JP2016024009A - 厚さ測定装置及び厚さ測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物の厚さを広いダイナミックレンジで高速かつ高精度求めることができる非接触式の厚さ測定装置及び厚さ測定方法を提供すること。
【解決手段】本発明の厚さ測定装置は、光を出射する光源と、光源から出射された光を光軸上に集束する光学系と、光学系により集束した光を反射する反射部と、光学系を通過した光が光軸上に集束する位置に応じた反射光の強度を検出する検出部と、光学系と反射部との間に測定対象物が配置されていない場合に反射部で反射した光について検出部で反射光強度のピークを検出した光軸上での第１集束位置と、光学系と反射部との間に測定対象物が配置されている場合に測定対象物を透過し反射部で反射した光について検出部で反射光強度のピークを検出した光軸上での第２集束位置との変位量と、測定対象物の屈折率と、を用いて測定対象物の厚さを演算する演算部と、備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、厚さ測定装置及び厚さ測定方法に関し、特に透明フィルムのような高い透光性を有する薄い対象物の厚さの測定に適した厚さ測定装置及び厚さ測定方法に関する。

従来、フィルムやシート等の薄い平行平板状の透明な対象物の厚さを非接触で測定する装置として、共焦点式変位計、クロマティックコンフォーカル式変位計、分光干渉式厚さ計などが知られている。

例えば、共焦点式変位計では、測定対象物に照射する光の焦点位置を可変し、共焦点位置に配置したピンホールを通過する反射光の量が最大となる焦点位置から測定対象物の位置を検出している。

また、クロマティックコンフォーカル式変位計では、軸上色収差の大きい対物レンズを用いて測定対象物に白色光源の光を照射し、その反射光のうち共焦点位置に配置したピンホールを通過する光において最も強い光波長を検出することで測定対象物の位置を検出している。特許文献１には、高分解能かつ高速応答を実現したクロマティックコンフォーカル式変位計が開示される。

また、分光干渉式厚さ計では、測定対象物に白色光源の光を照射し、その表面で反射する光と、裏面で反射する光とを分光後に干渉させることで、光波長に対する光干渉の強度パターンを得て、測定対象物の位置を検出している。

特開２０１１−３９０２６号公報

しかしながら、従来の共焦点式変位計及びクロマティックコンフォーカル式変位計では、例えば、厚さ１０μｍ以下の薄い透明体が測定対象物である場合、透明体の表面で反射する光と、裏面で反射する光とが近すぎるため区別することが困難であり、精度の高い厚さ測定を行うことができないという問題がある。

また、分光干渉式厚さ計では、厚さ１０μｍ以下の薄い透明体は測定できるものの、１ｍｍ以上の厚い透明体の測定は困難であるという問題がある。これは、厚い透明体に対する光干渉の強度パターンが細かくなりすぎて、イメージセンサ等での検出が難しくなるためである。また、応答性にも問題がある。すなわち、分光干渉式厚さ計では、イメージセンサの全画素が受光画素となるため、受光量の検出に時間がかかる。しかも、イメージセンサの全画素による膨大な受光量データをＦＦＴ（Fast Fourier Transform）解析して測定対象物の厚さを算出するため、演算時間が長くなるという問題がある。

また、従来技術では、測定スポットの大きさが設計で決まるため、測定時に測定スポットの大きさを変えることはできない。

本発明の目的は、平行平板状の透明体（フィルムやシートなど）の測定対象物の厚さを広いダイナミックレンジをもって高速に測定し、かつ、測定スポットの大きさを自由に変えることができる非接触式の厚さ測定装置及び厚さ測定方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の厚さ測定装置は、光を出射する光源と、光源から出射された光を光軸上に集束する光学系と、光学系により集束した光を反射する反射部と、光学系を通過した光の光軸上での集束位置に応じた反射光の強度を検出する検出部と、光学系と反射部との間に測定対象物が配置されていない場合に反射部で反射した光について検出部で反射光強度のピークを検出した光軸上での第１集束位置と、光学系と反射部との間に測定対象物が配置されている場合に測定対象物を透過し反射部で反射した光について検出部で反射光強度のピークを検出した光軸上での第２集束位置との変位量と、測定対象物の屈折率と、を用いて測定対象物の厚さを演算する演算部と、備えたことを特徴とする。

