JPS6117905A - 厚さ測定装置 - Google Patents

厚さ測定装置

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JPS6117905A
JPS6117905A JP13790484A JP13790484A JPS6117905A JP S6117905 A JPS6117905 A JP S6117905A JP 13790484 A JP13790484 A JP 13790484A JP 13790484 A JP13790484 A JP 13790484A JP S6117905 A JPS6117905 A JP S6117905A
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JP
Japan
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optical system
measured
optical
light source
thickness
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JP13790484A
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English (en)
Inventor
Tetsushi Nose
哲志 野瀬
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Canon Inc
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Canon Inc
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • 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
    • G01B11/06Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

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】 〔技術分野〕 本発明は厚さ測定装置に関し、特に光学的に非接触にて
厚さ測定を行なう装置に関する。
〔従来技術〕
従来、厚さの測定に際しては、被測定物の対向する両面
における測定点に測定端子を接触せしめ、これら2つの
測定端子間の間隔を読取る方法即ち接触式厚さ測定が一
般に行なわれている。しかしながら、この様な測定方法
においては被測定物が軟らかい場合には測定が困難であ
り、また測定によシ被測定物にキズを付けてしまうこと
もある。
更に、接触式の厚さ測定方法では異なる測定点における
厚さ測定を連続的に高速で行なうことは極めて困難であ
る。
〔発明の目的〕
本発明は、以上の如き従来技術に鑑み、測定点を変えな
がら高速にて連続的に厚さ測定を行なうことのできる非
接触式の厚さ測定装置を提供することを目的とする。
〔発明の要旨〕
本発明によれば、以上の如き目的は、2っの合焦状態判
別光学系が各光学系の対物レンズの光軸が合致せしめら
れて対向配置されておル、該光学系はそれぞれ内部光源
を有しその対物レンズ近傍の光路を維持した状態にて一
部または全部を移動させることができ、各光学系の可動
部の移動量を測長するための手段が設けられていること
を特徴とする、厚さ測定装置によシ達成される。
〔発明の実施例〕
以下、図面に基づき本発明厚さ測定装置の具体的実施例
を説明する。
第1図は本発明による厚さ測定装置の第1の実施例を示
す概略構成図である。第1図において、2及び2′は合
焦状態判別光学系である。光学系2はケーシング4に組
込まれている。光学系2において、6は光源であり、8
はコリメーターレンズであシ、9はナイフェツジであシ
、10はハーフミラ−であり、12は対物レンズであり
、14はX 学的ハンド・ぞスフイルターで”j7.1
6ハレンズであシ、18は光学的センサーである。ケー
シング4は外部に固設されたアクチュエーター20に接
続されている。該アクチュエーター20を駆動せしめる
ことによシ、ケーシング4は対物レンズ120光軸Xに
沿って移動せしめられる。アクチュエーター20として
は高精度な移動量コノトロールを実現すべく流体動軸受
スライド機構を備えたもの等を用いるのが好ましい。ケ
ーシング4にはまたその移動量を測定するための測長手
段22が付設されている。測長手段22としてはたとえ
ば格子干渉測長方式によるもの(OplusE+198
1年4月号p84〜)が用いられ、この場合、第1図に
おける24はケーシング4に固定された基準格子でちゃ
、26は外部に固設された格子ピッチ読取装置である。
光学系2′に関しても上記光学系2についてと同様の構
成を有し、同一の要素については同一符号に「勺を付し
て説明を省略する。光学系2と2′とは対物レンズ12
と12′とが対向せしめられ且つそれらの光軸Xが合致
する様に配置されている。
