JPS60127403A - 厚み測定装置 - Google Patents

厚み測定装置

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JPS60127403A
JPS60127403A JP58233728A JP23372883A JPS60127403A JP S60127403 A JPS60127403 A JP S60127403A JP 58233728 A JP58233728 A JP 58233728A JP 23372883 A JP23372883 A JP 23372883A JP S60127403 A JPS60127403 A JP S60127403A
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light
measured
light beam
interference fringes
thickness
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高林 均
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貴廣 中村
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    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、干渉法を利用し、透明体の厚み、特に薄い
フィルムの厚みを非接触でしかも高精度に測定する厚み
測定装置に関するものである。
薄いフィルムの厚みを測定するには、危険なβ線あるい
はX線の透過率で測定する方法や精度はあまりよくない
が安価なものとして、2つの異なる波長の赤外線を透過
させ、その減衰率の比から厚みを推定する方法などが知
られているが、安全でしかも精度のよい方法はないのが
現状である。
この方法に関連するものとして、光の干渉を利用するガ
ラス板の厚み変動の測定法が特開昭54−155861
FC提案されている。それは、透明板の面にレーザビー
ムを照射して、板の表面と裏面で反射した光による干渉
縞をつくり板を光源および光検出器に対して、相対的に
移動させ干渉縞の移動方向および縞次数の増減を検出す
ることにより透明板のビーム投射点における板厚増減量
を連続的に測定しようとするものであった。
しかし、この方法では、板厚の増減量は測定できても、
板厚の絶対量をめることができないという欠点があった
この発明は、この欠点を取り除き、比較的薄いシートや
フィルムの測定のために考えられたものであり、被測定
物の厚みを検出器を動かすことなく、非接触で、しかも
高精度に測定する厚み測定装置を提供することにある。
以下、実施例に従いこの発明を具体的に説明する。第1
図はこの発明の第1実施例を示すもので(a)は、測定
原理を(1))は、被測定物近傍における光束を詳しく
示したものである。この図において、コヒーレントな光
束を発する光源1として、レーザを用い、その光束をレ
ンズ2を通して、0点で絞り、被測定物の表面7−aに
発散光を照射する。その際、絞り3を用いて、被測定物
の表面7−aK入射する光束の入射角を定め、その範囲
内で表裏面反射光束によって生じる干渉縞に注目する。
そして、反射光路中にレンズ8を設置し、被測定物の表
面7−aの近傍に生じた干渉縞を受光素子として例えば
イメージセンサ9上に写し、そのパターンを検知する。
その際、被測定物7の位置がある範囲で動いても、パタ
ーンがイメージセンサ9から外れないように結像系を定
める。そして、イメージセンサ9から得られたビデオ信
号のピークを連ねて得られる干渉縞信号から厚みを測定
する。
干渉縞パターンから厚みがめられる過程は次に説明する
通りである。第1−b図において、被測定物の表面7−
&上AB間に入射内転がらθBまでの光束が入射してい
る。入射角0人の光束をaとし、aが被測定物の表面7
−aを透過し、その後裏面7−bで反射され、再びA′
点で表面7−aを透過したとき、その光束と表面7−a
で重なる光束a′があり、その表面反射光は、aと干渉
する。A2B間ではすべての点で干渉が起る。干渉する
2光束の位相差は、入射角が0人からθB、まで変わる
に従って単調に変化するので、A/B間には次数が単調
に変化する干渉縞が現れる。平均入射角θCはAZB間
に現れる干渉縞の数が最大となるように設定する。厳密
にいえば、A A/およびBB’間には、干渉すべき一
方の光束がないため干渉縞は現れない。しかし厚みtが
小さいときにはそれぞれ無視できるのでA’B間という
べきところを以下−8(!人−jB) m=−−−−一−−−−−・・・・・・(1)λ ただし、1人はA点において干渉する2光束の光路差で
あり、I’BはB点におけるそれである。また、λはレ
ーザの波長である。
一般に1人、!Bを厳密に計算するのはかなり面倒で、
