屈折率測定方法および屈折率測定装置
【課題】ガラス製の部材やプラスチック製の部材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が、従来の測定方法では、破壊検査であったり、有毒物を使用したり、平面でしか測れないといった課題がある。
【解決手段】光センサで得られた干渉信号に基づいて、被検物なしの基準反射面と、被検物の表面と、被検物の裏面と、被検物を透過後の基準反射面および被検物の手前で集光し平行光で反射する基準反射面の少なくとも一方との、それぞれの距離を測定し、これらの測定距離に基づいて被検物の屈折率を算出する。
【解決手段】光センサで得られた干渉信号に基づいて、被検物なしの基準反射面と、被検物の表面と、被検物の裏面と、被検物を透過後の基準反射面および被検物の手前で集光し平行光で反射する基準反射面の少なくとも一方との、それぞれの距離を測定し、これらの測定距離に基づいて被検物の屈折率を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス製の部材やプラスチック製の部材の、形状、厚み、屈折率および屈折率分布を測定する屈折率測定方法および屈折率測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガラス製の部材やプラスチック製の部材は、ディスプレイパネル等に使用される前面板や光ピックアップやデジタルコピー機、デジタルカメラ等に使用される成型レンズなど、非常に幅広く使用されている。また、このような用途に用いられるガラス製の部材やプラスチック製の部材に求められる精度は非常に高くなっている。
【０００３】
ガラス製の部材やプラスチック製の部材は熱プロセスによって加工・成型されるが、その成型条件によって、内部の屈折率分布に不均一性を生じる場合がある。
特に成型レンズは、ガラス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、一方で成型条件の如何によって、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性質を有する。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、ガラス製の部材やプラスチック製の部材の品質を安定化するためには、屈折率の分布を高精度に測定する必要がある。
【０００４】
屈折率を測定する従来技術としては、最小偏角法などにより、偏角を測定して求める方法があり、この方法によれば、高精度で測定できることが知られている。
また、ダイヤモンドや鉱石などの被検物に対する屈折率の測定方法として、被検物を屈折率が既知の溶液に浸し、その境界線に現れるベッケ線を観察し、ベッケ線が見えなくなるまで溶液を交換して、線が見えなくなった際の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が知られている。
【０００５】
一方で、干渉計を利用した屈折率の測定方法も知られている。干渉計を利用した屈折率の測定方法としては、マッハツェンダー型の干渉計（特許文献１参照）やマイケルソン型の干渉計（特許文献２参照）がある。
【０００６】
図８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８に示すように、レーザ光源５１から出射した光は、集光レンズ５２によって平行光にされた後、ハーフミラー５３によって、参照光５４と検査光５５とに分岐される。検査光５５は、ミラー５６で反射された後、被検物５７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５８およびそれに浸された被検物５７を透過して、被検物５７の屈折率分布に対応した光路差を生じ、ハーフミラー５９に達した後に結像レンズ６０を介して撮像素子６１に入る。
【０００７】
一方、参照光５４は、補償板６２を透過し、ミラー６３で反射し、ハーフミラー５９に達した後に結像レンズ６０を介して撮像素子６１に入る。補償板６２は、検査光５５から撮像素子６１までの光路長と参照光５４から撮像素子６１までの光路長とをほぼ等しくするためのものである。
【０００８】
撮像素子６１において、検査光５５と参照光５４とは合波され、その光路差に応じて干渉縞６４を生じる。この干渉縞観察において、干渉縞６４が生じている箇所の縞の本数により、その部分の被検物５７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５７の屈折率を求めることができる。
【０００９】
なお、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や位相シフト法を導入して３次元分布を計測可能にしたものがある。
また、図９は従来のマイケルソン型干渉計を利用した屈折率測定装置を示す図である。
【００１０】
低コヒーレントの光源７０を用い、集光レンズ７１により集光して透明な板状の被検物７３の空気との境界部分に照射し、参照光ミラー７４と被検物７３の前面および後面における干渉光の強度を光検出器７２で観察する。
【００１１】
この干渉の強度がそれぞれで最大になるように、被検物７３または集光レンズ７１および参照光ミラー７４を移動させ、前面および後面における干渉光最大強度の位置での被検物７３または集光レンズ７１および参照光ミラー７４の移動距離を求める。これによって、屈折率および厚みを同時測定して屈折率を求めるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−２１４４８号公報
【特許文献２】特開平１１−３４４３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
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、図８に示したような被検物５７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５７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およ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。
【００１４】
また、図９に示したようなマイケルソン型の干渉計では被検物７３が平面の場合は計測することが可能であるが、被検物７３の面が曲面の場合は計測することが困難であり、また、被検物７３または集光レンズ７１と参照光ミラー７４との２箇所を移動させる必要があり、両方の移動量の誤差の影響が発生する。
【００１５】
本発明は、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方法および屈折率測定装置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】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の屈折率測定方法は、光源からの光を検査光と参照光とに分割する光分割工程と、前記検査光を被検物および基準反射面に集光する検査光集光工程と、前記検査光の集光位置を前記被検物の表面および裏面と前記基準反射面の表面とに切り換える集光位置切換工程と、前記参照光を参照反射面で反射させる参照光反射工程と、前記被検物および前記基準反射面から反射された前記検査光と、前記参照反射面で反射された前記参照光と、を干渉させて干渉信号を得る干渉信号取得工程と、前記被検物が存在しない状態での前記基準反射面と、前記被検物の表面と、前記被検物の裏面と、前記被検物が存在する状態での前記基準反射面と、のそれぞれの光学距離を、前記干渉信号に基づいて計測する距離計測工程と、前記距離計測工程で計測した光学距離に基づいて前記被検物の屈折率を算出する屈折率算出工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の屈折率測定装置は、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光分割手段と、前記検査光を被検物および基準反射面とに集光させる集光光学系と、前記集光光学系を前記検査光の光軸に沿って移動させる集光光学系駆動手段と、前記被検物を前記検査光の光軸とは異なる方向に移動させる被検物駆動手段と、前記参照光を反射する参照反射面と、前記被検物および前記基準反射面から反射された前記検査光と前記参照反射面で反射された前記参照光とが干渉した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、前記被検物が存在しない状態での基準反射面と、被検物の表面と、被検物の裏面と、のそれぞれの光学距離を測定し、これらの光学距離に基づいて前記被検物の屈折率を算出する算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明を用いることによって、非破壊で被検物の屈折率分布を簡易に測定することができる。また、被検物を所定の形状に加工する必要がないとともに、マッチング液などを用いないので、環境および人体に害をなすようなこともない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る屈折率測定装置の概念構成を示す図
