JP2009014487A - 屈折率測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】干渉計測の精度を向上させ、屈折率の標準測定装置としても使用可能な、高精度の屈折率の計測を行うことができるようにする。
【解決手段】被測定プリズム１と補償用プリズム２の斜面１１、２１を近接対向配置してプリズム対を形成し、これをマッハ・ツェンダー干渉計等の干渉計の中に配置し、レーザ測長器１０によって被測定プリズムの移動量を測定可能とする。被測定プリズムを補償用プリズムに向かい合っている面内で平行移動させ、干渉計中の被測定プリズム中の光路長を変化させ、被測定プリズム中の光路長変化と、レーザ測長器で測定した被測定プリズムの移動量の関係から、プリズムの屈折率を求める。被測定器物はプリズム、くさび、それらの形状の容器に液体を充填したものでも良く、また種々の二光束干渉計を使用することができ、プリズムへの入射も種々の態様で実施することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は屈折率標準、光学ガラス産業、プラスチック産業等に用いられる精密屈折率計測技術に関し、特にプリズムの屈折率を精密に測定することができる屈折率測定方法、及びその方法を実施する装置に関する。

従来より光関連産業において、光学材料の種々の特性の一つとして屈折率を正確に測定する必要があり、種々の測定手法が開発され、測定装置が市販されている。特に近年は光学デバイスに求められる性能が高くなっており、屈折率測定においても精密な測定が必要となっている。このような必要性は光学ガラス産業やプラスチック産業、或いは各種光学デバイスの製作産業のみならず、これらの産業で用いる屈折率測定装置を管理するために必要となる標準の分野では、更に精密な屈折率の測定技術が必要となる。

なお、液体サンプルの絶対屈折率を高精度で測定するため、複数の測定区間をずらして配置する移動ステージを用い、液体サンプルに対する干渉信号の位相変化量と真空に対する干渉信号の位相変化量とを各測定区間について取得し、そのサンプルに対する干渉信号の位相変化量と真空に対する干渉信号の位相変化量とに基づいて各測定区間について絶対屈折率を計算し、各測定区間についての絶対屈折率に基づいてサンプルの絶対屈折率を高精度に決定する技術は特許文献１に記載されている。

また、波長の異なる複数のレーザ光を同一の出射口から選択的に出射し、出射レーザ光をビームスプリッタで二光束のレーザ光に分割した後、偏光干渉光学回路に入射し、各レーザ光から更に分割された基準レーザ光と、真空領域、サンプル領域の両領域を通過後の各レーザ光との干渉光をそれぞれ生成し、計数器で前記真空領域及びサンプル領域の光路長を変化させたときに光センサが検知する前記各干渉光の強度変化の波数を計数して屈折率を求める技術が特許文献２に記載されている。
特開２００５−２９２０３４号公報 特開２００５−２９２０３３号公報

精密な屈折率の測定手法としては、被測定物体をプリズム状に形成し、屈折角度を測定する最小偏角法が一般的に用いられている。この最小偏角法では、プリズムの頂角、屈折の際の最小偏角の測定精度が、屈折率の測定精度に限界を与え、更なる高精度化は困難であり、実際には６桁程度の精度が限界であった。しかしながら現実にはより高精度の屈折率測定装置の開発が期待され、屈折率の標準分野では特に期待されていた。

したがって本発明は、干渉計測の精度を向上させることにより、屈折率の標準測定装置としても使用可能な、高精度の屈折率を計測できるようにした屈折率計測方法、及びその方法を実施する装置を提供することを主たる目的としている。

本発明に係る屈折率測定方法は、前記課題を解決するため、被測定プリズムと補償用プリズムの斜面を近接対向配置してプリズム対を形成し、前記プリズム対を干渉計の中に配置し、前記被測定プリズムを、補償用プリズムに向かい合っている面内で平行移動させて、干渉計中の被測定プリズム中の光路長を変化させ、前記被測定プリズム中光路長変化と、被測定プリズムの移動量の関係から、被測定プリズムの屈折率を求めることを特徴とする。

