(57)【要約】【課題】被検物の屈折率分布を高精度に測定可能な屈折率分布測定システム及び屈折率分布測定方法を提供する。【解決手段】２光束干渉計と、干渉計が取得した干渉縞像から被検物の屈折率分布を取得する信号処理装置９０と、を有する屈折率分布測定システムを提供する。干渉計は、波長の異なる２種類の波長の可干渉光を生成する光源ユニット１０と、各波長について前記干渉縞を観測するために前記２種類の波長の一つを選択するＣＰＵ１とを有する。信号処理装置９０は、被検物Ｏの屈折率分布を取得するのに一方の波長を使用し、被検物Ｏの輪郭を検出するのに他方の波長を使用する。【選択図】図１
2011107052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可干渉光を参照光と被検光に分割し、マッチング液に浸漬された被検物を透過した被検光と参照光を再び重畳し、干渉縞を観測する干渉計と、
前記干渉計が取得した干渉縞像から被検物の屈折率分布を取得する信号処理装置と、
を有し、
前記干渉計は、
２種類の波長の可干渉光を発する光源と、
各波長について前記干渉縞を観測するために前記２種類の波長の一つを選択する選択手段と、
を有し、
前記信号処理装置は前記被検物の前記屈折率分布を取得するのに前記２種類の波長の一方を使用し、前記被検物の輪郭を検出するのに前記２種類の波長の他方が使用されることを特徴とする屈折率分布測定システム。
【請求項２】
前記干渉計が、前記選択手段が前記２種類の波長の他方を選択した場合に前記参照光を遮断するシャッターを更に有することを特徴とする請求項１に記載の屈折率分布測定システム。
【請求項３】
可干渉光を参照光と被検光に分割し、マッチング液に浸漬された被検物を透過した被検光と参照光を再び重畳し、干渉縞を観測する干渉計であって、２種類の波長の可干渉光を発する光源と、各波長について前記干渉縞を観測するために前記２種類の波長の一つを選択する選択手段と、を有する干渉計を用い、
前記２種類の波長の一方を使用して前記被検物の屈折率分布を取得し、前記被検物の輪郭を検出するのに前記２種類の波長の他方を使用することを特徴とする屈折率分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率分布測定システム及び屈折率分布測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子（被検物）の屈折率分布を高精度に測定する需要がある。特許文献１及び２は、マッチング液に浸漬した被検物の屈折率分布を測定する方法を開示している。特許文献３は、マッチング液の屈折率には温度依存性があることからマッチング液の温度を制御することを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０１−３１６６２７号公報
【特許文献２】特開平１１−０４４６４１号公報
【特許文献３】特開平０３−２１８４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
マッチング液と被検物の付近の屈折率が同程度になった場合や両者の積算位相差が波長の整数倍となった場合には、マッチング液における被検物の輪郭（エッジ）が把握しづらくなり、その結果、被検物の屈折率分布を高精度に認識できなくなる。
【０００５】
本発明は、被検物の屈折率分布を高精度に測定可能な屈折率分布測定システム及び屈折率分布測定方法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】
【０００６】
本発明の屈折率分布測定システムは、可干渉光を参照光と被検光に分割し、マッチング液に浸漬された被検物を透過した被検光と参照光を再び重畳し、干渉縞を観測する干渉計と、前記干渉計が取得した干渉縞像から被検物の屈折率分布を取得する信号処理装置と、
を有し、前記干渉計は、２種類の波長の可干渉光を発する光源と、各波長について前記干渉縞を観測するために前記２種類の波長の一つを選択する選択手段と、を有し、前記信号処理装置は前記被検物の前記屈折率分布を取得するのに前記２種類の波長の一方を使用し、前記被検物の輪郭を検出するのに前記２種類の波長の他方が使用されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、被検物の屈折率分布を高精度に測定可能な屈折率分布測定システム及び屈折率分布測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は屈折率分布測定システムのブロック図である。
【図２】図２は図１に示すマッチング槽の断面図である。
