(57)【要約】【課題】  回転機構等を備えずに、屈折率を測定することが可能な光学系、および、それを備える屈折率測定装置、ならびに屈折率測定方法を提供する。【解決手段】  平行光を照射する照明ユニットと、光学素子５と、を備え、光学素子５が、放物面５ａまたは放物柱面５ａ’を有し、照明ユニットは、放物面５ａまたは放物柱面５ａ’の焦点Ｊの側から放物面５ａまたは放物柱面５ａ’に向けて平行光を照射し、平行光の光軸Ｌが、光学素子５の放物面５ａまたは放物柱面５ａ’の頂点Ｋを含む接面に垂直であり、放物面５ａ上または放物柱面５ａ’上の、照明ユニットからの平行光の照射位置に反射面５ａ１を有することを特徴とする。【選択図】図１
2009300260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行光を照射する照明ユニットと、光学素子と、を備え、
前記光学素子が、放物面または放物柱面を有し、
前記照明ユニットは、前記放物面または前記放物柱面の焦点の側から前記放物面または前記放物柱面に向けて平行光を照射し、
前記平行光の光軸が、前記光学素子の前記放物面または前記放物柱面の頂点を含む接面に垂直であり、
前記光学素子が、前記放物面上または前記放物柱面上の、前記照明ユニットからの平行光の照射位置に反射面を有することを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記照明ユニットと、前記光学素子と、の間に遮光板を備える請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ
−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（１）を満足する請求項１又は請求項２に記載の光学系。
Ｆ≧１６ｃ2／Ｅ                                    ・・・（１）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｅは、前記光学素子の外径、
Ｆは、前記遮光板の直径
である。
【請求項４】
前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ
−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（２）を満足する請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の光学系。
Ｈ＜４ｃ                                            ・・・（２）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｈは、前記平行光の光束直径、
である。
【請求項５】
前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ
−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（３）を満足する請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の光学系。
４ｃ√（ｎp2−１）＜Ｈ                            ・・・（３）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
ｎpは、前記光学素子の屈折率、
Ｈは、前記平行光の光束直径、
である。
【請求項６】
前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ
−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（４）を満足する請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の光学系。
Ｈ＜Ｇ                                              ・・・（４）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｈは、前記平行光の光束直径、
Ｇは、前記反射面の外径、
である。
【請求項７】
前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ
−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（５）を満足する請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の光学系。
Ｇ＜１６ｃ2／Ｈ                                    ・・・（５）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｈは、前記平行光の光束直径、
Ｇは、前記反射面の外径、
である。
【請求項８】
前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ
−Ｚ断面に関し、
前記光学素子は、該光学素子の光軸に対して、一方の側のみに反射面を有する請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の光学系。
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
である。
【請求項９】
前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ
−Ｚ断面に関し、
