JPH04125429A - 面分光監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、干渉フィルタを用いた面分光監視装置におけ
る干渉フィルタの切替えと、該干渉フィルタの傾斜調整
を行う機構と制御方法及び処理装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、例えば特開昭６３−３１１３１９号公報
に記載のように、干渉フィルタを通過させる光を、端面
を対向させた光ファイバーから出入射させて、且つ光フ
ァイバーを取付けたＵ字体を干渉フィルタに対し傾は得
る様にしている。

一般に、干渉フィルタは光路に対し傾斜させると、透過
中心波長が短波長にずれることが知られているが、干渉
フィルタの交換選択と傾斜調整の両方が行える装置とし
て前記公知例があった。

又、特開昭６３−１７７４１５号公報に記載の従来技術
は、実際のプラズマ反応を監視する目的のものであるが
、対象とする２次元像を直接得るものでは無く、基板か
らの距離に対して、特定波長の発光強度が如何に変化す
るかと云った１次元情報のみを得るもので、例えば透過
波長域の異なる複数個の光学フィルタを１次元的に並べ
た特殊フィルタが利用できる特長を有している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、分光対象を光エネルギのみとし、２次
元像を分光する様な面分光は配慮されておらず、光ファ
イバの分断や、１次元情報からは２次元像は復元できな
かった。

本発明の目的は、干渉フィルタの選択を選択された該干
渉フィルタの波長調整を、２次元像を乱すことなく達成
する装置の提供にある。更に、装置全体の小形軽量化に
より、半導体製造過程の監視などに好適の面分光監視装
置の実用化にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、複数個の干渉フィルタを取
付けた回転円盤を用い、該円盤の回転軸に垂直な軸の回
りに、Ｏ〜２５°内の任意角度に回動駆動し得る様にし
たものである。

上記他の目的を達成するために、前記回転円盤には４個
の両開口と、該開口部に取付けられた３個の透過波長領
域の異る干渉フィルタを使用し、更に画像記録磁気テー
プを備え監視画像を順次−定時間づつ間欠的に記録する
ようにしたものである。

〔作用〕

分光に用いられる干渉フィルタは、回折格子と入出射ス
リットを組合せた分光器と異なり、連続的に変化する任
意の波長の光を取ることはできない。しかしながら、狭
帯域の干渉フィルタは平行平面板（ファブリベロー）干
渉計と同じ原理で作動し、予め監視に必要な波長領域の
みを透過するように設計することができる。このため、
複数個の干渉フィルタを選択使用すると、回折格子分光
器よりも高速に波長切替えが可能で、スリットを要しな
いだけ明るい光学系となる。

干渉フィルタの構造は公知の如く、高低の屈折率をもつ
透明物質（誘電体）を、交互に重ねた多層膜であって、
各層の光学厚さが希望する透過波長の１／４となる様に
作られ、この多層膜からなるスタック層を２個用いて作
られる光学共振器（キャビティ）を形成している。この
キャビティは上記の平行平面板干渉計に対応し、特定の
波長を中心とする狭帯域の光を通すが、それ以外にも長
短両波長域の光が透過する領域がある。

そのため、短波長はガラス基材自体で遮断し、長波長側
は吸収により除く色ガラスフィルタがキャビティと併用
されている。一般に、複数個のキャビティを重ねれば、
透過波長幅を狭くできるが、ピーク透過率も低下する相
互関係がある。

干渉フィルタは、多層膜スタックで形成されたキャビテ
ィで干渉を生じさせ、干渉のピーク波長の光を取出すか
ら、キャビティの光学厚さが変化すると、透過中心波長
も移動する。

干渉フィルタに垂直入射する光が傾斜すると、キャビテ
ィを斜横断する多重光線間の光学厚さが減少し、その透
過中で波長は短波長側に移動することになる。これを式
で表わすと透過波長λは、ここで、λ０はフィルタ基準
波長、θは入射角。

