(57)【要約】【課題】  実用性に優れた厚さ測定装置および厚さ測定方法を提供する。【解決手段】光源１からの光の一部を被測定物３に照射し検査用反射光を形成する手段と、光源１からの光の他の一部を反射して参照用反射光を形成する手段と、少なくとも検査用反射光の光信号を含む第１の光束と、少なくとも参照用反射光の光信号を含む第２の光束とを干渉させて干渉光を形成するビームスプリッタ３２、第１の光束の光路長を変化させる第１の光路長可変手段と、第２の光束の光路長を変化させる第２の光路長可変手段と、前記干渉光の光強度を検出する受光器４，５とを備えてなり、第１の光路長可変手段および第２の光路長可変手段の一方はステッピングモータ４１を備えており、他方はピエゾアクチュエータ４３を備えている【選択図】        図１
2005283387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光の一部を被測定物に照射し検査用反射光を形成する手段と、
光源からの光の他の一部を反射して参照用反射光を形成する手段と、
少なくとも前記検査用反射光の光信号を含む第１の光束と、少なくとも前記参照用反射光の光信号を含む第２の光束とを干渉させて干渉光を形成する干渉手段と、
前記第１の光束の光路長を変化させる第１の光路長可変手段と、
前記第２の光束の光路長を変化させる第２の光路長可変手段と、
前記干渉光の光強度を検出する検出手段とを備えてなり、
前記第１の光路長可変手段および前記第２の光路長可変手段の一方はステッピングモータを備えており、他方はピエゾアクチュエータを備えていることを特徴とする厚さ測定装置。
【請求項２】
前記第１の光路長可変手段がステッピングモータを備えており、前記第２の光路長可変手段がピエゾアクチュエータを備えていることを特徴とする請求項１記載の厚さ測定装置。
【請求項３】
前記ピエゾアクチュエータを備えている方の光路長可変手段による光路長の変化量を検知するスケールセンサが設けられていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の厚さ測定装置。
【請求項４】
光源からの光の一部を被測定物に照射し検査用反射光を形成する手段と、
光源からの光の他の一部を反射して参照用反射光を形成する手段と、
少なくとも前記検査用反射光の光信号を含む第１の光束と、少なくとも前記参照用反射光の光信号を含む第２の光束とを干渉させて干渉光を形成する干渉手段と、
前記第１の光束および第２の光束の少なくとも一方の光路長を変化させる光路長可変手段と、
前記干渉光の光強度を検出する検出手段と、
前記光路長可変手段による光路長の変化量を検知するスケールセンサが設けられていることを特徴とする厚さ測定装置。
【請求項５】
請求項３または４のいずれかに記載の測定装置を用いて屈折率ｎが既知の被測定物の厚さを測定する方法であって、
前記第１の光束の光路長および前記第２の光束の光路長の一方または両方を変化させることによって、前記干渉光の光強度の第１のピークを検出した後、少なくとも一方の光束の光路長を変化させることによって前記干渉光の光強度の第２のピークを検出し、
前記第１のピークと第２のピークとの間における光路長の変化量△Ｌを前記スケールセンサを用いて検出し、
被測定物の屈折率ｎと△Ｌの値を用いて該被測定物の厚さを測定することを特徴とする厚さ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば薄膜の厚さなど、光の屈折率が異なる媒質の界面間に挟まれた被測定物であって、自身の屈折率が既知である被測定物の厚さを高速で測定することができる装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、マイケルソン干渉計を用いて薄膜等の厚さを測定する方法が知られている（例えば、下記特許文献１、２）。
【０００３】
図３は、マイケルソン干渉計を用いた厚さ測定装置の従来例を示した概略構成図である。
この例の装置にあっては、光源５１から出射された低コヒーレント光が、コリメータ５３で平行光とされた後、ビームスプリッタ５２で２つに分岐される。一方の分岐光は被測定物５４に照射され、他方の分岐光は参照ミラー５５に照射される。被測定物５４で反射された検査光と、参照ミラー５５で反射された参照光は、ビームスプリッタ５２で合波されて干渉光を形成し、該干渉光の光強度が受光器５６で検知されるように構成されている。参照ミラー５５は微動可能なステージ（図示略）上に保持されている。また参照ミラー５５は振動子（図示略）に固定され、所定の周波数で所定振幅の振動が加えられ、これにより参照光が光路長調節されるように構成されている。
