特許 5777624 屈折率測定装置及び屈折率測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5777624

(24)【登録日】2015年7月17日

(45)【発行日】2015年9月9日

(54)【発明の名称】屈折率測定装置及び屈折率測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/41 20060101AFI20150820BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/41 Z

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-529578(P2012-529578)

(86)(22)【出願日】2011年8月4日

(86)【国際出願番号】JP2011068336

(87)【国際公開番号】WO2012023481

(87)【国際公開日】20120223

【審査請求日】2014年4月28日

(31)【優先権主張番号】特願2010-183973(P2010-183973)

(32)【優先日】2010年8月19日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001960

【氏名又は名称】シチズンホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100133835

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 努

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 友香

(72)【発明者】

【氏名】橋本 信幸

【審査官】 横尾 雅一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−０７２１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０９８７４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３４９３８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２９２５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９８８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２７３０１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２７３０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０５８１９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／６１

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

Ｇ０２Ｂ ２７／００−２７／６４

Ｇ０２Ｆ １／２１− １／２５

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源と、
屈折率の測定対象となる試料を含み、かつ前記光源から入射した光を回折させる測定セルと、
前記測定セルから出射した回折光の０次以外の回折次数を含む少なくとも一つの回折次数の光量を検出する検出器と、
前記少なくとも一つの回折次数のうちの０次以外の回折次数における回折効率と前記試料の屈折率との関係式を用いて、前記検出器により検出された前記少なくとも一つの回折次数のうちの０次以外の回折次数における回折光の光量の測定値に対応する前記試料の屈折率を求める制御部とを有し、
前記測定セルは、
互いに対向するように配置された透明な第１の基板及び第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板の間に配置され、既知の屈折率を持つ透明材料により形成され、前記光源からの光を前記試料の屈折率と前記透明材料の屈折率との差に応じて回折する回折格子とを有し、
前記回折格子は、前記第２の基板と対向する前記第１の基板の第１の面に対して平行な第１の方向における幅が、前記第１の基板から前記第２の基板に近づくにつれてステップ状に小さくなる、前記透明材料で形成された複数の部材を有し、該複数の部材が前記第１の方向に沿って所定のピッチで周期的に配置されたバイナリ格子であり、
前記試料は前記第１の基板と前記第２の基板の間の空間のうち、前記回折格子が形成されていない空間に充填される、
屈折率測定装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記少なくとも一つの回折次数のうちの０次以外の回折次数における前記回折光の光量の測定値に基づいて当該回折次数における回折効率の第１の計算値を求め、前記試料の屈折率として想定される複数の屈折率のうち、前記少なくとも一つの回折次数のうちの０次以外の回折次数における、前記回折効率の第１の計算値と、前記想定される屈折率を前記関係式に入力することにより求められる回折効率の第２の計算値間の誤差の統計量が最小となる屈折率を前記試料の屈折率とする、請求項１に記載の屈折率測定装置。

【請求項3】

前記検出器が光量を検出する前記少なくとも一つの回折次数は、０次以外の複数の回折次数を含み、
前記制御部は、前記複数の回折次数のうちで前記回折効率の第１の計算値が高い方から順に少なくとも二つの回折次数を選択し、当該選択された回折効率の第１の計算値と、前記想定される屈折率を前記関係式に入力することにより求められる回折効率の第２の計算値間の誤差の統計量が最小となる屈折率を前記試料の屈折率とする、請求項２に記載の屈折率測定装置。

【請求項4】

前記測定セルは、前記第１の面に設けられた第１の透明電極と、前記第１の基板と対向する前記第２の基板の第２の面に設けられた第２の透明電極とをさらに有し、かつ前記試料は該第１の透明電極と該第２の透明電極間に配置され、
前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に配置された前記試料に所定の電圧を印加する電源回路をさらに有する、請求項１〜３の何れか一項に記載の屈折率測定装置。

