JP2007139632A - 反射率測定機及び反射率測定方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】反射率測定機において、装置の分光特性に合わせて光量を補正することで、全体の検出強度の分布を整える。
【解決手段】反射率測定機１は、光源装置３からの光を本体部２に導き、補正フィルタ５を通した後に、被検レンズＷに集光して照射する。被検レンズＷの被検面Ｗ１における反射光は、分光器１３に導かれ、分光される。補正フィルタ５は、補正フィルタ５がない場合の反射率測定機１の分光特性を補正し、強度の低い波長域の光が相対的に検出され易くなるように透過特性が設計されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学部品の反射率を測定する反射率測定機、反射率測定方法に関する。

レンズなどの被検面の反射率を測定する装置には、白色光源からの光束をハーフミラーで折り返してから対物レンズで集光してレンズの被検面に照射し、被検面における反射光をハーフミラーを通して受光素子に入射させるように構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。この種の反射率測定機では、ハーフミラーと、受光素子との間に、分光器を配置し、反射光を分光しながら受光素子に入射させると、分光反射率を測定することが可能になる。
特公平６−２７７０６号公報

しかしながら、白色光源からの光束の強度は、全ての波長において一定ではなく波長によって異なることが多い。集光レンズなどのレンズ系においても、その反射防止膜の特性によって波長毎の光の透過強度や反射強度が異なってくる。このため、受光素子に入射する光束は、波長によって強度が異なる。仮に、全ての波長で強度が一定な光束が受光素子に入射したとしても、受光素子の検出感度が波長毎に異なるので、受光素子で検出される光の強度は、一定にはならない。したがって、従来の反射率測定機は、検出強度が波長によって異なるような装置固有の分光特性を有していた。波長による検出強度の変化が大きい場合に分光反射率を測定しようとすると、検出強度が高くなる波長域では十分な量の光束を検出できるが、検出強度が低くなる波長域では十分な量の光束が検出できなかった。この場合には、本来得られるはずの情報がノイズに埋もれる等して得られなくなるので、良好な測定精度が得られないという問題が生じる。なお、検出強度が低くなる波長に合わせて光量や、検出時間の増加、受光素子の検出感度の向上を図ると、検出強度が高くなる波長の検出値が飽和し易くなるので、良好な測定精度が得難くなる。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、装置の分光特性に合わせて光量を補正することで、全体の検出強度の分布を整えることである。

上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、白色光源からの光束を被検面に入射させ、前記被検面からの反射光を分光器で分光した後に受光素子に受光させて前記被検面の反射率を測定する反射率測定機において、前記白色光源から前記被検面に至るまでの間に、反射光を前記受光素子で検出したときの前記受光素子の検出強度の波長に依存するばらつきを減少させる補正手段を設けたことを特徴とする反射率測定機とした。
この反射率測定機は、最終的に受光素子を通して検出される光束の強度（検出強度）が波長によって大きくばらつく場合に、ばらつきを装置全体の分光特性とし、この分光特性を見込んだ補正手段を用いて、ばらつきを減少させる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の反射率測定機において、前記補正手段は、検出強度が高くなる波長域の光量をカットし、検出強度が低くなる波長域の出力が、検出強度が高くなる領域の出力の１％以上になるように補正する光学フィルタであることを特徴とする。
この反射率測定機では、受光素子に入射する光束のうち、装置全体としての検出強度が高くなる波長域の光束は光量が少なくなり、検出強度が低くなる波長域の光束は相対的に光量が多くなる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の反射率測定機において、前記光学フィルタは、４５０ｎｍ以下の透過率が７００ｎｍ付近の透過率の倍以上であることを特徴とする。
この反射射率測定機は、短波長側の光量を多くし、長波長側の光量を少なくすることで、検出強度の補正を行う。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の反射率測定機において、前記補正手段は、検出強度が低くなる波長域の光束を出射し、この光束を前記白色光源からの光束に合成するように配置された補償用光源を有することを特徴とする。
この反射率測定機は、検出強度が低くなる波長域の光束を増加させることで、検出強度の補正を行う。

