JP3064329B2 - 屈折率分布測定方法及び屈折率分布測定装置 - Google Patents
屈折率分布測定方法及び屈折率分布測定装置Info
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- JP3064329B2 JP3064329B2 JP2117839A JP11783990A JP3064329B2 JP 3064329 B2 JP3064329 B2 JP 3064329B2 JP 2117839 A JP2117839 A JP 2117839A JP 11783990 A JP11783990 A JP 11783990A JP 3064329 B2 JP3064329 B2 JP 3064329B2
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- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、屈折率分布を有する光学素子の屈折率分布
形状を、光の全反射を利用して測定する屈折率分布測定
方法及びその装置に関する。
形状を、光の全反射を利用して測定する屈折率分布測定
方法及びその装置に関する。
近年、屈折率分布を持つ屈折率分布型光学素子が、ビ
デオディスク装置のピックアップやコピー装置のアレー
レンズとして多用化されて来ている。更に光エレクトロ
ニクス分野では光導波路や屈折率分布を持つ平板マイク
ロレンズ等の比較的微小な屈折率分布型光学素子が、映
像分野では銀塩カメラやビデオカメラ，顕微鏡等のレン
ズ系として比較的大口径な屈折率分布型光学素子が夫々
実用化されつつある。
デオディスク装置のピックアップやコピー装置のアレー
レンズとして多用化されて来ている。更に光エレクトロ
ニクス分野では光導波路や屈折率分布を持つ平板マイク
ロレンズ等の比較的微小な屈折率分布型光学素子が、映
像分野では銀塩カメラやビデオカメラ，顕微鏡等のレン
ズ系として比較的大口径な屈折率分布型光学素子が夫々
実用化されつつある。
これら屈折率分布型光学素子の特性は、その屈折率分
布状態に大きく依存している為、実用化に際しては各素
子における屈折率分布形状を高精度に測定できる方法が
必要である。
布状態に大きく依存している為、実用化に際しては各素
子における屈折率分布形状を高精度に測定できる方法が
必要である。
従来、このような屈折率分布を測定する方法として
は、屈折率分布の中心軸に対して直角方向に切断研磨し
た薄片試料を干渉顕微鏡で観察し、薄片試料の単位厚さ
当たりの光路長差を求めることにより屈折率の分布を測
定する縦方向干渉法や、円柱状測定試料の屈折率分布中
心軸に対して直角方向に光線を透過させ、光線追跡を行
なうことにより屈折率分布を求める横方向干渉法が知ら
れている。
は、屈折率分布の中心軸に対して直角方向に切断研磨し
た薄片試料を干渉顕微鏡で観察し、薄片試料の単位厚さ
当たりの光路長差を求めることにより屈折率の分布を測
定する縦方向干渉法や、円柱状測定試料の屈折率分布中
心軸に対して直角方向に光線を透過させ、光線追跡を行
なうことにより屈折率分布を求める横方向干渉法が知ら
れている。
さらに最近では、特開昭63−275936号公報に記載され
ているような測定方法も提案されている。この方法は、
周知の技術であるプルフリッヒの屈折計の原理を応用し
たものであり、第５図に示すように屈折率の分布を測定
する測定試料101の測定面を半球形状の測定台102の試料
設置面102Aに密着配置し、上記設置面102A以外の半球面
102Bを介して集光レンズ103によって測定台設置面102A
上の測定点104に収束されるレーザー光105を入射させて
行なうものである。測定点104に照射された収束光の
内、該点104で全反射臨界角φｃよりも大きい入射角範
囲で入射する光束領域の光は全反射となる為入射光とほ
ぼ同様な明るさの光領域106の反射光が得られ、全反射
臨界角φｃよりも小さい入射角範囲で入射する光束領域
の光は一部が測定点104から透過射出してしまう為、入
射光よりも暗い光領域107の反射光が得られる。よって
測定点104を反射した光束を観察すると明暗境界108を挾
んで比較的明るい光領域106と比較的暗い光領域107とに
分かれた光束断面109が測定できる。このように、全反
射臨界角φｃを持って入射した光は明部と暗部の境目で
ある明暗境界108として反射されるので、明暗境界108の
光線が測定面法線と成す角度を測定すれば、その値が全
反射臨界角φｃであり、測定台102の既知の屈折率n0か
ら測定点104における測定試料101の屈折率ｎが下記
（１）式から求められるというものである。
ているような測定方法も提案されている。この方法は、
周知の技術であるプルフリッヒの屈折計の原理を応用し
たものであり、第５図に示すように屈折率の分布を測定
する測定試料101の測定面を半球形状の測定台102の試料
設置面102Aに密着配置し、上記設置面102A以外の半球面
102Bを介して集光レンズ103によって測定台設置面102A
上の測定点104に収束されるレーザー光105を入射させて
行なうものである。測定点104に照射された収束光の
内、該点104で全反射臨界角φｃよりも大きい入射角範
囲で入射する光束領域の光は全反射となる為入射光とほ
ぼ同様な明るさの光領域106の反射光が得られ、全反射
臨界角φｃよりも小さい入射角範囲で入射する光束領域
