JP2010008099A - 液体または溶融材料の光学測定装置および光学測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象である液体または溶融材料の量が少なくても、容易に平らな測定面で光学測定ができ、また蒸散や他の物質との反応を起さずに液体または溶融材料の物性を測定できる光学測定装置および測定方法を提供する。
【解決手段】光学測定装置は被測定材料を収容し、かつ、少なくとも底面が平坦面で透明となった底面透明容器６と、容器６の底面に投光し、かつ、その底面６ａからの反射光１１を検出、測定する光学装置とを有しており、液体または溶融材料１３を収容した透明容器６の底面６ａに光源１から入射光１０を照射し、その反射光１１のうち液体または溶融材料１３からの反射光成分を検出、測定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体または溶融材料の光学測定装置および光学測定方法、特に、液体または溶融材料に光を投射してその屈折率や反射率、あるいは吸収率などの物性を測定する液体または溶融材料の光学測定装置および溶融材料の非接触光学測定方法に関する。

近年、液体または溶融材料の物性は様々な分野で利用されている。例えば光ディスクや相変化メモリーなどのデータ記憶、蓄積分野では、加熱によって材料を溶融した後、固化して得た素材を使用しており、精錬プロセスでは直接材料を高温で溶融し、鋼材などを製造している。また、液晶などの液体状態の材料を使用して映像表示装置などの表示面を構成している。

上述のように液体または溶融材料の物性は、種々の分野で重要な要素、機能を有するものの、液体または溶融状態の物性測定は、いろいろ困難な問題を伴うため、現状ではあまり行われていない。例えば、材料の溶融状態では、液状物の表面が周囲の機械的な振動などに対して振動のかかる表面が波立つなど、非接触、非破壊測定を特長とする光学測定でも不適切な条件下にさらされる。

特に、高温材料の場合は、高温による測定機器の損傷を避けなければならないため、一般のセンサーやプローブの接触によって物性を測定することは困難である。その点、光学測定は非接触、非破壊測定を可能にするものであり、光を使用する関係から対象物の高温の影響を受けない距離からの測定が可能で、高温下での測定には適しているといえる。

この光学測定の特長を活かしたものとしては、後掲の非特許文献１に示すような単色エリプソメトリーと加熱炉とを組み合わせて、高温材料の光学定数測定をする装置が報告されている。

ここで、エリプソメトリーを使用した光学測定について説明する。エリプソメトリーは、光の偏光を利用した測定装置であり、概略的には、或る直線偏光を入射し、被測定材料に当って反射してくると、その直線偏光は楕円偏光へと変換される。その楕円偏光の位相と偏光の度合いを測定するものである。これには被測定材料の光学的な情報が反映されているため、反射光を解析することにより光学定数を求めることができる。

単色エリプソメトリーは、単色の光を使用しての光学定数の測定、即ち屈折率を測定するものであり、通常Ｈｅ−Ｎｅレーザが使用され、その波長は６３２・８ｎｍである。この場合、この波長のみに対する溶融材料の光学定数が測定される。これに対して、様々な波長を使用する分光エリプソメトリーでは、紫外光（波長２５０ｎｍ）〜遠赤外光（波長３０μｍ）という広範囲な光について測定が可能である。
Journal of Non−Crystalline Solidsvol．315(2003)54.

このように液体または溶融材料の光学測定では、他の機械的測定では達せられない利点を有するものの、測定面の振動、波立ちなどの問題があり、その対処が求められている。特に、高温になると、上述とはまた別の新たな問題も顕著に現れてくる。一般に物質は高温になると化学的活性が高くなり、様々な反応を起すようになる。例えば、蒸散の問題がある。沸点を越える温度での蒸発はもちろんのこと、昇華減少も存在するため、材料の散逸、蒸散物質による測定装置への汚染といった問題が生じる。また、化学反応も大きな問題となる。大気での加熱は、大気中の酸素や窒素と結合しやすくなるため、材料の性質が変ってしまう。これでは、測定したい材料と全く別の材料に変質してしまうため、これを防止することが必須である。

