TWI454670B - Optical property measuring device and method for measuring optical properties - Google Patents

Description

光學特性測定裝置及光學特性測定方法

本發明係有關於光學特性測定裝置及光學特性測定方法。特別有關於測定待測對象於光照射後之反射光，用以測定待測對象光學特性之光學特性測定裝置，及使用該裝置之光學特性測定方法。

習知之光學特性測定裝置，係於待測物被光照射後，對其反射光進行分光測定，據以測定該待測物之光學特性。舉例來說，此一光學特性測定裝置，係揭露於日本專利特開平11-316186號公報(專利文獻1)及特開平11-230829號公報(專利文獻2)中。

專利文獻1所揭露之光學特性測定裝置(分光光度計)係包括上部遮光部，可用以對放置待測物之取樣集合(sample set)面進行開關控制。

除此之外，專利文獻2所揭露之光學特性測定裝置(顯微分光裝置)係包括照明光學系統及成像光學系統。照明光學系統將從光源射出之照明光，透過半反射鏡(half mirror)，被導向至放置於桌上之待測定樣品中，而成像光學系統則將待測定樣品之反射光導向繞射光柵及監測(monitor)用光學系統中。接著，於待測定樣品上，繞射光柵對來自於測定區域之觀察光進行分光，用以將分光光譜(spectrum)成像於線感測器(line sensor)上。然後，根據線感測器所測定之分光光譜，用以計算光學特性。另一方面，藉由繼光鏡片(relay lens)，監測用光學系統將待測定樣品之放大影像成像於二維之電荷耦合(charge-coupled-device,CCD)相機上。其次，根據電荷耦合相機所拍攝之待測定樣品之放大影像，係用以確認測定位置及粗略對焦。

於一般之光學特性測定裝置中，如專利文獻2所揭露之顯微分光裝置，係將從光源射出之照明光，同時用來進行分光光譜之測定及對焦。

於專利文獻1及2所揭露之光學特性測定裝置中，需對待測物對向之接物鏡(objective lens)進行對焦及測定部位之指定。就此而言，於專利文獻2所揭露之光學特性測定裝置中，利用所設之電荷耦合相機(16)，可進行對焦及取得測定部位之特性。然而，如上所述，由於從光源射出之照明光同時被用來進行分光光譜之測定及對焦，所以必須使用半反射鏡(13)，且需將觀察用照明插入至分光測定光之光學路徑上。因此，會有測定光光量損失之問題。

有鑑於此，本發明之目的，在於提供光學特性測定裝置及光學特性測定方法，用以控制測定光量之減少，同時可以進行接物鏡之焦點調整及測定部位之指定。

本發明之光學特性測定裝置包括：測定部份，利用來自於待測物之測定光來測定待測物之光學特性；接物鏡，設置於待測物及測定部份之間的光學路徑上；及光注入部份，於測定部份及接物鏡間之光學路徑的既定位置上，從光學路徑外注入具有待測物反射波長之觀察光，其特徵在於，具有將觀察光注入光學路徑之第一模式，及未將觀察光注入光學路徑而由測定部份進行測定之第二模式。

根據上述之架構，將具有待測物反射波長之觀察光注入待測物及測定部份之間的光學路徑上時，可用以進行接物鏡之焦點調整及測定部位之指定。就此而言，在未注入觀察光之狀態下，係利用測定部份進行測定，且能夠於進行測定時開啟該光學路徑。因此，根據本發明之光學特性測定裝置，能夠控制測定光量之減少，同時進行接物鏡之焦點調整及測定部位之指定。進一步，由於能夠控制測定光進入測定光學系統，而能夠於測定中控制雜散光之產生。

更好地，該光學特性測定裝置更包括快門，設置於光學路徑之既定位置上，其中，於光學路徑關閉時，快門為第一狀態，並將觀察光向著接物鏡，而於光學路徑開啟時，快門為第二狀態，且其中，當快門成為第一狀態時，係為第一模式，而當快門成為第二狀態時，係為第二模式。

