1.引言

近年来，平板显示器领域、包装用等薄膜领域以及透明电极膜领域里，产品种类繁多，特别是对于这些产品而言，光学特性是其重要的性质之一。 我公司可提供在不停线的情况下对产品进行质量管理的分光测量系统。本文将对这些系统进行介绍。

2.分光是什么

(1) 光的特点

光具有粒子和波的双重性质。当把光表现为波时，波的波峰到波峰或波谷到波谷之间的距离称为波长（图1）。我们平时所看到的太阳光和荧光灯光中，包含着各种波长的光。

（図1）

光根据波长可分为以下几类（图1）。波长在380纳米～780纳米的光称为可见光。顾名思义，这是人类眼睛能够识别的光，从波长较短的一侧开始，依次为紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红。我们所看到的物体颜色，是由可见光各波长的强度平衡决定的。波长短于380纳米的光称为紫外线，长于780纳米的光称为红外线，这些都是人类眼睛无法识别的。

(2) 分光的定义和分光的例子

分光是指将包含各种波长的光按波长成分进行分离。分光的例子之一是棱镜（图2）。棱镜利用其内部因波长不同而产生的折射率差异来实现分光。波长越短，折射率越大，光的偏折角度（折射角）也就越大。正是由于这种折射角的差异，光得以被分光。

（図2）

(3) 我司的分光测量仪

我司提供的分光测量仪采用与棱镜不同的方法进行分光（图3）。首先，通过光纤接收用于测量的光，并将其引导至检测器。进入检测器的光照射到光栅（衍射光栅）上，被分解为各个波长成分。分光后的光由排成一列的光检测元件按波长成分分别来检测。

（图3）

光栅是一种表面刻有多个沟槽的光学元件。当波长为λ的光以角度i入射到光栅时，若在角度θ的方向发生衍射，则以下关系

mλ＝d(sin i±sinθ)（m：级次、d：光栅常数）

(4) 通过分光测量能够了解的信息

下面将说明通过分光测量能够了解的信息。

1. 分光透射率

对物体照射光时，通过测量透过物体的光，能够了解该物体的透射率波长特性。

2. 分光反射率

对物体照射光时，通过测量物体表面反射的光，能够了解该材料的反射率波长特性。

3. 膜厚

对基板上涂有薄膜的样品照射光时，会产生薄膜表面的反射光（R1）和薄膜与基板界面的反射光（R2）（图4）。此时，若R1与R2的波峰相互重叠，光会相互加强；

反之，若R1的波峰与R2的波谷重叠，光会相互抵消。其结果是，分光反射率会随波长变化，呈现波动形态。这种光谱称为干涉波形。干涉波形的形态会根据材料的折射率和薄膜的膜厚呈现出独特的波形。因此，若已知材料的折射率，就能测量出薄膜的膜厚。

（図4）

4.偏光(相位差)

太阳光、灯光等自然光在各种方向上振动。能够从在各种方向上振动的光中，仅提取出在某一特定方向上振动的光的光学元件，被称为偏振片。利用偏振片，可以测量相位差薄膜的相位差（图5）。

（图5）

相位差薄膜是在x轴方向与y轴方向上折射率不同的薄膜，在薄膜内部，沿x轴振动的波与沿y轴振动的波的传播速度会产生差异。其结果是，在入射到薄膜之前原本一致的相位会出现偏移。这种偏移被称为相位差（δ），满足以下关系式：

δ＝2πΔnd/λ（Δn：折射率差、d：薄膜厚度）

此外，折射率差（Δn）与薄膜厚度（d）的乘积（Δnd）被称为相位延迟（Retardation），由于Δn具有波长分布，因此相位延迟也具有波长分布。

相位延迟的测量方法是：将入射光用偏振片与透射光用偏振片的透振轴垂直放置，在两者之间设置相位差薄膜。根据薄膜相位差的大小，透射光用偏振片透振轴方向的光强会发生变化。由于相位差的大小由光的波长、折射率差及薄膜厚度决定，因此可以通过分光透射率的测量结果来计算相位延迟。

5. 物体色（透射色、反射色）

根据分光透射率或分光反射率光谱数据，采用基于JIS标准的计算方法，将颜色进行数值化表示，即可得知物体的透射色或反射色。例如Y,x,y表色系（图6）：Y值表示亮度，x值和y值表示颜色。

（图6）

3.用于分光测量的光学系统

用于进行分光测量的光学系统有若干的种类。这里将为大家介绍这些光学系统（图7）。

（図7）

(1) 透过率测量

透射率测量的光学系统，有一种是将样品夹在中间，使投光光纤与受光光纤相对放置进行测量的系统。还有一种是使用积分球对透过样品的所有光进行测量的系统。积分球是在球的内表面涂有硫酸钡等反射率高且扩散性好的材料的装置。

(2) 反射率(膜厚)测量

反射率测量的光学系统，一种是使用将投光光纤与受光光纤整合为一体的Y型光纤，让光垂直入射到样品表面，并对垂直反射的光进行测量。其中，包括将样品的测量面朝下放置在样品台上、从下方照射光的类型，以及将样品的测量面朝上放置、从上方照射光的类型。还有一种是改变角度进行测量。通过改变照射角度和测量角度进行测量，能够了解样品反射率的角度依赖性。

