(57)【要約】【課題】硝子やプラスチックなどの透明の物体（被検物）の屈折率を、非破壊で精度良く測定すること。【解決手段】偏波面保存ファイバを利用した２つのプローブ光学系１０６，１０８によって、局所的に特定された被検物１０７中を透過する光の光路長を、干渉信号を利用して算出し、また同部分の幾何学的厚みをプローブ光学系１０６，１０８の位置を測定することで算出して、両算出値から被検物１０７の屈折率を求める。これにより、非破壊かつ精度の高い屈折率測定を実現することができる。【選択図】図１
2011013170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光のコヒーレント光を出射する光源と、
前記光源からのコヒーレント光を検査光と参照光とに分離する光学部材と、
前記検査光を、被検物の表面に集光させて照射する第１プローブ光学系と、
前記第１プローブ光学系から照射され前記被検物を透過した前記検査光を集光する第２プローブ光学系と、
前記第１プローブ光学系の光軸と前記第２プローブ光学系の光軸とを同軸上に調整する駆動手段と、
前記第１プローブ光学系および前記第２プローブ光学系の位置を基準位置からの差分として測距する測長手段と、
前記参照光と前記第２プローブ光学系で集光された前記検査光とを合波することで生じる干渉光の強度分布を検知する受光素子と、
前記被検物を前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系との間に固定するステージと、
屈折率および厚みが既知である平面状の透明な基準物体の表面に各プローブ光学系をフォーカスした場合の各プローブ光学系の位置を各プローブ光学系の基準位置として予め記録しておき、前記各プローブ光学系を前記被検物の表面にフォーカスした場合の前記各プローブ光学系の基準位置からの差分の合計ΔＤを測定し、前記光源の波長を異なる複数の波長に設定し、波長ごとに前記受光素子において観測される干渉光の干渉縞の位相Δｉを測定し、前記差分の合計ΔＤと複数の異なる波長による前記干渉縞の位相Δｉとに基づいて前記被検物の屈折率を計算する演算部と、を備える
ことを特徴とする屈折率測定装置。
【請求項２】
低コヒーレント光を出射する光源と、
前記光源からの低コヒーレント光を検査光と参照光とに分離する光学部材と、
前記検査光を被検物の表面に集光させて照射する第１プローブ光学系と、
前記検査光が前記被検物を透過した光を集光する第２プローブ光学系と、
前記第１プローブ光学系の光軸と前記第２プローブ光学系の光軸とを同軸上に調整する駆動手段と、
前記第１プローブ光学系および前記第２プローブ光学系の位置を基準位置からの差分として測距する測長手段と、
前記参照光と前記第２プローブ光学系で集光された前記検査光とを合波することで生じる干渉光の強度分布を検知する受光素子と、
前記参照光の光路中に配置された参照光ミラーと、
前記参照光ミラーを移動することで前記参照光の光路長を調整する光路長調整手段と、
前記参照光ミラーの移動量を前記参照光ミラーの基準位置からの差分として測距する測長手段と、
前記被検物を前記第１プローブ光学系および前記第２プローブ光学系の間に固定するステージと、
前記第２プローブ光学系から前記受光素子まで前記検査光を導波する偏波面保存ファイバと、
屈折率Ｎ０および厚みＤ０が既知である平面状の透明な基準物体の表面に各プローブ光学系をフォーカスした場合の各プローブ光学系の位置を各プローブ光学系の基準位置として予め記録しておき、前記受光素子での干渉信号強度が最大になる位置を前記参照光ミラーの基準位置として予め記録しておき、前記各プローブ光学系を前記被検物の表面にフォーカスしつつ前記参照光ミラーを前記受光素子での干渉信号強度が最大になるように調整した時の前記プローブ光学系の基準位置からの差分の合計をΔＤ、前記参照光ミラーの基準位置からの差分をΔＮＤと置いた場合に、前記被検物の屈折率Ｎを下記（式１）で計算する演算部と、を備える
ことを特徴とする屈折率測定装置。
Ｎ＝（２ΔＮＤ＋Ｎ０×Ｄ０）／（ΔＤ＋Ｄ０）      …（式１）
【請求項３】
異なる２つの周波数を含むコヒーレント光を出射する光源と、
前記光源からのコヒーレント光を２光束に分岐させる第１光学部材と、
前記２光束の内の一方の光束において波長差による第１ビート信号の位相を検出する第１カウンタと、
前記２光束の内の他方の光束をさらに波長が異なる検査光と参照光の２つの光束に分岐させる第２光学部材と、
前記検査光を被検物の表面に集光させて照射する第１プローブ光学系と、
前記検査光が前記被検物を透過した光を集光する第２プローブ光学系と、
前記第１プローブ光学系の光軸と前記第２プローブ光学系の光軸とを同軸上に調整する駆動手段と、
前記第１プローブ光学系および前記第２プローブ光学系の位置を基準位置からの差分として測距する測長手段と、
前記参照光と前記第２プローブ光学系で集光された前記検査光とを合波することで生じる第２ビート信号の位相を検知する第２カウンタと、
前記第１プローブ光学系及び前記第２プローブ光学系の間に前記被検物を固定するステージと、
屈折率および厚みが既知である平面状の透明な基準物体の表面に各プローブ光学系をフォーカスした場合の各プローブ光学系の位置を各プローブ光学系の基準位置として予め記録しておくと共に、前記第１および第２カウンタにおいて観測される前記第１および第２ビート信号の位相を観測して予め記録しておき、前記第１プローブ光学系と第２プローブ光学系との間隔をその光軸方向に変位させることで広げると同時に、前記各プローブ光学系を前記被検物の表面にフォーカスし、両プローブ光学系の前記基準位置からの差分の合計ΔＤを測定すると同時に前記第１および第２カウンタにおいて観測される前記第１および第２ビート信号の位相を測定し、前記差分の合計ΔＤと前記基準物測定時の前記第１および第２ビート信号の位相変化と前記被検物測定時の前記第１および第２ビート信号の位相変化とに基づいて前記被検物の屈折率を計算する演算部と、を備える
ことを特徴とする屈折率測定装置。
【請求項４】
前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系の少なくとも１つが、先端が研磨されたシングルモードの偏波面保存ファイバである
ことを特徴とする請求項１または２記載の屈折率測定装置。
【請求項５】
前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系の少なくとも１つに用いられている前記シングルモードの偏波面保存ファイバの先端が、コアの部分の照射光の波長よりも小さな範囲内のみ露出し、他の部分は被覆層で覆われている
ことを特徴とする請求項４記載の屈折率測定装置。
【請求項６】
前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系の少なくとも１つの先端の露出部分が回転非対称であり、スリット状あるいは楕円状になっている
ことを特徴とする請求項１または２記載の記載の屈折率測定装置。
【請求項７】
前記第１プローブ光学系の光軸および前記第２プローブ光学系の光軸が同軸上の状態のまま連動して移動させる移動機構と、
前記第１プローブ光学系および前記第２プローブ光学系が前記被検物の表面を走査して局所的な屈折率を測定し、それを積算することで前記被検物の２次元的な屈折率分布を測定する測定部と、を備える
ことを特徴とする請求項１または２記載の屈折率測定装置。
【請求項８】
前記第１プローブ光学系および前記第２プローブ光学系のフォーカス機構の光源と、前記検査光および前記参照光の光源とが、同一光源から分岐されたものである
ことを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載の屈折率測定装置。
【請求項９】
前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系の少なくとも１つが、その光軸を中心に回転する機構を備える
