(57)【要約】【課題】  透明材料の光学品質を定量的に測定（決定）する方法及び装置を提供する。【解決手段】  透明材料から成るサンプルへ光ビームを入射させてサンプル中に散乱容積を形成し、散乱容積中において所定の散乱角度（Θｓ）で散乱される光を感光素子上へ結像し、感光素子の信号を散乱容積の少なくとも一部に亘って積分あるいは合算して透明材料から成るサンプルの光学品質を表す測定値を測定する。サンプルの入光面あるいは出光面における入射光ビームの散乱に起因しない信号関与だけを用いて測定変数を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビーム（２）を透明材料から成るサンプル（３）へ入射して前記サンプル（３）中に散乱容積（５）を形成し、前記散乱容積（５）中において所定の散乱角度（Θｓ）で散乱した光が感光素子（１０）上へ結像される、透明材料から成るサンプルの光学品質の定量的測定方法であって、
前記感光素子の信号が前記散乱容積（５）の少なくとも一部に亘って積分あるいは合算されて前記透明材料から成るサンプル（３）の光学品質を表す測定値が測定されることを特徴とする前記方法。
【請求項２】
サンプル（３）の入光面（４）あるいは出光面（６）における光散乱に起因する散乱光が測定変数の測定に用いられないように、測定変数の測定に用いられる前記散乱容積（５）の前端（２０）あるいは後端（２１）が、サンプル（３）の入光面（４）あるいは出光面（６）からそれぞれ一定間隔を有するようにされていることを特徴とする請求項１項記載の方法。
【請求項３】
前記散乱光のビーム通路（１１）の配置あるいは前記感光素子の信号の解析が、サンプル（３）の入光面（４）及び出光面（６）における光散乱に起因する散乱光が測定変数の測定に用いられないように構成されていることを特徴とする請求項２項記載の方法。
【請求項４】
光が前方方向、好ましくはサンプル（３）へ入射する光ビーム（２）の光軸に対して約４５°未満の角度で、より好ましくは約３０°未満の角度で散乱されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記散乱光（１１）が、感光素子の一次元あるいは二次元マトリックス上、好ましくはＣＣＤマトリックス上へ結像され、散乱容積（５）あるいはその一部に相当する画素値が積分あるいは合算されて測定変数を決定する空間的解像法を用いて検出されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
入射光ビーム（２）が通過しないサンプル（３）中の画像バックグラウンド部分がさらに測定され、前記画像バックグラウンドの強度あるいは画素値が測定された測定値の標準化に用いられ、前記入射光ビーム（２）の方向の前記画像バックグラウンドの長さが好ましくはサンプル（３）中の前記散乱容積（５）の長さに相当することを特徴とする請求項５項記載の方法。
【請求項７】
前記散乱光（１１）は、前記散乱容積（５）が結像装置あるいは結像光学機器の対物面上に位置するように感光素子の一次元あるいは二次元アレイ上で結像されること、及び、前記画素値の積分あるいは合算前に、結像面外側での散乱によって生ずる信号関与が取り除かれて測定値の測定に用いられないように、画像処理アルゴリズムが前記画素値へ適用されることを特徴とする請求項６項記載の方法。
【請求項８】
複数の散乱処理に起因する光バックグラウンドノイズが特性的画像部分中に取得されて測定値の補正及び信号対ノイズ比の測定に用いられることを特徴とする請求項７項記載の方法。
【請求項９】
決定された測定値も入射光ビーム（２）のパワーＰｉへ標準化され、測定された測定値（ＢＳＤＦ）が下記式によって与えられることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の方法：
ＢＳＤＦ＝（Ｐｓ／Ωｓ）／（Ｐｉ ｃｏｓ Θｓ）
式中、Ｐｓは立体角成分ｄΩｓ中において散乱角度Θｓで散乱される散乱光（１１）のパワーを表す。
【請求項１０】
サンプル（３）が固体の光学的に透明な材料から成ることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
サンプル（３）の材料がＣａＦ２であることを特徴とする請求項１０項記載の方法。
【請求項１２】
透明材料から成るサンプル（３）へ入射してサンプル（３）中に散乱容積（５）を形成する光ビームを放射する光源、好ましくはレーザ光源、
前記散乱容積（５）の少なくとも一部において所定の散乱角度（Θｓ）で感光素子（１１）上へ散乱される光を検出する感光素子（１１）、及び
