(57)【要約】      （修正有）【課題】屈折率の測定精度を向上可能な本表面屈折率測定装置を提供する。【解決手段】強化ガラス２００の圧縮応力層を有する表面層内に、第１の領域２１と第２の領域２２をこの順に介して、光源１０からの光を入射させると共に、表面層内を伝播した光を、強化ガラスの外へ、第２の領域と第１の領域をこの順に介して出射させる光入出力部材と、光入出力部材を介して出射した光に含まれる、強化ガラスへの入射表面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分を、二種の輝線列に変換する光変換部材４０と、二種の輝線列を撮像する撮像素子６０と、撮像素子で得られた画像から二種の輝線列の輝線の位置を測定する位置測定手段と、二種の光成分に対応した強化ガラスの表面の屈折率、又は深さ方向の屈折率分布を算出する屈折率分布算出手段と、を有し、第１の領域と第２の領域の境界面と強化ガラスの入射表面との距離が１μｍ以上１０μｍ以下である。【選択図】図１
2020177018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化ガラスの表面屈折率測定装置であって、
前記強化ガラスの圧縮応力層を有する表面層内に、少なくとも第１の領域と前記第１の領域に接する第２の領域をこの順に介して、光源からの光を入射させると共に、前記表面層内を伝播した光を、前記強化ガラスの外へ、少なくとも前記第２の領域と前記第１の領域をこの順に介して出射させる光入出力部材と、
前記光入出力部材を介して出射した光に含まれる、前記強化ガラスへの入射表面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分を、二種の輝線列に変換する光変換部材と、
前記二種の輝線列を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子で得られた画像から前記二種の輝線列の輝線の位置を測定する位置測定手段と、
前記位置測定手段の測定結果に基づいて、前記二種の光成分に対応した前記強化ガラスの表面の屈折率、又は前記強化ガラスの表面から深さ方向にわたる屈折率分布を算出する屈折率分布算出手段と、を有し、
前記第１の領域と前記第２の領域の境界面と前記強化ガラスの入射表面との距離が１μｍ以上１０μｍ以下である、強化ガラスの表面屈折率測定装置。
【請求項２】
前記第１の領域と前記第２の領域の境界面と、前記強化ガラスの入射表面との平行度が前記第２の領域の厚さの１０％以下である、請求項１に記載の強化ガラスの表面屈折率測定装置。
【請求項３】
前記第１の領域と前記強化ガラスの入射表面との間が、前記強化ガラスの表面の屈折率に対して±０．５の範囲内の屈折率を有する、請求項１又は２に記載の強化ガラスの表面屈折率測定装置。
【請求項４】
前記第２の領域が、前記強化ガラスの表面の屈折率に対して±０．０５の範囲内の屈折率を有する無機膜である、請求項１乃至３の何れか一項に記載の強化ガラスの表面屈折率測定装置。
【請求項５】
前記無機膜が、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ，Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａから選ばれる少なくとも一つの金属を含む酸化膜、窒化膜、又は酸窒化膜である、請求項４に記載の強化ガラスの表面屈折率測定装置。
【請求項６】
前記第２の領域が、前記強化ガラスの表面の屈折率に対して±０．０５の範囲内の屈折率を有するガラス層である請求項１乃至３の何れか一項に記載の強化ガラスの表面屈折率測定装置。
【請求項７】
前記第２の領域の厚さが１μｍ以上１０μｍ以下である、請求項４乃至６の何れか一項に記載の強化ガラスの表面屈折率測定装置。
【請求項８】
前記第２の領域の厚さの偏差が１０％以下である、請求項４乃至７の何れか一項に記載の強化ガラスの表面屈折率測定装置。
【請求項９】
前記第２の領域の前記強化ガラスの表面に近い側の表面粗さＲａが０．０２ｎｍ以上１．５ｎｍ以下である請求項４乃至８の何れか一項に記載の強化ガラスの表面屈折率測定装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか一項に記載の強化ガラスの表面屈折率測定装置を含み、
前記二種の光成分に対応した屈折率分布の差とガラスの光弾性定数とに基づいて、前記強化ガラスの表面の応力、又は前記強化ガラスの表面から深さ方向にわたる応力分布を算出する応力分布算出手段を有する、強化ガラスの表面応力測定装置。
【請求項１１】
強化ガラスの表面屈折率測定方法であって、
前記強化ガラスの圧縮応力層を有する表面層内に、少なくとも第１の領域と前記第１の領域に接する第２の領域をこの順に介して、光源からの光を入射させると共に、前記表面層内を伝播した光を、前記強化ガラスの外へ、少なくとも前記第２の領域と前記第１の領域をこの順に介して出射させる光入出力工程と、
前記強化ガラスの外へ出射した光に含まれる、前記強化ガラスへの入射表面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分を、二種の輝線列に変換する光変換工程と、
前記二種の輝線列を撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で得られた画像から前記二種の輝線列の輝線の位置を測定する位置測定工程と、
前記位置測定工程での測定結果に基づいて、前記二種の光成分に対応した前記強化ガラスの表面の屈折率、又は前記強化ガラスの表面から深さ方向にわたる屈折率分布を算出する屈折率分布算出工程と、を有し、
前記光入出力工程では、前記第１の領域と前記第２の領域の境界面と前記強化ガラスの入射表面との距離が１μｍ以上１０μｍ以下である、強化ガラスの表面屈折率測定方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の強化ガラスの表面屈折率測定方法で得た前記二種の光成分に対応した屈折率分布の差とガラスの光弾性定数とに基づいて、前記強化ガラスの表面の応力、又は前記強化ガラスの表面から深さ方向にわたる応力分布を算出する応力分布算出工程を有する、強化ガラスの表面応力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強化ガラスの表面屈折率測定装置及び表面屈折率測定方法、強化ガラスの表面応力測定装置及び表面応力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話やスマートフォン等の電子機器において、表示部や、筐体本体にガラスが用いられることが多く、そのガラスは強度を上げるために、ガラス表面にイオン交換による表面層を形成することにより強度を上げた、所謂化学強化ガラスが使用されている。化学強化ガラス等の強化ガラスの表面層は、少なくともガラス表面側に存在しイオン交換による圧縮応力が発生している圧縮応力層を含み、ガラス内部側に該圧縮応力層に隣接して存在し引張応力が発生している引張応力層を含んでもよい。強化ガラスの強度は、形成された表面層の応力値や表面圧縮応力層の深さに関わっている。そのため、強化ガラスの開発や、生産での品質管理では、表面層の応力値や圧縮応力層の深さ、或いは、応力の分布を測定することが重要である。
【０００３】
強化ガラスの表面層の応力を測定する技術としては、例えば、強化ガラスの表面層の屈折率が内部の屈折率より高い場合に、光導波効果と光弾性効果とを利用して、表面層の圧縮応力を非破壊で測定する技術（以下、非破壊測定技術とする）を挙げることができる。この非破壊測定技術では、単色光を強化ガラスの表面層に入射して光導波効果により複数のモードを発生させ、各モードで光線軌跡が決まった光を取出し、凸レンズで各モードに対応する輝線に結像させる。なお、結像させた輝線は、モードの数だけ存在する。
【０００４】
又、この非破壊測定技術では、表面層から取出した光は、出射面に対して、光の振動方向が水平と、垂直の二種の光成分についての輝線を観察できる。そして、次数の一番低いモード１の光は表面層の一番表面に近い側を通る性質を利用し、二種の光成分のモード１に対応する輝線の位置から、それぞれの光成分についての屈折率を算出し、その二種の屈折率の差とガラスの光弾性定数から強化ガラスの表面付近の応力を求めている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
一方、上記の非破壊測定技術の原理を元に、モード１とモード２に対応する輝線の位置から、外挿でガラスの最表面での応力（以下、表面応力値とする）を求め、かつ、表面層の屈折率分布は直線的に変化すると仮定し、輝線の総本数から、圧縮応力層の深さを求める方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５３−１３６８８６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Yogyo-Kyokai-Shi（窯業協会誌）８７｛３｝１９７９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、輝線に基づいて強化ガラスの屈折率を求めるには、出射面に対して光の振動方向が水平と垂直の二種の光成分について、各々２本以上の輝線が観察できることが好ましい。又、屈折率の測定精度を向上するためには、更に多くの本数の輝線が観察できることが好ましい。又、表面層が薄い強化ガラスも存在し、この場合、屈折率の測定精度を向上するためには、強化ガラスの表面により近い浅い領域の情報を得る必要がある。
【０００９】
しかしながら、従来の表面屈折率測定装置では、屈折率の測定精度が十分高いとはいえず、屈折率の測定精度の向上が望まれていた。
【００１０】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、表面屈折率測定装置の屈折率の測定精度を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本表面屈折率測定装置は、強化ガラスの表面屈折率測定装置であって、前記強化ガラスの圧縮応力層を有する表面層内に、少なくとも第１の領域と前記第１の領域に接する第２の領域をこの順に介して、光源からの光を入射させると共に、前記表面層内を伝播した光を、前記強化ガラスの外へ、少なくとも前記第２の領域と前記第１の領域をこの順に介して出射させる光入出力部材と、前記光入出力部材を介して出射した光に含まれる、前記強化ガラスへの入射表面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分を、二種の輝線列に変換する光変換部材と、前記二種の輝線列を撮像する撮像素子と、前記撮像素子で得られた画像から前記二種の輝線列の輝線の位置を測定する位置測定手段と、前記位置測定手段の測定結果に基づいて、前記二種の光成分に対応した前記強化ガラスの表面の屈折率、又は前記強化ガラスの表面から深さ方向にわたる屈折率分布を算出する屈折率分布算出手段と、を有し、前記第１の領域と前記第２の領域の境界面と前記強化ガラスの入射表面との距離が１μｍ以上１０μｍ以下である。
