JP2012181060A - 分光特性測定装置及びその校正方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】測定モードでは被測定物の各輝点から発せられた光を分割光学系を通して第1及び第2反射部に入射させ、そこで反射された光を結像光学系によって干渉像を形成する。第1反射部を移動させることにより分割光学系から第1及び第2反射部を経て結像光学系に向かう第1及び第2反射光の間の相対的な光路長差を伸縮させ、そのときの干渉像の光強度変化に基づき被測定物の各輝点のインターフェログラムを求める。校正モードでは、輝点から出射される所定波長λの光を分割光学系に入射させることにより、該輝点に対応する複数の干渉像を形成させ、そのときの光強度変化に基づき該光強度変化の1周期に対応する第1反射部の移動量を求め、輝点の波長λ、第1反射部の移動量、前記干渉像の画角θから前記第1反射部の設置角を求める。
【選択図】図1
Description
波長分散型分光法は、測定試料を透過した光、或いは測定試料面で反射した光(以下、物体光という)を回折格子や音響光学可変波長フィルタ(AOTF;Acousto-Optic Tunable Filter)に照射したときに得られる回折光の回折角が、当該物体光の波長に応じて異なる原理を利用した分光法である。
そのため、いずれの分光法においても物体光の空間的コヒーレンシー(可干渉性)を高めるために、微小開口を有するピンホールやスリットを用いて物体光のうち特定方向の光線成分のみを回折格子や参照ミラーに照射させている。求められる分光性能にもよるが、分散型分光法では穴径が数十ミクロン程度のピンホールが用いられ、フーリエ分光法では数ミリ程度の開口幅を有するスリットが用いられる。
特許文献1に記載の手法では、各輝点から生じる透過光や拡散・散乱光等の物体光は対物レンズを介して位相シフターの固定ミラー部と可動ミラー部に導かれ、これら2つのミラー部から反射される物体光束が結像面において干渉像を形成する。可動ミラー部はピエゾ素子などにより移動されるようになっており、該可動ミラー部の移動に伴い干渉像強度が変化して、いわゆるインターフェログラムを形成する。従って、このインターフェログラムをフーリエ変換することにより物体光の分光特性(スペクトル)を取得することができる。
a) 被測定物の測定点から出射された光を第1反射部と第2反射部に導く分割光学系と、
b) 前記第1及び第2反射部によって反射された光を同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第1反射部を移動させることにより前記分割光学系から前記第1反射部を経て前記結像光学系に向かう第1反射光と前記分割光学系から前記第2反射部を経て前記結像光学系に向かう第2反射光の間の光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
d) 前記第1反射部の移動量を検出する移動量検出部と、
e) 前記干渉像の光強度を検出する、複数の検出素子が2次元配列された光検出部と、
f) 前記光路長差伸縮手段によって前記光路長差を伸縮させることにより前記光検出部で検出される光強度変化に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
を備える分光特性測定装置において、
さらに、画角が既知の輝点から波長が既知の校正光を出射させる校正光出射手段と、
前記光路長差伸縮手段によって前記光路長差を伸縮させることにより前記光検出部で検出される前記輝点の干渉像の光強度変化の1周期に相当する前記第1反射部の移動量と、前記輝点の画角と、前記校正光の波長とに基づき、前記第1反射部の設置角を求める設置角算出部と、
前記被測定物の測定点の画角を求める画角検出部とを備え、
前記処理部は、前記第1反射部の設置角と前記測定点の画角とから、前記第1反射部の移動量に対応する前記光路長差を求め、該光路長差に基づきスペクトルを校正することを特徴とする。
φy=(90°+θy)+cos-1{(λ/2Mλ)×θx}