このような構成によれば、光学系と反射部との間に測定対象物を配置して光を照射した場合、測定対象物が配置されていない場合に比べて光路差が発生する。この光路差は、測定対象物の厚さ及び屈折率に応じて変化する。この性質を利用して、演算部は、測定対象物が配置されていない場合に演算した光軸上での第１集束位置と、測定対象物が配置されている場合に演算した光軸上での第２集束位置との変位量と、測定対象物の屈折率とを用いて測定対象物の厚さを広いダイナミックレンジで高速かつ高精度に求めることができる。また、光学系と測定対象物との間隔を調整することにより、測定スポットの大きさを自由に変えることができる。

本発明の厚さ測定装置において、光学系は、光軸上において軸上色収差を有し、検出部は、光学系の共焦点位置に配置されたピンホールを通過した反射光を波長ごとに分光する分光器と、分光器で分光された反射光の強度を検出する受光部と、を有し、演算部は、受光部で検出した反射光の波長に対応した光軸上での集束位置を演算するようにしてもよい。このような構成によれば、光学系の軸上色収差を利用して、ピンホールを通過する光の波長における集束位置に基づき測定対象物の厚さを求めることができる。

本発明の厚さ測定装置において、光源から出射される光は、広帯域光であってもよい。このような構成によれば、広帯域光に含まれる波長の範囲内において測定対象物の厚さを測定することができる。

本発明の厚さ測定装置において、光源は、白色光源であってもよい。このような構成によれば、白色光源から出射される白色光に含まれる波長の範囲内において測定対象物の厚さを測定することができる。

本発明の厚さ測定装置において、第１集束位置と第２集束位置との変位量をΔＺ、測定対象物の屈折率をｎ、測定対象物の厚さをｔとした場合、演算部は、ｔ＝｛ｎ／（ｎ−１）｝×ΔＺによって測定対象物の厚さｔを演算してもよい。このような構成によれば、演算部による演算によって測定対象物の厚さｔを広いダイナミックレンジで高速かつ高精度に求めることができる。

本発明の厚さ測定装置において、光ファイバの端面のコア部分をピンホールとみなし、光ファイバを介して反射光を伝達してもよい。このような構成によれば、光ファイバの端面のコア部分をピンホールとみなして、共焦点であるコア部分に集光した反射光を光ファイバを介して取り込むことができる。

本発明の厚さ測定方法は、光源から出射した光を光学系で光軸上に集束して反射部に向けて照射する工程と、光学系と反射部との間に測定対象物を配置していない状態で、反射部にて反射した光について反射光強度のピークとなる光軸上での第１集束位置を検出する工程と、光学系と反射部との間に測定対象物を配置した状態で、測定対象物を透過し反射部にて反射した光について反射光強度のピークとなる光軸上での第２集束位置を検出する工程と、第１集束位置と第２集束位置との変位量と、測定対象物の屈折率と、を用いて測定対象物の厚さを演算する工程と、を備えたことを特徴とする。

このような構成によれば、光学系と反射部との間に測定対象物を配置して光を照射した場合、測定対象物が配置されていない場合に比べて光路差が発生する。この光路差は、測定対象物の厚さ及び屈折率に応じて変化する。この性質を利用して、測定対象物が配置されていない場合に検出した光軸上での第１集束位置と、測定対象物が配置されている場合に検出した光軸上での第２集束位置との変位量と、測定対象物の屈折率とを用いて測定対象物の厚さを広いダイナミックレンジで高速かつ高精度に求めることができる。また、光学系と測定対象物との間隔を調整することにより、測定スポットの大きさを自由に変えることができる。

第１実施形態に係る厚さ測定装置を例示する模式図である。 （ａ）は、第１実施形態に係る厚さ測定装置の構成を例示するブロック図、（ｂ）は、共焦点で光ファイバが受ける光の波長分布を例示する図である。 （ａ）及び（ｂ）は、ワークの有無による集光点の変化を説明する模式図である。 厚さ測定方法の流れを例示するフローチャートである。 （ａ）及び（ｂ）は、厚さ測定方法の具体例を示す模式図である。 第１の適用例を示す斜視図である。 第２の適用例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る厚さ測定装置を例示する模式図である。
図１に表したように、本実施形態に係る厚さ測定装置１は、センサヘッド１００と、コンソール２００とを備え、測定対象物であるワークＷの厚さを光学的に非接触で測定する装置である。