ｎはキャビティの実効屈折率である。

今、λｏ　＝５００ｎｍ、ｎ＝２．１．ｆｌ＝１８゜で
試算すると、移動量λ０−λは５．４ｎｍとなり、中心
波長の約１％が入射角が変化することが分る。

この様に干渉フィルタは、入射角に従って、即ち光路に
対し傾斜させると、その透過中心波長を長波長側に調整
できるから、波長走査を行うには不充分であるが、フィ
ルタ波長の製作誤差や、温度の影響や経年変化を補正す
ることは可能である。

上記の試算では、キャビティの実効屈折率ｎを高屈折率
物質に合せたが、低屈折率物質を用いるとｎが約１．５
　となって、この場合は同−入射用に対する波長変化量
が約２倍となる。又、入射角θの小さい時はほとんど変
化せず、１０°を超る辺りから急激に変化する特性を有
しており、傾斜角の上限も２５°程度であれば、波長補
正には充分である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例の構成図を第１図により説明す
る。カメラレンズ１０、赤外カットフィルタ１５．第１
のリレーレンズ２０．干渉フィルタ３０．第２のリレー
レンズ４．０．ＣＣＤカメラ５０と、干渉フィルタの傾
斜角可変機構２５．干渉フィルタ選択機構３５からなる
光学系９０と、画像信号Ａ−Ｄ変換器５５．演算処理装
置６０゜画像メモリ６５．制御インタフェース７０．画
像信号Ｄ−Ａ変換器７５．磁気テープ録画器８０゜カラ
ーモニタ８５よりなる処理系を備えている。

図示していない光源からの光６は、カメラレンズ１０に
入射し、取外すことのできる赤外カットフィルタ１５付
近に結像し発散光７となり第１のリレーレンズ２ｏで平
行光束８となって、干渉フィルタ３０に入射する。干渉
フィルタで特定の波長領域に分光された光９は、第２の
リレーレンズ４０によりＣＣＤカメラ５０の受光面に結
像する。

ＣＣＤカメラ５０の画像信号５１は、画像信号ＡＤ変換
器５５を介してディジタル信号となり、演算処理器６０
に入力し、メモリ６５に画像データとして記憶される。

一方、画像データは演算処理装置６０で入力した単色階
調信号を、信号レベルに応じて３原色の強度を対応させ
る、いわゆる疑似カラー化などの画像処理を施されるが
、常時は画像信号ＤＡ変換器７５を介してアナログ信号
となり、カラーモニタ８５を表示される。更に、演算処
理装置６０からの指令信号は、メモリ６５に記憶された
プログラムに従って、制御インタフェース７０に送られ
、前記干渉フィルタ３０を選ぶフィルタ選択機構３５を
作動させ、且つフィルタの選択状況を検知する信号７２
を入出力させる。

又、選ばれた干渉フィルタ３０個尋の波長補正量に対応
する角度を成出すための傾斜角可変機構２５を作動させ
る指令信号７１を送出する。更に又、制御インタフェー
ス７０からは、磁気テープ録画装置８０に画像信号７６
を一定時間録画させる指令信号を間欠的に送出す。今、
使用する録画テープが標準のＴＶ用１２Ｑ分ものとする
と、各試料毎々に３波長を選択し、各波長毎に３秒間録
画するものとすれば、合計２４００画面、８００試料分
の監視データが得られる。当然、３倍録画モードとすれ
ば、７２００画面の大容量記録が可能で、この録画テー
プは、通常の家庭ｌＶＴＲでも再生できて、後の事故解
析などに極めて有効である。

先に述べた赤外カットフィルタは、３個の干渉フィルタ
に共通に用いられるものであり、この場合は各フィルタ
毎に必要とする色ガラスフィルタを省略し、１枚の該フ
ィルタで達成可能である。

この場合、フィルタ透過光線はフィルタ面に対し垂直以
外の集束光となるが、吸収を主体とする透過フィルタは
、干渉フィルタの様な斜入射の影響を受けない。

又、前記赤外カットフィルタの代りに、光源の結像位置
に置かれた空間フィルタと交換可能で、この場合は、視
野の一部のみを取出したり、測定の妨害となる一部空間
域を隠ぺいすることができ、監視の効率化などに効果が
ある。

