WO2010084748A1 - 屈折率測定装置 - Google Patents

Abstract

　２つのプローブ光学系（２２，２４）を、被検物（２３）を間に挟むように配置して測定に用いることによって、局所的に特定された被検物中を透過する光の光路長をその干渉信号を利用して算出し、また同部分の幾何学的厚みをプローブ光学系の位置を測定することで算出して、両算出値を求め、それらの値と基準物における算出値とに基づいて、被検物の屈折率分布を求める。

Description

屈折率測定装置

　本発明は、非球面、球面、又は、曲面を有するレンズ等の光学部材の屈折率分布を測定するのに適した、屈折率測定装置に関するものである。

　デジタルコピー又はデジタルカメラ等に使用される光学素子として、成型レンズがある。

　この成型レンズは、硝子研磨レンズに比べて非球面レンズの製作性に優れ、低コストであるが、成型条件によっては、レンズ内部の屈折率分布に不均一性を生じやすいという不安定な面もある。このレンズ内部の屈折率の不均一性は、レンズの光学特性に大きな影響を及ぼし、結像性能を劣化させる原因となる恐れがある。

　このようなことから、成型レンズの品質安定化のためには、屈折率の分布を高精度に測定する必要がある。

　また、近年、屈折率勾配を意図的にレンズ内に持たせたＧＲＩＮ（ＧＲａｄｉｅｎｔ－ＩＮｄｅｘ）レンズが光通信の分野等で使用され始めている。このＧＲＩＮレンズは、形状と屈折率と分離できるため、撮像系等、その応用範囲の広がりが期待されている。

　ＧＲＩＮレンズは、屈折率分布を意図的に硝剤につけて設計するため、安定した量産化のためには、屈折率の分布を高精度に測定する必要がある。

　これらに対応するための屈折率を測定する従来技術として、最小偏角法などにより偏角を測定して求める方法、又は、被検物を屈折率が既知の溶液に浸して観察して溶液の屈折率から間接的に被検物の屈折率を測定する方法、又は、平面波の参照光と被検物をその屈折率とほぼ等しい屈折率既知のマッチング液に液浸させた状態を透過した平面歯の検査光に生じる干渉縞を観察する方法（マッハチェンダー型干渉計）がある。

　図６は、従来のマッハツェンダー型干渉計を利用した屈折率測定装置を示す図である。

　図６において、レーザー光源１から出射した光は、集光レンズ２によって平行光にされた後、ハーフミラー３によって、参照光４と検査光５に分岐される。検査光５は、ミラー６を反射した後、被検物７と屈折率がほぼ等しいマッチング液で満たされた液浸槽８及びそれに浸された被検物７を透過して被検物７の屈折率分布に対応した光路差を生じ、ハーフミラー９に達した後に結像レンズ１０を介して撮像素子１１に入る。

　一方、参照光４は、補償板１２を透過し、ミラー１３で反射し、ハーフミラー９に達した後に結像レンズ１０を介して撮像素子１１に入る。この補償板１２は、検査光５から撮像素子１１までの光路長と参照光４から撮像素子１１までの光路長をほぼ等しくするためのものである。

　撮像素子１１において、検査光５と参照光４は合波され、その光路差に応じて干渉縞１４を生じる。この干渉縞観察において、干渉縞１４が生じている箇所のその本数により、その部分の被検物７の光学的厚さが計算でき、そこから、マッチング液の屈折率の差分を計算することで被検物７の屈折率を求めることができる。

　このマッチング液を使う干渉計を利用した方法において、マッチング液の温度均一性を上げる浴槽を使用するもの、位相シフト法を導入して精度を上げたもの、さらに、ＣＴスキャンを利用して３次元分布を計測可能にしたもの、がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１－２１４４８号公報

　しかしながら、従来の偏角を測定する方法では、被検物を所定の形状に加工する必要があり、測定対象の光学素子を破壊し、研磨しなければならないという課題がある。

　また、被検物を屈折率がほぼ被検物と等しいマッチング液に浸す方法は、非破壊で測定できるが、マッチング液の屈折率の不均一性が大きな誤差原因となり、その制御方法が難しいという課題がある。さらに、被検物がマッチング液の屈折率の存在領域に狭められると共に、マッチング液そのものが環境及び人体に害をなすものが多くあり、測定の利便性が損なわれる課題もある。

