JP6044062B2 - 照射装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、スペクトル補正フィルタ、及び減光フィルタを光路上に設けると、一方のフィルタにコーティングされた膜面で反射した反射光が他方のフィルタの膜面で反射され照射面への照射光に混入する。この反射光が、スペクトル補正フィルタの膜面での反射を経ている場合、スペクトル補正フィルタでの反射によってスペクトル特性に変調を受ける。このような反射光が照射光に混入すると、照射光のスペクトル特性が設計値からずれてしまい、特性評価や耐光試験の目的に見合った品質の照射光が得られなくなる、といった問題がある。
図1は、本実施形態に係る擬似太陽光照射装置1の概略構成図である。
同図に示すように、擬似太陽光照射装置1は、特性評価や耐光試験対象の試料を載置する試料載置ステージ3と、光源装置12と、光源装置12の放射光が入射する透過型インテグレータ光学系13と、当該透過型インテグレータ光学系13を通った光を平行光化して試料載置ステージ3に照射するコリメーション光学系14と、光学フィルタ群15とを備えている。
ランプ10は、擬似太陽光の高出力化を実現可能にすべく、光学系効率が高い、点光源に近いショートアークランプが用いられている。またランプ10には、試験や評価の内容によって要求される波長域の光を放射し、当該波長域においてブロードなスペクトル特性が求められ、例えばキセノンランプやハロゲンランプが好適に用いられ得る。本実施形態ではキセノンランプを用いることとしている。
楕円反射鏡11は、光軸K1が鉛直上向きになるように配置され、この楕円反射鏡11の光軸K1と同軸にランプ10を垂直に立てた姿勢で挿入配置されている。
また、光源装置12には、ランプ10、或いは楕円反射鏡11を光軸K1方向、及び光軸K1に垂直な方向に相対移動し、ランプ10の発光点Pを楕円反射鏡11の焦点Fに合わせる位置調整機構(不図示)が設けられている。ランプ10は、図示せぬ送風ファンによって空冷されており、ランプ10の発光の安定化が図られている。
コリメーション光学系14は、透過型インテグレータ光学系13を通った光を平行光化し、照射面3Aに導くものであり、コリメータレンズ16と、2枚の反射平面ミラー18、20とを備えている。2枚の反射平面ミラー18、20は、透過型インテグレータ光学系13を通過した光をコリメータレンズ16に入射し、コリメータレンズ16は、入射光を平行化して出射する。このコリメータレンズ16は、光軸K2が試料載置ステージ3の照射面3Aに対して略垂直となるように当該試料載置ステージ3に対向配置されており、コリメータレンズ16の平行光が試料載置ステージ3の照射面3Aに垂直に入射して当該照射面3Aを均一な照度で照射する。
スペクトル補正フィルタ22は、透過光のスペクトル特性を疑似太陽光のスペクトル特性に変換して変える透過型の光学フィルタであり、また、NDフィルタ24は、減光フィルタとも呼ばれ、透過光の光量を減じる透過型の光学フィルタである。
これらスペクトル補正フィルタ22、及びNDフィルタ24は、光軸K1上にそれぞれが交換自在に設けられており、これらを交換することで、照射光のスペクトル特性や光量を自在に変更可能になっている。なお、光源装置12と光学フィルタ群15の間には、光軸K1上にリレーレンズ26が設けられている。
光源装置12のランプ10に用いたキセノンランプは、図2に示すように、紫外域から赤外域にかけた広い波長範囲に亘り発光するものの、赤外域(図2中、矢印Aで示す)の光成分が他の波長域よりも顕著に多くなっている。
一方、図4に示すように、スペクトル補正フィルタ22の透過スペクトル特性は、光源装置12の放射光の赤外域の光成分を抑えるように、赤外域(図4中、矢印Bで示す)で透過率が相対的に低くなっている。このスペクトル補正フィルタ22に光源装置12の放射光を透過させることで、紫外域から赤外域にかけた疑似太陽光が得られる。
また、NDフィルタ24の透過スペクトル特性は、透過光のスペクトル特性を変化させずに光量のみを減じさせるべく、図3に示すように、紫外域から赤外域にかけて透過率が略一定の平坦な透過特性を有している。
本実施形態では、同図に示すように、光学フィルタ群15を構成するスペクトル補正フィルタ22、及びNDフィルタ24のそれぞれは、光軸K1に対して入射面Sa(出射面Sb)が垂直ではなく、所定の傾斜角度α、βで傾けて配置されている。