センサヘッド１００とコンソール２００とは光ファイバ４０によって接続される。厚さ測定装置１は、センサヘッド１００から出射された光の反射光を用いてワークＷの厚さを測定する。本実施形態においてワークＷは、センサヘッド１００から出射される光を十分に透過する材料によって形成される。例えば、ワークＷは透明なフィルムである。

本実施形態では、ワークＷの下側（ワークＷの、センサヘッド１００とは反対側）に反射部であるミラー３０が設けられる。この構成によって、透光性を有するワークＷであっても精度の高い厚さ測定を行うことができる。

図２（ａ）は、第１実施形態に係る厚さ測定装置の構成を例示するブロック図である。
図２（ａ）に表したように、コンソール２００には、光源１０、検出部５０（分光器５１、受光部５２）及び演算部６０が設けられる。また、コンソール２００には、これらのほか、ファイバカプラ４１が設けられる。

光源１０から出射される光は広帯域光である。光源１０としては、例えば白色光源（白色ＬＥＤなど）が用いられる。光源１０から出射される光は、ファイバカプラ４１及び光ファイバ４０を介してセンサヘッド１００に伝達される。

センサヘッド１００には光学系２０が組み込まれる。光学系２０は、光源１０から出射された光を光軸上に集束させる。光学系２０は、コリメートレンズ２１及び対物レンズ２２を有する。

コリメートレンズ２１は、光源１０から出射され光ファイバ４０から放射された光を平行光にする。コリメートレンズ２１は、軸上色収差の小さなレンズである。軸上色収差の小さなコリメートレンズ２１では、対物レンズ２２側からコリメートレンズ２１に向かう光軸に沿った平行光を、波長にかかわらず光軸上の一点（共焦点ＦＰ）に集束させる。なお、コリメートレンズ２１は必要に応じて設けられていればよい。コリメートレンズ２１が設けられていない場合には、光ファイバ４０から放射された光を、そのまま対物レンズ２２に入射すればよい。

対物レンズ２２は、コリメートレンズ２１よりもワークＷ側、すなわち、センサヘッド１００の先端側に配置される。対物レンズ２２は、軸上色収差の大きなレンズである。対物レンズ２２は、コリメートレンズ２１で平行にされた光をワークＷ側の光軸上に集束させる。

コリメートレンズ２１から対物レンズ２２に入射される平行光は、軸上色収差の大きな対物レンズ２２を通過すると、光の波長に応じて光軸上の異なる位置に焦点を結ぶ。すなわち、対物レンズ２２を通過した光の光軸上の焦点距離は、光の波長に応じて異なっている。対物レンズ２２では、波長が短いほど焦点距離が短く、波長が長いほど焦点距離が長くなる。例えば、青色光、緑色光、赤色光では、焦点距離は、青色光、緑色光、赤色光の順に長くなる。

ワークＷの対物レンズ２２とは反対側にはミラー３０が配置される。ミラー３０で反射する光のうちミラー３０の反射面で焦点を結ぶ波長成分の光は、対物レンズ２２を介してコリメートレンズ２１により共焦点ＦＰに集束することになる。一方、ミラー３０の反射面で焦点を結ばない大部分の波長成分の光は、共焦点ＦＰに集束せず散逸する。

光ファイバ４０は、センサヘッド１００とコンソール２００との間に設けられる。光ファイバ４０のセンサヘッド１００側の端面は、共焦点ＦＰに配置される。光ファイバ４０の端面のコア部分は共焦点ＦＰに配置されたピンホールとみなすことができる。光ファイバ４０は、共焦点ＦＰに配置されたピンホールを通過した反射光を受けてコンソール２００側へ伝達する。

光ファイバ４０のコンソール２００側の端面は、ファイバカプラ４１に接続される。光ファイバ４０は、光源１０から出射された光をセンサヘッド１００に伝達し、コリメートレンズ２１に向けて出射する。一方、光ファイバ４０は、ミラー３０で反射した光のうち共焦点ＦＰに集束したものを受けてコンソール２００に伝達する。

コンソール２００のファイバカプラ４１は、一方側に少なくとも２ポート、他方側に少なくとも１ポートを有する。一方側のポートの一つである第１ポートＰＴ１には光源１０が接続され、他の一つである第２ポートＰＴ２には検出部５０の分光器５１が接続される。他方側のポートである第３ポートＰＴ３には光ファイバ４０が接続される。

