JPS5839931A - 赤外線を使用してプラスチツクフイルムの特性を測定する方法 - Google Patents

赤外線を使用してプラスチツクフイルムの特性を測定する方法

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JPS5839931A
JPS5839931A JP57143176A JP14317682A JPS5839931A JP S5839931 A JPS5839931 A JP S5839931A JP 57143176 A JP57143176 A JP 57143176A JP 14317682 A JP14317682 A JP 14317682A JP S5839931 A JPS5839931 A JP S5839931A
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infrared
measuring
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plastic film
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サウリ・ユハニ・トルマラ
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    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
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    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor

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】 本発明は、プラスチックフィルムを透過する赤外線が部
分的にプラスチックフィルムに吸収されることを利用し
て、プラスチックフィルムの特性、特にその膜厚を測定
する方法に関する。
赤外線の吸収に基づく方法により、プラスチックフィル
ムの特性、特にその膜厚を測定する場合、いくつかの理
由から測定結果に誤りが生じ、　従来は、このような誤
りを回避するのは困難であった。
まず、プラスチックフィルムの表面が赤外線に対して垂
直でないと、赤外線ビームが屈折する。この屈折は次の
式により表わされる。
式中、ｎ１は空気の屈折率、ｎ２はプラスチックの屈折
率、α１はプラスチックフィルムの表面の法線と、空気
中の赤外線との間の角度、α２はプラスチックフィルム
の表面の法線と、プラスチック中の赤外線との間の角度
である。
屈折作用は、主に、次にあげる４つの要素から成立って
いる。
Ａ．傾斜面において起こる赤外線ビームの平行屈折。そ
の一部は検出器に達しない。
この平行屈折により、測定結果の値が大きくなる。
Ｂ．湾曲した表面により起こる赤外線ビームの散乱、そ
の一部は検出器に達しない。
この散乱により、測定結果の値が大きくなる。
Ｃ．湾曲した表面により赤外線ビームが狭められる。こ
の場合、すべての赤外線ビームは検出器の感知領域に入
射され、測定結果の値が小さくなる。
Ｄ．赤外線ビームのばらつきと比較した場合には小さい
が、レンズ効果にばらつきがあると、　測定結果の値に
増減が生 じる。
また、顕微鏡レベルで見たときにプラスチックフィルム
の表面が平坦でない場合には、プラスチックフィルムの
表面において赤外線が反射する。
プラスチック材料の分子に赤外線ビームが当たると、個
々のビームの方向が変えられるため、プラスチック材料
の分子構造に応じて赤外線が散乱する。
プラスチック材料が均質でないと、吸収係数が変動する
。このように均質でなくなるのは、たとえば、 −添加物（たとえば酸化チタン）の含有量のばらつき。
−密度のばらつき。
−配向性のばらつき。
−粒子サイズのばらつき、および −結晶度のばらつき 等によるものである。
さらに、赤外線ビームの進路内にあって赤外線を吸収す
る物質の含有量も均一に分布していない。
測定装置の構成要素が老化したり、汚染されたりすると
、装置の動作点が移動する。
プラスチック材料が赤外線を大量に吸収すると、信号レ
ベルが低くなり、測定装置のＳ／Ｎ比が悪くなる。
測定環境内の赤外線ビームも妨害作用を示す。
本発明の目的は、上述の如き妨害作用を除去し、簡単で
新規な測定方法を提供することにある。
本発明は、特に、次のような概念に基づいている。
−赤外線ビームの屈折および散乱、並びに材料が均質で
ないことにより生じる妨害は、プラスチックフィルムを
透過した赤外線から２つの異なる波長帯域を分離してこ
の異なる波長帯域の強さの比を測定することにより補償