　本発明の目的は、前記従来の課題を解決するもので、被検物を非破壊でその屈折率分布を簡易に測定することができる屈折率測定装置を提供することにある。

　本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。

　本発明の第１態様によれば、光源と、
　前記光源からの光を検査光と参照光とに分割するビームスプリッタと、
　前記検査光を集光して被検物の表面に照射する第１プローブ光学系と、
　前記被検物を透過した前記検査光を集光する第２プローブ光学系と、
　前記第１プローブ光学系の光軸と前記第２プローブ光学系の光軸とが同軸性を保つように１つの光軸上で変位させる駆動手段と、
　前記第２プローブ光学系で集光された前記検査光と前記参照光とを干渉させて干渉信号を得る受光素子と、
　前記受光素子で得られた干渉信号に基づいて前記被検物の屈折率を算出する算出部と、
を備える屈折率測定装置を提供する。

　本発明の第２態様によれば、前記算出部は、前記被検物の干渉信号の算出値と、屈折率と厚みが既知の基準物を被検物の代わりに用いて予め求めた干渉信号の算出値と、に基づいて、前記被検物の屈折率を算出する第１の態様に記載の屈折率測定装置を提供する。

　本発明の第３態様によれば、前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系の位置を、それぞれの基準位置からの差分として測距する第１測長手段と、
　前記参照光の光路中に設けられて前記参照光の光路長を調整する参照光ミラーと、
　前記参照光ミラーの位置を、その基準位置からの差分として測距する第２測長手段と、を備え、
　前記基準物の屈折率をＮ０とし、前記基準物の厚みをＤ０とし、前記それぞれのプローブ光学系の前記基準位置からの差分の合計をΔＤとし、前記参照ミラーの前記基準位置からの差分をΔＮＤとしたときに、前記被検物の屈折率Ｎを下記（式１）で前記算出部により算出する第２の態様に記載の屈折率測定装置を提供する。

　　（数１）
　　Ｎ＝（２ΔＮＤ＋Ｎ０×Ｄ０）／（ΔＤ＋Ｄ０）　　　・・・（式１）
　本発明の第４態様によれば、前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系のうち、一方のプローブ光学系のプローブは、その照射光の波長より小さな範囲内の先端のみ露出し、前記プローブの他の部分は不透明な被覆層で覆われており、他方のプローブ光学系のプローブは、その照射光の波長より小さな範囲内の先端のみ露出し、前記他方のプローブ光学系の前記プローブの他の部分は透明な被覆層で覆われている第１又は２の態様に記載の屈折率測定装置を提供する。

　本発明の第５態様によれば、前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系のうち、一方のプローブ光学系のプローブは、その照射光の波長より小さな範囲内の先端のみ露出し、前記プローブの他の部分は不透明な被覆層で覆われており、他方のプローブ光学系のプローブは、その照射光の波長より小さな範囲内の先端のみ露出し、前記他方のプローブ光学系の前記プローブの他の部分は被覆層無しで露出している第１又は２の態様に記載の屈折率測定装置を提供する。

　本発明の第６態様によれば、前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系とを同軸のまま連動して移動させる移動機構を更に備え、前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系とを移動させながら前記被検物を走査し、前記被検物の屈折率分布を算出する第１又は２の態様に記載の屈折率測定装置を提供する。

　本発明を用いることによって、被検物を非破壊でその屈折率分布を簡易に測定することができる。

　本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１は、本発明の第１実施形態における屈折率測定装置の概念構成図であり、 図２は、前記第１実施形態の前記屈折率測定装置におけるフローチャートであり、 図３は、前記第１実施形態の前記屈折率測定装置におけるプローブ光学系からの近接場光の被検物表面への照射を示す図であり、 図４Ａは、前記第１実施形態の前記屈折率測定装置における基準物測定時の原理を示す図であり、 図４Ｂは、前記第１実施形態の前記屈折率測定装置における被検物測定時の原理を示す図であり、 図５は、前記第１実施形態の前記屈折率測定装置における干渉光の強度のグラフであり、 図６は、従来のマッハツェンダー型干渉計を利用した屈折率測定装置を示す図であり、 図７は、前記第１実施形態の前記屈折率測定装置における第１プローブ光学系と第２プローブ光学系の成す光軸と垂直な平面上で被検物を変位させることができる駆動部の一例を説明するための正面図であり、 図８は、図７の駆動部の一例を説明するための側面図であり、 図９は、前記第１実施形態の前記屈折率測定装置における第１プローブ光学系及び第２プローブ光学系を同軸性を保つように変位することができる駆動部の一例を説明するための側面図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同一構成には同一符号を付して説明を省略する。

