JP3760234B2

JP3760234B2 - 双楕円柱面鏡を用いた対称ｘ型光学系

Info

Publication number: JP3760234B2
Application number: JP2003051084A
Authority: JP
Inventors: 悦男川手
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: US20040169863A1; US7102753B2; JP2004257956A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料へ光を任意入射角度で入射させ、その時の試料からの正反射光、透過光、散乱光や発光などの出射光強度を任意の角度で測定が可能な光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光テクノロジーは、ＩＴ産業においては高速大容量光通信や画像処理等、医療産業においてはレーザメスやガン治療等、製造加工業においてはレーザを用いたナノテクノロジーや同位体分離、表示器照明器等、学術分野では精密光計測や情報処理技術開発等において活用され、現代生活において非常に重要な技術である。
【０００３】
この光テクノロジーを支える基盤技術は、物質の光学定数（屈折率と消衰係数）、あるいは同じことであるが複素誘電率の決定である。この２つの未知数（屈折率と消衰係数）を決定するためには、２つの独立な測定が必要である。
【０００４】
そのひとつの方法は、誘電体のような透明試料の場合にはある特定の１つの角度で絶対反射率と絶対透過率の２つを測り、これらの連立方程式を解いて光学定数を決定する方法である（例えば、非特許文献１参照。）。金属のような不透明試料では、２つの異なった入射角度に対して絶対反射率を測定して、これらの連立方程式を解いて光学定数を決定する方法である。これらは、直感的で有用な方法である（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００５】
従来から用いられている可視・紫外領域用の分散型分光光度計や、赤外領域用のフーリエ変換型分光光度計では、試料の反射率と透過率測定とで異なった光学系を用いている。このために、２つの量（反射率と透過率）を測定するためには、少なくとも測定途中で光学系の一部を『差し替え』なければならず、煩雑である。さらにこの『差し替え』は、測定結果の大きな誤差要因でもある。
【０００６】
更に具体的に説明すると、絶対透過率は、入射光軸上の試料の有・無による光強度の比として求められる。この時、入射光の光軸上に試料と検出器を一列に並べればよいので、測定は容易である。一方、絶対反射率の測定も、試料の有・無による光強度の比として求められるが、この場合、試料無しの時は、光は入射光の方向に進むが、試料有りの時は、反射のために、反射光の進行方向は元の入射光の方向とは異なる方向になる。この結果反射率測定は困難である。
【０００７】
この絶対反射率測定のためには、検出器を移動させる方法（ゴニオメトリック法）と、検出器は固定のままで追加の鏡を移動させる方法（Ｖ−Ｎ法やＶ−Ｗ法）が開発されている（ゴニオメトリック法に関しては例えば、特許文献１参照、Ｖ−Ｎ法に関しては例えば特許文献２参照、Ｖ−Ｗ法に関しては例えば特許文献３参照、これらすべてを扱っている論文として、例えば、非特許文献３参照。）。
【０００８】
図７Ａ及び７Ｂは、従来のゴニオメトリック法による絶対反射率の測定方法を説明するためのものである。このゴニオメトリック法においては、分光光度計等の光源ＬＳから出射した光を試料支持台ＳＨの所に集光し、透過または反射した光が検出器Ｄにおいて検出される。試料支持台ＳＨには、透孔Ｂと試料Ｔがあり、スライドしてどちらかを選べるようになっている。
