JPS61281948A - 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Ａｌｌｌ装定に関し、特に、試料の種々の特
性分析、例えば中分子−累積膜の形成に際し、累積すべ
き液面りに展開された中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Ａｌｌ定法である光音響分光法（Ｐｈａｔｏａｃｏｕ
ｓｔｉｃ　５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：　　ＰＡＳ　）
や光熱輻射分光法（Ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ　Ｒａｄ
ｉｏｍｅｔｒｙ：　　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ｇ膜の測定の様な、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ＰＤＳ法は、励起光とプローブ光の配置によって
、横方向（ｔｒ６ｎｓｖｅｒｓｅ）型と縦方向（ｃｏｌ
ｌｉｎｅａｒ　）型の２通りがあり、いずれもＬ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１θ図（ａ）は縦方向型の例で、励起光源１１０より
出た励起光１１１は、チョッパー１１２で断続光となり
、レンズ１３４で東京されて試料１０４に照射される。

一方、プローブ光源１０５より出たプローブ光１０Ｂは
、レンズ１３５およびミラー等からなる光路調整器１１
７により、励起光１１１が照射されている前記試料１０
４の領域を通過させられ、検出器１０７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１Ｏ図（ｂ）は横方向型の例で、プローブ光ＩＨが試
料１０４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１１図は、１次元ｐｓｎの構造例を示す縦断面図であ
る。第１１図において、１次元ＰＳＤは、平板状シリコ
ン３の表面にＰ層の均一な抵抗層４゛を構成し、両辺に
それぞれ電極ｘ１およびｘ２が配設され、裏面の８層５
には共通電極６が配設されている。

第１２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４に達し、その
位置Ｑと両端の取出し電極ｘ１　。

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Ｉｔ　とすると、電ｉＸ
＋、Ｘｚから出力される電流ＩＸＩ。

ＩＸ２は、 Ｉｘ＋＝　Ｉｔ　　°ＲＸ２／　（ＲＸＩ＋ＲＸ２）Ｉ
Ｘ２”Ｉｔ　　°ＲＸＩ／　（ＲＸｌ＋　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、Ｘｌ−Ｘ２間の抵抗と長さＬとの間に次の各式
が成立する。

ＲＸＩ＋ＲＸ２＝Ｌ ＲＸＩ＝Ｘ Ｒχ２＝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、 Ｉｘ＋＝　Ｉｔ　　・（Ｌ−ｘ）　／ＬＩｘ２＝Ｉｔ　
　・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＝繕、　　Ｐ＝Ｏ 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。

以には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１３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。

ｚ二こで、ＰＳ［ｌの動作原理から、２魚具りの光入射
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、上記の如きＰＯ３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９即ち
、このようなＰＳＤを用いたＪ１１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かえ、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影響を
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。

Ｌ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公開する分光手段と、２分割されたビーム
光のうちの少なくとも１本の通過位置を縦方向に反転さ
せる光学素子と、該光学素子を通過したビーム光と他方
のビーム光を、前記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ｌＥい
に対称となる２木のビーム光にする「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
ＯＳ法の原理の特徴として、ＰＳＤ出力は最終的に光強
度分布の爪心的位置の信号を得るということがある。

第７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７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工
２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７図（ｂ）
のようにＸ’−Ｙ′となり、出射光の偏向ｔも矢印１３
で示される如くになる。これらのｌ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７図（ｃ
）に示されるように原点０に対して点対称（１２δ、　
１３ａ）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首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８図は、上記の原理に基づく効果を一次元的に検証す
る基本的装置の概略構成図で、Ｈｅ−ＮｅＸ源１４から
の光ビームをハーフミラ−１５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１８および１７によ
り光位置検出器１日へ照射させ、光源１４の変動を記録
するものである。第９図は上記構成による光ビームの位
置ずれ量の測定結果のグラフであり１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８図におい
て、ハーフミラー１５とミラー１６および１７とから成
る光学系を介さずに、直接光位置検出器１８へ光ビーム
を照射した場合は、第９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９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、本発明の実施例を１図面と共に詳細に説明する。

第１図は、本発明による横方向型ＰＤＳの−・実施例を
示す構成図で、被験試料１０４によるプローブ光の任意
の方向の偏向を、２次元ＰＳ口により測定する場合のも
のである。

