JPS59104521A - 結晶体の赤外特性測定用光学系装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は平行型光学系を用いたフーリエ変換１黄外分
光装置に関する。

（ア）従来の分光器 物質の光学的特性、たとえば、光の透過率、吸収率は、
従来、回折格子、プリズムを用いた分光器を用いて測定
される。

プリズムは、屈折率分散を利用して、異なる波長の光を
、異なる角度へ屈折させ、それぞれの波長の光を得る。

回折格子は、反射回折格子、透過回折格子があるが、い
ずれも、等間隔、平行に多数の線を引いで格子を作製し
ている。格子間隔ｄと、光の波長ｌＡが一定の条件を満
す回折角θの方向へ、波長λの光が回折される。

回折格子は、大きな分散能と分解能を得ることができる
。遠紫外部や赤外部のスペクトルを観測するのにも用い
る事ができる。

従来の分光器は、白色光源と、この光を分散させる回折
格子、プリズムと、分けられた光を試料に当て、透過光
を測定する検出器とよりなる。

これらは、白色光源に含まれる光をある狭い波長範囲（
１て分けて取出し、試料に当て、波長ごとの透過、吸収
ｔｍｍ測測定る。

実際に（−ｉ、光束を２木に分け、一方の光路にはサン
プルを入れ、他方はサンプルを入れないようにし、それ
ぞれの光の強度を測定し、サンプルを通過した光（サン
プル光）と、空気中を通過した光（リファレンス光）の
比をとる。すると、直接、透過、吸収の測定値を得るこ
とができる。

このような分光測定方法は、光源の光をスリラミｔ通し
てから回折格子に当て、各波長ごとの光土分けてから試
料へ照射する。狭いスリットを通十九光であるから、弱
い光である。試料に十分強い光を当てることができず、
当然感度が悪い。

特に、透過率の小さい試料に対しては、あ寸り辰坏°結
果を与えない。

：Ｌかし、従来は、赤外光学材料の光学特性は、１、　
Ｎような回折格子を用論だ分光学的測定によって測定さ
れた。

（イ）フーリエ変換型分光器 フーリエ変換型分光型が着想されだの（ｒｌ数十年前で
ある。しかし、実際に装置が作られて使用されてから、
未だ５年足らずである。

フーリエ変換型夜光型は回折格子やプリズムにより、空
間的に光を分解するのではない。

干渉計を使用し、干渉光を試料に当て、試料を透過した
光を検出する。干渉計は光をビームスプリッタ−で２木
の光束に分け、それぞれをミラーで反射させた後、再び
１本の光束とする。

一方のミラーは固定されており、他方のミラーは可動ミ
ラーである。可動ミラーは光軸と平行な方向に往復運動
している。

可動ミラーの往復運動の中心からの変位ｋｘとすると、
波数νの光に対し、可動ミラーで反射された光の位相は
、４πνＸだけずれる。

波（攻νの光の振幅をＢ（ν）とする。

固定ミラーで反射された光の全波数についての４振幅は てもられされる。

可動ミラーで反射された光は となる。これらの光が合体して、試料に入射する。

波数νの光成分につめて、吸収があって、振幅がＣ（ν
）になったとすると、（１）、（２）式でＢ（ν）をＣ
（ν）に置換した波動が得られる。検出器では、両方の
波動の和の二乗を検出するから、出力ｌ５（ｘ）ｉｄと
なる。

（３）式の内の第１項は定数であるが、第２項は、Ｘの
関数である。これは透過光の各波数νについての強度Ｉ
Ｃ（ν）１２のフーリエ変換になっている。

可動ミラーを動かして、ある一定変域での全てのＸの値
（（ついて１（ｘ）を得る事ができれば、１５（ｘ）轡
オーリエ逆変換して光強度ＩＣ（ν）１２を求める事が
マきる。

フーリエ変換型分光器は、このように、スリットや回折
格子を用いない。全ての波数成分を含む「色光を試料に
当て、透過光１５（ｘ）を求め、逆フーリエ変換して、
ＩＧ（ν）１２を求める。

スリットヲ通さないから、強い光源の光をその−ま＼試
料に照射する事ができ、暗い試料、つまり透過率の低い
試料であっても、精度良く光特性の測定を行うことがで
きる。

しかし、実際には１（ｘ）を記憶させて、とのデ−タか
らフーリエ逆変換するので、コンピュータを用いなけれ
ば実行不可能であった。

可動ミラーは、１回変域内を動くと、１（ｘ）を得るが
、これでＬ／ｉ−比が低いので、何十回、何目回と可動
ミラーを往復運動させる。１回動くごとに、ｌ５（ｘ）
の全データ’ｆ　ｆｌるから、Ｎ回動くと、−比がＪＦ
Ｑ−倍（で向上する。

