KR20160145496A - 굴절률의 계측방법, 계측장치와, 광학소자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

피검물의 위상 굴절률을 고정밀도로 계측한다. 광원으로부터의 빛을 참조 광 빔과 피검 광 빔으로 분할하고, 피검물을 투과한 피검 광 빔과 참조 광 빔 사이에 간섭을 일으킴으로써, 참조 광 빔과 피검 광 빔 사이의 위상차를 계측한다. 기준 피검물의 위상 굴절률의 파장에 관한 기울기에 근거하여, 위상차에 포함된 2π의 정수배에 대응하는 값을 산출하여, 피검물의 위상 굴절률을 산출한다.

Description

굴절률의 계측방법, 계측장치와, 광학소자의 제조방법{REFRACTIVE INDEX MEASUREMENT METHOD, MEASUREMENT APPARATUS, AND OPTICAL ELEMENT MANUFACTURING METHOD}
본 발명은, 굴절률의 계측방법 및 장치에 관한 것이다.
몰드 렌즈의 위상 굴절률은 성형조건에 따라 변화된다. 성형후의 렌즈의 위상 굴절률은, 일반적으로, 렌즈를 프리즘 형상으로 가공한 후, 최소편각법이나 V 블록법으로 계측된다. 이 가공 작업은 비용이 많이 들고 시간을 소모한다. 더구나, 성형후의 렌즈의 위상 굴절률은 가공시의 응력 해방에 의해 변화된다. 따라서, 성형후의 렌즈의 위상 굴절률을 비파괴로 계측하는 기술이 필요하다.
미국 특허 5151752는, 몰드 렌즈의 굴절률을 계측하기 위한 다음과 같은 방법을 기술한다. 먼저, 위상 굴절률 및 형상이 미지의 피검물과 위상 굴절률 및 형상이 기지의 글래스 시료를 2종류의 위상 굴절률을 갖는 매칭액에 담근 후, 피검물과 글래스 시료를 투과한 코히런트 광을 사용해서 간섭무늬를 발생한다. 글래스 시료의 간섭무늬로부터 매칭액(오일)의 위상 굴절률을 결정하고, 오일의 위상 굴절률을 사용해서 피검물의 위상 굴절률을 산출한다. 더구나, 비특허문헌(H.Delbarre, C.Przygodzki, M.Tassou, D.Boucher, "High-precision index measurement in anisotropic crystals using white-light spectral interferometry." Applied Physics B, 2000, vol. 70, p.45-51)은 다음과 같은 방법을 기술한다. 참조 광 빔과 피검 광 빔 사이의 간섭 신호를 파장의 함수로서 계측하고, 간섭 신호를 피팅함으로써 위상 굴절률을 산출한다.
미국 특허 5151752에 개시된 방법에서는, 위상 굴절률이 높은 매칭 오일은 낮은 투과율을 갖는다. 따라서, 높은 위상 굴절률을 갖는 피검물의 투과 파면 계측에서는 작은 신호밖에 얻을 수 없으므로, 계측 정밀도가 저하한다. 상기한 비특허문헌에 개시된 방법에서는, 2π의 정수배의 위상이 미지수이므로, 피팅 정밀도가 낮아진다.
본 발명의 실시예들은, 피검물의 위상 굴절률을 고정밀도로 계측하는데 유용한 계측방법 및 계측장치를 제공한다. 또한, 일 실시예는 광학소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일면에 따르면, 굴절률 계측방법은, 광원으로부터의 빛을 참조 광 빔과 피검 광 빔으로 분할하고, 피검물을 투과한 상기 피검 광 빔과 상기 참조 광 빔 사이에 간섭을 일으킴으로써, 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 위상차를 복수의 파장에서 계측하는 단계와, 기준 피검물의 기지의 위상 굴절률의 파장에 관한 기울기에 근거하여, 상기 위상차에 포함된 2π의 정수배에 대응하는 값을 산출하여, 상기 피검물의 위상 굴절률을 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 광학소자의 제조방법은, 광학소자를 몰드 성형하는 단계와, 상기한 계측방법을 사용해서 상기 광학소자의 굴절률을 계측함으로써, 몰드 성형된 광학소자를 평가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 계측장치는, 광원과, 상기 광원으로부터의 빛을 참조 광 빔과 피검 광 빔으로 분할하고, 피검물을 투과한 상기 피검 광 빔과 상기 참조 광 빔 사이에 간섭을 일으키도록 구성된 간섭 광학계와, 상기 간섭 광학계에 의해 형성된 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 간섭 광을 검출하도록 구성된 검출기와, 상기 간섭 광을 검출한 상기 검출기로부터 얻어지는 간섭 신호에 근거하여, 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 위상차를 산출하도록 구성된 컴퓨터를 구비하고, 상기 컴퓨터는, 기준 피검물의 기지의 위상 굴절률의 파장에 관한 기울기에 근거하여, 상기 위상차에 포함된 2π의 정수배에 대응하는 값을 산출함으로써, 상기 피검물의 위상 굴절률을 산출한다.
