专利名称：折射率测定装置以及折射率测定方法
技术领域：
本发明涉及一种测定样品的折射率的折射率测定装置以及折射率测定方法。
背景技术：
一直以来，人们提出了各种测定气体、液体等样品的折射率的装置以及方法。作为代表性的折射率测定装置，已知一种通过采用棱镜调整样品的全反射的临界角，来测定折射率的阿贝折射计。还提出了一种利用光的干涉现象的折射率测定装置(例如，参照特开2002-168780号公报)。另外还提出了一种利用光的衍射现象的折射率的测定方法。作为这样的测定方法之一，例如，特开2006-170727号公报公开了一种偏光分束元件的评价方法，其通过双光束干涉曝光对由非聚合性液晶体、聚合性单体或者预聚物、光聚合引发剂构成的组合物进行曝光，对作为形成有由表示光学各向异性的区域和表示光学各向同性的区域构成的周期构造的衍射元件的偏光分束元件的折射率调制量进行测定。该方法控制偏光分束元件的温度，同时将激光照射到偏光分束元件并测定衍射效率，根据折射率调制量与衍射效率的关系以及衍射效率的温度特性来确定与衍射效率相对应的折射率调制量。此外，特开2007-292509号公报公开了一种折射率测定方法，其将覆盖衍射元件的样品的折射率识别为与通过测定衍射元件的O级衍射效率，并采用测定得到的O级衍射效率和衍射光栅的光栅形状来计算出的理论衍射效率最为一致的折射率。

发明内容
发明要解决的技术问题然而，阿贝折射计是通过与刻度比较由目视来求出临界角的。此时，不熟悉测定的用户不能正确地读取临界角，其结果容易导致作为折射率的测定精度不高。又，对于利用干涉现象的折射率测定装置，为了精密地测定干涉条纹的间距，避免由振动等引起的不良影响，必须研究装置的设置地点或装置自身的构造。因此，利用干涉现象的折射率测定装置有难以操作且装置造价高这样的问题。此外，上述的衍射现象的折射率测定方法需要通过变更被测定物的温度或变更照射到被测定物的光的波长，来多次测定衍射效率，因此，测定程序复杂。因此，本发明的目的在于，提供一种构成简单且高精度的，能够测定样品的折射率的折射率测定装置以及折射率测定方法。解决问题的技术手段根据本发明的一个侧面，提供一种折射率测定装置。该折射率测定装置具有光源；测定单元，其包含作为折射率的测定对象的样品，且使从光源入射的光发生衍射；检测器，其对包含从测定单元出射的衍射光的O级之外的衍射级的至少一个衍射级的光量进行检测；控制部，其采用至少一个衍射级的衍射效率与样品的折射率的关系式，求出与由检测器检测到的至少一个衍射级的衍射光光量的测定值相对应的样品的折射率。然后，测定单元具有相对配置的透明的第I基板以及第2基板；衍射光栅，其配置在第I基板与第2基板之间，由具有已知折射率的透明材料形成，根据样品的折射率与透明材料的折射率之差来使来自光源的光发生衍射。衍射光栅具有由透明材料形成的多个构件，多个构件的平行于与第2基板相对的第I基板的第I表面的第I方向上的宽度，随着从第I基板接近第2基板呈阶梯状地变小，该多个构件为沿着第I方向以规定间距被周期地配置的二元光栅，作为折射率的测定对象的样品被充填到第I基板与第2基板之间的空间中的没有形成衍射光栅的空间。又，在该折射率测定装置中，控制部基于至少一个衍射级中的衍射光光量的测定值求出该衍射级的衍射效率的第I计算值，优选将被假定为样品的折射率的多个折射率中的、至少一个衍射级的衍射效率的第I计算值与通过将假定的折射率代入到关系式求出的衍射效率的第2计算值之间的误差的统计量达最小的折射率定为样品的折射率。又，在该折射率测定装置中，检测器检测从测定单元出射的衍射光的多个衍射级的光量。然后控制部在多个衍射级中按衍射效率的第I计算值从高到低的顺序选择至少两个衍射级，并优选将该被选择的衍射效率的第I计算值与通过将假定的折射率代入到关系式来求出的衍射效率的第2计算值之间的误差的统计量达最小的折射率定为样品的折射率。