ことを特徴とする請求項１〜８いずれかに記載の屈折率測定装置。
【請求項１０】
前記第１プローブ光学系または前記第２プローブ光学系がその光軸を中心に回転させながら測定した前記検査光の光量に基づいて、前記第１プローブ光学系または前記第２プローブ光学系の少なくとも１つの回転角度を調整する手段を備える
ことを特徴とする請求項９記載の屈折率測定装置。
【請求項１１】
前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系が、その光軸を中心に連動して回転する機構を備える
ことを特徴とする請求項１〜１０いずれか記載の屈折率測定装置。
【請求項１２】
前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系がその光軸を中心に連動して回転させながら測定した前記検査光の光量と、その回転角度とに基づいて、前記被検物の複屈折の分布を測定する測定部を備える
ことを特徴とする請求項１１記載の屈折率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硝子及び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、屈折率測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルコピーやデジタルカメラ等に使用される光学素子として、成型レンズが普及している。
【０００３】
この成型レンズは、硝子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面もある。
【０００４】
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。
【０００５】
このようなことから、成型レンズ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。
【０００６】
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、高精度で測定できることが知られている。
【０００７】
また、ダイヤモンドや鉱石などの被検物は、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、線が見えなくなるまで溶液を交換して、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。
【０００８】
一方で、干渉計を利用した計測方法も知られている。
【０００９】
図１１に示したものは、全体としてマッハツェンダーの干渉計になっており、レーザ１からハーフミラー２で分岐させた一光束を平面波の参照光３として補償板４を通過させて使い、もう一方の光束を検査光５として、被検物６をその屈折率とほぼ等しい屈折率既知の液侵槽７のマッチング液に液浸させて、両光束に生じる干渉縞８を撮像素子９で観察するものである。
【００１０】
図１２に示したものは、全体としてマイケルソン型の干渉計となっており、低コヒーレントの光源１０を用い、透明な板状の被検物１１の空気との境界部分における干渉光の強度を光検出器１２で観察することで、屈折率及び厚みを同時測定して屈折率を求めているものである。
【００１１】
これらの測定装置として、特許文献１〜３に開示されたものがある。
【００１２】
特許文献１には、近接場顕微鏡を利用し、測定物の表面の屈折率分布を測定する装置が開示されている。この特許文献１では、測定物を、近接場プローブの反対側から照射してエバネッセント波を発生させて、これを測定物表面とプローブの距離に変調をかけ、この光の強度変調を測定することで、屈折率を測定している。
【００１３】
また、光の波長の値より小さな領域における偏光度を測定するために、顕微鏡のプローブを、偏波面保存ファイバの先端を先鋭化し、その開口を楕円状、またはスリット状にした偏光近接場プローブがある。
【００１４】
特許文献２には、偏光近接場プローブの製法が開示されている。
【００１５】
特許文献３には、有機性物質などの光学的に旋光性のある測定物に対し、偏光近接場プローブから直線偏光した近接場光を照射し、測定物を透過し、検光子を通った光を、分光器で検出する系において、検光子の角度依存性から測定物の旋光分散を測定している。この特許文献３では、逆に、測定物に対し直線偏光した光を照射し、透過した光を、上記偏光近接場プローブでもって集光し、プローブそのものが持つ偏波面の選択性を利用して、測定物の旋光分散を測定している。ここで用いられている、偏波面保存ファイバとは、偏波面を保存する特徴のある光ファイバであり、円偏波を保持する円偏波保持ファイバと、直線偏波を保持する直線偏波保持ファイバに分類される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平１１−５１８６３号公報
【特許文献２】特開２００２−１６２３３３号公報
【特許文献３】特開２００６−３００７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、干渉信号のピークを測定することで、光学的厚みを算出する測定では、光ファイバ中の導波による位相の乱れにより、干渉信号のコントラスト低下が発生し、屈折率の測定精度に大きく影響することがある。
【００１８】
この干渉信号のコントラスト低下の大きな原因の一つに、光ファイバ中の導波による、位相の乱れがある。これは、一般に、光ファイバは、張力、温度、振動などの変化が生じると、光ファイバ内を伝播する光のモード間に結合がおこり、結果として偏波面が保存せず、偏波特性が生じてしまうためである。また、シングルモードファイバにおいても、製造時における、内部の応力の偏在などから、上と同じように偏波面が保存せず、結果として波面に乱れを生じさせ、位相の乱れが大きくなってしまう課題がある。
【００１９】
光学測定に近接場プローブを用いる場合は、この近接場プローブそのものも光ファイバを加工して製造するものであるので、上記のような課題があり、さらに開口の形状も偏波面の乱れに与える影響も無視できない。
【００２０】
特許文献１にある、近接場顕微鏡を用いた屈折率顕微鏡は、被検物の表面の屈折率のみ測定することができ、また被検物の厚みが大きいものの測定には適さない。
【００２１】
特許文献２及び３にある、偏光近接場プローブを用いた計測装置では、光学的異方性をもつ測定物の、旋光分散を測定することができるものの、屈折率を測定できるものではない。
【００２２】
また、一般的なプローブ光学系の中に、この偏光近接場プローブを用いるだけでは、光量が少なくなり、全く測定できない状態に陥る。
【００２３】
本発明は、上記のような課題を解決するためのものであって、非破壊かつ精度の高い屈折率測定を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記課題を解決するための本発明の屈折率測定装置は、直線偏光のコヒーレント光を出射する光源と、前記光源からのコヒーレント光を検査光と参照光とに分離する光学部材と、前記検査光を、被検物の表面に集光させて照射する第１プローブ光学系と、前記第１プローブ光学系から照射され前記被検物を透過した前記検査光を集光する第２プローブ光学系と、前記第１プローブ光学系の光軸と前記第２プローブ光学系の光軸とを同軸上に調整する駆動手段と、前記第１プローブ光学系および前記第２プローブ光学系の位置を基準位置からの差分として測距する測長手段と、前記参照光と前記第２プローブ光学系で集光された前記検査光とを合波することで生じる干渉光の強度分布を検知する受光素子と、前記被検物を前記第１プローブ光学系と前記第２プローブ光学系との間に固定するステージと、屈折率および厚みが既知である平面状の透明な基準物体の表面に各プローブ光学系をフォーカスした場合の各プローブ光学系の位置を各プローブ光学系の基準位置として予め記録しておき、前記各プローブ光学系を前記被検物の表面にフォーカスした場合の前記各プローブ光学系の基準位置からの差分の合計ΔＤを測定し、前記光源の波長を異なる複数の波長に設定し、波長ごとに前記受光素子において観測される干渉光の干渉縞の位相Δｉを測定し、前記差分の合計ΔＤと複数の異なる波長による前記干渉縞の位相Δｉとに基づいて前記被検物の屈折率を計算する演算部と、を備えることを特徴とする。
