(57)【要約】      （修正有）【課題】分解能の高い非接触膜厚測定装置及び方法を提供する。【解決手段】膜厚測定対象物に照射して反射されるテラヘルツエコーパルス光Ｌteの計測時系列波形を取得する計測時系列波形取得手段４１と、膜厚測定対象物に代えて表面反射鏡を配置した状態で、発生手段４から発生されて検出されるテラヘルツパルス光Ｌtの基準時系列波形と前記計測時系列波形とから、膜厚測定対象物固有の時系列波形を演算する固有時系列波形演算手段４２とを備え、固有時系列波形演算手段４２は前記計測時系列波形をフーリエ変換して得た計測電場スペクトルに、前記基準時系列波形をフーリエ変換して得た基準電場スペクトル及び定数で表されるウィナー逆フィルターを乗じて固有電場スペクトルを求める固有電場スペクトル演算手段４２１と、前記定数を増減させて前記固有電場スペクトルを逆フーリエ変換して前記固有時系列波形を得る固有時系列波形演算手段４２２とを有する。【選択図】図２
2010139402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツパルス光の発生手段と、
前記発生手段から発生して所定の光路を経て到達するテラヘルツパルス光を検出する検出手段と、
前記光路上に膜厚測定対象物を配置した状態で、前記テラヘルツパルス光を前記膜厚測定対象物に照射することにより前記膜厚測定対象物で反射して前記検出手段により検出されるテラヘルツエコーパルス光の、電場強度の時系列波形である計測時系列波形を取得する計測時系列波形取得手段と、
前記光路上に前記膜厚測定対象物に代えて表面反射鏡を配置した状態で、前記発生手段から発生されて前記検出手段にて検出されるテラヘルツパルス光の、電場強度の時系列波形である基準時系列波形と、前記計測時系列波形と、から、前記膜厚測定対象物固有の時系列波形を演算する固有時系列波形演算手段と、を備え、
前記固有時系列波形演算手段は、（a）前記計測時系列波形をフーリエ変換して得た計測電場スペクトルに、前記基準時系列波形をフーリエ変換して得た基準電場スペクトル及び定数で表されるウィナー逆フィルターを乗じて固有電場スペクトルを求める固有電場スペクトル演算手段と、（b）前記定数を増減させて前記固有電場スペクトルを逆フーリエ変換して前記固有時系列波形を得る固有時系列波形演算手段と、を有することを特徴とする非接触膜厚測定装置。
【請求項２】
前記発生手段と前記膜厚測定対象物との間に前記光路を折り曲げる光路折り曲げ手段を備える請求項１に記載の非接触膜厚測定装置。
【請求項３】
テラヘルツパルス光の発生手段と前記発生手段から発生して所定の光路を経て到達するテラヘルツパルス光を検出する検出手段とを用いて、前記光路上に膜厚測定対象物を配置した状態で、前記テラヘルツパルス光を前記膜厚測定対象物に照射することにより前記膜厚測定対象物で反射して前記検出手段により検出されるテラヘルツエコーパルス光の、電場強度の時系列波形である計測時系列波形を取得する計測時系列波形取得ステップと、
前記光路上に前記膜厚測定対象物に代えて表面反射鏡を配置した状態で、前記発生手段から発生されて前記検出手段にて検出されるテラヘルツパルス光の、電場強度の時系列波形である基準時系列波形と、前記計測時系列波形と、から、前記膜厚測定対象物固有の時系列波形を演算する固有時系列波形演算ステップと、を備え、
前記固有時系列波形演算ステップは、（a）前記計測時系列波形をフーリエ変換して得た計測電場スペクトルに、前記基準時系列波形をフーリエ変換して得た基準電場スペクトル及び定数で表されるウィナー逆フィルターを乗じて固有電場スペクトルを求める固有電場スペクトル演算ステップと、（b）前記定数を増減させて前記固有電場スペクトルを逆フーリエ変換して前記固有時系列波形を得る固有時系列波形演算ステップと、を有することを特徴とする非接触膜厚測定方法。
【請求項４】
前記発生手段と前記膜厚測定対象物との間の前記光路を光路折り曲げ手段で折り曲げる請求項３に記載の非接触膜厚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材に形成された膜の厚さを測定する装置及び方法に関する。詳しくは、膜厚測定対象にテラヘルツパルス光を照射して非接触で膜厚を測定する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、メタリック塗装乗用車の場合、図１０（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、その上に顔料と光輝材を含むベース塗装膜６４が形成された後、顔料と光輝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ため、膜厚を測定して厳密に管理する必要がある。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。
