【手続補正書】
【提出日】平成23年9月28日(2011.9.28)
【手続補正１】
【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】
λが６００ｎｍであり、ＮＡが０．３程度である場合は、ピンホール２０の直径φは２μｍ程度でよい。
ピンホール２０を通過したレーザ光は、第１のコリメータレンズ３０および第２のコリメータレンズ３１を通過することで収束光となる。被検物４０を照明する光を生成する光学系をここでは、照明光学系という。本実施例では、ピンホール２０、第１のコリメータレンズ３０および第２のコリメータレンズ３１によって照明光学系が構成される。
収束光となったレーザ光は、被検物ケース４１内の空気又は水の中を通って被検物４０に入射し、これを透過する。被検物ケース４１内の媒質を通って被検物４０に入射するレーザ光を参照光という。参照光２１は、照明光学系からの光のうち実際に被検物４０を透過する光のみを意味し、被検物ケース４１や被検物４０の形状によって反射される光等、被検物４０を透過しない光は含まない。
被検物ケース４１内の空気又は水と被検物４０とを透過したレーザ光（透過光）は、概ね平行光となって２次元回折格子である直交回折格子５０を通過する。そして、検出器である撮像素子（ＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサであり、以下、ＣＣＤという）６０により撮像（計測）される。被検物４０を透過した透過光のＮＡが小さい場合、回折格子５０とＣＣＤ６０間の距離Ｚが以下の式（２）で示されるＴａｌｂｏｔ条件を満たすと、ＣＣＤ６０上に回折格子５０の偽解像が干渉縞として得られる。
【手続補正２】
【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】
そして、後述するステップＡに従って、被検物ケース４１内の媒質が空気である場合の第１の透過波面（第１の波面収差）Ｗ１を算出する（ステップＳ３０）。ステップＡは、次の３つのステップにより構成される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
次に、図１（ｂ）に示すように、被検物ケース４１に水（図２には媒質２と記す）を満たした状態で、水中（第２の媒質中）に被検物４０を配置する（ステップＳ４０）。続いて、ステップＳ２０と同様にして、被検物４０を透過した後の参照光（透過光）が、被検物４０に入射する前の参照光に比べてより平行光に近づくように、被検物４０に入射する参照光２１のＮＡを変更する（ステップＳ５０）。水の屈折率が空気の屈折率よりも大きいため、第２のコリメータレンズ３１と被検物４０との間の光軸方向間隔は、被検物４０を水に浸した場合の方が空気に浸した場合よりも短くなる。
次に、水に浸した被検物４０が理想的な内部屈折率分布を有する場合のシミュレーション波面Wｓｉｍを計算する（ステップＳ３１）。そして、被検物４０を水に浸した状態（第２媒質中）で透過波面Ｗｍを計測し（ステップＳ３２）、シミュレーション波面Ｗｓｉｍと透過波面Ｗｍとの差分に相当する第２の透過波面（波面収差）Ｗ２を求める（ステップＳ３３）。式（８）に、第２の透過波面Ｗ２を示す。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
式（８）中のＮ２は水の屈折率であり、Ｌ２（ｘ，ｙ）は、被検物４０内における光線２１ａの光路の幾何学的長さ（距離）、すなわち光線２１ａに沿った被検物４０の幾何学的厚みである。Ｌ２（ｘ，ｙ）も、シミュレーション波面Ｗｓｉｍを計算する際に、光線追跡によって計算できる。以上が、本実施例の屈折率分布計測方法における第２の計測ステップであり、その計測結果として第２の透過波面Ｗ２が得られる。
