JP2009014418A

JP2009014418A - 分光器

Info

Publication number: JP2009014418A
Application number: JP2007174681A
Authority: JP
Inventors: Kiwa Sugiyama; 喜和杉山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-01-22

Abstract

【課題】測定に際して構成要素を移動させることなく、簡素な構成にしたがって、測定対象物からの光の分光特性を測定することのできるフーリエ分光器。
【解決手段】測定対象物から入射した光のうち、第１の直線偏光状態の光を射出する偏光子（１ａ）と、偏光子を経た第１の直線偏光状態の光に位相差を可変的に付与する可変位相部材（２）と、可変位相部材から入射した光のうち、第１の直線偏光状態の光の偏光方向と直交する方向に偏光方向を有する第２の直線偏光状態の光を射出する検光子（１ａ）と、検光子を経た第２の直線偏光状態の光を検出する光検出器（３）と、可変位相部材により付与される位相差と光検出器で検出される光強度とに基づいて、測定対象物からの光の分光特性を測定する測定部（４）とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、分光器に関し、さらに詳細には測定対象物からの光の分光特性を測定するフーリエ分光器に関するものである。

従来、マイケルソン干渉計タイプのフーリエ分光器が知られている。この種のフーリエ分光器では、測定対象物（サンプル）からの光をビームスプリッターで２つの光に分離し、一方の光を固定鏡へ入射させ、他方の光を移動鏡へ入射させる。そして、固定鏡で反射された光と移動鏡で反射された光とをビームスプリッターで合成し、合成された光の強度を光検出器で測定する。

従来のマイケルソン干渉計タイプのフーリエ分光器では、移動鏡を移動させつつ光検出器で検出される光強度をモニターすることにより、光検出器で得られた干渉信号に基づいて測定対象物からの光の分光特性を測定する。すなわち、従来の技術では、分光特性の測定に際して、移動鏡を所定の姿勢で精度良く移動させる必要がある。また、光検出器で干渉信号を得るには、固定鏡で反射された光と移動鏡で反射された光とが検出面上で正確に重なる必要がある。移動鏡の移動に際してその姿勢が傾く（チルトする）と、移動鏡のチルトが光検出器での光の干渉に影響を及ぼし、ひいては測定精度が低下する。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、測定に際して構成要素を移動させることなく、簡素な構成にしたがって、測定対象物からの光の分光特性を測定することのできるフーリエ分光器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明では、測定対象物からの光の分光特性を測定する分光器において、
前記測定対象物から入射した光のうち、第１の直線偏光状態の光を射出する偏光子と、
前記偏光子を経た前記第１の直線偏光状態の光に位相差を可変的に付与する可変位相部材と、
前記可変位相部材から入射した光のうち、前記第１の直線偏光状態の光の偏光方向と直交する方向に偏光方向を有する第２の直線偏光状態の光を射出する検光子と、
前記検光子を経た前記第２の直線偏光状態の光を検出する光検出器と、
前記可変位相部材により付与される位相差と前記光検出器で検出される光強度とに基づいて、前記測定対象物からの光の分光特性を測定する測定部とを備えていることを特徴とする分光器を提供する。

本発明では、測定対象物からの入射光から偏光子を介して得られた第１の直線偏光状態の光に位相差を可変的に付与し、位相差が可変的に付与された光から検光子を介して得られた第２の直線偏光状態（第１の直線偏光状態と偏光方向が直交する直線偏光）の光を検出する。そして、付与される位相差と検出される光強度（光量）とに基づいて、測定対象物からの光の分光特性を測定する。こうして、本発明のフーリエ分光器では、測定に際して構成要素を移動させることなく、簡素な構成にしたがって、測定対象物からの光の分光特性を測定することができる。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるフーリエ分光器の構成を概略的に示す図である。図１を参照すると、本実施形態のフーリエ分光器は、測定対象物（不図示）からの光の入射順に、ビームスプリッター１と、反射型の液晶素子２と、光検出器（ディテクタ）３とを備えている。さらに、本実施形態のフーリエ分光器は、光検出器３の出力が接続された測定部４を備えている。

