(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光された光を被測定物に照射し、前記被測定物から戻ってきた光を用いて前記被測定物のリタデーションを測定するリタデーション測定装置において、
被測定物に照射する白色光を出力する光源と、
前記光源の出力光を偏光すると共に、前記被測定物から戻ってきた光が入射される偏光板と、
前記被測定物から戻り、かつ前記偏光板を透過した光が入射され、この光の分光スペクトルを生成する分光部と、
前記偏光板を回転する回転機構と、
前記分光部が生成した分光スペクトルが入力され、この分光スペクトルからリタデーションを演算して出力すると共に、前記分光スペクトルからパワースペクトルを演算し、このパワースペクトルに含まれる、前記被測定物の光軸に平行な成分が感じる屈折率と、前記光軸に垂直な成分が感じる屈折率の違いに起因する２つのピークの高さが同じになるように、前記回転機構を制御する演算部と、
を備えたことを特徴とするリタデーション測定装置。
【請求項２】
前記偏光板を、被測定物に照射される光に対して斜めに配置したことを特徴とする請求項１記載のリタデーション測定装置。
【請求項３】
被測定物に対して前記偏光板と反対側に配置され、この被測定物を透過した光を反射する反射鏡を備えたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載のリタデーション測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複屈折性を有するフィルム等のリタデーションを測定する装置に関し、オンライン測定に用いて好適なリタデーション測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複屈折性を有するフィルム等の特性を評価する指標としてリタデーションが用いられる。リタデーションは下記（１）式によって定義される物理量である。なお、δｎは屈折率の差、ｄはフィルムの膜厚である。複屈折の向きやリタデーション値はフィルムの延伸率によって変わるので、リタデーションを管理することにより、フィルムの製造工程における品質を保つことができる。
リタデーション＝δｎ×ｄ  ・・・・・・  （１）
【０００３】
図４に、従来のリタデーション測定装置の構成を示す。図４において、偏光板（偏光フィルタ）１１、リタデーションを測定する試料１２、検光板（検光フィルタ）１３がこの順に配置されている。光源１０から出射した白色光は偏光板１１、試料１２、検光板１３を透過し、分光器１４に入射される。なお、検光板１３の光軸は偏光板１１の光軸と平行になるように配置される。
【０００４】
分光器１４は入射された光を分光して分光スペクトル演算し、この分光スペクトルを演算部１５に出力する。演算部１５は入力された分光スペクトルからリタデーションを算出して出力する。
【０００５】
分光器１４が演算する分光スペクトルは山谷のある周期性の干渉波形になり、この干渉波形の周期はリタデーションに比例する。演算部１５は、入力された分光スペクトルをフーリエ変換してパワースペクトルを演算し、このパワースペクトル中に表れるピークを検索して、このピークの位置からリタデーション値を算出する。
【０００６】
リタデーションを測定するためには、分光スペクトル中に１周期以上の干渉縞が含まれる必要がある。１周期の干渉縞が含まれる分光スペクトルから算出したリタデーション値は最小のリタデーション値になる。光源１０として可視光源を用いると、測定下限は１μｍ程度である。
【０００７】
干渉縞の振幅は、偏光板１１の光軸と試料１２の光軸がなす角度によって変化する。すなわち、偏光板１１と試料１２の光軸の角度が０度または９０度のときに振幅が０になり、４５度のときに最大になる。
【０００８】
干渉縞の振幅が０または９０度になるとリタデーションを測定することができない。このため、試料１２を回転ステージに固定し、この回転ステージを回転させて振幅が最大になる点を選んで測定する。
【０００９】
特許文献１には、リタデーションを測定することができる複屈折評価装置が記載されている。特許文献１による複屈折評価装置は、図４と同様な構成で偏光板、試料、検光板を並べ、白色光を照射して、偏光板、試料、検光板を透過した透過光の分光スペクトルを分光器で作成する。透過光の強度はリタデーションの余弦波状に変化するので、この余弦波の周期を求めることにより、リタデーション値を算出する。
【００１０】
