JP2006322710A - Spectrometry device - Google Patents
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Description
本発明は、測定対象物から放射または反射された光の分光測定装置に係り、とくに分光強度の放射角度または反射角度分布の測定に関する。 The present invention relates to a spectrometer for light emitted or reflected from an object to be measured, and more particularly to measurement of a radiation angle or reflection angle distribution of spectral intensity.
分光測定では一般に、測定対象物からの放射または反射された光を分光器内に取り込み、その分光強度、すなわち波長および波長ごとの光の強度についての情報を得る。また、微小な一点(測定点)からの光について分光測定を行なう場合には、その測定点に焦点を有するレンズを介して該光を分光器内に取り込み測定している。
しかしながら、従来の分光測定装置では、測定対象物からの放射または反射光の分光強度を、放射角度または反射角度の関数として同時に測定することができないという問題があった。従来の分光測定装置では、微小な一点(測定点)からの光について、分光強度の放射角度分布あるいは反射角度分布を測定するには、測定点に対し放射角度方向あるいは反射角度方向に分光器をゴニオメータ等により移動させるか、あるいは光学系(鏡系)を動かすことによって分光器に到達する光の放射角度あるいは反射角度を変化せしめる方法が採用されているが、いずれにしても移動角度ごとに分光強度をそれぞれ個別に測定することが必要であった。
In spectroscopic measurement, generally, radiation or reflected light from an object to be measured is taken into a spectroscope, and information about the spectral intensity, that is, the wavelength and the intensity of light for each wavelength is obtained. In addition, when spectroscopic measurement is performed on light from a minute point (measurement point), the light is taken into the spectroscope through a lens having a focus at the measurement point.
However, the conventional spectroscopic measurement apparatus has a problem that the spectral intensity of the radiation or reflected light from the measurement object cannot be measured simultaneously as a function of the radiation angle or the reflection angle. In a conventional spectrometer, in order to measure the radiation angle distribution or reflection angle distribution of the spectral intensity for light from a small point (measurement point), the spectroscope is placed in the radiation angle direction or reflection angle direction with respect to the measurement point. A method of changing the radiation angle or reflection angle of light reaching the spectroscope by moving it with a goniometer or moving the optical system (mirror system) is used. It was necessary to measure the intensity individually.
このような問題に対し、分光測定ではないが、散乱光の強度を散乱角の関数として測定できる散乱強度測定装置が特許文献1に記載されている。特許文献1に記載された装置では、試料に光を照射する照射光源と、試料からの散乱光を反射させて集光するための、好ましくは回転楕円体面の一部から構成される反射鏡と、反射鏡の表面上の像を結像する結像レンズと、絞りと、結像レンズにより結像された像を記録する撮像手段とを備えて、光学系を構成する要素を動かすことなしに一度に、広い角度範囲で散乱光の散乱強度の角度依存性を測定可能としている。 In order to solve such a problem, Patent Document 1 discloses a scattering intensity measuring apparatus that can measure the intensity of scattered light as a function of a scattering angle, although it is not spectroscopic measurement. In the apparatus described in Patent Document 1, an irradiation light source for irradiating a sample with light, and a reflecting mirror preferably configured to reflect and collect scattered light from the sample, preferably a part of a spheroid surface An image forming lens for forming an image on the surface of the reflecting mirror, a stop, and an image pickup means for recording the image formed by the image forming lens, without moving the elements constituting the optical system It is possible to measure the angle dependence of the scattered light scattering intensity at a time over a wide angle range.
しかしながら、特許文献1に記載された装置では、散乱光強度の角度分布は得られるが、その分光強度の測定はできないという問題がある。というには、特許文献1の装置で得られる二次元の散乱光強度の角度分布画像は湾曲しており、湾曲した画像を分光器に取り入れることはできないため、この装置を直ちに分光測定に適用することはできない。また、特許文献1に記載された装置で得られる散乱強度の散乱角度分布画像から、散乱強度の角度依存性を求めるには、光学系の湾曲の影響を考慮しなければならないため複雑な計算が必要となり、精度を確保するのが難しくなるうえ計算にも時間を要するという問題があった。 However, the apparatus described in Patent Document 1 has the problem that although the angular distribution of scattered light intensity can be obtained, the spectral intensity cannot be measured. That is, since the angle distribution image of the two-dimensional scattered light intensity obtained by the apparatus of Patent Document 1 is curved and the curved image cannot be taken into the spectrometer, this apparatus is immediately applied to the spectroscopic measurement. It is not possible. In addition, in order to obtain the angle dependency of the scattering intensity from the scattering angle distribution image of the scattering intensity obtained by the apparatus described in Patent Document 1, it is necessary to consider the influence of the curvature of the optical system, so that complicated calculation is required. As a result, it is difficult to ensure accuracy and time is required for calculation.