前記光学素子は、該光学素子の光軸に対して、一方の側のみに参照面を有する請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の光学系。
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
である。
【請求項１０】
前記照明ユニットは、光源と、コリメートレンズを備える請求項１から請求項９のいずれか１つに記載の光学系。
【請求項１１】
前記光学系と、
前記光学系からの光を検出する光検出器と、
を備え、
前記放物面または放物柱面が、前記反射面の周囲に測定面を有することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１つに記載の光学系を備える屈折率測定装置。
【請求項１２】
前記照明ユニットから照射された平行光は、
前記光学素子の反射面で反射後、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光し、
前記焦点で集光した光は、
前記測定面に配置された試料に向けて照射され、
前記光検出器が、前記測定面からの反射光を検出する請求項１１に記載の屈折率測定装置。
【請求項１３】
前記光学素子と、前記光検出器の間に、レンズが配置される請求項１１又は請求項１２に記載の屈折率測定装置。
【請求項１４】
試料が、測定面に接触して配置される工程と、
照明ユニットから照射された平行光が、光学素子の反射面で反射する工程と、
前記光学素子の反射面で反射した光が、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光する工程と、
前記集光した光が、前記測定面に向けて照射される工程と、
前記測定面からの反射光を検出する工程と、
前記検出した反射光の光量から臨界角を求める工程と、
前記臨界角に基づいて前記試料の屈折率を求める工程と、
を備えることを特徴とする屈折率測定方法。
【請求項１５】
試料が、測定面に接触して配置される工程と、
照明ユニットから照射された平行光が、光学素子の反射面で反射する工程と、
前記光学素子の反射面で反射した光が、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光する工程と、
前記集光した光が、前記測定面および参照面に向けて照射される工程と、
前記測定面および前記参照面からの反射光を検出する工程と、
前記参照面からの反射光の光量に基づいて、前記測定面からの反射光の光量を補正する工程と、
前記補正された反射光の光量から臨界角を求める工程と、
前記臨界角に基づいて前記試料の屈折率を求める工程と、を備えることを特徴とする屈折率測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系及びそれを備える屈折率測定装置、屈折率測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶液等の屈折率を測定する手段として、アッベの屈折計が知られている。アッベの屈折計は、光学素子と光源と光検出器を備える。光学素子は、試料に接して界面をなす面と、入射面と、出射面を有する。光源から発せられた光は、入射面から光学素子に入射する。入射面から入射した光は、所定の入射角で、界面に届く。試料と光学素子の界面で反射した光は、出射面から出射する。光検出器は、出射面から出射された光を検出する。ここで、界面での臨界角は、試料の屈折率に依存する。このため、光検出器の検出値に基づいて臨界角を得ることで、試料の屈折率を求めることができる。
【特許文献１】特開平５−２０３５６７号公報
【特許文献２】特開２００２−１４８１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１に記載された技術は、全反射の臨界角を検出するには、入射光の入射角を変化させる必要があり、その時反射角も変化するので、入射側と反射側の二つの回転機構が必要になる。
【０００４】
上記特許文献２に記載された技術は、光学系を回転させず、被検査物を保持する被検査物保持部を回動させる方式である。
【０００５】
これらは、臨界角の検出のために、必ず回転機構が必要であるという問題がある。
【０００６】
本発明は従来技術のこれらの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転機構等を備えずに、屈折率を測定することが可能な光学系、および、それを備える屈折率測定装置、ならびに屈折率測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の光学系は、平行光を照射する照明ユニットと、光学素子と、を備え、前記光学素子が、放物面または放物柱面を有し、前記照明ユニットは、前記放物面または前記放物柱面の焦点の側から前記放物面または前記放物柱面に向けて平行光を照射し、前記平行光の光軸が、前記光学素子の前記放物面または前記放物柱面の頂点を含む接面に垂直であり、前記光学素子が、前記放物面上または前記放物柱面上の、前記照明ユニットからの平行光の照射位置に反射面を有することを特徴とする。
【０００８】
上記発明においては、前記照明ユニットと、前記光学素子と、の間に遮光板を備えることが好ましい。
【０００９】
上記発明においては、前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満
たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
【００１０】
Ｆ≧１６ｃ2／Ｅ                                    ・・・（１）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｅは、前記光学素子の外径、
