(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部表面と下部表面を備えた透明フィルムの厚さ及び群屈折率を測定するための装置において、
低コヒーレンス光源からプローブ光信号を発生し、前記プローブ光信号を前記フィルムに加えるための手段と、
部分的に透明な第１の反射鏡と、
第２の反射鏡であって、前記第１と第２の反射鏡の間に前記フィルムを配置し、前記プローブ光信号が前記第１の反射鏡を通過した後、前記フィルムに加えられるとともに、前記フィルムを出る前記プローブ光信号の一部が、前記第２の反射鏡によって反射されて、前記第１の反射鏡に向かって戻されるようにするための第２の反射鏡と、
前記反射によって前記第１の反射鏡に向かって戻されたプローブ光信号を集めるための手段と、
前記集められたプローブ光信号を受信し、前記集められたプローブ光信号から前記フィルムの上部表面によって反射されたプローブ光信号と下部表面によって反射されたプローブ光信号との間の時間遅延を求め、前記第１と第２の反射鏡の間に前記フィルムを配置した場合の、前記第１と第２の反射鏡間における光路変化を求め、前記時間遅延及び前記光路変化から前記厚さ及び群屈折率を決定する受信器とを備えた測定装置。
【請求項２】
上部表面と下部表面を備えた透明フィルムの厚さと群屈折率を測定するための方法において、
低コヒーレンス光源からプローブ光信号を発生して、前記プローブ光信号を前記フィルムに加えるステップと、
部分的に透明な第１の反射鏡を設けるステップと、
第２の反射鏡を設けて、前記第１と第２の反射鏡の間に前記フィルムを配置し、前記プローブ光信号が前記第１の反射鏡を通過した後、前記フィルムに加えられ、前記フィルムを出る前記プローブ光信号の一部が、前記第２の反射鏡によって反射されて、前記第１の反射鏡に向かって戻されるようにするステップと、
前記反射によって前記第１の反射鏡に向かって戻された前記プローブ光信号を集めるステップと、
受信器において、前記集められた前記プローブ光信号から前記フィルムの前記上部表面によって反射されたプローブ光信号と下部表面によって反射されるプローブ光信号との間の時間遅延を求め、前記第１と第２の反射鏡の間に前記フィルムを配置した場合の、前記第１と第２の反射鏡間における光路変化を求め、前記時間遅延及び前記光路変化から前記厚さ及び群屈折率を決定するステップとを有する測定方法。
【請求項３】
上部表面と下部表面と1つ以上のフィルム境界を備えた２つ以上の層を有する透明フィルムの前記層の厚さを測定するための方法において、
低コヒーレンス光源からプローブ光信号を発生して、前記プローブ光信号を前記フィルムに加えるステップと、
反射鏡を設けて、前記プローブ光信号の一部を反射するステップと、
前記フィルム及び前記反射鏡によって反射される光を集めるステップと、
前記集めた光を光学自己相関器に送り、前記層の厚さを求めるステップとを有する測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、反射率計に関するものであり、とりわけ、フィルム、ウェブ、または、シートの厚さ及び群屈折率を測定するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多くの工業プロセスにおいて、フィルム厚の制御は、極めて重要である。例えば、写真フィルムの製造では、裏引き層上に乳剤の均一な層を形成することが必要になる。プロセス制御の観点からすると、フィルムの製造後、実験室でフィルムの測定を行うよりも、フィルムの製造プロセス中にフィルム厚の測定を行うことができるほうが有利である。オフ・ラインでサンプルの測定を実施する場合、かなりの量の欠陥材料の処理が済んでからしか、機械的動作不良の補正を実施することができない。このため、無駄を生じることになる。この明細書では、「フィルム」という用語には、シート及びウェブが含まれている。
【０００３】
フィルム厚を測定するための先行技術による方法は、接触法と非接触法に分けることが可能である。接触法の１つでは、フィルムの両面に物理的に接触するマイクロメータが用いられる。これらの方法には、測定中に、物理的にフィルムを変形させて、測定を不正確なものにしてしまうとか、押し付けたり、引っ掻いたりしてフィルムに損傷を及ぼす可能性があるといった不都合がある。さらに、該方法は、高速で移動するフィルムのオン・ライン測定に適用するのが困難である。