【図３】図３は被検物の輪郭を示した図と干渉縞画像の図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は屈折率分布測定システムのブロック図である。屈折率分布測定システムは干渉計と信号処理装置９０を有する。干渉計は、可干渉光を参照光と被検光に分割し、被検物を透過した被検光と参照光を再び重畳し、干渉縞を観測する２光束干渉計である。
【００１０】
干渉計は、干渉計の各部を制御するＣＰＵ（プロセッサ）１と、これに接続された不図示の入力部を有する。ＣＰＵ１は、信号処理装置９０にも接続されている。不図示の入力部は信号処理装置９０の入力部を使用してもよい。
【００１１】
また、干渉計は、光路に沿って、光源ユニット１０と、光束径を拡大するビームエキスパンダー２０と、可干渉光を参照光と被検光に分離（分割）するビームスプリッタ３０がこの順番で配置されている。
【００１２】
図１に示す光源ユニット１０は、２種類の異なる波長の可干渉光を生成する２つの光源（第１の光源１１と第２の光源１５）、各光源から光束を遮断及び通過を制御するシャッター１２及び１４、光を合成するダイクロックミラー１３から構成される。
【００１３】
２つの光源のうちの一方（例えば、第１の光源１１）の波長に対するマッチング液Ｍの屈折率と被検物Ｏの屈折率がほぼ同一であり、この波長を使用した測定結果を被検物Ｏの屈折率分布の算出に使用する。他方の波長を有する光源（例えば、第２の光源１５）からの測定結果を被検物の輪郭を検出するのに使用する。
【００１４】
第１の光源１１を使用する時はシャッター１２によって第１の光源１１からの光束を遮断せずに通過させ、かつ、シャッター１４によって第２の光源１５からの光束を遮断する。第２の光源１５を使用する時は、シャッター１２によって第１の光源１１からの光束を遮断し、かつ、シャッター１４によって第２の光源１５からの光束を遮断せずに通過させる。
【００１５】
予め、２つの光軸が一致するように調整しておけば、光源（波長）の切り替え時に光軸がずれることなく、光源を切り替えることができる。ＣＰＵ１は、各光源について干渉縞を観測するために２種類の光源１１及び１５の一つを選択する選択手段として機能する。即ち、ＣＰＵ１は、２種類の光源１１及び１５を切り替えて、いずれかの光源からの光束が光路に導入されるようにする。光源（波長）の切り替えは不図示の入力部からの入力による。
【００１６】
なお、光源ユニット１０は、波長可変レーザーを用いて２つ以上の異なる波長を選択してもよい。このため、光源ユニット１０は、少なくとも２つの波長の可干渉光を発するように構成されていれば足り、複数の光源を有する必要はない。
【００１７】
図１には表記していないが、円偏光にて測定を行う場合には、光源ユニット１０の後に、偏光板とフレネルロムプリズムを設置し、フレネルロムプリズムに対して４５度傾いた直線偏光が入射するように偏光板を調整すればよい。これにより、光源を切り替えた場合においても、偏光状態が波長に依存することなく、円偏光状態を維持することができる。
【００１８】
ビームスプリッタ３０によって反射された参照光の光路には、ビームスプリッタ３０の後段に偏向ミラー（ピエゾミラー）４０が配置されている。偏向ミラー４０は、光束を偏向すると共に参照光の光路長をサブ波長オーダーで変化させて参照光の位相をシフトする位相シフト手段として機能する。偏向ミラー４０は圧電素子によって駆動される。圧電素子は、偏向ミラー４０を駆動することによって位相シフト量を変更する駆動手段として機能、その駆動量はＣＰＵ１の命令によって制御される。なお、偏向ミラー４０を駆動する駆動手段は圧電素子に限定されない。
【００１９】
ビームスプリッタ３０を透過した被検光の光路には、ビームスプリッタ３０の後段に被検物Ｏとマッチング液Ｍを収納するマッチング槽５０と光束を偏向する偏向ミラー６０がこの順番で配置されている。被検物Ｏはマッチング液Ｍに浸漬され、マッチング液Ｍの屈折率は被検物Ｏの屈折率はほぼ等しい（近い）。
【００２０】
偏向ミラー４０からの参照光と偏向ミラー６０からの被検光はビームスプリッタ７０で重畳される。
【００２１】
撮像装置８０は、重畳された光により形成される干渉縞像を撮影する。
【００２２】
撮像装置８０には、信号処理装置９０が接続されている。信号処理装置９０は本実施例では表示部と入力部を備えたパーソナルコンピュータから構成され、干渉縞画像データを受信し、撮影した複数の干渉縞画像から被検物Ｏの屈折率分布を算出する。
【００２３】
動作において、光源ユニット１０より出射した可干渉光は、ビームエキスパンダー２０によって必要な大きさまで光束径を拡大され光束分割手段であるビームスプリッタ３０に入射する。ビームスプリッタ３０は、可干渉光を、被検物Ｏを透過しない参照光と、被検物Ｏを透過する被検光に分割する。
【００２４】