【０００４】
かかる構成の装置により、薄膜状の被測定物５４の厚さを測定するには、まず被測定物５４の厚さ方向が光軸方向となるようにセットし、ビームスプリッタ５２で分岐された一方の分岐光（検査光）が被測定物５４の前面で反射されて受光器５６に至るまでの光路長と、他方の分岐光（参照光）が参照ミラー５５で反射されて受光器５６に至るまでの光路長とが等しくなるように、参照ミラー５５の微動ステージを微動調整する。具体的には、受光器５６で検知される検査光と参照光の干渉光の光強度が最大となるように参照ミラー５５の位置を決めればよい。このときの参照ミラー５５の位置をＬ１とする。
【０００５】
次いで、参照ミラー５５の微動ステージを微動させて参照ミラー５５を後退させつつ、受光器５６で検知される干渉光の光強度が最大となるように参照ミラー５５の位置を決める。このときの参照ミラー５５の位置をＬ２とする。
前記Ｌ１からＬ２までの参照ミラー５５の移動量を△Ｌ（ｍｍ）とし、被測定物５４の屈折率をｎ、被測定物５４の厚さをｔ（ｍｍ）とすると、△Ｌ＝ｎ×ｔとなる。被測定物５４の屈折率ｎが既知の場合、△Ｌを検出することにより、厚さｔを求めることができる。
【特許文献１】特許第３４５９３２７号公報
【特許文献２】特公昭６２−５９２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような構成の装置は、非破壊で被測定物の厚さを測定することができるので、例えば塗装工程のライン上での膜厚制御など、各種分野での利用が期待されているが、実用性が不十分であった。
例えば、従来、参照ミラー５５の微動ステージの移動調整にはステッピングモータが多く用いられているが、速度の点で不満があった。すなわち、ステッピングモータはボールネジの回転運動を直線運動の力に変換してステージを平行移動させるものであるが、ボールネジの回転運動のエネルギーが直線運動のエネルギーに１対１で伝わるわけではないので、移動速度が遅くなりがちであった。また、微動ステージの駆動手段（ステッピングモータ）における駆動機構の変位量から参照ミラー５５の移動量△Ｌを求めていたので、誤差が生じ易かった。
このため、従来の厚さ測定装置は、適用できる測定形態や測定対象物が限られており、実用性の向上が求められていた。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、上記問題の少なくとも１つを解決して、実用性に優れた厚さ測定装置および厚さ測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の厚さ測定装置は、光源からの光の一部を被測定物に照射し検査用反射光を形成する手段と、光源からの光の他の一部を反射して参照用反射光を形成する手段と、少なくとも前記検査用反射光の光信号を含む第１の光束と、少なくとも前記参照用反射光の光信号を含む第２の光束とを干渉させて干渉光を形成する干渉手段と、前記第１の光束の光路長を変化させる第１の光路長可変手段と、前記第２の光束の光路長を変化させる第２の光路長可変手段と、前記干渉光の光強度を検出する検出手段とを備えてなり、前記第１の光路長可変手段および前記第２の光路長可変手段の一方はステッピングモータを備えており、他方はピエゾアクチュエータを備えていることを特徴とする。
前記第１の光路長可変手段がステッピングモータを備えており、前記第２の光路長可変手段がピエゾアクチュエータを備えていることが好ましい。
前記ピエゾアクチュエータを備えている方の光路長可変手段による光路長の変化量を検知するスケールセンサを設けることが好ましい。
【０００９】
また本発明は、光源からの光の一部を被測定物に照射し検査用反射光を形成する手段と、光源からの光の他の一部を反射して参照用反射光を形成する手段と、少なくとも前記検査用反射光の光信号を含む第１の光束と、少なくとも前記参照用反射光の光信号を含む第２の光束とを干渉させて干渉光を形成する干渉手段と、前記第１の光束および第２の光束の少なくとも一方の光路長を変化させる光路長可変手段と、前記干渉光の光強度を検出する検出手段と、前記光路長可変手段による光路長の変化量を検知するスケールセンサが設けられていることを特徴とする厚さ測定装置を提供する。
【００１０】
また本発明は、本発明にかかるスケールセンサを備えた測定装置を用いて屈折率ｎが既知の被測定物の厚さを測定する方法であって、
