JPH08304229A - 光学素子の屈折率分布の測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】温度などの環境変動を受けにくい測定方法およ
び装置を提供する。 【構成】同一光源１からの可干渉光を基準となる参照波
ａと屈折率がほぼ同一の試液中に浸した測定対象の光学
素子よりなる被検物Ａを透過する被検波ｂとに分割し、
参照波ａと被検波ｂとの重畳による干渉縞像を形成す
る。光学素子と屈折率がほぼ同一の透光性固体７３を試
液Ｂの一部と置換し、干渉縞像検出器１５を干渉縞像の
結像面に配置し、被検物Ａを試液中にて被検波ｂの光軸
に対して直交する軸線周りに回転させながら、干渉縞像
検出器１５によって検出された干渉縞像を解析して透過
波面を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学レンズなどの光学
素子の屈折率分布の測定方法および装置に関し、特に干
渉縞像の解析により光学素子の屈折率の分布を測定する
方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、レーザプリンタ、カメラなどの光
学機器に使用される光学レンズとして、プラスチックス
材料による成形レンズが普及している。このプラスチッ
クス成形レンズは、ガラス研磨レンズに比して非球面レ
ンズの製作性に優れ、安価であるが、製造上の屈折率の
分布が不安定で、レンズ内部に不均一性を生じることが
多い。レンズ内部の屈折率の不均一性は、光学特性に大
きい影響を及ぼし、画質、解像度を劣化する原因にな
る。このようなことから、光学レンズ内部の屈折率の分
布を高精度に測定し、光学レンズの均質性を評価する必
要がある。

【０００３】光学レンズの屈折率を測定する方法として
は、精密示差屈折計などを使用してＶブロック法などに
より屈折角を計測して屈折率を求める方法と、トワイマ
ン・グリーン干渉計などの二光束干渉計を使用して干渉
縞より屈折率を測定する方法とがある。また、光学的均
質性の測定法として、フィゾ干渉計、マッハツェンダ干
渉計などの二光束干渉計を使用して干渉縞像の解析より
透過波面を計測し、屈折率分布から光学的均質性を求め
る方法が知られている。

【０００４】なお、これらの屈折率測定法、光学的均質
性の測定法について、より詳細な説明が必要ならば、光
学第２０巻第２号（１９９１年２月）の６３〜６８頁の
「光学素材の屈折率および光学的均質性の測定」を参照
されたい。

【０００５】このような方法では、被検物、即ち試料を
所定形状に高精度に加工する必要があり、測定対象の光
学素子を破壊しなければならない。また、透過波面より
求められる屈折率分布は光路進行方向に積算された平均
値となり、３次元空間的な屈折率分布を測定することは
できない。このことにより屈折率の不均一部分を３次元
空間的に特定することができない。

【０００６】そこで、本発明者は先に、光学素子の屈折
率分布の測定方法として特願平６−２０３５０２号を提
案した。この測定方法は、光学素子の屈折率分布を、形
状にかかわらず、非破壊で、３次元空間的な屈折率分布
として効率よく高精度に測定することができ、屈折率の
不均一部分を３次元空間的に特定することが可能である
ので、屈折率分布の測定方法としては、非常に有力であ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、基準と
なるはずの試液が環境変動、特に温度に対して敏感で１
℃変化すると屈折率が0.0001〜0.001 のオーダーで変化
する恐れがある。この環境変動が測定精度に影響を与え
ないようにするためには、環境変動の小さい安定した環
境のもとで測定を行うかまたは、温度補償をしなければ
ならないという問題があった。そこで、本発明は、上述
の問題点に着目してなされたものであり、温度などの環
境変動を受けにくい測定方法および装置を提供すること
を目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明による光学素子の屈折率分布の測定方法
は、測定対象の光学素子よりなる被検物とこの光学素子
と屈折率がほぼ同一の透光性固体とを光学素子と屈折率
がほぼ同一の試液中に浸し、同一光源からの可干渉光
を、基準となる参照波と前記光学素子を透過する被検波
とに分割し、参照波と被検波との重畳による干渉縞像を
形成し、被検物を試液中に浸した状態にて被検波の光軸
に対して直交する軸線周りに回転させ少なくとも二つの
回転角位置の各々にて前記干渉縞像の解析により透過波
面を計測し、この複数方向からの透過波面の測定結果か
ら光学素子の屈折率分布を測定することを特徴としてい
る。

