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CN106990052A - 光学特性测定装置以及光学系统 - Google Patents

光学特性测定装置以及光学系统 Download PDF

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CN106990052A CN201611160666.9A CN201611160666A CN106990052A CN 106990052 A CN106990052 A CN 106990052A CN 201611160666 A CN201611160666 A CN 201611160666A CN 106990052 A CN106990052 A CN 106990052A
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Abstract

提供一种能够实现小型化且提高了通用性的光学特性测定装置以及光学系统。光学特性测定装置包含：第一光学元件，其将来自被测定物的测定光变换为平行光；反射型透镜，其通过反射来自第一光学元件的平行光来将该平行光变换为会聚光；受光部，其接收来自反射型透镜的会聚光；以及驱动机构，其使第一光学元件相对于被测定物的相对位置变化。

Description

光学特性测定装置以及光学系统
技术领域
本技术涉及一种用于测定被测定物的光学特性的光学特性测定装置以及该光学特性测定装置中使用的光学系统。
背景技术
作为测定被测定物的光学特性的光学特性测定装置的一例，已知的是显微分光装置。显微分光装置通过对来自任意被测定物的光进行分光测量来输出该被测定物的反射率或折射率、消光系数、膜厚之类的光学特性。在日本特开2008-286583号公报中，作为显微分光装置的一例，公开一种能够提高光学特性的测定精度并且能够更容易地进行针对被测定物的对焦的光学特性测定装置。
日本特开2008-286583号公报中公开的光学特性测定装置具有被称为有限远镜筒型的显微镜的构造。与此相对，已知一种被称为无限远镜筒型的显微镜的构造。作为采用了这种无限远镜筒型的显微镜的结构，日本特开平11-249027号公报公开了一种能够自动地调整观察试样的调焦位置的自动调焦显微镜。
发明内容
在日本特开平11-249027号公报所公开的自动调焦显微镜中，假定微细的资料的观察或者观察像的视频拍摄等用途，不能在除了可见区域之外还需要测定红外区域和紫外区域的光学特性的光学特性测定装置中直接使用。
本技术的目的在于提供一种能够实现小型化且提高了通用性的光学特性测定装置。
按照本发明的某个方面的光学特性测定装置包含：第一光学元件，其将来自被测定物的测定光变换为平行光；反射型透镜，其通过反射来自第一光学元件的平行光来将该平行光变换为会聚光；受光部，其接收来自反射型透镜的会聚光；以及驱动机构，其使第一光学元件相对于被测定物的相对位置变化。
光学特性测定装置也可以还包含第二光学元件，该第二光学元件配置在第一光学元件与反射型透镜之间的光学路径上，通过反射来自第一光学元件的平行光来使该平行光的传播方向变化。
第一光学元件也可以包含凸面反射镜和凹面反射镜的组，其中，该凸面反射镜和该凹面反射镜被配置为各自的中心轴与平行光的光轴一致。
第一光学元件也可以还包含与反射型透镜相对应地配置的曲面镜以及与该曲面镜组合的转向镜。
受光部也可以输出从反射型透镜接收到的光所包含的波长谱。
光学特性测定装置也可以还包含：第一光源，其产生向被测定物照射的测定光；以及分束器，其配置在从反射型透镜至受光部的光学路径上，并且与第一光源以光学方式连接。
光学特性测定装置也可以还包含第二光源，该第二光源产生波长成分中至少含有可见区域的观测光，第一光源产生含有与要从被测定物测定的光学特性相应的波长成分的测定光。
光学特性测定装置也可以还包含观测单元，该观测单元观测向被测定物照射的测定光的像。
光学特性测定装置也可以还包含控制单元，该控制单元基于由观测单元观测到的像的清晰度来驱动驱动机构，由此决定第一光学元件相对于被测定物的相对位置。
按照本发明的另一方面的光学系统包含：第一光学元件，其将来自被测定物的测定光变换为平行光；反射型透镜，其通过反射来自第一光学元件的平行光来将该平行光变换为会聚光；以及受光部，其接收来自反射型透镜的会聚光。
根据与附图关联地理解的同本发明有关的以下的详细说明，能够明确本发明的上述及其它目的、特征、方面以及优点。
附图说明
图1是示出按照实施方式的测定装置的装置结构的示意图。
图2是示出按照实施方式的变形例1的测定装置的装置结构的示意图。
图3是示出图2所示的测定装置所采用的反射物镜的结构例的示意图。
图4是示出按照实施方式1的变形例2的测定装置的装置结构的示意图。
图5是示出按照实施方式2的测定装置的装置结构的示意图。
图6是示出按照实施方式2的变形例1的测定装置的装置结构的示意图。
图7是示出按照实施方式2的变形例2的测定装置的装置结构的示意图。
图8是示出使用按照本实施方式的测定装置的测定过程的一例的流程图。
图9是示出从按照本实施方式的测定装置照射到样品的测定光的状态的一例的图。
图10是示出按照本实施方式的测定装置中的物镜的位置与对比度值之间的关系的一例的图。
图11是用于说明按照本实施方式的测定装置中的聚焦调整方法(其一)的时序图。
