JPWO2012036075A1 - 屈折率測定装置、及び屈折率測定方法 - Google Patents

Abstract

固体試料（Ｓ）の屈折率を測定する屈折率測定装置（１）において、所定の屈折率を有するプリズム（３）に対して、所定の屈折率を有する屈折率液（４）を介在させて固体試料（Ｓ）を密着させる。また、光源（２）からの光のうち、プリズム（３）にて反射された第１反射光（Ｒ１）を受光する受光面（６ａ）を有するスケール付アングル（受光部材）（６）を設け、プリズム（３）が回転テーブル（回転駆動部）（５）によって回転駆動されて、検出器（７）にて検出された第２反射光（Ｒ２）の強度が所定値よりも小さくなった場合に、スケール付アングル（６）の受光面（６ａ）での第１反射光（Ｒ１）の位置を用いて、固体試料（Ｓ）の屈折率を測定する。

Description

本発明は、材料、特に光学部材などの固体試料の屈折率を測定する屈折率測定装置、及び屈折率測定方法に関する。

近年、例えば液晶表示装置は、在来のブラウン管に比べて薄型、軽量などの特長を有するフラットパネルディスプレイとして、液晶テレビ、モニター、携帯電話などに幅広く利用されている。このような液晶表示装置には、光を発光する照明装置（バックライト）と、照明装置に設けられた光源からの光に対しシャッターの役割を果たすことで所望画像を表示する液晶パネルとが含まれている。

また、上記のような照明装置では、その光源の光利用効率を向上させたり、面状の照明光を液晶パネルに照射したり、その照明光の輝度を高めたりするために、プリズムシートなどの光学シートや導光板などの光学部材が用いられている。

また、上記のような光学部材では、その光学特性を評価する上で、屈折率を把握することはとても重要なことである。すなわち、光学部材の屈折率を正確に把握すればするほど、例えば上記照明装置に当該光学部材を使用する場合において、所望の光学（発光）特性を有する照明装置を容易に構成することが可能となるからである。

従来の屈折率測定方法には、例えば下記特許文献１に記載されているように、プリズムを使用した全反射法によって、被検体（固体試料）の屈折率を測定することが提案されている。具体的にいえば、この従来の屈折率測定方法では、プリズムの反射面に被検体を接触させた状態と反射面に空気のみが接触している状態とのそれぞれについて、反射面に投光した光の入射角・反射光強度関係を求める。そして、この従来の屈折率測定方法では、反射面に被検体を接触させた状態での入射角・反射光強度関係を、反射面に空気のみが接触している状態での入射角・反射光強度関係で規格化し、その規格化した入射角・反射光強度関係に基づいて、被検体の屈折率を測定していた。

特開２００９−１６２５６１号公報

しかしながら、上記のような従来の屈折率測定方法では、被検体（固体試料）の屈折率の測定精度の向上を図るのが難しいという問題点があった。

具体的には、上記従来の屈折率測定方法では、プリズムの反射面に投光する光の入射角を漸次変えられるように、当該光を投光する投光光学系がプリズムの反射面の中心部を回転中心として回動可能に構成されていた。そして、この従来の屈折率測定方法では、投光光学系を回動することにより、プリズムの反射面への光の入射角を変化させて、上記２つの状態の各々における、光の入射角・反射光強度関係を求めて、被検体の屈折率を得ていた。

ところが、この従来の屈折率測定方法では、上記のように、投光光学系を回動することによってプリズムの反射面への光の入射角を変化させていた。すなわち、この従来の屈折率測定方法では、被検体の屈折率の測定精度は、回動角度に依存しており、その１°の違いが大きな屈折率の違いとなった。この結果、この従来の屈折率測定方法では、上記回動角度を高精度に制御するには限界がある点とも相まって、被検体（固体試料）の屈折率の測定精度の向上を図るのが困難なものであった。

上記の課題を鑑み、本発明は、固体試料の屈折率の測定精度を向上させることができる屈折率測定装置、及び屈折率測定方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明にかかる屈折率測定装置は、固体試料の屈折率を測定する屈折率測定装置であって、
光源と、
所定の屈折率を有するとともに、前記光源からの光を入射する第１面及び前記固体試料に対して、前記第１面を通過した光を出射する第２面を備えたプリズムと、
前記プリズムを回転駆動する回転駆動部と、
所定の屈折率を有するとともに、前記プリズムの前記第２面に対し、前記固体試料を密着させる屈折率液と、
前記光源からの光のうち、前記プリズムの前記第１面にて反射された第１反射光を受光する受光面を有する受光部材と、
前記プリズムの前記第２面からの光のうち、前記固体試料の前記屈折率液側の表面にて反射された第２反射光を受光して、その受光した第２反射光の強度を検出する検出器を備え、
前記プリズムが前記回転駆動部によって回転駆動されて、前記検出器にて検出された第２反射光の強度が所定値よりも小さくなった場合に、前記受光部材の前記受光面での第１反射光の位置を用いて、前記固体試料の屈折率を測定することを特徴とするものである。

上記のように構成された屈折率測定装置では、プリズムが回転駆動部によって回転駆動されて、検出器にて検出された第２反射光の強度が所定値よりも小さくなった場合に、受光部材の受光面での第１反射光の位置を用いて、固体試料の屈折率を測定している。これにより、上記従来例と異なり、プリズムに対し、受光部材の受光面の位置を遠方に遠ざけることによって、固体試料の屈折率の測定精度を向上させることができる。

すなわち、上記屈折率測定装置では、第２反射光の強度が所定値よりも小さくなったことを判別することにより、固体試料への光の入射角が臨界角となったと判断することができる。また、固体試料への光の入射角が臨界角となった時点での光源から上記第１面への光の入射角は、受光部材の受光面での第１反射光の位置から求めることができ、この第１面への光の入射角を用いることで、固体試料の屈折率を得ることができる。また、このとき、受光部材の受光面での第１反射光の位置は、プリズムの回転角に依存し、プリズムに対する受光部材の受光面の位置を遠方に遠ざけることによって、当該プリズムの回転角の差による受光部材の受光面での第１反射光の位置の差は大きく増幅される。従って、上記第１反射光の位置から第１面への光の入射角を計算することで、プリズムの回転角の調整では得ることができないような精度で第１面への光の入射角を求めることができる。この結果、非常に精度良く固体試料の屈折率を求めることが可能となる。

