KR20020046147A - 분광 반사율 측정 장치 및 분광 반사율 측정 방법 - Google Patents

분광 반사율 측정 장치 및 분광 반사율 측정 방법 Download PDF

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Abstract

자외 영역을 포함하는 넓은 파장 영역에 있어서, 특정 파장의 광의 반사율을 측정할 수 있는 분광 반사율 측정 장치, 참조값을 용이하게 취득할 수 있는 분광 반사율 측정 장치 및 분광 반사율 측정 방법을 제공하는 것이다.
분광 반사율 측정 장치는 크세논 램프를 구비하는 광원부, 입사측 파이버, 입사측 파이버로부터의 광을 정렌즈 및 광 확산판을 통해서 피측정면에 조사하여 피측정면으로부터의 반사 광을 받는 측정 헤드, 출사측 파이버 및 출사측 파이버로부터의 광을 받는 분광 방사 조도계를 갖고 이루어진다. 측정 헤드는 광 입사 통부와, 이 광 입사 통부와 독립한 광 출사 통부를 갖고 이루어지고, 광 입사 통부와 광 출사 통부는 각각의 광축이 피측정면 또는 그 근방에서 교차하는 상태에서, 분리가능하게 일체로 연결되어 있다. 또한, 광 입사 통부와 광 출사 통부는 양자의 광축이 일치하는 상태에서 연결가능하게 되어 있다.

Description

분광 반사율 측정 장치 및 분광 반사율 측정 방법{Spectral reflectance measuring apparatus and spectral reflectance measuring method}
본 발명은, 예를 들면, 광학 장치에 이용되는 미러, 필터, 렌즈 등에 있어서의 표면 반사 광의 분광 반사율을 측정하기 위한 분광 반사율 측정 장치 및 분광 반사율 측정 방법에 관한 것이다.
예를 들면, 노광 장치나 광조사 장치 등의 광학 장치에 있어서는, 반사용 미러, 각종 필터 또는 렌즈 등의 광학 소자가 이용되고 있지만, 이들 광학소자에 대해서는 광학 특성의 하나인 분광 반사율의 측정을 행하는 것이 필요한 경우가 있다. 여기에 「분광 반사율」이라고 하는 것은 어떤 특정한 파장의 광의 반사율을 말한다.
예를 들면, 특정한 파장의 광만을 반사시키기 위한 증착막을 형성한 미러, 혹은 반사 방지막을 설치한 렌즈나 필터에 있어서는, 형성된 증착막이나 반사 방지막이 설계값대로의 광학 특성을 갖는 것을 확인하기 위해서, 분광 반사율의 측정이 필요하다.
종래, 상기한 바와 같은 미러나 렌즈, 필터 등의 반사면에 대해서 반사율을 측정하기 위한 반사율 측정 장치가 일본국 실공소 55-21088호 공보에 나타나 있다.
도 6은 이 반사율 측정 장치의 구조의 개략을 도시하는 설명용 단면도이다.
이 반사율 측정 장치는 본체(71)와, 광원 부분(72)과, 수광 부분(73)으로 구성되어 있고, 본체(71)는 측단면이 오각형으로서, 산모양의 천장판(75)과, 광 투과 구멍(76)이 형성된 바닥판(77)을 갖는다.
산모양의 천장판(75) 한쪽의 경사면 벽에는 광원 부분(72)이 장착되고, 다른쪽의 경사면 벽에는 수광 부분(73)이 장착되어 있다. 그리고, 산모양의 천장판(75)의 정상부의 각도는 광원 부분(72)의 광축(La)과 수광 부분(73)의 광축(Lb)이 측정 대상물(M)의 피측정면(S) 또는 그 근방에서 소정의 각도로 교차 각도하는 크기로 되어 있다. 78은 바닥판(77)으로부터 돌출하는 다리부로, 피측정면(S)에 부착된다.
광원 부분(72)의 광축(La)과 수광 부분(73)의 광축(Lb)과의 교차 각도는 피측정면(S)에 입사하는 광의 입사각에 따라서 결정되고, 예를 들면, 피측정면(S)이 입사각 30도로 입사하는 광을 반사하기 위한 미러의 반사면인 경우에는, 입사각 30도의 광이 피측정면(S)에 입사되는 상태에서 반사율의 측정이 행해지는 것이 필요하기 때문에, 광축(La)과 광축(Lb)의 교차 각도가 피측정면(S)의 근방에서 60도가 되는 상태로 된다.
일반적으로, 반사면의 반사율은 광의 입사각의 각도가 커질수록, 입사각의 차이에 대한 반사율의 변화의 비율이 커지지만, 실용적인 반사용 미러의 대부분은, 광의 입사각이 30도 내지 60도가 되는 범위에서 사용되는 것, 및 렌즈나 필터의 반사 방지막의 특성을 조사하기 위해서는, 입사 각도가 0도인 상태에서 측정이 행해지기 때문에, 반사율 측정 장치에서의 상기의 교차 각도는 0도 내지 120도의 범위에서 설정되는 것이 통상적이다.
광원 부분(72)에는 광원 램프(81)와, 광 확산판(83)이 설치되어 있고, 상기 광원 램프(81)로서는 소형의 할로겐 램프가 이용된다. 한편, 수광 부분(73)에는 피측정면(S)으로부터의 반사 광을 입사하는 렌즈(84)와 광전 셀로 이루어지는 수광기(85)가 설치되어 있다.
이 반사율 측정 장치에 의하면, 광원 부분(72)의 광원 램프(81)로부터의 광은 광 확산판(83)으로 확산되어 그 앞쪽에 전체 방향으로 균일한 방사 휘도의 광이 방사되고, 본체(71)의 바닥판(77)의 광 투과 구멍(76)을 통해서 피측정면(S)에 조사된다. 그리고, 피측정면(S)으로부터의 반사 광은 다시 광 투과 구멍(76)을 통해서 수광 부분(73)에 입사하고, 렌즈(84)를 통해서 수광기(85)의 수광면에 투영되며, 상기 반사 광의 휘도에 기초하여 피측정면(S)의 반사율이 구해진다.
