JP4247372B2 - Refractive index measurement method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、液体サンプルの絶対屈折率を測定するための屈折率測定方法および装置に関する。 The present invention relates to a refractive index measuring method and apparatus for measuring an absolute refractive index of a liquid sample.
例えば非特許文献1に、複光路マイケルソン型干渉計を用いて気体サンプルの絶対屈折率を測定するための屈折率測定装置が開示されている。この複光路マイケルソン型干渉計は、単一波長の測定光を気体サンプルおよび真空に入射し、気体サンプルおよび真空それぞれに対して干渉光を得る。この屈折率測定装置は、気体サンプルに対する干渉光と真空に対する干渉光を測定することで、そのサンプルの絶対屈折率を求めている。
For example, Non-Patent
測定を行うときには、気体サンプルおよび真空を通過した測定光を反射する移動ミラーを動かす。サンプルの絶対屈折率の測定精度を向上するには、この移動ミラーを複数回動かして干渉光の測定を繰り返し行い、それぞれの測定から絶対屈折率を求め、それらの平均値をそのサンプルの屈折率として採用すればよい。
しかしながら、液体サンプルを干渉光の測定で複数回繰り返して行う場合、絶対屈折率の測定に要する時間が長くなるので、温度変動のような要因が測定に悪影響を及ぼす可能性が大きくなる。 However, when a liquid sample is repeatedly measured multiple times in the measurement of interference light, the time required for measuring the absolute refractive index becomes longer, so that there is a greater possibility that factors such as temperature fluctuation will adversely affect the measurement.
上述のような屈折率測定装置を液体サンプルの屈折率測定に応用しようとする場合には、高い測定精度や良好な再現性を得る上で難しい点があり、測定に悪影響を及ぼすような要因はできるだけ排除しなければならない。 When applying the refractive index measuring device as described above to the refractive index measurement of a liquid sample, there are difficulties in obtaining high measurement accuracy and good reproducibility. It must be eliminated as much as possible.
本発明は、このような従来の技術における課題を鑑みてなされたものであり、液体サンプルの絶対屈折率を高精度で測定することのできる屈折率測定方法および装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems in the conventional technology, and an object thereof is to provide a refractive index measurement method and apparatus capable of measuring the absolute refractive index of a liquid sample with high accuracy. .
上述の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用している。本発明の屈折率測定方法は、液体サンプルおよび真空それぞれに入射する測定光を発する光源と移動鏡とを備えたマイケルソン型干渉計を用いてサンプルの絶対屈折率を測定するための方法である。 In order to achieve the above object, the present invention adopts the following configuration. The refractive index measurement method of the present invention is a method for measuring the absolute refractive index of a sample using a Michelson interferometer having a light source that emits measurement light incident on each of the liquid sample and the vacuum and a moving mirror. .
この方法では、複数の測定区間をずらして配置する設定長だけ移動鏡が移動するときに、サンプルに対する干渉波の位相変化量と真空に対する干渉波の位相変化量とを各測定区間について取得する。移動鏡が1回移動している間に複数の測定区間について、サンプルに対する干渉波の位相変化量と真空に対する干渉波の位相変化量とを取得すると、それらの干渉波の位相変化量に基づいて各測定区間についてサンプルの絶対屈折率を計算する。例えば各測定区間についての絶対屈折率を平均することによりサンプルの絶対屈折率を決定することができる。 In this method, when the movable mirror moves by a set length in which a plurality of measurement intervals are shifted, the phase change amount of the interference wave with respect to the sample and the phase change amount of the interference wave with respect to the vacuum are acquired for each measurement interval. When the phase change amount of the interference wave with respect to the sample and the phase change amount of the interference wave with respect to the vacuum are acquired for a plurality of measurement sections while the movable mirror is moved once, based on the phase change amount of the interference wave. Calculate the absolute refractive index of the sample for each measurement interval. For example, the absolute refractive index of the sample can be determined by averaging the absolute refractive index for each measurement interval.
干渉波の位相変化量を取得する手順は、サンプルに対する干渉波形と真空に対する干渉波形とについて干渉波の周期数のカウント値を取得するとともに、サンプルおよび真空の少なくとも一方の干渉波形について振幅値を取得する手順を含むようにしてもよい。この場合、各測定区間についてサンプルの絶対屈折率を計算する手順は、取得したカウント値および振幅値に基づいて干渉波の周期単位で表した位相変化量の整数部および端数部を求める手順を含む。干渉波の周期単位で表した位相変化量の端数部も絶対屈折率の計算に用いることができるので、精度が向上する。 The procedure for acquiring the phase change amount of the interference wave is to acquire the count value of the number of periods of the interference wave for the interference waveform for the sample and the interference waveform for the vacuum, and to acquire the amplitude value for at least one of the interference waveform of the sample and the vacuum. You may make it include the procedure to do. In this case, the procedure for calculating the absolute refractive index of the sample for each measurement section includes a procedure for obtaining an integer part and a fraction part of the phase change amount expressed in units of the interference wave period based on the acquired count value and amplitude value. . Since the fractional part of the phase change amount expressed by the period of the interference wave can also be used for the calculation of the absolute refractive index, the accuracy is improved.
さらに、カウント値および振幅値を取得する手順で、真空に対する干渉波の位相変化が周期の整数倍となるときに、サンプルの干渉波形の振幅値を取得するようにしてもよい。この場合には、サンプルに対する干渉波の周期単位で表した位相変化量の端数部を用いて絶対屈折率の計算を行うことができ、真空については整数値の干渉波の位相変化量のみを得ればよい。 Furthermore, the amplitude value of the interference waveform of the sample may be acquired when the phase change of the interference wave with respect to the vacuum is an integral multiple of the period in the procedure of acquiring the count value and the amplitude value. In this case, the absolute refractive index can be calculated by using the fractional part of the phase change amount expressed by the period of the interference wave with respect to the sample, and only the integer phase change amount of the interference wave is obtained for the vacuum. Just do it.
