JP2016142522A - 分光特性測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、物体面上の各輝点を面積の無い理想的な点光源として光学的にモデル化して考える。これらの理想的な輝点は、レンズによるフラウンフォーファ回折により像面上にエアリー(Airy)の回折像と呼ばれる同心円状の明暗縞から成る共役な輝点像を形成する(図2参照)。エアリーの回折像の中心の円形の明るい領域はエアリーディスクと呼ばれ、エアリーディスクの中心から回折像の最初の暗環(第1暗輪体)の幅方向中心までの距離の2倍、すなわち第1暗輪体の直径Rは下記式(1)で得られることが知られている。
R=1.22λ/N.A. (1)
ここでλは光の波長、N.A.(Numerical Aperture)はレンズの数値開口数(N.A.=n×sinθ)である。また、nは屈折率であり、θはレンズ中心から有効径の角度である。
a) 被測定物の測定領域内に位置する複数の測定点からそれぞれ発せられた測定光を第1の測定光及び第2の測定光に分割する分割光学系と、
b) 前記第1の測定光及び前記第2の測定光の間に連続的な光路長差分布を付与する光路長差付与手段と、
c) 連続的な光路長差分布が付与された前記第1の測定光及び前記第2の測定光を結像面上で干渉させて干渉光を形成する結像光学系と、
d) 前記結像面に配置された前記干渉光の光強度を検出する検出部であって、直線上に等間隔で配置された複数の画素を有する干渉光検出部と、
e) 前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
f) 前記被測定物の測定領域と前記分割光学系の間に配置された、該分割光学系と共通の共役面を有するとともに、該共役面に前記測定点からの測定光を結像する共役面結像光学系と、
g) 前記共役面に配置された、周期的に並ぶ透光部と遮光部とを有する振幅型回折格子と
を備え、
前記干渉光検出部の複数の画素の間隔をp、光学倍率をm、前記振幅型回折格子の透光部の幅をW、隣り合う2つの透光部の中心間距離をDとすると、WおよびDが以下の式(1)および式(2)
W=(p×2)/(m+1) ・・・ (1)
D=(p×2)/ m ・・・ (2)
によりそれぞれ定義されることを特徴とする。
a) 被測定物の測定領域内に位置する複数の測定点からそれぞれ発せられた測定光を第1の像面上に収束させる共役面結像光学系と、
b) 前記第1の像面上に配置された、周期的に並ぶ透光部と遮光部とを有する振幅型回折格子と、
c) 前記振幅型回折格子の透光部を通過した前記測定光を第1の測定光及び第2の測定光に分割する分割光学系と、
d) 前記第1の測定光及び前記第2の測定光の間に連続的な光路長差分布を付与する光路長差付与手段と、
e) 連続的な光路長差分布が付与された前記第1の測定光及び前記第2の測定光を結像面上で干渉させて干渉光を形成する結像光学系と、
f) 前記結像面に配置された前記干渉光の光強度を検出する検出部であって、等間隔で配置された複数の画素を有する干渉光検出部と、
g) 前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部とを備え、
前記干渉光検出部の複数の画素の間隔をp、光学倍率をm、前記振幅型回折格子の透光部の幅をW、隣り合う2つの透光部の中心間距離をDとすると、WおよびDが以下の式(1)および式(2)
W=(p×2)/(m+1) ・・・ (1)
D=(p×2)/ m ・・・ (2)
によりそれぞれ定義されることを特徴とする。
明点の条件:w・sinθ=0,(N+1/2)λ
暗点の条件:w・sinθ=N・λ (Nは自然数)
例えば図5(b)に示すように、w・sinθ1=λを満たす角度θ1は、光路長差が1波長となる回折角となる。
共役面に振幅型回折格子を配置したことにより、結像面には振幅型回折格子の開口部を通過した光の像(開口像)が形成される。図6は、第1測定光と第2測定光の間の位相差が0(rad.)及びπ(rad.)のときの結像面における開口像の強度分布、及び振幅型回折格子の開口と画素の配置を示す図である。開口像の中心から第1暗輪帯までの強度分布が3個の画素で検出されるように該画素を配置すると、第1測定光と第2測定光の間の位相差の変化に伴う強度変化を各画素により検出することができる。ただし、位相差がπのときの第1暗輪帯の輝度値は位相差が0のときの中心部の輝度値よりも低いため、この配置では、位相差の変化に伴う輝度値の変化が中心画素に比べて残り2個の各画素では小さくなる。
