JP3645933B2 - 材料の屈折率を測定する装置および測定法 - Google Patents
材料の屈折率を測定する装置および測定法 Download PDFInfo
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、メガネレンズのような材料の屈折率を測定する方法および装置に関する。
【0002】
【従来技術】
ガラスの屈折率を測定するために用いられる各種の従来技術がある。1つの方法においては、全反射の臨界角を測定するためのアッベ(Abbe)屈折計を用いる。この方法によれば、屈折率は、測定された臨界角の値から導出される。この方法は刊行物“Optics”by Eugene Hecht and Alfred Zajac,Published by Addison− Wesley Publishing Company,Inc. February,1979(Copyright 1974),pp.81−84.に示されている。
【0003】
ガラスの屈折率を測定するために用いられる別の方法においては、ガラスの、屈折率に依存する反射率を測定する。屈折率と反射率との関係は例えば前記の刊行物の第75頁のフレネルの式に示されている。
【0004】
ガラスの屈折率を測定するさらに別の方法においては、ガラスのサンプルブロックを貫通する光ビームの偏向角度を測定する。この方法は前記の刊行物の第62−63頁に示されている。
【0005】
前述の全部の方法は欠点を有する。例えばこれらの方法は、測定されるべき屈折率のガラスの表面の幾何学的形状が既知であることを必要とする。例えば同等の精度の屈折率の測定を行い得るには表面の曲率半径を、約0.1%の精度まで測定しなければならない。さらに最初の2つの方法は反射の測定である。これは、メガネの屈折率を測定する時は欠点を有する、何故ならばメガネは反射防止用にコーティングされていることが多いからである。
【0006】
【発明の解決すべき課題】
そのためガラスの表面の幾何学的寸法を測定せずにガラスたとえばメガネレンズのガラスの屈折率を測定する方法と装置が必要とされる。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明による第1の測定装置における次の構成により解決されている。即ちメガネレンズのサンプル材料の屈折率を測定する装置において、
実質的に空間的にコヒーレントな放射ビームのビーム源と、
実質的に空間的にコヒーレントな放射ビームに応動してサンプルビームと基準ビームを形成するビームスプリッタと、
基準ビームをビームスプリッタの方に逆反射(つまり再帰反射)するように並進可能に配置された第1の反射手段と、
メガネレンズのサンプル材料を通過したサンプルビームをビームスプリッタの方に逆反射する第2の反射手段と、
第2の反射手段の変位量を測定する手段と、
反射された基準ビームと反射されたサンプルビームとの重畳された信号を検出して、当該基準ビームと当該サンプルビームとに応動して検出器出力信号を形成するように配置されている検出器手段と、
メガネレンズのサンプル材料の厚さを測定する、サンプル厚さ測定手段と、
検出器出力信号に応動して、第1の反射手段の位置を測定し、当該第1の反射手段の位置とメガネレンズのサンプル材料の厚さに応動して、当該メガネレンズのサンプル材料の屈折率を測定する分析手段と
を有している
構成により解決されている。
【0008】
この第1の測定装置の実施において、ビーム源は発光ダイオードでありその出力はコリメートされてピンホールにより集束化される;サンプルビームと基準ビームを供給する装置はビームスプリッタである;可動の反射手段はステップモータに取り付けられている逆反射器即ちリトロレフレクタである;材料の保持手段はカリパー手段であり、このカリパー手段は、材料をビームスプリッタと逆反射器即ちリトロレフレクタから所定の距離で保持する;検出器装置は検出器を含み、検出器の出力は帯域通過濾波され、平方根平均二乗フィルタで濾波されてトリガへ加えられる。
【0009】
更に、この課題は、本発明の方法によると、
該測定方法が次のステップを有しており、即ち、
実質的に空間的にコヒーレントな放射ビームを形成するステップ;
