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最新折射率测量方法、折射率测量装置及光学元件制造方法

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泰宁新闻网 http://www.tainingxinwen.cn 2020-10-18 03:06 出处:网络
这里介绍的最新折射率测量方法、折射率测量装置及光学元件制造方法,接下来的文章中逐渐向大家推荐和介绍

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折射率测量方法、折射率测量装置及光学元件制造方法

[0001] 本发明涉及折射率测量方法和折射率测量装置,更具体地,本发明可用于测量通 过成型(molding)制造的光学元件的折射率。

[0002] 模子(mold)透镜的折射率根据模子条件而改变。一般地,在将透镜加工成棱镜的 形式之后通过最小偏角方法或V阻挡(V-block)方法测量模子透镜的折射率。这种加工作 业执行起来麻烦且成本高。此外,成型之后透镜的折射率在加工作业期间由于应力释放而 改变。因此,需要用于非破坏性地测量模子透镜的折射率的技术。
[0003]PTL1公开了以下方法:在该方法中,将其相位折射率和形状未知的被检体和其 相位折射率和形状已知的玻璃样本浸入到两种类型的相位折射率匹配液中,通过使用相干 光测量干涉条纹,从玻璃样本的干涉条纹测量油的相位折射率,并通过使用油的相位折射 率计算被检体的相位折射率。在NPL1中,描述了以下方法。即,在该方法中,作为波长的 函数测量源自参照光和被检光(testlight)之间的干涉的干涉信号,计算相位差为极值的 特定波长,并且,通过使用拟合该干涉信号的模型计算折射率。
[0004] 在PTL1中公开的方法中,由于具有高的相位折射率的匹配油(matchingoil)的 透射率低,因此,只有小的信号在测量具有高的相位折射率的被检体的透射波前时被获得。 因此,测量精度降低。
[0005] 在NPL1中公开的方法中,干涉信号的相位的偏移项(为2π的整数倍的项)是 未知的。因此,拟合精度降低。此外,需要知道被检体的厚度。
[0006] 引文列表
[0007] 专利文献
[0008]PTL1 美国专利No. 5151752
[0009] 非专利文献
[0010]NPL1H.Delbarre,C.Przygodski,M.Tassou,和D.Boucher,High-precision indexmeasurementinanisotropiccrystalsusingwhite-lightspectral interferometry(appliedphysicsB,2000,vol.70,pp. 45-51)



[0011] 问题的解决方案
[0012] 本发明提供一种用于通过将来自光源的光分成被检光和参照光、将被检光引入 到被检体中并且测量源自参照光与穿过被检体的被检光之间的干涉的干涉光来测量被 检体的折射率的方法。该方法包括以下步骤:通过将被检体布置在其群折射率(group refractiveindex)在特定波长处等于被检体的群折射率的介质中,测量源自穿过被检体 和介质的被检光和穿过介质的参照光之间的干涉的干涉光;基于被检光与参照光之间的相 位差的波长依赖性确定所述特定波长;以及计算与所述特定波长对应的介质的群折射率作 为与所述特定波长对应的被检体的群折射率。
[0013] 本发明还提供一种光学元件制造方法。该方法包括以下步骤:使光学元件成型; 以及通过使用上述的折射率测量方法测量光学元件的折射率,评价成型的光学元件。
[0014] 本发明还提供一种折射率测量装置,该折射率测量装置包括:光源;被配置为将 来自光源的光分成被检光和参照光、将被检光引入到被检体中并且使得参照光和穿过被检 体的被检光相互干涉的干涉光学系统;被配置为检测源自被检光和参照光之间的干涉的干 涉光的检测单元;以及被配置为通过使用从检测单元输出的干涉信号计算被检体的折射率 的计算单元。被检体被布置于其群折射率在特定波长处等于被检体的群折射率的介质中。 干涉光学系统是使得穿过被检体和介质的被检光与穿过介质的参照光相互干涉的光学系 统。计算单元基于被检光和参照光之间的相位差的波长依赖性确定所述特定波长,并且将 与所述特定波长对应的介质的群折射率计算为与所述特定波长对应的被检体的群折射率。
[0015] 参照附图阅读示例性实施例的以下描述,本发明的其它特征将变得清晰。

[0016] 图1是根据本发明的第一实施例的折射率测量装置的框图。
[0017] 图2是用于通过使用根据本发明的第一实施例的折射率测量装置计算被检体的 群折射率的过程的流程图。
