JP3922742B2 - フィルム厚の測定方法及び装置 - 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、ウェブの厚さを測定するための装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
多くの工業プロセスでは、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では、裏引き層に均一な乳剤の層を形成することが必要になる。プロセス制御の観点からすると、フィルムの製造後に実験室でフィルム厚を測定するよりも、フィルム製造プロセス中に、フィルム厚の測定が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、機械的動作不良の補正を実施することができない。このため、無駄を生じることになる。本明細書では「フィルム」という用語にはシート及びウェブが含まれている。
【０００３】
フィルム厚を測定するための先行技術による方法は、接触法と非接触法に分割することが可能である。接触法の１つでは、フィルムの両面に物理的に接触することにな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、測定が不正確になったり、ピッチングまたはスクラッチ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備わっている。さらに、この方法は、高速移動するフィルム・ウェブのオン・ライン測定に用いるのが困難である。
【０００４】
先行技術では、ベータ粒子またはガンマ線のような亜原子粒子のビームの減衰に基づく非接触法も既知のところである。例えば、このタイプの先行技術の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、減衰がフィルムの化学組成と密度によって決まるので、該システムは、フィルムの各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、放射線源に依存して、粒子ビームを発生する。コスト、安全性、及び、生理学的理由から、一般に、放射線材料の利用は制限することが望ましい。第３に、一方の面に放射線源を配置し、もう一方の面に検出器を配置することができるようにするため、一般に、フィルムの両面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てフィルム厚を測定する方法も既知のところである。ここでの論述のため、光学自己相関器は、可変差分時間遅延を有する干渉計であると定義される。マイケルソン干渉計が、こうした自己相関器の一例である。例えば、フラーノイ（Ｆｌｏｕｒｎｏｙ）に与えられた米国特許第３，３１９，５１５号の明細書には、マイケルソン干渉計を利用したフィルム厚測定の記載がある。このシステムの場合、フィルムは、フィルム表面に対してある角度をなす平行ビームの照射を受ける。フィルムの正面及び背面によって、反射光信号が発生する。次に、反射光を入力として受信するマイケルソン干渉計において発生する自己相関スペクトルのピークを調べることによって、２つの反射表面間の距離が求められる。
【０００６】
極めて薄いフィルムの測定に対するこのタイプの自己相関テクノロジの適用には、いくつかの問題がある。干渉計の出力は、いくつかのピークを示す包絡線関数によって変調される正弦フリンジ・パターンである。極めて薄いフィルムの厚さを正確に測定するためには、各ピークの中心を高い精度で求めなければならない。先行技術のシステムでは、干渉計の出力は、基本となる正弦波のサイクル毎に少なくとも２つのサンプルが選択される、ナイキスト基準によって指定される割合でサンプリングが行われる。高速処理を必要とするシステムの場合、結果生じるデータ・点数によって、該システムにかなりの計算上の負担をかけることになる。この負担に適応するために、測定システムのコストを増すことになる、より高価な計算エンジンを利用しなければならない。
【０００７】
ピーク中心の差の精度は、やはり、フィルムの照射に用いる低コヒーレンス光源のスペクトル幅によって決まる。さらに詳細に後述するように、光源の幅が増すほど、その差をより正確に求めることが可能になる。先行技術による干渉計を用いたフィルム測定システムでは、白色光源と発光ダイオード（ＬＥＤ）のいずれかが用いられている。白色光源の場合、必要なスペクトル幅が得られるが、フィルムに結合可能な光の強度が低すぎるので、多くの用途において十分なＳ／Ｎ比（信号対雑音比）が得られない。ＬＥＤ光源の場合、より強いパワーが得られるが、光源のスペクトル幅が狭すぎて、最適な分解能が得られない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