구체적으로 설명하면, 수광 부분(73)에서는 수광기(85)의 수광면에서 렌즈(84)를 통해서 본 입체각 전역에, 광 확산판(83)의 상이 균일한 방사 휘도로 확산되어 존재하는 상태가 실현되고 있고, 그 때문에, 수광기(85)로 수광되는 광량은 측정 대상물의 형상에 관계없이, 피측정면(S)의 반사율에만 비례하게 된다.
이 반사율 측정 장치에 의한 반사율의 측정에서는, 상기 반사율 측정 장치에 고유의 참조값(레퍼런스)을 취득해 둘 필요가 있고, 그 참조값을 이용하여 후술하는 방법에 의해 반사율이 구해진다.
참조값을 구하는 조작은 측정 대상물의 반사율의 측정 조작에 선행하거나, 혹은 측정 조작의 뒤에 행해진다. 구체적으로는, 반사율이 기지의 표준 미러를 준비하고, 이것을 측정 대상물로서 그 반사면에 대해서 상기 반사율 측정 장치에 의해 광을 조사하여 반사 광의 방사 조도를 측정하면 되고, 이것에 의해, 상기 반사율 측정 장치에서의 참조값이 구해진다.
그리고, 실제의 측정 대상물의 피측정면(S)에 대해서 얻어진 반사 광의 방사 조도의 값(a)을 표준 미러에 의한 반사 광의 방사 조도의 값(참조값)(b)에 의해 나누어 얻어지는 몫값(a/b)과, 상기 표준 미러의 분광 반사율(α)과 나머지를 구하는 계산에 의해 목적으로 하는 피측정면(S)의 반사율을 얻을 수 있다.
예를 들면, 피측정면(S)에 대해서 측정한 반사 광의 방사 조도값(a)이 7㎽/㎠인 경우에, 상기 반사율 측정 장치에 의해, 분광 반사율(α)이 80%의 표준 미러에 대해서 얻어진 반사 광의 방사 조도값(b)이 10㎽/㎠인 것으로 하면, 피측정면(S)의 반사율은 (7/10)×80(%)=56(%)로 산출된다.
그러나, 상기한 반사율 측정 장치에 있어서는 이하와 같은 문제점이 있다.
(1) 측정 파장에 관한 문제
반사율의 측정에 있어서는, 측정 대상물의 피측정면에 조사되는 측정 광은 상기 측정 대상물이 본래의 용도에 있어서, 광학적으로 처리하는 광과 동일한 파장의 광이 필요하다.
예를 들면, 자외광을 이용하는 노광 장치를 위한 미러 등의 광학 소자에 대해서 반사율을 측정하는 경우에는, 상기 광학 소자가 광학적으로 처리해야 하는 자외광과 동등한 파장의 자외광의 반사율을 측정하지 않으면, 목적으로 하는 결과를 얻을 수 없다. 또한, 광학 소자가 처리해야 하는 광의 파장은 그 용도에 따라서여러 가지로 다르고, 예를 들면, 어떤 파장 범위에 걸친 자외 영역의 광인 경우나, 예를 들면 회로 패턴을 노광하는 노광 장치에서는 레지스트가 감도를 갖는 파장에 맞추어 365㎚으로 엄밀하게 특정된 파장의 광인 경우도 있다.
따라서, 예를 들면, 자외광만을 반사하여 가시광 및 적외광을 투과시키기 위한 증착막을 설치한 미러의 광학 특성을 검사하기 위해서는, 특정한 자외 영역의 광에 대한 반사율이 높고, 또한 가시역 및 적외 영역의 광에 대해서는 반사율이 낮은 것을 확인할 필요가 있고, 또, 반사 방지막이 설치된 렌즈나 필터에 대해서는, 넓은 파장 영역의 전체에 걸쳐서 광의 반사율이 낮은 것을 확인할 필요가 있다.
그런데, 종래의 반사율 측정 장치에서는, 광원 램프(81)로서 할로겐 램프를 이용하는 동시에, 수광기(85)로서 광전 셀을 이용하는 방식이기 때문에, 가시역을 중심으로 한 넓은 파장 영역에 걸친 광 전체에 의한 반사율이 측정될 뿐이고, 특정한 파장의 광의 반사율인 분광 반사율을 측정할 수는 없다.
또한, 할로겐 램프는 자외 영역에 큰 발광 강도를 갖고 있지 않기 때문에, 자외 영역의 반사율 측정을 행할 수 없다.
그리고, 상기한 바와 같이, 수광기(85)로 수광되는 광량이 피측정면(S)의 형상과는 무관계로 그 반사율에만 비례하는 상태는 반사 광을 수광하는 수광기(85)에서 본 입체각 전역에 균일한 방사 휘도의 반사면이 형성된 상태이고, 그와 같은 균일한 방사 휘도의 반사면을 형성시키기 위해서는, 광 확산판(83)이 균일한 휘도의 면 광원을 형성하는 것이 필요하다.
구체적으로 설명하면, 도 7은 이상적인 광 확산판(P1)의 작용을 모식적으로나타내고 있고, 입사광(L1)의 방향에 의하지 않고, 투과광(L2)은 상기 광 확산판(P1)의 각각의 개소에서 전체 방향으로 균일하게 확산된다. 이와 같은 광 확산판(P1)에 의하면, 화살표 V로 나타내는 바와 같이, 그 전면측(광의 출사측의 정면) 방향에서 보았을 때에, 균일한 방사 휘도의 면 광원이 형성되는 상태가 실현된다.
가시역 및 적외의 파장 영역의 광에 대해서, 이와 같은 이상적인 광 확산 기능을 갖는 광 확산판으로서는 오팔 글래스 등, 몇 개의 재질의 것이 알려져 있고, 이것들은 다소 광을 흡수하지만, 할로겐 램프는 상기의 파장 영역에서 큰 방사 강도를 갖기 때문에, 실용상, 특별히 문제가 되지 않는다.
한편, 자외 영역의 광을 얻기 위해서는, 예를 들면, 크세논 램프가 광원 램프로서 이용되지만, 그 중 특정한 파장만에 대해서만 측정하도록 하면, 방사 강도가 낮아지게 되기 때문에, 자외광을 흡수하는 재질에 의한 광 확산판을 이용하면, 피측정면으로부터의 반사 광의 강도가 노이즈 레벨까지 저하하기 때문에, 실제상, 측정이 불가능하게 되는 경우가 있다.
