JP5777624B2 - 屈折率測定装置及び屈折率測定方法 - Google Patents
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Description
また、光の干渉現象を利用した屈折率測定装置が提案されている(例えば、特開2002−168780号公報を参照)。
さらに、光の回折現象を利用した屈折率の測定方法が提案されている。そのような測定方法の一つとして、例えば、特開2006−170727号公報には、非重合性液晶と、重合性モノマあるいはプレポリマと、光重合開始剤からなる組成物を二光束干渉露光により露光して、光学的異方性を示す領域と光学的等方性を示す領域とからなる周期的構造を形成した回折素子である偏光分離素子の屈折率変調量を測定する偏光分離素子の評価方法が開示されている。この方法は、偏光分離素子の温度を制御しつつ、偏光分離素子にレーザ光を照射して回折効率を測定し、屈折率変調量と回折効率の関係、及び回折効率の温度特性から、回折効率に対応する屈折率変調量を特定する。
さらに、特開2007−292509号公報には、回折素子を覆う試料の屈折率を、回折素子の0次回折効率を測定し、測定された0次回折効率と回折格子の格子形状を用いて算出された理論回折効率とが最も一致する屈折率として同定する屈折率測定方法が開示されている。
さらに、上記の回折現象を利用する屈折率測定方法では、被測定物の温度を変えたり、被測定物に照射する光の波長を変えて、回折効率を複数回測定する必要が有り、そのため、測定手順が煩雑であった。
図2Aは、測定セルの一例の概略側面断面図である。
図2Bは、測定セルの他の一例の概略側面断面図である。
図3は、屈折率1.69を持つ試料についての、回折光の光量の測定値から求められた回折効率の値に対して、誤差統計量が最小となる、回折効率の計算式に基づいて算出された回折効率の値を表す実験結果の一例を表すグラフである。
図4は、屈折率測定方法のフローチャートである。
図5は、他の実施形態による測定セルの概略側面断面図である。
図6は、図5に示された測定セルを用いる、他の実施形態による屈折率測定装置の概略構成図である。
図2A及び図2Bは、それぞれ、測定セル12の一例の概略側面断面図である。測定セル12は、互いに対して略平行に配置される2枚の基板121、122と、基板121と基板122の間において、基板121上に形成された回折格子123とを有する。なお、基板121と基板122の間に、回折格子123が形成されていない空間があってもよい。そして屈折率の測定対象となる試料124は、基板121と基板122の間の空間のうち、回折格子123が形成されていない空間に充填される。また、基板121と基板122の間に、回折格子123及び充填された試料124を囲むように、試料124が測定セル12から漏洩することを防止するための封止材(図示せず)が設けられる。
光源10からの入射光は、基板121の外側から、基板121の外側の面121aに対して略垂直に入射し、その入射光は回折格子123にて回折され、基板122を通って出射する。
各ステップ構造123−1〜123−nは、上記の第1の方向に対して形状が変化し、一方、第1の方向と直交する方向に対しては形状が変化しない1次元的な構造を有する。各ステップ構造123−1〜123−nが持つステップ数は、例えば、1〜8の何れかに設定される。なお、ステップ数が多いほど回折効率も高くなる。そこで、例えば、ステップ構造を形成する材料と試料124の屈折率との差が小さく、各回折次数に対して得られる回折効率が低いほど、ステップ数が多い方が好ましい。あるいは、ステップ構造の材料を変え、ステップ構造の屈折率と試料124の屈折率との差を大きくしても、ステップ数を多くするのと同様に測定精度が向上する。
各ステップの高さ(すなわち、基板121の面121bに対する法線方向の長さ)は同一であり、一つのステップの高さは、例えば、入射光の波長の数分の1〜数倍程度に設定される。例えば、ステップ数が4である場合、波長650nmの入射光に対して、各ステップの高さは570nmに設定される。またステップ数が1である場合、波長650nmの入射光に対して、一つのステップの高さは、例えば、2280nmに設定される。あるいは、ステップ数が8である場合、波長650nmの入射光に対して、各ステップの高さは285nmに設定される。
