ディスプレイ用のガラスやフィルムなど、インラインでの透明体厚み検査において、設置時の調整が簡単で、搬送中のばたつきやシワによる傾斜に対しても安定して計測できるセンサが求められる。我々はこれまでに、変位センサの主流であった三角測距方式に代わる、白色共焦点方式によるファイバ同軸変位センサをリリースし、従来課題であった光沢面での傾斜に対して計測精度が劣化しないセンサを提供してきた。しかし、同軸変位センサで薄い透明体の厚み測定を実現するには、センサ内部にあるファイバのコア径を細くする必要があり、光量低下や分岐カプラでの波長依存性が課題であった。そこで、レーザ励起によるファイバ光源と可視域に対応したフィルタ型カプラを導入し、薄さ15 μmの透明体の計測を実現した。この厚み分解能が向上した同軸変位センサによって、インライン透明体厚み検査における設置調整の手間や搬送中の安定計測が期待できる。

1. まえがき

生産ラインの自動化、製品品質の維持を目的に、部品の形状、厚み、高さや、搬送ステージなどの位置を高精度に測定できる変位センサが使われている。従来、変位センサは三角測距方式のレーザ変位センサが主流であったが、モノづくりの製造現場では、その方式に由来する設置調整の難しさ、測定対象物の材質の違いによる測定誤差の課題があった。それらの課題に対し、我々は白色共焦点方式によるファイバ同軸変位センサを、2012年に初めて商品リリース（型ZW-CEシリーズ）し、その後2016年に高精度化したタイプ（型ZW-5000、7000シリーズ）を商品リリースした。白色共焦点方式とは、光学系のもつ軸上色収差を利用して、対象物にピントが合った光の波長から対象物までの距離を求める原理である。小型で簡単に設置でき、測定対象物の材質の違いに依存せず、光沢面も25°傾斜しても高精度な距離計測を可能にした^1）。

厚み検査には、ディスプレイ用のガラスや機能性フィルムなどの薄い透明体を対象とすることがある。例えば、ディスプレイ用のガラス基板は、約1mmのものから数100 μmのものがあり、近年では25 μmまで薄いものも登場している^2）。数100 μmもの薄い透明体の厚み測定には、三角測距方式とは異なる、光の干渉現象を利用した反射分光方式のセンサが使われてきた。しかし、数度以内の正確な設置調整が求められ、また搬送時のばたつきやシワによる傾斜で計測が不安定になる課題もあった。これは、計測精度を得るためにセンサの対物レンズの開口数が小さく設計され、測定対象物が傾斜すると受光しにくくなるためである。

一方、白色共焦点方式によるファイバ同軸変位センサは、原理上対物レンズの開口数が大きく設計され、傾斜に対して安定して計測できる。しかし、これまでリリースした商品では、25 μmの薄い透明体は表面、裏面ともにピントが合うため、表裏を分離して計測することができなかった。表裏を分離するには、センサ内部にある光ファイバのコア径を細くすることが有効であるが、2つの課題が生じる。一つは受光量が減る課題と、もう一つは、ファイバを伝搬するモード数の減少により、センサ内部にある分岐カプラの透過率が波長に応じて変化する課題である。このような光量の減衰や波長依存性が生じると、十分な信号強度が得られず、計測値が不安定になる。そこで、我々は、レーザ励起による高輝度なファイバ光源と、可視域対応のフィルタ型カプラによる波長依存性の改善に取組み、厚さ25 μmよりも薄い15 μmの透明体の厚み計測を実現した。本稿でそれを報告する。

2. 白色共焦点変位センサ

2.1 白色共焦点計測原理

本原理は、測定対象物の高さ方向に異なる波長の光を集光し、測定対象物に集光した波長の光のみを分光器内の受光素子で受光することで測定対象物までの距離を測定する原理である^1）。