非特許文献１における高温材料の光学定数測定方法についても、いくつかの問題が指摘される。１つは、材料が高温で蒸散や酸化などの反応を起こさないことが求められる点である。これでは、非常に特殊な材料に測定対象が限定されてしまう。もう１つの重要な点は、測定対象の材料の量が比較的大量に必要とすることである。光学測定には、通常平らな表面が必要であるが、上記の方法では平らな面を実現するため、大量の材料を溶融し、その上部表面が重力で平らになることを利用している。しかし、固形物と異なり溶融材料では表面張力で表面が丸まろうとする作用が働き、量が少ないと球面が生じてしまう。球面では光を照射すると、その反射光はあらゆる方向へ散乱されるか、正反射とは違った角度方向へと反射してしまう。球面でなく、平らな表面を実現するためには、大量の材料が必要となる。

高温で安定し、かつ安価な材料であれば上記の方法、装置でも測定は可能であるが、例えばデータ記憶、蓄積媒体に使用される材料は、高温では不安定で、かつ比較的高価である。そのため、上記の方法、装置では適用範囲および費用の面から問題がある。

本発明は、上述した諸種の問題をなくし、測定対象である液体または溶融材料の量が少なくても、容易に平らな測定面で光学測定ができ、また蒸散や他の物質との反応を起こさずに溶融材料の物性を測定できる光学測定装置および測定方法を提供することにある。
なお、一般に光学定数測定とは屈折率測定（実部、虚部の両方）と同意義であるが、本発明における光学測定は、このような光学定数測定のみならず、反射率測定、吸収率測定を含む意味での光学定数測定を指している。

上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に係る液体または溶融材料の光学測定装置は、被測定材料を収容し、かつ、少なくとも底面が平坦面で透明となった底面透明容器と、前記容器の底面に投光し、かつ、該底面からの反射光を検出、測定する光学装置と、を有している。

また、本発明の請求項２に係る液体または溶融材料の光学測定装置は、被測定材料を収容し、かつ、少なくとも底面が平坦面で透明となった底面透明容器と、前記容器内の被測定材料を溶融させる加熱炉と、前記容器の底面に投光し、かつ、該底面からの反射光を検出、測定する光学装置と、を有している。

また、本発明の請求項１１に係る液体または溶融材料の光学測定方法は、被測定材料を底部の平坦な透明容器に収容して、前記透明容器の底面に測定光を入射し、その反射光のうち液体または溶融された被測定材料からの反射光成分を検出、測定することを特徴としている。

本発明によれば、液体または溶融材料の光学測定において、被測定対象の液体または溶融材料の測定面を底面とすることにより、容易に平らな鏡面を生成して安定に測定でき、また、液体または溶融材料の底面測定は透明な収容容器の底面で平らな面が実現できるため、大量の被測定材料を必要とせず、さらに、液体または溶融材料と容器残留酸素や窒素との反応が起こらず、測定精度の低下も防止される、など多大な効果がもたらされる。

（作用）
本発明の測定装置および測定方法では、透明容器の底面の平らな部分を光学測定面として利用することにより、測定対象材料の量が少量でも有効に測定できる。また、材料は透明かつ耐性のある容器に封じ込め、内部を真空あるいは不活性ガス封入とすることにより、液体または溶融状態における蒸散や、酸素あるいは窒素など他物質との反応が防止される。さらに、容器内部に測定対象となる材料よりも他物質と反応しやすい物質でかつ融点が前記材料よりも高い物質、例えばチタンなどと一緒封じ込めることにより、これらの物質と測定対象材料とを容易に分離して配置することができ、液体または溶融材料の安定した光学測定が安価に実現できる。