第２図は本発明の一実施例の光学系９０の斜視図であり
、カメラレンズ１０．リレーレンズ２０゜４０、カメラ
５０は光路６で一直線に設置され、リレーレンズ２０．
４０の間には回転円盤３８゜円盤３８に取付けられた干
渉フィルタ３０が自由度２の可動状態に配置されている
。傾斜角可変機構旦は、減速ギヤを有する駆動モータ２
６．ウオームギヤ２７２回転円盤３８を軸承する支承体
３４に取付けられた部分的ウオームホイール２８゜回転
軸２９の回りに支承体３４を回動させる軸受け２２とか
らなり、ウオームギヤ２７にがみ合ったウオームホイー
ル２８の回転２３で、支承体３４全体が矢印２３方向に
回動して、光路６に対する傾斜角θを変化させることが
できる。

一方、フィルタ選択機構３５は、回転円盤３８を例えば
方向９８に回転させるもので、第３図に該当部を抜出し
て示す。第３図回転円盤３８は、４個の口開口４５と、
４個の位置決め孔９１゜９２などを有し、駆動モータ３
６の回転軸に取付けられた弾性体ローラ３７が、駆動モ
ータ３６の固定部が取付けられた摺動板３１の上方向張
力９９により、回転円盤３８の周囲に押付けられ、モー
タ３６の回転９７により、円盤３８が回転９８し、干渉
フィルタ３０が次に選択される。円盤３８の回転軸３３
は、支承体３４の溝部にはめ込まれた軸承け３２により
、着脱可能となっており、透過波長の異なる干渉フィル
タ群を備えた別の回転円盤との交換を可能としている。

この軸受け３２が、圧力により上方向に動かぬ様に、図
示していないつめなどのロック機構が当然必要である。

位置決め孔９１は、発光ダイオード９３からの光が、受
光部９５に到達した時、モータ３６の回転を停止させる
目的のもので、第４図の光源９３検出器９５の対が、光
路９４に介在する物体（この場合は回転円盤３８の孔以
外の部分）の有無を検出できる。良く知られた光学的手
段に対応している。干渉フィルタ３０が、光路６中に入
った時は、位置決め孔９２が上記の光源−検知器対に対
向する。

ここで、回転円盤３８に設けられる同量口が４個で、そ
れに取付けられる干渉フィルタが３個である理由を述べ
る。一般に、半導体などの反応装置に取付けられる監視
装置は、小形軽量で無ければならず、１台のパーソナル
コンピュータで複数個の反応装置が監視されるのが望ま
しい。干渉フィルタを取付ける回転円盤の直径りを大き
くし、直径ｄの干渉フィルタを多数取付ければ、それだ
け波長を替えて監視できる反応生成物の種類も増えるこ
とになるが、前記の反応装置に取付かねば用をなさない
。又、使用目的の定った反応を監視するには、それ程多
数の観測波長を必要と１はしない。又、円盤に説得る同
量口の数と大きさの関係をまとめると次の表になる。

１５ノ 第１表 同量口数Ｎに対する円盤直径りの表 ここでｄは、干渉フィルタの直径で、直径３０ｍのフィ
ルタを用る場合は取付代を含めｄ＝３２を用いるのが妥
当である。第６図に一例を示す。

面分光監視装置の正面寸法は、回転円盤の直径に依存す
る。直径ｄのＮ個の円に外接する円の直径りは、Ｎ＝３
　（Ｎ＝２以下を除く）の時最も小いが、軸部内接円の
直径が５ｆｆＩＴ１以下となり、これでは回転円盤を軸
承するのに不充分である。Ｎ−４以上にすると、円盤直
径りも大きくなるが、円盤の面積に比例するＤ２とＮの
比を計算すると、Ｎ＝４の時１．４５７　　と最小とな
り、円盤の利用効率が最大である。この時の軸部内接円
は１３圃で軸承に充分で、円盤直径は７８胴以下と比較
的に小さい。又、保守調整用の空開口１と、３個の干渉
フィルタが選択可能で、通常の監視用としては３波長あ
れば充分である。以上の理由から、同量口の数Ｎ＝４の
回転円盤を特に推奨する。

