JPH04310836A - 屈折率分布測定方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、屈折率分布を有する光
学素子の屈折率分布形状を、光の全反射を利用して測定
する屈折率分布測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、屈折率分布を持つ屈折率分布型光
学素子が、ビデオディスク装置のピックアップやコピー
装置のアレーレンズとして多用化されてきている。更に
光エレクトロニクス分野では光導波路や屈折率分布を持
つ平板マイクロレンズ等の比較的微少な屈折率分布型光
学素子が、映像分野では銀塩カメラやビデオカメラ，顕
微鏡等のレンズ系として比較的大口径な屈折率分布型光
学素子が夫々実用化されつつある。

【０００３】これら屈折率分布型光学素子の特性は、そ
の屈折率分布状態に大きく依存している為、実用化に際
しては各素子における屈折率分布形状を高精度に測定で
きる方法が必要である。

【０００４】従来、このような屈折率分布を測定する方
法としては、屈折率分布の中心軸に対して直角方向に切
断研磨した薄片試料を干渉顕微鏡で観察し、薄片試料の
単位厚さ当たりの光路長差を求めることにより屈折率の
分布を測定する縦方向干渉法や、円柱状測定試料の屈折
率分布中心軸に対して直角方向に光線を透過させ、光線
追跡を行うことにより屈折率分布を求める横方向干渉法
が知られている。

【０００５】更に最近では、特開昭６３−２７５９３６
号公報に記載されているような測定方法も提案されてい
る。この方法は、周知の技術であるプルフリッヒの屈折
計の原理を応用したものであり、図９に示すように、屈
折率の分布を測定する測定試料１０１の測定面を半球状
の測定台１０２の試料設置面１０２Ａに密着配置し、上
記設置面１０２Ａ以外の半球面１０２Ｂを介して集光レ
ンズ１０３によって測定台設置面１０２Ａ上の測定点１
０４に収束されるレーザー光１０５を入射させて行うも
のである。測定点１０４に照射された収束光の内、該点
１０４で全反射臨界角φｃよりも大きい入射角範囲で入
射する光束領域の光は全反射となるため、入射光とほぼ
同様な明るさの光領域１０６の反射光が得られ、全反射
臨界角φｃよりも小さい入射角範囲で入射する光束領域
の光は一部が測定点１０４から透過射出してしまうため
、入射光よりも暗い光領域１０７の反射光が得られる。 よって測定点１０４を反射した光束を観察すると明暗境
界１０８をはさんで比較的明るい光領域１０６と比較的
暗い光領域１０７とに分かれた光束断面１０９が測定で
きる。このように、全反射臨界角φｃを持って入射した
光は明部と暗部の境界である明暗境界１０８として反射
されるので、明暗境界１０８の光線が測定面法線と成す
角度を測定すれば、その値が全反射臨界角φｃであり、
測定台１０２の既知の屈折率ｎｏ　から測定点１０４に
おける測定試料１０１の屈折率ｎが下記（１）式から求
められる。 ｎ＝ｎｏ　ｓｉｎφｃ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　（１）更に、測定試料１０１を測定台１
０２に密着させたまま水平移動させれば、測定試料１０
１の屈折率分布形状が求められるというものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これら従来の
測定方法は各々異なった問題を持ち合わせている。まず
縦方向干渉法並びに横方向干渉法は共に検出精度は高い
ものの、前者の場合は測定試料に分布する屈折率の差が
大きくなればなるほど測定試料を薄片に切断研磨しなけ
れば精度の良い測定が行えず、測定物によっては数十μ
ｍもの大変薄い測定試料に加工しなければならないもの
もあり、測定試料の作成が非常に困難であると共に切断
研磨する為試料は常に破壊されなければ測定できなかっ
た。後者の場合は測定試料を非破壊的に測定できるとい
う利点があるものの測定試料の形状が円柱形状に限られ
る他、屈折率分布の測定に時間がかかってしまう等の欠
点があった。

【０００７】次に特開昭６３−２７５９３６号公報に記
載されている方法は、構成が簡単な上に上記２つの測定
方法のかかえる欠点もほぼ解決された有効な方法ではあ
るものの、上述のように、収束した入射光束の一点の屈
折率分布を求めるものであるから、二次元的に走査して
その屈折率分布を求めなければならず、走査精度が屈折
率分布の測定精度を大きく左右することになる。特に測
定試料１０１をマッチング屈折液を介して測定台１０２
に密着させているので、測定試料１０１はその測定面を
、測定台１０２の平面状の試料設置面１０２Ａをガイド
としてこれに倣って走査させなければならず、測定試料
１０１の測定面と測定台１０２の試料設置面１０２Ａと
に高い加工精度が要求されることになる。又、マッチン
グ屈折液（マッチングオイル）の粘性により測定試料１
０１の測定面と測定台１０２の試料設置面１０２Ａとの
間には大きな密着（吸着）力が働くので、これらを位置
決め精度の高い走査系として構成することは実際にはか
なり困難であり、結局、測定試料の屈折率分布を高精度
に測定することは難しいものとなる欠点があった。

