測定装置
【課題】簡単な構成で、広い波長帯域で使用でき、測定精度を向上し得る、屈折率および屈折率温度係数の測定装置を提供する。
【解決手段】窓６０１を介して恒温槽６内部に入射し、ウェッジプリズム型試料７の第１面７０１で反射した後に窓６０１を介して恒温槽６外部へ射出した平行光束か、または窓６０１を介して恒温槽６内部に入射し第１面７０１から試料７内部に入射し第２面７０２の裏面で反射した後に第１面７０１を経て試料７外部へ射出し、窓６０１を介して恒温槽６外部へ射出した平行光束が、コリメータ部５に戻りコリメータミラー５０２で集光された後にミラースリット５０１のミラー面５０１ａで反射された光束を受信する測定光デテクタ１１と、試料回転ステージ８の回転制御を行い、測定光デテクタ１１からの出力と回転角度検出部８ａで検出された試料回転ステージ８の回転角度との関係に基づき、試料７の屈折率を算出する解析制御部１５とを有する。
【解決手段】窓６０１を介して恒温槽６内部に入射し、ウェッジプリズム型試料７の第１面７０１で反射した後に窓６０１を介して恒温槽６外部へ射出した平行光束か、または窓６０１を介して恒温槽６内部に入射し第１面７０１から試料７内部に入射し第２面７０２の裏面で反射した後に第１面７０１を経て試料７外部へ射出し、窓６０１を介して恒温槽６外部へ射出した平行光束が、コリメータ部５に戻りコリメータミラー５０２で集光された後にミラースリット５０１のミラー面５０１ａで反射された光束を受信する測定光デテクタ１１と、試料回転ステージ８の回転制御を行い、測定光デテクタ１１からの出力と回転角度検出部８ａで検出された試料回転ステージ８の回転角度との関係に基づき、試料７の屈折率を算出する解析制御部１５とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外域における光学材料の屈折率および屈折率温度係数を測定する装置に関
する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、赤外域における光学材料の屈折率および屈折率温度係数を測定するため、リ
トロー法を用いた測定装置が知られている（例えば、非特許文献１および２を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Rapid and Accurate Measurements of Refractive Index in the Infrared E. D. McAlister et al. JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA Vol.46, No.7
【非特許文献２】The Thermal Change in the Nondispersive Infrared Refractive Index of Optical Materials A. Ray Hilton and Charlie E. Jones APPLIED OPTICS Vol.6 No.9
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の測定装置よりも、簡単な構成でありながら、広い波長帯域で使用でき、高い測定
精度が得られるものが要望されている。
【０００５】
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、簡単な構成でありながら、広
い波長帯域で使用でき、測定精度を向上し得る屈折率および屈折率温度係数の測定装置を
提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的達成のため、本発明を例示する態様に従えば、所定の単一波長光束を発
する光源部と、正のパワーを持つコリメータミラーと、小さな開口が形成された板状部材
の片方の面が鏡面となっており、前記開口が前記コリメータミラーの焦点位置と一致し、
前記鏡面が前記コリメータミラー側を向き且つ前記コリメータミラーで集光された光束が
反射した際に前記コリメータミラーに戻らないように光軸に対して傾けて設置された開口
板とを有して構成され、前記開口板の前記開口から入射した前記光源部からの光束を前記
コリメータミラーで平行光束に変換するコリメータ部と、前記コリメータ部からの平行光
束を透過可能な窓を備え、内部が密閉され且つ温度の可変制御が可能な恒温槽と、前記恒
温槽内部に設置され、ウェッジプリズム型試料を載置した状態で、前記試料の頂角を挟ん
だ第１面と第２面とがなす稜線に平行な回転軸を中心として回転可能な回転ステージと、
前記回転ステージの回転角度を検出する回転角度検出部と、前記窓を介して前記恒温槽内
部に入射し前記試料の前記第１面で反射した後に前記窓を介して前記恒温槽外部へ射出し
た前記平行光束か、または、前記窓を介して前記恒温槽内部に入射し前記第１面から前記
試料内部に入射し前記第２面の裏面で反射した後に前記第１面を経て前記試料外部へ射出
し、前記窓を介して前記恒温槽外部へ射出した前記平行光束が、前記コリメータ部に戻り
前記コリメータミラーで集光された後に前記開口板の前記鏡面で反射された光束を受信す
る測定光デテクタと、前記回転ステージの回転制御を行い、前記測定光デテクタからの出
力と、前記回転角度検出部で検出された前記ステージの回転角度との関係に基づき、前記
試料の屈折率を算出する解析制御部とを有することを特徴とする測定装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、簡単な構成でありながら、広い波長帯域で使用でき、測定精度を向上
し得る屈折率および屈折率温度係数の測定装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る屈折率測定装置の概略図である。
【図２】ハルトマンプレートの説明図である
【図３】本実施形態で使用するウェッジプリズム型試料の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】試料への測定光束の入射角度の計測方法を説明する図である。
【図５】試料透過方式として最小偏角法の説明図である。
【図６】最小偏角法で用いる従来の恒温槽の概略図である。
【図７】最小偏角法とリトロー法における角度パラメータの対応説明図である。
【図８】リトロー法を用いた従来技術の説明図である。
【図９】屈折型光学系で構成されたリトロー法の測定装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本実施形態について、添付の図面に基づいて説明する。
【００１０】
屈折率測定については、従来からいろいろな方法が知られているが、よく用いられてい
るのは最小偏角法である。最小偏角法は、図５に概略を示すように、測定対象の媒質でで
きたウェッジプリズム型の試料７における、屈折率測定に用いる単一波長平行光束に対す
る最小偏角位置を探して最小偏角値εを計測し、この計測された最小偏角値εと試料７の
入射面と射出面のなす頂角τとから、（１）式によって、試料７の屈折率ｎを算出するも
のである。
【００１１】
【００１２】
ところで、屈折率の温度係数の測定では、まず基準温度で試料７の屈折率を測定し、次
いで試料７を所定量温度変化させた後で再び試料７の屈折率を測定し、その変化量を求め
るが、測定系全体の温度を一様に変化させるのは大変である。そこで、図５に示す最小偏
角法を用いて屈折率温度係数を測定する場合には、図６に示すように試料７のみを恒温槽
６の中に入れ、恒温槽６内部のみ温度変化させ、最小偏角値εを測るのが普通である。最
小偏角値εは測定媒質の屈折率に依存するが、恒温槽６の入射窓６０２と射出窓６０３の
位置は恒温槽６に対して固定されているため、試料７がおおよそ所定の最小偏角値εを示
すようにするには、試料７の屈折率に応じて試料７の頂角τを変える必要がある。しかし
ながら、試料７の屈折率が不明である場合には、まず恒温槽６なしの状態で基準温度にお
ける試料７の屈折率を測定し、その測定結果を基に改めて恒温槽６に適合する試料７を作
り直し、温度特性の測定をするという二度手間がかかる。
【００１３】
このような手間を省くためには、恒温槽６の窓が一つで済む、リトロー法を採用するこ
とが考えられる。リトロー法は、最小偏角法の一形態であり、図３（ａ），（ｂ）に示す
ような、頂角τを挟んだ第１面７０１と第２面７０２とを有するウェッジプリズムを試料
７として用いる。このようなウェッジプリズム型の試料７では、第１面７０１から入射し
た平行光束は、第１面７０１で屈折作用を受け、第２面７０２で反射し、再び第１面７０
１に戻って屈折作用を受け、試料７の外に射出される。
【００１４】
ここで、測定光束が試料７の第２面７０２に対して垂直に入射する条件のとき、第１面
７０１における二回の屈折角度は全く同じとなり、最小偏角での屈折条件と同等になる。
よって、試料７の屈折率ｎは、図７に示す幾何学的関係と（１）式とを比較することによ
り、（２）式で求められることが判る。なお、角度ｉは、測定光束の第１面７０１の法線
に対する角度である。
【００１５】
【００１６】
リトロー法による赤外域における屈折率の測定装置については、例えば、上述の非特許
