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：
本发明涉及折射率分布测量方法和折射率分布测量装置。
背景技术：
日本专利公开No.(“JP”)08_014852提出了用于使用具有不同波长的两个射束来获得平板形状的测试对象的折射率分布的方法。JP 02-008726提出了用于通过在将测试对象浸入均具有与测试对象的折射率稍微不同的折射率的两种类型的匹配油中的每一种中时测量透过波面(transmitted wavefront)来发现该测试对象的折射率分布的方法。在JP 08-014852中公开的方法要求将测试对象加工成平板形状。测试对象的加工是耗时的，并且改变测试对象的内部应力并因此改变其在加工前和加工后的内部折射率分布，由此导致折射率分布与加工前的折射率分布不同。·在JP 02-008726中公开的方法要求准备折射率与测试对象的折射率大致相等的两种类型的匹配油。匹配油的折射率的调整要求混合不同类型的油，并且该调整是耗时的。另外，具有高折射率的匹配油提供低透射率。因此，当根据JP 02-008726的方法测量具有高折射率的测试对象的透过波面时，检测器只能输出弱的信号，从而使测试对象的测量精度劣化。

发明内容
本发明提供折射率分布测量方法和折射率分布测量方法装置，其能够在非破坏状态中迅速且高度精确地测量测试对象的折射率分布。根据本发明的折射率分布测量方法包括以下步骤通过将基准光引入到被布置在折射率与测试对象的折射率不同的介质中的测试对象中来测量测试对象的透过波面，以及通过使用透过波面的测量结果来计算测试对象的折射率分布。测量步骤测量对于第一波长的第一透过波面和对于与第一波长不同的第二波长的第二透过波面。计算步骤通过利用第一透过波面和第二透过波面的测量结果以及被布置在介质中的基准对象的对于第一波长和第二波长中的每一个的透过波面来去除测试对象的形状成分，计算测试对象的折射率分布。基准对象具有与测试对象相同的形状和特定的折射率分布。参照附图从示例性实施例的以下描述中，本发明的其它特征和方面将变得清晰。


图IA和图IB是根据第一实施例的折射率分布测量装置的框图。图2是根据第一实施例的用于示出折射率分布的处理过程的流程图。图3A和图3B是示出在测试对象上定义的坐标系和在根据第一实施例的测量单元中的光线的光路的示图。图4是根据第二实施例的折射率分布测量装置的框图。图5是根据第三实施例的折射率分布测量装置的框图。
具体实施例方式以下将参照附图描述本发明的示例性实施例。[第一实施例]现在将描述根据第一实施例的执行折射率分布测量方法的折射率分布测量装置。折射率分布测量装置通过将测试对象浸入折射率与测试对象的折射率不同的介质(M)中并通过将诸如第一波长的光和第二波长的光之类的两种类型的基准射束引入到测试对象中来测量测试对象的透过波面。折射率分布测量装置然后利用透过波面的测量结果来计算测试对象的折射率分布。测试对象是具有正焦度的透镜(光学元件)。图I是作为被配置为利用具有不同波长的两个射束来测量测试对象50的透过波面的测量单元的Talbot干涉计的框图。测试对象容器51的侧面由诸如玻璃的透光材料制成。测试对象容器51容纳诸如油的材料和测试对象50。 如图IA所不,从诸如He-Ne激光器的(第一)光源10发射的光具有第一波长λ p穿过诸如二向色镜的射束分离器20，并到达针孔板中的针孔30。另一方面，如图IB所示，从诸如He-Cd激光器的(第二)光源11发射的光具有第二波长λ 2，在射束分离器20上被反射，并到达针孔30。这里，光轴方向被设置为从光源10发射光的方向，光轴被设置为光束的中心。光穿过针孔30并被衍射。针孔30的直径Φ如此小，以至于衍射光可被视为理想球面波，并且针孔30的直径Φ被设计为使得直径Φ可被视为通过物体侧的数值孔径(“NA”)和光的波长λ满足式I 式I
