JP6964790B2

JP6964790B2 - 光学材料の縞の定量試験法

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Publication number: JP6964790B2
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Description

本発明は、光学材料の縞試験の技術分野に関し、具体的には、光学材料の縞の定量試験法に関する。

光学材料における縞は、光学材料の精錬プロセスの問題又は精錬のプロセス制御の問題による材料における欠陥であり、光学材料の内部の屈折率の激変による現象である。可視光材料の縞を、図１の投影光学系によって視認することができる（シュリーレン光学系によって視認することもできる）。図２に示すように、これらの光学材料における縞は、一般的に、階調を持ついくつかの糸状又は帯状の不規則なバンドとして表示される。縞は、この箇所の屈折率がマトリクス屈折率に対して突然変異の増分を有する（Δｎ増減した）ことで形成される。図２には、光学材料における縞の軽度、中度、重度の例示の状況が示され、光学材料における縞欠陥の程度は縞の数、占有面積、階調の増加に伴って厳しくなり、縞のない光学材料は均一でクリアなものである。光学材料における縞に対しては、投影光学系によれば定性的評価しかできず、シュリーレン法を利用しても半定量試験（縞における不均一な細部が多めに反映されるだけであり）しかできず、２つの方法とも光学材料における縞を定量に試験することはできない。

可視光学材料における縞も、赤外線光学材料における縞も、光学部品の結像品質に厳しい影響を与える材料欠陥であり、この分野では、縞の定量試験がずっと望まれている。光学材料の縞欠陥を定量試験できれば、異なる画質要求の光学系によって光学部品の材料を合理的に選択して（一定の縞を有するにもかかわらず）、光学系の結像品質の要求を保証することができる。また、光学材料の縞欠陥の定量試験は、光学材料の精錬プロセスの改善をガイドし、高品質の光学材料を精錬することもできる。そのため、光学材料の縞の定量試験は、早急に解決が求められる技術課題である。

現在、光学材料の縞試験としては、投影法の定性試験及びシュリーレン法の半定量試験しかなく、２つの方法も縞に対して定量試験を行うことができない。半定量試験というシュリーレン法は、実際的に量数値発現関係のない試験であり、投影法よりも多くの縞画像の詳細を有するだけである。

縞の定性的評価を縞度によって行い、縞度は定性的スケールに基づいてＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ段階に分けられ、試験試料の縞段階は表示された縞画像を人の視覚によって感覚的に視認することで確定され、各段階には量を発現し及び限界を区分するための正確な定量指標はないので、結果が主に視認者により主観的に確定される。そのため、縞度の評価には、客観性や正確性に欠け、縞の光学系に対する影響を真実且つ正確に反応することができず、光学系の設計に縞欠陥の精確な定量化発現関係を提供することはできない。

本発明は、可視光学材料、赤外線光学材料等の縞欠陥定量試験及び客観評価の問題を解決し、光学系設計品質及び光学材料の精錬品質を保証するように、光学系の合理的な材料の選択に正確な定量化試験及び評価方法を提供するために、如何に光学材料の縞の定量試験法を設計するという技術問題を解決しようとする。

上記技術課題を解決するために、本発明は、下記の工程を備える光学材料の縞の定量試験法を提供する。

Ｓ１では、光学材料の縞の定量化した発現の指標値である「縞値」を作成し、また光学材料の縞の表現形式及びその光学性能の影響要因に基づいて、縞量のアルゴリズム式を作成し、Ｓを「縞値」、ｉを試験試料の縞画像における階調微小セルの番号、Δｇｉを試験試料の縞画像におけるｉ番目の微小セルの階調値、Δｇｍを試験試料の縞画像における微小セルの平均階調値、ｎを試験試料の縞画像における微小セルの合計数、ｊを試験試料の縞画像における縞の序数、ａｊを試験試料の縞画像におけるｊ本目の縞の面積、ｍを試験試料の縞画像における縞の合計数、Ａを試験試料の縞画像の合計面積、ｄを試験試料の厚さとして、「縞値」Ｓを下記式によって計算する。