該放射ビームをビームスプリッタによってサンプルビームと基準ビームとに分割するステップ;
基準ビームを並進可能に配置された第1の反射手段の方に配向させるステップ;
基準ビームを第1の反射手段によりビームスプリッタに逆反射つまり再帰反射させるステップ;
メガネレンズのサンプル材料をサンプルビームの経路内に保持するステップ;
サンプルビームを、第2の反射手段によって、メガネレンズのサンプル材料を通ってビームスプリッタに逆反射させるステップ;
メガネレンズのサンプル材料をビームスプリッタから所定距離に保持するステップ;
反射された基準ビームと反射されたサンプルビームをビームスプリッタを介して検出して、検出器出力信号を発生するステップ;
サンプルビームが通過する個所のメガネレンズのサンプル材料の厚さを測定するステップ;
検出器出力信号に応答して、第1の反射手段の位置を決定するステップ;
並進可能な反射手段の位置及びメガネレンズのサンプル材料の厚さに応動して、当該メガネレンズのサンプル材料の屈折率を決定するステップを有することにより解決される。
【0010】
本発明により第2の測定装置は次の構成を有する、即ち
実質的に空間的にコヒーレントな放射ビームを放射するビーム源;
コヒーレントな放射ビームに応答して、サンプルビームと基準ビームを形成する第1のビームスプリッタ手段と、
基準ビームに応答して、第1の基準ビームと第2の基準ビームとを形成する第2のビームスプリッタ手段と、
第1の基準ビームが第1のビームスプリッタ手段と第2のビームスプリッタ手段とに反射されるように、並進可能に配設された第1の反射手段と、
サンプルビームが、メガネレンズのサンプル材料を通過して逆反射つまり再帰反射されるように配設された第2の反射手段と、
第2の規準ビームが第1のビームスプリッタ手段と第2のビームスプリッタ手段とに反射されるように配設された第3の反射手段と、
第1の基準ビームと第2の基準ビームとからなる規準ビームと、検出器経路内の第1のビームスプリッタを介して反射されたサンプルビームの重畳信号を検出して、規準ビームとサンプルビームとに応答して検出器出力信号を形成するように構成された検出器と、
該検出器出力信号に応動して、第1の並進可能な反射手段の第1および第2の位置を測定し、当該第1および第2の位置に応動して、メガネレンズのサンプル材料の屈折率を測定するための分析手段を備えていることにより解決される。
【0011】
この第2の測定装置において、ビーム源は発光ダイオードであり、その出力はコリメートされピンホールにより集束される;サンプルビームと第1および第2に基準ビームを供給するは第1および第2のビームスプリッタである;可動の反射手段はステップモータに取り付けられている逆反射器即ちリトロレフレクタである;材料のための保持手段は、材料と第1および第2の逆反射器を保持するカリパー手段である;検出器手段は検出器を含み、その出力は帯域通過濾波され、値(平均二乗の平方根フィルタで濾波されてトリガへ加えられる。
【0012】
次に本発明の構成を図面を用いて説明する。
【0013】
【実施例の説明】
図1は本発明による、ガラスの表面の曲率半径を測定することなく、ガラスたとえば眼鏡レンズ8のガラスの屈折率を測定するための装置の実施例200を示す。
【0014】
本発明のこの実施例において、光源1により送出された光ビーム出力205は、コリメータレンズ2によりビーム210としてコリメートされる。本発明によれば、光源1からの出力205は短かいコヒーレント長さを有する。このコヒーレント長さは有利に数ミクロンのオーダである。適切な光源は例えば発光ダイオード(“LED”)である。
【0015】
レンズ2からのコリメートされた出力210は、焦点距離fを有するレンズ21によりビーム220として小さいピンホール22へ収束される。ピンホールの直径は実質的に次の式により与えられる。
【0016】
d=1.22λf/a (1)
ただしλはLED1からの出力の波長、aはレンズ2により形成されたコリメートされたビーム210の半径である。この結果、ピンホール22から送出されたビーム230は空間的にコヒーレントとなる。別の実施例においてはビーム230はスーパ−ルミネセント光源たとえばスーパールミネセントダイオードからの出力として供給される。スーパールミネセントダイオードは回折の制限された光源であるにもかかわらず、図1に示された拡張LED源が必要とするよりもよりクリティカル困難な合わせ(アラインメント)必要とする。