본 발명의 또 다른 특징 및 국면은 첨부된 도면을 참조하여 주어지는 이하의 실시형태의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 계측장치의 블록도다(실시예 1).
도 2는 계측장치를 사용하여 피검물의 위상 굴절률을 산출하는 절차를 나타낸 흐름도다(실시예 1).
도 3은 검출기에 의해 얻어지는 간섭 신호를 나타낸 도면이다(실시예 1).
도 4는 계측장치의 블록도다(실시예 2)
도 5는 광학소자의 제조 공정의 설명도다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시예 1에 따른 계측장치의 블록도다. 본 실시예의 계측장치는 마하 젠더 간섭계에 근거하여 구성되어 있다. 계측장치는, 광원(10), 간섭 광학계, 매질(70)과 피검물(80)을 수용가능한 용기(60), 검출기(90) 및 컴퓨터(100)를 갖는다. 계측장치는 피검물(80)의 위상 굴절률을 계측한다.
이때, 2가지 종류의 굴절률이 사용된다. 한가지는 빛의 등위상면의 이동 속도인 위상속도 v(λ)에 관한 위상 굴절률 n(λ)이다. 나머지는 빛의 에너지의 이동 속도(파속의 이동 속도) vg(λ)에 관한 군 굴절률 ng(λ)이다. 위상 굴절률 n(λ)와 군 굴절률 ng(λ) 사이의 관계는 후술하는 수학식 8로 표현된다.
본 실시예에 있어서의 피검물(80)은 음의 파워를 갖는 렌즈이지만, 양의 파워를 갖는 렌즈이어도 되고, 또는 평판 부재이어도 된다. 실시예 1의 광원(10)은, 복수의 파장의 빛을 출사한다(예를 들면, 수퍼컨티넘(supercontinuum) 광원). 간섭 광학계는, 광원(10)으로부터의 빛을, 피검물을 투과하지 않는 빛(참조 광 빔)과 피검물을 투과하는 빛(피검 광 빔)으로 분할한다. 간섭 광학계는, 참조 광 빔과 피검 광 빔을 중첩하여 간섭을 일으켜, 간섭 광을 형성한다. 그후, 간섭 광학계는 간섭 광을 검출기(90)로 도광한다. 간섭 광학계는, 빔 스플리터 20 및 21, 미러 30, 31, 40, 41, 50 및 51을 갖는다.
빔 스플리터 20 및 21은, 예를 들면, 큐브 빔 스플리터로 구성된다. 빔 스플리터 20은, 계면(접합면) 20a에 있어서, 광원(10)으로부터의 빛의 일부를 투과하는 동시에 나머지 빛을 반사한다. 본 실시예에서는, 계면 20a에 의해 투과된 빛이 참조 광 빔이고, 계면 20a에 의해 반사한 빛이 피검 광 빔이다. 빔 스플리터 21은, 계면 21a에서 참조 광 빔을 반사하고, 피검 광 빔을 투과한다. 이 결과, 참조 광 빔과 피검 광 빔이 간섭해서 간섭 광을 형성한다. 그후, 간섭 광은 검출기(90)(예를 들어, 전하 결합 소자(CCD) 또는 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 센서)에 입사한다.
용기(60)는, 매질(70)과 피검물(80)을 수용하고 있다. 용기 내에 있어서의 참조 광 빔의 광로 길이와 피검 광 빔의 광로 길이는, 피검물(80)이 용기 내에 배치되지 않고 있는 상태에서 일치하는 것이 바람직하다. 따라서, 용기(60)의 각 측면(예를 들면, 글래스)은 두께 및 굴절률이 균일하고, 또한, 용기(60)의 양 측면이 평행한 것이 바람직하다.
