JP3077725B2 - 屈折率測定方法及びその装置 - Google Patents

屈折率測定方法及びその装置

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JP3077725B2
JP3077725B2 JP05084731A JP8473193A JP3077725B2 JP 3077725 B2 JP3077725 B2 JP 3077725B2 JP 05084731 A JP05084731 A JP 05084731A JP 8473193 A JP8473193 A JP 8473193A JP 3077725 B2 JP3077725 B2 JP 3077725B2
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賢治 川口
博司 津田
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/43Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、屈折率測定方法及びそ
の装置に関する。
【0002】
【従来の技術】流体、すなわち、液体及び気体の屈折率
を求める場合、例えば図4に示すように、光源101か
らプリズム102などのガラスと試料103との境界面
104に所定の波長、例えば589.3nmの拡散光を
照射し、その境界面104からの反射光を例えばCCD
ラインセンサを備える光検出装置105に受光させ、反
射光量の分布から上記境界面104で全反射が起こる臨
界角を検出することにより試料103の屈折率を求める
方法(全反射法)が採用される。
【0003】この方法を実施する上では、プリズム10
2と試料103との境界面104に入射する光線は、点
光源から出射された拡散光であることが理想的である
が、実際には、理想的な点光源を形成することは困難で
あり、また、あまり光線の断面積を小さくすると充分な
光強度が得られないこともあって、光源101は多かれ
少なかれ面積を有している。
【0004】そこで、境界面104と光検出装置105
との間に焦点を光検出装置105の受光面に合わせたレ
ンズ106を配置し、境界面104上の一定の面積内の
各点から平行に射出された光を光検出装置105の受光
面に収束させることにより、点光源を用いる場合と同じ
結果を得るようにしている。
【0005】理論的には、光検出装置105で検出され
る反射光量の分布は、図5に示すように全反射が起こる
臨界角に対応する臨界点を境に、全反射が起こる領域で
は光検出装置105の出力は上記全反射に対応する大き
な値となり、逆に光が透過する領域では臨界点から遠ざ
かるに従って上記光検出装置105の出力が小さくな
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記CCDラインセン
サ115を用いた光検出装置105では、測定精度はC
CDラインセンサ115を構成する受光素子の配置密度
すなわちCCDラインセンサ115の分解能に依存す
る。すなわち、図6に示すように例え理想的な受光曲線
が得られたとしても、CCDラインセンサ115の受光
素子が臨界点の位置にあるとは限らない。従って、臨界
点としては臨界点に最も近い素子P1 、P2の中のいず
れかの位置(アドレス)を取らざるを得ないので、精度
が悪くなることは必然である。
【0007】更に、上記のように面積のある光源を用い
ると、レンズ位置を調整しても全領域に渡ってピントが
合うことはない。したがって、図7の光量分布曲線8a
に示すように、実際には臨界点Pcの近傍での光検出装
置105の出力変化が鈍くなり、正確に臨界点Pcを求
められなくなる。
【0008】この現象を多少なりとも緩和しようとして
従来例では光検出装置の受光面上に正確に焦点を結ぶよ
うにレンズ位置を調整し得るようにして、各機に使用す
るレンズその他の光学系の設計値との微差、あるいはC
CDラインセンサの取付け位置等の機械的寸法の設計値
との微差によって生ずる焦点位置のずれを吸収するよう
にしている。しかしながら、上記調整は工場出荷時に製
造者側でなされることになるが、この作業ははなはだ面
倒である上、上記調整機構を備えることからコストアッ
プの原因にもなっていた。
【0009】本発明は、上記の事情を鑑みてなされたも
のであり、簡単に、かつ、安価に、広範な測定範囲にわ
たって正確に臨界点を検出できるようにした屈折率測定
方法及びその装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明に係る屈折率測定
方法は、全反射法による屈折率測定方法において、上記
の目的を達成するため、試料境界面からの反射光を受光
する光検出装置により検出された光量分布曲線をこの光
量分布曲線に対応する理論光量分布曲線で補間して臨界
角を検出することを特徴とする。
