KR20160142235A - 계측방법, 계측장치, 광학소자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

피검물을 매질 내부에 배치하고, 상기 피검물을 투과한 빛의 파면들을 복수의 파장에서 계측한다. 상기 복수의 파장에서 계측된 상기 피검물의 상기 투과 파면들과, 특정한 군 굴절률 분포를 갖는 기준 피검물이 상기 매질 내부에 배치되어 있을 때 복수의 파장에서의 투과 파면들로부터, 상기 피검물의 상기 투과 파면들과 상기 기준 피검물의 상기 투과 파면들의 차분에 해당하는 파면수차의 파장에 관한 변화율을 산출한다. 상기 파면수차의 파장에 관한 상기 변화율에 근거하여, 상기 피검물의 굴절률 분포를 산출한다.

Description

계측방법, 계측장치, 광학소자의 제조방법{MEASUREMENT METHOD, MEASUREMENT APPARATUS, AND MANUFACTURING METHOD FOR OPTICAL ELEMENT}
본 발명은, 광학소자의 굴절률 분포를 계측하는 방법 및 장치와, 이와 같은 광학소자를 제조하는 공정에 관한 것이다.
몰드 성형에 의한 렌즈 제조방법은 렌즈 내부에 굴절률 분포를 발생시킨다. 몰드 성형된 렌즈 내부의 굴절률 분포는 렌즈의 광학성능에 악영향을 미친다. 그 때문에, 몰드 성형된 렌즈의 제조에는, 몰드 성형후에 비파괴로 렌즈의 굴절률 분포를 계측하는 기술이 필요하다.
US 특허 5,151,752는, 예를 들어, 피검물을 2종류의 위상 굴절률 매칭 액에 담고, 코히런트 광을 사용해서 간섭무늬를 계측하여, 피검물의 굴절률 분포를 산출하는 방법을 제안하고 있다. US 특허 8,472,014는, 파장이 다른 2종류의 빛을 사용해서 피검물의 투과 파면을 계측하고, 그 투과 파면과 특정한 위상 굴절률 분포를 갖는 기준 피검물의 투과 파면을 사용해서 굴절률 분포를 산출하는 방법을 제안하고 있다.
US 특허 5,151,752에 개시된 방법에서는, 높은 위상 굴절률을 갖는 매칭 오일은 투과율이 낮기 때문에, 높은 위상 굴절률을 갖는 피검물의 투과 파면 계측에서는 작은 신호밖에 얻어지지 않아, 계측 정밀도가 낮아진다.
US 특허 8,472,014에 개시된 방법은, 기준 피검물의 위상 굴절률이 기지인 것을 가정하고 있다. 기준 피검물의 위상 굴절률은 피검물 내부의 1점(예를 들면, 렌즈의 중심)의 위상 굴절률과 일치할 필요가 있다. 그 때문에, US 특허 8,472,014에 개시된 굴절률 분포의 계측방법에는, 피검물 내부의 1점에서의 위상 굴절률을 비파괴로 계측하는 기술이 필요하다. 그러나, 위상 굴절률을 비파괴로 계측하는 것은 어렵다. 저 코히런스 간섭법과 파장주사 간섭법은 비파괴로 굴절률을 계측할 수 있지만, 계측되는 굴절률은 위상 굴절률이 아니라 군 굴절률이다. 또한, 군 굴절률로부터 변환된 위상 굴절률은 변환 오차를 포함한다.
본 발명은, 피검물의 굴절률 분포를 비파괴로 또한 고정밀도로 계측할 수 있는 계측방법 및 계측장치와, 광학소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일면에 따른 계측방법은, 피검물을 매질 내부에 배치하고, 상기 피검물을 투과한 복수의 파장의 빛의 파면들을 계측하는 계측 단계와, 상기 복수의 파장에서 계측된 상기 피검물의 상기 투과 파면들과, 상기 매질 내부에 배치된 특정한 군 굴절률 분포를 갖는 기준 피검물을 투과한 상기 복수의 파장의 빛의 파면들로부터, 상기 피검물의 상기 투과 파면들과 상기 기준 피검물의 상기 투과 파면들의 차분에 해당하는 파면수차의 파장에 관한 변화율을 산출하고, 상기 파면수차의 파장에 관한 상기 변화율에 근거하여, 상기 피검물의 굴절률 분포를 산출하는 산출 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따른 광학소자의 제조방법은, 광학소자를 몰드 성형에 의해 성형하는 단계와, 상기 광학 소자의 굴절률 분포를 계측하여 상기 성형된 광학소자를 평가하는 단계를 포함한다. 광학 소자의 굴절률 분포는, 피검물을 매질 내부에 배치하고, 상기 피검물을 투과한 복수의 파장의 빛의 파면들을 계측하는 계측 단계와, 상기 복수의 파장에서 계측된 상기 피검물의 상기 투과 파면들과, 특정한 군 굴절률 분포를 갖는 기준 피검물이 상기 매질 내부에 배치될 때 상기 복수의 파장에서의 투과 파면들로부터, 상기 피검물의 상기 투과 파면들과 상기 기준 피검물의 상기 투과 파면들의 차분에 해당하는 파면수차의 파장에 관한 변화율을 산출하고, 상기 파면수차의 파장에 관한 상기 변화율에 근거하여, 상기 피검물의 상기 굴절률 분포를 산출하는 산출 단계를 포함하는 계측 방법에 의해 계측된다.