所定のピッチは、回折格子123が入射光を回折させるように、例えば、数μm〜数10μm程度に設定される。
そのために、検出器13は、例えば、フォトダイオード、CCD、またはC−MOSといった、受光した光の光量に応じた電気信号を出力する光電変換素子を有する。あるいは検出器13は、そのような光電変換素子が一列または2次元アレイ状に並べられたものであってもよい。そして検出器13はコントローラ15と接続され、受光した光の光量に応じた電気信号をコントローラ15へ出力する。
なお、検出器13が、1次元または2次元アレイ状に配置された複数の光電変換素子を有し、一度に複数の次数の回折光を受光できる場合、可動ステージ14は省略され、検出器13は支持部材(図示せず)に固定的に取り付けられてもよい。この場合、検出器13は、光電変換素子ごとに、受光した光量に応じた電気信号をコントローラ15へ出力する。そしてコントローラ15は、着目する回折次数に対応する位置の光電変換素子からの電気信号に基づいて、その着目する回折次数に相当する光量を求めることができる。
そのために、コントローラ15は、インターフェース部151と、記憶部152と、制御部153とを有する。
インターフェース部151は、例えば、RS232C、あるいはUSBといった所定の通信規格に従ったインターフェース回路を有する。そしてインターフェース部151は、検出器13から測定された光の光量を表す電気信号を受信し、その電気信号を制御部153へ渡す。
ここでηmは、m次の回折次数における回折効率を表す。Pは隣接するステップ構造間のピッチ(すなわち、回折格子のピッチ)であり、Nは、各ステップ構造が有するステップ数である。またφは、入射光の波長に対する各ステップ構造が有するステップの一つにおいて生じる光路差の比率であり、次式で表される。
ここでn1、n2は、それぞれ、ステップ構造を形成する材料の屈折率及び測定セル12に充填された試料の屈折率であり、Dはステップ構造の一つのステップの高さである。λは入射光の波長を表す。
なお、制御部153は、測定セル12内の回折格子が含まれない部分を透過した光の全光量を検出器13で検出し、各回折次数の光量をその全光量で割ることにより、各回折次数の回折効率を求めてもよい。回折効率のより厳密な測定においては、事前に測定物に回折構造が形成されていない部分において、試料の透過率T(すなわち、透過光量/入射光量)を測定する。測定された回折効率Tで除した値がより真に近い回折効率となる。透過率測定のためには、測定セル12に、回折構造が付加されていない領域を設けることが好ましい。なお、その領域のサイズは、測定セル12に入射させるレーザのビームの直径に相当する、例えば、2mm〜7mmの直径を持つ円形領域をカバーするサイズであることが好ましい。
一方、制御部153は、試料124の屈折率として想定される屈折率の値及び他の既知のパラメータの値を上記の(1)式及び(2)式に入力して回折効率の第2の計算値を求める。なお、その想定される屈折率に対応する各回折次数の回折効率の第2の計算値が記憶部152に予め記憶されている場合、制御部153は、記憶部152からそれら回折効率の第2の計算値を記憶部152から読み込んで利用してもよい。これにより、制御部153は、屈折率測定時における演算量を削減できる。そして制御部153は、回折効率の第1の計算値と最も一致する回折効率の第2の計算値を与える屈折率n2を、実際に測定した試料の屈折率とする。
なお、誤差統計量を算出するために用いられる回折次数には、0次は含まれない。0次は、回折せずに透過した光に相当するためである。また誤差の統計量は、例えば、各回折次数における回折効率の第1の計算値と回折効率の第2の計算値間の誤差の2乗の総和、あるいは、各回折次数における回折効率の第1の計算値と回折効率の第2の計算値間の誤差の絶対値の総和あるいは平均値とすることができる。
