JPWO2015072016A1 - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

測定対象物に対してライン状の領域にレーザ光を照射し、該レーザ光の照射位置の画像を該レーザ光の照射方向と異なる方向から撮影することにより測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置において、２つ以上のミラーで規定される同一平面上に位置しない３つ以上の光路でそれぞれが構成される複数の変換光路を使ってレーザ光の照射位置の画像を前記領域の長手方向に複数に分割し、分割後の複数の画像が同一平面上で前記長手方向と異なる方向に並んで位置するように並び替えて配置する変換光学系と、変換光学系によって並び替えて配置された複数の画像をまとめて撮像する、結像レンズを有する撮像部とを備え、変換光路に含まれる複数のミラーのそれぞれが、結像レンズの開口数及びレーザ光の照射位置から当該ミラーまでの光路長に応じた長さで、画像の長手方向に対応する方向に延設されているとともに、各変換光路の光路上に当該変換光路とは別の変換光路を構成するミラーが位置しないように前記複数のミラーが配置される。

Description

本発明は、光切断法を用いて物品の表面の形状を測定する表面形状測定装置に関する。

物品の表面の形状を測定する方法の一つに光切断法がある。
光切断法は、被測定物の表面の凹凸構造を切断するようにスリット光を照射し、凹凸構造の切断線の像を撮影することによって、該凹凸構造の形状及び寸法を測定する方法である。被測定物に対するスリット光の照射位置を相対的に移動させつつ撮影した切断線の像を順次解析することによって、被測定物の表面に存在する凹凸形状を３次元測定することができる。

特許文献１には、凹凸構造１０４を有する基板１０１の表面形状を測定する表面形状測定装置が記載されている。その要部構成を図１に示す。
この装置では、レーザ光源１２１から基板１０１の表面に垂直にスリット光１２２を照射する。そして、基板１０１表面からの光を、斜方に配置したミラー１２６Ａで反射し、ハーフミラー１２５Ａで分割して、水平方向（紙面に垂直な方向）にずらして配置した２つのＣＣＤカメラ１１３a、１１３bに入射させる。また、スリット光を挟んで反対側の斜方に配置したミラー１２６Ｂ及びハーフミラー１２５Ｂにより、上記同様、基板１０１表面からの光を、水平方向にずらして配置した２つのＣＣＤカメラ１１３c、１１３dに入射させる。こうして、互いにずらして配置した４つのＣＣＤカメラにより視野分担して凹凸構造１０４の像を得る（図２）。

特開平11-37734号公報

特許文献１に記載の装置では、幅方向に広く高さ方向に低い凹凸構造１０４の像を、４つのＣＣＤカメラ１１３a〜１１３dにより幅方向に視野分担して撮影する。そのため、像の幅方向に対応する方向に撮像素子の受光面を大きくする必要がない。しかしながら、４つのＣＣＤカメラを使用する必要があるため、装置が高価なものとなってしまう。

本発明が解決しようとする課題は、光切断法を用いて被測定物の表面の形状を計測する表面形状測定装置において、幅方向に広い（すなわち、切断線の長い）凹凸構造の像を、撮像手段の受光面を大きくすることなく１台の撮像手段で、撮影することのできる表面形状測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、測定対象物に対してライン状の領域にレーザ光を照射し、該レーザ光の照射位置の画像を該レーザ光の照射方向と異なる方向から撮影することにより、前記測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
a）２つ以上のミラーで規定される同一平面上に位置しない３つ以上の光路でそれぞれが構成される、複数の変換光路を使って、前記レーザ光の照射位置の画像を前記領域の長手方向に複数に分割し、分割後の複数の画像が同一平面上で前記長手方向と異なる方向に並んで位置するように並び替えて配置する変換光学系と、
b）前記変換光学系によって並び替えて配置された複数の画像をまとめて撮像する、結像レンズを有する撮像部と、
を備え、
前記変換光路のそれぞれにおいて前記レーザ光の照射位置からの光路長が最も短い位置に配置されたミラーが、前記領域の長手方向に対応する方向に、前記分割後の画像の長さよりも長く延設されているとともに、
各変換光路の光路上に、当該変換光路とは別の変換光路を構成するミラーが位置しないように、前記複数のミラーが配置されている
ことを特徴とする。

