透過波面測定用干渉計
【目的】 光源の単色性が充分でない場合でも、所定範囲の波長に対して干渉縞の位相が略揃い、コントラストが高くなり、高精度の測定検査ができる。
【構成】 光源系１と入射光路を分割する光分割素子２と該光分割素子２からの光束をそれぞれ反射する参照側と被検側反射鏡３、７を備え、両光束を観測面５で形成された干渉縞を観測する干渉計において、参照光路の長さを被検光路から独立して設定でき、而もその参照光路長を、被検光路の光源の中心波長に対する光学的距離に被検光学部品の波長屈折率分散を考慮した補正を加えて設定して成る。
【構成】 光源系１と入射光路を分割する光分割素子２と該光分割素子２からの光束をそれぞれ反射する参照側と被検側反射鏡３、７を備え、両光束を観測面５で形成された干渉縞を観測する干渉計において、参照光路の長さを被検光路から独立して設定でき、而もその参照光路長を、被検光路の光源の中心波長に対する光学的距離に被検光学部品の波長屈折率分散を考慮した補正を加えて設定して成る。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レンズ等の光学部品の性能を、その透過波面で測定するためのトワイマン・グリーン干渉計もしくはマイケルソン干渉計及びマッハツエンダー干渉計等の干渉計の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】干渉計は古くから光学的測定に用いられて来たが、レーザーというコヒーレンシーのよい光源の出現以降、特に、その適用される範囲は広まり、今日では光学部品の測定，検査に不可欠となっている。干渉計の構成には種々あるが、ヘリウム・ネオン・レーザーのように単色性のよい光源を用いたフィーゾー干渉計が最もよく用いられる。これは参照光路と被検光路で、共通光路となる部分が多く、干渉計に用いる光学部品の精度が緩くてよく、振動や空気の攪乱に強いという利点からである。然しレンズの透過波面を干渉縞として観測する場合、そのレンズに対して所定の波長を干渉計として用いなければならないことが多く、その波長で充分単色性のよい光源が得られない場合も多々ある。このような場合、高いコントラストの干渉縞を得るため、参照光路の光路長を任意に設定できるトワイマン・グリーン型あるいはマッハツエ ンダー型のような干渉計を用いる。この参照光路の長さの設定に関し、従来、被検光路の機械的長さに、被検光学部品の硝子路長に光源の中心波長に対する被検光学部品の屈折率を掛けた値を加えた値として設定していた。
【０００３】被検物が例えば顕微鏡対物レンズや３５mmフィルム写真機対物レンズ程度の大きさのものであって、干渉計に用いる単色性として、コヒーレンス長（可干渉距離）換算で１０mm程度以上あれば、従来の参照光路長の設定方法でも、充分なコントラストの干渉縞が得られ大きな問題はなかった。しかし、被検物の硝子路長が１００mm程度若しくはそれ以上あり、光源の単色性が充分よくない場合、コントラストの高い干渉縞が得られず被検物たる光学部品の測定が出来ないという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、その目的とする所は、用いる光源の単色性がある程度悪くても、また被検物が大型であってもコントラストの高い干渉縞が得られ、被検物たる光学部品の測定を可能ならしめる透過波面測定用干渉計を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明による透過波面測定用干渉計によれば、所定のスペクトル幅を有する光源から発した光束を二分割し、一方を参照光束、他方を被検光束とし、該被検光束中に、光学材料素子で構成された被検物たる光学部品を挿入し、前記参照光束と前記光学部品を通過した後の被検光束を重合わせ干渉縞を形成するよう構成した干渉計に於いて、参照光束の機械的光路長Lrを次式若しくはそれらと同様の物理的意味を有する式により算出されるLr0 に対し、Lr0 −L/N ≦Lr≦Lr0 ＋L/Nの範囲内に設定し参照光路を構成したことを特徴とするものである。
【０００６】
【作用】本発明による透過波面測定用干渉計は、代表的なトワイマン・グリーン干渉計やマッハツエ ンダー干渉計を利用し得て、かつ参照光路の長さを被検光路とは別に独立して設定でき、而もその参照光路の長さを、被検光路の光源の中心波長に対する光学的距離に被検光学部品の波長屈折率分散を考慮した補正量を加えて設定して成るものである。この構成によれば、光源の単色性が充分でない所謂準単色光であっても、所定範囲の波長全域に亘って、干渉縞の位相が略揃い、結果として観測される干渉縞のコントラストが高くなり、高精度の測定、検査が可能となる。
【０００７】