[0018] 图3A是表示被检体与介质的相位折射率与波长之间的关系的示图。
[0019] 图3B是表示被检体与介质的群折射率与波长之间的关系的示图。
[0020] 图4A和图4B是分别表示用根据本发明的第一实施例的折射率测量装置的检测器 获得的干涉信号的示图。
[0021] 图5是根据本发明的第二实施例的折射率测量装置的框图。
[0022] 图6是根据本发明的第三实施例的折射率测量装置的框图。
[0023] 图7示出根据本发明的第四实施例的光学元件制造方法的制造步骤。

[0024] 以下参照附图描述本发明的实施例。
[0025] 第一实施例
[0026] 图1是根据本发明的第一实施例的折射率测量装置的框图。根据第一实施例的折 射率测量装置包括Mach-Zehnder干涉计。在第一实施例中,通过将被检体放置于在特定波 长处具有等于被检体的群折射率的群折射率的介质(诸如油)中,被检体的厚度被去除以 测量被检体的群折射率。
[0027] 折射率包括与作为光的等相位面的移动速度的相位速度νρ(λ)有关的相位折射 率Νρ(λ)和与光能量的移动速度¥^1)(波包(wavepacket)的移动速度)有关的群折射 率Ng(λ)。能够通过使用后面描述的式6将这些折射率相互转换。
[0028] 在实施例中,被检体是具有负的折光力(焦距的倒数)的透镜。由于折射率测量 装置测量被检体的折射率,因此,被检体可以是透镜或平板,仅需要是折射光学元件。
[0029] 折射率测量装置包括光源10、干涉光学系统、能够容纳介质70和被检体80的容器 60、检测器90和计算机(计算单元)100。折射率测量装置测量被检体80的折射率。
[0030] 光源10是具有宽波长带的光源(例如,超连续统一体(supercontinuum)光源)。 干涉光学系统将来自光源10的光分成不穿过被检体的光(参照光)和穿过被检体的光(被 检光),使得参照光和被检光相互重叠且相互干涉,并且将干涉光引向检测器90。干涉光学 系统包括射束分离器20和21、以及镜子30、31、40、41、50和51。
[0031] 射束分离器20和21例如是立方射束分离器。射束分离器20的界面(接合表 面)20a透射来自光源10的光的一部分,并且同时反射来自光源10的光的剩余部分。穿过 界面20a的光的部分变为参照光,被界面20a反射的光的部分变为被检光。射束分离器21 的界面21a反射参照光的一部分,并且,透射被检光的一部分。作为结果,参照光和被检光 相互干涉,使得形成干涉光。干涉光向着检测器90射出。
[0032] 容器60容纳介质70和被检体80。在被检体80没有被布置于容器中时,希望容 器中的参照光的光路长度和被检光的光路长度相等。因此,希望容器60的侧面(例如,玻 璃)的厚度和折射率均匀且容器60的两个侧面相互平行。容器60包含温度调节机构(温 度调节单元),并且,能够例如控制介质的温度变化和介质的温度分布。
[0033] 使用介质折射率计算单元(未示出)计算介质70的折射率。介质折射率计算单 元包括例如测量介质的温度的温度测量单元和将测量的温度转换成介质的折射率的计算 机。更具体而言,介质折射率计算单元仅需要包括具有存储器的计算机,该存储器存储特定 温度处的不同波长时的折射率和不同波长时的折射率的温度系数。这使得计算机能够通过 使用通过温度测量单元测量的介质7的温度计算测量的温度处的各波长时的介质70的折 射率。当介质70的温度变化小时,可以使用指示特定温度处的各波长时的折射率数据的查 找表。介质折射率计算单元包括其折射率和形状已知的玻璃棱镜(参照被检体)、测量布置 于介质中的玻璃棱镜的透射波前的波前测量传感器(波前测量单元)、以及从透射波前以 及玻璃棱镜的折射率和形状计算介质的折射率的计算机。介质折射率计算单元可测量相位 折射率或群折射率。
[0034] 镜子40和41例如是棱镜。例如,镜子50和51是角锥反射器(cornercube reflector)。镜子51具有用于沿图1中的双头箭头方向的驱动操作的驱动机构。例如,镜 子51的驱动机构包括具有大的驱动范围的台架和具有高的驱动分辨率的压电元件。镜子 51的驱动量通过诸如激光长度测量单元或编码器的长度测量单元(未示出)被测量。镜 子51的驱动由计算机100控制。参照光的光路长度与被检光的光路长度之间的差值可通 过镜子51的驱动机构来调整。
[0035] 例如,检测器90包括光谱分散来自射束分离器21的干涉光的分光计,并且检测作 为波长(频率)的函数的干涉光的强度。