の光は一部が測定点104から透過射出してしまう為、入
射光よりも暗い光領域107の反射光が得られる。よって
測定点104を反射した光束を観察すると明暗境界108を挾
んで比較的明るい光領域106と比較的暗い光領域107とに
分かれた光束断面109が測定できる。このように、全反
射臨界角φｃを持って入射した光は明部と暗部の境目で
ある明暗境界108として反射されるので、明暗境界108の
光線が測定面法線と成す角度を測定すれば、その値が全
反射臨界角φｃであり、測定台102の既知の屈折率n0か
ら測定点104における測定試料101の屈折率ｎが下記
（１）式から求められるというものである。
ｎ＝n0 sin φｃ ‥‥（１） 〔発明が解決しようとする課題〕 しかし、これら従来の測定方法は各々異なった問題を
持ち合せている。まず縦方向干渉法並びに横方向干渉法
は共に検出精度は高いものの前者の場合は測定試料に分
布する屈折率の差が大きくなればなるほど上記測定試料
を薄片に切断研磨しなければ精度の良い測定が行なえ
ず、測定物によっては数十μｍものたいへん薄い測定試
料に加工しなければならないものもあり、測定試料の作
成が非常に困難であると共に切断研磨する為試料は常に
破壊されなければ測定できなかった。
持ち合せている。まず縦方向干渉法並びに横方向干渉法
は共に検出精度は高いものの前者の場合は測定試料に分
布する屈折率の差が大きくなればなるほど上記測定試料
を薄片に切断研磨しなければ精度の良い測定が行なえ
ず、測定物によっては数十μｍものたいへん薄い測定試
料に加工しなければならないものもあり、測定試料の作
成が非常に困難であると共に切断研磨する為試料は常に
破壊されなければ測定できなかった。
後者の場合は測定試料を非破壊的に測定できるという
効果があるものの測定試料の形状が円柱形状に限られる
他、屈折率分布の測定に時間がかかってしまう等の欠点
があった。
効果があるものの測定試料の形状が円柱形状に限られる
他、屈折率分布の測定に時間がかかってしまう等の欠点
があった。
次に特開昭63−275936号公報に記載されている方法
は、構成が簡単な上、上記二つの測定方法のかかえる欠
点もほぼ解決された有効な方法ではあるものの、その原
型になっているプルフリッヒの屈折計では問題にならな
かった、全反射の際に原理的に現れるグース・ヘンシェ
ンシフト（Goos−Hanchen Shift）が、この方法では全
反射臨界角φｃの読み取り誤差となって大きく影響する
にも拘らず、これが考慮されていないため、屈折率分布
型光学素子の実用化に必要な高精度の屈折率分布測定
は、実際には困難であった。
は、構成が簡単な上、上記二つの測定方法のかかえる欠
点もほぼ解決された有効な方法ではあるものの、その原
型になっているプルフリッヒの屈折計では問題にならな
かった、全反射の際に原理的に現れるグース・ヘンシェ
ンシフト（Goos−Hanchen Shift）が、この方法では全
反射臨界角φｃの読み取り誤差となって大きく影響する
にも拘らず、これが考慮されていないため、屈折率分布
型光学素子の実用化に必要な高精度の屈折率分布測定
は、実際には困難であった。
本発明はこのような課題に鑑みて、測定対象である屈
折率分布型光学素子の屈折率分布形状を簡単且つ高精度
に測定できるようにした屈折率分布測定方法及び屈折率
分布測定装置を提供することを目的とする。
折率分布型光学素子の屈折率分布形状を簡単且つ高精度
に測定できるようにした屈折率分布測定方法及び屈折率
分布測定装置を提供することを目的とする。
本発明による屈折率分布測定方法は、屈折率分布を持
つ測定試料の一面に、測定試料より屈折率の大きい媒質
部材の試料設置面を接触させ、所定波長の電磁波を収束
光として媒質部材を介して試料設置面上の測定位置へ入
射させ、収束光の全反射による反射光の明暗境界を検出
して全反射臨界角を測定するようにした屈折率分布測定
方法において、屈折率が既知で且つ互いに異なる複数の
較正部材について測定した明暗境界の角度及び算出され
た理想的な全反射臨界角によって予め設定された補正量
に基づいて、上述の測定試料について測定されたアライ
メント誤差やグース・ヘンシェンシフトによる誤差が含
まれている全反射臨界角を該アライメント誤差やグース
・ヘンシェンシフトによる誤差が排除されるように補正
し、この補正された全反射臨界角に基づいて測定位置で
の測定試料の屈折率を求め、更に収束光に対して測定試
料を相対的に走査させて上述の処理を繰り返すことによ
り、測定試料の屈折率分布を求めるようにしたことを特
徴とするものである。
つ測定試料の一面に、測定試料より屈折率の大きい媒質
部材の試料設置面を接触させ、所定波長の電磁波を収束
光として媒質部材を介して試料設置面上の測定位置へ入
射させ、収束光の全反射による反射光の明暗境界を検出
して全反射臨界角を測定するようにした屈折率分布測定
方法において、屈折率が既知で且つ互いに異なる複数の
較正部材について測定した明暗境界の角度及び算出され
た理想的な全反射臨界角によって予め設定された補正量
に基づいて、上述の測定試料について測定されたアライ
メント誤差やグース・ヘンシェンシフトによる誤差が含
まれている全反射臨界角を該アライメント誤差やグース
・ヘンシェンシフトによる誤差が排除されるように補正
し、この補正された全反射臨界角に基づいて測定位置で
の測定試料の屈折率を求め、更に収束光に対して測定試