システム構成としては、図1に示すように白色光源、分岐カプラ、ファイバ、センサヘッド、分光器、処理部からなる。分光器は、回折格子を用いた一般的な分光方式がもちいられ、回折格子、受光素子からなる。

白色光源から出射した光は、分岐カプラ、ファイバを経由し、センサヘッドへ入射する。入射した光は、波長によって焦点距離が異なる特性（軸上色収差）を持たせたセンサヘッド光学系によって、測定対象物の高さ方向に波長が分光される。センサヘッドは測定対象物からの反射光がファイバ上に焦点が合う共焦点光学系であるため、測定対象物上に集光された特定の波長の光のみがセンサヘッドに接続されているファイバへ結像し、分光器へ入光する。例えば、図1の例では測定対象物に緑色光が集光されているため、緑色光のみ分光器へ入光する。一方、赤、青色光は測定対象物に集光していないためファイバへ結像されず、分光器には入光しない。分光器に入光した光は、回折格子により、分光され、受光素子に結像する画素位置を求め、予め画素位置と距離を対応付けた補正データを用いることで、測定対象物までの距離を算出することができる。

センサヘッドの軸上色収差は、回折レンズを使って発生させる。回折レンズとは、光の回折現象を利用し、同心円状の微細なパターンによって、光を集光・発散させるレンズである。回折現象を利用するため、回折レンズの焦点距離は入射光の波長に反比例する特性がある。センサヘッドに回折レンズを組込むことで、波長によって焦点距離が異なる、軸上色収差をもった光学系が実現される。

白色光源には、長寿命で交換が不要な白色LEDを用いることが多い。白色LEDとは、青色LEDで蛍光体を励起し、その蛍光と励起光である青色を拡散させ、白色にみえる光源である。一般的には蛍光体材料にCe添加YAGの粉末が使われ、黄色の蛍光を発する。白色LEDの分光スペクトルを図2に示す。

波長帯は、およそ400～750 nmあたりの可視域となる。440 nm付近の青色の急峻なピークと550 nm付近にピークをもつなだらかな単峰のスペクトルからなる。当社では、計測レンジ内での光量変化を抑えるため、500～650 nmを計測に利用している。

ファイバには、ガラス製のΦ50 μmコア径のマルチモードファイバが使用される。短距離の光通信によく用いられるもので近赤外光に利用するものだが、可視域も透過する。

2.2 厚み分解能改善に向けた技術課題

白色共焦点変位センサで、ガラスなどの透明な材料を測定すると図3にように、表面と裏面からそれぞれ反射した受光波形が重なって受光される。なお、横軸は、受光波形の半値全幅を1として規格化してある。

2つの界面を分離できる最小の厚みのことを厚み分解能と呼ぶことにする。分離の定義は様々あるが^3）、我々は、二つの波形の重なりである合成波形の頂点で19％以上凹んだ状態を指すものとする。ガウス関数で表現した場合、受光波形の半値全幅の1.12倍離れると、図3のように19％凹みが生じる。透明体の厚み計測ではさらに材料の屈折率 n を乗じた値となる。ガラスやポリエチレンフィルムなど屈折率が n ＝約1.5の場合、受光波形の半値全幅の約1.7倍が透明体厚み分解能となる。

白色共焦点変位センサは焦点の合った波長の光だけが受光される原理であるため、受光波形の半値全幅はセンサヘッドの被写界深度に相当し、その被写界深度はファイバのコア径と回折レンズの開口数（NA）、対物レンズの開口数（NA）と下記のような関係にある^1）。

（1）

図4に、被写界深度に関連する設計パラメータを示す。

関係式からわかるように、厚み分解能の向上には、ファイバコア径を細くするか、回折レンズや対物レンズの開口数を変更する必要がある。開口数を変更する方法では、光学系の倍率と軸上色収差が変わるため、計測できる距離範囲が狭くなり、搬送時に生じる対象物のばたつきで計測が不安定になりやすい。測定できる距離範囲を狭くすることなく、厚み分解能を向上させるには、ファイバコア径を細くするのが有効である。従来用いられるΦ50 μmコア径のマルチモードファイバに変わり、Φ10 μmコア径のファイバを使えば、5倍の改善が見込まれる。

