JPWO2009050993A1 - 非接触膜厚測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

光学系の調整が容易な非接触膜厚測定方法及び装置を提供することを目的とする。ポンプ光Ｌｐｕが入射されてテラヘルツ波パルスＬｔを発生するテラヘルツ波発生手段４は、ポンプ光Ｌｐｕの内テラヘルツ波パルスの発生に使われないでテラヘルツ波発生手段４から出射される残りのポンプ光ＬＡｐｕと同軸方向にテラヘルツ波パルスＬｔを発生させる。そして、ポンプ光Ｌｐｕの波長が可視域〜近赤外域にあるので、ポンプ光Ｌｐｕをガイド光としてテラヘルツ波パルス発生手段４から膜厚測定対象２０までの光路及び膜厚測定対象２０から検出手段７までの光路が容易に調整（入射光学系５、受光光学系６を容易にアライメント）され得る。

Description

本発明は、基材にコートされた膜の厚さを測定する方法及び装置に関する。詳しくは、本発明は、膜厚測定対象にテラヘルツ波を照射して非接触で膜厚を測定する方法及び装置に関する。

自動車や家電製品など多くの工業製品は、基材（下地）の防錆、製品の美観などのために塗装されている。例えば、メタリック塗装された乗用車の場合、図６（ａ）に示すように、下地鋼板６０の上に防錆のための電着塗装膜６１が形成され、その上に飛び石などを防ぐチッピングプライマー塗装膜６２が形成され、その上に中塗り塗装膜６３が形成され、その上に顔料と光機材を含むベース塗装膜６４が形成された後、顔料と光機材を含まないクリア塗装膜６５が形成されている。電着塗装膜６１は、下地の防錆のために形成され、チッピングプライマー塗装膜６２は、飛び石などによる傷つきを防止するために形成される。したがって、これらの膜厚が規定の膜厚を下回ると、防錆機能や傷つき防止機能が損なわれる。よって、これらの膜厚は測定されて厳密に管理される必要がある。また、中塗り塗装膜６３、ベース塗装膜６４及びクリア塗装膜６５は、外観品質（色、メタリック感、光沢、ゆず肌、深み感など）と密接に関連する。したがって、これらの膜厚も測定管理される必要がある。

従来は、各塗装膜が形成される都度、ドライ状態になった後、膜に渦電流式膜厚計が接触されて膜厚が測定されていた。したがって、従来の渦電流式膜厚計による測定には工業製品にキズを付ける問題や、多層膜の各層の膜厚を測定することができないといった問題があった。

最近、従来の渦電流式膜厚計の上記問題を解決するために、膜厚測定対象にテラヘルツ波を照射して非接触で膜厚を測定する装置が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

テラヘルツ波は波長が３０〜３０００μｍ（周波数が０．１〜１０ＴＨｚ）の電磁波であり、主たる成分が高分子材料である塗膜を透過する。したがって、図６（ａ）に示すような多層膜からなる膜厚測定対象にテラヘルツ波パルスが入射されると、屈折率不連続面である各境界面ＩＰ１〜ＩＰ５でフレネル反射が起き、反射テラヘルツ波パルス（以下、テラヘルツエコーパルスという。）が得られる。このテラヘルツエコーパルスの電場振幅時間分解波形を模式的に示すと、図６（ｂ）のようになる。それぞれ互いに隣接する各境界面からのエコーパルスＰ１、Ｐ２間の時間差Ｔ_１２、エコーパルスＰ２、Ｐ３間の時間差Ｔ_２３、及びエコーパルスＰ３、Ｐ４間の時間差Ｔ_３４に基づいて、タイム・オブ・フライト法を用いることで次式から各塗装膜の膜厚が求まる。

膜厚＝（時間差×光速）／（塗膜の群屈折率） （１）
特開２００４−２８６１８号公報（第６−７頁、第１図、第６図）

テラヘルツ波パルスが膜厚測定対象に照射され、テラヘルツエコーパルスが受光されて膜厚が非接触測定されるためには、特許文献１の第１図のような複雑な光学系が組まれなければならない。すなわち、テラヘルツ波パルス発生手段から発生されたテラヘルツ波パルスが膜厚測定対象に集光照射され、膜厚測定対象からのテラヘルツエコーパルスが検出手段に集光照射されなければならない。しかしながら、テラヘルツ波パルスは、前述のように波長が３０〜３０００μｍであるため不可視で、光学系の調整に莫大な時間が費やされていた。特に、膜厚測定対象が非平面の場合、テラヘルツエコーパルスの反射方向が予測されないため、光学系の調整に多大の時間を要していた。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、光学系の調整が容易な非接触膜厚測定方法及び装置を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するためになされた本発明の非接触膜厚測定方法は、波長が可視域〜近赤外域にある繰り返し超短光パルスレーザをポンプ光とプローブ光とに分割する分割ステップと、前記分割ステップで分割された前記ポンプ光或いはプローブ光の時間遅延を制御する光遅延ステップと、前記分割ステップで分割されたポンプ光をテラヘルツ波パルス発生手段に入射させて、前記ポンプ光の内テラヘルツ波パルスの発生に使われないで前記テラヘルツ波パルス発生手段から出射される残りのポンプ光と同軸方向にテラヘルツ波パルスを発生させるテラヘルツ波パルス発生ステップと、前記テラヘルツ波パルス発生ステップで発生された前記テラヘルツ波パルスを膜厚測定対象に入射させ、前記膜厚測定対象から反射されてくるテラヘルツエコーパルスを検出手段に入射させて前記テラヘルツエコーパルスの電場振幅時間分解波形を前記分割ステップで分割されたプローブ光で検出する検出ステップと、を有することを特徴としている。

