JPS6024401B2 - 被測定物の物理定数を測定する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はフィルム、フィルム上に塗布された乳剤厚、Ｉ
Ｃ基板又はガラス等の上に蒸着された蒸着膜、ガラスと
ガラスとの間の間隔等々、一般的にいって光学的に透明
な物質の膜厚、又はその膜の屈折率等の物理定数を非破
壊非接触にて測定する方法に関するものである。

従来上記のような物理定数を測定する方法としては被測
定物に何らかの方法で段差をつけて触針にて膜厚を測定
する方法、又やはり段差をつけて干渉顕微鏡により膜厚
を測定する方法、被測定物からの分光反射率を測定し、
反射の極大極小となる波長より計算して濃厚を検出する
方法等が知られているが、前二者についてみると、被測
定物に段差をつること、すなわち破壌する必要があるこ
と、また触針の時は被測定物に後をつけやすいこと等が
あり、また後者についてみると測定に時間を要すること
、極大極小となる波長を検出して膜厚を測定することか
らあまり精度が良くない等それぞれ欠点を有していた。
非破壊でかつ、非接触で、前記測定を行う方法が、昭和
４１年特許出願公告第１２１９２号明細書に示されてい
る。この方法は波長幅を有する光源によって照明された
被測定物の第１の面と第２の面からの光をマィケルソン
干渉計等の干渉計に導ぴき、干渉計の分割された光路の
一方の光路長をあるスパンに渡って、すなわち、マイケ
ルソン干渉計の光分割器によって分割された２波面が夫
々指向される２つの反射鏡の一方を他に対して光路差が
生じる様にあるスパンに渡って振動させ、この振動の際
の移動量を時間軸で表わし、この振動によって生じる干
渉ピークの表われる時点と、前記スパン中の振動ミラー
のある位置に対応する時点との間の経過時間を測定し、
その経過時間の函数として前記物理定数を測定する方法
である。この方法は経過時間を測定することを特徴とし
ているため、振動ミラーは時間に対して直接的でなけれ
ばならない。この様な時間に対して直接的に振動するラ
ーを得ることは非常に困難である。このことは、この方
法の発明者が前記明細書の中で前記経過時間の測定を行
わず、振動ミラーの移動量に対応するパルス数を測定す
る方法を示していることより明らかである。本発明の主
たる目的は、この様な振動ミラーを使用しないで、光路
差を生ぜさせる測定方法に関するものである。

以下本発明の方法を説明する。

第１図、第２図及び第３図は本発明の方法の原理を説明
するもので第１図において、波長幅をもつ白色光源１か
らの光東２は、被測定物３を照射する。

ここで光東は被測定物３の第１の反射面で反射した光東
５、および被測定物の中に屈折して入射し、第２の反射
面で反射した光東４となり、この光東は被測定物から屈
折して世射し反射光東５と平行な光東６となる。いま、
被測定物の厚さをｄ、屈折率をｎ、第２の反射面への光
東の入射角を０とすると、光東５と光東６との間には狐
ｄｃｏｓ０の光路差が生じていることになる。これらの
両光東は、ビーム・スプリッター７、ミラー９，１１、
レンズ１２より構成されるいわゆるマィケルソン型干渉
計に入り、そこでビーム・スプリッター７により、それ
ぞれ振幅分割されて、光東８および光東９となり、光東
８はミラー９で反射し、再びビーム・スプリツ夕−７を
通過し、レンズ１２を介してスクリーン１３に入射する
。もう一方の光東１０はミラー１１により反射され再び
ビーム・スプリツター７で反射し、レンズ１２を介して
スクリーン１３に入射する。今、ミラー９に対してミラ
ー１１を相対的に煩けた場合のことを考える。第２図は
ミラー１１のビーム・スプリッターに関する虚像１１′
とミラー９そのもの９′を描いている図である。この図
ではそれぞれのミラーは相対的にも煩いている。また光
東５′はミラー９′に垂直に入射する。このミラー系に
位相差をもつ二つの光東５′，６′が入射してとすると
、干渉に寄与する成分としては光東６′のミラー１１′
で反射した反射光と光東５′のミラー９′で反射した反
射光であり、白色干渉縞はその両者の交わる１４に局在
する。この白色の干渉縞の局在する位置はラー９′に平
行にｘ軸をとると、近似的にミラー９′とミラー１１′
の交わる点１５からｎｄｃｏｓぐ／ｔａｎひだけ離れた
所ｘ＝Ｍｃｏｓで／ねｎｏとなる。この白色干渉縞の池
交点１５の近傍に光東５′，光東６′それぞれ自身によ
る白色干渉縞が生じ、交点１５に関し、前述と逆の方向
ｘ＝−ｎｄｃｏｓ０ノねｎのこも光東５′と光東６′に
よる白色干渉縞を生ずる。第１図におけるレンズ１２は
、これらの局在した白色干渉縞をスクリーン１３の上に
結像しているわけである。レンズ１２の結像倍率が等倍
である時は、スクリ−ン１３に投影された白色干渉縞は
第３図の様に観測される。このときのｘ軸方向の光強度
分布は１（Ｘ）＝Ｊｉ（ｋ）Ｃｏｓ２（ｋｎｄＣｏｓ○
）ＣＯＳ２（ｋｘねｎ８）ｄｋで与えられる。但しｉ（
ｋ）は光源のスペクトル分布、観測系のスペクトル感度
、光学系の分光透過率の掛け算で与えられる。またｋは
波数である。この光強度分布の一般的な形を描いたのが
第４図である。今、ｘ＝０に生ずる白色干渉ピークを中
央のピーク、ｘ＝Ｍｃｏｓぐ／ねｎのこ生ずる白色干渉
協ピークを第１のサイドピーク、ｘ＝−ｎｄｃｏｓ０／
ｔａｎｏ‘こ生ずる白色干渉ピークを第２のサイドのピ
ークとすると、中央のピークの生ずる所から第１サイド
のピークまたは第２のサイドのピークの生ずる所まで、
あるいは第１のサイドのピークの生ずる所から第２のサ
イドのピークの生ずる所まで、あるいは、あらかじめ定
めたｘ軸上の任意の規準点から第１サイドのピークまた
は第２のサイドのピークの生ずる所までの間隔を検出す
ることにより、ｎｄｃｏｓＪ／ｔａｎｏを得ることがで
きる。

