JP2823421B2 - 屈折率の温度係数測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カメラや半導体製造用
光学機器等の分野で用いられる光学ガラス、あるいは通
信機器や光学記録媒体用基盤等の分野で用いられる透明
材料について、紫外域、可視域および赤外域の光に対す
る屈折率の温度係数を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ガラス等の透明材料の屈折率
の温度係数（以下、ｄｎ／ｄＴで表す）を測定するに当
たっては、分光計あるいばフィゾー干渉計を用い、複数
の波長（例えば、可視域で５波長、近紫外、近赤外域で
各１波長）の光について各波長ごとに試料を繰り返し加
熱、冷却して測定している。これらの材料は一般に熱伝
導性が悪いため、例えばガラス試料を一５０℃から＋８
０℃程度の範囲で温度を変化させながら測定しようとす
ると通常ｌ波長当たり約３〜５時間を要し、また測定困
子として、試料の線膨張係数の温度変化も別途測定しな
ければならないため、１試料当たりのｄｎ／ｄＴの測定
に２４〜４０時間という長時間を要する。近時、これら
材料の利用分野が広がるにつれ、要求される測定温度範
囲も液体窒素温度から数１００℃の高温域にまで拡大
し、益々測定に長時間を要するようになっている。ま
た、測定範囲全体が非常に繁雑であるうえ、光学系の色
収差などにより各波長に対する測定精度にバラツキを生
じやすい。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
従来のｄｎ／ｄＴ測定技術にみられる諸欠点を改善し、
多数の波長光に対するｄｎ／ｄＴの測定において、操作
が単純であって、測定時間を大幅に短縮することがで
き、かつ測定精度を向上し得るｄｎ／ｄＴ測定装置を提
供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の屈折率の温度係数測定装置の構成の特徴は、波長
値の異なる複数のスペクトル光源、上記光源からの光を
所定のスリット位置に集光させる第１のポリクロマティ
ック回折格子分光器、上記スリット位置からの光を平行
光束化し、またフィゾー干渉計からの反射光を収束する
コリメーター、被検試料の加熱・冷却手段を設け、上記
コリメーターからの平行光束を干渉させるフィゾー干渉
計、被検試料の温度変化によって得られるフィゾー干渉
縞を形成する光を上記光源の各スペクトル光にそれぞれ
分光して所定の各スリット位置に導く第２のポリクロマ
ティック回折格子分光器、上記名スリット位置からの光
を同時に検出しその出力を計測する光検出・計測装置を
備え、上記第１のポリクロマティック回折格子分光器に
より集光した光が第２のポリクロマティック回折格子分
光器により分光されるまでの光路上において、光の進路
を曲げる又は集束させる全光学系にミラー系を使用し、
更に、上記加熱・冷却手段により被検試料を加熱・冷却
させる手段と、フィゾー干渉光の強度（Ｉ）−観測温度
（Ｔ）座標上に表される各波長光についての干渉縞波形
を記憶する機能と、上記干渉縞波形に基づき各波長光に
対する被検試料の屈折率の温度係数を演算する機能を有
する計測装置とを備え、複数の波長光に対する被検試料
屈折率の温度係数を、同一の加熱・冷却条件下で同時に
計測するところにある。一般に、従来のｄｎ／ｄＴの計
測では、測定者自身が被検試料の温度を制御しながら各
温度における各波長毎の屈折率を順次測定者が逐一測定
していくという繁雑な作業が必要であったが、上記本発
明の構成によれば、このような繁雑な作業を省いて、被
検試料の温度を連続的に変化させながら、ｄｎ／ｄＴの
計測を自動的に且つ単純な操作で行うことが出来る。し
かも、第１および第２のポリクロマティック回折格子に
より、複数の波長光に対してこれらの測定をほほ連続的
に同時に測定できることから、測定時間の大幅な短縮が
計れる。 更に、上記本発明の構成によれば、複数の波長
光に対して被検試料のｄｎ／ｄＴを同一の加熱・冷却条
件下で計測することが出来るので、制御しずらい加熱・
冷却条件下で計測を行う場合に特に効果的である。即
ち、加熱・冷却工程の制御 自体に精度誤差があれば、複
数の波長光を個々別々に用いて計測した場合、上記精度
誤差が各波長に対するｄｎ／ｄＴの測定値にばらばらに
積算されてしまうが、複数の波長光に対して同時に計測
すれば上記精度誤差が各ｄｎ／ｄＴの測定値に系統的に
積算される。従って、加熱・冷却制御で生じる精度誤差
の扱いが容易となり、延いては被検試料のｄｎ／ｄＴの
測定に対して精度を向上させることが出来る。 また、一
般に、被検試料は、光吸収により温度が変化し、更に、
光の波長が異なれば光吸収の量も変化するので、複数の
波長光を別個に用いて測定した場合、被検試料の温度変
化を全ての測定で統一することは困難である。が、本発
明ではポリクロマティック分光器により複数の波長光を
同時に用いて計測できるので、複数の波長光に対して同
一の加熱・冷却条件下で計測することが容易に制御可能
である。 また、上記第１のポリクロマティック回折格子
分光器により集光した光が第２のポリクロマティック回
折格子分光器により分光されるまでの光路上において、
光の進路を曲げる又は集束させる光学系にレンズ系を用
いずにミラー系を使用しているので、レンズ系で生じる
色収差による誤差が回避でき、全ての波長光に対して同
一精度の測定を行うことが出来る。 更に、上記計測装置
は、フィゾー干渉光の強度（Ｉ）−観測温度（Ｔ）座標
上に表される各波長光についての干渉縞波形を記憶し
て、この干渉縞波形に基づく各波長光に対する被検試料
の屈折率の温度係数を演算する。即ち、この計測装置で
は、各温度における干渉強度をほぼ連続的に計測して記
憶しているので、ｄｎ／ｄＴの算出方法として、各観測
温度毎の細かいｄｎ／ｄＴを求めることも出来るし、各
温度毎に生じる測定誤差（偶然誤差）の影響を全測定範
囲において平均化してｄｎ／ｄＴを求めることも出来
る。