文献１、２に紹介されている。これらの従来技術においては、光源には波長が分かってい
る輝線光源またはモノクロメータ光源を用い、光学系には全て反射系で構成したものを用
いている。そして、コリメータへの入射光束と、試料からコリメータに戻り集光された反
射光束との光路分離をするために、試料へ入射する測定光の平行光束を傾けることによっ
て、それぞれの光路のコリメータのスリット長手方向についての通過位置を、コリメータ
光軸に対称となるようにずらしてあるのが特徴である。
【００１７】
このリトロー法の従来技術について、図８の模式図を用いて説明する。なお、図８では
、コリメータミラー５０２を薄肉レンズで表現している。図８に示すように、入射光束と
反射光束のスリット５０４における通過位置を、スリット５０４の長手方向についてずら
すと、試料７に入射する平行光束が試料主断面７０４に対して傾き角度αを持つことにな
る。なお、試料主断面７０４とは、試料７の第１面７０１と第２面７０２とがなす稜線７
０３に垂直な平面である。この条件で測定される最小偏角値は、試料主断面７０４に平行
な入射光束についての最小偏角値εよりも大きな値を示す（例えば、応用分光学ハンドブ
ック 吉永弘編集 朝倉書店（１９７３年） Ｐ．３９９参照）。つまり、屈折率ｎは、
試料主断面７０４に平行な入射光束についての最小偏角値εから求めるべきものだが、こ
の従来技術による方法では原理的に本来の値εからずれた値が算出されることになる。
【００１８】
この問題を解決する一般的な手法として、図９に示すように、ビームスプリッタプリズ
ム５０５を用いて、試料７への入射光束と反射光束の光路を分離する方法がある。この方
法で用いる光学系は、可視域で使うオートコリメータによく用いられている光学系であり
、試料７への入射光束が試料主断面７０４に対して傾かない設定が可能となる。具体的に
は、試料７からの反射光束の一部が、ビームスプリッタプリズム５０５によって分岐され
、試料７への入射光束が通るスリット５０４と共役なスリット５０７を通過するように、
試料７が載置されている回転ステージ８を回転させて、試料７への平行光束の入射角度を
調整する。但し、この方法では、ビームスプリッタプリズム５０５内を非平行光束が通過
し、ビームスプリッタプリズム５０５によって軸上色収差や球面収差などが発生すること
から、これら収差を補正するために、光学系の全部または一部に屈折レンズを用いること
が多い。図９では、コリメータとして、ダブレットレンズ５０６を用いた例を示した。こ
のような光学系では、使用する透過材料の分光透過特性によって、測定できる波長帯域が
制限されることになる。従って、装置の波長帯域をなるべく広く確保するためには、透過
材料の使用を避け、光学系を反射ミラーで構成する必要がある。
【００１９】
また、測定光束として赤外域を使用する場合、赤外域では輝線光源が少なく、単一波長
光束を作り出すためには連続スペクトラム光源からバンドパスフィルタを用いて、単一波
長とみなせる光束を切り出すことが普通である。バンドパスフィルタとしてはモノクロメ
ータがよく使われるが、モノクロメータから出力される単一波長光束の波長精度は、モノ
クロメータの波長表示精度に依存するため、使用するモノクロメータの波長表示精度につ
いての定期的な較正が必要不可欠であった。
【００２０】
以上のような従来技術の課題を解決するために、本実施形態では、恒温槽の窓が一つで
あるため屈折率および屈折率温度係数の測定がし易いリトロー法を採用し、反射ミラー主
体で構成された光学系を用いて広い波長帯域で使用を可能とし、試料への入射（測定）光
束が試料主断面に対して傾かないようにして正確な最小偏角値が得られ、輝線の少ない赤
外域において測定光束の正確な波長値が簡便に把握できるように構成した、屈折率および
屈折率温度係数の測定装置を提供する。
【００２１】
以下、本実施形態に係る屈折率および屈折率温度係数の測定装置について、図１を用い
て説明する。図１に示す光源部１は、ニクロム線やセラミックヒーターなど、電熱式の赤
外域光源１０１を測定光光源としている。赤外域光源１０１から発せられた測定光束は、
回転式チョッパ１０２を経て、光源部凹面ミラー１０３で反射集光され、光源部ダイクロ
イックミラー１０４で反射された後、モノクロメータ部２の入り口スリット２０１上に赤
外域光源１０１の発光源像を形成する。光源部ダイクロイックミラー１０４は、可視域で
透明なガラス製平行平面板を基板とし、反射面にはＩＴＯ膜が形成されている。ＩＴＯ膜
は、赤外光を反射し、可視光を透過する性質がある。可視域輝線光源１０５は、測定光束
の波長較正のための可視域輝線光を発する光源であり、可視域レーザや輝線ランプなどが
使われるが、本実施形態の場合は波長６３２．８２ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザとする。可視
域輝線光源１０５から発せられたレーザ光束は、集光光学系１０６によって集光され、光
源部ダイクロイックミラー１０４を透過して、モノクロメータ部２の入り口スリット２０
１上に集光する。
【００２２】
モノクロメータ部２には、全ての光学素子がミラーまたは反射型回折格子で構成された
ものを用いる。本実施形態では、ツェルニー・ターナー型を採用している。このようなモ
ノクロメータ部２では、入り口スリット２０１から入射した測定光束が、平面ミラー２０
２で光路を曲げられ、コリメータミラー２０３によって平行光束にコリメートされ、平面
反射グレーティング２０４によって分光作用を受け、波長に応じて異なる回折角度で反射
回折する。その後、測定光束は、集光ミラー２０５で集光作用を受け、平面ミラー２０６
で光路を曲げられるが、所定の回折角度で平面反射グレーティング２０４を反射した光束
のみが出口スリット２０７上に集光し、モノクロメータ部２の外に射出される。平面反射
グレーティング２０４は、回転ステージ２０８上に設置され、回転ステージ２０８と一緒
に回転する。平面反射グレーティング２０４を回転させ、出口スリット２０７から射出す
る光束の波長を変えることにより、所望の単一波長光束が取り出される。出口スリット２
０７の直後には、ハルトマンプレート２０９が設置されている。ハルトマンプレート２０
９は、図２に示すように、２枚の遮光板を有し、それらは図示していない保持機構に保持
され、スリット２０７の開口長手方向（紙面上下方向）に沿って動くようになっており、
出口スリット２０７の開口長手方向の寸法を変える働きをする。なお、モノクロメータ部
２の入り口スリット２０１の直前に、上記同様のハルトマンプレートを設置してもよい。
このような構成を有するモノクロメータは多い。
【００２３】
出口スリット２０７から射出された光束は、モノクロメータ部ダイクロイックミラー３
に当たる。モノクロメータ部ダイクロイックミラー３は、光源部ダイクロイックミラー１
０４と同様のミラーで、反射面にＩＴＯ膜が形成され、赤外光（測定光束）を反射し、可
視光は透過させる。モノクロメータ部ダイクロイックミラー３で反射された測定光束は、
第１の凹面ミラー４でミラースリット５０１の開口上に反射集光され、ミラースリット５
０１を通過してコリメータ部５に入射する。モノクロメータ部ダイクロイックミラー３を
透過した可視域輝線光源１０５からの波長較正光束は、リレーレンズ１３で波長較正光デ
テクタ１４上に集光され、該デテクタ１４により受信される。
【００２４】
コリメータ部５は、ミラースリット５０１、コリメータミラー５０２、および、平面ミ
ラー５０３から構成される。ミラースリット５０１は、２枚のスリット刃からなり、これ
ら２枚のスリット刃のコリメータミラー５０２側の面が平面研磨され、アルミニュームま
たは金がコーティングされたミラー面５０１ａとなっており、これら２枚のスリットミラ
ー面５０１ａが同一平面上に並ぶように、且つ、開口幅が調整可能なように保持されてい
る。なお、ミラースリット５０１の開口幅について、本実施形態では可変式とするが、仕
様上問題なければ固定式とする場合もある。このようなミラースリット５０１の保持機構
については、図示を省略する。ミラースリット５０１を通過した測定光束は、発散しなが
らコリメータミラー５０２で反射され、平行光束になる。コリメータミラー５０２は正の
パワーを持つ凹面の軸外しパラボラミラーであり、パラボラ焦点をミラースリット５０１
の開口中心に合わせて設置されている。コリメータミラー５０２で反射された後、平行光
束になった測定光束は、平面ミラー５０３で反射されて光路を曲げられ、窓６０１から恒
温槽６の内部に入射する。
【００２５】
恒温槽６は、内部が密閉された構造となっており、外界に対して温度の上げ下げができ
るようになっている。但し、その仕組みは本発明の対象外なので、ここでは詳述しない。
窓６０１は、赤外光である測定光束に対して透明な材質（例えば、シリコン結晶、ゲルマ
ニウム結晶、硫化亜鉛結晶など）からなる平行平面板であり、恒温槽６の側壁にはめ込ま
れている。窓６０１の両面には、屈折率の測定波長範囲に分光特性を適合させた、反射防
止コートが施されている。しかしながら、窓６０１が入射して来る測定光束に直交してい
ると、窓６０１による反射光が入射光束と同一方向に戻り、屈折率測定光束と混じって測