【請求項5】

光源からの光を、互いに対向するように配置された透明な第１の基板及び第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板の間に配置され、既知の屈折率を持つ透明材料により形成される回折格子と、前記第１の基板と前記第２の基板の間の空間のうち、前記回折格子が形成されていない空間に充填された屈折率の測定対象となる試料とを含む測定セルへ向けるステップと、
前記測定セルから出射した、前記透明材料の屈折率と前記試料の屈折率との差に応じた前記光源からの光の回折光の０次以外の回折次数を含む少なくとも一つの回折次数の光量を検出するステップと、
前記少なくとも一つの回折次数のうちの０次以外の回折次数における回折効率と前記試料の屈折率との関係式を用いて、前記少なくとも一つの回折次数のうちの０次以外の回折次数における回折光の光量の測定値に対応する前記試料の屈折率を求めるステップと、
を含み、
前記回折格子は、前記第２の基板と対向する前記第１の基板の第１の面に対して平行な第１の方向における幅が、前記第１の基板から前記第２の基板に近づくにつれてステップ状に小さくなる、前記透明材料で形成された複数の部材を有し、該複数の部材が前記第１の方向に沿って所定のピッチで周期的に配置されたバイナリ格子である、
屈折率測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、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。

【背景技術】

【0002】

従来より、気体、液体などの試料の屈折率を測定する様々な装置及び方法が提案されている。代表的な屈折率測定装置として、プリズムを用いて試料の全反射による臨界角を調べることで屈折率を測定するアッベ屈折計が知られている。
また、光の干渉現象を利用した屈折率測定装置が提案されている（例えば、特開２００２−１６８７８０号公報を参照）。
さらに、光の回折現象を利用した屈折率の測定方法が提案されている。そのような測定方法の一つとして、例えば、特開２００６−１７０７２７号公報には、非重合性液晶と、重合性モノマあるいはプレポリマと、光重合開始剤からなる組成物を二光束干渉露光により露光して、光学的異方性を示す領域と光学的等方性を示す領域とからなる周期的構造を形成した回折素子である偏光分離素子の屈折率変調量を測定する偏光分離素子の評価方法が開示されている。この方法は、偏光分離素子の温度を制御しつつ、偏光分離素子にレーザ光を照射して回折効率を測定し、屈折率変調量と回折効率の関係、及び回折効率の温度特性から、回折効率に対応する屈折率変調量を特定する。
さらに、特開２００７−２９２５０９号公報には、回折素子を覆う試料の屈折率を、回折素子の０次回折効率を測定し、測定された０次回折効率と回折格子の格子形状を用いて算出された理論回折効率とが最も一致する屈折率として同定する屈折率測定方法が開示されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

しかしながら、アッベ屈折計では、臨界角をメモリとの比較で目視により求める。この際に、測定に不慣れなユーザは、正確に臨界角を読み取れず、その結果として屈折率の測定精度が良好でないおそれがあった。また、干渉現象を利用する屈折率測定装置については、精密に干渉縞のピッチを測定するために、振動などによる悪影響を避けるよう、装置の設置場所または装置自身の構造を工夫しなければならない。そのため、干渉現象を利用する屈折率測定装置は、扱いが難しく、また装置が高価になってしまうという問題があった。
さらに、上記の回折現象を利用する屈折率測定方法では、被測定物の温度を変えたり、被測定物に照射する光の波長を変えて、回折効率を複数回測定する必要が有り、そのため、測定手順が煩雑であった。

【0004】

そこで、本発明は、構成が簡単で、かつ高精度で試料の屈折率を測定可能な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。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一つの側面によれば、屈折率測定装置が提供される。この屈折率測定装置は、光源と、屈折率の測定対象となる試料を含み、かつ光源から入射した光を回折させる測定セルと、測定セルから出射した回折光の０次以外の回折次数を含む少なくとも一つの回折次数の光量を検出する検出器と、上記の少なくとも一つの回折次数における回折効率と試料の屈折率との関係式を用いて、検出器により検出されたその少なくとも一つの回折次数における回折光の光量の測定値に対応する試料の屈折率を求める制御部とを有する。そして、測定セルは、互いに対向するように配置された透明な第１の基板及び第２の基板と、第１の基板と第２の基板の間に配置され、既知の屈折率を持つ透明材料により形成され、光源からの光を試料の屈折率と回折格子を形成する透明材料の屈折率との差に応じて回折する回折格子とを有し、回折格子は、第２の基板と対向する第１の基板の第１の面に対して平行な第１の方向における幅が、第１の基板から第２の基板に近づくにつれてステップ状に小さくなる、透明材料で形成された複数の部材を有し、その複数の部材が第１の方向に沿って所定のピッチで周期的に配置されたバイナリ格子であり、屈折率の測定対象となる試料は第１の基板と第２の基板の間の空間のうち、回折格子が形成されていない空間に充填される。