請求項５に係る発明は、白色光源からの光束を被検面に入射させ、前記被検面からの反射光を分光器で分光した後に受光素子に受光させることで前記被検面の反射率を測定する反射率測定方法において、白色光源からの光束を光学フィルタに通して５００ｎｍ以上の波長の可視光の光量を減衰させた後に、前記被検面に照射するステップと、前記被検面からの反射光を前記光学フィルタよりも手前で折り返して分光器に入射するステップと、を有することを特徴とする反射率測定方法。
この反射率の測定方法では、装置固有の特性として短波長側の検出強度が高くなる波長域（５００ｎｍ以上）の光量を光学フィルタで減衰させることで、短波長側の光量を相対的に増加させる。その結果、最終的に受光素子を通して検出される光束の波長毎の強度変化が小さくなる。

本発明によれば、装置の分光特性によって検出強度が低くなる波長域と、検出強度が高くなる波長域との間の差を減少させることで、受光素子を通して最終的に検出される光束の強度の波長による分布を整えることができる。したがって、反射率測定の際の測定精度を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る反射率測定機の構成を示す。反射率測定機１は、レンズ表面の分光反射率を測定する装置で、本体部２と、光源装置３とを有する、光源装置３には、白色光源、例えば、ハロゲン光源が用いられている。本体部２と光源装置３とは、輪帯状に光ファイバを束ねたライトガイド４で接続される。本体部２内には、ライトガイド４から放射される輪帯光束３ａの光路上に、補正手段である補正フィルタ５と、第１ピンホール板６と、第１ビームスプリッタ７と、結像レンズ８と、第２ビームスプリッタ９とが順番に所定の間隔で配置されている。第１ピンホール板６には、例えば、直径０．２ｍｍの第１ピンホール６Ａが形成されている。第１ビームスプリッタ７は、ライトガイド４からの光束の光軸に対して４５°傾斜して固定されている。結像レンズ８は、第１ビームスプリッタ７を透過した光束をコリメートする。第２ビームスプリッタ９は、第１ビームスプリッタと平行に４５°傾斜して配置されており、光束を下方に９０°折り返す。

さらに、第２ビームスプリッタ９の下方には、対物レンズ１０が配置されており、対物レンズ１０のさらに下方には検査対象となる被検レンズＷが配置されている。結像レンズ８と対物レンズ１０とは、第１ピンホール６Ａの像が被検レンズＷの表面（被検面Ｗ１）に結像するように設計されている。

第２ビームスプリッタ９の上方には、観察光学系１１が設置されており、第２ビームスプリッタ９を透過した光で被検レンズＷの拡大像を観察できるようになっている。
第１ビームスプリッタ７の上方には、第２ピンホール板１２と、分光器１３とが配置されている。第２ピンホール板１２には、第２ピンホール１２Ａが形成されている。第２ピンホール１２Ａは、第１ビームスプリッタ７で折り返された光束の光路上に配置されている。第２ピンホール１２Ａの径は、第１ピンホール６Ａよりも大きく、例えば、直径０．３ｍｍである。

分光器１３は、グレーティング１４が第２ピンホール１２Ａを通過する光束の光路上に所定の傾斜角度で設置されている。グレーティング１４によって波長毎に異なる角度で反射される光束の光路上には、ミラー１５が配置されている。ミラー１５は、折り返された光束がラインセンサ１６の所定位置に入射するように配置されている。ラインセンサ１６は、受光素子を配列した構成を有する。ラインセンサ１６は、信号線１７でコントローラ１８に接続されており、受光素子が受光した光の光量に応じた信号が出力されるようになっている。コントローラ１８は、複数のメモリ（メモリＭ１，Ｍ２，Ｍ３，・・・）と、演算装置Ｃとを備える。演算装置Ｃは、ラインセンサ１６の露光時間の制御や、ラインセンサ１６の出力に基づく演算処理を実行するように構成されている。

