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专利名称：折射率分布测量方法和折射率分布测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量诸如光学元件的被检物的折射率分布的方法和装置。
背景技术：
用于诸如数字照相机和激光束打印机的光学装置的诸如透镜的光学元件需要高 的折射率。另一方面，模制技术使得即使在使用具有高折射率的光学玻璃和塑料时也能够 容易地制造诸如非球面的复杂形状。但是，模制有时依赖于模制条件而在光学元件内造成折射率不均勻性。这种内部 折射率不均勻性大大影响光学元件的光学特性，这会使得不能获得希望的光学特性。因此， 需要具有高折射率的光学元件的内部光学均勻性的高度精确测量。用于测量光学均勻性的方法通常包括测量经高精度加工的被检物(光学元件)的 透射波前以测量其的内部折射率分布的干涉量度法。此外，提出如下这样的方法，该方法将 被检物放置在玻璃板之间，并将被检物浸入被设置在其间且具有大致等于被检物的折射率 的折射率的油中，以减少被检物的表面精度误差。日本专利公开No. 01-316627公开了如下这样的方法，该方法测量被浸入具有大 致等于被检物的折射率的折射率的介质(匹配油)中的被检物的透射波前，以获得被检物 的光学性能。该方法使得能够在被检物没有被精确加工的情况下测量被检物的内部折射率 分布。日本专利公开No. 02-0087 公开了如下这样的方法，该方法测量被浸入具有大 致等于被检物的折射率的折射率的第一匹配油中的被检物的透射波前，并进一步测量被浸 入具有与被检物的折射率稍微不同的折射率的第二匹配油中的被检物的透射波前。此公开 的方法基于通过第一和第二匹配油测量的透射波前获得被检物的折射率分布和形状。在通过第二匹配油进行的测量中，被检物的折射率分布和形状的影响在用于测量 透射波前的检测器上作为干涉条纹出现。因此，第二匹配油的折射率必须在干涉条纹未极 度加厚的范围内与被检物的折射率稍微不同。在日本专利公开No. 01-316627和No. 02-008726中公开的测量方法需要具有大致 等于被检物的折射率的折射率的匹配油。但是，具有高折射率的匹配油通常具有低的透射 率。因此，当利用日本专利公开No. 01-316627和No. 02-008726中公开的测量方法测量具 有高折射率的被检物的透射波前时，检测器仅输出小的信号，这使测量精度劣化。另一方面，当使用低折射率匹配油时，由被检物的形状导致的像差被加到透射波 前上。此外，由于用于测量的光变为非准直光，因此除被检物以外的光学元件的布置误差也 影响透射波前。这些使得难以精确地从透射波前仅提取折射率分布。

发明内容
本发明提供了即使当将被检物浸入低折射率介质中时仍能够高度精确地测量高 折射率被检物的内部折射率分布的方法和装置。
作为其一个方面，本发明提供了一种折射率分布测量方法，包括第一测量步骤， 用于将被检物置于第一介质中并使基准光入射到所述被检物以测量所述被检物的第一透 射波前，所述第一介质的折射率低于所述被检物的折射率；第二测量步骤，用于将所述被检 物置于第二介质中并使基准光入射到所述被检物以测量所述被检物的第二透射波前，所述 第二介质的折射率比所述被检物的折射率低并且与所述第一介质的折射率不同；以及计算 步骤，用于计算所述被检物的内部折射率分布。当在所述第一测量步骤中入射到所述被检 物的基准光中，入射到所述被检物的远离所述被检物的位于光轴上的中心部分的周边部分 并穿过所述被检物的某一点的光线被定义为第一光线，并且在所述第二测量步骤中入射到 所述被检物的基准光中，入射到所述周边部分上并穿过所述某一点的光线被定义为第二光 线时，在所述第一测量步骤和所述第二测量步骤中，所述方法使得所述第一光线和所述第 二光线沿相互不同的方向行进，以改变所述基准光的数值孔径，使得与入射到所述被检物 之前的基准光相比，透过所述被检物之后的基准光更接近于准直光。此外，在所述计算步骤 中，所述方法通过使用所述被检物的分别沿所述第一光线和所述第二光线的几何厚度计算 所述被检物的有效厚度，并通过使用在所述第一测量步骤和所述第二测量步骤中测量的所 述第一透射波前和所述第二透射波前以及计算的所述有效厚度计算内部折射率分布。作为其的另一方面，本发明提供了一种光学元件制造方法，所述方法包括模制所 述光学元件的形成步骤；和评估所述光学元件的评估步骤。