(57)【要約】【課題】  光学素子の透過率や反射率を高い精度で決定することができる光強度測定装置及び光強度測定方法を提供すること。【解決手段】  光強度測定装置１は、試料４を透過した光の第１光強度を検出する第１の光検出器５と、試料４を透過していない光の第２光強度（Ｐ０’）を検出する光検出器９と、第１光強度及び第２光強度の強度差（ΔＰ’）を測定するロックインアンプ１２と、前記強度差と前記第２光強度を用いて数式Ｔ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）の演算処理を行い試料４の透過率を計算する演算器１４を有する。【選択図】  図１
2010014642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの入射光を、光透過性を有する被測定と用の試料が配置された第１の光路を通過する第１の光と試料が配置されていない第２の光路を通過する第２の光とに分離する分離ステップと、
前記試料を透過した前記第１の光の第１光強度と前記第２の光の第２光強度とをそれぞれ検出する検出ステップと、
前記第１の光と前記第２の光の強度差を測定する強度差測定ステップと、
以下の数式１に基づいて前記試料の透過率を算出する演算ステップとを有する
光強度測定方法。
（１）Ｔ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）
但し、
Ｔ：透過率
Ｐ０’：第２光強度
ΔＰ’：第１の光と第２の光の強度差
とする。
【請求項２】
光源からの入射光を、光透過性を有する被測定用の試料が配置された第１の光路を通過する第１の光と試料が配置されていない第２の光路を通過する第２の光とに分離するビームスプリッタと、
前記試料を透過した前記第１の光の第１光強度を検出し第１光強度信号を送出する第１の光検出手段と、
前記第２の光の第２光強度を検出し第２光強度信号を送出する第２の光検出手段と、
前記第１の光と第２の光の強度差を測定する強度差測定手段と、
前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式１に基づいて前記試料の透過率を計算・算出する演算手段とを有する
光強度測定装置。
（１）Ｔ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）
但し、
Ｔ：透過率
Ｐ０’：第２光強度
ΔＰ’：第１の光と第２の光の強度差
とする。
【請求項３】
前記第１の光検出手段及び前記第２の光検出手段と前記強度差測定手段との間に、前記第１光強度信号及び前記第２光強度信号を交互に前記強度差測定手段へ供給するスイッチング手段が設けられた
請求項２に記載の光強度測定装置。
【請求項４】
前記強度差測定手段はロックインアンプであり、
前記ロックインアンプは、前記スイッチング手段の切り替え動作に同期して前記第１光強度と前記第２光強度の差を測定する
請求項３に記載の光強度測定装置。
【請求項５】
前記光源と前記ビームスプリッタの間に光変調器が配置され、
光変調器の作用によって、ビームスプリッタが前記第１の光路と前記第２の光路へと振り分ける光パワーが交代する
請求項２に記載の光強度測定装置。
【請求項６】
光透過性を有する被測定用の試料を透過するときに第１の光として機能し前記試料を透過しないときに第２の光として機能する光を出射する光源と、
前記試料を前記第１の光及び前記第２の光が通過する光路上又は光路外へ移動させる試料移動手段と、
前記試料移動手段を駆動する駆動手段と、
前記第１の光の第１光強度を検出して第１光強度信号を送出し、前記第２の光の第２光強度を検出して第２光強度信号を送出する光検出手段と、
第１の光と第２の光の強度差を測定し強度差信号を出力する強度差測定手段と、
前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式１に基づいて前記試料の透過率を算出する演算手段とを有する
光強度測定装置。
（１）Ｔ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）
但し、
Ｔ：透過率
Ｐ０’：第２光強度
ΔＰ’：第１の光と第２の光の強度差
とする。
【請求項７】
光透過性を有する被測定用の試料を透過するときに第１の光として機能し前記試料を透過しないときに第２の光として機能する光を出射する光源と、
前記試料が配置された光路及び前記試料が配置されていない光路を交互に変更する光路変更手段と、
前記光路変更手段を駆動する駆動手段と、
前記第１の光の第１光強度を検出して第１光強度信号を送出し、前記第２の光の第２光強度を検出して第２光強度信号を送出する光検出手段と、
前記第１の光と前記第２の光の強度差を測定し強度差信号を出力する強度差測定手段と、
前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式１に基づいて透過率を測定する演算手段とを有する
光強度測定装置。
（１）Ｔ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）
但し、
Ｔ：透過率
Ｐ０’：第２光強度
ΔＰ’：第１の光と第２の光の強度差 
とする。
【請求項８】
光源からの入射光を、被測定用の試料が配置された第１の光路を通過する第１の光と前記試料が配置されていない第２の光路を通過する第２の光とに分離するビームスプリッタと、
前記試料を反射した前記第１の光の第１光強度を検出し第１光強度信号を送出する第１の光検出手段と、
前記第２の光の第２光強度を検出し第２光強度信号を送出する第２の光検出手段と、
第１の光と第２の光の強度差を測定し強度差信号を出力する強度差測定手段と、
前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式２に基づいて前記試料の反射率を測定する演算手段とを有する
光強度測定装置。
（２）Ｒ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）
但し、
Ｒ：反射率
Ｐ０’：第２光強度
ΔＰ’：第１の光と第２の光の強度差
とする。
【請求項９】