また、上記屈折率測定装置において、前記光源と前記プリズムは、第１反射光が前記プリズムの前記第１面での当該プリズムの回転中心にて前記受光部材の前記受光面側に反射されるように、設けられ、
前記回転中心の位置とこの回転中心の位置から前記受光部材の前記受光面に対して、垂線を下ろした先の当該受光面での直交位置との間の距離、及び前記受光面の前記直交位置と前記受光部材の前記受光面での第１反射光の位置との間の距離を用いて、前記固体試料の屈折率を測定することが好ましい。

この場合、固体試料の屈折率を容易に求めることができる。

また、上記屈折率測定装置において、前記受光部材の前記受光面には、前記固体試料の屈折率が基準の屈折率である場合での第１反射光の基準位置、及び所定の間隔毎に設けられるとともに、前記基準位置に対するずれ位置を示す目盛りが設置されていることが好ましい。

この場合、固体試料の屈折率をさらに容易に求めることができる。

また、上記屈折率測定装置において、前記受光部材の前記受光面では、前記固体試料での許容される範囲内の屈折率に対応した目盛りが設けられていることが好ましい。

この場合、固体試料での屈折率についての合否判定を即座に行うことができ、固体試料の検査工程の簡略化を図ることができる。

また、上記屈折率測定装置において、前記プリズムとして、正三角柱のプリズムが用いられていることが好ましい。

この場合、他の形状のプリズムを用いる場合に比べて、固体試料の屈折率を容易に求めることができる。

また、本発明にかかる屈折率測定方法は、固体試料の屈折率を測定する屈折率測定方法であって、
所定の屈折率を有するとともに、光源からの光が入射される第１面を備えたプリズムにおいて、前記第１面を通過した光を出射する第２面に対して、所定の屈折率を有する屈折率液を介在させて前記固体試料を密着させる固体試料取付工程と、
前記光源からの光を前記プリズムの前記第１面に入射させて、当該第１面にて反射された第１反射光を受光部材の受光面で受光するとともに、前記プリズムの前記第２面からの光のうち、前記固体試料の前記屈折率液側の表面にて反射された第２反射光を検出器で受光する光入射工程と、
前記固体試料を取り付けた状態で、前記プリズムを回転させるとともに、前記検出器で検出した第２反射光の強度が所定値よりも小さくなるか否かについて判別し、前記所定値よりも小さくなったことを判別した場合に、前記受光部材の前記受光面での第１反射光の位置を用いて、前記固体試料の屈折率を検出する屈折率検出工程とを備えていることを特徴とするものである。

上記のように構成された屈折率測定方法では、上記固体試料取付工程及び光入射工程の後に、固体試料を取り付けた状態で、プリズムを回転させるとともに、検出器で検出した第２反射光の強度が所定値よりも小さくなるか否かについて判別し、所定値よりも小さくなったことを判別した場合に、受光部材の受光面での第１反射光の位置を用いて、固体試料の屈折率を検出する屈折率検出工程を実施している。従って、屈折率検出工程を行う際に、プリズムに対し、受光部材の受光面の位置を遠方に遠ざけることによって、固体試料の屈折率の測定精度を向上させることができる。

また、上記屈折率測定方法では、前記光入射工程において、第１反射光が前記プリズムの前記第１面での当該プリズムの回転中心にて前記受光部材の前記受光面側に反射されるように、前記光源からの光を前記プリズムの前記第１面に入射させ、
前記屈折率検出工程において、前記回転中心の位置とこの回転中心の位置から前記受光部材の前記受光面に対して、垂線を下ろした先の当該受光面での直交位置との間の距離、及び前記受光面の前記直交位置と前記受光部材の前記受光面での第１反射光の位置との間の距離を用いて、前記固体試料の屈折率を測定することが好ましい。

この場合、固体試料の屈折率を容易に求めることができる。

また、上記屈折率測定方法では、前記屈折率検出工程において、前記受光部材の前記受光面に設置された目盛りを用いて、前記固体試料の屈折率を測定することが好ましい。

この場合、固体試料の屈折率をさらに容易に求めることができる。

また、上記屈折率測定方法では、前記屈折率検出工程において、前記固体試料での許容される範囲内の屈折率に対応した目盛りを用いて、前記固体試料の屈折率を測定することが好ましい。

この場合、固体試料での屈折率についての合否判定を即座に行うことができ、固体試料の検査工程の簡略化を図ることができる。

本発明によれば、固体試料の屈折率の測定精度を向上させることができる屈折率測定装置、及び屈折率測定方法を提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる屈折率測定装置の全体構成を説明する図である。 図２は、上記屈折率測定装置での屈折率の計算方法の具体例を説明する図である。 図３は、固体試料が単層である場合における、上記屈折率測定装置での具体的な屈折率の計算方法を説明する図である。 図４は、上記屈折率測定装置での屈折率の計算方法の別の具体例を説明する図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、積層体からなる固体試料を説明する図である。 図６は、固体試料が積層体である場合における、上記屈折率測定装置での具体的な屈折率の計算方法を説明する図である。 図７は、本発明の第２の実施形態にかかる屈折率測定装置の全体構成を説明する図である。 図８は、図７に示したスケールの構成を示す平面図である。 図９は、本発明の第３の実施形態にかかる屈折率測定装置の全体構成を説明する図である。 図１０は、本発明の第４の実施形態にかかる屈折率測定装置の全体構成を説明する図である。 図１１は、図１０に示したスケールの構成を示す平面図である。

