(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明材料からなる基板の表面状態を光学的に測定する方法において、
光源と、
この光源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と、
この投光レンズと透明材料からなる基板との間に設けられ、投光レンズを透過した光を透明材料からなる基板に入射するとともに透明材料からなる基板からの反射光を透過させる格子と、
格子を通して透明材料からなる基板から反射してきた光を集光する受光レンズと、
この受光レンズを透過した光の特定次数の回折光だけを通すスリットと、
このスリットを通過した特定次数の回折光を取り入れてモアレ縞像を撮像するイメージセンサと、
光源からスリットまでの光路上に配置され、光源から放射される光のうち透明材料からなる基板を透過しにくい領域の波長だけを透過させるバンドパスフィルタと
を備えた表面測定装置を用いて透明材料からなる基板の表面状態を光学的に測定する
ことを特徴とする表面状態測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液晶ディスプレイに用いられるガラス基板など、透明材料から構成され、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方法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（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｖｉｃｅ）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、ガラス基板のような透明体の、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】
この発明の表面状態測定方法は、透明材料からなる基板の表面状態を光学的に測定する方法において、光源と、この光源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と、この投光レンズと透明材料からなる基板との間に設けられ、投光レンズを透過した光を透明材料からなる基板に入射するとともに透明材料からなる基板からの反射光を透過させる格子と、透明材料からなる基板から反射してきた光を集光する受光レンズと、この受光レンズを透過した光の特定次数の回折光だけを通すスリットと、このスリットを通過した特定次数の回折光を取り入れてモアレ縞像を撮像するイメージセンサと、光源からスリットまでの光路上に配置され、光源から放射される光のうち透明材料からなる基板を透過しにくい領域の波長だけを透過させるバンドパスフィルタとを備えた表面測定装置を用いて透明材料からなる基板の表面状態を光学的に測定するようにした。
このため、その透明材料からなる基板表面より入射していく光は、ほとんどが減衰して消えていく。
【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に取込まれる。なお、このときは、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をガラス基板４とは異なる角度に配置しておく必要がある。
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、たとえば、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３６０ｎｍ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、ＳｉＯ2 に加え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】
たとえば、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】
たとえば、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、３１３ｎｍ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、たとえば、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、Ｔx で示される。
したがって、上述の場合、Ｔx ≦１／４となる波長を求めればよい。
たとえば、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°として行った。したがって、イメージセンサ８に取込まれる光の中で、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３１３ｎｍ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。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明では、透明材料を透過しにくい領域の波長の光を測定のために用いるようにした。
すなわち、基板表面に入射した光による表面の反射光強度に対して、裏面からの反射光強度が、例えば１／４となる波長以下の光を測定のために用いるようにした。
このため、この発明によれば、基板裏面からの反射の影響をなくすことが可能となり、ガラス基板のような透明体の、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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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