上述したように、第１および第２の計測ステップのそれぞれにおいて、透過光が平行光に近づくように参照光のＮＡを設定（変更）している。このため、被検物４０における光軸上の中心部から離れた周辺部でのある点（同一点）の座標を（ｘ，ｙ）とするとき、必然的にＬ１（ｘ，ｙ）とＬ２（ｘ，ｙ）は異なる値をとる。つまり、第１の媒質および点（ｘ，ｙ）を通る光線２１ａを第１の光線とし、第２の媒質および点（ｘ，ｙ）を通る光線２１ａを第２の光線とするとき、これら第１および第２の光線の進行方向（光軸に対する傾き）は互いに異なる。さらに言い替えれば、第１および第２の光線の光路は、被検物４０内の点（ｘ，ｙ）において互いに交差する。
このように、本実施例では、第１および第２の計測ステップにおいて、参照光のＮＡを変更して、第１および第２の光線の進行方向を互いに異ならせる。これにより、各計測ステップにおいて、被検物４０を透過した後の参照光（透過光）を被検物４０に入射する前の参照光に比べて平行光に近づけるようにしている。
なお、本実施例にいう「透過光を平行光に近づける」とは、透過光が平行光であることが望ましいが、平行光でなくてもよいことを意味する。すなわち、わずかに発散又は収束する光であってもよい。この場合、透過光のうち、透過波面計測上の有効光束径（有効径）における光軸側（中心側）の５割以内の光が平行光となることが望ましい。
【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】
次に、以下の式（９）により、式（７）により得られた第１の透過波面Ｗ１と式（８）により得られた第２の透過波面Ｗ２から、被検物４０の形状誤差成分ｄＬ（ｘ，ｙ）を除去する。これにより、被検物４０の内部屈折率分布ＧＩを抽出することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
ここで、Ｌｅｆｆ（ｘ，ｙ）は、第１および第２の光線に沿った被検物４０の幾何学的厚みであるＬ１（ｘ，ｙ）とＬ２（ｘ，ｙ）から得られる実効的な被検物４０の厚み（実効的厚み）である。Ｌ１（ｘ，ｙ）がＬ２（ｘ，ｙ）と等しい、すなわち第１および第２の光線の進行方向（傾き）が一致するときは、Ｌｅｆｆ（ｘ，ｙ）はＬ１（ｘ，ｙ）およびＬ２（ｘ，ｙ）と等しくなる。
このように、被検物４０の実効的厚みＬｅｆｆ（ｘ，ｙ）は、光線追跡で得られたＬ１（ｘ，ｙ）とＬ２（ｘ，ｙ）を用いて算出できる。
最後に、ステップＳ３０およびステップＳ６０にて得られた第１および第２の透過波面Ｗ１，Ｗ２と、Ｌｅｆｆ（ｘ，ｙ）とを用いて、被検物４０の内部屈折率分布ＧＩを算出する（ステップＳ７０）。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
被検物４０からの透過光を平行光に近づけるために行われるステップＳ２０とステップＳ５０は、測定装置における様々な幾何学的誤差によって生じる被検物４０の屈折率分布の測定誤差を下げる効果を有する。例えば、ＣＣＤ６０に配置誤差があった場合の屈折率分布測定への影響を以下に述べる。
図４には、ＣＣＤ６０の配置位置が６０ａから６０ｂにずれた場合の光路長の変化を示している。図４（ａ）は透過光のＮＡが大きい場合を、図４（ｂ）は透過光のＮＡが小さい場合をそれぞれ示している。ΔＬ１ｄ（ｘ，ｙ）は、ＣＣＤ６０の配置誤差によって生じる光線２１ａの光路長の変化量である。このとき、ΔＬ１ｄ（ｘ，ｙ）とΔＬ１ｄ（０，０）の差分が屈折率分布に測定誤差として加算される。屈折率分布の測定誤差は、透過光のＮＡが大きくなるにつれて増加（ＮＡが小さくなるにつれて減少）し、透過光が完全な平行光である場合は０となる。
屈折率分布の測定誤差と透過光のＮＡとの関係は、ＣＣＤ６０だけではなく、第２のコリメータレンズ３１と被検物４０との間隔、被検物４０の厚み、被検物ケース４１の壁の厚みおよび被検物ケース４１の壁と被検物４０との間隔にも当てはまる。また、被検物４０と回折格子５０との間隔、Ｔａｌｂｏｔ距離および回折格子の周期の誤差にも当てはまる。
図５は、透過光のＮＡと屈折率分布の測定誤差との関係を、次のようなシミュレーション方法によって求めた結果を示している。
