JP2002098515A

JP2002098515A - 表面状態測定装置

Info

Publication number: JP2002098515A
Application number: JP2001233921A
Authority: JP
Inventors: Hisatoshi Fujiwara; 久利藤原; Toru Yoshizawa; 徹吉澤; Yukitoshi Otani; 幸利大谷
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2002-04-05

Abstract

(57)【要約】【課題】表面の平坦性を精度よく測定できるようにす
ることを目的とする。【解決手段】格子３からの反射光がイメージセンサ８
に入らないように、格子３は、ガラス基板４とは異なる
角度に配置し、また、バンドパスフィルタ６によって、
波長が３１３ｎｍ付近の光だけをイメージセンサ８に導
くようにして、ガラス基板４の裏面からの反射光の影響
を受けないようにしておく。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、比較的なめらか
な表面形状を有するものの表面状態を測定する表面状態
測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、表示デバイスとしての液晶表示装
置においては、その表面に用いるガラス基板の平坦性の
よいことが要求される。このため、液晶表示装置の製造
時には、用いるガラス基板の表面状態を検査する必要が
ある。この透明体の表面測定を、裏面からの反射の影響
を受けずに光学的に行う方法として、従来より以下に示
す方法が提案されている。まず、第１に、光路の違いを
利用する方法。第２に、偏光を利用する方法。そして、
第３に、低コヒーレンシィ光源を利用する方法である。

【０００３】第１の光路の違いを利用する方法として
は、図５に示すように、三角測量法を用いた距離計測装
置がある。光源５１からの光は、レンズ５２を通過した
後、測定対象のガラス基板５３の表面および裏面でそれ
ぞれ反射し、レンズ５４で集光され、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉ
ｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｖｉｃｅ）５５上
に表面，裏面双方からの反射が結像される。しかし、こ
のままでは、ＰＳＤ５５は、その受光面に入射した光の
強度の重心位置を求めるため、ガラス基板５３の表面ま
での正確な距離が求められなくなる。ここで、スリット
５６により、裏面からの反射がＰＳＤ５５に到達しない
ようにすることで、ガラス基板５３の表面までの距離を
精度よく測定できることになる。

【０００４】次に、上述した第２の偏光を利用する方法
としては、図６に示すように、偏光板を利用した三角測
量法による距離測定装置がある。同図において、６１は
光源側に配置される偏光板、６２は受光側に配置される
偏光板であり、他の符号は、図５と同様である。このよ
うに、この装置においては、ガラス基板５３表面からの
反射光の偏光状態と、ガラス基板５３裏面からの反射光
の偏光状態とが異なることを利用している。すなわち、
偏光板６１，６２により、ガラス基板５３裏面からの反
射光が、ＰＳＤ５５に入射しないようにして、ガラス基
板５３表面までの距離を精度よく測定するようにしてい
る。

【０００５】また、上述した第３の低コヒーレンシィ光
源を利用する方法としては、図７に示すような、トワイ
マン・グリーン干渉型の平坦度計がある。光源７１から
の光は、レンズ７２により平行光にされ、極度に帯域の
狭いバンドパスフィルタ７３を通過した後、ビームスプ
リッタ７４により二分される。ビームスプリッタ７４に
二分された一方は、測定対象のガラス基板７５で反射さ
れ、レンズ７６により集光されてイメージセンサ７７に
取り込まれる。ビームスプリッタ７４で二分された他方
は、参照面７８で反射し、ビームスプリッタ７４により
光路を変更され、レンズ７６により集光されてイメージ
センサ７７に取り込まれる。