此外，测定单元还具有设在第I表面上的第I透明电极以及设在与第I基板相对的第2基板的第2表面上的第2透明电极，且样品优选被配置在该第I透明电极与该第2透明电极之间。在这种情况下，折射率测定装置优选还具有电源电路，其施加规定的电压到被配置在第I透明电极与第2透明电极之间的样品。又，根据本发明的其它侧面，提供一种折射率测定方法。该折射率测定方法包含将来自光源的光射向测定单元的步骤，该测定单元包含由相互相对地被配置的透明材料构成的第I基板以及第2基板；被配置在第I基板与第2基板之间并由具有已知的折射率的透明材料形成的衍射光栅；被充填于第I基板与第2基板之间的空间中没有形成衍射光栅的空间中的、作为折射率的测定对象的样品；对从测定单元出射的、来自光源的光的衍射光的I级以上的至少一个衍射级的光量进行检测的步骤，衍射光对应于透明材料的折射率与样品的折射率之差；采用至少一个衍射级的衍射效率与样品的折射率的关系式，求出与至少一个衍射级的衍射光光量的测定值相对应的样品的折射率的步骤。然后，衍射光栅具有由透明材料形成的多个构件，该多个构件的平行于与第2基板相对的第I基板的第I表面的第I方向上的宽度，随着从第I基板接近第2基板呈阶梯状地变小，该多个构件为沿着第I方向以规定间距周期地配置的二元光栅。发明效果本发明所涉及的折射率测定装置以及折射率测定方法能达到构成简单且高精度的，能够测定样品的折射率的效果。


图1是本发明的一个实施方式中的折射率测定装置的概略构成图。图2A是测定单元的一实例的概略侧面截面图。
图2B是测定单元的另一实例的概略侧面截面图。图3是表示关于具有折射率1. 69的样品的、相对于由衍射光光量的测定值求出的衍射效率的值，基于误差统计量达到最小的衍射效率的计算式计算出的衍射效率的值的实验结果的一实例的图表。图4是折射率测定方法的流程图。图5是另一实施方式中的测定单元的概略侧面截面图。图6是采用图5所示的测定单元的另一实施方式中的折射率测定装置的概略构成图。符号的说明1、2折射率测定装置10 光源11孔径光阑12、22测定单元13检测器14可动台15控制器16 电源电路121、122、221、222 透明基板123、225 衍射光栅123-1 123-n 阶梯构造124、226 样品223、224 透明电极151界面部152存储部153控制部154驱动电路
具体实施例方式下面，参照附图对一个实施方式中的折射率测定装置进行说明。该折射率测定装置将样品充填到内部具有衍射光栅的测定单元，并通过将光照射到该测定单元来产生衍射光。然后，该折射率测定装置通过测定衍射光的至少一个衍射级的衍射光光量，将由该测定值求出的衍射效率与基于样品的折射率与衍射效率的关系式计算的衍射效率的计算值相比较来求出样品的折射率。图1是一个实施方式中的折射率测定装置的概略构成图。如图1所示，该折射率测定装置I具有光源10、孔径光阑11、测定单元12、检测器13、可动台14、控制器15。其中，光源10、孔径光阑11以及测定单元12沿着光轴OA被配置成一列。光源10为发出如下强度的光的光源，该强度的光使检测器13能够检测到由测定单元12产生的至少一个衍射级的衍射光，可以是例如半导体激光器、氦氖激光器这样的气体激光器，或YAG激光器这样的固体激光器。或者,光源10也可以是发光二极管(LightEmitting Diode，LED)。同时，为了使由后述的控制器15进行的衍射效率的计算简化，光源10优选发出具有规定波长的单色光的单色光源。规定波长只要是检测器13对其有灵敏度的波长即可，例如，可以是与近红外光到近紫外光相当的任意波长。本实施方式中，光源10具有发出波长650nm的光的激光器二极管。从光源10照射的光通过孔径光阑11并照射向测定单元12。孔径光阑11具有用于使照射向测定单元12的光的光斑变成规定的形状例如圆形的开口。