在所述评估步骤中，所述方法通 过使用上述折射率分布测量方法测量所述光学元件的内部折射率分布。作为其的还另一方面，本发明提供了一种折射率分布测量装置，包括测量部件， 被配置为执行第一测量和第二测量，所述第一测量使基准光入射到被置于第一介质中的被 检物以测量所述被检物的第一透射波前，所述第一介质的折射率低于所述被检物的折射 率，所述第二测量使基准光入射到被置于第二介质中的所述被检物以测量所述被检物的第 二透射波前，所述第二介质的折射率比所述被检物的折射率低并且与所述第一介质的折射 率不同；以及计算部件，被配置为计算所述被检物的内部折射率分布。当在所述第一测量中 入射到所述被检物的基准光中，入射到所述被检物的远离所述被检物的位于光轴上的中心 部分的周边部分并穿过所述被检物的某一点的光线被定义为第一光线，并且在所述第二测 量中入射到所述被检物的基准光中，入射到所述周边部分上并穿过所述某一点的光线被定 义为第二光线时，所述测量部件被配置成使得所述第一光线和所述第二光线沿相互不同的 方向行进，以改变所述基准光的数值孔径，使得与入射到所述被检物之前的基准光相比，透 过所述被检物之后的基准光更接近于准直光。此外，所述计算部件被配置成通过使用所述 被检物的分别沿所述第一光线和所述第二光线的几何厚度计算所述被检物的有效厚度，并 通过使用在所述第一测量和所述第二测量中测量的所述第一透射波前和所述第二透射波 前以及计算的所述有效厚度计算内部折射率分布。从以下的描述和附图，本发明的其它方面将变得清楚。


图IA和图IB示出实现作为本发明的实施例1的折射率分布测量方法的折射率分 布测量装置的配置。图2是示出实施例1中的折射率分布计算过程的流程图。
图3A和图;3B示出在被检物上定义的坐标系和实施例1中的折射率分布测量装置 中的光路。图4A和图4B示出在CXD位置包含误差的情况下的光路长度的变化。图5示出透过被检物的光的NA和折射率分布的误差之间的关系。图6A和图6B示出在被检物的球面像差大的情况下透过被检物的光的状态。图7A和图7B示出实现作为本发明的实施例2的折射率分布测量方法的折射率分 布测量装置的配置。图8A和图8B示出实现作为本发明的实施例3的折射率分布测量方法的折射率分 布测量装置的配置。图9示出使用实施例1 3的折射率分布测量方法中的任一个的光学元件的制造 方法。
具体实施例方式以下参照附图描述本发明的示例性实施例。首先描述实现作为本发明的第一实施例(实施例1)的折射率分布测量方法的折 射率分布测量装置。本实施例的折射率分布测量方法测量被浸入两种介质(在本实施例 中，作为例子，这两种介质为空气和水)中的被检物的透射波前以计算被检物的内部折射 率分布，这两种介质的折射率比被检物的折射率低，并且这两种介质的折射率相互不同。在 本实施例中，作为例子，被检物是诸如具有负光焦度的透镜的光学元件。图IA和图IB示出将被检物40浸入空气(第一介质)和水(第二介质)中以测 量被检物40的透射波前的Talbot干涉计(测量部分)的配置。被检物40在被检物外壳 41中被浸入空气和水中。空气和水的折射率均比被检物40的折射率低。而且，水的折射率 比空气的折射率高。从激光源10(例如，He-Ne激光器)发射的激光穿过针孔20以在该处被衍射。针 孔20的直径φ被设计为小，使得衍射光可被看作理想球面波，并进一步使得第一准直透镜 30的数值孔径(以下被称为“ΝΑ”)和激光源10的波长λ满足以下的表达式
彻(1)在波长λ为600nm并且NA为大约0. 3的情况下，针孔20的直径φ可被设为大约 2 μ m0已穿过针孔20的激光透过第一准直透镜30和第二准直透镜31以由此被会聚。产 生照射被检物40的光的光学系统被称为“照射光学系统”。在本实施例中，针孔20、第一准 直透镜30和第二准直透镜31构成照射光学系统。会聚的激光穿过被检物外壳41中的空气或水，然后入射到被检物40以从中透过。 穿过被检物外壳41中的介质并然后入射到被检物40的激光被称为“基准光”。基准光21 仅是来自照射光学系统的光中的实际透过被检物40的光分量。换句话说，基准光21不是 诸如由于被检物外壳41和被检物40的形状而被它们反射的光分量的未透过被检物40的
光分量。已透过被检物外壳41中的空气或水的激光(透射光)变为大致准直光，并穿过作为二维衍射光栅的正交衍射光栅50。然后，透射光被作为检测器的诸如CCD传感器或CMOS 传感器的图像拾取元件60捕获(测量)。图像拾取元件60在以下被称为“(XD 60”。当已 透过被检物40的透射光的NA小时，满足以下的Talbot条件O)的衍射光栅50和CCD 60 之间的距离Z在CXD 60上产生作为衍射光栅50的自身图像(self-image)的干涉条纹
