JP6096725B2 - 膜厚測定装置及び膜厚測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関する。

工業製品の多くには、多層膜の塗布が施されている場合が多い。多層膜の各々は、防錆、密着性確保、チッピング防止、色彩、光沢、熱保護、耐摩耗性確保等の様々な機能を有している。これらの機能を保証するためには、各層の膜厚を正確に把握する必要がある。そこで、多層膜の各々の膜厚を非破壊で計測する技術が提案されている。近時では、テラヘルツ波を用いて多層膜の各々の膜厚を測定する技術も提案されている（特許文献４）。

特開２００４−２８６１８号公報 特開２０１３−２２８３３０号公報 特表２００７−５２７９９９号公報 特開２０１１−１９６９９０号公報

Mohammad Neshat and N. P. Armitage, "Terahertz time-domain spectroscopic ellipsometry: instrumentation and calibration," Optics Express 29063-29075, Vol. 20, No. 27, (2012).

しかしながら、テラヘルツ波の散乱や吸収を生じさせる膜が多層膜中に含まれている場合には、テラヘルツ波の散乱や吸収を生じさせる当該膜の下側に存在する膜の膜厚を正確に測定することは困難である。

本発明の目的は、より正確かつ確実に膜厚を測定し得る膜厚測定装置を提供することにある。

実施形態の一観点によれば、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生器と、前記テラヘルツ波発生器から出射される前記テラヘルツ波が入射される入射面と、第１の膜を含む試料の前記第１の膜が形成されている側の面に当接可能な当接面と、前記試料からの反射波が出射される出射面とを有するプリズムと、前記プリズムの前記出射面から出射される前記反射波のＳ偏光成分とＰ偏光成分とをそれぞれ検出するテラヘルツ波検出器と、前記反射波の前記Ｓ偏光成分の時間波形と前記反射波の前記Ｐ偏光成分の時間波形とを用いて、前記Ｓ偏光成分の前記時間波形が閾値に達するタイミングと前記Ｐ偏光成分の前記時間波形が前記閾値に達するタイミングとの時間差に基づいて、前記試料に形成された前記第１の膜の膜厚を判定する制御部とを有する膜厚測定装置が提供される。

実施形態の他の観点によれば、テラヘルツ波発生器から出射される前記テラヘルツ波が入射される入射面と、第１の膜を含む試料の前記第１の膜が形成されている側の面に当接可能な当接面と、前記試料からの反射波が出射される出射面とを有するプリズムの前記当接面を前記試料に当接させるステップと、前記プリズムの前記出射面から出射される前記反射波のＳ偏光成分とＰ偏光成分とを、テラヘルツ波検出器によりそれぞれ検出するステップと、前記反射波の前記Ｓ偏光成分の時間波形と前記反射波の前記Ｐ偏光成分の時間波形とを用いて、前記Ｓ偏光成分の前記時間波形が閾値に達するタイミングと前記Ｐ偏光成分の前記時間波形が前記閾値に達するタイミングとの時間差に基づいて、前記試料に形成された前記第１の膜の膜厚を判定するステップとを有する膜厚測定方法が提供される。

本発明によれば、プリズムを介してテラヘルツ波を試料に照射するため、比較的大きい入射角で試料にテラヘルツ波を入射させることができる。比較的大きい入射角で試料にテラヘルツ波を入射させることができるため、反射波におけるＳ偏光成分の時間波形と反射波におけるＰ偏光成分の時間波形との間に顕著な差を生じさせることができる。このため、本実施形態によれば、反射波におけるＳ偏光成分の時間波形と反射波におけるＰ偏光成分の時間波形との差に基づいて、膜厚を正確且つ確実に測定することができる。

一実施形態に係る膜厚測定装置のブロック図である。 試料に照射されるテラヘルツ波の伝搬を示す概略図である。 一実施形態による膜厚測定装置の制御装置を示すブロック図である。 一実施形態による膜厚測定方法の概略を示すフローチャートである。 一実施形態による膜厚測定装置における膜厚判定処理を示すフローチャートである。 デコンボリューション処理を行った後の時間波形を示すグラフである。 一実施形態による膜厚測定方法の評価結果を示すグラフである。 一実施形態の変形例（その１）による膜厚測定装置を示すブロック図である。 一実施形態の変形例（その２）による膜厚測定装置を示すブロック図である。 一実施形態の変形例（その３）による膜厚測定装置の一部を示す断面図である。 一実施形態の変形例（その４）による膜厚測定装置の一部を示す断面図である。 一実施形態の変形例（その５）による膜厚測定装置の一部を示す斜視図である。 一実施形態の変形例（その６）による膜厚測定装置の一部を示す斜視図である。 一実施形態の変形例（その７）による膜厚測定装置の一部を示す平面図及び断面図である。 一実施形態の変形例（その８）による膜厚測定装置の一部を示す斜視図である。 一実施形態の変形例（その９）による膜厚測定装置の一部を示す平面図である。 変形実施形態における試料を示す断面図である。 試料にテラヘルツ波を照射した際の反射波を示す図である。

図１８は、試料にテラヘルツ波を照射した際の反射波を示す図である。図１８（ａ）は、各層からの反射波を概念的に示した図であり、図１８（ｂ）は、各層からの反射波が合成された波形を示す図である。試料３０には、例えば３層構造の多層膜３２が形成されている。第１層目の膜３１ａは、例えば導電性プライマ層である。第２層目の膜３１ｂは、例えばメタリックベース層である。第３層目の膜３１ｃは、例えばクリア層である。このような試料３にテラヘルツ波を照射した場合、テラヘルツ波検出器２３には、４つの界面からの反射波が到達する。十分に短いテラヘルツ波を照射するため、第３層目の膜３１ｃの表面における反射波７７ａのパルス幅は十分に短くなる。また、第３層目の膜３１ｃと第２層目の膜３１ｂとの界面における反射波７７ｂのパルス幅も十分に短くなる。しかし、第２層目の膜３１ｂはメタリックベース層であり、メタリックベース層には導電性を有する粒子である導電性粒子、より具体的には金属粒子が含まれている。導電性粒子が含まれているため、第２層目の膜３１ｂにおいては、テラヘルツ波の散乱や吸収が生じ、テラヘルツ波のパルス幅が広がってしまう。このため、第２層目の膜３１ｂと第１層目の膜３１ａとの界面における反射波７７ｃのパルス幅は大きくなってしまう。また、第１層目の膜３１ａには、パルス幅が広がったテラヘルツ波が入射されるため、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面における反射波７７ｄのパルス幅も大きくなってしまう。テラヘルツ波検出器２３においては、これらの反射波７７ａ〜７７ｄが合成された波形７７が検出されることとなるが、図１８（ｂ）から分かるように、反射波７７ｃによるピークと反射波７７ｄによるピークとを区別するのは困難である。従って、多層膜３２中にテラヘルツ波の散乱や吸収を生じさせるような膜３１ｂが存在している場合には、当該膜３１ｂやその下側に位置する膜３１ａの膜厚を正確に計測することが困難である。

本願発明者は鋭意検討した結果、以下のような発明を想到するに至った。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は本実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下で説明する図面において、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。

［一実施形態］
一実施形態による膜厚測定装置及び膜厚測定方法について図面を用いて説明する。図１は、一実施形態による膜厚測定装置のブロック図である。

なお、本実施形態では、安定性や堅牢性を確保すべく、主として光ファイバを用いて各構成要素を光学的に結合する場合を例に説明するが、これに限定されるものではない。例えば、バルク光学系を用いて各構成要素を光学的に結合させるようにしてもよい。

本実施形態による膜厚測定装置１は、試料３にテラヘルツ波を照射するとともに試料３からの反射波を検出する光学装置２を有している。光学装置２は、レーザ発振器１０、分波器１１、変調器１２、光学遅延部１３、テラヘルツ波発生器１９、プリズム２１、及び、テラヘルツ波検出器２３を有している。更に、本実施形態による膜厚測定装置１は、試料３からの反射波の検出信号を増幅するアンプ４と、アンプ４により増幅された検出信号を同期増幅するロックインアンプ５と、膜厚測定装置１全体の制御を司る制御装置（制御部）６とを有している。

レーザ発振器１０から出射されるレーザ光は、分波器１１によって２つのレーザ光に分岐される。分波器１１によって分岐された一方のレーザ光は、ポンプ光として用いられる。かかるポンプ光は、変調器１２によって変調され、光学遅延部１３を経て、テラヘルツ波発生器１９に入射される。テラヘルツ波発生器１９から発せられるテラヘルツ波は、プリズム２１を介して試料３に照射され、試料３からの反射波がテラヘルツ波検出器２３に入射する。一方、分波器１１によって分波された他方のレーザ光は、プローブ光として用いられる。かかるプローブ光は、テラヘルツ波検出器２３に入射される。テラヘルツ波検出器２３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。テラヘルツ波検出器２３により検出された信号は、アンプ４により増幅され、更にロックインアンプ５により同期増幅される。ロックインアンプ５によって同期増幅された信号は、測定データとして制御装置６に入力される。制御装置６は、ロックインアンプ５からの測定データを解析し、膜厚を判定することが可能である。

光学装置２は、レーザ発振器１０、分波器１１、変調器１２、光学遅延部１３、パルス幅伸張器１４、励起用光源１５、光ファイバ増幅器１６、及び、パルス圧縮器１７を有している。更に、光学装置２は、テラヘルツ波発生器１９、偏光板２０、プリズム２１、偏光板２２、及び、テラヘルツ波検出器２３を有している。テラヘルツ波発生器１９、偏光板２０、プリズム２１、偏光板２２、及び、テラヘルツ波検出器２３は、収容部（容器、筐体、ケーシング、ヘッド）２９内に配されている。更に、光学装置２は、光路長調整用の光ファイバ２４、励起用光源２５、光ファイバ増幅器２６、及び、圧縮器２７を有している。なお、偏光板２０及び偏光板２２は、それぞれテラヘルツ波用の１／２波長板等に置き換えることもできる。

光学装置２は、レーザ発振器１０とテラヘルツ波発生器１９とを用いてパルス状のテラヘルツ波、即ち、テラヘルツパルスを発生させる。レーザ発振器１０としては、例えば、受動モード同期ファイバレーザ等を用いることができる。ファイバレーザは、増幅媒質として光ファイバを用いた固体レーザである。レーザ発振器１０において増幅媒質として用いられる光ファイバとしては、例えばエルビウム（Ｅｒ）イオンが添加された光ファイバを用いることができる。Ｅｒイオンが添加された光ファイバを増幅媒質として用いたレーザ発振器１０から出力されるレーザ光は、テラヘルツ波発生器１９内に設けられている非線形結晶における位相整合条件を満たしやすく、また、光ファイバ内を伝搬しやすい。従って、ここでは、Ｅｒイオンが添加された光ファイバをレーザ発振器１０の増幅媒質として用いている。レーザ発振器１０から出力されるレーザ光の中心波長は、例えば１．５６μｍ程度とする。レーザ発振器１０から出力されるレーザ光のパルス幅は、例えば１ｐｓより小さいことが好ましい。ここでは、レーザ発振器１０から出力されるレーザ光のパルス幅を、例えば４００ｆｓ程度とする。また、レーザ発振器１０から出力されるレーザ光の平均パワーは、例えば４０ｍＷ程度とする。また、レーザ発振器１０から出力されるレーザ光の繰り返し周波数は、例えば５０ＭＨｚとする。

なお、レーザ発振器１０において増幅媒質として用いられる光ファイバとしては、Ｅｒイオンが添加された光ファイバに限定されるものではない。レーザ発振器１０における増幅媒質として、例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）イオンやツリウム（Ｔｍ）イオンが添加された光ファイバを用いてもよい。また、レーザ発振器１０は、ファイバレーザに限定されるものではない。例えば、増幅媒質として、Ｔｉ：サファイア結晶のバルクや、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶のバルク等を用いたレーザ発振器１０を用いてもよい。

レーザ発振器１０の後段には、分波器（ＢＳ：Beam Splitter）１１が配されている。レーザ発振器１０から出力されるレーザ光は、光ファイバ４８内を伝搬し、分波器１１に入力されるようになっている。光ファイバ４８としては、例えば偏波保持光ファイバを用いることができる。分波器１１は、入力されるレーザ光を２つのレーザ光に分岐して出力する。分波器１１により分岐された２つのレーザ光のうちの一方は、テラヘルツ波の発生用、即ち、ポンプ光として用いられる。分波器１１により分岐された２つのレーザ光のうちの他方は、テラヘルツ波の検出用、即ち、プローブ光として用いられる。

分波器１１により分岐された２つのレーザ光のうちの一方であるポンプ光は、光ファイバ４９内を伝搬し、変調器１２に入力される。光ファイバ４９としては、例えば偏波保持光ファイバを用いることができる。変調器１２としては、例えば音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）等を用いることができる。変調器１２には、変調信号が入力されるようになっている。変調信号としては、例えば、１００ｋＨｚ程度の矩形波を用いることができる。なお、変調信号は、これに限定されるものではなく、適宜設定し得る。変調器１２に入力されるポンプ光は、変調器１２において強度変調される。変調器１２からは、例えば１００ｋＨｚ程度に強度変調されたポンプ光が出力される。なお、変調器１２を用いてポンプ光を強度変調するのは、テラヘルツ波検出器２３から出力される微弱な電気信号をロックインアンプ５によりロックイン検出（同期検出）するためである。従って、ロックイン検出を用いない場合には、変調器１２を設けなくてもよい。

なお、ここでは、ポンプ光を強度変調する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、テラヘルツ波発生器１９から出力されるテラヘルツ波に対して強度変調を行うようにしてもよい。また、ここでは、変調器１２としてＡＯＭを用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、光チョッパやＭＥＭＳミラー等の機械的な手段を用いてポンプ光の強度変調を行うことも可能である。