前記ビームスプリッタと前記第１の光検出手段の間に、前記第１の光に対する前記試料の位置および配置を変更する試料配置変更手段を備えた
請求項２に記載の光強度測定装置。
【請求項１０】
前記ビームスプリッタと前記第１の光検出手段の間に、前記第１の光に対する前記試料の位置および配置を変更する試料配置変更手段を備えた
請求項８に記載の光強度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光強度測定方法及び光強度測定装置に関し、特に、光学素子の透過率を測定する光強度測定方法及び光強度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光透過性を有する光学素子の透過率を測定する光強度測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の光強度測定装置は図７に示すような構成を有している。光強度測定装置１００は、光源１０１、ビームスプリッタ１０２、光検出器１０４、１０７、信号増幅器１０５、１０８、反射ミラー１０６及び演算器１０９を備えて構成されている。
【０００３】
ビームスプリッタ１０２は、光源１０１からの入射光を、光透過性を有する被測定用の試料（光学素子）１０３が配置された第１の光路Ｌ１を通過する第１の光と試料１０３が配置されていない第２の光路Ｌ２を通過する第２の光とに分離する。
【０００４】
光検出器１０４は、試料１０３を透過した第１の光の第１光強度を検出し第１光強度信号Ｐ１’を送出する。光検出器１０７は試料１０３を透過しない第２の光の第２光強度を検出し第２光強度信号Ｐ０’を送出する。
【０００５】
演算器１０９は、第１光強度信号Ｐ１’及び第２光強度信号Ｐ０’を受けて数式Ｔ＝Ｐ１’／Ｐ０’に基づいて試料１０３の透過率Ｔを測定する。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１６２２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、光学素子には高い透過性を有するもの、例えば、表面に光波長よりも微細な凹凸形状を設けて反射率を０．１％以下に抑えたモスアイ（moth's eye）と呼ばれる表面加工層を有する光学素子が知られている。このような９９．９％以上の透過率を有する光学素子の透過率を高い精度で測定するためには、光学素子の透過率を、例えば、有効数字４桁（９９．９９％）の精度で測定する光強度測定装置が必要となる。
【０００８】
しかしながら、上記した従来技術では、有効数字４桁（９９．９９％）という高い精度で透過率を測定することは困難である。以下にその理由を説明する。
【０００９】
光強度測定装置の分解能が、例えば、１０ｎＷである場合に、測定に影響を与える要因が全く存在しなければ、この光強度測定装置は１０ｎＷの分解能で測定できる。しかしながら、測定に影響を与える要因として、光強度測定装置を構成する電子回路から発生する雑音、装置の周囲に存在する光（例えば、室内光、外光等）等のいわゆる光強度ゆらぎが存在する。
【００１０】
光強度ゆらぎは、光源からの入射光の光強度が強くなるに従って大きさが増大し、短時間における大きさが１０ｎＷを上回ってしまうので、光強度測定装置の分解能が、例えば、１０ｎＷであったとしても、１０ｎＷの分解能で測定できない。
【００１１】
上記した光強度測定装置１００において、透過率Ｔは数式Ｔ＝Ｐ１’／Ｐ０’に基づいて計算されており、この数式には上記した光強度ゆらぎが全く考慮されていないので、透過率の測定において光強度ゆらぎの影響を受け測定精度の低下を来たしてしまう。
【００１２】
そこで、高い精度で測定するために測定時間を長くすることが考えられる。しかしながら、光強度ゆらぎのパワー密度は低周波側で高いので、長い時間をかけた測定はドリフト（電子回路の出力電圧の時間の経過に対する変化）の影響を受けてしまう。
【００１３】
上記した光強度測定装置１００では、それぞれ信号増幅器１０４、１０７から出力される第１光強度信号Ｐ１’及び第２光強度信号Ｐ０’を入力として演算器１０８で計算しているだけなので、長い時間をかけて（長い時間周期で）測定すると上記したドリフトの影響を受け測定精度の向上を図ることが困難である。
【００１４】
尚、光強度測定に関し、ここでは被測定用試料として用いられる光学素子の透過率測定についてのみ説明したが、光学素子の反射率測定についても上記と同様の問題が生じる。
【００１５】
上記した理由により、上記した従来技術では光強度を４桁にわたる有効数字をもって測定することは困難であった。
【００１６】
そこで、本発明は光学素子の光強度を高い精度で測定することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１の態様による光強度測定方法は、光源からの入射光を、光透過性を有する被測定用の試料が配置された第１の光路を通過する第１の光と試料が配置されていない第２の光路を通過する第２の光とに分離する分離ステップと、前記試料を透過した前記第１の光の第１光強度と前記第２の光の第２光強度とをそれぞれ検出する検出ステップと、第１の光と第２の光の強度差を測定する強度差測定ステップと、以下の数式１に基づいて前記試料の透過率を算出する透過率算出、計算ないし演算ステップとを有するものである。ここで、数式１はＴ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）であり、Ｔは透過率、Ｐ０’は第２光強度、ΔＰ’は第１の光と第２の光の強度差とする。
【００１８】
すなわち、光強度測定処理において、第１の光と第２の光の強度差が反映された上記数式１に基づいて透過率の算出を行う。
【００１９】
本発明の第２の態様に係る光強度測定装置は、光源からの入射光を、光透過性を有する被測定用の試料が配置された第１の光路を通過する第１の光と試料が配置されていない第２の光路を通過する第２の光とに分離するビームスプリッタと、前記試料を透過した前記第１の光の第１光強度を検出し第１光強度信号を送出する第１の光検出手段と、前記第２の光の第２光強度を検出し第２光強度信号を送出する第２の光検出手段と、前記第１の光と第２の光の強度差を測定して得られた強度差信号を出力する強度差測定手段と、前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式１に基づいて前記試料の透過率を測定する演算手段とを有するようにしたものである。ここで、数式１はＴ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）であり、Ｔは透過率、Ｐ０’は第２光強度、ΔＰ’は第１光と第２光の強度差とする。
