(57)【要約】【課題】被検物の屈折率分布を正確に算出する。【解決手段】計測方法は、第１および第２の媒質中の被検物に参照光を入射させて第１および第２の透過波面をそれぞれ計測する透過波面計測ステップと、第１および第２の媒質中に配置した基準被検物に参照光を入射させたときに得られる第１および第２の基準透過波面を取得する基準透過波面取得ステップと、各透過波面と各基準透過波面とを用いて被検物の屈折率分布を算出する屈折率分布算出ステップとを有する。該方法は、被検物の配置状態の変化に対する収差敏感度と被検物の複数の配置状態にて計測された第１および第２の透過波面とから、計測時における各配置状態での配置誤差を算出する。基準透過波面取得ステップでは、基準被検物が第１および第２の媒質中のそれぞれにおける配置誤差を含む配置状態にあるときに得られる第１および第２の基準透過波面を取得する。【選択図】図１
2012117999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物の屈折率とは異なる第１の屈折率を有する第１の媒質と、前記被検物の屈折率および前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質とを用いて、前記被検物の屈折率分布を求める屈折率分布計測方法であって、
前記第１の媒質中に配置した前記被検物に参照光を入射させて該被検物の透過波面である第１の透過波面を計測するとともに、前記第２の媒質中に配置した前記被検物に前記参照光を入射させて該被検物の透過波面である第２の透過波面を計測する透過波面計測ステップと、
前記第１の媒質中に配置した、既知の形状および屈折率分布を有する基準被検物に前記参照光を入射させたときに得られる前記基準被検物の透過波面である第１の基準透過波面を取得するとともに、前記第２の媒質中に配置した前記基準被検物に前記参照光を入射させたときに得られる該基準被検物の前記透過波面である第２の基準透過波面を取得する基準透過波面取得ステップと、
前記第１および第２の透過波面と前記第１および第２の基準透過波面とを用いて、前記被検物の形状成分を除去した前記屈折率分布を算出する屈折率分布算出ステップとを有し、
前記透過波面計測ステップにおいて、前記第１および第２の媒質中のそれぞれにおける前記被検物の複数の配置状態にて前記第１および第２の透過波面を計測し、
該屈折率分布計測方法は、前記被検物の配置状態の変化に対する収差敏感度を求めて、該収差敏感度と前記複数の配置状態にて計測された前記第１および第２の透過波面とから、前記第１および第２の透過波面の計測時における前記被検物の前記各配置状態での配置誤差を算出する配置誤差算出ステップを含んでおり、
前記基準透過波面取得ステップにおいて、前記基準被検物が前記第１および第２の媒質中のそれぞれにおける前記配置誤差を含む配置状態にあるときに得られる前記第１および第２の基準透過波面を取得することを特徴とする屈折率分布計測方法。
【請求項２】
前記配置誤差算出ステップにおいて、前記第１および第２の透過波面と前記第１および第２の基準透過波面とを用いて前記被検物の前記形状成分と前記配置誤差とを分離することで前記配置誤差を算出することを特徴とする請求項１に記載の屈折率分布計測方法。
【請求項３】
被検物の屈折率とは異なる第１の屈折率を有する第１の媒質と、前記被検物の屈折率および前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質とを用いて、前記被検物の屈折率分布を求める屈折率分布計測装置であって、
前記第１の媒質中に配置した前記被検物に、光源からの参照光を入射させて該被検物の透過波面である第１の透過波面を計測するとともに、前記第２の媒質中に配置した前記被検物に前記参照光を入射させて該被検物の透過波面である第２の透過波面を計測する透過波面計測部と、
前記第１の媒質中に配置した、既知の形状および屈折率分布を有する基準被検物に前記参照光を入射させたときに得られる前記基準被検物の透過波面である第１の基準透過波面を取得するとともに、前記第２の媒質中に配置した前記基準被検物に前記参照光を入射させたときに得られる該基準被検物の前記透過波面である第２の基準透過波面を取得する基準透過波面取得部と、
前記第１および第２の透過波面と前記第１および第２の基準透過波面とを用いて、前記被検物の形状成分を除去した前記屈折率分布を算出する屈折率分布算出部とを有し、
前記透過波面計測部は、前記第１および第２の媒質中のそれぞれにおける前記被検物の複数の配置状態にて前記第１および第２の透過波面を計測し、
該屈折率分布計測装置は、前記被検物の配置状態の変化に対する収差敏感度を求めて、該収差敏感度と前記複数の配置状態にて計測された前記第１および第２の透過波面とから、前記第１および第２の透過波面の計測時における前記被検物の前記各配置状態での配置誤差を算出する配置誤差算出部を含んでおり、
前記基準透過波面取得部において、前記基準被検物が前記第１および第２の媒質中のそれぞれにおける前記配置誤差を含む配置状態にあるときに得られる前記第１および第２の基準透過波面を取得することを特徴とする屈折率分布計測装置。
【請求項４】
被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質と、第１の参照光と、該第１の参照光とは異なる波長を有する第２の参照光とを用いて、前記被検物の屈折率分布を求める屈折率分布計測方法であって、
前記媒質中に配置した前記被検物に前記第１の参照光を入射させて該被検物の透過波面である第１の透過波面を計測するとともに、前記媒質中に配置した前記被検物に前記第２の参照光を入射させて該被検物の透過波面である第２の透過波面を計測する透過波面計測ステップと、
前記媒質中に配置した、既知の形状および屈折率分布を有する基準被検物に前記第１の参照光を入射させたときに得られる前記基準被検物の透過波面である第１の基準透過波面を取得するとともに、前記媒質中に配置した前記基準被検物に前記第２の参照光を入射させたときに得られる該基準被検物の前記透過波面である第２の基準透過波面を取得する基準透過波面取得ステップと、
前記第１および第２の透過波面と前記第１および第２の基準透過波面とを用いて、前記被検物の形状成分を除去した前記屈折率分布を算出する屈折率分布算出ステップとを有し、
前記透過波面計測ステップにおいて、前記第１および第２の参照光を複数の配置状態にある前記被検物に入射させて前記第１および第２の透過波面を計測し、
該屈折率分布計測方法は、前記被検物の配置状態の変化に対する収差敏感度を求めて、該収差敏感度と前記複数の配置状態にて計測された前記第１および第２の透過波面とから、前記第１および第２の透過波面の計測時における前記被検物の前記各配置状態での配置誤差を算出する配置誤差算出ステップを含んでおり、
前記基準透過波面取得ステップにおいて、前記第１および第２の参照光を前記配置誤差を含む配置状態にある前記基準被検物に入射させたときに得られる前記第１および第２の基準透過波面を取得することを特徴とする屈折率分布計測方法。
【請求項５】
前記配置誤差算出ステップにおいて、前記第１および第２の透過波面と前記第１および第２の基準透過波面とを用いて前記被検物の前記形状成分と前記配置誤差とを分離することで前記配置誤差を算出することを特徴とする請求項４に記載の屈折率分布計測方法。
【請求項６】
被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質と、第１の参照光と、該第１の参照光とは異なる波長を有する第２の参照光とを用いて、前記被検物の屈折率分布を求める屈折率分布計測装置であって、
前記媒質中に配置した前記被検物に第１の光源からの前記第１の参照光を入射させて該被検物の透過波面である第１の透過波面を計測するとともに、前記媒質中に配置した前記被検物に第２の光源からの前記第２の参照光を入射させて該被検物の透過波面である第２の透過波面を計測する透過波面計測部と、
前記媒質中に配置した、既知の形状および屈折率分布を有する基準被検物に前記第１の参照光を入射させたときに得られる前記基準被検物の透過波面である第１の基準透過波面を取得するとともに、前記媒質中に配置した前記基準被検物に前記第２の参照光を入射させたときに得られる該基準被検物の前記透過波面である第２の基準透過波面を取得する基準透過波面取得部と、