【０００３】
従来は、各塗装膜が形成される都度ドライ状態で渦電流式膜厚計を接触させて膜厚を測定していた。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。
【０００４】
そこで、キズ付きの問題を解決するために光学干渉を応用した非接触膜厚計が開発された（例えば、特許文献１及び２参照。）が、多層膜の各膜厚を測定することができなかった。
【０００５】
最近、上記従来の膜厚計の問題を解決するために、膜厚測定対象にテラヘルツパルス光を照射して非接触で膜厚を測定する装置が開発された（例えば、特許文献３参照。）。テラヘルツパルス光は、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１０（ａ）に示すような多層膜からなる膜厚測定対象物にテラヘルツパルス光を入射させると、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、反射テラヘルツパルス光（以下、テラヘルツエコーパルス光という。）が得られる。このテラヘルツエコーパルス光の電場強度の時系列波形を模式的に示すと、図１０（ｂ）のようになり、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Ｔ１２、エコーパルスＰ２、Ｐ３間の時間差Ｔ２３、及びエコーパルスＰ３、Ｐ４間の時間差Ｔ３４に基づいて、タイム・オブ・フライト法を用いて次式により各塗装膜の膜厚を測定することができる。
【０００６】
膜厚＝（時間差×光速）／（塗膜の群屈折率）        （１）
【特許文献１】特許３５４２３４６号公報
【特許文献２】特許３３２６９６１号公報
【特許文献３】特開２００４−２８６１８号公報（第６−７頁、図１、図５、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、エコーパルス間の時間差から膜厚を求める場合、エコーパルスのパルス幅が膜厚測定分解能を決め、パルス幅をτ、塗膜の群屈折率をｎ、光速をｃとすると、（１）式から分解能Ｒは、
Ｒ＝τｃ／２ｎ＝ＴRｃ／ｎ                  （２）
となる。すなわち、図１１にテラヘルツエコーパルス光を模式的に示すように、隣り合うエコーパルスが分離できる限界時間差ＴR＝τ／２が分解能を決めることがわかる。したがって、膜厚測定分解能を上げるためには、テラヘルツエコーパルス光のパルス幅を短くしなければならないことがわかる。
【０００８】
上記従来の膜厚測定装置では、τ＝４００ｆｓであり（特許文献３の図５参照。）、ｎ＝２とすると、Ｒ＝３０μｍと見積もられる。すなわち、従来の膜厚測定装置では３０μｍ未満の膜厚を測定することができない。
【０００９】
さらに、図１１は、テラヘルツエコーパルス光を模式的に示したものであり、実際はノイズが重畳し、さらに分解能が低下する。
【００１０】
また、上記従来の膜厚測定装置では、テラヘルツパルス光の発生部と検出部との間の光路中に、膜厚測定対象物がその測定面でテラヘルツパルス光が正反射するように配置される。したがって、測定面が膜厚測定対象物の凹部にあると、その測定面でテラヘルツパルス光を正反射させることができないので、その測定面の膜厚を測定することができない。
【００１１】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、膜厚測定分解能の高い非接触膜厚測定装置及び方法を提供することを課題とする。
【００１２】
また、膜厚測定対象物の凹部の膜厚を測定できる非接触膜厚測定装置及び方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、テラヘルツパルス光の発生手段と、前記発生手段から発生して所定の光路を経て到達するテラヘルツパルス光を検出する検出手段と、前記光路上に膜厚測定対象物を配置した状態で、前記テラヘルツパルス光を前記膜厚測定対象物に照射することにより前記膜厚測定対象物で反射して前記検出手段により検出されるテラヘルツエコーパルス光の、電場強度の時系列波形である計測時系列波形を取得する計測時系列波形取得手段と、前記光路上に前記膜厚測定対象物に代えて表面反射鏡を配置した状態で、前記発生手段から発生されて前記検出手段にて検出されるテラヘルツパルス光の、電場強度の時系列波形である基準時系列波形と、前記計測時系列波形と、から、前記膜厚測定対象物固有の時系列波形を演算する固有時系列波形演算手段と、を備え、前記固有時系列波形演算手段は、（a）前記計測時系列波形をフーリエ変換して得た計測電場スペクトルに、前記基準時系列波形をフーリエ変換して得た基準電場スペクトル及び定数で表されるウィナー逆フィルターを乗じて固有電場スペクトルを求める固有電場スペクトル演算手段と、（b）前記定数を増減させて前記固有電場スペクトルを逆フーリエ変換して前記固有時系列波形を得る固有時系列波形演算手段と、を有することを特徴とする。