また、干渉波の周期単位で表した位相変化量の端数部を求める手順は、真空に対する干渉波の周期数をカウントアップするときのサンプルに対する干渉波形の振幅値を取得してからカウントアップ周期の4分の1以下の時間が経過するまでに取得した振幅値に基づいて干渉波形の位相を判別する手順と、真空に対する干渉波の周期数をカウントアップするときに取得したサンプルに対する干渉波形の振幅値に基づいて端数部を求める手順とを含むようにしてもよい。このとき、振幅値の取得は、各測定区間の始点および終点に対応するときのみ行えばよい。 The procedure for obtaining the fractional part of the phase change amount expressed in units of the period of the interference wave is to obtain the amplitude value of the interference waveform with respect to the sample when counting up the number of periods of the interference wave with respect to the vacuum, and The procedure for determining the phase of the interference waveform based on the amplitude value acquired until the time of one-quarter or less has elapsed, and the amplitude of the interference waveform for the sample acquired when counting up the number of cycles of the interference wave with respect to the vacuum And a procedure for obtaining a fractional part based on the value. At this time, the amplitude value may be acquired only when it corresponds to the start point and end point of each measurement section.
また、振幅値を取得する区間の移動鏡の移動速度よりも、振幅値を取得しない区間の移動速度を速くする制御を行うようにしてもよい。このような制御により測定に必要な時間を低減することができる。 Alternatively, control may be performed to increase the moving speed of the section in which the amplitude value is not acquired, compared to the moving speed of the moving mirror in the section in which the amplitude value is acquired. Such control can reduce the time required for measurement.
また他の観点では、本発明は、上述のマイケルソン型偏光干渉計を備えた屈折率測定装置を提供する。この屈折率測定装置において、取得手段は、複数の測定区間をずらして配置する設定長だけ移動鏡が移動するときに、サンプルに対する干渉波の位相変化量と真空に対する干渉波の位相変化量とを各測定区間について取得する。計算手段は、サンプルに対する干渉波の位相変化量と真空に対する干渉波の位相変化量とに基づいて各測定区間についてサンプルの絶対屈折率を計算する。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決定することができる。 In another aspect, the present invention provides a refractive index measuring apparatus including the above-described Michelson polarization interferometer. In this refractive index measuring apparatus, the acquisition means calculates the phase change amount of the interference wave with respect to the sample and the phase change amount of the interference wave with respect to the vacuum when the movable mirror moves by a set length that is arranged by shifting a plurality of measurement sections. Obtain for each measurement interval. The calculation means calculates the absolute refractive index of the sample for each measurement section based on the phase change amount of the interference wave with respect to the sample and the phase change amount of the interference wave with respect to the vacuum. The absolute refractive index of the sample can be determined based on the absolute refractive index for each measurement interval.
この屈折率測定装置において、マイケルソン型偏光干渉計には、複数波長の光を発する光源を用いることができる。この場合に、各波長の測定光についてサンプルの絶対屈折率を決定すれば、決定した屈折率に基づいて指定波長の光に対するサンプルの絶対屈折率を決定することができる。 In this refractive index measuring apparatus, a light source that emits light of a plurality of wavelengths can be used for the Michelson polarization interferometer. In this case, if the absolute refractive index of the sample is determined for the measurement light of each wavelength, the absolute refractive index of the sample with respect to the light of the specified wavelength can be determined based on the determined refractive index.
上述のような本発明では、1回の移動鏡の移動で複数の測定区間について液体サンプルの絶対屈折率を得ることができるので、それらの値に基づいてそのサンプルの絶対屈折率を決定することにより、サンプルの絶対屈折率を高精度に測定することができる。 In the present invention as described above, since the absolute refractive index of the liquid sample can be obtained for a plurality of measurement sections with one movement of the movable mirror, the absolute refractive index of the sample is determined based on those values. Thus, the absolute refractive index of the sample can be measured with high accuracy.
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
この実施の形態における屈折率測定装置は、マイケルソン型偏光干渉計を用いて液体サンプルの絶対屈折率を測定する装置である。密度標準液として用いられる液体をサンプルにすることができる。図1は光学系の構成を示す概略斜視図であり、図2は光学系内の光路を説明する模式図である。 The refractive index measuring apparatus in this embodiment is an apparatus that measures the absolute refractive index of a liquid sample using a Michelson polarization interferometer. A liquid used as a density standard solution can be used as a sample. FIG. 1 is a schematic perspective view showing a configuration of an optical system, and FIG. 2 is a schematic diagram for explaining an optical path in the optical system.
