JPH028726A - 屈折率測定方法 - 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］ この発明は、レンズの屈折率測定方法に関し、特に、形
状及び屈折率が未知のプラスチック製のレンズの屈折率
及び屈折率分布を測定するのに適した、レンズの屈折率
測定方法に関するものである。

［従来の技術］ プラスチックレンズは、レンズの軽量化や原価低減、あ
るいは非球面レンズなどに対するニーズから、近年多用
されるようになっている。

しかし、プラスチックレンズを物性面の安定という観点
からみると、ガラスレンズに比べて、製造上、屈折率及
びその分布が不安定で変動が大きい欠点がある。したが
って、プラスチックレンズは、屈折率とその分布を成形
後に一個一個測定する必要がある。この場合、レンズを
破壊するわけにはいかないから、その測定は容易ではな
い、非球面レンズなどであればなおさらである。

このようなプラスチックレンズの屈折率の測定方法とし
て、従来は次のようなものがあった。

用いられる装置は、全体としては、マツ／＼・ツエンダ
−の干渉計になっていて、−光束を平面波の参照光とし
て使い、もう−光束中に被検レンズを、被検レンズと屈
折率がほぼ等しいマツチング液に浸してセットする。さ
らに、屈折率参照用として、被検レンズに屈折率の近い
、屈折率既知のガラス試料も同時に液浸してセットする
。このよな液浸装置をマツハ・ツエンダ−干渉計の一光
東中に置くことにより生ずる干渉縞観測において、Ｎ本
の干渉縞が観測される間の試料の厚さの差を測定して、
その測定値から被検レンズの屈折率を求めていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、マツチング液の屈折率は、温度変化等に伴って
変動するものである。したがって上述の測定方法では、
温度が変化すればＮ木の干渉縞の生じる範囲も変動し、
その度毎にその部分の試料の厚さを測定しなければなら
ない、また、レンズの屈折率分布が一様でなければ、不
規則な形の干渉縞が発生するので、Ｎ本の縞というのは
どのように解釈すればよいかが困難な事態が生じる。し
たがって、このような場合の屈折率測定においては、定
量解釈が難しい欠点があった。また、そのために測定の
自動化なども困難であった。

この発明は、そのような従来の欠点を解消し。

形状及び屈折率が未知のレンズを破壊せずに、その屈折
率と屈折率分布を測定することができ、しかも定量解釈
が容易で、測定の自動化を行うのも容易なレンズの屈折
率測定方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明のレンズの屈折率
測定方法は、屈折率及び形状が既知のガラス試料と、屈
折率及び形状が未知の被検レンズとを第１のマツチング
液中に浸し、これらにコヒーレント光を透過させて、そ
の透過光波を参照光波と重ね合わせて干渉縞を発生させ
、上記ガラス試料を透過した光波により生ずる干渉縞の
強度分布を出力してその出力から上記第１のマツチング
液の屈折率を求めると共に、上記被検レンズを透過した
光波により生ずる干渉縞の強度分布を出力して、その出
力から、その干渉縞を表す第１の多項式を求め１次に、
上記ガラス試料と被検レンズとを、屈折率が上記第１の
マツチング液とわずかに異なる第２のマツチング液中に
浸し、これらに上記コヒーレント光を透過させて、その
透過光波を参照光波と重ね合わせて干渉縞を発生させ、
上記ガラス試料を透過した光波により生ずる干渉縞の強
度分布を出力してその出力から上記第２のマツチング液
の屈折率を求めると共に、上記被検レンズを透過した光
波により生ずる干渉縞の強度分布を出力して、その出力
から、その干渉縞を表す第２の多項式を求めて、上記第
１及び第２のマツチング液の屈折率と第１及び第２の多
項式とから上記被検レンズの形状を求め、そして、上記
第１又は第２の多項式のディフォーカス項と収差項とを
分離して、上記ディフォーカス項と上記第１又は第２の
マツチング液の屈折率とから上記被検レンズの平均屈折
率を求め、上記収差項から上°記被検レンズの屈折率分
布を求めるようにしたことを特徴とする。

［作用］ 第９図及び第１０図は、本発明のレンズの屈折率測定方
法の測定原理を示しているｍ　Ｘ　＋　ｙ、　Ｚは座標
である。

まず、屈折率ｎＩＩが被検レンズの屈折率ｎ、とほぼ等
しいマツチング液に浸した被検レンズに、波長入の平面
波を透過させた時、その透過波と参照波とによって得ら
れる干渉縞Ｗｏ（ｘ、ｙ）を考える。