另外，在孔径光阑11与测定单元12之间，也可以配置用于使通过孔径光阑11的光变成平行光的准直透镜。又，在孔径光阑11与测定单元12之间，也可以配置用于扩大照射到测定单元12的光的光斑直径的光束扩展器。测定单元12具有用于产生与样品的折射率相应的衍射的衍射光栅。图2A以及图2B分别是测定单元12的一实例的概略侧面截面图。测定单元12具有:相互间大致相对平行地被配置的两板基板121、122 ;在基板121与基板122之间，形成于基板121上的衍射光栅123。另外，在基板121与基板122之间也可以存在没有形成衍射光栅123的空间。然后，作为折射率的测定对象的样品124被充填到基板121与基板122之间的空间中没有形成衍射光栅123的空间。又，在基板121与基板122之间，包围衍射光栅123以及被充填的样品124地设有用于防止样品124从测定单元12泄漏的密封材料(未图示)。来自光源10的入射光从基板121的外侧，相对基板121的外侧的表面121a大致垂直地入射，该入射光经衍射光栅123衍射，并通过基板122出射。基板121、122分别是对来自光源10的入射光透明的材料，例如由玻璃或光学塑料形成的平行平板。另外，基板121的材料也可以与基板122的材料不同。又，基板121、122具有例如0.5mm 5mm左右的厚度。同时，基板121与基板122之间的间隔被设定为能具有使这些形成于基板间的衍射光栅123能够提供足够的衍射效率的高度的间隔，例如数μ m 100 μ m左右。衍射光栅123使入射到测定单元12的、来自光源10的入射光发生衍射。在本实施方式中，衍射光栅123为如下构成的二兀光栅:平行于与基板122相对的一侧的基板121的表面121b的第I方向上的宽度随着从基板121接近基板122呈阶梯状地变小的多个阶梯构造123-1 123-n (但η为2以上的整数)，沿着该第I方向以规定间距被呈周期地配置。各阶梯构造123-1 123-n具有相对上述第I方向形状发生变化而相对与第I方向正交的方向形状不发生变化的一维构造。各阶梯构造123-1 123-n所具有的阶梯数设定为例如I 8中任意一个。另外，阶梯数越多衍射效率也越高。因此，例如形成阶梯构造的材料与样品124的折射率之差越小，对于各衍射级所得到的衍射效率越低，则阶梯数最好越多。或者，改变阶梯构造的材料，使阶梯构造的折射率与样品124的折射率之差增大，同使阶梯数增多一样也能提高测定精度。如图2A所示的例中，阶梯数为4。另一方面，在如图2B所示的例中，阶梯数为I。即，在如图2B所示的例中，阶梯构造123-1 123-n分别具有矩形截面形状。各阶梯的高度(S卩，基板121的表面121b的法线方向的长度)一样，一个阶梯的高度设定为例如入射光的波长的几分之一到几倍左右。例如，在阶梯数为4情况下，对于波长650nm的入射光，各阶梯的高度设定为570nm。而在阶梯数为I的情况下，对于波长650nm的入射光，一个阶梯的高度设定为例如2280nm。或者，在阶梯数为8的情况下，对于波长650nm的入射光，各阶梯的高度设定为285nm。为了衍射光栅123能使入射光发生衍射，规定间距设定为例如数μ m 数10 μ m左右。衍射光栅123采用例如纳米压印法来形成。具体地说，例如将对来自光源10的入射光透明的紫外线硬化树脂涂在基板121的表面121b上。按压用于对该树脂复制各阶梯构造的模具。然后，对树脂照射紫外光并使树脂硬化，由此通过在该树脂上复制各阶梯构造，来形成衍射光栅123。基板122可以接触该衍射光栅123的各阶梯构造的上端地被配置，或者也可以不接触各阶梯构造的上端地被配置。由于入射光的衍射是通过衍射光栅123来产生的，因而基板122与衍射光栅123的位置关系对衍射光的强度没有影响。另外，在基板122与衍射光栅123的上端不接触的情况下，例如，在基板121与基板122之间例如在基板121与基板122的各个角处，优选设有用于使基板121与基板122的间隔保持为比阶梯构造的高度更高的规定距离的间隔部。