JP2015010921A - 屈折率計測方法、屈折率計測装置および光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検物の屈折率を高精度に計測すること。【解決手段】 光源１０からの光を被検光と参照光に分割し、被検物を透過した被検光と参照光を干渉させた干渉光を計測することによって被検物８０の屈折率を計測する。特定の波長において被検物８０の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質７０中に被検物を配置して干渉光を計測し、被検光と参照光の位相差の波長依存性から特定の波長を決定し、特定の波長に対応する媒質７０の群屈折率を、特定の波長に対応する被検物８０の群屈折率として算出する。【選択図】 図１

Description

本発明は、屈折率計測方法および屈折率計測装置に関し、特に、モールド成型により製造される光学素子の屈折率計測に有用である。

モールドレンズの屈折率は成型条件によって変化する。成型後のレンズの屈折率は、一般的に、プリズム形状に加工した後、最小偏角法やＶブロック法で計測される。この加工作業は、手間とコストがかかる。さらに、成型後のレンズの屈折率は、加工時の応力解放によって変化する。したがって、成型後のレンズの屈折率を非破壊で計測する技術が必要である。

特許文献１は、位相屈折率および形状が未知の被検物と位相屈折率および形状が既知のガラス試料を２種類の位相屈折率マッチング液に浸し、コヒーレント光を用いて干渉縞を測定し、ガラス試料の干渉縞からオイルの位相屈折率を計測し、オイルの位相屈折率を用いて被検物の位相屈折率を算出する方法を提案している。非特許文献１は、参照光と被検光の干渉信号を波長の関数として計測し、位相差が極値をとる特定の波長を算出し、干渉信号をフィッティングすることで屈折率を算出する方法を提案している。

特開平０２−００８７２６号公報

Ｈ．Ｄｅｌｂａｒｒｅ，Ｃ．Ｐｒｚｙｇｏｄｚｋｉ，Ｍ．Ｔａｓｓｏｕ，Ｄ．Ｂｏｕｃｈｅｒ，"Ｈｉｇｈ−ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｕｓｉｎｇ ｗｈｉｔｅ−ｌｉｇｈｔ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ．"Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ，２０００，ｖｏｌ．７０，ｐ．４５−５１．

特許文献１に開示された方法では、位相屈折率が高いマッチングオイルは透過率が低いため、高い位相屈折率を有する被検物の透過波面計測は小さな信号しか得られず、計測精度が低くなる。

非特許文献１に開示された方法では、干渉信号の位相のオフセット項（２πの整数倍の項）が未知数であるため、フィッティング精度が低くなる。さらに、被検物の厚みが既知である必要がある。

本発明は、被検物の屈折率を高精度に計測することができる屈折率計測方法および屈折率計測装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明の屈折率計測方法は、光源からの光を被検光と参照光に分割し、前記被検光を被検物に入射させ、前記被検物を透過した被検光と前記参照光とを干渉させた干渉光を計測することによって前記被検物の屈折率を計測する屈折率計測方法であって、特定の波長において前記被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質中に前記被検物を配置し、前記被検物および前記媒質を透過した被検光と前記媒質を透過した参照光とを干渉させた干渉光を計測するステップと、前記被検光と前記参照光の位相差の波長依存性に基づいて前記特定の波長を決定するステップと、前記特定の波長に対応する前記媒質の群屈折率を、前記特定の波長に対応する前記被検物の群屈折率として算出するステップと、を有することを特徴としている。

本発明の光学素子の製造方法は、光学素子をモールド成型するステップと、上記の屈折率計測方法を用いて前記光学素子の屈折率を計測することによって、成型された光学素子を評価するステップと、を有することを特徴としている。

本発明の屈折率計測装置は、光源と、前記光源からの光を被検光と参照光に分割し、前記被検光を被検物に入射させ、前記被検物を透過した被検光と前記参照光を干渉させる干渉光学系と、前記被検光と前記参照光の干渉光を検出する検出手段と、前記検出手段から出力される干渉信号を用いて前記被検物の屈折率を演算する演算手段とを有する屈折率計測装置であって、前記被検物は、特定の波長において前記被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質中に配置されており、前記干渉光学系は、前記被検物および前記媒質を透過した被検光と前記媒質を透過した参照光とを干渉させる光学系であり、前記演算手段は、前記被検光と前記参照光の位相差の波長依存性に基づいて前記特定の波長を決定し、前記特定の波長に対応する前記媒質の群屈折率を、前記特定の波長に対応する前記被検物の群屈折率として算出することを特徴としている。

