JP2001082930A - 表面変位評価方法及び表面変位評価装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は表面変位評価方法及び表面変位評価
装置に関し、光路に光学レンズを必要とせず、しかも簡
易な構造でも測定精度の高い表面変位評価方法及び表面
変位評価装置を提供することを目的としている。 【解決手段】 レーザー光を走査する光走査手段２と、
試料表面に照射されたレーザー光の反射光を受光する光
電センサ５と、光学系の光路内に設けた１乃至２個の放
物面鏡３，４と、前記光電センサ５の受光面に設けられ
た遮蔽部６と、前記光電センサ５の出力により試料表面
の状態を判断する判断手段とを具備して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は表面変位評価方法及
び表面変位評価装置に関し、更に詳しくは、板状、シー
ト状、とりわけ透過率の高い媒体の表面変位を評価する
方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料表面の状態を判断する技術として
は、ＸＹステージで測定物を移動させながら、測定面の
真上からレーザー光を照射し、反射光を放物面鏡とレン
ズを介して２分割センサに結像させ、放物面鏡の位置を
動かしながら、２分割センサの出力の差が反転した時の
位置から測定面の高さを求める方法がある（特開平５−
２２３５２７号）。

【０００３】また、１軸ステージ上の測定対象の送り方
向と直角方向にレーザー光を走査し、放物面鏡に反射さ
せた後測定面に照射し、その反射光をレンズを介してＰ
ＳＤ（光電変換素子）に結像させて形状を測定するもの
がある（特開平７−１５１５１０号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記した前者の場合、
測定箇所が点であるために、広い面積を評価しようとす
ると、時間がかかると共に、放物面鏡を移動させるステ
ージはかなり高精度なものを使用する必要がある。

【０００５】また、前記した後者の場合、レーザー光を
走査する方式で、測定物を１軸で移動させることで、広
い範囲の測定が可能であるが、装置が複雑であると共
に、ＰＳＤに集光させるためにレンズでかなり絞って結
像させる必要があるため、測定面がシート状である場合
でロールに抱かせて支持する場合には反射光が広がって
しまうため集光できないという問題がある。

【０００６】本発明はこのような課題に鑑みてなされた
ものであって、光路に光学レンズを必要とせず、しかも
簡易な構造でも測定精度の高い表面変位評価方法及び表
面変位評価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】（１）前記した課題を解
決する請求項１記載の発明は、レーザー光を光走査手段
によって走査し、試料表面に照射してその反射光を光電
センサで受光する光学系の光路内に１乃至２個の放物面
鏡を配置し、前記光電センサの受光面に集光させると共
に、光電センサの受光面に遮蔽部を設け、光電変換され
た電気信号の大きさにより試料表面の状態を判断するこ
とを特徴とする。

【０００８】通常の方式の場合だと、放物面鏡（投光）
とレンズ（集光）の組み合わせであり、光学レンズの設
計が必要であり、装置組み込みの際の位置決め精度が必
要となるが、本発明のように構成すれば、放物面鏡を使
用して焦点位置に光走査手段の偏向点と受光面を配置す
ることで、光学設計が殆ど不要であり、配置の位置精度
を必要としない。

【０００９】（２）請求項２記載の発明は、レーザー光
を走査する光走査手段と、試料表面に照射されたレーザ
ー光の反射光を受光する光電センサと、光学系の光路内
に設けた１乃至２個の放物面鏡と、前記光電センサの受
光面に設けられた遮蔽部と、前記光電センサの出力によ
り試料表面の状態を判断する判断手段とを具備すること
を特徴とする。

【００１０】このように構成すれば、放物面鏡を使用し
て焦点位置に光走査手段の偏向点と受光面を配置するこ
とで、光学設計が殆ど不要であり、配置の位置精度を必
要としない。

