JPH0466312B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光学ガラス等の透明体及び透明液体の
屈折率を自動的に測定する装置に関する。

（従来の技術） 従来の屈折率測定装置には以下に述べるような
３つのタイプのものが主に知られている。

分光計 試料をプリズム状に研磨加工し片側の面より光
を入射させて、その他方の面より射出させその射
出光のふれ角を測定することによつてその試料の
屈折率を算出する。

プルフリツヒ屈折計 既知の屈折率を有する透明体（ベースプリズ
ム）の上に屈折率未知の試料（隣り合う２つの面
の狭角を90゜になるようにその面を研磨加工した
もの）を乗せ、ベースプリズムに極めて近くかつ
平行に近い単色光を試料側より入射させる。光は
試料からベースプリズムを順次屈折透過し、ベー
スプリズム側により射出するがこの全反射の臨界
角を測定し、これより屈折率を求める。

通常の分光計及びプルフリツヒ屈折計は共に優
れた測定機ではあるが、試料の加工は光学研磨を
しなければならず、さらに測定機の調整および測
定操作に手間がかかることが欠点として挙げられ
る。

Ｖブロツク型屈折計 前述した欠点を改善するために、このＶブロツ
ク型屈折計が開発された。これは1937年メサーズ
チヤンス ブラザーズ社（Messrs Chance
brothers ＆ Co.，Ltd）で開発された屈折計で
あつて、第７図に示すような構成のものである。
すなわち、光源３１から出た光線はフイルタ３
２、スリツト３３を経てコリメータ３４によつて
平行光束となり、屈折率が既知の透明材料で構成
されたＶブロツク型プリズム３５に入射する。測
定作業における第一段階としてまずＶブロツクと
全く同じ屈折率を有する透明体試料３６（以下標
準ピースと称する）を接触液を用いて試料位置に
乗せ、望遠鏡３７のアイピース内に設けられたス
ケール上にに結像したスリツト像の位置を測定す
る。次の段階としては、標準ピース３６の代りに
屈折率未知の試料を乗せ同様にしてスリツト像の
位置を測定する。そして両者の結像スリツト像の
位置のズレ量（偏角）を求めることによつて屈折
率未知の試料の屈折率が所定演算式を用いて算出
される。この偏角を測定する方法にはａ）望遠鏡
固定型（示差型）とｂ）望遠鏡可動型とがある。
前者は第７図に実線で示すように望遠鏡３７が常
に固定設置されているものであるが、後者は第７
図に点線で示すように望遠鏡を移動させるもので
ある。

このように構成されたＶブロツク型屈折計は、
分光計やプルフリツヒ屈折計に比べ試料を研磨す
る必要がなく（試料に近似した屈折率を有する接
触液を用いるため）、砂ズリの状態で測定ができ
るので迅速な測定が可能となること、加工費が安
価になること及び測定作業がより簡便であること
などの利点がある。

さらに、前述した望遠鏡固定型（示差型）は望
遠鏡可動型に比べ、Ｖブロツクと試料の屈折率が
著しく異なるとアイピース視野内よりスリツト像
が外れてしまうことから、試料の屈折率に応じＶ
ブロツクをその都度とり換えなければならない煩
しさはあるが、偏角を小さな範囲にとどめ偏角測
定上の誤差を小さく抑えているものである。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の示差型屈折計は第７図に示したように構
成され、偏角の測定は望遠鏡３７のアイピース内
に設けられたスケールをマイクロメータによつて
合せて目測することによつて行われていた。この
ためスリツト像の中心にスケールを合せる動作に
おいて次のような種々の問題点があつた。

(1) 個人の癖が出やすい。

(2) 観測者の頭の位置（目がアイピースを覗き込
む角度）により、スリツト像を合わせる位置が
変化してしまう。

(3) マイクロメータの読み間違いを起こし易い。

(4) 特に強度の乱視及び老視の人は眼精疲労をお
こし易い。

(5) 試料の状態の影響によりスリツト像がボケて
しまつた時に、像の中心をとらえにくい。

(6) 偏角測定後、屈折率計算処理を行なう上で転
記やコンピユータ入力等にてミス、エラーが起
こり得る。

(7) 偏角を測定する際、試料を計る前に、基準と
して、Ｖブロツクと全く同じ屈折率を持つ透明
体試料（標準ピース）の偏角（理論的にはこの
場合偏角は0゜になるはずだが、Ｖブロツクの組
み立て状態により、僅かに偏角が現われる）を
予め測定しておかねばならない。

