(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光干渉計とフォトダイオードアレイとを組合わせたマルチチャネルフーリエ分光器によりサンプルの厚みと水分情報を含んだ近赤外スペクトルを取得し、
該近赤外スペクトルがサンプルの多重反射による干渉成分を含むことからこれをフーリエ変換してサンプルの厚さを算出して求めると共に、
前記近赤外スペクトルから多重反射による干渉成分の振幅及び位相を共に除去して作成されたスペクトルに対して逆フーリエ変換を行うことで厚みの情報が除去された吸収スペクトルを再現させ、
再現された吸収スペクトルを多変量解析することでサンプルの水分を測定することを特徴とする厚さ・水分測定方法。
【請求項２】
サンプルを透過した光を分光する偏光干渉計と、
この偏光干渉計により分光された近赤外スペクトルを検出するフォトダイオードアレイと、
このフォトダイオードアレイにより検出された近赤外スペクトルがサンプルの多重反射による干渉成分を含むことからこれをフーリエ変換してサンプルの厚さを算出して求めると共に、前記近赤外スペクトルから多重反射による干渉成分の振幅及び位相を共に除去して作成されたスペクトルに対して逆フーリエ変換を行うことで厚みの情報が除去された吸収スペクトルを再現させ、再現された吸収スペクトルを多変量解析することでサンプルの水分を測定する分析手段と
を備えることを特徴とする厚さ・水分測定装置。
【請求項３】
前記偏光干渉計は、所定の波長の光を発生する光源と、サンプルを透過した光を分光する回折格子とよりなることを特徴とする請求項２に記載の厚さ・水分測定装置。
【請求項４】
前記偏光干渉計は、所定の波長の光を発生する光源と、サバール板またはウォラストンプリズムとよりなることを特徴とする請求項２に記載の厚さ・水分測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィルムや薄膜の厚さ測定及び水分測定を行う厚さ・水分測定方法及び厚さ・水分測定装置に関し、特に、厚さ測定と水分測定とを同時に行うことができる厚さ・水分測定方法及び厚さ・水分測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、フィルムや他の薄膜の厚さ測定と水分等の測定とを行いたい場合、従来は、厚さのみを測定可能な厚さ計と例えば水分等の測定のみを行うことが可能な水分計とを組み合わせて用いていた。
【０００３】
図７は、水分計と厚さ計とを組み合わせた従来の厚さ水分同時測定装置の概念図であり、サンプル１０５を挟むようにして水分計１０１、１０２を配置し、連続して厚さ計１０３、１０４をを配置して構造となっている。
このような構成の厚さ・水分測定装置においては、水分計１０１、１０２ではサンプル１０５の水分の測定を行い、厚さ計１０３、１０４でサンプル１０５の厚さを測定するという両者は別個にして測定する構造となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の測定装置は、厚さ測定と水分等の測定とを、それぞれ独立した測定装置を用いて行っていたので、全体として装置を小型化することが困難であるという問題点があった。そのため、既設のシステム内の狭い場所に新たに取り付けるといったことが困難となっていた。
【０００５】
従って、単一の光学系及び単一の検出器を有する単一の装置を用いて厚さ測定と水分等の測定とを行うことができるような厚さ・水分測定方法及び厚さ・水分測定装置に解決しなければならない課題を有する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明の厚さ・水分測定方法及び厚さ・水分測定装置は、次に示す構成にすることである。
【０００７】
（１）  偏光干渉計とフォトダイオードアレイとを組合わせたマルチチャネルフーリエ分光器によりサンプルの厚みと水分情報を含んだ近赤外スペクトルを取得し、
該近赤外スペクトルがサンプルの多重反射による干渉成分を含むことからこれをフーリエ変換してサンプルの厚さを算出して求めると共に、
前記近赤外スペクトルから多重反射による干渉成分の振幅及び位相を共に除去して作成されたスペクトルに対して逆フーリエ変換を行うことで厚みの情報が除去された吸収スペクトルを再現させ、
再現された吸収スペクトルを多変量解析することでサンプルの水分を測定することを特徴とする厚さ・水分測定方法。
【０００８】
（２）  サンプルを透過した光を分光する偏光干渉計と、
この偏光干渉計により分光された近赤外スペクトルを検出するフォトダイオードアレイと、
このフォトダイオードアレイにより検出された近赤外スペクトルがサンプルの多重反射による干渉成分を含むことからこれをフーリエ変換してサンプルの厚さを算出して求めると共に、前記近赤外スペクトルから多重反射による干渉成分の振幅及び位相を共に除去して作成されたスペクトルに対して逆フーリエ変換を行うことで厚みの情報が除去された吸収スペクトルを再現させ、再現された吸収スペクトルを多変量解析することでサンプルの水分を測定する分析手段と
を備えることを特徴とする厚さ・水分測定装置。
【０００９】