料を相対的に走査させて上述の処理を繰り返すことによ
り、測定試料の屈折率分布を求めるようにしたことを特
徴とするものである。
また、本発明による屈折率分布測定方法は、上記複数
の較正部材について、各較正部材毎に測定した全反射臨
界角の値と、当該較正部材の理想的な全反射臨界角とか
ら近似式を求め、この近似式により補正された全反射臨
界角を計算するようにしたことを特徴とするものであ
る。
の較正部材について、各較正部材毎に測定した全反射臨
界角の値と、当該較正部材の理想的な全反射臨界角とか
ら近似式を求め、この近似式により補正された全反射臨
界角を計算するようにしたことを特徴とするものであ
る。
本発明による屈折率分布測定装置は、所定波長の電磁
波を発生する光源と、光源から射出された電磁波を収束
光にする光束変換手段と、屈折率分布を持つ測定試料を
接触させる試料設置面を有していて測定試料より屈折率
の大きい媒質部材と、収束光が試料設置面で全反射する
反射光により全反射臨界角を測定する観察手段と、収束
光に対して測定試料を相対的に走査させる走査手段とを
備えた屈折率分布測定装置において、屈折率が既知で且
つ互いに異なる複数の較正部材についての測定された明
暗境界の角度及び理想的な全反射臨界角によって予め設
定された補正量に基づいて測定試料について測定された
アライメント誤差やグース・ヘンシェンシフトによる誤
差が含まれている全反射臨界角を該アライメント誤差や
グース・ヘンシェンシフトによる誤差が排除されるよう
に補正する角度補正手段と、この補正された全反射臨界
角により測定試料の屈折率を演算する演算手段を備えた
ことを特徴とするものである。
波を発生する光源と、光源から射出された電磁波を収束
光にする光束変換手段と、屈折率分布を持つ測定試料を
接触させる試料設置面を有していて測定試料より屈折率
の大きい媒質部材と、収束光が試料設置面で全反射する
反射光により全反射臨界角を測定する観察手段と、収束
光に対して測定試料を相対的に走査させる走査手段とを
備えた屈折率分布測定装置において、屈折率が既知で且
つ互いに異なる複数の較正部材についての測定された明
暗境界の角度及び理想的な全反射臨界角によって予め設
定された補正量に基づいて測定試料について測定された
アライメント誤差やグース・ヘンシェンシフトによる誤
差が含まれている全反射臨界角を該アライメント誤差や
グース・ヘンシェンシフトによる誤差が排除されるよう
に補正する角度補正手段と、この補正された全反射臨界
角により測定試料の屈折率を演算する演算手段を備えた
ことを特徴とするものである。
また、本発明による屈折率分布測定装置は、上記角度
補正手段が、上記複数の較正部材について、各較正部材
毎に測定した全反射臨界角の値と、当該較正部材の理想
的な全反射臨界角とから近似式を求め、この近似式によ
り補正された全反射臨界角を計算するように構成されて
いることを特徴とする。
補正手段が、上記複数の較正部材について、各較正部材
毎に測定した全反射臨界角の値と、当該較正部材の理想
的な全反射臨界角とから近似式を求め、この近似式によ
り補正された全反射臨界角を計算するように構成されて
いることを特徴とする。
尚、上記補正量は、（１）式から明らかなように屈折
率ｎが全反射臨界角φの関数になるので、先に記述して
いるように測定した明暗境界の角度と理想的な全反射臨
界角との関係によってのみ与えられるものではなく、
（１）式を用いて算出できる屈折率と理想的な屈折率と
の関係及び測定した明暗境界の角度と理想的な屈折率と
の関係によって求めても良いことは明らかである。
率ｎが全反射臨界角φの関数になるので、先に記述して
いるように測定した明暗境界の角度と理想的な全反射臨
界角との関係によってのみ与えられるものではなく、
（１）式を用いて算出できる屈折率と理想的な屈折率と
の関係及び測定した明暗境界の角度と理想的な屈折率と
の関係によって求めても良いことは明らかである。
測定試料について測定した全反射臨界角には、アライ
メント誤差とグース・ヘンシェンシフトによる誤差が含
まれているが、較正部材によって予め設定された補正量
に基づいてこの測定された全反射臨界角を補正すること
によって、上述の二種の誤差を排除し得、そして補正さ
れた全反射臨界角から測定位置での測定試料の屈折率を
求めるようにしたので、測定試料の屈折率分布形状を簡
単且つ高精度に測定することができる。
メント誤差とグース・ヘンシェンシフトによる誤差が含
まれているが、較正部材によって予め設定された補正量
に基づいてこの測定された全反射臨界角を補正すること
によって、上述の二種の誤差を排除し得、そして補正さ
れた全反射臨界角から測定位置での測定試料の屈折率を
求めるようにしたので、測定試料の屈折率分布形状を簡
単且つ高精度に測定することができる。
以下、本発明の好適な一実施例を第１図を中心に説明
する。
する。
第１図は屈折率分布測定装置の概略構成図であり、１
はレーザ光等所定波長の電磁波を射出する光源、２はこ
の所定波長の電磁波を収束光である入射光束３として射
出する光束変換部材、４は例えば半球面形状を有してい
て入射光束３が入射する半球面4aと略平坦な試料設置面
4bとを形成する媒質部材、５は試料設置面4bに接触した
状態で屈折率分布形状を測定せしめられ得る光学素子即
ち測定試料であり、媒質部材４の屈折率n0は測定試料５
の屈折率ｎより大きく設定されている。６は試料設置面
4b上であって入射光束３が収束すべき理想的な測定点に