本発明はこのような問題点を解消するためのも
のであつて、本発明の第１の目的は、透明体の屈
折率測定を自動化することで測定作業を単純化
し、かつ個人誤差等を除去することにあり、第２
の目的は測定精度を向上せしめ信頼性を高めるこ
とにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明の上記目的は、第７図に示した従来の示
差型屈折計における望遠鏡の焦点位置にアイピー
スを置く代りにセンサーを置き、加えて光路内の
Ｖブロツク直後にシヤツターを挿入して標準ピー
スを不必要にすることにより達成された。

従つて本発明はスリツト、透明なＶブロツクお
よび結像レンズを備える光学屈折率の示差型測定
装置において、前記Ｖブロツクのみを透過する第
１光路と、前記Ｖブロツクおよび試料を透過する
第２光路と、前記第１光路と前記第２光路とを選
択的に切換えるシヤツター手段と、前記第１光路
及び前記第２光路のそれぞれを経て結像する前記
スリツトの像のそれぞれの位置を検出するセンサ
ーと、前記シヤツター手段の駆動を制御し、前記
センサーからの出力信号を処理する手段とを具備
することを特徴とするものである。

上記センサーとしては電荷結合素子型センサー
（CCDセンサー）が好ましく、該CCDセンサーは
光軸に対して垂直な面内に置くことが好ましい。
またCCDセンサーは１次元（ラインセンサー）、
２次元（エリアセンサー）の種類を問わない。
CCDセンサーからの出力信号はアンプで増幅さ
れ、演算処理装置（CPU）にて解析される。

（実施例） 以下図面を参照して本発明の実施例につき詳説
する。

第１図は本発明の第１実施例を示す光学的配置
図であり、光源１、コンデンサーレンズ２、スリ
ツト３、コリメータレンズ４、Ｖブロツク５、試
料６、シヤツター７、結像レンズ８、CCDセン
サー９、コントロールユニツト１０から構成され
る。光源１は単一波長を発する放電管、たとえ
ば、波長587.6nmの光を発するヘリウム放電管、
486.1nm、656.3nmの光を発する水素放電管など
が使われている。放電管の代りに、He−Neレー
ザーなどを用いても良い。コンデンサーレンズ２
は光源像をスリツト３上へ結像するためもので口
径比の大きなものが像を明るくするため望まし
い。スリツト３より出た光はコリメータレンズ４
により平行光にされ、Ｖブロツク５及び試料６を
通過し（この時に光路が僅かに曲げられる）、シ
ヤツター７を経て結像レンズ８により集束され、
焦点面に置かれているCCDセンサー９上に結像
する。

第２図は透明なＶブロツク５、試料６、及びシ
ヤツター７を詳細に表わした図である。Ｖブロツ
ク５は、屈折率既知の透明体を頂角がそれぞれ
90゜、−45゜で、その大きさがほゞ40mm角、厚さが
15〜25mmに加工したもので、光束が、入射、射出
する面は研磨加工されている。試料６は屈折率未
知の透明体をその頂角を90゜に加工したものであ
る。シヤツター７は光束Ａ，Ｂを別々に通過させ
る為のもので遮光板７ａが駆動する。すなわち、
シヤツター７には光束Ａ，Ｂが夫々通過し得るた
めの開孔が互いに独立に設けられ、遮光板７ａが
コントロールユニツトの制御のもとに選択的に移
動することによつてそれらの開孔が選択的に遮光
される。ここで、光束ＡはＶブロツク５及び試料
６を通過したもので、それらの境界面で両者の屈
折率差に応じ光束は曲げられる。一方、光束Ｂは
Ｖブロツク５のみを通過し試料６を通過しないた
め、そのまま直進する。故にCCDセンサー９上
に結像した光束Ａのスリツト像及び光束Ｂのスリ
ツト像の位置をそれぞれ検出し、後に詳しく述べ
るように両位置間の距離△ｘを電気的に計測する
と、その計測値から屈折率を所定の演算式により
求めることが出来る。シヤツター駆動、位置検
出、解析、及び表示は全てコントロールユニツト
１０内の中央処理装置（CPU）及び周辺回路に
て行なわれる。すなわちシヤツター７を設けるこ
とにより標準ピースを用いる必要がなくなり、操
作者は従来のように先ず標準ピースを乗せて結像
位置を求め、次に試料について同様の作業を行う
という２回の同様な作業を行う必要がなくなり、
１回の作業で測定が可能となるので自動化が実現
可能となつた。