　（第１実施形態） 
　図１は、本発明の第１実施形態における屈折率測定装置の概念構成図である。また、図２は、第１実施形態における屈折率測定のフローチャートである。なお、下記するそれぞれの光源１５と、駆動部３０，３１，３５，４４と、屈折率算出部５０と、計算部４８と、計算部４９と、干渉信号計算部４７と、測長器４５と、測長器３２と、測長器３３と、フォーカス検出部４０と、フォーカス検出部４１となどは、制御部１００により、それぞれの動作を制御するようにして、光学部材である被検物２３の屈折率分布を自動的に測定することかできるようにしている。

　図１において、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）に代表される低コヒーレント光を発する光源１５から出射された光束は、ビームスプリッタ１６によって、検査光１７と参照光１８に分割される。

　検査光１７は、レンズ１９によってファイバ２０に入射し、第１プローブ光学系２２に入射し、ハーフミラー２１を透過し、被検物２３に照射される。被検物２３に照射された検査光１７は、被検物２３内を透過し、第２プローブ光学系２４によって集光される。第２プローブ光学系２４によって集光された検査光は、ハーフミラー２５を透過し、ファイバ２６を伝播、レンズ２７によって拡大され、ビームスプリッタ２８を透過し、受光素子２９に達する。

　第１プローブ光学系２２及び第２プローブ光学系２４は、それぞれの光学系の成す光軸が同軸になるように配置され、各々駆動部３０及び駆動部３１により、その同軸性を保つように１つの光軸上で変位する。そして、その変位量は測長器３２及び測長器３３により計測され、測長器３２及び測長器３３のそれぞれ内蔵された記憶部に記録される。測長器３２及び測長器３３は第１測長手段の一例として機能する。なお、駆動部３０及び駆動部３１は、第１プローブ光学系２２と第２プローブ光学系２４とを同軸のまま連動して移動させる機構であることが好ましいが、別途軸合わせを行い、さらに調整時間が長くなってもよければ、両プローブ光学系２２，２４を個別に移動させて、最終的に同軸になるように調整しても良い。

　駆動部３０及び駆動部３１は、それぞれ、駆動手段の一例として機能し、かつ、駆動部３０及び駆動部３１のそれぞれの一例としては、図９に示すように、１つの光軸上に、対向するように配置されている。すなわち、設置台８０上に、第１プローブ光学系２２は、そのプローブ２２ａがプローブ押さえ３０ｃに支持されている。プローブ押さえ３０ｃは、光軸沿いすなわちＺ軸沿いに進退移動可能な第１Ｚ軸駆動部３０ａに起立して固定されている。第１Ｚ軸駆動部３０ａは、設置台８０上に固定された支柱３０ｂ上で光軸沿いすなわちＺ軸沿いに進退移動することができる。同様に、設置台８０上に、第２プローブ光学系２４は、そのプローブ２４ａが、第１プローブ光学系２２のプローブ２２ａに対向するように、プローブ押さえ３１ｃに支持されている。プローブ押さえ３１ｃは、光軸沿いすなわちＺ軸沿いに進退移動可能な第２Ｚ軸駆動部３１ａに起立して固定されている。第２Ｚ軸駆動部３１ａは、設置台８０上に固定された支柱３１ｂ上で光軸沿いすなわちＺ軸沿いに進退移動することができる。よって、第１Ｚ軸駆動部３０ａと第２Ｚ軸駆動部３１ａとを適宜駆動することにより、第１プローブ光学系２２及び第２プローブ光学系２４は同軸性を保つように１つの光軸上で変位することができる。第１Ｚ軸駆動部３０ａと第２Ｚ軸駆動部３１ａとは、それぞれ、例えば、モータと、モータの駆動によりナットとボールネジとの相対的な駆動を利用する機構など公知の機構で構成されている。

