JPH04522B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は集光装置を使用した反射型光干渉方式
の膜厚測定装置に関するものである。特に本発明
に係る膜厚測定装置は測定対象物が移動中の場合
の測定に適している。

（従来の技術） 従来、光を効率良く集めるための集光装置とし
ては、コンデンサレンズが知れている。

一方、フイルム等の膜厚を測定するものとし
て、β線や赤外線の吸収を利用したものがあつた
が、より高精度の膜厚測定を行なうものとして、
測定対象物からの反射光を利用した光干渉方式の
膜厚測定装置（特開昭56−115905号公報等）が知
られている。

反射光を利用した光干渉方式の膜厚測定装置
は、白色平行光が測定対象面で反射する際に、干
渉現象によつて受ける分光強度の変化が測定対象
物の膜厚に依存する原理を利用し、測定対象から
の反射光を受光・分光し、その分光強度を定量的
に検出することによつて膜厚を測定する。

（発明が解決しようとする問題点） 光をコンデンサレンズで集光する場合には、コ
ンデンサレズに入射する光の角度や位置が変化す
ると集光した光そのものの角度や位置が同様に変
化し、その後に配置した光検出装置等がその光を
捕捉することが出来なくなる欠点があつた。

また、上記の従来技術による膜厚測定装置にお
いて、分光強度の定量的な検出とは具体的には分
光強度のうちで干渉現象によつて生じた明部もし
くは暗部の波長位置を知ることである。

従つて、反射光を利用した光干渉方式では、被
測定対象が静止中であると移動中であるとを問わ
ず、また測定対象に皺や変動が有る無しにかかわ
らず、測定対象からの反射光を確実に受光しそれ
を分光することによつて分光強度を知る必要があ
る。

しかし、通常の平面回折格子やプリズムを用い
た分光器を利用して分光強度、特に波長位置を正
確に知るためには、分光器に光を一定の入射角度
で入射させなければならない。この場合に、入射
光の平行度や入射角度が僅かでも正確でないと、
分光強度が得られなかつたり、得られたにしても
波長位置に大きな誤差を有する結果となる。

以上の理由から、従来の反射光を利用した光干
渉方式では、測定対象面からの反射光を確実に受
光し、且つ、受光した光を常に一定のかつ正しい
方法にて分光器に入射させる必要がある。

以下、従来技術の欠点を詳述すると次の様にな
る。

ａ 測定対象に皺があると、反射光が受光部へ正
しく入射されないか、もしくは、完全に受光部
からはずれる等の事態を生じ、測定不可能とな
る。

ｂ 何らかの部材を利用して皺を無くして測定す
る場合には、部材は曲率を持たない平面板でな
ければならない（曲率を持つと反射光が正しく
受光できない。）が、この場合でも反射光が正
しく受光されるよう、測定対象面は高精度な位
置決めが必要となる。

ｃ 測定対象面の裏側に反射部材を設ける場合に
は、事実上、反射部材を完全密着させることは
不可能であり、空気層等が介在して検出すべき
干渉に外乱を受ける。

特に測定対象物が移動中の場合には上記の問題
が複合し、これを克服することはますます困難に
なる。

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る膜厚測定装置は、以上に述べた従
来技術の欠点を解消するものであつて、本発明の
膜厚測定装置は測定対象物が移動中（インライ
ン）であつても膜厚測定ができる。

上記の目的を達成するために、本発明は、平行
な白色光を測定対象に一定角度で入射させ、上記
測定対象による反射光の分光強度からその測定対
象の膜厚を測定するようにした装置において、 ａ 半球状の殻に、複数本の光学繊維の一端部
を、稠密に並べて、かつ、各光学繊維の一端面
における垂線が上記殻の曲率中心を向くように
挿嵌してなる受光部と、上記複数本の光学繊維
の他端部を平行に束ねてなる出光部とを備えた
集光装置、および、 ｂ 上記出光部から出てくる光を平行光にする平
行光形成手段、 を設け、測定対象による反射光を集光装置で受光
して平行光形成手段に導き、その平行光形成手段
から出てくる平行光を分光器に導いて分光するよ
うにしたことを特徴とする膜厚測定装置を提供す
る。

