(57)【要約】［課題］厚膜透明媒体上の透明薄膜サンプルを高精度に直接測定する。［解決手段］厚膜透明媒体上に配置されたサンプルを測定する測定装置であって、投光面、受光面、厚膜透明媒体、およびサンプルが厚膜透明媒体の裏面から反射するノイズ光を排除するための下記数式（α）を満足するように設定されている測定装置。  ｈ＜（Ｌ／ｎ３）・√（（２Ｈ／Ｄ２）・（２Ｈ／Ｄ２）−ｎ３・ｎ３＋１）・・数式（α）（数式（α）において、ｈは前記受光面から前記サンプルまでの距離、Ｌは前記投光面と前記受光面の間隔の１／２、ｎ３は前記厚膜透明媒体の屈折率、Ｈは前記厚膜透明媒体の厚さ、Ｄ２は前記受光面の口径を表す。）。
2018216410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚膜透明媒体上に配置されたサンプルを測定する測定装置であって、
白色光を発光する光源と、
前記光源から発光された前記白色光を前記サンプルに向けて投光する投光面を有する投光部と、
前記投光面から投光された前記白色光が前記サンプルの表面及び前記厚膜透明媒体の表面で反射することで得られた反射干渉光を受光する受光面を有する伝送路から成る受光部と、
前記受光面により受光された前記反射干渉光に含まれる一定の波長ごとの光について光強度を検出する分光部と、
前記分光部による検出結果に基づいて前記サンプルを測定する測定部とを備え、
前記投光面、前記受光面、前記厚膜透明媒体、および前記サンプルが前記厚膜透明媒体の裏面から反射するノイズ光を排除するための下記数式（α）を満足するように設定されている測定装置。
ｈ＜（Ｌ／ｎ３）・√（（２Ｈ／Ｄ２）・（２Ｈ／Ｄ２）−ｎ３・ｎ３＋１）・・数式（α）
（数式（α）において、ｈは前記受光面から前記サンプルまでの距離、Ｌは前記投光面と前記受光面の間隔の１／２、ｎ３は前記厚膜透明媒体の屈折率、Ｈは前記厚膜透明媒体の厚さ、Ｄ２は前記受光面の口径を表す。）。
【請求項２】
前記投光部の開口数以下となる入射角度で前記サンプルに入射し、その表面で反射された反射光が、前記受光部の開口数以下の入射角度で前記受光部に入射するための下記数式（β）を満足するように設定されている請求項１記載の測定装置。
ｈ≧Ｌ／ｔａｎβ１  かつ  ｈ≧Ｌ／ｔａｎβ２・・数式（β）
（数式（β）において、β１は前記投光部の開口数、β２は前記受光部の開口数を表す。）
【請求項３】
前記受光面に入射する光線に位相が反転した成分が入らないようにするための下記数式（γ）を満足するように設定されている請求項１または２記載の測定装置。
｜ΔＡＡ−ΔＢＢ｜＝２×ｎ２×ｄ×（２π／λ）×｜ｃｏｓγθ−ｃｏｓγα１｜  ＜π・・数式（γ）
（数式（γ）において、ΔＡＡは最短光路の光線の位相差、ΔＢＢは最長光路の光線の位相差、ｎ２は、前記サンプルの屈折率、ｄはサンプルの膜厚（ｍｍ）、はサンプル内の反射角、θは最短光路における反射角、α１は最長光路における反射角を表す。）
【請求項４】
前記受光面の口径が２００ｎｍであり、前記投光面と前記受光面の間隔が０．２ｍｍであり、かつ前記受光面と前記サンプルとの間隔が０．５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である請求項１〜３の何れか一項に記載の測定装置。
【請求項５】
前記受光面の口径が２００ｎｍであり、前記投光面と前記受光面の間隔が０．３ｍｍまたは０．４ｍｍであり、かつ前記受光面と前記サンプルとの間隔が０．８ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である請求項１〜３の何れか一項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記受光面の口径が１００ｎｍであり、前記投光面と前記受光面の間隔が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、かつ前記受光面と前記サンプルとの間隔が１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である請求項１〜３の何れか一項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記受光面の口径が５０ｎｍであり、前記投光面と前記受光面の間隔が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、かつ前記受光面と前記サンプルとの間隔が１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である請求項１〜３の何れか一項に記載の測定装置。
【請求項８】
前記投光部及び前記受光部を収納する単一の光伝達部を備え、
前記光伝達部は、前記投光部の前記投光面から前記白色光を投光し、前記受光部の前記受光面により前記反射干渉光を受光する請求項１〜７の何れか一項に記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再生医療分野において使用される厚膜透明媒体上に展開される種々の測定対象物の厚さ、厚さ変化、反応計測、熱応答、水吸着等を他の光学媒体を介さないで直接測定する測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、再生医療分野において、シャーレ（厚膜透明媒体）の上に配置された透明薄膜サンプルの膜厚を測定することは困難であった。一般的に透明薄膜サンプルの膜厚を測定する方法としては、たとえば、透明薄膜サンプルの反射干渉分光測定を行い、膜厚換算することにより透明薄膜サンプルの膜厚を測定する膜厚測定方法が知られている。しかしながらこの膜厚測定方法では、市販のシャーレ等の裏面反射に由来する光学的なノイズが多すぎるため厚膜透明媒体上に配置された透明薄膜サンプルの膜厚を直接測定することは困難である。【０００３】
レンズ系を用いて厚膜透明媒体上に配置された透明薄膜サンプルの膜厚を測定する測定装置として、特殊光学系を採用することにより、厚膜透明媒体の裏面反射光をカットし、厚膜透明媒体の裏面における反射防止処理等を行うことなく透明薄膜サンプルのみの分光反射率を測定することができる反射率測定装置が知られている（非特許文献１）。しかし、この反射率測定装置は、１点の膜厚算出には使えるものの、焦点調整の条件を再現するのが難しく、完璧な反射干渉成分抽出ができないため、高精度に透明薄膜サンプルの膜厚を測定することはできない。また、膜厚の連続測定を行うことはできず、水中及び大気中で併用して透明薄膜サンプルの膜厚を測定することもできない。【０００４】
