JPS61281947A - 光物性測定装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、固体、液体および気体の物性を光学的に測定
する光物性測定装置に関し、特に、試料の種々の特性分
析１例えば単分子累積膜の形成に際し、累積すべき液面
上に展開された単分子層の特性分析等の基礎となる光吸
収特性の測定装置に関する。

［従来の技術］ 従来、ある試料の光吸収特性を測定する方法としては、
透過率又は反射率から光吸収特性を求める方法がある。

しかし、試料に光が照射された場合、透過光、反射光の
他に散乱光があり、更に高精度を期すためには光の吸収
成分を直接測定する方法が光吸収特性評価上重要となる
。

光の吸収成分を直接測定する方法としては、断続的に光
を照射すると、試料に吸収された光エネルギーが無輻射
緩和過程により、断続的に熱に変換されることを利用し
た測定法である光音響分光法（Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔ
ｉｃ　５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：　　ＰＡＳ　）や光
熱輻射分光法（Ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ　Ｒａｄｉｏ
ｍｅｔｒｙ：　　ＰＴＲ）がある。

ＰＡＳ法は、検出器の種類によりマイクロホン法と圧電
素子法に分けられるが、マイクロホン法では試料を密閉
した試料室にいれる必要があり、圧電素子法では検出器
と試料の配置が問題となり、いずれも液面上に展開され
た薄１模の測定の様な、特異な環境下にある試料の測定
には不向きである。また、　ＰＴＲ法は、赤外線検出器
を用いていることから、水蒸気等の大気変動の影響を受
けやすいという欠点がある。

一方、やはり光の吸収成分を直接測定する方法として、
光熱偏向分光法（ＰｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌＤｅｆｌｅ
ｃｔｉｏｎ　５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：　　ＰＤＳ　
）と言われる方法がある。このＰＤＳ法は、試料の光吸
収による発熱と共に、試料内及び試料近傍に温度分布が
生じて屈折率が変化し、これによってそこに入射する光
が偏向することを利用したものである。即ち、試料の測
定部位に、光吸収されたときに発熱による温度分布を生
じさせて屈折率を変化させる励起光と、これによる偏向
量を測定するためのプローブ光とを照射し、励起光の波
長とプローブ光の偏向量とから試料の光吸収特性を測定
するものである。この方法は、試料と検出系が独立に設
定でき、現場での計測や遠隔計測に適している。このＰ
ＤＳ法は、励起光とプローブ光の配置によって、横方向
（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ）型と縦方向（ｃｏｌｌｉｎｅ
ａｒ　）型の２通りがあり、いずれも上記のように試料
の励起光吸収量に応じたプローブ光の偏向量を測定する
もので、検出器に位置敏感検出器（ＰＳＤ）を用いるこ
とが多い。

第８図（ａ）は縦方向型の例で、励起光源８１より出た
励起光８２は、チョッパー８３で断続光となり、レンズ
８４で集束されて試料８５に照射される。一方、プロー
ブ光源８６より出たプローブ光８７は、レンズ８８およ
びミラー等からなる光路調整器８９により、励起光８２
が照射されている前記試料８５の領域を通過させられ、
検出器９０へと至り、破線で示されるように偏向したと
きの偏向量が測定される。

第８図（ｂ）は横方向型の例で、プローブ光８７が試料
８５の表面に平行に照射される点が縦方向型と相違する
だけで他は同様である。

このＰＤＳ法の理論的取扱いは、試料内の熱伝導方程式
を解けばよく、偏向角φとして測定される偏向量は、励
起光強度、屈折率の温度係数（ｎ／Ｔ　）　、プローブ
光の通過する領域での温度勾配（Ｔ／り等に比例するこ
とになる。試料の光吸収係数に比例する項は（Ｔ／りに
含まれる。また（ｎ／Ｔ　）は、試料によっては正負い
ずれかの値をとり得、このことは偏向角も正負両方の場
合があることを示している。

第９図は、１次元ＰＳＤの構造例を示す縦断面図である
。第９図において、１次元ＰＳＯは、平板状シリコン８
１の表面にＰ層の均一な抵抗層９２を構成し１両辺にそ
れぞれ電極ＸＩ　およびＸ２が配設され、裏面の８層９
３には共通電極８４が配設されている。

第１０図は、その動作原理を示す模式図である。

光Ｑの入射位置に対応させた光生成電荷は、そのエネル
ギーに相当する光電流として前記抵抗層９２に達し、そ
の位置Ｑと両端の取出し電極ＸＩ　　。

ｘ２までの距離に逆比例して分割され、各電極から出力
される。入射光による光電流をＩ［とすると、電極ＸＩ
、Ｘ２から出力される電流ＩＸＩ。

ＩＸ２は、 Ｉ　ｘ＋＝　　Ｉ　Ｌ　　°　ＲＸ２／　　（ＲＸｌ＋
　ＲＸ２）ＩＸ２＝　　ＩＬ　　°　ＲＸＩ／　　（Ｒ
Ｘｌ＋ＲＸ２）となり、さらにＸｌ−Ｘ２間の抵抗は均
一の分布を保っているので、ｘ、−ｘ２間の抵抗と長さ
しとの間に次の各式が成立する。

