WO2012121323A1

WO2012121323A1 - 光学特性測定装置

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Publication number: WO2012121323A1
Application number: PCT/JP2012/055945
Authority: WO
Inventors: 川手　悦男; ミロスラバハイン
Original assignee: 独立行政法人産業技術総合研究所
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2012-09-13
Also published as: EP2685237A4; EP2685237A1; US20140002825A1; US8982345B2; JP5721070B2; JP2012185121A

Abstract

　被測定物の光学特性を測定する装置において、半球全反射率と半球全透過率と配光測定とを測定可能な装置を提供することを目的とし、さらに測定時間の短縮化、半球全反射（透過）率の定量解析の高精度化を図ることを目的とする。２つの楕円体面鏡の各々の焦点の１つを共通焦点にして結合して、３つの焦点を一軸上に有する光学系である双楕円型光学系において、該双楕円型光学系を、四分の一等の部分回転楕円体面鏡２と帯状回転楕円体面鏡１とで構成する。半球レンズ４又は回転放物面鏡を備える半球面検出光学系を、部分回転楕円体面鏡の焦点の位置に設置することにより、被測定物で散乱され部分回転楕円体面鏡の鏡面で反射され焦点に集光される光を、例えば半球レンズとテーパー状光ファイバー５を介して、ＣＣＤカメラ６で撮影し、被測定物の光学特性を測定する。

Description

光学特性測定装置

　本発明は、試料などの被測定物に光を入射させ、試料からの散乱光の光強度とその空間分布を測定可能な、感度の優れた光学特性測定装置に関する。特に、被測定物の全球散乱を効率的に測定することができる散乱計に関する。

　近年、半導体など電子部品の製造やナノテクノロジー分野での精密計測において、光学特性検査装置の測定精度の向上が望まれている。

　光を物質に入射した際の光と物質との相互作用を考えると、物質による正反射、拡散反射、（正）透過、拡散透過、そして光吸収の５種類に分類できる。すなわち、反射と透過現象に関しては、入射角度と反射角度が等しい正反射と、入射角度と透過光の角度が等しい（正）透過と、一つの入射角度に対して反射光や透過光が広い空間に発生する散乱（拡散反射と拡散透過を足し合わせた現象）がある。

　従来、正反射率と（正）透過率を測定するために別々のアクセサリーを用いて相対反射率と絶対透過率を測定してきた。この方法の欠点は各々の測定量の測定精度が異なることである。この問題点を解決するため、透過率測定と反射率測定を統合させた装置を本発明者は開発してきた（特許文献１～３参照）。

　物質による光の散乱現象に注目すると、全空間（４π空間）に一様に光が散乱される完全散乱と、ある特定の一部空間に光が散乱される部分散乱がある。前者の完全散乱の例は緩くパッキングされた微小粉末で、後者の例は身の回りに非常に多い。例えばタイル、ペンキの塗られた面、布（縦糸と横糸）、紙面（紙の繊維が網目状になっている）などである。正反射と（正）透過現象を、この部分散乱における「ある特定の一部空間」の極限として見なすことができる。このような例からも、散乱測定のためには、全球散乱（ＴＳＳ：Ｔｏｔａｌ　Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　Ｓｃａｔｔｅｒ）と散乱の異方性（ＢＳＤＦ：Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　Ｓｃａｔｔｅｒ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ、双方向散乱分布関数）の両方を測ることが必要である。

　試料からの光散乱の光学測定分野において、二分の一回転楕円体面鏡を使った散乱計が知られている。また、積分球を用いた散乱計や、ゴニオメーターを使った散乱計が知られている。また、イメージング半球を使った散乱計や、２つの楕円面鏡を使った散乱計（シーガル型散乱計とも呼ぶ）(特許文献５参照）が知られている。

　本発明者は、双楕円型光学系の構造を提案して光学特性測定装置を開発してきた。すでに、双楕円柱面鏡を用いた光学系を用いる装置を開発した（特許文献１参照）。また、楕円柱を結合するのではなく、回転楕円体面鏡を２つ結合した構造の光学系を用いて、絶対反射率と絶対透過率を測定する装置を、本発明者は開発した（特許文献２及び３参照）。該装置は、２個の回転楕円体面鏡からなる双楕円体面鏡を備え、２個のビーム切換鏡と試料とを各焦点に配置するものである。

　また、本発明者は、双楕円型光学系の構造の受光側回転楕円体面鏡を所定角回転し、その回転楕円体面鏡の焦点にあるビーム切換えミラーを微少角度ずつ回転させることが可能な装置を開発して散乱光の異方性の測定を行った（非特許文献１、特許文献４の図１４参照）。双楕円型光学系の構造は、入射側の楕円体面鏡Ｅ１と受光側の楕円体面鏡Ｅ２を、互いの１つの焦点を共通焦点Ｆ０とし、さらに楕円体面鏡Ｅ１とＥ２のそれぞれの残りの焦点をＦ１とＦ２とすると、これら３つの焦点が一直線状に並ぶようにした構造である。

　また、本発明者は、双楕円型光学系の構造の受光側回転楕円体面鏡を回転させ、回転される楕円体面鏡の焦点に集光する散乱光を検出する装置を開発して、被測定物の全球散乱を測定することを可能とした（特許文献４参照）。特許文献４では、双楕円型光学系を構成する第１及び第２の楕円面鏡は、所定の厚さの板状もしくは帯状部材からなる構造であった（特許文献４の図２参照）。

