JPH0413948A - 屈折率分布測定方法及び屈折率分布測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。

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。

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。

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１
゜３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１０
４で全反射臨界角φ。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φ
。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１
０７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φ、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φ。であり、測定台１０２
の既知の屈折率ｎ。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＝ｎ、ｓｉｎφ、　　　　　　　　・・・・（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
ち合わせている。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。

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φヘン
ジエンシフト（Ｇｏｏｓ−Ｈａｎｃｈｅｎ　５ｈｉｆｔ
）が、この方法では全反射臨界角φ。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。

〔課題を解決するための手段及び作用〕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の測定された全反射臨界角を補正し
、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の測定された全反射臨
界角を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。

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。

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゛とブース・ヘンジエ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。

〔実施例〕

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。

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ｎ。

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ブース・
ヘンジエ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゛
ことのできないブース・ヘンジエ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。

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はブース・ヘンジエ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′からブ
ース・ヘンジエ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θ１とブース・ヘンジエンシフト
分の角度θ。＋（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である程度は
小さくできるが、ブース・ヘンジエ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、　Ａ’ｍ、　Ａ／Ｖ
ｏ１．３．　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ｒＧｏｏｓ−Ｈａｎｃｈｅｎ　ｅｆｆｅｃｔ
ａｒｏｕｎｄ　ａｎｄ　ｏｆｆ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｉｃ
ａｌ　ａｎｇｌｅ　Ｊ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、又ブース・ヘンジエンシフトによる誤
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ｌ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
。

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。

φ’−ｆ、（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、
ブース・ヘンジエ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（、又、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。

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。

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。

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（
３ｂ）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）はブース・ヘンジエ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（θ
ＡＬ＋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。

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”ｎｏｓｌｎφ“ なる計算が行なわれる。このようにして得られたのは、
ブース・ヘンジエンシフトやアライメント誤差に足る屈
折率誤差が抑えられた、゛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。

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。

以下に数値例を含む具体例について述べる。

１体■ 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−Ｎ
ｅレーザー光での屈折率ｎ。が１、７９８９６であり、
半球面４ａの半径ｒ　＝　８　ｍｍ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６３２．８
ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光での屈折率が１．７００の
マツチング屈折液（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６３２．８　ｎｍのＨｅ−Ｎｅレー
ザー、波長４８８ｎｍのＡｒレーザー、波長５６８．２
ｎｍのＫｒレーザー及び波長４４１．６ｎｍのＨｅ−Ｃ
ｄ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１
０倍に広げた後、ワーキングデイスタンス（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５０ｍ
ｍ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。

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。

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Ｌ
ａＫ１４．１．６８４３６のＳＦ８，１．６６８５４の
ＳＦＳ、　１．６２１０８のＢａＦ８，１゜６’０１０
７の５Ｋ１４，１．５２９４４のＬＬＦ　６及び１．５
１４６６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６３２．８　ｎｍ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。

表　　１ 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。

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。

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。

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。

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、２　ｍｍき
ざみで、波長６３２．８ｎｍのＮｅ−Ｎｅレーザー光に
よって測定した、測定結果を表２に示す。

表　　２ 更に、こ゛の結果を図で表わすと第４図のようになる。

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。

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。

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（、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。

〔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。

【図面の簡単な説明】

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。 Ｏ １，０ ２，０ ３，０ ３，８ ｌＵ３ １杢方向の距鳥色 （ｍｍ） 手 続 補 正 書（自発） ５゜ 補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄。 平成 ３年 ７月 ９日 ６゜ 補正の内容 明細書第１ ９頁４〜５行目の「１゜ ５４の５ＦＳＪ をｒｌ。 ６の５ＦＳｊ と訂 正する。 以上 ２゜ 発 明 の 名 称 屈折率分布測定方法及び屈折率分布 測定装置 ４゜ 代 理 人 〒１０５東京都港区新橋５の１９ 電話　東京（３４３２）４５７６

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）屈折率分布を持つ測定試料の一面に、該測定試料
   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、上記測定された全反射臨界
   角を補正し、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。
2. （２）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の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
   により上記測定された全反射臨界角を補正する角度補正
   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。