JPH08247936A - 分光分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 検出器に入射される反射光および透過光の光
量差を補償しながら干渉縞を除去した分光分析を行える
分光分析装置を提供すること。 【構成】 試料からの透過光および反射光を検出する検
出器１１と、透過光および反射光を検出器に同時に導く
所定の光路を形成する光学系４、５、６、７、９と、透
過光および反射光の検出器への入力の周期および透過光
ないし反射光に対する光量を設定し、透過光および反射
光を交互に検出器に導く回転チョッパー１０および光量
を減少させる櫛型減光器８と、検出器で得られる反射光
および透過光の電気信号を時間平均化するローパスフィ
ルタ１２と、このローパスフィルタで得られた信号から
スペクトルを求めるように処理するコンピュータ１３と
を備え、回転チョッパー１０および櫛型の減光器８の位
置を調整し、反射光および透過光の光量のバランスを調
整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、板状や薄膜状の試料の
吸収率を測定することにより試料中の成分を定性、定量
分析する分光分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】板状や薄膜状の試料の吸収率測定から
は、分子構造の同定や組成の定量が非破壊できるため、
工程管理、品質管理を目的とした分析手法として工業的
に非常に広範囲に使用されている。しかしながら、しば
しばこのような板状や薄膜状の試料の測定では吸収スペ
クトル上に干渉縞とよばれるバックグラウンドの周期的
な「うねり」が発生し、定性、定量の解析を非常に困難
にするという問題点がある。この干渉縞は、板状や薄膜
状試料の表面と裏面とで光が多重反射するうちに干渉す
るため、光の波長によって試料からの透過率や反射率が
変動することに起因している。

【０００３】この問題の解決法として、Ｓｉ基板などに
対しては、Ｐ偏光に偏光した入射光をブリュースター角
で入射することにより基板表面での反射率がほぼ０にな
ることから多重反射が起こらず干渉縞を除去できるとい
う手法が提案されている（特開平０５−２２８４０５号
公報）。しかし、ブリュースター角は試料の屈折率の関
数であるため、特定の波長領域で試料の屈折率がほとん
ど変化しない場合はブリュースター角入射により干渉縞
を除去可能であるが、試料の屈折率が大きく変化する場
合には干渉縞の除去は不可能である。さらに、吸収ピー
ク前後の波長領域では、一般に屈折率の異常分散とよば
れる屈折率の変動が発生し、吸収が大きいほど異常分散
も大きくなることから、強い吸収を持つ薄膜の吸収率測
定では、ブリュースター角入射による干渉縞除去は応用
できないことになる。このようなことから、実際には、
ブリュースター角による測定は添加物の微弱吸収測定の
みに応用可能なだけであり、一般の有機薄膜や無機薄膜
の基礎吸収測定では応用できないことになる。

【０００４】また、このような一般の試料における測定
で、干渉縞を減少させる他の手法として、試料表面を荒
したり、パラフィンを塗布したりすることにより表面反
射を減少させることも行われているが、このような手法
は試料を一部破壊または汚染するものであるため、品質
管理などに応用することは不可能であった。

【０００５】このような状況のなかで、試料に対して同
一入射角で入射された光子ビームに対する透過光スペク
トルを測定しそのデータを保存した後、反射光スペクト
ルを別に測定してデータを得る、あるいはその逆で透過
光、反射光各々によるスペクトルデータを得、いずれか
に任意の係数を乗じた後に互いを加算することによりス
ペクトルから干渉縞を除去する手法が提案されている。

【０００６】この手法においては、膜厚ｄ、屈折率ｎを
持つ板状または薄膜状の試料に内部入射角θで波長λの
光を入射させると、試料内での多重反射と干渉により、 ｍλ＝２ｎ・ｃｏｓθ の関係に従い、ｍが整数の場合には透過光量の増強と反
射光量の減少が起き、ｍが整数＋１／２の場合には透過
光量の減少と反射光量の増加が起きる。

