(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生器と、
前記テラヘルツ波を、膜が形成された試料に照射させる照射光学系と、
前記試料において反射したテラヘルツ波を検出し、検出信号を出力するテラヘルツ波検出器と、
前記試料の位置に設けられた平面鏡からの反射波の電場強度Ｅ（ｔ）ｉｎと、前記試料の反射面の形状情報であるメッシュデータの各メッシュにおける反射波の当該反射面から前記テラヘルツ波検出器に至るまでの光路長から求められた前記各メッシュの位相差とを用いて、前記各メッシュにおける反射波の電場強度Ｅ（ｔ）ｉｊから参照信号Ｅ（ｔ）を算出する参照信号算出手段と、
周波数領域において検出信号Ｇ（ω）を参照信号Ｅ（ω）で除算することにより前記検出信号を補正する補正手段と、
補正後の前記検出信号における電場強度を時間軸の波形データに表し、波形データから複数のピークを検出するとともに、ピーク間の時間差に基づき膜厚を算出する膜厚算出手段とを有する膜厚の検査装置。
【請求項２】
複数種類の前記参照信号を記憶する記憶手段を備えた請求項１に記載の膜厚の検査装置。
【請求項３】
前記参照信号算出手段は、前記試料の位置に設けられた平面鏡からの反射波の信号と、前記形状情報に基づき前記試料の反射面から前記テラヘルツ波検出器に至るまでの光路長から求められた位相情報とを用いて、前記参照信号を算出する請求項１または２のいずれかに記載の膜厚の検査装置。
【請求項４】
前記補正手段は、周波数領域において前記検出信号を前記参照信号によって除算することにより、前記検出信号を補正する請求項１から３のいずれかに記載の膜厚の検査装置。
【請求項５】
前記形状情報は、前記試料のＣＡＤ情報である請求項１から４のいずれかに記載の膜厚の検査装置。
【請求項６】
前記形状情報は、前記試料の反射面を複数の微細平面で表したメッシュデータを含む請求項１から５のいずれかに記載の膜厚の検査装置。
【請求項７】
テラヘルツ波を発生させる工程と、
前記テラヘルツ波を、膜が形成された試料に照射させる工程と、
前記試料において反射したテラヘルツ波を検出し、検出信号を出力する工程と、
前記試料の位置に設けられた平面鏡からの反射波の電場強度Ｅ（ｔ）ｉｎと、前記試料の反射面の形状情報であるメッシュデータの各メッシュにおける反射波の当該反射面から前記テラヘルツ波検出器に至るまでの光路長から求められた前記各メッシュの位相差を用いて、前記各メッシュにおける反射波の電場強度Ｅ（ｔ）ｉｊから参照信号Ｅ（ｔ）を算出する工程と、
周波数領域において検出信号Ｇ（ω）を参照信号Ｅ（ω）で除算することにより前記検出信号を補正する工程と、
補正後の前記検出信号における電場強度を時間軸の波形データに表し、波形データから複数のピークを検出するとともに、ピーク間の時間差に基づき膜厚を算出する工程とを有する膜厚の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塗装の膜厚、ムラ等の塗装品質を計測するための膜厚の検査装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの工業製品においては、基材（下地）上に様々な塗装が施されており、塗装膜を非破壊で検査する検査装置が用いられている。膜厚の検査装置は、レーザ、超音波、Ｘ線などを用いることによって、塗装の膜厚、光沢等を非破壊で検査することが可能である。
【０００３】
膜厚の検査装置として、例えば、特許文献１（特許第４０４６１５８号公報）が知られている。この検査装置は、テラヘルツ波を用いた検査装置に関する。テラヘルツ波は、光波と電波の中間的な性質を有しており、高分子材料を含む塗装膜を透過する。この検査装置は、フェムト秒レーザ励起によるテラヘルツパルスを試料に照射し、反射波に現れた各ピーク間の時間差を計測することにより膜厚を算出している。
【０００４】
特許文献２（特開平３−２７７９１４号公報）に記載の装置は、検査対象物をＰＺＴを用いて試料を振動させながら、Ｓ偏光とＰ偏光の位相変化量を計測し、この変化量に基づき試料表面の粗さを計測している。
【０００５】
特許文献３（特許第３６１３９０６号公報）に記載の装置は、干渉計を用いて試料表面に垂直に光を照射し、干渉画像を観測している。その際、光学系において発生する歪曲収差が計測され、演算装置によって歪曲収差の補正が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４０４６１５８号公報
【特許文献２】特開平３−２７７９１４号公報
【特許文献３】特許第３６１３９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の文献は、いずれも表面が平坦である試料の膜厚検査に関するものであって、曲面を有する膜厚検査を示唆するものではない。
【０００８】
一般に、試料となる工業製品は多様な形状をなしており、必ずしも平坦な面で構成されているとはかぎらない。また、塗装膜表面が平坦に見えたとしても、実際には無数の微小な凹凸および島状物質に起因する高低差が存在する。高低差を有する塗装膜表面上に、所定のビーム径を有する光を照射した場合、高低差が積分されて検出されてしまい、高低差と膜厚の区別ができず、正確な膜厚を検出することが困難となる。
【０００９】
例えば、特許文献１に記載の検査装置において、曲率が１０ｍｍの塗装膜上にビーム径が１ｍｍのテラヘルツ波を照射したと仮定する（図１６参照）。この場合、塗装膜上におけるビーム中心部と周辺部の高低差は１３μｍになり、１３μｍ以下の膜厚を正確に測定することはできなくなる。この問題点は、膜厚が薄いほど顕著に現れる。
【００１０】
なお、ビーム径を可能な限り絞り込むことによって、曲面の高低差の影響を少なくすることはできるが、テラヘルツ波の回折限界である波長以下にビーム径を絞り込むことはできない。
【００１１】