【００１４】
上記非接触膜厚測定装置において、前記発生手段と前記膜厚測定対象物との間に前記光路を折り曲げる光路折り曲げ手段を備えるとよい。
【００１５】
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、テラヘルツパルス光の発生手段と前記発生手段から発生して所定の光路を経て到達するテラヘルツパルス光を検出する検出手段とを用いて、前記光路上に膜厚測定対象物を配置した状態で、前記テラヘルツパルス光を前記膜厚測定対象物に照射することにより前記膜厚測定対象物で反射して前記検出手段により検出されるテラヘルツエコーパルス光の、電場強度の時系列波形である計測時系列波形を取得する計測時系列波形取得ステップと、前記光路上に前記膜厚測定対象物に代えて表面反射鏡を配置した状態で、前記発生部から発生されて前記検出部にて検出されるテラヘルツパルス光の、電場強度の時系列波形である基準時系列波形と、前記計測時系列波形と、から、前記膜厚測定対象物固有の時系列波形を演算する固有時系列波形演算ステップと、を備え、前記固有時系列波形演算ステップは、（a）前記計測時系列波形をフーリエ変換して得た計測電場スペクトルに、前記基準時系列波形をフーリエ変換して得た基準電場スペクトル及び定数で表されるウィナー逆フィルターを乗じて固有電場スペクトルを求める固有電場スペクトル演算ステップと、（b）前記定数を増減させて前記固有電場スペクトルを逆フーリエ変換して前記固有時系列波形を得る固有時系列波形演算ステップと、を有することを特徴とする。
【００１６】
上記非接触膜厚測定方法において、前記発生手段と前記膜厚測定対象物との間の前記光路を光路折り曲げ手段で折り曲げるものとするとよい。
【発明の効果】
【００１７】
固有時系列波形演算手段が（a）計測時系列波形をフーリエ変換して得た計測電場スペクトルに、基準時系列波形をフーリエ変換して得た基準電場スペクトル及び定数で表されるウィナー逆フィルターを乗じて固有電場スペクトルを求める固有電場スペクトル演算手段と、（b）定数を増減させて固有電場スペクトルを逆フーリエ変換して固有時系列波形を得る固有時系列波形演算手段と、を有しているので、定数を増減させて固有時系列波形演算手段で得られる固有時系列波形のノイズを抑えてパルス幅を短くすることができる。
【００１８】
また、発生手段と膜厚測定対象物との間に光路を折り曲げる光路折り曲げ手段を備えるので、膜厚測定対象物の凹部の膜厚を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態を図面を参照して詳しく説明する。
【００２０】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による非接触膜厚測定装置を模式的に示す概略構成図である。図２は、本実施形態による非接触膜厚測定装置のブロック図である。図３は、本実施形態による非接触膜厚測定装置の制御・演算処理手段４０の動作を示すフローチャートである。
【００２１】
本実施形態による非接触膜厚測定装置は、図１に示すように、テラヘルツパルス光Ltの発生手段４と、発生手段４から発生して所定の光路を経て到達するテラヘルツエコーパルス光Lteを検出する検出手段７と、制御・演算処理手段４０とを備えている。
【００２２】
本実施形態による非接触膜厚測定装置は、上記の他に、テラヘルツパルス光の発生手段４を励起するポンプ光Lpuと検出手段７でテラヘルツエコーパルスLteの計測時系列波形Ｅsam（ｔ）を検出するためのプローブ光Lprを発生する超短光パルス光源１と、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、プローブ光Lprの時間遅延を制御する光遅延手段３、他を備えている。
【００２３】
超短光パルス光源１は、ＳＨＧ結晶を備えるErドープファイバレーザで、パルス幅１７ｆｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、中心波長１５５０ｎｍ、出力１００ｍＷの基本波パルスと、中心波長７８０ｎｍ、出力１０ｍＷ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。
【００２４】