Ｆは、前記遮光板の直径、
である。
【００１１】
上記発明においては、前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満
たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
【００１２】
Ｈ＜４ｃ                                            ・・・（２）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｈは、前記平行光の光束直径、
である。
【００１３】
上記発明においては、前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満
たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
【００１４】
４ｃ√（ｎp2−１）＜Ｈ                            ・・・（３）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
ｎpは、前記光学素子の屈折率、
Ｈは、前記平行光の光束直径、
である。
【００１５】
上記発明においては、前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満
たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
【００１６】
Ｈ＜Ｇ                                              ・・・（４）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｈは、前記平行光の光束直径、
Ｇは、前記反射面の外径、
である。
【００１７】
上記発明においては、前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満
たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
【００１８】
Ｇ＜１６ｃ2／Ｈ                                    ・・・（５）
ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｈは、前記平行光の光束直径、
Ｇは、前記反射面の外径、
である。
【００１９】
上記発明においては、前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満
たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、前記光学素子は、該光学素子の光軸に対して、一方の側のみに反射面を有することが好ましい。ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり、ｃはｃ＞０を満たす任意の定数、である。
【００２０】
上記発明においては、前記放物面または前記放物柱面の断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満
たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、前記光学素子は、該光学素子の光軸に対して、一方の側のみに参照面を有することが好ましい。ただし、前記光学素子の光軸がＺ軸であり
、ｃはｃ＞０を満たす任意の定数、である。
【００２１】
上記発明においては、前記照明ユニットは、光源と、コリメートレンズを備えることが好ましい。
【００２２】
さらに、上記目的を達成する本発明の屈折率測定装置は、前記光学系と、前記光学系からの光を検出する光検出器と、を備え、前記放物面または放物柱面が、前記反射面の周囲に測定面を有することを特徴とする。
【００２３】
上記発明においては、前記照明ユニットから照射された平行光は、前記光学素子の反射面で反射後、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光し、前記焦点で集光した光は、前記光学素子の測定面に配置された試料に向けて照射され、前記光検出器が、前記測定面からの反射光を検出することが好ましい。
【００２４】
上記発明においては、前記光学素子と、前記光検出器の間に、レンズが配置されることが好ましい。
【００２５】
さらに、上記目的を達成する本発明の屈折率測定方法は、試料が、測定面に接触して配置される工程と、照明ユニットから照射された平行光が、光学素子の反射面で反射する工程と、前記光学素子の反射面で反射した光が、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光する工程と、前記集光した光が、前記測定面に向けて照射される工程と、前記測定面からの反射光を検出する工程と、前記検出した反射光の光量から臨界角を求める工程と、前記臨界角に基づいて前記試料の屈折率を求める工程と、を備えることを特徴とする。
【００２６】
さらに、上記目的を達成する本発明の他の屈折率測定方法は、試料が、測定面に接触して配置される工程と、照明ユニットから照射された平行光が、光学素子の反射面で反射する工程と、前記光学素子の反射面で反射した光が、前記光学素子の放物面または放物柱面の焦点で集光する工程と、前記集光した光が、前記測定面および参照面に向けて照射される工程と、前記測定面および前記参照面からの反射光を検出する工程と、前記参照面からの反射光の光量に基づいて、前記測定面からの反射光の光量を補正する工程と、前記補正された反射光の光量から臨界角を求める工程と、前記臨界角に基づいて前記試料の屈折率を求める工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
