KR20160069476A - 굴절률 분포 계측방법, 굴절률 분포 계측장치, 및 광학소자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

형상 및 굴절률이 기지의 제1 기준 렌즈와, 형상 및 굴절률이 기지의 제2 기준 렌즈와, 매질에 의해 피검 렌즈를 사이에 끼워 피검 유닛을 구성한다. 피검 유닛을 투과한 빛의 파면을 측정하고, 제1 기준 렌즈의 형상 및 굴절률과 제2 기준 렌즈의 형상 및 굴절률과, 피검 유닛의 측정된 파면을 사용해서, 피검 렌즈의 굴절률 분포를 산출한다.

Description

굴절률 분포 계측방법, 굴절률 분포 계측장치, 및 광학소자의 제조방법{REFRACTIVE INDEX DISTRIBUTION MEASURING METHOD, REFRACTIVE INDEX DISTRIBUTION MEASURING APPARATUS, AND OPTICAL ELEMENT MANUFACTURING METHOD}
본 발명은, 광학소자의 굴절률 분포를 계측하는 굴절률 분포 계측방법 및 굴절률 분포 계측장치에 관한 것이다.
몰드에 의한 렌즈 제조방법에서는, 형상, 굴절률 및 굴절률 분포를 포함하는 3개의 물리량이 설계값으로부터 괴리한다. 특히, 렌즈 내부에서 발생하는 굴절률 분포의 결함은 광학 성능에 악영향을 미친다. 따라서, 몰드에 의한 렌즈의 제조에는, 형상 및 굴절률이 설계값과 다르다고 하는 조건하에서, 몰드된 렌즈의 굴절률 분포를 비파괴로 계측하는 기술이 필요하다.
일본국 특개 2014-196966호 공보에 개시된 계측방법에서는, 제1 및 제2 기준소자로 피검물을 끼우고, 피검물과 제1 및 기준소자 사이의 틈과 피검물과 제2 기준소자 사이의 틈에 매칭 오일을 충전시킨 측정 셀을 구성한다. 제1 및 제 2 기준소자의 굴절률이 피검물의 굴절률과 대략 같은 것으로 가정한다. 이때, "대략 같다"는 것은 값이 무시해도 될 정도의 차이 내에 존재한다는 것을 의미한다. 따라서, 피검물의 굴절률과 거의 동일한 제1 및 제2 기준소자의 굴절률에 대해, 제1 및 제 2 기준소자의 광학 성능에 비해 피검물의 광학 성능의 차이를 무시해도 된다. 제1 및 제 2 기준소자의 면 형상은 피검물의 면 형상과 반대이다. 그리고, 측정 셀의 간섭무늬를 측정하고, 간섭무늬로부터 위상 분포 데이터를 산출하여, 위상 분포 데이터와 미리 설정된 기준값과의 차이를 구함으로써, 피검물의 굴절률 분포를 결정한다.
일본국 특개 2014-196966호 공보에 개시된 계측방법에서는, 피검물의 굴절률과 대략 같은 것으로 가정한 굴절률을 갖는 매칭 오일과 기준소자를 사용하여, 피검물에 의한 굴절의 영향을 상쇄하여 피검물의 굴절률 분포를 결정한다. 그렇지만, 몰드에 의한 렌즈 제조방법에서는, 몰드 조건마다 피검물의 형상 뿐만 아니라 피검물의 굴절률도 설계값으로부터 괴리하기 때문에, 피검물의 굴절률, 기준소자의 굴절률 및 매칭 오일의 굴절률 사이에 차이가 생긴다.
이 굴절률의 차이에 의해, 피검물에 의한 굴절률의 영향을 완전히 상쇄할 수 없다. 따라서, 피검물의 형상 오차(형상의 설계값으로부터의 괴리)가 굴절률 분포의 오차로서 발생한다. 더구나, 피검물의 굴절률과 기준소자의 굴절률 사이의 차이 바로 그것도 굴절률 분포의 산출 오차를 일으킨다. 따라서, 고정밀도로 굴절률 분포를 구하기 위해서는, 피검물의 형상 오차 및 피검물의 굴절률 오차(굴절률의 설계값으로부터의 괴리)의 영향을 보정하는 연산이 필요하다.
본 발명은, 예를 들어, 렌즈의 굴절률 분포를 비파괴로 또한 고정밀도로 계측할 수 있는 굴절률 분포 계측방법 및 굴절률 분포 계측장치를 제공한다.
본 발명의 일면에 따르면, 굴절률 분포 계측방법은, 형상 및 굴절률이 기지의 제1 기준 렌즈와, 형상 및 굴절률이 기지의 제2 기준 렌즈와, 매질에 의해 피검 렌즈를 사이에 끼우는 것에 의해 구성되는 피검 유닛을 투과한 빛의 파면을 측정하는 스텝과, 상기 제1 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 제2 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 피검 유닛의 상기 측정된 파면을 사용하여, 상기 피검 렌즈의 굴절률 분포를 산출하는 스텝을 포함한다.
렌즈를 몰드하는 스텝과, 상기한 굴절률 분포 계측방법을 사용해서 렌즈의 굴절률 분포를 계측함으로써 몰드된 렌즈의 광학 성능을 평가하는 스텝을 포함하는 렌즈의 제조방법도, 본 발명의 다른 일면이다.
본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 형상 및 굴절률이 기지의 제1 기준 렌즈와, 형상 및 굴절률이 기지의 제2 기준 렌즈와, 매질을 사용해서 피검 렌즈를 사이에 끼우는 것에 의해 구성되는 피검 유닛을 투과한 빛의 파면을 측정하도록 구성된 측정부와, 상기 제1 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 제2 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 피검 유닛의 상기 투과된 파면을 사용하여, 상기 피검 렌즈의 굴절률 분포를 산출하도록 구성된 산출부를 구비한 굴절률 분포 계측장치가 제공된다.
