專利名稱：折射率測定裝置以及折射率測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測定樣品的折射率的折射率測定裝置以及折射率測定方法。
背景技術(shù)：
一直以來，人們提出了各種測定氣體、液體等樣品的折射率的裝置以及方法。作為代表性的折射率測定裝置，已知一種通過采用棱鏡調(diào)整樣品的全反射的臨界角，來測定折射率的阿貝折射計(jì)。還提出了一種利用光的干涉現(xiàn)象的折射率測定裝置(例如，參照特開2002-168780號公報(bào))。另外還提出了一種利用光的衍射現(xiàn)象的折射率的測定方法。作為這樣的測定方法之一，例如，特開2006-170727號公報(bào)公開了一種偏光分束元件的評價(jià)方法，其通過雙光束干涉曝光對由非聚合性液晶體、聚合性單體或者預(yù)聚物、光聚合引發(fā)劑構(gòu)成的組合物進(jìn)行曝光，對作為形成有由表示光學(xué)各向異性的區(qū)域和表示光學(xué)各向同性的區(qū)域構(gòu)成的周期構(gòu)造的衍射元件的偏光分束元件的折射率調(diào)制量進(jìn)行測定。該方法控制偏光分束元件的溫度，同時(shí)將激光照射到偏光分束元件并測定衍射效率，根據(jù)折射率調(diào)制量與衍射效率的關(guān)系以及衍射效率的溫度特性來確定與衍射效率相對應(yīng)的折射率調(diào)制量。此外，特開2007-292509號公報(bào)公開了一種折射率測定方法，其將覆蓋衍射元件的樣品的折射率識別為與通過測定衍射元件的O級衍射效率，并采用測定得到的O級衍射效率和衍射光柵的光柵形狀來計(jì)算出的理論衍射效率最為一致的折射率。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的技術(shù)問題然而，阿貝折射計(jì)是通過與刻度比較由目視來求出臨界角的。此時(shí)，不熟悉測定的用戶不能正確地讀取臨界角，其結(jié)果容易導(dǎo)致作為折射率的測定精度不高。又，對于利用干涉現(xiàn)象的折射率測定裝置，為了精密地測定干涉條紋的間距，避免由振動等引起的不良影響，必須研究裝置的設(shè)置地點(diǎn)或裝置自身的構(gòu)造。因此，利用干涉現(xiàn)象的折射率測定裝置有難以操作且裝置造價(jià)高這樣的問題。此外，上述的衍射現(xiàn)象的折射率測定方法需要通過變更被測定物的溫度或變更照射到被測定物的光的波長，來多次測定衍射效率，因此，測定程序復(fù)雜。因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種構(gòu)成簡單且高精度的，能夠測定樣品的折射率的折射率測定裝置以及折射率測定方法。解決問題的技術(shù)手段根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)側(cè)面，提供一種折射率測定裝置。該折射率測定裝置具有光源；測定單元，其包含作為折射率的測定對象的樣品，且使從光源入射的光發(fā)生衍射；檢測器，其對包含從測定單元出射的衍射光的O級之外的衍射級的至少一個(gè)衍射級的光量進(jìn)行檢測；控制部，其采用至少一個(gè)衍射級的衍射效率與樣品的折射率的關(guān)系式，求出與由檢測器檢測到的至少一個(gè)衍射級的衍射光光量的測定值相對應(yīng)的樣品的折射率。然后，測定單元具有相對配置的透明的第I基板以及第2基板；衍射光柵，其配置在第I基板與第2基板之間，由具有已知折射率的透明材料形成，根據(jù)樣品的折射率與透明材料的折射率之差來使來自光源的光發(fā)生衍射。衍射光柵具有由透明材料形成的多個(gè)構(gòu)件，多個(gè)構(gòu)件的平行于與第2基板相對的第I基板的第I表面的第I方向上的寬度，隨著從第I基板接近第2基板呈階梯狀地變小，該多個(gè)構(gòu)件為沿著第I方向以規(guī)定間距被周期地配置的二元光柵，作為折射率的測定對象的樣品被充填到第I基板與第2基板之間的空間中的沒有形成衍射光柵的空間。