【発明の効果】
【００１２】
開示の一実施態様によれば、表面屈折率測定装置の屈折率の測定精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る強化ガラスの表面屈折率測定装置を例示する図である。
【図２】ガラス内部の光線軌跡を現した図（その１）である。
【図３】強化ガラスの表面層の屈折率分布を例示する図である。
【図４】複数のモードが存在する場合の各モードの光線軌跡を説明した図である。
【図５】複数のモードに対応する輝線列を例示する図である。
【図６】ガラス内部の光線軌跡を現した図（その２）である。
【図７】ガラス内部の光線軌跡を現した図（その３）である。
【図８】強化ガラスの表面層を伝わる導波光の各モードにおける光線軌跡の計算例を示す図である。
【図９】光導波効果において多光束干渉が起きていることを説明する図である。
【図１０】ファブリペロー干渉計の多光束干渉について説明する図である。
【図１１】導波光強度と導波光が強化ガラスの表面となす角Θとの関係の計算例を示す図である。
【図１２】本実施形態に係る測定方法を例示するフローチャートである。
【図１３】表面屈折率測定装置の演算部の機能ブロックを例示する図である。
【図１４】輝線の本数が増える理由について説明する図（その１）である。
【図１５】輝線の本数が増える理由について説明する図（その２）である。
【図１６】第２実施形態に係る強化ガラスの表面屈折率測定装置を例示する図である。
【図１７】第２実施形態に係る光入出力部材の形成方法を説明する図（その１）である。
【図１８】第２実施形態に係る光入出力部材の形成方法を説明する図（その２）である。
【図１９】第３実施形態に係る強化ガラスの表面屈折率測定装置を例示する図である。
【図２０】強化ガラスの表面の平坦度が良い場合と悪い場合の輝線列の写真の例である。
【図２１】第４実施形態に係る強化ガラスの表面屈折率測定装置を例示する図である。
【図２２】実施例について説明する図（その１）である。
【図２３】実施例について説明する図（その２）である。
【図２４】第５実施形態に係る強化ガラスの表面屈折率測定装置を例示する図である。
【図２５】プリズムの底面上に形成された構造部材の一例を示す上面図である。
【図２６】実施例について説明する図（その３）である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１５】
〈第１実施形態〉
図１は、第１実施形態に係る強化ガラスの表面屈折率測定装置を例示する図である。図１に示すように、表面屈折率測定装置１は、光源１０と、光入出力部材２０と、光変換部材４０と、偏光部材５０と、撮像素子６０と、演算部７０とを有する。
【００１６】
２００は、被測定体となる強化ガラスである。強化ガラス２００は、例えば、化学強化法や風冷強化法等により強化処理が施されたガラスであり、表面２１０側に屈折率分布を有する表面層を備えている。表面層は、少なくともガラス表面側に存在しイオン交換による圧縮応力が発生している圧縮応力層を含み、ガラス内部側に該圧縮応力層に隣接して存在し引張応力が発生している引張応力層を含んでもよい。
【００１７】
光源１０は、光入出力部材２０を介して強化ガラス２００の表面層に光線Ｌを入射するように配置されている。干渉を利用するため、光源１０の波長は、単純な明暗表示になる単波長であることが好ましい。
【００１８】
光源１０としては、例えば、容易に単波長の光が得られるＮａランプを用いることができ、この場合の波長は５８９．３ｎｍである。又、光源１０として、Ｎａランプより短波長である水銀ランプを用いてもよく、この場合の波長は、例えば水銀Ｉ線である３６５ｎｍである。但し、水銀ランプは多くの輝線があるので、３６５ｎｍラインだけを透過させるバンドパスフィルタを通して使用することが好ましい。
【００１９】
又、光源１０としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いてもよい。近年、多くの波長のＬＥＤが開発されているが、ＬＥＤのスペクトル幅は半値幅で１０ｎｍ以上あり、単波長性が悪く、温度により波長が変化する。そのため、バンドパスフィルタを通して使用することが好ましい。
【００２０】
光源１０をＬＥＤにバンドパスフィルタを通した構成にした場合、Ｎａランプや水銀ランプほど単波長性はないが、紫外域から赤外域まで任意の波長を使うことができる点で好適である。なお、光源１０の波長は、表面屈折率測定装置１の測定の基本原理には影響しないため、上に例示した波長以外の光源を用いても構わない。
【００２１】
光入出力部材２０は、被測定体である強化ガラス２００の表面２１０上に配置されている。光入出力部材２０は、プリズム２１と、プリズム２１の底面２１ｃに形成された無機膜２２とを有している。無機膜２２は、強化ガラス２００の表面２１０と接している。なお、プリズム２１は本発明に係る第１の領域の代表的な一例であり、無機膜２２は本発明に係る第２の領域の代表的な一例である。
【００２２】
光入出力部材２０は、強化ガラス２００の圧縮応力層を有する表面層内に、プリズム２１と無機膜２２をこの順に介して、光源１０からの光を入射させる機能を有する。又、光入出力部材２０は、表面層内を伝播した光を、強化ガラス２００の外へ、無機膜２２とプリズム２１をこの順に介して出射させる機能を有する。
【００２３】
光入出力部材２０のプリズム２１は、例えば、屈折率が１．６０〜１．８０の光学ガラスで形成されたプリズムである。この場合、強化ガラス２００の表面２１０において、光線がプリズム２１を介して光学的に入射及び出射するために、プリズム２１の屈折率は無機膜２２及び強化ガラス２００の屈折率よりも大きくする必要がある。又、プリズム２１の傾斜面２１ａ及び２１ｂにおいて、入射光及び出射光が略垂直に通過するような屈折率を選ぶ必要がある。
【００２４】
例えば、プリズム２１の傾斜角が６０°で、強化ガラス２００の表面層の屈折率が１．５２の場合は、プリズム２１の屈折率は例えば１．７２である。又、プリズム２１の材料となる光学ガラスは、屈折率の均一性が高く、屈折率の面内偏差は例えば１×１０−５以下に抑えられている。
【００２５】
なお、光入出力部材２０において、プリズム２１に代えて同様の機能を備えた他の部材を用いてもよい。プリズム２１に代えて他の部材を用いた場合にも、後述の撮像工程において得られた画像の領域における他の部材の底面の屈折率の面内偏差は、１×１０−５以下に抑えられていることが望ましい。又、他の部材の底面の平坦度は、光源１０からの光の波長をλとしたときに、λ／４以下に形成されていることが望ましく、λ／８以下に形成されていれば、より望ましい。
【００２６】
光入出力部材２０の無機膜２２は、プリズム２１の底面２１ｃ（プリズム２１と無機膜２２の境界面）と強化ガラス２００の入射表面である表面２１０との距離を規定する距離規定手段である。無機膜２２としては、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａから選ばれる少なくとも一つの金属を含む酸化膜、窒化膜、又は酸窒化膜が挙げられる。又、ガラスや樹脂でも機能を発揮するが便宜上無機膜として記載する。
【００２７】
無機膜２２の屈折率は、強化ガラス２００の屈折率とほぼ同じ屈折率である。無機膜２２は、強化ガラス２００の表面２１０の屈折率に対して±０．０５の範囲内の屈折率を有することが好ましい。例えば、強化ガラス２００の表面２１０の屈折率が１．５２であれば、無機膜２２の屈折率は１．４７以上１．５７以下であることが好ましい。無機膜２２の屈折率が１．４７以上１．５７以下であれば、無機膜２２と強化ガラス２００の表面２１０の境界での反射が十分低減され、輝線がより明確に確認できる。無機膜２２の屈折率は、例えば、エリプソメーターにより測定できる。
【００２８】
無機膜２２の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下である。無機膜２２の厚さを１μｍ以上１０μｍ以下とすることで、プリズム２１と無機膜２２の境界面と強化ガラス２００の表面２１０との距離ｄを１μｍ以上１０μｍ以下の範囲に規定できる。距離ｄを１μｍ以上とすることで、後述の輝線の本数を増やせるため、強化ガラス２００の屈折率の測定精度を向上できる。その結果、強化ガラス２００の応力の測定精度も向上できる。無機膜２２の厚さは、例えば、エリプソメーター、Ｘ線光電子分光測定器（ＸＰＳ）或いは電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）により測定できる。
【００２９】
無機膜２２の厚さの偏差は、１０％以下に抑えることが好ましく、２％以下がより好ましく、１％以下が更に好ましく、０．５％以下が更に好ましい。無機膜２２の厚さの偏差が１０％以下であれば、プリズム２１の下端から強化ガラス２００の表面２１０までの光路長が均一となり、後述するフィネス値が向上し、輝線がより明確に確認できる。無機膜２２の厚さの偏差は、例えば、エリプソメーター、Ｘ線光電子分光測定器（ＸＰＳ）或いは電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）により測定できる。
【００３０】
無機膜２２の強化ガラス２００の表面２１０に近い側の面の表面粗さＲａは、大きくても本発明の効果を発現するが、０．０２ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であることが測定精度を高める上で好ましい。表面粗さＲａが０．０２ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であれば、光源１０からの光が無機膜２２の表面及び無機膜２２の内部で散乱することを抑制する効果があり、その結果、表面屈折率測定装置１の測定値の精度向上の効果が得られる。表面粗さＲａは、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定できる。
【００３１】
プリズム２１と無機膜２２の境界面と、強化ガラス２００の表面２１０との平行度は、無機膜２２の膜厚の１０％以下であることが好ましい。これにより、十分なフィネス値Ｆ（後述）が得られる。平行度は、例えば、顕微分光膜厚計や反射分光膜厚計により複数点測定することで膜厚の平行度を無機膜２２の膜厚の１０％以下とし、無機膜２２と強化ガラス２００を密着させることで高い精度が達成できる。
【００３２】
なお、距離ｄが１０μｍより大きくても輝線の本数を増やして屈折率の測定精度を向上させることは可能であるが、無機膜２２を１０μｍよりも厚く形成することは生産性が悪く、また距離ｄが１０μｍを大きく超えると輝線が密集しすぎて観察しづらい。そのため、距離ｄの上限を１０μｍとしている。なお、輝線の本数が増やせる理由については、後述する。
【００３３】