前記第１の光束の光路長および前記第２の光束の光路長の一方または両方を変化させることによって、前記干渉光の光強度の第１のピークを検出した後、少なくとも一方の光束の光路長を変化させることによって前記干渉光の光強度の第２のピークを検出し、前記第１のピークと第２のピークとの間における光路長の変化量△Ｌを前記スケールセンサを用いて検出し、被測定物の屈折率ｎと△Ｌの値を用いて該被測定物の厚さを測定することを特徴とする厚さ測定方法を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、干渉させる２つの光束の両方の光路長を可変とし、かつ該光路長を変化させるための駆動手段としてステッピングモータとピエゾアクチュエータを併用することにより、従来よりも短時間でピーク位置を精度良く検出することができ、厚さ測定の高速化を達成することができる。
特に、参照用反射光の光信号を含む光束の光路長を変化させるための駆動手段として、高速に微動可能なピエゾアクチュエータを用いる方が、効率良く測定を行うことができる。
また、光路長の変化量の測定にスケールセンサを用いることにより、測定精度を効果的に向上させることができる。
よって、これまでは適用できなかった測定形態や測定対象物にも適用できるようになり、厚さ測定装置および厚さ測定方法の実用性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を詳しく説明する。図１は、本発明の測定装置の第１の実施形態を示した概略構成図である。図中符号１は光源を示し、３は被測定物を示す。
光源光は低コヒーレンス光であることが好ましく、光源１としては、広帯域なバンド幅を有する光を出射できるものが好ましく用いられ、例えばＳＬＤ（super-luminescent diode:スーパールミネセントダイオード）やＬＥＤ（light emitting diode:発光ダイオオード）が好適に用いられる。
被測定物３は、薄板や薄膜等、光の屈折率が異なる媒質の界面間に挟まれた層状であり、光源光を透過可能で、かつ光学的一様な層とみなせるものが適用される。本実施形態において、被測定物３の屈折率は既知である。
【００１３】
本明細書では被測定物３の表裏両面のうちの光源１側の一方の面（光が照射される側の面）を前面といい、他方の面を後面という。被測定物３の前面および後面は光源１からの光を反射すればよく、被測定物３の前面が最表面を成していてもよく、該前面上に光源光を透過する層が設けられていてもよい。また被測定物３の後面が最表面を成していてもよく、該後面上に被測定物３と屈折率が異なる層が設けられていてもよい。
被測定物３の厚さは、使用する広帯域光源１のコヒーレンス長よりも、被測定物の厚さと屈折率の積の値が小さいと分解能の関係により測定が困難になる。一方、厚過ぎると被測定物の前面に焦点を位置させたときの反射光量と、後面に焦点を位置させたときの反射光量との差が大きくなるので、被測定物３の厚さは１０μｍ〜１０ｍｍ程度が好ましく、より好ましくは１０μｍ〜２ｍｍ程度である。
本実施形態において被測定物３の前面および／または後面は平坦面であることが好ましい。
【００１４】
本実施形態の装置において、光源１から出射された光は、第１の光ファイバ１１、サーキュレータ２、および第２の光ファイバ１２を順に経てヘッド部２０に至るように構成されている。
サーキュレータ２は３つのポートを有しており、それぞれに第１の光ファイバ１１、第２の光ファイバ１２、第３の光ファイバ１３が接続されている。サーキュレータ２は、第１の光ファイバ１１から第２の光ファイバ１２へは光が通り、第２の光ファイバ１２から第３の光ファイバ１３へも光が通るが、これら以外の向きには光が通らないように構成されている。
第１の光ファイバ１１、第２の光ファイバ１２、および第３の光ファイバ１３としては、一般的な伝送用光ファイバが用いられ、石英系ガラスファイバが好適に用いられる。
【００１５】
ヘッド部２０には、第２の光ファイバ１２側から順に、コリメータ（図示略）および半透鏡が、第２の光ファイバ１２と光軸が一致するように設けられている。
ヘッド部２０において、第２の光ファイバ１２から出射された光は、コリメータで平行光とされた後、半透鏡へ入射される。
半透鏡は、入射光の一部を反射し一部を透過する特性を有しており、該半透鏡の透過光（平行光）が被測定物３へ照射される。そして被測定物３の反射光（検査用反射光）が、半透鏡を透過した後、コリメータを経て第２の光ファイバ１２に入射されるように構成されている。
一方、半透鏡の反射光（参照用反射光）はコリメータを経て第２の光ファイバ１２に入射される。
