JP7129061B2 - 光学特性測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学特性測定装置に関する。

従来から、ガラス等の材料の屈折率を測定する屈折率測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。屈折率測定装置においては、光源として各種ガスの放電管の輝線が用いられている。

本出願に関連する技術として、回折格子とファブリーペローエタロンとを併用した分光装置が知られている（特許文献２および３）。また、フーリエ変換型分光装置が知られている（特許文献４および５）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１１－９９７９５号公報
［特許文献２］ 特開平６－３４４３８号公報
［特許文献３］ 特開２０００－２８４３４号公報
［特許文献４］ 特開平７－２４３８０６号公報
［特許文献５］ 特開２０１８－９９０９号公報

光学特性測定装置においては、光源の長寿命化を図ることが好ましい。

本発明の第１の態様においては、光学特性測定装置を提供する。光学特性測定装置は、光源を備えてよい。光源は、光を出射してよい。光学特性測定装置は、受光部を備えてよい。受光部は、試料を透過、反射、または屈折した光を受光してよい。光学特性測定装置は、第１フィルタおよび第２フィルタを備えてよい。第２フィルタは、第１フィルタの後段に設けられてよい。第１フィルタおよび第２フィルタは、光源と受光部の間の光路に配置されてよい。第１フィルタは、第２フィルタより分解能の高さおよび自由スペクトル領域の広さの一方の値が大きくてよい。第２フィルタは、第１フィルタより分解能の高さおよび自由スペクトル領域の広さの他方の値が大きくてよい。

受光部は、第１の方向における少なくとも２つの位置に配置された受光素子を有してよい。算出部は、試料を透過、反射、または屈折した光を受光した受光素子の第１の方向における位置に基づいて試料の屈折率を算出してよい。光学特性測定装置は、入射角度調整部を更に備えてよい。入射角度調整部は、試料の前に配置されてよい。入射角度調整部は、試料への第1の方向における光の入射角を変更可能であってよい。算出部は、試料を透過、反射、または屈折した光を受光部が検出したときの入射角に基づいて試料の屈折率を算出してよい。

標準の屈折率を持つ材料と試料とが接触面で接触してよい。接触面に入射する光の光軸が接触面に対して傾いていてよい。

第１フィルタおよび第２フィルタは、試料の前段に配置されてよい。第１フィルタおよび第２フィルタは、試料の後段に配置されてよい。

光源は、スーパーコンティニューム光源であってよい。

第１フィルタおよび第２フィルタの一方は、ファブリーペローエタロン部を含んでよく、第１フィルタおよび第２フィルタの他方は、回折格子を含んでよい。

第１フィルタおよび第２フィルタの一方は、ファブリーペローエタロン部を含んでよく、第１フィルタおよび第２フィルタの他方は、試料側が凹の曲面を有する回折格子を含んでよい。

光学特性測定装置は、試料と回折格子との間にコリメートレンズまたは凹面鏡を更に備えてよい。光学特性測定装置は、試料と回折格子との間に凹面鏡を更に備えてよい。

ファブリーペローエタロン部は、一対の半透明鏡を有してよい。光学特性測定装置は、回折格子から出射される光の波長に応じて、一対の半透明鏡間の距離を制御する制御部を更に備えてよい。

ファブリーペローエタロン部は、一対の半透明鏡を有してよい。ファブリーペローエタロン部は、一対の半透明鏡の少なくとも一方の反射率を調整するための反射率調整部を有してよい。

受光部は、第１の方向と、第１の方向とは異なる第２の方向とに沿って二次元に配置された複数の受光素子を有してよい。回折格子によって分散されることによって異なる波長成分の光が第２の方向の異なる位置の受光素子によって受光されてよい。算出部は、第２の方向の異なる位置毎に試料を透過した光を受光した受光素子の第１の方向における位置に基づいて、異なる波長成分毎の試料の屈折率を算出してよい。

第１フィルタおよび第２フィルタを通過した光が、Ｈｅ放電管のｄ線、Ｈ_２放電管のＣ線およびＦ線、Ｈｇ放電管のｇ線に対応する複数の波長から選ばれた複数の波長を中心波長として有するように、制御部が、第１フィルタおよび第２フィルタを制御してよい。

本発明の第２の態様においては、光学特性測定装置を提供する。光学特性測定装置は、光源を備えてよい。光源は、光を出射してよい。光学特性測定装置は、光路長変調部を備えてよい。光路長変調部は、光源からの光の光路長を変調させて試料に出射してよい。光学特性測定装置は、受光部を備えてよい。受光部は、第１の方向における少なくとも２つの位置に配置された受光素子を有してよい。受光部は、試料を透過、反射、または屈折した光を受光してよい。光学特性測定装置は、算出部を備えてよい。算出部は、受光部の各受光素子における受光結果を、光路長変調部における光路長を用いてフーリエ変換して、試料の屈折率スペクトルを算出してよい。

算出部は、試料を透過、反射、または屈折した光を受光した受光素子の第１の方向における位置に基づいて試料の屈折率を算出してよい。算出部は、それぞれの受光素子における受光結果に基づいて、第１の方向における各位置に入射した光の波長を算出してよい。

光路長変調部は、反射鏡を有してよい。反射鏡は、光を反射させてよい。光路長変調部は、合成部を有してよい。合成部は、光と、反射鏡からの反射光とを干渉させてよい。位置変調部は、制御部を備えてよい。制御部は、反射鏡の位置を制御して反射光の光路長を制御してよい。