【０００９】
測定に際しては、まず、図７Ａに示すように、試料支持台ＳＨにおいて透孔Ｂを選び、バックグラウンド信号を検出器Ｄで測定する。この時の入射角度をθとする。次に、試料支持台SHをスライドして試料Ｔを選び、試料を中心に検出器Ｄを（１８０°−２θ）回転して、試料からの反射のサンプル信号を測定する（図７Ｂ参照）。そして、上記バックグラウンド信号との比を取ることで、入射角度θに対する絶対反射率が求まる。
【００１０】
このゴニオメトリック法では、絶対透過率も測定できる。この場合は、図７Ａに示すように、試料支持台SHにおいて透孔Ｂを選び、上記と同様にバックグラウンド信号を検出器Ｄで測定する。次に、試料支持台ＳＨをスライドして試料Ｔを選ぶと、検出器Ｄはほぼ同じ場所で試料Ｔを透過したサンプル信号を測定できる。そして、これら２つの比として入射角度θに対する絶対透過率が求まる。
【００１１】
【特許文献１】
特開昭６４−３５３０６号公報
【特許文献２】
特開昭６２−１３２１５２号公報
【特許文献３】
特開昭５５−９９０４５号公報
【非特許文献１】
ブリティッシュジャーナルアプライドフィジックス、18巻（1967）277〜284ページ（BRIT. J. APPL. PHYS., vol.18 (1967) 277〜284）
【非特許文献２】
アプライドオプティクス、11巻(1972) 643〜651ページ（APPL. OPTICS vol.11 (1972) 643〜651）
【非特許文献３】
プロシーディングオブＳＰＩＥ、3425巻(1998)、16〜27ページ（Proceedings of SPIE, vol.3425(1998), 16〜27）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来の絶対反射率測定では、検出器か鏡の移動が必要であった。そして、この検出器か鏡の移動の再現性が、測定誤差に大きな影響を与えている。このように、従来の絶対反射率測定では、一般に測定精度が悪く、市販の分光光度計を用いる絶対反射率測定では、精度は数％程度である。
【００１３】
さらに、ゴニオメトリック法では任意の入射角度における絶対反射率測定が可能であるが、他のＶ−Ｗ法やＶ−Ｎ法では入射角度を変えることは一般に不可能である。
【００１４】
試料からの光散乱の測定では、従来から２つの方法が可能である。一つはゴニオメトリック法で試料からの正反射以外の角度に検出器を移動させて測定する。他の方法は、積分球を用いる方法で試料を積分球の中にセットして正反射光を積分球の外に逃して測定する。この積分球を用いる方法では、平均の光散乱が求まるだけである。試料による光散乱の角度依存性は、原理的には上記のゴニオメトリック法で求まるが、非常に困難な測定である。
【００１５】
さらに、基板上の薄膜試料では、反射や透過スペクトルに一般に基板内での多重反射のためのフリンジが現れる。このフリンジは薄膜の光学的性質を高精度に測定しようとする時に、精度を悪くする原因になる。このフリンジが現れないスペクトル測定のためには、基板内での多重反射を起こさせないことであるが、これは試料に対してＰ偏光の光を基板のブリュスター角度で入射させることでも可能となる。このブリュスター角度は、波長の関数であるために、波長を変えるたびに角度を変えなければならない。この測定はゴニオメトリック法で原理的に可能であるが、毎回ゴニオメータを再現性良く動かすことは、現実的に不可能である。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような従来の問題を解決することを目的とし、具体的には、試料の反射率と透過率測定で異なった光学系を用いることなく、また、反射率と透過率を測定するために、途中で光学系の一部を『差し替え』る必要がなく、それにより測定結果の大きな誤差要因を排除した任意入射角度での反射率と透過率の同時測定を可能にした光学系の提供を目的とするものである。
