JPH0378645A - 分光光度法による屈折率の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は分光光度法による屈折率の測定方法に係り、特
に厚さの薄い試料物体についても高精度で屈折率の測定
が可能な分光光度法による屈折率の測定方法に関する。

〔従来の技術〕

分光光度法で試料物体の屈折率を算出する場合は、その
試料物体の表面からの表面偏光反射スペクトルを測定し
、その表面偏光反射スペクトル（反射率）と下記のフレ
ネルの式及びスネルの式の連立方程式を解くことにより
求めることができる。

（フレネルの式） （スネルの式） ｓｉｎφｚ＝ｎ　　＋ｓｉｎφ２ ・・・（３） ここで、 φ１　二人射角 φ２：屈折角 ｎ　：屈折率 Ｒｓ：Ｓ偏光（０’偏光）スペクトル内の測光値Ｒｐ：
Ｐ偏光（９ｏ°偏光）スペクトル内の測光値Ｓ偏光（０
’偏光）：偏光面が入射面（物質の面にたてた法線と入
射光とを含む 面）に平行な場合に得られる 反射光の偏光成分 Ｐ偏光（９０°偏光）：偏光面が入射面に垂直な場合に
得られる反射光の偏光 成分 Ｓ偏光（０°偏光）スペクトルから屈折率を算出する式
は、（１）及び（３）の連立方程式を解くことにより求
められ、次式のようになる。

一方、Ｐ偏光（９０°偏光）スペクトルから屈折率を算
出する式は、（２）及び（３）の連立方程式を解くこと
により求められ、次式のようになる。

分光光度法で屈折率を測定する必要のある試料物体の多
くは、光学材料とよばれているもので透明または半透明
のガラスやプラスチック類が一般的である。このような
透明または半透明の試料物体における偏光反射光は、試
料物体表面からの表面偏光反射光と裏面からの裏面偏光
反射光とが総合されたものである。前述のように分光光
度法で屈折率を算出する場合に必要とする偏光反射光は
、試料物体の表面からの表面偏光（ＳまたはＰ偏光）反
射光のスペクトル（反射率）である。したがって、分光
光度計における反射光の測定光学系においては表面偏光
反射光と裏面偏光反射光とは分離され、表面偏光反射光
のみを検知してそれのスペクトル（反射率）を測光する
必要がある。裏面偏光反射光が検知されると、屈折率の
算出精度の著しい低下を招く。

これらのことから、従来の分光光度法による屈折率の測
定方法では常に試料物体からの表面偏光反射光と裏面偏
光反射光との分離状態（試料物体の厚さ）に注意を払っ
て測定する必要がある。すなわち、屈折率の算出が可能
な試料物体の厚さに制約を受ける。試料物体からの表面
偏光反射光と裏面偏光反射光との分離状態（それぞれの
反射光間の距離）は、波長域、試料物体表面への光源光
束（単色光）の入射角度、試料物体の厚さ、試料物体の
屈折率そして反射光の測定光学系内でのミラー類の大き
さなど種々の要因に依存する。特に試料物体表面への光
源光束の入射角度と試料物体の厚さは表面偏光反射光と
裏面偏光反射光との分離状態に大きく関与する要因であ
る。試料物体表面への光源光束の入射角度をより鋭角に
とり、かつ厚さが厚い試料物体はど表面偏光反射光と裏
面偏光反射光との光軸間の距離が大きくなるため、それ
らの反射光の光束の分離は容易となる。しかし、試料物
体への光源光束の入射角度がかなり鈍角にとると、分光
光度計の構造上や測光精度などにおいて種々の問題を生
じる。このため、分光光度計での試料物体の反射測定光
学系においてとることができる光源光束の入射角度はせ
いぜい４５″までである。したがって、当然のことなが
ら表面偏光反射光と裏面偏光反射光とを分離し、表面偏
光反射光のみを検知することのできる試料物体の厚さに
も制約が生じ、厚さの薄い試料物体では表面偏光反射光
と裏面偏光反射光との分離不完全に起因して屈折率の算
出が不可能となることが多い。