【0017】
ビーム230は、次にコリメータレンズ23により再びコリメートされてビーム240となる。ビーム240はサンプルビーム4と基準ビーム5を形成する目的でビームスプリッタ3へ入射する。
【0018】
図1に示されている様に基準ビーム5は、可動の台7の上に取り付けられている基準ミラー6へ入射するように、案内される。基準ミラー6は例えば逆反射するプリズムのような逆反射器即ちリトロレフレクタとすることができる。
【0019】
さらに図1に示されているようにサンプルビーム4はメガネレンズ8へその頂点において入射するように案内される。サンプルビーム4はメガネレンズ8を通過して、カリパー手段27の可動のアース上に取り付けられている逆反射プリズム9へ入射する。逆反射されたサンプルビーム4と逆反射された基準ビーム5は検出路91において重ねられ、この組み合わされた信号は光検出器92により案内される。
【0020】
本発明によれば基準ミラー6は一定の直線的な速度Vで可動の台7により往復運動される。本発明によれば、基準ビーム5の光学的長さがサンプルビーム4の光学的長さLに等しくなると検出器92における信号が、次の式により与えられる周波数fにより直ちに変調される:
f=2V/λ (2)
ただしλは光源1の波長である。
【0021】
図2は、検出器92により形成される検出器信号300のグラフを示す。図2において縦軸400は検出器信号300の振幅を示し、横軸410は基準ミラー7の変位を示す。
【0022】
図2に示されている様に信号の長さは光源1のコヒーレンス長さにほぼ等しく、光源1がLEDである実施例においては、信号の長さはミクロンのオーダである。
【0023】
サンプルビーム4の光学的長さLは次の式で与えられる:
L=2(d1+nd+d2) (3)
ただしd1 はメガネレンズ8の上側表面からビームスプリッタ3への距離、nはメガネ8のガラス材料の屈折率、dはメガネレンズ8の厚さ、d2 はメガネレンズ8の下側表面から逆反射器逆反射器即ちリトロレフレクタ9への距離である。本発明によれば、メガネレンズ8の屈折率nは、式(3)からnを求めることにより測定される:このことは以下の実施例によりなされる。
【0024】
本発明の方法を実施するための設定ステップの一部はメガネレンズ8の厚さdの測定を必要とする。ピン10と11を有するカリパー手段27がこの目的で用いられる。図1に示されている様に逆反射器9はカリパー手段27の可動のピン11へ固定され、カリパー手段27のピン10は干渉計プラットフォーム101へ固定されている。ピン11と逆反射器9との間の固定の距離と、ピン10と干渉計プラットフォーム101の間の固定の距離との使用が、既知の所定の値としてのd2とd1を与える。次に本発明によればメガネレンズ8の厚さdが変位センサ12により測定される。変位センサ12は、逆反射器9を保持するカリパー手段27のピンの変位量を測定する。
【0025】
変位センサ12からの電気的な読み出し信号310は制御ユニット13へ伝送される。制御ユニットはステップモータ7を駆動するための出力信号320を出力する。本発明によれば検出器92からの信号300は、帯域通過フィルタ14により帯域通過濾波される。帯域通過フィルタ14からの出力信号330は式(2)により与えられる周波数と、光源1のコヒーレンス長さに相応するパルス長さとを有する振動する信号パルスである。帯域通過フィルタ14からの出力330はさらに値(平方根平均二乗root mean square value)フィルタ15により濾波される。その目的は検出器92により発生された信号パルスすなわち信号340の包絡線を得るためである。
【0026】
次にフィルタ15からの出力信号340は入力としてトリガユニット16たとえばシュミットトリガへ加えられる。その目的は信号パルス340から時限信号350を導出するためである。時限パルス350は入力として制御ユニット13へ加えられる。
【0027】