【００１７】
本発明の他の目的は、近赤外の波長より短い波長域で広範に利用されている分散型分光光度計や、近赤外の波長より長い波長域でよく利用されているフーリエ変換型分光光度計中に、容易に装着可能な任意入射角度での反射率と透過率の同時測定をおこなえる光学系を提供することにある。
【００１８】
本発明の他の目的は、上記分散型分光光度計やフーリエ変換型分光光度計ばかりでなく、Ｘ線光源、シンクロトロン放射光源、レーザ光源やマイクロ波光源のような外部光源と適当な検出器からなる系においても、より簡便に、より精度良く、物質の反射率と透過率を同時に測定できるようにした光学系を提供することにある。
【００１９】
本発明の他の目的は、試料に対して表面と裏面からそれぞれ光を入射することにより、表面入射と裏面入射に対する反射率及び透過率のいずれもが測定可能である光学系を提供することにある。
【００２０】
本発明の他の目的は、任意の入射角度に対して反射率と透過率を測定でき、それによって基板上の薄膜のような複合試料において、基板内部での多重反射の影響を受けないスペクトルを測定できるようにした光学系を提供することにある。
【００２１】
本発明の更に他の目的は、試料による光散乱や発光も測定できる光学系を提供することにある。
【００２２】
上記目的を達成するための本発明に係る光学系は、基本的には、試料支持台上において互いに交差する第１及び第２の光路が設定され、上記第１及び第２の光路は、光源からの光の方向を第１または第２の集光反射手段側に選択的に切換える入射側ビーム切換鏡から、該第１または第２の集光反射手段を経て、上記交点で集光するように投射されることにより形成されるものであり、上記第１または第２の光路を経て試料支持台上の試料に光が入射し、その試料からの出射光を単一の出射側ビーム切換鏡に向けて投射する第１及び第２の受光反射手段が配設され、上記出射側ビーム切換鏡は、受光反射手段を介して投射された光の方向を単一の検出器に向けて投射するようにその向きを切換え可能に構成され、これによって、試料の表面入射と裏面入射に対する出射光強度を測定可能にした、ことを特徴とするものである。
【００２３】
上記光学系は、集光反射手段及び受光反射手段が第１及び第２の楕円柱面鏡によって構成され、両楕円柱面鏡は、中心軸が互いに平行でそれぞれの一つの焦点（軸）が一致するようにして、相互の開口部において結合され、上記楕円柱面鏡の共通の焦点（軸）位置に試料支持台が、残りの２つの焦点（軸）位置にそれぞれ入射側ビーム切換鏡及び出射側ビーム切換鏡が配置され、上記第１の楕円柱面鏡の入射側には入射用透孔が、上記第２の楕円柱面鏡の出射側には出射用透孔がそれぞれ設けられている、ことを特徴とするものである。
【００２４】
試料支持台は、試料または参照試料を上記両光路の交点への出没によりそれらを選択的に位置決め可能に構成され、２つのビーム切換鏡を互いに相関を持って回転可能とし、任意の入射角度での反射率と透過率を測定可能にした、ことを特徴とするものである。
【００２５】
参照試料の代わりに試料と同じ大きさの透孔とすることで、任意の入射角度での絶対反射率と絶対透過率を測定可能にした、ことを特徴とするものである。
【００２６】