(上記式において、θx及びθyは、前記輝点の干渉像の画角であって当該干渉像と前記校正光学座標系の原点とを結ぶ線とx軸及びy軸との角度、λは前記校正光の波長、Mλは前記輝点の干渉像の光強度変化の1周期に相当する前記第1反射部の移動量を示す。)
から算出することを特徴とする。
上記構成では、前記輝点の画角θx及びθyがそれぞれθx=0及びθy=0となり、前記設置角φyを容易に算出することができる。
L={2Mcos(φy-θ1'y)}/cos(θ1x) (ただし、θ1'y=θ1y+90°)
(上記式において、θ1x及びθ1yは前記測定点の画角、Mは前記第1反射部の移動量を示す。)
から算出するようにしても良い。
a) 被測定物の測定点から出射された光を第1反射部と第2反射部に導く分割光学系と、
b) 前記第1及び第2反射部によって反射された光を同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第1反射部を移動させることにより前記分割光学系から前記第1反射部を経て前記結像光学系に向かう第1反射光と前記分割光学系から前記第2反射部を経て前記結像光学系に向かう第2反射光の間の光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
d) 前記第1反射部の移動量を検出する移動量検出部と、
e) 前記干渉像の光強度を検出する、複数の検出素子が2次元配列された光検出部と、
f) 前記光路長差伸縮手段によって前記光路長差を伸縮させることにより前記光検出部で検出される光強度変化に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
前記被測定物の測定点の画角を求める画角検出部と
を備える分光特性測定装置において、
画角が既知の輝点から出射された波長が既知の校正光を前記分割光学系に入射させ、そのとき前記結像光学系によって形成される干渉像の光強度変化1周期に相当する前記第1反射部の移動量を前記移動量検出部から取得し、
当該第1反射部の移動量と、前記輝点の画角と、前記校正光の波長とに基づき、前記第1反射部の設置角を求め、
前記第1反射部の設置角と前記測定点の画角とから、前記第1反射部の移動量に対応する前記光路長差を求め、該光路長差に基づきスペクトルを校正することを特徴とする。
φy=(90°+θy)+cos-1{(λ/2Mλ)×θx}
(上記式において、θx及びθyは、前記輝点の干渉像の画角であって当該干渉像と前記校正光学座標系の原点とを結ぶ線とx軸及びy軸との角度、λは前記校正光の波長、Mλは前記輝点の干渉像の光強度変化の1周期に相当する前記第1反射部の移動量を示す。)
から算出することを特徴とする。
L={2Mcos(φy-θ1'y)}/cos(θ1x) (ただし、θ1'y=θ1y+90°)
(上記式において、θ1x及びθ1yは前記測定点の画角、Mは前記第1反射部の移動量を示す。)
から算出することを特徴とする。
詳しくは後述するように、本実施形態に係る分光特性測定装置は測定モード及び校正モードを備えている。測定モードは被測定物の分光特性測定時に用いられるもので、まずは測定モードの装置構成を図1及び図2を参照しながら説明する。測定モードの分光特性測定装置10は、光学系20と、検出部22と、制御装置40とから構成されている。
光学系20は、光源21と検出部22を結ぶ光路上に設けられた、対物レンズ24、位相シフター25、結像レンズ26とから構成されている。対物レンズ24が分割光学系を、結像レンズ26が結像光学系をそれぞれ構成する。また、検出部22が光検出部に相当する。
なお、以下の説明では、位相シフター25に到達した光束のうち可動ミラー部251の反射面に到達して反射される光束を可動光、固定ミラー部252の反射面に到達して反射される光束を固定光ともいう。
次に、本実施形態に係る分光特性測定装置10の測定原理について図3〜図5を用いて説明する。ここでは蛍光や散乱光などの光線が、対物レンズ24と結像レンズ26を経て検出部22の結像面で一つの点に集光し、干渉像を形成する光学モデルに基づいて説明する。
なお、固定ミラー部252の表面に到達する光束即ち固定光と、可動ミラー部251の表面に到達する光束即ち可動光の光量がほぼ等しくなるように、対物レンズ24に対する可動ミラー部251及び固定ミラー部252の位置が設定されているが、固定光及び可動光の一方或いは両方の光路に減光フィルタを設置して相対的な光量差を調整し、光量の均等化を行うことも可能である。
