JPH07325016A - 反射率測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 入射角が容易かつ正確に校正できる反射率測
定装置を提供する。 【構成】小開口を有する調整的と、光束がこの小開口を
通過するように調整的を反射測定光学系に取り付けるた
めの調整的位置決め手段と、被測定試料の替わりに試料
基準面に合わせて取り付けられ、試料基準面となす角が
試料基準面への入射光束の入射角と同一角度に設定され
た反射面を有する反射基準ミラーとを備え、調整的位置
決め手段に取り付けられた調整的の小開口を通過した光
束が、小開口を通過して反射基準ミラーの反射面で反射
させられ、調整的に戻った戻り光の位置から光軸を合わ
せるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は試料の光学的反射率を測
定する装置に関し、さらに詳しくは試料への測定光束の
入射角度を校正できるようにした反射率測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】試料、とくに固体試料の光学的特性の測
定のうち、反射率の測定は、光学素子（ミラー、レンズ
等）の性能評価・品質管理のほか、試料が半導体材料の
ようなものの場合には、反射率測定から、有益な物性的
情報がえられる重要な測定手法である。

【０００３】反射率測定装置としては、専用の測定装置
のほか、より簡便かつ汎用的に分光反射率特性を測定す
る方法として、汎用の分光光度計に特別な付属装置を取
り付けて測定する方法がある。

【０００４】また、反射率測定には、反射率を基準試料
に対する相対値として測定する相対反射率測定と、基準
試料を使用せず、反射率の絶対値を測定する絶対反射率
測定があり、それぞれ、いくつかの方法が知られてい
る。

【０００５】図５は相対反射率測定装置の概略構成を示
す図である。外部光源からの測定光束は、第１ミラー１
１によって、試料方向に屈曲され試料Ｓに当てられる。
試料Ｓからの反射光は、第２ミラー１２によって、外部
の測光光学系に導入される。測定は、あらかじめ用意し
た基準ミラーＳ０と未知の試料Ｓとを交互に測定し、試
料Ｓの反射率を基準ミラーＳ０の反射率に対する相対値
として求めることにより行う。

【０００６】反射率測定のもうひとつの方法として、絶
対反射率測定装置がある。この方法・装置の構成の詳細
は、本願と同じ発明者によって既に出願されたものにも
開示されているが、基本的には、試料測定時と基準測定
時に光路が完全に等価となるように反射率測定装置の各
ミラーの位置・角度を切り替えて、基準試料を使用せ
ず、試料の絶対的な反射率を測定するものである。

【０００７】相対反射率測定であれ、絶対反射率測定で
あれ、試料の反射率は、試料への測定光束の入射角度に
よって変化するため、反射率測定装置では相対・絶対反
射率測定とも種々の角度の装置を用意し、測定目的に応
じて使い分けるのが、一般的である。

【０００８】また、試料の反射率特性は、とくに試料へ
の光束の入射角が大きくなると、光束の偏光状態の影響
をうける。このため、反射率測定装置には、光束の偏光
状態を一定にするための偏光子を取り付けられるように
しておくのが一般的である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、試料の
反射率特性は、試料への測定光束の入射角に依存し、そ
の度合いは、一般に入射角が大きくなるほど大きくな
る。また、実際の反射率測定においては、たとえば、光
学素子の反射率特性を測定しようとする場合、素子の実
際の使用状態における反射率が測定できることが望まし
い。

【００１０】したがって、試料への入射角は、さまざま
な大きさが想定され、しかもその角度精度が反射率測定
の精度そのものに影響を与えることになる。

【００１１】しかしながら、従来の反射率測定装置、と
くに、汎用の分光光度計の付属装置として用意された装
置においては、試料への測定光束の入射角度の校正がき
わめて困難である、という問題があった。これは、以下
のような理由による。