また、非特許文献1には、二次元分光測定器についての解説が記載され、対象物の部分位置とその各位置の分光強度(光スペクトル)を同時に測定可能な二次元分光器が記載されている。しかし、非特許文献1に記載された二次元分光器では、微小な一点からの放射または反射光について放射角度または反射角度と分光強度との関係を同時には測定できないという問題があった。
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑み、測定対象物あるいは分光器を移動させることなく、測定対象物の一点(測定点)から放射される光または反射される光の角度情報と分光強度情報とを同時に測定可能な、分光測定装置を提案することを目的とする。 In view of the problems of the prior art, the present invention provides angle information and spectral intensity information of light emitted from or reflected from one point (measurement point) of the measurement object without moving the measurement object or the spectroscope. An object of the present invention is to propose a spectroscopic measurement apparatus that can measure the above and the like simultaneously.
本発明者らは、上記した課題を達成するために、測定対象物の一点(測定点)から放射または反射される光の角度情報と分光強度情報とを同時に測定する方法について鋭意検討した。その結果、測定点の位置に焦点を持つレンズ群を配設し、測定点からの放射または反射角度に応じた光を空間的に平行な光とすることを想到した。そしてその平行光を、二次元分光器のスリットの位置に結像するようにして二次元分光器に取り込むことにより、放射または反射される光の角度情報と分光強度情報とを同時に測定できる分光測定が可能となることを知見した。 In order to achieve the above-described problems, the present inventors diligently studied a method for simultaneously measuring angle information and spectral intensity information of light emitted or reflected from one point (measurement point) of a measurement object. As a result, a lens group having a focal point at the position of the measurement point is disposed, and it has been conceived that the light corresponding to the radiation or reflection angle from the measurement point is spatially parallel light. Spectroscopic measurement that can simultaneously measure the angle information and spectral intensity information of the emitted or reflected light by capturing the parallel light into the two-dimensional spectrometer so that it forms an image at the slit position of the two-dimensional spectrometer. It has been found that is possible.
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
(1)測定対象物から放射された光を分光測定する分光測定装置であって、前記測定対象物の測定対象点に焦点位置を有し、該測定対象点から放射された光を平行光化する第一のレンズ群と、該平行光化された光を二次元分光器のスリットの位置に結像させる第二のレンズ群と、該スリットの位置に結像させられ、該スリットを通過した前記測定対象点から放射された光を分光し二次元分光画像とする二次元分光器と、該二次元分光画像を撮像する撮像手段と、該撮像された二次元分光画像をデータ処理するデータ処理装置とを有し、放射角度と分光強度とを同時に測定し、分光強度の放射角度分布を得ることを特徴とする分光測定装置。
The present invention has been completed based on the above findings and further studies. That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A spectroscopic measurement apparatus for spectroscopically measuring light emitted from a measurement object, having a focal position at the measurement target point of the measurement target, and collimating the light emitted from the measurement target point A first lens group, a second lens group that forms an image of the collimated light at the slit position of the two-dimensional spectrometer, and an image formed at the slit position and passed through the slit. A two-dimensional spectrometer that splits the light emitted from the measurement target point into a two-dimensional spectral image, an imaging unit that captures the two-dimensional spectral image, and data processing that performs data processing on the captured two-dimensional spectral image And a radiation angle distribution of the spectral intensity by simultaneously measuring the radiation angle and the spectral intensity.
(2)測定対象物から反射された光を分光測定する分光測定装置であって、光源と、レンズとピンホールとの組み合わせになる光学系とを有し、該光源からの光をスポット光として前記測定対象物の測定対象点に照射する照射手段を備え、さらに該照射されたスポット光の前記測定対象点から反射された光を平行光化する、前記測定対象物の測定対象点に焦点位置を有する第一のレンズ群と、該平行光化された光を二次元分光器のスリットの位置に結像させる第二のレンズ群と、該スリットの位置に結像させられ、該スリットを通過した前記測定対象点から反射された光を分光し二次元分光画像とする二次元分光器と、該二次元分光画像を撮像する撮像手段と、該撮像された二次元分光画像をデータ処理するデータ処理装置とを有し、反射角度および分光強度を同時に測定し、測定対象点の分光強度の反射角度分布を得ることを特徴とする分光測定装置。 (2) A spectroscopic measurement device that spectroscopically measures light reflected from an object to be measured, which includes a light source and an optical system that is a combination of a lens and a pinhole, and uses light from the light source as spot light. A focal position at the measurement target point of the measurement target, the irradiation means irradiating the measurement target point of the measurement target, further collimating the light reflected from the measurement target point of the irradiated spot light A first lens group having a second lens group that forms an image of the collimated light at the slit position of the two-dimensional spectrometer, and an image formed at the slit position and passing through the slit. A two-dimensional spectroscope that splits the light reflected from the measurement target point into a two-dimensional spectroscopic image, an image pickup unit that picks up the two-dimensional spectroscopic image, and data that processes the picked-up two-dimensional spectroscopic image And a reflection angle And spectral intensity is measured at the same time, spectroscopic measurement apparatus, characterized in that to obtain a reflection angle distribution of the spectral intensity of the measured points.