【０００５】上記本発明の測定装置において、予め被検
試料の線膨張係数が別途の測定により既知であれば、こ
れを用いて同時に多波長の各光に対するｄｎ／ｄＴを測
定することもできる。しかし、このように２つの測定を
別々に行うのは同様に非能率的であるうえ、測定精度の
悪化を招き易い。そこで、本発明の測定装置において
は、同一加熱、冷却過程で、被検試料の線膨張係数測定
とこのデータを用いたｄｎ／ｄＴの測定を行うよう、上
記フィゾー干渉計として、上記平行光束を２つの視野に
分離する視野絞り、および上記２つの視野に対応して被
検試料の対向平行平面間にｄｎ／ｄＴ測定用光干渉部を
設けるとともに被検試料を挟む２枚の基板により形成さ
れる空間に線膨張係数数測定用光干渉部を設けたフィゾ
ー干渉計を備え、上記計測装置が、上記光干渉部の光の
測定により被検試料の熱膨張に関する量を演算する機能
を有し、この熱膨張に関する量を用いて前記被検試料の
屈折率の温度係数を演算する構成が好ましい。この構成
により、被検試料の線膨張係数が同時に測定できると共
に、該線膨張係数がｄｎ／ｄＴの測定と同じ加熱・冷却
条件下で得られるので、ｄｎ／ｄＴの演算の際に、温度
制御による線膨張係数の測定誤差とｄｎ／ｄＴの測定誤
差との両者をキャンセルさせて、計測精度を向上加熱・
冷却工程の制御の精度誤差のを小さくすることが出来
る。