作为折射率的测定对象样品124为具有如下程度的透明度的物质，该透明度使检测器13对于来自光源10的入射光，能够检知来自充填有该样品124的测定单元12的衍射光的至少一个衍射级的光的光量，其为例如含有糖类的溶液等的液体、气体或液晶体。然后，样品124被充填到基板121与基板122之间的空间中没有形成衍射光栅123的空间。因此，测定单元12根据构成衍射光栅123的构件的折射率与样品124的折射率之差来使入射光发生衍射。检测器13配置在测定单元12的出射侧，检测由测定单元12产生的至少一个级的衍射光光量。在本实施方式中，检测器13被配置为能够检测±1级、±2级、±3级以及O级的衍射光光量。此外，检测器13测定从测定单元12出射的光的全部光量。因此，检测器13具有例如光电二极管、CXD或C-MOS这样的、输出与接收的光的光量相应的电信号的光电转换元件。或者，检测器13也可以为一列地或二维阵列状地排列这样的光电转换元件。然后，检测器13与控制器15连接，将与接收的光的光量相应的电信号输出到控制器15。又，检测器13安装到可动台14上。可动台14可以做成例如可在互相正交的两个方向上移动、即所谓X-Y平台。然后检测器13在沿着光轴OA的方向，或者沿着与光轴OA正交且由测定单元12使入射光衍射的方向上可移动，以便能够接收各级的衍射光。另外，检测器13具有一维或二维阵列状地被配置的多个光电转换元件，在一次能够接收多个级的衍射光的情况下，也可以省略可动台14，将检测器13固定地安装到支持构件(未图示)上。在该情况下，检测器13的各个光电转换元件分别将与接收的光量相应的电信号输出到控制器15。然后，控制器15能够基于来自与所关注的衍射级相对应的位置的光电转换元件的电信号，求出与该所关注的衍射级相当的光量。控制器15基于由检测器13测定得到的至少一个级的衍射光光量，求出被充填到测定单元12内的样品的折射率。因此，控制器15具有界面部151、存储部152、控制部153。
界面部151具有按照例如RS232C或者USB这样的规定通信标准的界面电路。然后，界面部151接收表示由检测器13测定得到的光的光量的电信号，并将该电信号传递到控制部153。存储部152具有例如半导体存储器，或者磁记录介质或光存储介质等。存储部152存储有用于求出被充填在测定单元12内的样品的折射率的各种参数等。又，存储部152也可以存储有:关于各个多个折射率的多个衍射级例如_3级 +3级的衍射效率的计算值，以及这些折射率，所述多个折射率由控制部153计算，包含在关于被充填在测定单元12内的样品的所假定的折射率的范围内，并以例如0.001 0.01的单位变化。控制部153具有至少一个处理器及其外围电路。然后，控制部153通过确定与对于从检测器13接收到的至少一个衍射级的衍射光光量的测定值相对应的样品的折射率，求出将被充填在测定单元12内的样品的折射率。如图2A以及图2B所示，在测定单元12具有一维的二元光栅的情况下，由测定单元12产生的衍射光的各衍射级的衍射效率由下式所表示。
权利要求
1.一种折射率测定装置，其特征在于，包括: 光源； 测定单元，其包含作为折射率的测定对象的样品，且使从所述光源入射的光发生衍射； 检测器，其对包含从所述测定单元出射的衍射光的O级之外的衍射级的至少一个衍射级的光量进行检测； 控制部，其采用所述至少一个衍射级的衍射效率与所述样品的折射率的关系式，求出与由所述检测器检测到的所述至少一个衍射级的衍射光光量的测定值相对应的所述样品的折射率， 所述测定单元具有: 相对配置的透明的第I基板以及第2基板； 衍射光栅，其配置在所述第I基板与所述第2基板之间，由具有已知折射率的透明材料形成，根据所述样品的折射率与所述透明材料的折射率之差来使来自所述光源的光发生衍射， 所述衍射光栅具有由所述透明材料形成的多个构件，所述多个构件的平行于与所述第2基板相对的所述第I基板的第I表面的第I方向上的宽度，随着从所述第I基板接近所述第2基板呈阶梯状地变小，该多个构件为沿着所述第I方向以规定间距被周期地配置的二兀光栅， 所述样品被充填到所述第I基板与所述第2基板之间的空间中的没有形成所述衍射光栅的空间。
