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WO2010013325A1 - 分光測光装置 - Google Patents

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WO2010013325A1
WO2010013325A1 PCT/JP2008/063679 JP2008063679W WO2010013325A1 WO 2010013325 A1 WO2010013325 A1 WO 2010013325A1 JP 2008063679 W JP2008063679 W JP 2008063679W WO 2010013325 A1 WO2010013325 A1 WO 2010013325A1
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WO
WIPO (PCT)
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light
measured
beam splitter
collimator
spectrophotometer
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2008/063679
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English (en)
French (fr)
Inventor
健夫 山田
猛 山本
眞治 林
崇寛 山倉
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Nireco Corp
Original Assignee
Nireco Corp
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Publication date
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Priority to JP2009545018A priority patent/JP4482618B2/ja
Priority to KR1020107018972A priority patent/KR20110038602A/ko
Priority to PCT/JP2009/003507 priority patent/WO2010013429A1/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0625—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of absorption or reflection

Definitions

  • the present invention relates to a spectrophotometer that measures the reflectance of a surface to be measured for each wavelength.
  • the spectrophotometric apparatus includes a lab type spectrophotometer used in a laboratory and an optical fiber type spectral reflectometer that can be used in the field (for example, Patent Document 1).
  • a lab-type spectrophotometer is constructed so that light from a light source passes through a prism or the like to create light of a specific wavelength. After irradiating the sample with light of this specific wavelength, the wavelength is measured by a photomultiplier tube. Measure the reflectance with respect to. Since the lab type spectrophotometer uses a lens system, the light applied to the sample has a predetermined spread angle. Therefore, the light to be measured has a predetermined range of angular components.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of the configuration of an optical fiber type spectral reflectometer.
  • the optical fiber type spectral reflectometer includes a light source and spectral sensor unit 301, an irradiation optical fiber 303 for irradiating light from the light source, and light receiving light for receiving light reflected by the surface to be measured.
  • a fiber 305 and a signal processing device 307 are provided.
  • the irradiation optical fiber 303 and the light receiving optical fiber 305 are arranged concentrically with the irradiation optical fiber 303 outside.
  • the light emitted from the irradiation optical fiber 303 to the measurement target surface of the measurement object 501 is reflected by the measurement target surface, and then guided to the spectroscopic sensor by the light receiving optical fiber 305.
  • the numerical aperture of the optical fiber is about 0.2, and the spread angle is 12 degrees at half value.
  • the spectrophotometer according to the present invention includes a light source, a cylindrical collimator, a beam splitter, and a spectroscopic sensor.
  • the light from the light source enters the surface to be measured vertically through the cylindrical collimator and the beam splitter and is reflected by the surface to be measured.
  • the beam sensor is configured to travel in a direction perpendicular to the beam sensor and to reach the spectroscopic sensor via the beam splitter.
  • the spectrophotometric apparatus of the present invention by using a beam splitter, the light from the light source is incident on the surface to be measured perpendicularly, and then the light reflected in the direction perpendicular to the surface to be measured is a spectroscopic sensor. Can lead to. Therefore, the spectrophotometric apparatus according to the present invention can measure multiple reflections by a thin film when a thin film is present on the surface to be measured, and can improve the measurement accuracy of reflectance. Further, since the spectrophotometric apparatus of this embodiment includes a cylindrical collimator between the light source and the beam splitter, light in a predetermined range of light from the light source is perpendicular to the surface to be measured. It can be made incident.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the structure of the spectrophotometry apparatus by one Embodiment of this invention. It is a figure which shows the AA cross section of the spectrophotometric apparatus of FIG. It is a figure which shows an example of a structure of a spectral reflectance detection part. It is a figure which shows the structure of the collimator of a spectral reflectance detection part. It is a figure which shows an example of a structure of a cylindrical collimator. It is a figure which shows the measurement result of the reflectance of the measuring object which attached
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a spectrophotometric apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the spectrophotometric apparatus 100 includes a light-emitting diode light source 101, a cylindrical collimator 103, a beam splitter 105, a measurement window 107, and a spectral reflectance detection unit (spectral sensor) 109.
  • a spectral reflectance detection unit spectral sensor
  • the light-emitting diode light source 101 uses an ultraviolet light-emitting diode light source having a peak at 430 nm and a white light-emitting diode light source having a peak near 580 nm.
  • FIG. 15 is a diagram showing the reflected light luminance output of a calibration plate having a specular reflectance of 99% when an ultraviolet light emitting diode light source having a peak at 430 nm and a white light emitting diode light source having a peak near 580 nm are used in combination. . As shown in FIG.
  • the luminance distribution of the light source used for the reflection measurement has a higher output in the vicinity of 450 nm to 500 nm, and the measurement accuracy of the spectral reflectance of 400 nm to 700 nm compared to the case where only the white light emitting diode light source is used. Can be improved.
  • the specification of the beam splitter 105 is, for example, a cube-type non-polarizing beam splitter (product code 47009-J) manufactured by Edmond Co., which has a difference in transmission / reflection characteristics of p and s polarized light over a wide band of 430 nm to 670 nm. It is controlled within 6%.
  • the light from the light-emitting diode light source 101 passes through the cylindrical collimator 103, is reflected by the beam splitter 105, passes through the measurement window 107, and reaches the measurement object 501.
  • the spectroscopic measurement device is arranged so that the light irradiated onto the measurement target surface of the measurement object 501 enters the measurement target surface perpendicularly.
  • the light irradiated on the surface to be measured is reflected in a direction perpendicular to the surface to be measured, travels in the reverse direction along the same path as the light irradiated on the surface to be measured, reaches the beam splitter 105, and passes through the beam splitter 105. It passes through and reaches the spectral reflectance detection unit 109.