前記第１および第２の透過波面と前記第１および第２の基準透過波面とを用いて、前記被検物の形状成分を除去した前記屈折率分布を算出する屈折率分布算出部とを有し、
前記透過波面計測部は、前記第１および第２の参照光を複数の配置状態にある前記被検物に入射させて前記第１および第２の透過波面を計測し、
該屈折率分布計測装置は、前記被検物の配置状態の変化に対する収差敏感度を求めて、該収差敏感度と前記複数の配置状態にて計測された前記第１および第２の透過波面とから、前記第１および第２の透過波面の計測時における前記被検物の前記各配置状態での配置誤差を算出する配置誤差算出部を含んでおり、
前記基準透過波面取得部は、前記第１および第２の参照光を前記配置誤差を含む配置状態にある前記基準被検物に入射させたときに得られる前記第１および第２の基準透過波面を取得することを特徴とする屈折率分布計測装置。
【請求項７】
光学素子をモールド成形するステップと、
請求項１又は４に記載の屈折率分布計測方法を用いて、前記被検物である前記光学素子の屈折率分布を計測し、該屈折率分布を用いて前記光学素子を評価するステップとを有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子等の被検物の屈折率分布を測定する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラやレーザービームプリンタ等の光学機器に用いられるレンズ等の光学素子には、高い屈折率が求められている。また、高屈折率の光学ガラスやプラスチック材料でも、モールド成形技術を用いることで、非球面等の複雑な形状も容易に製作することができる。
【０００３】
ただし、モールド成形では、成形条件によって、光学素子の内部に屈折率の不均一が生じることがある。このような内部屈折率の不均一は、光学素子の光学特性に大きな影響を及ぼし、所望の光学特性を得られなくするおそれがある。このため、高屈折率を有する光学素子の内部の光学的均質性を高精度に計測することが求められている。
【０００４】
特許文献１には、被検物とは屈折率が異なる２種類の媒質のそれぞれに被検物を浸漬した状態で透過波面を計測することによって、該被検物の屈折率分布を求める方法が開示されている。この計測方法によれば、被検物の屈折率が高い場合でも、その屈折率とほぼ同じ屈折率を有する媒質を用いることなく、該被検物の内部屈折率分布を高精度に計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１５１５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１にて開示された計測方法では、被検物の傾きや平行偏心といった被検物の配置を高精度に計測しなければならない。しかしながら、被検物がレンズ等の光学素子のように複雑な形状を有する場合には、該被検物の配置を精度良く計測することが難しく、その結果、被検物の屈折率分布を正確に算出することが困難になる。
【０００７】
本発明は、媒質中に配置した被検物の配置精度を高くしなくても、該被検物の屈折率分布を正確に算出することができるようにした屈折率分布の計測方法および計測装置、さらには該計測方法を用いた光学素子の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての屈折率分布計測方法（屈折率分布計測装置）は、被検物の屈折率とは異なる第１の屈折率を有する第１の媒質と、被検物の屈折率および第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質とを用いて、被検物の屈折率分布を求める。該計測方法（計測装置）は、第１の媒質中に配置した被検物に参照光を入射させて該被検物の透過波面である第１の透過波面を計測するとともに、第２の媒質中に配置した被検物に参照光を入射させて該被検物の透過波面である第２の透過波面を計測する透過波面計測ステップ（透過波面計測部）と、第１の媒質中に配置した、既知の形状および屈折率分布を有する基準被検物に参照光を入射させたときに得られる基準被検物の透過波面である第１の基準透過波面を取得するとともに、第２の媒質中に配置した基準被検物に参照光を入射させたときに得られる該基準被検物の透過波面である第２の基準透過波面を取得する基準透過波面取得ステップ（基準透過波面取得部）と、第１および第２の透過波面と第１および第２の基準透過波面とを用いて、被検物の形状成分を除去した屈折率分布を算出する屈折率分布算出ステップ（屈折率分布算出部）とを有する。そして、透過波面計測ステップ（透過波面計測部）において、第１および第２の媒質中のそれぞれにおける被検物の複数の配置状態にて第１および第２の透過波面を計測する。該計測方法（計測装置）は、被検物の配置状態の変化に対する収差敏感度を求めて、該収差敏感度と複数の配置状態にて計測された第１および第２の透過波面とから、第１および第２の透過波面の計測時における被検物の各配置状態での配置誤差を算出する配置誤差算出ステップ（配置誤差算出部）を含む。そして、基準透過波面取得ステップ（基準透過波面取得部）において、基準被検物が第１および第２の媒質中のそれぞれにおける上記配置誤差を含む配置状態にあるときに得られる第１および第２の基準透過波面を取得することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の他の一側面としての屈折率分布計測方法（屈折率分布計測装置）は、被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質と、第１の参照光と、該第１の参照光とは異なる波長を有する第２の参照光とを用いて、被検物の屈折率分布を求める。該計測方法（計測装置）は、媒質中に配置した被検物に第１の参照光を入射させて該被検物の透過波面である第１の透過波面を計測するとともに、媒質中に配置した被検物に第２の参照光を入射させて該被検物の透過波面である第２の透過波面を計測する透過波面計測ステップ（透過波面計測部）と、媒質中に配置した、既知の形状および屈折率分布を有する基準被検物に第１の参照光を入射させたときに得られる基準被検物の透過波面である第１の基準透過波面を取得するとともに、媒質中に配置した基準被検物に第２の参照光を入射させたときに得られる該基準被検物の透過波面である第２の基準透過波面を取得する基準透過波面取得ステップ（基準透過波面取得部）と、第１および第２の透過波面と第１および第２の基準透過波面とを用いて、被検物の形状成分を除去した屈折率分布を算出する屈折率分布算出ステップ（屈折率分布算出部）とを有する。透過波面計測ステップ（透過波面計測部）において、第１および第２の参照光を複数の配置状態にある被検物に入射させて第１および第２の透過波面を計測する。該計測方法（計測装置）は、被検物の配置状態の変化に対する収差敏感度を求めて、該収差敏感度と複数の配置状態にて計測された第１および第２の透過波面とから、第１および第２の透過波面の計測時における被検物の各配置状態での配置誤差を算出する配置誤差算出ステップ（配置誤差算出部）を含む。そして、基準透過波面取得ステップ（基準透過波面取得部）において、第１および第２の参照光を配置誤差を含む配置状態にある基準被検物に入射させたときに得られる第１および第２の基準透過波面を取得することを特徴とする。
【００１０】
なお、光学素子をモールド成形するステップと、上記屈折率分布計測方法を用いて、被検物である光学素子の屈折率分布を計測し、該屈折率分布を用いて光学素子を評価するステップとを有する光学素子の製造方法も本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被検物の屈折率が高い場合でも、また該被検物の配置誤差が大きい場合でもその配置誤差を修正するための調整を行うことなく、該被検物の屈折率分布を正確に計測することができる。また、本発明の光学素子の製造方法によれば、光学素子の屈折率分布を高精度に計測することができるので、高屈折率硝材を用いた光学素子であっても、モールド成形で精度良く量産することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１である屈折率分布計測装置の概略構成を示す図。