本発明によれば、被検物の屈折率を高精度に計測することができる屈折率計測方法および屈折率計測装置を提供することができる。

本発明の実施例１の屈折率計測装置のブロック図である。 本発明の実施例１の屈折率計測装置によって被検物の群屈折率を算出する手順を示すフローチャートである。 被検物と媒質それぞれの位相屈折率と群屈折率の関係を示す図である。 本発明の実施例１の屈折率計測装置の検出器で得られる干渉信号を示す図である。 本発明の実施例２の屈折率計測装置のブロック図である。 本発明の実施例３の屈折率計測装置のブロック図である。 本発明の実施例４の光学素子の製造方法の製造工程を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例１の屈折率計測装置のブロック図である。本実施例の屈折率計測装置は、マッハ・ツェンダー干渉計で構成されている。本実施例では、特定の波長において被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質中（例えば、オイル）に被検物を配置することで、被検物の厚みを除去して被検物の群屈折率を計測する。

なお、屈折率には、光の等位相面の移動速度である位相速度ｖ_ｐ（λ）に関する位相屈折率Ｎ_ｐ（λ）と、光のエネルギーの移動速度（波束の移動速度）ｖ_ｇ（λ）に関する群屈折率Ｎ_ｇ（λ）があり、後述する数式６によって相互に変換することができる。

本実施例では、被検物は負の屈折力（焦点距離の逆数）をもつレンズである。屈折率計測装置は被検物の屈折率を計測するものであるから、被検物はレンズでも平板でもよく、屈折型光学素子であれば足りる。

屈折率計測装置は、光源１０、干渉光学系、媒質７０と被検物８０を収容可能な容器６０、検出器９０、コンピュータ（演算手段）１００を有し、被検物８０の屈折率を計測する。

光源１０は、波長帯域の広い光源（例えば、スーパーコンティニューム光源）である。干渉光学系は、光源１０からの光を、被検物を透過しない光（参照光）と被検物を透過する光（被検光）に分割し、参照光と被検光を重ね合わせて干渉させ、その干渉光を検出器９０に導光する。干渉光学系は、ビームスプリッタ２０、２１、ミラー３０、３１、４０、４１、５０、５１を有する。

ビームスプリッタ２０、２１は、例えば、キューブビームスプリッタで構成される。ビームスプリッタ２０は、界面（接合面）２０ａにおいて、光源１０からの光の一部を透過すると同時に残りを反射する。界面２０ａを透過した光が参照光、界面２０ａで反射した光が被検光である。ビームスプリッタ２１は、界面２１ａにおいて、参照光の一部を反射し、被検光の一部を透過する。この結果、参照光と被検光が干渉して干渉光を形成し、干渉光は検出部９０に向けて射出される。

容器６０は、媒質７０と被検物８０を収容している。容器内における参照光の光路長と被検光の光路長は、被検物８０が容器内に配置されていない状態で一致するのが好ましい。したがって、容器６０の側面（例えば、ガラス）は厚みおよび屈折率が均一で、かつ、容器６０の両側面が平行であるのが望ましい。容器６０は、温度調整機構（温度制御手段）を備えており、媒質の温度の昇降、媒質の温度分布の制御等を行うことができる。

媒質７０の屈折率は、不図示の媒質屈折率算出手段によって算出される。媒質屈折率算出手段は、例えば、媒質の温度を計測する温度計測手段と、計測した温度を媒質の屈折率に換算するコンピュータから構成される。より具体的には、特定の温度における波長ごとの屈折率と、各波長における屈折率の温度係数を記憶したメモリをコンピュータが備える構成とすれば良い。これにより、コンピュータは、温度計測手段により計測された媒質７０の温度に基づいて、計測された温度における媒質７０の屈折率を波長ごとに算出することができる。なお、媒質７０の温度変化が小さい場合は、特定の温度における波長ごとの屈折率のデータを示すルックアップデーブルを用いてもよい。また、媒質屈折率算出手段は、屈折率および形状が既知のガラスプリズム（基準被検物）と、媒質中に配置されたガラスプリズムの透過波面を計測する波面計測センサ（波面計測手段）と、透過波面とガラスプリズムの屈折率および形状から媒質の屈折率を算出するコンピュータから構成されてもよい。媒質屈折率算出手段は、位相屈折率を計測してもよいし、群屈折率を計測してもよい。