【図２】同屈折率測定装置を用いた屈折率測定方法による測定状態を示す図で、（ａ）集光位置が、被検物が存在しない状態での基準反射面である場合の図、（ｂ）集光位置が、被検物の透過後の基準反射面である場合の図、（ｃ）集光位置が、被検物の前面である場合の図、（ｄ）集光位置が、被検物の裏面である場合の図、（ｅ）集光位置が、被検物の手前である場合の図
【図３】同屈折率測定方法において被検物が軸外にある場合での測定状態を示し、（ａ）被検物上の斜面に検査光が入射する状態の図、（ｂ）被検物上の斜面から反射する状態の図
【図４】同屈折率測定方法において検査光が軸外にある被検物を透過して基準反射面で反射した状態の図で、（ａ）被検物上の斜面に入射する状態の図、（ｂ）被検物上の斜面から反射する状態の図
【図５】同屈折率測定方法において軸外の測定における波面収差の概念図で、（ａ）被検物を光軸上からＹ方向にのみずらした状態の図、（ｂ）図５（ａ）の状態での波面収差の図、（ｃ）図５（ａ）の状態での反射光の干渉縞の図、（ｄ）図５（ａ）の状態での収差による、干渉信号のピーク位置のずれと干渉信号のピークのなまりとの発生の概念を示す図
【図６】同屈折率測定方法における屈折率測定の第１のフローチャート
【図７】同屈折率測定方法における屈折率測定の第２のフローチャート
【図８】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の構成を示す図
【図９】従来のマイケルソン型干渉計を利用した屈折率測定装置の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。ここで、図１は、本発明の実施の形態に係る屈折率測定装置の概念構成を示す図、図２（ａ）〜（ｅ）は同実施の形態における屈折率測定状態を示す図である。
【００２１】
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る屈折率測定装置は、光源１と、光源１からの光を検査光１８と参照光１９とに分割するビームスプリッタ（光分割手段）２と、検査光１８を集光して被検物４および基準反射面６に照射する集光レンズ（集光光学系）３と、前記集光レンズ３をその光軸方向（検査光１８の出射方向）に沿って移動させる集光光学系駆動機構７と、被検物（被検レンズ）４を集光光学系である集光レンズ３の光軸と直交する方向に移動させる被検物駆動機構８と、参照光１９を反射させる平面状の参照反射面１２と、基準反射面６で反射した検査光１８と参照反射面１２で反射した参照光１９との干渉信号を得る光センサ（受光素子）１７および干渉像を得るカメラ１４と、光センサ１７で得られた干渉信号に基づいて被検物４の屈折率を算出する算出部としての機能も有する制御装置２０などを備えている。なお、集光光学系駆動機構７は、集光レンズ３の集光位置を被検物４の表裏面および基準反射面６の表面に移動させる。
【００２２】
また、制御装置２０は、光源１、集光光学系駆動機構７、被検物駆動機構８、カメラ１４、光センサ１７などを制御すると共に、被検物４が存在しない状態での基準反射面６と、被検物４の表面と、被検物４の裏面と、被検物４を透過後の基準反射面と、被検物４の手前で集光し平行光で反射する基準反射面とのそれぞれに対して、収差による誤差影響を除去して正確な光学距離を算出する算出手段としての機能をも備えている。
【００２３】
ここで、被検物４は、ガラス製の部材やプラスチック製の部材からなるレンズなど（但し、レンズに限るものではなく、透過および反射する性質を有する部材ならば被検物４として測定対象となり得る）からなり、検査光１８が集光レンズ３により基準反射面６へ向けて照射される光路内に、ホルダ２１で保持された状態で配設されている。なお、図１における５は、集光光学系としての集光レンズ３を保持するホルダ２１に設けられてホルダ２１の位置を検出するためのホルダ基準面であり、１３は、ビームスプリッタ１５で反射された検査光１８とビームスプリッタ１５を透過した参照光１９とをカメラ１４に結像させる結像レンズであり、１５は、ビームスプリッタ２を透過した検査光１８とビームスプリッタ２により反射された参照光１９とを反射するビームスプリッタであり、１６は、ビームスプリッタ１５で反射された検査光１８および参照光１９を光センサ１７に集光する集光レンズである。
【００２４】
また、この実施の形態では、光源１からの光を検査光１８と参照光１９とに分割するビームスプリッタ２と、参照光１９を反射させる参照反射平面１２との間に、ＮＤフィルタ１０と空間フィルタ１１とが配設されている。さらに、ビームスプリッタ２と、集光レンズ３との間に、空間フィルタ９が配設されている。また、集光光学系駆動機構７は、集光レンズ３によって基準反射面６などに点で集光するよう、集光レンズ３を移動調整させる。
【００２５】
上記構成において、図１に示すように、光源１から出射された光束は、ビームスプリッタ１５を透過し、ビームスプリッタ２で検査光１８と参照光１９とに分割される（光分割工程）。
【００２６】
検査光１８は、空間フィルタ９を透過した後、集光レンズ３によって集光される（検査光集光工程）。集光点は集光光学系駆動機構７によって集光レンズ３が移動されることによって調節される（集光位置切換工程）。
【００２７】
図１は、集光レンズ３によって検査光１８を基準反射面６の表面に集光している状態を示している。この状態では、集光レンズ３を透過した検査光１８は、被検物４およびホルダ基準面５を透過して、基準反射面６の表面に到達する。この場合には、集光光学系駆動機構７により基準反射面６で点に集光するように調整されているため、基準反射面６で反射された検査光１８は再びホルダ基準面５、被検物４を透過し、集光レンズ３により平行光として戻される。ただし、集光レンズ３以降の光学系の構成によって光学的な収差が発生し、平行光とはやや波面がずれた略平行光となっている。
【００２８】
一方、ビームスプリッタ２で分割された参照光１９はＮＤフィルタ１０を透過し、空間フィルタ１１を透過して、参照反射面１２に平行光のままで到達し、参照反射面１２で反射される（参照光反射工程）。参照反射面１２で反射された参照光１９はビームスプリッタ２によって、反射してきた検査光１８と一緒となる。
【００２９】
ここで、ビームスプリッタ２により反射された検査光１８と、ビームスプリッタ２を透過した参照光１９とは、結像レンズ１３によりカメラ１４に結像する。検査光１８と参照光１９とは干渉を起こすため、その干渉像をカメラ１４により観察できる。
【００３０】
また、ビームスプリッタ２を透過する検査光１８と、ビームスプリッタ２により反射する参照光１９とは、ビームスプリッタ１５により共に反射して、集光レンズ１６により、光センサ１７に集光し、光センサ１７で干渉信号を得ることができる（干渉信号取得工程）。この干渉信号から反射する対象物からの反射光学距離を計測できる（距離計測工程）。
【００３１】
なお、光源１としては、白色光源やヘリウムネオンなどの単色レーザ、光コムなどの多波長光源を用いることができる。ただし、光源１が白色光源や単色レーザの場合は、その可干渉性と可干渉光学距離とにより参照反射平面１２と対象物の反射位置とを一致させるために、参照反射面１２に光軸方向への移動機構を設ける必要がある。したがって、ここでは光コム光源（周波数が櫛（コム）のように一定間隔で連続して分布する光を発生させる光源）のような多波長の安定した光源が望ましい。
【００３２】
ビームスプリッタ２、１５は平板状のビームスプリッタでもキューブ状のものでもよい。また、空間フィルタ９、１１は非透過性の同心円状、もしくはスリット状で必要な光だけを透過させるフィルタである。空間フィルタ９、１１を支持する機構に回転機構や移動機構を設けて回転可能あるいは移動可能にすることで、必要な光だけを透過させることが可能となり、より厳密にフィルタリングすることができる。また、空間フィルタ９、１１を用いる代わりに、液晶などの可変フィルタを用いても同様な効果を得ることができる。
【００３３】
集光レンズ３は、対物レンズなどの収差が補正されて、ゼロに近いもの、もしくはゼロでなくてもその収差量が既知であるものが望ましい。また、被検物４の反射角度により反射光を十分に得られない場合は、集光光学系として、レンズ系ではなく、回折格子などを用いた回折光学系を使うことも可能である。
