JP2011226799A

JP2011226799A - 分光反射率測定機

Info

Publication number: JP2011226799A
Application number: JP2010094001A
Authority: JP
Inventors: Manabu Nemoto; 学根本
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2011-11-10

Abstract

【課題】リフレクタにより十分な光量を確保して良好な測定が可能でありながら、白色光源の交換の際のコストが低く、交換作業が容易な分光反射率測定機を提供する。
【解決手段】ハロゲンランプ１２と、ハロゲンランプからの光を反射するリフレクタ１５と、反射光が通過するピンホール２ａを有するピンホール部材２と、ピンホールを通過した反射光を略平行な光束とするコリメータレンズ３とを有する光源部１０１を備えた分光反射率測定機において、光源部は、接触面１６ｂを有しリフレクタが取り付けられた第１基体１６と、当て付け面１４ａを有しハロゲンランプが着脱可能に取り付けられて第１基体に装着される光源着脱部１４とを備え、当て付け面および接触面は、光源着脱部を第１基体に装着し、当て付け面と接触面とが接触したときに、ハロゲンランプの発光点１２ｂがリフレクタの第１焦点１５ｂと略一致する所定の精度に加工されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、反射率測定機、より詳しくは、光源を備え、主として光学素子等の反射率測定に用いられる分光反射率測定機に関する。

光学素子等のコーティングを評価する分光反射率測定機においては、主にハロゲンランプ等の白色光源からの光束を対物レンズで集光して被検物である光学素子の被検面に照射し、被検面における反射光を分光素子で分光し、受光素子に入射させて分光反射率を測定するものがある。（例えば、特許文献１参照。）

白色光源からの光束の強度は波長によって異なるため、光源の特性により、分光光量が少ない波長では、測定に十分な光束が検出できず、本来得られるはずの情報がノイズに埋もれてしまい、良好な測定精度が得られなくなることがある。そのため、白色光源からの光束を増加させる手段として、リフレクタを用いて白色光源からの光束を集光させる方法が知られている。リフレクタを用いて白色光源からの光束を集光させる方法においては、ランプ等の白色光源、およびリフレクタを分光反射率測定機において適切な位置に位置決めすることが重要であり、必要に応じてこれらの機構の位置調整が必要となる。

白色光源やリフレクタの位置調整については、リフレクタの焦点と白色光源の発光点とが一致するよう位置決めし、耐熱セメント等で固定するのが一般的であるが、この場合、ランプの交換の際にリフレクタも交換が必要となり、ランニングコストの増加が問題であった。
そこで、リフレクタの再利用を可能にするため、特許文献２に示すように、リフレクタの支持部材に対してランプの支持部材が着脱自在に取付けられ、２つの支持部材間でランプの姿勢を調整可能に構成されているランプユニットが提案されている。

特許第２８０６７４７号公報特開２００２−２５３２８号公報

しかしながら、特許文献２に記載のランプユニットでは、ランプの交換のたびに、ランプとリフレクタの位置調整を行い、さらに、調整されたランプユニットと装置との間でも位置調整を行う必要があるため、リフレクタの再利用は可能であるものの、ランプの交換の際の作業が煩雑となるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、リフレクタにより十分な光量を確保して良好な測定が可能でありながら、白色光源の交換の際のコストが低く、交換作業が容易な分光反射率測定機を提供することを目的とする。

本発明の分光反射率測定器は、白色光源と、前記白色光源から射出された光を反射するリフレクタと、前記リフレクタで反射された反射光が通過するピンホールを有するピンホール部材と、前記ピンホールを通過した前記反射光を略平行な光束とするコリメータレンズとを有する光源部を備え、被検物からの反射光の分光反射率を測定する分光反射率測定機であって、前記光源部は、接触面を有し、前記リフレクタが取り付けられた基体と、当て付け面を有し、前記白色光源が着脱可能に取り付けられて前記基体に着脱可能に装着される光源着脱部とを備え、前記当て付け面および前記接触面は、前記白色光源が取り付けられた前記光源着脱部を前記基体に装着し、前記当て付け面と前記接触面とが接触したときに、前記白色光源の発光点が前記リフレクタの焦点と略一致する所定の精度に加工されていることを特徴とする。