本発明において、集光装置で用いる光学繊維の
素材としては、プラスチツク、ガラスの両方が現
在実用化されているが、可撓性および加工性の点
からプラスチツクのものが好ましい。

また、上記集光装置が構成要素である膜厚測定
装置の白色光源としては、タングステンランプ、
キセノンランプ、ハロゲンランプう等を挙げるこ
とができる。膜厚測定装置の測定対象となるのは
主に透明な薄板状物、例えばガラス板、高分子フ
イルム等が挙げられるが、白色光がある程度透過
するものであれば何れのものでも良い。

膜厚測定装置の平行光形成手段としては、後述
する実施例で示す様なレンズ、ピンホール、レン
ズの組み合せ以外に反射鏡を利用したものも考え
られる。また、分光器にはプリズムや回折格子等
が使用できる。

以下、第１図および第２図を用いて本発明の膜
厚測定装置を詳細に説明する。

第１図において、１は白色光源、２はコンデン
サレンズ群、３はピンホールで、レンズ群２は、
光源１からの光をピンホール３上へ集光すべく配
置する。４はコリメート用レンズで、ピンホール
３との距離はレンズ４の焦点距離となる。５は集
光装置、７は同一方向出射成分の弁別用レンズ、
８は同一方向出射成分の抽出用ピンホールで、レ
ンズ７とピンホール８との距離は、レンズ７の焦
点距離にとる。９はコリメート用レンズでピンホ
ール８との距離は、レンズ９の焦点距離にとる。
１０は平面回折格子、もしくはプリズム等の分光
器（この例では平面回折格子）、１１は結像用レ
ンズ、１２は分光強度検出用リニアイメージセン
サでリニアイメージセンサ１２はレンズ１１の焦
点距離上に配置する。

なお、レンズ７、ピンホール８、コリメート用
レンズ９は平行光形成手段を構成している。

第２図は集光装置５の詳細な断面構造を示した
ものである。本図において１３は測定対象、１４
は膜厚測定点、１５は膜厚測定点１４を曲率中心
としてもつ半球状の殻を有する受光部で、白色平
行光である入射光束１６を入射させるための窓１
７と、複数の光学繊維１８が殻の曲率中心、すな
わち、膜厚測定点１４に向けて殻に挿嵌して配置
してある。複数の光学繊維１８の各々の端面は、
垂直に切断して研磨したもので、各端面の垂線は
上記曲率中心に向いている。複数の光学繊維１８
の受光部１５内の曲面上での配置はできる限り、
稠密にかつ一様分布であることが望ましい。第３
図はこの配置の一例を模式的に示したもので、図
中２０で示した六角形を一つの単位として、曲面
上のどの光学繊維を選んでも、それを中心として
この六角形が近似的に存在するように配置してい
る。

第２図における１９は、複数光学繊維１８のも
う一方の端を垂直に切断・研磨し、それらを平行
かつ端面をそろえて束ねた出光部である。第４図
は、出光部１９をＡ方向から見た図を示す。

（作用） 以下、第１図および第２図を用いて装置の作用
について説明する。

白色光源１から出た光はレンズ群２によつてで
きるだけ効率良くピンホール３に集光され、コリ
メート用レンズ４はピンホール３から出る光を平
行光化する。ここで形成された平行光は、集光装
置５の受光部１５の入射窓１７を通して膜厚測定
点１４に、一定角度で照射される。照射された平
行光は測定対象面によつて反射される際、干渉現
象によつて分光強度に変化を受ける。この変化は
平行光の入射角、測定対象の屈折率が一定ならば
膜厚に依存することから、反射光を分光し、この
分光強度の変化を定量的に検出することにより膜
厚を求めることができる。