透明材料から成るサンプル（３）の光学品質を表す測定値を測定するため、前記散乱容積（５）の少なくとも一部に亘って前記感光素子の信号を積分あるいは合算する画像解析装置（１２、１３）を備える、透明材料から成るサンプルの光学品質の定量的測定装置。
【請求項１３】
前記画増解析装置（１２、１３）あるいは前記散乱光（１１）のビーム通路の配置が、サンプル（３）の入光面（４）及び出光面（６）における光散乱に起因する散乱光が前記測定変数の測定に用いられないように構成されていることを特徴とする請求項１２項記載の装置。
【請求項１４】
前記画像解析装置（１２、１３）あるいは前記散乱光（１１）のビーム通路の配置が、サンプル（３）の入光面（４）及び出光面（６）における光散乱に起因する散乱光が前記測定変数の測定に用いられないように、前記測定変数の測定に用いられる前記散乱容積（５）の前端（２０）あるいは後端（２１）がサンプル（３）の入光面（４）あるいは出光面（６）からそれぞれ一定間隔を空けるように構成されていることを特徴とする請求項１２または１３項記載の装置。
【請求項１５】
前記感光素子（１０）が、光が前方方向へ、好ましくはサンプル（３）へ入射する光ビーム（２）の光軸に対して約４５°未満の角度、さらに好ましくは約３０°未満の角度で散乱されるように位置することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記感光素子（１０）が一次元あるいは二次元マトリックスの感光素子、好ましくはＣＣＤマトリックスから成り、前記画像解析装置（１２、１３）が前記散乱容積（５）あるいはその一部に相当するマトリックスの画素値を読出し、その画素値を積分あるいは合算して測定値を決定することを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
前記画増解析装置（１２、１３）が、入射光が通過しないサンプル（３）中の画像バックグラウンド部分も測定し、及び前記画像バックグラウンドの強度あるいは画素値を測定された測定値の標準化において用いるように構成され、好ましくは前記入射光ビーム方向の前記画像バックグラウンドの長さがサンプル（３）中のビーム容積の長さに相当することを特徴とする請求項１６項記載の装置。
【請求項１８】
前記散乱光（１１）が、結像装置あるいは結像光学機器の対物面中に前記散乱容積（５）が位置するように感光素子の一次元あるいは二次元配列上へ結像されること、及び
前記画像解析装置（１２、１３）が、結像面外側での散乱によって生ずる信号関与が取り除かれて測定値の測定に用いられないように、前記画素値の積分あるいは合算前に画像処理アルゴリズムが適用されるように構成されることを特徴とする請求項１７項記載の装置。
【請求項１９】
前記画増解析装置（１２，１３）がさらに、複数の散乱処理に起因する光バックグラウンドノイズが特性的画像部分中に取得されて測定値の補正及び信号対ノイズ比の測定に用いられるように構成されることを特徴とする請求項１８項記載の装置。
【請求項２０】
前記画像解析装置（１２，１３）がさらに測定された測定値を入射光ビーム（２）のパワーＰｉへ正規化するように構成され、測定された測定値（ＢＳＤＦ）が下記式によって与えられることを特徴とする請求項１２〜１９のいずれかに記載の方法：
ＢＳＤＦ＝（Ｐｓ／Ωｓ）／（Ｐｉ ｃｏｓ Θｓ）
式中、Ｐｓは立体角成分ｄΩｓ中において散乱角度Θｓで散乱される散乱光（１１）のパワーを表す。
【請求項２１】
前記光学品質がサンプル（３）の入光面（４）の完全な走査によって測定できるように、前記入射光ビーム（２）の光軸に対して垂直な面においてサンプル（３）の位置を変えるサンプル支持装置をさらに含むことを特徴とする請求項１２〜２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
サンプル（３）の材料がＣａＦ２であることを特徴とする請求項２１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は透明材料の光学品質の定量的測定（決定）方法及び装置に関する。本発明は特に、結像散乱光測定の原理に基づいて光学的に透明なサンプルの散乱光パラメータが測定されることを用いた、透明サンプル中における拡散散乱中心のサイズ及び分布に関する材料品質キャラクタリゼーション（抽出、特徴づけ）の基準として用いられる方法及び装置に関する。本発明の特に好ましい実施態様は、レンズまたはプリズム、あるいはマイクロリトグラフィー用マスク等の光学素子の製造に用いるＥＵＶリトグラフィー（超紫外リトグラフィー）用の光学的透明材料のキャラクタリゼーションに関する。
【背景技術】
【０００２】
