JP2022172868A - 検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】面の微小な凹凸を正確に検出できる三次元解析に適した検査装置を提供する。【解決手段】異なる波長の光を出射する光源１０と、複数の光ファイバを有する第１のファイバオプティックプレート２０と、光の波長により異なる角度で光を出射する光学部材４０と、光学部材４０からの出射光が入射して、内部を第１の方向Ｄ１に進み、被検査面Ｓから第２の方向Ｄ２に反射された反射光が該光ファイバのコアに入射してコア内を進む第２のファイバオプティックプレート２２と、所定の波長の光のみがコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第３のファイバオプティックプレート２４と、イメージセンサ５０と、を備え、第３のファイバオプティックプレート２４の最大受光角が第２のファイバオプティックプレート２２の最大受光角より小さい検査装置２を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、面の微小な凹凸を検出できる検査装置に関する。

面の微小な凹凸を検出できる検査装置が知られている。そのような検査装置の中には、ホログラフィック回折光学素子を用いて、光の色により異なる照射角度で光を被検査面に照射し、反射光を検出して色の変化により、照射面の凹凸を検査する表面検査装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８－９１７７０号

しかしながら、特許文献１に記載の表面検査装置では、白色光源からの出射光が、ホログラフィック回折光学素子の入射面にその法線方向からそのまま入射するだけなので、ホログラフィック回折光学素子からの出射光について、光の色ごとに十分に出射角度を異ならせることができない虞がある。このため、面の微小な凹凸を正確に検出できない虞がある。また、カメラに内蔵されたレンズに入射する光を検出するので、撮影画像は、赤色、緑色及び青色が連続的に変化する縞模様のグラデーションとなる。つまり、平らな表面であっても、場所が異なれば異なる色の反射光になる。このため、色の変化による凹凸の検出のため膨大な解析時間を要するので、三次元解析には適さない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、面の微小な凹凸を正確に検出できる三次元解析に適した検査装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの態様は、
異なる波長の光を出射する光源と、
前記光源からの出射光がコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第１のファイバオプティックプレートと、
前記第１のファイバオプティックプレートのコアからの出射光が入射面の法線に対して所定の角度で入射し、光の波長により異なる角度で光を出射する光学部材と、
複数の光ファイバを有するファイバオプティックプレートであって、前記光学部材からの出射光が入射して、内部を第１の方向である該光ファイバの光軸と交わる方向に進み、被検査面から前記第１の方向とは異なる第２の方向に反射された反射光が該光ファイバのコアに入射してコア内を進む第２のファイバオプティックプレートと、
前記第２のファイバオプティックプレートのコアからの出射光のうち、所定の色の光のみがコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第３のファイバオプティックプレートと、
前記第３のファイバオプティックプレートのコアからの出射光が入射するイメージセンサと、
を備え、
前記第３のファイバオプティックプレートの最大受光角が前記第２のファイバオプティックプレートの最大受光角より小さい検査装置である。

本発明のその他の態様は、
異なる波長の光を出射する光源と、
前記光源からの出射光がコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第４のファイバオプティックプレートと、
前記第４のファイバオプティックプレートのコアからの出射光が入射面の法線に対して所定の角度で入射し、光の波長により異なる角度で光を出射する光学部材と、
前記光学部材からの出射光がコアに入射してコア内を進み、コアからの出射光が試料の第１の被検査面に入射する複数の光ファイバを有する第５のファイバオプティックプレートと、
前記第１の被検査面に入射した光が前記試料内を進んで、前記試料の第２の被検査面から出射した光がコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第６のファイバオプティックプレートと、
前記第６のファイバオプティックプレートのコアからの出射光のうち、所定の波長の光のみがコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第７のファイバオプティックプレートと、
前記第７のファイバオプティックプレートのコアからの出射光が入射するイメージセンサと、
を備え、
前記第７のファイバオプティックプレートの最大受光角が前記第６のファイバオプティックプレートの最大受光角より小さい検査装置である。

以上のように、上記の態様では、面の微小な凹凸を正確に検出できる三次元解析に適した検査装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る検査装置の概要を示す模式図である。 試料の被検査面の凹凸を検出する方法の概要を説明するための模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る検査装置の概要を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る検査装置の概要を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る検査装置の概要を示す模式図である。 パルスレーザの照射による薄膜の改質工程に検査装置２を適用した場合を模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための実施形態を説明する。各図面中、同一の機能を有する対応する部材には、同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示す場合があるが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態では前述の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態ごとには逐次言及しないものとする。

（第１の実施形態に係る検査装置）
はじめに、図１を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る検査装置の説明を行う。図１は、本発明の第１の実施形態に係る検査装置の概要を示す模式図である。
本実施形態に係る検査装置２は、現場に持ち運び可能な小型な装置であって、面の微少な凹凸を検出可能な検査装置である。図１では、試料１００の被検査面Ｓに検査装置２を接触させて、面に存在する微少な凹凸を検出するところを示す。この第１の実施形態、並びに後述する第２の実施形態及びその変形例１、２に係る検査装置２は、被検査面Ｓの反射光を用いて凹凸を検出するようになっている。

検査装置２は、光の進行順に、光源１０と、光源１０に接続された第１のファイバオプティックプレート２０と、第１のファイバオプティックプレート２０に接続された光学部材４０と、光学部材４０に接続された第２のファイバオプティックプレート２２と、第２のファイバオプティックプレート２２に接続された第３のファイバオプティックプレート２４と、第３のファイバオプティックプレート２４に接続されたイメージセンサ５０とを備える。