如上所述，利用所設之快門，能夠切換光學路徑之關閉/開啟，以簡單之架構實現該第一模式及第二模式。

更好地，該光學特性測定裝置更包括反射鏡部份，設置於接物鏡及快門之間，用以反射測定光；及取像部份，對來自於反射鏡部份之反射光所得之反射影像進行取像。

如上所述，當設置取像部份，用以對來自於反射鏡部份之反射光所得之反射影像進行取像時，便能夠根據取像部份所取得之影像來進行接物鏡之焦點調整及測定部位之指定。

本發明之光學特性測定方法，係為利用來自於待測物之測定光來測定待測物光學特性之光學特性測定方法，包括：第一步驟，於測定光之光學路徑上，在相對於接物鏡且位於待測物相對之既定位置上，從光學路徑外注入具有待測物反射波長之觀察光；及第二步驟，觀察光不注入光學路徑，且用測定光進行測定。

根據上述方法，於第一步驟中，將具有待測物反射波長之觀察光注入待測物及測定部份之間的光學路徑上時，可用以進行接物鏡之焦點調整及測定部位之指定。進一步，於第二步驟中，在未注入觀察光之狀態下，係利用測定部份進行測定，且能夠於進行測定時開啟該光學路徑。因此，根據本發明之光學特性測定方法，能夠控制測定光量之減少，同時進行接物鏡之焦點調整及測定部位之指定。進一步，由於能夠控制測定光進入測定光學系統，而能夠於測定中控制雜散光之產生。

更好地，該光學特性測定方法，更包括：由設置於光學路徑上之反射鏡部份來反射測定光，以及對來自於反射鏡部份之反射光所得之反射影像進行取像。

如上所述，對設置於光學路徑上之反射鏡部份之反射光所取得之反射影像進行取像時，便能夠根據該反射影像來進行接物鏡之焦點調整及測定部位之指定。

依據本發明，能夠於測定光學特性時，控制測定光量之減少，同時可以進行接物鏡之焦點調整及測定部位之指定。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

下文係配合圖示說明本發明之較佳實施方式。此外，於下文之圖示中，相同或類似之元件係以相同或類似之符號表示之，並省略重複之說明。

進一步，於以下說明之實施例中，所提及之個數、數量等，除了特別加以說明之情況外，該個數、數量等並非用以限定本發明之範圍。加之，於以下之實施例中，除了特別加以說明之情況外，每一組成元件對本發明而言並非為必須的。除此之外，於以下複數之實施例中，除了特別加以說明之情況外，係於一開始安排各實施例架構之適當組合。

一般而言，本實施例之光學特性測定裝置，係用於色不均(mura)測定、亮度測定、膜厚不均測定及多點(point)分光測定之用途，但亦可適用於其它用途。

第1圖係顯示依據本發明實施例之光學特性測定裝置之使用狀態說明示意圖。參考第1圖，於此實施例中，作為光學特性測定裝置之分光器1，係用以測定待測物之樣品2A之光學特性。如第1圖所示，分光器1可進行線狀區域的測定。換句話說，分光器1將直線光展開於平面上來進行分光，據以解析樣品2A之光學特性。以此平面擴展之方式，能夠於較短時間內進行待測物光學特性之測定。

於第1圖之實施例中，將長方形之樣品2A沿著箭頭DR2A之方向滑行移動，並利用沿著樣品2A寬度方向所配置之複數(例如3個)之分光器1來進行測定，據以測定樣品2A之光學特性。

對此，作為分光器之使用狀態，亦可考慮第2圖之變形例。於第2圖之例子中，將圓形之樣品2B沿著箭頭DR2B之旋轉，同時利用分光器1來進行測定，據以測定樣品2B之光學特性。

《分光器1之架構》

接著，利用第3圖來說明分光器1之架構。參考第3圖，分光器1包括測定部份10、接物鏡20、發光二極體(LED)30、縫隙反射鏡(slitmirror)40、快門(shutter)50、三合透鏡(triplet lens)60及80、繞射光柵70、反射鏡90及100、透鏡110、取像部份120、及框體130。

測定部份10包括受光部份11。當利用分光器1測定待測物2之光學特性時，將來自於測定用光源(未圖示)之光照射於待測物2上，透過繞射光柵70，將待測物2之反射光導向測定部份10之受光部份11。

