JP2016212102A - 光学計測デバイス及びその方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、性能に優れた光学計測デバイス及び光学計測方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る光学計測デバイスは、放射光線を生成する光源と、放射光線を補償光線と計測光線とに分割し、計測光線をターゲットに導く第一ビームスプリッターと、前記補償光線を前記第一ビームスプリッターからリダイレクトする第二ビームスプリッターと、前記第一ビームスプリッター及び前記第二ビームスプリッターの部分の波長に関する特性が同じであり、前記第二ビームスプリッターからリダイレクトされた前記補償光線を検出する第一光検出器と、前記ターゲットから反射された前記計測光線及び前記第一ビームスプリッターによってリダイレクトされた前記計測光線を検出する第二光検出器と、を備える。
【選択図】図6A

Description

本発明は、光学計測デバイス及び光学計測方法に関するものである。
光学反射計測は、光学分析の基本的な応用の1つである。分析物の光学的な特性の研究によって、人々は分析物の表面構造を検出して、分析物の組成又は特定の化合物の量及び濃度を計測することができる。反射率の計測は、例えば、遠隔方法、非接触的な方法、及び非侵入的な方法などを利用して分析物から得られた情報を提供する。それ故に、現在の光学反射計測デバイスは、分析化学、航空宇宙、及び医療分野に幅広く応用されている。光源、例えば、レーザ光源は、これらの分野の応用に適用している。しかしながら、光源の不安定性及びビームスプリッターの波長に関する特性は、光学反射計測の正確性及び精確性を制限する。光源の不安定性は、中心波長の変動及び強度雑音を含む。また、薄膜コーティングの不均一性及びビームスプリッターの回折は、波長と透過率(又は反射率)との間の非直線関係を引き起こす。光源の不安定性に由来するノイズ及びビームスプリッターの波長決定特性は、信号の採集を妨げる。従って検出された信号は、反射された光線の実際の光学電力を表示できない。
従来技術には、光学デバイスの性能を向上させる様々な方法が開示されている。第一に、空洞共振器、レーザ制御回路又はレーザ光学素子を備える先進的なレーザによって、光線の安定性を向上させる。しかしながら、この方法では、光学計測デバイスの組成部品及びコストを大幅に増加させ、しかもその構造は複雑になる。第二に、ビームスプリッターの反射防止膜によって回折をやや減らすことができるが、計測の厳しい要求を満たすことはできない。第三に、計測の統計的なパワーを増大するためにサンプルのサイズを大きくすることができるが、サンプルのサイズが大きいほど、より長い測定期間及び数多くの測定サイクルを必要とする。また、非リアルタイムの計測は、異なる種類の分析物から又は移動しながらの状態での使用において、効率的な信号を得ることができない。例えば、流体被分析物である眼の硝子体、血液などは不均一或いは流動的である。
以上の問題に鑑み、本発明は、性能に優れた光学計測デバイス及び光学計測方法を提供することを目的とする。
以上の問題を解決するために、本発明に係る光学計測デバイスは、放射光線を生成する光源と、放射光線を補償光線と計測光線とに分割し、計測光線をターゲットに導く第一ビームスプリッターと、補償光線を第一ビームスプリッターからリダイレクトする第二ビームスプリッターと、第一ビームスプリッター及び第二ビームスプリッターの一部の波長に関する特性が同じであり、第二ビームスプリッターからリダイレクトされた補償光線を検出する第一光検出器と、ターゲットから反射された計測光線及び第一ビームスプリッターによってリダイレクトされた計測光線を検出する第二光検出器と、を備える。
以上の問題を解決するために、本発明に係る光学計測デバイスは、放射光線を生成する光源と、放射光線を補償光線と計測光線とに分割し、計測光線をターゲットに導く第一ビームスプリッターと、第一ビームスプリッターから第一ビームスプリッターに補償光線を反射する第一ミラーと、第一ビームスプリッターによってリダイレクトされた補償光線を検出する第一光検出器と、第一ビームスプリッターによってリダイレクトされた計測光線を検出する第二光検出器と、を備える。
以上の問題を解決するために、本発明に係る光学計測方法は、光源によって放射光線を生成するステップと、ビームスプリッターによって放射光線を補償光線と計測光線とに分割するステップと、ビームスプリッターによって補償光線をリダイレクトするステップと、ビームスプリッターによって計測光線をリダイレクトするステップと、第一光検出器によって補償光線を検出するステップと、第二光検出器によって計測光線を検出するステップと、を備える。
従来技術と比べて、本発明に係る光学計測デバイス及び光学計測方法は、計測に対して優れた精確性及び整合性を有する。
図1は、従来技術の反射計測光学デバイスを示す図であり、第一光検出器はPD1によって表わされ、第二光検出器はPD2によって表わされ、光源はLDによって表わされている。 図2A及び図2Bは、反射率計測の理想的な結果であり、図2Aは、第一光検出器及び第二光検出器によって検出され、時間と共に変化している電力を示す図であり、図2Bは、第一光検出器により検出された電力によって標準化され、第二光検出器により検出された電力を示す図である。 図3A〜図3Cは、反射率計測の実際の結果を示す図であり、図3Aは、ビームスプリッターの反射率−波長特性曲線及び透過率−波長特性曲線であり、反射率はRによって表わされ、通過率はTによって表れされ、図3Bは、第一光検出器及び第二光検出器によって検出され、時間と共に変化している電力を示す図であり、図3Cは、第一光検出器により検出された電力によって標準化され、第二光検出器により検出された電力を示す図である。 図4Aは、光学計測デバイスが分析物に応用されている状態を示す図である。 図4Bは、参照ミラーを含む光学計測デバイスを示す図であり、該参照ミラーによって校正を確認する。 図5Aは、光学計測デバイスの校正を部分反射ミラーによって確認している状態を示す図である。 図5Bは、部分反射ミラーを含む光学計測デバイスが分析物に応用されている状態を示す図である。 図6Aは、光学計測デバイスが分析物に応用されている状態を示す図である。 図6Bは、反射ミラーを含む光学計測デバイスを示す図であり、該参照ミラーによって校正を確認する。 図7Aは、光学計測デバイスの校正を部分反射ミラーによって確認している状態を示す図である。 図7Bは、分析物に応用される部分反射ミラーを含む光学計測デバイスが分析物を計測している状態を示す図である。 図8Aは、2対の光検出器を備える光学計測デバイスが分析物に応用されることを示す図である。 図8Bは、反射ミラー及び2対の光検出器を備える光学計測デバイス及び参照ミラーによって該反射率計測光学デバイスの校正を確認することを示す図である。 