次に、本発明に係る液体または溶融材料の光学測定装置および測定方法を、実施形態について図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る液体または溶融材料の光学測定装置の概略的な側部断面図である。なお、実施形態１による光学測定装置においては、エリプソメトリーを使用した溶融材料の屈折率測定を主要な測定項目としているが、勿論本発明は屈折率の測定だけでなく、その他の光学定数の測定、例えば反射率測定、光吸収率の測定などにも同様に適用可能である。
液体または溶融材料１３を収容する透明容器６は、実施形態１では全体が透明な材質で形成され、かつ底部は光学測定に必要な平滑度をもつ平坦面の底面６ａとなっている。また、容器６は被測定材料に対して非変質性で耐性のあるものを使用する。容器底面６ａの平滑さは、光の波長をλとすると、表面の粗さがλ程度からλ／１０程度である。この平滑さを有しない場合、光の散乱が大きく、信頼性のある測定が不可能となる場合がある。

透明容器６の材料としては石英が最も望ましいが、他の透明材料も採用可能である。例えば、ＢＫ−７といった光学ガラス材料が挙げられる。ただし、この場合は、最高温度は４００〜５００℃であり、それ以上の温度領域ではガラス点移転を越えてしまうため、容器自体の形状が変わってきてしまうので、使用不可能である。また、石英ガラスと異なり、様々な不純物（例えばナトリウムなどのアルカリ金属や鉄などの遷移金属）が添加されているため、高温でこれらの物質が溶融材料に拡散、もしくは溶け出すおそれがある。その場合、溶融材料そのものが別の材料に変質してしまうおそれも生じる。ただし、常温で液体の物質や最高温度が３００℃程度で使用する場合は問題がない。

透明容器６は、被測定材料が収容されて試料設置台９におかれる。試料設置台は、中心に穴を設け、測定光が容器底面に照射可能な形状となっている。常温で液体状の物質においては、この配置で底面に光を入射させることにより、光学測定が可能である。

高温で溶融させる場合においては、図２に示されるように、透明容器６は被測定材料が収容されて加熱炉５内に載置される。加熱炉５は容器載置面の一部が開口されており、したがって、容器６の底面６ａは部分的に加熱炉５の下部から外部に露出している。加熱炉５は耐熱レンガ、セラミックウールといった耐熱性の材料で形成され、かつ内部に発熱体３が設けられ、これによって室温から１２００℃程度までの加熱が可能となっている。加熱源としては、抵抗加熱、高周波加熱、赤外線加熱などの手段が採用される。抵抗加熱の場合には、炉内に抵抗加熱体（ニクロム線、タングステン線、タンタル線など）を有し、これに電流を流すことにより、発熱させて炉内を加熱する。また、高周波加熱の場合は、測定対象の溶融材料が電気伝導性物質に限られるが、誘導電流を溶融材料にコイルにより発生させて溶融材料に流れる誘導電流がジュール熱を発生することで加熱される。赤外線加熱の場合は、赤外線を溶融材料に照射し、赤外線を溶融材料が空襲することにより、加熱がなされる。どの方法においても、本発明は制限を受けず、溶融材料に対して最適な方法を選ぶことが可能である。

加熱源の大きさにもよるが、１０００℃程度まで上昇させた場合、周囲に放射される輻射熱によって光学測定装置の破壊、測定者への火傷の危険性が生じる。これを防止するため、加熱炉５の外側は水冷ジャケット４で覆われている。なお、５００℃程度の場合は水冷でなくても断熱を確実にとることにより、問題は生じない。

本発明では、光学装置により、透明容器６に入れた液体または溶融材料１３の底面に光を投射し、その反射光を検出して測定を行う。したがって、光学装置の光源は前記容器の斜め下方に配置し、反射光の受光部も前記光源とは反対側の容器下方に配置すればよい。しかし、実際には、光学的な調整や加熱炉が光源および光検出器よりも高い位置になるなどの関係から、また、安全面の点でも問題となるので、実施形態１では容器６の下方に光路の変向手段１８，１９を設け、光源１からの入射光１０を前記光路変向手段１８で光路変向して容器底面６ａに照射し、その反射光１１も光路変向手段１９を介して光検出器８で受光するようにしている。なお、図１において、２は光源側に配置される偏光子、７は光検出器８側に配置された検光子である。

