JPH09218016A

JPH09218016A - 光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法及びそのための装置

Info

Publication number: JPH09218016A
Application number: JP8233863A
Authority: JP
Inventors: Masamitsu Haruna; 正光春名; Masahito Omi; 雅人近江
Original assignee: Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
Current assignee: Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
Priority date: 1995-12-08
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 1997-08-19
Anticipated expiration: 2016-09-04
Also published as: JP3602925B2

Abstract

(57)【要約】【課題】測定対象物の屈折率ｎと厚さｔの分離測定を
可能にし、低コヒーレント光干渉法による測定対象物の
屈折率と厚さの同時測定を可能にする。【解決手段】透明板５の屈折率ｎと厚さｔの同時測定
を行うには、その透明板５の前面と後面の光路差ｎ×ｔ
以外に、これと独立なもう一つの測定量を用意する。つ
まり、実際には、ＳＬＤ１光を集光レンズ３で透明板５
に集光して、その前面及び後面に焦点を合わせ、これら
二つの集光状態の光路差と二つの集光状態を得るために
必要な測定対象物（又は集光レンズ）の移動距離とを測
定する。二つの面の焦点合せには、集光レンズ３を固定
して透明板５を移動する「測定サンプル走査法」と、透
明板５を固定して集光レンズ３を移動する「レンズ走査
法」がある。また、群屈折率差による複屈折測定も可能
にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低コヒーレント光
干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法
及びそのための装置に関するものである。

【０００２】

【従来技術】測定対象物（媒質）の屈折率ｎ及び厚さｔ
の非接触（光学）測定は、光学分野において最も基本的
な技術の一つである。その代表的なものとしては、エリ
プソメータ（自動偏光解析装置）〔（１）：久保田広他
編「光学技術ハンドブック」２，４偏光解析（ｐｐ．
２５６〜２６４）、朝倉書店発行参照〕がある。

【０００３】これは媒質の表面で光が反射する際の偏光
状態を観測することによって、媒質（基板）の屈折率及
びその表面に堆積した薄膜の屈折率ｎと厚さｔを測定す
る方法である。本方法を実施する装置は高精度であるの
で、表面や薄膜の研究に頻繁に利用されているが、装置
自体がかなり高価であり、また平行ビーム照射部分（約
１０ｍｍ径）における平均的な屈折率ｎ及び厚さｔが測
定できるにすぎない。

【０００４】これ以外に、プリズムによる媒質の屈折率
測定、光導波モード励起による薄膜の屈折率ｎ、厚さｔ
の測定などがあるが、これらは測定面が平滑であること
が条件である。このような薄膜を中心とした測定法に対
して、光学分野では、無機、有機材料を含めて、媒質の
屈折率ｎ、厚さｔ及びそれらの空間分布を精度良く測定
したいという要求は多い。特に、媒質の表面状態（平滑
度）に左右されることなく、媒質の屈折率ｎ、厚さｔの
空間分布を測定するには、集光ビームを用いた測定法が
優れている。

【０００５】このような状況を踏まえて、ここでは、ス
ーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を光源とする
低コヒーレント干渉光学系を基本として、集光ビーム照
射による媒質の屈折率ｎと厚さｔとを同時に精密に測定
する方法を新たに提案する。ＳＬＤを光源とするマイケ
ルソン干渉計は光の伝搬軸に沿って、光源のコヒーレン
ト長Δｌ_cで決まる分解能（〜１０μｍ）で反射面を識
別することができ、微小領域における有力な診断法とし
て利用されている。（例えば、光導波路の診断）
〔（２）：Ｋ．Ｔａｋａｄａ，Ｉ．Ｙｏｋｏｈａｍａ，
Ｋ．ＣｈｉｄａａｎｄＪ．Ｎｏｄａ，“Ｎｅｗｍ
ｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｆａｕ
ｌｔｌｏｃａｔｉｏｎｉｎｏｐｔｉｃａｌｗａ
ｖｅｇｕｉｄｅｄｅｖｉｃｅｓｂａｓｅｄｏｎ
ａｎｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃｔｅｃｈｎｉ
ｑｕｅ，”ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．２
６，Ｎｏ．９，ｐｐ．１６０３〜１６０６（１９８
７）．（３）：Ｒ．Ｃ．Ｙｏｕｎｇｑｕｉｓｔ，Ｓ．Ｃ
ａｒｒａｎｄＤ．Ｅ．Ｎ．Ｄａｖｉｅｓ，“Ｏｐｔ
ｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅ−ｄｏｍａｉｎｒｅｆ
ｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ：ａｎｅｗｏｐｔｉｃａｌｅ
ｖａｌｕａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，”Ｏｐｔｉ
ｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．３，ｐ
ｐ．１５８〜１６０（１９８７）．（４）：Ｈ．Ｈ．Ｇ
ｉｌｇｅｎ，Ｒ．Ｐ．Ｎｏｖａｋ，Ｒ．Ｐ．Ｓａｌａｔ
ｈｅ，Ｗ．ＨｏｄｅｌａｎｄＰ．Ｂｅａｕｄ，“Ｓ
ｕｂｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｏｐｔｉｃａｌｒｅｆｌ
ｅｃｔｏｍｅｔｒｙ，”Ｊ．ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅ
ｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．８，ｐｐ．１２
２５−１２３３（１９８９）参照〕。

【０００６】最近、生体光診断の分野でも、この低コヒ
ーレント光干渉法が注目されており、網膜下組織の検出
・可視化〔（５）：Ｄ．Ｈｕａｎｇ，Ｅ．Ａ．Ｓｗａｎ
ｓｏｎ，Ｃ．Ｐ．Ｌｉｎ，Ｊ．Ｓ．Ｓｃｈｕｍａｎ，
Ｗ．Ｇ．Ｓｔｉｎｓｏｎ，Ｗ．Ｃｈａｎｇ，Ｍ．Ｒ．Ｈ
ｅｅ，Ｔ．Ｆｌｏｔｔｅ，Ｋ．Ｇｒｅｇｏｒｙ，Ｃ．
Ａ．Ｐｕｌｉａｆｉｔｏ，Ｊ．Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，
“Ｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｙｔｏｍｏｇｒ
ａｐｈｙ，“Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．２５４，ｐｐ．
１１７８〜１１８１，２２Ｎｏｖ．，１９９１．
（６）：Ｊ．Ａ．Ｉｚａｔｔ，Ｍ．Ｒ．Ｈｅｅ，Ｇ．
Ｍ．Ｏｗｅｎ，Ｅ．Ａ．ＳｗａｎｓｏｎａｎｄＪ．
Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，“Ｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒ
ｅｎｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙｉｎｓｃａｔｔｅ
ｒｉｎｇｍｅｄｉａ，”ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒ
ｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．８，ｐｐ．５９０〜５９２
（１９９４）．〕や眼径（ｅｙｅｌｅｎｇｔｈ）の測
定〔（７）：Ａ．Ｆ．Ｆｅｒｃｈｅｒ，Ｋ．Ｍｅｎｇｅ
ｄｏｈｔａｎｄＷ．Ｗｅｒｎｅｒ，“Ｅｙｅ−ｌｅ
ｎｇｔｈｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂｙｉｎｔｅｒｆ
ｅｒｏｍｅｔｒｙｗｉｔｈｐａｒｔｉａｌｌｙｃｏ
ｈｅｒｅｎｔＬｉｇｈｔ，”ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔ
ｅｒｓ，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．３，ｐｐ．１８６〜１８
８（１９８８）．（８）：Ｗ．Ｄｒｅｘｉｅｒ，Ｃ．
Ｋ．Ｈｉｔｚｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｈ．Ｓａｔｔｍａｎ
ｎ，Ａ．Ｆ．Ｆｅｒｃｈｅｒ，“Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎ
ｔｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｆｕｎｄ
ｕｓｌａｙｅｒｓｂｙｐａｒｔｉａｌｃｏｈｅ
ｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，”Ｏｐｔｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｃｃｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．３，
ｐｐ．７０１〜７１０（１９９５）．〕を初め、皮下組
織の高精度な検出の基礎実験〔（９）：白石、近江、春
名、西原、“低コヒーレント光干渉による生体内構造検
出の基礎実験Ｉ，”平成７年秋季第５６回応用物理学会
学術講演会２６ａ−ＳＮ−１１（１９９５）。〕が進
められている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たＳＬＤを用いた通常の低コヒーレント干渉法では、測
定対象物（透明板）に平行あるいは集光ビームを照射
し、その前面及び裏面からの反射信号光と参照光との光
路差が０となるような参考光ミラーの二つの位置を特定
し、これらの間隔から透明板の前面と後面の光路差（屈
折率ｎ×厚さｔ）が測定される。すなわち、この場合に
測定量は屈折率ｎ×厚さｔのみであるので、屈折率ｎと
厚さｔの分離測定はできない。