式（１）により、「縞値」は試験試料の厚みあたりの縞平均階調と縞の合計面積の試験試料の合計面積に対する百分率との積であることが判明される。

工程Ｓ２では、下記のように前記光電投影試験装置を構成する。前記装置は、光路方向で順次に平行光源システム１、試験試料２、正レンズ３、正レンズ６及び検出器７を含み、また試料台９によって試験試料２を搭載する。

工程Ｓ３では、前記光電気試験投影装置の検出器７について、その動的範囲において、検出セルに対して光エネルギー応答の階調スケールを設定し、前記階調スケールの階調段階数を試験の所望の精度に従って段階化する。

工程Ｓ４では、前記光電投影試験装置を修正するためのプルーフを作製して、前記プルーフは、それぞれゼロ階調のプルーフ４０１、中階調のプルーフ４０２、中低階調のプルーフ４０３、中高階調のプルーフ４０４である。前記ゼロ階調のプルーフ４０１は内部に如何なる縞欠陥もないものである。前記中階調のプルーフ４０２は縞最大階調の中間階調を取るものであり、５０％の階調値で光電投影試験装置を標定する。全てのプルーフは、厚さが統一した厚さであり、材料が被検試料の材料記号と同じである。

工程Ｓ５では、光学材料の試験試料２を前記プルーフと同じ厚さに研削する。

工程Ｓ６では、工程Ｓ４で作製したプルーフによって前記光電投影試験装置を標定し、標定された光学投影試験装置によって試験試料２を試験し、また光学投影試験装置によって試験試料２の試験画像を統計し、工程Ｓ１で作成された公式に基づいて計算し、被検試料の縞欠陥の定量的発現値を取得する。

好ましくは、工程Ｓ２では、前記装置は、光路方向で順次に平行光源システム１、試験試料２、負レンズ４、絞り５、正レンズ６及び検出器７を含むように取り替えられる。

好ましくは、工程Ｓ３では、低精度として３２段階、中間精度として６４段階、高精度として１２８段階又は２５６段階に分けるように段階化され、各段階の間の閾値は所定値である。

好ましくは、工程Ｓ６としては、具体的に、下記のようなものである。

１）前記試験試料２を前記ゼロ階調のプルーフ４０１に取り替えて、前記光電投影試験装置によってゼロ階調のプルーフ４０１に対して通電試験を行って、ゼロ階調のプルーフ４０１の試験画像を得、この状態の画像を検出器７の最高輝度状態に標定し、又はゼロ階調状態に標定する。

２）前記ゼロ階調のプルーフ４０１を中階調のプルーフ４０２に取り替えて、前記光電投影試験装置によって中階調のプルーフ４０２に対して通電試験を行って、中階調のプルーフ４０２の試験画像を得、この状態の画像を検出器７の５０％の階調に標定する。

３）工程１）で得られた最高輝度状態という基準値によって検出器７の階調スケールに対して対応するゼロ階調標定を行い、工程２）で得られた５０％の階調という基準値によって別々に検出器７の階調スケールに対して５０％の階調に対応する標定を行う。

４）前記プルーフで前記光電投影試験装置を標定した後で、またプルーフを試験試料２に取り替えて、光学投影試験装置によって試験試料２に対して通電試験を行い、またデータ収集、処理及び表示システム８によって試験試料２の試験画像に対して縞の面積及び階調を統計し、工程Ｓ１で作成した「縞値」Ｓの算式に基づいて計算し、試験試料２の縞欠陥の定量的発現値を取得して、試験画像及び定量試験結果を出力する。

好ましくは、工程１）において通電試験を行う場合、ゼロ階調よりも高い高輝度値を飽和処理とし、又はゼロ階調とする。

好ましくは、工程２）及び工程３）では、更に、別々に低中階調のプルーフである２５％の階調及び高中階調のプルーフである７５％の階調を適用して、検出器７をより高精度に標定する。