また、本発明に係る他の屈折率測定方法は、前記屈折率測定方法において、前記干渉計は、被測定プリズムの同一点にそれぞれ別方向から、同一光源の光を分岐した光を導き、出射した各光を各々同一光源の参照光と各々干渉させることにより、前記被測定プリズムの平行移動時における平行方向以外のずれをキャンセルすることを特徴とする。

また、本発明に係る他の屈折率測定方法は、前記屈折率測定方法において、前記干渉計は、被測定プリズムの同一点にそれぞれ別方向から、同一光源の光を分岐した光を導き、出射した各光を干渉させることにより、前記被測定プリズムの平行移動時における平行方向以外のずれをキャンセルすることを特徴とする。

また、本発明に係る屈折率測定装置は、被測定プリズムと補償用プリズムの斜面を近接対向配置してプリズム対を構成し、前記プリズム対を干渉計の中に配置し、前記被測定プリズムを、補償用プリズムに向かい合っている面内で平行移動させて、干渉計中の被測定プリズム中の光路長を変化させる手段と、被測定プリズムの移動量を測定する手段とを備え、前記被測定プリズム中光路長変化と、被測定プリズムの移動量の関係から、被測定プリズムの屈折率を求めることを特徴とする。

また、本発明に係る他の屈折率測定装置は、前記屈折率測定装置において、前記干渉計は、同一光源からの光を分岐した片方の光路に前記プリズム対を配置し、他方の参照光と合成して干渉させることを特徴とする。

また、本発明に係る他の屈折率測定装置は、前記屈折率測定装置において、前記干渉計は、被測定プリズムの同一点にそれぞれ別方向から、同一光源の光を分岐した光を導き、出射した各光を各々同一光源の参照光と各々干渉させることにより、前記被測定プリズムの平行移動時における平行方向以外のずれをキャンセルすることを特徴とする。

また、本発明に係る他の屈折率測定装置は、前記屈折率測定装置において、前記干渉計は、被測定プリズムの同一点にそれぞれ別方向から、同一光源の光を分岐した光を導き、出射した各光を干渉させることにより、前記被測定プリズムの平行移動時における平行方向以外のずれをキャンセルすることを特徴とする。

また、本発明に係る他の屈折率測定装置は、前記屈折率測定装置において、前記被測定プリズムの移動量は、被測定プリズムの１つの斜面の移動量を測定し、または２つの斜面の移動量をそれぞれ測定することを特徴とする。

本発明は、干渉計測の精度を向上させることができ、屈折率の標準測定装置としても使用可能な、高精度の屈折率の計測を行うことができるようになる。

本発明は上記のように構成したので、干渉計測の精度を向上させるという課題を、被測定プリズムと補償用プリズムの斜面を近接対向配置してプリズム対を形成し、前記プリズム対を干渉計の中に配置し、前記被測定プリズムを、補償用プリズムに向かい合っている面内で平行移動させて、干渉計中の被測定プリズム中の光路長を変化させ、前記被測定プリズム中光路長変化と、被測定プリズムの移動量の関係から、被測定プリズムの屈折率を求める屈折率測定方法、及び被測定プリズムと補償用プリズムの斜面を近接対向配置してプリズム対を構成し、前記プリズム対を干渉計の中に配置し、前記被測定プリズムを、補償用プリズムに向かい合っている面内で平行移動させて、干渉計中の被測定プリズム中の光路長を変化させる手段を備え、前記被測定プリズム中光路長変化と、被測定プリズムの移動量の関係から、被測定プリズムの屈折率を求める屈折率測定装置により実現した。

本発明は図１に示すような干渉計を用いて実施することができる。即ち、図１において被測定プリズム１が固体屈折率を測定したいプリズムで、補償用のプリズム２と対をなしている。本発明においては、原理的には補償用プリズム２の材質は問わない。被測定プリズム１と補償用プリズム２の斜面１１、２１を平行に向かい合わせて、光源３からの光を第１ビームスプリッタ４で２分し、ここで反射した光をミラー５を介して、補償用プリズム２の底面２２から垂直に入射させ、被測定プリズム１の底面１２から垂直に出射させる。このとき、補償用プリズム２の斜面２１における全反射を避け光を出射させるために、被測定プリズム１と補償用プリズム２の間に適当な屈折率ｎ_Ｌの屈折率マッチング液６を満たす。一方、第１ビームスプリッタ４を透過した光は、ミラー７を介して第２ビームスプリッタ８で前記被測定プリズム１の底面１２から出射する光と合成し、全体としてマッハ・ツェンダー干渉計９を構成して合成波により位相測定を行う。

