JP3326349B2 - 光学式表面粗さインライン検査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は製品の表面状況をイ
ンラインで検査するための光学式表面粗さインライン検
査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、製品の表面粗さを計測する装置と
しては、接触型の装置の代表としてタリステップ、ま
た、非接触型の装置の代表として光を用いた干渉型の装
置と散乱反射光を利用した装置が知られていた。

【０００３】接触型の装置は、細い針により表面をなぞ
り、表面の凹凸の程度を計測するものであるが、計測時
間がかかること、また、被検査物が柔らかい場合には傷
を付けてしまうこと、また、表面の粗さが細かいと針先
の形状に依存してしまうこと等の欠点があった。

【０００４】この欠点を補うものの一つが非接触型であ
る干渉型の計測装置であり、参照面と被測定面との干渉
縞のコントラストと位相情報より、測定面の表面状態を
計測していた。しかしながら、干渉型のために、振動の
影響を受け易く、また、参照面の状態に依存するなどの
欠点を有していた。

【０００５】また、他の非接触型装置として散乱反射光
を利用したものがある。これは、全散乱光と全光量との
比（Total Integrate Scatter いわゆる TIS法）によ
り、自乗平均平方根粗さＲ_rms を測定する装置である。
ＴＩＳ法では、図１４に示すように、レーザー光源２１
から出力されたコヒーレント光は、回転鏡２２、アパー
チュア２３、および積分球２４を通過して被検査物２５
に照射され、被検査物２５の表面により反射される。こ
の反射光の全光量を計測するために、入射角と反射角と
が互いに一致する正反射光の光量は回転鏡２２を介して
検出器２６によって計測され、また、入射角と反射角と
が互いに一致しない散乱反射光（以下、単に散乱光とい
う）の光量は積分球２４を介して検出器２７によって計
測される。

【０００６】このＴＩＳ法では、正反射光量Ｒｓ、全散
乱光量Ｒｄ、使用波長λとして、ビーム径に関する量を
省略するものとすると、測定光量に基づき得られる自乗
平均平方根粗さＲ_rms は、

【数５】 である。

【０００７】この場合、全散乱光を測定する必要があ
り、全散乱領域（正反射光測定領域以外の全ての半球状
の領域）をカバーする必要があるため、散乱光受光装置
を全散乱領域に対して操作するか、アレイ状にするか、
もしくは、被検査物の散乱中心を１つの焦点とする楕円
球状の鏡面として、一方の焦点で全散乱光を集光させる
などの装置にすることが考えられる。

【０００８】このＴＩＳ法を適用した装置においては、
全光量を測定する必要があるため、全散乱反射光と正反
射光とを測定しなければならず、受光素子アレイが必要
になったり、受光素子自体を走査する機構を設ける必要
が生じるため光学系が複雑になる等、高価な検査装置と
ならざるを得ない。

【０００９】また、最近では、ハードディスクやシリコ
ンウェハーの基板、液晶の表示画面等の加工工程中で表
面状態を検査したいという、いわゆるインライン検査に
おけるニーズが高まっている。この場合には、装置が安
価であるとともに高速な判断が必要になる。

【００１０】〔従来技術の問題点〕しかしながら、従来
の表面粗さ検査装置では、高価であり、しかも、計測時
間が長く、インライン検査には適合したものがなかっ
た。また、製品の搬送装置に生じる「ガタ」の影響によ
り、干渉型の検査装置では振動の影響が大きく、ＴＩＳ
法を適用した検査装置では正反射光の位置ずれにより正
確な検査を行うことが困難となり、いずれも実質的にイ
ンライン検査を行うことができなかった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点に
鑑みてなされたものであり、これを解決するための具体
的な課題は、非常に簡単な方式で高速にインライン検査
を行うことができる光学式表面粗さインライン検査装置
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
光学式表面粗さインライン検査装置は、搬送されてくる
被検査物にコヒーレント光束を照射し，その散乱反射光
を測定して、被検査物の表面粗さをインラインで検査す
る装置において、前記被検査物の被測定面に照射したコ
ヒーレント光束の散乱反射光の光量を測定して前記被測
定面の表面粗さを計測する表面粗さ計測手段と、前記被
検査物に対する測定開始時と測定終了時とを決定する開
始終了決定手段と、前記表面粗さ計測手段からの計測結
果と予め設定された評価基準とに基づき前記被検査物の
表面粗さの良否を判定する判定手段とを具備し、前記表
面粗さ計測手段には、コヒーレント光束を出射する光源
と、この光源からのコヒーレント光束を前記被検査物に
照射するレンズと、前記散乱反射光の一部を正反射光の
占める空間領域以外の空間領域の２ヶ所以上で受光する
受光素子と、これらの受光素子からの出力に基づき被測
定面の表面粗さの状況を把握する演算処理装置とを備え
たことを特徴とするものである。

