JP5334861B2 - 厚さ測定のための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、幾何学的に広範囲に及ぶ対象物の厚さ測定に関連し、とりわけどのようにすればシートメタル、ファイル又は紙等のウエブで製造される素材の厚みが効率的に決定されるかに関連する。

幾何学的に広範囲に及ぶ対象物の厚さ測定においては、中でも工業的に前処理されたシートにおいてのように、テストされる対象物の厚みが０．０１ｍｍから数ｃｍまでと非常に広い幅で変動する可能性がある場合は、数々の課題が生じる。

対象物の厚みに関する幾何学的伸張が大きい場合、あるいはローラー状に巻かれた箔、紙又はシートメタルのような素材においてのように１方向に向けてほぼ無限大ですらある場合、全体の測定時間を受入れ可能なレベルに保つためには、1回の測定で対象物の広い範囲の厚みを決定しなければならないという問題がある。

さらに、とりわけウエブの形状で製造される素材においては、ウエブの厚みの公差に対する要求は、概して非常に高いという問題が生じる。例えば自動車工学においては、シートメタルの強度を維持することは完成した車両の衝突動作において重要であるため、シートメタルの強度は部分的に極めて低い公差で指定されている。

さらに、シートメタルの厚みを制御する際には、シートメタルは、一般的に圧延機で高い速度で製造されていることを考慮して、時間単位毎にシートメタルの広い領域がテストされなければならなくなるようにしなければならない。なかでも、幅３ｍまでのシートメタルを作り出すことができる工業用圧延機械が用いられている。

さらに、シートメタルは従来の光学放射に対して不透性の素材からなっていて、そのことによってシートメタルの強度の測定がさらに妨げられる。シートメタルの表面に直接接触することによって空間分解法でシートメタルの厚みを決定することができる触角的方法は、このような目的ではほとんど使用することはできない。というのも、この方法では複数の測定ポイントを機械的に検出しなければならず、労力が増すことになり、ひいては品質管理のためのコストも大幅に上昇するからである。

工業的な生産方法においては、しばしばシートメタルの生産速度は非常に速く、圧延装置の押出し口から出る速度があまりにも速く、シートメタルの表面に直角をなす方向に振動するほどである。このような場合においては、触覚的方法の使用は原則として、不可能である。シートメタル以外でも、箔、紙、ガラス又は類似の成分など、高い正確性で特定の材料強度制御が必要とされる他の数々の平面状素材にも、同様の考慮が適用される。

上述の課題により、生産時の壁体強度の監視は極めて高価であり、シートメタルの場合は通常、放射計測により、すなわちＸ線を発生させるための放射能源またはＸ線管、及びそれぞれ放射線またはＸ線を検出する検出器を使用して行われる。これによって、テストされる材料はＸ線またはガンマ線で検査され、検査された材料の壁体強度は、テストされる材料の放射吸収によって引き起こされる光線の減衰によって決定される。従って、光線輝度及び原光線輝度がそれぞれ既知でなければならず、また材料を検査したあとに残存する光線輝度が適切な検出器によって検出されなければならない。

放射線高感度検出器は、一般に、非常に高価な装置である。例えば現状では通常計数管、つまりガスが充填され高電圧が与えられているチューブが使用されている。比較的長期間安定し、ドリフト（例えば温度によって誘発される）をほとんど示さないためである。幅広のシートメタルを測定する際には、幅が最大３ｍのシートメタルの全幅にわたって、必要とする厚さ測定の空間解像度または感度をそれぞれ得るためには、時にはこのような検出器を最大１００台、さらにはいくつかのＸ線源を使用しなければならない。
このとき、現実的に得ることができる計測精度は肉厚の約０．１%、つまり１０ｍｍのシートメタルについては約１０μｍである。このような測定装置によってもたらされる高コストは明らかな不利益である。例えば、電子処理信号の高電位供給における高電位チャネル、及び読み出し又は評価チャネルがそれぞれ、全ての計数管について供給されなければならない。

更なる不利益は、得ることが可能な測定精度が、Ｘ線放射の統計値（ポワソン統計）によって決定されるという点である。従って、信号雑音比は検出されたＸ線量子の平方根によって決定される。所定の利用可能な測定時間では、空間解像度または厚み感度はそれぞれ、限られている。基本的に測定精度は、測定期間または積分時間のそれぞれを延長することによって向上させることができるが、工業規模においては、生産ラインから出てくる材料は限られた時間の中でテストされなければならないので、恣意的には不可能であると考える。基本的には実行可能な、使用されるＸ線源の活動増加もまた放射能事故のリスクを高め、ひいては測定速度の向上または得られる測定精度には、それぞれ限られた方法でしか貢献することはできない。