【０００６】また、フィゾー干渉計によりｄｎ／ｄＴ値
を算出する場合、所定温度域（Ｔｉ〜Ｔｊ）における干
渉縞移動数（ΔＮ）を予め求めておく必要があるが、従
来、干渉光強度（Ｉ）−温度（Ｔ）座標軸上に作図され
る干渉縞波形において温度ＴｉおよびＴｊをそれぞれ含
む１周期分のΔＮの温度幅を読み取り、ＴｉおよびＴｊ
における各強度（Ｉ）に対し、これらの各温度近傍にお
ける強度の極大値（または極小値）からのズレを加減し
て求めていた。この測定手段は、わずかのデータ点で縞
移動を読み取るため種々の偶然誤差が含まれ、測定精度
の低下を招き易い。この欠点を改善するため、本発明の
測定装置においては、フィゾー干渉光の強度（Ｉ）−観
測温度（Ｔ）座標上に表される各波長光についての干渉
縞波形を記憶する機能、この干渉縞波形の極大値および
極小値に対応するｍ個（多数個）の観測温度を読み取っ
て、このデータを干渉縞移動数（Ｎ）−温度（Ｔ）座標
上にプロットし、これらｍ個の観測点に対し、最小二乗
法によりｍ個の高次の観測方程式を求める機能、上記観
測方程式に基づいて、所定の温度域における干渉縞移動
数（ΔＮ）を求めて屈折率の温度係数を演算する機能を
有する計測装置を設けることが好ましい。

【０００７】

【実施例】つぎに、本発明の屈折率の温度係数測定装置
の好適な実施例について、図面に即して説明する。すな
わち、図１は、本実施例の装置全体の光学系および計測
系の配置説明図である。図２は、図１におけるフィゾー
干渉計Ｆと視野絞り４９の位置関係を示す拡大側断面図
であり、また図３は、図２のフィゾー干渉計主要部の平
面図である。図１にみられるとおり、波長値の異なる複
数のスペクトル光源として、近赤外スペクトルレーザ光
源１および可視・紫外スペクトル光源２、３、４がそれ
ぞれ用意されている。これらの光源の近傍に第１のポリ
クロマティック回折格子分光器Ｐ−１が設けてあり、こ
の分光器のローランド円２７上に１６〜２２および凹面
回折格子８が配置されている。近赤外スペクトル光源１
からの光は、凹面鏡６で反射し、スリット１５を通り、
平面鏡７、凹面回折格子８および平面鏡９を反射する
が、凹面回折格子８は、可視、紫外光用であるため、零
次光としてスリット２３に収束する。可視、紫外スペク
トル光源からの各波長の光は、直接または平面鏡１０〜
１４を反射してそれぞれスリット１６〜２２を通り、凹
面回折格子８および平面鏡９を反射し、スリット２３に
収束する。各光源からの光の焦点位置にあるスリット２
３からの多色光は、半透鏡２８で折り曲げられた後、コ
リメーターである凹面鏡２９で反射して平行光束とな
り、平面鏡３０で垂直上方へ折り曲げられ、視野絞り３
１を通過する。

【０００８】図２および図３にみられるとおり、フィゾ
ー干渉計Ｆにおいて、ガラス基板３２、３３の対向平面
上の各３点（Ｃ、Ｃ′）の間で平行平面を有する被検試
料３４を挟持する構造になっている。また、視野絞り３
１には、絞り窓ＡおよびＢが設けられており、ガラス基
板３２には絞り窓Ａからの光を被検試料３４に直接導入
する開口部Ａ′があり、開口部Ａ′からの光は被検試料
に設けた光干渉部Ａ″を通り、その内部上面を元の方向
へ反射する。この開口部Ａ′に対応するガラス基板３３
の平面は無反射面となっている。被検試料３４を挟むガ
ラス基板３２、３３の空間に光干渉部Ｂ′が設けてあ
り、絞り窓Ｂからの光はガラス基板３２と空間Ｂ′を通
り、ガラス基板３３の下面を元の方向へ反射する。ガラ
ス基板と被検試料は、発熱体３５および冷却管３６を付
設した金属ケース３７中に収められており、被検試料測
温用熱電対３８の先端が試料内に嵌入され、温度制御用
熱電対３８′が金属ケース３７中に埋設されている。こ
れらは図示しない真空・保温槽により囲われている。
尚、図示していないが、ガラス基板と被検試料をより迅
速に均熱化するため、これらの表面には伝熱性ペイント
を適宜塗布してあり、またこのペイント塗布面と金属ケ
ースは多数の可撓銅線で接続してある。