【０００９】また、上述の目的を達成するために、本発
明による光学素子の屈折率分布の測定装置は、同一光源
からの可干渉光を基準となる参照波と屈折率がほぼ同一
の試液中に浸した測定対象の光学素子よりなる被検物を
透過する被検波とに分割し、参照波と被検波との重畳に
よる干渉縞像を形成する二光束干渉計と、前記試液の一
部と置換される、光学素子と屈折率がほぼ同一の透光性
固体と、前記干渉縞像の結像面に配置された干渉縞像検
出器と、前記干渉縞像検出器によって検出された干渉縞
像を解析して透過波面を計測する透過波面計測手段と、
被検物を試液中にて被検波の光軸に対して直交する軸線
周りに回転させる回転手段とを有していることを特徴と
する。

【００１０】また、本発明による測定装置においては、
前記透光性固体は、前記光学素子を収納する円柱状中空
部分を備えていてよい。また、本発明による測定装置に
おいては、前記透光性固体は、前記被検物と組合わせた
形状がほぼ円柱形状となるような形状に構成されていて
よい。また、本発明による測定装置においては、前記試
液を収容する容器は、測定対象物の屈折率とほぼ同一の
屈折率をもつ光学材料から構成されていてよい。また、
本発明による測定装置においては、前記透光性固体は、
前記試液中に混入された粉末状の光学材料からなってい
てよい。

【００１１】

【作用】上述した構成によれば、被検物とほぼ同一の屈
折率を有する透光性固体を、被検物とともに、被検物と
ほぼ同一の屈折率を有する試液中に入れて測定するの
で、環境変動の影響を受けやすい試液を環境変動の少な
い透光性固体に置き換えることができ、測定に対する環
境変動の影響を小さくすることができる。

【００１２】また、透光性固体が光学素子を収納する円
柱状中空部分を備えている場合には、被検物を回転させ
るために必要な空間を最小とすることができるととも
に、カメラレンズのような回転対称体の被検物を測定す
る際に試液が侵入する領域を最小にすることができる。

【００１３】また、透光性固体を被検物と組合わせた形
状がほぼ円柱形状となるような形状に構成した場合に
は、回転非対称なレンズの測定においても環境変動の影
響を小さくすることができる。

【００１４】また、試液を収容する容器が測定対象物の
屈折率とほぼ同一の屈折率をもつ光学材料からなる場合
には、部品点数を削減することができる。また、透光性
固体を粉末状として試液中に混入した場合には、他の構
成部品を変更することなく、測定に対する環境変動の影
響を少なくすることができる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につき
詳細に説明する。図１は、本発明による光学素子の屈折
率分布測定装置の一つの実施例を示し、この実施例で
は、被検物が回転対象で軸心が紙面に対して垂直に配置
された例を示している。この測定装置は、マッハツェン
ダ型の干渉計を基本構成としており、レーザ光源１と、
ビームエキスパンダ３と、光束分割用のビームスプリッ
タ５と、二つの高反射ミラー７、９と、光束重畳用のビ
ームスプリッタ１１と、結像レンズ１３と、ＣＣＤなど
によるエリアイメージセンサによる干渉縞検出器１５
と、高速画像処理装置、マイクロコンピュータなどより
なる演算処理装置１７とを含んでいる。

【００１６】レーザ光源１より出射する可干渉光として
のレーザ光は、ビームエキスパンダ３によって光束径を
拡大され、ビームスプリッタ５によってこれを直進して
参照波ａとなるレーザ光束と、図１にて下方に直角に屈
折して進んで被検波ｂとなるもう一つのレーザ光束とに
分割される。

【００１７】参照波ａは高反射ミラー７にて反射して後
述の被検物Ａを透過することなくビームスプリッタ１１
に入射し、被検波ｂは高反射ミラー９にて反射して被検
物Ａを透過してビームスプリッタ１１に入射する。

【００１８】ビームスプリッタ１１に入射した参照波ａ
と被検波ｂとはビームスプリッタ１１によって相互に重
畳され、結像レンズ１３によって干渉縞像を干渉縞検出
器１５の撮像面に結像する。

【００１９】高反射ミラー９は、ピエゾ素子などによる
電気−変位変換素子１９により支持され、位相シフト法
による干渉縞解析を行なうために、被検波ｂの光路長を
波長オーダーで可変設定すべく光路方向に微動変位可能
に配置されている。

【００２０】被検波ｂの光路の途中には被検物Ａを収容
する容器状のセル２１が配置されている。セル２１内に
は、測定対象の光学素子たる被検物Ａを固定状態にセッ
トするとともに、図中矢印で示すように被検波ｂの光軸
に対して直交する軸線周り（紙面に対して垂直な軸線周
り）に回転可能とされた回転被検物台２３が配置されて
いる。回転被検物台２３は、図示されていないサーボモ
ータと駆動連結され、このサーボモータにより所定回転
角位置に回転駆動される。