制御部153は、このように少なくとも一つの回折次数の回折効率の第1の計算値と第2の計算値間の差の誤差統計量の最小値及びその最小値に対応する屈折率を求めることにより、試料の屈折率を高精度で測定することができる。
図3に示したグラフ300において、横軸は回折次数を表し、縦軸は回折効率(%)を表す。また各棒グラフは、検出器13により検出された回折光の光量の測定値から求めた回折効率の第1の計算値を表す。一方、各点301〜306は、回折効率の第1の計算値が大きい方の二つの回折次数(この例では、−1次と1次)について、誤差統計量が最小となる試料の屈折率についての回折効率の第2の計算値を表す。図3に示されるように、±3次の範囲内の各回折次数において、回折効率の第1の計算値と第2の計算値とが良好に一致している。そのため、この回折効率の第2の計算値の算出に用いた屈折率が、測定セルに充填された試料の屈折率とほぼ一致することが分かる。
光源10から発した光は、開口絞り11を通って測定セル12へ向けられる(ステップS101)。測定セル12は、その光を回折する。そこで検出器13は、測定セル12から出射した回折光のうち、少なくとも一つの回折次数における回折光の光量を検出する(ステップS102)。そして検出器13は、その回折光の光量に応じた電気信号をコントローラ15へ出力する。
コントローラ15の制御部153は、少なくとも一つの回折次数における回折光の光量の測定値に対応する試料の屈折率を特定することにより、試料の屈折率を求める(ステップS103)。具体的には、制御部153は、上記のように、試料の屈折率として想定される複数の屈折率のうち、(1)式及び(2)式に基づいてその各屈折率について求めた、各回折次数の回折効率の第2の計算値と、対応する回折次数の回折光量の測定値から求めた第1の計算値間の誤差の統計量が最小となる屈折率を、試料の屈折率とする。そしてコントローラ15の制御部153は、試料の屈折率の測定結果を記憶部152に記憶する。あるいは、制御部153は、試料の屈折率の測定結果を図示しない表示装置へ表示する。
さらに、測定セル内の回折格子が精度良く形成されていれば、既知である1次元の周期構造を持つ回折格子による回折効率は、回折理論により決定される計算式により正確に求めることができ、またその計算式により求めた回折効率の値と回折光の光量の測定値から求めた回折効率の値との誤差は小さい。そのため、この屈折率測定装置は、試料の屈折率を正確に測定することができる。また、回折を生じさせるために必要な測定セルのサイズは小さくてよいので、その測定セル内に充填される試料の量も少なくてよい。さらに、この屈折率測定装置は、測定セルに対する1回の光の照射で得られる0次以外の回折次数についての回折効率の測定値を用いて試料の屈折率を求めるので、屈折率測定の手順を簡単化できる。
さらに、試料226が液晶分子を含む場合、その液晶分子を所定の方向に配向させるための配向膜が、透明電極223及び224の表面に設けられてもよい。
なお、以下では、屈折率測定装置1と異なる点についてのみ説明する。
電源回路16は、コントローラ15からの制御信号に応じた駆動電圧を発生させ、その駆動電圧を測定セル22の透明電極223、224間に印加する。
なお、電源回路16から透明電極223、224間に印加される駆動電圧は、例えば、パルス高さ変調(PHM)またはパルス幅変調(PWM)された交流電圧とすることができる。
また、回折格子は、出射側の基板、すなわち、上記の各実施形態における第2の基板上に形成されてもよい。
10 光源
11 開口絞り
12、22 測定セル
13 検出器
14 可動ステージ
15 コントローラ
16 電源回路
121、122、221、222 透明基板
123、225 回折格子
123−1〜123−n ステップ構造
124、226 試料
223、224 透明電極
151 インターフェース部
152 記憶部
153 制御部
154 駆動回路
Claims (5)
- 光源と、
屈折率の測定対象となる試料を含み、かつ前記光源から入射した光を回折させる測定セルと、