入射側のビーム切換鏡を固定し、出射側のビーム切換鏡を独立に回転させることで、試料による光散乱や発光を任意の角度で測定可能にした、ことを特徴とするものである。
【００２７】
基板上の薄膜試料のような複合試料では、試料への入射光をＰ偏光とし、入射側ビーム切換鏡の設定角度を試料への入射角度が基板に対するブリュスター角度になるように設定し、出射側ビーム切換鏡の設定角度を適当に選ぶことで、基板内の多重反射の影響を受けない薄膜の光学測定を可能にした、ことを特徴とするものである。
【００２８】
分散型分光光度計またはフーリエ変換型分光光度計に組み込み可能にした、ことを特徴とするものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる双楕円柱面鏡の実施の形態を図１〜図５の実施例を参照して説明する。
【００３０】
この実施例では、集光反射手段及び受光反射手段として、図１に示す第１及び第２の楕円柱面鏡Ｅ１、Ｅ２からなる双楕円柱面鏡Ｅを用いている。そのため、この実施例の光学系は、上記２個の楕円柱面鏡Ｅ１、Ｅ２から成る双楕柱面鏡Ｅと、２個のビーム切換鏡ＲＭ１、ＲＭ２及び試料支持台ＳＨとを備えている。
【００３１】
上記双楕円柱面鏡Ｅは、二つの楕円柱面鏡Ｅ１、Ｅ２の中心軸が互いに平行になるように、互いに隣接して配置し、この二つの楕円柱面鏡Ｅ１、Ｅ２で、各々の２つの焦点（軸）を結ぶ直線に垂直で互いに近接した焦点（軸）を含む面において切断して、夫々の切断面が一致するように、したがって、両楕円柱面鏡Ｅ１、Ｅ２のそれぞれの一つの焦点（軸）が共通焦点（軸）ｆ０として一致するようにし、相互の開口部において一体に結合している。また、上記第１の楕円柱面鏡Ｅ１の入射側には入射用透孔Ｐ１が、上記第２の楕円柱面鏡Ｅ２の出射側には出射用透孔Ｐ２がそれぞれ設けられている。
【００３２】
図１の双楕円柱面鏡Ｅを製造する場合には、先ず、適当な長さの内部を鏡面に仕上げた２個の楕円柱面鏡Ｅ１、Ｅ２を準備し、これらの楕円柱面鏡の２つの焦点（軸）を結ぶ直線に垂直で一つの焦点を通る面に沿って切り落とす。この切り落す面に含まれる夫々の焦点（軸）を一致させて共通焦点（軸）ｆ０とし、この共通焦点（軸）ｆ０と残りの２つの焦点（軸）ｆ１、ｆ２が一つの直線上に並ぶようにして、２つの楕円柱面鏡Ｅ１、Ｅ２を配置して接続する。この時楕円柱の長さの半分のところで上記3つの焦点（軸）を通る直線を光軸と呼ぶことにする。
この光軸と楕円柱面鏡Ｅ１、Ｅ２の両側における交点で、光軸に沿って入射用透孔Ｐ１及び出射用透孔Ｐ２の２つの透孔が形成される。
【００３３】
上記光軸上に、入射用透孔Ｐ１に入射する外部の光源ＬＳが配置され、上記光軸上に出射用透孔Ｐ２から出射された光を検出する検出器Ｄが配置される。また、共通焦点ｆ０には試料支持台ＳＨを配置され、楕円柱面鏡の残りの２つの焦点ｆ１、ｆ２に夫々入射側ビーム切換鏡ＲＭ１及び出射側ビーム切換鏡ＲＭ２が配置される。これらのビーム切換鏡は、その向きを制御できるものである。これにより、試料に対する任意の入射角度θで光を入射させ、試料からの任意角度の出射光を検出器で検出できる光学配置を得ることができる。
【００３４】
試料支持台ＳＨは、スライド部材ＳＬに同じ大きさの孔が形成されていて、試料Ｔや参照試料Ｂ等を取り付けることができる。これにより試料と参照試料の切替が可能である。このスライド部材の切換え時に、図示しない連動機構により、ビーム切換鏡ＲＭ１、ＲＭ２も連動して動作するように構成することができる。この結果、検出器Ｄや鏡の移動の必要がなくなり、従来必要であった『差し替え』も不要となり、反射率と透過率のデータの再現性も向上し、測定誤差を小さくできる。
【００３５】
【作用】