従って、可動ミラー部251を移動させて光路長差を順次変化させていくと、2光束間の干渉現象による結像強度は周期的に変化することになる。この結像強度変化の周期は、図5(a)〜(c)に示すように、波長が長い光の場合は長く、波長が短い光の場合は短くなる。
次に、本実施形態の分光特性測定装置10の校正方法について説明する。
上述したように、本実施形態の分光特性測定装置10では、可動ミラー部251を徐々に移動させて固定光と可動光との間に相対的な光路長差(位相差)を生じさせることにより、インターフェログラムと呼ばれる結像強度変化の波形を得る。そして、このインターフェログラムをフーリエ変換することにより被測定物の輝点から発せられた光の波長毎の相対強度である分光特性を取得する。分光特性を精度良く求めるためには、固定光と可動光との間の位相差を正確に求める必要がある。可動ミラー部251の移動量が同じであっても、可動光と固定光との間の位相差量は、被測定物Sの各輝点から出射した光の位相シフター25(可動ミラー部251及び固定ミラー部252)に対する入射角度により異なる。当該入射角は、各輝点位置における物体光束の光軸の画角と、位相シフター25の設置角(前記物体光の光軸に対する可動ミラー部251及び固定ミラー部252の反射面の角度)によって決まる。このことから、本装置10では、画角補正幾何モデルを構築して位相シフター25の設置角を求め、この設置角を用いて画角毎の前記位相差を求めるようにしている。校正モードとは、位相シフター25の設置角を求めるための装置構成をいう。
校正光学座標系を定義するためには、位相シフター25の設置角度として3自由度(φx、φy、φz)、輝点から出射され対物レンズ24を経て位相シフター25に入射する光の画角(θx、θy)として2自由度の合計5自由度を考慮する必要がある。しかし、考慮すべきパラメータが多いと画角補正幾何モデルの構築が難しくなる。そこで、本実施形態では反射の法則に着目して校正光学座標系を定義する。すなわち、位相シフター25の可動ミラー部251及び固定ミラー部252の表面である反射面の法線で位相シフター25の設置角度φx、φy、φzを定義する。
また、図8に示すように、法線を含む平面をxz平面とする校正光学座標系を定義すると、設置角φxは0deg.となる。つまり、このモデルで考慮すべき設置角はφyのみとなる。
L=L1−L2 ・・・ (1)
L1=M/cos(φy-θ'y) ・・・ (2)
L2=−1×L1×cos(2(φy-θ'y) ・・・ (3)
式(1)〜(3)より位相差Lは
L=M/cos(φy-θ'y){1+cos(2(φy-θ'y)}
=M/cos(φy-θ'y)×2cos2(φy-θ'y)
=2Mcos(φy-θ'y) ・・・ (4)
となる。
L={2Mcos(φy-θ'y)}/cos(θx) ・・・ (5)
式(5)より、位相シフター25の設置角φyが求まれば、位相シフト量Mから、画角θx及びθyに応じた位相差量Lが算出可能となることが分かる。
位相シフター25を移動させると、結像面上では位相シフター25の位相シフト量Mに従って干渉像の結像強度が変化する。例えば図12(a)に破線で示すグラフP0は、画角θx=0、θy=0、設置角φy=0のときの波長λの結像強度変化を示している。グラフP0では、結像強度変化1周期分が波長λとなる。これを理論値とする。それに対して画角及び設置角が理論値以外のときの波長λの結像強度変化は実線で示すグラフP1となり、理論値とは異なる周期で結像強度が変化する。これは、画角に応じて1周期に対する波面に与えられる位相差Lの移動軸が位相シフター25の機械的な移動軸に対して傾いていることから、実質的に波面に与えられる位相差量が異なるためである。このときの位相シフト量をMλとすると、画角及び設置角が理論値以外のときは、位相シフト量がMλのときに波長λと等しい位相差Lが与えられたことになる。このMλは、図12(b)に示すように、位相シフトに伴う結像強度変化のデータ(インターフェログラム)をフーリエ変換することにより得られる分光特性から求めることができる。単一波長の光源を用いた場合は、インターフェログラムをフーリエ変換することにより輝線スペクトルが得られ、この輝線スペクトルのピーク値としてMλを求めることができる。