測定波長帯域の中では最長波長の回折光の第一暗点を生じる方向θが最も大きくなるため、この場合は、波長14μmの光の回折光の実効的なN.A.がレンズのN.A.内に収まらなくてはならない。しかし、例えば、光学倍率1倍、画素ピッチ23.5μmの場合、開口幅Wは23.5μm(D=23.5×2/(1+1)=23.5μm)になる。この開口幅の最長波長の実効的なN.A.を方向θを用いて表すと、
N.A. = n・sinθ (nは屈折率)
となり、大気の屈折率は1、sinθ=14/23.5≒0.60であるため、0.60以上のN.A.を有するレンズを用いれば良いが、場合によっては0.30程度のN.A.のレンズを用いなければならないことがある。
W=(p×4)/(m+1) ・・・ (3)
D=(p×3)/ m ・・・ (4)
により規定される値にそれぞれ設定すれば良い。
開口幅=23.5×4/(1+1)=47μm
開口部中心間距離=23.5×3/1=70.5μm
この開口パターンを持つ振幅型回折格子では、遮光部の幅は23.5μmということになる。
例えば、遮光部の幅を広くすると、輝点の間隔が広くなって打ち消し合いを無くすことができるが、遮光部の幅を過度に広くすると輝度値を全く検出できない画素を生じることになる。また、遮光部の幅を狭くすると、近接する輝点間の打ち消し合いにより鮮明度が劣化してしまう。一方、透光部の幅を狭くしすぎると光量不足になり、広くしすぎると1つの透光部内で輝点間の打ち消し合いを生じてしまう。発明者は、このような事象を順に検証していくことにより適切な条件を得た。以下、具体的な実施例について述べる。
また、左右に固定ミラー部と可動ミラー部を配置することも可能であるが、この構成では、可動ミラー部を大きく移動させた場合に、固定ミラー部が可動ミラー部の影になって光線が遮られる場合が生じるので、上下方向に配置する方が好ましい。
開口幅W = 画素ピッチ×2/(光学倍率+1)
=11μm×2/(1+1)=11μm
開口部中心間距離D= 画素ピッチ×2/光学倍率
=11μm×2/1=22μm
以上より、開口幅11μm、遮光幅11μmの多重スリットに設計すれば良いことが分かる。
この場合に、実効的なN.A.が、レンズのN.A.よりも小さいことが要求されるため、それを確認する。
本実施例においては、実効的なN.A.=sinθ=最長波長/開口幅=0.8μm/11μm≒0.073となる。
一方、対物レンズと結像レンズのN.A.は双方とも0.24であることから、実効的なN.A.は十分に小さく、条件を満たしていることが確認できた。
可動ミラー部と固定ミラー部を上下に配置すると、位相シフトに伴う干渉像の変化の方向により異方性を生じる。これは、垂直軸を通る断面では、固定ミラー部と可動ミラー部に半分ずつの光線が照射されるが、水平軸を通る断面では、固定ミラー部、或いは可動ミラー部のみに光線が照射されることになるからである。つまり、垂直軸を通る断面でみると、位相シフト操作に伴って、多光線干渉として干渉強度が変化するが、水平軸を通る断面でみると、物体光束内において相対的な位相差が生じず、位相シフト操作に伴う干渉強度変化は生じないことになる。このような異方性を考慮すると、垂直軸方向には輝点間の位相の打ち消し合いを解消するための開口部と遮光部の組み合わせが必要であるが、水平軸方向には輝点間の位相の打ち消し合いが生じないことから遮光部は必要ないことになる。つまり、図13および図14に示すように、多重スリットは水平方向に延びる開口部を有していれば良い。後述の同心円レイアウトの位相可変フィルターでは矩形状の開口部を二次元配置しなくてはならず、遮光部の面積が広くなることと比較すると、本実施例に係る多重スリットの方が光の利用効率が高いことが判る。