変調器１２の後段には、光学遅延部（遅延ライン）１３が配されている。変調器１２から出力されるポンプ光は、光ファイバ５０内を伝搬し、コリメートレンズ３３によりコリメートされ、光学遅延部１３に入力されようになっている。光ファイバ５０としては、例えば偏波保持光ファイバを用いることができる。光学遅延部１３には、例えば４つのミラー３４〜３７が配されている。光学遅延部１３に入力されるポンプ光は、ミラー３４〜３７により順次反射された後、光学遅延部１３から出力される。光学遅延部１３から出力されるポンプ光は、集光レンズ３８により集光され、光ファイバ５１内に導入されるようになっている。光学遅延部１３は、直動ステージ等を用いてミラー（可動ミラー）３５，３６の位置を変化させることにより、ミラー３４とミラー３５との間の距離、及び、ミラー３６とミラー３７との間の距離を変化させ得る。このため、光学遅延部１３はポンプ光の光路長を変化させることができ、ポンプ光の遅延時間を変化（掃引）させることができる。ポンプ光の遅延時間を変化させることができるため、テラヘルツ波のタイミングとプローブ光のタイミングとを相対的に変化させることができる。テラヘルツ波検出器２３から出力される電気信号は、プローブ光のタイミングにおけるテラヘルツ波の電場強度に応じたものである。プローブ光のパルス幅は、テラヘルツ波のパルス幅に比べて十分に小さい。このため、テラヘルツ波検出器２３から順次出力される各タイミングの検出信号を用いて、テラヘルツ波の波形を再現することが可能である。

また、ここでは、機械的な光学遅延部１３を例に説明したが、光学遅延部１３はこれに限定されるものではない。例えば、繰り返し周波数がわずかに異なる２つのレーザ発振器１０を用い、一方のレーザ発振器１０の出力をポンプ光として用い、他方のレーザ発振器１０の出力をプローブ光として用いてもよい。また、繰り返し周波数が周期的に変動するようなレーザ発振器１０を用いるようにしてもよい。

また、ここでは、ポンプ光の経路に光学遅延部１３を配したが、プローブ光の経路に光学遅延部１３を配してもよい。

光学遅延部１３の後段には、パルス幅伸張器１４が配されている。光学遅延部１３から出力されるポンプ光は、集光レンズ３８により集光され、光ファイバ５１内を伝搬して、パルス幅伸張器１４に入力されるようになっている。光ファイバ５１としては、例えば偏波保持光ファイバを用いることができる。パルス幅伸張器１４としては、例えば、２種類の分散補償ファイバが組み合わされたパルス幅伸張器を用いることができる。このような２種類の分散補償ファイバが組み合わされたパルス幅伸張器は、３次分散まで補償することが可能である。パルス幅伸張器１４は、ポンプ光のパルス幅を広げるためのものである。パルス幅伸張器１４から出力されるポンプ光のパルス幅は、例えば数十ｐｓ程度となる。パルス幅が広くなるため、パルス幅伸張器１４から出力されるポンプ光のピーク強度は低くなる。

パルス幅伸張器１４の後段には、光ファイバ増幅器１６が配されている。パルス幅伸張器１４から出力されるポンプ光は、光ファイバ５２内を伝搬し、光ファイバ増幅器１６に入力されるようになっている。光ファイバ５２としては、例えば偏波保持光ファイバを用いることができる。光ファイバ増幅器１６は、光信号を電気信号に変換することなく、光信号を光ファイバ中で増幅し得るデバイスである。光ファイバ増幅器１６としては、例えば、ＥｒとＹｂとが共添加された光ファイバを増幅媒質として用いたＥｒ・Ｙｂ共添加ファイバ増幅器を用いる。光ファイバ増幅器１６において増幅媒質として用いられる光ファイバのコア径は、例えば２５μｍ程度とする。また、かかる増幅媒質として用いられる光ファイバの構造は、例えばダブルクラッド構造とする。なお、増幅媒質として用いられる光ファイバの構造は、ダブルクラッド構造に限定されるものではなく、シングルクラッド構造であってもよい。

また、光ファイバ増幅器１６には、励起用光源１５から出力されるレーザ光（励起光）が更に入力されるようになっている。励起用光源１５から出力されるレーザ光は、光ファイバ５３内を伝搬し、光ファイバ増幅器１６に入力されるようになっている。光ファイバ５３としては、例えば偏波保持光ファイバを用いることができる。励起用光源１５としては、例えばレーザダイオード等を用いることができる。かかるレーザダイオードとしては、例えばマルチモードのレーザダイオード等を用いることができる。励起用光源１５の定格出力は、例えば１０Ｗ程度とする。ここでは、十分な励起光を光ファイバ増幅器１６に供給するため、２つの励起用光源１５を配し、これら２つの励起用光源１５の出力を光ファイバ増幅器１６に入力している。光ファイバ増幅器１６は、励起用光源１５から出力されるレーザ光を励起光として用いて、パルス幅伸張器１４から出力されるポンプ光を増幅する。光ファイバ増幅器１６から出力されるポンプ光の平均パワーは、例えば１．５Ｗ程度となる。

光ファイバ増幅器１６の後段には、パルス圧縮器１７が配されている。光ファイバ増幅器１６から出力されるポンプ光は、光ファイバ５４内を伝搬し、パルス圧縮器１７に入力されるようになっている。光ファイバ５４としては、例えば偏波保持光ファイバを用いることができる。パルス圧縮器１７は、ポンプ光のパルス幅を小さくし、ポンプ光のピーク強度を大きくするためのものである。パルス圧縮器１７としては、例えば、回折格子対を用いたパルス圧縮器を用いることができる。回折格子対は正のチャープを有するレーザパルスに対して異常ＧＶＤ（負の分散）を与え、レーザパルスのパルス幅を圧縮する。かかる回折格子対には、例えば透過型の回折格子を用いることができる。透過型の回折格子を用いれば、高い回折効率が得られ、パルス圧縮器１７におけるパワーロスを低減することができる。パルス幅伸張器１４から出力されるレーザパルスは正のチャープを有しており、このようなパルス圧縮器１７を用いることによりレーザパルスのパルス幅を圧縮することが可能である。パルス圧縮器１７から出力されるポンプ光のパルス幅は、例えば２００ｆｓ程度となる。パルス圧縮器１７から出力されるポンプ光の平均パワーは、例えば１Ｗ程度となる。

なお、パルス圧縮器１７の回折格子対に用いる回折格子は、透過型の回折格子に限定されるものではない。例えば、反射型の回折格子を用いて、かかる回折格子対を構成してもよい。また、プリズム対を用いたパルス圧縮器１７を用いてもよい。

また、パルス幅伸張器１４やパルス圧縮器１７に位相調整素子（図示せず）を更に付加してもよい。かかる位相調整素子としては、例えば空間液晶光変調器等を用いることができる。パルス幅伸張器１４やパルス圧縮器１７に位相調整素子を付加すれば、ポンプ光の位相をより厳密に調整することが可能である。

パルス圧縮器１７から出力されるポンプ光は、光ファイバ１８内を伝搬するようになっている。光ファイバ１８としては、高次ソリトン圧縮効果を奏するような光ファイバを用いる。光ファイバ１８は、偏波保持光ファイバであることが好ましい。高次ソリトン圧縮効果を奏するような光ファイバ１８が用いられているため、ポンプ光が光ファイバ１８内を伝搬する過程でポンプ光のパルス幅を狭くすることができる。光ファイバ１８のコア径は、例えば２０μｍ程度とする。光ファイバ１８の出力端におけるポンプ光のパルス幅は、例えば３０ｆｓ程度となる。光ファイバ１８の出力端におけるポンプ光の平均パワーは、例えば７００ｍＷ程度とする。こうして、パルス幅が十分に狭くなったポンプ光が、光ファイバ１８の出力端から出力されるようになっている。なお、本実施形態において、ポンプ光のパルス幅をこのように十分に狭く設定するのは、薄い膜の膜厚を正確に測定するためには、できるだけパルス幅の狭いテラヘルツ波を用いることが好ましいためである。光ファイバ１８の出力端は、収容部２９内に位置している。

一方、分波器１１により分岐されたレーザ光、即ち、テラヘルツ波の検出用のレーザ光であるプローブ光は、光路長調整用の光ファイバ２４内を伝搬する。光路調整用の光ファイバ２４を設けるのは、プローブ光を遅延させ、テラヘルツ波がテラヘルツ波検出器２３に達するタイミングとプローブ光がテラヘルツ波検出器２３に達するタイミングとを合わせるためである。なお、他の光ファイバや空間等によりプローブ光の遅延時間を調整し得る場合には、光路調整用の光ファイバ２４を用いなくてもよい。光ファイバ２４としては、例えば偏波保持光ファイバを用いることができる。

光ファイバ２４内を伝搬したプローブ光は、光ファイバ増幅器２６に入力されるようになっている。プローブ光には、ポンプ光のような強い強度は要求されない。従って、増幅率の比較的小さい光ファイバ増幅器２６を用いることができる。かかる光ファイバ増幅器２６としては、例えばシングルクラッド構造の光ファイバ増幅器を用いることができる。

また、光ファイバ増幅器２６には、励起用光源２５から出力されるレーザ光（励起光）が更に入力されるようになっている。励起用光源２５から出力されるレーザ光は、光ファイバ５５内を伝搬し、光ファイバ増幅器２６に入力されるようになっている。励起用光源２５としては、例えばレーザダイオード等を用いることができる。光ファイバ５５としては、例えば偏波保持光ファイバを用いることができる。光ファイバ増幅器２６は、励起用光源２５から出力されるレーザ光を励起光として用いて、プローブ光を増幅する。

光ファイバ増幅器２６の後段には、パルス圧縮器２７が配されている。光ファイバ増幅器２６から出力されるプローブ光は、光ファイバ５６内を伝搬し、パルス圧縮器２７に入力されるようになっている。パルス圧縮器２７によって、プローブ光のパルス幅を狭くすることができる。光ファイバ５６としては、例えば偏波保持光ファイバを用いることができる。

パルス圧縮器２７から出力されるプローブ光は、光ファイバ２８内を伝搬するようになっている。光ファイバ２８としては、高次ソリトン圧縮効果を奏するような光ファイバを用いる。光ファイバ２８は、偏波保持光ファイバであることが好ましい。高次ソリトン圧縮効果を奏するような光ファイバ２８が用いられているため、プローブ光が光ファイバ２８内を伝搬する過程でプローブ光のパルス幅を狭くすることができる。本実施形態では、光ファイバ２８として、コア径が互いに異なる２種類の光ファイバを直列に繋いだものを用いる。２種類の光ファイバのうちの１つは、例えばコア径が２５μｍの光ファイバである。２種類の光ファイバのうちの他方は、例えばコア径が１０μｍの光ファイバである。パルス圧縮器２７から出力されたプローブ光は、まず、コア径が例えば２５μｍの光ファイバ内を伝搬し、この後、コア径が例えば１０μｍの光ファイバ内を伝搬する。こうして、光ファイバ２８内をプローブ光が伝搬する過程で、２段階のパルス圧縮が行われる。光ファイバ２８の出力端から出力されるプローブ光のパルス幅は、例えば３０ｆｓ程度となる。また、光ファイバ２８の出力端から出力されるプローブ光の平均パワーは、例えば１００ｍＷ程度となる。光ファイバ２８の出力端は、収容部２９内に位置している。

なお、本実施形態では、分岐器１１により分岐した後のレーザ光に対してそれぞれ増幅等を行う場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ光の増幅等を行った後に、レーザ光を分岐器１１により分岐するようにしてもよい。

光ファイバ１８の出力端から出射されるポンプ光は、収容部２９内に配されたコリメートレンズ３９及び集光レンズ４０を経て、テラヘルツ波発生器１９に入力されるようになっている。テラヘルツ波発生器１９としては、例えばＤＡＳＴ（４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４’−Ｎ’−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｔｏｓｙｌａｔｅ）結晶を用いることができる。ＤＡＳＴ結晶は、非線形係数の高い有機非線形光学結晶である。非線形係数が高いため、ＤＡＳＴ結晶をテラヘルツ波発生器１９として用いれば、高い変換効率でテラヘルツ波を発生させることができる。しかも、ＤＡＳＴ結晶は、波長が１．５μｍ帯のレーザ光に対して広帯域でコリニア位相整合条件を満たす。従って、テラヘルツ波発生器１９としてＤＡＳＴ結晶を用いれば、高強度且つ広帯域なテラヘルツ波を発生させることができる。

なお、テラヘルツ波発生器１９として非線形結晶を用いる場合には、非線形効果が最も顕著に現れるような偏光方向でポンプ光が入射されるように設定することが好ましい。

なお、テラヘルツ波発生器１９は、ＤＡＳＴ結晶に限定されるものではない。テラヘルツ波発生器１９として、様々な非線形光学結晶を用いることが可能である。例えば、テラヘルツ波発生器１９として、ＺｎＴｅやＧａＰ等の無機結晶を用いることも可能である。また、有機非線形光学結晶であるＤＡＳＣ（４−Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−４’−Ｎ’−ｍｅｔｈｙｌ−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｐ−ｃｈｌｏｒｏｂｅｎｅｚｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ）をテラヘルツ波発生器１９として用いることも可能である。また、有機非線形光学結晶であるＯＨ１（２−（３−（４−Ｈｙｄｒｏｘｙｓｔｙｒｙｌ）−５，５−ｄｉｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｈｅｘ−２−ｅｎｙｌｉｄｅｎｅ）ｍａｌｏｎｏｎｉｔｒｉｌｅ）等をテラヘルツ波発生器１９として用いることも可能である。なお、テラヘルツ波発生器１９として用いる非線形光学結晶の種類に応じて、ポンプ光の中心波長を適宜設定すればよい。

