JPH04204142A

JPH04204142A - 屈折率測定装置

Info

Publication number: JPH04204142A
Application number: JP33481290A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kuwabara; 慎一桑原; Takuji Tsuzaki; 卓司津崎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1992-07-24

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、結晶表面の屈折率を測定する屈折率測定装置
に関する。

［従来の技術］従来の屈折率の測定方法としては、例えば第５図に示す
ようなものがある。

第５図において、１は光を発光する光源、２は光を集光
するレンズ、３は屈折率がｎｌの媒体（光学プリズム）
、４は屈折率がｎ２（固有の屈折率）の媒体である。

屈折率ｎ１が大きな媒体３から屈折率ｎ２が小さい媒体
４へ光が進むとき、入射角がある値に達すると、屈折角
が９０°となり、この屈折角が９０°をこえると、光は
境界面で全部反射して屈折しなくなる。これが全反射の
現象であり、屈折角９０″　となるときの入射角を臨界
角という。この臨界角によりポイントＫを境に光の明暗
ができる。

このポイントにの位置を接眼鏡または受光素子により検
知することで屈折率ｎ２を知ることができる。

［発明が解決しようとする課題］　　〜しかしながら、
このような従来の屈折率の測定方法にあっては、精度±
０．０ＱＯ１で屈折率を測定するためには高精度のアン
プ、受光素子および角度分解能が５秒以下のゴニオメー
タが必要となり、コスト面などから実用化を図ることが
困難であった。

また、屈折率を精度±Ｏ，ＱＯ１ｌＩで測定するために
は、目視という標練合せが必要となり、個人差が生じる
ので、結局前記のような精度を自動的に得ることができ
なかった。

さらに、測定試料全体の屈折率を測定するようになって
いるため、結晶の構造、組成を容易にかつ精度良く同定
することができなかった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
のであって、精度±０．Ｏｎ＋で自動的に屈折率を測定
することができ、結晶の構造、組成を容易にかつ精度良
く同定することができる屈折率測定装置を提供すること
を目的としている。

［課題を解決するための手段］前記目的を達成するために、本発明は、測定試料に対し
てブリュースタの角より小さい入射角の入射光を発光す
る発光手段と、測定試料からの反射光を受光する受光手
段と、前記発光手段の出力信号と前記受光手段の出力信
号の比ＲＳを演算する第１演算手段と、光量カットレベ
ルＶｏの安定度を所定値以下にセットする設定手段と、
セットした光量カットレベルＶｏと前記比ＲＳとが等し
くなったときの前記測定試料の回転角Ｗｎを検出する検
出手段と、前記光量カットレベルＶｏと検出した回転角
Ｗｎを所定の関係式に代入して屈折率ＲＩを演算する第
２演算手段を備えたものである。

［作用コ物体の表面で光が反射するとき、光の偏光状態は反射の
前後で変化する。この反射光の偏光状態の光量変化を測
定することにより測定試料の屈折率を測定することがで
きる。

第４図は測定原理を説明するための説明図である。

第４図において、Ｓは入射光、Ｓｌ、８２は入射光Ｓの
方向、φは入射角（反射角）、φ１は屈折角、Ｅ、Ｅｌ
、Ｅ２は電場のベクトル、Ｈ，Ｈｌ、Ｈ２は磁場のベク
トル、Ａは屈折率がｎｌの媒体、Ｂは屈折率がｎ２の媒
体、Ｃは境界面である。入射光Ｓが媒体Ａから媒体Ｂに
進むとき、その境界面Ｃで、反射、屈折の現象が生じる
。

入射光Ｓは、Ｓ２の方向に反射の法則にしたがって反射
し、Ｓｌの方向にスネルの法則にしたがって屈折する。

この入射光ＳのＰ成分のみを考えると、下記の（Ｉ）式
、　（■）式が成り立っている。

また、反射光と屈折光とが直角になる場合には、反射光
は完全な直線偏光となる。この場合の入射角φをブリュ
ースタの角ωといい、下記（ＩＩＩ）式％式％前記ブリュースタの角ωでは入射光Ａ中、Ｐ成分は反射
後“０”になる。屈折率を測定するにはこの“Ｏ”にな
る角度を測定すれば良いが、精度±０．０００１で屈折
率を測定するためには高精度のアンプ、受光素子および
角度分解能５秒以下のゴニオメータが必要になる。この
ため従来ではコスト面などから実用化されなかった。

