JP5809674B2 - 光線入射装置および反射光測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、被測定物への光の照射に関する。
図4は、平状サンプルの光学特性を測定する従来型の反射測定装置の光学系を示す図である。測定光としては、テラヘルツ波(周波数0.01THz〜10THzを持つ電磁波)を例に挙げて説明する。テラヘルツ波発生器から出力されたテラヘルツ波は非軸放物面鏡によって反射され、集光テラヘルツ波となる。途中、平面ミラーで反射してサンプル表面に集光される。サンプル表面で反射されたテラヘルツ波は再び平面ミラーで反射し、非軸放物面鏡によってコリメートテラヘルツ波となりテラヘルツ検出器に入力される。
サンプルとして薄膜やフィルムの光学特性を測定する場合、サンプルに入射する測定光の入射角θを変化させて測定することがある。これは、様々な入射角で光学特性を取得することで、例えばサンプルの屈折率を高精度に算出することができるためである。
なお、試料にテラヘルツ波を照射して、層の各々によって反射されたテラヘルツ波を検出することが知られている(例えば、特許文献1の要約を参照)。
特開2012−237657号公報
ここで、サンプルの光学特性の入射角(θ)依存性を測定する場合、色々な値の入射角(θ)について、サンプルで反射されたテラヘルツ波を検出する必要がある。
しかしながら、図4に示す従来技術においては、入射角(θ)が一定である。入射角(θ)の値を変えるためには、それに応じて平面ミラーの傾斜面の入射光に対する角度を変えなければならない。そのためには、平面ミラーそのものを交換しなければならず、労力が大きい。
そこで、本発明は、サンプルへの光の入射角を容易に変化させることを課題とする。
本発明にかかる光線入射装置は、平行光線を受け、被測定物の一点に前記平行光線を収束させる光線収束器と、前記平行光線を前記光線収束器に与える光線付与器と、を備え、前記光線収束器が前記平行光線を受ける受光部位に応じて、前記被測定物と前記平行光線が収束した収束光線との間の角度が変化し、前記光線付与器は、前記受光部位を変化させることができるように構成される。
上記のように構成された光線入射装置によれば、光線収束器が、平行光線を受け、被測定物の一点に前記平行光線を収束させる。光線付与器が、前記平行光線を前記光線収束器に与える。前記光線収束器が前記平行光線を受ける受光部位に応じて、前記被測定物と前記平行光線が収束した収束光線との間の角度が変化する。前記光線付与器は、前記受光部位を変化させることができる。
なお、本発明にかかる反射光測定装置は、前記収束光線が前記一点において反射された反射光線の進行方向を変化させ、平行に進行する反射平行光線とする平行化器を備えるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる反射光測定装置は、前記光線収束器および前記平行化器が一体であるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる反射光測定装置は、前記光線収束器および前記平行化器が別体であるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる反射光測定装置は、前記光線収束器が、軸外し放物面鏡または非球面レンズであるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる反射光測定装置は、前記光線付与器が、平行に進行する入射光線を受けて直角に進行方向を変化させて、前記平行光線とするものであるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる反射光測定装置は、前記光線付与器が、前記光線収束器に対して移動することにより、前記受光部位を変化させることができるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる反射光測定装置は、前記反射平行光線を受けて直角に進行方向を変化させ、進行方向変化光線とする進行方向変化器を備えるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる反射光測定装置は、前記光線付与器が、平行に進行する入射光線を受けて直角に進行方向を変化させて、前記平行光線とするものであり、前記入射光線の進行方向と前記進行方向変化光線の進行方向とが同一であるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる反射光測定装置は、前記光線付与器と、前記進行方向変化器とが一体であるようにしてもよい。