图12是示出在按照本实施方式的测定装置中的聚焦调整方法(其一)中获取的经过时间与物镜的位置之间的关系的图。
图13是示出按照本实施方式的测定装置中的聚焦调整方法(其一)的处理过程的流程图。
图14是示出按照本实施方式的测定装置中的聚焦调整方法(其二)的处理过程的流程图。
图15是用于说明按照本实施方式的测定装置中的焦点位置的搜索过程的示意图。
图16是示出按照本实施方式的测定装置的光学路径的调整过程的流程图。
图17示出使按照本实施方式的测定装置的物镜的位置为互不相同的多个位置而获取到的每个波长的相对反射率的测定结果例。
图18示出在执行按照本实施方式的测定装置中的聚焦调整之后测定的反射率谱的测定结果例。
附图标记说明
2：样品光；4：平行光；6：会聚光；10：头部；12：物镜；13：反射物镜；13a：凸面反射镜；13b：凹面反射镜；20、40：曲面镜；21：转向镜；22、24、42：分束器；26：成像透镜；28：照相机；30、32：测定光源；34：观测光源；44：切换镜；46：孔；50：信息处理装置；52：位置控制器；54：驱动机构；60：分光器；100、100A、100B、100C、100D、100E、100F：测定装置；200A、200B：图像；SMP：样品。
具体实施方式
参照附图来详细说明本发明的实施方式。此外，对于图中的相同或相当部分标注相同标记，不反复进行其说明。
<A.结构的概要>
首先，对按照本实施方式的光学特性测定装置(以下也简称为“测定装置”。)所采用的结构的概要进行说明。
按照本实施方式的测定装置采用无限远镜筒型的显微镜的构造。在有限远镜筒型的显微镜中，使用一个物镜来使被测定物(以下也称为“样品”。)的像成像，与此相对，在无限远镜筒型的显微镜中，使用物镜和成像透镜的一组透镜来使样品的像成像。成像透镜还被称为镜筒透镜。在物镜与成像透镜之间传播在无限远处聚焦的平行光。物镜和成像透镜的组还被称为无限远校正光学系统。
无限远镜筒型的显微镜与有限远镜筒型的显微镜相比，具有能够自由地设计一组透镜之间的距离这样的优点。例如，具有如下优点：能够在透镜之间插入半透半反镜、滤光器等各种光学元件，另外，能够通过使透镜之间的位置关系最优化来校正轴偏移等变形。
按照本实施方式的测定装置通过采用包含光学元件和反射型透镜(典型地，是曲面镜)的组合的光学系统，来实现能够小型化且提高了通用性的无限远镜筒型的显微镜，其中，该光学元件将来自样品的样品光变换为平行光，该反射型透镜通过反射来自该光学元件的平行光来将该平行光变换为会聚光。在按照本实施方式的测定装置中，在平行光与会聚光之间的变换中使用反射型透镜，因此能够降低或避免使用折射型透镜的情况下可能产生的色像差，并且能够在广的波长范围内进行测定和观测。
以下，对按照本实施方式的几个具体化例子进行说明。在以下所说明的几个示意图中，为了便于说明而以二维方式描绘装置结构，但是现实中能够实现三维的配置。通过以三维方式配置构成部件，能够实现测定装置整体的小型化。
作为样品的代表例，能够列举在半导体基板、玻璃基板、蓝宝石基板、石英基板、片材等的表面形成(涂敷)有薄膜而得到的样品。更具体地说，形成有薄膜的玻璃基板被作为液晶显示器(LCD：Liquid Crystal Display)、等离子体显示器(PDP：Plasma DisplayPanel)等平板显示器(FPD：Flat Panel Display)的一部分使用。另外，形成有薄膜的蓝宝石基板被作为氮化物半导体(GaN：Gallium Nitride，氮化镓)系的LED(Light EmittingDiode：发光二极管)、LD(Laser Diode：激光二极管)使用。另外，形成有薄膜的石英基板用于各种光学滤光器、光学部件以及投影液晶等。
<B.实施方式1>
参照图1来说明按照实施方式1的测定装置100A的装置结构。测定装置100A获取来自样品SMP的样品光，并输出样品SMP的反射率或折射率、消光系数、膜厚之类的光学特性。
在测定装置100A中，作为检测来自样品SMP的样品光的结构，包含曲面镜20、分束器22、24、成像透镜26、照相机28、分光器60以及包含物镜12的头部10。
物镜12相当于将来自样品SMP的样品光2变换为平行光4的光学元件。当从样品SMP放射出的样品光2向物镜12入射时，该样品光2被变换为平行光4射出。作为物镜12，还能够采用反射型透镜和折射型透镜中的任意透镜。但是，为了抑制色像差的产生，优选的是反射型透镜。来自物镜12的平行光4向配置在光学路径上的曲面镜20入射。
曲面镜20相当于通过反射来自物镜12的平行光4来将该平行光4变换为会聚光6的反射型透镜。即，曲面镜20作为成像透镜发挥功能。从曲面镜20射出的会聚光6的一部分通过分束器22和24而向配置在光学路径上的分光器60入射。通过利用曲面镜20使传播方向不同来调整光学路径，以使构成入射光的光学路径的光学组件与构成反射光的光学路径的光学组件互不干扰。作为用于向平行光变换的曲面镜20，既可以采用球面镜，也可以采用非球面镜。通过采用非球面镜，能够抑制像散从而防止产生像偏移。
分光器60相当于接收来自曲面镜20的会聚光6(样品光)的受光部。分光器60输出从曲面镜20接收到的光所包含的波长谱。更具体地说，分光器60包含用于将所入射的光分离为各波长成分的衍射光栅以及用于对被衍射光栅分离后的各个波长成分进行检测的检测元件(光电二极管阵列、CCD(Charged Coupled Device：电荷耦合器件)等)。