特許文献２には、光を多層薄膜に照射し、この多層薄膜の反射光からその膜厚を測定する膜厚測定装置が記載されている。この膜厚測定装置では、多層薄膜からの反射光から反射分光スペクトルを求め、この反射分光スペクトルにフーリエ変換を施してパワースペクトルを算出し、このパワースペクトルのピーク位置から多層薄膜を構成する各層の膜厚を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−１４１６０２号公報
【特許文献２】特開２００８−２９２４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、このようなリタデーション測定装置には、次のような課題があった。
図４のリタデーション測定装置は、偏光板１１と試料１２の光軸を合わせるために試料１２を回転しなければならないが、フィルム製造工程でオンライン測定する場合は、フィルムが移動しているので、試料を回転することができない。このため、測定するフィルムの光軸と偏光板１１の光軸が一致したときには、リタデーションを測定することができないという課題があった。
【００１３】
試料１２を回転する代わりに偏光板１１と検光板１３を同期して回転しても同様の効果を得ることができる。しかし、オンライン測定では試料であるフィルムが移動しているので、フィルムに対して互いに反対側にある偏光板１１と検光板１３を同期して回転させるためには高度な制御が必要になり、測定装置の構成が複雑になってしまうという課題があった。また、偏光板１１と検光板１３の同期制御の精度が低いとこれらの光軸がずれ、測定誤差が増大してしまうという課題もあった。
【００１４】
特許文献１の複屈折評価装置の偏光板、試料、検光板の配置は図４のリタデーション測定装置と同じであるので、やはり試料あるいは偏光板と検光板を回転しなければならない。このため、オンライン測定に用いることは困難であるという課題があった。
【００１５】
また、特許文献２は多層薄膜の膜厚測定装置であり、リタデーションを測定する装置ではない。
【００１６】
本発明の目的は、複雑な同期機構が不要で、かつ測定精度を低下させることがない、オンライン測定に用いて好適なリタデーション測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
偏光された光を被測定物に照射し、前記被測定物から戻ってきた光を用いて前記被測定物のリタデーションを測定するリタデーション測定装置において、
被測定物に照射する白色光を出力する光源と、
前記光源の出力光を偏光すると共に、前記被測定物から戻ってきた光が入射される偏光板と、
前記被測定物から戻り、かつ前記偏光板を透過した光が入射され、この光の分光スペクトルを生成する分光部と、
前記偏光板を回転する回転機構と、
前記分光部が生成した分光スペクトルが入力され、この分光スペクトルからリタデーションを演算して出力すると共に、前記分光スペクトルからパワースペクトルを演算し、このパワースペクトルに含まれる、前記被測定物の光軸に平行な成分が感じる屈折率と、前記光軸に垂直な成分が感じる屈折率の違いに起因する２つのピークの高さが同じになるように、前記回転機構を制御する演算部と、
を備えたものである。偏光板で検光板を兼ねることができるので、被測定物の反対側に検光板を設置しなくてもよい。また、光軸が変化する被測定物でも、リタデーションを測定することができる。さらに、偏光板の角度を常に最適な状態に保つことができるので、高精度でリタデーションを測定することができる。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記偏光板を、被測定物に照射される光に対して斜めに配置したものである。偏光板の表面で反射した光が被測定物を透過した光と混合しないので、測定精度を高めることができる。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項１若しくは請求項２に記載の発明において、
被測定物に対して前記偏光板と反対側に配置され、この被測定物を透過した光を反射する反射鏡を備えたものである。被測定物を透過した光が全て反射されるので、高精度でリタデーションを測定できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１、２および３の発明によれば、偏光板を介して白色光を被測定物に照射し、前記被測定物から戻ってきた光で前記偏光板を透過した光の分光スペクトルを作成し、この分光スペクトルから前記被測定物のリタデーションを演算するようにした。また、偏光板を回転させる回転機構を設け、被測定物の光軸に平行な成分と垂直な成分が感じる屈折率の違いに起因する２つのピークの高さが同じになるように、前記回転機構を制御するようにした。
