CN1601244B - 焦点检测单元和使用其的折射率测定装置与非接触温度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种焦点检测单元和使用其的折射率测定装置与非接触温度计，该焦点检测单元具有：射出准直光的光源单元；由具有透光性的容器和设置在该容器内的透镜以及液体所构成的被测光学单元；将来自上述光源单元的光衍射并照射到上述被测光学单元的照射部件；配置在上述被测光学单元的后侧焦平面附近、检测通过透过上述被测光学单元所形成的光斑位置的光斑位置检测部件；使用该光斑位置检测部件检测出的光斑位置计算上述被测光学单元的透镜与液体的合成焦点距离的运算部件。

Description

焦点检测单元和使用其的折射率测定装置与非接触温度计

技术领域

本发明涉及焦点检测单元和使用其的折射率测定装置与非接触温度计。

背景技术

作为以往的折射率测定装置，已提出了例如在特开2000-28526号中所记载的折射率测定装置。

而且，作为以往的非接触温度计，已提出了例如特公平5-66976号中所记载的非接触温度计。

即，特开2000-28526号中公开了一种利用阵列波导光栅型波长合分波器(下面称为AWG)的液体折射率测定器。在该液体折射率测定器中，对来自光源40的光，在槽30中没有液体时，由频谱分析仪检测出中心波长λ_C0。另一方面，在槽30中填充了液体时，由于仅产生液体的折射率大小的相位调制，因此检测出中心波长λ_C1。通过求出该频谱分析仪检测出的频谱的中心波长λ_C0、λ_C1，可以计算出槽中填充的液体的折射率。

此外，特公平5-66976号中公开的非接触温度计对环境温度进行测定。这里，利用了如下现象：形成有衍射光栅的石英基板由于热膨胀而变形，衍射光栅的光栅常数随之发生变化。

但是，由于AWG依赖于使用的波长，因此很难测定宽波长范围的折射率。此外，AWG、频谱分析仪非常昂贵。

因此，在使用特开2000-28526号中公开的AWG的折射率测定器中，难以以低价格实现宽范围的波长测定。

此外，石英基板的热膨胀系数非常小，在4×10^-5左右。因此，由温度变化引起的光斑(spot)位置P的变化量ΔP之比低至4×10^-5左右。因此，在专利文献2公开的温度计中，只能得到5℃左右的分辨率。

并且，以往，在每次测定折射率、测定环境温度时，使用上述的特开2000-28526号、特公平5-66976号中记载的各个测定装置，因此测定装置的成本提高，而且还出现容纳测定装置的地方增多等的问题。

发明内容

本发明是针对上述问题而提出的，目的是提供一种容易地测定折射率、温度等不同的物理量的单元。

此外，目的是提供一种与以往相比，能够以低价格测定宽波长范围的折射率的折射率测定装置、能够高精度地测定温度的非接触温度计。

另外，目的是提供一种能够简单地进行这些折射率测定和非接触温度测定的切换的装置。

为了达到上述目的，本发明的焦点检测单元的特征在于，具有：光源单元，其射出准直光；被测光学单元，其具有形成了保持光学部件和液体的空间的透明容器；照射单元，其具有衍射光学元件，并配置在上述光源单元与上述被测光学单元之间；光斑位置检测部件，其配置在上述被测光学单元的后侧焦平面附近；运算部件，其使用经上述光斑位置检测部件检测出的光斑位置，计算上述被测光学单元中的透镜与液体的合成焦点距离。

本发明的折射率测定装置的特征在于，具有：上述焦点检测单元；和计算上述光学元件和上述液体中的任意一个的未知的折射率的折射率计算部件，上述折射率计算部件根据上述合成焦点距离、上述光学元件和上述液体中的任意一个的已知的折射率，计算上述未知的折射率。

本发明的非接触温度计的特征在于，具有上述焦点检测单元和温度计算部件，上述温度计算部件根据上述合成焦点距离、上述光学元件的折射率和上述液体的折射率，计算被测光学单元周围的温度。