さらに、シートメタルのロールなど大きな材料と関連した使用に関しては、Ｘ線方法は、部分的にしか適さない。というのも、典型的な商業用検出器（計数管）はわずか数ｃｍしか延長できないため、既に上記したようにこのような検出器を複数使用しなければならないからである。加えて、１つの計数管では、この計数管がカバーする領域内のガンマ量子の存在を検出することしかできず、計数管の中のガンマ量子の配置の更なる分化が不可能なため、得られる空間解像度は計数管の伸長が有限であることによって著しく限定されている。
従来のＸ線方法は限られた空間解像度しか得られない、また取得と操作が極めて複雑で高価な検出器を使用するという不都合を有する。
国際出願ＷＯ９１／０８４３９号は大規模な三次元オブジェクトの、光スリット測定方法による断面図または部分的表示の、それぞれの生成に関連する。光測定ストリップは少なくとも２個の光源によって、オブジェクトの表面上に映写される。映写された光測定ストリップは複数のカメラによって写像され、画像は評価手段に供給される。配置の形状が既知であれば、評価手段は映写された光測定ストリップの外形を再構成することができる。
米国特許４５６４２９６号は光学テストパターンが測定されるプレートの表面上に映写される、プレートの厚みを決定するための方法を記載している。測定されるオブジェクトの異なる側面に配置される２個の光学部品の間の距離を決定するためには、テストパターンがオブジェクトの表面上に映写される。距離は、オブジェクトの表面上の映写テストパターンが最大鮮明度に達するまで光学部品を移動させる、または変化させることによって決定される。さらに、測定されるオブジェクトを機械的に保持するオブジェクトの担体には、参照厚みを備えた領域が存在する。
従って、本発明は、対象物の材料強度を、これまでより可能な限り高い空間解像度をもって、より効率的に決定することができる装置及び方法を提供することを目的とする。

この目的は請求項１にかかる装置及び請求項１１にかかる方法によって解決される。
本発明は、第１の距離測定手段が対象物の第１の主表面までの距離を測定し、第２の距離測定手段が第１の主表面に対向する対象物の第２の主表面までの距離を測定する、２つの距離測定手段を使用することによって、広範囲に及ぶ対象物の材料強度は、効率的に測定することが可能であるという知識に基づいている。
参照手段が第１の距離測定手段と第２の距離測定手段の間の参照距離を測定することによって、幾何学的大きさを理由とする潜在的な測定誤差が回避されれば、第１の主表面と第２の主表面の間の対象物の厚みは高い精度と速度をもって測定することができる。
このことによって、好ましくは、１回の測定で対象物の表面の広い領域までの距離を測定することが可能な検出器または距離測定手段が使用される。これは例えば、スリット投光法を適用すれば可能である。
言い換えれば、ウエブ材料の上側及び下側から、ウエブ材料のそれぞれ上部と下部に配置された、例えば距離の直線的測定を可能にする検出器までの距離を測定することによって、ウエブ材料の厚みを測定することが、本発明の基本的考えである。これに適しているのが、例えばスリット投光法である。
広範囲に及ぶ対象物の表面を測定する際の問題とは、概して、大きさ（例えばウエブ材料の幅の広さ）が理由となって、対象物（ウエブ材料）の上部と下部に検出器を吊下げるための機械構造が必要とされることである。数マイクロメートル内の高精度測定が実施されなければならないため、特に幾何学的大きさによって、振動または熱変形が測定結果に間違いを起すことがないとは言えない。
このような振動または熱変形は、このように、通常要求される公差を超えた測定誤差を引き起こす可能性がある。本発明によれば、この課題は第１の距離測定手段と第２の距離測定手段の間の参照距離を測定するための参照手段を使用することによって解決することができる。これによって、ウエブ材料のそれぞれ上部及び下部の２つの検出手段の距離の可能な変更、及びさらには測定方向に垂直な１つ以上の測定ヘッドの任意に可能な傾斜が避けられる。例えば、ウエブ材料が測定されれば、生産されたウエブ材料の送り方向へのこのような傾斜は更なる測定誤差を引き起こす可能性があるが、本発明によってこれを修正することができる。
このように、本発明の一実施例においては、第１の光スリット測定手段と測定されるウエブ材料の第１の主表面の間の第１の距離を測定するために、第１の光スリット測定手段が使用される。第２の光スリット測定手段からウエブ材料の第１の主表面に対向するウエブ材料の第２の主表面までの第２の距離を測定するために、第２の光スリット測定手段が使用される。第１の光スリット測定手段から測定方向の第２の光スリット測定手段までの距離が、さらに参照距離として、参照手段によって測定される。ここでは、測定方向とは対象物の厚みと平行、すなわち主表面に垂直に走る方向である。
本発明の一実施例によれば、測定手段はプレス機によって生産されるシートメタルの厚みを生産直後に検査するために使用される。従って、シートメタルは第１の光スリット測定手段と第２の光スリット測定手段の間で送り方向に動かされている。
ここで、接触のない光スリット測定手段を使用する大きな利点は、ウエブ材料またはシートメタルウエブから測定ヘッドまでの距離が、１回の測定で１ｍ以上の幅にわたって直線的に検出することができることである。これはつまり、１回の測定だけで、材料幅の１ｍ以上について説明する、送り方向に垂直な高さ分布が得られるということである。
さらにここでは、送り方向の解像度を限定する映写された光スリットの幾何学的規模が、原則として送り方向に望むだけ小さくすることができる点において、空間解像度は放射線検出器と比べると、極めて大きくなっている。プレス機から出されるシートメタルの送り速度を変化させることにより、トポグラフィ情報の空間解像度、つまりテストされる材料の表面の高さ情報または厚さ分布はそれぞれ、どのようにも変化させることができる。
本発明の一比較例においては、第１及び第２の光スリット測定手段の間、もしくは第１及び第２の距離測定手段の間の参照距離をそれぞれ測定するための参照手段として、放射線検出器が使用されている。このことによって、放射線検出器は、テストされる対象物の表面上のある位置について、吸収によって失われた放射線強度を測定することによって、その材料強度を測定する。
第１及び第２の光スリット測定手段は、同じ表面領域において光スリット測定手段までの表面領域の距離測定を実施する。
放射線計測によって測定された、小さい幾何学的領域におけるテストされる対象物の厚み、及び光スリット測定手段から厳密な意味でのこの領域までの距離の測定に基づき、第１及び第２の光スリット測定手段の正確な距離は高い精度で、参照距離として測定することができる。従って、熱的または機械的にもたらされるいかなる距離の変動も、高精度で補正することができる。
従来の技術とは異なり、複雑で高価な放射計距離測定法はそれぞれ、テストされる対象物の表面の限られた領域、もしくは距離測定手段１つ毎に１回しか使用しないで済む。このことによって、コストは削減することができる。これとは別個に、上記の理由から、測定される厚み分布の入手可能な空間解像度は、スリット投光法によって大幅に上昇した。
本発明の更なる比較例においては、Ｘ線手段が第１の光スリット測定手段及び第２の光スリット測定手段に接続されているＸ線手段によって第２の放射計測定を実施することによって、得られる厚み方向の測定精度はさらに向上する。第２のＸ線手段による測定が第１のＸ線手段とは別のＸ線方向に沿って、例えばテストされる対象物の表面に対して異なる角度で行われた場合、光スリット測定手段の可能な傾斜または可能な幾何学的不均衡がそれぞれ想定される。従って、２つの光スリット測定手段の距離に加えて、２つの光スリット測定手段の更なる次元における互いの誤った相対配向の修正を実施することによって、測定精度はさらに向上させることができる。
本発明の一実施例においては、測定されるウエブ材料または測定される対象物の片側または両側にそれぞれ予め定められた既知の厚みの参照対象物が搭載されており、これが両方の光スリット測定手段により、測定される対象物の表面と併せて追加して測定されるようになっている。光スリット測定手段は、光スリット測定手段によって対象物の表面に発生される測定光スリットの一部が、光スリット測定手段に対向する参照対象物の表面に写像されるように配置されなければならない。
こうして、参照距離の測定は、第１及び第２の光スリット測定手段からこれに対向する参照対象物の表面までの距離を、測定される対象物までの距離と同時に測定することによって、実施することができる。参照対象物の厚みは正確に判明しているため、第１の光スリット測定手段と第２の光スリット測定手段の間の距離は、参照距離として容易に計算することができる。このように、本発明によれば、しばしば低熱膨張し易い材料が参照対象物として使用される。
コスト効果的な参照対象物を単に挿入するだけで光スリット測定手段によってテストされる対象物と同時にそれぞれの参照対象物を検出することが幾何学的に可能である限りにおいて、測定精度の維持を保証することができる。従って、高価なＸ線検知機の使用を完全に省くことができる。
本発明の別の実施例においては、テストされるウエブ材料の両側に参照対象物を搭載することで、得ることのできる測定精度をさらに向上させている。
要するに、発明の方法または発明の装置は、それぞれ、より高い空間解像度を得る可能性と、測定速度を全体的に向上させ、同時に従来技術と比べると使用される検出器のコストを大幅に削減することができる可能性を有すると言える。これは放射分析検出器を、スリット投光法などの直線上または大きな幾何学的領域において距離を検出することができる他の測定システムによって、部分的または全面的に補完することによって達成することができる。