【0011】また、本発明に係る屈折率測定装置は、全
反射法による屈折率測定装置において、本発明方法を実
施できるようにするため、試料境界面からの反射光を受
光する光検出装置と、理論光量分布曲線を記憶する記憶
装置と、光検出装置により検出された光量分布曲線に対
応する理論光量分布曲線を上記記憶装置から読み出し、
光量分布曲線を理論光量分布曲線で補間して臨界点Pc
を算出する演算手段とを備える構成とする。
【0012】また、上記演算手段4は、CCDラインセ
ンサ15上のアドレスによる光の入射角度が相違するた
めに生じる出力の相違、あるいはCCDラインセンサ1
5を構成する各素子の性能の相違による出力のバラツキ
を均一にする正規化演算手段41と、また、上記光量分
布曲線8aを理論光量分布曲線8bで補間する補間演算
手段43手段をそなえている。
【0013】
【作用】光検出装置3より得られる光量分布曲線8aは
図1の実線の如くに、臨界点Pc付近で鈍りのある曲線
となる。この分布曲線8aに対して理論曲線8bを重ね
合わせると、該2つの曲線は臨界点Pc付近を除いてよ
く一致する。
【0014】従って、逆に上記光量分布曲線8aの臨界
点Pc付近を除いて、理論光量分布曲線8bと上記光量
分布曲線8aとを重ね合わせ、理論光量分布曲線8bの
臨界点を実際の臨界点Pcとすると、CCDラインセン
サの分解能にかかわりなく、また収差による分布曲線8
aの鈍りにかかわらず、高精度に臨界点Pcを算出でき
ることになる。
【0015】上記光量分布曲線8aは演算手段4で光検
出装置3の出力に対して所定の処理をすることによって
得られる。即ち、光検出装置3(CCDラインセンサ1
5)に入射する光は、該CCDラインセンサ15の位置
(アドレス)によって光の入射角度が相違し、あるいは
CCDラインセンサ15を構成する各素子の性能にバラ
ツキがあるため、各アドレスでの出力が相違する。従っ
て正規化演算手段41で上記の不均一を均一にする演算
がなされる。また、補間演算手段43で上記のように補
間のための演算がなされる。
【0016】
【実施例】図2は本発明の方法の概念図を示すものであ
り、図3は上記方法を実施する装置を示すのものであ
る。
【0017】図3の構成図に示すように、本発明の一実
施例に係る屈折率測定装置は、直角プリズム1、光源
2、CCDラインセンサ15を備えた光検出装置3、演
算手段4及び出力手段としてのCRT5を備え、光源2
から上記プリズム1の一辺の面6に向かって光線を入射
させ、該面6とこの面6に接する試料7との境界面、す
なわち、面6からの反射光を光検出装置3に受光させ、
光電変換して演算手段4に入力し、記憶手段9に光量分
布曲線8aのCCDラインセンサ15の各素子に対応す
る位置(アドレス)の光量が記憶される。
【0018】上記構成において、CCDラインセンサ1
5の長手方向中央位置がレンズ16の光軸位置に、かつ
上記CCDラインセンサ15とレンズ16の光軸が直角
である場合であって、かつ、試料7を空気とした場合を
想定すると、図2に破線で示すようにCCDラインセン
サ15上の中心位置で最も受光強度が大きく(光の入射
角度がCCDラインセンサに対して直角)、CCDライ
ンセンサ15の両端部に向う程受光強度が小さい(光の
入射角度がCCDラインセンサ15の両端程直角より小
さくなる)、いわゆるシェーデングを持った曲線8cと
なる。また、CCDラインセンサ15を構成する各素子
には感度のばら付きがある。従って、境界面に試料を載
せたとしても、上記一点鎖線で示すような光量分布曲線
8dとなり、このままの状態では正確な臨界点Pcを得
ることができない。そこで、光検出装置3より得られた
信号に対して補正をかけることが必要になる。
【0019】すなわち、演算手段4の正規化演算手段4
1では上記曲線8cの受光量を分母とし、実際の受光光
量(曲線8d)を分子として割り算を行うと、正規化さ
れた光量分布線8aを得ることができる。
【0020】上記のようにして得られた光量分布曲線8
aは、図2に示すように理論曲線8bと臨界点Pc付近
を除いてよく一致する。そこで、記憶手段9には予め理
論曲線8bを収納しておき、演算手段4の補間演算手段
43で上記光量分布曲線8aの両端部(理論曲線8bと
一致する部分)と理論曲線8bとが一致するように演算
(両曲線8a,8bの差が最小になるように両曲線を重
ねあわせる)する。臨界点Pc付近ではこの方法でも両
曲線8a,8bは一致しないが、この部分は上記したよ
うにCCDラインセンサ15の分解能の影響と、収差の
影響が光量分布曲線8aの側に現れているとみなすこと
ができるので、理論曲線8bの値を採用する。これによ
って、光量分布曲線8aが理論光量分布曲線8bによっ
て補間され、理論光量分布曲線8bの臨界点Pcを読み
取ることができる。
【0021】なお、上記の実施例において、求められた
臨界点Pcを演算手段4を介してプリンタ、通信ライン