根据本发明，可高精度并且简单地得到由透镜等光学元件和液体构成的单元的合成焦点距离。此外，通过组合焦点检测单元和折射率计算处理或温度计算处理，可以用1个焦点检测单元，简单地进行高精度的折射率测定和非接触温度测定的切换。而且，如果采用本发明的焦点检测单元的结构，则可以不使用以往折射率测定中必要的AWG、频谱分析仪。因此，如果采用本发明的焦点检测单元的结构，则可大幅度降低进行折射率测定和非接触温度测定时的成本。

并且，根据使用本发明的焦点检测单元的折射率测定装置，将来自光源单元的准直光照射到上述被测光学单元上的照射部件，不象以往的AWG等那样限制使用的波长范围。因此，可进行宽波长范围(可见光区域～通信波长区域)的折射率测定。

此外，根据使用本发明的焦点检测单元的非接触温度计，根据被测光学单元的合成焦点距离来计算被测光学单元周围的温度。因此，与以往的根据温度变化率小的玻璃的焦点距离来计算温度的情况相比，能以10～100倍以上的高精度进行计算。

从下面结合附图对优选实施例的具体描述中，本发明的这些特征和优点将更加清楚。

附图说明

图1是本发明的实施例1的焦点检测单元的概略结构图；

图2是实施例1的焦点检测单元的部分斜视图；

图3是对实施例1的焦点检测单元中的被测光学单元的合成焦点距离进行测定的原理说明图；

图4是表示实施例1的焦点检测单元中在被测光学单元3的后侧焦平面FB附近各衍射光的光强度相对于光斑位置的分布的曲线；

图5是图1的光斑位置检测部件的局部放大图；

图6是用于对计算光学单元的合成焦点距离的计算进行说明的说明图；

图7A和7B是实施例1的焦点检测单元中的被测光学单元的变形例的平面图和侧面图；

图8是本发明的实施例2的焦点检测单元的概略结构图；

图9是使用实施例3的焦点检测单元的非接触温度计的概略结构图；

图10是表示作为实施例2的被测光学元件中使用的液体的水、酒精、丙酮的折射率相对于温度而变化的曲线；

图11是表示实施例2的焦点检测单元中的被测光学单元的合成焦点距离相对于温度而变化的曲线；

图12是表示折射率测定装置的一个已有例子的概略结构图。

具体实施方式

首先，在说明实施例之前，说明本发明的作用效果。

如果采用本发明的焦点检测单元的结构，可高精度地、容易地求出被检查光学单元的合成焦点距离或光学元件的焦点距离。此外，根据本发明，通过在运算部件中组合折射率计算部件，可进行高精度的折射率测定。此外，通过组合温度计算部件，可进行高精度的非接触温度测定。还有，可用1个焦点检测单元，通过切换简单地进行高精度的折射率测定和非接触温度测定。

而且，如果采用本发明的结构，则可以不使用以往折射率测定中必要的AWG、频谱分析仪。因此，采用本发明的结构，可以大幅度降低进行折射率测定和非接触温度测定时的成本。

并且，根据使用本发明的焦点检测单元的折射率测定装置，照射单元将来自光源单元的准直光衍射并照射到被测光学单元上。因此，不象以往的AWG那样限制使用的波长范围，可进行宽波长范围(可见光区域～通信波长区域)的折射率测定。

此外，根据使用本发明的焦点检测单元的非接触温度计，根据被测光学单元的合成焦点距离、光学元件的折射率和液体的折射率来计算被测光学单元周围的温度。

已有技术(特公平5-66976号)的方法利用了由于石英基板的热膨胀而使衍射光栅的光栅常数发生变化的现象。但是，由于石英基板的热膨胀系数非常小，在4×10^-5左右。因此，由温度变化引起的光斑位置P的变化量ΔP之比低至4×10^-5左右。正如在后面还要详细描述的那样，在使用包含液体的被测光学单元的本发明的非接触温度计中，被测光学单元包含液体的情况与不包含液体的情况相比，被测光学单元的焦点距离的温度变化率增大10～100倍左右。光斑位置的变化与焦点距离成比例，因此与以往的方法相比，能以10～100倍以上的高精度计算温度。