繰り返し周波数は、大きいほどテラヘルツエコーパルスLteの計測時系列波形Ｅsam（ｔ）のＳＮ比を上げることができるが、繰り返し周波数が大き過ぎるとパルス間隔が狭まり、時間領域でのスキャンレンジが狭まるので、膜厚測定対象に応じて適切な繰り返し周波数のレーザを用いることが望ましい。特に、１０μｍ以下の膜厚を測定する場合、テラヘルツパルス光のパルス幅をできる限り小さくする必要がある。例えば、１０μｍの膜厚を測定する場合、屈折率が２の媒質であれば、表面と裏面との反射では光路差が４０μｍ（＝２×２×１０μｍ）となり、時間差は１３０ｆｓ（＝４０×１０−６／３×１０８）となる。したがって、テラヘルツエコーパルス光のパルス幅は１３０ｆｓ程度でなければならない。パルス幅が１００ｆｓ程度のパルスレーザでテラヘルツパルス光を発生させた場合、発生手段４がシリコンレンズ付き光伝導スイッチでは、１ｐｓ、非線形結晶でも５００ｆｓ程度となる。これは、シリコンレンズ付き光伝導スイッチでは、レンズや基板をテラヘルツパルス光が通過する際、吸収や分散の効果の存在があり、また、非線形結晶では、位相不整合や吸収の効果がきく。勿論、非線形結晶を薄くすることで、前出の効果を低減することは可能であるが、同時にテラヘルツパルス光の出力も減少するため実用的でない。したがって、短パルス化されたテラヘルツパルス光を発生させるためにはパルス幅の短い超短光パルスレーザを用いることが効果的である。
【００２５】
本実施形態の超短光パルス光源１は、上記のようにパルス幅１７ｆｓの超短光パルスレーザを発生するので、発生手段４に非線形結晶を用いることでパルス幅１００ｆｓ程度のテラヘルツパルス光を発生させることができる。その結果、膜厚が１０μｍ程度の薄い膜厚でも測定することができる（後述の実施例１及び実施例２参照。）。
【００２６】
超短光パルス光源１は、上記に限定されるものでなく、例えば、Ｙｂドープファイバレーザやチタンサファイアレーザ等でもよい。
【００２７】
光分割手段２は、２色ミラーで、超短光パルスレーザＬ0を波長１５５０ｎｍのポンプ光Ｌpu（基本波パルス）と波長７８０ｎｍのプローブ光Ｌpr（第２高調波パルス）に分割する。超短光パルス光源１がチタンサファイアレーザ等の単一波長で発振するレーザの場合は、光分割手段２にビームスプリッタを用いる。ビームスプリッタは、対応波長帯域が広いものが望ましい。２色ミラーは、パルス幅を伸ばさないために厚さが０．５ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２８】
光遅延手段３は、交差ミラー３１と交差ミラー３１を矢印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Ｌpuでポンプされて発生するテラヘルツパルス光Ｌtに対して、２色ミラー２で分割されたプローブ光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、後述の制御・演算処理手段４０で制御される。
【００２９】
ポンプ光Lpuは、変調器８を通過して変調を受ける。変調器８による変調周波数は、ポンプ光Lpuの繰り返し周波数の１／１０以下程度であれば高い方が好ましい。本実施形態では、変調器８にチョッパが用いられ、ポンプ光Lpuは１ｋＨｚで変調される。なお、変調器８に音響光学変調器（AOM）や電気光学変調器（EOM）等を用いると、高速変調が可能になる。
【００３０】
変調を受けたポンプ光Lpuは、レンズ９でテラヘルツパルス光の発生手段４に集光される。発生手段４には非線形結晶やアンテナが形成された光伝導スイッチを用いることができる。光伝導スイッチを透過型で使用すると、基板やシリコンレンズの吸収や分散を受けやすく、パルス幅の短いテラヘルツパルス光を発生させることが困難である。光伝導スイッチを用いる場合は、シリコンレンズを用いないで反射型で使用するとよいが、この場合、テラヘルツパルス光の大半は誘電率の大きい基板側に放射されるため、テラヘルツパルス光の出力が小さくなるという欠点がある。そのため、ポンプ光Lpuを集光照射するだけでテラヘルツパルス光の発生が可能な非線形結晶を使うことが好ましい。非線形結晶には、ZnTe 、ZnSe、GaP、GaAs、CdTe、GaSe等のＩＩ−ＶＩ族系、ＩＩＩ−Ｖ族系の半導体、LiNbO3、MgO:LiNbO3、Fe:LiNbO3、LiTaO3、BBO(βBaB2O2)、LBO(LiB3O5)、KTP(KTiOPO4)、AgGaS2、AgGaSe2等の波長変換用非線形結晶、或いは、KDP、ADP、KNbO3、BaTiO3、鉛系またはジルコニウム系強誘電体等の強誘電体結晶を使うこともできる。また、発生手段４は、PMN、PZN、PZT等の鉛系リラクサー及びKTa1-xNbxO3、K1-xLixTaO3、Sr1-xCaxTiO3等の量子常誘電体系リラクサーでもよい。また、テラヘルツパルス光の発生手段４は、ＤＡＳＴ（4-dimethylamino-N-methyl-4 stilbazolium tosylate）等の有機非線形結晶でもよい。本実施形態では、発生手段４に厚さ０．１ｍｍのＤＡＳＴを用いた。ＤＡＳＴ４にポンプ光Ｌpuが照射されると、結晶のχ（２）効果でテラヘルツパルス光Ｌtが発生される。
【００３１】
発生手段４から発生されたテラヘルツパルス光Ltは、軸外し放物面鏡５１でコリメートされ、その後、軸外し放物面鏡５２で膜厚測定対象物２０に集光される。