＜光源＞
光源１０は、イメージセンサ５０で検出可能な任意の波長の光を出射する光源を採用することができる。光源１０からの出射光として、紫外線、可視光、近赤外線、赤外線を例示することができる。

本実施形態では、光源１０として、青色、緑色、赤色の三原色の光を発するＬＥＤチップを備えた白色光源を用いている。ただし、これに限られるものではなく、青色、緑色、赤色のうちの２つの色のＬＥＤチップを有する光源や、青色の光を発するＬＥＤチップと青色光が入射すると黄色光を発する蛍光体を組み合わせた白色光源や、任意の数のＬＥＤチップと蛍光体とを組み合わせた光源を用いることもできる。また、可視光だけでなく、紫外線、近赤外線、中赤外線、遠赤外線等を出射する光源を用いることもできる。特に、後述するように、光学部材４０としてフォトニック結晶素子が用いる場合には、狭い波長帯域の中で光の進む角度を大きく変えることができるので、単色のＬＥＤチップ（例えば、近赤外線ＬＥＤ)のみを用いることもできる。出射光の指向性を高めるため、ＬＥＤチップの出射側に反射面を有する光源が好ましい。また、レーザーダイオード（ＬＤ）を用いることも可能であり、その場合には、高い指向性を有する出射光が得られる。更に、光源は面光源には限られず、点光源とレンズまたはファイバオプティックプレートの組み合わせを用いることもできる。

＜第１のファイバオプティックプレート＞
ファイバオプティックプレートは、コアガラスの周囲をクラッドガラスで覆った複数の光ファイバの束と、各光ファイバの間を埋める吸収ガラスから構成される光学部材である。各光ファイバは同じ方向に延びている。光ファイバの最大受光角以内の光は、コア（ガラス）とクラッド（ガラス）の境界で全反射を起こすため、高い伝達効率でコア内を光が伝送される。最大受光角を越える光はコアに入らないが、吸収ガラスで吸収されるため、他の光ファイバに影響を及ぼす虞はない。

第１のファイバオプティックプレート２０は、その入射面が光源１０の出射面と接している。光源１０の光軸の方向と第１のファイバオプティックプレート２０を構成する各光ファイバの光軸の方向とは略一致している。本実施形態に係る第１のファイバオプティックプレート２０は、光源１０から出射された全ての波長の光がコアに入るように、大きな最大受光角を有するのが好ましい。本実施形態では、最大受光角が１８０度（全角）（開口数ＮＡ＝１．０）のものを用いられている。コアに入った光は、コア内を進むことにより、光の指向性が高まる。
第１のファイバオプティックプレート２０は、その出射面が光学部材４０の入射面と接している。特筆すべきは、第１のファイバオプティックプレート２０を構成する各光ファイバの光軸が、光学部材４０の入射面の法線に対して、所定の角度を有している。つまり、第１のファイバオプティックプレート２０を構成する各光ファイバからの出射光が、光学部材４０の入射面に対して斜めに入射するようになっている。

＜光学部材＞
本実施形態では、光学部材４０として、フォトニック結晶素子が用いられている。フォトニック結晶の表面に斜めに光が入射するとき、結晶の中を伝わる光の向きが光の波長や入射角に応じて極めて敏感に変化するため、光の分解能力がガラスの１００倍から１０００倍近く大きくできるものである。このことをスーパープリズム効果とも称する。
上記のように、第１のファイバオプティックプレート２０からの出射光が斜めにフォトニック結晶素子である光学部材４０に入射するので、スーパープリズム効果により、光の色（波長）ごとに異なる角度で、光学部材４０の出射面から出射させることができる。本実施形態では、青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）を、それぞれ異なる角度で、光学部材４０の出射面から出射する。角度としては、青色光と赤色光との角度の差が最も大きく、緑色光がその中間の角度となる。なお、同じ色（波長）の光はほぼ平行に出射される。ここでは、青色光、緑色光及び赤色光を用いて説明しているが、フォトニック結晶素子では光の波長が１０ｎｍ違うだけで、屈折角が約６０度変化するので、狭い波長帯域の光を用いることもできる。

本実施形態では、光学部材４０として、フォトニック結晶素子を用いたが、これに限られるものではない。例えば、光学部材４０として、ホログラフィック回折光学素子を用いることもできる。ホログラフィック回折光学素子を用いても、上記と同様に、青色光、緑色光及び赤色光を、それぞれ異なる角度で光学部材４０の出射面から出射することができる。

＜第２のファイバオプティックプレート＞
光学部材４０の出射面は、第２のファイバオプティックプレート２２の入射面２２Ａに接している。ただし、第２のファイバオプティックプレート２２の入射面２２Ａは、第２のファイバオプティックプレート２２のコアの入射面とは接していない。第２のファイバオプティックプレート２２は、更に、試料１００の被検査面Ｓと接する出入射面２２Ｂ、及び第３のファイバオプティックプレート２４の入射面と接する出射面２２Ｃを有する。これにより、略三角形の側面形状を有する。被検査面Ｓと接する出入射面２２Ｂは、第２のファイバオプティックプレート２２のコアの入射面と接している。また、第２のファイバオプティックプレート２２のコアの出射面は、第３のファイバオプティックプレート２４のコアの入射面と接している。

