DE112014003029T5

DE112014003029T5 - Verfahren zum Messen eines Brechungsindex, Brechungsindexmesseinrichtung, und Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements

Info

Publication number: DE112014003029T5
Application number: DE112014003029.5T
Authority: DE
Inventors: Tomohiro Sugimoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2016-03-31
Also published as: JP6157240B2; TWI521195B; WO2014208572A1; CN105339778A; JP2015010921A; US20160153901A1; TW201502491A

Abstract

Der Brechungsindex eines Testobjekts wird mit hoher Präzision gemessen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen eines Brechungsindex eines Testobjekts durch Aufteilen von Licht aus einer Lichtquelle in Testlicht und Referenzlicht und Messen eines Interferenzlichts, das sich aus einer Interferenz zwischen dem Referenzlicht und dem Testlicht, das durch das Testobjekt transmittiert wird, ergibt. In dem Verfahren ist das Testobjekt in einem Medium angeordnet, dessen Gruppenbrechungsindex gleich einem Gruppenbrechungsindex des Testobjekts bei einer bestimmten Wellenlänge ist, Interferenzlicht wird gemessen, die bestimmte Wellenlänge wird basierend auf einer Wellenlängenabhängigkeit einer Phasendifferenz zwischen dem Testlicht und dem Referenzlicht bestimmt, und der Gruppenbrechungsindex des Mediums entsprechend der bestimmten Wellenlänge wird als der Gruppenbrechungsindex des Testobjekts entsprechend der bestimmten Wellenlänge berechnet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen eines Brechungsindex und eine Brechungsindexmesseinrichtung. Genauer ist die vorliegende Erfindung nützlich zum Messen des Brechungsindex eines optischen Elements, das durch Formen („molding”) produziert wird.
Stand der Technik
Der Brechungsindex einer geformten Linse ändert sich gemäß einer Formbedingung. Im Allgemeinen wird der Brechungsindex einer geformten Linse durch ein Verfahren eines minimalen Abweichungswinkels oder eines V-Blockverfahrens gemessen, nachdem die Linse in die Form eines Prismas bearbeitet wurde. Dieser Bearbeitungsvorgang ist fehleranfällig, und es ist teuer ihn durchzuführen. Ferner ändert sich der Brechungsindex der Linse nach dem Formen aufgrund des Freisetzens einer Spannung während des Bearbeitungsvorgangs. Deswegen wird eine Technologie für ein nicht-zerstörendes Messen des Brechungsindex einer geformten Linse benötigt.
PTL 1 diskutiert ein Verfahren, bei dem ein Testobjekt, dessen Phasenbrechungsindex und Form unbekannt sind, und eine Glasprobe, deren Phasenbrechungsindex und Form bekannt sind, in zwei Typen von Phasenbrechungsindexanpassungsflüssigkeiten eingetaucht werden, Interferenzstreifen unter Verwendung von kohärentem Licht gemessen werden, der Phasenbrechungsindex von Öl aus den Interferenzstreifen der Glasprobe gemessen wird, und der Phasenbrechungsindex des Testobjekts unter Verwendung des Phasenbrechungsindex des Öls berechnet wird. In NPL 1 wird das folgende Verfahren beschrieben. Das heißt, in dem Verfahren wird ein Interferenzsignal, das sich aus einer Interferenz zwischen Referenzlicht und Testlicht ergibt, als eine Funktion einer Wellenlänge gemessen, eine bestimmte Wellenlänge, deren Phasendifferenzen Extremwerte sind, wird berechnet, und der Brechungsindex wird unter Verwendung eines Models berechnet, das an das Interferenzsignal angepasst wird.
In dem in PTL 1 offenbarten Verfahren wird nur ein kleines Signal beim Messer einer transmittierten Wellenfront des Testobjekts mit einem hohen Phasenbrechungsindex erhalten, weil die Transmittanz des Anpassöls mit einem hohen Phasenbrechungsindex niedrig ist. Deswegen ist die Messpräzision reduziert.
In dem in NPL 1 offenbarten Verfahren ist ein Offsetausdruck (ein Ausdruck, der ein ganzzahliges Vielfaches von 2π ist) der Phase des Interferenzsignals unbekannt. Deswegen ist die Anpassungspräzision reduziert. Ferner ist es notwendig, die Dicke des Testobjekts zu kennen.
Referenzliste
Patentliteratur

PTL 1 US Patentnummer 5151752

Nicht-Patentliteratur

NPL 1 High-precision index measurement in anisotropic crystals using white-light spectral interferometry (applied physics B, 2000, vol. 70, pp. 45–51) by H. Delbarre, C. Przygodski, M. Tassou, and D. Boucher

