折射率测量方法、测量装置和光学元件制造方法与流程

本发明涉及折射率测量方法及其装置。
背景技术：
：模塑透镜(moldedlens)的相位折射率根据模塑条件而改变。通常，模塑后的透镜的相位折射率在透镜被加工成棱形之后通过最小偏角方法或V形块(V-block)方法来测量。这种加工费钱又费时。此外，模塑后的透镜的相位折射率由于加工中的应力释放而改变。因此，用于非破坏性地测量模塑后的透镜的相位折射率的技术是必要的。美国专利No.5151752讨论了以下用于测量模塑透镜的折射率的方法。首先，将其相位折射率和形状未知的测试对象以及其相位折射率和形状已知的玻璃样品浸入具有不同折射率的两种匹配流体中，并然后通过使用透过测试对象和玻璃样本的相干光来生成干涉条纹。根据玻璃样本的干涉条纹来确定匹配流体(油)的相位折射率，并且使用该油的相位折射率来计算测试对象的相位折射率。另外，非专利文献(H.Delbarre、C.Przygodzki、M.Tassou和D.Boucher，“High-precisionindexmeasurementinanisotropiccrystalsusingwhite-lightspectralinterferometry”，AppliedPhysicsB，2000年第70卷，第45-51页)讨论了以下方法。参照光束和测试光束之间的干涉信号被测量为波长的函数，并且通过拟合干涉信号来计算相位折射率。在美国专利No.5151752中所讨论的方法中，具有高的相位折射率的匹配流体具有低的透射率。因此，在具有高相位折射率的测试对象的透射波前测量中仅能获得小的信号，因此测量精度降低。在上述非专利文献中所讨论的方法中，2π的整数倍的相位是未知的，因此拟合精度降低。技术实现要素：本发明的实施例针对对于以高精度测量测试对象的相位折射率有用的测量方法和测量装置。一个实施例还针对制造光学元件的方法。根据本发明的一个方面，一种测量方法包括：通过将来自光源的光分成参照光束和测试光束并且引起参照光束和透过测试对象的测试光束之间的干涉，在多个波长处测量参照光束和测试光束之间的相位差；以及通过基于参照对象的已知的相位折射率相对于波长的斜率计算与相位差中包括的2π的整数倍对应的值，计算测试对象的相位折射率。根据本发明的另一个方面，光学元件制造方法包括：模塑光学元件，以及通过使用上述测量方法测量所模塑的光学元件的折射率，评估该光学元件。根据本发明的又一个方面，一种测量装置包括：光源；干涉光学系统，被配置为将来自光源的光分为参照光束和测试光束并且引起参照光束和透过测试对象的测试光束之间的干涉；检测器，被配置为检测参照光束和测试光束之间的干涉光，所述干涉光由干涉光学系统形成；以及计算机，被配置为基于从检测干涉光的检测器获得的干涉信号来计算参照光束和测试光束之间的相位差，其中，计算机通过基于参照对象的已知的相位折射率相对于波长的斜率计算与相位差中包括的2π的整数倍对应的值来计算测试对象的相位折射率。参照附图阅读对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。附图说明图1是测量装置的框图(第一示例性实施例)。图2是例示了用于通过使用测量装置来计算测试对象的相位折射率的过程的流程图。图3是例示了由检测器获得的干涉信号的图(第一示例性实施例)。图4是测量装置的框图(第二示例性实施例)。图5是光学元件制造工艺的图解。具体实施方式下面将参照附图来描述本发明的示例性实施例。图1是根据本发明的第一示例性实施例的测量装置的框图。本示例性实施例的测量装置是基于Mach-Zehnder干涉仪而配置的。该测量装置包括光源10、干涉光学系统、能够容纳介质70和测试对象80的容器60、检测器90以及计算机100。该测量装置对测试对象80的相位折射率进行测量。这里，使用了两种折射率。一种是关于相位速度v(λ)的相位折射率n(λ)，其中相位速度v(λ)是光的等相位面(equiphasesurface)的移动速度。另一种是关于光能量的移动速度(波包(wavepacket)的移动速度)vg(λ)的群折射率ng(λ)。