(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定位置に配置されている被測定物に光束を照射し、該被測定物を介した光束に基づいて前記被測定物の光学特性を検出する光学特性検出装置において、
所望の波長の光束を射出する光束供給部と、
回転可能に設けられて、該光束供給部からの光束を反射させる第１反射鏡と、
楕円面状の反射面を有し前記第１反射鏡からの光束を反射させる第１楕円面鏡と、
楕円面状の反射面を有し前記第１楕円面鏡からの光束を反射させる第２楕円面反射鏡と、
回転可能に設けられて、前記第２楕円面鏡からの光束を反射させる第２反射鏡と、
前記第１反射鏡からの光束を平行光束に変換して前記被測定物へ導く第１変換光学素子と、
前記被測定物を透過した前記第１変換光学素子からの光束を前記第２反射鏡に集光させる第２変換光学素子と、
前記第１及び第２反射鏡を回転させる反射鏡回転駆動部とを有し、
前記第１反射鏡は、前記第１楕円面鏡の第１焦点位置に配置され、
前記第１及び第２楕円面鏡は、前記第１楕円面鏡の第２焦点位置と前記第２楕円面鏡の第１焦点位置とが前記所定位置に一致するように配置され、
前記第２反射鏡は、前記第２楕円面鏡の第２焦点位置に配置され、
前記反射鏡回転駆動部は、前記第１及び第２反射鏡を回転させることにより、前記第１及び第２楕円面鏡を使用する光路と、前記第１及び第２変換光学素子を使用する光路とを切り換え、前記第１及び第２楕円鏡面を使用する光路に切り換えたとき、前記光束供給部からの光束の前記被測定物に対する入射角を変更するように前記第１反射鏡を回転駆動させることを特徴とする光学特性検出装置。
【請求項２】
前記第１及び第２変換光学素子は共に放物面鏡であることを特徴とする請求項１記載の光学特性検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物質の光学特性を検出する装置、特に所定波長の光束に対する透過率又は反射率等を測定する分光光度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物質の光学特性、特に反射率、透過率を測定する従来の装置（分光光度計）の概略構成を図３（Ａ）〜（Ｃ）に基づいて説明する。まず、サンプルＳの反射率を測定する場合は、図３（Ａ）に示すように、分光器ＳＰから射出した光束をミラーＭ１で反射させ、サンプルＳの表面の位置Ａに入射させる。次に、サンプルＳの位置Ａで反射された光束をミラーＭ２で検出器ＤＥＴの方向へ反射させる。そして、検出器ＤＥＴは、サンプルＳに入射する前の光量と、反射した後の光量とを比較することで反射率を求める。この場合、サンプルＳへの光束の入射角θを変える時は、図３（Ａ）において点線で示すように、ミラーＭ１で反射した光束がサンプルＳの位置Ａに入射し、かつ位置Ａからの反射光が検出器ＤＥＴへ入射するようにミラーＭ１とＭ２の角度及び位置を変更する。また、透過率を測定する時は、図３（Ｂ）に示すように分光器ＳＰから射出した光束をサンプルＳに入射させて、透過した光束を検出器ＤＥＴで受光する。そして、サンプル入射前の光量とサンプル透過後の光量とを比較することで、透過率を測定する。この場合に、サンプルＳの厚さｄが大きいと、図３（Ｃ）に示すように光軸ＡＸがシフトしてしまう。このため、サンプルＳが厚い場合は、検出器部ＤＥＴも実線で示すようにシフトさせている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、透過率を測定する場合と反射率を測定する場合とでは、分光光度計の構成を異なるものへ変える必要がある。さらに、反射率を測定する場合に入射角を変えるときは、ミラーＭ１とミラーＭ２とを同時にチルトさせ、かつシフトさせるための可動部の多い複雑な機構が必要である。
【０００４】