本発明にかかる反射光測定装置は、本発明にかかる光線入射装置と、前記入射光線を前記光線入射装置に与える光源と、前記進行方向変化光線を検出する検出器とを備えるように構成される。
上記のように構成された反射光測定装置によれば、光源が、前記入射光線を前記光線入射装置に与える。検出器が、前記進行方向変化光線を検出する。
本発明の実施形態にかかる反射光測定装置の構成を示す正面図であり、ミラー12を下に移動した場合(図1(a)参照)、ミラー12を上に移動した場合(図1(b)参照)を示す図である。 本発明の実施形態の第一変形例にかかる反射光測定装置の構成を示す正面図であり、ミラー12を下に移動した場合(図2(a)参照)、ミラー12を上に移動した場合(図2(b)参照)を示す図である。 本発明の実施形態の第二変形例にかかる反射光測定装置の構成を示す正面図であり、ミラー12を下に移動した場合(図3(a)参照)、ミラー12を上に移動した場合(図3(b)参照)を示す図である。 平状サンプルの光学特性を測定する従来型の反射測定装置の光学系を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施形態にかかる反射光測定装置の構成を示す正面図であり、ミラー12を下に移動した場合(図1(a)参照)、ミラー12を上に移動した場合(図1(b)参照)を示す図である。
本発明の実施形態にかかる反射光測定装置は、光線入射装置10、光源2、検出器4を備える。
光源2は、入射光線E1、E2を光線入射装置10(のミラー12)に与える。なお、入射光線E1、E2としては、例えば、テラヘルツ波(周波数0.01THz〜10THzを持つ電磁波)を想定している。なお、光源2からはテラヘルツ波のビームが出力されているが、図示の便宜上、このビームの図1の紙面における輪郭を入射光線E1、E2として図示している。なお、このビームはコリメートされており、入射光線E1、E2は互いに平行に進行する。
検出器4は、検出光線(進行方向変化光線)Da1、Da2(またはDb1、Db2)を検出する。これにより、被測定物1の特性(例えば、光学特性および屈折率など)を測定できる。また、被測定物1は、例えば、反射防止膜、保護フィルム、透明導電膜などに代表される薄膜やフィルムである。なお、検出光線Da1、Da2については図1(a)を、検出光線Db1、Db2については図1(b)を参照されたい。
光線入射装置10は、ミラー(光線付与器および進行方向変化器)12、軸外し放物面鏡(光線収束器)14a、軸外し放物面鏡(平行化器)14bを備える。なお、軸外し放物面鏡(光線収束器)14aおよび軸外し放物面鏡(平行化器)14bは別体である。また、「軸外し放物面鏡」を「非軸放物面鏡」ともいうが、本発明の実施形態においては、「軸外し放物面鏡」に記載を統一している。
ミラー12は、入射側受光面(光線付与器)12a、出射側受光面(進行方向変化器)12bを有する。入射側受光面(光線付与器)12aと出射側受光面(進行方向変化器)12bとは、別々の部材上の面であることも考えられるが、本発明の実施形態において両者は一体であり、同じ部材(ミラー12)上の面である。
入射側受光面(光線付与器)12aは、入射光線E1、E2に対して45度傾斜した平面であり、入射光線E1、E2を反射する面である。入射側受光面(光線付与器)12aは、光源2から平行に進行する入射光線E1、E2を受けて反射し、直角に進行方向を変化させる。入射光線E1、E2が、直角に進行方向を変化した光線を平行光線La1、La2(またはLb1、Lb2)という。入射光線E1が入射側受光面12aにより反射されて平行光線La1(またはLb1)となる。入射光線E2が入射側受光面12aにより反射されて平行光線La2(またはLb2)となる。なお、平行光線La1、La2については図1(a)を、平行光線Lb1、Lb2については図1(b)を参照されたい。
平行光線L1、L2は、軸外し放物面鏡(光線収束器)14aに向かう。すなわち、入射側受光面(光線付与器)12aは、平行光線La1、La2(またはLb1、Lb2)を、軸外し放物面鏡(光線収束器)14aに与える。
