JPH0429002B2

JPH0429002B2 -

Info

Publication number: JPH0429002B2
Application number: JP31512986A
Authority: JP
Inventors: Chikayasu Yamazaki; Mutsumi Hayashi; Jun Torikai
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1986-12-25
Filing date: 1986-12-25
Publication date: 1992-05-15
Also published as: JPS63163105A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は、光学的異方性を有し、入射光の振
動方向によつて主たる屈折率の値が異なる、たと
えば延伸された高分子フイルムの膜厚を測定する
ような場合に好適な光干渉式膜厚測定装置に関す
る。

従来の技術高分子フイルムの膜厚を測定する装置には、そ
のフイルムによる、β線や赤外線の吸収を利用す
るものが多いが、これらは、いずれも、高精度な
測定には向かない。より高精度な測定には、たと
えば特開昭56−115905号公報や特開昭61−235707
号公報に記載されている、いわゆる光干渉式が採
用される。

光干渉式膜厚測定装置は、平行な白色光がフイ
ルムによつて反射され、または透過するときの、
干渉現象による分光強度の変化が、白色光の入射
角と、フイルムの膜厚と、屈折率とに依存するこ
とを利用し、上記反射光または透過光の分光強度
の変化を検出し、その変化から膜厚を求めるもの
である。ところが、このような装置で、光学的異
方性をもつフイルムの膜厚を測定すると、SN比
が大きく低下するという問題がある。

すなわち、上記のような装置において、分光強
度の変化を検出するということは、具体的には、
干渉現象による明部または暗部が、いかなる波長
のときに生ずるかを知るということにほかならな
い。したがつて、明部または暗部の位置を高精度
で検出するためには、明部と暗部との強度比、す
なわちコントラストが十分に大きいことが必要に
なる。しかしながら、フイルムは、一般に延伸さ
れているから光学的異方性をもつており、そのた
め、入射光と反射光、または入射光と透過光とを
含む平面（以下、入射面という）に対して平行な
振動方向を有する光の成分（以下、Ｐ波成分とい
う）と、入射面に対して垂直な振動方向を有する
光の成分（以下、Ｓ波成分という）とでは、ある
特別な場合を除き、支配的な屈折率の値が異な
り、Ｐ波成分とＳ波成分とでは、明部と暗部が現
われる波長が異なつてくる。したがつて、白色光
のような、Ｐ波成分とＳ波成分とが混在している
光を使用すると、明部と暗部に関して２つの異な
る分光強度が重なつてしまい、十分なコントラス
トが得られなくなつてしまう。特に、膜厚が厚く
なつてくると、そのようなフイルムは、分光強度
における、明部と暗部とのコントラストがもとも
と小さいうえに、隣接する明部または暗部の波長
が近接することから、膜厚情報をもつ明部と暗部
が互いに打ち消し合つて、コントラストが大きく
低下してしまう。

発明が解決しようとする問題点この発明の目的は、従来の装置の上記欠点を解
決し、測定対象が光学的に異方性をもつものであ
つても、明部と暗部とのコントラストを大きくす
ることができ、高精度な測定を行うことができる
光干渉式膜厚測定装置を提供するにある。

問題点を解決するための手段上記目的を達成するために、この発明において
は、平行な白色光を一定の入射角で測定対象に入
射せしめ、その測定対象による反射光または透過
光を分光器に導き、その分光強度から測定対象の
膜厚を測定するようにした装置であつて、かつ前
記白色光の入射光路上に、偏光子を、その偏光軸
が、任意の一直線偏光方向になるように配置した
ことを特徴とする光干渉式膜厚測定装置が提供さ
れる。もつとも、この発明においては、白色光の
反射または透過光路上に、偏光子を、その偏光軸
が、任意の一直線偏光方向になるように配置して
もよいものである。

この発明においては、白色光の入射光路上か、
測定対象による反射または透過光路上に、偏光子
を、その偏光軸が、任意の一直線偏光方向、つま
りＰ波成分またはＳ波成分の振動方向になるよう
に配置することにより、任意の一直線偏光のみ
が、測定対象に入射せしめられ、または受光され
るようにする。ここで、偏光子は、その偏光軸が
任意の一直線偏光方向に正しく一致するように配
置するのが最も好ましいが、その直線偏光方向に
対して、±30゜の範囲であれば許容できる。この範
囲は、振幅比で、Ｐ波成分（またはＳ波成分）
が、Ｓ波成分（またはＰ波成分）の２倍以上にな
るような範囲である。さらに好ましいのは、±15゜
の範囲にすることである。