しかし、ファイバコア径を細くすると2つの課題が生じる。一つは、受光量が減ることである。図5に白色LEDの光をファイバへ導く部分の構造を表している。

白色LEDの発光部はおよそ1mm程度とファイバコア径に対して十分大きいため、レンズを用いず近接してファイバに光を導く。そのため、白色LEDの光がファイバに入光する光量は、ファイバのコア径に比例する。ファイバ径を1/5にすると、光量は（1/5）²＝1/25に低下することになる。

もう一つの課題は、分岐カプラの透過スペクトルに波長依存性が現れることである。分岐カプラは、光通信で多用される、図6のような溶融延伸型のカプラが使われる。2本のファイバを溶融延伸しながらコアを近接させることで、コアから染み出した電磁界分布の拡がりが重なりあい、光の結合現象が生じ、光のパワーが他方のファイバへ移動する。

その分岐比は、電磁界分布を決める伝搬モードや波長などに影響を受ける^4）。そのため、伝搬モードが一つしかないシングルモードファイバで作られたカプラの分岐比には波長依存性がある。一方でマルチモードファイバでは多くの伝搬モードを許容できるため、平均化が働き、波長依存性が小さい。しかし、Φ10 μmコア径に可視光を伝搬させた場合は、マルチモードファイバほどモード数はなく、波長依存性が現れる。図7に、Φ10 μmコア径のファイバで作製した溶融延伸型カプラに、白色LEDの光を分岐したときの2つの透過スペクトルを示す。

500～650 nm辺りで、白色LEDの分光スペクトルにはなかった形状が現れ、その形状も2つの出力ポート間で大きく異なる。

以上のような光源部での光量減衰や分岐カプラでの波長依存性が生じると、分光器の受光素子で十分な信号強度が得られなくなり、計測値が不安定になる問題を引き起こす。

3. 開発した技術

コア径を細くすることによって生じる、光量減衰や分岐カプラの波長依存性に対して、下記二つの技術に取り組んだ。

①レーザ励起によるファイバ光源で光源高輝度化
②可視域に対応したフィルタ型カプラで波長依存解消

本稿にてそれらを説明する。

3.1 レーザ励起によるファイバ光源

青色LEDで励起する白色LEDに対し、LEDより輝度の高い青色半導体レーザ（LD）で蛍光体を励起する高輝度な白色光源が開示されている^5）。蛍光体は、光を拡散させるためのフィラーとともに樹脂中などに分散させ成型してある。光をよく拡散させることで、励起光の青色と蛍光体からの蛍光色がムラなく混ざり、白色照明となる。しかし拡散する蛍光体は青色LDの集光点も蛍光する発光点もぼけてしまうため、ファイバに取り込むには効率が悪かった。

そこで、我々は単結晶の蛍光体を用いて、高輝度なファイバ光源を設計した。図8にその構成を示す。

青色LDからの光を集光レンズにて、単結晶の蛍光体に集光する。単結晶の蛍光体は、シリコンウェハの製造にも利用されるチョクラルスキー法により育成したCe添加YAGの単結晶インゴットからプレート状に切り出されたものを用いた。通常、蛍光体はこの後、粉砕され樹脂などに混ぜられ成型されるが、プレート状のまま利用することで、光を拡散しない透光性のある蛍光体となる。透光性のある単結晶蛍光体内では光が拡散しないため、青色励起光は蛍光体内部で焦点を結ぶことができる。単結晶内では、伝搬する青色励起光で照射された部分から、蛍光が発光する。蛍光は図9のようにウエストをもつ略筒状の形をなす。