Zusammenfassung der Erfindung
Lösung des Problems
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Messen eines Brechungsindex eines Testobjekts durch Aufteilen von Licht von einer Lichtquelle in Testlicht und Referenzlicht, Einführen des Testlichts in das Testobjekt und Messen eines Interferenzlichts, das sich aus einer Interferenz zwischen dem Referenzlicht und dem Testlicht, das durch das Testobjekt transmittiert wurde, ergibt, bereit. Das Verfahren enthält Schritte des Messens eines Interferenzlichts, das aus einer Interferenz zwischen einem Testlicht, das durch das Testobjekt und das Medium transmittiert wurde, und eines Referenzlicht, das durch das Medium transmittiert wurde, durch Anordnen des Testobjekts in einem Medium, dessen Gruppenbrechungsindex gleich einem Gruppenbrechungsindex des Testobjekts bei einer bestimmten Wellenlänge ist; Bestimmen der bestimmten Wellenlänge basierend auf einer Wellenlängenabhängigkeit einer Phasendifferenz zwischen dem Testlicht und dem Referenzlicht; und Berechnen des Gruppenbrechungsindex des Mediums entsprechend der bestimmten Wellenlänge als dem Gruppenbrechungsindex des Testobjekts, der der bestimmten Wellenlänge entspricht.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements bereit. Das Verfahren enthält Schritte des Formens des optischen Elements und Auswertens des geformten optischen Elements durch Messen eines Brechungsindex des optischen Elements unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zum Messen eines Brechungsindex.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Brechungsindexmesseinrichtung bereit, die enthält: eine Lichtquelle; ein optisches Interferenzsystem, das konfiguriert ist, Licht von der Lichtquelle in Testlicht und Referenzlicht aufzuspalten, das Testlicht in ein Testobjekt einzuführen, und dafür zu sorgen, dass das Referenzlicht und das Testlicht, das durch das Testobjekt transmittiert wurde, miteinander interferieren; eine Erfassungseinheit, die konfiguriert ist, Interferenzlicht, das aus der Interferenz zwischen dem Testlicht und dem Referenzlicht resultiert, zu erfassen; und eine Berechnungseinheit, die konfiguriert ist, einen Brechungsindex des Testobjekts unter Verwendung eines Interferenzsignals zu berechnen, das von der Erfassungseinheit ausgegeben wird. Das Testobjekt ist in einem Medium angebracht, dessen Gruppenbrechungsindex gleich einem Gruppenbrechungsindex des Testobjekts bei einer bestimmten Wellenlänge ist. Das optische Interferenzsystem ist ein optisches System, das dafür sorgt, dass ein Testlicht, das durch das Testobjekt und das Medium transmittiert wird, und ein Referenzlicht, das durch das Medium transmittiert wird, miteinander interferieren. Die Berechnungseinheit bestimmt die bestimmte Wellenlänge basierend auf einer Wellenlängenabhängigkeit einer Phasendifferenz zwischen dem Testlicht und dem Referenzlicht und berechnet den Gruppenbrechungsindex des Mediums entsprechend der bestimmten Wellenlänge als den Gruppenbrechungsindex des Testobjekts, der der bestimmten Wellenlänge entspricht.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen offenbart.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm einer Brechungsindexmesseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Flussdiagramm einer Prozedur zum Berechnen eines Gruppenbrechungsindex eines Testobjekts unter Verwendung der Brechungsindexmesseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3A ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Phasenbrechungsindex und einer Wellenlänge eines Testobjekts und eines Mediums zeigt.
3B ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Gruppenbrechungsindex und einer Wellenlänge für das Testobjekt und das Medium zeigt.
4A und 4B sind Graphen, die jeweils ein Interferenzsignal zeigen, das mit einem Detektor der Brechungsindexmesseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erhalten wurde.
5 ist ein Blockdiagramm einer Brechungsindexmesseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Blockdiagramm einer Brechungsindexmesseinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
7 illustriert die Produktionsschritte eines Verfahrens zum Produzieren eines optischen Elements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Weiteren mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 ist ein Blockdiagramm einer Brechungsindexmesseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Brechungsindexmesseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel enthält ein Mach-Zehnder-Interferometer. In dem ersten Ausführungsbeispiel wird durch Platzieren eines Testobjekts in einem Medium (wie z. B. Öl) mit einem Gruppenbrechungsindex, der gleich dem Gruppenbrechungsindex des Testobjekts bei einer bestimmten Wellenlänge ist, die Dicke des Testobjekts entfernt, um den Gruppenbrechungsindex des Testobjekts zu messen.
Brechungsindizes enthalten einen Phasenbrechungsindex N_p(λ), der sich auf eine Phasengeschwindigkeit v_p(λ) bezieht, die die Geschwindigkeit der Bewegung einer gleichphasigen Oberfläche des Lichts ist, und einen Gruppenbrechungsindex N_g(λ), der sich auf eine Bewegungsgeschwindigkeit V_g(λ) der Lichtenergie (Bewegungsgeschwindigkeit eines Wellenpakets) bezieht. Es ist möglich, diese Brechungsindizes ineinander unter Verwendung von der unten beschriebenen Formel 6 umzuwandeln.
In dem Ausführungsbeispiel ist das Testobjekt eine Linse mit einer negativen Brechkraft (Kehrwert der Brennweite). Weil die Brechungsindexmesseinrichtung den Brechungsindex des Testobjekts misst, kann das Testobjekt eine Linse oder eine flache Platte sein, und muss nur ein brechendes optisches Element sein.
Die Brechungsindexmesseinrichtung enthält eine Lichtquelle 10, ein optisches Interferenzsystem, einen Behälter 60, der in der Lage ist, ein Medium 70 und ein Testobjekt 80 zu enthalten, einen Detektor 90 und einen Computer (Berechnungseinheit) 100. Die Brechungsindexmesseinrichtung misst den Brechungsindex des Testobjekts 80.
Die Lichtquelle 10 ist eine Lichtquelle mit einem breiten Wellenlängenband (wie z. B. einer Superkontinuumlichtquelle). Das optische Interferenzsystem spaltet das Licht von der Lichtquelle 10 in Licht auf, das nicht durch das Testobjekt transmittiert wird (Referenzlicht), und Licht, das durch das Testobjekt transmittiert wird (Testlicht), verursacht, dass das Referenzlicht und das Testlicht einander überlagert werden und miteinander interferieren, und leitet das Interferenzlicht zu dem Detektor 90. Das optische Interferenzsystem enthält Strahlteiler 20 und 21, und Spiegel 30, 31, 40, 41, 50 und 51.
Die Strahlteiler 20 und 21 sind z. B. würfelförmige Strahlteiler. Eine Schnittfläche (Verbindungsoberfläche) 20a des Strahlteilers 20 transmittiert einen Teil des Lichts von der Lichtquelle 10 und reflektiert zur selben Zeit den restlichen Teil des Lichts von der Lichtquelle 10. Der Teil des Lichts, der durch die Schnittfläche 20a transmittiert wird, wird das Referenzlicht, und der Teil des Lichts, der durch die Schnittfläche 20a reflektiert wird, wird das Testlicht. Eine Schnittfläche 21a des Strahlteilers 21 reflektiert einen Teil des Referenzlichts und transmittiert einen Teil des Testlichts. Als ein Ergebnis interferieren das Referenzlicht und das Testlicht miteinander, sodass Interferenzlicht gebildet wird. Das Interferenzlicht tritt hin zu dem Detektor 90 aus.
Der Behälter 60 enthält das Medium 70 und das Testobjekt 80. Es ist wünschenswert, dass eine optische Pfadlänge des Referenzlichts und eine optische Pfadlänge des Testlichts in dem Behälter dieselben sind, wenn das Testobjekt nicht in dem Behälter angebracht ist. Deswegen ist es wünschenswert, dass die Dicke und die Brechungsindizes der Seitenflächen des Behälters 60 (z. B. Glas) einheitlich sind, und das beide Seitenoberflächen des Behälters 60 parallel zueinander sind. Der Behälter 60 enthält einen Temperaturregulationsmechanismus (Temperaturregulationseinheit) und ist in der Lage, z. B. eine Änderung in der Temperatur des Mediums und der Temperaturverteilung des Mediums zu steuern.