본 발명의 또 다른 일면에 따른 계측장치는, 광원과, 상기 광원으로부터의 빛을 사용해서 복수의 파장에서 피검물의 투과 파면들을 계측하도록 구성된 파면 센서와, 상기 복수의 파장에서 계측된 상기 피검물의 상기 투과 파면들과, 특정한 군 굴절률 분포를 갖는 기준 피검물이 매질 내부에 배치되어 있을 때 상기 복수의 파장에서의 투과 파면들로부터, 상기 피검물의 상기 투과 파면들과 상기 기준 피검물의 상기 투과 파면들의 차분에 해당하는 파면수차의 파장에 관한 변화율을 산출하고, 상기 파면수차의 파장에 관한 상기 변화율에 근거하여, 상기 피검물의 굴절률 분포를 산출하도록 구성된 컴퓨터를 구비한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따른 굴절률 분포 계측방법은, 액체 매질 내부에 담긴 피검물을 투과한 복수의 파장의 빛의 파면들을 계측하는 단계와, 상기 복수의 파장에서 계측된 상기 피검물의 상기 투과 파면들과, 상기 액체 매질에 담긴 특정한 군 굴절률 분포를 갖는 기준 피검물을 투과한 상기 복수의 파장의 빛의 파면들로부터, 상기 피검물의 상기 투과 파면들과 상기 기준 피검물의 상기 투과 파면들의 차분에 해당하는 파면수차의 변화율을 산출하고, 상기 파면수차의 상기 산출된 변화율에 근거하여, 상기 피검물의 굴절률 분포를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징 및 국면은 첨부된 도면을 참조하여 주어지는 이하의 실시형태의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 실시예 1에 따른 계측장치의 블록도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 피검물의 굴절률 분포의 산출 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 3a 및 도 3b는 제 1 실시예에 따른 피검물 위에 정의된 좌표계와 계측장치 내에서의 광선의 광로를 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 2에 따른 계측장치의 블록도이다.
도 5는 광학소자의 제조 공정을 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
실시예 1
도 1은, 본 발명의 실시예 1에 따른 계측장치의 블록도다. 계측장치는, 광원(10), 조명 광학계, 피검물(60)과 매질(70)을 수용가능한 용기(50), 파면 센서(80) 및 컴퓨터(90)를 갖는다. 계측장치는 피검물(60)의 굴절률 분포를 계측한다(하도록 구성된다). 조명 광학계는, 핀홀(30) 및 콜리메이터 렌즈(40, 41)로 구성된다. 본 실시예에서는, 파면 센서(80)로서 샤크 하트만 센서를 사용하고 있다. 본 실시예에 있어서의 피검물은 음의 파워를 갖는 렌즈이지만, 양의 파워를 갖는 렌즈이거나 평판이어도 된다.
실시예 1에서, 광원(10)은 복수의 파장의 빛을 출사하는 광원(예를 들면, 수퍼컨티넘(supercontinuum) 광원)이다. 복수의 파장의 빛은, 분광기(20)를 통해 유사 단색광으로 변환된다. 유사 단색광은, 핀홀(30)을 통해 발산파로 변환된다. 발산파는, 콜리메이터 렌즈(40, 41)를 거쳐 수속 광으로 변환되고, 용기(50)에 입사한다. 수속 광은, 용기(50) 내부의 매질(70)과 피검물(60)을 투과한 후, 대략 평행 광으로 변환되어, 파면 센서(80)에서 검출된다.
용기(50)의 측면은, 빛을 투과하는 재질(예를 들면, 글래스)로 구성되어 있다. 용기(50) 내부의 매질(70)은 오일 등의 액체다. 매질(70)은 액체에 한정되지 않고, 기체나 고체이어도 된다. 매질(70)이 공기인 경우, 용기(50)는 없어도 된다.
매질(70)의 굴절률은, 매질 굴절률 산출기(미도시)에 의해 산출된다. 매질 굴절률 산출기는, 예를 들면, 매질의 온도를 계측하는 온도계와, 계측한 온도를 매질의 굴절률로 환산하는 컴퓨터로 구성되어 있다. 더욱 구체적으로는, 컴퓨터는, 파장과 온도의 함수로써 매질(70)의 굴절률을 기억하는 메모리를 구비할 수 있다. 이에 따라, 컴퓨터는, 온도센서에 의해 계측된 매질(70)의 온도에 근거하여, 계측된 온도에 있어서의 매질(70)의 굴절률을 각각의 파장에 따라 산출할 수 있다. 매질(70)의 온도변화가 작은 경우에는, 파장 및 온도에 대한 굴절률의 데이터를 나타내는 룩업 테이블을 사용해도 된다. 이와 달리, 매질 굴절률 산출기는, 굴절률 및 형상이 기지이고 매질에 담긴 글래스 프리즘의 투과 파면을 계측하는 파면 센서와, 투과 파면과 형상으로부터 매질의 굴절률을 산출하는 컴퓨터로 구성되어도 된다. 매질 굴절률 산출기는, 위상 굴절률을 계측하거나, 군 굴절률을 계측해도 된다.