ミラー４０、４１は、例えば、プリズム型ミラーである。ミラー５０、５１は、例えば、コーナーキューブリフレクターである。ミラー５１は、図１の矢印の方向の駆動機構を有する。ミラー５１の駆動機構は、例えば、駆動レンジの大きいステージと駆動分解能の高いピエゾ素子から構成されている。ミラー５１の駆動量は、不図示の測長器（例えば、レーザ測長器やエンコーダ）によって計測される。ミラー５１の駆動は、コンピュータ１００によって制御されている。参照光と被検光の光路長差は、ミラー５１の駆動機構によって調整することができる。

検出器９０は、ビームスプリッタ２１からの干渉光を分光し、干渉光強度を波長（周波数）の関数として検出する分光器などから構成されている。

コンピュータ１００は、検出器９０から出力される干渉信号に基づいて被検物８０の屈折率を演算する演算手段として機能すると共に、ミラー５１の駆動量を制御する制御手段としても機能し、ＣＰＵなどから構成されている。ただし、検出器９０が出力する干渉信号から被検物の屈折率を算出する演算手段と、ミラー５１の駆動量や媒質７０の温度を制御する制御手段を、互いに異なるコンビュータによって構成することもできる。

干渉光学系は、被検物８０が容器内に配置されていない状態で、参照光と被検光の光路長が等しくなるように調整されている。調整方法は次のとおりである。

図１の屈折率計測装置において、被検物８０が被検光路上に配置されていない状態で参照光と被検光の干渉信号が取得される。このとき、参照光と被検光の位相差φ_０（λ）および干渉強度Ｉ_０（λ）は数式１で表される。

ただし、λは空気中の波長、Δ_０は参照光と被検光の光路長の差、Ｉ_０は参照光の強度と被検光の強度の和、γは可視度（ビジビリティ）である。数式１より、Δ_０がゼロではないときは、干渉強度Ｉ_０（λ）は振動関数となる。したがって、参照光と被検光の光路長を等しくするためには、干渉信号が振動関数とならない位置にミラー５１を駆動すればよい。このとき、Δ_０がゼロになる。

ここでは、被検光と参照光の光路長が等しくなるように調整される場合（Δ_０＝０）について説明したが、現在のミラー５１の位置がΔ_０＝０からどれだけシフトしているかが分かれば、被検光と参照光の光路長を等しくする必要はない。被検光と参照光の光路長が等しくなる位置（Δ_０＝０）からのミラー５１の駆動量は不図示の測長器（例えば、レーザ測長器やエンコーダ）によって測定することができる。

図２は、被検物８０の群屈折率を算出する手順を示すフローチャートであり、「Ｓ］は、Ｓｔｅｐ（ステップ）の略である。

まず、特定の波長において被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質７０と被検物８０が容器６０内に配置される。このとき、媒質７０と被検物８０は、被検光が被検物８０と媒質７０を透過し、参照光が媒質７０を透過するように配置される。そして、被検光と参照光の干渉光が検出器９０によって計測される（Ｓ１０）。

一般に、オイルの紫外吸収帯は硝材の紫外吸収帯よりも可視光に近いため、可視光領域の屈折率分散曲線の傾きは、オイルの方が硝材よりも急である。図３（ａ）は、被検物と媒質それぞれの位相屈折率分散曲線を示す図である。図３（ｂ）は、被検物と媒質それぞれの群屈折率分散曲線を示す図である。被検物の群屈折率と媒質の群屈折率は、図３（ｂ）の交差している点で等しくなる。図３（ｂ）の交差している点の波長λ_０が、特定の波長に相当する。実効的な位相屈折率マッチングオイルが存在しない高屈折率の領域においても、群屈折率をマッチングできるオイルが存在する。尚、媒質は被検物の表面における屈折の効果を低減する役割も担っている。

次に、検出器９０から出力される干渉信号を用いて、参照光と被検光の位相差の波長依存性から特定の波長λ_０が決定される（Ｓ２０）。図１の検出器９０から出力されるスペクトル領域の干渉信号は図４のようになる。図４の（ａ）、（ｂ）は、媒質７０の温度が異なる条件で計測された干渉信号である。被検光と参照光の位相差φ（λ）および干渉強度Ｉ（λ）は数式２で表される。