Der Brechungsindex des Mediums 70 wird unter Verwendung einer Mediumbrechungsindexberechnungseinheit (nicht gezeigt) berechnet. Die Mediumbrechungsindexberechnungseinheit enthält z. B. eine Temperaturmesseinheit, die die Temperatur des Mediums misst, und einen Computer, der die gemessene Temperatur in den Brechungsindex des Mediums umwandelt. Genauer muss die Mediumbrechungsindexberechnungseinheit nur einen Computer enthalten, der mit einem Speicher versehen ist, der Brechungsindizes bei verschiedenen Wellenlängen bei einer bestimmten Temperatur und Temperaturkoeffizienten der Brechungsindizes bei den verschiedenen Wellenlängen speichert. Dies ermöglicht es, dem Computer, unter Verwendung der Temperatur des Mediums 70, die durch die Temperaturmesseinheit gemessen wird, den Brechungsindex des Mediums 70 bei jeder Wellenlänge bei der gemessenen Temperatur zu berechnen. Wenn die Änderung in einer Temperatur des Mediums 70 klein ist, kann eine Nachschautabelle verwendet werden, die Brechungsindexdaten bei jeder Wellenlänge bei einer bestimmten Temperatur angibt. Die Mediumbrechungsindexberechnungseinheit enthält ein Glasprisma (Referenztestobjekt), dessen Brechungsindex und Form bekannt sind, einen Wellenfrontmesssensor (Wellenfrontmesseinheit), der eine transmittierte Wellenfront des Glasprismas misst, das in dem Medium angebracht ist, und einen Computer, der den Brechungsindex des Mediums aus der transmittierten Wellenfront und dem Brechungsindex und der Form des Glasprismas berechnet. Die Mediumbrechungsindexberechnungseinheit kann einen Phasenbrechungsindex oder einen Gruppenbrechungsindex messen.
Die Spiegel 40 und 41 sind z. B. prismatische Spiegel. Die Spiegel 50 und 51 sind z. B. Würfeleckenreflektoren. Der Spiegel 51 ist mit einem Antriebsmechanismus für Antriebsvorgänge in den Richtungen eines Doppelpfeils in 1 versehen. Zum Beispiel enthält der Antriebsmechanismus des Spiegels 51 ein Gestell mit einem weiten Antriebsbereich und ein piezoelektrisches Element mit einer hohen Antriebsauflösungsgüte. Die Antriebsmenge des Spiegels 51 wird durch eine Längenmesseinheit (nicht gezeigt) gemessen, wie z. B. einer Laserlängenmesseinheit oder einem Encoder. Das Antreiben des Spiegels 51 wird durch den Computer 100 gesteuert. Die Differenz zwischen der optischen Pfadlänge des Referenzlichts und der optischen Pfadlänge des Testlichts kann durch den Antriebsmechanismus des Spiegels 51 angepasst werden.
Der Detektor 90 enthält z. B. ein Spektrometer, das das Interferenzlicht von dem Strahlteiler 21 spektral dispergiert und die Intensität des Interferenzlichts als eine Funktion einer Wellenlänge (Frequenz) erfasst.
Der Computer 100 fungiert als eine Berechnungseinheit, die den Brechungsindex des Testobjekts 80 unter Verwendung des Interferenzsignals, das aus dem Detektor 90 ausgegeben wird, berechnet, und als eine Steuereinheit, die die Antriebsmenge des Spiegels 51 steuert. Der Computer 100 enthält z. B. eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU). Jedoch können die Berechnungseinheit, die den Brechungsindex des Testobjekts aus dem Interferenzsignal, das von dem Detektor 90 ausgegeben wird, berechnet, und die Steuerungseinheit, die die Steuerungsmenge des Spiegels 51 und die Temperatur des Mediums 70 steuert, aus verschiedenen Computern gebildet werden.
Das optische Interferenzsystem ist so angepasst, dass die optische Pfadlänge des Referenzlichts und die optische Pfadlänge des Testlichts zueinander gleich sind, wenn das Testobjekt 80 nicht in dem Behälter angeordnet ist. Das Anpassverfahren ist wie folgt.
In der Brechungsindexmesseinrichtung, die in 1 gezeigt ist, wird das Interferenzsignal, das sich aus einer Interferenz zwischen dem Referenzlicht und dem Testlicht ergibt, erhalten, während das Testobjekt 80 nicht in den optischen Lichtpfaden angeordnet ist. Hier wird eine Phasendifferenz ϕ₀(λ) zwischen dem Referenzlicht und dem Testlicht und eine Interferenzintensität I₀(λ) des Referenzlichts und des Testlichts ausdrückt durch die folgende Formel 1:
[Math. 1]
ϕ₀(λ) = 2π / λ(–Δ₀) I₀(λ) = I₀(1 + γcosϕ₀(λ)) wobei λ die Wellenlänge in Luft ist, Δ₀ die Differenz zwischen der optischen Pfadlänge des Referenzlichts und der optischen Pfadlänge des Testlichts ist, I₀ die Summe der Intensität des Referenzlichts und der Intensität des Testlichts ist, und γ die Sichtbarkeit ist. Aus Formel 1 ergibt sich, dass die Interferenzintensität I₀(λ) eine Schwingungsfunktion ist, wenn Δ₀ nicht null ist. Deswegen wird der Spiegel 51 zu einer Position angetrieben, bei der das Interferenzsignal keine Vibrationsfunktion wird, damit die optische Pfadlänge des Referenzlichts und die optische Pfadlänge des Testlichts zueinander gleich sind. Dann ist Δ₀ null.
Obwohl hier der Fall beschrieben wird, in dem das optische Interferenzsystem so angepasst wird, das die optische Pfadlänge des Testlichts und die optische Pfadlänge des Referenzlichts zueinander gleich werden (Δ₀ = 0), müssen die optische Pfadlänge des Testlichts und die optische Pfadlänge des Referenzlichts nicht zueinander gleich gemacht werden, wenn die Verschiebungsmenge einer aktuellen Position des Spiegels 51 von Δ₀ = 0 bekannt ist. Die Antriebsmenge des Spiegels 51 von der Position, bei der die optische Pfadlänge des Testlichts und die optische Pfadlänge des Referenzlichts zueinander gleich werden (Δ₀ = 0), kann unter Verwendung einer Längenmesseinheit (nicht gezeigt), wie z. B. einer Laserlängenmesseinheit oder einem Encoder, gemessen werden.
2 ist ein Flussdiagramm einer Prozedur zum Berechnen eines Gruppenbrechungsindex des Testobjekts 80. ”S” ist eine Abkürzung für Schritt.
Als erstes werden das Testobjekt 80 und das Medium 70 mit einem Gruppenbrechungsindex, der gleich dem Gruppenbrechungsindex des Testobjekts bei einer bestimmten Wellenlänge ist, in dem Behälter 60 angeordnet. Zu dieser Zeit werden das Medium 70 und das Testobjekt 80 so angeordnet, dass das Testlicht durch das Testobjekt 80 und das Medium 70 transmittiert wird und das Referenzlicht durch das Medium 70 transmittiert wird. Dann wird ein Interferenzlicht, das aus einer Interferenz zwischen dem Testlicht und dem Referenzlicht resultiert, unter Verwendung des Detektors 90 gemessen (S10).
Im Allgemeinen ist die Neigung einer Brechungsindexdispersionskurve eines Bereichs sichtbaren Lichts für das Öl steiler als für das Glasmaterial, weil ein ultraviolettes Absorptionsband von Öl näher am sichtbaren Licht als ein ultraviolettes Absorptionsband eines Glasmaterials ist. 3A ist ein Graph einer Phasenbrechungsindexdispersionskurve des Testobjekts und der des Mediums. 3B ist ein Graph einer Gruppenbrechungsindexdispersionskurve des Testobjekts und der des Mediums. Der Gruppenbrechungsindex des Testobjekts und der des Mediums werden zueinander gleich an einem Schnittpunkt in 3B. Eine Wellenlänge λ₀ des Schnittpunkts in 3B entspricht einer bestimmten Wellenlänge. Selbst in einem Bereich eines hohen Brechungsindex, in dem ein Öl mit einem passenden effektiven Phasenbrechungsindex nicht existiert, existiert ein Öl, das es ermöglicht, dass ein passender Gruppenbrechungsindex existiert. Das Medium hat auch die Rolle des Reduzierens des Effekts einer Brechung an einer Oberfläche des Testobjekts.
Als nächstes wird unter Verwendung des Interferenzsignals, das aus dem Detektor 90 ausgegeben wird, die bestimmte Wellenlänge λ₀ aus der Wellenabhängigkeit der Phasendifferenz zwischen dem Referenzlicht und dem Testlicht bestimmt (S20). Das Interferenzsignal in einem spektralen Bereich, das aus dem Detektor 90 in 1 ausgegeben wird, ist in 4A und 4B illustriert. 4A und 4B sind Graphen, die Interferenzsignale zeigen, die bei verschiedenen Temperaturen des Mediums 70 gemessen werden. Die Phasendifferenz ϕ(λ) zwischen dem Referenzlicht und dem Testlicht und die Interferenzintensität I(λ) des Referenzlichts und des Testlichts werden durch die folgende Formel 2 ausgedrückt:
[Math. 2]
ϕ(λ) = 2π / λ(n^sample(λ) – n^medium(λ))L I(λ) = I₀(1 + γcosϕ(λ)), wobei n^sample(λ) der Phasenbrechungsindex des Testobjekts ist, n^medium(λ) der Phasenbrechungsindex des Mediums ist, und L die geometrische Dicke des Testobjekts ist. Wie aus 4A und 4B und Formel 2 verstanden werden kann, sind die Interferenzsignale schwingende Funktionen, die eine Wellenlängenabhängigkeit der Phasendifferenz ϕ(λ) reflektieren.
λ₀ in jeder der 4A und 4B repräsentiert eine Wellenlänge, bei der die Phasendifferenz ϕ(λ) ein Extremwert ist. Die Neigung der Phasendifferenz ϕ(λ) bzgl. der Wellenlänge, d. h. ein Phasendifferenz-Differenzial dϕ(λ)/dλ wird durch Formel 3 ausgedrückt: [Math. 3]
wobei n_g ^sample(λ) der Gruppenbrechungsindex des Testobjekts ist, und n_g ^medium(λ) der Gruppenbrechungsindex des Mediums ist. Die Wellenlänge λ₀ in jeder der 4A und 4B, bei der die Phasendifferenz ϕ(λ) ein extremer Wert wird, ist eine Wellenlänge, bei der die differenzielle Phase dϕ(λ)/dλ null wird. Mit anderen Worten ist die Wellenlänge λ₀ eine bestimmte Wellenlänge, bei der der Gruppenbrechungsindex n_g ^sample(λ) des Testobjekts und der Gruppenbrechungsindex n_g ^medium(λ) des Mediums zueinander gleich werden. Formel 4 drückt die Beziehung zwischen dem Gruppenbrechungsindex des Testobjekts und dem Gruppenbrechungsindex des Mediums bei der bestimmten Wellenlänge λ₀ aus. Die bestimmte Wellenlänge λ₀ kann durch Messen eines Scheitels (Extremwerts) eines Bereichs gemessen werden, in dem die Schwingungsperiode des Interferenzsignals in jeder der 4A und 4B lang wird (S20):
[Math. 4]