[0036] 计算机100用作通过使用从检测器90输出的干涉信号计算被检体80的折射率 的计算单元、以及控制镜子51的驱动量的控制单元。计算机100包括例如中央处理单元 (CPU)。但是,从由检测器90输出的干涉信号计算被检体的折射率的计算单元与控制镜子 51的驱动量和介质70的温度的控制单元可由不同的计算机形成。
[0037] 干涉光学系统被调整,使得在被检体80没有被布置于容器中时,参照光的光路长 度和被检光的光路长度彼此相等。调整方法如下。
[0038] 在图1所示的折射率测量装置中,在被检体80没有被布置于光学路径中时,获得 源自参照光和被检光之间的干涉的干涉信号。这里,参照光和被检光之间的相位差Φ<:(λ) 以及参照光和被检光的干涉强度Ic(λ)由下式1表达:
[0039][数学式1]
[0040]
[0041] 这里,λ是空气中的波长,△。是参照光的光路长度与被检光的光路长度之间的差 值,I。是参照光的强度与被检光的强度的和,γ是可见度(visibility)。从式1看出,在 A。不为零时,干涉强度1。(1)为振荡函数。因此,为了使得被检光的光路长度和参照光的 光路长度彼此相等,镜子51被驱动到干涉信号不变为振荡函数的位置。此时,△。为零。
[0042] 这里,虽然描述了干涉光学系统被调整使得被检光的光路长度和参照光的光路长 度变得彼此相等(4。= 0)的情况,但是,如果镜子51的当前位置从△。= 0的偏移量已 知,则不需要使被检光的光路长度和参照光的光路长度彼此相等。镜子51从被检光的光路 长度与参照光的光路长度变得彼此相等的位置(4。= 0)的驱动量可通过使用诸如激光长 度测量单元或编码器的长度测量单元(未示出)被测量。
[0043]图2是用于计算被检体80的群折射率的过程的流程图。"S"是步骤的缩写。
[0044] 首先,被检体80和在特定波长处具有等于被检体的群折射率的群折射率的介质 70被布置于容器60中。此时,介质70和被检体80被布置为使得被检光穿过被检体80和 介质70并且参照光穿过介质70。然后,通过使用检测器90测量源自被检光和参照光之间 的干涉的干涉光(S10)。
[0045] -般地,由于油的紫外吸收带比玻璃材料的紫外吸收带更接近可见光,因此,对于 油来说,可见光区域的折射率分散曲线的倾斜比玻璃材料陡。图3A是被检体的相位折射率 分散曲线和介质的相位折射率分散曲线的示图。图3B是被检体的群折射率分散曲线和介 质的群折射率分散曲线的示图。在图3B中的交点处,被检体的群折射率和介质的群折射率 变得彼此相等。图3B中的交点处的波长λ。与特定波长对应。即使在不存在有效相位折 射率匹配油的高折射率的区域中,也存在允许群折射率匹配的油。该介质还具有减少被检 体表面处的折射效果的作用。
[0046] 然后,通过使用从检测器90输出的干涉信号,从参照光和被检光之间的相位差的 波长依赖性确定特定波长λ。。
[0047] 在图4Α和图4Β中示出了从图1中的检测器90输出的光谱区域中的干涉信号。图 4Α和图4Β是表示在介质70的不同温度处测量的干涉信号的示图。参照光和被检光之间的 相位差Φ(λ)以及参照光和被检光的干涉强度I(λ)由下式2表达:
[0048][数学式2]
[0049]
[0050] 这里,nsamplE(λ)是被检体的相位折射率,rTd_(λ)是介质的相位折射率,L是被 检体的几何厚度。从图4Α和图4Β以及式2可以理解,干涉信号是反映相位差Φ(λ)的波 长依赖性的振动函数。
[0051] 图4A和图4B中的λ。代表相位差φ(λ)为极值时的波长。相位差φ(λ)关于 波长的倾斜,即相位差微分εΙΦ(λ)/(1λ由式3表达:
[0052] [数学式3]
[0053]
[0054] 这里,η/_1ε(λ)是被检体的群折射率,η^_(λ)是介质的群折射率。相位差 Φ(λ)变为极值时的图4A和图4B中的每一个中的波长λ。是微分相位dΦ(λ)/dλ变 为零时的波长。换句话说,波长λ。是被检体的群折射率η/_1ε(λ)和介质的群折射率 ngMdlimi(λ)变得彼此相等时的特定波长。式4表达特定波长λ。处的被检体的群折射率与 介质的群折射率之间的关系。可通过测量图4Α和图4Β中的每一个中的干涉信号的振动周 期变长的区域的顶点(极值),确定特定波长1。620):
[0055][数学式4]
[0056]
[0057] 然后,介质70的群折射率ngmed_U)被计算为特定波长处的被检体的群折射率 η^ρ1ε(λ) (S3〇)。在实施例中,设置包含测量介质的温度的温度测量单元和将测量的温度 转换成介质的折射率的计算机100的介质温度计算单元。在这种情况下,某个参照温度T。 处的介质70的相位折射率nrdlumU)和介质70的折射率的温度系数dnmedlumU)/dT是已 知的。与式5同样,关于测量的温度值T计算群折射率ngmEdlumU):
[0058] [数学式5]
[0059]
w v 〇.