被検レンズの各面の形状を。

工面：　Ｚ＋　＝Ｓ＋　（Ｘ　、　ｙ）１１面’　Ｚ２
　＝８２　（Ｘ　＊　ｙ）とし、中心肉厚をｄとすると
、両面のＳａｇ量合計Ｓａｇ（ｘ　、　ｙ）は Ｓａｇ（ｘ、ｙ）　＝　Ｓ　＋　　（ｘ、ｙ）　＋Ｓ　
２　（ｘ、ｙ）　・（１）である。

一方、屈折率ｎ　ｔ　　（ｘ　＋　ｙ）を、平均屈折率
ｎｔｏと屈折率分布Δｎｔ（ｘ、ｙ）とに分離すると、 Ｗｏ（ｘ、ｙ）＝Ｓｉａｇ（ｘ、ｙ）　＠　［ｎｔｏ−
１１＋ａ　Ｉ＋［ｄ−９ａｇ（！、り］Δｎｔ　（ｘ、
ｙ）　＋＋　（２）（２）式よりマツチング液の屈折率
ｎ１１を測定すれば、ｗ、）（ｘ、ｙ）はｎ　ｔａ及び
Δｎｔ（ｘ。

ｙ）のみの関数になるが、一般には、この二つのパラメ
ータを分離して求めることはできない。

さて、ここで上記の（２）式を、波面収差の展開式では
一般的なツェルニケの多項式を用いて展開すると、 Ｗｏ（ｘ、ｙ）−９ａｇ（ｘ、ｙ）　＊　Ｉｎｔｏ−＋
＋ａ　］＋＋ｄ−９ａｇ（ｉ、を月Δｎｔ　（ｘ、ｙ）
・ＣＩ　＋Ｃ２ｆｃｏｓＬｆ＋Ｃ３ｆｓｊｎｆ’＜４　
（２ｊ２−１）＋　Ｃ５／”ｃｏｓ２デ４−＊−と書け
る。

Ｃ２アｃａｓｃＪ）、　　Ｃ３ア５ｉｎｆはチルト項、
ｃａ　（２／）２−１）はディフォーカス項（Ｗ２）Ｃ
ｓＪ”　ｃｏｓ２プ＋・・・は収差項（Ｗ）である。

そして、今［ｎ　（６ｎＢ　］　＃　０だから。

Ｓａｇ（Ｘ　、　Ｖ）　　　［ｎｔｏ　　ｎｍ　］は２
次関数で近似でき、ディフォーカス項とほぼ等しくなる
。

第１１図は、一方の面が球面（曲率半径ｒ）、他方の面
が平面（曲率半径ｏｏ）、直径がＤであって屈折率分布
のない種々のＲナンバー（Ｒ＝ｒ／Ｄ）のレンズを考え
、そのレンズに対して、稿本数３本（ＷＱ＝３人）及び
１本（Ｗｏ　＝　１人）なる縞を観測可能なようにマツ
チング液の調合を行ったと想定した場合の、収差項（Δ
Ｗ）の値を示している。縞読取の再現性をＲＩＩｌｓで
入／２５とすれば、稿本数３木の場合でもＲ＞０．７と
なる。

したがって、はとんどのＲナンバーのレンズが、縞読取
再現性以下となり、観測された干渉縞の成分がディフォ
ーカス項のみで表されることを示している。

したがって、読み取った縞ＷＯ（ｘ、ｙ）のディフォー
カス項から［ｎｔｏ−ｎｍｌが求められ、収差項Ｗから
Δｎｔ（ｘ、ｙ）が求められ。

二つのパラメータの分離が可能となる。すなわズの平均
屈折率が求まる。

そこで、本発明においては、測定に際して、屈折率が互
いにわずかに異なる第１と第２のマツチング液を用いて
、その各々の場合における干渉縞解析から、まず被検レ
ンズのＳａｇ量を求めている。