【００２５】
また、上記課題を解決するための本発明の別の屈折率測定装置は、低コヒーレント光を出射する光源と、前記光源からの低コヒーレント光を検査光と参照光とに分離する光学部材と、前記検査光を被検物の表面に集光させて照射する第１プローブ光学系と、前記検査光が前記被検物を透過した光を集光する第２プローブ光学系と、前記第１プローブ光学系の光軸と前記第２プローブ光学系の光軸とを同軸上に調整する駆動手段と、前記第１プローブ光学系および前記第２プローブ光学系の位置を基準位置からの差分として測距する測長手段と、前記参照光と前記第２プローブ光学系で集光された前記検査光とを合波することで生じる干渉光の強度分布を検知する受光素子と、前記参照光の光路中に配置された参照光ミラーと、前記参照光ミラーを移動することで前記参照光の光路長を調整する光路長調整手段と、前記参照光ミラーの移動量を前記参照光ミラーの基準位置からの差分として測距する測長手段と、前記被検物を前記第１プローブ光学系および前記第２プローブ光学系の間に固定するステージと、前記第２プローブ光学系から前記受光素子まで前記検査光を導波する偏波面保存ファイバと、屈折率Ｎ０および厚みＤ０が既知である平面状の透明な基準物体の表面に各プローブ光学系をフォーカスした場合の各プローブ光学系の位置を各プローブ光学系の基準位置として予め記録しておき、前記受光素子での干渉信号強度が最大になる位置を前記参照光ミラーの基準位置として予め記録しておき、前記各プローブ光学系を前記被検物の表面にフォーカスしつつ前記参照光ミラーを前記受光素子での干渉信号強度が最大になるように調整した時の前記プローブ光学系の基準位置からの差分の合計をΔＤ、前記参照光ミラーの基準位置からの差分をΔＮＤと置いた場合に、前記被検物の屈折率Ｎを下記（式１）で計算する演算部と、を備えることを特徴とする。
Ｎ＝（２ΔＮＤ＋Ｎ０×Ｄ０）／（ΔＤ＋Ｄ０）      …（式１）
【００２６】
また、上記課題を解決するための本発明の別の屈折率測定装置は、異なる２つの周波数を含むコヒーレント光を出射する光源と、前記光源からのコヒーレント光を２光束に分岐させる第１光学部材と、前記２光束の内の一方の光束において波長差による第１ビート信号の位相を検出する第１カウンタと、前記２光束の内の他方の光束をさらに波長が異なる検査光と参照光の２つの光束に分岐させる第２光学部材と、前記検査光を被検物の表面に集光させて照射する第１プローブ光学系と、前記検査光が前記被検物を透過した光を集光する第２プローブ光学系と、前記第１プローブ光学系の光軸と前記第２プローブ光学系の光軸とを同軸上に調整する駆動手段と、前記第１プローブ光学系および前記第２プローブ光学系の位置を基準位置からの差分として測距する測長手段と、前記参照光と前記第２プローブ光学系で集光された前記検査光とを合波することで生じる第２ビート信号の位相を検知する第２カウンタと、前記第１プローブ光学系及び前記第２プローブ光学系の間に前記被検物を固定するステージと、屈折率および厚みが既知である平面状の透明な基準物体の表面に各プローブ光学系をフォーカスした場合の各プローブ光学系の位置を各プローブ光学系の基準位置として予め記録しておくと共に、前記第１および第２カウンタにおいて観測される前記第１および第２ビート信号の位相を観測して予め記録しておき、前記第１プローブ光学系と第２プローブ光学系との間隔をその光軸方向に変位させることで広げると同時に、前記各プローブ光学系を前記被検物の表面にフォーカスし、両プローブ光学系の前記基準位置からの差分の合計ΔＤを測定すると同時に前記第１および第２カウンタにおいて観測される前記第１および第２ビート信号の位相を測定し、前記差分の合計ΔＤと前記基準物測定時の前記第１および第２ビート信号の位相変化と前記被検物測定時の前記第１および第２ビート信号の位相変化とに基づいて前記被検物の屈折率を計算する演算部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明により、非破壊かつ精度の高い屈折率測定を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１における屈折率測定装置の構成図
【図２】（ａ）同実施の形態１におけるプローブ先端を上から見た図、（ｂ）同実施の形態１におけるプローブ先端の斜視図
【図３】同実施の形態１におけるプローブによる照射を示す図
【図４】同実施の形態１におけるフローチャート
【図５】（ａ）同実施の形態１における原理説明のための基準物測定時を示す図、（ｂ）同実施の形態１における原理説明のための被検物測定時を示す図
【図６】同実施の形態１における原理説明のための干渉光強度を示す図
【図７】本発明の実施の形態２における屈折率測定装置の構成図
【図８】同実施の形態２におけるフローチャート
【図９】本発明の実施の形態３における屈折率測定装置の構成図
【図１０】同実施の形態３におけるフローチャート
【図１１】従来例を説明するための図
【図１２】従来例を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。なお、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付して、適宜説明を省略している。
【００３０】
（実施の形態１）  
図１は、本発明の実施の形態１における屈折率測定装置の概念構成図である。また、図４は、本発明の実施の形態１における屈折率測定のフローチャートである。
【００３１】
図１において、ＳＬＤに代表される低コヒーレント光を発する光源１０１から出射された光束は、ビームスプリッタ１０２によって、検査光と参照光に分割される。
【００３２】
検査光は、ＮＤフィルタ１０３を透過後、対物レンズ１０４によって、偏波面保存ファイバ１０５にカップリングされる。偏波面保存ファイバ１０５内部を伝播した検査光は、プローブ光学系１０６に入射し、被検物１０７に照射される。被検物１０７に照射された検査光は、被検物１０７内を透過し、プローブ光学系１０８によって集光される。プローブ光学系１０８によって集光された検査光は、偏波面保存ファイバ１０９内を伝播し、レンズ１１０によって拡大され、１／４波長板１１１を透過し、ビームスプリッタ１１２を透過した後、受光素子１１３に達する。
【００３３】
プローブ光学系１０６，１０８は、それぞれの光学系の成す光軸が同軸になるように配置され、各々駆動部１１４，１１５により、その同軸性を保つように変位し、その変位量は測長器１１６，１１７により計測され、記録される。
【００３４】
また、プローブ光学系１０６，１０８は、光軸を軸として回転する機構を備えている。プローブ光学系１０６，１０８は、回転駆動部１１８，１１９によって、光軸を中心に回転し、その回転角度は、各々変位センサ１２０，１２１によって計測される。
【００３５】
プローブ光学系１０６，１０８は、偏波面保存ファイバの先端部分を加工した光学素子を含み、これは、偏波面保存ファイバ１０５，１０９の一部、あるいは、ファイバカプラーを介して接続されている。
【００３６】
プローブ光学系１０６，１０８を光軸を中心に回転駆動させる回転駆動部１１８，１１９は、回転する際に、各々のプローブ光学系の偏波方向に対する偏波面保存ファイバ１０５，１０９の偏波面方向が変化しないように、両者の接続部ごと回転する機構をとる。
【００３７】