なお、補正フィルタ５は、後に詳細に説明するように、光源装置３の特性、ライトガイド４を含む光学系の透過特性、反射特性、グレーティング１４の分光特性、ラインセンサ１６の検出感度などによって定まる反射率測定機１の分光特性（波長毎の検出強度）が、測定波長の範囲内で所定範囲内に収まるように透過特性が設計された光学フィルタである。例えば、光源装置３のハロゲン光源の輝度は、黒体放射に係るプランクの放射則から、図２に示すような特性を有する。図中では、３種類の色温度（３１００Ｋ、３３００Ｋ、３４００Ｋ）に対応する輝度分布が図示されている。図２から分かるように、ハロゲン光源では、短波長側の輝度が低く、長波長側の輝度が高い。本実施形態では、短波長側の透過率が大きく、長波長側の透過率が小さい補正フィルタ５を使用することで、波長毎の検出強度のばらつきを小さくしている。

この実施形態の作用について説明する。
最初に、被検レンズＷを置かない状態で、光源装置３から照明光を照射する。ライトガイド４から出射した輪帯光束３ａは、補正フィルタ５を通り、第１ピンホール板６に導かれる。第１ピンホール板６では、第１ピンホール６Ａを通過した光のみが第１ビームスプリッタ７に入射する。この光は、第１ピンホール６Ａを点光源とする発散光のように振る舞い、結像レンズ８でコリメートされ、対物レンズ１０によって集光される。この場合には、集光位置に反射物がないので、反射光が分光器１３に入射することはない。したがって、一定時間Ｔ内のラインセンサ１６の出力をコントローラ１８のメモリＭ１に記憶させると、外光や、ラインセンサ１６の暗電流などによるノイズ（有害信号成分）の情報が得られる。

次に、参照面を有する標準試料を対物レンズ１０の集光位置に置いて、前記と同様にして一定時間Ｔ内のラインセンサ１６の出力をメモリＭ２に記憶する。光源装置３から標準試料に向かって照射された光束は、参照面で反射される。この反射光は、第２ビームスプリッタ９で反射され、第１ビームスプリッタ７に導かれる。第１ビームスプリッタ７では、第２ピンホール板１２に向けて折り返され、第２ピンホール１２Ａを通った光が分光器１３に導かれる。分光器１３では、グレーティング１４で波長に応じた反射角度で反射し、ミラー１５で折り返されてラインセンサ１６の所定位置に受光される。ラインセンサ１６は、グレーティング１４における波長毎の反射角度に対応して配置されているので、ラインセンサ１６上で受光した位置から波長が分かる。さらに、光束を受光したときに発生する電流の大きさから、光量が分かる。なお、第２ビームスプリッタ９では、一部の光が透過して観察光学系１１に導かれる。このため、観察光学系１１で参照面の像を観察することが可能になり、ピントを含めて、参照面のどの位置に照明光を当てて測定しているのかを確認することができる。

さらに、標準試料の代わりに、被検レンズＷの被検面Ｗ１を対物レンズ１０の集光位置に配置し、一定時間Ｔ内のラインセンサ１６の出力をメモリＭ３に記憶させる。演算装置Ｃは、メモリＭ２，Ｍ３のデータからメモリＭ１のデータをそれぞれ差し引いた後に、所定のデータ処理を行い、被検面の反射特性を演算する。

ここで、本装置における補正フィルタ５の特性について、具体例をあげて説明する。
例えば、被検レンズＷをショット社製のホウ珪クラウンガラス（ＢＫ７）とした場合、この反射率測定機１のラインセンサ１６で検出される分光特性は、図３に示すようであった。図３では、３８０ｎｍから７８０ｎｍの測定波長領域において波長ごとにラインセンサ１６の出力から換算した光量の変化が図示されている。このような分光特性は、光源装置３の発光特性に、各光学素子の特性が重畳されて得られたもので、最も短波長の３８０ｎｍ付近（ａ点）が最も強度が低く、５８０ｎｍ（ｂ点）付近でピークを迎えた後に一度下がってから再度上昇し、６８０ｎｍ（ｃ点）付近が最も検出強度が高くなっている。また、ｃ点よりも長波長側は、検出強度が落ちている。この分光特性では、ｃ点に比べて、ａ点の検出強度が低く、ａ点付近の測定結果は、ノイズに埋もれ易く、正しい反射率の測定が困難になる。しかしながら、ａ点付近の検出強度を上げるためにラインセンサ１６の露光時間を長くすると、ｃ点付近は飽和してしまい、ｃ点付近の反射率を正しく測定することができなくなる。

