(57)【要約】【課題】  測定対象たる板状体の材質、硬度、及び面積によらずに、常に正確に、かつ、迅速に厚さ測定を行う。【解決手段】  参照面によって反射された光と、参照面を透過した後に所定位置に配置した透明板状体の裏面によって反射され、再び参照面を透過した光と、によって得られる干渉縞の球面収差成分を用いて、基準基板における厚さと球面収差との関係に基づいて、透明板状体の厚さを算出する。【選択図】  図１
2006058063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照面によって反射された光と、前記参照面を透過した後に所定位置に配置した透明板状体の裏面によって反射され、再び前記参照面を透過した光と、によって得られる干渉縞の球面収差成分を用いて、基準基板における厚さと球面収差との関係に基づいて、前記透明板状体の厚さを算出することを特徴とする厚さ測定方法。
【請求項２】
参照面に入射する光は投光光学系により所定の開口数に拡大されている請求項１記載の厚さ測定方法。
【請求項３】
前記参照面は平面である請求項１又は請求項２記載の厚さ測定方法。
【請求項４】
前記参照面は球面である請求項１又は請求項２記載の厚さ測定方法。
【請求項５】
前記透明板状体は、光ディスク基板、液晶基板、フィルム、又はシートである請求項１〜４のいずれか１項記載の厚さ測定方法。
【請求項６】
平行光を出射する光源系と、
前記光源系からの出射光の一部を反射させ、残りを透過させる参照面と、
前記参照面の透過光を収束させ、その焦点を透明板状体の裏面に一致させる収束光学系と、を有し、
前記参照面によって反射された光と、前記参照面を透過した後に前記透明板状体の裏面によって反射され、再び前記参照面を透過した光と、によって得られる干渉縞の球面収差成分を用いて、基準基板における厚さと球面収差との関係に基づいて、前記透明板状体の厚さを算出することを特徴とする厚さ測定装置。
【請求項７】
前記光源系からの出射光を所定の開口数に拡大する投光光学系を有する請求項６記載の厚さ測定装置。
【請求項８】
前記参照面は球面である請求項６又は請求項７記載の厚さ測定装置。
【請求項９】
前記収束光学系は球面からなる前記参照面を備える請求項６〜８のいずれか１項記載の厚さ測定装置。
【請求項１０】
前記参照面は平面である請求項６又は請求項７記載の厚さ測定装置。
【請求項１１】
前記透明板状体は、光ディスク基板、液晶基板、フィルム、又はシートである請求項６〜１０のいずれか１項記載の厚さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ディスク基板、液晶基板、フィルム、シートその他の板状体のうち光を透過するものの厚さを測定する装置及びその装置を用いた測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、板状体の厚さの測定は、機械式では測長器の一対の接触子に板状体を挟持させ、接触子の間隔を測定することによって行っていた。すなわち、板状体を挟むように一対の接触子を配置した状態で、これら一対の接触子の間隔を狭めていき、２つの接触子がそれぞれ板状体の表面及び裏面に圧接されて、その間隔がほぼ一定となったときにその数値を板状体の厚さとしていた。また、光学式では、透明板状体に対して斜めからレーザーのビームを照射し、透明板状体の表裏で反射するビームの平行シフト（ビームと直交する方向のずれ）を検出することによって、透明板状体の厚みを測定していた。
【非特許文献１】「機械工学便覧  Ｂ．応用編」日本機械学会編  １９３４年２月１５日初版発行  Ｐ．Ｂ３−４２，４３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の測長器による測定では、薄い板状体や柔らかい板状体の厚さを測定する場合に、一対の接触子で挟持することによって挟持部分が変形してしまうために正確な測定ができないことが少なくない。また、面積の大きな板状体の場合は、反ってしまいやすいため、作業性が低くなりやすいとともに、高精度の測定が困難であった。また、透明板状体の表裏で反射するビームの平行シフトを検出する光学式の場合には、透明板状体が薄くなると平行シフト量が減少して検出が難しくなり、測定精度が低下するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明の厚さ測定方法においては、参照面によって反射された光と、参照面を透過した後に所定位置に配置した透明板状体の裏面によって反射され、再び参照面を透過した光と、によって得られる干渉縞の球面収差成分を用いて、基準基板における厚さと球面収差との関係に基づいて、透明板状体の厚さを算出することを特徴としている。