【０００９】フィゾー干渉計Ｆ内で生じた干渉縞を与え
る光は、元の光路に戻り、平面鏡３０、コリメーター２
９を反射し、半透鏡２８を通過する。半透鏡２８の背後
には、第２のポリクロマティック回折格子Ｐ−２が設け
てあり、この回折格子のローランド円３９上にスリット
４６〜５２および視野絞り４２を付帯した凹面回折格子
４１が配置されている。半透鏡２８を透過した光は、ス
リット４０に集光し、このスリット位置を通過した光は
平面鏡４３を反射した後、凹面回折格子４１により元の
各波長の光に分散する。このとき、視野絞りＢからの光
は視野絞り４２で除去される。これらの分散光は、それ
ぞれその焦点上に置かれたスリット４５、４６〜５２を
通過後、これらのスリット近傍に設けた平面鏡５３〜５
８を反射し、光電子増倍管５９〜６５に入射して検出さ
れる。近赤外光とすべての他の波長の光は零次光として
スリット４５に収束するが、短波長カットフィルター６
６により近赤外光以外は吸収され、近赤外光のみがフォ
トダイオード６７により検出される。可視光レーザ光源
５からの光は、ライトガイド６８を通り、スリット２３
の近くに置かれた小プリズム２５で折り曲げられスリッ
ト２６を通過した後、上記同様にフィゾー干渉計Ｆに入
り、干渉縞を与える光を生ずる。この光は、半透鏡２８
を透過した後、小プリズム６９で折り曲げられてスリッ
ト７０に収束する。この収束光の各々半分が半透鏡７
１、平面鏡７２および視野絞り７３、７４を介してそれ
ぞれ光電子増倍管７５および７６に入り検出される。こ
こで、視野絞りＡからの光は、光干渉部Ａ″においてフ
ィゾー干渉縞を与える光を生ずるが、この光は、スリッ
ト４０および視野絞り７３で制限を受け、検出器７５の
みに入り、凹面回折格子４１で分離できない波長光につ
いての温度変化による干渉縞移動数（ΔＮ）の測定に用
いられる。また、視野絞りＢからの光は、光干渉部Ｂ′
においてフィゾー干渉縞を与える光を生じ、この光は視
野絞り７４で制限を受け検出器７６のみに入り、線膨張
係数に関する干渉縞移動数（ΔＮ′）の測定に用いられ
る。

【００１０】ある波長と被検試料のｄｎ／ｄＴについ
て、ｄｎ／ｄＴ＝λΔＮ／２ＬΔＴ−ｎ・λΔＮ’／２
ＬΔＴ（関係式１）が成立し、またこの関係式の２項に
ついて、ｎ・入ΔＮ’／２ＬΔＴ＝ｎ・α（関係式２）
であることが知られている。この２項は被検試料の熱膨
張による補正項である。ここで、ΔＮおよびΔＮ’ば、
それぞれ干渉部Ａ”およびＢ’における物体の温度変化
により生じたフィゾー干渉縞λの移動数の変化であり、
Ｌは被検試料の厚さである。干渉部Ａ”における光路長
はｎＬ、干渉部Ｂ’における光路長は、真空の場合は
Ｌ、大気中の場合はｎａ・Ｌ（ｎａ；空気の屈折率）で
ある。また、αは、被検試料の線膨張係数である。光電
子増倍管５９〜６５、７５およびフォトダイオード６７
ば、各波長に対する上記関係式１項の測定用検出器であ
り、また光電子増倍管７６は上記２項の測定用検出器で
あって、所定の温度域における各波長に対する被検試料
のｄｎ／ｄＴとαを同時に測定することができる。上記
の各検出器からの出力信号を基に屈折率の温度係数を計
測するため、順次、増幅器７７、計測装置７８およびプ
リンタ７９が設けてある。