前記測定セルから出射した回折光の0次以外の回折次数を含む少なくとも一つの回折次数の光量を検出する検出器と、
前記少なくとも一つの回折次数のうちの0次以外の回折次数における回折効率と前記試料の屈折率との関係式を用いて、前記検出器により検出された前記少なくとも一つの回折次数のうちの0次以外の回折次数における回折光の光量の測定値に対応する前記試料の屈折率を求める制御部とを有し、
前記測定セルは、
互いに対向するように配置された透明な第1の基板及び第2の基板と、
前記第1の基板と前記第2の基板の間に配置され、既知の屈折率を持つ透明材料により形成され、前記光源からの光を前記試料の屈折率と前記透明材料の屈折率との差に応じて回折する回折格子とを有し、
前記回折格子は、前記第2の基板と対向する前記第1の基板の第1の面に対して平行な第1の方向における幅が、前記第1の基板から前記第2の基板に近づくにつれてステップ状に小さくなる、前記透明材料で形成された複数の部材を有し、該複数の部材が前記第1の方向に沿って所定のピッチで周期的に配置されたバイナリ格子であり、
前記試料は前記第1の基板と前記第2の基板の間の空間のうち、前記回折格子が形成されていない空間に充填される、
屈折率測定装置。 - 前記制御部は、前記少なくとも一つの回折次数のうちの0次以外の回折次数における前記回折光の光量の測定値に基づいて当該回折次数における回折効率の第1の計算値を求め、前記試料の屈折率として想定される複数の屈折率のうち、前記少なくとも一つの回折次数のうちの0次以外の回折次数における、前記回折効率の第1の計算値と、前記想定される屈折率を前記関係式に入力することにより求められる回折効率の第2の計算値間の誤差の統計量が最小となる屈折率を前記試料の屈折率とする、請求項1に記載の屈折率測定装置。
- 前記検出器が光量を検出する前記少なくとも一つの回折次数は、0次以外の複数の回折次数を含み、
前記制御部は、前記複数の回折次数のうちで前記回折効率の第1の計算値が高い方から順に少なくとも二つの回折次数を選択し、当該選択された回折効率の第1の計算値と、前記想定される屈折率を前記関係式に入力することにより求められる回折効率の第2の計算値間の誤差の統計量が最小となる屈折率を前記試料の屈折率とする、請求項2に記載の屈折率測定装置。 - 前記測定セルは、前記第1の面に設けられた第1の透明電極と、前記第1の基板と対向する前記第2の基板の第2の面に設けられた第2の透明電極とをさらに有し、かつ前記試料は該第1の透明電極と該第2の透明電極間に配置され、
前記第1の透明電極と前記第2の透明電極との間に配置された前記試料に所定の電圧を印加する電源回路をさらに有する、請求項1〜3の何れか一項に記載の屈折率測定装置。 - 光源からの光を、互いに対向するように配置された透明な第1の基板及び第2の基板と、前記第1の基板と前記第2の基板の間に配置され、既知の屈折率を持つ透明材料により形成される回折格子と、前記第1の基板と前記第2の基板の間の空間のうち、前記回折格子が形成されていない空間に充填された屈折率の測定対象となる試料とを含む測定セルへ向けるステップと、
前記測定セルから出射した、前記透明材料の屈折率と前記試料の屈折率との差に応じた前記光源からの光の回折光の0次以外の回折次数を含む少なくとも一つの回折次数の光量を検出するステップと、
前記少なくとも一つの回折次数のうちの0次以外の回折次数における回折効率と前記試料の屈折率との関係式を用いて、前記少なくとも一つの回折次数のうちの0次以外の回折次数における回折光の光量の測定値に対応する前記試料の屈折率を求めるステップと、
を含み、
前記回折格子は、前記第2の基板と対向する前記第1の基板の第1の面に対して平行な第1の方向における幅が、前記第1の基板から前記第2の基板に近づくにつれてステップ状に小さくなる、前記透明材料で形成された複数の部材を有し、該複数の部材が前記第1の方向に沿って所定のピッチで周期的に配置されたバイナリ格子である、
屈折率測定方法。
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