【００３２】
膜厚測定対象物２０から反射されるテラヘルツエコーパルス光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で検出手段７に集光される。
【００３３】
検出手段７は、シリコンレンズ７１と光伝導スイッチ７２を備えている。光伝導スイッチ７２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、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を入射させてその電場振幅時間波形である計測時系列波形Ｅsam（ｔ）を得ることができる。
【００３４】
１６は、光伝導スイッチ７２からの電気信号を増幅するプリアンプである。
【００３５】
１０は、光伝導スイッチ７２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。
【００３６】
１１は、Ａ／Ｄ変換器である。
【００３７】
４０は、光遅延手段３の位置情報と、Ａ／Ｄ変換器１１からのデータを格納して処理する制御・演算処理手段であり、光遅延手段３の移動機構３２を制御する機能も有している。
【００３８】
制御・演算処理手段４０は、図２に示すように、テラヘルツパルス光Ltを膜厚測定対象物２０に照射することにより膜厚測定対象物２０で反射して検出手段７により検出されるテラヘルツエコーパルスLte光の電場強度の時系列波形である計測時系列波形Ｅsam（ｔ）を取得する計測時系列波形取得手段４１と、膜厚測定対象物２０に代えて表面反射鏡を配置した状態で、発生手段４から発生されて検出手段７にて検出されるテラヘルツパルス光Ltの、電場強度の時系列波形である基準時系列波形Ｅref（ｔ）と、計測時系列波形Ｅsam（ｔ）と、から、膜厚測定対象物固有の時系列波形Ｈ（ｔ）を演算する固有時系列波形演算手段４２と、を備えている。
【００３９】
固有時系列波形演算手段４２は、計測時系列波形Ｅsam（ｔ）をフーリエ変換して得た計測電場スペクトルＥsam（ω）に、基準時系列波形Ｅref（ｔ）をフーリエ変換して得た基準電場スペクトルＥref（ω）及び定数ｋで表されるウィナー逆フィルターＷref（ω）を乗じて固有電場スペクトルＨ（ω）を求める固有電場スペクトル演算手段４２１と、定数ｋを増減させて固有電場スペクトルＨ（ω）を逆フーリエ変換して固有時系列波形Ｈ（ｔ）を得る固有時系列波形演算手段４２２と、を有している。制御・演算処理手段４０は、後述する図３の動作を行うが、たとえば、コンピュータを用いて構成することができる。
【００４０】
ここで、計測時系列波形Ｅsam（ｔ）に基づいて固有時系列波形Ｈ（ｔ）を求める手法について説明する。なお、以下の数式の積分範囲は、−∞から＋∞までである。
【００４１】
膜厚測定対象物２０の代わりに表面反射鏡を配置した状態でテラヘルツパルス光Ltの反射光を検出手段７で検出して、テラヘルツエコーパルス光Lteの電場強度の時系列波形Ｅ（ｔ）を、予め計測しておく。この時系列波形Ｅ（ｔ）を基準時系列波形Ｅref（ｔ）と呼ぶ。
【００４２】
基準時系列波形Ｅref（ｔ）について、（３）式で定義されるフーリエ変換を実行して基準電場スペクトルＥref（ω）を得る。
【００４３】
Ｅref（ω）＝∫Ｅref（ｔ）ｅｘｐ（ｉωｔ）ｄｔ              （３）
さらに、計測時系列波形Ｅsam（ｔ）についても、（４）式で定義されるフーリエ変換を実行して計測電場スペクトルＥsam（ω）を得る。
【００４４】
Ｅsam（ω）＝∫Ｅsam（ｔ）ｅｘｐ（ｉωｔ）ｄｔ            （４）
また、（５）式で定義されるウィナー逆フィルター（Wiener inverse filter）Ｗref（ω）を算出する。
【００４５】
Ｗref（ω）＝Ｅref（ω）／［｜Ｅref（ω）｜２＋１／ｋ］      （５）
ここで、ｋは定数である。
【００４６】
また、（６）式で定義される固有電場スペクトルＨ（ω）を算出する。
【００４７】
Ｈ（ω）＝Ｅsam（ω）／Ｅref（ω）≒Ｅsam（ω）Ｗref（ω）    （６）
固有電場スペクトルＨ（ω）について、（７）式で定義される逆フーリエ変換を実行して固有時系列波形Ｈ（ｔ）を得る。
【００４８】
Ｈ（ｔ）＝（２π）−１∫Ｈ（ω）ｅｘｐ（−ｉωｔ）ｄω      
≒（２π）−１∫Ｅsam（ω）Ｗref（ω）ｅｘｐ（−ｉωｔ）ｄω（７）
次に、非接触膜厚測定装置の動作を説明する。
【００４９】
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、２色ミラー２でポンプ光Ｌpuとプローブ光Ｌprに分割される。
【００５０】
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ＤＡＳＴ４のｃ軸方向に集光照射される。すると、ＤＡＳＴ４のχ（２）効果でテラヘルツパルス光Ｌtが発生される。