更に詳述すると、一般に、スペクトル補正フィルタ22では、入射面Sa、及び出射面Sbへの光の入射に伴い少なからず反射が生じる。したがって、例えば図6に示すように、スペクトル補正フィルタ22を照射面3A側に配置し、NDフィルタ24を光源装置12側に配置し、なおかつ、それぞれを光軸K1に対して垂直(90度)に配置した場合、光源装置12の放射光H1がスペクトル補正フィルタ22の入射面Saに入射した際に、入射面Saがコーティングされた膜面であれば、多くの裏面反射が生じる。この裏面反射に起因して、スペクトル補正フィルタ22の入射面Saと、NDフィルタ24の出射面Sbが膜面の場合は、NDフィルタ24の出射面Sbの間で多重に反射が生じる(図6には1回反射の反射光成分のみを示す)。このような多重(1回を含む)の反射によって生じた反射光H2がスペクトル補正フィルタ22を透過し放射光H1と混ざり、この混合の光がフライアイレンズ17に照射光H3として入射される。
NDフィルタ24、及びスペクトル補正フィルタ22の透過率をT1、T2とし、反射率をR1、R2とし、また光源装置12の放射光の光量をI0とすると、スペクトル補正フィルタ22を透過してフライアイレンズ17に入射する放射光H1の光量I1は、次式(1)により表される。
=(反射光H2の光量I2)/(放射光H1の光量I1)
=R1×R2
=(1−T1)×(1−T2) ・・・(3)
ただし、スペクトル補正フィルタ22、及びNDフィルタ24での光の吸収は「0」と仮定している。
特に、特性評価や耐光試験では、スペクトル補正フィルタ22を固定しつつ、NDフィルタ24を適宜に交換、或いは追加して照射光H3の光量を多段階に調整しながら評価等が行われる。このような場合、NDフィルタ24を交換、或いは追加する度に、反射光H2の混入割合に応じて照射光H3のスペクトル特性が変化してしまい、更には、NDフィルタ24の透過率T1を小さくして光量を大きく減じるほど、照射光H3のスペクトル特性の変化が顕著になる。このように、NDフィルタ24の透過率T1を変えて光量を可変するごとに照射光H3のスペクトル特性が変化してしまうと、評価等で得たデータの信頼性を悪くしてしまう。
なお、図7(A)、及び図7(B)において、線aは、NDフィルタ24使用時の照射光H3のスペクトル特性(装置実測値)をNDフィルタ24を使用しないで測定した照射光のスペクトル特性(装置実測値)で除算することにより求めたNDフィルタ24の透過率平坦性(装置実測逆算値)を示している。また線bは、前掲図3に示したNDフィルタ24の透過スペクトル特性から求めた透過率平坦性(単独実測値)を示している。
これに対して、図7(B)に示されるように、本実施形態の構成によれば、照射光H3への反射光H2の混入が防止されることから、NDフィルタ24が、見かけ上、赤外域の広い範囲で透過率が高くなることがなく、線bで示す単独実測値と略一致させることができる。なお、図7(A)、図7(B)において、波長1000nm〜1100nm付近の線bの凹凸波形は、測定上のノイズと考えられ、無視できるものである。
そこで本実施形態では、スペクトル補正フィルタ22、及びNDフィルタ24のいずれかではなく、両方を光軸K1に対して傾けることで、それぞれの傾斜角度を抑えつつも、反射光H2を光軸K1から大きく逸らすこととしている。
具体的には、図5に示すように、スペクトル補正フィルタ22、及びNDフィルタ24のそれぞれの法線M1、M2と光軸K1とが成す角度を傾斜角度α、βとした場合に、この傾斜角度α、βの大きさ(絶対値)を射入射に伴う透過スペクトル特性のずれが小さい範囲である5度〜30度の範囲としている。
このように配置することで、反射光H2の進行方向の光軸K1からの逸れ量を小さくすることなく、光源装置12の側に戻る反射光H4の進行方向を光軸K1から外すことができる。
このとき、スペクトル補正フィルタ22とNDフィルタ24の傾きの方向を相互に反対にし、略ハの字状に配置しているため、反射光H2の光軸K1からの逸れ量を小さくすることなく、光源装置12の側に戻る反射光H4の進行方向を光軸K1から外すことができる。
これにより、照射光H3のスペクトル特性の設計値からのズレを抑えることができる。
上述した実施形態では、光学フィルタ群15がスペクトル補正フィルタ22、及びNDフィルタ24をそれぞれ1枚だけ備える場合を例示したが、これに限らず、スペクトル補正フィルタ22、及び/又はNDフィルタ24を2枚以上、同一の光軸K1上に備えても良い。
