(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複屈折性を有する光学的一軸性結晶の単結晶からなる球形状部材の光学軸方位測定方法であって、
測定対象である前記部材に光を照射するステップと、
少なくとも２つの異なる観察面において、前記部材から出射した出射光により形成されるアイソジャイアの中心位置を測定するステップとを備え、
前記アイソジャイアの中心を構成する光が前記部材へ入射する方向と、当該光が前記部材表面で第１の屈折をして前記部材内部を通過する方向とがなす第１の角度（ただし、当該角度は９０°以下）と、当該光が前記部材内部を通過する方向と、当該光が前記部材表面で第２の屈折をして前記部材から出射する方向とがなす第２の角度（ただし、当該角度は９０°以下）とが、等しくなる関係を利用して光学軸方位を決定する光学軸方位測定方法。
【請求項２】
前記部材に照射する光が平行光であること特徴とする請求項１に記載の光学軸方位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学軸方位測定方法に関し、特に、複屈折性を有する単結晶からなる球形状部材の光学軸方位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波（ＳＡＷ：surface acoustic wave）が、水晶、ランガサイト、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の圧電性材料の単結晶からなる球の表面を伝播する場合、周囲の水素濃度によりその伝播速度が変化することを利用した水素センサー（ボールＳＡＷセンサー）が知られている（特許文献１及び２参照）。上記球の表面に弾性表面波を励起すると、弾性表面波は、通常の波のように拡がらず、所定の結晶軸回りの球の大円に沿った有限幅の円環状領域を、ほとんど減衰することなく、多数回周回する。この弾性表面波が球を周回する回数に比例して、上記伝播速度の変化が増幅されるため、ボールＳＡＷセンサーは非常に高感度な水素センサーである。
【０００３】
図８に弾性表面波素子の構成を簡単に示す。圧電性材料の単結晶からなる球形状の基体１１上に櫛形電極１２及び感応膜１３が形成されている。感応膜１３は、水素を吸蔵するＰｄ、Ｎｉ、Ｐｄ−Ｎｉ合金等からなる。水素を吸収した感応膜１３は硬くなり、感応膜１３上では、弾性表面波の伝播速度が速くなるため、水素センサーとして利用できる。ここで、櫛形電極１２及び感応膜１３は、基体１１上の所定の位置に形成される必要がある。具体的には、図８に示すように、球の中心を通る光学軸１４を地軸とした場合、赤道上に櫛形電極１２及び感応膜１３が形成されている。本明細書では、球の中心を通る光学軸を単に光学軸とも言う。特に、櫛形電極１２の形成位置がずれるとボールＳＡＷセンサーの感度が急激に低下するため、高い精度で櫛形電極１２を形成することが要求される。なお、水晶、ランガサイト、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の圧電性材料は複屈折性を有するため、光学軸を有する。
【０００４】
そのため、櫛形電極１２を形成する前に、個々の球形状の基体１１について、その光学軸１４を決定する必要がある。光学軸１４は特定の結晶軸に一致するため、その測定方法としては、Ｘ線ラウエ法が考えられる。しかしながら、解析が複雑であり時間を要するという時間的な問題、ラウエカメラという特殊なハードウエアを要するという費用的問題などがあった。
【０００５】
これに対し、発明者らはこれまで、球形状の基体１１に平行光を照射し、基体１１を通過した光の像を観察することにより光学軸１４を測定していた。具体的には、複屈折材料に特有のアイソジャイアを観察しながら、基体１１の光学軸１４と上記平行光すなわち観察光学系の光軸とが一致まで回転させていた。ここで、アイソジャイアは十字形状として観察される。
【特許文献１】特開２００３−１１５７４３号公報
【特許文献２】特開２００５−２９１９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来方法では、観察光学系の光軸に対する基体１１の光学軸１４の傾きが分からなかったため、直径１〜１０ｍｍ程度の基体１１を回転させて、基体１１の光学軸１４と測定用の光学系の光軸とを一致させる作業に手間が掛かった。
【０００７】
