(57)【要約】【課題】  可視光が透過しない誘電体物質に対して対象物質の厚み、物質中にある欠陥や異物の深さ、高さを測定する変位測定方法、装置を提供する。【解決手段】誘電体物質を透過するミリ波・テラヘルツ波を照射波と使用することにより、減衰することなく、測定面１０８からの反射波と参照面１０９からの反射波の干渉波によって、高精度に測定対象物の厚み、深さ、高さの情報を取得することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミリ波あるいはテラヘルツ波からなる照射波を対象物に照射し、前記対象物の表面と、前記対象物の裏面もしくは対象物中の反射面からの反射波と、所定の参照面からの反射波とを干渉させて干渉波を干渉信号として検出する検出部と、
前記検出部の出力により、前記対象物の表面と、前記対象物の裏面もしくは対象物中の前記反射面との間の距離を算出する算出部と、を備える、
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の干渉測定装置であって、
前記検出部は前記照射波の周波数を可変にして、前記周波数と干渉強度値から前記距離を算出する、
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の干渉測定装置であって、
前記算出部は、前記干渉信号から距離を算出する時に、可変幅内の周波数と干渉強度の極大値、もしくは、極小値から、前記参照面と前記対象物との距離を算出する、
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の干渉測定装置であって、
前記検出部は、前記ミリ波あるいはテラヘルツ波となる電磁波の発生に、入力周波数を逓倍化して出力できるアクティブマルチチェイン型ショットキーバリアダイオードを用いる、
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載の干渉測定装置であって、
前記検出部は、前記ミリ波あるいはテラヘルツ波となる電磁波の発生に、ＶＣＯ（Voltage Control Oscillator）を発振源としているガンダイオードを用いる、
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項６】
請求項１に記載の干渉測定装置であって、
前記検出部は、前記対象物の距離を測る場合に、前記参照面として、前記対象物の前記測定面とは異なる面を用い、当該二面間の距離を測定する、
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項７】
請求項１に記載の干渉測定装置であって、
前検出部は、前記対象物の距離を測る場合に、検出光路中にピンホールを設置して、ピンホールの共役位置の干渉距離を測る、
ことを特徴とする渉測定装置。
【請求項８】
請求項１に記載の干渉測定装置であって、
前記検出部に、ライン状検出器アレイを用いる、
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項９】
請求項１に記載の干渉測定装置であって、
前記ミリ波あるいはテラヘルツ波となる電磁波を発振する発振部と前記検出部を１つのデバイス中に形成する、
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の干渉測定装置であって、
前記ミリ波およびテラヘルツ波の波長は、３０μｍ〜１０ｍｍである、
ことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項１１】
干渉測定方法であって、
ミリ波あるいはテラヘルツ波からなる照射波を対象物に照射し、対象物の表面と、裏面もしくは対象物の中の反射面からの反射波と、所定の参照面からの反射波とを干渉させ、その干渉波を干渉信号として検出することにより、前記対象物の表面と、裏面もしくは対象物の中の前記反射面との間の距離を検出する、
ことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の干渉測定方法であって、
前記照射波の周波数を可変にして、前記周波数と干渉強度値から距離を算出する、
ことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の干渉測定方法であって、
前記干渉信号から距離を算出する時に、可変幅内の周波数と干渉強度の極大値、もしくは、極小値から、前記距離を算出する、
ことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の干渉測定方法であって、
前記ミリ波あるいはテラヘルツ波となる電磁波の発生に、入力周波数を逓倍化して出力できるアクティブマルチチェイン型ショットキーバリアダイオードを用いる、
ことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項１５】
請求項１１に記載の干渉測定方法であって、
前記ミリ波あるいはテラヘルツ波となる電磁波の発生に、ＶＣＯ（Voltage Control Oscillator）を発振源としているガンダイオードを用いる、
ことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項１６】
請求項１１に記載の干渉測定方法であって、