被検物１０７は、ホルダ１２２によって固定され、このホルダ１２２は、駆動部１２３ａにより、プローブ光学系１０６，１０８の成す光軸と垂直な平面上に披検物を変位させることができる。
【００３８】
また、プローブ光学系１０６，１０８は、プローブ光学系１０６，１０８を、被検物１０７表面に一定の距離でフォーカスできるフォーカス判定機構１２３ｂ，１２３ｃを備えている。
【００３９】
プローブ光学系１０６，１０８の被検物１０７表面へのフォーカスは、プローブ光学系１０６，１０８の近接場プローブと被検物１０７表面との間に発生する力学的相互作用であるせん断応力を測定し、その値が一定になるように駆動部１１４，１１５をフォーカス判定機構が制御することでなされる。あるいは、検査光の光路に、フォーカス光学系１２４，１３４を介在させて、干渉信号でもってフォーカス判定を行う形式でも、可能である。
【００４０】
フォーカス光学系１２４は、検査光が被検物１０７を透過し、偏波面保存ファイバ１０９で受光素子１１３に達するまでの光路中に、ビームスプリッタ１２７によって分岐された光学系である。フォーカス光学系１２４内には、コヒーレントな光を発する光源１２５があり、光源１２５から発した光は、ハーフミラー１２６によって、ビームスプリッタ１２７に導かれ、２光束に分けられる。一つの光束は、ミラー１２９に直進し、反射して、ビームスプリッタ１２７，１２６を透過し、受光部１２８に導かれる。
【００４１】
もう一方の光束は、ビームスプリッタ１２７によってプローブ光学系１０８に導かれ、被検物１０７の表面で反射した光は、プローブ光学系１０８に戻り、ビームスプリッタ１２７で反射し、ハーフミラー１２６を透過した後、受光部１２８に達する。
【００４２】
これらの両光束は、受光部１２８において、干渉し、合焦信号を得る。この合焦信号は、例えば入射光と反射光の強度の比を判定信号にし、その比を一定にすることで、ナノスケールで一定に保つことが出来る。
【００４３】
さらに、ミラー１２９を光軸方向に微小変位させ、位相変調干渉法によって、受光部１２８にあらわれる干渉縞を解析し、位相分布を計算することで、被検面の形状を測定することができ、精度よくフォーカスすることができる。
【００４４】
フォーカス光学系１３４はフォーカス光学系１２４と同様の構成をとり、検査光が被検物１０７表面に達するまでの光路中で、ビームスプリッタ１３１によって分岐された光学系である。フォーカス光学系１３４において、光源１０１から射出された低コヒーレント光がビームスプリッタ１３１により、二つの光束に分岐される。
【００４５】
一つの光束は、ビームスプリッタ１３１で反射し、ミラー１３２に導かれて反射し、ビームスプリッタ１３１を透過し、ミラー１３３で反射して受光部１３０に導かれる。
【００４６】
もう一方の光束は、ビームスプリッタ１３１を透過し、偏波面保存ファイバ１０５を伝播し、プローブ光学系１０６に導かれ、被検物１０７の表面に達したのち、表面で反射してビームスプリッタ１３１に戻り、ミラー１３３で反射して、受光部１３０に導かれる。
【００４７】
これら両光束の光路長の差分が光源のコヒーレンス長以下だと、受光部１３０において両光束が干渉し、この干渉信号の強度を合焦信号とすれば、被検物１０７表面とプローブ光学系１０６との間隔が一定に保つことができる。
【００４８】
さらに、受光部１３０において、分光器を組み合わせて、波長ごとに干渉信号の強度を測定することで、プローブと表面との間隔をより正確にコントロールすることが出来る。
【００４９】
また、このフォーカス光学系１３４において、フォーカス光学系１２４と同様に、フォーカス用の別光源を用いて、同様の手法で合焦信号を得ることも可能である。
【００５０】
ビームスプリッタ１０２によって分岐された参照光は、光量を調整するＮＤフィルタ１３５を透過後、ミラー１３６によってその光路が折り返され、参照平面であるコーナーキューブ１３７に達し、この反射光はミラー１３６に戻り、ビームスプリッタ１１２に入射し、反射して受光素子１１３に達する。
【００５１】
コーナーキューブ１３７は、駆動部１３８によって、光軸と同方向に変位することができ、その変位量によって、参照光の光路長を調整することができる。また、このコーナーキューブ１３７の変位量は、測長器１３９により計測され、記録される。
【００５２】
ビームスプリッタ１１２において、参照光と検査光とが重なり合い、両者の光路長差が光源から発せられる光のコヒーレンス長の範囲内であれば干渉が生じ、干渉信号が受光素子１１３において観測される。
【００５３】
受光素子１１３において観測された干渉光は、Ａ／Ｄ変換器１４３によって電気信号に直され、干渉信号計算部１４４によってその干渉強度が判定される。
【００５４】
測長器１１６，１１７によって計測された、プローブ光学系１０６，１０８の位置情報は、計算部１４０に送られ、そこで被検物１０７の幾何的厚みが計算される。
【００５５】
また、測長器１３９によって計測された、コーナーキューブ１３７の位置情報は、計算部１４１に送られ、ここで被検物１０７の光学的厚みが計算される。
【００５６】
計算部１４０で計算された幾何学的厚みの値、及び計算部１４１で計算された光学的厚みの値を元に、屈折率算出部１４２によって屈折率が計算される。
【００５７】
一方、旋光記録部１４５は、回転変位センサ１２０，１２１からプローブ光学系１０６，１０８の回転角度、及び干渉信号計算部１４４から、この状態の時の光強度を記録する。
【００５８】
旋光計算部１４６は、旋光記録部１４５で記録されたプローブ光学系１０６，１０８の回転角度、及び干渉信号強度情報、さらに屈折率計算部１４２で計算された屈折率、さらに計算部１４０で計算された幾何学的厚みの値により、旋光度が計算される。
【００５９】
図２に本実施の形態１において用いられる、近接場プローブの先端形状を示す。図２（ａ）は近接場プローブの先端を上から見た図であり、図２（ｂ）は近接場プローブの先端の斜視図である。これは、偏波面保存ファイバの先端を先鋭化したものである。
【００６０】
図２（ａ），（ｂ）において、２１はクラッド、２２はコアの先鋭化している部分であり、金等で表面を覆われている。２３は、開口であり、楕円状または、スリット状をしており、ファイバの偏波面の軸と開口の長軸の方向は一致している。ここでは、光ファイバのコアそのものが、楕円形状をしているものを使用している。
【００６１】
図３は、プローブ光学系から近接場光が被検物表面に照射されている図である。
【００６２】
図３において、３１は入射光であり、光源１０１から伝播された光であり、シングルモードの偏波面保存ファイバ１０５のコア３２内において、偏波面３４を保ち、伝播する。３３は光ファイバのクラッドである。プローブ先端３９は、光ファイバのコアの先が先鋭化された部分であり、金などの不透明な膜で被覆されている。
【００６３】
光ファイバのコアの先鋭化されたプローブ先端３９において、光の波長オーダーより小さな楕円またはスリット状の開口３５があり、近接場光３６が発生する。この時、近接場光は、所定の振動方向の直線偏光となっており、プローブ先端３９から開口３５の大きさ程度の範囲に滞留している。
【００６４】
また、この開口３５からは、近接場光のほかに伝播光も存在し、所定の振動方向の直線偏光となっている。この開口３５の大きさが小さいほど、近接場光の割合が伝播光に比べ大きくなり、また逆に開口３５の大きさが波長オーダーに近づき大きくなると、近接場光の量が減り、伝播光の割合が増す。
【００６５】
プローブ先端３９を被検物３８に波長以下の大きさの領域に近づけると、伝播光が被検物３８内に透過すると同時に、近接場光が作る場が乱されて散乱が生じ、一部が伝播光と一緒になり、透過光３７として被検物内を透過する。この透過光３７の偏波面は、被検物３８内の硝材の複屈折の状態によって変化するが、複屈折が全くない状態のときは、偏波面は保持される。
【００６６】
