(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材が有する間隙に起因して生じる光の干渉縞を、その干渉縞を形成する光を所定の波長範囲内で波長走査させ走査波長毎にカメラで撮像する工程と、
前記カメラによる撮像画像データから所定位置における前記走査波長毎の干渉縞の強度を算出して前記波長範囲内における干渉縞の測定強度変化波形を求める工程と、
前記測定強度変化波形と予め設定した複数の間隙値に対応した前記波長範囲内での干渉縞の理論強度変化波形との振幅を合わせる正規化処理工程と、
前記正規化処理がなされた測定強度変化波形の極値点を複数求め、これら複数の極値点に対応する波長を基に間隙値を複数算出する間隙値算出工程と、
前記間隙値算出工程で算出された複数の間隙値のいずれか１つあるいは組み合せに基づいて前記各理論強度変化波形の設定間隙値を限定し、前記正規化処理がなされた前記測定強度変化波形と前記限定された設定間隙値に対応した前記各理論強度変化波形との差の平方和をとり、その値が最小となる理論強度変化波形に対応する設定間隙値を前記部材の間隙値とする間隙値予測決定工程と、を備えたことを特徴とする間隙測定方法。
【請求項２】
前記間隙値予測決定工程は、前記間隙値算出工程で算出された複数の間隔値のなかの最大値と最小値を求め、前記正規化処理がなされた前記測定強度変化波形と前記最大値〜最小値の範囲に対応した前記各理論強度変化波形との差の平方和をとり、その値が最小となる理論強度変化波形に対応する設定間隙値を前記部材の間隙値とすることを特徴とする請求項１記載の間隙測定方法。
【請求項３】
前記間隙値予測決定工程は、前記間隙値算出工程で算出された複数の間隔値のなかの中央値を求め、前記正規化処理がなされた前記測定強度変化波形と前記中央値の前後所定範囲内に対応した前記各理論強度変化波形との差の平方和をとり、その値が最小となる理論強度変化波形に対応する設定間隙値を前記部材の間隙値とすることを特徴とする請求項１記載の間隙測定方法。
【請求項４】
前記間隙値予測決定工程は、前記間隙値算出工程で算出された複数の間隔値のなかの平均値を求め、前記正規化処理がなされた前記測定強度変化波形と前記平均値の前後所定範囲内に対応した前記各理論強度変化波形との差の平方和をとり、その値が最小となる理論強度変化波形に対応する設定間隙値を前記部材の間隙値とすることを特徴とする請求項１記載の間隙測定方法。
【請求項５】
前記理論強度変化波形を求める工程を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の間隙測定方法。
【請求項６】
前記撮像画像データからノイズを取り除く平滑化処理工程を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の間隙測定方法。
【請求項７】
前記撮像画像データから各波長に対しての変動要素を排除する波長補正工程を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の間隙測定方法。
【請求項８】
前記測定強度変化波形が有するノイズをその前後のデータを用いて除去し滑らかに連続する波形にする移動平均処理工程を備えたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の間隙測定方法。
【請求項９】
前記請求項１乃至８の方法を、前記部材が有する間隙の伸長方向に沿って所定の間隔で繰り返すことを特徴とする間隙測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の干渉を利用して、部材の間隙（ギャップ）を測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶セルなどの光透過部材の間隙を測定する装置として、例えば図１４の構成に示すような間隙測定装置があった。これは、ハーフミラーを介して顕微鏡対物レンズで照明された実厚ｄの間隙（媒質の屈折率をｎとする）の上面及び下面からの反射波が２ｎｄの位相差を持って戻り、これら２つの光がウォラストンプリズム及び偏光板Ａ，Ｐを通ることで干渉縞を生じさせることを利用したものである。すなわち、上面又は下面同志の反射光による干渉縞と、上面と下面との反射波面の交線における干渉縞とのピーク間隙ｙを測定することにより、次式から間隙ｄの値を求めるものである。