【００２１】図２に示すように、セル２１が被検波ｂの
光路を横切る両端面は光束の入射窓２５と出射窓２７と
から構成されている。そして、これら入射窓２５、出射
窓２７は各々面精度が高いオプチカルフラット２９、３
１によって液密にシールドされている。

【００２２】そしてセル２１内には屈折率を被検物Ａの
屈折率とほぼ同一に調合されたマッチング液である試液
（接触液）Ｂが充填されており、回転被検物台２３上の
被検物Ａは試液Ｂ中に浸されている。さらにセル２１内
には屈折率が被検物Ａの屈折率とほぼ同一で既知の固体
光学材料からなる第１マッチング硝材７３が設けられて
いる。ガラスの屈折率温度係数は１０^-6／℃であるた
め、１０^-4〜１０^-3／℃オーダーの試液Ｂに比べはるか
に耐環境性に優れる。例えば被検物ＡがＰＣ（ポリカー
ボネイト）でレーザー光の波長が６３３ｎｍ、室温２３
〜２５℃程度の条件下で測定を行う場合、第１マッチン
グ硝材７３としては、ＢａＦ３（ショット名）が屈折率
差が最も小さくて良い。

【００２３】第１マッチング硝材７３の形状は直方体を
なし、直方体の一面の中心付近が円筒状にくり抜かれて
円柱状中空部分を有する孔８３が形成されている。そし
て、その孔８３の中には被検物Ａが挿入できる構造にな
っている。上述したように、セル２１内には試液Ｂが充
填されており、回転被検物台２３上の被検物Ａは試液Ｂ
中に浸されている。そして、セル２１および第１マッチ
ング硝材７３は装置本体側に固定され、被検物Ａのみが
回転被検物台２３上に回転可能に支持されている。

【００２４】上述のようにして結像レンズ１３によって
干渉縞検出器１５の撮像面に結像した干渉縞像は、干渉
縞検出器１５によって光電変換されて電気的な画像信号
となり、Ａ／Ｄ変換器３３によってＡ／Ｄ変換された
後、演算装置１７に入力される。なお、演算装置１７
は、位相シフト法などによる干渉縞像の解析によって透
過波面の計測演算を行う透過波面計測部３５を含んでい
る。

【００２５】次に上述の構成よりなる測定装置を使用し
て被検物Ａの屈折率分布を計測する方法を説明する。ま
ず最初に、回転被検物台２３に被検物Ａをセットする前
に、干渉縞検出器１５が出力する干渉縞像の画像信号を
演算装置１７に取り込んで透過波面計測部３５により干
渉縞像の解析を行い、初期状態の透過波面を計測する。
この計測結果に基づいて測定装置自体の定常的な誤差成
分を排除する初期処理を行う。

【００２６】次に、回転被検物台２３に被検物Ａをセッ
トし、回転被検物台２３が初期回転位置に位置している
状態にて干渉縞検出器１５が出力する干渉縞像の画像信
号を演算装置１７に取り込んで透過波面計測部３５によ
り干渉縞像の解析を行い、透過波面を計測する。

【００２７】ここで、被検物Ａの屈折率が完全に均一
で、この屈折率がセル２１内に充填されている試液Ｂの
屈折率と等しい場合には、位相シフト法による干渉縞像
の解析は０になるはずである。これに対し、被検物Ａの
屈折率が試液Ｂの屈折率より僅かに相違していると、次
の関係式が成立する。

【００２８】 φ（ｙ）＝（２π／λ）∫Δｎ（ｘ，ｙ）ｄｘ 但し、 φ（ｙ）：透過波面（ｒａｄ） Δｎ（ｘ，ｙ）：被検物Ａと試液Ｂとの屈折率差 λ：レーザ光の波長

【００２９】回転被検物台２３が初期回転位置に位置し
ている状態下のみの透過波面の計測では、干渉縞像の解
析結果はｘ方向（光路進行方向）に積算されており、こ
れだけでは屈折率の不均一部分の空間的な位置を特定す
ることができない。