また、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）結晶の導波路を用いたチェレンコフ位相整合型のテラヘルツ波源を、テラヘルツ発生器１９として用いてもよい。また、光伝導アンテナ素子を、テラヘルツ波発生器１９として用いることも可能である。かかる光伝導アンテナ素子は、例えば、光伝導基板に一対の金属電極のダイポールアンテナを設けることにより構成し得る。光伝導基板としては、例えば低温成長ＧａＡｓ基板等を用いることができる。

テラヘルツ波発生器１９として光伝導アンテナ素子を用いる場合には、テラヘルツ光が最も強く出射されるように、ダイポールアンテナの方向に対するポンプ光の入射偏光方向を設定することが好ましい。

テラヘルツ波発生器１９から出力されるテラヘルツ波は、コリメートレンズ４１、レーザ光カットフィルタ４２、偏光板２０及び集光レンズ４３を経て、プリズム２１に入力されるようなっている。コリメートレンズ４１や集光レンズ４３の材料としては、テラヘルツ波に対する透過効率が十分に高いレンズ材料を用いることが好ましい。テラヘルツ波に対する透過効率が十分に高いレンズ材料としては、例えば、シクロオレフィンポリマーを挙げることができる。テラヘルツ波に対する透過効率が十分に高いコリメートレンズ４１や集光レンズ４３等を用いることにより、広帯域のテラヘルツ波を得ることができる。広帯域のテラヘルツ波が得られるため、パルス幅の狭いテラヘルツ波を得ることができる。

なお、テラヘルツ波に対する透過効率が十分に高いレンズ材料は、シクロオレフィンポリマーに限定されるものではない。例えば、メチルペンテンポリマー（ポリメチルペンテン）等をコリメートレンズ４１や集光レンズ４３の材料として用いてもよい。メチルペンテンポリマーは、ＴＰＸ（登録商標）という名称で提供されている樹脂である。また、シリコン等の半導体材料を、コリメートレンズ４１や集光レンズ４３の材料として用いてもよい。

なお、ここでは、レンズ４１，４３を用いてテラヘルツ波に対するコリメートや集光を行う場合を例に説明したが、テラヘルツ波に対してコリメートや集光を行う手段は、これに限定されるものではない。例えば、放物面鏡を用いてテラヘルツ波のコリメートや集光を行ってもよい。また、レンズと放物面鏡とを組み合わせてテラヘルツ波のコリメートや集光を行ってもよい。

集光レンズ４３により集光されたテラヘルツ波は、プリズム（カップリングプリズム）２１を介して試料３に照射されるようになっている。プリズム２１は、テラヘルツ波用のプリズム、即ち、テラヘルツ波が通過することが可能な材料により形成されたプリズムである。プリズム２１は、テラヘルツ波が入射される入射面（第１の面）６９と、試料３のうちの塗装膜（積層膜）３２が形成されている側の面に当接する当接面（第２の面、接触面、センサ面、照射面）７０と、試料３において反射したテラヘルツ波が出射される出射面（第３の面）７１とを含む。プリズム２１の断面は、例えば台形となっている。入射面６９に入射されるテラヘルツ波の光軸は、例えば、入射面６９の法線方向とする。プリズム２１と試料３との界面において反射されて出射面７１から出射される反射波の光軸は、例えば、出射面７１の法線方向とする。プリズム２１の材料としては、例えば、シクロオレフィンポリマー樹脂等を用いることができる。シクロオレフィンポリマーの光学用樹脂は、例えば、ゼオン社からＺＥＯＮＥＸ（登録商標）という商品名で提供されている。なお、プリズム２１の材料は、シクロオレフィンポリマー樹脂に限定されるものではない。例えば、テフロン（登録商標）、石英、シリコン等をプリズム２１の材料として用いてもよい。

試料（被測定物、測定対象、検査対象）３としては、例えば、基材３０上に積層膜３２が形成されたものが挙げられる。積層膜３２は、第１層目の膜３１ａと、第１層目の膜３１ａ上に形成された第２層目の膜３１ｂと、第２層目の膜３１ｂ上に形成された第３層目の膜３１ｃとを含む。

基材３０の材料としては、例えば樹脂等が挙げられる。第１層目の膜３１ａとしては、例えば導電性プライマ塗料を塗布することにより形成された導電性プライマ層等が挙げられる。導電性プライマ塗料とは、樹脂等から成る非導電性基材に静電塗装を行う際に用いられる下塗り用の塗料のことである。導電性プライマ塗料には、金属粉体やカーボン粉体等の導電性フィラーが配合されている。導電性プライマ層３１ａの厚さは、例えば数μｍ程度、より具体的には、５〜７μｍ程度に設定される。第２層目の膜３１ｂとしては、メタリックベースを塗布することにより形成されたメタリックベース層等が挙げられる。メタリックベースとは、フレーク状のアルミニウム顔料（アルミニウム粉体）を配合した塗料のことである。第２層目の膜３１ｂの厚さは、例えば１０〜１５μｍ程度に設定される。第２層目の膜３１ｂには数μｍから数十μｍのサイズの導電性粒子（金属粒子、金属粉体）が含まれているため、第２層目の膜３１ｂにおいてはテラヘルツ波の散乱や吸収が生じる。かかる散乱や吸収が生ずると、テラヘルツ波のパルス幅が広がる。なお、第２層目の膜３１ｂの材料は、フレーク状のアルミニウム顔料が配合された塗料に限定されるものではない。例えば、第２層目の膜３１ｂの材料として、フレーク状の雲母（マイカ）顔料（パール顔料）が配合された塗料が用いられていてもよい。第３層目の膜３１ｃとしては、クリアを塗布することにより形成されたクリア層等が挙げられる。クリア層は、光沢性の向上、耐久性の向上、メンテナンス性の向上等を実現するため、最終的な上塗り（トップコート）として塗布される。第３層目の膜３１ｃの厚さは、例えば３０〜４０μｍ程度に設定される。一般に、クリア層３１ｃの屈折率は、比較的小さい。一方、一般に、メタリックベース層３１ｂの屈折率は、比較的大きい。また、一般に、導電性プライマ層３１ａの屈折率は、クリア層３１ｃの屈折率より大きく、メタリックベース層３１ｂの屈折率より小さい。

図２は、試料に照射されるテラヘルツ波の伝搬を示す概略図である。図２に示すように、プリズム２１の入射面６９から入射されるテラヘルツ波は、プリズム２１内を伝搬し、プリズム２１の当接面７０と第３層目の膜３１ｃとの界面に達する。プリズム２１と第３層目の膜３１ｃとの界面におけるテラヘルツ波の入射角は、θ_１である。プリズム２１と第３層目の膜３１ｃとの界面に達したテラヘルツ波のうちの一部は、プリズム２１と第３層目の膜３１ｃの界面において反射され（反射波）、出射面７１を介して出射される。一方、プリズム２１と第３層目の膜３１ｃとの界面に達したテラヘルツ波のうちの他の一部は、プリズム２１と第３層目の膜３１ｃとの界面において屈折し、第３層目の膜３１ｃ内を伝搬して、第３層目の膜３１ｃと第２層目の膜３１ｂとの界面に達する。第３層目の膜３１ｃと第２層目の膜３１ｂとの界面におけるテラヘルツ波の入射角は、θ_２である。第３層目の膜３１ｃと第２層目の膜３１ｂとの界面に達したテラヘルツ波のうちの一部は、第３層目の膜３１ｃと第２層目の膜３１ｂとの界面において反射され（反射波）、第３層目の膜３１ｃとプリズム２１との界面において屈折し、出射面７１を介して出射される。第３層目の膜３１ｃと第２層目の膜３１ｂとの界面に達したテラヘルツ波のうちの他の一部は、第２層目の膜３１ｂと第３層目の膜３１ｃとの境界において屈折し、第２層目の膜３１ｂ内を伝搬して、第２層目の膜３１ｂと膜３１ａとの界面に達する。第２層目の膜３１ｂと第１層目の膜３１ａとの界面におけるテラヘルツ波の入射角は、θ_３である。第２層目の膜３１ｂと第１層目の膜３１ａとの界面に達したテラヘルツ波のうちの一部は、第２層目の膜３１ｂと第１層目の膜３１ａとの界面において反射され（反射波）、第２層目の膜３１ｂと第３層目の膜３１ｃとの界面において屈折し、第３層目の膜３１ｃとプリズム２１との界面において更に屈折し、出射面７１を介して出射される。第２層目の膜３１ｂと第１層目の膜３１ａとの界面に達したテラヘルツ波のうちの他の一部は、第２層目の膜３１ｂと第１層目の膜３１ａとの界面において屈折し、第１層目の膜３１ａ内を伝搬して、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面に達する。第１層目の膜３１ａと基材３０との界面におけるテラヘルツ波の入射角は、θ_４である。第１層目の膜３１ａと基材３０との界面に達したテラヘルツ波のうちの一部は、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面において反射される（反射波）。第１層目の膜３１ａと基材３０との界面において反射されたテラヘルツ波は、第１層目の膜３１ａと第２層目の膜３１ｂとの界面において屈折し、第２層目の膜３１ｂと第３層目の膜３１ｃとの界面において更に屈折し、第３層目の膜３１ｃとプリズム２１との界面において更に屈折し、出射面７１を介して出射される。

本実施形態において、プリズム２１を介してテラヘルツ波を試料３に照射しているのは、プリズム２１を用いると、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面におけるテラヘルツ波の入射角θ_４を十分に大きく設定することが可能となるためである。即ち、屈折率の異なる２つの物質の界面にテラヘルツ波がある角度で入射するとき、電場の振動方向が入射面に平行な偏光成分であるＰ偏光と、電場の振動方向が入射面に垂直な偏光成分であるＳ偏光とでは、当該界面における反射率が異なる。入射角を０度から徐々に増加していくと、Ｐ偏光の反射率は減少していき、ブリュースター角において反射率が０となり、その後は、位相が反転して増加していく。従って、一方、Ｓ偏光の反射率は、単調に増加する。従って、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面におけるテラヘルツ波の入射角θ_４を十分に大きく設定すれば、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面におけるＰ偏光の反射率が十分に小さくなり、又は、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面において反射するＰ偏光の位相が反転する。そうすると、Ｐ偏光の時間波形とＳ偏光の時間波形との間に差異を生じさせることができ、かかる差異に基づいて第１層目の膜３１ａの厚さを測定することが可能となる。しかしながら、プリズム２１を用いることなく、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面におけるテラヘルツ波の入射角θ_４を十分に大きく設定しようしても、空気に対する第３層目の膜３１ｃの屈折率が著しく大きいためにテラヘルツ波が大きく屈折してしまい、入射角θ_４を十分に大きくすることはできない。一方、第３層目の膜３１ｃの表面におけるテラヘルツ波の入射角θ_１を小さめに設定した場合には、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面におけるテラヘルツ波の入射角θ_４が十分に大きくならず、Ｐ偏光の反射率とＳ偏光の反射率との差が第１層目の膜３１ａと基材３０との界面において顕著にならない。Ｐ偏光の反射率とＳ偏光の反射率との差が第１層目の膜３１ａと基材３０との界面において顕著にならないと、後述するような手法で第１層目の膜３１ａの厚さを測定することは困難である。このような理由により、本実施形態では、プリズム２１を介してテラヘルツ波を試料３に照射している。

プリズム２１と第３層目の膜３１ｃとの界面、第３層目の膜３１ｃと第２層目の膜３１ｂとの界面、第２層目の膜３１ｂと第１層目の膜３１ａとの界面、及び、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面において、テラヘルツ波が全反射しないように、各々の入射角θ_１〜θ_４を臨界角より小さくことが重要である。また、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面におけるテラヘルツ波の入射角θ_４を十分に大きく設定することが重要である。ただし、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面におけるテラヘルツ波の入射角θ_４は、ブリュースター角と完全に一致していなくてもよい。第１層目の膜３１ａと基材３０との界面におけるテラヘルツ波の入射角θ_４をある程度大きく設定すれば、Ｐ偏光の時間波形とＳ偏光の時間波形との間に差異を生じさせることができ、かかる差異に基づいて第１層目の膜３１ａの厚さを測定することが可能なためである。このような点を総合的に考慮して、テラヘルツ波の入射角を設定するようにすればよい。

測定対象となる試料３の積層膜３２の構成は、様々なものが想定される。従って、想定される様々な構成の積層膜３２に対して測定が可能となるように、テラヘルツ波の入射角を適切な値に設定することが好ましい。例えば、想定される様々な構成において、全反射が生じない入射角θ_１の限界値がθ_１ｍａｘである場合、プリズム２１と第３層目の膜３１ｃとの界面における入射角θ_１をθ_１ｍａｘより若干小さく設定するようにしてもよい。

入射面６９から入射されるテラヘルツ波（テラヘルツ波ビーム）のビームウェストは、積層膜３２内、又は積層膜３２の近傍に位置させることが好ましい。テラヘルツ波ビームのレイリー長は、積層膜３２の厚さより長いことが好ましい。

