(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が被検物とほぼ等しい試液内に被検物を保持するとともに相互に平行な入射窓と射出窓とを有するセルと、
該セルの外側に設けられセルの少なくとも一部を液体に浸す容器と、
上記セル内の被検物を光軸と直交する軸周りに回転自在に保持する支持手段と、
上記支持手段を回転させる駆動手段と、
上記液体を上記容器内との間で循環させる循環装置と、
上記容器の外周を覆う断熱部材とを有し、
上記セル、上記容器および上記断熱部材は、本体部を構成しており、
上記循環装置は、上記本体部の上記容器と管路で接続されており、
上記管路は、該管路の中間で、自動弁を備えたコネクタによって切り離し自在に接続されており、
上記本体部と上記循環装置とを、上記管路に設けた上記コネクタを介して分離可能にし、上記本体部を交換可能に構成したことを特徴とする被検物保持装置。
【請求項２】
上記循環装置が、上記液体の温度調節をする熱交換機を有することを特徴とする請求項１記載の被検物保持装置。
【請求項３】
上記断熱部材が、上記入射窓と射出窓とを通過する光束が遮蔽されないように容器を覆うことを特徴とする請求項１又は２記載の被検物保持装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の被検物保持装置と、光源からの可干渉光を参照波と被検物を透過する被検波とに分割し、両波を重ねて干渉させる干渉光学系とを有することを特徴とする屈折率分布測定装置。
【請求項５】
上記被検物保持装置と、上記干渉光学系とが同一基盤上にそれぞれ独立して設置されたことを特徴とする請求項４記載の屈折率分布測定装置。
【請求項６】
上記干渉光学系が、上記基盤の上に振動減衰の高い機構を介して載置されることを特徴とする請求項４又は５記載の屈折率分布測定装置。
【請求項７】
請求項４から６に記載されたいずれか１つの屈折率分布測定装置に対し、請求項１から３のいずれかに記載された被検物保持装置を複数設けたことを特徴とする屈折率分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉縞の解析により被検物の屈折率分布を３次元的に測定する技術に関し、特に、被検物を屈折率がほぼ等しい試液内に保持する被検物保持装置と、この被検物保持装置を用いた屈折率分布測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザプリンタやカメラなどの光学機器に使用される光学レンズの材料としてプラスチックを用いることが多くなっている。プラスチック成形レンズはガラス研磨レンズに比較して、コスト低減や非球面レンズの製作性に優れ、安価であるというメリットがある。
【０００３】
しかし、その反面、ガラスレンズに比べ製造上、屈折率分布が不安定でレンズの内部に不均一性を生じることがある。レンズ内部に不均一性があると、光学特性に大きな影響を及ぼし、画質の劣化やボケといった原因につながる。従って、レンズ内部の屈折率分布を高精度に測定し、光学レンズの均質性を評価する必要がある。
【０００４】
そこで、本発明の出願人は、先願の特願平６−２０３５０２号において、被検物を試液中に浸した状態で光軸と直交する軸を中心に回転させ、複数の回転角位置の各々で干渉縞の解析を行い、これらの干渉縞から透過波面量を算出し、これを一次フーリエ変換し、さらに、二次元逆フーリエ変換を行って屈折率の分布を求める方法を提案した。
【０００５】
図７を用いて具体的に説明する。同図の装置は、マハツェンダ型の干渉計を基本構成としており、可干渉光としてのレーザ光を射出する光源１と、ビームエキスパンダ３と、光束分割用のビームスプリッタ５と、２つの反射ミラー７、９と、光束重畳用のビームスプリッタ１１と、結像レンズ１３と、ＣＣＤなどからなる干渉縞検出器１５と、高速画像処理装置、マイクロコンピュータなどからなる演算処理装置１７とを備えている。以上の構成のうち、光源１から結像レンズ１３までで、干渉計を構成している。
【０００６】
光源１より出射するレーザ光は、ビームエキスパンダ３によって光束径を拡大され、ビームスプリッタ５によってこれを直進して参照波ａとなるレーザ光束と、直角に屈折して被検物Ａとしての位相物体を透過する被検波ｂとなるもう一つのレーザ光束とに分割される。参照波ａと被検波ｂとは、ほぼ１：１となるようになっている。
【０００７】
反射ミラー７は、ピエゾ素子などによる電気−変位変換素子１９により支持され、位相シフト法による干渉縞解析を行うために、参照波ａの光路長を波長以下のオーダで変更できるものである。
【０００８】