光入出力部材２０のプリズム２１の傾斜面２１ｂ側から出射された光の方向には撮像素子６０が配置されており、光入出力部材２０と撮像素子６０との間に、光変換部材４０と偏光部材５０が挿入されている。
【００３４】
光変換部材４０は、光入出力部材２０のプリズム２１の傾斜面２１ｂ側から出射された光線を輝線列に変換して撮像素子６０上に集光する機能を備えている。光変換部材４０としては、例えば、凸レンズを用いることができるが、同様の機能を備えた他の部材を用いてもよい。
【００３５】
偏光部材５０は、強化ガラス２００と無機膜２２との境界面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分のうち一方を選択的に透過する機能を備えている光分離手段である。偏光部材５０としては、例えば、回転可能な状態で配置された偏光板等を用いることができるが、同様の機能を備えた他の部材を用いてもよい。ここで、強化ガラス２００と無機膜２２との境界面に対して平行に振動する光成分はＳ偏光であり、垂直に振動する光成分はＰ偏光である。
【００３６】
なお、強化ガラス２００と無機膜２２との境界面は、光入出力部材２０を介して強化ガラス２００の外に出射した光の出射面と垂直である。そこで、光入出力部材２０を介して強化ガラス２００の外に出射した光の出射面に対して垂直に振動する光成分はＳ偏光であり、平行に振動する光成分はＰ偏光であると言い換えてもよい。
【００３７】
撮像素子６０は、光入出力部材２０から出射され、光変換部材４０及び偏光部材５０を経由して受光した光を電気信号に変換する機能を備えている。より詳しくは、撮像素子６０は、例えば、受光した光を電気信号に変換し、画像を構成する複数の画素毎の輝度値を画像データとして、演算部７０に出力できる。撮像素子６０としては、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の素子を用いることができるが、同様の機能を備えた他の素子を用いてもよい。
【００３８】
演算部７０は、撮像素子６０から画像データを取り込み、画像処理や数値計算をする機能を備えている。演算部７０は、これ以外の機能（例えば、光源１０の光量や露光時間を制御する機能等）を有する構成としてもよい。演算部７０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、メインメモリ等を含む。
【００３９】
この場合、演算部７０の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現できる。演算部７０のＣＰＵは、必要に応じてＲＡＭからデータを読み出したり、格納したりできる。但し、演算部７０の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。又、演算部７０は、物理的に複数の装置等により形成されてもよい。演算部７０としては、例えば、パーソナルコンピュータを用いることができる。
【００４０】
表面屈折率測定装置１では、光源１０から光入出力部材２０のプリズム２１の傾斜面２１ａ側に入射した光Ｌは、無機膜２２を介して強化ガラス２００の表面層に入射し、表面層内を伝播する導波光となる。そして、導波光が表面層内を伝播すると、光導波効果によりモードが発生し、幾つかの決まった経路を進んで、光入出力部材２０のプリズム２１の傾斜面２１ｂ側から、強化ガラス２００の外へ出射する。
【００４１】
そして、光変換部材４０及び偏光部材５０により、撮像素子６０上に、モード毎にＰ偏光及びＳ偏光の輝線となって結像される。撮像素子６０上に発生したモードの数のＰ偏光及びＳ偏光の輝線の画像データは、演算部７０へと送られる。演算部７０では、撮像素子６０から送られた画像データから、撮像素子６０上のＰ偏光及びＳ偏光の輝線の位置を算出する。
【００４２】
このような構成により、表面屈折率測定装置１では、Ｐ偏光及びＳ偏光の輝線の位置に基づいて、強化ガラス２００の表面層における表面から深さ方向にわたる、Ｐ偏光及びＳ偏光の夫々の屈折率分布を算出できる。
【００４３】
これにより、算出したＰ偏光及びＳ偏光の夫々の屈折率分布の差と、強化ガラス２００の光弾性定数とに基づいて、強化ガラス２００の表面層における表面から深さ方向にわたる応力分布を算出できる。
【００４４】
以下、表面屈折率測定装置１における屈折率分布の測定及び応力分布の測定等に関し、より詳しく説明する。
【００４５】
（モードと輝線）
図２及び図３等を参照し、強化ガラス２００の表面層に光線を入射したときの、光線の軌跡とモードについて説明する。
【００４６】
図２において、強化ガラス２００は、表面２１０から深さ方向にわたる屈折率分布を有している。図２において表面２１０からの深さをｘとし、深さ方向にわたる屈折率分布をｎ（ｘ）とすると、深さ方向にわたる屈折率分布ｎ（ｘ）は、例えば、図３に示す曲線のようになる。つまり、強化ガラス２００では、化学強化等により表面２１０の屈折率は高く、深くなるにつれ低くなる。そして、化学強化により形成された化学強化層が終了する深さ（表面層の最深部）で元のガラスの屈折率と同じになり、それより深い部分では一定（元のガラスの屈折率）となる。このように、強化ガラス２００の表面層では、内部方向に進むにつれ屈折率が低くなる。
【００４７】
このとき、表面層の表面側に圧縮応力が発生し、この圧縮と釣り合うように、ガラス内部には引張応力が働く。この圧縮応力から引張応力に変わる位置を最表層からの距離でＤＯＬ＿Ｚｅｒｏ値（Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｌａｙｅｒ＿Ｚｅｒｏ値）として表現し、強化層が終了する深さをＤＯＬ＿Ｔａｉｌ（Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｌａｙｅｒ＿Ｔａｉｌ値）として表現する。強化層が終了する深さとは、化学強化により形成された化学強化層が終了する深さであり、組成比が元のガラスの組成比とほぼ同一になる深さのことである。又、この釣合のために発生したガラス内部の引張応力値をＣＴ値（Ｃｅｎｔｅｒ Ｔｅｎｓｉｏｎ値）として表現する。
【００４８】
図２において、光源１０からの光線Ｌは光入出力部材２０のプリズム２１を通して無機膜２２に入射され、無機膜２２と強化ガラス２００との界面に達する。無機膜２２と強化ガラス２００の表面２１０の屈折率は同等であるので、実質的に屈折も反射も起こさず、光は強化ガラス２００内へと進む。
【００４９】
表面２１０に対して浅い角度で入射した光線Ｌは、強化ガラス２００の内部方向に進むにつれ屈折率が低くなるため、光線軌跡が徐々に表面２１０と平行に近づき、最深点ｘｔで深さ方向から表面２１０の方向に反転する。なお、図２の例では、強化ガラス２００より大きな屈折率を持つ光入出力部材２０を介して光線Ｌが入射している。
【００５０】
そして光線軌跡が反転した光線は、入射した点から反転する点までの光線軌跡の形状と相似な形状で表面２１０へと向かい、無機膜２２と強化ガラス２００との界面に達する。無機膜２２と強化ガラス２００の表面の屈折率は同等であるため、実質的に屈折も反射も起こさず、光は無機膜２２へ進み、無機膜２２とプリズム２１との界面に達する。プリズム２１の屈折率は無機膜２２の屈折率より大きいため、少なくとも一部は反射し、無機膜２２を介して再び強化ガラス２００の内部へ進む。
【００５１】
強化ガラス２００の内部へと進んだ光は、強化ガラス２００の表面層の最深点ｘｔで反転する。そして、再び、強化ガラス２００の表面、更に、無機膜２２とプリズム２１の界面に達し、再び一部は反射し、これを繰り返し、光線はプリズム２１の底面２１ｃと強化ガラス２００の表面層の最深点ｘｔとの間での導波光として伝わっていく。
【００５２】
そして、プリズム２１の底面２１ｃと強化ガラス２００の表面層の最深点ｘｔとの間を伝わっていく導波光は光入出力部材２０のプリズム２１の傾斜面２１ｂ側より強化ガラス２００の外へ取出される。
【００５３】
このように、強化ガラス２００の内部に進んだ光線は、それまでの光線軌跡と同じ形状の軌跡を通り深さｘｔで反転してプリズム２１の底面２１ｃと無機膜２２との界面に戻り、これを繰り返し、光線は底面２１ｃと最深点ｘｔとの間を往復しつつ進んでいく。そして、底面２１ｃから最深点ｘｔまでの限定された空間を光が進行していくため、光は有限値の離散的なモードとしてだけ伝播し得る。
【００５４】
すなわち、複数のある決まった経路の光線だけが、強化ガラス２００の表面層を伝わることができる。この現象は光導波効果と呼ばれており、光ファイバー内に光線が進む原理でもある。表面２１０を光導波効果により伝わる光のモード、及びそのモードの光線軌跡は、表面２１０から深さ方向にわたる屈折率分布で決まる。
【００５５】
ここで、強化ガラス２００の表面２１０の平坦度が悪くとも、又、表面２１０の屈折率の均一性が悪くとも、強化ガラス２００の表面２１０では反射を起こさず、屈折率が均一で平坦度が良く形成されたプリズム２１の底面２１ｃと無機膜２２との界面で反射する。そのため、多光束干渉の効果が高く、導波光のモードの発生は非常に明確になる。
【００５６】
図４は、複数のモードが存在する場合の各モードの光線軌跡を説明した図である。図４の例では、モード１、モード２、及びモード３の３つのモードを示しているが、更に高次のモードを有してもよい。次数の一番低いモード１は、光線軌跡がプリズム２１の底面２１ｃで反射するときの底面２１ｃとの角度が一番浅い（出射余角が一番小さい）。又、モード毎に光線軌跡の最深点が異なり、モード１の最深点ｘｔ１は一番浅い。モードの次数が大きくなるにつれ、底面２１ｃでの反射するときの底面２１ｃとなす角度は大きくなる（出射余角が大きくなる）。又、モード２の最深点ｘｔ２はモード１の最深点ｘｔ１よりも深く、モード３の最深点ｘｔ３はモード２の最深点ｘｔ２よりも更に深くなる。
【００５７】
ここで、光線の所定面に対する入射角は、入射する光線と所定面の法線とのなす角である。これに対し、光線の所定面に対する入射余角は、入射する光線と所定面とのなす角である。すなわち、光線の所定面に対する入射角がθであれば、光線の所定面に対する入射余角はπ／２−θである。又、光線の所定面に対する出射角と出射余角との関係についても同様である。
【００５８】
なお、図４では入射光を１本の光線で表しているが、入射光はある広がりを持っている。その広がりを持った光も、夫々同じモードでは表面２１０から出射する光の余角は同じである。そして、生じたモード以外の光は打ち消し合うため、表面２１０からは各モードに対応した光以外は出射しない。後述の図６等についても同様である。
【００５９】
光入出力部材２０のプリズム２１の傾斜面２１ｂからの出射光は、図５に示すように、光変換部材４０で集光され、光変換部材４０の焦点面である撮像素子６０に、そのモードに対応した光が奥行き方向に輝線列となって結像される。図６を参照しながら、輝線列が結像される理由について説明する。
【００６０】
図６は、図１の光入出力部材２０のプリズム２１の傾斜面２１ｂ側（右部分）を拡大した図である。図６において、強化ガラス２００の表面層の屈折率分布と入射光の波長が決まると、光導波効果による全てのモードが決まる。そして、それぞれのモード毎に光線軌跡のプリズム２１の底面２１ｃとなす角度が決まっており、又、モードが異なると角度も異なる。