　被検物２３は、ホルダ（レンズホルダ）３４によって固定される。このホルダ３４は、駆動部３５により、第１プローブ光学系２２と第２プローブ光学系２４の成す光軸と垂直な平面上で被検物２３を変位させることができる。図７及び図８にホルダ３４及び駆動部３５の一例を示す。ホルダ３４は、リング状の支持体３４ａに１２０度間隔で３個の支え３４ｂを中心向きに突出させて被検物２３を支持することができるようになっている。リング状の支持体３４ａの下端に図７の上下方向の軸回りにホルダ３４を回転調整可能な回転調整部３５ａと、回転調整部３５ａの下部にホルダ３４及び回転調整部３５ａをアオリ調整可能なアオリ調整部３５ｂと、アオリ調整部３５ｂの下部に、ホルダ３４と回転調整部３５ａとアオリ調整部３５ｂとをＸ軸方向に移動可能なＸ軸駆動部３５ｃとが配置されるとともに、Ｘ軸駆動部３５ｃの背後に、Ｘ軸駆動部３５ｃを、Ｘ軸と直交するＹ軸方向に移動可能なＹ軸駆動部３５ｄとを配置して、駆動部３５を構成している。よって、Ｘ軸駆動部３５ｃとＹ軸駆動部３５ｄとアオリ調整部３５ｂと回転調整部３５ａとを適宜駆動することにより、第１プローブ光学系２２と第２プローブ光学系２４の成す光軸と垂直な平面上で被検物２３を変位させることができる。Ｘ軸駆動部３５ｃとＹ軸駆動部３５ｄとアオリ調整部３５ｂと回転調整部３５ａとは、それぞれ、例えば、モータと、モータの駆動によりナットとボールネジとの相対的な駆動を利用する機構、歯車機構又はラックアンドピニオン機構など公知の機構で構成されている。

　また、第１及び第２プローブ光学系２２，２４は、各々その内部にフォーカス機構を内包し、第１及び第２プローブ光学系２２，２４を被検物２３の表面に、一定の距離でフォーカスできる機構を備えている。

　フォーカスする際は、第１及び第２プローブ光学系２２，２４において、光源３６から出射したコヒーレント光が、ハーフミラー３７及びハーフミラー２１で反射し、被検物２３に達する。また、光源３８から出射したコヒーレント光が、ハーフミラー３９及びハーフミラー２５で反射し、被検物２３に達する。そして、各々被検物２３の表面で反射した光は、逆の光路をたどり、ハーフミラー３７またはハーフミラー３９を透過し、フォーカス検出部４０またはフォーカス検出部４１に達し、合焦信号を得る。

　この合焦信号は、第１及び第２プローブ光学系２２，２４が近接場プローブの場合、例えば反射光と入射光の強度の比を信号にして保つことによって、被検物２３の表面と第１及び第２プローブ光学系２２，２４の間の距離をナノスケールで一定に保つことができる。あるいは、近接場プローブの先端と被検物２３の表面との間に発生する力学的相互作用であるせん断応力を測定し、その値が一定になるようにプローブを制御する方法でも、被検物２３の表面と第１及び第２プローブ光学系２２，２４の間の距離をナノスケールで一定に保つことができる。

　一方、ビームスプリッタ１６によって分岐された参照光１８は、ミラー４２によってその光路が折り返され、参照平面である、参照光ミラーの一例としてのコーナーキューブ４３に達し、このコーナーキューブ４３での反射光はミラー４２に戻り、ビームスプリッタ２８に入射し、反射して受光素子２９に達する。

　コーナーキューブ４３は、第２測長手段の一例としての駆動部４４によって、その光軸と同方向に変位することができ、その変位によって、参照光１８の光路長を調整することができる。駆動部４４は、例えば、モータと、モータの駆動によりナットとボールネジとの相対的な駆動を利用する機構など公知の機構で構成されている。

　また、このコーナーキューブ４３の変位量は、測長器４５により計測され、測長器４５に内蔵された記憶部に記録される。

　ビームスプリッタ２８において、参照光と検査光とが重なり合い、両者の光路長差が光源から発せられる光のコヒーレンス長の範囲内であれば干渉が生じ、干渉信号が受光素子２９において観測される。受光素子２９において観測された干渉光は、Ａ／Ｄ変換器４６によって電気信号に直され、干渉信号計算部４７によってその干渉強度が判定される。

　測長器３２及び測長器３３によって計測された第１プローブ光学系２２及び第２プローブ光学系２４の位置情報は、計算部４８に送られ、そこで幾何的厚みが計算される。

　測長器４５によって計測されたコーナーキューブ４３の位置情報は、計算部４９に送られ、ここで光学的厚みが計算される。

　計算部４８で計算された幾何学的厚みの値及び計算部４９で計算された光学的厚みの値を元に、屈折率算出部５０によって屈折率が計算される。

　ここで、以上の構成による被検物２３であるレンズの面間隔の計測方法について、図２のフローチャートに基づき説明する。

　図２において、ステップＳ０（初期状態）において、第１プローブ光学系２２と第２プローブ光学系２４は、それぞれの光学系の光軸が同軸になるように配置され、初期位置にある。