【００３４】
また、集光光学系駆動機構７や被検物駆動機構８はサブミクロンオーダの精度があればよいが、真直度やピッチング、ヨーイング、ローリングの精度が測定精度に影響を与えるため、それぞれ０．１μｍ、１分以下の精度があることが望ましい。
【００３５】
基準反射面６は光源１の波長に対して１００％に近い反射率を持つミラー状のものでも構わないが、被検物４の反射率に近い場合は反射光量が一定になり、被検物４によっては信号処理の誤差が小さくなる場合がある。また、基準反射面６の面精度は１／１０λ以下か、もしくは収差量が既知のものが望ましい。
【００３６】
ＮＤフィルタ１０は、被検物４の反射率が参照反射面１２の反射率よりも一般的に小さいため、被検物４側の反射光と光量をそろえて干渉縞、干渉信号を最大化するものである。このＮＤフィルタ１０は、存在しなくても測定は可能であるが、干渉信号を最大化することで外乱に対して強くなるため、存在することが望ましく、また固定の濃度よりもＮＤ濃度可変のものが望ましい。ＮＤフィルタ１０の透過収差は１／１０λ以下か、もしくは収差量が既知のものが望ましい。また、参照反射面１２は基準となる面（平面）のため、面精度は１／２０λ以下か収差量が既知のものが望ましい。
【００３７】
結像レンズ１３はカメラ１４に光を結像させるためのものであり、収差が小さいことが望ましいが、カメラレンズでなくてもダブレットのような単レンズでも使用は可能である。カメラ１４は、ＣＣＤやＣＭＯＳのようなエリアセンサカメラで、ＶＧＡ（６４０×４８０ピクセル）以上の分解能があることが望ましい。
【００３８】
集光レンズ１６は光センサ１７上に光を一点で集光させるためのものであるため、収差ができるだけ小さいほうが望ましいが、対物レンズでなくてもダブレットのような単レンズでも使用は可能である。また、光センサ１７はフォトダイオードのような一点の光量検出器であり、光量の分解能が１０ＢＩＴ以上あることが望ましく、また時間応答性も高速なものが望ましい。
【００３９】
次に図２を用いて本発明の実施の形態に係る屈折率測定方法について述べる。
ここではまず被検物４の中心が検査光１８の光軸上にある場合での測定方法を示す。
図２（ａ）〜（ｅ）は、集光光学系駆動機構７によって集光レンズ３を移動させて、その検査光１８の集光位置を変更した状態をそれぞれ示している。ここで、図２（ａ）は、集光レンズ３の集光位置が、被検物４が無い時の基準反射面６である場合を示し、図２（ｂ）は、集光位置が、被検物４の透過後の基準反射面６である場合を示し、図２（ｃ）は、集光位置が被検物４の前面（集光レンズ３側の面）である場合を示し、図２（ｄ）は、集光位置が被検物４の裏面（集光レンズ３とは反対側の面）である場合を示し、図２（ｅ）は、集光位置が被検物４の手前である場合を示している。
【００４０】
この時の各光学距離は上述したように、制御装置２０により、収差による誤差影響を除去した正確な距離を算出されており、それぞれの光学距離をＬａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄ、Ｌｅと定義する（すなわち、Ｌａは、集光位置が被検物４が存在しない状態の基準反射面６である場合の光学距離、Ｌｂは、集光位置が被検物４の透過後の基準反射面６である場合の光学距離、Ｌｃは、集光位置が被検物４の前面である場合の光学距離、Ｌｄは、集光位置が被検物４の裏面である場合の光学距離、Ｌｅは、集光位置が被検物４の手前である場合の光学距離である）。ただし、この光学距離は実際の距離ではなく光学的な距離であり、光路中のレンズなどの屈折率の影響を受けている。
【００４１】
ここで被検物４のレンズ厚みＴは、下記（式１）で求めることができる。
Ｔ＝（Ｌａ−Ｌｂ）−（Ｌｄ−Ｌｃ）・・・（式１）
一方、屈折率Ｎは、下記（式２）もしくは下記（式３）とあらわすことができ、これを計算することでレンズ厚みＴと屈折率Ｎとを求めることができる。
【００４２】
Ｎ＝（Ｌｃ−Ｌａ）／Ｔ ・・・（式２）
Ｎ＝（Ｌｃ−Ｌａ）／Ｔ＋１ ・・・（式３）
ただし、ここで求められる屈折率は群屈折率となっており、位相屈折率を求めたい場合は、硝材（レンズの材料）の分散の定義式を用いて変換することで求めることができる。
【００４３】
以上、光学距離ＬａからＬｄによりレンズ厚みＴと屈折率Ｎとを求めることができる。これに加えて、図２（ｅ）の状態で光学距離Ｌｅを計測することにより、データ数を増やすことができる。図２（ｅ）の計測を行うことで、より高精度化させることも可能である。
【００４４】
ここで図２（ｅ）に示す状態は、反射状態は異なるが測定光学距離としては図２（ｂ）と同じ位置を計測しているため、（式１）を変換して、下記（式４）とあらわすことも可能である。
Ｔ＝（Ｌａ−Ｌｅ）−（Ｌｄ−Ｌｃ） ・・・（式４）
これにより屈折率Ｎを求める（屈折率算出工程）ことで、（式１）だけでなく（式４）でも同じ値を計測することが可能となり、これにより検出データ点数を増やすことができる。そして、この結果より、平均処理もしくは２点の値を用いたオフセット計算処理をすることで、計測精度をより向上させることが可能となる。
【００４５】
図３（ａ）、（ｂ）では被検物４の中心が検査光１８の光軸上にある場合ではなく、軸外の位置にある場合での被検物４の厚みおよび屈折率を求める場合を図示している。被検物４の中心が検査光１８の光軸から外れている状態では、図３（ａ）に示すように、検査光１８が被検物４の斜面部分に入射するため、図３（ｂ）に示すように、被検物４での反射角が傾いた状態になる。したがって、集光レンズ３で開口規制され、図３（ａ）、図３（ｂ）で示す太線の周囲からしか反射光を得られないことになる。
【００４６】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、被検物４の中心が検査光１８の光軸から外れている場合でも同様であり、この場合は被検物４を透過した後の基準反射面６での反射位置を検出しているが、被検物４の屈折作用で入射光軸が傾き、図３（ａ）、図３（ｂ）に示す場合と同じ現象を生じる。この場合、光のケラレが発生するだけでなく、波面収差が発生するため、この波面収差の除去が必要となってくる。
【００４７】
したがって、この場合には、まずは屈折角による波面収差の影響を除去する必要がある。ここで被検物４の形状は、光学距離Ｌａから光学距離Ｌｄで既知であるため、この実測値を直接用いて補正することが可能である。具体的には、まず位相屈折率を理論値から一旦仮定して作成し、その値に基づく屈折角を計算し、屈折して斜めに光束が透過していく距離から実際の被検物１４の厚みや光学距離に換算する。この場合に、位相屈折率の仮定による誤差の影響が当然発生するが、理論値と実測値との差が小さければ理論値をそのまま用いても波面収差の影響を除去することが可能である。理論値と実測値との差が大きく、実測値を厳密に求めることが必要であれば、光学距離Ｌａ〜Ｌｅを用いて２つの計算式から求めた方法から、再度、位相屈折率の誤差補正をして、再度、群屈折率の計算を行う回帰計算により求めることができる。
【００４８】
また、波面収差の補正方法については、図５（ａ）〜（ｄ）を参照しながら、その詳細を説明する。
図５（ａ）は被検物４を光軸上からＹ方向にのみ、ずらしている場合を示す。この場合の波面収差を図５（ｂ）に示す。ここでは横軸はＹ方向、Ｘ方向の入射光の光束の位置を示し、縦軸が収差量となっている。図５（ｂ）の左側の図から分かるように、Ｙ方向では傾斜によりケラレが発生して光の返ってこない部分が発生するだけでなく、とくに入射光の端部で収差が大きく発生している。図５（ｂ）の右側の図から分かるように、Ｘ方向では傾斜は発生していないが、被検物４の球面収差の影響が出ている。
【００４９】
これらの反射光の干渉縞は図５（ｃ）に示すようなものとなる。干渉信号は光束の全体の集合として得られるため、このような収差が発生していると、図５（ｄ）に示すように干渉信号のピーク位置のずれａ、および干渉信号のピークのなまりｂが発生し、検出精度に影響する。
【００５０】
そこで、図１に示すように、空間フィルタ９、１１を配設することによって収差のない部分のみの光を透過させることによって、きれいな干渉信号を得ることができ、高い検出精度が実現できる。なお、どのような空間フィルタを用いるかは、シミュレーションから求めた干渉像からフィルタリング形状を求める方法と、カメラ１４で直接干渉像を検出してフィルタリング形状を求める方法がある。
【００５１】
以上で、被検物４上のそれぞれの位置の厚みおよび屈折率を求める方法を述べたが、図６により具体的な屈折率測定のフローチャートを示す。