【０００８】本発明はこのような課題に鑑みて、屈折率
分布型光学素子の屈折率分布形状を簡単且つ高精度に測
定できるようにした屈折率分布測定方法を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による屈折率分布
測定方法は、屈折率分布を有する測定試料の一方の面に
、この測定試料より屈折率の大きい介在部材を介して、
測定試料より屈折率の大きい媒質部材の試料設置側面を
ほぼ平行に配置し、しかも媒質部材の試料設置側面と介
在部材の境界面の反射率を低く設定すると共に、介在部
材の厚さを測定試料と媒質部材の試料設置側面との間に
密着力がほとんど作用しない程度の所定の大きさに設定
するものとし、所定波長の電磁波を収束光として上述の
媒質部材及び介在部材を通して測定試料の測定位置へ入
射させ、介在部材と測定試料との境界面の全反射による
反射光の明暗境界を検出してこの測定位置での全反射臨
界角を測定し、更に上記測定試料と媒質部材の間隔を一
定に維持しつつ収束光に対して測定試料を相対的に走査
させて上述の処理を繰り返すことにより、測定試料の屈
折率分布を求めるようにしたことを特徴とするものであ
る。

【００１０】

【作用】上述のような構成によれば、測定試料の走査時
に測定試料と媒質部材の間に位置する介在部材の粘性に
よる密着力がほとんど働かないから、測定試料の相対移
動がスムーズであり、媒質部材の試料設置側面に対する
測定試料の平行移動を容易に成し得るので、位置決め精
度の高い走査系が構成でき、高精度な屈折率分布の測定
を容易に行うことができる。

【００１１】尚、介在部材の厚さを、上述のように測定
試料と媒質部材の間に生じ得る介在部材の密着力がほと
んど作用しない程度の大きさにすると、位置決め精度上
は有利ではあるが、媒質部材の試料設置側面と介在部材
との境界面で反射した光と、明暗境界情報を含む介在部
材と測定試料との境界面で反射した光との干渉が起こり
、明暗境界付近にコントラストの高い干渉縞が発生する
ため、明暗境界の検出精度が低下する。これに対して、
媒質部材と介在部材との境界面での収束光の反射率を低
くしてこの境界面での反射光束の強度を下げることによ
り、干渉縞のコントラストを低くできて明暗境界を精密
に検出することができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の好適な第一実施例を図１を中
心に説明する。図１は本発明による方法を実施するため
の測定光学系を示すものであり、図中、１は波長６３２
．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー，波長４８８ｎｍのＡｒ
レーザー，波長５６８．２ｎｍのＫｒレーザー及び波長
４４１．６ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーを有する光源であ
り、図示しない切り換えミラーによって適宜のレーザー
光を測定対象等に応じて選択して射出するようになって
いる。２はこのレーザー光が入射される光束変換部材で
あり、入射するレーザー光束を倍率５０倍の対物レンズ
と倍率５倍の対物レンズ（共に図示せず）とで約１０倍
に広げた後、ワーキングディスタンス（レンズ先端から
測定点迄の距離）の長い２０倍の対物レンズ（図示せず
）で収束する入射光束３に変換し、測定点上に収束させ
ることができるようになっている。

【００１３】４は入射光束３が入射する面４ａが例えば
半径ｒ＝８ｍｍの球面に形成され且つ試料設置側面４ｂ
が略平面に形成される媒質部材であり、例えばＨｅ−Ｎ
ｅレーザー光での屈折率が１．８７８５２，アッベ数が
４０．８の特性を有するガラス硝材から成っている。５
は試料設置側面４ｂに配置される測定対象である光学素
子即ち測定試料、６は媒質部材４の試料設置側面４ｂと
測定試料５との間に位置するマッチング屈折液即ち介在
部材であり、例えばＨｅ−Ｎｅレーザー光での屈折率が
１．６９３，アッベ数が１９の特性を有していて、その
厚さは媒質部材４の試料設置側面４ｂと測定試料５との
間隔に等しく、測定試料５を入射光束３に対して相対移
動させた場合に媒質部材４と測定試料５との間で介在部
材６の粘性による密着力がほとんど作用しない程度の一
定の大きさであるものとする。実験結果によれば、この
間隔は３μｍ以上が好ましく、しかも液ダレ等を考慮す
れば１００μｍ以下であることが望ましい。本実施例で
は５μｍとする。尚、媒質部材４と介在部材６の各屈折
率は、いずれも測定試料５の屈折率より高いものとする
。

