JPH02116732A - 光学測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光学測定方法及び測定装置に係り、特に複屈折
がある光学部品の測定に用いて好適なものである。

〔発明の概要〕

被測定物を通した光源からの光束と別の参照光学系を通
った光源からの光束とを干渉させ、参照光学系の異なる
光路長及び光源からの光束の異なる偏光方向について複
数の干渉状態を生じさせ、干渉像の検出データ間で演算
して、被測定物の複屈折の大きさ及び主軸方向を透光面
の各点について得るようにした光学測定方法及び装置で
ある。

〔従来の技術〕

光学式ディスクやそのピックアップに用いられる非球面
レンズなどの光学部材に透明樹脂の成形品が使用されて
いる。このような光学部材では、成形時に生じた複屈折
の大きさや方向及びこれらの分布が読取り不良の原因と
して問題になっている。このため素材の選定や金型の設
計或いは成形条件の設定のために、光学部材の成形品の
複屈折を測定する装置が求められている。

従来では偏向板を用いて光学部材の透過光を観察し、複
屈折の大きさ、方向、分布などを予測する方法が行われ
ていた。この方法は定量測定でないため、きわめてあい
まいな判断しかできない問題がある。

一般に知られている定量的な複屈折の測定器として、セ
ルナモン法又はその変形を利用したものがある。薄膜の
厚さを測るエリプソメータはこの種の測定器の一種とし
て分類されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の複屈折の測定器は、測定光軸方向のサンプルの厚
みが測定要因として含まれるので、平面又はプリズム状
の形状のサンプルしか複屈折の分布を測定することがで
きなかった。従ってレンズのように厚さが一様でないも
のについての測定はできなかった。

また厚さが均一のサンプルであっても、面に関して複屈
折を測定すると、面全体の平均値として測定されてしま
う。従って面に関する複屈折の分布状態を調べるには、
測定光の径を限定してサンプル上の一点に関する複屈折
の大きさ、方向等を測定し、多数の点に関しこの測定を
繰り返す必要があった。このため長時間にわたる測定を
行わなければならなかった。

別の問題としてレンズ等の波面収差又は透過面に沿った
屈折率分布等を測定する装置として様々なタイプの干渉
計が用いられているが、これらの測定器はレンズ等の光
学部材に複屈折が無いことを前提とした原理に基いてい
る。このため大きな複屈折があるサンプルを干渉計にか
けると、複屈折の常光線と異常光線に基く干渉が互に分
別不可能な状態で生じ、複屈折によって妨害された極め
て不正確なデータしか得られない問題がある。

本８発明は上述の問題にかんがみ、複屈折の大きさ、方
向及び面上の分布状態を短時間に、しかも透光方向の厚
さが不均等な光学部材に対しても測定できるようにする
ことを一つの目的とする。

本発明の別の目的は、比較的大きな複屈折を有する成形
品の非球面レンズのような光学部品に対して、複屈折に
影響されずに、透過波面収差（透光方向の厚さが均一な
光学部品では屈折率分布）等を測定し得るようにするこ
とである。

〔課題を解決するための手段） 本発明の光学測定方法は、光源１からの光束を第１及び
第２の光学径路５．６に入射して、被測定物１２からの
出射光束を上記第１の光学径路６から得ると共に、上記
第２の光学径路５を通した参照光束とグ干渉させ、上記
第２の光学径路５の異なる光路長及び上記光源１からの
光束の異なる偏光方向に関し、複数の干渉状態を形成し
、各干渉像の検出データ間で演算処理を行ない、上記被
測定物１２の複屈折の大きさと方向及び透過波面収差を
求める各ステップを備える。

また、本発明の光学測定装置は、干渉光束を検出する検
出手段１３　（エリアセンサ）と、光源Ｉからの光束の
偏光方向を変化させる偏光方向可変手段１５と、上記偏
光方向可変手段１５からの光束を被測定物１２からの出
射光束と干渉させるための参照光束として導く、略無位
相無偏光の参照光学径路５と、上記参照光学径路５の光
路長を変化させる光路長可変手段１１と、上記偏光方向
可変手段１５からの光束を上記被測定物１２に照射し、
上記参照光束と干渉させるために上記出射光束を導く略
無位相無偏光の出射光学径路６とを備えている。