即ち、第１と第２のマツチング液の屈折率をｎ　Ｉａｌ
　＋　ｎ１１２とし、第１と第２のマツチング液を用い
たときに生じる干渉縞をＷｏ、、Ｗヮとすると、Ｗｏ＋
（ｘ、ｙ）−９ａｇ（ｘ、７）　＊　［ｎｔｏ−ｎｍ＋
］＋［ｄ−Ｓａｇ（ｘ、ｙ）ｌΔｎｔ　（ｘ、ｙ）　°
−（３）Ｗｄｘ、ｙ）＝Ｓａｇ（ｘ、ｙ）＊　［ｎｔｏ
−ｎｍ２］＋［ｄ−３ａｇ（ｘ、７月Δｎｔ（ｘ、り…
（ヰ）したがって（３）−（４）より、 （Ｓｅ１．　Ｓｅ２は、第９図に示されるように、レン
ズ両面の最大Ｓａｇ量である。） したがって、被検レンズのＳａｇ量即ち形状がわかれば
、そのレンズの屈折率分布が多項式の収差項から求まり
、さらにマツチング液の屈折率を知れば、多項式のディ
フォーカス項から、被検レンｎｍ２−ｎ１ｌｌ となり、各マツチング液の屈折率ｎ１ｌｌ＋ｎ１１２を
求めれば、（５）式から被検レンズのＳａｇ量が求まる
。

なお、マツチング液の屈折率は、ガラス試料の既知の屈
折率と形状とから求めればよい。

［実施例］ 第１図は、本発明に用いられる測定装置を示しており、
この装置は基本的にはマツハ赤ツエンダ−の干渉計にな
っている。１は、コヒーレント光（波長λ）を出射する
コヒーレント光源であり、例えば、）Ｉｅ−Ｎｅレーザ
光源が用いられる。コヒーレント光源ｌから出射された
光線は、ビームエキスパンダレンズ２によって拡げられ
、コリメータレンズ３によって平行光束となる。４は第
１のハーフミラ−であり、このハーフミラ−４で反射さ
れた光束は可動ミラー５でさらに反射されて透明容器６
を透過する。可動ミラー５は、その角度を任意に微動（
チルト）させることができる。

透明容器６は、歪みのないガラスで形成されている。７
は、開閉自在な蓋である。透明容器６内には、被検レン
ズｌＯの材質がポリメチルメタクリレート（アクリル）
の場合には、例えばジメチルシリコンオイルとフェニル
メチルシリコンオイルとを混合したマツチング液８が入
っている。

マツチング液８内には、第２図にも示されるように、屈
折率ｎｇ及び形状（θ、Ｌ）が既知のガラス試料９と、
屈折率ｎｔ及び形状（ｄ　、　Ｓａｇ（ｘ　、　ｙ）　
）が未知の被検レンズ１０とが並列に。

透過光束に対して垂直に配置されている。被検レンズｌ
Ｏは、一般には例えばポリメチルメタクリレート（アク
リル）等のプラスチック製のレンズが対象となるが、ガ
ラスその他の材質のレンズを対象にしてもよい。

第１のハーフミラ−４を透過した光束は、第１の固定ミ
ラー１１で反射された後、さらに第２のハーフミラ−１
２で反射されて、被検レンズｌＯ又はガラス試料９を通
ってきた光波と重ね合わせられる。そして、２つの光波
の重なりによって生じる干渉縞が、第１の結像レンズ１
３によって撮像素子１４表面上に結像する。

この第１の結像レンズ１３と撮像素子１４とは、一体と
なって図において上下方向に移動できるように設けられ
ている。したがって、第１図においては第１の結像レン
ズ１３が被検レンズ１０に対向しているが、第３図に示
されるように第１の結像レンズ１３をガラス試料９に対
向させることもできる。

第１図に戻って、撮像素子１４は、例えば５０Ｘ５０個
の独立した光電素子により形成されている。そして、そ
の出力端に、ＡＤ変換器１５、デジタル用演算回路１６
及び表示装置１７が順次接続されている。また、演算回
路１６には、演算に必要なデータを記憶するメモリ１８
と、既知のデータを入力する入力回路１９とが順次接続
されている。尚、演算回路１６としては、マイクロコン
ピュータその他の演算装置を用いることができる。

２０は、透明容器６内の状態を観察するための観察装置
であり、第２のハーフミラ−１２に対向して設けられた
第２の固定ミラー２１と、第２の結像レンズ２２と、そ
の結像位置に設けられた撮像装置２３とテレビモニタ２
４とにより構成されている。