図1および図2に示すように、このマイケルソン型偏光干渉計は、多波長レーザ光源1、無偏光ビームスプリッタ3、干渉光学回路4および測定部6を備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the Michelson polarization interferometer includes a multi-wavelength
多波長レーザ光源1は、波長の異なる複数のレーザ光を出射可能な光源である。ここでは、多波長レーザ光源1に、Heガス及びNeガスが封止された励起管と当該励起管の両端に配置された出力側ミラーと全反射ミラーを有するものを用いる。当該全反射ミラーと励起管との光学的距離を変化させることで、543nm、594nm、604nm、612nm、及び633nmの各波長のレーザ光を同一の出射口から選択的に出射できる。
The multi-wavelength
この実施の形態では、光源1から水平方向に出射されたレーザ光は、1/2波長板2に入射する。その1/2波長板2は入射光の偏光角を45度回転させる。1/2波長板2を通過したレーザ光は、キューブ型の無偏光ビームスプリッタ9に入射し、当該ビームスプリッタ9内を直進するレーザ光と、入射方向に対して水平に90度の方向に進行するレーザ光との二光束に分割される。
In this embodiment, laser light emitted in the horizontal direction from the
ビームスプリッタ9内を直進したレーザ光は、キューブ型の無偏光ビームスプリッタ3に入射し、ここでも二光束に分割される。一方は、当該ビームスプリッタ3内を直進し、他方は、ビームスプリッタ9で水平に90度の方向に進行したレーザ光と逆の向きに進行する。
The laser beam that has traveled straight through the
無偏光ビームスプリッタ3から、直進レーザ光の進行方向に所定距離だけ離れた位置には、直進レーザ光の進行方向を無偏光ビームスプリッタ3で90度の方向に反射されたレーザ光と同一方向に変化させるミラー5が設けられている。
At a position away from the
無偏光ビームスプリッタ3とミラー5により、多波長レーザ光源1から出射されたレーザ光は、同一方向に進行する平行なレーザ光に分割され、両レーザ光が干渉光学回路4に入射する。
The laser beam emitted from the multi-wavelength
以下では、ミラー5により進行方向が90度変化したレーザ光を真空側レーザ光L1と記述し、無偏光ビームスプリッタ3により進行方向が90度変化したレーザ光をサンプル側レーザ光L2と記述する。
Hereinafter, the laser light whose traveling direction has been changed by 90 degrees by the
干渉光学回路4は、各レーザ光を測定部6の真空領域63とサンプル領域64とにそれぞれ導入するとともに、両領域を通過したレーザ光と基準レーザ光との干渉光を生成する。
The interference
干渉光学回路4は、キューブ型の偏光ビームスプリッタ41と、当該偏光ビームスプリッタ41を直進したレーザ光の進行方向を鉛直下方に変化させるミラー42と、偏光ビームスプリッタ41の上方に配置され、鉛直下方から入射するレーザ光を点対称の位置で鉛直下方に向けて折り返すコーナキューブ46とを備える。また、偏光ビームスプリッタ41の上方及び下方、並びにミラー42の下方には、2回の通過で入射光の偏光角を90度回転させる1/4波長板43、44および45が設けられている。
The interference
図2に示すように、1/2波長板2を通過し干渉光学回路4に入射した真空側レーザ光L1は、偏光ビームスプリッタ41において、例えば、直進するs偏光(横)成分と入射方向に対して90度の方向に反射されるp偏光(縦)成分に分割される。
As shown in FIG. 2, the vacuum side laser light L1 that has passed through the half-
真空側レーザ光L1の偏光ビームスプリッタ41を直進する成分である真空側基準レーザ光L1Aは、ミラー42によって鉛直下方に反射され、測定部6の上面を構成する固定ステージ61に到達する。固定ステージ61の逆側は真空領域63およびサンプル領域64に接している。固定ステージ61はガラス製で、当該固定ステージ61の真空側基準レーザ光L1Aが入射する位置にはミラー加工が成されている。
The vacuum-side reference laser light L1A, which is a component of the vacuum-side laser light L1 that travels straight through the
真空側基準レーザ光L1Aはその鏡面部で鉛直上方に反射される。鉛直上方に反射された真空側基準レーザ光L1Aは、ミラー42を経て再び偏光ビームスプリッタ41に入射する。このとき、真空側基準レーザ光L1Aは、1/4波長板43を2回通過したことで偏光角が90度変化しているので、偏光ビームスプリッタ41において鉛直上方に反射される。
The vacuum side reference laser beam L1A is reflected vertically upward by the mirror surface portion. The vacuum-side reference laser beam L1A reflected vertically upward is incident on the
そして、コーナキューブ46に到達し、当該コーナキューブ46において鉛直下方に進行方向が変化した真空側基準レーザ光L1Aは、再度、偏光ビームスプリッタ41に入射する。1/4波長板45をさらに2回通過して偏光角が90度変化しているため、偏光ビームスプリッタ41を直進して固定ステージ61に到達する。固定ステージ61の当該位置も上述と同様にミラー加工が成されており、真空側基準レーザ光L1Aは鏡面部で鉛直上方に反射される。さらに1/4波長板44を2回通過して偏光角が90度変化した真空側基準レーザ光L1Aは、偏光ビームスプリッタ41において、当該干渉光学回路4に入射されてきた方向に反射される。このとき、真空側レーザ光L1が入出射する偏光ビームスプリッタ41の入出射面41aにおいて、真空側レーザ光L1の出射位置はコーナキューブ46での反射により入射位置と異なる水平面に位置し、偏光ビームスプリッタ41から出射された真空側レーザ光L1の光路上に無偏光ビームスプリッタ3やミラー5は位置しない。
Then, the vacuum side reference laser light L1A that has reached the
一方、真空側レーザ光L1のp偏光成分である真空側測定レーザ光L1Bは、偏光ビームスプリッタ41において鉛直下方に反射された後、真空側基準レーザ光L2Aと通過順序は異なるが、同一の光学素子を通過して真空側基準レーザ光L1Aの出射位置と同一の位置から出射される。
