JP3691597B2 - フィルムの厚さと屈折率を測定するための測定方法及び測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光学反射率測定に関するものであり、とりわけ、フィルム、シート、または、ウェブの厚さ及び屈折率を測定するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多くの工業プロセスにおいて、フィルム厚の制御は、極めて重要である。例えば、写真フィルムの製造には、裏引き層の上に乳剤の均一な層を形成する必要がある。プロセス制御の見地からすると、フィルムの製造後に、実験室でフィルム厚の測定を行うよりも、フィルムの製造工程でフィルム厚の測定を行えるほうが有利である。オフ・ラインでサンプルの測定を行う場合、かなりの量の欠陥材料の加工が済むまで、機械の機能不良を補正することができない。これは、無駄を生じることになる。本明細書において、「フィルム」という用語には、ウェブ及びシートが含まれるものとする。
【０００３】
先行技術によるフィルム厚の測定方法は、接触法と非接触法に分類することが可能である。接触法の１つでは、物理的にフィルムの両面に接触するマイクロメータが用いられる。これらの方法には、測定中にフィルムを物理的に変形させるため、測定が不正確になり、凹みやかき傷によってフィルムに損傷を与える可能性があるという欠点がある。さらに、該方法は、高速移動するフィルム・ウェブのオン・ライン測定の場合には適用が困難である。
【０００４】
先行技術では、亜原子粒子のビーム、または、ベータ粒子またはガンマ線のような放射線の減衰に基づく非接触法も周知のところである。例えば、このタイプの先行技術による方法の１つでは、フィルムによる電子ビームの減衰を利用して、フィルム厚が求められる。この方法には、３つの欠点がある。第１に、このシステムの場合、減衰がフィルムの化学組成及び密度によって決まるので、各フィルム・タイプ毎に較正しなければならない。第２に、該システムは、一般に、粒子ビームを発生する放射線源に依存している。一般に、コスト、安全性、及び、生理学的理由から、放射性材料の利用は制限するのが望ましい。第３に、通常、フィルムの一方の側に放射線源を配置し、もう一方の側に検出器を配置することができるようにするため、フィルムの両側に対するアクセスが必要になる。
【０００５】
先行技術では、光学自己相関器を用いるフィルム厚の測定方法も周知のところである。ここで、光学自己相関器は、可変差分時間遅延を有する干渉計と定義する。光学自己相関器の実施例の１つについては、例えば、グッドマンの「統計光学」の第５章（Joseph W. Goodman, Statistical Optics, chapter 5, pp.157-170, John Wiley & Sons, 1985）に解説がある。当該技術の熟練者であれば、光学自己相関器の動作原理に通じているが、本特許に関連するので、ここで、いくつかの原理について明らかにしておくことにする。光を２つの異なる経路に分割し、その後、再結合して、フォトダイオードに送る自己相関干渉計の場合、検出される光の強度は、あるパラメータの関数として測定される。このパラメータは、干渉計の差分光路長△Ｌとすることもできるし、あるいは、干渉計の差分時間遅延△ｔとすることも可能である。これらのパラメータは、△Ｌ＝ｎｃ△ｔによって関連づけられるが、ここで、ｃは真空中における光の速度であり、ｎは、差分光路長の媒体（通常は、空気）の群屈折率である。差分時間遅延の関数として表される検出光の強度は、入力光のコヒーレンス関数と呼ばれる。従って、フィルムの異なる表面から反射した光の間における時間遅延を求める受信器は、フィルムの異なる表面から反射した光の間における光路遅延を求める受信器と同じ機能を果たす。反射光のコヒーレンス関数におけるピーク間の間隔を求めるのは、同じ機能を表すさらにもう１つのやり方である。ここで、差分時間遅延という用語には、差分光路遅延が含まれるものとする。
【０００６】
