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技術 屈折率分布計測方法および屈折率分布計測装置

出願人 キヤノン株式会社
発明者 杉本智洋
出願日 2010年5月25日 (10年5ヶ月経過) 出願番号 2010-119558
公開日 2011年12月8日 (8年11ヶ月経過) 公開番号 2011-247687
状態 特許登録済
技術分野 光学的手段による材料の調査、分析 光学装置、光ファイバーの試験
主要キーワード 短時間計測 形状成分 周波数マップ FFT法 アクロマートレンズ 幾何学的距離 アルミミラー 度打ち
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2011年12月8日)のものです。
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図面 (6)

課題

被検物屈折率分布非破壊かつ短時間で高精度に計測する。

解決手段

被検物50の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質中に被検物を配置した状態で、被検物の透過波面を2種類の波長を用いて計測し、2種類の波長で透過波面と特定の形状と屈折率分布を持つ基準被検物の透過波面も計測し、対応する波長について両者の透過波面の差分である波面収差を求め、被検物の形状成分を除去することによって被検物の屈折率分布を算出する。

概要

背景

特許文献1は、波長の異なる2つの光を用いて平板状の被検物屈折率分布を求める方法を提案している。特許文献2は、被検物に対して僅かに屈折率が異なる2種類のマッチングオイルのそれぞれに被検物を浸漬した状態で透過波面計測することによって、被検物の屈折率分布を求める方法を提案している。

概要

被検物の屈折率分布を非破壊かつ短時間で高精度に計測する。被検物50の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質中に被検物を配置した状態で、被検物の透過波面を2種類の波長を用いて計測し、2種類の波長で透過波面と特定の形状と屈折率分布を持つ基準被検物の透過波面も計測し、対応する波長について両者の透過波面の差分である波面収差を求め、被検物の形状成分を除去することによって被検物の屈折率分布を算出する。

目的

本発明は、被検物の屈折率分布を非破壊かつ短時間で高精度に計測することができる屈折率分布計測方法および屈折率分布計測装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
2件

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請求項1

被検物屈折率とは異なる屈折率を有する媒質中に前記被検物を配置し、前記被検物に参照光入射させて該被検物の透過波面計測する計測ステップと、前記透過波面の計測結果を用いて前記被検物の屈折率分布を算出する算出ステップとを含む屈折率分布計測方法であって、前記計測ステップにおいて、第1の波長における第1の透過波面と、前記第1の波長とは異なる第2の波長における第2の透過波面とを計測し、前記算出ステップにおいて、前記第1および第2の透過波面の計測結果と、前記被検物と同一形状および特定の屈折率分布を有する基準被検物が前記媒質中に配置されているときの前記第1および第2の波長に対応する各透過波面とを用いて、前記被検物の形状成分を除去することによって、前記被検物の屈折率分布を算出することを特徴とする屈折率分布計測方法。

請求項2

前記計測ステップにおける前記被検物の透過波面の計測は、シアリング干渉計を用いて行われることを特徴とする請求項1に記載の屈折率分布計測方法。

請求項3

前記計測ステップにおける前記被検物の透過波面の計測は、ハルトマンセンサを用いて行われることを特徴とする請求項1に記載の屈折率分布計測方法。

請求項4

光学素子モールド成形するステップと、請求項1〜3のうちいずれか一項に記載の屈折率分布計測方法を用いて前記光学素子の屈折率分布を計測することによって、成形された光学素子を評価するステップと、を有することを特徴とする光学素子の製造方法。

請求項5

第1および第2の波長で発光する光源と、前記光源からの光を用いて被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質中に配置された前記被検物の透過波面を計測する計測手段と、前記第1および第2の波長においてそれぞれ計測された第1の透過波面と第2の透過波面に基づいて前記被検物の屈折率分布を求める演算手段とを有する屈折率分布計測装置において、前記演算手段は、前記第1および第2の透過波面の計測結果と、前記被検物と同一形状および特定の屈折率分布を有する基準被検物が前記媒質中に配置されているときの前記第1および第2の波長に対応する各透過波面とを用いて、前記被検物の形状成分を除去することによって、前記被検物の屈折率分布を算出することを特徴とする屈折率分布計測装置。