しかしながら、ブリュースタの角ωより小さい入射角φ
で入射し、光量カットレベル（エネルギー比）の安定度
を１／１０ｆｌｌｌ以下とすれば、角度分解能が１０秒
程度のゴニオメータにより屈折率を精度±０．０ＧＯ１
以上で測定することができる。

本発明においては、入射光の入射角をブリュースタの角
ωよりはるかに小さい角とし、光量カットレベルｖＯの
安定度を、１／１０００以下として、この光量カットレ
ベルＶＯが発光手段の出力信号と受光手段の出力信号の
比ＲＳと等しくなったときの回転角Ｗｎを入射角φとし
て検出する。そして、の定数（例えば、０．１２０）を
与え、入射角φとして得られ回転角Ｗｎを前記（ｍ）式
に代入して演算を行うことにより屈折率ＲＩ（φ１）を
±０．０００１の精度で自動的に測定することができる
。

また、本発明においては、結晶の表面全体について屈折
率を自動的に測定することができるので、容易にかつ精
度良く結晶の構造、組成を同定することができる。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示す図である。

まず、構成を説明すると、第１図において、１１は出射
光用ベンチであり、出射光用ベンチ１１上には光源１２
、ビームエキスパンダ１３、ライトチョッパ１４、ライ
トチョッパ用モータ１５、ハーフミラ−１６、グラムト
ンプソン偏光子１７、参照用受光素子１８および参照用
受光素子ヘッドアンプ１９が載置されている。

光源１２には光源用電源２０から電源が供給され、光源
１２としては、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ、半導体レーザ
、モノクロ光源などが使用される。

ビームエキスパンダ１３は光源１２から出射される光の
ゆらぎをとるために用いられる。ライトチョッパ１４は
光を同期整流処理するもので、ライトチョッパ用モータ
１５により駆動され、ライトチョッパ用モータ１５はラ
イトチョッパドライバ２１により駆動制御される。

ハーフミラ−１６は光を測定光と参照先に分割し、グラ
ムトンプソン偏光子１７は測定光のうちＰ成分のみを通
す。

参照用受光素子１８はダブルビーム方式の採用のため参
照光を光電変換し、参照用受光素子ヘッドアンプ１９は
光電変換後の出力信号のインピーダンス変換を行う。こ
れらの部材１１〜２１が全体として測定試料であるサン
プル２２に対しである入射角で入射光を発光する発光手
段２３を構成している。

サンプル２２としては、例えば結晶体、ＬｉＮａ０３な
どが用いられる。また、サンプル２２に入射する入射光
の測定用ビームとしては、３〜５ｍｍφとしてその空間
分解能を上げるようにしている。また、サンプル２２に
対して測定用ビームを透過させて測定を行うのではなく
、表面から反射させて測定を行う。この場合、サンプル
２２に対する入射光の入射角をブリュースタの角ωより
小さい角として入射を行う。

２４は受光用ベンチであり、受光用ベンチ２４上には集
光レンズ２５、測定用受光素子２６および測定受光素子
ヘッドアンプ２７が載置されている。

集光レンズ２５はサンプル２２からの反射光を測定光と
して測定用受光素子２６に集め、測定用受光素子２６は
ダブルビーム方式の測定光の光電変換を行い、測定用受
光素子ヘッドアンプ２７は光電変換後にインピーダンス
変換を行う。これらの部材２４〜２７が全体として測定
光を受光する受光手段２８を構成している。

２９はサンプル２２が載置される試料用Ｘ、　　Ｚ。

θステージであり、試料用Ｘ、　　Ｚ、　　θステージ
２９はサンプル２２のアライメントを行い、移動させる
。試料用Ｘ、　　Ｚ、　　θステージ２９の移動はパー
ソナルコンピュτり３０からの指示により試料用ステー
ジコントローラ３１により制御される。