また、被検物３８表面による、近接場光の後方散乱光、または伝播光の反射光の一部が、開口を通り、光ファイバを通って逆の経路を通る。この被検物表面で反射した後方散乱光が、光ファイバを通って逆の経路をたどる。この後方散乱光の強度を検知することにより、プローブ先端と、被検物３８表面の距離をナノオーダーで制御することができる。
【００６７】
また、この時、プローブ先端３９と被検物３８表面の間に、せん断応力が発生し、この力をモニターすることでも、プローブ先端と被検物表面の距離を制御することができる。
【００６８】
なお、プローブ光学系１０８は、プローブ光学系１０６と同様の構成であることが望ましい。ただし、プローブ光学系１０８は、被検物１０７から出射する微弱な透過光を集光する必要があるため、プローブ光学系１０６よりも、開口が大きいことが望ましい。
【００６９】
また、同様の理由で、プローブ光学系１０８の楕円またはスリット状の開口において、プローブ光学系１０６に比べ、アスペクト比が小さいことが望ましい。プローブ光学系１０８の開口の形状において、アスペクト比が大きいほど、出射する伝播光及び近接場光の偏光の消光比が大きくなり、位相が保持されやすいというメリットがある反面、光量が少なくなるというデメリットがある。また、開口の大きさは、大きいほど光量は増えるが、近接場光の発生量が少なくなり、位置精度が開口の大きさに比例して悪くなるというデメリットがある。
【００７０】
これを鑑み、プローブ光学系１０６の開口に関しては、長軸と短軸の比率であるアスペクト比が、３：１から１０：１、短軸方向の大きさは、光源の中心波長をλとおくと、λ／５からλ／２の大きさが望ましい。
【００７１】
また、プローブ光学系１０８の開口に関しては、長軸と短軸の比率であるアスペクト比が、２：１から８：１、短軸方向の大きさは、光源の中心波長をλとおくと、λ／５からλの大きさが望ましい。
【００７２】
また、プローブ光学系１０６，１０８の変位量、及び参照平面の変位量を測距する測長器１２３ｂ，１２３ｃは、レーザー測長器であり、ナノオーダーの精度で測定できることが望ましい。これにより、被検物の幾何学的厚みを、ナノオーダーの精度で測定することができる。
【００７３】
プローブ光学系１０６，１０８に共に近接場プローブを用いることにより、被検物１０７表面とプローブ光学系１０６，１０８との距離がナノオーダーで制御でき、さらに開口が小さいことから、被検物１０７中を透過する光線の始点と終点を特定できるという利点がある。
【００７４】
ここで、以上の構成による面間隔計測装置による被検鏡筒内のレンズ面間隔の計測方法について、図４のフローチャートに基づき説明する。
【００７５】
（ステップＳ０）初期状態において、プローブ光学系１０６とプローブ光学系１０８は、それぞれの光学系の光軸が同軸になるように配置され、初期位置にある。
【００７６】
（ステップＳ１）ホルダ１２２に、基準物として、厚さ（Ｄ０）と屈折率（Ｎ０）が既知であり、かつ複屈折が存在しない一様な平面上の板である基準物１５０が保持され、ステージ１２３ａによって、プローブ光学系１０６，１０８の間にあるように設置される。この時、この基準物１５０の平行度は、プローブ光学系１０６とプローブ光学系１０８の成す光軸に対して、垂直となるように調整する。この調整方法については、後述する。
【００７７】
（ステップＳ２）プローブ光学系１０６，１０８は、各々光学系内のフォーカス機構によって、基準物１５０の表面にフォーカスされる。フォーカスの方法は、フォーカス判定機構である測長器１２３ｂ，１２３ｃの合焦判定信号に従い、駆動部１１４，１１５により、同軸上にあるプローブ光学系１０６，１０８が動くことで行われる。この合焦判定信号は、フォーカス光学系１２４，１３４による、光強度信号および干渉信号、あるいは、プローブ光学系１０６，１０８が基準物１５０表面に近づくことで生じる、力学的なせん断応力である。
【００７８】
尚、プローブ光学系１０６，１０８をフォーカスさせる際は、同時に行うのではなく、個別に行うことが望ましい。これは、各々のプローブ光学系から射出される光が、基準物１５０（被検物）を透過し、フォーカスに際しては、結果として雑音成分の要因になるからである。
【００７９】
（ステップＳ３）干渉信号計算部１４４において、プローブ光学系１０６から射出し、基準物１５０を透過し、プローブ光学系１０８によって集光された光の光量を測定する。この段階では、干渉信号計算部１４４においては、参照光と検査光の光路長がコヒーレンス長より小さくなるような調整をまだされていないため、干渉信号は現れておらず、単純に光量のみが計測される。干渉信号が現れた場合でも、その光量のみを値として返す。
【００８０】
（ステップＳ４）プローブ光学系１０８を、光軸を中心に微小回転させる。ここで行っているのは、プローブ光学系１０６，１０８の回転方向に関するアラインメントである。
【００８１】
（ステップＳ５）プローブ光学系１０８の光軸回転角度を測定する。回転角度は、回転角度センサ１２０，１２１で測定する。
【００８２】
（ステップＳ６）ステップＳ５の状態における干渉信号計算部１４４における光強度を計測し、光量が最大かどうかを判断する。
【００８３】
プローブ光学系１０６，１０８は、偏波面保存ファイバからなり、さらにその先端の開口が楕円状あるいはスリット状になっているため、検光子の役割を果たし、出射あるいは集光し伝播される光は、長軸方向に偏波されている光に限定される。今、基準物が複屈折を持たず一様であるので、測定される光量が最大となるのは、両プローブ光学系の開口の長軸が一致した配置のときであり、光量が最小となるのは、長軸が９０度ずれている配置のときである。この最大と最小の配置をステップＳ４〜Ｓ６で測定し、光量が最大となる配置を最終的に返す。
【００８４】
尚、ステップＳ４からＳ６にかけて、プローブ光学系１０６は不動で、プローブ光学系１０８のみ回転していたが、ステップＳ６において、最大光量をもたらす配置を認識したのち、プローブ光学系１０６を回転させ、ステップＳ４〜Ｓ６を繰り返しても良い。これにより、測定物である基準物以外の要因、例えば測定系を構成しているファイバの力学的ひずみや、測定物の表面へのフォーカス精度及び回転による影響を分析することができる。
【００８５】
ステップＳ４からＳ６にかけて、光量が最大となる角度配置を、プローブ光学系１０６に関してＲ１０、プローブ光学系１０８に関してＲ２０とおき、これがそれぞれ初期位置であり、旋光記録部１４５に記録される。
【００８６】
（ステップＳ７）干渉信号計算部１４４で干渉信号の強度が評価される。
【００８７】
（ステップＳ８）ステップＳ７での干渉信号が最大になるように、参照平面であるコーナーキューブ１３７が変位する。ここで干渉信号が最大となるのは、検査光及び参照光の光路差が、一致したときである。
【００８８】
（ステップＳ９）干渉信号が最大と判断された時のコーナーキューブ１３７の位置は、測長器１３９によって測距され、記録される（ＺＲ０）。この値が、測長器１３９の基準値である。この時、測長器から、コーナーキューブに向かう方向を、正の値とする。
【００８９】
（ステップＳ１０）プローブ光学系１０６，１０８の位置が、測長器１１６，１１７によって、それぞれ測距される（Ｚ１０，Ｚ２０）。この値が、測長器１１６，１１７の基準値である。この時、両プローブ光学系の成す光軸（ｚ軸）において、各測長器から、各プローブ光学系に向かう方向を、正の値とする。
【００９０】
また、被検物のホルダ１２２と、両プローブ光学系との相対位置（ＸＹ軸）は、別の測定手段において測定されている。
【００９１】
（ステップＳ１１）プローブ光学系１０６，１０８が、測定者の指令に従い、駆動部１１４，１１５によってその間隔が開き、基準物１５０がホルダーから外される。
【００９２】
（ステップＳ１２）ホルダ１２２に、被測定物１０７が保持され、ステージ１２３によって、プローブ光学系１０６，１０８の間にくるように設置される。