매질(70)의 위상 굴절률은 매질 굴절률 산출기(미도시)에 의해 산출된다. 매질 굴절률 산출기는, 예를 들면, 매질의 온도를 계측하는 온도계 등의 온도 센서와, 계측한 온도를 매질의 위상 굴절률로 환산하는 컴퓨터로 구성된다. 컴퓨터는, 특정한 온도에 있어서의 파장마다의 굴절률과, 각 파장에 있어서의 굴절률의 온도계수를 기억한 메모리를 구비해도 된다. 이에 따라, 컴퓨터는, 온도 계측장치(예를 들면, 온도계)에 의해 계측된 매질(70)의 온도에 근거하여, 계측된 온도에 있어서의 매질(70)의 굴절률을 파장마다 산출할 수 있다. 매질(70)의 온도변화가 작은 경우에는, 특정한 온도에 있어서의 파장마다의 굴절률을 표시하는 데이터를 나타내는 룩업 테이블을 사용해도 된다. 이와 달리, 매질 굴절률 산출기는 파면 계측 센서와 매칭의 위상 굴절률을 산출하는 컴퓨터를 구비해도 된다. 파면 계측 센서는, 위상 굴절률 및 형상이 기지의 글래스 프리즘을 매질에 담그고 그것의 투과 파면을 계측하기 위해 설치된다. 컴퓨터는, 글래스 프리즘의 투과 파면과 형상으로부터 매질의 위상 굴절률을 산출하기 위해 설치된다.
미러 40 및 41은, 예를 들면, 프리즘형 미러다. 미러 50 및 51은, 예를 들면, 코너 큐브 리플렉터다. 미러 51은, 도 1의 이중 화살표로 표시된 방향으로 이동하는 구동기구를 갖는다. 미러 51의 구동기구는, 예를 들면, (대략 구동을 위해)구동 레인지가 넓은 스테이지와 (미세 구동을 위해) 분해능이 높은 피에조 스테이지로 구성되어 있다. 미러 51의 구동량은, 미도시의 길이 계측기(예를 들면, 레이저 변위계나 인코더)에 의해 계측된다. 컴퓨터(100)는 이산 량으로 미러 51의 구동을 제어한다. 참조 광 빔과 피검 광 빔의 광로 길이 차이는, 미러 51의 구동기구에 의해 조정할 수 있다.
검출기(90)는, 빔 스플리터 21로부터의 간섭 광을 분광하여, 간섭 광강도를 파장(주파수)의 함수로서 검출하는 분광기를 포함하는 부품으로 구성되어 있다.
컴퓨터(100)는, 검출기(90)에 의해 얻어진 검출 결과와 매질의 위상 굴절률로부터 피검물의 위상 굴절률을 산출하는 산출기로서 기능한다. 또한, 컴퓨터(100)는, 미러 51의 구동량을 제어하는 제어기로서 기능한다. 컴퓨터(100)는, 이하에서 상세히 설명하는 프로그래밍 알고리즘을 실행하는 기능을 하는 중앙처리장치(CPU)를 포함하는 전자 부품으로 구성되어 있다.
간섭 광학계는, 피검물(80)이 용기(60) 내에 배치되지 않고 있는 상태에서, 참조 광 빔의 광로 길이와 피검 광 빔의 광로 길이가 같아지도록 조정되어 있다. 조정 방법은 다음과 같다.
도 1의 계측장치에 있어서, 빛이 용기(60)와 매질(70)을 통과하지만 피검물(80)이 피검광로 위에 배치되지 않고 있는 상태에서, 참조 광 빔과 피검 광 빔 사이의 간섭 신호가 취득된다. 이와 같은 처리에서, 참조 광 빔과 피검 광 빔 사이의 위상차 φ0(λ) 및 간섭 강도 Iφ0(λ)은 수학식 1로 나타낸다.
Figure pat00001
수학식 1에서, "λ"은 공기중의 파장을 나타내고, "Δ0"은 참조 광 빔의 광로 길이와 피검 광 빔의 광로 길이의 차이를 나타낸다. 더구나, "I0"은 참조 광 빔의 강도와 피검 광 빔의 강도의 합을 나타내고, "γ"은 가시도를 나타낸다. 수학식 1에 따르면, Δ0가 제로가 아닐 때, 간섭 강도 Iφ0(λ)은 진동 함수가 된다. 따라서, 참조 광 빔의 광로 길이와 피검 광 빔의 광로 길이를 같게 하기 위해서는, 간섭 신호가 진동 함수로 되지 않는 위치로 미러 51을 구동하면 된다. 단, 현재의 Δ0의 값을 특정할 수 있는 경우에는, 참조 광 빔의 고아로 길이와 피검 광 빔의 광로 길이가 같아지는 위치(Δ0=0)로 미러 51의 위치를 조절할 필요는 없다.
도 2는, 피검물(80)의 위상 굴절률을 산출하는 산출 절차를 나타낸 흐름도이며, "S"는, "Step"의 약자이다.