以上の本発明によると、回転機構等を備えずに、屈折率を測定することが可能な光学系、および、それを備える屈折率測定装置、ならびに屈折率測定方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本実施形態の光学系について、以下説明する。
【００２９】
図１は本実施形態に係る光学系を備える屈折率測定装置の第１実施形態を示す図である。
【００３０】
図中、１は屈折率測定装置、２は光学系、３は光源、４はコリメートレンズ、５は光学素子、５ａは放物面、５ａ１は反射面、５ａ２は測定面、５ｂは平面、６は光検出器、７は遮光板、Ｊは焦点、Ｋは頂点、Ｌは光軸である。
【００３１】
屈折率測定装置１は、光学系２と光検出器６とを備える。光学系２は、照明ユニットと光学素子５とを備える。照明ユニットは、光源３と、コリメートレンズ４とを備える。
【００３２】
光源３は、半導体レーザーやＬＤ、ＬＥＤ等を使用してもよい。コリメートレンズ４は、光源３から照射された光を平行光にする。光源３と、コリメートレンズ４は、光学素子５の光軸Ｌ上に配置されている。より具体的には、光源３と、コリメートレンズ４と、光学素子５の、それぞれの光軸は一致している。
【００３３】
光学素子５は、ガラスあるいはプラスチックを材料とし、少なくとも一方の断面が放物形状を備える素子である。光学素子５は、放物面５ａと、平面５ｂを備える。
【００３４】
放物面５ａは、回転放物面形状である。放物面５ａは、頂点Ｋを有するとともに、光学素子５内に、焦点Ｊを有する。平面５ｂは、放物面５ａに対向する面であって、光学素子５の焦点Ｊと頂点Ｋを結ぶ直線（光軸Ｌ）に垂直な面である。
【００３５】
放物面５ａは、反射面５ａ１と、測定面５ａ２を備える。
【００３６】
反射面５ａ１は、放物面５ａの頂点Ｋを含む近傍に、アルミニウム等の反射コートが施されたものである。測定面５ａ２は、反射面５ａ１以外であって、反射コートが施されていない面である。光学素子５を試料に浸すことにより、測定面５ａ２に試料を塗布することができる。
【００３７】
なお、反射面５ａ１は、反射コートに限られず、反射する機能を奏するのであれば、反射ミラー等であってもよい。また、放物面５ａは、後述するように放物柱面５ａ’としても良い。
【００３８】
光検出器６は、光学素子５の平面５ｂ側に配置されている。光検出器６は、光検出器６の検出面が、光軸Ｌに垂直に配置されている。光検出器６としては、ＣＣＤカメラやラインセンサを使用してもよい。
【００３９】
なお、遮光板７は、必ずしも必要ではない。
【００４０】
図１（ａ）に示すように、光源３から出射された光は、コリメートレンズ４で平行光となって、放物面５ａをもつ光学素子５に入射し、反射面５ａ１で反射された後、光学素子５の焦点Ｊで集光する。焦点Ｊに集光後に発散した光は、測定面５ａ２に向かう。
【００４１】
ここで、測定面５ａ２における、光の入射位置の違いによって、光の入射角度・反射角度は異なる。
【００４２】
すなわち、測定面５ａ２での反射位置が光軸Ｌから遠いほど、測定面５ａ２に入射する光の入射角が大きくなる。測定面５ａ２に入射する光の入射角が、臨界角よりも大きい場合は、光は、測定面５ａ２で全反射して、平面５ｂから出射する。
【００４３】
従って、測定面５ａ２に入射する光のうち、光学素子５と試料の界面で全反射条件を満たす光は、光学素子５の測定面５ａ２で全反射する。
【００４４】
測定面５ａ２で反射した光は、放物面５ａの焦点Ｊから出射されているため、平行光となって光学素子５から出射したのち、光検出器６に入射する。
【００４５】
一方、測定面５ａ２に入射する光のうち、光学素子５と試料の界面で全反射条件を満たさない光は、光学素子５の測定面５ａ２を透過する。
【００４６】
すなわち、測定面５ａ２での反射位置が光軸Ｌから近いと、測定面５ａ２に入射する光の入射角が、臨界角よりも小さい場合がある。光が、臨界角よりも小さい角度で測定面５ａ２に入射するということは、当該光は、測定面５ａ２で反射されずに、測定面５ａ２か
ら外に射出される。
【００４７】
光学素子５の測定面５ａ２で反射した反射光は、光検出器６のビット毎に光電変換される。そして、光検出器６は、入射光量と相関する電気信号を出力する。
【００４８】
ここで、光学素子５から出射された光は、測定面５ａ２の異なる位置に入射した光であるため、光検出器６における異なる位置に入射する。
【００４９】
従って、図１（ｂ）に示すように、光検出器６の検出位置に応じた、反射光の検出光強度（各ビットの光量）が得られる。
【００５０】
なお、光検出器６の中央部では、コリメートレンズ４の影になっているため、光量は０になっている。また、コリメートレンズ４の大きさによって、光が、光検出器６に届く位置が制限されている。
【００５１】
ここで、光検出器６の検出位置は、光検出器６に入射した光の、測定面５ａ２での入射角度・反射角度に依存している。従って、光検出器６における臨界角に相当する位置よりも外側（光軸Ｌと反対側）では、光検出器６の検出する光量が増大する。なお、臨界角とは、全反射が起きる時の、最小入射角をいう。
【００５２】
そして、各ビット位置において、光量を微分した時の極値Ｌｃを求めることにより、図１（ｃ）に示すように、光検出器６における臨界角に相当する位置の情報が求められる。その後、光検出器６の位置の情報を角度に変換する。これにより、臨界角を求めることができる。
【００５３】
図２は、光源３から光検出器６までの光の進行順路を示すフローチャートである。まず、工程１で、照明ユニット（光源３、コリメートレンズ４）から平行光を照射する（ＳＴ１）。続いて、工程２で、平行光が、光学素子５の反射面５ａ１で反射する（ＳＴ２）。次に、工程３で、光学素子５の反射面５ａ１で反射した光が、光学素子５の放物面５ａまたは放物柱面５ａ’の焦点Ｊで集光する（ＳＴ３）。続いて、工程４で、集光した光が、測定面５ａ２に向けて照射される（ＳＴ４）。次に、工程５で、測定面５ａ２からの反射光が、検出される（ＳＴ５）。