  • light irradiated on the measurement object 501 is represented by a solid line
  • light reflected by the measurement object 501 is represented by a dotted line.
  • a cylindrical collimator 103 and a light source 101 are installed on the side surface of the beam splitter 105, and a spectral reflectance detection unit 109 is installed on the upper surface of the beam splitter 105.
  • the cylindrical collimator 103 and the light source 101 may be installed on the upper surface of the beam splitter 105, and the spectral reflectance detection unit 109 may be installed on the side surface of the beam splitter 105.
  • FIG. 2 is a view showing an AA cross section of the spectrophotometer of FIG.
  • the light irradiated onto the measurement target surface of the measurement object 501 enters the measurement target surface perpendicularly.
  • the light irradiated on the surface to be measured is reflected in a direction perpendicular to the surface to be measured, travels in the reverse direction along the same path as the light irradiated on the surface to be measured, reaches the beam splitter 105, and passes through the beam splitter 105. It passes through and reaches the spectral reflectance detection unit 109.
  • the spectral reflectance detection unit 109 includes a transmission wavelength variable filter 1091, a collimator 1093, and an image sensor 1095. Details of these will be described later.
  • FIG. 1 The spectral reflectance detection unit 109 includes a transmission wavelength variable filter 1091, a collimator 1093, and an image sensor 1095. Details of these will be described later.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the configuration of the spectral reflectance detection unit 109.
  • the spectral reflectance detection unit 109 includes the transmission wavelength variable filter 1091, the collimator 1093, and the image sensor 1095.
  • the transmission wavelength variable filter 1091 is a type of interference filter in which the transmission wavelength range of incident white light from the short wavelength side to the long wavelength side changes continuously or stepwise depending on the position of the filter.
  • the collimator 1093 of the spectral reflectance detection unit 109 secures a predetermined interval between the transmission wavelength variable filter 1091 and the image sensor 1095, and emits light having a wavelength determined by the position of the transmission wavelength variable filter 1091 with high resolution. 1095 so that it can be measured.
  • the reason why a predetermined interval is ensured between the transmission wavelength tunable filter 1091 and the image sensor 1095 is that, if the two are in contact with each other, multiple reflection occurs between the two and the spectral characteristics deteriorate.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the collimator 1093 of the spectral reflectance detection unit 109.
  • the width W of the opening of the collimator 1093 is 2.2 millimeters, and the length L is 13 millimeters.
  • the height H of the collimator 1093 is 1.5 millimeters.
  • the scale of FIG. 4 is not matched to the above dimensions.
  • the dimensions of the collimator 1093 are determined as follows.
  • the light receiving surface of the image sensor has a rectangular shape of 2.5 ⁇ 12.5 millimeters, and 256 photosensitive elements of 50 ⁇ 2500 micrometers ( ⁇ m) are arranged in the direction L in FIG.
  • the lattice interval a of the collimator 1093 is 40 micrometers, and the repetition pitch is 50 micrometers of the pitch of the image sensor.
  • 255 10-micrometer grids (SUS plates) are provided.
  • the lattice interval b was 0.5 mm, and four openings were provided in the width of 2.2 mm of the openings.
  • the three beams in the longitudinal direction in the figure had a width of 0.1 mm and were installed so that the shape of the opening was not disturbed during processing.
  • Such a collimator is formed by alternately stacking a first metal thin plate having a hole and a second metal thin plate not having a hole, pressing both sides thereof with a pressing plate, and diffusing and bonding them by thermocompression bonding. Then, the part corresponding to the part which has the hole of a 1st metal thin plate can be formed by cut
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the configuration of the cylindrical collimator 103.
  • the length of the cylindrical collimator 103 in the longitudinal direction is 40 millimeters, and the cross section perpendicular to the longitudinal direction is a rectangle having two sides of 6 millimeters and 15 millimeters, respectively.
  • the size of the rectangle is determined according to the size of the detection surface of the image sensor 1095 (rectangles having two sides of 2.5 mm and 12 mm, respectively).
  • the inner surface of the cylindrical collimator 103 is provided with eight traps each having a height of 1.5 mm and a width of 15 mm so as to improve the directivity of light from the light source. The trap prevents light diffused from the light source 101 from entering the beam splitter 105.
  • the trap has a matte black plating treatment on the surface so as to absorb light.
  • the spectrophotometric apparatus 100 of the present embodiment by using the beam splitter 105, the light from the light source is incident on the surface to be measured perpendicularly and then reflected in the direction perpendicular to the surface to be measured. Can be guided to the spectral reflectance detector 109. Since the spectrophotometric apparatus 100 according to this embodiment includes a cylindrical collimator 103 between the light source 101 and the beam splitter 105, light in a predetermined range of light from the light source 101 with respect to the surface to be measured. So that it can be incident almost vertically.
  • the range of the light receiving angle of light received by the image sensor 1095 is limited to 1.5 ° or less by the collimator 1093 of the spectral reflectance detection unit 109. 1095 can detect only the light reflected in the direction perpendicular to the surface to be measured.
  • FIG. 6 is a diagram showing the measurement results of the reflectance of the measurement target with the thin film on the substrate, by the spectrophotometer according to the present embodiment.
  • a measurement object is obtained by applying a thin film such as a transparent organic resin on a polyethylene terephthalate substrate.
  • the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents reflectance.
  • a solid line shows the measurement result of the reflectance by the spectrophotometer according to the present embodiment, and a dotted line shows the measurement result of the reflectance by the spectrophotometer.