[0060] 在使用式4计算群折射率的方法中,由于提供了介质的群折射率,因此,被检体的 厚度L不存在。因此,即使被检体的形状是未知的,也能够计算被检体的群折射率。
[0061] 在实施例中,计算特定波长λ。处的被检体的群折射率ηλ。)。计算多个波 长处的被检体的群折射率,即群折射率分散曲线ngmEdlum(λ)的方法如下。
[0062] 当介质的折射率改变时,特定波长λ。也改变。当例如介质的温度改变或者加入 具有不同的折射率的介质时,介质的折射率改变。图4Α和图4Β是表示介质的温度改变时 特定波长λ。的变化的示图。通过将介质的温度变化或不同介质的加入与图2的流程图组 合,获得被检体的群折射率分散曲线(λ)。注意,在利用温度变化测量群折射率分散 曲线的方法中,计算各温度处的被检体的群折射率。例如,通过校正与参照温度和各温度之 间的差值对应的折射率差,计算参照温度Τ。处的被检体的群折射率分散曲线η (λ)。
[0063] 在实施例中,获得被检体的群折射率。由于相位折射率Νρ (λ)和群折射率Ng (λ) 具有诸如式6所示的关系那样的关系,因此,能够通过使用被检体的群折射率计算被检体 的相位折射率:
[0064] [数学式6]
[0065]
[0066] 这里,C代表积分常数。
[0067] 式6表示从相位折射率Νρ (λ)到群折射率Ng (λ)的计算的一般方式。但是,当从 群折射率义(1)计算相位折射率Νρ(λ)时,积分常数C是任意的。
[0068] 因此,当从被检体的群折射率Ν/_1ε(λ)计算被检体的相位折射率NpsanplEU)时, 需要假定积分常数C。例如,如果被检体的积分常数CsamplE等于被检体的基材的积分常数 Cglass,那么能够通过使用由玻璃材料的供给者提供的基材的相位折射率计算基材的积分常 数Cglass。通过使用积分常数Cglass和式6,能够从被检体的群折射率ngsamplE (λ)计算相位折 射率nsample (λ)。
[0069] 作为计算积分常数C的替代,可以采用使用相位折射率与群折射率之间的差值或 比值的方法。使用差值计算相位折射率的方法和使用比值计算相位折射率的方法由式7表 达:
[0070] 「撒登忒7?
[0071]
[0072] 这里,基材的相位折射率是Νρ (λ),基材的群折射率是Ng (λ)。
[0073] 本实施例中的特定波长λ。通过使用振动的干涉信号被确定。但是,用于确定特 定波长的方法也可以是以下方法:在该方法中,通过使用相位偏移方法计算参照光和被检 光之间的相位差并确定相位差的极值。
[0074] 在实施例中,通过确定特定波长λ。并且用介质的群折射率代替特定波长λ。处的 被检体的群折射率,计算被检体的群折射率。但是,也可以使用以下的用于计算被检体的群 折射率的方法。
[0075] 通过使用镜子51被驱动的相位偏移方法,计算参照光和被检光之间的相位差 Φ(λ)(式2)。通过将相位差Φ(λ)关于波长的倾斜dΦ(λ)/dλ(式3)代入到作为式 3的变形的式8中,获得被检体的群折射率ngsaBplE (λ):
[0076] [数学式8]
[0077]
[0078] 通过式8获得的被检体的群折射率是测量波长范围(群折射率分散曲线)内的群 折射率,而不是特定波长λ。处的群折射率。但是,由于被检体的厚度L是未知的,因此需 要假定厚度L。例如,假定的厚度值可以为例如通过另一方法单独测量的厚度或被检体的设 计厚度。
[0079] 当假定的厚度值以偏差ΛL(厚度偏差)偏离真实值L时,群折射率ngsample (λ)具 有由于厚度偏差AL导致的折射率偏差△ng。当厚度偏差△L足够小于厚度L时,基于厚 度偏差ΔL的折射率偏差Δng (λ)由式9表达:
[0080] [数学式9]
[0081]
[0082] 式9示出,在(1Φ(λ)/(1λ变为零的特定波长λ。处,折射率偏差Δηβ(λ)变为 零。因此,当群折射率是特定波长λ。附近的波长(与参照光和被检光之间的相位差的极 值对应的波长)处的群折射率时,厚度偏差AL的影响减小,并且,获得高度精确的值。
[0083] 允许高度精确地测量群折射率的特定波长λ。附近的波长范围例如被估计如下。 假定被检体80和介质70的相位折射率分散式由式10表达:
[0084] 「撒1Π?