〔作用〕

光路長は例えばλ／４．２λ／４．３λ／４．４λ／４
のように変化させ、各光路長ごとに偏光方向を初期値か
ら４５″、９０’　　１３５’のように変化させる。測
定光学系自体を通ることによる参照光及び出射光の位相
変化及び偏光は少ないか又は概ね零であるので、光路長
及び偏光をパラメータとした干渉縞の像についての複数
の等式から、偏光方向に影響された複屈折成分及び偏光
に影響されない波面収差成分を分離して算出できる。

干渉縞の像（輝度）を面について検出すれば、サンプル
の光透過面内での多数の点について複屈折及び波面収差
が同時に求まる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す測定装置の構成図であ
る。この測定装置はマハツエンダー型干渉計を応用した
ものである。第１図において、例えばヘリウム・ネオン
レーザ光源１から放射された円偏光の平行光線束Ｌ０を
、偏光方向可変手段１５として設けられている偏光子２
を通して直線偏光の平行光線束Ｌ＋に変えてビームエキ
スパンダ３に入射させる。

ビームエキスパンダ３は、焦点を一致させた２組のレン
ズで構成した装置で、光源１から放射された細い平行光
線束はここで太い平行光線束り。

に変換される。

ビームエキスパンダ３で太くされた平行光線束Ｌ＋　は
、分光用のビームスプリンタ４の半透鏡４ａに対して４
５度の角度をもって入射される。これにより、平行光線
束り、は半透鏡４ａを透過する光線束と、半透鏡４ａで
反射される光線束とに分けられ、透過した光線束が参照
光線束Ｌ２として用いられると共に、反射光線束が検出
光線束り。

として用いられる。

各平行光線束Ｌｘ、Ｌｚは互いに直角な方向に進行する
。そして、夫々の進行方向に対して４５度の角度で挿入
された反射鏡７．８により、夫々の進行方向と直角な方
向に設けられたビームスプリッタ１０に向けて全反射さ
れる。これらのビームスプリッタ４．１０及び反射鏡７
．８は無位相無偏光のものが使用されている。従って、
各光線束■７□、Ｌ３がこれらを透過または反射する際
に位相や偏光方向等が変化しない。反射鏡７を介する光
路で参照光学径路５が構成されている。この径路５には
、反射鏡７を矢印ａで示す反射面と直角方向に進退させ
て参照光線束Ｌ２の光路長を変えるために、ピエゾ素子
（ＰＺＴ）等の光路長可変手段１１が設けられている。

実施例では、この光路長可変手段１１によって参照光線
束Ｌ２の光路長を初期位相から、λ／４、λ／２．３λ
／４、λ　（ただし、λは光源からの平行光線束り。の
波長）のように、λ／４ずつ変化させている。

一方、ビームスプリッタ４、反射鏡８及びビームスプリ
ッタ１０の光路が出射光学径路６として構成され、反射
鏡８とビームスプリッタ１０との間に被測定物１２が置
かれる。従って、被測定物１２に検出光線束Ｌ３が照射
され、これを通った光線束が被測定物１２からの出射光
線束Ｌ４としてビームスプリッタ１０に入射する。

各光線束Ｌ２、Ｌ４はビームスプリッタ１０の半透鏡１
０ａに対して４５度の角度で入射する。

そして、参照光線束Ｌ２が半透鏡１０ａで反射されると
共に、出射光線束Ｌ４が半透鏡１０ａを透過することに
より、これらの光線束Ｌ２、Ｌ４が重ね合わされて一緒
になる。

ビームスプリッタ４で２つに分けられてから、ビームス
プリッタ１０で合成されるまでの光路長が、参照光線束
Ｌ２が通る参照光学径路５と、出射光線束Ｌ４が通る出
射光学径路６とでは異なる。

従って、これらの光線束■７□及びＬ４間に位相差が生
じるので、ビームスプリッタ１０から出射される光線束
は干渉光線束り、となる。この干渉光線束Ｌ５を、ＣＣ
Ｄ等の固体撮像素子より成るエリアセンサ１３に入射す
る。そして、得られた映像信号Ｓ１をメモリ１４に記憶
すると共に、モニ夕受像機（図示せず）に供給して干渉
縞の映像を映出させる。