定ノイズになる。これを避けるため、窓６０１は測定光束に対して傾けて設置し、試料7
における反射光束が測定光束と同一光路に戻らないようにする。窓６０１を通過した測定
光束は、恒温槽６内部の試料回転ステージ８の上に設置された試料７に入射する。
【００２６】
試料７は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、屈折率を測定すべき光学材料で製作され
たウェッジプリズムであって、平面研磨された第１面（入射面）７０１と第２面（反射面
）７０２を有する。本実施形態では、第１面７０１と第２面７０２とのなす頂角をτとし
ている。測定光束の入射面である第１面７０１には、必要に応じて反射防止コートを施す
。また、試料７内に入射した測定光束が反射する第２面７０２には、必要に応じてミラー
コートを施し、裏面ミラーにする。いずれも測定Ｓ／Ｎ比を向上させたい場合の処置であ
る。第１面７０１と第２面７０２との交線である稜線７０３に直交する平面を試料主断面
７０４とする。第１面７０１から試料７内に屈折作用を受けながら入射した測定光束は、
第２面７０２で反射され、第１面７０１に戻って再び屈折作用を受け、試料７の外部に射
出される。試料７を載せている試料回転ステージ８は、試料７を稜線７０３に平行な回転
軸中心に回転させる。また、試料回転ステージ８には、回転角度検出部８ａが設けられて
おり、所定の初期位置を基準として、該ステージ８の回転角度が読み取れる機能が備わっ
ている。回転角度検出部８ａにより読み取られた試料回転ステージ８の回転角度は、解析
制御部１５に送信される。
【００２７】
試料７の第１面７０１における反射光束、または第２面７０２における反射光束は、窓
６０１を経て、恒温槽６の外部へ出る。恒温槽６への入射光束（測定光束）と、恒温槽６
から戻って来た反射光束とのなす角度が所定角度範囲内にあれば、恒温槽６から射出され
た光束はコリメータ部５に入射し、ミラースリット５０１の開口像をミラースリット５０
１上に投影倍率１倍で形成する。ミラースリット５０１のミラー面５０１ａは光軸に対し
て傾けて設置されており、ミラースリット５０１のミラー面５０１ａで反射された光束は
、第２の凹面ミラー９で反射集光され、測定光デテクタ１１へ向かい、該デテクタ１１で
受信される。もし、ミラースリット５０１の開口像がミラースリット５０１の開口に一致
して形成された場合には、ほとんどの光エネルギーは（反射されずに）ミラースリット５
０１を通過し、測定光デテクタ１１には到達しない。
【００２８】
測定光デテクタ１１の受信Ｓ／Ｎ比を高めるために、本実施形態では赤外域の測光でよ
く用いられる交流測光方式を採用する。すなわち、機械式のチョッパ１０２により、赤外
域光源１０１から発する測定光束を所定周波数でチョッピングする。この機械式のチョッ
パ１０２と、測定光デテクタ１１とをロックインアンプ１２によって同期制御することに
よって、測定光束の交流測光を行う。
【００２９】
解析制御部１５は、試料回転ステージ８の回転制御を行うとともに、測定光デテクタ１
１からの出力と、回転角度検出部８ａで検出された試料回転ステージ８の回転角度との関
係に基づき、試料７の屈折率を算出する。また、この算出された屈折率と、恒温槽６の内
部温度との関係に基づき、試料７の屈折率温度係数を算出する。以下にその手順を示す。
【００３０】
まず、屈折率の測定手順について述べる。試料７の第１面７０１が入射する測定光束に
対して直交するように、試料７を恒温槽６内の試料回転ステージ８に載せる。試料回転ス
テージ８を回転させながら、第１面７０１からの反射光を測定光デテクタ１１でモニタリ
ングする。第１面７０１からの反射光束がミラースリット５０１を通過するときが、第１
面７０１が入射光束に対して直交しているときで、そのとき測定光デテクタ１１出力は最
小となる。回転角度検出部８ａでは、このときの試料回転ステージ８の位置を「基準位置
」とし、図４に示すように、試料回転ステージ８の固定カーソル８０１に合致している回
転側目盛り位置を、基準目盛り８０２とする。なお、このとき測定光束は必ずしも測定波
長光である必要はなく、測定Ｓ／Ｎ比を上げるためにモノクロメータ部２から強い強度が
得られる０次回折光を出力し、これを光源としても構わない。
【００３１】
回転角度検出部８ａを介して基準目盛り８０２を読み取った後、モノクロメータ部２か
ら射出される光束の波長が測定波長である状態で試料回転ステージ８を回転させ、試料７
の第２面７０２からの反射光束が測定光デテクタ１１でモニタできるようにする。次いで
、試料回転ステージ８の回転角度を調整し、測定光デテクタ１１の出力が最小となる位置
を探す。測定光デテクタ１１の出力が最小となる位置が最小偏角状態であり、そこを最小
偏角位置とする。そして、最小偏角位置におけるカーソル８０１に合致する目盛りを、最
小偏角目盛り８０３とする。基準目盛り８０２と最小偏角目盛り８０３との間の角度が、
図７に示すように、最小偏角時における測定光束の試料７の第１面７０１への入射角度ｉ
になる。解析制御部１５は、試料７の頂角τと入射角度ｉの実測値を上述の（２）式に代
入し、試料７の測定波長における屈折率ｎを算出する。
【００３２】
続いて、屈折率温度係数の測定手順について述べる。まず、基準温度における試料７の
屈折率を上述のように測定する。次に、恒温槽６の内部の温度を所定温度だけ変化させ、
この状態で安定させる。そして、上述の試料７の屈折率測定を再び行う。変化させる温度
は、これらの測定で得られた屈折率変化量を温度変化量で割った値が、基準温度近傍の試
料７の屈折率の温度について近似的に微分値とみなせる程度に設定する。こうして得られ
た値が、測定波長についての基準温度近傍における試料７の屈折率温度係数となる。
【００３３】
なお、恒温槽６内部の温度を変化させると、恒温槽６の内外空気の屈折率に差異が生じ
る。恒温槽６の窓６０１は前述の通り光軸に対して傾けて設置されているので、窓６０１
の外界側の面における測定光束の屈折角度と、窓６０１の内界側の面における測定光束の
屈折角度とに差異が生じ、窓６０１の通過に際して測定光束に偏角を生ずるが、最小偏角
状態のとき、窓６０１の往復光路は原理的に一致するので、測定値には影響を与えない。
【００３４】
次に、測定光束の波長値の正確な把握方法について述べる。赤外域光源１０１と可視域
輝線光源１０５とからの光束は、共にモノクロメータ部２の入り口スリット２０１を通過
する。平面反射グレーティング２０４の格子定数は、可視域輝線光源１０５として使用し
ているＨｅ−Ｎｅレーザの波長６３２．８２ｎｍ光束が、所定の高次回折で反射されるよ
うに設定する。本実施形態では、平面反射グレーティング２０４の格子定数を０．０１ｍ
ｍとする。以下の表１に、波長６３２．８２ｎｍ高次回折光束と一緒にモノクロメータ部
２の出口スリット２０７から出力される赤外域光源１０１からの測定光束波長を、波長６
３２．８２ｎｍ光束の回折次数を１０まで取ったものを示す。なお、測定光束については
、全て１次回折光の場合である。
【００３５】
（表１）
波長632.82nm光束回折次数 測定光束（nm）
2 1265.64
3 1898.46
4 2531.28
5 3164.10
6 3796.92
7 4429.74
8 5062.56
9 5695.38
10 6328.20
【００３６】
モノクロメータ部２の回転ステージ２０８を回転させながら、出口スリット２０７から
出力される波長６３２．８２ｎｍ光束を、波長較正光デテクタ１４でモニタする。波長６
３２．８２ｎｍ光束は、出口スリット２０７から出力された後、発散しながらモノクロメ
ータ部ダイクロイックミラー３を透過し、リレーレンズ１３で集光され、波長較正光デテ
クタ１４に至る。
【００３７】
波長６３２．８２ｎｍ光束の回折次数は、波長６３２．８２ｎｍ、格子定数０．０１ｍ
ｍ、回転ステージ２０８の０次回折位置からの回転角度、および、平面反射グレーティン
グ２０４に対する光束入射角度と回折角度から求めるが、回転ステージ２０８の回転角度
と回折次数との対応関係を予め求めておけば、いちいち計算する必要はない。また、モノ
クロメータ部２は、全て反射光学素子で構成されているため、波長依存性がない。よって
、測定光束の波長は、光学系の色収差などの影響を受けることなく、波長６３２．８２ｎ
ｍ光束を基準として正確に決まる。
【００３８】
なお、例えば表１において、測定光束である、波長６３２８．２０ｎｍ光束を出力して
いるときは、波長３１６４．１０ｎｍ光束の２次回折光も一緒に出力される。同時に出力
される短波長の高次回折光を除くために、次数選択フィルタターレット１０を測定光デテ
クタ１１の直前に設置する。この場合であれば、波長６３２８．２０ｎｍ光束は透過させ
、波長３１６４．１０ｎｍ光束は阻止する分光特性を持つフィルタを光路中に挿入する。
このように互いに異なる所定の分光特性を有する複数のフィルタをターレットに設置し、
測定波長に応じて適切なフィルタを選択し、光路に挿入することで、不要な高次回折光束
が測定光デテクタ１１へ入射することを阻止することができる。
【００３９】
続いて、波長６３２．８２ｎｍ光束の高次回折位置の中間にある測定光束、例えば表１