図12に示す分光特性測定装置では、図17に示すように、左端の画素の中心および右端の画素の中心の両方にそれぞれ多重スリットの開口像の中心が位置するように配置した方が、該開口像の鮮明度が高くなる。換言すると、開口像の鮮明度を高くするためには、多重スリットの開口部の長手方向の中心軸と、画素列の中心軸を高精度に位置決めできる必要がある。そこで、本実施例に係る分光特性測定装置では、多重スリットの傾きを調整する調整機構を設けた。この調整機構は、位置決めのために多重スリットの開口部を垂直軸方向に移動させる場合の最大移動量が、高々1個の開口部の幅に相当する量であることに着目した簡易的な調整機構である。
上述したように、この場合の多重スリットの開口幅および開口部の中心間距離と画素ピッチとの関係は次の式で表される。
開口幅W = 画素ピッチp×4/(光学倍率m+1)
開口部中心間距離D = 画素ピッチp×3/光学倍率m
また、本実施例では、ゲルマニューム素材の中赤外用対物レンズ(焦点距離:20mm、N.A.:0.30)および結像レンズ(焦点距離:20mm、N.A.:0.30)を用いて、光学倍率1倍の無限遠補償結像光学系を構築した。さらに、共役面結像光学系では、光学倍率を0.02倍とした。
開口幅W=23.5×4/(1+1)=47μm
開口部中心間距離D=23.5×3/1=70.5μm
このレイアウトでは、多重スリットの遮光部の幅は23.5μmになる。
本実施例では、1直線上の分光分布が1個の画素により空間的な干渉縞であるインターフェログラムとして取得される。結像ライン方向(図中鉛直方向)の軸を垂直軸、それと直交する方向である空間的位相シフト方向の軸を水平軸と称する。
このように、輝点間の位相の打ち消し合いを防止することにより、特に空間周波数の低い模様を有する計測対象全面での干渉強度鮮明度の向上が可能となる。
20…調整機構
201…矩形枠部
202、203…ねじ
204…弾性部材
Claims (5)
- a) 被測定物の測定領域内に位置する複数の測定点からそれぞれ発せられた測定光を第1の測定光及び第2の測定光に分割する分割光学系と、
b) 前記第1の測定光及び前記第2の測定光の間に連続的な光路長差分布を付与する光路長差付与手段と、
c) 連続的な光路長差分布が付与された前記第1の測定光及び前記第2の測定光を結像面上で干渉させて干渉光を形成する結像光学系と、
d) 前記結像面に配置された前記干渉光の光強度を検出する検出部であって、直線上に等間隔で配置された複数の画素を有する干渉光検出部と、
e) 前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
f) 前記被測定物の測定領域と前記分割光学系の間に配置された、該分割光学系と共通の共役面を有するとともに、該共役面に前記測定点からの測定光を結像する共役面結像光学系と、
g) 前記共役面に配置された、周期的に並ぶ透光部と遮光部とを有する振幅型回折格子と
を備え、
前記干渉光検出部の複数の画素の間隔をp、光学倍率をm、前記振幅型回折格子の透光部の幅をW、隣り合う2つの透光部の中心間距離をDとすると、WおよびDが以下の式(1)および式(2)
W=(p×2)/(m+1) ・・・ (1)
D=(p×2)/ m ・・・ (2)
によりそれぞれ定義されることを特徴とする分光特性測定装置。 - a) 被測定物の測定領域内に位置する複数の測定点からそれぞれ発せられた測定光を第1の像面上に収束させる共役面結像光学系と、
b) 前記第1の像面上に配置された、周期的に並ぶ透光部と遮光部とを有する振幅型回折格子と、
c) 前記振幅型回折格子の透光部を通過した前記測定光を第1の測定光及び第2の測定光に分割する分割光学系と、
d) 前記第1の測定光及び前記第2の測定光の間に連続的な光路長差分布を付与する光路長差付与手段と、
e) 連続的な光路長差分布が付与された前記第1の測定光及び前記第2の測定光を結像面上で干渉させて干渉光を形成する結像光学系と、
f) 前記結像面に配置された前記干渉光の光強度を検出する検出部であって、等間隔で配置された複数の画素を有する干渉光検出部と、
g) 前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部とを備え、
前記干渉光検出部の複数の画素の間隔をp、光学倍率をm、前記振幅型回折格子の透光部の幅をW、隣り合う2つの透光部の中心間距離をDとすると、WおよびDが以下の式(1)および式(2)
