JP2010044001A - 複数点分光光度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 離れた場所または隔離されている場所に置かれた被検体の分光透過率或いは分光反射率を同時測定可能で、さらに測定点数と被検体間の距離による制限がなく、測定を遠隔地で集中管理できる装置の提供。
【解決手段】 ファイバーにより投光、受光を行わせ、センサーとなる高速型分光器にＬＡＮ機能を設け、離れた空間、狭い空間、隔離された空間に置かれた被検体の分光透過率、分光反射率を被検体の数、大きさ、互いに置かれている距離に制限なく同時に多点で高速に測定し、遠隔監視を可能とする。
【選択図】 図１

Description

離れた場所、または真空チャンバーなどの隔離されている場所におかれた被検体の分光透過率或いは分光反射率を複数点同時に測定し、遠隔地で集中管理することができる分光光度測定装置に関する。

従来、コンベア上を移動し、順次次工程ラインに移っていく製造ラインにおいて、そのライン上を移動している製品の工程中の品質を分光器を用いて測定し、その測定結果に基づいて工程中の製造条件を制御する装置が考えられていた。

例えば、印刷物の品質、硝子製品の透過率の均一性、多種フィルムの透過率の制御などにおいて、工程ラインの移動方向に対してその垂直方向に多数のセンサーを並べて、その製品の品質を同時に検出して工程条件を制御する構成が特許文献１に開示されていた。

以上のように被検体の多数点を同時に測定する場合、センサーとして分光器を多数台並べて配置することとなるが、分光器は外囲器が大きく、多数台並べることが難しい問題があった。

また、分光器単体による測定であっても、真空チャンバーや蒸着タンクのような隔離空間にある被検体（例えば半導体基板、光学薄膜フィルターなど）の測定は難しく、その被検体面上の多数点の測定は更に困難であった。

そこで、光伝送ファイバーを用いて被検体の近傍に光を導くことが考えられた。特許文献２には光伝送ファイバーを用いて半導体基板の反射率測定及び加熱温度制御方法が開示されている。

しかしながらこの特許文献２では、半導体基板への投光とその反射波受光に際し、多点同時測定では他点の光の干渉が多くなるので、それぞれ異なる周波数で変調された光を照射する方法を採用しなければならなかった。このためコストが嵩む問題があった。

特開２００４−３９２５号公報（第２、３頁、第１図） 特開２００１−６０５６０号公報（第２、３頁、第１図）

本発明は、前述した問題に鑑み以下の課題を解決することを目的とする。

（１）各工程ライン上を移動する比較的幅広い被検体又は離散場所の多数点を同時に測定すること、または投光・受光が直接できない真空チャンバー等の隔離空間内の多数点を同時に測定するため、それら被検体の近傍まで光伝送ファイバーを使用して測定する。

（２）前記離散場所・隔離空間のいずれの場合においても、被検体の多数点を同時に測定する場合に他点からの干渉を少なくするため、光伝送ファイバーが被検体と対向する測定点にはレンズ系を形成させる。投光側のファイバー先端には集束レンズ系を構成させ、それを受光する側のファイバー先端には光が多少づれて来た場合でも、づれを緩和するための拡散板を構成させ、光の発散範囲を狭くする。以上のような構成とし、異なる周波数で変調するなどの対策を不要とする。

（３）また、分光器が精度よく使用できるように、広い波長帯（紫外光〜近赤外光）の範囲を透過させる石英ガラスによって作られたファイバー素線を使用する。更に分光器内部で迷光を増やさないためにＮＡ０．２程度の拡散角度（１１．５度）の範囲のファイバーを使用する構成とする。

（４）更に、測定装置を効率化・コンパクト化するため、高速型分光器を用いる。すなわち、回折格子を回転させて回転角度により異なる波長に分光して測定するのではなく、測定センサーを多数並べたラインセンサー構成で同時に多数の波長を一挙に測定する高速型分光器を組入れる、作業効率を向上させる。

（５）さらに、光伝送ファイバーはファイバー素線を１０００本程度束ねたバンドルファイバーを用い、一端は光源部或いは分光器にそれぞれ着脱自在の接続機構を設け、他端には被検体に対向する位置に着脱自在の接続機構を設け、被検体に対向してその反射或いは透過光が投光レンズ或いは拡散受光系を形成する構成とする。