実施例の測定装置は参照光学径路５の光路長をλ／４ず
つ４回動かしながら、各光路長における干渉縞の映像の
データを得る。また各光路長ごとに、偏光子駆動装置２
ａによって偏光子２を動かし、各光学径路５．６に入射
する平行光線束り。

の偏光方向を０度（初期値）から１３５度まで４５度ず
つ４回変化させながら、各光路長における映像データを
得る。或いはこの逆に各４つの偏光方向ごとに参照光路
長を４位相で変化させてもよい。

第２図の測定回路のブロック図に示すように、メモリ１
４には１６個のフィールドメモリＦＭが設けられていて
、測定が行なわれるたびに映像データがこれらのフィー
ルドメモリＦＭに順次記憶される。従って、メモリ１４
には、参照光線束■７□の位相をλ／４ずつ４回変化さ
せると共に、偏光方向φを０度から１３５度まで４５度
ずつ４回変化させて測定して得た１６種類の干渉縞の映
像データが記憶される。

被測定物１２の光透過面上の多数の点における干渉像の
輝度データは、メモリ１４からコンピュータで成る演算
手段１７に供給される。この演算により被測定物１２に
おける複屈折の主軸方向やりタゼーション（複屈折の大
きさ）及び透過波面収差等を測定することができる。測
定結果は、プリンタ装置やデイスプレィ装置等の出力装
置１８に導出される。

次に演算手段１７における演算アルゴリズムを簡単に説
明する。エリアセンサ１３の成る１点（座標Ｘ、Ｙ）に
おける受光強度をＩとすると、１−１ｏ　　（１＋ｃｏ
ｓｋ（ｄ（ｎｏ　　　ｇ）　＋δ）・ＣＯ３２ψ＋ｃｏ
ｓ　ｋ　（ｄ（ｎｏ　＋　ｔ　）＋δ）　　・ｓｉｎ”
ψ〕−−−−　　（１）となる。ここで、 １／２１ｏ：入射光の強度 ｎｏ　：複屈折量を二輪ベクトルで表わしたときのスロ
ー軸とファースト軸の屈 折率の平均 θ　：複屈折の主軸方向 二人射光の偏光方向 ：θ−φ ：複屈折の大きさ（リタゼーション） ：被測定物の厚さ ：参照光学系路と出射光学系路との位 相差 λ　：光の波長 ｋ　：２π／λ である。

上述したように、実施例では位相差δをλ／４ずつ４回
変化させて映像データを得る。各位相差における受光強
度は、 １１　＝Ｉ（δ。） Ｔ、＝１（δ。＋λ／４） １、−＝１（δ。＋２λ／４） １４＝１（δ。＋３λ／４） となる。また、δ。は初期位相で４回の測定の総合受光
強度ΣＩは、 Σｌ−１１＋Ｉｚ　＋１３　＋１４ ＝４１０ となる、ここで、位相差δがλ／２変化した場合の受光
強度差を正規化して求める。即ち、１＋　＝２ｘ　（Ｉ
ｔ　　　Ｉ、）／ΣＩ・−−−−−−−（２）Ｌｚ　＝
２ｘ　（Ｉ２−１４　）　／ΣＩ−・・・−・（３）と
する。次に、偏光方向可変手段１５により、ビームスプ
リッタ４に入射する平行光線束Ｌ１の偏光方向を０度か
ら１３５度まで４５度ずつ変化させて、同様に４位相の
測定を繰り返し、合計１６回の受光強度データを得る。

そして、偏光方向がφ−〇°　　４５°　　９０゜１３
５°における上記（２）式及び（３）弐の１１．１２を
、夫々１１いＬｚ、１−４３．１１４及び”２１．１２
□、β２３、β２４とする。即ち、 ｊ！＋＋＝ｅ＋　（φ−０”）、 （ｌｌｓ＝１＋　　（φ−９０°）、 βＺＩ＝１２（φ＝０°）、 １ｚｙ＝１ｚ　　（φ−９０゛）、 とする。これより、 （ｊｉ！＋＋＋　ｊ！＋ｚ＋２．ｓ＋Ｊｚ）２＋　＜１
ｘ−（ｃｏｓ　ｋ　ｄε＞　２−−−−・−・−・・・
・・・−・（４）（φ−４５°　）、 （φ−１３５°　） （φ＝４５°　）、 （φ−１３５°　） ＋！２□千１２’Ｊ＋１２４）２ １１□；１１ ｔ！＋ａ＝ｌ！。