請求項6

前記計測手段は、シアリング干渉計を有することを特徴とする請求項5に記載の屈折率分布計測装置。

請求項7

前記計測手段は、ハルトマンセンサを有することを特徴とする請求項5に記載の屈折率分布計測装置。

技術分野

0001

本発明は、屈折率分布計測方法および屈折率分布計測装置に関する。

背景技術

0002

特許文献1は、波長の異なる2つの光を用いて平板状の被検物屈折率分布を求める方法を提案している。特許文献2は、被検物に対して僅かに屈折率が異なる2種類のマッチングオイルのそれぞれに被検物を浸漬した状態で透過波面計測することによって、被検物の屈折率分布を求める方法を提案している。

先行技術

0003

特開平08−014852号公報
特開平02−008726号公報

発明が解決しようとする課題

0004

特許文献1に開示された方法では、被検物を平板状に加工する必要がある。被検物の加工は、時間を要するだけでなく被検物内部の応力を変化させ、加工前後で内部屈折率分布も変化させるため、加工前の屈折率分布とは異なる屈折率分布となる可能性がある。

0005

特許文献2に開示された方法では、被検物の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する2種類のマッチングオイルを用意する必要があり、マッチングオイルの屈折率の調整は、異なる種類のオイルを混ぜて調整するが、これには時間がかかる。また、屈折率が高いマッチングオイルは、透過率が低いため、特許文献2の方法により高屈折率の被検物の透過波面を計測すると、検出器からは小さな信号しか得られず、計測精度が低くなる。

0006

本発明は、被検物の屈折率分布を非破壊かつ短時間で高精度に計測することができる屈折率分布計測方法および屈折率分布計測装置を提供することを例示的な目的とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明の屈折率分布計測方法は、被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質中に前記被検物を配置し、前記被検物に参照光入射させて該被検物の透過波面を計測する計測ステップと、前記透過波面の計測結果を用いて前記被検物の屈折率分布を算出する算出ステップとを含む屈折率分布計測方法であって、前記計測ステップにおいて、第1の波長における第1の透過波面と、前記第1の波長とは異なる第2の波長における第2の透過波面とを計測し、前記算出ステップにおいて、前記第1および第2の透過波面の計測結果と、前記被検物と同一形状および特定の屈折率分布を有する基準被検物が前記媒質中に配置されているときの前記第1および第2の波長に対応する各透過波面とを用いて、前記被検物の形状成分を除去することによって、前記被検物の屈折率分布を算出することを特徴とする。

発明の効果

0008

本発明によれば、被検物の屈折率分布を非破壊かつ短時間で高精度に計測することができる屈折率分布計測方法および屈折率分布計測装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

0009

屈折率分布計測装置のブロック図である。(実施例1)
屈折率分布の算出手順を示すフローチャートである。(実施例1)
被検物上に定義された座標系計測装置内での光線光路を示す図である。(実施例1)
屈折率分布計測装置のブロック図である。(実施例2)
屈折率分布計測装置のブロック図である。(実施例3)

0010

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

0011

まず、実施例1の屈折率分布計測方法を実施する屈折率分布計測装置について説明する。屈折率分布計測装置は、被検物を被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質中(媒質M)に浸漬配置した状態で、2種類の異なる波長の参照光(第1の波長の光と第2の波長の光)を使用して被検物の透過波面を計測する。その後、屈折率分布計測装置は、透過波面の計測結果を用いて被検物の屈折率分布を求める。被検物は、例えば、正のパワーを持つレンズ光学素子)である。

0012

図1は、被検物50を異なる2つの波長の光を用いて透過波面を計測するトールボット干渉計(Talbot干渉計)(計測手段)のブロック図である。被検物ケース51の側面は、光を透過する材質(例えばガラス)である。被検物ケース51は媒質(例えばオイル)と被検物50を収納している。

0013

第1の波長λ1を発光する光源(第1の光源)10(例えばHeNeレーザ)から射出された光は、図1(a)のように、ビームスプリッタ20(例えばダイクロイックミラー)を透過してピンホール板ピンホール30へ到る。一方、第2の波長λ2を発光する光源(第2の光源)11(例えばHeCdレーザ)から射出された光は、図1(b)のように、ビームスプリッタ20で反射され、ピンホール30に到達する。尚、光源10の光が射出する方向を光軸方向、光束の中心を光軸という。

0014

光は、ピンホール30を通過する際に回折される。ピンホール30の直径φは、回折光理想球面波と見なせる程度に小さく、物体側の開口数(以下、開口数のことをNAという)と光の波長λを用いて数式1を満たすように設計されている。