の波長範囲ならば、３０００ｎｍ、４０００ｎｍ、５０００ｎｍなどの波長を出力する方
法について述べる。まず、表１の測定光束波長に対応する、モノクロメータ部２の回転ス
テージ２０８の回転角度を、測定前後あるいは中間に実測しておき、これらの値から上記
中間波長に対応する回転ステージ２０８の回転角度をインターポレーションによって算出
する。回転ステージ２０８をそれら算出された回転角度に合わせることで、所望の中間波
長の測定光束を高精度で出力することができる。
【００４０】
モノクロメータ部２の入り口スリット２０１の開口幅、および、出口スリット２０７の
スリット開口幅が、測定光束の波長純度に直接的に影響することは言うまでもない。それ
だけでなく、出口スリット２０７の開口の長手方向寸法も、測定光束の波長純度に影響を
与える。出口スリット２０７から出力される測定光束と、測定光束の波長較正のための波
長６３２．８２ｎｍ光束は、出口スリット２０７の開口全域で重なるように光学系は設定
されているが、出口スリット２０７上にできる入り口スリット２０１の像は、長波長側に
凹となるように湾曲するので（例えば、応用分光学ハンドブック 吉永弘編集 朝倉書房
（１９７３年） Ｐ．４０９を参照）、出口スリット２０７の開口長手方向が長すぎると
、出口スリット２０７の開口中心部と端部では通過波長にずれが生じ、測定光束の波長純
度が低下する。
【００４１】
さらに、従来技術の説明でも述べたように、試料７への入射光束が試料主断面７０４に
対して角度を持つと、最小偏角値が正しい値に対して増大する方向にずれる。出口スリッ
ト２０７が長いほど、この効果が大きくなり、屈折率の測定精度を低下させる。
【００４２】
上述の通り、モノクロメータ部２の出口スリット２０７の開口長手方向寸法は、測定光
束の波長純度と最小偏角値の測定誤差に影響を与えることから、極力短い開口寸法にする
ことが原則となる。一方、入り口スリット２０１および出口スリット２０７の開口幅は大
きいほど、測定光束の光エネルギーを大きくすることが可能になるため、測定光デテクタ
１１の出力のＳ／Ｎ比を見ながら、入り口スリット２０１および出口スリット２０７のス
リット開口幅と、長手方向の長さとを決める。出口スリット２０７の開口長手方向のスリ
ット幅については、ハルトマンプレート２０９の間隔を調整して決定する。本実施形態で
は、出口スリット２０７の開口長手方向の中央部を通過する測定光束を使うので、必要最
小の出口スリット２０７の開口長手方向寸法になる。なお、測定に必要な精度および光強
度が得られることが判っている場合には、入り口スリット２０１および出口スリット２０
７の開口は固定式であってもよい。
【００４３】
以上のように、本実施形態に係る測定装置においては、（１）リトロー法を用いた屈折
率測定装置であることから恒温槽の窓が一つだけで済むので、屈折率および屈折率温度係
数を容易に測定でき、（２）反射ミラー主体で構成された光学系を用いているため、広い
波長帯域で使用可能であり、（３）回転ステージの回転角度を調整して試料への入射光束
の試料主断面に対する傾き成分を最小限に抑えることができるため、誤差が小さく、より
正確な最小偏角値が得られ、（４）特に輝線の少ない赤外域において、測定光束の正確な
波長値が簡便に把握できる。また、（５）恒温槽の窓を入射光束に対して傾けて設けてい
るため、恒温槽の窓で反射した測定光束が測定光デテクタに至ることがなく、ミラースリ
ットのミラー面で反射した恒温槽からの戻り光束と、ミラースリットから抜けて出てくる
測定光束とが重ならない角度で、ミラースリットを光軸に対して傾けて設けているため、
ミラースリットのミラー面で反射した恒温槽からの戻り光束だけが測定光デテクタへ入射
することから、高いＳ／Ｎ比で屈折率および屈折率温度係数を測定することができる。
【００４４】
なお、本実施形態においては、モノクロメータ部２として、ツェルニー・ターナー型を
採用したが、これに限定されものではない。例えば、凹面の回折格子１枚で構成される瀬
谷・波岡型のモノクロメータを採用することも可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 光源部
１０１ 赤外域光源 １０２ チョッパ
１０３ 光源部凹面ミラー
１０４ ダイクロイックミラー（第１のダイクロイックミラー）
１０５ 可視域輝線光源 １０６ 集光光学系
２ モノクロメータ部
２０１ 入り口スリット ２０２ 平面ミラー
２０３ コリメータミラー ２０４ 平面反射グレーティング
２０５ 集光ミラー ２０６ 平面ミラー
２０７ 出口スリット ２０８ 回転ステージ（回転駆動部）
２０９ ハルトマンプレート
３ モノクロメータ部ダイクロイックミラー（第２のダイクロイックミラー）
４ 第１の凹面ミラー
５ コリメータ部
５０１ ミラースリット ５０１ａ ミラー面
５０２ コリメータミラー
５０３ 平面ミラー
６ 恒温槽
６０１ 窓
７ 試料
７０１ 入射面 ７０２ 反射面
７０３ 稜線 ７０４ 試料主断面
８ 試料回転ステージ（回転ステージ）
８ａ 回転角度検出部
８０１ カーソル ８０２ 基準目盛り
８０３ 最小偏角目盛り
９ 第２の凹面ミラー
１０ 次数選択フィルタターレット
１１ 測定光デテクタ
１２ ロックインアンプ
１３ リレーレンズ
１４ 波長較正光デテクタ
１５ 解析制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外域における光学材料の屈折率および屈折率温度係数を測定する装置に関
する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、赤外域における光学材料の屈折率および屈折率温度係数を測定するため、リ
トロー法を用いた測定装置が知られている（例えば、非特許文献１および２を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Rapid and Accurate Measurements of Refractive Index in the Infrared E. D. McAlister et al. JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA Vol.46, No.7
【非特許文献２】The Thermal Change in the Nondispersive Infrared Refractive Index of Optical Materials A. Ray Hilton and Charlie E. Jones APPLIED OPTICS Vol.6 No.9
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の測定装置よりも、簡単な構成でありながら、広い波長帯域で使用でき、高い測定
精度が得られるものが要望されている。
【０００５】
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、簡単な構成でありながら、広
い波長帯域で使用でき、測定精度を向上し得る屈折率および屈折率温度係数の測定装置を
提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的達成のため、本発明を例示する態様に従えば、所定の単一波長光束を発
する光源部と、正のパワーを持つコリメータミラーと、小さな開口が形成された板状部材
の片方の面が鏡面となっており、前記開口が前記コリメータミラーの焦点位置と一致し、
前記鏡面が前記コリメータミラー側を向き且つ前記コリメータミラーで集光された光束が
反射した際に前記コリメータミラーに戻らないように光軸に対して傾けて設置された開口
板とを有して構成され、前記開口板の前記開口から入射した前記光源部からの光束を前記
コリメータミラーで平行光束に変換するコリメータ部と、前記コリメータ部からの平行光
束を透過可能な窓を備え、内部が密閉され且つ温度の可変制御が可能な恒温槽と、前記恒
温槽内部に設置され、ウェッジプリズム型試料を載置した状態で、前記試料の頂角を挟ん
だ第１面と第２面とがなす稜線に平行な回転軸を中心として回転可能な回転ステージと、
前記回転ステージの回転角度を検出する回転角度検出部と、前記窓を介して前記恒温槽内
部に入射し前記試料の前記第１面で反射した後に前記窓を介して前記恒温槽外部へ射出し
た前記平行光束か、または、前記窓を介して前記恒温槽内部に入射し前記第１面から前記
試料内部に入射し前記第２面の裏面で反射した後に前記第１面を経て前記試料外部へ射出
し、前記窓を介して前記恒温槽外部へ射出した前記平行光束が、前記コリメータ部に戻り
前記コリメータミラーで集光された後に前記開口板の前記鏡面で反射された光束を受信す
る測定光デテクタと、前記回転ステージの回転制御を行い、前記測定光デテクタからの出
力と、前記回転角度検出部で検出された前記ステージの回転角度との関係に基づき、前記
試料の屈折率を算出する解析制御部とを有することを特徴とする測定装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、簡単な構成でありながら、広い波長帯域で使用でき、測定精度を向上