【０００８】この点について、詳細に説明する。「屈折
率」は光に対する媒質特有の物理量であるので、光をプ
ローブとして測定せざるを得ない。さて、屈折率ｎ、厚
さｔなる媒質を光が通過するのに要する時間τは、真空
中の光速をｃ（＝３×１０⁸ｍ／秒）として、 τ＝ｎ×ｔ／ｃである。屈折率ｎの測定においては、基本的にはこの時
間τを測定することになる。光速ｃは既知であるので、
一般にはｎ×ｔ（これを媒質の光路長という）が実測で
きる。したがって、屈折率ｎを分離測定するには、何ら
かの工夫が必要である。例えば、媒質の厚さｔを前もっ
て機械的に（接触法で）測定しておき、光学的に測定し
た光路長ｎ×ｔの実測値をもとに、屈折率ｎを求めるこ
とができる。

【０００９】しかしながら、同一の媒質の物理量ｎ，ｔ
を測定する上で、二つの異なる測定を行なうことは、測
定精度の劣化につながり、また、煩雑である。さらに、
生体組織のような機械的にその厚さを測定できない媒質
も多く、また、接触法による機械的な厚さ測定の限界は
約１μｍであり、本質的に〜１ｎｍ（＝０．００１μ
ｍ）の測定精度をもつ光学的測定法には遠く及ばない。

【００１０】このような理由により、光学的に媒質の屈
折率ｎ、厚さｔを分離測定する手法の確立が不可欠であ
る。媒質の屈折率ｎ、厚さｔの光学的同時測定は、レン
ズを始め光学部品・材料を開発するメーカーにおいて
は、必須の技術である。特に、レンズは屈折率と同時に
精密な厚さ分布の測定を必要とする。最近は、種々の多
成分系ガラス以外にポリマー（高分子）や液晶を用いた
光学部品も多く、これらの部品開発には屈折率ｎ、厚さ
ｔの同時精密測定は不可欠な技術・装置である。また、
短波長光源や波長可変レーザ実現に向けて、様々な非線
形光学材料の研究開発も盛んであるが、これらの新光学
材料の屈折率を測定する上で、簡易な屈折率ｎ、厚さｔ
の同時精密測定装置が要求されている。

【００１１】また、医用分野、例えば、光診断・治療の
分野においても、屈折率ｎ、厚さｔの同時測定の必要性
が高まりつつある。一例を上げると、眼科治療・診断で
は、眼径や角膜の厚さ等の精密な測定（精度は約１０μ
ｍ）が要求されている。この場合には、非接触測定が条
件であり、光プローブを用いることになる。しかしなが
ら、現状では、屈折率ｎと厚さｔの分離測定ができない
ため、正確に眼径や角膜の厚さを測定できない状態にあ
る。さらに、現在活発に検討が進められている光ＣＴ
（光による生体断層像）の構築においても、生体内組織
構造の微細なサイズを決定する上で、屈折率ｎと厚さｔ
の同時測定は必要である。

【００１２】本発明は、上記状況に鑑みて、測定対象物
の屈折率ｎと厚さｔの分離測定を可能にし、低コヒーレ
ント光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測
定を可能にする光干渉法による測定対象物の屈折率と厚
さの同時測定方法及びそのための装置を提供することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、〔１〕光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時
測定方法であって、低コヒーレント干渉光学系と測定対
象物又は、集光レンズを搭載する微動ステージを備え、
前記低コヒーレント干渉光学系の光を集光レンズで前記
測定対象物に集光して、この測定対象物の前面及び後面
に焦点を合わせ、これら二つの集光状態の光路差と二つ
の集光状態を得るために必要な測定対象物（又は集光レ
ンズ）の移動距離とを求め、測定対象物の屈折率と厚さ
とを同時に測定するようにしたものである。

【００１４】〔２〕上記〔１〕記載の光干渉法による測
定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法であって、前記
測定対象物を搭載する微動ステージを移動させ測定対象
物を走査するようにしたものである。〔３〕上記〔１〕記載の光干渉法による測定対象物の屈
折率と厚さの同時測定方法であって、前記集光レンズを
搭載する微動ステージを移動させ集光レンズを走査する
ようにしたものである。

【００１５】〔４〕上記〔１〕記載の光干渉法による測
定対象物の屈折率と厚さの同時測定方法であって、更
に、前記測定対象物の群屈折率差による複屈折測定を行
うようにしたものである。〔５〕光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時
測定装置であって、低コヒーレント光を出射する光源
と、この光源からの低コヒーレント光を分けるビームス
プリッタと、このビームスプリッタにより分けられる一
方の光を受ける参照光ミラーと、参照光を位相変調する
ために、前記参照光ミラーを振動させる振動子と、前記
参照光ミラーを微小移動させる第１のステージと、前記
ビームスプリッタにより分けられる他方の光をレンズに
より集光して、測定対象物に照射する手段と、前記測定
対象物を微小移動させる第２のステージと、前記測定対
象物からの反射光と前記参照光ミラーからの参照光を合
波・干渉させて検波する受光素子とを設けるようにした
ものである。

【００１６】〔６〕上記〔５〕記載の光干渉法による測
定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置であって、前記
レンズを微小移動させる第３のステージを設けるように
したものである。〔７〕上記〔５〕又は〔６〕記載の光干渉法による測定
対象物の屈折率と厚さの同時測定装置であって、前記光
源はスーパルミネッセントダイオードである。

【００１７】〔８〕上記〔５〕又は〔６〕記載の光干渉
法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置であ
って、前記受光素子はヘテロダイン検波するフォトダイ
オードである。

〔９〕上記〔５〕又は〔６〕記載の光干渉法による測定
対象物の屈折率と厚さの同時測定装置であって、前記測
定対象物は厚さ数１００μｍ以上の媒質である。

【００１８】〔１０〕上記〔５〕又は〔６〕記載の光干
渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置で
あって、前記測定対象物は生体組織である。〔１１〕上記〔５〕又は〔６〕記載の光干渉法による測
定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置であって、前記
測定対象物の群屈折率差による複屈折測定手段を付加す
るようにしたものである。

【００１９】このように構成したので、測定対象物とし
て、透明板を例にとると、透明板の屈折率ｎと厚さｔの
同時測定を行うには、その透明板の前面と後面の光路差
ｎ×ｔ以外に、これと独立なもう一つの測定量を用意す
る。つまり、実際には、ＳＬＤ光をレンズで透明板に集
光して、その前面及び後面に焦点を合わせ、これら二つ
の集光状態の光路差と二つの集光状態を得るために必要
な測定対象物（又は集光レンズ）の移動距離とを測定す
る。二つの面の焦点合せには、集光レンズを固定して透
明板を移動する「測定サンプル走査法」と、透明板を固
定して集光レンズを移動する「レンズ走査法」がある。

【００２０】いずれの場合も、測定量として、「光路差
（必ずしも屈折率ｎ×厚さｔではない）」以外に、透明
板の前面と後面との焦点合せに必要な「透明板あるいは
レンズの移動距離」が生ずる。これら二つの測定量から
透明板の屈折率ｎと厚さｔを算出することができる。ま
た、０．１μｍ精度のステージを用いれば、１０^-3オー
ダーの複屈折Δｎ_gを数％の精度で測定できる。