試料物体への光源光束の入射角度を４５°と分光光度計
の性能上量も鈍角にとって、光学ガラス（屈折率は１．
５程度）の可視領域における屈折率を算出する場合を例
にとると、表面偏光反射光と裏面偏光反射光とが分離さ
れ、そして表面偏光反射光のみを検知して精度の高い屈
折率を得ることができるために最低必要とするガラスの
厚さは７ｎｎ程度である。６ｍｏ＋程度以下の厚さを有
する試料物体についての屈折率を算出することは全く不
可能である。また、この解決案として反射光の測定光学
系、主にミラー類の大きさを試料物体の厚さに応じて改
造して厚さの薄い試料物体の測定に対処しようとする試
みもなされている。しかし、この手段は分光光度計の構
造上から反射光の測定光学系に制約があることなどによ
って任意の厚さの試料物体に対して効果があるわけでな
く汎用性もない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の分光光度法による屈折率の測定（試料物体か
らの反射光の測定光学系）方法では、屈折率の算出に必
要な試料物体の表面からの表面偏光（ＳまたはＰ偏光）
反射光のスペクトル（反射率）を測定する場合１、屈折
率の算出には妨害となる試料物体裏面からの裏面偏光反
射光の分離、そして除去手段に対しての配慮がなされて
いない。

したがって、厚さが６ｒｒｔａ程度以下の薄い試料物体
の場合には光源光束（単色光）の入射角度を分光光度計
での反射光の測定としては最も鋭角な４５″に設定して
も表面偏光反射光とともに裏面偏光反射光の一部（試料
物体の厚さが薄いほど光量は多くなる）が検知され、高
精度で屈折率を測定することは全く不可能である。

また、分光光度計での反射光の測定光学系、主にミラー
類の大きさを試料物体の厚さ（表面偏光反射光と裏面偏
光反射光との光軸間の距離）に対応して改造することな
どによって測定可能な試料物体の厚さの限界値を下げる
試みもある。しかし、この手段は分光光度計の反射光の
測定光学系の制約によって６ａｍ程度以下のすべての厚
さに対応できるものではなく一部の厚さのみに有効であ
る。

特に数鵬程度と厚さが極めて薄い試料物体（表面偏光反
射光と裏面偏光反射光との光軸の間隔が極めて小さい）
の測定については配慮がなされておらず、汎用性に欠け
る問題も有している。

本発明の目的は、厚さが６　ｎｕ程度以下と薄い試料物
体の屈折率の測定の場合に、その試料物体の裏面に測定
補助試料を密着させて試料物体の全厚さをＬｏａｎ程度
以上に増大させることにより、分光光度計における反射
光の測定光学機構（ミラー類）を試料物体の厚さに応じ
て改造することなく、任意の厚さの試料物体について表
面偏光反射光と裏面偏光反射光とを簡便な方法で完全に
分離し、屈折率の算出に必要な表面偏光反射光だけを検
知器に取り込んで、高精度で屈折率の測定が可能な分光
光度法による屈折率の測定方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、厚さが６ｍ＋程度以
下の試料物体を分光光度計の反射測定光学系の試料物体
設置ホールダに取付けて測定する場合に、その試料物体
の裏面に同材質の測定補助試料を密着させ、試料物体の
測定補助試料との厚みの合計が、表面偏光反射光と裏面
偏光反射光とを完全に分離して屈折率の算出に必要な表
面偏光反射光だけを検知することができる１０ｏａ程度
以上になるようにしたものである。

これによって、薄い試料物体であっても、その表面と裏
面からの表面偏光反射光と裏面偏光反射光との光軸間の
距離は、反射光の測定光学系で完全に分離され、屈折率
の算出に必要な表面偏光反射光だけを検知することので
きる大きさに拡大される。