W=(p×2)/(m+1) ・・・ (1)
D=(p×2)/ m ・・・ (2)
によりそれぞれ定義されることを特徴とする分光特性測定装置。 - a) 被測定物の測定領域内に位置する複数の測定点からそれぞれ発せられた測定光を第1の測定光及び第2の測定光に分割する分割光学系と、
b) 前記第1の測定光及び前記第2の測定光の間に連続的な光路長差分布を付与する光路長差付与手段と、
c) 連続的な光路長差分布が付与された前記第1の測定光及び前記第2の測定光を結像面上で干渉させて干渉光を形成する結像光学系と、
d) 前記結像面に配置された前記干渉光の光強度を検出する検出部であって、直線上に等間隔で配置された複数の画素を有する干渉光検出部と、
e) 前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
f) 前記被測定物の測定領域と前記分割光学系の間に配置された、該分割光学系と共通の共役面を有するとともに、該共役面に前記測定点からの測定光を結像する共役面結像光学系と、
g) 前記共役面に配置された、周期的に並ぶ透光部と遮光部とを有する振幅型回折格子と
を備え、
前記分割光学系を構成する対物レンズの開口数N.A.が実効的な開口数N.A.よりも小さいとき、
前記干渉光検出部の複数の画素の間隔をp、光学倍率をm、前記振幅型回折格子の透光部の幅をW、隣り合う2つの透光部の中心間距離をDとすると、WおよびDが以下の式(3)および式(4)
W=(p×4)/(m+1) ・・・ (3)
D=(p×3)/ m ・・・ (4)
によりそれぞれ定義されることを特徴とする分光特性測定装置。 - a) 被測定物の測定領域内に位置する複数の測定点からそれぞれ発せられた測定光を第1の像面上に収束させる共役面結像光学系と、
b) 前記第1の像面上に配置された、周期的に並ぶ透光部と遮光部とを有する振幅型回折格子と、
c) 前記振幅型回折格子の透光部を通過した前記測定光を第1の測定光及び第2の測定光に分割する分割光学系と、
d) 前記第1の測定光及び前記第2の測定光の間に連続的な光路長差分布を付与する光路長差付与手段と、
e) 連続的な光路長差分布が付与された前記第1の測定光及び前記第2の測定光を結像面上で干渉させて干渉光を形成する結像光学系と、
f) 前記結像面に配置された前記干渉光の光強度を検出する検出部であって、等間隔で配置された複数の画素を有する干渉光検出部と、
g) 前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部とを備え、
前記分割光学系を構成する対物レンズの開口数N.A.が実効的な開口数N.A.よりも小さいとき、
前記干渉光検出部の複数の画素の間隔をp、光学倍率をm、前記振幅型回折格子の透光部の幅をW、隣り合う2つの透光部の中心間距離をDとすると、WおよびDが以下の式(3)および式(4)
W=(p×4)/(m+1) ・・・ (3)
D=(p×3)/ m ・・・ (4)
によりそれぞれ定義されることを特徴とする分光特性測定装置。 - 前記光路長差付与手段が、入射面と出射面が平行な第1透過部と、入射面及び出射面のいずれか一方が前記第1透過部の入射面又は出射面と同一面上にあり、入射面及び出射面のうちの一方に対して他方が傾斜するくさび形の第2透過部から成る透過型の光学部材を有し、
前記分割光学系が、前記測定光を平行光線化して前記第1透過部及び前記第2透過部に入射させる対物レンズを有し、
前記結像光学系が、前記測定光のうち前記第1透過部を透過した第1測定光と前記第2透過部を透過した第2測定光が入射する、前記第1透過部と前記第2透過部の境界面と前記第1透過部の入射面との交線に平行な軸を有する、シリンドリカルレンズを有し、
前記干渉光検出部が、前記シリンドリカルレンズに入射した前記第1測定光と前記第2測定光の干渉光の強度分布を検出し、
前記処理部が、前記干渉光検出部で検出される前記干渉光の強度分布に基づき前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の分光特性測定装置。
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