　続いて、ステップＳ１において、ホルダ３４に、基準物５１として、厚さ（Ｄ０）と屈折率（Ｎ０）が既知である平面上の板（基準物５１）が保持され、駆動部３５によって、第１プローブ光学系２２及び第２プローブ光学系２４の間にあるように設置される。このとき、この基準物５１の平行度は、第１プローブ光学系２２と第２プローブ光学系２４の成す光軸に対して、垂直となるように調整する。この調整方法については後述する。

　続いて、ステップＳ２において、第１プローブ光学系２２及び第２プローブ光学系２４は、各々の光学系内のフォーカス機構によって、基準物５１の表面にフォーカスされる。

　続いて、ステップＳ３において、干渉信号計算部４７で干渉信号の強度が評価される。

　ここで干渉信号が最大でない場合（図２のステップＳ３でＮＯの場合）は、ステップＳ４において、評価された干渉信号が最大になるように、参照平面であるコーナーキューブ４３をコーナーキューブ４３を移動させる駆動部４４などで自動的に変位させる。

　続いて、ステップＳ５において、干渉信号が最大と判断された時のコーナーキューブ４３の位置は、測長器４５によってコーナーキューブ４３位置の基準値（ＺＲ０）として測距され、記録される。この値が、測長器４５の基準値である。このとき、測長器４５からコーナーキューブ４３に向かう方向を、正の値とする。

　続いて、ステップＳ６において、第１プローブ光学系２２及び第２プローブ光学系２４の位置が、測長器３２及び測長器３３によって、それぞれ第１プローブ光学系２２の位置の基準値（Ｚ１０）、第２プローブ光学系２４の位置の基準値（Ｚ２０）として測距される。この値が、測長器３２及び測長器３３の基準値である。このとき、第１及び第２プローブ光学系２２，２４の成す光軸（Ｚ軸）において、各測長器から、各プローブ光学系に向かう方向を、正の値とする。また、被検物のホルダ３４と、第１及び第２プローブ光学系２２，２４との相対位置（ＸＹ軸）は、別の測定手段において測定されているとする。このとき、第１及び第２プローブ光学系２２，２４の各プローブ系の位置を測る測長器３２及び３３から各プローブに向かう方向を正の値とする。

　続いて、ステップＳ７において、第１プローブ光学系２２及び第２プローブ光学系２４が、測定者の指令に従い、駆動部３０によってその間隔が開き、基準物５１がホルダ３４から外される。

　続いて、ステップＳ８において、ホルダ３４に、被測定物２３が保持され、駆動部３５によって、第１プローブ光学系２２及び第２プローブ光学系２４の間になるように設置される。第１プローブ光学系２２及び第２プローブ光学系２４は、各々光学系内のフォーカス機構によって、被検物２３の表面にフォーカスされる。この被検物２３のどの部分の屈折率を測定するかは、このフォーカス位置によって決まり、このフォーカス位置は、駆動部３５によって制御される。

　続いて、ステップＳ１０において、干渉信号計算部４７で干渉信号の強度が評価される。

　ここで干渉信号が最大でない場合（図２のステップＳ１０でＮＯの場合）は、ステップＳ１１において、干渉信号が最大になるように、コーナーキューブ４３を変位させる。

　続いて、ステップＳ１２において、干渉信号が最大と判断された時のコーナーキューブ４３の位置は、測長器４５によってコーナーキューブ４３の測定値（ＺＲ１）として測距され、記録される。

　続いて、ステップＳ１３において、第１プローブ光学系２２及び第２プローブ光学系２４の位置が、測長器３２及び測長器３３によって、それぞれ第１プローブ光学系２２の測定値（Ｚ１１）、第２プローブ光学系２４の測定値（Ｚ２１）として測距される。

　続いて、ステップＳ１４によって、この測定位置における幾何学的厚みＤが、以下の（式１）によって計算部４８により算出される。

　　（数２）
　　Ｄ＝－（Ｚ１１＋Ｚ２１）＋（Ｚ１０＋Ｚ２０）＋Ｄ０　　　・・・（式１）

　第１プローブ光学系２２及び第２プローブ光学系２４は、被検物２３の表面から、常に一定の距離を保つので、基準物５１測定時（基準値）と被検物２３の測定時（測定値）の第１及び第２プローブ光学系２２，２４の位置の差分は、被検物２３と基準物５１の幾何学的厚みの差分に相当する。この原理については、図４Ａと図４Ｂにて後述する。