【０００４】
先行技術では、ベータ粒子またはガンマ線のような亜原子粒子または放射線ビームの減衰に基づく非接触法も既知のところである。例えば、このタイプの先行技術による方法の１つでは、フィルムによる電子ビームの減衰を利用して、フィルム厚が求められる。この方法には、４つの欠点がある。第１に、減衰がフィルムの化学組成及び密度によって左右されるので、フィルムの各タイプ毎に、該システムの較正を実施しなければならない。第２に、該システムは、一般に、粒子ビームを発生するため、放射線源に依存している。そして一般に、コスト、安全性、及び、生理学的理由から、放射性材料の利用は制限することが望ましい。第３に、放射線源を一方の面に配置し、検出器をもう一方の面に配置することができるようにするため、フィルムの両面へのアクセスが必要になる。最後に、この方法では、多層フィルムにおける個々の厚さを求めることができない。
【０００５】
先行技術では、光学自己相関器を用いてフィルム厚を測定する方法も既知のところである。本明細書では、光学自己相関器は、可変差分時間遅延を有する干渉計であると定義する。光学自己相関器の実施例の１つについては、例えば、グッドマンの「統計光学」の第５章（Joseph W. Goodman, Statistical Optics, chapter 5, pp.157-170, John Wiley & Sons, 1985）に解説がある。当該技術の熟練者には、光学自己相関器の動作原理は明らかであるが、本特許に関連するので、ここでいくつかの原理について明らかにする。光が２つの異なる光路に分割され、その後、再結合して、フォトダイオードに送られる自己相関干渉計の場合、検出される光の強度は、あるパラメータの関数として測定される。このパラメータは、干渉計の差分光路長△Ｌとすることもできるし、あるいは、干渉計の差分時間遅延△ｔとすることも可能である。これらのパラメータは、△Ｌ＝ｎｃ△ｔによって関連づけられるが、ここで、ｃは真空中における光の速度であり、ｎは差分光路長の媒質（通常は空気）の群屈折率である。差分時間遅延の関数として表される検出光の強度は、入力光のコヒーレンス関数と呼ばれる。従って、フィルムの異なる表面から反射する光間における遅延を求める受信器は、フィルムの異なる表面から反射する光の間における光路遅延を求める受信器と同じ機能を実施する。反射光のコヒーレンス関数におけるピーク間の間隔を求めるのは、同じ機能を果たすもう１つの方法である。そこで、差分時間遅延という用語には、差分光路遅延が含まれるものとする。
【０００６】
マイケルソン干渉計は、こうした自己相関器の一例である。マイケルソン干渉計を利用したフィルム厚測定装置の一例が、フラワノイ（Flournoy)に与えられた米国特許第3,319,515号で教示されている。このシステムの場合、フィルム表面に対してある角度をなす平行光ビームによってフィルムの照射が行われる。フィルムの前面と背面から、反射光信号が発生する。次に、反射光信号を入力として受信するマイケルソン干渉計において発生する自己相関スペクトルのピークを調べることによって、２つの反射表面間の距離が求められる。あいにく、この方法では、群屈折率とフィルム厚の積だけしか求めることができない。この量に変動が検出されると、フィルムの組成が変化したのか、あるいは、厚さが変化したのかを確かめるため、追加測定を実施しなければならない。群屈折率は、媒質中における光パルスの伝搬速度対真空中におけるパルスの伝搬速度の比と定義される。
【０００７】
フィルムが、厚さまたは屈折率の異なるいくつかの層から構成される場合、上記方法では、各層毎の厚さと屈折率の積に関して常に明確な答を得ることができるとは限らない。自己相関干渉計の出力は、その位置が可能性のある各反射境界対に関する光路長差によって決まる、いくつかのピークから構成される。境界数が増すにつれて、ピーク数が急速に増大する。例えば、３層フィルムは、上述のシステムにおけるさまざまな「単一光路」反射に対応する１３のピークを有する出力を発生する。さらに、フィルム内で２回以上反射した光に対応する追加のピークも存在する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、本発明の目的は、薄膜の厚さ及び屈折率を測定するための改良された装置及び方法を提供することにある。