特開２００４－２５７９５６号公報特開２００４－４５０６５号公報特開２００６－２３４６８１号公報特開２０１０－２７６３６３号公報米国特許５２１０４１８号明細書

Ｋａｗａｔｅ　Ｅ．，"Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｃａｔｔｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ＳＴＡＲ　ＧＥＭ　ａｓ　ａ　ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｅｒ"　Ｉｎ　ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＰＩＥ，ｖｏｌ．７０６５，２００８，７０６５１５－１－７０６５１５－９

　散乱計が対象とする散乱測定量には次のような測定量がある。試料からの光散乱では、試料から反射或いは透過された光は、各々半球面上に分布する。このときの重要な測定は２つである。（１）半球面への全反射光量または全透過光量で、予め測定した全バックグラウンド光量と比較して、半球全反射率または半球全透過率を求める。（２）各半球面上に反射光または透過光がどのように分布しているかの測定で、配光測定（双方向反射分布関数または双方向透過分布関数）である。

　従来の二分の一回転楕円体面鏡を使った散乱計は、半球全反射率を測定する方法である。１９８０年代まで研究開発されてきたが、実用化されなかった。第一の理由は、競合する技術であった積分球の内壁を構成する高拡散反射物質が開発されて積分球が進歩して紫外・可視ばかりでなく赤外領域でも実用化された。第二の理由は、この二分の一回転楕円体面鏡には２つの焦点があり、一方の焦点に試料を他方の焦点に検出器を配置して試料の反射率を測定した。試料からの反射光は楕円体面鏡で反射されて検出器に集光されるが、検出器は入射光を全て吸収できないので、それからの反射光は楕円体面鏡で再度反射されて試料へ戻る。これの繰り返しが起こることによって、試料の反射率は、本来の値より高く測定されてしまうという問題がある。

　従来の積分球を使った散乱計は、定量的な半球全反射（透過）率を測定する方法であり、今日この分野の測定の主流である。しかし、配光分布は測定できないという問題がある（特許文献４の図１６参照）。

　従来のゴニオメーターを使った散乱計は、定量的な配光分布（ＢＳＤＦ）を測定する方法であり、今日この分野の測定の主流である。しかし、検出器を４π空間でスキャンしなければならないので、一回の測定に時間がかかることという問題がある。原理的には、４π空間の各点の配光を測定したデータから、半球全反射率と半球全透過率を求めることができる（特許文献４の図１７参照）。

　従来のイメージング半球を使った散乱計は、ＣＣＤカメラを使って散乱光分布（配光測定）を測定する方法である。その原理を図２６に示す。試料を半球の中心に設置し、試料へ入射光を図示のように入射する。試料からの拡散反射光のうち試料の近傍においた凸面ミラーで反射された光は半球外に設置されたＣＣＤカメラに入射する。この半球の内面は拡散反射性の物質で構成されその反射率は２０％程度に抑えてあり、積分半球内の多重反射を無視できるとして解析している。測定時間は１０秒程度である。しかし、この測定方法には、多くの仮定が入っていて、厳密な定量的測定は不可能であるという問題がある。

　従来の２つの楕円面鏡を使った散乱計（特許文献５参照）は、楕円面鏡２枚をカモメの翼のような位置に設置して、その共通焦点に試料を配置し、残りの２つの焦点に固定ミラーをそれぞれ配置した構造を有している。この構造では、絶対反射率測定は不可能で、相対反射率を測定できるだけであり、また透過率測定はできない。拡散反射測定に関しても、一方の楕円面に入射した散乱光を測定できるだけで、定量測定は不可能であるという問題がある。

　本発明者の開発した従来の受光側回転楕円体面鏡を回転させて測定する散乱計(特許文献４参照）は、半球全反射率と半球全透過率と配光測定の３つができる。しかしながら、次の２つの改善すべき問題があることが判明した。ゴニオメーターに比較すれば、配光測定も時間を短縮できたが、イメージング半球等と比較すると測定時間が長い。半球全反射（透過）率を測定するためには、各回転角度での測定量を積分しなければならないが、定量的な解析が難しい。

　本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、半球全反射率または半球全透過率、並びに配光測定（双方向反射分布関数または双方向透過分布関数）を、効率よく短時間で測定すること、また定量測定を高精度化することを目的とするものである。

　本発明者は、双楕円型光学系の構造を備える装置において、双楕円型光学系を構成する第１及び第２の回転楕円体面鏡のそれぞれの形状を工夫し、第１の回転楕円体面鏡を、帯状に切断した形状の回転楕円体面鏡帯状体として、第２の回転楕円体面鏡を、四分の一や八分の一等のように切断した回転楕円体面鏡部分体とし、本発明を完成するに到った。
　本発明の測定対象は、次の測定量である。
（１）鏡面又は散乱面の半球全透過率と半球全反射率
（２）鏡面又は散乱面の配光分布（双方向透過分布関数と双方向反射分布関数）
（３）ＬＥＤ等の発光体からの発光の空間分布（配光分布）と全発光量

　本発明は、上記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。

　本発明は、被測定物からの散乱光を測定する光学特性測定装置であって、部分回転楕円体面鏡と帯状回転楕円体面鏡とからなる双楕円型光学系と、半球面検出光学系とを備え、前記部分回転楕円体面鏡は、少なくとも、双楕円型光学系の軸を通る面と、該軸に直交し共通焦点を通る面とで切断された構造を有し、前記半球面検出光学系は前記部分回転楕円体面鏡の焦点の位置に設置したことを特徴とする。
　本発明の光学特性測定装置における半球面検出光学系は、半球レンズを備え、半球レンズの中心が前記部分回転楕円体面鏡の焦点の位置に一致するように設置することが好ましい。本発明の前記半球面検出光学系は、テーパー状の光ファイバーを備え、前記光ファイバーの大径側の端面を、前記半球レンズの焦点に一致するように設置し、このファイバーの出射側の端面に光検出器を設置する。本発明の半球面検出光学系は、回転放物面鏡を備え、回転放物面鏡の焦点が前記部分回転楕円体面鏡の焦点の位置に一致するように設置することが好ましい。本発明の半球面検出光学系は、反射面鏡及び光検出器を備え、回転放物面鏡を出射した光を、該反射面鏡を介して光検出器で測定することが好ましい。本発明の半球面検出光学系は、凸レンズ及び光検出器を備え、半球レンズまたは回転放物面鏡を出射した光を、該凸レンズを介して光検出器で測定することが好ましい。本発明では、光検出器としてＣＣＤカメラを備えるとよい。
　本発明の部分回転楕円体面鏡は、例えば、四分の一回転楕円体面鏡又は八分の一回転楕円体面鏡である。