【００１１】（３）請求項３記載の発明は、前記放物面
鏡を２個使用する場合において、それぞれの放物面鏡の
ほぼ焦点位置に光走査手段の偏向点と受光面とを配置す
ることを特徴とする。

【００１２】このように構成すれば、光学設計が殆ど不
要で、配置の位置精度を必要としないで、受光面の１点
に集光可能となる。 （４）請求項４記載の発明は、前記放物面鏡を１個使用
する場合において、前記放物面鏡を試料検査面から該放
物面鏡の焦点距離だけ離れた受光面側に配置し、光走査
手段と放物面鏡との距離、及び放物面鏡と受光面との距
離を該放物面鏡の焦点距離の２倍となるように配置する
ことを特徴とする。

【００１３】放物面鏡とレンズの組み合わせだと、測定
面が曲面（例えば、ロールで支持されたような場合）だ
と反射光が広がるため、集光レンズでの集光が困難であ
る。この発明では、放物面鏡を１個使用し、測定面から
焦点距離離れた受光面側に放物面鏡を配置して、その前
後の焦点距離の２倍の位置に偏向点と受光面を配置する
ことで、簡単な構成で、測定面が曲面の場合でも反射光
の広がりを抑制しながら、受光面の１点に集光可能とな
る。

【００１４】（５）請求項５記載の発明は、前記光電セ
ンサとして光電子増倍管を用い、その受光面に放物面鏡
によって集光されたレーザービームのほぼ半分を遮光す
る遮蔽部を設けたことを特徴とする。

【００１５】光電センサが光電子増倍管（ＰＭＴ）以外
の場合、受光面積が狭く反射光が広がると受光できな
い。また、２分割フォトダイオード等を使用した場合に
は、上記以外に光電変換後の信号処理が必要になる。

【００１６】この発明の構成によれば、光電センサにＰ
ＭＴを使用することで、反射光が多少広がっても受光可
能となる。また、集光されたレーザービームのほぼ半分
を遮光する遮蔽部を設けることで、被測定物の表面に変
位があった時に、集光ビームの位置が遮蔽部と遮光のな
い部分の間を移動することにより明暗の信号として高精
度な検出が可能となる。

【００１７】（６）請求項６記載の発明は、前記遮蔽部
は、レーザー走査方向と直角方向に直線的にその境界を
有することを特徴とする。このように構成すると、被測
定物が移動中に上下に多少ばたついても光量が変化しな
いため、検出信号に影響しないで評価が可能となる。

【００１８】（７）請求項７記載の発明は、前記レーザ
ー光は縦マルチモードレーザー光であることを特徴とす
る。シングルモードレーザーを使用した場合、透明又は
透過率の高い被測定物では裏面との干渉のために検出信
号が乱れるが、マルチモードレーザーを用いると、透明
又は透過率の高い被測定物でも干渉縞の影響を受けるこ
となく、測定可能となる。

【００１９】ここで、マルチモードレーザーとは、シン
グルモードレーザーが単一波長でスペクトルのピークを
有するのに対して、ピーク位置が複数存在するモードの
レーザーで、シングルモードレーザーと比較して可干渉
距離（干渉させることができる距離）が短いため条件に
よって干渉縞を発生させないことが可能なレーザーをい
う。

【００２０】（８）請求項８記載の発明は、前記光電セ
ンサにより光電変換された電気信号をディジタルデータ
に変換した後、低周波成分を除去するフィルタリング処
理後、フィルタリングされたデータをＦＦＴ処理してそ
の帯域毎の成分を分離抽出し、各帯域毎の平均振幅を算
出する処理をし、その結果から表面変位の程度を判定
し、出力表示する機能を有することを特徴とする。