前記課題を解決するため、本発明の複数点分光光度測定装置は、真空チャンバーでの蒸着を含む各種工程中に必要となる複数点分光光度測定に際し、直接投光・受光ができない隔離空間に被検体がある場合、その被検体の複数測定点にそれぞれ光伝送ファイバー束を用いて投光・受光を行い同時に計測可能とする装置であって、
前記被検体を収容し、チャンバー外部の光源部の光を伝搬する光伝送ファイバー束を貫通させると共に真空封止機構を有する第１のフランジ、及び、被検体からの透過光又は反射光を伝搬する光伝送ファイバー束を貫通させると共に真空封止機構を有する第２のフランジを備えた真空チャンバーと、
その被検体の前記複数測定点へ前記第１のフランジを介して投光するため、高輝度ランプ部をそれぞれ独立して発光させる複数（ｍ）台からなる光源部と、
その投光による被検体の前記測定複数（ｎ）点における透過光又は反射光を受光して第２のフランジを介してチャンバー外部に導いた光を前記測定複数（ｎ）点毎に対応して配置された高速型分光器と、
それら複数（ｎ）台の高速型分光器のデジタル出力をＬＡＮケーブルで送信するＬＡＮ接続装置と、
ＬＡＮケーブルを介して被検体の作業工程条件を所定時間毎に受けると共に、それらの値に基づいて前記工程条件を更新、変更する制御部と、を備えることを特徴とする。

また、前記光伝送ファイバー束は、紫外線から近赤外線の波長帯を透過させる石英ガラスのファイバー素線が複数（Ｐ＝数百〜１０００）本からなり、その両端を束ね、それら両端に端末金具を取り付け、さらに前記高速型分光器内部で迷光を増やさないため約ＮＡ０．２の拡散角度（１１．５度）の範囲の光ファイバー構成とし、
第１のフランジを貫通する光伝送ファイバー束の光源部側の前記端末金具はその光源部光出力端部と着脱自在の第１の結合機構を形成し、第１のフランジの真空チャンバー側の光伝送ファイバー束は光投光レンズ系を形成し、
第２のフランジを貫通する光伝送ファイバー束の分光器側の前記端末金具はその分光器光入力端部と着脱自在の第２の結合機構を形成し、第２のフランジの真空チャンバー側のファイバー束は光受光拡散系を形成することを特徴とする。

また、前記第１のフランジは、複数（ｍ）台の光源部から投光する光量を（ｍ）本の光伝送ファイバー束で真空チャンバーの真空側に貫通させ、その光を被検体の複数（ｎ）測定点へ分配するに際し、
光伝送ファイバー束の前記ファイバー素線（ｐ）本を、被検体の複数測定点の数（ｎ）に分割（ｐ／ｎ）し、分割された異なる光源部からのファイバー素線ｍ組を束ね（ｐ／ｎ）×ｍ本のファイバー素線に束ね直す光源合成素線配分部を備え、複数（ｍ）の光源部からの光を合成して均質化した投光をそれぞれの測定点に配分することを特徴とする。

また、本発明の複数点分光光度測定装置は、工場内製造各工程ライン間の距離が長い場所、或いは工程ラインが離れた複数の工場に分かれている離散場所に被検体がある場合、その被検体の複数測定点にそれぞれ光伝送ファイバー束を用いて投光、受光を行い、同時に計測可能とする装置であって、
前記被検体が製造されている各工程ライン中で必要とする（Ｑ）箇所の場所の被検体の複数測定点に投光側及び受光側光伝送ファイバー束の端末金具を配置固定する（Ｑ）組の端末金具固定機構と、
その被検体各工程場所に光伝送ファイバー束により投光する光源として高輝度ランプ部を独立して発光させる複数（ｍ）台からなる光源部と、
測定複数（ｎ）点における透過光又は反射光を受光して前記光伝送ファイバー束によりその光を入力する（ｎ）台の高速型分光器と、
それら複数（ｎ）台の高速型分光器のデジタル出力をＬＡＮケーブルで送信するＬＡＮ接続装置と、
ＬＡＮケーブルを介して被検体の作業工程条件を所定時間毎に受けると共に、それらの値に基づいて前記工程条件を更新、変更する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明は以下に述べる効果を奏する。
（１）真空チャンバー空間内などの隔離空間に被検体があっても、光伝送ファイバーにより外部に配置した高速型分光器を用いて分光光度を精度よく測定可能である。

（２）被検体の複数点の測定に際し、光伝送ファイバー一端の投光レンズ系、受光レンズ系により隣接する測定点からの干渉を受けることなく精度の高い測定ができる。

（３）数百〜千本のファイバー素線からなる光伝送ファイバーが束ねられた端部金具は、光源部出力或いは分光器測定光入力部と着脱自在な結合機構を備え、効率よく被検体の所定位置に投光、受光レンズ系を配置することができる。