　また、本発明の双楕円型光学系は、第１の楕円体面鏡及び第２の楕円体面鏡の各々の焦点の１つを共通焦点にして結合して、３つの焦点を一軸上に有する光学系である。
　本発明の光学特性測定装置は、光入射側の帯状回転楕円体面鏡の焦点に、ビーム切り替えミラーとも呼ぶ反射板を備え、前記共通焦点に被測定物（試料）を配置し、前記部分回転楕円体面鏡の焦点に半球面検出光学系を配置する。

　半球面検出光学系とは、半球面の鏡面で反射され集光された光全体を同時に検出可能な光学系をいう。半球面検出光学系の例は、（１）半球レンズとテーパー状ファイバーとＣＣＤカメラ、（２）半球レンズとテーパー状ファイバーとフォトダイオード検出器、（３）半球レンズと凸レンズ系とＣＣＤカメラ、（４）半球レンズと凸レンズ系とフォトダイオード検出器、（５）回転放物面鏡と凸レンズ系とＣＣＤカメラ、（６）回転放物面鏡と凸レンズ系とフォトダイオード検出器、（７）回転放物面鏡と反射面鏡とＣＣＤカメラ、（８）回転放物面鏡と反射面鏡とフォトダイオード検出器などがある。ここで、反射面鏡とは、放物面鏡と楕円面鏡を統合した呼び方である。部分回転楕円体面鏡が、四分の一回転楕円体面鏡である場合は、半球面検出光学系を用いると、該四分の一回転楕円体面鏡で反射された光を同時に検出することができる。また、部分回転楕円体面鏡が、八分の一回転楕円体面鏡である場合は、半球面検出光学系を用いると、該八分の一回転楕円体面鏡で反射された光を同時に検出することができる。

　本発明では、部分回転楕円体面鏡と帯状回転楕円体面鏡とからなる双楕円型光学系を用いることにより、従来のイメージング半球光学系やシーガル型散乱計では拡散反射しか測定できなかったのに対して、反射率ばかりでなく透過率も同時に測定可能となった。また、従来の二分の一回転楕円体面鏡では多重反射の問題があったが、本発明では、入射側の回転楕円体面鏡を、反射面積の少ない帯状回転楕円体面鏡としたので、多重反射を減らせる。さらに光源を帯状回転楕円体面鏡の外部に配置してこの楕円体面鏡の入射用透孔を通してこの楕円体面鏡内部へ光を導く構造とすることにより、多重反射を減らせる効果が大である。また、本発明では、帯状回転楕円体面鏡を使うことにより、試料への入射角度を可変にできる。また、拡散反射（透過）的でない試料（平面ミラーや窓ガラス等）の場合には、絶対反射率と絶対透過率が測定できる。

　本発明では、前記部分回転楕円体面鏡として、双楕円型光学系の軸を通る面と、該軸に直交し共通焦点を通る面とで切断された構造を用いたことにより、多重反射を避けることができる。

　本発明では、部分回転楕円体面鏡と帯状回転楕円体面鏡とからなる双楕円型光学系を用い、半球面検出光学系を部分回転楕円体面鏡の焦点の位置に設置したことにより、半球前面で反射される光を同時に検出できるので、半球全反射率または半球全透過率、並びに配光測定（双方向反射分布関数または双方向透過分布関数）を、効率よく短時間で測定できる。

　また、本発明では、拡散表面をもつ試料の絶対反射率や絶対透過率等の絶対測定を高精度に行える。本発明では、共通焦点に試料を配置し、帯状回転楕円体面鏡側から励起光を試料に照射して、試料からのルミネッセンスが全空間（４πステラジアン）に広がって放散されるが、四分の一回転楕円体面鏡に入射した光（πステラジアン）は、半球面検出光学系で集光して検出器へ導いて分析できる。

　本発明では、共通焦点に試料の代わりに発光ダイオードを配置することで、四分の一回転楕円体面鏡を使って発光ダイオードからの放射光の空間分布と全発光光量の定量測定もできる。

　四分の一回転楕円体面鏡の焦点（Ｆ２）へ直接ＣＣＤカメラを配置したのでは、カメラの撮像面がカメラの筐体より約１０ｍｍ奥にあることで、カメラに入射できる光は半球（２πステラジアン）の１６分の１程度の立体角に限られてしまう。これに対して、本発明では、半球レンズを用いることで、半球面の立体角（２πステラジアン）から半球レンズの底面へ入射した光を、半球レンズから出射するときには半球の七分の一程度の立体角中へ集光できる。しかしながら、この半球の七分の一の立体角で半球レンズから出射したビームの直径は約１０ｍｍで、ＣＣＤカメラの撮像面の大きさ（例えば、縦７ｍｍで横５．３ｍｍ）より大きいので、全てをＣＣＤカメラに取り込むことができない。本発明では、半球レンズから出射した光は、そのレンズの頂点から半径程度の距離で結像することを発見した。この位置でのビームの直径は先ほどの約１０ｍｍであり、この位置へテーパー状光ファイバーの大口径側端面（直径２０ｍｍ）を配置することで、全ての光をファイバー中へ取り込むことができる。このファイバーテーパーの小口径端面の直径は６ｍｍ程度であり、ＣＣＤカメラの撮像面より小さいので、ファイバーから出射する全ての光をＣＣＤカメラへ入射させることができる。なお、各数値は説明のための１例として示したものであり、数値によらず同様の効果がある。