透明材料の光学品質を特定するためには、光が材料を通過する時の光の散乱動作を測定することが重要である。光学素子（レンズ、プリズム等）中の容積不均質部分で光散乱が生ずるとその光学系全体の結像特性が大きく劣悪化する。それゆえ、「良否のチェック」あるいは光学的要求度の異なる分野ごとへの等級分けを可能とするため、光学素子の製造に用いられる光学ブランク（半製品）の光散乱動作を定量することが光学素子メーカーに要求される。
【０００３】
現在まで、光学ブランクの散乱動作の散乱等級化は一般的に主観的な等級分けによって行われてきた。サンプルの散乱動作は視覚的観察に基づいて散乱等級へ等級分けされた。この場合、主観的に知覚された散乱性能と散乱均質性との組み合わせがサンプルの光学品質特性を表す品質パラメータとして用いられた。このパラメータは前記散乱動作を単に極めて不正確に表すものである。このような品質管理を客観化するためには散乱光を測定することが必要である。光学素子の透過特性を評価する一般的な散乱光測定装置としてＴＳ測定装置（ＩＳＯ／ＤＩＳ１３６９６）がある。光ビームを用いてサンプルへ垂直方向から照射し、透過方向に散乱された光を完全に吸収してウルブリヒト球（ＡＳＴＭ Ｆ１０４８−８７参照）あるいはコブレンツ球（Ｇｌｉｅｃｈ，Ｓ．，Ｓｔｅｉｎｅｒｔ，Ｊ．，Ｄｕｐａｒｒｅ，Ａ．；光学薄膜成分の１５７及び１９３ｎｍでの光散乱測定、Ａｐｐ．Ｏｐｔｉｃｓ，４１号、Ｎｏ．１６，２００２年参照）を用いて測定値を得る。このようにして測定されたＴＳ（全散乱）値はサンプルの全体的散乱ロスを正確に示すものである。しかしながらこの場合、サンプルの散乱動作はその全体において観察される。サンプル中の容積散乱のみならず、むしろ光が出入りするサンプル面における境界層散乱も散乱動作の一因となっている。
【０００４】
光学ブランクの特性を表す場合、これら光学ブランク表面は概して簡単に研磨されただけであるため、前記境界層における散乱は前記容積不均質部分における散乱よりも散乱程度が数オーダー強いことを考慮しなければならない。従って測定されるＴＳ値は主として前記境界層の散乱光動作の特性を表している。
【０００５】
ＵＳ２００１／００４０６７８Ａ１には、光学的に透明な材料から成る板中の封入物及び／または散乱中心の検出装置及び方法に関する開示がある。光ビームが前記板の入口面へ垂直に入射され、同時に進行方向へ部分的に散乱される。前記板の後方に光トラップが設けられ、このトラップによって光ビームの光トラップ後方に位置する光検出器上への入射が妨げられる。前記光トラップ後方に位置するレンズによって、光検出器上の円錐状空間角度範囲内の進行方向へ散乱された光が結像される。前記散乱角度範囲はかなり大きく、レンズの開口数によって予め限定される。前記板の入光面あるいは出光面において散乱された光を前記板中のビーム容積中で散乱される光から分離することはできない。従って、前記板の入光面及び出光面は精細に研磨されていなければならず複雑である。また、たとえ前記板の入光面あるいは出光面が精細に研磨されていても、チェック対象となる板が薄すぎれば前記境界層における散乱を前記容積不均質部分における散乱から分離することはできない。
【０００６】
ＧＢ２３７９９７７Ａには、容積中で進行方向へ散乱された光をＵＳ２００１／００４０６７８Ａ１に記載された装置と同等な装置を用いて検出する煙警報装置に関する開示がある。検出可能散乱角度範囲を拡大するため、前記光トラップ後方に位置するレンズに代わる楕円形状の中空な鏡の使用が開示されている。
【０００７】
ＵＳ５，４７１，２９８には、結晶中の欠陥サイズあるいは散乱中心の測定方法及び装置に関する開示がある。光ビームがサンプルへ垂直に入射され、該光ビームによってサンプル中に細長の散乱容積が形成される。入射した光ビームの光軸に対して９０°を成す前記散乱容積内の欠陥あるいは散乱中心において散乱した光が感光素子上で結像される。感光素子上での散乱光の結像は、欠陥または散乱中心がそれらの解像位置解像位置を用いて検出でき、またそれらのサイズに関しても解像できるように選択される。細長の散乱容積全体中の欠陥あるいは散乱中心を検出するためには、感光素子及び与えられた結像光学機器を前記散乱容積の全長に沿って、すなわちサンプルの全長に亘って移動しなければならず、また前記散乱容積またはサンプルの全長に沿った多様な結像記録を解析しなければならず、かかる作業は時間を要しかつ面倒である。
【０００８】