ｚｚｚ−ｘｚ β２４−７１！ｚ となる。従って、（４）式から複屈折の大きさ、即ちリ
タゼーション２ｄεを求めることができる。また、 ２　Ｘ　（ｊ！ｚ＋　　Ｎｚ＋）／　（Ｌ＋　＋　ｅ（
ｚ＋　ｊ２１３＋　ｆｆｚ）＝ｃｏｓ２θＸ　ｔａｎｋ
　ｄ　ｔ−・・・−−−−一・−・（５）２ｘ（ｚｚ□
−１ｉｎ）／　（１１１＋Ａ１ｚ＋４＋ｓ＋ｊ！ｚ）＝
−ｓｉｎ２θＸ　ｔａｎｋ　ｄ　ｔ　−−−−−−−−
−（６）となるので、（５）式、（６）式より複屈折の
主軸方向θを、０°〜１８０°の範囲で決定できる。ま
た、＝ｋ　　（ｄｎ、　　−δ。）−・・・−・−一一
一・・−・−（７１となる。従って、（７）式より複屈
折に影響されない、即ち偏光方向によって変化しない透
過波面収差ｄｎｏを測定することができる。従って複屈
折の多いプラスチックレンズ等の収差等を測定すること
が可能となる。なお従来の干渉計では複屈折の多い光学
部品については、複屈折に妨害されて収差による干渉縞
を正しく測定することができなかった。しかし第１図の
装置によれば、複屈折による影響のない高性能の干渉計
を構成することができる。

なお被測定物１２がコンパクトオーディオディスクのよ
うな厚さが均一の光学部品である場合には、透過波面収
差ｄｎ、）の厚さｄが定数であるので、ｄで割った残り
のｎｏにより、被測定物１２の光透過面の方向に分布し
ている屈折率分布を求めることができる。また非球面プ
ラスチックレンズのように厚さｄを正確に決定できない
場合には、被測定物１２を屈折率が近似しているマツチ
ングオイルに浸漬した状態で測定すれば、厚さｄによる
影響を除外して屈折率分布のみを求めるごとができる。

第３図及び第４図に測定データを表示した複屈折主軸方
向チャート及びリタゼーションチャートを示す。第３図
の複屈折主軸方向チャートでは、被測定物１２の光透過
面を多数のセグメント１２ａに分け、１セグメント１２
ａ内の各点における複屈折の主軸方向θの値（第６式）
の平均を求め、その値を線ベクトルＬθの方向として各
セグメントごとに透過面のチャート上に表示する。この
チャートにより、透過面内における複屈折の主軸方向の
分布を知ることができる。

第４図のりタゼーションチャートでは、第４式に基づく
りタゼーション２ｄεの値を透過面内の各点において求
め、その大きさの順に複数のクラスに分離し、各クラス
を輪郭線１２ｂ又は模様１２ｃ又はこれらの併用で互に
識別できるように透過面のチャー１・上にコンタ図の形
で表示する。このチャートにより、透過面内の屈折率の
大きさの分布を知ることができる。

なお第３図及び第４図を同一チャード上に表示してもよ
い。また第７弐に基く透過波面収差ｄｎ。

又は屈折率ｎ。（ｄが一定の場合）の分布をチャート上
に第４図と同様なコンタ図の形で表示することもできる
。

以上はマハツエンダー型干渉計を基本構成とした実施例
を示したが、他の形式、例えばトワイマングリーング型
、フィゾー型、マイケルストン型の干渉計を基本にして
光学系を構成することができる。即ち、光源からの光束
を被測定物に照射し、この被測定物からの出射光束と、
光源からの参照光束とを干渉させるような光学系であれ
ば、干渉光束を検出する光センサ、光源の偏光方向を変
化させる手段及び参照光の光路長を変化させる手段を夫
々追加することにより、実施例と同等な複屈折の測定装
置を構成することができる。