上記の実施例の作用について説明する。概略的には、図１において、外部光源や分光光度計の光源ＬＳから出た光は、双楕円柱面鏡Ｅの光軸に沿って進み、入射用透孔Ｐ１を通過してこの双楕円柱面鏡Ｅ内へ進み、最初にビーム切換鏡ＲＭ１に導かれ、このビーム切換鏡ＲＭ１で反射した光は、楕円柱面鏡Ｅ１に達して反射された後、共通焦点（軸）ｆ０の試料Ｔ上に集光される。試料支持台ＳＨの試料面は双楕円柱面鏡Ｅの共通焦点（軸）に平行にセットされ、この試料からの出射光（反射光や透過光など）は、楕円柱面鏡E2に達して反射された後に、再度ビーム切換鏡ＲＭ２上に集光される。ビーム切換鏡ＲＭ２によって反射された光は、元の光軸上を進み検出器Ｄに達する。
【００３６】
この光学系では、試料に対して任意の入射角度で入射光を照射でき、試料からの出射光（反射光や透過光など）を任意の角度で測定可能である。ここでは特に任意入射角度での絶対反射率と絶対透過率の測定を例にとってそれらについて図２〜図５を用いて説明する
【００３７】
まず、楕円柱面鏡Ｅ１の手前の面と楕円柱面鏡Ｅ２の組み合わせで求まる表面からの反射率をｒとし、次に楕円柱面鏡Ｅ１の奥の面と楕円柱面鏡Ｅ２の組み合わせで求まる裏面からの反射率をｒ’とする。
【００３８】
また、ビーム切換鏡RM1が光源ＬＳの方向を向いて双楕円柱面鏡Ｅの光軸に垂直の時をゼロ度とする。一方、ビーム切換鏡RM2が検出器Ｄの方向を向いてこの光軸に垂直の時をゼロ度とする。
【００３９】
試料表面からの絶対反射率測定について説明するに、図２と図３において、光源ＬＳからの光は双楕円柱面鏡Ｅの光軸上を進む。ここでビーム切換鏡ＲＭ１を右回りに適当に回転させて、ビーム切換鏡ＲＭ１により反射された入射光が図２で楕円柱面鏡Ｅ１の手前側内表面（以下、これをフロント面という。）に投射されるときの角度をΨ度とする。この時、楕円柱面Ｅ１で反射された光は試料支持台ＳＨの表面から入射角度θ度で入射する。
【００４０】
バックグラウンド信号測定のために、試料支持台ＳＨは参照試料無しの透孔Ｂを選ぶと、図２に示すように、入射光は試料支持台ＳＨの透孔Ｂを通り抜けて図２で楕円柱面鏡E2の奥側内表面（以下、これをバック面という。）で反射してビーム切換鏡ＲＭ２に集光される。ここで、ビーム切換鏡ＲＭ２を右回りにΨ度回転することにより、ビーム切換鏡ＲＭ２によって反射された光は、元の光軸上を進む。このようにして光は検出器Ｄに集められる。この時の出力をＩ０とする。
【００４１】
次に、試料のサンプル信号を測定するために、試料支持台ＳＨにおいて試料Ｔを選ぶと、図３に示すように、入射光は試料により反射され、楕円柱面鏡Ｅ２のフロント面で反射されてビーム切換鏡ＲＭ２に集光される。ここで、ビーム切換鏡ＲＭ２を左回りにほぼΨ度回転することで、ビーム切換鏡ＲＭ２によって反射された光は、元の光軸上を進む。このようにして光は検出器Ｄに集められる。この時の出力をＩｒとする。表面からの反射率ｒは、ｒ＝Ｉｒ／Ｉ０として求まる。
【００４２】
試料裏面からの絶対反射率測定では、図４と図５において、光源ＬＳからの光を左回りに回転したビーム切換鏡ＲＭ１が受け、ビーム切換鏡ＲＭ１により反射された入射光が楕円柱面鏡Ｅ１のバック面に投射するときの角度をΨ度とする。この時、楕円柱面鏡Ｅ１で反射された光は試料支持台ＳＨの裏面から入射角度θ度で入射する。
【００４３】
バックグラウンド信号測定のために試料支持台ＳＨは透孔Ｂを選ぶと、図４に示すように、光は試料支持台ＳＨの透孔を通り抜けて楕円柱面鏡Ｅ２のフロント面で反射してビーム切換鏡ＲＭ２に集光される。ここで、ビーム切換鏡ＲＭ２を左回りにΨ度回転することでビーム切換鏡ＲＭ２によって反射された光は、元の光軸上を進む。このようにして光は検出器Ｄに集められる。この時の出力をＩ'０とする。