φy=cos-1(λ/2Mλcosθx)+θ'y ・・・ (6)
θx=tan-1(b/f) ・・・ (7)
θy=tan-1(a/f) ・・・ (8)
ここで、fは結象レンズの焦点距離、aは図14(a)のA軸方向の距離、bはB軸方向の距離を示す。結像面に複数の画素が所定の間隔でm×n配列されたCCDカメラにおいては、その画素の位置からa及びbを求めることができる。従って、前記CCDカメラ(検出部22)及び演算処理部43が本発明の画角検出部を構成する。
例えば、上記実施形態では離散干渉像の任意の一つについて校正光学座標系を定義して位相シフターの設置角を求めるようにしたが、図13に示すように、求まる設置角が理論的には同じになる複数の離散干渉像についてそれぞれ校正光学座標系を定義して位相シフターの設置角を求め、これらの平均値を用いて画角毎の位相差を求めるようにしても良い。このようにすれば、測定誤差を小さく抑えることができる。
位相シフターの設置角は、少なくとも一つの干渉像について結像強度変化のデータが分かれば求めることが可能である。従って、校正モードでは、物体面上に1個の輝点を形成し、この輝点に対応する干渉像の分光特性から位相シフターの設置角を求めるようにしても良い。
20…光学系
21…光源
22…検出部
22a…受光面(結像面)
23…フライアイレンズ
24…対物レンズ
25…位相シフター
251…可動ミラー部
252…固定ミラー部
253…駆動ステージ
255…移動量検出器
26…結像レンズ
27…レンズ駆動機構
40…制御装置
41…制御部
43…演算処理部
Claims (9)
- a) 被測定物の測定点から出射された光を第1反射部と第2反射部に導く分割光学系と、
b) 前記第1及び第2反射部によって反射された光を同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第1反射部を移動させることにより前記分割光学系から前記第1反射部を経て前記結像光学系に向かう第1反射光と前記分割光学系から前記第2反射部を経て前記結像光学系に向かう第2反射光の間の光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
d) 前記第1反射部の移動量を検出する移動量検出部と、
e) 前記干渉像の光強度を検出する、複数の検出素子が2次元配列された光検出部と、
f) 前記光路長差伸縮手段によって前記光路長差を伸縮させることにより前記光検出部で検出される光強度変化に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
を備える分光特性測定装置において、
さらに、画角が既知の輝点から波長が既知の校正光を出射させる校正光出射手段と、
前記光路長差伸縮手段によって前記光路長差を伸縮させることにより前記光検出部で検出される前記輝点の干渉像の光強度変化の1周期に相当する前記第1反射部の移動量と、前記輝点の画角と、前記校正光の波長とに基づき、前記第1反射部の設置角を求める設置角算出部と、
前記被測定物の測定点の画角を求める画角検出部とを備え、
前記処理部は、前記第1反射部の設置角と前記測定点の画角とから、前記第1反射部の移動量に対応する前記光路長差を求め、該光路長差に基づきスペクトルを校正することを特徴とする分光特性測定装置。 - 前記設置角算出部が、前記校正光の前記第1反射部への入射点を原点とするxyz座標系であって、前記第1反射部の反射面の法線を含む面をxz平面、該xz平面に垂直な軸をy軸とする校正光学座標系を定義し、当該校正光学座標系における前記設置角φy(ただし、設置角φyは前記第1反射部の反射面の法線の前記y軸回りの回転角を示す。)を以下の式
φy=(90°+θy)+cos-1{(λ/2Mλ)×θx}
(上記式において、θx及びθyは、前記輝点の干渉像の画角であって当該干渉像と前記校正光学座標系の原点とを結ぶ線とx軸及びy軸との角度、λは前記校正光の波長、Mλは前記輝点の干渉像の光強度変化の1周期に相当する前記第1反射部の移動量を示す。)