本発明の測定方法によって被検レンズ１０の屈折率測定
を行うには、まず、ガラス試料９に関する既知のデータ
（ｎ　ｇ　＊θ、Ｌ）を入力回路１９からメモリ１８に
入力して記憶しておく。

次に、マツチング液８の屈折率を調整する。この調整は
、被検レンズｌＯを透過した光波によって生ずる干渉縞
の数が例えば３本以下になるように、テレビモニタ２４
を見ながら行う、干渉縞が１本以下になって、消えてし
まってもよい。具体的には、透明容器６の蓋７を取り外
しておいて、マツチング液８を構成する２種のシリコン
オイルのうちの一方をスポイト等で容器６内に点滴し、
マツチング液８を撹拌混合すればよい。このようにして
屈折率ｎ重、の確定したものが１本発明における第１の
マツチング液である。

次に、第３図に示されるように、第１の結像レンズ１３
をガラス試料９に対向させる。すると、第４図に示され
るように、ガラス試料９を透過した光波と参照光波との
重なりによって発生する干渉縞３０が、撮像素子１４に
結像する。そして、そのときの撮像素子１４からの出力
によって、その縞の空間周波ａ　Ｆ　＋を演算回路１６
において演算する。これは公知のディスクリート・フー
リエ・トランスフオーム（ＤＦＴ）により行うことがで
きるが、さらに高速なファースト番フーリエ・トランス
フオーム（ＦＦＴ）によるのがよい。

この場合、撮像素子１４上の干渉縞３０に対して直角を
なす、第５図に示されるような線分３１上の出力から、
第６図に示されるような略サインカーブ状の明るさの強
度分布を演算する。そして、その強度分布から、ＦＦＴ
によって干渉縞の空間周波数Ｆ１を演算し、その値から
第１のマツチング液８の屈折率ｎ　ａｔを求める。

即ち、 Ｆ、＝ｋｌ／Ｌ （ｎｌｌｌ−ｎｇ）　　　Ｌ　　拳　ｔａｎ　　　θ　
＝　λ　ｋ。

であるから、 ｎｍｔ＝ｎｇ＋入・Ｆ＋／ｌａｎθ により求められる。そしてｔｆｌｌｌｌの値はメモリ１
８に記憶しておく。

次に、第１図に示されるように、第１の結像レンズ１３
を被検レンズ１０に対向させる。すると、被検レンズ１
０を透過した光波と参照光波との重なりによって発生す
る干渉縞４０が、第７図に示されるように、撮像素子１
４に結像する。そのときの撮像素子１４からの出力を、
演算回路１６において、まず高精度縞解析にかける。こ
の解析は、可動ミラー５を微小角度回動して縞にチルト
を与え、例えば公知の空間的フリンジ走査法により行う
、そして位相を決定して、ひきつづき演算回路１６にお
いて第１の多項式Ｗ。ｌ（ｘ　、ｙ）に展開する０本実
施例においては例えばツェルニケの多項式に展開してメ
モリ１８に記憶する。

次に、マツチング液８の混合比を少し変化させる。この
場合も、マツチング液８を構成する２種のシリコンオイ
ルのうちの一方をスポイト等で容器６内に点滴し、撹拌
混合する。このようにして屈折率ｎ論２の確定したもの
が１本発明における第２のマツチング液である。この場
合、Ｍｌのマツチング液の屈折率ｎｌ１が被検レンズｌ
Ｏの屈折率ｎｌよりわずかに大きかったら、第２のマツ
チング液の屈折率ｎ　ｍｔをｎｌよりわずかに小さく調
整し、逆に、ｎ　Ｉｌｌがｎｔよりわずかに小さかった
ら、ｎｍ！をｎｌよりわずかに大きく調整するとよい。

次に、上述の第１のマツチング液を用いた場合と全く同
様にして、ガラス試料９を透過した光波と参照光波との
重なりによって発生する干渉縞から、第２のマツチング
液の屈折率ｎｕを求めて、その値をメモリ１８に記憶す
る。

次いで、やはり上述の第１のマツチング液を用いた場合
と全く同様にして、被検レンズｌＯを透過した光波と参
照光波との重なりによって干渉縞を発生させる。第８図
は、その時に撮像素子１４に結像する干渉縞５０を例示
している。そして、そのときの撮像素子１４の出力から
、演算回路１６において干渉縞を第２の多項式Ｗ田（ｘ
　、　ｙ）に展開する。そして、この多項式のディフォ
ーカス項と収差項とをメモリ１８に記憶しておく。