从曲面镜20射出的会聚光6的其它一部分通过分束器22，并且被分束器24变更传播的光学路径后通过成像透镜26而向照相机28入射。
照相机28是获取通过来自样品SMP的样品光2得到的观测像的摄像部。观测向样品SMP照射的测定光的像。更具体地说，照相机28构成为包括CCD图像传感器或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)图像传感器等。也可以设置用于显示由照相机28获取到的观测像的显示部。
测定装置100A还包含使物镜12相对于样品SMP的相对位置变化的驱动机构54。驱动机构54与包含物镜12的头部10连结，使头部10在与平行光4的传播方向平行的方向上移动。在物镜12与曲面镜20之间传播的样品光是平行光，因此即使通过驱动机构54改变了物镜12相对于样品SMP的相对位置，也能够忽略对样品光向分光器60和照相机28入射的状态的影响。另一方面，通过改变物镜12相对于样品SMP的位置，能够将物镜12的焦点位置(成像位置)设定在任意的位置。
这样，在物镜12与曲面镜20之间传播的是平行光，因此即使沿着平行光改变物镜12的距离，也能够在维持光学性状况的状态下调整样品SMP与物镜12的位置。即，在按照实施方式1的测定装置100A中，能够只通过使头部10相对于样品SMP的相对位置变化来在任意的位置对焦，在测定比较大的样品SMP的情况下，也不需要采用大的调整机构等。
位置控制器52基于由照相机28获取到的观测像的信息来调整物镜12相对于样品SMP的相对位置。即，位置控制器52基于来自照相机28的信息来施加针对驱动机构54的位置指令。在后面叙述位置的具体的调整方法。
信息处理装置50基于来自分光器60的检测结果(波长谱)来进行各种数值解析处理(代表地，进行拟合处理、噪声去除处理)，计算并保存样品SMP的反射率、折射率、消光系数、膜厚之类的光学特性。
在样品SMP为发光体等的情况下，不需要对样品SMP照射照明光，但是在测定基板等的光学特性的情况下，需要照射含有规定波长成分的光并获取其反射光作为样品光。作为这种对样品SMP照射光的结构，包含测定光源30、32、观测光源34、曲面镜40、分束器42以及孔46。
测定光源30以及测定光源32产生向样品SMP照射的测定光。测定光含有与要从样品SMP测定的光学特性相应的波长成分。例如，也可以是，测定光源30产生含有红外区域的波长成分的第一测定光，测定光源32产生含有紫外区域的波长成分的第二测定光。测定光源30以及测定光源32例如构成为包括氘气灯、氙气灯等电弧发光的光源、如卤素灯那样灯丝发光的光源或者这些光源的组合。
但是，也可以不需要准备两种测定光源，只设置单一的测定光源。在只设置单一的测定光源的情况下，例如也可以采用白色光源来作为测定光源，并且组合使用使与要测定的光学特性相应的波长成分透过那样的光学滤光器。
在使用按照本实施方式的测定装置100A那样的显微分光装置来测定来自样品SMP的反射谱的情况下，优选的是测定光在样品SMP处对焦的状态或者测定光的对焦位置充分远离样品SMP的状态(充分散焦的状态)中的任一状态。这是因为在这些状态下能够最不受聚焦的影响地进行最佳的测量。
在使测定光在样品SMP处对焦的情况下，使用电弧发光的测定光源，并且使用曲面型的反射透镜来通过孔成像。与此相对，在使测定光的对焦位置充分远离样品SMP的情况下，使用灯丝发光的光源，在充分散焦的位置利用平面镜或半透半反镜来成像。为了使这种对焦状态任意地不同，也可以使测定光源30和测定光源32的种类不同。
在采用折射型透镜的以往的结构中，受到色像差的影响而不能在广的波长的整个区域内以特定的状态成像，但是在按照实施方式1的测定装置100A中，能够降低色像差，因此在长波长侧和短波长侧都能够实现目标成像状态。
测定光源30所产生的测定光由曲面镜40反射后通过分束器42和孔46而向分束器22入射。测定光源32所产生的测定光被分束器42变更传播的光学路径后通过孔46而向分束器22入射。
来自测定光源30的测定光和/或来自测定光源32的测定光被分束器22变更传播的光学路径后通过曲面镜20和物镜12而向样品SMP入射。即，测定光在与来自样品SMP的测定光相同的光学路径上向来自样品SMP的测定光的反方向传播。此外，在测定光源30和测定光源32都产生测定光的情况下，两个测定光在分束器42中被混合。
分束器22配置在从作为反射型透镜的曲面镜20至分光器60的光学路径上，并且与光源(测定光源30和32)以光学方式连接。
孔46调整来自测定光源30的测定光和/或来自测定光源32的测定光的光束直径。
孔46调整来自测定光源30的测定光和/或来自测定光源32的测定光的光束尺寸，以使具有获取来自样品SMP的样品光来测定谱(反射谱)所需要的面积(直径)的测定光成像。另一方面，当将测定光的成像的尺寸调整为适于谱测定的光束尺寸时，显微镜难以观测所需要的视野。因此，采用除了照射测定光之外还能够照射用于以更广的视野观测样品SMP的观测光的结构。
具体地说，按照实施方式1的测定装置100A包含观测光源34，该观测光源34产生波长成分中至少含有可见区域的观测光。照相机28也可以构成为针对观测光也具有检测灵敏度。并且，也可以设置用于在广视野的观测光与来自孔46的窄视野的测定光之间进行切换的切换镜44。而且，具有对是否将切换镜44插入到分束器22与孔46之间的光学路径进行切换的机构。例如，也可以使用电磁致动器等来驱动切换镜44。