参照波ａは反射ミラー７で反射され、ビームスプリッタ１１に達し、他方の被検波ｂは、被検物Ａを透過して反射ミラー９で反射され、ビームスプリッタ１１に達して参照波ａと重なり合うが、電気−変位変換素子１９により参照波ａと被検波ｂとの光路長には、ｎπ／２の位相の差ができるように調整される。
【０００９】
参照波ａと被検波ｂは重畳され、ビームスプリッタ１１から射出されて結像レンズ１３に入射し、干渉縞検出器１５の撮像面に干渉縞を結像する。干渉縞検出器１５にはリニアＣＣＤやアレイ状のセンサを用いる。
【００１０】
被検物Ａの屈折率は空気の屈折率とはかなり相違しており、被検物の入射面と射出面とが平行でない限り、被検物Ａを透過した被検波ｂは、不規則に収束・発散する。一方、干渉計で干渉縞を結像させるには、被検波ｂは、ほぼ平行な光束となっていなければならない。そこで、被検物Ａがどのような形状であっても、被検物Ａを透過した被検波ｂがほぼ平行光束になるために、次のような構成としている。
【００１１】
すなわち、被検物Ａは、被検波ｂの光路の途中に設けられた容器状のセル２１内に設置する。セル２１内には、その屈折率が被検物Ａの屈折率とほぼ同一に調合された試液Ｂを満たしてある。なお、被検物Ａは、支持手段２３に把持され、支持手段２３は、図示しないサーボモータなどにより、被検波ｂに対して直交する軸を中心に任意の角度だけ回転自在である。セル２１の両端、すなわち、被検波ｂの入射窓２５と射出窓２７は互いに平行で、かつ、それぞれに面精度が高いオプチカルフラット２８，２９を取り付けて液密にシールドしている。したがって、被検物Ａと試液Ｂで充填されたセル２１は、全体として均一な屈折率の物体となり、かつ、入射面と射出面とが平行なので、セル２１内を透過した被検波ｂは、ほぼ平行な光束となって射出されるようになる。
【００１２】
干渉縞像は、干渉縞検出器１５で検出され、光電変換されて電気的な画像信号となり、Ａ／Ｄ変換器２０によってＡ／Ｄ変換された後、演算処理装置１７に入力される。なお、演算処理装置１７は、位相シフト法などによる干渉縞像の解析によって透過波面の計測演算を行う透過波面計測部１８を含んでいる。
【００１３】
次に上述の構成よりなる測定装置を利用して被検物Ａの屈折率を計測する方法を説明する。
まず、被検物Ａを支持手段２３にセットしない状態で、干渉縞検出器１５が出力する干渉縞像の画像信号を演算処理装置１７に取り込んで演算処理装置内部の透過波面計測部１８により干渉縞像の解析を行い、初期状態の透過波面の計測をする。この計測結果に基づいて測定装置自身の定常的な誤差成分を排除する初期処理を行う。
【００１４】
次に、支持手段２３に被検物Ａをセットし、支持手段２３がθ＝０の位置（基準となる位置）で干渉縞検出器１５の撮像面に干渉縞を結像し、干渉縞検出器１５が出力する干渉縞像の画像信号を演算処理装置１７に取り込んで干渉縞像の解析を行う。
【００１５】
支持手段２３が初期回転位置にある透過波面の計測では、干渉縞像の解析結果は被検物Ａの厚み方向（光軸方向）に積算されており、これだけでは屈折率の不均一部分の空間的な位置を特定することができない。
【００１６】
そこで、支持手段２３を初期回転位置より、矢印に示すように、所定角度回転させ、支持手段２３上の被検物Ａを被検波ｂの光軸に対して変化させる。このように被検物Ａが回転変位しても干渉縞像は干渉縞検出器１５の撮像面に結像する。この状態下にて干渉縞検出器１５が出力する干渉縞像の画像信号を演算処理装置１７に取り込んで透過波面の計測をする。こうしてたとえば、１゜刻みで１８０゜（π）あるいは３６０゜（２π）の方向から複数回に渡って干渉縞を形成し、この透過波面を計測して、コンピュータ、すなわち、演算処理装置１７上で再合成する。この画像の再構成は、公知のＸ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）解析の手法を用いて行うことができる。
【００１７】
図８はＣＴ法の原理を示すものであり、角度θから入射した被検波による透過波面のデータｐ（ｘ，θ）を変数ｘについて一次元フーリエ変換すれば、求めるべき屈折率の分布Δｎ（ｘ，ｙ）の二次元フーリエ変換の極座標表現におけるθ方向成分が得られる。
【００１８】
すなわち、０≦θ≦２π又は０≦θ≦πの角度範囲にわたって透過波面を計測し、その透過波面データを一次元フーリエ変換し、フーリエ変換された各断面の極座標データＰ（ｘ，θ）を直交座標データに変換し、その後二次元逆フーリエ変換し、さらに屈折率に変換する、ことにより被検物Ａの三次元屈折率分布を再構成することができる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の屈折率分布測定方法によれば、被検物Ａとしての位相物体を浸す試液Ｂは、装置のまわりの空気やレーザによる発熱などの影響を受け、その温度が徐々に上昇する。そして、温度が変化すれば試液Ｂの屈折率も変化する。このとき、温度変化が小さければ屈折率の変化も小さく、引き続いて干渉縞の測定も可能である。しかし、温度変化が大きくなると、屈折率の変化が大きくなり、被検物を透過した被検波ｂの平行度が乱れ、干渉縞の結像が困難になる。