【００２１】したがって、本発明によれば、（１）低コヒーレント干渉光学系と微動ステージを融合
した、比較的簡単な光学測定系と検出信号処理により、
精度の高い測定対象物の屈折率と厚さとを同時に測定す
ることができる。（２）厚さ数１００μｍ以上の媒質の屈折率ｎ及び厚さ
ｔを０．１％の高精度で測定できる。

【００２２】（３）集光ビーム照射であるので、媒質の
屈折率ｎ及び厚さｔの空間分布を測定することができ
る。（４）また、媒質の測定面は必ずしも鏡面である必要は
なく、粗面であっても測定可能であり、生体組織のよう
に極めて散乱が大きい媒質にも適用することができる。
（なお、散乱媒質においては、反射直進光を抽出して測
定する）。

【００２３】（５）これらの特徴に加え、屈折率が既知
の透明板を用いれば、本測定法に基づき、レンズの開口
数ＮＡの実測が可能である。（６）なお、低コヒーレント光源は、必ずしもＳＬＤに
限るものではなく、閾値以下の注入電流で駆動されるレ
ーザーダイオード（ＬＤ）等、可干渉距離が数１０μｍ
程度、あるいはそれ以下の光源は全て使用することがで
きる。従って、本測定法において、発振中心波長が相異
なる数個のＬＤを併用することによって、測定対象物の
屈折率の波長分散をも測定することができる。

【００２４】（７）また、屈折率と厚さの同時測定の他
に、群屈折率差による複屈折測定を行うことができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図を
参照しながら説明する。本発明は、ＳＬＤ低コヒーレン
ト干渉法による測定対象物（媒質）の屈折率ｎと厚さｔ
の同時測定法について述べる。まず、測定光学系につい
て述べる。

【００２６】図１は本発明の第１実施例を示すＳＬＤを
用いた光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時
測定の基本的なシステム構成図である。この図におい
て、ＳＬＤ１の発振中心波長λ_c＝８３４ｎｍで、発振
スペクトラムの半値全幅（ＦＷＨＭ）はΔλ＝１６ｎｍ
であり、これによって決まる干渉計の可干渉距離はΔｌ
_c〜２５μｍである。この干渉計において、ＳＬＤ１か
ら出射された光はビームスプリッタ２（ＢＳ）で二等分
され、その光の一方は集光レンズ（対物レンズ）３で第
２のステージ４上に置かれた測定対象物５に集光され
る。

【００２７】これに対して、他方の光は第１のステージ
７上のＰＺＴ（ピエゾトランスデューサ）９に固定され
た参照光ミラー１０に照射される。ＰＺＴ９には周波数
ｆ（＝５００Ｈｚ）の振動が加えられ、参照光ミラー１
０からの反射光（参照光）を位相変調する。測定対象物
５からの反射光（信号光）と参照光ミラー１０から参照
光を合波・干渉してフォトダイオード（ＰＤ）１３でヘ
テロダイン検波する。

【００２８】検出信号はアンプ１４、高域通過フィルタ
１５、アンプ１６を通してサンプリングホールド回路１
７に導き、周波数ｆなる交流信号振幅の最大値を抽出
し、Ａ／Ｄコンバータ１８により、１０ビットのディジ
タル信号に変換してパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１
９に記憶する。なお、１１はステージコントローラであ
り、第１のステージ７、第２のステージ４、第３のステ
ージ６をそれぞれ制御する。８はＰＺＴ９に接続される
交流電圧源、１２ａ，１２ｂはリレーレンズである。

【００２９】一般に、光通信用の半導体レーザダイオー
ド（ＬＤ）は、発振波長スペクトラム幅Δλ（＜０．１
ｎｍ）は狭く、良質の単色光源である。これに対してＳ
ＬＤは、発光ダイオード（ＬＥＤ）とＬＤの中間的なも
ので、市販のＳＬＤの発振波長スペクトラムは広くΔλ
〜１５ｎｍ程度である。このＳＬＤを光源とする干渉光
学系を低コヒーレント光干渉系と呼び、その可干渉距離
Δｌ_Cはわずか２０μｍである。すなわち、ＳＬＤ干渉
光学系では、ビームスプリッタで分けられた二つの光
（参照光と信号光）は、これらの伝搬距離（光路長）の
差がΔｌ_C／２（〜１０μｍ）以下でなければ、干渉で
きない。言い換えれば、ＳＬＤ干渉光学系は〜１０μｍ
の分解能で光の伝搬距離（光路長）の差を識別できる。
このことから、ＳＬＤ干渉光学系は、分解能１０μｍオ
ーダーの光路長測定や微小領域の故障診断に利用でき
る。

【００３０】そこで、測定対象物（ここでは、板状の透
明媒質、つまり透明板）５の屈折率ｎ、厚さｔの測定を
行なう。まず、「測定サンプル走査法」では、図２（ａ
−１）に示すように、光を透明板５の前面に集光し、参
照光と信号光アームの光路差が０となるように、図３
（ａ−１）に示すように、参照光ミラー１０の位置を調
整する。

【００３１】次に、図２（ａ−２）に示すように、第２
のステージ４を移動して、透明板５を集光レンズ３に近
づけ、その透明板５の後面に焦点合わせする。このとき
の透明板５の移動距離をｚ₁とする。この状態で干渉計
の二つのアームの光路差が再び０となるように、図３
（ａ−２）に示すように、参照光ミラー１０をΔＬ₁だ
け移動する。

【００３２】一方、「レンズ走査法」では、図２（ｂ−
１）に示すように、光を透明板５の前面に集光し、参照
光と信号光アームの光路差が０となるように、図３（ｂ
−１）に示すように、参照光ミラー１０の位置を調整す
る。これは、図２（ａ−１）及び図３（ｂ−１）と同様
である。次いで、第３のステージ６（図１参照）を用い
て、図２（ｂ−２）に示すように、集光レンズ３を距離
ｚ₂移動して透明板５の後面に焦点合せし、かつ、図３
（ｂ−２）に示すように、参照光ミラー１０をΔＬ₂移
動する。

【００３３】このように、透明板（あるいはレンズ）５
と参照光ミラー１０の移動距離ｚ₁（ｚ₂）及びΔＬ₁
（ΔＬ₂）が得られれば、次節で示すような簡単な計算
から、透明板５の屈折率ｎ及び厚さｔを求めることがで
きる。（Ｂ）以下、測定原理について説明する。〔１〕測定サンプル走査法（１）屈折率ｎ及び厚さｔの算出図４に示すように、まず、光を透明板５の前面に焦点合
せした状態（図中の点線）を基準として、透明板５を距
離ｚ₁だけレンズに近づけ、その後面に光が集光された
場合（図中の実線）を考える。透明板５に対する光の入
射角をθ、入射位置をｒ、屈折角をφとすると、

【００３４】

【数１】

【００３５】である。式（１）より

【００３６】

【数２】

【００３７】となる。ここで、前述の参照光ミラー１０
の移動距離ΔＬ₁を求める。ΔＬ₁は、光を透明板５の
前面（ｚ＝０面）に焦点合わせした場合（図中の点線）
と透明板５を距離ｚ₁だけ移動して後面に焦点合わせし
た場合（図中の実線）との光路差であり、図４ではｚ＝
ｚ₁面を基準として、二つの焦点ＦとＦ′との光路差に
等しい。集光レンズ３通過後の収束光（または発散光）
の位相は、集光レンズ３中心軸を通る光線で代表して考
えることができるので、

【００３８】

【数３】

【００３９】である。ここで、透明板５（サンプル）を
移動するので、光路差ΔＬ₁は、移動距離ｚ₁によって
変化することに注意する。式（２）、（３）よりｔを消
去して、

