JPH09119815A

JPH09119815A - フィルム厚の測定方法及び装置

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Publication number: JPH09119815A
Application number: JP8224836A
Authority: JP
Inventors: Wayne V Sorin; ウエイン・ヴィー・ソリン; Brian L Heffner; ブライアン・エル・ヘフナー; Shalini Venkatesh; シャリーニ・ヴェンカテシュ
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1995-08-28
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 1997-05-06
Anticipated expiration: 2016-08-27
Also published as: JP3922742B2; EP0762077B1; DE69631400T2; EP0762077A2; EP0762077A3; US5610716A; DE69631400D1

Abstract

(57)【要約】【課題】フィルムの厚さを高精度で高速測定する。【解決手段】中心周波数を有し該中心周波数の０．１
％を超える関数スペクトル幅を有する光信号を低コヒー
レンス光源(１２）からフィルム(１３）に送り、反射光
を集めて結合手段(１５）により干渉計(１８）に結合し
て、干渉光信号を発生する。低密度でサンプリングした
前記干渉光信号のフーリエ変換の位相勾配を周波数の関
数として求め、その結果からフィルム(１３）の厚さを
測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学反射率測定に関す
るものであり、とりわけ、フィルム、シート、または、
ウェブの厚さを測定するための装置及び方法に関するも
のである。

【０００２】

【発明の背景】多くの工業プロセスでは、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、裏引き層に均一な乳剤の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
製造後に実験室でフィルム厚を測定するよりも、フィル
ム製造プロセス中に、フィルム厚の測定が行えるほうが
有利である。オフ・ラインでサンプルの測定を行う場
合、かなりの量の欠陥材料の加工が済むまで、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。本明細書では「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割することが可能であ
る。接触法の１つでは、フィルムの両面に物理的に接触
することになるマイクロメータが用いられる。これらの
方法には、測定中にフィルムを物理的に変形させるた
め、測定が不正確になったり、ピッチングまたはスクラ
ッチによってフィルムに損傷を与える可能性があるとい
う欠点が備わっている。さらに、この方法は、高速移動
するフィルム・ウェブのオン・ライン測定に用いるのが
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の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、３つの欠
点がある。第１に、減衰がフィルムの化学組成と密度に
よって決まるので、該システムは、フィルムの各タイプ
毎に較正しなければならない。第２に、該システムは、
一般に、放射線源に依存して、粒子ビームを発生する。
コスト、安全性、及び、生理学的理由から、一般に、放
射線材料の利用は制限することが望ましい。第３に、一
方の面に放射線源を配置し、もう一方の面に検出器を配
置することができるようにするため、一般に、フィルム
の両面に対するアクセスが必要になる。

【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。ここで
の論述のため、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される。マイケルソン干渉計
が、こうした自己相関器の一例である。例えば、フラー
ノイ（Ｆｌｏｕｒｎｏｙ）に与えられた米国特許第３，
３１９，５１５号の明細書には、マイケルソン干渉計を
利用したフィルム厚測定の記載がある。このシステムの
場合、フィルムは、フィルム表面に対してある角度をな
す平行ビームの照射を受ける。フィルムの正面及び背面
によって、反射光信号が発生する。次に、反射光を入力
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。

【０００６】極めて薄いフィルムの測定に対するこのタ
イプの自己相関テクノロジの適用には、いくつかの問題
がある。干渉計の出力は、いくつかのピークを示す包絡
線関数によって変調される正弦フリンジ・パターンであ
る。極めて薄いフィルムの厚さを正確に測定するために
は、各ピークの中心を高い精度で求めなければならな
い。先行技術のシステムでは、干渉計の出力は、基本と
なる正弦波のサイクル毎に少なくとも２つのサンプルが
選択される、ナイキスト基準によって指定される割合で
サンプリングが行われる。高速処理を必要とするシステ
ムの場合、結果生じるデータ・点数によって、該システ
ムにかなりの計算上の負担をかけることになる。この負
担に適応するために、測定システムのコストを増すこと
になる、より高価な計算エンジンを利用しなければなら
ない。