【００２１】ここで、ＦＦＴは高速フーリエ変換をい
う。このように構成することで、汎用画像処理ボード等
を使用して短時間で容易に判定処理が可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態例を詳細に説明する。図１は本発明の一実施の
形態例の要部を示す構成図であり、（ａ）は側面図、
（ｂ）は上面図である。図において、１はシート状サン
プル（試料）、２はビームをスキャンするポリゴンミラ
ー、３は該ポリゴンミラー２の出射光を受ける第１の放
物面鏡、４は放物面鏡１によりシート状サンプル１をス
キャンして得られた反射光を受ける第２の放物面鏡、５
は放物面鏡４からの反射光を受ける光電センサ、６は光
電センサ５の一部を遮光する遮蔽部、７はポリゴンミラ
ー２にビームを照射するレーザーヘッドである。遮蔽部
６は、光電センサ５のほぼ半分を遮光するようにする。

【００２３】ここでは、光電センサ５に光電子増倍管
（ＰＭＴ）を用いた。光電子増倍管は、受光面積が広い
ため、結像時の結像面を絞り込む必要がなくなり、集光
時の光学レンズを必要としない。従って、レーザーヘッ
ドを除く装置全体に光学レンズが不要となる。遮蔽部６
は受光した光量のほぼ１／２を遮光するものを用いる。
また、ビームのスキャン手段としてポリゴンミラーを用
いているが、ガルバノミラーを用いるようにしてもよ
い。ガルバノミラーは、ポリゴンミラーに対して低速で
再現性よく走査することができて都合がよい。

【００２４】なお、図では放物面鏡を２個用いている
が、１個のみ用いるようにすることができる。この場合
には、放物面鏡２のみ使用する。このように構成された
装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

【００２５】レーザーヘッド７からポリゴンミラー２に
ビームが照射される。ポリゴンミラー２は、所定の速度
で回転しているため、ポリゴンミラー２に入射された光
は反射する時にその照射位置が時間と共に変化し、スキ
ャン動作を行なうことになる。

【００２６】ポリゴンミラー２から反射されたビーム
は、放物面鏡１に入射し、その反射光（平行光束）でシ
ート状サンプル１の表面をスキャンする。シート状サン
プル１に表面変位（うねり）が存在する場合には、シー
ト状サンプル１から反射されるビームにはうねりの情報
が含まれたものとなる。この反射ビームは、放物面鏡２
に入射され、反射される。

【００２７】ポリゴンミラー２から反射されたビーム
は、光電センサ５に入射される。光電センサ５の表面の
ほぼ半分は遮蔽部６で覆われている。ここで、シート状
サンプル１の走査方向にうねりがある場合、その反射光
は変位する。この変位したビームが放物面鏡２を介して
光電センサ５に入射することになる。

【００２８】図２はうねりがあった場合とない場合の光
量の変化特性を示す図である。（ａ）はうねりがない場
合、（ｂ）はうねりがある場合である。うねりがない場
合には、（ａ）に示すように、受光光量は変化せず、ビ
ームスポットの中心軸が遮蔽部６の境界に沿ってスポッ
トが結ばれる。（ｂ）はうねりがある場合の特性であ
る。（ｂ）のように、走査方向のビーム移動によるセン
サへの光量が増減し、ビームスポットの中心軸が遮蔽部
６からはみ出している。

【００２９】この実施の形態例によれば、放物面鏡を使
用して焦点位置に光走査手段の偏向点（ポリゴンミラ２
ーの反射面位置）と光電センサの受光面を配置すること
で、光学設計が殆ど不要であり、配置の位置精度を必要
としないという特徴がある。

【００３０】また、図１において、光電センサ５の位置
に遮蔽部６を設けたのは、集光されたレーザービームの
ほぼ半分を遮光することで、被測定物（シート状サンプ
ル１）の表面に変位（うねり）があった時に、集光ビー
ムの位置が遮蔽部と遮光のない部分の間を移動すること
により、明暗の信号として高精度な検出が可能となるか
らである。