テラヘルツ波パルス発生ステップでポンプ光がテラヘルツ波パルス発生手段に入射されて、ポンプ光の内テラヘルツ波パルスの発生に使われないでテラヘルツ波パルス発生手段から出射される残りのポンプ光と同軸方向にテラヘルツ波パルスが発生される。したがって、ポンプ光の波長が可視域〜近赤外域にあるので、ポンプ光をガイド光としてテラヘルツ波パルス発生手段から膜厚測定対象までの光路及び膜厚測定対象から検出手段までの光路が容易に調整（光学系を容易にアライメント）され得る。

上記の課題を解決するためになされた本発明の別の非接触膜厚測定方法は、繰り返し超短光パルスレーザをポンプ光とプローブ光とに分割する分割ステップと、前記分割ステップで分割された前記ポンプ光或いはプローブ光の時間遅延を制御する光遅延ステップと、前記分割ステップで分割されたポンプ光をテラヘルツ波パルス発生手段に入射させて、前記ポンプ光の内テラヘルツ波パルスの発生に使われないで前記テラヘルツ波パルス発生手段から出射される残りのポンプ光と同軸方向にテラヘルツ波パルスを発生させるテラヘルツ波パルス発生ステップと、前記テラヘルツ波パルス発生ステップで発生された前記テラヘルツ波パルスを膜厚測定対象に入射させ、前記膜厚測定対象から反射されてくるテラヘルツエコーパルスを光伝導スイッチに入射させて前記テラヘルツエコーパルスの電場振幅時間分解波形を前記分割ステップで分割されたプローブ光で検出する検出ステップと、を有することを特徴としている。

テラヘルツ波パルス発生ステップでポンプ光がテラヘルツ波パルス発生手段に入射されて、ポンプ光の内テラヘルツ波パルスの発生に使われないでテラヘルツ波パルス発生手段から出射される残りのポンプ光と同軸方向にテラヘルツ波パルスが発生される。したがって、膜厚測定対象から反射されてくるテラヘルツエコーパルスにはポンプ光が重畳されている。光伝導スイッチでテラヘルツエコーパルスの電場振幅時間分解波形を検出する際、テラヘルツエコーパルスにポンプ光が重畳されていると、電場振幅時間分解波形にポンプ光によるＤＣバイアスがかかる。よって、ＤＣバイアスが最大になるように光学系を調整することで調整の最適化が図られる。

上記の課題を解決するためになされた本発明の非接触膜厚測定装置は、波長が可視域〜近赤外域にある繰り返し超短光パルスレーザを発生する超短光パルス光源と、前記超短光パルス光源から発生される前記超短光パルスレーザをポンプ光とプローブ光とに分割する光分割手段と、前記光分割手段で分割された前記ポンプ光或いはプローブ光の時間遅延を制御する光遅延手段と、前記光分割手段で分割されたポンプ光が入射されてテラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生手段であって、前記ポンプ光の内テラヘルツ波パルスの発生に使われないで前記テラヘルツ波発生手段から出射される残りのポンプ光と同軸方向に前記テラヘルツ波パルスを発生させるテラヘルツ波発生手段と、前記テラヘルツ波発生手段から発生された前記テラヘルツ波パルスを膜厚測定対象に入射させる入射光学系と、前記入射光学系で前記テラヘルツ波パルスが前記膜厚測定対象に入射されて前記膜厚測定対象から反射されてくるテラヘルツエコーパルスを受光する受光光学系と、前記受光光学系で受光した前記テラヘルエコーパルスの電場振幅時間分解波形を前記光分割手段で分割されたプローブ光で検出する検出手段と、を有することを特徴としている。

ポンプ光が入射されてテラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生手段は、ポンプ光の内テラヘルツ波パルスの発生に使われないでテラヘルツ波発生手段から出射される残りのポンプ光と同軸方向にテラヘルツ波パルスを発生させる。したがって、ポンプ光の波長が可視域〜近赤外域にあるので、ポンプ光をガイド光としてテラヘルツ波パルス発生手段から膜厚測定対象までの光路及び膜厚測定対象から検出手段までの光路が容易に調整（入射光学系、受光光学系を容易にアライメント）され得る。