図9A、光学計測デバイスの校正を部分反射ミラーによって確認することを示す図である。 図9Bは、部分反射ミラーを含む光学計測デバイスが分析物を計測することを示す図である。 図10は、本発明の実施形態に係る光学デバイスを示す図である。 図11は、本発明の実施形態に係る異なる角度に位置する部品を備える光学デバイスを示す図である。 図12は、本発明の実施形態に係る光学計測方法を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本発明に係る光学計測デバイスは、ターゲットの反射光を計測することに用いられる。当該ターゲットは、参照ミラー又は分析物である。光学計測デバイスは、参照ミラーを備え、該参照ミラーをターゲットとして応用することによって校正を行う。光学計測デバイスは分析物に応用され、光線を分析物に投影することにより分析物の光学的な特性を計測する。ここで光学的な特性とは、吸光度、偏光、反射率、屈折率、蛍光及び非弾性散乱である。光学計測デバイスの計測原理は、光線を分析物に投影して反射された光線を信号として強度を検出する。分析物は、化合物の混合物又は生体内での生物学的なサンプル(例えば、血液、皮膚、眼又は粘膜)の一部又は生体外での生物学的なサンプル(例えば、血液、生検試料、尿又は糞便)の一部であってもよい。また、分析物は、反射率計測光学デバイスの校正用の参照ミラーであってもよい。分析物内の特定の生化学的な化合物(例えば、グルコース、乳酸塩又はヘモグロビン)の存在及び濃度は、計測された光学的な特性によって見積もられる。更に、被験体の特定の疾患状態、例えば、眼の乾性角結膜炎又は生体組織診断の異形成は体内又は体外の計測手段によって決定できる。
図1に示したように、従来技術の光学計測デバイスは、光源(LD)、1つの計測用光検出器の第一光検出器(PD1)及びもう1つのベースライン参照用の光検出器の第二光検出器(PD2)を備える。第一光検出器は、光源から出射された光パワーを検出し、第二光検出器は、分析物から反射された光パワーを検出する。レーザが不安定であることから、第一光検出器によって検出された光パワーは変動している。理想の状態としては、図2Aに示したように、仮にビームスプリッターの入射光の波長とビームスプリッターの反射率(又は透過率)とは線性関係であり、第一光検出器によって検出された光パワーは、第二光検出器52によって検出された光パワーと一致する。これにより、図2Bに示したように、第二光検出器によって検出された光パワーは、第一光検出器によって検出された光パワーによって標準化されることができる。標準化された光パワーは、分析物の反射率又は他の光学的な特性を推測する。
しかし、図3Aの反射率−波長特性曲線及び透過率−波長特性曲線に示したように、ビームスプリッターの反射率及び透過率は波長によって変化している。図3Bに示したように、第二光検出器によって検出された光パワーと第一光検出器によって検出された光パワーとは一致しない。従って、第一光検出器によって検出された光パワーを標準化することができず、図3Cに示したように、予測不可能な変動が出現する。実際に、反射された光パワーは、光源から出射された光パワーより小さい。故に、ノイズが光源の光線の小さい部分であるにもかかわらず、ノイズが信号を遮蔽することができる。本発明に係る光学デバイスは、ノイズを補償して分析物の反射率を正確的に計測する。
本発明を明確に説明するために、光線は、対応する部品の中の方向性の光路によって定義されている。線性光学素子によって、1つの光線は、異なる光路又は光学的な特性により複数の光線に分割できる。これとは逆に、複数の光線は同じ光路を共有するので、1つの光線に重ね合わせることができる。
光学計測デバイスは、分析物99の光学的な特性を計測することに用いられる。光学計測デバイスは、光源30、ビームスプリッター、第一光検出器51、及び第二光検出器52を備える。放射光線は、光源30から出射されてビームスプリッターに到達する光線である。放射光線は、ビームスプリッターによって補償光線と計測光線とに分割される。補償光線は、ビームスプリッターによって第一光検出器51に導かれる光線である。計測光線は、ビームスプリッターによって分析物99に導かれ、このビームスプリッターによって第二光検出器52にリダイレクトする光線である。本実施形態において、ビームスプリッターは、第一ビームスプリッター41である。
光学計測デバイスは、部分反射ミラーを更に備える。計測光線の透過部分は、部分反射ミラーを介して透過され、分析物99によって反射され、部分反射ミラーによって透過され、ビームスプリッターよってリダイレクトされる。計測光線の反射部分は、部分反射ミラーによって反射され、ビームスプリッターによってリダイレクトされる。また、計測光線は、透過部分及び第二光検出器52によって検出された反射部分を備える。
光学計測デバイスは、第三光検出素子及び第四光検出素子を更に備える。例えば、補償光線の第一部分は、第一光検出器によって検出され、補償光線の第二部分は、第三光検出器によって検出される。計測光線の第一部分は、第二光検出器によって検出され、計測光線の第二部分は、第四光検出器によって検出される。
以下、図6A及び図6Bの実施形態を参照しながら本発明の原理を説明する。第一光検出器51によって検出された補償光線の光パワーP1は、P1=P0*R1*M1*T1で表わされる。この公式において、P0は光源30から出射された出射光線の総強度を示しており、R1は第一ビームスプリッター41の反射率を示しており、M1は第一ミラー61の反射率を示しており、Tは第一ビームスプリッター41の透過率を示している。図6Bに示す校正において、分析物は参照ミラー71である。第二光検出器52によって検出された計測光線の光パワーPrは、Pr=P0*T1*Rr*R1で表わされる。この公式において、Rrは参照ミラー71を示している。校正における標準化された計測光線の光パワーPcは、Pc=Pr/P1=Rr/M1である。Rr、M1及びPcは一般に知られている定数である。これにより、アライメント及び校正が確定される。図6Aに示す実施形態において、校正終了後、反射ミラー71は除去され、分析物99の計測は、計測光線及び補償光線下で実行される。計測光線の光パワーPmは、第二光検出器52によって検出され且つPm=P0*T1*F*R1で表わされる。この公式において、Fは分析物99の反射率である。計測光線の標準化された光パワーPnは、Pn=Pm/P1=F/M1である。第一ミラー61の反射率M1及び分析物99の反射率Fが定数の場合、計測光線の標準化された光パワーPnを算出できる。つまり、本発明の光学デバイスはノイズを補償できるので、精確な計測が得られる。