図１に示すように、入射側および反射側光路変向手段１８，１９としては、一対の鏡体を容器下方に設けている。この場合、使用可能な鏡体は限定される。本発明の実施形態１では、鏡体として、金や白金などで形成された非常に安定性の高い貴金属鏡を採用している。

通常、この種の光路変向用鏡体の材料としては、表面を透明な誘電体や有機物で被覆したアルミ板が用いられている。これによってアルミ板表面の酸化は避けられるものの、この被覆材により、光のもつ情報、特に溶融材料からの反射光の情報が失われるため、被覆した鏡は不向きである。しかし被覆無しのアルミ鏡では、アルミ表面に酸化膜が時間とともに形成され、この酸化膜によっても光の情報が失われ、正確な測定ができなくなる。このような理由で実施形態１では、酸化の生じない貴金属鏡を用いている。

（変形例１）
金、白金などで形成した貴金属鏡体は、大気中でも安定性があり、光の反射率も良好であるが、特殊製作の専用鏡となり、高価となってしまう。したがって、実施形態１の変形例１では、図３に示すように、鏡の代りに、光路変向手段としてプリズム２１，２２を使用し、このプリズム２１，２２の全反射性を利用して鏡と同じ光路変向作用を行わせる構成とした。プリズム２１，２２の場合、入射光１０の情報は失われることなく容器６の底面６ａに入射され、その反射光１１も情報を保ったまま、光検出器８に導くことが可能である。また、光の情報が変更される場合もあるが、規則性をもって変更されるため、予めその規則性を把握し、解析時にはそれを取り除く処理を行うこととする。

このような構成において、被測定材料が常温（２０℃）で液体である物質よりなる場合、被測定材料を底面の平坦、平滑な透明容器６にいれる。そして、光源１から偏光子２を経て入射光１０を鏡体１８（図１）またはプリズム２１（図３）で光路変向して容器底面６ａを通して液体１３に投射し、その反射光１１を同様に他方の鏡１９またはプリズム２２で向きを変えて検光子７を経て光検出器８で受光し、測定を行う。

また、被測定材料が常温（２０℃）で固体である物質よりなる場合、被測定材料を底面の平坦、平滑な透明容器６にいれ、常温で液体状の物質はそのまま、加熱が必要な場合、加熱して溶融状態にする。そして、光源１から偏光子２を経て入射光１０を鏡体１８（図２）またはプリズム２１（図４）で光路変向して容器底面６ａを通して液体および溶融材料１３に投射し、その反射光１１を同様に他方の鏡１９またはプリズム２２で向きを変えて検光子７を経て光検出器８で受光し、測定を行う。

上述のように被測定材料は容器６に収容し、必要に応じ加熱により、溶融されるが、溶融材料の必要に応じ、真空封入される。これは、通常、溶融状態の材料は、化学的活性が高く、蒸散による材料の減少および装置への汚染を防止するためである。また、材料によっては、大気中の酸素や窒素と結びつき、激しく化学反応を起こす。特に、光ディスクの記録材料に用いられるカルコゲナイド（アンチモニーやテリルームなどの化合物や合金）は大気中で溶融させると、激しく酸化、蒸散を起こす。この反応を防止する上でも、容器６を真空容器とする必要がある。

（変形例２）
実施形態１の変形例２として、溶融材料１３を容器６に封入する場合に、真空封入ではなく、不活性ガスとともに封入する形態も採用される。この場合、一旦容器内を真空にした後、不活性ガスを注入する。通常、不活性ガスは分解や他の物質と反応を起さないため、溶融材料１３が不活性ガスと反応して変質するおそれは皆無である。不活性ガスとしては、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトンなどが使用可能であるが、入手性および費用の点でアルゴンが最も適切である。

（実施形態２）
以上のように、溶融材料を蒸散、反応させないために容器に封じ込める必要があるが、さらに反応による変質を避けるため、還元剤を容器に同封するのがよい。図５は本発明の実施形態２による透明容器１４の断面図である。この実施形態では、容器１４の上部に特別な別室１２が設けられ、かつこの別室１２と容器１４が連通状態に構成されている。別室１２内には還元剤の支持部１５が形成され、この支持部１５に還元剤としての高活性物質１６が載置される。また、できれば高活性物質１６の同封と真空封入、あるいは不活性ガス充填とを併用するのが好ましい。通常、容器内を真空にしても、あるいは不活性ガスで充填しても、幾分、酸素や窒素は残留するからである。