また実施例においては、参照光学経路及び出射光学系経
路として無位相無偏光のものを用いているが、各光学経
路の入射端と出射端との間に固有の位相変化及び偏光角
が生じていても、位相量及び偏向成分が定数値として予
め測定されていれば、これらの値をキャンセルするよう
な演算により複屈折の主軸方向、大きさ等を求めること
ができる。

なお実施例においてはエリアセンサ１３によって干渉縞
像の検出（イメージセンス）を行っているが、線状セン
サを面方向に移動させながら像検出を行ってもよい。

〔発明の効果〕

請求項１の発明は上述のように、干渉光学系において、
光源の偏光条件及び参照光とサンプル透過光（出射光）
との位相条件を夫々異ならせた複数の干渉縞データを得
て、データ間の演算により、サンプル（被測定物）の複
屈折の大きさ、方向及び透過波面収差を夫々独立に求め
るようにしたものである。よってこの発明によれば、被
測定物の光透過面の全体についての干渉縞のイメージを
検出することにより、面上の多数の代表点における複屈
折の大きさ、方向等を同時に定量的に求めることができ
、サンプルの複屈折測定を高精度に且つ迅速に行うこと
ができる。また測定光軸方向のサンプルの厚みに影響さ
れずに、即ち厚み分を分離して複屈折のみを独立に求め
ることができ、従って平板状（厚さが均一）でないレン
ズのようなサンプルでも測定が可能になる。

また測定光の位相、偏光を異ならせた複数の干渉像によ
り、複屈折と波面収差とを夫々独立に求めることができ
るので、複屈折の多いサンプルでも、複屈折に影響され
ずに透過波面収差又は屈折率の分布を測定することがで
きる。

また請求項２の発明によると、参照光学系及びサンプル
を介在させた出射光学系が夫々略無位相、略無偏光の光
学系で構成されているため、パラメータとして与える偏
光角及び位相量が正確であれば、簡単な計算により複屈
折及び透過波面収差を誤差少なく、高精度に求めること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す光学測定装置の光経路
図、第２図は測定データ処理系のブロック図、第３図及
び第４図は測定結果を示す複屈折主軸方向チャート及び
リタデーションチャートである。 なお図面に用いた符号において、 １−・−・−・−ｍ−−−−−・−・−・光源２−−−
−−−−−−−−−・・・・偏光子３−−−−−−一・
・・・・・・−・−ビームエキスパンダ４　、１０−−
−−−−−−−−−−ビームスプリッタ５−−−−−−
−−−−−−−−・−参照光学経路・・・・−・・−出
射光学経路 −・−反射鏡 ・−・−・−光路長可変手段 一・−・−被測定物 ・エリアセンサ ・−・−一一一−−・−メモリ 偏光方向可変手段 ・・−一−−−−−−−演算手段 ・−出力装置 代 埋入 土 屋 勝 穣屈訴主軸力藺４ｗ−’ｈ 第３図 す９テ”−５５ン苓ヤード 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源からの光束を第１及び第２の光学径路に入射し
   て、被測定物からの出射光束を上記第１の光学径路から
   得ると共に、上記第２の光学径路を通した参照光束と干
   渉させ、上記第２の光学径路の異なる光路長及び上記光
   源からの光束の異なる偏光方向に関し、複数の干渉状態
   を形成し、各干渉像の検出データ間で演算処理を行ない
   、上記被測定物の複屈折の大きさと方向及び透過波面収
   差を夫々求めるようにした光学測定方法。 ２、光源からの光束を被測定物に照射し、該被測定物か
   らの出射光束と、上記光源からの参照光束とを干渉させ
   、その干渉光束を検出するようにした光学測定装置に於
   いて、 上記干渉光束を検出する検出手段と、 上記光源からの光束の偏光方向を変化させる偏光方向可
   変手段と、 上記偏光方向可変手段からの光束を上記出射光束と干渉
   させるための参照光束として導く略無位相無偏光の参照
   光学径路と、 上記参照光学径路の光路長を変化させる光路長可変手段
   と、 上記偏光方向可変手段からの光束を上記被測定物に照射
   し、上記参照光束と干渉させるために上記出射光束を導
   く略無位相無偏光の出射光学径路とを備えた光学測定装
   置。