本発明の好ましい実施例を、添付図面を参照しながら下記に示す。

参照距離の放射分析測定を行う本発明の代替案 参照処理を決定するための参照対象物を備えた本発明の実施例 複数の光スリット測定手段を備えた本発明の更なる実施例 複数の光スリット測定手段を備えた本発明の更なる実施例 対象物の材料強度を決定するための発明方法の実施例 光スリット測定方法の比較例

下記では発明概念が光スリット測定手段を用いて論じられるため、単純な例に基づき図５を参照して光スリット測定方法について簡単に説明する。
図５は測定される対象物２の表面、対象物２の表面に測定光ストリップ８が発生されるように光面６に光を放射する測定光プロジェクタ４を示している。図５に示される完全に平坦な表面２の場合には、測定光ストリップ８は、図５に示される直線である。
測定光ストリップ８は、適切なセンサ１０によって記録される。図５に示される例においては、センサ１０はＣＣＤやＣＭＯＳセンサのような、二次元マトリクスセンサである。概して、発明概念の実施様態においてはセンサの正確な種別は重要ではなく、他のタイプのセンサも同様に使用することができる。

測定光線８が対象物の表面２に直線として発生された場合には、図５に示されるように直線の像がセンサ１０に写像される。高さ情報は構造全体の配置、とりわけセンサ１０と測定光プロジェクタ４の相互位置から生じる。例えば、対象物の表面２が方向１２に移動された場合、光面６は空間的に変動しないため、測定光スリットは対象物の表面２の別の位置に発生される。センサ１０も同様に固定されているため、測定光線の像（黒いブロックで表される）はセンサ上で、方向１４において変化する。光面６とセンサ１０の配置が判明していれば、上述の通り、対象物の表面２の方向１２においての位置を推測することができる。

