JP6928938B2

JP6928938B2 - 光学測定方法およびその装置

Info

Publication number: JP6928938B2
Application number: JP2019186038A
Authority: JP
Inventors: 貴彦森田
Original assignee: SYSTEMROAD CO., LTD.
Current assignee: SYSTEMROAD CO., LTD.
Priority date: 2018-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2039-10-09
Also published as: JP2020060567A

Description

本発明は、光学測定方法およびその装置に関する。

従来の光学測定方法の一例を図６に示す。
同図に示す光学測定方法においては、複数の光源ＬＳ、被測定物５、検出器６、およびデータ処理部７を備えた装置が用いられる。検出器６は、１チャンネル検出器である。複数の光源ＬＳは、簡単のため、光源ＬＳ１〜ＬＳ３としている。これら複数の光源ＬＳ１〜ＬＳ３の個々から発せられた光Ｌａは被測定物５に入射し、被測定物５からの反射光または透過光Ｌｂが、検出器６に到達する。データ処理部７においては、検出器６から受けたデータに基づき、被測定物５の光学的特性が判断される。

しかしながら、前記従来においては、次に述べるように、改善すべき余地がある。

第１に、複数の光源ＬＳから被測定物５に光を照射させる場合に、従来においては、複数の光源ＬＳを１つずつ順番に点灯させて被測定物５に光を個々に照射し、その反射光または透過光Ｌｂを検出器６で逐一検出させている。このため、被測定物５に照射する光の波長の数を増加させると、トータルの測定回数も増加する。したがって、測定所要時間が長くなり、効率が悪い。
第２に、検出器６および被測定物５には、光源ＬＳからの光に加え、室内光または太陽光などの外光Ｌｃが侵入しうる。この場合、図６の波長と光の強度との関係図に示されているように、光の強度には、光源ＬＳに由来する強度Ｉ₁〜Ｉ₃に加え、外光Ｌｃに由来する強度Ｉ_Bも含まれる。これでは、測定誤差が大きくなる。これを解消するには、検出器６および被測定物５への外光Ｌｃの侵入を防ぐための機構を設ける手段、あるいは外光９による測定強度の誤差をなくすための補正処理を行なう手段を採用する必要がある。したがって、経済的コストが高くなったり、あるいは測定の所要時間（データ処理時間）が長くなる。

１チャネル検出器を用いた光学測定方法としては、前述した図６の方法の他に、たとえば広帯域のスペクトルを有する光源と複数のフィルタを用いる方法や、複数の検出器を用いる方法がある。ところが、これらの方法によれば、多くの機器が必要となり、装置全体のコストが高価となる。

特許第６３７１９２６号公報

本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成により、被測定物の光学的特性を正確かつ迅速に判断することが可能な光学測定方法、およびその装置を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供される光学測定方法は、複数の光源に異なる周波数の強
度変調を与え、前記複数の光源のそれぞれから発せられる光を被測定物に同時に照射する第１のステップと、前記被測定物からの反射光または透過光を、検出器を用いて１チャンネルで受光し、前記反射光または前記透過光の強度に関するデータを取得する第２のステップと、前記データにフーリエ変換を施してパワースペクトルを求め、かつこのパワースペクトルに基づき、前記複数の光源のそれぞれから発せられる光に対する前記被測定物の特性を判断する第３のステップと、を有していることを特徴としている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
第１に、複数の光源を１つずつ順番に点灯させて被測定物に光を個々に照射する必要はなく、複数の光源から被測定物に一斉に光を照射して、その反射光または透過光を検出器で検出させればよく、複数回にわたって測定を行なう必要はない。また、検出器としては、１チャンネル検出器を１つ用いればよい。したがって、測定所要時間を短くし、効率のよい光学測定が可能となる。また、装置構成も簡易なものとし、装置全体のコストも低減することができる。
第２に、検出器や被測定物などに外光が侵入したとしても、この外光は、検出器で得られたデータをフーリエ変換してパワースペクトルを求める際に、このパワースペクトルのデータから実質的に除外される。したがって、測定誤差の精度を高めることができる。また、検出器への外光の侵入を防ぐための機構を設ける必要をなくし、または機構の簡素化を図ることもできるため、装置全体のコストを一層低減することが可能となる。

本発明において、好ましくは、前記被測定物は、薄膜であり、前記第２のステップにおいては、前記複数の光源のそれぞれから発せられて前記薄膜の表面および裏面側界面により反射される反射光の強度に関するデータを取得し、前記第３のステップにおいては、フーリエ変換により反射スペクトルを求め、かつこの反射スペクトルに基づいて前記薄膜の厚みを判断する。

このような構成によれば、薄膜の厚みを簡易かつ正確に判断することができる。

本発明の第２の側面により提供される光学測定装置は、被測定物に光を照射するための複数の光源と、これら複数の光源に異なる周波数の強度変調を与える強度変調手段と、前記被測定物からの反射光または透過光を１チャンネルで受光し、前記反射光または前記透過光の強度に関するデータを取得するための検出器と、前記データにフーリエ変換を施すことにより前記光の強度のパワースペクトルを求め、かつこのパワースペクトルに基づき、前記複数の光源のそれぞれから発せられる光に対する前記被測定物の特性を判断するデータ処理手段と、を備えていることを特徴としている。