以下、本発明の屈折率測定装置、及び屈折率測定方法を示す好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図中の構成部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各構成部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる屈折率測定装置の全体構成を説明する図である。図において、本実施形態の屈折率測定装置１には、光源２と、所定の屈折率を有するとともに、屈折率が測定される被測定物としての固体試料Ｓが屈折率液４を介在させて取り付けられるプリズム３とが設けられている。また、本実施形態の屈折率測定装置１は、プリズム３が載置されるとともに、当該プリズム３を回転駆動させる回転駆動部としての回転テーブル５と、後述の第１反射光Ｒ１及び第２反射光Ｒ２をそれぞれ受光するスケール６及び検出器７を備えている。

光源２は、所定位置に固定されており、プリズム３の第１面３ａに入射光Ｌ１を入射させるように構成されている。また、この光源２には、入射光Ｌ１として平行光、好ましくは面積の小さい平行光を発光するものが用いられている。具体的にいえば、光源２として、例えばレーザ光を発光するレーザ光源、または管球（ランプ）、レンズ、及びアパーチャを組み合わせたものが用いられている。

また、本実施形態では、光源２とプリズム３は、プリズム３の第１面３ａにおいて、そのプリズム３の回転中心Ｏ（つまり、回転テーブル５の回転軸）に対し、入射光Ｌ１が照射されるように、設けられている。さらに、光源２は、プリズム３との間の距離が極力小さい寸法となるように設置されている。これにより、プリズム３が回転駆動されたときでも、第１面３ａでの入射光Ｌ１の照射点が上記回転中心Ｏからずれるのを極力防ぐことができるからである。

プリズム３には、所定の屈折率、例えば１．７７９を有するガラス材などが用いられている。また、プリズム３として、例えば正三角柱のものが用いられており、プリズム３は、光源２からの光Ｌ１を入射する上記第１面３ａと、屈折率液４によって固体試料Ｓが取り付けられるとともに、固体試料Ｓに対して、第１面３ａを通過した光Ｌ２を出射する第２面３ｂを備えている。

さらに、プリズム３は、回転テーブル５に固定されており、固体試料Ｓを取り付けた状態で、回転テーブル５により回転可能に構成されている。また、回転テーブル５には、ハンドル（図示せず）またはモータ（図示せず）などが取り付けられており、プリズム３を図の両矢印Ｒ方向に回動駆動させるようになっている。

屈折率液４には、所定の屈折率を有するものが使用されており、空気層を介在させない状態で、固体試料Ｓをプリズム３の第２面３ｂに対し密着させるようになっている。また、このように屈折率液４を介在させて固体試料Ｓを第２面３ｂに密着させているので、固体試料Ｓのプリズム３（屈折率液４）側の表面がフラットでない場合、つまり凸凹などの形状を有する場合でも、当該固体試料Ｓの屈折率の測定において、上記形状による悪影響を小さくして、屈折率を精度よく測定することができる。

スケール６は、光源２からの光のうち、プリズム３の第１面３ａにて反射された上記第１反射光Ｒ１を受光する受光面６ａを有する受光部材を構成している。また、本実施形態では、光源２とスケール６は、受光面６ａが光源２からプリズム３への入射光Ｌ１に対し平行となるように設けられている。また、スケール６では、例えば平面状に構成された受光面６ａが用いられている。さらに、この受光面６ａでは、第１反射光Ｒ１の（受光）位置Ａと、プリズム３の回転中心Ｏの位置から受光面６ａに対して、垂線を下ろした先の当該受光面６ａでの直交位置Ｂとの間の距離が求められるようになっている。すなわち、受光面６ａでは、上記直交位置Ｂを基準点として、入射光Ｌ１と平行な方向（図の上下方向）に上記基準点からの距離を示す目盛りが設けられており、位置Ａと直交位置Ｂとの間の距離を判別できるようになっている。

そして、本実施形態の屈折率測定装置１では、後に詳述するように、回転中心Ｏの位置と直交位置Ｂとの間の距離、及び第１反射光Ｒ１の位置Ａと直交位置Ｂとの間の距離を用いて、固体試料Ｓの屈折率を求めるようになっている。また、本実施形態の屈折率測定装置１では、回転中心Ｏの位置と直交位置Ｂとの間の距離を変えることによって、固体試料Ｓの屈折率の測定精度を変更できるようになっている（詳細は後述。）。

検出器７は、プリズム３の第２面３ｂからの光のうち、固体試料Ｓの屈折率液４側の表面Ｓａにて反射された上記第２反射光Ｒ２を受光して、その受光した第２反射光Ｒ２の強度を検出するように構成されている。この検出器７には、例えばパワーメータあるいは照度計などの第２反射光Ｒ２の強度を検出可能なものが用いられている。尚、検出器７において、光源２から出射される光が単波長でない場合には、分光器が付随されていることが好ましい。

また、上記の説明以外に、例えば固体試料Ｓの表面Ｓａと検出器７との間にミラーを設置して、第２反射光Ｒ２が当該ミラーを介して検出器７に入射される構成でもよい。また、入射光Ｌ１の光路上や第１反射光Ｒ１の光路上にミラーを設置することもできる。

以上のように構成された本実施形態の屈折率測定装置１では、下記の固体試料取付工程、光入射工程、及び屈折率検出工程を順次実施することにより、固体試料Ｓの屈折率を測定するようになっている。また、本実施形態の屈折率測定装置１では、後に詳述するように、１つの材料で一定の屈折率を有する単層からなる固体試料Ｓだけでなく、屈折率が互いに異なる複数の材料が積層された積層体からなる固体試料での複数の材料の各屈折率も測定可能になっている。

具体的にいえば、固体試料取付工程では、所定の屈折率を有するとともに、光源２からの光が入射される第１面３ａを備えたプリズム３において、第１面３ａを通過した光を出射する第２面３ｂに対して、所定の屈折率を有する屈折率液４を介在させて固体試料Ｓを密着させることが行われる。

次に、光入射工程では、光源２からの入射光Ｌ１をプリズム３の第１面３ａに入射させて、当該第１面３ａにて反射された第１反射光Ｒ１をスケール（受光部材）６の受光面６ａで受光することが行われる。また、この際、第１反射光Ｒ１がプリズム３の第１面３ａでの当該プリズム３の回転中心Ｏにてスケール６の受光面６ａ側に反射されるように、すなわちプリズム３の回転中心Ｏの位置が光照射(入射)点となるように、光源２からの光はプリズム３の第１面３ａに入射される。そして、光源２からの入射光Ｌ１は、第１反射光Ｒ１と、プリズム３に入射して、その内部を進行し、第２面３ｂから屈折率液４（固体試料Ｓ）側に出射される光Ｌ２に分けられる。