入射光束１６と測定対象１３が第２図のような
関係にあるときには、反射光は入射光に対して正
反射方向（方向２１）へ反射される。一方、測定
対象１３が皺を有していたり、あるいは上下動や
傾きなどの位置の変動を伴なう場合、反射方向が
変動したり、反射光が平行光ではなく拡散光もし
くは収束光になる等の不規則な挙動を示す。

これに対し、例えば第２図のように矢印２１の
方向を中心として破線矢印２２で示す様に±45度
の範囲にわたつて複数の光学繊維１８を稠密かつ
一様に配置した集光装置５の場合、反射方向が測
定対象の皺、位置の変動に伴なつて不規則に変動
したとしても、それが２１の方向を中心として±
45度の範囲内であれば、いずれの受光位置でも同
一の効率で反射光を受光することができる。

このようにして受光された光は光学繊維１８の
中を伝わつて、出光部１９の端面より出射する。
ここで留意すべきは、測定対象点１４での皺、位
置の変動により反射光束の反射方向が不規則に変
動するため、反射光を受光する光学繊維の場所、
本数、および各々の光学繊維が受光する光量が不
規則に変化し、結果として出光部１９での光の出
射形態も、複数の光学繊維の束のうち、光を出射
する位置および光量が不規則に変動するものとな
る。さらに出光部１９において各々の光学繊維か
ら出射される光はプラスチツク製光学繊維の場合
には、最大で60度の開きを持つたものとなる（第
１図における破線矢印２４）。

出光部１９の次に配置されたレンズ７によつ
て、このレンズの焦点面にあるピンホール８の面
上では、レンズ７に対して同一方向同一角度で入
射した光束が一点に集光している。

従つて、ピンホール８面上の異なる位置に到達
した光は、レンズ７に対して異なる角度で入射し
た光束と言える。すなわち、レンズ７は、出光部
１９から出る光の同一方向出射成分をピンホール
面上の位置という形で弁別していることになる。

ピンホール８の位置を第１図のようにレンズ７
の中心軸上にとることは、上記のごとく弁別され
た光のうち、レンズ７へ垂直に入射する成分、す
なわち各光学繊維から垂直に出射される成分のみ
を抽出し、それ以外の出射成分を除去することに
なる。

コリメート用レンズ９は、レンズ７およびピン
ホール８によつて選択的に抽出された光を平行光
化し、平面回折格子１０への入射光を形成する。

以上のレンズ７、ピンホール８、コリメート用
レンズ９より構成される平行光形成手段により、
出光部１９において、光を出射する光学繊維の位
置が不規則に変動しても、平面回折格子１０に対
して常に一定角度で入射する平行光を得る。さら
に、いずれの光学繊維から出射される光について
もその垂直成分のみを抽出していることから、常
にほぼ一定光量の平行光を得ることができる。

平面回折格子１０へ入射された平行光は、波長
によつて同一平面内の異なる角度で出射する光束
に分けられる。これらの光束をレンズ１１で受光
すると、レンズ１１の焦点面上の異なる位置に集
光する。

しかも、それぞれの光束のレンズ１１に対する
入射角は波長に対応しており、さらに、その入射
角は同一平面内で変化していることから、レンズ
１１の焦点面上では波長毎の光束が直線上に集光
することになる。

従つて、レンズ１１の焦点面上にリニアイメー
ジセンサ１２を配し、波長毎の光を検出すること
により干渉現象によつて生じた明部もしくは暗部
の波長位置を求め、これを用いて従来の分光分析
により膜厚計と同様に、測定対象の膜厚を演算す
ることが出来る。

本発明に係る膜厚測定装置は被測定物の静止、
移動を問わず、測定対象の有する皺、上下動や傾
き変動などの要因によつて反射光が不規則に変動
する場合、例えばフイルムの厚さ測定や曲率を持
つたガラス等の厚さ測定に適応できる。