本実施例にて使用したCCDセンサー９は、例
えば大きさが8μm×8μmの画素が直線上に3648個
並んだものである。ここにスリツト像が投影され
ると、CCDセンサー９からの出力信号は第３図
に示すようになる。ここで、ピークレベルの90％
以上の信号のみ取り出し、その幅の半分の位置を
像の中心位置（夫々x_A，x_B）とすれば、位置検
出精度は8μm以下の高精度のものとなる。

第３図のグラフにおいて２つのピークは夫々光
束Ａ及び光束ＢによるCCDセンサー９の各画素
９Ａ，９Ｂ…９ｎ出力信号分布を示すものであつ
て、試料６が有する屈折率とＶブロツク５の屈折
率との差に対応して両ピーク（x_A，x_B）間の距
離△ｘは変化する。すなわち、もし試料６の屈折
率がＶブロツク５のそれと全く等しい場合には第
３図の両ピークは一致して単一のピーク分布を示
すものとなる。

さて、屈折率を求める為の演算式は、示差型屈
折計の場合、次の式(1)に示すとおりである。

ここで、 ｎ：試料６の屈折率 n₀：Ｖブロツク５の屈折率 ｆ：結像レンズ８の焦点距離（mm） △ｘ：光束Ａと光束Ｂ（第２図における）の結像
位置x_A，x_Bの間の距離（mm） 本実施例の場合は △ｘ＝（x_B−x_A）・８／1000mm 故に、屈折率測定における分解能において、１
×10^-5を達成しようとするならば、結像レンズの
焦点距離を400mm以上としなければならない。本
実施例においては、これを1000mmとしたので理論
上の分解能は４×10^-6となる。

本実施例においては作業者は先ず、測定器にＶ
ブロツクの屈折率を入力しておき、次に屈折率未
知の試料をＶブロツク上にのせ（この時Ｖブロツ
クと試料との間に接触液が入り込むようにする）、
コントロールユニツトに設けられたスタートスイ
ツチ（図示せず）を押す。すると本装置はただち
に光束Ａと光束Ｂのスリツト像の結像装置（x_A，
x_B）を順次測定し、解析し、結果としての屈折率
を表示する。光束Ａと光束Ｂのシヤツターの切り
換えは片側の測定が終了後ただちに自動的に行な
われる。１回の測定に要する時間は、スタートス
イツチを押してから結果としての屈折率の表示ま
で約５秒である。

第４図に本実施例の屈折率測定装置で測定した
屈折率測定値精度を、第５図に本実施例の屈折率
測定装置でのデータの再現性を示す。

第４図において、個々のデータは本実施例の測
定装置にて測定した屈折率測定値と精密分光計
（島津製所製GM−１又はGMR−１）にて測定し
た値との差を×10^-5のオーダーで度数分布をとつ
たものである。屈折率測定精度はおおむね±１〜
２×10^-5といえる。第５図において、個々のデー
タは、同一試料を５〜６回測定した時の、その平
均値と個々のデータとの差をやはり×10^-5のオー
ダーで度数分布をとつたものである。その結果は
±１×10^-5であつた。精密分光計を用いた屈折率
測定では±１〜２×10^-5であるので、本実施例の
屈折率測定装置では、精密分光計よりも再現性の
うえで優れていると考えられる。

本実施例に用いたＶブロツクは硝種LF2（n_d＝
1.59041）であり、接触液はα−ブロモナフタレ
ンと流動パラフイン（JIS100、粘度校正液）との
混合液でn_d＝1.59054のものである。試料６は硝
種SK5（n_d〓1.58800〜1.59000）である。

第６図は、本発明の第２実施例を示す概略光学
配置図である。第２実施例の屈折率測定装置は、
光源１１、コンデンサーレンズ１２、スリツト１
３、コリメータレンズ１４、Ｖブロツク及び試料
１５、シヤツター１７、結像レンズ１８、CCD
センサー１９、コントロールユニツト２０、
RS232Cインターフエース２１、アイピース２
２、及びミラー２３〜２８から構成される。