λΦ --
WA由于在本实施例中He-Cd激光器的波长λ 2比He-Ne激光器的波长λ i小，因此针孔30被形成为使得它可对于波长λ2满足式I。例如，当λ2* 442ηπι并且NA约为0.2时，针孔30可具有约2 μ m的直径Φ。光在穿过针孔30之后变为发散光，通过测试对象容器51中的介质M入射到测试对象50，在本实施例中通过测试对象50的正焦度变为会聚光，并穿过二维正交衍射光栅60。然后，光被诸如CCD传感器或CMOS传感器之类的作为检测器的图像拾取元件70捕获(测量)。当透过了测试对象50的透射光的NA小、并且衍射光栅60与图像拾取元件70之间的距离Z满足由式2提供的Talbot条件时，在图像拾取元件70上获得衍射光栅60的自身图像作为干涉图案式2
ZZ mdz~2~ =-
Zp _ Z A这里，Z是从衍射光栅60到图像拾取元件70的距离，该距离被称为Talbot距离。另外，m是自然数，d是衍射光栅60的光栅间距，Z0是从衍射光栅60到测试对象50的像面的距离。假设从衍射光栅60到图像拾取元件70的方向为正。根据测试对象50的像差的大小和图像拾取元件70的像素尺寸来确定衍射光栅60的光栅间距d。
图2是用于示出计算测试对象50的内部折射率分布的处理过程的流程图，“S”表示步骤。由图I所示的诸如微计算机的操作単元80 (处理器)执行作为计算机程序的计算处理。首先，如图IA和图IB所示，在测试对象容器51中填充介质M，并将测试对象50布置在介质中(S10)。接下来，将具有第一波长的光引入到测试对象50中(S20)。在測量第一波长的透过波面时，防止具有第二波长的光的混合。本实施例关断光源11、或者在光源11与射束分离器20之间插入遮光板等。作为替代方案，可以将被配置为屏蔽具有第二波长的光的波长选择滤波器等插入到射束分离器20与针孔30之间的空间中。然后，在适当的位置布置测试对象50、衍射光栅60和图像拾取元件70 (S30)。衍射光栅60和图像拾取元件70被统称为传感器。通过在光轴方向上改变针孔30与测试对象50之间的间隔来减小像侧的NA。为了在Talbot干涉计中在图像拾取元件70的整个表面上获得衍射光栅60的自身图像，需要将NA限制为O. 3或更小。当传感器的受光面比透过了测试对象50的光束的直径小时，可通过将传感器与测试对象50分开来使光落入受光面内。也可调整测试对象50的偏心和傾斜。接下来，计算具有已知形状和已知折射率分布的基准对象的仿真波面Wsiml (S40)。仿真波面Wsiml是针对第一波长和相应介质的第一基准透过波面。该步骤假定基准对象具有与测试对象50相同的形状和一致的特定折射率分布，并且在与S30的布置相同的布置中单独地计算(基准)透过波面。与测试对象50相同的形状意味着测试对象50的设计值。作为仿真的替代，可实际制造具有与测试对象50相同的形状和均匀的折射率分布的基准对象，并可在图I所示的測量装置中实际测量透过波面。式3表示在图3A所示的测试对象50中的点(x，y)处的第一基准透过波面Wsinil。图3A中的坐标(0，O)是测试对象50的中心坐标，并与光轴上的点对应。为了简化式3，忽略测试对象容器51的侧面的厚度。式3Wsiml= {Lla(x, y) +Ii1Llb (x, y) +N1 (OjO)L1 (x, y) +Ii1Llc (x, y) +Lld(x, y)}-{Lla(0,0) +Ii1Llb(0,0) +N1 (0,0)L1 (x，y) +Ii1Llc(0,0) +Lld(0,0)}Lla (x，y)、Llb (x, y)>Llc (x，y)和Lld (x, y)是沿着图3B所示的光线的构成要素(components)之间的几何距离。