(57)【要約】【課題】硬化度および硬化後の厚みを広範囲かつ高精度にモニタリングできるモニタリング装置およびモニタリング方法を提供すること。【解決手段】モニタリング装置１０は、対象物１００に対して光を照射する照射系２０と、対象物１００から放射される蛍光を撮像する撮像系３０と、を有する。照射系２０の光軸と撮像系３０の光軸とのなす角度（θα）は、ブリュースター角近傍の角度である。撮像系３０は、撮像前に蛍光を集光するマイクロレンズアレイ３０１を含む。【選択図】図１
2020067389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に対して光を照射する照射系と、
前記対象物から放射される蛍光を撮像する撮像系と、を有し、
前記照射系の光軸と前記撮像系の光軸とのなす角度は、ブリュースター角近傍の角度であり、
前記撮像系は、
撮像前に前記蛍光を集光するマイクロレンズアレイを含む、
モニタリング装置。
【請求項２】
前記ブリュースター角近傍の角度は、５５度から６５度の間である、
請求項１に記載のモニタリング装置。
【請求項３】
前記照射系は、
拡散光を放射する励起光源と、
前記拡散光を平行光にするコリメート光学系と、
前記平行光をＰ偏光にする偏光子と、を含み、
前記撮像系は、
前記マイクロレンズアレイを通過した光を収束させる撮像光学系と、
前記撮像光学系からの光を、各画素に分光し、スペクトル画像を得るスペクトルカメラと、を含む、
請求項１または２に記載のモニタリング装置。
【請求項４】
前記スペクトル画像の各画素を波長スペクトルへ変換した後、正規化し、
前記波長スペクトルに基づいて、前記対象物に含まれる光硬化性樹脂の硬化度を推定し、
前記光硬化性樹脂の硬化が完了した後、特定波長の蛍光強度と、蛍光強度と光硬化性樹脂の厚みとの関係が予め定められたデータとに基づいて、前記光硬化性樹脂の厚みを推定する、
請求項３に記載のモニタリング装置。
【請求項５】
前記励起光源から発する前記拡散光の波長は、２００ｎｍ以上かつ４００ｎｍ以下である、
請求項３または４に記載のモニタリング装置。
【請求項６】
前記スペクトルカメラの受光波長は、４００ｎｍ以上かつ７００ｎｍ以下である、
請求項３から５のいずれか１項に記載のモニタリング装置。
【請求項７】
前記照射系は、
前記偏光子を通過した光を集光する集光レンズをさらに備える、
請求項３から５のいずれか１項に記載のモニタリング装置。
【請求項８】
照射系から対象物に対して光を照射する工程と、
前記対象物へ入射した前記光により励起され、前記対象物から放射される蛍光を、マイクロレンズアレイにより集光した後、撮像系により撮像する工程と、を含み、
前記照射系の光軸と前記撮像系の光軸とのなす角度は、ブリュースター角近傍の角度である、
モニタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、樹脂をモニタリングするモニタリング装置およびモニタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多くの産業分野において、光硬化性樹脂が使用されている。光硬化性樹脂は、熱硬化性樹脂に比べて、有害物質を大気中に放散しない、硬化時間が短い、熱に弱い製品にも適用できるなど、多くの利点を有している。
【０００３】
一般的な光硬化性樹脂は、光（紫外線）が照射される前は液状であり、光が照射されると固体に変化する。光硬化性樹脂には、光重合開始剤が含まれている。この光重合開始剤は、光の照射によりラジカルやカチオンを発生し、発生したラジカルやカチオンが主剤と重合反応することにより硬化する。したがって、光硬化性樹脂の硬化状態（硬化度）は、重合度に応じて決定される。
【０００４】
通常、光硬化性樹脂の硬化度を目視にて判断することは困難である。そこで、樹脂に光を照射し、樹脂から放射される蛍光の強度から光硬化性樹脂の硬化度を推定する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１３７１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の方法では、樹脂の硬化による蛍光強度の増加と、膜厚が厚くなることによる蛍光強度の増加とを切り分けることができない。
【０００７】
つまり、従来の方法では、光硬化性樹脂から放射された蛍光を受光している画素の総数と、スペクトル重心の計算から光硬化性樹脂が硬化していると判定した画素の総数との割合に基づいて、光硬化樹脂全体の硬化度のみを評価している。
【０００８】