相位折射率n(λ)和群折射率ng(λ)之间的关系由下面描述的表达式8表示。本示例性实施例中的测试对象80是具有负焦度(power)的透镜，并可以是具有正焦度的透镜或者可以是平面元件。第一示例性实施例的光源10发射多个波长的光(例如，超连续光谱光源)。干涉光学系统将来自光源10的光分成将不透过测试对象的光(参照光束)和将透过测试对象的光(测试光束)。干涉光学系统通过使参照光束和测试光束叠加来引起干涉，使得形成干涉光。干涉光学系统然后将干涉光引导至检测器90。干涉光学系统包括分束器20和21、以及镜30、31、40、41、50和51。分束器20和21各自由例如立方分束器实现。分束器20在界面(接合面)20a处透射来自光源10的一部分光并同时反射剩余的光。在本示例性实施例中，由界面20a透射的光是参照光束，而由界面20a反射的光是测试光束。分束器21在界面21a处反射参照光束并透射测试光束。结果，参照光束和测试光束相互干涉，由此形成干涉光。该干涉光然后入射在检测器90(例如，电荷耦合设备(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器)上。容器60容纳介质70和测试对象80。优选的是：在测试对象80未被放置在容器60中的状态下，在容器60中参照光束的光学路径长度和测试光束的光学路径长度相一致。因此，优选的是：容器60的每个侧面(例如，玻璃)具有均匀的厚度和均匀的折射率，并且容器60的两个侧面相互平行。介质70的相位折射率由介质折射率计算器(未示出)计算。介质折射率计算器例如包括用于测量介质70的温度的诸如温度计之类的温度传感器、以及用于将所测量的温度转换为介质的相位折射率的计算机。计算机可以包括存储在特定温度下对于每个波长的折射率和在每个波长中折射率的温度系数的存储器。因此，基于由温度测量设备(例如，温度计)测量的介质70的温度，计算机可以计算介质70在所测量的温度下对于每个波长的折射率。如果介质70的温度变化小，则可以使用指示表示在特定温度下对于每个波长的折射率的数据的查找表。可替代地，介质折射率计算器可以包括波前测量传感器和用于计算介质的相位折射率的计算机。波前测量传感器被提供，以通过将其相位折射率和形状已知的玻璃棱镜浸在介质中来测量该玻璃棱镜的透射波前。计算机被提供，以根据玻璃透镜的透射波前和形状来计算介质的相位折射率。镜40和41例如各自是棱柱形镜。镜50和51例如各自是角锥反射器。镜51具有用于在由图1中所示的双箭头指示的方向上移动的驱动机构。镜51的驱动机构例如包括具有宽驱动范围(用于粗糙驱动)的级和具有高分辨能力(用于精细驱动)的压电级。镜51的驱动量由未示出的长度测量机器(例如，激光位移计或编码器)测量。计算机100按离散的量控制镜51的驱动。镜51的驱动机构可以调节参照光束和测试光束之间的光学路径长度差。检测器90由用于衍射来自分束器21的干涉光并检测作为波长(频率)的函数的干涉光强度的、包含分光仪(spectrometer)的部件配置而成。计算机100充当用于根据由检测器90获得的检测结果以及介质的相位折射率来计算测试对象的相位折射率的计算器。计算机100还充当用于控制镜51的驱动量的控制器。计算机100由包括中央处理单元(CPU)的电子部件配置而成，CPU用来执行下面详细说明的经编程的算法。以如下方式对干涉光学系统进行调整：该方式使得在测试对象80未被放置在容器60中的状态下，参照光束的光学路径长度和测试光束的光学路径长度相等。用于干涉光学系统的调整方法如下。在图1中所示的测量装置中，在光穿过容器60和介质70但是测试对象80未被放置在测试光学路径上的状态下获取参照光束和测试光束之间的干涉信号。在此过程中，参照光束和测试光束之间的相位差和干涉强度由表达式1表示。φ0(λ)=2πλ(-Δ0)]]>Iφ0(λ)＝I0(1+γcosφ0(λ))(表达式1)在表达式1中，“λ”表示空气中的波长，并且“Δ0”表示参照光束的光学路径长度和测试光束的光学路径长度之差。