光学部材４０からの出射光は、第２のファイバオプティックプレート２２の内部を光ファイバの光軸と交わる方向である図面で右上から左下の方向に進む。この方向を、第１の方向と称する（矢印Ｄ１参照）。光学部材４０からの出射光は、光の色によって異なる角度に進むが、概ね矢印Ｄ１で示す第１の方向に進む。
第２のファイバオプティックプレート２２の吸収ガラスの吸収剤の添加量を適切に調整することにより、ファイバオプティックプレートの機能を果たすとともに、光が第２のファイバオプティックプレート２２内を第１の方向Ｄ１に進むようにすることができる。

光学部材４０からの出射光は、第２のファイバオプティックプレート２２内を第１の方向Ｄ１に進んで、試料１００の被検査面Ｓに接した出入射面２２Ｂから被検査面Ｓに斜めに入射する。試料１００の被検査面Ｓとしては、壁面のような平面を例示できる。被検査面Ｓに入射した光は、被検査面Ｓにより斜めに反射され、出入射面２２Ｂから第２のファイバオプティックプレート２２のコアに入射する。本実施形態に係る第２のファイバオプティックプレート２２は、被検査面Ｓから出射された、進む角度が異なる青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）が全てコアに入るように、大きな最大受光角を有することが好ましい。本実施形態では、第２のファイバオプティックプレート２２の最大受光角が１８０度（全角）になっている。第３のファイバオプティックプレート２４のコアに入射した光は、コア内を進んで、光の指向性が高まる。

光学部材４０からの出射光が、試料１００の被検査面Ｓに当たらずに、直接、イメージセンサ５０に入らないようにするため、入射面２２Ａ、出入射面２２Ｂ及び出射面２２Ｃの大きさ、配置角度、コアの角度は、適切に調整されている。また、光が外部に漏れないように、第２のファイバオプティックプレート２２の他の部材が接していない外面は、被部材６０でシールされている。

＜第３のファイバオプティックプレート＞
第２のファイバオプティックプレート２２のコア内を進んだ光は、第２のファイバオプティックプレート２２の出射面に接した第３のファイバオプティックプレート２４の入射面に達する。
ここで、第３のファイバオプティックプレート２４は、第２のファイバオプティックプレート２２に比べて小さな最大受光角を有する。例えば、第３のファイバオプティックプレート２４の最大受光角として、約５１度（開口値ＮＡ＝０．４３）を例示できる。

被検査面Ｓの凹凸のない平面から反射された光において、進む角度が異なる３色の光のうち、中央の緑色光（Ｇ）は、コアの最大受光角度以内なのでコアに入射する。しかし、その両側の青色光（Ｂ）及び赤色光（Ｒ）は、コアの最大受光角度を越えているので、コアには入射せず、基本的に吸収ガラスで吸収される。第２のファイバオプティックプレート２２のコアを進む間に各色の光の指向性は高くなっているので、確実に所定の色の光（ここでは、緑色光（Ｇ））のみを、選択的に第３のファイバオプティックプレート２４に取り込むことができる。

なお、被検査面Ｓの凹凸がある場合には、反射光の進む角度が異なるので、緑色光（Ｇ）がコアには入射せず、逆に青色光（Ｂ）や赤色光（Ｒ）がコアに入射する場合もあり得るし、いずれの色の光もコアに入射しない場合もあり得る。これを利用して、被検査面Ｓの凹凸を検出できる。このことは、追って詳細に述べる。
なお、第３のファイバオプティックプレート２４の最大受光角は、約５１度に限られるものではなく、選択する光の波長の差や光学部材による光の進む角度の差に応じて、最適な最大受光角を有するファイバオプティックプレートを用いるのが好ましい。

＜イメージセンサ＞
第２のファイバオプティックプレート２２から所定の色の光（例えば、緑色光（Ｇ））のみが、第３のファイバオプティックプレート２４の入射面に入射すると、コア内を進んで、コアからの出射光が、第３のファイバオプティックプレート２４と接したイメージセンサ５０の受光面に入射する。第３のファイバオプティックプレート２４からイメージセンサ５０に入射した光により、検査用の画像データを得ることができる。イメージセンサ５０としては、ＣＭＯＳ、ＣＣＤをはじめとする任意の受光素子を用いることができる。

以上のような構成の検査装置２における光の進み方をまとめて記載すると以下のようになる。
光源１０からの出射光は、第１のファイバオプティックプレート２０のコアに入射してコア内を進み、光学部材４０の入射面に斜めに入射する。そして、光学部材４０の出射面から、青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）が、光の色ごとに異なる角度で出射する。青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）は、第２のファイバオプティックプレート２２内を第１の方向である光ファイバの光軸と交わる方向に進み、試料１００の被検査面Ｓに斜めに入射する。

被検査面Ｓからの反射光（青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）、赤色光（Ｒ））は、第２のファイバオプティックプレート２２のコアに入射してコア内を進む。そして、第３のファイバオプティックプレート２４では、所定の色の光（緑色光（Ｇ））のみがコアに入射し、他の色の光は吸収ガラスに吸収される。これにより、所定の色の光（緑色光（Ｇ））のみがイメージセンサ５０の受光面に入射する。

試料１００の被検査面Ｓが、凹凸がない平面である場合には、イメージセンサ５０で得られた画像は緑色で示される。一方、第１の被検査面Ｓに凹凸がある場合には、光の進む角度が変わるので、イメージセンサ５０に青色光（Ｂ）や赤色光（Ｒ）が入射したり、何れの光もメージセンサ５０に入射しない場合が生じる。よって、凹凸を有する領域では、イメージセンサ５０で得られた画像の色が凹凸のない領域の色と異なり（例えば、青色、赤色、黒色）、色によって凹凸を検出することができる。