一方で、白色光をセンサーチップ上に形成された透明薄膜サンプルに照射し、透明薄膜サンプルの表面で反射した表面反射光と透明薄膜サンプルが塗布されたセンサーチップの底面で反射した底面反射光との干渉成分を分光器で分光、解析することにより透明薄膜サンプルの膜厚を測定可能な反射干渉分光法ＲＩｆＳ（Reflectometric Interference Spectroscopy）が知られている（特許文献１）。このＲＩｆＳにおいては、光ファイバーを用いて表面反射光及び底面反射光を受光するため、焦点調整を行う必要がなく、容易に透明薄膜サンプルの膜厚変化に関係する光干渉ボトムピークシフトを連続測定することができる。また、このＲＩｆＳにおいては、測定精度を高めるために、屈折率が透明薄膜サンプルと大きく異なる媒体や干渉性の高いＳｉＮ基板をセンサーチップとして用意し、ＳｉＮ基板の上に透明薄膜サンプルを形成して透明薄膜サンプルの裏面におけるノイズ反射の低減と干渉シグナルの増強を行い、高精度な膜厚測定、高精度な膜厚連続測定を行うことができる。なお、ＳｉＮ基板は、裏面反射の影響を排除し干渉シグナルを増幅することができるため、ＳｉＮ基板の上に透明薄膜サンプルを配置することにより、水中でも大気中でも高精度な膜厚連続測定を行うことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７８６０７３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】オリンパス株式会社、"工業用顕微鏡  ＵＳＰＭ−ＲＵ ＩＩＩ"、［online］、［平成２９年４月１８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.olympus-ims.com/ja/metrology/lens-spectral/uspm-ru3/＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述のＲＩｆＳにおいては、透明薄膜サンプルをセンサーチップ上に密着する必要がある上、サンプルの膜厚が約十μｍを超えた場合には、干渉シグナルがセンサーチップにより減衰してしまい干渉データが得られなくなるという問題があった。【０００８】
また、光ファイバーを用いた反射干渉分光において、厚膜透明媒体上の透明薄膜サンプルを直接測定することができないという問題があった。なぜならば、厚膜透明媒体として用いられるシャーレの厚さは１ｍｍ程度であるため、シャーレの上に、数十ｎｍ〜数μｍ程度の厚さの透明薄膜サンプルを配置して測定を行った場合、透明薄膜サンプルの反射干渉シグナルがシャーレの反射ノイズに埋もれてしまい、透明薄膜サンプルの反射干渉シグナルを得ることができなくなるからである。【０００９】
本発明の目的は、厚膜透明媒体上の透明薄膜サンプルを高精度に直接測定することができる測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者らは、本発明を完成するに先立って、まず、発明思想の基となる実験として、次のような原理検証を行った。この原理検証は、連続測定に優れたパンフォーカスの光ファイバーの受光系を用いた場合になぜ厚膜透明媒体上の透明薄膜サンプルの干渉シグナルが得られないのかについて原因を究明するために行われた。【００１１】
図２７は、原理検証に用いた光学系１０１を示す図である。図２７に示すように、光学系１０１は、投光用光ファイバー１０３、第１のレンズ１０４、厚膜透明媒体として用いられるポリスチレン製シャーレ１０５、絞り１０７、第２のレンズ１０９、受光用光ファイバー１１０を備えている。また、ポリスチレン製シャーレ１０５の底面には反射板１０６が配置され、ポリスチレン製シャーレ１０５の表面には透明薄膜サンプルとして図示しないゼラチンが配置されている。なお、投光用光ファイバー１０３の光軸と受光用光ファイバー１１０の光軸は直交するように配置されている。【００１２】
この光学系１０１を用いて、投光用光ファイバー１０３からゼラチンに向けて白色光を投光したところ、図２８の左に示すように、３成分の干渉光のビームパターンがゼラチン上に観察された。【００１３】
また、原理検証においては、投光用光ファイバー１０３の光軸と受光用光ファイバー１１０の光軸を直交させて配置させ、第２のレンズ１０９から１２０ｍｍの位置に受光用光ファイバー１１０を配置し、受光用光ファイバー１１０の受光面の位置を変化させることにより、３成分の干渉光のビームパターンの何れかを選択的に受光することができることがわかった。【００１４】
具体的には、受光用光ファイバー１１０の受光面の中心位置を投影ビームの投光系に近い端から５ｍｍとした場合には、ビームパターン１１２として観察された干渉光を受光し、図２８の右上のグラフ１１８に示すスペクトルを得ることができることがわかった。また、受光用光ファイバー１１０の受光面の中心位置を投影ビームの投光系に近い端から６ｍｍとした場合には、ビームパターン１１４として観察された干渉光を受光し、図２８の右中のグラフ１２０に示すスペクトルを得ることができることがわかった。同様に、受光用光ファイバー１１０の受光面の中心位置を投影ビームの投光系に近い端から８．５ｍｍとした場合には、ビームパターン１１６として観察された干渉光を受光し、図２８の右下のグラフ１２２に示すスペクトルを得ることができることがわかった。なお、グラフ１１８、グラフ１２０、及びグラフ１２２は、各干渉光の反射強度を示すものである。横軸は干渉光に含まれる光の波長を示し、縦軸はそれぞれの光の波長ごとの反射強度を示している。【００１５】
ところで、仮にこれらの３成分の干渉光のスペクトルを合波した場合、即ち成分分離をしない場合、図２９に示すように、３成分の干渉シグナルが互いに位相反転して打ち消し合って、表面反射干渉波形が得られなくなることがわかった。すなわち、厚膜透明媒体上に配置されたゼラチンに光ファイバーから投光した光を正反射させた場合には、干渉シグナルが互いに打ち消し合って干渉縞が得られなくなるため膜厚測定ができなくなる。【００１６】
発明者らはこれらの知見に基づき、透明薄膜サンプルの反射干渉シグナルが厚膜透明媒体の反射ノイズに埋もれないようにし、かつ３成分の干渉シグナルが互いに打ち消し合わなわないように３成分の位相の異なる干渉シグナルを分離可能にした最適な構成を実現させるべく、本発明を完成させるに至った。【００１７】
すなわち、上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した測定装置は、以下を有する。
［１］厚膜透明媒体上に配置されたサンプルを測定する測定装置であって、白色光を発光する光源と、前記光源から発光された前記白色光を前記サンプルに向けて投光する投光面を有する投光部と、前記投光面から投光された前記白色光が前記サンプルの表面及び前記厚膜透明媒体の表面で反射することで得られた反射干渉光を受光する受光面を有する伝送路から成る受光部と、前記受光面により受光された前記反射干渉光に含まれる一定の波長ごとの光について光強度を検出する分光部と、前記分光部による検出結果に基づいて前記サンプルを測定する測定部とを備え、前記投光面、前記受光面、前記厚膜透明媒体、および前記サンプルが前記厚膜透明媒体の裏面から反射するノイズ光を排除するための下記数式（α）を満足するように設定されている測定装置。【００１８】
ｈ＜（Ｌ／ｎ３）・√（（２Ｈ／Ｄ２）・（２Ｈ／Ｄ２）−ｎ３・ｎ３＋１）・・数式（α）
（数式（α）において、ｈは前記受光面から前記サンプルまでの距離、Ｌは前記投光面と前記受光面の間隔の１／２、ｎ３は前記厚膜透明媒体の屈折率、Ｈは前記厚膜透明媒体の厚さ、Ｄ２は前記受光面の口径を表す。）。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、厚膜透明媒体上の透明薄膜サンプルを高精度に直接測定することができる測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態に係る測定システムを示す概要図である。
【図２】実施の形態に係る測定システムにおける別軸系の光伝達部と厚膜透明媒体との位置と角度の関係を示す図である。
【図３】実施の形態に係る測定システムにおける同軸系の光伝達部と厚膜透明媒体との位置と角度の関係を示す図である。
【図４】他の実施の形態に係る測定装置に備えられた光伝達部の下端面を示す平面図である。
【図５】実施の形態に係る厚膜透明媒体を上方から視た斜視図および側方から視た図である。
【図６】実施の形態に係る測定システムを用いて実験を行った場合にサンプル上に現れた干渉光のビームパターンを示す図である。
【図７】実施の形態に係る第１のサンプル表面反射干渉光を示す図である。
