JPH06147839A - 変位センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 検査面が波長オーダの粗面であっても、さら
に検査面の高さ、傾きの変化があっても、常に検査面と
参照面との間の距離測定用の干渉縞パターンの形やコン
トラストの良い状態を保つことができる変位センサ装置
を提供する。 【構成】 塗布装置１は、可干渉光を光源としたレーザ
光源３０１の平行光を集光レンズ３０３で参照面と検査
面に集光し、この参照面と検査面からの反射光同士を集
光レンズ３０３により、波面合成して干渉縞パターンを
光検出面３０９に作る光学系と、この光検出面３０９の
干渉縞パターンを電気信号に変換する光検出手段３１０
を有し、検査面に照射される集光ビームの中で選定され
た領域からの反射光のみを取り出すスリット３０６，３
０８の抽出手段を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、測定対象物の変位を
光学的に測定する変位センサ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】測定対象物の変位距離の変動を測定する
変位センサ装置として、例えば検査面と、参照面の距離
の変動を集光レンズを用いて測定するものがあり、この
一例として、例えば特開平２−３０２６０１号公報、同
平３−２９１５０３号公報、同平３−１４０８２２号公
報、同平４−５０７０２号公報を挙げることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
変位センサ装置を、例えば塗布装置のコータダイスのス
ライド面を流下する塗布液の管理に用いることがある。
この塗布装置では、塗布液をコータダイスのスライド面
上を流下させて、走行するウェブに塗布して感光材料を
製造するが、このコータダイスのスライド面上の塗布液
の膜厚に変動があると、塗布ムラ、感度バラツキ等が発
生し、製品の品質、性能に大きく影響する。このため、
コータダイスのスライド面上の塗布液の膜厚均一性は重
要であり、この膜厚変動を高精度に測定することの必要
性、重要性は極めて大きい。

【０００４】このコータダイスのスライド面上の塗布液
の膜厚に変動を与えるものとして、コータダイスのスラ
イド面自体の平坦性も重要なポイントの１つである。こ
のため、例えば、コータダイスのスライド面の研磨に
は、位置が固定されたグラインダーの下にコータダイス
を置き幅手方向に往復研磨していく。そして、グライン
ダーの目が適当な荒さを持っていないと、目ずまりのた
めコータダイスのスライド面の幅手方向の中央部分が良
く削られず、平坦性がでなくなってしまうことがある。

【０００５】このため、このグラインダーの目の荒さの
ため、コータダイスのスライド面は、幅手方向は良いが
長手方向が粗面性大となり、粗面性が一方向にのみ大き
い場合となる。この場合、従来の集光レンズを用いた干
渉光学系では、この粗面性のため、コータダイスのスラ
イド面である検査面の位置が、例えば集光ビームの位置
から高さ方向へわずかにずれると、検査面の変位量測定
用の干渉縞パターンが大きく乱れ、測定不可となってし
まうことがある。

【０００６】この発明は、かかる点に鑑みてなされたも
ので、検査面が波長オーダの粗面であっても、さらに検
査面の高さ、傾きの変化があっても、常に検査面と参照
面との間の距離測定用の干渉縞パターンの形やコントラ
ストの良い状態を保つことができる変位センサ装置を提
供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、可干渉光を光源とした平行
光を集光レンズで参照面と検査面に集光し、この参照面
と検査面からの反射光同士を前記集光レンズにより、波
面合成して干渉縞パターンを光検出面に作る光学系と、
この光検出面の干渉縞パターンを電気信号に変換する光
検出手段を有する変位センサ装置において、前記検査面
に照射される集光ビームの中で選定された領域からの反
射光のみを取り出す抽出手段を備えることを特徴として
いる。

【０００８】請求項２記載の発明は、前記請求項１記載
の変位センサ装置において、前記集光レンズと、前記光
検出面の間に結像レンズを置き、前記参照面と検査面上
の集光ビームを結像させ、前記結像レンズと前記光検出
面との間に、前記検査面の粗面性が小さい方向に細長い
開口を有し開口制限するスリットを配置したことを特徴
としている。

【０００９】請求項３記載の発明は、前記請求項１記載
の変位センサ装置において、前記結像レンズと、前記集
光レンズの間に、前記検査面の粗面性が小さい方向に細
長い開口を有し開口制限するスリットを配置したことを
特徴としている。