励起光源１１０から出射された励起光１１１は、チョッ
パー１１２で断続光に変調され、レンズ１３４で集束さ
れて試料１０４に照射される。一方、プローブ光Ｍ７か
ら出射されたビーム光８ａは、ビームスプリッタ１９に
よって２本のビーム光８Ｃおよび８ｄに分割され、ミラ
ー２０とハーフミラ−２１で近接する２本のビーム光に
されたのち、レンズ１３５及び光路調整″１１１７によ
り前記試料１０４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１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１１で検出
される。

このとき、プローブ用光源７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３図の部分拡大図に
示す如く、ビーム光８ｄはビーム光８ａ’へ移動し、試
料１０４へ向うプローブ光はビーム８ｅを中心として対
称的に移動するビーム光８ｃ’および８ｄ′になる。従
って、光路調整器１１７を経て到達するＰＳＤ受光面１
１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る。

一方、第２図は第１図に示す測定系を側面から見たもの
で、ビームスプリッタ１８により２分割された光ビーム
のうち、イメージローデータ２２を通過する光ビーム８
ｄの光路を示している。前記ビームスプリッタ１９の分
割方向に沿った光源変動成分は、第７図で説明した原理
で除去されるが。

それと直交する方向の光源変動成分は、第２図で明らか
な如く、ビームスプリッタ１９に影響されない。そこで
、第４図の部分拡大図で示されるように、イメージロー
データ２２により光ビームの通過位置が反転するのを利
用し、変動した光ビーム８ｄ’の変動方向を反転させる
と、イメージローデータ２２を通過しないプローブ光ビ
ームと、対称的に移動することになる。従って、以後、
レンズ１３５、光路調整器１１７、試料＋０４を経て到
達したｐｓｎ　ｔｔの受光面においても、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基準位置を
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るため、プローブ用光源の任意の方
向での変動による影響を除去することができる。

ｆ５５図は、本発明による横力向ＰＤＳの他の実施例を
示す構成図で、前述の実施例と同様被験試料１０４によ
るプローブ光の任意の方向の偏向を、参照用ビーム光を
用い、２次元ＰＳＤにより測定する場合のものである。

また、第６図は第５図に示す測定系を側面から見たもの
で、光路調整器１１７までの測定用プローブ光の光路を
示している。プローブ光源７からのビーム光８ａをビー
ムスプリッタ１９により２分割したのち、一方のビーム
光８Ｃを参照用として被測定領域とは別の参照領域を通
過させると共に、他方のビーム光８ｄを測定用として、
被測定領域を通過させ、最後は同じＰＳＤ受光面１１へ
照射するように構成したものである。この場合も、　Ｐ
ＳＤ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。なお、上記各実施例においてイメ
ージローデータ２２は、ビームスプリッタ１８により２
分割されたプローブ光の８ｃ、８ｄのどちらの光路に入
れてもよい。

［発明の効果］ 以上、説明したとおり、本発明によれば、光源［１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、　ｐｓｏ本来の分解能の限界まで測定
精度を向トさせ、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、第２図、第５図、第６図は本発明の各実施例を
示す構成図、第３図および第４図は反転ビームの説明図
、第７図は本発明の詳細な説明図、第８図はその原理の
検証機構の構成図、第９図は検証結果のグラフ、第１Ｏ
図は従来例の構成図、第１１図〜第１３図はＰＳＤの説
明図である。 ７　、１０５・・・プローブ光源、 ８　、１０６・・・プローブ光、１１・・・ＰＳＤ受光
面、１５．２１・・・ハーフミラ−５１Ｂ、１７．２０
・・・ミラー、１８．１０７・・・検出器、１９・・・
ビームスプリッタ、２２・・・イメージローデータ、１
０４・・・試料、１１０・・・励起光源、１１１・・・
励起光、１１２・・−チョンパー、１１７・・・光路調
整器、１３４、１３５・・・レンズ。

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分割する分割手段と、２分割されたビーム光のう
   ちの少なくとも１本の通過位置を縦方向に反転させる光
   学素子と、該光学素子を通過したビーム光と他方のビー
   ム光を、前記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。