一方、干渉フィルタの個数を３とし、空開口を１個設け
た理由は、特に暗い対象を監視したい時又、全光で観測
した様子を知りたい場合に対処できるからである。更に
、特定の３波長以外の発光状況を知るには、全光量画面
から３個の波長に対応し、画面強度を正規化した画面を
引算すれば、残りの情報が得られるが、その為の全光量
画面を得ることができる。

更に又、空開口を通して直接対象光源を観測できるから
、通常の監視波長でない発光波長をもつ低圧水銀灯光源
などを用いた、光学系の調整や保守に極めて有効である
。

第５図は一実施例の処理方法を説明する流れ図であって
、主として第１図の制御インタフェース７０に係る。処
理開始１００を出ると、図示されてないプログラムされ
た手順に従い、フィルタ番号の指定１０２を行う。判定
１０５において位置決め用の検出器（第３図の９５）が
受光しているか否かを調へ、受光してない場合は作業１
０７を行い、フィルタ選択用のモータ３６を駆動し続け
、同時に異常を検出するのに常とうされる積算時間の計
数を行う。逆に受光してる場合は作業１１４に分岐し、
モータ３６を停止して積算時間をリセット、判定１１５
で検出器２が受光しているかを調べる。ここで、検出器
２は第３図にも図示していないが、空開口４５が光路６
中に在る場合をＯＮとするもので、第４図の光源−検知
器対を光路を遮ぎらぬ様に設けて置けば良い。この検出
器２がＯＮであれば、ソフト変数であるフィルタ値をＯ
と原点にし、ＯＮでなければそのまま判定１２０に到り
、フィルタ値が、指定のフィルタ番号に一致したか否か
を調べる。一致していなければ帰還分岐１２１で作業１
０７に戻り、フィルタ選択作業を継続する。

この判定１２０が一致しておれば、作業１２２ないし１
２８で駆動モータ２６を作動させて傾斜角を規定値に設
定し、作業１３０，１３２で監視画像の録画と、画面に
スーパーインポーズされた各種情報の記録を行うことに
なる。先の判定１１０で積算時間が規定値を超過してる
事が分れば、エラー処理１１２を行い、分岐１３１から
作業１３２に致って、処理終了１４０となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、以上述べた様に干渉フィルタの選択と
、各フィルタ毎の波長補正量を傾斜角を変化させる事に
より可能としながら、２次元像をそのまま保存して分光
面画を得ることができる。