이와 같은 사정으로부터, 자외광에 대한 투과율이 높고 또한 확산시킬 수 있는 재질의 것을 이용할 필요가 있지만, 현재 상태에서는 그와 같은 성질을 갖는 광 확산판으로서는 석영제 인쇄 글래스밖에 없다.
그런데, 석영제 인쇄 글래스에서는 광의 확산 작용은 불충분하고, 도 8에 도시하는 바와 같이, 석영제 인쇄 글래스로 이루어지는 광 확산판(P2)을 이용한 경우에는, 입사광(L1)이 발산하는 광이면, 상기 광 확산판(P2)에서는 그 위치에 의해서주된 확산 방향이 다른 상태가 되기 때문에, 전면측 방향(화살표 V방향)에서 보았을 때의 전체 면에서 전체 방향으로 균일성이 높은 방사 휘도의 면 광원을 얻을 수 없고, 결국, 목적으로 하는 반사율의 측정을 높은 정밀도로 행할 수 없다.
(2) 소형화의 문제
또, 상기한 반사율 측정 장치는 소형화를 의도하여 구성되어 있는 것이지만, 그 본체(71)의 단면 형상은 오각형이고, 광원 부분(72) 및 수광 부분(73)이 장착되는 상부의 폭이 넓은 것이 된다. 이 때문에, 예를 들면 소형이고 곡률반경이 작은 타원 집광 미러의 반사면의 분광 반사율을 측정하는 경우, 예를 들면 점선으로 나타내고 있는 바와 같이, 만곡한 측정 대상물(M)의 곡률반경이 도시한 상태보다 더욱 작은 경우에는, 본체(71)의 상부의 폭이 넓은 부분, 광원 부분(72) 또는 수광 부분(73)의 일부가 측정 대상물과 간섭하는 경우가 있기 때문에, 상기 측정 장치의 광 투과 구멍(76)을 갖는 바닥부(77)를 피측정면(S)에 대해서 적정한 상태로 배치할 수 없고, 정확한 측정을 행할 수 없는 경우도 있다.
(3) 참조값(레퍼런스) 취득의 경우
또한, 상기의 반사율 측정 장치에 의한 경우에는, 참조값(레퍼런스)을 얻기 위해서는, 반사율이 기지의 표준 미러를 준비할 필요가 있지만, 표준 미러는 그 분광 반사율이 경시 변화하지 않도록 주의하여 보관, 관리하지 않으면 안 된다. 또, 가령 표준 미러의 분광 반사율이 변화하였다고 해도, 그 변화를 검지할 수 없기 때문에, 측정 대상물의 분광 반사율의 측정 결과에 오차가 생길 우려가 있다.
본 발명은, 이상과 같은 사정을 배경으로 하여 이루어진 것으로서, 측정 광으로서 자외 영역의 광을 이용할 수 있고, 광 확산판에서 균일한 방사 휘도를 얻을 수 있으며, 또한 자외 영역을 포함시킨 넓은 파장 영역에서, 특정 파장의 측정 광에 의한 반사율을 측정할 수 있는 분광 반사율 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 그 측정 대상물에 부착되는 헤드 부분을 충분히 소형으로 할 수 있고, 예를 들면 곡률반경이 작은 타원 집광 미러에 대해서도 그 내면에서의 반사면의 분광 반사율 측정을 실행할 수 있는 분광 반사율 측정 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 분광 반사율이 기지의 표준 미러를 이용하지 않고, 참조값의 취득을 용이하게 행할 수 있는 분광 반사율 측정 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 분광 반사율 측정 장치에 의한 분광 반사율 측정 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 분광 반사율 측정 장치는 크세논 램프를 구비하여 이루어지는 광원부와, 이 광원부로부터의 광을 전달하는 입사측 파이버와, 이 입사측 파이버에 의해 전달된 광을 정렌즈 및 광 확산판을 통해서 측정 대상물인 피측정면에 조사하는 동시에, 이 피측정면으로부터의 반사 광을 받는 측정 헤드와, 이 측정 헤드를 통과한 반사 광을 전달하는 출사측 파이버와, 이 출사측 파이버에 의해 전달된 광을 받는 분광 방사 조도계를 갖고 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 분광 반사율 측정 장치에 있어서, 상기 측정 헤드는 광 입사 통부와, 이 광 입사 통부과 독립한 광 출사 통부를 갖고 이루어지고,
상기 광 입사 통부에는 그 일단에 입사측 파이버가 접속되는 파이버 접속부가 형성되는 동시에 타단에는 광 투과 구멍이 설치되고, 또한 상기 파이버 접속부의 옆에서부터 정렌즈와 광 확산판이 이 순서대로 배치되어 있으며,
상기 광 출사 통부에는 광 투과 구멍을 통해서 피측정면을 향하는 일단과, 출사측 파이버가 접속되는 파이버 접속부가 형성된 타단과의 사이에, 피측정면으로부터의 반사 광을 받는 렌즈가 배치되어 있으며,
상기 광 입사 통부와 상기 광 출사 통부는 각각에 있어서의 광축이 측정 대상물의 표면 또는 그 근방에서 교차하는 상태에서 분리 가능하게 일체로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 측정 헤드의 광 출사 통부에는 피측정면으로부터의 반사 광을 반사하는 반사 미러가 배치되고, 이것에 의해, 상기 광 출사 통부의 이어지는 방향이 광 입사 통부의 이어지는 방향과 거의 동일 방향으로 되어 있는 것이 바람직하다.
또, 상기 측정 헤드의 광 입사 통부와 광 출사 통부는 이들 양자의 광축이 일치하는 상태에서 연결 가능하게 되어 있고, 이와 같이 연결된 상태에서 참조 광에 대해서의 참조 광 측정이 행해지는 것이 바람직하고, 이 경우에, 광 입사 통부와 광 출사 통부는 참조 광 측정용 치구에 의해, 양자의 광축이 일치하는 상태에서 연결되는 구성으로 할 수 있다.