（凹凸を検出する方法）
次に、図２を参照しながら、上記の検査装置２を用いて、試料１００の略平面である被検査面Ｓの凹凸を検出する方法の概要を説明する。図２は、試料の被検査面の凹凸を検出する方法の概要を説明するための模式図である。（ａ）は、光の進み方を模式的に示す側面図であり、（ｂ）がイメージセンサで得られた画像を示す平面図である。

上記のように、光学部材４０からの出射光は、青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）それぞれ異なる角度で、試料１００の被検査面Ｓに斜めに入射する。被検査面Ｓに凹凸の無い平面Ｓａに入射した場合には、青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）は、それぞれ異なる角度反射されるが、第２のファイバオプティックプレート２２の最大受光角が１８０度（全角）なので、全てが第２のファイバオプティックプレート２２のコアに入射してコア内に進む。第３のファイバオプティックプレート２４の入射面に達すると、第３のファイバオプティックプレート２４の最大受光角は約５１度なので、進む角度が異なる３色の光のうち、中央の緑色光（Ｇ）のみがコアに入射し。その他の色の光は、コアに入らず吸収ガラスに吸収される。よって、イメージセンサ５０の受光面には緑色光（Ｇ）のみが入射するので、図２（ｂ）に示すように、凹凸の無い被検査面Ｓａでは、緑色の画像が得られる。

図２では、試料１００の被検査面Ｓに存在する三角形の側面断面形状を有する凹凸を示す。ここでは、斜めに隆起した面Ｓｂに青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）が入射すると、赤色光（Ｒ）が、凹凸の無い被検査面Ｓａから反射された緑色光の進む方向とほぼ平行な方向に反射される場合を示す。このため、被検査面Ｓａで反射された青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）が第３のファイバオプティックプレート２４の入射面に達すると、進む角度が異なる３色の光のうち、赤色光（Ｒ）は、コアの最大受光角度以内なのでコアに入射するが、その他の青色光（Ｂ）及び緑色光（Ｇ）は、コアに入らず吸収ガラスに吸収される。よって、イメージセンサ５０の受光面には赤色光のみが入射するので、図２（ｂ）に示すように、斜めに隆起した被検査面Ｓｂでは、赤色の画像が得られる。

図２では、更に、斜めに隆起した面Ｓｃに青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）が入射すると、青色光（Ｂ）が、凹凸の無い被検査面Ｓａから反射された緑色光の進む方向とほぼ平行な方向に反射される場合を示す。このため、被検査面Ｓｃで反射された青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）が第３のファイバオプティックプレート２４の入射面に達すると、進む角度が異なる３色の光のうち、青色光（Ｂ）は、コアの最大受光角度以内なのでコアに入射するが、その他の緑青色（Ｇ）光及び赤色光（Ｒ）は、コアに入らず吸収ガラスに吸収される。よって、イメージセンサ５０の受光面には青色光（Ｂ）のみが入射するので、図２（ｂ）に示すように、斜めに隆起した被検査面Ｓｃでは、青色の画像が得られる。

以上のように、図２の（ｂ）に示すように、色の変化で容易に、平面状の被検査面Ｓに存在する凹凸を検出することができる。図２に示す例では、簡単のため、凹凸として斜めに傾いた平面で構成された凸部を例示したが、湾曲した面を有する凸部をはじめとするその他の任意の凸部もあり得るし、平面が凹んだ任意の形状の凹部もあり得る。青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）が、そのような凸部や凹部に入射した場合、何れの色の光の反射光も第２のファイバオプティックプレート２２のコアに入射しない場合もあり得る。その場合には、イメージセンサ５０で得られた画像上では黒色に示される。このような場合でも、容易に平面状の被検査面Ｓに存在する凹凸を検出することができる。

なお、上記では、波長差の大きい三原色の光を用いて凹凸を検出する場合を説明しているが、これに限られるものではない。より狭い波長域内の光を用いて凹凸を検出することもできる。例えば、光の波長の差が１０ｎｍあれば、フォトニック結晶素子である光学部材４０で進む角度を約６０度異ならせることができる。第２のファイバオプティックプレート２２の最大受光角は１８０度なのに対して、第３のファイバオプティックプレート２４の最大受光角は約５１度なので、半角で９０°から約２５．５°へ変化する。よって、波長差が１０ｎｍといった狭い波長帯域の光を用いても、第３のファイバオプティックプレート２４で所定に波長の光のみを選別可能である。このように、狭い波長帯域の光でも、第３のファイバオプティックプレート２４で光を選択的にイメージセンサ５０に送ることにより、凹凸を検出することができる。広い波長域内の光も狭い波長域内の光も適用できるので、検査対象の面の吸光性質に応じて最適な波長帯域を選択できる。

（第２の実施形態に係る検査装置）
次に、図３を参照しながら、本発明の第２の実施形態に係る検査装置の説明を行う。図３は、本発明の第２の実施形態に係る検査装置の概要を示す模式図である。本実施形態においては、イメージセンサ５０の背面側に更なる光源１２が備えられている点で、上記の第１の実施形態と異なる。その他の構成については、基本的に第１の実施形態と同様である。
本実施形態のイメージセンサ５０は、透光性を有する部材で形成されている。イメージセンサ５０の受光面の反対側の背面に、更なる光源１２の出射面が接するように取り付けられている。更なる光源１２として、ＬＥＤを用いた白色光源を例示できる。

更なる光源１２からの出射光は、第３のファイバオプティックプレート２４のコアに入射してコア内に進む。第３のファイバオプティックプレート２４の最大受光角は大きくないが、更なる光源１２からの出射光は、光学部材４０を通過していないので、全ての波長の光が第３のファイバオプティックプレート２４のコアに入射する。そして、第２のファイバオプティックプレート２２のコアに入射してコア内を進み、試料１００の被検査面Ｓに斜めに入射する。