各Ｘについての透過光強度Ｉ　ｓ　（ｘ　）のデータを
全て記憶させるが、このデータは属人である。Ｎ回動か
すと、さら（（Ｎ倍になる。

性能のよいコンピュータが利用できるようになって、フ
ーリエ変換型イチ光器がはじめて実現可能なものになっ
てきた。

］れが、未だ５年を経ていない。現在のところ、末叫広
く普及していない事もあって、もっばら有償？１合分の
赤外特性測定に用いられている程度である。

誼とえばポリエチレン薄膜のように、有機化合物慎、薄
膜にして測定する。

ｈｌれまで、フーリエ変換型分光器は、第４図に示すよ
うな、フォーカス型の光学系が使用されてきだ。フォー
カス型というのは、測定試料の内部の一点に光束を集束
させる光学系のことを言う。

試料の中へ光を集めるので、強い光強度を得ることがで
きる、という長所がある。

試料が薄膜であればフォーカス型の光学系で良い。しか
し、厚膜、又は結晶で厚みのあるものが試料の場合、フ
ォーカス型には、新しい欠点が現われる。

光源２１は白色光源で赤外光を出す。

光源２１け出射された光束２２は、光源部ミラー光学系
２３で、先にのべた干渉波となり、絞られて、試料２４
に入射する。

光源部ミラー光学系２３は、ビームスプリンタ、ミラー
（固定、可動）などの干渉計と、光全導くだめのミラー
を含むが、最後には光を絞って試料・２４に入射するよ
うにしてＡる。

鋸料２４ヲ出たサンプル光２５は検出部ミラー光学係Ｖ
６を経て、検出器２７に入る。

集光点け、試料２４の中央又１ｄ前方にある。

赤外特性を測定しだい試料として、 １、　半導体材料 Ｇｅ、Ｓｉ、Ｚｎ５ｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓなど夏　イ
オン結晶材料 にＣ１、にＢｒ、ＮａＣｎ、ＡｇＢｒ、ＡｇＣ＃などな
どがある。これらの材料は、従来の回折格子を用いた分
光器で光特性が測定されているが、フーリエ変換型分光
器によって測定されたことはないように思う。

これらの材料は、必ずしも薄膜とは限らない。

厚膜である場合もあり、直方体状である場合もあろう 試料の厚み、材料そのものの屈折率等により、従来のフ
ォーカス型光学型を用いたフーリエ変換型分光器では、
これら赤外光学材料の特性評価を正確に行うのは難しい
。

第５図はＺｎ５ｅ結晶の４００　”−４０００ｃｍ　’
に於ける透過率の測定結果を示すスペクトル図である。

横軸は波数ν（ｃｍ’）、縦軸は透過率（％）を示す。

Ｚｎ５ｅは１０　ｍＩＩＸ　１０　ｔｎｍの断面で、長
さが２０．０１体の試料・′であった。長手方向を光軸
方向に平行に置いた。

図に示されたスペクトル曲線Ａがフォーカス型光ｈ”系
（でよる測定結果を示す。

ＩＺフォーカス型光学系よるスペクトル曲線Ａｌ１−１
：、波数が４０００ｃｍ　’から８００ｃ＋＋＋’に至
るまで透過率が増大してゆくようになっている。つまり
、光の波葺胞短くなるに従って、透過率が減少してゆく
。

し−かしながら、これは材料・の本質的特性ではな゛呵
、゛実Ｗ　ＶＣｌ４０００ｚ−’　〜８００ｃｍ　’で
透過率がほぼ一定である事が知られて因る。これ（は、
従来の回折格子を用いる分光器による測定によって知ら
れているわけである。

フォーカス型光学系の欠点は、このスペクトル図によっ
て如実に示されろう 原因全考察した。

（＋ｌ　　試料・の長手方向の厚みｄが大きいと、試料
内で光束が著しく散乱されるということがある。

試料内を通る光路が長く、かつ光線は試料の端面と必ず
しも直角ではないからである。

試料内で、光線が試料側面に当ると内部反射することが
多く、しばしば全反射も起りうる。

内部で反射を繰返した光は散乱光となって、検出器に到
達しない。

（２）一般に、赤外材料は、赤外光に対し屈折率の大き
いものが多い。屈折率ｎば２以上である事が多い。光線
が材料に入射する際、光線と面と力晒」でない場合、犬
きく屈折する。