マイケルソン干渉計は、こうした自己相関器の一例である。マイケルソン干渉計を利用したフィルム厚測定装置の一例が、米国特許出願第３、３１９、５１５号においてフラワノイ（Flournoy)により教示されている。このシステムの場合、フィルム表面に対してある角度をなす平行光ビームによって、フィルムの照射が行われる。フィルムの正面と背面によって、反射光信号が発生する。次に、２つの反射表面の距離が、反射光を入力として受けるマイケルソン干渉計において発生した自己相関スペクトルのピークを調べることによって求められる。あいにく、この方法では、群屈折率とフィルム厚の積だけしか求めることができない。この量に変動が検出されると、追加測定を行って、フィルム組成が変化したか、あるいは、フィルム厚が変化したかを判定しなければならない。群屈折率は、媒体における光パルスの伝搬速度対真空におけるパルスの伝搬速度の比と定義される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、本発明の目的は、薄膜の厚さ及び屈折率を測定するための改良された装置及び方法を提供することにある。
【０００８】
本発明のもう１つの目的は、フィルムと測定装置の接触を必要としないシステムを提供することにある。
【０００９】
本発明のさらにもう１つの目的は、フィルムのばたつきに適応可能なシステムを提供することにある。
【００１０】
本発明のさらにもう１つの目的は、屈折率とフィルム厚の両方を別個に求めることが可能なシステムを提供することにある。
【００１１】
本発明のさらにもう１つの目的は、フィルムの両面へのアクセスを必要とせずに、フィルムの屈折率と厚さの両方を求めることが可能なシステムを提供することにある。
【００１２】
本発明の以上の及びその他の目的については、当該技術の熟練者には、本発明に関する以下の詳細な説明及び添付の図面から明らかになるであろう。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上部表面と下部表面を備えたフィルムの厚さを測定するための装置及び方法から構成される。該装置には、低コヒーレント光源から第１のプローブ光信号及び第２のプローブ光信号を発生するための第１のカップラまたはビーム分割器が含まれている。第１のプローブ光信号は、第１の入射角でフィルムの上部表面に向けて送られ、フィルムの上部表面を出る光が集められる。同様に、第２のプローブ光信号は、前記第１の入射角とは異なる第２の入射角でフィルムの上部表面に向けて送られ、やはり、フィルムの上部表面を出る光が集められる。集められた光を結合して、集光光信号が形成され、これが受信器に入力されて、フィルムの上部表面から反射した光と下部表面から反射した光との間における時間遅延が求められる。本発明の望ましい実施例の場合、受信器は、結合光信号から測定される周波数領域スペクトルのフーリエ変換を可能にする回路要素を含む、光学自己相関器または光学スペクトル解析器から構成される。
【００１４】
【実施例】
先行技術に対する本発明の方法の利点は、本発明による厚さモニタ装置の望ましい実施例に関する略図である図１を参照することによって容易に理解することが可能である。装置１０は、低コヒーレント光源１２を利用して、光信号を発生し、該光信号は、３ｄＢカップラ１６によって、その厚さを測定すべきフィルム１５に加えられる２つの部分光信号に分割される。これらの光信号は、ファイバ１３及び１４を介してフィルムに加えられる。第１の信号は、ほぼ垂直な入射角でフィルム１５に当たり、第２の信号は、斜めの入射角でフィルムに当たる。フィルム表面から反射した光は、光ファイバによって集められる。鏡１１が、フィルムによって反射されたファイバ１３からの光を反射して、ファイバ１３に戻す。集められた光はカップラ１６によって結合されて、ファイバ１７に出力光信号として送り出され、これが、光学自己相関器が望ましい受信器に送られる。
【００１５】
光源１２のコヒーレンス長は、測定されるフィルム厚よりも短くなければならない。こうした光源は、光学反射率測定技術において一般的であり、従って、ここでは詳述しない。ここでの論述のためには、光源に端面発光型発光ダイオードを利用することが可能であるという点に言及すれば十分である。
【００１６】
マイケルソン干渉計から構成される典型的な自己相関器１８が、１８で示されている。マイケルソン干渉計に入射する光は、ビーム分割器１９によって、異なる光路に進む２つのビームに分割される。第１の光路は、固定鏡２０の位置によって決まり、第２の光路は、可動鏡２１の位置によって決まる。それぞれ異なる光路を通り抜けた光は、分割器１９によって再結合されて、フォトダイオード２２に送られ、光の干渉のために鏡２１の位置に応じて変動する光の強度がフォトダイオード２２で測定される。