【００６１】
そして、モードの次数の大きいほど光線軌跡はより強化ガラス２００の表面層の深い部分を通り、底面２１ｃとの角度も順に大きくなっている。それにしたがい、取出された各モードの光も、強化ガラス２００の表面２１０から出射するときに底面２１ｃとなす角度はモード毎に異なり、低いモードより順位に角度が大きくなっていく。
【００６２】
又、図１や図６において、光入出力部材２０及び強化ガラス２００は奥行き方向には同じ形状である。そのため、光変換部材４０で集光された光は、光変換部材４０の焦点面である撮像素子６０に、そのモードに対応した光が奥行き方向に輝線となって結像される。
【００６３】
そして、モード毎に出射余角が異なるため、図５に示すように、輝線がモード毎に順に並び、輝線列となる。なお、輝線列は通常は明線の列となるが、出射光に対して光源からの直接光が参照光として作用し、暗線の列となる場合もある。しかし、明線の列となる場合も暗線の列となる場合も、各線の位置は全く同じである。
【００６４】
つまり、輝線は、モードが成り立つときに明線又は暗線で発現する。参照光の明暗により輝線の明暗が変わる場合があっても、本実施形態に係る屈折率分布や応力分布の計算には全く影響がない。そこで、本願では、明線であっても暗線であっても便宜上輝線と表現する。
【００６５】
このように、光源１０からの光線Ｌ（例えば、単色の光線）を光入出力部材２０のプリズム２１の傾斜面２１ａ側（左部分）より無機膜２２を通して強化ガラス２００の表面２１０に入射する。そうすると、強化ガラス２００の表面２１０に入射された光は、光導波効果により強化ガラス２００の表面層を幾つかのモードの光線軌跡を描き、強化ガラス２００の表面層を右方向へ伝搬する。
【００６６】
この伝播光を光入出力部材２０のプリズム２１の傾斜面２１ｂ側（右部分）で無機膜２２を通して強化ガラス２００の外に取出す。そして、光変換部材４０により撮像素子６０に集光すると、撮像素子６０にはモードの数だけ、それぞれのモードに対応した複数の輝線列又は暗線列の像が結像される。
【００６７】
ところで、表面層内を伝わった光線が屈折して強化ガラス２００の外に出射される際の出射余角は、その光線の表面層内での光線軌跡の最深点での強化ガラス２００の屈折率、すなわち実効屈折率ｎｎに等しい屈折率を持つ媒質が光入出力部材２０に接していたときの臨界屈折光のそれに等しい。各モードでの最深点は、そのモードでの光線が全反射する点とも解釈できる。
【００６８】
ここで、あるモード間の実効屈折率ｎｎの差Δｎと輝線間の距離ΔＳとの関係は、光変換部材４０の焦点距離ｆ、光入出力部材２０の屈折率ｎｐ、強化ガラス２００の屈折率ｎｇとすると、下記の式１（数１）及び式２（数２）の関係がある。
【００６９】
【数１】
2020177018.tif 000003
【００７０】
【数２】
2020177018.tif 000004
従って、撮像素子６０上である一点の実効屈折率の位置が分かれば、観測される輝線の位置から、その輝線に対応する各モードの実効屈折率、すなわち、強化ガラス２００の表面層内での光線軌跡の最深点での屈折率を求めることができる。
【００７１】
（光線軌跡）
本実施形態では、下記の式３（数３）を用いて屈折率分布を算出する。式３は、非特許文献１に記載された技術情報等に基づいて、発明者らが導出したものである。非特許文献１では、屈折率分布は直線的に変化すると仮定し、光の進む経路を円弧に近似している。一方、本実施形態では、任意の屈折率分布でのモードの成り立つ条件を得るために、屈折率分布を任意の分布ｎ（ｘ）としている。
【００７２】
式３において、θは微小な距離ｄｒを直線で進む光線の出射余角、ｎ０は強化ガラス表面の屈折率、Θは強化ガラスに入射した光線の出射余角、λは強化ガラスに入射する光線の波長、Ｎはモードの次数（例えば、モード１ならＮ＝１）である。又、ｔｃは無機膜２２の厚さ、ｎｃは無機膜２２の屈折率である。又、Ｇ１は光線が強化ガラスに入射する点、Ｆ２は光線が反転する最深点（ｘｔ）、Ｇ２はＦ２で反転した光線が再び強化ガラスに到達する点であり、モード毎に異なる。なお、左辺の第１項は表面層内を伝播する光に関する項、左辺の第２項は無機膜２２を伝搬する光に関する項、左辺の第３項は表面２１０を伝播する光に関する項である。
【００７３】
【数３】
2020177018.tif 000005
式３を用いて、次数が隣接するモードの最深点の間では、強化ガラス２００の屈折率変化率が一定であると仮定し、次数の最も低いモードから順に、夫々のモードの最深点の深さを計算し、全体の屈折率分布を求めることができる。
【００７４】
例えば、図６において、各モードの最深部ｘｔ１、ｘｔ２、ｘｔ３・・・の深さでの表面層の屈折率すなわち実効屈折率をｎ１、ｎ２、ｎ３・・・とする。又、プリズム２１の底面２１ｃ−ｘｔ１の間、ｘｔ１−ｘｔ２の間、ｘｔ２−ｘｔ３の間、・・・の屈折率変化率は直線であるとし、その屈折率変化率をα１、α２、α３・・・とする。
【００７５】
あるモードｎでの光線軌跡は、そのモードの最深点ｘｔｎより浅い部分を通るため、表面からｘｔｎまでの屈折率分布が決まっていれば、そのモードｎでの光線軌跡は一意に決まる。全てのモードのｘｔが分かっているのであれば、屈折率分布は一意に決まるが、式３より、解析的にはもちろんのこと、数値計算においても、直接一度に屈折率分布を求めることは困難である。
【００７６】
そこで、まず、表面２１０に一番近い部分を通るモード１、２を使い、α１、α２、及びｘｔ１、ｘｔ２を求める。そうすると、モード３では、ｘｔ１、ｘｔ２が既知で、不明なパラメータはｘｔ３だけとなるため、容易にｘｔ３を求めることができる。同様に、モード４、５・・・と順にｘｔ４、ｘｔ５・・・を求めれば、全てのモードに対応した最深点のｘｔｎを求めることができる。そして、表面２１０から深さ方向にわたる屈折率分布を求めることができる。
【００７７】
図７は、ガラス内部の光線軌跡を現した図である。図７を参照して、屈折率分布を計算する具体的な方法について説明する。まず、光線追跡法を使い、式３の左辺を求める。図７において、ｘ方向（縦方向）は強化ガラス２００の深さ方向、ｙ方向（横方向）は強化ガラス２００の表面２１０に水平な方向である。又、深さｘでの屈折率はｎ（ｘ）である。なお、Ｈは表面２１０の法線である。
【００７８】
ここで、光入出力部材２０の屈折率を１．７２とし、光入出力部材２０から入射余角Ψで表面２１０に入射する光線Ｌを考える。又、無機膜２２に対する入射点の座標を（ｘｃ、ｙｃ）、強化ガラス２００に対する入射点の座標を（ｘ０、ｙ０）とする。なお、ｘｃ＝０である。このとき、強化ガラス２００の内部に入射した光線Ｌは、出射余角θ１で屈折し進む。このとき、Ψとθ１にはスネルの式が成り立つ。又、無機膜２２の屈折率は強化ガラス２００の屈折率とほぼ同じであるため、無機膜２２と強化ガラス２００の境界面で屈折率は無視できると仮定できる。
【００７９】
次に、強化ガラス２００の内部では光線Ｌの軌跡は曲線であるが、ある微小な距離ｄｒは直線で進むと仮定する（距離ｄｒは波長の１／１０から１／１００程度が望ましい）。つまり、光線は出射余角θ１の方向にｄｒだけ直線で進むとする。このとき、ｘ方向の移動量ｄｘ１＝ｄｒ・ｓｉｎθ１、ｙ方向の移動量ｄｙ１＝ｄｒ・ｃｏｓθ１となる。又、移動した点の座標（ｘ１、ｙ１）＝（ｄｒ・ｓｉｎθ１、ｙ０＋ｄｒ・ｃｏｓθ１）となる。
【００８０】
この部分的な光線軌跡の始点の座標（ｘ０、ｙ０）での屈折率はｎ（０）、終点の座標（ｘ１、ｙ１）での屈折率はｎ（ｘ１）であるが、この光線軌跡内では始点の屈折率で一定とし、終点で屈折率がｎ（ｘ１）に変わるとする。そうすると、次の光線軌跡はスネルの法則にしたがい、出射余角θ２へ角度を変え進む。出射余角θ２で進む光はｄｒだけ直線で進み、更に出射余角θ３（図示せず）に方向を変えて進んでいく。これを、繰り返し光線軌跡を追って全体の光線軌跡を求める。
【００８１】
このとき、ｄｒ進む毎に、式３の左辺の第１項を計算する。例えば、座標（ｘ０、ｙ０）〜座標（ｘ１、ｙ１）の部分では、第１項はｄｒ・ｃｏｓθ１・ｎ（０）であり容易に計算できる。他のｄｒについても同様にして計算できる。そして、ｄｒ毎に求めた第１項を光線軌跡がプリズム２１の底面２１ｃに戻るまで加算していくと、式３の左辺第１項が全て求まる。又、このとき、この光線軌跡のｙ方向に進む距離Σｄｙが分かる。式３においてｄＧ１Ｇ２＝Σｄｙ、Θ＝θ１であるから式３の左辺第３項が求まり、この二項が強化ガラス２００内の光路差に相当する。一方、無機膜２２内の光路差を示す第２項は全て既知なので、式３左辺が全て求まる。
【００８２】
以上の方法により、代表的な強化ガラスの表面層を伝わる導波光の各モードにおける光線軌跡を計算したものを図８に示す。なお、図８は簡単のためｔｃ＝０、すなわち無機膜がない場合を記載している。この代表的な強化ガラスは、元のガラスの屈折率ｎｇｂ＝１．５１、化学強化工程で変化した表面の屈折率分布は、最表面の屈折率ｎｇｓ＝１．５２、深さが５０μｍ、屈折率の分布形状は直線とする。又、光源の波長は５９６ｎｍ、プリズムの屈折率をｎｐ＝１．７２、プリズムと強化ガラスの間に挟む液体の屈折率をｎｆ＝１．６４とする。
【００８３】
このとき、計算結果ではモードは１９存在し、一番低いモード１のガラス表面となす角θ１、すなわち式３のΘは２．０°であり、最深点は４．３μｍである。又、モード１の光線軌跡を元に、強化ガラスの表面と液体との界面での光エネルギーの反射率Ｒをフレネルの式より求めると、Ｒ＝０．７となる。
【００８４】
図１における導波光は１本の直線で描かれているが、光導波効果は多光束干渉である。図９は、光導波効果において多光束干渉が起きていることを説明する図である。図９において、光源から光線Ｌ１が点Ｐ１で強化ガラス２００の表面２１０に入射し、強化ガラス２００の表面層内で戻ってきた光線Ｌ１は点Ｐ２に達し、点Ｐ２で同じ光源から入射した光線Ｌ２と干渉を起こす。
【００８５】
そして、点Ｐ２で反射した光線Ｌ１と入射した光線Ｌ２は同じ経路を進み点Ｐ３に達する。点Ｐ３では再び、光線Ｌ１、光線Ｌ２と同じ光源から入射した光線Ｌ３とが干渉し、更に、光線Ｌ１、光線Ｌ２、光線Ｌ３は、同じ経路で点Ｐ４へと進み、更に多くの光線と干渉を起こし、多光束干渉となる。
【００８６】
一般的に多光束干渉の場合、その干渉条件は狭くなるため、強化ガラスの表面層を伝わる導波光は非常に狭い条件、すなわち、式３におけるΘが狭い条件のみの光が導波光として強化ガラスの表面層を伝わる。そのため、輝線の線幅も非常に狭く、急峻になる。この現象は、輝線の位置を精度よく測定可能とするために重要である。
【００８７】
しかし、多光束干渉で輝線の幅が狭くなるには、干渉面であるガラス表面は、光学的に、平坦であり、又、均一である必要がある。
【００８８】
（ファブリペロー干渉の式）