【００１４】７は介在部材６との境界面に位置する測定
試料５の測定面上であって入射光束３が収束すべき理想
的な測定点に相当する媒質部材４の球面４ａの球心であ
り、そのため、媒質部材４は完全な半球形状ではなく、
その肉厚は介在部材６の厚さ分だけ薄くなっている。８
は測定試料５を二次元走査させ且つ試料設置側面４ｂと
測定試料５との間隔をほぼ一定に保持するＸ−Ｙステー
ジ，あおりステージ等（図示せず）を有する走査手段で
あり、測定試料５を媒質部材４の試料設置側面４ｂに沿
って且つ試料設置側面４ｂとの間隔を一定に保持しつつ
相対移動させるようになっている。９は入射光束３が測
定面で反射された反射光束、１０は測定点即ち媒質部材
４の球心７から約５０ｍｍの距離にあって球心７を中心
に回転可能なフォトディテクターが配置されていて反射
光束９を受光して全反射臨界角を測定する観察手段であ
り、受光する電磁波強度が最も急激に変化する位置即ち
明暗境界の反射光束９と測定面法線とのなす角を全反射
臨界角φｃとして測定し得るようになっている。１１は
測定された全反射臨界角φｃより上記（１）式を用いて
測定試料５の測定面内の測定点７の屈折率を計算する演
算手段であり、これと同時に走査手段８からの測定位置
情報を取り込んで屈折率情報と共に処理して、測定試料
の屈折率分布形状を計算出力する機能をも併せ持ってい
る。

【００１５】ところで、介在部材６が介在する媒質部材
４と測定試料５との間の間隔を密着力が働かない程度に
設定することによって、媒質部材４の試料設置側面４ｂ
と介在部材６との境界面で反射する光束と、介在部材６
と測定試料５との境界面で反射する明暗境界情報を含む
光束との干渉が発生するため、明暗境界付近にコントラ
ストの高い干渉縞が発生して、明暗境界の検出精度に悪
影響が生じる。本実施例では、この改善手段として、媒
質部材４の試料設置側面４ｂと介在部材６との境界面に
おける反射率を下げて干渉縞のコントラストを低くする
手段を提案する。

【００１６】即ち、媒質部材４の試料設置側面４ａに多
層膜コーティングを施すことにより、介在部材６との境
界での反射率を下げることが出来る。コーティングは、
媒質部材４の試料設置側面４ｂ上に中心から直径１ｍｍ
の範囲で、Ａｌ２　０３　を厚さ３６ｎｍ，Ｙ２　０３
　を厚さ１０１ｎｍ，Ａｌ２　０３　を厚さ８５ｎｍ，
Ｙ２　０３　を厚さ７８ｎｍ，Ａｌ２　０３　を厚さ９
４ｎｍ及びＹ２　０３　を厚さ３８ｎｍに順次積層した
ものであって、６層コート１３として構成されている。

【００１７】本実施例はこのように構成されているから
、上述の従来技術と同様に、光源１から射出されて光束
変換部材２で収束光３となったレーザー光は、媒質部材
４の球面４ａ及び介在部材６を介して測定試料５の測定
点７で収束して、反射光束９となって観察手段１０で受
光される。ここで、媒質部材４の試料設置側面４ｂと介
在部材６との境界面へ入射する収束光３は、試料設置側
面４ｂ上の６層コート１３によってこの面での反射率が
下げられる。よって、ここでの反射光と、介在部材６と
測定試料５との境界面で反射する明暗境界情報を含む反
射光とによって生じる干渉縞のコントラストが低下する
から、明暗境界を精密に検出することができる。そして
、観察手段１０で受光された反射光束９は全反射臨界角
φｃとして演算測定され、走査手段８からの測定位置情
報と共に演算されて、屈折率情報が出力される。更に、
走査手段８による測定試料５の走査の際、介在部材６の
粘性による密着力は殆ど作用しないから、試料設置側面
４ｂと測定試料５の測定面との間隔は一定に保たれた状
態で測定試料５をスムーズに移動でき、測定試料５を相
対的に走査しつつ測定を繰り返すことにより、屈折率分
布形状が検出される。