On the other hand, the vacuum-side measurement laser beam L1B, which is the p-polarized component of the vacuum-side laser beam L1, is reflected vertically downward by the
この真空側測長レーザ光L1Bの光路において、固定ステージ61の真空側測定レーザ光L1Bが到達する位置に透明な光導入窓61aが設けられており、真空側測定レーザ光L1Bは、当該光導入窓61aを介して真空領域63に導入され、測定部6の下端に設けられた移動ステージ62の上面に形成された鏡面で鉛直上方に反射される。真空側基準レーザ光L1Aの光路長と真空側測定レーザ光L1Bの光路長とは、固定ステージ61の上面から移動ステージ62の上面までの光学的距離の4倍(2往復)だけ異なる。
In the optical path of the vacuum-side length measuring laser beam L1B, a transparent
偏光角45度のレーザ光が通過できるよう配置した偏光板47を通過することで、真空側基準レーザ光L1Aと真空側測長レーザ光L1Bの通過成分が干渉し、この光路差に応じた光強度を有する干渉光が得られる。
By passing through the
また、サンプル側レーザ光L2についても、真空側レーザ光L1と同様に、サンプル側基準レーザ光L2Aとサンプル側測定レーザ光L2Bとに分割されて干渉光学回路4を通過し、サンプル側基準レーザ光L2Aは固定ステージ61の上面で、またサンプル側測定レーザL2Bは移動ステージ62の上面でそれぞれ反射される。移動ステージ62は液体サンプル内に浸漬されており、サンプル側測定レーザL2Bは固定ステージ61の光導入窓61bを介してサンプル領域64へ導入された後、サンプル領域64内を進行する。
Similarly to the vacuum side laser beam L1, the sample side laser beam L2 is divided into the sample side reference laser beam L2A and the sample side measurement laser beam L2B, and passes through the interference
サンプル側基準レーザ光L2Aとサンプル側測定レーザ光L2Bは、偏光ビームスプリッタ41の真空側レーザ光L1の出射位置とは異なる同一位置から出射される。このように干渉光学回路4から出射されるサンプル側レーザ光L2についても、固定ステージ61の上面から移動ステージ62の上面までの光学的距離の4倍(2往復)の光路差に応じた光強度を有する干渉光が得られる。
The sample side reference laser light L2A and the sample side measurement laser light L2B are emitted from the same position different from the emission position of the vacuum side laser light L1 of the
干渉光は、ミラー7等を介して光センサ8aおよび8bにそれぞれ入力される。センサ8aまたは8bが干渉光の光強度を検知する。光センサ8cは、多波長レーザ光源1から出力されるレーザ光の強度確認のため、無偏光ビームスプリッタ2において分割されたレーザ光の光強度を検知する。
The interference light is input to the
光センサ8aおよび8bの検知信号が真空およびサンプル領域64の液体サンプルに対する干渉強度を示す。この屈折率測定装置では、これらの検知信号からそのサンプルの絶対屈折率を得ることができる。
The detection signals of the
媒質の絶対屈折率は、真空中の光速度とその媒質中の光速度との比で定義される。媒質によって光の速度は変化しても、振動周期または周波数は変化しないので、媒質の絶対屈折率は、真空中の波長とその媒質中の波長との比で表すことができる。 The absolute refractive index of a medium is defined by the ratio between the speed of light in vacuum and the speed of light in the medium. Even if the speed of light changes depending on the medium, the vibration period or frequency does not change. Therefore, the absolute refractive index of the medium can be expressed by the ratio between the wavelength in vacuum and the wavelength in the medium.
上述のようなマイケルソン型干渉計を用いた場合、移動ミラーの移動による光路増加距離中に含まれる波の数を干渉波の周期数として観測することができる。例えば移動ステージ62の移動距離は、波長に干渉波の周期数を乗算した値の4分の1で与えられる。
When the Michelson interferometer as described above is used, the number of waves included in the optical path increase distance due to the movement of the moving mirror can be observed as the number of periods of the interference wave. For example, the moving distance of the moving
このため、媒質中の波長は、真空に対する干渉次波の位相変化量と媒質に対する干渉波の位相変化量との比に真空中の波長を乗算した値で表現することができる。このとき、絶対屈折率は、媒質に対する干渉波の位相変化量と真空に対する干渉波の位相変化量との比で与えられる。 For this reason, the wavelength in the medium can be expressed by a value obtained by multiplying the ratio of the phase change amount of the interference next wave to the vacuum and the phase change amount of the interference wave to the medium by the wavelength in the vacuum. At this time, the absolute refractive index is given by the ratio between the phase change amount of the interference wave with respect to the medium and the phase change amount of the interference wave with respect to the vacuum.