【図２】実施例１における内部屈折率分布の計測手順を示すフローチャート。
【図３】実施例１の計測装置内での光路を示す図。
【図４】本発明の実施例２である屈折率分布計測装置の概略構成を示す図。
【図５】実施例２の計測装置で用いられるシャックハルトマンセンサの概略図。
【図６】実施例２における内部屈折率分布の計測手順を示すフローチャート。
【図７】実施例１，２による屈折率分布の計測結果を用いた光学素子の製造工程を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１には、本発明の実施例１である屈折率分布計測装置の構成を示している。この屈折率分布計測装置は、レンズ等の光学素子である被検物１４０の内部屈折率分布（以下、単に屈折率分布ともいう）を計測（算出）する。
【００１５】
該装置は、被検物１４０とは異なる屈折率を有する２種類の媒質（第１の媒質および第２の媒質、例えば水とオイル）のそれぞれに被検物１４０を浸漬した状態で、レーザ光源１００からの参照光を被検物１４０に入射させて該被検物１４０の透過波面を計測する。そして、コンピュータにより構成される演算部２００において、上記計測された透過波面を用いて被検物１４０の屈折率分布を算出する。本実施例では、被検物１４０の透過波面を計測するための手段として、トールボット（Ｔａｌｂｏｔ）干渉計を使用する。
【００１６】
液槽（被検物ケース）１３０には、水等の第１の媒質（図１には媒質１と示す）が充填されており、液槽１３１には、オイル等の第２の媒質（図１には媒質２と示す）が充填されている。これら液層１３０，１３１は、液槽交換機構１５０によって、後述する計測光路内の設置位置に対して交換が可能である。第１および第２の媒質の屈折率はともに、被検物１４０の屈折率とは異なる（望ましくは被検物１４０の屈折率より０．０１以上小さい）。また、第２の媒質の屈折率は、第１の媒質の屈折率とは異なる（望ましくは０．０１以上異なる）。
【００１７】
レーザ光源（例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ）１００から光軸に沿って射出されたレーザ光１０１は、ピンホール（光学部材）１１０を通過する際に回折する。ピンホール１１０で回折した回折光１０２は、コリメータレンズ（ＣＬ）１２０により参照光としての収束光１０３に変換される。液槽１３０が設置されている場合、収束光１０３は、液槽１３０内の第１の媒質と該第１の媒質中に浸漬された被検物１４０を透過する。
【００１８】
本実施例では、被検物１４０は、その光軸周りに回転対称なレンズであるとする。ピンホール１１０の直径φは、回折光１０２を理想球面波と見なせる程度に小さく、物体側の開口数ＮＡＯとレーザ光源１００の波長λとを用いて、以下の式を満たすように設計されている。
【００１９】
【数１】
2012117999.tif 000003
【００２０】
この式より、λが６００ｎｍであり、ＮＡＯが０．３程度である場合は、ピンホール１１０の直径φは２μｍ程度となる。
【００２１】
被検物１４０および液槽１３０内の第１の媒質を透過したレーザ光は、２次元回折格子である直交回折格子１７０を通って、検出器であるＣＣＤセンサ１８０に到達する。レーザ光源１００からＣＣＤセンサ１８０までの光路を計測光路という。また、以下の説明において、液槽１３０、直交回折格子１７０およびＣＣＤセンサ１８０をまとめて計測用光学素子ともいう。
【００２２】
被検物１４０の像側開口数が小さい場合、直交回折格子１７０とＣＣＤセンサ１８０との間の距離Ｚが以下の式２で示されるＴａｌｂｏｔ条件を満たすと、ＣＣＤセンサ１８０上に回折格子１７０の偽解像（Ｔａｌｂｏｔ像）が干渉縞として形成される。干渉縞は、ＣＣＤセンサ１８０により撮像される。
【００２３】
【数２】
2012117999.tif 000004
【００２４】
直交回折格子１７０とＣＣＤセンサ１８０との間の距離Ｚは、Ｔａｌｂｏｔ距離とも称される。ｍは０を除く整数であり、ｄは直交回折格子１７０の格子ピッチである。Ｚ０は直交回折格子１７０から被検物１４０の像面までの距離である。例えば、被検物１４０からの射出光が平行光である場合、Ｚ０は無限大になる。直交回折格子１７０の格子ピッチｄは、被検物１４０の収差の大きさに応じて決められる。
【００２５】
被検物１４０は平行偏心機構１６０によって光軸方向および光軸に直交する方向に移動可能である。また、コリメータレンズ１２０、直交回折格子１７０およびＣＣＤセンサ１８０は、光軸方向に延びる不図示のレール上をそれぞれ移動可能である。
【００２６】
図２には、ＣＣＤセンサ１８０による撮像によって取得された画像を用いて、被検物１４０の屈折率分布ＧＩを計測（算出）する手順（屈折率分布計測方法）を示している。この計測は、図１に示した演算部２００によりコンピュータプログラムに従って行われる。演算部２００は、透過波面計測部、基準透過波面取得部、配置誤差算出部および屈折率分布算出部として機能する。ここでは、第１の媒質として水を用い、第２の媒質としてオイルを用いる場合を例として説明する。
【００２７】
まず、ステップＳ１０において、演算部２００は、媒質として水（液槽１３０）を用いる場合とオイル（液槽１３１）を用いる場合のそれぞれにおいて計測に適した光学配置および後述する複数回の計測時における被検物１４０の平行移動量を決定する。光学配置とは、計測用光学素子であるピンホール１１０、コリメータレンズ１２０、液槽１３０（１３１）、直交回折格子１７０およびＣＣＤセンサ１８０間の光軸方向での間隔である。
【００２８】
Ｔａｌｂｏｔ干渉計において、ＣＣＤ１８０センサの撮像面全体で直交回折格子１７０の偽解像を得るためには、開口数（ＮＡ）を０．３程度以下に抑える必要がある。そのため、光学配置を、ＣＣＤセンサ１８０に到達する光束のＮＡが０．３より小さく、ＣＣＤセンサ１８０上の光束サイズが適切になるように決める必要がある。また、後の工程においてＣＣＤセンサ１８０上での位置と被検物１４０の位置とを関連付けるために、被検物１４０上の異なる位置を通った光がＣＣＤセンサ１８０上で重ならないような光学配置を決定することも重要である。
【００２９】
複数回の計測時における被検物１４０の平行移動量とは、１回の計測で被検物１４０の有効径の１００％を計測できない場合に、有効径の端まで計測するために必要な被検物１４０の光軸に直交する方向への移動量である。本実施例では、決定された被検物１４０の平行移動量をＳとする。計測回数は、水とオイルを媒質として用いるそれぞれの場合において、被検物１４０を平行移動させる前の配置状態で行う１回の計測と、被検物１４０を光軸に直交する４つの方向にそれぞれＳだけ移動させた配置状態で行う４回の計測の計５回とする。
【００３０】
続いて、ステップＳ２０において、演算部２００は、ステップＳ１０で決定した光学配置において媒質として水とオイルを用いる場合における被検物１４０の配置状態（傾きおよび平行偏心）の変化に対する収差敏感度を計算する。収差敏感度とは、被検物１４０がある単位傾き角（例えば、０．１°）だけ傾いたり、ある単位偏心量（例えば、０．１ｍｍ）だけ平行偏心したりしたときにＣＣＤセンサ１８０上で波面収差がどれだけ変化するかを数値で表現したものである。被検物１４０は、本来、基準配置状態である傾きおよび平行偏心がない状態に配置されるべきであるが、実際の被検物１４０の配置状態には基準配置状態に対して傾きおよび平行偏心を含む配置誤差が生じる。
【００３１】
ここにいう傾きおよび平行偏心（平行移動）は、光軸に直交する軸に対するものである。光軸に直交し、かつ互いに直交する２軸をここではｘ軸およびｙ軸と定義し、ｘ軸およびｙ軸に対する傾きをそれぞれθｘ，θｙとし、ｘ軸方向およびｙ軸方向での平行偏心（量）をそれぞれｘ，ｙとする。上述した基準配置状態は、θｘ＝０，θｙ＝０，ｘ＝０，ｙ＝０の状態である。
【００３２】
演算部２００は、２つの媒質のそれぞれについて５回ずつ計測を行うことから、２×５＝１０の配置状態に対してそれぞれ、傾きθｘ，θｙと平行偏心ｘ，ｙの収差敏感度を計算する。各配置状態における波面収差をＵ（Ｕ１，Ｕ２，…，Ｕ１０）とすると、収差敏感度は次式（３）により表現できる。
【００３３】
【数３】
2012117999.tif 000005
【００３４】