概括すれば、本発明の目的は、薄膜の厚さ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。
【０００９】
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。
【００１０】
本発明のさらにもう１つの目的は、基本となる正弦波の周期毎に２つ以上のサンプルを必要とするサンプリング・レートを必要とせずに、フィルム厚を正確に求める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、スペクトル幅の広い光源で得られる利点を得ると同時に、測定を受けるフィルムに対して、白色光源を用いて結合することが可能な光の強度を上回る強度の光を結合する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、下記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、フィルム厚を測定するための装置及び方法である。２つ以上のＬＥＤを備えた光源から発生するのが望ましい低コヒーレンス光信号によって、フィルムの照射が行われる。フィルムの表面から反射した光は、集められ、干渉計に結合される。干渉計からの信号出力の一部に関するフーリエ変換の勾配を用いて、フィルム厚が求められる。本発明の望ましい実施例の場合、干渉計の出力は、低コヒーレンス光信号のサイクル毎に２つ未満の点でサンプリングされる。
【００１４】
【実施例】
本発明は、本発明に基づく装置１０を通過するフィルム１３の厚さの測定を示す図１及び２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。装置１０は、超高輝度発光ダイオードまたはＬＥＤが望ましい光源１２によって発生する低コヒーレンス光を用いてフィルム１３を照射する。ここでの、低コヒーレンス光源は、その中心周波数の０．１％を超える関数スペクトル幅を備えた光源であると定義される。その光は、光ファイバ１４及びレンズ１５を介してフィルム１３に送られる。レンズ１５は、フィルム１３上に光を集束させ、反射光の一部を集めて、ファイバ１４に結合して戻す。集光の一部は、光学結合器１６及びファイバ１７を介して自己相関器１８に送られる。光ファイバと共に用いられる光学結合器は、当該技術において周知のところであり、従って、これ以上詳細な説明は行わない。
【００１５】
自己相関器１８に送られる光信号には、フィルム１３に入射した光がフィルム１３の２つの表面から反射することによって生じる２つの光信号が含まれる。フィルム１３がηに等しい群屈折率及び厚さＬを備えている場合、２つの光信号は、時間的に２ηＬ／ｃだけ分離されることになる（ここで、ｃは光の速度である）。自己相関器に入射する光は、ビーム分割器１９によって２つのビームに分割され、異なる光路を通ることになる。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。異なる光路を通り抜けると、光はビーム分割器１９によって再結合されて、フォトダイオード２２に送られ、光の強度が測定され、その測定値はデータ処理手段２３により処理され所望の厚さが算出される。光の強度測定と厚さの算定については、以下で述べる。
【００１６】
図２には、鏡２１の位置Ｘの関数f(X)としての光の強度が示されている。この強度関数は、５１〜５３で示すように干渉縞の３つの「パケット」または「バースト」を備えている。大きいパケット５１は、Ｘ＝０に対応する。このパケットは、光路の長さが等しい場合に生じるので、各反射による光は、可干渉性によりそれ自体と干渉する。２つの小さいピークは、光路が測定を受けるフィルムの２つの表面間における光学距離だけ異なるために生じる。これらのパケットは、測定を受けるフィルムの２つの表面において発生する反射間の相互干渉によって生じる。これらのパケットは、フィルムの２つの表面間の光路に等しいＸ値、すなわち、Ｘ₀＝ηＬのところに位置する。従って、フィルム厚を測定する問題は、干渉計の出力におけるパケット間の距離を求める問題に還元される。
【００１７】