【実施例】図１は、本発明をトワイマン・グリーン干渉計に適用した第１の実施例の構成を示す。以下、図１および図４を参照しつつ説明する。１は光源系であり、所定の光束径の平行光（ロ）を射出する。尚、図示しないが前記光源系１は所定の光束径を得るためにビームエキスパンダーまたはコリメータレンズ等を備えることもある。また、発光源として超高圧水銀ランプの如く、幾つかのラインスペクトルを有するものを用い、そのうちの一つのラインスペクトルのみを測定光として用いる場合、例えば干渉フィルター（図示せず）の如き波長選択素子を含むこともある。またエキシマーレーザーを発光源として用いた場合は、エキシマーレーザーからの出射光が大略平行光で、出射光断面も所定の大きさ（例えば１０ｍｍ×２０ｍｍ）があるのが一般的であるので、ビームエキスパンダーは不要である場合が多い。（イ）は光源系１より射出されるビームの波長スペクトルであり、中心波長をλ0 、スペクトルの半値全幅を２△λ（図４参照）としている。図４はスペクトル線の強度分布を波長に対してとったときの幅を示す。
【０００８】光源系１より射出された平行光（ロ）は光分割素子（ここでは半透鏡）２で参照光（ハ）と被検光（ニ）に分割される。半透鏡２は直角三角プリズム２個をそれらの斜辺面で半透鏡膜を挟む形で接合した直方体または立方体型のプリズムビームスプリッターでもよいし、両面が平面のガラス基板の片面に半透鏡膜を付けたビームスプリッターでもよいが、ここでは分かりやすくするために、厚さの極めて薄い半透鏡膜だけがあるものとする。
【０００９】半透鏡２で分割された二つのビームのうち参照光（ハ）は参照側平面ミラー３で反射され、再び半透鏡２、レンズ４を経て観測面５に至る。一方、被検光（ニ）は被検物たる被検レンズ６を透過後、被検側球面ミラー７に至り反射される。ここで被検側球面ミラー７はその球心が被検レンズ６の後側（射出側）焦点と一致するよう配置される。従って被検側球面ミラー７で反射された被検光（ニ）は往路と同じ光路を戻り、再び被検レンズ６、半透鏡２、更にレンズ４を経て観測面５に至る。この様に被検光（ニ）と前述した参照光（ハ）とは、この観測面５に於いて重なり合い、干渉縞を形成することになる。ここで、形成された干渉縞に歪みがあれば、それは被検レンズ６の収差に対応する歪みであるので、その歪みを解析することで被検レンズ６の検査測定が可能となる。
【００１０】尚、観測面５は例えば、写真フィルム、テレビカメラ撮像面、すりガラス等である。また図示しないが観測面５にすりガラスを置き、これを回転させ、回転するすりガラス上にできた干渉縞をテレビカメラ等で撮ってもよい。
【００１１】次に、本発明の特徴である参照光路の構成について、同じく図１を基に詳説する。本干渉計の光軸（ホ）が半透鏡２と交わる点をO 点とし、O 点から参照側平面ミラー３までの距離をLr、O 点から光軸（ヘ）が被検側球面ミラー７と交わる点までの機械的距離をLt' 、被検レンズ６の軸上肉厚をd 、被検レンズ６の波長λ0 に対する屈折率をN （λ0 ）とすると、一般には Lr＝Lt' ＋｛N ( λ0)−１｝d （１）
と設定しており、実際、光源としてHe-Ne レーザーのように単色性のよいものを用いればこの設定で充分コントラストの高い干渉縞が得られ問題は余りなかった。
【００１２】しかし、水銀ランプのｅ線、ｇ線、ｉ線などや、XeF 、XeCl、KrF 、ArF 等のエキシマーレーザーの波長を対称として設計されたレンズを測定しようとすると、これら単色性の不十分な光源を直接干渉計の光源としなければならない場合が多い。この場合、干渉フィルターや狭帯域化の手法を用いて光源の単色性を或る程度向上させても（１）式によるLrの設定では充分コントラストの高い干渉縞は得られない。これは被検レンズ６を構成する硝子材に屈折率の波長分散があるためである。本実施例では、この問題を解決すべく図１におけるLrを次の（２）式に基づいて設定し、干渉計の参照光路を構成している。
Lr＝Lt' ＋｛N ( λ0)−１｝d −αλ0 dm （２）
ここで、αは被検レンズ６を構成する硝子材の屈折率の波長に対する変化率であり、一般にガラスの屈折率は波長が長い程低くなるので、値としては負になる。またd m は被検レンズ６に入る各光線が被検レンズ６のガラス中を通過する距離の平均的な値である。ここで（２）式に基づいて参照光路を構成する理由を，図１の光軸（ホ）に沿う光線を例にとり説明する。O 点で反射し参照光路に入る光線が参照側平面ミラーで反射し再びO 点に到達するとすると、このO 点に於ける参照光の位相φr ( λ) は、初期位相を零として、λを波長とするとφr ( λ) ＝２π・２Lr／λ （３）
で与えられる。