【０００７】ピーク中心の差の精度は、やはり、フィル
ムの照射に用いる低コヒーレンス光源のスペクトル幅に
よって決まる。さらに詳細に後述するように、光源の幅
が増すほど、その差をより正確に求めることが可能にな
る。先行技術による干渉計を用いたフィルム測定システ
ムでは、白色光源と発光ダイオード（ＬＥＤ）のいずれ
かが用いられている。白色光源の場合、必要なスペクト
ル幅が得られるが、フィルムに結合可能な光の強度が低
すぎるので、多くの用途において十分なＳ／Ｎ比（信号
対雑音比）が得られない。ＬＥＤ光源の場合、より強い
パワーが得られるが、光源のスペクトル幅が狭すぎて、
最適な分解能が得られない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】概括すれば、本発明の
目的は、薄膜の厚さ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、基本と
なる正弦波の周期毎に２つ以上のサンプルを必要とする
サンプリング・レートを必要とせずに、フィルム厚を正
確に求める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、スペク
トル幅の広い光源で得られる利点を得ると同時に、測定
を受けるフィルムに対して、白色光源を用いて結合する
ことが可能な光の強度を上回る強度の光を結合するシス
テムを提供することにある。

【００１２】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、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。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、フィルム厚を
測定するための装置及び方法である。２つ以上のＬＥＤ
を備えた光源から発生するのが望ましい低コヒーレンス
光信号によって、フィルムの照射が行われる。フィルム
の表面から反射した光は、集められ、干渉計に結合され
る。干渉計からの信号出力の一部に関するフーリエ変換
の勾配を用いて、フィルム厚が求められる。本発明の望
ましい実施例の場合、干渉計の出力は、低コヒーレンス
光信号のサイクル毎に２つ未満の点でサンプリングされ
る。

【００１４】

【実施例】本発明は、本発明に基づく装置１０を通過す
るフィルム１３の厚さの測定を示す図１及び２を参照す
ることによってより容易に理解することが可能になる。
装置１０は、超高輝度発光ダイオードまたはＬＥＤが望
ましい光源１２によって発生する低コヒーレンス光を用
いてフィルム１３を照射する。ここでの、低コヒーレン
ス光源は、その中心周波数の０．１％を超える関数スペ
クトル幅を備えた光源であると定義される。その光は、
光ファイバ１４及びレンズ１５を介してフィルム１３に
送られる。レンズ１５は、フィルム１３上に光を集束さ
せ、反射光の一部を集めて、ファイバ１４に結合して戻
す。集光の一部は、光学結合器１６及びファイバ１７を
介して自己相関器１８に送られる。光ファイバと共に用
いられる光学結合器は、当該技術において周知のところ
であり、従って、これ以上詳細な説明は行わない。

【００１５】自己相関器１８に送られる光信号には、フ
ィルム１３に入射した光がフィルム１３の２つの表面か
ら反射することによって生じる２つの光信号が含まれ
る。フィルム１３がηに等しい群屈折率及び厚さＬを備
えている場合、２つの光信号は、時間的に２ηＬ／ｃだ
け分離されることになる（ここで、ｃは光の速度であ
る）。自己相関器に入射する光は、ビーム分割器１９に
よって２つのビームに分割され、異なる光路を通ること
になる。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ると、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
の強度が測定され、その測定値はデータ処理手段２３に
より処理され所望の厚さが算出される。光の強度測定と
厚さの算定については、以下で述べる。

【００１６】図２には、鏡２１の位置Ｘの関数f(X)とし
ての光の強度が示されている。この強度関数は、５１〜
５３で示すように干渉縞の３つの「パケット」または
「バースト」を備えている。大きいパケット５１は、Ｘ
＝０に対応する。このパケットは、光路の長さが等しい
場合に生じるので、各反射による光は、可干渉性により
それ自体と干渉する。２つの小さいピークは、光路が測
定を受けるフィルムの２つの表面間における光学距離だ
け異なるために生じる。これらのパケットは、測定を受
けるフィルムの２つの表面において発生する反射間の相
互干渉によって生じる。これらのパケットは、フィルム
の２つの表面間の光路に等しいＸ値、すなわち、Ｘ₀＝
ηＬのところに位置する。従って、フィルム厚を測定す
る問題は、干渉計の出力におけるパケット間の距離を求
める問題に還元される。