【００５１】
テラヘルツパルス光Ｌtは、入射光学系５の軸外し放物面鏡５１でコリメートされた後、軸外し放物面鏡５２で膜厚測定対象物２０に集光照射される。すると、膜厚測定対象物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光Ｌteが放射される。
【００５２】
膜厚測定対象物２０から放射されるテラヘルツエコーパルス光Ｌteは、受光光学系６の軸外し放物面鏡６１でコリメートされ、軸外し放物面鏡６２でシリコンレンズ７１を介して光伝導スイッチ７２に集光される。
【００５３】
一方、２色ミラー２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７２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７２でテラヘルツエコーパルス光Ｌteの電場強度の時系列波形である計測時系列波形Ｅsam（ｔ）を計測する。すなわち、光伝導スイッチ７２の信号をアンプ１６で増幅し、さらに、ロックインアンプ１０で増幅し、制御・演算処理手段４０でデータ蓄積して、テラヘルツエコーパルス光Ｌteの計測時系列波形Ｅsam（ｔ）を得る。
【００５４】
次に、本実施形態における制御・演算処理手段４０の動作の一例について、図３を参照して説明する。制御・演算処理手段４０の計測時系列波形取得手段４１は、動作を開始すると、表面反射鏡の基準時系列波形Ｅref（ｔ）を計測し（ステップＳ１）、基準時系列波形Ｅref（ｔ）をフーリエ変換して基準電場スペクトルＥref（ω）を算出する（ステップＳ２）。次いで、計測時系列波形取得手段４１は、膜厚測定対象物２０の計測時系列波形Ｅsam（ｔ）を計測し（ステップＳ３）、計測時系列波形Ｅref（ｔ）をフーリエ変換して計測電場スペクトルＥsam（ω）を算出する（ステップＳ４）。
【００５５】
次いで、固有電場スペクトル演算手段４２１は、（３）式で表されるウィナー逆フィルターＷref（ω）を算出し（ステップＳ５）、定数ｋを初期値にする（ステップＳ６）。
【００５６】
次いで、固有電場スペクトル演算手段４２１がＷref（ω）を（４）式に代入して固有電場スペクトルＨ（ω）を算出し（ステップＳ７）、固有時系列波形演算手段４２２が固有電場スペクトルＨ（ω）を逆フーリエ変換して固有時系列波形Ｈ（ｔ）を算出する（ステップＳ８）。
【００５７】
次いで、制御・演算処理手段４０は、固有時系列波形Ｈ（ｔ）を表示し（ステップＳ９）、ノイズレベルが低いか否か及びパルス幅が短いか否かを判定する（ステップＳ１０）。
【００５８】
ステップＳ１０で否（NO）と判定されると、新たなｋ値を設定し（ステップＳ１１）、ステップＳ７へ戻る。
【００５９】
一方、ステップＳ１０でノイズレベルが低く且つパルス幅が短いと判定されると、制御・演算処理手段４０は、動作を終了する。
【００６０】
以上詳述したように、本実施形態の非接触膜厚測定装置は、ウィナー逆フィルターの定数ｋを増減させて、固有時系列波形Ｈ（ｔ）のノイズレベルを抑え、パルス幅を短くすることができる。その結果、膜厚測定分解能が高くなる。
【００６１】
（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２による非接触膜厚測定装置を模式的に示す概略構成図である。本実施形態の非接触膜厚測定装置は、実施形態１の非接触膜厚測定装置において、軸外し放物面鏡５２と軸外し放物面鏡６１とを紙面に直交する方向（上下方向）に重ねて配置し、テラヘルツパルス光発生手段４と膜厚測定対象物２０との間に光路を折り曲げる光路折り曲げ手段７０を備えるようにした以外、実施形態１の非接触膜厚測定装置と同じである。同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６２】
なお、本実施形態の膜厚測定対象物３０は、アルミシリンダピストンヘッドで、シールリング用の凹溝が形成されている。
【００６３】
光路折り曲げ手段７０は、上記ピストンヘッドの凹溝部の水平面のアルマイト皮膜層の厚さを測定するためのもので、表面反射プリズムである。
【００６４】
発生手段４から発生されたテラヘルツエコーパルス光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によって右方向で下向き（紙面に直交する方向）に集光される。軸外し放物面鏡５２で集光されたテラヘルツパルス光Ｌtは、表面反射プリズム７２で反射され、膜厚測定対象物３０の凹溝の水平面に集光照射される。凹溝の水平面からのテラヘルツエコーパルス光Ｌteは、表面反射プリズム７２で反射され、軸外し放物面鏡６１でコリメートされる。
【００６５】