우선, 스텝 S10에서, 피검물(80)이 피검광로 위에 배치된다. 다음에, 스텝 S20에서, 참조 광 빔과 피검 광 빔의 위상차가 복수의 파장에서 계측된다. 계측되는 위상차 φ(λ)은 2π의 정수배에 대응하는 미지수 2πm("m"은 정수)을 포함한다. 위상차 φ(λ) 및 간섭 강도 I(λ)은 수학식 2로 나타낸다.
Figure pat00002
수학식 2에서, "nsample(λ)"은 피검물의 위상 굴절률을 나타내고, "nmedium(λ)"은 매질의 위상 굴절률을 나타내고, "L"은 피검물의 기하학 두께를 나타낸다. 본 실시예에서는, "L"은 피검 광이 이동하는 피검물의 부분의 두께를 나타낸다.
도 3은, 도 1의 검출기(90)에 의해 계측되는 스펙트럼 영역의 간섭 신호를 나타낸 것이다. 간섭 신호는, 위상차 φ(λ)의 파장의존성을 반영한 진동 함수가 된다. 도 3에서, "λ0"은, 위상차 φ(λ)이 극값을 출력하는 파장을 나타내고 있다. 간섭 신호는, 파장 λ0의 부근에서 완만해지므로 이 파장에서 간섭 신호를 용이하게 계측할 수 있는 진동 주기를 갖는다. 반대로, λ0로부터 벗어난 파장에서는, 간섭 신호의 주기가 짧아지므로, 간섭 신호가 너무 밀집하여 분해할 수 없을 가능성이 있다. λ0가 간섭 신호를 분해할 수 있는 계측범위에서 떨어진 경우에는, 미러 51을 구동시켜 Δ0의 값을 조정하면 된다.
위상차 φ(λ)은, 예를 들면, 다음과 같은 위상 시프트법을 사용해서 계측할 수 있다. 미러 51을 이산 스텝들로 구동시키면서 간섭 신호가 취득된다. 미러 51의 위상 시프트량(= 구동량×2π/λ)이 δk(k=0,1, 내지 M-1)일 때의 간섭 강도 Ik(λ)은 수학식 3으로 나타내며, 이때 M은 이산 스텝들의 최대 수이다.
Figure pat00003
계수 a0, a1 및 a2을 최소 제곱법에 근거한 알고리즘에 의해 산출하면, 위상차 φ(λ)은, 위상 시프트량 δk 및 간섭 강도 Ik(λ)을 사용해서, 수학식 4에 의해 산출된다. 위상차 φ(λ)의 산출 정밀도를 높이기 위해서는, 위상 시프트량 δk을 최소화하고, 구동 스텝 수 M을 최대화하는 것이 바람직하다. 산출된 위상차 φ(λ)는 2π에 의해 감아넣어져 있다. 따라서, 2π의 위상 점프들을 연결시키는 것(언랩핑(unwrapping))이 필요하다.
Figure pat00004
스텝 S30에서, 위상차 φ(λ)로부터 피검물의 위상 굴절률이 정수 m의 함수로서 산출된다. 정수 m의 함수인 피검물의 위상 굴절률 nsample(λ,m)은, 수학식 5로 나타낸다. 수학식 5에서 알 수 있는 것과 같이, 위상차의 미지수 2πm은 피검물의 위상 굴절률에 대하여 파장의 1차 함수 (m/L)λ로서 영향을 미친다. 즉, 위상 굴절률의 파장에 관한 기울기가 정수 m의 값에 따라 변화된다.
Figure pat00005
다음에, 스텝 S40에서, 기준 피검물의 위상 굴절률의 파장에 관한 기울기에 근거하여, 정수 m이 산출된다(위상차에 포함된 2π의 정수배에 대응하는 미지수가 산출된다). 여기에서, 기준 피검물은, 피검물의 위상 굴절률과 가까운 기재의 위상 굴절률을 갖는다, 예를 들면, 피검물 모재나, 피검물과 동일한 재질을 사용하여 제작된 광학소자는, 기준 피검물로 될 수 있다.
전술한 것과 같이, 몰드 성형에 따라 위상 굴절률은 크게 변화된다. 그러나, 이와 같은 변화는 대부분 파장에 의존하지 않는 상수 성분의 변화다. 파장에 관한 기울기 성분(1차 성분)의 변화는 거의 없다. 그 때문에, 기준 피검물의 위상 굴절률의 파장에 관한 기울기에 근거하여 정수 m이 산출된다. 구체적으로는, 피검물의 위상 굴절률의 기울기와 기준 피검물의 위상 굴절률의 기울기의 차분이 최소화되도록 정수 m이 산출된다. 이와 달리, 기준 피검물의 위상 굴절률의 기울기의 공차(예를 들면, 아베수 공차)의 범위 내에 들어가도록 정수 m이 산출된다.