当切换镜44被插入到分束器22与孔46之间的光学路径上时，来自观测光源34的观测光被切换镜44变更光学路径而向分束器22入射。而且，观测光被分束器22变更传播的光学路径后通过曲面镜20和物镜12而向样品SMP入射。这样，来自观测光源34的观测光也在与来自样品SMP的测定光相同的光学路径上向来自样品SMP的测定光的反方向传播。
作为一般的使用方式，首先，调整物镜12相对于样品SMP的焦点位置，接着，开始获取并测定来自样品SMP的测定光。在最初的焦点位置调整时，需要向样品SMP照射观测光。因此，将切换镜44配置在孔46与分束器22之间的光学路径上，来向样品SMP引导来自观测光源34的观测光。当焦点位置的调整完成时，使切换镜44移动，来向样品SMP引导来自测定光源30的测定光和/或来自测定光源32的测定光。这样，切换镜44构成为能够沿着从观测光源34照射的观测光的光轴变更该切换镜44的位置。
还能够采用固定在规定位置的分束器或半透半反镜来代替切换镜44。但是，通过构成为能够使切换镜44插入或脱离且采用分束器或半透半反镜，能够增大向样品SMP照射的测定光的光量。另外，不需要在每次测定时都对观测光源34进行接通/断开控制，并且在观测样品SMP时测定光也不会产生干扰。
如后述那样在聚焦调整中使用测定光并在样品SMP的观测中使用观测光，因此即使基于观测光的观测像散焦，也不影响测定光的成像，因此在使用测定光的测定时能够更清晰地检测样品SMP。
在按照实施方式1的测定装置100A中，在会聚光与平行光之间的相互变换中采用反射型透镜(曲面镜)，因此能够避免使用折射型透镜的情况下产生的色像差的发生，因此也不存在如以往的有限远镜筒型的显微镜那样能够观测的波长区域被限制在可见区域这种情况。即，在按照本实施方式的测定装置100A中，除了可见区域之外，对紫外区域和红外区域也能够降低色像差的影响来使用。因此，能够测定包含紫外区域、可见区域、红外区域的广波长范围的谱(典型地，是反射谱)，并且能够基于针对测定出的谱等的数值解析来测量光学特性。
<C.实施方式1的变形例1>
在按照上述的实施方式1的测定装置100A中，例示了将折射型透镜用作物镜12的结构，但是也可以使用反射物镜来代替折射型透镜。
参照图2来说明按照实施方式1的变形例1的测定装置100B的装置结构。图3中示出图2所示的测定装置100B所采用的反射物镜的结构例。
图2所示的测定装置100B与图1所示的测定装置100A相比，不同点在于：图2所示的测定装置100B采用了包含反射物镜13的头部10。除此以外的结构与图1所示的测定装置100A相同，因此不反复进行详细的说明。
参照图2和图3，在实施方式1的变形例1中，作为典型例，示出采用了卡塞格伦(Cassegrain)型的反射物镜13的例子。具体地说，反射物镜13包含相互组合起来的凸面反射镜13a和凹面反射镜13b。通过采用卡塞格伦型的反射物镜13，能够实现不仅不产生物镜中的色像差还具有高倍率、小型化、长动作距离等优点的反射光学系统。
根据样品SMP的种类不同，有时无论是否在样品SMP的表面对焦，来自样品SMP的背面的反射光都以杂散光出现而使测定精度恶化。例如，是将只有纳米单位的厚度的薄膜等设为样品SMP的情况等。在这种情况下，优选使用焦点深度浅的卡塞格伦型的反射物镜13。
凸面反射镜13a以及凹面反射镜13b都配置成其中心轴与光轴AX1一致。凸面反射镜13a将光轴AX1上传播的测定光和/或观测光的一部分反射而向凹面反射镜13b引导。凹面反射镜13b是同心圆状的镜。凹面反射镜13b将被凸面反射镜13a反射的测定光和/或观测光会聚到样品SMP。另外，来自样品SMP的样品光在与入射的光学路径相同的光学路径上向入射的反方向传播。
更详细地说，参照图3，凸面反射镜13a只将沿着光轴AX1入射的光(测定光和/或观测光)中的、入射到与光轴AX1正交的截面中的距光轴AX1规定的半径距离r以上的区域的光向凹面反射镜13b引导。与此相对，不将入射到距光轴AX1小于规定的半径距离r的区域、换句话说入射到光轴AX1的附近区域的光向凹面反射镜13b引导。即，向样品SMP只照射入射到凸面反射镜13a的距光轴AX1规定的半径距离r以上的区域的测定光和/或观测光。因此，向样品SMP入射的途中的光的光束截面成为其中心部被遮蔽的同心圆状(环状)。通过使用具有这种同心圆状的光束截面的光，能够避免在样品SMP的背面发生反射而产生的背面反射光(杂散光)的影响。
在按照实施方式1的变形例1的测定装置100B中，利用反射光学系统实现从样品SMP至分光器60的光学路径，因此能够实质上不受色像差的影响地针对包含紫外区域、可见区域、红外区域的广波长范围测定谱，并且能够基于针对测定出的谱等的数值解析来测量光学特性。
<D.实施方式1的变形例2>
在按照上述的实施方式1的变形例1的测定装置100B中，例示了作为反射物镜采用了卡塞格伦型的结构，但是也可以使用其它种类的反射物镜。
参照图4来说明按照实施方式1的变形例2的测定装置100C的装置结构。图4所示的测定装置100C与图1所示的测定装置100A相比，不同点在于：图4所示的测定装置100C采用了包含反射物镜14的头部10。除此以外的结构与图1所示的测定装置100A相同，因此不反复进行详细的说明。