本発明は、簡易に、複屈折性を有する単結晶からなる球形部材の光学軸方位を測定する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様に係る光学軸方位測定方法は、複屈折性を有する光学的一軸性結晶の単結晶からなる球形状部材の光学軸方位測定方法であって、
測定対象である前記部材に光を照射するステップと、
少なくとも２つの異なる観察面において、前記部材から出射した出射光により形成されるアイソジャイアの中心位置を測定するステップとを備え、
前記アイソジャイアの中心を構成する光が前記部材へ入射する方向と、当該光が前記部材表面で第１の屈折をして前記部材内部を通過する方向とがなす第１の角度（ただし、当該角度は９０°以下）と、当該光が前記部材内部を通過する方向と、当該光が前記部材表面で第２の屈折をして前記部材から出射する方向とがなす第２の角度（ただし、当該角度は９０°以下）とが、等しくなる関係を利用して光学軸方位を決定するものである。
【０００９】
本発明の態様２に係る光学軸方位測定方法は、上記発明の態様において、前記部材に照射する光が平行光であること特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡易に複屈折性材料の光学軸方位を測定する方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化されている。
【００１２】
発明の実施の形態
図１を用いて、本発明の実施の形態に係る複屈折性を有する単結晶からなる球形状部材の光学軸方位測定方法について説明する。まず、測定用の光学系について説明する。図１は実施の形態に係る測定用の光学系の構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る測定用の光学系は、図１に示すように、光源１０１、ポラライザ１０２、赤色フィルタ１０３、開口絞り１０４、コンデンサレンズ１０５、対物レンズ１０６、アナライザ１０７を備える。具体的には、偏光顕微鏡がこのような構成を備える。
【００１３】
測定対象物は、弾性表面波素子の基体１１であり、光学的にはコンデンサレンズ１０５と対物レンズ１０６との間に配置される。基体１１が、すなわち複屈折性を有する単結晶からなる球形部材である。基体１１を構成する具体的な物質としては、水晶、ランガサイト、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等を挙げることができる。なお、ボールＳＡＷセンサーには通常直径１〜１０ｍｍ程度の基体１１が用いられるが、本発明に係る光学軸方位測定方法がこの直径に限定されるわけではない。
【００１４】
まず、光源１０１を出射した光はポラライザ１０２を通過し直線偏光となる。次に、赤色フィルタ１０３を通過し、基体１１の表面のレジストを硬化させる紫外光が取り除かれる。そして、開口絞り１０４により絞られた光はコンデンサレンズ１０５を通過し、基体１１に入射する。基体１１内を通過した光は対物レンズ１０６に入射し、その後、ポラライザ１０２とクロスニコルの方向に設置されたアナライザ１０７を通過した光をＣＣＤカメラ等により観察する。
【００１５】
ここで、上記クロスニコルの関係にあるポラライザ１０２とアナライザ１０７との間に複屈折性結晶を設置して観察すると、当該複屈折性結晶の光学軸方向から同心円の干渉縞及びその中心で交わる十字状のアイソジャイアが観察される。すわなち、干渉縞の中心とアイソジャイアの中心とは一致する。従って、アイソジャイアの中心を観察することと、干渉縞の中心を観察することは同義である。
【００１６】
次に、アイソジャイアの測定による光学軸方位測定方法について、図２及び３を用いて説明する。図２は、基体１１の光学軸１４が基体１１に入射する平行光と平行でない場合を示す断面図である。一方、図３は、基体１１の光学軸１４が基体１１に入射する平行光と平行な場合を示す断面図である。なお、図２及び３は、具体的には、測定用の光学系の光軸及び基体１１の光学軸１４と平行かつ基体１１の中心を通過する平面による断面図である。なお、本明細書における平行光とは完全な平行光だけでなく、略平行光も包含する。
【００１７】
図２に示すように、基体１１に平行光を照射した場合、当該平行光は基体１１の表面で屈折し、基体１１内部を通過する。ここで、基体１１内部で光学軸１４と平行となる光が存在し、この光がアイソジャイア１１０の中心１１１を構成する光１５である。
【００１８】