又，在該折射率測定裝置中，控制部基于至少一個(gè)衍射級中的衍射光光量的測定值求出該衍射級的衍射效率的第I計(jì)算值，優(yōu)選將被假定為樣品的折射率的多個(gè)折射率中的、至少一個(gè)衍射級的衍射效率的第I計(jì)算值與通過將假定的折射率代入到關(guān)系式求出的衍射效率的第2計(jì)算值之間的誤差的統(tǒng)計(jì)量達(dá)最小的折射率定為樣品的折射率。又，在該折射率測定裝置中，檢測器檢測從測定單元出射的衍射光的多個(gè)衍射級的光量。然后控制部在多個(gè)衍射級中按衍射效率的第I計(jì)算值從高到低的順序選擇至少兩個(gè)衍射級，并優(yōu)選將該被選擇的衍射效率的第I計(jì)算值與通過將假定的折射率代入到關(guān)系式來求出的衍射效率的第2計(jì)算值之間的誤差的統(tǒng)計(jì)量達(dá)最小的折射率定為樣品的折射率。此外，測定單元還具有設(shè)在第I表面上的第I透明電極以及設(shè)在與第I基板相對的第2基板的第2表面上的第2透明電極，且樣品優(yōu)選被配置在該第I透明電極與該第2透明電極之間。在這種情況下，折射率測定裝置優(yōu)選還具有電源電路，其施加規(guī)定的電壓到被配置在第I透明電極與第2透明電極之間的樣品。又，根據(jù)本發(fā)明的其它側(cè)面，提供一種折射率測定方法。該折射率測定方法包含將來自光源的光射向測定單元的步驟，該測定單元包含由相互相對地被配置的透明材料構(gòu)成的第I基板以及第2基板；被配置在第I基板與第2基板之間并由具有已知的折射率的透明材料形成的衍射光柵；被充填于第I基板與第2基板之間的空間中沒有形成衍射光柵的空間中的、作為折射率的測定對象的樣品；對從測定單元出射的、來自光源的光的衍射光的I級以上的至少一個(gè)衍射級的光量進(jìn)行檢測的步驟，衍射光對應(yīng)于透明材料的折射率與樣品的折射率之差；采用至少一個(gè)衍射級的衍射效率與樣品的折射率的關(guān)系式，求出與至少一個(gè)衍射級的衍射光光量的測定值相對應(yīng)的樣品的折射率的步驟。然后，衍射光柵具有由透明材料形成的多個(gè)構(gòu)件，該多個(gè)構(gòu)件的平行于與第2基板相對的第I基板的第I表面的第I方向上的寬度，隨著從第I基板接近第2基板呈階梯狀地變小，該多個(gè)構(gòu)件為沿著第I方向以規(guī)定間距周期地配置的二元光柵。發(fā)明效果本發(fā)明所涉及的折射率測定裝置以及折射率測定方法能達(dá)到構(gòu)成簡單且高精度的，能夠測定樣品的折射率的效果。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的折射率測定裝置的概略構(gòu)成圖。圖2A是測定單元的一實(shí)例的概略側(cè)面截面圖。
圖2B是測定單元的另一實(shí)例的概略側(cè)面截面圖。圖3是表示關(guān)于具有折射率1. 69的樣品的、相對于由衍射光光量的測定值求出的衍射效率的值，基于誤差統(tǒng)計(jì)量達(dá)到最小的衍射效率的計(jì)算式計(jì)算出的衍射效率的值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一實(shí)例的圖表。圖4是折射率測定方法的流程圖。圖5是另一實(shí)施方式中的測定單元的概略側(cè)面截面圖。圖6是采用圖5所示的測定單元的另一實(shí)施方式中的折射率測定裝置的概略構(gòu)成圖。符號的說明1、2折射率測定裝置10 光源11孔徑光闌12、22測定單元13檢測器14可動臺15控制器16 電源電路121、122、221、222 透明基板123、225 衍射光柵123-1 123-n 階梯構(gòu)造124、226 樣品223、224 透明電極151界面部152存儲部153控制部154驅(qū)動電路