【００１３】一方、O 点から被検光路に入る光線が被検レンズ６を通過し、被検側球面ミラー７で反射し、再度被検レンズ６を通過し、再びO 点に到達するとすると、O 点に於ける被検光（ニ）の位相φr （λ）は、 φt （λ）＝２π［ ２Lt' ／λ ＋２｛N （λ）−１｝／λ （４）
で与えられる。但しN （λ）は被検レンズ６の硝子材の波長λに対する屈折率である。本実施例では光源として水銀ランプ等のラインスペクトルやエキシマーレーザー等を想定しており、これら光源のスペクトル幅はフィルター等との組み合わせで、１０N ｍ（半値全幅）程度若しくはそれ以下に容易にでき、この程度の波長範囲では、ガラスの屈折率の波長に対する変化は直線的とみなせる。
そこで、 N （λ）＝ N （λ0 ）＋α（λ−λ0 ） （５）
とすると、（４）式は φt （λ）＝２π［ ２Lt' ／λ ＋２｛N （λ0 ）−１｝d ／λ ＋２α（λ−λ0 ）d ／λ ］ （６）
と置換される。
【００１４】最良のコントラストで干渉縞が観測されるための条件は、 φt （λ）−φr （λ）＝一定 （７）
であるから，（３）式と（６）式より φt （λ）−φr （λ）＝ 2π［ 2 （Lt' −Lr）＋2 ｛N(λ0)−1 ｝d −2 αλ0 d ］／λ ＋ 2π・2 αd （８）
これがλに係わらず一定（(7) 式）となるためには、（８）式より Lt' −Lr＋｛N(λ0)−1 ｝d −αλ0d＝0 従って LR＝Lt' ＋｛N(λ0)−1 ｝d −αλ0d （９）
とする必要がある。（９）式のd をdmとすれば（２）式となる。従来は（９）式の（−αλ0d）を考慮していなかったため高いコントラストの干渉縞が得られなかったが、本発明では（−αλ0d）を考慮に加え参照光路長を構成したので、高いコントラストの干渉縞が得られるのである。但し、ここで注意を要することは（９）式にd が入っていることである。一般に或る光線が被検レンズのどこを通過するかで、d 即ちガラス通過距離は異なるため、（２）式では、その平均的な値としてdmとしたのである。
【００１５】ここまではわかり易さのため、被検レンズは単レンズとして説明したが、一般にレンズは異なる種類のガラスを用いた複数枚のレンズ素子より成る。この場合は、レンズ素子がｋ個あるとし、ｉ番目（１≦i ≦ｋ）の素子に対するN(λ0)をNi( λ0)、d を(dm)i 、αをαi とし（９）の代わりに
とすればよい。但し(dm)i はi 番目のガラスにおいて、各光線がそのガラスを通過する距離の平均的な値とする。それは先の単一レンズでの説明においてd を(dm)に置換したのと同様の理由である。
【００１６】また(dt)i はｉ番目のガラスについて、光軸に沿った光線の通過する距離である。更に、これまでは参照光路には反射ミラー３以外の光学素子はないとして説明してきたが、機械的構成上、参照光路の光軸を曲げるためプリズムを挿入したり、或いは他の理由でレンズを入れる必要がある場合もある。この場合Lrは次の（１１）式に示す通り、その影響を考慮して設定する。
但し、Nj( λ0)は参照光路に P個光学材料素子があるとした時、j 番目(1≦j ≦P)の素子に対するN(λ0)、(dm)j は同じくj 番目の素子を参照光束の各光線が通過する距離の平均的な値、(dr)j は同じくj 番目の素子について光軸に沿った光線の通過する距離、αj は同じくj 番目の素子の波長λ0 近傍における対波長屈折率変化率である。
【００１７】好ましくは（１１）式に従いLrを設定することであるが、これより少しでもずれると全く干渉縞のコントラストが消えてしまう訳ではない。光源のコヒーレンス長をL とした時、本実施例ではトワイマン・グリーン型干渉計の構成であるので、Lr−L/2 からLr＋L/2 の範囲であれば、多くの場合、干渉縞の観察は可能である。
【００１８】図２は、上記実施例と同様のトワイマン・グリーン干渉計で本発明を用いてガラスの屈折率の均質性測定に応用した第２の実施例の構成を示す。そして基本的には第１の実施例と同様の構成であるが、被検物の被検レンズ６に代えてガラスブロック６０を、また被検側球面ミラー７に代えて被検側平面ミラー７０を使用したものである。前記ガラスブロック６０は、マッチングオイル６２を介してオイルオンプレート６１に両面を挟まれている。ガラスブロック６０中に、光軸に垂直な方向に屈折率の不均一があると、得られる干渉縞の歪みとなって観測されるので、ガラスの屈折率の均質性の測定ができる。本実施例に於いても、オイルオンプレート６２の厚さを含めたガラスブロック６０の厚さをd として、（２）式に基づいてLrを設定して構成することで、最良のコントラストの干渉縞が得られる。