このため、従来の方法では、硬化度と、硬化後の厚みとを同時に評価できないという課題がある。
【０００９】
本開示の一態様の目的は、硬化度および硬化後の厚みを広範囲かつ高精度にモニタリングできるモニタリング装置およびモニタリング方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の一態様に係るモニタリング装置は、対象物に対して光を照射する照射系と、前記対象物から放射される蛍光を撮像する撮像系と、を有し、前記照射系の光軸と前記撮像系の光軸とのなす角度は、ブリュースター角近傍の角度であり、前記撮像系は、撮像前に前記蛍光を集光するマイクロレンズアレイを含む。
【００１１】
本開示の一態様に係るモニタリング方法は、照射系から対象物に対して光を照射する工程と、前記対象物へ入射した前記光により励起され、前記対象物から放射される蛍光を、マイクロレンズアレイにより集光した後、撮像系により撮像する工程と、を含み、前記照射系の光軸と前記撮像系の光軸とのなす角度は、ブリュースター角近傍の角度である。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、硬化度および硬化後の厚みを広範囲かつ高精度にモニタリングできる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本開示の実施の形態１に係るモニタリング装置の模式図
【図２】本開示の実施の形態１に係るマイクロレンズの拡大模式図
【図３】本開示の実施の形態１に係るマイクロレンズによるＳＮ比の向上効果を示すグラフ
【図４】透明の対象物への入射光に対する反射光の挙動を示す模式図
【図５】本開示の実施の形態１に係るＳ偏光反射率およびＰ偏光反射率の模式図
【図６Ａ】硬化後の光硬化性樹脂の厚み別に、蛍光の分光スペクトル強度と波長との関係を示したグラフ
【図６Ｂ】特定波長の蛍光強度毎に、硬化後の光硬化性樹脂の厚みを示したグラフ
【図７】本開示の実施の形態１に係る光硬化性樹脂の硬化度および硬化後の厚みを推定する方法のフローチャート
【図８】本開示の実施の形態２に係るモニタリング装置の模式図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本開示の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。
【００１５】
（実施の形態１）
本開示の実施の形態１に係るモニタリング装置（透明薄膜の硬化モニタリング装置と言ってもよい）１０について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係るモニタリング装置１０の模式図である。
【００１６】
＜構造＞
図１に示すように、モニタリング装置１０は、照射系２０と、撮像系３０と、画像処理装置４０とを有する。なお、画像処理装置４０は、モニタリング装置１０とは別構成であってもよい。
【００１７】
＜対象物１００＞
対象物１００は、モニタリングの対象であり、光硬化性樹脂１０１および物体１０２を含む。図１に示すように、光硬化性樹脂１０１は、物体１０２上に載置されている。また、物体１０２は、透明であってもよいし、不透明であってもよい。
【００１８】
＜照射系２０＞
照射系２０は、励起光源２０１と、コリメート光学系２０２と、偏光子２０３とを有する。図１中の一点鎖線Ｌ１は、照射系２０の光軸を表している。
【００１９】
光硬化性樹脂１０１の性質を考慮すると、励起光源２０１から発する光の波長は、２００ｎｍ以上かつ４００ｎｍ以下の紫外線であることが望ましい。よって、励起光源２０１は、例えば、安定化重水素ランプ光源、または、キセノン光源などが望ましい。ただし、近年開発が進む紫外ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や紫外レーザーを用いた光源であってもよい。
【００２０】
また、光硬化性樹脂１０１の性質を考慮すると、コリメート光学系２０２および偏光子２０３は、紫外波長で最大効率が得られる（透過率が高くなる）ものであることが望ましい。具体的には、コリメート光学系２０２のレンズ群を反射防止コートするなどして表面反射率を抑えることが望ましい。
【００２１】
コリメート光学系２０２は、励起光源２０１からの拡散光を平行光に変換する。
【００２２】
偏光子２０３は、コリメート光学系２０２からの平行光のうち、Ｐ偏光成分のみを取り出す。
【００２３】
＜撮像系３０＞
撮像系３０は、マイクロレンズアレイ３０１と、撮像光学系３０２と、スペクトルカメラ３０３とを有する。図１中の一点鎖線Ｌ２は、撮像系３０の光軸を表している。