前記対象物の距離を測る場合に、前記参照面として、前記対象物の前記測定面とは異なる面を用い、当該二面間の距離を測定する、
ことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項１７】
請求項１１に記載の干渉測定方法であって、
前記対象物の距離を測る場合に、検出光路中にピンホールを設置して、ピンホールの共役位置の干渉距離を測る、
ことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項１８】
請求項１１に記載の干渉測定方法であって、
前記ミリ波、あるいはテラヘルツ波の波長は、３０μｍ〜１０ｍｍである、
ことを特徴とする干渉測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は干渉測定方法、及び装置に係り、特にミリ波およびテラヘルツ波を用いた物質の厚み、及び物質中にある特定の物質の高さの測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミリ波を用いて変位を測定する方式の１つとして、ミリ波に変調を掛けて距離を測定する車載レーダ装置がある。この車載レーダは、周波数６０〜６１ＧＨｚ、及び７６〜７７ＧＨｚ（波長４．９〜５ｍｍと３．８〜３．９ｍｍ）の電波を使用し、１９９０年ごろから実用化されている。この方式では、発振周波数をＦＭ変調してアンテナから発射し、ターゲットから反射された信号を元の信号と掛け合わせてアナログ処理して、信号処理からターゲットの相対速度とターゲットまでの距離を算出している。動作距離は、おおよそ数ｍから百数十ｍで検出が可能となっている。
【０００３】
また、半導体レーザ（laser diode :ＬＤ）やスーパルミネッセントダイオード（super luminescence diode：ＳＬＤ)の駆動電流に変調を掛けて干渉計光源とし、基準面からの反射光と、測定対象物からの反射光を干渉させて、その干渉光の強度変化から測定対象物の位置や反射面の高さを検出する方法が近年研究され、ＳＳ−ＯＣＴ（Swept Source-Optical Coherence Tomography）と称されている。
【０００４】
なお、車載レーダに関する先行技術文献として、例えば特許文献１、ＳＳ−ＯＣＴに関する先行技術文献として、例えば非特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９４８３８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】板谷正紀、“眼底用光干渉断層計の進歩”MEDICAL PHOTNICS, NO7
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したミリ波を用いた車載レーダは、前方の車両を検出する目的で設計されているため、測定距離の検出精度はおおよそ数十センチ程度となっている。それに対し、例えば、誘電体物質下あるいは、物質中の物体の高さ測定、あるいは、誘電体膜の厚さむらを測定する場合の要求精度は数μｍオーダーのため、このような測定対象の要求を満足することはできない。
【０００８】
一方、光学的な干渉現象を利用した変位の測定方式では従来から、可視光（波長が約３５０ｎｍ〜約７５０ｎｍ）あるいは、近赤外光（波長が約１μｍ近傍）を利用した事例がなどで報告されている。この波長を利用した場合には、測定対象部質の表面からの反射光を利用するために、表面の変位が測定できる。眼科用の変位測定装置では、生体の波長に対する吸収率から近赤外光の利用も盛んになっている。しかし、この波長領域を利用した場合には、物質での吸収率が高く、内部の変位情報を取得することが困難である。そのため、可視光により目視で透過して見えない物質の内部にある不透明物質の変位や、可視光で不透明な薄膜の膜厚、薄膜下地の凹凸などは、従来の光学方式の変位測定装置では測定ができない。
【０００９】
非特許文献１に見るように、眼底検査用のＳＳ−ＯＣＴでは、波長は８００ｎｍ〜９００ｎｍの赤色レーザ光、あるいは、波長が１０５０ｎｍの赤外線レーザを使用し、眼底部の網膜などの検査に活用されている。この場合、波長が１μｍ近傍であるため、赤外光よりも比較的水分への吸収が少なく、従来の赤色（８００ｎｍ近傍）光源より深い領域の眼科的な観察を可能としているが、眼底網膜、さらにその下層の脈絡膜の観察にとどまっている。それは、この領域の光の場合は、誘電体製の物質の吸収による減衰が大きいためのである。このような理由により、従来のＳＳ−ＯＣＴ方式は、物質を透過して厚みを測るとか、誘電体中の物質の高さ、サイズを測定するには適しておらず、誘電体裏の物質、或いは欠陥などの変位計測には利用できない。
【００１０】
本発明の目的は、上述した課題を解決し、物質の厚み、及び物質中にある特定の物質の高さを高精度に測定する変位測定方法、及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明においては、干渉測定方法であって、ミリ波あるいはテラヘルツ波からなる照射波を対象物に照射し、対象物の表面と、裏面もしくは対象物の中の反射面からの反射波と、所定の参照面からの反射波とを干渉させ、その干渉波を検出することにより、対象物の表面と、裏面もしくは対象物の中の反射面との間の距離を検出する干渉測定方法を提供する。