【００１９】図３は、本発明をマッハツエ ンダー干渉計に応用した第３の実施例の構成を示す。図において１は第１の実施例と同様の光源系であり、ここから出射した光束（ロ）は半透鏡２により参照光（ハ）と被検光（ニ）に分割される。参照光（ハ）は参照側平面ミラー３で反射され第２の半透鏡２１に向かう。一方被検光（ニ）は実質的に無収差の集光レンズ８で一旦絞られスポットを形成する。被検レンズ６は丁度このスポット位置に焦点（ト）が来るように配されており、前記スポット（ヘ）は被検レンズ６を経由して再び略平行光となり、被検側平面ミラー７０で反射され、第２の半透鏡２１に向かう。参照光（ハ）と被検光（ニ）は第２の半透鏡２１を経て、更にレンズ４を経た後、観測面５に被検レンズ６の収差を反映した干渉縞を形成する。
【００２０】ここで、（Lr＝ Lr1＋ Lr2）、（Lt' ＝ Lt'1 ＋ Lt'2 ）、（d ＝d1＋d2）とし、（９）式に基づいてLrを求め参照光路長をこのLrになるよう構成してある。このように構成することで、第１実施例と同様の理由で最良のコントラストの干渉縞が得られる。
【００２１】この第３実施例に於いて、集光レンズ８や被検レンズ６が複数枚で構成されている場合は、これら複数枚の集光レンズ８と被検レンズ６を１個のレンズと見做し、第１実施例の説明で述べたのと同様に、（１０）式に基づいてLrを求め参照光路を構成すればよい。
【００２２】更に、この第３実施例において、集光レンズ８や被検レンズ６に代えて、第２実施例で述べたガラスブロック６０、オイルオンプレート６１、マッチングオイル６２の一組を配し、（９）式に基づき参照光路長を構成すれば、第２実施例と同様に屈折率の均質性測定をも行うこともできる利点がある。
【００２３】また、参照光路にも光学材料素子が入る場合は、第１実施例と同様に（１１）式を基にLrを設定する。これも第１実施例同様、（１１）によるLrから少しでもずれると全く干渉縞のコントラストが消えてしまう訳ではない。光源のコヒーレンス長をL とした実施例、本実施例ではマッハツエ ンダー型の構成であるので、Lr−L からLr＋L の範囲であれば多くの場合、干渉縞の観察は可能である。
【００２４】
【発明の効果】上述したように本発明は、干渉計の参照光路長を被検光路長から独立して設定でき、而もその参照光路長を、被検光路の光源の中心波長に対する光学的距離に被検光学部品の波長屈折率分散を考慮した補正を加えて構成したので、光源のスぺクトルの波長幅が広い場合でもコントラストの高い明瞭な干渉縞が得られるので高精度で光学部品の検査、測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による構成図である。
【図２】本発明の第２実施例による構成図である。
【図３】本発明の第３実施例による構成図である。
【図４】スペクトル線の強度分布図である。
【符号の説明】
１ 光源系
２ 光分割素子（半透鏡）
３ 参照側平面ミラー
４ レンズ
５ 観測面
６ 被検レンズ
７ 被検側球面ミラー
６０ ガラスブロック
７０ 被検側平面ミラー
（イ） 波長スペクトル
（ロ) 平行光
（ハ) 参照光
（ニ) 被検光
（ホ) 光軸
（ヘ） 光軸
（ト） 焦点
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レンズ等の光学部品の性能を、その透過波面で測定するためのトワイマン・グリーン干渉計もしくはマイケルソン干渉計及びマッハツエンダー干渉計等の干渉計の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】干渉計は古くから光学的測定に用いられて来たが、レーザーというコヒーレンシーのよい光源の出現以降、特に、その適用される範囲は広まり、今日では光学部品の測定，検査に不可欠となっている。干渉計の構成には種々あるが、ヘリウム・ネオン・レーザーのように単色性のよい光源を用いたフィーゾー干渉計が最もよく用いられる。これは参照光路と被検光路で、共通光路となる部分が多く、干渉計に用いる光学部品の精度が緩くてよく、振動や空気の攪乱に強いという利点からである。然しレンズの透過波面を干渉縞として観測する場合、そのレンズに対して所定の波長を干渉計として用いなければならないことが多く、その波長で充分単色性のよい光源が得られない場合も多々ある。このような場合、高いコントラストの干渉縞を得るため、参照光路の光路長を任意に設定できるトワイマン・グリーン型あるいはマッハツエ ンダー型のような干渉計を用いる。この参照光路の長さの設定に関し、従来、被検光路の機械的長さに、被検光学部品の硝子路長に光源の中心波長に対する被検光学部品の屈折率を掛けた値を加えた値として設定していた。