(3)(2)において、前記照射手段が、前記光源からの光に偏光を与える偏光子を光路上に備え、かつ前記第一のレンズ群と前記二次元分光器の間の光路上に検光子を配設することを特徴とする分光測定装置。 (3) In (2), the irradiating means includes a polarizer for polarizing the light from the light source on the optical path, and is detected on the optical path between the first lens group and the two-dimensional spectrometer. A spectroscopic measurement apparatus characterized by arranging photons.
本発明によれば、測定対象物の一点(測定点)から放射される光または反射される光の角度情報と分光強度情報とを同時に測定することが可能となり、分光測定の精度が向上するとともに、分光測定装置の小型が実現でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、偏光特性の測定も容易となるという効果もある。 According to the present invention, it becomes possible to simultaneously measure angle information and spectral intensity information of light emitted from or reflected from one point (measurement point) of a measurement object, and the accuracy of spectroscopic measurement is improved. Thus, the spectroscopic measurement apparatus can be miniaturized, and the industrial effect is remarkable. In addition, according to the present invention, there is an effect that the measurement of the polarization characteristic is facilitated.
本発明の分光測定装置は、基本的な構成として、第一のレンズ群2と、第二のレンズ群3と、二次元分光器4と、撮像手段5と、データ処理装置6とを有する。本発明の分光測定装置の構成の一例を模式的に図1に示す。図1は、測定対象物1の一点(測定点)から放射された光を分光測定する場合の例であるが、反射された光の場合でも測定原理は同じである。
The spectroscopic measurement apparatus according to the present invention includes a
第一のレンズ群2は、複数のレンズを組み合わせ、測定対象物1の測定点の位置に焦点を有し、入射した光を平行光化可能なように構成される。測定対象物1の一点(測定点)から放射された光は、このような第一のレンズ群2に導かれ、放射角度に応じて空間的に平行な光とされる。本発明では、放射された光を放射角度に応じて空間的に平行な光とすることがその後の分光測定において重要となる。なお、図1では、ミラー10を配設し平行光の方向を変えているが、装置の小型化のためでありこれに限定されるものではなく、ミラー10は必要に応じて配設することが好ましい。
The
平行光化された光は、ついで第二のレンズ群3に導かれる。
第二のレンズ群3は、複数のレンズを有し、入射する平行光を二次元分光器4のスリット4aの位置に結像可能なように構成される。第二のレンズ群3に導かれた平行光は、第二のレンズ群3によりスリット4aの位置に結像させられる。これにより、放射された光の放射角度の情報をスリットの幅方向に投影することができる。
The collimated light is then guided to the
The
測定点から放射されスリット4aの位置に結像した光は、スリット4aを通過しついで二次元分光器4で分光される。
二次元分光器4は、スリット4aと、レンズ4b1と、分光素子4cと、レンズ4b2とから構成される。二次元分光器4の構成の一例を図3に模式的に示す。分光素子4cは、前段のプリズム4c1と回折格子(透過型)4c2と後段のプリズム4c3とで構成される。なお、測定対象に応じて、スリット、分光素子は適宜選択可能とすることが好ましい。
The light emitted from the measurement point and imaged at the position of the
The two-
スリット4aを通過した光は、レンズ4b1により平行光化され、分光素子4cにより分光され、後方のレンズ4b2により、二次元分光器4の出側に設けられた撮像手段5の撮像素子面に二次元分光画像として結像され、保存される。
撮像手段5は、分光された二次元分光画像を撮像可能なものであればよく、とくに限定されないが、CCD撮像素子を二次元に配列した通常のCCDカメラとすることが好ましい。撮像手段5の撮像素子面に得られる二次元分光画像は、図4に示すように一方の軸をスリットの位置情報、他方の軸を波長の情報として表示され、撮像素子の各画素における強度が各波長の強度となる。本発明では、上記したように二次元分光器4のスリット4aの位置情報(スリットの幅方向)が放射または反射光の角度情報となるようにしており、したがって、得られた二次元分光画像から、測定点からの放射または反射光の角度情報および分光強度情報が同時に測定できることになる。
The light that has passed through the
The image pickup means 5 is not particularly limited as long as it can pick up a split two-dimensional spectral image, and is preferably a normal CCD camera in which CCD image pickup devices are two-dimensionally arranged. As shown in FIG. 4, the two-dimensional spectroscopic image obtained on the image pickup device surface of the image pickup means 5 is displayed with one axis as slit position information and the other axis as wavelength information. It becomes the intensity of each wavelength. In the present invention, as described above, the position information (slit width direction) of the
