JPS63134908A - 薄層モニタ - 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、別の媒質の表面にある材料の層の厚さを検出
し測定するための方法及び装置に関し、排他的ではない
が詳細には水性液体に浮遊する非水液体の層の厚さを検
出し測定するための方法及び装置に関する。

「従来の技術、発明が解決しようとする問題点」欧州特
許出願番号ＥＰＯ１６７３３８Ａが超音波装置の一つの
適切なタイプを説明しており、液層の厚さを測定するた
めに超音波技術を使うことは知られている。しかしなが
ら、この層の厚さが約１０Ｒよりはるかに薄ければ、超
音波技術は普通満足なものではない。環境汚染を避ける
ことが重要であるという観点から、例えば、オイルや、
ガソリンや、石油など水に浮遊する有機液体の、このよ
うな水が環境に排出される前に、１龍かそれ以下のその
はるかに薄い層を検出できるのが望ましい。

また、厚さが光の波長以下である極薄層の厚さ測定には
、エリプソメトリ　（偏光解析法）を使うことが知られ
ている；そして、塗料の厚さが０．１マイクロメータ以
下である誘電基体上の金属塗料の厚さを測定するために
、０．３　ｍｍまでの波長のマイクロ波を使う同様の技
術が、Ｖ、Ａ、コネフ（Ｖ、Ａ。

Ｋｏｎｅｖ）等により説明されている（Ｉｚｍｅｒｉｔ
ｅｌ　’ｎａｙａ　Ｔａｋｈｎｉｋａ　、　Ｎｏ、　１
０　＋　０ｃｔｏｂｅｒ　１９８４　、翻訳はＰｌｅｎ
ｕｍ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｃｏｒｐ、　＋１９８５
による）。約０、１０の厚さかそれより厚い誘電性の材
料の薄膜測定用遠隔技術が望ましい。

「問題点を解決するための手段、作用」本発明によれば
、他の媒質の表面にある約２５マイクロメータ以上の厚
さの非金属材料の層をモニタする方法が提供され、この
方法は、層の露呈表面に３０度以上の入射角でマイクロ
波ビームを入射させる段階であって、この入射ビームが
非ゼロ垂直平面偏光成分を有する段階と、及び予め設定
した適切な平面で偏光された反射ビームの少なくとも一
つの成分をモニタする段階と、を含む。

材料は、非水性液体と他の媒質水でもよい。水は、スペ
クトルのマイクロ波領域において非常に高い誘電率を有
しく相対誘電率）、例えば、１０ＧＨｚでの純水の誘電
率は、約５５であり、一般に大きい反射係数を与える。

しかしながら、ブルースター角に等しい入射角での垂直
平面偏光マイクロ波に対しては、反射係数に空白（ｎｕ
ｌｌ）がある。

特にブルースター角付近での反射率は、表面の石油など
の他の液体の薄層の存在により、著しく変化させられる
。というのは、そのような液体は、無極性分子で構成さ
れており、そのため、はるかに小さい誘電率（１０ＧＨ
ｚで約２）を有し、そして、垂直平面偏光成分の振幅は
、層の厚さにより著しく変化するからである。このこと
から、モニタされた成分は、垂直平面偏光成分であり、
そして、入射角は、他の媒質についてのブルースター角
付近にあるだろう。

垂直平面偏光されることは、マイクロ波が入射ビーム及
び液体表面の法線を含む平面にある電気ベクトルで平面
偏光されることであり；表面に対し平行平面の電気ベク
トルで偏光される波は、水平平面偏光されていると言わ
れる。ブルースター角は、接線が媒質の屈曲率に等しい
角度である。