この略筒状の蛍光部からの蛍光を、蛍光取込レンズにてファイバに導く。

単結晶の蛍光体を用いることで、励起光も蛍光も拡散されず、微小な蛍光部を形成することができ、ファイバに効率よく取り込むことが可能になる。

3.2 可視光に対応したフィルタ型カプラ

光通信では、光ファイバの途中に特定の波長の光を選択的に取り出したり結合させたりする光フィルタ型カプラがある^6）。2本と1本のファイバのそれぞれの先端に屈折率分布レンズを付け、両者の間隙に誘電体多層膜などによる光学フィルタを配置したカプラである。溶融延伸型カプラのような伝搬モードの影響を受けにくいため、フィルタ次第で広い波長範囲に適応できる。しかし、光通信向けの近赤外光に対応したものしかなく、可視光に対応したものがなかった。

そこで、我々は、フィルタ部分に、可視域用のハーフミラーを設けたフィルタ型カプラを本センサ向けに新たに導入した。図10にその構成を示す。

白色共焦点変位センサの光源から導かれる光はPort1から入光し、屈折率分布レンズを経て、可視域対応のハーフミラーを透過し、2つ目のレンズでPort2のファイバに導かれる。Port2はセンサヘッドと繋がっており、センサヘッドから戻ってきた反射光はPort2からレンズを経て可視域対応のハーフミラーを反射し、同じレンズにて、分光器と接続されたPort3のファイバに導かれる。また、可視域対対応のハーフミラーを蒸着した反対側には、青色カットフィルタが蒸着されている。レーザ励起光源内の蛍光体が破損した場合に、青色レーザがセンサヘッドから放出されるのを防ぐためである。

この可視域に対応したフィルタ型カプラにより、Φ10 μmコア径のファイバでも、波長依存性の少ないカプラの実現が可能になる。

4. 効果検証

開発した2つの技術の効果について4.1、4.2に示し、それらを用いたことによる厚み分解能の改善効果を4.3に、実際の薄い透明体を計測した結果を4.4に示す。

4.1 レーザ励起によるファイバ光源の高輝度化

レーザ励起によるファイバ光源と、従来の白色LEDとで、ファイバから出力される光の分光スペクトルを比較した。使用したファイバはともにΦ50 μmコア径で、比較となる白色LEDは当社白色共焦点変位センサZW-CEに搭載されているものを使用した。また青色レーザに注入する電流および白色LEDに注入する電流は、ともに製品仕様上の限界値で設定した。得られた分光スペクトルを図11に示す。

500～650 nmのどの波長においても30倍以上の光量が得られたことがわかる。

4.2 ファルタ型カプラによる波長依存性の低減

可視域対応のフィルタ型カプラと、Φ10 μmコア径で作製した溶融延伸型の分岐カプラに、それぞれ白色LEDの光を分岐させたときの、2つの透過スペクトルを図12に示す。

溶融延伸型に比べ、可視域に対応したフィルタ型カプラによって、500～650 nmの透過スペクトルは滑らかになり、また分岐した二つの透過スペクトル間での違いも低減されたことがわかる。

4.3 厚み分解能の改善

レーザ励起によるファイバ光源と可視域に対応したフィルタ型カプラを用いて、Φ10 μmコア径の白色共焦点変位センサを構築し、Φ50 μmコア径の当社白色共焦点変位センサZW-S5010と受光波形を比較した。センサヘッドは、ともに同じ軸上色収差の光学系を使用した。ミラーを計測したときの受光波形を図13に示す。

横軸は距離（変位）を表しており、センサヘッドの軸上色収差量と分光器の波長をもとに算出した。縦軸は、比較しやすいよう、それぞれの受光波形の最大値で規格化した。得られた受光波形に、ガウス関数でFittingし、ミラーに対する半値全幅を求めた。さらに材質の違いによる影響を評価するため、ミラー以外に、ガラス表面、SUS金属も計測した。結果を表1にまとめる。