ｙ＝ｎｄ／（ｎｅ−ｎｏ）ｔａｎθ
ただし、θはウォラストンプリズム角
ｎｅ，ｎｏはウォラストンプリズムの屈折率
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の間隙測定方法で一定区間における間隙値（間隙分布）を測定するには、対象物を移動させながら測定を繰り返さねばならず、作業が複雑で時間も多くかかっていた。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、測定対象物や測定機器を移動させることなく、しかも高速かつ高精度に、対象物の間隙測定が行える方法又は装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、部材が有する間隙に起因して生じる光の干渉縞を、その干渉縞を形成する光を所定の波長範囲内で波長走査させ走査波長毎にカメラで撮像する工程と、前記カメラによる撮像画像データから所定位置における前記走査波長毎の干渉縞の強度を算出して前記波長範囲内における干渉縞の測定強度変化波形を求める工程と、前記測定強度変化波形と予め設定した複数の間隙値に対応した前記波長範囲内での干渉縞の理論強度変化波形との振幅を合わせる正規化処理工程と、前記正規化処理がなされた測定強度変化波形の極値点を複数求め、これら複数の極値点に対応する波長を基に間隙値を複数算出する間隙値算出工程と、前記間隙値算出工程で算出された複数の間隙値のいずれか１つあるいは組み合せに基づいて前記各理論強度変化波形の設定間隙値を限定し、前記正規化処理がなされた前記測定強度変化波形と前記限定された設定間隙値に対応した前記各理論強度変化波形との差の平方和をとり、その値が最小となる理論強度変化波形に対応する設定間隙値を前記部材の間隙値とする間隙値予測決定工程と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、前記間隙値予測決定工程は、前記間隙値算出工程で算出された複数の間隔値のなかの最大値と最小値を求め、前記正規化処理がなされた前記測定強度変化波形と前記最大値〜最小値の範囲に対応した前記各理論強度変化波形との差の平方和をとり、その値が最小となる理論強度変化波形に対応する設定間隙値を前記部材の間隙値とすることを特徴とする。
【０００８】
また、前記間隙値予測決定工程は、前記間隙値算出工程で算出された複数の間隔値のなかの中央値を求め、前記正規化処理がなされた前記測定強度変化波形と前記中央値の前後所定範囲内に対応した前記各理論強度変化波形との差の平方和をとり、その値が最小となる理論強度変化波形に対応する設定間隙値を前記部材の間隙値とすることを特徴とする。
【０００９】
また、前記間隙値予測決定工程は、前記間隙値算出工程で算出された複数の間隔値のなかの平均値を求め、前記正規化処理がなされた前記測定強度変化波形と前記平均値の前後所定範囲内に対応した前記各理論強度変化波形との差の平方和をとり、その値が最小となる理論強度変化波形に対応する設定間隙値を前記部材の間隙値とすることを特徴とする。
【００１０】
また、前記理論強度変化波形を求める工程を備えたことを特徴とする。前記理論強度変化波形は、予め求めて記憶しておいても良いが、間隙値測定の度に算出するようにしても良い。
【００１１】
また、前記撮像画像データから干渉縞の強度算出に不必要なノイズを取り除く平滑化処理工程、前記撮像画像データから各波長に対しての変動要素を排除する波長補正工程、あるいは前記測定強度変化波形が有するノイズをその前後のデータを用いて除去し滑らかに連続する波形にする移動平均処理工程を、任意に組合わて用いることで、測定精度を向上させることができる。
【００１２】