0015

0016

本実施例の場合、HeCdレーザの波長λ2の方が、HeNeレーザの波長λ1より小さいので、波長λ2において数式1を満たすようにピンホール30を選べばよい。例えば、λ2が442nm、NAが0.2程度である場合は、ピンホール30の直径φは2μm程度でよい。

0017

ピンホール30を通って発散光となった光は、被検物ケース51内の媒質Mを通って被検物50に入射し、本実施例では、被検物50の正のパワーによって収束光となって、2次元直交回折格子60を通過する。そして、検出器である撮像素子70(CCDセンサ又はCMOSセンサ)によって撮像(計測)される。被検物50を透過した透過光のNAが小さい場合、回折格子60と撮像素子70の間の距離Zが数式2で示されるトールボット条件を満たすと、撮像素子70上に回折格子60の自己像干渉縞として得られる。

0018

0019

ここで、Zは回折格子60と撮像素子70の間の距離を示し、ここではトールボット距離という。また、mは自然数、dは回折格子60の格子ピッチ、Z0は回折格子60から被検物50の像面までの距離である。ただし、距離Z0は回折格子60から撮像素子70に向かう向きを正としている。回折格子60の格子ピッチdは、被検物50の収差の大きさ、撮像素子70のピクセルサイズに応じて決められる。

0020

図2は、被検物50の内部屈折率分布を算出する処理の手順を示すフローチャートであり、「S」はStep(ステップ)の略である。算出処理は、図1に示したマイクロコンピュータ等の演算ユニット80(演算手段)によってコンピュータプログラムに従って行われる。

0021

まず、図1に示したように、被検物ケース51内に媒質Mを満たし、媒質中に被検物50を配置する(S10)。
次に、第1の波長の光を被検物50に入射させる(S20)。第1の波長における透過波面を計測する際には、第2の波長の光が混入するのを防ぐ。本実施例では、光源11をOFFにするか、光源11とビームスプリッタ20の間にシャッタ等を挿入する。または、ビームスプリッタ20とピンホール30の間に第2の波長を透過しない波長選択フィルタ等を挿入する。

0022

そして、被検物50、回折格子60、撮像素子70(回折格子60と撮像素子70をまとめてセンサという)を適切な位置に調整する(S30)。ピンホール30と被検物50との光軸方向の間隔を変えることで、像側のNAを小さくする。トールボット干渉計において撮像素子70の全面で回折格子60の自己像を得るためには、NAを0.3程度以下に抑える必要がある。センサの受光面が、被検物50を透過した光束の径よりも小さい場合には、センサを被検物50から離すことで、該光束を受光面内に収めることができる。また、被検物50の光軸に対する偏心、傾きも調整する。

0023

次に、既知の形状と屈折率分布を有する基準被検物のシミュレーション波面Wsim1(第1の波長と対応する媒質で計測するときに得られる第1の基準透過波面)を計算する(S40)。このステップは、被検物50と同一形状と、一様な特定の屈折率分布を持つ被検物(基準被検物)を仮定し、S30と同じ位置に配置されている状態で、別途、透過波面(基準透過波面)を計算するステップである。被検物50と同じ形状とは、被検物50の設計値を意味する。シミュレーションの代わりに、研削研磨等によって被検物50と同じ形状かつ屈折率分布を持たない基準被検物を実際に作製し、図1に示した装置で透過波面を計測してもよい。

0024

図3(a)に示される被検物50内にある点(x,y)における、第1の基準透過波面Wsim1は数式3で表される。図3(a)の座標(0,0)は、被検物50の中心座標であり、光軸上の点に相当する。ここでは、数式3を簡略化するために、被検物ケース51の側面の厚さを無視している。

0025

0026

但し、L1a(x,y)、L1b(x,y)、L1c(x,y)、L1d(x,y)は、図3(b)に示される光線に沿った各構成要素間の幾何学的距離である。図3(b)の光線は、図3(a)に示す被検物50の内部のある点(x,y)を通る光線を指す。L1(x,y)は、被検物50内における光線の光路の幾何学的長さ、すなわち光線に沿った被検物の厚みである。L1(x,y)は、基準被検物を用いた光線追跡によって計算することができる。そこで、第1の基準透過波面Wsim1を計算する際に、任意の点のL1(x,y)も算出すればよい。

0027

n1は第1の波長における媒質Mの屈折率である。N1(0,0)は、第1の波長における基準被検物の屈折率である。N1(0,0)は、図3(a)に示した被検物50の中心座標(0,0)の屈折率を、光軸方向に平均化したときの屈折率に相当する。尚、被検物50のn1(0,0)は、別の計測方法(例えば低コヒーレンス干渉法を用いた屈折率計測方法)によって調べる必要がある。