【００９３】
（ステップＳ１３）プローブ光学系１０６，１０８は、ステップＳ２と同様な方法で、披検物１０７の表面にフォーカスされる。この被検物１０７のどの部分の屈折率を測定するかは、このフォーカス位置によって決まり、このフォーカス位置は、ステージ１２３ａによって制御される。
【００９４】
（ステップＳ１４〜Ｓ１７）は、ステップＳ３〜Ｓ６まで同様の操作であり、プローブ光学系１０６，１０８のアラインメントである。今、被検物１０７が、複屈折が存在しない場合は、ステップＳ６と全く同じ配置が光量が最大の時であり、また光量が最小のところも同じである。しかし、被検物に複屈折が存在するときは、偏波面が回転し、その複屈折量、及び軸方向によって、値が異なる。
【００９５】
ステップＳ１４からＳ１７にかけて、光量が最大となる角度配置を、プローブ光学系１０６に関してＲ１１、プローブ光学系１０８に関してＲ２１とおき、これが旋光記録部１４５に記録され、ステップＳ１８の配置に返される。
【００９６】
（ステップＳ１８）干渉信号計算部１４４で干渉信号の強度が評価される。
【００９７】
（ステップＳ１９）ステップＳ１８の干渉信号が最大になるように、コーナーキューブ１３７が変位する。
【００９８】
（ステップＳ２０）干渉信号が最大と判断された時のコーナーキューブ１３７の位置は、測長器１３９によって測距され、記録される（ＺＲ１）。
【００９９】
（ステップＳ２１）プローブ光学系１０６及びプローブ光学系１０８の位置が、測長器１１６および測長器１１７によって、それぞれ測距される（Ｚ１１，Ｚ２１）。
【０１００】
（ステップＳ２２）この測定位置における幾何学的厚みＤが、以下の（式２）によって算出される。
Ｄ＝−（Ｚ１１＋Ｚ２１）＋（Ｚ１０＋Ｚ２０）＋Ｄ０      …（式２）
【０１０１】
これは、プローブ光学系１０６，１０８は、被検物１０７表面から、常に一定の距離を保つので、基準物１５０測定時と被検物１０７測定時のプローブ光学系１０６，１０８の位置の差分は、被検物１０７と基準物１５０の幾何学的厚みの差分に相当するからである。このことは、図５（ａ）の基準物を測定しているときの図、及び図５（ｂ）の被検物測定時の図を比べると理解される。
【０１０２】
（ステップＳ２３）この測定位置における幾何学的厚みＮＤは、以下の（式３）によって算出される。
ＮＤ＝−２×（ＺＲ１−ＺＲ０）＋Ｎ０×Ｄ０      …（式３）
【０１０３】
光源１０１は、ＳＬＤに代表される、低コヒーレント光源であり、参照光および検査光の光路長差が、コヒーレント長以下になったときに、干渉信号が生じ、ちょうど最大になった時に、その差分がゼロとなると考えてよい。ゆえに、基準物測定時及び披検物測定時の参照平面であるコーナーキューブの位置の差分は、披検物と基準物の光路長の差分に相当するものである。これらのことは、図５（ａ）基準物測定時、図５（ｂ）被検物測定時の図を比べると理解される。
【０１０４】
また、合わせて図６に撮像素子における干渉光の強度のグラフを図示している。図６は、横軸に参照平面の移動量、縦軸に干渉光の強度をとっており、干渉光は、検査光と参照光の光路差が光源のコヒーレンズ長以下になったときのみ存在し、強度の半値幅は光源が含む波長の半値幅にほぼ等しい。
【０１０５】
（式４）で光路長の値がコーナーキューブの位置の差分の２倍になっているのは、折り返し光学系のため、コーナーキューブの移動は、参照光の光路差の変位量の半分に相当するためである。
【０１０６】
（ステップＳ２４）ステップＳ２２及びステップＳ２３で求めた、幾何学的厚み及び光路長をつかって、次の（式４）のように、測定点における局所的屈折率Ｎが求まる。
Ｎ＝ＮＤ／Ｄ      …（式４）
【０１０７】
この（式５）は、プローブ光学系１０６の基準位置からの差分の合計をΔＤ、参照ミラーの前記基準位置からの差分をΔＮＤと置きなおすと、次の（式５）のように表される。
Ｎ＝（２ΔＮＤ＋Ｎ０×Ｄ０）／（ΔＤ  ＋Ｄ０）        …（式５）
【０１０８】
ステップＳ２５〜Ｓ２８は、被検物１０７の旋光度を測定するためのフローである。
【０１０９】
（ステップＳ２５）ステップＳ１５と同様、プローブ光学系１０８は、光軸を中心に、設定角度回転する。
【０１１０】
（ステップＳ２６）その光軸回転角度（Ｒ２ｉ）を測定する。回転角度は、回転角度センサ１２０及び１２１で測定し、その位置情報及び光強度を旋光度記録部１４５に記録する。
【０１１１】
（ステップＳ２７）ステップＳ２６の状態における干渉信号計算部１４４の光強度を計測する。
【０１１２】
（ステップＳ２８）旋光計算部１４６は、旋光記録部１４５で蓄積された回転角度情報及び光強度情報、またステップＳ２４で計算した局所的な屈折率をもとに、局所的な旋光度を計算することができる。
【０１１３】
今、被検物１０７を一軸性の光軸をもつ結晶性物質だとする。常光腺に対する屈折率をＮｏ、異常光線に対する屈折率をＮｅとおき、プローブ光学系１０６の長軸と被検物１０７の結晶の主軸との角度をθ、被検物１０７の厚みをＤ、波長をλとおくと、透過後に次の（式６）で表される位相差Δを生じる。
Δ＝２πＤ（Ｎｅ−Ｎ０）／λ        …（式６）
【０１１４】
この時、透過光の強度（Ｉ）は、次の（式７）で表される。
Ｉ＝Ｉ０ｓｉｎ２（２θ）ｓｉｎ２（Δ／２）          …（式７）
【０１１５】
このように、被検物１０７に複屈折が存在するとき、透過光強度は角度によって強度変化が存在する。この回転角度に対する、強度変化の具合をプロットすることで、局所的な複屈折の存在の指標を作ることができる。
【０１１６】
（ステップＳ２９）プローブ光学系１０６，１０８は、被検物１０７へのフォーカス状態から外れ、被検物１０７は、ステージ１２３ａによって、先に測定した部位とは異なる部分に移動する。
【０１１７】
（ステップＳ３０）その後、ステップＳ１１〜Ｓ２６を繰り返し、異なる部位における局所的屈折率及び、旋光度を求め、これを元に、屈折率、及び旋光度のＸＹ分布を作成する。
【０１１８】
なお、各プローブ光学系の光軸方向の変位量は、各々の箇所で、測長器の値を読むことで求まり、その値が複数個所で一定になるように、ホルダーによって基準物の向きを調整すれば、基準物とプローブ光学系の軸の平行度は一致する。そのため、平板の基準物とプローブ光学系の軸との平行度との調整は、この関係を用いて調整可能である。ただし、この場合、基準物は完全平行の物体としている。
【０１１９】
また、ステップＳ２においては、プローブ光学系をフォーカスし、プローブ光学系の変位量を測定する場所を、ＸＹ平面上の複数個所にして、その測定数値を比べればよい。
【０１２０】
以上、本実施の形態１では、被検物１０７の屈折率は、屈折率及び厚みが既知である基準物との差分を求めることにより、算出される。
【０１２１】
以下、本実施の形態１を構成する、構成要素の具体的構成、及びより望ましい構成について述べる。
【０１２２】
低コヒーレンズ光源１０１の具体例として、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ），白色光源（ハロゲンランプやキセノンランプ）からの光をモノクロメータにより特定波長域のみ分光したもの、レーザー発光ダイオードなどを利用することができる。波長は、特に限定されるものではなく、紫外から赤外光まで使用することができるがコヒーレンス長は、短いほど望ましく、具体的には１０μｍ程度、また光源の波長は、被検物の透過率が下がらない程度に短波長側が望ましい。光源のコヒーレンス長は、参照平面の位置精度に影響し、位相シフト干渉法と合わせることにより、干渉強度信号の幅は約１０μｍ、参照平面の位置精度としては、１μｍ以下の精度で計測ができる。
【０１２３】
受光素子１１３の撮像素子としては、干渉信号の強度を上げるため、光電子増倍管やＡＰＤなどの、感度が大きい検出器を利用したものが望ましい。
【０１２４】
