JP2009294079A - 試料片の厚さ及び屈折率の計測方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、試料片の厚さを屈折率分布の計測と同時に、かつ高精度で行うことを可能とし、もって屈折率分布を高精度で計測することを可能とすることを課題とするものである。
【解決手段】屈折率が既知でかつその値が異なる２種以上の透明な板状体１，２と、屈折率が未知の被計測部分が包埋された被計測試料５とをその薄片化方向に沿った面を当接させて積層し、次いで前記積層された板状体と試料体とに薄片化加工を施して被計測薄片９を形成する。
干渉計測を行うために、一旦可干渉光を二分し、一方には被測定部分の情報、他方には基準となる位相の情報を持たせた後、その両者を重畳させる。こうして得られた干渉画像から、一の板状体と他の板状体のそれぞれの領域を透過した可干渉光の間の位相差を計測し、この位相差と前記透明板状体の既知の屈折率から前記被計測薄片の厚さを計測する。
【選択図】図７

Description

この発明は、光ファイバー、光導波路などの微小光学素子内部の屈折率分布の計測の分野で利用されるものである。
微小光学素子内の屈折率分布を計測する場合、試料を薄片化して行うが、屈折率分布の計測の精度を高めるためには、薄片化した試料の正確な厚さを知る必要がある。この発明は、屈折率分布の計測に先立つ試料の厚さの正確な計測にも利用されるものである。

従来から、薄片化した試料の屈折率分布を干渉計で計測することは広く知られている。例えば、図１に示すような手法である。
すなわち、試料片にレーザー光などの可干渉光を照射し、試料片を通過した可干渉光と試料片を通過しない可干渉光とを拡大レンズで拡大し、両可干渉光を重畳して結像させて干渉像を得、この干渉像における両干渉光の位相に基づき試料片の屈折率分布を計測するものである。

上記における干渉像の位相差に基づき試料の屈折率分布を計測する原理は以下のとおりである。
図１のような干渉計で、試料を対物レンズで拡大して結像し、試料のない経路を通ったレーザ光を像面で重ねることにより、図２のような干渉像が得られる。干渉縞の間隔dは、重ねる2本のレーザ光のなす角度θとレーザ光の波長λ₀によって決まり、それらの間には

という関係がある。上の干渉像は、試料の中央の四角の領域の厚さ（あるいは屈折率あるいはその両者）が周囲とは異なるが、それぞれの部分では均一であるときの例で、2本のレーザ光は、横方向にわずかにずらして重ねられている。上下方向のずれが有れば、干渉縞が傾き、下の干渉計で2本のレーザ光を全く同じ方向から重ねれば、中央部と周囲とはそれぞれ均一の明るさになる。

試料部分を拡大した図３を左に示す。
厚さ、あるいは屈折率を測定したい部分は中央灰色の部分である。この部分の屈折率をn₁、周りの部分の屈折率をn₂とする。Aを通った光とBを通った光を比べると、両者の差は厚さtの部分だけである。 照射する光の波長をλ₀とし、屈折率n₁の部分における波長をλ₁、 屈折率n₂の部分における波長をλ₂とすると、

それぞれの部分の厚さtの中に入る波の数をN₁、 N₂とすると、

となる。従って、厚さtの部分を透過したときにA、B間に生じる波の数の差は

と表すことができる。 この波の数の差は、試料を透過した後も光路差としてそのまま残るため、A、B間の光路差は

となる。従って、AとBの光の位相差Δφは

とあらわされる。これに上記Ｎ_１Ｎ_２を代入すると

となる。

前ページの干渉像を例にとると、干渉縞の強度分布は横方向をxとして、一般に

とあらわされる。位相φ(x,y)は、周囲と中央四角内で異なり、周囲をφ₁、中央部をφ₂とすれば、上記位相差は、

である。この値は、干渉像から求めることもできるが、2本のレーザ光の相対的な位相を2π／M（M:3以上の正数）ずつずらしたM枚の干渉像から、

という式で求められる。ここで、I_m(x)はm枚目の干渉像の強度分布である。左辺第1項は、２本の光が角度θ傾いて干渉したことに対応するもので、数値的に取り除くことができるため、求められたφ(x,y)から（1）式の左辺を求めることができる。すなわち、厚さが一定であればA、B2点間の屈折率の差(n₂-n₁)、屈折率が一定であればn₂は試料の屈折率、n₁は空気の屈折率（あるいは細胞を取り巻く溶液の屈折率）となり、厚さtが求められる。