【図８】実施の形態に係るサンプル表面透過干渉光を示す図である。
【図９】実施の形態に係る第２のサンプル表面反射干渉光を示す図である。
【図１０】実施の形態に係る測定システムにおいて光伝達部を傾斜させずにサンプルの膜厚を測定する場合における特定条件を説明する図である。
【図１１】実施の形態に係る測定システムにおいて光伝達部を傾斜させずにサンプルの膜厚を測定する場合における特定条件を説明する図である。
【図１２】実施の形態に係る測定システムにおいて光伝達部を傾斜させずにサンプルの膜厚を測定する場合における特定条件を説明する図である。
【図１３】実施の形態に係る理論設計例１の干渉測定条件を示す図である。
【図１４】実施の形態に係る理論設計例１の干渉測定条件を示す図である。
【図１５】実施の形態に係る理論設計例２の干渉測定条件を示す図である。
【図１６】実施の形態に係る理論設計例３の干渉測定条件を示す図である。
【図１７】実施の形態に係る理論設計例３の干渉測定条件を示す図である。
【図１８】実施の形態に係る理論設計例４の干渉測定条件を示す図である。
【図１９】実施の形態に係る理論設計例４の干渉測定条件を示す図である。
【図２０】実施の形態に係る理論設計例５の干渉測定条件を示す図である。
【図２１】実施の形態に係る理論設計例５の干渉測定条件を示す図である。
【図２２】実施の形態に係る理論設計例６の干渉測定条件を示す図である。
【図２３】実施の形態に係る理論設計例６の干渉測定条件を示す図である。
【図２４】実施例１において比較例１〜５で得られた分光反射率のスペクトルを示す図である。
【図２５】実施例１において測定１で得られた分光反射率のスペクトルを示す図である。
【図２６】実施例１において測定２〜５で得られた分光反射率のスペクトルを示す図である。
【図２７】原理検証に用いられた光学系を示す図である。
【図２８】原理検証においてサンプル上に現れた干渉光のビームパターン、及び干渉光の反射強度を示すグラフを示す図である。
【図２９】干渉光のスペクトルをすべて合波した場合に干渉波形が得られなくなることを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の測定装置は、以下を包含するものである。
［１］厚膜透明媒体上に配置されたサンプルを測定する測定装置であって、白色光を発光する光源と、前記光源から発光された前記白色光を前記サンプルに向けて投光する投光面を有する投光部と、前記投光面から投光された前記白色光が前記サンプルの表面及び前記厚膜透明媒体の表面で反射することで得られた反射干渉光を受光する受光面を有する伝送路から成る受光部と、前記受光面により受光された前記反射干渉光に含まれる一定の波長ごとの光について光強度を検出する分光部と、前記分光部による検出結果に基づいて前記サンプルを測定する測定部とを備え、前記投光面、前記受光面、前記厚膜透明媒体、および前記サンプルが前記厚膜透明媒体の裏面から反射するノイズ光を排除するための下記数式（α）を満足するように設定されている測定装置。
【００２２】
ｈ＜（Ｌ／ｎ３）・√（（２Ｈ／Ｄ２）・（２Ｈ／Ｄ２）−ｎ３・ｎ３＋１）・・数式（α）
（数式（α）において、ｈは前記受光面から前記サンプルまでの距離、Ｌは前記投光面と前記受光面の間隔の１／２、ｎ３は前記厚膜透明媒体の屈折率、Ｈは前記厚膜透明媒体の厚さ、Ｄ２は前記受光面の口径を表す。）。
［２］前記投光部の開口数以下となる入射角度で前記サンプルに入射し、その表面で反射された反射光が、前記受光部の開口数以下の入射角度で前記受光部に入射するための下記数式（β）を満足するように設定されている［１］記載の測定装置。
【００２３】
ｈ≧Ｌ／ｔａｎβ１  かつ  ｈ≧Ｌ／ｔａｎβ２・・数式（β）
（数式（β）において、β１は前記投光部の開口数、β２は前記受光部の開口数を表す。）
［３］前記受光面に入射する光線に位相が反転した成分が入らないようにするための下記数式（γ）を満足するように設定されている［１］または［２］記載の測定装置。
【００２４】
｜ΔＡＡ−ΔＢＢ｜＝２×ｎ２×ｄ×（２π／λ）×｜ｃｏｓγθ−ｃｏｓγα１｜  ＜π・・数式（γ）
（数式（γ）において、ΔＡＡは最短光路の光線の位相差、ΔＢＢは最長光路の光線の位相差、ｎ２は、前記サンプルの屈折率、ｄはサンプルの膜厚（ｍｍ）、はサンプル内の反射角、θは最短光路における反射角、α１は最長光路における反射角を表す。）
［４］前記受光面の口径が２００ｎｍであり、前記投光面と前記受光面の間隔が０．２ｍｍであり、かつ前記受光面と前記サンプルとの間隔が０．５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である［１］〜［３］の何れか一つに記載の測定装置。
［５］前記受光面の口径が２００ｎｍであり、前記投光面と前記受光面の間隔が０．３ｍｍまたは０．４ｍｍであり、かつ前記受光面と前記サンプルとの間隔が０．８ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である［１］〜［３］の何れか一つに記載の測定装置。
［６］前記受光面の口径が１００ｎｍであり、前記投光面と前記受光面の間隔が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、かつ前記受光面と前記サンプルとの間隔が１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である［１］〜［３］の何れか一つに記載の測定装置。
［７］前記受光面の口径が５０ｎｍであり、前記投光面と前記受光面の間隔が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、かつ前記受光面と前記サンプルとの間隔が１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である［１］〜［３］の何れか一つに記載の測定装置。
［８］前記投光部及び前記受光部を収納する単一の光伝達部を備え、前記光伝達部は、前記投光部の前記投光面から前記白色光を投光し、前記受光部の前記受光面により前記反射干渉光を受光する［１］〜［７］の何れか一つに記載の測定装置。
【００２５】
以下、図面を参照して、実施の形態に係る測定システムについて、厚膜透明媒体上に配置されたサンプルを測定する場合に用いられる測定システムを例に説明する。図１は、実施の形態に係る測定システムを示す概要図である。図１に示すように、測定システム１は、白色光源２、分光器４、光伝達部６、制御部８を備える測定装置１０と、測定対象物となるサンプル１２が配置されたシャーレ１４とから構成されている。
【００２６】
なお、白色光源２、分光器４、光伝達部６は、好ましくは測定装置１０本体に収容されており、この測定装置本体に、例えばＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）の形態をとる制御部８が制御可能に接続される。
【００２７】
白色光源２は、光源用のランプ（図示せず）とこれを格納する筐体（図示せず）とから構成されている。筐体は制御部８との通信機能を有しており、制御部８からソフト的に光量調節可能なものが好ましい。また、光源用のランプは、４００〜８００ｎｍ、あるいは４００〜１０００ｎｍ等の可視から近赤外に連続的な発光を有するものであれば良く、たとえば、ハロゲンランプ、キセノンランプの他、白色ＬＥＤが用いられる。
【００２８】