n sample / g(λ₀) = n medium / g(λ₀)

Dann wird der Gruppenbrechungsindex n_g ^medium(λ) des Mediums 70 als der Gruppenbrechungsindex n_g ^sample(λ₀) des Testobjekts bei der bestimmten Wellenlänge berechnet (S30). In dem Ausführungsbeispiel sind eine Mediumtemperaturberechnungseinheit mit einer Temperaturmesseinheit, die die Temperatur des Mediums misst, und der Computer 100, der die gemessene Temperatur in den Brechungsindex des Mediums konvertiert, bereitgestellt. In diesem Fall sind der Phasenbrechungsindex n₀ ^medium(λ) des Mediums 70 bei einer bestimmten Referenztemperatur T₀ und ein Temperaturkoeffizient dn^medium(λ)/dT des Brechungsindex des Mediums 70 bekannt. Wie in Formel 5 wird der Gruppenbrechungsindex n_g ^medium(λ) in Verbindung mit einem gemessenen Temperaturwert T berechnet: [Math. 5]
In dem Verfahren zum Berechnen des Gruppenbrechungsindex unter Verwendung von Formel 4 existiert eine Dicke L des Testobjekts nicht, weil der Gruppenbrechungsindex des Mediums bereitgestellt ist. Deswegen ist es selbst, wenn die Form des Testobjekts unbekannt ist, möglich, den Gruppenbrechungsindex des Testobjekts zu berechnen.
In dem Ausführungsbeispiel wird der Gruppenbrechungsindex n_g ^sample(λ₀) des Testobjekts bei der bestimmten Wellenlänge λ₀ berechnet. Ein Verfahren zum Berechnen eines Gruppenbrechungsindex des Testobjekts bei mehreren Wellenlängen, d. h. eine Gruppenbrechungsindexdispersionskurve n_g ^medium(λ) ist wie folgt.
Wenn sich der Brechungsindex des Mediums ändert, ändert sich auch die bestimmte Wellenlänge λ₀. Der Brechungsindex des Mediums ändert sich z. B., wenn sich die Temperatur des Mediums ändert, oder ein Medium mit einem anderen Brechungsindex hinzugefügt wird. 4A und 4B sind Graphen, die eine Änderung in der bestimmten Wellenlänge λ₀ zeigen, wenn sich die Temperatur des Mediums ändert. Durch Kombinieren einer Änderung in der Temperatur des Mediums oder einem Hinzufügen eines verschiedenen Mediums wird mit dem Flussdiagramm von 2 die Gruppenbrechungsindexdispersionskurve n_g ^sample(λ) des Testobjekts erhalten. Man bemerke, dass in dem Verfahren zum Messen einer Gruppenbrechungsindexdispersionskurve unter Verwendung einer Temperaturänderung der Gruppenbrechungsindex des Testobjekts bei jeder Temperatur berechnet wird. Zum Beispiel wird die Gruppenbrechungsindexdispersionskurve n_g ^sample(λ) des Testobjekts bei der Referenztemperatur T₀ durch Korrigieren der Brechungsindexdifferenz, die der Differenz zwischen der Referenztemperatur und der jeweiligen Temperatur entspricht, berechnet.
In dem Ausführungsbeispiel wird der Gruppenbrechungsindex des Testobjekts erhalten. Weil der Phasenbrechungsindex N_p(λ) und der Gruppenbrechungsindex N_g(λ) eine solche Beziehung haben, wie sie in Formel 6 angegeben wird, ist es möglich, den Phasenbrechungsindex des Testobjekts unter Verwendung des Gruppenbrechungsindex des Testobjekts zu berechnen: [Math. 6]
wobei C eine Intergrationskonstante repräsentiert.
Formel 6 gibt einen allgemeinen Weg des Berechnens des Gruppenbrechungsindex N_g(λ) aus dem Phasenbrechungsindex N_p(λ) an. Jedoch ist beim Berechnen des Phasenbrechungsindex N_p(λ) aus dem Gruppenbrechungsindex N_g(λ) die Integrationskonstante C beliebig.
Entsprechend ist es nötig, die Intergrationskonstante C anzunehmen, wenn der Phasenbrechungsindex n^sample(λ) des Testobjekts aus dem Gruppenbrechungsindex n_g ^sample(λ) des Testobjekts berechnet wird. Wenn z. B. die Integrationskonstante C^sample des Testobjekts gleich einer Integrationskonstante C^glass eines Basismaterials des Testobjekts ist, ist es möglich, die Integrationskonstante C^glass des Basismaterials unter Verwendung des Phasenbrechungsindex des Basismaterials, die durch einen Lieferanten eines Glasmaterials bereitgestellt wird, zu berechnen. Unter Verwendung der Integrationskonstante C^glass und Formel 6 ist es möglich, den Phasenbrechungsindex n^sample(λ) aus dem Gruppenbrechungsindex n_g ^sample(λ) des Testobjekts zu berechnen.
Anstelle des Berechnens der Integrationskonstante C ist es möglich, ein Verfahren anzuwenden, das die Differenz oder ein Verhältnis zwischen dem Phasenbrechungsindex und dem Gruppenbrechungsindex anwendet. Ein Verfahren zum Berechnen des Phasenbrechungsindex unter Verwendung der Differenz und ein Verfahren zum Berechnen des Phasenbrechungsindex unter Verwendung des Verhältnisses werden durch Formel 7 repräsentiert: [Math. 7]
wobei der Phasenbrechungsindex des Basismaterials N_p(λ) ist und der Gruppenbrechungsindex des Basismaterials N_g(λ) ist.
Die bestimmte Wellenlänge λ₀ in dem Ausführungsbeispiel wird unter Verwendung eines Interferenzsignals, das schwingt, bestimmt. Jedoch kann das Verfahren zum Bestimmen der bestimmten Wellenlänge eines sein, in dem die Phasendifferenz zwischen dem Referenzlicht und dem Testlicht unter Verwendung eines Phasenverschiebungsverfahrens berechnet wird, und ein Extremwert der Phasendifferenz bestimmt wird.
In dem Ausführungsbeispiel wird der Gruppenbrechungsindex des Testobjekts durch Bestimmen der bestimmten Wellenlänge λ₀ und Ersetzen des Gruppenbrechungsindex des Mediums mit dem Gruppenbrechungsindex des Testobjekts bei der bestimmten Wellenlänge λ₀ berechnet. Jedoch ist es möglich, ein Verfahren zum Berechnen des Gruppenbrechungsindex des Testobjekts wie folgt zu verwenden.