また、この光入射工程では、プリズム３の第２面３ｂからの光のうち、固体試料Ｓの屈折率液４側の表面Ｓａ（すなわち、プリズム３と屈折率液４の界面）にて反射された第２反射光Ｒ２を検出器７で受光することが行われる。すなわち、この光入射工程では、プリズム３の内部を通過した上記光Ｌ２は、固体試料Ｓが屈折率液４で貼り付けられた表面Ｓａへと入射する。このとき、表面Ｓａへの入射角が充分大きい場合は全ての光が上記第２反射光Ｒ２として反射され(全反射)、一定よりも小さい場合は一部の光が上記第２反射光Ｒ２として反射され、一部の光が固体試料Ｓの内部へと伝播することとなる。また、第２反射光Ｒ２は、その後、プリズム３から出射され、検出器７へと入射する。

また、上記表面Ｓａにおいて、光Ｌ２が全反射するか、一部固体試料Ｓの内部へと伝播するかは、固体試料Ｓへの入射角が臨界角を超えているかに依存する。すなわち、同じ屈折率のプリズム３を用いた場合、固体試料Ｓの屈折率と上記第１面３ａへの入射角に依存する。従って、屈折率検出工程において、固体試料Ｓの貼り付いたプリズム３を回転させ、第２反射光Ｒ２の強度が所定値よりも小さくなる、第１面３ａへの入射角を求めれば、スネルの法則を用いて、固体試料Ｓの屈折率を算出することができる。

つまり、屈折率検出工程では、回転テーブル５により、固体試料Ｓを取り付けた状態で、プリズム３を回転させる。そして、検出器７で検出した第２反射光Ｒ２の強度が所定値よりも小さくなるか否かについて判別し、所定値よりも小さくなったことを判別した場合に、スケール６の受光面６ａでの第１反射光Ｒ１の位置Ａを用いて、固体試料Ｓの屈折率を検出する。

具体的には、プリズム３を回転させながら検出器７にて第２反射光Ｒ２の強度を検出し、強度が急激に変動するポイント（急激に減少するポイント）を探し出す。このポイントでは、全反射条件が崩壊しているので、第２反射光Ｒ２の強度は、例えば７０００ルクスから１５００ルクス程度に減少する。尚、この場合、上記所定値として、例えば４０００ルクスを設定することにより、全反射条件が崩壊したポイントを確実に判別することができる。また、この第２反射光Ｒ２の強度が所定値よりも小さくなったことを判別した時点において、第１反射光Ｒ１の位置Ａから固体試料Ｓへの入射角を算出すると、その算出した入射角の角度が臨界角である。この臨界角は、固体試料Ｓの上記表面Ｓａ前後の材質の屈折率によって決まるため、屈折率液４の屈折率が既知であれば、固体試料Ｓの屈折率を求めることができる。

また、本実施形態の屈折率検出工程では、回転中心Ｏの位置とこの回転中心Ｏの位置からスケール６の受光面６ａに対して、垂線を下ろした先の当該受光面６ａでの直交位置Ｂとの間の距離、及び受光面６ａの直交位置Ｂとスケール６の受光面６ａでの第１反射光Ｒ１の位置Ａとの間の距離を用いて、固体試料Ｓの屈折率を測定するようになっている。つまり、この屈折率検出工程では、図１に示す直角三角形ＯＡＢを利用して、上記臨界角を求めて、固体試料Ｓの屈折率を検出するようになっている。

また、上記直角三角形ＯＡＢにおいて、回転中心Ｏの位置と直交位置Ｂとの間の距離が離れている程、プリズム３の単位回転角当たりの第１反射光Ｒ１の位置Ａの移動距離が増大する。従って、本実施形態では、回転中心Ｏの位置と直交位置Ｂとの間の距離が離れている程、スケール６の受光面６ａ上の単位寸法当たりのプリズム３の回転角は減少することとなり、受光面６ａ上の単位寸法当たりの固体試料Ｓの屈折率計算値の変動もまた減少する。つまり、本実施形態では、回転中心Ｏの位置と直交位置Ｂとの間の距離を離すほど、固体試料Ｓの屈折率を高精度に求めることができる。

ここで、図２乃至図６も参照して、本実施形態の屈折率測定装置１での屈折率の計算方法について、より具体的に説明する。

図２は、上記屈折率測定装置での屈折率の計算方法の具体例を説明する図である。図３は、固体試料が単層である場合における、上記屈折率測定装置での具体的な屈折率の計算方法を説明する図である。図４は、上記屈折率測定装置での屈折率の計算方法の別の具体例を説明する図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、積層体からなる固体試料を説明する図である。図６は、固体試料が積層体である場合における、上記屈折率測定装置での具体的な屈折率の計算方法を説明する図である。

まず単層からなる固体試料Ｓの屈折率を求める場合について、図２乃至図４を用いて具体的に説明する。

図２において、第２反射光Ｒ２の強度が所定値よりも小さくなったことを判別した場合、回転中心Ｏの位置と直交位置Ｂとの間の距離Ｌは、既知の値である。また、直交位置Ｂと受光面６ａでの第１反射光Ｒ１の位置Ａとの間の距離Ｘは、当該受光面６ａに設けられた目盛りから読み取ることができる。それ故、角度θは、次の（１）式より求めることができる。

θ＝arctan（Ｘ／Ｌ） ―――（１）
また、プリズム３への光源２からの入射光Ｌ１の入射角θｐは、次の（２）式より求めることができる。

θｐ＝π／４−（１／２）arctan（Ｘ／Ｌ） ―――（２）
さらに、図３を参照して、プリズム３の内部への光の屈折角θ１から固体試料Ｓへの光の入射角θ２を求める。すなわち、図３に示すように、入射光Ｌ１は、ａ点（つまり、回転中心Ｏの位置）でプリズム３の内部を進む光Ｌ２となる。そして、この光Ｌ２は、ｂ点でプリズム３から屈折率液４の内部に進み、さらにプリズム３と屈折率液４の界面上のｃ点でプリズム３側に第２反射光Ｒ２として反射される。