フーリエ変換型分光器の場合、試料を光路上に買いだ状
態（サンプル状態）で、可動ミラーを何回も往復運動さ
せてテークを収集する。試料が光路」二にない状態（ブ
ランク状態）で同じ券作をしてテークを収集する。それ
ぞれをフー％ｌ工変換して、平均し、比をとるわけであ
る。

同時に、２つの光束を（サンプル光、リファレンス光）
を検出して比をとる、従来の回折格子による分光器と異
なる。

屈折率が大きいと、試料がある場合とない場合とで、光
束の経路が異なる。経路が異なれば、同−位誼にある検
出器に到達する光量が異なる。

一方の光束が検出器上でアウトオグフォーカスとなって
し捷うからである。

屈折率（ｄ一定ではなく、波長による。従って波数νに
より屈折率が異々す、波数が異なると経路が異なり、こ
のため４０００ｃｍ’〜８００ｃｍ　’でのみかけの透
過率変化があられれるのであ−る。

（り）凹面ミラー光学系 フーリエ変換型分光測定に於けるフォーカス型光学系の
もつ難点を解決するには、平行光を試別に照射する平行
型光学系を用Ａれば良いと本発明者は考えだ。

上点に収束する光を途中でさえきって平行光にｔａので
あるから、凹面ミラーを用いればよいはナヤある。

第３図は、凹面ミラーを用いた平行型光学系構箇胤であ
る。

朔源側光束１１は、０点に収束すべき光束である。

光重！１１に対しや＼斜めに平面ミラー１２を置き、こ
れによって光束を反射する。収束点ｑ、ができる。

凹面ミラー１３を焦点が収束点ｏ１に合致するよう設け
る。

凹面ミラー１３の前方に置かれた試料１４には、平行光
１５と々つて光が入射する。

試料１４を透過した光は、凹面ミラー１６で反射され、
ｏ２で収束し、平面ミラー１７で検出器側１８へと反射
される。

第２図ばＺｎ５ｅを試料とし、吸光度を波数（ν）の函
数として赤外スペクトルを測定した結果を示すグラフで
ある。

スペクトル曲線Ｂが凹面ミラー光学系によるものである
。

横軸は波数ν（ｃｍ’）、縦軸は吸光度を示す。

赤外領域の波数が２４００ｃｍ’から、６００４Ｊ　’
の間で測定している。Ｚｎ５ｅ試料は１０　ｍｍＸ　１
０　ｍｍ×２０　ｍｍで長手方向を光軸と平行にしだ。

１２図において、スペクトル曲ｉＢは、２２００〜ｇＤ
ｏｃｍ　’にかけて、吸光度が過大である。Ｚｎ５ｅ＊
ｔ＞’、−，で、吸光度は、２４００〜８００ｃｍ−１
にかけ、波軒六、ともに、はぼ一様に減少することが知
られて典凶１゜凹面ミラー光学系による測定は、みかけ
上、吸光１度がある領域で過大になる。

凹面ミラーを用いる平行型光学系の欠点は凹面ミラーに
光学的収差があり、検出器の上へ、正確に光束を絞りき
れない。

（２）吸光度の絶対値評価が不可能である。

（３）　　吸収スペクトルの微細構造評価の定量性、正
確性に欠ける。

（４）特定波長に於る、吸収係数との正確な対応っけが
難しい。

（５）　　これらの難点は特に、高分解能（分解能４ｃ
＊’以下）測定に於て、特に顕著にあられれる。

（６）試料の大きさにもルリ限が加わる。上記の欠点は
、５　ｍｍ以上の厚さく光軸方向に）の試料に於て著し
い。

このように、凹面ミラーによる平行光学系には、いまだ
欠点があった。

（１）凹面ミラーの収差 本発明者は凹面ミラーの収差のだめ、完全な平儲頼が得
−られない、のであろうという事に気づい九１ｄ １１９面ミラーの半径をＲとする。

乙の場合、焦点距離はＲ／２である、と思われる滲τが
多い。

厳密に（はそうでない。焦点距離が−として、＋−＋−
＋義的に決脣るのは、凹面ミラーに立てた法線に介９近
軸光線に対してだけである。

法線に対して、角θをなす方向から凹面ミラーに入射す
る光線（（ついて、焦点距離は２つに分離する。

第６図、第７図は凹面鏡に対して、入射角θをなして入
射し、反射される光線について焦点を求めるだめの図で
ある。

平行光が凹面鏡Ｍに対し、入射角θで入射する。

凹面鏡の入射点０に於ける接平面上にＹ軸、Ｚ軸をとる
。ＯＫ於ける法線をＸ軸とする。

入射光線ｉｄ、Ｘ軸とθをなし、２方向に平行に拡って
いる。横方向成分とよぶ。

第７図のようにｙ軸方向からみると、近軸平行光とみな
せるので、焦点距離は、Ｘ方向にシ。であり、反射され
たθ方向の実際の長さは″・”２−＝−０ （４） と・）る。／２はＸｚ平而面の焦点可での正射影であり
　反則方向がθであるからである。