相当する媒質部材４の球心、７は入射光束３に対して測
定試料５を試料設置面4bに沿って相対移動させるための
走査手段、９は入射光束３が試料設置面4b上の測定点で
反射された反射光束、11はこの反射光束９を受光して全
反射臨界角φ′を測定する観察手段であって、受光する
電磁波強度が最も急激に変化する位置（明暗境界）の測
定面法線（試料設置面4bに直交する線）に対する角度を
全反射臨界角φ′として測定し得るようになっている。
12はこの測定された全反射臨界角φ′に対して後述する
アライメント誤差とグース・ヘンシェンシフトによる誤
差を修正する角度補正手段、13は補正された全反射臨界
角φ″に基づいて上述の（１）式から測定点における測
定試料５の屈折率ｎを演算する演算手段である。
はレーザ光等所定波長の電磁波を射出する光源、２はこ
の所定波長の電磁波を収束光である入射光束３として射
出する光束変換部材、４は例えば半球面形状を有してい
て入射光束３が入射する半球面4aと略平坦な試料設置面
4bとを形成する媒質部材、５は試料設置面4bに接触した
状態で屈折率分布形状を測定せしめられ得る光学素子即
ち測定試料であり、媒質部材４の屈折率n0は測定試料５
の屈折率ｎより大きく設定されている。６は試料設置面
4b上であって入射光束３が収束すべき理想的な測定点に
相当する媒質部材４の球心、７は入射光束３に対して測
定試料５を試料設置面4bに沿って相対移動させるための
走査手段、９は入射光束３が試料設置面4b上の測定点で
反射された反射光束、11はこの反射光束９を受光して全
反射臨界角φ′を測定する観察手段であって、受光する
電磁波強度が最も急激に変化する位置（明暗境界）の測
定面法線（試料設置面4bに直交する線）に対する角度を
全反射臨界角φ′として測定し得るようになっている。
12はこの測定された全反射臨界角φ′に対して後述する
アライメント誤差とグース・ヘンシェンシフトによる誤
差を修正する角度補正手段、13は補正された全反射臨界
角φ″に基づいて上述の（１）式から測定点における測
定試料５の屈折率ｎを演算する演算手段である。
ところで、上述のように観察手段11で測定される全反
射臨界角φ′には、従来技術と同様に本質的で避けるこ
とのできないグース・ヘンシェンシフトによる誤差がア
ライメント誤差と共に含まれており、これを補正する手
段について以下に説明する。
射臨界角φ′には、従来技術と同様に本質的で避けるこ
とのできないグース・ヘンシェンシフトによる誤差がア
ライメント誤差と共に含まれており、これを補正する手
段について以下に説明する。
第２図は説明を容易にするために、媒質部材４に対す
る収束光束3,9は明暗境界に対応する光線のみを示すも
のである。図中、理想的には、入射光線3aは媒質部材４
に入射して試料設置面4b上の媒質部材４の球心６である
測定点で全反射し、全反射臨界角φは入射角と同一角度
の理想的な反射光線9aが形成するものとして、理想的な
角度で観測される。
る収束光束3,9は明暗境界に対応する光線のみを示すも
のである。図中、理想的には、入射光線3aは媒質部材４
に入射して試料設置面4b上の媒質部材４の球心６である
測定点で全反射し、全反射臨界角φは入射角と同一角度
の理想的な反射光線9aが形成するものとして、理想的な
角度で観測される。
しかし、実際には入射光束３が収束する試料設置面4b
上の測定点を球心６に精密に調整できない（アライメン
ト誤差）ため、球心６から距離ΔALだけずれた試料設置
面4b上の点６′に入射光線3bが入射する。更にこの光線
3bはグース・ヘンシェン効果によって測定試料５内に沈
み込んだ後、試料設置面4b上の点６′からグース・ヘン
シェンシフト分である距離ΔGHだけずれた点６″から全
反射し、この反射光線9bは媒質部材４を通過して屈折す
ることになり、全反射臨界角は、理想的な全反射臨界角
φを構成する反射光線9aに対してアライメント誤差分の
角度θALとグース・ヘンシェンシフト分の角度θGHだけ
ずれた角度φ′として観測されることになる。
上の測定点を球心６に精密に調整できない（アライメン
ト誤差）ため、球心６から距離ΔALだけずれた試料設置
面4b上の点６′に入射光線3bが入射する。更にこの光線
3bはグース・ヘンシェン効果によって測定試料５内に沈
み込んだ後、試料設置面4b上の点６′からグース・ヘン
シェンシフト分である距離ΔGHだけずれた点６″から全
反射し、この反射光線9bは媒質部材４を通過して屈折す
ることになり、全反射臨界角は、理想的な全反射臨界角
φを構成する反射光線9aに対してアライメント誤差分の
角度θALとグース・ヘンシェンシフト分の角度θGHだけ
ずれた角度φ′として観測されることになる。
この場合、アライメント誤差は調整によってある程度
は小さくできるが、グース・ヘンシェンシフトによる誤
差は全反射領域で必ず発生する本質的な誤差であり、こ
れをなくすことはできない。又、雑誌J.Opt.Soc.Am.A/V
ol.3,No.4（1986年４月）第550頁〜第557頁に記載され
ているH.M.Laiらによる論文「Goos−Hanchen effect ar
ound and off the critical angle」に記載された手法
を用いて、上述の距離誤差ΔGHをシミュレーションする
と、測定波長の数倍〜数十倍にも達する大きな量である
ことがわかった。これは全反射臨界角の測定精度に大き