  • Spectral reflectance R when a transparent thin film (refractive index n, film thickness d) is formed on a substrate with a refractive index of n m is as follows (Mitsunobu Koisoyama “Basic Theory of Optical Thin Films” Optronics Publication).
  • ⁇ 0 is the Fresnel coefficient of reflection on the surface of the thin film
  • ⁇ 1 is the Fresnel coefficient of reflection on the interface between the thin film and the substrate surface
  • ⁇ 0 (n 0 -n) / (n 0 + n)
  • ⁇ 1 (nn m ) / (n + n m )
  • ⁇ (2 ⁇ nd) / ⁇ ( ⁇ is the wavelength in the incident side medium) It is.
  • FIG. 16 shows an equation for obtaining the reflectance.
  • the amplitude of the change in reflectance by the spectrophotometer according to the present embodiment is about 1.2% near the wavelength of 680 nanometers, and the amplitude of the change in reflectance by the spectrophotometer is 680 nanometers in wavelength. It is about 0.6% in the vicinity.
  • the periodic change of the reflectance by the spectrophotometer according to the present embodiment is clear at a wavelength of 450 nanometers or more, and the periodic change of the reflectance by the spectrophotometer is clear at a wavelength of 580 nanometers or more. Periodic changes are not observed below 570 nanometers. From the above results, it is apparent that the reflectance measurement by the spectrophotometer according to the present embodiment is more accurate than the reflectance measurement by the spectrophotometer.
  • the reflectance of the measurement result is low on the short wavelength side is considered to be due to the absorption of the substrate and the coating film on the short wavelength side. Since it is assumed that there is no absorption in the calculation of FIG. 16, the amplitude of the interference wave is constant throughout the wavelength range of 400 to 700 nanometers.
  • FIG. 7 is a diagram showing the measurement results of the reflectance of the measurement target obtained by attaching an oxide film on the silicon wafer by the spectrophotometer according to the present embodiment.
  • the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents reflectance.
  • FIG. 7 shows the measurement results of six types of film thickness from 1.3 nanometers to 499 nanometers.
  • the light irradiated on the surface to be measured is incident on the surface to be measured perpendicularly and reflected by the surface to be measured in a direction perpendicular to the surface to be measured. Therefore, the spectrophotometer according to the present embodiment can measure multiple reflections due to the thin film to be measured, and can improve the measurement accuracy of the reflectance.
  • the light irradiated on the surface to be measured is not incident on the surface to be measured perpendicularly. It cannot be measured.
  • FIG. 8 is a diagram showing color difference values of reflected colors of two stainless steel sheets by the spectrophotometric apparatus according to the present embodiment.
  • the horizontal axis indicates the identification of the measurement target (the first sheet, the first sheet, the second sheet, the second sheet, the second sheet), and the vertical axis indicates the color difference value.
  • the color difference values are shown with reference to the measurement object shown on the left side.
  • L *, a *, and b * represent coordinates in the CIE color space.
  • the stainless steel sheet was arranged so that the direction of the rolling trace was orthogonal to the longitudinal direction of the image sensor 1095.
  • the rolling trace is a trace generated in the rolling direction when a stainless steel sheet is rolled.
  • FIG. 9 is a diagram showing the color values of the reflected colors of two stainless steel sheets by the spectrophotometer according to the present embodiment.
  • the horizontal axis indicates the identification of the measurement target (first table, first sheet back, second sheet front, second sheet back), and the vertical axis indicates the color value.
  • FIG. 9 shows a case where a stainless steel sheet is arranged for each measurement object so that the direction of the rolling trace is orthogonal to the longitudinal direction of the image sensor 1095 (indicated as orthogonal in FIG. 9), and the direction of the rolling trace is an image.
  • the case where the sensor 1095 is arranged in parallel to the longitudinal direction is shown.
  • FIG. 9 shows a case where a stainless steel sheet is arranged for each measurement object so that the direction of the rolling trace is orthogonal to the longitudinal direction of the image sensor 1095 (indicated as orthogonal in FIG. 9), and the direction of the rolling trace is an image.
  • FIG. 9 shows a case where the sensor 1095 is arranged in parallel to the longitudinal
  • the lightness value (L) is greater in the orthogonal case than in the parallel case. The reason is that the amount of light reflected in the direction perpendicular to the rolling trace is greater than the amount of light reflected in the direction parallel to the rolling trace.
  • FIG. 10 is a diagram showing the measurement results of the reflectance of the stainless steel sheet by the spectrophotometer according to the present embodiment.
  • the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents reflectance.
  • the light irradiated on the surface to be measured is incident on the surface to be measured perpendicularly and reflected by the surface to be measured in a direction perpendicular to the surface to be measured. Therefore, according to the spectrophotometer according to the present embodiment, it is possible to measure the reflectance of a rough surface having rolling marks and the like that could not be measured by the conventional spectrophotometer.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of equipment (vacuum furnace) for applying a thin film to a sheet.
  • a thin film is deposited by the vapor deposition apparatus 205 and is wound up as a roll-shaped sheet 209 again.
  • the vapor deposition apparatus 205 performs vapor deposition by resistance heating, high frequency induction heating, electron beam heating, or the like.
  • a spectrophotometric apparatus 100 ′ described below can be installed in the observation window 207.
  • FIG. 12 is a diagram showing the configuration of the spectrophotometric apparatus 100 ′ attached to the vacuum furnace 201.
  • the spectrophotometric device 100 ′ includes a fixing flange 111 and a light guide 113 in addition to the components of the spectroscopic device 100 shown in FIG. 1.
  • the spectrophotometric apparatus 100 ′ can be installed in the vacuum furnace 201 by attaching the fixing flange 111 to the measurement window flange 211 provided in the measurement window on the furnace wall of the vacuum furnace 201.