【００１２】
また、上記の目的を達成するため、本発明においては、ミリ波あるはテラヘルツ波からなる照射波を対象物に照射し、対象物の表面と、対象物の裏面もしくは対象物中の反射面からの反射波と、所定の参照面からの反射波とを干渉させて干渉波を検出する検出部と、検出部の出力により、対象物の表面と、対象物の裏面もしくは対象物中の反射面との間の距離を算出する算出部とを備えた構成の干渉測定装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の構成により、ミリ波あるいはテラヘルツ波を用いて変位を測ることにより、構成物質の厚み、表面のうねりなどの測定が可能となる。更に、ミリ波やテラヘルツ波を用いて周波数変調を利用し、複数の周波数における干渉信号の特性を得ることができるため、参照面と測定面間の位相差の計算の容易化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１に係る、変位測定装置の全体構成の一例を示す図である。
【図２】実施例１に係る、干渉計部の詳細構成の一例を示す図である。
【図３】実施例１に係る、ＳＳ−ＯＣＴの動作原理を説明するための図である。
【図４】実施例１に係る、ギャップが狭い場合と広い場合の干渉縞の発生比較を示す図である。
【図５】実施例１に係る、干渉縞から変位（ギャップ）を求めるシーケンスの一例を示す図である。
【図６】実施例１に係る、凸面か、凹面かの判定シーケンスの一例を示す図である。
【図７】実施例１に係る、ＳＳ−ＯＣＴの干渉信号の一具体例を示す図である。
【図８】実施例２に係る、板厚の測定原理を示す図である。
【図９】実施例３に係る、干渉計測と膜下の異物検査の原理を示す図である。
【図１０】実施例４に係る、共焦点方式による高解像度多点測定の一例を示す図である。
【図１１】実施例５に係る、発振器と受信器の一デバイス化した干渉計部の一例を示す図である。
【図１２】実施例６に係る、並列センシングによる検出効率向上を図る構成を示す図である。
【図１３】実施例７に係る、多分割ミラー形状の参照面による検出効率向上を図る構成を示す図である。
【図１４】各実施例に係る、テラヘルツ波の誘電体物質透過率を説明するための図である。
【図１５】各実施例に係る、膜厚の変動を説明するための図である。
【図１６】各実施例に係る、膜中欠陥の検出を説明するための図である。
【図１７】各実施例に係る、生体皮膚組織の異常検出・計測を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための種々の形態を、図面に従い説明する。本発明で用いるミリ波あるいはテラヘルツ波とは、その波長が３０μｍから１０ｍｍの波長の電磁波をいう。まず、本発明の各種の実施例を説明する前に、これらのミリ波あるいはテラヘルツ波を用いることの技術的な意味を概説する。
【００１６】
（１）ミリ波あるいはテラヘルツ波は誘電体物質を透過する性質がある。本発明によれば、物質を透過して、構成物質の厚み、表面のうねりなどの測定が可能である。さらに、誘電体物質の下層の状態が判る。つまり、下層が平面でない場合の形状、凹凸、あるいは、キズのような凹み、凸形状などを通常の可視光では、計測できない高さ、深さを、透過する性質を利用して、計測することが可能である。
【００１７】
（２）ミリ波の発信源であるショットキ−バリアダイオード（ＳＢＤ）は入力周波数を逓倍して出力するので、入力周波数を変えることによって、容易に周波数変調が実現できる。また、もう一方の発信源のガンダイオード(Gunn Diodes)では、ＶＣＯ（Voltage Control Oscillator）になっているので、周波数変調が容易であり、変調を掛けた干渉波のデータ値から距離の測定が容易である。
【００１８】
（３）さらに、可変したときの各周波数でのコヒーレンシが良いために、可干渉距離が長く、各周波数での干渉信号がS/N良く得られる。
【００１９】
（４）ダイオードから導波路＋アンテナにより、空間に放出するために、直線偏波の方向選択性が高く、干渉効果を効率的に形成できる。また、電波の発振と受信は１つのデバイスで兼用することができるので、簡単な構成で干渉計の機能の実現が可能である。
【００２０】
ミリ波やテラヘルツ波を用いて周波数変調を利用した変位測定方式では、複数の周波数における干渉信号の特性を得ることができるため、参照面と測定面間の位相差の計算が容易にでき、一般的なＯＣＴ計算方式と比較して、計算方式は簡易であるために、高額な演算処理機が不要であり、かつ、高速な演算が可能となる。
【実施例１】
【００２１】
第一の実施例は、対象物として、特にミリ波を透過する誘電体物質で形成された膜の下あるいは、膜中にある物質の変位量、高さを測定する変位測定方法、および変位測定装置に関する実施例である。
【００２２】
まず、本実施例において、ミリ波の発振源としては、半導体物質であるガンダイオード、ショットキーバリアダイオードを用いた発振源、その他には、波長可変半導体レーザ（ＬＤ）を種光として非線形結晶を用いた周波数変換による発振源、ＬＣ回路を用いた高周波回路による発振源などが利用でき、いずれであってもその発振周波数を可変することは容易である。ミリ波、テラヘルツ波を使用することによって、可視光では透過しないために測定ができない不可視物体の膜厚、あるいは物体の下、および、中に形成されている反射物体（反射面）の変位、高さ、深さの測定を可能とする変位測定方法、および変位測定装置を実現できる。