본 발명의 분광 반사율 측정 방법은 상기의 분광 반사율 측정 장치를 이용하여, 측정 헤드의 광 입사 통부와 광 출사 통부를 이들 양자의 광축이 일치하는 상태에서 연결된 상태에서 참조 광 측정을 행하는 동시에,
측정 헤드의 광 입사 통부와 광 출사 통부를 각각에 있어서의 광축이 측정 대상물의 표면 또는 그 근방에서 교차하는 상태에서 일체로 연결된 상태에서 측정 대상물의 피측정면에 대해서 분광 반사율의 측정을 행하고,
참조 광의 분광 방사 조도에 대한 반사 광의 분광 방사 조도의 관계에 의해, 상기 피측정면의 분광 반사율을 구하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 분광 반사율 측정 장치는 크세논 램프를 구비하여 이루어지는 광원부와, 이 광원부로부터의 광을 전달하는 입사측 파이버와, 이 입사측 파이버에 의해 전달된 광을 정렌즈, 광 확산판 및 하프 미러를 통해서 측정 대상물의 피측정면에 조사하는 동시에, 이 피측정면으로부터의 반사 광을 상기 하프 미러를 통해서 받는 측정 헤드와, 이 측정 헤드를 통과한 반사 광을 전달하는 출사측 파이버와, 이 출사측 파이버에 의해 전달된 광을 받는 분광 방사 조도계를 갖고 이루어지는 것을 특징으로 한다.
(작용)
이상의 구성의 분광 반사율 측정 장치에 의하면, 크세논 램프를 광원 램프로서 이용하는 동시에, 반사 광의 조도의 검출에 분광 방사 조도계를 이용하고 있기 때문에, 자외 영역으로부터 가시역 및 적외 영역에 걸친 넓은 파장 영역에 걸친 범위에 있어서, 각 파장마다의 분광 반사율을 측정할 수 있다.
또, 광원부와 측정 헤드의 사이, 및 측정 헤드와 분광 방사 조도계의 사이가모두 광학 파이버에 의해 광학적으로 접속되어 있기 때문에, 광원부, 측정 헤드 및 분광 방사 조도계의 각각의 배치에 관한 자유도가 크고, 측정 헤드를 소형화할 수 있다. 그리고, 분광 반사율 측정시에는, 이 소형의 측정 헤드의 선단부만을 피측정면에 접근시키면 되기 때문에, 곡률반경이 작은 집광 미러나 좁은 부분에 대해서의 분광 반사율의 측정이 가능하게 된다.
또한, 측정 헤드를 참조 광 측정용 상태로 함으로써, 상기 분광 반사율 측정 장치에 의해서 용이하게 참조값을 직접 취득할 수 있고, 따라서, 반사율이 기지인 표준 미러를 준비해 둘 필요가 없다. 또, 종래와 같이, 표준 미러를 사용하여 측정하는 경우에도 직접 측정한 참조값에 기초하여 표준 미러의 반사율의 변화를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 분광 반사율 측정 장치의 구성의 일례를 도시하는 설명도,
도 2는 측정 헤드의 구체적은 구조를 도시하는 단면도,
도 3은 측정 헤드의 참조 광 측정용 상태를 도시하는 설명용 측면도,
도 4는 도 3의 참조 광 측정용 치구를 왼쪽에서 본 상태의 정면도,
도 5는 본 발명의 실시예에서의 광 확산판의 작용에 대한 설명도,
도 6은 종래의 반사율 측정 장치의 설명용 단면도,
도 7은 이상적인 광 확산판의 작용을 도시하는 설명도,
도 8은 도 6의 반사율 측정 장치에서의 광 확산판의 작용을 도시하는 설명도,
도 9는 입사각이 0도가 되는 상태에서 반사율을 측정하는 경우 측정 헤드의 개략 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
M : 측정 대상물 S : 피측정면
10 : 광원부 12 : 입사측 파이버
14 : 측정 헤드 16 : 출사측 파이버
18 : 분광 방사 조도계 20 : 크세논 램프
22 : 타원 집광 미러 30 : 광 입사 통부
30A : 입사측 접속부 32 : 전면판
33 : 광 투과 구멍 34 : 걸어맞춤면부
36 : 콜리메이터 렌즈 38 : 광 확산판
39 : 돌출다리 40 : 광 출사 통부
40A : 출사측 접속부 42 : 렌즈
46 : 반사 미러 Lx : 광 입사 통부의 광축
Ly : 광 출사 통부의 광축 48 : 분광 소자
50 : 광센서 51 : 조리개
60 : 참조 광 측정용 치구 62 : 중앙 위치 규제 부분
62A : 제1 걸어맞춤부 62B : 제2 걸어맞춤부
63 : 광 투과용 관통구멍 64 : 끼움판
65 : 간극 66 : 비스
71 : 본체 72 : 광원 부분
73 : 수광 부분 75 : 천장판
76 : 광 투과 구멍 77 : 바닥부
78 : 다리부 La, Lb : 광축
81 : 광원 램프 83 : 광 확산판
84 : 렌즈 85 : 수광기
P1 : 이상적인 광 확산판 L1 : 입사광
L2 : 투과광 HM : 하프 미러
이하, 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 분광 반사율 측정 장치의 구성의 일례를 도시하는 설명도로서, 오목면 형상의 반사 미러로 이루어지는 측정 대상물(M)이 단면으로 나타나 있다.
이 예의 분광 반사율 측정 장치는 광원부(10)와, 이 광원부(10)로부터 이어지는 적당한 길이의 입사측 파이버(12)의 타단에 접속된 측정 헤드(14)와, 이 측정 헤드(14)로부터 이어지는 적당한 길이의 출사측 파이버(16)의 타단에 접속된 분광 방사 조도계(18)에 의해 구성되어 있다.
광원부(10)는 광원 램프인 크세논 램프(20)와, 이 크세논 램프(20)로부터 방사되는 광을 집광하는 타원 집광 미러(22)에 의해 구성되어 있고, 입사측 파이버(12)는 그 일단이 타원 집광 미러(22)로부터의 광의 집광 위치에 위치하는 상태에서 접속되어 있다. 여기에, 크세논 램프(20)는 200㎚∼800㎚ 이상의 파장 영역에서 연속광을 방사하는 방전 램프이다.