軸方向にひろがった平行光（これを仮に横方向成分とい
う）について焦点距ｐｉ１１．　Ｆ　ｔが求１つだ。

＾に、光線と直角でしかもＺ軸にも直角な成分函ついて
の焦点距離Ｆｌ（仮に縦方向成分という）１求める。

第８図は、ｘＹＸｆＬ［Ｔｉ１ｉテ平行な２光東Ｐ、　
Ｐ’　）収束する点、すなわち焦点Ｆ、６に求めるだめ
の図である。

光束Ｐは中心０で反射し、θ方向へＨ，Ｆと進む。

光束Ｐ′は、中心Ｏよりそれたへ点で反射し、Ａ、Ｆ′
＼と進む。反射角はθではない。線分ＡＣに対しＰ’Ａ
と、ＦＡは対称である。

Ｆｉは、反射光の交点で、これが焦点Ｆ６である。

１」ハ、点ＡからＯＦへ下した垂線の足である。

１０ＣＡ　−η　　　　　　　　　　　　　（５）とす
る。ηは微少角である。

反射光は、鏡面の面のかたむきに対し、２倍ふれるから
、 １０ＦＡ　＝　２η　　　　　　　　　（６）である。

１０ＡＦ＝−−２η＋θ　　　　　（７）である。

０Ａ＝７Ｒ（８１ であるから、△ＯＡＦに対して正弦定理を使って、であ
る。（８）、（９）より ＯＦ＝　　　ｃｏｓθ　　　　　　　　　　　　　　　
（１０）全ｆ１ノる。つ−庄り、縦方向成分の焦点距前
−Ｆβが求−イつ／こ。

である。

近軸光線であＩ］ば、θ−＝Ｏ−Ｃちり両者１ま合致す
内。

丸Ｓ縦方向が短くなる。

一＋４／恥に食いちがう。第４図のように、０点に収束
すべき光線を側方へ平面ミラーで取出してｂるもので（
げ、凹面ミラーの焦点ｔ、ｏ、、ｏ２に合わせることが
できない。

「０、「ｌは分６１１ｆ、、するので、試別・１４に照
射される光１５は厳密に平行ではない。

このような収差のだめに、−吸光度の（みかけ土の）過
大な値が得られたものである。

（オ）放物面ミラ一 本発明者は、そこで放物面ミラーを用いる事にしだ。

第１図（−′ｉ放物面ミラーを用いた本発明の平行型光
学系の構成図である。

光源はグローパー光源を用いた。

検出器はＩＶＩｃＴ（水銀カドミウムチルライド）を用
いた。

第１図に於て、光源側光束１は、フーリエ変換型分光測
定であるので、干渉計を経由した光であ冴門 り束１は０点に収束すべき光である。光束ｉＫ、ｉ：　
ｉｔ、、、やや斜めに平面鏡２に置き、放物面ミラー３
に入射させる。光の収束点ＯＩが放物面ミラ−３ノ焦点
に一致しているようにする。

試料４は、放物面ミラー３の前方に置かれてい１ｏ放物
面三ラー３の反射光は平行光５となって試料４に入射し
、透過酸（・１吸収される。

傭行光５は、もう一方の放物面ミラー６にによ烈ｌ系射
され、焦点０２に結像する。これを平面ミラ′７で反射
し、検出器側８へと伝送する。

放物面ミラー３．６の間で（１、ひずみのない平行光で
ある。

本発明はこのように、放物面ミラーを用いて平行光全作
り、試料に照射するようにした光学系（（特徴がある。

放物面は、焦点と、準線とによって定義される放物線を
、焦点を通る中心軸のまわりに回転したものとしても定
義できる。厳密に定義できる図形である。

焦点に光源を置くと、放物面で反射された光は、全て平
行光となる。凹面ミラーのように、縦横の収差がなめ。

（力）本発明の効果 ｆ＋）　　光学的収差のない平行光が得られ、これを試
料に照射するから、散乱、高屈折率による反射などの問
題がない。このため、平行光束が、試料透過後、一点に
収束し、検出器の受光面に正しく集光される。サンプル
状態とブランク状態化光路差がないからである。