도 1은 본 발명에 있어서의 실시예 1에 따른 굴절률 분포 계측장치의 구성의 개략도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 피검 렌즈의 굴절률 분포의 산출 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 3은 피검 렌즈의 굴절률의 분산 곡선과 제1 및 제2 기준 렌즈의 굴절률의 분산 곡선을 도시한 도면이다.
도 4a는 실시예 1에 따른, 피검 렌즈에 정의된 좌표계를 나타낸 것이고, 도 4b는 계측장치 내에서의 광선의 광로와 렌즈 유닛의 파라미터를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 실시예 1에 따른 피검 광에 대해 피검 유닛이 기울어진 복수의 배치를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 굴절률 분포 계측장치의 구성의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 광학소자의 제조방법의 제조단계들을 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
실시예 1
도 1은, 본 발명의 실시예 1에 따른 굴절률 분포 계측장치의 구성의 개략도이다. 실시예 1에 따른 굴절률 분포 계측장치는 마하젠더 간섭계를 기초로 구성되어 있다. 계측장치는, 광원(10), 간섭 광학계, 피검 유닛(200), 보상판(130), 검출기(80), 컴퓨터(90)를 갖는다. 계측장치는 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포를 계측한다. 본 실시예에서는, 피검 렌즈는 양의 굴절력을 갖는 렌즈이다. 그러나, 굴절형 광학소자를 사용하는 한, 굴절력이 양 또는 음인지 상관없이, 굴절률 분포의 계측을 행할 수 있다.
광원(10)은, 복수의 파장을 갖는 빛을 출사할 수 있는 광원(예를 들면, 수퍼콘티늄(super continuum) 광원)이다. 복수의 파장을 갖는 빛은, 모노크로메이터(20)를 통과한 후 준단색광으로 된다. 준단색광은 핀홀(30)을 통과하여 발산파가 되고, 콜리메이터 렌즈(40)를 통과하여 평행광으로 된다.
간섭 광학계는, 빔 스플리터 100 및 101과 미러 105 및 106을 갖는다. 간섭 광학계는, 콜리메이터 렌즈(40)를 통과한 빛을, 피검 렌즈를 통과하지 않는 참조 광과 피검 렌즈를 통과하는 피검 광으로 분할하여, 참조 광과 피검 광을 간섭시켜, 간섭 광을 검출기(80)로 도광하게 한다.
피검 유닛(200)은, 피검 렌즈(60), 제1 기준 렌즈(120), 제2 기준 렌즈(125), 매질(71)을 구비한다. 제1 기준 렌즈(120), 매질(71), 피검 렌즈(60), 매질(71) 및 제2 기준 렌즈(125)가 이 순서로 나란히 배치된다.
특정한 파장에 있어서, 제1 기준 렌즈(120)의 굴절률은 피검 렌즈(60)의 굴절률과 같다. 피검 렌즈(60)는 굴절률 분포를 갖기 때문에, 상기 "피검 렌즈(60)의 굴절률"이라는 말은, 피검 렌즈(60) 내부의 특정한 지점에서의 굴절률을 가리키고 있다. 특정한 지점은 피검 렌즈(60) 내부의 임의의 지점이어도 된다.
제2 기준 렌즈(125)는, 제1 기준 렌즈(120)와 동일한 재료로 만들어져 있다. 매질(71)의 굴절률은, 피검 렌즈(60)의 굴절률과 같은 필요는 없다(예를 들면, 피검 렌즈(60)의 굴절률 nd가 약 1.9일 때, 매질(71)의 굴절률 nd를 약 1.7 정도이면 된다). 매질의 굴절률이 피검 렌즈(60)의 굴절률에 가까울수록, 더 좋다. 이것은, 피검 렌즈(60)의 표면에 있어서의 굴절의 영향을 저감할 수 있기 때문이다. 그러나, 제1 기준 렌즈(120)는, 제1 기준 렌즈(120)는, 매질이 공기이어도 된다.
제1 기준 렌즈(120)는, 평면 형상을 갖고, 피검 렌즈(60)의 제1면의 형상과 거의 같은 형상을 갖는다. 제2 기준 렌즈(125)는, 피검 렌즈(60)의 제2면의 형상과 거의 같은 형상을 갖고 평면 형상을 갖고 있다. 즉, 피검 렌즈(60)에 대향하는 측에 놓인 제1 기준 렌즈(120)의 면과 제2 기준 렌즈(125)의 면은 평면이다.
본 실시예에 있어서, "거의 같은 면 형상"이란, 피검 렌즈의 면 형상의 제조 오차 정도의 범위에서 형상이 일치하고 있는 면을 가리킨다. 제1 기준 렌즈(120)의 면 형상 및 굴절률과 제2 기준 렌즈(125)의 면 형상 및 굴절률은 기지이다. 제1 기준 렌즈(120) 및 제2 기준 렌즈(125)는, 굴절률 분포를 무시할 수 있도록, 예를 들면, 연삭/연마에 의해 제조된다. 피검 유닛(200)은, 입사하는 피검 광에 대해 수직방향으로 회전축을 갖는 회전 스테이지(140) 위에 배치되어 있다.
빔 스플리터 100에 의해 반사한 피검 광은 미러 106에 의해 반사하여, 피검 유닛(200)을 통과한다. 한편, 빔 스플리터 100을 통과한 참조 광은, 보상판(130)을 통과하여, 미러 105에 의해 반사한다. 보상판(130)은, 피검 광의 광로 길이와 참조 광의 광로 길이의 차이를 작게 하기 위한 글래스 블록이다. 모노크로메이터(20)를 투과한 빛의 코히런스 거리가 길면, 보상판(130)은 필요가 없다. 참조 광과 피검 광은 빔 스플리터 101에서 합파되어 간섭 광을 형성한다.
매질(71)의 굴절률은, 온도계(미도시)를 사용해서 매질(71) 부근의 대기의 온도를 측정하고, 측정한 온도를 기초로 굴절률로 환산함으로써 산출된다. 단, 실시예 1에서는, 매질(71)의 굴절률의 산출은 필수적이지 않다.