光伝達部６は、白色光源２で発光された白色光をサンプル１２に投光する投光用光ファイバー６ａ、および投光用光ファイバー６ａから照射された白色光の反射干渉光を受光し分光器４に導く受光用光ファイバー６ｂを備えている。ここで、光伝達部６には、図２に示すように、投光用の光伝達部６Ａと受光用の光伝達部６Ｂを別々に有する光伝達部６（以下、別軸系の光伝達部６という。）と、図３に示すように、単一の光伝達部６で投光と受光の両方を行う光伝達部６（以下、同軸系の光伝達部６という。）の二つのタイプが存在する。また、別軸系の光伝達部６においては、それぞれ投光用の光伝達部６Ａと受光用の光伝達部６Ｂを投光部６Ａ、受光部６Ｂとする。同様に、同軸系の光伝達部６においては、投光用光ファイバー６ａ、受光用光ファイバー６ｂをそれぞれ投光部６Ａ、受光部６Ｂとする。なお、光伝達部６は、コア部分である略円柱状の投光用光ファイバー６ａの周囲をクラッド部分である略円筒状の受光用光ファイバー６ｂが取り囲む構成を有している。
【００２９】
また、別軸系の光伝達部６においては、投光用光ファイバー６ａの周囲を略円筒状の受光用光ファイバー６ｂが取り囲む構成を備えなくてもよい。たとえば、略円柱状の投光用光ファイバー６ａと略円柱状の受光用光ファイバー６ｂとを束ねるようにしてもよい。この場合、光伝達部６を下端面側から視ると、図４に示すように、円形の受光面６ｄと投光面６ｃとが隣接して形成される。
【００３０】
このように、投光用光ファイバー６ａと受光用光ファイバー６ｂとを束ねた場合、受光角度θ１をより大きくしても受光面６ｄで干渉光を受光することが可能となる。
【００３１】
なお、光伝達部６としては、単一の光伝達部６の方が別軸系の光伝達部６よりもコンパクトになり、かつ受光面６ｄへの表面反射干渉光が効率的に入りやすいことから、より好ましい。
【００３２】
分光器４は、受光用光ファイバー６ｂを介して受光した光に含まれる一定の波長間隔ごとの光についての光強度を検出する解析用の機器である。
【００３３】
制御部８は、測定装置１０の各部を統括的に制御する機能を備える機器であり、オペレータから検出動作の実行の入力を受け付けて、測定装置１０への検出動作制御の実行指令を出力する。また、制御部８は、分光器から取得したデータをもとに演算を行う演算機能を備えている。
【００３４】
厚膜透明媒体を代表するシャーレ１４は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、円盤１４ａの周囲に円筒状の周壁１４ｂを備えた構造を有している。ここで、円盤１４ａは、０．１〜５．０ｍｍの厚さＴを有している。この厚さＴは、円盤１４ａの表面から入射した光が反射干渉を起こさない程度の可干渉距離を超えた厚さである。なお、本実施の形態において、厚膜透明媒体は、必ずしもシャーレに限定されず、たとえば、再生医療分野において一般的に用いられるフラスコ、マイクロプレートを用いてもよい。なお、厚膜透明媒体を構成する部材には、たとえばポリスチレン、ポリプロプレン、サイクリックポリオレフィン、ポリカーボネート等のようなポリマー材料やガラス等の透明な部材が用いられる。このため、シャーレ１４の背面に黒紙などを配置し、背面における光の反射率を抑制してもよい。これにより、受光用光ファイバー６ｂによる受光効率をさらに低減することができる。
【００３５】
サンプル１２は、透明な素材から成る測定対象物であり、測定時には１ｎｍ〜１００μｍの厚さの薄膜として円盤１４ａの表面上に配置される。ここで、サンプル１２としては、たとえば、ゼラチンやコラーゲンなどの再生医療の足場材料が用いられる。
【００３６】
以下、実施の形態の測定装置１０を用いてサンプル１２を測定する処理について説明する。なお、ここでは、サンプル１２にコラーゲンを使用し、ポリスチレン製のシャーレ１４を用いる場合を例に説明する。
【００３７】
まず、オペレータは、シャーレ１４の表面上にサンプル１２の水溶液を配置した後、水分を蒸発させてサンプル１２の沈積物を得る。あるいは水溶液配置後、時間経過でサンプル１２を沈積させることもある。またサンプル１２の水溶液が配置されたシャーレ１４を図示しないスピンコーター上に載置し、スピンコーターの回転速度を調整しながらシャーレ１４の表面上にサンプル１２の薄膜を形成させる。
【００３８】
次に、シャーレ１４が光伝達部６の下方の所定の位置に配置され、白色光源２が点灯されると、投光用光ファイバー６ａを透過した白色光が投光面６ｃから出射され、サンプル１２に白色光が照射される。これにより、図６に示すように、サンプル１２上に干渉光のビームパターンとして、第１のサンプル表面反射干渉光のビームパターン２０ａ、サンプル表面透過干渉光のビームパターン２０ｂ、第２のサンプル表面反射干渉光のビームパターン２０ｃが現れる。なお、各干渉光のビームパターンが同心円状であることは、投光用光ファイバー６ａの断面形状が同心円状であることに由来する。
【００３９】
本実施の形態の測定装置１０においては、投光部６Ａ、受光部６Ｂの口径、受光部６ＢのＮ／Ａ（開口数）、投光部６Ａと受光部６Ｂとの間の距離、投光部６Ａとシャーレ１４との間の距離、受光部６Ｂとシャーレ１４との間の距離を適切な関係に設定することにより、測定対象とする干渉光をノイズとなる他の干渉光等から空間的に分離し、選択的に受光することができる。このため、位相の異なる複数の干渉波が合波されて互いに打ち消しあうことが防止され、サンプル１２の膜厚、膜厚の変化を高精度に測定することができる。
【００４０】
ここで、各干渉光について説明する。第１のサンプル表面反射干渉光は、図７に示すように、サンプル１２の表面で反射した反射光と、サンプル１２を透過した後にシャーレ１４の表面で反射した反射光とが干渉することによって得られた干渉光である。なお、この第１のサンプル表面反射干渉光は、他の干渉光と比較して最もコントラストが大きく、膜厚換算を行いやすい干渉光である。
【００４１】
また、サンプル表面透過干渉光は、図８に示すように、シャーレ１４の底面で反射した反射光と、一旦シャーレ１４の表面で反射した後にサンプル１２の表面で反射しさらにシャーレ１４の底面で反射した反射光と、一旦シャーレ１４の底面で反射した後にサンプル１２の表面で反射しさらにシャーレ１４の表面で反射した反射光とが干渉することによって得られた干渉光である。
【００４２】
また、第２のサンプル表面反射干渉光は、図９に示すように、一旦シャーレ１４の底面で反射した後にシャーレ１４の表面で反射し再びシャーレ１４の底面で反射した反射光と、一旦シャーレ１４の底面で反射した後にサンプル１２の表面で反射し再びシャーレ１４の底面で反射した反射光とが干渉することによって得られた干渉光である。
【００４３】
次に、受光面６ｄに入射した干渉光が受光用光ファイバー６ｂを介して分光器４に導かれると、分光器４によって、受光面６ｄに入射した干渉光に含まれる一定の波長間隔ごとの光についての光強度が検出され、分光強度として制御部８に出力される。
【００４４】
制御部８は、分光器４から干渉光の分光強度のデータを取得し、波長帯域ごとに、干渉光の分光強度を基準となる白色光の分光強度で除して反射率を算出する。基準光の分光強度データは、あらかじめ測定装置の組み立て調整時に測定して保有していたものでもよいし、その他の手段によりたとえば測定の都度取得したものでもよい。制御部８は、算出した反射率に基づき反射干渉スペクトルを作成し、反射率のボトム（極小値）とピーク（極大値）を決定する。次に、制御部８は、たとえば予めシミュレーションされた所定の計算式に反射率の極小および極大波長（λ）を代入することにより、サンプル１２の膜厚を算出する。また、制御部８は、ある基準となる反射率の極小または極大波長（ベースライン）に対する、測定された反射率の極小または極大波長の変化量（Δλ）を取得することもできる。この場合、反射率極小波長の変化量（Δλ）に基づいて膜厚の変化量が算出される。
【００４５】