本実施形態のフーリエ分光器では、測定対象物である試料からの光（一般には無偏光状態の光）が、後述するように偏光子の機能および検光子の機能を果たす偏光ビームスプリッター１に入射する。偏光ビームスプリッター１に入射した光のうち、偏光分離膜１ａを透過した光、すなわち図１の紙面に平行な方向に偏光方向を有するＰ偏光の光は、反射型の液晶素子２に入射する。

液晶素子２は、後述するように、測定部４が内蔵する制御系４ａから印加される電圧の変化に応じて、入射した光に位相差を可変的に付与する。液晶素子２により位相変調されて楕円偏光に変化した光は、再び偏光ビームスプリッター１に入射する。偏光ビームスプリッター１に入射した楕円偏光の光のうち、偏光分離膜１ａで反射された光、すなわち図１の紙面に垂直な方向に偏光方向を有するＳ偏光の光は、光検出器３に入射する。

光検出器３で検出される光強度（光量）に関する情報は、測定部４が内蔵する信号処理系４ｂに供給される。制御系４ａの制御により液晶素子２に印加される電圧に関する情報、すなわち液晶素子２で付与される位相差に関する情報も、信号処理系４ｂに供給される。測定部４の信号処理系４ｂでは、光検出器３で検出される光強度と液晶素子２で付与される位相差とに基づいて、測定対象物からの光の分光特性を測定する。

本実施形態では、図２に示すように、偏光子として機能する偏光分離膜１ａを透過した光の偏光方向Ｆ１と、検光子として機能する偏光分離膜１ａで反射された光の偏光方向Ｆ２とが互いに直交するように設定されている。そして、液晶素子２は、その進相軸の方向Ｆ３および遅相軸の方向Ｆ４が、偏光分離膜１ａを透過した光の偏光方向Ｆ１および偏光分離膜１ａで反射された光の偏光方向Ｆ２と４５度の角度をなすように配置されている。

以下、本実施形態のフーリエ分光器における分光特性の測定原理の理解を容易にするために、本実施形態の測定原理に先立って、従来のマイケルソン干渉計タイプのフーリエ分光器の測定原理について説明する。マイケルソン干渉計タイプのフーリエ分光器では、測定対象物からの光の分光特性をＨ（ν）（νは光の周波数）とし、固定鏡からの光と移動鏡からの光との光路長差をｘとし、光速度をｃとすると、光検出器で検出（観測）される周波数νの光の強度Ｉ（ν）は、次の式（１）で表される。

光検出器に入射する光の全光量は強度Ｉ（ν）をνで積分したものになるので、全光量Ｉ（ｘ）は次の式（２）で表される。

こうして、全光量Ｉ（ｘ）にcos（２πν'ｘ／ｃ）を掛けてｘで積分することにより、分光特性Ｈ（ν）を求めることができる。具体的には、移動鏡を移動させて光路長差ｘを変化させながらＩ（ｘ）を測定し、測定したＩ（ｘ）をｘでフーリエ変換することにより分光特性が求められる。

これに対し、本実施形態のフーリエ分光器では、可変位相部材としての液晶素子２で付与される位相差をδとし、計算の簡単のために液晶素子２の進相軸の方向および遅相軸の方向をそれぞれｘ軸およびｙ軸に設定すると、液晶素子２の位相変調効果を表すジョーンズ行列Ｊは、次の式（３）で表される。

偏光ビームスプリッター１を透過した光、すなわち偏光子として機能する偏光分離膜１ａを透過した光の偏光状態を表すジョーンズベクトルＪvaは、この透過光の偏光方向が液晶素子２の進相軸と４５度の角度をなすので、次の式（４）で表される。

同様に、偏光ビームスプリッター１の偏光分離膜１ａで反射された光、すなわち検光子として機能する偏光分離膜１ａで反射された光の偏光状態を表すジョーンズベクトルＪvbは、次の式（５）で表される。

従って、光検出器３に到達する光量Ｉは、次の式（６）で表される。

次に、位相差δについて説明する。液晶素子２の光学軸は電圧が印加される前の初期状態において液晶層に対して直交する方向に向いており、電界が掛かると光学軸が傾く。このとき、液晶素子２への入射光は、液晶素子２の光学軸に対して角度を持って斜め入射するので、常光線成分と異常光線成分とに分離される。結果として、液晶素子２を経た光は、常光線成分と異常光線成分とで異なった位相差を持つ。この位相差δは、光の波長をλとし、液晶層の厚さをｄとし、常光線と異常光線との屈折率差をΔｎとすると、次の式（７）で表される。

