JP2009288150A - 光学特性測定装置および光学特性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定光量の低減を抑制しながら対物レンズの焦点調整や測定部位の特定を行なうことが可能な光学特性測定装置および光学特性測定方法を提供する。
【解決手段】分光器１は、被測定物２からの測定光を用いて被測定物２の光学特性を測定する測定部１０と、被測定物２と測定部１０との間の光学経路上に設けられる対物レンズ２０と、測定部１０と対物レンズ２０との間の光学経路上の所定位置に、被測定物２で反射可能な波長を含む観察光を光学経路外から注入可能なＬＥＤ３０とを備える。分光器１は、観察光を光学経路に注入する第１モードと、観察光を光学経路に注入せずに測定部１０による測定を行なう第２モードとを実現可能である。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学特性測定装置および光学特性測定方法に関し、特に、測定対象に対して光を照射しその反射光を計測することによって測定対象の光学特性を測定する光学特性測定装置および該装置を用いた光学特性測定方法に関する。

被測定物に対して光を照射しその反射光を分光計測することにより、当該被測定物の光学特性を測定する光学特性測定装置が従来から知られている。このような光学特性測定装置としては、たとえば、特開平１１−３１６１８６号公報（特許文献１）および特開平１１−２３０８２９号公報（特許文献２）に記載のものが挙げられる。

特許文献１に記載の光学特性測定装置（分光光度計）は、被測定物を載置するサンプルセット面を遮光するための開閉可能な上部遮光部を有するものである。

また、特許文献２に記載の光学特性測定装置（顕微分光装置）は、光源から出射された照明光をハーフミラーを介してテーブル上に載置された測定試料に導く照明光学系と、測定試料において反射された光を回折格子およびモニター用光学系に導く結像光学系とを備える。そして、回折格子は、測定試料上の測定領域からの観察光を分光する分光手段として機能し、分光スペクトルをラインセンサ上に結像する。そして、ラインセンサで測定される分光スペクトルによって光学特性が算出される。一方、モニター用光学系は、測定試料の拡大像をリレーレンズにより２次元のＣＣＤカメラ上に結像する。そして、ＣＣＤカメラにより撮像された測定試料の拡大像は測定位置の確認や大まかな焦点合わせに使用される。

一般的な光学特性測定装置では、特許文献２に記載の顕微分光装置のように、光源から出射された照明光を分光スペクトルの測定と焦点合わせとに兼用している。
特開平１１−３１６１８６号公報 特開平１１−２３０８２９号公報

特許文献１，２に記載のような光学特性測定装置では、被測定物に対向する対物レンズの焦点合わせや、測定部位の特定を行ないたいという要請がある。これに対し、特許文献２に記載の光学特性測定装置では、ＣＣＤカメラ（１６）を設けることにより、焦点合わせおよび測定部位の特性が可能であるが、上述のように、光源から出射された照明光を分光スペクトルの測定と焦点合わせとに兼用しているため、必然的に、ハーフミラー（１３）を用いて観察用照明を分光測定光の光学経路に挿入する必要がある。このため、測定光の光量が損なわれるという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、測定光量の低減を抑制しながら対物レンズの焦点調整や測定部位の特定を行なうことが可能な光学特性測定装置および光学特性測定方法を提供することにある。

本発明に係る光学特性測定装置は、被測定物からの測定光を用いて被測定物の光学特性を測定する測定部と、被測定物と測定部との間の光学経路上に設けられる対物レンズと、測定部と対物レンズとの間の光学経路上の所定位置に、被測定物で反射可能な波長を含む観察光を光学経路外から注入可能な光注入部とを備え、観察光を光学経路に注入する第１モードと、観察光を光学経路に注入せずに測定部による測定を行なう第２モードとを実現可能である。

上記構成によれば、被測定物で反射可能な波長を含む観察光を被測定物と測定部との間の光学経路に注入することにより、対物レンズの焦点調整や測定部位の特定を行なうことが可能となる。ここで、観察光を注入しない状態で測定部による測定を行なうことにより、測定を行なう際に上記光学経路を開放することができる。したがって、本発明に係る光学特性測定装置によれば、測定光量の低減を抑制しながら対物レンズの焦点調整や測定部位の特定を行なうことができる。さらに、観察光が測定光学系に入ることが抑制されるので、測定中に迷光が生じることが抑制される。