まず、図２（ａ）に示すように、被検物４が存在しない状態で基準反射面６の位置を計測する（ステップＳ１）。次に、図２（ｂ）に示すように、被検物４を初期測定位置まで移動させて、光路中に配置する（ステップＳ２）。次に、図２（ｃ）に示すように、被検物４の表面を計測し（ステップＳ３）、次に、図２（ｄ）に示すように、被検物４の裏面を計測する（ステップＳ４）。
【００５２】
次に、被検物４を保持するホルダ２１に取り付けられているホルダ基準面５を計測する（ステップＳ５）。このホルダ基準面５を計測することにより、被検物４の被検物駆動機構８の真直度に誤差があった場合でも、各測定位置ごとに測定することが可能となる。
【００５３】
次に、被検物４を透過して基準反射面６から反射する状態（図２（ｂ）参照）を計測し（ステップＳ６）、また、被検物４を透過して基準反射面６から反射する状態（図２（ｅ）参照）を計測する（ステップＳ７）。ここで各測定ステップＳ６、Ｓ７では上記した収差除去の方式を用いて収差を除去する。
【００５４】
次に、測定位置を移動して（ステップＳ８）、ステップＳ９において、全ての測定位置が測定完了しているか判定を行う。この場合に、測定位置がまだ残っている場合（ステップＳ９のＮｏ）はステップＳ３に戻り、新しい測定位置での計測を順次行う。全ての測定位置の計測が終われば（ステップＳ９のＹｅｓ）、再度、図６（ａ）に示すような被検物４がない状態で基準反射面６を計測する（ステップＳ１０）。なお、この工程は無くても良いが、この工程を行うことによって経時的な位置の変化などが起きていないか確認し、必要ならば最初と最後の結果とから補正を掛けることが可能である。
【００５５】
以上の各測定位置のステップＳ３〜Ｓ７で測定した各測定光学距離と、ステップＳ１、Ｓ１０で測定した基準反射面の計測光学距離の結果を用いて、屈折率の計算を行う（ステップＳ１１）。以上により各測定位置での被検物４に対応するレンズ厚み、屈折率を計算する。このように各測定位置での屈折率を算出することで、被測定物４の屈折率分布を求めることが可能となる。
【００５６】
図７は本発明の他の実施の形態に係る屈折率測定方法のフローチャートを示す。
まず、図２（ａ）に示すように、被検物４が存在しない状態で基準反射面６の位置を計測する（ステップＳ２１）。次に、図２（ｂ）に示すように、被検物４を初期測定位置まで移動させて、光路中に配置する（ステップＳ２２）。次に、図２（ｃ）に示すように、被検物４の表面を計測し（ステップＳ２３）、次に、測定位置を移動して（ステップＳ２４）、全ての測定位置が測定完了しているか判定を行う（ステップＳ２５）。
【００５７】
測定位置がまだある場合はステップＳ２３に戻り、新しい測定位置での計測を順次行う。全ての測定位置の計測が終われば、再度、図２（ａ）に示すような被検物４が存在しない状態で基準反射面６を計測する（ステップＳ２６）。この工程を追加することで、被検物４に経時的な変化が起きていないかを確認して、必要なら最初と最後の結果から補正を掛けることて、より精度を向上させることが可能となる。
【００５８】
以下上記と同じ一連の流れを、測定方法を変えて行う。
被検物４の裏面の測定については、ステップＳ２７からステップＳ３１で測定範囲内の計測を行う。被検物４を保持するホルダ２１に取り付けられているホルダ基準面５の測定については、ステップＳ３２からステップＳ３６で測定範囲内の計測を行う。また、被検物４の透過後に基準反射面６で反射する状態（図２（ｂ）参照）の計測はステップＳ３７からステップＳ４１で測定範囲内の計測を行う。被検物４を透過して基準反射面６から反射する状態（図２（ｅ）参照）の計測はステップＳ４２からステップＳ４６で測定範囲内の計測を行う。
【００５９】
以上の各測定位置でのステップＳ２３、Ｓ２８、Ｓ３３、Ｓ３８、Ｓ４３の各測定光学距離と、ステップＳ２１、Ｓ２６、Ｓ３１、Ｓ３６、Ｓ４１、Ｓ４６の基準反射面６の計測光学距離との結果を用いて、屈折率の計算を行う（ステップＳ２７）。
【００６０】
以上により各測定位置での被検物４に対応するレンズ厚み、屈折率を計算する。このように各測定位置での屈折率を算出することで、被検物４の屈折率分布を求めることが可能となる。すなわち、被検物４の表面の位置を含む複数箇所の位置の絶対距離を干渉から求め、その屈折による光路変化と波面収差を考慮することにより、非破壊で被検物４の屈折率分布を簡易に測定することが可能となる。また、本実施の形態のように、被検物４を集光光学系である集光レンズ３の光軸と直交する方向に移動させる被検物駆動機構８を設けたことにより、被検物４が平面状でなくても、被検物４の屈折率を良好に得ることができる。
【００６１】
なお、図６に示す計測フローと、図７に示す計測フローとの何れの計測フローでも測定は可能である。ただし、図７に対して図６に示す屈折率測定方法は、各測定位置の被検物駆動機構８による誤差を逐次除去できるという利点があるが、集光光学系駆動機構７の移動ストロークが長く、測定時間が掛かるという欠点がある。したがって、機械的な誤差よりも経時的な変化が大きいと見込まれる場合は図７に示す計測フローに基づいて屈折率測定を行うことが望ましい。逆に、経時的な変化よりも機械的な誤差が大きいと見込まれる場合は図６に示す計測フローに基づいて屈折率測定を行うことが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明によれば、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。これにより、たとえば、ガラス製やプラスチック製のディスプレイパネル等に使用される前面板や光ピックアップやデジタルコピー機、デジタルカメラ等に使用される成型レンズの屈折率分布測定器に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 光源
２ ビームスプリッタ
３ 集光レンズ
４ 被検物
５ ホルダ基準面
６ 基準反射面
７ 集光光学系駆動機構
８ 被検物駆動機構
９、１１ 空間フィルタ
１０ ＮＤフィルタ
１２ 参照反射面
１３ 結像レンズ
１４ カメラ
１５ ビームスプリッタ
１６ 集光レンズ
１７ 光センサ
１８ 検査光
１９ 参照光
２０ 制御装置
２１ ホルダ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス製の部材やプラスチック製の部材の、形状、厚み、屈折率および屈折率分布を測定する屈折率測定方法および屈折率測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガラス製の部材やプラスチック製の部材は、ディスプレイパネル等に使用される前面板や光ピックアップやデジタルコピー機、デジタルカメラ等に使用される成型レンズなど、非常に幅広く使用されている。また、このような用途に用いられるガラス製の部材やプラスチック製の部材に求められる精度は非常に高くなっている。
【０００３】
ガラス製の部材やプラスチック製の部材は熱プロセスによって加工・成型されるが、その成型条件によって、内部の屈折率分布に不均一性を生じる場合がある。
特に成型レンズは、ガラス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、一方で成型条件の如何によって、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性質を有する。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、ガラス製の部材やプラスチック製の部材の品質を安定化するためには、屈折率の分布を高精度に測定する必要がある。
【０００４】
屈折率を測定する従来技術としては、最小偏角法などにより、偏角を測定して求める方法があり、この方法によれば、高精度で測定できることが知られている。
また、ダイヤモンドや鉱石などの被検物に対する屈折率の測定方法として、被検物を屈折率が既知の溶液に浸し、その境界線に現れるベッケ線を観察し、ベッケ線が見えなくなるまで溶液を交換して、線が見えなくなった際の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が知られている。
【０００５】
一方で、干渉計を利用した屈折率の測定方法も知られている。干渉計を利用した屈折率の測定方法としては、マッハツェンダー型の干渉計（特許文献１参照）やマイケルソン型の干渉計（特許文献２参照）がある。
【０００６】
図８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８に示すように、レーザ光源５１から出射した光は、集光レンズ５２によって平行光にされた後、ハーフミラー５３によって、参照光５４と検査光５５とに分岐される。検査光５５は、ミラー５６で反射された後、被検物５７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５８およびそれに浸された被検物５７を透過して、被検物５７の屈折率分布に対応した光路差を生じ、ハーフミラー５９に達した後に結像レンズ６０を介して撮像素子６１に入る。