される。互いに近接した２つの波長帯域内においては、
プラスチック材料の屈折率はほぼ一定であるので、屈折
作用が強度の比に影響を及ぼすことはない。
赤外線の進路にあって、赤外線を吸収する他の物質（た
とえば水蒸気）の含有量が均一でないことに起因する妨
害は、フィルタを慎重に選択することにより除去するこ
とができる。妨害物質は、フィルタの透過帯域内に吸収
曲線のピークを有していてはならない。
測定装置の構成要素の老化および汚染により生じる動作
点の移動は、基準測定により補償される。基準測定にお
いては、プラスチックフィルムを透過しない自由赤外線
を異なる透過帯域内において測定して、その強度の比を
求める。実際の測定の際に、プラスチックフィルムを透
過した赤外線の強度の比を基準測定による強度の比と比
較する。
フィルタの透過帯域を、プラスチック材料について典型
的な値である約２．４μｍの吸収ピークに選択すること
により、指示器の信号レベルを高くすることができる。
この帯域における赤外線源の強度は比較的高いレベルに
ある。
ＳＮ比は、同期検出器を使用することにより改善される
。この場合、検出素子の周波数帯域の幅は狭い。さらに
、測定周波数のノイズは、フィルタ処理により検出器の
バイアス電圧から除去される。
測定環境における赤外線の影響は、断続赤外線を使用し
且つ断続周波数に同期される検出器を使用することによ
り除去することができる。
より詳細には、本発明による方法は特許請求の範囲第１
項の特徴部分に記載される特徴を有する。
本発明により、特に次のような利点が得られる。
−２つの波長帯域は完全に検出器まで達するので、単位
時間ごとに検出素子に入力される検出すべき信号は、で
きる限り高いレベルに保たれる。この方法においては、
検出すべき信号を積分するのに長い時間を必要としない
。たとえば、時分割方式と比べてみると、その差はきわ
めて大きい。
−この方法により、異なる強度を持つ光線を吸収する多
種多様の材料を扱うことができる。干渉フィルタの透過
帯域の間の吸収率の差は、吸収率自体の変動ほど大きく
はない。さらに、すべての赤外線を利用して２つの波長
帯域が同時に測定される（第１の利点の項を参照）。
自由赤外線の測定により、すなわち、ゼロ強度比と呼ば
れる値を測定することにより、動作点の移動を補償する
ことができる。２つの波長帯域における強度の比の決定
により得られる利点は、プラスチック材料それ自体に起
因する妨害を除去するためにも利用することができる。
プラスチックフィルムの他の特性がプラスチックの吸収
曲線においてピークを有するとすれば、干渉フィルタを
変えることにより、これらの特性を測定することもでき
る。
いわゆる妨害係数を分析することにより、プラスチック
フィルムの特性に関する付加的な情報が得られる。
赤外線と干渉フィルタとの間の角度を変えると、干渉フ
ィルタの波長帯域が変わるので、多くの場合、２つの位
置で同じフィルタを使用することができる。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例をより詳細
に説明する。
第１図によれば、断続する赤外線ビーム束１はプラスチ
ックフィルム２を透過し、赤外線の大部分は、赤外線の
進行方向に対して４５度の角度に配置される干渉帯域フ
ィルタ３に入射する。干渉帯域フィルタ３を透過しない
赤外線部分は入射する赤外線１に対して垂直に反射され
て、干渉帯域フィルタ４に入射する。この干渉帯域フィ
ルタ４は、入射する赤外線１に平行に、すなわち反射さ
れた赤外線５に対して垂直に取付けられている。
干渉帯域フィルタ３および４の透過帯域は、第２図に示
すように、プラスチック材料の特性を表わす吸収曲線の
ピーク６近くの帯域となるように選択される。４５度の
角度に取付けられる干渉帯域フィルタ３は波長帯域７を
透過し、赤外線５に対して垂直に取付けられる干渉帯域
フィルタ４は波長帯域８を透過する。
波長帯域９は２つの干渉帯域フィルタの透過帯域の外に
あるので、これらの干渉帯域フィルタを透過しない。波
長帯域８はプラスチック材料の吸収曲線のピークにある
ので、この波長帯域８に含まれる赤外線は、波長帯域７
に含まれる赤外線よりも良くプラスチック材料に吸収さ
れる。
干渉帯域フィルタ３を透過し、波長帯域７に含まれる赤
外線部分１０は、レンズ１１により集束　されて、検出
器１２の感光検出 素子１３に入射する。干渉帯域フィルタ４を透過し、波
長帯域８に含まれる赤外線部分１４は、レンズ１５によ
り集束　されて、検出 器１６の感光検出素子１７に入射する。干渉帯域フィル
タ３および４のいずれをも透過せず、波長帯域９に含ま
れる赤外線部分１８は、反射されて検出器には達しない
。干渉帯域フィルタ４を反射された赤外線５に対して９
０度とはわずかに異なる角度に偏向することにより、反
