JPH0423202B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、非可干渉光を用いた干渉計による微
少距離の測定方法および干渉計に関するものであ
る。この干渉計においては、非可干渉光ビームを
ビームスプリツタを経てその位置を決定すべき物
体に伝達させる一方、基準装置にも伝達させると
共に、この物体から反射した光ビームならびに基
準装置から反射した光ビームを干渉検出器によつ
て受光し、これによつてこの基準装置からの距離
が物体からビームスプリツタからの距離に等しい
場合に、干渉を検出できるようになつている。ま
た、本発明は、上述の方法を実施するための干渉
計に関するものである。

薄いフイルム、コーテイング、シート等の厚さ
は、被測定物体が十分に確い場合には機械的測定
手段を駆使することによつて測定できう。例えば
ハイブリツト電子回路の試験のように、コーテイ
ングの厚さの局部的変動が重要な場合には、測定
ポイントは小さな寸法である必要があり、これに
よつてこの表面圧力は増大すると共に、軟かい材
料の測定が不可能となつてしまう。一般に、コー
テイング材料は、これが硬化してしまうまでの間
のプロセスの初期段階では軟化している。このプ
ロセスを制御する観点から、出来る限り迅速にフ
イルムの厚さに関する情報を受信することが重要
である。

光学的手段を駆使することによつて、フイルム
にダメージを与えずにこれの厚さを測定すること
ができる。しかし乍ら、角度測定に基づく従来の
光学的レンジフアインダの精度は、10μｍ程度の
ものであり不十分なものである。単色光を用いた
干渉計の精度は十分なものであるが、各半波長が
一致した時に常に干渉が起り、これによつて、半
波長の多数倍の距離によるエラーが容易に発生す
る欠点がある。正確に既知である数種類の波長を
用いるが、または正確に既知の範囲内の波長を変
化させることによつて、従来の干渉計によつて与
えられた結果のあいまいさを回避することができ
る。しかし乍ら、今日の技術水準から判断して、
これらの原理に従つて製造した装置は極めて高価
なものとなつてしまう欠点がある。

従来の干渉計において、白色光をこの単色光の
代りに用いた場合、干渉は不明瞭となつてしま
う。即ち、両方の光ビームが正確に同一距離だけ
進行した場合のみ干渉が起る（マイケルスンの干
渉計）。この原理を利用して、Vaisala教授によ
つて石英メータで長さの比較を行なつた。
Geodesy研究所では、この教授によつて発見され
た方法を応用して、1/2Kmまでの距離の測定を行
なつた。この方法における問題点は、干渉を見つ
けると、およびこの装置のセツトおよびチユーニ
ングには、高度に技術を習得した技術者が数日費
やす必要があつた点である。このようなことか
ら、このVaisala教授による方法は広まらなかつ
たことが明らかである。

また、被測定物のフイルムまたはコーテイング
が透明である場合には、Flournoy、McClureお
よびWyntjesによつて1972年に提案された処によ
れば、これの厚さは白色光を用いるマイケルスン
の干渉計を改造することによつて正確に測定する
ことができる。この方法においては、光ビームを
測定すべきフイルムの前面および背面から反射さ
せ、これらビームを干渉計に入射させ、これによ
つてフイルムの厚さを干渉計のミラーを偏位させ
ることによつて検出している。原理的には、この
フイルムと干渉計との間の距離は測定結果には悪
影響を与えないものである。このフイルムの光の
屈折率および光ビームの角度によつて測定の精度
に影響を与える。

本発明によれば、この従来のマイケルスン干渉
計に改良を施すことによつて、薄い不透明なフイ
ルム等の厚みを自動的に測定することができる。
光学的、電子的且つ電気−機械的なコンポーネン
トの重要な機能を駆使することによつて、本来の
装置の最も大きな欠点、即ち緩慢性を除去できる
特徴がある。従来のものと比較した場合の本発明
の本質的な差異は、測定結果として、連続的に調
整可能な機運距離長を干渉が検出された瞬間に表
示できる点である。