本発明の望ましい実施例の場合、基準レーザを利用して、Ｘの較正が行われる。基準レーザからの光は、自己相関器に入射する光と混合される。基準レーザの波長は、フィルムに加えられる信号を発生するために用いられる光源の波長と十分に異なっているので、基準レーザからの干渉縞はカラー・フィルタによって分別することが可能である。基準縞は、フォトダイオード２２からの出力のサンプリングをトリガするために用いられる。こうした構成については、参考までに本書に組み込まれている同時係属出願（米国特許出願第０８／３０４，２４７号）に示されている。
【００１８】
あいにく、パケットにおける干渉縞の数は、典型的なパケットの拡大図である図３に示すように、極めて多くなる可能性がある。ここの縞の間の距離は、光源１２によって発生する光の波長に対応する。パケットの幅は、波長より１桁以上大きくなる可能性がある、光源１２によって発生する光のコヒーレンス長によって決まる。従って、フィルム厚が１０〜１００μｍのオーダの場合の測定精度は、求めることが可能な２つのパケット間の距離の精度によって制限される。
【００１９】
同様の型のパケットの中心を求めるための方法の１つでは、パケット強度のフーリエ変換の位相が利用される。例えば、ダニエルソン（Ｄａｎｉｅｌｓｏｎ）が応用光学（Applied Optics), Vol.30,No.21,第2975-2979頁に示すところによれば、従来の干渉計の出力から得られるパケットの中心は、干渉計の出力のフーリエ変換から求めることが可能である。パケットはｘの原点から△ｘだけ変位した中心を有しているものと考えることにする。そうすると、パケットのフーリエ変換の位相が−２π△ｘに等しい勾配を備えているのは明らかである。この所見を利用して、パケット中心の推定をさらに精密なものにすることが可能である。
【００２０】
図２に示すパケットについて考察することにする。このパケットのフーリエ変換が、図４及び図５に示されている。図４は、周波数領域におけるフーリエ変換の絶対値に関するプロットであり、図５は、周波数Ｓの関数としてのフーリエ変換の位相に関するプロットである。位相の勾配を測定することによって、原点からの変位Ｘ₀を求めることが可能になる。以上の分析では、Ｘ＝０における大きいパケットの中心が十分な精度で分かっているものと仮定している。しかし、これは必要条件ではない。空間領域の原点におけるパケットの中心が正確に分からない場合、そのパケットについて該プロセスを反復することによって、仮定される原点に対する位置を求めることが可能である。２つのパケット間の距離は、各パケットの分析において得られた位置の差として減算によって求めることが可能である。
【００２１】
上述のシステムは、干渉計の出力に関するフーリエ変換の位相を十分な精度で求めることができるものと仮定している。上記案の基礎となる理論は、雑音がパケットのフーリエ変換に比べて小さいものと仮定している。従って、周波数領域における勾配の測定に用いられる点は、フーリエ変換の絶対値がどの雑音に比べても大きいスペクトル領域に対応する。典型的な点が図４に６５及び６６で示されている。
【００２２】
一般に、求めることが可能な位相ラインの勾配の精度は、位相信号のＳ／Ｎ比と点６５と６６の間の距離の関数である。一般に、点の離隔距離が増すと、周波数領域における間隔がより接近した点に比べて精度が高くなる。しかし、点間の最大距離は、フーリエ・スペクトルの絶対値の幅によって決まる。というのも、この領域外の点は、Ｓ／Ｎ比の悪いスペクトル領域に対応するためである。点６５と６６の間のある数の点における位相を測定することによって、勾配を求める精度を多少は高めることが可能になるが、点６５と６６の間の距離を増すことができれば、点６５と６６の間の任意の特定の点集合に関して、精度が向上することになる。
【００２３】
フーリエ・スペクトルの絶対値の幅は、光源１２のスペクトル幅によって決まる。従って、光源の出力のスペクトル幅が増すと、原理的には、求めることが可能な勾配の精度が高くなる。最も広い光源は、白色光源であるが、こうした光源は比較的強度が低い。上述のように、信号が雑音・レベルに比べて大きいことも重要である。多くの用途では、従来の白熱光源によって得られる強度は低すぎて、必要なＳ／Ｎ比が得られない。
【００２４】
本発明の望ましい実施例の場合、この強度の問題は、周波数が分離された２つの光源から成る光源を用いることによって克服される。例えば、赤と緑のＬＥＤからの光を結合することが可能である。図１に関連して上述の単一ＬＥＤの代わりに、この複合光源が用いられる。次に、こうした光源のスペクトルと７５で示す従来の白色光源のスペクトルの比較である図６を参照する。個々のＬＥＤスペクトルが、７６及び７７で示されている。図７に示す２つの光源のピーク・スペクトル強度点７８、７９で、位相ラインの勾配を求めるのに必要な位相測定を実施することが可能である。点の離隔距離は、白色光によって得られる離隔距離とほぼ同じにし、同時に、ＬＥＤの高出力パワーが維持されるようにすることが可能である。これに関して留意すべきは、図６に示す白色光の曲線は、ＬＥＤのスペクトル曲線に対して正確な比率で描かれていないということである。