굴절률은, 빛의 등위상면의 이동 속도인 위상속도 v(λ)에 관한 위상 굴절률 n(λ)과, 빛의 에너지의 이동 속도(파속의 이동 속도) vg(λ)에 관한 군 굴절률 ng(λ)로 분류된다. 위상 굴절률과 군 굴절률은 후술하는 수식 2에 의해 관련된다.
컴퓨터(90)는, 파면 센서(80)의 계측결과와 매질(70)의 굴절률로부터 피검물(60)의 굴절률 분포를 산출하는 산출장치로서 기능한다. 또한, 컴퓨터(90)는, 분광기(20)를 투과하는 빛의 파장을 제어하는 제어장치(제어기)로서도 기능한다. 컴퓨터(90)는, 예를 들어, 도 2에 나타낸 것과 같은, 프로그래밍된 프로세스들(알고리즘)을 실행하는 CPU로 구성된다.
도 2는, 피검물(60)의 굴절률 분포를 산출하는 산출 절차를 나타낸 흐름도이다. 도 2에서, "S"는, 스텝의 약자이다.
우선, 피검물(60)이 매질(70) 내부에 배치된다(S10). 다음에, 분광기(20)를 사용하여 빛의 파장을 변화하면서, 복수의 파장에 있어서의 피검물을 투과한 빛의 파면들이 계측된다(S20). 도 3a에 도시되는 피검물(60) 내부의 점 (x,y)에 있어서의 피검물의 투과 파면 Wm(λ)은 수학식 1로 표시된다.
Figure pat00001
이때, La(x,y), Lb(x,y), Lc(x,y), Ld(x,y)은, 도 3b에 도시되는 광선에 따른 각 구성요소간의 기하학적 거리를 표시한다. 도 3b의 광선은, 도 3a에 나타낸 피검물(60)의 내부에 있는 점 (x,y)을 통과하는 광선을 가리킨다. L(x,y)은, 피검물(60) 내에 있어서의 광선의 광로의 기하학적 거리, 즉 광선방향의 피검물의 두께를 표시한다. 더구나, nmedium(λ)은 매질(70)의 파장 λ에 있어서의 위상 굴절률을 표시하고, n(λ,x,y)은 피검물(60)의 파장 λ에 있어서의 위상 굴절률을 표시한다. 여기에서는 간략을 위해, 용기(50)의 측면의 두께는 무시하고 있다.
그리고, 특정한 군 굴절률 분포를 갖는 기준 피검물의 투과 파면 Wsim(λ)이 복수의 파장에 있어서 산출된다(S30). 이 단계(S30)에서는, 피검물(60)과 동일형상과 균일한 군 굴절률 분포를 갖는 피검물(기준 피검물)을 가정하고, S20에 있어서의 투과 파면 Wm(λ)의 계측시에 있어서의 피검물(60)의 위치와 같은 위치에 기준 피검물이 배치되어 있는 상태에서, S20과 같은 파장에 있어서 기준 피검물의 투과 파면을 계산한다.
기준 피검물의 군 굴절률은, 피검물(60)의 특정한 점 (x,y)에 있어서의 군 굴절률 ng(λ,x,y)와 일치할 필요가 있다. 특정한 점 (x,y)에 있어서의 군 굴절률 ng(λ,x,y)는, 도 3b의 광선방향으로 피검물 내부의 군 굴절률을 평균하여 얻어진 군 굴절률에 해당한다. 특정한 점 (x,y)에 있어서의 군 굴절률 ng(λ,x,y)은, 다른 계측방법(예를 들면, 저코히런스 간섭법이나 파장주사 간섭법을 사용한 굴절률 계측방법)에 의해 계측될 필요가 있다. 군 굴절률 계측을 행하는 점 (x,y)은 임의의 점이어도 된다. 점 (0,0)에 있어서의 군 굴절률 ng(λ,0,0)의 계측(즉, 광축 위의 군 굴절률의 계측)이 비교적 간단하다. 본 실시예에서는, 기준 피검물이 파장 λ에 있어서 균일한 군 굴절률 ng(λ,0,0)을 갖고 있는 것으로 가정한다.
기준 피검물의 투과 파면 Wsim(λ)의 산출에는, 군 굴절률 ng(λ,0,0)가 필요하지 않고 위상 굴절률 n(λ,0,0)이 필요하다. 위상 굴절률 n(λ,0,0)은, 수학식 2의 관계에 근거하여 그룹 굴절률 ng(λ,0,0)로부터 얻어질 필요가 있다.
Figure pat00002
이때, C은 적분상수을 표시하고, λ0은 임의의 파장상수를 표시한다. 위상 굴절률을 군 굴절률로 변환하는 1가지 방법이 있지만, 군 굴절률을 위상 굴절률로 변환하는 것은 적분상수 C의 영향하에서 무한대로 존재한다. 따라서, 기준 피검물의 위상 굴절률은, 예를 들면, 수학식 3에 따라, 피검물의 모재의 위상 굴절률 N(λ)을 이용해서 산출할 수 있다.