他の入射角では、層の厚さで反射された水平平面偏光成
分及び垂直平面偏光成分の振幅において、はるかに少な
い変化しかないが、これらの成分の間には、層の厚さで
著しく変化する位相差があり、そして、この位相差は、
直接的または間接的に測定されてもよい。それゆえ、選
択的には、入射ビームは、非ゼロ水平平面偏光成分で平
面偏光されてもよいし、そして、モニタされた成分は、
望ましくは約４５度から７０度の間である入射角の入射
ビームの偏光に対して約９０度で平面偏光された成分で
もよい。この後者の場合には、入射ビームは、好ましく
は、＋４５度で平面偏光され、そして、モニタされた成
分は、−４５度で偏光され垂直平面偏光成分と水平平面
偏光成分の振幅が等しいと仮定して、もし垂直平面偏光
成分と水平平面偏光成分との間に反射による位相差があ
れば、このモニタされた成分は、非ゼロであるのみとな
る。

マイクロ波は、好ましくは、約２　Ｇ４１ｚから２０Ｇ
ｌｌｚまででの周波数域にあり、このことにより、約１
５０ｍｍから１５１１の間の波長のものであり；好まし
い周波数は、約１０ＧＨｚである。もし液層の厚さが２
〜３Ｂ以上ならば、それはその波長の端数であり、その
場合には、厚さの測定値にあいまいさがあり；厚い層を
測定する場合に、このあいまいさは、異なる周波数（及
び波長）の二つのマイクロ波ビームを使うこと、あるい
は、入射マイクロ波の周波数を変調しモニタされた反射
波の必然的変動の大きさを観測することにより、解決さ
れ得る。

操作の第一の方法では、はぼ等しい水平平面偏光成分及
び垂直平面偏光成分を有するマイクロ波ビームは、ブル
ースター角約２度以内にて表面に入射するように設定さ
れ、そして反射ビームの水平平面偏光成分及び垂直平面
偏光成分の振幅がそれから比較される。水に対しては、
ブルースター角は約８２度である。操作の第二の方法で
は、はぼ等しい水平平面偏光成分及び垂直平面偏光成分
を有するマイクロ波ビームは、約６０度の入射角で表面
に入射するように設定され、そして、入射ビームに関し
直交偏光された反射ビームの成分の振幅が測定される。

操作の第三の方法では、入射ビームは、操作の第二の方
法に関して説明されたものと同じだが、反射されたビー
ムの水平平面偏光成分及び垂直平面偏光成分は、両者と
も検知され、そして、両者の間の位相差は、電子的に測
定される。

後者の二つの方法には、二つの利点がある：入射ビーム
及び反射ビームが法線からあまり遠くないので、マイク
ロ波供給源からのマイクロ波が反射を受けていない状態
で受信機に届く可能性が少ないことであり、そして、液
表面の液位のわずかな変動は、入射角には影響が少ない
ことである。

さらに、後者の二つの方法は、材料が固体であってもよ
い誘電材料のフィルム又はシートであり、及び、他の媒
質が金属である場合に、適用され得る。

本発明は、また、上記方法を実行する装置を提供し、こ
の装置は、マイクロ波ビームが約３０度以上の入射角で
表面に入射するようにする手段であって、入射ビームが
非ゼロ垂直平面偏光成分を有する手段と、及び適切な平
面で偏光された反射マイクロ波ビームの成分の振幅をモ
ニタずろ手段と、を含む。

本発明は、ここで、参考としてのみ添付図面を参照して
さらに説明される。

「実施例」 第１図を参照すると、水１４の表面上の石油１２の層の
厚さをモニタする装置１０が示されている。

装置１０は、送信ホーン１６と、２つの高利得受信ホー
ン１８及び２０と、を含む。送信ホーン１６は、Ｉ　Ｋ
Ｈｚ方形波により振幅変調された１１ＧＨｚの信号をつ
くる信号発生器２４に、同軸ケーブル２２により、接続
されており、そして、ホーン１６は、純水／空気界面に
ついてのブルースター角Ｂの入射角で露呈液体表面１５
上にマイクロ波ビームを送信するように構成されており
、及び入射ビームがほぼ等しい水平偏光成分及び垂直偏
光成分を有するように垂直面に対し約４５度の偏光平面
であるようになっている。１１ＧＨｚの周波数では、純
水についてのブルースター角は約８２度である；しかし
ながら、マイクロ波の発散のために、必然的に、入射μ
口よ、表面１５でのビームの幅にわたって数置変化する
。