前記光源着脱部は、傾き調節部を有して前記白色光源の電極端子が挿入される接続電極をさらに備え、前記傾き調節部は、前記白色光源の前記電極端子が押し当てられたときに、前記白色光源の発光点が前記リフレクタの焦点に対して所定の傾き範囲に位置決めされるように所定の精度に加工されてもよい。

前記リフレクタと前記ピンホール部材との間の前記反射光の光路上に、前記反射光を集光して前記ピンホールを通過させる集光レンズが配置されてもよい。

前記コリメータレンズの開口数は、前記反射光の光束の開口数より大きくてもよい。
前記集光レンズにより集光された光束の開口数は、前記コリメータレンズの開口数より小さくてもよい。

前記リフレクタの反射面は放物面の曲率プロファイルを有してもよい。

本発明の分光反射率測定機によれば、リフレクタにより十分な光量を確保して良好な測定が可能でありながら、白色光源の交換の際のコストが低く、交換作業が容易な分光反射率測定機とすることができる。

本発明の第１実施形態の分光反射率測定機の基本構成を示す模式図である。（ａ）は同分光反射率測定機の光源装着時の断面図であり、図２（ｂ）は同分光反射率測定機の光源交換時の断面図である。（ａ）は、同分光反射率測定機の白色光源であるハロゲンランプの正面図であり、（ｂ）は同ハロゲンランプの斜視図である。（ａ）は、同分光反射率測定機における接続電極の斜視図であり、（ｂ）は同接続電極の平面図である。（ａ）および（ｂ）は、同接続電極に同ハロゲンランプを取り付ける際の動作を示す図である。同分光反射率測定機のリフレクタの光学的特性を示す図である。同分光反射率測定機の光源部における光の動態を示す図である。同分光反射率測定機の変形例の光源部における光の動態を示す図である。本発明の第２実施形態の分光反射率測定機におけるリフレクタの光学的特性を示す図である。である。同分光反射率測定機の光源部における光の動態を示す図である。

本発明の第１実施形態について、図１から図８を参照して説明する。図１は、本実施形態の分光反射率測定機１００の基本構成を示す模式図である。分光反射率測定機１００は、主に光学素子等の表面の分光反射率を測定する装置である。その測定原理は公知であるが、簡潔に説明すると以下の通りである。
白色光源１から射出された光束は、ピンホール部材２に形成されたピンホール２ａを通過し、コリメータレンズ３で略平行な光束となる。コリメータレンズ３を通過した略平行な光束の一部は、第１ビームスプリッタ４で反射し、対物レンズ５で集光し、被検物Ｓの被検面Ｓａに照射される。被検面Ｓａからの反射光は、対物レンズ５を通過して再び略平行な光束となる。この光束の一部は第１ビームスプリッタ４を透過し、第２ビームスプリッタ７で一部の光束は反射して観察光学系８に導かれる。観察光学系８では、被検面Ｓａからの反射光をスポットとして観察し、そのスポットのピントにより、対物レンズ５に対する被検物６の被検面Ｓａの光軸方向の位置を確認し、図示しない調整機構により、当該スポットが所定の位置に来るよう被検面Ｓａの光軸方向の位置を調整することで傾きを調整する。
対物レンズ５を通過した光束の一部は第２ビームスプリッタ７を透過して分光器９に入射する。分光器９では、回折格子１０により波長に応じた反射角度で当該光束を反射し、反射された光束は受光素子１１の所定の位置で検出される。受光素子１１では、受光した光束の光量に従い電流が発生するため、電流の大きさを測定することで、各波長の光量がわかる。分光反射率測定機１００においては、図示しない標準試料の反射光の光量と、被検物Ｓの被検面Ｓａの反射光の光量を比較することで、被検面Ｓａの各波長における反射率を算出する。

本発明の分光反射率測定機１００の特徴は、白色光源１、ピンホール部材２、およびコリメータレンズ３を含む光源部１０１の構成にある。以下、分光反射率測定機１００の光源部１０１について詳細に説明する。

図２は、分光反射率測定機１００の光源部１０１を示す断面図であり、図２（ａ）は光源装着時の断面図、図２（ｂ）は光源交換時の断面図をそれぞれ示している。光源部１０１は、白色光源１として機能するハロゲンランプ１２と、ハロゲンランプ１２から出射される光を反射するリフレクタ１５と、上述のピンホール部材２およびコリメータレンズ３とを備えている。