かかる機構は、通常の測定環境下ではあまり困難ではなく、問題を生じない。しかし、紫外光などの短波長域の光束の反射率又は透過率を測定する時は、大気中の酸素、窒素等による吸収の影響を少なくするために、分光光度計を真空チャンバの中に設置し、真空状態で測定を行う必要がある。このような場合、従来技術のように可動部が多い機構を真空中で可動させるにはさらに機構が複雑になるので、装置自体が大型化する。この結果、装置を囲む真空チャンバも大型化することとなる。このように、短波長の光束に対する反射率又は透過率を真空下において測定する場合は、装置の可動部が多いことは大きな問題になる。
【０００５】
かかる問題を解決するために、図４に示す構成の分光光度計が提案されている。この分光光度計は、光源側から分光器ＳＰ、ミラーＭ１、第１楕円鏡ＥＬＭ１、第２楕円鏡ＥＬＭ２、ミラーＭ２とからなる光学系を有している。そして、ミラーＭ１は、第１楕円面鏡ＥＬＭ１の第１焦点近傍の位置ＦＡに回転可動に配設されている。また、第１楕円鏡ＥＬＭ１の第２焦点位置と第２楕円面鏡ＥＬＭ２の第１焦点位置とがサンプルＳの表面上の位置ＦＢで一致するように構成されている。さらに、ミラーＭ２は、第２楕円面鏡ＥＬＭ２の第２焦点近傍の位置ＦＣに回転可動に配設されている。
【０００６】
分光器ＳＰからの光束は、集光レンズＬ１により、ミラーＭ１表面の位置ＦＡに集光される。次に、ミラーＭ１で反射した光束は、第１楕円鏡ＥＬＭ１で反射され、サンプルＳ面上の位置ＦＢ（第１楕円鏡ＥＬＭ１の第２焦点位置）に集光される。そして、サンプルＳ面で反射した光束は第２楕円鏡ＥＬＭ２で再び反射され、ミラーＭ２面の位置ＦＣ（第２楕円鏡ＥＬＭ２の第２焦点位置）に集光される。ミラーＭ２で反射された光束は、リレーレンズＬ２を介して検出器ＤＥＴ内に導かれ結像する。
【０００７】
かかる構成において、ミラーＭ１は第１楕円面鏡ＥＬＭ１の第１焦点位置であるＦＡの位置に配設されているため、ＦＡを通り紙面に垂直な軸を回転中心としミラーＭ１の角度を変えると、ミラーＭ１で反射された光束は第１楕円鏡ＥＬＭ１で反射して、常にサンプルＳ面上の第２焦点位置ＦＢに集光する。そして、第１楕円鏡ＥＬＭ１の第２焦点位置ＦＢは第２楕円鏡ＥＬＭ２の第１焦点位置と一致しているので、サンプルＳで反射された光束は、第２楕円鏡ＥＬＭ２で反射した後に、第２楕円鏡ＥＬＭ２の第２焦点位置ＦＣに配設されたミラーＭ２上に集光される。ここで、ミラーＭ２をＦＣの位置を通り紙面に垂直な軸を中心に適当な角度だけ回転させることで、リレーレンズＬ２を介して光束を検出器ＤＥＴ内に結像させることができる。かかる従来技術の分光光度計では、ミラーＭ１とＭ２の角度を変えるだけで、サンプルＳに入射する光束の角度を簡便に変えることができる。このため、短波長の光束に対する反射率等を測定するために真空チャンバ内に当該分光光度計を設置して場合でも、複雑な可動機構を有していないので、迅速、簡便に測定を行うことができる。また、サンプルＳの透過率を測定する場合には、図５に示すように、第２楕円面鏡ＥＬＭ２をサンプルＳに対して第１楕円鏡ＥＬＭ１と反対側に配設し、第１楕円鏡ＥＬＭ１の第２焦点位置と第２楕円鏡ＥＬＭ２の第１焦点位置とをＦＢの位置において一致するように構成する。その他の構成は、図４で示した反射率を測定する場合の構成と同様である。
【０００８】
上記従来技術の２枚の楕円鏡を用いる分光光度計では、サンプルＳに集光光束を入射させ、ＦＢの位置において第１と第２の楕円鏡の焦点位置を一致させている。しかし、厚いサンプルＳの透過率を測定する場合は、厚いサンプルＳによる集光位置ＦＢの虚像は、第２楕円鏡ミラーＥＬＭ２の第１焦点位置と異なった位置にシフトしてしまうこととなる。そして、厚いサンプルＳを透過した光束は、第２楕円面鏡ＥＬＭ２で反射した後、第２焦点位置と異なった位置でミラーＭ２の面上に結像する。この結果、第２楕円面鏡ＥＬＭ２の第２焦点位置ＦＣとリレーレンズＬ２を介して共役な位置に配置された検出器ＤＥＴの受光面内に光束が集光しなくなる場合がある。この場合、正確な検出を行うことができなくなるので問題である。さらに、一般に検出器ＤＥＴの受光面の感度は均一でないので、受光面において結像位置がずれると検出感度が変わってしまう。