受信ホーン１８及び２０は、この両者が表面１５からの
反射の後にホーン１６により発信されたマイクロ波を受
信するように、互いに隣合って配置されている。１つの
ホーン１８は、垂直偏光マイクロ波を受信するために配
置され、そして、他方のホーン２０は、水平偏光マイク
ロ波を受信するために配置されている。各ホーン１８及
び２ｏは、それぞれの同軸ケーブル２６及びそれぞれの
ダイオード検波器２８により（ヒユーレット・パノカー
ド４２３Ａなど）、共通の増幅器兼信号解析ユニット３
０に接Ｖｔ’Ｓれている。ユニット３０は、受信ホーン
１８及び２０から受信された信号の振幅を増幅しそれか
ら比較し、これは、反射マイクロ波ビームの垂直偏光成
分及び水平偏光成分を表し、これにより、偏光比の値を
決定する。厚さｄは、下記に説明しているように、偏光
比の値から決定されてもよい。

ホーン１６．１８、及び２０は、入射角が液位の変化に
より影響を受けないことを確実にするために、水１４に
浮かぶ支持部材（図示せず）に取り付けられていてもよ
い。勿論、このことは、液位が変動しないように調整（
例えば越流システムによる）されている場合には、必要
でない。

ここで、第２図を参照すると、実験で決定されたように
、これは、石油層１２の厚さｄに関し、第１図の装置で
の反射マイクロ波ビームの垂直偏光成分（Ｖ）及び水平
偏光成分（Ｈ）の振幅の変化をグラフで表している。（
しかしながら、第１図の装置の動作では、これらの２つ
の成分が別々に示されてないことに留意されたい。）各
場合の振幅値は、純水から反射される水平偏光マイクロ
波ビームの振幅に比例して与えられる。水上に石油のな
い場合、垂直偏光成分は、水平偏光成分より約２４ｄＢ
少ない；水が無損失に誘電性であるのではないために、
及び、マイクロ波ビームの発散のために、これを完全に
打ち消すことはできず、このため、水／空気の界面には
ビームの僅が一部だけが正確にブルースター角で入射す
る。

石油層の厚さｄが増すにつれ、垂直偏光成分には初期的
な急激上昇が起こる。これは、上部の空気対石油の界面
１５からの反射が石油の異なる誘電率のためにもはやブ
ルースター角に合致しなくなるので、起こる。石油層の
厚さがさらに増すにつれ、水平偏光成分は、最小値にな
る。このことは、径路差が半分の波長である場合に、空
気対石油の界面から反射された波と、石油対水の界面か
ら反射された波と、の間の干渉のために、起こる。

別の干渉の影響は、さらに大きい石油層の厚さで水平偏
光成分及び垂直偏光成分の両方に、起こる。

空白（ｎｕｌｌ）は、反射の際に起こる相変化のために
、２つの偏光における相のずれで起こる。水平偏光成分
については、空気対石油の界面からの反射の際にほぼ１
８０度の相変化がある。空気対石油の界面についてのブ
ルースター角が反射角以下なので、垂直偏光成分の反射
の際に相変化はほとんど無い。石油対水の界面からの反
射で、両成分は、はぼ１８０度の相変化を受ける。

垂直偏光成分の測定された初期変化率は、１ＩＧＨｚの
周波数で石油の１７　ｄＢ／　ｍｍであり、そして、垂
直偏光成分の次の空白は、１４．３　ｍの石油層の厚さ
ｄで起きる。