好ましくは、前記定量試験結果は、光学材料の縞の絶対定量試験結果又は光学材料の縞の相対定量試験結果である。

本発明は、まず、縞発現の定量化の概念及び縞の定量化アルゴリズム式を作成し、次に、光電気検出器で受信する光学投影試験装置を適用し、光電気検出器の受信信号の階調スケール及び投影装置を修正するプルーフを作成することで、光学投影試験装置を標定又は修正し、標定又は修正された光学投影試験装置によって被検試料を試験し、また光学投影試験装置によって試料の試験画像を統計し、縞の定量化アルゴリズム式に基づいて計算し、被検試料の縞欠陥の定量的発現値を取得する。本発明は、光学材料の縞試験の結果を人工的評価から縞値のアルゴリズムによって光電投影試験装置で定量結果を自動的に計算することに変え、試験の精確性及び試験の客観性を大いに向上させるとともに、試験作業の效率を大いに向上させて、試験画像を取得する同時に定量試験結果を取得するようにする。

従来技術に係る可視光投影光学系を示す図である。光学材料における縞を示す図である。本発明に係る光電投影試験装置を示す図である。本発明に係る光電投影試験装置のプルーフを示す模式図である。本発明に係る縞の定量試験の両点標定の階調の線形化した校正関係を示す模式図である。縞の定量試験の四点標定の階調の線形化した校正関係を示す模式図である。

本発明の目的、内容、及びメリットをより明確にするために、以下、添付図面及び実施例に合わせて、本発明の発明を実施するための最良の形態を更に詳しく説明する。

本発明では、縞発現の定量化の量数値概念及び縞の定量化の量数値アルゴリズムを作成し、試験装置のプルーフの特性を設計し、光電投影試験装置の縞の定量試験の標定方法及び誤り訂正分析方法を作成し、所定の光電投影試験装置を適用して所定の試験工程で試験する。本発明の光学材料の縞の定量試験法としては、具体的に、下記の工程を備える。

工程Ｓ１では、光学材料の縞の定量化した発現の指標値である「縞値」を作成し、また光学材料の縞の表現形式及びその光学性能の影響要因に基づいて、縞量のアルゴリズム式を作成し、Ｓを「縞値」、ｉを試験試料の縞画像における階調微小セルの番号、Δｇｉを試験試料の縞画像におけるｉ番目の微小セルの階調値、Δｇｍを試験試料の縞画像における微小セルの平均階調値、ｎを試験試料の縞画像における微小セルの合計数、ｊを試験試料の縞画像における縞の序数、ａｊを試験試料の縞画像におけるｊ本目の縞の面積、ｍを試験試料の縞画像における縞の合計数、Ａを試験試料の縞画像の合計面積、ｄを試験試料の厚さとして、「縞値」Ｓを下記式によって計算する。

式（１）により、「縞値」は試験試料の厚みあたりの縞平均階調と縞の合計面積の試験試料の合計面積に対する百分率との積であり、

は各縞における検出セルの階調を合計するものであり、各縞における検出セルは異なることが判明される。このアルゴリズムでは、縞の光学系の結像品質に対する主要な影響要因を定量計算のキーファクタ（縞の面積及び縞の階調量という２つのキーファクタ）とし、また試験試料の間の計算結果に対して照合できるように計算処理を行い、つまり縞の階調を平均値で比較し、縞の面積及び階調量を試験試料の単位厚さで比較することで、試験試料の試験の定量値を量数値で比較できるようにする。

工程Ｓ２では、光学材料における縞の定量試験を、図１に示すスクリーンによって表示できないが（投影法又はシュリーレン法の何れによっても）、検出器によって試験試料の投影した像を受信して、検出器によって試験試料における縞の微小データを処理し（人工では画像の精細化処理を行うことはできない）、定量試験を達成させる必要があるため、光学材料の縞試験の装置は、スクリーン投影試験装置ではなく、光電気検出器の受信した投影用の試験装置、つまり光学投影試験装置によって縞の定量試験を行うべきであり、これこそ、試験画像を標定、分析、計算、保存することができる。

そのため、本工程では、下記のように前記光電投影試験装置を構成する。図３に示すように、前記装置は、光路方向で順次に平行光源システム１、試験試料２、正レンズ３、負レンズ４、絞り５、正レンズ６、検出器７、データ収集、処理及び表示システム８を含み、また試料台９によって試験試料２を搭載し、負レンズ４及びマッチングした絞り５と正レンズ６とは１つのみ残して且つ交換可能な関係であり、それらの何れも別々に正レンズ３に合わせて投影光学系を構成することができ、負レンズ４を採用する光電投影試験装置の方は、占有する空間サイズがより小さい。しかし、負レンズ４を採用する場合に、迷光を制限する絞り５を加えることができなければ、光電投影試験装置は、一定量の迷光により干渉され、定量試験の精度が影響される。そのため、試験装置の空間的制限がない場合、正レンズ３と正レンズ６により組み合わせられた投影光学系のマッチング形態を採用することは好ましい。