本発明に係る表面形状測定装置では、測定対象物に対してライン状の領域にレーザ光を照射し、複数の変換光路によって、レーザ光の照射位置の画像をライン状の領域の長手方向に複数に分割し、分割後の複数の画像が同一平面上で前記長手方向と異なる方向に並んで位置するように並び替えて配置する。そのため、幅方向に広がった画像であっても、撮像部の受光面を大きくすることなく１つの撮像手段でまとめて撮像することができる。
また、変換光路のそれぞれにおいてレーザ光の照射位置からの光路長が最も短い位置に配置されたミラーが、領域の長手方向に対応する方向に、分割後の画像の長さよりも長く延設されており、かつ、各変換光路の光路上に、当該変換光路とは別の変換光路を構成するミラーが位置しないように複数のミラーが配置されている。これにより、本発明に係る表面形状測定装置では、変換光学系によって並び替えて配置された複数の画像の端部において解像度が低下することを防ぐことができる。

従来の表面形状測定装置の要部構成図。 従来の表面形状測定装置において、４台のＣＣＤカメラにより視野分担する状態を説明する図。 先願装置の要部構成図。 先願装置において撮像される像を説明する図。 先願装置におけるミラー面について説明する図。 本発明に係る表面形状測定装置の実施例の要部構成図。 本実施例の表面形状測定装置におけるミラー面について説明する図。 本実施例の表面形状測定装置におけるミラー面について説明する別の図。 本実施例の表面形状測定装置における、ワーク表面から第２反射手段までの光路を説明する図。 本実施例の表面形状測定装置における、ワーク表面からＣＣＤカメラの受光面までの光路を説明する図。 光路調整手段の構成例を説明する図。 光路調整手段の構成例を説明する別の図。 本実施例の表面形状測定装置において結ばれる像について説明する図。 光路調整手段の別の構成例を説明する図。 本実施例の表面形状測定装置における光軸等を説明する図。 スリット光照射角度と係数の相関を説明する図。

本発明者は、上述した課題を解決するために、測定対象物に対してライン状の領域にレーザ光を照射し、レーザ光の照射位置の画像をレーザ光の照射方向と異なる方向から撮影することにより、測定対象物の高さを測定する装置であって、２つ以上のミラーで規定される同一平面上に位置しない３つ以上の光路でそれぞれが構成される、複数の変換光路を使って、レーザ光の照射位置の画像を並び替えて配置する装置（以下、「先願装置」と呼ぶ。）を発明し、出願した（特願2013-160336）。

この先願装置は、例えば図３に示すように構成される。測定対象であるワーク２１１は載置台２１２上に載置される。
高速スキャンレーザビーム、あるいはレンズでライン形状としたビーム等で形成されるスリット光２１３は、ワーク２１１の表面の凹凸構造を切断するように照射される。スリット光照射領域２１４はスリット光が凹凸構造を切断する線（切断線）が伸びる方向において仮想的に３分割（２１４a、２１４b、２１４c）される。仮想的に３分割された領域の画像は、後述する第１反射手段と第２反射手段によって並び替えて配置され、まとめて撮影される。

第１反射手段を構成する3枚のミラーＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３は、それぞれ各スリット光照射領域２１４a、２１４b、２１４cの垂直上方であって、互いに異なる高さＨ１１、Ｈ１２、Ｈ１３の位置（Ｈ１１＜Ｈ１２＜Ｈ１３）に配置されており、凹凸構造の切断線に平行で、ワーク１１の表面に対して４５度の角度をなす方向に傾斜している。

