JP2005098743A - 焦点検出ユニット並びにそれを用いた屈折率測定装置及び非接触温度計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】コリメート光を出射する光源ユニット1と、透光性のある容器31と容器31に備わるレンズ33と液体32とからなる被検光学ユニット3と、光源ユニット1からの光を回折して被検光学ユニット3に照射する照射手段2と、被検光学ユニット3の後側焦平面近傍に配置され、被検光学ユニット3を透過することによって形成されるスポット位置を検出するスポット位置検出手段4と、スポット位置検出手段4で検出されたスポット位置を用いて被検光学ユニット3におけるレンズ33と液体32との合成焦点距離を算出する演算手段5とを有している。
【選択図】 図1
Description
また、従来の非接触温度計としては、例えば、次の特許文献2に記載のものが提案されている。
このため、特許文献1に開示されたようなAWGを用いた屈折率測定器では、広範囲にわたる波長測定を低価格で実現することが困難である。
しかも、本発明のように構成すれば、従来、屈折率測定において必要とされていたAWGやスペクトラムアナライザを用いないで済む。このため、本発明のように構成すれば、屈折率測定と非接触温度測定とを行う場合のコストを大幅に低減することができる。
従来技術(特許文献2)の手法は、石英基板の熱膨張によって回折格子の格子定数が変化することを利用している。ところが、石英基板の熱膨張係数は非常に小さく、4×10-5程度である。そのため、スポット位置Pの温度変化による変化量ΔPの比は、高々4×10-5程度と微小である。詳細は後述するが、液体を含む被検光学ユニットを用いる本発明の非接触温度計においては、被検光学ユニットの焦点距離の温度変化率は、被検光学ユニットが液体を含む場合、含まない場合と比較して、10〜100倍程度大きくなる。スポット位置の変化は、焦点距離に比例するので、従来の手法と比較して、10〜100倍以上、高精度に温度を算出することができる。
実施例1の焦点検出ユニットは、平行光束を出射する光源ユニット1と、回折格子21で構成された偏向ユニット2と、シリンドリカルレンズ34と、被検光学ユニット3と、スポット位置検出手段4と、演算手段5とを有して構成されている。
被検光学ユニット3は、図2に示すように、ガラスセル31を有する。そして、その内部に、液体32が充填されるとともに、ロッドレンズ33を配置できるように構成されている。なお、図2の例では、ロッドレンズ33は、y方向のみに光学的なパワーを有している。このため、本実施例では、光路中に、X方向にパワーを持つシリンドリカルレンズ34が配置されている。このような構成により、被検光学ユニット3からの光は、集光してスポット光を形成する。
スポット位置検出手段4は、被検光学ユニット3の後側焦平面FB近傍に配置されている。そして、ピンホール41、レンズ42、光電素子43、ステージ44、自動駆動素子45及び制御装置46を有する。ピンホール41は、後側焦平面FB近傍に配置されている。ステージ44は、ピンホール41とレンズ42と光電素子43を保持している。自動駆動素子45は、ステージ44を光軸と垂直な方向(矢印方向)に移動させる。制御装置46は、自動駆動素子45の駆動を制御する。このような構成において、被検光学ユニット3に照射されたコリメート光は、被検光学ユニット3を透過する。そして、この光は、ピンホール41、レンズ42を経て、光電素子43上にスポットを形成する。よって、スポット位置検出手段4により、スポット位置を検出することができるようになっている。
演算手段5は、ロッドレンズ33と液体32との合成焦点距離を算出することができるようになっている。この算出にあたっては、スポット位置検出手段4を介して検出されたスポット位置が用いられる。
本実施例において、偏向ユニット2は回折格子21で構成されている。光源ユニット1から出射される平行光束が回折格子21に入射すると、y方向に複数の回折光が発生する。なお、図3では便宜上0次光と±1次回折光のみを表している。
各回折光は、被検光学ユニット3を経て後側焦平面FB近傍に集光する。上述のように、図3の例では被検光学ユニット3は、y方向にのみパワーを有している。よって、シリンドリカルレンズ34としては、x方向にパワーを持つレンズを用いている。
この結果、後側焦平面FB近傍に各回折光のスポットが生じる。図4は、各回折光のスポット位置に対する光強度の分布を示すグラフである。このスポット位置は、被検光学ユニット3の後側焦平面FB近傍である。図4において、pは0次回折光のスポットと±1次回折光のスポットとの間隔を示している。
回折格子の空間周波数をs、光源ユニットlから出射する光の波長をλとすると、0次回折光と±1次回折光とのなす回折角θは、次の式(1)で表すことが出来る。
被検光学ユニット3の合成焦点距離をfとすると、±1次回折光と0次回折光のスポット間隔p(以下、単に間隔pとする。)は、次の式(2)のように表すことが出来る。