　続いて、ステップＳ１５によって、この測定位置における幾何学的厚みＮＤが、以下の式（２）によって計算部４８により算出される。

　　（数３）
　　ＮＤ＝－２×（ＺＲ１－ＺＲ０）＋Ｎ０×Ｄ０　　　・・・（式２）

　ここで、光源１５は、ＳＬＤに代表される低コヒーレント光源であり、参照光１８及び検査光１７の光路長差がコヒーレント長以下になったときに干渉信号が生じ、ちょうど最大になったときに、その差分がゼロとなるとしている。ゆえに、基準物５１の測定時及び被検物２３の測定時の参照平面であるコーナーキューブ４３の位置の差分は、被検物２３と基準物５１の光路長の差分に相当する。この原理については、図４Ａと図４Ｂにて後述する。上記（式２）で光路長の値がコーナーキューブ４３の位置の差分の２倍になっているのは、折り返し光学系のため、コーナーキューブ４３の移動が、参照光１８の光路差の変位量の半分に相当するためである。

　続いて、ステップＳ１６において、ステップＳ１４及びステップＳ１５で求めた、幾何学的厚み及び光路長を使って、下記（式３）のように、測定点における局所的屈折率Ｎが屈折率算出部５０により求まる。

　　（数４）
　　Ｎ＝ＮＤ／Ｄ　　　・・・（式３）
　尚、式（１）において、両プローブ光学系２２，２４の位置の基準物測定時と、被検物測定時との差分の合計をΔＤとすると、

　　（数５）
　　ΔＤ＝－（Ｚ１１＋Ｚ２１）＋（Ｚ１０＋Ｚ２０）・・・（式４）
と表せる。

　また、式（２）において、参照ミラーの位置の基準物測定時と、被検物測定時との差分の合計をΔＮＤとおくと、

　　（数６）
　　ΔＮＤ＝－ＺＲ１＋ＺＲ０　　　・・・（式５）
と表せる。
このとき、（式３）で計算された局所的屈折率Ｎは、次の式で表される。

　　（数７）
　　Ｎ＝（２ΔＮＤ＋Ｎ０×Ｄ０）／（ΔＤ＋Ｄ０）　　　・・・（式６）

　続いて、ステップＳ１７において、被検物２３のうちの測定すべきすべての部位が測定されたか否かを制御部１００で判断する。すべての部位が測定されていないと制御部１００で判断した場合には、ステップＳ１７－１において、第１プローブ光学系２２及び第２プローブ光学系２４は、被検物２３へのフォーカス状態から外れ、被検物２３は、駆動部３５によって、先に測定した部位とは異なる部分に移動したのち、ステップＳ９に戻る。ステップＳ１７において、被検物２３のうちの測定すべきすべての部位が測定されたと制御部１００で判断された場合には、ステップＳ１８に進む。

　ステップＳ９に戻った場合には、その後、ステップＳ１０～Ｓ１７を繰り返し、異なる部位における局所的屈折率を求める。被検物２３のうちの測定すべきすべての部位が測定された場合には、これを元に、ステップＳ１８において、屈折率のＸＹ分布を作成する。

　ここで、ステップＳ０において、基準物５１と第１及び第２プローブ光学系２２，２４の軸との平行度との調整は、前述のステップＳ２において、第１及び第２プローブ光学系２２，２４をフォーカスし、第１及び第２プローブ光学系２２，２４の変位量を測定する場所を、ＸＹ平面上の複数個所にして、その測定数値を比べることで調整できる。第１及び第２プローブ光学系２２，２４の光軸方向の変位量は、各々の箇所で、測長器の値を読むことで求まり、その値が複数個所で一定になるように、ホルダ３４によって基準物５１の向きを調整する。これにより、基準物５１と第１及び第２プローブ光学系２２，２４の軸の平行度を一致させることができる。ただし、この場合、基準物５１は完全平行の物体である。