この実施の形態に係る測定システム１によれば、投光部６Ａ、受光部６Ｂの口径、受光部６ＢのＮ／Ａ（開口数）、投光部６Ａと受光部６Ｂとの間の距離、投光部６Ａとシャーレ１４との間の距離、受光部６Ｂとシャーレ１４との間の距離を適切な関係に設定することにより、シャーレ１４の底面における光の反射率を抑制することができる。これにより、測定対象とする干渉光がシャーレ１４の底面における反射ノイズに埋もれることがなくなるため、シャーレ１４上に特殊なセンサーチップを配置することなく、シャーレ１４上に配置されたサンプル１２を直接測定することができる。また、光ファイバーを用いて干渉光を受光するため、膜厚が変化するたびに焦点調節を行う必要がなく、水中でも大気中でもシャーレ１４上に配置されたサンプル１２を連続的に測定することができる。
【００４６】
なお、実施の形態において、伝送路に投光用光ファイバー６ａ、受光用光ファイバー６ｂを用いて説明しているが、これらは一例であり、伝送路は必ずしも光ファイバーでなくともよい。
【００４７】
次に、実施の形態において、シャーレ１４の裏面から反射するノイズ光を排除してサンプル１２を測定するための条件について説明する。
【００４８】
特定条件の主たる要素としては、図２、３中に示される以下の（１）〜（６）があり、補助的に関係するのが投光条件（７）〜（９）である。
【００４９】
（１）受光部６Ｂの口径
（２）受光部６ＢのＮ／Ａ（開口数）
（３）光伝達部６間の距離
（４）受光部６Ｂとサンプル１２の間の距離
（５）シャーレ１４の屈折率
（６）シャーレ１４の厚さ
（７）投光部６Ａとサンプル１２の間の距離
（８）投光部６Ａの口径
（９）投光部６ＡのＮ／Ａ（開口数）
本測定においては、シグナルであるサンプル１２の光干渉成分とノイズであるシャーレ１４内の透過反射成分のうち、受光用光ファイバー６ｂにシグナルのみを入射させることでサンプル１２の膜厚情報が高精度で得られる。次に、光干渉シグナル、ノイズ、投光部と受光部の位置関係について説明する。また別軸系の光伝達部６の場合、投光用光ファイバー６ａは入射光量の調整を行うために傾斜することもあり得るが、理論計算における数値としては、光軸に変化はないので、先端部の口径、位置関係等で記述すればよい。
（光干渉シグナル）
まず、投光部６Ａ、受光部６Ｂ間の距離（３）とサンプル１２からの距離（４）、（７）に応じて、投光用光ファイバー６ａから出射された白色光がサンプル１２の底面と表面で反射し、光が交わり光干渉が発生し、サンプル１２に投光されたときと同じ角度で反射し受光用光ファイバー６ｂに入射される。
【００５０】
実際は光伝達部６の実効径（口径×Ｎ／Ａ）に応じて広がりを持って入るので、光伝達部６の実効口径が小さい程シグナル成分の選別能は高い。
（ノイズ）
一方、シャーレ１４内を透過して、シャーレ１４底面から反射した光は、光干渉シグナルを打ち消すノイズ成分も持っており、受光用光ファイバー６ｂに極力入射させてはならないが、このノイズは、シャーレ１４内を透過する際にシャーレ１４の屈折率×厚み分に応じて屈折し、シャーレ１４の厚み分透過する。シャーレ１４の底面で反射されたノイズ光はシグナル光と位置をずらして出射する投光／受光条件を理論式から導くことができる。
（投光部と受光部の位置関係）
受光用光ファイバー６ｂとサンプル１２とが近いと光の利用効率はよいが、ノイズ成分が入りやすい。遠すぎると光干渉シグナルが劣化するので、両立する関係性が必要となる。同様に投光／受光の反射光角度（投光部６Ａと受光部６Ｂの間の距離とサンプル１２面からの距離で決まる）は、光干渉を起こすために、ある程度必要であるが、角度が大きすぎるとシグナル光を受光できない。
【００５１】
次に、図１０〜１２を参照し、シャーレ１４上に配置されたサンプル１２の膜厚干渉縞測定の条件について説明する。シャーレ１４上に配置されたサンプル１２を直接測定するには、以下に示す３条件を満足する測定システム１が必要である。
【００５２】
条件１）．    投光部６ＡのＮ／Ａ以下となる入射角度でサンプル１２に入射してその表面で反射された反射光が、受光Ｎ／Ａ以下の入射角度で受光部６Ｂに入射すること。
【００５３】
条件２）．    シャーレ１４の底面で反射した反射光が受光部６Ｂに入射しないこと。
【００５４】
条件３）．    最短光路の光線Ａのサンプル１２の位相差ΔＡと最長光路差光線Ｂのサンプル１２の位相差ΔＢの差｜ΔＡ−ΔＢ｜が＜πであること。すなわち、受光部６Ｂ内に入射される光線に位相が反転した成分がないこと。
【００５５】
上述の条件１）により、投光面６ｃ／受光面６ｄとサンプル１２間の距離ｈ（以下、測定器−測定面距離ｈという。）の下限条件式
ｈ≧Ｌ／ｔａｎβ１  かつ  ｈ≧Ｌ／ｔａｎβ２  ・・・・・・・＜１＞
が決定する。
【００５６】
また、上述の条件２）により、測定器−測定面距離ｈの上限条件式
ｈ＜（Ｌ／ｎ３）・√（（２Ｈ／Ｄ２）・（２Ｈ／Ｄ２）−ｎ３・ｎ３＋１）・・・・・・・＜５＞'''
が決定する。
【００５７】
また、上述の条件３）により、投光部６Ａと受光部６Ｂの間の距離２Ｌ（以下、投光−受光間間隔２Ｌという。）、および投光部６ＡのサイズＤ１、受光部６ＢのサイズＤ２が決定する。すなわち、受光センサー内に入る光線の中に位相が反転した成分が入らない条件
｜ΔＡＡ−ΔＢＢ｜＝２・ｎ２・ｄ・（２π／λ）・｜ｃｏｓγθ  −ｃｏｓγα１｜＜π    ・・・・・＜７＞
が決定する。
【００５８】
なお、図１０〜１２に示される符号の示す内容は、以下のとおりである。
ｈ：測定器−測定面距離、Ｌ：投光部６Ａまたは受光部６Ｂから中点までの距離、Ｄ１：投光部６Ａの口径、Ｄ２：受光部６Ｂの口径、β１：投光部６ＡのＮ／Ａ（開口数）、β２：受光部６ＢのＮ／Ａ、α１：最長光路（遠端から遠端）における反射角、α：投光部６Ａの近端から受光部６Ｂの遠端への反射角、θ：最短光路（中点、近端から近端）における反射角、θ１：投光部６Ａの遠端から受光部６Ｂの近端に入射する光線の反射角、ｎ１：投光面６ｃまたは受光面６ｄとサンプル１２との間の媒体屈折率（大気中は１、水中は１．３３）、ｎ２：サンプル１２の屈折率、ｎ３：シャーレ１４内の屈折率、γ：サンプル１２内の反射角、Ｈ：サンプル１２の膜厚、ΔＡＡ：最短光路の光線の位相差、ΔＢＢ：最長光路の光線の位相差
次に、シャーレ１４上の膜厚干渉縞測定条件に関する理論式の導出方法について詳述する。
【００５９】
条件１）に係る下限条件式は、以下に示すように導出される。
・θ≦β１（投光Ｎ／Ａ）  かつ  θ≦β２（受光Ｎ／Ａ）・・・・・・・＜１＞
・α≦β１  かつ  α≦β２  ・・・・・・・・＜２＞
・θ１≦β１  かつ  θ１≦β２  ・・・・・・＜３＞
・α１≦β１  かつ  α１≦β２  ・・・・・・＜４＞
ここで
ｔａｎθ＝Ｌ／ｈ
ｔａｎα＝（２Ｌ＋Ｄ２）／２ｈ
ｔａｎθ１＝（２Ｌ＋Ｄ１）／２ｈ
ｔａｎα１＝（２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２）／２ｈ    を＜１＞，＜２＞，＜３＞，＜４＞に代入して
下記、ｈの下限条件式を得る。
Ｌ／ｈ  ≦ｔａｎβ１  かつ  Ｌ／ｈ  ≦ｔａｎβ２
→ｈ≧Ｌ／ｔａｎβ１  かつ  ｈ≧Ｌ／ｔａｎβ２  ・・・・・・・＜１＞
ｈ≧（Ｌ＋Ｄ２／２）／ｔａｎβ１  かつ  ｈ≧（Ｌ＋Ｄ２／２）／ｔａｎβ２…＜２＞
ｈ≧（Ｌ＋Ｄ１／２）／ｔａｎβ１  かつ  ｈ≧（Ｌ＋Ｄ１／２）／ｔａｎβ２…＜３＞
ｈ≧（Ｌ＋（Ｄ１＋Ｄ２）／２）／ｔａｎβ１  かつ  ｈ≧（Ｌ＋（Ｄ１＋Ｄ２）／２）／ｔａｎβ２・・・・・・・＜４＞
条件２）に係る上限条件式は、以下に示すように導出される。
・ＰＳ＞２Ｌ＋Ｄ２  ・・・・・・・＜５＞
ここで
ＰＱ＝Ｌ＝ｈ・ｔａｎθ