【００２０】
したがって、測定中の試液Ｂの温度変化を一定の範囲内に制御し、試液の屈折率と被検物の屈折率の差を小さく保てるようにすることが重要である。できれば、測定中の試液の温度を一定に保っておきたい。しかし、上記の熱源は、装置に不可欠のものでもあり、試液の温度変化を一定の範囲内に保つこととは二律背反の関係になる。
本発明は、上記の事実から考えられたもので、試液の温度を一定に制御することができる被検物保持装置を提供することを目的としている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の被検物保持装置は、屈折率が被検物とほぼ等しい試液内に被検物を保持するとともに相互に平行な入射窓と射出窓とを有するセルと、該セルの外側に設けられセルの少なくとも一部を液体に浸す容器と、上記セル内の被検物を光軸と直交する軸周りに回転自在に保持する支持手段と、上記支持手段を回転させる駆動手段と、上記液体を上記容器内との間で循環させる循環装置と、上記容器の外周を覆う断熱部材とを有し、上記セル、上記容器および上記断熱部材は、本体部を構成しており、上記循環装置は、上記本体部の上記容器と管路で接続されており、上記管路は、該管路の中間で、自動弁を備えたコネクタによって切り離し自在に接続されており、上記本体部と上記循環装置とを、上記管路に設けた上記コネクタを介して分離可能にし、上記本体部を交換可能に構成したことを特徴としている。
【００２２】
また、上記循環装置が、上記液体の温度調節をする熱交換機を有する構成としたり、上記断熱部材が、上記入射窓と射出窓とを通過する光束が遮蔽されないように容器を覆う構成としたりすることができる。
【００２３】
上記の目的を達成するための本発明の屈折率分布測定装置は、上記のいずれか１つに記載の被検物保持装置と、光源からの可干渉光を参照波と被検物を透過する被検波とに分割し、両波を重ねて干渉させる干渉光学系とを有することを特徴としている。
【００２４】
また、上記被検物保持装置と、干渉光学系とが同一基盤上にそれぞれ独立して設置された構成としたり、上記干渉光学系が、上記基盤の上に振動減衰の高い機構を介して載置される構成とすることができる。
また、上記いずれか１つの屈折率分布測定装置にたいし、上記いずれかに記載された被検物保持装置を複数設けた構成としてもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は本発明の屈折率分布測定装置の外観を示す図である。図１において、基盤１００は上面が水平になるように設置された台で、その上に、図７に示す干渉光学系２００が設置されている。干渉光学系２００は、具体的には、図７で説明した干渉計、すなわち、光源１から結像レンズ１３までであるが、この実施例ではさらに、干渉縞検出器１５も含んでいる。そして、これらの部分が１つのユニットとして箱状に組み込まれたものである。
箱状の干渉光学系２００には凹部があり、ここに被検物保持装置３００の本体部３０１を載置する。
【００２６】
図２は、この本体部３０１の内部構造を示す図である。被検物Ａはセル２１内に収容され、支持手段２３に吊り下げられ、被検波ｂと直交する軸（支持手段２３の軸）を中心として回動自在になっている。駆動手段３０２は、干渉光学系２００の上に立設された支持体３０３に取り付けられ、カプリング２２により支持手段２３と結合し、ここで上下が分離できる。駆動手段３０２としては、被検物Ａに１°程度といった微小な角度の回転を与えることができるように、ステッピングモータを使用することが望ましい。
【００２７】
セル２１内には試液Ｂが満たされている。そして、セル２１は、入射窓２５と射出窓２７の設けられた面以外を容器３１で覆われ、この容器３１内に液体Ｃが充填されている。
【００２８】
さらに、容器３１の外側には、容器３１との間に空間が形成されるように外箱４１を設け、その空間内に断熱部材４２を充填している。外箱４１と断熱部材４２は、セル２１の入射窓２５と射出窓２７とに対向する部分が窓４１ａとなっている。
【００２９】