0028

次に、図1(a)に示したように、第1の波長に対応する被検物50の透過波面Wm1(第1の透過波面)を計測する(S50)。このステップは、撮像素子70による干渉縞の画像取得と、不図示の処理回路による透過波面の画像回復処理とを含む。透過波面の画像回復処理(以下、波面回復という)は、FFT高速フーリエ変換)法によって行う。

0029

FFT法による波面回復は、収差が干渉縞のキャリア縞を乱す性質を利用して、キャリア縞と収差とを分離する方法である。具体的には、干渉縞に2次元FFTを行い、周波数マップに変換する。次に、周波数マップにおけるキャリア周波数の近傍部分のみを切り出して、キャリア周波数が原点になるように座標変換した上で、iFFT(逆高速フーリエ変換)を行う。これにより、複素振幅マップ位相項が求められる。その結果得られた位相マップが、透過波面となる。

0030

第1の透過波面Wm1は、図3(b)の幾何学的距離を用いて数式4のように表される。

0031

0032

N1(x,y)は、図3(b)に示した光線の進行方向に平均化された屈折率を意味する。dL(x,y)は、光線の進行方向における被検物50の設計値からの厚み誤差形状誤差)である。数式3と4におけるL1a(x,y)、L1b(x,y)、L1c(x,y)、L1d(x,y)とL1(x,y)は同じ値を用いている。これは、屈折率分布がある場合と無い場合の光路の違いは無視できるほど小さいためである。

0033

そして、S40で求めた第1の基準透過波面Wsim1とS50で求めた第1の透過波面Wm1の差分に相当する波面収差W1(第1の波面収差)を数式5に示すように計算する。

0034

0035

そして、数式6に示す近似を行うことで、第1の波長における波面収差W1を算出する(S60)。数式7は、第1の波長における、波面収差W1と屈折率分布GI1との関係を示す。

0036

0037

0038

S50で得られる透過波面Wm1の計測結果には、被検物50の屈折率分布と被検物形状の影響と被検物形状誤差の影響と計測システムによるオフセットが含まれる。透過波面Wm1から基準透過波面Wsim1を引くことによって被検物形状の影響と計測システムによるオフセットを相殺する。この結果、S60は、波面収差W1を求めて残渣である被検物50の屈折率分布と被検物形状誤差の影響の情報を取得する。

0039

続いて、図1(b)示したように、第2の波長の光を被検物50に入射させる(S70)。第2の波長における透過波面を計測する際には、第1の波長の光が混入するのを防ぐ。本実施例では、光源10をOFFにするか、光源10とビームスプリッタ20の間にシャッタ等を挿入する。または、ビームスプリッタ20とピンホール30の間に第1の波長を透過しない波長選択フィルタ等を挿入する。

0040

次に、センサの位置を調整する(S80)。数式2に示したように、波長が変わるとトールボット距離が変化するので、回折格子60と撮像素子70を適切な位置に変更する。

0041

そして、第1の波長の場合と同様の手順で、第2の波長における波面収差W2を求める。即ち、まず、第2の波長において基準被検物のシミュレーション波面Wsim2(第2の波長で計測するときに得られる第2の基準透過波面)を計算する(S90)。次に、第2の波長に対応する被検物50の透過波面Wm2(第2の透過波面)を計測する(S100)。最後に、第2の基準透過波面Wsim2と第2の透過波面Wm2との差分に相当する波面収差W2(第2の波面収差)を求める(S110)。数式8に、第2の波長における、波面収差W2と屈折率分布GI2との関係を示す。

0042

0043

数式8中のn2は、第2の波長における媒質Mの屈折率である。N2(x,y)は、第2の波長において、被検物50内における座標(x,y)を通る光線の進行方向に平均化された屈折率を示す。N2(0,0)は、N1(0,0)と同様に、別の計測によって得られた屈折率である。

0044

L2(x,y)は、第2の波長において、座標(x,y)を通る光線の光路の幾何学的長さ、すなわち光線に沿った被検物50の厚みである。L2(x,y)も、第2の基準透過波面Wsim2を計算する際に、光線追跡によって計算できる。色収差の影響でL1(x,y)とL2(x,y)はわずかに異なる。一方、形状誤差dL(x,y)は、L1(x,y)やL2(x,y)と比較して非常に小さな値なので、第1の波長と第2の波長とで同じ値を用いても問題ない。