検出部５０は、分光器５１と受光部５２とを有する。分光器５１は、入射された光を波長に応じて分散させる。分光器５１としては、例えば回折格子が用いられる。受光部５２は、光ファイバ４０で伝達された光に基づき共焦点ＦＰに集束した反射光の波長毎の強度を検出する。受光部５２は、例えばイメージセンサを有する。分光器５１で波長に応じて分散された光を受光部５２で検出することにより、受光部５２で検出した位置に基づき共焦点ＦＰに集束した反射光の波長毎の強度を検出することができる。

演算部６０は、受光部５２で検出した反射光の波長毎の強度に基づき、反射光強度にピークが生じる波長に対応した高さを演算する。本実施形態では、後述する処理によって、ワークＷの厚さを演算する。

このような構成を備える本実施形態の厚さ測定装置１は、クロマティックコンフォーカル式変位計の測定原理と演算部６０での演算処理によってワークＷの厚さを高精度に求める。

ここで、クロマティックコンフォーカル式変位計の測定原理を説明する。
先ず、光源１０から光を出射して、センサヘッド１００の対物レンズ２２から測定対象物に向けて光を照射する。対物レンズ２２の軸上色収差により、この照射する光は波長によって異なる位置に焦点を結ぶ。測定対象物で反射した光のうち、測定対象物の表面で合焦していない波長の光は、共焦点ＦＰで集束せず、光ファイバ４０にはわずかしか取り込まれない。一方、測定対象物で反射した光のうち、測定対象物の表面で合焦した波長の光は共焦点ＦＰに集束してその多くが光ファイバ４０を介して分光器５１に伝達される。したがって、光ファイバ４０に取り込まれる光は、測定対象物の表面で合焦する波長成分の強度が強く、それ以外の成分の強度は弱いものとなる。

分光器５１には、共焦点ＦＰに集束して光ファイバ４０で伝達された光が送られる。分光器５１に送られた光は、波長に応じて分散して受光部５２に到達する。受光部５２では、分光器５１で分散した光の位置毎に受光強度を検出する。受光部５２における光の検出位置は波長毎に決まっているので、特定の検出位置で受光強度にピークが生じた場合には、その検出位置に対応する波長を求めることができる。演算部６０は、このピークが生じた波長での対物レンズ２２の焦点距離に基づいて、測定対象物の表面（反射面）の位置（高さ）を求める。

図２（ｂ）は、共焦点ＦＰで光ファイバ４０が受ける光の波長分布を例示する図である。なお、図中破線は、白色光の波長分布を例示している。例えば、光源１０から、波長λ１、λ２及びλ３を含む白色光が測定対象物に照射され、そのうち波長λ２の光が測定対象物の表面で焦点を結ぶとする。

この場合、波長λ２の反射光が共焦点ＦＰで集束して光ファイバ４０に取り込まれる。他の波長の反射光は共焦点ＦＰで集束しないため、光ファイバ４０には取り込まれない。したがって、光ファイバ４０は、図２（ｂ）に示すように波長λ２にピークを有する光を分光器５１に伝達することになる。

分光器５１では、波長λ２に応じて光を分散し、受光部５２に送る。受光部５２では、分光器５１で分散された光の強度の例えばピーク位置を検出して演算部６０に出力する。そして、演算部６０は、受光部５２から出力された位置の情報に基づき、この位置に対応する波長λ２を求め、波長λ２に対応した焦点距離を演算する。ここで、焦点距離と波長とは１対１の関係にあることから、演算部６０は、波長λ２と焦点距離との関係に基づいて測定対象物の表面の位置（高さ）を求める。

このように、クロマティックコンフォーカル式変位計の測定原理では、測定対象物の表面で合焦する光の波長に基づいて、測定対象物の光軸上の位置（高さ）を検出することができる。

次に、本実施形態に係る厚さ測定装置１による厚さの測定原理について説明する。
図３（ａ）及び（ｂ）は、ワークＷの有無による集光点の変化を説明する模式図である。
図３（ａ）に表したように、対物レンズ２２の下方にワークＷが配置されていない場合、ある波長λの光は、光軸上の位置Ｚ１に集光する。

ここで、図３（ｂ）に表したように、対物レンズ２２の下方に厚さｔの透明なワークＷを配置したとする。この場合、対物レンズ２２からワークＷを透過する光は、空間からワークＷへ入射する際、及びワークＷから空間へ出射する際に屈折が発生する。これにより、集光点の位置Ｚ１は、集光点の位置Ｚ１'に変化する。