プリズム２１の材料としては、テラヘルツ波が透過しやすい材料を用いることが好ましい。また、プリズム２１に当接する第３層目の膜３１ｃの屈折率に応じて、プリズム２１の材料を適宜選択することが好ましい。例えば、測定対象となる積層膜３２が自動車のボディに施された塗装膜である場合、プリズム２１に当接する第３層目の膜３１ｃはクリア層である。クリア層におけるテラヘルツ領域の屈折率は、例えば１．７程度と比較的小さい。一方、プリズム２１に当接する膜がメタリックベース層や多孔質セラミックス層等である場合には、屈折率は例えば４程度と比較的大きい。プリズム２１に当接する第３層目の膜３１ｃの屈折率が比較的低い場合には、プリズム２１の材料としても比較的屈折率の低い材料を用いることが好ましい。比較的屈折率が低いプリズム２１を形成するための材料としては、例えばシクロオレフィンポリマーやメチルペンテンポリマー等を用いることができる。一方、プリズム２１に当接する第３層目の膜３１ｃの屈折率が比較的高い場合には、プリズム２１の材料としても比較的屈折率の高い材料を用いることが好ましい。比較的屈折率の高いプリズム２１を形成するための材料としては、例えばシリコン等を用いることができる。プリズム２１と第３層目の膜３１ｃとの屈折率差が過度に大きくならないようにすれば、プリズム２１と第３層目の膜３１ｃとの界面における屈折を小さく抑えることができる。また、プリズム２１と第３層目の膜３１ｃとの屈折率差が過度に大きくならないようにすれば、プリズム２１と第３層目の膜３１ｃとの界面において反射が過度に生じるのを防止することができ、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面に十分な強度のテラヘルツ波を到達させることができる。第１層目の膜３１ａと基材３０との界面に十分な強度のテラヘルツ波を到達させることができるため、第１層目の膜３１ａと基材３０の界面においてテラヘルツ波を十分に反射させることができ、ひいては、第１層目の膜３１ａの膜厚を確実に測定することが可能となる。

プリズム２１の断面形状は、例えば、図２に示すような形状とすることができる。上述したように、プリズム２１の入射面６９の角度は、例えば、入射面６９に入射されるテラヘルツ波の光軸が入射面６９の法線方向となるように設定される。また、上述したように、プリズム２１の出射面７１の角度は、プリズム２１と第３層目の膜３１ｃとの界面において反射される反射波の光軸が出射面７１の法線方向となるように設定する。プリズム２１の寸法は、入射面６９を介してテラヘルツ波を試料３に確実に照射することができ、且つ、試料３からの反射波を出射面７１から確実に出射させるのに十分な寸法とする。

プリズム２１を介して試料３にテラヘルツ波を照射することは、空気中の水分がテラヘルツ波に及ぼす影響を排除することにも寄与する。即ち、湿度が比較的高い環境で膜厚の測定が行われる場合には、テラヘルツ波が空気中をわずか数ｃｍ程度進行しただけであっても、テラヘルツ波は空気中の水分の影響を受ける。空気中の水分によってテラヘルツ波が減衰してしまうと、十分な強度の反射波を検出することができず、正確且つ確実に膜厚を測定することが困難となる。また、膜厚を高精度に測定するためには、パルス幅の短い良好なテラヘルツ波を試料３に照射することが重要である。しかし、テラヘルツ波が空気中の水分の影響を受けると、テラヘルツ波の高周波成分が減衰してしまい、テラヘルツ波のパルス幅が広がってしまうことが考えられる。テラヘルツ波のパルス幅が広がってしまうと、膜厚を高精度に測定することが困難となる。また、テラヘルツ波が空気中の水分の影響を受けると、テラヘルツ波のスペクトルが歯抜け状態になってしまうことも考えられる。テラヘルツ波のスペクトルが歯抜け状態になると、細かに継続する振動成分が反射波の時間波形に現れてきてしまう。反射波の時間波形におけるこのような振動成分は、膜厚を高精度に測定することにおける阻害要因となる。本実施形態では、プリズム２１を介してテラヘルツ波を試料３に照射するため、収容部２９に形成されたテラヘルツ波照射用の開口部をプリズム２１により封止することができる。従って、本実施形態によれば、収容部２９内を確実に除湿することができ、空気中の水分がテラヘルツ波に及ぼす影響を排除することができる。なお、収容部２９内の除湿は、例えば、乾燥空気や窒素等を収容部２９内に導入することにより行うことができる。また、収容部２９内を真空にするようにしてもよい。

試料３において反射されたテラヘルツ波（反射波）は、プリズム２１内を伝搬し、プリズム２１の出射面７１から出射される。プリズム２１の出射面７１から出射される反射波は、コリメートレンズ４４によりコリメートされ、偏光板２２を経て、集光レンズ４５により集光され、テラヘルツ波検出器２３に入射されるようになっている。テラヘルツ波検出器２３としては、例えば光伝導アンテナ素子を用いる。かかる光伝導アンテナ素子は、例えば、光伝導基板に一対の金属電極のダイポールアンテナを設けることにより構成し得る。光伝導基板としては、例えば低温成長ＧａＡｓ基板等を用いることができる。光伝導基板のうちのダイポールアンテナが形成されていない側の面には、例えばシリコンのレンズが配されている。テラヘルツ波は、かかるレンズを介して光伝導基板に入射される。光伝導基板のうちのダイポールアンテナが形成されている側の面には、プローブ光が照射されるようになっている。より具体的には、一対のダイポールアンテナのギャップにプローブ光が照射される。一対のダイポールアンテナのギャップにプローブ光が照射されたタイミングにおけるテラヘルツ波の電場強度に応じた電気信号（電流信号）が、光伝導アンテナ素子２３から出力されるようになっている。

光伝導アンテナ素子は、ダイポールアンテナの向きによって定まる偏光特性を有している。このため、ダイポールアンテナのギャップの長手方向がＳ偏光とＰ偏光との中間の角度になるように光伝導アンテナ素子２３を設置すれば、Ｓ偏光とＰ偏光の両方の成分を検出することが可能である。

光伝導基板として低温成長ＧａＡｓ基板を用いた光伝導アンテナ２３は、８００ｎｍ付近の波長のプローブ光を照射することにより動作させる場合が多い。しかし、プローブ光の強度が十分に高ければ、プローブ光の波長が１．５μｍ帯であっても、動作可能である。

また、１．５μｍ帯のプローブ光を波長変換素子により波長変換し、波長変換されたプローブ光を光伝導アンテナ２３に入力するようにしてもよい。かかる波長変換素子としては、例えば、ＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム）等の非線形デバイスを用いることができる。

また、１．５μｍ帯の波長のプローブ光で動作するように設計された光伝導アンテナ素子をテラヘルツ波検出器２３に用いてもよい。かかる光伝導アンテナ素子においては、光伝導基板として、例えばＩｎＧａＡｓ基板等が用いられている。

なお、ここでは、テラヘルツ波検出器として、光伝導アンテナ素子を用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、電気光学（ＥＯ：Electro-Optic）結晶を用いてテラヘルツ波を検出するようにすることも可能である。電気光学結晶としては、例えば、ＺｎＴｅ，ＧａＰ，ＩｎＡｓ等の無機非線形光学結晶を用いることができる。また、電気光学結晶として、ＤＡＳＴ、ＤＡＳＣ、ＯＨ１等の有機非線形光学結晶を用いてもよい。プローブ光、テラヘルツ波の波長帯域や非線形係数等を考慮して、電気光学結晶の種類や厚さ等を適宜選択することが好ましい。電界を加えた電気光学結晶中をテラヘルツ波が通過すると、電気光学効果の１つであるポッケルス効果により、複屈折を受ける。複屈折とは、結晶軸に対して平行な偏光成分を持つ光（常光線）と結晶軸に対して垂直な偏光成分を持つ光（異常光線）との屈折率が異なることをいう。ポッケルス効果においては、複屈折量が印加する電界に依存する。電気光学結晶を用いたテラヘルツ波の検出においては、テラヘルツ波の電場がポッケルス効果を引き起こす電界の役割を果たす。テラヘルツ波の電場強度の時間的変化に応じて、プローブ光（直線偏光）の偏光状態が変化するため、各タイミングのプローブ光の偏光状態を偏光解析することにより、テラヘルツ波の時間波形を測定することができる。

テラヘルツ波検出器２３から出力される電気信号（電流信号）は、アンプ４に入力されるようになっている。アンプ４は、テラヘルツ波検出器２３から出力される微弱な電気信号（電流信号）を増幅するためのものである。アンプ４としては、例えば電流アンプ（電流増幅器）を用いることができる。

アンプ４により増幅された信号は、ロックインアンプ５に入力されるようになっている。ロックインアンプ５は、信号増幅機能と特定信号検出機能とを併せもつアンプであり、特定の周波数の信号を検出して増幅させ、これにより、ノイズに埋もれた微小信号の検出や高感度の信号検出を行うものである。ロックインアンプ５は、入力される信号の中から検出したい信号だけを取り出すために参照信号を必要とする。ここでは、上述した変調信号に同期した信号が参照信号として用いられている。

なお、ここでは、ロックインアンプ５を用いたが、必ずしもロックインアンプ５を用いなくてもよい。ロックインアンプ５を用いなくても、テラヘルツ波の検出は可能である。例えば、テラヘルツ波検出器２３を用いて検出される信号を積分することにより、Ｓ／Ｎ比の高い信号を得るようにすることも可能である。

本実施形態による膜厚測定装置１は、後述するように、試料３からの反射波のＳ偏光成分（Ｓ波）とＰ偏光成分（Ｐ波）とをそれぞれ検出し、Ｓ偏光成分の時間波形（挙動）とＰ偏光成分の時間波形（挙動）との差に基づいて、第１層目の膜３１ａの膜厚の測定を行う。このため、本実施形態による膜厚測定装置１は、試料３からの反射波のＳ偏光成分とＰ偏光成分とをそれぞれ検出する。試料３からの反射波のＳ偏光成分とＰ偏光成分は、例えば以下のようにして検出することができる。

まず、テラヘルツ波発生器１９に入射されるポンプ光の偏光方向を、試料３に対して予め傾けておく。テラヘルツ波発生器１９に入射されるポンプ光の偏光方向は、光ファイバ１８等を回転させることにより調整することが可能である。また、２分の１波長板や４分の１波長板等の波長板を用いることによっても、テラヘルツ波発生器１９に入射されるポンプ光の偏向方向を調整することが可能である。テラヘルツ波発生器１９における光学軸も、テラヘルツ波発生器１９に入射されるポンプ光の偏光方向に応じて予め設定しておく。テラヘルツ波発生器１９として非線形結晶を用いる場合には、非線形効果が最も顕著に現れるように、非線形結晶の結晶軸の方向とポンプ光の偏光方向との関係を設定することが好ましい。また、テラヘルツ発生器１９として光伝導アンテナ素子を用いる場合には、十分な強度のテラヘルツ波を発生し得るように、光伝導アンテナ素子のダイポールアンテナの方向とポンプ光の偏光方向との関係を設定することが好ましい。このように設定した状態でテラヘルツ波発生器１９によりテラヘルツ波を発生させると、テラヘルツ波発生器１９から出力されるテラヘルツ波の偏光状態は試料３に対して傾いた状態となる。テラヘルツ波の傾きを４５度に設定した場合には、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とが同等となるため、バランスの良い測定が可能となる。従って、ここでは、テラヘルツ波発生器１９から出力されるテラヘルツ波の傾きを、例えば４５度に設定することとする。

本実施形態では、プリズム２１の前段に配された偏光板２０を用いて、試料３に照射されるテラヘルツ波の偏光成分を切り替える。テラヘルツ波発生器１９から出力されるテラヘルツ波には、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とが含まれている。Ｓ偏光成分のみが通過するように偏光板２０を設定すれば、試料３にはテラヘルツ波のＳ偏光成分のみが照射される。一方、Ｐ偏光成分のみが通過するように偏光板２０を設定すれば、試料３にはテラヘルツ波のＰ偏光成分のみが照射される。偏光板２０を９０度回転させれば、Ｐ偏光成分のみを通過させるように偏光板２０を設定することができる。なお、偏光板２０は、例えばアクチュエータ７３（図３参照）を用いて回転させることができる。かかるアクチュエータ７３は、例えば制御装置６により制御することができる。なお、偏光板２０の代わりにテラヘルツ波用の１／２波長板を設け、かかる１／２波長板の回転角を適宜設定することにより偏光状態を切り替えることも可能である。

テラヘルツ波のＳ偏光成分のみが通過するように偏光板２０を設定した場合には、反射波のＳ偏光成分のみが通過するように偏光板２２を設定する。また、テラヘルツ波のＰ偏光成分のみが通過するように偏光板２０を設定した場合には、反射波のＰ偏光成分のみが通過するように偏光板２２を設定する。偏光板２２を９０度回転させれば、Ｐ偏光成分のみを通過させるように偏光板２２を設定することができる。なお、偏光板２２は、例えばアクチュエータ７４（図３参照）を用いて回転させることができる。かかるアクチュエータ７４は、例えば制御装置６により制御することができる。

なお、偏光板２０のみでテラヘルツ波の偏光成分を切り替え得るため、図１の構成において、偏光板２２を設けないようにしてもよい。

テラヘルツ波検出器２３は偏光依存性を有するため、例えば、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の両方を検出し得るように、テラヘルツ波検出器２３を傾けて設置するようにしてもよい。また、テラヘルツ波検出器２３の前段にテラヘルツ波用の１／２波長板を配し、かかる１／２波長板の回転角を適宜設定することによりテラヘルツ波検出器２３に入射されるテラヘルツ波の偏光状態を制御することも可能である。

ロックインアンプ５により検出された同期増幅された信号は、測定データとして制御装置６に入力されるようになっている。制御装置６は、ロックインアンプ５からの測定データに基づいて、テラヘルツ波の時間波形を求める。制御装置６は、取得された時間波形に基づいて、膜厚を判定することが可能である。