まず、ある屈折率分布（例えば、光軸上の中心から周辺に向かって二次関数的に変化する屈折率分布）を有する被検物を考える。次に、図１のように各光学素子を配置し、第２のコリメータレンズ３１と被検物４０との間隔を調整して、被検物４０からの透過光のＮＡをある値（例えば、ＮＡ＝０）に設定する。
そして、各光学素子に独立に配置誤差を与え、それぞれの屈折率分布を算出する。この屈折率分布は誤差を含んだ値になる。配置誤差が無い理想配置の場合の屈折率分布も別途算出しておき、配置誤差を与えた場合のそれぞれの屈折率分布との差分をとる。
このシミュレーション方法によって、例えばＣＣＤ６０に配置誤差を与えた場合の上記ΔＬ１ｄ（ｘ，ｙ）とΔＬ１ｄ（０，０）の差分に相当する量としての屈折率分布の誤差を算出することができる。さらに、各光学素子の場合において計算した差分量のルート二乗和をとることで、計測装置の屈折率分布の誤差（縦軸）を算出できる。同様の計算を、他のＮＡについても行い、横軸をＮＡとし、縦軸を計測装置の屈折率分布の誤差としてプロットすることで、図５のグラフが得られる。
また、図５は、被検物４０からの透過光のＮＡが小さくなるにつれて屈折率分布の測定誤差が減少していくことを示している。ＮＡが０．２以下になると、ＮＡに対する屈折率分布の誤差の勾配が小さくなり、ＮＡが０（平行光）のときに測定誤差が最小値となることがわかる。このため、被検物４０からの透過光をできるだけ平行光に近づけることで、高精度な屈折率分布計測が可能となる。
図６は、球面収差が大きい被検物からの透過光を示している。球面収差が大きい場合、図６（ａ）に示すように、ＮＡを０にすると被検物４０の中心付近を通る光線が互いに交差する場合がある。このとき、ＣＣＤ６０で受光した光線が被検物４０のどこを通ってきた光線かを判別することができない。このため、被検物４０の球面収差が大きい場合は、図６（ｂ）に示すように、被検物４０の中心部付近を通った透過光が平行光に近づくように照明光学系の配置を調整すればよい。例えば、前述したように、透過光のうち有効径における光軸側（中心側）の５割以内の光が平行光となるように照明光学系の配置を調整すればよい。
ただし、上述した図５より、少なくともＮＡに対する屈折率分布誤差の勾配が小さくなるようにＮＡを０．２以下として、屈折率分布を高精度に計測できるようにするのが望ましい。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
実施例１では、被検物４０を照明する照明光学系のうち被検物４０に最も近い光学素子の位置（該光学素子と被検物４０との間隔）を調整することで参照光のＮＡを変更する場合について説明した。これに対し、本発明の実施例２では、照明光学系のうち被検物４０に最も近い光学素子を交換することによって、参照光のＮＡを変更する。
図７には、本実施例の計測装置の構成を示す。被検物４０は負のパワーをもつレンズ等の光学素子である。また、２種類の媒質は、水（第１の媒質）とオイル（第２の媒質）である。
レーザ光源１０から射出されたレーザ光は、ピンホール２０を通ることで理想球面波となる。レーザ光は、第１および第２のコリメータレンズ３０，３１（３１′）を介して収束光に変換される。第２のコリメータレンズ３１（３１′）は、本実施例でも被検物４０を照明する照明光学系の被検物４０に最も近い光学素子であり、交換が可能である。収束光は、被検物ケース４１内に配置された被検物４０を通過する。被検物４０を透過した光（透過光）は、実施例１と同様に概ね平行光となる。そして、透過光の透過波面が、波面計測センサであるＴａｌｂｏｔ干渉計（回折格子５０およびＣＣＤ６０）により計測される。
まず、図７（ａ）に示したように、被検物ケース４１内に水を満たした状態で水中（第１の媒質中）に被検物４０を配置する（図２のステップＳ１０）。次に、被検物４０からの透過光が平行光に近づくように、適当なＦナンバーおよび口径を有する第２のコリメータレンズ３１をセットする（ステップＳ２０）。例えば、被検物４０からの透過光が発散光となっている場合は、Ｆナンバーが小さく、口径が大きい第２のコリメータレンズ３１に交換すればよい。この第２のコリメータレンズ３１の選択は、計測装置において透過光の光量分布を観察しながら行えばよい。光量分布の観察の代わりに、予め透過光が平行光に近づくように光学素子の配置を設計し、その設計値に基づいて第２のコリメータレンズ３１を選択してもよい。