【０００９】
本発明のもう１つの目的は、フィルムと測定装置の間における接触を必要としないシステムを提供することにある。
【００１０】
本発明のさらにもう１つの目的は、ファイバ・リードにおける長さの変動に影響されることがなく、単層フィルムの場合に、フィルムのはためきに適応することが可能なシステムを提供することにある。
【００１１】
本発明のさらにもう１つの目的は、群屈折率とフィルム厚を別個に求めることが可能なシステムを提供することにある。
【００１２】
本発明のさらにもう１つの目的は、多層フィルムにおける個々の層の厚さを求めることが可能なシステムを提供することにある。
【００１３】
本発明の以上の及びその他の目的については、当該技術の熟練者には、本発明の下記の詳細な説明及び添付の図面から明らかになるであろう。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上部表面と下部表面を備えたフィルムの厚さを測定するための装置及び方法から構成される。該装置には、プローブ光信号を発生する低コヒーレンス光源が含まれている。フィルムは、第１と第２の基準反射鏡の間に配置され、第１の基準反射鏡は部分的に反射する。プローブ光信号は、第１の基準反射鏡を通過した後、フィルムに加えられる。フィルムを出るプローブ光信号の一部は、第２の基準反射鏡によって反射され、第１の基準反射鏡に向かって戻される。第１の基準反射鏡を出た光は集光され受信器に対する入力が形成される。受信機は、フィルムの上部表面によって反射される光と下部表面によって反射される光の間における時間遅延、並びに、前記第１の反射鏡と第２の反射鏡の間に前記フィルムを挿入することによって生じる前記第１の反射鏡と第２の反射鏡の間における光路長の変化を求める。本発明の望ましい実施例の場合、受信器は、結合された光信号から測定される周波数領域のスペクトルのフーリエ変換を可能にする回路要素を含む、光学自己相関器または光学スペクトル分析器から構成される。基準反射鏡のうち１つだけしか利用しない実施例は、多層フィルムが利用される場合に、受信器からの出力スペクトルを単純化するための手段を与える。
【００１５】
【実施例】
本発明を実施した測定装置である厚さモニタ装置の望ましい実施例の略図である図１を参照することによって、先行技術に対する本発明の方法の利点がより容易に理解できるであろう。厚さモニタ装置１０が、低コヒーレンス光源１２を利用して光信号すなわちプローブ光信号を発生する。光信号は、後で詳述する基準プレート２５を通過した後、測定すべきフィルム１５に加えられる。フィルム１５の後方には第２の基準反射鏡２６が配置されている。基準反射鏡２６も部分反射表面とすることが可能である。反射によってファイバ１４に戻される光が、レンズ２７によって集められ、カップラ１６とファイバ１７によって受信器１８に送られる。受信器１８は、自己相関器が望ましいが、さらに詳細に後述するように、他の形態の受信器を利用することも可能である。
【００１６】
光源１２のコヒーレンス長は、測定を受けるフィルムの厚さに比べて短くなければならない。こうした光源は、光学反射率測定技術において一般的であり、従って、ここでは詳細に論じない。ここでの論述のためには、光源１２にエッジ発光の発光ダイオードを利用することが可能であるという点について特に言及しておけば十分である。
【００１７】
マイケルソン干渉計から構成される典型的な自己相関器１８が、１８で示されている。マイケルソン干渉計に入射する光は、ビーム分割器１９によって異なる光路を通る２つのビームに分割される。第１の光路は、固定鏡２０の位置によって決まり、第２の光路は、可動鏡２１の位置によって決まる。異なる光路を通り抜けた後、光はビーム分割器１９によって再結合されて、フォトダイオード２２に送られ、光の干渉のために鏡２１の位置に応じて変化する光の強度が測定される。
【００１８】
干渉計の基準アームの差が光を反射した２つの異なる表面間における光路長の差に等しい場合には、フォトダイオード２２に必ず強度のピークが生じることになる。各反射がそれ自体とオーバラップする場合に相当するｘ＝０において、必ず大きいピークが生じる。