최후에, 스텝 S50에서, 스텝 S40에서 산출한 정수 m을 수학식 5에 대입하여, 피검물의 위상 굴절률이 산출된다.
본 실시예에서는, 피검물의 기하학 두께 L은 기지인 것으로 가정하고 있다. 그 때문에, 미리 피검물의 기하학 두께 L을 계측하는 것이 바람직하다. 피검물 기하학 두께 L은, 예를 들면, 탐침을 이용한 접촉 계측이나 2매의 참조면을 이용한 저코히렌스 간섭법을 사용해서 계측할 수 있다. 이와 달리, 본 실시예의 계측장치를 사용하여, 다음과 같이 두께 L이 계측되어도 된다.
두께 L의 계측방법에서는, 수학식 2에서 나타낸 위상차 φ(λ)을 계측한 후, 피검물 및 매질 각각의 온도를 ΔT만큼 변화시켜, 다시 계측을 행하여 위상차 φΔT(λ)을 결정한다. 위상차 φΔT(λ)은 수학식 6과 같이 나타낸다.
Figure pat00006
수학식 6에서, "dnsample(λ)/dT"는 피검물의 굴절률의 온도계수를 나타내고, "α"은 피검물의 선팽창계수를 나타낸다. 더구나, "nΔT medium(λ)"은 온도가 ΔT 만큼 변화된 후의 매질의 위상 굴절률를 나타내고, "Δm"은 온도의 변화 ΔT에 따른 정수의 변화량를 나타낸다. 이때, dnsample(λ)/dT와 α은 기지의 양이다. 더구나, nΔT medium(λ)은 (전술한) 매질 굴절률 산출기에 의해 계측된다.
위상차의 파장에 관한 변화율이 위상차로부터 산출된다. 이 산출 작업은, 2π의 정수배의 미지수를 제거하기 위해 행해진다. 수학식 2의 위상차 φ(λ)의 파장에 관한 변화율(미분) dφ(λ)/dλ와, 수학식 6의 위상차 φΔT(λ)의 파장에 관한 변화율 dφΔT(λ)/dλ은, 수학식 7과 같이 나타낸다.
Figure pat00007
아래첨자 g는 군 굴절률을 나타낸다. 위상 굴절률 n(λ)과 군 굴절률 ng(λ)의 관계는 수학식 8로 나타낸다.
Figure pat00008
수학식 7의 2개의 수학식으로부터 ng sample(λ)을 소거한 후, 수학식 9와 같이 두께 L이 산출된다.
Figure pat00009
이때, 기지의 양으로 각각 가정하고 있는 dnsample(λ)/dT와 α은, 예를 들면, 유리 재료 제조원이 제공하는 모재의 값이다. 엄밀하게 말하면, 피검물(80)의 dnsample(λ)/dT와 α은 모재의 값과 다르지만, 모재의 값으로 같다고 가정해도 된다. 이 이유는, 유리 재료의 굴절률이 다소 변화되어도, 굴절률의 온도계수와 선팽창계수에는 거의 변화가 없기 때문이다. 더구나, 수학식 9를 사용해서 산출되는 두께 L은 굴절률의 온도계수와 선팽창계수의 변화에 둔감하다. 따라서, 피검물과 굴절률에 가까운 굴절률을 갖는 유리 재료의 굴절률의 온도계수와 선팽창계수의 1세트만 기지이면 된다. 특히, 선팽창계수가 두께 L에 미치는 영향은 작기 때문에, 피검물(80)의 팽창은 고려하지 않아도 된다(즉, 선팽창계수가 제로이어도 된다).
온도변화를 이용한 두께 계측 대신에, 2종류의 매질을 사용한 두께 계측이 행해져도 된다. 2종류의 매질을 사용한 두께 L의 계측방법에서는, (제1 매질에서) 수학식 2에서 나타낸 위상차 φ(λ)을 계측한 후, 제1 매질의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 매질(제2 매질)중에 피검물을 배치해서, 다시 계측을 행하여 위상차 φ2(λ)을 결정한다. 위상차 φ(λ)의 변화율 dφ(λ)/dλ과 위상차 φ2(λ)의 변화율 dφ2(λ)/dλ이 산출된다. dφ(λ)/dλ과 dφ2(λ)/dλ로부터 ng sample(λ)을 소거한 후, 두께 L이 수학식 10에서 산출된다. 이때, "ng2 medium(λ)"은 제2 매질의 군 굴절률을 나타낸다.