したがって、サンプルＳを光路内の測定位置へ挿入した時と、挿入しない時との光量を比較することにより透過率を測定する場合に、検出器ＤＥＴの受光面における結像位置がずれてしまうと検出感度の不均一に起因して測定精度が低下してしまい問題である。。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、サンプルの厚さにかかわらず、簡易な構成で正確にサンプルの光学的特性を測定できる光学特性検出装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明では、所定位置に配置されている被測定物に光束を照射し、該被測定物を介した光束に基づいて前記被測定物の光学特性を検出する光学特性検出装置において、所望の波長の光束を射出する光束供給部と、回転可能に設けられて、該光束供給部からの光束を反射させる第１反射鏡と、楕円面状の反射面を有し前記第１反射鏡からの光束を反射させる第１楕円面鏡と、楕円面状の反射面を有し前記第１楕円面鏡からの光束を反射させる第２楕円面反射鏡と、回転可能に設けられて、前記第２楕円面鏡からの光束を反射させる第２反射鏡と、前記第１反射鏡からの光束を平行光束に変換して前記被測定物へ導く第１変換光学素子と、前記被測定物を透過した前記第１変換光学素子からの光束を前記第２反射鏡に集光させる第２変換光学素子と、前記第１及び第２反射鏡を回転させる反射鏡回転駆動部とを有し、前記第１反射鏡は、前記第１楕円面鏡の第１焦点位置に配置され、前記第１及び第２楕円面鏡は、前記第１楕円面鏡の第２焦点位置と前記第２楕円面鏡の第１焦点位置とが前記所定位置に一致するように配置され、前記第２反射鏡は、前記第２楕円面鏡の第２焦点位置に配置され、前記反射鏡回転駆動部は、前記第１及び第２反射鏡を回転させることにより、前記第１及び第２楕円面鏡を使用する光路と、前記第１及び第２変換光学素子を使用する光路とを切り換え、前記第１及び第２楕円鏡面を使用する光路に切り換えたとき、前記光束供給部からの光束の前記被測定物に対する入射角を変更するように前記第１反射鏡を回転駆動させることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２記載の発明では、前記第１及び第２変換光学素子は共に放物面鏡であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態にかかる分光光度計を用いてサンプルＳの透過率を測定するときの光学系の状態、図２は反射率を測定するときの光学系の状態をそれぞれ示している。図２に示すサンプルＳの反射率を測定する光学系は、上記従来技術（図４参照）で述べた光学系と基本的な構成は同様である。まず、サンプルＳの反射率を測定する場合について図２に基づいて説明する。
【００１４】
波長λの光束を射出する分光器ＳＰからの光束はリレーレンズＬ１によりミラーＭ１上に集光される。ミラーＭ１はＦＡの位置を中心にモータＭＴ１により回転可能に設けられている。ミラーＭ１で反射した光束は、楕円面状の反射面を有する第１楕円面鏡ＥＬＭ１で反射した後、サンプルＳの表面の位置ＦＢに入射角θで入射する。次に、サンプル表面の位置ＦＢにおける入射角θと波長λとに対する反射率に応じて強度が変調された後、楕円面状の反射面を有する第２楕円面反射鏡ＥＬＭ２で反射され、ミラーＭ２上のＦＣの位置に集光される。ミラーＭ２は位置ＦＣを中心にモータＭＴ２により回転可能に設けられている。そして、ミラーＭ２で反射された光束は、リレーレンズＬ２により検出器ＤＥＴの受光面に集光、結像される。
【００１５】
ここで、ミラーＭ１は、第１楕円面鏡ＥＬＭ１の第１焦点位置近傍ＦＡに配置されている。また、第１及び第２楕円面鏡ＥＬＭ１、２は、第１楕円面鏡ＥＬＭ１の第２焦点位置と第２楕円面鏡ＥＬＭ２の第１焦点位置とが所定位置近傍ＦＢにて実質的に一致するように配置されている。さらに、ミラーＭ２は、第２楕円面鏡ＥＬＭ２の第２焦点位置近傍ＦＣに配置されている。
【００１６】