また厚みtとの関係を見通すのが難しい。
そこで被測定物の厚みが十分薄い場合を考えると被測定
物の表面Aにおいて干渉する2つの光束aとa′は平行
であると仮定しても誤差はほとんどない。この場合の2
光束の光路差1人は次のようにめられる。
ノ人=2Xf”二sin’jλ × t ・・・・・・
(2)ここでnは被測定物の屈折率で、またJBについ
ても同様である。
物の厚みtは次式のように比例関係にあることがわかる
λ したがって、被測定物の屈折率nとレーザの波長λが既
知であれば、被測定面上に現われる干渉縞からその次数
差を検出することにより厚みtがめられる。
次に干渉縞の次数差を演算する方法を第1図と第2図に
従って説明する。第2図(a)はイメージセンサ9のビ
デオ信号のピークを連ねて得られる干渉縞信号である。
その数をカウント部15でカウントする。ここで、カウ
ント部を詳しく説明すると、まず波形整形回路11によ
り第2図(b)のように方形波信号に変換する。そして
、微分回路12により第2図(C)のような立ち上がり
ノくルスおよび立ち下がりパルスを作る。次に演算回路
13で、微分回路から得られる全パルス数m0および両
端のパルス位置から得られる干渉縞間の距離Xoから、
干渉縞の平均間隔喚がめられる。
次に、演算回路14によりAB間の干渉縞次数差mが(
5)式のようにまる。ただし、AB間の長さを”ABと
し、干渉縞ピッチはわずかの入射角度の変化では変わら
ないと仮定できるので、が得られる。
そして、演算回路16により前述の(8)式に相当する
計算をすれば被測定物7の厚みtがめられる。入射角度
範囲は、(θB”A)を一定とし、平均入射角度θCは
、(1)式のmが最大になるように選ぶのがよい。この
ようにすると被測定物のゆれや傾きの変化に対して測定
値は安定で最も影響が少なくなる。
ここで第1実施例において、被測定物の表面7−aに照
射する光束を発散光であるとしたが、他の実施例では反
射光路中にレンズ8を設置し、被かな場合にはレンズ8
を用いず、イメージセンサ上に形成される干渉縞を直接
検知することもできるO 次に第2の実施例として、シリンドリカルレンズを用い
た測定系を第3図に示す。第1の実施例と異なる点は照
明系にシリンドリカルレンズを挿入し、被測定物の表面
7−a上で、入射面に垂直に細長くライン状に絞られる
ようにしたことである。この場合にはセンサ上にできる
像は被測定物表面にできたものではなく、少し離れたと
ころにできるものとなる。これにより、被測定物の厚み
分布を平均化でき、また表面上の小さなゴミや汚れがあ
っても安定に測定ができる。
第4図はこの発明の第3実施例の測定系である。
この例では入射光束に0人からθBまでの角度分布封 を持たせて一度に照堺するのではなく転からθBまで時
間的にスキャニングすることにより第1の実施例と同じ
目的を達するようにしている。レーザ光束をレンズ2を
通して光束を絞り、そのレンズ2と焦点Fの間に音叉振
動子の先端にミラーを取り付けた音叉偏向器を設置し、
駆動部10で駆動させる。被測定物の表面7−aの微小
部分に照射するために、レンズ2の焦点Fを共有するよ
うにレンズ6を入れ、音叉偏向器5上の偏向点Eの像を
被測定物の表面7−a上の9点につくる。このようKす
ると入射光は、平行または、平行に近い光束となり、必
要な入射角の範囲で又キャニングすることになる。そし
て、D点の像をレンズ8を用いて、光強度を検知する受
光素子qで受ける。
そして、受光素子9′より得られる信号は、第2図(a
)と同じ種類のものとなるので、カウント部15′で干
渉縞の次数変化をめ、演算部16で被測定物の厚みtに
変換して出力する。音叉振動の位相をモニタすれば、任
意の時刻における光束の入射角度を知ることができるの
で(5)式に相当する演算が容易にできる。
ここで、音叉偏向器5によりスキャニングされる入射光
束は平行または平行に近いので(2)式の関係が近似的
にではなく正しく得られる。スキャニングされる入射光
束の平均入射角は所定の角度範囲(θB−θ人)におい
て干渉縞次数差が最大になるようにするのが望ましい。
このことは第1の実施例と同様である。
また、この実施例では偏向器として音叉を用いているが
、これに限ることなく、回転ミラーや超音波偏向点Eの
像を被測定物の表面7−aの近傍に作るような構成を示
したが、この他に被測定物の位置を偏向点Eの像より十
分手前になるようにすることもでき、レンズ2およびレ
ンズ6を取り除いてしまうことも可能である。
第5図の光学系は被測定物の厚みが増した場合に用いた
第4の実施例を示すものである。入射光束を2分割し、
被測定面の法線に対称にしかも入射角を小さくして、入
射させる。その際、入射光路中に絞り3′を入れ、測定
範囲をそれぞれ定めることは、前述の実施例と同じであ
る。それぞれの光束において、第1実施例と同様に測定
を行ない両方で得られた測定値の平均をめる。平均入射
角が小さく最適値になっていないため、被測定物が測定