ただし、ｎ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）は被検物の位相屈折率、ｎ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）は媒質の位相屈折率、Ｌは被検物の幾何学厚みである。図４および数式２からわかるとおり、干渉信号は、位相差φ（λ）の波長依存性を反映した振動関数となる。

図４のλ_０は、位相差φ（λ）が極値をとる波長を示している。位相差φ（λ）の波長に関する傾き、つまり位相差の微分ｄφ（λ）／ｄλは、数式３で表される。

ただし、ｎ_ｇ ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）は被検物の群屈折率、ｎ_ｇ ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）は媒質の群屈折率である。位相差φ（λ）が極値をとる波長λ_０とは、数式３の微分位相ｄφ（λ）／ｄλがゼロとなる波長である。言い換えると、波長λ_０は、被検物の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）と媒質の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）が等しくなる特定の波長である。数式４は、特定の波長λ_０における被検物の群屈折率と媒質の群屈折率の関係を表す。図４の干渉信号の振動周期が長くなる領域の頂点（極値）を計測することで、特定の波長λ_０を決定できる（Ｓ２０）。

そして、媒質７０の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）が特定の波長の被検物の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ_０）として算出される（Ｓ３０）。本実施例では、媒質の温度を計測する温度計測手段と、計測した温度を媒質の屈折率に換算するコンピュータ１００から構成される媒質温度算出手段を有している。この場合、ある基準温度Ｔ_０における媒質７０の位相屈折率ｎ_０ ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）と、媒質７０の屈折率の温度係数ｄｎ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）／ｄＴが既知であり、温度の計測値Ｔと結びつけて数式５のように媒質７０の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）が算出される。

数式４を用いた被検物の群屈折率算出方法は、媒質の群屈折率を仲介するため被検物の厚みＬに依存しない。したがって、被検物の形状が未知であっても被検物の群屈折率を算出することができる。

本実施例では、特定の波長λ_０における被検物の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ_０）が算出される。多波長における被検物の群屈折率、つまり群屈折率分散曲線ｎ_ｇ ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）の算出方法は、次のとおりである。

媒質の屈折率が変化すると、特定の波長λ_０が変化する。媒質の屈折率は、例えば、媒質の温度が変化したり、異なる屈折率を有する媒質が加わったりすると変化する。図４（ａ）と図４（ｂ）は、媒質の温度が変化したとき特定の波長λ_０が変化する様子を示している。媒質の温度変化や異なる媒質の追加と図２のフローを組み合わせることで、被検物の群屈折率分散曲線ｎ_ｇ ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）が得られる。ただし、温度変化を用いた群屈折率分散曲線の計測方法は、各温度に対応した被検物の群屈折率が算出されるため、注意が必要である。例えば、基準温度Ｔ_０における被検物の群屈折率分散曲線ｎ_ｇ ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）は、各温度と基準温度の差分に相当する屈折率の補正をすることで算出される。

本実施例では、被検物の群屈折率が得られる。位相屈折率Ｎ_ｐ（λ）と群屈折率Ｎ_ｇ（λ）は、数式６のような関係をもつことから、被検物の群屈折率に基づいて被検物の位相屈折率を算出することができる。ただし、Ｃは積分定数である。

数式６からわかるとおり、位相屈折率Ｎ_ｐ（λ）から群屈折率Ｎ_ｇ（λ）への算出は一通りだが、群屈折率Ｎ_ｇ（λ）から位相屈折率Ｎ_ｐ（λ）を算出するときは、積分定数Ｃの任意性がある。

そこで、被検物の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）から位相屈折率ｎ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）を算出するときは、積分定数Ｃの仮定が必要である。例えば、被検物の積分定数Ｃ^{ｓａｍｐｌｅ}は、被検物の元となった母材の積分定数Ｃ^{ｇｌａｓｓ}と等しいと仮定する。母材の積分定数Ｃ^{ｇｌａｓｓ}は、硝材製造元が提供する母材の位相屈折率の値を用いて算出することができる。この積分定数Ｃ^{ｇｌａｓｓ}と数式６を用いて、被検物の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）から位相屈折率ｎ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）を算出することが可能である。

積分定数Ｃの算出の代わりに、位相屈折率と群屈折率の差分や比を用いた方法が適用できる。差分を用いる位相屈折率算出方法や比を用いる位相屈折率算出方法は、それぞれ数式７で表される。ここでは、母材の位相屈折率がＮ_ｐ（λ）、母材の群屈折率がＮ_ｇ（λ）で表されている。