　以上、本実施の形態では、被検物２３の屈折率を、屈折率及び厚みが既知である基準物５１との差分を求めることにより算出する。

　以下、本実施の形態における、各構成要素の具体的構成、及び、より望ましい構成について述べる。

　低コヒーレンス光を照射する光源１５の具体例として、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ），白色光源（ハロゲンランプ又はキセノンランプ）からの光をモノクロメータにより特定波長域のみ分光したもの、レーザー発光ダイオードなどを利用することができる。その波長は、特に限定されるものではなく、紫外から赤外光まで使用することができるが、コヒーレンス長は、短いほど望ましく、具体的には１０μｍ程度、また光源１５の波長は、被検物２３の透過率が下がらない程度に短波長側であることが望ましい。光源１５のコヒーレンス長は、参照平面の位置精度に影響する。本実施の形態の構成では、位相シフト干渉法と合わせることにより、干渉強度信号の幅は約１０μｍ、参照平面の位置精度としては、１μｍ以下の精度で計測ができる。

　第１及び第２プローブ光学系２２，２４はその開口が波長以下であり、光を導波するコアは光ファイバの先端のみを露出してとがらせ、開口以外は金属などの不透明な膜で被覆された、近接場プローブであることが望ましい。これは、被検物の表面とプローブ光学系との距離が、波長以上の開口を持つ近接場プローブ、あるいは、対物レンズなどの光学素子では、波長のオーダー程度で制御されるのに対し、波長以下の開口の近接場プローブでは、光の波長に依存せず、ナノオーダーで制御できるからである。

　図３は、本発明の第１実施形態におけるプローブ光学系からの近接場光の被検物表面への照射を示す図である。ここでは、第１プローブ光学系２２を用いた場合についてのみ説明しているが、この原理については第２プローブ光学系２４においても同様である。

　図３において、入射光５２は、光源１５或いはフォーカス用の光源３６から伝播された光である。この入射光５２は、第１プローブ光学系２２内の光ファイバ５３中を伝播し、細くなった先端で近接場光５４を発生する。また、このとき、プローブ先端で滞留する近接場光のみならず、プローブ先端より伝播する伝播光も存在する。

　第１プローブ光学系２２である光ファイバ５３の先端には、照射光の波長より小さい範囲すなわちナノメートルオーダーの開口が空いており、その周りは、金属などでできた不透明な膜５５（不透明な遮光性の被覆層）で覆われている。

　近接場光５４は、被検物２３の表面からナノオーダー程度の距離（１０ｎｍ程度）にあるとき、被検物２３の表面に散乱が発生し、一部が透過光５６として被検物２３内を透過する。この被検物２３の表面で反射した後方散乱光が、光ファイバ５３を通って逆の経路をたどる。また、プローブ先端からの伝播光は、一部が被検物２３の表面に後方に反射し、残りは被検物２３内を通過する。

　図３において、近接場光のプローブ先端からの染み出し半径は、第１プローブ光学系２２の先端の開口の大きさ程度であり、数ｎｍ～１００ｎｍ程度である。

　なお、第２プローブ光学系２４は、第１プローブ光学系２２と同様、光を導波するコアは光ファイバの先端をとがらせた近接場プローブであることが望ましいが、第２プローブ光学系２４は、第１プローブ光学系２２とは異なり、できる限り開口を大きくすることが好ましい。これは、第２プローブ光学系２４は、被検物２３から出射する微弱な透過光をできるだけ多く集光する必要があるからである。具体的には、例えば、第２プローブ光学系２４の開口を波長程度の大きさにしたものや、照射光の波長より小さな範内の先端のみ露出させて他の部分を透明な膜で被膜した（透明な被覆層で覆った）ものや、第２プローブ光学系２４を全く被膜しないもの、等により、できる限り金属などの不透明な膜（不透明な被覆層）で被覆されていないものが望ましい。

　また、第１及び第２プローブ光学系２２，２４の変位量及び参照平面の変位量を測距する測長器３２，３３はレーザー測長器であり、ナノオーダーの精度で測定できることが望ましい。これを用いることにより、被検物の幾何学的厚みを、ナノオーダーの精度で測定することができる。

　また、第１及び第２プローブ光学系２２，２４ともに近接場プローブを用いることにより、被検物２３の表面と第１及び第２プローブ光学系２２，２４との距離がナノオーダーで制御でき、さらに開口が小さいことから、被検物２３中を透過する光線の始点と終点を特定できるという利点がある。

　受光素子２９としては、干渉信号の強度を上げるため、フォトマル又はアバランシェフォトダイオードなどの、感度が大きい検出器を利用したものが望ましい。

　以上の構成により、被検物の局所的な屈折率は、基準物５１の屈折率との差分を測定することによって求まり、被検物の特性に依存するが、例えば、本実施形態のような構成においては、その精度は小数点下４桁程度である。