下面使用附图说明本发明的实施例。

【实施例1】

图1是本发明的实施例1的焦点检测单元的概略结构图。图2是实施例1的焦点检测单元的局部斜视图。

实施例1的焦点检测单元具有射出平行光束的光源单元1、由衍射光栅21构成的偏转单元2、圆柱透镜34、被测光学单元3、光斑位置检测部件4和运算部件5。

将衍射光栅21配置成将入射光束衍射到y方向上的状态。

如图2所示，被测光学单元3具有玻璃小室(glass cell)31。并且，可在其内部填充液体32并配置棒状透镜33。此外，图2的例子中，棒状透镜33仅在y方向上具有光学倍率。因此，本实施例中，在光路中配置有在X方向上具有倍率的圆柱透镜34。通过这种结构，使来自被测光学单元3的光聚光并形成点状光。

光斑位置检测部件4配置在被测光学单元3的后侧焦平面FB附近。并且，具有针孔41、透镜42、光电元件43、工作台44、自动驱动元件45和控制装置46。针孔41配置在后侧焦平面FB附近。工作台44保持着针孔41、透镜42和光电元件43。自动驱动元件45使工作台44在与光轴垂直的方向(箭头方向)上移动。控制装置46控制自动驱动元件45的驱动。在这种结构中，向被测光学单元3照射的准直光透过被测光学单元3。然后，该光经过针孔41、透镜42，在光电元件43上形成光斑。因此，通过光斑位置检测部件4可检测出光斑位置。

运算部件5可计算棒状透镜33和液体32的合成焦点距离。在进行该计算时，使用经光斑位置检测部件4检测出的光斑位置。

接着，使用图3说明测定被测光学单元3的合成焦点距离的原理。

在本实施例中，偏转单元2由衍射光栅21构成。从光源单元1射出的平行光束入射到衍射光栅21时，在y方向上产生多个衍射光。此外，为了简单起见图3中仅表示出0次衍射光和±1次衍射光。

各衍射光经被测光学单元3会聚在后侧焦平面FB附近。如上所述，图3的例子中，被测光学单元3仅在y方向上具有倍率。因此，作为圆柱透镜34，使用在x方向上具有倍率的透镜。

其结果是在后侧焦平面FB附近产生各衍射光的光斑。图4是表示各衍射光的光强度相对于光斑位置的分布的曲线。该光斑位置是被测光学单元3的后侧焦平面FB附近。图4中，p表示0次衍射光的光斑与±1次衍射光的光斑的间隔。

接着说明根据各衍射光的光斑间隔p求出被测光学单元3的合成焦点距离的方法。通过运算部件5进行合成焦点距离的计算。

设衍射光栅的空间频率为s、从光源单元1射出的光的波长为λ，则0次衍射光与±1次衍射光所成衍射角θ可用下面的式(1)表示。

θ＝sin^-1sλ                                (1)

设被测光学单元3的合成焦点距离为f，则±1次衍射光与0次衍射光的光斑间隔p(下面简称为间隔p)可如下式(2)表示。

p＝ftanθ                                (2)

即，如果求出±1次衍射光的光斑位置，则可容易地从式(2)计算出被测光学单元3的合成焦点距离。

接着使用图5说明光斑位置检测部件4对各衍射光的光斑位置的测定。图5是图1的光斑位置检测部件4的局部放大图。

针孔41、透镜42、光电元件43被固定在工作台44上。此外，经控制装置46驱动自动驱动元件45。由此，针孔41、透镜42、光电元件43可同时在y方向上移动。

针孔41和光电元件43相对透镜42为共轭关系。因此，透过针孔41的光由光电元件43接收。从而，由光电元件43检测出针孔41位置处的光强度。此外，图5中示出检测出0次衍射光的状态。

通过自动驱动元件45使工作台44在与光轴垂直的方向(这里是y方向)顺序移动。并且，在各光斑位置处，测定透过针孔41的光强度。这样，如图4所示，可得到光强度相对于工作台移动量(光斑位置)的曲线。如上所述，图中的间隔p表示0次衍射光和±1次衍射光的光斑间隔。

接着描述使用本实施例的焦点检测单元的折射率测定装置(下面简称为折射率确定装置)。如上所述，在运算部件5中，求出被测光学单元3的合成焦点距离。因此，具有根据该被检查光学单元3的合成焦点距离计算棒状透镜33或液体32的折射率的计算处理部件(程序)。从而，可实现发挥折射率测定装置功能的结构。

