JP4660696B2 - 反射特性測定装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明に係る反射特性測定装置の一例を示す概略構成断面図である。図1に示すように、反射特性測定装置100において、測定試料の試料面1は、この試料面1の法線(試料面法線)1nを中心とする円周上に所定数配置された例えば白熱電球からなる光源2による照明光(後述の照明光I0)によって、試料面法線1nに対して約45°の角度で傾斜した方向(以降、45°の方向という)から照明される。光源2によって照明された試料面の反射光(試料面反射光)の試料面法線1n方向の成分(以降、試料面反射光成分という)1sが、反射鏡6を経て対物レンズ7によってシングルチャンネルポリクロメータ8の入射スリットに収束されて入射し、例えば約360〜700nmの波長域における分光強度が波長間隔10nm(約10nmピッチ)で測定される。
図3は、反射特性測定装置100各部の反射特性測定動作に関するタイミングチャートである。本実施形態では、光源2の照明光による1回の測定ごとに拡散板チョッパー5が2回転し、この回転に伴い、拡散板ブレード5d及び切り欠き部5eが参照面1rに4回挿入される。制御部9は、測定開始信号201を受けて、光源2を点灯し(符号202で示す光出力レベルにまで上昇させる)、駆動モータ10を起動して拡散板チョッパー5を回転させる。符号203で示す箇所は参照面1rに切り欠き部5eが挿入(配置)されている区間を、符号204で示す箇所は参照面1rに拡散板ブレード5dが挿入されている区間を示している。切り欠き部5eの挿入時には、符号205で示す試料光(後述の試料光Is)が、拡散板ブレード5dの挿入時には符号206で示す参照光(後述の参照光Ir)がシングルチャンネルポリクロメータ8に入射する。なお、ここでは、それぞれ4回入射されることをIs1〜Is4及びIr1〜Ir4で表している。制御部9は、光源2の光出力及び拡散板チョッパー5の回転の安定を待って、すなわち符号207、208で示す立ち上がり期間を経て、シングルチャンネルポリクロメータ8から連続的に分光データを取り込む。
次に、照明光変動の補正の原理について説明する。以下の説明における試料光Is及び参照光Irは、それぞれの測定値である上記試料光データの積算値Ds及び参照光データの積算値Drと置き換えられる。
Ir=I0*R*ar+I0*br ・・・(2)
但し、I0:照明光、R:試料の反射率係数
aS及びbS:試料光Isに占める試料面反射光I0*R及び照明光I0の寄与を表す係数
ar及びbr:参照光Irに占める試料面反射光I0*R及び照明光I0の寄与を表す係数
また、記号「*」は乗算を示す(以下同様)。
Ir=I0*br ・・・(3)
r(=Is/Ir)=R*aS/br+bS/br ・・・(4)
試料の無い状態(R=0)で試料光(この場合の試料光を(Is)0とする)と参照光(この場合の参照光を(Ir)0とする)とを測定し、比r0を求める。このr0は、以下の(5)式で表される。
r0=(Is)0/(Ir)0=bS/br ・・・(5)
試料(この場合の試料を試料xとし、この試料xの反射率係数をRxとする)の試料光(この場合の試料光を(Is)xとする)と参照光(この場合の参照光を(Ir)xとする)とを測定して比rXを求める。そして、以下の(6)式に示すようにrX−r0の演算(このように上記ダーク校正で求めたr0を用いてrXに対する補正つまりrX−r0の演算を行うことをダーク補正という)を行う。
rX−r0=(Is)x/(Ir)x−(Is)0/(Ir)0
=Rx*aS/br ・・・(6)
Rx=(rX−r0)*C ・・・(7)
但し、C:校正係数(=br/aS)
この校正係数Cは、白色校正によって求められる。
既知の反射率係数Rwを有する白色基準面のrWを測定し、以下の(8)式によって校正係数Cを求める。
C=RW/(rW−r0) ・・・(8)