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖對一個(gè)實(shí)施方式中的折射率測定裝置進(jìn)行說明。該折射率測定裝置將樣品充填到內(nèi)部具有衍射光柵的測定單元，并通過將光照射到該測定單元來產(chǎn)生衍射光。然后，該折射率測定裝置通過測定衍射光的至少一個(gè)衍射級的衍射光光量，將由該測定值求出的衍射效率與基于樣品的折射率與衍射效率的關(guān)系式計(jì)算的衍射效率的計(jì)算值相比較來求出樣品的折射率。圖1是一個(gè)實(shí)施方式中的折射率測定裝置的概略構(gòu)成圖。如圖1所示，該折射率測定裝置I具有光源10、孔徑光闌11、測定單元12、檢測器13、可動臺14、控制器15。其中，光源10、孔徑光闌11以及測定單元12沿著光軸OA被配置成一列。光源10為發(fā)出如下強(qiáng)度的光的光源，該強(qiáng)度的光使檢測器13能夠檢測到由測定單元12產(chǎn)生的至少一個(gè)衍射級的衍射光，可以是例如半導(dǎo)體激光器、氦氖激光器這樣的氣體激光器，或YAG激光器這樣的固體激光器?；蛘?光源10也可以是發(fā)光二極管(LightEmitting Diode，LED)。同時(shí)，為了使由后述的控制器15進(jìn)行的衍射效率的計(jì)算簡化，光源10優(yōu)選發(fā)出具有規(guī)定波長的單色光的單色光源。規(guī)定波長只要是檢測器13對其有靈敏度的波長即可，例如，可以是與近紅外光到近紫外光相當(dāng)?shù)娜我獠ㄩL。本實(shí)施方式中，光源10具有發(fā)出波長650nm的光的激光器二極管。從光源10照射的光通過孔徑光闌11并照射向測定單元12?？讖焦怅@11具有用于使照射向測定單元12的光的光斑變成規(guī)定的形狀例如圓形的開口。另外，在孔徑光闌11與測定單元12之間，也可以配置用于使通過孔徑光闌11的光變成平行光的準(zhǔn)直透鏡。又，在孔徑光闌11與測定單元12之間，也可以配置用于擴(kuò)大照射到測定單元12的光的光斑直徑的光束擴(kuò)展器。測定單元12具有用于產(chǎn)生與樣品的折射率相應(yīng)的衍射的衍射光柵。圖2A以及圖2B分別是測定單元12的一實(shí)例的概略側(cè)面截面圖。測定單元12具有:相互間大致相對平行地被配置的兩板基板121、122 ;在基板121與基板122之間，形成于基板121上的衍射光柵123。另外，在基板121與基板122之間也可以存在沒有形成衍射光柵123的空間。然后，作為折射率的測定對象的樣品124被充填到基板121與基板122之間的空間中沒有形成衍射光柵123的空間。又，在基板121與基板122之間，包圍衍射光柵123以及被充填的樣品124地設(shè)有用于防止樣品124從測定單元12泄漏的密封材料(未圖示)。來自光源10的入射光從基板121的外側(cè)，相對基板121的外側(cè)的表面121a大致垂直地入射，該入射光經(jīng)衍射光柵123衍射，并通過基板122出射?；?21、122分別是對來自光源10的入射光透明的材料，例如由玻璃或光學(xué)塑料形成的平行平板。另外，基板121的材料也可以與基板122的材料不同。又，基板121、122具有例如0.5mm 5mm左右的厚度。同時(shí)，基板121與基板122之間的間隔被設(shè)定為能具有使這些形成于基板間的衍射光柵123能夠提供足夠的衍射效率的高度的間隔，例如數(shù)μ m 100 μ m左右。衍射光柵123使入射到測定單元12的、來自光源10的入射光發(fā)生衍射。