液体サンプルの屈折率については、通常用いられるオレンジ色のナトリウムD線(589.3nm)に相当する波長の安定した光を発するレーザ光源がないので、その波長での絶対屈折率を得るには、液体サンプルの屈折率の波長分散を求める必要がある。ナトリウムD線に相当する波長付近の複数の波長についてそれぞれ絶対屈折率を求め、適当な波長分散補正式で各波長での絶対屈折率の値を補間することにより、ナトリウムD線に相当する波長での絶対屈折率を得る。多波長レーザ光源1は、このために用意されている。
As for the refractive index of the liquid sample, since there is no laser light source that emits stable light having a wavelength corresponding to the orange sodium D line (589.3 nm) that is normally used, in order to obtain the absolute refractive index at that wavelength, It is necessary to determine the chromatic dispersion of the refractive index of the liquid sample. By calculating the absolute refractive index for each of a plurality of wavelengths near the wavelength corresponding to the sodium D line and interpolating the value of the absolute refractive index at each wavelength with an appropriate chromatic dispersion correction formula, Get the absolute refractive index of. The multi-wavelength
図3は、多波長レーザ光源1が出射することのできる光の波長の範囲における純水20℃についての分散の影響を示す。この図において、黒丸の点が、多波長レーザ光源1が出射することのできる光の各波長に対応する。白丸の点は、ナトリウムD線の波長に対応する。ナトリウムD線に相当する波長での屈折率と594nmの波長での屈折率とでは、屈折率に150×10-6の差がある。液体サンプルの絶対屈折率を求める装置には、5×10-6程度の精度と1×10-6程度の再現性が望まれるため、各波長での絶対屈折率の値を高精度に補間する必要がある。
FIG. 3 shows the influence of dispersion on pure water at 20 ° C. in the wavelength range of light that can be emitted from the multi-wavelength
多波長レーザ光源1から出射される光の各波長について干渉次数の比を精度良く得るため、この実施の形態における屈折率測定装置は、図4に示すように、信号処理手段100および制御手段200を備える。
In order to accurately obtain the ratio of the interference orders for each wavelength of the light emitted from the multi-wavelength
信号処理手段100は、取得手段101、計算手段102および決定手段103を備え、制御手段200からの指令に従い干渉計からの信号を処理する。
The
取得手段101は、制御手段200の制御により設定長だけ移動ミラーが移動するときに、サンプルに対する干渉波の位相変化量と真空に対する干渉波の位相変化量とを複数の測定区間毎に取得する。図5は設定長と測定区間との関係の一例を示す。この例では、その設定長に、同じ長さLの複数の測定区間が量Δだけずらして配置されている。このずれ量Δは、ここでは真空中の測定光の波長に対応する。この例では、3つの測定区間があるため、設定長は各測定区間の長さにずれ量Δの2倍を加算した値と等しくなる。このような各測定区間についてサンプルに対する干渉波の位相変化量と真空に対する干渉波の位相変化量をカウントする。移動ミラーの1回の移動で、サンプルに対する干渉波の位相変化量と真空に対する干渉波の位相変化量がそれぞれ複数取得される。
The
取得手段101を実現するために、図6に示すような信号処理回路を用いることができる。この信号処理回路において、センサ8aおよび8bからの検知信号はそれぞれI/V変換器301aおよび301bに入力される。I/V変換器301aまたは101bは、センサ8aまたは8bからの電流信号を電圧信号に変換して増幅器302aまたは302bへ出力する。増幅器302aまたは302bにより増幅された信号は、ゲインコントローラ303aまたは303bに入力される。ゲイン調整が適当に行われた信号は、ゼロクロス判別回路304aおよび304bにそれぞれ入力される。ゼロクロス判別回路304aおよび304bには、コンパレータを用いることができる。図7には、ゼロクロス判別回路304aまたは304bへの入力信号と、その回路304aまたは304bからカウンタ305aまたは305bへ出力される信号が示されている。図7で上側の2つの信号が、ゼロクロス判別回路304bの入力信号および出力信号に対応し、下側の2つの信号がゼロクロス判別回路304aの入力信号および出力信号に対応する。カウンタ305aおよび305bはゼロクロス判別回路304aから入力された信号の立ち上がりでそれぞれカウントアップする。各測定区間の始点および終点に対応するときに、カウンタ305aおよび305bのカウント値がメモリ306aおよび306bにそれぞれ記憶される。移動ステージ62が移動する間はカウンタ305aおよび305bをカウントアップする。
In order to realize the
計算手段102は、サンプルに対する干渉波の位相変化量と真空に対する干渉波の位相変化量とに基づいて各測定区間についてサンプルの絶対屈折率を計算する。この計算の機能には、CPU(Central Processing Unit)やメモリを含む演算回路307を用いることができる。演算回路307は、各測定区間に対応するカウント値をメモリ306aおよび306bから読み出し、メモリ306bから読み出した値をメモリ306aから読み出した値で割ることで、サンプルに対する干渉次数と真空に対する干渉次数との比を各測定区間について計算する。この計算によりサンプルの絶対屈折率が各測定区間について得られる。
The calculation means 102 calculates the absolute refractive index of the sample for each measurement section based on the phase change amount of the interference wave with respect to the sample and the phase change amount of the interference wave with respect to the vacuum. An
決定手段103は、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決定する。この決定の機能にも演算回路307を用いることができる。演算回路307は、各測定期間について計算した絶対屈折率を平均することにより、サンプルの絶対屈折率を決定する。
The
上述のように複数の波長について絶対屈折率を決定する必要がある場合には、決定手段103が、各波長の測定光についてサンプルの絶対屈折率を決定するとともに、決定した屈折率に基づいて指定波長の光に対するサンプルの絶対屈折率を決定するようにしてもよい。この場合、演算回路307は、各波長についてサンプルの絶対屈折率が決定すると、波長分散補正式の係数をそれらの値から定める。そして、得られた波長分散補正式から、ナトリウムD線に相当する波長のように指定波長の光に対するサンプルの絶対屈折率を決定する。
When it is necessary to determine the absolute refractive index for a plurality of wavelengths as described above, the determining
演算回路307に上述のような計算や決定の機能を行わせるせるため、演算回路307のメモリには、その機能に対応した信号処理プログラムが読み出される。演算回路307のCPUは、その信号処理プログラムの指令に従い、計算や決定のための手順を実行する。
In order to cause the