Unter Verwendung des Phasenverschiebungsverfahrens bei dem der Spiegel 51 angetrieben wird, wird die Phasendifferenz ϕ(λ) zwischen dem Referenzlicht und dem Testlicht (Formel 2) berechnet. Durch Einsetzten der Neigung dϕ(λ)/dλ der Phasendifferenz ϕ(λ) mit Bezug auf die Wellenlänge (Formel 3) in Formel 8, was eine Umformung von Formel 3 ist, wird der Gruppenbrechungsindex n_g ^sample(λ) des Testobjekts erhalten: [Math. 8]
Der Gruppenbrechungsindex des Testobjekts, der durch Formel 8 erhalten wird, ist ein Gruppenbrechungsindex innerhalb eines Messwellenlängenbereichs (Gruppenbrechungsindexdispersionkurve) anstellte eines Gruppenbrechungsindex bei der bestimmten Wellenlänge λ₀. Weil jedoch die Dicke L des Testobjekts unbekannt ist, ist es nötig, die Dicke L anzunehmen. Zum Beispiel kann die Dicke L eine mit einem anderen Verfahren separat gemessene Dicke oder eine Designdicke des Testobjekts sein.
Wenn der angenommene Dickenwert von einem wahren Wert L um eine Abweichung ΔL (Dickenabweichung) abweicht, hat der Gruppenbrechungsindex n_g ^sample(λ) eine Brechungsindexabweichung Δn_g aufgrund der Dickenabweichung ΔL. Wenn die Dickenabweichung ΔL ausreichend kleiner als die Dicke ist, wird eine Brechungsindexabweichung Δn_g(λ) basierend auf der Dickenabweichung ΔL durch Formel 9 ausgedrückt: [Math. 9]
Formel 9 zeigt, dass bei der bestimmten Wellenlänge λ₀, bei der dϕ(λ)/dλ null wird, die Brechungsindexabweichung Δn_g(λ) null wird. Deswegen ist der Einfluss der Dickenabweichung ΔL reduziert und ein hochpräziser Wert wird erhalten, wenn der Gruppenbrechungsindex einer bei einer Wellenlänge nahe der bestimmten Wellenlänge λ₀ ist (einer Wellenlänge, die einem extremen Wert der Phasendifferenz zwischen dem Referenzlicht und dem Testlicht entspricht).
Der Wellenlängenbereich nahe der bestimmten Wellenlänge λ₀, der eine hochpräzise Messung des Gruppenbrechungsindex ermöglicht, wird z. B. wie folgt geschätzt. Es wird angenommen, dass eine Phasenbrechungsindexdispersionsformel des Testobjekts 80 und des Mediums 70 durch Formel 10 repräsentiert werden: [Math. 10]
Wenn z. B. die Koeffizienten des Testobjekts A = 2,03 und B = 0,025 sind, und die Koeffizienten des Mediums A = 1,8 und B = 0,04 sind, ist die bestimmte Wellenlänge λ₀ 633 nm. Wenn die Dicke des Testobjekts L = 1 mm ist, die Dickenabweichung ΔL = 5 μm ist und eine gewünschte Gruppenbrechungsindexmessungspräzision Δn_g(λ) = 0,0001 ist, wird unter Verwendung der Formeln 3 und 9 der Bereich von 570 bis 730 nm ein Wellenlängenband, der eine hochpräzise Messung ermöglicht.
In dem Ausführungsbeispiel wird Interferenzlicht mit einem breiten Spektrum spektral an dem Detektor 90 dispergiert. Es ist jedoch auch möglich, stattdessen ein Wellenlängenabtastverfahren („wavelength sweeping method”) zu verwenden. In dem Wellenlängenabtastverfahren wird z. B. ein Monochromator gerade hinter der Lichtquelle angeordnet, quasi-monochromatisches Licht wird veranlasst, davon auszutreten, und ein Interferenzsignal mit einer Wellenlänge des Lichts wird unter Verwendung des Detektors, wie z. B. einer Fotodiode, gemessen. Dann wird eine Messung bei jeder Wellenlänge durchgeführt, wobei ein Wellenlängenabtasten durchgeführt wird.
Es ist möglich, das Wellenlängenabtastverfahren mit einer Heterodyninterferometrie zu kombinieren. Heterodyninterferometrie ist kein mechanisches Phasenverschiebungsverfahren des Spiegels 51 gemäß dem Ausführungsbeispiel, sondern ein zeitliches Phasenverschiebungsverfahren, das verursacht, dass eine Frequenzdifferenz zwischen dem Referenzlicht und dem Testlicht bei z. B. einem akusto-optischen Element auftritt.
In dem Ausführungsbeispiel wird eine superkontinuierliche Lichtquelle als die Lichtquelle 10 mit einem breiten Wellenlängenband verwendet. Jedoch kann stattdessen z. B. eine superlumineszente Diode (SLD), eine Halogenlampe, oder ein Laser mit kurzem Puls verwendet werden. Wenn Wellenlängenabtasten durchgeführt wird, kann eine Wellenlängenabtastlichtquelle anstelle einer Kombination einer Breitbandlichtquelle und eines Monochromators verwendet werden.
Eine Brechungsindexverteilung des Mediums 70 tritt aufgrund einer Temperaturverteilung des Mediums 70 auf. Deswegen tritt eine Abweichung in dem Brechungsindex des Testobjekts auf, die berechnet wird. Folglich ist es wünschenswert, eine Temperatursteuerung unter Verwendung des Temperaturregulationsmechanismus (Temperaturregulationseinheit) durchzuführen, sodass eine Temperaturverteilung des Mediums 70 nicht auftritt. Die durch die Brechungsindexverteilung des Mediums 70 verursachte Abweichung kann korrigiert werden, wenn die Menge der Brechungsindexverteilung bekannt ist. Deswegen ist es wünschenswert, dass eine Wellenfrontmesseinrichtung (Wellenfrontmesseinheit) zum Messen der Brechungsindexverteilung des Mediums 70 bereitgestellt wird.
In dem Ausführungsbeispiel wird der Spiegel 51 so angepasst, dass die optische Pfadlänge des Testlichts und die optische Pfadlänge des Referenzlichts zueinander gleich werden (Δ₀ = 0). Jedoch ist es stattdessen nur nötig zu wissen, um wie viel die aktuelle Position von Δ₀ = 0 verschoben ist. Das heißt, es ist nur nötig, dass der aktuelle Δ₀-Wert spezifiziert wird. In diesem Fall wird die Phasendifferenz ϕ(λ) zwischen dem Referenzlicht und dem Testlicht in Formel 2 ersetzt durch eine Phasendifferenz Φ(λ) in Formel 11:
[Math. 11]