上記の課題を解決するためになされた本発明の別の非接触膜厚測定装置は、繰り返し超短光パルスレーザを発生する超短光パルス光源と、前記超短光パルス光源から発生される前記超短光パルスレーザをポンプ光とプローブ光とに分割する光分割手段と、前記光分割手段で分割された前記ポンプ光或いはプローブ光の時間遅延を制御する光遅延手段と、前記光分割手段で分割されたポンプ光が入射されてテラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生手段であって、前記ポンプ光の内テラヘルツ波パルスの発生に使われないで前記テラヘルツ波発生手段から出射される残りのポンプ光と同軸方向に前記テラヘルツ波パルスを発生させるテラヘルツ波発生手段と、前記テラヘルツ波発生手段から発生された前記テラヘルツ波パルスを膜厚測定対象に入射させる入射光学系と、前記入射光学系で前記テラヘルツ波パルスが前記膜厚測定対象に入射されて前記膜厚測定対象から反射されてくるテラヘルツエコーパルスを受光する受光光学系と、前記受光光学系で受光した前記テラヘルエコーパルスの電場振幅時間分解波形を前記光分割手段で分割されたプローブ光で検出する光伝導スイッチと、を有することを特徴としている。

テラヘルツ波発生手段からポンプ光とテラヘルツ波パルスが同軸方向に出射されるので、膜厚測定対象からのテラヘルツ波エコーパルスにはポンプ光が重畳されている。光伝導スイッチでテラヘルツエコーパルスの電場振幅時間分解波形を検出する際、テラヘルツエコーパルスにポンプ光が重畳されていると、電場振幅時間分解波形にポンプ光によるＤＣバイアスがかかる。したがって、ＤＣバイアスが最大になるように入射光学系、受光光学系を調整することで調整の最適化を図ることができる。

また、上記の非接触膜厚測定装置において、前記テラヘルツ波発生手段の後に前記残りのポンプ光をオン−オフする光スイッチをさらに備えるとよい。

光スイッチでポンプ光をオンすることで、ＤＣバイアスが最大化されるように入射光学系と受光光学系が調整され得る。光学系の調整後の膜厚測定では、光スイッチでポンプ光をオフにすることでＤＣバイアスをゼロにしてテラヘルツエコーパルスの電場振幅時間分解波形が高精度に検出され得る。

テラヘルツ波パルス発生ステップでポンプ光がテラヘルツ波パルス発生手段に入射されて、ポンプ光の内テラヘルツ波パルスの発生に使われないでテラヘルツ波パルス発生手段から出射される残りのポンプ光と同軸方向にテラヘルツ波パルスが発生される。したがって、ポンプ光の波長が可視域〜近赤外域にあるので、ポンプ光をガイド光としてテラヘルツ波パルス発生手段から膜厚測定対象までの光路及び膜厚測定対象から検出手段までの光路が容易に調整（光学系を容易にアライメント）され得る。

本発明の実施形態１に係る非接触膜厚測定装置の構成を示すブロック図である。 図１における光遅延手段をポンプ光の光路に設けた非接触膜厚測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態２に係る非接触膜厚測定装置の構成を示すブロック図である。 電場振幅時間分解波形図であって、（ａ）はＧｅフィルタなしの場合であり、（ｂ）はフィルタ有りの場合である。 本発明の実施形態３に係る非接触膜厚測定装置の構成を示すブロック図である。 従来技術による膜厚測定原理を示す図であって、（ａ）は自動車ボディー塗装における多層塗装膜の一例を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）において測定されたテラヘルツエコーパルスを示す電場振幅時間分解波形図である。

符号の説明

１・・・・・・超短光パルス光源
２・・・・・・光分割手段
３・・・・・・光遅延手段
４、４A・・・テラヘルツ波発生手段
５・・・・・・入射光学系
６・・・・・・受光光学系
７、７A・・・検出手段
１８・・・・・光スイッチ
２０・・・・・膜厚測定対象
Ｌo・・・・・ 繰り返し超短光パルスレーザ
Ｌpu・・・・・ポンプ光
ＬApu・・・・残りポンプ光
Ｌpr・・・・・プローブ光
Ｌt・・・・・ テラヘルツ波パルス
Ｌte・・・・・テラヘルツエコーパルス