また、第２反射手段を構成する３枚のミラーＭ１４、Ｍ１５、Ｍ１６は、それぞれ、第１反射手段を構成する３枚のミラーＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３のそれぞれに対応して設けられ、ワーク２１１の移動方向と逆の方向に同一の距離Ｌ１ずつ離れた位置に配置されている。これら３枚のミラーＭ１４、Ｍ１５、Ｍ１６はいずれも、ワーク２１１の表面に対して垂直で、凹凸構造の切断線に対して４５度の角度をなす方向に傾斜している。これら３枚のミラーＭ１４、Ｍ１５、Ｍ１６の反射方向にはＣＣＤカメラの受光面２１５が配置され、各ミラーＭ１４、Ｍ１５、Ｍ１６から該受光面２１５までの距離はそれぞれＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３（Ｄ１１＞Ｄ１２＞Ｄ１３）となっている。

この先願装置では、図４に示すように、各スリット光照射領域２１４a、２１４b、２１４cにおける凹凸構造の切断線の像が高さ方向に再配置され、撮像手段の受光面２１５上に結像する。このように、先願装置では、凹凸構造の切断線の像を長手方向に（横方向に）複数の像に分割し、それらを上下に（縦方向に）再配置して受光面２１５上に結像させるため、幅方向に広い像であっても、それらを幅の狭い１つの撮像素子の受光面２１５上に結像させることができる。

しかしながら、先願装置では、撮像手段の受光面で結像した各像の（切断線の長手方向）両端部分の解像度が低下してしまう。これは、各ミラーの両端部分において、結像レンズに取り込まれる光の取り込み角が不足するためである。この点について、図５を参照して説明する。

図５(a)は、先願装置の第１反射手段を構成するミラーＭ１１、Ｍ１２（説明の便宜上、分割領域を２つ、ミラーを２枚とする。）をワーク２１１の移動方向から見た図、図５(b)はそれらミラーＭ１１、Ｍ１２を切断線の延びる方向から見た図である。

一方の分割領域であるスリット光照射領域２１４aの中央部の点Ａ、他方の分割領域であるスリット光照射領域２１４bの中央部の点Ｂ、及び両スリット光照射領域２１４a、２１４bの境界部の点Ｃから両ミラーＭ１１、Ｍ１２に向かう光を考える。

点Ａび点Ｂについては、結像レンズの開口数に対応した広がりを有する光がミラーＭ１１、Ｍ１２でそれぞれ反射される。一方、点Ｃについては、結像レンズの開口数に対応した広がりを有する光が、ミラーＭ１１により反射される光路とミラーＭ１２により反射される光路に分割される。その結果、点Ｃ付近の像は、ミラーＭ１１で反射され、結像レンズに至る光束において、点Ａや点Ｂの取り込み角の半分の角度で取り込まれた光により結像することになり、その解像度が低下する。

そこで、本発明では、点Ｃからの光の取り込み角を広げるべく、各ミラー面の大きさと配置を先願装置の構成から変更した。これにより、従来の課題に加えて先願装置における課題も同時に解決した。
具体的には、第１反射手段を構成する複数のミラーが隣接する部分において両側のミラー面がオーバーラップするように、各ミラー面を分割領域よりも長く延設した。しかし、図５(a)の一点鎖線で示すように、単にミラー面をそれぞれ延設しただけでは、切断線の方向に隣接して配置された２枚のミラーのうちの一方の端部に入射する光の光路の一部が、他方のミラーによって妨害されてしまう（図５(a)の網掛け領域参照）。そこで、本発明に係る表面形状測定装置では、さらに、該方向に隣接して位置するミラーが、スリット光の入射光路に対して異なる角度でワーク表面からの光を受光するように、即ち、互いの光路を妨害しないように各ミラーの配置を調整している。また、第１反射手段を構成する複数のミラーからの反射光を第２反射手段に入射させるように、各ミラー面の傾斜方向を設定している。

以下、本発明に係る表面形状測定装置の実施例について説明する。

１．要部構成
図６に、本実施例の表面形状測定装置の要部構成を示す。
本実施例の表面形状測定装置は、90mmの幅を有するワーク１１表面の凹凸構造の形状及び寸法（最大値Δh）を測定する装置である。ワーク１１は載置台１２上に載置されており、移動機構１２aにより図面右方向に所定の速度で移動する。