【０００７】
一方、参照光５４は、補償板６２を透過し、ミラー６３で反射し、ハーフミラー５９に達した後に結像レンズ６０を介して撮像素子６１に入る。補償板６２は、検査光５５から撮像素子６１までの光路長と参照光５４から撮像素子６１までの光路長とをほぼ等しくするためのものである。
【０００８】
撮像素子６１において、検査光５５と参照光５４とは合波され、その光路差に応じて干渉縞６４を生じる。この干渉縞観察において、干渉縞６４が生じている箇所の縞の本数により、その部分の被検物５７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５７の屈折率を求めることができる。
【０００９】
なお、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や位相シフト法を導入して３次元分布を計測可能にしたものがある。
また、図９は従来のマイケルソン型干渉計を利用した屈折率測定装置を示す図である。
【００１０】
低コヒーレントの光源７０を用い、集光レンズ７１により集光して透明な板状の被検物７３の空気との境界部分に照射し、参照光ミラー７４と被検物７３の前面および後面における干渉光の強度を光検出器７２で観察する。
【００１１】
この干渉の強度がそれぞれで最大になるように、被検物７３または集光レンズ７１および参照光ミラー７４を移動させ、前面および後面における干渉光最大強度の位置での被検物７３または集光レンズ７１および参照光ミラー７４の移動距離を求める。これによって、屈折率および厚みを同時測定して屈折率を求めるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−２１４４８号公報
【特許文献２】特開平１１−３４４３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
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、図８に示したような被検物５７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５７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およ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。
【００１４】
また、図９に示したようなマイケルソン型の干渉計では被検物７３が平面の場合は計測することが可能であるが、被検物７３の面が曲面の場合は計測することが困難であり、また、被検物７３または集光レンズ７１と参照光ミラー７４との２箇所を移動させる必要があり、両方の移動量の誤差の影響が発生する。
【００１５】
本発明は、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方法および屈折率測定装置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】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の屈折率測定方法は、光源からの光を検査光と参照光とに分割する光分割工程と、前記検査光を被検物および基準反射面に集光する検査光集光工程と、前記検査光の集光位置を前記被検物の表面および裏面と前記基準反射面の表面とに切り換える集光位置切換工程と、前記参照光を参照反射面で反射させる参照光反射工程と、前記被検物および前記基準反射面から反射された前記検査光と、前記参照反射面で反射された前記参照光と、を干渉させて干渉信号を得る干渉信号取得工程と、前記被検物が存在しない状態での前記基準反射面と、前記被検物の表面と、前記被検物の裏面と、前記被検物が存在する状態での前記基準反射面と、のそれぞれの光学距離を、前記干渉信号に基づいて計測する距離計測工程と、前記距離計測工程で計測した光学距離に基づいて前記被検物の屈折率を算出する屈折率算出工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の屈折率測定装置は、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光分割手段と、前記検査光を被検物および基準反射面とに集光させる集光光学系と、前記集光光学系を前記検査光の光軸に沿って移動させる集光光学系駆動手段と、前記被検物を前記検査光の光軸とは異なる方向に移動させる被検物駆動手段と、前記参照光を反射する参照反射面と、前記被検物および前記基準反射面から反射された前記検査光と前記参照反射面で反射された前記参照光とが干渉した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、前記被検物が存在しない状態での基準反射面と、被検物の表面と、被検物の裏面と、のそれぞれの光学距離を測定し、これらの光学距離に基づいて前記被検物の屈折率を算出する算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明を用いることによって、非破壊で被検物の屈折率分布を簡易に測定することができる。また、被検物を所定の形状に加工する必要がないとともに、マッチング液などを用いないので、環境および人体に害をなすようなこともない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る屈折率測定装置の概念構成を示す図
【図２】同屈折率測定装置を用いた屈折率測定方法による測定状態を示す図で、（ａ）集光位置が、被検物が存在しない状態での基準反射面である場合の図、（ｂ）集光位置が、被検物の透過後の基準反射面である場合の図、（ｃ）集光位置が、被検物の前面である場合の図、（ｄ）集光位置が、被検物の裏面である場合の図、（ｅ）集光位置が、被検物の手前である場合の図
【図３】同屈折率測定方法において被検物が軸外にある場合での測定状態を示し、（ａ）被検物上の斜面に検査光が入射する状態の図、（ｂ）被検物上の斜面から反射する状態の図
【図４】同屈折率測定方法において検査光が軸外にある被検物を透過して基準反射面で反射した状態の図で、（ａ）被検物上の斜面に入射する状態の図、（ｂ）被検物上の斜面から反射する状態の図
【図５】同屈折率測定方法において軸外の測定における波面収差の概念図で、（ａ）被検物を光軸上からＹ方向にのみずらした状態の図、（ｂ）図５（ａ）の状態での波面収差の図、（ｃ）図５（ａ）の状態での反射光の干渉縞の図、（ｄ）図５（ａ）の状態での収差による、干渉信号のピーク位置のずれと干渉信号のピークのなまりとの発生の概念を示す図
【図６】同屈折率測定方法における屈折率測定の第１のフローチャート
【図７】同屈折率測定方法における屈折率測定の第２のフローチャート
【図８】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の構成を示す図
【図９】従来のマイケルソン型干渉計を利用した屈折率測定装置の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。ここで、図１は、本発明の実施の形態に係る屈折率測定装置の概念構成を示す図、図２（ａ）〜（ｅ）は同実施の形態における屈折率測定状態を示す図である。
【００２１】
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る屈折率測定装置は、光源１と、光源１からの光を検査光１８と参照光１９とに分割するビームスプリッタ（光分割手段）２と、検査光１８を集光して被検物４および基準反射面６に照射する集光レンズ（集光光学系）３と、前記集光レンズ３をその光軸方向（検査光１８の出射方向）に沿って移動させる集光光学系駆動機構７と、被検物（被検レンズ）４を集光光学系である集光レンズ３の光軸と直交する方向に移動させる被検物駆動機構８と、参照光１９を反射させる平面状の参照反射面１２と、基準反射面６で反射した検査光１８と参照反射面１２で反射した参照光１９との干渉信号を得る光センサ（受光素子）１７および干渉像を得るカメラ１４と、光センサ１７で得られた干渉信号に基づいて被検物４の屈折率を算出する算出部としての機能も有する制御装置２０などを備えている。なお、集光光学系駆動機構７は、集光レンズ３の集光位置を被検物４の表裏面および基準反射面６の表面に移動させる。
【００２２】