在本實(shí)施方式中，衍射光柵123為如下構(gòu)成的二兀光柵:平行于與基板122相對的一側(cè)的基板121的表面121b的第I方向上的寬度隨著從基板121接近基板122呈階梯狀地變小的多個(gè)階梯構(gòu)造123-1 123-n (但η為2以上的整數(shù))，沿著該第I方向以規(guī)定間距被呈周期地配置。各階梯構(gòu)造123-1 123-n具有相對上述第I方向形狀發(fā)生變化而相對與第I方向正交的方向形狀不發(fā)生變化的一維構(gòu)造。各階梯構(gòu)造123-1 123-n所具有的階梯數(shù)設(shè)定為例如I 8中任意一個(gè)。另外，階梯數(shù)越多衍射效率也越高。因此，例如形成階梯構(gòu)造的材料與樣品124的折射率之差越小，對于各衍射級所得到的衍射效率越低，則階梯數(shù)最好越多?；蛘?，改變階梯構(gòu)造的材料，使階梯構(gòu)造的折射率與樣品124的折射率之差增大，同使階梯數(shù)增多一樣也能提高測定精度。如圖2A所示的例中，階梯數(shù)為4。另一方面，在如圖2B所示的例中，階梯數(shù)為I。即，在如圖2B所示的例中，階梯構(gòu)造123-1 123-n分別具有矩形截面形狀。各階梯的高度(S卩，基板121的表面121b的法線方向的長度)一樣，一個(gè)階梯的高度設(shè)定為例如入射光的波長的幾分之一到幾倍左右。例如，在階梯數(shù)為4情況下，對于波長650nm的入射光，各階梯的高度設(shè)定為570nm。而在階梯數(shù)為I的情況下，對于波長650nm的入射光，一個(gè)階梯的高度設(shè)定為例如2280nm。或者，在階梯數(shù)為8的情況下，對于波長650nm的入射光，各階梯的高度設(shè)定為285nm。為了衍射光柵123能使入射光發(fā)生衍射，規(guī)定間距設(shè)定為例如數(shù)μ m 數(shù)10 μ m左右。衍射光柵123采用例如納米壓印法來形成。具體地說，例如將對來自光源10的入射光透明的紫外線硬化樹脂涂在基板121的表面121b上。按壓用于對該樹脂復(fù)制各階梯構(gòu)造的模具。然后，對樹脂照射紫外光并使樹脂硬化，由此通過在該樹脂上復(fù)制各階梯構(gòu)造，來形成衍射光柵123?；?22可以接觸該衍射光柵123的各階梯構(gòu)造的上端地被配置，或者也可以不接觸各階梯構(gòu)造的上端地被配置。由于入射光的衍射是通過衍射光柵123來產(chǎn)生的，因而基板122與衍射光柵123的位置關(guān)系對衍射光的強(qiáng)度沒有影響。另外，在基板122與衍射光柵123的上端不接觸的情況下，例如，在基板121與基板122之間例如在基板121與基板122的各個(gè)角處，優(yōu)選設(shè)有用于使基板121與基板122的間隔保持為比階梯構(gòu)造的高度更高的規(guī)定距離的間隔部。作為折射率的測定對象樣品124為具有如下程度的透明度的物質(zhì)，該透明度使檢測器13對于來自光源10的入射光，能夠檢知來自充填有該樣品124的測定單元12的衍射光的至少一個(gè)衍射級的光的光量，其為例如含有糖類的溶液等的液體、氣體或液晶體。然后，樣品124被充填到基板121與基板122之間的空間中沒有形成衍射光柵123的空間。因此，測定單元12根據(jù)構(gòu)成衍射光柵123的構(gòu)件的折射率與樣品124的折射率之差來使入射光發(fā)生衍射。檢測器13配置在測定單元12的出射側(cè)，檢測由測定單元12產(chǎn)生的至少一個(gè)級的衍射光光量。在本實(shí)施方式中，檢測器13被配置為能夠檢測±1級、±2級、±3級以及O級的衍射光光量。此外，檢測器13測定從測定單元12出射的光的全部光量。因此，檢測器13具有例如光電二極管、CXD或C-MOS這樣的、輸出與接收的光的光量相應(yīng)的電信號的光電轉(zhuǎn)換元件。或者，檢測器13也可以為一列地或二維陣列狀地排列這樣的光電轉(zhuǎn)換元件。