し得る屈折率および屈折率温度係数の測定装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る屈折率測定装置の概略図である。
【図２】ハルトマンプレートの説明図である
【図３】本実施形態で使用するウェッジプリズム型試料の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】試料への測定光束の入射角度の計測方法を説明する図である。
【図５】試料透過方式として最小偏角法の説明図である。
【図６】最小偏角法で用いる従来の恒温槽の概略図である。
【図７】最小偏角法とリトロー法における角度パラメータの対応説明図である。
【図８】リトロー法を用いた従来技術の説明図である。
【図９】屈折型光学系で構成されたリトロー法の測定装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本実施形態について、添付の図面に基づいて説明する。
【００１０】
屈折率測定については、従来からいろいろな方法が知られているが、よく用いられてい
るのは最小偏角法である。最小偏角法は、図５に概略を示すように、測定対象の媒質でで
きたウェッジプリズム型の試料７における、屈折率測定に用いる単一波長平行光束に対す
る最小偏角位置を探して最小偏角値εを計測し、この計測された最小偏角値εと試料７の
入射面と射出面のなす頂角τとから、（１）式によって、試料７の屈折率ｎを算出するも
のである。
【００１１】
【００１２】
ところで、屈折率の温度係数の測定では、まず基準温度で試料７の屈折率を測定し、次
いで試料７を所定量温度変化させた後で再び試料７の屈折率を測定し、その変化量を求め
るが、測定系全体の温度を一様に変化させるのは大変である。そこで、図５に示す最小偏
角法を用いて屈折率温度係数を測定する場合には、図６に示すように試料７のみを恒温槽
６の中に入れ、恒温槽６内部のみ温度変化させ、最小偏角値εを測るのが普通である。最
小偏角値εは測定媒質の屈折率に依存するが、恒温槽６の入射窓６０２と射出窓６０３の
位置は恒温槽６に対して固定されているため、試料７がおおよそ所定の最小偏角値εを示
すようにするには、試料７の屈折率に応じて試料７の頂角τを変える必要がある。しかし
ながら、試料７の屈折率が不明である場合には、まず恒温槽６なしの状態で基準温度にお
ける試料７の屈折率を測定し、その測定結果を基に改めて恒温槽６に適合する試料７を作
り直し、温度特性の測定をするという二度手間がかかる。
【００１３】
このような手間を省くためには、恒温槽６の窓が一つで済む、リトロー法を採用するこ
とが考えられる。リトロー法は、最小偏角法の一形態であり、図３（ａ），（ｂ）に示す
ような、頂角τを挟んだ第１面７０１と第２面７０２とを有するウェッジプリズムを試料
７として用いる。このようなウェッジプリズム型の試料７では、第１面７０１から入射し
た平行光束は、第１面７０１で屈折作用を受け、第２面７０２で反射し、再び第１面７０
１に戻って屈折作用を受け、試料７の外に射出される。
【００１４】
ここで、測定光束が試料７の第２面７０２に対して垂直に入射する条件のとき、第１面
７０１における二回の屈折角度は全く同じとなり、最小偏角での屈折条件と同等になる。
よって、試料７の屈折率ｎは、図７に示す幾何学的関係と（１）式とを比較することによ
り、（２）式で求められることが判る。なお、角度ｉは、測定光束の第１面７０１の法線
に対する角度である。
【００１５】
【００１６】
リトロー法による赤外域における屈折率の測定装置については、例えば、上述の非特許
文献１、２に紹介されている。これらの従来技術においては、光源には波長が分かってい
る輝線光源またはモノクロメータ光源を用い、光学系には全て反射系で構成したものを用
いている。そして、コリメータへの入射光束と、試料からコリメータに戻り集光された反
射光束との光路分離をするために、試料へ入射する測定光の平行光束を傾けることによっ
て、それぞれの光路のコリメータのスリット長手方向についての通過位置を、コリメータ
光軸に対称となるようにずらしてあるのが特徴である。
【００１７】
このリトロー法の従来技術について、図８の模式図を用いて説明する。なお、図８では
、コリメータミラー５０２を薄肉レンズで表現している。図８に示すように、入射光束と
反射光束のスリット５０４における通過位置を、スリット５０４の長手方向についてずら
すと、試料７に入射する平行光束が試料主断面７０４に対して傾き角度αを持つことにな
る。なお、試料主断面７０４とは、試料７の第１面７０１と第２面７０２とがなす稜線７
０３に垂直な平面である。この条件で測定される最小偏角値は、試料主断面７０４に平行
な入射光束についての最小偏角値εよりも大きな値を示す（例えば、応用分光学ハンドブ
ック 吉永弘編集 朝倉書店（１９７３年） Ｐ．３９９参照）。つまり、屈折率ｎは、
試料主断面７０４に平行な入射光束についての最小偏角値εから求めるべきものだが、こ
の従来技術による方法では原理的に本来の値εからずれた値が算出されることになる。
【００１８】
この問題を解決する一般的な手法として、図９に示すように、ビームスプリッタプリズ
ム５０５を用いて、試料７への入射光束と反射光束の光路を分離する方法がある。この方
法で用いる光学系は、可視域で使うオートコリメータによく用いられている光学系であり
、試料７への入射光束が試料主断面７０４に対して傾かない設定が可能となる。具体的に
は、試料７からの反射光束の一部が、ビームスプリッタプリズム５０５によって分岐され
、試料７への入射光束が通るスリット５０４と共役なスリット５０７を通過するように、
試料７が載置されている回転ステージ８を回転させて、試料７への平行光束の入射角度を
調整する。但し、この方法では、ビームスプリッタプリズム５０５内を非平行光束が通過
し、ビームスプリッタプリズム５０５によって軸上色収差や球面収差などが発生すること
から、これら収差を補正するために、光学系の全部または一部に屈折レンズを用いること
が多い。図９では、コリメータとして、ダブレットレンズ５０６を用いた例を示した。こ
のような光学系では、使用する透過材料の分光透過特性によって、測定できる波長帯域が
制限されることになる。従って、装置の波長帯域をなるべく広く確保するためには、透過
材料の使用を避け、光学系を反射ミラーで構成する必要がある。
【００１９】
また、測定光束として赤外域を使用する場合、赤外域では輝線光源が少なく、単一波長
光束を作り出すためには連続スペクトラム光源からバンドパスフィルタを用いて、単一波
長とみなせる光束を切り出すことが普通である。バンドパスフィルタとしてはモノクロメ
ータがよく使われるが、モノクロメータから出力される単一波長光束の波長精度は、モノ
クロメータの波長表示精度に依存するため、使用するモノクロメータの波長表示精度につ
いての定期的な較正が必要不可欠であった。
【００２０】
以上のような従来技術の課題を解決するために、本実施形態では、恒温槽の窓が一つで
あるため屈折率および屈折率温度係数の測定がし易いリトロー法を採用し、反射ミラー主
体で構成された光学系を用いて広い波長帯域で使用を可能とし、試料への入射（測定）光
束が試料主断面に対して傾かないようにして正確な最小偏角値が得られ、輝線の少ない赤
外域において測定光束の正確な波長値が簡便に把握できるように構成した、屈折率および
屈折率温度係数の測定装置を提供する。
【００２１】
以下、本実施形態に係る屈折率および屈折率温度係数の測定装置について、図１を用い
て説明する。図１に示す光源部１は、ニクロム線やセラミックヒーターなど、電熱式の赤
外域光源１０１を測定光光源としている。赤外域光源１０１から発せられた測定光束は、
回転式チョッパ１０２を経て、光源部凹面ミラー１０３で反射集光され、光源部ダイクロ
イックミラー１０４で反射された後、モノクロメータ部２の入り口スリット２０１上に赤
外域光源１０１の発光源像を形成する。光源部ダイクロイックミラー１０４は、可視域で
透明なガラス製平行平面板を基板とし、反射面にはＩＴＯ膜が形成されている。ＩＴＯ膜
は、赤外光を反射し、可視光を透過する性質がある。可視域輝線光源１０５は、測定光束
の波長較正のための可視域輝線光を発する光源であり、可視域レーザや輝線ランプなどが
使われるが、本実施形態の場合は波長６３２．８２ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザとする。可視
域輝線光源１０５から発せられたレーザ光束は、集光光学系１０６によって集光され、光
源部ダイクロイックミラー１０４を透過して、モノクロメータ部２の入り口スリット２０
１上に集光する。
【００２２】
モノクロメータ部２には、全ての光学素子がミラーまたは反射型回折格子で構成された
ものを用いる。本実施形態では、ツェルニー・ターナー型を採用している。このようなモ
ノクロメータ部２では、入り口スリット２０１から入射した測定光束が、平面ミラー２０
２で光路を曲げられ、コリメータミラー２０３によって平行光束にコリメートされ、平面
反射グレーティング２０４によって分光作用を受け、波長に応じて異なる回折角度で反射