【００１７】本発明の望ましい実施例の場合、基準レー
ザを利用して、Ｘの較正が行われる。基準レーザからの
光は、自己相関器に入射する光と混合される。基準レー
ザの波長は、フィルムに加えられる信号を発生するため
に用いられる光源の波長と十分に異なっているので、基
準レーザからの干渉縞はカラー・フィルタによって分別
することが可能である。基準縞は、フォトダイオード２
２からの出力のサンプリングをトリガするために用いら
れる。こうした構成については、参考までに本書に組み
込まれている同時係属出願（米国特許出願第０８／３０
４，２４７号）に示されている。

【００１８】あいにく、パケットにおける干渉縞の数
は、典型的なパケットの拡大図である図３に示すよう
に、極めて多くなる可能性がある。ここの縞の間の距離
は、光源１２によって発生する光の波長に対応する。パ
ケットの幅は、波長より１桁以上大きくなる可能性があ
る、光源１２によって発生する光のコヒーレンス長によ
って決まる。従って、フィルム厚が１０〜１００μｍの
オーダの場合の測定精度は、求めることが可能な２つの
パケット間の距離の精度によって制限される。

【００１９】同様の型のパケットの中心を求めるための
方法の１つでは、パケット強度のフーリエ変換の位相が
利用される。例えば、ダニエルソン（Ｄａｎｉｅｌｓｏ
ｎ）が応用光学（Applied Optics), Vol.30,No.21,第29
75-2979頁に示すところによれば、従来の干渉計の出力
から得られるパケットの中心は、干渉計の出力のフーリ
エ変換から求めることが可能である。パケットはｘの原
点から△ｘだけ変位した中心を有しているものと考える
ことにする。そうすると、パケットのフーリエ変換の位
相が−２π△ｘに等しい勾配を備えているのは明らかで
ある。この所見を利用して、パケット中心の推定をさら
に精密なものにすることが可能である。

【００２０】図２に示すパケットについて考察すること
にする。このパケットのフーリエ変換が、図４及び図５
に示されている。図４は、周波数領域におけるフーリエ
変換の絶対値に関するプロットであり、図５は、周波数
Ｓの関数としてのフーリエ変換の位相に関するプロット
である。位相の勾配を測定することによって、原点から
の変位Ｘ₀を求めることが可能になる。以上の分析で
は、Ｘ＝０における大きいパケットの中心が十分な精度
で分かっているものと仮定している。しかし、これは必
要条件ではない。空間領域の原点におけるパケットの中
心が正確に分からない場合、そのパケットについて該プ
ロセスを反復することによって、仮定される原点に対す
る位置を求めることが可能である。２つのパケット間の
距離は、各パケットの分析において得られた位置の差と
して減算によって求めることが可能である。

【００２１】上述のシステムは、干渉計の出力に関する
フーリエ変換の位相を十分な精度で求めることができる
ものと仮定している。上記案の基礎となる理論は、雑音
がパケットのフーリエ変換に比べて小さいものと仮定し
ている。従って、周波数領域における勾配の測定に用い
られる点は、フーリエ変換の絶対値がどの雑音に比べて
も大きいスペクトル領域に対応する。典型的な点が図４
に６５及び６６で示されている。

【００２２】一般に、求めることが可能な位相ラインの
勾配の精度は、位相信号のＳ／Ｎ比と点６５と６６の間
の距離の関数である。一般に、点の離隔距離が増すと、
周波数領域における間隔がより接近した点に比べて精度
が高くなる。しかし、点間の最大距離は、フーリエ・ス
ペクトルの絶対値の幅によって決まる。というのも、こ
の領域外の点は、Ｓ／Ｎ比の悪いスペクトル領域に対応
するためである。点６５と６６の間のある数の点におけ
る位相を測定することによって、勾配を求める精度を多
少は高めることが可能になるが、点６５と６６の間の距
離を増すことができれば、点６５と６６の間の任意の特
定の点集合に関して、精度が向上することになる。

【００２３】フーリエ・スペクトルの絶対値の幅は、光
源１２のスペクトル幅によって決まる。従って、光源の
出力のスペクトル幅が増すと、原理的には、求めること
が可能な勾配の精度が高くなる。最も広い光源は、白色
光源であるが、こうした光源は比較的強度が低い。上述
のように、信号が雑音・レベルに比べて大きいことも重
要である。多くの用途では、従来の白熱光源によって得
られる強度は低すぎて、必要なＳ／Ｎ比が得られない。