以上の構成により、被検物の局所的な屈折率は、基準物の屈折率との差分を測定することによって求まり、その精度は小数点下４桁以下の精度となる。
【０１２５】
尚、本実施の形態１における屈折率とは、波長分散を考慮した群屈折率のことであって、単波長の屈折率（位相屈折率）のことではない。
【０１２６】
（実施の形態２）  
図７は、本発明の実施の形態２における、屈折率測定装置の概念構成図である。図７において、図１と同じ番号の構成素子は、前述の実施の形態１と同様の働きをするものである。また、プローブ光学系１０６，１０８の被検物１０７表面に対するフォーカス方法は、実施の形態１と同様とする。また、プローブ光学系の先端の構成は、実施の形態１と同様である。
【０１２７】
図７において、２０１は、コヒーレントな光を出射する光源であり、波長を変化させることができるものである。２０２は、光源２０１から出射する波長を変化させるコントローラである。２０４は、受光素子１１３で観察される干渉縞の位相差を計算する計算部である。
【０１２８】
光源２０１から、ある波長λ０で出射した光は、実施の形態１と同様、ビームスプリッタ１０２によって、検査光と参照光に分けられる。実施の形態１において、光源１０１はＳＬＤなどの低コヒーレントで出射波長域に幅があったものであったが、本実施の形態２では、コヒーレントな単波長の光源２０１である。実施の形態１と同様、検査光と参照光は、受光素子１１３において合波され、干渉信号を出す。本実施の形態２では、光源２０１はコヒーレント光であるため、受光素子１１３においては、常に干渉信号を出している。
【０１２９】
今、検査光の受光素子までの光路長をＬ１（λ）とおき、参照光の受光素子までの光路長をＬ２（λ）とおくと、受光素子における、干渉光の強度Ｉは次の（式８），（式９）で表される。
Ｉ＝Ｉ０〔１＋γｃｏｓφ〕      …（式８）
φ＝２π／λ（（Ｌ２（λ）−Ｌ１（λ））      …（式９）
【０１３０】
（式８），（式９）において、φは干渉光の位相である。Ｉ０、γは比例定数である。
【０１３１】
また、検査光の光路長は、被検物内を透過する光路長Ｌｔ（λ）と、それ以外の部分Ｌｏ（λ）に分けられる。
【０１３２】
今、光源の波長λを微小に変化させていくと、上の式により干渉光の位相が波長に依存して変化する。波長を変化させると、媒質に分散がある場合、屈折率も変化するが、それが無視できるほど小さいと仮定すると、波長変化による干渉光の位相変化は、光路差に逆比例する。これから、逆に波長変化することによる、干渉光の位相変化を観測することで、光路長差を求めることができる。
【０１３３】
さらに、検査光の光路長Ｌ１は、未知の屈折率で構成される被検物によって変化する部分（Ｌｔ）と、変化しない部分（Ｌｏ）とに分けられるため、被検物を、屈折率及び厚みが既知である基準物を利用することにより、両者を分離することができ、被検物の光学的厚み、即ち被検物中を透過する光路を計算することができる。
【０１３４】
今、波長の変化Δλが小さいとすると、波長が変わることによる干渉縞の位相変化は、（式１０）と表される。
Δφ（λ）＝−２π（Ｌ２−Ｌｔ−Ｌｏ）Δλ／λ２      …（式１０）
【０１３５】
光学厚みＮＤ０の基準物及び、光学厚みＮＤの被検物を挿入したときの、この波長変化Δλによる干渉縞の位相変化は、それぞれ順に、（式１１），（式１２）と表される。
Δφ（λ）０＝−２π（Ｌ２−Ｌｔ−ＮＤ０）Δλ／λ２      …（式１１）
Δφ（λ）１＝−２π（Ｌ２−Ｌｔ−ＮＤ）Δλ／λ２      …（式１２）
【０１３６】
この位相の変化率の差分をみることで、被検物の光学的厚みを基準物の光学的厚みとの差分として、求めることができる。
【０１３７】
実際には、媒質の屈折率には波長分散があり、これは、次の（式１２）のセルマイヤーの分散公式などで波長を変数とした数式として表される。
Ｎ２−１＝Ａ１λ２／（λ２−Ｂ１）＋Ａ２λ２／（λ２−Ｂ２）＋Ａ３λ２／（λ２−Ｂ３）      …（式１３）
【０１３８】
この場合、係数を未知変数として、複数波長によるフィッティングにより、光路差を計算することができる。
【０１３９】
図８が、本実施の形態２における屈折率測定のフローチャートである。
【０１４０】
（ステップＳ２０７〜Ｓ２０９）、及び（ステップＳ２１８〜Ｓ２２０）が、実施の形態１と異なる、上述した光路長差を測定するステップである。
【０１４１】
撮像素子としては、干渉信号の強度を上げるため、光電子増倍管やＡＰＤなどの、感度が大きい検出器を利用したものが望ましい。
【０１４２】
尚、本実施の形態２で測定される屈折率は、単波長での屈折率、位相屈折率である。
【０１４３】
本実施の形態２では、干渉によるビート信号の位相の波長による変位量を用いて光学的厚みを計算している。ゆえに、光の導波路は、光の位相が導波によって極力乱されること無く保存されてなければならず、ファイバ光学系は、すべて偏波面保存ファイバからなることが求められ、さらにプローブ光学系においても、同様である。
【０１４４】
（実施の形態３）  
図９は、本発明の実施の形態３における、屈折率測定装置の概念構成図である。また、図１０は、本発明の実施の形態３における、屈折率測定のフローチャートである。図９において、図１と同じ番号の構成素子は、実施の形態１と同様の働きをするものである。また、プローブ光学系１０６及びプローブ光学系１０８の被検物表面に対するフォーカスは、実施の形態１と同様とする。プローブ光学系の構造も、実施例１と同様である。
【０１４５】
図９において、３０１は、周波数が僅かに異なる２つのコヒーレントな光を出射する光源である。３０２は、光源の周波数の制御部である。３０３及び３０６は、ビート信号の位相を検出するビート信号カウンタである。３０５は、偏光ビームスプリッタであり、偏光方向が異なる２つの僅かに異なる周波数を持つ光路に分けるものである。３０７、３１０は、偏波面保存ファイバである。３０８は、偏波面保存ファイバ３０７に参照光をカップリングさせる対物レンズである。３０４は、偏波面保存ファイバ３０７とファイバ１０９をファイバ３１０へ合波させる光学コネクタである。３０９は、ＮＤフィルタである。３１１は、ビート信号カウンタ３０３，３０６の差分から、光路長を算出する演算部である。
【０１４６】
実施の形態１において、光源はＳＬＤなどの低コヒーレントで出射波長域に幅があったものであったが、本実施の形態２では、ゼーマンレーザーなどの、周波数が僅かに異なるコヒーレントな光を出射する光源３０１である。あるいは、音響光学素子を用いて、この周波数が僅かにシフトさせる光路を作ってもよい。
【０１４７】
異なる周波数の光は、異なる偏光特性を持ち、偏光特性の違いを利用した光学素子である、偏光ビームスプリッタ３０５で２つに分けることができる。
【０１４８】
光源３０１から出射した光は、ビームスプリッタ１０２で２つの光束に分けられる。
【０１４９】
一方の光束は、ビート信号カウンタ３０３に導かれ、ビート信号の位相が観測される（ビート信号１）。
【０１５０】
もう一方の光束は、偏光ビームスプリッタ３０５によって、さらに周波数が異なる２つの光束に分けられ、一方が被検物１０７を透過する検査光、一方が参照光になる。
【０１５１】
参照光は、ＮＤフィルタ３０９に入った後、対物レンズ３０８によってファイバ３０７にカップリングされる。
【０１５２】
ファイバ３０７を伝播する参照光は、コネクタ３０４によってファイバ１０９からの被検物を透過した検査光と合波されて干渉を生じ、ファイバ３１０を伝わりビート信号カウンタ３０６に導かれる（ビート信号２）。
【０１５３】
今、２つの僅かに異なる周波数Δωを持つ光は、合波されると、時間的に周波数の差分で振動するビート信号が生じ、これを直接観測することをヘテロダイン検波という。
【０１５４】
実施の形態２と同様に、光源からの検査光の光路長をＬ１、参照光の光路長をＬ２と置くと、ビート信号カウンタ３０６で観測されるビート信号強度は、（式１４），（式１５）で次のように表される。