射されて除去される赤外線部分１８の定在波の形成を防
ぐことができる。
赤外線１は断続的なものであるので、感光検出素子１３
および１７から交流電圧が得られる。
この交流電圧の振幅は、感光検出素子に達する赤外線の
強度に比例する。検出器１２および１６は感光検出素子
からの信号を増幅し且つこの信号から断続周波数成分を
フィルタ処理により除去する。このフィルタ処理におい
ては、断続器から得られる断続周波数の同期信号１９を
利用する。対数化ユニット２０は検出器の出力電圧２１
および２２の比の対数を形成し、このようにして得られ
る、対数化ユニット２０の出力電圧２３は、プラスチッ
クフィルム２の厚さに比例する。
これらの検出器の構成の妨害除去効果は、プラスチック
フィルムの内で起こる赤外線ビーム束１の偏向、散乱ま
たは収束が感光検出素子１３および１７の双方に同じ影
響を与えるために、検出器の出力電圧２１および２２は
常に変わらないという事実に基づいている。
検出器１２および１６は全く同じ構成を有する。
第３図は、検出器のブロック図である。調整器２４およ
び２５は、フィルタ処理により、動作電圧２６および２
７から、感光検出素子により必要とされるバイアス電圧
２８および２９を除去する。低域フィルタ３０および３
１は、調整器２４および２５の出力電圧において発生す
るノイズを、測定帯域よりかなり低いレベルに制限する
。抵抗３２は感光検出素子３３の負荷抵抗として機能す
る。
抵抗３２および感光検出素子３３は分圧回路を形成し、
その分圧比は感光検出素子３３に達する赤外線の量に従
って変化する。赤外線源３４から発生し、コリメータレ
ンズ３５により平行となり且つ遮断円板３６により断続
的にされた赤外線が感光検出素子３３に入射されると、
抵抗３２と感光検出素子３３との接続点３８において交
流電圧が発生する。この交流電圧の振幅は、感光検出素
子に入射される赤外線の強度に比例する。
交流電圧の周波数は断続周波数と等しい。
前置増幅器３９は接続点３８における交流電圧を増幅し
て、交流電圧４０とする。発光ダイオード４１，フォト
トランジスタ４２および比較器４３により、断続周波数
の同期信号４４が得られる。
乗算器４５は、電圧信号４０と同期信号４４との積電圧
信号４６を形成する。発光ダイオード４１およびフォト
トランジスタ４２の位置は、接続点３８における、表示
すべき電圧信号と、同期信号４４とが同じ位相になるよ
うに調節される。
低域フィルタ４７は、乗算器４５からの信号をフィルタ
処理して出力信号４８とする。同期検出器の動作原理に
従って、乗算器４５からの積電圧信号４６は、接続点３
８に発生する電圧信号の断続周波数成分およびその奇数
調波に比例する。低域フィルタ４７の限界周波数は第１
の奇数調波より低くなるように選択されるので、出力電
圧信号４８は表示すべき電圧信号の断続周波数成分のみ
を含む。低域フィルタ３０および３１は、表示すべき電
圧信号（接続点３８において発生する）に断続周波数の
ノイズが合計されるのを妨げる。
本発明の範囲内において、前述の実施例とは異なる解決
法をとることも可能である。
すなわち、第１の干渉帯域フィルタ３の代わりに、半透
過性ミラーを使用すること、および第１の波長帯域７を
透過するフィルタをレンズ１１の前方に配置することが
できる。
波長帯域７は、吸収曲線のピーク６を越えるように選択
しても良い。
干渉帯域フィルタ３および４の波長帯域を逆にしても良
い。
吸収曲線のピークも、第２図に示される点とは異なる点
から選択しても良い。
同期検出器の代わりに、第４図に従って、帯域フィルタ
および整流器により電子検出回路を構成しても良い。
干渉帯域フィルタ３の取付け角度は４５度でなくても良
い。
本発明の方法を反射率の測定に応用することもできるが
、この場合には、赤外線源および検出器は測定すべきプ
ラスチックフィルムに関して同じ側に配置される。
さらに、時分割の原理に従えば、２つの異なる赤外線源
を相前後して配置することも考えられるが、この場合に
は、たとえば、２つの回転フィルタが使用される。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の方法を適用した測定装置の部分略図
； 第２図は、選択される波長帯域と、プラスチック材料の
透過曲線の形状との関係を示すグラフ； 第３図は、第１図に示される測定装置において使用すべ
き検出器を示すブロック図；および第４図は、別の検出
器の構成を示すブロック図である。 （図中符号）

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. １．赤外線（１）を、測定すべきプラスチックフィルム
    （２）に透過させる際に、吸収される赤外線を除く透過
    光を利用して、プラスチックフィルムの特性、特にその