0045

被検物50内の座標(x,y)における屈折率の波長依存性も、屈折率分布に伴って分布する。N1(x,y)とN2(x,y)は、近似式である数式9で関係付けられる。

0046

0047

ただし、N01、N02はモールド成形前の硝材の、第1の波長、第2の波長それぞれにおける屈折率(文献値)である。また、これらの屈折率は、文献値の代わりに、別途計測したN1(0,0)、N2(0,0)を用いてもよい。尚、数式9において、N1(x,y)、N2(x,y)、N01、N02は、厳密には、真空に対する屈折率(絶対屈折率)を用いるべきであるが、空気の屈折率はほぼ1なので、絶対屈折率の代わりに、空気に対する屈折率(相対屈折率)を用いてもよい。

0048

数式9により、第1の波長における屈折率分布GI1と第2の波長における屈折率分布GI2は、数式10で関係付けられる。

0049

0050

数式7の第1の波長における波面収差W1と、数式8の第2の波長における波面収差W2から、被検物50の形状誤差dL(x,y)を除去する。さらに、数式10を用いると、被検物50の第1波長における内部屈折率分布GI1を抽出する数式11が導ける。

0051

0052

ここで、Leff(x,y)は、L1(x,y)とL2(x,y)から得られる、被検物50の実効的な厚みを意味する。L1(x,y)がL2(x,y)と等しい、すなわち第1及び第2の波長における光線の進行方向が一致するとき、Leff(x,y)はL1(x,y)及びL2(x,y)と等しくなる。

0053

最後に、第1の波長における波面収差W1と第2の波長における波面収差W2と、実効的な厚みLeff(x,y)を数式11に代入することで、形状成分を除去して、第1の波長における被検物50の屈折率分布GI1を算出する(S120)。形状成分とは、上述した被検物形状誤差の影響であり、被検物50の設計値から得られる実効的な厚みLeff(x,y)と、被検物50の設計値からの形状誤差dL(x,y)を合わせたものを意味する。また、第2の波長における被検物50の内部屈折率分布GI2を算出したい場合には、求めたGI1を数式10に代入すればよい。

0054

S40、S90において、第1の基準透過波面Wsim1と第2の基準透過波面Wsim2を求める際と、数式11を用いて被検物50の内部屈折率分布GI1を算出する際に、媒質Mの屈折率が必要である。媒質Mの屈折率は、屈折率と温度の関係(文献値)を用いて算出するか、別途、低コヒーレンス干渉法等を用いて計測すればよい。

0055

屈折率と温度の関係を用いて算出する場合には、第1の透過波面Wm1と第2の透過波面Wm2を計測する(S50、S100)ときに、媒質Mの温度を温度計等で計測しておく必要がある。

0056

他に、媒質Mの屈折率とほぼ等しく、かつ屈折率と形状が既知の楔形状のもの(例えばガラスプリズム)を用いて媒質Mの屈折率を計測することもできる。具体的には、該プリズムを媒質中に浸し、第1の波長と第2の波長の光においてそれぞれの透過波面を計測し、波面の傾きと形状の情報から媒質Mの屈折率を算出すればよい。

0057

本実施例では、媒質Mにオイルを用いたが、水やエタノールでも計測することができる。あるいは、媒質Mが気体固体でも計測可能である。ただし、媒質Mが気体のときには、数式9の屈折率として、絶対屈折率を用いる必要がある。また、媒質Mの屈折率にムラがあると、被検物50の屈折率分布の精度が低下する。そのため、媒質Mは屈折率が一様に分布するものが好ましい。

0058

また、本実施例の屈折率分布計測方法においては、第1の波長と第2の波長とにおけるそれぞれの被検物50と媒質Mの屈折率の関係が、算出する屈折率分布の計測精度に大きく影響をする。そこで、第1の波長における波面収差W1と第2の波長における波面収差W2が、それぞれ誤差δW1、δW2を含むとき、算出する屈折率分布GI1の誤差を考える。簡単のため、第1波長と第2波長とにおける波面収差の誤差が、それぞれ独立で、かつδW1=δW2=δWとする。波面収差WGI1(=GI1×Leff(x,y))の誤差δWGI1と誤差δWの関係は数式12で表される。