〔作用〕

本発明によれば、測定すべき試料全体の厚さを試料物体
と測定補助試料を密着させてＬｏａｎ以上とすることに
より、測定対象とする試料物体が薄い場合であっても、
試料物体に照射された光束は試料表面からは表面偏光反
射光として出射し、また裏面偏光反射光は試料物体に密
着された測定補助試料の裏面から出射するので、表面偏
光反射光と裏面偏光反射光の光軸間距離が拡大されて両
者が完全に分離され、屈折率の高精度測定ができる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図に、また本発明との比較のた
めの従来例を第２図に示す。

第２図は、厚さ４＋ｎｍ程度と比較的薄い例えばガラス
板（屈折率１．５程度）に入射角度４５°で光源光束（
単色光）を入射させた場合の表面偏光反射光と裏面偏光
反射光との関係を示す従来例による反射光の測定光学系
の概略図である。偏光子１と集光レンズ２を透過した光
源光束（単色光）３はミラー４によって入射角度４５°
に設定され、試料ホールダ５に設置されている試料物体
（ガラス板）６の表面に入射する。試料物体６の表面か
らは表面偏光反射光７が、また試料物体６の屈折率に対
応した屈折角で試料物体６の中を進んだ光束は試料物体
６の裏面から裏面偏光反射光８としてそれぞれミラー９
の方向に出射する。この場合試料物体（ガラス板）６の
厚さが４ｍとすると、それから出射される表面偏光反射
光７と裏面偏光反射光８との光軸間の距離は３−程度と
極めて狭くなる。このため、それらの偏光反射光は反射
光の測定光学系では分離されずにミラー９とミラー１ｏ
を介して、屈折率の算出に必要とする表面偏光反射光７
とともに、屈折率の算出には妨害となる裏面偏光反射光
８（全光量の約１／２の光量）も検知器１１に取り込ま
れる。したがって、精度の高い屈折率を算出することは
全く不可能となる。

この従来の反射光の測光技術においては、厚さの薄い試
料物体６からの表面偏光反射光７と裏面偏光反射光８と
を分離し、屈折率の算出に必要とする表面偏光反射光７
だけを検知器１１に取り込んで精度の高い屈折率を得よ
うとする場合に、表面偏光反射光７と裏面偏光反射光８
との光軸間の距離（試料物体の厚さ）に応じてミラー９
またはミラー１０の大きさを改造することもある。しか
し、この手段は反射光の測定光学系からの制約（表面偏
光反射光７の測光精度の低下など）を受け、すべての厚
さについて対応できるものではない。また、一定の厚さ
以上のみに有効であって、特に試料物体６の厚さが薄く
なるほど対応は困難となり汎用性は全くない。第１図は
、本発明一実施例であり、第２図の従来例の場合と同様
に厚さ４ｍ程度の薄いガラス板（屈折率１．５程度）の
表面に入射角度４５°で光源光束（単色光）を入射させ
た場合の表面偏光反射光と裏面偏光反射光との関係を示
す反射光の測定光学系の概略図である。第２図（従来技
術）と異なるのは、試料ホールダ５に設置された試料物
体（例えばガラス板）６の裏面に測定補助試料１２が密
着されていることである。

そして試料物体６と測定補助試料１２との厚みの合計は
１０ｎｎ程度となっている。偏光子１と集光レンズ２を
透過した光源光束（単色光）３はミラー４によって入射
角度４５°の角度で試料ホールダ５に設置されている試
料物体（ガラス板）６の表面に入射する。試料物体６の
表面からは表面偏光反射光７が出射する。また、試料物
体６の屈折率に対応した屈折角で試料物体６の中に進ん
だ光束は試料物体６の裏面からさらに測定補助試料１２
の屈折率に対応した屈折角で測定補助試料１２の中に進
む。そしてその光束は測定補助試料１２の裏面から裏面
偏光反射光８として、表面偏光反射光８とともにミラー
９の方向に出射する。