Φ(λ) = ϕ + 2π / λΔ₀ = 2π / λ(n^sample(λ) – n^medium(λ))L

In dem Ausführungsbeispiel wird ein Mach-Zehnder-Interferometer verwendet. Jedoch kann stattdessen ein Michelson-Interferometer Verwendet werden. Obwohl in dem Ausführungsbeispiel der Brechungsindex und die Phasendifferenz als eine Funktion der Wellenlänge berechnet werden, können sie stattdessen als eine Funktion der Frequenz berechnet werden.
Zweites Ausführungsbeispiel
5 ist ein Blockdiagramm einer Brechungsindexmesseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Interferometer, das den Brechungsindex eines Mediums 70 misst, wird der Brechungsindexmesseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hinzugefügt. Ein Testobjekt ist eine Linse mit einer positiven Brechkraft. Die anderen strukturellen Komponenten sind dieselben wie die des ersten Ausführungsbeispiels. Entsprechende strukturelle Komponenten haben die gleichen Bezugszeichen und sind beschrieben.
Licht, das aus der Lichtquelle 10 ausgetreten ist, wird in transmittiertes Licht und reflektiertes Licht durch einen Strahlteiler 22 geteilt. Das transmittierte Licht propagiert zu einem optischen Interferenzsystem, das bereitgestellt ist, um den Brechungsindex eines Testobjekts 80 zu messen. Das reflektierte Licht wird hin zu einem optischen Interferenzsystem geführt, das bereitgestellt ist, um den Brechungsindex des Mediums 70 zu messen. Das reflektierte Licht wird ferner in transmittiertes Licht (Mediumreferenzlicht) und reflektiertes Licht (Mediumtestlicht) durch einen Strahlteiler 23 geteilt.
Das Mediumtestlicht, das durch den Strahlteiler 23 reflektiert wird, wird durch Spiegel 42 und 52 reflektiert, wird dann durch eine Seitenoberfläche eines Behälters 60 und das Medium 70 transmittiert, durch einen Spiegel 33 reflektiert und erreicht einen Strahlteiler 24. Das Mediumreferenzlicht, das durch den Strahlteiler 23 transmittiert wird, wird durch Spiegel 32, 43 und 53 reflektiert und wird dann durch einen Kompensator 61 transmittiert und erreicht den Strahlteiler 24. Das Mediumreferenzlicht und das Mediumtestlicht, die den Strahlteiler 24 erreicht haben, interferieren miteinander, sodass Interferenzlicht gebildet wird. Das Interferenzlicht wird durch einen Detektor 91 erfasst, der z. B. ein Spektrometer enthält. Ein durch den Detektor 91 erfasstes Signal wird zu einem Computer 100 gesendet.
Der Kompensator 61 hat die Rolle des Korrigierens des Einflusses einer Brechungsindexdispersion, die durch eine Seitenfläche des Behälters 60 verursacht wird. Der Kompensator 61 ist aus demselben Material gebildet und hat dieselbe Dicke (Dicke der Seitenoberfläche des Behälters 60 × 2) wie die Seitenoberflächen des Behälters 60. Wenn das Innere des Behälters 60 leer ist, hat der Kompensator 61 den Effekt, dass verursacht wird, dass die Differenz zwischen einer optischen Pfadlänge des Mediumreferenzlichts und der des Mediumtestlichts bei jeder Wellenlänge zueinander gleich ist.
Der Spiegel 53 ist mit einem Antriebsmechanismus versehen, der ähnlich zu dem für den Spiegel 51 ist, und wird in den Richtungen eines Doppelpfeils in 5 angetrieben. Das Antreiben des Spiegels 53 wird durch den Computer 100 gesteuert. Der Behälter 60 enthält einen Temperaturregulationsmechanismus, sodass z. B. eine Steuerung einer Änderung in der Temperatur des Mediums und der Temperaturverteilung des Mediums durchgeführt werden kann. Die Temperatur des Mediums wird auch durch den Computer 100 gesteuert.
Eine Prozedur zum Berechnen eines Gruppenbrechungsindex des Testobjekts gemäß dem Ausführungsbeispiel ist wie folgt.
Als erstes wird ein Medium mit einem Gruppenbrechungsindex, der gleich einem Gruppenbrechungsindex eines Testobjekts bei einer bestimmten Wellenlänge ist, in einem optischen Pfad des Referenzlichts und einem optischen Pfad des Testlichts angeordnet (S10). Als nächstes wird die bestimmte Wellenlänge aus der Wellenlängenabhängigkeit einer Phasendifferenz zwischen dem Referenzlicht und dem Testlicht bestimmt (S20). In dem Ausführungsbeispiel wird eine Phasendifferenz ϕ(λ) in Formel 2 durch ein Phasenverschiebungsverfahren wie folgt bestimmt.
Ein Interferenzsignal wird erhalten, während der Spiegel 51 um kleine Mengen angetrieben wird. Eine Interferenzintensität I_k(λ), wenn eine Phasenverschiebungsmenge (= Antriebsmenge × 2π/λ) des Spiegels 51 δ_k (k = 0, 1, ..., M – 1) ist, wird durch Formel 12 ausgedrückt:
[Math. 12]

I_k(λ) = I₀[1 + γcos(ϕ(λ) – δ_k)] = a₀ + a₁cosδ_k + a₂sinδ_k (a₀ = I₀, a₁ = I₀γcosϕ(λ), a₂ = I₀γsinϕ(λ))