【００１９】
次に、プレート２５と反射鏡２６の間の間隙にフィルムが配置される前と後における、受信器１８の出力をそれぞれ示す図２及び３を参照する。フィルムがなければ、受信器１８の出力には、基準反射鏡間の間隔であるｘ＝ｄにピークが含まれることになる。フィルムが導入されると、図３に３２で示すように、このピークがｘ＝ｄ＋（ｎ−１）ｔまで移行する。原理上、レンズ２７に最も近い反射鏡２５の表面に対応するピークも生じることになる。この追加表面からの反射は、有用な追加情報を全く提供しないので、表面にある角度をつけるか、または、表面に反射防止コーティングを施すことによって、これらの反射を抑制することが可能である。
【００２０】
間隙にフィルムを挿入すると、フィルムの一方の表面及び基準表面の１つを含む、さまざまな新しい組み合わせの表面からの反射によって生じるいくつかの他のピークも生じることになる。図３には、このタイプの典型的なピークが３４で示されている。最後に、フィルムの２つの表面からの反射に対応する１つのピークが生じることになる。このピークは、図３に３３で示すように、ｘ＝ｎｔに生じることになる。留意すべきは、ほぼｘ＝０に対称をなすように位置する第２組のピークが、やはり受信器１８の出力に生じるという点である。
【００２１】
単一の均一なフィルムが間隙内に存在する場合、ピーク３１のシフト及びピーク３３の位置によって、ｎとｔの両方を求めるのに十分な情報が得られる。２つ以上の層が存在する場合、ピーク・パターンの判定を単純化するため、追加反射を利用することが可能であり、これにより、各層の厚さに関する情報を得ることが可能になる。
【００２２】
フィルムが２層から構成され、フィルムの前にある基準反射鏡の反射率が、個々のフィルム境界の反射率よりもかなり大きい場合について考察する。図４には、こうした構成が示されている。ファイバ２１０によって送られる光は、レンズ２１２によって平行化され、次に、部分反射プレート（すなわち基準反射鏡）２１４を通過して、２層フィルム２１６に当たる。基準反射鏡から第１の層の表面までの距離をｔ0で表すことにする。同様に、第１と第２の層の厚さを、それぞれ、ｔ1及びｔ2で表すことにする。
【００２３】
基準表面とフィルムの境界の間において可能性のある反射の組み合わせが３つ存在する。これらの反射は、ｔ0、（ｔ0＋ｎ1ｔ1）、及び、（ｔ0＋ｎ1ｔ1＋ｎ2ｔ2）のｘ値に対応するが、ここで、ｎ1およびｎ2は、第１と第２の層のそれぞれの屈折率である。これらの反射に対応するピークが、図５に示されている。図面の簡略化のため、群屈折率値は省略されている、すなわち、例えばｎ1ｔ1がｔ1として示されている。留意すべきは、ｔ0を調整することによって、受信器の出力の他のピークをこれらのピークから隔てるための間隔が得られるという点である。さらに、留意すべきは、スペクトルにおけるピークの順序が、層の空間配列と同じであるという点である。従って、基準反射鏡は、受信器の出力の解釈を単純化するための手段も提供する。受信器１８からの自己相関器出力の単純化に必要なのは、１つの基準反射鏡だけである。図１に示す反射鏡２５及び２６のいずれかが、この目的のために機能することになる。
【００２４】
用途によっては、シートの均一性をテストするために、シート上のいくつかの異なる位置における厚さの測定が所望される場合もある。本発明によれば、図１に示すように、ファイバ１４に追加３ｄＢカップラを挿入するか、または、カップラ１６を出る追加ファイバを利用して、信号を追加ファイバに分割し、追加プローブの構成に用いられるようにすることによって、こうした多点測定が可能になる。各プローブの寸法が、他のプローブと十分に異なるように選択され、フィルムから基準表面までの距離が、同様に十分異なるように選択されると、個々のプローブ測定値を同じ自己相関器に対して多重化することが可能になる。十分な差が存在すれば、追加プローブ対によって導入される追加ピークは、互いにはっきりと区別がつくことになる。
【００２５】
本発明の上述の実施例は、自己相関器としてマイケルソン干渉計を利用したものであるが、他の形態の自己相関器を利用することも可能である。例えば、波長または光学周波数の関数として光学パワーを測定する光学スペクトル分析器を利用することが可能である。周波数領域スペクトルのフーリエ変換によって、自己相関器の出力と同じ出力が得られる。