ここで、プリズム３の屈折率をｎ１とすると、空気の屈折率は１．０であるため、ａ点にてスネルの法則を用いたとき、次の（３）式が成立する。

ｎ１sinθ１＝sinθｐ ―――（３）
また、屈折率液４の屈折率をｎ２とすると、ｂ点にてスネルの法則を用いたとき、次の（４）式が成立する。

ｎ２sinθ２＝ｎ１sin（π／３−θ１） ―――（４）
従って、プリズム３の屈折率ｎ１と屈折率液４の屈折率ｎ２が既知であれば、固体試料Ｓへの光の入射角θ２は距離Ｘの値より計算可能である。また、図２及び図３に示す状態では、固体試料Ｓへの光の入射角θ２が臨界角θｃとなっており、この臨界角θｃは、固体試料Ｓの屈折率をｎとしたときに、次の（５）式で表すことができる。

θｃ＝arcsin（ｎ／ｎ２） ―――（５）
さらに、図２及び図３に示す状態、すなわち第２反射光Ｒ２の強度が所定値よりも小さくなったことを判別した場合では、θｃ＝θ２なので、距離Ｘの値から固体試料Ｓの屈折率ｎを求めることができる。

より具体的にいえば、プリズム３の屈折率ｎ１＝１．７７９、屈折率液４の屈折率ｎ２＝１．５６０、上記距離Ｌ＝３００ｍｍとした場合に、距離Ｘ＝２７６ｍｍであった場合に、上記（２）式〜（４）式より、θｐ＝０．４１３５rad、θ１＝０．２２７８rad、θ２＝０．９８５０radと求めることができ、さらに（５）式を用いて、ｎ＝１．３００と算出することができる。

なお、固体試料Ｓによっては、その固体試料Ｓへの光の入射角θ２が上記臨界角θｃである場合に、図４に示すように、第１反射光Ｒ１の受光面６ａでの位置Ａ’が直交位置Ｂよりも図の下側となることがある。この場合、プリズム３への入射光Ｌ１の入射角θｐは、上記（２）式に代えて、下記の（６）式を用いて算出すればよい。その他の計算には、上記（３）式〜（５）式を用いればよい。

θｐ＝π／４＋（１／２）arctan（Ｘ／Ｌ） ―――（６）
屈折率液４の屈折率ｎ２が、固体試料Ｓの屈折率ｎよりも小さい場合、この屈折率ｎよりも小さい屈折率液４の屈折率ｎ２が検出される角度にて全反射条件が崩れて、固体試料Ｓの屈折率ｎとして、この屈折率ｎよりも小さい屈折率液４の屈折率ｎ２が検出される。この屈折率液４の屈折率ｎ２は既知であるため、このような場合には、屈折率液４を、固体試料Ｓの屈折率ｎよりも大きい屈折率を有するものに変更することにより、当該固体試料Ｓの正確な屈折率ｎを検出することができる。

次に、図５及び図６を用いて、積層体からなる固体試料Ｓ’の屈折率を求める場合について、具体的に説明する。

図５（ａ）に示すように、固体試料Ｓ’は、屈折率が互いに異なる３つの層Ｓ’１、Ｓ’２、Ｓ’３から構成されている。また、以下の説明では、層Ｓ’１の屈折率が既知であり、中間の層Ｓ’２の屈折率を求める場合を例示して説明する。この場合、図６に示すように、固体試料Ｓ’は、層Ｓ’１が屈折率液４を介在させてプリズム３の第２面３ｂに密着するように取り付けられる。

図６において、第２反射光Ｒ２の強度が所定値よりも小さくなったことを判別した場合、回転中心Ｏの位置と直交位置Ｂとの間の距離Ｌは、既知の値である。また、直交位置Ｂと受光面６ａでの第１反射光Ｒ１の位置Ａとの間の距離Ｘは、当該受光面６ａに設けられた目盛りから読み取ることができる。

また、プリズム３への光源２からの入射光Ｌ１の入射角θｐは、単層からなる固体試料Ｓの場合と同様に、上記（２）式より求めることができる。さらに、単層からなる固体試料Ｓの場合と同様に、ａ点及びｂ点でのスネルの法則を用いた上記（３）式及び（４）式より、固体試料Ｓ’の屈折率液４側の表面Ｓ’１ａ（すなわち、層Ｓ’１と屈折率液４との界面）上のｃ点での当該固体試料Ｓ’への光の入射角θ２を求めることができる。

次に、層Ｓ’１の屈折率をｎ３とし、測定対象である、中間の層Ｓ’２の屈折率をｎとし、第２反射光Ｒ２が生じる、屈折率液４側の表面Ｓ’２ａ（すなわち、層Ｓ’１と層Ｓ’２との界面）上のｄ点での中間の層Ｓ’２への光の入射角θ３とした場合、上記ｃ点にてスネルの法則を用いたとき、次の（７）式が成立する。

ｎ２sinθ２＝ｎ３sinθ３ ―――（７）
従って、プリズム３の屈折率ｎ１、屈折率液４の屈折率ｎ２、及び層Ｓ’１の屈折率ｎ３が既知であれば、中間の層Ｓ’２への光の入射角θ３は距離Ｘの値より計算可能である。また、図６に示す状態では、中間の層Ｓ’２への光の入射角θ３が臨界角θｃとなっており、この臨界角θｃは、中間の層Ｓ’２の屈折率をｎとしたときに、次の（８）式で表すことができる。

θｃ＝arcsin（ｎ／ｎ３） ―――（８）
さらに、図６に示す状態、すなわち第２反射光Ｒ２の強度が所定値よりも小さくなったことを判別した場合では、θｃ＝θ３なので、距離Ｘの値から中間の層Ｓ’２の屈折率ｎを求めることができる。