撮像手段5には、撮像された二次元分光画像のデータ処理を行なうデータ処理装置6が接続され、撮像手段5の撮像素子からの出力を取り込み、得られた二次元分光画像のデータ処理を行なう。データ処理装置6には、得られた二次元分光画像から分光強度情報と放射(反射)角度情報とを関連づける計算等を実行できるコンピュータ(図示せず)およびそれら計算結果を図面等に表示する表示手段(図示せず)、さらにはこれらデータを格納する格納手段(図示せず)が含まれることは言うまでもない。
A
データ処理された結果の一例を模式的に図5に示す。図5(a)は波長と放射角度との関係を、図5(b)はある波長における光強度と放射角度との関係を、図5(c)はある角度における光強度と波長との関係を、それぞれ示す。本発明によれば、このような関係を一度の測定により得ることができる。
図2に、測定対象物の一点(測定点)で反射された光を分光測定する場合の分光測定装置の一例を示す。反射された光を分光測定する場合は、放射された光を測定する場合と分光測定装置の主要部の構成は同じであるが、測定対象物の一点(測定点)にスポット光を照射する照射手段20を必要とする。照射手段20は、光源21と、レンズ21,23とピンホール24との組み合わせになる光学系とを有する。この光学系により、光源21からの光をスポット光化する。照射手段20により得られたスポット光は、ハーフミラー25により反射されて、測定対象物1の一点(測定点)に照射される。ハーフミラー25は、測定対象物からの反射光を透過するものであり、装置の配列により必要としない場合もあり、必要に応じて配設すればよい。
An example of the result of data processing is schematically shown in FIG. 5A shows the relationship between wavelength and radiation angle, FIG. 5B shows the relationship between light intensity and radiation angle at a certain wavelength, and FIG. 5C shows the relationship between light intensity and wavelength at a certain angle. Are shown respectively. According to the present invention, such a relationship can be obtained by a single measurement.
FIG. 2 shows an example of a spectroscopic measurement device in the case of performing spectroscopic measurement of light reflected at one point (measurement point) of a measurement object. When spectroscopically measuring the reflected light, the configuration of the main part of the spectroscopic measurement device is the same as when measuring the emitted light, but irradiation is performed to irradiate a spot (measurement point) with one spot (measurement point). Means 20 are required. The
照射された光は、測定点で反射されて、ハーフミラー25を透過して第一のレンズ群2に入射し、放射光と同様に平行光化され、第二のレンズ群3によりスリット4aの位置に結像され、二次元分光器4を介して分光され、撮像手段5に二次元分光画像を表示する。得られた二次元分光画像は、放射光と同様に、撮像手段5により撮像され、撮像手段5から出力されデータ処理装置6によりデータ処理され表示される。
The irradiated light is reflected at the measurement point, passes through the
なお、偏光特性を測定する場合には、偏光子31および検光子32を光路内に配設する。図2には、光源21からの光に偏光を与える偏光子31を照射手段の光路上に、さらに第一のレンズ群2と二次元分光器4の間の光路上に検光子32が、それぞれ着脱可能に配設されている場合を示す。偏光子31および検光子32を配設することにより、光源21から発せられた光は偏光特性をもつ光となり、反射光の偏光特性を測定することが可能となる。
When measuring polarization characteristics, the
1 測定対象物
2 第一のレンズ群
3 第二のレンズ群
4 二次元分光器
4a スリット
4b1、4b2、レンズ
4c 分光素子
4c1、4c3 プリズム
4c2 回折格子
5 撮像手段
6 データ処理装置
10 ミラー
20 照射手段
21 光源
22、23 レンズ
24 ピンホール
25 ハーフミラー
31 偏光子
32 検光子
1
4a Slit
4b1, 4b2, lens
4c Spectrometer
4c1, 4c3 prism
4c2 Diffraction grating 5 Imaging means 6 Data processing device
10 Mirror
20 Irradiation means
21 Light source
22, 23 Lens
24 pinhole
25 half mirror
31 Polarizer
32 Analyzer
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2015111169A (en) * | 2012-10-05 | 2015-06-18 | 国立大学法人 香川大学 | Spectral characteristic measuring apparatus |
JP2015534068A (en) * | 2012-09-27 | 2015-11-26 | ノースロップ グルマン システムズ コーポレーションNorthrop Grumman Systems Corporation | Three-dimensional hyperspectral imaging system and method using light detection and ranging (LIDAR) focal plane arrays |
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2005
- 2005-05-17 JP JP2005143373A patent/JP2006322710A/en active Pending
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