ＷＯ０１／７３４０８Ａ１には光学的に透明なサンプル中の欠陥あるいは散乱中心の検出装置及び方法が開示されている。サンプル表面へ光を垂直に入射させてサンプル中に細長の散乱容積を形成させる。前記散乱容積内の欠陥あるいは散乱中心部位において散乱した光は、入射光ビームの光軸に対して９０°の角度で検出される。検出にはサンプル縁部に沿って並んでいる感光素子の一次元マトリックスが用いられる。感光素子の前記マトリックス上における散乱光の結像は、入光面及び出光面を含むサンプル中の全散乱容積が感光素子の一次元マトリックス上において結像されるように選択される。そのため、ビーム容積中のすべての欠陥あるいは散乱中心を、一つの記録を用いて解像されたそれらの位置から検出することができる。サンプルの入光面及び出光面における散乱と容積不均質部分における散乱との分離については記載がない。細長の散乱容積中の個々の結像位置及び／または散乱中心をそれらの解像位置から高精度で検出してサンプル中の個々の欠陥容積を分類分けすることができるが、サンプル光学品質の簡略な定量的キャラクタリゼーションを行うことはできない。
【０００９】
ＤＥ１０２１０２０９Ａ１には、光が研磨された入口面へ垂直に入射し、サンプル材中に細長の散乱容積を形成し、さらに研磨された出口面を通ってサンプルから出る、散乱光を用いたサンプル検査方法及び装置が開示されている。前記細長の散乱容積からの散乱光は、予め定められた視角において入光面あるいは出光面を通して光学検査分析装置によって取得される。検査光学機器を調節することにより、入出光面における散乱が測定結果に影響を与えないように、細長の散乱容積の検査範囲を調節することが可能である。検出器により、すべての信号関与を積分する積分処理を用いて結像への散乱光の関与が測定され、透明サンプルの光学品質を特徴付ける定量可能なパラメータが与えられる。しかしながら、検査分析装置へ向かう検査光路中の多様な散乱による影響を止めることはできず、測定結果の精度は低下する。このことは、入出面の研磨程度が良品質でない場合、あるいは測定がサンプルの境界部分において行われる場合は、光の伝搬方向に対して平行なサンプル界面の多様な散乱が検査光路中において無視できない程度まで影響するため不利である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、簡略かつコスト効率的な方法で透明材料から成るサンプルの光学品質特性を定量的に表すことができる方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は本願請求項１項に記載した特徴を有する方法及び本願請求項１１項に記載した特徴を有する装置によって達成される。
【００１２】
上記方法及び装置のさらに有利な実施態様は上記請求項に従属する請求項における請求対象となっている。
【００１３】
本発明に従った透明材料から成るサンプルの光学品質の定量的測定方法においては、サンプル中に散乱容積を形成するため、透明材料から成るサンプルへ光ビームが入射され、前記散乱容積中において所定の散乱角度で散乱された光が感光素子上へ結像され、サンプルの透明材料の光学品質を表す測定値を得るため該感光素子の信号が前記散乱容積の少なくとも一部に亘って積分あるいは合算される。
【００１４】
本発明によれば、サンプル内の散乱容積中のすべての欠陥あるいは散乱中心が感光素子によって同時に検出される。感光素子の信号を積分あるいは合算することにより、透明材料の光学品質を独特な方法で特定する測定値が得られるように、散乱光の強さが積分あるいは合算される。かかる独特な方式で測定できる測定値は光学的に透明な材料のメーカーの規格として適するものである。
さらに、本発明により、位置によって解像される散乱容積中の欠陥あるいは散乱中心の複雑な決定が省略される。解像された位置で測定される散乱容積中の散乱中心あるいは欠陥について頻度分布等の複雑な統計的分析を行うことも省略される。
【００１５】
本発明の好ましい実施態様では、サンプルの光入出面における散乱に起因する散乱光が前記測定変数の測定に含まれないように感光素子の結像範囲がトリミングされる。かかる結像面のトリミングは、散乱光ビーム通路の適切な形状化、感光素子のサンプルに対する適切な配置、あるいは散乱光ビーム通路中の適切な開口及び／または適切なビーム形状化手段を通して達成することができる。
【００１６】
本発明のさらに別の実施態様においては、前記結像面のトリミングは、サンプルの光入出面における光散乱に起因する信号を止める適当な画像分析ソフトウェアを用いて電子機器によって達成することができる。
【００１７】
本発明の好ましい実施態様によれば、前記感光素子は、一次元あるいは二次元ＣＣＤマトリックス等の一次元あるいは二次元マトリックス感光素子である。本発明においては、本発明に従った測定値を与えるために前記散乱容積に相当する画素輝度値が合算あるいは積分される。しかしながら、同時に、解像された位置を用いた散乱容積中の欠陥あるいは散乱中心の検出も猶可能である。
【００１８】