【００１１】図４は、フィゾー干渉縞の温度に対する強
度変化を記録した例であり、縦軸は干渉縞の光の強度
（Ｉ）であり、横軸は温度（Ｔ）を示している。図４の
変化曲線は、正弦波となることを示しており、温度Ｔ₁
における最小強度（Ｉｍｉｎ）からＴ₂における最大強
度（Ｉｍａｘ）を経てＴ₃におけるＩｍｉｎに至る１周
期の変化は、上記１項における縞数の変化（ΔＮ）＝１
に相当する。図１において、増幅器７７は、検出器から
の各波長光（視野絞りＡを通過する光の波長をλ₁、λ₂
…とし、視野絞りＢを通過する光の波長をλ′とする）
についての出力信号を増幅する。増幅器７７の後部に設
けた計測装置７８は、図６の系統図にみられるとおり、
上記各波長光に対応するデータ１、２…、データαおよ
び測定温度に対するデータＯを基に図４にみられる干渉
光強度（Ｉ）−温度（Ｔ）座標上の干渉縞波形を記憶す
る機能を有している。また、この波形を平滑化処理した
後、この波形の極大値および極小値を読み取り、このデ
ータを、図５にみられるとおり、干渉縞移動数（Ｎ）−
温度（Ｔ）座標上にプロットし、これらｍ個の観測点に
対し、最小二乗法によりｍ個の高次の観測方程式Ｎ
（Ｔ）（例えば３次の場合、Ｎ（Ｔ）＝ａＴ³＋ｂＴ²＋
ｃＴ＋ｄ（ａ、ｂ、ｃ、ｄは係数））を求める機能、こ
の観測方程式に基づいて、所定の温度域における干渉縞
移動数ΔＮおよびΔＮ′を求める機能、干渉縞移動数
（ΔＮ′）から被検試料のαを演算する機能および前記
関係式１および２から被検試料のｄｎ／ｄＴを演算する
機能を有している。プリンタ７９には上記の干渉縞波
形、観測方程式Ｎ（Ｔ）曲線および演算結果が表示され
る。

【００１２】本実施例の装置は、上述の構成であるた
め、所要のすべての波長光に対するｄｎ／ｄＴを同一試
料を用いて、同一の加熱、冷却条件下で同時に測定する
ことができ、また試料の線膨張係数の測定も同時に行い
得る。従って、測定誤差の介入を防止できるので、従来
技術によるよりも測定作業の能率を向上させつつ、測定
精度を格段に向上させることができる。さらに実施例の
装置てば、光学系にレンズを一切備えていず、ミラー系
で構成されているので、色収差の違いがなく、すべての
波長光に対して、同一精度の測定を行い得る利点があ
る。

【００１３】

【発明の効果】以上述べたとおり、本発明の屈折率の温
度係数測定装置は、複数のスペクトル光源、第１のボリ
クロマティック回折格子分光器、コリメーター、フィゾ
一千渉計、第２のボリクロマティック回折格子分光器お
よび光検出・計測装置、並びに、上記加熱・冷却手段に
より被検試料を加熱・冷却させる手段、フィゾー干渉光
の強度（Ｉ）−観測温度（Ｔ）座標上に表される各波長
光についての干渉縞波形を記憶する機能と、上記干渉縞
波形に基づき各波長光に対する被検試料の屈折率の温度
係数を演算する機能を有する計測装置を備えているた
め、多波長の光の各波長光について、同一加熱、冷却過
程で同期的に屈折率の温度係数を測定することができ
る。また、上記第１のポリクロマティック回折格子分光
器により集光した光が第２のポリクロマティック回折格
子分光器により分光されるまでの光路上において、光の
進路を曲げる又は集束させる光学系にレンズ系を用いず
にミラー系を使用しているので、レンズ系で生じる色収
差による誤差が回避でき、全ての波長光に対して同一精
度の測定を行うことが出来る。従って、測定作業効率の
みならず、測定精度を格段に向上することかできる。ま
た、フィゾー干渉計に被検試料の線膨張係数を測定する
ための干渉部を付設し、あるいは干渉強度検出データー
を基に多数個の高次の観測方程式を求めこれから干渉縞
移動数を求めて、ｄｎ／ｄ丁を演算する機能を有する計
測装置を設けることにより、さらに測定値の信号／雑音
比を改善して精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の屈折率の温度係数測定装置にかかる一
実施例の全体説明図である。