  • the light guide 113 has a longitudinal length of 500 millimeters, and the cross section perpendicular to the longitudinal direction has a rectangular shape with two inner sides of 27 millimeters and 12 millimeters, respectively.
  • the length of the light guide 113 may be determined so that the sheet 213 coated with the thin film to be measured is at a distance of 10 millimeters from the tip of the light guide 113.
  • the spectrophotometer 100 ' is installed so that the longitudinal direction of the light guide 113 is perpendicular to the surface to be measured.
  • the light guide 113 may be formed of an aluminum tube.
  • FIG. 13 is a diagram showing a measurement result of the reflectance of the measurement object by the spectrophotometric apparatus 100 ′ including the light guide 113.
  • the objects to be measured are food wraps and two types of overhead projector films.
  • the spectrophotometer 100 ′ was arranged so that the longitudinal direction of the light guide 113 was perpendicular to the surface to be measured and the distance from the surface to be measured to the tip of the light guide 113 was 10 mm. This measurement result is almost the same as the measurement result obtained by the spectrophotometer 100 installed at a distance of 15 millimeters from the surface to be measured.
  • the reflectance that is, the film thickness
  • the spectrophotometric apparatus 100 ′ including the light guide 113 the film thickness in a furnace such as a vacuum furnace can be measured by the spectrophotometric apparatus 100 ′ provided with the light guide 113.
  • the spectroscopic sensor includes a collimator of a spectroscopic sensor between a transmission wavelength variable filter and an image sensor, and the direction of light incident on the spectroscopic sensor is It is configured to match the direction of the collimator of the spectroscopic sensor.
  • the image sensor since the range of the light receiving angle of light received by the image sensor is limited to a predetermined value or less, the image sensor receives only light reflected in the vertical direction of the surface to be measured. Therefore, the measurement accuracy of the spectrophotometer is improved.
  • the light from the light source is changed in direction by the beam splitter through the cylindrical collimator, and then enters the surface to be measured vertically, and the surface to be measured Then, the light travels in a direction perpendicular to the surface to be measured, passes through the beam splitter, and reaches the spectroscopic sensor.
  • a cylindrical collimator can be provided without increasing the dimension in the direction perpendicular to the surface to be measured of the spectrophotometer.
  • a projection is provided on the inner surface of the cylindrical collimator.
  • the direction of light incident on the surface to be measured is limited to a narrower range.