【０００７】すなわち、この手法では、反射光量および
透過光量の波長依存性は逆の特性を示し、試料内の吸収
がなければ反射光と透過光との光量の和が入射光の光量
と等しくなることを利用し、試料による反射光と透過光
との光量の和を求めることにより、干渉縞を完全に消去
し、試料による吸収スペクトルのみを得ようとするもの
である。

【０００８】しかしながら、この手法では、反射光およ
び透過光を測定する場合、試料から検出器までのそれぞ
れの光学系や光路距離の違いから反射光量と透過光量と
の間で違いが生じてしまい、反射光と透過光とを単に加
算するだけでは干渉縞を完全に除去することは困難であ
った。

【０００９】さらに、一旦反射光を測定してデータをと
ってから透過光を測定してデータをとる、あるいはその
逆の操作を行うなかで手間、時間がかかってしまい、分
光装置や測定状態が経時的に変動する場合の測定や、経
時変化が速い試料に対する測定をおこなう場合は、反射
光および透過光のデータ取得時刻の違いが大きな要因と
なり干渉縞を完全に除去することはできなかった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の問題
点を鑑み、本発明は、屈折率の変化が大きい試料や経時
変化が速い試料に対する測定にも適用でき、また分光装
置や試料の経時的変動に影響されることなく、検出器に
入射される反射光および透過光の光量差を補償しながら
干渉縞を除去した分光分析を行える分光分析装置を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明においては、所定の入射角で光子ビームを入
射された試料からの透過光および反射光を入力して電気
信号を出力する検出器と、入射された光子ビームに対す
る透過光および反射光を検出器に同時に導くように前記
試料と検出器との間で所定の光路を形成する光学系と、
透過光および反射光の検出器への入力の周期を設定する
とともに、検出器に入力される透過光ないし反射光に対
する光量の減少率を設定する設定手段と、前記光路に設
けられ、前記設定手段で設定された周期で透過光および
反射光を交互に検出器に導くとともに、前記設定手段で
設定された減少率で試料から検出器へ向かう透過光ない
し反射光の光量を減少させる光調整手段と、前記検出器
で得られる反射光および透過光の電気信号を、前記周期
に対して時間平均化するローパスフィルタと、このロー
パスフィルタで得られた信号を前記試料の吸収スペクト
ルを求めるように処理する演算手段と、この演算手段で
得られる値に応じて、前記設定手段で設定される周期お
よび減少率を変化させる変化手段と、を具備することを
特徴とする。

【００１２】

【作用】上記構成においては、所定の入射角で光子ビー
ムを入射された試料からの透過光および反射光を、光学
系により、透過光および反射光を検出器に同時に導くよ
うに前記試料と検出器との間に形成された所定の光路を
通し、設定手段により、透過光および反射光の検出器へ
の入力の周期を設定するとともに、検出器に入力される
透過光ないし反射光に対する光量の減少率を設定し、光
調整手段により、前記設定手段で設定された周期で透過
光および反射光を交互に検出器に導くとともに、前記設
定手段で設定された減少率で試料から検出器へ向かう透
過光または反射光の光量を減少させ、この検出器によ
り、透過光および反射光を電気信号に変換し、ローパス
フィルタにより、前記変換された電気信号を、前記周期
に対して時間平均化し、演算手段により、前記平均化さ
れた信号を前記試料の吸収スペクトルを求めるように処
理するが、ここで、変化手段により、演算手段で得られ
る値に応じて、前記設定手段で設定される周期および減
少率を変化させるようにしたため、経時変化が速い試料
に対する測定や分光装置および試料の経時的変動に影響
されることがないとともに、検出器に入射される反射光
および透過光の光量差を補償することができる。