（実施例） 以下、第１図、第２図を用いて本発明の実施例
を示す。

光源１として、長寿命タイプのハロゲンランプ
（150W）を使用した。レンズ群２によつて光源か
らの光をピンホール３上へ集光した後、レンズ４
によつて平行光を形成し、測定対象面への入射角
度が30度となるように投光系、光軸および受光部
１５上の入射窓１７を設けた。入射窓の大きさは
口径φ＝８mmとし、これにより測定スポツトも口
径φ＝８mmの平行光とした。受光部の殻は、外形
50mm、内径40mm、肉厚５mmの半球において、底面
を５mm切り落とした形状とし、これを測定対象か
ら５mmの位置に設置した。使用した光学繊維１８
は直径１mm、長さ30cmで受光角が大きい、加工性
が良い等の理由からプラスチツク製のものを用い
た。入射角30度に対する正反射方向（矢印２１）
を中心として±45度以内の領域について、第３図
に示したような配置で600本の光学繊維を配置し
た。入射角は、正反射方向を中心とした一定角度
領域が広く設定できる（但し、入射窓との重複は
除く）という点から本実施例で用いた30度前後が
好ましい。

出光部１９は、光学繊維１８を直径約30mmに束
ねたものとし、出光部１９からの出射光を弁別・
抽出するためのレンズ７は口径φ＝38.1mm、焦点
距離ｆ＝38.1mm、ピンホール８は口径φ＝0.4mm、
レンズ９は口径φ＝20.0mm、焦点距離ｆ＝25mmの
ものを用いた。

これらの光学部品の仕様は形成される光束の平
行度、大きさ、光量などから決定される。特にコ
リメート用レンズ９は、精度の高い平行光を得る
ために球面収差をはじめとする収差補正がされた
レンズを用いることが望ましい。

分光器としての平面回折格子１０は、ブレーズ
波長500mm、溝数1200／mm、52mm×52mm□の平面
回折格子を用いたが、充分な波長分解能、分光特
性を持ち、必要な波長領域で隣接次数間の重複が
なければどのような分光器であつても良い。レン
ズ１１は、分光された光のうち、必要な波長領域
を受光できる直径を有し、且つ、検出したい波長
領域が所定の検出器内に結像するような焦点距離
を有したものを選んだ。

リニアイメージセンサ１２は、2048ビツトの
CCDタイプのイメージセンサを使用した。一般
的にイメージセンサにはMOSタイプとCCDタイ
プのものがあるが、全ビツトの光量蓄積時間が等
しいという点から、CCDタイプのイメージセン
サを用いるのが望ましい。使用する波長領域は、
光源、平面回折格子、イメージセンサの分光特性
から、450〜850μｍの間であることが好ましい。

本実施例の装置を用いた測定結果を第５〜９図
に示す。

第５図は、測定対象として4.2μｍ（接触式の電
子マイクロメータによる）のポリエチレンテレフ
タレート（PET）フイルム１３を用いて、これ
を受光部１５から５mmの位置を中心として±３mm
平行移動させたときの分光強度を比較する場合を
示すものである（光学繊維は図中省略）。第６図
ａはフイルムが＋３mm平行移動した場合、第６図
ｂはフイルムが正規の位置にある場合、第６図ｃ
はフイルムが−３mm平行移動した場合のそれぞれ
の結果を示すものである。但し、この実施例で示
す分光強度は実際に検出される分光強度を光源、
平面回折格子、イメージセンサ等、装置固有の分
光特性によつて正規化することにより、干渉現象
によつて受ける分光強度の変化のみを検出した結
果を示している。

この結果、集光装置５の製作誤差あるいは光学
系誤差による若干の光量変動が残つているが、い
ずれの位置においてもほぼ同じパターンの分光強
度であり、同じ4.2μｍの膜厚が得られた。