【0006】

またこの屈折率測定装置において、制御部は、上記の少なくとも一つの回折次数における回折光の光量の測定値に基づいてその回折次数における回折効率の第１の計算値を求め、試料の屈折率として想定される複数の屈折率のうち、少なくとも一つの回折次数における回折効率の第１の計算値と、想定される屈折率を上記の関係式に入力することにより求められる回折効率の第２の計算値間の誤差の統計量が最小となる屈折率を試料の屈折率とすることが好ましい。

【0007】

またこの屈折率測定装置において、検出器は、測定セルから出射した回折光の複数の回折次数の光量を検出することが好ましい。そして制御部は、複数の回折次数のうちで回折効率の第１の計算値が高い方から順に少なくとも二つの回折次数を選択し、選択された回折効率の第１の計算値と、想定される屈折率を関係式に入力することにより求められる回折効率の第２の計算値間の誤差の統計量が最小となる屈折率を前記試料の屈折率とすることが好ましい。

【0008】

さらに、測定セルは、第１の面に設けられた第１の透明電極と、第１の基板と対向する第２の基板の第２の面に設けられた第２の透明電極とをさらに有し、かつ試料は第１の透明電極と第２の透明電極間に配置されることが好ましい。この場合において、屈折率測定装置は、第１の透明電極と第２の透明電極との間に配置された試料に所定の電圧を印加する電源回路をさらに有することが好ましい。

【0009】

また本発明の他の側面によれば、屈折率測定方法が提供される。この屈折率測定方法は、光源からの光を、互いに対向するように配置された透明材料からなる第１の基板及び第２の基板と、第１の基板と第２の基板の間に配置され、既知の屈折率を持つ透明材料により形成される回折格子と、第１の基板と第２の基板の間の空間のうち、回折格子が形成されていない空間に充填された屈折率の測定対象となる試料とを含む測定セルへ向けるステップと、測定セルから出射した、透明材料の屈折率と試料の屈折率との差に応じた、光源からの光の回折光の１次以上の少なくとも一つの回折次数の光量を検出するステップと、その少なくとも一つの回折次数における回折効率と試料の屈折率との関係式を用いて、その少なくとも一つの回折次数における回折光の光量の測定値に対応する試料の屈折率を求めるステップとを含む。そして回折格子は、第２の基板と対向する第１の基板の第１の面に対して平行な第１の方向における幅が、第１の基板から第２の基板に近づくにつれてステップ状に小さくなる、透明材料で形成された複数の部材を有し、その複数の部材が第１の方向に沿って所定のピッチで周期的に配置されたバイナリ格子である。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る屈折率測定装置及び屈折率測定方法は、構成が簡単で、かつ高精度で試料の屈折率を測定できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

図１は、本発明の一つの実施形態による屈折率測定装置の概略構成図である。
図２Ａは、測定セルの一例の概略側面断面図である。
図２Ｂは、測定セルの他の一例の概略側面断面図である。
図３は、屈折率１．６９を持つ試料についての、回折光の光量の測定値から求められた回折効率の値に対して、誤差統計量が最小となる、回折効率の計算式に基づいて算出された回折効率の値を表す実験結果の一例を表すグラフである。
図４は、屈折率測定方法のフローチャートである。
図５は、他の実施形態による測定セルの概略側面断面図である。
図６は、図５に示された測定セルを用いる、他の実施形態による屈折率測定装置の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図を参照しつつ、一つの実施形態による、屈折率測定装置について説明する。この屈折率測定装置は、回折格子を内部に有する測定セルに試料を充填し、その測定セルに光を照射することにより回折光を生じさせる。そしてこの屈折率測定装置は、回折光の少なくとも一つの回折次数における回折光の光量を測定し、その測定値から求めた回折効率を、試料の屈折率と回折効率との関係式に基づいて算出される回折効率の計算値と比較することにより、試料の屈折率を求める。

【0013】

図１は、一つの実施形態による屈折率測定装置の概略構成図である。図１に示すように、この屈折率測定装置１は、光源１０と、開口絞り１１と、測定セル１２と、検出器１３と、可動ステージ１４と、コントローラ１５とを有する。このうち、光源１０、開口絞り１１及び測定セル１２は、光軸ＯＡに沿って一列に配置される。

【0014】

光源１０は、測定セル１２により生じる少なくとも一つの回折次数の回折光を検出器１３が検出できる強度の光を発する光源であり、例えば、半導体レーザ、ヘリウムネオンレーザのようなガスレーザ、あるいは、ＹＡＧレーザのような固体レーザとすることができる。あるいは、光源１０は、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）であってもよい。また光源１０は、後述するコントローラ１５による回折効率の計算を簡単化するために、所定の波長を持つ単色光を発する単色光源であることが好ましい。所定の波長は、検出器１３が感度を有する波長であればよく、例えば、近赤外〜近紫外に相当する波長の何れかとすることができる。本実施形態では、光源１０は、波長６５０ｎｍの光を発するレーザダイオードを有する。