次に、ステップＳ３０，Ｓ４０（透過波面計測ステップ）において、演算部２００は、媒質として水とオイルを用いた場合のそれぞれにおける被検物１４０の透過波面を、以下に示すサブルーチンＡにより計測する。
【００３５】
サブルーチンＡは、媒質が水である場合とオイルである場合のそれぞれにおいて実行される工程であるが、ここでは媒質が水である場合を例として説明する。サブルーチンＡは、以下の４つのステップにより構成される。
【００３６】
まず、ステップＡ０１では、演算部２００は、図１に示した液槽交換機構１５０を駆動して、水が充填された液槽１３０を計測光路内に設置し、被検物１４０を液槽１３０内（つまりは水中）に挿入する。
【００３７】
続いて、ステップＡ０２では、演算部２００は、ステップＳ１０にて決定された、媒質が水である場合の光学配置に対応する位置に、計測用光学素子を設置する。このとき、被検物１４０は、平行偏心機構１６０により移動され、直交回折格子１７０およびＣＣＤセンサ１８０は、不図示のレールに沿って移動される。図１には、被検物１４０の例として、負の光学パワーを有する凹レンズを示している。被検物１４０が正の光学パワーを有する凸レンズである場合は、被検物１４０をコリメータレンズ１２０による集光位置よりも後方（直交回折格子１７０側）に設置することで、ＣＣＤセンサ１８０上の光束を適切なサイズにすることができる。
【００３８】
次に、ステップＡ０３では、演算部２００は、図１に示すＴａｌｂｏｔ干渉計において被検物１４０を水に浸した状態で、該被検物１４０の透過波面（第１の透過波面）を計測する。このステップには、ＣＣＤセンサ１８０による干渉縞の画像の取得と、透過波面の画像回復の処理とを含む。透過波面の画像回復（以下、波面回復ともいう）は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）法によって行う。ＦＦＴ法による波面回復は、収差が干渉縞のキャリア縞を乱す性質を利用して、キャリア縞と収差とを分離する方法である。
【００３９】
具体的には、干渉縞に対して２次元ＦＦＴを行うことにより、干渉縞を周波数マップに変換する。次に、周波数マップにおけるキャリア周波数の近傍部分のみを切り出して、キャリア周波数が原点になるように座標変換をした上で、ｉＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）を行う。これにより、複素振幅マップの位相項が求められる。その結果得られた位相マップが、透過波面となる。なお、ステップＳ４０中で行われるステップＡ０３では、演算部２００は、被検物１４０をオイルに浸した状態で、該被検物１４０の透過波面（第２の透過波面）を計測する。
【００４０】
続いて、ステップＡ０４では、演算部２００は、計測回数が指定された回数（本実施例では５回）に達するまで、平行偏心機構１６０により被検物１４０を光軸に直交する４つの方向にそれぞれＳだけ移動させる。そして、移動後の各配置状態にて被検物１４０の透過波面を計測する。
【００４１】
このようにしてステップＳ３０およびステップＳ４０では、異なる媒質（水とオイル）のそれぞれにおいて５つずつの配置状態での被検物１４０の透過波面を得る。ここで得られた合計１０の透過波面を、Ｗｍ１，Ｗｍ２，…，Ｗｍ１０とする。
【００４２】
次のステップＳ５０（配置誤差算出ステップ）では、演算部２００は、収差敏感度と透過波面の計測値とから、被検物１４０の基準配置状態に対する傾きおよび平行偏心量を算出する。ここでの傾きおよび平行偏心量の算出の考え方について説明する。
【００４３】
まず、被検物１４０の傾きをΔθｘ，Δθｙとし、平行偏心量をΔｘ，Δｙとする。これら傾きΔθｘ，Δθｙおよび平行偏心量をΔｘ，Δｙが、被検物１４０の基準配置状態に対する配置誤差に相当する。このとき、各回の計測における被検物１４０の配置誤差の影響ΔＵは、次式（４）で表される。
【００４４】
【数４】
2012117999.tif 000006
【００４５】
また、各透過波面の計測値Ｗｍは次式（５）で表される。
【００４６】
【数５】
2012117999.tif 000007
【００４７】
このときψを下記の式（６）のように定義すると、
【００４８】
【数６】
2012117999.tif 000008
【００４９】
ψが最小になるように配置誤差であるΔθｘ，Δθｙ，Δｘ，Δｙを決定すればよい。ψを最小にする配置誤差の決定方法としては、最小２乗法や固有値分解法等の方法を用いることができる。これについては、後で詳しく説明する。
【００５０】
以上の方法で求められる配置誤差の解は、透過波面の値を極小にする解である。すなわち、本実施例中の被検物１４０の配置誤差とは、ステップＳ２０で収差敏感度を計算した際の被検物１４０の配置に対して透過波面の値を極小にする、被検物１４０の傾きおよび平行偏心量の変化量を示す。なお、透過波面の極小値が複数存在する場合においてはいずれの極小値であってもよいが、該複数の極小値のうち最小値が最も望ましい。
【００５１】
また、通常は、被検物１４０の配置誤差と被検物１４０の形状成分や屈折率分布成分を分離して求めることはできない。しかし、本実施例では、媒質が水であるときの透過波面と媒質がオイルであるときの透過波面とを同時に極小にする解を計算するため、被検物１４０の形状成分や屈折率分布成分の影響を受けることなく、被検物１４０の配置誤差を計算することができる。
【００５２】
続いて、ステップＳ６０（基準透過波面取得ステップ）では、演算部２００は、ステップＳ５０で算出した配置誤差（傾きおよび平行偏心量）と既知の屈折率分布とを用いて、各媒質を用いた場合にＣＣＤセンサ１８０により得られる透過波面を計算する。ここでは、コンピュータシミュレーションによって透過波面としてのシミュレーション波面Ｗsimを求める。すなわち、ステップＳ３０，Ｓ４０での計測時における被検物１４０の複数の配置状態（基準配置状態に対する配置誤差を含む配置状態）と同じ複数の配置状態に、屈折率分布が既知の被検物を配置したときの透過波面をシミュレーション波面Ｗsimとして計算する。既知の屈折率分布としては、適当な屈折率分布を仮定するか、屈折率分布がない（屈折率が一様な）理想的な屈折率分布を想定する。このように、既知の特定の屈折率分布を有する被検物を、基準被検物という。また、基準被検物の形状も既知であり、被検物１４０と同一形状である。
【００５３】
なお、基準被検物の屈折率分布は設計値であってもよいし、計測値であってもよい。シミュレーション波面Ｗsimは、基準被検物の透過波面ということもできる。基準被検物内のある点（ｘ，ｙ）におけるシミュレーション波面Ｗsimは、以下の式（７）のように表される。
【００５４】
本来は、各媒質を用いる場合の基準被検物の各配置状態に対してシミュレーション波面Ｗsimを求める必要があるが、各媒質における５つの配置状態については同じ数式で説明できる。このため、以下の説明では、媒質が水である場合とオイルである場合のシミュレーション波面Ｗsimをそれぞれ、代表値としての「Ｗsim水」と「Ｗsimオイル」と表記する。シミュレーション波面Ｗsim水が第１の基準透過波面に相当し、Ｗsimオイルが第２の基準透過波面に相当する。
【００５５】
【数７】
2012117999.tif 000009
【００５６】
Ｌ１〜Ｌ５は、図３（ａ）に示す基準被検物１４１内のある点（ｘ，ｙ）を通り、図３（ｂ）に示すようにＣＣＤセンサ１８０に到達する光線１０３ａに沿った上記構成要素間の幾何学的距離である。図３には、媒質が水である場合を示している。Ｎ水は水の屈折率であり、Ｎオイルはオイルの屈折率である。Ｎｇは基準被検物１４１の屈折率（既知の屈折率）を示す。すなわち、基準被検物１４１は、被検物１４０の屈折率分布を既知の値に置き換えたものと言える。なお、ここでは式を簡略化するため、液槽１３０の壁の厚さは無視している。
【００５７】
ステップＳ７０では、演算部２００は、媒質が水である場合における被検物１４０の透過波面の計測値Ｗm水と基準被検物のシミュレーション波面Ｗsim水との差分値としての透過波面（波面収差）である差分波面Ｗ水を算出する。
【００５８】