そして、被検物ケース４１内の媒質が水である場合の第１の透過波面（波面収差）Ｗ１を、実施例１と同様の手順（ステップＡ）で求める（ステップＳ３０）。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
次に、図７（ｂ）に示すように、被検物ケース４１内にオイルを満たした状態で、オイル中（第２の媒質中）に被検物４０を配置する（ステップＳ４０）。オイルの屈折率は、水の屈折率と異なる。そして、被検物４０からの透過光が平行光に近づくように、第２のコリメータレンズ３１を、適当なＦナンバーおよび口径を有する第２のコリメータレンズ３１′に交換する（ステップＳ５０）。例えば、オイルの屈折率が水の屈折率よりも高い場合には、第２のコリメータレンズ３１よりもＦナンバーが大きく、口径が小さい第２のコリメータレンズ３１′を用いればよい。
次に、ステップＡにより、被検物ケース４１内の媒質がオイルの場合の第２の透過波面（波面収差）Ｗ２を求める（ステップＳ６０）。
最後に、式（９）を用いて、被検物４０の実効的厚みを計算し、さらに被検物４０の内部屈折率分布ＧＩを算出する（ステップＳ７０）。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
まず、被検物ケース４１内に被検物４０を設置する。そして、被検物４０からの透過光が平行光に近づくように、適当な屈折率を有する第１の媒質を被検物ケース４１内に入れる（図２のステップＳ１０，Ｓ２０）。例えば、被検物ケース４１内に第１の媒質を入れたときの透過光が発散光であった場合には、より高い屈折率を有する第１の媒質に入れ替える。また、被検物ケース４１内に第１の媒質を入れたときの透過光が収束光であった場合は、より低い屈折率を有する第１の媒質に入れ替えればよい。この媒質の入れ替えは、計測装置において透過光の光量分布を観察しながら行えばよい。光量分布の観察の代わりに、予め透過光が平行光に近づくように光学素子の配置を設計し、その設計値に基づいて第１の媒質を選択してもよい。
図８（ａ）は、被検物４０からの透過光が平行光に近づくように選択された第１の媒質がエタノールである場合を示している。そして、被検物ケース４１内の媒質がエタノールの場合の第１の透過波面（波面収差）Ｗ１を、実施例１と同様の手順（ステップＡ）で求める（ステップＳ３０）。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
次に、被検物ケース４１内に被検物４０を配置し、透過光が平行光に近づくように、適当な屈折率を有する第２の媒質を被検物ケース４１内に入れる（ステップＳ４０，Ｓ５０）。第２の媒質の屈折率は、第１の媒質の屈折率と異なる。しかし、第２のコリメータレンズ３１と被検物４０との光軸方向の間隔を変えない場合は、必然的に第１の媒質と第２の媒質の屈折率は近い値をとる。第１および第２の媒質は、同じ材料の温度を調整することで屈折率を変えたものでもよい。
図８（ｂ）は、第２の媒質が水の場合を示している。そして、ステップＡに従って、被検物ケース４１内の媒質が水の場合の第２の透過波面（波面収差）Ｗ２を求める（ステップＳ６０）。
最後に、式（９）を用いて、被検物４０の実効的厚みを計算し、さらにその内部屈折率分布ＧＩを算出する（ステップＳ７０）。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
ステップＳ２３０は、ステップＳ２２０で成形された光学素子の形状を計測し、その精度を評価するステップである。ステップＳ２３０にて評価された形状が、要求する精度を満足しなかった場合、ステップＳ２４０にて金型の補正量が算出され、ステップＳ２１０で再度金型を加工する。