【００３０】このため、回転被検物台２３を初期回転位
置より所定角度、例えば９０度回転させ、回転被検物台
２３上の被検物Ａの被検波ｂの光軸に対する向きを回転
被検物台２３の初期回転位置よりの回転角だけ変化させ
る。このように被検物Ａが回転変位しても被検物Ａが試
液Ｂ中に浸されていることから、回転変位前と同様に、
参照波ａと被検波ｂとの重畳によって干渉縞像が干渉縞
検出器１５の撮像面に結像する。この状態下にて干渉縞
検出器１５が出力する干渉縞像の画像信号を演算装置１
７に取り込んで透過波面計測部３５より透過波面を計測
する。

【００３１】これにより、被検物Ａに対して複数方向、
この場合、２方向から入射させた被検波ｂにより透過波
面が各々計測され、この複数個の透過波面データの組み
合わせにより、被検物Ａの屈折率の不均一部分の空間的
位置を特定することが可能になる。

【００３２】被検物Ａの屈折率分布を完全な３次元空間
分布として測定する場合には、被検物Ａを被検波ｂの光
軸に対して直交する軸線周りに回転させて被検物Ａに対
する被検波ｂの入射方向を１８０度あるいは３６０度の
範囲で変化させ、各回転角位置における透過波面の計測
データを収集してコンピュータにより画像を再構成す
る。この画像の再構成は公知のＣＴ（コンピュータ・ト
モグラフィ）法により行う。

【００３３】図３はＣＴ法の原理を示すものであり、角
度φの方向から入射した被検波による透過波面のデータ
ｐ（Ｘ，φ）を変数Ｘについて１次元フーリエ変換を行
えば、求めるべき屈折率の分布Δｎ（ｘ，ｙ）の２次元
フーリエ変換の極座標表現におけるφ方向成分が得られ
る。

【００３４】すなわち、０≦φ≦２πまたは０≦φ≦π
の角度範囲にわたって透過波面を計測し、その透過波面
データを１次元フーリエ変換し、フーリエ変換された各
断面の極座標データを直交座標データに変換した後、２
次元逆フーリエ変換を行うことにより被検物Ａの３次元
屈折率分布を再構成することができる。

【００３５】これを数式により表すと、次のようにな
る。直交座標系（ξ，η）と極座標系（ｒ，φ）との関
係を、 ξ＝ｒ cosθ η＝ｒ sinθ 透過波面をｐ（Ｘ，φ）、被検物Ａと試液Ｂとの屈折率
差をΔｎ（ｘ，ｙ）とすれば、２次元フーリエ変換Ｆ
（ξ，η）は次のように表される。

【００３６】

【数１】

【００３７】Δｎ（ｘ，ｙ）＝（１／４π²)∫∫Ｆ
（ξ，η) exp[ｉ（ξｘ＋ηｙ)]ｄξｄη

【００３８】図４は、ＣＴ法により画像を再構成して被
検物Ａの３次元屈折率分布を得る場合の演算装置１７の
構成を示している。この場合、演算装置１７は、干渉縞
検出器１５より回転角φ毎に画像信号を入力して透過波
面の収差量を算出する透過波面量算出部３７と、回転角
φ毎の波面収差量を１次元フーリエ変換する１次元フー
リエ変換部３９と、フーリエ変換された各断面の極座標
データを直交座標データに変換する極座標−直交座標変
換部４１と、直交座標データの２次元逆フーリエ変換を
行う２次元逆フーリエ変換部４３と、２次元逆フーリエ
変換の結果を屈折率に変換する屈折率変換部４５と、屈
折率変換部４５により変換された屈折率に基づいて屈折
率分布を出力する屈折率分布出力部４７とを有してい
る。

【００３９】このＣＴ法による場合には、屈折率分布に
規則性がなく、またその分布が不明である被検物であっ
ても、屈折率分布を被検物の屈折率の不均一部分の空間
的位置を特定することが可能になる。

【００４０】図５では、被検物が回転対象ではない場合
の実施例を示し、被検物とマッチング硝材以外の部分に
ついては、図１の実施例と同様のため、被検物とマッチ
ング硝材を含むセルの内部のみ図示した。回転対称では
ない被検物Ａ₁としては、例えば、レーザプリンタ等に
用いられるｆθレンズ、トロイダルレンズ、トーリック
レンズ等の回転非対称なレンズがある。