同様の考察は、対象物の表面が平坦でない場合にも適用される。図５に示されるスリット投光法によれば、表面２の全幅にわたり、トポグラフィ情報または高さ情報がそれぞれ、センサ１０を１回ピックアップすることによって決定することができる。
測定結果として、例えばセンサ１０の最も明るく照射されるピクセルに関する情報だけを提供するように、高速で信号処理を自身で行うことが可能な、光スリット測定方法に特化したセンサ１０が使用されている。このような極めて特化されたセンサは、例えば従来のＣＣＤでは必要とされていた甚大な信号後処理を省くことができるため、このように高速測定に特に適している。

要するに、光スリット測定方法は空間的に大規模な測定ライン８に沿った高さ情報が、高い速度で得ることができるという非常に大きな利点を有している。
表面２が測定光線８に垂直な方向、及び光面の下で方向１６に移動された場合、またセンサ１０によってピックアップが連続的に行われている場合、テストされる装置の表面２のトポグラフィ全体を短い時間内で決定することができ、そのことによって空間的に大規模な表面の測定における光スリット測定法の使用が決定付けられている。

後述する本発明の実施例においては、発明概念を例証するために光スリット測定方法が使用されている。しかし、この適用に関しては、発明概念は決して使用されている光スリット測定方法に限定されるものではない。むしろ、表面のトポグラフィを距離測定によって測定することができる他のあらゆる測定方法を、本発明に準じて使用することができる。

図１は、参照距離が放射定量によって決定されている、本発明の代替案を示している。図１は、材料強度２２（ｄ）が決定されなければならない、測定される対象物２０の断面図である。対象物２０は、第１の距離測定手段２６と第２の距離測定手段２８の間で、方向２４に移動することができる。
図１は、さらに、Ｘ線源３０ａとＸ線検出器３０ｂを含み、Ｘ線源３０ａは第１の距離
測定手段２６に対して、またはＸ線検出器３０ｂは第２の距離測定手段２８に対して、既知の幾何学的位置に配置されている、参照手段を示している。これはまた、例えばこれが機械的方法で接続されていることを意味することもある。

発明概念の作動様態については、Ｘ線源３０ａが２つの距離測定手段のどちらに接続されているかは問題ではなく、発明によれば、鏡像構成もまた可能である。
第１及び第２の距離測定手段２６または２８は、それぞれ、Ｘ線源３０ａ及びＸ線検出器３０ｂとして、図１では単に概略的にしか示されていない。距離測定手段２６または２８の正確な作動原理は、それぞれ、発明概念の適用においては重要ではない。

距離測定手段２６及び２８が１回の測定で、測定される対象物２０の表面上の、これと組み合わされている広い幾何学的領域までの距離を決定することができれば、好都合である。例えば、図５に関連して記載されている光スリット測定手段における低廉な方法がこれにあたる。

本発明によれば、第１の測定手段２６と関連付けられている対象物２０の第１の主表面と第１の測定手段２６との間の第１の距離３２ａが決定される。第２の距離測定手段２８と、第２の測定手段２８に対向する対象物２０の第２の主表面との間の第２の距離３２ｂは第２の距離測定手段２８によって決定される。
第１及び第２の距離測定手段２６及び２８の間の距離は、Ｘ線源３０ａ及びＸ線検出器３０ｂによって参照距離として決定することができる。あるいは、対象物の選択された幾何学領域における対象物の厚さを参照距離として決定することができる。従って、Ｘ線検出器３０ｂはＸ線源３０ａから放出され、測定される対象物２０の材料強度によって軽減されたＸ線強度を決定する。対象物２０の材料の吸収挙動を知ることによって、対象物２０の厚み２２を推測することができる。

本発明によれば、Ｘ線源３０ａ及びＸ線検出器３０ｂはそれぞれ１つの距離測定手段に接続されており、対象物２０の厚み２２は、対象物２０の表面上のある位置にあるＸ線測定手段によって決定されるが、この位置は同時に距離測定手段２６及び２８の距離測定によっても検出される。第１及び第２の距離測定手段の間の距離は、距離３２ａ、３２ｂ及び厚み２２の合計によって、参照距離として計算することができる。

この代替案において、２つの距離測定装置の互いの距離を測定する、あるいはそれぞれ時間的にこれを追跡するためには、高価なＸ線技術を対象物２０の表面の幾何学的に極めて限られた部分にしか使用されない。本発明の対象物の材料強度の高い測定精度はこのように、熱的または機械的に変動が誘発された２つの距離測定手段２６及び２８の距離の熱的または機械的に誘発された変動においても、維持することができる。

図２は参照距離が光学測定によって決定される更なる実施例を示している。
図２及び続く４つの図においては、個々の構成要素の説明が異なる図面に対しても相互に適用することができるように、それぞれ機能的に類似あるいは機能的に同一の構成要素はそれぞれ、同じ符号で規定されている。さらに、同じ参照符号が与えられている対象物は、後述の個々の実施例において代替的に使用することができる。

図２は、第１の距離測定手段２６として、図５について既述の通り、光スリット測定手段を示している。第２の距離測定手段２８としても、光スリット測定手段が同様に使用されている。さらに、図２は、測定される対象物２０を、第１の参照対象物４０ａ及び第２の参照対象物４０ｂと同じく、斜視図で示している。

参照対象物４０ａ及び４０ｂは、それぞれ、第１の距離測定手段２６または第１の光スリット測定手段２６にそれぞれ対向する、第１の参照主面を備えている。参照対象物４０ａ及び４０ｂの第２の主面は、第２の距離測定手段２８または第２の光スリット測定手段２８にそれぞれ対向している。参照対象物４０ａ及び４０ｂは、また、これらが参照主面の間に予め定められた正確な厚みを有している事実によっても区別される。好ましくは、参照対象物４０ａ及び４０ｂは低熱膨張になり易い材料によって製造されるものとする。