[0085]
[0086] 例如,当被检体的系数为A= 2. 03和Β= 0. 025,介质的系数为A= 1. 8和Β= 0. 04时,特定波长λ。为633nm。当被检体的厚度为L= 1mm、厚度偏差ΔL= 5μm且希望 的群折射率测量精度为Ang(λ) =〇.〇〇〇1时,使用式3和式9,范围570~730nm变为允 许高度精确测量的波长带。
[0087] 在实施例中,具有宽谱的干涉光在检测器90处光谱分散。但是,作为替代,也可以 使用波长扫射(sweeping)方法。在波长扫射方法中,例如,单色仪(monochromator)被布 置于光源正后方,导致准单色光从其出射,并且,通过使用诸如光电二极管的检测器测量具 有光的波长的干涉信号。然后,在执行波长扫描的同时执行各波长处的测量。
[0088] 可以组合波长扫射方法与外差干涉法(heterodyneinterferometry)。外差干涉 法不是根据实施例的镜子51的机械相位偏移方法,而是在例如声光元件处使得在参照光 和被检光之间出现频率差的时间相位偏移方法。
[0089] 在实施例中,使用超连续统一体光源作为具有宽波长带的光源10。但是,作为替 代,例如,也可以使用超发光二极管(SLD)、卤素灯或短脉冲激光器。在执行扫描波长时,作 为宽带光源和单色仪的组合的替代,可以使用波长扫射光源。
[0090] 由于介质70的温度分布,出现介质70的折射率分布。因此,在计算的被检体的折 射率中出现偏差。因此,希望通过使用温度调节机构(温度调节单元)执行温度控制,使得 不出现介质70的温度分布。如果折射率分布的量是已知的,则由介质70的折射率分布导 致的偏差可被校正。因此,希望设置用于测量介质70的折射率分布的波前测量装置(波前 测量单元)。
[0091] 在实施例中,镜子51被调整,使得被检光的光路长度和参照光的光路长度变得彼 此相等(△"=0)。但是,作为替代,所有需要获知的是当前位置从△。=0偏移了多少。 即,所有需要的是规定当前的A。值。在这种情况下,式2中的参照光和被检光之间的相位 差Φ(λ)被式11中的相位差Φ(λ)代替:
[0092] [数学式 11]
[0093]
[0094] 在实施例中,使用Mach-Zehnder干涉计。但是,作为替代,也可以使用Michelson 干涉计。虽然在本实施例中作为波长的函数计算折射率和相位差,但作为替代,也可以作为 频率的函数计算它们。
[0095] 第二实施例
[0096]图5是根据本发明的第二实施例的折射率测量装置的框图。测量介质70的折射 率的干涉计被加入到根据第一实施例的折射率测量装置。被检体是具有正折光力的透镜。 其它的结构部件与第一实施例的的结构部件相同。对应的结构部件被赋予相同的附图标记 并且被描述。
[0097] 从光源10出射的光通过射束分离器22分成透射光和反射光。透射光向被设置为 用于测量被检体80的折射率的干涉光学系统传播。反射光被引向被设置为用于测量介质 70的折射率的干涉光学系统。反射光进一步通过射束分离器23被分成透射光(介质参照 光)和反射光(介质被检光)。
[0098] 通过射束分离器23反射的介质被检光被镜子42和52反射,然后穿过容器60的 侧面和介质70,被镜子33反射,到达射束分离器24。穿过射束分离器23的介质参照光被 镜子32、43和53反射,然后穿过补偿器61,到达射束分离器24。到达射束分离器24的介 质参照光和介质被检光相互干涉,使得形成干涉光。通过包括例如分光计的检测器91检测 干涉光。通过检测器91检测的信号被发送到计算机100。
[0099] 补偿器61具有校正由容器60的侧面导致的折射率分散的影响的作用。补偿器61 由与容器60的侧面相同的材料制成,并且,具有与容器60的侧面相同的厚度(=容器60 的侧面的厚度X2)。当容器60的内部是空的时,补偿器61具有使得各波长处的介质被检 光的光路长度和介质参照光的光路长度之间的差值彼此相等的效果。
[0100] 镜子53具有与镜子51的驱动机构类似的驱动机构,沿图5中的双头箭头方向被 驱动。镜子53的驱动由计算机100控制。容器60包含温度调节机构,使得可以执行例如 介质的温度变化和介质的温度分布的控制。介质的温度也由计算机100控制。