したがって、これに、被測定物の屈折率ｎを代入するこ
とにより、被測定物の厚さｄを測定することが可能であ
る。被測定物の屈折率ｎも未知である場合には、被測定
物への照射角◇として、例えば０＝００，０＝４５ｏと
２度、測定することにより、屈折率ｎ、厚さｄをそれぞ
れ独立に求めることが可能である。

被測定対象物として、第１図では、二つの反射面をもつ
場合について説明したが、二つ以上の反射面をもつ場合
、すなわち、複数層からなる対象物の場合には、各反射
面から十分の反射光東がある時には、各膜厚に相当する
所に、白色干渉縞が得られ、各層それぞれの厚さを測定
することも可能である。また、複屈折怪物質において、
その中を透過するｐ偏光光東、Ｓ偏光光束の間に生ずる
リターデーションについても、上記と同様、測定可能で
ある。本発明による方法は、干渉計のミラーは相対的に
若干、懐けて固定しておけばよく、先に述べた特公昭４
１一１２１９２の方法のごとく、きわめて調整の微妙な
干渉計の中のミラーを動かすという様な可動部分がない
という大きな利点を有している。

他の利点としては、次に述べる、空間的に生じた白色干
渉縞を検知する方法との関連において明らかとなる。白
色干渉縞を検知する一つの方法は、一次元のホトダィオ
ード・アレイを第３図におけるスクリーン部分にｘ軸に
平行におくことである。こうしてホトダィオード・アレ
イを順次、走査すると、時間軸に変換された、白色干渉
縞が得られ、干渉ピークと干渉ピークの生ずる時間間隔
より被測定物の厚さが求まることになる。このホトダィ
オード・アレイを使用するということは、袴公昭４１−
１２１９２の方法において、干渉計の分割された光路の
いずれかを、変化させるための、直線性の良い動き量を
もつ可動ミラーが、きわめて得がたいのに対して、ホト
ダイオード・アレイは直線性がきわめて良いという利点
を してし、 。現実に、この種の一次元に多数のホト
ダィオードを配列（数百〜二千個）した素子は、米国の
レティコン社等から市販されており、本発明の実施にお
いて、即利用できるものである。この白色干渉縞を検知
するためにホトダィオード・アレイと同じ機能をもつＩ
ＴＶも使用することができる。また他の実施例としては
、第５図の様に、回転ミラー１６を支点１７のまわりを
１８の様に回転、または振動させ、ピンホール１９、光
検知器２０を用いて白色干渉縞を検知しても良い。この
時ピンホール１９は、第３図のごとく、一次元的にでき
ることを考慮して、スリットを用いると、より大きな光
量を得ることができる。また他の実施例としては、第６
図の様に、ピンホール又はスリット２１を矢印２３の様
に動かして、白色干渉縞の分布を光検知器２２で検知し
ても良い。