な影響を与えるものであるから、何らかの方法で補正し
なければ、屈折率分布形状の正確な測定はできない。
は小さくできるが、グース・ヘンシェンシフトによる誤
差は全反射領域で必ず発生する本質的な誤差であり、こ
れをなくすことはできない。又、雑誌J.Opt.Soc.Am.A/V
ol.3,No.4（1986年４月）第550頁〜第557頁に記載され
ているH.M.Laiらによる論文「Goos−Hanchen effect ar
ound and off the critical angle」に記載された手法
を用いて、上述の距離誤差ΔGHをシミュレーションする
と、測定波長の数倍〜数十倍にも達する大きな量である
ことがわかった。これは全反射臨界角の測定精度に大き
な影響を与えるものであるから、何らかの方法で補正し
なければ、屈折率分布形状の正確な測定はできない。
そこで、本発明においては、アライメント誤差が波長
のみの関数であり、又グース・ヘンシェンシフトによる
誤差が波長と屈折率の関数であることに着目して、上述
の角度補正手段12において、観察手段11で測定された全
反射臨界角φ′を理想的な全反射臨界角φに近似した値
φ″に補正するようにしたものである。
のみの関数であり、又グース・ヘンシェンシフトによる
誤差が波長と屈折率の関数であることに着目して、上述
の角度補正手段12において、観察手段11で測定された全
反射臨界角φ′を理想的な全反射臨界角φに近似した値
φ″に補正するようにしたものである。
即ち、測定試料１に応じて所定の屈折率を有し、しか
も各屈折率が夫々既知であると共に互いに異なる複数の
較正部材15を選択し、測定試料５の測定に先立って、本
実施例による屈折率分布測定装置を用いて測定試料５と
同一の手順で、光源１から所定波長の電磁波を射出し
て、各較正部材15の全反射臨界角φ′を（波長毎に）夫
々測定する。
も各屈折率が夫々既知であると共に互いに異なる複数の
較正部材15を選択し、測定試料５の測定に先立って、本
実施例による屈折率分布測定装置を用いて測定試料５と
同一の手順で、光源１から所定波長の電磁波を射出し
て、各較正部材15の全反射臨界角φ′を（波長毎に）夫
々測定する。
又、既知の屈折率に基づいて、各較正部材15の理想的
な全反射臨界角φを上記（１）式を用いて夫々逆算す
る。
な全反射臨界角φを上記（１）式を用いて夫々逆算す
る。
そして、測定された各臨界角φ′と理想的な全反射臨
界角φとの関係を、最小二乗法を用いてその二乗誤差が
最小になるように、次式を用いて近似表現し、その算出
された近似値φ″を補正された全反射臨界角とするもの
である。
界角φとの関係を、最小二乗法を用いてその二乗誤差が
最小になるように、次式を用いて近似表現し、その算出
された近似値φ″を補正された全反射臨界角とするもの
である。
φ″＝ｆλ（φ′） ‥‥（２） 従って、この（２）式によって、測定試料５について
の測定された全反射臨界角φ′から理想的な臨界角φに
近似した補正された全反射臨界角φ″を算出することが
でき、グース・ヘンシェンシフトによる誤差とアライメ
ント誤差を良好に補正することができる。
の測定された全反射臨界角φ′から理想的な臨界角φに
近似した補正された全反射臨界角φ″を算出することが
でき、グース・ヘンシェンシフトによる誤差とアライメ
ント誤差を良好に補正することができる。
尚、原理的には、（２）式を求めるには較正部材15は
屈折率の異なる二種あればよく、又は、全反射臨界角
φ′測定のための電磁波は一種あればよい。
屈折率の異なる二種あればよく、又は、全反射臨界角
φ′測定のための電磁波は一種あればよい。
更に近似表現の方法としては、上記最小二乗法に限ら
ず、例えばスプライン処理等の近似方法を用いても良
い。
ず、例えばスプライン処理等の近似方法を用いても良
い。
次に、本実施例による屈折率分布測定方法について説
明する。
明する。
まず、測定対象となる測定試料５の各屈折率に応じて
所定の屈折率を有する複数の較正部材15の各全反射臨界
角φを測定し、上述の方法によって近似式（２）を求め
ておく。
所定の屈折率を有する複数の較正部材15の各全反射臨界
角φを測定し、上述の方法によって近似式（２）を求め
ておく。
そして、測定試料５を試料設置面4bに接触させた第１
図の状態で、光源１から射出された所定波長の電磁波を
光束変換部材２によって収束光である入射光束３に変換
させて、媒質部材４を介して、測定試料５が接触する試
料設置面4bに入射させる。この時入射光束３の光軸（3
b）はアライメント誤差によって試料設置面4b上の球心
６からΔALずれた点６′に入射し、又反射光束９の光軸
（9b）はグース・ヘンシェンシフトによる誤差によって
点６′から更にΔGHずれた点６″から全反射することに
なる。そして媒質部材４を通過して角度（θAL＋θGH）
分屈折した反射光束９が観察手段11で受光せしめられ、
全反射臨界角φ′が測定される。
図の状態で、光源１から射出された所定波長の電磁波を
光束変換部材２によって収束光である入射光束３に変換
させて、媒質部材４を介して、測定試料５が接触する試
料設置面4bに入射させる。この時入射光束３の光軸（3
b）はアライメント誤差によって試料設置面4b上の球心
６からΔALずれた点６′に入射し、又反射光束９の光軸
（9b）はグース・ヘンシェンシフトによる誤差によって
点６′から更にΔGHずれた点６″から全反射することに
なる。そして媒質部材４を通過して角度（θAL＋θGH）