入射光は、被検査面Ｓにより斜めに反射されるが、第２のファイバオプティックプレート２２の最大受光角は１８０度（全角）なので、ほぼ全ての反射光が第２のファイバオプティックプレート２２のコアに入射して、コア内を入射時と１８０度反対側に進む。そして、第３のファイバオプティックプレート２４のコアに入射してコア内に進む。第３のファイバオプティックプレート２４の最大受光角は大きくないが、光学部材４０を通過していないので、全ての波長の光が第３のファイバオプティックプレート２４のコアに入射する。第３のファイバオプティックプレート２４のコアに入射した白色光は、コア内を進んで、イメージセンサ５０の受光面に入射する。

これにより、白色光を照射して得られる試料１００の被検査面Ｓの平面カラー画像を得ることができる。以上のように、本実施形態では、一度の撮影で、色の変化により被検査面Ｓに存在する凹凸を示す画像とともに、被検査面Ｓの平面カラー画像を得ることができる。図２に示す例のように、第２のファイバオプティックプレート２２を介して、領域により、青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）がイメージセンサ５０に入射する場合には、既知の画像ソフトにより、被検査面Ｓの法線（ノーマル）マップを得ることもできる。

上記の実施形態に係る検査装置２を用いた応用例として、トンネル平面等のクラッチ検査を例示できる、トンネルなどのインフラの外観検査の現場に、検査装置２を比較的容易に持って行くことができる。光源１０による壁面の凹凸の検出に加えて、更なる光源１２による平面カラーマップを取得することができるので、壁面の凹凸がキズやクラックによるものなのか、付着物によるものなのか等を迅速に判別できるようになる。

また、例えば、近赤外線を出射する光源１０を用いて凹凸の検出を行うことにより、高精細な指紋認証に適用することもできる。この場合においても、更なる光源１２による法線（ノーマル）マップを有効に活用することができる。

更に、本願の出願人の登録特許である特許４２０８９４１号に記載されたような、薄膜の改質工程に上記の実施形態に係る検査装置２を適用することもできる。これについて、図６を用いて説明する。図６は、パルスレーザの照射による薄膜改質工程に検査装置２を適用した場合を模式的に示す図である。
図６に示すように、液晶ポリマーの薄膜１００にレーザーダイオード（ＬＤ）２００からパルス状のレーザー光を照射することにより、薄膜１００を改質することができる。パルスレーザを照射するとポリマー間にランダムに架橋構造ができるため、機械的強度や電磁気（光）のシーリング性能が増す。

このとき、図６に示すように、薄膜２００のレーザー照射面と反対側の面に検査装置２を設置して、薄膜１００の表面の構造の変化を検出することができる。適切な波長帯域を用いることにより、検査装置２で三次元構造の撮影像を得て、パルスレーザの照射で生じた薄膜１００の光学特性の変化をリアルタイムに捉えていくことができる。

（被検査面で光が反射する検査装置全般）
上記の第１、第２の実施形態を総合すると、被検査面Ｓで光が反射する検査装置２は、
異なる波長の光を出射する光源１０と、光源１０からの出射光がコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第１のファイバオプティックプレート２０と、第１のファイバオプティックプレート２０のコアからの出射光が入射面の法線に対して所定の角度で入射し、光の波長により異なる角度で光を出射する光学部材４０と、複数の光ファイバを有するファイバオプティックプレートであって、光学部材４０からの出射光が入射して、内部を第１の方向Ｄ１である該光ファイバの光軸と交わる方向に進み、被検査面Ｓから第１の方向Ｄ１とは異なる第２の方向Ｄ２に反射された反射光が該光ファイバのコアに入射してコア内を進む第２のファイバオプティックプレート２２と、第２のファイバオプティックプレート２２のコアからの出射光のうち、所定の波長の光のみがコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第３のファイバオプティックプレート２４と、第３のファイバオプティックプレート２４のコアからの出射光が入射するイメージセンサ５０と、を備え、第３のファイバオプティックプレート２４の最大受光角（例えば、５１度）が第２のファイバオプティックプレート２２の最大受光角（例えば、１８０度）より小さくなっている。

検査装置２は、光源１０、イメージセンサ５０、及び光学的な部材２０、４０、２２、２４を組み合わせた装置なので、小型で軽量な装置を実現できる。また、最大受光角が小さい第３のファイバオプティックプレート２４により、所定の波長の光（例えば、緑色光（Ｇ））のみをイメージセンサ５０に取り込むことができるので、イメージセンサ５０で得られた画像の色（波長）の変化で、被検査面Ｓに存在する微少な凹凸を検出することができる。面上のどこにあろうとも、欠陥の構造（角度）が同じであれば同じ色（波長）の反射光をとらえることができる。よって、イメージセンサ５０で得られた画像の色（波長）の変化は、一意に表面の構造のみに起因するので、より容易に三次元復元が可能となる。よって、面の微小な凹凸を正確に検出できる三次元解析に適した検査装置２を提供することができる。

このような検出装置２では、光源１０の出射面と第１のファイバオプティックプレート２０の入射面が接しており、第１のファイバオプティックプレート２０の出射面と光学部材４０の入射面が接しており、光学部材４０の出射面と第２のファイバオプティックプレート２２の入射面２２Ａが接しており、第２のファイバオプティックプレート２２の出入射面２２Ｂと被検査面Ｓが接しており、第２のファイバオプティックプレート２２の出射面２２Ｃと第３のファイバオプティックプレート２４の入射面が接しており、第３のファイバオプティックプレート２４の出射面とイメージセンサ５０の受光面が接している。