Figure pat00003
피검물의 위상 굴절률 n(λ,0,0)가 모재의 위상 굴절률 n(λ)은 다르기 때문에, 수학식 3에서 얻어지는 위상 굴절률은 오차 Δn(λ)을 포함한다. 그러나, 본 발명에서는, 군 굴절률 ng(λ,0,0)의 값이 중요하며, 위상 굴절률은 오차를 포함하여도 된다. 군 굴절률을 위상 굴절률로 변환하는 방법은, 수학식 3에 한정되지 않고, 다른 변환 방법이어도 된다. 단, 변환후의 위상 굴절률로부터 군 굴절률로 다시 역변환한 값이, 군 굴절률의 계측값 ng(λ,0,0)과 일치할 필요가 있다. 매질 굴절률 산출기가 매질(70)의 군 굴절률 ng medium(λ)을 산출하는 경우에, 마찬가지로, 군 굴절률 ng medium(λ)를 위상 굴절률 nmedium(λ)로 변환할 필요가 있다.
수학식 3에서 얻어진 위상 굴절률을 사용하여, 복수의 파장에 있어서의 기준 피검물의 투과 파면이 계산된다. 투과 파면 Wsim(λ)은 수학식 4과 같이 표시된다.
Figure pat00004
그후, 피검물의 투과 파면들 Wm(λ)과 기준 피검물의 투과 파면들 Wsim(λ)의 차분에 해당하는 파면수차가 산출된다(S40). 파면수차 W(λ)은 수학식 5와 같이 나타낸다.
Figure pat00005
만약, 위상 굴절률 n(λ,0,0)이 고정밀도로 계측되어 있으면(즉, Δn(λ)=0이면), 수학식 5의 파면 W(λ)을 2π/λ과 두께 L(x,y)로 나눔으로써 피검물(60)의 굴절률 분포 n(λ,x,y)-n(λ,0,0)이 산출된다. 그러나, 피검물의 위상 굴절률 n(λ,0,0)을 비파괴로 고정밀도로 계측하는 것은 어렵다. 수학식 5로부터 직접 굴절률 분포 n(λ,x,y)-n(λ,0,0)을 산출하는 방법은, 위상 굴절률 계측 오차 Δn(λ)에 유래하는 굴절률 분포 오차 Δn(λ)/L(x,y)을 포함하기 때문에, 높은 정밀도를 갖지 않는다.
다음에, 파면수차의 파장에 관한 변화율을 산출한다(S50). 파면수차 W(λ)의 파장에 관한 변화율 dW(λ)/dλ은 수학식 2 및 3을 사용하면 수학식 6과 같이 나타낸다.
Figure pat00006
최후에, 파면수차의 파장에 관한 변화율로부터 피검물의 굴절률 분포가 산출된다(S60). 피검물의 굴절률 분포는, 수학식 7의 근사를 사용하여, 수학식 8로 나타낸다.
Figure pat00007
Figure pat00008
파면수차의 파장에 관한 변화율은 군 굴절률의 함수다. 파면수차의 파장에 관한 변화율을 사용한 해석은 비파괴로 계측가능한 군 굴절률 ng(λ,0,0)을 직접 사용하기 때문에, 위상 굴절률 계측 오차 Δn(λ)에 유래하는 오차를 포함하지 않는다. 그 때문에, 본 발명에 따른 굴절률 분포의 계측방법은 피검물의 굴절률 분포를 비파괴로 또한 고정밀도로 계측할 수 있다.
일반적으로, 몰드 성형에 의해 제작된 렌즈에서는, 굴절률의 분산 분포가 발생하기 어렵다. 따라서, 수학식 7의 근사가 성립한다. 한편, 색수차를 저감하기 위해서 고의로 분산 분포를 발생시킨 렌즈에서는, 수학식 7의 근사가 성립되지 않는다. 본 발명에 따른 분산 분포 렌즈의 계측은, 오차가 혼입하기 때문에, 주의가 필요하다.
실시예 1에서는, 피검물(60)과 기준 피검물이 동일형상을 갖는다고 가정하고 있다. 피검물(60)의 형상과 기준 피검물의 형상이 다르면, 얻어지는 굴절률 분포는 오차를 포함한다. 그 때문에, 미리 계측한 피검물(60)의 형상이 기준 피검물의 형상에 적용될 수 있다. 이와 달리, 피검물(60)의 설계값으로부터의 형상오차가 제거되면 기준 피검물의 형상으로서 설계값이 적용될 수 있다. 형상오차 ΔL(x,y)은, 예를 들면, 이하의 방법으로 제거할 수 있다.
피검물이 설계값으로부터의 형상오차 ΔL(x,y)을 가질 경우, 피검물의 투과 파면 Wm(λ)은 수학식 9로 나타낸다. 파면수차 W(λ) 및 파면수차의 파장에 관한 변화율 dW(λ)/dλ은, 수학식 10의 근사를 사용해서 수학식 11과 같이 나타낸다.