位置変調部は、空間変調器を有してよい。空間変調器は、光が入射され、異なる光路長を通過した光を、第１の方向とは異なる第２の方向における異なる位置に出射してよい。

受光部は、二次元に配置された複数の受光素子を有してよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明の第１実施形態における光学特性測定装置１００の概略構成を示すブロック図である。 光学特性測定装置１００の他例の概略構成を示すブロック図である。 広帯域光源１１０、第１フィルタ１２０、および第２フィルタ１３０の構成例を説明する図である。 屈折率測定の一例を示す。 入射角を調整するタイプの屈折率測定の一例を示す。 光学特性測定装置１００の一例を示す。 ラインセンサの一例を示す。 二次元イメージセンサの一例を示す。 曲面回折格子を用いる光学特性測定装置１００の一例の側面図である。 曲面回折格子を用いる光学特性測定装置１００の一例の上面図である。 コリメートレンズを用いる光学特性測定装置１００の一例の側面図である。 コリメートレンズを用いる光学特性測定装置１００の一例の上面図である。 コリメートレンズを用いる光学特性測定装置１００の他の例の側面図である。 コリメートレンズを用いる光学特性測定装置１００の他の例の上面図である。 制御部１６０による制御内容の一例を示す図である。 実施例における光学特性測定装置１００を示す図である。 本発明の第２実施形態における光学特性測定装置２００の概略構成を示すブロック図である。 ビームスプリッタを用いた光学特性測定装置２００の概略構成を示す図である。 時間的に光路長を変調する光学特性測定装置２００の概略構成を示す図である。 空間変調器を有する光学特性測定装置２００の一例の側面図である。 空間変調器を有する光学特性測定装置２００の一例の上面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の第１実施形態における光学特性測定装置１００の概略構成を示すブロック図である。光学特性測定装置１００は、広帯域光源１１０、第１フィルタ１２０、第２フィルタ１３０、受光部１４０、算出部１５０、および制御部１６０を備える。光学特性測定装置１００は、光源の長寿命化を達成するために、ガス放電管の光源に代えて、広帯域光源１１０、第１フィルタ１２０、および第２フィルタ１３０を備える。

広帯域光源１１０は、光を出射する光源である。広帯域光源１１０は、スーパーコンティニューム光（ＳＣ光）を出射するスーパーコンティニューム光源（ＳＣ光源と略される）であってよい。ＳＣ光源は、光ファイバの非線形効果を利用して広帯域にわたって位相の揃った１Ｗレベルの光（ＳＣ光）を出す広帯域パルス光源である。波長範囲は光ファイバの材質に依存し、石英ファイバの場合は４００ｎｍ以上２４００ｎｍ以下である。

ＳＣ光は、超短パルスレーザから出射する高強度のパルス光を光ファイバに入射して発生させてよい。超短パルスレーザは、ピコ秒レーザまたはフェムト秒レーザであってよい。ＳＣ光源の総光強度は、０．８Ｗ以上、３Ｗ以下であってよい。但し、ＳＣ光源は、この場合に限定されない。高強度の光を光ファイバに入射すると自己位相変調、相互位相変調、四光波混合、ラマン散乱などの非線形効果が起こり、非常にブロードなスペクトル光となって出射される。ＳＣ光は、横シングルモードであり、位相が揃っている。なお、ＳＣ光源は、スペクトルが離散的で等間隔に並んだ周波数線からなる光周波数コムであるが、周波数線間の間隔が０．０００１ｎｍ程度であるので、実質的に連続スペクトルと見做される。

受光部１４０は、試料１０を透過、反射、または屈折した光を受光する。試料１０は、ガラスおよび樹脂等の材料であってよい。算出部１５０は、受光部１４０の受光結果から、試料１０の屈折率を算出する。第１フィルタ１２０および第２フィルタ１３０は、広帯域光源１１０と受光部１４０の間の光路に配置される。第２フィルタ１３０は、第１フィルタの後段に配置される。図１に示される例では、第１フィルタ１２０および第２フィルタ１３０は、試料１０の前段に配置される。

本明細書において、一部材が他部材の前段にあることは、一部材が他部材よりも光路において光源に近いことを意味し、一部材が他部材より光源に近い限りにおいて一部材と他部材の間に更に別の構成が介在する場合を含む。一部材が他部材の後段にあることは、一部材が他部材よりも光路において受光部１４０に近いことを意味し、一部材が他部材より受光部１４０に近い限りにおいて一部材と他部材の間に更に別の構成が介在する場合を含む。

図２は、光学特性測定装置１００の他例の概略構成を示すブロック図である。光学特性測定装置１００において、第１フィルタ１２０および第２フィルタ１３０は、試料１０の後段に配置されてもよい。

図３は、広帯域光源１１０、第１フィルタ１２０、および第２フィルタ１３０の構成例を説明する図である。本例において、第１フィルタ１２０および第２フィルタ１３０の一方は、ファブリーペローエタロン部１７０を含み、第１フィルタ１２０および第２フィルタ１３０の他方は、回折格子１８０を含む。回折格子１８０は、モノクロメータを構成してよい。光学特性測定装置１００は、広帯域光源１１０のＳＣ光から、ファブリーペローエタロン部１７０および回折格子１８０を用いて、光を選択する。

図３の上側に示されるとおり、前段の第１フィルタ１２０が、ファブリーペローエタロン部１７０を含み、後段の第２フィルタが回折格子１８０を含んでもよい。一方、図３の下側に示されるとおり、前段の第１フィルタ１２０が、回折格子１８０を含んでもよく、後段の第２フィルタがファブリーペローエタロン部１７０を含んでもよい。

ファブリーペローエタロン部１７０は、そのフィネスを適切に設定することで狭線幅な透過スペクトルを得ることができる。したがって、ファブリーペローエタロン部１７０の分解能は、回折格子１８０を用いたモノクロメータの分解能に比べて高い。本明細書で、分解能は、波長分解能を意味し、特に、透過スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）で評価される。透過スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）が小さくなるほど、分解能が高くなる。ファブリーペローエタロン部１７０における透過スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）は０．０１ｎｍ以下であってよい。