工程Ｓ３では、前記光電気試験投影装置の検出器７について、その動的範囲において、検出セルに対して光エネルギー応答の階調スケールを設定し、前記階調スケールの階調段階数を試験の所望の精度に従って段階化し、例えば、通常精度として３２段階、中間精度として６４段階、高精度として１２８段階又は２５６段階等に分けられてよい。

工程Ｓ４では、光電投影試験装置による試験の正確性及び試験試料の試験結果の比較可能性を保証するように、前記光電投影試験装置を修正するためのプルーフを作製する。図４に示すように、前記プルーフは、それぞれゼロ階調のプルーフ４０１、中階調のプルーフ４０２、中低階調のプルーフ４０３、中高階調のプルーフ４０４である。前記ゼロ階調のプルーフ４０１は内部に如何なる縞欠陥もないものである。前記中階調のプルーフ４０２は縞最大階調の中間階調を取るものであり、５０％の階調値で光電投影試験装置を標定する。全てのプルーフは、厚さが統一した標準的厚さであり、材料が被検試料の材料記号と同じである。通常精度が要求される光学材料の縞の定量試験に当たっては、ゼロ階調のプルーフ４０１、中階調のプルーフ４０２で光電投影試験装置を標定すればよいが、高精度の試験を行う場合、中低階調のプルーフ４０３、中高階調のプルーフ４０４を追加して、光電投影試験装置を標定する。

工程Ｓ５では、光学材料の試験試料２を前記プルーフと同じ厚さに研削して、プルーフと試験試料２が同等のマトリクス情報を持つようにする。

工程Ｓ６では、光学材料の縞の定量試験に対して、下記の工程によって結果を標定及び試験する。

１）図３における試験試料２を図４のゼロ階調のプルーフ４０１に取り替えて、前記光電投影試験装置によってゼロ階調のプルーフ４０１に対して通電試験を行って、ゼロ階調のプルーフ４０１の試験画像を得、この状態の画像を検出器７の最高輝度状態に標定し、又はゼロ階調状態に標定する（試験試料２を試験する場合、ゼロ階調よりも高い高輝度値を飽和処理とし、又はゼロ階調とする）。

３）工程１）で得られた最高輝度状態という基準値によって検出器７の階調スケールに対して対応するゼロ階調標定を行い、工程２）で得られた５０％の階調という基準値によって別々に検出器７の階調スケールに対して５０％の階調に対応する標定を行い（両者は両点標定と省略される）、これらの標定により検出器７の試験した階調と試験試料２の縞屈折率との非直線関係はよく線形的に改善され、図５に示すように、標定前の検出器７の階調スケールは傾斜した直線ＯＦであるが、縞の屈折率増分の階調関係は曲線ＯＦであり、２本の線の誤差が大きいが、標定された検出器７の階調スケールは、ＯＨ及びＨＦという２つの傾斜した直線部分に分けられ、それらの対応する縞屈折率増分の階調曲線はそれぞれＯＨ及びＨＦであり、直線ＯＨ及びＨＦと曲線ＯＨ及び曲線ＨＦとの差別が明らかに小さく、プルーフによって検出器７の階調スケールを標定することで、検出器７の試験した階調値を実際な結果に接近させ、この標定により試験の非線形誤差が大いに減少する。

ゼロ階調のプルーフ４０１及び中階調のプルーフ４０２を適用して標定する以外に、別々に低中階調のプルーフ（２５％の階調）及び高中階調のプルーフ（７５％の階調）を適用して、検出器７を標定すれば、試験結果の線形関係はよりよくなり、図６に示すように、検出器７の階調スケールは４つの傾斜した直線部分ＯＧ、ＧＨ、ＨＪ、及びＪＦに分けられ、それらの対応する縞屈折率増分の階調曲線はそれぞれ曲線ＯＧ、曲線ＧＨ、曲線ＨＪ、及び曲線ＪＦであり、明らかに直線ＯＧ、ＧＨ、ＨＪ、及びＪＦと曲線ＯＧ、ＧＨ、ＨＪ、及びＪＦとの差別は両点標定のよりもはるかに小さく、この場合、直線と曲線とがほぼ重なるので、検出器の試験した階調値を実際な結果により近くなる。