【００４０】

【数４】

【００４１】を得る。上式（４）はレンズの開口数ＮＡ
（＝ｓｉｎθ）が既知であれば、測定値ΔＬ₁と移動距
離ｚ₁の比から、透明板５の屈折率ｎが求められること
を示している。また、その厚さｔは式（３）より得ら
れ、

【００４２】

【数５】

【００４３】である。すなわち、図４において、測定サ
ンプルとしての透明板５を前面に集光し（第２のステー
ジ４の位置ｚ＝０；焦点Ｆ′）、この状態で最大干渉信
号強度が得られる参照光ミラー１０の位置（第１のステ
ージ７の位置ｘ＝ｘ_F1）を特定する。次に、第２のステ
ージ４を用いて透明板５を距離ｚ₁だけ集光レンズ３に
近づけ（透明板５後面に集光するｚ＝ｚ₁；焦点Ｆ）、
この状態で、干渉信号強度が再び最大になるように第１
のステージ７（参照光ミラー１０）を調整し、その位置
ｘ＝ｘ_R1を特定する。前面と後面に焦点合わせした二つ
の状態の光路差はΔＬ ₁＝ｘ_R1−ｘ_F1であり、このΔＬ
₁とｚ₁となる二つの独立な測定値から透明板５の屈折
率ｎと厚さｔが求められる。

【００４４】（２）測定手順とそのポイントポイントは、照射ビームを透明板５の前面あるいは後面
に焦点合せし、かつ、このとき干渉計の参照光と信号光
アームの光路差が０となるような状態を実現し、この状
態における参照光ミラー１０（第１のステージ７：ｘ
軸）と透明板５（第２のステージ４：ｚ軸）の位置を高
精度で測定することである。このためには、まず、集光
レンズ３焦点近傍に反射面があるときの干渉信号強度が
どのように変化するかを把握しておく必要がある。

【００４５】図５に、光源に半導体レーザ（ＬＤ）のよ
うなコヒーレンスの高いレーザを用いたときの干渉信号
強度パターンを示す。レンズ焦点では、集光ビームは平
面波を形成するので反射光強度は最大となる。一方、反
射面が焦点の外（あるいは内）に位置する場合には、集
光ビームは発散球面波（または収束球面波）となり、反
射光強度は著しく減少する。信号強度パターンの半値全
幅Δｚは、レンズのＮＡによって決まり、実測値では、
ＮＡ＝０．２７でΔｚ〜１７μｍ、ＮＡ＝０．２０でΔ
ｚ〜３０μｍである。

【００４６】この結果から、レンズ焦点位置を１μｍあ
るいはそれ以下の精度で特定できることが分かる。上記
の結果を踏まえて、光源にコヒーレント長Δｌ_cなるＳ
ＬＤを用いて、集光ビームが透明板５の前面あるいは後
面に焦点合せされる第２のステージ４の位置（ｚ＝０及
びｚ＝ｚ₁）、そして、これに対応して参照光と信号光
アームの光路差を０とする参照光ミラー用第１のステー
ジ７の位置（ｘ＝ｘ_F1及びｘ＝ｘ_R1）を測定する。

【００４７】透明板５の前面を対象とする場合には、ま
ず、前面近傍に集光レンズ３の焦点合せを行い、検出可
能な干渉信号強度が得られる状態で、透明板５を搭載し
た第２のステージ４を走査すると、図６に示すような信
号強度パターンが得られる。さらに、第１のステージ７
を前後にδｘ₁（実験ではδｘ₁＝５μｍ）ずつ移動
し、同様に第２のステージ４を走査して信号強度パター
ンを記録する。これらＳＬＤを光源とする信号強度パタ
ーンの包絡線は、図５に示したコヒーレント光の信号強
度パターンに一致する。この結果から、ＳＬＤ信号強度
パターンのピークが最大となる第２のステージ４の位置
によってｚ＝０が特定でき、これに対応する第１のステ
ージ７の位置がｘ＝ｘ_F1である。

【００４８】ここで、ｘ＝ｘ_F1を光路差の基準として、
ΔＬ₁＝０とする。なお、各々のＳＬＤ信号強度パター
ンの半値全幅Δｚ_c1は、一般にＳＬＤ自身のコヒーレン
ト長Δｌ_c／２（＝１２．５μｍ）に等しい。透明板５
の後面においても、全く同様にしてｚ＝ｚ₁及びｘ＝ｘ
_R1を求めることができる。しかし、透明板５の後面では
レンズのＮＡは１／ｎ（ｎは透明板の屈折率）に減少す
るので、ＳＬＤ信号強度パターン及び包絡線の半値全幅
Δｚ_c1、Δｚ_R1は透明板５の前面に比べてｎ倍に拡が
る。

【００４９】以上の測定により、所望の量ΔＬ₁（＝ｘ
_R1−ｘ_F1）及びｚ₁が得られ、式（４）及び（５）をも
とに、透明板５の屈折率ｎ及び厚さｔが算出できる。現
状の測定系に組み入れたステージは、１μｍ／ステップ
であるので、測定サンプルの厚さが１ｍｍ程度であれ
ば、式（４）から算出される屈折率ｎの測定精度は、〜
０．１％である。

【００５０】〔２〕レンズ走査法図７にレンズ走査法の原理図を示す。これから直ちに、

【００５１】

【数６】

【００５２】となることが分かる。また、ΔＬ₂は透明
板５の後面と前面の焦点ＦとＦ′との光路差であるの
で、ｚ₂に無関係に一定となり、

【００５３】

【数７】

【００５４】である。このように、ビームスプリッタ
（ＢＳ）２に対して透明板５の位置が固定されている場
合には、その間にある集光レンズ３を移動しても、光路
差ΔＬ₂は変化しないことに注意する必要がある。式
（６）、（７）より、屈折率ｎは、

【００５５】

【数８】

【００５６】で与えられ、また、厚さｔは

【００５７】

【数９】

【００５８】である。すなわち、図７において、まず、
測定サンプルとしての透明板５の前面に集光し（第３の
ステージ６の位置ｚ＝０；焦点Ｆ′）、この状態で最大
干渉信号強度が得られる参照光ミラー１０の位置（第１
のステージ７の位置ｘ＝ｘ_F2）を特定する。次に、第３
のステージ６を用いて集光レンズ３をｚ₂だけ透明板５
に近づけ、透明板５の後面に集光する（ｚ＝ｚ₂；焦点
Ｆ）。この状態で干渉信号強度が再び最大となるように
第１のステージ７（参照光ミラー１０）を調整し、その
位置ｘ＝ｘ_R2を特定する。前面と後面に焦点合わせした
二つの状態の光路差は、ΔＬ₂＝ｘ_R2−ｘ_F1であり、こ
のΔＬ₂とｚ₂なる二つの独立な測定値から透明板５の
屈折率ｎと厚さｔが求められる。

【００５９】測定サンプル走査法と同様に、レンズ走査
法における測定上のポイントも、透明板５の前面と後面
に焦点合せされるレンズの位置ｚ₀、ｚ₂、及びこれら
に応じて干渉計の信号光と参照光アームの光路差を０と
するような参照光ミラー１０の位置ｘ_F2、ｘ_R2を精度良
く測定することである。まず、集光レンズ３が透明板５
の前面に焦点合せされていると考える（レンズ位置はｚ
＝０）。この状態で参照光ミラー１０を移動すると、図
８に示すように、ＳＬＤ自身の可干渉性を示す干渉信号
強度パターンが得られる。このパターンの半値全幅はΔ
ｘ＝Δｌ_c／２（＝１２．５μｍ）であり、強度のピー
ク位置はｘ＝ｘ_F2である。そこで参照光ミラー１０の位
置をｘ＝ｘ_F2として集光レンズ３を走査すると、図９に
示すような信号強度パターンが得られる。