この集光点の位置Ｚ１と集光点の位置Ｚ１'との変化量（ΔＺ）は、透明なワークＷの屈折率ｎ及び厚さｔによって以下の関係式（１）で表される。
ΔＺ＝｛（ｎ−１）／ｎ｝×ｔ …（１）

上記関係式（１）を変形すると、以下の関係式（２）になる。
ｔ＝｛ｎ／（ｎ−１）｝×ΔＺ …（２）

本実施形態に係る厚さ測定装置１は、上記関係式（２）を利用して、透明なワークＷの厚さｔを測定する。具体的には、演算部６０は、光学系２０とミラー３０との間にワークＷが配置されていない場合に受光部５２で検出したミラー３０の光軸上の位置（第１集束位置）と、ワークＷを配置した状態でワークＷを透過した光について受光部５２で検出したミラー３０の光軸上の位置（第２集束位置）との変化量（ΔＺ）を求め、変化量（ΔＺ）と、ワークＷの屈折率ｎと、を用いて上記関係式からワークＷの厚さｔを演算する。

一般に、極薄い透明なワークＷの厚さをクロマティックコンフォーカル式変位計で測定しようとした場合、ワークＷの表面での反射光と裏面での反射光とが近すぎるため区別しにくく、精度の高い厚さ測定を行うことは難しい。

これに対し、本実施形態に係る厚さ測定装置１では、ワークＷの表面や裏面での反射光を検出するのではなく、ワークＷの下に配置されたミラー３０での反射光を検出する。そして、ワークＷがある場合と、ない場合との集光点の変化量ΔＺ及び屈折率ｎに基づき、演算によってワークＷの厚さｔを得ている。これにより、どんなに薄い透明なワークＷであっても、反射光を的確に捉えて厚さｔを高い精度で求めることができる。また、共焦点ＦＰに集光した光を検出して分散後の位置を検出するため、複雑な演算を必要とせず短時間で厚さｔを測定することができる。

次に、厚さ測定方法について説明する。以下の説明では、本実施形態に係る厚さ測定装置１による厚さ測定方法を例とする。
図４は、厚さ測定方法の流れを例示するフローチャートである。
先ず、ステップＳ１０１に表したように、測定対象物の屈折率の値を入力する。入力した屈折率の値は、図示しない記憶手段に記憶される。

次に、ステップＳ１０２に表したように、測定対象物であるワークＷを配置しないでミラー３０の表面の位置を検出する。すなわち、ミラー３０の表面での反射光を光ファイバ４０で取り込み、その光におけるピークとなる波長成分に基づき演算部６０によってミラー３０の表面の光軸上の位置を検出する。この位置を第１集束位置Ｚ１０とする。

次に、ステップＳ１０３に表したように、測定対象物であるワークＷを対物レンズ２２とミラー３０との間に配置する。ここで、ワークＷ、透明とはいえ微弱な光を反射するので、ミラー３０から少し離した位置（例えば、５０μｍ以上離した位置）に配置することが望ましい。これは、ミラー反射光にワーク反射光が影響することを回避するためである。

次に、ステップＳ１０４に表したように、測定対象物であるワークＷを配置した状態で、ミラー３０の表面の位置を検出する。すなわち、センサヘッド１００からワークＷに向けて光を照射する。そして、ワークＷを透過してミラー３０の表面で反射した光を光ファイバ４０取り込み、その光におけるピークとなる波長成分に基づき演算部６０によってミラー３０の表面の光軸上の位置を検出する。この位置を第２集束位置Ｚ２０とする。

次に、ステップＳ１０５に表したように、測定対象物であるワークＷの厚さｔを演算する。すなわち、演算部６０は、第１集束位置Ｚ１０と第２集束位置Ｚ２０との変化量ΔＺと、先に記憶手段に記憶したワークＷの屈折率ｎとを用いて、上記関係式（２）からワークＷの厚さｔを演算する。これにより、ワークＷの厚さｔを求めることができる。