レーザ測長器１０からのレーザを、被測定プリズム１の底面１２に垂直に照射して測長可能とする。その後被測定プリズム１を補償用プリズム２に向かい合っている斜面に平行に移動させ、破線に示す状態として、被測定プリズム１の底面１２に垂直な方向の変位量Ｘを測定する。マッハ・ツェンダー干渉計９内の光路長変化Ｙは、（ｎ_１−ｎ_ａ）Ｘである。なお、（ｎ₁）は被測定プリズムの屈折率、（ｎ_ａ）は空気の屈折率である。マッハ・ツェンダー干渉計９の測定干渉信号の変化量から求められる光路長変化Ｙと、レーザ測長器１０による被測定プリズム１の移動量Xを用いると、被測定プリズム１の屈折率ｎ_１は、
ｎ_１＝（Ｙ／Ｘ）＋ｎ_ａ （１）
により求めることができる。このとき屈折率マッチング液６の屈折率は測定結果に影響を及ぼさない。

ここで補償用プリズム２は被測定プリズム１と同じ材質の方が好ましいが、環境に対して安定な材質の方がよい面もあり、したがって補償用プリズム２の材質はこれらを考慮して選択する。また、前記実施例では干渉計としてマッハ・ツェンダー干渉計を用いた例を示したが、それ以外に例えばマイケルソン干渉計等、他の各種の二光束干渉計を用いることもできる。

なお、被測定プリズム１と補償用プリズム２の頂角α_１とα_２が異なる場合は、被測定プリズム１から光が垂直に出射するように被測定プリズム１を配置し、補償用プリズム２は、被測定プリズム１の斜面１１と斜面２１が平行になるように配置する。補償用プリズム２への光の入射角度は入射面２２に垂直でなくても構わない。また、被測定プリズム１の移動量が大きい程光路長変化および移動量測定の相対精度は向上し、屈折率測定精度も向上する。

本発明はこのように構成することにより、前記のような簡単な構成で極めて高精度の屈折率の測定が可能となる。したがってこれを今後の高精度の屈折率標準測定器とすることも可能となる。

本発明は更に図２に示す態様でも実施することができる。図２に示す例においては被測定プリズム１と、材料は特定されない補償用プリズム２の斜面１１、２１を平行に向かい合わせて配置し、両斜面間にマッチング液６を満たしてプリズム対（プリズムペア）とすることは前記と同様である。このプリズム対に対して光源３からの光を第１ビームスプリッタ４で２分し、一方の反射した光をミラー５を介して補償用プリズム２の底面２２から垂直に入射させ、被測定プリズム１の底面１２から垂直に出射させて第３ビームスプリッタ１５に導く。第１ビームスプリッタ４を透過し更に第２ビームスプリッタ１４を透過した光を、ミラー７で反射させて第３ビームスプリッタ１５に導いて合成して第１の位相測定光とする。

図２（ｂ）に被測定プリズム１の入射部分を拡大して示すように、前記第２ビームスプリッタ１４で反射した光を補償用プリズム２の斜面２３から入射し、前記ミラー５からの光が被測定プリズム１の斜面１１に入射する点と同一の点Ｐに入射させ、被測定プリズム１の斜面１３から出射し、この光をミラー１６で反射して第４ビームスプリッタ１７に導く。また、第１ビームスプリッタ４及び第２ビームスプリッタ１４を透過し、ミラー７で反射して更に第３ビームスプリッタ１５を透過した光を第４ビームスプリッタ１７に導き、前記ミラー１６からの光と合成して第２の位相測定光とする。このようにして形成した第１干渉計と第２干渉計によって各々位相測定を行う。