【００６０】これは、図５のコヒーレントなレーザを光
源とする集光レンズ３の反射・干渉信号強度パターンに
一致する。何故なら、反射面（透明板５の前面）を固定
した場合には、集光レンズ３の位置によって干渉計その
ものの参照光と信号光アームとの光路差が変化しないか
らである。また、このとき信号強度が最大となる集光レ
ンズ３の位置がｚ＝０である。

【００６１】次に、参照光ミラー１０の位置をｘ＝ｘ_F2
＋δｘ₂（δｘ₂〜Δｌ_c／１０＝２．５μｍ）にし
て、集光レンズ３を走査すると、ピーク強度がわずかに
低くなるが、ｘ＝ｘ_F2の場合と同様な信号強度パターン
を得る。このとき、パターンのピーク位置はやはりｚ＝
０で変化しないことに注意する必要がある。以上のこと
を踏まえて、集光レンズ３の位置ｚ＝０及びこれに対応
する参照光ミラー１０の位置ｘ＝ｘ_F2を特定するには、
参照光ミラー１０をｘ＝ｘ_F2付近に調整し、この近傍で
参照光ミラー１０をδｘ₂づつ変化させ、集光レンズ３
を反復走査して信号強度パターンを記録すれば良いこと
が分かる。ピーク強度を与える集光レンズ３の位置から
ｚ＝０が、そしてピーク強度が最大となる参照光ミラー
１０の位置からｘ＝ｘ_F2が特定できる。

【００６２】また、透明板５の後面の焦点合わせから、
全く同様にして、ｚ＝ｚ₂及びｘ＝ｘ_R2が測定でき、光
路差ΔＬ₂＝ｘ_R2−ｘ_F2（＝ｎ×ｔ）である。〔３〕両走査法の比較ｚ＝０及びｚ＝ｚ₁、ｚ₂、そして、これらに対応する
ｘ＝ｘ_F1、ｘ_F2及びｘ＝ｘ_R1、ｘ_R2なる量を測定する上
において、ステージに要求される精度は、両走査法共に
同程度である。すなわち、厚さｔ〜１ｍｍの透明板で、
ｎの測定誤差がΔ_n（＝δｎ／ｎ）＝１０^-3であれば、
少なくとも１μｍ／ステップのステージが必要である
（次章参照、但し、紙面の関係上、測定精度に関する詳
細な論議は割愛し、測定精度の計算結果の一例を図１０
に示す）。

【００６３】この要求は、現状のステージが最小＜０．
０５μｍ／ステップであることを考えれば、むしろ極め
て緩やかな制限である。問題は、図６あるいは図９に示
すように、ｚ＝０及びｚ＝ｚ₁、ｚ₂の位置を特定する
上で、いずれの走査法が良いかという点にある。集光レ
ンズのＮＡ＞０．１５であれば、参照光ミラー位置をパ
ラメータとして得られる各信号強度パターンの半値全幅
は、測定サンプル走査法の方が狭いので、この走査法の
方が有利であると考えられる。しかし、レンズ走査法で
は、各信号強度パターンのピーク位置が一致しているの
で、ｚ＝０及びｚ＝ｚ₁、ｚ₂の位置を特定し易いとい
う利点があり、低ＮＡ（＜０．１）の場合に有利と考え
られる。

【００６４】両走査法の優劣は測定対象物によって決ま
る。測定対象物を微動ステージ上に固定できる場合に
は、測定サンプル及びレンズ走査法共に有効である。し
かし、対象物を固定して測定する場合（例えば、ｉｎ
ｖｉｖｏ生体計測の場合）には、レンズ走査法を適用せ
ざるを得ない。次に、レンズの実効ＮＡの評価について
説明する。

【００６５】（１）評価の原理式（４）あるいは（８）で示されているように、本測定
法ではレンズのＮＡが既知であることが条件である。し
かしながら、ＳＬＤは時間コヒーレンスばかりでなく、
その空間コヒーレンスも不完全であり、かつ入射ビーム
の径や拡がりの具合によって実効的なレンズのＮＡは変
化する。したがって、屈折率ｎ、厚さｔの測定に先立っ
て、測定系に用いるレンズの実効ＮＡ（ＮＡ_eff）を評
価する必要がある。

【００６６】まず、「測定サンプル走査法」を対象とし
て、式（４）を変形すると、

【００６７】

【数１０】

【００６８】となる。屈折率ｎが既知の透明板を用い
て、光路長ΔＬ₁とサンプル移動距離ｚ ₁を測定すれ
ば、（１０）式より、集光レンズの実効ＮＡが求められ
る。（２）実験結果実験では、屈折率の波長分散が良く知られている厚さ約
１ｍｍの溶融石英板（ＳＬＤの発振中心波長λ_c＝８３
４ｎｍでｎ＝１．４５２７）を用い、測定サンプル走査
法でレンズの実効ＮＡを評価した。測定系に組み入れた
レンズは顕微鏡用×２０対物レンズ（口径８ｍｍでＮＡ
＝０．４０）である。また、照射ビーム径を変えるため
に、ＳＬＤをコリメートした直後に可変アパーチャを挿
入した。

【００６９】アパーチャ径６ｍｍφの場合に得られた信
号強度パターンを図１１〜図１３に示す。図１１は参照
光ミラーの位置を５μｍづつ変えて得られた石英板の前
面からの反射・干渉信号強度パターン群であり、図１２
はその石英板の後面からの信号強度パターン群である。
信号強度パターン群の包絡線の半値全幅は、前面で１６
μｍ、後面では屈折率の分だけ拡がり２３μｍである。
これらの前面及び後面の信号強度パターン群（図１３参
照）の中から、各々最大ピーク値を持つものを選び、そ
の間隔からｚ₁が、そして、これら二つの信号強度パタ
ーンが得られる参照光ミラーの位置からΔＬ₁が測定で
きる。

【００７０】測定値ΔＬ₁，ｚ₁及び式（１０）をもと
に評価したレンズの実効ＮＡを表１にまとめてある。

【００７１】

【表１】

【００７２】ここで、石英板の厚さｔは、式（３）より
得られ、

【００７３】

【数１１】

【００７４】である。アパーチャ径６ｍｍφのとき、厚
さの測定値とマイクロメータによる実測値（１０２６μ
ｍ）は良く一致している。このときの実効ＮＡの測定値
はＮＡ_eff＝０．２７３であり、ビーム径６ｍｍφに対
するレンズの所定の値０．３０より低い。これはＬＤや
ガスレーザに比べてＳＬＤ自身の空間コヒーレンスが劣
るためと考えてよい。

【００７５】一方、４ｍｍφのビーム径では、所定値に
等しいＮＡ_eff＝０．１９９を得た。ビーム径（ＮＡ）
が小さくなれば、ＳＬＤの低空間コヒーレンスの影響は
緩和されるので、この結果は必ずしも誤差が大きすぎる
とはいえない。しかし、上述のように、４ｍｍφでは光
学系のアライメントが不十分でｚ₁、ΔＬ₁の測定誤差
が大きく、６ｍｍφの場合と比べて、４ｍｍφでＮＡ
_eff＝０．１９９なる結果は測定精度の点で劣る。

【００７６】したがって、以後の実験では、ビーム径を
６ｍｍφとしてＮＡ_eff＝０．２７３とし、各種材料の
屈折率ｎ、厚さｔ同時測定を行った。次に、透明板の屈
折率ｎ、厚さｔの同時測定例について説明する。生体組
織においては、屈折率ｎが１．３から２．５付近まで分
布すると考え、測定サンプルとして、スライドガラス、
サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、タンタル酸リチウム（Ｌｉ
ＴａＯ₃）を用いた。一般に高屈折率材料は複屈折性を
持つものが多く、Ａｌ₂Ｏ₃とＬｉＴａＯ₃も一軸性光
学結晶であり、波長λ＝８３４ｎｍで各々Δｎ＝０．０
０８、−０．００４なる複屈折率差（常光線と異常光線
との屈折率差でΔｎ＝ｎ_o−ｎ_e）を示す。