도 2는 측정 헤드(14)의 구체적인 구조를 도시하는 단면도이다. 이 측정 헤드(14)는 입사측 파이버(12)로부터 전달된 측정 광(피측정면(S)에 도달할 때까지의 광을 말한다)이 입사되고, 상기 측정 광을 피측정면(S)을 향해서 출사하는 광 입사 통부(30)와, 피측정면(S)으로부터의 반사 광(피측정면(S)에 의해 반사된 광을 말한다)이 입사되고, 출사측 파이버(16)에 입사시키는 광 출사 통부(40)를 구비하고 있다.
광 입사 통부(30)는 일단에 입사측 파이버(12)의 타단측의 출사 단부가 접속되는 입사측 접속부(30A)를 갖는 동시에, 타단에 상기 광 입사 통부(30)의 광축(Lx)과 비스듬히 교차하는 면을 따라서 전면판(32)이 배치되어 있고, 이 전면판(32)의 중앙에는 측정 광과 반사 광이 통과하는 광 투과 구멍(33)이 형성되어 있다. 또, 이 광 입사 통부(30)의 중간 영역에는 입사측 파이버(12)측에서 정렌즈인 콜리메이터 렌즈(36)와, 석영제 인쇄 글래스에 의해 구성된 광 확산판(38)이 이 순서대로 배치되어 있다. 여기에, 콜리메이터 렌즈(36)는 입사광을 평행광으로 하는 기능을 갖고, 광 확산판(38)은 방사 휘도를 균일하게 하는 기능을 갖는다. 39는 전면판(32)으로부터 돌출하는 돌출다리이고, 측정 헤드(14)는 이 돌출다리(39)를 통해서 피측정면(S) 상에 놓여진다.
한편, 광 출사 통부(40)는 광 입사 통부(30)와는 분리 가능한 독립한 부재로서 구성되어 있고, 그 일단에 피측정면(S)으로부터의 반사 광을 받아서 정형하는 렌즈(42)를 갖는 동시에, 타단에 출사측 파이버(16)의 입사 단부가 접속되는 출사측 접속부(40A)가 설치되어 있으며, 또한, 렌즈(42)로부터의 반사 광의 광로를 회절시켜서 광 입사 통부(30)와 거의 동일 방향으로 순차적으로 접근하는 방향으로 향하게 하고, 이것에 의해 반사 광을 출사측 파이버(16)의 입사단에 입사시키는 반사 미러(46)가 배치되어 있다. 여기에, 광 출사 통부(40)의 이어지는 방향은 광 입사 통부(30)가 이어지는 방향과 예를 들면 10도와 같은 근소한 각도로 교차하는 것으로 되어 있다.
또, 광 입사 통부(30)의 타단부 및 광 출사 통부(40)의 일단부의 외주면에는 양자가 서로 부착되어 걸어맞추는 상태가 되는 걸어맞춤면부(34)가 형성되어 있으며, 이 걸어맞춤면부(34)가 걸어맞춰진 상태, 즉 광 입사 통부(30)와 광 출사 통부(40)가 특정한 위치 관계가 된 상태에서, 분리 가능하게 일체로 연결되어 고정된다. 그리고, 이와 같이 고정된 상태에서는 광 입사 통부(30)의 광축(Lx)과 광 출사 통부(40)의 광축(Ly)이 피측정면(S)의 표면 또는 그 근방의 위치에서, 소정의 각도, 예를 들면 도 2에 도시하는 바와 같이 60도의 각도로 교차하는 상태로 된다. 측정 헤드(14)의 이 상태는 실측용 상태이고, 피측정면(S)에 대한 측정 광의 입사각은 이 예에서는 30도이다.
광 입사 통부(30)와 광 출사 통부(40)를 고정하기 위해서는, 적당한 고정 수단을 이용할 수 있고, 예를 들면 걸어맞춤면부(34)에 관련하여, 양자를 기계적으로끼워 맞추는 끼워 맞춤 기구를 형성해 둘 수 있으며, 또, 연결용 부재나 비스 등의 고정 부재를 이용할 수도 있다.
분광 방사 조도계(18)에 있어서는, 출사측 파이버(16)에 의해 전달된 반사 광을 프리즘 또는 그레이팅 등으로 이루어지는 분광 소자(48)를 통해서 수광하는 광 센서(50)가 설치되어 있다.
상기의 측정 헤드(14)는 도 2에 도시되어 있는 실측용 상태에서, 그 광 입사 통부(30)와 광 출사 통부(40)가 분리된 서로의 위치 관계가 변경됨으로써, 참조값을 취득하기 위한 참조 광 측정용 상태로 할 수 있는 구성으로 되어 있다.
도 3은 측정 헤드(14)의 광 입사 통부(30)와 광 출사 통부(40)가 참조 광 측정용 치구(60)에 의해, 참조 광 측정용 상태에서 서로 연결된 상태를 나타내는 설명용 측면도이고, 도 4는 도 3의 참조 광 측정용 치구(60)를 왼쪽에서 본 상태의 정면도이다.
도 3에서는 광 입사 통부(30) 및 광 출사 통부(40)는 도 2에 나타나 있는 구성으로부터, 그 전체가 광축(Lx)의 주위에 180도 회전되고, 또한 광 출사 통부(40)는 지면에 수직인 축의 주위에 60도 우측으로 회전된 상태이다.
즉, 실측용 상태에 있는 측정 헤드(14)에 있어서, 광 입사 통부(30)와 광 출사 통부(40)는 서로 걸어맞춤면부(34)에 의한 걸어맞춤이 풀려져서 분리되고, 또한 광 출사 통부(40)가 회전되어 그 일단이 광 입사 통부(30)의 타단과 직접적으로 대향하며, 또한, 광 출사 통부(40)의 광축(Ly)이 광 입사 통부(30)의 광축(Lx)의 연장에 일치하는 상태로서, 또한, 광 입사 통부(30)의 광 확산판(38)으로부터 광 출사 통부(40)의 렌즈(42)까지의 광로 길이가 실측정 상태일 때와 동일하게 되도록, 적당한 길이의 간극(65)을 통해서, 양자를 고정하는 부재인 참조 광 측정용 치구(60)에 의해 고정되어 있다.