【００２０】
すなわち、光強度測定装置による光強度測定処理において、第１の光路における第１光強度と第２の光路における第２光強度の差が反映された上記数式１に基づいて透過率の算出が行われる。
【００２１】
本発明の第３の態様に係る光強度測定装置は、光透過性を有する被測定用の試料を透過するときに第１の光として機能し前記試料を透過しないときに第２の光として機能する光を出射する光源と、前記試料を前記第１の光及び前記第２の光が通過する光路上又は光路外へ移動させる試料移動手段と、前記試料移動手段を駆動する駆動手段と、前記第１の光の第１光強度を検出して第１光強度信号を送出し、前記第２の光の第２光強度を検出して第２光強度信号を送出する光検出手段と、前記第１の光と第２の光の強度差を測定して得られた強度差信号を出力する強度差測定手段と、前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式１に基づいて前記試料の透過率を算出する演算手段とを有するようにしたものである。ここで、数式１はＴ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）であり、Ｔは透過率、Ｐ０’は第２光強度、ΔＰ’は第１の光と第２の光の強度差とする。
【００２２】
すなわち、光強度測定装置において、試料を第１の光及び第２の光が通過する光路上又は光路外へ移動させて得られた第１の光と第２の光の強度差が反映された上記数式１に基づいて透過率の算出が行われる。
【００２３】
本発明の第４の態様に係る光強度測定装置は、光透過性を有する被測定用の試料を透過するときに第１の光として機能し前記試料を透過しないときに第２の光として機能する光を出射する光源と、前記試料が配置された光路及び前記試料が配置されていない光路を交互に変更する光路変更手段と、前記光路変更手段を駆動する駆動手段と、前記第１の光の第１光強度を検出して第１光強度信号を送出し、前記第２の光の第２光強度を検出して第２光強度信号を送出する光検出手段と、前記第１の光と第２の光の強度差を測定して得られた強度差信号を出力する強度差測定手段と、前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式１に基づいて透過率を測定する演算手段とを有するようにしたものである。ここで、数式１はＴ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）であり、Ｔは透過率、Ｐ０’は第２光強度、ΔＰ’は第１の光と第２の光の強度差とする。
【００２４】
従って、光強度測定装置において、試料が配置された光路及び前記試料が配置されていない光路を交互に変更させて得られた第１光強度と第２光強度の差が反映された上記数式１に基づいて透過率の測定が行われる。
【００２５】
本発明の第５の態様に係る光強度測定装置は、光源からの入射光を、被測定用の試料が配置された第１の光路を通過する第１の光と前記試料が配置されていない第２の光路を通過する第２の光とに分離するビームスプリッタと、前記試料を反射した前記第１の光の第１光強度を検出し第１光強度信号を送出する第１の光検出手段と、前記第２の光の第２光強度を検出し第２光強度信号を送出する第２の光検出手段と、前記第１の光と第２の光の強度差を測定して得られた強度差信号を出力する強度差測定手段と、前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式２に基づいて前記試料の反射率を測定する演算手段とを有するようにしたものである。ここで、数式２はＲ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）であり、Ｒは反射率、Ｐ０’は第２光強度、ΔＰ’は第１の光と第２の光の強度差とする。
【００２６】
すなわち、光強度測定装置による光強度測定処理において、第１の光路における第１光強度と第２の光路における第２光強度の差が反映された上記数式２に基づいて反射率の算出が行われる。
【発明の効果】
【００２７】
本光強度測定方法は、光源からの入射光を、光透過性を有する被測定用の試料が配置された第１の光路を通過する第１の光と試料が配置されていない第２の光路を通過する第２の光とに分離する分離ステップと、前記試料を透過した前記第１の光の第１光強度と前記第２の光の第２光強度とをそれぞれ検出する検出ステップと、第１の光と第２の光の強度差を測定する強度差測定ステップと、以下の数式１に基づいて前記試料の透過率を算出する透過率計算ステップとを有する。ここで、数式１はＴ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）であり、Ｔは透過率、Ｐ０’は第２光強度、ΔＰ’は第１の光と第２の光の強度差とする。
【００２８】
上記の第１の光と第２の光の強度差測定と、数式１に基づく透過率算出との組合せにより光強度ゆらぎの影響を軽減できるので、測定精度を高めることが可能となる。
【００２９】
本光強度測定装置は、光源からの入射光を、光透過性を有する被測定用の試料が配置された第１の光路を通過する第１の光と試料が配置されていない第２の光路を通過する第２の光とに分離するビームスプリッタと、前記試料を透過した前記第１の光の第１光強度を検出し第１光強度信号を送出する第１の光検出手段と、前記第２の光の第２光強度を検出し第２光強度信号を送出する第２の光検出手段と、前記第１の光と第２の光の強度差を測定して得られた強度差信号を出力する強度差測定手段と、前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式１に基づいて前記試料の透過率を算出する演算手段とを有するようにしたものである。ここで、数式１はＴ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）であり、Ｔは透過率、Ｐ０’は第２光強度、ΔＰ’は第１の光と第２の光の強度差とする。