【０００５】
本発明の厚さ測定装置においては、平行光を出射する光源系と、光源系からの出射光の一部を反射させ、残りを透過させる参照面と、参照面の透過光を収束させ、その焦点を透明板状体の裏面に一致させる収束光学系と、を有し、参照面によって反射された光と、参照面を透過した後に透明板状体の裏面によって反射され、再び参照面を透過した光と、によって得られる干渉縞の球面収差成分を用いて、基準基板における厚さと球面収差との関係に基づいて、透明板状体の厚さを算出することを特徴としている。
【０００６】
上記参照面に入射する光は投光光学系により所定の開口数に拡大されているとよい。
【０００７】
上記参照面は平面又は球面とすることが好ましく、球面とする場合は、球面からなる参照面を備える収束光学系を用いることができる。
【０００８】
上記透明板状体としては、少なくとも、光ディスク基板、液晶基板、フィルム、又はシートから選択可能である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、参照面で反射された光と、参照面を透過した後に透明板状体の裏面によって反射された光とによって得られる干渉縞の球面収差成分を用いて板状体の厚さを測定することにより、測定対象たる板状体の材質、硬度、及び面積によらずに常に正確に、かつ、迅速に厚さ測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。
実施形態に係る厚さ測定装置は、図１に示すように、レーザー光源系１０、レーザー光源系１０から出射された光を所定の平行光として出射する投光光学系２０、投光光学系２０から出射された光の一部を反射させ、残りを透過させる参照面を備える平面原器３０、平面原器３０を透過した光の焦点位置を測定対象たる透明板状体８０（例えば、光ディスク基板、液晶基板、透明フィルム、透明シート）の裏面に一致させる対物レンズ（収束光学系）４０、平面原器３０の参照面からの反射光及び透明板状体８０からの反射光による干渉縞を観察する干渉縞観察光学系５０を有する。
【００１１】
レーザー光源系（光源系）１０は、所定のレーザー光を射出する半導体レーザー（ＬＤ）（光源）１１と、半導体レーザー１１から出射された光を所定の径で出射する凸レンズ１２と、からなる。
【００１２】
凸レンズ１２から出射した光が入射する投光光学系２０は、この光をいったん集光させた後に光束を広げる集光レンズ２１と、集光レンズ２１からの出射光を所定径の平行光線にするコリメータレンズ２２と、からなる。コリメータレンズ２２から出射される光はその光路上において４５度傾けて配置したハーフミラー３５を透過する。
【００１３】
ハーフミラー３５を透過した光が入射する平面原器３０は、出射面（底面）が、参照面として、高精度に形成された平面３１となっている。
【００１４】
平面３１を透過した光が入射する対物レンズ（収束光学系）４０は、透明板状体８０の裏面８１（対物レンズ４０から遠い側の面）に焦点を一致させた光を出射する。このように対物レンズ４０及び透明板状体８０を配置することにより、透明板状体８０に入射した光は、裏面８１でその波面を１８０度回転させてほぼすべてが反射され、対物レンズ４０にもどる（キャッツアイ状態）。対物レンズ４０にもどった光は、対物レンズ４０及び平面原器３０を透過し、ハーフミラー３５で進行方向が９０度変わるように反射される。対物レンズ４０の球面収差を、透明板状体８０の厚さに相当する位置で小さくなるように設計すると、透明板状体８０の厚さ測定をより精度良く行うことができるため好ましい。さらに、対物レンズ４０を、収束光の開口数ＮＡが大きくなるように設計すると、参照光と測定光との干渉縞の球面収差成分が、透明板状体８０の厚さの変化に対して感度良く変化するようになるため、透明板状体８０の厚さ測定をより精度良く行うことができるようになって好ましい。