光学計測デバイスは、光源、第一ビームスプリッター、第二ビームスプリッター、第一光検出器、及び第二光検出器を備える。第一ビームスプリッター及び第二ビームスプリッターの一部の波長に関する特性(wavelength dependent characteristics)は同じである。光学計測デバイスは、参照ミラー又は部分反射ミラーを更に備える。また、光学計測デバイスは、計測光線の標準化された光パワーを計算するマイクロプロセッサを更に備える。
光源は、放射光線を生成することに用いられる。光源はコヒーレント光源であってもよい。本発明のコヒーレント光源は、ガスレーザ(例えば、ヘリウムネオンレーザ、炭酸ガスレーザ、一酸化炭素レーザ、アルゴンイオンレーザ、銅蒸気レーザ、又は臭化銅蒸気レーザ)、固体レーザ(例えば、イットリウムアルミニウムガーネットレーザ、ルビーレーザ、チタンサファイアレーザ)又はレーザダイオードであってもよい。光源は、発光ダイオード(LED)、有機発光ダイオード(OLED)又は他の非コヒーレント光源である。光源は、発光素子を備える又は複数の発光素子の組み合わせである。光源の光学的な特性を更に指定するために、光源はバンドパスフィルタ、偏光子、コリメータ又はこれらの組み合わせなどの光学素子を更に備える。本実施形態において、上記光源は電磁放射であり、波長は紫外線から可視光、赤外線領域までの波長を含む。
光検出器は、特定の光学的な特性を有する光線の光パワーを検出することに用いられる。光検出器は、電磁放射のエネルギーを光電流に変換する。光検出器は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトレジスタ、光電子増倍管又は金属酸化物半導体(MOS)である。また、光検出器は、線形アレイ又は電荷結合素子(CCD)の二次元アレイ又は相補型金属酸化膜半導体(CMOS)の二次元アレイを備えてもよい。光検出器は、デジタル変換器に接続されている増幅器及び/又はアナログを更に含む。光検出器は、特定の光学的な特性を有する光線を受光するために、バンドパスフィルタ、偏光子などの光学素子を更に備える。
ビームスプリッターは、1つのビームをスプリットし、且つスプリットされた光線を2つの方向に導く。ビームスプリッターは、光学的な特性、例えば波長、偏光によって1つのビームを2つの方向に分割する又は入射光の構成を付勢せず分割する。例えば、ビームスプリッターが偏光ビームスプリッターである場合、1つの光線を、偏光が異なる2つの光線に分割する。本発明の他の実施形態において、例えば、ビームスプリッターがダイクロイックビームスプリッタである場合、スペクトルによりビームを分ける。ビームスプリッターは、ペリクル型又は水玉型などの異なるタイプの構成を有することができる。また、ビームスプリッターは、レンズ、プレート又はプリズムであってもよい。一般的に、ビームスプリッターの透過率又は反射率は、入射光の波長によって変化する。これを、波長に関する特性と称する。波長に関する特性は、透過機能及び反射機能を含む。通常、任意の波長の光が照射されている状態下で、その透過率及び反射率の和はほぼ同じである。好ましくは、光学計測デバイスのビームスプリッターは、同じ波長に関する特性を有する、又は少なくとも放射光の波長の変動範囲で同じ波長に関する特性を有する。
本発明の実施形態において、ビームスプリッターは、更に光線をリダイレクトすることに用いられる。第一光路は光源と第一光検出器51とを連結する。第二光路は光源と第二光検出器52とを連結する。特に、リダイレクトは、第一光路及び第二光路の光線に対するバランスを指す。
第一ビームスプリッター及び第二ビームスプリッターを備える光学計測デバイスにおいて、第一光路に沿って第一ビームスプリッター及び第二ビームスプリッターにより透過された光線の量は、第二光路に沿って第一ビームスプリッターにより透過された光線の量に等しい。第一光路に沿って第一ビームスプリッター及び第二ビームスプリッターにより反射された光線の量は、第二光路に沿って第一ビームスプリッターにより反射された光線の量に等しい。第一ビームスプリッターが透過又は反射を介して第一光路における光線を導いた後、第二ビームスプリッターは、透過又は反射を介して光線を第一光路においてリダイレクトする。例えば、補償光線が第一ビームスプリッターによって透過された際、第二ビームスプリッターは補償光線を反射する。または補償光線が第一ビームスプリッターによって反射された際、第二ビームスプリッターは補償光線を透過することに用いられる。
光学計測デバイスは、第一ビームスプリッター及び第一ミラーを備え、第一光路に沿って第一ビームスプリッターにより透過された光線の量は、第二光路に沿って第一ビームスプリッターにより透過された光線の量に等しい。第一光路に沿って第一ビームスプリッターにより反射された光線の量は、第二光路に沿って第一ビームスプリッターにより反射された光線の量に等しい。第一ビームスプリッターが透過又は反射を介して第一光路に沿って光線を導いた際、第二ビームスプリッターは、透過又は反射を介して第一光路に沿って光線をリダイレクトする。例えば、補償光線が第一ビームスプリッターによって透過され且つ第一ミラーによって反射された際、第一ビームスプリッターは補償光線を反射する。または補償光線が第一ビームスプリッターによって反射され且つ第一ミラーによって反射された際、第一ビームスプリッターは補償光線を透過する。
光学計測デバイスは、第三光検出器、第四光検出器、第二ミラー及び第三ミラーを更に備える。同様に、第三光路は、光源と第三光検出器とを連結し、第四光路は、光源と第四光検出器とを連結する。第三光路に沿って第一ビームスプリッターにより透過された光線の量は、第四光路に沿って第一ビームスプリッターにより透過された光線の量に等しい。第三光路に沿って第一ビームスプリッターにより反射された光線の量は、第四光路に沿って第一ビームスプリッターによって反射された光線の量に等しい。
参照ミラーは、分析物の計測の前に、デフォルト校正を確認することに用いられる。参照ミラーは、入射光の波長と反射率との線性関係により配置される。または、特定の入射光の波長範囲内において連続の反射率に対して配置される。従って、ユーザは光学計測デバイスを正確に調整でき、光学計測デバイスの評価結果が参照ミラーの既知の反射率と一致することを確保できる。本発明の他の実施形態において、参照ミラーは、部分反射ミラーであり、一側において入射光線の部分を反射させ且つ入射光線の部分を透過させ、もう一つの側から入射光を透過させる。例えば、部分反射ミラーは、計測光線の反射部分を反射するが、計測光線の透過部分を透過する。部分反射ミラーを備える光学計測デバイスは、部分反射ミラーを除去せず校正を行う。部分参照ミラーの前に分析物を設置しない場合、部分反射ミラーの外部から反射されて第二光検出器に到達する計測光は、十分に小さいため無視できる。部分反射ミラーは、部分反射コーティングを有するレンズ又はガラスプレートによって製造してもよい。