高速スキャンレーザビームやレンズでライン形状としたビーム等で形成されるスリット光１３は、ワーク１１の表面の凹凸構造を幅方向に切断するように照射される。ワーク１１表面におけるスリット光１３の照射領域（本発明の「ライン状の領域」に相当）の大きさは、例えば100mm×30μmである。スリット光照射領域１４は、スリット光が凹凸構造を切断する線（切断線）が延びる方向において仮想的に３つに等分割（分割領域１４a、１４b、１４c）される。即ち、切断線が延びる方向における、各分割領域の長さKはそれぞれ30mmとなっている。

ワーク１１の上方には、スリット光照射領域１４からの光を、400万画素のＣＣＤカメラの受光面に入射させて凹凸構造の切断線の像を結像させるための、６枚の平面ミラーＭ１〜Ｍ６が配置されている。ＣＣＤカメラの受光面の大きさは縦11mm×横11mmであり、この領域に縦2048個×横2048個で画素が２次元配列されている。

平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３はそれぞれ、分割領域１４a、１４b、１４cからの光を反射するように配置された矩形の平面ミラーであり、これらが第１反射手段を構成する。そして、平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６はそれぞれ、ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３からの光を反射し、レンズ１６を通してＣＣＤカメラの受光面に入射させる矩形の平面ミラーであり、これらが第２反射手段を構成する。
本実施例では、Ｍ１とＭ４、Ｍ２とＭ５、Ｍ３とＭ６によりそれぞれ変換光路が構成され、これら３つの変換光路によって、レーザ光の照射位置の画像が３つに分割され、並び替えられてＣＣＤカメラの受光面に配置される。レンズ１６は切断線の像を0.37倍に縮小するレンズであり、該レンズ１６により縮小された像をＣＣＤカメラで撮影する。

２．第１反射手段
まず、第１反射手段を構成する３枚の平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３について説明する。平面ミラーＭ１及びＭ３は、それぞれ分割領域１４a、１４cの垂直上方であって、互いに異なる高さＨ１、Ｈ３の位置に配置されている。一方、平面ミラーＭ２は、分割領域１４bから平面ミラーＭ２に向かう光の光軸と、分割領域１４bの法線（図７にＹで示す直線）がなす角度がαとなる位置であって、高さＨ２の位置（従って、分割領域１４bから平面ミラーＭ２までの距離Ｈ２’＝Ｈ２／cosα）に配置されている。ここで、３枚の平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３がそれぞれ位置する高さはＨ１＜Ｈ２＜Ｈ３の関係にある。また、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３はいずれも、それぞれが対応する分割領域１４a、１４b、１４cの、切断線が延びる方向の長さKよりも長く延設された反射面を有している。この反射面の大きさについては後述する。

以下、本実施例の説明において、以下のパラメータを用いる。
切断線が延びる方向における分割領域１４a、１４b、１４cの長さ：K
平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の幅（長手方向）：w1, w2, w3
平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の幅（短手方向）：d1, d2, d3
平面ミラーＭ２に向かう光の光軸の傾き角度：α
スリット光１３の照射角度：β
平面ミラーＭ１、Ｍ３の傾き角度：γ
平面ミラーＭ２の傾き角度：γ’
平面ミラーＭ１、Ｍ３から平面ミラーＭ４、Ｍ６までの距離：Ｌ
平面ミラーＭ２から平面ミラーＭ５までの距離：Ｌ’

まず、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の反射面の長手方向の幅w1, w2, w3について、図８を参照して説明する。図８はワーク１１の移動方向から平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３を見た図である。平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の反射面の長手方向の幅w1, w2, w3は、切断線が延びる方向における各分割領域の両端位置から所定の広がりを有する光を受けて反射可能となるように設定される。所定の広がりとは、物体側開口数（物体側NA）によって決まる角度であり、本実施例では、F(F値)=8、及びM(倍率)=0.37倍から、次式(1)によって、物体側NA=0.023と計算される。
NA＝1／2F×M …(1)