また第１レーザ測長器１０により前記図１の実施例と同様に、被測定プリズム１の移動における底面１２の移動量Ｘを測定する。図示の例では更に第２レーザ測長器１８により被測定プリズム１の斜面１３の移動量を測定している。ここで図２（ｂ）に拡大して示すように、被測定プリズム１が補償用プリズム２に対して正確に平行移動し、被測定プリズム１の斜面１１と補償用プリズム２の斜面２１との距離が変化しない理想状態と異なり、図中被測定プリズム１を破線で示すように、面間隔がΔξずれたときでも、第１レーザ測長器１０でＸを測定し、第２レーザ測長器１８でＸ＋Δξを測定して、Ｘ及びΔξを求めることができる。よって、被測定プリズム１を通過するミラー５から第３ビームスプリッタ１５への光路及び第２ビームスプリッタ１４からミラー１６への光路において、各光路長変化の差をとることにより、面間隔のずれの影響をキャンセルすることができる。

即ち、図２（ｂ）に示すように、被測定プリズム１の移動における理想状態では点Ｐから入射し、一方の光路は斜面１３の点Ｃから出射する光路であるのに対して、前記のようにΔξずれた場合には点Ａから入射し斜面１３の点Ｄから出射する光路となる。それに対して他方の光路は理想状態では斜面点Ｐから入射して斜面１２の点Ｅから出射する光路であるのに対して、前記のようにずれた場合には点Ｂから入射して斜面１２の点Ｆから出射する光路となる。その結果、一方の光路は被測定プリズム１中を点Ｐから点Ｃに進む理想状態から、点Ｐから点Ａを経由して点Ｄを進む光路長変化状態となり、他方の光路は被測定プリズム１中を点Ｐから点Ｅを進む理想状態から、点Ｐから点Ｂを経由して点Ｆを進む光路長変化状態となる。第３ビームスプリッタ１５で干渉した第１の測定光位相と、第４ビームスプリッタ１７で干渉した第２の測定光位相の差にはＸ及びΔξの情報が含まれているため、第１レーザ測長器１０及び第２レーザ測長器１８の測定結果から前記のずれΔξをキャンセルすることができる。

前記図２の実施例では第３ビームスプリッタ１５で干渉した第１の位相測定光と第４ビームスプリッタ１７で干渉した第２の位相測定光とは別個の干渉用光路とした例を示したが、その他図３に示すような干渉計光路によっても前記実施例と等価に実施することができる。即ち図３に示す実施例においては、光源３からの光を第１ビームスプリッタ４で２分し、これを透過した光はミラー７で反射して、補償用プリズム２の斜面２３から入射して斜面２１から出射し、これに対向する被測定プリズム１の斜面１１から入射して斜面１３から出射し、その後ミラー１６で反射して第２ビームスプリッタ１９に入射する。

ビームスプリッタ４で２分して反射した光は、ミラー５を介して補償用プリズム２の斜面２２から入射し、斜面２１から出射して被測定プリズム１の斜面１１において前記ミラー５からの入射点と同一の点に入射させる。その光は被測定プリズム１の斜面１２から出射してミラー２０で反射し、第２ビームスプリッタ１９に入射して、前記ミラー１６からの光と合成し、位相測定光とする。レーザ測長器１０においては、出射する光をビームスプリッタ２１により２分し、これを透過した光を被測定プリズム１の斜面１２に照射して反射させ、その光を再びビームスプリッタ２１に導く。

レーザ測長器１０からの光をビームスプリッタ２１で反射させた光を、ミラー２２を介して被測定プリズム１の斜面１３に導き、この斜面１３で反射させて再びビームスプリッタ２１に導く。ビームスプリッタ２１ではこれらの光を合成し、被測定プリズム１が移動したとき、理想状態の平行移動からずれているときには、そのずれの量をビームスプリッタ２１で合成した光波の干渉データによって求めることができる。それにより、ビームスプリッタ１９で合成した干渉測定光に含まれる前記ずれの分を、前記測長データによって補正することができる。なお、レーザ測長器の使用に際しては、図２の実施例に図３の方式の測長器を用い、また図３の実施例に図２の方式の測長器を用いることもできる。

このような構成を採用することにより、図２に示すものよりもビームスプリッタ等の光学機器の使用を減少させ、構成を簡素化して全体を小型化し、安価な装置とすることができる。