【００１２】ひとつには、試料への光束の入反射角度そ
のものを測定することが、きわめて困難であることによ
る。すなわち、この種の装置の光学調整では、一般に装
置を構成する各ミラー等の中心が、測定光束の中心に一
致するように各ミラーの位置・角度を調整することによ
って行われるのであるが、この方法では、装置全体とし
ての調整は可能であっても、肝心の試料への光束の入射
角そのものを調整することはできない。

【００１３】図６に全体としてこの方法によって調整さ
れたにもかかわらず、試料への入射角が所定の角度から
ずれている状態を示す。この例は、試料への測定光束の
入射角が３０度である相対反射率測定装置の場合につい
て示したものである。図５は、第１ミラー１１が、試料
への測定光束の入射角を３０度とするために必要な角
度、すなわち６０度から３度ずれた状態を示している。

【００１４】光学調整は、第１ミラー１１のこの誤差に
かかわらず、第１ミラー１１および、第２ミラー１２と
測定基準面１４のそれぞれ中心に光束中心が一致するよ
うにセットされている。

【００１５】この結果、見かけ上の光学調整が完全にお
こなわれているようであっても、実際には、測定基準面
１４が正規の位置に対して、左へ約7.5mm ずれ、かつ、
測定光の入射角は所定の角度である30度から、約0.4 度
ずれている。しかもこのズレを検出する方法はない（た
だし、この例のズレの値は第１ミラーと試料Ｓとの距離
を所定の値にセットしたときの値であり、この距離をさ
らに遠ざければズレの値はさらに大きくなる）。

【００１６】もうひとつのさらに大きな問題は、とくに
反射率測定装置が、分光光度計のような本体装置に対
し、その装置の付属品としての反射光学測定系を用いて
反射率測定装置が形成される場合に生ずる。すなわち、
反射率測定装置の反射光学測定系単独でかりに、完全な
調整がされた場合であっても、これを分光光度計などに
取り付けた場合、反射光学測定系と分光光度計との相対
関係が、理想的な状態になっていないことがありうる。
また、分光光度計側の光学調整が、反射率測定の要求角
度精度をみたせるほどに完全ではない場合も考えられ
る。

【００１７】これらの場合には、せっかく反射光学測定
系単独で正確に調整してあっても、分光光度計に取り付
けることによって、試料への入射角が所定の角度からず
れてしまうことになる。

【００１８】図７は付属の反射光学測定系が分光光度計
に対して光軸がずれた状態でセットされたときの様子を
示すものである。この例も、図６と同様に、試料への光
束の入射角が３０度である相対反射率測定装置の場合を
示している。

【００１９】図７の場合、反射光学測定系の第１ミラー
１１、第２ミラー１２および、測定基準面１４はすべて
設計どおりの位置角度に取り付けられ、この状態で固定
されているものとする。このように、反射光学測定系単
独での調整が完全であったとしても、図７のように光源
と反射光学測定系との相対的位置関係がずれており、第
１ミラー１１への入射角が所定の角度に対して、１度ず
れているとすると、試料への測定光束の入射角にも１度
の誤差（たとえば３１度で入射）を生ずることになる。

【００２０】以上のような、従来の反射率測定装置にお
いて、試料への入射角を所定の値となるようにするに
は、反射率測定装置の光学系、および、それが分光光度
計等の付属装置である場合には、本体側との相対位置関
係をも含めて校正する方法も考えられる。しかし、メー
カにおける生産時においても困難な調整作業を、ユーザ
側で据え付け・測定時におこなうのは、実際問題として
不可能であった。

【００２１】このため従来、試料への入射角度の校正
は、所定角度における反射率既知の試料を測定しなが
ら、その反射率が所定値となるように、装置の光学系を
調整する方法によっていた。

【００２２】しかし、この方法では、必要な角度で反射
率既知の試料がない場合には、調整が不可能となるほ
か、調整自体も測定を行いながらの、やみくもなものと
なり、多大な時間と労力を要していた。