本発明のさらに別の実施態様では、散乱光は、前記散乱容積が結像装置あるいは結像光学機器の対物面に位置するように、感光素子の一次元あるいは二次元アレイ上で結像される。従って、特に多様な散乱作用、あるいは選択的に励起された散乱容積外部における単一の散乱作用に起因する選択的に励起された散乱容積及びそれに付随する迷光域は、空間的解像法を用いて結像可能である。結像装置あるいは結像光学機器の特性によって、単一散乱作用から測定される数値及び軸（ｓｔｅｍ）に関与する信号関与と、特に多様な散乱作用の結果である迷光関与との分離が可能となる。何故なら、選択的に励起された散乱容積外部における信号関与の画像が不鮮明な状態で感光素子上へ結像されるからである。この不鮮明な結像の影響は公知の画像処理アルゴリズムを用いて区別することが可能である。さらに、多様な散乱作用の結果である光バックグラウンドノイズは自動的に特性画像部分中に取得され、測定値の補正及び信号ノイズ比の測定に利用することができる。特にこの補正の実施にあたっては、多様な散乱作用からは生じない信号関与が測定された測定値の判別に利用されるようにされる。
【００１９】
要約して言えば、光ビームが結果としてサンプルの研磨された界面の一つへ入射され、該光ビームはサンプル材料中を通って前記第一の界面に全く反対かつ平行な第二の研磨された界面から出る。照射された材料容積中に与えられた散乱容積はカメラを用いて一定の散乱角度Θｓで前記出口面に対して垂直な面へ結像される。この散乱角度は好ましくは後に説明する光学用途に一般的である開口角度に相当するように選択される。光学結像装置は、ＣＣＤマトリックス及び／または開口によって予め限定されたところの、画像面の範囲設定によって測定対象となる対物面がトリミングされるように寸法化される。従って、サンプルの第一及び第二境界層、すなわち入光面及び出光面の散乱光成分をなくすることが可能である。散乱容積全体はカメラを追跡することによって検出され、材料深度の増加に伴う結像断面幅の変化は二次元カメラガイドによって補正される。それゆえ多数の画像として記憶される散乱容積には高解像度を用いた検査によっても均質性がある。さらに、散乱容積の一定散乱角度Θｓにおける全散乱パワーの測定が可能であり、このパワーによってサンプルの散乱光動作は定量可能な変数として特徴化される。サンプルの散乱動作を定量的に記述する基準値を特定できるようにするため、ＢＳＤＦ（二方向性散乱分布関数）が散乱光パラメータとして用いられる。垂直入射光に関しては、このＢＳＤＦは散乱角度Θｓ及び散乱光方位角度Φｓの関数であり、入射パワーＰｉに対する測定開口によって予め限定された空間角度成分ｄΩｓ中の散乱パワーＰｓの比を表し、ＳｔｏｖｅｒによればＢＳＤＦは下記式によって定義される（Ｓｔｏｖｅｒ，Ｊ．Ｃ．；光散乱−測定及び分析、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．、１９９０年参照）。
ＢＳＤＦ＝（Ｐｓ／Ωｓ）／（Ｐｉ ｃｏｓ Θｓ）
【００２０】
上記コサイン因数は照射された散乱容積を散乱角度Θｓの方向へ投影し、表面の散乱光測定との直接比較を可能とする。ＢＳＤＦの単位は１／ステラジアンである。透明試験対象物の散乱光動作のキャラクタリゼーションを行うため、本発明においては散乱光の作用力が一定の散乱角度Θｓにおいて検出されるので、Θｓが一定である場合のＢＳＤＦ値は定量可能な散乱光パラメータとして規定される。このパラメータを用いて透明サンプルの散乱動作の客観的評価を行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下において、例示的な好ましい実施態様を用い、また添付図面を参照しながら、本発明について説明する。以下の説明において、本発明のさらなる特徴、利点及び達成されるべき目的を明らかにする。
【００２２】
図１に示すように、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の波長６５０ｎｍのレーザ１から光ビーム２が放射され、該光ビーム２はサンプル３に対して垂直に入射する。サンプル３には一定間隔を置いて位置し互いに対して平行な研磨された入光面４と研磨された出光面６が備えられている。入射光ビーム２によって定まる光軸は研磨された入光面４及び研磨された出光面６に対して垂直である。サンプル３から出た光ビーム２は、サンプル中において散乱しなかった光が感光素子１０上へ結像されないように防止する光トラップ７上へ結像される。光ビーム２はサンプル３中に細長い散乱容積５を与え、この散乱容積の輪郭は入光するレーザビーム２の輪郭に一致し、用いられる結像構造によって予め定まる。図１から示唆されるように、前記入光する光ビーム２の断面は、該光ビーム２によって定まる光軸に対して垂直であるサンプル３の寸法よりかなり小さい。
【００２３】