特許文献１には、テラヘルツ波の反射は塗装面に対して垂直な方向に照射されることが記載されているが（段落［００３５］）、曲面における膜厚検査をいかに高精度に行うことについての示唆はない。また、特許文献１には、時間波形を信号処理（デコンボリューション）してエコーパルスのインパルス応答を求めることが記載されている（段落［００５４］）。しかしながら、デコンボリューションを曲面の検査精度改善に適用するための具体的な記載はない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題を解決するために、本発明に係る膜厚の検査装置は、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生器と、前記テラヘルツ波を、膜が形成された試料に照射させる照射光学系と、前記試料において反射したテラヘルツ波を検出し、検出信号を出力するテラヘルツ波検出器と、前記試料の反射面の形状情報に基づき、当該反射面から前記テラヘルツ波検出器に至るまでの反射波の電場強度を参照信号として算出する参照信号算出手段と、前記参照信号を用いて前記検出信号を補正する補正手段と、補正後の前記検出信号における電場強度を時間軸の波形データに表し、波形データから複数のピークを検出するとともに、ピーク間の時間差に基づき膜厚を算出する膜厚算出手段とを備える。
【００１３】
本発明に係る膜厚の検査装置は、複数種類の前記参照信号を記憶する記憶手段を備える。
【００１４】
前記参照信号算出手段は、前記試料の位置に設けられた平面鏡からの反射波の信号と、前記形状情報に基づき前記試料の反射面から前記テラヘルツ波検出に至るまでの光路長から求められた位相情報とを用いて、前記参照信号を算出する。
【００１５】
前記補正手段は、周波数領域において前記検出信号を前記参照信号によって除算することにより、前記検出信号を補正する。
【００１６】
前記形状情報は、前記試料のＣＡＤ情報である。また、前記形状情報は、前記試料の反射面を複数の微細平面で表したメッシュデータを含む。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、参照信号算出手段は、試料の反射面の形状情報に基づき、反射面からテラヘルツ波検出器に至るまでの反射波の電場強度を参照信号として算出する。補正手段は参照信号を用いて検出信号を補正することにより、曲面における反射によって生じた解像度劣化および信号対雑音比低下を改善させることができる。膜厚算出手段は、補正後の前記検出信号における電場強度を時間軸の波形データに表し、波形データから複数のピークを検出するとともに、ピーク間の時間差に基づき膜厚を算出する。
【００１８】
また、複数種類の前記参照信号を記憶することによって、試料が変更される度に、参照信号を算出し直す必要がなくなる。例えば、生産工程において、試料が頻繁に変更される場合であっても、参照信号を求めるために生産工程を停止させずに済む。
【００１９】
参照信号算出手段は、試料の位置に設けられた平面鏡からの反射波の信号と、形状情報に基づき試料の反射面からテラヘルツ波検出に至るまでの光路長から求められた位相情報とを用いて、参照信号を算出している。このように試料の形状情報に基づき求められた位相情報を用いて参照信号を算出することにより、曲面の反射によって生じた解像度劣化および信号対雑音比低下を改善することができる。
【００２０】
また、周波数領域において検出信号を参照信号によって除算することによって、いわゆるデコンボリューション処理を行う。
【００２１】
さらに、形状情報として、試料のＣＡＤ情報を用いることによって、試料の設計時に作成されたデータを利用することができる。また、試料の反射面を複数の微細平面で表したメッシュデータを用いた場合には、それぞれの微細平面について反射波および位相情報を算出することによって、参照信号を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る検査装置の概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る検査装置のブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に係るレーザ、分波器のブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係るレーザパルスの基本波の波形図である。
【図５】本発明の実施形態に係るレーザパルスの二倍高調波の波形図である。
【図６】本発明の実施形態に係る制御装置のブロック図である。
【図７】本発明の実施形態に係る検査装置の処理の概要を表すフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態に係る参照信号算出処理の詳細を表すフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態に係る反射波計測処理の詳細を表すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態に係る膜厚演算処理の詳細を表すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施形態に係る参照信号算出処理を説明するための図である。；
【図１２】本発明の実施形態に係る参照信号算出処理を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る試料の断面図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る波形データである。
【図１５】本発明の実施形態に係る検査結果の一例である。
【図１６】曲面を有する塗装膜検査を説明するための図である。
【図１７】本発明の実施形態に係る検出信号の一例である。
【図１８】本発明の実施形態に係る検出信号の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００２４】
（全体構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係る膜厚の検査装置の概略構成図である。
【００２５】
検査装置１は、試料３にテラヘルツ波を照射するとともに反射波を検出する光学装置２、反射波の検出信号を同期増幅するロックインアンプ４、検出信号の解析およびに膜厚演算を行う制御装置５を備えている。また、制御装置５には、試料３のＣＡＤ情報を記憶するＣＡＤデータベース６が接続されている。