液晶素子２が反射型であるため、式（７）の右辺において液晶層の厚さｄに係数２を掛けている。このように、本実施形態では、液晶素子２に電界を掛けることにより、すなわち液晶素子２に電圧を印加することにより、液晶素子２の光学軸の向きが変わり、常光線と異常光線との屈折率差Δｎが変化し、ひいては液晶素子２の内部を通過する光に付与される位相差δが変化する。

次に、位相差δを表す式（７）を、光量Ｉを表す式（６）に代入すると、光検出器３が受光する波長λの光の強度I（λ）は、次の式（８）で表される。ただし、式（８）において、ｔ＝２・Δｎ・ｄで表されるｔは、液晶素子２に印加される電圧に依存するパラメータである。

式（８）を参照すると、cosの中の位相（ｔ／λ）が１／λに比例することが分かる。厳密には、Δｎは波長分散を持っておりλの関数である。しかしながら、式（８）において、Δｎの分散の影響は１／λの影響に比して十分に小さいものと考えられる。そこで、簡単のために、Δｎの波長分散が無視できるものとして説明を続ける。式（８）を参照すると、光検出器３に入射する波長分布ｇ（λ）を持つ光の全光量Ｉ（ｔ）は、次の式（９）で表される。

ここで、ν＝１／λの関係を式（９）に代入すると、全光量Ｉ（ｔ）は次の式（１０）で表される。

式（１０）から分かるように、全光量Ｉ（ｔ）は、ｇ（λ）／ν²のフーリエ変換になっている。したがって、パラメータｔを変えて全光量Ｉ（ｔ）のデータをモニターし、この全光量Ｉ（ｔ）を逆フーリエ変換することにより、ｇ（λ）／ν²を求めることができ、最終的に測定対象物からの光の分光特性である波長分布ｇ（λ）を得ることができる。ここで、パラメータｔを変えることは、液晶素子２に印加する電圧を、ひいては液晶素子２により付与される位相差δを変えることに他ならない。

また、パラメータｔを変えて得られる全光量Ｉ（ｔ）のデータは、液晶素子２により付与される位相差δを変えて光検出器３で検出される光強度（光量）に関する情報に他ならない。こうして、本実施形態のフーリエ分光器では、可変位相部材としての液晶素子２により付与される位相差δと、光検出器３で検出される光強度とに基づいて、測定に際して分光器の構成要素を移動させることなく、簡素な構成にしたがって、測定対象物からの光の分光特性を測定することができる。

上述の説明ではΔｎの波長分散が無視できるものとして議論を進めたが、以下、Δｎの分散を次の式（１１）で表現することができる場合について検討する。なお、式（１１）において、ε（ν）はΔｎの分散を表すために導入されたνの関数であり、Δｎ₀はνに関しては定数である。

上述の説明ではパラメータｔ（ｔ＝２・Δｎ・ｄ）を用いているが、このパラメータｔの式に式（１１）を代入して、次の式（１２）で表される新たなパラメータｔ’を定義する。

こうして、式（１１）に示す関係を考慮し、式（９）からの計算により、全光量Ｉ（ｔ₀）は、次の式（１３）で表される。

次に、式（１４）に示すフーリエ積分を行うと、式（１５）が得られる。次いで、式（１５）についてｔ₀の積分を実行すると、式（１６）が得られる。

さらに、μ＝ε（ν）・νとして置換積分すると、式（１７）に示す関係より、式（１６）は次の式（１８）に示すように変形される。

そこで、式（１９）に示すようにＧ（μ）を定義すると、式（１８）をμで積分して得たものと、式（１４）の代わりに式（２０）を計算してｉを掛けて引いたものに、さらにν＝０のときに測定対象物からの光の波長分布ｇ（λ）が０になることを考慮すると、Ｇ（μ）を得る。そして、このＧ（μ）から、測定対象物からの光の分光特性であるｇ（λ）を得ることができる。