ここで、第３図を参照すると、これは、第１図の装置の
ユニット３０により決定されるように、石油層１２の厚
さｄに関して偏光率の変化をグラフで表している。薄い
石油層については、偏光率は急激に上昇しており　（１
７ｄＢ／ｍにて）、この結果、第１図の装置１０は、こ
のような薄い層には感度のよいことがわかる。厚さｄが
約７１■までは、偏光率は、連続的に増加しており、そ
れゆえ、厚さの明確な表示を行う。もし厚さがこの値を
越えれば、偏光率は減少し、１４．３８８の厚さｄの場
合に最小に達し、それから再び増加し、このパターンを
繰り返す。こうして、少なくとも厚さｄの値最大７龍ま
でに対しては、第３図のグラフか同等の参照表または逆
関数を使うことにより、ユニット３０は、測定された偏
光率から容易に厚さｄを決定することができる。

もし厚さｄが７　ａｍを越すなら、偏光率から決定され
る厚さは、あいまいである。真の値は、異なるマイクロ
波周波数とこれがゆえに異なる波長を使って同様の測定
を実行することにより、決定されてもよい；異なる波長
に対しては、偏光率グラフの一般的形状は、第３図に示
されているとおりだが、最大波長及び最小波長に対する
厚さｄの値は異なることとなる。また、厚さが７１１を
越すときには、第１図の装置を、超音波液層厚さ計（図
示せず）とともに、そのような超音波厚さ計が適するよ
うな厚さの層に対して、使用してもよいことが理解でき
る。

上記第１図の装置１０は、反射の際に起こる振幅変化、
特に垂直平面偏光変化の振幅変化に依存している。水１
４対して入射角がブルースター角に等しければ、この振
幅変化は、非常に著しく、そして、第３図に示されてい
る如く、３０ｄＢ以上で偏光率を変化させながら石油層
１２の厚さで著しく変化する。他の入射角では、振幅変
化ははるかに少なく：例えば、６０度では、偏光率は、
約−３ｄＢから＋３ｄＢの間を変化するだけである。し
かしながら、一般に、垂直偏光成分と水平偏光成分との
間には、反射により引き起こされる位相のずれもある。

この位相差は、層の厚さに依っており、そして、法線入
射でのゼロ度と俯角入射での１８０度との間で変化する
（ブルースター角での純水については、垂直平面偏光成
分により受ける位相の変化は、９０度である）。例えば
、６０度の入射定角については、位相差は、下記の如く
、層の厚さにより循環的に変化する。

厚さ／ｍ＊　　：　　０　　２　　４　　６　　８　１
０　１２位相差／’　　：　　−６−４３−５８＋１０
　　＋５３　　＋３０　−１１それゆえ、位相差は、層
の厚さ測定用の方法の基礎として使用されてもよい。こ
のような反射によりつくられる位相差が一般にゼロでは
ないので、垂直偏光成分及び水平偏光成分を含んでいる
初期平面偏光ビームは、一般には、反射後に、楕円偏光
される。

水上の石油層の厚さをモニタする択一的装置（図示せず
）は、同軸ケーブルにより、ｌＫ１１ｚの方形波により
振幅変調された１０ＧＩｌｚの信号をつくる信号発生器
に接続されている送信ホーンを有し、このホーンが入射
ビームが等価の垂直偏光成分及び水平偏光成分を有する
ように垂直面に対して＋４５度でその偏光面でマイクロ
波ビームを露呈波表面に送信するように構成されている
ということにおいて、第１図の装置との類似点を持つ。

送信ホーンの構成は、第１図の構成とは、入射角が６０
度であることにおいてのみ異なる。

この装置は、表面で反射されたマイクロ波を受（ｉする
ように構成されたただ一つの受信ホーンを有することと
、及びこの受信ホーンが垂直面に対し一４５度で偏光さ
れたマイクロ波、即ち入射ビームに対し直交偏光された
マイクロ波を受信するように構成されていることにおい
て、更に異なる。