ファブリーペローエタロン部１７０は、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を広く設定することが容易でははい。ファブリーペローエタロン部１７０は、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）は、例えば、０．０５ｎｍである。

一方、回折格子１８０、および回折格子１８０を用いて構成されるモノクロメータは、ファブリーペローエタロン部１７０に比べて低い波長分解能を有する。すなわち、回折格子１８０を用いたモノクロメータにおける透過スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、ファブリーペローエタロン部１７０に比べて大きく、例えば、０．０５ｎｍである。モノクロメータの分解能Δλ（半値全幅ＦＷＨＭ）は、用いる回折格子１８０の逆線分散（ｄλ／ｄｘ）とスリット幅Δｘとを乗じて計算される。

本例では、一例において、逆線分散（ｄλ／ｄｘ）１．４７ｎｍ／ｍｍ、スリット幅Δｘ＝０．０３ｍｍに調整して、モノクロメータの分解能Δλを０．０５ｎｍ程度とする。モノクロメータにおける分解能Δλは、ファブリーペローエタロン部１７０の自由スペクトル領域の広さ以下としてよい。回折格子１８０の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）は、ファブリーペローエタロン部１７０の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）より広い。実質的に、回折格子１８０の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）は、広帯域光源１１０のスペクトル範囲により広い。

以上のように、第１フィルタ１２０は、第２フィルタ１３０より分解能の高さおよび自由スペクトル領域の広さの値の一方が大きい。第２フィルタ１３０は、第１フィルタ１２０より分解能の高さおよび自由スペクトル領域の広さの値の他方が大きい。

制御部１６０は、第１フィルタ１２０および第２フィルタ１３０を通過した光が、Ｈｅ放電管のｄ線（５８７．５６ｎｍ）、Ｈ_２放電管のＣ線（６５６．２７ｎｍ）およびＦ線（４８６．１３ｎｍ）、Ｈｇ放電管のｇ線（４３５．８３ｎｍ）に対応する複数の波長から選ばれた複数の波長を中心波長として有するように、第１フィルタ１２０および第２フィルタ１３０を制御してよい。これらの波長は、屈折率測定において使用される波長としてＪＩＳ規格に規定されている代表的な波長である。光学特性測定装置１００は、複数の波長のなかから測定波長を切り替えて、各波長における試料の屈折率を測定することができる。

さらに、Ｈｇ放電管のｅ線（５４６．１ｎｍ）、i線（３６５.０ｎｍ）、およびｈ線（４０４．７ｎｍ）、Ｃｄ放電管のＦ´線（４８０．０ｎｍ）およびＣ´線（６４３．９ｎｍ）、Ｈｅ放電管のｒ線（７０７．５ｎｍ）、およびＨｇ放電管のｔ線（１０１４．０ｎｍ）、およびＨｅ－Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）から選ばれた複数の波長を中心波長として有するように、制御部１６０が、第１フィルタ１２０および第２フィルタ１３０を制御してもよい。

例えば、ファブリーペローエタロン部１７０は、互いに平行になるように配置された一対の平面の半透明鏡（エタロン対）を含んでいる。一対の半透明鏡の少なくとも一方に駆動部（スキャンドライバ）が接続され、両半透明鏡間の距離が変更可能に構成されている。駆動部は、例えばピエゾ素子から構成される。

したがって、制御部１６０は、上述した波長を出力するようにモノクロメータを制御するとともに、モノクロメータの回折格子１８０から出射される光の波長に応じて、ファブリーペローエタロン部１７０の両半透明鏡間の距離を制御する。なお、複数対のファブリーペローエタロン部１７０を設けて、所望の波長に応じて複数対のファブリーペローエタロン部１７０のなかから使用するファブリーペローエタロン部１７０を選択するように構成してもよい。

このように、広帯域光源１１０、第１フィルタ１２０、第２フィルタ１３０、および制御部１６０によって、各ガス放電管を用いるのと同様の中心波長と、その波長分解能（半値全幅０．０１ｎｍ）の光を選択することができる。そして、選択した光を用いて光学特性を測定することが可能となる。光学特性の測定としては、最小偏角法、臨界角法、Ｖブロック法等が存在する。本発明の光学特性測定装置１００は、受光部１４０の受光結果から、試料１０の屈折率を算出するものであれば、すべてに適用可能である。Ｖブロック法は、屈折率の測定精度が２×１０^－５程度であり、臨界角法より高い測定精度を実現できる。また、測定が簡易である。さらに、試料の面が研磨面でなく、スリ面でも測定が可能である。

図４Ａは、屈折率測定の一例を示す。本実施形態の光学特性測定装置１００は、標準材料２０を備えてよい。標準材料２０は、光路に配置される。標準材料２０は透過性であり、標準の屈折率Ｎを有する。標準の屈折率Ｎは既知である。図４Ａの例では、標準材料２０の一の面（図４Ａでは上面）に溝２２が形成されている。標準材料２０と試料１０とが接触面２３で接触する。接触面に入射する光の光軸（図４ＡではＺ軸）は、接触面２３に対して傾いている。ここで、傾いているとは、直交していないことを意味する。

図４Ａの例では、測定を行うときには試料１０の２面の側壁１１が溝２２に当接するように載置される。光は、標準材料２０のおよび試料１０を通過し、受光部１４０によって受光される。標準材料２０および試料１０を透過した光の進行角度ｉと試料１０の屈折率ｎとは以下のような関係がある。なお、Ｎは、標準材料２０の屈折率である。