本発明によればトリガ16からの時限信号350に応動して制御ユニット13は、トリガパルス350の瞬時におけるステップモータ7の位置を記憶する。ステップモータ7の位置は、サンプルビーム4の光路長さに等しい基準アーム長さに相応する。この光路長さは上述の式2のLに等しい。
【0028】
いまや制御ユニット13は屈折率nを求めるために式(3)を解くのに必要とされる値を有する:(a)d1とd2(前述の様にd1とd2は所定値として得られる);d(前述の様にdは変位センサ12により出力される信号310から得られる);(c)L(前述の様にLはステップモータ7の位置から得られる)。制御ユニット13はメガネレンズ8の材料の屈折率nを求めるために式(3)を解いて、この値を例えばディスプレー17に表示する。多くの方法と装置が当業者に制御ユニット13を提供するために知られている。例えば制御ユニット13は簡単に入手できるマイクロプロセッサ装置を用いて製造できる。
【0029】
図3はブロック図で本発明の選択的な実施例500を示す。これは、ガラスの表面の曲率半径を測定することなくガラスたとえばメガネレンズ8のガラスの屈折率を測定する装置である。
【0030】
以下では、図1に示された前述の実施例200とは異なる部分だけを説明する。
【0031】
図3に示されている様にビーム240は空間的にコヒーレントなコリメートされたビームである。このビームはビームスプリッタ3により分割されてサンプルビーム4と基準ビーム5になる。さらに図3に示されている様に基準ビーム5はさらに第1の基準ビーム25と第2の基準ビーム26に分割される。第1の基準ビーム25は、ステップモータにより駆動される、可動の段7の上に取り付けられている基準逆反射器6により反射される。
【0032】
第2の基準ビーム26はプラットホーム28の上に取り付けられている逆反射器127により反射される。図3に示されている様に逆反射器9のカリパー手段ピン11もプラットホーム28の上に取り付けられている。逆反射された第2の基準ビーム26はビームスプリッタ24とビームスプリッタ3により反射されて、逆反射された第1の基準ビーム25および逆反射されたサンプルビーム4と検出器ビーム路91において重ねられる。
【0033】
本発明による測定過程は次のように行なわれる。メガネレンズ8がカリパー手段ピン10と11の間に、両方のピンがメガネレンズ8と密着するように、挿入される。ビームスプリッタ3、ビームスプリッタ24と逆反射器127との間の幾何学的光路は、ビームスプリッタ3と逆反射器9との間の幾何学的光路と同じに選定される。上述のように逆反射器6は一定の直線的な速度Vで可動の段7により往復運動され、さらに検出器92は図4に示されている検出器信号600を発生する。
【0034】
図4において縦軸610は検出器信号600の振幅を示し、横軸620は基準ミラー700の変位を示す。図4における信号ピーク1001の位置は、カリパー手段27のゼロ点からの逆反射器127の位置をマークする。カリパー手段27のゼロ点は、図3におけるノギズ10と11が接触する(メガネ8がない)個所における点に相応する。その結果、図4におけるピーク1001の位置がメガネレンズ8の厚さdを測定する。図4における信号ピーク2001の位置はメガネレンズ8の光学的厚さndに依存する。ピーク1001と2001は、制御ユニット13により、図1を用いて説明した様にトリガ16から出力され信号350から測定される。次に制御ユニット13は逆反射器6の位置を求めるために、これによりdとndを求めるためにピーク1001と2001を用いる。これらの2つの数d,ndを用いて制御ユニット13はnを求めてその結果をディスクプレー17に表示する。図3に示された選択的な実施例500の利点は、図1に示された変位センサ12が必要とされないこと、および d1(メガネレンズ8の上側表面からビームスプリッタ3への距離)またはd2(メガネレンズ8の下側表面から逆反射器9への距離)を知る必要がないことである。
【0035】
図3の選択的な実施例500においては、検出器92からの信号300が帯域通過フィルタ14により帯域通過濾波される。帯域通過フィルタ14からの出力信号330は2つの振動する信号パルスである。各パルスは、式(2)により与えられる周波数と、光源1のコヒーレント長さに相応するパルス長さを有する。帯域通過フィルタ14からの出力330は、検出器92により発生される信号パルス即ち信号340の包絡線を得る目的で、値フィルタ15により濾波される。