被検物１４０の透過波面の計測値Ｗm水には、（１）被検物１４０の屈折率分布、（２）被検物１４０の形状の影響、（３）被検物１４０の形状誤差の影響および（４）該装置の計測システムによるオフセットが含まれる。シミュレーション波面Ｗsim水には、上記のうち（２）被検物１４０の形状の影響および（４）該装置の計測システムによるオフセットが含まれる。このため、被検物１４０の透過波面の計測値Ｗm水と基準被検物のシミュレーション波面Ｗsim水との差分を算出することで、その残りである（１）被検物１４０の屈折率分布および（３）被検物１４０の形状誤差の影響を差分波面Ｗ水として算出することができる。
【００５９】
また、演算部２００は、同様にして、媒質がオイルである場合における被検物１４０の透過波面の計測値Ｗmオイルと基準被検物のシミュレーション波面Ｗsimオイルとの差分値としての透過波面（波面収差）である差分波面Ｗオイルを算出する。
【００６０】
以下、ステップＳ７０での計算を、数式を用いてさらに詳しく説明する。ステップＳ３０およびステップＳ４０にて計測された透過波面Ｗm水，Ｗmオイルは、式（７）により示したシミュレーション波面Ｗsim水，Ｗsimオイルと同様に、以下の式（８）で表される。
【００６１】
【数８】
2012117999.tif 000010
【００６２】
ただし、Ｎａｖｅ（ｘ，ｙ）は、座標（ｘ，ｙ）における被検物１４０の光路方向に平均化された屈折率分布投影値を示す。ｄＬは、座標（ｘ，ｙ）における被検物１４０の厚み誤差を示す。
【００６３】
透過波面の計測値とシミュレーション波面Ｗsimの差分である差分波面Ｗ水，Ｗオイルは下記の式（９）で表される。なお、ここでは式を簡略化するため、屈折率Ｎｇは被検物１４０の中心屈折率Ｎ（０，０）と等しいものとする。
【００６４】
【数９】
2012117999.tif 000011
【００６５】
次に、ステップＳ８０では、演算部２００は、差分波面Ｗ水と差分波面Ｗオイルとを用いて、以下の式（１０）により、被検物１４０の形状成分であるｄＬが除去された該被検物１４０の屈折率分布投影値Ｎａｖｅ（ｘ，ｙ）を算出する。ただし、ここでは、式（１１）に示す近似を用いている。なお、本ステップＳ８０と後述するステップＳ９０が、屈折率分布算出ステップに相当する。
【００６６】
【数１０】
2012117999.tif 000012
【００６７】
【数１１】
2012117999.tif 000013
【００６８】
ここまでの計算により、被検物１４０の５つの配置状態のそれぞれにおける該被検物１４０の屈折率分布投影値Ｎａｖｅ（ｘ，ｙ）が求められる。
【００６９】
最後のステップＳ９０では、演算部２００は、ステップＳ８０にて得られた複数の屈折率分布投影値Ｎａｖｅ（ｘ，ｙ）から３次元の屈折率分布を算出する。３次元屈折率分布の算出は、３次元の屈折率分布を表現する多項式の係数を、これまでに求めた複数の屈折率分布投影値Ｎａｖｅ（ｘ，ｙ）を再現するよう決定すればよい。以下にその例を示す。
【００７０】
被検物１４０への入射光（収束光）１０３を１００本の光線により表記したとき、屈折率分布投影値Ｎａｖｅは以下の式（１２）で表すことができる。
【００７１】
【数１２】
2012117999.tif 000014
【００７２】
ただし、Ｎａｖｅ１〜Ｎａｖｅ５はそれぞれ、５つの平行偏心位置における屈折率分布投影値を示す。また、求めたい３次元屈折率分布Ｐは、以下の式（１３）により定義した１２の多項式の係数で表現する。
【００７３】
【数１３】
2012117999.tif 000015
【００７４】
式（１３）で定義した多項式の係数がそれぞれ単位量であるときの屈折率分布投影値をＶとすると、Ｖは以下の式（１４）により表すことができる。
【００７５】
【数１４】
2012117999.tif 000016
【００７６】
このとき、以下の等式（１５）を満たすようにＰを求めると、Ｐの各係数は、求めた複数の屈折率分布投影値を再現する係数となる。
【００７７】
【数１５】
2012117999.tif 000017
【００７８】
式（１５）からＰを求めるために、例えば最小２乗法を用いる場合は、以下の式（１６）のようにφを定義し、φ２が最も小さくなるようにＰの各係数を決めればよい。
【００７９】
【数１６】
2012117999.tif 000018
【００８０】
また、Ｐを求めるために、例えば固有値分解法を用いる場合は、Ｖ-1を求めることで、式（１７）のようにＰを直接求めることができる。
【００８１】
【数１７】
2012117999.tif 000019
【００８２】
なお、
【００８３】
【数１８】
2012117999.tif 000020
【００８４】
と定義して、φ2が最も小さくなるようにＰの各係数を決める等、両者の組み合せを用いてもよい。これら以外にもＰを求めるために、一般的に知られているどのような方法を用いてもよい。
【００８５】
以上のようにして、被検物１４０の３次元屈折率分布Ｐを求めることで、本実施例における屈折率分布を計測（算出）する処理が終了する。
【００８６】
以上説明したように、本実施例では、被検物の屈折率とは異なる屈折率（第１の屈折率）を有する第１の媒質中に被検物を配置した状態で該被検物に参照光を入射させて該被検物の第１の透過波面を計測する。また、被検物の屈折率および第１の屈折率とは異なる屈折率（第２の屈折率）を有する第２の媒質中に該被検物を配置した状態で該被検物に参照光を入射させて該被検物の第２の透過波面を計測する。これらの計測を、被検物の複数の配置状態においてそれぞれ行う。そして、すべての配置状態にて計測された第１および第２の透過波面と該被検物の収差敏感度とを用いて、該被検物の配置誤差を求める。
【００８７】
さらに、形状および屈折率分布が既知である基準被検物を第１および第２の媒質中のそれぞれにおいて上記配置誤差を含む配置状態に配置したときに得られる第１および第２の基準透過波面を計算する。そして、複数の配置状態での各透過波面と各基準透過波面との差分から、被検物の屈折率分布投影値を求め、複数の配置状態における屈折率分布投影値を再現するように３次元の屈折率分布を表現する多項式の係数を求める。
【００８８】
これにより、被検物が複雑な形状を有し、該被検物の配置誤差が大きい場合でも、その配置誤差を算出して屈折率分布の計算に反映することができ、配置誤差の修正のための再調整を行うことなく、被検物の内部屈折率分布を高精度に計測することができる。
【００８９】
本実施例のように、透過波面を計測するための手段としてＴａｌｂｏｔ干渉計を用いることで、被検物と媒質との屈折率差によって生じる大きな収差を計測することができる。Ｔａｌｂｏｔ干渉計は、ラテラルシアリング干渉計の一種であり、透過波面が横ずらし（シア）された自身の透過波面との差分を干渉縞として計測する。このため、シアリング干渉計は、透過波面の波面形状の勾配（傾き）に相当する量を求めるための干渉計と言える。
【００９０】
透過波面の横ずらし量は、シア量と呼び、シア量を小さくすることで、大きな透過波面収差に対しても、干渉縞が密にならない程度の小さい収差（シア波面）として計測が可能になる。
【００９１】
シアリング干渉計では、一般に、シア量が小さすぎると、シア波面がノイズに埋もれて精度が低下するため、シア量は瞳の直径に対して３〜５％程度がよいとされる。しかし、本実施例では、大きな収差の透過波面を小さいシア波面で計測するために、シア量を１．５％以下、好ましくは０．４〜０．９％程度まで小さくするとよい。
【００９２】
シア量ｓｈｅａｒは、Ｔａｌｂｏｔ距離Ｚと、ＣＣＤセンサ１８０上の干渉縞データの直径Ｄとを用いて、以下の式（１９）により定義される。
【００９３】
【数１９】
2012117999.tif 000021
【００９４】
この式（１９）は、式（２）と直交回折格子１７０上の光束の直径Ｄ０とを用いて、以下の式（２０）のようにも表せる。
【００９５】
【数２０】
2012117999.tif 000022
【００９６】
式（２０）から、シア量と直交回折格子１７０の格子ピッチｄとは比例することが分かる。直交回折格子１７０の格子ピッチｄは、式（２）から分かるように、Ｔａｌｂｏｔ距離Ｚにも影響を与えるため、装置の構成要素間での干渉を考えて決定する必要がある。例えば、ｍ＝１のとき、Ｄ０が１０〜２０ｍｍ程度であるとすると、格子ピッチｄは４０〜１８０μｍ程度が望ましい。
【００９７】