次に、本実施形態による膜厚測定装置の制御装置の構成について図３を用いて説明する。図３は、本実施形態による膜厚測定装置の制御装置を示すブロック図である。

データバス１００は、ＣＰＵ（処理部、制御部）１０３と、インターフェース（Ｉ／Ｆ）１０１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１０１は信号や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１０１には、ロックインアンプ５、アクチュエータ７３，７４、光学遅延部１３が接続されている。制御装置６は、光学遅延部１３の可動ミラー３５，３６の位置を制御することにより、ポンプ光がテラヘルツ発生器１９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６は、アクチュエータ７３，７４を制御することにより、偏光板２０，２２を適宜回転し、Ｓ波とＰ波との切り替えを行うことができる。

レジスタ１０２は、ＣＰＵ１０３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。ＣＰＵ１０３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、測定データの解析を行う。

ＲＯＭ１０５は、制御装置６のＢＩＯＳ等の基本プログラムを格納するために用いられる。ＲＡＭ１０６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（外部記憶装置、データベース）１０７は、ハードディスクドライブ、ＣＤドライブ、ＤＶＤドライブ等であって、測定された検査データ等の保存に用いられる。ディスプレイ１０８は、例えば液晶表示装置であり、検査データに基づいてテラヘルツ波の時間波形をグラフ表示するとともに、試料３の膜厚、塗装品質等を表示し得る。

次に、本実施形態による膜厚測定装置を用いた膜厚測定方法の概略について図４を用いて説明する。図４は、本実施形態による膜厚測定方法の概略を示すフローチャートである。

まず、測定対象となる試料３を光学装置２にセットする（ステップＳ１）。具体的には、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面とを当接させる。本実施形態では、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面とを当接させるだけで、光学装置２に対する試料３の角度を調整することができる。オペレータが制御装置６を操作し、検査プログラムを起動させると、ＣＰＵ１０３は記憶装置１０７に記憶された検査プログラムを実行し、光学装置２、ロックインアンプ５、制御装置６を初期化する（ステップＳ２）。

次に、制御装置６は測定を実行する（ステップＳ３）。レーザ発振器１０から出力されるレーザ光は、分波器１１によりポンプ光とプローブ光とに分岐される。ポンプ光は、変調器１２に入射される。変調器１２は、所定の変調周波数でポンプ光を変調する。変調されたポンプ光は、光学遅延部１３を経て、光ファイバ増幅器１６等を用いて増幅され、集光レンズ４０を介してテラヘルツ波発生器１９に入射される。テラヘルツ波発生器１９から発せられたテラヘルツ波は、プリズム２１を介して試料３に照射される。試料３において反射したテラヘルツ波（反射波）は、プリズム２１を介して、テラヘルツ波検出器２３に入射され、テラヘルツ波２３により検出される。テラヘルツ波（反射波）のパルスは、変調信号の周波数で繰り返しテラヘルツ波検出器２３に入射される。一方、プローブ光は、光ファイバ増幅器２６等を用いて増幅され、集光レンズ４７を介してテラヘルツ波検出器２３のダイポールアンテナのギャップに照射される。この際、テラヘルツ波の電場に比例した微小電流がテラヘルツ波検出器２３において流れ、かかる微小電流は電流アンプ４により増幅され、更にロックインアンプ５によって同期検波される。ロックインアンプ５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、テラヘルツ波の波形の所定のタイミングにおける強度が測定される。

テラヘルツ波（反射波）の波形をサンプリングする場合には、テラヘルツ波のタイミングに対する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２３における電場強度を検出する。即ち、制御装置６は光学遅延部１３の可動ミラー３５，３６を駆動し、ポンプ光の遅延時間をｔ１に設定する。このポンプ光はテラヘルツ波発生器１９に入射され、プローブ光のタイミングにおける遅延時間ｔ１のテラヘルツ波の電場強度がテラヘルツ波検出器２２によって検出される。続いて、制御装置６は光学遅延部１３における遅延時間をｔ２に設定し、プローブ光のタイミングにおける遅延時間ｔ２のテラヘルツ波の電場強度がテラヘルツ波検出器２２によって検出される。同様にして、光学遅延部１３における遅延時間をｔ３、ｔ４、ｔ５・・・と順に変化させることによって、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。制御装置６はテラヘルツ波の波形を表す測定データを取り込み、記憶装置１０７上に保存する（ステップＳ４）。

制御装置６は、測定データに基づいて、膜厚を判定する（ステップＳ５）。このようにして得られた測定結果は、ディスプレイ１０８に表示される。以上の処理を実行した後、測定を続けて行う場合（ステップＳ６でＹＥＳ）には、制御装置６はステップＳ４〜Ｓ５の処理を繰り返し実行する。一方、測定が終了した場合（ステップＳ６でＮＯ）には、制御装置６は処理を終了する。

次に、本実施形態による膜厚測定装置における膜厚判定処理（ステップＳ５）について図５を用いて説明する。図５は、本実施形態による膜厚測定装置における膜厚判定処理を示すフローチャートである。

なお、ここでは、基材３０上に３層構造の積層膜３２が形成された試料３における各々の膜３１ａ〜３１ｃの膜厚を測定する場合を例に説明するが、測定対象（試料）３はこれに限定されるものではなく、様々な測定対象を測定し得る。

まず、制御装置６のディスプレイ１０８に表示される操作メニューに従って、オペレータは、塗装膜３２及び基材３０の種類を入力する（ステップＳ１１）。制御装置６は、例えば、塗装膜３２を構成する膜３１ａ〜３１ｃの数、塗装膜３２を構成する各々の膜３１ａ〜３１ｃの種類、基材３０の種類を選択するためのプルダウンメニューを、ディスプレイ１０８に表示する。オペレータは、塗装膜３２を構成する膜３１ａ〜３１ｃの数として、例えば３を選択する。また、オペレータは、第１層目の膜３１ａの種類として例えば導電性プライマ層を選択し、第２層目の膜３１ｂの種類として例えばメタリックベース層を入力し、第３層目の膜３１ｃの種類として例えばクリア層を選択する。

更に、制御装置６のディスプレイ１０８に表示される操作メニューに従って、オペレータは、各々の膜３１ａ〜３１ｃがとり得る膜厚範囲を入力する（ステップＳ１２）。各々の膜３１ａ〜３１ｃの膜厚範囲は、最小値及び最大値を入力することによって決定される。

次に、制御装置６は、窓関数（第１の窓関数）を用いて波形データ（時間波形データ）に対してデコンボリューション処理（第１のデコンボリューションフィルタ処理）を行う（ステップＳ１３）。第１の窓関数としては、例えばガウス窓を用いる。ここでは、窓関数として、例えば比較的広いガウス窓を用いる。より具体的には、例えば、デコンボリューション処理後におけるテラヘルツ波のパルス幅が比較的短くなるような比較的広いガウス窓を用いる。例えば、デコンボリューション処理後におけるテラヘルツ波のパルス幅が１５０ｆｓ程度となるようなガウス窓を用いる。図６（ａ）は、第１の窓関数を用いてデコンボリューション処理を行った後の時間波形を示すグラフである。図６における横軸は時間を示しており、図６における縦軸は波形の振幅を示している。図６における破線はＰ偏光成分を示しており、図６における実線はＳ偏光成分を示している。

テラヘルツ波の散乱や吸収を生じさせる膜が塗装膜３２中に存在する場合には（ステップＳ１４でＹＥＳ）、テラヘルツ波の散乱や吸収を生じさせる膜３１ｂより上側に位置する膜３１ｃの膜厚を時間波形のピークに基づいて判定する（ステップＳ１５）。具体的には、まず、第１の窓関数を用いてデコンボリューション処理されたＰ偏光とＳ偏光の波形データをそれぞれスキャンすることにより、ピークを検出する。そうすると、例えば、図６（ａ）に示すようなピークが検出される。Ｓ偏光成分の波形データにおいては、例えば、極大値ＸＳ１１と、極小値ＸＳ１２とが検出される。Ｐ偏光成分の波形データにおいては、例えば、極大値ＸＰ１１，極大値ＸＰ１２、極小値ＸＰ１３、極小値ＸＰ１４が検出される。第１層目の膜３１ａが導電性プライマ層であり、第２層目の膜３１ｂがメタリックベース層であり、第３層目の膜３１ｃがクリア層である場合、第２層目の膜３１ｂと第３層目の膜３１ｃとの界面における反射が最も大きい極大値となることが、予め行われたサンプル試料の測定により判明している。従って、制御装置６は、極大値ＸＳ１１及び極大値ＸＰ１２を、第２層目の膜３１ｂと第３層目の膜３１ｃとの界面における反射波に対応するものと判定する。極大値ＸＳ１１、ＸＰ１２よりも前に現れる極大値は、第３層目の膜３１ｃとプリズム２１の当接面７０との界面における反射波に対応するものであることが、予め行われたサンプル試料の測定により判明している。従って、制御装置６は、極大値ＸＰ１１を、第３層目の膜３１ｃとプリズム２１との界面における反射波に対応するものと判定する。制御装置６は、例えば、極大値ＸＰ１１になるタイミングと極大値ＸＰ１２になるタイミングとの時間差Ｔ１に基づいて、第３層目の膜３１ｃの膜厚を判定する。時間差Ｔ１と第３層目の膜３１ｃの膜厚との関係は、予め行われたサンプル試料の測定により判明している。従って、時間差Ｔ１に基づいて、第３層目の膜３１ｃの膜厚を判定することが可能である。なお、ここでは、極大値ＸＰ１１になるタイミングと極大値ＸＰ１２になるタイミングとの差に基づいて第３層目の膜３１ｃの膜厚を判定したが、これに限定されるものではない。例えば、極大値ＸＰ１１になるタイミングと極大値ＸＳ１１になるタイミングとの時間差に基づいて、第３層目の膜３１ｃの膜厚を判定するようにしてもよい。

次に、制御装置６は、ステップＳ１３における第１の窓関数と異なる第２の窓関数を用いて波形データ（時間波形データ）に対してデコンボリューション処理（第２のデコンボリューションフィルタ処理）を行う（ステップＳ１６）。第２の窓関数としては、例えばガウス窓を用いる。ここでは、窓関数として、例えば比較的狭いガウス窓を用いる。より具体的には、例えば、第２のデコンボリューションフィルタ処理後におけるテラヘルツ波のパルス幅が比較的長くなるような比較的狭いガウス窓を用いる。例えば、第２のデコンボリューションフィルタ処理後におけるテラヘルツ波のパルス幅が３００ｆｓ程度となるようなガウス窓を用いる。図６（ｂ）は、第２の窓関数を用いてデコンボリューション処理を行った後の時間波形を示すグラフである。

次に、第２のデコンボリューションフィルタ処理を行った後の時間波形のピークに基づいて、テラヘルツ波の散乱や吸収を生じされる膜３１ｂの膜厚を判定する（ステップＳ１７）。具体的には、まず、第２のデコンボリューション処理を行った後のＰ偏光の波形データとＳ偏光の波形データをそれぞれスキャンすることにより、ピークを検出する。そうすると、例えば、図６（ｂ）に示すようなピークが検出される。Ｓ偏光成分の波形データにおいては、例えば、極大値ＸＳ２１と極小値ＸＳ２２とが検出される。Ｐ偏光成分の波形データにおいては、例えば、極大値ＸＰ２１と極大値ＸＰ２２とが検出される。第１層目の膜３１ａが導電性プライマ層であり、第２層目の膜３１ｂがメタリックベース層であり、第３層目の膜３１ｃがクリア層である場合、第２層目の膜３１ｂと第３層目の膜３１ｃとの界面における反射が最も大きい極大値となることが、予め行われたサンプル試料の測定により判明している。従って、制御装置６は、極大値ＸＳ２１及び極大値ＸＰ２１を、第２層目の膜３１ｂと第３層目の膜３１ｃとの界面における反射波に対応するものと判定する。極大値ＸＳ２１、ＸＰ２１よりも後に現れる極小値は、第２層目の膜３１ｂと第１層目の膜３１ａとの界面における反射波に対応するものであることが、予め行われたサンプル試料の測定により判明している。従って、制御装置６は、極小値ＸＰ２２，ＸＳ２２を、第１層目の膜３１ａと第２層目の膜３１ｂとの界面における反射波に対応するものと判定する。制御装置６は、例えば、極大値ＸＳ２１になるタイミングと極小値ＸＳ２２になるタイミングとの時間差Ｔ２に基づいて、第２層目の膜３１ｂの膜厚を判定する。時間差Ｔ２と第２層目の膜３１ｂの膜厚との関係は、予め行われたサンプル試料の測定により判明している。従って、時間差Ｔ２に基づいて、第２層目の膜３１ｂの膜厚を判定することが可能である。なお、ここでは、Ｓ偏光が極大値ＸＳ２１になるタイミングとＳ偏光が極小値ＸＳ２２になるタイミングとの差に基づいて第２層目の膜３１ｂの膜厚を判定したが、これに限定されるものではない。例えば、Ｐ偏光が極大値ＸＰ２１になるタイミングとＰ偏光が極大値ＸＰ２２になるタイミングとの時間差に基づいて、第２層目の膜３１ｂの膜厚を判定するようにしてもよい。