光学計測デバイスは、光源、第一ビームスプリッター、第二ビームスプリッター、第一光検出器及び第二光検出器を備える。光源は、第一ビームスプリッターへ放射光線を生成する。第一ビームスプリッターは、放射光線を補償光線及び計測光線に分割する。第一ビームスプリッターは、補償光線を第二ビームスプリッターに導くが、計測光線を分析物に導く。第二ビームスプリッターは、補償光線を第一ビームスプリッターから第一光検出器にリダイレクトする。第一ビームスプリッターは、分析物から反射された計測光線を第二光検出器にリダイレクトする。第一光検出器は、第二ビームスプリッターからリダイレクトされた補償光線を受光する。第二光検出器は、第一ビームスプリッターからリダイレクトされた計測光線を受光する。
図4Aに示したように、光学計測デバイスは、光源30、第一ビームスプリッター41、第二ビームスプリッター42、第一光検出器51、及び第二光検出器52を備える。光源30は、第一ビームスプリッター41へ放射光線を生成する。第一ビームスプリッター41は、放射光線を補償光線及び計測光線に分割する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して補償光線を第二ビームスプリッター42へ導くが、透過を介して計測光線を分析物99へ導く。次いで、第二ビームスプリッター42は、透過を介して補償光線を第一光検出器51にリダイレクトし、第一光検出器51は、補償光線を検出する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して分析物99から反射された計測光線をリダイレクトして、第二光検出器52は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線を検出する。
図4Bに示したように、光学計測デバイスは、光源30、第一ビームスプリッター41、第二ビームスプリッター42、第一光検出器51、第二光検出器52、及び参照ミラー71を備える。光源30は、第一ビームスプリッター41へ放射光線を生成する。第一ビームスプリッター41は、放射光線を補償光線及び計測光線に分割する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して補償光線を第二ビームスプリッター42へ導くが、透過を介して計測光線を参照ミラー71へ導く。次いで、第二ビームスプリッター42は、透過を介して補償光線を第一光検出器51にリダイレクトし、第一光検出器51は、補償光線を検出する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して参照ミラー71によって反射された計測光線をリダイレクトする。第二光検出器52は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線を検出する。
図5Aに示したように、光学計測デバイスは、光源30、第一ビームスプリッター41、第二ビームスプリッター42、第一光検出器51、第二光検出器52、及び部分反射ミラー72を備える。光源30は、第一ビームスプリッター41へ放射光線を生成する。第一ビームスプリッター41は、放射光線を補償光線と計測光線とに分割する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して補償光線を第二ビームスプリッター42へ導くが、透過を介して計測光線を部分反射ミラー72へ導く。第二ビームスプリッター42は、透過を介して補償光線を第一光検出器51にリダイレクトし、第一光検出器51は、補償光線を検出する。部分反射ミラー72は、計測光線の反射部分を第一ビームスプリッター41に反射するが、計測光線の透過部分を部分反射ミラー72の外面に透過する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して計測光線の反射部分をリダイレクトする。第二光検出器52は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線を検出する。校正の過程において、被分析物に反射された計測光線の透過部分は無視できる。
図5Bに示したように、光学計測デバイスは、分析物99に応用される。分析物99が部分反射ミラー72の前に設置されることで、計測光線は、分析物99によって反射されて第一ビームスプリッター41に到達して第二光検出器52によって検出される。光源30は、第一ビームスプリッター41へ放射光線を生成する。第一ビームスプリッター41は、放射光線を補償光線と計測光線とに分割する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して補償光線を第二ビームスプリッター42へ導くが、透過を介して計測光線を部分反射ミラー72へ導く。第二ビームスプリッター42は、透過を介して補償光線を第一光検出器51にリダイレクトし、第一光検出器51は、第二ビームスプリッター42によって反射された補償光線を検出する。部分反射ミラー72は、計測光線の反射部分を第一ビームスプリッター41に反射するが、計測光線の透過部分を分析物99に透過する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して部分反射ミラー72によって反射された計測光線の反射部分及び分析物99によって反射された計測光線の透過部分を含む計測光線をリダイレクトする。第二光検出器52は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線を検出する。
光学計測デバイスは、光源、第一光検出器、第二光検出器、及びミラーを備える。ミラーは、ある波長範囲(例えば、紫外線、可視光、近赤外線又は遠赤外線領域)の入射光を反射することに用いられる。反射された光線は、入射光線の複数或いは大部分の光学的な特性、例えば、波長、偏光或いは強度を保つ。ミラーは、固体金属のプレート(例えば、ブロンズ又は銀)であってもよいし、コーティングで覆われているプレート(例えば、銀、アルミニウム、金、又は誘電体コーティング)であってもよい。本発明の実施形態において、光学計測デバイスは複数のミラーを含む。これらのミラーは、入射光の波長と反射率との同じ線性関係を示す。また、各ミラーは、ある波長範囲において異なる反射率を有し、且つこれらの反射率は計測可能である。
図6Aに示したように、光学計測デバイスは、光源30、第一ビームスプリッター41、第二ビームスプリッター42、第一光検出器51、第二光検出器52、及び第一ミラー61を備える。光源30は、第一ビームスプリッター41へ放射光線を生成する。第一ビームスプリッター41は、放射光線を補償光線と計測光線とに分割する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して補償光線を第一ミラー61へ導くが、透過を介して計測光線を分析物99へ導く。第一ミラー61は、補償光線を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して補償光線を第一光検出器51にリダイレクトし、第一光検出器51は、第一ビームスプリッター41によって反射された補償光線を検出する。第一ビームスプリッター41は、分析物99によって反射された計測光線をリダイレクトする。第二光検出器52は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線を検出する。