【００１６】
半透鏡としては、例えばガラス基板上に誘電体多層膜を蒸着した構成のものを用いることができる。半透鏡における反射率および透過率は特に制限されるものではないが、透過率が低すぎると、被測定物３からの反射光（検査用反射光）の強度が弱すぎて測定精度の劣化が大きくなる。したがって、半透鏡の反射率は、被測定物３の前面および後面における反射率にもよるが、概ね３％〜２０％程度であることが好ましい。
また、必須ではないが、コリメータと半透鏡との間に１／４波長板を設けてもよい。１／４波長板を設けると、光源１から第１の光ファイバ１１に入射されて第２の光ファイバ１２から出射される光の偏波面と、半透鏡および被測定物３でそれぞれ反射されて第２の光ファイバ１２に入射される光（検査用反射光および参照用反射光）の偏波面とが直交することになるので、サーキュレータ２の構成を簡易にすることができる。１／４波長板と半透鏡とを一体的に設けることもできる。
【００１７】
このようにして検査用反射光の光信号と参照用反射光の光信号の両方を含む光が第２の光ファイバ１２、サーキュレータ２、および第３の光ファイバ１３を順に経て干渉部３０に至る。
干渉部３０は、第３の光ファイバ１３からの出射光の光路上に設けられたコリメータ３１、ビームスプリッタ３２、第１のミラー３５、光軸が前記ビームスプリッタ３２内において第３の光ファイバ１３からの出射光の光路と直交する第２のミラー３６、前記ビームスプリッタ３２を挟んで前記第２のミラー３６と対峙する位置関係にあるコリメータ３７ａ、前記ビームスプリッタ３２を挟んで前記第１のミラー３５と対峙する位置関係にあるコリメータ３７ｂを備えている。
【００１８】
干渉部３０では、第３の光ファイバ１３から出射された光がコリメータ３１で平行光とされた後、ビームスプリッタ（干渉手段）３２で、直進する透過分岐光と入射方向に対して直交する方向に反射された反射分岐光とに分岐される。該透過分岐光は第１の分岐光路３３へ導かれ、反射分岐光は第２の分岐光路３４に導かれる。
【００１９】
第１の分岐光路３３を進む光（透過分岐光）は、第１のミラー３５で反射され、該反射光が第１の分岐光路３３と平行に前記ビームスプリッタ３２に入射される。そして、ビームスプリッタ３２において、直進する第１の透過成分と、入射方向に対して直交する方向に反射された第１の反射成分とに分岐される。
一方、第２の分岐光路３４を進む光（反射分岐光）は、第２のミラー３６で反射され、該反射光は第２の分岐光路３４と平行に前記ビームスプリッタ３２に入射される。そして、ビームスプリッタ３２において、直進する第２の透過成分と、入射方向に対して直交する方向に反射された第２の反射成分とに分岐される。
そして、第１の反射成分（第１の光束）と第２の透過成分（第２の光束）とが合波され、合波された２つの光は干渉光を生成する。該干渉光は、コリメータ３７ａを経て第４の光ファイバ１４に入射される。第４の光ファイバ１４を伝送された前記干渉光は、第１の受光器（検出手段）４に入射され、干渉光強度が検出されるようになっている。
一方、第１の透過成分（第１の光束）と第２の反射成分（第２の光束）も合波され、合波された２つの光は干渉光を生成する。該干渉光は、コリメータ３７ｂを経て第５の光ファイバ１５に入射される。第５の光ファイバ１５を伝送された前記干渉光は、第２の受光器（検出手段）５に入射され、干渉光強度が検出されるようになっている。
本実施形態において、ビームスプリッタ３２における光の分岐比、すなわち透過する光と反射する光との光強度比は、好ましくは１：１となっている。
【００２０】
第１の受光器４および第２の受光器５でそれぞれ検出された干渉光強度の検出結果はアナログ処理装置６へ出力されるようになっている。アナログ処理装置６は、第１の受光器４および第２の受光器５でそれぞれ検出された２つの干渉光の光強度の差を求め、その演算結果を干渉光強度の演算結果として出力するように構成されている。該演算結果の出力は、Ａ／Ｄ変換器７を経て、ＣＰＵ（演算装置）８へ送られるようになっている。
ＣＰＵ８は一般的なコンピュータで構成することができる。図中符号８ａはＣＰＵのディスプレイ、８ｂはＣＰＵの操作パネルをそれぞれ示す。
【００２１】
第１のミラー３５および第２のミラー３６は、反射率が高い方が好ましく、全反射ミラーが好適に用いられる。