また、制御装置２０は、光源１、集光光学系駆動機構７、被検物駆動機構８、カメラ１４、光センサ１７などを制御すると共に、被検物４が存在しない状態での基準反射面６と、被検物４の表面と、被検物４の裏面と、被検物４を透過後の基準反射面と、被検物４の手前で集光し平行光で反射する基準反射面とのそれぞれに対して、収差による誤差影響を除去して正確な光学距離を算出する算出手段としての機能をも備えている。
【００２３】
ここで、被検物４は、ガラス製の部材やプラスチック製の部材からなるレンズなど（但し、レンズに限るものではなく、透過および反射する性質を有する部材ならば被検物４として測定対象となり得る）からなり、検査光１８が集光レンズ３により基準反射面６へ向けて照射される光路内に、ホルダ２１で保持された状態で配設されている。なお、図１における５は、集光光学系としての集光レンズ３を保持するホルダ２１に設けられてホルダ２１の位置を検出するためのホルダ基準面であり、１３は、ビームスプリッタ１５で反射された検査光１８とビームスプリッタ１５を透過した参照光１９とをカメラ１４に結像させる結像レンズであり、１５は、ビームスプリッタ２を透過した検査光１８とビームスプリッタ２により反射された参照光１９とを反射するビームスプリッタであり、１６は、ビームスプリッタ１５で反射された検査光１８および参照光１９を光センサ１７に集光する集光レンズである。
【００２４】
また、この実施の形態では、光源１からの光を検査光１８と参照光１９とに分割するビームスプリッタ２と、参照光１９を反射させる参照反射平面１２との間に、ＮＤフィルタ１０と空間フィルタ１１とが配設されている。さらに、ビームスプリッタ２と、集光レンズ３との間に、空間フィルタ９が配設されている。また、集光光学系駆動機構７は、集光レンズ３によって基準反射面６などに点で集光するよう、集光レンズ３を移動調整させる。
【００２５】
上記構成において、図１に示すように、光源１から出射された光束は、ビームスプリッタ１５を透過し、ビームスプリッタ２で検査光１８と参照光１９とに分割される（光分割工程）。
【００２６】
検査光１８は、空間フィルタ９を透過した後、集光レンズ３によって集光される（検査光集光工程）。集光点は集光光学系駆動機構７によって集光レンズ３が移動されることによって調節される（集光位置切換工程）。
【００２７】
図１は、集光レンズ３によって検査光１８を基準反射面６の表面に集光している状態を示している。この状態では、集光レンズ３を透過した検査光１８は、被検物４およびホルダ基準面５を透過して、基準反射面６の表面に到達する。この場合には、集光光学系駆動機構７により基準反射面６で点に集光するように調整されているため、基準反射面６で反射された検査光１８は再びホルダ基準面５、被検物４を透過し、集光レンズ３により平行光として戻される。ただし、集光レンズ３以降の光学系の構成によって光学的な収差が発生し、平行光とはやや波面がずれた略平行光となっている。
【００２８】
一方、ビームスプリッタ２で分割された参照光１９はＮＤフィルタ１０を透過し、空間フィルタ１１を透過して、参照反射面１２に平行光のままで到達し、参照反射面１２で反射される（参照光反射工程）。参照反射面１２で反射された参照光１９はビームスプリッタ２によって、反射してきた検査光１８と一緒となる。
【００２９】
ここで、ビームスプリッタ２により反射された検査光１８と、ビームスプリッタ２を透過した参照光１９とは、結像レンズ１３によりカメラ１４に結像する。検査光１８と参照光１９とは干渉を起こすため、その干渉像をカメラ１４により観察できる。
【００３０】
また、ビームスプリッタ２を透過する検査光１８と、ビームスプリッタ２により反射する参照光１９とは、ビームスプリッタ１５により共に反射して、集光レンズ１６により、光センサ１７に集光し、光センサ１７で干渉信号を得ることができる（干渉信号取得工程）。この干渉信号から反射する対象物からの反射光学距離を計測できる（距離計測工程）。
【００３１】
なお、光源１としては、白色光源やヘリウムネオンなどの単色レーザ、光コムなどの多波長光源を用いることができる。ただし、光源１が白色光源や単色レーザの場合は、その可干渉性と可干渉光学距離とにより参照反射平面１２と対象物の反射位置とを一致させるために、参照反射面１２に光軸方向への移動機構を設ける必要がある。したがって、ここでは光コム光源（周波数が櫛（コム）のように一定間隔で連続して分布する光を発生させる光源）のような多波長の安定した光源が望ましい。
【００３２】
ビームスプリッタ２、１５は平板状のビームスプリッタでもキューブ状のものでもよい。また、空間フィルタ９、１１は非透過性の同心円状、もしくはスリット状で必要な光だけを透過させるフィルタである。空間フィルタ９、１１を支持する機構に回転機構や移動機構を設けて回転可能あるいは移動可能にすることで、必要な光だけを透過させることが可能となり、より厳密にフィルタリングすることができる。また、空間フィルタ９、１１を用いる代わりに、液晶などの可変フィルタを用いても同様な効果を得ることができる。
【００３３】
集光レンズ３は、対物レンズなどの収差が補正されて、ゼロに近いもの、もしくはゼロでなくてもその収差量が既知であるものが望ましい。また、被検物４の反射角度により反射光を十分に得られない場合は、集光光学系として、レンズ系ではなく、回折格子などを用いた回折光学系を使うことも可能である。
【００３４】
また、集光光学系駆動機構７や被検物駆動機構８はサブミクロンオーダの精度があればよいが、真直度やピッチング、ヨーイング、ローリングの精度が測定精度に影響を与えるため、それぞれ０．１μｍ、１分以下の精度があることが望ましい。
【００３５】
基準反射面６は光源１の波長に対して１００％に近い反射率を持つミラー状のものでも構わないが、被検物４の反射率に近い場合は反射光量が一定になり、被検物４によっては信号処理の誤差が小さくなる場合がある。また、基準反射面６の面精度は１／１０λ以下か、もしくは収差量が既知のものが望ましい。
【００３６】
ＮＤフィルタ１０は、被検物４の反射率が参照反射面１２の反射率よりも一般的に小さいため、被検物４側の反射光と光量をそろえて干渉縞、干渉信号を最大化するものである。このＮＤフィルタ１０は、存在しなくても測定は可能であるが、干渉信号を最大化することで外乱に対して強くなるため、存在することが望ましく、また固定の濃度よりもＮＤ濃度可変のものが望ましい。ＮＤフィルタ１０の透過収差は１／１０λ以下か、もしくは収差量が既知のものが望ましい。また、参照反射面１２は基準となる面（平面）のため、面精度は１／２０λ以下か収差量が既知のものが望ましい。
【００３７】
結像レンズ１３はカメラ１４に光を結像させるためのものであり、収差が小さいことが望ましいが、カメラレンズでなくてもダブレットのような単レンズでも使用は可能である。カメラ１４は、ＣＣＤやＣＭＯＳのようなエリアセンサカメラで、ＶＧＡ（６４０×４８０ピクセル）以上の分解能があることが望ましい。
【００３８】
集光レンズ１６は光センサ１７上に光を一点で集光させるためのものであるため、収差ができるだけ小さいほうが望ましいが、対物レンズでなくてもダブレットのような単レンズでも使用は可能である。また、光センサ１７はフォトダイオードのような一点の光量検出器であり、光量の分解能が１０ＢＩＴ以上あることが望ましく、また時間応答性も高速なものが望ましい。
【００３９】
次に図２を用いて本発明の実施の形態に係る屈折率測定方法について述べる。
ここではまず被検物４の中心が検査光１８の光軸上にある場合での測定方法を示す。
図２（ａ）〜（ｅ）は、集光光学系駆動機構７によって集光レンズ３を移動させて、その検査光１８の集光位置を変更した状態をそれぞれ示している。ここで、図２（ａ）は、集光レンズ３の集光位置が、被検物４が無い時の基準反射面６である場合を示し、図２（ｂ）は、集光位置が、被検物４の透過後の基準反射面６である場合を示し、図２（ｃ）は、集光位置が被検物４の前面（集光レンズ３側の面）である場合を示し、図２（ｄ）は、集光位置が被検物４の裏面（集光レンズ３とは反対側の面）である場合を示し、図２（ｅ）は、集光位置が被検物４の手前である場合を示している。
【００４０】
この時の各光学距離は上述したように、制御装置２０により、収差による誤差影響を除去した正確な距離を算出されており、それぞれの光学距離をＬａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄ、Ｌｅと定義する（すなわち、Ｌａは、集光位置が被検物４が存在しない状態の基準反射面６である場合の光学距離、Ｌｂは、集光位置が被検物４の透過後の基準反射面６である場合の光学距離、Ｌｃは、集光位置が被検物４の前面である場合の光学距離、Ｌｄは、集光位置が被検物４の裏面である場合の光学距離、Ｌｅは、集光位置が被検物４の手前である場合の光学距離である）。ただし、この光学距離は実際の距離ではなく光学的な距離であり、光路中のレンズなどの屈折率の影響を受けている。