３２は入射角度の精密な割り出しのために用いられるメ
ガトルクモータ回転ステージであり、メガトルクモータ
回転ステージ３２はメガトルクモータ３３により回転駆
動される。メガトルクモータ３３は、パーソナルコンピ
ュータ３ｏがらの指示によりメガトルクコントローラ３
４により駆動制御される。

メガトルクモータ３３およびメガトルクモータコントロ
ーラ３４は、光量カットレベルＶｏの安定度を所定値（
例えば、ｌ／１０００）以下としたときの光量カットレ
ベルＶｏが発光手段２３の出力信号と受光手段２８の出
力信号の比ＲＳに等しくなったときにサンプル２２の回
転角Ｗｎを検出する検出手段３５を構成しており、検出
手段３５で検出した回転角Ｗｎはパーソナルコンピュー
タ３０に出力される。

３６はサンプル２２のアライメントを行うオートコリメ
ータであり、オートコリメータ３６はパーソナルコンピ
ュータ３０からの指示でオートコリメータコントローラ
３７により駆動制御される。

３８は測定光と参照光の同期整流増幅として用いられる
ロックインアンプであり、ロックインアンプ３８には参
照用受光素子ヘッドアンプ１９からの参照用出力信号、
測定用受光素子ヘッドアンプ２７からの測定用出力信号
およびライトチョッパドライバ２１からの同期信号がそ
れぞれ入力する。ロックインアンプ３８はパーソナルコ
ンピュータ３０に測定用信号および参照用信号を出力す
る。

パーソナルコンピュータ３０は、前記発光手段２３の出
力信号と前記受光手段２８の出力信号の比ＲＳを演算す
る第１演算手段３０Ａ１光量カットレベルＶｏと検出し
た回転角Ｗｎを所定の関係式に代入して屈折率ＲＩを演
算する第２演算手段３０Ｂおよび光量カットレベル■０
の安定度をｌ／１Ｇ００以下にセットする設定手段３０
Ｃとしての機能を有する。

次に、動作を説明する。

第２図は動作を説明するフローチャートである。

第２図において、まず、ステップＳ１でメガトルクモー
タ３３によりメガトルクモータ回転ステージ３２をイニ
シャルポジションにセットする。

これによりサンプル２２の回転角Ｗを初期値Ｗ。

とする。

次に、ステップＳ２で光量カットレベルＶｏを定める。

この光量カットレベルＶｏの安定度としては、１７１０
００以下とすることが必要であり、これにより、±０．
０００１の測定精度を確保することができる。例えば光
量カットレベルＶｏを０．１２０とし、これを定数とし
て与える。

次に、ステップＳ３で入射角φ０を定め、セットする。

入射角φ０としては、ブリュースタの角ωよりはるかに
小さいものにすることが必要であり、例えば２３°に設
定する。

次に、ステップＳ４でグラムトンプソン偏光子１７のＺ
軸を定め、ステップＳ５でオートコリメータ３６により
サンプル２２のアライメントをセットする。

次に、ステップＳ６で参照用受光素子ヘッドアンプ１９
からの参照用信号と測定用受光素子ヘッドアンプ２７か
らの測定用信号をロックインアンプ３８を通してパーソ
ナルコンピュータ３０にとりこみ、この比を演算してＲ
Ｓとする。例えば、参照用信号が２５０ｍＶ、測定用信
号が２３０ｍＶのときは、ＲＳは０．９２０になる。

次に、ステップＳ７で光量カットレベル■０と比ＲＳを
比較し、Ｖｏ　＞ＲＳのときは、ステップＳ８でメガト
ルクモータ３３を１ステツプ光量増加側に回転させて、
ステップＳ６に戻る。

次に、ステップＳ９でＶｏ　＜ＲＳであるか否かを判別
し、ｖＯくＲＳのときは、ステップＳ１０でメガトルク
モータ３３を１ステツプ光量減少側に回転させて、ステ
ップ＄６に戻る。

Ｖｏ　＝ＲＳになったら、ステップＳｌｌでメガトルク
モータ３３の回転角Ｗを初期値ＷＯを基準にカウントし
、このカウント値をＷｎとする。こうして、Ｖｏ　＝Ｒ
Ｓのときの入射角φを回転角Ｗｎとして検出することが
できる。