【００２４】
マイクロレンズアレイ３０１は、光硬化性樹脂１０１から放射された拡散光（蛍光）を集光して平行光に変換し、撮像光学系３０２に導く。
【００２５】
撮像光学系３０２は、マイクロレンズアレイ３０１からの平行光を収束させ、効率良くスペクトルカメラ３０３に導く。
【００２６】
スペクトルカメラ３０３は、撮像光学系３０２からの光を、各画素に分光し、スペクトル画像Ｉｎを得る。
【００２７】
＜波長領域数＞
ここで、評価に用いる狭帯域である波長領域数（バンド数）は、様々な材料の光硬化性樹脂１０１を対象とする場合、１０バンド以上が望ましいが、１つの物質を対象とする場合では、３バンド程度でもよい。
【００２８】
また、光硬化性樹脂１０１は、紫外励起により可視領域の蛍光を発する。そのため、マイクロレンズアレイ３０１および撮像光学系３０２は、可視波長で最大効率が得られる（透過率が高くなる）ものであることが望ましい。また、スペクトルカメラ３０３も、可視波長で最大の効率が得られる（受光感度が高くなる）ものであることが望ましい。例えば、スペクトルカメラ３０３の受光波長は、４００ｎｍ以上かつ７００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２９】
具体的には、マイクロレンズアレイ３０１および撮像光学系３０２のレンズ群を反射防止コートするなどして表面反射率を抑えることが望ましい。あるいは、スペクトルカメラ３０３のセンサとして、冷却型のＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサまたはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサを用いることが望ましい。
【００３０】
＜プロセス＞
次に、図１を用いて、モニタリング装置１０によるスペクトル画像Ｉｎの取得方法について説明する。
【００３１】
励起光源２０１から出射された光は、上述したとおり、コリメート光学系２０２を通って平行光となり、通過光線をＰ偏光にする偏光子２０３を通過する。そして、Ｐ偏光された平行光は、照射系２０の光軸と撮像系３０の光軸とのなす角度θαで、対象物１００（光硬化性樹脂１０１）へ入射する。角度θαは、ブリュースター角θｂの近傍の角度であり、例えば５５度〜６５度である。
【００３２】
ブリュースター角θｂについては後述する。なお、ブリュースター角θｂとは、屈折率の異なる物質の界面においてＰ偏光の反射率が０％となる入射角である。なお、本実施の形態においてＰ偏光のみを用いるが、その理由は、Ｓ偏光を用いた場合、光硬化性樹脂１０１の屈折率範囲では励起光の反射率が１％以下にならないためである。
【００３３】
光硬化性樹脂１０１では、光硬化性樹脂１０１に到達したＰ偏光された平行光によって蛍光が励起され、その蛍光は、光硬化性樹脂１０１から拡散光として放射される。
【００３４】
出射された蛍光は、上述したとおり、対象物１００近傍のマイクロレンズアレイ３０１によって集光され、撮像光学系３０２を通って、スペクトルカメラ３０３で分光される。これにより、スペクトル画像Ｉｎが撮像される。撮像されたスペクトル画像Ｉｎは、画像処理装置４０に保存される。
【００３５】
＜ＳＮ比＞
ここで、図２および図３を用いて、マイクロレンズアレイ３０１によるＳＮ（Signal Noize）比の向上効果について述べる。図２は、本実施の形態に係るマイクロレンズアレイ３０１の拡大模式図である。図３は、本実施の形態に係るマイクロレンズアレイ３０１によるＳＮ比の向上効果を示すグラフである。
【００３６】
図２に示すように、ブリュースター角近傍の角度θα（図１参照）で光硬化性樹脂１０１に入射した平行光５０２により蛍光が励起される。この蛍光は、光硬化性樹脂１０１から拡散光５０１として、四方に放射される。
【００３７】
近年、研磨技術やインクジェット技術の進展により、マイクロレンズアレイ３０１では、極小のピッチ（１０μｍ〜５００μｍ）を実現でき、かつ、焦点距離ｆ（レンズの曲率）を自由に設計できる。例えば、図２に示した平行光５０２の幅をＷとし、ブリュースター角近傍の角度をθαとすると、焦点距離ｆは、下記式（１）で算出される。
【数１】
2020067389.tif 000003
【００３８】
式（１）により算出された焦点距離ｆを持つマイクロレンズアレイ３０１を用いて、スペクトル測定を行った結果、図３に示すように、スペクトル全体のＳＮ比の向上を確認することができた。
【００３９】
＜一般的な反射光の挙動＞