    膜厚を測定する方法において、第１の波長帯域（７）と
    、前記第１の波長帯域（７）の波長に近い波長（λ）を
    有し且つ前記プラスチックフィルム（２）のプラスチッ
    ク材料の吸収曲線のピークに位置する第２の波長帯域（
    ８）とを、前記透過光から分離する工程と、前記第１の
    波長帯域（７）と対応する透過光部分（１０）を第１の
    検出器（１２、１３）に入射して検出すると同時に、前
    記第２の波長帯域（８）に対応する透過光部分（１４）
    を第２の検出器（１６、１７）に入射して検出する工程
    と前記第１の検出器（１２、１３）の出力信号と前記第
    ２の検出器（１６、１７）の出力信号との比を計算し、
    前記比に基づいて、前記プラスチックフィルム（２）の
    測定点における所望の特性、たとえば膜厚を決定する工
    程とを特徴とする赤外線を使用してプラスチックフィル
    ムの特性を測定する方法。
  2. ２．前記赤外線（１）は断続する赤外線であり、前記第
    １の検出器（１２）および前記第２の検出器（１６）は
    入力信号を増幅し且つ前記入力信号から断続周波数成分
    をフィルタ処理により除去することを特徴とする特許請
    求の範囲第１項に記載の赤外線を使用してプラスチック
    フィルムの特性を測定する方法。
  3. ３．前記フィルタ処理において、断続器または検出すべ
    き信号から得られる同期信号（１９）が利用されること
    を特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の赤外線を使
    用してプラスチックフィルムの特性を測定する方法。
  4. ４．前記第１の検出器（１２）と、前記第２の検出器（
    １６）とは全く同じ構成であることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項に記載の赤外線を使用してプラスチック
    フィルムの特性を測定する方法。
  5. ５．前記プラスチックフィルム（２）を透過していない
    自由照射光の前記第１及び第２の波長帯域（７、８）に
    おける強度の比を決定する基準測定を行ない、さらに前
    記透過光の上述の帯域（７、８）における強度の比と前
    記基準測定における照射強度の比とを比較して、動作点
    の移動を補償することを特徴とする特許請求の範囲第１
    項に記載の赤外線を使用してプラスチックフィルムの特
    性を測定する方法。
  6. ６．前記第１の波長帯域（７）に対応する前記透過光部
    分（１０）のみを透過し且つ他の透過光部分をすべて反
    射する第１の部分反射フィルタ（３）と、前記第１の部
    分反射フィルタ（３）により反射された前記他の透過光
    が入射され、前記第２の波長帯域（８）に対応する透過
    光部分（１４）のみを透過し且つその他の透過光部分を
    すべて反射する第２の部分反射フィルタ（４）とにより
    、前記第１及び第２の波長帯域（７、８）は前記プラス
    チックフィルム（２）を透過した前記透過光部分から分
    離されることを特長とする特許請求の範囲第１項に記載
    の赤外線を使用してプラスチックフィルムの特性を測定
    する方法。
  7. ７．前記第１の部分反射フィルタ（３）は入射光に対し
    て４５度の角度で取付けられることを特徴とする特許請
    求の範囲第６項に記載の赤外線を使用してプラスチック
    フィルムの特性を測定する方法。
  8. ８．前記第２の部分反射フィルタ（４）は入射光に対し
    て９０度とはわずかに異なる角度または前記第１の部分
    反射フィルタ（３）に対して４５度とはわずかに異なる
    角度で取付けられることを特徴とする特許請求の範囲第
    ６項に記載の赤外線を使用してプラスチックフィルムの
    特性を測定する方法。
  9. ９．前記第１の部分反射フィルタ（３）および前記第２
    の部分反射フィルタ（４）として、干渉帯域フィルタが
    使用されることを特徴とする特許請求の範囲第６項に記
    載の赤外線を使用してプラスチックフィルムの特性を測
    定する方法。
  10. １０．前記第１の波長帯域（７）および前記第２の波長
    帯域（８）は、半透過ミラーおよび２つの帯域フィルタ
    により、前記透過光から分離されることを特徴とする特
    許請求の範囲第１項に記載の赤外線を使用してプラスチ
    ックフィルムの特性を測定する方法。
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