図6Bに示したように、光学計測デバイスは、光源30、第一ビームスプリッター41、第一光検出器51、第二光検出器52、第一ミラー61、及び参照ミラー71を備える。校正終了後、反射ミラー71は除去される。光源30は、第一ビームスプリッター41へ放射光線を生成する。第一ビームスプリッター41は、放射光線を補償光線と計測光線とに分割する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して補償光線を第一ミラー61へ導くが、透過を介して計測光線を参照ミラー71へ導く。第一ミラー61は、補償光線を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して補償光線を第一光検出器51にリダイレクトする。第一光検出器51は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線を検出する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して参照ミラー71によって反射された計測光線をリダイレクトする。第二光検出器52は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線を検出する。好ましくは、光学計測デバイスは、計測光線を第一ビームスプリッター41から第二光検出器52に反射する第二ミラーを更に備えることで、第一ミラーと第二ミラーとの波長に関する特性に対してバランスをとる、又は第二光路に最適な第一光路の長さを調節する。
図7Aに示したように、光学計測デバイスは、光源30、第一ビームスプリッター41、第一光検出器51、第二光検出器52、第一ミラー61、及び部分反射ミラー72を備える。光源30は、第一ビームスプリッター41へ放射光線を生成する。第一ビームスプリッター41は、放射光線を補償光線と計測光線とに分割する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して補償光線を第一ミラー61へ導くが、透過を介して計測光線を部分反射ミラー72へ導く。第一ミラー61は、補償光線を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して補償光線を第一光検出器51にリダイレクトする。第一光検出器51は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線を検出する。部分反射ミラー72は、計測光線の反射部分を第一ビームスプリッター41に反射するが、計測光線の透過部分を部分反射ミラー72の外面に透過する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して部分反射ミラー72によって計測光線の反射部分をリダイレクトする。第二光検出器52は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線を検出する。
図7Bに示したように、光学計測デバイスは、分析物99に応用される。分析物99が部分反射ミラー72の前に設置されており、計測光線は、分析物99によって反射されて第一ビームスプリッター41に到達して第二光検出器52によって検出される。光源30は、第一ビームスプリッター41へ放射光線を生成する。第一ビームスプリッター41は、放射光線を補償光線と計測光線を含む光線とに分割する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して補償光線を第一ミラー61へ導くが、透過を介して計測光線を部分反射ミラー72へ導く。第一ミラー61は、補償光線を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して補償光線を第一光検出器51にリダイレクトする。第一光検出器51は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線を検出する。部分反射ミラー72は、計測光線の反射部分を第一ビームスプリッター41に反射するが、計測光線の透過部分を分析物99に透過する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して部分反射ミラー72によって反射された計測光線の反射部分及び分析物99によって反射された計測光線の透過部分を含む計測光線をリダイレクトする。第二光検出器52は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線を検出する。
2つの異なる光学的な特性を計測するために、光学計測デバイスは、2つの光検出器を備える。各光検出器は、ノイズを補償する光検出器を有する。
図8Aに示したように、光学計測デバイスは、光源30、第一ビームスプリッター41、第一光検出器51、第二光検出器52、第三光検出器53、第四光検出器54、第一ミラー61、第二ミラー62、及び第三ミラー63を備える。光源30は、第一ビームスプリッター41へ放射光線を生成する。第一ビームスプリッター41は、放射光線を補償光線と計測光線とに分割する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して補償光線を第一ミラー61へ導くが、透過を介して計測光線を分析物99へ導く。第一ミラー61は、補償光線を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して補償光線を第二ミラー62にリダイレクトする。第二ミラー62は、第一ビームスプリッター41からの補償光線を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、補償光線を第一部分及び第二部分に分割する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して補償光線の第一部分を第一光検出器51にリダイレクトするが、反射を介して補償光線の第二部分を第三光検出器53にリダイレクトする。第一光検出器51は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線の第一部分を検出する。第三光検出器53は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線の第二部分を検出する。