该计算处理部件是折射率计算部件。其是与运算部件5独立的运算部件。但是，也可以是运算部件5的一部分。对该折射率计算部件的、即用被测光学单元3的合成焦点距离计算棒状透镜33的折射率或液体32的折射率的步骤进行说明。

被测光学单元3的玻璃小室31是将平行平板粘贴而成的，不具有光学倍率。因此，被测光学单元3的合成焦点距离仅由棒状透镜33的形状和折射率以及液体32的折射率决定。

使用图6说明光学单元3的合成焦点距离的计算。此外，玻璃小室31是平行平板，不具有光学倍率。因此，几乎不对合成焦点距离产生作用，因此这里可忽视掉。

设液体的折射率为N₁，棒状透镜33的第一面的曲率半径、第二面的曲率半径、面间隔、折射率分别为r₁、r₂、d、N₂。这样，被测光学单元3的合成焦点距离f可用下式(3)表示。

$1/f=(N_2-N_1)(\frac{1}{r_1}-\frac{1}{r_2})+\frac{{(N_2-N_1)}^2}{r_1{r}_2}\frac{d}{N_2}---\left(3\right)$

如果利用该式(3)对液体32的折射率N₁或棒状透镜33的折射率N₂进行求解，则可分别用式(4)和式(5)表示。因此，在液体32的折射率N₁未知的情况下，在式(3)中，如果事先求出N₁以外的量，则可从式(4)计算出折射率。此外，在棒状透镜33的折射率N₂未知的情况下，如果事先分别求出N₂以外的量，则可从式(5.1)、(5.2)计算出折射率。

$N_1=N_2-\frac{-b+\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}---\left(4\right)$

a＝d/N₂r₁r₂

b＝(1/r₁-1/r₂)

c＝-1/f

$N_2=\frac{-B+\sqrt{B^2-4\mathrm{AC}}}{2A}$ A≠0(5.1)

$N_2=-\frac{C}{B}$ A＝0(5.2)

A＝d/r₁r₂+1/r₁-1/r₂

B＝-N₁(1/r₁-1/r₂)-2N₁d/r₁r₂-1/f

C＝N₁ ²d/r₁r₂

通过该方法，给出求出的水的折射率和玻璃的折射率的结果。

首先，进行求出水的折射率的说明。

光源单元中配置有射出波长632.8nm的光的光源。因此，从波长632.8nm光源单元1射出波长632.8nm的准直光。偏转部件2是衍射光学部件。具体来说，由具有10根/mm的光栅间隔的衍射光栅构成。此时，±1次衍射光的衍射角度为0.363°。

作为玻璃小室31，使用石英玻璃。棒状透镜33是市场销售的棒状透镜。具体来说，曲率半径r₁＝2.499mm、r₂＝-2.499mm、面间隔d＝4.998mm、折射率N₂＝1.51509。此外，液体32使用水(N₁＝1.33174)。

由自动驱动元件45移动工作台44。此时，设以移动步幅0.1μm来移动工作台44。这样，求出图4所示的各衍射光的光强度。接着，由运算部件5进行根据式(2)的运算。其结果是被测光学单元3的合成焦点距离f为f＝7.739±0.0056mm。根据该合成焦点距离使用式(4)计算水的折射率，则得到1.3317±0.00013。该结果非常接近文献值1.33174。

假设棒状透镜33的玻璃折射率未知，从f＝7.739±0.0056mm和式(5)求出棒状透镜33的玻璃折射率。这样，得到1.51505±0.00020。这是非常接近记载值1.51509的值。

这样，本实施例的折射率测定装置，在本实施例的焦点检测单元中具有本方法的折射率计算部件。根据该折射率测定装置，可正确测定透镜、液体的折射率。

此外，在该折射率测定装置中，不象以往例子的AWG那样限制使用的波长范围。因此，根据该折射率测定装置，仅改变光源单元1就可测定宽波长范围(可见光区域～通信波长区域)的折射率。此外，在测定折射率时，不需要进行象在已有例子的折射率测定装置中在AWG上形成V槽那样的透镜加工。

还有，根据该折射率测定装置，与已有例子的折射率测定装置相比，由于不需要AWG、频谱分析仪等高价光学元件和光学设备，因此可实现低价格。

此外，本实施例中，使用了棒状透镜33，但如图7A和图7B所示，也可以是旋转对称的透镜330。在该情况下，透镜330使用保持夹具35配置在玻璃小室内。在该情况下，也可以与使用棒状透镜33时同样地测定透镜330或液体32的折射率。此外，该情况下，透镜330在xy方向具有倍率，因此来自被测光学单元3的光形成点状光。从而不需要圆柱透镜34。