【0015】

光源１０から照射された光は、開口絞り１１を通って測定セル１２へ照射される。開口絞り１１は、測定セル１２へ照射される光のスポットを、所定の形状、例えば円形にするための開口を有する。なお、開口絞り１１と測定セル１２との間に、開口絞り１１を通った光を平行光にするためのコリメートレンズが配置されてもよい。また、開口絞り１１と測定セル１２との間に、測定セル１２に照射される光のスポット径を広げるためのビームエクスパンダが配置されてもよい。

【0016】

測定セル１２は、試料の屈折率に応じた回折を生じさせるための回折格子を有する。
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、測定セル１２の一例の概略側面断面図である。測定セル１２は、互いに対して略平行に配置される２枚の基板１２１、１２２と、基板１２１と基板１２２の間において、基板１２１上に形成された回折格子１２３とを有する。なお、基板１２１と基板１２２の間に、回折格子１２３が形成されていない空間があってもよい。そして屈折率の測定対象となる試料１２４は、基板１２１と基板１２２の間の空間のうち、回折格子１２３が形成されていない空間に充填される。また、基板１２１と基板１２２の間に、回折格子１２３及び充填された試料１２４を囲むように、試料１２４が測定セル１２から漏洩することを防止するための封止材（図示せず）が設けられる。
光源１０からの入射光は、基板１２１の外側から、基板１２１の外側の面１２１ａに対して略垂直に入射し、その入射光は回折格子１２３にて回折され、基板１２２を通って出射する。

【0017】

基板１２１、１２２は、それぞれ、光源１０からの入射光に対して透明な材料、例えば、ガラス、または光学プラスチックで形成される平行平板である。なお、基板１２１の材料は、基板１２２の材料と異なっていてもよい。また、基板１２１、１２２は、例えば、０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度の厚さを持つ。また基板１２１と基板１２２間の間隔は、それら基板間に形成される回折格子１２３が十分な回折効率を与えることができるだけの高さを持つことができる間隔、例えば、数μｍ〜１００μｍ程度に設定される。

【0018】

回折格子１２３は、測定セル１２へ入射した、光源１０からの入射光を回折させる。本実施形態では、回折格子１２３は、基板１２２と対向する側の基板１２１の面１２１ｂに対して平行な第１の方向における幅が、基板１２１から基板１２２に近づくにつれてステップ状に小さくなる複数のステップ構造１２３−１〜１２３−ｎ（ただしｎは２以上の整数）が、その第１の方向に沿って所定のピッチで周期的に配置されたバイナリ格子である。
各ステップ構造１２３−１〜１２３−ｎは、上記の第１の方向に対して形状が変化し、一方、第１の方向と直交する方向に対しては形状が変化しない１次元的な構造を有する。各ステップ構造１２３−１〜１２３−ｎが持つステップ数は、例えば、１〜８の何れかに設定される。なお、ステップ数が多いほど回折効率も高くなる。そこで、例えば、ステップ構造を形成する材料と試料１２４の屈折率との差が小さく、各回折次数に対して得られる回折効率が低いほど、ステップ数が多い方が好ましい。あるいは、ステップ構造の材料を変え、ステップ構造の屈折率と試料１２４の屈折率との差を大きくしても、ステップ数を多くするのと同様に測定精度が向上する。

【0019】

図２Ａに示される例では、ステップ数は４である。一方、図２Ｂに示される例では、ステップ数は１である。すなわち、図２Ｂに示される例では、ステップ構造１２３−１〜１２３−ｎは、それぞれ、矩形断面形状を持つ。
各ステップの高さ（すなわち、基板１２１の面１２１ｂに対する法線方向の長さ）は同一であり、一つのステップの高さは、例えば、入射光の波長の数分の１〜数倍程度に設定される。例えば、ステップ数が４である場合、波長６５０ｎｍの入射光に対して、各ステップの高さは５７０ｎｍに設定される。またステップ数が１である場合、波長６５０ｎｍの入射光に対して、一つのステップの高さは、例えば、２２８０ｎｍに設定される。あるいは、ステップ数が８である場合、波長６５０ｎｍの入射光に対して、各ステップの高さは２８５ｎｍに設定される。
所定のピッチは、回折格子１２３が入射光を回折させるように、例えば、数μｍ〜数１０μｍ程度に設定される。