【００２６】
光学装置２は、レーザ１０、分波器１１、変調器１２、テラヘルツ波発生器１５、テラヘルツ検出器２２、光学遅延部２５を備えている。レーザ１０によって、励起されたレーザ光は分波器１１によって、基本波と二倍高調波に分波される。基本波は変調器１２によって所定周波数のパルスに変調され、テラヘルツ波発生器１５に入射される。テラヘルツ波発生器１５から発せられたテラヘルツ波は試料３に照射され、反射波がテラヘルツ波検出器２２に入射する。一方、分波器１１によって分波された二倍高調波はプローブ光として用いられる。このプローブ光は光学遅延部２５によって遅延され、テラヘルツ波検出器２２に入射される。テラヘルツ波検出器２２はプローブ光のタイミングにおいて、試料３からの反射波を検出する。ロックインアンプ４は、変調周波数に同期して検出電流を検出および積分することにより、高ＳＮ比の信号増幅を行うものである。ロックインアンプ４によって増幅された信号は検出信号として制御装置５に入力される。
【００２７】
制御装置５は、ロックインアンプ４からの検出信号を解析し、膜厚等、塗装品質を判断することが可能である。また、制御装置５は、試料３の反射面の形状情報に基づき参照光を計算し、この参照光の時間軸における強度変化を参照信号として記憶している。この参照信号を用いて検出信号のデコンボリューションを行うことにより、曲面を有する試料３の膜厚を正確に計測することができる。
【００２８】
ＣＡＤデータベース６はＣＡＤシステム（未図示）に接続されており、試料３のＣＡＤ情報を格納している。ＣＡＤ情報は試料３の反射面の形状情報を含んでおり、設計時におけるデータに限定されることなく、試料３の実測データであっても良い。
【００２９】
（光学装置）
図２は光学装置２の詳細を表すブロック図である。
【００３０】
光学装置２は、フェムト秒ファイバレーザ１０、ダイクロイックミラー１１、チョッパ（変調器）１２、ミラー１３、基本波集光用放物面鏡１４、ＤＡＳＴ（テラヘルツ波発生器）１５、軸はずし放物面鏡１６、１７、１８、２０、絞り１９、テラヘルツ波検出器２２、集光レンズ２３、光学遅延部２５、ミラー２６を備えている。光学装置２は筐体によって外部から密閉されており、筐体内部を除湿、窒素ガス封入、もしくは真空にすることが望ましい。このような構成によって、テラヘルツ波が空気中の水分によって吸収されるのを防止することができる。
【００３１】
フェムト秒ファイバレーザ１０は、例えばＥｒ（エルビウム）をドープした光ファイバーを励起光によって励起させることによりオシレータ１００１から中心波長１５６０ｎｍのモード同期パルス光を発生させている。このパルス光は増幅用のアンプファイバ１００９，１０１０で増幅された後、ＬＭＡ−ＰＣＦ１０１５で圧縮され、さらにＨＬＮＦ１０１８で圧縮される。圧縮された光パルスは、ＰＰＬＮ１１０２で二倍高調波を発生させる。通常のファイバレーザにおいては、１ミクロン帯や１．５ミクロン帯が基本波である。テラヘルツ波検出器２２としてＧａＡｓ基板のダイポールアンテナを用いる場合には、プローブ光として二倍高調波を発生させることが望ましい。
【００３２】
ダイクロイックミラー１１は、白板ガラス上に屈折率の異なる誘電体物質を交互に多層コーティングして構成されており、フェムト秒ファイバレーザ１０から出力された光パルスを１５６０ｎｍ成分の基本波と７８０ｎｍ成分の二倍高調波とに分離する。本実施形態においては、１５６０ｎｍ成分の基本波の強度は約１００ｍＷ、パルス幅は１７ｆｓであり、７８０ｎｍ成分の二倍高調波の強度は約１０ｍＷ、パルス幅は３７ｆｓである。１５５０ｎｍの基本波はテラヘルツ波の発生のために用いられ、７８０ｎｍの二倍高調波はテラヘルツ波検出器におけるプローブ光として用いられる。なお、本発明はこれらの数値に限定されるものではなく、他の数値を用いることも可能である。
【００３３】
また、ダイクロイックミラーに代えて基本波用のビームスプリッタを用い、ビームスプリッタとミラー２６の間に波長変換素子を配置しても良い。ビームスプリッタは、できるだけ広い波長帯域を有することが望ましい。また、パルス幅を伸ばさないように、ビームスプリッタの素子の厚みは０．５ｍｍ以下であることが望ましい。
【００３４】
さらに、レーザ光源としてチタンサファイヤレーザのように、単一の中心波長で発振するレーザを用いる場合には、基本波をビームスプリッタで分割しても良い。
【００３５】
チョッパ１２はダイクロイックミラー１１を透過した基本波の光路に設けられており、音響光学素子（ＡＯＭ）あるいは電気光学素子（ＥＯＭ）等の変調素子に置き換えてもよい。チョッパ１２による変調周波数はレーザの繰返し周波数の１／１０程度の比較的に高い値が望ましく、本実施形態においては１ｋＨｚの変調周波数を用いた。チョッパ１２は変調周波数の信号を出力することが可能であり、この変調周波数はロックインアンプ４、制御装置５に接続されている。このような構成により、ロックインアンプ４は変調周波数に同期した検出を行うことが可能である。
【００３６】
ミラー１３はチョッパ１２によって変調された基本波の光路を基本波集光用放物面鏡１４に向ける。基本波集光用放物面鏡１４は、ミラー１３によって反射された基本波をＤＡＳＴに集光させるように配置されている。
【００３７】
ＤＡＳＴ(4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate)１５は、有機非線形光学結晶であって、高い光学定数を有する有機非線形光学結晶として知られている。超短パルスのフェムト秒レーザを用いることで、数十ＴＨｚ以上のテラヘルツ波を発生することが可能である。
【００３８】
テラヘルツ波を発生させるためには、非線形結晶ではなく、アンテナを用いることも可能である。但し、透過型のアンテナにおいては、基盤、シリコンレンズにおける吸収、分散の影響を受け易いことから、短パルスの生成が困難になることがある。反射型のアンテナを用いればシリコンレンズの影響を回避することは可能である。しかしながら、反射型のアンテナを用いたとしても、誘電率の大きな基板において電磁波が放射され、テラヘルツ波の出力が小さくなる可能性がある。一方、非線形結晶は、レーザを集光させるだけでテラヘルツ波を発生させることができ、上述の問題を解消することができる。