なお、上述の実施形態では、可変位相部材として反射型の液晶素子２を用いるとともに、偏光子と検光子とが偏光ビームスプリッター１の偏光分離膜１ａとして一体的に形成されている。しかしながら、これに限定されることなく、例えば図３の変形例に示すように、可変位相部材として透過型の液晶素子１２を用い、偏光子１１および検光子１３を透過型の液晶素子１２を挟んで前後にそれぞれ配置する構成も可能である。

この場合、偏光子１１および検光子１３は、偏光子１１を介した光の偏光方向Ｆ１と検光子１３を介した光の偏光方向Ｆ２とが互いに直交するように配置される。そして、液晶素子２は、その進相軸の方向Ｆ３および遅相軸の方向Ｆ４が、偏光子１１を介した光の偏光方向Ｆ１および検光子１３を介した光の偏光方向Ｆ２と４５度の角度をなすように配置される。

また、上述の実施形態および変形例では、可変位相部材として、反射型または透過型の液晶素子２，１２を用いている。しかしながら、液晶素子に限定されることなく、一般に偏光子を経た直線偏光状態の光に位相差を可変的に付与することのできる他の光学素子を可変位相部材として用いることもできる。

なお、フーリエ分光器の場合、マイケルソン干渉計の光路長差の大きさが波長分解能を決める。光路長差をパラメータとしてフーリエ変換することにより波長分布を求めるため、光路長差が小さいと、フーリエ変換の際に窓関数がかかることになり、波長分解能が低下する。本実施形態では、液晶層を厚くすることにより、常光線と異常光線との位相差（光路長差）を大きくすることは可能である。ただし、本実施形態で付与可能な位相差には限界があり、分解能の観点からは、通常のマイケルソン干渉計を用いるフーリエ分光器の方が優れていると言える。しかしながら、本実施形態のフーリエ分光器では機械的な可動部がなく、従来技術にはない特徴を持っており、また、小型化の可能性もある。そのため、本実施形態のフーリエ分光器は、特に簡易的な分光器に向いている。

本発明の実施形態にかかるフーリエ分光器の構成を概略的に示す図である。偏光子として機能する偏光分離膜を透過した光の偏光方向と、検光子として機能する偏光分離膜で反射された光の偏光方向と、液晶素子の進相軸の方向と、液晶素子の遅相軸の方向との角度関係を示す図である。本実施形態の変形例にかかるフーリエ分光器の構成を概略的に示す図である。

符号の説明

１偏光ビームスプリッター
１ａ偏光分離膜
２反射型の液晶素子
３光検出器
４測定部
４ａ制御系
４ｂ信号処理系
１１偏光子
１２透過型の液晶素子
１３検光子

Claims

測定対象物からの光の分光特性を測定する分光器において、
前記測定対象物から入射した光のうち、第１の直線偏光状態の光を射出する偏光子と、
前記偏光子を経た前記第１の直線偏光状態の光に位相差を可変的に付与する可変位相部材と、
前記可変位相部材から入射した光のうち、前記第１の直線偏光状態の光の偏光方向と直交する方向に偏光方向を有する第２の直線偏光状態の光を射出する検光子と、
前記検光子を経た前記第２の直線偏光状態の光を検出する光検出器と、
前記可変位相部材により付与される位相差と前記光検出器で検出される光強度とに基づいて、前記測定対象物からの光の分光特性を測定する測定部とを備えていることを特徴とする分光器。
前記可変位相部材は、反射型の液晶素子を有し、
前記偏光子と前記検光子とは、偏光ビームスプリッターの偏光分離膜として一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の分光器。
前記可変位相部材は、透過型の液晶素子を有し、
前記偏光子および前記検光子は、前記透過型の液晶素子を挟んで前後にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１に記載の分光器。
前記液晶素子は、進相軸の方向および遅相軸の方向が、前記第１の直線偏光状態の光の偏光方向および前記第２の直線偏光状態の光の偏光方向と４５度の角度をなすように配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の分光器。
前記測定部は、前記液晶素子に印加する電圧を制御する制御系と、前記液晶素子に印加される電圧と前記光検出器で検出される光の強度とに基づいて分光特性を求める信号処理系とを有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の分光器。