軸外し放物面鏡(光線収束器)14aは、平行光線La1、La2(またはLb1、Lb2)を受け、被測定物1の表面上の一点1aに平行光線La1、La2(またはLb1、Lb2)を収束させる。軸外し放物面鏡14aは反射放物面140aを有し、反射放物面140aにおいて、平行光線La1、La2(またはLb1、Lb2)を受けて反射する。反射放物面140aの焦点に、被測定物1の表面上の一点1aが配置されている。
なお、本発明の実施形態において、一点1aは被測定物1の表面上にあるが、一点1aが被測定物1の内部にあることも考えられる。
ここで、平行光線La1、La2(またはLb1、Lb2)が、軸外し放物面鏡14aにより収束した光線を、収束光線Fa1、Fa2(またはFb1、Fb2)という。
なお、軸外し放物面鏡(光線収束器)14aが平行光線La1、La2(またはLb1、Lb2)を受ける受光部位に応じて、被測定物1と収束光線Fa1、Fa2(またはFb1、Fb2)との間の角度(例えば、収束光線の被測定物1への入射角θa1、θa2、(またはθb1、θb2))が変化する。
例えば、図1(a)を参照して、ミラー12を下に移動した場合、受光部位は反射放物面140aの右端側である。この場合、被測定物1への、収束光線Fa1、Fa2の入射角は、それぞれ、θa1、θa2となる。
また、図1(b)を参照して、ミラー12を上に移動した場合、受光部位は反射放物面140aの左端側である。この場合、被測定物1への、収束光線Fb1、Fb2の入射角は、それぞれ、θb1、θb2となる。なお、θb1、θb2、θa1およびθa2は、それぞれ異なる値である。例えば、θb2>θb1>θa2>θa1である。
上記のように、ミラー12の入射側受光面(光線付与器)12aは、軸外し放物面鏡(光線収束器)14aに対して、平行光線La1、La2(およびLb1、Lb2)の進行方向に上下移動することにより(図1におけるミラー12付近の両方向矢印に沿って移動)、反射放物面140aにおける受光部位を変化させることができる。
なお、ミラー12を、図1(a)および図1(b)に示す2箇所にのみ位置させるとは限らない。例えば、ミラー12を、図1(a)に示す位置と図1(b)に示す位置との間の任意の位置に配置してもかまわない。ミラー12を、図1(a)に示す位置から図1(b)に示す位置に(または、図1(b)に示す位置から図1(a)に示す位置に)細かく連続的に移動させれば、反射放物面140aにおける受光部位を細かく連続的に変化させることができる。
収束光線Fa1、Fa2(またはFb1、Fb2)は、被測定物1の表面上の一点1aにおいて反射される。この反射された光線を、反射光線Ra1、Ra2(またはRb1、Rb2)という。
軸外し放物面鏡(平行化器)14bは、反射放物面140bを有し、反射放物面140bにおいて、反射光線Ra1、Ra2(またはRb1、Rb2)を受けて反射する。反射放物面140bの焦点に、被測定物1の表面上の一点1aが配置されている。
軸外し放物面鏡(平行化器)14bは、反射光線Ra1、Ra2(またはRb1、Rb2)の進行方向を変化させ、平行に進行する光線とする。反射光線Ra1、Ra2(またはRb1、Rb2)の進行方向が、軸外し放物面鏡14bにより平行とされた光線を反射平行光線Ma1、Ma2(またはMb1、Mb2)という。
出射側受光面(進行方向変化器)12bは、反射平行光線Ma1、Ma2(およびMb1、Mb2)に対して45度傾斜した平面であり、反射平行光線Ma1、Ma2(およびMb1、Mb2)を反射する面である。出射側受光面(進行方向変化器)12bは、反射平行光線Ma1、Ma2(またはMb1、Mb2)を受けて反射し、直角に進行方向を変化させる。反射平行光線Ma1、Ma2(またはMb1、Mb2)が直角に進行方向を変化した光線を、進行方向変化光線Da1、Da2(またはDb1、Db2)という。
なお、入射光線E1、E2の進行方向と進行方向変化光線Da1、Da2(およびDb1、Db2)の進行方向とは同一である。例えば、図1に示すように、入射光線E1、E2の延長線上に、進行方向変化光線Da1、Da2(およびDb1、Db2)が存在している。また例えば、入射光線E1、E2の延長線上に、進行方向変化光線Da1、Da2(およびDb1、Db2)が存在していなくても、入射光線E1、E2と、進行方向変化光線Da1、Da2(およびDb1、Db2)とが平行であれば、「進行方向が同一」であるものとする。
次に、本発明の実施形態の動作を説明する。
まず、図1(a)を参照し、ミラー12を下に移動させるものとする。この場合、光源2からは、コリメートされたテラヘルツ波のビームが出力されており、互いに平行な入射光線E1、E2が、入射側受光面12aに与えられる。