このような構成によれば、本発明の第１の側面により提供される光学測定方法を簡易かつ適切に実施することができ、光学測定方法について述べたのと同様な効果が得られる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係る光学測定装置およびこれを用いた光学測定方法の一例を示す概略説明図である。本発明に係る光学測定装置およびこれを用いた光学測定方法の他の例を示す概略説明図である。本発明に係る光学測定装置およびこれを用いた光学測定方法の他の例を示す概略説明図である。本発明に係る光学測定装置およびこれを用いた光学測定方法の他の例を示す概略説明図である。本発明に係る光学測定装置およびこれを用いた光学測定方法の他の例を示す概略説明図である。従来技術の一例を示す概略説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
理解の容易のため、図６に示した従来技術と同一または類似の要素には、従来技術と同一の符号を適宜付すこととする。

図１に示す光学測定装置Ａは、複数の光源ＬＳ（ＬＳ１〜ＬＳ３）、変調用信号生成部２、被測定物５に光を照射するための光出射部３０を有する光路３、被測定物５の透過光を受光する検出器６、およびデータ処理部７を備えている。

複数の光源ＬＳは、たとえば発光波長が互いに相違する単色光源である。
変調用信号生成部２は、複数の光源ＬＳに対し、互いに相違する所定の周波数ｆ１〜ｆ３〔Ｈｚ〕の強度変調用の周期信号Ｓ（Ｓ１〜Ｓ３）を入力させる。このことにより、複数の光源ＬＳは、周波数ｆ１〜ｆ３〔Ｈｚ〕で点灯駆動する。好ましくは、周波数ｆ１〜ｆ３〔Ｈｚ〕は、外光Ｌｃの周波数と比較して十分に高いものとされる。
光路３は、複数の光源ＬＳのそれぞれから発せられた光を光出射部３０に導き、かつこの光出射部３０から被測定物５に光を照射するための部位であり、たとえば光ファイバを用いて構成されている。
検出器６は、被測定物５の透過光を受光し、かつこれを光電変換するものであり、１チャンネルの検出器である。
データ処理部７は、検出器６から出力される信号（データ）を、後述するように、フーリエ変換し、被測定物５の光学特性を判断するものであり、たとえばパーソナルコンピュータを用いて構成されている。ただし、これに代えて、光学測定専用のデータ処理装置として構成されていてもよい。

被測定物５の光透過率を測定する場合には、次のような処理が実行される。
すなわち、複数の光源ＬＳ（ＬＳ１〜ＬＳ３）については、周期信号Ｓ（Ｓ１〜Ｓ３）の入力により、互いに異なる周波数の強度変調を与えた状態で同時点灯させる。複数の光源ＬＳから発せられて被測定物５を透過した光は、検出器６で光電変換されてからデータ処理部７に入力するが、その際の信号（データ）は、たとえば図１の符号Ｄａで示すようなデータである。データ処理部７においては、このデータＤａにフーリエ変換が施され、符号Ｄｂで示すようなパワースペクトルのデータが得られる。このパワースペクトルのデータＤｂは、周波数ｆ１〜ｆ３〔Ｈｚ〕毎の透過光の強度を示しているため、このデータＤｂに基づき、複数の光源ＬＳ１〜ＬＳ３のそれぞれに対する被測定物５の光透過特性（透過率）を判断することができる。

前記した処理によれば、複数の光源ＬＳから発せられる光を被測定物５に同時に照射し、かつその透過光を１つの検出器６で同時に受け、かつデータ処理部７においては、それらを分別している。このため、複数の光源ＬＳの数と同数だけ測定処理を繰り返す必要はなく、測定処理時間の短縮を図ることが可能である。また、検出器６には外光Ｌｃが侵入する虞があるが、仮に、外光Ｌｃが検出器６に侵入したとしても、フーリエ変換後のデータＤｂにおいて、周波数ｆ１〜ｆ３〔Ｈｚ〕の箇所には出現せず、実質的に除外される。したがって、測定精度を高めることもできる。

図２〜図５は、本発明の他の実施形態を示しており、以下に説明する。ただし、図１に示す光学測定装置Ａと同一または類似の要素の重複説明は省略する（図１と同一または類
似の要素には、図１と同一の符号を付している）。

図２に示す光学測定装置Ａａにおいては、複数の光源ＬＳ（ＬＳ１〜ＬＳ３）が被測定物５に対向して設けられており、図１に示した光路３を介することなく、被測定物５への光の照射が可能とされている。
本発明においては、このような構成とすることも可能である。

図３に示す光学測定装置Ａｂにおいては、複数の光源ＬＳから発せられた光Ｌｄは、光出射・入射部３１から被測定物５に照射され、かつ被測定物５からの正反射光Ｌｆが、光出射・入射部３１に入射し、光路３Ａを経て検出器６で受光されるように設定されている。データ処理部７においては、検出器６から受けたデータをフーリエ変換し、たとえば符号Ｄｃで示すようなパワースペクトルのデータが得られる。このデータＤｃに基づき、複数の光源ＬＳ１〜ＬＳ３のそれぞれに対する被測定物５の正反射特性（正反射率）を判断することができる。