【００３１】本実施の形態例では、光電センサ５として
ＰＭＴ（光電子増倍管）を用いている。この結果、反射
光が多少広がっても受光可能となる。また、本実施の形
態例では、遮蔽部６をレーザー走査方向と直角（図１の
紙面に垂直方向）に直線的にその境界を有している。こ
れによれば、被測定物が移動中に多少ばたついても光量
が大きく変化しないため、検出信号に影響しないで評価
が可能となる。

【００３２】更に、本実施の形態例では、レーザー光と
してマルチモードレーザー光を用いている。マルチモー
ドレーザー光を用いれば、干渉距離が短くなるため、透
明又は透過率の高い被測定物でも干渉縞の影響を受ける
ことなく、測定可能となる。

【００３３】図３は本発明の変位検出原理の説明図であ
る。１は被検査シートで、矢印方向が走査方向を示す。
図の１０は変位（うねり）がない場合のシート表面を、
１１は変位がある場合のシート表面を示す。この被検査
シート１に対して、Ａ方向から見た変位のある場合とな
い場合の光の反射方向を示している。

【００３４】、’は変位がない場合の反射方向を示
し、入射方向と同一方向に反射している。これに対し
て、変位がある場合の光の反射方向は、、に示すよ
うに入射方向とは別の方向に反射していく。

【００３５】図の下面にそれぞれの場合の検出信号と受
光面の様子を示している。変位がない場合には、ビーム
スポットは、遮蔽部６に半分かかっている。これに対し
て変位があり、光量に増減がある場合には、スポットが
の場合は遮蔽部６から離れており、スポットがに示
すような場合には、スポットが遮蔽部６に殆ど入り込ん
でいる。なお、シート表面が１２に示すように上下にば
たついた時には、ビームスポット位置が上下に動くだけ
である。１３はビームが最大まで拡大した場合を示して
いる。

【００３６】検出信号は、、’の場合には、所定の
バイアスで出力振幅は一定である。これに対して、変位
がある場合には、図に示すように振幅のある信号とな
る。との出力を合成すると、出力はそれぞれの波形
が加算された信号となる。

【００３７】図４は放物面鏡２個の場合の光学系の配置
例を示す図で、図１の（ａ）の構成を展開したものであ
る。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図
において、２０は試料１の検査面を示している。３は放
物面鏡１、４は放物面鏡２である。放物面鏡１の焦点距
離をｆ１、放物面鏡２の焦点距離をｆ２とすると、走査
手段（ポリゴンミラー）２を偏向点としてこの偏向点か
ら距離ｆ１の点に放物面鏡１がある。この放物面鏡１の
反射光は、平行光束となり検査面２０に照射される。

【００３８】検査面２０で反射された光ビームは放物面
鏡２に入射する。ここで、放物面鏡の焦点をｆ２とする
と、放物面鏡２から距離ｆ２の点に光電センサ５を配置
すると、この光電センサ位置に光ビームは結像する。こ
のように構成された装置の効果は前述した通りである。

【００３９】図５は放物面鏡１個構成の場合の光学系の
配置例を示す図である。この場合には、図４の放物面鏡
２を使用するものとする。この場合には、試料の検査面
２０と放物面鏡４との距離が、放物面鏡４の焦点距離ｆ
となるように配置し、更に放物面鏡４と走査手段２の偏
向点との距離が２・ｆになるように、且つ放物面鏡４と
光電センサ５との距離が２・ｆになるように配置する。
距離を２・ｆとなるようにするのは、結像位置に倍率１
で結像させるためである。

【００４０】また、検査面２０と放物面鏡４との距離を
ｆとなるように配置するのは、検査面が曲率を有してい
る場合でも、反射光を広げないで収束できるようにする
ためである。

【００４１】測定面が曲面であると、反射光が広がるた
め、集光レンズでの集光が不可能となるが、この実施の
形態例によれば、広がる光ビームが放物面鏡４で反射さ
れる時に反射光が平行ビームとなるので、光電センサ５
に結像することができる。図３の、’の時のビーム
スポット１３が最大の場合がこれに相当する。