【００３０】
上記の第１の光と第２の光の強度差測定と、数式１に基づく透過率算出との組合せにより光強度ゆらぎの影響を軽減できるので、測定精度を高めることが可能となる。
【００３１】
請求項３に記載した発明にあっては、前記第１の光検出手段及び前記第２の光検出手段と前記強度差測定手段との間に、前記第１光強度信号及び前記第２光強度信号を交互に前記強度差測定手段へ出力するスイッチング手段が設けられているので、低い周波数でより顕著なゆらぎの光強度測定に対する影響を軽減することができる。ここにゆらぎと記したが、ゆらぎの成分には光強度自体のゆらぎもあれば、光検出器の出力電流ゆらぎ、回路の出力電圧ゆらぎなど様々な起源のものがある。以後単に「光強度ゆらぎ」と記述される箇所もあるが、この一語にすべてのゆらぎ成分を代表させている表記であり、「光強度ゆらぎ」だけを限定排他的に指すものではない。
【００３２】
請求項４に記載した発明にあっては、前記強度差測定手段はロックインアンプであり、前記ロックインアンプは、前記スイッチング手段の切り替え動作に同期して前記第１の光と前記第２の光の強度差を測定しているので、低い周波数で生じる顕著な光強度ゆらぎの光強度測定に対する影響を軽減することができる。
【００３３】
請求項５に記載した発明にあっては、前記光源と前記ビームスプリッタの間に光変調器が配置され、二つの光路で検出される光強度を反映する信号を光強度差測定手段に交互に供給する方法として光の切換えを利用している。従って、電気信号の切換えを行なう場合に較べて切換え部分で静電的あるいは誘導的なノイズの影響を受けないという利点がある。
【００３４】
請求項６に記載した発明にあっては、光透過性を有する被測定用の試料を透過するときに第１の光として機能し前記試料を透過しないときに第２の光として機能する光を出射する光源と、前記試料を前記第１の光及び前記第２の光が通過する光路上又は光路外へ移動させる試料移動手段と、前記試料移動手段を駆動する駆動手段と、前記第１の光の第１光強度を検出して第１光強度信号を送出し、前記第２の光の第２光強度を検出して第２光強度信号を送出する光検出手段と、前記第１の光と第２の光の強度差を測定して得られた強度差信号を出力する強度差測定手段と、前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式１に基づいて前記試料の透過率を算出する演算手段とを有するようにしたものである。ここで、数式１はＴ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）であり、Ｔは透過率、Ｐ０’は第２光強度、ΔＰ’は第１の光と第２の光の強度差とする。
【００３５】
この場合には、装置内に設ける光路は一つだけでよく、また、光検出器及び信号増幅器もそれぞれ一つ設けるだけでよいので簡単な構成で光強度測定を高精度に行うことができる。
【００３６】
請求項７に記載した発明にあっては、光透過性を有する被測定用の試料を透過するときに第１の光として機能し前記試料を透過しないときに第２の光として機能する光を出射する光源と、前記試料が配置された光路及び前記試料が配置されていない光路を交互に変更する光路変更手段と、前記光路変更手段を駆動する駆動手段と、前記第１の光の第１光強度を検出して第１光強度信号を送出し、前記第２の光の第２光強度を検出して第２光強度信号を送出する光検出手段と、前記第１の光と第２の光の強度差を測定して得られた強度差信号を出力する強度差測定手段と、前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式１に基づいて透過率を算出する演算手段とを有するようにしたものである。ここで、数式１はＴ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）であり、Ｔは透過率、Ｐ０’は第２光強度、ΔＰ’は第１の光と第２の光の強度差とする。
【００３７】
この場合には強度差測定手段に供給される光強度信号の切換えに光路の変更という光学的な手段を用いているため、静電的あるいは誘導的なノイズの影響を受けないので電気的なゆらぎの影響を軽減でき、その結果、測定精度を高めることが可能となる。
【００３８】
請求項８に記載した発明にあっては、光源からの入射光を、被測定用の試料が配置された第１の光路を通過する第１の光と前記試料が配置されていない第２の光路を通過する第２の光とに分離するビームスプリッタと、前記試料を反射した前記第１の光の第１光強度を検出し第１光強度信号を送出する第１の光検出手段と、前記第２の光の第２光強度を検出し第２光強度信号を送出する第２の光検出手段と、前記第１の光と第２の光の強度差を測定して得られた強度差信号を出力する強度差測定手段と、前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式２に基づいて前記試料の反射率を算出する演算手段とを有するようにしたものである。ここで、数式２はＲ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）であり、Ｒは反射率、Ｐ０’は第２光強度、ΔＰ’は第１の光と第２の光の強度差とする。
【００３９】
このように反射率を測定する場合にも、上記した数式２に基づく光強度測定によりゆらぎの影響を軽減できるので反射率測定の精度を高めることが可能となる。
【００４０】
請求項９に記載した発明にあっては、前記ビームスプリッタと前記第１の光検出手段の間に、前記第１の光に対する前記試料の位置ないし配置を変更する試料配置変更手段を備えているので、試料より光源側に位置する光学系によって決定される偏光方向と試料配置変更手段に保持された試料の向き、あるいは試料への光の入射角に依存する透過率の変化量を測定し、試料の光学的な異方性を高精度に測定することができる。
【００４１】