接物鏡20設置於待測物2之對向。來自於未圖示測定用光源之光，透過接物鏡20，到達待測物2，而待測物2所反射之反射光(測定光)，透過接物鏡20，到達測定部份10。

發光二極體30係為射出光線(觀察光)之光源，用以對待測物2進行對焦，並指定待測物2之測定對象位置。發光二極體30向著快門50照射觀察光。快門50於關閉狀態時，將發光二極體30之光向著接物鏡20反射。由於該反射光成像於待測物2之表面，因此調整對物鏡20來對焦，使對物鏡20能夠進行焦點調整。另外，成像於待測物2表面之光線位置，亦可用以指定測定部位。

縫隙反射鏡40為具有細長狀開口部份之(縫隙)反射鏡材料。快門50於開啟狀態時，通過縫隙反射鏡40之直線光，透過三合透鏡60、繞射光柵70及三合透鏡80，被導向測定部份10之受光部份11。另一方面，縫隙反射鏡40所反射之光線，透過反射鏡90、100及透鏡110，被導向取像部份120。如此一來，能夠由取像部份120取得縫隙反射鏡40之反射部份所映出的待測部位周邊影像。於取像部份120中，僅有縫隙反射鏡40之縫隙部份，係以黑色表示之影像能夠被取得。因此，取像部份120所取得之影像中，黑色所形成之縫隙部份即為測定部份。換言之，可參考取像部份120所取得之影像來指定測定部位。除此之外，調整對物鏡20來對焦縫隙反射鏡40所映出之影像，使對物鏡20能夠進行焦點調整。

再者，發光二極體30、縫隙反射鏡40、快門50、三合透鏡60及80、繞射光柵70、反射鏡90及100、及透鏡110，係全部置於單一框體130之內部。將測定部份10、接物鏡20及取像部份120設置於該框體130中，用以組成分光器1。控制裝置3係連接於分光器1之測定部份10。控制裝置3根據分光器1之檢測結果，用以計算待測物2之光學特性。關於該光學特性之計算方法，係以一實施例說明如下。

《分光器1之光學特性測定過程》

接著，利用第4圖說明分光器1之光學特性測定過程。參考第4圖，分光器1之光學特性測定方法係包括：從發光二極體30注入觀察光之步驟(第4圖之S10)、及不從發光二極體30注入觀察光，而是利用測定用光源(未圖示)之測定光來進行測定之步驟(第4圖之S20)。

於S10中，快門50為『關閉狀態』。於此狀態下，將發光二極體30之光線向著待測物2，使其反射。以此方式，調整對物鏡20來對焦待測物2表面之成像，使對物鏡20能夠進行焦點調整。除此之外，成像於待測物2表面之光線位置，可用以指定測定部位。

另一方面，由取像部份120取得待測物2之反射光影像。可參考取像部份120所取得之影像來指定測定部位。除此之外，調整對物鏡20來對焦縫隙反射鏡40所映出之影像，使對物鏡20能夠進行焦點調整。

於S10之後，S20係利用相異於發光二極體30之光源(測定用光源)，來進行待測物2之光學特性測定。於S20中，關閉發光二極體30。如此一來，能夠控制發光二極體30之光線進入測定光學系統，進而於測定中控制雜散光之產生。

《基於分光器1檢測結果之光學特性計算方法》

接著，說明基於分光器1檢測結果之光學特性計算方法。如第3圖所示，控制裝置3係連接於分光器1之測定部份10。基於分光器1之測定值，控制裝置3計算待測物2之明亮度及色度等光學特性。舉例來講，控制裝置3所計算出之光學特性包括三刺激值、色度座標、主波長(dominant)、刺激純度(purity)、相關色溫與偏差值(duv)、演色性評價值等。主要是根據XYZ表色系來規定這些測定項目。

XYZ表色系所使用之三刺激值(X,Y,Z)，係根據下列算式產生：

其中，st (λ)：發光體於Δλ間隔內之分光分佈值；：XYZ表色系之等色關數；Δλ：用以計算三刺激值之波長間隔；k ：常數。

於上式中，計算三刺激值(X,Y,Z)需測定值(分光分佈值)，而控制裝置3，將可視域(380奈米～780奈米)中各波長分量之強度所對應之等色關數值相乘後再進行累加。此三刺激值(X,Y,Z)計算方法，即JIS Z 8724所規定之『顏色的測定方法-光源色』。