図２において見て取れるように、光スリット測定手段２６及び２８、あるいは参照対象物４０ａ及び４０ｂの幾何学的配置は、それぞれ、第１の光スリット測定手段２６によって発生される測定光スリットの部分４２ａ及び４２ｂが参照対象物４０ａ及び４０ｂ上に発生されるように選択される。
同じことが光スリット測定手段２８にも適用されるが、図２の斜視図は部分的であるため、参照対象物４０ａ及び４０ｂの第２の主表面に発生される光測定スリットは図２では目視することができない。

図２に示される実施例においては、第１の光スリット測定手段２６及び第２の光スリット測定手段２８の間の参照距離を決定するための参照手段もまた、２つの参照対象物４０ａ及び４０ｂを含んでいる。
参照対象物４０ａ及び４０ｂの厚みが正確に判明しているため、また、参照対象物４０ａ及び４０ｂまでの距離がそれぞれ、たとえば図２の発明の測定手段の作動中に決定されているため、第１の光スリット測定手段２６と第２の光スリット測定手段２８の間の距離は、光スリット測定手段２６から参照対象物４０ａ及び４０ｂの第１の主表面までの距離、参照対象物４０ａ及び４０ｂの厚み、並びに、第２の光スリット測定手段２８から参照対象物４０ａ及び４０ｂの第２の主表面までの距離を関連付けることによって、参照距離として決定することができる。

あるいは、参照対象物の実際の厚みと光スリット測定手段によって決定される厚みとの差異を、参照値として使用することもできる。この差異によって、光スリット測定手段によって決定された厚みの値を測定光スリットの幅全体にわたって修正することができる。

図２に示される実施例における２つの参照対象物４０ａ及び４０ｂの使用は、追加して１つの参照対象物を使用した場合と比べて、得られる測定精度を向上させるが、更なる実施例においては、参照距離を発明的に決定するために１つの参照対象物だけを使用することもできる。

言い換えれば、図２はウエブ幅もしくは測定される対象物２０の幅がそれぞれ、使用されている光スリット装置の検出幅よりも小さい場合に生じる参照測定を得るための更なる可能性を示している。この場合、参照対象物４０ａ及び４０ｂはウエブ材料２０の右側と左側に、例えば既知の角度（好ましくは図２で示されるように、水平）で既知の厚みのシートメタル片の形状で配置することができる。
光スリット測定ヘッドによる測定によって決定されるこれらのシートメタル片の厚みを比較することによって、ウエブ材料の測定データの修正のために使用される修正値を決定することができる。また、参照対象物を測定することによって、それぞれ送り方向４４に垂直な方向への光スリット２６または２８の可能な傾斜を決定、修正することもできる。

本発明の一実施例においては、例えばレーザーによって発生される光など、単色光の光スリットが、測定光スリットとして使用されている。統計にもとづく参照対象物４０ａ及び４０ｂの表面上のスペックルパターンの形成を避けるため、参照対象物（シートメタル）は、それぞれ、一般的に、数百マイクロ秒持続する１回の光スリット測定の間にスペックルが平均化されるほど速く、垂直（または水平）方向に移動または振動されることがある。
厚みをそれぞれ評価または検討するため、そして参照距離を計算するためには、ウエブ材料の上側及び下側からそれぞれの光スリット測定手段、もしくは、それぞれの測定ヘッドまでの距離の差異だけがそれぞれ使用されるため、比較のシートメタルの垂直位置には意味がない。

シートメタルが好ましい様態の通り、全ての位置で厚みが同じであれば、同じことが水平位置にも該当し、そのことによって本発明にかかる単純な方法によってスペックルパターンを抑制することができる。このことは、開きの小ささによって「より細い」測定光スリットの形成を可能にする、レーザー光が使用可能であるという大きな利点を持つ。このことは本方法で得られる空間解像度をさらに向上させる。

レーザー光を使用する代わりに、光線を映写するために白色光源を使用することもでき、参照対象物は、その場合、静的に配置することができる。

光スリット測定手段が使用されている場合、光スリット測定手段は高い測定周波数を可能にするため、対象物２０の送り方向４４への送り速度は極めて高く選択することもできる。そのことによって、処理能力が著しく向上する。
さらに、送り方向４４への送り速度が速ければ、光スリット測定手段の測定位相における測定時間中にスペックルパターンは平均化されるため、対象物の表面上でのスペックルパターンの形成が回避される。光スリット測定方法が高い測定周波数が可能であることによって、光測定スリットをレーザーで映写し、その結果、生じる空間解像度の向上を利用することが可能になる。

さらに、センサの軌跡のいくつかにわたる測定信号を平均化し、測定データを時間的にフィルタリングすることによって、光スリット測定装置が使用されている場合には、厚さ決定の精度の更なる向上が得られる。光スリットセンサは、光スリット測定スリットの幅が１．５mであっても、送り方向に垂直方向に１ｍｍの解像度を可能とし、また、光スリットセンサの測定周波数は一般的に要求される時間解像度よりも遥かに高いため、これが可能となっている。