此外，在透镜的焦点距离测定中，在焦点距离短的情况下，出现精度降低的问题。其结果是在焦点距离短的情况下，难以根据焦点距离的测定来计算透镜的折射率。但是，如本实施例1所示，通过浸入在液体32中，可使作为被测光学单元3的合成焦点距离比棒状透镜33和透镜330单体的焦点距离长。因此，可进行正确的焦点距离测定，可以计算出折射率。

另外，如果棒状透镜33和透镜330的焦点距离长，则不需要玻璃小室31、液体32。该情况下，也可以通过直接测定透镜的焦点距离来计算折射率。

【实施例2】

图8是本发明的实施例2的焦点检测单元的概略结构图。

实施例2是实施例1的变形例，将摄像元件47用作光斑位置检测部件4。将摄像元件47配置在被测光学单元3的后侧焦平面FB附近时，得到图8B的光斑图案。运算部件5根据该各衍射光的光斑坐标求出光斑间隔p，计算被测光学单元3的合成焦点距离。此外，合成焦点距离计算以后的折射率计算处理与实施例1相同。

还有，优选摄像元件47使用CCD、CMOS传感器等。还有，光斑位置检测部件4也可以是PSD(位置检测元件)。此时，可以设置为依次将光斑照射到PSD上的结构。

【实施例3】

图9是使用本发明的实施例3的焦点检测单元的非接触温度计的概略结构图。

实施例3的非接触温度计具有输出平行光束的光源单元1、由衍射光栅21构成的偏转单元2、被测光学单元3、光斑位置检测部件4和运算部件5。

被测光学单元3采用了可在玻璃小室31内部填充液体32的结构。而且，采用了可以配置透镜331、保持透镜331的保持夹具(相当于图7的保持夹具35，未示出)的结构。

光斑位置检测部件4具有针孔41、透镜42、光电元件43、工作台44、自动驱动元件45和控制装置46。针孔41配置在被测光学单元3的后侧焦平面FB附近。工作台44保持着针孔41、透镜42和光电元件43。自动驱动元件45使工作台44在与光轴垂直的方向上移动。控制装置46控制自动驱动元件45。

在实施例3中，玻璃小室31、透镜331、液体32的曲率半径、面间隔、折射率全部已知。此外，液体32的折射率的温度依赖性也已知。

将被测光学单元3配置在要求出内部温度的环境6内部。并且，环境6具有内部可传导光的透过平行平板61、62。

此外，作为运算部件5，设置有温度计算部件。这里，温度计算部件与运算部件5分开设置。通过该温度计算部件，使用被测光学单元的合成焦点距离，求出环境6内部温度。此外，温度计算部件也可以组装到运算处理部件5中。

接着，示出使用温度计算处理部件以非接触方式测定环境6内部温度的步骤。

其中，假定环境6内部的全部部件都是相同温度。

一般地，玻璃的折射率的温度变化率约为10^-6，而液体大2个数量级。图10中表示出水、酒精、丙酮的折射率的温度变化。这里，光源波长为589.3nm。

假定各自的折射率相对温度几乎成线性变化，则各自的折射率的温度变化率为水：1×10^-4、酒精：4×10^-4、丙酮：5.4×10^-4。

这里，由于玻璃的折射率的温度变化与液体相比很小，因此忽略玻璃的折射率的温度变化。设温度T时的液体32的折射率为N2(T)。这样，根据式(3)，图9的被测光学单元3的合成焦点距离f(T)如下面的式(3T)所示。

$1/f\left(T\right)=(N_2-N_1\left(T\right))(\frac{1}{r_1}-\frac{1}{r_2})+\frac{{(N_2-N_1\left(T\right))}^2}{r_1{r}_2}\frac{d}{N_2}---\left(3T\right)$