これにより、コンパクトで堅固な検査装置２が得られる。更に、出射面と入射面（受光面）の間に外気が入ってこないので、防塵性能に優れ、様々な波長、環境下で使用することができる。

第２の実施形態では、透光性を有するイメージセンサ５０の入射面と反対側に配置された更なる光源１２を備える。更なる光源１２は、その光軸の向きが第３のファイバオプティックプレート２４のコアの光軸の向きと略一致し、出射光がイメージセンサ５０、第３のファイバオプティックプレート２４のコア内から第２のファイバオプティックプレート２２のコア内を進んで被検査面Ｓに入射し、被検査面Ｓから反射された反射光が、第２のファイバオプティックプレート２２のコア内から第３のファイバオプティックプレート２４のコア内を進んでイメージセンサ５０に入射するようになっている。

これにより、一度の撮影で、光源１０による被検査面Ｓに存在する微少な凹凸を色で示す画像に加えて、更なる光源１２による平面カラー画像を得ることができる。更なる光源１２による平面画像により、検出された凹凸が何によりものか判別することができるので、一度の撮影で効果的な検査を実現できる。

また、光学部材４０がフォトニック結晶素子である場合には、僅かな光の波長の差で、大きく光の進む角度を異ならせることができるので、狭い波長帯域の光を用いても、確実に凹凸の検出を行うことができる。

（第３の実施形態に係る検査装置）
次に、図４を参照しながら、本発明の第３の実施形態に係る検査装置の説明を行う。図４は、本発明の第３の実施形態に係る検査装置の概要を示す模式図である。
本実施形態に係る検査装置２も、現場に持ち運び可能な小型な装置である。本実形態、及び後述する第４の実施形態に係る検査装置２は、試料１００の透過光を用いて、試料１００の外面の凹凸や、内部に存在する物体等を検出するようになっている。

本実施形態は、光を試料１００の中を透過させて検査する点で異なるが、構成する部材の過半は、上記の反射型の第１の実施形態と同様である。よって、同様な構成部材の詳細な説明は省略する。
検査装置２は、光の進行順に、光源１０と、光源１０に接続された第４のファイバオプティックプレート３０と、第４のファイバオプティックプレート３０に接続された光学部材４０と、光学部材４０に接続され、試料１００の第１の被検査面Ｓ１に接する第５のファイバオプティックプレート３２と、試料１００の第２の被検査面Ｓ２に接する第６のファイバオプティックプレート３４と、第６のファイバオプティックプレート３４に接続された第７のファイバオプティックプレート３６と、第７のファイバオプティックプレート３６に接続されたイメージセンサ５０と、を備える。

第５のファイバオプティックプレート３２及び第６のファイバオプティックプレート３４は、図示されていない接続部材で、所定の間隔があくように互いに固定されている。第５のファイバオプティックプレート３２及び第６のファイバオプティックプレート３４の間の空間に、試料１００が挿入されるようになっている。試料１００の厚みに応じて、第５のファイバオプティックプレート３２及び第６のファイバオプティックプレート３４の間の距離を変更する機構を有するのが好ましい。

光源１０は、上記の実施形態と同様であり、青色、緑色、赤色の三原色の光を発するＬＥＤチップを備えた白色光源を用いている。第４のファイバオプティックプレート３０は、上記の第１のファイバオプティックプレート２０と同様であり、その最大受光角は１８０度（全角）である。光学部材４０は、上記と同様なフォトニック結晶素子である。
第５のファイバオプティックプレート３２及び第６のファイバオプティックプレート３４は、上記の第２のファイバオプティックプレート２２に対応する光学部材である。試料１００は、第１の被検査面Ｓ１及び第２の被検査面Ｓ２が略平行な板状の形状を有している。

第５のファイバオプティックプレート３２は、図面下側の試料１００の第１の被検査面Ｓ１に接し、第６のファイバオプティックプレート３４は、図面上側の試料１００の第２の被検査面Ｓ２に接している。第５のファイバオプティックプレート３２及び第６のファイバオプティックプレート３４の最大受光角は、１８０度（全角）である。第５のファイバオプティックプレート３２及び第６のファイバオプティックプレート３４の光ファイバの光軸の向きは、略平行で、第１の被検査面Ｓ１及び第２の被検査面Ｓ２の法線に対して、所定の角度を有している。ただし、これに限られるものではなく、第５のファイバオプティックプレート３２及び第６のファイバオプティックプレート３４の光ファイバの光軸が、第１の被検査面Ｓ１及び第２の被検査面Ｓ２の法線方向に略一致している場合もあり得る。
第７のファイバオプティックプレート３６は、上記の第３のファイバオプティックプレート２４と同様であり、その最大受光角は約５１度である。

以上のような構成の検査装置２における光の進み方を説明する。光源１０からの出射光は、第４のファイバオプティックプレート３０のコアに入射してコア内を進み、光学部材４０の入射面に斜めに入射する。そして、光学部材４０の出射面から、青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）が、光の色ごとに異なる角度で出射する。青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）及び赤色光（Ｒ）は、第５のファイバオプティックプレート３２のコアに入射してコア内を進み、試料１００の第１の被検査面Ｓ１に斜めに入射する。そして、試料１００内を進んで、試料１００の第２の被検査面Ｓ２から出射する。