0059

0060

例えば、N1(0,0)=N01=1.80、N2(0,0)=N02=1.83、n1=1.70、n2=1.75、δW=0.1%とすると、δWGI1=0.5%となる。

0061

誤差δWGI1を減らすには、数式12におけるδWの係数分子を小さく、かつ係数の分母を大きくすればよい。誤差δWGI1の低減の指針としては、被検物50と媒質Mの屈折率差が小さく、かつ被検物50と媒質Mそれぞれの屈折率の波長依存性が大きく異なるように媒質Mを選べばよい。また、屈折率の波長依存性の差異が顕著に現れるように、第1の波長と第2の波長の差を大きくとることが好ましい。

0062

本実施例のように、計測装置にトールボット干渉計を用いることで、被検物と媒質Mの屈折率差によって生じる大きな収差を計測することができる。トールボット干渉計は、ラテラルシアリング干渉計一種であり、透過波面が横ずらし(シア)された自身の透過波面との差分を、干渉縞として計測する。

0063

シアリング干渉計は、透過波面の波面形状勾配に相当する量を求める計測手段である。透過波面の横ずらし量は、シア量と呼び、光束の直径に対するシア量の割合を、シア比と呼ぶ。シア比を小さくすることで、大きな透過波面収差に対しても、干渉縞が密にならない程度の小さい収差(シア波面)として計測が可能になる。

0064

一般に、シアリング干渉計では、シア比が小さすぎるとシア波面がノイズに埋もれて精度が落ちるため、シア比は瞳の直径に対して3〜5%が良いとされる。しかし、本実施例では、大きな収差の透過波面を小さいシア波面で計測するために、シア比を0.3〜1.5%程度まで小さく設定している。

0065

シア比(Shear Ratio)は、撮像素子70上の光束の直径をD、回折格子60上の光束の直径をD0とすると、数式2を用いて数式13のように表せる。

0066

0067

数式13からシア比と回折格子60の格子ピッチdとは比例し、数式2から回折格子60のピッチはトールボット距離Zにも影響を与えるため、計測装置の構成要素間が干渉しないように考えて決定する必要がある。例えば、m=1のとき、D0が10mm程度であるとすると、格子ピッチは30〜150μm程度が望ましい。

0068

本実施例では、トールボット干渉計を用いた場合について説明したが、これと異なるラテラルシアリング干渉計、ラジアルシアリング干渉計、またはその他のシアリング干渉計も用いることができる。

0069

また、シアリング干渉計に限らず、大きな収差を持つ透過波面においても、波面の勾配または傾きを計測可能な物理量として検出することができるものであればよい。例えば、ハルマン法、シャックハルトマン法、またはロンキーテストを用いた計測装置でもよい。

0070

例えば、シャックハルトマンセンサは、レンズアレイに入射した光を、CCDに集光させる構造を有する。レンズアレイに傾いた透過波面が入射すると、CCD上の集光点の位置がずれる。シャックハルトマンセンサは、透過波面の傾きを集光点の位置ずれに変換して計測できるため、大きな収差を持つ波面の計測が可能である。

0071

また、シャックハルトマンセンサを用いた場合、第1の透過波面Wm1と第2の透過波面Wm2の計測において、計測装置内の素子の配置は同一でよい。そのため、第1の透過波面Wm1が誤差δWを持っていた場合、第2の波長における波面収差Wm2もほぼ同量同種の誤差(収差)δWを持つことになる。

0072

本実施例の屈折率分布計測方法では、N1(0,0)−n1とN2(0,0)−n2の値が近いので、誤差δWを数式11に代入すると誤差δWをある程度打ち消す効果があり、計測装置内の光学素子の配置誤差感度が低く、高精度な計測が可能となる。

0073

本実施例では、第1の波長と第2の波長の光を出力する光源として、2種類の光源を用意した。しかし、半導体レーザのような波長可変同一光源で2種類の波長の光を得てもよいし、Supercontinuum光源のような広帯域光源狭帯域フィルタで2種類の波長の光を生成してもよい。また、シアリング干渉法やハルトマン法を用いるので、広帯域光源としてハロゲンランプのようなインコヒーレント光源も使うことができる。

0074

以上の説明したように、本実施例屈折率分布計測方法は、被検物を媒質Mに浸し、波長を切り替えて、第1の透過波面と第2の透過波面を計測する。この作業は、単純に波長を切り替えるだけであり、媒質Mの屈折率の調整もいらない。さらに、被検物を加工する必要もないために、計測時間が短い。また、被検物の加工による屈折率分布の変化も生じない。したがって、本実施例の屈折率分布計測方法を用いれば、被検物の内部屈折率分布を、非破壊かつ短時間で高精度に計測することができる。