权利要求
1.一种折射率分布测量方法，包括第一测量步骤，用于将被检物置于第一介质中并使基准光入射到所述被检物以测量所 述被检物的第一透射波前，所述第一介质的折射率低于所述被检物的折射率；第二测量步骤，用于将所述被检物置于第二介质中并使基准光入射到所述被检物以测 量所述被检物的第二透射波前，所述第二介质的折射率比所述被检物的折射率低并且与所 述第一介质的折射率不同；以及计算步骤，用于计算所述被检物的内部折射率分布，其特征在于，当在所述第一测量步骤中入射到所述被检物的基准光中，入射到所述被 检物的远离所述被检物的位于光轴上的中心部分的周边部分并穿过所述被检物的某一点 的光线被定义为第一光线，并且在所述第二测量步骤中入射到所述被检物的基准光中，入 射到所述周边部分并穿过所述某一点的光线被定义为第二光线时，在所述第一测量步骤和所述第二测量步骤中，所述方法使得所述第一光线和所述第二 光线沿相互不同的方向行进，以改变所述基准光的数值孔径，使得与入射到所述被检物之 前的基准光相比，透过所述被检物之后的基准光更接近于准直光，并且，其特征在于，在所述计算步骤中，所述方法通过使用所述被检物的分别沿所述第一光 线和所述第二光线的几何厚度计算所述被检物的有效厚度，并通过使用在所述第一测量步 骤和所述第二测量步骤中测量的所述第一透射波前和所述第二透射波前以及计算的所述 有效厚度计算内部折射率分布。
2.根据权利要求1的折射率分布测量方法，其中，在所述第一测量步骤和所述第二测 量步骤中，所述方法改变数值孔径，使得透过所述被检物之后的基准光的部分光更接近于 准直光，所述部分光对应于所述基准光的有效直径的光轴侧50%内的光分量。
3.一种光学元件制造方法，所述方法包括 模制所述光学元件的形成步骤；和评估所述光学元件的评估步骤，其特征在于，在所述评估步骤中，所述方法通过使用根据权利要求1的折射率分布测 量方法测量所述光学元件的内部折射率分布。
4.一种折射率分布测量装置，包括测量部件，被配置为执行第一测量和第二测量，所述第一测量使基准光入射到被置于 第一介质中的被检物以测量所述被检物的第一透射波前，所述第一介质的折射率低于所述 被检物的折射率，所述第二测量使基准光入射到被置于第二介质中的所述被检物以测量所 述被检物的第二透射波前，所述第二介质的折射率比所述被检物的折射率低并且与所述第 一介质的折射率不同；以及计算部件，被配置为计算所述被检物的内部折射率分布，其特征在于，当在所述第一测量中入射到所述被检物的基准光中，入射到所述被检物 的远离所述被检物的位于光轴上的中心部分的周边部分并穿过所述被检物的某一点的光 线被定义为第一光线，并且在所述第二测量中入射到所述被检物的基准光中，入射到所述 周边部分并穿过所述某一点的光线被定义为第二光线时，所述测量部件被配置成使得所述第一光线和所述第二光线沿相互不同的方向行进，以 改变所述基准光的数值孔径，使得与入射到所述被检物之前的基准光相比，透过所述被检物之后的基准光更接近于准直光，并且，其特征在于，所述计算部件被配置成通过使用所述被检物的分别沿所述第一光线和所 述第二光线的几何厚度计算所述被检物的有效厚度，并通过使用在所述第一测量和所述第 二测量中测量的所述第一透射波前和所述第二透射波前以及计算的所述有效厚度计算内 部折射率分布。
全文摘要
本发明公开了折射率分布测量方法和折射率分布测量装置，该方法包括将被检物(40)置于折射率比被检物的折射率低的第一和第二介质中并使基准光(21)入射到被检物上以测量第一和第二透射波前的第一和第二步骤。当入射到被检物的周边部分上并穿过被检物的同一点的光线被定义为第一和第二光线时，该方法使得这些光线沿相互不同的方向行进以改变基准光的NA，使得透过被检物之后的基准光比入射到被检物之前的基准光更接近于准直光。该方法使用被检物的几何厚度计算被检物的有效厚度，并通过使用第一和第二透射波前以及有效厚度计算其折射率分布。
文档编号G01M11/02GK102062677SQ201010543240
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月15日 优先权日2009年11月18日
发明者杉本智洋 申请人:佳能株式会社