ところで、移動ミラーの移動範囲の制限により、十分な精度を確保するためには、カウンタ値から得られるような整数値だけでなく干渉波の周期単位で表した位相変化量の端数部が必要とされる場合がある。図8に示すように、干渉波の周期単位で表した位相変化量の端数部は、測定区間の始点付近の位相もしくは終点付近の位相またはその両方に対応する。このような端数部を整数部に加算して干渉波の位相変化量を定めることで、絶対屈折率の精度を向上させることができる。サンプルおよび真空の両方に対して端数部を用いる必要は必ずしもなく、サンプルおよび真空の一方に対する干渉波の周期単位で表した位相変化量の整数部の倍数に測定区間を設定すれば、他方に対する干渉波の周期単位で表した位相変化量の端数部のみを用いればよい。例えば真空に対する干渉波の周期単位で表した位相変化量の整数部の倍数に測定区間を設定するのであれば、サンプルに対する干渉波の周期単位で表した位相変化量の端数部のみを絶対屈折率の計算に用いる。 By the way, in order to ensure sufficient accuracy due to the limitation of the moving range of the moving mirror, not only the integer value obtained from the counter value but also the fractional part of the phase change amount expressed by the period of the interference wave is required. May be. As shown in FIG. 8, the fractional part of the phase change amount expressed in units of the interference wave period corresponds to the phase near the start point of the measurement section, the phase near the end point, or both. By adding the fractional part to the integer part to determine the phase change amount of the interference wave, the accuracy of the absolute refractive index can be improved. It is not always necessary to use a fractional part for both the sample and the vacuum. If the measurement interval is set to a multiple of the integer part of the phase change amount expressed by the period of the interference wave for one of the sample and the vacuum, the interference to the other Only the fractional part of the phase change amount expressed in units of wave cycles may be used. For example, if the measurement interval is set to a multiple of an integer part of the phase change amount expressed in units of the interference wave relative to the vacuum, only the fractional part of the phase change amount expressed in units of the interference wave period relative to the sample is the absolute refractive index. Used to calculate
干渉波の周期単位で表した位相変化量の端数部は、計算手段102が求めるようにすればよい。そのために、取得手段101は、サンプルに対する干渉波形と真空に対する干渉波形とについて波の数のカウント値を取得するとともに、サンプルおよび真空の少なくとも一方の干渉波形について振幅値を取得する。そして、計算手段102は、取得されたカウント値および振幅値に基づいて干渉波の周期単位で表した位相変化量の端数部を求める。
What is necessary is just to make the calculation means 102 obtain | require the fractional part of the phase change amount represented by the period unit of the interference wave. For this purpose, the
この機能にも演算回路307を用いるのであれば、図6に示すように、ホールド回路308およびA/D変換器309を信号処理回路にさらに備える。ここでは、ホールド回路308は、真空に対する干渉波の周期数をカウントアップするときにゲインコントローラ303aから出力されているアナログ振幅値をホールドする。またホールド回路308は、真空に対する干渉波形の波の数がカウントアップされてから所定時間後にもゲインコントローラ303aから出力されているアナログ振幅値をホールドする。所定時間は、カウントアップ周期の4分の1以下の時間である。A/D変換器309は、ホールドされたアナログ値をデジタル値に変換して演算回路307に出力する。このような振幅値の取得は、各測定区間の始点および終点に対応するときのみ行えばよい。
If the
演算回路307は、真空に対する干渉波の周期数がカウントアップされてから所定時間経過したときにホールドされた振幅値のデータに基づいて干渉波形の位相を判別する。例えば真空に対する干渉波の周期数がカウントアップされたときの振幅値が正であり、その値よりも所定時間経過後の値が大きければ、位相は0から波長の4分の1までの値であると判別する。真空に対する干渉波の周期数がカウントアップされたときの振幅値よりも所定時間経過後の値が小さければ、位相は波長の4分の1から2分の1までの値であると判別する。
The
そして、演算回路307は、真空に対する干渉波の周期数をカウントアップするときに取得したサンプルに対する干渉波形の振幅値と判別した位相とに基づいて干渉次数の端数部を求める。真空に対する干渉波の周期数がカウントアップされたときの振幅値を逆正弦関数に代入して端数部の値を求め、判別した位相に基づいて値を選択する。
Then, the
制御手段200は、このような信号処理手段100の制御の他、移動ミラーの移動や波長の切替の制御を行う。駆動手段201は移動ミラーを駆動する。ここでは、駆動手段201は移動ステージ62を駆動するモータである。
In addition to the control of the
制御手段200には、CPUやメモリを備えた演算回路310を用いることができる。演算回路310に制御の機能を行わせるせるため、演算回路310のメモリには、その機能に対応した制御プログラムが読み出される。演算回路310のCPUは、その制御プログラムの指令に従い、本発明の屈折率測定方法に対応する手順を実行する。図9は屈折率測定装置の動作手順の一例を説明するためのフローチャートである。
As the control means 200, an
多波長光源1から出射される光の各波長についてサンプルの絶対屈折率を測定するとき、演算回路310のCPUは、まずモータを低速で動作させる(S1)。図10に示すように、移動ステージ62の移動速度が速度V1まで上昇してから安定すると(S2)、測定が開始し(S3)、カウンタ305aおよび305bがカウントを開始する(S4)。また、カウンタ305bがカウントアップするときホールド回路308はアナログ振幅値をホールドし、カウンタ305aおよび305bのカウント値をメモリ306aおよび306bにそれぞれ記憶する。(S5)。さらに、カウンタ305bがカウントアップしてから所定時間経過したときも、ホールド回路308はアナログ振幅値をホールドする(S6)。ここでは、カウンタ305bのカウント値が0から9になるまでの間、手順S5およびS6を繰り返す(S7)。図7は、測定開始付近の信号を示している。図7中の白丸はサンプルされたアナログ振幅値を示す。カウンタ305bのカウント値が0から9になるまでの間、カウンタ305bがカウントアップする度に、アナログ振幅値がサンプルされている。またカウンタ305bがカウントアップしてから所定時間が経過する度にも、アナログ振幅値がサンプルされている。
When measuring the absolute refractive index of the sample for each wavelength of light emitted from the multi-wavelength
このようにして合計20個のアナログ振幅値のサンプルが完了すると、カウンタ305aおよび305bによりカウントは継続したまま、演算回路310のCPUはモータの速度を増加させる(S8)。移動ステージ62の移動速度が速度V1よりも大きな速度V2まで上昇してから安定すると、それから予め指定された時間だけその状態を維持する(S9)。指定時間が経過すると、演算回路310のCPUはモータの速度を減少させる(S10)。移動ステージ62の移動速度が速度V1まで低下しその速度で安定すると(S11)、測定開始直後と同様に、カウンタ305bがカウントアップするときホールド回路308がアナログ振幅値をホールドし、カウンタ305aおよび305bのカウント値をメモリ306aおよび306bにそれぞれ記憶する。(S12)。さらに、カウンタ305bがカウントアップしてから所定時間経過したときも、ホールド回路308はアナログ振幅値をホールドする(S13)。ここでは、移動ステージ62の移動速度が速度V1で安定してから、カウンタ305bのカウント値が9だけ増える間、手順S12およびS13を繰り返す(S14)。またそのカウント値が9だけ増えたときには、カウンタ305aおよび305bによるカウントを停止し(S15)、対象波長での測定を終了する(S16)。図11は測定終了付近の信号を示す。図11に示すように、測定開始付近と同様に、測定終了付近でも20個のアナログ振幅値がサンプルされている。