つまり、±1次回折光のスポット位置を求めれば、式(2)より被検光学ユニット3の合成焦点距離が容易に算出できる。
ピンホール41、レンズ42、光電素子43は、ステージ44上に固定されている。また、制御装置46を介して、自動駆動素子45を駆動している。このようにすることによって、ピンホール41、レンズ42、光電素子43が、同時にy方向に移動可能になっている。
ピンホール41と光電素子43は、レンズ42に対して共役な関係にある。よって、ピンホール41を透過した光は、光電素子43に受光される。これによって、ピンホール41位置における光強度が、光電素子43で検出されるようになっている。なお、図5では、0次回折光が検出される様子を示している。
自動駆動素子45によって、ステージ44を光軸に垂直な方向(ここではy方向)に順次移動させる。そして、各スポット位置で、ピンホール41を透過した光の強度を測定する。すると、図4に示すように、ステージ移動量(スポット位置)に対する光強度のグラフが得られる。図中の間隔pは、前述のように、0次回折光と±1次回折光のスポット間隔を示している。
この算出処理手段は、屈折率算出手段である。これは、演算手段5とは独立した演算手段である。ただし、演算手段5の一部であってもよい。この、屈折率算出手段、すなわち、被検光学ユニット3の合成焦点距離を用いてロッドレンズ33の屈折率、もしくは液体32の屈折率を算出する手順について説明する。
被検光学ユニット3のガラスセル31は、平行平板の貼り合わせで出来ており、光学的なパワーを持たない。このため、被検光学ユニット3の合成焦点距離は、ロッドレンズ33の形状と屈折率、及び液体32の屈折率のみで決まる。
液体の屈折率をN1、ロッドレンズ33の第1面の曲率半径、第2の曲率半径、面間隔、屈折率をそれぞれr1、r2、d、N2とする。すると、被検光学ユニット3の合成焦点距離fは、次の式(3)で表すことが出来る。
この式(3)を液体32の屈折率N1もしくはロッドレンズ33の屈折率N2について解くと、それぞれ式(4)と式(5.1)、(5.2)で表すことが出来る。従って、液体32の屈折率N1が未知の場合には、式(3)においてN1以外の量を求めておけば、式(4)から屈折率を算出することが可能となる。また、ロッドレンズ33の屈折率N2が未知の場合には、N2以外の量をそれぞれ求めておけば、式(5.1)、(5.2)から屈折率を算出することが可能となる。
この手法により、水の屈折率及びガラスの屈折率を求めた結果を示す。
まず、水の屈折率を求める説明をする。
光源ユニット1には、波長632.8nmの光を射出する光源が配置されている。よって、波長632.8nm光源ユニット1からは、波長632.8nmのコリメート光が出射される。偏向手段2は回折光学部材である。具体的には、10本/mmの格子間隔を有する回折格子で構成されている。この時、±1次回折光の回折角度は、0.363°である。
ガラスセル31としては、石英ガラスを用いた。ロッドレンズ33は、市販のロッドレンズである。具体的には、曲率半径r1=2.499mm、r2=−2.499mm、面間隔d=4.998mm、屈折率N2=1.51509である。また、液体32には水(N1=1.33174)を用いた。
また、ロッドレンズ33のガラスの屈折率が未知として、f=7.739±0.0056mmと式(5)からロッドレンズ33のガラスの屈折率を求める。すると、1.51505±0.00020となった。これはカタログ値1.51509に非常に近い値である。
また、この屈折率測定装置では、従来例のAWGのような使用する波長範囲を制限するものはない。よって、この屈折率測定装置によれば、光源ユニット1を変えるだけで、広い波長範囲(可視域〜通信波長域)の屈折率測定が可能になる。また、屈折率を測定する際に、従来例の屈折率測定装置においてAWGにV溝を形成するようなレンズ加工の必要がない。
また、この屈折率測定装置によれば、従来例の屈折率測定装置と比較して、AWGやスペクトラムアナライザ等の高価な光学素子や光学機器を必要としないので低価格化が実現できる。
また、レンズの焦点距離測定において、焦点距離が短い場合に精度が低下するという問題がある。その結果、焦点距離が短い場合には焦点距離の測定からレンズの屈折率を算出することは困難である。しかし、本実施例1のように液体32に浸けることにより、ロッドレンズ33乃至レンズ330単体の焦点距離よりも、被検光学ユニット3としての合成焦点距離を長くさせることが出来る。よって、正確な焦点距離測定が可能となり、屈折率の算出が可能となる。
尚、ロッドレンズ33乃至レンズ330の焦点距離が長ければ、ガラスセル31、液体32は必要としない。この場合、直接レンズの焦点距離を測定することによって屈折率を算出しても良い。
実施例2は実施例1の変形例であり、スポット位置検出手段4として撮像素子47を用いている。撮像素子47を被検光学ユニット3の後側焦平面FB近傍に配置すると、図8(b)のようなスポットパターンが得られる。演算手段5は、この各回折光のスポット座標からスポット間隔pを求め、被検光学ユニット3の合成焦点距離を算出するようになっている。また、合成焦点距離算出以降の屈折率算出処理は、実施例1と同様である。