なお、前記各実施例においてプリズムとして説明したが、これらは狭義のプリズム状以外にくさび形状であっても同様であり、本発明ではこれらを「プリズム」と称している。更に、被測定プリズムとしてブロックとしてのプリズムの例を示したが、プリズム状のガラス容器に被測定液体を満たすことにより、液体の屈折率を測定することもでき、これらも「プリズム」を用いているということができる。

また、図１から３においては、被測定プリズム中光路長変化を測定する光路と被測定プリズム移動量を測定する光路の位置が横にずれているため、被測定プリズム移動の際にプリズムが傾いた場合、（１）式に誤差が含まれる。図４に示すように偏光などを利用してプリズム中光路長変化を測定する光路の両側でプリズム移動量を測定すると前記プリズムの傾きによる誤差を低減できる。

即ち図４に示す例においては、前記図３の例において被測定プリズム１に対して２分割して照射した光源３からの光を、各々ミラー１６、２０で反射させてハーフミラー１８に入射する時、レーザ測長器１０からのレーザ光を偏光ビームスプリッタ２６で２分して被測定プリズム１の斜面１２及び斜面１３に照射する。このときハーフミラー２６を透過した光はミラー２７で反射し、偏光ビームスプリッタ２８、４分の１波長板２９を通して、斜面１３における前記ミラー１６への光の片側に照射して反射させる。反射した光はまた４分の１波長板２９を透過することにより偏光方向が90度回転し、偏光ビームスプリッタ２８で反射する。反射した光をコーナリフレクタ３０で偏光ビームスプリッタ３１側に向け、偏光ビームスプリッタ３１で反射した光は４分の１波長板２９を通して斜面１３に照射して反射させる。このとき前記偏光ビームスプリッタ２８から斜面１３に照射する位置と、前記偏光ビームスプリッタ３１から斜面１３に照射する位置とは、ミラー１６への光束を中心に対称な位置になるように設定する。偏光ビームスプリッタ３１からの光は４分の１波長板２９を透過し斜面１３で反射された後また４分の１波長板２９を透過することにより偏光方向が90度回転し、今度は偏光ビームスプリッタ３１を透過する。透過した光はミラー３２で反射させて偏光ビームスプリッタ２６に導く。レーザ測長器１０からのレーザ光が偏光ビームスプリッタ２６で反射された光は、斜面１３に照射する測長光と同様に、偏光ビームスプリッタ３３、４分の１波長板３４、コーナーリフレクタ３５、偏光ビームスプリッタ３６をそれぞれ通って偏光ビームスプリッタ２６に導かれ、前記斜面１３側からの光と合成して測長を行う。このような偏光干渉計を用いることにより、プリズム中光路長変化を測定する光路の両側でプリズム移動量を測定するため、前記のようなプリズムの傾きによる誤差を低減することができる。

本発明は前記のように種々の態様で実施することができるものであるが、本発明で実施可能な各種態様をまとめたものが図５である。即ち、本発明における測定器物と補償用器物の観点では、狭義のプリズムやくさび、更にはプリズムまたはくさび形容器中に液体を充填したものでも良い。なお、本発明において特に注記していないときにはこれらを全て含めた「プリズム」と称していることは前記のとおりである。その際、被測定用と補償用のプリズムの頂角は同じであっても、異なっていても本発明を実施することができる。

また本発明で用いる干渉計については、前記のようなマッハ・ツェンダー干渉計以外にマイケルソン干渉計も用いることができ、更に通称二光束干渉計と呼ばれる種類の種々のその他の干渉計を用いることができる。

プリズム中の光路長変化の測定に際しては、図１に示すような一面から入射するもののほか、図２及び３に示すような二面から入射するものがあり、二面から入射するものにおいては図２に示すようなそれぞれを干渉させる方式と、図３に示すような直接干渉させる方式とが存在する。

プリズム移動量の測定に際しては、プリズム中光路長変化を測定する光路の片側に移動量測定光を照射し測定する方式と、両側に照射して測定する方式とが存在し、それぞれ被測定プリズムの一面の移動量のみ測定する場合と、二面の移動量を測定する場合が存在し、二面を測定する場合においてはそれぞれの構成を共通または別々の参照光と干渉させて、それぞれの移動量を測定しても、また二面での反射光を干渉させて移動量の差を直接測定しても良い。更に干渉の方式については普通の干渉方式と、偏光干渉により測定する方式が存在する。