１　高分解能測定Ｏておいて、吸収スペクトルの微細贋
造評価の定量性、正確性の向上に著しく／−１効囚があ
る。

第２図においてスペクトル田１線Ａば、本発明め放物面
ミラーを用いた平行型光学系による測定結果を示す。吸
光度は、２４００　ｔｘｎ　’　〜８００　ｃｍ　’に
至るまで、一様（、て下降する。

試）ｓ（−ｂま前述のと同じＺｎ５ｅで、１０　ｍｍ　
Ｘ　１０　ｍｍ　Ｘ　２０　ｍｍの寸法のものである。

放物面ミラーの焦点距離は３６．５　Ｍのもの全使った
。光束の入射、反射光の挟角は６０°であった。試料４
を照射する平行光は２２朋φの光束である。

（３）光学的収差がなく、収差の波長依存性もなめから
、吸光度の絶対値評価が可能である。再現性が良好であ
る。

（４）特定波民における吸収係数との正確な対応づけが
可能とガる。

（５）試料が厚くても、本発明を適用できる。５０ｍｍ
以上の長さを光軸方向に持つものでも測定できる。

（キ）測定対象 本発明はフーリエ変換型分光測定の対象となる、坐ニの
赤外材料の光学特性測定に用することがで湿る。

半導体材料 Ｓｉ、Ｇｅ１ＺｎＳｅ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅイオン結晶
材料 ＫＣＩＪ、ＮａＣ１，にＢｒ、にＣ１、Ｃ３ｌＣｓＢｒ
、ＬｉＦｌＡｇＣｎ ＡｑＢｒ、ＡｇＣｎｘＢｒ（＋−ｘ） ＫＲ５−５（’ＴβＢ　ｒ　ｘ　Ｉ　＋−ｘ）にＲ５＝
６（ＴｎＣｌｘＳｒ（＋−Ｘ））Ｔ＃ＢｒＸＴ１２０１
！ （３）　　アルカリ土類ハライド材料 Ｍ　ｇ　Ｆ　２　、Ｂ　ａ　Ｆ　２、ＣａＦ２

【図面の簡単な説明】

第１図は放物面ミラーを用いて平行光を試料に照射する
ようにした本発明の実施例を示す平行型光学系構成図。 第２図はＺｎ５ｅを試料とし、フーリエ変換型分光光度
測定をしだものの結果を示すグラフ。スペクトル曲線Ａ
が本発明の放物面ミラーによる光学系を用いたもの、ス
ペクトル曲線Ｂが凹面ミラーによる光学系を用いたもの
の結果である。 第３図は凹面ミラーを用いた平行型光学系の構成図。 Ｔ４図（−フォーカス型光学系を用いる従来の測取す置
の構成図。 あ５図はフォーカス型光学系を用いたフーリエ変換型分
光光度計の透過率測定結果を示すグラフ用渇泡。波数を
横軸（ｃｍ’）とし、縦軸は透過率（・句を示す。 第６図は凹面鏡で、入射角θで入射する光線の、光線と
入射点より立てた法線のいずれにも直角な方向から見だ
鏡、光線の略図で、光線と法線［直角な方向への拡り成
分（横方向成分）の焦点距離を求めるだめのもの。 第７図は第６図と同じものを法線と光線を含む面上から
みだ略図。 第８図は凹面鏡で入射角θで入射する光線の光線と入射
点より立てた法線のいずれにも直角な方向から見た鏡、
光線の略図で、光線と法線とを含む面内での拡り成分（
縦方向成分）の焦点距１！ＩＩ＊求めるだめのもの。 １　、、、、、、、、、、、、、、、、、、光源側光束
２　、、、、、、、、、、、、、、、、、平面ミラー３
・・・・・・−・・・・・・・・・放物面ミラー４・・
・・・・・・・試　　刺 ５・−・・・・・・・・・・平　行　光６　・・・・・
−・・・・・・・放物面ミラー７・・・・・・・・・・
・平面ミラー ２１・・・・・−・・・光　　　源 ２２・・・・・・・・・・・・・・・・・光　　　束２
３・・・・・・・・・・・・光源部ミラー光学系２４・
・・−・・・・・・・試 ２５°゛°°°°°゛°゛゛サンプル光２６−・・・・
・・・・検　出　器 第４図 第　７　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. フーリエ変換型分光器において、光源からの光束を放物
   面ミラーによって平行光とし試料に照射することを特徴
   とする結晶体の赤外特性測定用光学系装置。