等の周辺機器に出力することは自由である。以上のよう
に構成及び操作するようにすると、CCDラインセンサ
15の分解能にかかわらず、臨界点Pcを精度よく求め
ることができ、また光量分布曲線8aの臨界点Pc付近
の鈍りが多少大きくても正確な臨界点Pcを求めること
ができる。
【0022】即ち、表1は本発明によって求められる臨
界点Pcの位置と屈折率を示すものであり、上記臨界点
Pcの位置はCCDラインセンサ15を構成する各受光
素子の位置(アドレス)で表わしている。光量分布曲線
8aから臨界点Pcを求めようとすると、該臨界点Pc
はCCDラインセンサ15のアドレス、即ち整数で求ま
ることになるが、本発明によると各アドレスの間に臨界
点Pcがあってもそのアドレスを少数点以下の値で表す
ことができる。従って、上記従来の方法によって求めら
れるアドレス(整数値)を用いると、求められる屈折率
は10-4オーダが限度であるが、本発明によると更に1
-5オーダの屈折率を求めることが可能となる。
【0023】
【表1】
【0024】また、本願発明を用いないときには、上記
のようにCCDラインセンサ15の位置がレンズ16の
焦点の位置に正確に合っていないときには正確な臨界点
Pcを求めることができないので上記したように、レン
ズ位置調整機構を設けて対処するようにしている。しか
しながら、本願発明を用いるときには、光検出装置3の
CCDラインセンサ15の位置をレンズ16の焦点位置
に正確に合っていなくても、すなわち、各機に用いられ
るレイズ16間の焦点距離の設計値との差異、あるいは
各機のCCDラインセンサ15の取り付け位置の設計値
との差異によって光量分布の臨界点Pc付近に鈍りがあ
っても、正確な臨界点Pcを求める事ができるので、上
記調整機構を設ける必要がなくなる。
【0025】この発明はもちろん光学系が配置される密
閉ケース周囲に外部の恒温槽より所定温度の水を供給す
ることによって、試料温度を保つタイプの従来例にも適
用できることはもちろんである。
【0026】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明方法及び
本発明装置によれば、光検出装置によって検出される実
際の光量分布曲線を理論光量分布曲線によって補間する
ことにより正確な臨界点の位置を求めることができ、広
い測定範囲にわたって正確に臨界点を検出することがで
き、しかも、簡単、かつ、安価に実施できる。
【0027】また、レンズの焦点位置を調整するための
調整機構を設けなくてもよいので、この点からもコスト
を安価にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理図である。
【図2】本発明に係る一実施例の概念図である。
【図3】本発明装置の構成図である。
【図4】従来装置の構成図である。
【図5】理論上の光量分布図である。
【図6】実際に検出される光量分布図である。
【図7】実際に検出される臨界点近傍の光量分布図であ
る。
【符号の説明】
3 光検出装置 4 CPU 6 プリズムの一面 8a 光量分布曲線 8b 理論光量分布曲線 9 記憶装置 10 画像コントローラ Pc 臨界点
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 G01N 31/00 - 31/22

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 全反射法による屈折率測定方法におい
    て、試料境界面(6) からの反射光を受光する光検出装置
    (3) により検出された光量分布曲線(8a)この光量分布
    曲線(8a)に対応する理論光量分布曲線(8b)とを両者が一
    致する部分を重ね合わせ、理論光量分布曲線(8b)の臨界
    点を実際の臨界点(Pc)とするように補間することを特徴
    とする屈折率測定方法。
  2. 【請求項2】 全反射法による屈折率測定装置におい
    て、試料境界面(6) からの反射光を受光する光検出装置
    (3) と、理論光量分布曲線(8b)を記憶する記憶装置(10)
    と、光検出装置(3) により検出された光量分布曲線(8a)
    に対応する理論光量分布曲線(8b)を上記記憶装置(9) か
    ら読み出し、光量分布曲線(8a)を理論光量分布曲線(8b)
    で補間して臨界点(Pc)を算出する演算手段(4) とを備
    え、 上記演算手段(4) が更に、光検出装置(3) の出力を、試
    料として空気を用いた場合の光検出装置(3) の出力で除
    して正規化する正規化演算手段(41)と、上記光量分布曲
    線(8a)を理論光量分布曲線(8b)で補間する補間演算手段
    (43)とを備える ことを特徴とする屈折率測定装置。
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