【００２３】
偏光板で検光板を兼ねることができるので、被測定物の片側に偏光板を配置するだけでリタデーションを測定することができる。このため、偏光板と検光板の角度がずれて測定精度が低下することがないという効果がある。
【００２４】
また、被測定物の片側に配置した偏光板を回転するだけで、偏光板の光軸と被測定物の光軸の関係を合わせることができる。このため、偏光板と検光板を同期させて回転させる必要がなくなるので、被測定物が動くオンライン測定に用いても複雑な同期制御が不要になるという効果もある。
【００２５】
また、光が被測定物を２回透過するので、従来に比べて２倍の感度を持たせることができる。このため、測定できるリタデーションの下限を広げることができるという効果もある。
【００２６】
また、偏光板を被測定物に照射する光に対して斜めに配置することにより、偏光板の表面から反射した光は被測定物を透過した光とは違う方向に反射される。このため、偏光板の表面から反射した光と被測定物を透過した光が混合しないので、測定のＳ／Ｎ比を高めることができるという効果もある。
【００２７】
また、被測定物に対して偏光板と反対側に反射鏡を設けることにより、被測定物を透過した光のほぼ全てが反射されて再度被測定物を透過するので、測定精度を更に高めることができるという効果もある。
【００２８】
また、偏光板を回転させる回転機構を設けることにより、被測定物の光軸が変化しても偏光板の光軸を合わせて測定することができるという効果もある。
【００２９】
また、パワースペクトルにおけるフィルムの膜厚に起因する２つのピークが同じ高さになるように偏光板の角度を制御することにより、偏光板の回転角を常に最適の状態に保つことができるという効果もある。
【００３０】
さらに、フィルムの光軸の向きやリタデーションの大きさをオンラインで測定することができるので、製造中のフィルムにおける樹脂の分子の配向の向きや揃い具合を知ることができ、フィルムの強度などの特性を知ったり、調整（品質制御）を行なうのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例を示した構成図である。
【図２】演算部の構成図である。
【図３】反射光の特性図である。
【図４】従来のリタデーション測定装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るリタデーション測定装置の一実施例を示した構成図である。図１において、リタデーション測定装置は白色光を出射する光源２０、光ファイバ２１および２７、光ファイバプローブ２２、偏光板２３、偏光板回転部２４、反射鏡２６、分光部２８、演算部２９で構成される。２５はリタデーションを測定するフィルムであり、複屈折性を有している。フィルム２５は被測定物に相当する。なお、被測定物は必ずしもフィルム状のものでなくてもよい。
【００３３】
フィルム２５と反射鏡２６は並行に配置され、偏光板２３はフィルム２５に対して斜めに配置される。また、偏光板２３は偏光板回転部２４によって回転される。これによって、偏光板２３の光軸の角度を変化させることができる。
【００３４】
なお、偏光板回転部２４は、光ファイバプローブ２２が出射する光の光軸と平行な軸を中心として偏光板２３を回転してもよく、また偏光板２３の法線方向を軸として回転してもよい。
【００３５】
光源２０から出射された白色光は光ファイバ２１を経由して光ファイバプローブ２２に導かれ、この光ファイバプローブ２２からフィルム２５に向けて出射される。この光は偏光板２３、フィルム２５を透過して反射鏡２６で反射され、再びフィルム２５、偏光板２３を透過して光ファイバプローブ２２に入射される。すなわち、光ファイバプローブ２２には、反射鏡２６で反射され、フィルム２５から戻ってきて、偏光板２３を透過した光が入射される。
【００３６】
光ファイバプローブ２２に入射した反射光は光ファイバ２７を経由して分光部２８に入射される。分光部２８は入射された光を分光、電気信号に変換して反射分光スペクトルを生成する。この反射分光スペクトルは、分光スペクトルに相当する。
【００３７】
分光部２８が生成した反射分光スペクトルは演算部２９に入力される。演算部２９は入力された反射分光スペクトルをフーリエ変換してパワースペクトルを算出し、このパワースペクトルのピークからフィルム２５のリタデーションおよび光軸の角度を測定する。