実施形態２では、これらの残留物質と溶融材料１３との反応を防止するために、これらの残留酸素あるいは残留窒素と前記高活性物質１６とを積極的に反応させ、これによって酸素や窒素の残留物質を消失させる。この場合、高活性物質１６としては、測定対象の溶融材料１３よりも酸素や窒素と反応を起しやすい物質を選定することが必要である。溶融材料１３より反応性の高い高活性物質１６として代表的なものは、アルカリ土類金属や遷移金属が挙げられる。特に、マグネシウムやチタンが入手および費用の点から最適である。

（実施形態３）
図６は本発明の実施形態３による溶融材料封入容器の断面図である。この実施形態では、透明容器１４に収容され、かつ加熱された溶融材料１３の上面に、該溶融材料１３よりも比重が軽く、かつ溶融材料１３よりも融点の高い高温安定な物質１７を設置し、さらにその上面１７ａに還元剤としての高活性物質１６を載置するようにしている。溶融材料１３の上面に設置する低比重・高温安定物質１７としては例えばセラミックウールが選定される。また、還元剤としては、溶融材料１３よりも酸素や窒素と反応しやすい物質が選ばれる。容器内に残留した酸素や窒素は、溶融材料１３と接触することなく、還元剤の高活性物質１６と反応して単体では存在しなくなり、これによって残留物質との反応による溶融材料１３の変質を完全に防止することができ、安定的に、かつ信頼性のある光学測定が可能となる。

図７は本発明の光学測定装置における透明容器底部の入射・反射光の光路を示した拡大図である。本発明においては、液体および溶融材料は容器に収容された状態で容器の底面から測定されるため、光源からの入射光１０は容器の底面を介して液体および溶融材料に照射されることになる。したがって、その反射光はそのままでは容器の影響を受ける。つまり、反射光１１としては、液体および溶融材料１３まで達せず容器６の底面６ａで反射する反射光Ａと、容器底部を経て液体および溶融材料１３に達し、ここで反射する反射光Ｂとが存在する。必要な測定光は液体および溶融材料１３のみの情報を含む光であり、本発明ではこれらの反射光の内、液体および溶融材料１３のみの情報を含む反射光成分を取り出して光検出器で検出、測定する必要がある。

ここで、前記反射光Ａは液体および溶融材料１３の情報は全く含んでおらず、容器６のみの情報を有する。したがって、測定に当っては、この反射光Ａを排除しなければならない。この場合、一定の入射光１０に対して、反射光Ａと反射光Ｂは容器底面６ａにおける反射位置が異なるため、前記光検出器を位置調整して反射光Ｂのみを受光するようにすることにより、反射光Ａを排除することができる。また、他の方法として、反射光Ａの光路に反射光Ａを遮る遮蔽板（図示せず）を設置してもよい。

反射光Ｂには、測定すべき液体および溶融材料１３の光情報と容器６の光情報が含まれている。この場合、予め光学定数の分っている構成材を用いて透明容器を製作するか、あるいは測定前に透明容器６の光学定数を検出し、これを用いて反射光Ｂから容器６の光情報を取り除くことができる。なお、予め光学定数の分っている容器構成材として石英がある。石英は、幅広い波長域で光学的な性質が測定されており、石英が容器材料として使用された場合、容易にその情報は反射光Ｂから取り除くことができる。

以上説明したように本発明は、液体および溶融材料を収容した容器の上面から液体および溶融材料に光を投射するのではなく、容器底面側から光学測定するので、平坦な底面を有する容器を使用することにより、表面張力とは無関係に液体および溶融材料の重力により平坦な面が底部に形成され、この面に入射した光は正反射して光検出器に受光される。液体および溶融材料の上面で測定する場合は、平坦な上面を形成するのに大量の液体および溶融材料を容器に入れる必要があったが、本発明では少ない量でも有効に容器底部に溶融材料の平坦面を形成できる。高温で溶融する物質の場合、溶融材料を容器に真空封入したり、残留酸素や窒素と反応しやすい物質を溶融材料と分離して同封することにより、容易に、しかも正確な光学測定ができる効果がある。