装置の検出部光学系に対して傾くとそれぞれの光束を用
いて得られた測定値は変化する。しかし、傾きが小さい
場合には平均することにより変化を互いに打消すことが
できる。
本発明は、以上のような構成であるから次のような効果
がある。
(1)非接触でしかも被測定物を動かすことなしに厚み
をめることができる。
(2)被測定物に照射する光束が発散光および収束光の
場合また、被測定物を光束のビームウェスト付近に設置
した場合において、入射光路中に絞り3を入れることに
より入射角度範囲を定めであるために光源と被測定物と
距離りがある範囲変化しても、すべての光束が受光素子
から外れないかぎり、光路差!は変化しない。このこと
は、前述の被測定物の厚みtと測定範囲内の干渉縞の総
数との関係を表わした(8)式においても光源と被測定
物との距離りを含んでいないことからも明らかである。
(8)干渉縞をイメージセンサで検知する際に、各素子
が並んでいる方向と垂直な方向の寸法を長くしたイメー
ジセンサを用いると干渉縞に重なるレーザ特有のスペッ
クルの影響を取り除くことができる。
(4) 被測定物を光束のビームウェスト付近に設置す
る場合に光が被測定面上で入射面延垂直にライン状に絞
られるようにシリンドリカルレンズを入射光路中に設置
することにより、レーザ特有のスペックルや被測定面上
の小さなゴミなどの影響を小さくできる。
(5)平均入射角θCは、入射光束a、bのなす角を一
定として、被測定物′lに投射する際に検出される干渉
縞の数が最大となるように設定しているので、被測定物
が傾くことによる干渉縞の数の変化率が最小となり、測
定誤差への影響が最小となる。
例えば、第1実施例において、平均入射角θCが49.
2 deg1θ人が47.2 deg、θBが51.2
 degのとき、測定装置の光学系と被測定物との距離
りを100mm、被測定物の厚みtが100μm1屈折
率nが1.5の場合において、平均入射光の照射する点
を中心に±1deg以内で回転したとき、測Δを 定値の変化の割合−は6.4 X 10=以内である。
【図面の簡単な説明】
第1−(a)図は第1実施例における測定原理図である
。第1−(b)図は第1−(a)図における被測定物近
傍における光束を示した図である。第2図は第1−(a
)図におけるイメージセンサより得られるビデオ信号の
処理波形を示した図である。第3図は、第2実施例にお
ける光学系を示した図である。第4図は、第6実施例に
おける光学系を示した図である。第5図は、第4実施例
における光学系を示した図である。 1:光源(レーザ) 2:レンズ 3.3′:絞り 4、ニジリントリカルレンズ 5:音叉偏向器 6:レンズ 7:被測定物 8:レンズ 9.9′:受光素子 10:音叉偏向器の駆動部 11.11′:波形整形回路 12.12′:微分回路 13.13′:演算部 14.14′:演算部 15.15′、15”:カウント部 16:演算部 第1−迫)図 第1−[F])図 第2 図 第3図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)コヒーレントな光束を発する光源と;該光束を透
    明な被測定物の表面において所定の入射角θAからθB
    tでの角度分布をもつような光束として照射する手段と
    ;前記被測定物の表面および裏面で反射した光束とが重
    なりその光路差より生じる干渉縞のパターンを検出する
    受光素子と;該受光素子の出力信号を受けて干渉縞の次
    数差をカウントするカウント部と:該カウント部の出力
    を前記被測定物の厚みに対応する値に変換する演算部と
    (3)前記受光素子として、イメージセンサを用いた場
    合において、各素子が並んでいる方向と垂直な向きに長
    い素子を干渉縞の向きに合わせ設置することを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項ニー;測定物に入射させる場合
    において、前記光束が被測定面上で入射面に垂直に線状
    に絞られるようにシリンドリカルレンズを入射光路中に
    設置することを特徴とする特許請求の範囲第1項鮨厚み
    測定装置。 (5)コヒーレントな光束を発する光源と;該光束を一
    定角度だけ走査する光偏向手段と;該偏向光束を透明な
    被測定物の表面に対し、略平行光束として入射角θAか
    らθBtで連続して照射するための照射手段と3前記被
    測定物の表面および裏面で反射した光束を検出する受光
    素子と:該受光素子の出力信号を受けて、−走査で得ら
    れる干渉縞次数差をカウントするカウント部と;該カウ
    ント部の出力を前記被測定物の厚みに対応する値に変換
    射させ、それぞれの光束によって得られた測定値う 士邊厚み測定装置。
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