When the sampling of a total of 20 analog amplitude values is completed in this way, the CPU of the
測定開始付近の20点と測定終了付近の20点のうち、カウンタ305bがカウントアップしたときの測定開始付近の10点と測定終了付近の10点は、10個の測定区間に対応する測定期間の開始点と終了点に対応する。各測定期間で計数された値が干渉波の周期単位で表した位相変化量の整数部に相当する。測定を終了すると、演算回路310のCPUはモータを停止し(S17)、信号処理回路に絶対屈折率を計算させる。
Of the 20 points near the start of measurement and the 20 points near the end of measurement, 10 points near the start of measurement when the
演算処理回路307のCPUは、各測定期間の開始点と終了点に対応する振幅値のデータに基づいて干渉波の周期単位で表した位相変化量の端数部を計算する(S18)。カウンタ305bがカウントアップしたときの測定期間の開始付近の10点SA0、SA1、…、SA9、および終了付近の10点SA10、SA11、…、SA19における振幅値が値X(SA0)、X(SA1)、…、X(SA9)、および値X(SA10)、X(SA11)、…、X(SA19)で与えられるとき、例えば点SA0における端数部F(SA0)は、
F(SA0)=Sin-1(X(SA0)/A)
で与えられる。ただし、Aは定数である。この式で得られた値F(SA0)の選択には、点SA0から所定時間経過したときの点SB0でホールドされた振幅値X(SB0)が用いられる。他の点についても同様に端数部が計算される。
The CPU of the
F (SA0) = Sin −1 (X (SA0) / A)
Given in. However, A is a constant. For selection of the value F (SA0) obtained by this equation, the amplitude value X (SB0) held at the point SB0 when a predetermined time has elapsed from the point SA0 is used. The fractional part is similarly calculated for the other points.
干渉波の周期単位で表した位相変化量の端数部を計算すると、演算回路307のCPUは、必要なデータをメモリから読み出し、各測定期間について絶対屈折率を計算する。点SA0を開始点とし点SA10を終了点とする測定期間T1については、絶対屈折率N(T1)は、
N(T1)=(CA(SA10)―CA(SA0)+(1−F(SA0))+F(SA10))/(CB(SA10)―CB(SA0))
で表すことができる。ただし、CAは開始点または終了点でのカウンタ305aのカウント値であり、CBは開始点または終了点でのカウンタ305bのカウント値である。他の測定期間T2、…、T10についても、同様に絶対屈折率が計算される。
When calculating the fractional part of the phase change amount expressed by the period of the interference wave, the CPU of the
N (T1) = (CA (SA10) −CA (SA0) + (1-F (SA0)) + F (SA10)) / (CB (SA10) −CB (SA0))
Can be expressed as However, CA is the count value of the
各測定期間について絶対屈折率を計算すると、それらの絶対屈折率を平均することにより、演算回路307のCPUは、測定波長でのサンプルの絶対屈折率を計算する(S19)。
When the absolute refractive index is calculated for each measurement period, the CPU of the
このような測定を各波長について行い各波長での絶対屈折率を計算することにより、波長分散補正式の係数を得ることができ、それに基づいてナトリウムD線に相当する波長でのサンプルの絶対屈折率を得ることができる。 By performing such measurement for each wavelength and calculating the absolute refractive index at each wavelength, the coefficient of the chromatic dispersion correction formula can be obtained, and based on this, the absolute refraction of the sample at the wavelength corresponding to the sodium D-line Rate can be obtained.
なお、この実施の形態は、本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、その範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば真空に対する干渉波の周期単位で表した位相変化量の整数部の倍数に測定区間を設定する代わりに、液体サンプルに対する干渉波の周期単位で表した位相変化量の整数部の倍数に測定区間を設定するようにしてもよい。この場合には、絶対屈折率の計算には真空に対する干渉波の周期単位で表した位相変化量の端数部が用いられる。また、測定区間は、サンプルおよび真空のいずれの干渉波の周期単位で表した位相変化量の整数部の倍数でなくともよい。この場合には、サンプルおよび真空の両方に対する干渉波の周期単位で表した位相変化量の端数部が絶対屈折率の計算に用いられる。 This embodiment does not limit the technical scope of the present invention, and various modifications and applications can be made within the scope other than those already described. For example, instead of setting the measurement interval to a multiple of the integer part of the phase change amount expressed in units of the interference wave to the vacuum, the measurement interval is set to a multiple of the integer part of the phase change amount expressed in units of the interference wave to the liquid sample. May be set. In this case, the absolute refractive index is calculated by using the fractional part of the phase change amount expressed in units of the period of the interference wave with respect to the vacuum. Further, the measurement section may not be a multiple of the integer part of the phase change amount expressed in units of the period of the interference wave of either the sample or the vacuum. In this case, the fractional part of the phase change amount expressed in units of the period of the interference wave for both the sample and the vacuum is used for the calculation of the absolute refractive index.