本発明の方法によれば、基準距離または測定す
べき距離を自動機構によつて周期的に調整し、干
渉を電子的干渉検出器によつて監視すると共に、
干渉の瞬間に、基準装置または測定すべき物体の
位置を位置インジケータから読取るか、またはこ
の自動機構に関連して等距離に配置したことを特
徴とする。シフト機構を第２の干渉計によつて適
当に較正することができる。

また、微少距離を測定するための本発明による
干渉計によれば、非可干渉光を発生する光源と、
この光源から光ビームを一方は基準装置へ、他方
は測定すべき物体へ分割するビームスプリツタ
と、この基準装置および物体から反射された光ビ
ームを受光する干渉検出器と、基準装置の位置を
調整する手段とを具え、この基準装置の位置を調
整する手段に、一定の速度で基準距離中に周期的
な変化を発生させる周期的に作動する自動機構
と、干渉検出器を電子的に作動させると共に、更
に、干渉の瞬間に前記機構の位置、この位置に従
つて基準距離を前記干渉検出器３が読取れるよう
に前記機構に接続したことを特徴とする。

以下図面を参照し乍ら本発明を詳述する。

第１図の装置の光源は白熱ランプである。この
代りに、発光ダイオードを用いることもできる。
この光源の主たる特徴はスペクトル幅の大きいこ
とである。即ち、単色光は不適当である。更に、
大きな輝度および均一な輝度が必要である。ビー
ムスプリツタ２として、ビームスプリツタプリズ
ム、半透鏡等が使用可能である。このビームスプ
リツタ２の光学的品質は重要なものである。これ
の分割比もまた１：１とは異なつたものとでき
る。このビームスプリツタか一方の光ビームが測
定すべき物体４へ伝達され、他方の光ビームが基
準装置３に伝達される。この基準装置３は、この
位置および基準距離の調整のために、電気機械的
作動装置（第１図には図示しない）に装着され
る。本発明によれば、この距離は、後述するよう
な方法によつて、この作動装置を前後に、且つ出
来る限り均等に周期運動させることにより調整で
きる。また、この距離は、例えば回動可能なガラ
スプレートによつて調整できる。この作動装置の
簡単なものとしてはスピーカ機構があり、これの
モビール膜にミラーが係止されている。レンズを
用いることによつて、十分な輝度および測定光点
の十分小さなものが得られる。基準距離に対する
ミラーからの反射光および測定すべき物体４から
の反射光が検出器５に入射するこれらの光の通過
距離は等しいものである。この検出器５として
は、通常のシリコンフオトダイオードを用いるこ
とができる。

第２図において、検出器５から得られた信号を
増幅器６で増幅し、バンドパスフイルタ７へ供給
する。ミラーの安定した運動速度のために干渉の
周波数が一定であるので、このことが可能とな
る。こと干渉は極めて短いものであり、一般的に
は約６個のサインサイクルの長さであるので、バ
ンドパスフイルタ７のＱ値を約３にする必要があ
る。フイルタを用いることによつて、通常の照明
からの妨害を減衰させることができる。この干渉
パルスを整流すると共に、ローパスフイルタ８に
よつて波する。得られたパルスの包絡線の初期
のモーメントを表示する。その後のパルスの振幅
を広範囲内で変化できるので、所謂コンスタン
ト・フラクシヨン検出器１０を用いる。ノイズに
よつて発生したエラーパルスはミニマム・リミツ
トコンパレータ１１によつて除去される。即ち、
パルスの振幅は所定セツトされたコンスタント値
を越える必要がある。

この干渉瞬時の更に正確なタイミングは、干渉
信号のゼロ・サーパツシングコンパレータ（zero
−surpassing comparator）１２によつて実現さ
れる。このコンパレータ１２によつてコンスタン
トフラクシヨン検出器によつて表わされた干渉瞬
時の後に、次のゼロを越えるものを監視する。