この物体側NAの値と、各分割領域の長さK(本実施例では30mm)、及び上述したワーク１１の表面から平面ミラーＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３までの距離Ｈ１、Ｈ２’、Ｈ３から、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の、切断線が延びる方向の長さ（長手方向の幅）はそれぞれ、以下のように決まる。
平面ミラーＭ１の幅：w1＝K＋2×NA×H1 …(2)
平面ミラーＭ２の幅：w2＝K＋2×NA×H2' …(3)
平面ミラーＭ３の幅：w3＝K＋2×NA×H3 …(4)

本実施例では、上記のように定められた幅を有する平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３を使用しているため、切断線が延びる方向における各分割領域の両端位置について、物体側NAに応じた広がりの光を反射して第２反射手段を構成する平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６に導くことができる。

本実施例では、分割領域１４a、１４cから垂直上方に向かう光を反射する平面ミラーＭ１、Ｍ３の傾き角度γを45度とし、平面ミラーＭ２の傾き角度γ’を、γ（45度）−1/2×αとしている。こうして、分割領域１４a、１４b、１４cからの光を、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３によって、ワーク１１の移動方向と逆の方向に反射する。

切断線が延びる方向から平面ミラーＭ１、Ｍ２を見た図である図７に示すように、スリット光の入射角度β、ワーク１１の表面の凹凸構造の寸法Δh、平面ミラーＭ１の傾きγ、及び上述の物体側NAに対応する角度θから、平面ミラーＭ１、Ｍ３の短手方向の幅d1、d3は次式(5), (6)の条件を満たすように設定される。
d1＞（Δh×tanβ＋2×H1×tanθ）／sinγ …(5)
d3＞（Δh×tanβ＋2×H3×tanθ）／sinγ …(6)

平面ミラーＭ２を分割領域１４bの垂直上方に配置すると、該平面ミラーＭ２に向かう光の一部が平面ミラーＭ１により妨害されてしまう。また、分割領域１４cから平面ミラーＭ３に向かう光の一部が、平面ミラーＭ２により妨害されてしまう。これを回避するために、平面ミラーＭ２に向かう光軸の傾き角の大きさαを、次式(7)の条件を満たすように設定する。
α＞arctan{(Δh×tanβ＋H1×tanθ)／(H1−1/2×d1×cosγ)}＋θ …(7)

平面ミラーＭ２の傾き角度αを設定すると、次式(8)から平面ミラーＭ２の短手方向の幅d2が満たすべき条件が決まる。
d2＞Δh／cosβ×sin(β−α)＋ε …(8)
なお、上式のεは、式(2)における2×H1×tanθ／sinγに相当する項であり、物体側NAやH2'に応じて決まる値である。

３．第２反射手段
次に、第２反射手段を構成する平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６について説明する。ここでは、平面ミラーＭ１〜Ｍ６を切断線が延びる方向から見た図である図９、及びスリット光照射領域１４からレンズ１６を通ってＣＣＤカメラの受光面１５に至る光路を模式的に示した図１０を参照する。

平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６は、それぞれ平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３からの光を反射してレンズ１６に入射させるミラーである。平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６の高さはそれぞれＨ１、Ｈ２、Ｈ３の高さであり、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３から平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６までの距離はそれぞれＬ、Ｌ’（＝Ｌ＋Ｈ２×tanα）、Ｌである。
また、平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６は、それらの反射面がワーク１１の表面に対して垂直であって互いに平行な方向を向くように配置されており、図６に示すように、平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６からレンズ１６までの距離は、それぞれＤ１、Ｄ２、Ｄ３である。

図１０から分かるように、切断線の像の解像度を確保するためには、平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６においても、前述の物体側NAに対応する広がりを有する光を反射してレンズ１６に入射させる必要がある。従って、これら平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６の長手方向の幅w4, w5, w6をそれぞれ、以下のように設定する。
平面ミラーＭ４の幅：w4＝K＋2×NA×(H1＋L) …(9)
平面ミラーＭ５の幅：w5＝K＋2×NA×(H2'＋L＋H2×tanα) …(10)
平面ミラーＭ６の幅：w6＝K＋2×NA×(H3＋L) …(11)