【００３９】
なお、本実施形態においては、ＤＡＳＴに限定されることなく、ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ・ＬｉＴａＯ３、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＫＴＰなどのレーザ波長変換用非線形結晶や、ＺｎＴｅ、ＧｎＳｅ、ＧａＰ、ＧａＡｓなどの半導体結晶を用いてもよい。また、ＫＤＰ、ＡＤＰ、ＫＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３、および鉛系またはジルコニウム系強誘電体結晶を用いることも可能である。さらに、ＰＭＮ、ＰＺＮ、ＰＺＴの鉛系リラクサー、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３、Ｋ１−ｘＬｉｘＴａＯ３、Ｓｒ１−ｘＣａｘＴｉＯ３などの量子常誘電体系リラクサー物質を用いてもよい。
【００４０】
ＤＡＳＴ１５によって発生したテラヘルツ波は軸外し放物面鏡１６、１７で反射し、試料３に照射される。試料３から反射したテラヘルツ波は軸外し放物面鏡１８、２０によって集光され、テラヘルツ波検出器２２に入射する。なお、光学装置２を覆う筐体にはウィンドウ２Ａが設けられており、テラヘルツ波はウィンドウ２Ａを通過して試料３に照射され、また、試料３によって反射したテラヘルツ波もウィンドウ２Ａを通過して光学装置２に入射する。なお、ウィンドウ２Ａは、光学装置２の筐体の密閉性を損なわないように、透明な部材によって閉止されていることが望ましい。
【００４１】
軸外し放物面鏡１８、２０は塗装試料３において反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出器２２に集光させる。後述するように、試料３と法物面鏡１８の間には絞り１９Ａが設けられ、放物面鏡１８、２０の間には絞り１９Ｂが設けられている。試料３において正反射したテラヘルツ波のみがテラヘルツ波検出器２２に入射するように、絞り１９Ａ、１９Ｂは調整されている。
【００４２】
なお、後述するように、本実施形態においては、反射面の形状情報から算出された参照信号を用いて検出信号の補正を行っている。試料３が曲面を有していたとしても、補正後の検出信号に基づき正確な膜厚計測が可能となるため、絞り１９Ａ、１９Ｂは必須ではない。
【００４３】
絞り１９Ａ、１９Ｂを配置した場合には、テラヘルツ波の周辺部の反射波を遮断することにより、時間遅れを有するテラヘルツ波の成分を除去することができる。すなわち、テラヘルツ波検出器２２にテラヘルツ波の正反射のみが絞り１９Ａ、１９Ｂの開口部を通過し、テラヘルツ波検出器２２によって検出される。なお、絞り１９Ａ、１９Ｂを光路上に配置することにおり、光量が低減し、ＳＮ比が悪化するおそれがある。この場合には、ロックインアンプ４の検出時の時定数を長くし、または、変調器１２の変調周波数を高くすることにより、ＳＮ比を改善すると良い。または、基本波の強度を上げることによって、テラヘルツ波の強度を上げても良い。
【００４４】
テラヘルツ波検出器２２は、光伝導性半導体薄膜（低温成長ＧａＡｓ等）の基板上に，ギャップを有する金属電極をダイポールアンテナとして形成したものである。基板の一方の側には半球レンズが設けられており、この半球レンズに入射したテラヘルツ波はダイポールアンテナのギャップ部分に集束する。また、基板の反対側には集光レンズ２３が配置されており、この集光レンズ２３によってフェムト秒のプローブ光が集束する。集束したプローブ光はダイポールアンテナのギャップに照射され、基板上においてキャリヤが発生する。このキャリヤはテラヘルツ波に伴う振動電場で加速され、テラヘルツ波の電場に比例した瞬時電流が流れる。この電流を計測することで，テラヘルツパルス波の電場の強さを計測することができる。
【００４５】
光学遅延部２５は固定ミラーと可動ミラーとを備え、可動ミラーの位置に応じて、プローブ光の遅延が決定される。すなわち、プローブ光の光路長を変えることにより、プローブ光がテラヘルツ検出器２２に到達するタイミングを任意に定めることができる。従って、このタイミングを変えながら、繰り返し到来するテラヘルツ波の電場を計測することにより、テラヘルツ波の波形をサンプリングすることが可能となる。
【００４６】
ロックインアンプ４は、変調周波数に同期して検出電流を検出および積分することにより、高ＳＮ比の信号増幅を行うものである。すなわち、ロックインアンプ４には、チョッパ２における変調周波数の信号が入力されており、この信号に同期して、ロックインアンプ４はテラヘルツ検出器２２からの微弱な検出電流を増幅することができる。ロックインアンプ４によって増幅された検出信号は計測データとして制御装置５に入力される。
【００４７】
制御装置５は、例えばパーソナルコンピュータによって構成されており、チョッパ１２、光学遅延部２３、ロックインアンプ４を変調周波数で同期させている。また、制御装置５は、ＣＡＤ情報に基づき予め試料３の参照信号を算出するとともに、参照信号を用いて検出信号の補正（デコンボリューション）を行い、補正後の検出信号から膜厚を演算する機能を有している。
【００４８】
（レーザ、分波器）
図３を参照しながら、レーザ１０、分波器１１の詳細な構成を説明する。
【００４９】
レーザ１０は光ファイバレーザであって、励起用のオシレータ１００１、ポンプ光源であるレーザダイオード１００２〜１００４、λ／２板１００５、ＷＤＭ（波長分割多重:（wavelength-division multiplexing）カプラ１００６、１００７、偏波コントローラ１０１１、偏波コンバイナ（Polarization beam combiner）１００８、シングルモードファイバ１００９、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）１０１０、反射器１０１４、ＬＭＡ−ＰＣＦ（広モードエリアフォトニッククリスタルファイバ：Large Mode Area-Photonic Crystal Fiber）１０１５、λ／２板１０１６、偏光ビームスプリッタ１０１７、ＨＮＬＦ（高非線形ファイバ：Highly Non-Linear Fiber）１０１８を備える。