【００１８】この６層コート１３によるコーティングの
効果についてシミュレーションを行った結果が図２に示
されている。試料設置側面４ｂにコーティングを施さな
かった場合の、波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ
ー光を用いた時の反射率が破線で示され、一方本実施例
によるコーティングを施した場合の、光源１における四
種の波長のレーザー光を用いた時の各反射率が他の線で
示されている。両者を比較すると、コーティングを施し
た場合の反射率の方がかなり低く、コーティングの有効
性がよく理解できる。尚、図中、横軸にとった角度は、
媒質部材４の試料設置側面４ｂと介在部材６との境界か
らの反射光束９が、試料設置側面４ｂの法線となす角度
であり、円偏光の場合が示されている。

【００１９】次に、一例として波長４８８ｎｍのＡｒレ
ーザー光を用いた場合のエッジ付近即ち明暗境界付近に
表れる干渉縞の様子をシミュレーションしてみると、コ
ーティングしない場合が図３に、又コーティングした場
合が図４に、夫々示されるようになった。図３のコーテ
ィングしない場合には、エッジが干渉縞に埋もれて検出
できないが、コーティングを施せば図４のように、多少
の干渉縞は残るもののエッジに比べて干渉縞のコントラ
ストの方が低く、明暗境界を十分明確に検出できること
がわかる。尚、図３及び図４の横軸に示す角度は、媒質
部材４の試料設置側面４ｂと介在部材６との境界への入
射光束３が試料設置側面４ｂの法線となす角度であり、
円偏光の場合を示している。又、両図とも測定試料５の
測定点における屈折率を１．６としている。

【００２０】上述のように本実施例によれば、走査手段
８による測定試料５の相対移動がスムーズであり、走査
手段８のＸ−Ｙステージやあおりステージも介在部材６
の密着力の影響を受けることなく、しかも、介在部材６
による干渉縞のコントラストを低く抑えることができる
から、製造コストの低い通常仕様のステージ等簡単な走
査手段を用いるだけで高い位置決め精度を実現できる。

【００２１】次に、明暗境界付近に発生するコントラス
トの強い干渉縞を改善するための第二実施例について説
明する。本実施例では、媒質部材４と介在部材６との屈
折率差を小さくすることによって、両者の境界面におけ
る反射率を下げるようにした。

【００２２】その一例として、媒質部材４としてＨｅ−
Ｎｅレーザー光の波長での屈折率が１．６９４２６，ア
ッベ数３０．１の硝材を用いた場合の、Ｈｅ−Ｎｅレー
ザー光の波長とＨｅ−Ｃｄレーザー光の波長による媒質
部材４と介在部材６との間の境界面での反射率を、図５
で夫々実線と一点鎖線で示した。ここで、実線で示す反
射率は、介在部材６としてのマッチング屈折液のＨｅ−
Ｎｅレーザー光の波長での屈折率が１．６９３１であり
、媒質部材４との屈折率差が約０．００１程度である場
合のものである。又、一点鎖線で示す反射率は、Ｈｅ−
Ｃｄレーザー光の波長での媒質部材４の屈折率が１．７
２７４２，マッチング屈折液の屈折率が１．７２７３３
（上述のものとは別のマッチング屈折液である）であり
、両者の屈折率差が０．０００１程度である場合のもの
である。更に、比較のために、上述の第一実施例の図２
で破線で示された媒質部材４にコーティングしないもの
の境界面での反射率が破線で示されており、この場合は
、媒質部材４としてＨｅ−Ｎｅレーザー光の波長での屈
折率が１．８７８５２，介在部材６であるマッチング屈
折液として同じくＨｅ−Ｎｅレーザー光の波長での屈折
率が１．６９３になっている。

【００２３】本実施例によれば、従来の方法と比較して
、媒質部材４と介在部材６との境界面における反射率を
低減させるのに有効であることが理解できる。尚、図５
の横軸に示す角度は、媒質部材４の試料設置側面４ｂと
介在部材６との境界面からの射出光即ち反射光が、試料
設置側面４ｂの法線となす角度であり、円偏光の場合が
示されている。

【００２４】次に、第一実施例と同様に、上述の各反射
率に基づいてエッジ付近即ち明暗境界付近に表れる干渉
縞についてシミュレーションを行った結果を図６乃至図
８に示す。まず、図６はＨｅ−Ｎｅレーザー光の波長に
よる媒質部材４と介在部材６の屈折率差が約０．２であ
る図５の破線の場合を示すものであり、この場合エッジ
が干渉縞に埋もれて明暗境界を検出できない。又、図７
は屈折率差が約０．００１程度である図５の実線の場合
であり、エッジを十分検出できる。又、図８はＨｅ−Ｃ
ｄレーザー光の波長による屈折率差が約０．０００１程
度である図５の一点鎖線の場合を示すものであり、この
場合も十分エッジを検出できる。