【００２３】
まず、図１を用いて、ミリ波の発振器と受信器として、ショットキーバリアダイオードを用いた本実施例の干渉計システムの一構成例を説明する。図１において、算出部、処理部として機能するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１００の制御の下、インタフェース（Ｉ／Ｆ）１０１、発信器１０２、シンセサイザ１０３、導波管とアンテナが付設されたＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）のＡＭＣ（Active Multi Chain）１０４、ビームスプリッタ１０５、導波管とアンテナが付設されたセンサＳＢＤ１０６、ロックインアンプ１０７、測定面１０８、参照面１０９から構成され、ＰＣ１００の制御信号がＩ／Ｆ１０１を介してシンセサイザ１０３に送られ、駆動周波数スキャン（１２．５ＧＨｚ〜２０ＧＨｚ）がなされる。シンセサイザ１０３の出力はＡＭＣ（ＳＢＤ）１０４に送られる。
【００２４】
本装置構成では、干渉波の位相差から変位を算出するために、発振部であるミリ波の発振器１０３の周波数を変えて測定する。発振部側では、ＰＣ１００からの指示を、Ｉ／Ｆ１０１経由で、シンセサイザ１０３に入力することにより、周波数を可変する。シンセサイザ１０３の出力をＡＭＣ（ＳＢＤ）１０４に供給して、逓倍したミリ波を出力している。シンセサイザ１０３では、１００ＧＨｚを中心周波数とすると、その出力は７５ＧＨｚ〜１２０ＧＨｚ間で周波数の変調を掛けている。また、別途、１ｋＨｚで発振している発信器１０２から発振器側と受信器側の同期信号を供給している。受信側には、微弱信号検出用にロックインアンプ１０７があり、同期を掛けたバンドパスフィルターで、強力にノイズを除去した後、干渉波の強度をＰＣ１００に出力して、高感度な干渉計測を実現している。
【００２５】
次に、図２を用いて、干渉計の機能として実現する光学系の構成を説明する。周波数変調が掛ったミリ波を干渉測定用に使用する。例えば、１００ＧＨｚを中心周波数とすると、７５ＧＨｚ〜１２０ＧＨｚまでを周波数変調して利用している。その他の周波数については、２０ＧＨｚ〜４０ＧＨｚ、４０ＧＨｚ〜６０ＧＨｚ、５０ＧＨｚ〜７５ＧＨｚ、６０ＧＨｚ〜９０ＧＨｚ、９０ＧＨｚ〜１４０ＧＨｚ、１４０ＧＨｚ〜２２０ＧＨｚなどのＡＭＣ製品が販売されており、上記の干渉計の構成に供給することが同じく可能である。
【００２６】
この光源であるＡＭＣ１０４からのミリ波を、ミリ波を透過する樹脂材質のレンズを用いて、所望のビーム形状に成型して、対象物に照射して、その反射光をセンシングすることによって、対象物の変位、深さ、高さを計測可能とする。干渉計の構成と、干渉する現象は、通常のレーザを利用した干渉計と原理構成は同等である。本実施例を実現するミリ波での高さ、変位測定についての動作原理を以下に説明をする。
【００２７】
まず、本実施例のミリ波による干渉による変位計測では、コヒーレントな可干渉性のある電磁波の発振源を使用する。ミリ波は、可干渉距離が長く、干渉計測に適した電磁波源である。この波動源から供給したビームは、図２の（ａ）に示す干渉計に供給される。干渉計部分では、ワイヤーグリッド偏光子、あるいは、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０５にて２分岐される。ここで、偏波の方向を光学分野での用語を用いて定義する。すなわち、反射面の垂線と入射波入射角度で作る平面と平行な面をＰ偏波（Ｐ偏光）面、垂直な面をＳ偏波（Ｓ偏光）とする。干渉系を形成する場合には、２方向に分割する必要がある。導波管とアンテナが付設された発振源であるＡＭＣ１０４からの偏波面をＰ偏波とする時、出射された電磁波はレンズを介してビームスプリッタ１０５に入射する。このビームスプリッタ１０５の反射面の偏波面は、それから４５°回転した方向に設置する。ビームスプリッタ１０５を透過した透過４５°成分の電磁波は、参照面１０８として用意した参照ミラーで反射して、発振源側に戻る。また、ビームスプリッタ１０５で分岐されたもう一方の反射４５°成分の電磁波は、高さの測定対象としている測定面１０９で反射されて、発振源側に戻る。
【００２８】
参照面１０８からの戻り電磁波の内、λ／２通過により方位角が９０°代わり、偏波面が入射時とは変化した電磁波が、ビームスプリッタ１０５で反射して、導波管とアンテナが付設されたセンサＳＢＤ１０６へ届く。測定面１０９側の場合には、λ／２通過により方位角が９０°代わり、偏波面が入射時とは変化した電磁波が、ビームスプリッタ１０５で反射されず、透過してセンサＳＢＤ１０６に届く。この戻り電磁波は、お互いに９０°偏波面方向が異なるので、そのままでは干渉しない。干渉させるためには、測定面と参照面に対して、４５°の方向の偏光成分を選択する。ミリ波の場合には、センサＳＢＤ１０６に付設されたアンテナと導波路に偏波面の選択機能があるので、参照面１０９から反射したミリ波と測定面から反射したミリ波は干渉を起こすため、４５°方向に偏波面を合わせる様に、Ｓ偏波の方向に設置すると、両反射波からの干渉波形を得ることができる。このように、センサＳＢＤ１０６に付設したアンテナと導波路の組合せに偏光選択性があるので、可視光や赤外光を使用する場合と異なっていて外付けの偏光素子を必要としない。