ビームスプリッタ３０により分割された参照光は、被検物Ｏを透過せずに偏向ミラー４０で反射し、ビームスプリッタ７０に入射する。また、ビームスプリッタ３０を透過した被検光は、被検物Ｏを納めたマッチング槽５０を透過し、偏向ミラー６０を介してビームスプリッタ７０に入射する。
【００２５】
ビームスプリッタ７０に入射した参照光と被検光は、ビームスプリッタ７０により重畳されて撮像装置８０に入射する。重畳された可干渉光は干渉縞を生じ、撮像装置８０によって干渉縞像が撮影される。偏向ミラー４０を回転駆動することにより、位相シフトされた複数枚の干渉縞画像を取得する。観測された干渉縞は干渉縞画像データとして信号処理装置９０に送られる。信号処理装置９０は、干渉縞画像から波面データ（屈折率分布）を算出することができる。
【００２６】
マッチング槽５０は、被検物Ｏと被検物Ｏと屈折率がほぼ等しいマッチング液Ｍを収納し、マッチング槽５０における光の入出射部は透明な平板がほぼ平行に配置されているため、被検光は殆ど屈折をせずにマッチング槽５０を透過する。
【００２７】
マッチング槽５０を透過した光束の透過波面は数式１で与えられる。ここで、ｎは被検物Ｏの屈折率分布、Ｚは被検物Ｏの光軸方向の厚み、Ｎｏｉｌはマッチング液Ｍの屈折率、Ｚ０はマッチング槽５０の光軸方向の距離である。また、マッチング槽５０のマッチング液Ｍの屈折率はほぼ一定であると仮定している。
【００２８】
本実施例では、数式１及びそれ以降の数式は信号処理装置９０で算出されるが、ＣＰＵ１又は他の演算部が算出（演算）してもよい。
【００２９】
【数１】
2011107052.tif 000003
【００３０】
被検物Ｏの光軸方向の平均屈折率分布をＮとすると数式１は次式となる。
【００３１】
【数２】
2011107052.tif 000004
【００３２】
また、被検物Ｏの屈折率分布を、基準屈折率Ｎ０と屈折率分布成分ｄＮに分離すると、数式３が成立し、数式２は数式４となる。
【００３３】
【数３】
2011107052.tif 000005
【００３４】
【数４】
2011107052.tif 000006
【００３５】
数式４より、透過波面は、被検物Ｏの屈折率分布ｄＮと厚みＺに依存した成分（第１項）と被検物Ｏの厚みＺに依存した成分（第２項）と被検物Ｏに依存しない成分（第３項）に分けることができる。
【００３６】
第３項は、ｘｙ平面において一定であるため、第１項と第２項により生成された波面が干渉縞として計測される。第２項は被検物Ｏの厚みＺのみに依存しているため、計測結果を被検物Ｏの厚みＺで割ることでｘｙ平面において一定な値となり、第１項における屈折率分布の成分のみを算出することができる。
【００３７】
しかしながら、マッチング液Ｍと被検物Ｏの屈折率差△Ｎ＝Ｎ０−Ｎｏｉｌが屈折率分布ｄＮよりも大きい場合、厚みに依存した干渉縞が密に発生する。この結果、屈折率分布ｄＮにより発生する干渉縞が埋れてしまったり、干渉縞の輪郭で数波長の段差が生じてしまい位相量を正確に認識できなかったりして十分な計測精度が得られない可能性がある。
【００３８】
このため、屈折率分布ｄＮを高精度に計測するためには、マッチング液Ｍと被検物Ｏの屈折率差△Ｎは小さいほど望ましい。また、計測画像から被検物Ｏの厚みＺで割るためには、計測画面上における被検物Ｏの位置を正確に検出する必要がある。
【００３９】
一方、第１の光源における被検物Ｏの輪郭付近の点Ａ（ｘ１，ｙ１）と、輪郭付近のマッチング液Ｍのみを透過する点Ｂ（ｘ２，ｙ２）の光路差は次式で与えられる。
【００４０】
【数５】
2011107052.tif 000007
【００４１】
図２は、マッチング槽内における前記２点ＡＢの位置を示す。２点ＡＢにおいて、マッチング液Ｍと被検物Ｏの光路差が数波長以上ある場合、測定画像には被検物Ｏの輪郭に段差が生じる。そのため、測定画像にフィルタをかけて、被検物Ｏの輪郭を検出することが可能である。また、光路差によっては、目視による判断も十分可能である。
【００４２】
高精度な計測を行うためには、マッチング液Ｍと被検物Ｏの屈折率差△Ｎを小さくすることが望ましい。２点ＡＢの屈折率が一致もしくは極めて近い場合、該２点を透過した光線の光路差は殆どなくなるため、被検物Ｏの輪郭が不明瞭になり、厚みの位置を正確に認識することが困難になる。また、２点ＡＢの光路差ｄＬがほぼ１波長の倍数である場合にも、干渉縞画像から輪郭を検出することは困難になる。図３（ａ）は被検物Ｏの輪郭Ｃを示し、図３（ｂ）はこの時に取得される干渉縞像を示している。
【００４３】
そこで、光源ユニット１０において第１の光源１１から第２の光源１５に切り替え、同様に干渉縞を測定する。各光源に対するマッチング液Ｍと被検物Ｏの屈折率特性は異なるため、第２の光源１５を使用した時には、マッチング液Ｍと被検物Ｏの屈折率差は大きくなり、その結果、輪郭が強調された干渉縞画像を取得することができる。図３（ｃ）は、この時に取得される干渉縞像を示している。