第一ビームスプリッター41は、分析物99から反射された計測光線をリダイレクトする。第三ミラー63は、第一ビームスプリッター41からの計測光線を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、計測光線を第一部分と第二部分とに分割する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して計測光線の第一部分を第二光検出器52にリダイレクトするが、反射を介して計測光線の第二部分を第四光検出器54にリダイレクトする。第一光検出器51は、第一ビームスプリッター41によって反射された補償光線の第一部分を検出する。第二光検出器52は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線の第一部分を検出する。第四光検出器54は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線の第二部分を検出する。
図8Bに示したように、光学計測デバイスは、光源30、第一ビームスプリッター41、第一光検出器51、第二光検出器52、第三光検出器53、第四光検出器54、第一ミラー61、第二ミラー62、第三ミラー63、及び部分反射ミラー71を備える。校正終了後、反射ミラー71は除去される。光源30は、第一ビームスプリッター41へ放射光線を生成する。第一ビームスプリッター41は、放射光線を補償光線と計測光線とに分割する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して補償光線を第一ミラー61へ導くが、透過を介して計測光線を分析物99へ導く。第一ミラー61は、補償光線を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して補償光線を第二ミラー62にリダイレクトする。第二ミラー62は、第一ビームスプリッター41からの補償光線を第一ビームスプリッター41まで反射させる。第一ビームスプリッター41は、補償光線を第一部分と第二部分とに分割する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して補償光線の第一部分を第一光検出器51にリダイレクトするが、反射を介して補償光線の第二部分を第三光検出器53にリダイレクトする。第一光検出器51は、第一ビームスプリッター41によって反射された補償光線の第一部分を検出する。第三光検出器53は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線の第二部分を検出する。第一ビームスプリッター41は、分析物99から反射された計測光線をリダイレクトする。第三ミラー63は、第一ビームスプリッター41からの計測光線を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、計測光線を第一部分及び第二部分に分割する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して計測光線の第一部分を第二光検出器52にリダイレクトするが、反射を介して計測光線の第二部分を第四光検出器54にリダイレクトする。第一光検出器51は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線の第一部分を検出する。第二光検出器52は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線の第一部分を検出する。第四光検出器54は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線の第二部分を検出する。
図9Aに示したように、光学計測デバイスは、光源30、第一ビームスプリッター41、第一光検出器51、第二光検出器52、第三光検出器53、第四光検出器54、第一ミラー61、第二ミラー62、第三ミラー63、及び部分反射ミラー72を備える。光源30は、第一ビームスプリッター41へ放射光線を生成する。第一ビームスプリッター41は、放射光線を補償光線と計測光線とに分割する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して補償光線を第一ミラー61へ導くが、透過を介して計測光線を部分反射ミラー72へ導く。第一ミラー61は、補償光線を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して補償光線を第二ミラー62にリダイレクトする。第二ミラー62は、第一ビームスプリッター41からの補償光線を第一ビームスプリッター41まで反射させる。第一ビームスプリッター41は、補償光線を第一部分と第二部分とに分割する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して補償光線の第一部分を第一光検出器51にリダイレクトするが、反射を介して補償光線の第二部分を第三光検出器53にリダイレクトする。第一光検出器51は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線の第一部分を検出する。第三光検出器53は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線の第二部分を検出する。部分反射ミラー72は、計測光線の反射部分を第一ビームスプリッター41に反射するが、計測光線の透過部分を部分反射ミラー72の外面に透過する。第一ビームスプリッター41は、部分反射ミラー72によって反射された計測光線の反射部分をリダイレクトする。第三ミラー63は、第一ビームスプリッター41からの計測光線の反射部分を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、計測光線を第一部分と第二部分とに分割する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して計測光線の第一部分を第二光検出器52にリダイレクトするが、反射を介して計測光線の第二部分を第四光検出器54にリダイレクトする。第一光検出器51は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線の第一部分を検出する。第三光検出器53は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線の第二部分を検出する。第二光検出器52は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線の第一部分を検出する。第四光検出器54は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線の第二部分を検出する。
