JP4265786B2 - 高さ測定方法及び高さ測定装置、並びに信号処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の基準面からの高さを測定する高さ測定方法及び高さ測定装置、並びに信号のピーク位置を算出する信号処理方法に関する。

アクティブマトリクス駆動方式の液晶ディスプレイ装置は、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）基板とカラーフィルタ基板との間に液晶を封入して製造される。製造工程において、ＴＦＴ基板又はカラーフィルタ基板の表面には、両基板の間隔を保つためのスペーサ（フォトスペーサ）が形成される。そして、形成されたフォトスペーサは、両基板の間隔を一定にして液晶層の厚さを均一にするため、高さ測定が行われる。従来、フォトスペーサの高さ測定は、白色光又はレーザー光の干渉縞を測定する干渉計を用いて行われていた。なお、特許文献１には、スペーサの高さを測定して、液晶滴下量を制御する技術が開示されている。
特開２００１−２８１６７８号公報

従来の干渉計を用いたフォトスペーサの高さ測定では、少しでも振動が発生すると干渉縞が変位し、測定誤差が発生するという問題があった。

また、一般に、光学系を用いた長さ、高さ等の物理量の測定では、光学系で受光した光の検出信号のピーク位置を算出する処理が行われる。このように信号のピーク位置を算出する処理では、信号のばらつきにより、算出される信号のピーク位置が変化するという問題があった。

本発明の課題は、振動の影響を受けずに、被測定物の高さを精度良く測定することである。また、本発明の課題は、信号のばらつきに影響されずに、信号のピーク位置を正しく算出することである。

本発明の高さ測定方法は、被測定物の基準面からの高さを測定する高さ測定方法であって、光学系の焦点位置を移動しながら、検査光を被測定物の表面及び基準面へ照射し、検査光が被測定物の表面又は基準面で反射された反射光をピンホールを通して受光して、受光した反射光の輝度信号に重み付き平均処理を行った後、輝度信号を任意の折り返し位置で折り返し、折り返し位置の両側の所定の範囲について、折り返し前の輝度信号と折り返し後の輝度信号との差分を求める処理を、折り返し位置を移動しながら行い、折り返し位置を移動して求めた差分の変化を４次近似し、得られた結果が最小となる折り返し位置を、被測定物の表面又は基準面に合った光学系の焦点位置として、被測定物の表面に合った光学系の焦点位置と、基準面に合った光学系の焦点位置とを検出し、両者の差異から被測定物の高さを求めるものである。

また、本発明の高さ測定装置は、被測定物の基準面からの高さを測定する高さ測定装置であって、検査光を被測定物の表面及び基準面へ照射する投光手段と、検査光が被測定物の表面又は基準面で反射された反射光をピンホールを通して受光し、受光した反射光の輝度信号を出力する受光手段と、受光手段の焦点位置を移動する焦点位置移動手段と、受光手段が出力した輝度信号に重み付き平均処理を行った後、輝度信号を任意の折り返し位置で折り返し、折り返し位置の両側の所定の範囲について、折り返し前の輝度信号と折り返し後の輝度信号との差分を求める処理を、折り返し位置を移動しながら行い、折り返し位置を移動して求めた差分の変化を４次近似し、得られた結果が最小となる折り返し位置を、被測定物の表面又は基準面に合った受光手段の焦点位置として、被測定物の表面に合った受光手段の焦点位置と、基準面に合った受光手段の焦点位置とを検出し、両者の差異から被測定物の高さを求める信号処理手段とを備えたものである。

焦点位置を移動しながら、被測定物の表面又は基準面からの反射光をピンホールを通して受光すると、焦点位置が被測定物の表面又は基準面に合っていないとき、反射光はピンホールで遮断されてほとんど受光されない。焦点位置が被測定物の表面又は基準面に合ったとき、反射光はピンホールを通過して強く受光される。そこで、受光した反射光の輝度信号の変化から、被測定物の表面に合った焦点位置と、基準面に合った焦点位置とを検出し、両者の差異から被測定物の高さを求める。ピンホールを使用することにより、振動の影響を受けずに、被測定物の表面又は基準面に合った焦点位置を精度良く検出することができる。

本発明の信号処理方法は、信号のピーク位置を算出する信号処理方法であって、信号に重み付き平均処理を行った後、信号を任意の折り返し位置で折り返し、折り返し位置の両側の所定の範囲について、折り返し前の信号と折り返し後の信号との差分を求める処理を、折り返し位置を移動しながら行い、折り返し位置を移動して求めた差分の変化を４次近似し、得られた結果が最小となる折り返し位置を信号のピーク位置とするものである。