本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

（実施形態１）図１は、本発明の実施形態１に係る非接触膜厚測定装置の構成を示すブロック図である。この測定装置は、
（ａ）波長が可視域〜近赤外域にある繰り返し超短光パルスレーザを発生する超短光パルス光源１と、
（ｂ）超短光パルス光源１から発生される超短光パルスレーザＬ0をポンプ光Ｌpuとプローブ光Ｌprとに分割する光分割手段２と、
（ｃ）光分割手段２で分割されたポンプ光Ｌpu或いはプローブ光Ｌprの時間遅延を制御する光遅延手段３と、
（ｄ）光分割手段３で分割されたポンプ光Ｌpuが入射されてテラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生手段４であって、ポンプ光Ｌpuの内テラヘルツ波パルスの発生に使われないでテラヘルツ波発生手段４から出射される残りのポンプ光と同軸方向にテラヘルツ波パルスＬtを発生させるテラヘルツ波発生手段４と、
（ｅ）テラヘルツ波発生手段４から発生されたテラヘルツ波パルスＬtを膜厚測定対象２０に入射させる入射光学系５と、
（ｆ）入射光学系５でテラヘルツ波パルスＬtが膜厚測定対象２０に入射されて膜厚測定対象２０から反射されてくるテラヘルツエコーパルスＬteを受光する受光光学系６と、
（ｇ）受光光学系６で受光したテラヘルツエコーパルスＬteの電場振幅時間分解波形を光分割手段２で分割されたプローブ光Ｌprで検出する検出手段７と、を備えたことを特徴としている。

超短光パルス光源１は、中心波長８１０ｎｍ、パルス幅６０ｆｓ、繰り返し周波数８７ＭＨｚの超短光パルスレーザＬ0を発生する。

超短光パルスレーザＬ0は、上記に限定されるものではなく、波長は可視域〜近赤外域にあればよい。後述するように、可視域であれば、眼で見えるので、ポンプ光をガイド光として膜厚測定装置の光学系を短時間で調整することができる。また、近赤外域でもＣＣＤカメラやＩＲ蛍光プレートなどで可視化できるので、ポンプ光をガイド光として膜厚測定装置の光学系を短時間で調整することができる。具体的には、図１に示すように、ＣＣＤカメラ（ＩＲ蛍光プレート）１００が、膜厚測定対象２０と軸外し放物面鏡６１との間、軸外し放物面鏡６１と軸外し放物面鏡６２との間及び軸外し放物面鏡６２とビームカップラー１７との間に挿入されて光学系が調整される。なお、ＣＣＤカメラの場合は、１００がスクリーン等であり、そのスクリーンに映ったポンプ光をＣＣＤカメラで撮像することになる。

パルス幅は、１ｆｓ〜１ｐｓの範囲であることが望ましい。

光分割手段２は、ビームスプリッタで、超短光パルスレーザＬ0をポンプ光Ｌpuとプローブ光Ｌprに分割する。

光遅延手段３は、交差ミラー３１と矢印Ａ方向に移動させる移動機構３２とを備え、後述のポンプ光でポンプされて発生するテラヘルツ波パルスＬtに対して、プローブ光Ｌprに時間的な遅れ、或いは進みを発生させる。移動機構３２は、パソコン１１で制御される。本実施形態では、光遅延手段３がプローブ光の光路中に配置されているが、図２に示すようにポンプ光の光路中に配置されてもよい。

本実施形態のテラヘルツ波パルス発生手段４は、有機非線形結晶のＤＡＳＴ（4-dimethylamino-N-methyl-4
stilbazobazolium tosylate）であり、用いたＤＡＳＴ結晶４はｃ軸に直交する二つの面４１、４２を持ち、面４１と４２の間隔（厚さ）は０．１ｍｍである。ＤＡＳＴ結晶４にポンプ光Ｌpuが照射されると、結晶のχ^２効果でテラヘルツ波パルスが発生され、テラヘルツ波パルス発生に消費されなかった残りのポンプ光が出射される。その際、図１に示すように、ポンプ光Ｌpuを面４１に垂直入射させると、ポンプ光Ｌpuは結晶４中をｃ軸方向進み、発生するテラヘルツ波パルスは、テラヘルツ波パルスの発生に使われなかった残りのポンプ光ＬApuと同軸方向に進む。

入射光学系５は、二つの軸外し放物面鏡５１、５２を備えている。一方の軸外し放物面鏡５１は、ＤＡＳＴ結晶４からポンプ光ＬApuと同軸方向に放射されるテラヘルツ波パルスＬtをコリメートし、他方の軸外し放物面鏡５２は、コリメートされたテラヘルツ波パルスＬｔを膜厚測定対象２０に集光照射する。

受光光学系６は、二つの軸外し放物面鏡６１、６２を備えている。一方の軸外し放物面鏡６１は、膜厚測定対象２０からのテラヘルツエコーパルスＬteをコリメートし、他方の軸外し放物面鏡６２は、コリメートされたテラヘルツエコーパルスＬｔeを検出手段７に集光照射する。