本実施形態において、第１のミラー３５および第２のミラー３６はいずれも、２枚の全反射ミラーを、反射面が内側となるように、かつ該２つの全反射ミラーがなす角度が９０度となるように配置した光学素子からなっており、ビームスプリッタ３２からの出射光が、該光学素子の一方の反射面に４５度の入射角度で入射するように構成されている。すなわち、ビームスプリッタ３２から第１のミラー３５に入射される光と、第１のミラー３５で反射されてビームスプリッタ３２へ向かう光、およびビームスプリッタ３２から第２のミラー３６に入射される光と、第２のミラー３６で反射されてビームスプリッタ３２へ向かう光とが、それぞれ互いに平行な別々の光路を通るように構成されている。
かかる光学素子を用いると、第１のミラー３５および／または第２のミラー３６の移動により生じる機械的な角度エラーを、第１の分岐光路３３、第２の分岐光路３４それぞれにおける光の平行移動に変換することができる。これにより、第１のミラー３５および／または第２のミラー３６の移動によって生じる、第４の光ファイバ１４および第５の光ファイバ１５にそれぞれ結合する干渉光量の変動を小さく抑えることができる。
【００２２】
また第１のミラー３５は、第１の分岐光路３３の光軸方向に沿って進退可能な微動ステージ（第１の光路長可変手段、図示略）上に固定されており、該微動ステージの駆動手段としてステッピングモータ４１が設けられている。該ステッピングモータ４１は、モータドライバ（図示略）を介してＣＰＵ８によって制御されるように構成されている。ステッピングモータ４１は、ボールネジを使用して回転運動の力を直線運動の力に変換し、第１のミラー３５を平行移動させる。
【００２３】
一方、第２のミラー３６は、第２の分岐光路３４の光軸方向に沿って進退可能な微動ステージ（第２の光路長可変手段、図示略）上に固定されており、該微動ステージの駆動手段としてピエゾアクチュエータ４３が設けられている。ピエゾアクチュエータ４３はＰＺＴ（チタン酸ジルコン）からなる圧電体と、該圧電体に電圧を印加するとともに、該電圧値を制御して第２のミラー３６の移動量を制御するコントローラを備えており、微量の移動が可能である。またピエゾアクチュエータはステッピングモータに比べて格段に移動速度が速く、例えば、数１００μｍ程度までの短距離であれば、同じ距離をステッピングモータで移動させる場合に比べて、移動時間を１００分の１程度に短縮することができる。
また、図示していないが、第２のミラー３６を所定周波数、所定振幅で振動させる手段が設けられており、第２のミラー３６は該振動を続けながら第２の分岐光路３４の光軸方向に微細な間隔で高速に進退可能に構成されている。
【００２４】
また、第２のミラー３６の側方には、スケールセンサ４９が設けられている。スケールセンサ４９は、ピエゾアクチュエータ４３によって第２のミラー３６が移動したときに、該第２のミラー３６の移動量を精度良く検知できるものであればよく、既知の構成のものを適宜用いることができる。特に、光学式のスケールセンサが、高速での移動に対応し易いので好ましく用いられる。
本実施形態では、熱膨張率が小さい材料からなる光透過性材料（例えばネオセラム、
商品名、日本電気硝子社製）に回折格子が刻設された光学素子と、該光学素子に測定光を入射させる手段と、光学素子からの回折光を受光するセンサを備えたスケールセンサ４９が用いられている。スケールセンサ４９はＣＰＵ８に接続されており、該ＣＰＵ８によってスケールセンサ４９が制御され、かつスケールセンサ４９での検知結果が該ＣＰＵ８へ送られるようになっている。
【００２５】
かかる構成の装置を用いて被測定物３の厚さを測定する方法は、まず、光源１からの低コヒーレンス光を平行光状態でヘッド部２０から被測定物３へ照射する。
そして、アナログ処理装置６から出力される干渉光強度の演算結果において、干渉光の第１のピークが得られるように、第１のミラー３５と第２のミラー３６の位置を決める。具体的には、ヘッド部２０の半透鏡の反射面から被測定物３の前面までの距離をＸとすると、ビームスプリッタ３２で分岐された第１の分岐光路３３と第２の分岐光路３４との光路長差が前記Ｘと等しくなったときに第１のピークが得られる。
このとき、第２のミラー３６を一定周波数、一定振幅で振動させつつ、ステッピングモータ４１による第１のミラー３５に移動と、ピエゾアクチュエータ４３による第２のミラー３６の移動とを組み合わせて、第１のピークが得られる位置を見つけることができるが、ピエゾアクチュエータ４３による移動可能な距離は比較的小さいので、主にステッピングモータ４１を用いて第１のミラー３５を移動させることによって第１のピークが得られる位置を見つけるのが好ましい。あるいは、ステッピングモータ４１を用いて第１のミラー３５を、第１のピークが得られる位置の近傍にまで移動させておき、続いて第１のミラー３５を固定した状態で、ピエゾアクチュエータ４３によって第２のミラー３６の位置を微調整して第１のピークが得られる位置に設定してもよい。第１のピークが得られるときの第２のミラー３６の位置をＬ１とする。