【００５４】
次に、図３に示すように、第１実施形態における屈折率測定装置１について説明する。
【００５５】
上述した通り、放物面５ａは、放物線を、該放物線の軸の周りに回転させた面である。従って、簡単のため、放物面５ａの軸を含む断面について考える。当該断面において、放物線をＺ＝（１／４ｃ）Ｘ2、光検出器６の検出部の光軸Ｌからの距離をＸ、放物面５ａ
の測定面５ａ２に入射する光の入射角をθとすると、θ＝ tan-1(Ｘ／２ｃ)になる。
【００５６】
このとき、Ｘ＝Ｌｃに相当する光の入射角度θｃ＝tan-1(Ｌｃ／２ｃ)が、測定面５ａ
２での全反射の臨界角になる。この臨界角θｃと光学素子５の屈折率ｎｐから、試料の屈折率ｎｓが算出できる。
【００５７】
ｎｓ＝ｎｐ×sinθｃである。
【００５８】
本実施形態は、放物面５ａの焦点Ｊに点光源を投影しているため、光源３からの光は、自動的に色々な角度で試料に入射する。従って、本実施形態によれば、スキャニング機構などの回転機構がなくても屈折率の計測が可能である。
【００５９】
また、本実施形態においては、コリメートレンズ４と光学素子５との間に遮光板７を配
置することが好ましい。
【００６０】
光源３から出射された光は、コリメートレンズ４を通り、放物面５ａの光学素子５の反射面５ａ１で反射し、焦点Ｊを通り発散光になる。ここで、コリメートレンズ４を透過した平行光のうち、光軸Ｌに近い位置から反射面５ａ１に向かった光は、反射面５ａ１で反射され、焦点Ｊを通過した後、測定面５ａ２に到達せず、直接に平面５ｂから出射する。このような光は、迷光となり、測定に寄与しないノイズ光になる。
【００６１】
従って、遮光板７を、コリメートレンズ４と光学素子５との間の、特に光軸Ｌに近い位置に配置することによって、測定に寄与しないノイズ光を制限することができる。このため、屈折率を高精度に測定することができる。
【００６２】
また、放物面５ａの断面がＺ=(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
【００６３】
Ｆ≧１６ｃ2／Ｅ                                    ・・・（１）
ただし、光学素子５の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｅは、光学素子５の外径、
Ｆは、遮光板７の直径
である。
【００６４】
条件式（１）を満足する時、焦点Ｊを通過した発散光はすべて測定面５ａ２に到達する。そのため、測定に寄与しないノイズ光を制限することができる。
【００６５】
以下にその理由を示す。
【００６６】
放物面５ａの断面がZ=(1/4c)X2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、コリメートレンズ４から出射された平行光が放物面５ａに入射する座標をＡ(a,a2/4c)、焦点Ｊの座
標をＪ(0,c)とする。また、光がＡで反射した後に、焦点Ｊを通り、放物面５ａに入射す
る位置をＢ(b,b2/4c)とする。
【００６７】
線分ＡＪはZ=[(a2/4c-c)/a]×X+cであるため、線分ＡＪと放物面５ａが交わる点は、(x-a)(x+4c2/a)=0からX=a,-4c2/aとなる。
【００６８】
従って 、ｂは、ａを用いて、b=-4c2/a と表わされる。
【００６９】
a=F/2の光（遮光板７の外縁の近傍を通る光）が、放物面５ａに２度目に入射する位置
Ｂにおいて、b>-E/2を満たせば、焦点Ｊを通過した発散光は全て光学素子５の測定面５ａ２に到達する。
【００７０】
したがって、a=F/2、b>-E/2を、b=-4c2/aに代入すると、条件式（１）が得られる。
【００７１】
この場合、焦点Ｊを通過した発散光が、直接に平面５ｂに入射することはないので、ノイズ光を制限することができる。
【００７２】
また、コリメートレンズ４の光線有効径をＤ、遮光板７の直径をＦとすると、Ｆ＜Ｄを満たすことが必要である。これにより、遮光板７で光すべてを遮光することがない。
【００７３】
また、放物面５ａの断面がＺ=(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、
以下の条件式（２’）を満足することが好ましい。
【００７４】
Ｄ＜４ｃ                                            ・・・（２’）
ただし、光学素子５の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｄは、コリメートレンズ４の有効径、
である。
【００７５】
Ｄ＜４ｃの時、コリメートレンズ４を通過し、光学素子５内で２回反射した光は、コリメートレンズ４に戻らずに、光検出器６に入射する。
【００７６】
以下にその理由を示す。
【００７７】
放物面５ａの断面がZ=(1/4c)X2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関し、コリメートレンズ４から出射された平行光が放物面５ａに入射する座標をＡ(a,a2/4c)、焦点Ｊの座
標をＪ(0,c)とする。
【００７８】
そうすると、上述した通り、光がＡで反射した後に、焦点Ｊを通り、放物面５ａに入射する位置ＢのＸ座標ｂは、b=-4c2/a となる。
【００７９】
光学素子５で２回反射した光が、コリメートレンズ４に戻らないためには、|b|>aが必
要である。つまり、a<2cである。よって、コリメートレンズ４の有効径をＤとすると、Ｄ＜４ｃが必要条件となる。なお、本実施形態では、コリメートレンズ４の有効径Ｄ＝平行光の光束直径Ｈである。