然后，檢測器13與控制器15連接，將與接收的光的光量相應(yīng)的電信號輸出到控制器15。又，檢測器13安裝到可動臺14上?？蓜优_14可以做成例如可在互相正交的兩個(gè)方向上移動、即所謂X-Y平臺。然后檢測器13在沿著光軸OA的方向，或者沿著與光軸OA正交且由測定單元12使入射光衍射的方向上可移動，以便能夠接收各級的衍射光。另外，檢測器13具有一維或二維陣列狀地被配置的多個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件，在一次能夠接收多個(gè)級的衍射光的情況下，也可以省略可動臺14，將檢測器13固定地安裝到支持構(gòu)件(未圖示)上。在該情況下，檢測器13的各個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件分別將與接收的光量相應(yīng)的電信號輸出到控制器15。然后，控制器15能夠基于來自與所關(guān)注的衍射級相對應(yīng)的位置的光電轉(zhuǎn)換元件的電信號，求出與該所關(guān)注的衍射級相當(dāng)?shù)墓饬俊？刂破?5基于由檢測器13測定得到的至少一個(gè)級的衍射光光量，求出被充填到測定單元12內(nèi)的樣品的折射率。因此，控制器15具有界面部151、存儲部152、控制部153。
界面部151具有按照例如RS232C或者USB這樣的規(guī)定通信標(biāo)準(zhǔn)的界面電路。然后，界面部151接收表示由檢測器13測定得到的光的光量的電信號，并將該電信號傳遞到控制部153。存儲部152具有例如半導(dǎo)體存儲器，或者磁記錄介質(zhì)或光存儲介質(zhì)等。存儲部152存儲有用于求出被充填在測定單元12內(nèi)的樣品的折射率的各種參數(shù)等。又，存儲部152也可以存儲有:關(guān)于各個(gè)多個(gè)折射率的多個(gè)衍射級例如_3級 +3級的衍射效率的計(jì)算值，以及這些折射率，所述多個(gè)折射率由控制部153計(jì)算，包含在關(guān)于被充填在測定單元12內(nèi)的樣品的所假定的折射率的范圍內(nèi)，并以例如0.001 0.01的單位變化?？刂撇?53具有至少一個(gè)處理器及其外圍電路。然后，控制部153通過確定與對于從檢測器13接收到的至少一個(gè)衍射級的衍射光光量的測定值相對應(yīng)的樣品的折射率，求出將被充填在測定單元12內(nèi)的樣品的折射率。如圖2A以及圖2B所示，在測定單元12具有一維的二元光柵的情況下，由測定單元12產(chǎn)生的衍射光的各衍射級的衍射效率由下式所表示。
權(quán)利要求
1.一種折射率測定裝置，其特征在于，包括: 光源； 測定單元，其包含作為折射率的測定對象的樣品，且使從所述光源入射的光發(fā)生衍射； 檢測器，其對包含從所述測定單元出射的衍射光的O級之外的衍射級的至少一個(gè)衍射級的光量進(jìn)行檢測； 控制部，其采用所述至少一個(gè)衍射級的衍射效率與所述樣品的折射率的關(guān)系式，求出與由所述檢測器檢測到的所述至少一個(gè)衍射級的衍射光光量的測定值相對應(yīng)的所述樣品的折射率， 所述測定單元具有: 相對配置的透明的第I基板以及第2基板； 衍射光柵，其配置在所述第I基板與所述第2基板之間，由具有已知折射率的透明材料形成，根據(jù)所述樣品的折射率與所述透明材料的折射率之差來使來自所述光源的光發(fā)生衍射， 所述衍射光柵具有由所述透明材料形成的多個(gè)構(gòu)件，所述多個(gè)構(gòu)件的平行于與所述第2基板相對的所述第I基板的第I表面的第I方向上的寬度，隨著從所述第I基板接近所述第2基板呈階梯狀地變小，該多個(gè)構(gòu)件為沿著所述第I方向以規(guī)定間距被周期地配置的二兀光柵， 所述樣品被充填到所述第I基板與所述第2基板之間的空間中的沒有形成所述衍射光柵的空間。