【００２３】本発明はこのような問題を解決するために
なされたものであり、測定光束の入射角が正しく校正さ
れた状態で測定ができる反射率測定装置を提供すること
を目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
になされた本発明は、光源から反射測定光学系内に入射
された光束を、反射測定光学系内の試料基準面に合わせ
て取り付けた被測定試料面に入射させ、被測定試料面か
らの反射光を測光光学系に導入して測定する反射率測定
装置において、小開口を有する調整的と、光束がこの小
開口を通過するように調整的を反射測定光学系に取り付
けるための調整的位置決め手段と、被測定試料の替わり
に試料基準面に合わせて取り付けられ、試料基準面とな
す角が試料基準面への入射光束の入射角と同一角度に設
定された反射面を有する反射基準ミラーとを備え、調整
的位置決め手段に取り付けられた調整的の小開口を通過
した光束が、小開口を通過して反射基準ミラーの反射面
で反射させられ、調整的に戻った戻り光の位置から光軸
を合わせるようにしたことを特徴とする。

【００２５】以下、本発明の反射率測定装置がどのよう
に作用するかを説明する。

【００２６】

【作用】本発明の反射率測定装置では、未知試料の測定
前に、小開口を有する調整的および反射基準ミラーを使
用して光軸合わせを行うことにより、反射測定光学系を
正規の状態に精度よくセットする。光軸合わせは次のよ
うにして行う。

【００２７】小開口を有する調整的を反射光学測定系上
の所定の位置、たとえば光源からの測定光束が反射光学
測定系へ入射する入射端位置にセットする。このとき光
源からの測定光束は小開口を通過するように反射光学測
定系全体を動かして位置合わせをする。

【００２８】一方、反射基準ミラーは試料を取り付ける
位置にセットされる。反射基準ミラーの反射面は、光学
系が理想状態にセットされているときに反射基準ミラー
に入射する光束が入射光路と同じ光路を逆にたどって反
射されるようにその試料基準面と反射面とのなす角（反
射角）が設定されている。すなわち、試料基準面と入射
光とのなす角がたとえば３０度であれば反射基準ミラー
の反射角も正確に３０度に設定されている。

【００２９】小開口を有する調整的および反射基準ミラ
ーを取り付けた状態で、光源から光を入射させると、入
射光は調整的の小開口を通過し、反射基準ミラーの反射
面に当たって反射される。反射測定光学系が正確にセッ
トされているときは反射基準ミラーで反射された光束は
正確に入射光と同じ光路をたどって調整的の小開口を通
過するが、もしもずれが生じていると反射光は入射光路
からずれ、調整的の小開口を通らずに調整的の壁面に当
たることになる。このとき、たとえ入射角のずれが微少
であっても光束が光路を往復する間にずれが増幅される
ので、調整的の壁面に当たった反射光の位置を観測すれ
ば容易にずれを知ることができる。

【００３０】したがって、調整的壁面の反射光を観察し
ながら反射光学測定系の位置合わせをすることにより正
確に試料への入射角を校正することができ、正確に校正
された状態の反射率測定装置を容易に得ることができ
る。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明す
る。

【００３２】図１は本発明の一実施例である反射率測定
装置の反射測定光学系の要部を示す構成図であり、図２
は、図１において反射基準ミラーおよび調整的をはずし
たときの反射率測定装置の全体図である。また、図３
は、本発明の反射基準ミラーを示す平面図（ａ）、正面
図（ｂ）であり、図４は調整的を示す平面図（ａ）、右
側面図（ｂ）である。なお、以下に示す本実施例は機構
が簡単で説明が容易な相対反射率測定装置の場合のもの
であるが、絶対反射率測定装置の場合も基本的には同様
の構成が可能である。

【００３３】図において１０は反射光学測定系であり、
光源１９と測光光学系２０との間に挿入された状態で用
いられ、これらにより反射率測定装置１が構成される。
反射光学測定系１０は、主に第１ミラー１１、第２ミラ
ー１２と試料位置決め部１３とを有し、試料位置決め部
１３の試料が接して取り付けられる側の面は試料基準面
１４（この面に被測定試料の反射率測定面を当接するこ
とで試料への入射光があらかじめ設定された入射角で入
射できるようにされている面）を形成している。図に示
すように本実施例では一例として入射角３０度での反射
率測定の場合を示している。