【００４１】
ここで被検物４のレンズ厚みＴは、下記（式１）で求めることができる。
Ｔ＝（Ｌａ−Ｌｂ）−（Ｌｄ−Ｌｃ）・・・（式１）
一方、屈折率Ｎは、下記（式２）もしくは下記（式３）とあらわすことができ、これを計算することでレンズ厚みＴと屈折率Ｎとを求めることができる。
【００４２】
Ｎ＝（Ｌｃ−Ｌａ）／Ｔ ・・・（式２）
Ｎ＝（Ｌｃ−Ｌａ）／Ｔ＋１ ・・・（式３）
ただし、ここで求められる屈折率は群屈折率となっており、位相屈折率を求めたい場合は、硝材（レンズの材料）の分散の定義式を用いて変換することで求めることができる。
【００４３】
以上、光学距離ＬａからＬｄによりレンズ厚みＴと屈折率Ｎとを求めることができる。これに加えて、図２（ｅ）の状態で光学距離Ｌｅを計測することにより、データ数を増やすことができる。図２（ｅ）の計測を行うことで、より高精度化させることも可能である。
【００４４】
ここで図２（ｅ）に示す状態は、反射状態は異なるが測定光学距離としては図２（ｂ）と同じ位置を計測しているため、（式１）を変換して、下記（式４）とあらわすことも可能である。
Ｔ＝（Ｌａ−Ｌｅ）−（Ｌｄ−Ｌｃ） ・・・（式４）
これにより屈折率Ｎを求める（屈折率算出工程）ことで、（式１）だけでなく（式４）でも同じ値を計測することが可能となり、これにより検出データ点数を増やすことができる。そして、この結果より、平均処理もしくは２点の値を用いたオフセット計算処理をすることで、計測精度をより向上させることが可能となる。
【００４５】
図３（ａ）、（ｂ）では被検物４の中心が検査光１８の光軸上にある場合ではなく、軸外の位置にある場合での被検物４の厚みおよび屈折率を求める場合を図示している。被検物４の中心が検査光１８の光軸から外れている状態では、図３（ａ）に示すように、検査光１８が被検物４の斜面部分に入射するため、図３（ｂ）に示すように、被検物４での反射角が傾いた状態になる。したがって、集光レンズ３で開口規制され、図３（ａ）、図３（ｂ）で示す太線の周囲からしか反射光を得られないことになる。
【００４６】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、被検物４の中心が検査光１８の光軸から外れている場合でも同様であり、この場合は被検物４を透過した後の基準反射面６での反射位置を検出しているが、被検物４の屈折作用で入射光軸が傾き、図３（ａ）、図３（ｂ）に示す場合と同じ現象を生じる。この場合、光のケラレが発生するだけでなく、波面収差が発生するため、この波面収差の除去が必要となってくる。
【００４７】
したがって、この場合には、まずは屈折角による波面収差の影響を除去する必要がある。ここで被検物４の形状は、光学距離Ｌａから光学距離Ｌｄで既知であるため、この実測値を直接用いて補正することが可能である。具体的には、まず位相屈折率を理論値から一旦仮定して作成し、その値に基づく屈折角を計算し、屈折して斜めに光束が透過していく距離から実際の被検物１４の厚みや光学距離に換算する。この場合に、位相屈折率の仮定による誤差の影響が当然発生するが、理論値と実測値との差が小さければ理論値をそのまま用いても波面収差の影響を除去することが可能である。理論値と実測値との差が大きく、実測値を厳密に求めることが必要であれば、光学距離Ｌａ〜Ｌｅを用いて２つの計算式から求めた方法から、再度、位相屈折率の誤差補正をして、再度、群屈折率の計算を行う回帰計算により求めることができる。
【００４８】
また、波面収差の補正方法については、図５（ａ）〜（ｄ）を参照しながら、その詳細を説明する。
図５（ａ）は被検物４を光軸上からＹ方向にのみ、ずらしている場合を示す。この場合の波面収差を図５（ｂ）に示す。ここでは横軸はＹ方向、Ｘ方向の入射光の光束の位置を示し、縦軸が収差量となっている。図５（ｂ）の左側の図から分かるように、Ｙ方向では傾斜によりケラレが発生して光の返ってこない部分が発生するだけでなく、とくに入射光の端部で収差が大きく発生している。図５（ｂ）の右側の図から分かるように、Ｘ方向では傾斜は発生していないが、被検物４の球面収差の影響が出ている。
【００４９】
これらの反射光の干渉縞は図５（ｃ）に示すようなものとなる。干渉信号は光束の全体の集合として得られるため、このような収差が発生していると、図５（ｄ）に示すように干渉信号のピーク位置のずれａ、および干渉信号のピークのなまりｂが発生し、検出精度に影響する。
【００５０】
そこで、図１に示すように、空間フィルタ９、１１を配設することによって収差のない部分のみの光を透過させることによって、きれいな干渉信号を得ることができ、高い検出精度が実現できる。なお、どのような空間フィルタを用いるかは、シミュレーションから求めた干渉像からフィルタリング形状を求める方法と、カメラ１４で直接干渉像を検出してフィルタリング形状を求める方法がある。
【００５１】
以上で、被検物４上のそれぞれの位置の厚みおよび屈折率を求める方法を述べたが、図６により具体的な屈折率測定のフローチャートを示す。
まず、図２（ａ）に示すように、被検物４が存在しない状態で基準反射面６の位置を計測する（ステップＳ１）。次に、図２（ｂ）に示すように、被検物４を初期測定位置まで移動させて、光路中に配置する（ステップＳ２）。次に、図２（ｃ）に示すように、被検物４の表面を計測し（ステップＳ３）、次に、図２（ｄ）に示すように、被検物４の裏面を計測する（ステップＳ４）。
【００５２】
次に、被検物４を保持するホルダ２１に取り付けられているホルダ基準面５を計測する（ステップＳ５）。このホルダ基準面５を計測することにより、被検物４の被検物駆動機構８の真直度に誤差があった場合でも、各測定位置ごとに測定することが可能となる。
【００５３】
次に、被検物４を透過して基準反射面６から反射する状態（図２（ｂ）参照）を計測し（ステップＳ６）、また、被検物４を透過して基準反射面６から反射する状態（図２（ｅ）参照）を計測する（ステップＳ７）。ここで各測定ステップＳ６、Ｓ７では上記した収差除去の方式を用いて収差を除去する。
【００５４】
次に、測定位置を移動して（ステップＳ８）、ステップＳ９において、全ての測定位置が測定完了しているか判定を行う。この場合に、測定位置がまだ残っている場合（ステップＳ９のＮｏ）はステップＳ３に戻り、新しい測定位置での計測を順次行う。全ての測定位置の計測が終われば（ステップＳ９のＹｅｓ）、再度、図６（ａ）に示すような被検物４がない状態で基準反射面６を計測する（ステップＳ１０）。なお、この工程は無くても良いが、この工程を行うことによって経時的な位置の変化などが起きていないか確認し、必要ならば最初と最後の結果とから補正を掛けることが可能である。
【００５５】
以上の各測定位置のステップＳ３〜Ｓ７で測定した各測定光学距離と、ステップＳ１、Ｓ１０で測定した基準反射面の計測光学距離の結果を用いて、屈折率の計算を行う（ステップＳ１１）。以上により各測定位置での被検物４に対応するレンズ厚み、屈折率を計算する。このように各測定位置での屈折率を算出することで、被測定物４の屈折率分布を求めることが可能となる。
【００５６】
図７は本発明の他の実施の形態に係る屈折率測定方法のフローチャートを示す。
まず、図２（ａ）に示すように、被検物４が存在しない状態で基準反射面６の位置を計測する（ステップＳ２１）。次に、図２（ｂ）に示すように、被検物４を初期測定位置まで移動させて、光路中に配置する（ステップＳ２２）。次に、図２（ｃ）に示すように、被検物４の表面を計測し（ステップＳ２３）、次に、測定位置を移動して（ステップＳ２４）、全ての測定位置が測定完了しているか判定を行う（ステップＳ２５）。
【００５７】
測定位置がまだある場合はステップＳ２３に戻り、新しい測定位置での計測を順次行う。全ての測定位置の計測が終われば、再度、図２（ａ）に示すような被検物４が存在しない状態で基準反射面６を計測する（ステップＳ２６）。この工程を追加することで、被検物４に経時的な変化が起きていないかを確認して、必要なら最初と最後の結果から補正を掛けることて、より精度を向上させることが可能となる。
【００５８】
以下上記と同じ一連の流れを、測定方法を変えて行う。
被検物４の裏面の測定については、ステップＳ２７からステップＳ３１で測定範囲内の計測を行う。被検物４を保持するホルダ２１に取り付けられているホルダ基準面５の測定については、ステップＳ３２からステップＳ３６で測定範囲内の計測を行う。また、被検物４の透過後に基準反射面６で反射する状態（図２（ｂ）参照）の計測はステップＳ３７からステップＳ４１で測定範囲内の計測を行う。被検物４を透過して基準反射面６から反射する状態（図２（ｅ）参照）の計測はステップＳ４２からステップＳ４６で測定範囲内の計測を行う。
【００５９】