4.在线分光测量系统

我司提供的是采用分光测量仪的在线分光测量系统。下面为您介绍单体式、龙门架移动式及光纤切换式这三种类型。

(1) 单体式（图8）

（图8）

单体式不使用光纤切换器或扫描装置进行测量，如透射单点测量系统、以及使用两台光源并通过快门机构切换测量点的反射测量系统等。通过不同的组合，可实现多种测量系统。

(2) 龙门架移动式（图9）

（图9）

龙门架移动式中，进行透射率测量时，将两台扫描装置分别上下配置，并安装投光光纤和受光光纤。有时也会在受光侧安装积分球。而进行反射率测量时，则在一台扫描装置上安装Y型光纤。通过使扫描装置沿样品的宽度方向移动，可在任意点位进行测量。

龙门架移动式的特点是，能够任意设定测量位置和测量点数量，因此可以灵活地进行测量。此外，还具有光强高、测量时间短等优势。

(3) 光纤切换器式(图10)

（图10）

在光纤切换器式中，光源发出的光通过多分支光纤进行分束。进行透射率测量时，通过投光光纤向样品照射光，由相对放置的受光光纤接收透射光。这里同样也有时会在受光侧安装积分球。透射光先进入光纤切换器，再由检测器进行检测。另一方面，进行反射率测量时，通过Y型光纤向样品照射光，并接收样品的反射光。接收的光与透射率测量时一样，先进入光纤切换器，再由检测器检测。无论是哪种测量，通过光纤切换器切换测量点，都能实现多个点的测量。

光纤切换器内部的光纤是相对着设置的，在其之间有带孔的圆盘。来自样品的透射光或反射光始终从所有光纤射出，但通过旋转圆盘，可以使孔的位置与测量点的光纤对齐，同时又遮挡其他光线，从而实现按点测量。

光纤切换器式的特点是，由于测量部分不运转，因此能够应对真空室内的测量。此外，因其节省空间，还可在各种场所安装。

5.测量例

在线分光测量中，通过系统（单体式、龙门架移动式、切换器式）、测量方法（透射、反射）、测量项目（透射率、反射率、膜厚、相位延迟、颜色等）的组合，可以构建出多种测量系统。这里将举例介绍几种测量系统。

（1）单体式：单点反射型

系统由检测器、光源、电脑、不间断电源等构成，这些设备均收纳在机柜中。测量项目包括：指定单点的反射率（光谱、数值、趋势）、膜厚（数值、趋势）等。

(2) 单体式：3点相位延迟测量型（图11）

（图11）

3点相位延迟测量型由检测器、带快门的光源、电脑、偏振光学系统等构成，除电脑外均收纳在机柜中。测量点为3个，通过快门控制3台光源，实现按点测量。此外，由于偏振棱镜可装卸，也能进行常规的透射率测量。测量项目包括：透射率（光谱、最大值及最小值及其波长的数值·趋势）、相位延迟的数值等。

另外，除了本次介绍的系统外，还有在线用相位延迟测量装置RE-100，采用光子晶体偏振器阵列CCD模块（图12）。该装置能够同时且高速地测量微小相位延迟样品的相位延迟及主轴方位。测量对象包括：相位差薄膜（相位延迟、主轴方位角度）、偏振片（透过轴角度）等。

（图12）

(3) 龙门架移动型：透过型

龙门架移动系统由检测器、光源、电脑、龙门架移动系统等构成，除龙门架移动系统外，其他装置均收纳在机柜中。测量点可任意设定，测量项目包括透射率（光谱、数值、趋势）、透射色（数值、趋势）等。

(4) 切换器式：3点反射型(图13)

（图13）

切换器式系统由检测器、切换器、光源、电脑等构成，设备整体收纳在机柜中。此处展示的是3点测量的示例。从光源直接接入切换器的光纤，用于确认光源的光量变化。测量项目包括反射率（光谱、数值、趋势）、膜厚（数值、趋势）、反射色（数值、趋势）等。

到目前为止介绍的系统所适用的测量样品示例的话有：AR（防反射）薄膜、LR（低反射）薄膜、偏振薄膜、相位差薄膜、包装薄膜、玻璃基板上的涂布膜等。

(5) 测量软件

作为测量软件的示例，下面介绍切换器类型用于AR薄膜3点膜厚测量的画面（图14）。测量画面由反射率光谱、膜厚及指定波长的反射率数值、趋势图等构成。各画面的布局和大小可自由调整。

由于测量软件是根据每个客户的需求定制开发的，因此可以结合系统，按照客户的要求，提供相应的软件。

（图14）

6.结语

对于管理薄膜、玻璃等的光学特性，分光测量是不可或缺的，本文介绍的这类测量系统将会发挥重要作用。本公司通过提供在线分光测量系统，为客户的品质管理及成品率提升贡献力量，同时也希望能满足新的需求。

（刊载于《Convertech '04》4 月号2007 年 4 月）