第5圖係顯示國際照明委員會(CIE)所規定之等色關數。參考第5圖，等色關數對應於人眼所表現的分光感度。

於三刺激值(X,Y,Z)中，刺激值Y之值對應於待測物2之明亮度。此外，於上式中，常數k 之值，係參考受光部份330等之檢測增益比(gain)，且預先設定其值，用以使『Y』之值對應於實際測定明亮度之絕對值。

進一步，於三刺激值(X,Y,Z)中，係利用刺激值X及刺激值Y之值來計算色度座標。色度座標(x,y)，係根據下列算式產生：

色度座標(x,y)，用以表示於XYZ表色系中，橫軸方向之值與縱軸方向之值。此色度座標(x,y)計算方法，即JIS Z 8724所規定之『色的測定方法-光源色』。可以根據CIE 1960 UCS及CIE 1976 UCS來規定其它的計算方法，用以作為色度座標(x,y)之計算方法，或亦可使用這些計算方法。

以此方式，控制裝置3基於分光器300所檢測之測定值，用以計算出三刺激值(X,Y,Z)，並據以算出測定對象，即待測物2之明亮度(kY)及色度座標(x,y)至少其中之一。再者，控制裝置3預存上述之等色關數及常數k。

於XYZ表色系規定之色度圖中，主波長與色度座標(x,y)之y座標值所對應之波長一致，用以表示待測物2之色差。刺激純度，係對應於原點座標及色度座標(x,y)間之距離，用以表示待測物2之飽和度。該主波長與刺激純度之計算方法，即JIS Z 8701所規定之『顏色的表示方法-XYZ表色系及X10Y10Z10表色系』。

相關色溫與偏差值(duv)，係分別表示與待測物2顏色最接近之黑體溫度、以及相對於黑體溫度之偏差值，且規定於JIS Z 8725之『光源分佈溫度與色溫、相關色溫之測定方法』中。

演色性評價值，用以表示對待測物2之演色性加以評價，係規定於JIS Z 8726之『光源之演色性評價值方法』中。

《上述架構之變形例》

舉例來講，可以下述之方式作為上述架構之變形例。換言之，於此變形例中，去除第3圖之透鏡110及取像部份120，使該等光軸之中心一致，及設置其它發光二極體。於此情況下，來自於其它發光二極體之光(觀察光)被縫隙反射鏡40反射，到達待測物2之表面。就此而言，為了於待測物2上對焦，係調整接物鏡20，因此便能夠進行待測物2之對焦。除此之外，形成於待測物2表面之影像中，縫隙部份所對應之位置，即為測定位置。

《總結》

茲將上述之相關內容彙整如下。也就是說，於本實施例中，作為『光學特性測定裝置』之分光器1包括：測定部份10，利用來自於待測物2之測定光來測定待測物2之光學特性；接物鏡20，設置於待測物2及測定部份10之間的光學路徑上；及作為『光注入部份』之發光二極體30，於測定部份10及接物鏡20間之光學路徑的既定位置上，從光學路徑外注入具有待測物2反射波長之觀察光。分光器1具有將觀察光注入光學路徑之第一模式(第4圖之S10)，及不將觀察光注入光學路徑而是由測定部份10進行測定之第二模式(第4圖之S20)。

更具體地，分光器1更包括快門50，設置於光學路徑之既定位置上。於光學路徑關閉時，快門50為第一狀態，並將觀察光向著接物鏡20，而於光學路徑開啟時，快門50為第二狀態，其中，當快門50成為第一狀態(關閉狀態)時，係為上述第一模式(S10)，而當快門50成為第二狀態(開啟狀態)時，係為第二模式(S20)。

另外，分光器1更包括作為『反射鏡部份』之縫隙反射鏡40，設置於接物鏡20及快門50之間，用以反射測定光；及取像部份120，對來自於縫隙反射鏡40之反射光所得之反射影像進行取像。