Ｉ＝Ｉ０（１＋γｃｏｓ（Δω（ｔ−φ／Δω））      …（式１４）
φ＝２π／λ（（Ｌ１−Ｌ２）      …（式１５）
【０１５５】
実施の形態２では、波長を変化させて、被検物１０７の光学的厚みを求める方式であった。
【０１５６】
本実施の形態３では、ビート信号カウンタ３０３で観測される光源３０１のビート信号の時間位相を基準として、ビート信号カウンタ３０６での検査光と参照光の干渉で観測されるビート信号の時間位相から、被検物１０７の光学的厚みを測定するものである。
【０１５７】
ビート信号は、干渉が起こって初めて生じるので、ヘテロダイン検波法は、原理的により雑音が入りにくい機構となる。
【０１５８】
被検物１０７を置いたときに、ビート信号カウンタ３０６で観測されるビート信号Ｉ０の位相と、ビート信号カウンタ３０３の位相の差分をＴとおく。
【０１５９】
実施の形態２と同様、検査光の光路長Ｌ１は、未知の屈折率で構成される被検物によって変化する部分（Ｌｔ）と、変化しない部分（Ｌｏ）とに分けられる。
【０１６０】
このとき、ビート信号カウンタ３０６で観測されるビート信号の強度は、次の（式１６），（式１７）で表される。
Ｉ＝Ｉ０１（１＋γ１ｃｏｓ（Δω（ｔ−φｏ１／Δω）））      …（式１６）
φｏ１＝２π／λ（（Ｌｔ＋Ｌｏ−Ｌ２））＋φ０      …（式１７）
【０１６１】
ただし、（式１７），（式１８）において、φ０は光源での初期位相である。
【０１６２】
また、ビート信号カウンタ３０３で観測されるビート信号の強度は、検出器（カウンタ）までのビート信号を作る異なる周波数の光の光路が同じであるため、ビート信号の強度は、次の（式１８），（式１９）で表される。
Ｉ＝Ｉ０２（１＋γ２ｃｏｓ（Δω（ｔ−φｏｏ／Δω）））      …（式１８）
φｏ２＝φ０      …（式１９）
【０１６３】
ゆえに、位相時間差Ｔは次の（式２０）で表される。
Ｔ＝２π／λ・（Ｌｔ＋Ｌｏ−Ｌ２）／Δω      …（式２０）
【０１６４】
測定物が基準物１５０の時の位相時間差をＴ１、被検物１０７の時の位相時間差をＴ２とおき、基準物１５０の光学厚みをＮＤ０、被検物１０７の光学厚みをＮＤとおくと、それぞれ次の（式２１），（式２２）で表される。
Ｔ１＝２π／λ・（Ｌｔ＋ＮＤ０−Ｌ２）／Δω      …（式２１）
Ｔ２＝２π／λ・（Ｌｔ＋ＮＤ−Ｌ２）／Δω      …（式２２）
【０１６５】
これから、基準物と位相時間の差分ΔＴは、次の（式２３）で表される。
ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１＝２π／λ（ＮＤ−ＮＤ０）／Δω      …（式２３）
【０１６６】
Ｔ１とＴ２の差分は、基準物１５０中を透過する光路長と、被検物１０７を透過する光路長の差分に相当するものである。ゆえに、基準物１５０の光学的厚みとの差分という形で、被検物１０７の光学的厚みＮＤを求めることができる。
【０１６７】
図９が、本実施の形態３における屈折率測定のフローチャートである。
【０１６８】
被検物１０７の物理的厚みは、実施の形態１或いは実施の形態２と同様の方法で測定する。
【０１６９】
また、ビート信号カウンタ３０３，３０６において、偏波方向が異なる２つの光を干渉させるために、１／４λ波長板などの偏光方向、偏光種類を変換する光学素子がカウンタ内に含まれている。
【０１７０】
また、媒質の屈折率は波長が異なると、分散の影響で変化するが、本実施例では、ヘテロダイン検波で用いる２周波数の差分は、１ＫＨｚ程度であり、屈折率の変化が無視しうるほど、十分に小さい範囲である。
【０１７１】
厳密に測定するには、実施の形態２で用いた分散式でもって、係数部分をフィッティングして計算することが必要になる。
【０１７２】
本実施の形態３では、ヘテロダイン干渉のビート信号の位相の時間差を用いて、光学的厚みを計算している。
【０１７３】
ゆえに、光の導波路は、光の位相が導波によって極力乱されること無く保存されてなければならず、ファイバの光学系は、すべて偏波面保存ファイバからなることが求められる。
【０１７４】
本実施の形態３では、参照光はレンズ３０８によって空中より偏波面保存ファイバ３０７にカップリングされて、コネクタ３０４で、偏波面保存ファイバ１０９から伝播される被検光と合波し、偏波面保存ファイバ３１０を伝播してビート信号カウンタ３０６に到達する形式をとっている。
【０１７５】
（ステップＳ３０７〜Ｓ３０９）、及び（ステップＳ３１８〜Ｓ３２０）が、実施の形態１と異なる、上述した光路長差を測定するステップである。
【０１７６】
偏波面保存ファイバ３０７，３１０は、実施の形態２のように、空中導波の形式にしてもよい。
【０１７７】
また、本実施の形態３では、偏波面保存ファイバ１０９は、被検物から透過する光を集光する役割を果たしている。これを、偏波面ファイバ１０９が偏波面保存ファイバ３０７とコネクタ３０４において合波し、参照光を被検物表面に照射し、表面からの反射光及び検査光の透過光を共に集光し、カウンタ３０６に導波するという形式でもよい。
【０１７８】
また、検査光として被検物から透過して出てくる光は、非常に微弱であるので、ビート信号カウンタ３０６でビート信号を検出する前に、信号を増倍する機構を設けることが望ましい。
【０１７９】
本実施の形態３においては、ゼーマンレーザーなど、僅かに異なる２周波数を出射する光源３０１が用いられたが、光コムレーザーなど、複数の安定した周波数が存在する光源を用いても、同様の方法で屈折率を測定することができる。
【０１８０】
なお、本実施の形態３において、測定される屈折率は、位相屈折率である。
【産業上の利用可能性】
【０１８１】
本発明に記載の屈折率測定装置を用いれば、任意の形状の被検物の屈折率を、測定物の屈折率の範囲によらず、光の干渉を利用して精度よく、簡易に測定することができる。これにより、たとえばカメラなどに用いられる、成型レンズの屈折率分布測定器が提供できる。
【符号の説明】
【０１８２】
２１、３３  クラッド
２２、３２  コア
２３、３５  開口
３１  入射光
３４  偏波面
３６  近接場光
３７  透過光
３８、１０７  被検物
２９  先鋭化部分
３３  応力付与材
３９  プローブ先端
１０１、１２５、２０１、３０１  光源
１０２、１１２、１２７、１３１  ビームスプリッタ
１０３、１３５、３０９  ＮＤフィルタ
１０４、３０８  対物レンズ
１０５、１０９、３０７、３１０  偏波面保存ファイバ
１０６、１０８  プローブ光学系
１１０  レンズ
１１１  １／４波長板
１１３  受光素子
１１４、１１５、１２３ａ、１３８  駆動部
１１６、１１７  測長器
１１８、１１９  回転駆動部
１２０、１２１  変位センサ
１２２  ホルダ
１２３ｂ、１２３ｃ、１３９  測長器
１２４、１３４  フォーカス光学系
１２６  ハーフミラー
１２８、１３０  受光部
１２９、１３２、１３３、１３６  ミラー
１３７  コーナーキューブ
１４０、１４１、２０３  計算部
１４２  屈折率計算部
１４３  Ａ／Ｄ変換器
１４４  干渉信号計算部
１４５  旋光記録部
１４６  旋光計算部
１５０  基準物
２０２  コントローラ
３０２  制御部
３０３、３０６  ビート信号カウンタ
３０４  コネクタ
３０５  偏光ビームスプリッタ
３１１  演算部
【図１】
2011013170.tif 000003
【図２】
2011013170.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2011013170.tif 000011
【図１０】
2011013170.tif 000012
【図１１】
2011013170.tif 000013
【図１２】
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