【００２６】
次いで、第１のミラー３５を固定した状態で、第２のミラー３６の振動を続けながら、ピエゾアクチュエータ４３を駆動させて該第２のミラー３６をビームスプリッター３２から離れる向きに移動させる。そして、アナログ処理装置６から出力される干渉光強度の演算結果において、干渉光の第２のピークが得られる位置を見つける。第２のピークが得られるときの第２のミラー３６の位置をＬ２とする。
そして、前記Ｌ１からＬ２へ至るまでの第２のミラー３６の移動量（ΔＬ）をスケールセンサ４９で測定し、その結果をＣＰＵ８へ送る。
【００２７】
本実施形態の装置にあっては、第３の光ファイバ１３から出射される光は、半透鏡からの参照用反射光と被測定物３からの検査用反射光の両方を含んでいる。したがってこれをビームスプリッタ３２で分岐した２つの分岐光（第１の分岐光路３３の透過分岐光および第２の分岐光路３４の反射分岐光）の光強度に関しては、いずれも参照用反射光に由来する参照ピークと、被測定物３の前面からの反射光に由来する前面ピークと、被測定物３の後面からの反射に由来する後面ピークを含んでいる。
そして、参照ピークと前面ピークの時間軸上のずれは半透鏡から被測定物３の前面までの距離Ｘに対応する。また、前面ピークと後面ピークの時間軸上のずれは被測定物３の厚さｔに対応する。したがって、第２のミラー３６の移動量ΔＬはｔに比例する。具体的には△Ｌ（ｍｍ）＝ｎ×ｔ（ｍｍ）という関係が成り立つ。
本実施形態において被測定物３の屈折率（ｎ）は既知であるので、第２のミラー３６の移動量ΔＬから被測定物３の厚さ（ｔ）を求めることができる。
【００２８】
また、第１の受光器４で検出される干渉光は、第１の分岐光路３３を経た透過分岐光の反射成分（第１の反射成分）と第２の分岐光路３４を経た反射分岐光の透過成分（第２の透過成分）との合波により得られる干渉光であり、第２の受光器５で検出される干渉光は、第１の分岐光路３３を経た透過分岐光の透過成分（第１の透過成分）と第２の分岐光路３４を経た反射分岐光の反射成分（第２の反射成分）との合波により得られる干渉光である。
したがって、第１の受光器４で検出される干渉光の光強度と、第２の受光器５で検出される干渉光の光強度とは、位相が１８０度ずれており、時間軸上のピーク位置は一致している。また、ビームスプリッタ３２における分岐比が１：１であるので、両干渉光の光強度の絶対値は１：１となっている。
アナログ処理装置６から出力される干渉光強度の演算結果は、これら２つの干渉光の光強度の差をとったものであるので、ピーク強度は、各干渉光強度のピーク強度の略２倍となっており、各干渉光に含まれるＤＣ成分は相殺されて略ゼロとなっている。また、光源光の強度変動に起因した、各干渉光における強度変動も相殺されて略ゼロとなっている。
このように、ＤＣ成分を低減させるとともに干渉光強度を増大させることができるので、ピークの検知精度を向上させることができる。また光源光の強度変動が生じるような場合であっても、その影響を防止することができるので、測定の精度が良く、信頼性が高い。
【００２９】
また、本実施形態によれば、干渉させる２つの光束（第１の反射成分と第２の透過成分、第１の透過成分と第２の反射成分）の両方の光路長を可変とし、一方の光路長を変化させるための駆動手段としてステッピングモータ４１を用い、他方の光路長を変化させるための駆動手段としてピエゾアクチュエータ４３を用いたので、ステッピングモータ４１による粗動とピエゾアクチュエータ４３による高速微動とを組み合わせて干渉光の第１のピーク位置を精度良くかつ効率良く見つけることができる。また、第２のピークを見つける際に、ステッピングモータ４１は駆動させず、ピエゾアクチュエータ４３による高速微動を用いて第２のミラー３６のみを移動させることにより、△Ｌをより短時間で精度良く求めることができる。これにより厚さ測定の高速化を達成することができる。
また、△Ｌを見つけるために移動させる第２のミラー３６の移動距離をスケールセンサ４９で検知し、第２のミラー３６が実際に移動した距離を△Ｌとして用いるので、高精度の測定を行うことができる。
特に、ピエゾアクチュエータ４３にあっては、セラミックス材料の圧電効果が一般的にヒステリシスを有しており、印加電圧が同じ場合に変位量が必ずしも一定値にならないという特性があるが、ピエゾアクチュエータ４３を用いて光路調整する第２のミラー３６の移動距離をスケールセンサ４９で検知することにより、高精度の測定を行うことができる。