なお、撮像素子47には、CCD、CMOSセンサーなどを用いることが望ましい。また、スポット位置検出手段4は、PSD(位置検出素子)であってもよい。その場合には、スポットを順次PSD上に照射するような構成を設ければよい。
実施例3の非接触温度計は、平行光束を出力する光源ユニット1と、回折格子21で構成された偏向ユニット2と、被検光学ユニット3と、スポット位置検出手段4と、演算手段5とを有して構成されている。
スポット位置検出手段4は、ピンホール41、レンズ42、光電素子43、ステージ44、自動駆動素子45及び制御装置46を有する。ピンホール41は、被検光学ユニット3の後側焦平面FB近傍に配置されている。ステージ44は、ピンホール41、レンズ42及び光電素子43を保持している。自動駆動素子45は、ステージ44を光軸と垂直な方向に移動させる。制御装置46は、自動駆動素子45を制御する。
被検光学ユニット3を、内部温度を求めたい環境6内部に配置させる。なお、環境6は、内部に導光可能な透過平行平板61、62を備えている。
また、演算手段5として、温度算出手段が設けられている。ここでは、温度算出手段は、演算手段5とは別に設けられている。この温度算出手段により、被検光学ユニットの合成焦点距離を用いて、環境6内部の温度を求める。なお、温度算出手段は、算処理手段5に組み込まれていてもよい。
但し、環境6内部にある全ての部材は同じ温度であると仮定する。
一般に、ガラスの屈折率温度変化率が約10-6であるのに対して、液体は2桁近く大きい。図10に水、エタノール、アセトンの屈折率の温度変化を示す。ここで、光源波長は、589.3nmである。
それぞれの屈折率が温度に対してほぼ線形に変化していると仮定すると、それぞれの屈折率の温度変化率は、水:1×10-4、エタノール:4×10-4、アセトン:5.4×10-4となる。
ここでは、ガラスの屈折率の温度変化は、液体に比べて小さいので無視する。温度Tにおける液体32の屈折率をN2(T)とする。すると、図9における被検光学ユニット3の合成焦点距離f(T)は式(3)より、次の式(3T)のように表すことが出来る。
上記値を式(3T)に代入し、被検光学ユニット3の合成焦点距離の温度変化を求めると図11のようになる。温度20℃の焦点距離を基準にすると、10℃では+3.5%、35℃では−5%の変化が起きることが分かる。
次に温度の測定精度について説明する。
温度の測定精度は、被検光学ユニット3の合成焦点距離の測定精度で決まる。そこで、まず合成焦点距離の測定精度について説明する。
図9において、0次回折光と±1次回折光のスポット間隔と、スポット位置検出手段4の自動駆動素子45のステップ幅の比から、合成焦点距離の測定精度を見積もることが出来る。間隔pの測定誤差をΔpとすると、式(2)から合成焦点距離f(T)の測定誤差Δf(T)は、式(2')のように表すことが出来る。
また、式(6)より、合成焦点距離の測定誤差Δf(T)と温度の誤差ΔTの関係が以下のように得られる。
従来例の温度の測定精度は、約5℃である。よって、実施例3の焦点検出装置を用いた非接触温度計によれば、従来例の200倍以上の精度が達成できることが分かる。
なお、スポット位置検出手段4としては、実施例2のように撮像素子47を用いてもよい。
2 偏向ユニット
21 回折格子
3 非検光学ユニット
31 ガラスセル
32 液体
33 ロッドレンズ
34 シリンドリカルレンズ
35 保持冶具
4 スポット位置検出手段
41 ピンホール
42 レンズ
43 光電素子
44 ステージ
45 自動駆動素子
46 制御装置
5 演算手段
6 環境
61、62 透明平行平板
330 回転対称なレンズ
Claims (3)
- コリメート光を出射する光源ユニットと、
光学部品と液体を保持する空間が形成された透明容器を備える被検光学ユニットと、
回折光学部材を備え、前記光源ユニットと前記被検光学ユニットの間に配置された偏向ユニットと、
前記被検光学ユニットの後側焦平面近傍に配置されたスポット位置検出手段と、
前記スポット位置検出手段を介して検出されたスポット位置を用いて、前記被検光学ユニットにおけるレンズと液体との合成焦点距離を算出する演算手段と、
を有することを特徴とする焦点検出ユニット。 - 請求項1に記載の焦点検出ユニットと、
前記光学素子と前記液体のいずれか一方の未知の屈折率を算出する屈折率算出手段を備え、
前記屈折率算出手段は、前記合成焦点距離と、前記光学素子と前記液体のいずれか一方の既知の屈折率から前記未知の屈折率を算出することを特徴とする屈折率測定装置。 - 請求項1に記載の焦点検出ユニットと、
温度算出手段を備え、
前記温度算出手段は、前記合成焦点距離、前記光学素子の屈折率及び前記液体の屈折率から、被検光学ユニット周辺の温度を算出することを特徴とする非接触温度計。
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