r=Is/Ir=(R*aS+bS)/(R*ar+br)
=(R+BS)/(R*Ar+Br) ・・・(9)
但し、Ar=ar/aS、Br=br/aS、BS=bS/aSであり、比rを反射率係数Rに変換するには、これらの定数Ar、Br及びBSが既知でなければならない。先ず、ダーク校正とその直後に行う白色校正とによってArを決定する。
試料のない状態(R=0)で試料光(Is)0と参照光(Ir)0とを測定し、比r0を求める(以下の(10)、(11)及び(12)式参照)。
(Is)0=I0*bS ・・・(10)
(Ir)0=I0*br ・・・(11)
r0=(Is)0/(Ir)0=BS/Br ・・・(12)
続いて、既知の反射率係数Rwを有する白色基準面の試料光(この場合の試料光を(Is)wとする)と参照光(この場合の参照光を(Ir)wとする)とを測定する(以下の(13)、(14)式参照)。
(Is)w=I0*Rw*aS+I0*bS ・・・(13)
(Ir)w=I0*Rw*ar+I0*br ・・・(14)
rW’=[(Is)w−(Is)0]/[(Ir)w−(Ir)0]
=aS/ar=1/Ar ・・・(15)
rW=(Is)w/(Ir)w=(Rw+BS)/(Rw*Ar+Br) ・・・(16)
Br=Rw*(1−Ar*rW)/(rW−r0) ・・・(17)
BS=r0*Br ・・・(18)
試料xの上記(9)式で表される比rXは、上記で求めたAr、Br及びBSを用いて、以下の(19)式によって反射率係数Rxに変換される。
Rx=(rX*Br−BS)/(1−rX*Ar) ・・・(19)
Rx=C*(rX*Br−BS)/(1−rX*Ar) ・・・(20)
C=Rw/Rw’ ・・・(21)
<全体フロー>
図4は、本発明に係る反射特性測定装置による反射特性測定動作の全体的なフローを示すフローチャートである。本発明に係る反射特性測定装置は、当該全体フローで示すステップを経て試料測定に到る。このフローでは、従来技術の白色校正(白色再校正)を併用し、上記(20)式によって試料の分光反射率係数Rx(λ)を求めている。先ず、上記(19)式における3つの定数Ar、Br及びBSを波長毎に求めて記憶する(ステップS1)。これらの定数は上記(20)式によって試料の分光反射率係数Rx(λ)を算出する際に必要となる。次に、白色再校正を行う(ステップS2)。そして、試料の測定を行う(ステップS3)。
図5は、基本測定動作の一例を示すフローチャートである。ダーク校正、白色校正及び試料測定のいずれにおいても、基本測定ルーチン(後述のステップS22、S32及びS62に該当)によって試料光及び参照光の分光強度Is(λ)、Ir(λ)が測定される。先ず、制御部9は測定開始信号を受け、光源2を点灯し、拡散板チョッパー5の回転を開始する(ステップS11)。照明光と拡散板チョッパー5の回転との安定に必要な時間をおいて(ステップS12)、これらが安定した後、拡散板ブレード5dの参照面1rからの退避時におけるシングルチャンネルポリクロメータ8の出力から試料光の分光強度Is(λ)を測定して記憶する(ステップS13)。また、拡散板ブレード5dの参照面1rへの挿入時におけるシングルチャンネルポリクロメータ8の出力から参照光の分光強度Ir(λ)を測定する(ステップS14)。参照光の分光強度Ir(λ)を波長に沿って移動平均し、その結果を改めてIr(λ)とし、これを記憶する(ステップS15)。光源2を消灯し、拡散板チョッパー5の回転を停止する(ステップS16)。
図6は、ダーク校正動作の一例を示すフローチャートである。ダーク校正は、定数設定時に行われる。先ず、試料載置面に照明光を略完全に吸収する光トラップを配置する(ステップS21)。上記基本測定ルーチンによって、試料反射光と参照光との分光強度Is、Irを得る(ステップS22)。このIs、Irをそれぞれ(Is)0、(Ir)0として記憶する(ステップS23)。そして、比r0(=(Is)0/(Ir)0)を求めて記憶する(ステップS24)。