  • a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the cylindrical collimator is rectangular.
  • the spectrophotometric apparatus further includes a cylindrical light guide between the beam splitter and the surface to be measured.
  • the inner surface of the cylindrical light guide is made of a material having a high reflectance.
  • the reflected light from the surface to be measured can be efficiently collected through the cylindrical light guide.
  • the spectrophotometer according to an embodiment of the present invention further includes a flange between the beam splitter and the light guide, and the light guide is placed in the furnace so that the surface to be measured in the furnace can be observed. It arrange
  • the spectrophotometer can be easily attached to the furnace wall by the flange, and the surface to be measured in the furnace can be observed.

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Abstract

　光源からの光を被測定面に垂直に照射した後、被測定面に垂直方向に反射した光を測定する分光測光装置を提供する。本発明による分光測光装置は、光源（１０１）と、筒状のコリメータ（１０３）と、ビーム・スプリッタ（１０５）と、分光センサ（１０９）と、を備えている。本発明による分光測光装置は、該光源からの光が、該筒状のコリメータおよび該ビーム・スプリッタを経て被測定面に垂直に入射し、該被測定面で反射された後、該被測定面に垂直な方向に進行し該ビーム・スプリッタを経て該分光センサに至るように構成されている。

Description

分光測光装置
　本発明は、被測定面の反射率を、波長ごとに測定する分光測光装置に関する。
　分光測光装置には、実験室で使用されるラボ型分光光度計や、フィールドで使用することのできる光ファイバ型の分光反射率計（たとえば、特許文献１）がある。
　ラボ型分光光度計は、光源からの光がプリズムなどを通過するように構成して特定の波長の光を作り、この特定の波長の光を試料に照射した後、光電子増倍管によってその波長に対する反射率を測定する。ラボ型分光光度計は、レンズ系を使用するので、試料に照射される光は所定の広がり角度を有する。したがって、測定される光は、所定の範囲の角度成分を有する。
　図１４は、光ファイバ型の分光反射率計の構成の一例を示す図である。光ファイバ型の分光反射率計は、光源および分光センサ部３０１と、光源からの光を照射するための照射用光ファイバ３０３と、被測定面によって反射された光を受光するための受光用光ファイバ３０５と、信号処理装置３０７と、を備える。照射用光ファイバ３０３と受光用光ファイバ３０５とは、照射用光ファイバ３０３を外側にして同心円状に配置されている。照射用光ファイバ３０３から測定対象５０１の被測定面に照射された光は、被測定面によって反射された後、受光用光ファイバ３０５によって分光センサに導かれる。光ファイバの開口数は、一例として、約０．２であり、広がり角度は半値で１２度である。
　このように、従来の分光測光装置において、光源からの光を被測定面に垂直に照射した後、被測定面に垂直方向に反射した光を測定するものは開発されていなかった。
特開平１１－１６０１５１号
　したがって、光源からの光を被測定面に垂直に照射した後、被測定面に垂直方向に反射した光を測定する分光測光装置に対するニーズがある。
　本発明による分光測光装置は、光源と、筒状のコリメータと、ビーム・スプリッタと、分光センサと、を備えている。本発明による分光測光装置は、該光源からの光が、該筒状のコリメータおよび該ビーム・スプリッタを経て被測定面に垂直に入射し、該被測定面で反射された後、該被測定面に垂直な方向に進行し該ビーム・スプリッタを経て該分光センサに至るように構成されている。
　本発明による分光測光装置によれば、ビーム・スプリッタを使用することにより、光源からの光を被測定面に対して垂直に入射させた後、被測定面の垂直方向に反射した光を分光センサに導くことができる。したがって、本発明による分光測光装置は、被測定面に薄膜が存在する場合に、薄膜による多重反射を測定することができ、反射率の測定精度を向上させることができる。また、本実施形態の分光測光装置は、光源とビーム・スプリッタとの間に筒状のコリメータを備えるので、光源からの光のうち所定の範囲の方向の光を被測定面に対して垂直に入射させることができる。
本発明の一実施形態による分光測光装置の構成を示す図である。 図１の分光測光装置のＡ－Ａ断面を示す図である。 分光反射率検出部の構成の一例を示す図である。 分光反射率検出部のコリメータの構成を示す図である。 筒状のコリメータの構成の一例を示す図である。 本実施形態による分光測光装置による基板上に薄膜を付した測定対象の反射率の測定結果を示す図である。 本実施形態による分光測光装置によるシリコンウエハ上に酸化膜を付した測定対象の反射率の測定結果を示す図である。 本実施形態による分光測光装置による、２枚のステンレス・シートの反射色の色差値を示す図である。 本実施形態による分光測光装置による、２枚のステンレス・シートの反射色の色彩値を示す図である。 本実施形態による分光測光装置による、ステンレス・シートの反射率の測定結果を示す図である。 シートに薄膜を塗布する設備（真空炉）の構成を示す図である。 真空炉に取り付けられた分光測光装置の構成を示す図である。 ライトガイドを備えた分光測光装置による測定対象の反射率の測定結果を示す図である。 光ファイバ型の分光反射率計の構成の一例を示す図である。 ４３０ｎｍにピークを持つ紫外発光ダイオード光源と、５８０ｎｍ付近にピークを持つ白色発光ダイオード光源を併用した場合の、鏡面反射率９９％の校正板の反射光輝度出力を表した図である。 入射側媒質が空気（n＝1.0）であり、n=1.46、膜厚d＝6μmの有機塗工膜が、nm=1.63のＰＥＴ基板上に形成されていると仮定した場合の反射率分布計算結果を示す図である。