Figure pat00010
본 실시예에서는, 피검물(80)을 오일 등의 매질(70)(공기의 위상 굴절률보다 높은 위상 굴절률을 갖는 매질)에 담그고 있다. 본 실시예에 따른 계측방법에서는, 매질(70)이 공기이어도 된다. 그러나, 피검물(80)을 (공기 이외의) 매질(70)에 담그는 것은 이점이 있다. 구체적으로 설명하면, 피검물과 매질의 굴절률 차이를 감소시킴으로써, 렌즈의 파워의 영향을 저감할 수 있다.
본 실시예에서는, 매질(70)이 참조 광 빔과 피검 광 빔의 양쪽을 투과한다. 용기(60)의 측면의 위상 굴절률 및 두께와, 용기(60)의 측면 사이의 거리가 기지이면, 피검 광 빔만이 매질(70)을 투과해도 된다.
매질(70)의 온도의 분포는 매질(70)의 굴절률 분포와 등가이다. 매질(70)의 굴절률 분포는 산출된 피검물의 굴절률에 오차를 제공한다. 매질(70)의 굴절률 분포에 의한 오차는, 굴절률 분포의 양이 결정되면, 보정할 수 있다. 그 때문에, 매질(70)의 굴절률 분포를 계측하기 위한 파면 계측장치가 구비되어 있는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 미러 51에 의한 기계적인 위상 시프트와 검출기(90)에 의한 분광의 조합에 의해 위상차를 계측하였지만, 그 대신에 헤테로다인 간섭법을 사용해도 된다. 헤테로다인 간섭법을 사용할 경우, 그것의 간섭계는, 예를 들면, 다음과 같이 계측을 행한다. 먼저, 광원 후의 위치에 분광기를 배치해서, 의사 단색광의 출사를 일으킨다. 다음에, 음향광학 소자는 참조 광 빔과 피검 광 빔 사이에 주파수 차이를 발생시키고, 간섭 신호를 포토다이오드 등의 검출기에 의해 계측한다. 그후, 분광기로 파장을 주사하면서 각 파장에서 위상차를 산출한다.
본 실시예에서는, 복수의 파장의 빛을 출사하는 광원(10)으로서 수퍼컨티넘 광원을 사용하였다. 이와 같은 종류의 광원 대신에, 다른 종류의 광원을 사용해도 된다. 다른 종류의 광원의 예로는, 수퍼루미네센스 다이오드(SLD), 할로겐램프 및 단 펄스 레이저를 들 수 있다. 파장을 주사할 경우에는, 복수의 파장의 빛을 출사하는 광원과 분광기의 조합 대신에, 파장 소인 광원이 사용되어도 된다. 이와 달리, 연속 스펙트럼이 아니고 이산 스펙트럼을 갖는 광원(예를 들면, 멀티라인 발진 가스레이저)이 사용되어도 된다. 광원은 단일의 광원에 한정되지 않고, 복수의 광원을 조합이어도 된다.
본 실시예에서는, 마하 젠더 간섭계를 사용하는 구성을 채용한다. 그러나, 그 대신에 마이켈슨 간섭계를 사용하는 구성을 채용해도 된다. 또한, 본 실시예에서는, 굴절률이나 위상차를 각각 파장의 함수로서 산출하고 있지만, 그 대신에 주파수의 함수로서 산출해도 된다.
도 4는, 실시예 2에 따른 계측장치의 블록도다. 파면이 2차원 센서를 사용해서 계측된다. 매질의 위상 굴절률을 계측하기 위해, 위상 굴절률 및 형상이 기지의 글래스 프리즘이 피검 광 빔속 위에 배치되어 있다. 실시예 1과 구성요소와 유사한 구성요소는 실시예 1에서와 동일한 참조부호를 붙여 설명한다.
광원(10)으로부터 출사된 빛은 분광기(95)에 의해 분광되어 의사 단색광으로 되어, 의사 단색광이 핀홀(110)에 입사한다. 컴퓨터(100)는 핀홀(110)에 입사되는 의사 단색광의 파장을 제어한다. 핀홀(110)을 투과시에, 빛이 발산 광으로 된 후 콜리메이터 렌즈(120)에 의해 콜리메이트된다. 빔 스플리터 25는 콜리메이트된 광을 투과 광(참조 광 빔)과 반사광(피검 광 빔)으로 분할한다.