好ましくは、上記光学特性測定装置は、光学経路の上記所定位置に設けられたシャッタをさらに備え、シャッタは、光学経路を閉止しながら観察光を対物レンズに向かわせる第１状態と、光学経路を開放する第２状態とを実現可能であり、シャッタが第１状態となることによって第１モードが実現され、シャッタが第２状態となることによって第２モードが実現される。

上記のように、光学経路の閉止／開放を切換え可能なシャッタを設けることにより、簡単な構成で上記の第１モードおよび第２モードを実現できる。

好ましくは、上記光学特性測定装置は、対物レンズとシャッタとの間に設けられ、測定光を反射するミラー部と、ミラー部からの反射光によって得られる反射像を取得する撮像部とをさらに備える。

上記のように、測定光の反射光によって得られる反射像を取得する撮像部を設けることにより、撮像部で得られる像に基づいて対物レンズの焦点調整や測定部位の特定を行なうことも可能となる。

本発明に係る光学特性測定方法は、被測定物からの測定光を用いて被測定物の光学特性を測定する光学特性測定方法であって、測定光の光学経路上において、対物レンズに対して被測定物の反対側に位置する所定位置に、被測定物で反射可能な波長を含む観察光を光学経路外から注入する第１ステップと、観察光を光学経路に注入せずに測定光を用いた測定を行なう第２ステップとを備える。

上記方法によれば、第１ステップにおいて、被測定物で反射可能な波長を含む観察光を被測定物と測定部との間の光学経路に注入することにより、対物レンズの焦点調整や測定部位の特定を行なうことが可能となる。さらに、第２ステップにおいて、観察光を注入せずに測定部による測定を行なうことにより、測定を行なう際に上記光学経路を開放することができる。したがって、本発明に係る光学特性測定方法によれば、測定光量の低減を抑制しながら対物レンズの焦点調整や測定部位の特定を行なうことができる。さらに、観察光が測定光学系に入ることが抑制されるので、測定中に迷光が生じることが抑制される。

好ましくは、上記光学特性測定方法は、光学経路上に設けられたミラー部で測定光を反射させ、ミラー部からの反射光によって得られる反射像を取得することを含む。

上記のように、光学経路上に設けられたミラー部からの反射光によって得られる反射像を取得することにより、当該反射像に基づいて対物レンズの焦点調整や測定部位の特定を行なうことも可能となる。

本発明によれば、光学特性を測定するための測定光の光量の低減を抑制しながら対物レンズの焦点調整や測定部位の特定を行なうことができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

本実施の形態に係る光学特性測定装置は、典型的には、色ムラ測定、輝度ムラ測定、膜厚ムラ測定および多ポイント分光測定などの用途に用いられるが、それ以外の用途に適用することも可能である。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係る光学特性測定装置の使用状態を説明する図である。図１を参照して、本実施の形態に係る光学特性測定装置としての分光器１は、被測定物であるサンプル２Ａの光学特性を測定するための装置である。分光器１は、図１に示すように、線状のエリアの測定を行なうことが可能である。すなわち、分光器１は、直線状の光を平面に展開するように分光することで、サンプル２Ａの光学特性を解析するものである。このようにすることで、平面状に広がりのある被測定物の光学特性の測定を、比較的短時間で行なうことが可能である。

図１の例では、長方形状のサンプル２Ａを矢印ＤＲ２Ａ方向にスライド移動させながら、サンプル２Ａの幅方向に並べられた複数（たとえば、３つ）の分光器１によって測定を行なうことにより、サンプル２Ａの光学特性の測定を行なっている。

これに対し、分光器１の使用状態として、図２のような変形例も考えられる。図２の例では、円状のサンプル２Ｂを矢印ＤＲ２Ｂ方向に回転させながら、１つの分光器１によって測定を行なうことにより、サンプル２Ｂの光学特性の測定を行なっている。
＜分光器１の構成＞
次に、図３を用いて、分光器１の構成について説明する。図３を参照して、分光器１は、測定部１０と、対物レンズ２０と、ＬＥＤ３０と、スリットミラー４０と、シャッタ５０と、トリプレットレンズ６０，８０と、回折格子７０と、ミラー９０，１００と、レンズ１１０と、撮像部１２０と、筐体１３０とを含む。

測定部１０は、受光部１１を含む。分光器１によって被測定物２の光学特性を測定する際には、測定用光源（図示せず）からの光を被測定物２に照射し、被測定物２からの反射光を回折格子７０を介して測定部１０における受光部１１に導く。

対物レンズ２０は、被測定物２に対向するように設けられている。図示しない測定用光源からの光は、対物レンズ２０を介して被測定物２に達し、被測定物２で反射した反射光（測定光）は、対物レンズ２０を介して測定部１０に達する。