ファブリペロー干渉計の多光束干渉について簡単に説明する。図１０は、ファブリペロー干渉計の多光束干渉について説明する図である。図１０に示すように、反射率Ｒ、透過率Ｔの二つの反射面が上下に平行に配された屈折率ｎ、厚さＬの膜に角度φで入射した光は、二つの反射面の間を繰り返し反射する。そして、多光束干渉を起こし、干渉を起こす波長のみが二つの反射面を通り抜け、狭い範囲の波長の光のみが透過する。そのため、この原理は、分光器や狭帯域干渉フィルタとして利用されている。この透過する波長範囲の目安として、フィネス値Ｆが定義されている。
【００８９】
二つの反射面の往復の光路長が入射された光の波長の整数倍の時に最大の輝度となり干渉の条件となるが、この条件を満足する波長は複数存在するため、干渉条件を満足する隣り合う波長の間隔に対する透過する光の波長の幅の比率がフィネス値Ｆと定義されている。フィネス値Ｆは式４に示すように、反射率Ｒで決まる。
【００９０】
【数４】
2020177018.tif 000006
ファブリペロー干渉計への入射する角度（図１０でのφ）に対しても、選択制があり、フィネス値Ｆは入射角でも同様な意味を持つパラメータである。又、フィネス値Ｆは反射面の平坦度や平行度が良いことが必要であり、反射率Ｒが高くても、反射面の平坦度、平行度の値が大きければ、十分なフィネス値Ｆが得られない。例えば、現在、実用化され、市販されているファブリペロー干渉計では、フィネス値Ｆが高く５０〜１００程度であるが、それを得るための反射面の平坦度はλ／１００〜λ／２００である。
【００９１】
本実施形態における強化ガラスの表面層の導波光における多光束干渉も、原理的には、ファブリペロー干渉計と同じである。ファブリペロー干渉計では反射率Ｒ、透過率Ｔの二つの反射面を用いるが、表面屈折率測定装置１における導波光は片方が全反射であることが異なるだけで、多光束干渉を起こす原理は同じである。フィネス値Ｆや必要な反射面の平坦度の関係式の値はやや異なるが、傾向は同じである。そのため、表面屈折率測定装置１の輝線の幅、急峻度も、強化ガラスの表面の反射率、透過率、及び、表面の平坦度に関わる。
【００９２】
表面屈折率測定装置１の場合、フィネス値Ｆは片面が全反射であり、反射率が１００%であるので、式４のファブリペローのフィネス値Ｆの反射率Ｒに、ガラス表面の反射率の平方根を代入すれば良い。又、フィネス値Ｆを得るに必要な最低平坦度は、平坦度を＝λ／ｑとすると、ファブリペロー干渉計の場合、光線が１往復するのに反射面が２面であるため、ｑ＞２×Fとなり、表面屈折率測定装置１の場合、反射面は１面であるため、ｑ＞Ｆとなる。
【００９３】
前述のように、代表的な強化ガラスの場合での、強化ガラス表面の反射率はＲ＝０．７程度である。例えば、Ｒ＝０．７の場合、平方根は０．８３７であり、フィネス値Ｆは約１８となり、反射率からは十分なフィネス値Ｆを得られるが、それに必要な平坦度は、λ／１８となり、非常に高い平坦度が要求される。しかし、表面屈折率測定装置１の場合、分光器のような高分解能が必要ではなく、輝線の位置の測定精度が得られれば良い程度のフィネス値Ｆが確保できれば良い。
【００９４】
先に示した代表的な強化ガラスの例で、各フィネス値における導波光強度と導波光が強化ガラスの表面とのなす角Θとの関係を計算した結果を図１１に示す。
【００９５】
図１１では、フィネス値Ｆが１、５、１８での結果を比較した。反射率から得られるフィネス値Ｆ＝１８では、非常にシャープである。一方。フィネス値Ｆ＝１では、幅広く、コントラストも１／５以下に下がっていて、輝線位置測定精度が下がると予想される。
【００９６】
しかし、フィネス値Ｆ＝５程度でも、コントラストは１割減程度であり、ピークも鋭く、十分な輝線位置測定が可能な形状である、すなわち、フィネス値Ｆは５〜１０程度であれば十分な位置測定が可能である。その時に必要な平坦度はλ／１０〜λ／５である。
【００９７】
（屈折率分布の算出）
次に、屈折率分布を計算する方法を説明する。まず、非特許文献１にも示されているように、モード１とモード２の輝線の位置から、表面２１０の屈折率とモード２の最深点が求まる。これにより、３つの点、表面２１０（ｘ＝０）、モード１の最深点（ｘｔ１）、モード２の最深点（ｘｔ２）の値と、その点の屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２が分かる。但し、表面がモード１とモード２の外挿なので、この３点は直線である。
【００９８】
次に、モード３での最深点ｘｔ３を適当な値に仮定すると、ｘｔ３までの屈折率分布が定義でき、上記計算方法にて、この分布での式３の左辺が計算できる。すなわちｘｔ３を唯一のパラメータとして式３の左辺が計算でき、又、右辺はモードの次数で決まり、モード３では２．７５λとなる。
【００９９】
その後、ｘｔ３をパラメータとし二分法やニュートン法等の非線形方程式の計算手法を用いることで、ｘｔ３を容易に求めることができる。そして、ｘｔ３まで求めたら、次のモード４の輝線位置から、ｘｔ４が求まり、全ての輝線について同様の計算を繰り返すことで、全体の屈折率分布を算出できる。
【０１００】
（応力分布の算出）
強化ガラスは面内に強い圧縮応力があるため、Ｐ偏光の光の屈折率とＳ偏光の光の屈折率は、光弾性効果により応力の分だけずれる。すなわち、強化ガラス２００の表面２１０に面内応力が存在すると、Ｐ偏光とＳ偏光で、屈折率分布が異なって、モードの発生のしかたも異なり、輝線の位置も異なる。
【０１０１】
従って、Ｐ偏光とＳ偏光での輝線の位置が分かれば、Ｐ偏光とＳ偏光の夫々の屈折率分布を逆に計算できる。そこで、Ｐ偏光とＳ偏光の屈折率分布の差と強化ガラス２００の光弾性定数とに基づいて、強化ガラス２００の表面２１０から深さ方向にわたる応力分布σ（ｘ）を算出できる。
【０１０２】
具体的には、下記の式５（数５）を用いて、応力分布を算出できる。式５で、ｋｃは光弾性定数であり、ΔｎＰＳ（ｘ）はＰ偏光とＳ偏光の屈折率分布の差である。Ｐ偏光の屈折率分布ｎＰ（ｘ）とＳ偏光の屈折率分布ｎＳ（ｘ）は夫々離散的に得られるので、夫々の点の間を直線近似したり、複数の点を使って近似曲線を算出したりすることで任意の位置において応力分布を得ることができる。
【０１０３】
【数５】
2020177018.tif 000007
なお、化学強化ガラスが測定された応力分布において、応力０となる点がＤＯＬ＿Ｚｅｒｏ値、計算された一番深い点での応力値がＣＴ値である。
【０１０４】
しかし、ＣＴ値、ＤＯＬ＿Ｚｅｒｏ値については、Ｐ偏光とＳ偏光の微小な屈折率差から求めるため、特に屈折率の変化が小さい部分（屈折率分布の傾斜が緩やかになるゼロクロス付近）では、Ｐ偏光とＳ偏光の屈折率差が小さくなり測定誤差が大きくなる。そこで、算出された圧縮応力層の応力分布を強化ガラス２００の深さ方向に積分した値が、強化ガラス２００の内部の引張応力と釣り合うよう式６（数６）を用いてＣＴ値を算出してもよい。ここで、ＣＳ（ｘ）とは、図７に示した強化ガラス２００の深さ方向の位置ｘにおける圧縮応力値である。以下、式０に基づいて算出したＣＴ値と式５に基づいて算出したＣＴ値を分けて説明する場合、それぞれＣＴ０値、ＣＴ５値と呼ぶこととする。例えば、積分範囲を強化ガラス２００の表面２１０から中央までとし、積分結果がゼロとなるようにＣＴ５値を決定できる。その際、応力０点となる深さをＤＯＬ＿Ｚｅｒｏ値として算出してもよい。
【０１０５】
【数６】
2020177018.tif 000008
（測定のフロー）
図１２は、本実施形態に係る測定方法を例示するフローチャートである。図１３は、表面屈折率測定装置１の演算部７０の機能ブロックを例示する図である。
【０１０６】
まず、ステップＳ５０１では、強化ガラス２００の表面層内に光源１０からの光を入射させる（光供給工程）。次に、ステップＳ５０２では、強化ガラス２００の表面層内を伝播した光を強化ガラス２００の外へ出射させる（光取出工程）。
【０１０７】
次に、ステップＳ５０３では、光変換部材４０及び偏光部材５０は、出射された光の、出射面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分（Ｐ偏光とＳ偏光）について、夫々少なくとも２本以上の輝線を有する二種の輝線列として変換する（光変換工程）。
【０１０８】
次に、ステップＳ５０４では、撮像素子６０は、光変換工程により変換された二種の輝線列を撮像する（撮像工程）。次に、ステップＳ５０５では、演算部７０の位置測定手段７１は、撮像工程で得られた画像から二種の輝線列の各輝線の位置を測定する（位置測定工程）。
【０１０９】
次に、ステップＳ５０６では、演算部７０の屈折率分布算出手段７２は、二種の輝線列の夫々少なくとも２本以上の輝線の位置から、二種の光成分に対応した強化ガラス２００の表面２１０から深さ方向にわたる屈折率分布を算出する（屈折率分布算出工程）。なお、屈折率分布の算出のためには、輝線は２本以上あればよく、輝線が３本以上であれば、２次以上の関数による近似が可能になり、より詳細の分布情報が得られる。
【０１１０】
次に、ステップＳ５０７では、演算部７０の応力分布算出手段７３は、二種の光成分の屈折率分布の差とガラスの光弾性定数とに基づいて、強化ガラス２００の表面２１０から深さ方向にわたる応力分布を算出する（応力分布算出工程）。なお、屈折率分布のみを算出することを目的とする場合には、ステップＳ５０７の工程は不要である。
【０１１１】
なお、屈折率分布のプロファイルと応力分布のプロファイルとは類似している。そのため、ステップＳ５０７で、応力分布算出手段７３は、Ｐ偏光及びＳ偏光に対応した屈折率分布のうち、Ｐ偏光に対応した屈折率分布、Ｓ偏光に対応した屈折率分布、Ｐ偏光に対応した屈折率分布とＳ偏光に対応した屈折率分布との平均値の屈折率分布、の何れかを応力分布として算出してもよい。
【０１１２】
又、演算部７０は、図１３の構成に加えて、ＣＴ値を算出するＣＴ値算出手段や、ＤＯＬ＿Ｚｅｒｏ値を算出するＤＯＬ＿Ｚｅｒｏ値算出手段等を備えていてもよい。この場合、応力分布算出手段７３が算出した応力分布に基づいて、ＣＴ値やＤＯＬ＿Ｚｅｒｏ値を算出できる。
【０１１３】
以上のように、本実施形態に係る表面屈折率測定装置及び表面屈折率測定方法によれば、二種の輝線列の夫々少なくとも２本以上の輝線の位置から、二種の光成分に対応した強化ガラスの表面から深さ方向にわたる屈折率分布を算出できる。
【０１１４】
更に、二種の光成分の屈折率分布の差とガラスの光弾性定数とに基づいて、強化ガラスの表面から深さ方向にわたる応力分布を算出できる。すなわち、強化ガラスの表面層の屈折率分布及び応力分布を非破壊で測定できる。
【０１１５】
その結果、測定された応力分布に基づいて精度の高いＣＴ値、ＤＯＬ＿Ｚｅｒｏ値を算出可能となり、強化ガラスの開発において最適な強化条件を得ることができる。又、強化ガラスの製造工程において、信頼性と精度の高い、ガラスの強度管理が可能となり、より強度の高い強化ガラスを開発及び製造できる。
【０１１６】
又、プリズム２１の強化ガラス２００側に無機膜２２を設け、プリズム２１と無機膜２２の境界面と強化ガラス２００の表面２１０との距離ｄを１μｍ以上とすることで、輝線の本数を増やせるため、強化ガラス２００の屈折率の測定精度を向上できる。その結果、強化ガラス２００の応力の測定精度も向上できる。