本実施例の特定の波長λ_０は、振動する干渉信号から算出した。その代わりに、特定の波長の算出方法は、位相シフト法を用いて参照光と被検光の位相差を算出し、その位相差の極値を直接求める方法でもよい。

本実施例では、特定の波長λ_０を算出し、特定の波長λ_０における媒質の群屈折率が被検物の群屈折率と等しいとして、被検物の群屈折率を算出している。その代わりに、次のような被検物の群屈折率算出方法が使用可能である。

ミラー５１の駆動を利用した位相シフト法により、参照光と被検光の位相差φ（λ）（数式２）が算出される。位相差φ（λ）の波長に関する傾きｄφ（λ）／ｄλ（数式３）を、数式３を変形した数式８に代入することで、被検物の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）が得られる。

数式８で得られる被検物の群屈折率は、特定の波長λ_０における群屈折率ではなく、計測波長範囲の群屈折率（群屈折率分散曲線）である。ただし、被検物の厚みＬは未知数であるため、仮定する必要がある。厚み仮定値は、例えば、別途計測した厚み計測値や被検物の設計厚みを使用すればよい。

厚み仮定値が真値Ｌから誤差ΔＬ（厚み誤差）を持つ場合、群屈折率ｎ_ｇ ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）は、厚み誤差ΔＬによる屈折率誤差Δｎ_ｇをもつ。厚み誤差ΔＬが厚みＬに比べて十分小さい場合、厚み誤差ΔＬによる屈折率誤差Δｎ_ｇ（λ）は数式９で表される。

数式９からわかるとおり、ｄφ（λ）／ｄλがゼロになる特定の波長λ_０において、屈折率誤差Δｎ_ｇ（λ）はゼロになる。したがって、特定の波長λ_０近傍の波長（参照光と被検光の位相差の極値に対応する波長）における群屈折率であれば、厚み誤差ΔＬの影響が小さく、精度の高い値が得られる。

高精度の群屈折率計測ができる特定の波長λ_０近傍の波長範囲は、例えば、次のように見積もられる。被検物８０と媒質７０の位相屈折率分散式が、数式１０で表されるとする。

例えば、被検物の係数がＡ＝２．０３、Ｂ＝０．０２５、媒質の係数がＡ＝１．８、Ｂ＝０．０４のとき、特定の波長λ_０は６３３ｎｍとなる。被検物の厚みがＬ＝１ｍｍ、厚み誤差がΔＬ＝５μｍ、所望の群屈折率計測精度がΔｎｇ（λ）＝０．０００１のとき、数式３、数式９より、５７０−７３０ｎｍが、高精度に計測できる波長帯域となる。

本実施例は、広いスペクトルの干渉光を検出器９０で分光している。その代わりに、波長掃引方法が使用可能である。波長掃引方法は、例えば、光源直後に分光器を配置して疑似単色光を射出し、その波長の干渉信号をフォトダイオード等の検出器で計測する。そして、この各波長の計測を波長走査しながら行われる方法である。

波長掃引方法は、ヘテロダイン干渉法と組み合わせることが可能である。ヘテロダイン干渉法は、本実施例のようなミラー５１の機械的な位相シフト法ではなく、音響光学素子等で参照光と被検光の間に周波数差を発生させる時間的な位相シフト法である。

本実施例では、波長帯域の広い光源１０として、スーパーコンティニューム光源を用いた。その代わりに、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）やハロゲンランプ、短パルスレーザー等が使われてもよい。波長を走査する場合には、広帯域光源と分光器の組み合わせの代わりに、波長掃引光源が使用されてもよい。

媒質７０の温度分布によって、媒質７０の屈折率分布が生じるため、算出される被検物の屈折率に誤差が生じる。したがって、媒質７０の温度分布が発生しないように温度調整機構（温度調整手段）で制御するのが望ましい。また、媒質７０の屈折率分布による誤差は、屈折率分布の量がわかれば補正できるため、媒質７０の屈折率分布を計測するための波面計測装置（波面計測手段）を有することが望ましい。