図５（ａ）及び（ｂ）は、厚さ測定方法の具体例を示す模式図である。
なお、図５（ａ）及び（ｂ）には、説明の便宜上、波長λ１、λ２及びλ３の光が表される。
図５（ａ）には、対物レンズ２２の下方にワークＷを配置せず、ミラー３０の表面の位置を測定している状態が表される。図４のステップＳ１０２に示した処理では、このようにワークＷが配置されていない状態でミラー３０の表面の位置を検出する。この例では、ミラー３０の表面に集光点を有する波長λ２の光に基づいて、ミラー３０の光軸上の位置（第１集束位置Ｚ１０）を検出する。

図５（ｂ）には、対物レンズ２２の下方にワークＷが配置された状態で、ミラー３０の表面の位置を測定している状態が表される。図４のステップＳ１０４に示した処理では、このようにワークＷを配置した状態でミラー３０の表面の位置を検出する。ワークＷが配置されると、ワークＷの屈折率ｎ及び厚さｔに応じて光の屈折が発生し、ワークＷが配置されていない場合に比べて焦点位置が遠くなる。

したがって、ワークＷが配置されていない場合にミラー３０の表面で集光していた波長λ２の光は、ミラー３０の表面よりも遠い位置で集光する。このため、ワークＷが配置された状態では、波長λ２よりも短い波長λ１の光がミラー３０の表面で集束することになる。

波長λ１の光は、共焦点ＦＰから光ファイバ４０に入り、コンソール２００に伝達される。この波長λ１の光に基づき、受光部５２及び演算部６０は、波長λ１に対応したミラー３０の光軸上の位置（第２集束位置Ｚ２０）を検出する。ミラー３０の表面の位置は、ワークＷの有無によって変化しないが、光学的に検出したミラー３０の表面の位置である第２集束位置Ｚ２０は、第１集束位置Ｚ１０とは異なる。

演算部６０は、第１集束位置Ｚ１０と第２集束位置Ｚ２０との変化量ΔＺを求める。そして、既知であるワークＷの屈折率ｎと変化量ΔＺとに基づき、ワークＷの厚さｔを演算によって求める。

一例として、ワークＷの屈折率ｎを１．５、変化量ΔＺを３．３μｍとすると、ワークＷの厚さｔは１０μｍとなる。例えば、測定範囲が１ｍｍ、精度が０．３μｍのクロマティックコンフォーカル式変位計では、変化量ΔＺとして０．３μｍ〜１ｍｍ程度の測定が可能であるため、本実施形態に係る厚さ測定方法では、１μｍ〜３ｍｍ程度の広いダイナミックレンジでワークＷの厚さを測定することができる。

本実施形態に係る厚さ測定方法では、ワークＷの光軸に沿った位置が変化しても、測定結果に大きな影響を及ぼさない。したがって、ワークＷの位置が光軸方向に沿って多少ずれてもワークＷの厚さｔを測定することが可能である。

また、本実施形態に係る厚さ測定方法では、対物レンズ２２によって集束する光のワークＷ上でのスポット径によって厚さｔの測定領域が決定される。したがって、測定領域を広くしたい場合には、ワークＷを対物レンズ２２に近づけ、測定領域を狭くしたい場合には、ワークＷを対物レンズ２２から離すようにすればよい。測定領域が広がるほど、平均的な厚さｔを測定することができ、測定領域が狭くなるほどピンポイントでの厚さｔを測定することができる。

また、光源１０として近赤外光を含む広帯域光源を用いれば、この波長域で透過率の高いＳｉ（シリコン）ウェハ等を透明体とみなし、前記と同様な手法でこの厚さを測定することができる。

〔第１の適用例〕
次に、本実施形態に係る厚さ測定装置１及び厚さ測定方法の第１の適用例について説明する。
図６は、第１の適用例を示す模式図である。第１の適用例は、ロール状の透明フィルムＦを搬送しながら厚さを測定する例である。ロール状に巻かれた透明フィルムＦは、巻きとり側のローラＲに巻き取られながら搬送される。本実施形態に係る厚さ測定装置１のセンサヘッド１００は、透明フィルムＦの搬送経路上に配置される。図６に示した例では、透明フィルムＦの搬送方向と直交する方向（幅方向）に複数（図６では３つ）のセンサヘッド１００が配置される。また、透明フィルムＦのセンサヘッド１００とは反対側にはミラー３０が配置される。