この技術に関連した特許文献としては以下のものがあるが、いずれも一般的な技術水準を示すものであり、本願発明との関連性は薄い。
特開平７-２１８４３０ 特開２００２-１０７１１９ 特開２００４-１５０９１３ 特開２００４-６１１４１

上記から明らかなように、屈折率を高精度で計測するためには、試料片の厚さを可能な限り高精度に求めることが必要である。
この発明は、試料片の厚さを屈折率分布の計測と同時に、かつ高精度で行うことを可能とし、もって屈折率分布を高精度で計測することを可能とすることを課題とするものである。
従来の技術においては、屈折率分布の計測に必要なデータである試料片の厚さは別個に計測する必要がある。通常厚さの測定にはマイクロメータが利用されているが、機械式マイクロメータに於いては±2μm程度、特別な電気式のマイクロメータでも±0.1μm程度までしか測定することはできない。またマイクロメータでは、マイクロメータヘッドと試料との接触部分における最大厚さを計測するため、必ずしも測定部分近傍の厚さを計測しているわけではない。さらに、マイクロメータヘッドと試料との接触間隙に、直径1μmあるいはそれ以下の微細なゴミが侵入する可能性を排除することは困難である。従って、マイクロメータによる厚さ計測の精度は、±2μm程度が限界である。また、マイクロメータでは、機械的に試料を挟むため、薄くもろい試料では破損するおそれもある。

この発明の試料片の厚さ計測方法は、以下の手順で計測するものである。
屈折率が既知でかつその値が異なる２種以上の透明な板状体と、屈折率が未知の被計測部分が包埋された被計測試料とをその薄片化方向に沿った面を当接させて積層し、次いで前記積層された板状体と試料体とに薄片化加工を施して被計測薄片を形成する。
干渉計測を行うためには、一旦可干渉光を二分し、一方には被測定部分の情報、他方には基準となる位相の情報を持たせた後、その両者を重畳させる必要がある。このとき、可干渉光を二分した後の一方を被測定部分に照射し、他方は被測定部分外を透過させても、また可干渉光を被測定部分に照射した後、被測定部分を透過した可干渉光と被測定部分外を透過した可干渉光とに二分してもよい。図1の干渉計を用いる場合は、可干渉光を二分した後、一方は試料の同一視野内に一の板状体と他の板状体の両方を含むような領域を照射し、他方は試料を置かない側、すなわち屈折率が均一な領域のみを通して、それぞれの可干渉光を対物レンズで拡大するとともに半透鏡で重畳・干渉させ、さらに拡大レンズを用いて結像させる。こうして得られた干渉画像から、一の板状体と他の板状体のそれぞれの領域を透過した可干渉光の間の位相差を計測し、この位相差と前記透明板状体の既知の屈折率から前記被計測薄片の厚さを計測する。