から算出することを特徴とする請求項1に記載の分光特性測定装置。 - 前記設置角算出部は、z軸が前記輝点の干渉像と原点とを結ぶ線となる前記校正光学座標系における前記設置角φyを算出することを特徴とする請求項2に記載の分光特性測定装置。
前記設置角算出部は、前記輝点の画角θx及びθyをそれぞれθx=0及びθy=0として前記設置角φyを算出することを - 前記処理部は、前記光路長差Lを、以下の式
L={2Mcos(φy-θ1'y)}/cos(θ1x) (ただし、θ1'y=θ1y+90°)
(上記式において、θ1x及びθ1yは前記測定点の画角、Mは前記第1反射部の移動量を示す。)
から算出することを特徴とする請求項2又は3に記載の分光特性測定装置。 - 校正光出射手段が、波長が既知の単色光源発せられた光をフライアイレンズに入射させることにより複数の離散輝点を形成することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の分光特性測定装置。
- a) 被測定物の測定点から出射された光を第1反射部と第2反射部に導く分割光学系と、
b) 前記第1及び第2反射部によって反射された光を同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第1反射部を移動させることにより前記分割光学系から前記第1反射部を経て前記結像光学系に向かう第1反射光と前記分割光学系から前記第2反射部を経て前記結像光学系に向かう第2反射光の間の光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
d) 前記第1反射部の移動量を検出する移動量検出部と、
e) 前記干渉像の光強度を検出する、複数の検出素子が2次元配列された光検出部と、
f) 前記光路長差伸縮手段によって前記光路長差を伸縮させることにより前記光検出部で検出される光強度変化に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
前記被測定物の測定点の画角を求める画角検出部と
を備える分光特性測定装置において、
画角が既知の輝点から出射された波長が既知の校正光を前記分割光学系に入射させ、そのとき前記結像光学系によって形成される干渉像の光強度変化1周期に相当する前記第1反射部の移動量を前記移動量検出部から取得し、
当該第1反射部の移動量と、前記輝点の画角と、前記校正光の波長とに基づき、前記第1反射部の設置角を求め、
前記第1反射部の設置角と前記測定点の画角とから、前記第1反射部の移動量に対応する前記光路長差を求め、該光路長差に基づきスペクトルを校正することを特徴とする分光特性測定装置の校正方法。 - 前記第1反射部の設置角が、前記校正光の前記第1反射部への入射点を原点とするxyz座標系であって、前記第1反射部の反射面の法線を含む面をxz平面、該xz平面に垂直な軸をy軸とする校正光学座標系における前記設置角φy(ただし、設置角φyは前記第1反射部の反射面の法線の前記y軸回りの回転角を示す。)であり、当該設置角φyを以下の式
φy=(90°+θy)+cos-1{(λ/2Mλ)×θx}
(上記式において、θx及びθyは、前記輝点の干渉像の画角であって当該干渉像と前記校正光学座標系の原点とを結ぶ線とx軸及びy軸との角度、λは前記校正光の波長、Mλは前記輝点の干渉像の光強度変化の1周期に相当する前記第1反射部の移動量を示す。)
から算出することを特徴とする請求項6に記載の分光特性測定装置の校正方法。 - 前記校正光学座標系は、そのz軸が前記輝点の干渉像と原点とを結ぶ線であることを特徴とする請求項7に記載の分光特性測定装置の校正方法。
- 前記光路長差Lは、以下の式
L={2Mcos(φy-θ1'y)}/cos(θ1x) (ただし、θ1'y=θ1y+90°)
(上記式において、θ1x及びθ1yは前記測定点の画角、Mは前記第1反射部の移動量を示す。)
から算出することを特徴とする請求項7又は8に記載の分光特性測定装置の校正方法。
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