次に、第２のデコンボリューションフィルタ処理を行った後のＳ偏光成分の時間波形（挙動）とＰ偏光成分の時間波形（挙動）との差（相違）に基づいて、テラヘルツ波の散乱や吸収を生じさせる膜３１ｂより下側に位置する膜３１ａの膜厚を判定する（ステップＳ１８）。具体的には、Ｐ偏光成分の波形が閾値ＴＨに達するタイミングとＳ偏光成分の波形が閾値ＴＨに達するタイミングとの時間差Ｔ３に基づいて、第１層目の膜３１ａの膜厚を判定する。上述したように、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面におけるテラヘルツ波の入射角θ４が大きく設定されているため、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面におけるＰ偏光の反射率は十分に小さくなり、又は、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面において反射するＰ偏光の位相は反転している。このため、第１層目の膜３１ａと基材３０との界面において、Ｐ偏光の反射率が十分に小さくなっていること、又は、Ｐ偏光の位相が反転していることは、Ｐ偏光が閾値ＴＨに達するタイミングを速くさせることに寄与する。従って、Ｐ偏光の波形が閾値ＴＨに達するタイミングとＳ偏光の波形が閾値ＴＨに達するタイミングとの時間差Ｔ３は、顕著になっている。時間差Ｔ３と第１層目の膜３１ａの膜厚との関係は、予め行われたサンプル試料の測定により判明している。従って、時間差Ｔ３に基づいて、第１層目の膜３１ａの膜厚を判定することができる。なお、閾値ＴＨは、図６（ａ）に示した閾値ＴＨに限定されるものではなく、適宜設定することができる。

なお、テラヘルツ波の散乱や吸収を生じさせる膜が塗装膜３２中に存在しない場合には（ステップＳ１４でＮＯ）、積層膜３２の各々の膜３１ａ〜３１ｃの膜厚を時間波形のピークに基づいて判定すればよい（ステップＳ１９）。

こうして、制御装置５は、各々の膜３１ａ〜３１ｃの膜厚をそれぞれ正確に判定することができる。

次に、本実施形態による膜厚測定方法の評価結果について図７を用いて説明する。図７は、本実施形態による膜厚測定方法の評価結果を示すグラフである。図７におけるＡ，Ｂ，Ｃは、それぞれサンプルＡ，Ｂ，Ｃについての測定結果である。図７の縦軸は、膜厚を示している。図７における■印は、本実施形態による膜厚測定方法により測定された導電性プライマ層３１ａの膜厚である。図７における□印は、破壊試験により測定された導電性プライマ層３１ａの膜厚である。図７における●印は、本実施形態による膜厚測定方法により測定されたメタリックベース層３１ｂの膜厚である。図７における□印は、破壊試験により測定されたメタリックベース層３１ｂの膜厚である。図７における▲印は、本実施形態による膜厚測定方法により測定されたクリア層３１ｃの膜厚である。図７における△印は、破壊試験により測定されたクリア層３１ｃの膜厚である。

図７から分かるように、本実施形態による膜厚測定方法により測定された各層の膜厚と破壊試験により測定された各層の膜厚との差は極めて小さい。

このことから、本実施形態によれば、極めて高精度に各層の膜厚を測定し得ることが分かる。

このように、本実施形態によれば、プリズム２１を介してテラヘルツ波を試料３に照射するため、比較的大きい入射角θ_４で第１層目の膜３１ａと試料３０との界面にテラヘルツ波を入射させることができる。比較的大きい入射角θ_４で第１層目の膜３１ａと試料３０との界面にテラヘルツ波を入射させることができるため、試料３からの反射波のＳ偏光成分の時間波形（挙動）とＰ偏光成分の時間波形（挙動）との間に顕著な差を生じさせることができる。このため、本実施形態によれば、テラヘルツ波の散乱や吸収を生じさせる膜３１ｂが積層膜３２中に存在する場合であっても、反射波のＳ偏光成分の時間波形（挙動）と反射波のＰ偏光成分の時間波形（挙動）との差に基づいて、第１層目の膜３１ａの膜厚を正確且つ確実に測定することができる。

また、本実施形態によれば、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面とを当接させるだけで、位置合わせ及び角度合わせを行うことができる。即ち、本実施形態によれば、簡便な方法で正確且つ確実にセッティングができるため、高いスループットで高精度に膜厚の測定を行うことができる。

また、本実施形態によれば、プリズム２１を介してテラヘルツ波を試料３に照射し、プリズム２１を介して試料３からの反射波を取得するため、テラヘルツ波が空気中を伝搬する距離が極めて小さい。このため、空気中の水分によるテラヘルツ波の吸収が少なく、本実施形態によれば、湿度の高い環境中であっても、正確且つ確実に膜厚を測定することができる。

（変形例（その１））
本実施形態による膜厚測定装置の変形例（その１）について図８を用いて説明する。図８は、本変形例による膜厚測定装置を示すブロック図である。

本変形例による膜厚測定装置は、遅延時間を高速で変化させ得る光学遅延部１３ａが設けられているものである。

図８に示すように、円板５８上に複数のコーナーキューブプリズム５７が配されている。コーナーキューブプリズム５７の数は、例えば４個とする。円板５８は、モータ（図示せず）等により高速で回転させることが可能である。光ファイバ４９内を伝搬したポンプ光は、コリメートレンズ５９によりコリメートされ、偏光ビームスプリッタ６０及び１／４波長板６１を通過するようになっている。１／４波長板６１を通過したポンプ光は、コーナーキューブプリズム５７により反射され、ミラー６２により更に反射され、コーナーキューブプリズム５７により更に反射され、１／４波長板６１を再び通過する。１／４波長板６１を通過したポンプ光は、偏光ビームスプリッタ６０により反射され、集光レンズ６３により集光され、光ファイバ５１内に導入される。このように、高速な光学遅延部１３ａを配してもよい。モータの回転数は、例えば１５００ｒｐｍ程度とする。モータの回転数を例えば１５００ｒｐｍに設定すれば、例えば１００Ｈｚの繰り返し周期で遅延時間の掃引を行うことができる。

このような高速の光学遅延部１３ａを用いる場合には、光学遅延部１３の動作にロックインアンプ５の動作が追随し得ない。そこで、本実施形態では、ボックスカー積分器５ａが用いられている。ボックスカー積分器５ａは、高速な繰り返し信号を効率よく高いＳ／Ｎ比で測定し得る装置である。ボックスカー積分器５ａは、任意の時間幅でゲートをかけ、必要な信号成分だけを効率よく取り出すことができる。

なお、ボックスカー積分器１３ａの処理速度が十分に速くない場合には、光学遅延部１３の動作にボックスカー積分器１３ａが追随しえないため、処理速度が十分に速いボックスカー積分器１３ａを用いることが好ましい。

なお、本変形例においては、円板５８上にコーナーキューブプリズム５７を設ける場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、円板５８上に複数のミラー（図示せず）を配し、これらミラーの角度をアクチュエータにより適宜変化させるようにしてもよい。

また、ここでは、ボックスカー積分器１３ａを用いてＳ／Ｎ比の高い信号を取得する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、シグナルアベレージャ等を用いて、Ｓ／Ｎ比の高い信号を取得するようにしてもよい。シグナルアベレージャは、高速Ａ／Ｄコンバータと専用ハードウェアとを搭載し、微小信号を高速にアベレージングすることでＳ／Ｎ比を向上する装置である。

このように、高速の光学遅延部１３ａを用い、高速の光学遅延部１３ａの動作に追随可能なボックスカー積分器５ａ等を用いてもよい。本変形例によれば、より高速で膜厚を測定し得る膜厚測定装置を提供することが可能となる。

（変形例（その２））
本実施形態による膜厚測定装置の変形例（その２）について図９を用いて説明する。図９は、本変形例による膜厚測定装置を示すブロック図である。

本変形例による膜厚測定装置は、ポンプ光を増幅する光ファイバ増幅器とプローブ光を増幅する光ファイバ増幅器とが共通化され、ポンプ光を圧縮するパルス圧縮器とプローブ光を圧縮するパルス圧縮器とが共通化されているものである。

図９に示すように、分波器１１により分岐されたレーザ光のうちの一方であるポンプ光は、光学遅延部１３ａを経て、偏光ビームコンバイナ（ＰＢＣ：Polarization Beam Combiner）６４に入力されるようになっている。また、分波器１１により分岐されたレーザ光のうちの他方であるプローブ光は、光路長調整用の光ファイバ２４を経てＰＢＣ６４に入力されるようになっている。ＰＢＣ６４は、２本の光ファイバから入力される直交した偏光を合波して１本の光ファイバに出力する部品である。光ファイバ２４，４８，４９，５１として偏波保持光ファイバを適宜用いれば、偏波方向が互いに直交するポンプ光とプローブ光とをＰＢＣ６４に入力することが可能である。ＰＢＣ６４に入力されるポンプ光及びプローブ光は、ＰＢＣ６４により合波される。ＰＢＣ６４により合波されたレーザ光は、光ファイバ６５内を伝搬し、パルス幅伸張器１４に入力されるようなっている。また、励起用光源１５から出力されるレーザ光が、光ファイバ６６内を伝搬し、パルス幅伸張器１４に入力されるようになっている。光ファイバ６５，６６としては、例えば偏波保持光ファイバを用いることができる。

パルス幅伸張器１４から出力されるレーザ光は、光ファイバ５２内を伝搬し、光ファイバ増幅器１６に入力されるようになっている。光ファイバ増幅器１６から出力されるレーザ光は、光ファイバ５４内を伝搬し、パルス圧縮器１７に入力されるようになっている。パルス圧縮器１７から出力されるレーザ光は、光ファイバ６７内を伝搬し、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）６８に入力されるようになっている。光ファイバ５２，５４，６７としては、例えば偏波保持光ファイバを用いる。ＰＢＳ６８は、直交した２つの偏光を２本の光ファイバに分離して出力する部品である。ＰＢＳ６８から出力されるポンプ光は、光ファイバ１８内を伝搬するようになっている。一方、ＰＢＳ６８から出力されるプローブ光は、光ファイバ２８内を伝搬するようになっている。

このように、ポンプ光を増幅する光ファイバ増幅器とプローブ光を増幅する光ファイバ増幅器とを共通化し、ポンプ光を圧縮するパルス圧縮器とプローブ光を圧縮するパルス圧縮器とが共通化してもよい。本変形例によれば、これら光ファイバ増幅器１６及びパルス圧縮器１７が共通化されているため、装置コストの低減に寄与することができる。

（変形例（その３））
本実施形態による膜厚測定装置の変形例（その３）について図１０を用いて説明する。図１０は、本変形例による膜厚測定装置の一部を示す断面図である。

本変形例による膜厚測定装置は、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面との間の間隙を埋めるための部材７２を、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面との間に挟み込むものである。

図１０に示すように、本変形例では、試料３の表面が凹状に湾曲している。試料３の表面が凹状に湾曲している場合において、当接面７０が平坦なプリズム２１を試料３に当接させようとした場合には、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面との間に間隙が生じてしまう。プリズム２１の当接面７０と試料３の表面との間の隙間がテラヘルツ波の波長に対して無視できない程度に大きい場合には、プリズム２１の当接面７０においてテラヘルツ波が全反射してしまい、試料３にテラヘルツ波を照射することが困難となる。そこで、本変形例においては、プリズム２１の当接面７０を凸状に湾曲させている。本変形例によれば、プリズム２１の当接面７０が凸状に湾曲しているため、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面とを確実に当接させることが可能である。従って、本変形例によれば、試料３の表面が凹状に湾曲している場合であっても、テラヘルツ波を試料７０に照射することができ、試料７０からの反射波を検出することが可能となる。

ところで、プリズム２１の当接面７０の曲率と試料３の表面の曲率とが異なる場合には、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面とが部分的にしか当接せず、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面との間に間隙が生じてしまう。プリズム２１の当接面７０と試料３の表面との間の間隙が、テラヘルツ波の波長に対して無視できない程度に大きい場合には、試料７０へのテラヘルツ波の照射や試料７０からの反射波の検出を確実に行い得ない場合がある。そこで、プリズム２１の当接面７０の曲率と試料３の表面の曲率とが異なることが想定される場合には、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面との間の間隙を埋めるような部材（屈折率整合材）７２を用いることが好ましい。

リズム２１の当接面７０と試料３の表面との間の間隙を埋めるための部材７２は、以下のような条件を満たすことが好ましい。即ち、部材７２におけるテラヘルツ波の透過率は、プリズム２１におけるテラヘルツ波の透過率と同等程度であることが好ましい。また、部材７２の屈折率は、プリズム２１の屈折率と同等程度であることが好ましい。このような部材７２をプリズム２１の当接面と試料３の表面との間に挟み込めば、テラヘルツ波を試料３に確実に照射することができ、また、試料３からの反射波を確実に検出することができる。

なお、部材７２におけるテラヘルツ波の透過率は、プリズム２１におけるテラヘルツ波の透過率と同等であることに限定されるものではない。部材７２におけるテラヘルツ波の透過率とプリズム２１におけるテラヘルツ波の透過率とがある程度異なっていても、テラヘルツ波を試料３に照射し、試料３からの反射波を検出することは可能である。また、部材７２の屈折率は、プリズム２１の屈折率と同等であることに限定されるものではない。部材７２の屈折率がプリズム２１の屈折率とある程度異なっていても、テラヘルツ波を試料３に照射し、試料３からの反射波を検出することは可能である。

部材７２の素材としては、例えば、硬度が小さく柔軟性に富んだ材料であるゲル状体やシート状体等を用いることが好ましい。このような素材は試料３の表面の形状に容易に追随し得るため、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面との間の間隙を確実に埋めることができる。また、プリズム２１を試料３から取り外すときに、プリズム２１と一緒に部材７２を取り外すことが可能であり、試料３に部材７２が残存するのを防止することができる。

なお、部材７２の材料は、柔軟性に富んだ材料に限定されるものではなく、例えば、柔軟性が乏しい材料であってもよい。例えば、部材７２の材料が、プリズム２１の材料と同等の材料であってもよい。