（４）真空チャンバーへの光の入力、出力は総て気密封止機構を有するフランジを備え、出力側光伝送ファイバーを通過させる出力側のフランジは、被検体の測定点（ｎ）個と、ｎ台の分光器に対応するｎ本の光伝送ファイバー束が樹脂で固められているので、チャンバー組み込みが容易である。
一方入力側光伝送ファイバーを通過させる入力側のフランジは、複数ｍ台の光源部から接続されるｍ本の入力側光伝送ファイバー束を貫通させ、光伝送ファイバー束のファイバー素線（ｐ）本を、被検体の複数測定点の数（ｎ）に分割（ｐ／ｎ）し、分割された異なる光源部からのファイバー素線ｍ組を束ね（ｐ／ｎ）×ｍ本のファイバー素線に束ね直す状態で入力側フランジが樹脂で固められているので、入力側のフランジをパッキングにより機密封止して容易に組み込むことができる。
この構成により、光源部の台数（ｍ）を増加させることで光源光量を容易に増加させることができると共に、複数台の光源部からのファイバー素線を組合せてｎ束としているため、光源部の一台が発光故障しても、測定点への投光が均一であるため信頼性の高い測定装置となる。

（５）各工程ラインが離れている離散場所に被検体がある場合も、（１）〜（４）に述べた効果と同様の機能を発揮させることができる。なおこの場合分光器はそれぞれ各工程ラインに配置して、分光器の出力をＬＡＮケーブルで遠隔地の制御装置で集中管理させることができる。この場合、制御装置からの各工程への条件更新信号などの制御信号もＬＡＮを介して送信させる。

本発明の複数点分光光度測定装置の実施例を図に基づいて以下に説明する。

図１は、複数点分光光度測定装置の第１の実施例である。この実施例は、真空チャンバー４内で、蒸着を含む各種工程を行っている間に、被検体７の検出したい複数の測定点（ｎ箇所）を定めて、光源部１から投光を行い、その測定点を透過した光を高速分光器に導いて、同時に複数の測定点の光度の測定を可能とする装置である。

この実施の形態では、光源部１は１ａ〜１ｄの４台（ｍ＝４）からなり、複数測定点は８ヶ所（ｎ＝８）、高速型分光器１２を８台としている。なお、被検体７に対する測定点は７箇所とし、残りの１箇所は被検体７を通さず投光した光を直接受光し、被検体を通さない光源部１の光量、レンズ系の集束データ、分光器の検知データなどの基礎データを確認するものとしている。また、光源部１（１ａ〜１ｄ）は４台の高輝度ランプで、この実施の形態では１５０Ｗのハロゲンランプを使用している。

２は、光源側光伝送ファイバーを示す。光源側光伝送ファイバー２は、ファイバー素線を複数本（数百〜千本）束ねてその端部に端末金具を取りつけたもので、この実施の形態では光源部１の各光出力端は、それぞれ光源側光伝送ファイバー２の端末金具との間に４組の第１の結合機構を設けて着脱自在に接続されている。

光源側光伝送ファイバー２の他端は、第１のフランジを通過させて真空チャンバー４の内側（真空側）へ導かれている。以下図２に基づきその構造を説明する。

図２は光伝送ファイバーの構造を示す図である。すなわち、光源部１から光源側光伝送ファイバー２の４束の光源側光伝送ファイバー２が第１のフランジ３を貫通して、光源合成素線配分部３Ｘに入る。

光源合成素線配分部３Ｘでは、光源側光伝送ファイバー２のファイバー素線（この実施例ではＰ＝１０００本）を、測定点の数（この実施例ではｎ＝８）で均等に分配（１２５本）し、４束の光源側光伝送ファイバー２からそれぞれファイバー素線１２５本を合わせて１２５×４＝５００本のファイバー素線とし、束変換後の入力側光伝送ファイバー５（５ａ〜５ｈ）が形成されている。
ここで、第１のフランジ３、光源合成素線配分部３Ｘは樹脂によって円板状に固められ、その円板状の周縁部には気密封止用の真空封止パッキン４ａで円形孔の真空チャンバー４に圧しつけて封じられている。（この気密封止方法は公知の技術である）

以上のように８束の入力側光伝送ファイバー５（５ａ〜５ｈ）が形成された先端には光投光端レンズ系６ａ〜６ｈが形成され、被検体７の測定点７箇所と、基準点１箇所にそれぞれ対向して固定される。