【００８０】
また、放物面５ａの断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関
し、
以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
【００８１】
４ｃ√（ｎp2−１）＜Ｈ                            ・・・（３）
ただし、光学素子５の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
ｎpは、光学素子５の屈折率、
Ｈは平行光の光束直径、
である。
【００８２】
条件式（３）を満足することにより、臨界角を検出できるため、試料の屈折率が測定できる。
【００８３】
以下にその理由を示す。
【００８４】
コリメートレンズ４の最周辺を通った平行光は、放物面５ａで反射し、焦点Ｊを通った後に、再度放物面５ａに、最小の入射角度で入射する。ここで、上記最小の入射角度は、測定面５ａ２を透過するためには、臨界角よりも小さいことが必要である。
【００８５】
コリメートレンズ４の最周辺X=D/2を通る光は、放物面５ａの反射面５ａ１で反射し、
焦点Ｊを通過したあと、X=-8c2/Dで放物面５ａに再度入射する。この時の放物面５ａに入射する光の入射角をαとすると、tanα＝４ｃ／Ｄで表わせる。すなわち、α＝tan-1 (４ｃ／Ｄ)になる。
【００８６】
ここで、試料の屈折率をｎｓ、臨界角をθｃとすると、sinθｃ= ｎｓ／ｎｐで表わせ
る。すなわち、θｃ=sin-1 (ｎｓ／ｎｐ)となる。したがって、α＜θｃになればよい。
【００８７】
ここで、０＜α＜π/２を満たし、かつ、tanα＝４ｃ／Ｄであるから、sinα＝４ｃ／
√（Ｄ2＋１６ｃ2）である。
【００８８】
また、０＜α＜π/２、０＜θｃ＜π/２、であるから、α＜θｃを満たすには、sinα<
sinθｃとなる。すなわち、４ｃ／√（Ｄ2＋１６ｃ2）＜（ｎｓ／ｎｐ）であり、４ｃ√（（ｎｐ／ｎｓ）2−１）＜Ｄとなる。
【００８９】
ここで、試料が空気の時にｎｓは、最小値１をとる。つまり、Ｄが、Ｄ＞４ｃ√（ｎｐ2−１）を満たしていれば、光源３の最も光線高の高い位置から出射された光が、測定面
５ａ２に入射する際に、既に臨界角を越えて測定面５ａ２に入射することはない。すなわち、いかなる試料を用いる場合であっても、適切に臨界角を検出することができる。
【００９０】
本実施形態では、コリメートレンズ４の有効径Ｄ＝平行光の光束直径Ｈであるため、上記の条件式（３）を満たせば、適切に臨界角を検出することができる。
【００９１】
また、放物面５ａの断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関
し、
以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
【００９２】
Ｈ＜Ｇ                                              ・・・（４）
ただし、光学素子５の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｈは、平行光の光束直径、
Ｇは、反射面５ａ１の外径
である。
【００９３】
平行光の光束直径Ｈが反射面５ａ１の外径Ｇよりも大きい場合、光学素子５に入射した平行光の一部は、反射面５ａ１で反射されずに、光学素子５を透過してしまう。従って、上記の条件式（４）を満足することが好ましい。
【００９４】
また、放物面５ａの断面がＺ＝(１／４ｃ)Ｘ2を満たした放物線となるＸ−Ｚ断面に関
し、
以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
【００９５】
Ｇ＜１６ｃ2／Ｈ                                    ・・・（５）
ただし、光学素子５の光軸がＺ軸であり、
ｃは、ｃ＞０を満たす任意の定数、
Ｈは、平行光の光束直径、
Ｇは、反射面５ａ１の外径
である。
【００９６】
上述したとおり、コリメートレンズ４の最周辺X＝Ｄ／２を通る光は、放物面５ａの反
射面５ａ１で反射し、焦点Ｊを通過したあと、X＝−８ｃ2／Ｄで放物面５ａに再度入射する。
【００９７】
測定面５ａ２における臨界角で光が入射する位置は、反射面５ａ１でない必要がある。従って、少なくともX＝−８ｃ2／Ｄの位置には、反射面５ａ１があってはならない。このような場合、適切に臨界角を計測することができる。すなわち、反射面５ａ１の外径Ｇは、（８ｃ2／Ｄ）×２よりも小さいことが好ましい。
【００９８】
本実施形態では、コリメートレンズ４の有効径Ｄ＝平行光の光束直径Ｈであるため、上記の（５）を満たせば、適切に臨界角を検出することができる。
【００９９】
また、図４から図６に示すように、光検出器６の中心は、光軸Ｌからずれていることが好ましい。このような構成により、小型の光学系を構成することが可能となる。
【０１００】
図４に記載された屈折率測定装置１は、光検出器６を光軸Ｌに対して片側に配置すると共に、遮光板７を光源３と光学素子５の間に配置して、遮光板７に遮光されない光を光検出器６で検出する。
【０１０１】
これにより、光検出器６を小型に構成することができる。
【０１０２】
図５に記載された屈折率測定装置１は、光検出器６を光軸Ｌに対して交差するように配置し、光源３からの光の一部を光検出器６によって遮光し、遮光されない光を光検出器６で検出する。
【０１０３】
これにより、光検出器６によって、遮光することができるため、遮光板７が不要となる。
【０１０４】
図６に記載された屈折率測定装置１は、光源３を光軸Ｌに対して片側に配置し、光源３からの光を光検出器６で検出する。