【００３４】この試料基準面１４に合わせて基準試料１
５あるいは未知試料１６が当接されることにより、被測
定試料面に対し簡単に所定の入射角で測定光を入射させ
ることができる。被測定試料としての基準試料１５ある
いは未知試料１６はバネ等で付勢された試料押圧アーム
１７により固定される。

【００３５】試料位置決め部１３には、被測定試料を取
り付けたときの光の反射位置２６、すなわち入反射中心
を中心に回転できるための周知の調整機構（例えば入反
射中心位置を中心に入反射面と垂直な面内で回転できる
ための回転軸により資料位置決め部が支持した構造のも
の）が設けられている。 反射測定光学系１０の光源１
９側の端付近には、後述する調整的２４を固定する位置
決めピン１８ａが設けられる。位置決めピン１８ａは、
調整的２４を取り付けたときに調整的２４が光路を遮る
ような位置であればよいのであるが、本願発明にとって
は被測定試料の光の反射位置２６からなるべく遠ざかっ
た位置に設けるほうが効果的であるので、光源１９側の
端部に取り付けている。

【００３６】反射基準ミラー２１は、図３に示すように
基準面２２を有し、この基準面２２に対して例えば角度
誤差０．１度程度の高い角度精度で３０度の角をなすよ
うに光学素子の製造技術を用いてその反射面２３が加工
されている。この反射基準ミラー２１は光軸合わせの際
に、基準試料１５、未知試料１６の替わりに試料押圧ア
ーム１７によりその基準面２２を位置決め部１３の試料
基準面１４に接するように取り付けられるので、基準面
２２は取り付け時には試料基準面１４と同一面になる。

【００３７】調整的２４は図４に示すように、台部と、
これに対して垂直に立った壁部とからなるもので、壁部
には小開口２５が設けられ、台部には位置決め孔１８ｂ
が設けられている。光軸合わせのときは、反射光学系の
位置決めピン１８ａをこの位置決め孔１８ｂに挿入する
ようにして固定する。調整的２４の小開口２５は、調整
的２４を位置決めピン１８ａと位置決め孔１８ｂとによ
り固定した状態で光源１９からの光束が小開口２５を通
過するように設定されている。

【００３８】以上のような構成を有する反射率測定装置
の動作を説明する。まず、通常の測定を行うときは、基
準試料１５あるいは未知試料１６を試料押圧アーム１７
により試料位置決め部１３に当接する。このとき、調整
的２４ははずしてあり、図２に示すように光源１９から
の光束は第１ミラー１１（本実施例では測光光束に対し
６０度傾いて設置）で反射され、続いて入射角３０度で
もって被測定試料に入射するとともに同角度で反射され
て第２ミラー１２（本実施例では測光光束に対し６０度
傾いて設置）により屈曲された後、測光光学系２０に送
られる。そして、基準試料１５と未知試料１６とを交互
に測定し、これらの測光値の比率から、未知試料の基準
試料に対する相対反射率を測定することができる。

【００３９】一方、光源１９と測光系２０との間の所定
の位置から外してあった反射測定光学系を新しく取り付
ける場合などには測定開始前に光軸合わせを行う。試料
への入射角度を所定の値（本実施例では３０度）にする
ために、前述のように第１ミラー１１、第２ミラー１
２、は測定光束に対して６０度にし、かつ位置決め部１
３の試料基準面１４の相対角度を正確に定めるだけでな
く、光源１９および測光部２０の外部光学系との相対角
をも正確に調整することになる。

【００４０】ところが、反射率測定光学系の構成を検討
すると、実際に必要なのは、装置全体、および装置外の
光学系との相対的角度関係のすべての調整を必要とする
のではなく、被反射測定試料への測定光の入射角を決定
するのは、試料への入射光線３０が、試料基準面１４と
なす角度であって、この部分さえ正確に調整されていれ
ば良いことがわかる。そのため、光軸合わせは次のよう
にして行う。