容器３１内の液体Ｃは、外箱４１に形成された入口４１ｂと出口４１ｃに接続された管路５１，５２によって循環装置３０４に接続される。管路５１，５２の中間には、コネクタ５３，５３が設けられ、ここで管路５１，５２を自在に切断することができる。循環装置３０４は、容器３１内の液体Ｃを循環するためのポンプと、液体Ｃを所定の温度に加熱又は冷却するための熱交換機とを有する。以上の構成によって、容器３１内の液体Ｃは常時循環され、均一な温度分布となり、試液Ｂの温度分布をも一定に保つことができるようになる。
【００３０】
しかしながら、液体Ｃの循環を続けると、外気の影響によって、液体Ｃ自身の温度が変化し、試液Ｂの温度を変化させてしまう。そこで、本発明の実施例では、外箱４１を設けて断熱部材４２で覆った。この場合、容器３１の全体を断熱部材４２で覆うことが望ましいのではあるが、入射窓２５や射出窓２７のオプチカルフラットの部分は覆うことはできないので、ここに窓４１ａを開け、外気温の影響を極力排除できるようにした。さらに、管路５１，５２や循環装置３０４もその外側を断熱部材で覆っておくとよい。
【００３１】
被検物Ａの屈折率の測定が行われている間、循環装置３０４は液体Ｃを循環させる。液体Ｃとして水を使用すれば、水は、安価で入手し易く、また、空気などに比べて熱容量が大きく、適当な加熱・冷却手段によって任意の温度に設定することができ、試液Ｂを短時間で所望の温度範囲内に保つことが可能となる。
【００３２】
実施例では液体Ｃを循環させているが、条件によっては、静止した水でも目的を達成することができる。また、セル２１は、その全体が液体Ｃ内に浸かっているが、一部のみ液体Ｃと接触させるようにしてもよい。
【００３３】
ところで、循環装置３０４で液体Ｃを循環させる場合、液体Ｃの流動に伴って振動が発生し、その振動が干渉光学系２００に伝わると、正確な測定ができなくなってしまう。
【００３４】
そこで、本発明の実施例では、流動する液体Ｃの入った被検物保持装置３００と、干渉光学系２００とを縁を切って基盤１００上に載置し、図３に示すように、基盤１００上に振動減衰効果の高い機構６０を設置し、これによって干渉光学系２００を支持する構成としている。この構成によって、被検物保持装置３００内で液体Ｃが流動して振動が発生しても、その振動が干渉光学系２００には伝わらないようになった。
【００３５】
図４は、振動減衰効果の高い機構６０の構成例を示すものである。同図に示すように、この機構６０は、ダッシュポット６０ａとばね６０ｂとで構成され、通常の緩衝器と同じ構成である。ダッシュポット６０ａは、振動のエネルギーをダッシュポット内の液体の粘性により熱エネルギーに変化させて散逸させる。一方、ばね６０ｂは、外乱振動の周波数と、基盤１００の周波数が一致して共振が起こらないように系の固有振動数を適当な振動数へとシフトさせる。すなわち、循環装置３０４から送られてくる液体Ｃの流動に伴って発生する振動が、被検物保持装置３００から基盤１００に伝わっても、基盤１００から干渉光学系２００には伝達されないようになる。このため、干渉光学系２００は常に安定した観測を継続できる。
【００３６】
複数個の被検物を用意し、それらを順番に測定する場合、被検物を順番にセル２１内の試液Ｂに浸し、目的の温度に到達させるには、長い時間が必要となる。そこで、測定を効率よく行うために、被検物を予め目的の温度にしておくことが望ましい。たとえば、測定装置とは別に用意され温度管理されている試液内に被検物を入れておき、測定を行う被検物のみをそこから取り出してセル内にセットする方法が考えられる。
【００３７】
しかしながら、この方法では、被検物を移動する際に外気温度の影響により、被検物の温度が目的の温度と異なる温度に変化してしまう。また、セル２１内に被検物を挿入するために、セル２１の一部を開放する必要があるが、その際に、セル内の試液Ｂの温度が外気の影響を受けて変化してしまい、セル内に被検物をセットし、目的の温度に戻すには、かなりの時間が掛かってしまう。
【００３８】
そこで、図５に示すように、セル２１から外箱４１までを一体化した本体部３０１と循環装置３０４とを管路５１，５２で接続した被検物支持装置を３００，３００′……のように、複数個用意しておき、各セットのセル２１内に被検物Ａを取り付け、目的温度に管理した状態にしておき、測定時にこれらを交換するようにする。そうすれば、１つの被検物の測定を終え、次の被検物を測定する際の時間を短縮することができる。
【００３９】
ただし、一般的には、循環装置３０４は内部に電動機付きポンプや、熱交換機等が収納されているので、重量が非常に重い。そのため、被検物を交換する際に、循環装置３０４も交換するのは、作業性が悪い。
【００４０】
そこで、図１の実施例では、管路５１，５２にコネクター５３，５３を設け、本体部３０１と循環装置３０４とを分離可能にし、被検物を交換する際には、本体部３０１のみを交換すればよいようにしている。