図４に示す光学測定装置Ａｃにおいては、光源ＬＳ（ＬＳ１，ＬＳ２）から被測定物５に直接的に光の照射が可能とされている一方、その反射光および透過光は、２つの光入射部３２ａ，３２ｂで受光されるように構成されている。これら光入射部３２ａ，３２ｂで受光された光Ｌｇは、光路３Ｂの光出射部３０から検出器６に到達する。データ処理部７においては、たとえば符号Ｄｄとして示すようなパワースペクトルのデータが得られる。このデータＤｄに基づき、複数の光源ＬＳ１，ＬＳ２のそれぞれに対する被測定物５の光反射率および透過率をトータルした特性を判断することが可能である。

図５は薄膜の膜厚測定装置Ａｄとその原理図を示している。
同図に示す光学測定装置Ａｄにおいては、薄膜５Ａが被測定物とされており、この薄膜５Ａの厚みｔを、反射率分光法と同様な手法により測定可能とされている。より具体的には、光出射・入射部３１は、薄膜５Ａに光Ｌｄを照射する一方、薄膜５Ａの表面からの反射光Ｉ１と、薄膜５Ａの裏面側界面５０からの反射光Ｉ２との双方を含む合成反射光Ｌｈを受光し、この合成反射光Ｌｈが光路３Ｃの光出射部３０から検出器６に到達するように構成されている。データ処理部７においては、検出器６から受けたデータにフーリエ変換を施すことにより、データＤｅとして示すようなパワースペクトル（反射スペクトル）のデータが得られる。また、このデータＤｅは、データＤｆとして示されているように波長と反射率との対応関係を示す干渉波形データに変換される。反射光Ｉ１およびＩ２は、薄膜５Ａの膜厚および屈折率に応じて特定の波長で互いに強め合うまたは弱め合う。それによってデータＤｆの干渉波形に山と谷の構造が現れる。このようなデータＤｆの干渉波形の山と谷の波長、屈折率、光の入射角などに基づき、たとえば最小２乗法により、薄膜５Ａの厚みｔを、所定の演算式を利用して求めることが可能であり、データ処理部７においては、そのような演算処理が実行される。
本実施形態においては、薄膜５Ａの厚みｔを簡易な構成の光学測定装置Ａｃを用いて、迅速かつ正確に測定することが可能である。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る光学測定方法の各ステップの具体的な内容は、本発明の意図する範囲内において種々に変更可能である。同様に、本発明に係る光学測定装置の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更可能である。

光源は複数用いられていればよく、その個数や光源の種類は問わない。光源として、各種の単色光源の他に、Ｓ偏光、Ｐ偏光の光源などを用いることもできる。測定速度を速める手段として、光源に与える強度変調の速度を上げることは有効である。
被測定物の種類、材質などは問わない。

Ａ，Ａａ〜Ａｄ光学測定装置
ＬＳ光源
５被測定物
５Ａ薄膜（被測定物）
６検出器
７データ処理部（データ処理手段）

Claims

複数の光源に異なる周波数の強度変調を与え、前記複数の光源のそれぞれから発せられる光を被測定物に同時に照射する第１のステップと、
前記被測定物からの反射光または透過光を、検出器を用いて１チャンネルで受光し、前記反射光または前記透過光の強度に関するデータを取得する第２のステップと、
前記データにフーリエ変換を施してパワースペクトルを求め、かつこのパワースペクトルに基づき、前記複数の光源のそれぞれから発せられる光に対する前記被測定物の特性を判断する第３のステップと、
を有しており、
前記第２のステップにおいては、前記複数の光源のそれぞれから発せられて前記被測定物の表面および裏面側界面により反射される反射光の強度に関するデータを取得し、
前記第３のステップにおいては、フーリエ変換により反射スペクトルを求め、かつこの反射スペクトルに基づいて前記被測定物の厚みを判断することを特徴とする、光学測定方法。
被測定物に光を照射するための複数の光源と、
これら複数の光源に異なる周波数の強度変調を与える強度変調手段と、
前記被測定物からの反射光または透過光を１チャンネルで受光し、前記反射光または前記透過光の強度に関するデータを取得するための検出器と、
前記データにフーリエ変換を施すことにより前記光の強度のパワースペクトルを求め、かつこのパワースペクトルに基づき、前記複数の光源のそれぞれから発せられる光に対する前記被測定物の特性を判断するデータ処理手段と、
を備えており、
前記データ処理手段は、前記複数の光源のそれぞれから発せられて前記被測定物の表面および裏面側界面により反射される反射光の強度に関するデータを取得した上で、このデータのフーリエ変換により反射スペクトルを求め、かつこの反射スペクトルに基づいて前記被測定物の厚みを判断することが可能な構成とされていることを特徴とする、光学測定装置。