【００１３】

【実施例】次に実施例によって本発明をさらに詳しく説
明する。

【００１４】本実施例は、分散型（走査型）の一般の赤
外分光計にも適用できるが、高分解能を得るのが容易
で、波数精度が高く、広い波数範囲を短時間で測定でき
るなど種々の利点をもつフーリエ変換赤外分光計に適用
した場合を例として説明する。以下、図１に基づいて説
明する。

【００１５】本発明を実施する場合に必要となる装置の
基本構造は、まず赤外光２を発生する光源１と、赤外光
２に強度変調を加えるマイケルソン干渉計のような干渉
計３と、赤外光に対して４５゜に傾斜して設置された試
料基板６と、試料基板６に光を導くミラー４および５
と、試料基板６から反射された光および透過した光を検
出するための赤外光検出器１１と、必要により試料基板
６から反射光の光量を任意の強度に減衰するための櫛型
減光器８と、試料基板６からの反射光と透過光を交互に
検出器に導くために透過光を反射するためのミラーをも
つ回転チョッパー１０と、チョッパー面へ試料基板から
の透過光および反射光を導くミラー７、９と、検出器１
１からの電気信号からチョッパーによる変調周波数以下
の周波数成分のみを通過するローパスフィルタ１２と、
ローパスフィルタ１２からの電気信号からスペクトルに
変換し、チョッパーと櫛型減光器の位置を調整し、干渉
計を制御するためのコンピュータ１３とから構成され
る。

【００１６】このような構成の赤外分光装置により、測
定は次のようにして行う。

【００１７】光源１を発した赤外光２は、コンピュータ
１３で制御された分光用の干渉計３で強度変調された
後、２枚のミラー４、５により試料基板６に斜めに入射
される。試料基板６に入射した赤外光２は、試料基板６
内で多重反射を繰り返しながら吸収された後に、透過光
および反射光としてそれぞれの方向に出射される。反射
光および透過光ともそれぞれ１枚のミラー７、９により
回転チョッパー１０に導かれる。回転チョッパー１０
は、円盤状回転体に切込みをいれ羽を形成したものであ
り、反射光は光路上に回転チョッパー１０の羽がないと
きに回転チョッパーを通過し、赤外光検出器１１に入射
し検出される。一方、透過光は光路上に回転チョッパー
１０の羽がある場合に、羽に取り付けられたミラー面で
垂直方向に反射され赤外光検出器１１に入射し検出され
る。従って、回転チョッパー１０が回転することによっ
て、透過光および反射光がある周期に従って交互に赤外
光検出器に導かれ検出される。

【００１８】反射光量と透過光量とのバランスを調整す
るには、回転チョッパーの形状が図２に示すように、透
過部と反射部との面積が等しい場合には、反射光側か透
過光側のいずれか一方の光路に図３に示すような櫛型減
光器８を挿入し、その位置をコンピュータ１３によって
図１に示す矢印の方向に制御することにより光が通過す
る部分の面積を変化させて光量を調整し、透過光側と反
射光側の光量のバランスを調整することができる。ま
た、回転チョッパーの形状が図４に示すように、透過部
と反射部の面積比が異なりかつ光路位置によって両者の
面積比が変化する場合には、回転チョッパーの位置をコ
ンピュータ１３により図１に示す矢印の方向に制御する
ことによって、光路位置をかえ両者の面積比を変化さ
せ、透過光側と反射光側の光量のバランスを調整するこ
とができる。なお、反射光側と透過光側の光学系がまっ
たく等価であれば、原理的に双方の光量のバランスを取
る必要はないが、実際に異なる光路でまったく等価な光
路を実現することは不可能であるため、光量のバランス
を取ることが必要となる。