より具体的にいえば、プリズム３の屈折率ｎ１＝１．７７９、屈折率液４の屈折率ｎ２＝１．５６０、層Ｓ’１の屈折率ｎ３＝１．５８５、上記距離Ｌ＝３００ｍｍとした場合に、距離Ｘ＝２７６ｍｍであった場合に、上記（２）式〜（４）式、及び（７）式より、θｐ＝０．４１３５rad、θ１＝０．２２７８rad、θ２＝０．９８５０rad、θ３＝０．９６１７radと求めることができ、さらに（８）式を用いて、ｎ＝１．３００と算出することができる。

プリズム３の屈折率ｎ１、屈折率液４の屈折率ｎ２、または層Ｓ’１の屈折率ｎ３が、中間の層Ｓ’２の屈折率ｎよりも小さい場合、この屈折率ｎよりも小さいプリズム３の屈折率ｎ１、屈折率液４の屈折率ｎ２、または層Ｓ’１の屈折率ｎ３が検出される角度にて全反射条件が崩れて、中間の層Ｓ’２の屈折率ｎとして、この屈折率ｎよりも小さいプリズム３の屈折率ｎ１、屈折率液４の屈折率ｎ２または層Ｓ’１の屈折率ｎ３が検出される。これらのプリズム３の屈折率ｎ１、屈折率液４の屈折率ｎ２、または層Ｓ’１の屈折率ｎ３は既知であるため、このような場合には、プリズム３、屈折率液４、または層Ｓ’１を、中間の層Ｓ’２の屈折率ｎよりも大きい屈折率を有するものに変更することにより、当該中間の層Ｓ’２の正確な屈折率ｎを検出することができる。

また、層Ｓ’３の屈折率を測定する場合では、上記ｄ点にてスネルの法則を適用し、層Ｓ’３の光の入射角を算出することにより、当該層Ｓ’３の屈折率を求めることができる。または、層Ｓ’３を屈折率液４を介在させてプリズム３の第２面３ｂに密着させて、当該層Ｓ’３の屈折率を測定してもよい。

また、図５（ｂ）に示すように、固体試料Ｓ”が、３つの層Ｓ”１、Ｓ”２、Ｓ”３を有するとともに、微少な突起部Ｓ”１ａが層Ｓ”１に形成されている場合、当該層Ｓ”１の屈折率と同じ屈折率を有する屈折率液４を用いることにより、中間の層Ｓ”の屈折率を精度よく求めることができる。

さらに、本実施形態の屈折率測定装置１において、距離Ｌの値をより正確に求めるために、キャリブレーションを行うことが望ましい。すなわち、プリズム３の第２面３ｂに対して、屈折率が既知である屈折率液４だけを密着させる、あるいは屈折率液４を密着させずに、空気だけに当接した状態で、測定を行うことにより、距離Ｌの値をより正確に求めることができ、スケール６などの屈折率測定装置１の各部の位置を適切なものとすることができる。

以上のように構成された本実施形態の屈折率測定装置１では、プリズム３が回転テーブル（回転駆動部）５によって回転駆動されて、検出器７にて検出された第２反射光Ｒ２の強度が所定値よりも小さくなった場合に、スケール（受光部材）６の受光面６ａでの第１反射光Ｒ１の位置Ａを用いて、固体試料Ｓの屈折率を測定している。これにより、上記従来例と異なり、プリズム３に対し、スケール６の受光面６ａの位置を遠方に遠ざけることによって、固体試料Ｓの屈折率の測定精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、光源２とプリズム３は、第１反射光Ｒ１がプリズム３の第１面３ａでの当該プリズム３の回転中心Ｏにてスケールの受光面６ａ側に反射されるように、設けられている。また、本実施形態では、回転中心Ｏの位置とこの回転中心Ｏの位置からスケール６の受光面６ａに対して、垂線を下ろした先の当該受光面６ａでの直交位置Ｂとの間の距離Ｌ、及び受光面６ａの直交位置Ｂとスケール６の受光面６ａでの第１反射光Ｒ１の位置Ａとの間の距離Ｘを用いて、固体試料Ｓの屈折率を測定している。これにより、固体試料Ｓの屈折率を容易に求めることができる。

［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態にかかる屈折率測定装置の全体構成を説明する図である。図８は、図７に示したスケールの構成を示す平面図である。図において、本実施形態と上記第１の実施形態との主な相違点は、固体試料の屈折率が基準の屈折率である場合での第１反射光の基準位置、及び所定の間隔毎に設けられるとともに、基準位置に対するずれ位置を示す目盛りが設置された受光面を有するスケール（受光部材）を用いた点である。なお、上記第１の実施形態と共通する要素については、同じ符号を付して、その重複した説明を省略する。

すなわち、図７に例示するように、本実施形態の屈折率測定装置１では、光源２からのプリズム３への入射光Ｌ１は、プリズム３の回転中心Ｏにて第１反射光Ｒ１として反射されて、スケール（受光部材）１６の受光面１６ａで受光されている。また、プリズム３の回転中心Ｏで当該プリズム３の内部に進んだ光Ｌ２は、固体試料Ｓの屈折率液４側の表面Ｓａで第２反射光Ｒ２として反射されて、検出器７に受光されている。

図８に示すように、スケール１６の受光面１６ａには、固体試料Ｓの屈折率が基準の屈折率である場合での第１反射光Ｒ１の基準位置Ｓｔ、及び所定の間隔毎に設けられるとともに、基準位置Ｓｔに対するずれ位置を示す目盛りが設置されている。この目盛りは、屈折率が既知である物質での屈折率の測定を行い、その測定結果を上記基準位置Ｓｔとして定めたものである。

具体的には、プリズム３の第２面３ｂに対して、屈折率が既知である屈折率液４だけを密着させる、あるいは屈折率液４を密着させずに、空気だけに当接した状態で、第１反射光Ｒ１の（受光）位置Ａを、上記基準位置Ｓｔとして受光面１６ａ上に設定し、例えば屈折率０．００１刻みで受光面１６ａ上の位置を求めて、図８に示すように、目盛りを設置したものである。