測定物が透明である場合における、入射光に対する反射光の一般的な挙動について、図４を用いて説明する。図４は、透明測定物への入射光に対する反射光の一般的な挙動を示す模式図である。
【００４０】
図４に示すように、励起光で発光する光硬化性樹脂１０１の蛍光（信号Ｓ）は、拡散光となる。また、照射系２０から照射される入射光（ここでは紫外励起光）も、光硬化性樹脂１０１の表面で反射し、拡散光となる。この拡散光は、ノイズ成分（Ｎ）となる。したがって、紫外励起光が拡散反射した成分が、ＳＮの低下をもたらすことがわかる。
【００４１】
なお、正反射成分は、照射系２０と撮像系３０との位置関係から、撮像系３０によって受光されないことは明確である。ここで、入射光である紫外励起光が拡散反射を抑え、蛍光発光する励起エネルギーとして効率的に利用する必要がある。
【００４２】
＜Ｓ偏光反射率およびＰ偏光反射率＞
本実施の形態に係るＳ偏光反射率およびＰ偏光反射率について、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態に係るＳ偏光反射率およびＰ偏光反射率の模式図である。この図５を用いて、図１に示した角度θαについて説明する。
【００４３】
一般に、ブリュースター角θｂは、対象物の屈折率をｎ、空気の屈折率をｎａｉｒとすると、下記式（２）で算出される。
【数２】
2020067389.tif 000004
【００４４】
また、入射角度をθ１、屈折角をθ２とすると、Ｓ偏光の反射率Ｒｓは下記式（３）で算出され、Ｐ偏光の反射率Ｒｐは下記式（４）で算出される。
【数３】
2020067389.tif 000005
【数４】
2020067389.tif 000006
【００４５】
このとき、スネルの法則を変形した下記式（５）により屈折角θ２は決まる。
【数５】
2020067389.tif 000007
【００４６】
式（３）、式（４）および式（５）において、ｎａｉｒ＝１、ｎ＝１．４として、入射角θ１に対する反射率Ｒｓ、Ｒｐを計算しプロットすると、図５のグラフになる。このとき、ブリュースター角θｂ≒５４．５度となる。また、表面反射をほぼ無視できるＲｐが１％未満の角度範囲をθαとすると、θα≒４０度〜６５度となる。
【００４７】
ここで、一般的な透明体（例えば、ガラス、樹脂など）の屈折率は、１．３〜１．９である。これをブリュースター角θｂへ換算すると、θｂ≒５２．４度〜６２．２度となる。ほぼ表面反射を無視できる反射率を１％とすると、θα≒５５度〜６５度となる。
【００４８】
これにより、紫外励起光が拡散反射してノイズとなることを抑えることができ、信号となる蛍光発光のための励起エネルギーとして、効率的に利用できる。
【００４９】
＜厚みの推定＞
本実施の形態に係る光硬化性樹脂１０１の厚みの推定について、図６Ａ、図６Ｂを用いて説明する。
【００５０】
図６Ａは、硬化後の光硬化性樹脂１０１の厚み別に、蛍光の分光強度（分光スペクトル強度）と波長との関係を示したグラフである。図６Ａでは、硬化後の光硬化性樹脂１０１（ここでは、ＰＥＴ樹脂）の厚みの例として、２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍが示されている。
【００５１】
図６Ｂは、特定波長の蛍光発光の強度（蛍光強度）毎に、硬化後の光硬化性樹脂１０１の厚み（膜厚）を示したグラフである。特定波長は、例えば、波長３６５ｎｍである。図６Ｂに示すように、膜厚と蛍光強度とは比例している。そのため、蛍光強度から膜厚を推定することができることがわかる。
【００５２】
次に、図７を用いて、光硬化性樹脂１０１の硬化度および硬化後の厚みを推定する方法を説明する。図７は、本実施の形態に係る光硬化性樹脂１０１の硬化度および硬化後の厚みを推定する方法のフローチャートである。以下では、図１に示した画像処理装置４０が図７に示す一連の処理動作を行う場合を例に挙げるが、これに限定されず、図示しない所定の装置が行ってもよい。
【００５３】
まず、画像処理装置４０は、波長バンド毎に撮像されたスペクトル画像Ｉｎを、図示しない記億部から読み出す（ステップＳ１）。
【００５４】
次に、画像処理装置４０は、スペクトル画像Ｉｎを構成する各画素を、波長と蛍光強度の分布である波長スペクトルＳｐへ変換する。（ステップＳ２）
【００５５】
次に、画像処理装置４０は、波長スペクトルＳｐを正規化Ｓｐｃする（ステップＳ３）。これにより、蛍光強度の違いによるスペクトル強度の差異が平均化される。蛍光強度の違いは、照射系２０の場所（照射エリア内の照度分布）による光量分布によって発生する。
【００５６】