図9Bに示したように、光学計測デバイスは、光源30、第一ビームスプリッター41、第一光検出器51、第二光検出器52、第三光検出器53、第四光検出器54、第一ミラー61、第二ミラー62、第三ミラー63、及び部分反射ミラー72を備える。光源30は、第一ビームスプリッター41へ放射光線を生成する。第一ビームスプリッター41は、放射光線を補償光線と計測光線とに分割する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して補償光線を第一ミラー61へ導くが、透過を介して計測光線を部分反射ミラー72へ導く。第一ミラー61は、補償光線を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して補償光線を第二ミラー62にリダイレクトする。第二ミラー62は、第一ビームスプリッター41からの補償光線を第一ビームスプリッター41まで反射させる。第一ビームスプリッター41は、補償光線を第一部分と第二部分とに分割する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して補償光線の第一部分を第一光検出器51にリダイレクトするが、反射を介して補償光線の第二部分を第三光検出器53にリダイレクトする。第一光検出器51は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線の第一部分を検出する。第三光検出器53は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線の第二部分を検出する。部分反射ミラー72は、計測光線の反射部分を第一ビームスプリッター41に反射するが、計測光線の透過部分を分析物99に透過する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して部分反射ミラー72によって反射された計測光線の反射部分及び分析物99によって反射された計測光線の透過部分を含む計測光線をリダイレクトする。第三ミラー63は、第一ビームスプリッター41からの計測光線を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、計測光線を第一部分と第二部分とに分割する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して計測光線の第一部分を第二光検出器52にリダイレクトするが、反射を介して計測光線の第二部分を第四光検出器54にリダイレクトする。第一光検出器51は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた補償光線の第一部分を検出する。第二光検出器52は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線の第一部分を検出する。第四光検出器54は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線の第二部分を検出する。
光学計測デバイスに、以上の実施形態に記載の複数の部品を任意の位置に設置してもよい。代替的な位置に基づき、以上の実施形態と同様な結果をもたらすならば、光学計測デバイスの光線は対応する代替的な光路を有することができる。図10に示す実施形態において、光学計測デバイスは、光源30、第一ビームスプリッター41、第一光検出器51、第二光検出器52、第一ミラー61及び参照ミラー71を備える。光源30は、第一ビームスプリッター41へ放射光線を生成する。第一ビームスプリッター41は、放射光線を補償光線と計測光線とに分割する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して補償光線を第一ミラー61へ導くが、反射を介して計測光線を参照ミラー71へ導く。第一ミラー61は、補償光線を第一ビームスプリッター41に反射する。第一ビームスプリッター41は、反射を介して補償光線を第一光検出器51にリダイレクトする。第一光検出器51は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクされた補償光線を検出する。第一ビームスプリッター41は、透過を介して参照ミラー71によって反射された計測光線をリダイレクトする。第二光検出器52は、第一ビームスプリッター41によってリダイレクトされた計測光線を検出する。
第一光検出器51によって検出された補償光線の光パワーP1は、P1=P0*R1*M1*T1で表わされる。参照ミラー71によって行われる校正において、第二光検出器52によって検出される計測光線の光パワーPrは、Pr=P0*T1*Rr*R1で表わされる。標準化された計測光パワーPcは、Pc=Pr/P1=Rr/M1である。計測の過程において、反射ミラー71が除去される。同様に、第二光検出器52によって検出された計測光線の光パワーPmは、Pm=P0*R1*F*T1で表わされる。従って、計測光線における標準化された光パワーPnは、Pn=Pm/P1=F/M1である。つまり、複数の部品の構造を改良できるので、本発明の光学デバイスはノイズを補償することができる。
本発明に係る光学計測デバイスは、異なる入射角度を有する。透過率−波長特性曲線は入射角度によって変化しているが、様々な状況下での変化において耐えることができる。αで表示される入射角度は、光線(例えば、補償光線又は計測光線)と光線が入射する際におけるビームスプリッターの垂直線との間の角度である。以上に記載の実施形態において、入射角度は45度であるが、入射角度は、0度から90度(0度及び90度は含まない)の間で変化できる。更に、他の実施形態において入射角度は同じではない。図11に示す実施形態において、入射角度α1と入射角度α3とは同じであるが、入射角度α1での透過率が入射角度α2での透過率と同じであれば、入射角度α1と入射角度α2とは異なってもよい。具体的には、計測光線の標準化された強度は、Pc=Pr/P1=P0*Tα1*Rr*Rα3/P0*Rα1*M1*Tα2であり、この公式において、Tα1は入射角度α1での透過率であり、Rα1はα1での反射率であり、Tα2は入射角度α2での透過率である。α1=α3である場合、Pc=Rr*Tα1/M1*Tα2であることは明らかであり、Tα1とTα2とがほぼ同じである場合又はTα1とTα2とがある放射光線の波長範囲において比例する場合、ノイズは補償される。同様に、以上に記載の実施形態において、多種の入射角度に調整してもよい。