本実施形態の非接触膜厚測定装置は、発生手段４と膜厚測定対象物３０との間に光路を折り曲げる光路折り曲げ手段７０を備えているので、膜厚測定対象物３０の凹溝の膜厚を測定することができる。
【実施例１】
【００６６】
本発明者らは、実施形態１の非接触膜厚測定装置を用いて、塗装膜の膜厚を測定した。
【００６７】
膜厚測定対象物は、図５に示すように、鋼板２１の上に顔料を含有するソリッド塗装膜２２と、マイカ光輝材を含有するマイカ塗装膜２３と、クリア塗装膜２４とを重ね塗りしたものである。各塗装膜が塗装されるたびに、膜厚が接触式膜厚計（渦電流式膜厚計）で測定され、図５に示すように、ソリッド塗装膜２２の膜厚は、３０μｍ、マイカ塗装膜２３の膜厚は、１０μｍ、クリア塗装膜２４の膜厚は、２０μｍであった。
【００６８】
各塗装膜の屈折率をエリプソメータで測定した結果、ソリッド塗装膜２２の屈折率が２．１、マイカ塗装膜２３の屈折率が１．５、クリア塗装膜２４の屈折率が１．８であった。
【００６９】
図６は、図５に示す膜厚測定対象物から得られる計測時系列波形を演算処理して算出した固有時系列波形図である。すなわち、ノイズレベルを抑え、パルス幅が短くなるようにウィナー逆フィルターの定数ｋを増減させた結果得られた固有時系列波形である。
【００７０】
図６から明らかなように、先ず、最初に空気とクリア塗装膜２４との間の境界面ＩＰ１１で反射した上に凸のエコーパルス信号が現れている。境界面ＩＰ１１で反射したエコーパルス信号の約２２０ｆｓ後に、クリア塗装膜２４とマイカ塗装膜２３との間の境界面ＩＰ１２からのエコーパルス信号（下に凸の信号）が見られる。また、境界面ＩＰ１２からのエコーパルス信号の約１００ｆｓ後に、マイカ塗装膜２３とソリッド塗装膜２２との間の境界面ＩＰ１３からの上に凸のエコーパルス信号が現れている。さらに、境界面ＩＰ１３からのエコーパルス信号の約４４０ｆｓ後に、ソリッド塗装膜２２と鋼板２１との間の境界面ＩＰ１４からの上に凸のエコーパルス信号が現れている。
【００７１】
境界面ＩＰ１２からのエコーパルス信号が下に凸になるのは、マイカ塗装膜２３の屈折率が１．５であり、クリア塗装膜２４の屈折率１．８より小さいためである。また、境界面ＩＰ１３からのエコーパルス信号と境界面ＩＰ１４からのエコーパルス信号の間に、なだらかな信号が見られるが、これはマイカ塗装膜２３中のマイカ光輝材からの反射によるものと考えられる。なお、境界面ＩＰ１４からのエコーパルス信号より遅い時間領域には、多数の多重反射信号が見られる。
【００７２】
塗装膜の屈折率の値（１．８、１．５、２．１）と、図６から得られる信号間の時間差（２２０、１００、４４０ｆｓ）を（１）式に代入して各塗装膜の膜厚を算出した結果、クリア塗装膜２４の膜厚が１８μｍ、マイカ塗装膜２３の膜厚が１０μｍ、ソリッド塗装膜２２の膜厚が３１μｍであった。
【００７３】
本発明の非接触膜厚測定装置を用いて測定された上記の膜厚値と従来の渦電流式膜厚計で測定した膜厚値とを比較すると、両者が±２μｍの範囲で一致することがわかる。
【００７４】
本発明の非接触膜厚測定装置は、ノイズレベルを抑え、信号のパルス幅が短くなるようにウィナー逆フィルターの定数ｋを増減させて固有時系列波形を算出するので、１０μｍの膜厚を測定することができた。
【００７５】
また、図６の信号のパルス幅は、たとえば、空気とクリア塗装膜２４との間の境界面ＩＰ１１からのエコーパルス信号の場合、１５０ｆｓである。これを（２）式に代入すると、膜厚測定分解能は１２．５μｍとなり、上記の１０μｍの膜厚を測定できたことと整合しない。これは、次の理由による。分解能が（２）式で表されるのは、多層膜の屈折率が順次大きい場合、すなわち、上に凸の信号だけが現れる場合である。それに対して、本実施例の場合、１層目より２層目の屈折率が小さいために、１層目と２層目の境界面ＩＰ１２からのエコーパルス信号が下に凸の信号となる。その結果、膜厚測定分解能が（２）式に従わないのである。
【００７６】
本実施例のように、１層目より２層目の屈折率が小さい場合、信号のパルス幅が短くなるように、ウィナー逆フィルターの定数ｋを増減させるより、ノイズレベルを下げて高さの低い信号のピークが現れるように、ウィナー逆フィルターの定数ｋを増減させことが望ましい。
【実施例２】
【００７７】
本発明者らは、実施形態１の非接触膜厚測定装置を用いて、アルマイト被膜の膜厚を測定した。
【００７８】
図７は、膜厚測定対象物の断面図であり、図８は、図７に示す膜厚測定対象物から得られる計測時系列波形を演算処理して算出した固有時系列波形図である。すなわち、ノイズレベルを抑え、パルス幅が短くなるようにウィナー逆フィルターの定数ｋを増減させた結果得られた固有時系列波形である。
【００７９】