　図４Ａは、本発明の第１実施形態における基準物測定時の原理を示す図であり、図４Ｂは、本発明の第１実施形態における被検物測定時の原理を示す図である。

　本実施の形態では、図４Ａ，図４Ｂに示すような、ＺＲ０，ＺＲ１，Ｚ１０，Ｚ１１，Ｚ２０，Ｚ２１，Ｄ０，Ｄ，ｆ１，ｆ２の関係を用いて、上記（式１）～（式３）を求めている。

　また、図５は、本発明の第１実施形態における干渉光の強度のグラフを示す図である。

　図５は、横軸に参照平面の移動量をとり、縦軸に干渉光の強度をとったものである。ここでは、図４Ａに示す基準物５１測定時が干渉光の強度が５７であり、図４Ｂに示す被検物測定時の干渉光の強度が５８である。これらの干渉光は、検査光１７と参照光１８の光路差が光源のコヒーレンス長以下になったときのみ存在し、その強度の半値幅は光源が含む波長の半値幅にほぼ等しい。

　なお、本実施の形態における屈折率とは、波長分散を考慮した群屈折率のことであって、単波長の屈折率（位相屈折率）のことではない。

　なお、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

　本発明にかかる屈折率測定装置によれば、任意の形状の被検物の屈折率を、非破壊かつマッチング液を使わない方法で、簡易に測定することができる。これにより、たとえばカメラなどに用いられる、成型レンズの屈折率分布測定器として本発明を利用することが可能である。

　本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

Claims (6)

1. 　光源と、
   　前記光源からの光を検査光と参照光とに分割するビームスプリッタと、
   　前記検査光を集光して被検物の表面に照射する第１プローブ光学系と、
   　前記被検物を透過した前記検査光を集光する第２プローブ光学系と、
   　前記第１プローブ光学系の光軸と前記第２プローブ光学系の光軸とが同軸性を保つように１つの光軸上で変位させる駆動手段と、
   　前記第２プローブ光学系で集光された前記検査光と前記参照光とを干渉させて干渉信号を得る受光素子と、
   　前記受光素子で得られた干渉信号に基づいて前記被検物の屈折率を算出する算出部と、
   を備える屈折率測定装置。
2. 　前記算出部は、前記被検物の干渉信号の算出値と、屈折率と厚みが既知の基準物を被検物の代わりに用いて予め求めた干渉信号の算出値と、に基づいて、前記被検物の屈折率を算出する請求項１に記載の屈折率測定装置。
3. 　前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系の位置を、それぞれの基準位置からの差分として測距する第１測長手段と、
   　前記参照光の光路中に設けられて前記参照光の光路長を調整する参照光ミラーと、
   　前記参照光ミラーの位置を、その基準位置からの差分として測距する第２測長手段と、を備え、
   　前記基準物の屈折率をＮ０とし、前記基準物の厚みをＤ０とし、前記それぞれのプローブ光学系の前記基準位置からの差分の合計をΔＤとし、前記参照ミラーの前記基準位置からの差分をΔＮＤとしたときに、前記被検物の屈折率Ｎを下記（式１）で前記算出部により算出する請求項２に記載の屈折率測定装置。
   　　（数１）
   　　Ｎ＝（２ΔＮＤ＋Ｎ０×Ｄ０）／（ΔＤ＋Ｄ０）　　　・・・（式１）
4. 　前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系のうち、一方のプローブ光学系のプローブは、その照射光の波長より小さな範囲内の先端のみ露出し、前記プローブの他の部分は不透明な被覆層で覆われており、他方のプローブ光学系のプローブは、その照射光の波長より小さな範囲内の先端のみ露出し、前記他方のプローブ光学系の前記プローブの他の部分は透明な被覆層で覆われている請求項１又は２に記載の屈折率測定装置。
5. 　前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系のうち、一方のプローブ光学系のプローブは、その照射光の波長より小さな範囲内の先端のみ露出し、前記プローブの他の部分は不透明な被覆層で覆われており、他方のプローブ光学系のプローブは、その照射光の波長より小さな範囲内の先端のみ露出し、前記他方のプローブ光学系の前記プローブの他の部分は被覆層無しで露出している請求項１又は２に記載の屈折率測定装置。
6. 　前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系とを同軸のまま連動して移動させる移動機構を更に備え、前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系とを移動させながら前記被検物を走査し、前記被検物の屈折率分布を算出する請求項１又は２に記載の屈折率測定装置。

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