图3B所示的光线意味着穿过图3A所示的测试对象50内的某点(x，y)的光线。L1 (x，y)是测试对象50中的光线的光路的几何长度或者沿着光线的测试对象的厚度。可使用基准对象通过光线跟踪来计算L1(Xj)15在计算第一基准透过波面Wsiml时,也可计算任意点处的L1 (X，y)。假设ηι是对于第一波长的介质M的折射率。N1(Oj)是对于第一波长的基准对象的折射率。N1 (0，0)与通过在光轴方向上平均化图3A所示的测试对象50的中心坐标(0，O)处的折射率而得到的折射率对应。需要使用另ー测量方法(例如，使用低相干性干涉测量法的折射率測量方法)来获得测试对象50的Ii1 (0,0)o接下来，如图IA所示，对于第一波长测量测试对象50的(第一)透过波面Wml(S50)。该步骤包括获得图像拾取元件70的干涉图案的图像和由处理器(未示出)进行的透过波面的图像恢复处理。透过波面的图像恢复处理(下文中的“波面恢复”)利用快速傅立叶变换
5(“FFT”)方法。通过FFT方法进行的波面恢复是使用像差扰乱干涉图案的载波图案的特性来从像差分离载波的方法。更具体地，对于干涉图案执行二维FFT，将干涉图案转换成频率图。接下来，在频率图中仅仅拾取载波频率附近的部分之后执行逆快速傅立叶变换(iFFT)方法，并变换坐标以将载波频率设置为原点。由此，找到复振幅的相位项。得到的相位图变为透过波面。使用图3B所示的几何距离通过式4来表达第一透过波面Wml 式4Wnil= {Lla(x, y)+Ii1Llb (x, y) +N1 (x, y) [L1 (x, y) +dL(x, y) ]+Ii1 [Llc(x, y)-dL(x,y)]+Lld(x, y)}- {Lla (0，0) +Ii1Llb (0，0) +N1 (0，0) [L1 (0,0)+dL (0,0)] +Ii1 [Llc (0，0) _dL (0,0)] +Lld (0，0)}N1 (x，y)表示在图3B所示的光线的行进方向上平均化的折射率。dL (x，y)是在光线行进方向上相对测试对象50的设计值的厚度误差(形状误差)。Lla (x，y)、Llb (x，y)、Llc (x,y)> Lld (\7)和1^ (x，y)具有式3和式4中的相同的值。这是因为在存在折射率分布的情况与不存在折射率分布的情况之间，光路的差值小到可以忽略。可如式5那样计算与S40中找到的第一基准透过波面Wsiml与S50中找到的第一透过波面Wml之间的差对应的(第一)波面像差W1 式5Wml-Wsiml= [N1 (x, y) -N1 (OjO)JL1 (x, y) + IX(x, y) -nJdL (x, y)-^ (OjO)-H1IdL (0,0)接下来，式6的近似使得能够计算对于第一波长的波面像差W1 (S60)。式7限定对于第一波长的波面像差W1与折射率分布GI1之间的关系。式6[N1 (X，y)-N1 (0，O) ] dL (X，y) O式7W1=GI1 · L1 (x, y) + [N! (0,0)-11^(11 (x, y)-[N! (0,0)-nJdL (0,0)GI1=N1 (x, y)-N1 (0,0)在S50中获得的透过波面Wml的测量结果包含测试对象50的折射率分布、测试对象形状的影响、测试对象形状误差的影响以及测量系统的偏差。在它们之中，通过从透过波面Wml减去基准透过波面Wsiml,消除测试对象形状的影响和测量系统的偏差。作为结果，S60找到波面像差W1，并获得测试对象50的折射率分布和测试对象形状误差的影响的残余信