上記試験結果には、光学材料の縞の絶対定量試験結果（縞絶対定量値）と、光学材料の縞の相対定量試験結果（縞相対定量数値）との、２つの可能性があり、プルーフの階調が対応する屈折率増分Δｎを与える場合、試験結果は絶対定量結果であるが、プルーフの階調が対応する屈折率増分Δｎを与えていない場合、試験結果は相対定量結果である。ほとんどの場合、相対的光学材料の縞の相対定量試験結果を適用すれだけで、光学系設計の画質制御及び光学材料の精錬品質制御の要求を満たすことができる。縞の絶対定量試験の結果を取得することは最も好ましいが、絶対試験に必要なプルーフの作製コストは高い。

本発明の方法は、光学材料における縞欠陥の試験及び評価を定性的技術能力の状態から定量的技術能力の状態に昇格して、光学材料における縞の試験及び評価を精確化して、材料品質の段階化に精細、正確、客観の定量化した根拠を提供し、材料の間の縞の欠陥問題の比較可能性を達成させることが分かる（縞の定量化した値の測定がなければ、異なる試料の間の複雑な縞形状及び階調を信頼的に比較することができず、それらの間の差別が非常に大きい場合しか比較できない）。

本発明は、光学材料の縞試験の結果を人工的評価から縞値のアルゴリズムによって光電投影試験装置で定量結果を自動的に計算することに変え、試験の精確性及び試験の客観性を大いに向上させるとともに、試験作業の效率を大いに向上させて、試験画像を取得する同時に定量試験結果を取得するようにし、手動による試験画像に対する段階判別の時間を要求せず、また限界段階に直面する場合に人工が判定に迷う状況を避ける（この限界が粗いにもかかわらず）。

光学材料の縞の定量結果は、光学材料の精錬の品質改善に有用なだけでなく（定量結果によれば、精錬プロセスの各環節の変化による縞欠陥の変化の応答感度及び量数値程度を見分けて、プロセスの完善に根拠を提供することができる）、光学系の精細な画質設計に定量化した根拠を提供することにも有用である。

本発明の光学材料の縞定量試験法は、可視光学材料、赤外線光学材料等の縞の定量試験のみではなく、気体、液体動きフィールドの均一性状態に対する定量試験にも適用され、気体、液体動きフィールドの瞬時屈折率の不均一の定量な関係を与えることができ（少なくとも相対的に定量化したものである）、異なる時刻での気体、液体動きフィールドの均一性の状態に対する精細な定量的比較に用いられることもできる。

上記は、単に本発明の好適な実施形態であり、指摘すべきなのは、当業者であれば、本発明の技術原理から逸脱せずに、若干の改善や変形を加えてもよく、これらの改善や変形も本発明の保護範囲として見なされるべきである。

１平行光源システム
２試験試料
３正レンズ
４負レンズ
５絞り
６正レンズ
７検出器
８データ収集、処理及び表示システム
９試料台
４０１ゼロ階調のプルーフ
４０２中階調のプルーフ
４０３中低階調のプルーフ
４０４中高階調のプルーフ

Claims

光学材料の縞の定量化した発現の指標値である「縞値」を作成し、また光学材料の縞の表現形式及びその光学性能の影響要因に基づいて、縞量のアルゴリズム式を作成し、Ｓを「縞値」、ｉを試験試料の縞画像における階調微小セルの番号、Δｇ_ｉを試験試料の縞画像におけるｉ番目の微小セルの階調値、Δｇ_ｍを試験試料の縞画像における微小セルの平均階調値、ｎを試験試料の縞画像における微小セルの合計数、ｊを試験試料の縞画像における縞の序数、ａ_ｊを試験試料の縞画像におけるｊ本目の縞の面積、ｍを試験試料の縞画像における縞の合計数、Ａを試験試料の縞画像の合計面積、ｄを試験試料の厚さとして、「縞値」Ｓを下記式によって計算し、