【００３８】
図２に演算部２９の構成を示す。図２において、３０は反射分光スペクトル取得部であり、分光部２８が生成した反射分光スペクトルを取得する。３１はパワースペクトル演算部であり、反射分光スペクトル取得部３０が取得した反射分光スペクトルが入力される。パワースペクトル演算部３１は、入力された反射分光スペクトルをフーリエ変換し、パワースペクトルを演算する。
【００３９】
３２はリタデーションピーク検出部であり、パワースペクトル演算部３１が演算したパワースペクトルが入力される。リタデーションピーク検出部３２は、入力されたパワースペクトルを検索し、リタデーションに起因するピークを検索する。３３はリタデーション出力部であり、リタデーションピーク検出部３２が検出したピークの位置からリタデーション値を算出し、このリタデーション値を出力する。
【００４０】
３４は膜厚ピーク検出部であり、パワースペクトル演算部３１が演算したパワースペクトルが入力される。膜厚ピーク検出部３４は入力されたパワースペクトルのピークを検索し、フィルム２５の膜厚に起因するピークを検出する。フィルム２５の表面と裏面から反射した光は干渉し、干渉縞が生じる。このため、パワースペクトルにはこの干渉縞に対応するピークが表れる。膜厚ピーク検出部３４はこのピークを検出する。
【００４１】
３５は偏光板調整部であり、膜厚ピーク検出部３４が検出したピークのデータが入力される。偏光板調整部３５は偏光板回転部２４を制御し、入力されたピークが適正になるように、偏光板２３の角度を調整する。偏光板調整部３５と偏光板回転部２４で、偏光板の回転機構を構成している。
【００４２】
３６は複屈折角演算・出力部であり、偏光板調整部３５の出力が入力される。複屈折角演算・出力部３６は、入力されたデータからフィルム２５の複屈折軸の角度を演算し、出力する。
【００４３】
次に、図３に基づいて演算部２９の動作を説明する。図３（Ａ）は反射分光スペクトル取得部３０が取得した反射分光スペクトルのグラフであり、横軸は反射光の波長、縦軸は反射率である。この反射分光スペクトルには、周期が長い変動と、周期が短い変動が含まれている。
【００４４】
図３（Ｂ）は（Ａ）の反射分光スペクトルをフーリエ変換して算出したパワースペクトルであり、横軸は光学膜厚、縦軸は強度である。このパワースペクトルには、４０〜４２の３つのピークが含まれている。
【００４５】
４０はリタデーションに起因するピークである。前記（１）式からわかるように、リタデーションは屈折率差δｎとフィルム２５の膜厚の積で表される。屈折率差δｎは通常屈折率より小さいので、ピーク４０は光学膜厚が小さいところに表れる。ピーク４０の位置（光学膜厚）がリタデーション値である。
【００４６】
４１と４２はフィルム２５の表面から反射した光と裏面から反射した光が干渉した結果表れるピークである。フィルム２５は複屈折性を有しているので、入射光のうち、フィルム２５の光軸に平行な偏光成分が感じる屈折率と、フィルム２５の光軸に垂直な偏光成分が感じる屈折率が異なる。このため、４１と４２の２つのピークに分離する。なお、光学膜厚は、屈折率と物理膜厚の積である。
【００４７】
フィルム２５に入射する光のうち、フィルム２５の光軸に平行な偏光成分と垂直な偏光成分の割合は、偏光板２３を回転することによって変えることができる。このため、偏光板２３を回転させると、ピーク４１と４２の高さの比が変化する。
【００４８】
偏光板調整部３５によって偏光板２３を回転させ、ピーク４１と４２の高さが同じになるようにすると、フィルム２５と偏光板２３の光軸の差が４５度になる。前述したように、この状態ではリタデーションに起因するピーク４０の高さが最大になり、高精度でリタデーション値を測定することができる。
【００４９】
このため、偏光板調整部３５でピーク４１と４２の高さが同じになるように偏光板２３の角度を調整するようにすると、常に最適な状態でリタデーションを測定することができる。例えば、光学膜厚が小さい方のピーク（ピーク４１）の高さが他方のピーク（ピーク４２）の高さに比べて高いときは偏光板２３を右方向に回転し、逆のときは左方向に回転するようにすると、常にフィルム２５と偏光板２３の光軸の差を４５度に保つことができる。
【００５０】
このとき、下記（２）式が成立する。偏光板２３の回転角度から偏光板２３の光軸の方向はわかっているので、下記（２）式からフィルム２５の光軸の角度を算出することができる。複屈折角演算・出力部３６は、下記（２）式からフィルム２５の光軸の角度を算出し、出力する。