図7は、白色校正動作の一例を示すフローチャートである。白色校正は、定数設定時と試料測定時とに行われる。先ず、試料載置面に既知の分光反射率係数Rwを有する白色基準試料を配置する(ステップS31)。上記基本測定ルーチンによって、試料反射光と参照光との分光強度Is、Irを得る(ステップS32)。このIs、Irをそれぞれ(Is)w、(Ir)wとして記憶する(ステップS33)。そして、比rW(=(Is)w/(Ir)w)を求めて記憶する(ステップS34)。
図8は、定数設定動作の一例を示すフローチャートである。先ず、上記ダーク校正ルーチンによってダーク校正し、(Is)0、(Ir)0及びr0を得る(ステップS41)。引き続き、白色校正ルーチンによって白色校正を行い、(Is)w、(Ir)w及びrWを得る(ステップS42)。次に、rW’=[(Is)w−(Is)0]/[(Ir)w−(Ir)0](上記(15)式参照)によって比rW’を求める(ステップS43)。そして、3つの定数Ar、Br及びBSを以下の各式によって求めて記憶し、校正係数Cの初期値「1」を記憶する(ステップS44)。
Ar=1/rW’;この式を(15)’式とする(上記(15)式参照)
Br=Rw*(1−Ar*rW)/(rW−r0)(上記(17)式参照)
BS=r0*Br(上記(18)式参照)
C=1
図9は、白色再校正動作の一例を示すフローチャートである。白色再校正は、定数設定後の系の変化を補正するもので、白色基準試料の既知の分光反射率係数と、設定された定数Ar、Br及びBSを用いて上記(19)式によって測定した当該白色基準試料の分光反射率係数測定値との比から、校正係数Cを求めて記憶する。短期の変化を補正する白色再校正は、光学系に固有の定数を設定する定数設定よりも高頻度で行われる。先ず、白色校正ルーチンによって白色校正を行い、rWを得る(ステップS51)。次に、Rw’=(rW*Br−BS)/(1−rW*Ar)(上記(19)式参照)によってその時点の反射率係数Rw’を求める(ステップS52)。そして、C=Rw/Rw’(上記(21)式参照)によって校正係数Cを求めて記憶する(ステップS53)。
図10は、試料測定動作の一例を示すフローチャートである。試料測定は、通常は白色再校正後に行われる。定数設定後に測定する場合は、校正係数C=1(初期値)となる。先ず、試料載置面に試料を配置する(ステップS61)。上記基本測定ルーチンによって、試料反射光と参照光との分光強度Is、Irを得る(ステップS62)。このIs、Irから比rX(=Is/Ir)を求める(ステップS63)。そして、Rx=C*(rX*Br−BS)/(1−rX*Ar)(上記(20)式参照)によって、試料の反射率係数Rxを求めて、出力する(ステップS64)。
(A)上記実施形態では、参照光として拡散板(拡散板ブレード5d)に入射する光量は照明光の20%程度であり、参照光測定値のS/Nが試料反射光測定値より低くなり、反射率係数測定値の精度を下げることが起こり得る。参照光の分光分布が単調で、その変化の波長依存性が緩やかであれば、波長に沿って移動平均する、すなわち分光分布測定値を波長について移動平均することで、S/Nを改善することができる。上記実施形態では、可視光源が白熱電球であるので、参照光の分光分布が単調であるという条件を満たすものの、混入する試料光が急峻な波長依存性をもちえるので、移動平均によるS/N改善は大きな測定誤差を招きかねない。しかしながら、参照光に試料反射光が混入していてもその比率が小さいときには、波長依存性は緩やかなので、上記移動平均してS/Nを改善することが可能となる。このことを踏まえ、反射特性測定装置100(200、300)において、制御部9によって、波長について移動平均した即ち分光分布測定値を波長について移動平均した透過拡散面挿入時のシングルチャンネルのポリクロメータ8の出力情報と、透過拡散面退避時のシングルチャンネルのポリクロメータ8の出力情報とを用いて、照明光の変動が補正された試料面1の反射特性を算出するようにすることで、透過拡散面挿入時におけるシングルチャンネルのポリクロメータ8の出力のS/Nを改善し、ひいては試料面1の反射特性測定値の精度を向上することができる。