【００２５】
上述の複合光源は、２つのＬＥＤ光源と波長多重化結合器から構成することが可能である。こうした構成が、図８に１００で示されている。赤のＬＥＤ光源１０２は、第１の光ファイバ１０６の端部にイメージ形成され、緑のＬＥＤ光源１０４は、第２の光ファイバ１０８の端部にイメージ形成される。２つの光ファイバは、結合器１０４によって接合される。結合器の一方の分岐からの光によって、所望の複合光源が得られる。
【００２６】
本発明の上述の実施例は、位相勾配が正確に求められるようにするのに十分な点数で、干渉計からのパケットのサンプリングを行うことが必要になる。位相勾配測定技法を用いて、先行技術のシステムにおいて、一般的に利用されるナイキスト基準を用いた波形のサンプリングを実施する場合、点数は極めて多くなる可能性がある。この基準は、正弦波の各サイクル毎に約２つの点の測定を必要とします。測定値のフーリエ変換に固有の計算上の作業負荷は、ＮｌｏｇＮのオーダであり、ここで、Ｎは各パケットにおけるサンプル数である。従って、サンプル数を減少させるのが有利である。サンプル数が多いと、実施可能な測定速度の制限及び／または各計器に含めなければならない計算エンジンのコストの大幅な増大を伴う可能性がある。
【００２７】
本発明の望ましい実施例によれば、入力波形は、パケットの包絡線によって変調される一定の周波数の正弦搬送波とみなすことが可能であるとする所見を利用して、この厳しい計算上の作業負荷が回避される。この結果、サンプリングしなければならない有効周波数が、基本となる搬送波の高周波数の代わりに、パケットの包絡線の有効周波数まで低下することになる。結果として、本発明は、パケットの包絡線における少数のサンプルを利用して、正確な変位測定値を得ることが可能になる。
【００２８】
本発明の上述の実施例では、干渉計を備えた光学自己相関器が利用されているが、留意すべきは、光学スペクトル分析器の出力のフーリエ変換を利用することによって、同じ出力を得ることができるという点である。光学スペクトル分析器は、可動部品が不要であり、従って、用途によっては有利である。
【００２９】
以上の解説及び添付の図面から、当該技術の熟練者には、本発明に対する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数例を列記する。
【００３０】
（実施態様１）
中心周波数を有し該中心周波数の０．１％を超える関数スペクトル幅を有する光信号を発生するための低コヒーレンス光源(１２、１００）と、
前記光信号をフィルム(１３）に送り、前記フィルム(１３）から反射する光を集めて、集光信号を発生するための結合手段(１５）と、
前記集光信号を干渉計(１８）に結合して、干渉光信号を発生するための手段(１６）と、
前記干渉光信号のフーリエ変換の位相勾配を周波数の関数として求めるための処理手段(２３）とを備えた、
フィルム(１３）の厚さを測定するための測定装置(１０）。
【００３１】
（実施態様２）
前記干渉計(１８）が自己相関器であることを特徴とする、実施態様１に記載の測定装置(１０）。
（実施態様３）
前記低コヒーレンス光源(１００）が、第１と第２の光源(１０２、１０３）を備え、前記第１と第２の光源(１２、１００）が光学スペクトルの異なる領域の光を放出することを特徴とする、実施態様１に記載の測定装置(１０）。
（実施態様４）
前記処理手段が、前記入力光周波数のサイクル毎に２つ未満のサンプルについて、前記干渉光信号の強度をサンプリングすることを特徴とする、実施態様１に記載の測定装置(１０）。
（実施態様５）
前記干渉計(１８）が、前記集光信号の振幅を周波数の関数として表す信号から成る出力を有する光学スペクトル分析器と、前記出力のフーリエ変換を生成するための手段とを備えたことを特徴とする、実施態様１に記載の測定装置(１０）。
【００３２】
（実施態様６）
低コヒーレンス光源(１２、１００）からの光信号でフィルム(１３）を照射し、その中心周波数が０．１％を超える関数スペクトル幅を有する光信号を発生するステップと、
前記フィルム(１３）から反射する光を集めて、集光信号を発生するステップと、
前記集光信号を干渉計(１８）に結合して、干渉光信号を発生するステップと、
前記干渉光信号のフーリエ変換の位相勾配を周波数の関数として求めるステップとを備えた、
フィルム(１３）の厚さを測定するための方法。