【００２９】
参照面１０８を固定した場合には、測定面１０８の位置の変位情報は、測定に使用するミリ波の波長が測定のスケールになる。つまり、図２の（ｂ）に示すように、参照面１０９と測定面１０８の相対変位差を測定することになる。
【００３０】
干渉計で測定できる干渉波の強度I(r)を式に示す。
I(r)=Is+Ir+2×√（Ir+Is×COS（θs−θr）)
ここで、Is：測定光の強度、Ir：参照光の強度
Θs：測定光の位相、θr：参考光の位相
なお、この基本構成の干渉計による変位の測定には、課題が２つある。その課題を説明する。
まず、干渉強度の情報のみを考慮した場合、測定可能範囲に課題がある。この干渉方式では、干渉波形の位相差を変位計測に用いるために、参照面を基準として、変位を測定する必要がある。しかし、干渉波形は光源波長のλ/２を周期としているので、位相差λ/２を超える位相差が有る場合には、干渉波が繰り返し波形のために基準面との変位を認識するためには、基準面と同一時の位相差を原点として、干渉波の波数をカウントして、変位を計測することが必要である。また、この方式では、環境の変動により、参照面と測定面との変位が生じる場合には、常に参照面の認識をし直すこと、つまり、キャリブレーションと呼ばれる原点登録操作に近似した操作が必要になり、動作が煩雑である。そのため、工業用に多画素の干渉計を実現する場合には使い勝手が悪い。
【００３１】
次に、干渉距離を測る際、上記の事例の測定周波数を一定にして置いて、参照面あるいは基準面との物理的な位置差から測る場合では、参照面位置情報が無くなると測定値が出せない。そこで、常に参照面情報を保持しておく必要があり、情報が欠落したら再度採取が必要であり、測定が不便である。この方式は、タイムドメイン（ＴＤ）−ＯＣＴと呼ばれている方式であり、低速、且つ原点登録が必要なことなどの欠点があった。その対策として、測定用の電磁波の周波数を変えて、干渉信号の周波数別の変化を測定することによって、干渉面間の変位を求める方式が考案された。
【００３２】
この方式の一つに、測定センサ側に分光器を用いて、干渉信号の分光スペクトル別の信号強度から、測定面の面位置の算出を行う、スペクトラルドメイン（ＳＤ）−ＯＣＴがある。しかし、この方法では、測定に時間が掛ることや、分光器のロスがあるために、波長の算出精度に限界があることが報告されている。そこで、この不具合の対策をするために、干渉計に照射する電磁波の周波数を変えて、その周波数毎に干渉信号強度を得る方式が、光学の分野で近年開発されている。Ｓｗｅｐｔ−Ｓｏｕｒｃｅ（ＳＳ）−ＯＣＴと呼ばれ、現在、眼底診断装置で使用されている。
【００３３】
本実施例のミリ波を利用する変位測定装置の構成では、このＳＳ−ＯＣＴの方式を採用し、更に距離の算出方法に次に説明する考案をした。
【００３４】
図３に、本実施例のミリ波を利用するＳＳ−ＯＣＴの距離算出の原理構成を示す。同図において、光源の周波数を変えて、干渉波を得る場合、基準面（図中では、上面）３０１と測定面（図中では、下面）３０２の間で、入射波と反射波の波形が同じ形状の場合には、上面と下面からの反射波が重なった時に、干渉波は強め合うことから、干渉波は最大振幅になる。一方、上面からの反射波と下面からの反射波の、山と谷がちょうど一致している場合には、干渉波は互いに打ち消し合うことから、干渉波は最少振幅になる。そして、周波数を変えながら、この干渉波の強度を測定することによって、上面と下面との距離を算出することができる。
【００３５】
図４に、ＳＳ−ＯＣＴ方式でのギャップと干渉縞の本数の違いを画像で表現した図を示す。ギャップが狭い場合と広い場合を比較すると、同図上段の４０１に示すように、ギャップが狭い場合には、明暗を表現する干渉波の周波数は数が少なく、干渉縞間隔が粗いが、同図下段の４０２に示すようにギャップが広くなると、その数が増加し、干渉縞間隔が細かくなる様子が認識できる。
【００３６】
以下に、本実施例のミリ波を用いた変位測定装置の構成において、周波数変調波を光源とした場合の、算出部における高さ、厚さ方向の測定の寸法算出方法について説明をする。
まず、通常のコヒーレントな光源を使用した時のＳＳ−ＯＣＴの計算方式について、説明する。変調波の波長λとするとき、波数は２π/λとなる。
【００３７】
この時の干渉の強度S(ｋ)は、次式で求められる。
S(ｋ)=Is(ｋ)+Ir(k)+2×√{Is(k)×Ir(k)×Σn(an×cos(k×Zn＋φ(k))
Is(k)、Ir(k)：信号波と参照波のスペクトル分布
ｋは測定光源の波数、
Anは深さZnでの反射率、φ(k)は信号波と参照波の位相差
干渉強度の一定明度レベル（ＤＣレベル）、つまりIs(k)+Ir(k)を引いた、干渉波形の変化成分（ＡＣレベル）は、干渉強度を示す。つまり、干渉信号のみのパワースペクトル密度は下記の関係になる。
【００３８】
Sinterf(k)=2×√Is(k)×Ir(k)×cos（kZn+φ(k)）
Wiener-Khinchinの定理によると、このパワースペクトル密度は自己相関関数のフーリエ変換に等しい。よって、スペクトル干渉信号をフーリエ逆変換することによって、干渉の変位を計算することができて、つまり、試料面での変位（干渉距離）を算出することができる。波長１μｍ近傍のＬＤやＳＬＤを用いた光学のＳＳ−ＯＣＴでは、変位（干渉距離）を算出するためにこの計算をしている。しかし、この計算方法では、計算が複雑で、フーリエ変換の境界条件の条件設定に依っては、算出誤差を発生させる可能性がある。そこで、本実施例の構成においては、この通常のフーリエ変換に代わる、新たに考案した変位の計算方式を用いる。