したがって、算出部１５０は、標準材料２０および試料１０を透過した光の進行角度ｉを受光部１４０の受光結果から取得して、試料１０の屈折率を算出する。

標準材料２０に入射する光の光軸方向をＺとし、標準材料２０のＶ字形状の溝２２が設けられた一の面（上面）から反対側の主面（底面）に向かう方向をＸ方向とし、Ｘ方向とＺ方向に垂直な方向をＹ方向とする。受光部１４０は、Ｘ方向（一の方向）における少なくとも２つの位置に配置された受光素子１４２を有する。そして、算出部１５０は、試料１０を透過した光を受光した受光素子１４２のＸ方向（第１の方向）における位置に基づいて試料の屈折率を算出してよい。

図４Ａでは、標準材料２０および試料１０からの出射角度を、第１の方向に沿って配置された複数の受光素子１４２による光の受光結果から算出して試料の屈折率を算出する場合を説明した。但し、光学特性測定装置１００は、この場合に限られない。

図４Ｂは、入射角を調整するタイプの光学特性測定装置１００の一例を示す。図４Ｂに示される光学特性測定装置１００は、入射角調整部１４９を備える。本例では、入射角調整部１４９は、試料１０への光の入射角を変更可能である。入射角調整部１４９は、入射角を変更するように発光側の光学系の出射角度を変化させるアクチュエータを有してよい。本例の受光部１４０は、一または複数の受光素子を有してよい。受光部１４０は、第１の方向における予め定められた位置に設けられる。本例では、光は、標準材料２０および試料１０を通過して受光部１４０で受光される。受光部１４０は、１または複数の受光素子１４２を備えていてよい。

算出部１５０は、受光部１４０が光を検出したときの入射角に基づいて、試料の屈折率を算出する。入射角調整部１４９が光の入射角を変更しつつ、受光部１４０による受光強度がピーク値をとるときの入射角が測定されてよい。受光部１４０は、２つの受光素子１４２を備えていてもよい。入射角調整部１４９が光の入射角を変更しつつ、２つの受光素子１４２が光を検出し、かつ２つの受光素子１４２が受光した受光強度の差分が最小となるときの入射角度が測定されてもよい。３以上の受光素子１４２が設けられており、算出部１５０は、３以上の受光素子１４２によって受光された受光強度をガウス曲線等の曲線にフィッティングすることによって、予め定められた曲線との間の誤差が最小となるときの入射角度が測定されてもよい。入射角の測定は、入射角調整部１４９のアクチュエータの駆動量に基づいて実行されてよい。

算出部１５０は、測定された入射角に基づいて、試料１０の屈折率を算出する。一例において算出部１５０は、上述した数式１において出射角の代わりに入射角を用いて、屈折率を算出してよい。図４Ａ、図４Ｂ，および図５では、標準材料２０および試料１０を透過して屈折した光を受光部１４０が受光する場合を説明したが、光学特性測定装置１００は、この場合に限られない。試料を透過、反射、または屈折した光を受光部１４０が受光する場合において、算出部１５０が、受光部１４０の受光結果から、試料１０の屈折率を算出する構成に広く利用することができる。

図５は、光学特性測定装置１００の一例を示す。標準材料２０は、調整機構付き光学マウント２４に取り付けられてよい。光学マウント２４は、Ｘ、Ｙ、Ｚの位置およびＸ軸を中心とする回転角度θｘ、Ｙ軸を中心とする回転角度θｙ、およびＺ軸を中心とする回転角度θｚを調整可能な調整機能を有してよい。また、レンズ２６等の光学系が試料１０と受光部１４０の間に設けられていてよい。レンズ２６等の光学系は、Ｘ、Ｙ、Ｚの位置およびＸ軸を中心とする回転角度θｘ、Ｙ軸を中心とする回転角度θｙを調整可能な調整機能を有してよい。

受光部１４０は、算出部１５０と９通信をする通信部１４４を備えてよい。通信部１４４は、リンク用インタフェースおよびドライバ回路を含んでよい。

図６は、ラインセンサの１４６一例を示す。本例において、受光部１４０は、第１の方向（Ｘ軸方向）に複数の受光素子１４２が接続されたラインセンサ１４６であってよい。試料１０を透過した光を受光した受光素子１４２のＸ方向（第１の方向）におけるピーク位置は、各受光素子１４２の受光強度に基づいて、ガウス曲線にフィッティングすることによって検出してよい。一例において、フィッティング処理によって、ラインセンサの各受光素子のサイズ（ピクセル）以下の検出精度で、ピーク位置を検出することができる。

以上のように、広帯域光源１１０、第１フィルタ１２０、第２フィルタ１３０、受光部１４０、算出部１５０、および制御部１６０を備える光学特性測定装置１００を説明したが、この構成に限られない。広帯域光源１１０の後段には、ビームエキスパンダが配置されてよく、光路上にはいくつかのレンズおよびミラー等が追加されてもよい。

Ｘ軸方向に複数の受光素子１４２が配置された一次元のラインセンサ１４６を受光部１４０として用いる場合を上述したが、受光部１４０として、二次元イメージセンサ１４８を用いてもよい。図７は、二次元イメージセンサ１４８の一例を示す。二次元イメージセンサ１４８は、第１の方向（図７では、Ｘ軸方向）と、第１の方向とは異なる第２の方向（図７では、Ｙ軸方向）とに沿って二次元に配置された複数の受光素子１４２を有する。

二次元イメージセンサ１４８において、回折格子１８０によって分散されることによって異なる波長成分の光が第２の方向（Ｙ軸方向）の異なる位置の受光素子１４２によって受光される。算出部１５０は、第２の方向の異なる位置毎に、試料１０を透過した光を受光した受光素子１４２の第１の方向（Ｘ軸方向）における位置に基づいて、異なる波長成分毎の試料１０の屈折率を算出する。したがって、二次元イメージセンサ１４８を用いることにより、複数の波長における試料１０の屈折率を一度の測定によって算出することができる。