以上のような種々の態様について、図示するようにそれぞれの組み合わせが存在し、本発明はこのように種々の態様によって実施することができる。

本発明の実施例１の説明図である。 本発明の実施例２の説明図である。 本発明の実施例３の説明図である。 プリズム移動時のプリズム傾きの影響を低減させる配置の説明図である。 本発明を種々の態様で実施できることを説明する図である。

符号の説明

１ 被測定プリズム
２ 補償用プリズム
３ 光源
４ 第１ビームスプリッタ
５ ミラー
６ マッチング液
７ ミラー
８ 第２ビームスプリッタ
９ 干渉計
１０ レーザ測長器
１１、１３、２１、２３ 斜面
１２、２２ 底面
１４ 第２ビームスプリッタ
１５ 第３ビームスプリッタ
１６ ミラー
１７ 第４ビームスプリッタ
１８ 第２レーザ測長器
１９ 第２ビームスプリッタ
２０ ミラー
２４ ビームスプリッタ
２５ ミラー
２６ 偏光ビームスプリッタ
２７ ミラー
２８ 偏光ビームスプリッタ
２９ ４分の１波長板
３０ コーナリフレクタ
３１ 偏光ビームスプリッタ
３２ ミラー
３３ 偏光ビームスプリッタ
３４ ４分の１波長板
３５ コーナリフレクタ
３６ 偏光ビームスプリッタ

Claims (8)

1. 被測定プリズムと補償用プリズムの斜面を近接対向配置してプリズム対を形成し、
   前記プリズム対を干渉計の中に配置し、
   前記被測定プリズムを、補償用プリズムに向かい合っている面内で平行移動させて、干渉計中の被測定プリズム中の光路長を変化させ、
   前記被測定プリズム中光路長変化と、被測定プリズムの移動量の関係から、被測定プリズムの屈折率を求めることを特徴とする屈折率測定方法。
2. 前記干渉計は、被測定プリズムの同一点にそれぞれ別方向から、同一光源の光を分岐した光を導き、出射した各光を各々同一光源の参照光と各々干渉させることにより、前記被測定プリズムの平行移動時における平行方向以外のずれをキャンセルすることを特徴とする請求項１記載の屈折率測定方法。
3. 前記干渉計は、被測定プリズムの同一点にそれぞれ別方向から、同一光源の光を分岐した光を導き、出射した各光を干渉させることにより、前記被測定プリズムの平行移動時における平行方向以外のずれをキャンセルすることを特徴とする請求項１記載の屈折率測定方法。
4. 被測定プリズムと補償用プリズムの斜面を近接対向配置してプリズム対を構成し、
   前記プリズム対を干渉計の中に配置し、
   前記被測定プリズムを、補償用プリズムに向かい合っている面内で平行移動させて、干渉計中の被測定プリズム中の光路長を変化させる手段と、被測定プリズムの移動量を測定する手段とを備え、
   前記被測定プリズム中光路長変化と、被測定プリズムの移動量の関係から、被測定プリズムの屈折率を求めることを特徴とする屈折率測定装置。
5. 前記干渉計は、同一光源からの光を分岐した片方の光路に前記プリズム対を配置し、他方の参照光と合成して干渉させることを特徴とする請求項５記載の屈折率測定装置。
6. 前記干渉計は、被測定プリズムの同一点にそれぞれ別方向から、同一光源の光を分岐した光を導き、出射した各光を各々同一光源の参照光と各々干渉させることにより、前記被測定プリズムの平行移動時における平行方向以外のずれをキャンセルすることを特徴とする請求項５記載の屈折率測定装置。
7. 前記干渉計は、被測定プリズムの同一点にそれぞれ別方向から、同一光源の光を分岐した光を導き、出射した各光を干渉させることにより、前記被測定プリズムの平行移動時における平行方向以外のずれをキャンセルすることを特徴とする請求項５記載の屈折率測定装置。
8. 前記被測定プリズムの移動量は、被測定プリズムの１つの斜面の移動量を測定し、または２つの斜面の移動量をそれぞれ測定することを特徴とする請求項１記載の屈折率測定装置。

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