ＲＸｌ＋ＲＸ２＝Ｌ ＲＸＩ＝Ｘ Ｒｘ２＝Ｌ−ｘ このため、各電極から取り出される信号はＬとＸで表わ
され、 ｌＸ１＝ＩＬ　　・（Ｌ−ｘ）　／Ｌ ＩＸ２＝ＩＬ　　°ｘ／Ｌ のようになる。即ち、光の入射位置と光強度の情報がＸ
Ｉ、Ｘ２の電極に得られることになる。

さらにＩＸＩとＩＸ２の和と差の比をとり、これを位置
信号Ｐとすれば、 が得られ、Ｘ＝ＯからＬに対応して、 ｘ＝ｏ、　　Ｐ＝１ Ｘ＝３＋、　　　Ｉ’＝。

ｘ＝Ｌ、　　　Ｐ＝−１ のように、光強度変化に無関係な位置信号が連続で得ら
れることになる。

以上は１次元の場合であるが、２次元の位置検出器につ
いても同様に考えられ、第１１図に示される動作回路の
ブロック図により、位置信号が求められる。

ここで、ＰＳＤの動作原理から、２点景りの光入射があ
る場合は、各々の光強度に比例して重み付けされた位置
信号が得られる。また、光束が広がっている場合も、光
強度の重心的な位置信号が得られる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、Ｌ記の如きＰＤＳ法を、液面上に展開さ
れた薄膜などの測定にそのまま適用すると、試料である
薄膜が超薄膜であるために生じる不都合があった。即ち
、このようなＰＳＤを用いた測定では、光源自体の出射
角の変動が測定・精度に大きな影響を芋え、特に、ガス
レーザーを用いた測定では、高精度に位置検出を行うこ
とが不可能で、所望の光吸収特性を得ることが困難であ
った。本発明は、このような光源自体の変動の＃響を除
去し、ＰＳＤの分解能の限界まで測定精度を上昇させ、
液面に展開された薄膜のようにきわめて薄く特異な環境
下にある試料についても、その光吸収特性を高精度かつ
高感度に測定できる光物性測定装置を提供することを目
的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、励起光を出射する励起光源と、出射された励
起光を試料の測定部位の手前で強度変調する光強度変調
器と、ビーム光を出射するプローブ光源と、出射された
ビーム光を２分割する分光手段と、プローブ光源の変動
に起因するビーム光の変動に対して、その補償すべき方
向成分が互いに対称となる２本のビーム光に前記２分割
光を構成する手段と、それらのビーム光を前記測定部位
又はその近傍へ導く光学素子と、ビーム光を受光する光
位置検出器とを備えることを特徴とするものである。

［作　用］ 励起光が試料たる薄膜に吸収されると、励起光の照射時
と非照射時とでは測定部位及びその近傍の屈折率が変化
するので、これをプローブ光の偏向量として検出するこ
とによって光吸収特性を測定することができる。このＰ
ＤＳ法の原理の特徴として、ＰＳＤｍ力は最終的に光強
度分布の重心的位置の信号を得るということがある。

第３図は、本発明による補償方法の原理を説明する座標
図である。第３図（ａ）は、光源から出射される光ビー
ムの平均出射方向に垂直な平面上に、互いに直交するＸ
−Ｙ座標軸を設定したもので、出射光の偏向量が矢印１
１で示されている。仮に、所要の光学系により、上記の
座標軸を反転させたとすると、その投影は第３図（ｂ）
のようにＸ’−Ｙ’となり、出射光の偏向量も矢印１２
で示される如くになる。これらの互いに反転した光ビー
ムが目標照射面に照射されると、その座標は第３図（Ｃ
）に示されるように原点０に対して点対称（ｌｌａ、　
１２ａ）となり、両方の光ビーム強度が等しいとすれば
、光ビーム・エネルギーの重心位置は原点と常に一致す
る。従って、」二足の条件を満足する光学系を使用すれ
ば、光源の変動が生じても、照射ビームの強度中心は影
響されずに補償されることになる。