図８は、曲面回折格子１８２を用いる光学特性測定装置１００の一例の側面図である。図９は、曲面回折格子１８２を用いる光学特性測定装置１００の一例の上面図である。なお、図８および図９においては、ファブリーペローエタロン部１７０は表示していないが、曲面回折格子１８２の前段または後段にファブリーペローエタロン部１７０が設けられる。なお、図８および図９においては、第１フィルタ１２０および第２フィルタ１３０は、試料１０の後段に配置される。

図８に示されるとおり、標準材料２０および試料１０を透過した光の進行角度ｉが試料１０の屈折率によって変化した場合であっても、光が回折格子への入射角が略直角（例えば、８０°から１００°の範囲）となるように、曲面回折格子１８２が設けられてよい。曲面回折格子１８２は、試料１０側が凹の曲面１８３を有する回折格子である。このように試料１０側が凹の曲面１８３を有することによって、回折格子における出力波長の誤差を低減することができる。

図９に示されるとおり、曲面回折格子１８２によって光が分散されることによって異なる波長成分の光が第２の方向（Ｙ軸方向）の異なる位置に照射される、そして、図８に示されるとおり、第２の方向（Ｙ軸方向）の異なる位置毎に、試料１０を透過した光が試料１０の屈折率ｎに応じて第１の方向（Ｘ軸方向）において異なる受光素子１４２によって受光される。算出部１５０は、試料１０を透過した光を受光した受光した受光素子１４２の第１の方向（Ｘ軸方向）における位置に基づいて、異なる波長成分毎の試料１０の屈折率を算出する。

図１０は、コリメートレンズ１８４を用いる光学特性測定装置１００の一例の側面図である。図１１は、コリメートレンズ１８４を用いる光学特性測定装置１００の一例の上面図である。光路上において、試料１０と回折格子１８０の間のいずれかの位置にコリメートレンズ１８４が設けられる。図１０および図１１においては、試料１０と回折格子１８０の間にコリメートレンズ１８４とファブリーペローエタロン部１７０を備えている。したがって、入射側からみて試料１０、コリメートレンズ１８４、ファブリーペローエタロン部１７０、および回折格子１８０の並び順で配置されている。但し、試料１０、コリメートレンズ１８４、回折格子１８０、およびファブリーペローエタロン部１７０の並び順で配置されてもよい。なお、ファブリーペローエタロン部１７０は、一対の半透明鏡１７２ａ、１７２ｂを含んでいる。

図１０および図１１は、第１フィルタ１２０および第２フィルタ１３０として機能するファブリーペローエタロン部１７０および回折格子１８０が試料１０の後段に設けられているファブリーペローエタロン部１７０および回折格子１８０は、光が垂直に入射する場合に誤差が小さくなり、光が斜めに入射する場合に誤差が大きくなる。したがって、ファブリーペローエタロン部１７０および回折格子１８０に、光が斜めに入射することを避けることが望ましい。

標準材料２０および試料１０を透過した光の進行角度ｉが試料１０の屈折率によって変化した場合であっても、コリメートレンズ１８４によって光がコリメートされる。したがって、ファブリーペローエタロン部１７０および回折格子１８０に、光が斜めに入射することを防止することができる。

図１１に示されるとおり、回折格子１８０によって光が分散されることによって異なる波長成分の光が第２の方向（Ｙ軸方向）の異なる位置に照射される、そして、図１０に示されるとおり、第２の方向（Ｙ軸方向）の異なる位置毎に、試料１０を透過した光が試料１０の屈折率ｎに応じて第１の方向（Ｘ軸方向）において異なる受光素子１４２によって受光される。算出部１５０は、試料１０を透過した光を受光した受光した受光素子１４２の第１の方向（Ｘ軸方向）における位置に基づいて、異なる波長成分毎の試料１０の屈折率を算出する。受光部１４０としては、二次元イメージセンサ１４８が設けられてよい。

図１２は、コリメートレンズを用いる光学特性測定装置１００の他の例の側面図である。図１３は、コリメートレンズを用いる光学特性測定装置１００の他の例の上面図である。図１２および図１３に示されるとおり、第１フィルタ１２０および第２フィルタ１３０として機能するファブリーペローエタロン部１７０および回折格子１８０が試料１０の前段に設けられている場合においても、図１２および図１３に示されるとおり、コリメートレンズ１８４が設けられてよい。コリメートレンズ１８４は、試料１０と回折格子１８０の間に備えられる。

図１３に示されるとおり、回折格子１８０は、光を分散するとによって異なる波長成分の光が第２の方向に異なる角度で照射される。したがって、コリメートレンズ１８４は、回折格子１８０から出射された光をコリメートして、試料１０に光を照射する。図１３に示されるとおり、回折格子１８０によって光が分散されることによって異なる波長成分の光が第２の方向（Ｙ軸方向）の異なる位置に照射される。そして、図１２に示されるとおり、第２の方向（Ｙ軸方向）の異なる位置毎に、試料１０を透過した光が試料１０の屈折率ｎに応じて第１の方向（Ｘ軸方向）において異なる受光素子１４２によって受光される。受光部１４０として、二次元イメージセンサ１４８が用いられる。なお、コリメートレンズ１８４に代えて、凹面鏡を用いてもよい。凹面鏡はコリメートレンズ１８４と同様の機能を実現することができる。