ＱＲ＝ＯＢ＝２Ｈ・ｔａｎφ
ＲＳ＝ｈ・ｔａｎθ
∴ＰＳ＝ＰＱ＋ＱＲ＋ＲＳ
＝ｈ・ｔａｎθ＋２Ｈ・ｔａｎφ＋ｈ・ｔａｎθ
＝２（ｈ・ｔａｎθ＋Ｈ・ｔａｎφ）
＝２（Ｌ＋Ｈ・ｔａｎφ）
これを＜５＞に代入して
２（Ｌ＋Ｈ・ｔａｎφ）＞２Ｌ＋Ｄ２
∴ｔａｎφ＞Ｄ２／２Ｈ  ・・・・・・・＜５＞'
ここで、スネルの法則より
ｎ１・ｓｉｎθ＝ｎ３・ｓｉｎφ
∴ｓｉｎφ＝ｓｉｎθ／ｎ３
∴ｃｏｓφ＝√（１−ｓｉｎφ・ｓｉｎφ）
＝√（１−ｓｉｎθ・ｓｉｎθ／（ｎ３・ｎ３））
これらを＜５＞'に代入して
ｓｉｎθ／√（ｎ３・ｎ３−ｓｉｎθ・ｓｉｎθ）＞Ｄ２／２Ｈ・・・・・・＜５＞''
ここで、ｓｉｎθ＝Ｌ／√（Ｌ・Ｌ＋ｈ・ｈ）を代入すると
√（（ｎ３・ｎ３−１）＋（ｎ３・ｈ／Ｌ）・（ｎ３・ｈ／Ｌ））＜２Ｈ／Ｄ２
∴（ｎ３・ｎ３−１）＋（ｎ３・ｈ／Ｌ）・（ｎ３・ｈ／Ｌ）＜（２Ｈ／Ｄ２）・（２Ｈ／Ｄ２）
∴（ｎ３・ｈ／Ｌ）・（ｎ３・ｈ／Ｌ）＜（２Ｈ／Ｄ２）・（２Ｈ／Ｄ２）−（ｎ３・ｎ３−１）
∴ｎ３・ｈ／Ｌ＜√（（２Ｈ／Ｄ２）・（２Ｈ／Ｄ２）−ｎ３・ｎ３＋１）
∴ｈ＜（Ｌ／ｎ３）・√（（２Ｈ／Ｄ２）・（２Ｈ／Ｄ２）−ｎ３・ｎ３＋１）・・・＜５＞'''
を得る。
・Ｐ'Ｓ'＞２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２  ・・・・・・・＜６＞
ここで
Ｐ'Ｑ'＝ｈ・ｔａｎθ１＝（２Ｌ＋Ｄ１）／２
Ｑ'Ｒ'＝Ｏ'Ｂ'＝２Ｈ・ｔａｎφ１Ｒ'Ｓ'＝ｈ・ｔａｎθ１
∴Ｐ'Ｓ'＝Ｐ'Ｑ'＋Ｑ'Ｒ'＋Ｒ'Ｓ'
＝ｈ・ｔａｎθ１＋２Ｈ・ｔａｎφ１＋ｈ・ｔａｎθ１
＝２（ｈ・ｔａｎθ１＋Ｈ・ｔａｎφ１）
＝２（（２Ｌ＋Ｄ１）／２＋Ｈ・ｔａｎφ１）
＝２Ｌ＋Ｄ１＋２Ｈ・ｔａｎφ１
これを＜６＞に代入して
２Ｌ＋Ｄ１＋２Ｈ・ｔａｎφ１＞２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２
∴ｔａｎφ１＞Ｄ２／２Ｈ  ・・・・・・・＜６＞'
ここで、スネルの法則より
ｎ１・ｓｉｎθ１＝ｎ３・ｓｉｎφ１
∴ｓｉｎφ１＝ｓｉｎθ１／ｎ３
∴ｃｏｓφ１＝√（１−ｓｉｎφ１・ｓｉｎφ１）
＝√（１−ｓｉｎθ１・ｓｉｎθ１／（ｎ３・ｎ３））
これらを＜６＞'に代入して
ｓｉｎθ１／√（ｎ３・ｎ３−ｓｉｎθ１・ｓｉｎθ１）＞Ｄ２／２Ｈ・・・＜６＞''
ここで、ｓｉｎθ１＝（Ｌ＋Ｄ１／２）／√（ｈ・ｈ＋（Ｌ＋Ｄ１／２）・（Ｌ＋Ｄ１／２））を代入すると
（Ｌ＋Ｄ１／２）／√（ｎ３・ｎ３・｛ｈ・ｈ＋（Ｌ＋Ｄ１／２）・（Ｌ＋Ｄ１／２）｝−（Ｌ＋Ｄ１／２）（Ｌ＋Ｄ１／２））＞Ｄ２／２Ｈ
∴ｈ＜（Ｌ＋Ｄ１／２）／ｎ３    ×  √｛（２Ｈ／Ｄ２）・（２Ｈ／Ｄ２）−ｎ３・ｎ３＋１｝・・・・・＜６＞'''
を得る。
前記上限条件の導出式（１）（＜５＞'''）と（２）（＜６＞'''式）を両立するｈが上限限界値となる。実技的には式＜５＞'''が最大値となる。
【００６０】
条件３）に係るサンプル１２の膜厚ｄと測定器の寸法（センサ間隔Ｌ、投光部の口径Ｄ１，受光部の口径Ｄ２）との間の条件式は、以下に示すように導出される。
・ＯＡ＝ｄ／ｃｏｓγ＝ＡＢ
・ＯＢ＝２ｄ・ｔａｎγ
・ＯＣ＝ＯＢ・ｓｉｎθ＝２ｄ・ｔａｎγ・ｓｉｎθ
スネルの法則より
・ｎ１ｓｉｎθ＝ｓｉｎθ＝ｎ２・ｓｉｎγ
＜１＞と＜２＞の光路長差Δは、
Δ＝ｎ２・（ＯＡ＋ＡＢ）−ＯＣ
＝２・ｎ２・ｄ／ｃｏｓγ  −２ｄ・ｔａｎγ・ｓｉｎθ
＝２・ｎ２・ｄ・ｃｏｓγ
よって、最短光路の光線ＡＡでの位相差ΔＡＡは、
ΔＡＡ＝２・ｎ２・ｄ・（２π／λ）・ｃｏｓγθ
最長光路の光線ＢＢでの位相差ΔＢＢは、
ΔＢＢ＝２・ｎ２・ｄ・（２π／λ）・ｃｏｓγα１
よって両者の位相差の差の条件式は
｜ΔＡＡ−ΔＢＢ｜＝２・ｎ２・ｄ・（２π／λ）・｜ｃｏｓγθ  −ｃｏｓγα１｜＜π    ・・・・・・・＜７＞
となる。
【００６１】
さらに、詳細計算を以下に示す。
ｃｏｓγθ＝√（１−ｓｉｎγθ・ｓｉｎγθ）
スネルの法則より
ｎ１・ｓｉｎθ＝ｓｉｎθ＝ｎ２・ｓｉｎγθ
上式に代入して
ｃｏｓγθ＝√（１−（ｓｉｎθ／ｎ２）・（ｓｉｎθ／ｎ２））
ここで
ｓｉｎθ＝Ｌ／√（Ｌ・Ｌ＋ｈ・ｈ）より
ｃｏｓγθ＝√｛１−  Ｌ・Ｌ／（ｎ２・ｎ２・（Ｌ・Ｌ＋ｈ・ｈ））｝
＝√［｛（ｎ２・ｎ２−１）・Ｌ・Ｌ＋ｎ２・ｎ２・ｈ・ｈ｝  ／  ｛ｎ２・ｎ２・（Ｌ・Ｌ＋ｈ・ｈ）｝］  ・・・・・・・・＜８＞
同様にして
ｃｏｓγα１＝√（１−ｓｉｎγα１・ｓｉｎγα１）
スネルの法則より
ｎ１・ｓｉｎα１＝ｓｉｎα１＝ｎ２・ｓｉｎγα１
上式に代入して
ｃｏｓγα１＝√｛１−（ｓｉｎα１／ｎ２）・（ｓｉｎα１／ｎ２）｝
ここで
ｓｉｎα１＝｛（２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２）／２｝  ／  √［｛（２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２）・（２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２）／４｝＋ｈ・ｈ］より
ｃｏｓγα１＝√［１−  （２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２）・（２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２）  ／  ｛ｎ２・ｎ２・｛（２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２）・（２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２）＋４・ｈ・ｈ｝｝］
＝√［｛（ｎ２・ｎ２−１）・（２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２）・（２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２）＋４・ｎ２・ｎ２・ｈ・ｈ｝  ／  ｛ｎ２・ｎ２・｛（２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２）・（２Ｌ＋Ｄ１＋Ｄ２）＋４・ｈ・ｈ）｝｝］・・・・・・＜９＞
＜８＞、＜９＞式を＜７＞式に代入して表面反射干渉光を受光できる。
測定対象膜厚ｄと測定装置の寸法（投光−受光間隔２Ｌ、投光部の口径Ｄ１，受光部の口径Ｄ２）との間の関係を得る。
【００６２】
次に、シャーレ１４上の膜厚干渉縞測定条件に関する理論式の導出について説明する。
（理論設計）
次に、上述した３つの条件についての理論設計について説明する。測定系としては、投光部６Ａ、受光部６Ｂの各サイズ、投光部６Ａと受光部６Ｂの間の距離が任意に設定可能である。また、サンプル１２と投光部６Ａの距離、サンプル１２と受光部６Ｂの距離を変化させることも可能である。なお、本実施の形態において、投光用光ファイバー６ａ、受光用光ファイバー６ｂに代えて、焦点調整が不要なレンズ等の光学部品を投光用、受光用に用いてもよい。また、小型の投光器、受光器を直接配置してもよい。
【００６３】
一方、表面反射干渉成分のみを取り出すためには、理論式で定義される条件を満たす必要がある。即ち、投光部６Ａから出射された光線がサンプル１２に照射されて発生した表面反射干渉光が受光部６Ｂに入射される条件が、測定器−測定面距離ｈの下限となる。そして、照射光のうち、容器裏面まで透過して反射したノイズ成分が含まれない条件が測定器−測定面距離ｈの上限となる。両方の条件を満足することが表面反射干渉成分の測定において重要である。
【００６４】