空間方向Θｓにおける散乱容積５中の欠陥、散乱中心、容積不均質等の不均質部分あるいは拡散散乱中心において散乱された光は、一次元あるいは二次元マトリックスの感光素子を備え、かつ該感光素子の一方の縁部が入射光ビーム２の光軸及び散乱光の光軸１１によって限定される平面に対して平行に配列されているＣＣＤカメラ上で、開口８及び、レンズまたは対物レンズ９を用いて結像される。ＣＣＤカメラ１０の感光素子は、以下に述べるように、画像解析装置１２及びＣＰＵ１３によって読出しされ、さらに処理され、及び解析される。
【００２４】
図１に示すように、開口８はＣＣＤカメラ１０へ結像される立体角成分を決定する。開口８の開口数は、以下において述べるように、散乱容積５の適当な部分がＣＣＤカメラへ結像されるように選択することができる。
【００２５】
図１に示すように、測定値の測定に用いられる散乱容積５の前端２０はサンプル３の入光面４へ一定間隔を置いて該入光面の下流に定置され、また測定値の測定に用いられる散乱容積５の後端２１はサンプル３の出光面６の上流に定置される。前記前端２０あるいは後端２１のサンプル３の入光面４または出光面６までのそれぞれの間隔は、入光面４あるいは出光面６において入射光ビーム２の散乱を起こすいずれの光も測定変数の測定には含まれないように選択される。かかる画像面の範囲設定は原則としてもっぱら散乱光のビーム通路の形状及びサンプルに対するＣＣＤカメラ１０の位置関係に基いて行われるが、以下において図２に基づいて説明されるように、原則として画像解析装置１２及び／またはＣＰＵ１３を用いてＣＣＤカメラから読出しされた画像データ値の適切な解析によっても行われる。
【００２６】
サンプル３のいずれか任意な容積部分を測定できるようにするため、サンプル３はサンプル支持体（図示せず）上へ保持され、またｘｚ面中へ任意に置き換えることができる。異なる材料深度における散乱容積５の結像を可能とするため、ＣＣＤカメラ１０、対物レンズまたはレンズ９及び開口８を一緒に保持して、ｘｙ面において一緒に旋回させることができる。図１に示すように、進行方向へ鋭角Θｓに散乱される光はＣＣＤカメラへ結像される。本発明によれば、この散乱角度Θｓは好ましくはサンプル３の材料から製造される光学素子の開口角に相当し、また特に好ましくは該開口角と完全に一致する。例えばサンプル３の材料から所定開口数をもつ光学レンズを製造する場合、散乱角度Θｓは、好ましくは前記開口数、あるいは決められた開口角よりも小さな数値に一致する開口角値へ設定される。この散乱角Θｓは好ましくは約４５°より小さく、またより好ましくは約３０°より小さい。
【００２７】
図１に示すように、散乱容積５中において散乱角度Θｓで散乱される全ての光はサンプル３の出光面６から外へ出る。しかしながら、このことは、入射光ビーム２のビーム方向へ見た場合、空間角度Θｓで散乱されたかなりの光は付加的にあるいはもっぱらサンプル３の右側側面から外へ出るので、例えばサンプル３の右側の側面付近の部分について測定するのであれば、絶対的に必要ではない。この場合、散乱光のビーム通路の配置及びＣＣＤカメラのサンプル３に対する位置関係は、以下において述べるように、散乱容積５の所定部域または部分だけがＣＣＤカメラに結像されるように常に選択される。この場合、図１に図示されたビーム通路から示唆されるように、サンプル３とサンプル３を取り囲む空気間の境界層における光屈折が結像において考慮される。
【００２８】
入射光ビーム２のパワーを測定するため、光検出器（図示せず）上へ入射光ビームの一部を結像するビームスプリッタ１４をサンプル３の入光面４の前方へ設けて、該スプリッタの出力信号をＣＰＵで読み込みさらに処理することが可能である。
【００２９】
以下において、本発明に従った透明材料サンプルの光学品質の例示的定量的測定方法について図２を参照しながら説明する。
【００３０】
まず工程Ｓ１において、図１に示すように、サンプル３及び光ビーム２を互いに対して適切に配置する。このようにして固定されたサンプル３及び入射光ビーム２の位置関係を用いて、サンプル３中のｘｚ面の所定位置に位置するように細長い散乱容積５が実現される。
【００３１】
次いで、散乱容積中において所定の立体角で散乱される光がＣＣＤカメラ１０へ結像されるように、散乱光のビーム通路配置及びＣＣＤカメラ１０の位置関係、レンズあるいは対物レンズ８、及び開口８を選択する。この場合では、原則として、散乱容積５全体を結像することができる。しかしながら、最も好ましくは、結像に関するパラメータは、図１に示した前端２０と後端２１間の散乱容積だけがＣＣＤカメラへ結像されるように、すなわち結像面が散乱光のビーム通路の配置及びＣＣＤカメラ１０のサンプル３に対する位置関係に基づいて適切にトリミングされるように選択される。さらに別の実施態様では、前記前端２０と後端２１との間の散乱容積５の下位部分もＣＣＤカメラ１０へ結像することができ、最終的に開口８、対物レンズまたはレンズ８、及びＣＣＤカメラから成る装置がサンプル３の中心を段々と（次々と）旋回することにより、前記前端２０と後端２１との間の散乱容積５がその全長に亘って走査される。このようにして段々と結像された散乱容積５の画像は、次いで、以下に述べるように、画像解析装置１２及び／またはＣＰＵ１３において合算あるいは積分を介して散乱容積５の画像へと組み立てられる。