【００２６】
本発明の上述の実施例では、受信器に自己相関器が利用されているが、他のタイプの反射率計受信器を利用することも可能である。こうした代替構成が、図６に１００で示されている。低コヒーレンス光源１２からの光は、カップラ１６１によって２つの信号に分割される。ファイバ１６４の信号は、上述のように、測定を受けるフィルムに加えられる。カップラ１６１によって発生した第２の光信号が、可動鏡１２１を含む可変反射光路（基準光路）を通り抜けた後、カップラ１６１において、反射によってファイバ１６４に戻された光と結合される。基準光路の遅延が反射鏡のあるプローブ・アームにおける信号の通過時間と一致すると、カップラ１６１において結合された信号は、構成的干渉を受けることになる。カップラ１６１を出る光の強度は、光検出器１２１によって測定される。このタイプの受信器は、市販品として購入することが可能である（例えば米国ヒューレット・パッカード製ＨＰ８５０４  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｒ）。鏡位置Ｘの関数としてのフォトダイオードの出力から、上述のようにフィルム厚及び群屈折率を求めることが可能である。
【００２７】
この構成には、フィルムの反射を弁別するのに十分な空間分解能を備えた任意のタイプの反射率計を用いることが可能である。しかし、その結果が、個々のファイバの長さの変動に影響を受けやすいので、この構成は望ましいものではない。こうした変動は、温度の揺動または機械的応力のために生じる可能性がある。これに対し、自己相関受信器によって得られる結果は、こうした揺動に左右されない。
【００２８】
本発明は、「上部」表面と「下部」表面を備えたフィルムに関連して説明したが、これらの用語は、フィルムの２つの表面に関する単なる便宜上の表示にすぎない。従って、これらの用語は、本発明の範囲を制限するものと解釈すべきではない。
【００２９】
当該技術の熟練者には、以上の説明及び添付の図面から本発明に対するさまざまな修正が明らかになるであろう。従って、本発明は、付属の請求の範囲によってのみ制限されるものとする。以下に本発明の要旨の理解を容易にするため本発明の実施態様のいくつかを列記する。
【００３０】
（実施態様１）
上部表面と下部表面を備えた透明フィルム［１５］の厚さを測定するための装置［１０、１００］において、低コヒーレンス光源［１２］からプローブ光信号を発生し、前記プローブ光信号を前記フィルム［１５］に加えるための手段［１４、１６、１６１、１６４］と、部分的に透明な第１の反射鏡［２５］と、前記第１の反射鏡［２５］と、前記フィルム［１５］とを通過した前記プローブ光信号を、前記第１の反射鏡［２５］に向かって反射するための第２の反射鏡［２６］と、前記反射によって前記第１の反射鏡［２５］に向かって戻されたプローブ光信号を集めるための手段［１６］と、前記集められたプローブ光信号を受信し、前記集められたプローブ光信号から前記フィルム［１５］の上部表面によって反射されたプローブ光信号と下部表面によって反射されたプローブ光信号との間の時間遅延を求め、前記第１と第２の反射鏡［２５、２６］の間に前記フィルム［１５］を配置した場合の、前記第１と第２の反射鏡［２５、２６］間における光路の変化を求めるための受信器［１８］とを備えた、測定装置。
【００３１】
（実施態様２）
前記受信器［１８］が光学自己相関器を備えたことを特徴とする実施態様１に記載の測定装置［１０、１００］。
（実施態様３）
前記受信器［１８］が光学反射率計を備えたことを特徴とする実施態様１に記載の測定装置［１０、１００］。
（実施態様４）
前記受信器［１８］が光学スペクトル分析器を備えたことを特徴とする実施態様１に記載の測定装置［１０、１００］。
【００３２】
（実施態様５）