[0101] 根据实施例的用于计算被检体80的群折射率的过程如下。
[0102] 首先,具有等于特定波长处的被检体的群折射率的群折射率的介质被布置于参照 光的光路和被检光的光路中(S10)。然后,从参照光和被检光之间的相位差的波长依赖性确 定特定波长(S20)。在实施例中,通过相位偏移方法如下计算式2中的相位差Φ(λ)。
[0103] 在以微小的量驱动镜子51的同时获得干涉信号。镜子51的相位偏移量(=驱动 量Χ23?/λ)为Sk(k=0,1,一,Μ-Ι)时的干涉强度IkU)由式12表达:
[0104] [数学式 12]
[0105] Ik (λ) = 10 [1+γcos(<})(A)-3k)] =ao+afosδk+a2sinδk
[0106] (a0= 10,a!=I0γcosΦ(λ),a2= 10γsinΦ(λ))。
[0107] 使用相位偏移量δk和干涉强度Ik(λ)通过式13计算相位差Φ(λ)。为了高精度 地计算相位差Φ(λ),希望相位偏移量δ,尽可能地小,驱动步数Μ尽可能多。计算的相位 差φ(λ)以2π为模数被包裹(wrapped)。因此,需要用2π连接相位跳变(phasejump) 来执行展开(unwrapping)。获得的相位差Φ(λ)是2Jr的任意整数倍(未知偏置项):
[0108][数学式13]
[0109]
[0110] 从与使用式13计算的相位差Φ(λ)的极值对应的波长,确定特定波长λ。(S20)。 相位差Φ(λ)的微分dΦ(λ)/dλ变为零的波长与特定波长λ。对应。
[0111] 由于相位差Φ(λ)是离散数据,因此,相位差的微分(?Φ(λ)Α?λ使得实际计算 各波长数据之间的相位差Φ (λ)的变化率。一般地,计算数据的微分量的运算使得噪声的 影响扩大。为了减少噪声的影响,所有需要做的是在平滑化原始数据之后计算微分量。作 为替代方案,所有需要做的是平滑化微分数据自身。
[0112] 然后,计算介质的群折射率ngmEd_U)作为被检体的群折射率η/_?6(λ) (S30)。 介质参照光和介质被检光之间的相位差Φ^_(λ)和相位差的微分d(i)mEdlum(X)/cU由式 14表达:
[0113][数学式14]
[0114]
[0115] △代表介质参照光的光路长度与介质被检光的光路长度之间的差值,Ltank代表容 器60的侧面之间的距离(介质70中的介质被检光的光路长度)。这些量是已知的。λ代 表空气中的波长,使得空气的折射率包含于波长中。这里,假定空气的相位折射率等于空气 的群折射率。与用于计算相位差φ( λ)的方法同样,通过使用镜子53被驱动的相位偏移 方法测量介质参照光和介质被检光之间的相位差Φ^1ιηι1(λ)。当式14被变形时,计算介质 的群折射率ngmed_U)(S30)。
[0116] 第三实施例
[0117]图6是根据本发明的第三实施例的折射率测量装置的框图。使用二维传感器来测 量波前。为了测量介质的折射率,其折射率和形状已知的玻璃棱镜(参照被检体)被布置 于被检光束上。与根据第一和第二实施例的结构部件对应的结构部件被赋予相同的附图标 记并且被描述。
[0118] 从光源10出射的光通过单色仪95光谱分散,变为准单色光,入射到针孔 (pinhole) 110上。入射到到针孔110上的准单色光的波长由计算机100控制。作为穿过针 孔110的结果变成发散光的光通过准直透镜120被准直化为平行光。准直化的光通过射束 分离器25分成透射光(参照光)和反射光(被检光)。
[0119] 穿过射束分离器25的参照光穿过容器60中的介质70,然后被镜子31反射,到达 射束分离器26。镜子31具有用于沿图6中的双头箭头方向的驱动操作的驱动机构,并且由 计算机1〇〇控制。