検出手段７は、電気光学結晶板７１、１／４波長板７２、検光子７３及びバランス検出器７４を備えている。

電気光学結晶板７１は、テラヘルツエコーパルスＬteが照射されて誘起される光電場によって、プローブ光Ｌprの偏光を回転させる。

１／４波長板７２は、テラヘルツエコーパルＬteにより電気光学結晶板７１に誘起される複屈折によって生じるプローブ光Ｌprの偏光回転を任意に回転させる。

バランス検出器７４は、テラヘルツエコーパルスＬteによる電気光学結晶板７１に誘起される複屈折で生じるプローブ光Ｌprの偏光回転量を、差動増幅機構を用いて抽出して微量検出する。

１０は、バランス検出器７４で検出された信号の中からチョッパ８の変調信号に同期した成分を抽出して増幅するロックインアンプである。

１１は、光遅延手段３の位置情報と、ロックインアンプ１０からの信号を記録するパソコンであり、光遅延手段３の移動機構３２とロックインアンプ１０を制御する機能も有している。

次に、非接触膜厚測定装置の動作を説明する。

まず、超短光パルス光源１から発生された超短光パルスレーザＬoは、ビームスプリッタ２でポンプ光Ｌpuとプローブ光Ｌprに分割される。

ポンプ光Ｌpuは、チョッパ８で強度変調された後、レンズ９でＤＡＳＴ結晶４のｃ軸方向に集光照射される。すると、結晶４のχ^２効果でテラヘルツ波パルスが発生され、テラヘルツ波パルス発生に消費されなかった残りのポンプ光が出射される。その際、図１に示すように、ポンプ光Ｌpuを面４１に垂直入射させるため、ポンプ光Ｌpuは結晶４中をｃ軸方向進み、発生するテラヘルツ波パルスＬtは、テラヘルツ波パルスの発生に使われなかった残りのポンプ光ＬApuと同軸方向に進む。すなわち、テラヘルツ波パルスＬtはポンプ光ＬApuに重畳して進む。

ポンプ光ＬApuと同軸方向に放射されたテラヘルツ波パルスＬtは、軸外し放物面鏡５１でコリメートされた後、軸外し放物面鏡５２で膜厚測定対象２０に集光照射される。すると、膜厚測定対象２０の屈折率が異なる界面から反射されテラヘルツエコーパルスＬteが放射される。

膜厚測定対象２０から放射されるテラヘルツエコーパルスＬteは、軸外し放物面鏡６１でコリメートされた後、軸外し放物面鏡６２で電気光学結晶板７１に集光照射される。

一方、プローブ光Ｌprは、ミラー１２、１３を経て光遅延手段３で時間的に遅らされたり進められたりする。その後、ミラー１４を経て偏光子１５で直線偏光にされ、ミラー１６を経て、ビームカップラー１７で上記テラヘルツエコーパルスＬteと重ね合わされる。

テラヘルツエコーパルスＬteとプローブ光Ｌprが電気光学結晶板７１内で時間的に重なったときのみ、テラヘルツエコーパルスＬteによる複屈折をプローブ光Ｌprが受け、これにより、直線偏光のプローブ光Ｌprが楕円偏光化される。複屈折量は、テラヘルツエコーパルスＬteの強度に比例する。複屈折を受けたプローブ光Ｌprは、１／４波長板７２によってｓ偏光とｐ偏光との間にπ／２の位相差が与えられ、検光子７３に入射される。検光子７３は、入射されたプローブ光Ｌprをｐ偏光とｓ偏光とに分岐し、バランス検出器７４に入射させる。すると、バランス検出器７４は、上記二つの偏光成分の光信号の強度差に比例する電気信号をロックインアンプ１０に出力する。ここで、この電気信号は、テラヘルツエコーパルスＬteによる電気光学効果を受けたプローブ光Ｌprの複屈折量であり、この複屈折量は、テラヘルツエコーパルスＬteの強度に比例する。プローブ光Ｌprを時間遅延して、この電気信号をパソコンに取り込み、テラヘルツエコーパルスＬteの図６（ｂ）に示すような電場振幅時間分解波形が得られる。

次に、非接触膜厚測定装置の光学系の調整について説明する。

本実施形態の非接触膜厚測定装置は、図１に示すように多数の光学要素からなり、調整が甘いと光損失が累積され、最悪の場合、検出手段７にテラヘルツエコーパルスＬteが到達しなくなる。通常、光学系の調整は、伝搬する光を使って、その光をモニタしながら行われるが、テラヘルツ波は、赤外域〜遠赤外域の電磁波であるため、モニタできない。しかし、本実施形態の非接触膜厚測定装置では、テラヘルツ波パルス発生手段から出射されるポンプ光ＬApuと同軸方向にテラヘルツ波パルスＬtが放射され、ポンプ光ＬApuの波長が８１０ｎｍの可視光線であるので、ポンプ光ＬApuをモニタしながら光学系が調整され得る。