1n 試料面法線
1r 参照面
1s 試料面反射光成分(試料面反射光)
2 光源(照明手段)
2a、302a 放射光束
2d 照明駆動回路
2r 反射光(請求項1記載の部分反射面に反射された照明光の一部)
2s 透過光
4 ガラス板(部分反射面)
5 拡散板チョッパー(透過拡散面、チョッパー、光路変更手段)
5d 拡散板ブレード(ブレード、透過拡散面)
5e 切り欠き部
6 反射鏡
7 対物レンズ
8 シングルチャンネルポリクロメータ(受光手段)
9 制御部(制御演算手段)
10 駆動モータ
10d モータ制御回路
50 拡散板チョッパー(チョッパー、不均等透過拡散面)
100、200、300 反射特性測定装置
301 積分球(積分球照明手段)
301a 試料用開口
301b 測定用開口
302 光源(積分球照明手段)
310s 対称面(請求項8記載の対称面)
Claims (6)
- 試料面を試料面法線に対する所定の角度から照明する照明手段と、
前記照明手段による照明光が前記試料面に反射された前記試料面法線方向の試料面反射光を受光する受光手段と、
前記受光手段への入射光の光路上における参照面に対して挿入及び退避可能に構成された該参照面入射光に対する光路変更を行う光路変更手段と、
前記試料面と前記参照面との対称面であって、前記照明手段による照明光の一部を前記参照面へ向けて反射する固定された部分反射面と、
前記光路変更手段の挿入及び退避動作並びに前記照明手段の照明動作を制御するとともに、前記受光手段の出力情報を演算処理する制御演算手段とを備え、
前記受光手段は、前記光路変更手段の参照面からの退避時に、前記試料面反射光を主として受光し、前記光路変更手段の参照面への挿入時に、前記部分反射面により反射されて且つ前記受光手段へ向けて入射されるよう前記光路変更手段によって光路変更された前記照明光の一部を主として受光し、
前記制御演算手段は、前記光路変更手段の挿入及び退避時における前記受光手段の出力情報に基づいて、前記照明光の変動が補正された試料面の反射特性を算出することを特徴とする反射特性測定装置。 - 前記光路変更手段は、光を透過拡散する透過拡散面であることを特徴とする請求項1記載の反射特性測定装置。
- 前記透過拡散面は、回転駆動可能に構成されたチョッパーのブレードであり、該ブレードに対する入射光を透過拡散する拡散板からなることを特徴とする請求項2記載の反射特性測定装置。
- 前記透過拡散面は、該透過拡散面の法線に対する略45°方向の入射光を、該入射光の光軸と前記透過拡散面の法線とを含む面内の拡散成分が面外の拡散成分より大きくなるように透過拡散する不均等透過拡散面であることを特徴とする請求項2又は3記載の反射特性測定装置。
- 前記制御演算手段は、前記透過拡散面の挿入及び退避時における前記受光手段の出力情報と予め与えられた補正係数の情報とを用いて、前記透過拡散面挿入時に前記照明光の一部とともに該透過拡散面に入射する試料面反射光の影響を補正する演算処理を行い、前記照明光の変動が補正された試料面の反射特性を算出することを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載の反射特性測定装置。
- 前記制御演算手段は、波長について移動平均した前記透過拡散面挿入時の前記受光手段の出力情報と、前記透過拡散面退避時の前記受光手段の出力情報とを用いて、前記照明光の変動が補正された試料面の反射特性を算出することを特徴とする請求項2記載の反射特性測定装置。
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