図１に示すように、被検体７を透過した光はそれぞれ測定光受光端拡散系８（８ａ〜８ｈ）に入る。測定光受光端拡散系８から測定光受光の光伝送ファイバー９ａ〜９ｈのｎ＝８束を通り第２のフランジ１０を介して真空側から大気側へ貫通される。

図３は、出力側の測定光受光端拡散系から分光器入力端間の光伝送ファイバーの構造を示す。

図３の第２のフランジ１０は、真空側の光伝送ファイバー９（９ａ〜９ｈ）を貫通させ大気側を出力側光伝送ファイバー１１（１１ａ〜１１ｈ）として樹脂で固定し、円板状とし、その周縁部には気密封止用の真空封止パッキン４ａで真空チャンバー４にある円形孔に圧しつけて封じている。

大気側の出力側光伝送ファイバー１１ａ〜１１ｈの端部は、それぞれの高速型分光器１２の測定光入力側にある結合機構１２ａ〜１２ｈに着脱自在に接続固定されている。

それぞれの高速型分光器１２からのＡ／Ｄ変換されたデジタル信号は、ＬＡＮ接続装置１２Ｗに入力され、ＬＡＮケーブル１３を介して制御部１４に取得される。

図４は、本発明の複数点分光光度測定装置の第２の実施例である。この実施例は被検体７が真空中ではなく大気中にある場合で、その被検体７の幅が広く、工程中のコンベア１６の上に搭載されて移動している、例えばガラスの製造工程における透過率測定、多種フィルムの透過率の測定、印刷物の品質測定などにおける実施例である。すなわち、被検体の移動方向に垂直方向の複数測定点の均一性の測定のケースである。

図４では、幅広い被検体７のコンベア１６の下側の８測定点に変換後の８束からなる入力側光伝送ファイバー５を並べて配置固定し、一方８測定点の上側には８束からなる出力側光伝送ファイバー１１を対向して配置固定する。

光の対向面では、光投光端レンズ系６（６ａ〜６ｈ）と、測定光受光端拡散系８（８ａ〜８ｈ）とが、被検体７をはさんで光集束系を形成し、光が隣接レンズ系と干渉しないようにしている。

なお、被検体７の下側から光が入力されるようにコンベア１６はその両端にあって、両端を除く中間部にはコンベアがない構造か、或いはコンベア自体を透過性の素材としておく。

制御部１４は、第１の実施例の場合と同様であるので説明を省略する。

３Ｘは光源合成素線配分部であり、図４の実施例では、４台の光源部１ａ〜１ｄからの光出力を第１の結合機構２ａ〜２ｄに接続した４束の光源側光伝送ファイバー２を測定点の数に均等に分配合成して８束とするものである。第１の実施例のような気密機構の必要はない。

図４では複数点が被検体７の幅広い地点に着脱自在に固定されているが、工場内の複数のコンベアが離れていてそれぞれのコンベアに測定点がある場合にも適用できる。

離散場所に測定地点が複数箇所あるような場合は、高速型分光器１２をそれぞれのコンベア近くに配置し、測定地点と高速型分光器の間は光伝送ファイバーで接続し、測定データは高速型分光器のデジタル出力信号をＬＡＮケーブルで遠隔地の制御部１４に送り集中管理させることができる。

以上のように、本発明の複数点分光光度測定装置は離散場所に測定点が複数箇所ある場合であっても有効な装置となる。

本発明の複数点分光光度測定装置（第１実施例） 光伝送ファイバーの構造図 光伝送ファイバーの構造図 本発明の複数点分光光度測定装置（第２実施例）

符号の説明

１、１ａ〜１ｄ 光源部
２ 光源側光伝送ファイバー（ｍ＝４束）
２ａ〜２ｄ 第１の結合機構
３ 第１のフランジ（気密機構付）
３Ｘ 光源合成素線配分部
４ 真空チャンバー
４ａ 真空封止パッキン
５、５ａ〜５ｈ 入力側光伝送ファイバー（束数変換後ｎ＝８束）
６、６ａ〜６ｈ 光投光端レンズ系（ｎ＝８）
７ 被検体
８、８ａ〜８ｈ 測定光受光端拡散系（ｎ＝８）
９、９ａ〜９ｈ 測定光受光の光伝送ファイバー
１０ 第２のフランジ（気密機構付）
１１、１１ａ〜１１ｈ 出力側光伝送ファイバー（ｎ＝８束）
１２ 高速型分光器
１２ａ〜１２ｈ 第２の結合機構
１２Ｗ ＬＡＮ接続装置
１３ ＬＡＮケーブル
１４ 制御部
１５ 制御信号（工程条件変更信号）
１６ コンベア