【００３０】
このように、本実施形態によれば、測定の高速化および測定精度向上を同時に達成することができるので、例えば、短い間隔で連続的に厚さ測定を行うことができる。したがって、静止状態の被測定物だけでなく、移動している状態の被測定物の厚さ測定も可能となる。また、厚さの分布も測定可能となるなど、これまでは適用できなかった測定形態や測定対象物にも適用できるようになり実用性が向上する。
【００３１】
また、本実施形態では、第１〜第３の光ファイバ１１、１２、１３を用いて光路を形成しているため、それらの光路では曲げが許される。これにより、光路設計や部品の配置の自由度が増し、装置の小型化、操作性の向上を達成することができる。
また、干渉部３０とヘッド部２０とが別体で、光ファイバによって接続されているので、ヘッド部２０の操作性が良く、多様な測定形態に適用し易い。
【００３２】
なお、本実施形態ではビームスプリッタ３２によって干渉される２組の光束（第１の反射成分と第２の透過成分、第１の透過成分と第２の反射成分）は、いずれも同じ光信号を含んでいるので、どちらをピエゾアクチュエータ４３を用いて光路調整するかは任意である。すなわち、本実施形態では第１のミラー３５が、駆動手段としてステッピングモータ４１を備えており、第２のミラー３６が、駆動手段としてピエゾアクチュエータ４３を備えているが、これらの組み合わせは逆でもよい。
また、本実施形態におけるビームスプリッタ３２として、偏光ビームスプリッタを用いてもよい。
また、第１〜第５の光ファイバ１１、１２、１３、１４、１５については、その一部または全部を、空間中の光路に置き換えることも可能である。
【００３３】
図２は、本発明の測定装置の第２の実施形態を示した概略構成図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、スケールセンサ４９を備えていない点である。
本実施形態では、ピエゾアクチュエータ４３のコントローラ（図示略）がＣＰＵ８に接続されており、該ＣＰＵ８によって制御されるようになっている。また、ピエゾアクチュエータ４３における電圧変位量が該ＣＰＵ８へ送られるようになっている。本実施形態では、ピエゾアクチュエータ４３における電圧変位量から△Ｌの値を求める。
【００３４】
本実施形態によれば、第１の実施形態と比べると測定精度の点では劣るものの、高速で厚さ測定を行うことができる。また、スケールセンサ４９を備えていない分だけ、装置が小型化され、製造コストも低減される。
【００３５】
第３の実施形態として、前記第１および第２の実施形態において、被測定物３に照射される光を集光状態の光に変更し、その他は同様の構成とした形態も用いることができる。
具体的には、ヘッド部２０において、半透鏡を透過した光を集光させる集光手段を、半透鏡と光軸が一致するように設けて、ヘッド部２０から集光状態の光を被測定物３に照射する構成とすることができる。
【００３６】
本実施形態において、ヘッド部２０から集光状態の光を照射するために用いる集光レンズ（以下、照射用集光レンズという）の焦点距離は、特に限定されず、ヘッド部２０の大きさや、ヘッド部２０から被測定物３までの距離等の条件に応じて決められる。例えば、照射用集光レンズの焦点距離が長いほど、測定可能なヘッド部２０から被測定物３までの距離の許容範囲が広くなるが、ヘッド部２０は大型化する傾向がある。
また、被測定物３に光を照射する際は、該照射光（集光状態の光）の焦点が被測定物３の前面上にある完全集光状態でもよく、照射光の焦点が被測定物３の前面よりもヘッド部２０から遠い位置にある不完全集光状態でもよい。
【００３７】
被測定物３に照射される光の集光状態は、第２の光ファイバ１２から照射用集光レンズの主面までの距離Ａ、および照射用集光レンズから被測定物３の前面までの距離Ｂの少なくとも一方が変化すれば変わる。Ａは照射用集光レンズの位置を変化させることによって調節することができる。またＢは、ヘッド部２０と被測定物３との距離を変化させることにより任意に変更可能である。
例えば、Ｂの好ましい範囲が決まっているときは、まずそのＢの範囲を満たすように被測定物の位置を決めてから、好ましい集光状態が得られるように第２の光ファイバ１２から照射用集光レンズの主面までの距離Ａを決めることができる。またＢが任意に変化する場合は、測定の度に、Ｂに応じて照射用集光レンズを前進または後退できるように構成すればよい。
また、被測定物３の前面における照射光のビーム半径は、例えば、第２の光ファイバ１２の出射端面におけるビーム直径が１０μｍの場合、１５〜５０μｍ程度であることが好ましい。