【００３２】
適当な結像面トリミングのために設定するＣＣＤカメラへの散乱容積５の結像パラメータは、試験装置の構成が既知であれば、特にサンプル３の寸法、散乱角度Θｓ、ＣＣＤカメラとサンプル３との間隔、及び対物レンズまたはレンズ９の焦点幅が既知であれば、予め一度に決めることが可能である。
【００３３】
特に説明を加えなくても当業者には自明であるように、ＣＣＤカメラ１０から読み出された画像データ値に対し、電子装置を用いて対応する結像面トリミングを行うことも可能である。このトリミングにおいては、画像解析ソフトウェアを用いることにより、入光面４あるいは出光面６における光ビーム２の相対的に強い散乱によって生ずる相対的に明るい画素を、ＣＣＤカメラ１０のチップ上へ測定された前方明部分及び後方明部分間の画素数とともに自動的に識別する。この画素数は散乱光の光軸１１上における散乱容積５の長さの投影の尺度を表す。次いで前記画像解析ソフトウェアは、数値を計算し、及びサンプル３の入光面４と散乱容積５の前端２０との間の距離、あるいは出光面６と散乱容積５の後端２１との間の距離についての画素数に相当する、光ビーム２の入射方向に沿ったサンプル３の全長を識別する。次いで画像解析ソフトウェアは、前記入光面４あるいは出光面６における光散乱に相当する先に測定した明部分に基づいて計算された画素数を削除し、以降の画像解析のためにトリミングされていない結像面に相当する残りの画素だけを用いる。
【００３４】
このようにしてサンプル３の画像を検出し（工程Ｓ３）、検出された画像について散乱容積が測定される（工程Ｓ４）。勿論、サンプル３の同位置において逐次記録された複数の画像は、さらなるノイズ防止のため平均化してもよい。
【００３５】
本発明によれば、入光面４あるいは出光面６における光散乱によって生ずる散乱光がサンプル３の光学品質のキャラクタリゼーションに用いられないことを常に確保できるように、散乱容積５の前端２０あるいは後端２１は、サンプル３の入光面４あるいは出光面６のそれぞれから十分に間隔を空けられる。
【００３６】
次いで工程Ｓ５において、このようにして測定された散乱容積中において検出された画像データ値は合算あるいは積分される。この積分あるいは合算処理は、最も単純な一次元ＣＣＤラインの場合、散乱容積５の前端２０あるいは後端２１に対応する感光素子間の一方向について実施される。二次元ＣＣＤマトリックスの場合には、工程Ｓ４においてｘｚ面中の散乱容積５の縁部について決定される。勿論、これら縁部の測定が予め決められていてもよい。ＣＣＤカメラに二次元ＣＣＤチップが備えられている場合は、工程Ｓ５において、散乱容積５に相当するすべてのラインに亘って画像データ値が積分あるいは合算される。ＣＰＵ１３を用いることによって上記積分あるいは合算を迅速化できるので、本発明によればサンプル３の光学品質を唯一無比に特徴づける測定値を極めて迅速に得ることが可能である。
【００３７】
ノイズあるいは消滅しない画像バックグラウンドに基づく干渉を除去するために工程Ｓ６が設けられる。この工程では、画像バックグラウンド部分を測定してバックグラウンド値を得て、このバックグラウンド値を工程Ｓ５において測定した測定値から引き算する。工程Ｓ５において測定された測定値を入射光ビーム２の強度から独立させるため、工程Ｓ７において測定した測定値を入射光ビーム２の強度へ標準化することもできる。この目的のためには、前述したように、図１に示したビームスプリッタ１４が用いられる。工程Ｓ５において測定された測定値をＣＣＤカメラ１０へ結像された散乱容積５の実長から独立させるため、工程Ｓ７において測定された測定値をＣＣＤカメラ１０へ結像された散乱容積５の実長へ標準化することも可能である。
【００３８】
このようにして得られた測定値は、所定の散乱角度Θｓについての特有な定量可能散乱光パラメータと言える前述のＢＳＤＦ（二方向性散乱分布関数）値に相当する。本発明によれば、このパラメータを用いることにより、透明サンプルの散乱動作の客観的評価が可能である。
【００３９】
サンプル３の全面は前述した方法で勿論走査することができ、この走査は図２に示した質問工程Ｓ８において確認される。このような方法によってｘｚ面におけるサンプル３の光学品質に関する二次元地図を確立することができる。