【０００３】被検物が例えば顕微鏡対物レンズや３５mmフィルム写真機対物レンズ程度の大きさのものであって、干渉計に用いる単色性として、コヒーレンス長（可干渉距離）換算で１０mm程度以上あれば、従来の参照光路長の設定方法でも、充分なコントラストの干渉縞が得られ大きな問題はなかった。しかし、被検物の硝子路長が１００mm程度若しくはそれ以上あり、光源の単色性が充分よくない場合、コントラストの高い干渉縞が得られず被検物たる光学部品の測定が出来ないという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、その目的とする所は、用いる光源の単色性がある程度悪くても、また被検物が大型であってもコントラストの高い干渉縞が得られ、被検物たる光学部品の測定を可能ならしめる透過波面測定用干渉計を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明による透過波面測定用干渉計によれば、所定のスペクトル幅を有する光源から発した光束を二分割し、一方を参照光束、他方を被検光束とし、該被検光束中に、光学材料素子で構成された被検物たる光学部品を挿入し、前記参照光束と前記光学部品を通過した後の被検光束を重合わせ干渉縞を形成するよう構成した干渉計に於いて、参照光束の機械的光路長Lrを次式若しくはそれらと同様の物理的意味を有する式により算出されるLr0 に対し、Lr0 −L/N ≦Lr≦Lr0 ＋L/Nの範囲内に設定し参照光路を構成したことを特徴とするものである。
【０００６】
【作用】本発明による透過波面測定用干渉計は、代表的なトワイマン・グリーン干渉計やマッハツエ ンダー干渉計を利用し得て、かつ参照光路の長さを被検光路とは別に独立して設定でき、而もその参照光路の長さを、被検光路の光源の中心波長に対する光学的距離に被検光学部品の波長屈折率分散を考慮した補正量を加えて設定して成るものである。この構成によれば、光源の単色性が充分でない所謂準単色光であっても、所定範囲の波長全域に亘って、干渉縞の位相が略揃い、結果として観測される干渉縞のコントラストが高くなり、高精度の測定、検査が可能となる。
【０００７】
【実施例】図１は、本発明をトワイマン・グリーン干渉計に適用した第１の実施例の構成を示す。以下、図１および図４を参照しつつ説明する。１は光源系であり、所定の光束径の平行光（ロ）を射出する。尚、図示しないが前記光源系１は所定の光束径を得るためにビームエキスパンダーまたはコリメータレンズ等を備えることもある。また、発光源として超高圧水銀ランプの如く、幾つかのラインスペクトルを有するものを用い、そのうちの一つのラインスペクトルのみを測定光として用いる場合、例えば干渉フィルター（図示せず）の如き波長選択素子を含むこともある。またエキシマーレーザーを発光源として用いた場合は、エキシマーレーザーからの出射光が大略平行光で、出射光断面も所定の大きさ（例えば１０ｍｍ×２０ｍｍ）があるのが一般的であるので、ビームエキスパンダーは不要である場合が多い。（イ）は光源系１より射出されるビームの波長スペクトルであり、中心波長をλ0 、スペクトルの半値全幅を２△λ（図４参照）としている。図４はスペクトル線の強度分布を波長に対してとったときの幅を示す。
【０００８】光源系１より射出された平行光（ロ）は光分割素子（ここでは半透鏡）２で参照光（ハ）と被検光（ニ）に分割される。半透鏡２は直角三角プリズム２個をそれらの斜辺面で半透鏡膜を挟む形で接合した直方体または立方体型のプリズムビームスプリッターでもよいし、両面が平面のガラス基板の片面に半透鏡膜を付けたビームスプリッターでもよいが、ここでは分かりやすくするために、厚さの極めて薄い半透鏡膜だけがあるものとする。
【０００９】半透鏡２で分割された二つのビームのうち参照光（ハ）は参照側平面ミラー３で反射され、再び半透鏡２、レンズ４を経て観測面５に至る。一方、被検光（ニ）は被検物たる被検レンズ６を透過後、被検側球面ミラー７に至り反射される。ここで被検側球面ミラー７はその球心が被検レンズ６の後側（射出側）焦点と一致するよう配置される。従って被検側球面ミラー７で反射された被検光（ニ）は往路と同じ光路を戻り、再び被検レンズ６、半透鏡２、更にレンズ４を経て観測面５に至る。この様に被検光（ニ）と前述した参照光（ハ）とは、この観測面５に於いて重なり合い、干渉縞を形成することになる。ここで、形成された干渉縞に歪みがあれば、それは被検レンズ６の収差に対応する歪みであるので、その歪みを解析することで被検レンズ６の検査測定が可能となる。
【００１０】尚、観測面５は例えば、写真フィルム、テレビカメラ撮像面、すりガラス等である。また図示しないが観測面５にすりガラスを置き、これを回転させ、回転するすりガラス上にできた干渉縞をテレビカメラ等で撮ってもよい。