【００４４】
このように、本実施例は、少なくとも２つの光源１１及び１５とこれら２つの光源を切り替える光源切り替え手段（選択手段）を備え、各光源に対する干渉縞が取得可能である。
【００４５】
また、第２の光源１５に対するマッチング液Ｍと被検物Ｏの屈折率差が大きい場合、干渉縞が密になり解像不可能な干渉縞が計測されたり、被検物面で光線が反射され被検物の影が計測されたりすることがある。この場合も被検物Ｏの輪郭は強調されるため、輪郭を検出することが可能である。図３（ｄ）及び図３（ｅ）は、この時の取得画像を示している。
【００４６】
第２の光源１５では、マッチング液Ｍの屈折率の波長依存性を利用してマッチング液Ｍと被検物Ｏの屈折率差を大きくすることによって被検物Ｏの輪郭の段差を強調する。波長を変化させる以外にも、マッチング液自体を違う屈折率の物に交換したり、マッチング液Ｍの温度を変化させたりして、マッチング液と被検物の屈折率差を大きくした状態において再度干渉縞の測定を行えば、同様に輪郭を強調させることが可能である。しかし、マッチング液Ｍは温度に非常に敏感であり、測定可能なレベルまでマッチング液Ｍの温度を安定させるには長時間を要するため、測定効率は低くなる。
【００４７】
本実施例の波長切り替え方式では、２つの光源をシャッターにより切り替えて短時間に２枚の干渉縞像を取得する。この際、第１の光源１１で計測された干渉縞画像より被検物Ｏの透過波面データを取得し、第２の光源１５における輪郭が強調された干渉縞画像より被検物Ｏの輪郭検出を行う。この結果、高精度かつ短時間に被検物Ｏの輪郭と屈折率分布を検出することができる。
【００４８】
また、本実施例は干渉縞像から輪郭を検出しているが、信号処理装置９０は干渉縞像から透過波面を求めて透過波面データから被検物Ｏの輪郭を検出してもよい。
【００４９】
なお、図１において、参照光の光路上に（例えば、偏向ミラー４０とビームスプリッタ７０との間に）参照光のオンオフを制御するシャッターを設けてもよい。
【００５０】
この場合、動作において、第１の光源１１を使用して干渉縞を取得するときにはこのシャッターをオフにして参照光を遮断せず、前述したように撮像装置８０は干渉縞を観測する。ＣＰＵ１が第２の光源１５を選択するとＣＰＵ１はこのシャッターにより参照光を遮断して被検物Ｏを透過した光のみを撮像装置８０に入射させて被検物像を測定する。第２の光源１５を使用する時は、マッチング液Ｍと被検物Ｏの屈折率差は大きくなるため、被検物の輪郭が強調された画像が取得でき、輪郭の認識が容易となる。
【００５１】
また、第２の光源１５に対するマッチング液Ｍと被検物Ｏの屈折率差が大きい場合、被検物面で光線が反射され被検物の影が計測されたりすることがあるが、この場合も被検物Ｏの輪郭は強調されるため、輪郭の検出が可能である。
【００５２】
このように、第１の光源１１で計測された干渉縞像より被検物Ｏの透過波面データを取得し、第２の光源１５によって被検物Ｏの輪郭を強調して輪郭検出を行い、高精度かつ短時間に被検物Ｏの輪郭と屈折率分布を検出することが可能である。
【００５３】
また、輪郭をより明確に検出するためには、撮像装置内の撮像レンズを瞳結像の関係にするとよい。瞳結像レンズを用いることで被検物像をシャープに取得することができ、輪郭を高精度に算出することができる。
【００５４】
また、高精度なマスクを生成することは、被検物を回転させてＣＴの原理を利用し、３次元的な屈折率分布を算出する際にも、回転軸の算出や３次元化の計算が高精度に行えるため、極めて有効である。
【００５５】
干渉計は、マッチング槽５０のマッチング液Ｍの屈折率を制御するための温度制御ユニットを更に有してもよい。マッチング液Ｍの温度を制御することによってマッチング液Ｍと被検物Ｏの屈折率を近づけることが可能であり、高精度に屈折率分布を求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
屈折率分布測定システムは、被検物の屈折率分布を測定するのに適用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１                        ＣＰＵ（選択手段）
１１                      第１の光源
１５                      第２の光源
４０                      偏向ミラー（位相シフト手段）
Ｏ                        被検物
Ｍ                       マッチング液
【図１】
2011107052.tif 000008
【図２】
2011107052.tif 000009
【図３】
2011107052.tif 000010