対象物の材質によらず、半値全幅が改善されたことがわかる。得られた半値全幅の最大値から、屈折率 n ＝1.5の透明体における厚み分解能を求めた。Φ10 μmコア径によって、厚み分解能が3.7倍改善し、透明体厚みで8.8 μmまで計測できる可能性がわかった。

4.4 薄い透明体の実測

構築したΦ10 μmコア径の白色共焦点変位センサと、Φ50 μmコア径の当社白色共焦点変位センサZW-S5010にて、薄い透明体の実測を行った。薄い透明体として、厚み30 μmのガラスと、厚み30 μm、15 μmのポリエリレン（PE）フィルムを計測した。図14にその受光波形を示す。

図14（a）,（b）から、Φ10 μmコア径によって、ガラス、PEフィルムどちらの材質においても、厚み分解能の改善が確認できた。さらに、図14（c）から、Φ10 μmコア径において、受光波形の頂点に19％以上の凹みが確認でき、15 μmの透明体厚み分解能が実測で確認できた。

また、厚み15 μmのPEフィルムに対して、Φ10 μmコア径の白色共焦点変位センサのセンサヘッドを傾けて計測した。フィルムと正対したときの角度をθ＝0°として、5、10、15°と傾けて計測した。計測した受光波形を、図15に示す。

15°傾けても、15 μmの透明体厚み分解能が維持できていることがわかる。

5. むすび

薄板ガラスやフィルムなどの透明素材の厚み計測の実現に向け、Φ10 μmコア径のファイバを用いて白色共焦点変位センサの厚み分解能の改善を行った。コア径を細くすることによる光量低下と分岐カプラでの波長依存性の課題に対して、それぞれレーザ励起によるファイバ光源と可視域対応のファルタ型カプラにて克服した。結果、透明体の厚み15 μmが計測できるまでに、厚み分解能が向上した。

本技術を搭載した変位センサZW-8000シリーズ（図16）を2018年4月に商品リリースした^7）。

本センサによって、ガラスやフィルムの厚み計測において、設置時調整の手間の緩和や、搬送時のばたつきやシワに対する安定計測が期待できる。またコア径を細くしたことにより、対象物上での焦点スポットが小さくなった。これまで以上に小さな部品の検査も可能になり、高度なものづくりにおける製品品質維持に広く貢献できると考える。

今後も、部品の軽薄短小化や検査点数の増加などの顧客ニーズに応えるため、本技術をもとに、高精度化、高速化、多点同時計測へと進めていきたい。

参考文献

1）

高嶋潤，奥田貴啓，森野久康，早川雅之．製造現場の変化に追従して進化する変位センサ技術．OMRON TECHNICS. 2019, Vol.51, No.1, p.10-15.

2）

日本電気ガラス．“フォルダブルディスプレイのカバーガラス用に世界最薄ガラスの開発に成功”．NewsRelease. 2020-7-21．https://www.neg.co.jp/uploads/news_20200721_jp.pdf，（参照2022-05-26）．

3）

波岡武．“分光装置　第3講　分光器に関する光学”．https://www.jstage.jst.go.jp/article/bunkou1951/19/3/19_3_127/_pdf/-char/ja，（参照2022-05-26）．

4）

川上登．光ファイバカプラ．New Glass. 1991 Vol.6, p.48-59. https://www.newglass.jp/mag/TITL/maghtml/20-pdf/+20-p048.pdf，（参照2022-05-26）．

5）

日亜化学．発光装置．特開2006-173324号．2006-6-29.

6）

金森弘雄．FTTHを支える光受動部品．SEIテクニカルレビュ．2011, No.179, p.17-24. https://sei.co.jp/technology/tr/bn179/pdf/sei10675.pdf，（参照2022-05-26）．

7）

オムロン株式会社．ZW-8000 / 7000 / 5000シリーズ ファイバ同軸変位センサ／特長｜オムロン制御機器．https://www.fa.omron.co.jp/products/family/3500/feature.html，（参照2022-05-26）．