第４図は、上記の原理に基づく効果を一次元的に検証す
る基本的装置の載量構成図で、Ｈｅ−Ｎｅ光源４１から
の光ビームをハーフミラ−４２によって振幅分割し、分
割された光ビームをそれぞれミラー４３ａおよび４３ｂ
により光位置検出器４４へ照射させ、光源４１の変動を
記録するものである。第５図は上記構成による光ビーム
の位ごずれ量の測定結果のグラフであり、縦軸は光ビー
ムの検出位置Ｐを示し、横軸は時間ｔを示す、第４図に
おいて、ハーフミラ−４２とミラー４３ａおよび４３ｂ
とから成る光学系を介さずに、直接光位置検出器４４へ
光ビームを照射した場合は、第５図における（ａ）の如
く変動が記録され、本発明により補償された場合は第５
図の（ｂ）のようになり、光源変動が除去されているの
がわかる。

［実施例］ 以下１本発明の実施例を、図面と共に説明する。

第１図は、本発明を実施した縦方向型ＰＤＳによる光物
性測定装置の一例を示す構成図で、被験試料５によるプ
ローブ光の、図中縦方向の偏向を一次元ＰＳＤにより測
定しようとするものである。

励起光源１から出射された励起光２は、チョッパー３で
断続光に変調され、レンズ４で集束されて試料５に照射
される。一方で、プローブ光源６から出射されたビーム
光７は、ビームスプリッタ８によって２本のビーム光７
ａおよび７ｂに分割され、ミラー９ａとハーフミラ−１
２で再び近接する２本のビーム光にされたのち、レンズ
４及び光路調整器１１７により前記試料５の励起光照射
領域を通過させられ、試料の吸収量に対応する偏向量で
、図中破線に示される縦方向に偏向し、光位置検出器の
ＰＳＤ受光面１０で検出される。このとき、プローブ用
光源６の変動により、プローブ光のビームが微少量変動
したとする。この微少量は、励起光照射領域に比較して
も充分小さく、試料の吸収による偏向量が変わらない程
度として、第２図の部分拡大図に示す如く、ビーム光７
はビーム光７゛へ移動し、試料５へ向うプローブ光はビ
ーム７Ｃを中心として対称的に移動するビーム光７ａ’
および７ｂ’になる。従って、光路調整器１１７を経て
到達するＰＳＤ受光面１０においても、光源変動のない
場合の試料の吸収による偏向量に対応した位置を中心と
して、互いに対称な方向へそれぞれ移動することになり
、ＰＳＤの測定原理から、出力は試料の吸収に対応した
値に一定となり、プローブ用光源の変動の影響が除去さ
れたことになる。

第６図は１本発明を実施した横方向型ＰＤＳによる光物
性測定装置の一例を示す構成図で、試料に対する励磁光
およびプローブ光の照射角度が横方向型のものである以
外は、各部の機能は第１図の例と同様であり、プローブ
用光源の変動の影響を除去することができる。

第７図は、本発明を実施した横方向型ＰＤＳによる光物
性測定装置の別な一例を示す構成図で、プローブ光源６
からのビーム光７をビームスプリッタ８により２分割し
たのち、一方のビーム光７ａを参照用として被測定領域
とは別の参照領域を通過させ、最終的には同じＰＳＤ受
光受光面ｌ熱射させるものである。この場合も、ＰＳＤ
の測定原理によれば、出力は参照プローブ光位置と試料
の吸収に対応した測定プローブ光位置との中心を表わす
一定の値になり、プローブ用光源の変動の影響を除去す
ることができる。

［発明の効果］ 以上、説明したとおり、本発明によれば、光源自体の変
動に起因する光ビームの出射方向ずれの影響を除去する
ことが可能で、　ＰＳｔＤ木来の本来能の限界まで測定
精度を向上させ、きわめて薄く特異な環境下にある試料
についても、その光吸収特性を高精度かつ高感度に測定
し得る光物性測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は第１図の
部分拡大図、第３図は本発明の詳細な説明図、第４図は
その原理の検証機構の構成図、第５図は検証結果のグラ
フ、第６図および第７図は本発明の別な実施例の構成図
、第８図は従来例の構成図、！＠９図〜第１１図はＰＳ
Ｄの説明図である。 １．８１・・・励起光源、２，８２・・・励起光、３．
８３・・・チョッパー、４，８４．８８・・・レンズ、
５．８５・・・試料、６．８６・・・グローブ光源。 ７．８７・・・プローブ光、、９．４３・・・ミラー。 １２、４２・・・ハーフミラ−、１０・・・ＰＳＤ受光
面、４４　、９０・・・検出器、１１．８９・・・光路
調整器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）励起光を出射する励起光源と、出射された励起光を
   試料の測定部位の手前で強度変調する光強度変調器と、
   ビーム光を出射するプローブ光源と、出射されたビーム
   光を２分割する光分割手段と、前記２分割光を、プロー
   ブ光源の変動に起因するビーム光の変動に対して、その
   補償すべき方向成分が互いに対称となる２本のビーム光
   にする手段と、それらのビーム光を前記測定部位又はそ
   の近傍へ導く光学素子と、ビーム光を受光する光位置検
   出器とを備えることを特徴とする光物性測定装置。