この様にピンホール又はスリットを移動させる走査系は
形成された白色干渉縞を読み取るものであって、白色干
渉縞を形成するための前記昭和４１年特許出願公告第１
２１９２号明細書に記載の振動ミラーに比べて、それ程
高精度である必要はない。

従って、本実施例では白色干渉縞を形成するには波長オ
ーダーの精度を必要とする振動ミラーを使用せず、形成
された白色干渉縞は簡単な走査スリット、ピンホールで
観測出来るという効果を有している。また、上記の白色
干渉縞の検知法のいずれにおいても、白色干渉縞が一次
元的にできることを考慮して、レンズ１２にさらに、シ
リンドリカルレンズを頚合せることにより、より大きな
光量をることができる。

このシリンドリカルレンズを用いる光学系を第７図に示
す。光源１０１から射出された光東を結像レンズ１０２
により被測定物１０３の面上に集光させ、被測定物から
の反射光東をレンズ１０４によりほゞ平行光東とし、テ
ィルト型の干渉計１０５に導く。この干渉計１０５のテ
ィルトミラー近傍に局在している白色干渉縞をアナモフ
ィック光学系１０６，１０７により−次元ホトダイオー
ド１０８に結像させる。その際に、ダイオードの配列方
向の結像作用をもつシリンドリカルレソズ１０６の焦点
距離に比べ、それと垂直方向の結像作用をもつシリンド
リカルレンズ１０７の焦点距離を短かくすることにより
第３図に示した白色干渉縞の縦方向の倍率を横方向に比
べ縮小することができ、一次元ホトダィオード面に有効
に白色干渉縞の光量を導くことができる。干渉計につい
てはマィケルソン型干渉計を例にとったが、実施にあた
っては、マッハッェンダー型等の干渉計を用いることも
可能である。またこれら干渉計に類似のものとしてウオ
ーラストン・プリズム、ローションプリズム、シナルモ
ンプズムを用いた光学系も使用可能である。ウオーラス
トン・プリズムを用いた実施例を第８図に示す。ウオー
ラストン・プリズムは例えば水晶の様な複屈折性物質を
光学軸が５４の方向のもの、および５５の方向のものを
切りだして貼り合せたものである。５３は偏光子であり
、その偏光方向は水晶５４，５５の光軸と４５ｏになる
様に調整される。

また５６は検光子であり、偏光子と平行ニコル、あるい
は直交ニコルになる様に配置される。この系に、被測定
物３の表面で反射した光東５の波面５１、および、そに
より２ｂｃｏｓでだけ光路差の遅れた裏面からの光東６
の波面５２が入射すると、ウオーラストン・プリズムに
より波面５１，５２は、二つに分割され、かつ波面に額
きが生じて波面５１′，５２′および波面５ｒ，５２〆
となる。今、プリズム５４とプリズム５５の厚さの等し
い所を原点として６２の様に、ｙ軸をとると、波面５１
′と波面５ｒ間に生ずる光路差は複屈折怪物質の常光線
に対する屈折率をｎｏ、異常光線に対する屈折率をｎｅ
とすると、２（肥−血）Ｘａｎ８で与えられる。波面５
１′と波面５１″、波面５２′と波面５２″とが干渉す
る所は５８近傍であり、すなわちｙ＝０近傍に生じ、中
央のピークとなる。波面５１′と波面５２′とが干渉す
るのは５７近傍、波面５２′と波面５１″とが干渉する
のは５９近傍であり、これはそれぞれサイドのピークと
なる。これは近似的に狐ｄｃｏｓ０と２（Ｍ−血）×ａ
ｎひの等しくなる所、すなわちｙ＝ｎｄｃｏｓマ／（ｎ
ｅ−血）ｔａｎひ近傍に生ずる。これらの白色干渉縞は
ウオーラストン・プリズム近傍に局在しておりレンズ６
０は、これらの白色干渉縞をホトダィオード・アレイ等
の光検知器６１に結像しているわけである。この様にし
て、ウオーラストン・プリズムを用いても、マィケルソ
ン干渉計等と同様に、被測定物の厚さ、屈折率を測定す
ることが可能である。被測定物の厚さをせいぜい数１岬
ｍとすると波面の懐きは角度にして数分程度で良い。ウ
オーラストン・プリズムを水晶で作るとするとこの程度
の波面の頭きを与えるためには、ウオ−ラストン・プリ
ズムの厚さは２側程度であり、きわめてコンパクトな千
渉計を構成できる。