受信ホーンは、同軸ケーブル及びダイオード検波器によ
り、増幅器兼信号解析ユニットに接続されている。受信
信号Ｒの振幅は、垂直偏光成分と水平偏光成分とが等し
い振幅Ａである〈即ち、偏光率−ＯｄＢ）と仮定した場
合に、もし反射により引き起こされる位相差がないなら
ば、０であり、そして、それは、下記の如く位相差りに
依存する：Ｒ２＝Ａ２（１−ｃｏｓＤ） 上記の如く、位相差は層の厚さに依存するので、受信信
号の振幅を測定することで、層の厚さを決定できる。

第４図を参照すると、石油層の厚さｄに伴う受信信号Ｒ
の変化がグラフで示されており；受信信号の値は、もし
ホーンが互いの方向へ真直ぐに向き合い及び同一の配置
方向を存するとするならば受信されることになる信号に
比例して与えられる。

受信信号Ｒの変化は、上記の如く６０度の入射角ｉにつ
いて、及び、４５度の入射角ｉについて、示されている
。各々の場合に、約３１１までの厚さの値については、
受信信号は、数デシベル／−ｍ増加し、それゆえ、厚さ
を決定できることがわかる。

３１曹以上の厚さについては、その結果にはあいまいさ
があるだろうが、前述したように、そのようなあいまい
さば、超音波などの代わりの測定技術を使うことにより
、あるいは、異なるマイクロ波周波数を使うことにより
、解決され得るだろう。

上記技術は、また、金属基体表面にある誘電層の厚さを
決定するのにも利用できるだろう；層の厚さに伴う受信
信号の変化は、位相差が清浄な金属表面からの反射の際
（即ち、層の厚さが００とき）に生じないので、前記の
変化と僅かに異なるであろう。

水の上の有機液体層の厚さをモニタするための、あるい
は、金属基体の表面上の誘電材料層の厚さをモニタする
ためのもう一つの代わりの装置（図示せず）は、入射角
と反射角とが６０度に設定されていることにおいてと、
同軸ケーブル２６にはダイオードは与えられてないこと
と、及びユニット３０が２つのホーン１８及び２０によ
り受信される信号の振幅と位相との両方を比較できるネ
ットワークアナライザ（例えばヒユーレノＩ・パンカー
ドの８５１０Ａ）であることとにおいてのみ異なってお
り、第１図の装置とかなりの類似点をもっている。

薄い誘電層で清浄な金属表面を覆う際に、偏光率が非常
な少量（典型的には、０．１ｄＢ以下）変化することが
わかっている。しかしながら、生ずる位相差は、容易に
測定可能であり、層の厚さに関係付けられ得る。例えば
、厚さ２５マイクロメータのポリエステル膜は、１５Ｇ
Ｈｚで約１度の位相差を生ずることがわかっている。同
様に、厚さ約０．１鰭の一枚の紙は、１５ＧＨ２で約３
度の位相差を生ずることがわかっている。この技術は、
また、金属表面にある塗装層の厚さを測定することにも
使える。