【０００６】ここで、ビームスプリッタ７４からガラス
基板７５までの距離Ｌ１と、ビームスプリッタ７４から
参照面７８までの距離Ｌ２との差の２倍が光路長の差と
なる。そして、この光路長の差と光の波長に応じて起こ
した干渉の干渉縞を解析することで、ガラス基板７５の
平坦度を計測する。距離Ｌ１と距離Ｌ２の差の２倍を、
バンドパスフィルタ７３を通過した光源光のコヒーレン
シィより短くしておくと、ガラス基板７５の表面からの
反射光は干渉を起こすが、ガラス基板７５裏面からの反
射光は干渉を起こさなくなる。このため、この平坦度計
によれば、ガラス基板７５裏面からの反射の影響なしに
測定をすることが可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来は以上のように構
成されていたので、以下に示すような問題があった。ま
ず、第１の光路の違いを利用する方法では、事前にスリ
ットの位置や大きさを測定対象にあわせて調整しておく
必要があり、手間がかかるという問題があった。また、
これは、点計測型や光切断法などの線計測型であれば用
いることができるが、面計測では表面からの反射と裏面
からの反射の光路が重なってしまうため、利用できな
い。また、第２の偏光を利用する方法では、ガラス基板
の表面と裏面からの反射光の偏光状態に差がないと、用
いることができない。裏面に金属薄膜などが膜付けされ
ていれば、偏光状態に差が発生するが、通常のガラス基
板においては、それに差がない。

【０００８】一方、第３の低コヒーレンシィ光源を利用
する方法では、透明体を対象とする干渉計測に広く使わ
れ、実用化もされている。しかし、上述した距離Ｌ１と
距離Ｌ２とを精度よくあわせる必要があり、調整が複雑
で手間がかかる。また、これは、干渉を利用する光学的
な計測以外には適用できない。

【０００９】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、表面の平坦性を精度よく
測定できるようにすることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明の一形態におけ
る表面形状測定装置は、光源と、この光源からの光を平
行光とする投光レンズと、この投光レンズと測定対象の
基板との間にこの基板とは異なる角度に配置され、投光
レンズによる平行光を通過して基板の表面に格子状の影
を投影するとともに、基板の表面で反射した光が通過す
る格子と、投光レンズで平行光とされて基板の表面を反
射して格子を通過してくる像が取り込まれる位置に配置
され、上記像を撮像するイメージセンサと、このイメー
ジセンサで撮像された像を取り込んで基板の表面のうね
り量を算出する演算処理部とを備えたものである。この
表面形状測定装置によれば、イメージセンサには、格子
で反射した光が入らない。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を
参照して説明する。実施の形態１図１は、この発明の実施の形態１における表面形状測定
装置の構成を示す構成図である。同図において、１は高
圧水銀灯からなる光源、２は光源１からの光を所定の面
積を有する平行光とする投光レンズ、３は格子、４は測
定対象のガラス基板、５はガラス基板４を反射してきた
光を集光する受光レンズ、６は波長３１３ｎｍの光を選
択的に透過するバンドパスフィルタ、７は０次の回折光
だけを通すためのスリット、８は２次元のイメージセン
サ、９は演算処理部である。ここで、投光レンズ２，受
光レンズ５など光が透過する光学部品においては、波長
３１３ｎｍの光を透過する合成石英などの材料を用い
る。

【００１２】格子３を通った光源１からの光は、ガラス
基板４の表面にその格子状の影を投影する。そして、ガ
ラス基板４表面より、この影を含んで反射した光は、格
子３を通過する。このことにより、ガラス基板４に投影
された格子３の影は、格子３と重ね合わされて反射して
いくことになる。そして、反射して再び格子３を透過し
ていく光には、ガラス基板４の表面形状情報が含まれて
いる。このため、ガラス基板４を反射して格子３を透過
してくる像には、その表面の凹凸に応じた等高線のモア
レ縞が形成されている。

【００１３】この像は、受光レンズ５，バンドパスフィ
ルタ６を介してイメージセンサ８に取り込まれる。な
お、このとき、格子３からの反射光がイメージセンサ８
に入らないように、格子３は、ガラス基板４とは異なる
角度に配置しておく。ところで、受光レンズ５を通過す
る光には、０次，±１次，±２次・・の回折光が含ま
れ、これら全てをイメージセンサ８に取り入れると、撮
像されるモアレ縞が２重３重になり不鮮明となってしま
う。このため、スリット７で０次以外の回折光が通らな
いようにしておく必要がある。なお、０次回折光だけで
なく、例えば、±１次回折光を用いるなど、他の次数の
回折光を用いるようにしても良く、この場合は、その特
定次数以外の回折光が通らないようにしておく。