又、小形軽量でありながら３波長と調整保守用のフィル
タの無い観測ができるため、種々の反応装置の監視装置
として好適であり、その信頼性も高い。更に又、監視画
面を適当時間録画できるから、事故や生産状況の分析等
に貴重なデータを残すことができ、産業上に益する効果
が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は第１図の
光学系の斜視図、第３図は第２図のフィルタ選択機構の
説明図、第４図は第３図の補足説明図、第５図は本発明
の制御処理を説明する流れ図、第６図は回転円盤の幾何
寸法の説明図である。 １０・・カメラレンズ、２０．４０・・リレーレンズ、
３０・・・干渉フィルタ、５０・・・ＣＣＤカメラ、６
０・・演算処理装置、７０制御インタフエース、８０・
・磁気テープ録画装置、８５・・カラーモニタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、発光体の像を取り込むカメラレンズと該カメラレン
   ズにより取り込まれた光を平行光束にする第１リレーレ
   ンズと、前記平行光束の中で特定の波長領域の光を透過
   させる干渉フィルタと、該干渉フィルタを透過した光束
   を結像する第２リレーレンズと、前記結像した画像を映
   像信号に変換する撮像素子とを光路上に配置し、かつ前
   記映像信号を画像情報に変換する制御手段とを備えた面
   分光監視装置において、前記干渉フィルタは、１個の回
   転円盤上に取付けられた透過波長領域の異なる複数個の
   干渉フィルタの回転選択された１個であり、かつ前記回
   転円盤の回転軸が前記光路に対し、大略０〜２５度の間
   の任意の傾斜角を取り得る機構とその駆動手段とを備え
   た事を特徴とする面分光監視装置。 ２、請求項第１項記載の面分光監視装置において、前記
   回転円盤は複数Ｎ−１個の干渉フィルタが取付けられる
   Ｎ個の円開口を有し、該円開口の位置決めを行う為のＮ
   個の切欠部又は小孔を備え、前記回転円盤を駆動する制
   御手段が、前記切欠部又は小孔を検出すると自動的に回
   転を停止し、次の回転指令で再び回転を開始してＮ−１
   個の前記干渉フィルタと１個の空開口を、順次選択し得
   るごとくなした事を特徴とする面分光監視装置。 ３、請求項第１項または第２項記載の面分光監視装置に
   おいて、前記回転円盤の中心を通の回転軸に垂直な軸の
   囲りに回動可能な支承体を有し、該支承体が前記回転円
   盤を軸承すると共に、前記支承体を任意角度回動させる
   駆動制御手段を有する事を特徴とする面分光監視装置。 ４、請求項第２項記載の面分光装置において、複数Ｎが
   ４で３波長領域を選択し得る事を特徴とする面分光監視
   装置。 ５、請求項第２項記載の面分光装置において、前記回転
   円盤の前記切欠部又は小孔の検出手段が、発光ダイオー
   ドと光ダイオード又はトランジスタの対を少なくとも２
   対備え、開口の位置決めと共に選択の原点となる空開口
   を検出し得る如くなした事を特徴とする面分光監視装置
   。 ６、請求項第３項記載の面分光装置において、前記回転
   円盤を軸承する前記支承体に、該支承体の回動軸に一致
   する如く固定されたウォームホィールの一部と、該ウォ
   ームホィールとかみ合い且つ、前記光路に対し一定角度
   で固定された駆動モータの回転軸に取付けられたウォー
   ムギヤとを備えた事を特徴とする面分光監視装置。 ７、請求項第３項または第６項記載の面分光監視装置に
   おいて、前記回転円盤に取付けられたｎ個の干渉フィル
   タ毎の、波長ずれを補正する傾斜角を予め記憶して置き
   、特定の干渉フィルタが選択された時に該フィルタに対
   応する傾斜角を自動的に与えるべく、前記支承体の回動
   モータを制御することを特徴とする面分光監視装置。 ８、請求項第１項ないし第７項記載の面分光監視装置に
   おいて、前記回転円盤を回転駆動させるに弾性体ローラ
   を用いた摩擦車伝動であり、前記回転円盤が波長領域の
   異なる干渉フィルタ群を有する別の回転円盤と、交換可
   能に着脱できる事を特徴とする面分光監視装置。 ９、請求項第１ないし第８項記載の面分光監視装置にお
   いて、前記撮像素子から得られた映像信号をアナログ的
   に記録する手段を有し、監視対象毎に透過波長領域を順
   次切替え、各波長領域毎に一定時間、画像記録を行う事
   を特徴とする面分光監視装置。 １０、請求項第１項または第３項記載の面分光監視装置
   において、前記カメラレンズと前記第１のリレーレンズ
   との間に、Ｎ−１個の干渉フィルタに共用する長波長域
   除去などの透過フィルタを備えた事を特徴とする面分光
   装置。 １１、請求項第１項または第３項記載の面分光監視装置
   において、前記カメラレンズと前記第１リレーレンズと
   の間の光源像結像位置に、観測空間の一部と遮断するか
   又は一部のみを取出す空間フィルタを備えたことを特徴
   とする面分光監視装置。 １２、請求項第５項記載の面分光監視装置において、前
   記空開口を検出する第２の検出手段が、前記空開口その
   ものの光通過などを利用した事を特徴とする面分光監視
   装置。