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
일반적으로, 피검물(60)의 굴절률의 파장 의존성은 매질(70)의 굴절률의 파장 의존성과 다르다. 그 때문에, 파장 λ1에 있어서의 파면수차의 파장에 관한 변화율 dW(λ1)/dλ과 파장 λ2에 있어서의 파면수차의 파장에 관한 변화율 dW(λ2)/dλ의 연립방정식으로부터, 형상오차(형상성분) ΔL(x,y)을 제거할 수 있다. 파장 λ1에 있어서의 굴절률 분포와 파장 λ2에 있어서의 굴절률 분포는 수학식 12의 근사식을 사용해서 수학식 13과 같이 나타낸다. dW(λ1)/dλ, dW(λ2)/dλ, 수학식 7과 수학식 13을 사용하여, 파장 λ1에 있어서의 굴절률 분포는 수학식 14에 따라 산출된다.
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
파장 λ1과 파장 λ2의 차이가 작을 때, 수학식 14의 분모가 작아지기 때문에, 얻어지는 굴절률 분포의 정밀도는 낮아진다. 수학식 14에 의해 얻어지는 굴절률 분포의 정밀도를 향상시키기 위해서는, 파장 λ1과 파장 λ2의 차이를 크게 할 필요가 있다. 예를 들면, 파장 λ1의 빛으로서 적색의 빛(620 내지 750nm)을 선택하고, 파장 λ2의 빛으로서 청색의 빛(450 내지 500nm)이 선택한다. 파장 차이를 크게 하는 것만 필요하므로, 자외선이나 적외선이 선택되어도 된다.
실시예 1에서는, 피검물의 투과 파면 Wm(λ)과 기준 피검물의 투과 파면 Wsim(λ)의 차분에 해당하는 파면수차 W(λ)을 산출한 후에, 파면수차의 파장에 관한 변화율 dW(λ)/dλ을 산출한다. 이와 달리, 피검물의 투과 파면의 파장에 관한 변화율 dWm(λ)/dλ과 기준 피검물의 투과 파면의 파장에 관한 변화율 dWsim(λ)/dλ이 산출된 후에, 상기한 변화율 사이의 차분에 해당하는 파면수차의 파장에 관한 변화율 dW(λ)/dλ이 산출되어도 된다.
실시예 1에서는, 복수의 파장을 갖는 빛을 출사하는 광원과 분광기의 조합으로 파장을 주사하였다. 실시예 1에서는, 복수의 파장을 갖는 빛을 출사하는 광원으로서 수퍼컨티넘 광원을 사용하고 있다. 이와 달리, 수퍼루미네센스 다이오드(SLD), 단펄스 레이저 또는 할로겐 램프가 복수의 파장을 갖는 빛을 출사하는 광원으로서 사용할 수 있다. 복수의 파장을 갖는 빛을 출사하는 광원과 분광기의 조합 대신에, 파장 소인 광원을 사용하거나, 복수의 파장을 갖는 빛을 이산적으로 출사하는 멀티라인 레이저를 사용해도 된다. 광원은, 단일의 광원에 한정되지 않고, 복수의 광원을 조합해도 된다. 본 발명에서는 파면수차의 파장에 관한 변화율을 계측하는 것만 필요하므로, 2종류 이상의 파장을 갖는 빛을 출사하는 광원이면 충분할 수 있다.
실시예 1에서는, 파면 센서(80)로서 샤크 하트만 센서를 사용하고 있다. 파면 센서(80)는 큰 수차를 갖는 투과 파면을 계측할 수 있으면 된다. 이와 달리, 파면 센서(80)는, 하트만법을 사용하는 파면 센서나, 탈보(Talbot)간섭계와 같은 시어링(shearing)간섭법을 사용하는 파면 센서를 대용할 수 있다.
광로 길이 분포(=굴절률 분포×L(x,y))는, 몰드 렌즈의 광학성능을 나타내는 물리량으로서, 굴절률 분포로 대용이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 굴절률 분포의 계측방법(계측장치)은, 광로 길이 분포의 계측방법(계측장치)도 의미한다.
실시예 2
도 4는, 실시예 2에 따른 계측장치의 블록도다. 실시예 2에서는, 광원(11)은 복수의 파장에서 이산적으로 발광하는 멀티라인 가스 레이저(예를 들면, 아르곤 레이저나 크립톤 레이저)이다. 실시예 2에서는, 파면 센서로서, 2차원 회절격자(81)와, CCD나 CMOS 등의 2차원 센서(82)로 구성되는 탈보간섭계를 사용하고 있다. 피검물은 양의 파워를 갖는 렌즈다. 실시예 2에서는, 형상오차를 갖는 피검물을 2종류의 매질에 담그고, 이 매질의 투과 파면들을 사용해서 형상오차를 제거해서, 굴절률 분포를 산출한다. 실시예 1에서는, 파면을, 파수와 광로 길이 분포의 곱(=(2π/λ)×굴절률 분포×L(x,y))로 정의하였다. 한편, 실시예 2에서는, 파면을, 광로 길이 분포(=굴절률 분포×L(x,y))로 정의하고 있다. 실시예 2의 조명 광학계는, 핀홀(30)만을 포함한다. 실시예 1에서 사용된 것과 유사한 구성은 동일한 부호를 붙여 설명한다.