Die Phasendifferenz ϕ(λ) wird mit Formel 13 unter Verwendung der Phasenverschiebungsmenge δ_k und der Interferenzintensität I_k(λ) berechnet. Um die Phasendifferenz ϕ(λ) mit hoher Präzision zu berechnen, ist es wünschenswert, dass die Phasenverschiebungsmenge δ_k so klein wie möglich ist und die Anzahl an Antriebsschritten so groß wie möglich ist. Die berechnete Phasendifferenz ϕ(λ) ist Modulo 2π eingehüllt. Deswegen ist es nötig, ein Enthüllen durch Verbinden von Phasensprüngen unter Verwendung von 2π durchzuführen. Die erhaltene Phasendifferenz ϕ(λ) ist irgendein ganzzahliges Vielfaches von 2π (ein unbekannter Offsetausdruck): [Math. 13]
Aus einer Wellenlänge, die einem Extremwert der Phasendifferenz ϕ(λ) entspricht, die unter Verwendung von Formel 13 berechnet wurde, wird eine bestimmte Wellenlänge λ₀ bestimmt (S20). Eine Wellenlänge, bei der ein Differenzial dϕ(λ)/dλ der Phasendifferenz ϕ(λ) null wird, entspricht der bestimmten Wellenlänge λ₀.
Weil die Phasendifferenz ϕ(λ) als diskrete Daten vorliegt, ist das Differenzial dϕ(λ)/dλ der Phasendifferenz so, dass tatsächlich eine Änderungsrate der Phasendifferenz ϕ(λ) zwischen Stücken der Wellenlängendaten berechnet wird. Im Allgemeinen verstärkt ein Vorgang des Berechnens einer Differenzialmenge von Daten den Einfluss des Rauschens. Um den Einfluss des Rauschens zu reduzieren, muss nur eine Differenzialgröße nach einem Glätten von ursprünglichen Daten berechnet werden. Alternativ müssen nur die differenziellen Daten selbst geglättet werden.
Als nächstes wird ein Gruppenbrechungsindex n_g ^medium(λ) des Mediums als ein Gruppenbrechungsindex n_g ^sample(λ) des Testobjekts berechnet (S30). Eine Phasendifferenz ϕ^medium(λ) zwischen dem Mediumreferenzlicht und dem Mediumtestlicht und ein Differenzial dϕ^medium(λ)/dλ der Phasendifferenz werden durch Formel 14 ausgedrückt: [Math. 14]
Δ repräsentiert die Differenz zwischen der optischen Pfadlänge des Mediumreferenzlichts und der optischen Pfadlänge des Mediumtestlichts, und L^tank repräsentiert den Abstand zwischen den Seitenoberflächen des Behälters 60 (die optische Pfadlänge des Mediumtestlichts in dem Medium 70). Diese Größen sind bekannt. λ repräsentiert die Wellenlänge in Luft, sodass der Brechungsindex von Luft in der Wellenlänge enthalten ist. Hier wird angenommen, dass der Phasenbrechungsindex von Luft gleich dem Gruppenbrechungsindex von Luft ist. Wie in dem Verfahren zum Berechnen der Phasendifferenz ϕ(λ), wird die Phasendifferenz ϕ^medium(λ) zwischen dem Mediumreferenzlicht und dem Mediumtestlicht unter Verwendung eines Phasenverschiebungsverfahrens gemessen, bei dem der Spiegel 53 angetrieben wird. Wenn Formel 14 umgeformt wird, wird der Gruppenbrechungsindex n_g ^medium(λ) des Mediums berechnet (S30).
Drittes Ausführungsbeispiel
6 ist ein Blockdiagramm einer Brechungsindexmesseinrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine Wellenfront wird unter Verwendung eines zweidimensionalen Sensors gemessen. Um den Brechungsindex eines Mediums zu messen, wird ein Glasprisma (Referenztestobjekt), dessen Brechungsindex und Form bekannt sind, auf einem Testlichtstrahl angeordnet. Strukturelle Komponenten, die denen der ersten und zweiten Ausführungsbeispiele entsprechen, haben die gleichen Bezugszeichen und sind beschrieben.
Licht, das aus einer Lichtquelle 10 austritt, wird spektral durch einen Monochromator 95 dispergiert, wird quasi-monochromatisches Licht, und fällt auf eine Lochblende 110. Die Wellenlänge des quasi-monochromatischen Lichts, das auf die Lochblende 110 fällt, wird durch einen Computer 100 gesteuert. Licht, das divergentes Licht als ein Ergebnis des Durchtritts durch die Lochblende 110 wurde, wird in paralleles Licht durch eine Kollimatorlinse 120 kollimiert. Das kollimierte Licht wird durch einen Strahlteiler 25 in transmittiertes Licht (Referenzlicht) und reflektiertes Licht (Testlicht) aufgeteilt.
Das Referenzlicht, das durch den Strahlteiler 25 transmittiert wurde, wird durch ein Medium 70 in einen Behälter 60 transmittiert und wird dann durch einen Spiegel 31 reflektiert und erreicht einen Strahlteiler 26. Der Spiegel 31 ist mit einem Antriebsmechanismus für einen Antriebsbetrieb in den Richtungen eines Doppelpfeils in 6 versehen, und wird durch den Computer 100 gesteuert.
Das durch den Strahlteiler 25 reflektierte Testlicht wird durch einen Spiegel 30 reflektiert, und fällt auf den Behälter 60 mit dem Medium 70, einem Testobjekt 80 und einem Glasprisma 130. Ein Teil des Testlichts wird durch das Medium 70 und das Testobjekt 80 transmittiert. Ein Teil des Testlichts wird durch das Medium 70 und das Glasprisma 130 transmittiert. Der übrige Teil des Testlichts wird nur durch das Medium 70 transmittiert. Die Teile des Testlichts, die durch den Behälter 60 transmittiert werden, interferieren mit dem Referenzlicht bei dem Strahlteiler 26, sodass ein Interferenzlicht gebildet wird. Das Interferenzlicht wird durch einen Detektor 92 (wie z. B. einer ladungsgekoppelten Einrichtung (CCD) oder einem komplementären Metalloxidhalbleiter-(CMOS)-Sensor) über eine Abbildungslinse 121 erfasst. Ein Interferenzsignal, das durch den Detektor 92 erfasst wird, wird an den Computer 100 gesendet.
Der Detektor 92 ist an einer Position angebracht, die konjugiert zu den Positionen des Testobjekts 80 und des Glasprismas 130 ist. Wenn die Phasenbrechungsindizes des Testobjekts 80 und des Mediums 70 voneinander verschieden sind, wird das durch das Testobjekt 80 transmittierte Licht divergentes Licht oder konvergentes Licht. Wenn das divergente Licht (konvergente Licht) Licht kreuzt, das durch etwas anderes als das Testobjekt 80 transmittiert wurde, muss das Streulicht nur unter Verwendung von z. B. einer Öffnung, die hinter (auf einer Seite des Detektors 92) dem Testobjekt 80 angeordnet ist, abgeschnitten werden.
Der Phasenbrechungsindex des Mediums 70 wird durch Messen der durch das Glasprisma 130 transmittierten Wellenfront berechnet. Es ist wünschenswert, dass das Glasprisma 130 einen Phasenbrechungsindex hat, der im Wesentlichen gleich dem Phasenbrechungsindex des Mediums 70 ist, sodass Interferenzstreifen, die aus einer Interferenz zwischen dem durch das Glasprisma 130 transmittiertem Licht und dem Referenzlicht resultieren, nicht zu dicht sind. Eine optische Pfadlänge des Testlichts und eine optische Pfadlänge des Referenzlichts werden so angepasst, dass sie zueinander gleich sind, wenn das Testobjekts 80 und das Glasprisma 130 nicht in dem Testlichtpfad angeordnet sind.
Eine Prozedur zum Berechnen des Gruppenbrechungsindex des Testobjekts 80 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist wie folgt:
Als erstes wird ein Medium mit einem Gruppenbrechungsindex, der gleich dem Gruppenbrechungsindex eines Testobjekts bei einer bestimmten Wellenlänge ist, in einem optischen Pfad des Referenzlichts und einem optischen Pfad des Testlichts angebracht (S10). Als nächstes wird durch Durchführen eines Phasenverschiebungsverfahrens unter Verwendung des Antriebsmechanismus des Spiegels 31 und einem Wellenabtasten unter Verwendung des Monochromators 95 eine Phasendifferenz ϕ(λ) zwischen dem Testlicht und dem Referenzlicht und ein Brechungsindex n^medium(λ) des Mediums 70 gemessen. Aus einer Wellenabhängigkeit (ϕ(λ) oder dϕ(λ)/dλ) der Phasendifferenz wird eine bestimmte Wellenlänge bestimmt (S20). Aus dem Brechungsindex n^medium(λ) des Mediums 70 wird unter Verwendung von Formel 5 ein Gruppenbrechungsindex n_g ^medium(λ) des Mediums 70 als ein Gruppenbrechungsindex n_g ^sample(λ) des Testobjekts berechnet.
Viertes Ausführungsbeispiel
Die Ergebnisse, die unter Verwendung der in den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen illustrierten Einrichtungen gemessen wurden, können auch in ein Verfahren zum Produzieren eines optischen Elements, wie z. B. einer Linse, zurückgeführt werden.
7 illustriert beispielhafte Produktionsschritte, eines Verfahrens zum Herstellen eines optischen Elements unter Verwendung eines Formkörpers („mold”).
Ein optisches Element wird durch Durchführen des Schritts des Designens des optischen Elements, des Schritts des Designens des Formkörpers, und dem Schritt des Formens des optischen Elements unter Verwendung des Formkörpers produziert. Die Präzision der Form des geformten optischen Elements wird evaluiert. Wenn seiner Form Präzision fehlt, wird der Formkörper korrigiert, und das Formen wird wieder durchgeführt. Wenn die Präzision seiner Form gut ist, wird die optische Güte des optischen Elements evaluiert. In dem Schritt des Evaluierens der optischen Güte ist es möglich, optische Elemente präzise in Massen zu produzieren, die unter Verwendung des Verfahrens zum Messen eines Brechungsindex gemäß der vorliegenden Erfindung geformt werden.
Wenn die optische Güte niedrig ist, wird das optische Element, dessen optische Oberfläche korrigiert wurde, erneut designt.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind im Wesentlichen typische Ausführungsbeispiele. Wenn diese Ausführungsbeispiele der Erfindung ausgeführt werden, können verschiedene Modifikationen und Änderungen mit Bezug auf diese Ausführungsbeispiele gemacht werden.
Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten beispielhaften Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Dem Bereich der folgenden Patentansprüche soll die breiteste Interpretation zugestanden werden, sodass er alle solch Modifikationen und äquivalenten Strukturen und Funktionen umfasst.
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der japanischen Patentanmeldung Nr. 2013-136168 , die am 28. Juni 2013 eingereicht wurde, und die hiermit durch Bezugnahme als Ganzes hierin einbezogen wird.