【００１７】
次に、斜めのビームが当たる、フィルム１５の表面領域に関する拡大図である図２を参照する。フィルムの屈折率は「ｎ」で表す。光路２４に対する光路２５に沿った光路遅延Ｂは、次の式（１）の値に略等しい。
２ｎｔ（１ーｓｉｎ²Θ₁／ｎ²）／ｃｏｓΘ₂ （１）
【００１８】
ここで、群屈折率と屈折率はほぼ等しいものと仮定される。この近似が満たされない場合、式（１）におけるｎ²は、ｎｎ_gに置き換えなければならないが、ここで、ｎ_gは群屈折率であり、式（１）の分子におけるｎは、ｎ_gに置き換えなければならない。
【００１９】
垂直に入射する光信号に関する光路遅延差Ａは、下記式（２）によって得られる。
Ａ＝２ｎ_gｔ （２）
Ａは略２ｎｔに等しい。
【００２０】
ここで、再び、ｎは略ｎ_gと等しいと仮定する。Θ₁の値は、幾何学から分かる。Θ₂の値は、Θ₁から求められ、ｎはスネルの法則を用いて求められる。従って、Ａ及びＢが分かれば、式（１）及び式（２）を解いて、ｎ及びｔを求めることが可能である。
【００２１】
Ａ及びＢの値は、自己相関器の出力から求めることが可能である。次に、自己相関器１８の出力を表した図３を参照する。自己相関器に入力される信号パターンは、常にそれ自体と相関させられるので、Ｘ＝０の場合の３０で示す大信号が常に存在する。自己相関器の分岐の１つにおける光学遅延が、２つの反射間における遅延と一致する場合、自己相関器の出力にピークが生じることになる。これは、光源１２の低コヒーレンス長の直接的な結果である。従って、自己相関器の出力は、フィルムの正面と背面から反射する垂直に入射した光に関する光路差に対応するピーク３１を有することになる。さらに、フィルムの正面と背面からの斜めの反射に関する光路差に対応するピーク３２も存在する。ファイバ１３及び１４の信号は、同じ光源から得られるので、ファイバ１３及び１４の長さが等しければ、垂直入射アームにおける反射と斜め入射アームにおける反射との間のオーバラップに対応するピークも存在することになる。こうしたピークは、データの解釈を複雑にするので、本発明の望ましい実施例では、この問題を回避するようにファイバ長を選んでいる。最後に、留意すべきは、負のＸ値に対しても対称にピーク・パターンが観測されるという点である。
【００２２】
本発明の上述の実施例は、フィルムに近接して配置された２つのファイバ端に関して説明を行った。本発明の望ましい実施例の場合、フィルムからある距離をあけてファイバ端を配置し、フィルムが高速走行してばたつく場合にどうしても生じやすいフィルムの反射表面の角度変動に関する許容差とばたつきに対する余裕が得られるようにする。追加距離に適応し、所望の公差が得られるようにするため、レンズ及び反射表面が利用される。この装置の機能の仕方については、ファイバ端、レンズ、及び、測定を受けるフィルムの断面図である図４を参照することによってより容易に理解することが可能になる。ファイバ１３を出る光は、レンズ１０３によって平行化される。フィルム１５を出る光は、レンズ１０４及び鏡１１０によって集束し、ファイバ１３に戻される。同様に、レンズ１０２は、ファイバ１４を出る光をフィルムに向け、フィルムから反射によって戻される光を集め、フィルムを出る光を結合し、集まった光を集束させてファイバ１４に戻す。
【００２３】
図５には、所望の間隔を得るための代替光学装置が示されている。この場合、ファイバ１３の代わりに、２つのファイバ１３１及び１３２が用いられる。ファイバ１３１及びレンズ１３４は、フィルムに送られる平行ビームを生じる光源の働きをする。レンズ１３３及びファイバ１３２は、フィルムから反射する光を集める。ファイバ１３２からの光は、自己相関器が受ける前に、カップラにおいてファイバ１４からの光と結合される。
【００２４】
本発明の上述の実施例は、自己相関器としてマイケルソン干渉計を利用しているが、他の形態の自己相関器を利用することも可能である。例えば、波長または光周波数の関数として光パワーを測定する光学スペクトル解析器を利用することが可能である。周波数領域スペクトルのフーリエ変換によって、自己相関器と同じ出力が得られる。
【００２５】