図３Ａ及び３Ｂは、対象物の全幅にわたっての距離情報を決定するために、対象物の側面毎に２つの光スリット測定手段が必要とされるように、対象物２０が空間的に伸張されている、更なる実施例を示している。
このように、対象物２０の第１の主表面４６に対向する光スリット測定手段２６及び対象物２０の第２の主表面４８と関連する第２の光スリット測定手段２８に加え、第３の光スリット測定手段５０（２ａ）及び第４の光スリット測定手段５２（２ｂ）が設けられている。ここで、第３の光スリット測定手段５０は、第１の主表面４６に対向し、第４の光スリット測定手段５２は、第２の主表面４８に対向している。第１の光スリット測定手段２６及び第３の光スリット測定手段５０の光面は、幾何学的配置によって、これらが中央重なり領域５４で交差するように決定されている。

さらに、第１の光スリット測定手段２６は、第１の参照対象物４０ａの表面上に測定光スリットを発生させ、第３の光スリット測定手段５０は第２の参照対象物４０ｂの表面上に測定光スリットを発生させる。同じことが第２の光スリット測定手段２８及び第４の光スリット測定手段５２にも面対称で適用される。第２の光スリット測定手段２８及び第４の光スリット測定手段５２の光面もまた中央領域５４内で重なり、第２の光スリット測定手段２８は、第１の参照対象物４０ａ上に測定光スリットを発生させ、第４の光スリット測定手段５２は、第２の参照対象物４０ｂ上に測定光スリットを発生させる。

２つの光スリット測定手段によって同時に監視されている、重なり領域内の異なる測定光スリットを区別するためには、例えば対応する波長フィルタを備えた異なる光波長を使用することができる。基本的には、例えば測定光スリットをある程度の間隔で遮断して、このパターンによって識別が得られるようにすることによって、例えば異なる測定光スリットの微細構造化など他の方法も使用可能である。

改めて後述するとおり、この構想を用いることによって、１つの光スリット測定手段によって得ることができる最大幅を超える幾何学的規模を持つ対象物の厚みを決定することが可能になる。図３Ｂに基づくと、どのようにすれば、図３Ａに示される４つの光スリット測定手段のデータから対象物２０の厚みを全幅にわたって決定することができるのかが例証的に図示されている。
ここで、まず、図３Ｂでは、表面が完全に平坦である単純化されたケースについては、光スリット測定手段２６、２８、５０及び５２のセンサによって得られた光測定スリットのピックアップが図示されている。

ここで、第１の光スリットピックアップ部分６０ａ及び６０ｂが第１の光スリット測定手段２６と関連付けられており、光スリットピックアップ部分６２ａ及び６２ｂが第３の光スリット測定手段５０と、光スリットピックアップ部分６４ａ及び６４ｂが第２の光スリット測定手段２８と、そして光スリット記録部分６６ａ及び６６ｂが第４の光スリット測定手段５２と関連付けられている。
このように、光スリットピックアップ部分６０ａ、６２ａ、６４ａ及び６６ａは、対象物２０の表面に発生される測定光スリットの一部分である。光スリットピックアップ部分６０ｂ、６２ｂ、６４ｂ及び６６ｂは参照対象物４０ａ及び４０ｂに発生される測定光スリットの一部分を象徴する。

図３Ｂに示されるケースでは、個々の光スリット測定手段の可能な傾斜または非平行の結果生じうる偏差が、方法または概念をそれぞれより明確にするため、誇張して示されている。
図３Ｂに図示される個々の測定光スリットの測定光ピックアップから、対象物２０の全幅にわたって厚みを決定することができるようにするためには、先ず、個々の測定光手段２６、２８、５０、または５２の可能な傾斜が修正されるが、これは図２で論じられているケースと同様に参照対象物によって可能となっている。

次に、第１の光スリット測定手段２６の結果が第３の光スリット測定手段５０の結果と合成される、すなわち、測定光ピックアップ部分６０ａと測定光ピックアップ部分６２ａの間の角度が、測定光ピックアップ６０ａと６２ａの双方が、重なり領域５４において実質的に同一の値を供給するまで変化させられる。
これは、第１の光スリット測定手段に関連付けられている光面と、第３の光スリット測定手段に関連付けられている光面の可能な非平行が修正されたことを意味する。これは例えば、重なり領域５４における適合によって得られる光スリットピックアップ値に対する個々の測定の平方誤差を最小化する、最小二乗法によって行うことができる。
同じ方法が、第２の光スリット測定手段２８及び第４の光スリット測定手段５２によって、異なる測定ヘッドの適合後は、図３Ｂに示される像が生じるように実施される。参照対象物４０ａ及び４０ｂまでの測定された距離を使用して個々の光スリット測定手段の間の参照距離を決定することによって、測定される対象物２０の厚みを全幅にわたって決定することができる。

図３Ａ及び３Ｂには、測定される対象物の側面毎に２つの光スリット測定手段だけを使用して発明の概念が示されているが、発明の測定手段の実施例では、１表面あたり２以上の光スリット測定手段を有することもできる。対象物２０の全幅をカバーするのにこれが必要とされる場合には、図３Ａ及び３Ｂに概略されるのと同様のステップを取ることができる。
この場合、第１のステップにおいて、送り方向に垂直な測定ヘッドの角度誤差が、それぞれが水平に（または既知の角度で）配置された参照対象物を検出する、両方の外のり寸法配置について決定される。
さらに、内側に配置されている測定配置については、傾斜は測定曲線を適合させるための重なり領域を使用して、外側から内側に連続的に決定される。その結果、対象物２０の全幅にわたる厚みが参照対象物４０ａ及び４０ｂの既知の厚みを用いて、上記の方法によって同様に導き出される。