【００４０】
上記説明から容易に推論できるように、散乱容積の画像は工程Ｓ３において一次元あるいは二次元ＣＣＤカメラを用いた解像（空間解像）位置から検出される。従って、散乱容積５中の散乱中心等も本発明に従った高解像度において記憶し、また検査することができる。
【００４１】
本願発明者の試験により、本発明によればサンプルの光学品質を極めて迅速にかつ再現可能に測定できることが示されている。このようにして測定された数値は、例えば製造者規格等の規格に極めて適する。
【００４２】
上記説明において測定値は所定の散乱角度Θｓについて測定されているが、本発明はこの角度に限定されない。測定変数は、複数の異なる散乱角度Θｓであっても上記方法によって測定しまた規格として記載することができる。このことは、例えば試験対象となる透明材料が複数の異なる光学用途に用いられる場合に有利である。
【００４３】
上記説明から推論できるように、本発明のさらに別の実施態様は、サンプル３の中心周囲においてＣＰＵ１３、画像解析装置１２、ＣＣＤカメラ１０、開口８から成る装置を旋回させる旋回装置（図示せず）、対物レンズまたはレンズ９、及びＣＣＤカメラを制御し、あるいはサンプル支持体を調整して上記方法を適切に実施するためのソフトウェアに関する。このようなソフトウェアを、ＣＤ−ＲＯＭ等の適当なデータキャリヤ、磁気あるいは光学データキャリヤ、あるいはメモリへ記憶させて機械読出しあるいはコンピュータ読出し可能にすることができる。
【００４４】
消滅しない画像バックグラウンドあるいはノイズによる信号関与を除去するため、本発明の別の実施態様においては以下に記載する追加工程を実施することが可能である。まず、散乱容積５がレンズ９の対物面に置かれ、かつカメラ１０のＣＣＤマトリックス上へ結像されることを確保できるように、結像装置あるいは結像光学機器の特性を選択する。結像面中の選択的に励起された散乱容積５の外寸は所定の結像規模について既知であると仮定できるので、ＣＣＤカメラの取得画像中への所望の散乱容積の配置は自動的に行われる。結像部分の寸法に一致する寸法をもつマスクを用いて画像情報を畳込むことにより、画像中の選択的に励起された散乱容積に関する測定情報を表す最大強度をもつ均質な画像部分を測定する。後続のパターン認識において、受け取られた画像部分が、対物面の外側、従って選択的に励起された散乱容積の外側にある単一の欠陥に起因し及び不鮮明な状態で結像装置によって結像される広範な散乱効果（例えば均質な散乱輪あるいは針状ビーム）による影響を受けているかどうかが点検される。前記影響の強さによっては、これらの画像欠陥はフィルターアルゴリズムを用いて取り除かれるか、あるいはマスクを配置して画像欠陥を測定情報からより影響の少ない別の容積散乱の画像部分へと取り除かれる。
【００４５】
このように、本発明方法では、選択的に励起された散乱容積及び付随する迷光域が空間解像を用いて結像される。結像装置あるいは結像光学機器の特性によっては、対物面中に位置していない単一散乱中心がそれらの劣った結像品質のために画像欠陥として識別され及び画像処理アルゴリズムを用いて取り除かれるように、また複数散乱処理に起因する光学バックグラウンドノイズが特有の画像部分中へ自動的に取得されて信号補正及び信号対ノイズ比の測定に用いられるように、測定値と迷光関与とを分離することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に従った、サンプルへの入射光が散乱し、一定の散乱角度で検出される、透明サンプル散乱動作の定量的分析装置の概略図である。
【図２】本発明に従った、透明サンプル散乱動作の定量的分析方法の概略的フローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
１  光源／レーザ
２  光ビーム／入射光ビーム
３  サンプル／サンプル
４  入光面
５  散乱チャネル
６  出光面
７  光トラップ
８  開口
９  対物レンズ／レンズ
１０  光検出器／ＣＣＤチップ
１１  結像ビーム通路の光軸
１２  画像処理装置
１３  ＣＰＵ
１４  ビーム形状化手段
１５  伝搬光ビーム
２０  前方対物面
２１  後方対物面
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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【図１】
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【図２】
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