膜厚測定対象物は図７に示すように、アルミ板２５の上にアルマイト皮膜２６を形成したものである。アルマイト処理条件を変えてアルマイト皮膜の膜厚Ｚが５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍの４水準のサンプルを用意した。なお、４水準のサンプルは、アルマイト処理条件を変えて作成した多数のサンプルを断面顕微鏡観察することで選定された。アルマイト皮膜の屈折率は、エリプソメータで測定した結果、５．２であった。
【００８０】
図８において、上から順にアルマイト皮膜２６の膜厚Ｚ＝２０μｍのサンプル、Ｚ＝１５μｍのサンプル、Ｚ＝１０μｍのサンプル、Ｚ＝５μｍのサンプルの固有時系列波形である。
【００８１】
図８から明らかなように、まず、最初に空気とアルマイト皮膜２６との境界面ＩＰ１５からのエコーパルス光が観測され、Ｚ＝２０μｍのサンプルの場合、３４６ｆｓ後にアルマイト皮膜２６とアルミ板２５との境界面ＩＰ１６からのエコーパルス光が観測される。同様に、Ｚ＝１５μｍのサンプルの場合、２６７ｆｓ後に、Ｚ＝１０μのサンプルの場合、１７３ｆｓ後に、Ｚ＝５μｍのサンプルの場合、８０ｆｓ後に、アルマイト皮膜２６とアルミ板２５との境界面ＩＰ１６からのエコーパルス光が観測される。
【００８２】
図９は、アルマイト皮膜の屈折率の値（５．２）と、図８から得られる信号間の時間差（３４６、２６７、１７３、８０ｆｓ）を（１）式に代入して算出した各皮膜の膜厚を縦軸にとり、断面顕微鏡観察で求めた膜厚を横軸にとって、算出した膜厚値をプロットしたグラフである。
【００８３】
図９から、断面顕微鏡観察で求めた膜厚を真値としたときの、膜厚測定誤差が±０．４μｍであることがわかる。
【００８４】
本発明の非接触膜厚測定装置は、ノイズレベルを抑え、信号のパルス幅が短くなるようにウィナー逆フィルターの定数ｋを増減させて固有時系列波形を算出するので、５μｍのアルマイト皮膜を±０．４μｍの精度で測定することができた。
【００８５】
図９の最下部の固有時系列波形において、最初のエコーパルス光のパルス幅は、３６ｆｓであり、これを（２）式に代入すると、膜厚測定分解能は、１μｍとなる。
【００８６】
これまで、アルマイト皮膜の膜厚を非接触は勿論、非破壊で測定することができなかったが、本発明の非接触膜厚測定装置を用いると、上記のように、高精度、高分解能で測定できることが実証された。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の実施形態１による非接触膜厚測定装置を模式的に示す概略構成図である。
【図２】実施形態１による非接触膜厚測定装置のブロック図である。
【図３】実施形態１による非接触膜厚測定装置の制御・演算処理手段４０の動作を示すフローチャートである。
【図４】）本発明の実施形態２による非接触膜厚測定装置を模式的に示す概略構成図である。
【図５】図１及び図２に示す実施形態１の非接触膜厚測定装置によって測定された実施例１の膜厚測定対象物の断面図である。
【図６】図５に示す膜厚測定対象物から得られる計測時系列波形を演算処理して算出した固有時系列波形図である。
【図７】図１及び図２に示す実施形態１の非接触膜厚測定装置によって測定された実施例２の膜厚測定対象物の断面図である。
【図８】図７に示す膜厚測定対象物から得られる計測時系列波形を演算処理して算出した固有時系列波形図である。
【図９】アルマイト皮膜の屈折率の値と、図８から得られる信号間の時間差を（１）式に代入して算出した各皮膜の膜厚を縦軸にとり、断面顕微鏡観察で求めた膜厚を横軸にとって、算出した膜厚値をプロットしたグラフである。
【図１０】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。
【図１１】テラヘルツエコーパルスのパルス幅と膜厚測定分解の関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８８】
４・・・・・・・・テラヘルツパルス光の発生手段
７・・・・・・・・検出手段
２０、３０・・・・膜厚測定対象物
４１・・・・・・・計測時系列波形取得手段
４２・・・・・・・固有時系列波形演算手段
４２１・・・・・固有電場スペクトル演算手段
４２２・・・・・固有時系列波形演算手段
７０・・・・・・・光路折り曲げ手段
Ｌt・・・・・・・・テラヘルツパルス光
Ｌte・・・・・・・・テラヘルツエコーパルス光
【図１】
2010139402.tif 000003
【図２】
2010139402.tif 000004
【図３】
2010139402.tif 000005
【図４】
2010139402.tif 000006
【図５】
2010139402.tif 000007
【図６】
2010139402.tif 000008
【図７】
2010139402.tif 000009
【図８】
2010139402.tif 000010
【図９】
2010139402.tif 000011
【図１０】
2010139402.tif 000012
【図１１】
2010139402.tif 000013