【０１０５】
これにより、光源３を遮光する必要がないため、光量のロスを防止することができる。
【０１０６】
図７は、屈折率測定装置１の第２実施形態を示す図である。第２実施形態の屈折率測定装置１は、光検出器６を光軸Ｌに対して一方側に配置し、反射面５ａ１を光軸Ｌに対して他方側に配置する。また、遮光板７を光源３と光学素子５の間に配置して、遮光板７に遮光されない光を光検出器６で検出する。
このように、反射面５ａ１は、光軸Ｌに対して光検出器６と反対側にのみ設けられていると、反射面５ａ１が小さくなり、好ましい。
【０１０７】
なお、反射コートの被覆の仕方は上記に限定されない。すなわち、Ｘ−Ｚ面（Ｙ＝０）において、必ずしもＺ軸（光軸）に回転対称な反射面５ａ１および測定面５ａ２を形成する必要はない。
【０１０８】
図８は、光軸Ｌを含む断面（Ｘ−Ｚ面）と、Ｚ軸方向から光学素子５を見た場合の反射面５ａ１の被覆の様子を示したものである。この場合、Ｙ軸に対して、光検出器６と反対側は、全てを反射面５ａ１としてもよい（すなわち、Ｘ−Ｙ面への射影が半円）。また、当該半円の直径は、平行光の光束直径から、光学素子５の外径の間で適宜変更が可能である。
【０１０９】
また、光検出器６に入射する光は、Ｘ−Ｙ面内において、Ｙ軸に対して光検出器６と反対側では反射面５ａ１で反射し、かつ、Ｙ軸に対して光検出器６と同じ側では、測定面５ａ２で、全反射または透過すればよい。従って、図９又は図１０のように反射面５ａ１を形成しても構わない。
【０１１０】
図９は、Ｘ−Ｙ面への射影において、反射面５ａ１を扇形に形成したもので、図１０は、Ｘ−Ｙ面への射影において、反射面５ａ１を中心角が１８０度以上の扇形に形成したものである。
【０１１１】
次に第３実施形態について説明する。第３実施形態では、図１１及び図１２に示すように、光学素子５の片側の面を参照面５ａ３とし、参照面５ａ３には全面に反射膜を塗布する。
【０１１２】
ここで、半導体レーザーやＬＤ、ＬＥＤ等の光源３から出射された光であってコリメートレンズ４でコリメートされた光の強度は、光軸Ｌで最も大きく、光軸Ｌから離れるほど小さくなるガウス分布をなす。この強度分布は、光検出器６の計測に影響を与え、屈折率測定において、検出される屈折率の精度が低下する。
【０１１３】
本実施形態によれば、参照面５ａ３は全面に反射膜を塗布しているため、参照面に入射する光は、全て反射する。すなわち、光が、臨界角以下で参照面５ａ３に入射したとしても、参照面５ａ３を透過することはない。従って、コリメート光の強度分布が、そのまま光検出器６で検出される。
【０１１４】
ここで、参照データについて、光検出器６の中心からの距離ｌでの参照面５ａ３からの反射光の検出強度をIr(l)とする。また、測定データについて、光検出器６の中心からの
距離ｌでの測定面５ａ２からの反射光の検出強度をIｍ(l)とする。そうすると、測定データI(l)は、Iｍ(l)/Ir(l)によって求めることができる。
【０１１５】
コリメート光の強度分布に影響された参照データを、試料で反射された測定データにフィードバックすることで、測定データに影響するコリメート光の強度分布を仮想的に均一化することができる。本実施形態によれば、このような補正により、高精度に屈折率を測定することができる。
【０１１６】
なお、放物面５ａは、必要な場所が反射面５ａ１又は参照面５ａ３となればよく、図１３から図１８のように変更可能である。
【０１１７】
図１３は、光軸Ｌを含むＹ−Ｚ面を境界面として、一方側すべてを半円状に、他方側の上方（放物面５ａの頂点Ｋ側）を半円状に、反射面５ａ１を形成した光学素子５を表わしたものである。
【０１１８】
図１４は、光軸Ｌを含むＹ−Ｚ面を境界面として、一方側を扇形に、他方側の上方を半円状に、反射面５ａ１を形成した光学素子５を表わしたものである。
【０１１９】
図１５は、光軸Ｌを含むＹ−Ｚ面を境界面として、一方側すべてを半円状に、他方側の上方を扇形に、反射面５ａ１を形成した光学素子５を表わしたものである。
【０１２０】
図１６は、光軸Ｌを含むＹ−Ｚ面を境界面として、一方側を扇形に、他方側の上方を扇形に、反射面５ａ１を形成した光学素子５を表わしたものである。
【０１２１】
図１７は、光軸Ｌを含むＹ−Ｚ面を境界面として、一方側から他方側にかけて１８０度以上の扇形に、他方側の上方を半円状に、反射面５ａ１を形成した光学素子５を表わしたものである。
【０１２２】
図１８は、光軸Ｌを含むＹ−Ｚ面を境界面として、一方側から他方側にかけて複数の扇形に、他方側の上方を半円状に、反射面５ａ１を形成した光学素子５を表わしたものである。
【０１２３】
また、図１９に示すように、第４実施形態として、光学素子５と撮像部９の間に撮像レンズ８とミラー１０が配置されていることが好ましい。
【０１２４】
光学素子５の放物面５ａが、撮像部９の屈折率測定に関与していない部分に投影される。
【０１２５】
なお、撮像レンズ８は２つのレンズ８ａ，８ｂから構成されている。これらレンズ８の間の位置に、中心に開口を持つミラー１０が配置されている。コリメートレンズ４で平行光になった光はこのミラー１０で反射され、光学素子５に入射する。
【０１２６】
このような構成により、撮像部９で撮像された画像を確認することで、試料が光学素子５に接触しているかどうかがわかる。もし、試料が光学素子５に接触していない場合、再
度試料の取り付けを行うことで、より正確な測定が可能になる。
【０１２７】
次に、屈折率測定方法について説明する。図２０は屈折率測定方法のフローチャートを示す図である。
【０１２８】
本実施形態に係る屈折率測定方法は、まず、工程１１で、試料を測定面５ａ２に接触するように配置する（ＳＴ１１）。
【０１２９】
次に、工程１２で、測定面５ａ２の検出位置における反射光の光量を検出する（ＳＴ１２）。
【０１３０】