この第２実施例は第６図から明らかとなり、複
数のミラー２３，２４，２５，２６を利用して光
路を屈曲させていることが特徴であり、屈折率測
定動作は第１実施例と同様である。

本第２実施例の屈折率測定装置は光路を折り
曲げることにより系全体の大きさをコンパクトに
したこと、駆動ミラー２８により光路を振り分
け目視による従来どおりの測定も可能にしたこ
と、及びRS232Cインターフエース２１の付加
により外部機器との通信を可能にしたことを特徴
とする。このミラー２８はハーフミラーに置換え
固定とすることも可能である。但し、光量が若干
落ちることは避けられない。

本第２実施例においては、外部機器にバロース
社オンライン端末・オフラインパーソナルコンピ
ユータ兼用機である「B10E」を接続した。そし
てB10E側に多数のＶブロツクの屈折率を登録し、
測定機側では、偏角測定のみを行なわせている。
すなわち(1)式による屈折率計算はB10Eにて処理
をし、表示する。

これにより、より多くのＶブロツクの屈折率の
フアイルが可能になり、またＶブロツク交換時の
メンテナンスが容易となる。

（発明の効果） 以上述べたとおり、本発明の屈折率測定装置に
よれば、測定作業が自動化されるので、測定作業
に関連したすべての人的ミスを無くすことが可能
となり、精度の良いデータが得られ、かつ作業時
間が従来の示差型屈折計のそれに比べ大幅に短縮
できる。さらに、従来のアイピースを覗き込むと
いう行為から解放されるので作業者の労力を著し
く軽減することが可能となる。さらにまた、従来
の示差型屈折計では標準ピースの粉失あるいは破
損というおそれがあつたが本発明によればそのよ
うなおそれは未然に防止される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す光学的配置
図、第２図は第１図の実施例におけるＶブロツク
とシヤツター部分を示す拡大配置図、第３図は第
１図の実施例におけるCCDセンサの出力を示す
特性図、第４図および第５図は屈折率測定値の精
度を説明するためのグラフ、第６図は本発明の別
実施例を示す光学的配置図、および第７図は従来
の示差型屈折率測定装置を示す光学的配置図であ
る。 １，１１…光源、２，１２…コンデンサレン
ズ、３，１３…スリツト、４，１４…コリメータ
レンズ、５…Ｖブロツク、１５…Ｖブロツク及び
試料、６…試料、７，１７…シヤツター、８，１
８…結像レンズ、９，１９…CCDセンサー、１
０，２０…コントロールユニツト、２１…インタ
フエース、２２…アイピース、２３〜２８…ミラ
ー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ スリツト、透明なＶブロツクおよび結像レン
   ズを備える光学屈折率の示差型測定装置におい
   て、前記Ｖブロツクのみを透過する第１光路と、
   前記Ｖブロツクおよび試料を透過する第２光路
   と、前記第１光路と前記第２光路とを選択的に切
   換えるシヤツター手段と、前記第１光路及び前記
   第２光路のそれぞれを経て結像する前記スリツト
   の像のそれぞれの位置を検出するセンサーと、前
   記シヤツター手段の駆動を制御し、前記センサー
   からの出力信号を処理する手段とを具備すること
   を特徴とする光学屈折率の示差型自動測定装置。 ２ 前記シヤツター手段が、前記第１光路の光線
   及び前記第２光路の光線のそれぞれを通過させる
   ための２つの開孔と該開孔を選択的に遮光するた
   め前記制御手段によつて駆動される遮光板とから
   構成される、特許請求の範囲第１項に記載の光学
   屈折率の示差型自動測定装置。 ３ 前記センサーが、多数の微小画素を直線状に
   配列してなる電荷結合素子型センサーである、特
   許請求の範囲第１項または第２項に記載の光学屈
   折率の示差型自動測定装置。 ４ 前記センサーが、多数の微小画素を二次元配
   列してなる電荷結合素子型センサーである、特許
   請求の範囲第１項または第２項に記載の光学屈折
   率の示差型自動測定装置。 ５ 前記スリツトから前記センサーまでの光路が
   複数のミラーによつて屈曲される、特許請求の範
   囲第１項に記載の光学屈折率の示差型自動測定装
   置。