図１４は、制御部１６０による制御内容の一例を示す図である。ファブリーペローエタロン部１７０は、一対の半透明鏡１７２ａ、１７２ｂを含む。制御部１６０は、一対の半透明鏡１７２ａ、１７２ｂの少なくとも一方に駆動部１７４（スキャンドライバ）が接続される。駆動部１７４は、両半透明鏡１７２ａ、１７２ｂ間の距離を変更する。駆動部１７４は、例えばピエゾ素子から構成される。制御部１６０は、所望の波長に応じて、両半透明鏡１７２ａ、１７２ｂ間の距離を制御する。さらに、制御部１６０は、一対の半透明鏡１７２ａ、ｌ７２ｂの少なくとも一方の反射率を調整するための反射率調整部１７６を備えてよい。

反射率調整部１７６は、例えば、エレクトロクロミック素子である。エレクトロクロミックとは、電荷の授受によって酸化還元反応が可逆的に起こり、可逆的に色が変化する現象をいう。反射率調整部１７６は、半透明鏡１７２ａ，１７２ｂのどちらか一方の表面に配置されてよい。半透明鏡の反射率が高くなるほど、ファブリーペローエタロン部１７０を透過する光スペクトルの半値全幅が狭くなる。しかしながら、あまり光スペクトル半値全幅が狭くなると、光の強度が低下する。したがって、制御部１６０は、反射率調整部１７６に所定の電圧を与えることによって、半値半幅が０．０８ｎｍ以上０．１５ｎｍ以下になるように、反射率を調整してもよい。

以上のように、本発明の第１実施形態を実際に適用した実施例について説明する。図１５は、実施例における光学特性測定装置１００を示す。本実施例の光学特性測定装置１００は、第１フィルタ１２０として、ファブリーペローエタロン部１７０を有し、第２フィルタ１３０としてモノクロメータ１８６を有する。モノクロメータ１８６は、回折格子１８０を有する。広帯域光源１１０の出射側には、ビームエキスパンダ１８８が設けられている。ファブリーペローエタロン部１７０とモノクロメータ１８６との間には、２枚の鏡１８５ａ、１８５ｂが設けられている。モノクロメータ１８６の前後には、それぞれレンズ１８７ａ、１８７ｂが設けられる。受光部１４０として、ラインセンサ１４６（ラインカメラ）を備える。ファブリーペローエタロン部１７０およびモノクロメータ１８６を介して出力される光は中心波長が、Ｈ_２放電管のＦ線（４８６．１３ｎｍ）、Ｈｅ放電管のｄ線（５８７．５６ｎｍ）、およびＨ_２放電管のＣ線（６５６．２７ｎｍ）となるように、ファブリーペローエタロン部１７０とモノクロメータ１８６を制御した。サンプルとして、試料Ｎｏ．１および試料Ｎｏ．２を測定した。表１は、試料Ｎｏ．１の測定結果を示し、表２および表３は、試料Ｎｏ．２の測定結果を示す。

表１に示されるとおり、試料Ｎｏ．１については、参照屈折率に対して、１×１０^－５から２×１０^－５の精度で屈折率を測定することができた。表２および表３に示されるとおり、試料Ｎｏ．２については、参屈折率に対して、７×１０^－４以下の精度で屈折率を測定することができた。このように、実際のＨ_２放電管、Ｈｅ放電管、およびＨ_２放電管を用いていないのにもかかわらず、実際のＨ_２放電管、Ｈｅ放電管、およびＨ_２放電管を用いた場合と同様の屈折率測定が可能であった。そして、本実施例によれば、放電管と異なり、動作寿命を長くすることができる。

図１６は、本発明の第２実施形態における光学特性測定装置２００の概略構成を示すブロック図である。光学特性測定装置２００は、広帯域光源２１０、光路長変調部２２０、受光部２３０、およびフーリエ変換部２４０を備える。

広帯域光源２１０は、光を出射する光源である。広帯域光源２１０は、スーパーコンティニューム光（ＳＣ光）を出射するスーパーコンティニューム光源であってよい。光路長変調部２２０は、広帯域光源２１０からの光の光路長を変調させて試料１０に出射する。受光部２３０は、試料１０を透過した光を受光する。受光部２３０は、第１の方向における少なくとも２つの位置に配置された受光素子を有する。

フーリエ変換部２４０は、受光部２３０の各受光素子における受光結果を、光路長変調部２２０における光路長を用いてフーリエ変換する。フーリエ変換部２４０は、フーリエ変換を用いて試料１０の屈折率スペクトルを算出する算出部である。光路長変調部２２０は、時間軸で光路長変調してもよく、空間軸で光路長変調してもよい。なお、本明細書における光路長は、光路長のみならず、光路差Δｚ、および光路差Δｚを定数倍した物理量であってよい。光路差Δｚを定数倍した物理量は、例えば、光路差Δｚを光速で除した遅延時間τである。

図１７は、ビームスプリッタを用いた光学特性測定装置２００の概略構成を示す図である。図１７に示される例では、光路長変調部２２０は、時間軸において光の光路長を変調させる。光路長変調部２２０は、ビームスプリッタ２２２と、第１反射鏡２２３と、第２反射鏡２２４と、移動制御部２２５とを含む。ビームスプリッタ２２２は、広帯域光源２１０からの入射光を第１光と第２光とに分割して、第１光および第２光を第１光路及び第２光路にそれぞれ出力する。

ビームスプリッタ２２２は、第１光路からの戻り光と第２光路からの戻り光とを合成して干渉光を得る。ビームスプリッタ２２２は、干渉光を試料１０に対して出射する。第１反射鏡２２３は、第１光路を伝搬する第１光をビームスプリッタ２２２の方に反射させる。第２反射鏡２２４は、第２光路を伝搬する第２光をビームスプリッタ２２２の方に反射させる。第１反射鏡２２３は可動鏡であり、第２反射鏡２２４は固定鏡である。移動制御部２２５は、第１反射鏡２２３の位置を制御して反射光の光路長を制御する制御部である。