【００１１】次に、本発明の特徴である参照光路の構成について、同じく図１を基に詳説する。本干渉計の光軸（ホ）が半透鏡２と交わる点をO 点とし、O 点から参照側平面ミラー３までの距離をLr、O 点から光軸（ヘ）が被検側球面ミラー７と交わる点までの機械的距離をLt' 、被検レンズ６の軸上肉厚をd 、被検レンズ６の波長λ0 に対する屈折率をN （λ0 ）とすると、一般には Lr＝Lt' ＋｛N ( λ0)−１｝d （１）
と設定しており、実際、光源としてHe-Ne レーザーのように単色性のよいものを用いればこの設定で充分コントラストの高い干渉縞が得られ問題は余りなかった。
【００１２】しかし、水銀ランプのｅ線、ｇ線、ｉ線などや、XeF 、XeCl、KrF 、ArF 等のエキシマーレーザーの波長を対称として設計されたレンズを測定しようとすると、これら単色性の不十分な光源を直接干渉計の光源としなければならない場合が多い。この場合、干渉フィルターや狭帯域化の手法を用いて光源の単色性を或る程度向上させても（１）式によるLrの設定では充分コントラストの高い干渉縞は得られない。これは被検レンズ６を構成する硝子材に屈折率の波長分散があるためである。本実施例では、この問題を解決すべく図１におけるLrを次の（２）式に基づいて設定し、干渉計の参照光路を構成している。
Lr＝Lt' ＋｛N ( λ0)−１｝d −αλ0 dm （２）
ここで、αは被検レンズ６を構成する硝子材の屈折率の波長に対する変化率であり、一般にガラスの屈折率は波長が長い程低くなるので、値としては負になる。またd m は被検レンズ６に入る各光線が被検レンズ６のガラス中を通過する距離の平均的な値である。ここで（２）式に基づいて参照光路を構成する理由を，図１の光軸（ホ）に沿う光線を例にとり説明する。O 点で反射し参照光路に入る光線が参照側平面ミラーで反射し再びO 点に到達するとすると、このO 点に於ける参照光の位相φr ( λ) は、初期位相を零として、λを波長とするとφr ( λ) ＝２π・２Lr／λ （３）
で与えられる。
【００１３】一方、O 点から被検光路に入る光線が被検レンズ６を通過し、被検側球面ミラー７で反射し、再度被検レンズ６を通過し、再びO 点に到達するとすると、O 点に於ける被検光（ニ）の位相φr （λ）は、 φt （λ）＝２π［ ２Lt' ／λ ＋２｛N （λ）−１｝／λ （４）
で与えられる。但しN （λ）は被検レンズ６の硝子材の波長λに対する屈折率である。本実施例では光源として水銀ランプ等のラインスペクトルやエキシマーレーザー等を想定しており、これら光源のスペクトル幅はフィルター等との組み合わせで、１０N ｍ（半値全幅）程度若しくはそれ以下に容易にでき、この程度の波長範囲では、ガラスの屈折率の波長に対する変化は直線的とみなせる。
そこで、 N （λ）＝ N （λ0 ）＋α（λ−λ0 ） （５）
とすると、（４）式は φt （λ）＝２π［ ２Lt' ／λ ＋２｛N （λ0 ）−１｝d ／λ ＋２α（λ−λ0 ）d ／λ ］ （６）
と置換される。
【００１４】最良のコントラストで干渉縞が観測されるための条件は、 φt （λ）−φr （λ）＝一定 （７）
であるから，（３）式と（６）式より φt （λ）−φr （λ）＝ 2π［ 2 （Lt' −Lr）＋2 ｛N(λ0)−1 ｝d −2 αλ0 d ］／λ ＋ 2π・2 αd （８）
これがλに係わらず一定（(7) 式）となるためには、（８）式より Lt' −Lr＋｛N(λ0)−1 ｝d −αλ0d＝0 従って LR＝Lt' ＋｛N(λ0)−1 ｝d −αλ0d （９）
とする必要がある。（９）式のd をdmとすれば（２）式となる。従来は（９）式の（−αλ0d）を考慮していなかったため高いコントラストの干渉縞が得られなかったが、本発明では（−αλ0d）を考慮に加え参照光路長を構成したので、高いコントラストの干渉縞が得られるのである。但し、ここで注意を要することは（９）式にd が入っていることである。一般に或る光線が被検レンズのどこを通過するかで、d 即ちガラス通過距離は異なるため、（２）式では、その平均的な値としてdmとしたのである。
【００１５】ここまではわかり易さのため、被検レンズは単レンズとして説明したが、一般にレンズは異なる種類のガラスを用いた複数枚のレンズ素子より成る。この場合は、レンズ素子がｋ個あるとし、ｉ番目（１≦i ≦ｋ）の素子に対するN(λ0)をNi( λ0)、d を(dm)i 、αをαi とし（９）の代わりに
とすればよい。但し(dm)i はi 番目のガラスにおいて、各光線がそのガラスを通過する距離の平均的な値とする。それは先の単一レンズでの説明においてd を(dm)に置換したのと同様の理由である。