【００５０】
オシレータ１００１はＥｒを添加したファイバレーザであり、短パルスの信号光を発生可能である。パルス幅は３００ｆｓ程度であることが望ましい。なお、Ｅｒに代えてＹｂを添加したファイバレーザを用いてもよく、チタンサファイヤレーザなどの固体レーザを用いてもよい。
【００５１】
レーザの選定に際しては、膜厚を考慮する必要がある。例えば、膜厚が１０μｍ、屈折率が２の膜厚の計測を行う場合には、膜の表面の反射波と裏面の反射波と光路差は１０μｍ×２×２＝４０μｍとなる。また、このときの時間差は、４０×１０−６／３×１０８ ＝ １．３×１０−１３ ＝ １３０ｆｓとなる。従って、テラヘルツ波のパルス幅も１３０ｆｓ程度であることが望ましい。レーザパルスが約１００ｆｓである場合、アンテナおよびシリコンレンズによって発生されるテラヘルツ波のパルス幅は約１ｐｓとなる。また、非線形結晶を用いたとしても、テラヘルツ波のパルス幅は約５００ｆｓである。このようにパルス幅が広がるのは、アンテナおよびシリコンレンズを通過する際の吸収、分散、非線形結晶の位相不整合、吸収等によるためである。なお、非線形結晶を薄くすることにより、位相不整合、吸収等を低減することはできるが、同時にテラヘルツ波の出力も減少してしまう。従って、非線形結晶を薄くせずに、レーザを短パルス化することが望ましい。
【００５２】
励起された信号光の繰り返し周波数は５０ＭＨｚである。繰り返し周波数を高くすることにより、テラヘルツ波検出器２２において検出された信号のＳＮ比を大きくすることが可能である。一方、繰り返し周波数を高くしすぎると、パルス間隔が狭まり、検出信号の時間領域におけるスキャン可能な範囲が狭くなってしまう。このため、計測しようとする膜厚に応じた繰り返し周波数を用いる必要がある。
【００５３】
λ／２波長板１００５はオシレータ１００１とＷＤＭカプラ１００６の間に設けられている。オシレータ１００１の信号光を偏波保持ファイバに出力する場合には、λ／２波長板１００５を用いることなく、オシレータ１００１とＷＤＭカプラ１００６とを直接に接続することができる。しかし、ＷＤＭ１００６のファイバが偏波保持できない場合は、λ／２板１００５を用いることが望ましい。
【００５４】
レーザダイオード１００２、１００３、１００４はファイバを励起させるためのポンプ光源である。本実施形態においては、ファイバの両側にポンプ光源を設けているが、片側のみにポンプ光源を設けても良い。また、レーザダイオード１００２、１００３、１００４は１４８０ｎｍ、４００ｍＷのポンプ光を出力可能であるが、９８０ｎｍなどのポンプ光を出力するものであってもよい。
【００５５】
レーザダイオード１００２、１００３のポンプ光は偏波ビームコンバイナ１００８、ＷＤＭ１００７を介してエルビウムドープファイバ１０１０に注入される。また、レーザダイオード１００４のポンプ光は、オシレータ１００１からの信号光とともにＷＤＭカプラ１００６を介してシングルモードファイバ１００１、エルビウムドープファイバ１０１０に注入される。
【００５６】
エルビウムドープファイバ１０１０は偏波保持ファイバであるか否かを問わない。エルビウムドープファイバ１０１０が偏波保持ファイバである場合には、偏波コンバイナ１００８によって、偏波ファイバのスロー軸、ファスト軸に沿って励起光を注入し、高出力化を図ることができる。
【００５７】
エルビウムドープファイバ１０１０における励起光は正常分散効果により、そのパルス幅を広げながら増幅される。これにより、非線形効果を回避することが可能となる。なお、ＷＤＭカプラ１０１０から出力されるレーザのパルス幅は１ｐｓ、出力は４００ｍＷであった。エルビウムドープファイバ１０１０には異常分散のファイバを用いることもできるが、その場合は他の部位で分散制御を行う必要がある。
【００５８】
ＷＤＭカプラ１００７からのレーザパルスは反射器１０１４を介してＬＭＡ−ＰＣＦ１０１５に入力される。ＬＭＡ−ＰＣＦ１０１５は異常分散の性質を有しており、通過するレーザを異常分散させ、レーザのパルス幅を狭くする。ＬＭＡ−ＰＣＦ１０１５から出力されたレーザのパルス幅は５０ｆｓまで狭くなる。このレーザはλ／２板１０１６、偏光ビームスプリッタ１０１７を介してHNLF(高非線形ファイバ)１０１８に入力される。
【００５９】
HNLF１０１７は大きな非線形性を有しており、非線形パルス圧縮により５０ｆｓのパルス幅を１７ｆｓに狭めることができる。なお、λ／２板１０１２、偏光ビームスプリッタ１０１７を設けずに、ＬＭＡ−ＰＣＦ１０１５とHNLF１０１８とを直接に接合（融着）してもよい。この場合には、両者は偏波保持ファイバであることが望ましい。
【００６０】
このようにしてレーザ１０から出力されたレーザは分波器１１によって基本波（１５５０ｎｍ）と二倍高調波（７８０ｎｍ）とに分波される。分波器１１は、偏光ビームスプリッタ１１０１、ＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム：periodically poled lithium niobate）１１０２、ダイクロイックミラー１１０３、グリーンカットフィルタ１１０４を備える。
【００６１】
ビームスプリッタ１１０１は、入射されたビームを５０：５０に分波し、一方のビームを基本波１５６０ｎｍとして出力し、他方のビームをＰＰＬＮ１１０２に出力する。ＰＰＬＮ１１０２は、周期構造を有しており、基本波（１５６０ｎｍ）を二倍高調波（７８０ｎｍ）に変換することができる。二倍高調波はダイクロイックミラー１１０３、グリーンカットフィルタ１１０４を経由して出力される。
【００６２】
図４、図５に分波器１１によって分波された基本波、二倍高調波の波形を示す。図４は基本波の波形を示し、パルス幅は１７ｆｓ、出力は１００ｍＷである。また、図５は二倍高調波の波形を示し、パルス幅は３７ｆｓ、出力は１０ｍＷである。
【００６３】
（制御装置の構成）
図６は本実施形態に係る制御装置５のブロック図である。制御装置５はパーソナルコンピュータ等によって構成され、データバス５００、インターフェース５０１、レジスタ５０２、ＣＰＵ５０３、ＲＯＭ５０５、ＲＡＭ５０６、記憶装置５０７、ディスプレイ５０８等を備えている。