【００１５】
図２に示すように、透明板状体８０は、上面６３及び下面６４が対物レンズ４０から透明板状体８０への入射光に直交する直方体状のＸＹ軸ステージ６２上に、吸引固定されている。ＸＹ軸ステージ６２は、上面６３の互いに直交する２辺６３ａ、６３ｂの延びる方向に移動可能である。例えば、図２の矢印で示すような経路で、対物レンズ４０の出射光を透明板状体８０に照射するようにＸＹ軸ステージ６２を移動させて、透明板状体８０の各部の厚さを連続的に測定することができる。
【００１６】
裏面８１で反射され、対物レンズ４０及び平面原器３０を経てハーフミラー３５で反射された光が入射する干渉縞観察光学系５０は、ＣＣＤカメラ５２と、入射光をＣＣＤカメラ５２のＣＣＤ（固体撮像素子）（不図示）上に結像する結像レンズ５１と、からなる。ＣＣＤカメラ５２では、平面３１で反射された光と、平面３１を透過した後に裏面８１で反射され、平面３１を透過した光と、による干渉縞が形成される。このＣＣＤカメラ５２には、ＣＣＤで変換された電気信号を画像化するイメージスキャナ５５と、干渉縞の球面収差成分から透明板状体８０の厚さを算出することのできるコンピュータ５６と、が接続されている。
【００１７】
以上の構成の厚さ測定装置を用いた厚さ測定動作について説明する。
（１）測定対象の厚さと球面収差との関係の特定
透明板状体８０と同じ材料からなり、透明板状体８０とほぼ同じ厚さを有する複数の基準基板（不図示）を用意し、それぞれの基準基板を、順次ＸＹ軸ステージ６２上に載置する。基準基板を載置した状態で、レーザー光源系１０からレーザー光を出射すると、平面３１からの反射光と、平面３１を透過して裏面８１で反射された光（測定光）と、の干渉縞がＣＣＤカメラ５２で生成される。このＣＣＤカメラ５２で電気信号に変換された干渉縞の情報に基づき、コンピュータ５６において周知の処理方法により干渉縞の球面収差成分を算出する。球面収差成分は、基準基板ごとに算出する。これらの基準基板の厚さは、別途、従来の測定方法により正確に測定しておく。以上のように、算出した球面収差成分と、測定した厚さとの関係をコンピュータ５６の記憶装置（不図示）に、テーブルとして記憶しておく。なお、用意する基準基板の枚数は２枚以上であれば何枚でも良いが、透明板状体８０の厚さに近く、かつ、厚さが異なるとなお良い。また、測定対象の厚さと球面収差成分との関係は、透明板状体８０の屈折率と、対物レンズ４０による収束光の開口数ＮＡとが分かっていれば特定できるため、その場合には、複数の基準基板の厚さの測定及び球面収差成分の算出を行わなくても良い。
【００１８】
（２）透明板状体８０の球面収差成分の測定
つづいて、ＸＹ軸ステージ６２上に測定対象たる透明板状体８０を配置し、レーザー光源系１０からレーザー光を出射する。このレーザー光は、投光光学系２０で所定径の平行光となってハーフミラー３５を透過して平面原器３０に入射する。平面原器３０では、一部が平面３１で反射され、残りは透過する。
【００１９】
平面３１で反射された光（参照光）は、ハーフミラー３５で進行方向を９０度曲げられて結像レンズ５１に入射し、ＣＣＤカメラ５２のＣＣＤに結像する。
【００２０】
平面３１を透過した光は、透明板状体８０の裏面（対物レンズ４０から遠い側の面）であり、上面６３と接触する裏面８１に焦点を結ぶように、対物レンズ４０で収束される。この光（測定光）は、その波面を１８０度回転させてほぼすべてが裏面８１で反射され、対物レンズ４０にもどる（キャッツアイ状態）。この光（測定光）は、対物レンズ４０及び平面原器３０を透過して、ハーフミラー３５で進行方向を９０度曲げられて結像レンズ５１に入射し、ＣＣＤカメラ５２のＣＣＤに結像する。
【００２１】
以上のように、ＣＣＤカメラ５２のＣＣＤでは参照光と測定光が結像し、これらの光により干渉縞が生成され、電気信号に変換される。
【００２２】
（３）透明板状体８０の厚さの算出
ＣＣＤカメラ５２で電気信号に変換された干渉縞データは、イメージスキャナ５５において画像化されてディスプレイ（不図示）に表示されるとともに、コンピュータ５６において周知の計算方法により球面収差成分が算出される。この算出結果と、すでにコンピュータ５６の記憶手段に記憶された測定対象の厚さと球面収差との関係を示すテーブルと、を照合することによって、基準基板の厚さと透明板状体８０の厚さとのずれを算出する。この算出値と基準基板の厚さを加算することにより透明板状体８０の厚さを算出する。