光路長変調部２２０は、光を反射させる第１反射鏡２２３(可動鏡）を備える。そして、光路長変調部２２０は、第２光と、第１反射鏡２２３からの反射光である第１光とを干渉させる合成部としてのビームスプリッタ２２２を備える。光路長変調部２２０は、第１反射鏡２２３の位置を制御して反射光の光路長を制御する移動制御部２２５を備える。移動制御部２２５は、光軸に平行な方向における指定された可動範囲内で予め定められた中心位置から第１反射鏡２２３を往復移動させる。往復移動にはモータが用いられてよい。これにより、ビームスプリッタ２２２と第１反射鏡２２３の反射鏡面との間の可変長光路の光路長が時間的に変化する。

固定長光路である第２光路の光路長は時間的に変化せず、可変長光路である第１光路の光路長が時間的に変化するので、第１光路からの戻り光と第２光路からの戻り光との間には、時間的に変化する光路差が発生する。換言すれば、第１光路からの戻り光と第２光路からの戻り光との間に、光路差が生じる。したがって、干渉光の強度は、光路差の変化に応じて波状に変化する。このようにして、時間軸において光路差Δｚが変化したときの干渉光が試料１０に出射される。試料１０を透過した光は、受光部２３０によって受光される。

さらに、光学特性測定装置２００は、単波長レーザ２１２を備えてよい。単波長レーザ２１２は、既知の波長の光を出射する調整用光源を備えている。調整用光源から出射された光についても、第１光路からの戻り光と第２光路からの戻り光とをビームスプリッタ２２２によって合成して干渉光が得られる。可変長光路である第１光路と固定長光路である第２光路との光路差の時間的変化に応じて、干渉光の強度は、その光路差の変化に応じて波状に変化する。

調整用光源からの光は既知の単波長であるので、第１光路からの戻り光と第２光路からの戻り光との光路差が半波長の整数倍である場合に、調整用光源からの光の干渉光の強度が弱まり、光路差が、波長の整数倍の場合に、調整用光源からの光の干渉光の強度が強まる。光学特性測定装置２００は、調整用光源からの光の干渉光について受光する調整用受光部２３１を備えてよい。調整用受光部２３１が調整用光源からの光の干渉光の強度を検出することによって、第１反射鏡２２３の位置を知ることができ、移動制御部２２５によって制御される第１反射鏡２２３の位置を正確に補正することができる。

受光部２３０および調整用受光部２３１によって得られた受光結果は、データ記録部２５０（データロガー）に記録されてよい。フーリエ変換部２４０は、受光部１４０が受光した光路差の時間変化と受光強度との測定結果であるインターフェログラムを取得する。

図１８は、時間的に光路長を変調する光学特性測定装置２００の概略構成を示す図である。上述のように時間的に光路長が変調された光が標準材料２０および試料１０を透過する。標準材料２０および試料１０を透過した光は、受光部２３０で受光される。受光部２３０は、Ｘ方向（一の方向）における少なくとも２つの位置に配置された受光素子２３２を有する。そして、算出部１５０は、試料１０を透過した光を受光した受光素子２３２のＸ方向（第１の方向）における位置に基づいて試料の屈折率を算出してよい。

さらに、フーリエ変換部２４０は、第１反射鏡２２３の位置Ｚを変化させて光路長を変化させた場合における、それぞれの受光素子２３２における受光結果に基づいて、第１の方向における各位置に入射した光の波長を算出する。

図１９は、空間変調器を有する光学特性測定装置２００の一例の側面図である。図２０は、空間変調器を有する光学特性測定装置２００の一例の上面図である。図１７および図１８においては、光路長変調部２２０は、可動鏡である第１反射鏡２２３の位置Ｚを変化させ、時間的に光路長を変化させる。これによって、光路長変調部２２０は、時間軸において光路長変調させる。一方、図１９お９よび図２０に示される例では、空間的に光の光路長を変化させる。

図１９および図２０においては、光路長変調部２２０として空間変調器２６０を備える。空間変調器２６０は、空間位相変調器とも呼ばれる。空間変調器２６０には、光源から光が入射される。空間変調器２６０は、異なる光路長を通過した光を、第１の方向（Ｘ軸方向）とは異なる第２の方向（Ｙ軸方向）における異なる位置に出射する。図２０に示されるとおり、異なる光路長を通過した光が異なるｙ軸位置に出射される。空間変調器２６０は、例えばＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）構造を有する。ＬＣＯＳは、Ｓｉ基板上に液晶を配置した構造を有する。Ｓｉ基板上には、半導体技術によって電気アドレス回路が構築される。最上層にはアルミ電極によって画素が構成され、各画素で独立して電位を制御できるように構成してよい。

Ｓｉ基板上に、一定の間隔を保ってガラス基板を保持し、Ｓｉ基板とガラス基板の間の間隙に液晶材料を配置する。液晶分子はＳｉ基板とガラス基板上に施された配向制御技術によって、基板に対して平行に配向される。アルミ電極の電位を画素ごとに独立に制御することによって、液晶分子が起立させ、光路長を変化させてよい。空間変調器２６０は、ＬＣＯＳ構造を有するものに限られない。

図２０に示されるように、異なる光路長（ｚ１、ｚ２、ｚ３、ｚ４）を通過した光を第２の方向（Ｙ軸方向）の異なる位置に出射する。図１９に示されるように、フーリエ変換部２４０は、試料１０を透過した光を受光した受光素子２３２のＸ方向（第１の方向）における位置に基づいて試料１０の屈折率を算出してよい。さらに、フーリエ変換部２４０は、試料１０を透過した光を受光した受光素子２３２のＹ方向（第２の方向）における異なる位置での受光部２３０の各受光素子２３２における受光結果を、空間変調器２６０における光路長を用いてフーリエ変換して、試料１０の屈折率スペクトルを算出してよい。受光部２３０は、第１の方向と、第１の方向とは異なる第２の方向とに沿って二次元に配置された複数の受光素子２３２を有してよい。