【００４４】
次に、試料のサンプル信号を測定するために、試料支持台ＳＨにおいて試料Ｔを選ぶと、図５に示すように入射光は試料Ｔにより反射して、楕円柱面鏡Ｅ２のバック面で反射し、ビーム切換鏡ＲＭ２に集光される。ここで、ビーム切換鏡ＲＭ２を右回りにほぼΨ度回転することでビーム切換鏡ＲＭ２によって反射された光は、元の光軸上を進む。このようにして光は検出器Ｄに集められる。この時の出力をＩ'ｒとする。裏面からの反射率ｒ’は、ｒ’＝Ｉ'r／Ｉ'０として求まる。両面が鏡面研磨されたバルク試料でも、一般に、表面からの反射率と裏面からの反射率は等しくない（ｒ≠ｒ’）。
【００４５】
次に、この光学系を用いて、透明試料の場合に表面からの絶対透過率と裏面からの絶対透過率を測定する場合について説明する。
【００４６】
まず、楕円柱面鏡E1のフロント面と楕円柱面鏡Ｅ２のバック面の組み合わせで、試料表面からの絶対透過率を測定するに際しては、図２において、光源ＬＳからの光をビーム切換鏡ＲＭ１で受けるが、ビーム切換鏡ＲＭ１を右回りに適当に回転させて、ビーム切換鏡ＲＭ１により反射された入射光を楕円柱面鏡Ｅ１のフロント面に投射させ、このときの角度をΨ度とする。楕円柱面Ｅ１で反射された光は、試料支持台ＳＨの表面から入射角度θ度で入射する。
【００４７】
バックグラウンド信号測定のために、試料支持台ＳＨにおいて透孔Ｂを選ぶと、図２に示すように、光は試料支持台ＳＨの透孔Ｂを通り抜けて楕円柱面鏡Ｅ２のバック面で反射し、ビーム切換鏡ＲＭ２に集光される。ここで、ビーム切換鏡ＲＭ２を右回りにΨ度回転することでビーム切換鏡ＲＭ２によって反射された光は、元の光軸上を進む。このようにして光は検出器Ｄに集められる。この時の出力をＩ０とする。
【００４８】
次に、試料のサンプル信号を測定するために、試料支持台ＳＨに試料Ｔを選ぶと、図２において、入射光のうち試料Ｔを透過した光が楕円柱面鏡Ｅ２のバック面で反射し、ビーム切換鏡ＲＭ２に集光される。ここで、ビーム切換鏡ＲＭ２を右回りにほぼΨ度回転することで、ビーム切換鏡ＲＭ２によって反射された光は、元の光軸上を進む。これにより光は検出器Ｄに集められる。この時の出力をＩｔとすると、表面からの絶対透過率ｔは、ｔ＝Ｉｔ／Ｉ０として求まる。
【００４９】
楕円柱面鏡Ｅ１の奥の面と楕円柱面鏡Ｅ２の手前の面の組み合わせで、試料裏面からの絶対透過率測定を行うに際しては、図４に示すように、光源ＬＳからの光を左回りに回転したビーム切換鏡ＲＭ１で受け、そのビーム切換鏡ＲＭ１により反射された入射光を楕円柱面鏡Ｅ１のバック面に投射させ、そのときのビーム切換鏡ＲＭ１の角度をΨ度とし、この時、楕円柱面鏡Ｅ１で反射された光を試料支持台ＳＨの裏面から入射角度θ度で入射させる。
【００５０】
バックグラウンド信号測定のために、試料支持台ＳＨで透孔Ｂを選ぶと、光は試料支持台ＳＨの透孔Ｂを通り抜けて楕円柱面鏡Ｅ２のフロント面で反射してビーム切換鏡ＲＭ２に集光される。ここで、ビーム切換鏡ＲＭ２を左回りにΨ度回転することで、ビーム切換鏡ＲＭ２によって反射された光は、元の光軸上を進む。このようにして光は検出器Ｄに集められる。この時の出力をＩ'０とする。
【００５１】
試料のサンプル信号を測定するために、試料支持台ＳＨで試料Ｔを選ぶと、図４において、入射光のうち試料を透過した光が楕円柱面鏡Ｅ２のフロント面で反射されてビーム切換鏡ＲＭ２に集光される。ここで、ビーム切換鏡ＲＭ２を左回りにほぼΨ度回転することで、ビーム切換鏡ＲＭ２によって反射された光は、元の光軸上を進む。このようにして光は検出器Ｄに集められる。この時の出力をＩ’ｔとすると、裏面からの絶対透過率ｔ’は、ｔ’＝Ｉ’ｔ／Ｉ’０として求まる。理想的な試料では、表面からの絶対透過率と裏面からの絶対透過率は等しい（ｔ＝ｔ’）。