要約すれば、ウエブ幅が、それぞれウエブ材料または対象物２０の上及び下に配置される１つの距離測定手段または１つの光スリット検出器の配置がカバーできる幅よりも大きくても、このような配置のいくつかを隣同士に配置してより大きな幅をカバーすることができる、ということが言える。この場合、それぞれ外側の測定手段または距離測定手段だけが、それぞれ各自１個の参照部分または参照対象物を検出する。
配置の測定領域が充分に重なれば、送り方向に垂直な測定ヘッドの相対運動及び可能な傾斜を修正することができる。光スリット測定ヘッドは距離しか検出しないため、測定ヘッドの傾斜を修正しなければ、不正確な厚み値へとつながる。

既述の通り、この課題の略図が例えば図３Ｂに示されている。左側の測定配置（光スリット測定手段２６及び２８）は、左側の参照部分（参照対象物４０ａ）を検出し、右側の測定配置（光スリット測定手段５０及び５２）は、右側の参照部分または右側の参照対象物４０ｂを、それぞれ検出する。

図３Ａに示されるケースでは図面に垂直に走る送り方向に垂直な個々の測定ヘッドの可能な傾斜は、水平に搭載された参照対象物の助けをもって決定、修正される。角度誤差が修正された後は、測定ヘッド１ａ及び２ａ、または１ｂ及び２ｂの結果が、双方のヘッドが重なり領域でほとんど同一の値を提供するように（すなわち最小二乗法によって）、それぞれ互いに適合される。このことによって、連続的な測定結果、測定配置の上と下のそれぞれついて、もたらされる。

最後のステップでは、結果は既知の参照対象物の厚みとの比較によって適合される。このステップの後には、全ての測定ポイントについてウエブ材料の厚み値が存在することになる。簡略化した図にすると、図３Ａ及び３Ｂに示されるケースについては、テストされる対象物２０またはウエブ素材はそれぞれ、表面が平坦であると仮定されている。
発明概念の適応を限定しなければ、本発明によれば、送り方向に曲げられたシートメタルや、三角形または正方形、あるいは炬形の断面を有することがあるシートメタル等、平坦でない対象物もそれぞれ測定することができる。

図４に基づき、対象物の材料強度を決定するための発明の方法の実施例が、ブロック図の形状で図示されている。材料強度を決定するためには、第１の距離測定ステップ８０において、距離測定手段と対象物の第１の主表面の間の第１の距離がまず決定される。

第２の距離測定ステップ８４においては、第２の距離測定手段と第１の主表面に対向する対象物の第２の主表面との距離が決定される。

第３のステップ８４では、第１の距離測定手段２６と第２の距離測定手段２８の実際距離の定められた値からの偏差の決定を可能にする参照距離の情報が供給される。

評価ステップ８６においては、対象物の材料強度が第１の距離、第２の距離及び参照距離から決定される。

本発明の上記実施例においては、距離測定手段として光スリット手段が使用されている。
図２及び３Ａまたは３Ｂには、立方形状の参照対象物が示されているが、本発明によれば、他のいかなる形状の参照対象物も使用することができる。更なる比較例においては、回転円形板の形状をした参照対象物が使用されている。
このように、一方では、測定精度を減少させるスペックルパターンがレーザーを使用する場合には形成されないという結果が生じる。他方では、製造中に生じる可能性のある円形対象物の表面上の可能な非平坦が回転によって平均化され、最終的には、測定精度がさらに向上するようになる。

Claims (12)