次に、工程１３で、光量と検出位置との関係から、臨界角に対応する検出位置を求める（ＳＴ１３）。
【０１３１】
次に、工程１４で、検出した反射光の光量から臨界角を求める（ＳＴ１４）。
【０１３２】
次に、工程１５で、臨界角に基づいて試料の屈折率を求める（ＳＴ１５）。
【０１３３】
なお、他の実施方法としては、図２１に示される屈折率測定方法を採用してもよい。まず、工程２１で、放物面５ａに参照面５ａ３を設ける屈折率測定装置および試料を配置する（ＳＴ２１）。工程２２で、照明ユニットから平行光が照射される（ＳＴ２２）。工程２３で、平行光が、光学素子５の反射面５ａ１で反射する（ＳＴ２３）。工程２４で、反射面５ａ１で反射した光が、放物面５ａの焦点で集光する（ＳＴ２４）。工程２５で、集光した光が、測定面５ａ２および参照面５ａ３に向けて照射される（ＳＴ２５）。工程２６で、測定面５ａ２および参照面５ａ３からの反射光が検出される（ＳＴ２６）。工程２７で、参照面５ａ３からの反射光の光量に基づいて、測定面５ａ２からの反射光の光量を補正する（ＳＴ２７）。工程２８で、補正された反射光の光量と検出位置との関係から臨界角を求める検出位置を求める（ＳＴ２８）。工程２９で、臨界角に対応する検出位置から臨界角を求める（ＳＴ２９）。工程３０で、求められた臨界角に基づいて、試料の屈折率を測定する（ＳＴ３０）。
【０１３４】
また、図２２に示すように、本実施形態における光学素子５の放物面５ａは、放物柱面５ａ’でもよい。光学素子５の放物柱面５ａ’は、光源３から出射された光の光軸Ｌに対して垂直な方向Ｘ，Ｙのうち、Ｘ方向から見た場合に平面で、Ｙ方向からみた場合に放物面である。また、コリメートレンズ４はシリンドリカルレンズでも構わない。
【０１３５】
ここで、放物柱面５ａ’とは、図２２に記載された放物柱を構成する面について、平面５ｂを除いた面をいう。別の言い方をすれば、放物柱面５ａ’とは、断面が放物線であって、当該放物線を含む面に垂直な方向に奥行きのある面をいう。
【０１３６】
なお、放物柱とは、平面上で、放物線と、放物線の軸に垂直な線と、で囲まれる形状を、当該平面に垂直な方向に奥行きのある柱体をいう。
【０１３７】
なお、本実施形態では、照明ユニットは、光源３とコリメートレンズ４を用いて平行光を照射しているが、平行光が照射できるのであれば、他の態様であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】本発明に係る光学系を備える屈折率測定装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】光源から光検出器までの光の進行順路を示すフローチャートである。
【図３】屈折率測定装置の第１実施形態を示す図である。
【図４】光検出器の中心が光軸からずれている実施例を示す図である。
【図５】光検出器の中心が光軸からずれている実施例を示す図である。
【図６】光検出器の中心が光軸からずれている実施例を示す図である。
【図７】反射面が光軸に対して光検出器と反対側にのみ設けられている第２実施形態を示す図である。
【図８】光軸を含む断面と、Ｚ軸方向から光学素子を見た光学素子の反射面の被覆の様子を示したものである。
【図９】光軸を含む断面と、Ｚ軸方向から光学素子を見た光学素子の反射面の被覆の様子を示したものである。
【図１０】光軸を含む断面と、Ｚ軸方向から光学素子を見た光学素子の反射面の被覆の様子を示したものである。
【図１１】屈折率測定装置の第３実施形態を示す図である。
【図１２】屈折率測定装置の第３実施形態を示す図である。
【図１３】反射面、測定面及び参照面の他の実施例を示す図である。
【図１４】反射面、測定面及び参照面の他の実施例を示す図である。
【図１５】反射面、測定面及び参照面の他の実施例を示す図である。
【図１６】反射面、測定面及び参照面の他の実施例を示す図である。
【図１７】反射面、測定面及び参照面の他の実施例を示す図である。
【図１８】反射面、測定面及び参照面の他の実施例を示す図である。
【図１９】屈折率測定装置の第４実施形態を示す図である。
【図２０】屈折率測定方法のフローチャートを示す図である。
【図２１】屈折率測定方法のフローチャートを示す図である。
【図２２】屈折率測定装置の放物柱面を示す図である。
【符号の説明】
【０１３９】
１…屈折率測定装置
２…光学系
３…光源（照明ユニット）
４…コリメートレンズ（照明ユニット）
５…光学素子
５ａ…放物面
５ａ１…反射面
５ａ２…測定面
５ａ３…参照面
５ｂ…平面
６…光検出器
７…遮光板
８…レンズ
９…撮像部
１０…ミラー
【図１】
2009300260.tif 000003
【図２】
2009300260.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009300260.tif 000007
【図６】
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【図７】
2009300260.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2009300260.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2009300260.tif 000018
【図１７】
2009300260.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2009300260.tif 000021
【図２０】
2009300260.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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