구체적으로 설명하면, 이 참조 광 측정용 치구(60)는 광 입사 통부(30)의 타단부의 외면에 걸어맞추는 제1 걸어맞춤부(62A)와, 광 출사 통부(40)의 일단부의 외면에 걸어맞추는 제2 걸어맞춤부(62B)가 형성되는 동시에, 광 투과용 관통구멍(63)이 형성된 중앙 위치 규제 부분(62)과, 이 중앙 위치 규제 부분(62)의 양측면에 부착한 상태에서 비스(66)에 의해 연결 고정되는 서로 대향하는 한 쌍의 끼움판(64, 64)에 의해 구성되어 있다.
여기에, 중앙 위치 규제 부분(62)의 제1 걸어맞춤부(62A) 및 제2 걸어맞춤부(62B)에 광 입사 통부(30)의 타단부 및 광 출사 통부(40)의 일단부를 부착시켜서 걸어맞춘 상태에서는 광 입사 통부(30)와 광 출사 통부(40)가 상기의 참조 광 측정용 상태에서의 위치 관계로 된 상태가 된다.
이상의 구성에 의한 분광 반사율 측정 장치에 의하면, 다음과 같이 해서 측정 대상물(M)의 피측정면(S)에 대해서 분광 반사율이 구해진다.
측정 헤드(14)가 도 2에 도시하는 실측용 상태로 된 상태에서 광원부(10)의 크세논 램프(20)가 점등되면, 이 크세논 램프(20)로부터의 광은 타원 집광 미러(22)에 의해서 집광되어 입사측 파이버(12)의 일단에 상기 입사측 파이버(12)의 개구수(NA)에 의해서 규제되는 입사각으로 입사한다. 이 광은 입사측 파이버(12)에 의해서 입사각이 유지된 채로 전달되고, 그 타단으로부터 측정헤드(14)의 광 입사 통부(30)에 측정 광으로서 입사한다.
광 입사 통부(30)에 있어서, 입사측 파이버(12)로부터의 측정 광은, 상기 입사각에 따른 각도로 확장되는 상태에서 콜리메이터 렌즈(36)에 입사하지만, 이 콜리메이터 렌즈(36)에 의해서 평행광이 되어 출사하고, 이 평행광이 된 측정 광은 광 확산판(38)을 투과한다.
광 확산판(38)은 상기한 바와 같이 석영제 인쇄 글래스로 이루어지는 것으로, 광 확산성은 충분하지 않지만, 입사하는 광의 방향성이 갖추어져 있기 때문에, 도 5에 도시하는 바와 같이, 화살표 V로 나타내는 전면측(광의 출사측의 정면) 방향에서 보았을 때의 상기 광 확산판(38)의 전면의 모든 개소에 있어서, 상기 광 확산판(38)으로부터의 측정 광은 휘도의 균일성이 높은 상태로 되어 있다.
그리고, 이 휘도가 균일하게 된 측정 광이 전면판(32)의 광 투과 구멍(33)으로부터 측정 대상물(M)을 향해서 조사된다.
이 조사된 측정 광은 피측정면(S)에서 반사되고, 그 반사 광은 방사 휘도가 균일한 상태에서 광 출사 통부(40)에 입사하며, 렌즈(42) 및 반사 미러(46)를 통해서 출사측 파이버(16)에 입사한다.
또한, 출사측 파이버(16)에 입사하는 반사 광의 입사 각도는 이 출사측 파이버(16)의 개구수(NA)에 의해서 규제되어 있다. 따라서, 피측정면(S)에서의 방사 강도가 균일한 영역을 출사측 파이버(16)의 반사 광 입사단에서 본 각도가 상기 개구수보다도 크면, 출사측 파이버(16)에는 균일한 방사 휘도의 반사 광이 입사한다.
그리고, 이 출사측 파이버(16)에 의해 전달된 반사 광은 그 타단에 접속된분광 방사 조도계(18)에 입사하여, 이 분광 방사 조도계(18)에서 분광 소자(48)에 의해서 분광되고, 각 파장 광의 광량이 광 센서(50)에 의해 검출되어 분광 방사 조도가 측정된다.
이상의 순서에 의해서, 피측정면(S)에 대해서 분광 방사 조도가 측정되지만, 그 분광 반사율을 구하기 위해서는 참조값(레퍼런스)을 취득하는 것이 필요하고, 그 조작은 하기의 순서에 의해서 행해진다.
측정 헤드(14)의 광 입사 통부(30)와 광 출사 통부(40)를 참조 광 측정용 치구(60)를 이용하여 도 3에 도시한 참조 광 측정용 상태로 연결 고정한다.
이 참조 광 측정용 상태에서, 광원부(10)로부터의 광을 입사측 파이버(12)를 통해서 광 입사 통부(30)에 입사시키면, 광은 상기와 동일하게 콜리메이터 렌즈(36)에 의해 평행광이 되어, 광 확산판(38)에 의해서 방사 휘도가 균일화된 상태에서, 전면판(32)의 광 투과 구멍(33)으로부터 출사하지만, 이 출사한 광은 중앙 위치 규제 부분(62)의 광 투과용 관통구멍(63) 및 간극(65)을 통과하여 직접, 광 출사 통부(40)에 입사한다.
이 광 출사 통부(40)에 입사한 광은 실측용 상태의 경우와 동일하게, 렌즈(42) 및 반사 미러(46)를 통해서 출사측 파이버(16)에 입사하여, 분광 방사 조도계(18)로 인도되고, 이 분광 방사 조도계(18)에 의해 광의 분광 방사 조도가 측정되며, 이것이 참조값(레퍼런스)으로서 기록된다. 여기에 얻어지는 참조값은 반사율이 100%인 표준 미러에 대해서 얻어지는 값과 동등하다.
그리고, 이미 기술한 실측용 상태에 의한 실제의 측정 대상물에 대해서의 소정 파장의 광에 대한 측정값을 상기 파장의 광에 대한 참조값으로 나누어 몫을 얻음으로써, 상기 측정 대상물에 대해서 분광 반사율이 구해진다.
이상의 분광 반사율 측정 장치에 의하면, 이하와 같은 효과를 얻을 수 있다.