そこで、最も検出強度の高いｃ点の光量に対して、最も検出強度の低いａ点の光量が１％以上になるように、補正フィルタ５を設計する。この場合の補正フィルタ５の透過特性を図４に示す。補正フィルタ５は、短波長側と長波長側の透過率が高く、ｃ点に相当する波長近傍の透過率が低くなっている。また、ｂ点に相当する波長近傍の透過率も低めに設定されている。これは、ｃ点の減衰量によっては、ｂ点が相対的に上昇するので、ｂ点の光量が突出することがないようにするためである。より具体的には、短波長側の４５０ｎｍ以下の透過率は約１００％であり、７００ｎｍ付近の透過率は半分以下（４０％程度）になっている。このような補正フィルタ５を本体部２に設置すると、図５に示すような特性が得られた。短波長側と長波長側の光量が相対的に上昇し、ｃ点と比較して１％以上になっている。また、他の波長域においても相対的に上昇する領域を減衰させることで全波長域の分光特性を整えている。その結果、分光特性は、フラットに近い部分が多くなり、検出強度の差が小さくなっている。

このような補正フィルタ５で補正を行うことで、元々光量が多かったｃ点などの光量の測定値が減るので、補正フィルタ５がない場合と同じ露光時間では、ラインセンサ１６の出力が全体的に小さくなる。すなわち、補正フィルタ５の透過率の高い波長域（例えば、ａ点）の光量は、補正フィルタ５を入れる前後で殆ど変化しないが、補正フィルタ５の透過率の低い波長域（例えば、ｃ点）の光量が下がるので、全体としてデータ量が少なくなる。このため、ラインセンサ１６の露光時間は、２〜３倍程度に長くして、全体として十分な光量が取得できるように調整する。

この実施形態によれば、反射率測定機１が有する特性に応じて補正フィルタ５を作成し、この補正フィルタ５を第１ビームスプリッタ７よりも光源装置３側に配置したので、ラインセンサ１６の出力が小さくなる波長域の検出強度を相対的に上昇させることが可能になる。したがって、このような波長域を含む測定範囲内の光量の強度分布を整えることが可能になり、測定精度を向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成要素には、同一の符号を付してある。また、重複する説明は省略する。
図６に示すように、反射率測定機１は、光源装置３０と、本体部２とを有する。本体部２には、分光器１３や、観察光学系１１が取り付けられている。光源装置３０の構成を除く他の構成は、本体部２に補正フィルタ５を有しない点を除いて第１の実施形態と同じである。

光源装置３０は、白色光源であるハロゲン光源３１と、補正手段である発光ダイオード３２、発光ダイオード３２の駆動装置３３、及びダイクロイックミラー３４とから構成されている。ハロゲン光源３１と、発光ダイオード３２とは、略直交する位置に配置されており、それぞれの光軸が交差する位置にダイクロイックミラー３４が配置されている。図７に示すように、発光ダイオード３２は、３８０ｎｍ付近にピークを有し、比較的にブロードな発光特性を有する補償用光源である。図８に透過特性を示すように、ダイクロイックミラー３４は、４００ｎｍ以上では約１００の透過率を有し、４００ｎｍ以下では、波長が減少するに従って透過率が下がり、３８０ｎｍ付近では透過率が４０％になっている。

この実施形態の作用を説明する。光源装置３０のハロゲン光源３１から照射された光束の内、３８０ｎｍ〜４００ｎｍ付近の波長の光は、ダイクロイックミラー３４の透過特性によって約５０％がハロゲン光源３１側に反射され、残りの光がライトガイド４に導入する。４００ｎｍ以上では、約１００％の光がライトガイド４に導入される。一方、発光ダイオード３２から照射される光束は、ダイクロイックミラー３４によって光路を９０°曲げられて、ライトガイド４に導入される。したがって、ハロゲン光源３１からの光束と発光ダイオード３２からの光束とは、ライトガイド４の入射面において合成される。