フーリエ変換部２４０は、試料１０を透過した光を受光した受光素子２３２の第１の方向における位置に基づいて試料１０の屈折率を算出し、それぞれの受光素子２３２における受光結果に基づいて、第１の方向における各位置に入射した光の波長を算出してよい。

以上のようなフーリエ分光を用いることによっても、ガス放電管を用いることなく、屈折率を測定することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０・・試料、１１・・側壁、２０・・標準材料、２２・・溝、２３・・接触面、２４・・光学マウント、２６・・レンズ、１００・・光学特性測定装置、１１０・・広帯域光源、１２０・・第１フィルタ、１３０・・第２フィルタ、１４０・・受光部、１４２・・受光素子、１４４・・通信部、１４６・・ラインセンサ、１４８・・二次元イメージセンサ、１４９・・入射角調整部、１５０・・算出部、１６０・・制御部、１７０・・ファブリーペローエタロン部、１７２・・半透明鏡、１７４・・駆動部、１７６・・反射率調整部、１８０・・回折格子、１８２・・曲面回折格子、１８３・・曲面、１８４・・コリメートレンズ、１８５・・鏡、１８６・・モノクロメータ、１８７・・レンズ、１８８・・ビームエキスパンダ、２００・・光学特性測定装置、２１０・・広帯域光源、２１２・・単波長レーザ、２２０・・光路長変調部、２２２・・ビームスプリッタ、２２３・・第１反射鏡、２２４・・第２反射鏡、２２５・・移動制御部、２３０・・受光部、２３１・・調整用受光部、２３２・・受光素子、２４０・・フーリエ変換部、２５０・・データ記録部、２６０・・空間変調器

Claims (14)

1. 光を出射する光源と、
   試料を透過、反射、または屈折した光を受光する受光部と、
   前記受光部の受光結果から、前記試料の屈折率を算出する算出部と、
   前記光源と前記受光部の間の光路に配置された、第１フィルタ、および前記第１フィルタの後段の第２フィルタと、を備え、
   前記第１フィルタは、前記第２フィルタより分解能の高さおよび自由スペクトル領域の広さの一方の値が大きく、
   前記第２フィルタは、前記第１フィルタより分解能の高さおよび自由スペクトル領域の広さの他方の値が大きい
   光学特性測定装置。
2. 前記受光部は、第１の方向における少なくとも２つの位置に配置された受光素子を有し、
   前記算出部は、前記試料を透過、反射、または屈折した光を受光した前記受光素子の前記第１の方向における位置に基づいて前記試料の屈折率を算出する
   請求項１に記載の光学特性測定装置。
3. 前記試料の前に配置され、前記試料への第1の方向における光の入射角を変更可能な入射角調整部を更に備え、
   前記算出部は、前記試料を透過、反射、または屈折した光を前記受光部が検出したときの前記入射角に基づいて前記試料の屈折率を算出する
   請求項１に記載の光学特性測定装置。
4. 標準の屈折率を持つ材料と前記試料とが接触面で接触しており、
   前接触面に入射する光の光軸が前記接触面に対して傾いている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の光学特性測定装置。
5. 前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、前記試料の前段に配置される
   請求項１から４のいずれか一項に記載の光学特性測定装置。
6. 前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、前記試料の後段に配置される
   請求項１から４のいずれか一項に記載の光学特性測定装置。
7. 前記光源は、スーパーコンティニューム光源である
   請求項１から６のいずれか一項に記載の光学特性測定装置。
8. 前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの一方は、ファブリーペローエタロン部を含み、
   前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの他方は、回折格子を含む
   請求項１から７のいずれか一項に記載の光学特性測定装置。
9. 前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの一方は、ファブリーペローエタロン部を含み、
   前記第１フィルタおよび前記第２フィルタの他方は、前記試料側が凹の曲面を有する回折格子を含む
   請求項６に記載の光学特性測定装置。
10. 前記試料と前記回折格子との間にコリメートレンズまたは凹面鏡を更に備える
    請求項８に記載の光学特性測定装置。
11. 前記ファブリーペローエタロン部は、一対の半透明鏡を有し、
    前記回折格子から出射される光の波長に応じて、前記一対の半透明鏡間の距離を制御する制御部を更に備える
    請求項８から１０のいずれか一項に記載の光学特性測定装置。
12. 前記ファブリーペローエタロン部は、
    一対の半透明鏡と、
    前記一対の半透明鏡の少なくとも一方の反射率を調整するための反射率調整部と、を有する
    請求項８から１０のいずれか一項に記載の光学特性測定装置。
13. 前記受光部は、第１の方向と、前記第１の方向とは異なる第２の方向とに沿って二次元に配置された複数の受光素子を有し、
    前記回折格子によって分散されることによって異なる波長成分の光が前記第２の方向の異なる位置の受光素子によって受光され、
    前記算出部は、前記第２の方向の異なる位置毎に前記試料を透過した光を受光した前記受光素子の前記第１の方向における位置に基づいて、異なる波長成分毎の前記試料の屈折率を算出する
    請求項８から１２のいずれか一項に記載の光学特性測定装置。
14. 前記第１フィルタおよび前記第２フィルタを通過した光が、Ｈｅ放電管のｄ線、Ｈ２放電管のＣ線およびＦ線、Ｈｇ放電管のｇ線に対応する複数の波長から選ばれた複数の波長を中心波長として有するように、前記制御部が、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタを制御する
    請求項１１に記載の光学特性測定装置。

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