次いで、まず、第１と第２の多項式Ｗｏ１．Ｗｏ２の差
とＰｉ４ｉと第２のマツチング液の屈折率ｎ１ｍ１゜ｎ
１ｌｔの差とから、被検レンズのＳａｇ量（即ち形状）
を、 ｓａｇ（ｘ、ｙ）＝ＷＸ−ＷＸ ｎｌｌｆｆｉ−ｎｔ として求める。

そして最大Ｓａｇ量（Ｓｅｌ＋Ｓｅ２　）を求めて、メ
モリ１８から第２のマツチング液の屈折率ｎ１Ｌｔを読
み出し、第２の多項式のディフォーカス項から、被検レ
ンズ１０の平均屈折率ｎｔｏを、として求め、その結果
を表示装置１７に出力して表示する。

また、メモリ１８から、被検レンズｌＯの各部分の肉厚
［ｄ　−Ｓａｇ（ｘ　、　ｙ）　］を読み出し、第２の
多項式の収差項（Ｗ）から、被検レンズ１０の屈折率分
布Δｎ　　（ｘ、ｙ）を。

として求め、その結果を表示装置１７に出力して表示す
る。

尚、上記実施例においては、第２の多項式のディフォー
カス項と収差項をメモリ１８に記憶して、それを測定分
析に用いたが、第２の多項式に代えて第１の多項式を用
いてもよい、その場合には、被検レンズｌＯの平均屈折
率ｎｔｏは、として求まる。ｎ組は第１のマツチング液
の屈折率である。

［発明の効果］ 本発明のレンズの屈折率測定方法によれば、被検レンズ
はマツチング液に浸すだけなので、測定に際してレンズ
を破壊する必要がない、しかも、干渉縞の強度分布の出
力から、干渉縞を表す多項式のディフォーカス項を取り
出すことにより、屈折率及び形状が未知の被検レンズの
平均屈折率が求まり、多項式の収差項から屈折率分布が
求まるので、定量的に求めることが可能であり。

したがって自動層１析等も容易に行うことができる等の
優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明による測定を行う測定装置
の一例を示す略示図、第４図ないし第６図はマツチング
液の屈折率を求める手順を示す略示図、第７図及び第８
図は被検レンズを透過した光波により撮像素子表面に生
ずる干渉縞を示す略示図、第９図及び第１０図は本発明
の測定原理を説明する略示図、第１１図は本発明の測定
原理による測定精度を説明する線図である。 代理人　弁理士　　三　井　和　彦 第５図 第４図 第６図 第７図 ｊＪ８図 第９図 第１０図 参照通

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 屈折率及び形状が既知のガラス試料と、屈折率及び形状
   が未知の被検レンズとを第１のマッチング液中に浸し、
   これらにコヒーレント光を透過させて、その透過光波を
   参照光波と重ね合わせて干渉縞を発生させ、上記ガラス
   試料を透過した光波により生ずる干渉縞の強度分布を出
   力してその出力から上記第１のマッチング液の屈折率を
   求めると共に、上記被検レンズを透過した光波により生
   ずる干渉縞の強度分布を出力して、その出力から、その
   干渉縞を表す第１の多項式を求め、次に、上記ガラス試
   料と被検レンズとを、屈折率が上記第１のマッチング液
   とわずかに異なる第２のマッチング液中に浸し、これら
   に上記ヒーレント光を透過させて、その透過光波を参照
   光波と重ね合わせて干渉縞を発生させ、上記ガラス試料
   を透過した光波により生ずる干渉縞の強度分布を出力し
   てその出力から上記第２のマッチング液の屈折率を求め
   ると共に、上記被検レンズを透過した光波により生ずる
   干渉縞の強度分布を出力して、その出力から、その干渉
   縞を表す第２の多項式を求めて、上記第１及び第２のマ
   ッチング液の屈折率と第１及び第２の多項式とから上記
   被検レンズの形状を求め、そして、上記第１又は第２の
   多項式のディフォーカス項と収差項とを分離して、上記
   ディフォーカス項と上記第１又は第２のマッチング液の
   屈折率とから上記被検レンズの平均屈折率を求め、上記
   収差項から上記被検レンズの屈折率分布を求めるように
   したことを特徴とするレンズの屈折率測定方法。