図12に示すのは、光学計測方法である。光学計測方法は、放射光線を生成するステップ1201と、放射光線を補償光線と計測光線とに分割するステップ1202と、計測光線をリダイレクトするステップ1213と、補償光線をリダイレクトするステップ1223と、計測光線を検出するステップ1214と、補償光線を検出するステップ1224と、標準化された光パワーを計算するステップ1205と、を備える。ステップ1201は、光源を介して実現される。ステップ1202は、ビームスプリッターを介して実現される。当該ビームスプリッターは、第一ビームスプリッターであってもよい。ステップ1213及びステップ1223もビームスプリッターを介して実現される。ステップ1214は、第一光検出器を介して実現される、ステップ1224は、第二光検出器を介して実現される。ステップ1205は、マイクロプロセッサを介して実現される。
30 光源
41 第一ビームスプリッター
42 第二ビームスプリッター
51 第一光検出器
52 第二光検出器
53 第三光検出器
54 第四光検出器
61 第一ミラー
62 第二ミラー
63 第三ミラー
71 参照ミラー
72 部分反射ミラー
99 分析物

Claims (16)

  1. 放射光線を生成する光源と、
    前記放射光線を補償光線と計測光線とに分割し、前記計測光線をターゲットに導く第一ビームスプリッターと、
    前記補償光線を前記第一ビームスプリッターからリダイレクトする第二ビームスプリッターと、
    前記第一ビームスプリッター及び前記第二ビームスプリッターの一部の波長に関する特性が同じであり、前記第二ビームスプリッターからリダイレクトされた前記補償光線を検出する第一光検出器と、
    前記ターゲットから反射された前記計測光線及び前記第一ビームスプリッターによってリダイレクトされた前記計測光線を検出する第二光検出器と、
    を備える光学計測デバイス。
  2. 前記第一ビームスプリッターが透過を介して前記計測光線を前記ターゲットに導き、
    前記第二ビームスプリッターが透過を介して前記第一ビームスプリッターから反射された前記補償光線をリダイレクトすることを特徴とする請求項1に記載の光学計測デバイス。
  3. 前記第一ビームスプリッターが反射を介して前記計測光線を前記ターゲットに導き、
    前記第二ビームスプリッターが反射を介して前記第一ビームスプリッターから透過された前記補償光線をリダイレクトすることを特徴とする請求項1に記載の光学計測デバイス。
  4. 前記ターゲットは、前記計測光線を前記第一ビームスプリッターに反射する反射ミラーであることを特徴とする請求項1に記載の光学計測デバイス。
  5. 前記光学計測デバイスは、更に部分反射ミラーを備え、前記部分反射ミラーは、前記計測光線の透過部分をターゲットに透過し且つ前記計測光線の反射部分を前記第一ビームスプリッターに反射することを特徴とする請求項1に記載の光学計測デバイス。
  6. 前記光源はコヒーレント光であることを特徴とする請求項1に記載の光学計測デバイス。
  7. 放射光線を生成する光源と、
    前記放射光線を補償光線と計測光線とに分割し、前記計測光線をターゲットに導く第一ビームスプリッターと、
    前記第一ビームスプリッターから前記第一ビームスプリッターに前記補償光線を反射する第一ミラーと、
    前記第一ビームスプリッターによってリダイレクトされた前記補償光線を検出する第一光検出器と、
    前記第一ビームスプリッターによってリダイレクトされた前記計測光線を検出する第二光検出器と、
    を備える光学計測デバイス。
  8. 前記光学計測デバイスは、第二ミラー、第三ミラー、第三光検出器及び第四光検出器を備え、
    前記第二ミラーは、前記第一ミラーから前記第一ビームスプリッターを介して前記第一ビームスプリッターに前記補償光線を反射し、
    前記第三ミラーは、前記第一ビームスプリッターから前記第一ビームスプリッターに前記計測光線を反射し、
    前記第一光検出器は、補償光線の第一部分を検出し、
    前記第二光検出器は、前記計測光線の第一部分を検出し、
    前記第三光検出器は、前記補償光線の第二部分を検出し、
    前記第四光検出器は、前記計測光線の第二部分を検出することを特徴とする請求項7に記載の光学計測デバイス。
  9. 前記ターゲットは、前記計測光線を前記第一ビームスプリッターに反射する反射ミラーであることを特徴とする請求項7に記載の光学計測デバイス。
  10. 前記光学計測デバイスは、更に部分反射ミラーを備え、前記部分反射ミラーは、前記計測光線の透過部分をターゲットに透過し且つ前記計測光線の反射部分を前記第一ビームスプリッターに反射することを特徴とする請求項7に記載の光学計測デバイス。
  11. 前記光源はコヒーレント光であることを特徴とする請求項7に記載の光学計測デバイス。
  12. 光源によって放射光線を生成するステップと、
    ビームスプリッターによって前記放射光線を補償光線と計測光線とに分割するステップと、
    前記ビームスプリッターによって前記補償光線をリダイレクトするステップと、
    前記ビームスプリッターによって前記計測光線をリダイレクトするステップと、
    第一光検出器によって前記補償光線を検出するステップと、
    第二光検出器によって前記計測光線を検出するステップと、を備える光学計測方法。
  13. 前記光学計測方法は、前記計測光線をリダイレクトするステップの前に反射ミラーによって前記計測光線を反射するステップを備えることを特徴とする請求項12に記載の光学計測方法。
  14. 前記計測光線をリダイレクトするステップの前に部分反射ミラーによって前記計測光線の透過部分を透過し且つ前記計測光線の反射部分を反射するステップを更に備えることを特徴とする請求項12に記載の光学計測方法。
  15. 前記ビームスプリッターは、第一ビームスプリッター及び第二ビームスプリッターを備え、
    前記放射光線を分割するステップは、前記第一ビームスプリッターを介して実現され、
    前記補償光線をリダイレクトするステップは、前記第二ビームスプリッターを介して実現され、
    前記計測光線をリダイレクトするステップは、前記第一ビームスプリッターを介して実現されることを特徴とする請求項12に記載の光学計測方法。
  16. 前記光学計測方法は、
    前記補償光線を第一部分及び第二部分にリダイレクトするステップと、
    前記第一光検出器によって前記補償光線の前記第一部分を検出し且つ第三光検出器によって前記補償光線の前記第二部分を検出するステップと、
    前記ビームスプリッターによって前記計測光線を第一部分及び第二部分にリダイレクトするステップと、
    前記第二光検出器によって前記計測光線の前記第一部分を検出し且つ第四光検出器によって前記計測光線の前記第二部分を検出するステップと、を更に備えることを特徴とする請求項12に記載の光学計測方法。
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