【００１４】以上のことにより、イメージセンサ８によ
って撮像されたモアレ縞の像は、演算処理部９に取り込
まれ、蓄えられる。そして、格子３とガラス基板４との
距離を、そのモアレ縞の等高線間隔の１／４ずつ変化
（位相シフト）させることで得られた複数のモアレ縞像
を用いて、演算処理部９ではガラス基板４表面のうねり
量を算出する。なお、上述では、等高線間隔の１／４ず
つ変化させるようにしているが、これに限るものではな
く、例えば、１／３ずつ変化させるようにしても良く、
所定の間隔で変化させるようにすればよい。

【００１５】ここで、測定対象のガラス基板４は、例え
ば、液晶ディスプレイの部材として用いられるものであ
るが、通常は、図２（ａ）に示すように、波長３６０ｎ
ｍ付近から光の透過率（板厚１ｍｍ）が低下し始め、波
長３００ｎｍではそれが１０％以下となる。したがっ
て、このガラス基板４の透過率が低い波長の光を、上述
の測定に用いるようにすれば、ガラス基板４の裏面から
の反射光は、イメージセンサ８に取り込まれないことに
なる。

【００１６】すなわち、測定対象の透明体を透過しにく
い、より波長の短い光を用いた光源を用いることで、そ
の透明体の裏面からの反射光の影響を受けない、表面状
態の光学的な測定をすることが可能となる。可視光領域
が透過すればよい通常に用いられるガラスとしては、Ｓ
ｉＯ₂に加えてＢ₂Ｏ₃もしくはＰ₂Ｏ₅が含まれているた
め、紫外域の短い波長の光は、透過し難くなっている。

【００１７】例えば、図１の表面形状測定装置において
は、バンドパスフィルタ６によって、波長が３１３ｎｍ
付近の光だけをイメージセンサ８に導くようにして、ガ
ラス基板４の裏面からの反射光の影響を受けないように
している。ここで注意することは、図１の表面形状測定
装置において、投光レンズ２，受光レンズ５，および，
イメージセンサ８のイメージ取り込み部分などの光学部
品においては、その利用する波長の光が十分透過するも
のを用いる必要がある。

【００１８】例えば、通常のシリコン系のＣＣＤ撮像素
子（イメージセンサ）では、そのモジュールの封止ガラ
ス（窓）は、３１３ｎｍの光をほとんど透過しない。こ
のため、この窓材として、図２（ｂ）に示す光学特性を
有する合成石英を用いるようにすれば、ＣＣＤイメージ
センサのホトダイオードが並んでいる受光面にまでその
光が到達する。そして、図３の実線で示すように、３１
３ｎｍの光では、ピーク波長での感度の３０％程度の感
度を得ることができ、イメージセンサ８として用いるこ
とが可能となる。そして、ＣＣＤイメージセンサなど、
シリコン系の受光素子によるイメージセンサを用いるこ
とで、装置をより安価に構成することができる。なお、
イメージセンサ８としては、撮像管を用いるようにして
も良く、より高感度とすることができるが、これは高価
なものなので、装置を構成する上でコストの上昇が避け
られない。

【００１９】ところで、利用する波長は、例えば、表面
の反射の光強度に対して４分の１にまで裏面からの反射
を低減すればよいとすれば、図２（ａ）に示す光学特性
を有するガラス基板の場合、その板厚が０．７ｍｍなら
約３２０ｎｍ以下、１．１ｍｍなら約３２５ｎｍ以下と
すればよい。すなわち、ある波長の光の、ガラス１ｍｍ
を通過するときの透過率がＴのとき、板厚ｘ（ｍｍ）の
ガラスの透過率は、Ｔ^xで示される。したがって、上述
の場合、Ｔ^x≦１／４となる波長を求めればよい。例え
ば、板厚０．７ｍｍの場合、ガラス基板に照射した光の
裏面からの反射は、表面における反射に比較して、ガラ
ス基板自身を裏面反射前と後との２回透過していること
になり、かつ光が４５度の角度で入射していることを考
えると、ｘ＝０．７×２÷ｓｉｎ４５°であり、約２
（ｍｍ）となる。したがって、Ｔ²＝１／４となる波長
は、約３２０ｎｍとなり、上述したことが導かれる。