[0120] 被射束分离器25反射的被检光被镜子30反射并且入射到包含介质70、被检体80 和玻璃棱镜130的容器60上。被检光的一部分穿过介质70和被检体80。被检光的一部分 穿过介质70和玻璃棱镜130。被检光的剩余部分仅穿过介质70。穿过容器60的被检光的 多个部分在射束分离器26处与参照光干涉,使得形成干涉光。经由成像透镜121通过检测 器92 (例如,电荷耦合器件(CXD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器)检测干涉光。 由检测器92检测的干涉信号被发送到计算机100。
[0121] 检测器92被布置于与被检体80和玻璃棱镜130的位置共辄的位置。当被检体80 和介质70的相位折射率彼此不同时,穿过被检体80的光变为发散光或会聚光。当发散光 (会聚光)与穿过不是被检体80的某物的光相交时,所需要做的是例如使用布置于被检体 80后面(在检测器92侧)的孔径来截止(cutoff)杂散光。
[0122] 通过测量穿过玻璃棱镜130的波前来计算介质70的相位折射率。希望玻璃棱镜 130具有基本上等于介质70的相位折射率的相位折射率,使得源自穿过玻璃棱镜130的光 和参照光之间的干涉的干涉条纹不太密。当被检体80和玻璃棱镜130不被布置于被检光 路中时,被检光的光路长度和参照光的光路长度被调整为彼此相等。
[0123] 根据实施例的用于计算被检体80的群折射率的过程如下。
[0124] 首先,具有在特定波长处等于被检体的群折射率的群折射率的介质被布置于参照 光的光路和被检光的光路中(S10)。然后,通过执行使用镜子31的驱动机构的相位偏移方 法和使用单色仪95的波长扫描,测量被检光和参照光之间的相位差Φ(λ)和介质70的折 射率rTdlimi (λ)。从相位差的波长依赖性(φ(λ)或(1Φ(λ)/(1λ)来确定特定波长(S20)。 从介质70的折射率nmedlumU),通过使用式5,介质70的群折射率ngmed_U)被计算为被 检体的群折射率1^^(入)。
[0125] 第四实施例
[0126] 通过使用在第一到第三实施例中示出的装置测量的结果也可被反馈到用于制造 诸如透镜的光学元件的方法。
[0127] 图7示出使用模子制造光学元件的方法的示例性制造步骤。
[0128] 通过执行设计光学元件的步骤、设计模子的步骤和通过利用模子将光学元件成型 的步骤,制造光学元件。评价成型的光学元件的形状的精度。如果其形状精度欠缺,那么校 正模子,再次执行成型。如果其形状精度好,那么评价光学元件的光学性能。在评价光学 性能的步骤中,可以通过利用根据本发明的折射率测量方法精确地批量生产成型的光学元 件。
[0129] 当光学性能低时,重新设计其光学表面已经被校正的光学元件。
[0130] 上述的实施例仅是典型的实施例。当实施本发明的这些实施例时,可对于这些实 施例提出各种修改和变化。
[0131] 虽然已参照示例性实施例描述了本发明,但应理解,本发明不限于所公开的示例 性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变更方式以及等同 的结构和功能。
[0132] 本申请要求在2013年6月28日提交的日本专利申请No. 2013-136168的权益,在 此通过引用将其全部内容并入本文。

1. 一种用于通过以下方式测量被检体的折射率的方法:将来自光源的光分成被检光 和参照光、将被检光引入到被检体中、以及测量源自参照光与穿过被检体的被检光之间的 干涉的干涉光,其特征在于,所述方法包括以下步骤: 通过将被检体布置在其群折射率在特定波长处等于被检体的群折射率的介质中,测量 源自穿过被检体和介质的被检光与穿过介质的参照光之间的干涉的干涉光; 基于被检光与参照光之间的相位差的波长依赖性,确定所述特定波长;以及 计算与所述特定波长对应的介质的群折射率作为与所述特定波长对应的被检体的群 折射率。2. 根据权利要求1所述的方法,其中,与被检光和参照光之间的相位差的极值对应的 波长被确定为所述特定波长。3. 根据权利要求1或权利要求2所述的方法,其中,通过测量介质的温度并将测量的介 质的温度转换成介质的折射率,计算介质的群折射率。4. 根据权利要求1或权利要求2所述的方法,其中,其折射率和形状已知的参照被检体 被布置于介质中,光被引入到参照被检体中,参照被检体的透射波前被测量,并且,基于参 照被检体的折射率和形状以及参照被检体的透射波前计算介质的群折射率。