被検査面Ｓ２からの出射光（青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）、赤色光（Ｒ））は、第６のファイバオプティックプレート３４のコアに入射してコア内を進む。そして、第７のファイバオプティックプレート３６では、基本的に所定の色の光（緑色光（Ｇ））のみがコアに入射し、他の色の光は吸収ガラスに吸収される。これにより、所定の色（緑色光（Ｇ））のみがイメージセンサ５０の受光面に入射する。

試料１００の第１の被検査面Ｓ１及び第２の被検査面Ｓ２が、凹凸がない平面であり、試料１００の内部に光の進行に干渉する物体が存在しない場合には、イメージセンサ５０で得られた画像は緑色で示される。一方、第１の被検査面Ｓ１、第２の被検査面Ｓ２に凹凸がある場合や、試料１００の内部に不純物等が存在する場合には、光の進む角度が変わるので、青色や赤色で示される領域や、黒色で示される領域が生じて、それにより凹凸や不純物を検出することができる。

（第４の実施形態に係る検査装置）
次に、図５を参照しながら、本発明の第４の実施形態に係る検査装置の説明を行う。図５は、本発明の第４の実施形態に係る検査装置の概要を示す模式図である。
本実施形態においては、イメージセンサ５０の背面側に更なる光源１２が備えられている点で、上記の第３の実施形態と異なる。その他の構成については、基本的に第３の実施形態と同様である。

本実施形態のイメージセンサ５０は、上記の第２の実施形態と同様で、透光性を有する部材で形成されている。イメージセンサ５０の受光面反対側の背面に、更なる光源１２からの出射面が接するように取り付けられている。更なる光源１２として、ＬＥＤを用いた白色光源を例示できる。
更なる光源１２からの出射光は、試料１００の第１の被検査面Ｓ１で反射されて、イメージセンサ５０の受光面に入射する。これにより、第１位の被検査面Ｓ１の平面カラー画像が得られる。第１の被検査面Ｓ１の平面カラー画像が得られる光の進む経路は、上記の第２の実施形態と同様なので、更なる詳細な説明は省略する。

（試料内を光が通過する検査装置全般）
上記の第３、第４の実施形態を総合すると、試料１００内を光が通過する検査装置２は、
異なる波長の光を出射する光源１０と、光源１０からの出射光がコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第４のファイバオプティックプレート３０と、第４のファイバオプティックプレート３０のコアからの出射光が入射面の法線に対して所定の角度で入射し、光の波長により異なる角度で光を出射する光学部材３０と、光学部材３０からの出射光がコアに入射してコア内を進み、コアからの出射光が試料１００の第１の被検査面Ｓ１に入射する複数の光ファイバを有する第５のファイバオプティックプレート３２と、第１の被検査面Ｓ１に入射した光が試料１００内を進んで、試料の第２の被検査面Ｓ２から出射した光がコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第６のファイバオプティックプレート３４と、第６のファイバオプティックプレート３４のコアからの出射光のうち、所定の波長の光のみがコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第７のファイバオプティックプレート３６と、第７のファイバオプティックプレート３６のコアからの出射光が入射するイメージセンサ５０と、を備え、第７のファイバオプティックプレート３６の最大受光角（例えば、約５１度）が第６のファイバオプティックプレート３４の最大受光角（例えば、１８０度）より小さくなっている。

検査装置２は、光源１０、イメージセンサ５０、及び光学的な部材３０、４０、３２、３４、３６を組み合わせた装置なので、小型で軽量な装置を実現できる。また、最大受光角が小さい第７のファイバオプティックプレート３６により、所定の色の光（例えば、緑色光（Ｇ））のみをイメージセンサ５０に取り込むことができるので、イメージセンサ５０で得られた画像の色の変化で、第１、第２の被検査面Ｓ１、Ｓ２に存在する微少な凹凸や、試料１００内に存在する物体を検出することができる。特に、イメージセンサ５０で得られた画像の色（波長）の変化は、一意に表面または内部の構造のみに起因するので、より容易に三次元復元が可能となる。よって、面の微小な凹凸や試料内の物体を正確に検出できる三次元解析に適した検査装置２を提供することができる。

このような検出装置２では、光源１０の出射面と第４のファイバオプティックプレート３０の入射面が接しており、第４のファイバオプティックプレート３０の出射面と光学部材４０の入射面が接しており、光学部材４０の出射面と第５のファイバオプティックプレート３２の入射面が接しており、第５のファイバオプティックプレート３２の出射面と第１の被検査面Ｓ１が接しており、第２の被検査面Ｓ２と第６のファイバオプティックプレート３４の入射面が接しており、第６のファイバオプティックプレート３４の出射面と第７のファイバオプティックプレート３６の入射面が接しており、第７のファイバオプティックプレート３６の出射面とイメージセンサ５０の受光面と接している。

これにより、コンパクトで堅固な検査装置２が得られる。更に、出射面と入射面（受光面）の間に外気が入ってこないので、防塵性能に優れ、様々な波長、環境下で使用することができる。

第４の実施形態では、透光性を有するイメージセンサ５０の入射面と反対側に配置された更なる光源１２を備える。更なる光源１２では、その光軸の向きが第７のファイバオプティックプレート３６のコアの光軸の向きと略一致し、出射光がイメージセンサ５０、第７のファイバオプティックプレート３６のコア内から第６のファイバオプティックプレート３４のコア内を進んで第２の被検査面Ｓ２に入射し、第２の被検査面Ｓ２から反射された反射光が、第６のファイバオプティックプレート３４のコア内から第７のファイバオプティックプレートのコア３６内を進んでイメージセンサ５０に入射するようになっている。