【００２５】尚、図６乃至図８の横軸に示す角度は、媒
質部材４の試料設置側面４ｂと介在部材６との境界面へ
の入射光が、試料設置側面４ｂの法線となす角度であり
、円偏光の場合が示されている。又、これら三つのデー
タは測定試料５の測定点における屈折率を１．６とした
ものである。

【００２６】又、上述の各媒質部材４は、屈折率が介在
部材６の屈折率より大きい数値のものが挙げられている
が、介在部材６の屈折率より小さい数値のものであって
もよい。尚、媒質部材４と介在部材６との屈折率差に関
しては、種々の数値でシミュレーションした結果、上述
の数値例に限定されることなく屈折率差が０．０５程度
以下であれば、干渉縞のコントラストを低下させてエッ
ジを検出できるという効果を得ることができると思われ
る。

【００２７】上述の各実施例では、介在部材６の屈折率
に合わせてこれと差の小さい屈折率を有する媒質部材４
を採用するようにしたが、これは、屈折率の高いマッチ
ング屈折液は揮発や凝固等を起こす等特性が不安定であ
ったり有毒であったりして取扱い上不利であるために、
特性が安定的で無害な範囲の屈折率の比較的低いマッチ
ング屈折液を用いるようにしたためである。従って、原
理的には、屈折率の高い媒質部材４を採用して、これに
近似した屈折率を有する介在部材６を用いるようにして
もよく、例えば管理された密室等ではこのような組み合
わせを採用することも可能である。

【００２８】又、上述の各実施例では、光源１としてレ
ーザーによるコヒーレント光源を用いたが、Ｘｅランプ
等のインコヒーレント光源をモノクロメータ等で分光し
て用いたり、或いは輝線光源を用いるようにしてもよい
。又、観察手段１０としてフォトディテクターに代えて
、ＣＣＤアレーやＣＣＤカメラ等を用いてもよく、或い
は目視による観察をするようにしてもよい。

【００２９】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る屈折率分布
測定方法は、測定試料と媒質部材との間に密着力がほと
んど作用しない程度の厚さの介在部材を介在させると共
に、媒質部材と介在部材との境界面での光の反射率を低
下させるようにしたから、測定試料の走査の際の位置決
めが非常に精密になり、しかも測定時に発生し得る明暗
境界付近の干渉縞のコントラストを低くして明暗境界の
検出精度の低下を阻止することができ、測定試料の屈折
率分布形状の高精度な測定を簡単に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による屈折率分布測定方法の一実施例を
示す原理図である。

【図２】第一実施例における媒質部材と介在部材との境
界面での反射率の低減効果を示す図である。

【図３】コーティングを施さなかった場合の明暗境界付
近に表れる干渉縞の様子を示す図である。

【図４】コーティングを施した場合の明暗境界付近に表
れる干渉縞の様子を示す図である。

【図５】第二実施例における媒質部材と介在部材との境
界面での反射率の低減効果を示す図である。

【図６】屈折率差が０．２の場合の明暗境界付近に表れ
る干渉縞の様子を示す図である。

【図７】屈折率差が０．００１の場合の明暗境界付近に
表れる干渉縞の様子を示す図である。

【図８】屈折率差が０．０００１の場合の明暗境界付近
に表れる干渉縞の様子を示す図である。

【図９】従来の屈折率分布測定方法の原理図である。

【符号の説明】

１　　　　　　光源 ４　　　　　　媒質部材 ５　　　　　　測定試料 ６　　　　　　介在部材 ７　　　　　　測定点 １０　　　　観察手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　屈折率分布を有する測定試料の一方の
   面に、該測定試料より屈折率の大きい介在部材を介して
   、上記測定試料より屈折率の大きい媒質部材の試料設置
   側面をほぼ平行に配置し、且つ、上記媒質部材の試料設
   置側面と上記介在部材の境界面の反射率を低く設定する
   と共に、上記介在部材の厚さを、上記媒質部材の試料設
   置側面と測定試料との間に密着力がほとんど働かない程
   度の大きさに設定し、所定波長の電磁波を収束光として
   上記媒質部材及び介在部材を通して測定試料の測定位置
   へ入射させ、上記介在部材と測定試料との境界面の全反
   射による反射光の明暗境界を検出して、上記測定位置で
   の全反射臨界角を測定し、更に上記収束光に対して測定
   試料と媒質部材の試料設置側面との間隔を一定に保ちつ
   つ上記測定試料を相対的に走査させて上記処理を繰り返
   すことにより、測定試料の屈折率分布を求めるようにし
   たことを特徴とする屈折率分布測定方法。