回折する。その後、測定光束は、集光ミラー２０５で集光作用を受け、平面ミラー２０６
で光路を曲げられるが、所定の回折角度で平面反射グレーティング２０４を反射した光束
のみが出口スリット２０７上に集光し、モノクロメータ部２の外に射出される。平面反射
グレーティング２０４は、回転ステージ２０８上に設置され、回転ステージ２０８と一緒
に回転する。平面反射グレーティング２０４を回転させ、出口スリット２０７から射出す
る光束の波長を変えることにより、所望の単一波長光束が取り出される。出口スリット２
０７の直後には、ハルトマンプレート２０９が設置されている。ハルトマンプレート２０
９は、図２に示すように、２枚の遮光板を有し、それらは図示していない保持機構に保持
され、スリット２０７の開口長手方向（紙面上下方向）に沿って動くようになっており、
出口スリット２０７の開口長手方向の寸法を変える働きをする。なお、モノクロメータ部
２の入り口スリット２０１の直前に、上記同様のハルトマンプレートを設置してもよい。
このような構成を有するモノクロメータは多い。
【００２３】
出口スリット２０７から射出された光束は、モノクロメータ部ダイクロイックミラー３
に当たる。モノクロメータ部ダイクロイックミラー３は、光源部ダイクロイックミラー１
０４と同様のミラーで、反射面にＩＴＯ膜が形成され、赤外光（測定光束）を反射し、可
視光は透過させる。モノクロメータ部ダイクロイックミラー３で反射された測定光束は、
第１の凹面ミラー４でミラースリット５０１の開口上に反射集光され、ミラースリット５
０１を通過してコリメータ部５に入射する。モノクロメータ部ダイクロイックミラー３を
透過した可視域輝線光源１０５からの波長較正光束は、リレーレンズ１３で波長較正光デ
テクタ１４上に集光され、該デテクタ１４により受信される。
【００２４】
コリメータ部５は、ミラースリット５０１、コリメータミラー５０２、および、平面ミ
ラー５０３から構成される。ミラースリット５０１は、２枚のスリット刃からなり、これ
ら２枚のスリット刃のコリメータミラー５０２側の面が平面研磨され、アルミニュームま
たは金がコーティングされたミラー面５０１ａとなっており、これら２枚のスリットミラ
ー面５０１ａが同一平面上に並ぶように、且つ、開口幅が調整可能なように保持されてい
る。なお、ミラースリット５０１の開口幅について、本実施形態では可変式とするが、仕
様上問題なければ固定式とする場合もある。このようなミラースリット５０１の保持機構
については、図示を省略する。ミラースリット５０１を通過した測定光束は、発散しなが
らコリメータミラー５０２で反射され、平行光束になる。コリメータミラー５０２は正の
パワーを持つ凹面の軸外しパラボラミラーであり、パラボラ焦点をミラースリット５０１
の開口中心に合わせて設置されている。コリメータミラー５０２で反射された後、平行光
束になった測定光束は、平面ミラー５０３で反射されて光路を曲げられ、窓６０１から恒
温槽６の内部に入射する。
【００２５】
恒温槽６は、内部が密閉された構造となっており、外界に対して温度の上げ下げができ
るようになっている。但し、その仕組みは本発明の対象外なので、ここでは詳述しない。
窓６０１は、赤外光である測定光束に対して透明な材質（例えば、シリコン結晶、ゲルマ
ニウム結晶、硫化亜鉛結晶など）からなる平行平面板であり、恒温槽６の側壁にはめ込ま
れている。窓６０１の両面には、屈折率の測定波長範囲に分光特性を適合させた、反射防
止コートが施されている。しかしながら、窓６０１が入射して来る測定光束に直交してい
ると、窓６０１による反射光が入射光束と同一方向に戻り、屈折率測定光束と混じって測
定ノイズになる。これを避けるため、窓６０１は測定光束に対して傾けて設置し、試料7
における反射光束が測定光束と同一光路に戻らないようにする。窓６０１を通過した測定
光束は、恒温槽６内部の試料回転ステージ８の上に設置された試料７に入射する。
【００２６】
試料７は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、屈折率を測定すべき光学材料で製作され
たウェッジプリズムであって、平面研磨された第１面（入射面）７０１と第２面（反射面
）７０２を有する。本実施形態では、第１面７０１と第２面７０２とのなす頂角をτとし
ている。測定光束の入射面である第１面７０１には、必要に応じて反射防止コートを施す
。また、試料７内に入射した測定光束が反射する第２面７０２には、必要に応じてミラー
コートを施し、裏面ミラーにする。いずれも測定Ｓ／Ｎ比を向上させたい場合の処置であ
る。第１面７０１と第２面７０２との交線である稜線７０３に直交する平面を試料主断面
７０４とする。第１面７０１から試料７内に屈折作用を受けながら入射した測定光束は、
第２面７０２で反射され、第１面７０１に戻って再び屈折作用を受け、試料７の外部に射
出される。試料７を載せている試料回転ステージ８は、試料７を稜線７０３に平行な回転
軸中心に回転させる。また、試料回転ステージ８には、回転角度検出部８ａが設けられて
おり、所定の初期位置を基準として、該ステージ８の回転角度が読み取れる機能が備わっ
ている。回転角度検出部８ａにより読み取られた試料回転ステージ８の回転角度は、解析
制御部１５に送信される。
【００２７】
試料７の第１面７０１における反射光束、または第２面７０２における反射光束は、窓
６０１を経て、恒温槽６の外部へ出る。恒温槽６への入射光束（測定光束）と、恒温槽６
から戻って来た反射光束とのなす角度が所定角度範囲内にあれば、恒温槽６から射出され
た光束はコリメータ部５に入射し、ミラースリット５０１の開口像をミラースリット５０
１上に投影倍率１倍で形成する。ミラースリット５０１のミラー面５０１ａは光軸に対し
て傾けて設置されており、ミラースリット５０１のミラー面５０１ａで反射された光束は
、第２の凹面ミラー９で反射集光され、測定光デテクタ１１へ向かい、該デテクタ１１で
受信される。もし、ミラースリット５０１の開口像がミラースリット５０１の開口に一致
して形成された場合には、ほとんどの光エネルギーは（反射されずに）ミラースリット５
０１を通過し、測定光デテクタ１１には到達しない。
【００２８】
測定光デテクタ１１の受信Ｓ／Ｎ比を高めるために、本実施形態では赤外域の測光でよ
く用いられる交流測光方式を採用する。すなわち、機械式のチョッパ１０２により、赤外
域光源１０１から発する測定光束を所定周波数でチョッピングする。この機械式のチョッ
パ１０２と、測定光デテクタ１１とをロックインアンプ１２によって同期制御することに
よって、測定光束の交流測光を行う。
【００２９】
解析制御部１５は、試料回転ステージ８の回転制御を行うとともに、測定光デテクタ１
１からの出力と、回転角度検出部８ａで検出された試料回転ステージ８の回転角度との関
係に基づき、試料７の屈折率を算出する。また、この算出された屈折率と、恒温槽６の内
部温度との関係に基づき、試料７の屈折率温度係数を算出する。以下にその手順を示す。
【００３０】
まず、屈折率の測定手順について述べる。試料７の第１面７０１が入射する測定光束に
対して直交するように、試料７を恒温槽６内の試料回転ステージ８に載せる。試料回転ス
テージ８を回転させながら、第１面７０１からの反射光を測定光デテクタ１１でモニタリ
ングする。第１面７０１からの反射光束がミラースリット５０１を通過するときが、第１
面７０１が入射光束に対して直交しているときで、そのとき測定光デテクタ１１出力は最
小となる。回転角度検出部８ａでは、このときの試料回転ステージ８の位置を「基準位置
」とし、図４に示すように、試料回転ステージ８の固定カーソル８０１に合致している回
転側目盛り位置を、基準目盛り８０２とする。なお、このとき測定光束は必ずしも測定波
長光である必要はなく、測定Ｓ／Ｎ比を上げるためにモノクロメータ部２から強い強度が
得られる０次回折光を出力し、これを光源としても構わない。
【００３１】
回転角度検出部８ａを介して基準目盛り８０２を読み取った後、モノクロメータ部２か
ら射出される光束の波長が測定波長である状態で試料回転ステージ８を回転させ、試料７
の第２面７０２からの反射光束が測定光デテクタ１１でモニタできるようにする。次いで
、試料回転ステージ８の回転角度を調整し、測定光デテクタ１１の出力が最小となる位置
を探す。測定光デテクタ１１の出力が最小となる位置が最小偏角状態であり、そこを最小
偏角位置とする。そして、最小偏角位置におけるカーソル８０１に合致する目盛りを、最
小偏角目盛り８０３とする。基準目盛り８０２と最小偏角目盛り８０３との間の角度が、
図７に示すように、最小偏角時における測定光束の試料７の第１面７０１への入射角度ｉ
になる。解析制御部１５は、試料７の頂角τと入射角度ｉの実測値を上述の（２）式に代
入し、試料７の測定波長における屈折率ｎを算出する。
【００３２】
続いて、屈折率温度係数の測定手順について述べる。まず、基準温度における試料７の
屈折率を上述のように測定する。次に、恒温槽６の内部の温度を所定温度だけ変化させ、
この状態で安定させる。そして、上述の試料７の屈折率測定を再び行う。変化させる温度