前記透明な板状体は、屈折率を高い精度で知ることのできるガラス板を使用し、屈折率の異なるガラス板を２枚以上積層して使用することが好ましい。なお、２枚以上の板状体と被計測試料との積層順序は、板状体２枚以上を積層し、次いで被計測試料を積層することに限られず、２枚の板状体の間に被計測試料を介在させてもよい。
被計測物が光導波路の場合、コア部分をクラッド部が被覆するブロック状であることが通常なので、光導波路のクラッド部の屈折率が既知のときには、１枚の透明板状体、例えばガラス板、に光導波路を積層し、光導波路のクラッド部を屈折率が既知の透明板状体として利用することもできる。また、被計測試料が光ファイバーである場合、通常光ファイバーは透明合成樹脂に包埋して計測することが多いので、この透明合成樹脂の屈折率が既知のときは、透明合成樹脂を屈折率が既知の透明板状体として利用することもできる。請求項２における屈折率未知の被計測部分を包埋している屈折率既知の透明な部材とは、例えば前記光導波路や光ファイバーのクラッド部を意味することも、光導波路、光ファイバーを包埋する透明合成樹脂を意味することもある。

請求項３の発明は、上記請求項１又は２記載の方法で計測した試料片の厚さに基づき、計測対象物内部の屈折率分布を計測するものである。

請求項４の発明は、請求項１の方法を実施するための装置であり、屈折率が既知でかつその値が異なる２種以上の透明な板状体と、屈折率が未知の被計測試料が包埋された試料体をその薄片化方向に沿った面を当接させて積層し、次いで前記積層された板状体と試料体とに薄片化加工を施してなる被計測薄片と、前記被計測薄片に対峙して配設される可干渉光源と、この可干渉光源の一部は同一視野内に一の板状体の一部と他の板状体の一部を含むような領域を透過し、他の一部は視野内の屈折率が均一であるような領域のみを透過すべく分割した後前記2光路の可干渉光を重畳するための干渉系と、干渉像を結像させるためのレンズ系と、干渉像を撮像する撮像系と、前記干渉像に記録された位相分布を計測し、この位相差と前記透明板状体の既知の屈折率から前記被計測薄片の厚さを計測する計算装置とで試料片の厚さ計測装置を構成する。
この発明において、「被計測部分」とは光ファイバーそのもの、光ファイバーコア、導波路コアなど、屈折率を計測する対象となる部分を意味し、「被計測体」とは光ファイバー、導波路、あるいはそれらを埋め込んだ全体を意味し、「被計測試料」とは被計測体と1つ以上の板状体を一体化したものを意味し、「被計測薄片」とは被計測試料を薄片化したものを意味し、「積層板状体」とは２種以上の板状体を積層したものを意味する。

この発明においては、屈折率が既知の２枚以上の透明板状体の一方を透過した光と他方を通過した光との位相差、又は透明板体と屈折率が既知の包埋材を通過した光との位相差を計測することにより、既知の二つの透明板状体又は包埋材の屈折率に基づいて、上記計算式（1）式により被計測薄片の厚さを計測することができる。
被計測薄片において、透明板状体と被計測対象は重ね合わされた状態で薄片化処理されているので厚みは同一である。したがって、被計測対象を透過した可干渉光と被計測対象以外の屈折率が均一である部位を透過した可干渉光の結像との位相差を計測することにより、前記において計測された被計測薄片の厚み及び位相差に基づき、同様に前述（1）式により被計測対象の屈折率分布を計測することができる。

図４ないし図６は被計測試料の作成方法を示したものである。屈折率１．５１６８の板ガラス１と屈折率１．５２９４の板ガラス２とを接着して積層板状体３を構成し、この積層板状体３に被計測体４を接着した。
前記被計測体４は光ファイバー５を透明な合成樹脂６で包埋して直方体状としたものである。被計測試料は光ファイバー５のコア７であり、このコア７はクラッド部８で被覆されている。この略直方体となった被計測体４の一面を前記積層板状体３の表面に当
接させて接着する。
次いで、接着して一体化された積層板状体３と被計測体４とを光ファイバーの長手方向に直角に薄片化処理し、５０μm程度の薄さとし、表面を平滑に研磨して、図６に示すような被計測薄片８を得る。