本実施例では、被検光と参照光の光路長が等しくなる（Δ_０＝０）ようにミラー５１が調整される。その代わりに、現在の位置がΔ_０＝０からどれだけシフトしているかが分かればよい。つまり、現在のΔ_０の値が特定できれば良い。その場合、参照光と被検光の位相差φ（λ）が、数式２の代わりに数式１１のような位相差Φ（λ）に置き換えられればよい。

本実施例では、マッハ・ツェンダー干渉計の構成をとっているが、代わりにマイケルソン干渉計の構成でもよい。また、本実施例では、屈折率や位相差を波長の関数として算出しているが、代わりに周波数の関数として算出してもよい。

図５は、本発明の実施例２の屈折率計測装置のブロック図である。媒質７０の屈折率を計測する干渉計が実施例１の屈折率計測装置に追加されている。被検物は、正の屈折力をもつレンズである。実施例１と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。

光源１０から射出された光は、ビームスプリッタ２２で透過光と反射光に分割される。透過光は、被検物８０の屈折率を計測するための干渉光学系へ進み、反射光は、媒質７０の屈折率を計測するための干渉光学系へと導かれる。反射光は、ビームスプリッタ２３でさらに透過光（媒質参照光）と反射光（媒質被検光）に分割される。

ビームスプリッタ２３で反射した媒質被検光は、ミラー４２、５２で反射した後に、容器６０の側面および媒質７０を透過し、ミラー３３で反射されてビームスプリッタ２４に至る。ビームスプリッタ２３を透過した媒質参照光は、ミラー３２、４３、５３で反射した後に、補償板６１を透過してビームスプリッタ２４へ至る。ビームスプリッタ２４へ至った媒質参照光と媒質被検光は、干渉して干渉光を形成し、分光器等で構成される検出部９１で検出される。検出器９１で検出された信号は、コンピュータ１００に送られる。

補償板６１は、容器６０の側面による屈折率分散の影響を補正する役割を担い、容器６０の側面と同一材料かつ同一厚み（＝容器６０の側面の厚み×２）で構成される。補償板６１は、容器６０内が空のとき、媒質参照光と媒質被検光の各波長それぞれの光路長差を等しくする効果を有する。

ミラー５３は、ミラー５１と同様の駆動機構を有しており、図５の矢印の方向に駆動する。ミラー５３の駆動は、コンピュータ１００で制御される。容器６０は、温度調整機構を備えており、媒質の温度の昇降、媒質の温度分布の制御等を行うことができる。媒質温度も、コンピュータ１００で制御される。

本実施例の被検物８０の群屈折率算出手順は、次のとおりである。

まず、特定の波長において被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質が参照光と被検光の光路上に配置される（Ｓ１０）。次に、参照光と被検光の位相差の波長依存性から特定の波長が決定される（Ｓ２０）。本実施例では、数式２で表される位相差φ（λ）は、次のような位相シフト法で算出される。

ミラー５１を微小量ずつ駆動させながら干渉信号が取得される。ミラー５１の位相シフト量（＝駆動量×２π／λ）がδ_ｋ（ｋ＝０，１，・・・，Ｍ−１）のときの干渉強度Ｉ_ｋ（λ）は数式１２で表される。

位相差φ（λ）は、位相シフト量δ_ｋ、干渉強度Ｉ_ｋ（λ）を用いて数式１３で算出される。位相差φ（λ）の高精度に算出するためは、位相シフト量δ_ｋをできるだけ小さくし、駆動ステップ数Ｍをできるだけ大きくするのが良い。算出された位相差φ（λ）は２πで畳み込まれている。したがって、２πの位相とびをつなぎ合わせる作業（アンラッピング）が必要である。尚、得られる位相差φ（λ）は、２πの整数倍の任意性（未知のオフセット項）がある。

数式１３で算出された位相差φ（λ）の極値に対応する波長から、特定の波長λ_０が決定される（Ｓ２０）。位相差φ（λ）の微分ｄφ（λ）／ｄλがゼロとなる波長が、特定の波長λ_０である。

位相差φ（λ）は離散データなので、位相差の微分ｄφ（λ）／ｄλは、実際には、各波長データ間における変化の割合が算出される。一般的に、データの微分量を算出する作業は、ノイズの影響を増幅する。ノイズの影響を低減するためには、元データをスムージングしてから微分量が算出されればよい。もしくは、微分データ自身がスムージングされればよい。

次に、媒質の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）が被検物の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）として算出される（Ｓ３０）。媒質参照光と媒質被検光の位相差φ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）と位相差の微分ｄφ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）／ｄλは、数式１４で表される。