【0020】

回折格子１２３は、例えば、ナノインプリント法を用いて形成される。具体的には、光源１０からの入射光に対して透明な紫外線硬化樹脂が基板１２１の面１２１ｂ上に例えば塗布される。その樹脂に対して各ステップ構造を転写させるための金型が押圧される。そして樹脂に対して紫外光を照射して樹脂を硬化させることで、その樹脂に各ステップ構造が転写されることにより、回折格子１２３が形成される。

【0021】

この回折格子１２３の各ステップ構造の上端に対して、基板１２２は接するように配置されてもよく、あるいは、各ステップ構造の上端と接触しないように配置されてもよい。入射光の回折は、回折格子１２３によって生じるため、基板１２２と回折格子１２３との位置関係は、回折光の強度に影響しないためである。なお、基板１２２と回折格子１２３の上端が接触しない場合には、例えば、基板１２１と基板１２２との間に、例えば基板１２１と基板１２２の各コーナーに、基板１２１と基板１２２の間隔を、ステップ構造の高さよりも長い所定の距離に保つためのスペーサが設けられることが好ましい。

【0022】

屈折率の測定対象である試料１２４は、光源１０からの入射光に対して、検出器１３がその試料１２４が充填された測定セル１２からの回折光の少なくとも一つの回折次数の光の光量を検知できる程度の透明度を持つ物質であり、例えば、糖類を含む溶液などの液体、気体、または液晶である。そして試料１２４は、基板１２１と基板１２２の間の空間のうち、回折格子１２３が形成されていない空間に充填される。そのため、測定セル１２は、回折格子１２３を構成する部材の屈折率と試料１２４の屈折率との差に応じて、入射光を回折する。

【0023】

検出器１３は、測定セル１２の出射側に配置され、測定セル１２により生じた少なくとも一つの次数の回折光の光量を検出する。本実施形態では、検出器１３は、±１次、±２次、±３次及び０次の回折光の光量を検出できるように配置される。さらに検出器１３は、測定セル１２から出射する光の光量全体を測定する。
そのために、検出器１３は、例えば、フォトダイオード、ＣＣＤ、またはＣ−ＭＯＳといった、受光した光の光量に応じた電気信号を出力する光電変換素子を有する。あるいは検出器１３は、そのような光電変換素子が一列または２次元アレイ状に並べられたものであってもよい。そして検出器１３はコントローラ１５と接続され、受光した光の光量に応じた電気信号をコントローラ１５へ出力する。

【0024】

また検出器１３は、可動ステージ１４に取り付けられる。可動ステージ１４は、例えば、互いに直交する２方向に移動可能な、いわゆるＸＹステージとすることができる。そして検出器１３は、各次数の回折光を受光できるように、光軸ＯＡに沿った方向、あるいは光軸ＯＡに直交し、測定セル１２によって入射光が回折される方向に沿って移動可能となっている。
なお、検出器１３が、１次元または２次元アレイ状に配置された複数の光電変換素子を有し、一度に複数の次数の回折光を受光できる場合、可動ステージ１４は省略され、検出器１３は支持部材（図示せず）に固定的に取り付けられてもよい。この場合、検出器１３は、光電変換素子ごとに、受光した光量に応じた電気信号をコントローラ１５へ出力する。そしてコントローラ１５は、着目する回折次数に対応する位置の光電変換素子からの電気信号に基づいて、その着目する回折次数に相当する光量を求めることができる。

【0025】

コントローラ１５は、検出器１３により測定された少なくとも一つの次数の回折光の光量に基づいて、測定セル１２内に充填された試料の屈折率を求める。
そのために、コントローラ１５は、インターフェース部１５１と、記憶部１５２と、制御部１５３とを有する。
インターフェース部１５１は、例えば、ＲＳ２３２Ｃ、あるいはＵＳＢといった所定の通信規格に従ったインターフェース回路を有する。そしてインターフェース部１５１は、検出器１３から測定された光の光量を表す電気信号を受信し、その電気信号を制御部１５３へ渡す。