また、部材７２は、ゲル状体やシート状体の固体に限定されるものではなく、例えば、液体であってもよい。ただし、部材７２が液体である場合には、プリズム２１を試料３から取り外した際に、試料３の表面に部材７２が残存してしまう。このため、部材７２が液体である場合には、試料３から部材７２を除去する手間が生ずる。このような手間を省く観点からは、上述したように、部材７２が固体であることが好ましい。

このように、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面との間の間隙を埋めるための部材７２を、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面との間に挟み込むようにしてもよい。本変形例によれば、プリズム２１の当接面７０と試料３の表面との間の間隙が部材７２により確実に埋められるため、テラヘルツ波を試料３に確実に照射することができ、また、試料３からの反射波を確実に検出することができる。

（変形例（その４））
本実施形態による膜厚測定装置の変形例（その４）について図１１を用いて説明する。図１１は、本変形例による膜厚測定装置の一部を示す断面図である。

本変形例による膜厚測定装置は、空気中におけるテラヘルツ波の伝搬長をより短くしたものである。

図１１に示すように、テラヘルツ波発生器１９の端面には、コリメートレンズ４１ａが取り付けられている。テラヘルツ波発生器１９に取り付けられたコリメートレンズ４１ａの後段には、レーザ光カットフィルタ４２が配されている。コリメートレンズ４１ａとレーザ光カットフィルタ４２との間の距離は、例えば３ｍｍ程度とする。レーザ光カットフィルタ４２の後段には、偏光板２０が配されている。プリズム２１の入射面６９には、集光レンズ４３ａが取り付けられている。偏光板２０と集光レンズ４３ａとの間の距離は、例えば３ｍｍ程度とする。テラヘルツ波発生器１９、レーザ光カットフィルタ４２及び偏光板２０は支持部材７４により支持されており、かかる支持部材７４はプリズム２１の入射面６９に固定されている。

プリズム２１の出射面７１には、コリメートレンズ４４ａが取り付けられている。コリメートレンズ４４ａが取り付けられたプリズム２１の後段には、偏光板２２が配されている。コリメートレンズ４４ａと偏光板２２との間の距離は、例えば３ｍｍ程度とする。偏光板２２の後段には、入力側に集光レンズ４５ａが取り付けられたテラヘルツ波検出器２３が配されている。偏光板２２と集光レンズ４５ａとの間の距離は、例えば３ｍｍ程度とする。偏光板２２及びテラヘルツ波検出器２３は支持部材７６により支持されており、かかる支持部材７６はプリズム２１の出射面７１に固定されている。

空気中におけるテラヘルツ波の伝搬箇所は、コリメートレンズ４１ａとレーザ光カットフィルタ４２との間の箇所、レーザ光カットフィルタ４２と偏光板２０との間の箇所、コリメートレンズ４４ａと偏光板２２との間の箇所、及び、偏光板２２と集光レンズ４５ａとの間の箇所である。テラヘルツ波の伝搬方向におけるこれらの箇所の寸法は、極めて小さい。このため、本変形例によれば、テラヘルツの伝搬経路における空気中に水分が存在している場合であっても、テラヘルツ波が著しく吸収されてしまうことはない。

なお、ここでは、テラヘルツ波発生器１９の出射面にコリメートレンズ４１ａを取り付けたが、テラヘルツ波発生器１９とコリメートレンズ４１ａとを一体化してもよい。また、ここでは、プリズム２１の入射面に集光レンズ４３ａを取り付け、プリズム２１の出射面にコリメートレンズ４４ａを取り付けたが、これら集光レンズ４３ａ及びコリメートレンズ４４ａをプリズム２１と一体化してもよい。また、ここでは、テラヘルツ波検出器２３の入射面に集光レンズ４５ａを取り付けたが、テラヘルツ波検出器２３と集光レンズ４５ａとを一体化してもよい。

このように、本変形例によれば、空気中におけるテラヘルツ波の伝搬距離を極めて小さくすることができる。このため、本変形例によれば、テラヘルツの伝搬経路における空気中に水分が存在している場合であっても、テラヘルツ波が著しく吸収されてしまうことはない。従って、本変形例によれば、テラヘルツの伝搬経路に対して簡便な除湿を行うだけで足り、また、テラヘルツの伝搬経路に対して除湿を行わないようにすることも可能である。

（変形例（その５））
本実施形態による膜厚測定装置の変形例（その５）について図１２を用いて説明する。図１２は、本変形例による膜厚測定装置の一部を示す斜視図である。なお、図１２においては、プリズム２１の図示を省略している。

本変形例による膜厚測定装置は、テラヘルツ波発生器１９とプリズム２１との間に配した偏光板２０を用いてＳ波とＰ波との切り替えを行うものである。

本変形例では、テラヘルツ波発生器１９とプリズム２１との間には偏光板２０は配されているが、プリズム２１とテラヘルツ波検出器２３との間には偏光板２２（図１参照）は配されていない。テラヘルツ波発生器１９から出射されるテラヘルツ波の偏光の傾きは、４５度に設定されている。テラヘルツ波発生器１９から出射されるテラヘルツ波の偏光の傾きを４５度に設定しているのは、Ｓ波もＰ波もバランスよく照射し得るようにするためである。また、本変形例では、テラヘルツ波検出器２３のダイポールアンテナ７２ａ、７２ｂの傾きは、４５度に設定されている。図９における点線は、ダイポールアンテナ７２ａ、７２ｂのギャップの方向を示している。テラヘルツ波検出器２３のダイポールアンテナ７２ａ、７２ｂの傾きを４５度に設定しているのは、Ｓ波もＰ波もバランスよく検出し得るようにするためである。

図１２（ａ）は、Ｓ波が通過するように偏光板２０の角度を設定した場合を示す概略図である。Ｓ波のみが通過するように偏光板２０の角度が設定されているため、試料３にはＳ波のみが照射される。そして、試料３により反射されたＳ波が、テラヘルツ波検出器２３の一対のダイポールアンテナ７２ａ、７２ｂに達する。従って、テラヘルツ波検出器２３は、試料３において反射されたＳ波を検出することができる。

図１２（ｂ）は、Ｐ波が通過するように偏光板２０の角度を設定した場合を示す概略図である。図１２（ａ）の状態に対して、偏光板２０を９０度回転させれば、Ｐ波のみを通過させるように偏光板２０を設定することができる。なお、偏光板２０は、例えばアクチュエータ（図示せず）を用いて回転させることができる。かかるアクチュエータは、例えば制御装置６により制御することができる。Ｐ波のみが通過するように偏光板２０の角度が設定されているため、試料３にはＰ波のみが照射される。そして、試料３において反射されたＰ波が、テラヘルツ波検出器２３の一対のダイポールアンテナ７２ａ、７２ｂに達する。テラヘルツ波検出器２３は、試料３において反射されたＰ波を検出する。

なお、ここでは、偏光板２０を回転させることにより、Ｐ波とＳ波とを切り替えたが、これに限定されるものではない。Ｐ波のみを通過させる偏光子とＳ波のみを通過させる偏光板とを切り替えるようにしてもよい。Ｐ波のみを通過させる偏光板とＳ波のみを通過させる偏光板との切り替えは、例えばアクチュエータ（図示せず）を用いて行うことができる。かるアクチュエータは、例えば制御装置６により制御することができる。

このように、本変形例によっても、Ｐ波とＳ波とを切り替えて試料３に照射することができる。

（変形例（その６））
本実施形態による膜厚測定装置の変形例（その６）について図１３を用いて説明する。図１３は、本変形例による膜厚測定装置の一部を示す斜視図である。なお、図１３においては、プリズム２１の図示を省略している。

本変形例による膜厚測定装置は、テラヘルツ波発生器１９を回転させることによりＳ波とＰ波との切り替えを行うものである。本変形例では、テラヘルツ波発生器１９とプリズム２１との間に偏光板２０（図１参照）が配されておらず、プリズム２１とテラヘルツ波検出器２３との間にも偏光板２２（図１参照）が配されていない。本変形例では、テラヘルツ波検出器２３のダイポールアンテナ７２ａ、７２ｂの傾きは、４５度に設定されている。ラヘルツ波検出器２３のダイポールアンテナ７２ａ、７２ｂの傾きを４５度に設定しているのは、Ｓ波もＰ波もバランスよく検出し得るようにするためである。

図１３（ａ）は、テラヘルツ波発生器１９からＳ波のみが出射されるようにテラヘルツ波１９の角度を設定した場合を示す概略図である。Ｓ波のみが出射されるようにテラヘルツ波１９の角度が設定されているため、試料３にはＳ波のみが照射される。そして、試料３により反射されたＳ波が、テラヘルツ波検出器２３の一対のダイポールアンテナ７２ａ、７２ｂに達する。従って、テラヘルツ波検出器２３は、試料３において反射されたＳ波を検出することができる。

図１３（ｂ）は、テラヘルツ波発生器１９からＰ波のみが出射されるようにテラヘルツ波１９の角度を設定した場合を示す概略図である。図１３（ａ）の状態に対して、テラヘルツ波発生器１９を９０度回転させれば、Ｐ波のみが出射されるようにテラヘルツ波発生器１９を設定することができる。なお、テラヘルツ波発生器１９に入射されるポンプ光の偏光も、テラヘルツ波の偏光と同様に回転させる必要があるため、テラヘルツ波発生器１９と光ファイバ１８とを一緒に回転させることが好ましい。Ｐ波のみが出射されるようにテラヘルツ波１９の角度が設定されているため、試料３にはＰ波のみが照射される。そして、試料３により反射されたＰ波が、テラヘルツ波検出器２３の一対のダイポールアンテナ７２ａ、７２ｂに達する。従って、テラヘルツ波検出器２３は、試料３において反射されたＰ波を検出することができる。

なお、ここでは、テラヘルツ波発生器１９を回転させることによりＳ波とＰ波との切り替えを行う場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、テラヘルツ波発生器１９の後段にテラヘルツ波用の１／２波長板を配し、１／２波長板の回転角を適宜設定することにより、Ｓ波とＰ波との切り替えを行うようにしてもよい。

このように、本変形例によっても、Ｐ波とＳ波とを切り替えて試料３に照射することができる。

（変形例（その７））
本実施形態による膜厚測定装置の変形例（その７）について図１４を用いて説明する。図１４（ａ）は、本変形例による膜厚測定装置の一部を示す平面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に対応する断面図である。

本変形例による膜厚測定装置は、Ｐ波を出射するためのテラヘルツ波発生器１９ａとＳ波を出射するためのテラヘルツ波発生器１９ｂとを別個に配するものである。本変形例では、試料３において反射されたＰ波を検出するためのテラヘルツ波検出器２３ａと、試料３において検出されたＳ波を検出するためのテラヘルツ波検出器２３ｂとが別個に配されている。プリズム２１の形状は、例えば四角錐台、より具体的には、正四角錐台となっている。平面視において、例えばプリズム２１の左側にはテラヘルツ波発生器１９ａが配されており、プリズム２１の右側にはテラヘルツ波検出器２３ａが配されている。また、平面視において、例えばプリズム２１の上側にはテラヘルツ波発生器１９ｂが配されており、プリズム２１の下側にはテラヘルツ波検出器２３ｂが配されている。このように、平面視においてテラヘルツ波発生器１９ａとテラヘルツ波検出器２３ａとを結ぶ線と、平面視においてテラヘルツ波発生器１９ｂとテラヘルツ波検出器２３ｂとを結ぶ線は、互いに交差しており、より具体的には、互いに直交している。

テラヘルツ波発生器１９ａは、Ｓ波のみを発するように設定されている。テラヘルツ波発生器１９ａから発せられるＳ波は、プリズム２１の入射面６９ａを介してプリズム２１内に導入され、試料３に照射される。試料３において反射されたＳ波は、プリズム２１の出射面７１ａから出射され、テラヘルツ波検出器２３ａにより検出される。

テラヘルツ波１９ｂは、例えばＰ波のみを発するように設定されている。テラヘルツ波発生器１９ｂから発せられるＰ波は、プリズム２１の入射面６９ｂを介してプリズム２１内に導入され、試料３に照射される。平面視においてテラヘルツ波発生器１９ａとテラヘルツ波検出器２３ａとを結ぶ線と、平面視においてテラヘルツ波発生器１９ｂとテラヘルツ波検出器２３ｂとを結ぶ線とが、互いに交差しているため、Ｓ波が照射される箇所と同じ箇所にＰ波を照射し得る。試料３において反射されたＰ波は、プリズム２１の出射面７１ｂから出射され、テラヘルツ波検出器２３ｂにより検出される。

本変形例では、２つのテラヘルツ波発生器１９ａ、１９ｂが設けられるため、２つのポンプ光が必要である。光ファイバ増幅器１６等をそれぞれ２つ設け、これら２つの光ファイバ増幅器１６等からそれぞれポンプ光を出力するようにしてもよいし、光ファイバ増幅器１６等により増幅されたポンプ光を２つに分岐してするようにしてもよい。

また、本変形例では、２つのテラヘルツ波検出器２３ａ、２３ｂが配されるため、２つのプローブ光が必要である。光ファイバ増幅器２６等を２つ設け、これら２つの光ファイバ増幅器２６等からそれぞれプローブ光を出力するようにしてもよいし、光ファイバ増幅器２６等により増幅されるプローブ光を２つに分岐してするようにしてもよい。

また、テラヘルツ波検出器２３ａにより検出されるＳ波とテラヘルツ波検出器２３ｂにより検出されるＰ波とを、同時にサンプリング処理するようにしてもよいし、交互にサンプリング処理するようにしてもよい。

（変形例（その８））
本実施形態による膜厚測定装置の変形例（その８）について図１５を用いて説明する。図１５は、本変形例による膜厚測定装置の一部を示す斜視図である。なお、図１５においては、プリズム２１の図示を省略している。