【００５２】
この双楕円柱面鏡Ｅを用いた実施例の光学系は、ビーム切換鏡ＲＭ１への入射光が楕円柱面鏡Ｅ１に投射する範囲で角度Ψを変えることができ、これにより試料への入射角度θも可変になり、約１度から約８９度まで任意に連続的に入射角度を変えることができる。同様に試料からの出射光が楕円柱面鏡Ｅ２を照射する範囲で切換鏡ＲＭ２の角度Ψを変えることができ、これにより試料からの出射光測定角度θも可変になり、約１度から約８９度まで任意に連続的に測定角度を変えることができる。
【００５３】
この双楕円柱面鏡Ｅを用いた実施例の光学系を用いることで、誘電体のような透明物質では、ある入射角度に対して絶対反射率と絶対透過率の両方を測定し、屈折率と消衰係数（光学定数）の２つの未知数を含むこれらの連立方程式を解いて光学定数を精度良く決定することができる。
【００５４】
また、この双楕円柱面鏡Ｅを用いた実施例の光学系を用いることで、任意の入射角度に対して絶対反射率を測定できるので、金属のような不透明試料では、２つの異なった入射角度に対して絶対反射率を測定して、屈折率と消衰係数（光学定数）を未知数とする連立方程式を解いて光学定数を精度良く決定することができる。
【００５５】
また、この双楕円柱面鏡Ｅを用いた実施例の光学系を用いることで、ビーム切換鏡ＲＭ１は固定で、ビーム切換鏡ＲＭ２の上記角度Ψを変えて測定することで、試料による光散乱や発光を測定することができる。
【００５６】
更に、この双楕円柱面鏡Ｅを用いた実施例の光学系を用いることで、試料への入射角度を連続的に変えられるので、基板上の薄膜のような複合試料では、基板内部での多重反射の影響を受けないスペクトルを測定できる。この結果薄膜の光学定数を精度良く決定できる。
【００５７】
さらに、この双楕円柱面鏡Ｅを用いた基板上の薄膜試料の別の測定法として、試料支持台ＳＨの試料Ｔとして基板上の薄膜試料を選び、入射角度を変えながらＳ偏光とＰ偏光を入射させ、そのときの反射光の偏光状態を測定し、更に参照試料Ｂとして例えば基板を選び、同じく入射角度を変えながらＳ偏光とＰ偏光を入射させ、そのときの反射光の偏光状態を測定し、これらの偏光状態の差から薄膜の光学定数に関する情報を得ることができる。
【００５８】
更に、試料より屈折率の大きい透明な物質を試料に密着させて試料支持台ＳＨに保持させ、入射角度を変えながら光を入射させると、全反射する角度より大きい角度では試料の吸収に基づく減光が起る。次に、この物質を参照試料として試料支持台ＳＨに保持させて同じく入射角度を変えながら反射光を測定する。これら２つの反射率の差から、試料の深さ方向の光学的情報等を得ることができる。
【００５９】
入射角度が連続可変で任意方向の出射光を測定可能な双楕円柱面鏡からなる光学系は、図６に示すように市販の分光光度計の試料室の中に挿入して、上記段落００３５〜００５８中に記載の測定をすることが可能である。
【００６０】
以上、実施例により本発明を説明したが、本発明はこれらの実施例によって限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術事項の範囲内で自由に実施できることは言うまでもない。
【００６１】
【発明の効果】
本発明に係る双楕円柱面鏡を用いた光学系は以上のような構成であるから、今までに市販されている分光光度計等に適用可能であり、分光光度計等の測定精度を向上させ、その機能をさらに拡大することができる。その結果、この光学系は広く社会で使われ、社会・経済・学術の発展に役立つと期待できる。