另外，“I0”表示参照光束的强度和测试光束的强度之和，并且“γ”表示可视度。根据表达式1，当Δ0不为0时，干涉强度变为振荡函数。因此，为了使参照光束的光学路径长度和测试光束的光学路径长度彼此相等，镜51被驱动为处于干涉信号不变成振荡函数的位置。然而，当Δ0的当前值可以被识别时，没有必要将镜51的位置调节到参照光束的光学路径长度和测试光束的光学路径长度变为相等(Δ0＝0)的位置。图2是例示了用于计算测试对象80的相位折射率的过程的流程图，并且“S”是“步骤”的缩写。首先，在步骤S10中，将测试对象80放置在测试光学路径上。接下来，在步骤S20中，在多个波长中测量参照光束和测试光束之间的相位差。要测量的相位差包括与2π的整数倍对应的未知数2πm(“m”为整数)。相位差和干涉强度I(λ)由表达式2表示。φ(λ)=2πλ[(nsample(λ)-nmedium(λ))L-Δ0]-2πm]]>I(λ)＝I0(1+γcosφ(λ))(表达式2)在表达式2中，“nsample(λ)”表示测试对象的相位折射率，“nmedium(λ)”表示介质的相位折射率，并且“L”表示测试对象的几何厚度。在本示例性实施例中，“L”表示测试对象的被测试光束穿过的部分的厚度。图3例示了由图1中所示的检测器90测量的光谱范围的干涉信号。干涉信号变为反映相位差的波长依赖性的振荡函数。在图3中，“λ0”表示在该处相位差输出极值的波长。干涉信号具有变为大致在波长λ0附近的振荡周期，因此，干涉信号可以在该波长处被容易地测量。相比之下，在远离λ0的波长处，干涉信号的周期短，因此，干涉信号可能太密而不能被分辨。如果λ0落在干涉信号可被分辨的测量范围的外部，则Δ0的值可以通过驱动镜51来调整。相位差可以使用例如下面的相位偏移方法来测量。在以离散步子驱动镜51的同时获取干涉信号。表达式3表示当镜51的相位偏移量(＝驱动量×2π/λ)为δk(k＝0，1，……M-1)时的干涉强度Ik(λ)，其中k是离散步子的最大数。如果通过基于最小二乘法的算法来计算系数a0、a1和a2，则相位差由表达式4使用相位偏移量δk和干涉强度Ik(λ)来计算。为了提高计算相位差的精度，优选的是使相位偏移量δk最小化并使驱动步伐数M最大化。所计算的相位差按2π卷绕(wrap)。因此，连接2π的相位跃变(解卷绕)是必要的。a0a1a2=MΣk=0M-1cosδkΣk=0M-1sinδkΣk=0M-1cosδkΣk=0M-1cos2δkΣk=0M-1cosδksinδkΣk=0M-1sinδkΣk=0M-1cosδksinδkΣk=0M-1sin2δk-1Σk=0M-1IkΣk=0M-1IkcosδkΣk=0M-1Iksinδk]]>在步骤S30中，作为整数m的函数，测试对象的相位折射率根据相位差来计算。作为整数m的函数的测试对象的相位折射率nsample(λ,m)由表达式5表示。由表达式5可知，作为波长的线性函数(m/L)λ，相位差的未知数值2πm影响测试对象的相位折射率。换句话说，相位折射率相对于波长的斜率根据整数m的值而变化。接下来，在步骤S40中，基于参照对象的相位折射率相对于波长的斜率来计算整数m(计算与相位差中包括的2π的整数倍对应的未知数)。这里，参照对象具有与测试对象的相位折射率接近的已知的相位折射率。例如，测试对象的基材或者使用与测试对象的相同材料制作的光学元件可以是参照对象。如上所述，相位折射率根据模塑条件而显著变化。然而，这种变化大多是独立于波长的恒定分量的变化。斜率分量(线性分量)相对于波长几乎不变化。因此，基于参照对象的相位折射率相对于波长的斜率来计算整数m。具体地，整数m被计算为使得测试对象的相位折射率的斜率和参照对象的相位折射率的斜率之差最小化。可替代地，整数m被计算为落入参照对象的相位折射率的斜率的公差(例如，Abbe数公差)内。最后，在步骤S50中，通过把在步骤S40中计算出的整数m代入表达式5来计算测试对象的相位折射率。在本示例性实施例中，测试对象的几何厚度L被假定为是已知的。因此，优选的是事先测量测试对象的几何厚度L。