まず、重み付き平均処理を行うことにより、信号のノイズが除去され、また信号のばらつきが抑制される。続いて、信号を任意の折り返し位置で折り返し、折り返し位置の両側の所定の範囲について、折り返し前の信号と折り返し後の信号との差分を求める処理を、折り返し位置を移動しながら行う。求められる差分は、折り返し位置の左右の信号が最も対称に近いときに最小となる。そこで、折り返し位置を移動して求めた差分の変化を４次近似し、得られた結果が最小となる折り返し位置を信号のピーク位置とする。これにより、算出されるピーク位置は、左右の信号が最も対称に近い位置となる。

なお、重み付き平均処理を行った後の信号のピーク位置を仮中心位置とし、折り返し位置を仮中心位置の前後に移動すると、多くの場合左右の信号が最も対称に近い位置は仮中心位置の近傍にあるので、少ない処理量で効率よくピーク位置を算出することができる。

本発明の信号処理方法を、上記の高さ検出方法及び高さ検出装置に適用することにより、被測定物の表面又は基準面に合った焦点位置の検出精度が向上する。

本発明の高さ測定方法及び高さ測定装置によれば、ピンホールを使用することにより、振動の影響を受けずに、被測定物の表面又は基準面に合った焦点位置を精度良く検出することができる。従って、被測定物の表面に合った焦点位置と基準面に合った焦点位置との差異から被測定物の高さを求めることにより、振動の影響を受けずに、被測定物の高さを精度良く測定することができる。

また、本発明の高さ測定方法及び高さ測定装置によれば、本発明の信号処理方法を適用することにより、被測定物の表面又は基準面に合った焦点位置の検出精度が向上するので、被測定物の高さをさらに精度良く測定することができる。

本発明の信号処理方法によれば、信号のばらつきに影響されずに、左右の信号が最も対称に近い位置をピーク位置として算出することができるので、信号のピーク位置を正しく算出することができる。

図１は、本発明の一実施の形態による高さ測定装置の概略構成を示す図である。本実施の形態は、カラーフィルタ基板１の表面に形成されたフォトスペーサの高さ測定を行う高さ測定装置の例を示している。高さ測定装置は、光学系、ピエゾ素子２０、駆動回路３０、アナログ・ディジタル変換器４０、信号処理装置５０、メモリ６０、及び制御装置７０を含んで構成されている。

光学系は、投光系と受光系とからなる。投光系は、光源１１、ハーフミラー１２、及び対物レンズ１３を含んで構成されている。光源１１から発生された白色光は、ハーフミラー１２で反射され、対物レンズ１３を介してカラーフィルタ基板１の表面へ照射される。

受光系は、対物レンズ１３、ハーフミラー１２、ピンホール１４、結像レンズ１５、及びＣＣＤカメラ１６を含んで構成されている。カラーフィルタ基板１の表面に形成されたフォトスペーサの表面を被測定面とし、カラーフィルタ基板１の表面を基準面とすると、被測定面及び基準面からの反射光は、対物レンズ１３で集光され、ハーフミラー１２を透過した後、ピンホール１４へ照射される。ピンホール１４を通過した反射光は、結像レンズ１５で集束されて、ＣＣＤカメラ１６の受光面で結像する。ＣＣＤカメラ１６は、受光面の２次元方向に複数の画素が配列されており、各画素が受光した光の輝度信号を出力する。

駆動回路３０は、制御装置７０の制御により、ピエゾ素子２０へ電圧を印加する。ピエゾ素子２０は、駆動回路３０から印加された電圧により伸縮して、対物レンズ１３を上下に移動させる。これにより、受光系の焦点位置が移動する。制御装置７０は、駆動回路３０の電圧からレンズ１３の移動量を検出し、受光系の焦点位置の移動データとしてメモリ６０に記憶する。

本実施の形態では、受光系の焦点位置を、被測定面の上方から基準面へ向かって図面下方向へ移動する。まず、受光系の焦点位置が被測定面より上に合っているとき、被測定面及び基準面からの反射光はピンホール１４で遮断されてほとんど受光されない。受光系の焦点位置を下げて焦点位置が被測定面に合ったとき、被測定面からの反射光はピンホール１４を通過して強く受光され、基準面からの反射光はピンホール１４で遮断されてほとんど受光されない。受光系の焦点位置をさらに下げて焦点位置が被測定面と基準面との間に合っているとき、被測定面及び基準面からの反射光はピンホール１４で遮断されてほとんど受光されない。そして、光学系の焦点位置が基準面に合ったとき、基準面からの反射光はピンホール１４を通過して強く受光され、被測定面からの反射光はピンホール１４で遮断されてほとんど受光されない。