【００３９】
図５に、本実施例の算出部であるＰＣ１００での計算シーケンスの一例を示した。本実施例の方式では、ギャップ量と、干渉信号の極大になる周波数との関係に着目してギャップ量の計算を行う。まず、図５の計算シーケンス５００においては、ギャップが狭い場合から場合分けをする。
【００４０】
同図の（ｂ）に示す周波数を下限値から上限値へスキャンして干渉波の強度特性データを取得した時（５０１）、干渉波が極大値を持たない場合には、ギャップが小さいことが想定できる。この場合には、同図の（ｂ）に示すf1周波数とf2周波数の干渉波信号値を用いて、ギャップ量の算出を行う（５０３−５０８）。
【００４１】
次に、干渉波の極大値が一つか否かを判定し（５０９）、極大値が１つの場合を分ける。この場合には、極大値になる周波数の波長その数値がギャップ量である（５１０、５１１）。次に、干渉波の極大値が２つ以上有る場合、全ての極大値の周波数（波長）をリストアップし（５１２）、その最小公倍数を算出する（５１３）。次に、基準面に対して、凸面（プラス値）か凹面かの判定が必要か判断し（５１４）、不要の場合、最小公倍数がギャップとなる（５１４、５１５、５１６）。さらに、基準面に対して、凸面（プラス値）、凹面になっているかの判定が必要とした場合、判定シーケンス（５１７）を行う。
【００４２】
図６にこの判定シーケンスを説明するシーケンス図を示した。同図の（a）の判定シーケンス６００が、図５の判定シーケンス（５１７）に対応する。
【００４３】
まず、図６の（ｂ）において、実際の測定の状態を図示すると、順次測定する中では、照明スポット径は絞り込んだ場合にも、数mmの径になり、垂直段差（板厚）の場合にも、高さ（厚み）数値は２画素以上に渡って、変位データを持つことになす。この傾向から、極大値周波数の変化をトレースすることによって、凹、凸の判定を行う。すなわち、測定面が参照面より上側に有る時、干渉波の極大値の周波数は、高い方向にシフトするが、測定面が参照面より下側に有る時は、逆の特性を示す。この傾向より、極大値の周波数の変化をたどることによって、凸形状か、凹形状化の判定が行える。板厚の測定の場合には、
（測定側とは反対面）裏面を基準（参照面）とする時、凸判定の中で板厚の数値を得ることになる。この方式では、複雑な計算をすることなく。また、窓関数の設定などの条件を設けなくても、干渉波の特徴からギャップ量の算出が可能である。
【００４４】
図７に、本実施例の図１と図２に示した干渉計システムで、位相差を測定した事例を示す。この測定事例では、周波数は78GHｚから102GHｚ間を可変して、干渉波の強度を測定した。周波数毎の極大値を求めると、下表の数値になった。
表
2016176689.tif 000003
【００４５】
極大値の周波数から、波長を算出し、その最小公倍数で位相差を求めると63.4mmとなる。この時、干渉計システムの参照面と測定面の距離は、63.4/2＝31.7mmであった。この事から、極大値計算方式による、位相差の算出とそれを用いた変位量の算出は可能であること明らかである。また、位相差が少ない場合には、極大値を持たないことになる。その場合には、任意の周波数を２つ選定して、その周波数での干渉強度値から位相差を計算して、変位量の算出が可能であるが、ここでは、計算は省略する。なお、上記の計算例では、干渉波の極大値に着目して位相差を計算している。しかし、計算には、極小値を用いることも同じく可能であり、同様の手法を用いて、同等の結果を得ることができる。
【００４６】
なお、図１に示した本実施例の干渉計システムにおいては、発振周波数を変化させる手段として、高周波信号源にて周波数変調をさせる条件についての説明をした。しかし、変調させる手段は他にもある。たとえば、注入電流の変化によって、ＬＤから発せられるレーザ光の波長の変動させることができる。この技術をミリ波の発振に応用する場合には、可視光ＬＤ光で発光する可視光あるいは、赤外光をミリ波に変換することが必要である。
このような用途に適した部品として、非線形結晶を用いることが可能である。この非線形結晶の種類としては、ＫＴＰ(KTiOPO4)、ＤＡＳＴ(4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate)などがある。使用波長と結晶方位、位相整合角度などの条件から特定のミリ波の周波数に応じた整合が必要であり、各結晶毎に条件を設定して使用する。
【実施例２】
【００４７】
図８を用いて、第２の実施例として、干渉計の形態の他の実施例についての説明を行う。同図の対象物１２０の板厚、即ち上面と下面間の厚みを測る本実施例においては、参照面(基準面)は対象物１２０の下面に設定することにする。この場合には、図２に設置した参照面１０９は必要がなく、対象物１２０の下面基準での板厚の算出が可能である。
【実施例３】
【００４８】
次に図９を用いて、第３の実施例として、対象物１２０の層厚の測定の他に、層の内部や底面に欠陥や膜中異物１１１が有った場合の測定と異物検出の実施例について説明をする。対象物１２０の膜厚の測定は図８に示した実施例２と同じであるが、散乱波による欠陥や膜中異物１１１の検出をする場合には、層表面からの反射光は背景ノイズとなることから除去が必要である。そこで、同図の（ｂ）に示すように、λ／２板の回転角度を調整することによって、層上面からの反射波を低減して、膜中異物１１１からの散乱波信号を効率的に感度良く、検出することが可能になる。