また、上述のような干渉計以外でも本発明を適用することは可能である。例えば実施の形態における屈折率測定装置では、液体サンプルおよび真空それぞれに入射する測定光を反射するためのステージを移動させたが、このステージは固定で、基準光を反射するステージが移動する干渉計に本発明を適用するようにしてもよい。また、サンプルに対する干渉波を得るための測定光がサンプル領域だけでなく真空領域を通過する干渉計やその他の干渉計に本発明を適用することも可能である。 Further, the present invention can be applied to other than the above interferometer. For example, in the refractive index measurement apparatus according to the embodiment, the stage for reflecting the measurement light incident on each of the liquid sample and the vacuum is moved, but this stage is fixed, and the interferometer in which the stage for reflecting the reference light moves. You may make it apply this invention to. In addition, the present invention can be applied to an interferometer or other interferometer in which measurement light for obtaining an interference wave for a sample passes not only the sample region but also the vacuum region.
本発明に係る屈折率測定装置は、1回の移動鏡の移動で得られた複数の測定区間についての絶対屈折率を利用するため、液体サンプルの絶対屈折率を高精度に測定することができ、ナトリウムD線に相当する波長での密度標準液の絶対屈折率などを得る場合に有用である。 Since the refractive index measuring device according to the present invention uses the absolute refractive index for a plurality of measurement sections obtained by one movement of the movable mirror, the absolute refractive index of the liquid sample can be measured with high accuracy. It is useful for obtaining the absolute refractive index of a density standard solution at a wavelength corresponding to the sodium D line.
8a、8b、8c 受光センサ
62 移動ステージ
100 信号処理手段
101 取得手段
102 計算手段
103 決定手段
200 制御手段
201 駆動手段
301a、301b I/V変換器
302a、302b 増幅器
303a、303b ゲインコントローラ
304a、304b ゼロクロス判別回路
305a、305b カウンタ
306a、306b メモリ
307 演算回路
308 ホールド回路
309 A/D変換器
310 演算回路
8a, 8b, 8c
Claims (9)
複数の測定区間をずらして配置する設定長だけ移動鏡が移動するときに、サンプルに対する干渉波の位相変化量と真空に対する干渉波の位相変化量とを各測定区間について取得する手順と、
サンプルに対する干渉波の位相変化量と真空に対する干渉波の位相変化量とに基づいて各測定区間についてサンプルの絶対屈折率を計算する手順と
を備えた屈折率測定方法。 A refractive index measurement method for measuring an absolute refractive index of a sample using a Michelson interferometer including a light source that emits measurement light incident on each of a liquid sample and a vacuum, and a moving mirror,
A procedure for acquiring the phase change amount of the interference wave with respect to the sample and the phase change amount of the interference wave with respect to the vacuum for each measurement interval when the movable mirror moves by a set length that is arranged by shifting a plurality of measurement intervals,
A refractive index measurement method comprising: calculating an absolute refractive index of a sample for each measurement section based on a phase change amount of an interference wave with respect to a sample and a phase change amount of an interference wave with respect to a vacuum.
各測定区間についてサンプルの絶対屈折率を計算する手順は、取得したカウント値および振幅値に基づいて干渉波の周期単位で表した位相変化量の整数部および端数部を求める手順を含む
請求項1記載の屈折率測定方法。 The procedure for acquiring the phase change amount of the interference wave is to acquire the count value of the number of periods of the interference wave for the interference waveform for the sample and the interference waveform for the vacuum, and to acquire the amplitude value for at least one of the interference waveform of the sample and the vacuum. Including steps to
The procedure for calculating the absolute refractive index of the sample for each measurement section includes a procedure for obtaining an integer part and a fraction part of the phase change amount expressed in units of the interference wave period based on the acquired count value and amplitude value. The refractive index measuring method as described.
複数の測定区間をずらして配置する設定長だけ移動鏡が移動するときに、サンプルに対する干渉波の位相変化量と真空に対する干渉波の位相変化量とを各測定区間について取得する手段と、
サンプルに対する干渉波の位相変化量と真空に対する干渉波の位相変化量とに基づいて各測定区間についてサンプルの絶対屈折率を計算する手段と
を備えた屈折率測定装置。 Michelson interferometer equipped with a light source that emits measurement light incident on each of the liquid sample and the vacuum and a moving mirror;
Means for acquiring, for each measurement section, the phase change amount of the interference wave with respect to the sample and the phase change amount of the interference wave with respect to the vacuum when the movable mirror moves by a set length that is arranged by shifting a plurality of measurement sections;
A refractive index measurement device comprising: means for calculating an absolute refractive index of a sample for each measurement section based on a phase change amount of an interference wave with respect to a sample and a phase change amount of an interference wave with respect to a vacuum.
各波長の測定光についてサンプルの絶対屈折率を決定するとともに、決定した屈折率に基づいて指定波長の光に対するサンプルの絶対屈折率を決定する請求項8記載の屈折率測定装置。 The light source is a light source that emits light of a plurality of wavelengths,
9. The refractive index measuring apparatus according to claim 8, wherein the absolute refractive index of the sample is determined for the measurement light of each wavelength, and the absolute refractive index of the sample with respect to the light of the specified wavelength is determined based on the determined refractive index.
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