Claims (4)

1. 真空チャンバーでの蒸着を含む各種工程中に必要となる複数点分光光度測定に際し、直接投光・受光ができない隔離空間に被検体がある場合、その被検体の複数測定点にそれぞれ光伝送ファイバー束を用いて投光・受光を行い同時に計測可能とする装置であって、
   前記被検体を収容し、チャンバー外部の光源部の光を伝搬する光伝送ファイバー束を貫通させると共に真空封止機構を有する第１のフランジ、及び、被検体からの透過光又は反射光を伝搬する光伝送ファイバー束を貫通させると共に真空封止機構を有する第２のフランジを備えた真空チャンバーと、
   その被検体の前記複数測定点へ前記第１のフランジを介して投光するため、高輝度ランプ部をそれぞれ独立して発光させる複数（ｍ）台からなる光源部と、
   その投光による被検体の前記測定複数（ｎ）点における透過光又は反射光を受光して第２のフランジを介してチャンバー外部に導いた光を前記測定複数（ｎ）点毎に対応して配置された高速型分光器と、
   それら複数（ｎ）台の高速型分光器のデジタル出力をＬＡＮケーブルで送信するＬＡＮ接続装置と、
   ＬＡＮケーブルを介して被検体の作業工程条件を所定時間毎に受けると共に、それらの値に基づいて前記工程条件を更新、変更する制御部と、を備えることを特徴とする複数点分光光度測定装置。
2. 前記光伝送ファイバー束は、紫外線から近赤外線の波長帯を透過させる石英ガラスのファイバー素線が複数（Ｐ＝数百〜１０００）本からなり、その両端を束ね、それら両端に端末金具を取り付け、さらに前記高速型分光器内部で迷光を増やさないため約ＮＡ０．２の拡散角度（１１．５度）の範囲の光ファイバー構成とし、
   第１のフランジを貫通する光伝送ファイバー束の光源部側の前記端末金具はその光源部光出力端部と着脱自在の第１の結合機構を形成し、第１のフランジの真空チャンバー側の光伝送ファイバー束は光投光レンズ系を形成し、
   第２のフランジを貫通する光伝送ファイバー束の分光器側の前記端末金具はその分光器光入力端部と着脱自在の第２の結合機構を形成し、第２のフランジの真空チャンバー側のファイバー束は光受光拡散系を形成することを特徴とする請求項１記載の複数点分光光度測定装置。
3. 前記第１のフランジは、複数（ｍ）台の光源部から投光する光量を（ｍ）本の光伝送ファイバー束で真空チャンバーの真空側に貫通させ、その光を被検体の複数（ｎ）測定点へ分配するに際し、
   光伝送ファイバー束の前記ファイバー素線（ｐ）本を、被検体の複数測定点の数（ｎ）に分割（ｐ／ｎ）し、分割された異なる光源部からのファイバー素線ｍ組を束ね（ｐ／ｎ）×ｍ本のファイバー素線に束ね直す光源合成素線配分部を備え、複数（ｍ）の光源部からの光を合成して均質化した投光をそれぞれの測定点に配分することを特徴とする請求項１又は２記載の複数点分光光度測定装置。
4. 工場内製造各工程ライン間の距離が長い場所、或いは工程ラインが離れた複数の工場に分かれている離散場所に被検体がある場合、その被検体の複数測定点にそれぞれ光伝送ファイバー束を用いて投光、受光を行い、同時に計測可能とする装置であって、
   前記被検体が製造されている各工程ライン中で必要とする（Ｑ）箇所の場所の被検体の複数測定点に投光側及び受光側光伝送ファイバー束の端末金具を配置固定する（Ｑ）組の端末金具固定機構と、
   その被検体各工程場所に光伝送ファイバー束により投光する光源として高輝度ランプ部を独立して発光させる複数（ｍ）台からなる光源部と、
   測定複数（ｎ）点における透過光又は反射光を受光して前記光伝送ファイバー束によりその光を入力する（ｎ）台の高速型分光器と、
   それら複数（ｎ）台の高速型分光器のデジタル出力をＬＡＮケーブルで送信するＬＡＮ接続装置と、
   ＬＡＮケーブルを介して被検体の作業工程条件を所定時間毎に受けると共に、それらの値に基づいて前記工程条件を更新、変更する制御部と、を備えることを特徴とする複数点分光光度測定装置。

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