基体１１から出射した当該アイソジャイア中心１１１を構成する光１５を基体１１直上の観察面１で観察すると、図２の右下に示す観察像のように、アイソジャイア中心１１１は基体１１の中心線から左側にずれて観察される。また、アイソジャイア中心１１１を構成する光１５を基体１１の焦点を含む観察面２で観察すると、図２の右中央に示す観察像のように、アイソジャイア中心１１１と基体１１の中心線とが一致して観察される。さらに、アイソジャイア中心１１１を構成する光１５を基体１１の焦点よりも基体１１から遠い観察面３で観察すると、図２の右上に示す観察像のように、図２の右下の観察像とは反対に、アイソジャイア中心１１１は基体１１の中心線から右側にずれて観察される。従って、従来は基体１１の光学軸１４を特定することができないと考えられていた。
【００１９】
次に、図３について説明する。図３では、基体１１の光学軸１４が基体１１に入射する平行光と平行であるため、上記図２において説明した観察面１〜３いずれの観察面においても、図３の右側に示す観察像のように、アイソジャイア中心１１１と基体１１の中心線とが一致して観察される。従って、基体１１の光学軸１４を特定することができる。なお、図２及び３における、観察面１〜３はいずれも基体１１に照射される平行光と垂直な平面であり、図１において説明した対物レンズ１０６の焦点に位置する。
【００２０】
従来は、図３に示すように、基体１１の光学軸１４と基体１１に入射する平行光とが平行になるまで、基体１１を回転させることにより、基体１１の光学軸１４を測定していた。しかしながら、直径１〜１０ｍｍ程度の基体１１を回転させて、基体１１の光学軸１４と測定用の光学系の光軸とを一致させる作業は困難な上、ばらつきも大きかった。具体的には、従来の光学軸の測定誤差は最大４°、平均で２．５°程度あった。また、そのため、製造されたボールＳＡＷセンサーの出力もばらつくという問題があった。
【００２１】
発明者らは、鋭意研究した結果、光学軸１４とアイソジャイア中心１１１を構成する光１５との間に幾何学的な関係があることを見出した。具体的には、アイソジャイア中心１１１を構成する光１５と上記平行光のなす角は、光学軸１４と上記平行光のなす角の２倍になることを見出した。この関係を利用することにより、基体１１を回転させなくとも、少なくとも異なる２つの観察面におけるアイソジャイア中心１１１の位置を測定すれば、正確に光学軸１４の方位を知ることができる。上記関係は、幾何学的に証明することができる。以下に詳細に示す。
【００２２】
図４に基体１１の中心をＯとした３次元のＯ−ＸＹＺ座標系を示す。原点Ｏを通過する光学軸１４と基体１１の表面との交点をＣ及びＣ'とする。入射光である平行光は、−Ｚ方向から基体１１に入射する。入射光のうち、その屈折光が光学軸１４と平行となる光線がアイソジャイア中心１１１を構成する光１５である。アイソジャイア中心１１１を構成する光１５の基体１１における入射点Ｐ、出射点Ｐ'とすると、この光は点Ｐ'から点Ｂの方向に出射する。
【００２３】
ここで、光学軸の方向ベクトルＣＣ'は、Ｚ軸とベクトルＣＣ'とのなす角α及びＸ軸とベクトルＣＣ'のＸＹ平面上への正射影ベクトルとのなす角βの２つの角度により一意に表される。
【数１】
0004988495.tif 000002
【００２４】
以下、角度α、βを光線Ｐ'Ｂの方向ベクトルから求める。原点Ｏと屈折光線ＰＰ'を含む平面による基体１１の断面図をＯ−ｙＺ座標系で図５に示す。Ｚ軸に平行に入射した平行光が半径ｒの基体上の点Ｐ（ｙＰ，ZＰ）にて入射したとする。点Ｐにおける入射光の入射角をｉ０、屈折角をｊｌとすると、方向ベクトルＰＰ'と光学軸の方向ベクトルＣＣ'は平行であるので、光学軸の角度αは以下のようになる。
【数２】
0004988495.tif 000003
【００２５】
ＯＤとＰＰ'が直角になる位置に点Ｄを、ＯＦとＰ'Ｄが直角になる位置に点Ｆをとる。方向ベクトルＰ'Ｂは、ベクトル（０，１）を、原点Ｏを中心としてＯＦとy軸のなす角度∠ＦＯＹだけ反時計回りに回転させた方向であり、
【数３】
0004988495.tif 000004
より、出射光の方向ベクトルＰ'Ｂは
【数４】
0004988495.tif 000005
となる。
【００２６】
このことより、Ｚ軸に対してベクトルＰ'Ｂの正方向が反時計回りになす角度をγとして、
【数５】
0004988495.tif 000006
より、
【数６】
0004988495.tif 000007
となる。これより、出射光の角度γは光学軸の角度αの２倍となることがわかる。
【００２７】