更具体地说，在按照实施方式1的变形例2的测定装置100C中，示出采用了作为轴偏移反射物镜的反射物镜14的例子。反射物镜14是将曲面镜14a和转向镜(bendingmirror)14b组合而构成的。曲面镜14a与曲面镜20相对应地配置，并且作为通过反射来自样品SMP的样品光2来将该样品光2变换为平行光的反射型透镜而发挥功能。转向镜14b调整光学路径，以使构成在曲面镜14a反射前存在的光学路径的光学组件与构成在曲面镜14a反射后存在的光学路径的光学组件相互不干扰。通过采用这种轴偏移反射物镜，能够实现不仅不产生物镜中的色像差还具有低倍率、长动作距离、长焦点深度等优点的结构被简化的反射光学系统。
关于轴偏移反射物镜，焦点深度深，因此能够与样品SMP的表面至背面的整体对焦。因此，能够应对从纳米单位至微米单位的厚度幅度广的样品SMP。
<E.实施方式2>
在按照上述的实施方式1的测定装置100A中，例示了物镜12和曲面镜20被配置在同一光轴上的结构，但是也可以采用适于更小型化的结构来代替上述方式。
参照图5来说明按照实施方式2的测定装置100D的装置结构。图5所示的测定装置100D与图1所示的测定装置100A相比，不同之处在于：在图5所示的测定装置100D中，物镜12与曲面镜20之间的光学路径上还配置有转向镜21。关于除此以外的结构，除配置位置以外，各功能与图1所示的测定装置100A相同，因此不反复进行详细的说明。
转向镜21通过反射来自物镜12的平行光来使传播方向变化。向转向镜21入射的平行光以保持平行光的状态被转向镜21反射。因此，能够维持无限远镜筒型的结构。
图5中例示出配置了一个转向镜21的结构，但是也可以根据需要配置多个转向镜。特别地，在从物镜12至曲面镜20的光学路径中，样品光以平行光传播，因此在允许由转向镜的反射引起的衰减的范围内，转向镜的数量不会由于光学路径长度的限制等而被限制。
通过采用图5所示那样的转向镜21，能够更自由地设计物镜12、曲面镜20、分光器60的配置位置等。由此，能够根据测定装置100D的用途等来实现更适当的布局。
<F.实施方式2的变形例1>
在按照上述的实施方式2的测定装置100D中，例示了使用折射型透镜来作为物镜12的结构，但是也可以使用反射物镜来代替折射型透镜。参照图6来说明按照实施方式2的变形例1的测定装置100E的装置结构。图6所示的测定装置100E与图5所示的测定装置100D相比，不同点在于：图6所示的测定装置100E采用包含反射物镜13的头部10。除此以外的结构与图5所示的测定装置100D相同，因此不反复进行详细的说明。另外，关于反射物镜13，已参照图2和图3进行了说明，因此此处不反复进行详细的说明。
<G.实施方式2的变形例2>
在按照上述的实施方式2的变形例1的测定装置100D中，例示了作为反射物镜采用卡塞格伦型的结构，但是也可以使用其它种类的反射物镜。
参照图7来说明按照实施方式2的变形例2的测定装置100F的装置结构。图7所示的测定装置100F与图5所示的测定装置100D相比，不同之处在于：图7所示的测定装置100F采用包含反射物镜14的头部10。除此以外的结构与图5所示的测定装置100D相同，因此不反复进行详细的说明。另外，关于反射物镜14，已参照图4进行了说明，因此此处不反复进行详细的说明。
<H.测定过程>
接着，参照图8来说明使用按照本实施方式的测定装置100A～100F(以下也统称为“测定装置100”。)的测定过程。
首先，用户或样品装入装置等设置样品SMP(步骤S1)。然后，测定装置100执行后述那样的聚焦调整(步骤S2)。通过该聚焦调整，决定物镜12相对于设置好的样品SMP的相对位置。
根据需要，通过向样品SMP照射来自观测光源34的观测光来调整样品SMP内的目标测定位置。具体地说，将来自观测光源34的观测光向样品SMP的照射开启(步骤S3)。然后，由用户或辅助装置调整样品SMP的位置，以使向样品SMP内的目标测定位置照射测定光(步骤S4)。当该位置的调整完成时，将来自观测光源34的观测光向样品SMP的照射关闭(步骤S5)。然后，测定装置100再次执行后述那样的聚焦调整(步骤S6)。通过该聚焦调整，决定物镜12相对于样品SMP内的目标测定位置的相对位置。
当以上处理完成时，开始由测定装置100进行测定。具体地说，向样品SMP照射来自测定光源30或测定光源32的测定光，并通过由分光器60检测该样品光来检测来自样品SMP的反射光的波长谱(步骤S7)。然后，信息处理装置50基于分光器60的检测结果(波长谱)来进行各种数值解析处理(步骤S8)，输出样品SMP的光学特性(步骤S9)。然后，一系列的处理结束。
此外，在测定同一样品SMP内的其它测定位置的情况下，反复进行步骤S4以下的处理。此外，关于聚焦调整(步骤S2和S6)以及样品SMP的位置调整(步骤S3～S5)，根据需要适当执行，也可以根据状况省略这些步骤的全部或一部分。
<I.针对样品的聚焦调整>
接着，说明物镜相对于样品SMP的聚焦调整。在按照本实施方式的测定装置中，基于向样品SMP照射的测定光的像来实施聚焦调整。即，在是否处于聚焦状态的判断中使用测定光自身的图案。
(i1：聚焦调整的概要)
图9是示出从按照本实施方式的测定装置照射到样品的测定光的状态的一例的图。图9中示出与物镜相对于样品聚焦的状态相对应的图像200A以及与从物镜相对于样品聚焦的状态偏移的状态相对应的图像200B。
可知，在图像200A中，测定光的照射点清楚地显现，与此相对，在图像200B中，测定光的照射点模糊地散开。因此，在按照本实施方式的测定装置中，由照相机28拍摄对样品照射该测定光的状态，并且基于进行该拍摄得到的图像的清晰度(sharpness)来执行聚焦调整。即，按照本实施方式的测定装置包含如下的控制逻辑：基于由照相机28观测到的像的清晰度来驱动驱动机构54，由此决定物镜相对于样品SMP的相对位置。在本实施方式中，作为图像的清晰度的一例，将对比度设为表示聚焦程度的值(FV：聚焦值)。