【0036】
次に値フィルタ15からの出力信号340は入力としてトリガユニット16たとえばシュミットトリガへ、信号パルス340から時限信号350を導出するために加えられる。時限パルス350は入力として制御ユニット13へ加えられる。
【0037】
本発明によれば、トリガ16からの時限信号350に応動して制御ユニット13は、時限パルス350における各パルスの瞬時におけるステップモータ7の位置を記憶する。前述のようにピーク1001に相応するステップモータ7の位置はdを発生し、ピーク2001に相応するステップモータ7の位置はndを発生する。
【0038】
前述の本発明の特定の実施例は本発明の基本的な技術思想の単なる一例にすぎない。種々の変形は当業者にこの技術思想にもとづいて可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の有利な実施例のブロック図である。この場合、本発明は、ガラスの表面の幾何学的寸法を測定せずにガラスの屈折率を測定する装置である。
【図2】 本発明による、検出器により発生される信号図である。
【図3】 本発明の別の実施例のブロック図である。
【図4】 本発明の別の実施例による、検出器により発生される信号図である。
【符号の説明】
1 光源
2 コリメータレンズ
3 ビームスプリッタ
4 サンプルビーム
5 基準ビーム
6 基準ミラー
7 可動の段
8 メガネレンズ
9 逆反射(リトロレフレクション)プリズム
10,11 ピン
12 変位センサ
13 制御ユニット
14 帯域通過フィルタ
15 値フィルタ
16 トリガユニット
17 ディスクプレー
27 カリパー手段
92 検出器
Claims (14)
- メガネレンズのサンプル材料(8)の屈折率を測定する装置(200)において、
実質的に空間的にコヒーレントな放射ビーム(240)のビーム源(1,2,21,22)と、
前記実質的に空間的にコヒーレントな放射ビーム(240)に応動してサンプルビーム(4)と基準ビーム(5)を形成するビームスプリッタ(3)と、
前記基準ビーム(5)を前記ビームスプリッタ(3)の方に逆反射するように並進可能に配置された第1の反射手段(6)と、
前記メガネレンズのサンプル材料(8)を通過した前記サンプルビーム(4)を前記ビームスプリッタ(3)の方に逆反射する第2の反射手段(9)と、
前記第2の反射手段(9)の変位量を測定する手段と、
前記反射された基準ビーム(5)と前記反射されたサンプルビーム(4)との重畳された信号を検出して、当該基準ビーム(5)と当該サンプルビーム(4)とに応動して検出器出力信号(300)を形成するように配置されている検出器手段(92)と、
前記メガネレンズのサンプル材料(8)の厚さを測定する、サンプル厚さ測定手段(10,11,12)と、
前記検出器出力信号(300)に応動して、前記第1の反射手段(6)の位置を測定し、当該第1の反射手段(6)の位置と前記メガネレンズのサンプル材料(8)の厚さに応動して、当該メガネレンズのサンプル材料(8)の屈折率を測定する分析手段(13,14,15,16)と
を有している
ことを特徴とする、メガネレンズのサンプル材料の屈折率を測定する装置。 - ビーム源(1,2,21,22)が数ミクロンのオーダーのコヒーレント長さを有する、請求項1記載の測定装置。
- ビーム源(1,2,21,22)が発光ダイオードである、請求項2記載の装測定置。
- ビーム源(1,2,21,22)がスーパールミネセントダイオードである、請求項2記載の測定装置。
- ビーム源(1,2,21,22)が更に発光ダイオード(1)の出力をコリメートする手段(2)と、コリメートされた出力をピンホール(22)を介して集束する手段(21)とを含む、請求項3または4記載の測定装置。
- 第1の並進可能な反射手段(6)は、ステップモータ(7)に取り付けられている第1の逆反射器即ちリトロレフレクタ(6)である、請求項1〜5迄の何れか1記載の測定装置。
- サンプル厚さ測定手段(10,11,12)は、カリパ−(27)の変位量を測定する手段(12)を含む、請求項1記載の測定装置。