換言すると、Ｚ軸に平行な平行光を基体１１に照射した場合、アイソジャイアの中心を構成する光は、基体１１の表面の点Ｐに入射する。当該入射光は、点Ｐで角度αだけ第１の屈折をして、基体１１内部をベクトルＰＰ'方向に進行する。この光が、基体１１の表面の点Ｐ'において角度αだけ第２の屈折をして、基体１１から出射する。すなわち、アイソジャイアの中心を構成する光が基体１１へ入射する方向（Ｚ軸方向すなわちベクトルＡＰ方向）と、当該光が基体１１の表面で第１の屈折をして基体１１の内部を通過する方向（ベクトルＰＰ'方向）とがなす第１の角度と、当該光が基体１１の内部を通過する方向（ベクトルＰＰ'方向）と、当該光が基体１１の表面で第２の屈折をして基体１１から出射する方向（ベクトルＰ'Ｂ方向）とがなす第２の角度とが、いずれも角度αとなり、等しくなる。
【００２８】
また、図６に示すように、入射光が平行光でなく、Ｚ軸からずれていても、同様の関係が成立する。具体的には、アイソジャイアの中心を構成する光が基体１１へ入射する方向（ベクトルＡ'Ｑ方向）と、当該光が基体１１の表面で第１の屈折をして基体１１の内部を通過する方向（ベクトルＱＱ'方向）とがなす第１の角度と、当該光が基体１１の内部を通過する方向（ベクトルＱＱ'方向）と、当該光が基体１１の表面で第２の屈折をして基体１１から出射する方向（ベクトルＱ'Ｂ'方向）とがなす第２の角度とが、いずれも角度α'となり、等しくなる。図６に示すように、入射光がＺ軸から角度Δｉ０ずれているとすると、α'＝α＋Δｉ０である。従って、Ｚ軸とベクトルＱ'Ｂ'とのなす角度γ'は次式の通り、表すことができる。
【数７】
0004988495.tif 000008
なお、図６に示すように、α＜α'の場合、入射点Ｑは平行光の場合の入射点Ｐよりもｙ軸のプラス側に位置する。
【００２９】
図４に示す座標系Ｏ−ＸＹＺにおいてＺ軸正方向からの投影面をＯ−ＸＹ座標系とし、観察面の座標系に一致する様子を図７に示す。アイソジャイア中心１１１を構成する光線１５を、観察面をＺ軸正方向に移動させて観測する。観察面にて検出されたアイソジャイア中心１１１の位置を投影すると、Ｏ−ＸＹ座標上にベクトルＬＬ'を描く。ここで、ベクトルＬＬ'は、明らかにベクトルＣＣ'のＸＹ平面上への正射影ベクトルに一致する。よって、ベクトルＬＬ'とＸ軸とのなす角βを知ることができる。また、少なくとも２つの観察面間の距離（Ｚ軸正方向の移動距離）と両観察面のアイソジャイア中心１１１の移動距離とから出射光の方向ベクトルＰ'ＢとＺ軸とのなす角γを求めることができる。そして、式（６）により、αを得ることができる。入射光が平行光でない場合も、同様に、図６のＺ軸とベクトルＱ'Ｂ'とのなす角度γ'を容易に求めることができる。そして、Ｚ軸からの入射光のずれ角度Δｉ０が分かれば、式（７）により、αを得ることができる。
よって、基体１１の光学軸方位を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態に係る測定用の光学系を示す模式図である。
【図２】アイソジャアの中心を構成する光の光路を示す模式図である。
【図３】アイソジャアの中心を構成する光の光路を示す模式図である。
【図４】アイソジャアの中心を構成する光の光路を示す模式図である。
【図５】アイソジャアの中心を構成する光の光路を示す模式図である。
【図６】アイソジャアの中心を構成する光の光路を示す模式図である。
【図７】アイソジャアの中心を構成する光の光路を示す模式図である。
【図８】ボールＳＡＷセンサーの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１  基体
１２  櫛形電極
１３  感応膜
１４  光学軸
１５  アイソジャイアの中心を構成する光
１０１  光源
１０２  ポラライザ
１０３  赤色フィルタ
１０４  開口絞り
１０５  コンデンサレンズ
１０６  対物レンズ
１０７  アナライザ
１１０  アイソジャイア
１１１  アイソジャイア中心
【図１】
0004988495.tif 000009
【図２】
0004988495.tif 000010
【図３】
0004988495.tif 000011
【図４】
0004988495.tif 000012
【図５】
0004988495.tif 000013
【図６】
0004988495.tif 000014
【図７】
0004988495.tif 000015
【図８】
0004988495.tif 000016