図２は、輝度信号と光学系の焦点位置との関係を示す図である。ＣＣＤカメラ１６の受光面上で、被測定面からの反射光を受光する位置にある画素の輝度信号Ｓａは、受光系の焦点位置が被測定面に合ったＦ１のときに最大となる。一方、基準面からの反射光を受光する位置にある画素の輝度信号Ｓｂは、受光系の焦点位置が基準面に合ったＦ２のときに最大となる。

アナログ・ディジタル変換器４０は、ＣＣＤカメラ１６が出力した輝度信号をディジタル信号に変換して、信号処理装置５０へ出力する。信号処理装置５０は、アナログ・ディジタル変換器４０から入力したディジタル信号を、輝度信号のデータとしてメモリ６０に記憶する。そして、信号処理装置５０は、制御装置７０の制御により、メモリ６０に記憶された受光系の焦点位置の移動データ及び輝度信号のデータを処理して、被測定面に合った受光系の焦点位置と、基準面に合った受光系の焦点位置とを検出し、両者の差異から被測定面の高さを検出する。

以上説明した実施の形態によれば、ピンホールを使用することにより、振動の影響を受けずに、被測定面又は基準面に合った焦点位置を精度良く検出することができる。従って、被測定面に合った焦点位置と基準面に合った焦点位置との差異から被測定面の高さを求めることにより、振動の影響を受けずに、被測定面の高さを精度良く測定することができる。

次に、本発明の信号処理方法について説明する。以上説明した実施の形態において、信号処理装置５０は、輝度信号のピーク位置を算出する信号処理を行い、被測定面からの反射光を受光する位置にある画素の輝度信号のピーク位置を、被測定面に合った受光系の焦点位置とし、基準面からの反射光を受光する位置にある画素の輝度信号のピーク位置を、基準面に合った受光系の焦点位置とする。

まず、信号処理装置５０は、輝度信号に重み付き平均処理を行う。図３（ａ）は重み付き平均処理を行う前の輝度信号を示す図、図３（ｂ）は重み付き平均処理を行った後の輝度信号を示す図である。図３（ａ）に示すように、ＣＣＤカメラ１６の輝度信号にばらつきがあっても、図３（ｂ）に示すように、重み付き平均処理を行うことにより、信号のノイズが除去され、また信号のばらつきが抑制される。

続いて、信号処理装置５０は、輝度信号を折り返して差分を求める処理を行う。図４は、輝度信号を折り返して差分を求める処理を説明する図である。まず、図４（ａ）に示すように、重み付き平均処理を行った後の輝度信号Ｓ１のピーク位置を、仮中心位置Ｐ’とする。続いて、図４（ｂ）に示すように、輝度信号Ｓ１を仮中心位置Ｐ’で折り返し、折り返し位置の両側の所定の範囲Ｗについて、折り返し前の輝度信号Ｓ１と折り返し後の輝度信号Ｓ２との差分を求める。求められる差分は、図４（ｂ）に斜線で示した領域の面積となる。この処理を、折り返し位置を仮中心位置Ｐ’の前後に移動しながら行うと、折り返し前の輝度信号Ｓ１と折り返し後の輝度信号Ｓ２と差分が変化する。折り返し位置をＰ’−Ｌへ移動した場合、求められる差分は、図４（ｃ）に斜線で示した領域の面積となる。折り返し位置をＰ’＋Ｌへ移動した場合、求められる差分は、図４（ｄ）に斜線で示した領域の面積となる。

続いて、折り返し位置を移動して求めた差分の変化を４次近似する。図５は、差分の変化を４次近似して得られた結果を示す図である。上記の処理により求められる差分は、折り返し位置の左右の輝度信号が最も対称に近いときに最小となる。そこで、差分の変化を４次近似して得られた結果が最小となる折り返し位置Ｐを輝度信号のピーク位置とする。これにより、算出されるピーク位置Ｐは、左右の輝度信号が最も対称に近い位置となる。

以上説明した信号処理方法によれば、輝度信号のばらつきに影響されずに、左右の輝度信号が最も対称に近い位置をピーク位置として算出することができるので、輝度信号のピーク位置を正しく算出することができる。そして、算出した輝度信号のピーク位置を被測定面又は基準面に合った受光系の焦点位置とすることにより、被測定面又は基準面に合った焦点位置の検出精度が向上するので、被測定面の高さをさらに精度良く測定することができる。