は、これらの測定で得られた屈折率変化量を温度変化量で割った値が、基準温度近傍の試
料７の屈折率の温度について近似的に微分値とみなせる程度に設定する。こうして得られ
た値が、測定波長についての基準温度近傍における試料７の屈折率温度係数となる。
【００３３】
なお、恒温槽６内部の温度を変化させると、恒温槽６の内外空気の屈折率に差異が生じ
る。恒温槽６の窓６０１は前述の通り光軸に対して傾けて設置されているので、窓６０１
の外界側の面における測定光束の屈折角度と、窓６０１の内界側の面における測定光束の
屈折角度とに差異が生じ、窓６０１の通過に際して測定光束に偏角を生ずるが、最小偏角
状態のとき、窓６０１の往復光路は原理的に一致するので、測定値には影響を与えない。
【００３４】
次に、測定光束の波長値の正確な把握方法について述べる。赤外域光源１０１と可視域
輝線光源１０５とからの光束は、共にモノクロメータ部２の入り口スリット２０１を通過
する。平面反射グレーティング２０４の格子定数は、可視域輝線光源１０５として使用し
ているＨｅ−Ｎｅレーザの波長６３２．８２ｎｍ光束が、所定の高次回折で反射されるよ
うに設定する。本実施形態では、平面反射グレーティング２０４の格子定数を０．０１ｍ
ｍとする。以下の表１に、波長６３２．８２ｎｍ高次回折光束と一緒にモノクロメータ部
２の出口スリット２０７から出力される赤外域光源１０１からの測定光束波長を、波長６
３２．８２ｎｍ光束の回折次数を１０まで取ったものを示す。なお、測定光束については
、全て１次回折光の場合である。
【００３５】
（表１）
波長632.82nm光束回折次数 測定光束（nm）
2 1265.64
3 1898.46
4 2531.28
5 3164.10
6 3796.92
7 4429.74
8 5062.56
9 5695.38
10 6328.20
【００３６】
モノクロメータ部２の回転ステージ２０８を回転させながら、出口スリット２０７から
出力される波長６３２．８２ｎｍ光束を、波長較正光デテクタ１４でモニタする。波長６
３２．８２ｎｍ光束は、出口スリット２０７から出力された後、発散しながらモノクロメ
ータ部ダイクロイックミラー３を透過し、リレーレンズ１３で集光され、波長較正光デテ
クタ１４に至る。
【００３７】
波長６３２．８２ｎｍ光束の回折次数は、波長６３２．８２ｎｍ、格子定数０．０１ｍ
ｍ、回転ステージ２０８の０次回折位置からの回転角度、および、平面反射グレーティン
グ２０４に対する光束入射角度と回折角度から求めるが、回転ステージ２０８の回転角度
と回折次数との対応関係を予め求めておけば、いちいち計算する必要はない。また、モノ
クロメータ部２は、全て反射光学素子で構成されているため、波長依存性がない。よって
、測定光束の波長は、光学系の色収差などの影響を受けることなく、波長６３２．８２ｎ
ｍ光束を基準として正確に決まる。
【００３８】
なお、例えば表１において、測定光束である、波長６３２８．２０ｎｍ光束を出力して
いるときは、波長３１６４．１０ｎｍ光束の２次回折光も一緒に出力される。同時に出力
される短波長の高次回折光を除くために、次数選択フィルタターレット１０を測定光デテ
クタ１１の直前に設置する。この場合であれば、波長６３２８．２０ｎｍ光束は透過させ
、波長３１６４．１０ｎｍ光束は阻止する分光特性を持つフィルタを光路中に挿入する。
このように互いに異なる所定の分光特性を有する複数のフィルタをターレットに設置し、
測定波長に応じて適切なフィルタを選択し、光路に挿入することで、不要な高次回折光束
が測定光デテクタ１１へ入射することを阻止することができる。
【００３９】
続いて、波長６３２．８２ｎｍ光束の高次回折位置の中間にある測定光束、例えば表１
の波長範囲ならば、３０００ｎｍ、４０００ｎｍ、５０００ｎｍなどの波長を出力する方
法について述べる。まず、表１の測定光束波長に対応する、モノクロメータ部２の回転ス
テージ２０８の回転角度を、測定前後あるいは中間に実測しておき、これらの値から上記
中間波長に対応する回転ステージ２０８の回転角度をインターポレーションによって算出
する。回転ステージ２０８をそれら算出された回転角度に合わせることで、所望の中間波
長の測定光束を高精度で出力することができる。
【００４０】
モノクロメータ部２の入り口スリット２０１の開口幅、および、出口スリット２０７の
スリット開口幅が、測定光束の波長純度に直接的に影響することは言うまでもない。それ
だけでなく、出口スリット２０７の開口の長手方向寸法も、測定光束の波長純度に影響を
与える。出口スリット２０７から出力される測定光束と、測定光束の波長較正のための波
長６３２．８２ｎｍ光束は、出口スリット２０７の開口全域で重なるように光学系は設定
されているが、出口スリット２０７上にできる入り口スリット２０１の像は、長波長側に
凹となるように湾曲するので（例えば、応用分光学ハンドブック 吉永弘編集 朝倉書房
（１９７３年） Ｐ．４０９を参照）、出口スリット２０７の開口長手方向が長すぎると
、出口スリット２０７の開口中心部と端部では通過波長にずれが生じ、測定光束の波長純
度が低下する。
【００４１】
さらに、従来技術の説明でも述べたように、試料７への入射光束が試料主断面７０４に
対して角度を持つと、最小偏角値が正しい値に対して増大する方向にずれる。出口スリッ
ト２０７が長いほど、この効果が大きくなり、屈折率の測定精度を低下させる。
【００４２】
上述の通り、モノクロメータ部２の出口スリット２０７の開口長手方向寸法は、測定光
束の波長純度と最小偏角値の測定誤差に影響を与えることから、極力短い開口寸法にする
ことが原則となる。一方、入り口スリット２０１および出口スリット２０７の開口幅は大
きいほど、測定光束の光エネルギーを大きくすることが可能になるため、測定光デテクタ
１１の出力のＳ／Ｎ比を見ながら、入り口スリット２０１および出口スリット２０７のス
リット開口幅と、長手方向の長さとを決める。出口スリット２０７の開口長手方向のスリ
ット幅については、ハルトマンプレート２０９の間隔を調整して決定する。本実施形態で
は、出口スリット２０７の開口長手方向の中央部を通過する測定光束を使うので、必要最
小の出口スリット２０７の開口長手方向寸法になる。なお、測定に必要な精度および光強
度が得られることが判っている場合には、入り口スリット２０１および出口スリット２０
７の開口は固定式であってもよい。
【００４３】
以上のように、本実施形態に係る測定装置においては、（１）リトロー法を用いた屈折
率測定装置であることから恒温槽の窓が一つだけで済むので、屈折率および屈折率温度係
数を容易に測定でき、（２）反射ミラー主体で構成された光学系を用いているため、広い
波長帯域で使用可能であり、（３）回転ステージの回転角度を調整して試料への入射光束
の試料主断面に対する傾き成分を最小限に抑えることができるため、誤差が小さく、より
正確な最小偏角値が得られ、（４）特に輝線の少ない赤外域において、測定光束の正確な
波長値が簡便に把握できる。また、（５）恒温槽の窓を入射光束に対して傾けて設けてい
るため、恒温槽の窓で反射した測定光束が測定光デテクタに至ることがなく、ミラースリ
ットのミラー面で反射した恒温槽からの戻り光束と、ミラースリットから抜けて出てくる
測定光束とが重ならない角度で、ミラースリットを光軸に対して傾けて設けているため、
ミラースリットのミラー面で反射した恒温槽からの戻り光束だけが測定光デテクタへ入射
することから、高いＳ／Ｎ比で屈折率および屈折率温度係数を測定することができる。
【００４４】
なお、本実施形態においては、モノクロメータ部２として、ツェルニー・ターナー型を
採用したが、これに限定されものではない。例えば、凹面の回折格子１枚で構成される瀬
谷・波岡型のモノクロメータを採用することも可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 光源部
１０１ 赤外域光源 １０２ チョッパ
１０３ 光源部凹面ミラー
１０４ ダイクロイックミラー（第１のダイクロイックミラー）
１０５ 可視域輝線光源 １０６ 集光光学系
２ モノクロメータ部
２０１ 入り口スリット ２０２ 平面ミラー
２０３ コリメータミラー ２０４ 平面反射グレーティング
２０５ 集光ミラー ２０６ 平面ミラー
２０７ 出口スリット ２０８ 回転ステージ（回転駆動部）
２０９ ハルトマンプレート
３ モノクロメータ部ダイクロイックミラー（第２のダイクロイックミラー）
４ 第１の凹面ミラー
５ コリメータ部
５０１ ミラースリット ５０１ａ ミラー面
５０２ コリメータミラー
５０３ 平面ミラー
６ 恒温槽
６０１ 窓
７ 試料
７０１ 入射面 ７０２ 反射面
７０３ 稜線 ７０４ 試料主断面
８ 試料回転ステージ（回転ステージ）
８ａ 回転角度検出部
８０１ カーソル ８０２ 基準目盛り
８０３ 最小偏角目盛り
９ 第２の凹面ミラー
１０ 次数選択フィルタターレット
１１ 測定光デテクタ
１２ ロックインアンプ
１３ リレーレンズ
１４ 波長較正光デテクタ
１５ 解析制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の単一波長光束を発する光源部と、