ただし、Δは媒質参照光と媒質被検光の光路長差、Ｌ^ｔａｎｋは容器６０の側面間の距離（媒質被検光の媒質７０内の光路長）であり、既知の量である。λは空気中の波長なので、空気の屈折率は波長に組み込まれている。ここでは、空気の位相屈折率は空気の群屈折率と等しいと仮定している。位相差φ（λ）の算出方法と同様に、ミラー５３の駆動を用いた位相シフト法により、媒質参照光と媒質被検光の位相差φ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）が計測される。数式１４を式変形すると媒質の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）が求まる（Ｓ３０）。

図６は、本発明の実施例３の屈折率計測装置のブロック図である。波面が２次元センサを用いて計測される。媒質の屈折率を計測するために、屈折率および形状が既知のガラスプリズム（基準被検物）が被検光束上に配置されている。実施例１、実施例２と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。

光源１０から射出された光は、分光器９５で分光され、疑似単色光となってピンホール１１０に入射する。ピンホール１１０へ入射させる疑似単色光の波長は、コンピュータ１００で制御される。ピンホール１１０を透過して発散光となった光は、コリメータレンズ１２０で平行光にコリメートされる。コリメート光は、ビームスプリッタ２５で透過光（参照光）と反射光（被検光）に分割される。

ビームスプリッタ２５を透過した参照光は、容器６０内の媒質７０を透過した後、ミラー３１で反射してビームスプリッタ２６へ至る。ミラー３１は、図６の矢印方向の駆動機構を有し、コンピュータ１００で制御される。

ビームスプリッタ２５で反射された被検光は、ミラー３０で反射して、媒質７０と被検物８０とガラスプリズム１３０を収納している容器６０に入射する。被検光の一部の光は媒質７０および被検物８０を透過する。被検光の一部の光は媒質７０およびガラスプリズム１３０を透過する。被検光の残りの光は媒質７０のみを透過する。容器６０を透過したそれぞれの光は、ビームスプリッタ２６において参照光と干渉して干渉光を形成し、結像レンズ１２１を介して検出器９２（例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ）で検出される。検出器９２で検出された干渉信号は、コンピュータ１００に送られる。

検出器９２は、被検物８０およびガラスプリズム１３０の位置と共役位置に配置されている。被検物８０と媒質７０の位相屈折率が異なると、被検物８０を透過した光は発散光や収束光になる。その発散光（収束光）が被検物８０以外を透過した光と交差する場合は、被検物８０の後方（検出器９２側）にアパーチャ等を配置して、迷光をカットすればよい。

媒質７０の位相屈折率は、ガラスプリズム１３０を透過した波面の計測によって算出される。ガラスプリズム１３０を透過した光と参照光の干渉縞が密になりすぎないように、ガラスプリズムは、媒質７０の位相屈折率とほぼ等しい位相屈折率を有するものが好ましい。被検光と参照光の光路長は、被検物８０およびガラスプリズム１３０が被検光路上に配置されていない状態で、等しくなるように調整されている。

本実施例の被検物８０の群屈折率算出手順は、次のとおりである。

まず、特定の波長において被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質が参照光と被検光の光路上に配置される（Ｓ１０）。次に、分光器９５による波長走査と、ミラー３１の駆動機構を用いた位相シフト法により、被検光と参照光の位相差φ（λ）および媒質７０の屈折率ｎ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）が計測される。位相差の波長依存性（φ（λ）もしくはｄφ（λ）／ｄλ）から、特定の波長が決定される（Ｓ２０）。媒質７０の屈折率ｎ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）から、数式５を用いて、媒質７０の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｍｅｄｉｕｍ}（λ）が被検物の群屈折率ｎ_ｇ ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）として算出される（Ｓ３０）。

実施例１〜３にて説明した装置および方法を用いて計測された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、モールド成型を利用した光学素子の製造工程の例を示している。

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型工程を経て製造される。成型された光学素子は、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型を行う。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、本発明の屈折率計測方法を組み込むことで、モールド成型される光学素子を精度良く量産することができる。

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。

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。

１０ 光源
６０ 容器
７０ 媒質
８０ 被検物
９０ 検出器
１００ コンピュータ

Claims (15)