【００７７】しかし、現状の測定光学系では、これらの
Δｎはｎの測定誤差よりわずかに大きい程度であり、光
学的に等方な媒質と見なして差し支えない（注：現状の
測定システムでは特に信号処理系におけるノイズが大き
く、これが測定誤差の要因になっている）。実際に、測
定には×２０対物レンズを用い、ビーム径６ｍｍφで、
その実効ＮＡを０．２７３とした。図１４〜図１６に〜
１ｍｍ厚のｚカットサファイアの測定結果を示す。ま
た、ｚカットＬｉＴａＯ₃、スライドガラスを含めて、
各サンプルに対するΔＬ₁とｚ₁の測定値、及び式
（４）、（５）から得られる屈折率及び厚さの測定値ｎ
_m、ｔ_mを表２にまとめてある。

【００７８】

【表２】

【００７９】さらに、これらの測定値を、セルマイヤー
方程式をもとに計算した屈折率ｎ_s、及びマイクロメー
タで測定した厚さの実測値ｔ_sと比較して、それぞれ測
定誤差Δ_n、Δ_tを求めた。〜１ｍｍ厚のサファイアで
はΔ_n＝−０．３％、Δ_t＝±０％を得た。そして、厚
さ１ｍｍのサンプルでｎ＝１．７〜１．８においては、
Δ_n＝０．１％を得るためのｚ₁の測定許容誤差はδｚ
₁＜１μｍであるが、サファイアで得られたΔ_n（＝−
０．３％）はこれより大きい。

【００８０】この原因は、信号強度パターンに含まれる
ノイズによって、位置ｚ＝０、ｚ₁を特定する精度が劣
化するためである。したがって、主としてフィルター、
サンプルホールド回路から成る信号処理系の雑音を低減
することにより、１μｍ／ステップのステージを用いて
所定の測定誤差Δ_n＝０．１％を実現できると考えてい
る。

【００８１】〜１ｍｍ厚のサファイアに対して、〜０．
５ｍｍ厚のＬｉＴａＯ₃ではΔＬ₁及びｚ₁の測定許容
誤差は約１／２となるので、実験で得られた測定誤差は
サファイアの２倍となり、Δ_n＝＋０．６％、Δ_t＝−
０．６％である。また、スライドガラス（ソーダガラ
ス）では、もともと屈折率ｎ_sが推定値にすぎないの
で、Δ_tで測定精度を判断せざるを得ない。この場合、
Δ_t＝＋０．１％であり、所望の精度が得られている。

【００８２】以上の基礎実験により、〜１ｍｍ厚のサン
プルを対象として、≧０．１％の誤差でサンプルの屈折
率ｎ、厚さｔの同時測定ができることを実証した。次
に、本発明の第２実施例について説明する。この実施例
では、第１実施例に示した屈折率ｎと厚さｔ同時精密測
定法を用いて、さらに、媒質の群屈折率の差で与えられ
る複屈折が精度良く測定できることを提案・実証する。
具体的には、光源のスーパルミネッセントダイオード
（ＳＬＤ）が、低コヒーレント、かつ非偏光（ランダム
偏光）であるために、媒質のＳＬＤ光入射面内におい
て、主軸方向が任意の方向であっても、いかなる偏光制
御・回転を必要とせずに、群屈折率差による複屈折を数
％あるいはそれ以下の精度で測定できる。

【００８３】この複屈折測定においては、測定サンプル
走査法、レンズ走査法のいずれも有効である。また、こ
のような簡便、かつ高精度な複屈折測定は既存の機器／
装置では未だ達成されていない。このように、低コヒー
レント光干渉に基づく本測定システムでは、屈折率と厚
さの同時測定の他に、群屈折率差による複屈折測定の可
能性が実証されたことになり、本測定システムの活用範
囲は光エレクトロニクス分野でさらに拡大することが期
待できる。

【００８４】（１）以下、その複屈折測定について説明
する。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、ニオブ酸タンタル
（ＬｉＴａＯ₃）、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）に代表さ
れるような光学結晶材料は、一般にΔｎ＝４×１０^-3〜
１０^-1の複屈折を示す。これ以外にも、ガラスのような
アモルファス材料であっても、一方向から応力が加えら
れた場合には、光学的異方性が発生し、１０^-3オーダー
の複屈折を呈する。特に、スパッタや蒸着等で堆積した
膜材料（例えば、光ディスク材料等）はΔｎ≧１０^-3の
複屈折が生じる。このように、光学分野で使用される材
料の大半は複屈折を示すので、精密かつ簡便な複屈折測
定機器の開発は不可欠である。

【００８５】複屈折測定に関しては、既存のエリプソメ
ータでも原理的に可能であるが、極めて精密な光学系と
繁雑な計算を要するため、汎用の機器には複屈折測定の
機能は整備されていないのが現状である。また、既に指
摘したとおり、エリプソメータは膜厚数１００μｍ以上
の材料に適用できないという欠点がある。これに対し
て、この第２実施例の群屈折率差による複屈折測定法で
は、上記第１実施例で示した屈折率ｎと厚さｔの同時精
密測定の簡便なシステムをそのまま用いて、数％あるい
はそれ以下の精度で複屈折測定が可能である。

【００８６】（２）次に、複屈折測定の基礎について説
明する。一般に、光学材料においては、直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸
（これらを主軸という）が定められ、これらの軸方向
に、直線偏光する光が感じる屈折率をｎ_X、ｎ_Y、ｎ_Z
とする。これら三つの屈折率の中で少なくとも一つが異
なる値であれば、その材料は光学的異方性をもち、複屈
折を示す。しかしながら、光学材料を使用する場合に
は、一般に、三つの主軸のいずれかの軸に沿って光を入
射する。例えば、Ｘ軸方向に沿って光を入射する場合に
は、複屈折Δｎはｎ_Yとｎ_Zの差で与えられ、

【００８７】

【数１２】

【００８８】である。したがって、複屈折測定において
は、必ずしも、ｎ_Yとｎ_Zを個々に測定する必要はな
く、その差のみをできるだけ精密に測定すればよい。も
ちろん、この測定システムではｎ_Y、ｎ_Z、ｔを個々に
測定できるので、これからΔｎを算出することもでき
る。しかし、屈折率に比べて、複屈折の絶対値ははるか
に小さく、より精密な測定が要求される。

【００８９】（３）複屈折測定の原理（３．１）測定方法および測定系上記した第１実施例による屈折率ｎと厚さｔの同時精密
測定法を用いて、複屈折測定が可能である。以下に測定
原理を説明する。図１７に示すように、光源はスーパル
ミネッセントダイオード（ＳＬＤ）であり、この出射光
は低コヒーレンスで可干渉距離が約１２μｍと短い上
に、さらに非偏光（ランダム偏光）である。複屈折測定
においては、このＳＬＤ光２１の非偏光な点が有利であ
る。

【００９０】さて、非偏光なＳＬＤ光２１をレンズ２２
で測定サンプル２３の前面または後面に集光する。この
とき、光の入射方向はサンプル２３の主軸Ｘに沿うもの
とし、また、光の入射面内におけるＹおよびＺ軸の方向
は任意でよい。光がサンプル２３内に入ると、非偏光な
ＳＬＤ光はサンプル２３の主軸ＹとＺの方向に偏光する
二つの直線偏光波成分に分離して伝搬する。何故なら、
複屈折を示すサンプル内では（屈折率はｎ_Y≠ｎ_Z）、
Ｙ軸とＺ軸に偏光する二つの直線偏光波のみが伝搬可能
なためである。

【００９１】したがって、サンプル２３後面からの反射
光は、屈折率ｎ_Yとｎ_Zを経験した２種類の光の和とな
り、これ以外の光は反射光には含まれない。また、複屈
折測定における光学系は、基本的にはｎ、ｔ同時測定の
もの（図１参照）と全く同じで良い。この光学系におい
て、前述のサンプル２３後面からの反射光を参照光と干
渉して、フォトダイオードでヘテロダイン検波し、信号
処理する。このとき、反射光に含まれる２種類の光は、
サンプル２３内でそれぞれ異なる光路長ｎ_Y×ｔおよび
ｎ_Z×ｔを経験しているので（ここで、ｔはサンプルの
厚さ）、測定サンプル走査法、レンズ走査法のいずれに
おいても、ステージの異なる二つの位置にサンプル２３
後面からの反射信号が現れる。