미러 105는, 구동기구(미도시)에 의해, 도 1 중의 화살표 방향으로 구동된다. 구동방향은 도 1의 화살표 방향에 한정되지 않는다. 미러 105의 구동에 의해 참조 광의 광로의 길이와 피검 광의 광로의 길이의 차이가 변화하기 하면 임의의 방향으로 미러 105가 구동되어도 된다. 미러 105의 구동기구는, 예를 들면, 피에조 스테이지로 구성되다. 미러 105의 구동량은, 길이 측정기(예를 들면, 레이저 변위계나 인코더)(미도시)에 의해 측정되고, 컴퓨터(90)에 의해 제어된다. 참조 광의 광로 길이와 피검 광의 광로 길이의 차이는 미러 105의 구동기구에 의해 조정된다.
빔 스플리터 101에 의해 형성된 간섭 광은, 결상 렌즈(45)를 거쳐 검출기(80)(예를 들면, CCD나 CMOS)에서 검출된다. 검출기(80)에서 검출된 간섭 신호는, 컴퓨터(90)로 보내진다. 검출기(80)는, 결상 렌즈(45)에 관해 피검 렌즈(60)와 공역의 위치에 배치되어 있다. 즉, 피검 렌즈(60)의 간섭무늬와 상이 검출기(80) 위에 결상된다.
컴퓨터(90)는, 산출부와 제어기를 구비한다. 산출부는 검출기(80)의 검출 결과를 기초로 피검 렌즈의 굴절률 분포를 산출한다. 제어기는 모노크로메이터(20)를 통과하는 빛의 파장, 미러 105의 구동량 및 회전 스테이지(140)의 회전량을 제어한다. 컴퓨터(90)는, 예를 들어, CPU로 이루어진다.
도 2는, 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포를 산출하는 산출 절차를 나타낸 흐름도다. 실시예 1에서는, 우선, 제1 기준 렌즈(120)와 제2 기준 렌즈(125)와 매질(71)에 의해 피검 렌즈(60)를 사이에 끼워, 피검 유닛(200)을 구성한다(S10).
도 3에 나타낸 것과 같이, 제2 기준 렌즈(125)의 굴절률 분산과 동일한 제1 기준 렌즈(120)의 굴절률 분산은 피검 렌즈(60)(피검물)의 굴절률 분산과 다르다. 특정한 파장 λ0에 있어서, 제1 기준 렌즈(120) 및 제2 기준 렌즈(125)의 굴절률은 피검 렌즈(60)의 굴절률과 같다. 일반적으로, 몰드된 렌즈의 굴절률 절대값은, 몰드의 조건에 의해 크게 변화한다. 만약 제1 기준 렌즈(120)와 및 제2 기준 렌즈(125)의 굴절률 분산이 피검 렌즈(60)의 굴절률 분산과 같으면, 도 3의 2개의 곡선이 기울기가 거의 같다. 따라서, 2개의 곡선의 교점(특정의 파장 λ0)이 존재하지 않는 경우가 있다. 그 결과, 실시예 1에서는, 제1 기준 렌즈(120)와 제2 기준 렌즈(125)의 재료가 피검 렌즈(60)의 재료와는 다른 것이 바람직하다.
다음에, 피검 유닛(200)이 피검광의 광로에 배치된다(S20). 모노크로메이터(20)에서 파장을 제어하면서, 복수의 파장에 있어서의 피검 유닛(200)의 투과된 파면이 측정된다(S30). 그리고, 복수의 파장에 있어서의 피검 유닛(200)의 투과된 파면으로부터 특정한 파장 λ0이 결정된다(S40).
특정한 파장 λ0란, 피검 렌즈(60) 내부의 특정한 지점에서의 굴절률과 제1 및 제2 기준 렌즈의 굴절률이 동일한 파장이다. 굴절률이 같은 파장에 있어서는, 피검 유닛(200)의 전후에서 투과된 파면들 사이의 차이가 작다. 따라서, 투과된 파면의 크기로부터 특정한 파장 λ0을 결정할 수 있다. 특히, 피검 렌즈(60)의 제1면에 대한 제2면의 기울기가 급격한 부분에 있어서 투과된 파면이 커진다. 따라서, 이 부분을 사용하면, 특정한 파장 λ0을 결정할 수 있다. 예를 들면, 피검 렌즈의 절단 단부 부근의 투과된 파면이 특정한 파장 λ0의 결정에 적합하다.
특정한 파장 λ0은, 투과된 파면 대신에 간섭무늬로부터 결정할 수도 있다. 간섭무늬로부터 특정한 파장 λ0을 결정하는 경우, 모노크로메이터(20)에서 파장을 제어하면서, 복수의 파장에 있어서의 간섭무늬를 측정하고, 간섭무늬가 가장 적어지는 파장(= 특정한 파장 λ0)을 결정한다.
투과된 파면은, 미러 105가 구동되는 프린지(fringe) 스캔법을 사용하여 측정된다. 특정한 파장 λ0에 있어서의 피검 유닛의 투과된 파면 W(λ0, x, y)는, 수학식 1로 표시된다.
Figure pat00001
LA(x, y), LB(x, y), L(x, y), LC(x, y) 및 LD(x, y)은, 도 4b에 도시되는 광선을 따른 각 광학부품들의 표면들 사이의 기하학 거리이다. 도 4b의 광선은, 도 4a에 나타낸 피검 렌즈(60)의 내부에 있는 점 (x, y)을 통과하는 광선을 가리킨다. 도 4b는, 각 면에 있어서의 굴절에 의한 광선의 편향을 무시하고 그려져 있다.