0075

実施例2では、負のパワーを持つ被検物を、干渉計以外の計測装置で計測する場合について説明する。尚、実施例1と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。

0076

図4は、本実施例の計測装置のブロック図である。被検物50は負のパワーを持つレンズ(光学素子)である。被検物50の周囲を満たす媒質Mは、例として水(図4中では媒質と記す)を用いている。

0077

光源12は、マルチモード発振のレーザ(例えばYAGレーザ基本波と2倍波)、もしくは、広帯域光源(例えばSupercontinuum光源)と特定波長透過フィルタの組み合わせのように、2種類以上の波長の光を同時に出力する光源である。透過波面の計測には、シャックハルトマンセンサ71a、71bを用いている。

0078

光源12から射出された第1波長λ1と第2の波長λ2の光は、ビームスプリッタ21(例えばハーフミラー)において、それぞれ透過光と反射光に分けられる。ビームスプリッタ21で反射された光は、波長計90(例えば分光器光スペクトラムアナライザ)で受光される。波長計90によって、第1波長λ1と第2の波長λ2を正確に特定する。ここでは、光源12の光が射出する方向を光軸方向、光束の中心を光軸という。

0079

ビームスプリッタ21を透過した光は、ピンホール30を通ることで理想球面波となる。第1波長λ1と第2の波長λ2の光は、コリメータレンズ40、41を介して、それぞれ収束光に変換される。コリメータレンズ40、41には、アクロマートレンズのように、ある程度色収差の補正されているレンズが好ましい。収束光は、被検物ケース51内の水を通り被検物50へ入射する。被検物50を透過した光は、概ね平行光となり、水を通って被検物ケース51を出る。

0080

第1の波長λ1の光は、ビームスプリッタ22(例えばダイクロイックミラー)を透過してシャックハルトマンセンサ71aで計測され、第2の波長λ2の光は、ビームスプリッタ22で反射されシャックハルトマンセンサ71bで計測される。シャックハルトマンセンサ71a、71bで撮像された画像を元に、演算ユニット80で被検物50の内部屈折率分布を算出する。

0081

シャックハルトマンセンサは、トールボット干渉計に比べて、センサに入射する光束のNAを厳しく管理する必要がある。しかし、シャックハルトマンセンサを用いる場合、トールボット距離のような調整が必要ないため、位置合わせが容易であり、短時間計測が可能である。

0082

本実施例では、2つのシャックハルトマンセンサを用いて、第1透過波面Wm1と第2の透過波面Wm2を同時に計測している。代わりに、1つのシャックハルトマンセンサを用いる場合は、ビームスプリッタ22の代わりに、波長選択フィルタ等を出し入れして2回計測すればよい。波長選択フィルタは、シャックハルトマンセンサ71aの前でもよいし、光源12とピンホール30の間でもよい。

0083

以下に、本実施例における被検物50の内部屈折率分布の算出手順を示す。まず、図4に示したように、被検物50の周囲を水で満たす(S10)。次に、第1の波長λ1と第2の波長λ2の光を同時に被検物へ入射させる(S20及びS70)。そして、被検物50の光軸に対する偏心、傾きを調整する。

0084

また、光軸方向の位置を調整し、被検物50の透過光を概ね平行光にする(S30)。透過光を平行光にするための調整は、被検物50の位置を調整する代わりに、コリメータレンズ41を適切なNAのレンズに変えてもよい。トールボット干渉計と異なり、シャックハルトマンセンサ71a、71bの位置は、調整しなくてもよい。

0085

そして、第1の波長λ1と第2の波長λ2におけるそれぞれの波面収差W1、W2を、実施例1と同様の手順で求める(S60とS110)。本実施例では、シャックハルトマンセンサを用いているので、S80の作業(センサの位置調整)は必要ない。シャックハルトマンセンサ71a、71bを用いて、第1の透過波面Wm1と第2の透過波面Wm2を一度に計測できるため、S40〜S60とS90〜S110を同時に進行できる。

0086

最後に、数式11を用いて、被検物50の内部屈折率分布を算出する(S120)。

0087

実施例3は、実施例1、2で必要だった被検物50の偏心、傾き、光軸方向の位置の調整を省くことができる屈折率分布の計測装置について説明する。尚、実施例1、2と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。