【００２３】
なお、対物レンズ４０からの出射光の焦点は、厳密に裏面８１に一致している必要はない。干渉縞のデフォーカス成分と球面収差成分は、干渉縞の形状が異なるため両者は容易に区別できるからである。すなわち、干渉縞のデフォーカス成分が２次関数的な一つの凸のみを有する湾曲形状であるのに対して、球面収差成分は４次関数的な２つの凸を有するＷ字形のうねり形状となっている。
【００２４】
つぎに、本実施形態の変形例について説明する。
上述の実施形態では透明板状体８０をＸＹ軸ステージ６２上に載置して厚さを測定していたが、このＸＹ軸ステージ６２に代えて図３に示すステージ７０を用いることもできる。ステージ７０は、上面７３及び下面７４が対物レンズ４０からの出射光に直交する直方体状のＸ軸ステージ７２と、Ｘ軸ステージ７２の上面７３上において、上面７３に垂直な回転軸７６を中心に回転可能に配置された円板状の回転ステージ７５と、からなる。Ｘ軸ステージ７２は、上面７３の長辺７３ａの延びる方向に移動可能である。Ｘ軸ステージ７２は、測定対象が円板状の透明板状体８２であるときに特に有用である。すなわち、回転軸７６を中心にして回転ステージ７５を回転させることにより透明板状体８２の円周方向の各位置における厚さを測定し、Ｘ軸ステージ７２の直進移動により透明板状体８２の径方向における対物レンズ４０と透明板状体８２との相対位置を変更して、透明板状体８２の厚さ分布を連続的に測定することができる。
【００２５】
また、上述の実施形態の平面原器３０及び対物レンズ４０に代えて、図４に示す球面原器レンズ３６を用いることができる。この球面原器レンズ３６は、参照面及び収束光学系として面精度の高い球面３７を内部に有している。この球面３７に入射した光は、一部が反射し、残りが透過する。球面３７を透過した光は、対物レンズ４０を透過した光と同様に、透明板状体８０の裏面８１に焦点を一致させた光である。このように球面原器レンズ３６を配置することにより、透明板状体８０に入射した光は、裏面８１でその波面を１８０度回転させてほぼすべてが反射され、球面原器レンズ３６にもどる（キャッツアイ状態）。球面原器レンズ３６にもどった光は、球面原器レンズ３６を透過し、ハーフミラー３５で進行方向が９０度変わるように反射される。球面３７の球面収差を、透明板状体８０の厚さに相当する位置で小さくなるように設計すると、透明板状体８０の厚さ測定をより精度良く行うことができるため好ましい。さらに、球面３７を、収束光の開口数ＮＡが大きくなるように設計すると、参照光と測定光との干渉縞の球面収差成分が、透明板状体８０の厚さの変化に対して感度良く変化するようになるため、透明板状体８０の厚さ測定をより精度良く行うことができるようになって好ましい。
【００２６】
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る厚さ測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る厚さ測定装置において、ＸＹ軸ステージ上に載置された透明板状体と対物レンズとの配置を示す図である。
【図３】本発明の実施形態の変形例に係る厚さ測定装置において、ステージ上に載置された透明板状体と対物レンズとの配置を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の変形例に係る厚さ測定装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０    レーザー光源系（光源系）
２０    投光光学系
３０    平面原器
３１    平面（参照面）
３５    ハーフミラー
３６    球面原器レンズ
４０    対物レンズ（収束光学系）
５０    干渉縞観察光学系
５２    ＣＣＤカメラ
８０    透明板状体
８１    裏面
８２    透明板状体
【図１】
2006058063.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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