前述した実施例においては、基準距離を調整す
る作動装置として、ミラーを装着したスピーカ１
３を用い、これに三角形波発生器１４から給電す
る。必要に応じて、このスピーカ１３のゼロ位置
は、僅かな直流成分をこの供給電圧に加算するこ
とによつて変化できる。干渉瞬時が検出された
時、作動装置の位置に比例した電圧をサンプルホ
ールド素子１５に蓄積し、ここで、この蓄積は、
作動装置の動きの方向に依存して交互に行われ
る。加算増幅器１６を用いることによつてこのサ
ンプルホールド素子の電圧の平均値を取ることに
よつて、測定結果に含まれる作動装置のステリシ
スによるあらゆる効果を除去できる。この加算増
幅器の出力から測定すべき距離に比例した電圧を
得ることができる。カウンタ１７によつて作動装
置のサイクル数を計数する。このカウンタは、干
渉を検出した時にゼロにリセツトされ、これによ
つてこのカウンタはミスした干渉の表示器として
機能する。

干渉パルスのエンベロープの最大振幅をピーク
値インジケータ１８によつて監視する。この最大
値がセツト値を越える時に、これに関する情報が
得られる。

前述のミスした干渉のインジケータおよび最大
値インジケータから得られたデータを用いること
によつて減衰器１９（減衰量は約20−30dB）を
制御でき、この機能は良好な表面から測定した干
渉信号を減衰するためのもので、これによつて電
子的に要求されるダイナミツク特性を減少でき
る。

上述した装置によれば、通常測定が困難な距離
を容易に測定可能な基準距離に変換できる利点が
ある。この測定では滑らかで光沢のある表面から
のものが最良結果が得られる。表面の不均一性に
よつて干渉を弱めたり、長くしたりする。このた
め、これを用いて表面の平滑さを測定する基準と
する。

本発明の装置の解像度は、原理的にλ／８より
良好なものである。即ち、0.9μｍの平均波長で約
100nｍである。一般に測定の範囲は、速度条件
ならびに基準距離を調整る作動装置によつて制限
を受けるようになる。例えば、測定速度は１mm／
秒であり、これは必要に応じてノイズを犠牲にす
れば１〜２桁だけ増大できる。

この干渉計の他の応用例としては、薄い透明な
多層プラスチツクフイルムの厚みの測定がある。
第３図に示すように、（ここで、参照番号２１，
２２，２３および２５は第１図の番号１，２，３
および５にそれぞれ対応する）、多層フイルム２
０をバツクミラー２４の前方に配置する（このフ
イルムを可動状態とすることができる）。測定原
理に従つて、少なくとも３つの干渉が得られる。
即ち、このフイルムの前面から、背面からおよび
バツクミラー２４からの干渉である。更に、高次
の干渉が存在する可能性がある。このフイルムの
前面および背面からの干渉は同時に起らないの
で、このフイルムは通常、干渉インターバル中に
かなりの距離動くようになる。厚さ情報が全めお
よび背面干渉の間の差から計算されたものである
ならば、フイルム測定ビーム方向における動きに
よつてエラーが計算結果に生じてしまう。このエ
ラーは、ミラーの干渉でフイルムによるものを偏
位することによつて瞬時の厚さ測定に対して回避
することができる。このフイルムをビーム外の配
置した時に、ミラーによつて生じた干渉の位置を
測定手段のメモリ中に記憶する。フイルムによつ
て生じた干渉の偏位は（ｎ−１）・ｄに等しくな
る。ここで、ｎはフイルムの屈折率であり、ｄは
フイルムの厚さである。フイルムの前面および背
面の干渉距離間における差は同様にｎ・ｄである
が、この測定はビーム方向においてフイルムの動
きに対して感応性が高いものである。また、測定
したｎ・ｄ値の平均値を計算することによつて、
この方法においても平均の厚さを測定できる利点
がある。しかし乍ら、このようにして得た情報
は、屈折率の計算および制御に使用することが望
ましいものである。前述した２つの等式と２の未
知の値からフイルムの厚さおよび屈折率の両方を
決定出来ることは明らかである。