かかる構成により、モータＭＴ１によりミラーＭ１をＦＡの位置を通り紙面に垂直な軸を中心として適宜回転させることで、サンプルＳへの入射角度θを変えることができる。また、ミラーＭ１の回転量に応じて、ミラーＭ２をモータＭＴ２にて回転させることで、サンプルＳからの反射光を常に検出器ＤＥＴの受光面に結像させることができる。そして、サンプルＳに入射する前の光束の強度と、サンプルＳで反射した後の反射光の強度とを比較することで波長λ、入射角θの光束に対する反射率を求めることができる。
【００１７】
上述したように、反射率を測定する場合の光学系は上記従来技術のものと同様である。これに対して、本実施形態の分光光度計の特徴は、種々の厚さのサンプルＳの透過率を正確に測定できる光学系に簡便に切り換えられる点である。図１に基づいて、サンプルＳの透過率を測定する光学系について説明する。本実施形態の分光光度計は、上記構成に加えて、ミラーＭ１からの光束をほぼ平行光束に変換してサンプルＳへ導く第１放物面鏡ＰＭ１と、サンプルＳを透過した平行光束をミラーＭ２近傍で集光させる第２放物面鏡ＰＭ２とを有している。そして、透過率を測定する場合は、モータＭＴ１でミラーＭ１を回転（チルト）させ、分光器ＳＰからの光束を第１放物面鏡ＰＭ１の方向へ反射させる。第１放物面鏡ＰＭ１は、その焦点位置がＦＡ近傍となるように配設されている。このため、ミラーＭ１からの光束はほぼ平行な光束に変換されてサンプルＳに入射する。サンプルＳは、不図示のサンプル保持部を回転駆動することで、反射率を測定する場合と異なる方向に設置される。そして、サンプルＳを透過した平行光束は、第２放物面鏡ＰＭ２でミラーＭ２の方向へ反射される。第２放物面鏡ＰＭ２は、その焦点位置がＦＣ近傍となるように配設されているので、第２放物面鏡ＰＭ２からの反射光は、ミラーＭ２の位置ＦＣに集光する。そして、ミラーＭ２は、モータＭＴ２により回転駆動されて、その反射光がリレーレンズＬ２を介して、検出器ＤＥＴの受光面に結像する。
【００１８】
サンプルＳに入射する光束を平行光束とすることができるので、種々の厚さｄのサンプルＳを測定する場合でも、検出器ＤＥＴ上の受光面における集光位置は常に一定である。従って、サンプルの厚さによらず常に一定の検出感度で、高い精度の測定が可能となる。
【００１９】
また、サンプルＳへの入射角を変えて透過率の測定する時は、不図示のサンプル保持部を回転駆動して、平行光束に対するサンプルの設置角度を変更すれば良い。この時、サンプルＳの厚みｄの影響で光軸ＡＸがシフトすることがあるが、第２放物面鏡ＰＭ２の有効口径を大きくしておけば良い。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、光学系を交換すること無く、可動部の少ない簡易な構成でサンプルの反射率、又は透過率等の光学特性を測定することができる。また、厚いサンプルの透過率を測定する場合においても、簡便な切換え動作で光学系を切り換えることにより、常にサンプル透過光を検出器の同一受光部分に導くことができるので正確な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる分光光度計で透過率を測定する場合の光学系を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる分光光度計で反射率を測定する場合の光学系を示す図である。
【図３】従来の分光光度計の構成を示す図である。
【図４】楕円面鏡を有する分光光度計で反射率を測定するための構成を示す図である。
【図５】楕円面鏡を有する分光光度計で透過率を測定するための構成を示す図である。
【符号の説明】
ＳＰ  分光器
Ｌ１、Ｌ２  リレーレンズ
Ｍ１、Ｍ２  ミラー
ＥＬＭ１、ＥＬＭ２  楕円面鏡
Ｓ  サンプル
ＤＥＴ  検出器
ＭＴ１、ＭＴ２  モータ
【図１】
0004120050.tif 000002
【図２】
0004120050.tif 000003
【図３】
0004120050.tif 000004
【図４】
0004120050.tif 000005
【図５】
0004120050.tif 000006