【００１９】以上のように赤外光検出器に透過光および
反射光が入射させる結果、いずれの種類の回転チョッパ
ーであっても、赤外光検出器１１の出力は干渉計３と回
転チョッパー１０で変調された交流の電気信号となる。
干渉計３による変調は、マイケルソン干渉計の場合には
反射鏡の移動速度υにより定まり、波長λの赤外光は振
動数２υ／λで変調され、干渉計によって異なった周波
数のそれぞれの波長の赤外光が変調された多重化した光
となる。従って、分析する赤外光領域の長波長側と短波
長側それぞれの両端に対する干渉計３による変調周波数
帯域をｋ₁ 〜ｋ₂ （ただし、ｋ₁ ＜ｋ₂ ）とすると、回
転チョッパー１０による変調は、その変調周波数ｋ₃ と
すると、ｋ₃ ＞ｋ₂ の関係を有していなければならな
い。これらの変調は、例えば、干渉計の反射鏡の移動速
度や回転チョッパーの回転速度を変化させることにより
変更することができるが、以上の関係を保つようにコン
ピュータ１３により制御される。

【００２０】赤外光検出器１１からの電気信号は、ｋ₂
以下の周波数を通しｋ₃ 以上の周波数をカットするロー
パスフィルタ１２を通すことにより、反射光強度と透過
光強度との時間平均化された信号に変換され、コンピュ
ータ１３に送られる。コンピュータ１３では干渉計３に
よるｋ₁ 〜ｋ₂ の変調周波数に従って電気信号がフーリ
エ変換され通常のスペクトルに変換される。

【００２１】また櫛型減光器８またはチョッパー１０の
位置の調整はフーリエ変換前のインターフェログラムに
観測される干渉縞起因のサイドバーストが最小になるよ
うに、またはフーリエ変換後のスペクトル中に発生した
干渉縞が最小になるようにコンピュータ１３により調
整、制御される。

【００２２】このように、透過光と反射光の検出までの
光路を対称形の光学系として反射角や光路長を同一とす
るとともに、さらにミラーの個体間差や光路の僅かな違
いや経時変化による両光路の光量のバランスを干渉縞が
相殺されるように測定中に迅速に調整しながら反射光と
透過光を交互に検出し、それらの信号を時間平均化を行
うことによってスペクトル上に発生する干渉縞をほとん
ど除去することが可能となる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によると、スペクトル上に発生す
る干渉縞が除去され、屈折率の変化が大きい試料や経時
変化が速い試料に対しても測定可能な分光分析装置が提
供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の分光分析装置の構成を示す説明図。

【図２】透過部と反射部との面積が等しい回転チョッパ
ーを示す平面図。

【図３】櫛型減光器の平面図。

【図４】透過部と反射部の面積比が異なりかつ光路位置
によって両者の面積比が変化する回転チョッパーの平面
図。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 赤外光 ３ 干渉計 ４、５、７、９ ミラー ６ 試料基板 ８ 櫛型減光器 １０ 回転チョッパー １１ 赤外光検出器 １２ ローパスフィルタ １３ コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 章 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の入射角で光子ビームを入射された
   試料からの透過光および反射光を入力して電気信号を出
   力する検出器と、 入射された光子ビームに対する透過光および反射光を検
   出器に同時に導くように前記試料と検出器との間で所定
   の光路を形成する光学系と、 透過光および反射光の検出器への入力の周期を設定する
   とともに、検出器に入力される透過光ないし反射光に対
   する光量の減少率を設定する設定手段と、 前記光路に設けられ、前記設定手段で設定された周期で
   透過光および反射光を交互に検出器に導くとともに、前
   記設定手段で設定された減少率で試料から検出器へ向か
   う透過光ないし反射光の光量を減少させる光調整手段
   と、 前記検出器で得られる反射光および透過光の電気信号
   を、前記周期に対して時間平均化するローパスフィルタ
   と、 このローパスフィルタで得られた信号を前記試料の吸収
   スペクトルを求めるように処理する演算手段と、 この演算手段で得られる値に応じて、前記設定手段で設
   定される周期および減少率を変化させる変化手段と、を
   具備することを特徴とする分光分析装置。