ハロゲンランプ１２は、公知の構成を有し、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、取り付け用の２本の口金（電極端子）１２ａと、発光点１２ｂとを備える。
ハロゲンランプ１２は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、略円筒状の光源着脱部１４に取り付けられた接続電極１３に着脱自在に設置されている。

図４に接続電極１３の詳細な構成を示す。図４（ａ）は接続電極１３の斜視図であり、図４（ｂ）は接続電極１３の平面図である。接続電極１３は、先端にＶ形状部（傾き調節部）１３ｂを有し、ハロゲンランプ１２を取り付けるための溝１３ａと、溝１３ａに対してハロゲンランプ１２を固定するレバー１３ｃとを備えている。ハロゲンランプ１２は、２本の口金１２ａそれぞれが、接続電極１３に形成された溝１３ａのＶ形状部１３ｂに当てつくように配置される。図５（ａ）に示す状態から図５（ｂ）に示す状態となるようにレバー１３ｃを操作することにより、レバー１３ｃで口金１２ａをＶ形状部１３ｂに押し付けて保持することができる。Ｖ形状部１３ｂは、ハロゲンランプ１２を後述する所定の傾き範囲に位置決めするため、光源着脱部１４の後述する当て付け面１４ａに対して、直角度０．０２以下で形成されていることが望ましい。

図２に示すように、光源着脱部１４は、リフレクタ１５が取り付けられた略円筒状の第１基体１６に着脱自在に取り付けられている。図６にリフレクタ１５の反射面１５ｄの光学的特性を示す。リフレクタ１５の内面に形成された反射面１５ｄは、楕円面の曲率プロファイルとなっており、第１焦点（焦点）１５ｂを通り、反射面１５ｄで反射された光線は、第２焦点１５ｃを通るように設定されている。リフレクタ１５の反射面１５ｄの反射率は、分光反射率測定機１００における３８０ナノメートル（ｎｍ）から１０５０ｎｍまでの全ての測定波長域で８０％程度であり、かつ、ハロゲンランプ１２の分光光量の少ない波長における反射率が、分光光量の多い波長の反射率に対して高くなっていることが好ましい。
図２（ａ）に示すように、リフレクタ１５および第１基体１６には、開口１７が設けられており、光源着脱部１４が第１基体１６に装着されたときに、ハロゲンランプ１２が開口１７を通ってリフレクタ１５内に突出可能になっている。

第１基体１６のうち、リフレクタ１５が取り付けられた側の端部は、略円筒状の第２基体１８に取り付けられている。第２基体１８の内部には、ピンホール部材２およびコリメータレンズ３が配置されている。
第１基体１６の接合面１６ａと、リフレクタ１５のうち、第１基体１６から突出する部分の外周面１５ａおよび外径の値と、第２基体１８において接合面１６ａに当て付けられる当て付け面１８ａと、リフレクタ１５の一部が進入する内腔の内周面１８ｂおよび内径の値とは、いずれも高精度に加工されている。その結果、接合面１６ａと当て付け面１８ａとが接触し、外周面１５ａと内周面１８ｂとが嵌合した状態において、リフレクタ１５の第２焦点１５ｃとピンホール２ａの中心とが略等しくなるように位置決めされている。第１基体１６と第２基体１８とは、前述の位置決め状態を好適に保持できれば、着脱可能でもよいし、着脱不能に一体に固定されてもよい。

同様に、光源着脱部１４において、第１基体１６に装着される側に形成された当て付け面１４ａと、第１基体１６と嵌合される内腔の内周面１４ｂおよび内径の値と、第１基体１６において、光源着脱部１４と嵌合した際に当て付け面１４ａと接触する接触面１６ｂと、光源着脱部１４の内腔に進入する外周面１６ｃおよび外径の値とは、いずれも高精度に加工されている。その結果、内周面１４ｂと外周面１６ｃとが嵌合し、接触面１６ｂと当て付け面１４ａとが接触した状態において、リフレクタ１５の第１焦点１５ｂと、開口１７からリフレクタ１５内に進入したハロゲンランプ１２の発光点１２ｂとが略一致するように位置決めされている。