なお、本実施例では、２種類の媒質が水とオイルである場合について説明したが、屈折率が０．０１程度以上異なる２種類の媒質であれば、これらの媒質に限定されることはない。例えば被検物より大きい屈折率の媒質を用いるような場面にも適用可能である。また、２種類の媒質とは、同じ材料の温度を変えて屈折率を変えたものでもよい。
【００９８】
また、本実施例では、Ｔａｌｂｏｔ干渉計を用いた場合について説明したが、ラテラルシアリング干渉計やラジアルシアリング干渉計等、他のシアリング干渉計を用いることもできる。
【００９９】
本実施例では、３次元の屈折率分布を計測する方法について説明したが、被検物に光が通過した後の影響だけを評価したい場合には、式（１０）で表される屈折率分布投影値を屈折率分布とみなしてもよい。また、屈折率投影値を屈折率分布とみなす場合には、式（１０）を変形して、下記の式（２１）で表されるＷ屈折率を屈折率分布とみなすこともできる。
【０１００】
【数２１】
2012117999.tif 000023
【０１０１】
Ｗ屈折率を屈折率分布とみなすことができる理由は、屈折率投影値ＮaveとＷ屈折率の関係が既知の物理量で関連付けられているためである。また、Ｗ屈折率は長さの次元を持つことから、Ｗ屈折率は屈折率分布の影響を表現する波面収差と呼ぶこともできる。このため、本実施例が示す屈折率分布計測方法は、無次元量である屈折率値の計測方法から屈折率分布の影響を表現する波面収差計測方法までを含む。
【実施例２】
【０１０２】
以下、本発明の実施例２について、図４を用いて説明する。実施例１では屈折率が互いに異なる２種類の媒質中に被検物を配置して透過波面の計測を行ったが、本実施例では１種類の媒質中に被検物を配置し、波長が互いに異なる２種類の光源（参照光）を用いて透過波面の計測を行う。  
【０１０３】
図４に示した屈折率分布計測装置は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長６３３ｎｍ）である光源１（第１の光源）と、ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）を発する光源２（第２の光源）とを使用する。被検物１４０の周りの媒質は、詳しくは後述するが、被検物１４０よりも屈折率が小さく、空気よりも屈折率が大きい媒質であればよい。例えば、水や、屈折率が１．５〜１．８程度の低屈折率オイルでもよい。
【０１０４】
ピンホール１１０は、光源１および光源２から射出されたレーザ光を用いてそれぞれ、理想球面波を有する光としての第１の参照光および第２の参照光を生成する。参照光は被検物１４０を通過し、その透過波面が波面計測センサであるシャックハルトマンセンサ５００により計測される。シャックハルトマンセンサ５００は、図５に示すように、レンズアレイ５０１とＣＣＤセンサ５０２とにより構成されている。
【０１０５】
実施例１と同様に、コリメータレンズ１２０、被検物１４０およびシャックハルトマンセンサ５００は、光軸方向に延びる不図示のレール上をそれぞれ移動可能である。これらの計測用光学素子をレールに沿って移動させることで、被検物１４０に入射する光束を発散光束、平行光束および収束光束のいずれにも変更することができる。これにより、シャックハルトマンセンサ５００に入射する光束の開口数（ＮＡ）を調節することができる。
【０１０６】
シャックハルトマンセンサを用いる場合、Ｔａｌｂｏｔ干渉計に比べて、センサに入射する光束のＮＡを厳しく管理する必要がある。しかし、シャックハルトマンセンサを用いる場合は、Ｔａｌｂｏｔ干渉計にて用いられる回折格子とＣＣＤセンサ間の距離をＴａｌｂｏｔ距離に合わせる作業が不要になるため、センサ位置合わせが容易である。
【０１０７】
シャックハルトマンセンサ５００は、レンズアレイ５０１に入射した光を、ＣＣＤセンサ５０２上に集光させる構造を有する。レンズアレイ５０１に傾いた透過波面が入射すると集光点の位置がずれる。シャックハルトマンセンサ５００は、透過波面の傾きを集光点の位置ずれに換算して計測できるため、大きな収差を持つ波面の計測が可能である。
【０１０８】
また、本実施例の装置にも、被検物１４０を光軸方向および光軸に直交する方向に移動させる平行偏心機構１６０が設けられている。
【０１０９】
次に、図６を用いて、本実施例における屈折率分布の計測手順について説明する。この計測は、図４に示した演算部２００によりコンピュータプログラムに従って行われる。演算部２００は、透過波面計測部、基準透過波面取得部、配置誤差算出部および屈折率分布算出部として機能する。
【０１１０】
図６に示したステップの多くは実施例１（図２）に示したステップと同じであるため、ここでは実施例１と異なるステップを中心に説明する。図６におけるステップＳ３０′およびステップＳ４０′が、実施例１のステップＳ３０およびステップＳ４０と異なる。
【０１１１】
ステップＳ３０′では、サブルーチンＢを行う。まず、演算部２００は、不図示の光源移動機構を駆動して光源１を所定の光源位置に配置（挿入）する（ステップＢ０１）。
【０１１２】
次に、演算部２００は、被検物１４０およびシャックハルトマンセンサ５００の位置合わせを行う（ステップＢ０２）。そして、光源１からの参照光をピンホール１１０を通して液槽１３０内の媒質中に配置された被検物１４０に入射させ、透過波面の計測を行う（ステップＢ０３）。演算部２００は、計測回数が指定回数になるまで、平行偏心機構１６０により被検物１４０を光軸に直交する４つの方向にそれぞれＳだけ移動させる。そして、移動後の各配置状態にて被検物１４０の透過波面（第１の透過波面）Ｗ１を計測する（ステップＢ０４）。
【０１１３】
続いてステップＳ４０′では、光源１に代えて所定の光源位置に光源２を挿入してサブルーチンＢを行い、透過波面（第２の透過波面）Ｗ２を計測する。
【０１１４】
その後は、実施例１で説明したステップＳ５０〜ステップＳ９０の処理を行うことで、被検物１４０の屈折率分布を算出することができる。ただし、ステップＳ７０では、以下の式（２２）で表される差分波面が得られる。
【０１１５】
【数２２】
2012117999.tif 000024
【０１１６】
式（２２）において、ＮａｖｅＨｅＮｅ（ｘ，ｙ）とＮａｖｅＹＡＧ（ｘ，ｙ）はそれぞれ、光源１（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）と光源２（ＹＡＧ２倍高調波）における被検物１４０内のある位置（ｘ，ｙ）における屈折率投影値を示す。ＮｇＨｅＮｅとＮｇＹＡＧはそれぞれ、光源１と光源２に対する被検物１４０の理想的な屈折率（基準被検物の屈折率）を示す。
【０１１７】
また、ＮｏｉｌＨｅＮｅとＮｏｉｌＹＡＧはそれぞれ、光源１と光源２に対する媒質の屈折率を示す。さらに、光源１に対する屈折率と光源２に対する屈折率には、以下の式（２３）で示す近似関係があるものとする。
【０１１８】
【数２３】
2012117999.tif 000025
【０１１９】
ステップＳ８０では、以下の式（２４）で表される屈折率投影値が求められる。
【０１２０】
【数２４】
2012117999.tif 000026
【０１２１】
本実施例では、光源の波長を変えることにより、実質的に２種類の媒質中で被検物を計測する効果を得る。このため、式（２３）と式（２４）２４はそれぞれ、実施例１に示した式（９）と式（１０）と同じ意味を持つ。
【０１２２】
ここで、式（２４）から、以下の式（２５）で示すΨの値が大きいと、計測される透過波面Ｗ１，Ｗ２の誤差を低減できることが分かる。
【０１２３】
【数２５】
2012117999.tif 000027
【０１２４】
例えば、媒質が空気である場合は、Ｎｏｉｌ≒１であるため、Ψ≒０となり、計測ができない。また、例えば、被検物の屈折率分布が波長によってあまり変化しないと見なせる場合は、ＮｇＹＡＧ≒ＮｇＨｅＮｅであるため、式（２５）は、以下の式（２６）で表すことができる。
【０１２５】
【数２６】
2012117999.tif 000028
【０１２６】
この場合は、光源１と光源２に対する屈折率の差が大きい媒質を選べばよい。このようにΨを大きくするためには、被検物の屈折率も考慮して媒質を決定する必要がある。
【０１２７】