30は厚さを測定されるべき被測定物である。
本実施例における光学系20合焦状態判別法につき以下
説明する。
光学系2においては、対物レンズ12とレンズ16とは
光軸Xを共有している。光源6から発せられた光はコリ
メーターレンズ8によシ平行光束とされ、該平行光束は
ハーフミラ−10によシ反射せしめられ、対物し/ズ1
2に入射する。尚、コリメーターレンズ8を出た平行光
束はナイフェツジ9によシ一部遮光され、対物し/ズ1
2にはその光軸Xを通る境界面により2分される2つの
ゾーンのうちの一方(図においては左半分のゾーン)に
のみ入射する。かくして、対物レンズ12によシ集束せ
しめられた光は被測定物30の上面上にスポットを結ぶ
。該スポットから反射された光は、再び対物レンズ12
を透過し、ハーフミラ−10、パントノ9スフイルター
14及びし/ズ16を透過した後、センサー18に到達
する。
しかして、この際、被測定物300表面と対物レンズ1
2との距離によシセ/サー18に到達する光に差が生ず
る。即ち、第2図に示される様に、被測定物30の表面
がちょうど対物レンズ12の焦点位置に存在する場合(
図中のイの位置)には、被測定物300表面におけるス
ポットはちょうど光軸X上にその中心が位置するため、
反射光はセンサー18において光軸X上に中心をもって
位置することになる。また、被測定物300表面が対物
レンズ12の焦点位置よシも遠くに位置する場合(図中
の口の位置)には、被測定物300表面におけるスポッ
トは光軸Xからずれた図におけるAゾーン内に中心をも
って位置する様になるため、その反射光はセンサー18
においてBゾーンに中心をもって位置することになる。
一方、被測定物30の表面が対物し/、f12の焦点位
置よシも近くに位置する場合(図中のハの位置)には、
被測定物300表面におけるスポットはBゾーン内に中
心をもって位置する様になるため、その反射光はセンサ
ー18においてAゾーンに中心をもって位置することに
なる。
センサー18としてはたとえばCCD (charge
coupled device)センサーアレイが用い
られる。
第3図にはこの様なセンサー18の平面図が示されてい
る。この図は第2図におけるセンサー18を下方から見
たものである。図中、斜線を付した部分はセンサーセグ
メント間を分離しているところのチャンネルストッ・ぐ
一部を示す。第3図のセンサー18においては、被測定
物30の表面位置が第2図の41口又はハである場合の
スポット位置及びその光量分布のグラフが記されている
センサー18において、へゾーンにおける全センサーセ
グメントの出力の和を■ムとじ、Bシー/における全セ
ンサーセグメントの出力の和をInとすると、光学系2
の被測定物30に対する合焦状態に応じてΔI=IA−
IBが変化する。その関係を第4図に示す。第4図から
分る様に、フォーカシングが完全になされている場合(
上記イの状態)の近傍においては、Δ工はほぼリニアに
変化する。
二の特性を利用することによって光学系2が前ピント外
れ状態であるか、完全フォーカシング状態であるか、後
ピント外れ状態であるかが判別できる。
従って、この出力ΔIに基づきΔ工を0にするべくアク
チュエーター20をサー?駆動せしめることによシ自動
フォーカシングが実現できる。この際のケーシング4の
移動量を測長手段22で測定することによシ被測定物3
0の上面のブ0軸Xと交わる部分の位置が測定される。
即ち、光学系2が基準位置からどれだけ移動したか(移
動量T1 )を測長手段22によシ測定するのである。
光学系2′についても光学系2と同様にして被測定物3
0の下面に合焦せしめ、同様にして光学系2′が基準位
置からどれだけ移動したか(移動量T2)を測長手段2
2′によシ測定するのである。
光学系2及び2′の基準位置は被測定物30として予め
厚さくS)の分っているものを用いて、上記と同様にし
てフォーカシングを実現することによシ設定することが
できる。
測長手段22及び22′の出力は処理手段32に   
′入力せしめられ、ここでT=S+Tt +T2の演算
によシ被測定物30の厚さTが得られる。尚、ここで移
動量T!の符号は上方へ移動する場合を正とし、移動量
T2の符号は下方へ移動する場合を負とした。
本実施例においては、光学系20光源6と光学系2′の
光源6′とはその発光波長帯域が異なる。また、光学系
2のバンドパスフィルター14としては光源60発する
波長の光を透過するが光源6′の発する波長の光を透過
しないものが用いられ、一方光学系2′のバンドパスフ
ィルター14′としては光源6′の発する波長の光を透
過するが光源60発する波長の光を透過しないものが用
いられている。
これによυ、被測定物30が透明な場合においても光学
系2と2′とでクロストークが発生せず正確な測定を行
なうことができる。
以上の如き実施例の厚さ測定装置の性能につき以下に評
価を試みる。
先ず、位置測定の精度は光学系2及び2′の合焦状態判
別分解能と測長手段の測定精度とによシ定まる。たとえ
ば、対物レンズ12として焦点距離f=2.1■、NA
=0.9のものを、レンズ8として焦点距離ft=6.