图10中示出按照本实施方式的测定装置中的物镜的位置与对比度值之间的关系的一例。参照图10，通过使物镜相对于样品SMP的相对位置变化，FV(对比度)在某个位置成为峰值。该FV成为峰值的位置相当于成为聚焦状态的位置(焦点位置)。
在按照本实施方式的测定装置中，为了在更短时间内完成聚焦调整，通过一边使物镜移动一边由照相机28按规定周期进行拍摄来获取图像。而且，通过计算所获取到的各图像的FV来获取图10所示那样的针对物镜的位置的FV的分布图。在获取到的分布图中，通过确定FV成为峰值的位置来决定物镜的位置。
能够通过使用预先决定的函数(例如洛伦兹峰值函数等)对分布图进行拟合来更准确地决定FV的分布图中的峰值位置。或者，如果只关注峰值的附近，则能够通过使用二次函数进行拟合来更准确地决定。这样，通过使用拟合，不缩小照相机28的摄像间距就能够准确地决定焦点位置。另外，在照相机28的摄像间距小的情况下，峰值附近的值的变化也少，还有时由于照相机28的S/N(Signal to Noise：信噪)比的限制而不能提高测定精度，在这种情况下，使用拟合决定峰值位置也是有效的。
基于驱动机构54的包含物镜的头部的移动速度设为固定，采用摄像速度相对于该移动速度而言足够高的照相机28。
在基于驱动机构54的物镜的移动速度高的情况下，还有时不能忽略通过照相机28的拍摄所得到的图像的传送时间以及获取驱动机构54的位置所需要的传送时间等。因此，为了以更高的精度实现聚焦调整，也可以采用以下所示的聚焦调整方法中的任意方法。
(i2：聚焦调整方法(其一))
聚焦调整方法(其一)示出通过信息处理装置50与位置控制器52和照相机28之间进行信息交换来进行聚焦调整的情况下的处理过程。
图11中示出用于说明按照本实施方式的测定装置中的聚焦调整方法(其一)的时序图。图12中示出在按照本实施方式的测定装置中的聚焦调整方法(其一)中获取的经过时间与物镜的位置之间的关系。
参照图11，在聚焦调整方法(其一)中，信息处理装置50向位置控制器52以及照相机28这双方施加启动触发。即，在基准时刻(零)，信息处理装置50对照相机28施加摄像开始指令，并且对位置控制器52施加移动开始指令。由此，照相机28的摄像开始的定时与位置控制器52的移动开始的定时一致。信息处理装置50将施加摄像开始指令的时刻保持为基准时刻。
照相机28接收到摄像开始指令后，按规定周期(摄像周期ΔTD)进行拍摄动作，向信息处理装置50传送所获取到的图像。当将响应摄像开始指令而拍摄到的图像设为图像0时，在从基准时刻起经过了摄像周期ΔTD×n的定时获取图像0以后的图像n。
为了获取与获取到该图像的定时相对应的物镜的位置，信息处理装置50与照相机28的拍摄的周期对应地从位置控制器52获取位置信息。此时，所获取的位置信息由于传送时间等而产生延时，因此信息处理装置50将请求位置信息的时刻(从基准时刻起的经过时间)与获取到的位置信息相关联地依次保存。通过对获取到的时刻和位置信息的组使用一次函数进行拟合来决定时刻与位置信息的关系。
图12中示出拟合结果的一例，能够决定从基准时刻起的经过时间t与物镜的位置p的关系式p＝f(t)。
搜索根据由照相机28获取到的图像计算出的FV的分布图上的峰值，并且决定拍摄到具有搜索出的峰值的图像的时刻(从基准时间起的经过时间)。而且，能够通过将决定出的时刻t输入到拟合结果中来决定物镜的位置。或者也可以使用拍摄的张数(序号)来代替时刻t。换句话说，图12所示的拟合后的关系式表示各摄像定时的物镜的位置。
通过经过这种过程，能够实现精度高的聚焦调整。
图13中示出表示按照本实施方式的测定装置中的聚焦调整方法(其一)的处理过程的流程图。图13所示的处理过程相当于图8所示的步骤S2和步骤S6的更详细的内容。
参照图13，当指示聚焦调整时，信息处理装置50对照相机28施加摄像开始指令，并且对位置控制器52施加移动开始指令(步骤S11)。于是，照相机28以规定的摄像周期反复执行拍摄。另外，驱动机构54开始使物镜以规定的移动速度移动。
信息处理装置50以与照相机28的摄像周期相同的周期反复进行来自位置控制器52的位置信息的获取(步骤S12)。此时，信息处理装置50将所获取到的位置信息与对位置控制器52请求位置信息的时刻相对应地保存。在直到物镜到达移动完成位置为止的期间内(步骤S13中的“否”)，反复进行该来自位置控制器52的位置信息的获取。
当物镜到达移动完成位置时(步骤S13中的“是”)，信息处理装置50对照相机28施加摄像结束指令，并且对位置控制器52施加移动结束指令(步骤S14)。
信息处理装置50基于步骤S12中获取到的位置信息以及与位置信息对应的时刻来决定图12所示那样的时刻与位置信息之间的关系(步骤S15)。然后，信息处理装置50根据步骤S12中由照相机28拍摄到的各个图像来分别计算FV(对比度)，并获取FV的分布图(步骤S16)。然后，执行针对FV的分布图的拟合处理，来决定FV的峰值位置(产生峰值的图像序号)(步骤S17)。并且，信息处理装置50参照步骤S15中决定的时刻与位置信息之间的关系来决定与步骤S17中决定的FV的峰值位置对应的物镜的位置(步骤S18)。最终，信息处理装置50基于步骤S18中决定的物镜的位置来对驱动机构54施加位置指令(步骤S19)。