偏光子としては、通常、偏光板を使用する。し
かして、偏光板は、分光強度を検出する波長領域
で吸光度が高く、しかも色歪の小さいものである
のが好ましい。かつ、透過率の高いものであるの
が好ましい。

白色光の光源としては、タングステンランプ、
キセノンランプ、ハロゲンランプなどを使用する
ことができる。

反射光または透過光の分光器としては、プリズ
ム型のものや、回折格子型のものなどを使用する
ことができる。また、受光素子としては、たとえ
ばリニアイメージセンサなどを使用することがで
きる。

作用この発明の装置の作用を、入射光路上に偏光子
を配置し、かつ測定対象からの反射光を受光する
ようにしたものについて、以下、説明するが、偏
光子を反射または透過光路上に配置し、その偏光
子を通して反射または透過光を受光するようにし
たものでも、本質的には何ら変わるものではな
い。

さて、平行な白色光が偏光子に入射すると、そ
のＰ波成分またはＳ波成分のみが透過する。すな
わち、直線偏光のみが透過する。

直線偏光は、次いで一定の入射角で測定対象に
入射し、反射されるが、その際、干渉現象によ
り、分光強度が変化する。この変化は、周知のよ
うに、上記入射角と、測定対象の屈折率とが一定
であれば測定対象の膜厚に依存する。したがつ
て、入射角θを一定に維持し、また測定対象の屈
折率ｎをあらかじめ何らかの方法で測定しておけ
ば、反射光の分光強度の変化から、式、ｄ＝［λ_n・λ_n+1／（λ_n−λ_n+1）］／［２・（n²−
sin²θ）^1/2］ただし、ｄ：膜厚 λ_n、λ_n+1：相隣り合う明部または暗部（ピー
ク）の波長（λ_n＞λ_n+1）から膜厚を求めることができる。

実施態様以下、この発明をその一実施態様に基いてさら
に詳細に説明する。

第１図は、偏光子を入射光路上に配置し、かつ
測定対象からの反射光を受光するようにしたこの
発明の装置を示すものである。

第１図において、白色光源１から出射した光
は、コンデンサレンズ２、ピンホール板３、コリ
メータレンズ４を通り、偏光板５を通り、さらに
後述する集光器７に開けられた入射窓８を通つて
測定対象６に導かれるようになつている。しかし
て、偏光板５は、その偏光軸が、測定対象６に対
する白色光の入射面で決まるＰ波成分またはＳ波
成分の振動方向に合わされている。

測定対象６には、集光器７が対向配置されてい
る。この集光器７は、測定対象６上の、膜厚を測
定すべき点に曲率中心をもつ半球状の支持体９を
有し、その支持体９に配設した孔に、多数の光学
繊維１０をその一端において固定し、他端を束ね
てなるものである。すべての光学繊維１０の一端
は、その一端における光学繊維１０の繊維軸が、
測定対象６上の、膜厚を測定すべき点に向くよう
固定されている。

集光器７の後方には、光学繊維１０の他端に対
向して分別用レンズ１１が配置され、さらに、抽
出用ピンホール板１２、コリメータレンズ１３、
平面回折格子１４、結像レンズ１５、イメージイ
ンテンシフアイヤ１６、結像レンズ１７、リニア
イメージセンサ１８がこの順序で配置されてい
る。

さて、上述した装置の作用を説明するに、白色
光源１から出射した白色光は、コンデンサレンズ
２によつてピンホール板３のピンホール上に集光
され、さらにコリメータレンズ４によつて平行に
された後、偏光板５によつてＰ波成分またはＳ波
成分の振動方向をもつ直線偏光のみとなり、これ
が集光器７の入射窓８を通つて、測定対象６上の
測定すべき点に入射せしめられる。

測定対象６上に入射せしめられた光は、その測
定対象６によつて反射されるが、その際、干渉現
象によつて分光強度に変化ができる。この変化
は、上述したように光の入射角と測定対象の屈折
率が一定であれば測定対象６の膜厚に依存してい
る。

ところで、測定対象６に入射した光は、通常、
正反射されるが、測定対象にしわがあつたり、上
下の動きや傾きがある場合には、反射方向が変動
したり、反射光が拡散したりする。しかしなが
ら、この態様においては、多数の光学繊維１０
を、一端が、その一端における繊維軸が測定対象
６の測定すべき点を向くように配列してなる集光
器７を使用しているので、極めて効率的な受光が
可能となる。

さて、反射光は、光学繊維１０によつて分別用
レンズ１１に導かれ、さらに抽出用ピンホール板
１２に導かれる。分別用レンズ１１および抽出用
ピンホール板１２は、各光学繊維１０の他端から
垂直方向に出射される成分のみを分別し、抽出す
る。しかして、抽出された出射光は、コリメータ
レンズ１３によつて平行光にされ、平面回折格子
１４に導かれて分光され、同一平面を形成する、
各波長ごとの光に分離される。