フィルム２５の光軸の角度＝偏光板２３の光軸の角度＋４５度  ・・・・  （２）
【００５１】
また、フィルム２５の屈折率が既知であると、ピーク４１または４２の位置から算出した光学膜厚を用いて、フィルム２５の物理膜厚を算出することもできる。これは、例えば特許文献２に記載された手法で行うことができる。
【００５２】
図４従来例では偏光板１１と検光板１３でリタデーションを測定する試料１２を挟む構成であった。オンライン測定では試料１２を回転させることができず、かつ偏光板１１と検光板１３を同期して回転させることが難しいので、このリタデーション測定装置をオンライン測定に用いることは困難であるという課題があった。
【００５３】
図１実施例では偏光板２３およびフィルム２５を透過した光を反射鏡２６で反射させ、再びフィルム２５、偏光板２３を透過させる構成とした。偏光板２３は検光板としても動作するので、検光板が不要になる。
【００５４】
このため、フィルム２５の片側に偏光板２３を配置するだけで、フィルム２５のリタデーションを測定することができる。フィルム２５を回転させる必要がなく、また検光板が不要なので、同期制御などの高度な制御は必要なく、かつ構成も簡単になる。このような特性を有するために、オンライン測定に用いることができ、かつ偏光板と検光板の角度ずれも発生しない。
【００５５】
また、光ファイバプローブ２２から出射した光は２度フィルム２５を透過するので、図４従来例と比較してリタデーションの値を２倍に拡大して測定することができる。このため、高精度でリタデーションを測定することができる。図４従来例に比べて２倍の感度を有するので、可視光を用いた場合、測定下限を従来の半分である０．５μｍ程度にすることができる。
【００５６】
また、偏光板２３をフィルム２５に対して傾けて配置したので、偏光板２３の表面で反射された光は斜め方向に反射され、光ファイバプローブ２２に入射されることはない。このため、フィルム２５を透過した光と偏光板２３の表面で反射された光が混合して測定のＳ／Ｎ比を低下させることがなくなる。
【００５７】
なお、フィルム２５の膜厚が厚いと、膜厚に起因するピーク４１、４２が表れないことがある。このような場合には、リタデーションに起因するピーク４０の高さが最大になるように、偏光板２３の角度を制御するようにすればよい。図２の構成では、膜厚ピーク検出部３４と複屈折角演算・出力部３６を省略し、リタデーションピーク検出部３２の出力を偏光板調整部３５に入力する。この場合、フィルム２５の光軸および膜厚を測定することはできない。
【００５８】
また、反射鏡２６を省略することもできる。この場合フィルム２５の裏面から反射した反射光によって干渉が発生し、ピーク４０が生じる。フィルム２５の裏面の反射率は低いために干渉信号の強度が弱くなり、ピーク４０の高さは低くなる。しかし、膜厚に起因するピーク４１、４２と同程度の高さは確保できるので、リタデーションと膜厚の両方を測定する場合にはむしろ好都合になる。この場合も、光ファイバプローブ２２には、フィルム２５から戻り、偏光板２３を透過した光が入射される。
【００５９】
また、一軸延伸フィルム等予め複屈折の軸の角度が予想できる場合には、予め偏光板２３を最適な角度に固定することができる。この場合、偏光板２３を回転する機構（偏光板調整部３５および偏光板回転部２４）は不要になる。
【００６０】
また、偏光板２３の表面から反射した反射光が測定に影響することがない場合には、偏光板２３をフィルム２５と平行に配置することもできる。
【００６１】
さらに、これらの実施例では反射分光スペクトルをフーリエ変換してパワースペクトルを算出し、このパワースペクトルのピーク位置からリタデーション値を算出したが、これに限定されることはなく、反射分光スペクトルを用いて他の手法でリタデーション値を算出してもよい。
【符号の説明】
【００６２】
２０  光源
２１、２７  光ファイバ
２２  光ファイバプローブ
２３  偏光板
２４  偏光板回転部
２５  フィルム
２６  反射鏡
２８  分光部
２９  演算部
３０  反射分光スペクトル取得部
３１  パワースペクトル演算部
３２  リタデーションピーク検出部
３３  リタデーション出力部
３４  膜厚ピーク検出部
３５  偏光板調整部
３６  複屈折角演算・出力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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