分屈折した反射光束９が観察手段11で受光せしめられ、
全反射臨界角φ′が測定される。
この測定された臨界角φ′は角度補正手段12に入力せ
しめられ、予め設定された近似式（２）に基づいてこの
測定試料５の理想的な全反射臨界角φとの二乗誤差が最
小となるような全反射臨界角φ″に補正せしめられる。
しめられ、予め設定された近似式（２）に基づいてこの
測定試料５の理想的な全反射臨界角φとの二乗誤差が最
小となるような全反射臨界角φ″に補正せしめられる。
そして補正された全反射臨界角φ″は演算手段13にお
いて、上述の（１）式により、 ｎ＝n0 sin φ″ なる計算が行なわれる。このようにして得られたのは、
グース・ヘンシェンシフトやアライメント誤差による屈
折率誤差が迎えられた、測定試料５における測定部分の
屈折率であり、実用化に適する充分に高い測定精度を備
えている。
いて、上述の（１）式により、 ｎ＝n0 sin φ″ なる計算が行なわれる。このようにして得られたのは、
グース・ヘンシェンシフトやアライメント誤差による屈
折率誤差が迎えられた、測定試料５における測定部分の
屈折率であり、実用化に適する充分に高い測定精度を備
えている。
そして、走査手段７によって、測定試料５を入射光束
３に対して、試料設置面4bに接触させた状態を維持しな
がら、相対的に走査させて、上述の方法による測定を繰
り返すことによって、測定試料５の屈折率分布形状を高
精度に測定することができる。
３に対して、試料設置面4bに接触させた状態を維持しな
がら、相対的に走査させて、上述の方法による測定を繰
り返すことによって、測定試料５の屈折率分布形状を高
精度に測定することができる。
上述のように本実施例によれば、測定試料５の屈折率
分布形状を簡単且つ高精度に測定することができる。
分布形状を簡単且つ高精度に測定することができる。
以下に数値例を含む具体例について述べる。
具体例 次に本発明の具体例を第１図を中心に説明する。
まず、測定試料５として、径方向に向かって屈折率が
徐々に小さくなる分布形状を有する小径平板レンズ５を
用いる。媒質部材４として波長632.8nmのHe−Neレーザ
ー光での屈折率n0が1.79896であり、半球面4aの半径ｒ
＝8mmである半球状のものを用い、その試料設置面4b
に、同じく波長632.8nmのHe−Neレーザー光での屈折率
が1.700のマッチング屈折液（図示せず）を介して小径
平板レンズ5aのほぼ平坦な面を接触させるようにする。
徐々に小さくなる分布形状を有する小径平板レンズ５を
用いる。媒質部材４として波長632.8nmのHe−Neレーザ
ー光での屈折率n0が1.79896であり、半球面4aの半径ｒ
＝8mmである半球状のものを用い、その試料設置面4b
に、同じく波長632.8nmのHe−Neレーザー光での屈折率
が1.700のマッチング屈折液（図示せず）を介して小径
平板レンズ5aのほぼ平坦な面を接触させるようにする。
光源１として、波長632.8nmのHe−Neレーザー，波長4
88nmのArレーザー，波長568.2nmのKrレーザー及び波長4
41.6nmのHe−Cdレーザーを用い、図示しない切換えミラ
ーによって適宜波長のレーザー光を（明暗境界角度や測
定対象等に応じて選択して）光束変換部材２に入射させ
る。光束変換部材２では、入射されたレーザー光束を倍
率50の対物レンズと倍率５の対物レンズ（共に図示せ
ず）とで約10倍に広げた後、ワーキングディスタンス
（レンズ先端から試料設置面4b迄の距離）の長い倍率20
の対物レンズ（図示せず）で収束する入射光束３に変換
し、試料設置面4b上に収束させることができるように構
成する。
88nmのArレーザー，波長568.2nmのKrレーザー及び波長4
41.6nmのHe−Cdレーザーを用い、図示しない切換えミラ
ーによって適宜波長のレーザー光を（明暗境界角度や測
定対象等に応じて選択して）光束変換部材２に入射させ
る。光束変換部材２では、入射されたレーザー光束を倍
率50の対物レンズと倍率５の対物レンズ（共に図示せ
ず）とで約10倍に広げた後、ワーキングディスタンス
（レンズ先端から試料設置面4b迄の距離）の長い倍率20
の対物レンズ（図示せず）で収束する入射光束３に変換
し、試料設置面4b上に収束させることができるように構
成する。
観察手段11として、媒質部材４の球心６から約50mmの
距離にしかもこの球心６を中心に回転可能にフォトディ
テクターを配置し、試料設置面4bで全反射された反射光
束９を受光するが、その受光量の強度変化が最も急激な
位置の角度を明暗境界の角度（全反射臨界角）として検
出するものである。
距離にしかもこの球心６を中心に回転可能にフォトディ
テクターを配置し、試料設置面4bで全反射された反射光
束９を受光するが、その受光量の強度変化が最も急激な
位置の角度を明暗境界の角度（全反射臨界角）として検
出するものである。
又、小径平板レンズ５の測定に先立って補正量を定め
る式（２）を設定する。
る式（２）を設定する。
まず、較正部材15として、波長632.8nmのHe−Neレー
ザー光での屈折率が夫々1.69429のLaK14,1.68436のSF8,
1.66854のSF5,1.62108のBaF8,1.60107のSK14,1.52944の
LLF6及び1.51466のBK7を用い、これら７種の屈折率既知
の硝材に関して、明暗境界の角度Ｒを前述した光源１の
四つの波長の光によって夫々測定する。そして、測定さ