なお、上記の各方法を前記部材が有する間隙の伸長方向に沿って所定の間隔で繰り返すことにより、間隙全体に亘る間隙値が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（１）干渉縞の画像データを得るための光学系の構成
図１は本発明の実施例に係る干渉縞の画像を得るための画像取得光学系の構成図である。予め定めた範囲、例えば、４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲又は５００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲、の波長を１ｎｍ毎に波長走査できる波長可変光源１を用い、波長可変光源１からの光をバックライト２を介して測定対象物５に照射して透過させ、測定対象物５が有する間隙５ａに起因して生じる干渉縞を、各走査波長毎にカメラ３で撮像する。これらの場合、上記撮像で得られる画像データは、各走査波長に対応して１０１個となる。
【００１４】
（２）間隙測定装置の構成
図２は本発明の実施例に係る間隙測定装置の構成を示すブロック図である。ここで、１１は上記（１）で説明した画像取得光学系、１２は画像取得光学系１１で得られた画像データや各種の設定条件などを入力する入力部、１３は入力部１２から入力されたデータや演算処理部１４で得られた結果などを記憶する記憶部、１４は図示されているような各種の演算や処理などを行うＣＰＵ及びプログラムなどからなる演算処理部、１５は入力部１２から入力されたデータ、記憶部１３に記憶されているデータ、あるいは演算処理部１４で得られた結果データなどを出力する出力部である。
【００１５】
（３）記憶部１３に記憶されるデータ
記憶部１３に記憶されるデータとしては、次のようなものがある。
▲１▼設定条件
予め設定されるべき条件として、走査される波長範囲、その波長範囲をどのような間隔で走査するかを定める走査波長間隔、測定しようとする間隙値の範囲を規定しておく間隙値測定範囲、後述する理論波形をどのような間隙値の間隔で求めるのかを定める間隙値間隔（これにより各設定間隙値が定まる）、後述する移動平均処理のためのサンプル数などがあり、これらが入力部１２から入力されて記憶される。
【００１６】
▲２▼画像データ
画像取得光学系１１で得られた画像データが、入力部１２を介して各走査波長毎に記憶される。
【００１７】
▲３▼波形補正データ
カメラ３で撮像された画像は、主に、（ａ）光源の発光分光特性、（ｂ）照明光学系の分光特性、（ｃ）カメラの分光感度特性などの変動要素の影響を受け、図３に示すように、波長が大きくなるに従って光の強度が小さくなる結果となる。そこで、それらの影響を排除するため、予め補正テーブルを作成して記憶しておき、これを基にカメラで撮像された画像から得られた干渉縞強度変化を、適正値に補正する必要がある。この補正テーブルは、例えば、波長と強度（輝度）との関係を示す図４のようなデータで、これは干渉縞の密な領域の平均強度を波長毎に測定するか、可干渉距離以上の間隙を持ったサンプルを用意し波長毎の強度を測定して得たものである。この補正テーブルで、図３に示す撮像画像より得られた干渉縞強度変化を除算すると、図５に示すような補正された干渉縞強度変化波形が得られる。なお、この波形補正データは、かならずしも予め記憶しておく必要はなく、間隙測定の度に算出させるようにしても良い。
【００１８】
▲４▼理論強度変化波形
間隙（間隙値ｄ）を有する透明な平行平板に波長λの光を透過させると、透過してきた光Ｉ1，Ｉ2は図６のように干渉し、それら干渉縞の強度は、
Ｉ＝Ｉ1＋Ｉ2＋２（Ｉ1・Ｉ2）1/2 ・ｃｏｓ（４πｄ／λ）
となる。ここで、例えば、Ｉ1＋Ｉ2と２（Ｉ1・Ｉ2）1/2を所定の定数とし、間隙値ｄに測定しようとする範囲の値、例えば３０００ｎｍ〜６５００ｎｍ間の値を与えると、各走査波長λに対応する理論干渉縞強度Ｉが求まる。そして、この理論干渉縞強度Ｉを基に、上記波長走査範囲内での干渉縞の理論強度変化が求まる。このような処理を予め設定した間隙値毎に行うことで、各設定間隙値に対応した干渉縞の理論強度変化波形が得られる。以下の各実施例では、測定間隙値を３０００ｎｍ〜６５００ｎｍの間と設定し、その間を１ｎｍ毎に増加させる間隙値を設定して、全部で３５０１個の間隙値を設定し、その分の理論強度変化波形を求めて記憶しておく。なお、この理論強度変化波形も、かならずしも予め記憶しておく必要はなく、間隙測定の度に算出させるようにしても良い。