そして、本実施形態では、例えば目盛りの各位置と屈折率の値との相関表を予め作成しておき、上記屈折率検出工程の際に、スケール１６の受光面１６ａに設置された目盛りを読み取り、上記相関表を参照することにより、固体試料Ｓの屈折率を測定する。すなわち、基準位置Ｓｔに対するずれ位置を求めて、相関表を参照することにより、固体試料Ｓの屈折率が求められる。

以上の構成により、本実施形態では、上記第１の実施形態と同様な作用・効果を奏することができる。また、本実施形態のスケール（受光部材）１６の受光面６ａには、固体試料Ｓの屈折率が基準の屈折率である場合での第１反射光Ｒ１の基準位置Ｓｔ、及び所定の間隔毎に設けられるとともに、基準位置Ｓｔに対するずれ位置を示す目盛りが設置されている。これにより、本実施形態では、固体試料Ｓの屈折率をさらに容易に求めることができる。

［第３の実施形態］
図９は、本発明の第３の実施形態にかかる屈折率測定装置の全体構成を説明する図である。図において、本実施形態と上記第２の実施形態との主な相違点は、受光面が光源からプリズムへの入射光に対し直交するように、光源とスケール（受光部材）を設けた点である。なお、上記第２の実施形態と共通する要素については、同じ符号を付して、その重複した説明を省略する。

すなわち、図９に示すように、本実施形態の屈折率測定装置１では、受光面２６ａが光源２からプリズム３への入射光Ｌ１に対し直交するように、光源２とスケール（受光部材）２６が設けられている。そして、本実施形態の屈折率測定装置１では、第２の実施形態と同様に、光源２からのプリズム３への入射光Ｌ１は、プリズム３の回転中心Ｏにて第１反射光Ｒ１として反射されて、スケール２６の受光面２６ａで受光されている。また、プリズム３の回転中心Ｏで当該プリズム３の内部に進んだ光Ｌ２は、固体試料Ｓの屈折率液４側の表面Ｓａで第２反射光Ｒ２として反射されて、検出器７に受光されている。

以上の構成により、本実施形態では、上記第２の実施形態と同様な作用・効果を奏することができる。

［第４の実施形態］
図１０は、本発明の第４の実施形態にかかる屈折率測定装置の全体構成を説明する図である。図１１は、図１０に示したスケールの構成を示す平面図である。図において、本実施形態と上記第２の実施形態との主な相違点は、固体試料での許容される範囲内の屈折率に対応した目盛りを設けた受光面を有するスケール（受光部材）を用いた点である。なお、上記第２の実施形態と共通する要素については、同じ符号を付して、その重複した説明を省略する。

すなわち、図１０に例示するように、本実施形態の屈折率測定装置１では、光源２からのプリズム３への入射光Ｌ１は、プリズム３の回転中心Ｏにて第１反射光Ｒ１として反射されて、スケール（受光部材）３６の受光面３６ａで受光されている。また、プリズム３の回転中心Ｏで当該プリズム３の内部に進んだ光Ｌ２は、固体試料Ｓの屈折率液４側の表面Ｓａで第２反射光Ｒ２として反射されて、検出器７に受光されている。

図１１に示すように、スケール３６の受光面３６ａでは、固体試料Ｓでの許容される範囲内の屈折率に対応した目盛りが設けられている。すなわち、この受光面３６ａでは、第２の実施形態のものと同様に、固体試料Ｓの屈折率が基準の屈折率である場合での第１反射光Ｒ１の基準位置Ｓｔ、及び所定の間隔毎に設けられるとともに、基準位置Ｓｔに対するずれ位置を示す目盛りが設置されている。さらに、スケール３６では、その受光面３６ａの目盛りは固体試料での許容される範囲内の屈折率に対応したものである。

そして、本実施形態では、上記屈折率検出工程において、固体試料Ｓでの許容される範囲内の屈折率に対応した目盛りを用いて、固体試料Ｓの屈折率を測定する。すなわち、屈折率検出工程において、第１反射光Ｒ１が受光面３６ａ上に受光されたときは、その受光位置を基に固体試料Ｓの屈折率を求める。また、この固体試料Ｓの屈折率は許容範囲内のものであり、当該固体試料Ｓは製品として使用できると判断することができる。

一方、屈折率検出工程において、第１反射光Ｒ１が受光面３６ａ上に受光されない場合、固体試料Ｓの屈折率が許容範囲外のものであり、当該固体試料Ｓは製品として使用できないと判断することができる。

以上の構成により、本実施形態では、上記第２の実施形態と同様な作用・効果を奏することができる。また、本実施形態のスケール（受光部材）３６の受光面３６ａでは、固体試料Ｓでの許容される範囲内の屈折率に対応した目盛りが設けられている。これにより、本実施形態では、固体試料Ｓでの屈折率についての合否判定を即座に行うことができ、固体試料Ｓの検査工程の簡略化を図ることができる。

尚、上記の実施形態はすべて例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって規定され、そこに記載された構成と均等の範囲内のすべての変更も本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上記の説明では、上記第１反射光がプリズムの第１面での当該プリズムの回転中心にてスケール（受光部材）の受光面側に反射されるように、光源とプリズムを設けた場合について説明した。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、所定の屈折率を有するプリズムの第１面に光源からの光を入射させるものであればよい。

但し、上記の各実施形態のように、光源とプリズムは、第１反射光がプリズムの第１面での当該プリズムの回転中心にて受光部材の受光面側に反射されるように、設けられている場合の方が、固体試料の屈折率の算出を容易に行うことができる点で好ましい。すなわち、プリズムを回転させて、上記第２反射光の強度が所定値よりも小さくなったことを判別した場合に、上記回転中心の位置とこの回転中心の位置から受光部材の受光面に対して、垂線を下ろした先の当該受光面での直交位置との間の距離、及び受光面の直交位置と受光部材の受光面での第１反射光の位置との間の距離を用いて、固体試料の屈折率を容易に求めることができるからである。