請求項１０に記載した発明にあっては、前記ビームスプリッタと前記第１の光検出手段の間に、前記第１の光に対する前記試料の位置ないし配置を変更する試料配置変更手段を備えているので、試料より光源側に位置する光学系によって決定される偏光方向と試料配置変更手段に保持された試料の向き、あるいは試料への光の入射角に依存する反射率の変化量を測定し、反射配置の測定において観測される試料の光学的な異方性を高精度に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下に、本発明の第１の実施の形態に係る光強度測定装置について図１を参照して説明する。図１は第１の実施の形態に係る光強度測定装置の構成について示すブロック図である。
【００４３】
光強度測定装置１は、光源２、ビームスプリッタ３、光検出器５、９、信号増幅器６、１０、反射ミラー７、可変濃度フィルタ８、スイッチング手段としてのスイッチ１１、強度差測定手段としてのロックインアンプ１２、切替え回路１３及び透過率計算手段としての演算器１４を備えて構成されている。
【００４４】
ビームスプリッタ３は、光源２からの入射光を、光透過性を有する被測定用の試料４が配置された第１の光路Ｌ１を通過する第１の光と試料４が配置されていない第２の光路Ｌ２を通過する第２の光とに分離する。尚、光強度測定装置１にあっては、第２の光路Ｌ２を通過した場合における透過率Ｔを１（１００％）とするように第１の光路Ｌ１及び第２の光路Ｌ２への光の分岐比や装置を構成する各電子回路の利得が調整されている。例えば、可変濃度フィルタ８は試料を置かず第１の光が検出器５に直接到達する場合に演算器１４によって算出される透過率の値が１（１００％）になるように調整する機能を有している。尚、このような分岐比や利得の調整は後述する第２、第４及び第６の実施の形態においても同様である。
【００４５】
第１の光は試料４を透過して光検出器５に入力される。第２の光は、反射ミラー７で反射され、可変濃度フィルタ８を介して光検出器９に入力される。
【００４６】
光検出器５は、試料４を透過した第１の光の第１光強度Ｐ１’を検出する。信号増幅器６は第１光強度Ｐ１’を増幅した第１光強度信号を送出する。光検出器９は第２の光の第２光強度Ｐ０’を検出する。信号増幅器１０は第２光強度Ｐ０’を増幅した第２光強度信号を送出する。尚、Ｐ１’、Ｐ０’はゆらぎを含む観測量である。
【００４７】
スイッチ１１は、切替え回路１３から出力される切替え制御信号に従って光検出器６とロックインアンプ１２の接続（以下、「第１の接続」と呼ぶ。）及び光検出器１０とロックインアンプ１２の接続（以下、「第２の接続」と呼ぶ。）を短時間に（短い周期で）交互に切替える。
【００４８】
前記切替え制御信号は、たとえばハイとローの２状態をとる周波数f0の矩形波交流信号でありスイッチ１１の切替動作を制御する信号として機能する。例えば、切替え制御信号がハイ状態の場合には前記第１の接続状態を維持するようにスイッチ１１が動作して第１光強度信号がロックインアンプ１２に送出される。切替え制御信号がロー状態の場合には前記第２の接続状態を維持するようにスイッチ１１が動作して第２光強度信号がロックインアンプ１２に送出される。
【００４９】
ロックインアンプ１２は、入力された信号波形のうち、参照信号と同期した周波数f0の変動成分を検出しその大きさを出力する計測装置である。しかるに光強度測定装置１においては、ロックインアンプ１２には第１光強度信号と第２光強度信号が周波数f0で交互に入力されるように構成されている。したがってロックインアンプの出力としては、第１光強度信号と第２光強度信号の交代に伴う入力の変動分の大きさ、すなわち第１光強度と第２光強度の強度差、ΔＰ’が与えられる。
【００５０】
演算器１４は、前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式（１）に基づいて試料４の透過率Ｔを計算する。
【００５１】
Ｔ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）・・・・・・・（１）
上記した光強度測定装置１を用いて透過率測定を行った場合には後述する理由によりゆらぎの影響が軽減され、光強度測定（透過率測定）を高い精度で行うことができる。
【００５２】
本発明で高精度の測定が提供されることを検証するために、まず従来の測定装置で得られる透過率測定値のゆらぎの大きさを確認しておく。比較例として図７に示すのは分光光度計に常用される構成だが、試料を置く測定用の光路と参照用の光路とがあり、それぞれの光強度Ｐ１’とＰ０’を測定し、透過率Ｔを以下の数式（Ａ）の右辺によって与える。
【００５３】
Ｔ＝Ｐ１’／Ｐ０’・・・・・・・・・・・（Ａ）
試料を置かない場合には Ｔ＝１（１００％）が得られるように、各々の光路への光の分岐比または回路の利得などが調節されている。
【００５４】
ここで、光強度Ｐの肩のダッシュは、測定値を表す印として付した。測定値を時間平均して０になるゆらぎ分δとそうでない部分に分けて書くと、Ｐ１’＝Ｐ１＋δ１，Ｐ０’＝Ｐ０＋δ０である。したがって、透過率の値としてはゆらぎを含まないＰ１／Ｐ０が知りたいが、（Ｐ１＋δ１）／（Ｐ０＋δ０)で代用していることになる。
【００５５】
δ１もδ０も同程度の大きさだから、この比、すなわち、Ｔの値に反映されるゆらぎの相対的な大きさは、(√２)δ０／Ｐ０（以下、「ゆらぎ分（ａ）」と呼ぶ。）程度となる。
【００５６】
続いて、図１を参照して本発明による透過率測定値に含まれるゆらぎ分を計算する。測定用と参照用の二つの光路が設けられている点では上記した比較例と共通である。アナログスイッチを用いて強度信号Ｐ１’とＰ０’を交互にロックインアンプに入力し、アナログスイッチの切替えに同期的な検出によって強度の差 ΔＰ’を測定している。これのゆらぎ分をεと書くことにすると、ΔＰ’＝Ｐ１−Ｐ０＋εである。ここで本発明の方法による透過率算出式、Ｔ＝１＋( ΔＰ’／Ｐ０’)に含まれるゆらぎを調べると、
Ｔ＝1＋（ΔＰ’／Ｐ０’）＝1＋（Ｐ１−Ｐ０＋ε）／（Ｐ０＋δ０）
≒Ｐ１／Ｐ０＋ε／Ｐ０＋(１−Ｐ１／Ｐ０)・(δ０／Ｐ０)・・・・・・（Ｂ）
ここで、上数式（Ｂ）の二行目に移る際に、１に較べて小さい量であるε／Ｐ０およびδ０／Ｐ０の１次の寄与までのみを考慮する近似を行なった。この方法で得られた測定値のゆらぎ分は上記した数式（Ｂ）の最後の辺の第２項と第３項であるε／Ｐ０＋(１−Ｐ１／Ｐ０)・(δ０/Ｐ０)（以下、「ゆらぎ分（ｂ）」と呼ぶ。）となる。
【００５７】