　本発明では、回転放物面鏡と反射面鏡（放物面鏡や楕円面鏡）を組み合わせて用いることで、半球の立体角に広がった光を、ＣＣＤカメラの受光立体角へマッチィングさせることができる。半球レンズ等を使う半球面検出光学系ではレンズ等の屈折率が波長に依存するために、広い波長範囲の測定のためには、途中で半球レンズやファイバーテーパーの材質を変える必要がある、一方、回転放物面鏡と反射面鏡とを組合せて使うと、反射光学系で波長依存性が無いので、紫外・可視・赤外領域の広い波長領域を１台の半球面検出光学系でカバーできる。

実施の形態１の光学特性測定装置であり、反射測定配置を示す図。実施の形態１の光学特性測定装置の断面図。実施の形態１の光学特性測定装置における透過測定配置を示す図。実施の形態１の光学特性測定装置におけるバックグラウンド測定配置を示す図。実施の形態１の半球面検出光学系を示す図。実施の形態１の帯状回転楕円体面鏡を示す図。実施の形態１の四分の一回転楕円体面鏡を示す図。実施の形態１の八分の一回転楕円体面鏡を示す図。実施の形態１において帯状回転楕円体面鏡の配置を説明する図。実施の形態１において帯状回転楕円体面鏡の配置を説明する図。実施の形態１において帯状回転楕円体面鏡の配置を説明する図。回転楕円体面の赤道面等を説明する図。回転楕円体面の切断面を説明する図。半球レンズに入射した光線を示す図。半球レンズとファイバーテーパーを用いた半球面検出光学系を示す図。実施の形態１における試料の回転を説明する図。実施の形態１における試料の回転を説明する図。実施の形態１における合成画像を説明する図。実施の形態１の光学特性測定装置による測定結果を示す図。実施の形態１の光学特性測定装置による半球レンズの効果を示す図。実施の形態１の光学特性測定装置による測定結果を示す図。実施の形態２の光学特性測定装置を示す図。実施の形態３の光学特性測定装置を示す図。実施の形態４を示す図。実施の形態４を示す図。従来技術を説明する図。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
　試料からの散乱光を計測するための光学特性測定装置に関して、その代表的な構造及び評価結果等について説明する。図１は、実施の形態１の代表的な構造を示す斜視図であり、反射測定配置を示している。図２は、図１の装置の断面図を模式的に示した図であり、反射測定モードを示している。図３は透過測定配置を示す図であり、図４はバックグラウンド測定配置を示す図である。図５は、半球面検出光学系を示した図である。図６は、帯状回転楕円体面鏡を示した図であり、図７は、四分の一回転楕円体面鏡を示した図で、図８は、八分の一回転楕円体面鏡を示した図である。図９、１０、１１は、帯状回転楕円体面鏡を回転させた様子を示す図である。

　まず本発明の前提となる双楕円型光学系について詳細に説明する。双楕円型光学系は、二つの回転楕円体面鏡を、夫々の回転軸が同軸上にあるように互いに隣接して配置したもので、この二つの回転楕円体面鏡を、夫々互いに近接した焦点を含み回転軸に垂直の面において切断して、夫々の切断面が一致するように接続して構成されたものである。回転楕円体面鏡は内部を鏡面に仕上げたものである。光入射側の第１の回転楕円体面鏡と受光側の第２の回転楕円体面鏡を、互いの１つの焦点を共通焦点とし、２つの回転楕円体面鏡のそれぞれの残りの焦点と合わせた、３つの焦点が一直線状（図２の点線）に並ぶ。３つの焦点を結ぶ直線を「双楕円体面鏡の軸」と呼ぶ。この直線は上記二つの回転楕円体面鏡の回転軸と一致し、双楕円体面鏡の回転軸でもある。

　本実施の形態１の装置は、図１に示すように、双楕円型光学系の構造の一方の回転楕円体面鏡（第１の回転楕円体面鏡）を帯状回転楕円体面鏡１で構成し、他方の回転楕円体面鏡（第２の回転楕円体面鏡）を、四分の一回転楕円体面鏡２で構成し、第２の回転楕円体面鏡の焦点に集光する散乱光を検出する構成を備えたものである。

　帯状回転楕円体面鏡１及び四分の一回転楕円体面鏡２について図１２、１３を参照して説明する。図１２、１３は、回転楕円体面（第１、第２の回転楕円体面鏡）の切断面を説明するための図である。図１２において、回転楕円体面の北極と南極からちょうど半分の位置の面を、赤道面と呼ぶ。赤道面と直交し北極と南極を通り長軸を含む面を、子午線面１と呼ぶ。赤道面と直交し北極と南極を通り短軸のみを含む面を、子午線面２と呼ぶ。図１３において、切断面１は、赤道面から上下に等距離（例えば２０ｍｍ）離れた位置の面である。切断面２は、回転楕円体の１つの焦点を通り、赤道面と直交する平面である。