【０１１７】
ここで、輝線の本数が増える理由について説明する。
【０１１８】
本発明の測定原理では、強化ガラスの化学強化層における導波光の発生するモードに従って、輝線が生じ、その輝線より、そのモードの光線軌跡の最深点の深さと屈折率を知ることができるが、その得られる深さは、離散的で飛び飛びの深さのみである。
【０１１９】
又、低い次数のモードすなわち表面に近いモードほど、その間隔は大きく、例えば、図８に示した例では、モード１では４．３μｍ、モード２では９．２μｍと、１０μｍ以下は２点しかない。そのため、１０μｍ以下の表面に近い領域では、精度良く屈折率分布を得るのが難しい。
【０１２０】
特に、モード１より浅い領域では、モード１とモード２からの外挿でしか屈折率を予想できない。そのため、１０μｍ以下の浅い領域で、急激な変化をする強化方法においては、十分な精度で屈折率分布を得るのが難しい。
【０１２１】
しかし、本発明では、強化ガラスの表面に通常のモード１の深さに近い厚みのガラスと同じ屈折率の層を設けることで、実質的にモード１の最深点を強化ガラスの表面に近づけ、強化ガラスの表面により近い領域の屈折率が測定可能となる。
【０１２２】
その原理を図１４を参照しながら説明する。図１４（ａ）はプリズム２１に強化ガラス２００が密着している従来の場合であり、ある波長λの光線Ａは、プリズム２１を通り強化ガラス２００の表面２１０から強化ガラス２００に入射し、ある深さで反転し強化ガラス２００の表面２１０に戻ってくる。この点をｐ１、強化ガラス２００の表面２１０から最深点までの深さをｄ１とする。そして、この点ｐ１を通る光線Ａと平行な光線Ｂとで、干渉を起こし、光線Ａと光線Ｂの光路差が波長の整数倍になる光線Ａ、Ｂの入射角で輝線を生じる。
【０１２３】
一方、図１４（ｂ）は、本発明の一態様であり、プリズム２１と強化ガラス２００の間に、強化ガラス２００の表面２１０とほぼ同じ屈折率で、厚みがｄｓの層（ここでは、無機膜２２とする）が設けられている。
【０１２４】
光線Ｃはプリズム２１及び無機膜２２を通り強化ガラス２００の表面２１０から強化ガラス２００に入射し、ある深さで反転し強化ガラス２００の表面２１０に戻る。この例では、無機膜２２と強化ガラス２００の表面２１０の屈折率はほぼ同じであり、その界面では反射も屈折もしないため、光線Ｃは更に進み、プリズム２１と無機膜２２の界面に達する。この点をｐ２とし、この界面から最深点までの深さをｄ２とする。
【０１２５】
そして、プリズム２１と無機膜２２の界面では屈折率が大きく異なるため、この界面で、この点ｐ２を通る光線Ｃと平行な光線Ｄとで、干渉を起こし、従来の図１４（ａ）の場合と同様に、光線Ｃと光線Ｄの光路差が波長の整数倍になる光線Ｃ、Ｄの入射角で輝線を生じる。
【０１２６】
従来の図１４（ａ）でのプリズム２１と強化ガラス２００の表面２１０との界面から深さｄ１の最深点までの光線軌跡と、本発明の一態様である図１４（ｂ）でのプリズム２１と無機膜２２との界面から深さｄ２の最深点までの光線軌跡は若干異なる。すなわち、図１４（ｂ）では直線であるが、従来の図１４（ａ）の場合ではやや円弧を描く。
【０１２７】
しかし、短い領域では、円弧をほぼ直線とみなしても、その径路の違いによる光路差は無視できるほど小さい。そのため、図１４（ｂ）の深さｄ２は、ほぼ、図１４（ａ）の深さｄ１と同じとみなせる。
【０１２８】
しかし、図１４（ｂ）では、強化ガラス２００の表面２１０から最深点までの深さｄ３は、ｄ２から無機膜２２の厚みｄｓを差し引いた分浅くなる。例えば、図１４（ａ）の深さｄ１が５μｍで、図１４（ｂ）の無機膜２２の厚さが４μｍであれば、図１４（ｂ）の深さｄ３は１μｍとなる。又、モード２以降もそれぞれの強化ガラス２００の表面２１０から最深点までの深さは、無機膜２２の厚みｄｓの分、浅くなる。
【０１２９】
図１５は、輝線並びの例である。従来の図１４（ａ）の場合の輝線並びを図１５（ａ）に、本発明の一態様である図１４（ｂ）の場合の輝線並びを図１５（ｂ）に示す。図１５の点線のモード０は、強化ガラス２００の表面２１０の屈折率の位置であり、仮想的なモード０とする。図１５（ｂ）では、全体の輝線並びが強化ガラス２００の表面２１０を示すモード０に近づき、導波光効果を生じる深さがｄ１からｄ２に深くなるので、新たなモード５やモード６の輝線も現れ、トータルの輝線の本数も増えることになる。
【０１３０】
又、無機膜２２は、屈折率、厚み共に予め測定され、既知であるため、無機膜２２での光路長の算出は容易であり、各モードでの最深点を算出することも可能である。
【０１３１】
なお、無機膜２２等の距離規定手段を設けることで輝線の本数が増える理由は、式３からも説明できる。式３において、第２項は無機膜２２等の距離規定手段があることにより新たに加わる部分である。すなわち、式３中の第２項の分だけ式３の左辺は大きくなる。従って、例えばＮ＝１で式３の等式が成立するΨは、第２項がない場合よりも、第２項の大きさの分だけ小さくなる。すなわち浅い入射角度から輝線が生じ始める。
【０１３２】
更に、式３中の第２項のｓｉｎθ１の項の存在のため、Ψを増していった場合に、θ１も増していくので、第２項は徐々に大きくなっていく。従って、次のＮ＝２のモードが成立するΨは、第２項が無い場合に比べて小さい角度となり、かつ、Ｎ＝１が成立するΨとの間隔も、第２項が無い場合に比べて狭くなる。
【０１３３】
このようにして、臨界角までに式３が成立する角度Ψは、第２項が無い場合に比べて浅くなっていき、かつ間隔が狭まる。その結果、輝線の本数が増える。すなわち、プリズム２１と強化ガラス２００との間に、無機膜２２等の距離規定手段を設けると、輝線の本数が増える。
【０１３４】
このように、プリズム２１と強化ガラス２００との間に、無機膜２２等の距離規定手段を設けると、強化ガラス２００へ入射した光が強化ガラス２００の表面２１０により近い位置で深さ方向から表面方向に反転し、輝線の本数が増える。その結果、強化ガラス２００の屈折率の測定精度及び応力の測定精度を向上できる。言い換えれば、強化ガラス２００の応力プロファイルがより正確に測定できる。
【０１３５】
一方、プリズム２１と強化ガラス２００の距離の増加に伴い、輝線の間隔が狭くなる。より精度よく測定するためには、Ｐ偏光のモード１の輝線と、Ｓ偏光のモード１の輝線の間が、３ｐｉｘｅｌ以上となる解像度で輝線を観測することが好ましい。解像度を向上する方法としては、光変換部材４０を調節し、光学倍率を上げて撮影する方法や、撮像素子６０として、高解像度のものを用いる方法が挙げられる。
【０１３６】
〈第２実施形態〉
第２実施形態では、第１実施形態とは異なる光入出力部材を有する表面屈折率測定装置の例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【０１３７】
図１６は、第２実施形態に係る強化ガラスの表面屈折率測定装置を例示する図である。図１６に示すように、表面屈折率測定装置２は、光入出力部材２０が光入出力部材２０Ａに置換された点が、表面屈折率測定装置１（図１参照）と相違する。光入出力部材２０Ａは、無機膜２２がガラス層２３に置換された点が、光入出力部材２０（図１参照）と相違する。
【０１３８】
図１６において、光入出力部材２０Ａのガラス層２３は、プリズム２１の底面２１ｃ（プリズム２１とガラス層２３の境界）と強化ガラス２００の入射表面である表面２１０との距離を規定する距離規定手段である。ガラス層２３の材料としては、特に制限はないが、例えば、ソーダライムガラス、アルミノシリケートガラス、ボロシリケートガラス、石英ガラス等が挙げられる。
【０１３９】
ガラス層２３の屈折率は、強化ガラス２００の屈折率とほぼ同じ屈折率である。ガラス層２３は、強化ガラス２００の表面２１０の屈折率に対して±０．０５の範囲内の屈折率を有することが好ましい。例えば、強化ガラス２００の表面２１０の屈折率が１．５２であれば、ガラス層２３の屈折率は１．４７以上１．５７以下であることが好ましい。ガラス層２３の屈折率が１．４７以上１．５７以下であれば、ガラス層２３と強化ガラス２００の表面２１０の境界での反射が十分低減され、輝線がより明確に確認できる。ガラス層２３の屈折率は、例えば、エリプソメーターにより測定できる。
【０１４０】
ガラス層２３の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下である。ガラス層２３の厚さを１μｍ以上１０μｍ以下とすることで、プリズム２１とガラス層２３の境界と強化ガラス２００の表面２１０との距離ｄを１μｍ以上１０μｍ以下の範囲に規定できる。距離ｄを１μｍ以上とすることで、輝線の本数を増やせるため、強化ガラス２００の屈折率の測定精度を向上できる。ガラス層２３の厚さは、例えば、デジタルマイクロメーターや、マイクロスコープによって側面から観察することにより測定できる。
【０１４１】
ガラス層２３の厚さの偏差は、１０％以下に抑えることが好ましく、２％以下がより好ましく、１％以下が更に好ましく、０．５％以下が更に好ましい。ガラス層２３の厚さの偏差が１０％以下であれば、プリズム２１の下端から強化ガラス２００の表面２１０までの光路長が均一となり、後述するフィネス値が向上し、輝線がより明確に確認できる。ガラス層２３の厚さの偏差は、例えば、エリプソメーター、Ｘ線光電子分光測定器（ＸＰＳ）或いは電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）により測定できる。
【０１４２】
ガラス層２３の強化ガラス２００の表面２１０に近い側の面の表面粗さＲａは、大きくても本発明の効果を発現するが、０．０２ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であることが測定精度を高める上で好ましい。表面粗さＲａが０．０２ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であれば、光源１０からの光がガラス層２３の表面及びガラス層２３の内部で散乱することを抑制する効果があり、その結果、表面屈折率測定装置１の測定値の精度向上の効果が得られる。表面粗さＲａは、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定できる。
【０１４３】
プリズム２１とガラス層２３の境界面と、強化ガラス２００の表面２１０との平行度は、ガラス層２３の膜厚の１０％以下であることが好ましい。これにより、十分なフィネス値Ｆが得られる。平行度は、例えば、顕微分光膜厚計や反射分光膜厚計により複数点測定することで膜厚の平行度をガラス層２３の膜厚の１０％以下とし、ガラス層２３と強化ガラス２００を密着させることで高い精度が達成できる。
【０１４４】
図１７及び図１８は、第２実施形態に係る光入出力部材の形成方法を説明する図である。まず、図１７（ａ）に示すように、光入出力部材２０Ａのプリズム２１となるガラス素材を直方体に加工したガラスブロック２４０を用意する。ガラスブロック２４０の面２４１は、平坦度が１／４λ以下で加工されている。
【０１４５】