透明フィルムＦの厚さを測定するには、予め透明フィルムＦが無い状態でミラー３０の表面の位置（第１集束位置）を検出しておく。その後、透明フィルムＦを搬送しながら透明フィルムＦを透過した光のミラー３０での反射光を取り込み、ミラー３０の表面の位置（第２集束位置）を検出する。演算部６０は、第１集束位置と第２集束位置との変化量ΔＺと、透明フィルムＦの屈折率とから、透明フィルムＦの厚さを演算する。

本実施形態に係る厚さ測定装置１及び厚さ測定方法では、透明フィルムＦの光軸に沿った位置が変化しても、測定結果に大きな影響を及ぼさない。したがって、図６に表したように、透明フィルムＦを搬送する際に上下に多少の振動が発生しても、透明フィルムＦの厚さを安定して測定することができる。これにより、例えば、透明フィルムＦの製造工程においてインラインで厚さを検査することが可能になる。

〔第２の適用例〕
次に、本実施形態に係る厚さ測定装置１及び厚さ測定方法の第２の適用例について説明する。
図７は、第２の適用例を示す模式図である。第２の適用例は、画像測定装置５００に厚さ測定装置１及び厚さ測定方法を適用した例である。

画像測定装置５００は、装置本体５１０と、コンピュータシステム５２０と、を備える。装置本体５１０は、架台５１１、ステージ５１２、Ｘ軸ガイド５１４及び撮像ユニット５１５を含む。架台５１１は、例えば除振台５３の上に配置され、外部の震動が架台５１１の上のステージ５１２や撮像ユニット５１５へ伝わることを抑制している。

ステージ５１２は、架台５１１の上に配置される。ステージ５１２は、測定対象物であるワークＷを載置する台である。ステージ５１２は、図示しないＹ軸駆動機構により架台５１１に対してＹ軸方向（Ｙ軸に沿った方向）に移動可能に設けられる。

架台５１１の両側部には支持部５１３ａ及び５１３ｂが設けられる。支持部５１３ａ及び５１３ｂのそれぞれは架台５１１の側部から上方に延びるよう設けられる。Ｘ軸ガイド５１４はこの支持部５１３ａ及び５１３ｂの上に、これらを跨ぐように設けられる。Ｘ軸ガイド５１４には撮像ユニット５１５が取り付けられる。撮像ユニット５１５は、図示しないＸ軸駆動機構によりＸ軸ガイド５１４に沿いＸ軸方向（Ｘ軸に沿った方向）に移動可能に設けられる。

撮像ユニット５１５は、図示しないＺ軸駆動機構によってＺ軸方向（Ｚ軸に沿った方向）に移動可能に設けられる。このような構成により、ステージ５１２上のワークＷと、撮像ユニット５１５とのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれに沿った相対的な位置関係が設定可能になる。すなわち、この位置関係を調整することで、撮像ユニット５１５による撮像領域をワークＷの測定領域に合わせることができる。

コンピュータシステム５２０は、コンピュータ本体２０１、キーボード２０２、ジョイスティック２０３、マウス２０４及びディスプレイ２０５を備える。コンピュータ本体２０１は、装置本体５１０の動作等を制御する。コンピュータ本体２０１は、制御ボード等の回路（ハードウェア）及びＣＰＵで実行されるプログラム（ソフトウェア）によって装置本体５１０の動作を制御する。また、コンピュータ本体２０１は、装置本体５１０から出力される信号に基づきワークＷの情報を演算し、演算結果をディスプレイ２０５に表示する。

ジョイスティック２０３は、ワークＷの撮像領域を設定する際に用いられる。すなわち、ユーザがジョイスティック２０３を操作することで、ワークＷと撮像ユニット５１５との相対的な位置関係が変化して、ディスプレイ２０５に表示される撮像領域の位置を調整することができる。

本実施形態に係る厚さ測定装置１のセンサヘッド１００は、撮像ユニット５１５の下方に設けられる。ステージ５１２のセンサヘッド１００の下方にはミラー３０が設けられる。ミラー３０は、ステージ５１２の一部に設けられる。なお、ステージ５１２の全てがミラー３０になっていてもよい。この場合、ミラー３０は、平面ミラーにすることが望ましい。

このように、画像測定装置５００に適用された厚さ測定装置１では、ミラー３０の上にワークＷが接するように配置される。ワークＷの厚さの測定方法は、第１実施形態と同様である。画像測定装置５００では、ワークＷの画像を取り込んでワークＷの３次元的な位置を測定できるとともに、センサヘッド１００からワークＷに向けて光を照射することで、ステージ５１２に設けられたミラー３０で反射した反射光を捉えてワークＷの厚さを測定することもできる。