従来法と、本発明の方法で得られた測定値にふくまれるゆらぎ分（ａ）と（ｂ）の大小は、次のように比較できる。比較的短い時間周期でふたつの光路について強度の交互比較を行なうと、ＤＣ測定よりも高い周波数の測定になり、低い周波数で顕著なゆらぎの影響は大幅に軽減されるので、εはδ０よりもかなり小さな量になっている。またゆらぎ分（ｂ）の最後の項（１−Ｐ１／Ｐ０）・（δ０／Ｐ０）では第１の因子（１−Ｐ１／Ｐ０）が１に近いふたつの量の差なので、結局この項の大きさは（δ０／Ｐ０）よりかなり小さい。したがって、本発明の（Ｂ）式で与えられる透過率に対するゆらぎの寄与（ｂ）は、従来法に基づく算出値に対して（ａ）のように与えられるゆらぎ（√２）δ０／Ｐ０に較べてかなり小さくできる。
【００５８】
本発明の採用によってほぼ２桁の改善が可能で、透過率９９．９９％と９９．９８％を弁別することができた。なお、９９．９９％および９９．９８％の透過率をもつ試料は、色インクの希釈液によって調整した。
【００５９】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る光強度測定装置について図２を参照して説明する。図２は第２の実施の形態に係る光強度測定装置の構成について示すブロック図である。
【００６０】
光強度測定装置２０は、光源２、偏光子２１、光変調器２２、偏光ビームスプリッタ２３、光検出器５、９、信号増幅器６、１０、反射ミラー７、可変濃度フィルタ８、ロックインアンプ１２、変調回路２４、加算器２５、光強度信号モニタ２６及び演算器（図示せず）を備えて構成されている。
【００６１】
偏光子２１は、光源２からの入射光を、図示された座標系で（１，０，０）方向に光電場ベクトルを有する直線偏光として光変調器２２に入射する。
【００６２】
光変調器２２はその主軸を（１，１，０）方向と（１，−１，０）方向に合せて設置して用いる。この光変調器はその主軸方向、すなわち（１，１，０）方向と（１，−１，０）方向に電場ベクトルを有しＺ軸方向に伝搬する同じ周波数ωのふたつの直線偏光成分相互の間に、０からπ／２までの位相差を生じさせることができるものである。
【００６３】
偏光ビームスプリッタ２３は、入射光の電場ベクトルが（１，０，０）方向にある場合にはｚ方向に光を透過させ、入射光の電場ベクトルが（０，１，０）方向にある場合には入射光を−ｘ方向へと直角に反射させる機能を有する。
【００６４】
変調回路２４は変調信号を所定のタイミングで光変調器２２に送出し、入射光の位相差を０とπ／２の間で周期的に変化させる機能を有する。そのタイミングで同期信号がロックインアンプ１２に送出される。
【００６５】
ここで、位相差が０である場合には、光変調器２２を透過した光の電場ベクトルは（１，０，０）方向を維持したままなので、直線偏光は偏光ビームスプリッタ２３を透過し試料４が配置された第１の光路Ｌ１を通過する。一方、位相差がπ／２の場合には、光変調器２２を透過した光電場ベクトルは（０，１，０）方向になるので、直線偏光は偏光ビームスプリッタ２３で直角に反射されて試料４が配置されていない第２の光路Ｌ２を通過する。
【００６６】
光検出器５は、試料４を透過した第１の光の第１光強度Ｐ１’を検出する。信号増幅器６は第１光強度Ｐ１’を増幅した第１光強度信号を送出する。光検出器９は第２の光の第２光強度Ｐ０’を検出する。信号増幅器１０は第２光強度Ｐ０’を増幅した第２光強度信号を送出する。
【００６７】
加算器２５は、第１光強度信号及び第２光強度信号を受け両者が加算された信号電圧を出力する。
【００６８】
ロックインアンプ１２はふたつの光路Ｌ１およびＬ２に置かれた検出器５および９で得られた光強度の和に相当する信号電圧を加算器２５から受けるが、光路Ｌ１と光路Ｌ２には共通の一光源からの光が交互に導入されているので、光路Ｌ１に試料が置かれていない場合には検出器５および９で受けられる光強度の和は一定で、すなわち加算器２５の出力としてロックインアンプ１２に入力される信号電圧は一定値となる。したがって、ロックインアンプはその入力信号に変調周波数の変動成分を感じない。
【００６９】
しかるに光路Ｌ１に置かれた試料によって検出器５に到達する光強度に損失が生じた場合には、検出器５と検出器９からの信号は加算されても互いに完全に補い合う強度バランスを失い、したがって加算器２５の出力には光路切換えの周波数で変動が生じることになる。ロックインアンプはこの変動の大きさを測定し出力するが、この変動の大きさは取りも直さず試料による光損失の大きさに比例しており、結果として光路１と光路２で検出される光強度の差、ΔＰ’の測定が実現される。
【００７０】
光強度信号モニタ２６は第２の光路Ｌ２における第２光強度信号を監視し演算器に第２光強度信号を送出する。
【００７１】
演算器は、前記第２光強度信号及び前記増幅された強度差信号を受け、上記した数式（１）に基づいて試料４の透過率Ｔを算出する。
【００７２】
このように、本第２の実施の形態では、光変調器２２、偏光ビームスプリッタ２３及び変調回路２４を用いて第１の光路Ｌ１と第２の光路Ｌ２を切替えて、光路上に試料が配置された場合とそうでない場合における光強度測定を交互に行っている。
【００７３】
第２の実施の形態に係る光強度測定装置２０によれば、光強度を反映する電気信号を上記した第１の実施の形態におけるスイッチ１１で切替える場合に比べると、切り替え部分に関し静電的あるいは誘導的なノイズの影響を受けないという効果を有する。また、測定に関わる光ビーム自体の強度が変調されているので、光検出器に到達する背景光（こちらは変調されていない）との分離ができる利点がある。
【００７４】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る光強度測定装置について図３を参照して説明する。図３は第３の実施の形態に係る光強度測定装置の構成について示すブロック図である。本第３の実施の形態では、試料移動機構３１を用いて単一の光路Ｌに試料が配置された場合とそうでない場合における光強度測定を交互に行っている。
【００７５】
光強度測定装置３０は、光源２、試料移動機構３１、光検出器３２、信号増幅器３３、駆動回路３４、ロックインアンプ１２及び演算器（図示せず）を備えて構成されている。
【００７６】