【実施例４】
【００４９】
次に、実施例４として、共焦点利用による層の表面（上面）を解像度良く測定可能な実施例を説明する。本実施例においては、光学の顕微鏡技術の共焦点の仕組みを利用する。図１０に示すように、センサＳＢＤ１０６の前に穴径φ０．１ｍｍほどのピンホールを有するピンホールプレート１１２を設置して、このピンホールのレンズ共役の位置に測定面１０８を設置する。この場合、測定面１０８にφ０．１ｍｍのピンホール同等の測定点を設置ができる。そして、センサＳＢＤ１０６前のピンホールを、Ｘ−Ｙ２次元駆動により平面方向に順次位置送りをすることによって、測定面１０８上で、順次測定点の移動をすることができる。そして、縦と横に所望の測定点情報を並べることにより、２次元の測定情報を得ることができる。ピンホールプレート１１２を光軸方向（Ｚ軸方向）に移動させて、さらに、平面方向に移動させて測定を繰り返すことによって、層中の状況を解像度良く、三次元の測定が可能である。すなわち、本実施例によれば、２次元面情報出取得と、干渉による高さ測定で、３次元のＯＣＴが実現可能となる。
【００５０】
さらに、層の底面と共役位置にピンホールを設置することにより、層底面の状況を示すデータを得ることもできる。なお、本実施例のようにピンホールを設置して共役関係を作ると、横分解能は向上するが、逆に縦方向の測定レンジが減少する関係になるので、要求条件によって、ピンホールの径や形を選択する必要がある。
【実施例５】
【００５１】
以上説明した各実施例においては、発振器と受信器を別々に設置して、干渉信号を検出していたが、電波であるミリ波、テラ波の場合には、光の領域のデバイスと異なって、送信と受信のデバイスを１つにすることができる。そこで、実施例５として、ショットキーバリアダイオードを、送受信の両機能デバイスとして構成する実施例を説明する。
【００５２】
図１１に示すように、電波を発振するショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）１１３は、送信と受信で各使用されるが、バイアス電圧、電流値を変えることで、送受信の両機能デバイスとして使用が可能である。例えば１ｋＨｚの同期検波を掛けているので、その検波タイミングで送信と受信の切り替えを行うことも可能である。同図において、周波数変調回路１１７からの発振波はＳＢＤ１１３に印加され、導波管とアンテナからなる偏光板機能が付設されたＳＢＤ１１３からの電波は、レンズ１１４、λ／２板１１５、レンズ１１６を介して、厚み測定対象物１２０に照射され、反射された電波は、逆の経路のＳＢＤ１１３で受信され、その出力が受信波として、信号増幅器を通り信号処理回路１１８に入力され、所定の信号処理が施される。なお、その他のバイアス回路等は図示を省略した。
【００５３】
本実施例においても、対象の厚み測定物１２０からの下面（参照面）と上面（測定面）から反射波の信号強度の調整には、検出系途中に設置したλ/２板１１５の設置角度を調整することで対応が可能である。本実施例の構成の寸法測定装置によれば、送受機能デバイスを兼用するため、小型可搬型で実現が可能である。たとえば、光の透過しない外壁の塗装膜の膜厚検査器などへの応用が実現可能である。
【実施例６】
【００５４】
なお、更に、実施例５の変形例として、検出の面積を広くし、効率化を図る装置構成として、第６の実施例がある。
【００５５】
図１２に、受信器（センサ）をライン上にならべた多画素センシングを使う実施例６を図示した。同図において、検査用の照明光は途中の光路の中で、シリンドリカルレンズなどで複数センサに対応できるように、厚み測定対象物１２０のミリ波照射領域で楕円形状に広げた照明波を照射して、その反射した干渉波を複数の受信器アレイ１１９で同時に受信し、その出力を並列処理して検査ができるために、短時間に広面積の検査をすることができる。
【実施例７】
【００５６】
さらに、広面積検査の他の変形実施例の一つとして、参照面にＸ−Ｙ多分割ミラーを設置する実施例を説明する。本実施例は、図１３に示すように、参照ミラーを構成する多分割ミラー１２１の各分割ミラーを時間で切り替えを行う構成の実施例である。本実施例の構成の多分割ミラー１２１の各ミラー位置は独立に制御可能であり、これらを高速で切り替えて反射タイミングの制御を行い、測定対象面１２０の情報を解像度良く検出することが可能である。すなわち、反射ミラーと物点が共役関係になっており、反射ミラーのみが検出できるので、順次に分割ミラーを切り替えて、物点上を面情報としてセンシングすることが可能となる。更に、本実施例においても、実施例４で説明したピンホールの事例の如く、光軸方向に移動することによって、層の内部や下部の情報も、解像度良く検出が可能である。
【００５７】
続いて、以上説明した各実施例を応用した測定例について説明する。図１４は、本実施例で用いたミリ波が、誘電体物質を透過する割合を周波数別に表している。横軸は、ミリ波の周波数、縦軸は、透過率の相対値である。材質の種類は、ポリエステル、デニム地、キャンパス地、皮革の事例を記載している。周波数は高くなるに従って、透過率が低下している様子が理解できる。そこで、物質の透過特性を活用した測定を狙う場合には、このグラフを参照して周波数を選定することが得策である。