通过以上那样的处理过程，完成物镜的聚焦调整。
(i3：聚焦调整方法(其二))
在上述的聚焦调整方法(其一)中，示出了信息处理装置50对照相机28和位置控制器52分别施加指令的结构例，但是也可以通过将位置控制器52与照相机28相关联来更准确地控制摄像位置。
在聚焦调整方法(其二)中，设置用于从位置控制器52对照相机28施加摄像指令的触发线。位置控制器52每隔规定的移动量对照相机28施加用于拍摄的触发。由此，能够将由照相机28分别拍摄到的图像与对应的物镜的位置更准确地关联起来。由此，能够提高聚焦精度。
图14中示出表示按照本实施方式的测定装置中的聚焦调整方法(其二)的处理过程的流程图。图14所示的处理过程相当于图8所示的步骤S2和步骤S6的更详细的内容。
参照图14，当指示聚焦调整时，信息处理装置50对位置控制器52施加聚焦调整开始指令(步骤S21)。于是，驱动机构54开始使物镜以规定的移动速度移动，并且每隔规定的移动量对照相机28施加摄像指令。
当物镜到达移动完成位置时(步骤S22中的“是”)，信息处理装置50对位置控制器52施加聚焦调整结束指令(步骤S23)。
信息处理装置50根据步骤S21中由照相机28拍摄到的各个图像分别计算FV(对比度)，与同各个图像相对应的位置相关联地获取FV的分布图(步骤S24)。然后，执行针对FV的分布图的拟合处理，并决定FV的峰值位置(物镜的位置)(步骤S25)。并且，信息处理装置50基于步骤S25中决定的物镜的位置来对驱动机构54施加位置指令(步骤S26)。
通过以上那样的处理过程，完成物镜的聚焦调整。
(i4：搜索过程)
基于聚焦调整的焦点位置的搜索可以一次完成，但是为了进一步提高精度，也可以进行多次搜索。对多次搜索焦点位置的情况下的处理进行说明。
图15中示出用于说明按照本实施方式的测定装置中的焦点位置的搜索过程的示意图。当考虑物镜12相对于样品SMP的动作距离时，优选以从距样品SMP远的地方靠近的方式进行焦点位置的搜索。参照图15，在第一次焦点位置的搜索中，物镜从相对于样品SMP最远的位置向靠近的方向移动，在通过被估计为存在焦点位置的位置之后，在充分移动后停止。基于通过该第一次搜索所得到的FV的分布图来决定第二次的移动范围。具体地说，以通过第一次搜索所决定的峰值位置为基准，将到距该样品SMP某个程度的位置为止的范围决定为搜索范围。然后，执行第二次搜索。在第二次搜索中，与第一次搜索相比，降低物镜的移动速度、也就是说使摄像间隔更短地进行拍摄。然后，基于通过第二次搜索所得到的FV的分布图来决定第三次的移动范围。以下，通过将同样的过程反复进行规定次数或者反复进行同样的过程直到满足预先决定的条件为止，来决定焦点位置。
<J.光学路径的调整方法>
按照本实施方式的测定装置需要准确地调整从物镜至作为受光部的分光器的光学路径。以下，对该光学路径的调整方法进行说明。
图16是示出按照本实施方式的测定装置的光学路径的调整过程的流程图。图16中示出构成图5所示的测定装置100D的光学组件的调整过程。
参照图16，首先，调整样品SMP的平坦度(步骤S100)。具体地说，将分束器22设定在初始位置，并且使来自调整用激光器的光向分束器22入射并投影到配置样品SMP的位置。基于该投影状态来调整配置样品SMP的位置的平坦度。
接着，调整投光轴和受光轴(步骤S101)。具体地说，调整各光学路径，以使来自调整用激光器的光分别从光源侧和分光器侧向设定在初始位置的分束器22入射，并使各个光向样品SMP的同一位置入射。
接着，调整曲面镜20和转向镜21(步骤S102)。具体地说，调整曲面镜20以及转向镜21的角度和位置，以使来自调整用激光器的光向分束器22入射并投影到样品SMP的规定位置。
最后，调整物镜的位置和移动轴(步骤S103)。具体地说，调整物镜的位置和移动轴的角度，以使来自调整用激光器的光向分束器22入射，并且即使使物镜移动，该样品SMP上的投影位置也不变化。
通过以上那样的过程，能够由测定装置的光学组件构成更适当的光学路径。
<K.效果确认>
按照本实施方式的测定装置能够只通过使包含物镜的头部移动来进行针对样品SMP的聚焦调整。关于基于该头部移动的聚焦调整的效果，以下示出所确认出的实验结果。以下所示的实验结果是使用图5所示的测定装置100D测定出的。
图17示出使按照本实施方式的测定装置的物镜的位置为互不相同为多个位置而获取到的每个波长的相对反射率的测定结果例。使样品SMP的高度也与物镜的位置的变化相对应地变化来进行测定。关于测定出的相对反射率，将从300nm起每隔100nm直至800nm为止的共计6个波长设为对象。
根据图17所示的测定结果例，示出所有波长均不受物镜的位置影响而为大致相同的相对反射率。这表示，在使包含物镜的头部移动来进行聚焦调整时，即使距样品SMP的相对距离变化，聚焦调整和测定结果也难以受到影响。
图18示出执行按照本实施方式的测定装置中的聚焦调整之后测定的反射率谱的测定结果例。图18中示出分别执行5次聚焦调整后得到的反射率谱。
根据图18所示的测定结果例，可知在任意的聚焦调整中都能够实现精度高的聚焦调整，并且能够在广的波长范围内稳定地进行测定。
<L.优点>
按照本实施方式的测定装置采用包括物镜以及反射型透镜的组合的新的光学系统，其中，该物镜将来自样品的测定光变换为平行光，该反射型透镜通过反射来自物镜的平行光来将该平行光变换为会聚光。能够通过使物镜沿着平行光的光轴移动来进行针对样品的聚焦调整。