【００６４】
データバス５００は、ＣＰＵ５０３と、インターフェース５０１等の各部とのデータの受け渡しを行うためのものである。インターフェース５０１はデータの入出力のためのポートである。インターフェース５０１には、ロックインアンプ４、光学遅延部２５、データベース６が接続されている。制御装置５はインターフェース５０１を介して光学遅延部２５の可動ミラーの位置を制御することにより、プローブ光がテラヘルツ検出器２２に到達するタイミングを変えることができる。また、制御装置５は試料３のＣＡＤ情報をデータベース６から読み取り、試料３の反射面における参照信号を算出するとともに、当該参照信号を用いて検出信号を補正し、膜厚演算を行うことが可能である。すなわち、制御装置は、参照信号算出手段、補正手段、膜厚算出手段の機能を有している。
【００６５】
レジスタ５０２はＣＰＵ５０３の動作のためのキャッシュレジスタとして一時的にデータを蓄えるためのメモリである。ＣＰＵ５０３は予め定められた検査プログラムを実行し、光学装置２を制御するとともに、計測データの解析を行う。
【００６６】
ＲＯＭ５０５は制御装置５のＢＩＯＳ等の基本プログラムを格納するために用いられる。ＲＡＭ５０６は検査プログラムを実行するためのワークエリアとして用いられる。記憶装置５０７は、ハードディスクドライブ、ＣＤドライブ、ＤＶＤドライブであって、算出された参照信号、測定された検査データの保存に用いられる。なお、記憶装置５０７には、試料３毎に異なる複数種類の参照信号を保存することが可能である。また、試料３に番号、バーコード等の識別子を付しておくことにより、検査工程において識別子を光学的に読み取り、識別子に関連付けられた参照信号を記憶装置５０７から読み出しても良い。ディスプレイ５０８は液晶表示装置を備え、検査データに基づきテラヘルツ波の波形をグラフ表示するとともに、試料３の膜厚、塗装品質等を表示可能である。
【００６７】
（処理の概要）
図７は、本実施形態に係る検査装置の処理の概要を表すフローチャートである。先ず、検査処理に先立って、制御装置５は試料３のＣＡＤ情報をデータベース６から読み出し、試料３からテラヘルツ波検出器１５に至るまでの反射波の電場強度の時間変化を参照信号として算出する（ステップＳ１）。制御装置５は、算出した参照信号を記憶装置５０７に保存する。なお、参照信号をＣＡＤ情報と関連付けてデータベース６に保存しても良い。
【００６８】
また、様々な種類の試料３の参照信号を予め算出し、保存しておくことにより、膜厚検査処理を効率良く行うことができる。例えば、車両の生産工程において膜厚検査を行う場合、多様な形状のバンバー等の試料を検査する必要がある。予め、検査対象となる試料の参照信号を用意しておくことにより、生産工程において参照信号の算出処理を行う必要がなくなり、生産工程を円滑に進めることができる。
【００６９】
参照信号が記憶装置５０７に保存された後、以下の計測処理および膜厚演算処理が行われる。オペレータは試料３を検査装置１にセットし、制御装置５は試料３に付された識別子に関連付けられた参照信号を記憶装置５０７から読み取る。続いて、検査装置１は試料３からの反射波を計測し、反射波の電場強度の時間変化を表す検出信号を得る（ステップＳ２）。この参照信号を用いて検出信号のデコンボリューションを行う。さらに、制御装置５はデコンボリューション後の検出信号に基づき膜厚を演算する（ステップＳ３）。すなわち、演算装置５は、周波数領域において検出信号を参照信号にて除算する。これにより、曲面の反射によって生じた解像度の低下および信号対雑音比の劣化を改善することができる。
【００７０】
制御装置５は、デコンボリューションの処理がなされた検出信号を時間領域に変換し、検出信号においてピーク間の時間を計測することにより、膜厚を演算する（ステップＳ３）。演算された膜厚はディスプレイ５０８に表示される。
【００７１】
（参照信号算出処理）
図８は、上述の参照信号算出処理（ステップＳ１）の詳細を表すフローチャートである。先ず、検査装置１の計測位置（試料３の表面）に平面鏡を置き、平面鏡からの反射波の時間領域における電場強度Ｅ（ｔ）ｉｎを計測する（ステップＳ１０１）。計測される電場強度は例えば次式で表すことができる。ここで、Ａ（ｔ）は振幅成分、ω０は角周波数、φ０（ｔ）は位相成分を表している。
【数１】
0005783408.tif 000002
【００７２】
平面鏡における反射波を図１１に示す。この図に示されるように、テラヘルツ波は位相面の形状を保持したまま、平面鏡において反射する。ここで、実線矢印は反射波、破線は位相面、一点鎖線は反射面における法線を表している。この図に示されたように、反射面が平面である場合、反射面における法線は平行であるため、入射波の位相面と反射波の位相面はともに平面となり、反射の前後において位相面は変化しない。
【００７３】
続いて、制御装置５は、データベース６から試料３のＣＡＤ情報を読み出す（ステップＳ１０２）。ＣＡＤ情報は、車両用バンパー等の設計時において作成されたデータであり、反射面の形状情報を有している。例えば、ＣＡＤ情報は、反射面を複数の微小平面で近似したメッシュデータから構成されている。
【００７４】
図１２に示されるように、試料３の反射面が球面である場合、試料３の表面が曲面である場合には、反射位置によって法線の方向が異なる。したがって、反射波の位相面は、反射の前後において変化する。
【００７５】
ここで、入射波の焦点近傍においては、反射波の位相面を平面に近似させることができる。従って、試料３の反射面をメッシュに分割し、各メッシュの光路および位相差を算出することにより、反射波を予測することができる。なお、メッシュの分解能はテラヘルツ波の解析限界よりも十分に小さくすることが望ましい。例えば、テラヘルツ波の解析限界が数百ミクロンメートルであれば、メッシュの分解能を１００ミクロンメートル以下、望ましくは１０ミクロンメートル以下にすると良い。
【００７６】
制御装置５は各メッシュにおいて法線を求め、メッシュからテラヘルツ波検出器２２までの正反射の光路長を算出する（ステップＳ１０３）。さらに、制御装置５は航路長に基づき、各メッシュの位相差Δφijを算出する（ステップＳ１０４）。ここで、ｉ、ｊはメッシュの座標値を表している。