（１）まず、軸外し放物面鏡５１の直前に白い紙を挿入して、ポンプ光ＬApuの位置を確認しながら、軸外し放物面鏡５１の位置や角度が調整される。次に、白い紙を軸外し放物面鏡５１と５２の間に挿入して、ポンプ光ＬApuの光束径をモニタしながらが平行光になるように軸外し放物面鏡５１が調整される。

（２）次に、膜厚測定対象２０の直前に白い紙を配置してポンプ光ＬApuをモニタしながら、ポンプ光ＬApuの照射位置が膜厚測定対象２０の所定の位置になり、軸外し放物面鏡５２の焦点が膜厚測定対象２０の表面に一致するように軸外し放物面鏡５２が調整される。

（３）次に、白い紙を軸外し放物面鏡６１と６２の間に挿入して、ポンプ光ＬApuの光束径をモニタしながらが平行光になるように軸外し放物面鏡６１が調整される。

（４）次に、電気光学結晶板７１の直前に白い紙を配置してポンプ光ＬApuをモニタしながら、ポンプ光ＬApuの照射位置が電気光学結晶板７１の中心と一致し、軸外し放物面鏡６２の焦点が電気光学結晶板７１の表面に一致するように軸外し放物面鏡６２が調整される。

以上のように調整することで、テラヘルツ波パルス発生手段４から出射されるポンプ光ＬApuは、電気光学結晶板７１に効率よく入射される。テラヘルツ波パルス発生手段４から放射されるテラヘルツ波パルスＬtは、ポンプ光ＬApu 同軸に放射されるので、テラヘルツ波パルスＬtは、ポンプ光ＬApuと同じ光路を通って膜厚測定対象２０に集光照射され、テラヘルツエコーパルスＬteもポンプ光ＬApuと同じ光路を通って電気光学結晶板７１に集光照射される。

膜厚測定対象２０の異なる部位の膜厚を測定するために膜厚測定対象２０を移動させると、非平面の場合、テラヘルツエコーパルスＬteの反射方向が変わるが、その場合は、上記の（３）からの調整を繰り返すことで、テラヘルツエコーパルスＬteが効率よく受光され検出される。

（実施形態２）図３は、本発明の実施形態２に係る非接触膜厚測定装置の構成を示すブロック図である。これは、実施形態１の非接触膜厚測定装置とほとんど同じであり、同じ構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。大きく相違するのは、検出手段である。すなわち、実施形態１では電気光学結晶板を検出手段の主要構成要素としていたのに対して、本実施形態の検出手段は光伝導スイッチを主要構成要素としている。

図３において、７Aが検出手段で、シリコンレンズ７１Aと光伝導スイッチ７２Aを備えている。光伝導スイッチ７２Aは、低温成長GaAs基板にダイポールアンテナを形成したものである。ダイポールアンテナのギャップ部をプローブ光Ｌprで励起して、そこにテラヘルツエコーパルスＬteを入射させることで、その電場振幅時間波形が得られる。

超短光パルス光源１Aは、パルス幅１７ｆｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、中心波長１５５０ｎｍの基本波パルスと、７８０ｎｍの第２高調波パルスからなる超短光パルスレーザＬ0を発生する。

２Aは、ダイクロイックミラーで、超短光パルスレーザＬ0を波長１５５０ｎｍのポンプ光Ｌpuと波長７８０ｎｍのプローブ光Ｌprに分割する。

光スイッチ１８は、波長１５５０ｎｍのポンプ光ＬApuをカットし、テラヘルツエコーパルスＬteを透過するＧｅフィルタで、矢印Ｂ方向に移動可能な機構（図示せず）を備えている。

１９は、レンズで、波長７８０ｎｍのプローブ光Ｌprを光伝導スイッチ７２Aのダイポールアンテナギャップに集光照射する。

２１は、光伝導スイッチ７２Aからの電気信号を増幅する増幅器である。

次に、本実施形態の非接触膜厚測定装置の動作を説明する。

ポンプ光Ｌpuは、出力が１００ｍＷであり、チョッパ８を通過することで変調される。チョッパ８での変調は、超短光パルス光源１Aから発生されるレーザ繰り返し周波数の１／１０以下であれば早いほうがよいが、今回は１ｋＨでポンプ光Ｌpuが変調された。変調されたポンプ光Ｌpuは、レンズ９でＤＡＳＴ結晶４に集光される。ＤＡＳＴ結晶４から発生されたテラヘルツ波パルスＬtは、入射光学系５で膜厚測定対象２０に集光される。同時にＤＡＳＴ結晶４を透過したテラヘルツ波パルス発生に使われなかった残りのポンプ光ＬApuも膜厚測定対象２０に集光される。ＤＡＳＴ結晶４を透過した残りポンプ光ＬApuのパワーは約４０ｍＷであり、ポンプ光Ｌpuの約４０％がテラヘルツ波パルスに変換されずに残っている。膜厚測定対象２０で反射したテラヘルツエコーパルスＬteは、受光光学系６でシリコンレンズ７１Aを介して光伝導スイッチ７２Aに集光される。この時、テラヘルツエコーパルスＬteと同軸に進む残りポンプ光ＬApuも光伝導スイッチ７２Aに集光される。