【００１０】請求項４記載の発明は、前記請求項１記載
の変位センサ装置において、前記光学系を、前記可干渉
光を光源とした平行光をハーフミラーを介して集光レン
ズで検査面に集光すると共に、前記ハーフミラーを介し
て前記集光レンズとは別に配置した集光レンズで参照面
に集光し、この参照面と検査面からの反射光同士を前記
ハーフミラーで波面合成して干渉縞パターンを前記光検
出面に作ることを特徴としている。

【００１１】

【作用】請求項１記載の発明では、可干渉光を光源とし
た平行光を集光レンズで参照面と検査面に集光し、この
参照面と検査面からの反射光同士を集光レンズにより、
波面合成して干渉縞パターンを光検出面に作るが、この
とき検査面に照射される集光ビームの中で選定された領
域からの反射光のみを取り出し、干渉縞パターンを光検
出面に作る。

【００１２】請求項２記載の発明では、集光レンズと光
検出面の間に置いた結像レンズで、参照面と検査面上の
集光ビームを結像させるが、このとき結像レンズと光検
出面との間に配置したスリットの開口で、検査面の粗面
性が小さい方向に開口制限する。

【００１３】請求項３記載の発明では、結像レンズと集
光レンズの間に配置したスリットの開口で、検査面の粗
面性が小さい方向に開口制限する。

【００１４】請求項４記載の発明では、可干渉光を光源
とした平行光をハーフミラーを介して集光レンズで検査
面に集光すると共に、前記集光レンズとは別に配置した
集光レンズで前記請求項１記載の変位センサ装置とは独
立に設けた参照面に集光し、この参照面と検査面からの
反射光同士をハーフミラーで波面合成して干渉縞パター
ンを光検出面に作る。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の変位センサ装置を図面に基
づいて説明する。図１乃至図５は塗布液の膜厚変動測定
する変位センサ装置を示しており、図１は塗布液の液面
とコーダイスのスライド面間を光干渉方式で直接測定す
る変位センサ装置の原理図、図２は液面とスライド面に
よる等傾角干渉縞パターンを示す図である。

【００１６】この変位センサ装置１００は、可干渉光を
光源としたレーザ光源１０１からの光が、コリメータレ
ンズ１０２を介して平行光とし、この平行光をハーフミ
ラー１０３で集光レンズ１０４に導き、この集光レンズ
１０４で塗布液の参照面である液面１０５とコータダイ
ス１０６の検査面であるスライド面１０７に集光する。
この液面１０５とスライド面１０７からの反射光同士を
集光レンズ１０４により、波面合成してハーフミラー１
０３を介して干渉縞パターン１０８を焦点位置の光検出
面１０９上に作る。

【００１７】この光学系による干渉縞パターン１０８を
図２に示している。この干渉縞パターン１０８の移動本
数は膜厚の変化量を示し、移動方向は変化方向を示して
おり、この干渉縞パターン１０８で膜厚の変化量と変化
方向を同時に測定することができ、この測定結果から干
渉縞パターン１０８が変化しないように制御する。

【００１８】このようにして、コータダイス１０６のス
ライド面１０７と液面１０５間の距離、即ち膜厚を光干
渉法で非接触に測定されるが、この測定光学系の課題と
して、測定範囲内での干渉縞の形、コントラストの安定
化がある。

【００１９】図３及び図４は変位センサ装置の課題を示
している。コータダイス１０６のスライド面１０６は、
グラインダーで幅手方向への研磨されて形成されるた
め、研磨方向の幅手方向は粗面性が小さいが、長手方向
は粗面性が大きくなる。このため、コータダイス１０６
のスライド面１０６の高さ位置が変化すると、図４に示
すように、光検出面１０９上のＡ点、Ｂ点に本来入って
くるはずのない光路差の異なる光Ｃ、Ｄが各々入ってき
てしまい、干渉縞パターンが乱れてしまい、スライド面
１０６の異なる位置からの散乱光による干渉縞の乱れが
生じる。

【００２０】この散乱光による干渉縞の乱れを防止する
ために、測定範囲内で散乱光を除去することが考えら
れ、この発明はかかる点に鑑みてなされたもので、図５
はこの発明の変位センサ装置の概略構成図を示してい
る。