【００４１】まず、位置決め孔１８ｂに位置決めピン１
８ａをはめ合わせるようにして、調整的２４を反射光学
系１０に固定する。このとき測定光束の中心が小開口の
中心と正確に一致してなくても後で調整するので問題な
い。

【００４２】また、試料位置決め部１３の試料基準面１
４に反射基準ミラー２１の基準面２２が当接するように
反射基準ミラー２１を取り付け試料押圧アーム１７にて
固定する。このとき、図１に示すように光源１９からの
測定光束が反射基準ミラー２１の反射面２３に当たるよ
うにしてある。

【００４３】調整用的２４の小開口２５は、分光器等の
光源１９からの測定光束が、その中心を通過するような
設計上の位置に取り付けられているが、実際には、微妙
な調整誤差および、反射測定光学系１０と光源１９との
相対的な位置ズレによって、必ずしも測定光束と一致し
ない。

【００４４】この場合には、光源１９側を調整すること
なく、反射測定光学系１０全体を光源に対して相対的に
調整し、測定光束が、調整用的の小開口２５の中心を通
過するようにする。

【００４５】測定光束は、小開口２５を通過後、図１の
矢印Ａのように進行し、反射測定光学系１０の第１ミラ
ー１１によって反射され、光路３０を進んで反射基準ミ
ラー２１の反射面２３に当たる。

【００４６】反射角度基準ミラー２１は、前述のよう
に、反射基準ミラー２１の基準面２２（試料基準面１４
と同一面）に対して高い角度精度で３０度に加工されて
おり、測定光束は、第１ミラー１１によって反射される
が、このとき、測定光束が試料基準面１４に対して正し
く３０度で入射していれば、この測定光束は、反射基準
ミラー２１の反射面２３によって、入射方向と同じ方
向、すなわち、矢印Ｂ方向に反射され、入射時と同経路
を逆にたどって再び調整用的２４の小開口２５から外部
に出射する。

【００４７】もし、反射基準ミラー２１への入射角度が
所定の角度、すなわち３０度からずれていると、反射基
準ミラー２１によって反射された測定光束は、入射時の
経路からずれた経路をたどって調整用的２４方向に戻
り、小開口２５の中心位置からはずれた位置に当たる。

【００４８】一致しない度合いすなわち、水平方向の光
束のズレを、図７においてＣであらわすと、Ｃは、反射
基準ミラー２１への測定光束の入射角度の誤差と、調整
用的２４と反射基準ミラー２１の反射面２３との往復距
離によって決まる長さになる。 たとえば、角度誤差が
０．１度という微少な角度の場合、単純な目測あるい
は、この角度における反射率既知の試料の反射率測定値
による校正等はまったく不可能であるが、本発明によれ
ば、反射角度誤差は、調整的から反射基準ミラー２１ま
での入射光路Ａと反射光路Ｂとの往復というふたつの過
程によって増幅（光路長が長くなるほど増幅）され、目
測をもっても容易に検出できるようになる。

【００４９】すなわち、まず０．１度の入射角誤差は、
角度基準ミラー２１による入射・反射によって２倍の
０．２度に拡大される。さらにこの角度誤差は、調整用
的２４に戻ったときの水平方向の寸法にすると、往復距
離が乗じられてさらに拡大される。たとえば、図１に示
すように調整的２４と反射面２３との距離ａ＋ｂが１０
０ｍｍであるとすると、角度誤差０．１度に相当する調
整用的２４面上の水平方向寸法Ｌは、２＊（ａ＋ｂ）＊
ｔａｎ（０．２度）、すなわち０．７ｍｍとなる。この
値は、目視によって充分確認可能な大きさである。

【００５０】この状態で、試料位置決め部１３の試料基
準面１４を、被測定試料を取り付けたときの光の反射位
置２６、すなわち入反射中心を中心に回転するように調
整し、調整用的２４面上で、反射基準ミラー２１からの
戻り光が小開口２５の中心に一致するようにすれば、容
易に試料への入射角度を所定の角度に校正することがで
きる。