上記の如く、この方法は、他の非金属液体上の一液体層
をモニタすることに適用できる。位相差が直接にそして
いずれの成分の振幅の変化にも影古されない方法でモニ
タされるので、マイクロ波が反射を受けることなく送信
器から受信器に直接に通ることができるように入射角が
あまり大きくないものである限り、この方法はどのよう
な入射角においてでも適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、水の表面上の液体層の厚さをモニタする装置
の概略的部分斜視図、 第２図は、第１図の装置について石油層の厚さの関数と
して水平平面偏光反射マイクロ波及び垂直平面偏光反射
マイクロ波の振幅変化を示すグラフ図、 第３図は、第１図の装置について石油層の厚さの関数と
して偏光率（垂直平面偏光反射マイクロ波及び水平平面
偏光反射マイクロ波の振幅率）の変化を示すグラフ図、
及び 第４図は、選択的モニタ装置について水の表面上の石油
層の厚さの関数として受信信号の変化を示すグラフ図で
ある。 １０−・モニタする装置、 １２・・・石油、 １４−・−水、 １５−露呈液体表面、 １６−送信ホーン、 １８・−受信ホーン、 ２０−・受信ホーン、 ２２−同軸ケーブル、 ２４−信号発生器、 ２６−同軸ケーブル、 ２８−フ゛イオード検波器、 ３０・−増幅器兼信号解析ユニット、 Ｂ−・−・−ブルースター角、 ｄ−・−・厚さ。 〜・１ 厚さ、ｄ／ｍｍ 軍と、ｃｆ／ｍｍ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）他の媒質（１４）の表面にある約２５マイクロメ
   ータ以上の厚さの非金属材料層（１２）をモニタする方
   法において、 マイクロ波ビームを約３０度以上の入射角で前記層（１
   ２）の露呈表面（１５）に入射させる段階であって、前
   記入射ビームが非ゼロ垂直平面偏光成分を有する段階と
   、及び 予め設定した適切な平面の偏光された反射ビームの少な
   くとも一つの成分をモニタする段階と、 を含むことを特徴とする方法。
2. （２）前記入射角が前記他の媒質についてほぼブルース
   ター角（Ｂ）に等しく、及び前記反射ビームの前記垂直
   平面偏光成分の振幅をモニタすることを含むことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。
3. （３）前記入射ビームが非ゼロ垂直平面偏光成分と非ゼ
   ロ水平平面偏光成分とを有し、及び前記反射ビームの前
   記垂直平面偏光成分の振幅と前記水平平面偏光成分の振
   幅とを比較することを含むことを特徴とする特許請求の
   範囲第２項に記載の方法。
4. （４）前記入射ビームが非ゼロ垂直平面偏光成分と非ゼ
   ロ水平平面偏光成分とを有し、及び、前記反射ビームの
   前記垂直平面偏光成分と前記水平平面偏光成分とをモニ
   タすることと、前記モニタされた成分間の位相差を決定
   することと、を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の方法。
5. （５）前記入射角が前記他の媒質に対するブルースター
   角と少なくとも５度異なり、前記入射ビームが非ゼロ垂
   直平面偏光成分と非ゼロ水平平面偏光成分とを有して平
   面偏光されるものであり、及び、前記入射ビームの偏光
   平面に対し約９０度で平面偏光された前記反射ビームの
   その成分の前記振幅をモニタすることを含むことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。
6. （６）前記入射ビームが＋４５度で平面偏光され、前記
   モニタされた成分が−４５度で平面偏光される特許請求
   の範囲第５項に記載の方法。
7. （７）前記入射角が約４５度から７０度の間である特許
   請求の範囲第４項から第６項のうちいずれか１項に記載
   の方法。
8. （８）前記マイクロ波が２ＧＨｚから２０ＧＨｚまでの
   範囲の周波数のものである特許請求の範囲第１項から第
   ７項のうちいずれか１項に記載の方法。
9. （９）前記モニタされた厚さのあいまいさを解決するた
   めの前記マイクロ波周波数を変調することを含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項から第８項のうちいず
   れか１項に記載の方法。
10. （１０）他の媒質（１４）の表面にある約２５マイクロ
    メータ以上の厚さの非金属材料層（１２）の厚さをモニ
    タする装置において、 マイクロ波ビームが約３０度以上の入射角で前記層（１
    ２）の露呈表面（１５）に入射するようにする手段（１
    ６）であって、入射ビームが非ゼロ垂直平面偏光成分を
    有する手段（１６）と、及び 予め設定した適切な平面で偏光された前記反射マイクロ
    波ビームの少なくとも一つの成分をモニタする手段（１
    ８、２０）と、を含むことを特徴とする装置。