ライトガイド４に導入された光束は、ライトガイド４を介して輪帯光束３ａとして出射されて本体部２に導かれ、第１ピンホール６Ａ、第１ビームスプリッタ７、結像レンズ８、第２ビームスプリッタ９を経て対物レンズ１０で集光されて、被検面Ｗ１に向けて照射される。被検面Ｗ１での反射光が分光器１３に導かれて分光される。測定時には、集光位置に何も配置しない状態と、標準試料を配置した状態と、被検レンズＷを配置した状態とで、それぞれ測定を行い、被検レンズＷの反射率を演算する。反射率測定機１は、ハロゲン光源３１のみでは、図３に示すような分光特性を有し、ダイクロイックミラー３４と発光ダイオード３２を追加的に使用することで、図９に示すように分光特性が修正された。

この実施形態では、ハロゲン光源３１からの光束は、短波長側では元々少なく、さらにダイクロイックミラー３４によって減衰されるが、輪帯光束３ａが第１ビームスプリッタ７を通る前に第１ビームスプリッタ７よりもハロゲン光源３１側に配置された発光ダイオード３２からの光束が追加されることで、短波長側の光量が全体として増加するので、測定範囲内の光量の強度分布を整えることが可能になり、測定精度を向上させることができる。

なお、本発明は、前記の各実施形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、測定対象は、反射率に限定されない。反射率を用いて色度図を求める場合などであっても良好な測定精度が得られる。
分光特性を補正する波長域を広げる場合には、発光ダイオード３２の数を増やしたり、異なる波長の発光ダイオード３２を追加したりしても良い。
ダイクロイックミラー３４の代わりに、ハーフミラーを使用したり、複数の反射ミラーを組み合わせて用いても良い。また、二股のライトガイドを用い、分岐した一方の入射面にハロゲン光源３１を配置し、分岐した他方の入射面に発光ダイオード３２を配置し、ライトガイド内で２つの光源の光束を合成させ、出射側における輪帯光束において測定範囲内の各波長の光量の強度分布を整えても良い。
本体部２と、分光器１３とは別体で構成しても良いし、一体で構成しても良い。

本発明の実施形態に係る反射率測定機の概略構成を示す図である。 ハロゲン光源の輝度分布を示す図である。 補正フィルタがない状態での分光特性を示す図である。 補正フィルタの透過特性を示す図である。 補正フィルタを装着した状態での分光特性を示す図である。 反射率測定装置の概略構成を示す図である。 発光ダイオードの発光特性を示す図である。 ダイクロイックミラーの透過特性を示す図である。 発光ダイオードを併用した場合の分光特性を示す図である。

符号の説明

１ 反射率測定機
３，３０ 光源装置
５ 補正フィルタ（補正手段、光学フィルタ）
１３ 分光器
１６ ラインセンサ（受光素子）
３１ 白色光源
３２ 発光ダイオード（補正手段、補償用光源）
３４ ダイクロイックミラー
Ｗ１ 被検面

Claims (5)

1. 白色光源からの光束を被検面に入射させ、前記被検面からの反射光を分光器で分光した後に受光素子に受光させて前記被検面の反射率を測定する反射率測定機において、
   前記白色光源から前記被検面に至るまでの間に、反射光を前記受光素子で検出したときの前記受光素子の検出強度の波長に依存するばらつきを減少させる補正手段を設けたことを特徴とする反射率測定機。
2. 前記補正手段は、検出強度が高くなる波長域の光量をカットし、検出強度が低くなる波長域の出力が、検出強度が高くなる領域の出力の１％以上になるように補正する光学フィルタであることを特徴とする請求項１に記載の反射率測定機。
3. 前記光学フィルタは、４５０ｎｍ以下の透過率が７００ｎｍ付近の透過率の倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の反射率測定機。
4. 前記補正手段は、検出強度が低くなる波長域の光束を出射し、この光束を前記白色光源からの光束に合成するように配置された補償用光源を有することを特徴とする請求項１に記載の反射率測定機。
5. 白色光源からの光束を被検面に入射させ、前記被検面からの反射光を分光器で分光した後に受光素子に受光させて前記被検面の反射率を測定する反射率測定方法において、
   白色光源からの光束を光学フィルタに通して５００ｎｍ以上の波長の可視光の光量を減衰させた後に、前記被検面に照射するステップと、
   前記被検面からの反射光を前記光学フィルタよりも手前で折り返して分光器に入射するステップと、
   を有することを特徴とする反射率測定方法。
   
   

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