【００２４】本発明の望ましい実施例の場合、この強度
の問題は、周波数が分離された２つの光源から成る光源
を用いることによって克服される。例えば、赤と緑のＬ
ＥＤからの光を結合することが可能である。図１に関連
して上述の単一ＬＥＤの代わりに、この複合光源が用い
られる。次に、こうした光源のスペクトルと７５で示す
従来の白色光源のスペクトルの比較である図６を参照す
る。個々のＬＥＤスペクトルが、７６及び７７で示され
ている。図７に示す２つの光源のピーク・スペクトル強
度点７８、７９で、位相ラインの勾配を求めるのに必要
な位相測定を実施することが可能である。点の離隔距離
は、白色光によって得られる離隔距離とほぼ同じにし、
同時に、ＬＥＤの高出力パワーが維持されるようにする
ことが可能である。これに関して留意すべきは、図６に
示す白色光の曲線は、ＬＥＤのスペクトル曲線に対して
正確な比率で描かれていないということである。

【００２５】上述の複合光源は、２つのＬＥＤ光源と波
長多重化結合器から構成することが可能である。こうし
た構成が、図８に１００で示されている。赤のＬＥＤ光
源１０２は、第１の光ファイバ１０６の端部にイメージ
形成され、緑のＬＥＤ光源１０４は、第２の光ファイバ
１０８の端部にイメージ形成される。２つの光ファイバ
は、結合器１０４によって接合される。結合器の一方の
分岐からの光によって、所望の複合光源が得られる。

【００２６】本発明の上述の実施例は、位相勾配が正確
に求められるようにするのに十分な点数で、干渉計から
のパケットのサンプリングを行うことが必要になる。位
相勾配測定技法を用いて、先行技術のシステムにおい
て、一般的に利用されるナイキスト基準を用いた波形の
サンプリングを実施する場合、点数は極めて多くなる可
能性がある。この基準は、正弦波の各サイクル毎に約２
つの点の測定を必要とします。測定値のフーリエ変換に
固有の計算上の作業負荷は、ＮｌｏｇＮのオーダであ
り、ここで、Ｎは各パケットにおけるサンプル数であ
る。従って、サンプル数を減少させるのが有利である。
サンプル数が多いと、実施可能な測定速度の制限及び／
または各計器に含めなければならない計算エンジンのコ
ストの大幅な増大を伴う可能性がある。

【００２７】本発明の望ましい実施例によれば、入力波
形は、パケットの包絡線によって変調される一定の周波
数の正弦搬送波とみなすことが可能であるとする所見を
利用して、この厳しい計算上の作業負荷が回避される。
この結果、サンプリングしなければならない有効周波数
が、基本となる搬送波の高周波数の代わりに、パケット
の包絡線の有効周波数まで低下することになる。結果と
して、本発明は、パケットの包絡線における少数のサン
プルを利用して、正確な変位測定値を得ることが可能に
なる。

【００２８】本発明の上述の実施例では、干渉計を備え
た光学自己相関器が利用されているが、留意すべきは、
光学スペクトル分析器の出力のフーリエ変換を利用する
ことによって、同じ出力を得ることができるという点で
ある。光学スペクトル分析器は、可動部品が不要であ
り、従って、用途によっては有利である。

【００２９】以上の解説及び添付の図面から、当該技術
の熟練者には、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。以下に、本発明の実施態様の数例を列
記する。

【００３０】（実施態様１）中心周波数を有し該中心周
波数の０．１％を超える関数スペクトル幅を有する光信
号を発生するための低コヒーレンス光源(１２、１０
０）と、前記光信号をフィルム(１３）に送り、前記フ
ィルム(１３）から反射する光を集めて、集光信号を発
生するための結合手段(１５）と、前記集光信号を干渉
計(１８）に結合して、干渉光信号を発生するための手
段(１６）と、前記干渉光信号のフーリエ変換の位相勾
配を周波数の関数として求めるための処理手段(２３）
とを備えた、フィルム(１３）の厚さを測定するための
測定装置(１０）。