【００４２】従って、この実施の形態例によれば、簡単
な構成で、測定面が曲面の場合でも反射光の広がりを抑
制することができる。このようにして、光電センサ５か
ら得られた電気信号をＡ／Ｄ変換器によりディジタルデ
ータに変換した後、低周波成分を除去するフィルタリン
グ処理を行ない、フィルタリングされたデータをＦＦＴ
処理（高速フーリエ変換処理）して周波数帯域毎に成分
を抽出する。図６は検出信号の周波数スペクトルを示す
図である。図の横軸は周波数、縦軸は振幅である。この
周波数スペクトルから周波数帯域Δｆ毎にデータを抽出
する。そして、周波数帯域毎の平均振幅を試料全面にわ
たり算出する処理を行なう。

【００４３】そして、この平均振幅算出結果から試料の
検査面の変位の程度を判定し、出力表示するようにする
ことができる。この実施の形態例によれば、汎用画像処
理ボード等を使用して短時間で容易に判定処理が可能と
なる。

【００４４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下の効果が得られる。 （１）前記した請求項１記載の発明によれば、光学系の
光路内に１乃至２個の放物面鏡を配置し、光電センサの
受光面に集光させると共に、光電センサの受光面に遮蔽
部を設け、光電変換された電気信号の大きさにより試料
表面の状態を判断することにより、放物面鏡を使用して
焦点位置に光走査手段の偏向点と受光面を配置すること
で、光学設計が殆ど不要であり、配置の位置精度を必要
としない。

【００４５】（２）請求項２記載の発明によれば、試料
表面に照射されたレーザー光の反射光を受光する光電セ
ンサと、光学系の光路内に設けた１乃至２個の放物面鏡
と、前記光電センサの受光面に設けられた遮蔽部と、前
記光電センサの出力により試料表面の状態を判断する判
断手段とを具備することにより、放物面鏡を使用して焦
点位置に光走査手段の偏向点と受光面を配置すること
で、光学設計が殆ど不要であり、配置の位置精度を必要
としない。

【００４６】（３）請求項３記載の発明によれば、前記
放物面鏡を２個使用する場合において、それぞれの放物
面鏡のほぼ焦点位置に光走査手段の偏向点と受光面とを
配置することにより、光学設計が殆ど不要で、配置の位
置精度を必要としないで、受光面の１点に集光可能とな
る。

【００４７】（４）請求項４記載の発明によれば、前記
放物面鏡を１個使用する場合において、前記放物面鏡を
試料検査面から該放物面鏡の焦点距離だけ離れた受光面
側に配置し、光走査手段と放物面鏡との距離、及び放物
面鏡と受光面との距離を該放物面鏡の焦点距離の２倍と
なるように配置することにより、簡単な構成で、測定面
が曲面の場合でも反射光の広がりを抑制して測定するこ
とができる。

【００４８】（５）請求項５記載の発明によれば、前記
光電センサとして光電子増倍管を用い、その受光面に放
物面鏡によって集光されたレーザービームのほぼ半分を
遮光する遮蔽部を設けたことにより、光電センサにＰＭ
Ｔを使用することで、反射光が多少広がっても受光可能
となる。また、集光されたレーザービームのほぼ半分を
遮光する遮蔽部を設けることで、被測定物の表面に変位
があった時に、集光ビームの位置が遮蔽部と遮光のない
部分の間を移動することにより明暗の信号として高精度
な検出が可能となる。

【００４９】（６）請求項６記載の発明によれば、前記
遮蔽部は、レーザー走査方向と直角方向に直線的にその
境界を有することにより、被測定物が移動中に上下に多
少ばたついても光量が変化しないため、検出信号に影響
しないで評価が可能となる。

【００５０】（７）請求項７記載の発明によれば、前記
レーザー光は縦マルチモードレーザー光であることによ
り、透明又は透過率の高い被測定物でも干渉縞の影響を
受けることなく、測定可能となる。