【００７７】
各メッシュの位相差Δφijを（式１）の電場強度に含めることにより、各メッシュにおける反射波の電場強度Ｅ（ｔ）ijが求められる（ステップＳ１０５）。
【数２】
0005783408.tif 000003
【００７８】
さらに、各メッシュにおける電場強度Ｅ（ｔ）ijを加算することにより、次式で表される参照信号Ｅ（ｔ）が求められる（ステップＳ１０６）。
【数３】
0005783408.tif 000004
【００７９】
算出された参照信号Ｅ（ｔ）は記憶装置５０７に保存される（ステップＳ１０６）。このように、参照信号Ｅ（ｔ）を予め算出しておくことにより、膜厚検査の度に平面鏡を設置し、参照信号を算出する必要がなくなる。従って、生産工程において、検査対象となる試料３の種類が変わったとしても、膜厚検査を円滑に行うことが可能となる。
【００８０】
（計測方法の概要）
図９は、上述の反射波計測処理（ステップＳ２）の詳細を表すフローチャートである。まず、オペレータは検査対象となる試料３を光学装置２にセットする(ステップＳ２０１）。このとき、試料３からのテラヘルツ波が絞り１９Ａ，１９Ｂを通過するように、光学装置２に対する試料３の角度を調整する。オペレータが制御装置５を操作し、計測プログラムを起動させると、ＣＰＵ５０３は記憶装置５０６に記憶された計測プログラムを実行し、光学装置２、ロックインアンプ４、制御装置５を初期化する（ステップＳ２０２）。
【００８１】
続いて、制御装置５は反射波の計測を実行する（ステップＳ２０３）。すなわち、フェムト秒ファイバレーザ１０の光パルスはダイクロイックミラー１１において、１５５０ｎｍ成分の基本波と７８０ｎｍ成分の二倍高調波とに分離され、基本波はチョッパ１２に入射され、２倍高調波は光学遅延部２５に入射される。チョッパ１２は所定の変調周波数で基本波を変調し、変調後の基本波はミラー１３、基本波集光用放物面鏡１４において反射した後、ＤＡＳＴ１５に集光する。ＤＡＳＴ１５によって発生したテラヘルツ波は軸外し放物面鏡１６、１７で反射し、試料３に集光する。
【００８２】
試料３において反射したテラヘルツ波は、絞り１９Ａの開口部を通過し、軸外し放物面鏡１８によって平行光化する。さらに、このテラヘルツ波は、絞り１９Ｂの開口部を通過する。本実施形態においては、絞り１９Ａ、１９Ｂを配置することにより、テラヘルツ波の周辺部の反射波を遮断している。このような構成により、テラヘルツ波検出器２２にテラヘルツ波の正反射のみが絞り１９Ａ、１９Ｂの開口部を通過し、テラヘルツ波検出器２２によって検出される。
【００８３】
絞り１９Ｂを通過したテラヘルツ波は軸外し放物面鏡２０によって、テラヘルツ波検出器２２において集光する。なお、テラヘルツ波のパルスは変調周波数（１ｋＨｚ）で繰り返しテラヘルツ波検出器２２に集光されている。一方、光学遅延部２５によって所定時間遅延したプローブ光は集光レンズ２３によってダイポールアンテナのギャップに照射される。このとき、反射波の電場に比例した微小電流が流れ、この微小電流はロックインアンプ４によって同期検波される。ロックインアンプ４は、増幅した電流をＡ／Ｄ変換器によってディジタルデータに変換し、メモリ上に記録する。これにより、反射波の波形の所定のタイミングにおける電場強度が計測される。
【００８４】
反射波の波形をサンプリングする場合には、プローブ光のタイミングをずらしながら、テラヘルツ波検出器２２における電場強度を測定する。すなわち、制御装置５は光学遅延部２５の可動ミラーを駆動し、プローブ光の遅延時間を変化させながら、反射波の波形をサンプリングする。制御装置５は反射波の電場強度の時間変化を検出信号Ｇ（ｔ）として記憶装置５０６上に保存する（ステップＳ２０４）。
【００８５】
（膜厚演算処理）
図１０は、上述の膜厚演算処理（ステップＳ３）の詳細を表すフローチャートである。
ステップＳ３０１において、オペレータは制御装置５を操作し、ディスプレイ５０８に表示された塗装膜、基板の種類の中から、測定対象となるものを選択する。例えば、３層クリヤ塗装膜、金属基板が選択されると、制御装置５は選択された塗装膜、基板の種類に応じたピークパターンを決定し、ディスプレイ５０８に表示する（ステップＳ３０２）。ピークパターンは、塗装膜、基板の種類毎に予め測定された反射波に基づき、時間領域の波形に現れるピークの概略を示すものである。このように、ピークの概略を予め予測しておくことにより、多重反射によるピークと塗装膜表面におけるピークとの誤認識を防ぐことができる。なお、ピークパターンの選択処理は、反射波計測処理（ステップＳ２）に先立って実行されても良い。
【００８６】
制御装置５は検出信号Ｇ（ｔ）において、ローパスフィルタ等の周波数フィルタを用いて雑音を除去する（ステップＳ３０３）。この後、制御装置５は、検出信号Ｇ（ｔ）をフーリエ変換によって周波数領域の検出信号Ｇ（ω）に変換するとともに、記憶装置５０７から読み出した参照信号Ｅ（ｔ）を同様に参照信号Ｅ（ω）にフーリエ変換する（ステップＳ３０４）。
【００８７】
続いて、制御装置５は参照信号Ｅ（ω）を用いて検出信号Ｇ（ω）のデコンボリューションを行う（ステップＳ３０５）。すなわち、周波数領域で表された検出信号Ｇ（ω）を参照信号Ｅ（ω）で除算した結果を、デコンボリューション後の検出信号Ｇ'（ω）とする。なお、周波数領域において検出信号Ｇ（ω）を参照信号Ｅ（ω）によって除算を行う際に、参照信号Ｅ（ω）に定数Ｋを加算し、（Ｅ（ω）＋Ｋ）を分母、検出信号Ｇ（ω）を分子として除算を行っても良い。これにより、参照信号Ｅ（ω）がゼロとなった場合において演算結果が無限大となることを回避することができる。さらに、フーリエ変換に変えてラプラス変換を用いても良い。
【００８８】
次に、制御装置５は周波数領域で表された反射信号Ｇ'（ω）を逆フーリエ変換することにより、時間領域で表された検出信号Ｇ'（ｔ）を得る（ステップＳ３０６）。このようにして得られた検出信号Ｇ'（ｔ）において、試料３の曲面における反射波の位相情報を含む参照信号Ｅ（ｔ）を用いてデコンボリューションが行われる。このため、曲面における反射によって生じた解像度の劣化および信号対雑音比の低下を改善させることができる。