1. 対象物の厚みを測定するための測定装置であって、
   前記測定装置は、
   第１の距離測定手段（２６）に対向する第１の参照主表面と、第２の距離測定手段（２８）に対向する第２の参照主表面との間に、予め定められた厚みを有する第１の参照対象物（４０ａ）と、
   第３の参照主表面と第４の参照主表面との間に予め定められた厚みの第２の参照対象物（４０ｂ）であって、前記第３の参照主表面は前記第１の距離測定手段（２６）に対向し、前記第４の参照主表面が前記第２の距離測定手段（２８）に対向し、前記第１の参照対象物（４０ａ）および前記第２の参照対象物（４０ｂ）が前記対象物（２０）の対向する側面で、測定方向に垂直な方向に配置されている、第２の参照対象物（４０ｂ）とを含み、
   前記第１の距離測定手段（２６）は、前記第１の距離測定手段（２６）と、前記第１の距離測定手段に対向する対象物（２０）の第１の主表面（４６）との間の第１の距離（３２ａ）、および、前記第１および第３の参照主表面と前記第１の距離測定手段（２６）との間の距離を、前記測定方向において同時に測定するための光スリット測定手段として実現され、
   前記第２の距離測定手段（２８）は、前記第２の距離測定手段（２８）と、前記第１の主表面（４６）に対向する対象物（２０）の第２の主表面（４８）との間の第２の距離（３２ｂ）、および、前記第２の距離測定手段（２８）と前記第２および第４の参照主表面の間との距離を、前記測定方向において同時に測定するための光スリット測定手段として実現され、
   前記測定装置は、
   前記第１の距離（３２ａ）、前記第２の距離（３２ｂ）、前記第１および第２の参照対象物の前記予め定められた厚み、前記第１および第３の参照主表面と前記第１の距離測定手段（２６）との間の距離、および、前記第２および第４の参照主表面と前記第２の距離測定手段（２８）との間の距離を使用して、前記第１および第２の距離測定手段（２６，２８）の傾きをそれぞれ測定し、前記対象物（２０）の送り方向（４４）に修正して、前記第１の主表面（４６）と前記第２の主表面（４８）との間の前記対象物（２０）の厚み（２２）を測定するための評価手段を含む、測定装置。
2. 前記第１の距離測定手段及び前記第２の距離測定手段は、前記第１の距離及び前記第２の距離を無接触で測定するように実施される、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記測定方向が前記対象物（２０）の前記第１の主表面（４６）に垂直である、請求項１または請求項２に記載の測定装置。
4. 前記第１の距離測定手段が前記対象物（２０）の前記第１の主表面（４６）上に第１の測定光スリット（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ）を発生させるための第１の手段を備える第１の光スリット測定手段を含み、前記第２の距離測定手段（２８）が前記対象物（２０）の前記第２の主表面（４８）上に第２の測定光スリットを発生させるための第２の手段を備える第２の光スリット測定手段を含む、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の測定装置。
5. 第１の測定光スリットを発生させるための前記第１の手段及び第２の測定光スリットを発生させるための前記第２の手段は、それぞれ、１つのレーザーを含む、請求項４に記載の測定装置。
6. 第１の測定光スリットを発生させるための前記第１の手段及び前記第２の測定光スリットを発生させるための前記第２の手段は、それぞれ、１つの白色光源を含む、請求項５に記載の測定装置。
7. 第１の測定光スリットを発生させるための前記第１の手段及び第２の測定光スリットを発生させるための前記第２の手段は、第１の測定光スリット（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ）と第２の測定光スリットが前記対象物（２０）の対向する主表面において対向するように配置される、請求項４〜請求項６のいずれかに記載の測定装置。
8. 前記第１の距離測定手段（２６）が前記対象物（２０）の前記第１の主表面上に第３の測定光スリットを発生させるための第３の手段を備える第３の光スリット測定手段（５０）を含み、
   前記第２の距離測定手段（２８）が前記対象物（２０）の前記第２の主表面上に第４の測定光スリットを発生させるための第４の手段を備える第４の光スリット測定手段（５２）を含み、
   前記対象物の表面上に測定光スリットを発生させるための前記第１の手段及び第３の測定光スリットを発生させるための前記第３の手段によって発生される測定光スリットが前記対象物の表面上の重なり領域において空間的に重なり、前記対象物（２０）の前記第２の主表面上に、前記第２の測定光スリットを発生させるための前記第２の手段及び前記第４の測定光スリットを発生させるための前記第４の手段によって発生された測定光スリットが、前記対象物（２０）の前記第２の主表面上の重なり領域で空間的に重なる、請求項４〜請求項７のいずれかに記載の測定装置。
9. 前記評価手段が適合した距離情報を得るために、前記第１及び前記第３の光スリット測定手段が予め定められた公差範囲内の重なり領域内における適合された距離情報からの偏差を示すように、前記第１及び前記第３の光スリット測定手段の重なり領域における互いの距離情報を適合させるように実施される、請求項８に記載の測定装置。
10. 対象物を前記第１及び第２の距離測定手段の間を前進方向に移動させる間に、前記測定装置が前記対象物の厚みを測定するように構成され、前記第１及び第２の距離測定手段ならびに前記参照対象物が固定されている、請求項１〜請求項９のいずれかに記載の測定装置。
11. 対象物の厚みを測定するための方法であって、
    第１および第２の距離測定手段の間の対象物を送り方向に沿って移動するステップ、
    光スリット測定手段として実現される第１の距離測定手段と、前記第１の距離測定手段に対向する前記対象物の第１の主表面との間の第１の距離を、前記対象物の前記第１の主表面に実質的に垂直な測定方向において測定するステップ、
    予め定められた厚みの第１の参照対象物（４０ａ）の第１の参照主表面と、前記第１の距離測定手段との間、および予め定められた厚みの第２の参照対象物（４０ｂ）の第３の参照主表面と第１の距離測定手段との間の距離を、前記測定方向において同時に測定するステップ、
    光スリット測定手段として実現される前記第２の距離測定手段と、前記第１の主表面に対向する前記対象物の前記第２の主表面との間の前記第２の距離を、測定方向において同時に測定するステップ、
    前記第１の参照主表面に対向する前記第１の参照対象物（４０ａ）の第２の参照主表面と、前記第２の距離測定手段（２８）との間、および、第３の参照主表面に対向する第２の参照対象物（４０ｂ）の第４の参照主表面と第２の距離測定手段との間の距離を、測定方向において測定するステップ、および
    前記第１及び前記第２の距離、前記第１および第２の参照対象物の前記予め定められた厚み、前記第１および第３の参照主表面と前記第１の距離測定手段（２６）との間の距離、および、前記第２および第４の参照主表面と前記第２の距離測定手段（２８）との間の距離を使用して、前記第１および第２の距離測定手段（２６，２８）の傾きをそれぞれ測定し、前記対象物（２０）の送り方向（４４）に修正して、前記第１の主表面と前記第２の主表面との間の前記対象物の厚みを測定するステップを含む、方法。
12. 前記第１の距離、前記第２の距離が無接触で測定される、請求項１１に記載の方法。

Images