄肉素材からなる構成とすれば、容器による
透過波面の影響を最小限に抑え、液状の被検物について
その位相分布を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の位相分布測定装置の構成を示す平面図
である。

【図２】本発明の第２実施例で、セルの内部構造を示す
図である。

【図３】従来の位相分布測定装置の構成を示す平面図で
ある。

【図４】干渉縞の計測から位相分布を求めるための手順
を示すフローチャートである。

【図５】ＣＴ解析の原理を説明する図である。

【符号の説明】

Ａ被検物Ｂ試液Ｏ回転軸１光源２７セル４０回転テーブル４１被検物保持手段４５容器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一光源からの可干渉光を、少なくとも
一方が被検物を通過する２つの光束に分け、双方の波面
を重ねて干渉縞を形成する位相分布の測定方法におい
て、上記被検物を屈折率が被検物とほぼ同じ試液内に固定す
るとともに被検物に対して１つの軸を設定し、該軸に垂
直な複数の方向から上記可干渉光を入射して被検物を通
過させ、透過波面を測定することを特徴とする位相分布
の測定方法。
【請求項２】上記軸を回転軸として被検物に入射する
可干渉光を回転させながら次々に透過波面を測定し、Ｃ
Ｔ（computed tomography）法を用いて再構成し、被検
物の位相分布を三次元的に計測することを特徴とする請
求項１記載の位相分布の測定方法。
【請求項３】上記被検物を上記可干渉光が透過する容
器内に入れ、該容器を上記試液内に固定することを特徴
とする請求項１又は２記載の位相分布の測定方法。
【請求項４】同一光源からの可干渉光を、少なくとも
一方が被検物を通過する２つの光束に分け、双方の波面
を重ねて干渉縞を形成する干渉光学系と、該干渉光学系
を光軸と直交する回転軸回りに回転させる回転テーブル
と、該回転軸近傍に上記被検物を回転しない状態で保持
する被検物保持体と、該被検物保持体に保持された被検
物を該被検物とほぼ同じ屈折率の試液内に保持するセル
と、を有することを特徴とする位相分布の測定装置。
【請求項５】上記被検物保持体が、上記被検物と上記
試液とを隔離するための容器を有することを特徴とする
請求項４記載の位相分布の測定装置。
【請求項６】上記被検物保持体が上記容器を兼ねてい
ることを特徴とする請求項５記載の位相分布の測定装
置。
【請求項７】上記容器が、上記回転軸と平行な方向に
中心軸を有する円筒形状で、薄肉素材からなることを特
徴とする請求項５又は６記載の位相分布の測定装置。