入射光線E1、E2は、入射側受光面12aによって反射され、直角に進行方向が変化して、平行光線La1、La2となる。平行光線La1、La2は、軸外し放物面鏡14aの反射放物面140aの右端側に与えられる。
平行光線La1、La2は、軸外し放物面鏡14aの反射放物面140aの右端側にあたって反射され、反射放物面140aの焦点に配置された被測定物1の表面上の一点1aに収束する(収束光線Fa1、Fa2を参照)。ここで、被測定物1への、収束光線Fa1、Fa2の入射角は、それぞれ、θa1、θa2となる。
収束光線Fa1、Fa2は、被測定物1の表面上の一点1aにおいて反射され、反射光線Ra1、Ra2となり、軸外し放物面鏡14bの反射放物面140bにあたって反射され、反射平行光線Ma1、Ma2となる。
反射平行光線Ma1、Ma2は、出射側受光面12bにより反射され、直角に進行方向が変化して、進行方向変化光線Da1、Da2となる。
進行方向変化光線Da1、Da2は、検出器4により検出される。
次に、図1(b)を参照し、ミラー12を上に移動させるものとする。この場合、光源2からは、テラヘルツ波のビームが出力されており、互いに平行な入射光線E1、E2が、入射側受光面12aに与えられる。
入射光線E1、E2は、入射側受光面12aによって反射され、直角に進行方向が変化して、平行光線Lb1、Lb2となる。平行光線Lb1、Lb2は、軸外し放物面鏡14bの反射放物面140bの左端側に与えられる。
平行光線Lb1、Lb2は、軸外し放物面鏡14bの反射放物面140bの左端側にあたって反射され、反射放物面140bの焦点に配置された被測定物1の表面上の一点1aに収束する(収束光線Fb1、Fb2を参照)。ここで、被測定物1への、収束光線Fb1、Fb2の入射角は、それぞれ、θb1、θb2となる。なお、θb2>θb1>θa2>θa1である。
収束光線Fb1、Fb2は、被測定物1の表面上の一点1aにおいて反射され、反射光線Rb1、Rb2となり、軸外し放物面鏡14bの反射放物面140bにあたって反射され、反射平行光線Mb1、Mb2となる。
反射平行光線Mb1、Mb2は、出射側受光面12bにより反射され、直角に進行方向が変化して、進行方向変化光線Db1、Db2となる。
進行方向変化光線Db1、Db2は、検出器4により検出される。
本発明の実施形態によれば、被測定物1への収束光線Fa1、Fa2(およびFb1、Fb2)の入射角θa1、θa2(およびθb1、θb2)を、ミラー12を上下に移動させることにより変化させることができるので、ミラー12そのものを交換する必要がなく、入射角を容易に変化させることができる。
なお、本発明の実施形態には色々な変形例が考えられる。
図2は、本発明の実施形態の第一変形例にかかる反射光測定装置の構成を示す正面図であり、ミラー12を下に移動した場合(図2(a)参照)、ミラー12を上に移動した場合(図2(b)参照)を示す図である。
第一変形例にかかる反射光測定装置においては、本発明の実施形態における軸外し放物面鏡(光線収束器)14aおよび軸外し放物面鏡(平行化器)14bが一体となり、軸外し放物面鏡14となっている。軸外し放物面鏡14は、反射放物面140を有する。反射放物面140には、平行光線La1、La2(およびLb1、Lb2)があたって反射する(収束光線Fa1、Fa2(およびFb1、Fb2)を参照)。反射放物面140には、反射光線Ra1、Ra2(およびRb1、Rb2)があたって反射する(反射平行光線Ma1、Ma2(およびMb1、Mb2)を参照)。なお、反射放物面140の焦点に、被測定物1の表面上の一点1aが配置されている。
図3は、本発明の実施形態の第二変形例にかかる反射光測定装置の構成を示す正面図であり、ミラー12を下に移動した場合(図3(a)参照)、ミラー12を上に移動した場合(図3(b)参照)を示す図である。
第一変形例において、一体となった光線収束器および平行化器は、軸外し放物面鏡14であったが、それに限定されるわけではない。第二変形例にかかる反射光測定装置においては、一体となった光線収束器および平行化器が、非球面レンズ16である。
非球面レンズ16は、非球面の曲面160および平面162を有する。被測定物1とミラー12との間に、非球面レンズ16が配置されている。非球面の曲面160がミラー12側に、平面162が被測定物1の表面上の一点1a側に配置されている。非球面レンズ16の焦点には、被測定物1の表面上の一点1aが配置されている。
なお、図3において、非球面の曲面160における屈折は図示省略しているが、実際は屈折している。