因此，在需要测定比较大的样品的情况下，也不需要使样品移动。即，能够实现通过只移动物镜就能够进行聚焦调整的显微镜光学系统。还能够将包含物镜及其驱动机构的聚焦机构作为头部进行组装。通过采用这种头部，能够使装置尺寸小型化。另外，这种头部能够容易地与其它的光学单元或测定单元进行组合，从而能够提高扩展性。
按照本实施方式的测定装置还能够只通过反射光学系统来实现物镜和反射型透镜这两者，在该情况下，实质上能够忽略色像差的影响。另外，在只有物镜采用了折射型透镜的情况下，与以往的结构相比也能够大幅地抑制色像差的影响。
因此，由于由反射光学系统实现从样品至受光部的光学路径而能够实质上不受色像差的影响地测定包含紫外区域、可见区域、红外区域的广的波长范围的谱，并且能够基于针对测定出的谱等的数值解析来测量光学特性。因此，能够进行各种光学特性的测定，从而能够提高通用性。
在按照本实施方式的测定装置中，还能够将反射型透镜用于成像透镜，并且在从反射型透镜至成像透镜的光学路径上配置转向镜。通过采用这种转向镜，能够以三维方式配置组件，从而能够更容易地实现装置尺寸的小型化。
按照本实施方式的测定装置还能够采用反射物镜。反射物镜为简单的结构，并且在物镜和成像透镜这双方都不产生色像差，因此能够进一步提高测定精度。
作为反射物镜，采用卡塞格伦型的反射物镜，由此能够实现具有高倍率、小型化、长动作距离等优点的反射光学系统。或者，作为反射物镜，采用将曲面镜和转向镜进行组合而构成的轴偏移反射物镜，由此能够实现具有低倍率、长动作距离、长焦点深度等优点的结构被简化的反射光学系统。
按照本实施方式的测定装置能够基于测定光自身的图案(像)来进行聚焦调整，因此能够可靠地确认在实际的测定中使用的测定光的对焦状态。另外，不需要如以往的结构那样投影十字线图案，因此不会妨碍观测时的视野。
另外，基于测定光自身的图案(像)的清晰度(对比度)来进行聚焦调整，因此能够维持比较简易的结构并且实现精度更高的聚焦调整。
按照本实施方式的测定装置能够通过一边使物镜的位置变化一边依次获取测定光自身的图案(像)来搜索对焦位置。此时，采用即使在从照相机的图像传送中存在某个程度的延迟时间也能够进行校正的算法，因此能够高精度地决定对焦位置。另外，通过拟合法来决定FV的分布图中包含的峰值，因此即使产生某些干扰，也能够确定准确的峰值位置。
按照本实施方式的测定装置能够设置切换镜来在从孔输出的视野窄的测定光与视野广的观测光之间进行切换。通过测定光与观测光之间的切换，能够兼顾准确的测定和视野范围广的观测像的获取这两者。
通过分开使用产生测定光的光源的种类，测定光与样品对焦的状态以及测定光的对焦位置与样品充分分离的状态(充分散焦的状态)都能够实现。由此，能够以更适于样品特性的状态照射测定光，由此能够不受聚焦状态影响地进行更适当的测定。
通过上述的说明，按照本实施方式的光学特性测定装置以及光学系统所涉及的其它优点显而易见。
说明了本发明的实施方式，但是应认为本次公开的实施方式的所有点都是例示而并非限制性的。本发明的范围通过权利要求表示，意图包含与权利要求均等的意思以及范围内的所有变更。

Claims (10)

1.一种光学特性测定装置，其特征在于，具备：
第一光学元件，其将来自被测定物的测定光变换为平行光；
反射型透镜，其通过反射来自所述第一光学元件的平行光来将该平行光变换为会聚光；
受光部，其接收来自所述反射型透镜的会聚光；以及
驱动机构，其使所述第一光学元件相对于所述被测定物的相对位置变化。
2.根据权利要求1所述的光学特性测定装置，其特征在于，
还具备第二光学元件，该第二光学元件配置在所述第一光学元件与所述反射型透镜之间的光学路径上，通过反射来自所述第一光学元件的平行光来使该平行光的传播方向变化。
3.根据权利要求1或2所述的光学特性测定装置，其特征在于，
所述第一光学元件包含凸面反射镜和凹面反射镜的组，其中，该凸面反射镜和该凹面反射镜被配置为各自的中心轴与所述平行光的光轴一致。
4.根据权利要求1或2所述的光学特性测定装置，其特征在于，
所述第一光学元件包含与所述反射型透镜相对应地配置的曲面镜以及与该曲面镜组合的转向镜。
5.根据权利要求1或2所述的光学特性测定装置，其特征在于，
所述受光部输出从所述反射型透镜接收到的光所包含的波长谱。
6.根据权利要求1或2所述的光学特性测定装置，其特征在于，还具备：
第一光源，其产生向所述被测定物照射的测定光；以及
分束器，其配置在从所述反射型透镜至所述受光部的光学路径上，并且与所述第一光源以光学方式连接。
7.根据权利要求6所述的光学特性测定装置，其特征在于，
还具备第二光源，该第二光源产生波长成分中至少含有可见区域的观测光，
所述第一光源产生含有与要从所述被测定物测定的光学特性相应的波长成分的所述测定光。
8.根据权利要求7所述的光学特性测定装置，其特征在于，
还具备观测单元，该观测单元观测向所述被测定物照射的测定光的像。
9.根据权利要求8所述的光学特性测定装置，其特征在于，
还具备控制单元，该控制单元基于由所述观测单元观测到的像的清晰度来驱动所述驱动机构，由此决定所述第一光学元件相对于所述被测定物的相对位置。
10.一种光学系统，其特征在于，具备：
第一光学元件，其将来自被测定物的测定光变换为平行光；
反射型透镜，其通过反射来自所述第一光学元件的平行光来将该平行光变换为会聚光；以及
受光部，其接收来自所述反射型透镜的会聚光。
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