【0026】

記憶部１５２は、例えば、半導体メモリ、あるいは磁気記録媒体若しくは光記録媒体などを有する。記憶部１５２は、測定セル１２内に充填された試料の屈折率を求めるために用いられる各種パラメータなどを記憶する。また記憶部１５２は、制御部１５３により算出される、測定セル１２内に充填された試料について想定される屈折率の範囲内に含まれる、例えば、０．００１〜０．０１の単位で変化させた複数の屈折率のそれぞれについての複数の回折次数、例えば、−３次〜＋３次の回折効率の計算値を、その屈折率とともに記憶してもよい。

【0027】

制御部１５３は、少なくとも一つのプロセッサ及びその周辺回路を有する。そして制御部１５３は、測定セル１２内に充填された試料の屈折率を、検出器１３から受信した少なくとも一つの回折次数に対する回折光の光量の測定値に対応する試料の屈折率を特定することにより求める。

【0028】

図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、測定セル１２が、１次元のバイナリ格子を有する場合、測定セル１２により生じる回折光の各回折次数における回折効率は、次式で表される。

ここでη_ｍは、ｍ次の回折次数における回折効率を表す。Ｐは隣接するステップ構造間のピッチ（すなわち、回折格子のピッチ）であり、Ｎは、各ステップ構造が有するステップ数である。またφは、入射光の波長に対する各ステップ構造が有するステップの一つにおいて生じる光路差の比率であり、次式で表される。

ここでｎ_１、ｎ_２は、それぞれ、ステップ構造を形成する材料の屈折率及び測定セル１２に充填された試料の屈折率であり、Ｄはステップ構造の一つのステップの高さである。λは入射光の波長を表す。

【0029】

（１）式及び（２）式から明らかなように、回折効率は、ステップ構造を形成する材料の屈折率ｎ_１と測定セル１２に充填された試料の屈折率ｎ_２との差に応じて決定される。回折効率η_ｍを求めるために使用されるパラメータのうち、試料１２４の屈折率ｎ_２以外のパラメータは、全て既知である。したがって、制御部１５３は、回折光の光量の測定値から求められた回折効率と一致する回折効率を与える試料の屈折率を、上記の（１）式及び（２）式から求めることにより、その試料の屈折率を求めることができる。

【0030】

所定の回折次数における回折効率は、測定セル１２に入射する光の光量Ｉ_ｉｎに対する、その回折次数における回折光の光量Ｉ_Ｄの比（Ｉ_Ｄ／Ｉ_ｉｎ）として定義される。そこで、制御部１５３は、例えば、測定セル１２から出射した光全体の光量に対する、測定セル１２による回折光の少なくとも一つの回折次数の光量の比を、その回折次数に対する回折効率の第１の計算値として求める。
なお、制御部１５３は、測定セル１２内の回折格子が含まれない部分を透過した光の全光量を検出器１３で検出し、各回折次数の光量をその全光量で割ることにより、各回折次数の回折効率を求めてもよい。回折効率のより厳密な測定においては、事前に測定物に回折構造が形成されていない部分において、試料の透過率Ｔ（すなわち、透過光量／入射光量）を測定する。測定された回折効率Ｔで除した値がより真に近い回折効率となる。透過率測定のためには、測定セル１２に、回折構造が付加されていない領域を設けることが好ましい。なお、その領域のサイズは、測定セル１２に入射させるレーザのビームの直径に相当する、例えば、２ｍｍ〜７ｍｍの直径を持つ円形領域をカバーするサイズであることが好ましい。
一方、制御部１５３は、試料１２４の屈折率として想定される屈折率の値及び他の既知のパラメータの値を上記の（１）式及び（２）式に入力して回折効率の第２の計算値を求める。なお、その想定される屈折率に対応する各回折次数の回折効率の第２の計算値が記憶部１５２に予め記憶されている場合、制御部１５３は、記憶部１５２からそれら回折効率の第２の計算値を記憶部１５２から読み込んで利用してもよい。これにより、制御部１５３は、屈折率測定時における演算量を削減できる。そして制御部１５３は、回折効率の第１の計算値と最も一致する回折効率の第２の計算値を与える屈折率ｎ_２を、実際に測定した試料の屈折率とする。