式（１）により、「縞値」は試験試料の厚みあたりの縞平均階調と縞の合計面積の試験試料の合計面積に対する百分率との積であることが判明される工程Ｓ１と、
光電投影試験装置を、光路方向で順次に平行光源システム（１）、試験試料（２）、正レンズ（３）、正レンズ（６）及び検出器（７）を含み、また試料台（９）によって試験試料（２）を搭載するように構成する工程Ｓ２と、
前記光電投影試験装置の検出器（７）の検出セルに対して光エネルギー応答の階調スケールを設定し、前記階調スケールの階調段階数を試験の所望の精度に従って段階化する工程Ｓ３と、
前記光電投影試験装置を修正するためのプルーフを作製して、前記プルーフは、それぞれゼロ階調のプルーフ（４０１）、中階調のプルーフ（４０２）、中低階調のプルーフ（４０３）、中高階調のプルーフ（４０４）であり、前記ゼロ階調のプルーフ（４０１）は内部に如何なる縞欠陥もないものであり、前記中階調のプルーフ（４０２）は縞最大階調の中間階調を取るものであり、５０％の階調値で光電投影試験装置を標定し、全てのプルーフは、厚さが統一した厚さであり、材料が被検試料の材料記号と同じである工程Ｓ４と、
光学材料の試験試料（２）を前記プルーフと同じ厚さに研削する工程Ｓ５と、
工程Ｓ４で作製したプルーフによって前記光電投影試験装置を標定し、標定された前記光電投影試験装置によって試験試料（２）を試験し、前記光電投影試験装置によって試験試料（２）の試験画像に対して縞の面積及び階調を統計し、工程Ｓ１で作成された公式に基づいて、前記試験試料の縞値Ｓを計算する工程Ｓ６と、
を備えることを特徴とする光学材料の縞の定量試験法。
工程Ｓ２では、前記装置は、光路方向で順次に平行光源システム（１）、試験試料（２）、負レンズ（４）、絞り（５）、正レンズ（６）及び検出器（７）を含むように取り替えられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
工程Ｓ３では、低精度として３２段階、中間精度として６４段階、高精度として１２８段階又は２５６段階に分けるように段階化され、各段階の間の閾値は所定値であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
工程Ｓ６としては、具体的に、
工程１）前記試験試料（２）を前記ゼロ階調のプルーフ（４０１）に取り替えて、前記光電投影試験装置によってゼロ階調のプルーフ（４０１）を試験し、ゼロ階調のプルーフ（４０１）の試験画像を得、この状態の画像を検出器（７）の最高輝度状態に標定し、又はゼロ階調状態に標定し、
工程２）前記ゼロ階調のプルーフ（４０１）を中階調のプルーフ（４０２）に取り替えて、前記光電投影試験装置によって中階調のプルーフ（４０２）を試験し、中階調のプルーフ（４０２）の試験画像を得、この状態の画像を検出器（７）の５０％の階調に標定し、
工程３）工程１）で得られた最高輝度状態という基準値によって検出器（７）の階調スケールに対して対応するゼロ階調標定を行い、工程２）で得られた５０％の階調という基準値によって別々に検出器（７）の階調スケールに対して５０％の階調に対応する標定を行い、
工程４）前記プルーフで前記光電投影試験装置を標定した後で、またプルーフを試験試料（２）に取り替えて、光学投影試験装置によって試験試料（２）を試験し、またデータ収集、処理及び表示システム（８）によって試験試料（２）の試験画像に対して縞の面積及び階調を統計し、工程Ｓ１で作成した「縞値」Ｓの算式に基づいて試験試料（２）の縞値Ｓを計算して、試験画像及び定量試験結果を出力することを特徴とする請求項１に記載の方法。
工程１）において、ゼロ階調よりも高い高輝度値を飽和処理とし、又はゼロ階調とすることを特徴とする請求項４に記載の方法。
工程２）及び工程３）では、更に、別々に低中階調のプルーフである２５％の階調及び高中階調のプルーフである７５％の階調を適用して、検出器（７）をより高精度に標定することを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記定量試験結果は、光学材料の縞の絶対定量試験結果又は光学材料の縞の相対定量試験結果であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の方法。