図3(a)を参照して、非球面レンズ16は、非球面の曲面160の中央左よりの部分で平行光線La1、La2を受けて屈折させ、被測定物1の表面上の一点1aに平行光線La1、La2を収束させる(収束光線Fa1、Fa2を参照)。
収束光線Fa1、Fa2は、被測定物1の表面上の一点1aにおいて反射される(反射光線Ra1、Ra2を参照)。
さらに、非球面レンズ16は、平面162の中央右よりの部分で、反射光線Ra1、Ra2を受けて屈折させ、平行に進行する光線(反射平行光線Ma1、Ma2を参照)とする。
図3(b)を参照して、非球面レンズ16は、非球面の曲面160の左端の部分で平行光線Lb1、Lb2を受けて屈折させ、被測定物1の表面上の一点1aに平行光線Lb1、Lb2を収束させる(収束光線Fb1、Fb2を参照)。
収束光線Fb1、Fb2は、被測定物1の表面上の一点1aにおいて反射される(反射光線Rb1、Rb2を参照)。
さらに、非球面レンズ16は、平面162の右端の部分で、反射光線Rb1、Rb2を受けて屈折させ、平行に進行する光線(反射平行光線Mb1、Mb2を参照)とする。
第二変形例のように、一体となった光線収束器および平行化器が非球面レンズ16であったとしても、本発明の実施形態と同様な効果を奏する。
θa1、θa2、θb1、θb2 入射角
E1、E2 入射光線
La1、La2、Lb1、Lb2 平行光線
Fa1、Fa2、Fb1、Fb2 収束光線
Ra1、Ra2、Rb1、Rb2 反射光線
Ma1、Ma2、Mb1、Mb2 反射平行光線
Da1、Da2、Db1、Db2 進行方向変化光線
1 被測定物
1a 一点
2 光源
4 検出器
10 光線入射装置
12 ミラー(光線付与器および進行方向変化器)
12a 入射側受光面(光線付与器)
12b 出射側受光面(進行方向変化器)
14a 軸外し放物面鏡(光線収束器)
14b 軸外し放物面鏡(平行化器)
14 軸外し放物面鏡(光線収束器および平行化器)
140、140a、140b 反射放物面
16 非球面レンズ(光線収束器および平行化器)
160 非球面の曲面
162 平面

Claims (6)

  1. 平行光線を受け、被測定物の一点に前記平行光線を収束させる光線収束器と、
    前記平行光線を前記光線収束器に与える光線付与器と、
    前記収束光線が前記一点において反射された反射光線の進行方向を変化させ、平行に進行する反射平行光線とする平行化器と、
    前記反射平行光線を受けて直角に進行方向を変化させ、進行方向変化光線とする進行方向変化器と、
    を備え、
    前記光線付与器と、前記進行方向変化器とが一体であり、
    前記光線収束器が前記平行光線を受ける受光部位に応じて、前記被測定物と前記平行光線が収束した収束光線との間の角度が変化し、
    前記光線付与器は、前記受光部位を変化させることができ、
    前記光線付与器は、平行に進行する入射光線を受けて直角に進行方向を変化させて、前記平行光線とするものであり、
    前記光線付与器が、回転移動しないで、前記平行光線に対して平行移動することにより、前記受光部位を変化させることができる、
    光線入射装置。
  2. 請求項1に記載の光線入射装置であって、
    前記光線収束器および前記平行化器は一体である、
    光線入射装置。
  3. 請求項1に記載の光線入射装置であって、
    前記光線収束器および前記平行化器は別体である、
    光線入射装置。
  4. 請求項2または3に記載の光線入射装置であって、
    前記光線収束器が、軸外し放物面鏡または非球面レンズである、
    光線入射装置。
  5. 請求項1に記載の光線入射装置であって、
    前記光線付与器は、平行に進行する入射光線を受けて直角に進行方向を変化させて、前記平行光線とするものであり、
    前記入射光線の進行方向と前記進行方向変化光線の進行方向とが同一である、
    光線入射装置。
  6. 請求項1ないし5のいずれか一項に記載の光線入射装置と、
    前記入射光線を前記光線入射装置に与える光源と、
    前記進行方向変化光線を検出する検出器と、
    を備えた反射光測定装置。
JP2013193742A 2012-12-17 2013-09-19 光線入射装置および反射光測定装置 Expired - Fee Related JP5809674B2 (ja)

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