L(x, y)은 피검 렌즈(60)의 두께를 나타낸다. LA(x, y)은 제1 기준 렌즈(120)의 두께를 나타낸다. LD(x, y)은 제2 기준 렌즈(125)의 두께를 나타낸다. LA(x, y) 및 LD(x, y)은, 예를 들어, 표면 프로파일에 의해 계측되고, 기지의 양으로 정의하고 있다. LB(x, y)와 LC(x, y)은, 제1 기준 렌즈(120)의 제2면의 형상과 피검 렌즈(60)의 제1면의 형상이 약간 다를 때와, 피검 렌즈(60)의 제2면의 형상과 제2 기준 렌즈(125)의 제1면의 형상이 약간 다를 때 발생하는 작은 틈을 나타낸다. 이들 틈에는 매질(71)이 채워져 있다.
nsample0, x, y)은, 특정한 파장 λ0에 있어서의 피검 렌즈(60)의 굴절률을 나타낸다. n00)은, 제1 기준 렌즈(120) 및 제2 기준 렌즈(125) 각각의 특정한 파장 λ0에 있어서의 굴절률을 나타내고, 각각의 굴절률은 기지의 값이다. 실시예 1에서는, 제1 기준 렌즈(120)의 굴절률과 제2 기준 렌즈(125)의 굴절률은 동일하고, 렌즈 내부에서 균일한 것으로 가정하고 있다. nmedium0)은, 특정한 파장 λ0에 있어서의 매질(71)의 굴절률을 나타낸다.
L은, LA(x, y), LB(x, y), L(x, y), LC(x, y) 및 LD(x, y)의 합이다. 수학식 2로 관계식이 표현된다. 수학식 2의 우변은 기지이며, 피검 렌즈(60)의 두께의 설계값과 거의 같다.
Figure pat00002
C는 임의 상수다. 간섭계에서는, 등위상면의 상수 성분(DC 성분)을 의미하는 파면의 위치를 측정할 수 없다. 따라서, 간섭계에서 측정된 파면은, 상수 성분의 불확정량 C를 포함한다. 수학식 1의 n00)L은, 상수 항이며 상수 항 C의 일부이다. 그러나, 나중의 계산에서 사용하기 위해, 이것은 상수 항 C로부터 분리된다. 수학식 1은, 수학식 2를 사용해서 수학식 3으로 산출할 수 있다.
Figure pat00003
수학식 3의 양변을, L-(LA(x, y)+LD(x, y))로 나누면, 수학식 4로 표시된 굴절률 분포가 산출된다. 수학식 4 중의 우변의 제2항과 제3항은, 굴절률 분포의 산출 오차에 해당한다.
Figure pat00004
수학식 4의 제3항은, 간섭계에서 측정할 수 없는 불확정한 상수 항 C에 기인하는 성분이다. 따라서, C의 값에 따라서는 굴절률 분포에서 큰 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 이하와 같은 보정연산을 행한다.
피검 렌즈(60) 내부의 특정한 지점 (x0, y0)에 있어서, 피검 렌즈(60)의 굴절률이 제1 및 제2 기준 렌즈 각각의 굴절률 n00)과 같다(nsample0,x0,y0)=n00)). 이때, 지점 (x0,y0)에 있어서, 수학식 3은 수학식 5로 표시된다. 수학식 3으로부터 수학식 5를 감산한 후에, 이 결과를 L-(LA(x, y)+LD(x, y))로 나누면, 수학식 6과 같이, C의 값에 기인한 오차를 배제한 굴절률 분포가 얻어진다.
Figure pat00005
Figure pat00006
피검 렌즈(60)의 굴절률과 제1 및 제2 기준 렌즈의 굴절률의 차이가 작고, 또한, 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포가 제로에 가까우면, 상수 항 C를 재로값으로 가정하여도 안전하다. 그러나, 일반적으로, 몰드공정중에 피검 렌즈(60)의 굴절률은 변화하고, 굴절률 분포가 발생하기 때문에, C=0으로 가정하면 정밀도가 악화한다. 실시예 1에서는, 피검 렌즈(60)의 굴절률과 제1 및 제2 기준 렌즈 각각의 굴절률이 같아지는 특정한 파장 λ0에 있어서 투과된 파면을 측정하고, 수학식 5 및 수학식 6을 사용한 연산에 의해 상수 항 C에 기인한 오차를 소거한다. 따라서, 정밀도가 높다.
피검 렌즈(60)의 제1면의 형상과 제1 기준 렌즈(120)의 제2면의 형상, 및 피검 렌즈(60)의 제2면의 형상과 제2 기준 렌즈(125)의 제1면의 형상이 피검 렌즈의 면 형상의 제조 오차 정도의 범위에서 일치하고 있으면, 수학식 6의 우변 제2항은 무시할 수 있다. 즉, 근사식 수학식 7이 얻어진다.
Figure pat00007
따라서, 특정한 파장에 있어서의 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포 GI(λ0,x, y)이 수학식 8에 의해 산출된다. 수학식 8의 우변의 분모(즉, L-(LA(x, y)+LD(x, y)))는 피검 렌즈(60)의 두께의 설계값과 거의 같다. 따라서, L-(LA(x, y)+LD(x, y)) 대신에 피검 렌즈(60)의 두께의 설계값을 사용해도 된다.
Figure pat00008
실시예 1에 따른 계측방법에서는, 피검 렌즈(60)의 형상 오차(형상의 설계값으로부터의 괴리) 및 피검 렌즈(60)의 굴절률 오차(굴절률의 설계값으로부터의 괴리)에 의해 발생하는 굴절률 분포의 산출 오차를, 기준 렌즈의 형상 및 굴절률을 사용해서 보정하고 있다. 따라서, 광학소자의 굴절률 분포를 비파괴로 또한 고정밀도로 계측할 수 있다.
실시예 1에 따른 계측방법에서는, 피검 렌즈(60)의 굴절률과 거의 같은 굴절률을 갖는 매질(매칭 액)을 사용하지 않고, 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포를 계측한다. 따라서, 실효적인 매칭 액을 사용할 수 없는 고굴절률(nd∼1.8 이상)을 갖는 광학소자의 굴절률 분포도 고정밀도로 산출할 수 있다.