可以使用例如利用探测器的接触测量或者利用两个参照表面的低相干干涉法(low-coherenceinterferometry)来测量测试对象的几何厚度L。可替代地，通过使用本示例性实施例的测量装置，可以如下测量厚度L。在用于测量厚度L的方法中，在测量出由表达式2表示的相位差之后，通过按ΔT改变测试对象和介质各自的温度，再次执行测量以确定相位差相位差由表达式6表示。在表达式6中，“dnsample(λ)/dT”表示测试对象的折射率的温度系数，并且“α”表示测试对象的线性膨胀系数。另外，“nΔTmedium(λ)”表示在按ΔT改变温度之后的介质的相位折射率，并且“Δm”表示伴随着温度的变化ΔT的整数变化量。这里，dnsample(λ)/dT和α是已知量。另外，nΔTmedium(λ)由(上面所描述的)介质折射率计算器测量。根据相位差来计算相位差相对于波长的变化率。该计算工作被执行，以除去2π的整数倍的未知数。表达式7表示表达式2的相位差相对于波长的变化率(微分)、以及表达式6的相位差相对于波长的变化率下标g表示群折射率。表达式8表示相位折射率n(λ)与群折射率ng(λ)之间的关系。在从表达式7中的两个表达式消除ngsample(λ)之后，如表达式9所表示的那样计算厚度L。这里，各自被假定是已知量的dnsample(λ)/dT和α例如是由玻璃材料制造商提供的基材的值。严格来讲，测试对象80的dnsample(λ)/dT和α与基材的值不同，但是可以被假定等于基材的值。这是因为：即使玻璃材料的折射率在一定程度上改变，折射率的温度系数和线性膨胀系数也几乎不改变。此外，使用表达式9计算出的厚度L对折射率的温度系数和线性膨胀系数的变化不敏感。因此，可以仅知道具有与测试对象的折射率接近的折射率的玻璃材料的一组折射率的温度系数和线性膨胀系数。特别地，线性膨胀系数对厚度L的影响小，因此，可以不考虑测试对象80的膨胀(即，线性膨胀系数可以为0)。可以执行使用两种介质的厚度测量来代替使用温度变化的厚度测量。在用于通过使用两种介质来测量厚度L的方法中，在(在第一介质中)测量出由表达式2表示的相位差之后，通过将测试对象放在具有与第一介质的折射率不同的折射率的介质(第二介质)中，再次执行测量以确定相位差计算相位差的变化率和相位差的变化率在从和消除ngsample(λ)之后，通过表达式10计算厚度L。这里，“ng2sample(λ)”表示第二介质的群折射率。在本示例性实施例中，测试对象80被浸入诸如油之类的介质70(具有比空气的相位折射率高的相位折射率的介质)中。在根据本示例性实施例的测量方法中，介质70可以是空气。然而，将测试对象80浸入介质70(除空气之外)具有优势。具体地，通过减小测试对象和介质之间的折射率差异，可以降低透镜的焦度的影响。在本示例性实施例中，介质70透射参照光束和测试光束这两者。如果容器60的侧面的相位折射率和厚度以及容器60的侧面之间的距离是已知的，则介质70可以仅透射测试光束。介质70的温度分布相当于介质70的折射率分布。介质70的折射率分布给所计算出的测试对象的折射率带来误差。如果确定了折射率分布的量，则可以校正由于介质70的折射率分布导致的误差。因此，优选的是提供用于测量介质70的折射率分布的波前测量装置。在本示例性实施例中，通过镜51的机械相位偏移和检测器90的分光测量(spectroscopicmeasurement)的组合来测量相位差，但是可以替代地使用外差干涉法(heterodyneinterferometry)。如果使用外差干涉法，则用于该外差干涉法的干涉仪例如如下执行测量。首先，单色器被设置在跟在光源之后的位置，由此引起准单色光的发射。接下来，声光元件引起参照光束和测试光束之间的频率差异，并且通过诸如光电二极管之类的检测器来测量干涉信号。随后，在单色器扫描波长的同时，在每个波长处计算相位差。在本示例性实施例中，超连续光谱光源被用作用于发射多个波长的光的光源10。可以使用其他类型的光源来代替这种类型的光源。其他类型的光源的示例包括超辐射发光二极管(SLD)、卤素灯以及短脉冲激光器。在对波长进行扫描时，可以使用波长扫频光源来代替用于发射多个波长的光的光源和单色器的组合。