光源２からの入射光は、試料移動機構３１が試料４を光路Ｌ上に移動させた場合には第１の光として機能し、試料移動機構３１が試料４を光路Ｌから外れた領域に移動させた場合には第２の光として機能する。
【００７７】
試料移動機構３１は、試料４を、光路Ｌ上に移動させたり該光路Ｌから外れた領域に移動させる機能を有する。試料移動機構３１の具体的な移動方法としては、例えば、板状の試料を回転体に取り付けて、羽根車のように回転させて光路Ｌを遮断する方法がある。
【００７８】
駆動回路３４は試料移動機構３１を所定のタイミングで駆動させ、そのタイミングで同期信号がロックインアンプ１２に送出される。
【００７９】
試料４が試料移動機構３１によって光路Ｌ上に移動した場合には、第１の光は試料４を透過して光検出器３２に入力される。試料４が試料移動機構３１によって光路Ｌから外れた領域に移動した場合には、第２の光は試料４を透過せずに光検出器３２に入力される。
【００８０】
光検出器３２は、試料４を透過した第１の光の第１光強度Ｐ１’を検出すると共に第２の光の第２光強度Ｐ０’を検出する。信号増幅器３３は第１光強度Ｐ１’を増幅した第１光強度信号及び第２光強度Ｐ０’を増幅した第２光強度信号を送出する。
【００８１】
ロックインアンプ１２は、入力された第１光強度信号と第２光強度信号を受け、駆動回路３４から試料移動機構３１の移動動作に同期して供給される参照信号と同じ周波数成分の変動を検出することによって第１光強度Ｐ１’と第２光強度Ｐ０’の強度差ΔＰ’を測定し、得られた強度差ΔＰ’を出力する。
【００８２】
演算器は、前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、上記した数式（１）に基づいて試料４の透過率Ｔを算出する。
【００８３】
第３の実施の形態に係る光強度測定装置３０によれば、設ける光路は一つだけでよく、また、光検出器３２及び信号増幅器３３もそれぞれ一つ設けるだけでよいので簡単な構成で光強度測定を高精度に行うことができる。
【００８４】
次に、本発明の第４の実施の形態に係る光強度測定装置について図４を参照して説明する。図４は第４の実施の形態に係る光強度測定装置の構成について示すブロック図である。
【００８５】
光強度測定装置４０は、光源２、光路変更手段としての可動ミラー４１、駆動回路４２、光検出器５、９、信号増幅器６、１０、可変濃度フィルタ８、加算器２５、光強度信号モニタ２６、ロックインアンプ１２及び演算器（図示せず）を備えて構成されている。
【００８６】
光源２からの入射光は、可動ミラー４１が入射光を通過させる光路を試料４が配置された第１の光路Ｌ１に変更した場合には第１の光として機能し、入射光を通過させる光路を試料４が配置されていない第２の光路Ｌ２に変更した場合には第２の光として機能する。
【００８７】
可動ミラー４１は、光源２からの入射光を受け可動ミラー４１からの出射方向を変更する機能、即ち、第１の光路Ｌ１及び第２の光路Ｌ２を交互に変更する機能を有する。
【００８８】
駆動回路４２は可動ミラー４１を所定のタイミングで回転駆動させ、そのタイミングで同期信号がロックインアンプ１２に送出される。
【００８９】
可動ミラー４１によって入射光の光路が第１の光路Ｌ１に変更された場合には、入射光（第１の光）は試料４を透過して光検出器５に入力される。可動ミラー４１によって入射光の光路が第２の光路Ｌ２に変更された場合には、入射光（第２の光）は試料４を透過せずに光検出器９に入力される。
【００９０】
光検出器５は、試料４を透過した第１の光の第１光強度Ｐ１’を検出する。信号増幅器６は第１光強度Ｐ１’を増幅した第１光強度信号を送出する。光検出器９は第２の光の第２光強度Ｐ０’を検出する。信号増幅器１０は第２光強度Ｐ０’を増幅した第２光強度信号を送出する。
【００９１】
加算器２５は第１光強度信号及び第２光強度信号を受け両者が加算された信号電圧を出力する。
【００９２】
ロックインアンプ１２はふたつの光路Ｌ１およびＬ２に置かれた検出器５および９で得られた光強度の和に相当する信号電圧を加算器２５から受けるが、光路Ｌ１と光路Ｌ２には共通の一光源からの光が可動ミラー４１によって交互に導入されているので、光路Ｌ１に試料が置かれていない場合には検出器５および９で受けられる光強度の和は一定で、すなわち加算器２５の出力としてロックインアンプ１２に入力される信号電圧は一定値となる。したがって、ロックインアンプはその入力信号に可動ミラー４１の動作周波数の変動成分を感じない。
【００９３】
しかるに光路Ｌ１に置かれた試料によって検出器５に到達する光強度に損失が生じた場合には、検出器５と検出器９からの信号は加算されても互いに完全に補い合う強度バランスを失い、したがって加算器２５の出力には可動ミラー４１による光路切換えの周波数で変動が生じることになる。ロックインアンプはこの変動の大きさを測定し出力するが、この変動の大きさは取りも直さず試料による光損失の大きさに比例しており、結果として光路１と光路２で検出される光強度の差、ΔＰ’の測定が実現される。
【００９４】
光強度信号モニタ２６は第２の光路Ｌ２における第２光強度信号を監視し演算器に第２光強度信号を送出する。
【００９５】
演算器は、前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、上記した数式（１）に基づいて試料４の透過率Ｔを測定する。
【００９６】
第４の実施の形態に係る光強度測定装置４０によれば、光強度を反映する電気信号を上記した第１の実施の形態におけるスイッチ１１で切替える場合に比べると、切り替え部分に関し静電的あるいは誘導的なノイズの影響を受けないという効果を有する。
【００９７】
次に、本発明の第５の実施の形態に係る光強度測定装置について図５を参照して説明する。図５は第５の実施の形態に係る光強度測定装置の構成について示すブロック図である。
【００９８】
光強度測定装置５０は、光源２、ビームスプリッタ３、光検出器５、９、信号増幅器６、１０、３つの反射ミラー７、７，７、可変濃度フィルタ８、スイッチ１１、ロックインアンプ１２、切替え装置１３及び演算器５２を備えて構成されている。ここで、３つの反射ミラー７、７，７は一つが第１の光路Ｌ１の前段に配置され、他の一つは第１の光路Ｌ１の後段に配置され、さらに他の一つは第２の光路Ｌ２に配置されている。