れた明暗境界の角度Ｒと既知の屈折率により（１）式か
ら求められた理想的な全反射臨界角φとの関係につい
て，その二乗誤差が最小になるように最小二乗法によっ
て、（２）式を求める。
ザー光での屈折率が夫々1.69429のLaK14,1.68436のSF8,
1.66854のSF5,1.62108のBaF8,1.60107のSK14,1.52944の
LLF6及び1.51466のBK7を用い、これら７種の屈折率既知
の硝材に関して、明暗境界の角度Ｒを前述した光源１の
四つの波長の光によって夫々測定する。そして、測定さ
れた明暗境界の角度Ｒと既知の屈折率により（１）式か
ら求められた理想的な全反射臨界角φとの関係につい
て，その二乗誤差が最小になるように最小二乗法によっ
て、（２）式を求める。
一例として波長632.8nmのHe−Neレーザー光での各較
正部材15の屈折率n,理想的な全反射臨界角φ及び測定さ
れた明暗境界の角度Ｒを、次の表１に示す。
正部材15の屈折率n,理想的な全反射臨界角φ及び測定さ
れた明暗境界の角度Ｒを、次の表１に示す。
上の表に基づいて、最小二乗法で求めた近似式を一次
式として表わすことができ、補正された全反射臨界角
φ″は、 φ″＝228.151−1.01459R ‥‥（３） として表わすことができる。これを図で示すと第３図の
ようになり、図中の黒丸は理想的な全反射臨界角φと測
定された明暗境界の角度Ｒを示すものであり、これから
（３）式により良好な近似値が得られることが理解でき
る。
式として表わすことができ、補正された全反射臨界角
φ″は、 φ″＝228.151−1.01459R ‥‥（３） として表わすことができる。これを図で示すと第３図の
ようになり、図中の黒丸は理想的な全反射臨界角φと測
定された明暗境界の角度Ｒを示すものであり、これから
（３）式により良好な近似値が得られることが理解でき
る。
前述の（２）式は測定された全反射臨界角φ′と補正
された全反射臨界角φ″の関係としたが、前者φ′は試
料設置面の法線方向の角度と測定された明暗境界の角度
から一義的に決定されるから（角度Ｒは厳密には全反射
臨界角ではないが）、（３）式は（２）式と同一の補正
式と考えて良いことになる。
された全反射臨界角φ″の関係としたが、前者φ′は試
料設置面の法線方向の角度と測定された明暗境界の角度
から一義的に決定されるから（角度Ｒは厳密には全反射
臨界角ではないが）、（３）式は（２）式と同一の補正
式と考えて良いことになる。
上述の（３）式が角度補正手段12に入力されており、
演算手段13も含めて、コンピュータによってこれら手段
による処理が行なわれる。
演算手段13も含めて、コンピュータによってこれら手段
による処理が行なわれる。
走査手段７として、小径平板レンズ５にこのレンズ５
を二次元走査するｘ−ｙステージが装着されている。
を二次元走査するｘ−ｙステージが装着されている。
一例として、この屈折率分布測定方法及び装置によっ
て、小径平板レンズ５について直径方向に0.2mmきざみ
で、波長632.8nmのHe−Neレーザー光によって測定し
た、測定結果を表２に示す。
て、小径平板レンズ５について直径方向に0.2mmきざみ
で、波長632.8nmのHe−Neレーザー光によって測定し
た、測定結果を表２に示す。
更に、この結果を図で表わすと第４図にようになる。
測定試料の径方向に向かって、屈折率ｎが徐々に小さく
なる分布が精度良く測定されていることが理解できる。
測定試料の径方向に向かって、屈折率ｎが徐々に小さく
なる分布が精度良く測定されていることが理解できる。
尚、本具体例では、光源１をレーザーによるコヒーレ
ント光源としたが、Xeランプ等のインコヒーレント光源
をモノクロメータ等で分光して用いたり、或いは輝線光
源を用いてもよい。
ント光源としたが、Xeランプ等のインコヒーレント光源
をモノクロメータ等で分光して用いたり、或いは輝線光
源を用いてもよい。
又、観察手段11についても、フォトディテクターに代
えてCCDアレーやCCDカメラ等を用いてもよく、又目視に
よる観察でもよい。
えてCCDアレーやCCDカメラ等を用いてもよく、又目視に
よる観察でもよい。
又、補正量を求める式（２）は、具体例における
（３）式の一次式に限定されるものではなく、他の適宜
構成のものを設定できる。
（３）式の一次式に限定されるものではなく、他の適宜
構成のものを設定できる。
〔発明の効果〕 上述のように、本発明による屈折率分布測定方法及び
屈折率分布測定装置は、測定された全反射臨界角を補正
する角度補正手段を設けたから、測定試料の屈折率分布
形状を簡単且つ高精度に測定することができる。
屈折率分布測定装置は、測定された全反射臨界角を補正
する角度補正手段を設けたから、測定試料の屈折率分布
形状を簡単且つ高精度に測定することができる。
第１図は本発明による屈折率分布測定装置の一実施例を
示す原理図、第２図は測定された全反射臨界角の誤差を
説明する図、第３図は具体例の角度補正を説明する図、
第４図は具体例における小径平板レンズについて測定さ
れた屈折率分布形状を表わす図、第５図は従来の屈折率
分布測定装置の概略断面図である。 １……光源、２……光束変換部材、４……媒質部材、4b
……試料設置面、５……測定試料、11……観察手段、12
……角度補正手段、13演算手段。
示す原理図、第２図は測定された全反射臨界角の誤差を
説明する図、第３図は具体例の角度補正を説明する図、
