JP4545559B2 - 角度可変測定装置 - Google Patents
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Description
従来の角度可変測定装置は、ダブルビームの光学系において、試料光及び参照光を出射する光源と、回転自在に設けられた積分球と、積分球に入射した光を検出する検出器と、一端が光源に他端が積分球に接続され、光源よりの参照光を積分球に入射させる光ファイバとを備える(例えば、特許文献1参照)。
従来の角度可変測定装置では、積分球の回転に伴い積分球の試料光側入射穴の位置と参照光側入射穴の位置とが共に動くが、積分球の回転に合せて光ファイバの形状が自在に変化するので、一の積分球で参照光及び試料光を検出することができる。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、入射角を変えて行う反射率測定の高精度化を図ることのできる角度可変測定装置を提供することにある。
すなわち、従来の角度可変測定装置は、入射角の変更による積分球の回転に伴い、積分球の試料光側入射穴と参照光側入射穴とが動いていた。従来は、このような積分球の回転に対する追従性を図るため参照光側光学系に光ファイバを用いているが、積分球の回転に伴い光ファイバが曲がり、光ファイバの曲がり具合によって参照光の強度が異なることがわかった。
すなわち、前記目的を達成するために本発明にかかる角度可変測定装置は、光源と、試料ステージと、積分球と、参照光側検出器と、試料光側検出器と、ミラー系よりなる参照光側光学系と、ミラー系よりなる試料光側光学系と、を備える。前記試料光側光学系及び前記参照光側光学系を全てミラー系とする。また前記試料光の試料反射面への入射角を角度θだけ変える時は、前記試料反射面が角度θだけ回転するように前記試料ステージを角度θだけ回転させ、且つ前記試料光側光学系及び前記積分球を角度2θだけ回転させることを特徴とする。
また前記試料ステージは、前記光源よりの試料光の固定光路上に試料を保持し、該試料の反射面の向きを変えるように回転自在に設けられる。
前記積分球は、前記試料ステージの回転軸と一致した回転軸を有し、かつ該回転軸を中心に回転自在に設けられる。該積分球は、参照光側入射穴及び試料光側入射穴が設けられる。該積分球に設けられた参照光側入射穴は、該試料ステージの回転軸と一致した参照光側光軸を有する。該積分球に設けられた試料光側入射穴は、該試料ステージの回転軸と一致しない試料光側光軸を有する。
前記試料光側検出器は、前記試料ステージの回転軸と一致しない試料光側光軸を有し、かつ前記積分球に設けられる。該試料光側検出器は、該積分球内に入射した、前記光源よりの試料光を試料反射面に照射して得られた反射光の強度を検出する。
前記参照光側光学系は、少なくとも前記参照光側検出器の光軸と一致した光軸を有する。該参照光側光学系は、前記光源からの参照光を前記積分球の参照光側入射穴を介して該積分球内に入射させ前記参照光側検出器に入射させる。
なお、本発明においては、設定手段と、試料角度変更手段と、試料角度制御手段と、光学系角度変更手段と、光学系角度制御手段と、積分球角度変更手段と、積分球角度制御手段と、を備えることが好適である。
ここで、前記設定手段は、前記試料光の試料反射面への入射角の変更量である前記角度θを指示する。
前記試料角度制御手段は、前記設定手段よりの指示に基づいて、前記試料反射面が角度θだけ回転するように、前記試料角度変更手段により前記試料ステージを角度θだけ回転させる。
前記光学系度変更手段は、前記試料光側光学系を回転させる。
前記光学系角度制御手段は、前記設定手段よりの指示に基づいて、前記光学系度変更手段により前記試料光側光学系を角度2θだけ回転させる。
前記積分球角度変更手段は、前記積分球を回転させる。
前記積分球角度制御手段は、前記設定手段よりの指示に基づいて、前記積分球角度変更手段により前記積分球を角度2θだけ回転させる。
また本発明においては、前記各角度変更手段及び前記各角度制御手段により、前記反射率測定の高精度化が、より容易に行える。
図1には本発明の一実施形態にかかる角度可変測定装置の概略構成が示されている。同図(A)は本実施形態にかかる角度可変測定装置の主要部を回転軸方向より見た図、同図(B)は本実施形態にかかる角度可変測定装置を上方である同図(A)中の矢印A方向より見た図、同図(C)は同様の角度可変測定装置を側方である同図(A)中の矢印B方向より見た図である。
同図に示す角度可変測定装置10は、ダブルビームの光学系において、光源12と、試料ステージ14と、積分球16と、参照光側検出器18と、試料光側検出器20と、ミラー系よりなる参照光側光学系22と、ミラー系よりなる試料光側光学系24とを備える。
また前記試料ステージ14は、光源12よりの試料光28の固定光路30上に試料32を保持し、試料32の反射面の向きを変えるように、回転軸34を中心に回転自在に設けられる。