ＬＥＤ３０は、被測定物２への焦点合わせや、被測定物２における測定対象位置を特定するための光（観察光）を出射する光源である。ＬＥＤ３０は、シャッタ５０に向けて観察光を照射する。シャッタ５０は、閉状態では、ＬＥＤ３０からの光を対物レンズ２０に向けて反射させる。この反射光は、被測定物２の表面に決像するので、その焦点が合うように対物レンズ２０を調整することで、対物レンズ２０の焦点調整を行なうことができる。また、被測定物２の表面に決像した光の位置から、測定部位を特定することも可能である。

スリットミラー４０は、細長状の開口部（スリット）を有するミラー部材である。スリットミラー４０を通過した直線状の光は、シャッタ５０が開いている状態では、トリプレットレンズ６０、回折格子７０およびトリプレットレンズ８０を介して測定部１０の受光部１１へと導かれる。他方、スリットミラー４０で反射した光は、ミラー９０，１００およびレンズ１１０を介して撮像部１２０へと導かれる。このようにすることで、スリットミラー４０のミラー部に映る測定部周辺の像を撮像部１２０で取得することができる。撮像部１２０では、スリットミラー４０におけるスリット部分のみが黒く示された像が得られる。したがって、撮像部１２０において得られる像のうち、黒く形成されたスリット部分が、測定部位ということになる。すなわち、撮像部１２０で得られる像を参照することにより、測定部位を特定することが可能である。また、スリットミラー４０に映る像の焦点が合うように対物レンズ２０を調整することで、対物レンズ２０の焦点調整を行なうことができる。

なお、上述のＬＥＤ３０、スリットミラー４０、シャッタ５０、トリプレットレンズ６０，８０、回折格子７０、ミラー９０，１００、レンズ１１０は、いずれも、単一の筐体１３０の内部に収納されている。この筐体１３０に測定部１０、対物レンズ２０および撮像部１２０を取り付けることにより、分光器１が構成される。分光器１の測定部１０には、制御装置３が接続されている。制御装置３は、分光器１による検出結果から、被測定物２の光学特性を算出するものである。この光学特性の算出方法の一例については、後述する。
＜分光器１による光学特性測定の手順＞
次に、図４を用いて、分光器１による光学特性測定の手順について説明する。図４を参照して、分光器１による光学特性の測定方法は、ＬＥＤ３０から観察光を注入するステップ（図４中のＳ１０）と、ＬＥＤ３０からの観察光を注入せずに、測定用光源（図示せず）からの測定光を用いた測定を行なうステップ（図４中Ｓ２０）とを含む。

Ｓ１０において、シャッタ５０は「閉状態」にある。この状態では、ＬＥＤ３０からの光は、被測定物２に向けて反射させられる。ここで、被測定物２の表面に決像する像の焦点が合うように対物レンズ２０を調整することで、対物レンズ２０の焦点調整を行なうことが可能である。また、被測定物２の表面に決像した光の位置から、測定部位を特定することが可能である。

他方、被測定物２で反射した光の像は、撮像部１２０で取得される。撮像部１２０で得られる像を参照することにより、測定部位を特定することが可能である。また、スリットミラー４０に映る像の焦点が合うように対物レンズ２０を調整することで、対物レンズ２０の焦点調整を行なうことが可能である。

上記Ｓ１０の後、Ｓ２０において、ＬＥＤ３０とは異なる光源（測定用光源）からの光を用いて、被測定物２の光学特性の測定を行なう。Ｓ２０において、ＬＥＤ３０は、消灯されている。このようにすることで、ＬＥＤ３０からの光が測定光学系に入ることが抑制されるので、測定中に迷光が生じることが抑制される。
＜分光器１の検出結果に基づく光学特性の算出方法＞
次に、分光器１の検出結果に基づく光学特性の算出方法について説明する。図３に示すように、分光器１の測定部１０には、制御装置３が接続されている。制御装置３は、分光器１による測定値に基づいて、被測定物２の明るさや色度などの光学特性を算出する。制御装置３で算出される光学特性の代表例としては、三刺激値、色度座標、主波長（Dominant）、刺激純度（Purity）、相関色温度および偏差Ｄｕｖ、演色性評価数などが挙げられる。これらの測定項目は、主としてＸＹＺ表色系に基づいて規定される。

ＸＹＺ表色系は、以下のような演算式に従って算出される三刺激値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いて規定される。