1. 光源からの光を被検光と参照光に分割し、前記被検光を被検物に入射させ、前記被検物を透過した被検光と前記参照光とを干渉させた干渉光を計測することによって前記被検物の屈折率を計測する屈折率計測方法であって、
   特定の波長において前記被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質中に前記被検物を配置し、前記被検物および前記媒質を透過した被検光と前記媒質を透過した参照光とを干渉させた干渉光を計測するステップと、
   前記被検光と前記参照光の位相差の波長依存性に基づいて前記特定の波長を決定するステップと、
   前記特定の波長に対応する前記媒質の群屈折率を、前記特定の波長に対応する前記被検物の群屈折率として算出するステップと、
   を有することを特徴とする屈折率計測方法。
2. 前記被検光と前記参照光の位相差の極値に対応する波長を前記特定の波長として決定することを特徴とする請求項１に記載の屈折率計測方法。
3. 前記媒質の温度を計測し、計測された前記媒質の温度を前記媒質の屈折率に換算することによって前記媒質の群屈折率を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の屈折率計測方法。
4. 前記媒質中に屈折率および形状が既知の基準被検物を配置し、前記基準被検物に光を入射させて前記基準被検物の透過波面を計測し、前記基準被検物の屈折率および形状と前記基準被検物の透過波面に基づいて、前記媒質の群屈折率を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の屈折率計測方法。
5. 光源からの光を媒質被検光と媒質参照光に分割し、前記媒質被検光を前記媒質に入射させ、前記媒質を透過した前記媒質被検光と前記媒質参照光とを干渉させた干渉光を計測し、前記媒質参照光と前記媒質被検光の位相差に基づいて前記媒質の群屈折率を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の屈折率計測方法。
6. 前記媒質の屈折率分布を計測するステップを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の屈折率計測方法。
7. 前記媒質の温度分布を制御するステップを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の屈折率計測方法。
8. 光学素子をモールド成型するステップと、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の屈折率計測方法を用いて前記光学素子の屈折率を計測することによって、成型された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。
9. 光源と、前記光源からの光を被検光と参照光に分割し、前記被検光を被検物に入射させ、前記被検物を透過した被検光と前記参照光を干渉させる干渉光学系と、前記被検光と前記参照光の干渉光を検出する検出手段と、前記検出手段から出力される干渉信号を用いて前記被検物の屈折率を演算する演算手段とを有する屈折率計測装置であって、
   前記被検物は、特定の波長において前記被検物の群屈折率と等しい群屈折率を有する媒質中に配置されており、
   前記干渉光学系は、前記被検物および前記媒質を透過した被検光と前記媒質を透過した参照光とを干渉させる光学系であり、
   前記演算手段は、前記被検光と前記参照光の位相差の波長依存性に基づいて前記特定の波長を決定し、前記特定の波長に対応する前記媒質の群屈折率を、前記特定の波長に対応する前記被検物の群屈折率として算出することを特徴とする屈折率計測装置。
10. 前記演算手段は、前記被検光と前記参照光の位相差の極値に対応する波長を前記特定の波長として決定することを特徴とする請求項９に記載の屈折率計測装置。
11. 前記媒質の温度を計測する温度計測手段を有し、
    前記演算手段は、前記温度計測手段により計測された前記媒質の温度を前記媒質の屈折率に換算することによって前記媒質の群屈折率を算出することを特徴とする請求項９または１０に記載の屈折率計測装置。
12. 屈折率および形状が既知の基準被検物と、
    前記媒質中に配置された前記基準被検物に入射させた光の透過波面を計測する波面計測手段を有し、
    前記演算手段は、前記基準被検物の屈折率および形状と前記基準被検物の透過波面に基づいて、前記媒質の群屈折率を算出することを特徴とする請求項９または１０に記載の屈折率計測装置。
13. 前記光源からの光を媒質被検光と媒質参照光に分割し、前記媒質被検光を前記媒質に入射させ、前記媒質を透過した媒質被検光と前記媒質参照光を干渉させる干渉光学系と、
    前記媒質被検光と前記媒質参照光の干渉光を検出する検出手段と、
    前記媒質参照光と前記媒質被検光の位相差に基づいて前記媒質の群屈折率を算出する演算手段を有することを特徴とする請求項９または１０に記載の屈折率計測装置。
14. 前記媒質の屈折率分布を計測する波面計測手段を有することを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の屈折率計測装置。
15. 前記媒質の温度分布を制御する温度制御手段を有することを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の屈折率計測装置。

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