6mのものを、レンズ16として焦点用@f* =85
 raOものを用い、センサー18としてCODセンサ
ーアレイを用いた場合には、第4図のグラフにおけるリ
ニア部分の傾きとして200〜1000 mVμmが得
られ、更にこの時のΔIの出力のノイズとして1〜2m
V以下が達成される。これによシ、光学系2及び2′の
合焦状態判別分解能として0.01〜0.02μmが得
られる。また、測長手段22として格子干渉測長方式に
よるものを用いれば0.1〜0.01μmの精度が達成
される。尚、測長手段22としては、その他覚へテロゲ
インの干渉方式によるもの(たとえば、Hewlett
 Paekard社のレーザー測長機、Oplus E
 、 1982年12月号986〜)や、レーザー干渉
計の波数読取シ方式によるもの等を用いることもでき、
これらによっても同様な精度が達成される。
次に、位置測定のストロークはアクチュエーターのスト
ローク及び測長手段のストロークにょシ決まる。上記の
如き格子干渉測長方式、光ヘテロダイン干渉方式、レー
ザー干渉計の波数読取シ方式等はいづれも100m以上
の高ストロークを実現することができ、またアクチュエ
ーターも同様なストロークを実現できる。
更に、投スポット径は対物レンズ12及び12′のNA
によシ定まる。たとえば、対物レンズ12としてNA−
0,8のものを用いれば光学系20投光スポツト径φは
φ= 2.44 Fλキ2.38μm(ここで、F=2
X    =1.25.λ−0.78μmとした)とな
り、2μm程度のスポット計測が可能となる。尚、スポ
ット径を大きくしたい場合には光学系2及び2′の投光
有効光束径を小さくして実効的な光束のNAを小さくす
ればよい。
また、本実施例装置においては、合焦時に被測定物30
の上又は下の面の光軸X上の点とセンサー18又は18
′とが共役関係になるので、対物レンズ12及び12′
のNAを大きくしておけば被測定物30の上下両面が鏡
面である場合の他に粗面であっても測定は可能となる。
以上の実施例においては、合焦状態判別光学系2及び2
′はそれぞれ合焦のため全体が移動する様になっている
例を示したが、光学系2及び2′はその一部のみが移動
する様になっていてもよい。第5図及び第6図はその様
な光学系の一部を示すものである。
第5図の光学系2においては、対物レンズ12のみが光
軸Xに沿って移動可能である。そして測長手段の一部を
構成するコーナーキューブ40が該対物レンズ12に固
定されており、測長手段本体から発せられたレーザー光
が核コーナーキューブ40により反射されて測長手段本
体へと進行する。
第6図の光学系2においては、光源6のみがレンズ80
光軸に沿って移動可能である。そして測長手段の一部を
構成するコーナーキューブ40が光源6に固定されてい
る。尚、この場合には光源6の移動量を対物レンズ12
から投光される光束のフォーカシング位置の移動量に換
算する必要がある。
尚、第5図及び第6図の実施例においては可動部のみを
移動させるアクチュエーターが備えられているが、これ
は図示を省略した。
この様にして可動部を小さくすると、アクチュエーター
を小型化することができる。
以上の実施例においては自動合焦の方式としていわゆる
TTL −A F (Through the Tak
ing LensActive Auto Focus
 )方式(テレビジ、7学会誌。
第35巻第8号、1981年、p637〜)を用いた例
を示したが自動合焦の方式としては他の方式たとえばビ
デオのピックアップに用いられている方式やカメラのオ
ートフォーカスで使用されている方式等を用いることも
できる。
以上の如き実施例の厚さ測定装置によれば、被測定物3
0が走行している場合であっても、インプロセスにて測
定が可能である。
第7図は、この様な特長を利用して、本発明厚さ測定装
置を2つ使用し塗膜形成プロセスの塗膜厚コントロール
を行なう場合の実施例を示す。
本実施例においては、厚さ測定装置AとBとの2つが使
用され、被測定物30はこれらの間を速度υにて走行せ
しめられる。2つの厚さ測定装置■と■との間の位置に
おいて塗膜形成が行なわれる。厚さ測定装置■の処理手
段32から得られる厚さTと厚さ測定装置■の処理装置
から得られる厚さT′と速度ダとから、現時点における
形成塗膜厚さを推定して、予め定められた厚さに塗膜が
付与されるべく塗膜形成プロセスへとフィードバックす
ることができる。
〔発明の効果〕
以上の如き本発明の厚さ測定装置によれば、非接触にて
精密且つ正確に厚さ測定を行なうことができ、被測定物
を移動させながら異なる測定位置を連続的に高速にて測
定することもできる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明装置の構成図であり、第2図はその部分
図であり、第3図はセンサーの平面図であシ、第4図は
センサーの出力のグラフであり、第5図及び第6図は本
発明装置の部分構成図であシ、第7図は本発明装置の応
用例を示す構成図である。 2・・・合焦状態判別光学系、4・・・ケーシング、6
・・・光源、12・・・対物レンズ、18・・・センサ
ー、20・・・アクチュエーター、22・・・測長手段
、30・・・被測定物。 第1図 第2図 第3[2! y量 第4図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)2つの合焦状態判別光学系が各光学系の対物レン
    ズの光軸が合致せしめられて対向配置されており、該光
    学系はそれぞれ内部光源を有しその対物レンズ近傍の光
    路を維持した状態にて一部または全部を移動させること
    ができ、各光学系の可動部の移動量を測長するための手
    段が設けられていることを特徴とする、厚さ測定装置。
  2. (2)判別された合焦状態に基づき、合焦状態判別光学
    系をフォーカシングせしめるべく可動部を駆動せしめる
    ための手段が設けられている、第1項の厚さ測定装置。
  3. (3)2つの光学系が異なる波長帯域の光源を有し、且
    つ各光学系が該光学系の光源の発する波長帯域の光を透
    過せしめ他の光学系の光源の発する波長帯域の光を透過
    せしめないバンドパスフィルターを有する、第1項の厚
    さ測定装置。
JP13790484A 1984-07-05 1984-07-05 厚さ測定装置 Pending JPS6117905A (ja)

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