【００４１】このような回転対象ではない被検物Ａ₁で
あっても、図１（図２）の第１マッチング硝材７３の孔
８３の円柱空間内に挿入して測定することができる。こ
の場合には被検物Ａ₁とマッチング硝材７３との間の隙
間が大きくなるため、この隙間に充填する試液Ｂの量が
多くなり、温度変動による屈折率変化の影響を被検物が
回転対称の場合と比べて受けやすくなる。これを防止す
るために、本実施例では、被検物Ａ₁と第１マッチング
硝材７３との間の空間を埋める如く、被検物Ａ₁と組み
合わせた形状がほぼ円柱状となる第２マッチング硝材７
５を回転被検物台２３上に設けている。この第２マッチ
ング硝材７５は被検物Ａ₁とほぼ同一の屈折率を有し、
測定の際には、第２マッチング硝材７５と被検物被検物
Ａ₁とは回転被検物台２３上で一体的に回転する。

【００４２】図６では、図２のセル２１、オプティカル
フラット９、３１及び第１マッチング硝材７３を一体化
した場合の実施例を示し、他の部分については図１の実
施例と同様のため図示していない。図では一体化された
第３マッチング硝材７７のみを示している。即ち、この
第３マッチング硝材７７は、図２に示した第１マッチン
グ硝材７３と同様の固体光学材料からなり、即ち被検物
とほぼ同一の屈折率を有し、外形は図６（ａ）に示すよ
うに直方体形状に形成されている。さらに、この第３マ
ッチング硝材７７は、入射光Ｌｉが入射する入射面７９
及び出射光Ｌｏが出射する出射面８１がオプティカルフ
ラット９、３１と同程度の面精度に光学研磨され、光軸
と直交する方向には円柱状空間を形成する孔８３が設け
られている。この孔８３の一端は図６の（ｂ）に示すよ
うに閉塞されて、孔８３の円柱状空間内には被検物Ａと
試液Ｂが挿入される。

【００４３】このようにセル２１、オプティカルフラッ
ト９、３１及び第１マッチング硝材７３を一体化してセ
ル、オプティカルフラット及びマッチング硝材の機能を
有する第３マッチング硝材７７としたことにより、部品
点数を低減することができる。この部品点数の低減によ
り、組付け調整が容易になるとともに、低コスト化を達
成することができる。

【００４４】また、オプティカルフラット９、３１と第
１マッチング硝材７３とを一体化しているので、オプテ
ィカルフラット９、３１と第１マッチング硝材７３との
間に試液Ｂが存在することがない。したがってこの被検
波透過部分の試液Ｂによる屈折率の環境変動がなくなる
ので、この部分の波面収差の影響を除去することができ
る。

【００４５】図７では、粉体からなるマッチング硝材を
用いた場合の実施例を示し、マッチング硝材以外の部分
については、図１の実施例と同様のため、被検物とマッ
チング硝材を含むセルの内部のみ図示した。この実施例
では、図２の第１マッチング硝材７３の代わりに、数〜
数十μｍの粒径を有する粉末状のマッチング硝材８５を
用い、このマッチング硝材８５を試液Ｂ中に混入させた
ものである。このように粉末状のマッチング硝材８５を
用いることにより、マッチング硝材８５以外については
従来のものを用いることができるので、専用の治具や光
学部品を製作する必要がない。また、形状の異なる種々
の被検物Ａの測定に応用することができる。

【００４６】上述した粉末状のマッチング硝材８５を混
入させた試液Ｂは、図２のセル２１だけでなく、図５の
セル２１や図６のセル７７に用いることもでき、このよ
うに組み合わせることにより、環境変動による影響をよ
り小さくすることができる。

【００４７】図８は、本発明による光学素子の屈折率分
布測定装置の他の実施例を示している。なお、図８にお
いて、図１に対応する部分は図１に付した符号と同一の
符号により示されている。この実施例においては、レー
ザ光源１が出射するレーザ光の偏光方向は紙面に対して
約４５度になるように設定し、ビームスプリッタ５、１
１として各々偏光ビームスプリッタを使用する。参照波
ａと被検波ｂとはビームスプリッタ１１を通過すること
により重なり合うが、偏光面が相互に直交しているため
干渉はしない。

【００４８】また、この実施例では、もう一つのビーム
スプリッタ４９が設けられており、ビームスプリッタ４
９はビームスプリッタ１１よりの参照波ａと被検波ｂと
の重畳光束を二つに分割する。ビームスプリッタ４９に
より２分割された重畳光束の一方は偏光子５１を通過す
ることにより干渉を生じ、その干渉縞は結像レンズ１３
によって第一の干渉縞検出器１５の撮像面に結像する。
他方の重畳光束は光学異方性部材であるλ／４板５３を
通過することにより一方の重畳光束に対してπ／２の位
相差を生じる。この他方の重畳光束はその後に偏光子５
５を通過することにより干渉を生じ、その干渉縞は結像
レンズ５７によって第二の干渉縞検出器５９の撮像面に
結像する。