图10中，设液体32使用折射率的温度变化率最大的丙酮。并且，从式(3T)求出被测光学单元3的合成焦点距离。式(3T)的值如下所示。其中，折射率是波长为589.3nm时的值。

r₁＝31.11mm

r₂＝∞

d＝2.05mm

N₁(T)＝-5.4188×10^-4T+1.3694

N₂(T)＝1.51626

将上述值代入式(3T)，求出被测光学单元3的合成焦点距离的温度变化，结果如图11所示。可以知道：如果以温度20℃的焦点距离为基准，则10℃时产生+3.5％的变化、35℃时产生-5％的变化。

因此，如图9所示，将被测光学单元3设置在要测定温度的环境6内部，求出其合成焦点距离。这样，可以从图10的曲线求出环境6的内部温度。此外，将图10的曲线视为线性，用一次式进行近似。这样，可得到式(6)的关系式。因此，也可以在该式(6)中代入被测光学单元3的合成焦点距离来求出温度T。

f(T)＝-0.6672 T+210.74        (6)

接着对温度的测定精度进行说明。温度的测定精度由被测光学单元3的合成焦点距离的测定精度决定。因此，首先说明合成焦点距离的测定精度。

图9中，可根据0次衍射光和±1次衍射光的光斑间隔、光斑位置检测部件4的自动驱动元件45的步幅之比，估计合成焦点距离的测定精度。设间隔p的测定误差为Δp，根据式(2)，合成焦点距离f(T)的测定误差Δf(T)可如式(2’)所示来表示。

Δf(T)＝Δp/tanθ            (2’)

此外，根据式(6)，可得到如下所示的合成焦点距离的测定误差Δf(T)与温度的误差ΔT的关系。

ΔT＝-Δf(T)/0.6672          (6’)

可以认为光斑位置检测部件4的间隔p的测定误差Δp与自动驱动元件45的步幅大致相同。最近，出现步幅约为0.1μm的市售工作台，因此设该Δp＝0.1μm。而且，设光源单元1的光源波长为λ＝589.3nm、衍射光栅21空间频率为10根/mm。这样，根据式(2’)、(6’)，得到ΔT＝0.023℃的值。

已有例子的温度的测定精度约为5℃。由此可知，根据使用实施例3的焦点检测装置的非接触温度计，可达到已有例子的200倍以上的精度。

此外，作为光斑位置检测部件4，也可以象实施例2那样使用摄像元件47。

另外，可以选择性地将上述各实施例的焦点检测单元和折射率计算处理部件或温度计算处理部件进行组合。或者，上述各实施例的焦点检测单元中，可以选择性在运算装置5中组合折射率计算处理部件和温度计算处理部件。这样，可以用1个焦点检测单元，简单地进行折射率测定和非接触温度测定的切换。

Claims (7)

1.一种焦点检测单元，具有：

光源单元，其射出准直光；

被测光学单元，其具有形成了保持透镜和液体的空间的透明容器；

偏转单元，其具有衍射光学元件，并配置在上述光源单元与上述被测光学单元之间；

光斑位置检测部件，其配置在上述被测光学单元的后侧焦平面附近；

运算部件，其使用经上述光斑位置检测部件检测出的光斑位置，计算上述被测光学单元中的透镜与液体的合成焦点距离。

2.根据权利要求1所述的焦点检测单元，所述衍射光学元件具有1维的周期结构。

3.根据权利要求1所述的焦点检测单元，上述光斑位置检测部件具有针孔、透镜和光检测器，将上述针孔、上述透镜和上述光检测器配置成使上述针孔和上述光检测器为共轭的位置关系。

4.根据权利要求3所述的焦点检测单元，上述光斑位置检测部件具有移动机构，该移动机构移动上述针孔、上述透镜和上述光检测器。

5.根据权利要求1所述的焦点检测单元，上述光斑位置检测部件具有光检测器，该光检测器自身可以检测入射光的位置。

6.一种折射率测定装置，具有：

权利要求1所述的焦点检测单元；和

计算上述透镜和上述液体中的任意一个的未知的折射率的折射率计算部件，

上述折射率计算部件根据上述合成焦点距离、上述透镜和上述液体中的任意一个的已知的折射率，计算上述未知的折射率。

7.一种非接触温度计，

具有权利要求1所述的焦点检测单元和温度计算部件，

上述温度计算部件根据上述合成焦点距离、上述透镜的折射率和上述液体的折射率，计算被测光学单元周围的温度。

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