　図１は、本発明の一実施形態による分光測光装置１００の構成を示す図である。分光測光装置１００は、発光ダイオード光源１０１、筒状コリメータ１０３、ビーム・スプリッタ１０５、計測用窓１０７および分光反射率検出部（分光センサ）１０９を備える。
　発光ダイオード光源１０１は、実施例では４３０ｎｍにピークを持つ紫外発光ダイオード光源と、５８０ｎｍ付近にピークを持つ白色発光ダイオード光源を併用している。図１５は、４３０ｎｍにピークを持つ紫外発光ダイオード光源と、５８０ｎｍ付近にピークを持つ白色発光ダイオード光源を併用した場合の、鏡面反射率９９％の校正板の反射光輝度出力を表した図である。反射測定に使用される光源の輝度分布は、図１５に示すように４５０ｎｍ乃至５００ｎｍ付近の出力が高くなり、白色発光ダイオード光源のみを使用した場合に比べ、４００ｎｍ乃至７００ｎｍの分光反射率の測定精度を向上させることができる。
　ビーム・スプリッタ１０５の仕様は、一例として、エドモンド社製のキューブ型無偏光ビームスプリッター（商品コード47009-J）で、４３０ｎｍ乃至６７０ｎｍの広帯域にわたり、ｐ、ｓ偏光各々の透過／反射特性の差が６％以内に制御されているものである。
　発光ダイオード光源１０１からの光は、筒状コリメータ１０３を通過した後、ビーム・スプリッタ１０５によって反射され、計測用窓１０７を通過した後、測定対象物５０１に至る。ここで、測定対象物５０１の被測定面に照射される光が、被測定面に垂直に入射するように分光測定装置を配置する。被測定面に照射された光は、被測定面に垂直な方向に反射され、被測定面に照射される光と同じ経路を逆方向に進んでビーム・スプリッタ１０５に至り、ビーム・スプリッタ１０５を通過して、分光反射率検出部１０９に至る。図１において、測定対象物５０１に照射される光を実線で表し、測定対象物５０１によって反射された光を点線で表す。
　図１において、ビーム・スプリッタ１０５の側面に筒状コリメータ１０３および光源１０１を設置し、ビーム・スプリッタ１０５の上側の面に分光反射率検出部１０９を設置している。他の実施形態として、ビーム・スプリッタ１０５の上側の面に筒状コリメータ１０３および光源１０１を設置し、ビーム・スプリッタ１０５の側面に分光反射率検出部１０９を設置してもよい。
　図２は、図１の分光測光装置のＡ－Ａ断面を示す図である。測定対象物５０１の被測定面に照射される光は、被測定面に垂直に入射する。被測定面に照射された光は、被測定面に垂直な方向に反射され、被測定面に照射される光と同じ経路を逆方向に進んでビーム・スプリッタ１０５に至り、ビーム・スプリッタ１０５を通過して、分光反射率検出部１０９に至る。分光反射率検出部１０９は、透過波長可変フィルタ１０９１、コリメータ１０９３およびイメージセンサ１０９５を備える。これらの詳細については後で説明する。図２において、測定対象物５０１に照射される光を実線で表し、測定対象物５０１によって反射された光を点線で表す。測定対象物５０１によって反射された光は、分光反射率検出部１０９のイメージセンサ１０９５の検出面に垂直に入射する。
　図３は、分光反射率検出部１０９の構成の一例を示す図である。上述のように分光反射率検出部１０９は、透過波長可変フィルタ１０９１、コリメータ１０９３およびイメージセンサ１０９５を備える。透過波長可変フィルタ１０９１は、入射する白色光の短波長側から長波長側までの透過波長域が、フィルタの位置によって連続的または段階的に変化する干渉フィルタの一種である。
　分光反射率検出部１０９のコリメータ１０９３は、透過波長可変フィルタ１０９１とイメージセンサ１０９５との間に所定の間隔を確保するとともに、透過波長可変フィルタ１０９１の位置によって定まる波長の光を高い分解能でイメージセンサ１０９５によって測定することができるように設けられる。透過波長可変フィルタ１０９１とイメージセンサ１０９５との間に所定の間隔を確保する理由は、両者を接触させた構造とすると、両者の間で多重反射が起こり、分光特性が劣化するためである。
　図４は、分光反射率検出部１０９のコリメータ１０９３の構成を示す図である。一例として、コリメータ１０９３の開口部の幅Ｗは、２．２ミリメータ、長さＬは１３ミリメータである。また、コリメータ１０９３の高さＨは１．５ミリメータである。図４の縮尺は、上記の寸法に合わせてない。コリメータ１０９３の寸法は以下のように定める。イメージセンサの受光面は、２．５×１２．５ミリメータの長方形で、５０×２５００マイクロメータ（μm）の感光素子が、図４のＬの方向に２５６素子並んでいる。そこで、コリメータ１０９３の格子間隔ａは、４０マイクロメータとし、繰り返しピッチはイメージセンサのピッチ５０マイクロメータとする。２５６個の開口部を持たせるために１０マイクロメータの格子（ＳＵＳ板）２５５個を備えている。　格子間隔ｂは、０．５ミリメータで開口部の幅２．２ミリの中に４個の開口部を持たせた。図中の長手方向の３本の梁は幅０．１ミリメータとし、開口部の形状が加工時に乱れないように設置した。このようなコリメータは、穴を有する第１の金属薄板と穴を有しない第２の金属薄板を交互に重ね、その両側を押さえ板で押さえて、これらを熱圧着で拡散接合させて一体化し、その後、第１の金属薄板の穴を有する部分に対応する部分を、前記金属薄板の積層方向に切断することにより形成することができる。詳細については、本出願人による特許３６１８０９０号公報に記載されている。図４において、長さＬの方向が金属薄板の積層方向である。分光反射率検出部１０９のコリメータ１０９３のコリメート比は、４０／１５００＝０．０２７、θ＝１．５°である。ここで、コリメート比とは、a／Ｈで、この値が小さいほど分光波長の精度が高くなる。コリメータ高さＨを３ミリメータとすると、コリメート比は０．０１３と向上するが、測定時間が約２倍必要となる。そこで実用的な値としてＨ＝１．５ミリメータを採用している。