本発明の実施形態１に係る光学測定装置の概略的な側部断面図である。 本発明の実施形態１に係る加熱炉を備えた光学測定装置の概略的な側部断面図である。 本発明の実施形態１の変形例に係る光学測定装置の概略的な側部断面図である。 本発明の実施形態１の変形例に係る加熱炉を備えた光学測定装置の概略的な側部断面図である。 本発明の実施形態２に係る透明容器の概略的な側部断面図である。 本発明の実施形態３に係る溶融材料封入容器の側部断面図である。 本発明の光学測定装置における透明容器底部の入射・反射光の光路を示した拡大図である。

符号の説明

１ 光源
２ 偏光子
３ 発熱体
５ 加熱炉
６，１４ 透明容器
７ 検光子
８ 光検出器
９ 試料設置台
１０ 入射光
１１ 反射光
１２ 容器の別室
１３ 液体または溶融材料
１６ 高活性物質
１７ 低比重・高温安定物質
１８，１９ 光路変向手段（鏡）
２１，２２ プリズム（光路変向手段）

Claims (13)

1. 被測定材料を収容し、かつ、少なくとも底面が平坦面で透明となった底面透明容器と、前記容器の底面に投光し、かつ、該底面からの反射光を検出、測定する光学装置と、を有することを特徴とする液体または溶融材料の光学測定装置。
2. ２０℃において固体である物質よりなる被測定材料を溶融するための加熱炉を備えたことを特徴とする請求項１記載の液体または溶融材料の光学測定装置。
3. 前記光学装置は、光源からの光を前記容器の底面に向けて照射する入射側光路変向手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の液体または溶融材料の光学測定装置。
4. 前記光学装置は、前記容器の前記底面を介して溶融材料から反射された光を光検出部へ向けて出射する反射側光路変向手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の液体または溶融材料の光学測定装置。
5. 前記入射側光路変向手段は鏡体または全反射プリズムであることを特徴とする請求項３に記載の液体または溶融材料の光学測定装置。
6. 前記反射側光路変向手段は鏡体または全反射プリズムであることを特徴とする請求項４に記載の液体または溶融材料の光学測定装置。
7. 前記容器は被測定材料に対して非変質性かつ耐性を有する真空容器であることを特徴とする請求項１または２に記載の液体または溶融材料の光学測定装置。
8. 前記容器は被測定材料に対して非変質性かつ耐性を有する不活性ガス封入容器であることを特徴とする請求項１または２に記載の液体または溶融材料の光学測定装置。
9. 前記容器は１２００℃までの温度耐性をもつ石英材製容器であることを特徴とする請求項１、２、７または８に記載の液体または溶融材料の光学測定装置。
10. 前記容器の底面の表面粗さは前記光学装置の測定光の波長以下であることを特徴とする請求項１、２、７、８または９に記載の液体または溶融材料の光学測定装置。
11. 被測定材料を底部の平坦な透明容器に収容して、前記透明容器の底面に測定光を入射し、その反射光のうち液体または溶融された被測定材料からの反射光成分を検出、測定することを特徴とする液体または溶融材料の光学測定方法。
12. 前記被測定材料が２０℃において固体であり、前記被測定材料を前記透明容器に収容して、加熱、溶融し、前記透明容器の底面に測定光を入射し、その反射光のうち溶融された被測定材料からの反射光成分を検出、測定することを特徴とする請求項１１記載の液体または溶融材料の光学測定方法。
13. 前記透明容器内に、測定対象の液体または溶融材料よりも酸化されやすい材料を該液体または溶融材料とは離隔状態に収容することを特徴とする請求項１１または１２に記載の液体または溶融材料の光学測定方法。

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