本変形例による膜厚測定装置は、プリズム２１とテラヘルツ波検出器２３との間に配した偏光板２２を用いてＳ波とＰ波との切り替えを行うものである。

本変形例では、プリズム２１とテラヘルツ波検出器２３との間には偏光板２２が配されているが、テラヘルツ波発生器１９とプリズム２１との間には偏光板２０（図１参照）は配されていない。テラヘルツ波発生器１９から出射されるテラヘルツ波の偏光の傾きは、４５度に設定されている。テラヘルツ波発生器１９から出射されるテラヘルツ波の偏光の傾きを４５度に設定しているのは、Ｓ波もＰ波もバランスよく照射し得るようにするためである。また、本変形例では、テラヘルツ波検出器２３のダイポールアンテナ７２ａ、７２ｂの傾きは、４５度に設定されている。テラヘルツ波検出器２３のダイポールアンテナ７２ａ、７２ｂの傾きを４５度に設定しているのは、Ｓ波もＰ波もバランスよく検出し得るようにするためである。

図１５（ａ）は、Ｓ波が通過するように偏光板２２の角度を設定した場合を示す概略図である。テラヘルツ波発生器１９から出射されるテラヘルツ波の偏光の傾きが４５度に設定されているため、試料３にはＳ波及びＰ波が照射される。Ｓ波のみが通過するように偏光板２２の角度が設定されているため、試料３において反射されるＳ波及びＰ波のうちのＳ波のみが偏光板２２を通過する。そして、偏光板２２を通過したＳ波が、テラヘルツ波検出器２３の一対のダイポールアンテナ７２ａ、７２ｂに達する。従って、テラヘルツ波検出器２３は、試料３において反射されたＳ波及びＰ波のうちのＳ波のみを検出する。

図１５（ｂ）は、Ｐ波が通過するように偏光板２２の角度を設定した場合を示す概略図である。図１５（ａ）の状態に対して、偏光板２０を９０度回転させれば、Ｐ波のみを通過させるように偏光板２２を設定することができる。なお、偏光板２２は、例えばアクチュエータ（図示せず）を用いて回転させることができる。テラヘルツ波発生器１９から出射されるテラヘルツ波の偏光の傾きが４５度に設定されているため、試料３にはＳ波及びＰ波が照射される。Ｐ波のみが通過するように偏光板２２の角度が設定されているため、試料３において反射されるＳ波及びＰ波のうちのＰ波のみが偏光板２２を通過する。そして、偏光板２２を通過したＰ波が、テラヘルツ波検出器２３の一対のダイポールアンテナ７２ａ、７２ｂに達する。従って、テラヘルツ波検出器２３は、試料３において反射されたＳ波及びＰ波のうちのＰ波のみを検出する。

なお、ここでは、偏光板２２を回転させることにより、Ｓ波とＰ波とを切り替えたが、これに限定されるものではない。Ｓ波のみを通過させる偏光板とＰ波のみを通過させる偏光板とを切り替えるようにしてもよい。Ｓ波のみを通過させる偏光板とＰ波のみを通過させる偏光板との切り替えは、例えばアクチュエータ（図示せず）を用いて行うことができる。かるアクチュエータは、例えば制御装置６により制御することができる。

このように、本変形例によっても、Ｓ波とＰ波とをそれぞれ検出することができる。

（変形例（その９））
本実施形態による膜厚測定装置の変形例（その９）について図１６を用いて説明する。図１６は、本変形例による膜厚測定装置の一部を示す平面図である。

本変形例による膜厚測定装置は、Ｓ波とＰ波とを含むテラヘルツ波をテラヘルツ波発生器１９から出力し、テラヘルツ波検出器２３ａによりＳ波を検出し、テラヘルツ波検出器２３ａと別個のテラヘルツ波検出器２３ｂによりＰ波を検出するものである。テラヘルツ波発生器１９から出射されるテラヘルツ波の偏光の傾きは、例えば４５度に設定されている。テラヘルツ波発生器１９から出射されるテラヘルツ波の偏光の傾きを４５度に設定しているのは、Ｓ波もＰ波もバランスよく照射し得るようにするためである。本変形例では、テラヘルツ波発生器１９とプリズム２１との間には偏光板２０（図１参照）は配されていない。プリズム２１の後段には、偏光板２２ａが配されている。偏光板２２ａは、Ｓ波とＰ波とを分岐し得るものである。

テラヘルツ波発生器１９から出力されるテラヘルツ波にはＳ波もＰ波も含まれているため、試料３にはＳ波もＰ波も照射される。試料３において反射されたＳ波及びＰ波は、プリズム２１の出射面７１を介して出力され、偏光板２２ａによりＳ波とＰ波とに分岐される。偏光板２２により分岐されたＳ波は、テラヘルツ波検出器２３ａにより検出される。一方、偏光板２２により分岐されたＰ波は、テラヘルツ波検出器２３ｂにより検出される。

また、本変形例では、２つのテラヘルツ波検出器２３ａ、２３ｂが配されるため、２つのプローブ光が必要である。光ファイバ増幅器２６等を２つ設け、これら２つの光ファイバ増幅器２６等からそれぞれプローブ光を出力するようにしてもよいし、光ファイバ増幅器２６等により増幅されたプローブ光を２つに分岐してするようにしてもよい。

また、テラヘルツ波検出器２３ａにより検出されるＳ波とテラヘルツ波検出器２３ｂにより検出されるＰ波とを、同時にサンプリング処理するようにしてもよいし、交互にサンプリング処理するようにしてもよい。

このように、本変形例によっても、Ｓ波とＰ波とをそれぞれ検出することができる。

［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、テラヘルツ波の散乱や吸収を生じさせる膜３１ｂが導電性粒子（金属粒子、金属粉体）を含む膜である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、空孔を含む膜においても、テラヘルツ波の散乱や吸収が生じる。空孔を含む膜としては、例えば多孔質膜等が挙げられる。より具体的には、空孔を含む膜として、多孔質のセラミックス層等が挙げられる。多孔質のセラミックス膜の材料としては、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等が挙げられる。多孔質のセラミックス層は、例えば溶射法等により基材上に形成することができる。図１７は、本発明の変形実施形態における試料を示す断面図である。図１７に示すように、基材３０ａ上に第１層目の膜３１ｄが形成され、第１層目の膜３１ｄ上に空孔を含む第２層目の膜３１ｅが形成されている。基材３０ａの材料としては、例えば樹脂等が挙げられる。第１層目の膜３１ｄの材料としては、例えば樹脂等が挙げられる。第２層目の膜３１ｅは、空孔を含む膜である。より具体的には、第２層目の膜３１ｅとして、多孔質のセラミックス膜等を挙げることができる。第１層目の膜３１ｄと第２層目の膜３１ｅとにより積層膜３２ａが構成されている。なお、ここでは、基材３０ａ上に形成された積層膜３２ａが２層構造である場合を例に説明したが、積層膜３２ａは２層構造に限定されるものではない。テラヘルツ波の散乱や吸収を生じさせる膜３１ｂが３層以上の積層膜中に含まれている場合にも、本発明を適用し得る。なお、ここでは、基材３０ａの材料が樹脂である場合を例に説明したが、基材３０ａの材料は樹脂に限定されるものではない。また、ここでは、第１層目の膜３１ｄの材料が樹脂である場合を例に説明したが、第１層目の膜３１ｄの材料も樹脂に限定されるものではない。このように、テラヘルツ波の散乱や吸収を生じさせる膜３１ｂが、空孔を含む膜であってもよい。

また、上記実施形態では、時間差Ｔ３と第１層目の膜３１ａの膜厚との関係を予めサンプル試料を用いて測定しておき、予め測定した関係に基づいて試料３における第１層目の膜３１ａの膜厚を判定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、Ｓ偏光成分の時間波形（挙動）とＰ偏光成分の時間波形（挙動）との差に対して、計算等を行うことにより、第１層目の膜３１ａの膜厚を求めるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、第２のデコンボリューションフィルタ処理により得られた時間波形のピークに基づいて、第２層目の膜３１ｂの膜厚を判定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第１のデコンボリューションフィルタ処理により得られた時間波形のピークに基づいて、第２層目の膜３１ｂの膜厚を判定するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、３層構造の積層膜３２の各々の膜３１ａ〜３１ｃの膜厚を測定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。２層構造の積層膜の各々の膜の膜厚を測定する場合にも本発明を適用することができる。例えば、２層構造の積層膜の第２層目の膜においてテラヘルツ波の散乱や吸収等が生じる場合であっても、第１層目の膜の膜厚を正確に測定することが可能である。また、４層以上の積層膜の各々の膜の膜厚を測定する場合にも、本発明を適用可能である。

また、上記実施形態では、メタリックベース層３１ｂの層数が１層である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。メタリックベース層３１ｂが複数層形成されていてもよい。即ち、テラヘルツ波の散乱や吸収を生じさせる膜３１ｂが複数層形成されていてもよい。例えば、図１におけるメタリックベース層３１ｂとクリア層３１ｃとの間に、１層又は２層以上のメタリックベース層が更に形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、クリア層３１ｃの層数が１層である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。クリア層３１ｃが複数層形成されていてもよい。例えば、図１におけるクリア層３１ｃ上に、１層又は２層以上のクリア層が更に形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、クリア層３１ｃが形成されている場合を例に説明したが、クリア層３１ｃが形成されていなくてもよい。

３、３ａ…試料
６…制御装置
１９…テラヘルツ波発生器
２１…プリズム
２２…テラヘルツ波検出器
３０…基材
３１ａ…第１の膜、導電性プライマ層
３１ｂ…第２の膜、メタリックベース層
３１ｃ…第３の膜、クリア層
３１ｄ…第１の膜
３１ｅ…第２の膜、多孔質セラミックス層
３２、３２ａ…積層膜、塗装膜
６９…入射面
７０…当接面
７１…反射面
７２…屈折率整合材

Claims (11)

1. テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生器と、
   前記テラヘルツ波発生器から出射される前記テラヘルツ波が入射される入射面と、第１の膜を含む試料の前記第１の膜が形成されている側の面に当接可能な当接面と、前記試料からの反射波が出射される出射面とを有するプリズムと、
   前記プリズムの前記出射面から出射される前記反射波のＳ偏光成分とＰ偏光成分とをそれぞれ検出するテラヘルツ波検出器と、
   前記反射波の前記Ｓ偏光成分の時間波形と前記反射波の前記Ｐ偏光成分の時間波形とを用いて、前記Ｓ偏光成分の前記時間波形が閾値に達するタイミングと前記Ｐ偏光成分の前記時間波形が前記閾値に達するタイミングとの時間差に基づいて、前記試料に形成された前記第１の膜の膜厚を判定する制御部と
   を有する膜厚測定装置。
2. 前記試料は、前記第１の膜上に形成され、導電性粒子又は空孔を含む第２の膜を更に含む、請求項１記載の膜厚測定装置。
3. 前記制御部は、前記反射波の前記Ｓ偏光成分の時間波形データ又は前記反射波の前記Ｐ偏光成分の時間波形データを第１の窓関数を用いてデコンボリューション処理することにより得られる時間波形におけるピークに基づいて、前記第２の膜の膜厚を判定し、前記反射波の前記Ｓ偏光成分の前記時間波形データを前記第１の窓関数とは異なる第２の窓関数を用いてデコンボリューション処理することにより得られる前記Ｓ偏光成分の前記時間波形と、前記反射波の前記Ｐ偏光成分の前記時間波形データを前記第２の窓関数を用いてデコンボリューション処理することにより得られる前記Ｐ偏光成分の前記時間波形との差に基づいて、前記第１の膜の前記膜厚を判定する、請求項２記載の膜厚測定装置。
4. 前記試料は、前記第２の膜上に形成された第３の膜を更に含む、請求項２記載の膜厚測定装置。
5. 前記制御部は、前記反射波の前記Ｓ偏光成分の時間波形データと前記反射波の前記Ｐ偏光成分の時間波形データを第１の窓関数を用いてデコンボリューション処理し、デコンボリューション処理することにより得られる前記Ｓ偏光成分の前記時間波形から第１の極大値を求めるとともに、デコンボリューション処理することにより得られる前記Ｐ偏光成分の前記時間波形から第２の極大値を求め、前記第１の極大値になるタイミングと前記第２の極大値になるタイミングとの時間差に基づいて、前記第３の膜の前記膜厚を判定する、請求項４記載の膜厚測定装置。
6. 前記第２の膜は、メタリックベース層である、請求項２乃至５のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
7. 前記第３の膜は、クリア層である、請求項４又は５記載の膜厚測定装置。
8. 前記第１の膜は、導電性プライマ層である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
9. 前記第２の膜は、多孔質セラミックス層である、請求項２又は３記載の膜厚測定装置。
10. 屈折率整合材を介して前記プリズムの前記当接面と前記試料とを当接する、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
11. テラヘルツ波発生器から出射されるテラヘルツ波が入射される入射面と、第１の膜を含む試料の前記第１の膜が形成されている側の面に当接可能な当接面と、前記試料からの反射波が出射される出射面とを有するプリズムの前記当接面を前記試料に当接させるステップと、
    前記プリズムの前記出射面から出射される前記反射波のＳ偏光成分とＰ偏光成分とを、テラヘルツ波検出器によりそれぞれ検出するステップと、
    前記反射波の前記Ｓ偏光成分の時間波形と前記反射波の前記Ｐ偏光成分の時間波形とを用いて、前記Ｓ偏光成分の前記時間波形が閾値に達するタイミングと前記Ｐ偏光成分の前記時間波形が前記閾値に達するタイミングとの時間差に基づいて、前記試料に形成された前記第１の膜の膜厚を判定するステップとを有する膜厚測定方法。

Images