次に、ステップＳ１２で得られた回転角Ｗｎに基づいて
、屈折率ＲＩ＝ｆ（Ｗｎ）の演算を行い、屈折率ＲＩを
決定する。

スネルの法則により下記９式が得られる。

Ｅｒ　　　ｔａｎ（φ−φ１） □＝　　　　　　　　　　　　・・・■Ｅｉ　　　　ｔ
ａｎ（φ＋φ１）ｎ１ｓｉｎφ−ｎ２　ｓｉｎφ１　　　　　　　・・・
■今、ｎ１＝１とすると、ｓｉｎφ＝ｎ２　　ｔｉｎφ１より、■式は下記■式となる。

今、光量カットレベルｖＯをエネルギー比■式にＶｏと
して定数を与え（例えば０．１２０）、入射角φとして
回転角Ｗｎを代入すると、ｎ２が屈折率ＲＩとして得ら
れる。

次に、ステップＳ１３で次の微少部分の測定であるか否
かを判別し、次の微少部分を測定であるときは、ステッ
プＳ１４で試料用Ｘ、　　Ｚ、　　θステージ２９を、
Ｘ、Ｚ軸により駆動し、ステップＳ６に戻って、次の微
少部分の測定をつづける。

こうして測定した測定結果の一部を表に示す。

また、検出した回転角Ｗｎと演算した屈折率ＲＩの関係
を第３図に示す。

表において、ＰＯＶＥＲは光量カットレベルＶｏを示し
、ここでは０．１２０に設定している。ＩＮｃＩＤＥＮ
Ｔ＾ＮＧＬＥはＶｏ　＝ＲＳのとき検出された回転角Ｗ
ｎであり、この回転角Ｗｎを前記０式に代入して演算す
ると、屈折率ＲＩが±０．ＨＯＩの精度で自動的に得ら
れる。

［発明の効果］以上説明してきたように、本発明によれば、結晶表面の
屈折率を士０．０００１の精度で自動的に測定すること
ができる。

また、結晶表面の全体について屈折率を測定することが
できるので、結晶の構造、組成を容易にかつ精度よく同
定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は本発明の詳細な説明するフローチャー第３図は
測定結果を示すグラフ、第４図は測定原理を説明する説明図、第５図は従来の測定方法を示す図である。図中、１１・・・出射光用ベンチ、１２・・・光源、１３・・・ビームエキスパンダ、１４・・・ライトチョッパ、１５・・・ライトチョッパ用モータ、１６・・・ハーフミラ−１１７・・・グラムトンプソン偏光子、１８・・・参照用受光素子、１９・・・参照用受光素子ヘッドアンプ、２０・・・光
源用電源、２１・・・ライトチョッパドライバ、２２・・・サンプル（測定試料）、２３・・・発光手段、２４・・・受光用ベンチ、２５・・・集光レンズ、２６・・・測定用受光素子、２７・・・測定用受光素子ヘッドアンプ、２８・・・受
光手段、２９・・・試料用Ｘ、　　Ｚ、　　θステージ、３０・
・・パーソナルコンピュータ、３０Ａ・・・第１演算手段、３０Ｂ・・・第２演算手段、３０Ｃ・・・設定手段、３１・・・試料用ステージコントローラ、３２・・・メ
ガトルクモータ回転ステージ、３３・・・メガトルクモ
ータ、３４・・・メガトルクモータコントローラ、３５・・・
検出手段、３６・・・オートコリメータ、３７・・・オートコリメータコントローラ、３８・・・
ロックインアンプ。

Claims

【特許請求の範囲】

測定試料に対してブリュースタの角より小さい入射角の
入射光を発光する発光手段と、測定試料からの反射光を
受光する受光手段と、前記発光手段の出力信号と前記受
光手段の出力信号の比ＲＳを演算する第１演算手段と、
光量カットレベルＶ＿０の安定度を所定値以下にセット
する設定手段と、セットした光量カットレベルＶ＿０と
前記比ＲＳとが等しくなったときの前記測定試料の回転
角Ｗ＿ｎを検出する検出手段と、前記光量カットレベル
Ｖ＿０と検出した回転角Ｗ＿ｎを所定の関係式に代入し
て屈折率ＲＩを演算する第２演算手段を備えたことを特
徴とする屈折率測定装置。