【００８９】
続いて、制御装置５は、予め選択されたピークパターンに基づき、時間領域の反射信号Ｇ'（ｔ）においてピークを検出する（ステップＳ３０７）。さらに、抽出されたピーク間の時間差Δｔを求め、時間差Δｔに相当する膜厚ｄを演算する（ステップＳ３０８）。膜厚ｄは次式に従って求めることができる。
膜厚ｄ＝Δｔ・ｃ・ｃｏｓθ／２ｎ    ・・・(式４)
【００９０】
ここで、Δｔは時間差、ｃは光速、θはテラヘルツ波の入射角度、ｎは塗装の屈折率を表している。
【００９１】
（検査結果）
続いて、本実施形態に係る膜厚検査装置による検査結果を説明する。図１３は本実施液体において用いた試料３の断面図である。
【００９２】
図１３に示された試料３において、金属上にカラー層、マイカ層、クリヤ層が順に形成されている。塗装試料に対して、テラヘルツ波を照射すると、テラヘルツ波は、屈折率が変化する境界面において反射する。すなわち、テラヘルツ波は、空気およびクリヤ層の境界面（１）、クリヤ層およびマイカ層の境界面（２）、マイカ層およびカラー層の境界面（３）、カラー層および金属の境界面（４）において反射する。
【００９３】
また、試料３の反射面は曲面をなしているため、テラヘルツ波の位相は反射の前後において変化する。本実施形態においては、検出信号Ｇ（ｔ）に対して、予め算出された参照信号Ｅ（ｔ）を用いてデコンボリューションを行うことにより、解像度および信号対雑音比を向上させた検出信号Ｇ'（ｔ）を得ることができる。
【００９４】
図１４は、デコンボリューション処理後の検出信号Ｇ'（ｔ）の一例である。この図において、横軸は時間軸、縦軸は電場強度の振幅を示している。検出信号Ｇ'（ｔ）において最初に現れる正のピークは空気およびクリヤ層の境界面（１）における反射波を示している。２番目に現れる負のピークはクリヤ層およびマイカ層の境界面（２）における反射波を示している。このピークは負の値を示すのは、マイカ層の屈折率がクリヤ層の屈折率よりも小さいためである。３番目に現れる正のピークはマイカ層およびカラー層の境界面（３）を示し、４番目に現れる正のピークはカラー層および金属の境界面（４）の反射波を示している。
【００９５】
図１４において、４つのピーク以外に、多重反射、ノイズに起因するピークが複数存在する。例えば、３番目と４番目のピークの間に小さなピークが存在するのが確認できる。このピークは、境界面（２）と（３）との間、すなわち、マイカ層の間における多重反射に起因するものである。また、４番目のピークに続く複数のピークは、境界面（３）と（４）の間、あるいは他の境界面における多重反射に起因するものである。したがって、これらのピークは多重反射によるものであることからピーク検出処理において無視することができ、１番目と４番目のピークの間においてピーク検出処理を実行すればよい。また、１番目と４番目のピークの間に２つのピークが存在することが予め分かっていれば、多重反射、ノイズ等が誤ってピークとして検出されることを回避できる。
【００９６】
図１５に膜厚演算結果の一例を示す。クリヤ層、マイカ層、カラー層の屈折率は、１．８、１．５、２．１であり、これらは既知の値である。検出信号Ｇ'（ｔ）において検出されたピーク時間差（遅延時間）Δｔが２２０ｆｓ、１００ｆｓ、４４０ｆｓである場合、これらの時間差Δｔに相当する膜厚ｄは１８μｍ、１０μｍ、３１μｍとなる。クリヤ層、マイカ層、カラー層の実測値は２０μｍ、１０μｍ、３０μｍであることから、演算された膜厚ｄの公差は２μｍ以下であることが確認できる。このように、本実施形態によれば、試料３の反射面が曲面をなしている場合であっても極めて正確な膜厚計測を行うことが可能となる。
【００９７】
図１７、図１８は、検出信号の一例である。図１７の検出信号は、試料３がＲ１０００の反射面を有しているが、参照信号が平面に基づき生成されている場合において、デコンボリューション後の算出結果を表している。この図において、信号対雑音比（ＳＮ比）はおよそ０．１５程度である。
【００９８】
これに対して、図１７の反射波は、試料３がＲ１０００の反射面を有しており、参照信号もＲ１０００の反射面に基づき生成されている場合における算出結果を表している。この図においては、信号対雑音比はおよそ０．７となり、平面に基づき算出された参照信号を用いた場合に比べて、雑音は５０％程度改善されることが確認できる。すなわち、反射面の位相情報を含む参照信号を用いて検出信号のデコンボリューションを行うことにより、検出信号の信号対雑音比を改善することが可能となる。
【００９９】
本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施可能である。例えば、本発明は、金属上に形成された塗装膜の膜厚計測に限定されずに、下地上に形成された塗装膜、保護膜、導電膜、絶縁膜等、あらゆる膜の計測に適用可能である。
【符号の説明】
【０１００】
１  検査装置
２  光学装置
３  試料
４  ロックインアンプ
５  制御装置（参照信号算出手段、補正手段、膜厚算出手段）
１０  フェムト秒ファイバレーザ
２２  テラヘルツ波検出器
【図１】
0005783408.tif 000005
【図２】
0005783408.tif 000006
【図３】
0005783408.tif 000007
【図４】
0005783408.tif 000008
【図５】
0005783408.tif 000009
【図６】
0005783408.tif 000010
【図７】
0005783408.tif 000011
【図８】
0005783408.tif 000012
【図９】
0005783408.tif 000013
【図１０】
0005783408.tif 000014
【図１１】
0005783408.tif 000015
【図１２】
0005783408.tif 000016
【図１３】
0005783408.tif 000017
【図１４】
0005783408.tif 000018
【図１５】
0005783408.tif 000019
【図１６】
0005783408.tif 000020
【図１７】
0005783408.tif 000021
【図１８】
0005783408.tif 000022