2.如权利要求1所述的折射率测定装置，其特征在于， 所述控制部，基于所述至少一个衍射级中的所述衍射光光量的测定值求出该衍射级的衍射效率的第I计算值，将被假定为所述样品的折射率的多个折射率中的、所述至少一个衍射级的所述衍射效率的第I计算值与通过将所述假定的折射率代入到所述关系式求出的衍射效率的第2计算值之间的误差的统计量达最小的折射率，定为所述样品的折射率。
3.如权利要求2所述的折射率测定装置，其特征在于， 所述检测器检测从所述测定单元出射的衍射光的多个衍射级的光量， 所述控制部在所述多个衍射级中按所述衍射效率的第I计算值从高到低的顺序选择至少两个衍射级，并将该被选择的衍射效率的第I计算值与通过将所述假定的折射率代入到所述关系式来求出的衍射效率的第2计算值之间的误差的统计量达最小的折射率，定为所述样品的折射率。
4.如权利要求1至3中任一项所述的折射率测定装置，其特征在于， 所述测定单元还具有:设在所述第I表面上的第I透明电极以及设在与所述第I基板相对的所述第2基板的第2表面上的第2透明电极，且所述样品被配置在该第I透明电极与该第2透明电极之间， 该折射率测定装置还具有电源电路，其施加规定的电压到被配置在所述第I透明电极与所述第2透明电极之间的所述样品。
5.—种折射率测定方法,其特征在于,包含: 将来自光源的光射向测定单元的步骤，该测定单元包含:相互相对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基板与所述第2基板之间并由具有已知的折射率的透明材料形成的衍射光栅；被充填于所述第I基板与所述第2基板之间的空间中没有形成所述衍射光栅的空间中的、作为折射率的测定对象的样品； 对包含从所述测定单元出射的、来自所述光源的光的衍射光的O级之外的衍射级的至少一个衍射级的光量进行检测的步骤，所述衍射光对应于所述透明材料的折射率与所述样品的折射率之差； 采用所述至少一个衍射级的衍射效率与所述样品的折射率的关系式，求出与所述至少一个衍射级的衍射光光量的测定值相对应的所述样品的折射率的步骤， 所述衍射光栅具有由所述透明材料形成的多个构件，该多个构件的平行于与所述第2基板相对的所述第I基板的第I表面的第I方向上的宽度，随着从所述第I基板接近所述第2基板呈阶梯状地变小，该多个构件为沿着所述第I方向以规定间距周期地配置的二元光栅。
全文摘要
折射率测定装置(1)具有光源(10)；测定单元(12、22)，其包含作为折射率的测定对象的样品(125、226)，使从光源入射的光发生衍射；检测器(13)，其检测包含除从测定单元出射的衍射光的0级之外的衍射级的至少一个衍射级的光量；控制部(15)，其求出与由检测器检测到的至少一个衍射级的衍射光光量的测定值相对应的样品的折射率。测定单元具有相对地被配置的第1基板(121、221)以及第2基板(121、221)、配置在第1与第2基板之间的衍射光栅(123、225)，衍射光栅具有在平行于第1基板面的方向上的宽度随着从第1基板接近到第2基板呈阶梯状地变小的多个构件，作为折射率的测定对象的样品(125、226)被充填到第1与第2基板之间的空间中的没有形成衍射光栅的空间里。
文档编号G01N21/41GK103080729SQ20118004019
公开日2013年5月1日 申请日期2011年8月4日 优先权日2010年8月19日
发明者斋藤友香, 桥本信幸 申请人:西铁城控股株式会社