실시예 1에서는, 도 1에 도시된 것과 같이, 피검 렌즈(60)에 대해 피검 광이 수직하게 입사하면서 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포를 계측하였다. 그러나, 도 5a 내지 도 5d와 같이, 피검 렌즈(60)에 대해 피검 광이 비스듬히 입사하면서 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포를 계측할 수 있다. 피검 광을 피검 렌즈(60)에 경사지게 입사하면서 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포를 계측함으로써, 피검 렌즈(60)의 광축방향의 굴절률 분포를 산출할 수 있다. "광축방향"이라는 용어는, 피검 렌즈(60)의 제1면 정점에서 제2면 정점으로 향하는 방향을 가리킨다.
우선, 피검 광에 대해 피검 유닛(200)의 기울기가 다른 복수의 배치에 있어서, 피검 유닛(200)의 투과된 파면이 측정된다. 피검 광에 대한 피검 유닛(200)의 기울기 각도는, 회전 스테이지(140)의 회전량을 컴퓨터(90)로 제어함으로써 조정된다.
복수의 배치에 있어서 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포가 산출된다. 굴절률 분포는, 피검 렌즈(60)의 3차원 굴절률 분포를 피검 광의 투과 방향으로 투영한 값이다. 피검 광이 피검 렌즈(60)에 경사지게 입사하는 배치에 근거한 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포의 투영값은 기울기 각도에 따른 피검 렌즈(60)의 광축방향의 굴절률 분포 정보를 갖는다. 복수의 배치에 있어서 굴절률 분포 투영값을 산출하면, 피검 렌즈(60)의 광축방향의 굴절률 분포 정보를 추출할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 각각 피검 광에 대해 피검 유닛(200)을 기울였을 때의 광선의 진행 방향을 나타내고 있다. 피검 유닛(200)의 기울기 각도가 커짐에 따라서, 피검 유닛(200)의 표면에 있어서의 굴절각이 커진다. 굴절각이 커짐에 따라, 입사하는 피검 광에 대해 피검 유닛(200)을 통과하는 피검 광의 시프트량이 커진다. 이 굴절의 영향으로 인해, 피검 렌즈(60)에 대한 피검 광의 입사 각도가 피검 유닛(200)의 기울기 각도보다 작은데, 이것은 바람직하지 않다. 구체적으로 설명하면, 입사 각도가 작으면, 피검 렌즈(60)의 광축방향의 충분한 굴절률 분포 정보를 얻을 수 없다.
도 5c 및 도 5d는, 작은 입사각의 상기 문제를 해결하는 방법을 나타내고 있다. 도 5c에 있어서, 프리즘 150 및 151을 피검 유닛(200)의 전후에 삽입함으로써, 굴절의 영향을 저감하고 있다. 그러나, 프리즘 150 및 151은 피검 광에 대해 피검 유닛(200)의 기울기 각도와 같은 각도의 꼭지각을 가져야 한다. 도 5d에서는, 피검 유닛(200)의 기울기 각도와 같은 꼭지각을 갖는 프리즘 155 및 156을 피검 유닛(200)의 전후에 삽입함으로써, 굴절의 영향을 저감하고 있다.
프리즘 150, 151, 155 및 156은, 제1 및 제2 기준 렌즈와 동일 재질로 제작되어 있다. 프리즘 150과 피검 유닛(200) 사이의 틈, 프리즘 151과 피검 유닛(200) 사이의 틈, 프리즘 155와 피검 유닛(200) 사이의 틈과, 프리즘 156과 피검 유닛(200)의 틈에는 각각 이들 틈에 있어서의 굴절의 영향을 저감하기 위해 매질(71)이 채워져 있다.
도 5c 및 도 5d와 같이, 피검 유닛(200)의 기울기 각도와 같은 꼭지각을 갖는 프리즘을 사용함으로써, 피검 유닛(200)의 기울기 각도와 같은 입사 각도에서의 굴절률 분포 투영값을 얻을 수 있다.
광로 길이 분포(=굴절률 분포×L(x, y))는, 몰드된 렌즈의 광학 성능을 나타내는 물리량으로서, 굴절률 분포의 대용이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 굴절률 분포 계측방법(굴절률 분포 계측장치)은, 광로 길이 분포 계측방법(광로 길이 분포 계측장치)을 의미한다.
실시예 1에서는, 복수의 파장을 갖는 빛을 출사하는 광원과 모노크로메이터의 조합을 사용하여 파장 주사를 행하였다. 복수의 파장을 갖는 빛을 출사하는 광원으로서 수퍼콘티늄 광원을 설명하였지만, 광 주파수 콤(comb), 수퍼 루미네센스 다이오드(SLD), 단 펄스 레이저 또는 할로겐 램프를 대용할 수 있다.
복수의 파장을 빛을 출사하는 광원과 모노크로메이터의 조합 대신에, 파장 소인(wavelength-swept) 광원이어도 되고, 복수의 파장을 이산적으로 출사하는 멀티라인 레이저를 사용해도 된다. 복수의 파장을 갖는 빛을 출사하는 광원은 단일의 광원에 한정되지 않는다. 복수의 광원을 조합하여도 된다. 실시예 1에서는, 광원 또는 광원들은 2종류 이상의 다른 파장을 갖는 빛을 출사하는 광원이면 충분하다.
실시예 1에서는, 간섭 광학계로서 마하젠더 간섭계를 사용하였다. 그 대신에 트와이만 그린(Ywyman-Green) 간섭계나 피조(Fizeau) 간섭계를 대용할 수 있다.
실시예 2
실시예 2에서는, 제1 기준 렌즈(120)의 제2면의 형상과 피검 렌즈(60)의 제1면의 형상의 차이, 및 피검 렌즈(60)의 제2면의 형상과 제2 기준 렌즈(125)의 제1면의 형상의 차이가 실시예 1보다도 큰 경우의 굴절률 분포 계측방법을 설명한다. 실시예 2에서는, 이 면 형상의 차이(형상 성분)를 2종류의 다른 파장의 투과된 파면을 사용해서 제거한다.