前述のバツクミラーは高品質なものではなく、
この真線性および平坦性のみが所望の測定精度に
対応する本質的なポイントである。光学的反射率
は例えは10％程度の小さいものであるのに対し
て、高品質ミラーの表面は、この表面の方向が極
めてクリチカル（微妙）であるので問題を誘起し
てしまう。

フイルム内での多数回反射およびフイルムとミ
ラーとの間での多数回反射によつて高次の干渉が
生じる。これら反射はかなり強いものであるの
で、これらを振幅値によつて除去することができ
ない。光学的距離が長いために、高次の干渉をフ
イルムの前面および背面の干渉から簡単に分離す
ることができるが、ミラーによる干渉の決定は混
入されてしまう。このフイルムとミラーとの間の
エヤギヤツプがｎ・ｄの幅を有する場合には、ミ
ラーによる干渉とフイルムの内部反射による干渉
とが同時に起るので、この状況は困難なものとな
る。このことを回避するためには、薄いフイルム
および厚いフイルムが関与する場合には以下のよ
うに行なうことが望ましい。即ち、フイルムが
100μｍより厚いものである場合には、このフイ
ルムを出来る限りミラーに近接させて、前述のエ
ヤギヤツプがフイルムの厚さに実質的に相当する
幅となるようにする。この結果、このミラーによ
つて生じる最も重大な干渉は、これが距離スケー
ル上、３番目（背面の干渉に続く）に存在するよ
うに位置すると共に、あらゆるレートにおいて、
ミラーの基準の後に位置するようになる。

薄いフイルムが関与する場合には、このエヤギ
ヤツプは例えば400μｍのように広いものである
必要がある。しかし乍ら、この値はそれ程クリチ
カルなものではなく、200〜600μｍまでのあらゆ
る値に選定できる。この上限値は、干渉計光学計
の焦点距離によつて決定される。即ち、深さ方向
における測定点の鋭さによつて決定される。ま
た、この下限値において、高次の干渉による問題
も生じ、これの評価も同様に誤つたものとなる。
このエヤギヤツプが好適なものであるならば、バ
ツクミラーによつて生じる干渉が一番であり、恐
らくこのバツクミラーの基準距離の後の唯一のも
のである。

多層プラスチツクフイルムでは、中間層によつ
て生じた干渉が時として観察される。この場合の
干渉の振幅は小さなものであるが、この中間層の
厚さを測定するには十分なものである。このよう
な小さな反射を干渉計によつて観察できる事実
は、一定の基準ビームによるためである。干渉検
出ダイオードの出力は、基準ビームと被測定物体
から反射したビームとの積に比例するものであ
る。この基準値は一定であるので、このことによ
つて広いダイナミツク測定範囲となり、例えば反
射率の変動として規定される１：1000のオーダと
なる。他の干渉計においては、測定すべき表面か
ら基準ビームが反射するので、これによつてダイ
ナミツクレンジはかなり減少してしまい、例えば
１：30となつてしまう。

多層プラスチツクフイルムの測定においては、
中間層をすべての点において観察することができ
ない。しかし乍ら、このことはそれ程大きな障害
にはならない。その理由は、このプラスチツクフ
イルムを測定に好適なポイントが定常的に現われ
るように移動できるからである。この結果、この
中間層の平均の厚さが得られるようになる。多層
プラスチツクフイルムの測定距離に関して、上述
の原理を単一層プラスチツクフイルム用にも適用
する。

この干渉計の実際的な応用においては、測定用
電子回路によつてプラスチツクフイルム等の表面
の質に関する情報を受ける必要があると共に、厚
みに対する簡単な概算および表面評価における変
動の概算に関する情報を受ける必要がある。予期
された干渉の最小数はモードを表示するのに適当
な情報である。透明な表面の輪郭を測定する場
合、１個のみの干渉が現われ、対応するモードは
MODE1である。透明なフイルムが不透明なフイ
ルムの頂面上にサンドイツチ構造となつている場
合には、２個の干渉が現われ、フイルムの各面か
ら１つづつ現われるようになる。この場合の対応
するモードはMODE2である。単層プラスチツク
フイルムの場合には、同様に３つの干渉が、高次
の干渉に加えて現われ、対応するモードは
MODE3である。多層フイルムの場合には、少な
くとも４個の干渉が現われ、これのモードは
MODE4である。従つて、干渉の数が所定の数に
対応しない場合には、この干渉計によつてオペレ
ータがモードまたは被検体をチエツクするように
警告するように構成できる。