例えば、図8に示すように、上記スペクトル補正フィルタ22、及びNDフィルタ24に加え、青色成分を低減するスペクトル補正フィルタ22を設けることで、夕日に相当する擬似太陽光を照射光H3として照射することができる。
また例えば、図9に示すように、上記スペクトル補正フィルタ22、及びNDフィルタ24に加え、NDフィルタ24を1枚追加することで、更に透過率を低くした調整(低光量化)が可能になる。複数枚のNDフィルタ24を光学フィルタ群15が備える場合には、NDフィルタ24の透過率T1が小さい順に光源装置12の側から光軸K1に配置し、透過率T1が低いNDフィルタ24と透過型インテグレータ光学系13との間の距離Lを大きくする。この理由については後述する。
また上述した実施形態では、NDフィルタ24をスペクトル補正フィルタ22よりも光源装置12の側に配置する構成を例示した。しかしながら、これに限らず、スペクトル補正フィルタ22が赤外波長域の光を低減、又はカット(遮蔽)するスペクトル特性を有している場合には、図10に示すように、当該スペクトル補正フィルタ22をNDフィルタ24よりも光源装置12の側に配置しても良い。
詳述すると、一般に、NDフィルタ24は、ガラス基板に金属膜(クロムやインコネル等)をコーティングして構成されているが、この金属膜が光の熱(より正確にはガラス基板やコーティング材での光エネルギー吸収による熱化)により酸化し、透過率T2が初期状態よりも高くなることがある。
一方、スペクトル補正フィルタ22は、ガラス基板上にSiO2やTiO2などの酸化物の多層膜をコーティングした構造を成しており、表面の膜が元々酸化物であるので熱酸化の影響が少ない。
そこで、スペクトル補正フィルタ22が赤外波長域の光を低減、又はカット(遮蔽)するスペクトル特性を有している場合には、当該スペクトル補正フィルタ22をNDフィルタ24よりも光源装置12の側に配置することで、光源装置12の照射光H3に含まれる赤外波長域の光をNDフィルタ24に入射する前にスペクトル補正フィルタ22で低減できるため、NDフィルタ24への熱負荷を低減でき、劣化による透過率T2の上昇を抑制できる。
3 試料載置ステージ
3A 照射面
10 ランプ
11 楕円反射鏡
12 光源装置(光源)
13 透過型インテグレータ光学系
14 コリメーション光学系
15 光学フィルタ群
16 コリメータレンズ
17 フライアイレンズ
18、20 反射平面ミラー
22 スペクトル補正フィルタ
24 NDフィルタ(減光フィルタ)
H1 放射光
H2 反射光
H3 照射光
H4 反射光
K1、K2 光軸
M1、M2 法線
T1、T2 透過率
α、β 傾斜角度
Claims (5)
- 波長ごとの相対強度を示すスペクトル特性が所定形状の光を放射する光源と、
前記光源の放射光を透過する光学フィルタであって、透過光のスペクトル特性の形状を、当該透過光の波長域における前記光源の放射光のスペクトル特性の形状と異なる他の所定形状に変えるスペクトル補正フィルタと、
前記スペクトル補正フィルタと同一の光軸上に配置され、前記スペクトル補正フィルタの透過光の波長域に亘って透過率が一定の減光フィルタと、を備え、
前記スペクトル補正フィルタと前記減光フィルタとで反射した反射光が前記スペクトル補正フィルタに入射しないように、前記スペクトル補正フィルタ、又は、前記減光フィルタの少なくともいずれかが前記光軸に対して傾けられている
ことを特徴とする照射装置。 - 前記スペクトル補正フィルタと、前記減光フィルタとの各々が、前記光軸に対して互いに反対の方向に傾けられていることを特徴とする請求項1に記載の照射装置。
- 前記光軸に対する前記スペクトル補正フィルタ、及び前記減光フィルタの傾きの大きさが、斜入射に伴う透過スペクトル特性の変化が小さい範囲である5度〜30度であることを特徴とする請求項1又は2に記載の照射装置。
- 前記スペクトル補正フィルタ、及び前記減光フィルタの各光学フィルタのうち、透過率が小さい光学フィルタが前記光源の放射光の入射側に配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の照射装置。
- 前記スペクトル補正フィルタは、赤外波長域の光を低減又はカットする特性を有し、
前記減光フィルタよりも前記光源の放射光の入射側に配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の照射装置。
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