【００２１】この変位センサ装置３００は、可干渉光を
光源としたレーザ光源３０１からの平行光がハーフミラ
ー３０２に導かれ、このハーフミラー３０２を介して集
光レンズ３０３で液面３０４とスライド面３０５に集光
し、この液面３０４とスライド面３０５からの反射光同
士を集光レンズ３０３により、波面合成してハーフミラ
ー３０２、スリット３０６を介して結像レンズ３０７に
導き、さらにスリット３０８を介して光検出面３０９上
に干渉縞パターンを作る。この光学系の光検出面３０９
の干渉縞パターンを光検出手段３１０で電気信号に変換
し、表示部３１１に表示する。光検出手段３１０とし
て、例えばＣＣＤ、フォトダイオードアレイ等があり、
表示部３１１としてＣＲＴ、プリンター等がある。

【００２２】レーザ光源３０１の径を大きくすること
で、入射ビーム径が大きくなって検査面であるスライド
面３０５上の集光ビーム位置に様々な入射角度の光を集
めることができ、粗面の散乱による取り込み受光量のむ
らを低減する。

【００２３】集光レンズ３０３は焦点距離がｆ１のもの
が用いられ、結像レンズ３０７と、集光レンズ３０３の
間に、検査面のスライド面３０５の粗面性が小さい方向
に細長い開口を有し開口制限をするスリット３０６を配
置している。このスリット３０６によりスリット３０８
上の検査面のスライド面３０５上の結像ビームの視写界
深度が大きくなるため、検査面であるスライド面３０５
の高さの変化に対して、安定して散乱光の除去ができ
る。また、スリット３０８上の結像ビームサイズを拡大
するため、スリット３０８のサイズを等価的に小さくし
たことになり、同一サイズのスリット３０８でもより効
果的の散乱光を除去できる。

【００２４】また、結像レンズ３０７は焦点距離がｆ２
のものが用いられ、集光レンズ３０３と光検出面３０９
の間に配置されており、参照面の液面３０４と検査面の
スライド面３０５上の集光ビームを結像させており、こ
れでスリット３０８と検査面のスライド面３０５は、結
像レンズ３０７により共役な関係にあるので、スライド
面３０５の傾きの影響を原理的に軽減するから、傾き許
容度が拡大する。このスリット３０８を置く位置は結像
レンズ３０７の焦点位置に置くことが、傾き許容度が拡
大する点で好ましい。

【００２５】このスリット３０６，３０８は、検査面で
あるスライド面３０５の粗面性が小さい方向に細長い開
口を有し、このスリット３０６，３０８で開口制限し、
ビームの中で選定された領域からの反射光のみを取り出
す抽出手段を構成しており、こうして検出面のスライド
面３０５上の異なる位置からの長手方向の粗面性が大き
いことにより生じる散乱光を除去し、干渉縞の波形・コ
ントラストを向上させている。

【００２６】図６は変位センサ装置の他の実施例の概略
構成図である。この変位センサ装置３００は、図５の変
位センサ装置と同じ符号を付した部材は同様に構成され
ており、この実施例ではレーザ光源３０１とハーフミラ
ー３０２との間に、検査面であるスライド面３０５の粗
面性が小さい方向の細長い開口を有するスリット３１２
が配置され、このスリット３１２で集光レンズ３０３に
入射する前に開口制限している。

【００２７】図７は変位センサ装置のさらに他の実施例
の概略構成図である。この変位センサ装置５００は、可
干渉光を光源としたレーザ光源５０３からの平行光が、
ハーフミラー５０４を介して集光レンズ５０５で塗布液
の液面５０６及びスライド面５０２に入射して集光し、
またレーザ光源５０３からの平行光がハーフミラー５０
４を介して集光レンズ５０７で参照ミラー５０８に入射
して集光する。液面５０６及びスライド面５０２からの
反射光を集光レンズ５０５によりハーフミラー５０４
で、また参照ミラー５０８の反射光は集光レンズ５０７
によりハーフミラー５０４で波面合成してスリット５０
９を介してミラー５１０で結像レンズ５１１に導き、さ
らにスリット５１２を介して光検出器５１３で光干渉出
力による膜厚変動換算値を求める。この光検出器５１３
は、例えばＣＣＤ、フォトダイオードアレイ等で構成さ
れる。この実施例では、参照ミラー５０８を設けて、参
照面を変位センサ装置３００と独立に設けているので、
変位センサ装置３００の高さ変化の影響を原理的に受け
ない構造になっている。この場合、液面とスライド面は
各々別々に測定され、同時に測定されることはない。