次に、図１７（ｂ）に示すように、光入出力部材２０Ａのガラス層２３となるガラス素材として薄いガラス板２５０を用意する。ガラス板２５０の面２５１の大きさは、ガラスブロック２４０の面２４１と同じである。ガラス板２５０の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下である。ガラス板２５０の少なくとも面２５１は、平坦度が１／４λ以下で加工されている。
【０１４６】
次に、図１７（ｃ）に示すように、ガラスブロック２４０の面２４１とガラス板２５０を面２５１とを合わせ、接着して積層体２６０を作製する。接着には、ガラス板２５０の屈折率とほぼ同じである光学ガラス接着剤を用いる。又、光学ガラス接着剤に代えて、オプティカルコンタクトを用いてもよい。
【０１４７】
次に、図１７（ｄ）に示すように、積層体２６０において、ガラス板２５０の面２５２（面２５１の反対面）を、ガラス板２５０の厚さが１μｍ以上１０μｍ以下になるように研磨して面２５２を光学面に仕上げる。このとき、ガラス板２５０の面２５１に対する面２５２の平行度は、ガラス板２５０の板厚の１０％以下が好ましい。
【０１４８】
研磨途中のガラス板２５０の厚さは、例えば、干渉式の厚み計（例えば、大塚電子製・分光膜厚計ＦＥ３００等）により、小さなエリアを０．１μｍ以下の分解能で高精度に測定できる。この厚み計によりガラス板２５０の面２５２内の複数の点を測定し、調整し、研磨することにより、面２５１に対する面２５２の平行度をガラス板２５０の板厚の１０％以下、かつガラス板２５０の厚さを１μｍ以上１０μｍ以下に制御できる。
【０１４９】
次に、図１８（ａ）に示すように、積層体２６０を縦横に切断し、光入出力部材２０Ａ１個分の大きさに切り出し、積層体２６０Ａを作製する。そして、図１８（ｂ）に示すように、積層体２６０Ａの面２６１及び２６２を斜めに研磨し、光学研磨で仕上げる。これにより、図１８（ｃ）に示すように、プリズム２１上にガラス層２３が接着された光入出力部材２０Ａが得られる。
【０１５０】
このように、プリズム２１の底面２１ｃと強化ガラス２００の表面２１０との距離を規定する距離規定手段としてガラス層２３を設けてもよい。この場合も、ガラス層２３の厚さを１μｍ以上１０μｍ以下とすることで、第１実施形態と同様に、輝線の本数を増やせるため、強化ガラス２００の屈折率の測定精度を向上できる。その結果、強化ガラス２００の応力の測定精度も向上できる。
【０１５１】
〈第３実施形態〉
第３実施形態では、光入出力部材が液体を介して強化ガラスと接する例を示す。なお、第３実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【０１５２】
図１９は、第３実施形態に係る強化ガラスの表面屈折率測定装置を例示する図である。図１９に示すように、表面屈折率測定装置３では、光入出力部材２０と強化ガラス２００との間には、光入出力部材２０の無機膜２２の底面２２ｃと強化ガラス２００の表面２１０とを光学的に結合するための光学的結合液体である液体３０が充填されている。つまり、無機膜２２の底面２２ｃが液体３０を介して強化ガラス２００の表面２１０に当接している。液体３０の厚さは、１μｍ以下とすることが好ましい。
【０１５３】
液体３０の屈折率は、強化ガラス２００の表面層の最表面の屈折率と同等に調整されている。ここで、同等とは、強化ガラス２００の表面と液体３０との界面では全く反射や屈折を起こさせず、無機膜２２の底面２２ｃと液体３０との界面を導波光の片方の反射面にすることを可能とする、液体３０の屈折率と強化ガラス２００の表面層の屈折率との関係をいう。
【０１５４】
ｎｇｂを化学強化工程前のガラスの屈折率、ｎｇｓを化学強化工程後の強化ガラスの最表面の屈折率、ｎｆを液体３０の屈折率としたときに、ｎｇｂ＜ｎｆ≦ｎｇｓ＋０．００５であることが、高いコントラストの輝線が観察され、精確な測定ができる点で好ましい。ｎｇｂ＋０．００５≦ｎｆ≦ｎｇｓ＋０．００５であれば、より好ましい。又、液体３０の屈折率ｎｆと強化ガラス２００の表面層の屈折率ｎｇｓとの差の絶対値が０．００５以下であると、特に好ましい。この好ましい屈折率の範囲に含まれる屈折率を本発明における適切な屈折率といい、この屈折率を持つ屈折液を本発明における適切な屈折液という。
【０１５５】
液体３０は、材料の異なる２種類以上の液体を混ぜて作ってもよい。液体３０を材料の異なる２種類以上の液体を混ぜて作ることで、液体３０の粘度を調整できる。液体３０の粘度は、低い方が強化ガラス２００と無機膜２２に密着させやすい点で好ましい。具体的には、液体３０の粘度は、５ｃｐｓ（センチポアズ）以下であることが好ましく、３ｃｐｓ以下であることがより好ましく、１ｃｐｓ以下であることが更に好ましい。
【０１５６】
又、液体３０を材料の異なる２種類以上の液体を混ぜて作ることで、沸点を調整できる。液体３０の沸点が高いと保管時に変質しにくい点で好ましい。具体的には、液体３０の沸点は、１００℃以上が好ましく、１１０℃以上がより好ましく、１２０℃以上が更に好ましい。
【０１５７】
このように、表面屈折率測定装置３では、光入出力部材２０と強化ガラス２００との間に光学的結合液体である液体３０が充填されている。そして、液体３０の屈折率は強化ガラス２００の表面層の屈折率と同等に調整されている。
【０１５８】
これにより、強化ガラス２００の表面と液体３０との界面では全く反射や屈折を起こさせず、光入出力部材２０の無機膜２２の底面２２ｃと液体３０との界面が導波光の片方の反射面となり、強い導波光を得ることができる。その結果、表面の光学的平坦度が悪い、或いは、表面の屈折率均一性が悪い強化ガラスでも、強化ガラスの表面の状態に依存しない強い導波光を得ることが可能となり、鮮明な輝線が得られるため、強化ガラスの表面層の屈折率分布を非破壊で精度よく測定できる。
【０１５９】
さらに、液体３０の屈折率次第では、輝線が発現する領域と輝線が発現しない領域の境界が明瞭に見える効果が期待でき、図３の表面層の最深部における屈折率や応力測定精度向上にも活用できる。輝線が発現する領域と輝線が発現しない領域の境界は、明部と暗部、あるいは暗部と明部の境界線として視認でき、通常、強化ガラスとプリズムとの屈折率差により臨界角付近で発生する。
【０１６０】
例えば、ガラス形成工程後の化学強化の工程においも、短時間で表面応力が強くなるような化学強化工程で形成された化学強化ガラスでは、イオン交換が均一にされず、屈折率が局所的に不均一となることもある。例えば、強化ガラスの表面層に金属イオンが拡散したガラスでは、表面層で急激に屈折率の傾きが大きくなる。この場合の金属イオンは、Ｓｎ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ等である。
【０１６１】
このような光学的平坦度が悪いガラスでは、多光束干渉によるフィネス値Ｆが悪化し、輝線の幅は広く、コントラストも下がり、精度の高い位置測定を妨げることとなり、極端な場合、実質的にモードが発生しなくなり、測定が困難な場合もある。図２０に強化ガラスの表面の平坦度が良い場合と悪い場合の輝線列の写真を示す。図２０（ａ）は強化ガラスの表面の平坦度が悪い場合の例、図２０（ｂ）は強化ガラスの表面の平坦度が良い場合の例である。
【０１６２】
このように、表面、或いは表面付近は光学的に不均一性が大きい、或は表面の光学的平坦度が悪いような、化学強化ガラスでは、撮像素子に結像される輝線も、線幅も広く、コントラストも低く、不明確になり、輝線の測定精度が落ちる。極端に不均一性が大きい、或いは平坦度が悪い場合、導波光そのものも消失し、輝線が生じないこともある。そのため、強化ガラスの表面屈折率或いは表面層の屈折率分布の測定精度が落ち、更には測定が困難になる場合がある。
【０１６３】
表面屈折率測定装置３では、光入出力部材２０の無機膜２２と強化ガラス２００との間に光学的結合液体である液体３０が充填されており、液体３０の屈折率は強化ガラス２００の表面層の最表面の屈折率と同等又は強化ガラスの表面層よりも深い部分との間に調整されている。
【０１６４】
そのため、表面の光学的平坦度が悪い、或いは、表面の屈折率均一性が悪い強化ガラスでも、強化ガラスの表面の状態に依存しない強い導波光を得ることが可能となり、強化ガラスの表面層の屈折率分布を非破壊で精度よく測定できる。例えば、表面屈折率測定装置３は、強化ガラスの表面で導波光を反射させる従来の装置では測定が困難であった、表面の粗さＲａが５ｎｍや１０ｎｍ、５０ｎｍである強化ガラス２００の表面層の屈折率分布を精度よく測定できる。更には、表面の粗さＲａが１００ｎｍ以上である強化ガラス２００であっても、表面層の屈折率分布を精度よく測定できる。
【０１６５】
なお、液体３０は、無機膜２２の底面２２ｃに塗布してもよいし、強化ガラス２００の表面２１０に塗布してもよい。液体３０を無機膜２２の底面２２ｃに塗布した場合、液体３０を光入出力部材２０の一部と考えてもよい。
【０１６６】
以上の説明では、第１実施形態で説明した光入出力部材２０を用いる例を示したが、第２実施形態に係る光入出力部材２０Ａを用いた場合にも、ガラス層２３と強化ガラス２００との間に液体３０を充填することで、上記と同様の効果が得られる。
【０１６７】
〈第４実施形態〉
第４実施形態では、第１実施形態とは異なる光入出力部材を有する表面屈折率測定装置の他の例を示す。なお、第４実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【０１６８】
図２１は、第４実施形態に係る強化ガラスの表面屈折率測定装置を例示する図である。図２１に示すように、表面屈折率測定装置４は、光入出力部材２０が光入出力部材２０Ｂに置換された点が、表面屈折率測定装置１（図１参照）と相違する。光入出力部材２０Ｂは、無機膜２２がフィラー２４に置換された点が、光入出力部材２０（図１参照）と相違する。
【０１６９】
図２１において、光入出力部材２０Ｂのフィラー２４は、プリズム２１の底面２１ｃと強化ガラス２００の入射表面である表面２１０との距離を規定する距離規定手段である。フィラー２４の粒径は１μｍ以上１０μｍ以下である。ここで、粒径とは、平均粒子径の意味である。強化ガラス２００やプリズム２１のキズを抑制させる点から、フィラー２４の材料は柔らかい樹脂等であることが好ましい。フィラー２４としては、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、コロイダルシリカ、シリコーン等が好適に用いられる。フィラー２４の粒径は、例えば、光学顕微鏡又は電子顕微鏡による直接観察や、動的光散乱法やレーザー回折法等の光学的方法等により測定できる。
【０１７０】
プリズム２１と強化ガラス２００との間のフィラー２４の周囲には、プリズム２１の底面２１ｃと強化ガラス２００の表面２１０とを光学的に結合するための光学的結合液体である液体３０が充填されている。つまり、プリズム２１の底面２１ｃが液体３０を介して強化ガラス２００の表面２１０に当接している。液体３０については前述の通りである。
【０１７１】