【００４９】第一の干渉縞検出器１５と第二の干渉縞検
出器５９に結像した干渉縞像は、共に同一の被検物Ａに
ついてのものであるが、第二の干渉縞検出器５９に至る
光路にはλ／４板５３が存在することにより、相互に９
０度、位相がずれたものになる。例えば第一の干渉縞検
出器１５に結像した干渉縞像が図９（ａ）に示す状態で
あるとすると、第二の干渉縞検出器５９に結像する干渉
縞像は図９（ｂ）に示す状態となり、干渉縞像が半分ず
れたものになる。

【００５０】この場合、第一の干渉縞検出器１５と第二
の干渉縞検出器５９は、被検物Ａの同一点からの光情報
を受けるように配置されている。なお、干渉縞像のずれ
は、９０度＝π／２に限らず、一般にｎを自然数として
ｎπ／２であればよい。

【００５１】図１０は、第一の干渉縞検出器１５と第二
の干渉縞検出器５９の出力信号より干渉縞の位相変位量
を算出する装置を示している。この算出装置は第一の干
渉縞検出器１５と第二の干渉縞検出器５９の出力信号よ
りリサージュ波形を得てその干渉縞の明暗変化をカウン
トするものである。

【００５２】第一の干渉縞検出器１５、第二の干渉縞検
出器５９には各々増幅回路６１、６３と方形波変換回路
６５、６７とが接続されている。第一の干渉縞検出器１
５、第二の干渉縞検出器５９が出力する出力信号は各々
増幅回路６１、６３によって増幅される。

【００５３】図１１（ａ）は第一の干渉縞検出器１５の
出力信号波形を、図１１（ｂ）は第二の干渉縞検出器５
９の出力信号波形を各々示している。これらは被検物Ａ
を光軸に対して直交する軸線周りに回転させることによ
って干渉縞が一定の速度で変化した場合の出力信号波形
であり、第一の干渉縞検出器１５の出力信号波形は第一
の干渉縞検出器１５の点Ｐ1 （図９参照）における光強
度変化を観測したことによるものであり、第二の干渉縞
検出器５９の出力信号波形は点Ｐ1 と同一の観測点に相
当する第二の干渉縞検出器１５の点Ｐ2 （図９参照）に
おける光強度変化における光強度変化を観測したことに
よるものであり、この両者には９０度の位相ずれがあ
る。

【００５４】これら出力信号は、方形波変換回路６５、
６７によって所定のスレッシュレベルにより図１１
（ｃ）、（ｄ）に示されているような方形波信号に変換
される。この二つの方形波信号はパルスカウント回路６
９に入力され、パルスカウント回路６９は二つの方形波
信号の入力タイミング検出とアップパルスおよびダウン
パルスのカウントにより、干渉縞の移動方向と移動本数
を検出する。

【００５５】この干渉縞の移動方向と移動本数のデータ
は位相変位量算出装置７１に入力され、位相変位量算出
装置７１はこれらのデータより光軸方向の位相変位量を
算出し、この位相変位量に予め位相シフト法によって測
定した初期値を加えることにより透過波面の収差量を算
出する。この操作が各干渉縞検出器の各画素について行
われることにより、被検物全体の位相変位量ならびに透
過波面量が求められる。

【００５６】上述の構成よりなる測定装置を使用して被
検物Ａの屈折率分布を計測する方法を説明する。まず、
電気−変位変換素子１９を駆動して位相シフト法などの
解析方法を用いて透過波面分布の初期値を測定する。次
に、回転被検物台２３を矢印方向に回転駆動し、被検物
Ａを光軸に対して直交する軸線周り（紙面に対して垂直
な軸線周り）に回転させる。この被検物Ａの回転によっ
て第一の干渉縞検出器１５と第二の干渉縞検出器５９に
結像する干渉縞像が移動し、その干渉縞の移動方向と移
動量（移動本数）を上述の如くパルスカウント回路６９
によって検出する。

【００５７】次いで、位相変位量算出装置７１が干渉縞
の移動方向と移動本数より光軸方向の位相変位量を算出
し、この位相変位量に予め位相シフト法によって測定し
た初期値を加えることにより、ある回転角φにおける透
過波面の収差量ｐ（ｘ，θ）を算出する。この操作を入
射方向が１８０度あるいは３６０度にわたる範囲で行
い、計測データをＣＴ法を用いて解析し、屈折率分布を
算出する。