【００５８】
次に、図１５を用いて、着色した塗装などの厚みの変動、平面度の測定に使用するときの効果を説明する。図１５は、その測定部の拡大図である。可視光を利用した高さの測定方式（ＯＣＴ）等が応用製品例として考えられ、可視光の通らない着色塗装、または、着色膜の場合には、表面からの反射光を干渉などを用いて、非接触で高感度に表面の凹凸、平面度などの測定が可能である。図中の（Ａ−Ｂ）の変位から膜厚の減少量が計算できる。しかし、下地の部在の剥がれなどが発生した場合、つまり、下地が凹凸形状になっている場合には、表面を測定しただけでは、その凹凸が膜厚の変動にあるのか、または、下地膜の凹凸の影響を受けているのかが判らない。
【００５９】
そこで、この膜の膜厚を正確に測定をするためには、膜を透過することが必要になる。ミリ波では、膜透過率が高いために、膜の上面の位置と下面の位置を測定することによって、膜厚を正確に測定することが可能となる。図中の（Ｂ−Ｃ）で正確な膜厚が解る。さらに、表面凸形状の場合には、裏面の情報から、剥がれが発生しているか、膜厚が厚いのかなどの情報を得ることができる。
【００６０】
次に、図１６に、膜中の異物、膜下に錆、変質の発生している場合の事例を図示し、各実施例の効果を説明をする。この場合も、膜を透過することができなければ、異物存在していること、膜下での変質が発生していることは把握ができない。先の膜厚測定の事例のように、膜下の位置の測定が可能であれば、膜上面と膜下面の位置を認識しつつ、その変化を計測している時に、膜下の部分変動があれば、膜の下側の変質で有ったり、膜厚の急激な変動が有る場合には、異物を含有しているなどの情報をとりだすことが出来る。少なくとも、異常の発生を検出することができるために、その変位を計測前段階であっても、その存在を判断することが可能となる。
【００６１】
ミリ波は、波長が数ｍｍの長さを持つために、対象物の輪郭が明確ではない、つまり、横方向に対する分解能が低いことになる。そのために、１ｍｍ以下の横サイズの小さい物については、小さく検出されることになる。すなわち、ｋ小さい物質（異物）の寸法は正しく検出できない。分解能は、検出側の条件にも左右されるが、大よそ波長程度の物体サイズから大きいものが正しく検出できることになる。鉄橋や鉄柱などのメンテナンスなどの応用例の場合には、小さいサイズの欠陥よりも、数ｍｍサイズの欠陥が課題になることが想定される。塗装膜の膜厚は数百ｍｍオーダで形成されていることから、本干渉計によって塗装膜中に発生する欠陥の検出と塗装膜の膜厚変動が数μｍで正しく計測できることの効果は期待できる。
【００６２】
次に生体の内部の状態の計測に使用した場合の説明を行う。ミリ波の波長は数ｍｍであることから、生体についても波長が長くなると浸透深さも深くなることが計測されている。赤外線の浸透深さは、数100μｍに対して、ミリ波の浸透深さは数ｍｍ程度との情報がある。しかし、一方、水分による吸収も発生するために、吸収率の少ない波長域を選択することが感度向上に必要となる。
【００６３】
図１７に、ミリ波の周波数と浸透深さの程度を示し、各実施例の効果を説明する。別のデータからは１００ＧＨｚ近傍での水分の吸収率が低い特性がある。この領域のミリ波を活用することは生体内での減衰が少ないので内部の測定には有効であることが判る。赤外線より浸透深さの深いミリ波を使用することに依って、やけどの程度の正確な状態把握などに期待ができる。現在、赤外線を用いた眼科用の診断装置としてＯＣＴが活用されているが、上述した本発明に係る測定方法、装置では現在よりもさらに深い領域での測定が可能となり、眼科診断器としての性能向上が見込まれる。
【００６４】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１００  パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
１０１  インタフェース（Ｉ／Ｆ）
１０２  発振器
１０３  シンセサイザ
１０４  ＡＭＣ（ＳＢＤ）
１０５  ビームスプリッタ
１０６  センサＳＢＤ
１０７  ロックインアンプ
１０８  測定面
１０９  参照面
１１０、１１４、１１６  レンズ
１１１  膜中異物
１１２  ピンホールプレート
１１３  ＳＢＤ
１１５  λ／２板
１１７  周波数変調回路
１１８  信号処理回路
１１９  受信器アレー
１２０  測定対象物
１２１  多分割ミラー
【図１】
2016176689.tif 000004
【図２】
2016176689.tif 000005
【図３】
2016176689.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2016176689.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2016176689.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
2016176689.tif 000018
【図１６】
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【図１７】
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