一方、ダイクロイックミラー２Aで分割されたプローブ光Ｌprは、光遅延手段３を経て、レンズ１９により光伝導スイッチ７２Aに集光される。光遅延手段３をスキャンすることにより、光伝導スイッチ７２AでテラヘルツエコーパルスＬteの電場振幅時間分解波形が計測される。光伝導スイッチ７２Aの信号は、アンプ２０を通した後、ロックインアンプ１０に入力され、パソコン１１でデータ蓄積、表示される。光遅延手段３がラピッドスキャン型の場合、遅延掃引の周期にパソコンが同期させられるとよい。こうすることにより、より高速にデータが取得される。

図４ａは、Ｇｅフィルタ１８を光路に挿入しない時のテラヘルツエコーパルスＬteの電場振幅時間分解波形を、図４ｂはＧｅフィルタ１８を光路に挿入した時のテラヘルツエコーパルスＬteの電場振幅時間分解波形を、それぞれ示している。

光スイッチ１８のオン−オフすなわちＧｅフィルタ１８の挿入、非挿入で時間に依存しないＤＣ成分が増大していることがわかる。このＤＣ成分は、残りポンプ光ＬApuの効果によるバイアスである。

次に、非接触膜厚測定装置の光学系の調整について説明する。本実施形態の非接触膜厚測定装置でも、テラヘルツ波パルス発生手段から出射されるポンプ光ＬApuと同軸方向にテラヘルツ波パルスＬtが放射される。しかし、ポンプ光ＬApuの波長が１５５０ｎｍと赤外線であるので、ポンプ光ＬApuをモニタしながら光学系を調整することができない。

しかしながら、上記のように、残りポンプ光ＬApuが光伝導スイッチ７２Aに入射されると、電場振幅時間分解波形にポンプ光ＬApuによるＤＣバイアスが印加される。したがって、ＤＣバイアスが最大になるように入射光学系５、受光光学系６を調整することで調整の最適化が図られる。そこで、本実施形態では、ＤＣバイアスが最大になるように、入射光学系５、受光光学系６が調整される。

なお、膜厚測定時は、フィルタ１８を光路に挿入して残りポンプ光ＬApuをカットした方がよい。カットしないと、図４（ａ）に示すように、電場振幅時間分解波形がダイナミックレンジから外れ、ピーク位置測定精度が低下するからである。

（実施形態３）図５は、本発明の実施形態３に係る非接触膜厚測定装置の構成を示すブロック図である。これは、実施形態２の非接触膜厚測定装置とほとんど同じで、同じ構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。大きく相違するのは、テラヘルツ波発生手段である。実施形態２では有機非線形結晶のＤＡＳＴにポンプ光をｃ軸方向に入射させ、テラヘルツ波パルス発生に消費されなかったポンプ光と同軸方向に結晶のχ^２効果でテラヘルツ波パルスを発生させていた。すなわち、実施形態２のテラヘルツ波発生手段が透過配置の有機非線形結晶であったのに対して、本実施形態は、反射配置の半導体結晶である。

本実施形態のテラヘルツ波発生手段４Aは、例えば、ＩｎＡｓ半導体結晶である。ポンプ光Ｌpuがレンズ９で集光され入射角α（本実施形態では、α＝４５°）で入射されると、ポンプ光Ｌpuの一部が光デンバー効果によるテラヘルツ波パルスの発生に消費され、残りのポンプ光ＬApuは反射角αの正反射方向に反射される。その際、テラヘルツ波パルスＬtは、ポンプ光ＬApuと同軸方向に放射される。

半導体結晶は、ＩｎＡｓに限定されない。ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓでもよい。

次に、非接触膜厚測定装置の光学系の調整について説明する。本実施形態の非接触膜厚測定装置でも、テラヘルツ波発生手段から出射されるポンプ光ＬApuと同軸方向にテラヘルツ波パルスＬtが放射される。しかし、ポンプ光ＬApuの波長が１５５０ｎｍと赤外線であるので、ポンプ光ＬApuをモニタしながら光学系を調整することができない。

しかしながら、実施形態２で説明したように、残りポンプ光ＬApuが光伝導スイッチ７２Aに入射されると、電場振幅時間分解波形にポンプ光ＬApuによるＤＣバイアスが印加される。したがって、ＤＣバイアスが最大になるように、入射光学系５、受光光学系６が調整される。