【００９９】
ビームスプリッタ３は、光源２からの入射光を、光反射性を有する被測定用の試料５１が配置された第１の光路Ｌ１を通過する第１の光と試料５１が配置されていない第２の光路Ｌ２を通過する第２の光とに分離する。尚、光強度測定装置５０にあっては、第１の光路Ｌ１で試料による光の損失が無い場合に光強度測定装置５０が１（１００％）の大きさの反射率の値を与えるように第１の光路Ｌ１及び第２の光路Ｌ２への光の分岐比や装置を構成する各電子回路の利得が調整されている。例えば、可変濃度フィルタ８は第１の光路Ｌ１で試料による光の損失が無い場合に１（１００％）の大きさの反射率の値がこの光強度測定装置５０によって与えられるように調整する機能を有している。
【０１００】
ここで、ビームスプリッタ３を透過した第１の光路Ｌ１に配置された前段の反射ミラー７で反射され、反射された入射光は試料５１で反射された後に第１の光路Ｌ１に配置された後段の反射ミラー７で反射されて光検出器５に入射される。尚、入射光が試料５１を介して光検出器５に到達するまでのルート（第１の光路Ｌ１）上に必要な反射ミラー７の個数は上記した２つに限られないが光の減衰を考慮すると少ない個数にすることが望ましい。
【０１０１】
第２の光は、第２の光路Ｌ２に配置された反射ミラー７で反射され、可変濃度フィルタ８を介して光検出器９に入力される。
【０１０２】
光検出器５は、試料５１で反射された第１の光の第１光強度Ｐ１’を検出する。信号増幅器６は第１光強度Ｐ１’を増幅した第１光強度信号を送出する。光検出器９は第２の光の第２光強度Ｐ０’を検出する。信号増幅器１０は第２光強度Ｐ０’を増幅した第２光強度信号を送出する。
【０１０３】
スイッチ１１は、切替え回路１３から出力される切替え制御信号に従って第１の接続及び第２の接続を短い周期で交互に切り替える。このようなスイッチ１１による切り替え動作によって第１光強度信号及び第２光強度信号は交互にロックインアンプ１２に送出される。
【０１０４】
ロックインアンプ１２は、入力された第１光強度信号と第２光強度信号を受け第１光強度Ｐ１’と第２光強度Ｐ０’の強度差ΔＰ’を測定し、得られた強度差ΔＰ’を出力する。
【０１０５】
演算器５２は、前記第２光強度信号及び前記強度差信号を受け、以下の数式（２）に基づいて試料５１の反射率Ｒを算出する。尚、数式（２）は、特許請求の範囲の請求項８に記載の数式（Ａ）に対応している。
【０１０６】
Ｒ＝１＋（ΔＰ’／Ｐ０’）・・・・・・・（２）
上記した光強度測定装置５０を用いて光学素子の光強度測定を行った場合には上記第１の実施の形態と同様の理由によりゆらぎの影響が軽減され、光強度測定（反射率測定）を高い精度で行うことができる。
【０１０７】
次に、本発明の第６の実施の形態に係る光強度測定装置について図６を参照して説明する。図６は、第６の実施の形態に係る光強度測定装置の構成について示すブロック図である。
【０１０８】
本実施の形態は上記した第１の実施の形態と比較すると、ビームスプリッタ３と光検出器５の間に試料４の位置ならびに配置の角度を変更する試料配置変更機構６１が設けられている点を除いて同じである。従って、第１の実施の形態と同様の構成についての説明は省略する。
【０１０９】
本実施の形態は、試料４の入射光に対する位置を変更する試料配置変更手段としての試料配置変更機構６１を設け、透過率の配置への依存、すなわち光学異方性も測定できる点に特徴がある。
【０１１０】
光源２とビームスプリッタ３の間には偏光子２１が配置されている。
【０１１１】
光強度測定装置６０は、偏光子２１によって決定される偏光方向と試料配置変更機構６１に配置された試料４の向きに依存する透過率を測定する。
【０１１２】
試料４の向きに対する依存性は試料配置変更機構６１によって決定される。一例として具体的には、図６に示すように、Ｘ−Ｙ平面に配置された板状の試料４を、Ｚ軸を回転軸として回転させることによって、前記偏光方向を有する入射光に対する試料４の向きを変更させる。
【０１１３】
従って、試料配置変更機構６１を用いて試料４の入射光に対する向きを変更することによって、偏光方向と試料配置変更機構６１に配置された試料４の向きに依存する透過率の値を測定することができる。
【０１１４】
本実施の形態は透過率測定について説明したが、反射率測定についても偏光方向と試料配置変更機構６１に配置された試料４の向きに依存する反射率を測定することができる。この場合の構成は上記した第５の実施の形態において試料５１の代わりに試料配置変更機構６１を設けたものと同じである。
【０１１５】
尚、上記した各実施の形態は、本発明を好適に実施した形態の一例に過ぎず、本発明は、その主旨を逸脱しない限り、種々変形して実施することが可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】第１の実施の形態に係る光強度測定装置の構成について示すブロック図である。
【図２】第２の実施の形態に係る光強度測定装置の構成について示すブロック図である。
【図３】第３の実施の形態に係る光強度測定装置の構成について示すブロック図である。
【図４】第４の実施の形態に係る光強度測定装置の構成について示すブロック図である。
【図５】第５の実施の形態に係る光強度測定装置の構成について示すブロック図である。
【図６】第６の実施の形態に係る光強度測定装置の構成について示すブロック図である。
【図７】従来の光強度測定装置の構成を示したブロック図である。
【符号の説明】
【０１１７】
１、２０、３０、４０、５０、６０…光強度測定装置、２…光源、３…ビームスプリッタ、４、５１…試料、５、９、３２…光検出器、６、１０、３３…信号増幅器、７…反射ミラー、８…可変濃度フィルタ、１１…スイッチ、１２…ロックインアンプ、１３…切替え回路、１４、５２…演算器、２１…偏光子、２２…光変調器、２３…偏光ビームスプリッタ、２４…変調回路、２５…加算器、２６…光強度信号モニタ、３１…試料移動機構、３４、４２…駆動回路、４１…可動ミラー、６１…試料配置変更機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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