광원(11)으로부터 출사된 빛은, 핀홀(30)을 통과해서 발산 광으로 변환된 후, 피검물(60)과 매질을 수납하는 용기에 입사한다. 용기에 입사한 빛은, 매질과 피검물(60)을 통과한 후, 수속 광으로 변환된다. 수속 광은, 회절격자(81)와 2차원 센서(82)로 구성되는 탈보간섭계에 의해 계측된다. 광원(11)에 의해 출사된 빛의 파장은 파장 제어장치로서 기능하도록 구성(프로그래밍)될 수 있는 컴퓨터(90)에 의해 제어된다. 제1 매질(70)(예를 들면, 물)을 수용하는 용기 50과 제2 매질(71)(예를 들면, 오일)을 수용하는 용기 51은 교환이 가능하다. 제1 매질(70)의 굴절률(제1 굴절률)과 제2 매질(71)의 굴절률(제2 굴절률)은 다르다.
우선, 피검물(60)이 제1 매질(70) 내부에 배치된다. 다음에, 피검물(60)의 제1 투과 파면 Wm1(λ), Wm1(λ+Δλ)이 2종류의 파장(복수의 파장) λ, λ+Δλ에 있어서 계측된다. 복수의 파장에 있어서의 피검물(60)의 제1 투과 파면은, 수학식 15로 나타낸다.
Figure pat00015
이때, La1(x,y), Lb1(x,y), Lc1(x,y), Ld1(x,y)은, 제1 매질(70)에 있어서의, 도 3b에 표시되는 광선을 따른 각 구성요소간의 기하학적 거리를 표시한다. L1(x,y)은, 제1 매질(70) 내부의 피검물(60) 내에 있어서의 광선방향의 피검물(60)의 두께를 표시하고, n1 medium(λ)은 제1 매질(70)의 파장 λ에 있어서의 위상 굴절률을 표시한다. 실시예 2에서는, 파면을 광로 길이 분포로서 정의하고 있기 때문에, 실시예 2의 파면은 수학식 1의 2π/λ을 포함하지 않는다.
다음에, 제1 매질 중에 있어서의 기준 피검물의 투과 파면 Wsim1(λ), Wsim1(λ+Δλ)이 산출된다. 그리고, 제1 매질(70) 내부에 있어서의 제1 파면수차 W1(λ), W1(λ+Δλ)이 산출된다. 제1 매질(70) 중에 있어서의 기준 피검물의 투과 파면은 수학식 16으로 나타낸다. 제1 파면수차는, 수학식 10의 근사를 사용해서 수학식 17로 나타낸다.
Figure pat00016
Figure pat00017
제1 파면수차의 파장에 관한 변화율 ΔW1(λ)/Δλ이 산출되고, 군 굴절률의 함수인 Wg1(λ)이 수학식 18과 같이 산출된다. 더구나, ng1 amedium(λ)은 제1 매질(70)의 파장 λ에 있어서의 군 굴절률을 표시한다.
Figure pat00018
다음에, 피검물을 수용하는 용기가, 제1 매질(70)을 포함하는 용기(50)로부터, 제2 매질(71)을 포함하는 용기(51)에 교환되고, 피검물(60)이 제2 매질(71) 내부에 배치된다. 다음에, 피검물의 제2 투과 파면 Wm2(λ), Wm2(λ+Δλ)이 2종류의 파장 λ, λ+Δλ에 있어서 계측된다. 그리고, 제2 매질(71) 중에 있어서의 기준 피검물의 투과 파면 Wsim2(λ), Wsim2(λ+Δλ)이 산출된다. 그리고, 제2 매질(71) 내부에 있어서의 제2 파면수차 W2(λ), W2(λ+Δλ)이 산출된다. 제2 파면수차의 파장에 관한 변화율 ΔW2(λ)/Δλ이 산출되고, 군 굴절률의 함수인 Wg2(λ)이 수학식 19에 따라 산출된다.
Figure pat00019
이때, L2(x,y)은, 제2 매질(71) 내부의 피검물(60) 내에 있어서의 광선방향의 피검물의 두께를 표시하고, ng2 medium(λ)은 제2 매질(71)의 파장 λ에 있어서의 군 굴절률을 표시한다. 제1 굴절률과 제2 굴절률이 다르기 때문에, 제1 매질 내부에 있어서의 피검물(60) 내의 광로와 제2 매질 내부에 있어서의 피검물(60) 내의 광로도 다르다. 즉, L1(x,y)와 L2(x,y)은 다르다. 한편, 제1 매질 내부에 있어서의 형상오차와 제2 매질 내부에 있어서의 형상오차의 광로에 의한 차이는 무시할 수 있을 만큼 작기 때문에, 실시예 2의 제 1 및 제2 매질 내부에서 동일한 형상오차 ΔL(x,y)을 사용하고 있다.