また、重み付き平均処理を行った後の輝度信号のピーク位置を仮中心位置とし、折り返し位置を仮中心位置の前後に移動することにより、多くの場合左右の輝度信号が最も対称に近い位置は仮中心位置の近傍にあるので、少ない処理量で効率よくピーク位置を算出することができる。しかしながら、本発明はこれに限らず、信号の折り返し位置の移動範囲は、差分の変化を４次近似して得られた結果が最小となる位置を含む限り、任意に設定できる。

本発明の高さ測定装置及びそれを用いた高さ測定方法は、フォトスペーサの高さ測定に限らず、従来干渉計を用いて行われていた各種の分野の高さ測定に適用できる。また、本発明の信号処理方法は、高さ測定装置の輝度信号に限らず、信号のばらつきよるピーク位置の変化が問題となる各種の信号に適用できる。

本発明の一実施の形態による高さ測定装置の概略構成を示す図である。 輝度信号と光学系の焦点位置との関係を示す図である。 図３（ａ）は重み付き平均処理を行う前の輝度信号を示す図、図３（ｂ）は重み付き平均処理を行った後の輝度信号を示す図である。 輝度信号を折り返して差分を求める処理を説明する図である。 差分の変化を４次近似して得られた結果を示す図である。

符号の説明

１ カラーフィルタ基板
１１ 光源
１２ ハーフミラー
１３ 対物レンズ
１４ ピンホール
１５ 結像レンズ
１６ ＣＣＤカメラ
２０ ピエゾ素子
３０ 駆動回路
４０ アナログ・ディジタル変換器
５０ 信号処理装置
６０ メモリ
７０ 制御装置

Claims (4)

1. 被測定物の基準面からの高さを測定する高さ測定方法であって、
   光学系の焦点位置を移動しながら、
   検査光を被測定物の表面及び基準面へ照射し、
   検査光が被測定物の表面又は基準面で反射された反射光をピンホールを通して受光して、
   受光した反射光の輝度信号に重み付き平均処理を行った後、輝度信号を任意の折り返し位置で折り返し、折り返し位置の両側の所定の範囲について、折り返し前の輝度信号と折り返し後の輝度信号との差分を求める処理を、折り返し位置を移動しながら行い、折り返し位置を移動して求めた差分の変化を４次近似し、得られた結果が最小となる折り返し位置を、被測定物の表面又は基準面に合った光学系の焦点位置として、被測定物の表面に合った光学系の焦点位置と、基準面に合った光学系の焦点位置とを検出し、両者の差異から被測定物の高さを求めることを特徴とする高さ測定方法。
2. 被測定物の基準面からの高さを測定する高さ測定装置であって、
   検査光を被測定物の表面及び基準面へ照射する投光手段と、
   検査光が被測定物の表面又は基準面で反射された反射光をピンホールを通して受光し、受光した反射光の輝度信号を出力する受光手段と、
   前記受光手段の焦点位置を移動する焦点位置移動手段と、
   前記受光手段が出力した輝度信号に重み付き平均処理を行った後、輝度信号を任意の折り返し位置で折り返し、折り返し位置の両側の所定の範囲について、折り返し前の輝度信号と折り返し後の輝度信号との差分を求める処理を、折り返し位置を移動しながら行い、折り返し位置を移動して求めた差分の変化を４次近似し、得られた結果が最小となる折り返し位置を、被測定物の表面又は基準面に合った前記受光手段の焦点位置として、被測定物の表面に合った前記受光手段の焦点位置と、基準面に合った前記受光手段の焦点位置とを検出し、両者の差異から被測定物の高さを求める信号処理手段とを備えたことを特徴とする高さ測定装置。
3. 信号のピーク位置を算出する信号処理方法であって、
   信号に重み付き平均処理を行った後、
   信号を任意の折り返し位置で折り返し、折り返し位置の両側の所定の範囲について、折り返し前の信号と折り返し後の信号との差分を求める処理を、折り返し位置を移動しながら行い、
   折り返し位置を移動して求めた差分の変化を４次近似し、
   得られた結果が最小となる折り返し位置を信号のピーク位置とすることを特徴とする信号処理方法。
4. 重み付き平均処理を行った後の信号のピーク位置を仮中心位置とし、
   折り返し位置を仮中心位置の前後に移動することを特徴とする請求項３に記載の信号処理方法。

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