一方、受光される干渉成分には様々な光線が含まれており、例えば図１２において、投光部６Ａの右端から受光部６Ｂの左端に到達する干渉光は長い距離であり、逆に投光部６Ａ左端から受光部６Ｂ右端のように短い距離の光線もあり位相がずれる危険がある。受光する全ての表面反射干渉成分の位相が反転しない条件も満たす必要がある。この条件においては、サンプル１２の膜厚の影響が大きく出るので、条件によっては、測定可能な膜厚の制限を受ける。
【００６５】
なお、光伝達部６の構造は、条件（１）〜（３）を満足する構造であれば、その形態を問わない。たとえば、投光と受光が同軸であっても別軸であってもよい。また、一方の位置が異なっていても、相対する角度を有してもよく、一方が測定面に直行し他方が傾斜する構造を有してもよい。
【００６６】
なお、干渉位相差の計算は両辺をπで割った式
｜ΔＡＡ−ΔＢＢ｜＝２×ｎ２×ｄ×（２／λ）×｜ｃｏｓγθ−ｃｏｓγα１｜  ＜１
を用いて行った。
（理論式を用いた設計）
理論式を用いた測定装置の設計に当たり、反射干渉測定用同軸光ファイバーとして実績のあるＭＩ−Ａｆｆｉｎｔｙ（コニカミノルタ社製）専用光ファイバーの下記実測値を初期値に用いた。設計要素が沢山あるため、本発明はこれらの設計事例に限られない。
【００６７】
【表１】
2018216410.tif 000003
（１）理論設計例１：測定器−測定面距離ｈ、投光−受光間隔２Ｌの影響
本発明の測定装置では、測定器−測定面距離ｈ（ｍｍ）を通常よりも大幅に接近させた０．４２−０．５９６の間にのみ干渉測定条件が存在することが分かる（図１３参照）。但しｈの上限値、下限値の差が０．２ｍｍしかないため高度な装置精度が要求され、実際には測定が難しい領域であることが分かる。一方、投光−受光間隔２Ｌを大きくするとｈの許容度が大きくなり、測定が容易になることが分かる（図１４参照）。
（２）理論設計例２：測定器−測定面距離ｈの影響
サンプル１２の膜厚を変化させると、６μｍ以上の膜厚は、この装置条件では、干渉波形の位相の反転が生じて打ち消し合うために、測定できなくなることが分かる（図１５参照）。
（３）理論設計例３：投光部６Ａおよび受光部６Ｂサイズの影響
投光部６Ａのこの程度のサイズ差は、測定器−測定面距離ｈの下限、上限に影響が少ないが、サイズが大きくなり過ぎると、干渉位相差が大きくなり過ぎる恐れがあることが分かる（図１６参照）。一方、受光部６Ｂのサイズが小さくなると測定器−測定面距離ｈの下限、上限が大きくなり許容度が大幅に増えることが分かる（図１７参照）。投光部６Ａあるいは受光部６Ｂサイズが大きくなると干渉位相差が増大し測定精度が低下する恐れがあることが分かる。
（４）理論設計例４：投光部６Ａおよび受光部６ＢのＮ／Ａの影響
投光部６ＡのＮ／Ａを小さくし過ぎると投光ｈの下限値が大きくなるが、この程度の差では大きな影響はない（図１８参照）。一方、受光部６ＢのＮ／Ａを小さくすると０．２以下では受光下限値が、裏面反射に関わる上限値を超えてしまい、測定器−測定面距離ｈの適点が存在しなくなるので測定困難であることが分かる（図１９参照）。
（５）理論設計例５：投光−受光間隔２Ｌ増の影響（良化設計）
投光−受光間隔２Ｌを０．３ｍｍあるいは０．４ｍｍと初期の０．２ｍｍから大きくすることで、測定の許容度が増大し、受光部６Ｂサイズとの関係で見ると０．１ｍｍ以下の受光部６Ｂサイズでは、反射干渉光の大部分を受光できる受光側における測定器−測定面距離ｈの下限値（ベスト）も満たすことが分かる（図２０参照）。受光部６Ｂサイズ０．２ｍｍでも、測定器−測定面距離ｈの下限、上限を満たす条件が存在することが分かる（図２１参照）。
（６）理論設計例６：投光−受光サイズ増の影響（劣化設計）
投光部６Ａサイズを大きくすると１ｍｍを超えたところで干渉位相差が１を超えてしまい干渉測定が完全に不可となることが分かる（図２２参照）。また投光部６Ａサイズを０．４ｍｍとして受光サイズを増やしていくと１ｍｍ近辺で干渉位相差が１を超えることが分かる（図２３参照）。
【００６８】
以下、実施の形態に係る測定システム１を用いて行った実験の実施例について説明する。
【実施例】
【００６９】
［試料の調製１］    実施例１〜５を行うに先立って、オペレータは、まず３０ｍｌのサンプル管５本を用意し、表２に示すように、サンプル１２であるゼラチン（ＭＰ  ＢＩＯＭＥＤＩＣＡＬＳ社製Ｇｅｌａｔｉｎ  Ｔｙｐｅ  Ａ）を各々０．１ｇ、０．２５ｇ、０．５ｇ、１ｇ、２ｇ秤量した。更に各々のゼラチンに超純水を加え、サンプル管内におけるゼラチンと超純水の合計重量が各々１０ｇとなるように仕上げた。次に、各サンプル管を室温で３０分膨潤放置した後、各サンプル管内の水とゼラチンを撹拌しながら５０℃に加熱した。これにより、ゼラチンを水に溶解させ、各々１ｗｔ％、２．５ｗｔ％、５ｗｔ％、１０ｗｔ％、２０ｗｔ％の濃度のゼラチン溶液を作製した。なお、作製した各濃度のゼラチン溶液のサンプル番号を順にＧｅｌ１、Ｇｅｌ２、Ｇｅｌ３、Ｇｅｌ４、Ｇｅｌ５とした。【００７０】
次に、厚膜透明媒体としてポリスチレン製のシャーレ１４（岩城硝子社製）を２６ｍｍ×２０ｍｍの大きさにカットしたものを５個用意し、カットされた５個のポリスチレン製シャーレを順次スピンコーターにセットして上述の５種類のゼラチン溶液をポリスチレン製シャーレに塗布した。なお、各々のゼラチン溶液は、まずスピンコーターを回転開始してから５秒後に回転速度５００ｒｐｍになるよう予備加速させた後、６０秒間回転し、余分な塗布液を除去しながらポリスチレン製シャーレに塗布した。次に、ゼラチンが塗布されたポリスチレン製シャーレを６０℃にセットされた乾燥器の中で３０分間加熱乾燥させ、５個のポリスチレン製シャーレ上に厚さ違いのゼラチンを製膜した。次に、電子顕微鏡でゼラチン断面の写真撮影を行った後、ゼラチン膜厚を求めた。【００７１】
【表２】
2018216410.tif 000004
実施例の測定装置の構成においては以下の理論式を用いた。式１と式２はいずれもｈの下限値を規定しているが、より大きい方をｈの下限値として求める。サンプルと受光センサの距離ｈは前記式の下限値と上限値の間に設定する必要がある。サンプルと受光センサの距離ｈを、前記式の下限値と上限値の間に設定しないと、ノイズが増加して反射干渉シグナルが減少する。【００７２】
式１：Ｌ／ｔａｎβ１      投光ｈ（投光部Ａ−測定面距離）の下限値:表面反射干渉光の取り込み条件
式２：Ｌ／ｔａｎβ２      受光ｈ（受光部Ｂ−測定面距離）の下限値: 表面反射干渉光の取り込み条件
式３：（Ｌ／ｎ３）・√（（２Ｈ／Ｄ２）・（２Ｈ／Ｄ２）−ｎ３・ｎ３＋１）  受光ｈの上限値：裏面反射排除条件
式４：|ΔＡＡ−ΔＢＢ｜＝２×ｎ２×ｄ×（２π／λ）×｜ｃｏｓγθｃｏｓγα１｜ ＜１受光面６ｄ内の干渉位相差:
［実施例１］
ＭＩ−Ａｆｆｉｎｉｔｙ用同軸光ファイバーを暗箱内に入れて、Ｚステージで高さを調整可能にした。また、上記同軸光ファイバーに受光部６Ｂのφ２００μｍのコア部を完全に塞ぐ大きさで、かつ１００μｍのピンホールを中心部に開けたスティール製の光不透過マスクを用意し、コア系が１００μｍ径で投受光間隔が０．３ｍｍになるように光学的に真っ黒なマスクを接着して改造した。測定データを分光器４からＵＳＢ経由でパソコンに取り込み、ゼラチンが塗布されたポリスチレン製シャーレの分光強度データを規格化し、ゼラチンが塗布されていないリファレンスシャーレの規格化分光強度で除算して分光反射率を求めた。それらの測定装置の構成と理論計算結果、および膜厚測定結果を以下に示す。【００７３】
【表３】
2018216410.tif 000005
【００７４】
【表４】
2018216410.tif 000006
【００７５】
【表５】