도 6은, 본 발명의 실시예 2에 따른 굴절률 분포 계측장치의 구성의 개략도이다. 실시예 2에서는, 실시예 1에서 사용한 간섭 광학계를 사용하는 것 대신에 샤크 하트만(Shack-Hartman) 센서(81)를 사용해서 투과된 파면을 측정한다. 광원(11)은 멀티라인 가스 레이저(예를 들면, 아르곤 레이저나 크립톤 레이저)이다. 피검 렌즈(60)는 음의 굴절력을 갖는다. 도 6에서는, 실시예 1과 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 할당하고, 그것의 설명을 생략한다.
피검 유닛(200)은, 용기(50) 내부에 채워진 매질(70) 내부에 배치되어 있다. 도 6과 같이, 실시예 2에 따른 피검 유닛(200)은 제1 기준 렌즈(120), 피검 렌즈(60), 제2 기준 렌즈(125), 매질(70) 및 보조 글래스 127, 128, 129를 갖는다. 피검 유닛(200)은 전체적으로 직방체(또는 원기둥) 형상을 갖는다. 피검 렌즈(60)의 제1면 및 제2면은 비구면이다. 제1 기준 렌즈(120)의 제2면은, 피검 렌즈(60)의 제1면의 비구면 형상과 유사한 구면이다. 제2 기준 렌즈(125)의 제1면은, 피검 렌즈(60)의 제2면의 비구면 형상과 유사한 구면이다.
실시예 2에서는, 피검 렌즈(60)의 절단 단부 부근의 굴절률 nsample(λ,a, b)이 기지이다. 피검 렌즈(60)의 굴절률은, 예를 들면, 피검 렌즈(60)의 절단 단부 부근의 부분을 프리즘 형상으로 가공해서 최소 편각법(minimum angle-of-deviation method)으로 계측할 수 있다. 제1 기준 렌즈(120), 제2 기준 렌즈(125) 및 보조 글래스 127, 128, 129는 모두 동일 재질로 제작된다. 면 형상 및 굴절률 n0(λ)이 모두 기지의 양이다.
광원(11)에서 출사한 빛은, 모노크로메이터(20)에 의해 분광되고, 핀홀(30)을 통과해서 발산광으로 되고, 콜리메이터 렌즈(40)를 통과하여 평행광으로 된다. 평행광은, 용기(50) 안의 매질(70) 내부에 배치된 피검 유닛(200)을 통과하여, 샤크 하트만 센서(81)에 의해 검출된다. 샤크 하트만 센서(81)에서 검출된 신호는, 컴퓨터(90)로 보내진다. 용기(50)에는 온도계(미도시)가 배치되어 있다. 매질(70)의 굴절률은, 온도계에 의해 측정된 매질(70)의 온도와, 매질(70)의 굴절률의 온도계수를 사용해서 컴퓨터(90)에 의해 산출된다.
실시예 2에 따른 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포의 산출 방법을 이하에서 설명한다. 실시예 2에서는, 우선, 피검 렌즈(60)를 제1 기준 렌즈(120)와 제2 기준 렌즈(125)와 매질(70)과 보조 글래스 127, 128, 129로 끼워서 피검 유닛(200)을 구성한다. 그후, 피검 유닛(200)을 용기(50) 내부의 평행광의 광로에 배치한다.
제1 파장 λ1(예를 들면, λ1=457nm)에 있어서의 피검 유닛(200)의 제1 투과된 파면 W(λ1,x, y)와, 제2 파장 λ2(예를 들면, λ2=514nm)에 있어서의 피검 유닛(200)의 제2 투과된 파면 W(λ2,x, y)를 측정한다. 파장 λ에 있어서의 투과된 파면 W(λ, x, y)는 수학식 9로 표시된다. 더구나, 수학식 9는, 수학식 2와 수학식 10의 근사식을 사용해서 수학식 11로 변형할 수 있다. 수학식 11은, 좌표 (a, b)에 있어서, 수학식 12와 같이 표시된다. 수학식 13은, 수학식 11로부터 수학식 12를 감산하고, 상수 항 C를 소거하여 얻어진다. 수학식 중의 기호의 의미는 실시예 1과 동일하다.
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
제1 기준 렌즈(120)의 형상 및 굴절률과, 제2 기준 렌즈(125)의 형상 및 굴절률과, 제1 파장에 있어서의 피검 유닛(200)의 투과된 파면과, 제2 파장에 있어서의 피검 유닛(200)의 투과된 파면을 사용하여, 피검 렌즈(60)의 면 형상과 제1 및 제2 기준 렌즈 각각의 면 형상의 차이(형상 성분)를 제거할 수 있는데, 즉 LB(x, y)-LB(0,0)+LC(x, y)-LC(0,0)을 제거할 수 있다.
제1파장에 있어서의 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포 GI(λ1,x, y)은, 수학식 14의 근사식을 사용해서 수학식 15와 같이 산출된다. 제2파장에 있어서의 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포 GI(λ2,x, y)은, 수학식 14 및 수학식 15를 사용해서 수학식 16과 같이 표시된다.
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
실시예 2에서는, 피검 렌즈의 면 형상과 제1 기준 렌즈의 면 형상의 차이와 피검 렌즈의 면 형상과 제2 기준 렌즈의 면 형상의 차이가 큰 경우에, 다른 2종류의 파장의 투과된 파면을 사용해서 면 형상 차이(형상 성분)를 제거해서 굴절률 분포를 산출하였다. 형상 성분의 제거에는, 2종류의 다른 파장 대신에, 굴절률이 다른 2종류의 매질을 이용해도 된다. 굴절률이 다른 2종류의 매질로 피검 유닛(200)을 구성하여, 피검 유닛(200)의 투과된 파면을 측정하면, 형상 성분을 제거해서 굴절률 분포를 산출할 수 있다. 그 방법은 다음과 같다.
제1 기준 렌즈(120)와, 제2 기준 렌즈(125)와, 제1 굴절률 n1 medium(λ)을 갖는 제1 매질과 보조 글래스 127, 128, 129에 의해 피검 렌즈(60)를 사이에 끼워 제1 피검 유닛을 구성한다. 제1 피검 유닛의 제1 투과된 파면을 측정한다. 제1 피검 유닛의 제1 투과된 파면 W1(λ, x, y)은, 수학식 17과 같이 표시된다.