【００１６】また(dt)i はｉ番目のガラスについて、光軸に沿った光線の通過する距離である。更に、これまでは参照光路には反射ミラー３以外の光学素子はないとして説明してきたが、機械的構成上、参照光路の光軸を曲げるためプリズムを挿入したり、或いは他の理由でレンズを入れる必要がある場合もある。この場合Lrは次の（１１）式に示す通り、その影響を考慮して設定する。
但し、Nj( λ0)は参照光路に P個光学材料素子があるとした時、j 番目(1≦j ≦P)の素子に対するN(λ0)、(dm)j は同じくj 番目の素子を参照光束の各光線が通過する距離の平均的な値、(dr)j は同じくj 番目の素子について光軸に沿った光線の通過する距離、αj は同じくj 番目の素子の波長λ0 近傍における対波長屈折率変化率である。
【００１７】好ましくは（１１）式に従いLrを設定することであるが、これより少しでもずれると全く干渉縞のコントラストが消えてしまう訳ではない。光源のコヒーレンス長をL とした時、本実施例ではトワイマン・グリーン型干渉計の構成であるので、Lr−L/2 からLr＋L/2 の範囲であれば、多くの場合、干渉縞の観察は可能である。
【００１８】図２は、上記実施例と同様のトワイマン・グリーン干渉計で本発明を用いてガラスの屈折率の均質性測定に応用した第２の実施例の構成を示す。そして基本的には第１の実施例と同様の構成であるが、被検物の被検レンズ６に代えてガラスブロック６０を、また被検側球面ミラー７に代えて被検側平面ミラー７０を使用したものである。前記ガラスブロック６０は、マッチングオイル６２を介してオイルオンプレート６１に両面を挟まれている。ガラスブロック６０中に、光軸に垂直な方向に屈折率の不均一があると、得られる干渉縞の歪みとなって観測されるので、ガラスの屈折率の均質性の測定ができる。本実施例に於いても、オイルオンプレート６２の厚さを含めたガラスブロック６０の厚さをd として、（２）式に基づいてLrを設定して構成することで、最良のコントラストの干渉縞が得られる。
【００１９】図３は、本発明をマッハツエ ンダー干渉計に応用した第３の実施例の構成を示す。図において１は第１の実施例と同様の光源系であり、ここから出射した光束（ロ）は半透鏡２により参照光（ハ）と被検光（ニ）に分割される。参照光（ハ）は参照側平面ミラー３で反射され第２の半透鏡２１に向かう。一方被検光（ニ）は実質的に無収差の集光レンズ８で一旦絞られスポットを形成する。被検レンズ６は丁度このスポット位置に焦点（ト）が来るように配されており、前記スポット（ヘ）は被検レンズ６を経由して再び略平行光となり、被検側平面ミラー７０で反射され、第２の半透鏡２１に向かう。参照光（ハ）と被検光（ニ）は第２の半透鏡２１を経て、更にレンズ４を経た後、観測面５に被検レンズ６の収差を反映した干渉縞を形成する。
【００２０】ここで、（Lr＝ Lr1＋ Lr2）、（Lt' ＝ Lt'1 ＋ Lt'2 ）、（d ＝d1＋d2）とし、（９）式に基づいてLrを求め参照光路長をこのLrになるよう構成してある。このように構成することで、第１実施例と同様の理由で最良のコントラストの干渉縞が得られる。
【００２１】この第３実施例に於いて、集光レンズ８や被検レンズ６が複数枚で構成されている場合は、これら複数枚の集光レンズ８と被検レンズ６を１個のレンズと見做し、第１実施例の説明で述べたのと同様に、（１０）式に基づいてLrを求め参照光路を構成すればよい。
【００２２】更に、この第３実施例において、集光レンズ８や被検レンズ６に代えて、第２実施例で述べたガラスブロック６０、オイルオンプレート６１、マッチングオイル６２の一組を配し、（９）式に基づき参照光路長を構成すれば、第２実施例と同様に屈折率の均質性測定をも行うこともできる利点がある。
【００２３】また、参照光路にも光学材料素子が入る場合は、第１実施例と同様に（１１）式を基にLrを設定する。これも第１実施例同様、（１１）によるLrから少しでもずれると全く干渉縞のコントラストが消えてしまう訳ではない。光源のコヒーレンス長をL とした実施例、本実施例ではマッハツエ ンダー型の構成であるので、Lr−L からLr＋L の範囲であれば多くの場合、干渉縞の観察は可能である。
【００２４】
【発明の効果】上述したように本発明は、干渉計の参照光路長を被検光路長から独立して設定でき、而もその参照光路長を、被検光路の光源の中心波長に対する光学的距離に被検光学部品の波長屈折率分散を考慮した補正を加えて構成したので、光源のスぺクトルの波長幅が広い場合でもコントラストの高い明瞭な干渉縞が得られるので高精度で光学部品の検査、測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による構成図である。
【図２】本発明の第２実施例による構成図である。
【図３】本発明の第３実施例による構成図である。