【００９２】図１８に測定サンプル走査法で得られる信
号強度パターンを示す。後面からの二つの信号強度パタ
ーン群の中で各々最大ピークをもつパターンを抽出す
る。これらの信号強度パターンに対応する参照光ミラー
の位置が測定できそれぞれｘ_R1Y（＝ｘ_R1o）、ｘ_R1Z
（＝ｘ_R1e）である。さらに、二つのピークの間隔Δｚ
が測定でき、これらの実測量から、複屈折の光路長差Δ
ｎ・ｔは、

【００９３】

【数１３】

【００９４】となる。ここで、サンプル厚ｔは第１実施
例で既に述べた方法で測定できるので、このｔの測定値
を用いて所望の複屈折Δｎを得ることができる。このよ
うに、ＳＬＤが非偏光であるために、偏光子／検光子、
波長板あるいは偏光回転器を用いることなく、かつサン
プル面内の主軸方向は任意の位置で、複屈折が測定でき
る。これは実用的な測定装置を構成する上で大きな利点
となる。

【００９５】（３．２）群屈折率の導入複屈折Δｎは二つの異なる屈折率の差であり、その値は
１０^-1〜１０^-3である。したがって、屈折率の小数点以
下２〜４桁目の数値に影響を与える要因について検討し
ておく必要がある。さて、光は波動であり、この速度に
は、波面が伝搬する速度、すなわち「位相速度ｖ_p」
と、光のエネルギーが伝搬する速度、すなわち「群速度
ｖ_g」がある。通常のレーザ光のようなほぼ完全な単色
光においては、両者は等しいと考えて差し支えない。

【００９６】しかしながら、ここで対象とするＳＬＤ光
では、その発振波長スペクトルは〜２５ｎｍも拡がって
おり、厳密には、とても単色光として取り扱えない。こ
の場合には、種々の波長の光が寄り集まった光の束（波
束）として取り扱う必要がある。この波束は、伝搬速度
は群速度ｖ_gであり、ＳＬＤの中心波長λ_Cで定義され
る位相速度ｖ_pとは異なる。

【００９７】媒質中の光の速度をｖとして、その屈折率
は、ｎ＝ｃ／ｖ（ここでｃ＝３×１０⁸ｍ／秒）で与え
られる。したがって、ｖの大きさによってｎの値も異な
る。今、位相速度ｖ_pに対する「位相屈折率ｎ_p」、群
速度ｖ_gに対する「群屈折率をｎ_g」とする。ここで、
ｎ_pとｎ_gは屈折率の波長分散〔ｄｎ（λ）／ｄλ〕で
関係付けることができ、

【００９８】

【数１４】

【００９９】である。上式の右辺第２項が波長分散によ
る変化量であり、λ_cはＳＬＤの中心波長である。種々
の光学結晶の中でも特に波長分散の大きいＬｉＮｂＯ₃
では、λ_c＝８５０ｎｍの時、異常光屈折率ｎ_eでｎ_g
−ｎ_p＝０．０９１８である。厳密には、特に、上記
（３．１）で述べたようなＳＬＤを用いた複屈折測定で
は、サンプルの主軸方向の「群屈折率の差」を測定する
ことになる。すなわち、所望の測定量には群速度に関与
する添字ｇを加えて、

【０１００】

【数１５】

【０１０１】とする必要がある。（３．３）測定精度上記（３．１）および（３．２）での議論は、サンプル
に入射するＳＬＤ光の波面が平面波であれば全く問題は
ない。しかしながら、入射光をレンズで集光するため
に、サンプルへの光の入射波面は球面波となる（図１７
参照）。この場合には、ｎ_Yおよびｎ_Zの測定におい
て、光の入射軸方向（Ｘ軸）の屈折率ｎ_Xの影響を受
け、これが（Δｎ_g×ｔ）の測定誤差の要因となる。

【０１０２】ＸカットＬｉＮｂＯ₃を例にとって、測定
誤差について検討した。レンズの開口数をＮＡ＝ｓｉｎ
θとして、球面波が感ずる異常光屈折率ｎ_eg（θ）は良
く知られた「屈折率楕円体」を用いて計算できる。ｎ_eg
（θ）と平面波照射の場合のｎ_eg（０）（＝ｎ_eg＝
ｎ_Zg）との差が測定誤差となる。レンズの開口数ＮＡ＝
ｓｉｎθに対するｎ_egの測定誤差δ_neの変化を図１９に
示す。複屈折率測定に使用するレンズは×２０対物レン
ズでｓｉｎθ＝０．３である。図１９より、ｓｉｎθ＝
０．３では誤差は、たかだかδ_ne＜０．１％であり、こ
れによる複屈折Δｎ_gの測定における誤差は＜１％が十
分に期待できる。

【０１０３】（４）実験結果上述の測定原理を確かめるために、測定サンプルとし
て、複屈折（Δｎ_g〜０．０９）、波長分散（〜０．０
９）共に大きなＸカットＬｉＮｂＯ₃を用いた。測定サ
ンプル走査法で得られたサンプル後面からの反射信号強
度パターンを図２０に示す。

【０１０４】干渉計の参照光ミラーの位置（ｘ_R1）を５
μｍステップで変えて、サンプルを搭載したステージを
繰り返し走査すると、常光線及び異常光線の屈折率（ｎ
_ogおよびｎ_eg）を経験した反射信号が、次々に分離して
得られる〔図２０（ａ）参照〕。常光線と異常光線に関
与する二つの信号強度パターン群の中から、最大ピーク
を示すものを抽出した〔図２０（ｂ）参照〕。

【０１０５】これら二つのパターンに対応する参照光ミ
ラーの位置ｘ_R1o（＝１９４０μｍ）、ｘ_R1e（１８３
０μｍ）、および最大ピークの間隔Δｚ（＝１５μｍ）
から、上記式（１３）を用いて、複屈折によるサンプル
の光路長差Δｎ_g×ｔ（＝９５μｍ）を得た。測定値と
理論値を対比して表３にまとめた。

【０１０６】

【表３】

【０１０７】Δｎ_g×ｔに関する測定誤差は、１．１％
であり、これは実験で精度１μｍのステージを使用した
ためである。また、表３の括弧内の数値は位相屈折率に
関する値である。実測値９５μｍは明らかに光の位相速
度による光路長差Δｎ_p×ｔとは異なっている。この事
実は、複屈折測定においては、光の群速度を考慮した上
記式（１５）の妥当性を実証するものである。

【０１０８】このように第２実施例によれば、上記第１
実施例の屈折率ｎと厚さｔの同時精密測定法をもとに、
さらに、媒質の群屈折率の差で与えられる複屈折が精度
良く測定できることを提案・実証した。この複屈折測定
においては、測定サンプル走査法、レンズ走査法のいず
れも有効である。現状では、ＬｉＮｂＯ₃で測定精度は
〜１％であるが、０．１μｍ精度のステージを用いれ
ば、１０^-3オーダーの複屈折Δｎ_gを数％の精度で測定
できると考えている。

【０１０９】このように、低コヒーレント光干渉による
測定システムでは、屈折率と厚さの同時測定の他に、群
屈折率差による複屈折測定の可能性が実証されたことに
なり、本測定システムの活用範囲は光エレクトロニクス
分野でさらに拡大することが期待できる。なお、本発明
は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨
に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の
範囲から排除するものではない。

【０１１０】

【発明の効果】以上のように、詳細に説明したように、
本発明によれば、次のような効果を奏することができ
る。（１）低コヒーレント干渉光学系と微動ステージを融合
した比較的簡単な光学測定系と検出信号処理により、精
度の高い測定対象物の屈折率と厚さとを同時に測定する
ことができる。