【００２８】さらに、この発明を従来の変位センサ装置
と比較して具体的に説明する。まず、従来の変位センサ
装置を図８乃至図１０に示しており、図８は従来の変位
センサ装置の概略側面図、図９は図８をＡ方向から見た
Ａ矢視図、図１０は測定結果の干渉縞パターンを示す図
である。

【００２９】この変位センサ装置６００では、レーザ光
源６０１としてＨｅーＮｅレーザ（波長λ＝６３２．８
ｎｍ）を用い、ビーム径がほぼ１０ｍｍの平行ビームで
ある。ハーフミラー６０２は４５度に配置した。集光レ
ンズ６０３は焦点距離ｆ＝５０ｍｍのものを用いた。結
像レンズ６０４は焦点距離ｆ＝６０ｍｍのものを用い、
干渉縞パターンを２０％のＮＤフィルター６０５を介し
てＣＣＤ６０６上に結像させる。この干渉縞パターンは
ＣＲＴ６０７で画像表示される。スライド面６０８には
水（＋緑色素）６０９が塗布されている。

【００３０】この光学系は図８及び図９に示すような位
置関係で配置されており、この光学系による水（＋緑色
素）６０９とスライド面６０８との干渉縞パターンは、
図１０に示すようにＣＲＴ６０７に表示される。スライ
ド面６０８が基準位置では、干渉縞パターンは図１０の
（ａ）に示すようになるが、スライド面６０８の高さ位
置を変化させると、図１０の（ｂ）及び（ｃ）に示すよ
うに、干渉縞パターンの形・コントラストが乱れてい
く。

【００３１】図１１はこの発明の変位センサ装置の概略
側面図、図１２は図１１をＢ方向から見たＢ矢視図、図
１３乃至図１５は測定結果の干渉縞パターンを示す図で
ある。

【００３２】この変位センサ装置７００では、レーザ光
源７０１としてＨｅーＮｅレーザ（波長λ＝６３２．８
ｎｍ）を用い、ビーム径がほぼ１０ｍｍの平行ビームで
ある。ハーフミラー７０２は４５度に配置した。集光レ
ンズ７０３は焦点距離ｆ＝５０ｍｍのものを用いた。結
像レンズ７０４は焦点距離ｆ＝６０ｍｍのものを用い、
干渉縞パターンを２０％のＮＤフィルター７０５を介し
てＣＣＤ７０６上に結像させる。

【００３３】ハーフミラー７０２に沿ってスリット７１
０が配置され、このスリット７１０は幅略１ｍｍの開口
部を有している。また、結像レンズ７０４とＮＤフィル
ター７０５の間にはスリット７１１が配置され、このス
リット７１１は幅略２５μｍの開口部を有している。こ
の干渉縞パターンはＣＲＴ７０７で画像表示される。ス
ライド面７０８には水（＋緑色素）７０９が塗布されて
いる。

【００３４】この光学系は図１１及び図１２に示すよう
な位置関係で配置されており、この光学系による水（＋
緑色素）７０９とスライド面７０８との干渉縞パターン
は、図１３〜図１５に示すようにＣＲＴ７０７に表示さ
れる。図１３はスライド面７０８の高さ位置を変化させ
たもので、図１４は研磨方向と直交する方向が回転軸の
Ｑｙ方向へスライド面７０８を傾けたもので、図１５は
研磨方向が回転軸のＱｘ方向へスライド面７０８を傾け
たものである。この発明はスライド面上の微小点からの
反射光のみを取り出すものであり、その反射光のうち研
磨と直交する方向の広がり光の中心軸付近のみを取り出
しており、図１３〜図１５に示すように干渉縞パターン
の形・コントラストが乱れることなく、安定に保たれる
のがわかる。

【００３５】

【発明の効果】前記したように、 請求項１記載の発明
は、可干渉光を光源とした平行光を集光レンズで参照面
と検査面に集光し、この参照面と検査面からの反射光同
士を集光レンズにより、波面合成して干渉縞パターンを
光検出面に作るが、このとき検査面に照射される集光ビ
ームの中で選定された領域からの反射光のみを取り出
し、干渉縞パターンを光検出面に作るから、粗面性のあ
る検査面上の異なる位置からの散乱光の影響を軽減し、
干渉縞波形・コントラストが向上できる。