　図５は、筒状のコリメータ１０３の構成の一例を示す図である。筒状のコリメータ１０３の長手方向の長さは４０ミリメータであり、長手方向に垂直な断面は、二辺がそれぞれ６ミリメータと１５ミリメータの長方形である。長方形の大きさは、イメージセンサ１０９５の検出面の大きさ（二辺がそれぞれ２．５ミリメータと１２ミリメータの長方形）に合わせて定められる。筒状のコリメータ１０３の内面には、光源からの光の指向性を向上させるように高さ１．５ミリメータ、幅１５ミリメータのトラップが上下に８個ずつ備わる。トラップは、光源１０１から拡散した光がビーム・スプリッタ１０５に入射することを防ぐ。トラップは、光を吸収するように、表面につや消しの黒めっき処理を施している。筒状のコリメータ１０３のコリメート比は、３／４０＝０．０７５である。一般的に、筒状のコリメータ１０３のコリメート比は、０．１以下であるのが好ましい。
　本実施形態の分光測光装置１００によれば、ビーム・スプリッタ１０５を使用することにより、光源からの光を被測定面に対して垂直に入射させた後、被測定面の垂直方向に反射した光を分光反射率検出部１０９に導くことができる。本実施形態の分光測光装置１００は、光源１０１とビーム・スプリッタ１０５との間に筒状のコリメータ１０３を備えるので、光源１０１からの光のうち所定の範囲の方向の光を被測定面に対してほぼ垂直に入射させることができる。また、本実施形態の分光測光装置１００によれば、分光反射率検出部１０９のコリメータ１０９３により、イメージセンサ１０９５が受け取る光の受光角の範囲が１．５°以下に制限されるので、イメージセンサ１０９５は、被測定面の垂直方向に反射した光のみを検出することができる。
　本実施形態による分光測光装置の性能を以下に説明する。
　図６は、本実施形態による分光測光装置による、基板上に薄膜を付した測定対象の反射率の測定結果を示す図である。測定対象は、ポリエチレンテレフタレートの基板上に透明有機樹脂などの薄膜を塗布したものである。横軸は波長を表し、縦軸は反射率を表す。また、実線は、本実施形態による分光測光装置による反射率の測定結果を示し、点線は分光光度計による反射率の測定結果を示す。
　屈折率nmの基板に透明な薄膜（屈折率n、膜厚d）が成膜されている場合の分光反射率Ｒは、以下のとおりである（小檜山　光信著　「光学薄膜の基礎理論」　オプトロニクス出版）。
　R＝（ρ0 2+ρ1 2+2ρ0ρ1cos2δ）/(1+ρ0 2ρ1 2+2ρ0ρ1cos2δ)　
ここで、ρ0は、薄膜表面の反射のフレネル係数、ρ1は、薄膜と基板面との界面の反射のフレネル係数であり、次式で表される。
　ρ0＝（n0-n）/(n0+n) 
　ρ1＝ (n-nm)/(n+nm)　
ただし、n0は、薄膜表面の入射側媒質の屈折率（空気の場合はn0＝1.0）である。
また、
　δ＝（2πnd）/λ　（λは入射側媒質中の波長）
である。
　図１６は、上記の反射率を求める式において、入射側媒質が空気（n＝1.0）であり、n=1.46、膜厚d＝6μmの有機塗工膜が、nm=1.63のＰＥＴ基板上に形成されていると仮定した場合の反射率分布計算結果を示す図である。
　図６において、本実施形態による分光測光装置による反射率の変化の振幅は、波長が６８０ナノメータ付近において約１．２％であり、分光光度計による反射率の変化の振幅は、波長が６８０ナノメータ付近において約０．６％である。また、本実施形態による分光測光装置による反射率の周期的な変化は、波長４５０ナノメータ以上で明確であり、分光光度計による反射率の周期的な変化は、波長５８０ナノメータ以上で明確である。５７０ナノメータ以下では周期的な変化は観測されていない。以上の結果から、本実施形態による分光測光装置による反射率の測定が、分光光度計による反射率の測定よりも高精度であることが明らかである。
　図６において測定結果の反射率が短波長側で低くなっているのは、短波長側での基板および塗工膜の吸収の影響と考えられる。図１６の計算では吸収は無いとしているので、波長４００乃至７００ナノメータの全域で干渉波の振幅は一定である。
　図７は、本実施形態による分光測光装置によるシリコンウエハ上に酸化膜を付した測定対象の反射率の測定結果を示す図である。横軸は波長を表し、縦軸は反射率を表す。図７は、１．３ナノメータから４９９ナノメータまでの６種類の膜厚の測定結果を示す。
　本実施形態による分光測光装置においては、被測定面に照射される光は、被測定面に垂直に入射され、被測定面で被測定面に垂直な方向に反射される。したがって、本実施形態による分光測光装置は、測定対象の薄膜による多重反射を測定することができ、反射率の測定精度を向上させることができる。これに対して、ラボ型分光光度計や、光ファイバ型の分光反射率計は、被測定面に照射される光は、被測定面に垂直に入射されないので、測定対象の薄膜による多重反射を測定することができない。
　図８は、本実施形態による分光測光装置による、２枚のステンレス・シートの反射色の色差値を示す図である。横軸は、測定対象の識別（１枚目の表、１枚目の裏、２枚目の表、２枚目の裏）を示し、縦軸は、色差値を示す。色差値は、最も左側に示した測定対象を基準として示した。ここで、Ｌ＊、ａ＊およびｂ＊は、ＣＩＥ色空間の座標を表す。色差値ΔＥは、ΔE２＝ΔL２＋Δa２＋Δｂ２の式で計算される。ステンレス・シートは、圧延痕の方向がイメージセンサ１０９５の長手方向と直交するように配置した。ここで圧延痕とは、ステンレス・シートを圧延した際に圧延方向に生じる痕跡である。
　図９は、本実施形態による分光測光装置による、２枚のステンレス・シートの反射色の色彩値を示す図である。横軸は、測定対象の識別（１枚目の表、１枚目の裏、２枚目の表、２枚目の裏）を示し、縦軸は、色彩値を示す。図９は、それぞれの測定対象について、ステンレス・シートを、圧延痕の方向がイメージセンサ１０９５の長手方向と直交するように配置した場合（図９において直交と表示）と、圧延痕の方向がイメージセンサ１０９５の長手方向と平行するように配置した場合（図９において平行と表示）とを示した。図９において、それぞれの測定対象について、直交の場合が、平行の場合よりも明度値（Ｌ）が大きい。その理由は、圧延痕に垂直な方向に反射する光の光量が、圧延痕に平行な方向に反射する光の光量よりも多くなるからである。
　図１０は、本実施形態による分光測光装置による、ステンレス・シートの反射率の測定結果を示す図である。横軸は波長を表し、縦軸は反射率を表す。ステンレス・シートを、圧延痕の方向がイメージセンサ１０９５の長手方向と直交するように配置した場合（図１０において直交と表示）と、圧延痕の方向がイメージセンサ１０９５の長手方向と平行するように配置した場合（図１０において平行と表示）とを示した。
　本実施形態による分光測光装置においては、被測定面に照射される光は、被測定面に垂直に入射され、被測定面で被測定面に垂直な方向に反射される。したがって、本実施形態による分光測光装置によれば、従来の分光測光装置によっては測定することができなかった、圧延痕などを有する粗面の反射率を測定することができる。