Figure pat00017
제1 기준 렌즈(120)와, 제2 기준 렌즈(125)와, 제1 굴절률 n1 medium(λ)과 다른 제2 굴절률 n2 medium(λ)을 갖는 제2 매질과 보조 글래스 127, 128, 129에 의해 피검 렌즈(60)를 끼워, 제2 피검 유닛을 구성한다. 제2 피검 유닛의 제2 투과된 파면을 측정한다. 제2 피검 유닛의 제2 투과된 파면 W2(λ, x, y)는, 수학식 18과 같이 표시된다.
Figure pat00018
최후에, 제1 기준 렌즈(120)의 형상 및 굴절률과, 제2 기준 렌즈(125)의 형상 및 굴절률과, 제1 투과된 파면과, 제2 투과된 파면을 사용하여, 피검 렌즈(60)의 형상 성분을 제거해서 굴절률 분포를 산출한다. 상수 항 C는, 수학식 12 및 수학식 13을 사용한 방법과 유사한 방법으로 소거할 수 있다. 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포 GI(λ, x, y)은, 수학식 19와 같이 표시된다.
Figure pat00019
2종류의 파장이나 2종류의 매질을 사용하는 대신에, 제1 기준 렌즈 및 제2 기준 렌즈에 의해 특정한 굴절률 분포를 갖는 기준 피검 렌즈를 사이에 끼워 구성된 기준 피검 유닛의 투과된 파면을 사용하여, 피검 렌즈(60)의 면 형상과 제1 기준 렌즈의 면 형상의 차이와, 피검 렌즈(60)의 면 형상과 제2 기준 렌즈의 면 형상의 차이의 영향을 저감할 수 있다.
이때, 기준 피검 렌즈의 굴절률 분포가 균일한 굴절률 nsample(λ ,a, b)을 갖는 굴절률 분포인 것으로 가정한다. 기준 피검 렌즈의 형상으로서, 피검 렌즈(60)의 설계값을 사용한다. 제1 기준 렌즈와 제2 기준 렌즈에 의해 기준 피검 렌즈를 끼우는 것에 의해 구성되는 기준 피검 유닛의 투과된 파면 Wsim(λ, x, y)은, 수학식 20과 같이 표시되고, 이때 단, C'은 임의의 상수이다.
Figure pat00020
δLB(x, y)은 피검 렌즈(60)의 제1면의 형상과 기준 피검 렌즈의 제1면의 형상의 차이를 나타내고, δLC(x, y)은 피검 렌즈(60)의 제2면의 형상과 기준 피검 렌즈의 제2면의 형상의 차이를 나타낸다. 이 기준 피검 유닛의 투과된 파면 Wsim(λ, x, y)을 사용하면, 피검 렌즈(60)의 면 형상과 제1 기준 렌즈의 명 형상의 차이 및 피검 렌즈(60)의 면 형상과 제2 기준 렌즈의 면 형상의 차이의 영향(즉, 수학식 11의 우변 제2항의 영향)을 저감할 수 있다.
피검 유닛(200)의 투과된 파면 W(λ, x, y)(수학식 11)와, 기준 피검 유닛의 투과된 파면 Wsim(λ, x, y)(수학식 20)의 차이는, 수학식 21로 표시된다.
Figure pat00021
δLB(x, y)과 δLC(x, y)은, 피검 렌즈(60)의 제조 오차 정도의 작은 값이다. 따라서, 수학식 22의 근사식이 얻어진다. 수학식 21로부터 수학식 12 및 수학식 13을 사용한 것과 유사한 방법으로 상수 항 C-C'을 소거하고, 수학식 22의 근사식을 사용하면, 피검 렌즈(60)의 굴절률 분포 GI(λ, x, y)이 수학식 23으로 표시된다.
Figure pat00022
Figure pat00023
실시예 2에서는, 피검 유닛(200)의 투과된 파면을 측정하기 위해 샤크 하트만 센서(81)를 사용하였다. 샤크 하트만 센서 대신에 탈봇(Talbot) 간섭계와 같은 시어링(shearing) 간섭계를 사용해도 된다.
실시예 2에서는, 모노크로메이터(20)를 사용해서 파장을 제어했지만, 모노크로메이터 대신에 파장 선택 필터를 사용해도 된다.
실시예 2에서는, 복수의 파장을 출사하는 광원(멀티라인 가스 레이저)을 사용하였다, 그러나, 2종류의 매질을 사용하는 방식이나 기준 피검 렌즈를 사용하는 방식을 사용하는 경우에는, 단일 파장을 갖는 광원(예를 들면, HeNe 레이저)을 사용해도 된다.
실시예 1 및 실시예 2에서 설명한 장치 및 방법을 사용해서 계측된 굴절률 분포의 결과를 몰드된 렌즈 등의 광학소자의 제조방법으로 피드백해도 된다.
도 7에는, 몰드 성형에 의해 광학소자를 제조하는 단계들을 나타내고 있다.
광학소자는, 광학소자의 설계 단계(S70), 금형의 설계 단계(S71) 및, 설계된 금형을 사용한 광학소자의 몰드 단계(S72)를 행하여 제조된다. 몰드된 광학소자의 형상 정밀도가 평가단계 S73에서 평가된다. 형상이 충분히 정밀하지 않으면(S73에서 not OK이면), 금형을 보정해서 광학소자를 다시 몰드한다. 형상 정밀도가 양호하면(S73에서 OK), 광학소자의 광학 성능이 S75에서 평가된다. 이 광학 성능의 평가 단계(S75)에 본 발명에 따른 굴절률 분포 계측방법을 포함시킴으로써, 고굴절률을 갖는 유리재를 모재로 사용하여 몰드에 의해 형성된 고정밀도 광학소자의 양산(S76)이 가능하게 된다. 광학소자의 광학 성능이 원하는 설계 파라미터와 일치하지 않는 경우에는(S75에서 not OK), 도 7의 흐름도를 반복하여 S77에서 광학면을 보정한 광학소자를 다시 설계한다.