Claims

Verfahren zum Messen eines Brechungsindex eines Testobjekts durch Aufteilen von Licht von einer Lichtquelle in Testlicht und Referenzlicht, Einführen des Testlichts in das Testobjekt und Messen eines Interferenzlicht, das sich aus einer Interferenz zwischen dem Referenzlicht und dem Testlicht, das durch das Testobjekt transmittiert wird, ergibt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Messen eines Interferenzlichts, das sich aus einer Interferenz zwischen Testlicht, das durch das Testobjekt und ein Medium transmittiert wird, und Referenzlicht, das durch das Medium transmittiert wird, durch Anordnen des Testobjekts in dem Medium, dessen Gruppenbrechungsindex gleich einem Gruppenbrechungsindex des Testobjekts bei einer bestimmten Wellenlänge ist; Bestimmen der bestimmten Wellenlänge basierend auf einer Wellenlängenabhängigkeit einer Phasendifferenz zwischen dem Testlicht und dem Referenzlicht; und Berechnen des Gruppenbrechungsindex des Mediums entsprechend der bestimmten Wellenlänge als dem Gruppenbrechungsindex des Testobjekts, der der bestimmten Wellenlänge entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Wellenlänge, die einem Extremwert der Phasendifferenz zwischen dem Testlicht und dem Referenzlicht entspricht, als die bestimmte Wellenlänge bestimmt wird.
Verfahren nach entweder Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Gruppenbrechungsindex des Mediums durch Messen einer Temperatur des Mediums und Umwandeln der gemessenen Temperatur des Mediums in einen Brechungsindex des Mediums berechnet wird.
Verfahren nach entweder Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein Referenztestobjekt, dessen Brechungsindex und Form bekannt sind, in dem Medium angeordnet wird, Licht in das Referenztestobjekt eingeführt wird, eine transmittierte Wellenfront des Referenztestobjekts gemessen wird, und der Gruppenbrechungsindex des Mediums basierend auf dem Brechungsindex und der Form des Referenztestobjekts und der transmittierten Wellenfront des Referenztestobjekts berechnet wird.
Verfahren nach entweder Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Licht von der Lichtquelle in Mediumtestlicht und Mediumreferenzlicht aufgeteilt wird, das Mediumtestlicht in das Medium eingeführt wird, Interferenzlicht, das sich aus einer Interferenz zwischen dem Mediumreferenzlicht und dem Mediumtestlicht, das durch das Medium transmittiert wird, gemessen wird, und der Gruppenbrechungsindex des Mediums basierend auf einer Phasendifferenz zwischen dem Mediumreferenzlicht und dem Mediumtestlicht berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit einem Schritt des Messens einer Brechungsindexverteilung des Mediums.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner mit einem Schritt des Steuerns einer Temperaturverteilung des Mediums.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Formen des optischen Elements, und Evaluieren des geformten optischen Elements durch Messen eines Brechungsindex des optischen Elements unter Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Brechungsindexmesseinrichtung mit: einer Lichtquelle; einem optischen Interferenzsystem, das konfiguriert ist, Licht von der Lichtquelle in Testlicht und Referenzlicht aufzuteilen, das Testlicht in ein Testobjekt einzuführen und zu verursachen, dass das Referenzlicht und das Testlicht, das durch das Testobjekt transmittiert wurde, miteinander interferieren; einer Erfassungseinheit, die konfiguriert ist, ein Interferenzlicht, das sich aus der Interferenz zwischen dem Testlicht und dem Referenzlicht ergibt, zu erfassen; und eine Berechnungseinheit, die konfiguriert ist, einen Brechungsindex des Testobjekts unter Verwendung eines Interferenzsignals zu berechnen, das aus der Erfassungseinheit ausgegeben wird, wobei das Testobjekt in einem Medium angeordnet ist, dessen Gruppenbrechungsindex gleich einem Gruppenbrechungsindex des Testobjekts bei einer bestimmten Wellenlänge ist, wobei das optische Interferenzsystem ein optisches System ist, das verursacht, dass durch das Testobjekt und das Medium transmittiertes Testlicht und durch das Medium transmittiertes Referenzlicht miteinander interferieren, und wobei die Berechnungseinheit die bestimmte Wellenlänge basierend auf einer Wellenlängenabhängigkeit einer Phasendifferenz zwischen dem Testlicht und dem Referenzlicht bestimmt und den Gruppenbrechungsindex des Mediums entsprechend der bestimmten Wellenlänge als den Gruppenbrechungsindex des Testobjekts entsprechend der bestimmten Wellenlänge berechnet.
Brechungsindexmesseinrichtung nach Anspruch 9, wobei die Berechnungseinheit eine Wellenlänge entsprechend einem Extremwert der Phasendifferenz zwischen dem Testlicht und dem Referenzlicht als die bestimmten Wellenlänge bestimmt.
Brechungsindexmesseinrichtung nach entweder Anspruch 9 oder Anspruch 10, ferner mit einer Temperaturmesseinheit, die konfiguriert ist, eine Temperatur des Mediums zu messen, wobei die Berechnungseinheit den Gruppenbrechungsindex des Mediums durch Umwandeln der durch die Temperaturmesseinheit gemessenen Temperatur des Mediums in einen Brechungsindex des Mediums berechnet.
Brechungsindexmesseinrichtung nach entweder Anspruch 9 oder Anspruch 10, ferner mit: einem Referenztestobjekt, dessen Brechungsindex und Form bekannt sind; und einer Wellenfrontmesseinheit, die konfiguriert ist, eine transmittierte Wellenfront von Licht zu messen, das in das Referenztestobjekt eingeführt wird, das in dem Medium angeordnet ist, wobei die Berechnungseinheit den Gruppenbrechungsindex des Mediums basierend auf dem Brechungsindex und der Form des Referenztestobjekts und der transmittierten Wellenfront des Referenztestobjekts berechnet.
Brechungsindexmesseinrichtung nach entweder Anspruch 9 oder Anspruch 10, ferner mit: einem optischen Interferenzsystem, das konfiguriert ist, das Licht von der Lichtquelle in Mediumtestlicht und Mediumreferenzlicht aufzuteilen, das Mediumtestlicht in das Medium einzuführen und zu veranlassen, dass das Mediumreferenzlicht und das Mediumtestlicht, das durch das Medium transmittiert wurde, miteinander interferieren; einer Erfassungseinheit, die konfiguriert ist, ein Interferenzlicht, das sich aus der Interferenz zwischen dem Mediumreferenzlicht und dem Mediumtestlicht ergibt, zu erfassen; und einer Berechnungseinheit, die konfiguriert ist, den Gruppenbrechungsindex des Mediums basierend auf einer Phasendifferenz zwischen dem Mediumreferenzlicht und dem Mediumtestlicht zu berechnen.
Brechungsindexmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, ferner mit: einer Wellenfrontmesseinheit, die konfiguriert ist, eine Brechungsindexverteilung des Mediums zu messen.
Brechungsindexmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, ferner mit: einer Temperatursteuereinheit, die konfiguriert ist, eine Temperaturverteilung des Mediums zu steuern.