【0031】

制御部１５３は、回折効率が測定された複数の回折次数のうち、回折効率が高い方から順に所定数の回折次数を選択し、その選択した回折次数のそれぞれについての回折効率の第１の計算値と、回折効率の第２の計算値間の誤差の統計量が最小となるときの屈折率ｎ_２を、実際に測定した試料の屈折率とすることが好ましい。所定数は、１以上かつ回折光の光量が測定された回折次数の総数以下の整数である。この所定数は、回折光の光量測定時のノイズによる測定誤差の影響を軽減して試料の屈折率を正確に測定するために、２以上に設定されることが好ましい。
なお、誤差統計量を算出するために用いられる回折次数には、０次は含まれない。０次は、回折せずに透過した光に相当するためである。また誤差の統計量は、例えば、各回折次数における回折効率の第１の計算値と回折効率の第２の計算値間の誤差の２乗の総和、あるいは、各回折次数における回折効率の第１の計算値と回折効率の第２の計算値間の誤差の絶対値の総和あるいは平均値とすることができる。
制御部１５３は、このように少なくとも一つの回折次数の回折効率の第１の計算値と第２の計算値間の差の誤差統計量の最小値及びその最小値に対応する屈折率を求めることにより、試料の屈折率を高精度で測定することができる。

【0032】

図３は、屈折率１．６９を持つ試料についての、検出器１３により検出された回折光の光量から求められた回折効率の第１の計算値に対して、誤差統計量が最小となる回折効率の第２の計算値を表す実験結果の一例を表すグラフである。
図３に示したグラフ３００において、横軸は回折次数を表し、縦軸は回折効率（％）を表す。また各棒グラフは、検出器１３により検出された回折光の光量の測定値から求めた回折効率の第１の計算値を表す。一方、各点３０１〜３０６は、回折効率の第１の計算値が大きい方の二つの回折次数（この例では、−１次と１次）について、誤差統計量が最小となる試料の屈折率についての回折効率の第２の計算値を表す。図３に示されるように、±３次の範囲内の各回折次数において、回折効率の第１の計算値と第２の計算値とが良好に一致している。そのため、この回折効率の第２の計算値の算出に用いた屈折率が、測定セルに充填された試料の屈折率とほぼ一致することが分かる。

【0033】

図４は、屈折率測定装置１により実行される屈折率測定方法のフローチャートである。
光源１０から発した光は、開口絞り１１を通って測定セル１２へ向けられる（ステップＳ１０１）。測定セル１２は、その光を回折する。そこで検出器１３は、測定セル１２から出射した回折光のうち、少なくとも一つの回折次数における回折光の光量を検出する（ステップＳ１０２）。そして検出器１３は、その回折光の光量に応じた電気信号をコントローラ１５へ出力する。
コントローラ１５の制御部１５３は、少なくとも一つの回折次数における回折光の光量の測定値に対応する試料の屈折率を特定することにより、試料の屈折率を求める（ステップＳ１０３）。具体的には、制御部１５３は、上記のように、試料の屈折率として想定される複数の屈折率のうち、（１）式及び（２）式に基づいてその各屈折率について求めた、各回折次数の回折効率の第２の計算値と、対応する回折次数の回折光量の測定値から求めた第１の計算値間の誤差の統計量が最小となる屈折率を、試料の屈折率とする。そしてコントローラ１５の制御部１５３は、試料の屈折率の測定結果を記憶部１５２に記憶する。あるいは、制御部１５３は、試料の屈折率の測定結果を図示しない表示装置へ表示する。

【0034】

以上説明してきたように、本発明の一つの実施形態に係る屈折率測定装置は、試料の屈折率に応じた回折光の少なくとも一つの回折次数の回折効率を求めることにより、試料の屈折率を測定する。回折光の各回折次数の回折効率は、この屈折率測定装置に加えられる振動によっては変化しない。そのため、この屈折率測定装置は、免震用の構造を必要とせず簡単な構成とすることができる。さらに、測定セルの作成の際、試料はその測定セル内に充填されるだけでよく、試料そのものを精密に加工する必要が無い。また、測定セルの基板間の間隔は回折効率に対して影響しないので、測定セルの作成を簡単化できる。
さらに、測定セル内の回折格子が精度良く形成されていれば、既知である１次元の周期構造を持つ回折格子による回折効率は、回折理論により決定される計算式により正確に求めることができ、またその計算式により求めた回折効率の値と回折光の光量の測定値から求めた回折効率の値との誤差は小さい。そのため、この屈折率測定装置は、試料の屈折率を正確に測定することができる。また、回折を生じさせるために必要な測定セルのサイズは小さくてよいので、その測定セル内に充填される試料の量も少なくてよい。さらに、この屈折率測定装置は、測定セルに対する１回の光の照射で得られる０次以外の回折次数についての回折効率の測定値を用いて試料の屈折率を求めるので、屈折率測定の手順を簡単化できる。