【００３１】（実施態様２）前記干渉計(１８）が自己
相関器であることを特徴とする、実施態様１に記載の測
定装置(１０）。（実施態様３）前記低コヒーレンス光源(１００）が、
第１と第２の光源(１０２、１０３）を備え、前記第１
と第２の光源(１２、１００）が光学スペクトルの異な
る領域の光を放出することを特徴とする、実施態様１に
記載の測定装置(１０）。（実施態様４）前記処理手段が、前記入力光周波数のサ
イクル毎に２つ未満のサンプルについて、前記干渉光信
号の強度をサンプリングすることを特徴とする、実施態
様１に記載の測定装置(１０）。（実施態様５）前記干渉計(１８）が、前記集光信号の
振幅を周波数の関数として表す信号から成る出力を有す
る光学スペクトル分析器と、前記出力のフーリエ変換を
生成するための手段と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）。

【００３２】（実施態様６）低コヒーレンス光源(１
２、１００）からの光信号でフィルム(１３）を照射
し、その中心周波数が０．１％を超える関数スペクトル
幅を有する光信号を発生するステップと、前記フィルム
(１３）から反射する光を集めて、集光信号を発生する
ステップと、前記集光信号を干渉計(１８）に結合し
て、干渉光信号を発生するステップと、前記干渉光信号
のフーリエ変換の位相勾配を周波数の関数として求める
ステップとを備えた、フィルム(１３）の厚さを測定す
るための方法。（実施態様７）前記干渉計(１８）が自己相関器である
ことを特徴とする、実施態様６に記載の測定方法。

【００３３】（実施態様８）前記低コヒーレンス光源
(１２、１００）が、第１と第２の光源(１０２、１０
３）を備えたことと、前記第１と第２の光源(１０２、
１０３）が、光学スペクトルの異なる領域の光を放出す
ることを特徴とする、実施態様６に記載の測定方法。（実施態様９）前記位相勾配を周波数の関数として求め
るステップが、前記入力光周波数のサイクル毎に２つ未
満のサンプルについて、前記干渉光信号の強度をサンプ
リングするステップからなることを特徴とする、実施態
様６に記載の測定方法。

【００３４】

【発明の効果】以上のとおり、複合光源等で等価的に広
い測定光の帯域幅を実現し、測定標本のサンプリングが
少数であるから、高精度で高速な厚さ測定が実現され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を用いたフィルム厚の測定装置のブロッ
ク図である。

【図２】図１に示すマイケルソン干渉計によって発生す
る信号を示す図である。

【図３】図２に示すパケットの１つに関する拡大図であ
る。

【図４】ＬＥＤが光源として用いられる場合の、図１に
示す干渉計の周波数の関数としての出力におけるピーク
の１つに関するフーリエ変換の絶対値のグラフである。

【図５】ＬＥＤが光源として用いられる場合の、図１に
示す干渉計の周波数の関数としての出力におけるピーク
の１つに関するフーリエ変換の位相のグラフである。

【図６】１対のＬＥＤが光源として用いられる場合の、
図１に示す干渉計の周波数の関数としての出力における
ピークの１つに関するフーリエ変換の絶対値のグラフで
ある。

【図７】１対のＬＥＤが光源として用いられる場合の、
図１に示す干渉計の周波数の関数としての出力における
ピークの１つに関するフーリエ変換の位相のグラフであ
る。

【図８】２つのＬＥＤに基づく複合光源のブロック図で
ある。

【符号の説明】

１０フィルム厚測定装置１２光源１３フィルム１４光ファイバ１５レンズ１６結合器１７光ファイバ１８自己相関器１９自己分割器２０固定鏡２１可動鏡２２フォトダイオード２３データ処理装置１００複合光源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心周波数を有し該中心周波数の０．１％
を超える関数スペクトル幅を有する光信号を発生するた
めの低コヒーレンス光源と、前記光信号をフィルムに送り、前記フィルムから反射す
る光を集めて、集光信号を発生するための結合手段と、前記集光信号を干渉計に結合して、干渉光信号を発生す
るための手段と、前記干渉光信号のフーリエ変換の位相勾配を周波数の関
数として求めるための処理手段とを備えた、フィルムの厚さを測定するための測定装置。