　帯状回転楕円体面は、切断面１の２つの面と切断面２で切断した残りの立体である。
　四分の一回転楕円体面は、赤道面と切断面２で切断した残りの立体である。体積としては正しくは回転楕円体の四分の一ではないが、本発明において四分の一回転楕円体面と呼ぶ。
　八分の一回転楕円体面は、赤道面と子午線面１と切断面２で切断した残りの立体である。八分の一回転楕円体面の場合も、体積としては正しくは八分の一ではないが、本発明において八分の一回転楕円体面と呼ぶ。
　なお、従来の半回転楕円体面は、赤道面で切断した残りの立体である。

　実施の形態１の装置は、半球レンズ４、テーパー状光ファイバー（ファイバーテーパーとも呼ぶ）５、ＣＣＤカメラ６、ビーム切り替え鏡（ＲＭ１ミラー）７、レンズ８、光源９を備えている。第１の回転楕円体面鏡の焦点に、ＲＭ１ミラー７を配置し、共通焦点に試料（被測定物）３を配置し、第２の回転楕円体面鏡の焦点に、半球レンズ４を配置する。上記双楕円体面鏡の軸と第１の回転楕円体面鏡の交点には、入射用透孔が形成されている。

　図１の反射測定配置における反射測定モードについて説明する。光源９（レーザー光源、或いは分光光度計等）からの光を、レンズ８及び入射用透孔を通して、双楕円面鏡内部に取り込むと、この光はビーム切り替え鏡（ＲＭ１ミラー）７に達する。ビーム切り替え鏡（ＲＭ１ミラー）７で反射された光は、第１の回転楕円体面鏡（帯状回転楕円体面鏡１）でさらに反射され、共通焦点上の試料３に入射する。この試料３で反射された光は、第２の回転楕円体面鏡（四分の一回転楕円体面鏡２）で反射されて焦点に集光する。半球レンズの中心をこの焦点と一致させて配置することで、全ての光は半球レンズの平面側から内部へ入射するときに、その材質の屈折率で決まる角度だけ入射光は屈折する。さらにこの半球レンズの特性により、四分の一回転楕円体面鏡側の任意の方向から入射した平行光線は、レンズの半径と材質の屈折率とその入射角度で決まるある特定の距離へ集光する。光線追跡ソフトを使ってシュミレーションした結果を図１４と図１５に示す。屈折率２で直径１０ｍｍ（図１５のＤ）の半球レンズの場合、レンズの頂点から集光点まで距離（図１５のＦ）は、約４ｍｍである。この集光点に、テーパー状光ファイバー（ファイバーテーパーとも呼ぶ）５の大口径側端面を配置する。テーパー状光ファイバーの小口径側端面をＣＣＤカメラ６の画素面に近接させて配置することで、ＣＣＤカメラの画像は鮮明になる。

　帯状回転楕円体面鏡１についてさらに説明する。従来のイメージング半球光学系やシーガル型散乱計は、その構造上、反射率測定はできるが、透過率測定はできないのに対して、本発明の装置は、入射側に帯状回転楕円体面鏡を使うことにより、反射率ばかりでなく透過率も同時に測定可能となった。
　また、従来の二分の一回転楕円体面鏡では多重反射の問題があったが、本発明では、入射側の回転楕円体面鏡を、反射面積の少ない帯状回転楕円体面鏡とし、さらに光源を帯状回転楕円体面鏡の外部に配置してこの楕円体面鏡の入射用透孔を通してこの楕円体面鏡内部へ光を導く構造のために、多重反射を減らせる。
　さらに、本発明では、帯状回転楕円体面鏡を使うことで、試料への入射角度を可変にできる。さらに、拡散反射（透過）的でない試料（アルミ平面ミラーや窓ガラス）の場合には、対称Ｘ型光学系（特許第３４７０２６７号）の考え方（反射測定の光路とバックグラウンド測定の光路を空間のどこでも重なり合うように構築することで、その光路中の光学素子での光ロスを互いにキャンセルできる光学系。このために実際は反射測定を２回、バックグラウンド測定も２回おこなっている。）を使うことで、絶対反射率と絶対透過率が測定できる。

　四分の一回転楕円体面鏡２についてさらに説明する。本発明では、二分の一回転楕円体面鏡ではなくて、四分の一回転楕円体面鏡を用いたので、多重反射を避けることができる。しかし、四分の一回転楕円体面鏡で測定できる空間は、半空間（２π空間）ではなくて、最大で四分の一空間（π空間）である。

　また、四分の一回転楕円体面鏡に変えて、八分の一回転楕円体面鏡を用いてもよい。八分の一回転楕円体面鏡を用いた場合は、最大で八分の一の空間を一度に測定できる。

　半球面検出光学系について以下説明する。図５は、半球面検出光学系を示した図である。本実施の形態では、半球面検出光学系は、半球レンズ４、ファイバーテーパー５、ＣＣＤカメラ６を備える。ファイバーテーパー５は、像を伝達するファイバーバンドルをテーパー状に成形したものであり、入射面からの像を所定の倍率で拡大又は縮小して他方の端面に伝達する機能を有する高解像度の像伝達デバイスである。
　半球面検出光学系は、半球面全体からの光を測定するために、四分の一回転楕円体面鏡２の空間へ検出系が突出しないように設置される。ちょうど、半球レンズ４とファイバーテーパー５は、魚眼レンズに類似する役割をする。半球面検出光学系は、半球全体からの光を全て集光できるように、集光された光が最初に半球レンズ４に入射するように配置される。

　半球レンズに入射した光線について図１４を参照して説明する。図１４は、直径２ｍｍのアパーチャーを付けた直径１０ｍｍの半球レンズに平行光線が入射した時の入射角度と結像の位置を図示したものである。図示のように、半球全体からの光を全て集光することができる。