【００５８】図８に示されている測定装置においては、
第一の干渉縞検出器１５、第二の干渉縞検出器５９は１
次元ＣＣＤなどによるリニアイメージセンサにより構成
されてよい。１次元ＣＣＤなどによるリニアイメージセ
ンサは画像信号を高速にシリアル出力することが可能で
あるから、干渉縞のリアルタイム計測が可能になる。

【００５９】例えば、７μｍ×５０００画素の高分解能
な１次元ＣＣＤを用いた場合、フリンジ１本に対して必
要な画像数が１０画素であるとしても、分解能７０μｍ
で、最大５００フリンジ、即ち波面収差量にして５００
λ（概ね３００μｍ）まで対応可能であり、被検物の大
きさｄ＝５０ｍｍ、試液Ｂとの屈折率差Δｎ＝０．００
１であったとしても、Δｎｄは概ね７９λであり、充分
許容できる。

【００６０】また、試液Ｂとの屈折率差が大きいと被検
物の回転によって干渉縞が急激に変化するが、１次元Ｃ
ＣＤは画像信号を数ｍ秒以下の応答速度で高速にシリア
ル出力することができるので、回転させながらリアルタ
イムで透過波面量を算出することが可能となる。

【００６１】以上の実施例では、被検物Ａを試液Ｂ中に
浸した状態にて被検物Ａに対して複数方向から入射させ
た被検波による透過波面を計測し、この複数個の透過波
面データの組み合わせにより、任意の形状の被検物に対
して深さ方向の屈折率分布を測定し、屈折率の不均一部
分を３次元空間的に特定する場合に、環境変動の影響を
受けやすい試液Ｂの一部を環境変動の影響を受けにくい
透光性固体７３（７５、７７、８５）で置き換えたの
で、環境変動によって生じる屈折率変動を小さくするこ
とができ、高精度な測定を行うことが可能になる。

【００６２】また、透光性固体７３（７７）が被検物Ａ
を収納する孔８３（円柱状中空部分）を備えている場合
には、カメラレンズのような回転対称体の被検物Ａを測
定する際に試液Ｂが侵入する領域を最小にすることがで
き、環境変動の影響をより小さくすることができる。

【００６３】また、透光性固体７５を被検物Ａ₁と組合
わせた形状がほぼ円柱形状となるような形状に構成した
場合には、回転非対称なレンズ等の被検物Ａ₁の測定に
おいても環境変動の影響を小さくすることができるの
で、例えば、レーザプリンタの走査レンズ等の回転非対
称な被検物Ａ₁を高精度に測定することができる。

【００６４】また、試液Ｂを収容する容器が測定対象物
の屈折率とほぼ同一の屈折率をもつ光学材料からなる場
合には、容器、透光性固体等を一体化して部品点数を削
減することができるので、被検波が透過する領域の試液
Ｂを少なくすることができ、したがって波面収差の影響
を除去でき、より高精度な測定をすることができる。

【００６５】また、透光性固体８５を粉末状として試液
Ｂ中に混入した場合には、他の構成部品を変更すること
なく、測定に対する環境変動の影響を少なくすることが
でき、より高精度な測定をすることができる。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による光学
素子の屈折率分布の測定方法および装置によれば、被検
物を試液中に浸した状態にて被検物に対して複数方向か
ら入射させた被検波による透過波面を計測し、この複数
個の透過波面データの組み合わせにより、任意の形状の
被検物に対して深さ方向の屈折率分布を測定し、屈折率
の不均一部分を３次元空間的に特定する場合に、環境変
動の影響を受けやすい試液の一部を環境変動の影響を受
けにくい透光性固体で置き換えたので、環境変動によっ
て生じる屈折率変動を小さくすることができ、高精度な
測定を行うことが可能になる。

【００６７】また、透光性固体が光学素子を収納する円
柱状中空部分を備えている場合には、カメラレンズのよ
うな回転対称体の被検物を測定する際に試液が侵入する
領域を最小にすることができ、環境変動の影響をより小
さくすることができる。

【００６８】また、透光性固体を被検物と組合わせた形
状がほぼ円柱形状となるような形状に構成した場合に
は、回転非対称なレンズの測定においても環境変動の影
響を小さくすることができるので、レーザプリンタの走
査レンズ等の回転非対称なレンズを高精度に測定するこ
とができる。

【００６９】また、試液を収容する容器が測定対象物の
屈折率とほぼ同一の屈折率をもつ光学材料からなる場合
には、容器、透光性固体等を一体化して部品点数を削減
することができるので、被検波が透過する領域の試液を
少なくすることができ、したがって波面収差の影響を除
去でき、より高精度な測定をすることができる。