前記積分球16は、試料ステージ14の回転軸34と一致した回転軸を有し、かつ該回転軸を中心に回転自在に設けられる。該積分球16は、参照光側入射穴36及び試料光側入射穴38が設けられる。該積分球16に設けられた参照光側入射穴36は、試料ステージ14の回転軸34と一致した参照光側光軸40を有する。該積分球16に設けられた試料光側入射穴38は、試料ステージ14の回転軸34と一致しない試料光側光軸42を有する。
前記試料光側検出器20は、試料ステージ14の回転軸34と一致しない試料光側光軸42を有し、かつ積分球16に設けられる。該試料光側検出器20は、積分球16内に入射した、光源12よりの試料光28を試料32の反射面に照射して得られた反射光50の強度を検出する。
前記試料光側光学系24は、例えばミラー46,48よりなり、試料ステージ14の回転軸34と一致した回転軸を有し、かつ該回転軸を中心に回転自在に設けられる。該試料光側光学系24は、光源12よりの試料光28を試料32の反射面に照射して得られた反射光50を、積分球16の試料光側入射穴38を介して積分球16内に入射させ、試料光側検出器20に入射させる。
なお、本実施形態においては、試料光側光学系24の各ミラー46,48がアーム52に保持されている。該アーム52は、試料ステージ14の回転軸34と一致した回転軸を有し、かつ該回転軸を中心に回転自在に設けられる。
本実施形態にかかる角度可変測定装置10は概略以上のように構成され、以下にその作用について、図2を参照しつつ説明する。
図2には本実施形態にかかる角度可変測定装置10を斜め上方より見た等価図が示されている。
この結果、本実施形態においては、光源12よりの試料光28を入射角変更後の試料32の反射面に照射して得られた反射光50の光路上に、試料光側光学系24及び積分球16の試料光側入射穴38を位置させることができる。
この結果、本実施形態においては、積分球16の回転にかかわらず、参照光側光学系22の位置及び向きを変えることなく、参照光側光学系22を介して参照光26を積分球16内に入射させることができる。これにより、本実施形態においては、一般的な光ファイバに代えて、固定ミラー系よりなる参照光側光学系22を用いても、一般的な光ファイバの持つ積分球16の回転に対する追従性を損なうこともない。
また本実施形態においては、ダブルビームの光学系を全てミラー系とすることにより、光ファイバを用いたものに比較し、測定波長範囲の拡張も容易となる。
まず本実施形態においては、角度可変測定装置10の光学系として、光源の輝度の変動ないし検出器の出力変動をキャンセルするため、試料光側光学系24及び参照光側光学系22というダブルビームの光学系を採用している。
そして、角度可変測定装置においてダブルビームの光学系とするためには、一端が光源に他端が積分球に接続され、光源からの参照光を積分球に入射させる光ファイバを用いることが一般的である。
ここで、試料の反射率は、試料光の試料の反射面への入射角を変えて測定を行う必要があり、入射角を変えるためには試料反射面の向きを変えるが、試料反射面の向きの変更に伴い積分球も回転させる必要がある。
<測定の高精度化>
本発明者が反射率測定の高精度化について鋭意検討を重ねた結果、積分球の回転に伴う光ファイバの曲がり具合により、参照光の強度に違いが現れることがわかった。
すなわち、本実施形態においては、ダブルビームの光学系において、試料32と積分球16とが同軸(回転軸34)上にあり、試料32が回転軸34を中心にθ回転し、試料光側光学系24及び積分球16は、同軸において(回転軸34を中心に)2θで回転する。
また本実施形態においては、参照光側光軸40の中心は、試料32と積分球16について同軸上にある。
この結果、本実施形態においては、試料光側光軸42上に位置する積分球16の試料光側入射穴38は、回転ステージ14の回転に伴い移動するが、参照光側光軸40上に位置する積分球16の参照光側入射穴36は移動しないので、光ファイバに代えて、容易にミラーを用いることができる。
また本実施形態においては、ダブルビームの全光学系がミラー系であり、かつ参照光側光学系が駆動しないので、従来のように積分球に光ファイバが接続されており、積分球が動くと光ファイバが曲がり、光ファイバの曲がり具合による出力の差異が現れる可能性を完全に除去することができる。
<測定波長範囲の拡張>
さらに本実施形態においては、光ファイバに代えてダブルビームの全光学系をミラー系とすることにより、全波長領域における光への影響が少なくなり、測定波長範囲の拡張についても有利になる。
すなわち、従来は、測定波長範囲の拡張に伴い、光ファイバに紫外用と赤外用とを混合したものを用いていたので、全波長領域において光量が不利であった。これに対し、本実施形態においては、ダブルビームの全光学系をミラー系としているので、測定波長範囲を拡張しても全波長領域において光量の改善が図られる。
自動化
本実施形態においては、前述のような反射率測定を自動に行うことも、前記反射率測定の高精度化が容易に行える点で好ましい。
図3には本実施形態にかかる角度可変測定装置の自動化機構の概略構成が示されている。