【００４１】
コネクター５３は、切り離されると自動的に閉じ、接合されると自動的に開く自動弁を有している。
図６によりこの自動弁を説明する。コネクター５３は雌コネクター５３ａと雄コネクター５３ｂとからなるが、雌コネクターにはすり鉢型の弁座５３ａ１と、この弁座に接離する弁体５３ａ２と、弁体を弁座に向けて付勢するばね５３ａ３とが設けられている。他方の雄コネクターにも同様の弁座５３ｂ１と、弁体５３ｂ２と、ばね５３ｂ３とが設けられている。
【００４２】
図６（ａ）に示すように、雌雄のコネクター５３ａ，５３ｂが切り離されると、弁体５３ａ２，５３ｂ２はばね５３ａ３と５３ｂ３とによって弁座５３ａ１，５３ｂ１に圧接させられて弁が閉じられ、液体Ｃの漏れを自動的に防止する。
【００４３】
図６（ｂ）に示すように、雌雄のコネクター５３ａ，５３ｂが接続されると、弁体５３ａ２，５３ｂ２は相互に押し合って弁座から離れ、液体Ｃを自動的に流動させることができる。
【００４４】
駆動手段３０２はステッピングモータであるから、駆動することによって、熱が発生する。駆動手段３０２の熱が液体Ｃに伝わり易く、液体の温度を一定に保ちにくい。そこで、駆動手段３０２と支持手段２３とは、プラスチック等の熱伝導性の悪い素材で接続したり、支持手段自身を熱伝導性の悪い素材で形成するようにしている。そのような構成とすることによって、駆動手段５１の熱が液体Ｃに伝わりにくくなり、液体Ｃの温度を一定に保ち易くなる。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明の被検物保持装置は、上記構成により、試液が外気に触れることを防止して試液の温度変動を防止するとともに、液体の漏れを防ぐことで液体および試液の温度を一定に保ち易くし、もって被検物を所望の温度に容易に維持することができ、安定した屈折率分布の測定が可能となり、また被検物を交換する際には本体部自体を交換すればよいため、循環装置を移動する必要がなく、これにより被検物とともに試液の交換が可能となり、被検物交換時の作業性も向上する。循環装置に、上記液体の温度を制御する熱交換機を設ければ、さらに確実な温度制御が可能になる。
【００４７】
上記管路の切り離し部がコネクターからなり、該コネクターが接続されると開き切り離されると閉じる自動弁を有する構成にすれば、管路を切り離しても、液体が漏れることがなく、液体の温度を一定に保ち易くなる。
【００４８】
被検物保持装置と、干渉光学系とが同一基盤上にそれぞれ独立して設置され、干渉光学系が、上記基盤の上に振動減衰の高い機構を介して載置される構成とすれば、液体の循環による振動が生じても、干渉光学系には影響を与えることなく測定することができる。
【００４９】
本発明のいずれか１つの屈折率分布測定装置にたいし、本発明のいずれかの被検物保持装置を複数設けた構成とすれば、測定に先だって予備となる被検物保持装置に被検物をセットして所定の温度に保持しておくことができ、複数の被検物を測定する場合に能率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の屈折率分布測定装置の全体を示す斜視図である。
【図２】被検物保持装置の要部の構成を説明する図で、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は正面断面図である。
【図３】本発明の屈折率分布測定装置において、干渉光学系の支持構造を示す図である。
【図４】振動減衰の高い機構の構成を示す図である。
【図５】複数の被検物保持装置を示す斜視図である。
【図６】コネクターの構成を示す断面図である。
【図７】従来の屈折率分布測定装置の構成を示す図である。
【図８】ＣＴ解析の原理を説明する図である。
【符号の説明】
Ａ      被検物
Ｂ      試液
Ｃ      液体
２１    セル
２３    支持手段
２５    入射窓
２７    射出窓
３１    容器
４１    外箱
４２    断熱部材
５１，５２    管路
５３    コネクター
６０    振動減衰の高い機構
１００    基盤
２００    干渉光学系
３０２    駆動手段
３０４    循環装置
【図１】
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【図２】
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【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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