5. 根据权利要求1或权利要求2所述的方法,其中,来自光源的光被分成介质被检光和 介质参照光,介质被检光被引入到介质中,源自介质参照光和穿过介质的介质被检光之间 的干涉的干涉光被测量,并且,基于介质参照光和介质被检光之间的相位差计算介质的群 折射率。6. 根据权利要求1~5中的任一项所述的方法,还包括测量介质的折射率分布的步骤。7. 根据权利要求1~6中的任一项所述的方法,还包括控制介质的温度分布的步骤。8. -种光学元件制造方法,所述方法包括以下步骤: 使光学元件成型;以及 通过使用根据权利要求1~7中的任一项所述的方法测量光学元件的折射率,评价成 型的光学元件。9. 一种折射率测量装置,包括: 光源; 被配置为将来自光源的光分成被检光和参照光、将被检光引入到被检体中、并且使得 参照光和穿过被检体的被检光相互干涉的干涉光学系统; 检测单元,被配置为检测源自被检光和参照光之间的干涉的干涉光;以及 计算单元,被配置为通过使用从检测单元输出的干涉信号,计算被检体的折射率, 其中,被检体被布置于其群折射率在特定波长处等于被检体的群折射率的介质中, 其中,所述干涉光学系统是使得穿过被检体和介质的被检光以及穿过介质的参照光相 互干涉的光学系统,以及 其中,计算单元基于被检光和参照光之间的相位差的波长依赖性确定所述特定波长, 并且将与所述特定波长对应的介质的群折射率计算为与所述特定波长对应的被检体的群 折射率。10. 根据权利要求9所述的折射率测量装置,其中,所述计算单元确定与被检光和参照 光之间的相位差的极值对应的波长为所述特定波长。11. 根据权利要求9或权利要求10所述的折射率测量装置,还包括被配置为测量介质 的温度的温度测量单元, 其中,所述计算单元通过将由温度测量单元测量的介质的温度转换成介质的折射率来 计算介质的群折射率。12. 根据权利要求9或权利要求10所述的折射率测量装置,还包括: 其折射率和形状已知的参照被检体;以及 波前测量单元,被配置为测量被引入到布置于介质中的参照被检体中的光的透射波 、r' 刖, 其中,所述计算单元基于参照被检体的折射率和形状以及参照被检体的透射波前来计 算介质的群折射率。13. 根据权利要求9或权利要求10所述的折射率测量装置,还包括: 被配置为将来自光源的光分成介质被检光和介质参照光、将介质被检光引入到介质 中、并且使得介质参照光和穿过介质的介质被检光相互干涉的干涉光学系统; 检测单元,被配置为检测源自介质参照光和介质被检光之间的干涉的干涉光;以及 计算单元,被配置为基于介质参照光和介质被检光之间的相位差来计算介质的群折射 率。14. 根据权利要求9~13中的任一项所述的折射率测量装置,还包括: 波前测量单元,被配置为测量介质的折射率分布。15. 根据权利要求9~14中的任一项所述的折射率测量装置,还包括: 温度控制单元,被配置为控制介质的温度分布。
以高精度测量被检体的折射率。本发明涉及一种用于通过将来自光源的光分成被检光和参照光并且测量源自参照光与穿过被检体的被检光之间的干涉的干涉光来测量被检体的折射率的方法。在该方法中,被检体被布置于其群折射率在特定波长处等于被检体的群折射率的介质中,干涉光被测量,特定波长基于被检光和参照光之间的相位差的波长依赖性被确定,并且,与特定波长对应的介质的群折射率被计算为与特定波长对应的被检体的群折射率。
G01M11/00, G01N21/45
CN105339778
CN201480036869
杉本智洋
佳能株式会社
2016年2月17日
2014年6月18日
DE112014003029T5, US20160153901, WO2014208572A1

最新折射率测量方法、折射率测量装置及光学元件制造方法的相关内容如下:

本文标题:最新折射率测量方法、折射率测量装置及光学元件制造方法
http://www.tainingxinwen.cn/qitaxinxi/520751.html

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