このように、プリズム２１の底面２１ｃと強化ガラス２００の表面２１０との距離を規定する距離規定手段としてフィラー２４を設けてもよい。この場合も、フィラー２４の粒径を１μｍ以上１０μｍ以下とすることで、第１実施形態と同様に、輝線の本数を増やせるため、強化ガラス２００の屈折率の測定精度を向上できる。その結果、強化ガラス２００の応力の測定精度も向上できる。
【０１７２】
なお、プリズム２１の底面２１ｃにフィラー２４及び液体３０を保持するための凹部を設けてもよい。この場合、図１の状態を上下反転させ、プリズム２１を下側に配置し、プリズム２１の凹部の外周面（凹んでいない部分）の上に強化ガラス２００を配置して測定を行う。又、凹部の深さでプリズム２１の底面（凹部の底面）と強化ガラス２００の表面２１０との距離を規定してもよい。この場合、フィラー２４は用いずに液体３０のみを用いてもよい。
【０１７３】
〈第５実施形態〉
第５実施形態では、第１実施形態とは異なる光入出力部材を有する表面屈折率測定装置の他の例を示す。なお、第５実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【０１７４】
図２４は、第５実施形態に係る強化ガラスの表面屈折率測定装置を例示する図である。図２４に示すように、表面屈折率測定装置５は、光入出力部材２０が光入出力部材２０Ｃに置換された点が、表面屈折率測定装置１（図１参照）と相違する。光入出力部材２０Ｃは、構造部材２５を有する。図２４において、光入出力部材２０Ｃの構造部材２５は、プリズム２１の底面２１ｃと強化ガラス２００の入射表面である表面２１０との距離を規定する距離規定手段である。
【０１７５】
構造部材２５により形成される、プリズム２１の底面２１ｃと強化ガラス２００の入射表面である表面２１０との間の空間２６には、プリズム２１の底面２１ｃと強化ガラス２００の表面２１０とを光学的に結合するための光学的結合液体である液体３０が充填されている。つまり、プリズム２１の底面２１ｃが液体３０を介して強化ガラス２００の表面２１０に当接している。液体３０については前述の通りである。液体３０の屈折率と強化ガラス２００の表面層の屈折率の差が小さくなるよう調整しやすいため、光導波効果以外による輝線の発生を抑制できる。また、液体であることから膜応力が発生しないため、ガラス内で発生する応力測定に悪影響を与えない。このように、構造部材２５は、距離規定手段であり、空間２６を形成する点で、第１実施形態における光入出力部材２０の無機膜２２と相違する。
【０１７６】
空間２６は、例えば構造部材２５を形成する際に、プリズムの一部すなわち膜を付けない部分をマスキングして成膜し、マスキングを剥離することで形成される。
【０１７７】
図２５（ａ）、（ｂ）は、プリズム２１の底面２１ｃ上に形成された構造部材２５の例を示す上面図である。図２５の上面図において、構造部材２５の占める総面積がプリズム２１の底面２１ｃの面積より小さいことにより、空間２６を確保でき、液体３０を充填できる。構造部材２５の占める面積は、例えばプリズム２１の底面２１ｃの面積の半分以下であり、３分の１以下、４分の１以下であっても良い。強化ガラス２００の表面２１０とプリズム２１の底面２１ｃの距離を精確に保つため、構造部材２５の占める面積は、プリズム２１の底面２１ｃの２０分の１以上が好ましい。また、構造部材２５は導波光の伝搬に影響しないように、プリズム２１の底面２１ｃの端や、底面２１ｃの面内に、小さい面積で複数点在するように配置することが好ましい。
【０１７８】
図２５（ａ）、（ｂ）において、構造部材２５同士の間隔は、プリズム２１の底面２１ｃと強化ガラス２００の表面２１０の距離を一定に保てるように設定されることが好ましく、例えば１０ｍｍ以下であり、５ｍｍ以下、３ｍｍ以下であってもよい。更に、構造部材２５は、図２５（ａ）のように、底面２１ｃ上で空間２６を分断せず、空間２６が一続きになるよう設置されることが好ましい。空間２６が一続きであると、液体３０を充填する際に液体３０が空間２６内を移動して空隙を埋められる。更に、構造部材２５同士の間隔は、例えば０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上であると、液体３０が構造部材２５の間を移動できる。
【０１７９】
構造部材２５の厚さは１μｍ以上１０μｍ以下である。構造部材２５の膜厚を１μｍ以上１０μｍ以下とすることで、第１実施形態と同様に、輝線の本数を増やせるため、強化ガラス２００の屈折率の測定精度を向上できる。その結果、強化ガラス２００の応力の測定精度も向上できる。
【０１８０】
構造部材２５の屈折率は、液体３０の屈折率との差が小さい方が、導波光伝搬への影響を抑制できる。
【０１８１】
構造部材２５の材質は特に限られず、無機膜、ガラス、樹脂などから選択され、好ましくは無機膜である。無機膜としては、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａから選ばれる少なくとも一つの金属を含む酸化膜、窒化膜、又は酸窒化膜が挙げられる。
【０１８２】
［実施例、比較例］
表面屈折率測定装置において、プリズム２１と無機膜２２の境界面と強化ガラス２００の表面２１０との距離ｄを含む図２２及び２３に示すパラメータを変えながら、輝線の本数を評価した。
【０１８３】
被測定体としては、例１〜例４では圧縮応力層の深さが５μｍの強化ガラス２００を用い、例５〜例８では圧縮応力層の深さが１０μｍの強化ガラス２００を用いた。例９〜１1では、圧縮応力層の深さが７μｍの強化ガラス２００を用いた。
【０１８４】
又、例１、例２、及び例５〜例７では、距離規定手段として無機膜（シリコンアルミオキサイド）を用いた。例８では距離規定手段としてスペーサーとなるフィラーを用いた。例１、例２、及び例５〜例７では距離ｄは無機膜と液体３０との総厚であり、例８では距離ｄはフィラーの平均粒径であった。比較例である例３及び例４では、距離規定手段を設けていなく、距離ｄ（液体３０の厚さのみ）は１μｍ以下であった。
【０１８５】
例９〜１１では距離規定手段の構造部材２５としてスペーサーとなる無機膜（シリコンアルミオキサイド）を図２５（ｂ）のように、プリズムを横断するように設置し、プリズム２１と強化ガラス２００の間に液体３０を充填した。構造部材２５同士の間隔は４．５ｍｍであり、構造部材２５の幅は１ｍｍであった。例９〜１１で、距離ｄは無機膜の膜厚である。
【０１８６】
図２２及び２３に示すパラメータＣは、（（ｎｃ×ｔｃ）／λ）×１０００である。ここで、ｎｃは無機膜と液体３０との平均屈折率である。ｔｃは無機膜と液体３０との総厚（μｍ）、又はフィラーの粒径（μｍ）である。λは光源の波長（ｎｍ）である。
【０１８７】
各パラメータの値及び輝線の評価結果（本数及び写真）を図２２、図２３、図２６に示す。なお、判定の『ＯＫ』は、Ｐ偏光とＳ偏光の両方について２本以上の輝線が確認できた場合、『ＮＧ』は、Ｐ偏光とＳ偏光の少なくとも一方について１本以下の輝線しか確認できなかった場合を示している。
【０１８８】
図２２の例１及び例２、図２３の例５〜８、並びに図２６の例９〜１１に示すように、距離ｄが１μｍ以上の場合には、輝線を増やすことができ、Ｐ偏光とＳ偏光の両方について、２本以上の輝線が確認できた。これに対して、図２２に示す例３及び例４のように、距離ｄが１μｍ未満の場合には、Ｐ偏光とＳ偏光の両方について１本の輝線しか確認できなかった。
【０１８９】
このように、距離ｄを１μｍ以上とすることで、輝線の本数を増やせることが確認できた。輝線の本数を増やすことで強化ガラスの屈折率の測定精度を向上でき、その結果、強化ガラスの応力の測定精度も向上できる。
【０１９０】
又、図２２の例１と例２との比較、及び図２３の例５と例７との比較により、距離ｄが大きいほど輝線の本数が増えることが確認できた。輝線の本数をより増やすことで強化ガラスの屈折率の測定精度をより向上でき、その結果、強化ガラスの応力の測定精度もより向上できる。
【０１９１】
又、図２２、図２３、図２６より、パラメータＣの値は５以上が好ましい。特に、図２２のように圧縮応力層の深さが５μｍと比較的浅い場合を考慮すると、パラメータＣの値は１０以上がより好ましい。
【０１９２】
又、例８の結果より、距離規定手段としてフィラーを用いた場合も、無機膜を用いた場合と同様の効果が得られることが確認できた。
【０１９３】
以上、好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【０１９４】
例えば、上記の各実施形態では、光源を表面屈折率測定装置の構成要素として説明したが、表面屈折率測定装置は光源を有していない構成としてもよい。この場合、表面屈折率測定装置は、例えば、光入出力部材２０と、液体３０と、光変換部材４０と、偏光部材５０と、撮像素子６０と、演算部７０とを有する構成にできる。光源は、表面屈折率測定装置の使用者が適宜なものを用意して使用できる。
【符号の説明】
【０１９５】
１、２、３、４  表面屈折率測定装置
１０  光源
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ  光入出力部材
２１  プリズム
２１ａ、２１ｂ  傾斜面
２１ｃ、２２ｃ  底面
２２  無機膜
２３  ガラス層
２４  フィラー
２５  構造部材
２６  空間
３０  液体
４０  光変換部材
５０  偏光部材
６０  撮像素子
７０  演算部
７１  位置測定手段
７２  屈折率分布算出手段
７３  応力分布算出手段
２００  強化ガラス
２１０  強化ガラスの表面
【図１】
2020177018.tif 000009
【図２】
2020177018.tif 000010
【図３】
2020177018.tif 000011
【図４】
2020177018.tif 000012
【図５】
2020177018.tif 000013
【図６】
2020177018.tif 000014
【図７】
2020177018.tif 000015
【図８】
2020177018.tif 000016
【図９】
2020177018.tif 000017
【図１０】
2020177018.tif 000018
【図１１】
2020177018.tif 000019
【図１２】
2020177018.tif 000020
【図１３】
2020177018.tif 000021
【図１４】
2020177018.tif 000022
【図１５】
2020177018.tif 000023
【図１６】
2020177018.tif 000024
【図１７】
2020177018.tif 000025
【図１８】
2020177018.tif 000026
【図１９】
2020177018.tif 000027
【図２０】
2020177018.tif 000028
【図２１】
2020177018.tif 000029
【図２２】
2020177018.tif 000030
【図２３】
2020177018.tif 000031
【図２４】
2020177018.tif 000032
【図２５】
2020177018.tif 000033
【図２６】
2020177018.tif 000034