これらの測定を異つたモードに分割すると共
に、概算の厚み情報に従つて測定距離を選択する
ことによつて、採用すべきデータプログラムの信
頼の高いものとできると共に簡単にできる。従つ
て、予測される干渉の数や位置を測定する前に装
置の内部で規定できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第３図は非可干渉光を用いた干渉
計の原理を示す説明図、第２図は本発明の装置の
一実施例のブロツク線図である。 ４……物体、７，９……フイルタ、５，１０…
…検出器、１１，１２……コンパレータ、１３…
…スピーカ、１５……サンプル・ホールド回路、
１６……加算増幅器、１７……カウンタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 干渉計により対象物の厚さを計測する計測装
   置において、 ビームスプリツタを介し、非可干渉
   （incoherent）の光ビームを第１通路に沿つて対
   象対象物と、上記第１通路とは別の第２通路に沿
   つて基準装置へと伝達させる手段と、 上記ビームスプリツタからの上記対象物と上記
   基準装置との距離が等しいとき、上記第１通路及
   び上記第２通路からの光ビームの間の干渉を検出
   する干渉検出手段であつて、干渉検出手段は、干
   渉が上記第１及び第２の通路のビームの間にある
   とき、干渉エンヴエロープ信号を発生させ、 上記基準装置からの光ビームを上記干渉検出手
   段へ反射し、同様に、上記対象物からの光ビーム
   を上記干渉検出手段へ反射する反射手段と、 コイル及び可動膜を有する電磁気的に駆動され
   るラウドスピーカーを含み、計測範囲を越えて一
   定速度で一時的に上記基準装置を動かすことによ
   り、上記ビームスプリツタから上記基準装置への
   距離を適合させる手段であつて、上記基準装置は
   上記可動膜上に固定されたミラーであり、膜及び
   ミラーに一定速度を与える上記コイルへ周期的な
   鋸歯電圧が与えられて上記スピーカーが上記計測
   範囲を越えて上記膜及びミラーを動かす為に駆動
   され、 上記干渉エンヴエロープ信号が発生された時間
   に上記基準装置の位置を検出する為に上記干渉エ
   ンヴエロープ信号に反応する位置検出手段と、 上記干渉エンヴエロープ信号を受信して通過さ
   せると共に、所定の周波数バンドの光信号の通過
   を防ぐバンドパスフイルタ手段と、 エンヴエロープパルスを生出するために上記バ
   ンドパスフイルタ手段により通過された上記干渉
   エンヴエロープ信号を整流する為の整流
   （rectifier）手段と、 所定の最小レベルより上のエンヴエロープパル
   スを通過させる為のしきい値検出手段と、 上記バンドパスフイルタ手段を通過したエンヴ
   エロープ信号を受信すると共に、基準０ボルト電
   圧とエンヴエロープ信号との交差を検出する０ボ
   ルト通過検出手段と、 上記しきい値検出手段の出力に接続される第１
   入力ターミナル、及び上記０ボルト通過検出手段
   の出力に接続される第２入力ターミナルを有する
   ANDゲート手段であつて、上記エンヴエロープ
   パルス信号が上記第１入力ターミナルに与えら
   れ、０ボルト交差信号が第２入力ターミナルに与
   えられるときに、上記位置検出手段が上記基準装
   置の位置を検出する為には反応する制御出力信号
   をこのANDゲート手段は発生し、 対象物の厚さを上記基準装置の位置の関数とし
   て決定できることを特徴とする計測装置。 ２ 上記位置検出手段は、上記ANDゲート手段
   から上記制御出力信号へ反応するサンプル、蓄積
   回路を有していることを特徴とする請求項１に記
   載の計測装置。