この様に、ウオーラストン・プリズムを用いる干渉計は
マィケルソン干渉計に比較すると、プリズムを作る時点
で、波面に入る傾きを決定でき、マィケルソン干渉計の
様に組立ての時点でミラーの傾きを調整する必要のない
こと、また、経時変化のないこと、また上記で書いた様
にきわめてコンパクトになる等の多くの利点を有してい
る。先の第７図の実施例で、一次元ホトダィオードアレ
ィを用いる場合にアレイの配列方向と垂直な方向に白色
干渉縞を縮小し、光量を有効に用いる光学系について説
明したが、その光学系に用いられたアナモフィック光学
系は一般に収差量が大きいという点がある。

次に、一次元ホトダィオードアレィに干渉縞光量を有効
に導く他の光学系の実施例につき、第９図、第１０図ａ
，ｂにより説明する。

第１０図は光学系の展開図であり、ａは横断面、ｂは上
方から見た図である。白色光源１ １０からの光東をレ
ンズ１１１によりはゞ平行光とし、アフオーカルシリン
ドリカルレンズ系１１２，１１３により縦方向に光東径
を圧縮し、スリット関口１１４を照明する。このスリッ
ト闇口１１４を通過した平行光東を偏光板１１６を通し
て、レンズ１１６により被測定物面１ １７上に集光さ
せる。本発明においては必ずしも被測定物面に集光させ
る必要はないが、被検体の面形状が悪い場合には、集光
させた方が、面形状の影響を少くでき、ダイオードアレ
イからの出力信号のＳＮ比は良好となる。

被測定物１１７からの反射光東をレンズ１１８により、
テイルト型の干渉計１１９に導く。

この実施例では上記千渉計としてウオーラストン・プリ
ズムが示されてる。このウオーラストン・プリズムの中
心附近と前記スリット閉口１ １４は共役関係にあり、
スリット開口像がウオーラストン・プリズムの中心附近
に形成される。白色干渉縞がウオーラストン・プリズム
の中心附近のスリット関口像光東中に形成されるので、
この干渉縞を偏光板１２０を介して結像レンズ１２１に
より一次元ホトダイオードアレイ１２２上に結像させる
。このホトダイオードアレイ１２２上にはスリット関口
１１４の像も形成されるので、このスリット関口像の大
きさをホトダィオードアレィ１２２の受光面のサイズよ
りも小さくすることにより、白色干渉縞の光量を損失な
く、ホトダィオードアレィ１２２上に導くことが可能と
なる。本実施例の場合には白色干渉縞を通常の結像レン
ズ１２１系によりホトダィオードアレィ１２２上に導く
ので、先の実施例のアナモフィックレンズ系を用いるよ
りもしンズのディストーション等の収差の影響を少〈で
きる。なお、本実施例の偏光板の偏光方向は先の実施例
と同様にウオーラストン・プリズムの光学軸と４５ｏの
角度をなしている。

尚、本発明の実施例の説明では光源として白色光源を示
したが、光源としては波長幅を有するものであれば、可
視光源、不可視光源であっても良い。

以上、本発明によれば、従来、あった厚さ測定法に比し
て非破壊、非接触にて厚さ、屈折率を測定可能なこと、
また、測定時間が、きわめて短かいこと等のほか、可動
部分がまったくない装置を構成できること、また小型の
装置を構成できるという等の利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の原理を説明する図、第３図、
第４図は白色干渉縞波形を説明する図、第５図、第６図
は本発明の第１、第２実施例を説暁する図、第７図は第
３実施例を説明する図、第８図は第４実施例を説明する
図、第９，１０図は第５実施例を説明する図である。 図中、１は白色光源、２は白色光東、３は被測定物、５
は第１面で反射された光、６は第２面で反射された光、
７は光分割器、９はミラー、１１は煩むいたミラー、１
２はしンズ、１３はスクリーンである。 第ー函 多２図 第３図 劣る図 案４図 第５図 努マ図 多Ｑ図 茅 ８ 図 多 ！０ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 波長幅を有する光束によつて照明された被測定物か
   らの被測定物の厚さ、屈折率等の情報を含んだ位相ずれ
   を有する光の複数個の波面を夫々分割し、それぞれの分
   割された波面を重ね合わせ被測定物の厚さ、屈折率等の
   物理定数を測定する方法において、前記夫々分割された
   波面どうしを相対的に傾けて重ね合わせ、干渉縞を形成
   し、該干渉縞の位置から前記測定を行うことを特徴とす
   る被測定物の物理定数を測定する方法。