上式のように、三刺激値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の算出には測定値（分光分布）が必要であり、制御装置３は、可視領域（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）にある各波長成分の強度に対応する等色関数の値を乗じた値を積算する。この三刺激値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の算出方法は、ＪＩＳ Ｚ ８７２４「色の測定方法−光源色」として定められている。

図５は、国際照明委員会（ＣＩＥ）によって定められている等色関数を示す図である。図５を参照して、等色関数は、人間の目における分光感度を表現したものに相当する。

三刺激値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のうち、刺激値Ｙの値は被測定物２の明るさに相当する値である。なお、上式において、定数ｋは、受光部３３０などにおける検出ゲインを考慮した値であり、「Ｙ」の値が実際に測定される明るさの絶対値と一致するように予め設定される。

また、三刺激値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のうち、刺激値Ｘおよび刺激値Ｙの値は色度座標を算出するための用いられる。色度座標（ｘ，ｙ）は、以下のような演算式に従って算出される。

色度座標（ｘ，ｙ）は、ＸＹＺ表色系の横軸方向の値と縦軸方向の値を示す。この色度座標（ｘ，ｙ）の算出方法は、ＪＩＳ Ｚ ８７２４「色の測定方法−光源色」として定められている。色度座標の算出方法としては、ＣＩＥ １９６０ ＵＣＳやＣＩＥ １９７６ ＵＣＳによっても別の算出方法が定められており、これらの算出方法を用いてもよい。

このように、制御装置３は、分光器３００で検出された測定値に基づいて、三刺激値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出することで、測定対象の被測定物２の明るさ（ｋＹ）および色度座標（ｘ，ｙ）の少なくとも一方を算出する。なお、制御装置３は、上述の等色関数や定数ｋを予め格納する。

主波長は、ＸＹＺ表色系に規定された色度図のうち、色度座標（ｘ，ｙ）のｙ座標の値に対応する波長に相当し、被測定物２の色の違いを意味する。刺激純度は、原点の座標と色度座標（ｘ，ｙ）との距離に相当し、被測定物２の色の濃さを意味する。この主波長および刺激純度の算出方法は、ＪＩＳ Ｚ ８７０１「色の表示方法−ＸＹＺ表色系及びＸ１０Ｙ１０Ｚ１０表色系」として定められている。

相関色温度および偏差Ｄｕｖは、それぞれ被測定物２の色に最も近似する黒体の温度および黒体の温度に対する偏差を意味し、ＪＩＳ Ｚ ８７２５「光源の分布温度及び色温度・相関色温度の測定方法」として定められている。

演色性評価数は、被測定物２の演色性を評価するものであり、ＪＩＳ Ｚ ８７２６「光源の演色性評価方法」として定められている。
＜上記構成の変形例＞
上記構成の変形例としては、たとえば、下記のようなものが考えられる。すなわち、本変形例では、図３におけるレンズ１１０および撮像部１２０を廃止し、それらの光軸の中心に合わせて、他のＬＥＤを設けている。このようにした場合、他のＬＥＤからの光（観察光）がスリットミラー４０で反射し、被測定物２の表面に達することになる。ここで、被測定物２上で焦点を合わせるように対物レンズ２を調整することにより、対物レンズ２の焦点合わせを行なうことができる。また、被測定物２の表面に形成された像のうち、スリット部分に対応する位置が、測定位置ということになる。
＜まとめ＞
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る「光学特性測定装置」としての分光器１は、被測定物２からの測定光を用いて被測定物２の光学特性を測定する測定部１０と、被測定物２と測定部１０との間の光学経路上に設けられる対物レンズ２０と、測定部１０と対物レンズ２０との間の光学経路上の所定位置に、被測定物２で反射可能な波長を含む観察光を光学経路外から注入可能な「光注入部」としてのＬＥＤ３０とを備える。分光器１は、観察光を光学経路に注入する第１モード（図４中のＳ１０）と、観察光を光学経路に注入せずに測定部１０による測定を行なう第２モード（図４中のＳ２０）とを実現可能である。

より具体的には、分光器１は、光学経路の上記所定位置に設けられたシャッタ５０をさらに備える。シャッタ５０は、光学経路を閉止しながら観察光を対物レンズ２０に向かわせる第１状態と、光学経路を開放する第２状態とを実現可能であり、シャッタ５０が第１状態（閉止状態）となることによって上記第１モード（Ｓ１０）が実現され、シャッタ５０が第２状態（開放状態）となることによって第２モード（Ｓ２０）が実現される。