ここで、光硬化性樹脂１０１の硬化が進むと、蛍光発光量が増加し、スペクトル形状が変化する。画像処理装置４０は、スペクトルに対する統計手法を用いて、光硬化性樹脂１０１の硬化度を推定する（ステップＳ４）。
【００５７】
上記スペクトルに対する統計手法としては、例えば、ＰＬＳ−ＤＡ（Partial Least Squares Regression-Discriminant Analysis）、ＳＦＦ（Spectral Feature Fitting）、ＳＡＭ（Spectral Angle Mapper）、または、特許文献１に開示されている方法などを用いることができる。
【００５８】
次に、画像処理装置４０は、スペクトル形状に基づいて、光硬化性樹脂１０１の硬化が完了したか否かを判定する（ステップＳ５）。この判定処理は、例えば特許文献１に開示されている判定処理と同様であってもよい。
【００５９】
硬化が完了していない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、フローは、ステップＳ４へ戻る。
【００６０】
一方、硬化が完了した場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、画像処理装置４０は、特定波長の蛍光強度を取得する（ステップＳ６）。
【００６１】
次に、画像処理装置４０は、取得された蛍光強度と、蛍光強度と厚みとの関係が予め定められたデータとに基づいて、光硬化性樹脂１０１の厚みを推定する（ステップＳ７）。上記データは、例えば、図６Ａ、図６Ｂ等に基づいて予め作成されたものである。
【００６２】
＜実施の形態１の効果＞
本実施の形態のモニタリング装置１０は、照射系２０からの光を光硬化性樹脂１０１に対してブリュースター角近傍の角度θαで照射し、撮像系３０にマイクロレンズアレイ３０１を用いることを特徴とする。これにより、励起光（散乱光）の影響を低減でき、蛍光発光（拡散光）を効率よく集光できるので、ＳＮ比の高いスペクトル画像Ｉｎを広範囲で得ることができる。このスペクトル画像Ｉｎを用いることにより、光硬化性樹脂１０１の硬化度および厚みを同時に、広範囲かつ高精度に推定（評価、検出、またはモニタリング、と言い換えてもよい）することができる。
【００６３】
（実施の形態２）
図８は、本開示の実施の形態２に係るモニタリング装置１１の模式図である。図８において、図１と同じ構成要素については同じ符号を付し、それらの説明は省略する。
【００６４】
図８に示すモニタリング装置１１は、図１に示したモニタリング装置１０と比べて、照射系２０の構成が異なる。図８に示すように、モニタリング装置１１では、偏光子２０３の後段に集光レンズ２０４が配置されている。集光レンズ２０４は、偏光子２０３を通過した光を集光する。
【００６５】
集光レンズ２０４を用いることにより、光硬化性樹脂１０１の表面に励起光を集光させ、励起エネルギーを高めることができる。よって、より強い蛍光発光の信号を得ることができ、よりＳＮ比が高いスペクトル画像Ｉｎを得ることができる。そのスペクトル画像Ｉｎを用いることにより、光硬化性樹脂１０１の表面だけでなく、内層を含めた硬化度をモニタリングすることができる。
【００６６】
なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本開示のモニタリング装置およびモニタリング方法は、例えば、励起光により蛍光を発する一般樹脂（例えばＰＥＴ等）の厚みの推定の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００６８】
１０、１１  モニタリング装置
２０  照射系
３０  撮像系
４０  画像処理装置
１００  対象物
１０１  光硬化性樹脂
１０２  物体
２０１  励起光源
２０２  コリメート光学系
２０３  偏光子
２０４  集光レンズ
３０１  マイクロレンズアレイ
３０２  撮像光学系
３０３  スペクトルカメラ
５０１  拡散光
５０２  平行光
Ｉｎ  スペクトル画像
Ｒｐ  反射率
Ｒｓ  反射率
【図１】
2020067389.tif 000008
【図２】
2020067389.tif 000009
【図３】
2020067389.tif 000010
【図４】
2020067389.tif 000011
【図５】
2020067389.tif 000012
【図６Ａ】
2020067389.tif 000013
【図６Ｂ】
2020067389.tif 000014
【図７】
2020067389.tif 000015
【図８】
2020067389.tif 000016