【００１９】
▲５▼その他
記憶部１３に記憶されるデータとしては、上記▲１▼〜▲４▼の他に、演算処理部１４で得られた結果などもある。
【００２０】
（４）測定方法
実施例１．
図７は本発明の実施例１に係る間隙測定方法を説明するフローチャートである。これによれば、まず、上記（３）で説明した測定のための設定条件や、波長走査して画像取得光学系１１により得られた各走査波長毎の画像データなどを記憶部１３に記憶させる（Ｓ１、Ｓ２）。
【００２１】
続いて、演算処理部１４の平滑化処理手段により、得られた画像データの平滑化処理を行う（Ｓ３、Ｓ４）。これは、画像データから本来の情報を抽出するために不要なノイズを取り除く処理である。処理の方法には、単純平均化法や可変荷重平均法などがあるが、ここでは単純平均化法を用いるとして以下にこの方法のための処理式を記載しておく。なお、平滑化処理は必ずしも必要な処理ではないが、測定精度を上げるためにはこれを行う方が良い。
【００２２】
【数１】
0003772687.tif 000002
【００２３】
続いて、演算処理部１４の干渉縞強度算出手段により、画像データを基に、ある位置における干渉縞の強度を走査波長毎に算出する処理を行う（図中にはステップ表示無し）。これは、干渉縞の強度（又は輝度）の程度を判別し、それを、例えば０〜２５５の数値で表す処理である。
【００２４】
続いて、干渉縞強度算出手段で得られた測定強度に対して、記憶部１３の波長補正デーダを用いて演算処理部１４の波長補正処理手段により、（３）の▲３▼で説明した補正処理を施し、各波長に対する測定強度をより正確なものにする（Ｓ５、Ｓ６）。なお、この補正処理も必ずしも必要な処理ではないが、測定精度を上げるためにはこれを行う方が良い。
【００２５】
続いて、演算処理部１４の測定強度変化生成手段により、補正された干渉縞強度データに基づいて、その強度を各走査波長との関係に表す（Ｓ７）。その結果が、図５に示すような、ある位置における所定波長範囲内での測定強度変化波形である。
【００２６】
続いて、演算処理部１４の移動平均処理手段により、測定強度変化波形が有するノイズをその前後のデータ（記憶部１３に設定された移動平均処理のサンプル数に基づく）を用いて除去し滑らかに連続する波形にする移動平均処理を行う（Ｓ８，Ｓ９）。これを数式で表すと以下の通りとなる。
【００２７】
【数２】
0003772687.tif 000003
【００２８】
移動平均処理をすることにより、図５の波形を図８のような波形にすることができる。移動平均処理は任意の処理であり、この実施例１の方法では測定精度にあまり影響を及ぼさないが、後述する実施例２〜４では、この処理を含めることで測定精度を大きく向上させることができる。
【００２９】
続いて、演算処理部１４の理論強度変化波形算出手段により、（３）の▲４▼に説明したように、記憶部１３に設定された間隙値測定範囲および間隙値間隔に従う設定間隙値に対応した理論強度変化波形を全て算出する（Ｓ１０）。
【００３０】
続いて、演算処理部１４の正規化処理手段により、測定強度変化波形と理論強度変化波形の振幅を同じに揃える処理を行う（Ｓ１１，Ｓ１２）。この処理は、波形の標準偏差をσ、平均をμとすると、ｙ＝（ｘ−μ）/σ、とする式で表わせる。
【００３１】
続いて、演算処理部１４の差の平方和算出手段により、測定強度変化波形と各間隙値に対応した理論強度変化波形との差の平方和を算出する（Ｓ１３）。なお、図９には、測定強度変化波形とある間隙値に対応する理論強度変化波形とをの差を示す比較図を示した。
【００３２】
続いて、演算処理部１４の差の間隙値決定手段により、算出された差の平方和のうちの最小値を、測定対象物が有する間隙値として決定する（Ｓ１４）。
【００３３】