【００６２】
本発明に係る双楕円柱面鏡を用いた光学系で、この光学系への入射光を平行光線とすると、反射率や透過率を高精度で測定できる。それは、試料への入射光が平行光線ならば入射角度は一定である。一方、試料への入射光が収光（フォーカス）された光の時には入射角度は一定ではなく、ある広がりをもつためである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学系の実施例の構成を、内部を透視した状態で示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例における表面入射のバックグラウンド測定の態様を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例における表面入射の試料反射データの測定の態様を示す説明図である。
【図４】本発明の実施例における裏面入射のバックグラウンド測定の態様を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例における裏面入射の試料反射データの測定の態様を示す説明図である。
【図６】本発明に係る光学系を分光光度計中に組み込む態様を示す斜視図である。
【図７】図７Ａ及び７Ｂは、従来のゴニオメトリック法による絶対反射率の測定方法を説明するための説明図である。
【符号の説明】
Ｅ双楕円柱面鏡
Ｅ１、Ｅ２楕円柱面鏡
ｆ０共通焦点（軸）
ｆ１、ｆ２焦点（軸）
Ｐ１入射用透孔
Ｐ２出射用透孔
ＲＭ１、ＲＭ２ビーム切換鏡
ＳＨ試料支持台
ＳＬ試料支持台のスライド部材
ＬＳ外部光源
Ｄ検出器
Ｔ試料
Ｂ参照試料
θ 試料に対する入射角度
Ψ ビーム切換鏡に対する入射角度
１本発明の光学系
２市販の分光光度計
２ａ光源部
２ｂ検出部
３ａ光源側からの入射光線
３ｂ検出器側への出射光線

Claims

内面を鏡面に仕上げられた２つの楕円柱面鏡であり、互いの一つの焦点軸が共通焦点軸として一致し、該共通焦点軸と残りの２つの焦点軸が同一平面上に並ぶように配置され、相互の開口部で一体に結合されて双楕円柱面鏡を構成する第１の楕円柱面鏡と第２の楕円柱面鏡と、
第１の楕円柱面鏡の入射側に設けられ、前記双楕円柱面鏡の内部に光を導入する入射用透孔と、
第２の楕円柱面鏡の出射側に設けられ、前記双楕円柱面鏡の内部から光を導出する出射用透孔と、
前記共通焦点軸上に置かれ、試料と参照試料のいずれかを選択的に配置できるように切替可能な試料支持台と、
前記残りの２つの焦点軸上にそれぞれ配置され、向きが制御される入射側ビーム切換鏡及び出射側ビーム切換鏡と、
を備えた双楕円柱面鏡を用いた対称Ｘ型光学系であって、
前記入射用透孔を通して前記双楕円柱面鏡の内部に入射する光として平行光線を導入し、前記入射側ビーム切換鏡の角度を選び、前記試料または参照試料に対して表面又は裏面からそれぞれ光を入射させることにより、表面入射又は裏面入射に対する反射率が測定可能であるとともに、透明な試料では表面入射又は裏面入射に対する透過率が測定可能であり、
外部光源と光検出器からなる系、分散型分光光度計又はフーリエ変換型分光光度計に、組み込めることを特徴とする双楕円柱面鏡を用いた対称Ｘ型光学系。
参照試料の代わりに試料と同じ大きさの透孔とすることで、任意の入射角度での絶対反射率と絶対透過率が測定可能であることを特徴とする請求項１に記載の双楕円柱面鏡を用いた対称Ｘ型光学系。
出射側のビーム切換鏡を独立に回転可能とし、入射光による試料の光散乱及び発光を測定可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の対称Ｘ型光学系。