平面回折格子１４から出射した光は、結像レン
ズ１５によつてイメージインテンシフアイヤ１５
上に結像され、干渉現象によつて生じた明部、暗
部を有する光が増幅され、さらに結像レンズ１７
によつてリニアイメージセンサ１８上に結像せし
められて波長ごとの光の強度が検出される。この
検出強度から、干渉現象によつて生じた明部また
は暗部の波長を求め、それに依存するものとして
上述した式から測定対象６の膜厚が演算される。

第２〜４図は、上述した実施態様の装置による
測定例、すなわち波長λ（nm）と、分光強度Ｉと
の関係を示すものである。各図において、ａは偏
光板を設置しなかつた場合であり、ｂは偏光板を
設置してＰ波成分のみを入射せしめた場合であ
り、ｃは同様に偏光板を設置してＳ波成分のみを
入射せしめた場合である。測定対象は、いずれも
ポリエステルフイルムで、かつ触針式厚み計によ
つて測定した厚みが、第２図のものは4.84μmの、
第３図のものは14.7μmの、第４図のものは25μm
のものである。これらの例では、実際に検出され
た分光強度を、装置に固有の分光特性、すなわち
光源、平面回折格子、リニアイメージセンサなど
に固有の分光特性によつて正規化し、干渉現象に
よつて受ける分光強度の変化のみを取り出してい
る。なお、白色光源には100Wのハロゲンランプ
を使用した。また、集光器の入射窓の大きさ、つ
まり測定スポツト径は８mmとした。光学繊維に
は、直径１mmのプラスチツク製光学繊維を使用
し、これを第１図に示したように600本配列した。
さらに、平面回折格子には、ブレーズ波長が
750nm、溝数が1200本／mmのものを使用した。ま
た、リニアイメージセンサとしては、2048ビツト
のCCD（Charge Coupled Device）素子を使用し
た。

第２〜４図から、偏光板を使用したこの発明の
装置によるときは、偏光板を使用しないものにく
らべて分光強度の明部と暗部との強度比、すなわ
ちコントラストが大きく改善されており、明部ま
たは暗部の波長の検出精度が大きく向上すること
がわかる。ここで、ａの測定結果は、明部と暗部
の波長に関して、ｂとｃの測定結果を重ね合わせ
たものになつていることに注目すべきである。

発明の効果この発明は、白色光の入射光路上か、測定対象
による反射または透過光路上に、偏光子を、その
偏光軸が、任意の一直線偏光方向、すなわちＰ波
成分またはＳ波成分の振動方向になるように配置
しているからして、測定例にも示すように、光学
的異方性をもつ高分子フイルム等の膜厚を測定す
るとき、分光強度の明部と暗部との強度比、すな
わちコントラストを大きくすることができるよう
になる。そのため、膜厚情報をもつ明部と暗部の
波長を正確に検出できるようになり、高精度な膜
厚測定を行うことができるようになるばかりか、
光学的異方性をもつもので比較的厚いものでも測
定ができるようになる。これはまた、測定し得る
対象の種類が拡がるということでもある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施態様に係る装置を
示す概略側面図、第２〜４図は、それぞれ異なる
測定例を示すグラフである。１：白色光源、２：コンデンサレンズ、３：ピ
ンホール板、４：コリメータレンズ、５：偏光板
（偏光子）、６：測定対象、７：集光器、８：入射
窓、９：支持体、１０：光学繊維、１１：分別用
レンズ、１２：抽出用ピンホール板、１３：コリ
メータレンズ、１４：平面回折格子（分光器）、
１５：結像レンズ、１６：イメージインテンシフ
アイヤ、１７：結像レンズ、１８：リニアイメー
ジセンサ。

Claims

【特許請求の範囲】１平行な白色光を一定の入射角で測定対象に入
射せしめ、その測定対象による反射光または透過
光を分光器に導き、その分光強度から測定対象の
膜厚を測定するようにした装置であつて、かつ前
記白色光の入射光路上に、偏光子を、その偏光軸
が、任意の一直線偏光方向になるように配置した
ことを特徴とする光干渉式膜厚測定装置。２平行な白色光を一定の入射角で測定対象に入
射せしめ、その測定対象による反射光または透過
光を分光器に導き、その分光強度から測定対象の
膜厚を測定するようにした装置であつて、かつ前
記白色光の反射または透過光路上に、偏光子を、
その偏光軸が、任意の一直線偏光方向になるよう
に配置したことを特徴とする光干渉式膜厚測定装
置。