빔 스플리터 25에 의해 반사된 피검 광 빔은 미러 30에서 반사된 후, 매질(70), 피검물(80)과 글래스 프리즘(130)을 수용하고 있는 용기(60)에 입사한다. 피검 광 빔의 일부는 매질(70) 및 피검물(80)을 투과한다. 피검 광 빔의 일부는 매질(70) 및 글래스 프리즘(130)을 투과한다. 피검 광 빔의 나머지의 빛은 매질(70) 만을 투과한다. 용기(60)를 이들 일부의 광 빔 각각은 빔 스플리터 26에서 참조 광 빔과 간섭해서, 간섭 광을 형성한다. 그후, 간섭 광은 결상 렌즈(121)를 거쳐 검출기(92)(예를 들면, 전하 결합 소자(CCD)나 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 센서)에 의해 검출된다. 검출기(92)에서 검출된 간섭 신호는 컴퓨터(100)로 보내진다.
검출기(92)는, 피검물(80) 및 글래스 프리즘(130)의 위치와 공역위치에 배치되어 있다. 글래스 프리즘(130)을 투과한 빛과 참조 광 빔 사이의 간섭무늬가 지나치게 밀집해지는 것을 방지하기 위해, 글래스 프리즘은 매질(70)의 위상 굴절률과 거의 같은 위상 굴절률을 갖는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 피검물(80)의 모든 투과 광을 계측할 필요는 없다. 피검물(80)의 부분에 있는 투과 광 만을 계측하면 된다.
본 실시예의 피검물(80)에 대한 위상 굴절률 산출기는 다음과 같다.
우선, 피검물(80)이 피검광속 위에 배치된다. 분광기(95)에 의해 행해진 파장 주사와, 미러 31의 구동기구를 사용한 위상 시프트법에 의해, 위상차 φ(λ)과 매질(70)의 위상 굴절률이 계측된다. 위상차 φ(λ)로부터, 피검물의 위상 굴절률 nsample(λ,m)이 정수 m의 함수로서 산출된다. 기준 피검물의 위상 굴절률의 파장에 관한 기울기에 근거하여, 2π의 정수배에 대응하는 미지수 2πm이 산출된다. 산출한 정수 m을 위상 굴절률 nsample(λ,m)에 대입하여, 피검물의 위상 굴절률이 산출된다.
도 5는, 몰드 성형을 이용한 광학소자의 제조 공정을 나타내고 있다. 광학소자는, 광학소자의 설계 단계(S500), 금형의 설계 단계(S502, 및 상기 금형을 사용한 광학소자의 몰드 성형단계(S504)를 거쳐 제조된다. 다음에, 몰드 성형된 광학소자의 형상 정밀도가 평가 단계(S506)에서 평가된다. 형상 정밀도가 불충분한 경우에는(S506: NOT OK), 금형 파라미터들을 보정해서(S507), 원하는 형상 정밀도를 만족할 때까지 금형 설계(S502) 및 광학소자 몰드 성형(S504)을 다시 행한다. 형상 정밀도가 만족스러우면(S506: OK), S508에서 광학소자의 광학성능이 평가된다. S508에서의 이와 같은 광학성능의 평가 단계에서, 본 발명의 각각의 실시예들에 따른 계측장치를 사용할 수 있다. 평가된 광학성능이 요구된 사양을 만족하지 않았을 경우에는(S508: NOT OK), 광학소자의 광학면의 보정량이 산출되고(S509), 이 산출 결과를 사용해서 다시 광학소자를 설계한다. 평가된 광학 성능이 요구된 사양을 만족할 경우에는(S508: OK), 양산단계(S510)에서 광학소자가 양산된다.
본 발명의 광학소자 제조방법에 따르면, 광학소자의 위상 굴절률이 고정밀도로 계측할 수 있다. 따라서, 몰드 성형에 의해 광학소자를 정밀하게 양산할 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.
본 출원은 2015년 6월 10일자 출원된 일본 특허출원 2015-117797의 우선권을 주장하며, 이 출원의 전체내용을 참조를 위해 본 출원에 원용한다.