　図１１は、シートに薄膜を塗布する設備（真空炉）の構成を示す図である。ロール状のシート２０３を真空炉２０１内に配置し、巻き戻した後、蒸着装置２０５によって薄膜を蒸着し、再びロール状のシート２０９として巻き取る。蒸着装置２０５は、抵抗加熱、高周波誘導加熱、エレクトロンビーム加熱などによって蒸着を行う。観測用窓２０７に以下に説明する分光測光装置１００’を設置することができる。
　図１２は、真空炉２０１に取り付けられた分光測光装置１００’の構成を示す図である。分光測光装置１００’は、図１に示した分光装置１００の構成要素の他に、固定用フランジ１１１およびライトガイド１１３を備える。分光測光装置１００’は、固定用フランジ１１１を真空炉２０１の炉壁の測定窓に設けられた測定窓用フランジ２１１に取り付けることによって真空炉２０１に設置することができる。ライトガイド１１３は、一例として、長手方向の長さが５００ミリメータであり、長手方向に垂直な断面は、内面の二辺がそれぞれ２７ミリメータおよび１２ミリメータの長方形である。ライトガイド１１３の長さは、測定対象の薄膜を塗布したシート２１３が、ライトガイド１１３の先端から１０ミリメータの距離となるように定めてもよい。測定の際に、ライトガイド１１３の長手方向が被測定面と垂直となるように分光測光装置１００’を設置する。ライトガイド１１３の内側を反射率の高い材料で構成することにより、内側を通過する光の減衰を小さくすることができる。一例として、ライトガイド１１３をアルミニウム製の管によって構成してもよい。
　図１３は、上記のライトガイド１１３を備えた分光測光装置１００’による測定対象の反射率の測定結果を示す図である。測定対象は、食品用ラップおよび２種類のオーバヘッドプロジェクタ用フィルムである。測定の際に、ライトガイド１１３の長手方向が被測定面と垂直になり、被測定面からライトガイド１１３の先端までの距離が１０ミリメータとなるように分光測光装置１００’を配置した。この測定結果は、被測定面から１５ミリメータの距離に設置した分光測光装置１００による測定結果とほぼ同じである。このように、ライトガイド１１３を備えた分光測光装置１００’によっても、高精度に反射率、すなわち膜厚を測定することができる。したがって、ライトガイド１１３を備えた分光測光装置１００’により、真空炉など炉内の膜厚を測定することができる。
　本発明の実施形態について以下に説明する。
　本発明の実施形態による分光測光装置において、前記分光センサが、透過波長可変フィルタとイメージセンサとの間に分光センサのコリメータを備えたものであり、前記分光センサに入射する光の方向が、前記分光センサのコリメータの方向と一致するように構成されている。
　本実施形態によれば、イメージセンサの受け取る光の受光角の範囲が所定値以下に制限されるので、イメージセンサは、被測定面の垂直方向に反射した光のみを受け取る。したがって、分光測光装置の測定精度が向上する。
　本発明の実施形態による分光測光装置において、前記光源からの光が、前記筒状のコリメータを経て前記ビーム・スプリッタによって方向を変えられた後、被測定面に垂直に入射し、該被測定面で反射された後、該被測定面に垂直な方向に進行し、前記ビーム・スプリッタを経て該分光センサに至るように構成されている。
　本実施形態によれば、分光測光装置の、被測定面に垂直方向の寸法を増加させずに、筒状のコリメータを備えることができる。
　本発明の実施形態による分光測光装置において、前記筒状のコリメータの内面に突起を設けている。
　本実施形態によれば、被測定面に入射する光の方向がさらに狭い範囲に限定される。
　本発明の実施形態による分光測光装置において、前記筒状のコリメータの長手方向に垂直な断面が長方形である。
　本実施形態によれば、長方形である分光センサの検出面に合わせて効率的に反射光を照射することができる。
　本発明の実施形態による分光測光装置において、前記ビーム・スプリッタと被測定面との間に筒状のライトガイドをさらに備えている。
　本実施形態によれば、筒状のライトガイドを介して、真空炉など装置内の対象物の反射率を測定することができる。
　本発明の実施形態による分光測光装置において、前記筒状のライトガイドの内面が反射率の高い材料からなる。
　本実施形態によれば、筒状のライトガイドを介して、被測定面からの反射光を効率的に採取することができる。
　本発明の実施形態による分光測光装置は、前記ビーム・スプリッタと前記ライトガイドとの間にフランジをさらに備え、炉内の被測定面を観察することができるように、前記ライトガイドを炉内に配置し、前記ライトガイド以外の部分を炉外に配置するように、該フランジによって炉壁に取り付けられるように構成されている。
　本実施形態によれば、フランジによって分光測光装置を容易に炉壁に取り付けることができ、炉内の被測定面を観察することができる。

Claims (8)

  1. 　光源と、筒状のコリメータと、ビーム・スプリッタと、分光センサと、を備えた分光測光装置であって、該光源からの光が、該筒状のコリメータおよび該ビーム・スプリッタを経て被測定面に垂直に入射し、該被測定面で反射された後、該被測定面に垂直な方向に進行し該ビーム・スプリッタを経て該分光センサに至るように構成された分光測光装置。
  2. 　前記分光センサが、透過波長可変フィルタとイメージセンサとの間に分光センサのコリメータを備えたものであり、前記分光センサに入射する光の方向が、前記分光センサのコリメータの方向と一致するように構成された請求項１に記載の分光測光装置。
  3. 　前記光源からの光が、前記筒状のコリメータを経て前記ビーム・スプリッタによって方向を変えられた後、被測定面に垂直に入射し、該被測定面で反射された後、該被測定面に垂直な方向に進行し、前記ビーム・スプリッタを経て該分光センサに至るように構成された請求項１に記載の分光測光装置。
  4. 　前記筒状のコリメータの内面に突起を設けた請求項１に記載の分光測光装置。
  5. 　前記筒状のコリメータの長手方向に垂直な断面が長方形である請求項１に記載の分光測光装置。
  6. 　前記ビーム・スプリッタと被測定面との間に筒状のライトガイドをさらに備えた請求項１に記載の分光測光装置。
  7. 　前記筒状のライトガイドの内面が反射率の高い材料からなる請求項６に記載の分光測光装置。
  8. 　前記ビーム・スプリッタと前記ライトガイドとの間にフランジをさらに備え、炉内の被測定面を観察することができるように、前記ライトガイドを炉内に配置し、前記ライトガイド以外の部分を炉外に配置するように、該フランジによって炉壁に取り付けられるように構成された請求項６に記載の分光測光装置。
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