正のパワーを持つコリメータミラーと、小さな開口が形成された板状部材の片方の面が
鏡面となっており、前記開口が前記コリメータミラーの焦点位置と一致し、前記鏡面が前
記コリメータミラー側を向き且つ前記コリメータミラーで集光された光束が反射した際に
前記コリメータミラーに戻らないように光軸に対して傾けて設置された開口板とを有して
構成され、前記開口板の前記開口から入射した前記光源部からの光束を前記コリメータミ
ラーで平行光束に変換するコリメータ部と、
前記コリメータ部からの平行光束を透過可能な窓を備え、内部が密閉され且つ温度の可
変制御が可能な恒温槽と、
前記恒温槽内部に設置され、ウェッジプリズム型試料を載置した状態で、前記試料の頂
角を挟んだ第１面と第２面とがなす稜線に平行な回転軸を中心として回転可能な回転ステ
ージと、
前記回転ステージの回転角度を検出する回転角度検出部と、
前記窓を介して前記恒温槽内部に入射し前記試料の前記第１面で反射した後に前記窓を
介して前記恒温槽外部へ射出した前記平行光束か、または、前記窓を介して前記恒温槽内
部に入射し前記第１面から前記試料内部に入射し前記第２面の裏面で反射した後に前記第
１面を経て前記試料外部へ射出し、前記窓を介して前記恒温槽外部へ射出した前記平行光
束が、前記コリメータ部に戻り前記コリメータミラーで集光された後に前記開口板の前記
鏡面で反射された光束を受信する測定光デテクタと、
前記回転ステージの回転制御を行い、前記測定光デテクタからの出力と、前記回転角度
検出部で検出された前記ステージの回転角度との関係に基づき、前記試料の屈折率を算出
する解析制御部とを有することを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記解析制御部は、前記回転ステージの回転制御を行い、前記第１面で反射された前記
平行光束が前記開口を透過し、前記測定光デテクタへ入射する光量が最小になるときの、
前記回転角度検出部で検出された前記回転ステージの回転角度と、前記第２面で裏面反射
された前記平行光束が前記開口を透過し、前記測定光デテクタへ入射する光量が最小にな
るときの、前記回転角度検出部で検出された前記回転ステージの回転角度との関係に基づ
き、前記試料の屈折率を算出することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記光源部は、
赤外域の所定の測定波長帯域において連続スペクトラム光を発する測定光源と、
前記測定光源から発せられた前記連続スペクトラム光の中から前記試料の屈折率測定に
使用する前記所定の単一波長光を取り出すモノクロメータ部とを有することを特徴とする
請求項１または２に記載の測定装置。
【請求項４】
可視域輝線光を発する波長較正用光源と、
前記測定光源からの光束と、前記波長較正用光源からの光束とが同一光路を通るように
重畳する第１のダイクロイックミラーと、
入り口スリット、反射型回折格子、および、出口スリットを有し、その他のすべての光
学素子が反射素子から構成されていて、前記回折格子を回転させ、前記出口スリットから
射出する光束の波長を変化させる回転駆動部とを有する前記モノクロメータ部と、
前記出口スリットから射出した光束から、前記測定光源からの光束と、前記波長較正用
光源からの光束とを分離する第２のダイクロイックミラーと、
前記第２のダイクロイックミラーにより分離された前記波長較正用光源からの光束を受
信する波長較正光デテクタと、
前記出口スリットから射出した光束が所定波長となるように、前記波長較正光デテクタ
の出力結果に基づき、前記回転駆動部の制御を行う回転制御部とを有することを特徴とす
る請求項３に記載の測定装置。
【請求項５】
前記恒温槽は、前記窓で反射した光束が前記測定光デテクタに入射しないように、前記
窓が前記コリメータ部からの前記平行光束に対して傾けて設置されていることを特徴とす
る請求項１〜４のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記解析制御部は、前記試料の屈折率と、前記恒温槽の内部の温度変化量との関係に基
づき、前記試料の屈折率温度係数を算出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一
項に記載の測定装置。
【請求項１】
所定の単一波長光束を発する光源部と、
正のパワーを持つコリメータミラーと、小さな開口が形成された板状部材の片方の面が
鏡面となっており、前記開口が前記コリメータミラーの焦点位置と一致し、前記鏡面が前
記コリメータミラー側を向き且つ前記コリメータミラーで集光された光束が反射した際に
前記コリメータミラーに戻らないように光軸に対して傾けて設置された開口板とを有して
構成され、前記開口板の前記開口から入射した前記光源部からの光束を前記コリメータミ
ラーで平行光束に変換するコリメータ部と、
前記コリメータ部からの平行光束を透過可能な窓を備え、内部が密閉され且つ温度の可
変制御が可能な恒温槽と、
前記恒温槽内部に設置され、ウェッジプリズム型試料を載置した状態で、前記試料の頂
角を挟んだ第１面と第２面とがなす稜線に平行な回転軸を中心として回転可能な回転ステ
ージと、
前記回転ステージの回転角度を検出する回転角度検出部と、
前記窓を介して前記恒温槽内部に入射し前記試料の前記第１面で反射した後に前記窓を
介して前記恒温槽外部へ射出した前記平行光束か、または、前記窓を介して前記恒温槽内
部に入射し前記第１面から前記試料内部に入射し前記第２面の裏面で反射した後に前記第
１面を経て前記試料外部へ射出し、前記窓を介して前記恒温槽外部へ射出した前記平行光
束が、前記コリメータ部に戻り前記コリメータミラーで集光された後に前記開口板の前記
鏡面で反射された光束を受信する測定光デテクタと、
前記回転ステージの回転制御を行い、前記測定光デテクタからの出力と、前記回転角度
検出部で検出された前記ステージの回転角度との関係に基づき、前記試料の屈折率を算出
する解析制御部とを有することを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記解析制御部は、前記回転ステージの回転制御を行い、前記第１面で反射された前記
平行光束が前記開口を透過し、前記測定光デテクタへ入射する光量が最小になるときの、
前記回転角度検出部で検出された前記回転ステージの回転角度と、前記第２面で裏面反射
された前記平行光束が前記開口を透過し、前記測定光デテクタへ入射する光量が最小にな
るときの、前記回転角度検出部で検出された前記回転ステージの回転角度との関係に基づ
き、前記試料の屈折率を算出することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記光源部は、
赤外域の所定の測定波長帯域において連続スペクトラム光を発する測定光源と、
前記測定光源から発せられた前記連続スペクトラム光の中から前記試料の屈折率測定に
使用する前記所定の単一波長光を取り出すモノクロメータ部とを有することを特徴とする
請求項１または２に記載の測定装置。
【請求項４】
可視域輝線光を発する波長較正用光源と、
前記測定光源からの光束と、前記波長較正用光源からの光束とが同一光路を通るように
重畳する第１のダイクロイックミラーと、
入り口スリット、反射型回折格子、および、出口スリットを有し、その他のすべての光
学素子が反射素子から構成されていて、前記回折格子を回転させ、前記出口スリットから
射出する光束の波長を変化させる回転駆動部とを有する前記モノクロメータ部と、
前記出口スリットから射出した光束から、前記測定光源からの光束と、前記波長較正用
光源からの光束とを分離する第２のダイクロイックミラーと、
前記第２のダイクロイックミラーにより分離された前記波長較正用光源からの光束を受
信する波長較正光デテクタと、
前記出口スリットから射出した光束が所定波長となるように、前記波長較正光デテクタ
の出力結果に基づき、前記回転駆動部の制御を行う回転制御部とを有することを特徴とす
る請求項３に記載の測定装置。
【請求項５】
前記恒温槽は、前記窓で反射した光束が前記測定光デテクタに入射しないように、前記
窓が前記コリメータ部からの前記平行光束に対して傾けて設置されていることを特徴とす
る請求項１〜４のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記解析制御部は、前記試料の屈折率と、前記恒温槽の内部の温度変化量との関係に基
づき、前記試料の屈折率温度係数を算出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一
項に記載の測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２４８２５（Ｐ２０１３−２４８２５Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６２８４２（Ｐ２０１１−１６２８４２）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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