本発明の上述の実施例は、受信器に自己相関器を利用したが、他のタイプの反射率計による受信器を利用することも可能である。図６には、こうした代替実施例が１００で示されている。低コヒーレンス光源１２からの光が、第１のカップラ１６１によって２つの信号に分割される。ファイバ１６４の信号は、２つの信号に分割され、フィルム１５に対して２つの入射角でこれらの信号を加え、フィルム１５から反射によって戻される光を集める、ファイバ１３０及び１４０から構成されるプローブ対が形成されるようにする。第２の光信号が可動鏡１２１から構成される可変基準光路を通り抜けると、集められた光とカップラ１６１で発生する第２の光信号が、カップラによって再結合される。基準光路の遅延が反射率計のプローブ・アームにおける信号の通過時間と一致する場合、カップラ１６１において結合される信号は、構成的干渉を受けることになる。カップラ１６１を出る光の強度は、光検出器１２１によって測定される。このタイプの受信器は、市販品として購入可能である（米国ヒューレット・パッカード社製ＨＰ８５０４ 高精度反射率計（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｒ））。鏡位置Ｘの関数としてのフォトダイオードの出力から、上述のように、フィルム厚及び屈折率を求めることが可能である。
【００２６】
フィルムの反射を識別するのに十分な空間解像度を有する任意のタイプの反射率計を用いることが可能である。しかし、この構成は、その結果が個々のファイバの長さの変動に影響されやすいので、望ましくはない。こうした変動は、温度の変動または機械的応力のために生じる可能性がある。これに対し、自己相関器によって得られる結果は、こうした揺動に左右されない。
【００２７】
本発明の上記実施例は、２つのプローブ光信号、すなわち、垂直に入射する光信号と斜めに入射する光信号に関連して説明したが、当該技術の熟練者には明らかなように、入射角が異なれば、両方の信号を斜めに入射することも可能である。計算結果が、アライメント・エラーの影響を受けにくくなるので、上記構成が望ましい。
【００２８】
以上の説明では、上部表面と下部表面を備えるものとしてフィルムに言及してきたが、当該技術の熟練者には明らかなように、これらの用語は、フィルムの２つの表面に関する便宜上の表示でしかない。
【００２９】
以上の説明及び添付の図面から、当該技術の熟練者にはさまざまな修正が明らかになるであろう。以下に本発明の実施態様のいくつかを示す。
【００３０】
（実施態様１）
上部表面と下部表面を備える透過フィルム［１５］の厚さを測定するための装置［１０、１００］において、
低コヒーレンス光源［１２］から第１のプローブ光信号と第２のプローブ光信号を発生するための手段［１６、１６２］と、
第１の入射角で前記フィルム［１５］の前記上部表面に向かって前記第１のプローブ光信号を送り、前記フィルム［１５］の前記上部表面を出る光を集める第１の方向づけ手段［１３］と、前記第１の入射角とは異なる第２の入射角で前記フィルム［１５］の前記上部表面に向かって前記第２のプローブ光信号を送り、前記フィルム［１５］の前記上部表面を出る光を集める第２の方向づけ手段［１４］と、前記第１の方向づけ手段及び前記第２の方向づけ手段によって集められた前記光を結合して、集光信号を形成するための手段［１６、１６２］と、前記集光信号を受信して、前記集光信号から、前記フィルム［１５］の前記上部表面から反射する光と下部表面から反射する光との間における時間遅延を求めるための受信器「１８」と
から構成される測定装置。
【００３１】
（実施態様２）
前記受信器［１８］が、光学自己相関器から構成されることを特徴とする、実施態様１に記載の測定装置［１０、１００］。
（実施態様３）
前記受信器［１８］が、光学反射率計から構成されることを特徴とする、実施態様１に記載の測定装置［１０、１００］。
（実施態様４）
前記受信器［１８］が、光学スペクトル解析器から構成されることを特徴とする、実施態様１に記載の測定装置［１０、１００］。
【００３２】
（実施態様５）
上部表面と下部表面を備える透明フィルムの厚さを測定するための方法において、
低コヒーレンス光源［１２］から第１のプローブ光信号と第２のプローブ光信号を発生するステップと、第１の入射角で前記フィルム［１５］の前記上部表面に向かって前記第１のプローブ光信号を送り、前記フィルム［１５］の上部表面を出る光を集めるステップと、前記第１の入射角とは異なる第２の入射角で前記フィルム［１５］の前記上部表面に向かって前記第２のプローブ光信号を送り、前記フィルム［１５］の前記上部表面を出る光を集めるステップと、前記第１と第２のプローブ光信号から集めた前記光を結合して、集光信号を形成するステップと、受信器［１８］において、前記集光信号から、前記フィルム［１５］の前記上部表面から反射した光と前記下部表面から反射した光との間における時間遅延を求めるステップと、