【００７０】また、透光性固体を粉末状として試液中に
混入した場合には、他の構成部品を変更することなく、
測定に対する環境変動の影響を少なくすることができ、
より高精度な測定をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学素子の屈折率分布測定装置の
一実施例を示す構成図である。

【図２】セル部分の拡大図である。

【図３】ＣＴ法の原理説明図である。

【図４】ＣＴ法による演算装置の一実施例を示すブロッ
ク線図である。

【図５】被検物が回転対象ではない場合に好適なセル部
分の実施例を示す図である。

【図６】セル、オプティカルフラット及びマッチング硝
材を一体化した場合の実施例を示し、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は側面図である。

【図７】粉体のマッチング硝材を用いた場合のセル部分
の実施例を示す図である。

【図８】本発明による光学素子の屈折率分布の測定装置
の他の実施例を示す構成図である。

【図９】干渉縞像の例を示す説明図である。

【図１０】干渉縞の位相変位量算出装置の一実施例を示
すブロック線図である。

【図１１】（ａ）、（ｂ）は各々干渉縞検出器の出力信
号の波形例を、（ｃ）、（ｄ）は各々方形波の波形例を
示す説明図である。

【符号の説明】

１ レーザ光源 １１ ビームスプリッタ １５ 干渉縞検出器（第一の干渉縞検出器） １７ 演算処理装置 ２１ セル ２３ 回転被検物台 ２９ オプチカルフラット ３１ オプチカルフラット ３５ 透過波面計測部 ３７ 透過波面量算出部 ３９ １次元フーリエ変換部 ４１ 極座標−直交座標変換部 ４３ ２次元逆フーリエ変換部 ４５ 屈折率変換部 ４７ 屈折率分布出力部 ４９ ビームスプリッタ ５３ λ／４板 ５９ 第二の干渉縞検出器 ６９ パルスカウント回路 ７１ 位相変位量算出装置 ７３ 透光性固体 ７５ 第２マッチング硝材 ７７ セル（マッチング硝材） ８３ 孔 ８５ マッチング硝材 Ａ 被検物 Ｂ 試液

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象の光学素子よりなる被検物とこ
   の光学素子と屈折率がほぼ同一の透光性固体とを光学素
   子と屈折率がほぼ同一の試液中に浸し、 同一光源からの可干渉光を、基準となる参照波と前記光
   学素子を透過する被検波とに分割し、 参照波と被検波との重畳による干渉縞像を形成し、 被検物を試液中に浸した状態にて被検波の光軸に対して
   直交する軸線周りに回転させ少なくとも二つの回転角位
   置の各々にて前記干渉縞像の解析により透過波面を計測
   し、 この複数方向からの透過波面の測定結果から光学素子の
   屈折率分布を測定することを特徴とする光学素子の屈折
   率分布の測定方法。
2. 【請求項２】 同一光源からの可干渉光を基準となる参
   照波と屈折率がほぼ同一の試液中に浸した測定対象の光
   学素子よりなる被検物を透過する被検波とに分割し、参
   照波と被検波との重畳による干渉縞像を形成する二光束
   干渉計と、 前記試液の一部と置換される、光学素子と屈折率がほぼ
   同一の透光性固体と、 前記干渉縞像の結像面に配置された干渉縞像検出器と、 前記干渉縞像検出器によって検出された干渉縞像を解析
   して透過波面を計測する透過波面計測手段と、 被検物を試液中にて被検波の光軸に対して直交する軸線
   周りに回転させる回転手段とを有していることを特徴と
   する光学素子の屈折率分布の測定装置。
3. 【請求項３】 前記透光性固体は、前記光学素子を収納
   する円柱状中空部分を備えていることを特徴とする請求
   項２記載の光学素子の屈折率分布の測定装置。
4. 【請求項４】 前記透光性固体は、前記被検物と組合わ
   せた形状がほぼ円柱形状となるような形状に構成されて
   いることを特徴とする請求項３記載の光学素子の屈折率
   分布の測定装置。
5. 【請求項５】 前記試液を収容する容器は、測定対象物
   の屈折率とほぼ同一の屈折率をもつ光学材料からなるこ
   とを特徴とする請求項２記載の光学素子の屈折率分布の
   測定装置。
6. 【請求項６】 前記透光性固体は、前記試液中に混入さ
   れた粉末状の光学材料からなることを特徴とする請求項
   ２記載の光学素子の屈折率分布の測定装置。