４．光路調整手段
分割領域１４a、１４b、１４cのそれぞれからレンズ１６に至る光路長Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は以下の式(12)〜(14)のとおり計算される。
Ｐ１＝Ｈ１＋Ｌ＋Ｄ１ …(12)
Ｐ２＝Ｈ２’＋（Ｌ＋Ｈ２×tanα）＋Ｄ２ …(13)
Ｐ３＝Ｈ３＋Ｌ＋Ｄ３ …(14)

上式(12)〜(14)により計算される光路長に差があると、焦点位置が領域毎に異なるためレンズ１６で１つの撮像素子上にフォーカスを合わせて撮像することができなくなってしまう。従って、光路長Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を同一の長さに設定する必要がある。しかし、Ｈ１、Ｈ２（Ｈ２’）、及びＨ３は切断線の像を結像させる位置に基づいて設定されるパラメータ、Ｄ１、Ｄ２、及びＤ３はＨ１、Ｈ２、Ｈ３とレンズ１６の配置に応じて決まるパラメータ、αは上述した式(7)の条件から決められるパラメータであるため、これらのパラメータを変更することはできない。そこで、分割領域１４a、１４b、１４cからレンズ１６に至る光路上に光路調整手段を配置することによって、Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３が同一になるように調整する。なお、光路長を同一にする、とは、実質的な光路長を同一にすることを意味するのであって、必ずしも光路の物理的な長さを同一にすることを意味するわけではない。

そこで、図６に示した表面形状測定装置の構成の平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３をそれぞれ、２枚の平面ミラーＭa、Ｍbで構成される光路調整手段２０とそれぞれ入れ替える。図１１(b)に示すように平面ミラーＭ１a、Ｍ１bを配置すると、長さΔＬ１の迂回路２１が形成される。迂回路の長さΔＬ１は、平面ミラーＭ１a、Ｍ１bの配置を変更することにより適宜に変更することができる。従って、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の位置にそれぞれ光路調整手段２０を配置し、平面ミラーの位置を調整することで、上記Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を以下のように調整することができる。
Ｐ１＋ΔＬ１＝Ｐ２＋ΔＬ２＝Ｐ３＋ΔＬ３ …(15)
ここでは、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の位置にそれぞれ光路調整手段２０を配置する例で説明したが、平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６に代えて光路調整手段２０を配置してもよい。あるいは、光路上で第１反射手段や第２反射手段と異なる位置に３枚もしくは４枚以上の平面ミラーからなる光路調整手段を配置し、それらによって迂回路を形成してもよい。図１２に、３枚及び４枚の平面ミラーで構成した光路調整手段の一例を示す。図中の破線は光路調整手段を配置しない場合の光路（元の光路）である。なお、図１１(b)のように光路調整手段２０を配置した場合には、該手段からの光の進行方向に基づき、その仮想反射面をＭ１’と規定することができる。

本実施例の表面形状測定装置では、光路調整手段２０を用いることにより、切断線の像を結像させる位置も調整する。具体的には、分割領域１４a、１４b、１４cに対応する３つの切断線の像の結像間隔を詰めて、ＣＣＤカメラの撮像領域内に収める調整を行う。

図１１(a)に示すように、分割領域１４aから高さＨ１の位置に配置された平面ミラーＭ１を経由して平面ミラーＭ４に至る光路の長さは、Ｈ１＋Ｌである。一方、図１１(b)に示すように、分割領域１４aから、高さＨ１−ΔＬ１の位置に配置されてΔＬ１の長さの迂回路を形成する光路調整手段２０（平面ミラーＭ１a、Ｍ１b）を経由して平面ミラーＭ４に至る光路の長さも、同じくＨ１＋Ｌである。このように、光路調整手段２０を用いると、光路長を変化させることなく切断線の像の結像位置を低く変更することができる。