ここで、ミラー３０の上にワークＷが接することで（ワークＷとミラー３０とを離間しないことで）、ワークＷの裏面反射光や表面反射光も受光されることになる。しかし、ミラー３０の光反射率は９０％程度で、透明なワークＷの光反射率が数％程度であれば、ワークＷの反射光はミラー３０の反射光にほとんど影響を及ぼさない。なお、影響を完全に無くしたい場合には、ワークＷをステージ５１２の表面から浮かすためのスペーサ等を配置すればよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、測定対象物の厚さを広いダイナミックレンジで高速かつ高精度に検出することができ、かつ、測定スポットの大きさを自由に変えることができる非接触式の厚さ測定装置１及び厚さ測定方法を提供することが可能になる。

なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、光源１０から単一波長の光を照射し、対物レンズ２２を音叉などで光軸方向に振動させることで焦点位置を変化させるレーザ共焦点式変位計や、合焦点式変位計など、光の焦点位置によって対象物の位置（高さ）を測定する変位計にも本発明の構成を適用することができる。また、センサヘッド１００とコンソール２００との間に光ファイバ４０を設けた例を説明したが、光ファイバ４０を介さずに光を伝達する構成であってもよい。また、前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

１…測定装置
１０…光源
２０…光学系
２１…コリメートレンズ
２２…対物レンズ
３０…ミラー
４０…光ファイバ
４１…ファイバカプラ
５０…検出部
５１…分光器
５２…受光部
６０…演算部
１００…センサヘッド
２００…コンソール
ＦＰ…共焦点
Ｗ…ワーク

Claims (7)

1. 光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を光軸上に集束する光学系と、
   前記光学系により集束した光を反射する反射部と、
   前記光学系を通過した光の光軸上での集束位置に応じた反射光の強度を検出する検出部と、
   前記光学系と前記反射部との間に測定対象物が配置されていない場合に前記反射部で反射した光について前記検出部で反射光強度のピークを検出した前記光軸上での第１集束位置と、前記光学系と前記反射部との間に前記測定対象物が配置されている場合に前記測定対象物を透過し前記反射部で反射した光について前記検出部で反射光強度のピークを検出した前記光軸上での第２集束位置との変位量と、前記測定対象物の屈折率と、を用いて前記測定対象物の厚さを演算する演算部と、
   を備えたことを特徴とする厚さ測定装置。
2. 前記光学系は、前記光軸上において軸上色収差を有し、
   前記検出部は、前記光学系の共焦点位置に配置されたピンホールを通過した反射光を波長ごとに分光する分光器と、前記分光器で分光された反射光の強度を検出する受光部と、を有し、
   前記演算部は、前記受光部で検出した反射光の波長に対応した前記光軸上での集束位置を演算することを特徴とする請求項１記載の厚さ測定装置。
3. 前記光源から出射される光は、広帯域光であることを特徴とする請求項２記載の厚さ測定装置。
4. 前記光源は、白色光源であることを特徴とする請求項２または３に記載の厚さ測定装置。
5. 前記第１集束位置と前記第２集束位置との変位量をΔＺ、前記屈折率をλ、前記測定対象物の厚さをｔとした場合、前記演算部は、
   ｔ＝｛ｎ／（ｎ−１）｝×ΔＺ
   によって前記測定対象物の厚さｔを演算することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の厚さ測定装置。
6. 光ファイバの端面のコア部分を前記ピンホールとみなし、前記光ファイバを介して前記反射光を伝達することを特徴とする請求項２記載の厚さ測定装置。
7. 光源から出射した光を光学系で光軸上に集束して反射部に向けて照射する工程と、
   前記光学系と前記反射部との間に測定対象物を配置していない状態で、前記反射部にて反射した光について反射光強度のピークとなる前記光軸上での第１集束位置を検出する工程と、
   前記光学系と前記反射部との間に前記測定対象物を配置した状態で、前記測定対象物を透過し前記反射部にて反射した光について反射光強度のピークとなる前記光軸上での第２集束位置を検出する工程と、
   前記第１集束位置と前記第２集束位置との変位量と、前記測定対象物の屈折率と、を用いて前記測定対象物の厚さを演算する工程と、
   を備えたことを特徴とする厚さ測定方法。

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