（３）  前記偏光干渉計は、所定の波長の光を発生する光源と、サンプルを透過した光を分光する回折格子とよりなることを特徴とする（２）に記載の厚さ・水分測定装置。
（４）  前記偏光干渉計は、所定の波長の光を発生する光源と、サバール板またはウォラストンプリズムとよりなることを特徴とする（２）に記載の厚さ・水分測定装置。
【００１０】
このように構成することにより、サンプルの厚さ測定及び水分測定を、単一の装置で同時に行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る厚さ・水分測定方法及び厚さ・水分測定装置の実施形態について、図面を参照して以下、説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る厚さ・水分測定装置の概略構成を示す説明図である。同図に示すように、厚さ・水分測定装置は、所定の波長の光を照明する光源１と、光源１から照明された光をサンプル３上に集光するレンズ２と、サンプル３を通過した所定範囲の光を通過させるスリット４と、スリット４を通過した光を平行化するレンズ５と、レンズ５により平行化された光を面上に多数の溝を刻み、各溝からの回折光相互の干渉によりスペクトルを得るための偏光干渉計を構成する回折格子６と、回折格子６により分光された光、即ち、分光スペクトルを検出するフォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）８と、ＰＤＡ８上に回折格子６により分光された光を集光するレンズ７とから、主に構成されている。
【００１３】
上記構成において、光源１からの光は回折格子６で分光され、その分光スペクトルがＰＤＡ８により検出される。本発明では、スリット４とレンズ２との間にサンプル３を挿入した状態及びサンプル３を挿入していない状態の両方で分光スペクトルを検出し、両状態において得られたスペクトルを比較することにより、サンプル３の透過率特性を取得する。この、透過率特性から、サンプル３の吸光度が、次の式により求められる。
【００１４】
Ａ＝ｌｏｇ（１／Ｔ）    ……    （１）
【００１５】
ここで、Ａは吸光度、Ｔは透過率である。図２は、セロハンフィルムをサンプルとした場合の、吸光度スペクトルの測定例を示す図である。図２から明らかなように、分光スペクトルから得られる吸光度スペクトルには、多重反射による干渉成分が現れる。
【００１６】
そこで、本発明では、後述するように、多重反射による干渉成分を含む測定スペクトルをフーリェ変換（ＦＦＴ）することにより厚さ測定を行い、多重反射による干渉成分を除去した吸収スペクトルの吸光度変化を多変量解析することにより水分測定を行う。以下、具体的に説明する。
【００１７】
（Ａ）厚さ測定
図３は、図２に示したようなスペクトルを、サンプルの厚さを変えて測定し、それぞれをフーリェ変換（ＦＦＴ）した結果を示した図である。この図から明らかなように、厚さの違いにより、フーリェ変換（ＦＦＴ）の結果が異なる。サンプル（薄膜）の多重反射による干渉縞の間隔Ｋとサンプルの膜厚ｄとの関係は、次式で表される。
【００１８】
Ｋ＝１／（２ｎ１ｄ）    ……    （２）
【００１９】
また、干渉縞の間隔Ｋは、フーリェ変換（ＦＦＴ）の結果のピーク次数（周波数）をｆ１とすると、次式により求めることができる。
【００２０】
Ｋ＝（Ｎ・Δσ）／（ｆ１−１）    ……    （３）
【００２１】
（３）式において、Ｎはデータ点の数、Δσはデータ間隔である。データ間隔Δσは、
Δσ＝（νｍａｘ−νｍｉｎ）／Ｎ      ……    （４）
の関係があるので（νは波数）、（４）式を（３）式に代入し、（２）の関係を利用すると、サンプルの厚さｄ’は、次のように求めることができる。
【００２２】
ｄ’＝（ｆ１−１）／｛２・ｎ１・（νｍａｘ−νｍｉｎ）｝      ……    （５）
【００２３】
（Ｂ）水分測定
水分測定は、近赤外分光の原理に基づいて、図２に示したようなスペクトルを用いて、吸光度の変化を多変量解析することにより行われる。この手法においては、図２に示したように干渉成分を含んだままのスペクトルでは正しい吸光度を求めることができないので、それらを除去する必要がある。
【００２４】
即ち、まず、図３に示したフーリェ変換（ＦＦＴ）の結果のデータにおいて、干渉縞と考えられる次数成分の振幅及び位相共に低減させたスペクトルを作成する。そして、作成されたスペクトルに対して逆フーリェ変換（逆ＦＦＴ）を行い、吸光度スペクトルを再現する。再現されたスペクトルの一例を図４に示す。図４から解るように、近赤外領域（０．９〜２．５μｍ（波数で表すと約１１０００〜４０００ｃｍ−１））では、水分の吸収は２箇所で確認することができる。
【００２５】
ここで、吸光度Ａと物質の濃度ｃ（本実施例では水分）との関係は、次のとおりである。
Ａ∝ｃ      ……    （６）
【００２６】
従って、吸光度Ａの変化量を多変量解析することにより、水分量測定を行うことができる。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態によれば、１つの分光器及び１つの検出器を用いて得られた同一の分光スペクトル情報を用いて、厚さ及び水分の測定を同時に行うことができるのである。
【００２８】