上述の当て付け面１４ａ、接合面１６ａ、接触面１６ｂ、および当て付け面１８ａは、その平行度も高精度に調節されている。これに加え、前述したＶ形状部１３ｂの直角度や、リフレクタ１５の楕円加工同芯度も所定の範囲に設定されている。これらの精度管理により、分光反射率測定機１００においては、光源着脱部１４を第１基体１６に装着し、図２（ａ）に示すように光源部１０１が一体となった状態において、発光点１２ｂとリフレクタ１５の第１焦点１５ｂとの位置誤差は、光源部１０１の光軸（コリメータレンズ３の光軸と略同一）に直交する面上において５０マイクロメートル（μｍ）以内、かつハロゲンランプの口金１２ａと光源部１０１の光軸との傾き誤差が１８分（０．３度）以内に収められている。この位置決め状態は、光源着脱部１４と第１基体１６とを一体に固定するノブ１９によって保持することができる。

上記のように構成された本実施形態の分光反射率測定機１００の使用時の動作について説明する。
使用者は、使用開始時に、ハロゲンランプ１２の口金１２ａを接続電極１３の溝１３ａに挿入する。レバー１３ｃを引き上げると口金１２ａがＶ形状部１３ｂに押し当てられて、ハロゲンランプ１２が接続電極１３に対して位置決めされる。

次に、使用者はハロゲンランプ１２が取り付けられた光源着脱部１４を、第１基体１６に嵌合させ、当て付け面１４ａと接触面１６ｂとが接触するように、光源着脱部１４を第１基体１６に向かって充分押し込む。この操作により、ハロゲンランプ１２の発光点１２ｂとリフレクタ１５の第１焦点１５ｂとが上述した所定の精度で略一致するように位置決めされる。使用者は、ノブ１９を用いて光源着脱部１４を第１基体１６に対し固定し、発光点１２ｂと第１焦点１５ｂとの位置関係を保持する。
以上で光源部１０１の準備作業が終了する。

使用者は、分光反射率測定機１００を起動して被検物Ｓの測定を行う。図７に示すように、ハロゲンランプ１２から発せられる白色光は、リフレクタ１５により第２焦点１５ｃに好適に集光された後、ピンホール２ａおよびコリメータレンズ３を通って、上述のように被検面Ｓａに照射される。
なお、本実施形態において、コリメータレンズ３の開口数（ＮＡ）は、図７に示すように、リフレクタ１５の反射光のＮＡより大きく設定されているため、反射面１５ｄで反射された反射光はすべてコリメータレンズ３に取り込まれる。

ハロゲンランプ１２が切れた等により交換作業を行う場合、使用者はノブ１９を外して光源着脱部１４を第１基体１６から取り外す。そして、接続電極１３のレバー１３ｃを下げてからハロゲンランプ１２を取り外す。その後は、使用開始時と同様の手順で新しいハロゲンランプの取り付け作業を行う。

本実施形態の分光反射率測定機１００によれば、光源部１０１において、ハロゲンランプ１２が取り付けられる光源着脱部１４の当て付け面１４ａと、リフレクタ１５が取り付けられる第１基体１６の接触面１６ｂとが所定の精度に加工されているため、上述した所定の手順で光源部１０１の準備作業を行うと、ハロゲンランプ１２の発光点１２ｂとリフレクタ１５の第１焦点１５ｂとが所定の精度で略一致するように位置決めされる。
したがって、使用者は、所定の手順を守ってハロゲンランプ１２の取り付けや交換を行うだけで、ハロゲンランプ１２とリフレクタ１５との位置調整等を行うことなく分光反射率測定機１００を使用することができる。その結果、リフレクタ１５を再使用して光源交換の際のコストを低減しつつ、光源の交換や取り付けにかかる作業時間を短縮することができる。

また、ハロゲンランプ１２の発光点１２ｂとリフレクタ１５の第１焦点１５ｂとが常に略一致するように位置決めされるので、充分な光量が確保されて測定値がノイズに埋もれることが防止される。その結果、良好に被検面の測定を行うことができる。

さらに、コリメータレンズ３のＮＡがリフレクタ１５の反射光のＮＡより大きく設定されているため、リフレクタ１５からの反射光を効率よく取り込み、好適に測定を行うことができる。