(1) 자외 영역으로부터 가시역 및 적외 영역에 걸친 넓은 파장 영역에 걸친 범위에 있어서, 각 파장마다의 광의 반사율, 즉 분광 반사율을 측정할 수 있다. 이것은, 광원부(10)에서 자외 영역으로부터 가시역을 포함시켜서 적외 영역에 걸쳐서 연속적으로 넓은 파장 영역의 범위에서 광을 방사하는 크세논 램프(20)를 광원 램프로서 이용하는 동시에, 특정 파장의 방사 조도가 측정 가능한 측정기인 분광 방사 조도계(18)에 의해 각 파장마다의 광의 방사 조도가 측정되기 때문이다.
(2) 광원부(10)와 측정 헤드(14)의 사이, 및 측정 헤드(14)와 분광 방사 조도계(18)의 사이가 각각 입사측 파이버(12) 및 출사측 파이버(16)에 의해 광학적으로 접속되어 있기 때문에, 광원부(10), 측정 헤드(14) 및 분광 방사 조도계(18)의 각각을 서로 큰 제약을 수반하지 않고 자유롭게 배치할 수 있다.
또, 측정 헤드(14)는 광원부(10) 및 분광 방사 조도계(18)로부터 거의 독립하고 있기 때문에, 소형화할 수 있다. 따라서, 곡률반경이 작은 집광 미러나, 좁은 부분에 대해서의 반사율의 측정이 가능하게 된다.
(3) 광 입사 통부(30)에 있어서, 콜리메이터 렌즈(36)에 의해서 측정 광을 평행광으로 변환하고, 이 평행광이 또한 석영제 인쇄 글래스로 이루어지는 광 확산판(38)에 의해 확산되기 때문에, 상기 광 확산판(38)으로부터 출사하는 광은 방사 휘도가 일정 방향에서 균일성이 높아진다. 따라서, 광이 자외광인 경우에도 광량의 저하를 수반하지 않고 균일한 방사 휘도의 광을 피측정면(S)에 조사할 수 있고, 그 결과, 자외광을 처리하기 위한 광학 소자에 대해서도 그 분광 반사율을 확실하게 측정할 수 있다.
(4) 도시한 예의 구성에 의하면, 광 입사 통부(30)와 광 출사 통부(40)는 그것들의 외주면에 형성된 걸어맞춤면부(34)에서 부착됨으로써 걸어맞춰지고, 이 상태에서 연결되어 실측용 상태로 되기 때문에, 측정 헤드(14)의 앞쪽 부분을 소형으로 할 수 있는 동시에, 상기 앞쪽 부분의 형상이 산모양으로 되고, 또한, 광 출사 통부(40)에서 반사 광은 반사 미러(46)에 의해서 그 광로가 회절되어 거의 광 입사 통부(30)와 동일 방향으로 이어지는 상태로 됨으로써, 측정 헤드(14)의 앞쪽으로 돌출하는 부분이 존재하지 않는 상태로 되어 있다. 이 때문에, 예를 들면 곡률반경이 작은 타원 집광 미러의 내면의 반사면에 대해서도, 확실하고 용이하게 상기 측정 헤드(14)를 측정 대상물에 대해서 적정한 상태로 배치할 수 있고, 따라서 정확하게 분광 반사율을 측정할 수 있다.
또, 광 입사 통부(30)와 광 출사 통부(40)의 방향이 일치함으로써, 입사측 파이버(12)와 출사측 파이버(16)의 이어지는 방향이 거의 동일 방향으로 되어 일치하기 때문에, 예를 들면 양쪽의 파이버를 합치는 것이 가능하게 되고, 측정 헤드(14)의 부분을 소형화할 수 있으며, 아울러 높은 조작성을 얻을 수 있다.
(5) 참조 광 측정용 치구(60)를 이용하여 동일한 측정 헤드(14)를 참조 광 측정용 상태로 함으로써, 상기 분광 반사율 측정 장치에 의해 용이하게 참조값을 취득할 수 있기 때문에, 반사율이 기지의 표준 미러를 준비해 둘 필요가 없으므로,번거로운 표준 미러의 보관이나 관리를 불요로 할 수 있다. 또, 표준 미러를 사용하는 경우에도, 표준 미러의 분광 반사율의 변화를 검출하여, 오차가 분광 반사율의 측정값에 들어갈 우려가 없어진다.
이상, 본 발명의 형태에 대해서 구체적으로 설명하였지만, 본 발명에서는 여러 가지의 변경을 더할 수 있다. 예를 들면, 광 입사 통부에서는 측정 광을 평행광으로 하는 콜리메이터 렌즈 대신에 다른 정렌즈를 이용하여 얻을 수 있는 대략 평행광으로 된 광을 광 확산판(38)에 입사시켜도 좋다. 단, 이 경우에는 광 확산판(38)에서 광의 휘도의 균일성이 약간 저하하기 때문에, 측정 정밀도가 그만큼 저하한다. 또, 광 확산판으로서는 반사 광의 강도가 검출에 충분한 크기이면, 석영제 인쇄 글래스 이외의 재질의 것을 이용할 수도 있다.
또, 피측정면(S)의 비교적 좁은 범위에 대해서의 반사율을 측정하기 위해서, 측정 광의 조사되는 범위를 좁게 하는 경우가 있지만, 이 경우에 피측정면(S)에서의 방사 휘도가 균일한 영역을 출사측 파이버(16)의 반사 광 입사단에서 본 각도가 출사측 파이버(16)의 개구수보다도 작게 되는 경우가 있다. 그와 같은 경우에는, 렌즈(42)의 입사측에 조리개(51)를 설치하고, 이것에 의해, 균일한 방사 휘도 분포의 반사 광만이 출사측 파이버(16)에 입사하도록 하는 것이 바람직하다.
도 9는 입사각이 0이 되는 상태에서 반사율을 측정하는 경우의 본 발명의 분광 반사율 측정 장치에서의 측정 헤드의 개략 구성도이다. 이와 같은 측정은 렌즈나 필터에 설치한 반사 방지막의 반사 특성을 측정하기 위해서 행해진다.
이 구성에서는 입사측 파이버(12)로부터의 광은 콜리메이터 렌즈(36)에 의해평행광이 되어 광 확산판(38)에 입사하고, 균일한 방사 휘도의 측정 광이 하프 미러(HM)를 통해서 피측정면(S)에 조사된다. 그리고, 피측정면(S)에 의해 반사한 반사 광은 하프 미러(HM)에 의해 반사되고, 렌즈(42)를 통해서 반사 미러(46)에 의해 회절되어 출사측 파이버(16)에 입사한다.