　図１５は、半球レンズとファイバーテーパーの相対位置関係を説明する図である。半球レンズの結像面までの距離は、半球レンズの屈折率、半径と入射角度で決まる。屈折率が２で、半径が５ｍｍのとき、半球の頂点から結像面までの距離は約４ｍｍである。結像面にファイバーテーパーの入射面を一致させる。半球レンズ（直径１０ｍｍ、屈折率２）にアパーチャーａ（１．５ｍｍ）を付け、半球レンズの底面から、Ｄ／２（半球レンズの半径）とＦ（結像面までの距離）の合計の距離に、ファイバーテーパーの大径面（径ｈ１）を配置し、小径の面（径ｈ２）を、ＣＣＤカメラの画素面に密着させた。詳細には、結像面は曲面であるが、図示のようにファイバーテーパーは平面でもよい。このように、ファイバーテーパー５については、半球レンズの焦点位置に、ファイバーテーパーの一方の面を配置すると、焦点の画像をＣＣＤカメラのピクセルに伝達することができるので、より鮮明な画像が得られるので、より好ましい。しかし、ファイバーテーパーの一方の面を半球レンズの焦点位置に以外に配置してもよい。
　ＣＣＤカメラ６は筐体からピクセル面が奥まっているので、ファイバーテーパー５を用いることにより、効率よく集光できる。ＣＣＤカメラの画像から、空間に光が分布していた情報（配光分布）を得られる。さらに、ＣＣＤカメラの各ピクセルの電荷量を積分することにより、半球全反射（透過）率を得ることができる。

　次に、測定方法について説明する。図４の配置で試料無しの状態でバックグラウンド測定を行う。図３に示す透過測定の場合、光源９（レーザ光源、分光光度計からの光）からの光を、レンズ８及び入射用透孔を通して、双楕円面鏡内部に取り込むと、この光は、反射測定の場合と異なる図示のような向きのビーム切り替え鏡（ＲＭ１ミラー）７に達する。ビーム切り替え鏡（ＲＭ１ミラー）７で反射された光は、帯状回転楕円体面鏡１でさらに反射され、共通焦点上の試料３に入射する。この試料３を透過した光は、四分の一回転楕円体面鏡２で反射されて焦点に集光する。

　ビーム切り替え鏡（ＲＭ１ミラー）７を所定角度回転することで、試料への入射角度を変えることができる。

　帯状回転楕円体面鏡を回転して測定する方法について図９～１１、１６～１８を参照して以下説明する。帯状回転楕円体面鏡の回転は、半球レンズによる最周辺部分の像が中心部分の像に比べて圧縮されてしまうのを改善する時に使う。図９は、帯状回転楕円体面鏡が、四分の一回転楕円体面鏡の赤道面に対して垂直の位置にある配置を示す。図１１に、水平の位置の場合を示し、図１０に、回転途中の配置を模式的に示す。

　半球面検出光学系として半球レンズを初段に使う方法では、最周辺部の像が中心部分に比べて小さくなりすぎるという欠点がある。まずこの欠点の改善のためには、試料と帯状回転楕円体面鏡を相関を持って回転させればよい。実際には中心部分の撮映１枚と周辺部分の撮影３枚を合成させることで、まず完全な四分の一空間の画像を得る。次に試料をＹ軸の周りで１８０°回転させて、先ほどと同じ手順で４回の撮影をおこない、これらを合成する。これで残りの四分の一空間の画像を得る。これら２つの画像を合成することで、半空間（２π空間）を測定できる。

　なお、ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸とは、共通焦点を座標原点とし、次の軸をいう。Ｘ軸は、光源と試料と半球レンズの底面を結ぶ線（図２の点線）で、帯状回転楕円対面鏡の回転軸と一致する。Ｙ軸は、原点を通り、垂直な直線（図２の破線）をいう。Ｚ軸は四分の一楕円の直角に切り落とされたエッジを結ぶ線で、Ｘ軸とＹ軸と直交する軸をいう。

　図１６、１７、１８は、四分の一回転楕円体面鏡上での、π空間の撮影と画面の合成について示したものである。図１６（Ａ）は、第１画像の場合の、通常の配置を示す。図１６（Ｂ）は、第２画像の場合の、試料をＸ軸の周りで反時計方向にある角度φ回転させ、帯状回転楕円体面鏡も同じ角度回転させた配置を示す。図１７（Ａ）は、第３画像の場合の、試料をＸ軸の周りで時計方向にある角度φ回転させ、帯状回転楕円体面鏡も同じ角度回転させた配置を示す。図１７（Ｂ）は、第４画像の場合の、試料をＺ軸の周りで反時計方向にある角度θ回転させ、ＲＭ１ミラーも同じ角度回転させた配置を示す。図１８は、第１～第４画像を合成して、試料の画像合成をする様子を示す。

　さらに、試料を１８０°回転させて同じ測定を繰り返して２π空間の撮影と画像の合成をすることができる。即ち、帯状回転楕円体面鏡の側にあった試料面からの反射光や透過光を測定するために、試料をＹ軸の回りに１８０°回転させて、図１６、１７と同じ測定を繰り返す。これら８枚の画像を合成することで、正確な２π空間の配向分布が得られる。

　本実施の形態の装置を用いて、測定した測定結果を図１９に示す。光源はヘリウムネオンレーザで、グレーティングを試料として、レーザ光をグレーティングへ照射して、グレーティングからの拡散反射光（正確には、回折光）を測定した。図の横軸は散乱角、縦軸はＣＣＤカメラで測定した出力を示す。本実施の形態の装置によれば、グレーティングからの高次の回折像が高精度で測定されることがわかる。