2.如權(quán)利要求1所述的折射率測定裝置，其特征在于， 所述控制部，基于所述至少一個(gè)衍射級中的所述衍射光光量的測定值求出該衍射級的衍射效率的第I計(jì)算值，將被假定為所述樣品的折射率的多個(gè)折射率中的、所述至少一個(gè)衍射級的所述衍射效率的第I計(jì)算值與通過將所述假定的折射率代入到所述關(guān)系式求出的衍射效率的第2計(jì)算值之間的誤差的統(tǒng)計(jì)量達(dá)最小的折射率，定為所述樣品的折射率。
3.如權(quán)利要求2所述的折射率測定裝置，其特征在于， 所述檢測器檢測從所述測定單元出射的衍射光的多個(gè)衍射級的光量， 所述控制部在所述多個(gè)衍射級中按所述衍射效率的第I計(jì)算值從高到低的順序選擇至少兩個(gè)衍射級，并將該被選擇的衍射效率的第I計(jì)算值與通過將所述假定的折射率代入到所述關(guān)系式來求出的衍射效率的第2計(jì)算值之間的誤差的統(tǒng)計(jì)量達(dá)最小的折射率，定為所述樣品的折射率。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的折射率測定裝置，其特征在于， 所述測定單元還具有:設(shè)在所述第I表面上的第I透明電極以及設(shè)在與所述第I基板相對的所述第2基板的第2表面上的第2透明電極，且所述樣品被配置在該第I透明電極與該第2透明電極之間， 該折射率測定裝置還具有電源電路，其施加規(guī)定的電壓到被配置在所述第I透明電極與所述第2透明電極之間的所述樣品。
5.—種折射率測定方法,其特征在于,包含: 將來自光源的光射向測定單元的步驟，該測定單元包含:相互相對地被配置的透明的第I基板以及第2基板；被配置在所述第I基板與所述第2基板之間并由具有已知的折射率的透明材料形成的衍射光柵；被充填于所述第I基板與所述第2基板之間的空間中沒有形成所述衍射光柵的空間中的、作為折射率的測定對象的樣品； 對包含從所述測定單元出射的、來自所述光源的光的衍射光的O級之外的衍射級的至少一個(gè)衍射級的光量進(jìn)行檢測的步驟，所述衍射光對應(yīng)于所述透明材料的折射率與所述樣品的折射率之差； 采用所述至少一個(gè)衍射級的衍射效率與所述樣品的折射率的關(guān)系式，求出與所述至少一個(gè)衍射級的衍射光光量的測定值相對應(yīng)的所述樣品的折射率的步驟， 所述衍射光柵具有由所述透明材料形成的多個(gè)構(gòu)件，該多個(gè)構(gòu)件的平行于與所述第2基板相對的所述第I基板的第I表面的第I方向上的寬度，隨著從所述第I基板接近所述第2基板呈階梯狀地變小，該多個(gè)構(gòu)件為沿著所述第I方向以規(guī)定間距周期地配置的二元光柵。
全文摘要
折射率測定裝置(1)具有光源(10)；測定單元(12、22)，其包含作為折射率的測定對象的樣品(125、226)，使從光源入射的光發(fā)生衍射；檢測器(13)，其檢測包含除從測定單元出射的衍射光的0級之外的衍射級的至少一個(gè)衍射級的光量；控制部(15)，其求出與由檢測器檢測到的至少一個(gè)衍射級的衍射光光量的測定值相對應(yīng)的樣品的折射率。測定單元具有相對地被配置的第1基板(121、221)以及第2基板(121、221)、配置在第1與第2基板之間的衍射光柵(123、225)，衍射光柵具有在平行于第1基板面的方向上的寬度隨著從第1基板接近到第2基板呈階梯狀地變小的多個(gè)構(gòu)件，作為折射率的測定對象的樣品(125、226)被充填到第1與第2基板之間的空間中的沒有形成衍射光柵的空間里。
文檔編號G01N21/41GK103080729SQ20118004019
公開日2013年5月1日 申請日期2011年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者齋藤友香, 橋本信幸 申請人:西鐵城控股株式會社