この場合に問題となるのは試料物体６と測定補助試料１
２の密着面での空気による屈折と反射である。この問題
を排除するため、本発明では屈折率が１．５程度の油浸
レンズ用油１３を使用して試料物体６と測定補助試料１
２との密着化を図った。

この方法を用いると、試料物体６と測定補助試料１２と
は完全に密着されるので密着面での空気による屈折およ
び反射は皆無となり、試料物体６の中に進んだ光束のす
べては測定補助試料１２の中に進んで測定補助試料１２
の裏面から裏面偏光反射光８として出射する。すなわち
、１０ｍｍの厚さを有する試料物体の反射光の測定にお
ける光学系と等価となる。したがって、偏光子１と集光
レンズ２を透過した光源光束（単色光）３がミラー４に
よって、入射角度４５°の角度で試料ホールダ５に設置
されている試料物体（ガラス板）６の表面に入射すど、
試料物体６の表面からは表面偏光反射光７が、そして試
料物体６の屈折率に対応した屈折角で試料物体６の中に
進んだ光束は測定補助試料１２の屈折率に対応した屈折
角で測定補助試料１２の中に進み、その裏面から表面偏
光反射光７との光軸間の距離が１２１Ｉｌ１１程度に拡
大された裏面偏光反射光８がミラー９の方向に出射する
。

このため、裏面偏光反射光８はミラー９には到達しない
ので反射光の測定光学系での表面偏光反射光７と裏面偏
光反射光８との完全分離が可能になる。これらのことに
よって、屈折率の算出に必要とする表面偏光反射光７の
みを検知器１１で検知することができるので、反射光の
測定光学系（ミラー類の大きさ等）を改造することなく
任意の厚さの試料物体６について簡便な方法で、屈折率
を高精度で測定できる。

次に、測定結果の一例について説明する。

第４図は、従来の方法で厚さが１．２ｍと極めて薄い石
英ガラス板を光源光束（単色光）の入射角度４５°で測
定した場合の波長域３５０〜８００ｎｍ（可視域）にお
けるＳ偏光（０°偏光）反射スペクトル（表面偏光反射
光と裏面偏光反射光との総合反射スペクトル）である。

また表１は第４図に示したＳ偏光（０°偏光）反射スペ
クトルと、そのＳ偏光反射スペクトル（反射率）からフ
レネルの式とスネルの式によって算出した４０４．７，
５４６．１および６５６．３ｍ。

の各波長における屈折率を石英ガラスの屈折率の理論値
（理科年表より引用）と比較した結果である。従来法の
場合は、試料物体表面への光源光束（単色光）の入射角
度を分光光度計の性能上から最も鈍角であるとされてい
る４５°にとっても屈折率の算出に必要とする試料物体
表面からの表面偏光反射光と算出の妨害となる試料物体
裏面からの裏面偏光反射光とを分離し、表面偏光反射光
のみを検知器に取り込みそして精度の高い屈折率を得る
ために必要な試料物体の最低厚みは試料物体の材質や分
光上の種々の要因に多少依存するものの７ｍ程度である
。したがって、当然のことながら厚さが１．２ｍｎ＋　
と極めて薄い石英ガラス板のＳ偏光反射スペクトルは石
英ガラス板の表面からの表面Ｓ偏光反射光と裏面からの
裏面Ｓ偏光反射光との総合Ｓ偏光反射光によるスペク１
−ルである。