から構成される測定方法。
（実施態様６）
前記受信器［１８］が、自己相関器から構成されることを特徴とする、実施態様５に記載の測定方法。
（実施態様７）
前記受信器［１８］が、光学反射率計から構成されることを特徴とする、実施態様５に記載の測定方法。
（実施態様８）
前記受信器［１８］が、光学スペクトル解析器から構成されることを特徴とする、実施態様５に記載の測定方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を使用した厚さモニタ装置の望ましい実施例に関する概略図である。
【図２】測定されるフィルム表面を示すのフィルムの拡大断面図である。
【図３】本発明に用いられた場合に、自己相関受信器によって発生する出力を表した図である。
【図４】本発明の望ましい実施例に用いられる配置のファイバ端及びレンズの断面図である。
【図５】本発明の代替実施例に用いられる配置のファイバ端及びレンズの断面図である。
【図６】受信器に光学反射率計を利用した本発明の実施例の略図である。
【符号の説明】
１０ 厚さモニタ装置
１１ 鏡
１２ 低コヒーレント光源
１３、１４、１５ ファイバ
１６ カップラ
１７ ファイバ
１８ 自己相関器
１９ ビーム分割器
２０ 固定鏡
２１ 可動鏡
２２ フォトダイオード
２４ 光路
２５ 光と
１０２、１０３、１０４ レンズ
１１０ 鏡
１２１ 可動鏡
１３０、１３１、１３２、１４０、１６４ ファイバ
１３３、１３４ レンズ
１６１ カップラ

Claims (5)

1. 上部表面と下部表面を備える透過フィルムの厚さを測定するための装置において、
   低コヒーレンス光源から第１のプローブ光信号と第２のプローブ光信号を発生するための手段と、
   第１の入射角で前記フィルムの前記上部表面に向かって前記第１のプローブ光信号を送り、前記フィルムの前記上部表面を出る光を集める第１の方向づけ手段と、
   前記第１の入射角とは異なる第２の入射角で前記フィルムの前記上部表面に向かって前記第２のプローブ光信号を送り、前記フィルムの前記上部表面を出る光を集める第２の方向づけ手段と、
   前記第１の方向づけ手段及び前記第２の方向づけ手段によって集められた前記光を結合して、集光信号を形成するための手段と、
   前記集光信号を受信して、前記集光信号から、前記フィルムの前記上部表面から反射する光と下部表面から反射する光との間における時間遅延を求めるための受信器とから構成される測定装置。
2. 前記受信器が、光学自己相関器から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記受信器が、光学反射率計から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の測定装置。
4. 前記受信器が、光学スペクトル解析器から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の測定装置。
5. 上部表面と下部表面を備える透明フィルムの厚さを測定するための方法において、
   低コヒーレンス光源から第１のプローブ光信号と第２のプローブ光信号を発生するステップと、
   第１の入射角で前記フィルムの前記上部表面に向かって前記第１のプローブ光信号を送り、前記フィルムの上部表面を出る光を集めるステップと、
   前記第１の入射角とは異なる第２の入射角で前記フィルムの前記上部表面に向かって前記第２のプローブ光信号を送り、前記フィルムの前記上部表面を出る光を集めるステップと、
   前記第１と第２のプローブ光信号から集めた前記光を結合して、集光信号を形成するステップと、
   受信器において、前記集光信号から、前記フィルムの前記上部表面から反射した光と前記下部表面から反射した光との間における時間遅延を求めるステップと、から構成される測定方法。

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