【００２０】以下、図２（ａ）に示した光学特性を有す
る板厚１．１ｍｍのガラス板の表面状態（平坦度）を、
図１の表面形状測定装置で測定した結果を示す。ここで
は、光の入射角を６０°として測定した。したがって、
イメージセンサ８に取り込まれる光の中で、ガラス板
（ガラス基板４）の裏面からの反射は、表面からの反射
に対して、約３．５％となる。図４は、平坦度の測定結
果を示す説明図であり、ガラス基板４の表面のうねり
が、等高線によって表されている。同図において、等高
線図右側に等高線の高さをμｍ単位で示している。

【００２１】図４において、（ａ）は、上述したよう
に、バンドパスフィルタ６により、測定には波長３１３
ｎｍの光を用いた結果を示している。これに対して、図
４（ｂ）は、バンドパスフィルタ６を用いずに測定を行
った結果を示している。図４（ｂ）では、左下などに太
い縦の黒線が存在しているが、これが、ガラス基板４裏
面からの反射の影響である。

【００２２】ガラス基板４裏面からの反射によってもモ
アレ縞が形成されるが、バンドパスフィルタ６を用いな
いと、それが表面において形成されるモアレ縞と重なっ
て、イメージセンサ８に取り込まれる。このために、位
相シフトの計算過程において、位相の計算ができなくな
って上述の黒線が発生し、正確な測定ができない状態と
なっている。ここで、バンドパスフィルタ６を用いない
測定において、ガラス基板４裏面に反射防止対策を施す
と、図４（ａ）に示すのと同様の結果が得られた。反射
防止対策としては、ガラス基板４裏面に、光吸収膜を形
成するなどがある。

【００２３】なお、上記実施の形態では、バンドパスフ
ィルタをイメージセンサ直前に配置するようにしている
が、これに限るものではなく、光源の直後に配置するよ
うにしても良い。但し、この場合は、バンドパスフィル
タを配置すると、その光が見えなくなり光路の調整が困
難になるため、光路の調整をしてからバンドパスフィル
タを配置するようにする必要がある。また、光源とし
て、例えば、３２０ｎｍ以下の波長の光を放つホローカ
ソードランプなどを用いるようにしても良い。この場
合、バンドパスフィルタを用いなくても良くなる。しか
し、この場合は、上述したのと同様に、その光が見えな
いので、光路の調整が困難になる。

【００２４】また、上記実施の形態においては、モアレ
法を用いるようにしたが、これに限るものではなく、各
種透明体を対象とする光学的測定に適応できるものであ
ることは言うまでもない。例えば、三角測量法を用いた
距離計測による表面状態測定に適用することでも、上述
と同様の効果を奏するものである。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、格子からの反射光がイメージセンサに入らないの
で、表面の平坦性を精度よく測定できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態における表面形状測定
装置の構成を示す構成図である。

【図２】通常のガラスと合成石英の光学特性を示す特
性図である。

【図３】ＣＣＤイメージセンサの感度特性を示す特性
図である。

【図４】平坦性を測定した結果を示す等高線図であ
る。

【図５】従来よりある三角測量法を用いた距離計測装
置の概略構成図である。

【図６】従来よりある三角測量法を用いた他の距離計
測装置の概略構成図である。

【図７】トワイマン・グリーン干渉型の平坦度計の概
略的な構成を示す構成図である。

【符号の説明】

１…光源、２…投光レンズ、３…格子、４…ガラス基
板、５…受光レンズ、６…バンドパスフィルタ、７…ス
リット、８…イメージセンサ、９…演算処理部。

フロントページの続き (72)発明者吉澤徹東京都府中市新町１−19−５府中第二住宅１−102 (72)発明者大谷幸利東京都青梅市長渕４−1349−６Ｆターム(参考） 2F065 AA45 BB01 BB22 CC25 FF06 GG03 HH03 HH12 JJ03 JJ08 JJ26 LL04 LL22 LL28 QQ24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、この光源からの光を平行光とする投光レンズと、この投光レンズと測定対象の基板との間にこの基板とは
異なる角度に配置され、前記投光レンズによる平行光を
通過して前記基板の表面に格子状の影を投影するととも
に、前記基板の表面で反射した光が通過する格子と、前記投光レンズで平行光とされて前記基板の表面を反射
して前記格子を通過してくる像が取り込まれる位置に配
置され、前記像を撮像するイメージセンサと、このイメージセンサで撮像された前記像を取り込んで前
記基板の表面のうねり量を算出する演算処理部とを備え
たことを特徴とする表面状態測定装置。