以上説明したように、本実施例では、被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質中に被検物を配置した状態で該被検物に第１の参照光を入射させて該被検物の第１の透過波面を計測する。また、同じ媒質中に該被検物を配置した状態で該被検物に第１の参照光とは波長が異なる第２の参照光を入射させて該被検物の第２の透過波面を計測する。これらの計測を、被検物の複数の配置状態においてそれぞれ行う。そして、すべての配置状態にて計測された第１および第２の透過波面と該被検物の収差敏感度とを用いて、該被検物の配置誤差を求める。
【０１２８】
さらに、形状および屈折率分布が既知である基準被検物を媒質中における上記配置誤差を含む配置状態に配置して第１および第２の参照光を入射させたときに得られる第１および第２の基準透過波面を計算する。そして、複数の配置状態での各透過波面と各基準透過波面との差分から、被検物の屈折率分布投影値を求め、複数の配置状態における屈折率分布投影値を再現するように３次元の屈折率分布を表現する多項式の係数を求める。
【０１２９】
これにより、被検物が複雑な形状を有し、該被検物の配置誤差が大きい場合でも、その配置誤差を算出して屈折率分布の計算に反映することができ、配置誤差の修正のための再調整を行うことなく、被検物の内部屈折率分布を高精度に計測することができる。
【０１３０】
本実施例の計測装置は、透過波面の波面形状の勾配又は光線の傾きに相当する量を計測可能であり、大きな収差を持つ透過波面においても、該勾配又は傾きを計測可能な物理量として検出することができるものであればよい。このため、シャックハルトマン法に限らず、ハルトマン法やロンキーテストを用いた計測装置を用いてもよい。
【実施例３】
【０１３１】
上記各実施例にて説明した計測装置（又は計測方法）による屈折率分布の計測結果を、レンズ等の光学素子の製造方法にフィードバックすることも可能である。図７には、モールド成形を利用した光学素子の製造方法の例を示している。
【０１３２】
光学素子は、光学素子の設計工程、金型の設計工程および該金型を用いた光学素子のモールド成形工程を経て製造される。成形された光学素子は、その形状精度が評価され、精度不足である場合は金型を補正して再度モールド成形を行う。形状精度が良好であれば、該光学素子の光学性能が評価される。この光学性能の評価工程に、図２や図６を用いて説明した屈折率分布の計測手順を組み込むことで、高屈折率硝材によりモールド成形される光学素子の量産が可能になる。なお、光学性能が低い場合は、光学面を補正した光学素子を設計し直す。
【０１３３】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
光学素子等の被検物の屈折率分布を正確に算出することができる屈折率分布の計測方法および計測装置を提供できる。
【符号の説明】
【０１３５】
１０３  参照光（収束光）
１４０  被検物
１５０  液槽交換機構
１８０  ＣＣＤセンサ
２００  演算部
【図５】
2012117999.tif 000029
【図１】
2012117999.tif 000030
【図２】
2012117999.tif 000031
【図３】
2012117999.tif 000032
【図４】
2012117999.tif 000033
【図６】
2012117999.tif 000034
【図７】
2012117999.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月15日(2012.3.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物の屈折率とは異なる第１の屈折率を有する第１の媒質と、前記被検物の屈折率および前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質とを用いて、前記被検物の屈折率分布を求める屈折率分布計測方法であって、
前記第１の媒質中に配置した前記被検物に参照光を入射させて該被検物の透過波面である第１の透過波面を計測するとともに、前記第２の媒質中に配置した前記被検物に前記参照光を入射させて該被検物の透過波面である第２の透過波面を計測する透過波面計測ステップと、
前記第１の媒質中に配置した、既知の形状および屈折率分布を有する基準被検物に前記参照光を入射させたときに得られる前記基準被検物の透過波面である第１の基準透過波面を取得するとともに、前記第２の媒質中に配置した前記基準被検物に前記参照光を入射させたときに得られる該基準被検物の前記透過波面である第２の基準透過波面を取得する基準透過波面取得ステップと、
前記第１の透過波面の計測結果と前記取得された第１の基準透過波面との差分である第１の波面収差を算出するステップと、
前記第２の透過波面の計測結果と前記取得された第２の基準透過波面との差分である第２の波面収差を算出するステップと、
前記第１の波面収差と前記第２の波面収差に基づいて、前記被検物の形状成分を除去しつつ、前記屈折率分布を算出する屈折率分布算出ステップとを有し、
前記透過波面計測ステップにおいて、前記第１および第２の媒質中のそれぞれにおける前記被検物の複数の配置状態にて前記第１および第２の透過波面を計測し、
該屈折率分布計測方法は、前記被検物の配置状態の変化に対する収差敏感度を求めて、該収差敏感度と前記複数の配置状態にて計測された前記第１および第２の透過波面とから、前記第１および第２の透過波面の計測時における前記被検物の前記各配置状態での配置誤差を算出する配置誤差算出ステップを含んでおり、
前記基準透過波面取得ステップにおいて、前記基準被検物が前記第１および第２の媒質中のそれぞれにおける前記配置誤差を含む配置状態にあるときに得られる前記第１および第２の基準透過波面を取得することを特徴とする屈折率分布計測方法。
【請求項２】
前記配置誤差算出ステップにおいて、前記第１および第２の透過波面と前記第１および第２の基準透過波面とを用いて前記被検物の前記形状成分と前記配置誤差とを分離することで前記配置誤差を算出することを特徴とする請求項１に記載の屈折率分布計測方法。
【請求項３】
被検物の屈折率とは異なる第１の屈折率を有する第１の媒質と、前記被検物の屈折率および前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の媒質とを用いて、前記被検物の屈折率分布を求める屈折率分布計測装置であって、
前記第１の媒質中に配置した前記被検物に、光源からの参照光を入射させて該被検物の透過波面である第１の透過波面を計測するとともに、前記第２の媒質中に配置した前記被検物に前記参照光を入射させて該被検物の透過波面である第２の透過波面を計測する透過波面計測部と、
前記第１の媒質中に配置した、既知の形状および屈折率分布を有する基準被検物に前記参照光を入射させたときに得られる前記基準被検物の透過波面である第１の基準透過波面を取得するとともに、前記第２の媒質中に配置した前記基準被検物に前記参照光を入射させたときに得られる該基準被検物の前記透過波面である第２の基準透過波面を取得する基準透過波面取得部と、
前記第１の透過波面の計測結果と前記取得された第１の基準透過波面との差分である第１の波面収差を算出し、前記第２の透過波面の計測結果と前記取得された第２の基準透過波面との差分である第２の波面収差を算出し、前記第１の波面収差と前記第２の波面収差に基づいて、前記被検物の形状成分を除去しつつ、前記被検物の形状成分を除去した前記屈折率分布を算出する屈折率分布算出部とを有し、
前記透過波面計測部は、前記第１および第２の媒質中のそれぞれにおける前記被検物の複数の配置状態にて前記第１および第２の透過波面を計測し、
該屈折率分布計測装置は、前記被検物の配置状態の変化に対する収差敏感度を求めて、該収差敏感度と前記複数の配置状態にて計測された前記第１および第２の透過波面とから、前記第１および第２の透過波面の計測時における前記被検物の前記各配置状態での配置誤差を算出する配置誤差算出部を含んでおり、
前記基準透過波面取得部において、前記基準被検物が前記第１および第２の媒質中のそれぞれにおける前記配置誤差を含む配置状態にあるときに得られる前記第１および第２の基準透過波面を取得することを特徴とする屈折率分布計測装置。
【請求項４】
被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質と、第１の参照光と、該第１の参照光とは異なる波長を有する第２の参照光とを用いて、前記被検物の屈折率分布を求める屈折率分布計測方法であって、