肩、O接下来，如图IB所示，将具有第二波长的光引入到测试对象50中(S70)。在测量第二波长的透过波面时，防止具有第一波长的光的混合。本实施例关断光源10、或者在光源10与射束分离器20之间插入遮光板等。作为替代方案，可将被配置为屏蔽具有第一波长的光的波长选择滤波器等插入到射束分离器20与针孔30之间的空间中。然后，调整传感器位置(S80)。如式2所示，Talbot距离随波长变化而变化。从而，衍射光栅60和图像拾取元件70的位置被改变为适当的位置。根据与对于第一波长的过程相同的过程，对于第二波长找到波面像差W2。换句话说，首先，计算对于第二波长的基准对象的仿真波面Wsim2 (S90)。仿真波面Wsim2被称为通过使用第二波长的测量而获得的第二基准透过波面。接下来，对于第二波长测量测试对象50的(第二)透过波面Wni2 (S100)。最后，找到与第二基准透过波面Wsini2和第二透过波面Wni2之间的差对应的第二波面像差W2 (SI 10)。式8提供对于第二波长的波面像差W2与折射率分布GI2之间的关系。式8
权利要求
1.一种折射率分布測量方法，包括以下步骤 通过将基准光引入到被布置在折射率与测试对象的折射率不同的介质中的测试对象中来測量测试对象的透过波面；以及 通过使用透过波面的測量结果来计算测试对象的折射率分布， 其中，測量步骤测量对于第一波长的第一透过波面和对于与第一波长不同的第二波长的第二透过波面，以及 其中，计算步骤通过利用第一透过波面和第二透过波面的測量结果以及被布置在所述介质中的基准对象的对于第一波长和第二波长中的每ー个的透过波面来去除测试对象的形状成分，计算测试对象的折射率分布，基准对象具有与测试对象相同的形状和特定的折射率分布。
2.根据权利要求I所述的折射率分布測量方法，其中，測量步骤使用剪切干渉计来测量测试对象的透过波面。
3.根据权利要求I所述的折射率分布測量方法，其中，測量步骤使用Hartman传感器来測量测试对象的透过波面。
4.ー种光学元件的生产方法，包括以下步骤 使光学元件成型；以及 通过使用根据权利要求I至3中任一项所述的折射率分布測量方法測量光学元件的折射率分布来评价成型的光学元件。
5.一种折射率分布測量装置，包括 光源，被配置为发射具有第一波长的光和具有第二波长的光； 测量单元，被配置为通过使用来自光源的光，測量被布置在折射率与测试对象的折射率不同的介质中的测试对象的透过波面；以及 操作単元，被配置为基于对于第一波长测量的第一透过波面和对于第二波长测量的第ニ透过波面来计算测试对象的折射率分布， 其中，操作単元通过利用第一透过波面和第二透过波面的測量结果以及被布置在所述介质中的基准对象的对于第一波长和第二波长中的每ー个的透过波面来去除测试对象的形状成分，计算测试对象的折射率分布，基准对象具有与测试对象相同的形状和特定的折射率分布。
6.根据权利要求5所述的折射率分布測量装置，其中，所述测量単元包括剪切干涉计。
7.根据权利要求5所述的折射率分布測量装置，其中，所述测量単元包括Hartman传感器。
全文摘要
一方法包括通过将基准光引入到被布置在折射率与测试对象的折射率不同的介质中的测试对象中来测量测试对象的透过波面，以及通过使用透过波面的测量结果来计算测试对象的折射率分布。测量步骤测量对于第一波长的第一透过波面和对于与第一波长不同的第二波长的第二透过波面。计算步骤通过利用第一透过波面和第二透过波面的测量结果以及被布置在介质中的基准对象的对于第一波长和第二波长中的每一个的透过波面来去除测试对象的形状成分，计算测试对象的折射率分布。基准对象具有与测试对象相同的形状和特定的折射率分布。
文档编号G01M11/02GK102918373SQ201180024878
公开日2013年2月6日 申请日期2011年5月19日 优先权日2010年5月25日
发明者杉本智洋 申请人:佳能株式会社