　半球レンズの魚眼レンズとしての効果を測定した結果を示す。図２０に、本実施の形態の装置と、半球レンズ無しの装置とで、測定した測定結果を示す。横軸は半球ミラーへの入射角度で、縦軸は反射信号強度である。丸印がレンズ無しの時の信号強度で、四角印がレンズ有りの時の信号強度である。なお、比較のために信号強度曲線のピークで規格化してある。レンズ無しの時に比べて、レンズ有りの時、左右に膨らんでいる。この膨らみ分が半球レンズの魚眼レンズとしての効果である。

　鏡面仕上げの平行平板石英試料とスペクトラロン試料を用いて、拡散反射率、透過率と吸収率の測定を行った。図２１に、測定結果を示す。横軸は試料への入射角度（度）である。縦軸は反射率、透過率、吸収率であり、（Ｒ，Ｔ，Ａ）と示す。丸印が鏡面仕上げ石英の透過率、四角印が鏡面仕上げ石英の反射率、三角印が鏡面仕上げ石英の吸収率、菱形印がスペクトラロンの反射率である。鏡面仕上げの平行平板石英は、この波長領域（へリームネオンレーザの波長６３３ｎｍ）で吸収率ゼロで、理想的な正反射と正透過をする物質である。測定結果も入射角度の小さい範囲で、吸収率がほぼゼロとなり、反射率も透過率もハンドブックの推奨値であった。スペクトラロンは、理想的な完全拡散板である。この試料の反射率の測定結果は、入射角度が小さい範囲で、ほぼ５０％である。四分の一回転楕円体面鏡が見る空間がπであることを考えると、全反射率はちょうど２倍の１００％となり、よい一致をしている。
　測定結果から、四分の一回転楕円体面鏡を使うと反射率と透過率が精度良く測れることがわかる。

　半球全反射（透過）率測定のためには、ＣＣＤカメラの代わりに、フォトダイード（シリコンフォトダイオード）や光電子増倍管のような光検出器を用いてもよい。

　測定対象の試料として、カーボンナノチューブ等の各種試料、マイクロレンズ等がある。例えばマイクロレンズに傷があれば拡散反射光の空間分布が歪むので、歪みがあるかないかを、１０秒程度の測定時間で判定可能である。

（実施の形態２）
　実施の形態１では、半球面検出光学系として、半球レンズとファイバーテーパーとＣＣＤカメラとを用いた例、及び半球レンズとファイバーテーパーとフォトダイオード検出器を用いた例とを説明した。実施の形態２では、ファイバーテーパーの代わりに、凸レンズ系を用いた例を図２２を参照して説明する。図２２において、実線５本と一点鎖線と二点鎖線が集まっている点が、回転楕円体面鏡の焦点Ｆ２である。半球レンズの中心は、回転楕円体面鏡の焦点Ｆ２と一致するように配置される。また、半球レンズの底面が、四分の一回転楕円体面鏡の縁の面と平行に配置される。これにより、半球面検出光学系が回転楕円体面鏡内部に影を作らないので、焦点Ｆ２に２π空間から集まる全ての光を半球レンズが集光できる。

　一点鎖線と二点鎖線は、半球レンズの底面とほぼ平行に進む光線を示し、焦点Ｆ２に集まる。本実施の形態の半球面検出光学系は、半球レンズ４、凸レンズ系（凸レンズ１、凸レンズ２）、ＣＣＤカメラ６を備える。２π空間から四分の一回転楕円体面鏡２の焦点に集まった光は、半球レンズ４に入射し、半球レンズ４の屈折率のために、出射時に収束される。屈折率ｎ＝２の半球レンズのとき、このレンズを出射する光は、０．１３４×２π（ステラデアン）に収束される。入射時は２πステラデアンであるので、半球空間のビームが１３．４％の空間へ収束されたことになる。

　半球レンズ４を通った光を、凸レンズ系（凸レンズ１、凸レンズ２）により、凸レンズ１で平行光線に、凸レンズ２で集光させて、その焦点の近傍にＣＣＤカメラ６を配置する。カメラにより、半球面全体からの光を撮像し、半球面全体の画像を得ることができる。これにより、配向分布図を短時間で得ることができる。

　半球全反射（透過）率測定のためには、ＣＣＤカメラ６の代わりに、フォトダイード（シリコンフォトダイオード）や光電子増倍管のような光検出器を用いてもよい。

（実施の形態３）
　実施の形態２では、半球面検出光学系として、半球レンズと凸レンズとＣＣＤカメラ（又はフォトダイオード検出器）を用いた例を説明した。実施の形態３では、半球レンズ４の代わりに、回転放物面鏡１４を用いた例を図２３を参照して説明する。本実施の形態の半球面検出光学系は、回転放物面鏡１４、凸レンズ系（凸レンズ）１３、ＣＣＤカメラ６を備える。回転放物面鏡１４は、その回転軸に垂直で焦点を通る面で切断(開口部）された形状で、内面が鏡面になった構造である。四分の一回転楕円体面鏡の縁と、回転放物面鏡の焦点を通る切断面（開口部）を平行にして、両者の焦点が一致するように、設置する。

　一点鎖線と二点鎖線は、実施の形態２と同様の光線を示している。図２３において、実線５本と一点鎖線と二点鎖線が集まっている点が、回転楕円体面鏡の焦点Ｆ２であり、回転放物面鏡の焦点とも一致している。回転放物面鏡の焦点位置の透孔を通った光は、回転放物面鏡の内放物面で反射される。反射されて光は、光軸に平行に進み、凸レンズ１３の焦点に集光される。一方、放物面で反射されずに進んだ光は、凸レンズ１３で屈折されるが、その焦点には集光されずに、焦点近くに集まる。これらの光の集まる所にＣＣＤカメラ６を設置することで、全光量測定と配向測定ができる。