同図において、角度可変測定装置10は、さらに設定手段60と、試料角度変更手段6
2と、試料角度制御手段64と、光学系角度変更手段66と、光学系角度制御手段68と、積分球角度変更手段70と、積分球角度制御手段72とを備える。
また前記試料角度変更手段62は、試料ステージ14を回転させる。
前記試料角度制御手段64は、例えばコンピュータ74よりなり、設定手段60よりの指示に基づいて、前記試料反射面が角度θだけ回転するように、試料角度変更手段62により試料ステージ14を角度θだけ回転させる。
前記光学系角度制御手段68は、例えばコンピュータ74よりなり、設定手段60よりの指示に基づいて、試料角度変更手段68により試料光側光学系24を角度2θだけ回転させる。
前記積分球角度変更手段70は、積分球16を回転させる。
前記積分球角度制御手段72は、例えばコンピュータ74よりなり、設定手段60より
の指示により、積分球角度変更手段70により積分球16を角度2θだけ回転させる。
力手段80と、反射率取得手段82とを備える。
ここで、光源ドライバ76は、光源12の波長を波長λずつ変える。
また光源制御手段78は、例えばコンピュータ74よりなり、光源ドライバ76による光源12の波長制御を行う。
入力手段80は、例えばコンピュータのキーボード、マウスよりなり、測定入射角の変
更量である角度θを含む入射角、ないし測定波長の変更量である波長λを含む光源波長などを入力する。
そして、使用者は、入力手段80よりコンピュータ74の設定手段60に角度θないし波長λの設定を行うのみで、後はコンピュータ74が以下に示されるような反射率測定を自動的に行う。
まず試料ステージ14に試料を載置しない状態で、光源12の波長を変えながら所定波長毎の試料光と、参照光側光学系から導かれた参照光を積分球16で受光し検出する。そして、試料を介さない試料光の参照光に対する比率を所定波長毎にコンピュータ74の反射率取得手段82において測定し、その値をメモリーする。
このようにしてコンピュータ74に角度θないし波長λの設定を行うのみで、コンピュータ74が自動的に前述のような反射率測定を行うので、試料の反射率を容易に求めることができる。
14 試料ステージ
16 積分球
18 参照光側検出器
20 試料光側検出器
22 参照光側光学系
24 試料光側光学系
36 参照光側入射穴
38 試料光側入射穴
Claims (2)
- 試料光及び参照光を出射する光源と、
前記光源よりの試料光の固定光路上に試料を保持し、該試料の反射面の向きを変えるように回転自在に設けられた試料ステージと、
前記試料ステージの回転軸と一致した回転軸を有し、かつ該回転軸を中心に回転自在に設けられ、該回転軸と一致しない試料光側光軸を有する試料光側入射穴、及び該回転軸と一致した参照光側光軸を有する参照光側入射穴が設けられた積分球と、
前記試料ステージの回転軸と一致した参照光側光軸を有し、かつ前記積分球に設けられ、該積分球内に入射した、前記光源よりの参照光を検出する参照光側検出器と、
前記試料ステージの回転軸と一致しない試料光側光軸を有し、かつ前記積分球に設けられ、該積分球内に入射した、前記光源よりの試料光を試料反射面に照射して得られた反射光の強度を検出する試料光側検出器と、
少なくとも前記参照光側検出器の光軸と一致した光軸を有し、前記光源からの参照光を前記積分球の参照光側入射穴を介して該積分球内に入射させ前記参照光側検出器に入射させる、ミラー系よりなる参照光側光学系と、
前記試料ステージの回転軸と一致した回転軸を有し、かつ該回転軸を中心に回転自在に設けられ、前記光源よりの試料光を試料の反射面に照射して得られた反射光を前記積分球の試料光側入射穴を介して該積分球内に入射させ前記試料光側検出器に入射させる、ミラー系よりなる試料光側光学系と、
を備え、前記試料光側光学系及び前記参照光側光学系を、全てミラー系とし、
また前記試料光の試料反射面への入射角を角度θだけ変える時は、前記試料反射面が角度θだけ回転するように前記試料ステージを角度θだけ回転させ、且つ前記試料光側光学系及び前記積分球を角度2θだけ回転させることを特徴とする角度可変測定装置。 - 請求項1記載の角度可変測定装置において、
前記試料光の試料反射面への入射角の変更量である前記角度θを指示する設定手段と、
前記試料ステージを回転させる試料角度変更手段と、
前記設定手段よりの指示に基づいて、前記試料反射面が角度θだけ回転するように、前記試料角度変更手段により前記試料ステージを角度θだけ回転させる試料角度制御手段と、
前記試料光側光学系を回転させる光学系角度変更手段と、
前記設定手段よりの指示に基づいて、前記光学系角度変更手段により前記試料光側光学系を角度2θだけ回転させる光学系角度制御手段と、
前記積分球を回転させる積分球角度変更手段と、
前記設定手段よりの指示に基づいて、前記積分球角度変更手段により前記積分球を角度2θだけ回転させる積分球角度制御手段と、
を備えたことを特徴とする角度可変測定装置。
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