이상, 설명한 각 실시예는 대표적인 실시예에 지나지 않는다. 본 발명을 실시함에 있어서는, 각 실시예에 대해 다양한 변형과 변경이 가능하다.
예시적인 실시형태들을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 이러한 실시형태에 한정되지 않는다는 것은 자명하다. 이하의 청구범위의 보호범위는 가장 넓게 해석되어 모든 변형, 동등물 구조 및 기능을 포괄하여야 한다.

Claims (13)

  1. 형상 및 굴절률이 기지의 제1 기준 렌즈와, 형상 및 굴절률이 기지의 제2 기준 렌즈와, 매질에 의해 피검 렌즈를 사이에 끼우는 것에 의해 구성되는 피검 유닛을 투과한 빛의 파면을 측정하는 단계와,
    상기 제1 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 제2 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 피검 유닛의 상기 측정된 파면을 사용하여, 상기 피검 렌즈의 굴절률 분포를 산출하는 단계를 포함하는 굴절률 분포 계측방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 기준 렌즈와 상기 제2 기준 렌즈는 동일한 재료로 형성되고, 상기 제1 기준 렌즈의 상기 굴절률 및 상기 제2 기준 렌즈의 상기 굴절률은 특정한 파장에 있어서 상기 피검 렌즈의 굴절률과 같은 굴절률 분포 계측방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    복수의 파장에 있어서 상기 피검 유닛의 투과된 파면을 측정하고,
    상기 복수의 파장에 있어서의 상기 피검 유닛의 상기 투과된 파면으로부터 상기 특정한 파장을 결정하고,
    상기 특정한 파장에 있어서의 측정된 파면을 사용하여 상기 피검 렌즈의 상기 굴절률 분포를 산출하는 굴절률 분포 계측방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    피검 광에 대해 상기 피검 유닛이 기울어진 복수의 배치에서 상기 피검 유닛의 투과된 파면을 측정하고,
    상기 복수의 배치에 있어서의 상기 피검 유닛의 상기 투과된 파면을 사용하여 상기 피검 렌즈의 광축방향의 굴절률 분포를 산출하는 굴절률 분포 계측방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    제1 파장에 있어서의 상기 피검 유닛의 투과된 파면과, 상기 제1 파장과는 다른 제2 파장에 있어서의 상기 피검 유닛의 투과된 파면을 측정하고,
    상기 제1 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 제2 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 제1 파장에 있어서의 상기 피검 유닛의 상기 투과된 파면과, 상기 제2 파장에 있어서의 상기 피검 유닛의 상기 투과된 파면을 사용하여, 상기 피검 렌즈의 형상 성분을 제거하여 상기 피검 렌즈의 상기 굴절률 분포를 산출하는 굴절률 분포 계측방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 측정 단계에서,
    상기 제1 기준 렌즈와, 상기 제2 기준 렌즈와, 제1 굴절률을 갖는 제1 매질에 의해 상기 피검 렌즈를 사이에 끼우는 것에 의해 구성되는 제1 피검 유닛의 투과된 파면을 측정하고,
    상기 제1 기준 렌즈와, 상기 제2 기준 렌즈와, 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖는 제2 매질에 의해 상기 피검 렌즈를 사이에 끼우는 것에 의해 구성되는 제2 피검 유닛의 투과된 파면을 측정하고,
    상기 산출 단계에서,
    상기 제1 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 제2 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 제1 피검 유닛의 상기 측정된 파면과, 상기 제2 피검 유닛의 상기 측정된 사용하여, 상기 피검 렌즈의 형상 성분을 제거하여 상기 피검 렌즈의 상기 굴절률 분포를 산출하는 굴절률 분포 계측방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 기준 렌즈 및 상기 제2 기준 렌즈에 의해 특정한 굴절률 분포를 갖는 기준 피검 렌즈를 끼우는 것에 의해 구성되는 기준 피검 유닛을 투과한 빛의 파면을 측정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 산출 단계에서,
    상기 제1 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 제2 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 피검 유닛의 상기 측정된 파면과, 상기 기준 피검 유닛의 상기 측정된 파면을 사용하여, 상기 피검 렌즈의 상기 굴절률 분포를 산출하는 굴절률 분포 계측방법.
  8. 광학소자를 몰드하는 단계와,
    상기 몰드된 광학소자의 광학 성능을 평가하는 단계를 포함하는 광학소자의 제조방법으로서,
    상기 광학소자의 상기 광학 성능을 평가하는 상기 단계는,
    형상 및 굴절률이 기지의 제1 기준 렌즈와, 형상 및 굴절률이 기지의 제2 기준 렌즈와, 매질에 의해 상기 광학소자를 사이에 끼우는 것에 의해 구성되는 피검 유닛을 투과한 빛의 파면을 측정하는 단계와,
    상기 제1 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 제2 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 피검 유닛의 상기 측정된 파면을 사용하여, 상기 광학소자의 굴절률 분포를 산출하는 단계를 포함하는 광학소자의 제조방법.
  9. 형상 및 굴절률이 기지의 제1 기준 렌즈와, 형상 및 굴절률이 기지의 제2 기준 렌즈와, 매질에 의해 피검 렌즈를 사이에 끼우는 것에 의해 구성되는 피검 유닛을 투과한 빛의 파면을 측정하도록 구성된 측정부와,
    상기 제1 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 제2 기준 렌즈의 상기 형상 및 굴절률과, 상기 피검 유닛의 상기 측정된 파면을 사용하여, 상기 피검 렌즈의 굴절률 분포를 산출하도록 구성된 산출부를 구비한 굴절률 분포 계측장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 피검 렌즈의 대향하는 측에 놓이는 상기 제1 기준 렌즈의 면 및 상기 제2 기준 렌즈의 면은 평면인 굴절률 분포 계측장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 측정부는 마하젠더 간섭계를 구비한 굴절률 분포 계측장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 측정부는 샤크 하트만 센서를 구비한 굴절률 분포 계측장치.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 측정부는 시어링 간섭계를 구비한 굴절률 분포 계측장치.
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