【００５１】（８）請求項８記載の発明によれば、前記
光電センサにより光電変換された電気信号をディジタル
データに変換した後、検出信号をＦＦＴ処理することに
より、汎用画像処理ボード等を使用して短時間で容易に
判定処理が可能となる。

【００５２】このように、本発明によれば、光路に光学
レンズを必要とせず、しかも簡易な構造でも測定精度の
高い表面変位評価方法及び表面変位評価装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態例の要部を示す構成図で
ある。

【図２】うねりがある場合とない場合の光量の変化特性
を示す図である。

【図３】本発明の変位検出原理の説明図である。

【図４】放物面鏡２個構成の場合の光学系の配置例を示
す図である。

【図５】放物面鏡１個の場合の光学系の配置例を示す図
である。

【図６】検出信号の周波数スペクトルを示す図である。

【符号の説明】

１ シート状サンプル ２ ポリゴンミラー ３ 放物面鏡 ４ 放物面鏡 ５ 光電センサ ６ 遮蔽部 ７ レーザーヘッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA47 AA49 BB01 BB05 BB22 CC02 DD06 FF01 FF44 GG04 HH04 JJ17 LL15 LL19 LL62 MM16 QQ03 QQ16 QQ27 QQ33 QQ42

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー光を光走査手段によって走査
   し、 試料表面に照射してその反射光を光電センサで受光する
   光学系の光路内に１乃至２個の放物面鏡を配置し、 前記光電センサの受光面に集光させると共に、光電セン
   サの受光面に遮蔽部を設け、 光電変換された電気信号の大きさにより試料表面の状態
   を判断することを特徴とする表面変位評価方法。
2. 【請求項２】 レーザー光を走査する光走査手段と、 試料表面に照射されたレーザー光の反射光を受光する光
   電センサと、 光学系の光路内に設けた１乃至２個の放物面鏡と、 前記光電センサの受光面に設けられた遮蔽部と、 前記光電センサの出力により試料表面の状態を判断する
   判断手段とを具備することを特徴とする表面変位評価装
   置。
3. 【請求項３】 前記放物面鏡を２個使用する場合におい
   て、 それぞれの放物面鏡のほぼ焦点位置に光走査手段の偏向
   点と受光面とを配置することを特徴とする請求項２記載
   の表面変位評価装置。
4. 【請求項４】 前記放物面鏡を１個使用する場合におい
   て、 前記放物面鏡を試料検査面から該放物面鏡の焦点距離だ
   け離れた受光面側に配置し、 光走査手段と放物面鏡との距離、及び放物面鏡と受光面
   との距離を該放物面鏡の焦点距離の２倍となるように配
   置することを特徴とする請求項２記載の表面変位評価装
   置。
5. 【請求項５】 前記光電センサとして光電子増倍管を用
   い、その受光面に放物面鏡によって集光されたレーザー
   ビームのほぼ半分を遮光する遮蔽部を設けたことを特徴
   とする請求項２記載の表面変位評価装置。
6. 【請求項６】 前記遮蔽部は、レーザー走査方向と直角
   方向に直線的にその境界を有することを特徴とする請求
   項５記載の表面変位評価装置。
7. 【請求項７】 前記レーザー光は縦マルチモードレーザ
   ー光であることを特徴とする請求項２記載の表面変位評
   価装置。
8. 【請求項８】 前記光電センサにより光電変換された電
   気信号をディジタルデータに変換した後、 低周波成分を除去するフィルタリング処理後、 フィルタリングされたデータをＦＦＴ処理してその帯域
   毎の成分を分離抽出し、各帯域毎の平均振幅を算出する
   処理をし、 その結果から表面変位の程度を判定し、出力表示する機
   能を有することを特徴とする請求項２記載の表面変位評
   価装置。