また、分光器１は、対物レンズ２０とシャッタ５０との間に設けられ、測定光を反射する「ミラー部」としてのスリットミラー４０と、スリットミラー４０からの反射光によって得られる反射像を取得する撮像部１２０とをさらに備える。

本実施の形態に係る分光器１によれば、被測定物２で反射可能な波長を含む観察光を被測定物２と測定部１０との間の光学経路に注入することにより、対物レンズの焦点調整や測定部位の特定を行なうことが可能となる。ここで、観察光を注入しない状態で測定部１０による測定を行なうことにより、測定を行なう際に上記光学経路を開放することができる。したがって、分光器１によれば、測定光量の低減を抑制しながら対物レンズ２０の焦点調整や測定部位の特定を行なうことができる。

さらに、分光器１では、光学経路の閉止／開放を切換え可能なシャッタ５０を設けることにより、簡単な構成で上記の第１モード（Ｓ１０）および第２モード（Ｓ２０）を実現できる。

さらに、分光器１では、測定光の反射光によって得られる反射像を取得する撮像部１２０を設けることにより、撮像部１２０で得られる像に基づいて対物レンズ２０の焦点調整や測定部位の特定を行なうことも可能である。

本実施の形態に係る光学特性測定方法は、被測定物２からの測定光を用いて被測定物２の光学特性を測定する光学特性測定方法であって、測定光の光学経路上において、対物レンズ２０に対して被測定物の反対側に位置する所定位置に、被測定物２で反射可能な波長を含む観察光を光学経路外から注入する第１ステップ（Ｓ１０）と、観察光を光学経路に注入せずに測定光を用いた測定を行なう第２ステップ（Ｓ２０）とを備える。なお、光学経路上に設けられたスリットミラー４０で測定光を反射させ、スリットミラー４０からの反射光によって得られる反射像を取得することも可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の１つの実施の形態に係る光学特性測定装置の使用状態の一例を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係る光学特性測定装置の使用状態の他の例を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係る光学特性測定装置の構成を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係る光学特性測定方法を説明するフロー図である。 国際照明委員会（ＣＩＥ）によって定められている等色関数を示す図である。

符号の説明

１ 分光器、２ 被測定物、２Ａ，２Ｂ サンプル、３ 制御装置、１０ 測定部、１１ 受光部、２０ 対物レンズ、３０ ＬＥＤ、４０ スリットミラー、５０ シャッタ、６０ トリプレットレンズ、７０ 回折格子、８０ トリプレットレンズ、９０，１００ ミラー、１１０ レンズ、１２０ 撮像部、１３０ 筐体。

Claims (5)

1. 被測定物からの測定光を用いて前記被測定物の光学特性を測定する測定部と、
   前記被測定物と前記測定部との間の光学経路上に設けられる対物レンズと、
   前記測定部と前記対物レンズとの間の前記光学経路上の所定位置に、前記被測定物で反射可能な波長を含む観察光を前記光学経路外から注入可能な光注入部とを備え、
   前記観察光を前記光学経路に注入する第１モードと、前記観察光を前記光学経路に注入せずに前記測定部による測定を行なう第２モードとを実現可能である、光学特性測定装置。
2. 前記光学経路の前記所定位置に設けられたシャッタをさらに備え、
   前記シャッタは、前記光学経路を閉止しながら前記観察光を前記対物レンズに向かわせる第１状態と、前記光学経路を開放する第２状態とを実現可能であり、
   前記シャッタが前記第１状態となることによって前記第１モードが実現され、前記シャッタが前記第２状態となることによって前記第２モードが実現される、請求項１に記載の光学特性測定装置。
3. 前記対物レンズと前記シャッタとの間に設けられ、前記測定光を反射するミラー部と、
   前記ミラー部からの反射光によって得られる反射像を取得する撮像部とをさらに備えた、請求項１または請求項２に記載の光学特性測定装置。
4. 被測定物からの測定光を用いて前記被測定物の光学特性を測定する光学特性測定方法であって、
   前記測定光の光学経路上において、前記対物レンズに対して前記被測定物の反対側に位置する所定位置に、前記被測定物で反射可能な波長を含む観察光を前記光学経路外から注入する第１ステップと、
   前記観察光を前記光学経路に注入せずに前記測定光を用いた測定を行なう第２ステップとを備えた、光学特性測定方法。
5. 前記光学経路上に設けられたミラー部で前記測定光を反射させ、前記ミラー部からの反射光によって得られる反射像を取得することを含む、請求項４に記載の光学特性測定方法。

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