이와 같은 구성으로 함으로써, 입사각도가 0도인 광에 의한 분광 반사율의 측정을 행할 수 있다.
광 입사 통부의 일단부 및 광 출사 통부의 타단부는 각각 입사측 파이버 및 출사측 파이버가 착탈 가능하게 접속되는 것으로 하는 것이 바람직하고, 이것에 의해서, 상기 분광 반사율 측정 장치의 이동 또는 반송이 용이해지는 동시에, 측정 현장에서의 분광 반사율 측정 장치의 조립이 용이해진다.
또, 참조 광 측정용 상태를 달성하기 위한 수단은 여러 가지의 구성으로 할 수 있고, 독립한 참조 광 측정용 치구를 이용하는 것이 바람직하지만, 예를 들면 적당한 끼워 맞춤 수단을 광 입사 통부 및 광 출사 통부를 형성해 두면, 참조 광 측정용 치구는 반드시 필요하게 되는 것은 아니다.
본 발명의 분광 반사율 측정 장치에 의하면, 크세논 램프를 광원 램프로서 이용하는 동시에, 반사 광의 조도의 검출에 분광 방사 조도계를 이용하고 있기 때문에, 자외 영역으로부터 가시역 및 적외 영역에 걸친 넓은 파장 영역에 걸친 범위에 서, 각 파장마다의 분광 반사율을 측정할 수 있다.
또, 광원부와 측정 헤드의 사이, 및 측정 헤드와 분광 방사 조도계의 사이가모두 광학 파이버에 의해 광학적으로 접속되어 있기 때문에, 광원부, 측정 헤드 및 분광 방사 조도계의 각각의 배치에 관한 자유도가 커서, 측정 헤드를 소형화할 수 있다. 그리고, 분광 반사율 측정시에는 소형의 측정 헤드의 선단부만을 피측정면에 접근시키면 되기 때문에, 곡률반경이 작은 집광미러나 좁은 부분에 대해서의 분광 반사율의 측정이 가능하게 된다.
또한, 측정 헤드를 참조 광 측정용 상태로 함으로써, 상기 분광 반사율 측정 장치에 의해서 용이하게 참조값을 직접 취득할 수 있고, 따라서, 반사율이 기지의 표준 미러를 준비해 둘 필요가 없다.

Claims (7)

  1. 크세논 램프를 구비하여 이루어지는 광원부와, 이 광원부로부터의 광을 전달하는 입사측 파이버와, 이 입사측 파이버에 의해 전달된 광을 정렌즈 및 광 확산판을 통해서 측정 대상물인 피측정면에 조사하는 동시에, 이 피측정면으로부터의 반사 광을 받는 측정 헤드와, 이 측정 헤드를 통과한 반사 광을 전달하는 출사측 파이버와, 이 출사측 파이버에 의해 전달된 광을 받는 분광 방사 조도계를 갖고 이루어지는 것을 특징으로 하는 분광 방사율 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정 헤드는 광 입사 통부와, 이 광 입사 통부와 독립한 광 출사 통부를 갖고 이루어지고,
    상기 광 입사 통부에는 그 일단에 입사측 파이버가 접속되는 파이버 접속부가 형성되는 동시에 타단에는 광 투과 구멍이 설치되고, 또한, 상기 파이버 접속부측으로부터의 정렌즈와 광 확산판이 이 순서대로 배치되어 있으며,
    상기 광 출사 통부에는 광 투과 구멍을 통해서 피측정면을 향하는 일단과, 출사측 파이버가 접속되는 파이버 접속부가 형성된 타단의 사이에, 피측정면으로부의 반사 광을 받는 렌즈가 배치되어 있고,
    상기 광 입사 통부와 상기 광 출사 통부는 각각에 있어서의 광축이 측정 대상물의 표면 또는 그 근방에서 교차하는 상태에서, 분리 가능하게 일체로 연결되어있는 것을 특징으로 하는 분광 반사율 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측정 헤드의 광 출사 통부에는 피측정면으로부터의 반사 광을 반사하는 반사 미러가 배치되고, 이것에 의해, 상기 광 출사 통부의 이어지는 방향이 광 입사 통부의 이어지는 방향과 거의 동일 방향으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 분광 반사율 측정 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 측정 헤드의 광 입사 통부와 광 출사 통부는 양자의 광축이 일치하는 상태에서 연결 가능하게 되어 있고, 이와 같이 연결된 상태에서 참조 광에 대해서의 참조 광 측정이 행해지는 것을 특징으로 하는 분광 반사율 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광 입사 통부와 광 출사 통부는 참조 광 측정용 치구에 의해 양자의 광축이 일치하는 상태에서 연결되는 것을 특징으로 하는 분광 반사율 측정 장치.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 기재된 분광 반사율 측정 장치를 이용하여, 상기 측정 헤드의 광 입사 통부와 광 출사 통부를 양자의 광축이 일치하는 상태로 연결된 상태에서 참조 광 측정을 행하는 동시에,
    측정 헤드의 광 입사 통부와 광 출사 통부를 각각에 있어서의 광축이 측정 대상물의 표면 또는 그 근방에서 교차하는 상태에서 일체로 연결된 상태에서 측정 대상물의 피측정면에 대해서 분광 반사율의 측정을 행하고,
    참조 광의 분광 방사 조도에 대한 반사 광의 분광 방사 조도의 관계에 의해, 상기 피측정면의 분광 반사율을 구하는 것을 특징으로 하는 분광 반사율 측정 방법.
  7. 크세논 램프를 구비하여 이루어지는 광원부와, 이 광원부로부터의 광을 전달하는 입사측 파이버와, 이 입사측 파이버에 의해 전달된 광을 정렌즈, 광 확산판 및 하프 미러를 통해서 측정 대상물의 피측정면에 조사하는 동시에, 이 피측정면으로부터의 반사 광을 상기 하프 미러를 통해서 받는 측정 헤드와, 이 측정 헤드를 통과한 반사 광을 전달하는 출사측 파이버와, 이 출사측 파이버에 의해 전달된 광을 받는 분광 방사 조도계를 갖고 이루어지는 것을 특징으로 하는 분광 반사율 측정 장치.
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