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反射干渉分光用の同軸光ファイバーでも、裏面反射ノイズを除去する設計が入っていないと、表面反射干渉光のみを効率的に抽出することはできず、干渉シグナルも得られない。理論式から、表面反射干渉光を受光する条件であるｈの下限条件と裏面ノイズにかかわるｈ上限条件を満たす位置に受光部６Ｂを配置すべきだが、図２４に示すように、比較例１−５においてはｈ上限以上にあることから理論条件を満たしていない。測定結果もサンプル１２の膜厚にかかわらず、有益な干渉シグナルを受光できていないことが明らかである。受光面６ｄ口径２００μｍの本光ファイバーを用いて、かつ理論式で示される、サンプル１２と受光用光ファイバー６ｂの距離を０．５７ｍｍに設定すれば、シャーレ１４のサンプル１２であっても測定可能であることが分かる。一方、光ファイバーの受光部６Ｂにマスクを接着して受光面６ｄ口径を１００μｍ、投光―受光間隔２Ｌを０．３ｍｍとし、かつｈを最適に制御した以外は全く同じ条件で測定した測定１（図２５参照）、測定２−５（図２６参照）は、ゼラチンの厚さ違いの影響も受けず、精度よく干渉シグナルを受光して、正しい膜厚を算出できた。即ち、受光面６ｄの口径がφ１００μｍ径で投光面６ｃ−受光面６ｄの距離が０．３ｍｍでサンプル１２と受光面６ｄとの間隔を１．７ｍｍに設定した本発明の測定装置はシャーレ１４上の薄膜を正確に測れることが明確となった。【００７６】
尚、ゼラチンの膜厚は、スネルの法則から導出した数式５によって概算値を求めた後、干渉波形シミュレータを用いて詳細なフィッティングをして膜厚を求めた。ゼラチンの屈折率ｎ１は１．５３とした。【００７７】
ｄ＝Ｎ・λ１・λ２／（λ１−λ２）×１／（２・ｎ１・ｃｏｓθ）  …  数式５
Ｃｏｎｔｒａｓｔ＝（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）  …  数式６
［実施例２］
実施例１の測定装置の構成で、付属同軸光ケーブルのコア部分を構成する受光用光ファイバー６ｂがあるが光源には接続しないで、クラッド部分を構成する投光用光ファイバー６ａのみを白色光源（モリテックス社製：ランプハウジングＭＨＦ−Ｖ５０１、ハロゲンランプ  ＭＯＲＩＴＥＸ  ＬＭ−５０  １２Ｖ５０Ｗ）に接続した。一方で、ファイバー径を変化させた以下の光ファイバー（Ｅｄｍｕｎｄ社製）一覧の光ファイバーを選択しサンプル面に対して角度０度で固定し、分光器（浜松ホトニクス社製：ミニ分光器Ｃ１０５３５ＣＡ−５１）に接続した。【００７８】
【表６】
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次に、投光用光ファイバー６ａと受光用光ファイバー６ｂの間隔および受光用光ファイバー６ｂとサンプル１２の距離を表のように調整した。
［実施例２−１］
受光部６Ｂに５０μｍの光ファイバーＦ１を用いた２軸測定系の測定装置を用いた。比較例１、２とも入射干渉光同士で位相反転が生じる条件となっており、理論式を満たしていない。結果としてシャーレ上のゼラチン薄膜も正しく測定できていない。一方、本発明の理論式を満たす条件の測定１〜４の測定装置では、干渉光が精度良く測定でき、膜厚算出にも問題ないことが分かる。即ち、受光面６ｄの口径がφ５０μｍ径で投光面６ｃ―受光面６ｄの距離が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下でサンプルと受光面６ｄとの間隔を２．２ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定した本発明の測定装置はシャーレ１４上の薄膜を正確に測れることが明確となった。【００７９】
【表７】
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【００８０】
【表８】
2018216410.tif 000010
［実施例２−２］
受光部６Ｂに１００μｍ光ファイバーＦ２を用いた２軸測定系の測定装置を用いた。比較例１は、入射干渉光同士で位相反転が生じる条件となっており、比較例２では、ｈの上限、下限の間外にｈを設定しており理論式を満たしていない。結果としてシャーレ上のゼラチン薄膜も正しく測定できていない。一方、本発明の理論式を満たす測定１〜４の測定装置では、干渉光が精度良く測定でき、膜厚算出にも問題ないことが分かる。即ち、受光面６ｄの口径がφ１００μｍ径で投光面６ｃ―受光面６ｄの距離が０．４ｍｍでサンプル１２と受光面６ｄとの間隔を２．２ｍｍに設定した本発明の測定装置はシャーレ１４上の薄膜を正確に測れることが明確となった。【００８１】
【表９】
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【００８２】
【表１０】
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［実施例２−３］
受光部６Ｂに２００μｍ光ファイバーＦ３を用いた２軸測定系の測定装置を用いた。比較例１、２ともｈが理論計算の下限、上限を満たしておらず、かつ比較例１は入射干渉光同士で位相反転が生じる条件となっており、いずれも理論式を満たしていない。結果としてシャーレ１４上のゼラチン薄膜も正しく測定できていない。一方、本発明の理論式を満たす測定１〜４の測定装置では、干渉光が精度良く測定でき、膜厚算出にも問題ないことが分かる。即ち、受光面６ｄの口径がφ２００μｍ径で投光面６ｃ−受光面６ｄの距離が０．３〜０．５ｍｍでサンプル１２と受光面６ｄとの間隔を０．９ｍｍ以上１．５ｍｍ以下に設定した本発明の測定装置はシャーレ１４上の薄膜を正確に測れることが明確となった。【００８３】
【表１１】
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【００８４】
【表１２】
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［実施例２−４］
受光部６Ｂに４００μｍ光ファイバーＦ４を用いた２軸測定系の測定装置を用いた。比較例１、２とも受光面とサンプル間距離ｈの下限値と上限値の逆転が起きており、かつ比較例２では入射干渉光同士で位相反転が生じる条件となっており、理論式を全く満たしていない。結果として干渉波形は測定できない結果であった。このファイバー径では測定できる領域が少ないが、本発明の理論式を満たす条件の測定１では、干渉光が精度良く測定でき、膜厚算出にも問題ないことが分かる。即ち、受光面６ｄの口径がφ４００μｍ径であっても、理論式に基づいて、投光面６ｃ−受光面６ｄの距離を０．８ｍｍでサンプル１２と受光面６ｄとの間隔を１．２ｍｍに設定した本発明の測定装置はシャーレ１４上の薄膜を正確に測れることが明確となった。【００８５】
【表１３】
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【００８６】
【表１４】
2018216410.tif 000016
【符号の説明】
【００８７】
１     測定システム
２     白色光源
４     分光器
６     光伝達部
６Ａ   投光用の光伝達部（投光部）
６Ｂ   受光用の光伝達部（受光部）
６ａ   投光用光ファイバー
６ｂ   受光用光ファイバー
６ｃ   投光面
６ｄ   受光面
８     制御部
１０   測定装置
１２   サンプル
１４   シャーレ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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