次いで図７に示すように、干渉計測装置を用いて位相変化の計測を行う。この干渉計測装置では、干渉素子１４として複プリズムを用いている。被計測薄片９に直交する方向に配設された図示されていない光源から可干渉光、例えばレーザー光を照射する。光路Ａは前記積層板状体３を構成する板ガラス１と板ガラス２および光ファイバー５を含む領域を透過し、他方の光路Bは屈折率の均一な領域のみを透過するような位置に被計測薄片8を配置してある。
これらの光路を経た可干渉光は、それぞれ対物レンズ１３及び図示されていない共通の拡大レンズを経て拡大され、干渉素子１４によって重畳して結像し、図８のような干渉像１５が得られる。

干渉像１５に基づく処理の第一ステップは被計測薄片９の厚みの計測である。図８のA−A’線上の位相分布は、干渉像の強度分布を用いて前述（2）式から求められ、たとえば図９のようになっている。
図９において横軸は位置で、縦軸が位相の値である。図中破線は、（２）式の左辺第1項に対応するもので、この傾きを取り除くと図１０のような位相分布を求めることができる。 図９において、Ａ側から順に、板ガラス１の通過光、板ガラス２の通過光、光ファイバー５のクラッド部８の通過光、光ファイバー５のコア７の通過光の位相である。したがって、図９中Δφ₁は、板ガラス１を透過した光と板ガラス２を透過した光の位相の差である。前述（1）式をここに当てはめると、

という関係が成り立つ。いま、板ガラス１の屈折率n_g１と板ガラス２の屈折率n_g2は既知であるから、このΔφ₁を用いてこの部分の厚さtを求めることができる。
第二のステップは、今求めた試料厚さtを用いて、光ファイバー５のクラッド部８とコア７の屈折率を計測する。Δφ₂は、板ガラス２を透過した光と光ファイバー５のクラッド部８を透過した光の位相の差で、

の関係を満たす。厚さtは前段の測定で判明した量、屈折率n_g2は既知であるから、このΔφ₂を用いて未知であった光ファイバー５のクラッド部８の屈折率n_cladを求めることができる。さらにΔφ₃は、板ガラス２を透過した光と光ファイバー５のコア７を透過した光の位相の差であるから、

の式から、同様にして未知であった光ファイバー５のコア７の屈折率n_coreを求めることができる。

図１１は、前記透明な合成樹脂６の屈折率が既知である場合の被計測薄片８を示すものである。
すなわち、光ファイバー５を屈折率既知の透明な合成樹脂６で包埋して、被計測体４を構成している。これに屈折率が既知の1枚の板ガラス１を接着して被計測試料体を成し、薄片化加工を施したものである。従って、この場合の合成樹脂６は、板ガラス１と積層板状体３を構成しているとともに、光ファイバー５を包埋することによって被計測体４をも構成していることになる。
この被計測薄片８を用いて計測する場合は、屈折率が既知である板ガラス１と透明合成樹脂６とを通過した可干渉光の位相差を求め、これに基づいて被計測薄片８の厚さを計測する。次いで、光ファイバーのコア７を透過した可干渉光と透明合成樹脂６又は板ガラス１領域のみを透過した可干渉光の位相差を求め、これと前記で求めた被計測薄片の厚さに基づき、コア７の屈折率分布を計測する。
１枚の板ガラスにクラッド部分の屈折率が既知の導波路を接着して計測する場合の手順も同様である。

この発明によれば、薄片化加工が施された被計測薄片の厚さを光工学的手法で計測するものであるから、極めて高い精度で厚さを計測することができる。そして、厚さの精度が高いことにより、屈折率分布の計測精度も極めて高いものとなる。
したがって、光ファイバーや光導波路などの微小光学素子内部の屈折率分布を高精度で計測することができ、産業上有効なものである。

干渉像による屈折率分布計測の原理を説明する図 同じく干渉像 同じく２本の可干渉光の試料片の通過を示す図 この発明実施形態における被計測試料の斜視図 同じく被計測試料の正面図 同じく被計測薄片の斜視図 複プリズムを用いた干渉計測装置 被計測薄片の干渉像の例 被計測薄片の干渉像に記録された位相分布の例 被計測薄片の干渉像に記録された位相分布の例（傾き補正） 被計測薄片の別の例を示す正面図