以上の各測定位置でのステップＳ２３、Ｓ２８、Ｓ３３、Ｓ３８、Ｓ４３の各測定光学距離と、ステップＳ２１、Ｓ２６、Ｓ３１、Ｓ３６、Ｓ４１、Ｓ４６の基準反射面６の計測光学距離との結果を用いて、屈折率の計算を行う（ステップＳ２７）。
【００６０】
以上により各測定位置での被検物４に対応するレンズ厚み、屈折率を計算する。このように各測定位置での屈折率を算出することで、被検物４の屈折率分布を求めることが可能となる。すなわち、被検物４の表面の位置を含む複数箇所の位置の絶対距離を干渉から求め、その屈折による光路変化と波面収差を考慮することにより、非破壊で被検物４の屈折率分布を簡易に測定することが可能となる。また、本実施の形態のように、被検物４を集光光学系である集光レンズ３の光軸と直交する方向に移動させる被検物駆動機構８を設けたことにより、被検物４が平面状でなくても、被検物４の屈折率を良好に得ることができる。
【００６１】
なお、図６に示す計測フローと、図７に示す計測フローとの何れの計測フローでも測定は可能である。ただし、図７に対して図６に示す屈折率測定方法は、各測定位置の被検物駆動機構８による誤差を逐次除去できるという利点があるが、集光光学系駆動機構７の移動ストロークが長く、測定時間が掛かるという欠点がある。したがって、機械的な誤差よりも経時的な変化が大きいと見込まれる場合は図７に示す計測フローに基づいて屈折率測定を行うことが望ましい。逆に、経時的な変化よりも機械的な誤差が大きいと見込まれる場合は図６に示す計測フローに基づいて屈折率測定を行うことが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明によれば、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。これにより、たとえば、ガラス製やプラスチック製のディスプレイパネル等に使用される前面板や光ピックアップやデジタルコピー機、デジタルカメラ等に使用される成型レンズの屈折率分布測定器に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 光源
２ ビームスプリッタ
３ 集光レンズ
４ 被検物
５ ホルダ基準面
６ 基準反射面
７ 集光光学系駆動機構
８ 被検物駆動機構
９、１１ 空間フィルタ
１０ ＮＤフィルタ
１２ 参照反射面
１３ 結像レンズ
１４ カメラ
１５ ビームスプリッタ
１６ 集光レンズ
１７ 光センサ
１８ 検査光
１９ 参照光
２０ 制御装置
２１ ホルダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を検査光と参照光とに分割する光分割工程と、
前記検査光を被検物および基準反射面に集光する検査光集光工程と、
前記検査光の集光位置を前記被検物の表面および裏面と前記基準反射面の表面とに切り換える集光位置切換工程と、
前記参照光を参照反射面で反射させる参照光反射工程と、
前記被検物および前記基準反射面から反射された前記検査光と、前記参照反射面で反射された前記参照光と、を干渉させて干渉信号を得る干渉信号取得工程と、
前記被検物が存在しない状態での前記基準反射面と、前記被検物の表面と、前記被検物の裏面と、前記被検物が存在する状態での前記基準反射面と、のそれぞれの光学距離を、前記干渉信号に基づいて計測する距離計測工程と、
前記距離計測工程で計測した光学距離に基づいて前記被検物の屈折率を算出する屈折率算出工程と、を有すること
を特徴とする屈折率測定方法。
【請求項２】
前記距離計測工程で前記被検物の手前で集光し前記基準反射面において平行光となる場合の基準反射面との光学距離を計測し、この光学距離を追加して前記被検物の屈折率を算出すること
を特徴とする請求項１に記載の屈折率測定方法。
【請求項３】
前記集光位置切替工程は、前記検査光を前記被検物の表面および裏面と前記基準反射面の表面のとに集光させる集光光学系を、前記検査光の光軸に沿って移動させて行うこと
を特徴とする請求項１または２に記載の屈折率測定方法。
【請求項４】
前記集光位置切換工程において、前記集光光学系を前記検査光の光軸に沿って移動させることに加えて、前記被検物を前記検査光の光軸とは異なる方向に移動させて集光位置を切り換えること
を特徴とする請求項３に記載の屈折率測定方法。
【請求項５】
前記屈折率算出工程において、前記距離計測工程において得た距離から収差による誤差影響を除去した後に、再度算出した距離を用いて屈折率を算出すること
を特徴とする請求項４に記載の屈折率測定方法。
【請求項６】
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光分割手段と、
前記検査光を被検物および基準反射面とに集光させる集光光学系と、
前記集光光学系を前記検査光の光軸に沿って移動させる集光光学系駆動手段と、
前記被検物を前記検査光の光軸とは異なる方向に移動させる被検物駆動手段と、
前記参照光を反射する参照反射面と、
前記被検物および前記基準反射面から反射された前記検査光と前記参照反射面で反射された前記参照光とが干渉した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、前記被検物が存在しない状態での基準反射面と、被検物の表面と、被検物の裏面と、のそれぞれの光学距離を測定し、これらの光学距離に基づいて前記被検物の屈折率を算出する算出手段と、を備えたこと
を特徴とする屈折率測定装置。
【請求項１】
光源からの光を検査光と参照光とに分割する光分割工程と、
前記検査光を被検物および基準反射面に集光する検査光集光工程と、
前記検査光の集光位置を前記被検物の表面および裏面と前記基準反射面の表面とに切り換える集光位置切換工程と、
前記参照光を参照反射面で反射させる参照光反射工程と、
前記被検物および前記基準反射面から反射された前記検査光と、前記参照反射面で反射された前記参照光と、を干渉させて干渉信号を得る干渉信号取得工程と、
前記被検物が存在しない状態での前記基準反射面と、前記被検物の表面と、前記被検物の裏面と、前記被検物が存在する状態での前記基準反射面と、のそれぞれの光学距離を、前記干渉信号に基づいて計測する距離計測工程と、
前記距離計測工程で計測した光学距離に基づいて前記被検物の屈折率を算出する屈折率算出工程と、を有すること
を特徴とする屈折率測定方法。
【請求項２】
前記距離計測工程で前記被検物の手前で集光し前記基準反射面において平行光となる場合の基準反射面との光学距離を計測し、この光学距離を追加して前記被検物の屈折率を算出すること
を特徴とする請求項１に記載の屈折率測定方法。
【請求項３】
前記集光位置切替工程は、前記検査光を前記被検物の表面および裏面と前記基準反射面の表面のとに集光させる集光光学系を、前記検査光の光軸に沿って移動させて行うこと
を特徴とする請求項１または２に記載の屈折率測定方法。
【請求項４】
前記集光位置切換工程において、前記集光光学系を前記検査光の光軸に沿って移動させることに加えて、前記被検物を前記検査光の光軸とは異なる方向に移動させて集光位置を切り換えること
を特徴とする請求項３に記載の屈折率測定方法。
【請求項５】
前記屈折率算出工程において、前記距離計測工程において得た距離から収差による誤差影響を除去した後に、再度算出した距離を用いて屈折率を算出すること
を特徴とする請求項４に記載の屈折率測定方法。
【請求項６】
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光分割手段と、
前記検査光を被検物および基準反射面とに集光させる集光光学系と、
前記集光光学系を前記検査光の光軸に沿って移動させる集光光学系駆動手段と、
前記被検物を前記検査光の光軸とは異なる方向に移動させる被検物駆動手段と、
前記参照光を反射する参照反射面と、
前記被検物および前記基準反射面から反射された前記検査光と前記参照反射面で反射された前記参照光とが干渉した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、前記被検物が存在しない状態での基準反射面と、被検物の表面と、被検物の裏面と、のそれぞれの光学距離を測定し、これらの光学距離に基づいて前記被検物の屈折率を算出する算出手段と、を備えたこと
を特徴とする屈折率測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２２０９０３（Ｐ２０１１−２２０９０３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９１８５１（Ｐ２０１０−９１８５１）
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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