Claims (11)

  1. 광원으로부터의 빛을 참조 광 빔과 피검 광 빔으로 분할하고, 피검물을 투과한 상기 피검 광 빔과 상기 참조 광 빔 사이에 간섭을 일으킴으로써, 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 위상차를 복수의 파장에서 계측하는 단계와,
    기준 피검물의 기지의 위상 굴절률의 파장에 관한 기울기에 근거하여, 상기 위상차에 포함된 2π의 정수배에 대응하는 값을 산출하여, 상기 피검물의 위상 굴절률을 산출하는 단계를 포함하는 계측방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 피검물의 상기 위상 굴절률의 파장에 관한 기울기와 상기 기준 피검물의 상기 위상 굴절률의 파장에 관한 상기 기울기 사이의 차분에 근거하여, 상기 위상차에 포함된 2π의 상기 정수배에 대응하는 상기 값을 산출하는 계측방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기준 피검물의 상기 위상 굴절률의 파장에 관한 상기 기울기의 공차에 근거하여, 상기 위상차에 포함된 2π의 상기 정수배에 대응하는 상기 값을 산출하는 계측방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 피검물의 온도가 제1 온도인 상태에서 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 상기 위상차를 상기 복수의 파장에서 계측하는 단계와,
    상기 피검물의 상기 온도가 상기 제1 온도와는 다른 제2 온도인 상태에서 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 상기 위상차를 상기 복수의 파장에서 계측하는 단계와,
    상기 제1 온도 및 상기 제2 온도의 각각에 있어서 계측된 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 상기 위상차에 근거하여, 상기 피검물의 두께를 산출하는 단계를 포함하는 계측방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    제1 매질 중에 상기 피검물을 배치하여, 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 상기 위상차를 상기 복수의 파장에서 계측하는 단계와,
    상기 제1 매질의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 제2 매질 중에 상기 피검물을 배치여, 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 상기 위상차를 상기 복수의 파장에서 계측하는 단계와,
    상기 제1 매질 및 상기 제2 매질의 각각 중에 상기 피검물을 배치하여 계측된 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 상기 위상차에 근거하여, 상기 피검물의 두께를 산출하는 단계를 포함하는 계측방법.
  6. 광학소자를 몰드 성형하는 단계와,
    상기 광학소자의 굴절률을 계측함으로써, 상기 몰드 성형된 광학소자를 평가하는 단계를 포함하고,
    상기 광학소자의 상기 굴절률은,
    광원으로부터의 빛을 참조 광 빔과 피검 광 빔으로 분할하고, 상기 피검 광 빔을 피검물에 입사하도록 하고, 상기 피검물을 투과한 상기 피검 광 빔과 상기 참조 광 빔 사이에 간섭을 일으킴으로써, 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 위상차를 복수의 파장에서 계측하는 단계와,
    기준 피검물의 기지의 위상 굴절률의 파장에 관한 기울기에 근거하여, 상기 위상차에 포함된 2π의 정수배에 대응하는 값을 산출하여, 상기 피검물의 위상 굴절률을 산출하는 단계를 포함하는 계측방법에 의해 계측되는, 광학소자의 제조방법
  7. 광원과,
    상기 광원으로부터의 빛을 참조 광 빔과 피검 광 빔으로 분할하고, 피검물을 투과한 상기 피검 광 빔과 상기 참조 광 빔 사이에 간섭을 일으키도록 구성된 간섭 광학계와,
    상기 간섭 광학계에 의해 형성된 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 간섭 광을 검출하도록 구성된 검출기와,
    상기 간섭 광을 검출한 상기 검출기로부터 얻어지는 간섭 신호에 근거하여, 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 위상차를 산출하도록 구성된 컴퓨터를 구비하고,
    상기 컴퓨터는, 기준 피검물의 기지의 위상 굴절률의 파장에 관한 기울기에 근거하여, 상기 위상차에 포함된 2π의 정수배에 대응하는 값을 산출함으로써, 상기 피검물의 위상 굴절률을 산출하는, 계측장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 컴퓨터는, 상기 피검물의 상기 위상 굴절률의 파장에 관한 기울기와 상기 기준 피검물의 상기 위상 굴절률의 파장에 관한 상기 기울기 사이 차분에 근거하여, 상기 위상차에 포함된 2π의 상기 정수배에 대응하는 상기 값을 산출하는 계측장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 컴퓨터는, 상기 기준 피검물의 상기 위상 굴절률의 파장에 관한 상기 기울기의 공차에 근거하여, 상기 위상차에 포함된 2π의 상기 정수배에 대응하는 상기 값을 산출하는 계측장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 컴퓨터는, 상기 피검물의 온도가 제1 온도인 상태에서 복수의 파장에서 계측된 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 상기 위상차와, 상기 피검물의 상기 온도가 상기 제1 온도와는 다른 제2 온도인 상태에서 상기 복수의 파장에서 계측된 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 상기 위상차에 근거하여, 상기 피검물의 두께를 산출하는 계측장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 컴퓨터는, 제1 매질 중에 상기 피검물이 배치된 상태에서 복수의 파장에서 계측된 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 상기 위상차와, 상기 제1 매질의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 제2 매질중에 상기 피검물이 배치된 상태에서 상기 복수의 파장에서 계측된 상기 참조 광 빔과 상기 피검 광 빔 사이의 상기 위상차에 근거하여, 상기 피검물의 두께를 산출하는 계측장치.
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