【図４】スペクトル線の強度分布図である。
【符号の説明】
１ 光源系
２ 光分割素子（半透鏡）
３ 参照側平面ミラー
４ レンズ
５ 観測面
６ 被検レンズ
７ 被検側球面ミラー
６０ ガラスブロック
７０ 被検側平面ミラー
（イ） 波長スペクトル
（ロ) 平行光
（ハ) 参照光
（ニ) 被検光
（ホ) 光軸
（ヘ） 光軸
（ト） 焦点
【特許請求の範囲】
【請求項１】 所定のスペクトル幅を有する光源から発した光束を二分割し、一方を参照光束、他方を被検光束とし、該被検光束中に、光学材料素子で構成された被検物たる光学部品を挿入し、前記参照光束と前記光学部品を通過した後の被検光束を重合わせ干渉縞を形成するよう構成した干渉計に於いて、参照光束の機械的光路長Lrを次式若しくはそれらと同様の物理的意味を有する式により算出されるLr0 に対し、Lr0 −L/n ≦Lr≦Lr0 ＋L/Nの範囲内に設定し参照光路を構成したことを特徴とする透過波面測定用干渉計。ここでLr0 は、
とする。但し、Lt' は光源からの光束が分割されてからの被検光路の機械的距離、λ0 は光源スペクトルの代表波長、k は被検物を構成する光学材料素子の素子数、Ni（λ0)は被検物におけるi番目の光学材料素子の波長λ0 に対する屈折率、(dt)i はi 番目の光学材料素子の光軸に沿った距離、P は参照光路に挿入された光学材料素子の数、Nj（λ0)は参照光路に挿入されたj 番目の光学材料素子の波長λ0 に対する屈折率、(dr)j は参照光路に挿入されたj 番目光学材料素子の光軸に沿った距離、αi はi 番目の被検側光学材料素子のλ0 近傍の波長に対する屈折率の対波長変化率、αj はj 番目の参照側光学素子のλ0 近傍の波長に対する屈折率の対波長変化率、(dm)i は被検光学部品を通過する光束の各光線がi番目の被検側光学材料素子を通過する距離の平均的な値、(dm)j は干渉に寄与する有効な参照側光束の各光線がj 番目の参照側光学材料素子を通過する距離の平均的な値、L は光源のコヒーレンス長、N は参照光が同一光路を通る回数で、該干渉計がトワイマン・グリーン型の場合には２であり、マッハツエ ンダー型の場合には１とする。
【請求項１】 所定のスペクトル幅を有する光源から発した光束を二分割し、一方を参照光束、他方を被検光束とし、該被検光束中に、光学材料素子で構成された被検物たる光学部品を挿入し、前記参照光束と前記光学部品を通過した後の被検光束を重合わせ干渉縞を形成するよう構成した干渉計に於いて、参照光束の機械的光路長Lrを次式若しくはそれらと同様の物理的意味を有する式により算出されるLr0 に対し、Lr0 −L/n ≦Lr≦Lr0 ＋L/Nの範囲内に設定し参照光路を構成したことを特徴とする透過波面測定用干渉計。ここでLr0 は、
とする。但し、Lt' は光源からの光束が分割されてからの被検光路の機械的距離、λ0 は光源スペクトルの代表波長、k は被検物を構成する光学材料素子の素子数、Ni（λ0)は被検物におけるi番目の光学材料素子の波長λ0 に対する屈折率、(dt)i はi 番目の光学材料素子の光軸に沿った距離、P は参照光路に挿入された光学材料素子の数、Nj（λ0)は参照光路に挿入されたj 番目の光学材料素子の波長λ0 に対する屈折率、(dr)j は参照光路に挿入されたj 番目光学材料素子の光軸に沿った距離、αi はi 番目の被検側光学材料素子のλ0 近傍の波長に対する屈折率の対波長変化率、αj はj 番目の参照側光学素子のλ0 近傍の波長に対する屈折率の対波長変化率、(dm)i は被検光学部品を通過する光束の各光線がi番目の被検側光学材料素子を通過する距離の平均的な値、(dm)j は干渉に寄与する有効な参照側光束の各光線がj 番目の参照側光学材料素子を通過する距離の平均的な値、L は光源のコヒーレンス長、N は参照光が同一光路を通る回数で、該干渉計がトワイマン・グリーン型の場合には２であり、マッハツエ ンダー型の場合には１とする。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開平５−９９６１３
【公開日】平成５年（１９９３）４月２３日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平３−２６０７８８
【出願日】平成３年（１９９１）１０月８日
【出願人】（００００００３７６）オリンパス光学工業株式会社 (11,466)
【公開日】平成５年（１９９３）４月２３日
【国際特許分類】
【出願日】平成３年（１９９１）１０月８日
【出願人】（００００００３７６）オリンパス光学工業株式会社 (11,466)
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