符号の説明

１ 板ガラス
２ 板ガラス
３ 積層板状体
４ 被計測体
５ 光ファイバー
６ 合成樹脂（包埋材）
７ 光ファイバーのコア
８ 光ファイバーのクラッド部
９ 被計測薄片
１３ 対物レンズ
１４ 干渉素子
１５ 干渉像

Claims (4)

1. 屈折率が既知でかつその値が異なる２種以上の透明な板状体と、厚さあるいは厚さと屈折率の両者が計測の対象である被計測部分を含む被計測体とをその薄片化方向に沿った面を当接させて一体的に積層して被計測試料とし、次いで前記積層された計測板と試料体とに薄片化加工を施して被計測薄片を形成し、
   前記被計測薄片に対して略垂直に可干渉光を照射し、
   前記被計測薄片の視野内に前記２種以上の透明な板状体の境界部分を挟んで一の板状体と他の板状体の両者が含まれる領域を通過した可干渉光と、視野内の屈折率が均一である部分のみを通過した可干渉光とを干渉させて干渉像を形成し、
   前記干渉像から一の板状体と他の板状体のそれぞれを通過した可干渉光の間の位相差を計測し、該位相差と前記板状体の既知の屈折率から前記被計測薄片の厚さを計測することを特徴とする、
   被計測薄片の厚さ計測方法。
2. 屈折率が既知の透明な１枚以上の透明な板状体と、厚さあるいは厚さと屈折率の両者が計測の対象である被計測部分が屈折率が既知の透明な包埋材によって包埋された被計測体とをその薄片化方向に沿った面を当接させて積層し、次いで前記積層された板状体と被計測体とに薄片化加工を施して被計測薄片を形成し、
   前記被計測薄片に対して略垂直に可干渉光を照射し、
   前記被計測薄片の視野内に前記板状体と包埋材の境界部分を挟んで板状体と包埋材の両者が含まれる領域を通過した可干渉光と、視野内の屈折率が均一である部分のみを通過した可干渉光とを干渉させて干渉像を形成し、
   前記干渉像から板状体と包埋材のそれぞれを透過した可干渉光の間の位相差を計測し、該位相差と前記板状体及び包埋材の既知の屈折率から前記被計測薄片の厚さを計測することを特徴とする、
   被計測薄片の厚さ計測方法。
3. 請求項１又は２記載の方法にて被計測薄片の厚さを計測し、
   さらに被計測薄片の被計測部分と1つ以上の屈折率が既知の部分を視野内に含む領域を通過した可干渉光と、屈折率が均一である部分のみを通過した可干渉光とを干渉させて干渉像を形成し、
   該干渉像から被計測部分と1つ以上の屈折率が既知の部分の位相分布を計測し、
   該位相分布と前記視野内の既知の屈折率並びに前記被計測薄片の厚さに基づき、被計測部分の屈折率分布を計測することを特徴とする、
   屈折率の計測方法。
4. 屈折率が既知でかつその値が異なる２種以上の透明な板状体と、屈折率が未知の被計測部分を有する被計測体をその薄片化方向に沿った面を当接させて積層して一体化した被計測試料に薄片化加工を施してなる被計測薄片と、
   前記被計測薄片に対峙して配設される可干渉光源と、
   前記可干渉光の一部を被計測薄片を通過させ、前記可干渉光の他の一部を厚さおよび屈折率の均一な領域を通過させた後、両者を重畳させる干渉系と、
   前記二分割した可干渉光の一方もしくは両方を結像させるためのレンズ系と、
   前記干渉系によって形成された干渉像を撮像する撮像系と、
   前記干渉像から干渉像に記録された位相分布を計測し、該位相分布と前記板状体の既知の屈折率から前記試料片の厚さを計測する計算装置とで構成された、
   試料片の厚さ計測装置。

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