なお、本実施形態では、近赤外域のスペクトル測定範囲での測定対象として水の吸収のみに着目したが、水以外の成分であってもこの近赤外域で吸収が確認できる物質であれば、その物質量をも、新たな分光器及び検出器を追加することなく、同時に、測定することが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態では分光器部分に回折格子を用いた構成について説明したが、分光スペクトルが得られるものであれば、他の構成を用いることも可能である。例えば、サバール板（図５）またはウォラストンプリズム（図６）のような複屈折結晶を用いた干渉計と、ＰＤＡ検出器とからなるマルチチャネルフーリエ分光器（ＭＣＦＴ）を用いることも可能である。この場合、ＰＤＡによって検出されるのは、インターフェログラムと呼ばれる干渉信号であるから、これをフーリエ変換することにより、上述した回折格子を用いて得られたのと同様の分光スペクトルを得ることができる。
【００３０】
第１の変形例である、サバール板を使用したマルチチャンネルフーリェ分光器（ＭＣＦＴ）を用いた厚さ・水分測定装置は、図５に示すように、所定の波長の光を照明する光源１と、光源１から照明された光をサンプル３上に平行光にするレンズ１２と、サンプル３を通過した所定範囲の光を通過させる偏光板１４と、互いに直交する偏光成分の間に位相差は与えず、横ずらしだけを与えるための偏光干渉計を構成するサバール板１５と、偏光板１６と、偏光板１６を通過した分光スペクトルをレンズ１７により集光させ、分光スペクトルの干渉縞を検出するフォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）８とからなる。
【００３１】
このような構成におけるマルチチャンネルフーリェ分光器（ＭＣＦＴ）においては、上記図１で説明した回折格子６による分光スペクトルと同様に、上記図２〜図３に示す吸光度スペクトルの透過率を求めて厚さを求め、干渉成分を除去して吸光度スペクトルを求めて水分を算出することは、上記（１）式〜（６）式を用いて算出することと同様である。
【００３２】
次に、第２の変形例のウォラストンプリズムを使用したマルチチャンネルフーリェ分光器（ＭＣＦＴ）を用いた厚さ・水分測定装置について、図６を参照して説明する。
【００３３】
ウォラストンプリズムを使用したマルチチャンネルフーリェ分光器（ＭＣＦＴ）を用いた厚さ・水分測定装置は、図６に示すように、所定の波長の光を照明する光源１と、光源１から照明された光をサンプル３上に平行光にするレンズ２２と、サンプル３を通過した所定範囲の光を通過させる偏光板２４と、互いに直交する振動面をもつ二つの直線偏光を分離して得るための偏光干渉計を構成するウォラストンプリズム２５と、偏光板２６と、偏光板２６を通過した分光スペクトルの干渉縞を検出するフォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）８とからなる。
【００３４】
このような構成におけるマルチチャンネルフーリェ分光器（ＭＣＦＴ）においては、上記第１の変形例と同様に、上記図１で説明した回折格子６による分光スペクトルと同様に、上記図２〜図３に示す吸光度スペクトルの透過率を求めて厚さを求め、干渉成分を除去して吸光度スペクトルを求めて水分を算出することは、上記（１）式〜（６）式を用いて算出するため、その説明は省略する。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、単一の装置を用いてサンプルの厚さ測定及び水分測定を同時に行うことが出来るため、装置自体を小型化にできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る厚さ・水分測定装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】セロハンフィルムをサンプルとした場合の、吸光度スペクトルの測定例を示す図である。
【図３】図２に示したようなスペクトルを、サンプルの厚さを変えて測定し、それぞれをＦＦＴした結果を示した図である。
【図４】再現されたスペクトルの一例を示す図である。
【図５】サバール板を用いた干渉計と、ＰＤＡ検出器とからなるマルチチャネルフーリエ分光器とを用いた厚さ・水分測定装置の概略構成を示す説明図である。
【図６】ウォラストンプリズムを用いた干渉計と、ＰＤＡ検出器とからなるマルチチャネルフーリエ分光器とを用いた厚さ・水分測定装置の概略構成を示す説明図である。
【図７】水分計と厚さ計とを組み合わせた従来の厚さ水分同時測定装置の概念図である。
【符号の説明】
１      光源
２      レンズ
４      スリット
５      レンズ
６      回折格子
７      レンズ
８      フォトダイオードアレイ
１２    レンズ
１４    偏光板
１５    サバール板
１６    偏光板
１７    レンズ
２２    レンズ
２４    偏光板
２５    ウォラストンプリズム
２６    偏光板
【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】
0003797477.tif 000008