【0035】

なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。例えば、他の実施形態によれば、測定セルは、印加される電圧に応じて屈折率が変化する試料の屈折率、例えば液晶の屈折率を、その試料に印加される電圧ごとに測定可能なように、２枚の基板の表面に設けられた透明電極を有していてもよい。

【0036】

図５は、透明電極を有する測定セルの概略側面断面図である。測定セル２２は、互いに対して略平行に配置される２枚の基板２２１、２２２と、２枚の基板２２１及び２２２のそれぞれの内側の面に設けられた透明電極２２３、２２４と、基板２２１と基板２２２の間において、透明電極２２３上に形成された回折格子２２５とを有する。そして屈折率の測定対象となる試料２２６は、透明電極２２３と２２４の間のスペースのうち、回折格子２２５が形成されていないスペースに充填される。透明電極２２３、２２４は、例えば、ＩＴＯと呼ばれる、酸化インジウムに酸化スズを添加した材料により形成される。また回折格子２２５は、図２Ａまたは図２Ｂに示される回折格子１２３と同様の構成を有する。
さらに、試料２２６が液晶分子を含む場合、その液晶分子を所定の方向に配向させるための配向膜が、透明電極２２３及び２２４の表面に設けられてもよい。

【0037】

図６は、図５に示された測定セルを用いる、本発明の他の実施形態による屈折率測定装置の概略構成図である。この屈折率測定装置２は、光源１０と、開口絞り１１と、測定セル２２と、検出器１３と、可動ステージ１４と、コントローラ１５と、電源回路１６とを有する。コントローラ１５は、インターフェース部１５１と、記憶部１５２と、制御部１５３と、電源回路１６の駆動回路１５４とを有する。図６において、屈折率測定装置２の各部には、図１に示した屈折率測定装置１の対応する各部の参照番号と同一の参照番号を付した。
なお、以下では、屈折率測定装置１と異なる点についてのみ説明する。

【0038】

コントローラ１５の制御部１５３は、キーボードまたはマウスなどユーザインターフェース（図示せず）を介して指定された電圧が測定セル２２の透明電極２２３と２２４間に印加されるように、駆動回路１５４を制御する。例えば、測定セル２２に、試料２２６として液晶分子が充填され、液晶分子の長軸が光軸ＯＡと直交し、かつ入射光の偏光面と平行となるように配向されるとする。この場合、指定された電圧は、例えば、液晶分子の長軸方向が、光軸ＯＡに対して所定の角度をなすように回転するための電圧に設定される。そして駆動回路１５４は、指定された電圧に応じた制御信号を電源回路１６へ出力する。
電源回路１６は、コントローラ１５からの制御信号に応じた駆動電圧を発生させ、その駆動電圧を測定セル２２の透明電極２２３、２２４間に印加する。
なお、電源回路１６から透明電極２２３、２２４間に印加される駆動電圧は、例えば、パルス高さ変調（ＰＨＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧とすることができる。

【0039】

屈折率測定装置２は、透明電極２２３と２２４間に所定の電圧を印加した状態で、光源１０からの光を測定セル２５に照射して、その回折光の少なくとも一つの回折次数の光量を検出器１３で測定することで、その所定の電圧が印加された試料２２６の屈折率を測定することができる。そのため、屈折率測定装置２は、透明電極２２３と２２４間に印加する電圧を調節することにより、様々な電圧が印加された状態の試料２２６の屈折率を測定できる。

【0040】

また、上記の何れかの実施形態で用いられる測定セルの回折格子は、その回折格子で生じる回折の回折効率を計算により求めることが可能な様々な構造を有することができる。例えば、測定セルの回折格子は、周期的に配置された鋸歯状の構造を有するブレーズド格子であってもよい。あるいは、回折格子は、同心円状に形成される周期構造を有していてもよい。
また、回折格子は、出射側の基板、すなわち、上記の各実施形態における第２の基板上に形成されてもよい。

【0041】

以上のように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

【符号の説明】

【0042】

１、２ 屈折率測定装置
１０ 光源
１１ 開口絞り
１２、２２ 測定セル
１３ 検出器
１４ 可動ステージ
１５ コントローラ
１６ 電源回路
１２１、１２２、２２１、２２２ 透明基板
１２３、２２５ 回折格子
１２３−１〜１２３−ｎ ステップ構造
１２４、２２６ 試料
２２３、２２４ 透明電極
１５１ インターフェース部
１５２ 記憶部
１５３ 制御部
１５４ 駆動回路

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】