【００３８】
得ようとするビーム半径が決まっているとき、Ａを大きくすればＢは小さくなり、逆にＡを小さくすればＢは大きくなる。測定の操作性からは、ＡよりもＢの方が大きい方が好ましく、被測定物３からの反射光が十分に得られる範囲で、Ｂが大きいほどより好ましい。
また、照射用集光レンズの光軸方向と、被測定物３の厚さ方向とは、ほぼ一致することが好ましいが、本実施形態では若干のズレが許される。具体的には、被測定物３の前面および／または後面の表面粗さ状態にもよるが、例えば照射用集光レンズの光軸方向と被測定物３の厚さ方向との成す角度が、±０．５°以下の範囲で測定が可能である。
【００３９】
本実施形態によれば、被測定物３の前面および／または後面が平坦でなくて粗さがある場合でも厚さ測定が可能となる。
一般に、粗さを有する面からの反射光は、その面粗さによってランダムな方向に、広がりをもつようになるが、本実施形態では、照射用集光レンズ等を用いて被測定物に対して集光状態の光を照射するので、被測定物からの反射光の角度が該照射用集光レンズにより修正され、第２の光ファイバ１２に戻り易くなる。このため、被測定物３の前面および後面の表面状態の制限が緩和され、反射光が散乱してしまう被測定物３に対する測定も可能となる。さらに、被測定物３の厚さ方向と光軸方向のずれの許容範囲も大きくなる。よって、測定形態、測定対象が拡大され、装置の実用性がより向上する。
【００４０】
本発明は、表面上のコーティング材の厚さや、完全に固体になっていない膜の厚さ測定に適用することができる。
例えば、本発明の厚さ測定装置を備えた塗布装置を構成すれば、塗布直後の膜厚を厚さ測定装置にて非接触で迅速に測定し、その測定結果を塗布装置にフィードバックすることにより塗布量を調整して膜厚を制御することができる。
【実施例】
【００４１】
（実施例１）
図１に示す構成の装置を用いて、表裏面が平坦面である被測定物（屈折率既知）の厚さ測定を行った。
被測定物３としてはガラス板を用いた。ステッピングモータ４１は、オリエンタルモータ社製の、最小ステップ角０．７２°のものを用いた。ピエゾアクチュエータ４３は、ＣＥＤＲＡＴ社製の、動作範囲２００μｍ、動作速度８００Ｈｚのものを用いた。スケールセンサ４９は、Ｓｏｎｙ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ社製の、出力分解能０．０５μｍ、スケール精度±２．５μｍのものを用いた。受光器４，５は、１５５０ｎｍ帯ＰＤを用いた。光源１としてはＥＸＡＬＯＳ社製、１５５０ｎｍＳＬＥＤ、半値幅１２０ｎｍ、コヒーレント長６μｍのものを用い、被測定物３には平行光を照射した。
同じ被測定物３についての厚さ測定を、一定の条件で２０回繰り返したときの、測定値の変動幅は±０．５μｍであった。また１回の測定に必要な測定時間は、平均で１０ミリ秒であった。
測定時間がこの程度であれば、１．２ｍ／分程度の速度で移動中の被測定物に対しても厚さ測定を行うことが可能である。
【００４２】
（比較例１）
実施例１で使用した装置において、ピエゾアクチュエータ４３およびスケールセンサ４９を用いないで、厚さの測定を行った。被測定物３も実施例１と同様のものを用いた。
すなわち、本例においては、第２のミラー３６は移動させず、ステッピングモータ４１を用いて第１のミラー３５のみを移動させることによって光路長を変化させた。光路長の変化量はステッピングモータ４１における駆動機構の変位量から求めた。
実施例１と同様にして、同じ被測定物３についての厚さ測定を、一定の条件で２０回繰り返したときの、測定値の変動幅は±１μｍであり、実施例１の方が測定精度に優れていた。
また本例における１回の測定に必要な測定時間は、平均で３秒であり、実施例１の方が格段に速かった。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の装置の他の実施形態を示す概略構成図である。
【図３】従来の装置の例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…光源、３…被測定物、
４…第１の受光器（検出手段）、５…第１の受光器（検出手段）、
３２…ビームスプリッタ（干渉手段）、４１…ステッピングモータ、
４３…ピエゾアクチュエータ、４９…スケールセンサ。
【図１】
2005283387.tif 000003
【図２】
2005283387.tif 000004
【図３】
2005283387.tif 000005