【０１１１】（２）厚さ数１００μｍ以上の媒質の屈折
率ｎ及び厚さｔを０．１％の高精度で測定できる。（３）集光ビーム照射であるので、媒質の屈折率ｎ及び
厚さｔの空間分布を測定することができる。（４）また、媒質の測定面は必ずしも鏡面である必要は
なく、粗面であっても測定が可能であり、生体組織のよ
うに極めて散乱が大きい媒質にも適用することができる
（なお、散乱媒質においては、反射直進光を抽出して測
定する）。

【０１１２】（５）これらの特徴に加え、屈折率が既知
の透明板を用いれば、本測定法に基づき、レンズの開口
数ＮＡの実測が可能である。（６）なお、低コヒーレント光源は、必ずしもＳＬＤに
限るものではなく、閾値以下の注入電流で駆動されるレ
ーザーダイオード（ＬＤ）等、可干渉距離が数１０μｍ
程度、あるいはそれ以下の光源は全て使用することがで
きる。従って、本測定法において、発振中心波長が相異
なる数個のＬＤを併用することによって、測定対象物の
屈折率の波長分散をも測定することができる。

【０１１３】（７）低コヒーレント光干渉による測定シ
ステムでは、屈折率と厚さ同時測定の他に、群屈折率差
による複屈折測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すＳＬＤを用いた光干
渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定の基本
的なシステム構成図である。

【図２】本発明の第１実施例を示す測定サンプル走査法
とレンズ走査法の説明図である。

【図３】本発明の第１実施例を示す測定サンプル走査法
とレンズ走査法の参照光ミラーの動作を示す図である。

【図４】本発明の第１実施例を示す測定サンプル走査法
の原理図である。

【図５】干渉計によって検出されるレンズ焦点近傍にお
けるコヒーレント反射光強度を示す図である。

【図６】本発明の第１実施例を示す測定サンプル走査法
で検出される信号光強度パターン群を示す図である。

【図７】本発明の第１実施例を示すレンズ走査法の原理
図である。

【図８】本発明の第１実施例を示す参照光ミラーを移動
して得られる干渉信号強度パターン（ＳＬＤの可干渉性
そのもの）を示す図である。

【図９】本発明の第１実施例を示すレンズ走査法で検出
される信号光強度パターン群を示す図である。

【図１０】本発明の第１実施例を示す測定サンプルの屈
折率の測定誤差Δn ＝１０^-3を得るための測定条件を示
す図である。

【図１１】本発明の第１実施例を示す溶融石英ビーム径
６ｍｍφのサンプル前面からの反射信号強度パターン群
を示す図である。

【図１２】本発明の第１実施例を示す溶融石英ビーム径
６ｍｍφのサンプル後面からの反射信号強度パターン群
を示す図である。

【図１３】本発明の第１実施例を示す溶融石英ビーム径
６ｍｍφのサンプル前面及び後面からの反射信号強度パ
ターン群を示す図である。

【図１４】本発明の第１実施例を示すサファイアビーム
径６ｍｍφのサンプル前面からの反射信号強度パターン
群を示す図である。

【図１５】本発明の第１実施例を示すサファイアビーム
径６ｍｍφのサンプル後面からの反射信号強度パターン
群を示す図である。

【図１６】本発明の第１実施例を示すサファイアビーム
径６ｍｍφのサンプル前面及び後面からの反射信号強度
パターン群を示す図である。

【図１７】本発明の第２実施例を示す入射光の偏光とサ
ンプルの複屈折の主軸を示す図である。

【図１８】本発明の第２実施例を示す測定サンプル走査
法で得られる信号強度パターンを示す図である。

【図１９】本発明の第２実施例を示すレンズの開口数Ｎ
Ａ＝ｓｉｎθに対するｎ_cgの測定誤差δ_neの変化を示す
図である。

【図２０】本発明の第２実施例を示す測定サンプル走査
法で得られたサンプル後面からの反射信号強度パターン
を示す図である。

【符号の説明】

１ＳＬＤ（スーパルミネッセントダイオード）２ビームスプリッタ（ＢＳ）３集光レンズ（対物レンズ）４第２のステージ５測定対象物（透明板）６第３のステージ７第１のステージ８交流電圧源９ＰＺＴ（ピエゾトランスデューサ）１０参照光ミラー１１ステージコントローラ１２ａ，１２ｂリレーレンズ１３フォトダイオード（ＰＤ）１４，１６アンプ１５高域通過フィルタ１７サンプリングホールド回路１８Ａ／Ｄコンバータ１９パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２１ＳＬＤ光２２レンズ２３測定サンプル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低コヒーレント干渉光学系と測定対象物
又は集光レンズを搭載する微動ステージを備え、前記低
コヒーレント干渉光学系の光を集光レンズで前記測定対
象物に集光して、該測定対象物の前面及び後面に焦点を
合わせ、これら二つの集光状態の光路差と二つの集光状
態を得るために必要な測定対象物又は集光レンズの移動
距離とを求め、測定対象物の屈折率と厚さとを同時に測
定する光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時
測定方法。
【請求項２】請求項１記載の光干渉法による測定対象
物の屈折率と厚さの同時測定方法において、前記測定対
象物を搭載する微動ステージを移動させ測定対象物を走
査することを特徴とする光干渉法による測定対象物の屈
折率と厚さの同時測定方法。
【請求項３】請求項１記載の光干渉法による測定対象
物の屈折率と厚さの同時測定方法において、前記集光レ
ンズを搭載する微動ステージを移動させ集光レンズを走
査することを特徴とする光干渉法による測定対象物の屈
折率と厚さの同時測定方法。
【請求項４】請求項１記載の光干渉法による測定対象
物の屈折率と厚さの同時測定方法において、更に、前記
測定対象物の群屈折率差による複屈折測定を行うことを
特徴とする光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの
同時測定方法。
【請求項５】（ａ）低コヒーレント光を出射する光源
と、（ｂ）該光源からの低コヒーレント光を分けるビー
ムスプリッタと、（ｃ）該ビームスプリッタにより分け
られる一方の光を受ける参照光ミラーと、（ｄ）参照光
を位相変調するために前記参照光ミラーを振動させる振
動子と、（ｅ）前記参照光ミラーを微小移動させる第１
のステージと、（ｆ）前記ビームスプリッタにより分け
られる他方の光をレンズにより集光して測定対象物に照
射する手段と、（ｇ）前記測定対象物を微小移動させる
第２のステージと、（ｈ）前記測定対象物からの反射光
と前記参照光ミラーからの参照光を合波・干渉させて検
波する受光素子とを具備する光干渉法による測定対象物
の屈折率と厚さの同時測定装置。
【請求項６】請求項５記載の光干渉法による測定対象
物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記レンズ
を微小移動させる第３のステージを具備することを特徴
とする光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同時
測定装置。
【請求項７】請求項５又は６記載の光干渉法による測
定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記
光源はスーパルミネッセントダイオードであることを特
徴とする光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの同
時測定装置。
【請求項８】請求項５又は６記載の光干渉法による測
定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記
受光素子はヘテロダイン検波するフォトダイオードであ
ることを特徴とする光干渉法による測定対象物の屈折率
と厚さの同時測定装置。
【請求項９】請求項５又は６記載の光干渉法による測
定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前記
測定対象物は厚さ数１００μｍ以上の媒質であることを
特徴とする光干渉法による測定対象物の屈折率と厚さの
同時測定装置。
【請求項１０】請求項５又は６記載の光干渉法による
測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前
記測定対象物は生体組織であることを特徴とする光干渉
法による測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置。
【請求項１１】請求項５又は６記載の光干渉法による
測定対象物の屈折率と厚さの同時測定装置において、前
記測定対象物の群屈折率差による複屈折測定手段を付加
することを特徴とする光干渉法による測定対象物の屈折
率と厚さの同時測定装置。