可替代地，可以使用不具有连续光谱而具有离散光谱的光源(例如，多线振荡气体激光器)。光源不限于单个光源，并且可以是多个光源的组合。在本示例性实施例中，采用了使用Mach-Zehnder干涉仪的配置。然而，可以替代地采用使用Michelson干涉仪的配置。另外，在本示例性实施例中，折射率和相位差各自被计算为波长的函数，但是可以替代地被计算为频率的函数。图4是根据第二示例性实施例的测量装置的框图。使用二维传感器来测量波前。其相位折射率和形状已知的玻璃棱镜被设置在测试光束上以测量介质的折射率。在附图标记与第一示例性实施例相同的情况下，提供与第一示例性实施例的配置类似的配置并将对其进行描述。从光源10发射的光被单色器95衍射以变为准单色光，并且该准单色光入射在小孔110上。计算机100控制入射在小孔110上的准单色光的波长。在经过小孔110时，光变为发散光，并然后被准直器透镜120准直。分束器25把被准直的光分为透射光(参照光束)和反射光(测试光束)。被分束器25反射的测试光束被从镜30反射，并且然后入射在容纳有介质70、测试对象80和玻璃棱镜130的容器60上。一部分测试光束经过介质70和测试对象80。其余的测试光束仅经过介质70。经过容器60的这些部分光束在分束器26处各自与参照光束干涉，由此形成干涉光。干涉光然后经由成像透镜121被检测器92(例如，电荷耦合设备(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器)检测为干涉信号。由检测器92检测到的干涉信号被发送到计算机100。检测器92被设置在测试对象80和玻璃棱镜130的各自位置的共轭位置。优选的是玻璃棱镜130具有大致等于介质70的相位折射率的相位折射率，以防止经过玻璃棱镜130的光与参照光束之间的干涉条纹变得太密集。在本示例性实施例中，不必要测量测试对象80的所有透射光。可以仅测量在测试对象80的一部分中的透射光。本示例性实施例的用于测试对象80的相位折射率计算器如下。首先，将测试对象80放置在测试光束上。通过由单色器95执行的波长扫描和使用镜31的驱动机构的相位偏移方法来测量介质70的相位差和相位折射率。根据相位差测试对象的相位折射率nsample(λ,m)被计算为整数m的函数。基于参照对象的相位折射率相对于波长的斜率，计算与2π的整数倍对应的未知数2πm。通过将所计算出的整数m代入相位折射率nsample(λ,m)来计算测试对象的相位折射率。图5例示了用于利用模塑来制造光学元件的过程。通过经受光学元件设计步骤(S500)、模具设计步骤(S502)和使用模具的光学元件模塑步骤(S504)来制造光学元件。接下来，在评估步骤(S506)评估所模塑的光学元件的形状精度。如果形状精度不够(S506：不达标)，则对模具参数进行校正(S507)，并再次执行模具设计(S502)和光学元件形成(S504)直到满足期望的形状精度。如果形状精度令人满意(S506：达标)，则在S508评估光学元件的光学性能。根据本发明的每个示例性实施例的测量装置可被用于S508处的该光学性能评估步骤。如果所评估的光学性能不能满足所需的规格(S508：不达标)，则计算光学元件的光学表面的校正量(S509)，并且使用该计算的结果来再次设计光学元件(S500)。如果所评估的光学性能满足所需的规格(S508：达标)，则在大量生产步骤(S510)大量生产光学元件。根据本示例性实施例的光学元件制造方法，光学元件的折射率可以被精确地测量。因此，通过模塑可以以高精度大量生产光学元件。尽管参照示例实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的示例实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，从而涵盖所有这种修改和等同的结构及功能。本申请要求2015年6月10日提交的日本专利申请No.2015-117797的优先权，其全部内容通过引用并入于此。当前第1页1 2 3