上記Ｓ１〜Ｓ１４の処理を、測定対象物が有する間隙の伸長方向に沿って所定の間隔で伸長方向の全体に亘って繰り返すことで、実施例１の測定は終了する（Ｓ１５）。
実施例１の方法は、極めて高精度の測定が比較的短時間で行えるという効果を有する。ただし、差の平方和の計算を多数（この例では３５０１回）行うため、今回紹介する実施例１〜４の中では最も時間がかかる。
【００３４】
実施例２．
以下の実施例２〜４では、部材が有する間隙の値が、その間隙に起因して生じる干渉縞の強度変化波形に基づき算出できることを利用する。すなわち、図１１（ａ）に示すような強度変化波形において、波長λｍで強度ピーク（正側極値）があり、波長λｎで次の強度ピーク（正側極値）があったとすれば、測定対象物の間隙値ｄは、ｄ＝λｍ・λｎ／２（λｎ−λｍ）、として算出でき、また波形の負側の強度ピーク（負側極値）を対象にすれば、測定対象物の間隙値ｄは、ｄ＝λｑ・λｒ／２（λｒ−λｑ）、として算出できることを利用するものである。
【００３５】
図１０は本発明の実施例２に係る間隙測定方法を説明するフローチャートである。ここで、開始から正規化処理までの各処理（Ｓ２１〜Ｓ３０）は、実施例１の対応する処理と同じである。
【００３６】
続いて、演算処理部１４の極値情報算出手段により、測定強度変化波形（図１１（ａ））の強度データを絶対値にした測定絶対値強度変化波形（図１１（ｂ））を生成する（Ｓ３１）。そして、測定絶対値強度変化波形の各極値点（ピーク）とそれに対応する各波長を求め、間隙値演算に用いる２つの波長の組み合わせを決定する（Ｓ３２）。図１１（ｂ）の場合、その組み合わせは、λ１とλ３、λ２とλ４、λ３とλ５、λ４とλ６、λ５とλ７、λ６とλ８となる。なお、測定絶対値強度変化波形を利用したのは、それにより極値点の決定が容易になるからであり、測定強度変化波形から上記と同様の処理をしても良い。
【００３７】
続いて、演算処理部１４の間隙値算出手段により、先に組み合わされた２つの波長を先述の間隙値算出式に代入して、各組み合わせ毎に間隙値を算出する（Ｓ３３）。間隙値算出手段はさらに、それらの間隙値のうちの最大値、最小値、平均値、中央値（メジアン）を求め（Ｓ３４）、そのうちの１つ（例えば、平均値又は中央値）を、あるいはそれらを組みあわせて得た値（例えば、最大値と最小値の中間値）を、測定対象物が有する間隙値としてを決定する（Ｓ３５）。
【００３８】
上記Ｓ２１〜Ｓ３５の処理を、測定対象物が有する間隙の伸長方向に沿って所定の間隔で伸長方向の全体に亘って繰り返すことで、実施例２の測定は終了する（Ｓ３６）。
実施例２の方法は、他の３つの実施例と比べると測定精度の点で劣るものの、差の平方和の計算が無いため処理時間が最も少なくて済む。
【００３９】
実施例３．
図１２は本発明の実施例３に係る間隙測定方法を説明するフローチャートである。ここで、開始から複数の間隙値を算出するまでの処理（Ｓ４１〜Ｓ５５）は、実施例２の対応する処理と同じである。
【００４０】
続いて、演算処理部１４の間隙値算出手段は、算出した複数の間隙値のうちの最大値と最小値を求める（Ｓ５６）。
【００４１】
続いて、演算処理部１４の差の平方和算出手段は、得られた最大値と最小値の間の範囲を差の平方和の計算を行う範囲と定め（これは実際の間隙値がこの範囲に有ると予測したことになる）、その範囲内にある設定間隙値に対応する理論強度変化波形と、測定強度変化波形との差の平方和を算出する（Ｓ５７）。
【００４２】
続いて、演算処理部１４の差の間隙値決定手段により、算出された差の平方和のうちの最小値を、測定対象物が有する間隙値として決定する（Ｓ５８）。
【００４３】
上記Ｓ４１〜Ｓ５８の処理を、測定対象物が有する間隙の伸長方向に沿って所定の間隔で伸長方向の全体に亘って繰り返すことで、実施例３の測定は終了する（Ｓ５９）。
実施例３の方法では、差の平方和の計算が実施例１の１/３〜１/４で済むことになり、高い測定精度を維持したままその測定時間を短くすることができる。
【００４４】
実施例４．