根據此實施例之分光器1，將具有待測物2反射波長之觀察光注入待測物2及測定部份10之間的光學路徑上時，可用以進行接物鏡之焦點調整及測定部位之指定。就此而言，在未注入觀察光之狀態下，係利用測定部份10進行測定，且能夠於進行測定時開啟該光學路徑。因此，根據分光器1，即能夠控制測定光量之減少，同時進行接物鏡20之焦點調整及測定部位之指定。

進一步，於分光器1中，利用所設之快門50，能夠切換光學路徑之關閉/開啟，以簡單之架構實現上述之第一模式(S10)及第二模式(S20)。

進一步，於分光器1中，當設置取像部份120，用以對測定光之反射光所得之反射影像進行取像時，便能夠根據取像部份120所取得之影像來進行接物鏡20之焦點調整及測定部位之指定。

此實施例之光學特性測定方法，係為利用來自於待測物2之測定光來測定待測物2光學特性之光學特性測定方法，包括：第一步驟(S10)，於測定光之光學路徑上，在相對於接物鏡20且位於待測物2相對之既定位置上，從光學路徑外注入具有待測物2反射波長之觀察光；及第二步驟(S20)，觀察光不注入光學路徑，且用測定光進行測定。再者，由設置於光學路徑上之縫隙反射鏡40來反射測定光，並對來自於縫隙反射鏡40之反射光所得之反射影像進行取像。

本發明已如上詳細說明，但上述說明僅為範例，且本發明也不限於此，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．分光器

2．．．待測物

2A、2B．．．樣品

10．．．測定部份

11．．．受光部份

20．．．接物鏡

30．．．發光二極體

40．．．縫隙反射鏡

50．．．快門

60、80．．．三合透鏡

70．．．繞射光柵

90、100．．．反射鏡

110．．．透鏡

120．．．取像部份

130．．．框體

3．．．控制裝置

第1圖係顯示依據本發明實施例之光學特性測定裝置之使用狀態示意圖。

第2圖係顯示依據本發明實施例之光學特性測定裝置之另一使用狀態示意圖。

第3圖係顯示依據本發明實施例之光學特性測定裝置之架構示意圖。

第4圖係顯示依據本發明實施例之光學特性測定方法流程圖。

第5圖係顯示國際照明委員會(CIE)所規定之等色關數。

1．．．分光器

2．．．待測物

10．．．測定部份

11．．．受光部份

20．．．接物鏡

30．．．發光二極體

40．．．縫隙反射鏡

50．．．快門

60、80．．．三合透鏡

70．．．繞射光柵

90、100．．．反射鏡

110．．．透鏡

120．．．取像部份

130．．．框體

及

3．．．控制裝置

Claims (2)

1. 一種光學特性測定裝置，包括：測定部份，利用來自於待測物之直線狀的測定光展開於平面上來進行分光以測定該待測物之光學特性；接物鏡，設置於該待測物及該測定部份之間的光學路徑上；光注入部份，於該測定部份及該接物鏡間之該光學路徑的既定位置上，從該光學路徑外注入具有該待測物反射波長之觀察光；快門，設置於該光學路徑之該既定位置上；反射鏡部份，設置於該接物鏡及該快門之間，用以反射該測定光；及取像部份，對來自於該反射鏡部份之反射光所得之反射影像進行取像；其特徵在於，具有將該觀察光注入該光學路徑之第一模式，及未將該觀察光注入該光學路徑而由該測定部份進行測定之第二模式；其中，於該光學路徑關閉時，該快門為第一狀態，並將該觀察光向著該接物鏡，而於該光學路徑開啟時，該快門為第二狀態；且其中，當該快門成為第一狀態時，係為該第一模式，而當該快門成為第二狀態時，係為該第二模式。
2. 一種光學特性測定方法，利用來自於待測物之直線狀的測定光展開於平面上來進行分光以測定該待測物之光 學特性，包括：第一步驟，於該測定光之光學路徑上，藉由在相對於接物鏡且位於該待測物相對之既定位置上所設置之快門關閉該光學路徑的同時，從該光學路徑外注入具有該待測物反射波長之觀察光；第二步驟，在該快門開放該光學路徑的同時，該觀察光不注入該光學路徑，且用該測定光進行測定；由設置於該光學路徑上之反射鏡部份來反射該測定光，以及對來自於該反射鏡部份之反射光所得之反射影像進行取像。