【００５１】この方法によれば、反射測定光学系１０の
複雑な光学調整をおこなうことなく、また、反射測定光
学系１０と光源１９等の外部の光学系との相対関係が狂
っていても、反射測定光学系１０の試料基準面１４のみ
を調整することによって、被測定試料への光束の入射角
度を所定の角度に校正することができる。

【００５２】しかも、調整は、基準ミラー２１からの反
射戻り光を小開口２５に合わせるという明確な目標をも
っており従来法に比べてきわめて容易である。

【００５３】なお、分光器等の分光分析用光源からの測
定光束は、一般にある広がりをもっており、本発明の調
整用の光源として適さない場合がある（小開口２５上の
光束形状が明瞭でなく、ズレ量がはっきり目視で確認で
きない場合等）。この場合には、たとえば、光源１９に
調整用のレーザ等の直進性の高い光源を設置し、この光
源で調整したうえで、実際の測定用光源に切り替えれば
良い。

【００５４】また、本実施例では小開口２５の形状をス
リット形状としたが、これは被測定試料への測定光束の
入射角度を入反射面内（一軸方向）のみで校正するため
であり、もしも入反射面と垂直面内においても校正する
場合には、円形の小開口とすればよい。

【００５５】

【発明の効果】以上、説明したように本発明の反射率測
定装置では、小開口を有する調整的および反射基準ミラ
ーとを用いることにより、反射率測定の精度に重要な影
響を与える測定光束の入射角度を正確に校正することが
できるようになるので、精度の高い測定が可能な反射率
測定装置を提供することができる。

【００５６】特に、従来分光光度計の付属装置としてユ
ーザ側で必要に応じて取り付けて用いられる反射光学測
定系では、分光光度計に組み合わせる際の調整がユーザ
だけで容易かつに正確に調整でき、非常に使いやすい反
射率測定装置となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である反射率測定装置の反射
測定光学系の要部を示す構成図。

【図２】本発明の一実施例である反射率測定装置の全体
を示す構成図。

【図３】本発明の一実施例である反射率測定装置の反射
基準ミラーを示す構成図で（ａ）はその平面図で、
（ｂ）はその正面図。

【図４】本発明の一実施例である反射率測定装置の調整
的を示す構成図で（ａ）はその平面図で、（ｂ）はその
右側面図。

【図５】相対反射率測定装置の概略構成を示す図。

【図６】反射率測定装置で、全体として調整されたにも
かかわらず、試料への入射角が所定の角度からずれてい
る状態を示す図。

【図７】分光光度計に付属する反射光学測定系で、分光
光度計に対して光軸がずれた状態でセットされたときの
状態を示す図。

【符号の説明】

１：反射率測定装置 １０：反射測定光学系 １３：試料位置決め部 １４：試料基準面 １８ａ：位置決めピン １８ｂ：位置決め孔 １９：光源 ２０：測光光学系 ２１：反射基準ミラー ２２：基準面 ２３：反射面 ２４：調整的 ２５：小開口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源から反射測定光学系内に入射された光
   束を、反射測定光学系内の試料基準面に合わせて取り付
   けた被測定試料面に入射させ、被測定試料面からの反射
   光を測光光学系に導入して測定する反射率測定装置にお
   いて、小開口を有する調整的と、光束がこの小開口を通
   過するように調整的を反射測定光学系に取り付けるため
   の調整的位置決め手段と、被測定試料の替わりに試料基
   準面に合わせて取り付けられ、試料基準面となす角が試
   料基準面への入射光束の入射角と同一角度に設定された
   反射面を有する反射基準ミラーとを備え、調整的位置決
   め手段に取り付けられた調整的の小開口を通過した光束
   が、小開口を通過して反射基準ミラーの反射面で反射さ
   せられ、調整的に戻った戻り光の位置から光軸を合わせ
   るようにしたことを特徴とする反射率測定装置。