前記媒質中に配置した前記被検物に前記第１の参照光を入射させて該被検物の透過波面である第１の透過波面を計測するとともに、前記媒質中に配置した前記被検物に前記第２の参照光を入射させて該被検物の透過波面である第２の透過波面を計測する透過波面計測ステップと、
前記媒質中に配置した、既知の形状および屈折率分布を有する基準被検物に前記第１の参照光を入射させたときに得られる前記基準被検物の透過波面である第１の基準透過波面を取得するとともに、前記媒質中に配置した前記基準被検物に前記第２の参照光を入射させたときに得られる該基準被検物の前記透過波面である第２の基準透過波面を取得する基準透過波面取得ステップと、
前記第１の透過波面の計測結果と前記取得された第１の基準透過波面との差分である第１の波面収差を算出するステップと、
前記第２の透過波面の計測結果と前記取得された第２の基準透過波面との差分である第２の波面収差を算出するステップと、
前記第１の波面収差と前記第２の波面収差に基づいて、前記被検物の形状成分を除去しつつ、前記被検物の形状成分を除去した前記屈折率分布を算出する屈折率分布算出ステップとを有し、
前記透過波面計測ステップにおいて、前記第１および第２の参照光を複数の配置状態にある前記被検物に入射させて前記第１および第２の透過波面を計測し、
該屈折率分布計測方法は、前記被検物の配置状態の変化に対する収差敏感度を求めて、該収差敏感度と前記複数の配置状態にて計測された前記第１および第２の透過波面とから、前記第１および第２の透過波面の計測時における前記被検物の前記各配置状態での配置誤差を算出する配置誤差算出ステップを含んでおり、
前記基準透過波面取得ステップにおいて、前記第１および第２の参照光を前記配置誤差を含む配置状態にある前記基準被検物に入射させたときに得られる前記第１および第２の基準透過波面を取得することを特徴とする屈折率分布計測方法。
【請求項５】
前記配置誤差算出ステップにおいて、前記第１および第２の透過波面と前記第１および第２の基準透過波面とを用いて前記被検物の前記形状成分と前記配置誤差とを分離することで前記配置誤差を算出することを特徴とする請求項４に記載の屈折率分布計測方法。
【請求項６】
被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質と、第１の参照光と、該第１の参照光とは異なる波長を有する第２の参照光とを用いて、前記被検物の屈折率分布を求める屈折率分布計測装置であって、
前記媒質中に配置した前記被検物に第１の光源からの前記第１の参照光を入射させて該被検物の透過波面である第１の透過波面を計測するとともに、前記媒質中に配置した前記被検物に第２の光源からの前記第２の参照光を入射させて該被検物の透過波面である第２の透過波面を計測する透過波面計測部と、
前記媒質中に配置した、既知の形状および屈折率分布を有する基準被検物に前記第１の参照光を入射させたときに得られる前記基準被検物の透過波面である第１の基準透過波面を取得するとともに、前記媒質中に配置した前記基準被検物に前記第２の参照光を入射させたときに得られる該基準被検物の前記透過波面である第２の基準透過波面を取得する基準透過波面取得部と、
前記第１の透過波面の計測結果と前記取得された第１の基準透過波面との差分である第１の波面収差を算出し、前記第２の透過波面の計測結果と前記取得された第２の基準透過波面との差分である第２の波面収差を算出し、前記第１の波面収差と前記第２の波面収差に基づいて、前記被検物の形状成分を除去しつつ、前記被検物の形状成分を除去した前記屈折率分布を算出する屈折率分布算出部とを有し、
前記透過波面計測部は、前記第１および第２の参照光を複数の配置状態にある前記被検物に入射させて前記第１および第２の透過波面を計測し、
該屈折率分布計測装置は、前記被検物の配置状態の変化に対する収差敏感度を求めて、該収差敏感度と前記複数の配置状態にて計測された前記第１および第２の透過波面とから、前記第１および第２の透過波面の計測時における前記被検物の前記各配置状態での配置誤差を算出する配置誤差算出部を含んでおり、
前記基準透過波面取得部は、前記第１および第２の参照光を前記配置誤差を含む配置状態にある前記基準被検物に入射させたときに得られる前記第１および第２の基準透過波面を取得することを特徴とする屈折率分布計測装置。
【請求項７】
光学素子をモールド成形するステップと、
請求項１又は４に記載の屈折率分布計測方法を用いて、前記被検物である前記光学素子の屈折率分布を計測し、該屈折率分布を用いて前記光学素子を評価するステップとを有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
液槽（被検物ケース）１３０には、水等の第１の媒質（図１には媒質１と示す）が充填されており、液槽１３１には、オイル等の第２の媒質（図１には媒質２と示す）が充填されている。これら液槽１３０，１３１は、液槽交換機構１５０によって、後述する計測光路内の設置位置に対して交換が可能である。第１および第２の媒質の屈折率はともに、被検物１４０の屈折率とは異なる（望ましくは被検物１４０の屈折率より０．０１以上小さい）。また、第２の媒質の屈折率は、第１の媒質の屈折率とは異なる（望ましくは０．０１以上異なる）。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
被検物１４０および液槽１３０内の第１の媒質を透過したレーザ光は、２次元回折格子である直交回折格子１７０を通って、検出器であるＣＣＤセンサ１８０に到達する。レーザ光源１００からＣＣＤセンサ１８０までの光路を計測光路という。また、以下の説明において、ピンホール１１０、コリメータレンズ１２０、液槽１３０、直交回折格子１７０およびＣＣＤセンサ１８０をまとめて計測用光学素子ともいう。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
図２には、ＣＣＤセンサ１８０による撮像によって取得された画像を用いて、被検物１４０の屈折率分布を計測（算出）する手順（屈折率分布計測方法）を示している。この計測は、図１に示した演算部２００によりコンピュータプログラムに従って行われる。演算部２００は、透過波面計測部、基準透過波面取得部、配置誤差算出部および屈折率分布算出部として機能する。ここでは、第１の媒質として水を用い、第２の媒質としてオイルを用いる場合を例として説明する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
まず、被検物１４０の傾きをΔθｘ，Δθｙとし、平行偏心量をΔｘ，Δｙとする。これら傾きΔθｘ，Δθｙおよび平行偏心量Δｘ，Δｙが、被検物１４０の基準配置状態に対する配置誤差に相当する。このとき、各回の計測における被検物１４０の配置誤差の影響ΔＵは、次式（４）で表される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
続いて、ステップＳ６０（基準透過波面取得ステップ）では、演算部２００は、ステップＳ５０で算出した配置誤差（傾きおよび平行偏心量）と既知の屈折率分布とを用いて、各媒質を用いた場合にＣＣＤセンサ１８０により得られる透過波面を計算する。ここでは、コンピュータシミュレーションによって基準透過波面としてのシミュレーション波面Ｗsimを求める。すなわち、ステップＳ３０，Ｓ４０での計測時における被検物１４０の複数の配置状態（基準配置状態に対する配置誤差を含む配置状態）と同じ複数の配置状態に、屈折率分布が既知の被検物を配置したときの透過波面をシミュレーション波面Ｗsimとして計算する。既知の屈折率分布としては、適当な屈折率分布を仮定するか、屈折率分布がない（屈折率が一様な）理想的な屈折率分布を想定する。このように、既知の特定の屈折率分布を有する被検物を、基準被検物という。また、基準被検物の形状も既知であり、被検物１４０と同一形状である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２１】
本実施例では、光源の波長を変えることにより、実質的に２種類の媒質中で被検物を計測する効果を得る。このため、式（２３）と式（２４）はそれぞれ、実施例１に示した式（９）と式（１０）と同じ意味を持つ。