Claims (5)

1. 
   波長が可視域〜近赤外域にある繰り返し超短光パルスレーザをポンプ光とプローブ光とに分割する分割ステップと、
   前記分割ステップで分割された前記ポンプ光或いはプローブ光の時間遅延を制御する光遅延ステップと、
   前記分割ステップで分割されたポンプ光をテラヘルツ波パルス発生手段に入射させて、前記ポンプ光の内テラヘルツ波パルスの発生に使われないで前記テラヘルツ波パルス発生手段から出射される残りのポンプ光と同軸方向にテラヘルツ波パルスを発生させるテラヘルツ波パルス発生ステップと、
   前記テラヘルツ波パルス発生ステップで発生された前記テラヘルツ波パルスを膜厚測定対象に入射させ、前記膜厚測定対象から反射されてくるテラヘルツエコーパルスを検出手段に入射させて前記テラヘルツエコーパルスの電場振幅時間分解波形を前記分割ステップで分割されたプローブ光で検出する検出ステップと、を有することを特徴とする非接触膜厚測定方法。
2. 
   繰り返し超短光パルスレーザをポンプ光とプローブ光とに分割する分割ステップと、
   前記分割ステップで分割された前記ポンプ光或いはプローブ光の時間遅延を制御する光遅延ステップと、
   前記分割ステップで分割されたポンプ光をテラヘルツ波パルス発生手段に入射させて、前記ポンプ光の内テラヘルツ波パルスの発生に使われないで前記テラヘルツ波パルス発生手段から出射される残りのポンプ光と同軸方向にテラヘルツ波パルスを発生させるテラヘルツ波パルス発生ステップと、
   前記テラヘルツ波パルス発生ステップで発生された前記テラヘルツ波パルスを膜厚測定対象に入射させ、前記膜厚測定対象から反射されてくるテラヘルツエコーパルスを光伝導スイッチに入射させて前記テラヘルツエコーパルスの電場振幅時間分解波形を前記分割ステップで分割されたプローブ光で検出する検出ステップと、を有することを特徴とする非接触膜厚測定方法。
3. 波長が可視域〜近赤外域にある繰り返し超短光パルスレーザを発生する超短光パルス光源と、
   前記超短光パルス光源から発生される前記超短光パルスレーザをポンプ光とプローブ光とに分割する光分割手段と、
   前記光分割手段で分割された前記ポンプ光或いはプローブ光の時間遅延を制御する光遅延手段と、
   前記光分割手段で分割されたポンプ光が入射されてテラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生手段であって、前記ポンプ光の内テラヘルツ波パルスの発生に使われないで前記テラヘルツ波発生手段から出射される残りのポンプ光と同軸方向に前記テラヘルツ波パルスを発生させるテラヘルツ波発生手段と、
   前記テラヘルツ波発生手段から発生された前記テラヘルツ波パルスを膜厚測定対象に入射させる入射光学系と、
   前記入射光学系で前記テラヘルツ波パルスが前記膜厚測定対象に入射されて前記膜厚測定対象から反射されてくるテラヘルツエコーパルスを受光する受光光学系と、
   前記受光光学系で受光した前記テラヘルエコーパルスの電場振幅時間分解波形を前記光分割手段で分割されたプローブ光で検出する検出手段と、を有することを特徴とする非接触膜厚測定装置。
4. 繰り返し超短光パルスレーザを発生する超短光パルス光源と、
   前記超短光パルス光源から発生される前記超短光パルスレーザをポンプ光とプローブ光とに分割する光分割手段と、
   前記光分割手段で分割された前記ポンプ光或いはプローブ光の時間遅延を制御する光遅延手段と、
   前記光分割手段で分割されたポンプ光が入射されてテラヘルツ波パルスを発生するテラヘルツ波発生手段であって、前記ポンプ光の内テラヘルツ波パルスの発生に使われないで前記テラヘルツ波発生手段から出射される残りのポンプ光と同軸方向に前記テラヘルツ波パルスを発生させるテラヘルツ波発生手段と、
   前記テラヘルツ波発生手段から発生された前記テラヘルツ波パルスを膜厚測定対象に入射させる入射光学系と、
   前記入射光学系で前記テラヘルツ波パルスが前記膜厚測定対象に入射されて前記膜厚測定対象から反射されてくるテラヘルツエコーパルスを受光する受光光学系と、
   前記受光光学系で受光した前記テラヘルエコーパルスの電場振幅時間分解波形を前記光分割手段で分割されたプローブ光で検出する光伝導スイッチと、を有することを特徴とする非接触膜厚測定装置。
5. 前記テラヘルツ波発生手段の後に前記残りポンプ光をオン−オフする光スイッチをさらに備える請求項４に記載の非接触膜厚測定装置。
   

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