このため、得られた石英ガラス板の各波長における屈折
率は表２から明らかなように理論値とは大差を有してい
る。

第３図は、本発明により従来法の場合と同じ厚さ１．２
ａｎの石英ガラス板を試料物体として使用し、光源光束
（単色光）の入射角度４５°で測定した場合に得られた
３５０〜８００ｎｍの波長域におけるＳ偏光（０″偏光
）反射スペクトル１５表２　本発明による屈折率の測定
値と理論値の比較である。また表２は第３図に示したＳ
偏光反射スペクトル（反射率）からフレネルの式および
スネルの式によって算出した４０４．７，５４６．１お
よび６５６．３ｍｍ　の各波長における屈折率を、石英
ガラスの屈折率の理論値（理科年表より引用）と比較し
た結果である。試料物体である１、２ｎ＋ｍの厚さの石
英ガラス板の裏面には測定補助試料として一般的な厚さ
１０ｍｍ程度のフロートガラス（窓用ガラス、屈折率１
．５２程度）を油浸レンズ用油（屈折率１．５１程度）
によって密着させ、試料物体の全厚さが１１ｍａ＋程度
に増加した状態で測定を行った。得られたＳ偏光反射ス
ペクトルにおける反射率は、従来法で得たＳ偏光反射ス
ペクトル（第４図）での反射率の１／２程度である。そ
して、表１から明らかなように、その反射率から算出し
た４０４．７，５４６．１および６５６．３ｍｍの各波
長における屈折率は理論値と僅差である。本実施例によ
れば、従来の方法では屈折率の算出が全く不可能であっ
た厚さの極めて薄い試料物体についても、反射光の測定
光学系を改造することなく、その試料物体の裏面に測定
補助試料を密着させて試料物体の全厚さを１０ｎｍ以上
に増すだけの簡便な方法で、試料物体からの表面偏光反
射光と裏面偏光反射光とを完全に分離して、屈折率の算
出に必要な表面偏光反射光だけが検知されるので屈折率
を高精度で測定できる効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、試料物体からの表面偏光反射スペクト
ルを測定し、その表面偏光反射スペクトル（反射率）と
フレネルの式およびスネルの式によって試料物体の屈折
率を算出する分光光度計において、特に厚さが６ａｎ程
度以下と薄い試料物体を測定する場合、その試料物体の
裏面に測定補助試料（材質または屈折率が試料物体と類
似する物体）を密着させて試料物体と測定補助試料との
厚みの合計が１０ｎｗｎ程度以上とする簡便な方法で、
反射光の測定光学系、主にミラー類の大きさを試料物体
の厚さに対応させて改造することなく、任意の厚さの試
料物体について自在に試料物体からの表面偏光反射光と
裏面偏光反射光とを完全に分離して屈折率の算出に必要
とする表面偏光反射光だけを検知器に取り込むことがで
きる。したがって、分光光度法による屈折率の測定方法
において試料物体の厚さに関する制約を皆無とすること
もできる。これらのことから、すべての厚さの試料物体
の屈折率を簡便な方法で、かつ高精度で測定できる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による表面および裏面偏光反
射光の関係を示す光学系の概略図、第２図は従来例によ
る表面および裏面偏光反射光の関係を示す光学系の概略
図、第３図は本発明の一実施例による測定効果を示すス
ペクトル図、第４図は従来例による測定結果を示すスペ
クトル図である。 １・・・偏光子、２・・・集光レンズ、３・・・光源か
らの単色光束、４・・・反射ミラー、５・・・試料物体
の設置ホールダ、６・・・試料物体、７・・・試料物体
表面からの表面偏光反射光の光束、８・・・試料物体裏
面からの裏面偏光反射光の光束、９・・・反射ミラー、
１０・・・反射ミラー、１１・・・偏光反射光の検知器
、１２・・・偏光反射光の測定補助試料、１３・・・油
浸レンズ用反射半Ｃ１） 及身丁キ　＜Ｚ＞

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、試料物体からの表面偏光反射スペクトルを測定し、
   その表面偏光反射スペクトルとフレネル及びスネルの式
   によつて試料物体の屈折率を算出する分光光度法による
   屈折率の測定方法において、厚さがほぼ６ｍｍ以下の薄
   い試料物体を測定する場合、その試料物体の裏面に測定
   補助試料を密着させて、試料物体の全厚さをほぼ１０ｍ
   ｍ以上に増大させ試料物体からの表面偏光反射光と裏面
   偏光反射光とを完全に分離して屈折率の算出に必要な表
   面偏光反射光だけを検知することにより屈折率を高精度
   で測定できることを特徴とする分光光度法による屈折率
   の測定方法。