- 検出器(92)の出力は帯域通過濾波フィルタ(14)、平方根平均二乗フィルタ(15)に供給され、およびトリガ(16)へ供給される、請求項1から7迄の何れか1記載の測定装置。
- 第1の逆反射器即ちリトロレフレクタ(6)が実質的に一定の速度で運動される、請求項6記載の測定装置。
- メガネレンズのサンプル材料(8)の屈折率を測定する方法において、該測定方法が次のステップを有しており、即ち、
実質的に空間的にコヒーレントな放射ビーム(240)を形成するステップ;
該放射ビーム(240)をビームスプリッタによってサンプルビーム(4)と基準ビーム(5)とに分割するステップ;
前記基準ビーム(5)を並進可能に配置された第1の反射手段(6)の方に配向させるステップ;
前記基準ビーム(5)を前記第1の反射手段(6)によりビームスプリッタ(3)に逆反射させるステップ;
前記メガネレンズのサンプル材料(8)を前記サンプルビーム(4)の経路内に保持するステップ;
前記サンプルビーム(4)を、第2の反射手段(9)によって、前記メガネレンズのサンプル材料(8)を通って前記ビームスプリッタ(3)に逆反射させるステップ;
前記メガネレンズのサンプル材料(8)を前記ビームスプリッタ(3)から所定距離に保持するステップ;
前記反射された基準ビーム(5)と前記反射されたサンプルビーム(4)を前記ビームスプリッタ(3)を介して検出して、検出器出力信号(300)を発生するステップ;
前記サンプルビーム(4)が通過する個所の前記メガネレンズのサンプル材料(8)の厚さ(d)を測定するステップ;
前記検出器出力信号(300)に応答して、前記第1の反射手段(6)の位置を決定するステップ;
前記並進可能な反射手段(6)の位置及び前記メガネレンズのサンプル材料(8)の厚さに応動して、当該メガネレンズのサンプル材料(8)の屈折率を決定するステップを有することを特徴とする、材料の屈折率を測定する方法。 - メガネレンズのサンプル材料(8)の屈折率を測定する装置(500)において、
実質的に空間的にコヒーレントな放射ビーム(240)を放射するビーム源(1,2,21,22);
前記コヒーレントな放射ビーム(240)に応答して、サンプルビーム(4)と基準ビーム(5)を形成する第1のビームスプリッタ手段(3)と、
前記基準ビーム(5)に応答して、第1の基準ビーム(25)と第2の基準ビーム(26)とを形成する第2のビームスプリッタ手段(24)と、
第1の基準ビーム(25)が前記第1のビームスプリッタ手段(3)と前記第2のビームスプリッタ手段(24)とに反射されるように、並進可能に配設された第1の反射手段(6)と、
サンプルビーム(4)が、前記メガネレンズのサンプル材料(8)を通過して逆反射されるように配設された第2の反射手段(9)と、
前記第2の規準ビーム(26)が前記第1のビームスプリッタ手段(3)と前記第2のビームスプリッタ手段(24)とに反射されるように配設された第3の反射手段(127)と、
前記第1の基準ビーム(25)と前記第2の基準ビーム(26)とからなる前記規準ビーム(5)と、検出器経路(91)内の前記第1のビームスプリッタ(3)を介して反射された前記サンプルビーム(4)の重畳信号を検出して、前記規準ビーム(5)と前記サンプルビーム(4)とに応答して検出器出力信号(300)を形成するように構成された検出器(92)と、
該検出器出力信号(300)に応動して、前記第1の並進可能な反射手段(6)の第1および第2の位置を測定し、当該第1および第2の位置に応動して、前記メガネレンズのサンプル材料(8)の屈折率を測定するための分析手段(13,14,15,16)を備えていることを特徴とする、メガネレンズのサンプル材料(8)の屈折率を測定する装置(500)。 - ビーム源(1,2,21,22)が、数ミクロンのオーダーのコヒーレント長さを有する、請求項11記載の測定装置。
- ビーム源(1,2,21,22)がスーパールミネセントダイオードである、請求項12記載の測定装置。
- 並進反射手段は実質的に一定の速度で運動される、請求項11〜13迄の何れか1記載の測定装置。
Applications Claiming Priority (2)
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