최후에, 제1 매질 내부에 있어서의 파면수차의 파장에 관한 변화율로부터 산출된 Wg1(λ)과 제2 매질 내부에 있어서의 파면수차의 파장에 관한 변화율로부터 산출된 Wg2(λ)로부터, 형상오차(형상성분)를 제거하여, 수학식 20에 따라 굴절률 분포가 산출된다. 수학식 20의 산출에는 수학식 7도 사용되고 있다.
Figure pat00020
이때, Leff(x,y)은, 제1 매질 내부에 있어서의 피검물의 두께 L1(x,y)과 제2 매질 내부에 있어서의 피검물의 두께 L1(x,y)로부터 얻어지는 실효적인 피검물의 두께를 표시한다. L1(x,y)과 L2(x,y)가 같을 때, Leff(x,y)은 L1(x,y) 및 L2(x,y)과 같아진다.
실시예 2에서는, 제1 매질과 제2 매질을 용기와 함께 교환하였다. 이와 달리, 용기를 고정하면서 매질만 교환되어도 된다. 제1 매질이 공기, 제2 매질이 물일 때, 매질의 교환은 물의 주입 작업만이다. 매질을 교환하는 것 대신에, 매질의 온도의 변화에 의한 굴절률의 변화가 이용되어도 된다. 이에 따르면, 제1 매질의 온도를 간단히 변화시킴으로써, 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖는 제2 매질이 생성된다.
실시예 2에서는, 파면수차의 파장에 관한 변화율로부터 파장 λ에 있어서의 군 굴절률의 함수 Wg(λ)을 산출한다. 파장 λ에 있어서의 값 대신에, 파장 λ과 파장 λ+Δλ의 평균의 파장 λ+Δλ/2에 있어서의 값 Wg(λ+Δλ/2)이 산출되어도 된다. 값 Wg(λ+Δλ/2)은 수학식 21에 따라 산출된다. 이때, 제1 매질 및 제2 매질을 나타내는 첨자 1, 2는 생략되어 있다.
Figure pat00021
도 5는, 몰드 성형을 이용한 광학소자의 제조 공정을 나타내고 있다. 광학소자는, 광학소자의 설계 공정(S50), 금형의 설계 공정(S52) 및 이 금형을 사용한 광학소자의 몰드 성형공정(S54)을 거쳐 제조된다. 금형을 사용하여 광학소자를 성형하는 공정은, 예를 들어, 주입 성형을 포함한다. 성형된 광학소자의 형상정밀도가 평가된다(S56). 정밀도가 불충분하면(S56: NOT OK), 금형 파라미터를 보정하고(S57), 금형 설계(S52) 및 광학소자 성형(S54)을 반복하여 다시 행한다. 형상정밀도가 충분하면(S56: OK), 광학소자의 광학성능이 평가된다(S58). S58에서의 광학성능의 평가 공정에 본 발명의 계측장치를 사용할 수 있다. 평가된 광학성능이 요구하는 사양을 만족하지 않은 경우에는(S58: NOT OK), 광학소자의 광학면의 보정량이 산출되고(S59), 그 산출 결과에 근거하여 다시 광학소자가 설계된다(S50). 광학 성능이 요구된 사양을 만족하는 경우에는(S58: OK), 광학소자가 양산된다(S60).
본 실시예에 따른 광학소자의 제조방법에 의해 광학소자의 굴절률 분포가 고정밀도로 계측되므로, 몰드 성형을 사용해서 광학소자의 양산이 정밀하게 행해질 수 있다.
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 (8)

  1. 피검물을 매질 내부에 배치하고, 상기 피검물을 투과한 복수의 파장의 빛의 파면들을 계측하는 계측 단계와,
    상기 복수의 파장에서 계측된 상기 피검물의 상기 투과 파면들과, 상기 매질 내부에 배치된 특정한 군 굴절률 분포를 갖는 기준 피검물을 투과한 상기 복수의 파장의 빛의 파면들로부터, 상기 피검물의 상기 투과 파면들과 상기 기준 피검물의 상기 투과 파면들의 차분에 해당하는 파면수차의 파장에 관한 변화율을 산출하고, 상기 파면수차의 파장에 관한 상기 변화율에 근거하여, 상기 피검물의 굴절률 분포를 산출하는 산출 단계를 포함하는 계측방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 파장에 있어서의 상기 파면수차의 파장에 관한 상기 변화율에 근거하여, 상기 피검물의 형상성분을 제거해서 상기 피검물의 상기 굴절률 분포를 산출하는 계측방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 계측 단계에 있어서, 제1 굴절률을 갖는 제1 매질 내부의 제1 투과 파면들과, 상기 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률을 갖는 제2 매질 내부의 제2 투과 파면들을 상기 복수의 파장에서 계측하고,
    상기 산출 단계에 있어서, 상기 제1 투과 파면들의 계측결과들과, 상기 기준 피검물이 상기 제1 매질 내부에 배치되어 있을 때의 투과 파면들의 차분에 해당하는 제1 파면수차를 상기 복수의 파장에서 산출하고, 상기 제2 투과 파면의 계측결과들과, 상기 기준 피검물이 상기 제2 매질 내부에 배치되어 있을 때의 투과 파면들의 차분에 해당하는 제2 파면수차를 상기 복수의 파장에서 산출하고, 상기 복수의 파장에서 산출된 상기 제1 파면수차로부터 상기 제1 파면수차의 파장에 관한 변화율을 산출하고, 상기 복수의 파장에서 산출된 상기 제2 파면수차로부터 상기 제2 파면수차의 파장에 관한 변화율을 산출하고, 상기 제1 파면수차의 파장에 관한 상기 변화율과 상기 제2 파면수차 파장에 관한 상기 변화율에 근거하여, 상기 피검물의 형상성분을 제거해서 상기 피검물의 상기 굴절률 분포를 산출하는 계측방법.