（実施態様７）
前記干渉計(１８）が自己相関器であることを特徴とする、実施態様６に記載の測定方法。
【００３３】
（実施態様８）
前記低コヒーレンス光源(１２、１００）が、第１と第２の光源(１０２、１０３）を備えたことと、前記第１と第２の光源(１０２、１０３）が、光学スペクトルの異なる領域の光を放出することを特徴とする、実施態様６に記載の測定方法。
（実施態様９）
前記位相勾配を周波数の関数として求めるステップが、前記入力光周波数のサイクル毎に２つ未満のサンプルについて、前記干渉光信号の強度をサンプリングするステップからなることを特徴とする、実施態様６に記載の測定方法。
【００３４】
【発明の効果】
以上のとおり、複合光源等で等価的に広い測定光の帯域幅を実現し、測定標本のサンプリングが少数であるから、高精度で高速な厚さ測定が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いたフィルム厚の測定装置のブロック図である。
【図２】図１に示すマイケルソン干渉計によって発生する信号を示す図である。
【図３】図２に示すパケットの１つに関する拡大図である。
【図４】ＬＥＤが光源として用いられる場合の、図１に示す干渉計の周波数の関数としての出力におけるピークの１つに関するフーリエ変換の絶対値のグラフである。
【図５】ＬＥＤが光源として用いられる場合の、図１に示す干渉計の周波数の関数としての出力におけるピークの１つに関するフーリエ変換の位相のグラフである。
【図６】１対のＬＥＤが光源として用いられる場合の、図１に示す干渉計の周波数の関数としての出力におけるピークの１つに関するフーリエ変換の絶対値のグラフである。
【図７】１対のＬＥＤが光源として用いられる場合の、図１に示す干渉計の周波数の関数としての出力におけるピークの１つに関するフーリエ変換の位相のグラフである。
【図８】２つのＬＥＤに基づく複合光源のブロック図である。
【符号の説明】
１０ フィルム厚測定装置
１２ 光源
１３ フィルム
１４ 光ファイバ
１５ レンズ
１６ 結合器
１７ 光ファイバ
１８ 自己相関器
１９ 自己分割器
２０ 固定鏡
２１ 可動鏡
２２ フォトダイオード
２３ データ処理装置
１００ 複合光源

Claims (6)

1. 中心周波数を有し該中心周波数の０．１％を超える関数スペクトル幅を有する光信号を発生するための低コヒーレンス光源と、
   前記光信号をフィルムに送り、前記フィルムから反射する光を集めて、集光信号を発生するための結合手段と、
   前記集光信号を干渉計に結合して、干渉光信号を発生するための手段と、
   前記干渉光信号のフーリエ変換の位相勾配を周波数の関数として求めるための処理手段とを備えた、
   フィルムの厚さを測定するための測定装置であって、
   前記低コヒーレンス光源が、第１と第２の光源を備え、前記第１と第２の光源が光学スペクトルの異なる領域の光を放出する光源であることを特徴とするフィルムの厚さを測定するための測定装置。
2. 前記干渉計は、自己相関器からなることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記処理手段が、前記入力光周波数のサイクル毎に２つ未満のサンプルについて、前記干渉光信号の強度をサンプリングすることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の測定装置。
4. 低コヒーレンス光源からの光信号でフィルムを照射し、その中心周波数が０．１％を超える関数スペクトル幅を有する光信号を発生するステップと、
   前記フィルムから反射する光を集めて、集光信号を発生するステップと、
   前記集光信号を干渉計に結合して、干渉光信号を発生するステップと、
   前記干渉光信号のフーリエ変換の位相勾配を周波数の関数として求めるステップとを備えた、
   フィルムの厚さを測定するための方法であって、
   前記低コヒーレンス光源が、第１と第２の光源を備え、
   前記第１と第２の光源が、光学スペクトルの異なる領域の光を放出することを特徴とするフィルムの厚さを測定するための測定方法。
5. 前記干渉計は、自己相関器からなることを特徴とする請求項４に記載の測定方法。
6. 前記位相勾配を周波数の関数として求めるステップが、前記入力光周波数のサイクル毎に２つ未満のサンプルについて、前記干渉光信号の強度をサンプリングするステップからなることを特徴とする、請求項５又は請求項６に記載の測定方法。

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