そこで、本実施例の表面形状測定装置では、式(15)を満たすように光路調整手段２０を設計した上で、分割領域１４b、１４cにおける切断線の像の結像位置をそれぞれΔＬ２１、ΔＬ３１ずつ低く変更するように光路調整手段２０の高さと迂回路の長さを調整している。これにより、図１３に示すように３つの像の離間距離を縮め、ＣＣＤカメラの受光領域（11mm×11mm）内に分割領域１４a、１４b、１４cにおける切断線の像を結像させている。なお、図１３(a)はスリット光照射領域１４における切断線の配置、図１３(b)は第１反射手段及び第２反射手段で反射され変化した３つの像の位置関係を示す図、図１３(c)は光路調整手段２０を用いることにより３つの像の離間距離を縮めた状態を示す図、図１３(d)はレンズ１６により縮小されＣＣＤカメラにより撮影される像を示す図、である。

光路長の調整を行うための光路調整手段として、２枚の平面ミラーにより迂回路を形成する光路調整手段に代えて、屈折率部材を用いることもできる。図１４(a)に示す屈折率部材なしの光路と、図１４(b)の屈折率部材ありの光路の比較から分かるように、光路上に屈折率n、厚さdの屈折率部材を配置すると、実質的な光路長を変えることなく、物理的な光路長を(1-1/n)dだけ長くすることができる。従って、屈折率や厚さが異なる屈折率部材を光路上に配置することによって、上式(15)を満たすように構成することもできる。また、屈折率部材としてプリズムを用い、平面ミラーＭ１〜Ｍ６の位置に配置することもできる。この場合には、プリズム内部で迂回路を形成し、かつ、プリズムの部材の屈折率dによる光路調整を行うことができる。

５．切断線の像の補正
上述のとおり、本実施例では、平面ミラーＭ２に向かう光の光軸が分割領域１４bの法線から角度α傾くような位置に平面ミラーＭ２を配置している。そのため、平面ミラーＭ２を通って結像した切断線の像では、ワーク１１表面の凹凸構造の高さ方向の寸法が、他の２つの平面ミラー（Ｍ１、Ｍ３）を経由して結ばれる像における寸法と傾けた角度の寄与分だけ異なる。この点について、図１５及び図１６を参照して説明する。

図１５(a)に、光軸を傾けずに配置した平面ミラーＭ１、Ｍ３を通る光路により結ばれる凹凸構造の切断線の像において、高さΔhに対応する長さgを示す。また、図１５(b)に、光軸を傾けた平面ミラーＭ２を通る光路により結ばれる凹凸構造の切断線の像において高さΔhに対応する長さg'を示す。上記の長さg、g'はそれぞれ次式(16), (17)により計算される。
g=Δh×tanβ …(16)
g'=Δh／cosβ×sin（β−α） …(17)

このように、同一の角度でスリット光１３を照射してＣＣＤカメラにより撮影した３つの切断線の像のうち、分割領域１４bにおける切断線の像については、高さ方向を補正して凹凸構造の寸法を計算する必要がある。α＝10度の場合について、スリット光１３の照射角度に対する係数g/Δh、g'/Δhの変化を図１６に示す。このグラフから、分割領域１４bにおける切断線の像の補正係数を求めることができる。例えば、β＝60度の場合には、g/g'=1.732/1.532=1.131と計算できる。

上記のように切断線の像を補正する代わりに、分割領域１４bに対してのみ角度β’でスリット光を照射するように光照射手段を構成してもよい。例えば、各分割領域にそれぞれ対応する光照射手段を配置して、分割領域１４a、１４cには角度βで、分割領域１４bには角度β’でスリット光を照射すればよい。あるいは、レーザ光をスキャンしてスリット光１３を生成する際に、分割領域１４bに入射する光の角度を変化させる角度変化手段を配置してもよい。図１６のグラフ（α＝10度の場合）から、スリット光照射角度を調整する場合には、例えば、β＝60度、β’＝62.7度に設定すれば、光軸を傾けた分割領域１４bの補正係数を変更する必要がなくなる。