【図２】図１におけるフィゾー干渉計の縦断面図であ
る。

【図３】図２のフィゾー干渉計主要部の平面図である。

【図４】干渉光強度（Ｉ）−観測温度（Ｔ）座標におけ
る干渉縞検出波形説明図である。

【図５】干渉縞移動数（Ｎ）−観測温度（Ｔ）座標にお
ける干渉縞波形の極大値、極小値の打点図である。

【図６】図１における計測装置の機能系統図である。

【符号の説明】

１〜５ …光源 ２７，３９ …ローランド円 ６，７，９，１０〜１４，３０，４３，４４，５３〜５
８，７２…平面鏡 ２８，７１ …半透鏡 ８，４１ …凹面回折格子 １５，１６〜２２，２３，２６，４０，４５，４６〜５
２，７０…スリット ３１，４２，７３，７４ …視野絞り ６６ …短波長カットフィルター ５９〜６５，７５，７６ …光電子増倍管 ６７ …フォトダイオード ３２，３３ …基板ガラス ３４ …被検体試料 ３８，３８′ …熱電対 Ｆ …フィゾー干渉計 Ａ，Ｂ …絞り窓 Ａ″，Ｂ′ …光干渉部 Ｃ，Ｃ′ …被検体試料支持部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01M 11/00 G01J 3/18 G01J 9/00 G01N 21/45

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 波長域の異なる複数のスペクトル光源
   と、 上記光源からの光を所定のスリット位置に集光させる第
   １のポリクロマティック回折格子分光器と、 上記スリット位置からの光を平行光束化し、またフィゾ
   ー干渉計からの反射光を集束するコリメーターと、 被験試料の加熱・冷却手段を有するフィゾー干渉計と、 被験試料の温度変化によって得られるフィゾー干渉縞の
   変化を与える光を上記光源の持つ各スペクトル光に分光
   して所定の各スリット位置に導く第２ポリクロマティッ
   ク回折格子分光器と、 上記各スリット位置からの光を同時に検出しその出力を
   計測する光検出・計測装置とを備え、上記第１のポリクロマティック回折格子分光器により集
   光した光が第２のポリクロマティック回折格子分光器に
   より分光されるまでの光路上において、光の進路を曲げ
   る又は集束させる全光学系にミラー系を使用し、 更に、 上記加熱・冷却手段により被検試料を加熱・冷却させる
   手段と、 フィゾー干渉光の強度（Ｉ）−観測温度（Ｔ）座標上に
   表される各波長光についての干渉縞波形を記憶する機能
   と、上記干渉縞波形に基づき各波長光に対する被検試料
   の屈折率の温度係数を演算する機能を有する計測装置と
   を備え、 複数の波長光に対する被検試料屈折率の温度係数を、同
   一の加熱・冷却条件下で同時に計測すること を特徴とす
   る屈折率の温度係数測定装置。
2. 【請求項２】 上記フィゾー干渉計として、平行光束を
   ２つの視野に分離する視野絞り、および上記２つの視野
   に対応して、被検試料の平行２面間と被検試料を挟む２
   枚の基板により形成される空間にそれぞれ光干渉部を設
   けたフィゾー干渉計を備え、上記計測装置は、上記光干渉部の光の測定により被検試
   料の熱膨張に関する量を演算する機能を有し、この熱膨
   張に関する量を用いて上記被検試料の屈折率の温度係数
   を演算すること を特徴とする請求項１記載の屈折率の温
   度係数測定装置。
3. 【請求項３】 上記計測装置は、 上記干渉縞波形の極大値および極小値に対応する多数個
   （ｍ個）の観測温度を読み取って干渉縞移動数（Ｎ）−
   温度（Ｔ）座標上にプロットし、これらのｍ個の観測点
   に対し、最小二乗法によりｍ個の高次の観測方程式を求
   める機能および上記観測方程式に基づいて、所定の温度
   域における干渉縞移動数を求めて屈折率の温度係数を演
   算する機能を有していることを特徴とする請求項１又は
   ２に記載の屈折率の温度係数測定装置。