また、上記第１、第２、及び第４の実施形態の説明では、受光面が光源からプリズムへの入射光に対し平行となるように、光源とスケール（受光部材）を設けた場合について説明した。また、上記第３の実施形態の説明では、受光面が光源からプリズムへの入射光に対し直交するように、光源とスケール（受光部材）を設けた場合について説明した。しかしながら、本発明の光源と受光部材は、プリズムの第１面での反射光が受光部材の受光面に受光されるように、設けられていれば何等限定されない。

また、上記の説明では、平面状に構成された受光面を有するスケール（受光部材）を用いた場合について説明したが、本発明の受光部材は、光源からの光のうち、プリズムの第１面にて反射された第１反射光を受光する受光面を有するものであればよく、例えば球面状に構成された受光面を有する凹部状の受光部材を用いてもよい。

また、上記の説明では、プリズムとして、正三角柱のプリズムを用いた場合について説明したが、本発明のプリズムは、所定の屈折率を有するとともに、光源からの光を入射する第１面及び固体試料に対して、第１面を通過した光を出射する第２面を備えたものであればよく、例えば二等辺三角柱のプリズムを用いることもできる。

但し、上記の各実施形態のように、正三角柱のプリズムを用いた場合の方が、他の形状のプリズムを用いる場合に比べて、固体試料の屈折率を容易に求めることができる点で好ましい。

本発明は、固体試料の屈折率の測定精度を向上させることができる屈折率測定装置、及び屈折率測定方法に対して有用である。

１ 屈折率測定装置
２ 光源
３ プリズム
３ａ 第１面
３ｂ 第２面
４ 屈折率液
５ 回転テーブル（回転駆動部）
６、１６、２６、３６ スケール（受光部材）
６ａ、１６ａ、２６ａ、３６ａ 受光面
７ 検出器
Ｓ、Ｓ’、Ｓ” 固体試料
Ｒ１ 第１反射光
Ｒ２ 第２反射光

Claims (9)

1. 固体試料の屈折率を測定する屈折率測定装置であって、
   光源と、
   所定の屈折率を有するとともに、前記光源からの光を入射する第１面及び前記固体試料に対して、前記第１面を通過した光を出射する第２面を備えたプリズムと、
   前記プリズムを回転駆動する回転駆動部と、
   所定の屈折率を有するとともに、前記プリズムの前記第２面に対し、前記固体試料を密着させる屈折率液と、
   前記光源からの光のうち、前記プリズムの前記第１面にて反射された第１反射光を受光する受光面を有する受光部材と、
   前記プリズムの前記第２面からの光のうち、前記固体試料の前記屈折率液側の表面にて反射された第２反射光を受光して、その受光した第２反射光の強度を検出する検出器を備え、
   前記プリズムが前記回転駆動部によって回転駆動されて、前記検出器にて検出された第２反射光の強度が所定値よりも小さくなった場合に、前記受光部材の前記受光面での第１反射光の位置を用いて、前記固体試料の屈折率を測定する、
   ことを特徴とする屈折率測定装置。
2. 前記光源と前記プリズムは、第１反射光が前記プリズムの前記第１面での当該プリズムの回転中心にて前記受光部材の前記受光面側に反射されるように、設けられ、
   前記回転中心の位置とこの回転中心の位置から前記受光部材の前記受光面に対して、垂線を下ろした先の当該受光面での直交位置との間の距離、及び前記受光面の前記直交位置と前記受光部材の前記受光面での第１反射光の位置との間の距離を用いて、前記固体試料の屈折率を測定する請求項１に記載の屈折率測定装置。
3. 前記受光部材の前記受光面には、前記固体試料の屈折率が基準の屈折率である場合での第１反射光の基準位置、及び所定の間隔毎に設けられるとともに、前記基準位置に対するずれ位置を示す目盛りが設置されている請求項１または２に記載の屈折率測定装置。
4. 前記受光部材の前記受光面では、前記固体試料での許容される範囲内の屈折率に対応した目盛りが設けられている請求項３に記載の屈折率測定装置。
5. 前記プリズムとして、正三角柱のプリズムが用いられている請求項１〜４のいずれか１項に記載の屈折率測定装置。
6. 固体試料の屈折率を測定する屈折率測定方法であって、
   所定の屈折率を有するとともに、光源からの光が入射される第１面を備えたプリズムにおいて、前記第１面を通過した光を出射する第２面に対して、所定の屈折率を有する屈折率液を介在させて前記固体試料を密着させる固体試料取付工程と、
   前記光源からの光を前記プリズムの前記第１面に入射させて、当該第１面にて反射された第１反射光を受光部材の受光面で受光するとともに、前記プリズムの前記第２面からの光のうち、前記固体試料の前記屈折率液側の表面にて反射された第２反射光を検出器で受光する光入射工程と、
   前記固体試料を取り付けた状態で、前記プリズムを回転させるとともに、前記検出器で検出した第２反射光の強度が所定値よりも小さくなるか否かについて判別し、前記所定値よりも小さくなったことを判別した場合に、前記受光部材の前記受光面での第１反射光の位置を用いて、前記固体試料の屈折率を検出する屈折率検出工程と、
   を備えていることを特徴とする屈折率測定方法。
7. 前記光入射工程において、第１反射光が前記プリズムの前記第１面での当該プリズムの回転中心にて前記受光部材の前記受光面側に反射されるように、前記光源からの光を前記プリズムの前記第１面に入射させ、
   前記屈折率検出工程において、前記回転中心の位置とこの回転中心の位置から前記受光部材の前記受光面に対して、垂線を下ろした先の当該受光面での直交位置との間の距離、及び前記受光面の前記直交位置と前記受光部材の前記受光面での第１反射光の位置との間の距離を用いて、前記固体試料の屈折率を測定する請求項６に記載の屈折率測定方法。
8. 前記屈折率検出工程において、前記受光部材の前記受光面に設置された目盛りを用いて、前記固体試料の屈折率を測定する請求項６または請求項７に記載の屈折率測定方法。
9. 前記屈折率検出工程において、前記固体試料での許容される範囲内の屈折率に対応した目盛りを用いて、前記固体試料の屈折率を測定する請求項８に記載の屈折率測定方法。

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