これにより、一度の撮影で、光源１０による被検査面Ｓに存在する微少な凹凸や試料１００内に存在する物体を色で示す画像に加えて、更なる光源１２による平面画像を得ることができる。更なる光源１２による平面画像により、検出された凹凸や物体が何によりものか判別することができるので、一度の撮影で効果的な検査を実現できる。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

２ 検査装置
１０ 光源
１２ 更なる光源
２０ 第１のファイバオプティックプレート
２２ 第２のファイバオプティックプレート
２４ 第３のファイバオプティックプレート
２６ 透光性部材
３０ 第４のファイバオプティックプレート
３２ 第５のファイバオプティックプレート
３４ 第６のファイバオプティックプレート
３６ 第７のファイバオプティックプレート
４０ 光学部材
５０ イメージセンサ
１００ 試料
Ｓ 被検査面
Ｓ１ 第１の被検査面
Ｓ２ 第２の被検査面

Claims (7)

1. 異なる波長の光を出射する光源と、
   前記光源からの出射光がコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第１のファイバオプティックプレートと、
   前記第１のファイバオプティックプレートのコアからの出射光が入射面の法線に対して所定の角度で入射し、光の波長により異なる角度で光を出射する光学部材と、
   複数の光ファイバを有するファイバオプティックプレートであって、前記光学部材からの出射光が入射して、内部を第１の方向である該光ファイバの光軸と交わる方向に進み、被検査面から前記第１の方向とは異なる第２の方向に反射された反射光が該光ファイバのコアに入射してコア内を進む第２のファイバオプティックプレートと、
   前記第２のファイバオプティックプレートのコアからの出射光のうち、所定の色の光のみがコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第３のファイバオプティックプレートと、
   前記第３のファイバオプティックプレートのコアからの出射光が入射するイメージセンサと、
   を備え、
   前記第３のファイバオプティックプレートの最大受光角が前記第２のファイバオプティックプレートの最大受光角より小さいことを特徴とする検査装置。
2. 前記光源の出射面と前記第１のファイバオプティックプレートの入射面が接しており、前記第１のファイバオプティックプレートの出射面と前記光学部材の入射面が接しており、前記光学部材の出射面と前記第２のファイバオプティックプレートの入射面が接しており、前記第２のファイバオプティックプレートの出入射面と前記被検査面が接しており、前記第２のファイバオプティックプレートの出射面と前記第３のファイバオプティックプレートの入射面が接しており、前記第３のファイバオプティックプレートの出射面と前記イメージセンサの受光面が接していることを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
3. 透光性を有する前記イメージセンサの入射面と反対側に配置された光源であって、その光軸の向きが前記第３のファイバオプティックプレートのコアの光軸の向きと略一致し、出射光が前記イメージセンサ、前記第３のファイバオプティックプレートのコア内から前記第２のファイバオプティックプレートのコア内を進んで前記被検査面に入射し、前記被検査面から反射された反射光が、前記第２のファイバオプティックプレートのコア内から前記第３のファイバオプティックプレートのコア内を進んで前記イメージセンサに入射する更なる光源を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の検査装置。
4. 異なる波長の光を出射する光源と、
   前記光源からの出射光がコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第４のファイバオプティックプレートと、
   前記第４のファイバオプティックプレートのコアからの出射光が入射面の法線に対して所定の角度で入射し、光の波長により異なる角度で光を出射する光学部材と、
   前記光学部材からの出射光がコアに入射してコア内を進み、コアからの出射光が試料の第１の被検査面に入射する複数の光ファイバを有する第５のファイバオプティックプレートと、
   前記第１の被検査面に入射した光が前記試料内を進んで、前記試料の第２の被検査面から出射した光がコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第６のファイバオプティックプレートと、
   前記第６のファイバオプティックプレートのコアからの出射光のうち、所定の波長の光のみがコアに入射してコア内を進む複数の光ファイバを有する第７のファイバオプティックプレートと、
   前記第７のファイバオプティックプレートのコアからの出射光が入射するイメージセンサと、
   を備え、
   前記第７のファイバオプティックプレートの最大受光角が前記第６のファイバオプティックプレートの最大受光角より小さいことを特徴とする検査装置。
5. 前記光源の出射面と前記第４のファイバオプティックプレートの入射面が接しており、前記第４のファイバオプティックプレートの出射面と前記光学部材の入射面が接しており、前記光学部材の出射面と前記第５のファイバオプティックプレートの入射面が接しており、前記第５のファイバオプティックプレートの出射面と前記第１の被検査面が接しており、前記第２の被検査面と前記第６のファイバオプティックプレートの入射面が接しており、前記第６のファイバオプティックプレートの出射面と前記第７のファイバオプティックプレートの入射面が接しており、前記第７のファイバオプティックプレートの出射面と前記イメージセンサの受光面が接していることを特徴とする請求項４に記載の検査装置。
6. 透光性を有する前記イメージセンサの入射面と反対側に配置された光源であって、その光軸の向きが前記第７のファイバオプティックプレートのコアの光軸の向きと略一致し、出射光が前記イメージセンサ、前記第７のファイバオプティックプレートのコア内から前記第６のファイバオプティックプレートのコア内を進んで前記第２の被検査面に入射し、前記第２の被検査面から反射された反射光が、前記第６のファイバオプティックプレートのコア内から前記第７のファイバオプティックプレートのコア内を進んで前記イメージセンサに入射する更なる光源を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の検査装置。
7. 前記光学部材がフォトニック結晶素子であることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の検査装置。

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