本実施形態では、コリメータレンズ３のＮＡがリフレクタ１５の反射光のＮＡより大きく設定されている例を説明したが、スペース等の関係でコリメータレンズのＮＡがリフレクタの反射光のＮＡより小さくなる場合は、図８に示す変形例のように、リフレクタ１５とピンホール部材２との間の光路に集光レンズ２０を配置してもよい。このようにすると、集光レンズ２０によりリフレクタ１５の反射光のＮＡをコリメータレンズ３のＮＡよりも小さくしてからピンホール２ａを通過させてコリメータレンズ３に入射することができ、上述した分光反射率測定機１００と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の第２実施形態について図９及び図１０を参照して説明する。本実施形態の分光反射率測定機と上述の第１実施形態の分光反射率測定機１００との異なるところは、リフレクタの光学的特性である。なお、以降の説明において、既に説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図９は、本実施形態の分光反射率測定機１１０におけるリフレクタ２５を示す図である。リフレクタ２５の内面に形成された反射面２５ｄは、放物面の曲率プロファイルを有し、焦点２５ｂを通って反射面２５ｄで反射された光線は、略平行な光束として射出される。
分光反射率測定機１１０においても、第１実施形態同様、所定の操作で光源着脱部１４を第１基体１６に嵌合すると、ハロゲンランプ１２の発光点１２ｂとリフレクタ２５の焦点２５ｂとが所定の精度で略一致するように位置決めされる。

図１０は、分光反射率測定機１１０における光源部１１１の基本構成を示す図である。リフレクタ２５とピンホール部材２との間の光路上にはリフレクタ２５から反射された光線を集光する集光レンズ２６が配置されており、リフレクタ２５から射出された略平行な光束は、集光レンズ２６によりピンホール２ａの中心に集光し、ピンホール２ａを通ってコリメータレンズ３に入射する。
本実施形態の光源部１１１においては、コリメータレンズ３のＮＡは、集光レンズ２６のＮＡより大きくなっていることが好ましい。

本実施形態の分光反射率測定機１１０においても、第１実施形態と同様に、リフレクタ２５を再使用して光源交換の際のコストを低減しつつ、光源の交換や取り付けにかかる作業時間を短縮することができる。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において各実施形態の構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。

１００、１１０分光反射率測定機
１白色光源
２ピンホール部材
２ａピンホール
３コリメータレンズ
１２ハロゲンランプ（白色光源）
１２ａ口金（電極端子）
１２ｂ発光点
１３接続電極
１３ｂＶ形状部（傾き調節部）
１４光源着脱部
１４ａ当て付け面
１５、２５リフレクタ
１５ｂ第１焦点（焦点）
１５ｄ反射面
１６第１基体（基体）
１６ｂ接触面
２０、２６集光レンズ

Claims

白色光源と、前記白色光源から射出された光を反射するリフレクタと、前記リフレクタで反射された反射光が通過するピンホールを有するピンホール部材と、前記ピンホールを通過した前記反射光を略平行な光束とするコリメータレンズとを有する光源部を備え、被検物からの反射光の分光反射率を測定する分光反射率測定機であって、
前記光源部は、
接触面を有し、前記リフレクタが取り付けられた基体と、
当て付け面を有し、前記白色光源が着脱可能に取り付けられて前記基体に着脱可能に装着される光源着脱部と、
を備え、
前記当て付け面および前記接触面は、前記白色光源が取り付けられた前記光源着脱部を前記基体に装着し、前記当て付け面と前記接触面とが接触したときに、前記白色光源の発光点が前記リフレクタの焦点と略一致する所定の精度に加工されていることを特徴とする分光反射率測定機。
前記光源着脱部は、傾き調節部を有して前記白色光源の電極端子が挿入される接続電極をさらに備え、
前記傾き調節部は、前記白色光源の前記電極端子が押し当てられたときに、前記白色光源の発光点が前記リフレクタの焦点に対して所定の傾き範囲に位置決めされるように所定の精度に加工されていることを特徴とする請求項１に記載の分光反射率測定機。
前記リフレクタと前記ピンホール部材との間の前記反射光の光路上に、前記反射光を集光して前記ピンホールを通過させる集光レンズが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の分光反射率測定機。
前記コリメータレンズの開口数は、前記反射光の光束の開口数より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の分光反射率測定機。
前記集光レンズにより集光された光束の開口数は、前記コリメータレンズの開口数より小さいことを特徴とする請求項３に記載の分光反射率測定機。
前記リフレクタの反射面は放物面の曲率プロファイルを有することを特徴とする請求項３に記載の分光反射率測定機。