第４図は具体例における小径平板レンズについて測定さ
れた屈折率分布形状を表わす図、第５図は従来の屈折率
分布測定装置の概略断面図である。 １……光源、２……光束変換部材、４……媒質部材、4b
……試料設置面、５……測定試料、11……観察手段、12
……角度補正手段、13演算手段。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01M 11/00 - 11/02 G01N 21/43 ＣＡＰＬＵＳ（ＳＴＮ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (4)
- 【請求項１】屈折分布率を持つ測定資料の一面に、該測
定資料より屈折率の大きい媒質部材の試料設置面を接触
させ、所定波長の電磁波を収束光として上記媒質部材を
介して試料設置面上の測定位置に入射させ、全反射によ
る反射光の明暗境界を検出して全反射臨界角を測定する
ようにした屈折率分布測定方法において、 屈折率が既知で且つ互いに異なる複数の較正部材につい
て測定した明暗境界の角度と算出された理想的な全反射
臨界角とによって予め設定された補正量により、上記測
定試料について測定されたアライメント誤差やグース・
ヘンシェンシフトによる誤差が含まれている全反射臨界
角を該アライメント誤差やグース・ヘンシェンシフトに
よる誤差が排除されるように補正し、該補正された全反
射臨界角に基づいて上記測定位置での測定試料の屈折率
を求め、更に上記収束光に対して測定試料を相対的に走
査させつつ上記処理を繰り返すことにより、測定試料の
屈折率分布を求めるようにしたことを特徴とする屈折率
分布測定方法。 - 【請求項２】前記複数の較正部材について、各較正部材
毎に測定した全反射臨界角の値と、当該較正部材の理想
的な全反射臨界角とから近似式を求め、この近似式によ
り補正された全反射臨界角を計算するようにしたことを
特徴とする屈折率分布測定方法。 - 【請求項３】所定波長の電磁波を発生する光源と、該光
源から射出された電磁波を収束光にする光束変換部材
と、屈折率分布を持つ測定試料を接触させる試料設置面
を有していて該測定試料より屈折率の大きい媒質部材
と、上記収束光が試料設置面で反射された反射光を受光
して全反射臨界角を測定する観察手段と、上記収束光に
対して測定試料を相対的に走査させる走査手段を備えた
屈折率分布測定装置において、 屈折率が既知で且つ互いに異なる複数の較正部材につい
て測定された明暗境界の角度と理想的な全反射臨界角と
に基づいて予め設定された補正量により上記測定試料に
ついて測定されたアライメント誤差やグース・ヘンシェ
ンシフトによる誤差が含まれている全反射臨界角を該ア
ライメント誤差やグース・ヘンシェンシフトによる誤差
が排除されるように補正する角度補正手段と、該補正さ
れた全反射臨界角により上記測定試料の屈折率を演算す
る演算手段を備えたことを特徴とする屈折率分布測定装
置。 - 【請求項４】前記角度補正手段は、前記複数の較正部材
について、各較正部材毎に測定した全反射臨界角の値
と、当該較正部材の理想的な全反射臨界角とから近似式
を求め、この近似式により補正された全反射臨界角を計
算するように構成されたことを特徴とする請求項３に記
載の屈折率分布測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2117839A JP3064329B2 (ja) | 1990-05-08 | 1990-05-08 | 屈折率分布測定方法及び屈折率分布測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2117839A JP3064329B2 (ja) | 1990-05-08 | 1990-05-08 | 屈折率分布測定方法及び屈折率分布測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0413948A JPH0413948A (ja) | 1992-01-17 |
| JP3064329B2 true JP3064329B2 (ja) | 2000-07-12 |
Family
ID=14721538
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2117839A Expired - Fee Related JP3064329B2 (ja) | 1990-05-08 | 1990-05-08 | 屈折率分布測定方法及び屈折率分布測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3064329B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115112608B (zh) * | 2022-07-05 | 2025-04-18 | 湖北科技学院 | 一种基于角度古斯-汉森位移的电介质折射率传感器及其制备方法 |
-
1990
- 1990-05-08 JP JP2117839A patent/JP3064329B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0413948A (ja) | 1992-01-17 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |