特開 2023-70675 光学特性平面分布測定方法およびその装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023070675

(43)【公開日】2023-05-19

(54)【発明の名称】光学特性平面分布測定方法およびその装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/27 20060101AFI20230512BHJP

   G01N 21/55 20140101ALI20230512BHJP

   G01N 21/59 20060101ALI20230512BHJP

【ＦＩ】

G01N21/27 A

G01N21/55

G01N21/59

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022179924

(22)【出願日】2022-11-09

(31)【優先権主張番号】P 2021182664

(32)【優先日】2021-11-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】509154132

【氏名又は名称】株式会社システムロード

(74)【代理人】

【識別番号】100120514

【弁理士】

【氏名又は名称】筒井 雅人

(72)【発明者】

【氏名】森田 貴彦

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA02

2G059AA05

2G059EE01

2G059EE02

2G059GG06

2G059JJ17

2G059KK02

2G059KK04

(57)【要約】

【課題】被測定物の反射率平面分布などの光学特性測定を、外乱光による悪影響を抑制しつつ、従来技術よりも容易、短時間で実行可能な光学特性平面分布測定方法を提供する。
【解決手段】光源１１から発せられて周期的な強度変調が与えられている測定光を被測定物３に照射する光照射ステップと、この光照射ステップの実行中に、イメージセンサ２０を用いて撮影し、被測定物３の所定の測定対象領域の全域からの反射光または透過光を受光する受光ステップと、この受光ステップによって取得した受光量に関するデータに基づき、イメージセンサ２０の２次元配置にある複数の読み取り画素のそれぞれに個々に対応したかたちのパワースペクトルを求めてから、このパワースペクトルにおける前記測定光の強度変調周期での値を抽出して、前記複数の読み取り画素のそれぞれに個々に対応する反射光または透過光の強度に関するデータを求めるデータ処理ステップと、を有している。
【選択図】 図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源から発せられて周期的な強度変調が与えられている測定光を、被測定物に照射する光照射ステップと、
前記光照射ステップの実行中に、イメージセンサを用いて前記被測定物の表面または裏面を所定時間連続的に撮影し、前記被測定物の所定の測定対象領域の全域からの反射光または透過光を受光する受光ステップと、
この受光ステップによって取得した受光量に関するデータに基づき、前記イメージセンサの２次元配置にある複数の読み取り画素のそれぞれに個々に対応したかたちのパワースペクトルを求めてから、このパワースペクトルにおける前記測定光の強度変調周期での値を抽出して、前記複数の読み取り画素のそれぞれに個々に対応する反射光または透過光の強度に関するデータを求め、かつこの処理を前記測定対象領域の全域に対応する範囲で実行することにより、前記測定対象領域の反射率平面分布または透過率平面分布を求めるデータ処理ステップと、
を有していることを特徴とする、光学特性平面分布測定方法。

【請求項2】

請求項１に記載の光学特性平面分布測定方法であって、
前記光照射ステップおよび前記受光ステップと同一内容の動作処理を、前記被測定物とは異なるリファレンス部材に対して実行し、かつこのリファレンス部材についての光学的データとして、前記イメージセンサの前記複数の読み取り画素のそれぞれに個々に対応する反射光または透過光の強度に関するリファレンスデータを求めるリファレンスデータ取得ステップを、さらに有しており、
前記データ処理ステップにおいては、前記リファレンスデータと、前記被測定物について求めた反射光または透過光の強度に関するデータとに基づき、前記測定対象領域の反射率平面分布または透過率平面分布を求める、光学特性平面分布測定方法。

【請求項3】

光源から発せられて周期的な強度変調が与えられている測定光を、被測定物に照射することが可能な光照射装置と、
この光照射装置を利用して前記測定光が前記被測定物に照射されているときに、イメージセンサを用いて前記被測定物の表面または裏面を所定時間連続的に撮影し、前記被測定物の所定の測定対象領域の全域からの反射光または透過光を受光することが可能な受光装置と、
この受光装置において取得した受光量に関するデータに基づき、前記イメージセンサの２次元配置にある複数の読み取り画素のそれぞれに個々に対応したかたちのパワースペクトルを求めてから、このパワースペクトルにおける前記測定光の強度変調周期での値を抽出して、前記複数の読み取り画素のそれぞれに個々に対応する反射光または透過光の強度に関するデータを求め、かつこの処理を前記測定対象領域の全域に対応する範囲で実行することにより、前記測定対象領域の反射率平面分布または透過率平面分布を求めるデータ処理が可能なデータ処理手段と、
を備えていることを特徴とする、光学特性平面分布測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被測定物の光の反射率平面分布や透過率平面分布などを測定する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

被測定物の反射率平面分布や透過率平面分布を測定する場合を考える。
ＰＭＴ等を用いた従来の手法では、その狭い視野角内に対する一つの反射率値または透過率値しか求まらず、平面分布を求めるためには測定対象の領域内で測定機器を少しずつ移動させながら何度も測定する必要がある。したがって、測定作業は煩雑であって、比較的長時間を要するものとなっており、これを解決することが要請される。また、外乱光による悪影響を受けないようすることも要請される。

【0003】

なお、従来技術の一例を示すと、次のとおりである。
図１および図２には、従来の手法による反射率の測定装置Ａｅおよび透過率の測定装置Ａｆが示されている。
これらの測定装置Ａｅ，Ａｆは、光照射装置を構成する光源１１、強度変調器１２、および光ファイバ１３、被測定物３（サンプル）が載せられるＸＹステージ５、および受光装置を構成する光ファイバ２２、およびＰＭＴ７、ならびにデータ処理手段としての演算用のコンピュータ４ｅを備えている。

【0004】

光源１１からの光（測定光）は、強度変調器１２によって周期的に強度変化するように変調された状態で被測定物３に入射し、被測定物３からの反射光または透過光がＰＭＴ７に到達する。被測定物３の反射率分布または透過率分布を測定する場合、被測定物３の測定したい地点の一つに光が当たるようにＸＹステージ５で動かしてＰＭＴ７で検出することを地点ごとに繰り返す必要がある。
このことは、対象とする被測定物上のポイントが増加すると測定回数も増加する、すなわち時間的コストが増加することを意味する。

【0005】

図３に、従来の手法によるフローチャートの一例が示されている。同図に示すステップＳ１１～１７の一連の過程で行われる演算について、以下で数式を用いて具体的に説明する。

【0006】

前提として、サンプル（被測定物３）上で透過率または反射率を求めたい測定地点（式１）が、次の〔数１〕のとおり、Ｋ箇所あるとする。

【数1】

リファレンス測定において、開始時刻ｔ_R、時間間隔ΔｔでＮ回連続検出を行い、その出力を、次の〔数２〕の内容とする。

【数2】

サンプル測定については、「測定地点Ｐ_kに移動して、開始時刻をｔ_s,kとして同様の連続検出を行い、その出力を、次の〔数３〕の内容とする。

【数3】

この処理は、ｋ＝０からｋ＝Ｋ－１まで繰り返して行う。

【0007】

実際の演算については、光源強度変調周期τに対し、「フーリエ変換後のデータ列で、周期τを示すインデックス」ｊを、次の〔数４〕とする。

【数4】

「強度の周波数領域パワースペクトル（複素数の２乗の絶対値）で周期τに対する値、の平方根」が、リファレンス測定Ｒと、測定地点（前記式１）でのサンプル測定（次の〔数５〕の（式２）に示す）とで、〔数６〕により求まる。

【数5】

【数6】

【0008】

これらを用いて、反射率または透過率Ｘ_kは、次の〔数７〕により求まる。

【数7】

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２０２０－０６０５６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明は前記のような事情のもとで考え出されたものであり、被測定物の反射率平面分布などの光学特性測定を、外乱光による悪影響を抑制しつつ、従来技術よりも容易かつ的確に、しかも短時間で合理的に行なうことが可能な光学特性平面分布測定方法およびその装置を提供することを、その課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

【0012】

本発明の第１の側面により提供される光学特性平面分布測定方法は、光源から発せられて周期的な強度変調が与えられている測定光を、被測定物に照射する光照射ステップと、前記光照射ステップの実行中に、イメージセンサを用いて前記被測定物の表面または裏面を所定時間連続的に撮影し、前記被測定物の所定の測定対象領域の全域からの反射光または透過光を受光する受光ステップと、この受光ステップによって取得した受光量に関するデータに基づき、前記イメージセンサの２次元配置にある複数の読み取り画素のそれぞれに個々に対応したかたちのパワースペクトルを求めてから、このパワースペクトルにおける前記測定光の強度変調周期での値を抽出して、前記複数の読み取り画素のそれぞれに個々に対応する反射光または透過光の強度に関するデータを求め、かつこの処理を前記測定対象領域の全域に対応する範囲で実行することにより、前記測定対象領域の反射率平面分布または透過率平面分布を求めるデータ処理ステップと、を有していることを特徴としている。

【0013】

本発明において、好ましくは、前記光照射ステップおよび前記受光ステップと同一内容の動作処理を、前記被測定物とは異なるリファレンス部材に対して実行し、かつこのリファレンス部材についての光学的データとして、前記イメージセンサの前記複数の読み取り画素のそれぞれに個々に対応する反射光または透過光の強度に関するリファレンスデータを求めるリファレンスデータ取得ステップを、さらに有しており、前記データ処理ステップにおいては、前記リファレンスデータと、前記被測定物について求めた反射光または透過光の強度に関するデータとに基づき、前記測定対象領域の反射率平面分布または透過率平面分布を求める。

【0014】

本発明の第２の側面により提供される光学特性平面分布測定装置は、光源から発せられて周期的な強度変調が与えられている測定光を、被測定物に照射することが可能な光照射装置と、この光照射装置を利用して前記測定光が前記被測定物に照射されているときに、イメージセンサを用いて前記被測定物の表面または裏面を所定時間連続的に撮影し、前記被測定物の所定の測定対象領域の全域からの反射光または透過光を受光することが可能な受光装置と、この受光装置において取得した受光量に関するデータに基づき、前記イメージセンサの２次元配置にある複数の読み取り画素のそれぞれに個々に対応したかたちのパワースペクトルを求めてから、このパワースペクトルにおける前記測定光の強度変調周期での値を抽出して、前記複数の読み取り画素のそれぞれに個々に対応する反射光または透過光の強度に関するデータを求め、かつこの処理を前記測定対象領域の全域に対応する範囲で実行することにより、前記測定対象領域の反射率平面分布または透過率平面分布を求めるデータ処理が可能なデータ処理手段と、を備えていることを特徴としている。

【0015】

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】従来の手法により反射率平面分布を測定する装置の一例を示す概略説明図である。

【図2】従来の手法により透過率平面分布を測定する装置の一例を示す概略説明図である。

【図3】従来の手法での測定シーケンスの一例を示すフローチャートである。

【図4】本発明に係る光学特性平面分布測定装置の一例を示す概略説明図である。

【図5】図４に示す測定装置で実施されるサンプルデータ処理の一例を示す説明図である。

【図6】図４に示す測定装置で実施されるリファレンスデータ処理の一例を示す説明図である。

【図7】図４に示す測定装置で実施される測定シーケンスの例を示すフローチャートである。

【図8】本発明に係る光学特性平面分布測定装置の他の例を示す概略説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

【0018】

図４に示す光学特性平面分布測定装置Ａ（以下、「測定装置Ａ」と適宜略称する）は、被測定物３の反射率平面分布を測定するためのものである。
この測定装置Ａは、光源１１、強度変調器１２、および光出射部１３ａを含む光ファイバ１３を有する光照射装置１、被測定物３、イメージセンサ２０を含む受光装置２、受光装置２とケーブル４９を介して電気的に接続されたコンピュータ４を備えている。コンピュータ４は、本発明でいうデータ処理手段の具体例に相当し、たとえばデータ入力用操作キーやデータ表示用ディスプレイなどを有するパーソナルコンピュータである。

【0019】

この測定装置Ａにおいては、次のような動作が実行される。
まず、光源１１から発せられる光（測定光）は、強度変調器１２によって所定の周期τで強度変化するように変調された状態で、被測定物３に照射される（光照射ステップ）。この光の照射は、被測定物３のうち、少なくとも測定対象領域の全域に対して同時に行なわれる。被測定物３の測定対象領域の全域各部からの反射光は、イメージセンサ２０によって同時に受光される（受光ステップ）。

【0020】

イメージセンサ２０を含む受光装置２からは、図５に示すように、イメージセンサ２０による受光量に関するデータＤａがコンピュータ４に送信される。イメージセンサ２０は、２次元配列のＭ列Ｎ行の複数の読み取り画素Ｐ（Ｐ₁～Ｐ_k-1）を備えており、これら複数の画素Ｐのそれぞれからは、測定値（受光量）の時間変化を示す受光量に関するデータＤａ（Ｄａ１，Ｄａ２，Ｄａ３…）が出力され、これらがコンピュータ４に送信される。

【0021】

コンピュータ４においては、前記した受光量に関するデータＤａを、読み取り画素Ｐごとのデータに分別してそれぞれを個別にフーリエ変換し、それらのパワースペクトルのデータＤｂ（Ｄｂ１，Ｄｂ２，Ｄｂ３…）を得る。次いで、このパワースペクトルのデータＤｂにおける測定光の強度変調周期τ（周波数ｆ＝１／τ）での光の強度（反射光の強度）を抽出する。このような処理は、複数の読み取り画素Ｐごとに個別に実行され、そのデータは、読み取り画素Ｐのアドレスと関連付けて記憶される。

【0022】

一方、前記した被測定物３の測定処理の前後いずれかの時期に、リファレンスデータ取得ステップが実行される。
このリファレンスデータ取得ステップにおいて用いられるリファレンス部材６は、たとえば光反射面である表面が鏡面あるいは白色などであって、光反射率が高く、しかも表面の各部の光反射率にバラツキがない、または少ない部材である。

【0023】

リファレンスデータ取得ステップにおいては、被測定物３に代えて、リファレンス部材６が測定対象とされ、被測定物３について実行された前記光照射ステップおよび前記受光ステップと同一内容の動作処理が実行される。リファレンス部材６についての光学的データとしては、図６に示すように、イメージセンサ２０の複数の読み取り画素Ｐのそれぞれに個々に対応するデータとして、受光量に関するデータＤａ’（Ｄａ１’，Ｄａ２’，Ｄａ３’…）が出力され、これらがコンピュータ４に送信される。コンピュータ４においては、それらのデータＤａ’を、読み取り画素Ｐごとのデータに分別してそれぞれを個別に
フーリエ変換し、それらのパワースペクトルのデータＤｂ’（Ｄｂ１’，Ｄｂ２’，Ｄｂ３’…）を得る。このパワースペクトルのデータＤｂ’における測定光の強度変調周期τ（周波数ｆ＝１／τ）での光の強度（反射光の強度）を抽出する。このような処理は、複数の読み取り画素Ｐごとに個別に実行され、そのデータは、読み取り画素Ｐのアドレスと関連付けて記憶される。

【0024】

前記した一連の動作処理によれば、複数の読み取り画素Ｐごとのリファレンスデータおよびサンプルデータ（被測定物３に関するデータ）が得られる。コンピュータ４においては、これらのデータに基づき、被測定物３の測定対象領域の全域の各部（複数の読み取り画素Ｐの対応箇所）にわたる光の反射率のデータ、すなわち測定対象領域の反射率平面分布のデータが求められる。

【0025】

前記した動作処理によれば、たとえばＰＭＴ等を用いた従来の手法とは異なり、被測定物３の光学特性測定作業を、測定対象位置を位置ずれさせながら何度も繰り返す必要はない。イメージセンサ２０を利用して、被測定物３の測定対象領域の全域からの反射光を一度に受光させてから、このイメージセンサ２０の複数の読み取り画素Ｐに対応した個別のデータ処理が実行されているため、被測定物３の測定対象領域の全域にわたる光反射率の平面分布測定作業を、容易かつ短時間で行なうことが可能である。
また、前記した光学特性測定作業中には、イメージセンサ２０によって外乱光が受光される場合があり得る。これに対し、図５，図６で示した受光量に関するデータＤａ，Ｄａ’を、フーリエ変換してパワースペクトルを求める処理を実行する際に、前記した外乱光を、実質的に除外することが可能である（外乱光は、測定光の強度変調周期τでは無いため）。したがって、外乱光の影響を受けて、測定値が不正確となる虞はなく、または少なく、測定精度を高めることも可能である。

【0026】

図７は、測定装置Ａによって実行される一連の動作手順の一例を示すフローチャートである。同図のステップＳ１～Ｓ７で示す一連の過程で行なわれる演算処理の具体例を以下に説明する。

【0027】

前節同様、サンプル（被測定物３）上で反射率を求めたい測定地点（前記式１）がＫ箇所あるとする。
イメージセンサ２０でそれらの強度を測定する場合、あらかじめそれらの測定地点を指す画素をそれぞれ特定しておき、その画素で検出された値を求める強度とする。
このような選別を行うことで、一回の検出に対して、

【数8】

とＫ個の値を求めることができる。

【0028】

リファレンス測定について、従来の手法では１つの測定値を全ての測定地点に使いまわしていたが、本実施形態においては、イメージセンサ２０でリファレンス測定を行うため、ある１か所のリファレンス値よりも、各測定地点毎に対応する画素でのリファレンス値をそれぞれに用いることが望ましい。
よって、開始時刻ｔ_R、時間間隔ΔｔでＮ回連続検出を行い、その出力を、次の〔数９〕の内容とすればよい。

【数9】

【0029】

サンプル測定については、開始時刻をｔ_sとして同様の連続検出を行い、その出力を次の〔数１０〕とする。

【数10】

【0030】

実際の演算については、光源強度変調周期τに対して、「フーリエ変換後のデータ列で、周期τを示すインデックス」ｊを、次の〔数１１〕とする。

【数11】

ここで、演算処理の容易化のため、好ましくは、各測定条件Ｎ，Δｔ，τは、あらかじめｊが整数になるような組み合わせで定めておく。
「強度の周波数領域パワースペクトル（複素数の２乗の絶対値）で周期τに対する値、の平方根」は、測定地点（前記式１）での、次の〔数１２〕の式３のリファレンス測定（式３）と、

【数12】

サンプル測定の前記（式２）とでそれぞれ、次の〔数１３〕により求まる。

【数13】

【0031】

これらを用いて、反射率または透過率Ｘ_kは、次の〔数１４〕によりそれぞれ求まる。

【数14】

【0032】

図８は、本発明に係る光学特性平面分布測定装置の他の例を示している。
同図に示す光学特性平面分布測定装置Ａａは、被測定物３に照射されて透過した光を、イメージセンサ２０を利用して受光し、そのデータをデータ処理手段としてのコンピュータ４に取り込みことが可能とされている。コンピュータ４においては、先に述べた実施形態と同様なデータ処理が実行されることにより、被測定物３の測定対象領域についての透過率平面分布が求められる。
本実施形態から理解されるように、本発明に係る方法および装置は、被測定物の透過率平面分布、反射率平面分布のいずれの測定であってもよい。

【0033】

本発明に係る光学特性平面分布測定方法の各工程の具体的な構成は、上述した実施形態に限定されず、本発明の意図する範囲内において種々に変更自在である。本発明に係る光学特性平面分布測定装置についても、各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。
光源の具体的な数、波長などは限定されず、また測定光の強度変調の具体的な周期も限定されない。被測定物の種類、材質なども問わない。データ処理手段としては、パーソナルコンピュータ以外の手段を用いることもできる。

【符号の説明】

【0034】

Ａ，Ａａ 光学特性平面分布測定装置
１ 光照射装置
１１ 光源
１２ 強度変調器
２ 受光装置
２０ イメージセンサ
３ 被測定物
４ コンピュータ（データ処理手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】