第７図および第８図は、第５図の場合と同様に
4.2μｍのPETフイルム１３を用いて、これを受光
部１５から５mmの位置において膜厚測定点を中心
として±20度傾けることによつて反射光の受光位
置を図中のＣ，Ｎ，Ｓ，Ｗ，Ｅと変化させたとき
の分光強度を比較する場合を示すものである。

この場合、フイルムを傾けたことによつて入射
角が相対的に変化し、これによつて分光強度、お
よび膜厚に影響が出るが、測定によつて得られた
結果は、ほぼ理論通りの微小の影響におさまつて
おり、入射角変化の誤差範囲内で測定可能なこと
が確認できた。

（発明の効果） ａ 集光装置５により、測定対象からの反射光が
変動しても、光学繊維が配置してある範囲内で
あれば、確実に受光することができる。

しかも、 イ 各光学繊維の端面を垂直に切断・研磨した
上、各端面を膜厚測定点に向けて配した。

ロ 光学繊維の分布を一様かつ稠密にしたこと
により、いずれの受光位置でもつても一定効
率かつ高効率な受光が可能となる。

ｂ レンズ７、ピンホール８、コリメート用レン
ズ９より成る平行光形成手段により、測定対象
からの反射光が変動し、集光装置の出光部１９
において光を出射する光学繊維の位置が不規則
に変動しても、常に一定角度かつほぼ一定光量
の平行光を分光器へ入射することができる。

ｃ 上記ａおよびｂの構成により、測定対象の
皺、変動等により反射光束の反射方向が不規則
に変動しても、常に一定の位置でほぼ一定のパ
ターン、一定強度の分光強度を得ることができ
る。

以上の構成から、測定対象の皺、変動により反
射光が変動しても精度良く膜厚を測定することが
出来る。また、皺や変動を共なわない測定対象に
ついても、高精度な位置決めをすることなく膜厚
を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る膜厚測定装置の実施例を
示す図、第２図は本発明で使用する集光装置の実
施例の断面を示す図、第３図は集光装置の光学繊
維の配置を説明する図、第４図は集光装置の出光
部を示す図、第５図は測定対象物が上下に平行移
動した場合を説明する図、第６図ａ，ｂ，ｃは、
それぞれ第５図におけるａ，ｂ，ｃの場合の分光
強度のパターンを示す図、第７図は測定対象物が
傾いた場合の反射光の位置を説明する側面図、第
８図は、測定対象が傾いた場合の反射光の位置を
説明する平面図、第９図Ｗ，Ｎ，Ｃ，Ｓ，Ｅはそ
れぞれ第７図および第８図において反射光がＷ，
Ｎ，Ｃ，Ｓ，Ｅに来た場合の分光強度のパターン
を示す図である。 １：白色光源、２：コンデンサレンズ群、４，
１１：コリメート用レンズ、７，９：レンズ、
３，８：ピンホール、５：集光装置、１０：平面
回折格子、１２：リニアイメージセンサ、１３：
測定対象（フイルム）、１４：膜厚測定点、１
５：受光部、１６：入射光束、１７：入射窓、１
８：光学繊維、１９：出光部、２０：単位六角
形。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 平行な白色光を測定対象に一定角度で入射さ
   せ、上記測定対象による反射光の分光強度からそ
   の測定対象の膜厚を測定するようにした装置にお
   いて、 ａ 半球状の殻に、複数本の光学繊維の一端部
   を、稠密に並べて、かつ、各光学繊維の一端面
   における垂線が上記殻の曲率中心を向くように
   挿嵌してなる受光部と、上記複数本の光学繊維
   の他端部を平行に束ねてなる出光部とを備えた
   集光装置、および、 ｂ 上記出光部から出てくる光を平行光にする平
   行光形成手段、 を設け、測定対象による反射光を集光装置で受光
   して平行光形成手段に導き、その平行光形成手段
   から出てくる平行光を分光器に導いて分光するよ
   うにしたことを特徴とする膜厚測定装置。