【００３６】請求項２記載の発明は、集光レンズと光検
出面の間に置いた結像レンズで、参照面と検査面上の集
光ビームを結像させるが、このとき結像レンズと光検出
面との間に配置したスリットの開口で、検査面の粗面性
が小さい方向に開口制限するから、スリットによる簡単
な構造で検査面の高さの変化や傾き変化に対して、干渉
縞波形、コントラストの良い状態を保持できる。

【００３７】請求項３記載の発明は、結像レンズと集光
レンズの間に配置したスリットの開口で、検査面の粗面
性が小さい方向に開口制限するから、スリットによる簡
単な構造で検査面の高さの変化や傾き変化に対して、干
渉縞波形、コントラストの良い状態を保持できる。

【００３８】請求項４記載の発明は、可干渉光を光源と
した平行光をハーフミラーを介して集光レンズで検査面
に集光すると共に、前記集光レンズとは別に配置した集
光レンズで参照面に集光し、この参照面と検査面からの
反射光同士をハーフミラーで波面合成して干渉縞パター
ンを光検出面に作り、参照面を独立に設けているので、
検査面の高さ変化の影響を原理的に受けない構造になっ
ており、干渉縞波形、コントラストの良い状態を保持で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】塗布液の液面とコーダイスのスライド面間を光
干渉方式で直接測定する変位センサ装置の原理図であ
る。

【図２】液面とスライド面による等傾角干渉縞パターン
を示す図である。

【図３】変位センサ装置の課題を示す図である。

【図４】変位センサ装置の課題を示す図である。

【図５】変位センサ装置の概略構成図を示している。

【図６】変位センサ装置の他の実施例の概略構成図であ
る。

【図７】変位センサ装置のさらに他の実施例の概略構成
図である。

【図８】従来の変位センサ装置の概略側面図である。

【図９】図８をＡ方向から見たＡ矢視図である。

【図１０】測定結果の干渉縞パターンを示す図である。

【図１１】変位センサ装置の概略側面図である。

【図１２】図１１をＢ方向から見たＢ矢視図である。

【図１３】測定結果の干渉縞パターンを示す図である。

【図１４】測定結果の干渉縞パターンを示す図である。

【図１５】測定結果の干渉縞パターンを示す図である。

【符号の説明】

１ 塗布装置 ３０１ レーザ光源 ３０３ 集光レンズ ３０６，３０８ スリット ３０９ 光検出面 ３１０ 光検出手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可干渉光を光源とした平行光を集光レン
   ズで参照面と検査面に集光し、この参照面と検査面から
   の反射光同士を前記集光レンズにより、波面合成して干
   渉縞パターンを光検出面に作る光学系と、この光検出面
   の干渉縞パターンを電気信号に変換する光検出手段を有
   する変位センサ装置において、前記検査面に照射される
   集光ビームの中で選定された領域からの反射光のみを取
   り出す抽出手段を備えることを特徴とする変位センサ装
   置。
2. 【請求項２】 前記請求項１記載の変位センサ装置にお
   いて、前記集光レンズと、前記光検出面の間に結像レン
   ズを置き、前記参照面と検査面上の集光ビームを結像さ
   せ、この結像レンズと前記光検出面との間に、前記検査
   面の粗面性が小さい方向に細長い開口を有し開口制限す
   るスリットを配置したことを特徴とする変位センサ装
   置。
3. 【請求項３】 前記請求項１記載の変位センサ装置にお
   いて、前記結像レンズと、前記集光レンズの間に、前記
   検査面の粗面性が小さい方向に細長い開口を有し開口制
   限するスリットを配置したことを特徴とする変位センサ
   装置。
4. 【請求項４】 前記請求項１記載の変位センサ装置にお
   いて、前記光学系を、前記可干渉光を光源とした平行光
   をハーフミラーを介して集光レンズで検査面に集光する
   と共に、前記ハーフミラーを介して前記集光レンズとは
   別に配置した集光レンズで前記請求項１記載の変位セン
   サ装置とは独立に設けた参照面に集光し、この参照面と
   検査面からの反射光同士を前記ハーフミラーで波面合成
   して干渉縞パターンを前記光検出面に作ることを特徴と
   する変位センサ装置。