図１３は本発明の実施例４に係る間隙測定方法を説明するフローチャートである。これを図１２と比較すればわかるように、実施例とはＳ７６〜Ｓ７７の処理が相違するのみである。すなわち、演算処理部１４の間隙値算出手段は、所定の波長から複数の間隙値を算出し、それらの間隙値のうちの中央値を求める（Ｓ７６）。
【００４５】
続いて、演算処理部１４の差の平方和算出手段は、得られた中央値を基準として、実際の間隙値があると予測される任意の範囲、例えばその中央値の前後３００ｎｍの範囲（例えば、中央値を４５００ｎｍとした場合、４２００ｎｍ〜４８００ｎｍの範囲）を差の平方和の計算を行う範囲と定め、その範囲内にある設定間隙値に対応する理論強度変化波形と、測定強度変化波形との差の平方和を算出する（Ｓ７７）。
【００４６】
続いて、演算処理部１４の差の間隙値決定手段により、算出された差の平方和のうちの最小値を、測定対象物の間隙値として決定する（Ｓ７８）。
【００４７】
上記Ｓ６１〜Ｓ７８の処理を、測定対象物が有する間隙の伸長方向に沿って所定の間隔で伸長方向の全体に亘って繰り返すことで、実施例４の測定は終了する（Ｓ７９）。
【００４８】
実施例４の方法では、中央値（基準とした間隙値）の前後の範囲を任意に設定できるので、測定精度と処理時間との双方を適切に勘案した測定が可能となる。例えば、６００ｎｍの範囲で差の平方和の計算を行うと、処理時間が実施例１の１/５〜１/６で済むので、必要な精度を確保しつつ極めて短時間での間隙値測定が可能となる。
【００４９】
なお、算出された複数の間隙値のなかに、他と特別かけ離れたものが無い場合には、上記中央値に代えて平均値を利用してもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、微少な間隙を有する液晶セルのなどの部材の間隙を、高速にしかも高精度で測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る干渉縞画像を得るための光学系構成図。
【図２】本発明の方法を実施するための測定装置の一例を示す構成図。
【図３】画像データから得られたある位置における所定波長範囲内での干渉縞の強度変化を示す波形図。
【図４】波長補正に利用する補正データの例示図。
【図５】波長補正した後のある位置における所定波長範囲内での干渉縞の強度変化を示す波形図。
【図６】間隙を透過する光Ｉ１，Ｉ２の干渉を説明する模式図。
【図７】本発明の実施例１に係る間隙測定方法を説明するフローチャート。
【図８】移動平均処理された後の状態を示す波形図。
【図９】差の平方和処理に関連する波形比較図。
【図１０】本発明の実施例２に係る間隙測定方法を説明するフローチャート。
【図１１】測定強度変化波形と測定絶対値強度変化波形とを示す波形図。
【図１２】本発明の実施例３に係る間隙測定方法を説明するフローチャート。
【図１３】本発明の実施例４に係る間隙測定方法を説明するフローチャート。
【図１４】従来の間隙測定方法の説明図。
【符号の説明】
１…波長可変光源
２…バックライト
３…カメラ
５…測定対象物
５ａ…測定対象物が有する間隙
１１…画像取得光学系
１２…入力部
１３…記憶部
１４…演算処理部
１５…出力部
【図１】
0003772687.tif 000004
【図２】
0003772687.tif 000005
【図３】
0003772687.tif 000006
【図４】
0003772687.tif 000007
【図５】
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【図６】
0003772687.tif 000009
【図７】
0003772687.tif 000010
【図８】
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【図９】
0003772687.tif 000012
【図１０】
0003772687.tif 000013
【図１１】
0003772687.tif 000014
【図１２】
0003772687.tif 000015
【図１３】
0003772687.tif 000016
【図１４】
0003772687.tif 000017