0088

図5は、本実施例の計測装置のブロック図である。被検物50は負のパワーを持つレンズ(光学素子)である。被検物50の周囲を満たす媒質Mは、例としてオイルである。光源13は、波長可変レーザ(例えば半導体レーザ)、もしくは、広帯域光源(例えばハロゲンランプ)と特定波長透過フィルタの組み合わせのように、2波長以上の光を適宜出力できる光源である。透過波面の計測には、トールボット干渉計を用いている。各光学素子は、支持具(例えば台やレール)に固定されている。

0089

光源13から射出された第1の波長λ1(または第2の波長λ2)の光は、ビームスプリッタ21において、透過光と反射光に分けられる。ビームスプリッタ21で反射された光は、ミラー25a(例えばアルミミラー)で反射後、波長計90で受光される。波長計90によって、第1の波長λ1(または第2の波長λ2)を正確に特定する。ここでは、光源13の光が射出する方向を光軸方向、光束の中心を光軸という。

0090

ビームスプリッタ21を透過した光は、ピンホール30を通ることで理想球面波となる。発散光となった光は、コリメータレンズ40によって平行光となり、平面ミラー25bで垂直上方に反射される。尚、光軸も垂直上方に折れ曲がるものとする。

0091

平行光は、絞り35(例えばダイアフラム)によって、必要な光以外は遮断され、被検物ケース51内のオイルを通って被検物50に入射する。被検物を透過した光は発散光となり、回折格子60と撮像素子70から構成されるトールボット干渉計によって計測される。尚、被検物ケース51の底面は、光軸と垂直になるように設計しておくとよい。

0092

本実施例における被検物50の屈折率分布の算出手順を示す。まず、図5のように、被検物50をオイル中に浸す(S10)。次に、光源13から第1の波長の光λ1を出力する(S20)。広帯域光源を用いる場合は、第1の波長λ1を透過させる狭帯域フィルタを、光源13とビームスプリッタ21の間に挿入すればよい。
そして、センサの位置、トールボット距離を調整する(S30)。被検物ケース51は光軸と垂直であり、被検物50へ入射する光は平行光である。このため、被検物50を被検物ケース51に中に置くだけで、被検物50の偏心、傾き、光軸方向の位置が調整されたことになる。

0093

第1の波長における波面収差W1を、実施例1と同様の手順で求める(S40〜S60)。そして、光源13から第2の波長の光λ2を出力し(S70)、適切なトールボット距離に調整して(S80)、第2の波長における波面収差W2を求める(S90〜S110)。最後に、数式11を用いて、被検物50の内部屈折率分布を算出する(S120)。

0094

本実施例では、平面ミラー25bで平行光を垂直上方に跳ね上げ、被検物50を被検物ケース51に接触させて置くことで、被検物の偏心、傾き、光軸方向の位置の調整を省いている。平行光を垂直上方に偏向させる代わりに、垂直下方に偏向させ、絞り35、被検物ケース51、被検物50、回折格子60、撮像素子70を下方に配置してもよい。

0095

また、本実施例では、被検物50の内部屈折率分布の算出処理を簡単にするため、絞り35によって必要な光以外(媒質Mを透過した平行光)を遮断している。しかし、数式2から分かるように、平行光と発散光ではトールボット距離が異なる。そのため、絞り35を用いずに、平行光の発散光を分離することも可能である。

0096

実施例1〜3にて説明した屈折率分布計測装置(屈折率分布計測方法)によって計測された結果を、光学素子の製造方法にフィードバックすることができる。この光学素子の製造方法は、設計された光学素子に基づいて、光学素子をモールド成形するステップと、成形された光学素子の形状を計測し、形状精度を評価するステップと、形状精度を満足する光学素子の光学性能を評価するステップと、を有する。そして、光学性能を評価するステップに、本実施例の屈折率分布計測方法を適用することができる。評価された光学性能が、要求する仕様を満足しなかった場合には、光学素子の光学面の補正量が算出され、その結果を用いて再度、光学素子を設計し、満足する場合には光学素子を量産する。

実施例

0097

本実施例の光学素子の製造方法により、光学素子の内部屈折率分布を高精度に計測することができるので、高屈折率硝材を用いた光学素子であっても、モールド成形で精度良く量産することが可能になる。

0098

屈折率分布計測装置は光学素子を製造する用途に適用することができる。

0099

M媒質
10 第1の波長で発光する光源
11 第2の波長で発光する光源
50被検物
80演算ユニット(コンピュータ

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