（実施の形態４）
　実施の形態３で示した回転放物面鏡を用いた基本形では、図２３からもわかるように、回転放物面鏡で平行になった光と、焦点Ｆ２から発散した光がＣＣＤカメラの同じ画素に入ることがあるので、配光測定が厳密には正確でない。そこで配光測定をより正確に測定するための改良が、実施の形態４である。実施の形態４の装置１を図２４に、装置２を図２５に示す。

　装置１は、図２４のように、回転放物面鏡１４と放物面鏡１６とＣＣＤカメラ６（又はフォトダイオード等の検出器）を設けたものである。図２４では、一点鎖線と二点鎖線は入射角度９０°近くで回転放物面鏡に入射する光で、これらと実線が回転放物面鏡で反射したのち平行光線となり、上部の放物面鏡で反射されると、検出器へ集光する。破線で描かれた光線は回転楕円体面鏡部分体の焦点から発散する光であり、回転放物面鏡では反射されずに上部の放物面鏡で反射されると、アパーチャーで遮断されて検出器へは到達しない。

　装置２は、図２５のように、回転放物面鏡１４と楕円面鏡１７とＣＣＤカメラ６（又はフォトダイオード等の検出器）を設けたものである。図２５では、一点鎖線と二点鎖線は入射角度９０°近くで回転放物面鏡に入射する光で、これらと実線が回転放物面鏡で反射したのち平行光線となり、上部の楕円面鏡で反射されると、アパーチャーで遮断されて検出器へは到達しない。破線で描かれた光線は回転楕円体面鏡部分体の焦点から発散する光であり、回転放物面鏡では反射されずに上部の楕円面鏡で反射されると、検出器へ到達する。

　このように、図２４のように、放物面鏡１６を配置することで、回転放物面鏡からの平行光線を検出器（ＣＣＤカメラ或いはフォトダイオード検出器）へ集光できる。一方、図２３において回転放物面鏡で反射しない光は、回転楕円体面鏡部分体（部分回転楕円体面鏡とも呼ぶ）の焦点からの発散光で、放物面鏡１６の代わりに楕円体面鏡１７を設置すること（装置２、図２５）で、検出器へ集光させることができる。本実施の形態において、必要に応じて検出器の前等に適当な直径のアパーチャー（開口絞り）１５を設けることが好ましい。アパーチャーを設置することで、放物面鏡１６で集光するときには発散光を排除でき、楕円体面鏡１７で集光する時には平行光線を排除できる。これら２つの画像を合成することで配光分布を測定できる。

　実施の形態４における半球面検出光学系は、回転放物面鏡と反射面鏡（放物面鏡と楕円面鏡を統合した呼び方）とＣＣＤカメラ、又は、回転放物面鏡と反射面鏡（放物面鏡と楕円面鏡を統合した呼び方）とフォトダイオード検出器の組み合わせである。これらの半球面検出光学系ではレンズのような屈折を利用した光学素子を使っていないので、紫外、可視、赤外のどの波長領域でも使用可能な光学系である。なお検出器は、測定波長領域に合わせる必要がある。

　上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。

　１　帯状回転楕円体面鏡
　２　四分の一回転楕円体面鏡
　３　試料
　４　半球レンズ
　５　ファイバーテーパー
　６、２６　ＣＣＤカメラ
　７　ビーム切り替えミラー
　８、１１、１２、１３　　レンズ
　９　光源
　１４　回転放物面鏡
　１５　アパーチャー
　１６　放物面鏡
　１７　楕円面鏡
　２４　ミラー
　２５　拡散反射面

Claims

　被測定物からの散乱光を測定する光学特性測定装置であって、
　部分回転楕円体面鏡と帯状回転楕円体面鏡とからなる双楕円型光学系と、半球面検出光学系とを備え、
　前記部分回転楕円体面鏡は、少なくとも、双楕円型光学系の軸を通る面と、該軸に直交し共通焦点を通る面とで切断された構造を有し、
　前記半球面検出光学系は前記部分回転楕円体面鏡の焦点の位置に設置したことを特徴とする光学特性測定装置。
　前記半球面検出光学系は、半球レンズを備え、半球レンズの中心が前記部分回転楕円体面鏡の焦点の位置に一致するように設置したことを特徴とする請求項１記載の光学特性測定装置。
　前記半球面検出光学系は、テーパー状の光ファイバーを備え、前記光ファイバーの大径側の端面を、前記半球レンズの焦点に一致するように設置したことを特徴とする請求項１又は２記載の光学特性測定装置。
　前記半球面検出光学系は、回転放物面鏡を備え、回転放物面鏡の焦点が前記部分回転楕円体面鏡の焦点の位置に一致するように設置したことを特徴とする請求項１記載の光学特性測定装置。
　前記半球面検出光学系は、反射面鏡及び光検出器を備え、前記回転放物面鏡を出射した光を、該反射面鏡を介して光検出器で測定することを特徴とする請求項４記載の光学特性測定装置。
　前記半球面検出光学系は、凸レンズ及び光検出器を備え、半球レンズまたは回転放物面鏡を出射した光を、該凸レンズを介して光検出器で測定することを特徴とする請求項２又は４記載の光学特性測定装置。
　前記半球面検出光学系は、光検出器としてＣＣＤカメラを備えることを特徴とする請求１乃至６のいずれか１項記載の光学特性測定装置。
　前記部分回転楕円体面鏡は、四分の一回転楕円体面鏡又は八分の一回転楕円体面鏡であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の光学特性測定装置。