  4. 광학소자를 몰드 성형에 의해 성형하는 단계와,
    상기 광학 소자의 굴절률 분포를 계측하여 상기 성형된 광학소자를 평가하는 단계를 포함하고,
    상기 광학 소자의 상기 굴절률 분포는,
    피검물을 매질 내부에 배치하고, 상기 피검물을 투과한 복수의 파장의 빛의 파면들을 계측하는 계측 단계와,
    상기 복수의 파장에서 계측된 상기 피검물의 상기 투과 파면들과, 특정한 군 굴절률 분포를 갖는 기준 피검물이 상기 매질 내부에 배치될 때 상기 복수의 파장에서의 투과 파면들로부터, 상기 피검물의 상기 투과 파면들과 상기 기준 피검물의 상기 투과 파면들의 차분에 해당하는 파면수차의 파장에 관한 변화율을 산출하고, 상기 파면수차의 파장에 관한 상기 변화율에 근거하여, 상기 피검물의 상기 굴절률 분포를 산출하는 산출 단계를 포함하는 계측 방법에 의해 계측되는 광학소자의 제조방법.
  5. 광원과,
    상기 광원으로부터의 빛을 사용해서 복수의 파장에서 피검물의 투과 파면들을 계측하도록 구성된 파면 센서와,
    상기 복수의 파장에서 계측된 상기 피검물의 상기 투과 파면들과, 특정한 군 굴절률 분포를 갖는 기준 피검물이 매질 내부에 배치되어 있을 때 상기 복수의 파장에서의 투과 파면들로부터, 상기 피검물의 상기 투과 파면들과 상기 기준 피검물의 상기 투과 파면들의 차분에 해당하는 파면수차의 파장에 관한 변화율을 산출하고, 상기 파면수차의 파장에 관한 상기 변화율에 근거하여, 상기 피검물의 굴절률 분포를 산출하도록 구성된 컴퓨터를 구비한 계측장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 컴퓨터는, 상기 복수의 파장에 있어서의 상기 파면수차의 파장에 관한 상기 변화율에 근거하여 상기 피검물의 형상성분을 제거해서 상기 피검물의 상기 굴절률 분포를 산출하는 계측장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 파면 센서는, 제1 굴절률을 갖는 제1 매질 내부에 있어서의 제1 투과 파면들과, 상기 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률을 갖는 제2 매질 내부에 있어서의 제2 투과 파면들을 복수의 파장에서 계측하고,
    상기 컴퓨터는, 상기 제1 투과 파면들의 계측결과들과, 상기 기준 피검물이 상기 제1 매질 내부에 배치되어 있을 때의 투과 파면들의 차분에 해당하는 제1 파면수차를 상기 복수의 파장에서 산출하고, 상기 제2 투과 파면의 계측결과들과, 상기 기준 피검물이 상기 제2 매질 내부에 배치되어 있을 때의 투과 파면들의 차분에 해당하는 제2 파면수차를 상기 복수의 파장에서 산출하고, 상기 복수의 파장에서 산출된 상기 제1 파면수차로부터 상기 제1 파면수차의 파장에 관한 변화율을 산출하고, 상기 복수의 파장에서 산출된 상기 제2 파면수차로부터 상기 제2 파면수차의 파장에 관한 변화율을 산출하고, 상기 제1 파면수차의 파장에 관한 상기 변화율과 상기 제2 파면수차 파장에 관한 상기 변화율에 근거하여, 상기 피검물의 형상성분을 제거해서 상기 피검물의 상기 굴절률 분포를 산출하는 계측장치.
  8. 액체 매질 내부에 담긴 피검물을 투과한 복수의 파장의 빛의 파면들을 계측하는 단계와,
    상기 복수의 파장에서 계측된 상기 피검물의 상기 투과 파면들과, 상기 액체 매질에 담긴 특정한 군 굴절률 분포를 갖는 기준 피검물을 투과한 상기 복수의 파장의 빛의 파면들로부터, 상기 피검물의 상기 투과 파면들과 상기 기준 피검물의 상기 투과 파면들의 차분에 해당하는 파면수차의 변화율을 산출하고,
    상기 파면수차의 상기 산출된 변화율에 근거하여, 상기 피검물의 굴절률 분포를 산출하는 단계를 포함하는 굴절률 분포 계측방법.
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