上部表面と下部表面を備えた透明フィルム［１５］の厚さを測定するための装置［１０、１００］において、低コヒーレンス光源［１２］からプローブ光信号を発生し、前記プローブ光信号を前記フィルム［１５］に加えるための手段と、前記プローブ光信号の一部を反射するように、前記フィルム［１５］の一方の面に配置される部分反射鏡と、前記反射鏡及び前記フィルム［１５］によって反射された光を集めるための手段［１４、１６、１６１、１６４］と、前記集められた光信号を受信し、前記フィルム［１５］の前記上部表面から反射した光と前記下部表面から反射した光との間の時間遅延を求めるための受信器［１８］とを備えた、測定装置。
【００３３】
（実施態様６）
上部表面と下部表面を備えた透明フィルム［１５］の厚さと群屈折率を測定するための方法において、低コヒーレンス光源［１２］からプローブ光信号を発生して、前記プローブ光信号を前記フィルム［１５］に加えるステップと、部分的に透明な第１の反射鏡［２５］を設けるステップと、第２の反射鏡［２６］を設けて、前記第１と第２の反射鏡［２５、２６］の間に前記フィルム［１５］を配置し、前記プローブ光信号が前記第１の反射鏡［２５］を通過した後、前記フィルム［１５］に加えられ、前記フィルム［１５］を出る前記プローブ光信号の一部が、前記第２の反射鏡［２６］によって反射されて、前記第１の反射鏡［２５］に向かって戻されるようにするステップと、前記反射によって前記第１の反射鏡［２５］に向かって戻された前記プローブ光信号を集めるステップと、受信器［１８］において、前記集められた前記プローブ光信号から前記フィルム［１５］の前記上部表面によって反射されたプローブ光信号と下部表面によって反射されるプローブ光信号との間の時間遅延を求め、前記第１と第２の反射鏡［２５、２６］の間に前記フィルム［１５］を配置した場合の、前記第１と第２の反射鏡［２５、２６］間における光路の変化を求めるステップとを有する、測定方法。
【００３４】
（実施態様７）
前記受信器［１８］が、光学自己相関器を含むことを特徴とする、実施態様６に記載の測定方法。
（実施態様８）
前記受信器［１８］が、光学反射率計を含むことを特徴とする、実施態様６に記載の測定方法。
（実施態様９）
前記受信器［１８］が、光学スペクトル分析器を含むことを特徴とする、実施態様６に記載の測定方法。
【００３５】
（実施態様１０）
上部表面と下部表面を備えた透明フィルム［１５］の厚さを測定するための方法において、低コヒーレンス光源［１２］からプローブ光信号を発生して、前記プローブ光信号を前記フィルム［１５］に加えるステップと、反射鏡を設けて、前記プローブ光信号の一部を反射するステップと、前記フィルム［１５］及び前記反射鏡によって反射される光を集めるステップと、前記集めた光から前記フィルム［１５］の前記上部表面によって反射された光と前記下部表面によって反射された光との間の時間遅延を求めるステップとを有する、測定方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による厚さモニタ装置の望ましい実施例に関する概略図である。
【図２】基準反射鏡間にフィルムが存在しない場合に、自己相関受信器によって生じる出力を示す図である。
【図３】基準反射鏡間に測定されるフィルムが挿入された場合に、自己相関受信器によって生じる出力を示す図である。
【図４】２層のフィルムの測定時に、自己相関器の出力の解釈を単純化するために１つの反射鏡が用いられる構成を示す図である。
【図５】図４に示す構成を利用した場合に、自己相関受信器によって発生する出力を示す図である。
【図６】受信器に光学反射率計を利用した本発明の他の実施例に関する概略図である。
【符号の説明】
１０    厚さモニタ装置
１２    低コヒーレンス光源
１５    フィルム
１６    カップラ
１７    ファイバ
１８    受信器
１９    ビーム分割器
２０    固定鏡
２１    可動鏡
２２    フォトダイオード
２５    基準プレート
２６    基準反射鏡
１００  代替厚さモニタ装置
１２１  可動鏡
１６１  カップラ
１６４  ファイバ
２１０  ファイバ
２１２  レンズ
２１４  部分反射プレート
２１６  ２層フィルム
【図１】
0003867736.tif 000002
【図２】
0003867736.tif 000003
【図３】
0003867736.tif 000004
【図４】
0003867736.tif 000005
【図５】
0003867736.tif 000006
【図６】
0003867736.tif 000007