上記実施例は一例であって、本願発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
上記実施例では、スリット光照射領域を３つに等分割し、それぞれにおける切断線の像をＣＣＤカメラの受光面上に結像させる構成としたが、スリット光照射領域の分割数（変換光路の数）や長さは受光面の形状等を考慮して適宜に決めることができる。
上記実施例では、ワークの垂直上方に第１反射手段を構成するミラーを設けて光軸を90°回転し、第２反射手段を構成するミラーでさらに90°回転することによって、１つの撮像素子の受光面上に複数の切断像を並べて撮像する方式を説明したが、必ずしもこの例に限定されない。即ち、１つの撮像素子上に複数の切断像を並べて撮像することができればよく、ワークから第１反射手段を構成するミラーまでの光路を垂直上方から傾け、また各ミラーにより光軸を回転させる角度を90°から変更してもよい。
また、上記実施例では、ワーク表面に対して斜め上方からスリット光を照射し、該表面からの光を垂直上方から受けるように構成したが、この位置関係は逆であっても良い。即ち、スリット光を垂直上方から照射して、斜めから受光するように構成することができる。さらに、寸法が大きい凹凸構造を測定する場合には、像の焦点をずれにくくするための光学系を構成する、即ちシャインプルーフの原理に基づく光学系を構成することができる。

１１、１０１、２１１…ワーク（基板）
１２、２１２…載置台
１２a…移動機構
１３、１２２、２１３…スリット光
１４、２１４…スリット光照射領域
１４a、１４b、１４c…分割領域
１５、２１５…受光面
１６…レンズ
２０…光路調整手段
２１…迂回路
１０４…凹凸構造
１１３a〜１１３d…ＣＣＤカメラ
１２１…レーザ光源
１２５Ａ、１２５Ｂ…ハーフミラー
１２６Ａ、１２６Ｂ…ミラー

高速スキャンレーザビームやレンズでライン形状としたビーム等で形成されるスリット光１３は、ワーク１１の表面の凹凸構造を幅方向に切断するように照射される。ワーク１１表面におけるスリット光１３の照射領域（本発明の「ライン状の領域」に相当）の大きさは、例えば90mm×30μmである。スリット光照射領域１４は、スリット光が凹凸構造を切断する線（切断線）が延びる方向において仮想的に３つに等分割（分割領域１４a、１４b、１４c）される。即ち、切断線が延びる方向における、各分割領域の長さKはそれぞれ30mmとなっている。

Claims (5)

1. 測定対象物に対してライン状の領域にレーザ光を照射し、該レーザ光の照射位置の画像を該レーザ光の照射方向と異なる方向から撮影することにより、前記測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
   a）２つ以上のミラーで規定される同一平面上に位置しない３つ以上の光路でそれぞれが構成される、複数の変換光路を使って、前記レーザ光の照射位置の画像を前記領域の長手方向に複数に分割し、分割後の複数の画像が同一平面上で前記長手方向と異なる方向に並んで位置するように並び替えて配置する変換光学系と、
   b）前記変換光学系によって並び替えて配置された複数の画像をまとめて撮像する、結像レンズを有する撮像部と、
   を備え、
   前記変換光路のそれぞれにおいて前記レーザ光の照射位置からの光路長が最も短い位置に配置されたミラーが、前記領域の長手方向に対応する方向に、前記分割後の画像の長さよりも長く延設されているとともに、
   各変換光路の光路上に、当該変換光路とは別の変換光路を構成するミラーが位置しないように、前記複数のミラーが配置されている
   ことを特徴とする表面形状測定装置。
2. 前記変換光路に含まれる複数のミラーのそれぞれが、前記結像レンズの開口数、及び前記レーザ光の照射位置から当該ミラーまでの光路長に応じた長さで、前記画像の前記長手方向に対応する方向に延設されていることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. c) 前記複数の変換光路のうちの少なくとも１つの変換光路上に配置され、該変換光路の長さを調整する光路調整部、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
4. 前記光路調整部が、空気とは異なる屈折率を有する所定厚さの部材であることを特徴とする請求項３に記載の表面形状測定装置。
5. 前記変換光学系により配置された複数の画像において、前記測定対象物の表面形状の高さが同じ割合で拡大あるいは縮小されるように、前記１方向において分割された複数のレーザ光の照射位置のそれぞれに対するレーザ光の入射方向が決められていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の表面形状測定装置。
   

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