【００１３】また、請求項２に係る光学式表面粗さイン
ライン検査装置は、前記表面粗さ計測手段は、コヒーレ
ント光束を出射する光源と、この光源からのコヒーレン
ト光束を前記被検査物に照射するレンズと、前記散乱反
射光の一部を正反射光の占める空間領域以外の空間領域
の２ヶ所以上で受光する受光素子と、これらの受光素子
からの出力と次式

【数６】 とに基づき散乱反射光受光領域における光量の比を求め
る演算処理装置とを具備したことを特徴とする。

【００１４】また、請求項３に係る光学式表面粗さイン
ライン検査装置は、前記表面粗さ計測手段は、コヒーレ
ント光束を出射する光源と、この光源からのコヒーレン
ト光束を前記被検査物に照射するレンズと、前記散乱反
射光の一部を正反射光の占める空間領域以外の空間領域
の２ヶ所以上で受光する受光素子と、該２ヶ所以上の受
光素子からの出力と次式

【数７】 ただし、Ａ，Ｂは次式により置き換えたものである

【数８】

【数９】 とに基づき被測定面の自乗平均平方根粗さＲ_rmsを求め
る演算処理装置とを具備したことを特徴とする。

【００１５】また、請求項４に係る光学式表面粗さイン
ライン検査装置は、前記受光素子の受光面は散乱反射光
の一部を受光する矩形状、円環状または円環の一部から
なる形状であることを特徴とする。

【００１６】また、請求項５に係る光学式表面粗さイン
ライン検査装置は、前記受光素子の被検査物側に散乱反
射光の一部を透過させる矩形状、円環状または円環の一
部からなる形状のスリットを配置することを特徴とす
る。

【００１７】また、請求項６に係る光学式表面粗さイン
ライン検査装置は、前記受光素子の被検査物側に、散乱
反射光の一部を透過させる矩形状、円環状または円環の
一部からなる形状のスリットと、該スリットを透過して
きた散乱反射光を集光するためのレンズとを配置するこ
とを特徴とする。

【００１８】また、請求項７に係る光学式表面粗さイン
ライン検査装置は、前記受光素子の被検査物側に散乱反
射光の一部を反射させる矩形状、円環状または円環の一
部からなる形状の反射型マスクを配置することを特徴と
する。

【００１９】また、請求項８に係る光学式表面粗さイン
ライン検査装置は、前記受光素子の被検査物側に、散乱
反射光の一部を反射させる矩形状、円環状または円環の
一部からなる形状の反射型マスクと、該反射型マスクか
ら反射してきた散乱反射光を集光するためのレンズを配
置することを特徴とする。

【００２０】また、請求項９に係る光学式表面粗さイン
ライン検査装置は、前記受光素子の被検査物側に矩形
状、円環状または円環の一部の領域における散乱反射光
を集光させるレンズを配置することを特徴とする。

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【００２６】

【００２７】

【００２８】

【００２９】

【００３０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態をディスク形
状の製品の表面粗さを検査する場合につき詳細に説明す
る。ただし、この実施の形態は、本発明をより良く理解
させるために具体的に説明するものであり、特に指定の
ない限り、発明の内容を限定するものではない。

【００３１】ここで扱うディスク表面検査装置は、図１
に示すように、ディスク１の表面加工装置２と、加工さ
れたディスク１を良品と不良品とに弁別して収容する仕
分け収納装置３と、表面加工装置２と仕分け収納装置３
との間を移動させる搬送装置４と、搬送途中でディスク
１の表面粗さを測定する表面粗さセンサ５と、製品が粗
さ測定可能な位置まで搬送されてきたことを検出する位
置検出センサ６と、この表面粗さセンサ５および位置検
出センサ６の出力信号から必要な演算を実行しその演算
結果に基づき製品表面の良否を判定して各装置の動作を
指示するシーケンサ信号を出力する演算制御装置７とか
らなる。

【００３２】表面加工装置２には、ディスク１の表面を
砥石２ａにより研摩する加工装置２ｂと、この加工装置
２ｂの動作を制御する加工制御回路２ｃとを備え、この
加工制御回路２ｃからの制御信号に基づき研摩加工を実
行させる。仕分け収納装置３には、良品収容部８と不良
品収容部９とを搬送装置４に形成された分岐路４ａ，４
ｂの終端にそれぞれ備え、搬送装置４により仕分けられ
た良品を良品収容部８に、搬送装置４により仕分けられ
た不良品を不良品収容部９に収容する。

【００３３】搬送装置４は、移動方向を仕分け収納装置
３の良品収容部８と不良品収容部９とに分岐させる分岐
路４ａ，４ｂを接続した移動路４ｃを有し、ディスク１
をつり下げて移動する製品支持移動装置４ｄと、この製
品支持移動装置４ｄを駆動して所定方向へ移動させる駆
動装置４ｅと、この駆動装置４ｅの動作を制御する搬送
制御装置４ｆを備え、加工されたディスク１をつり下げ
て表面粗さセンサ５側へ搬送し、判定結果に基づき良品
か不良品か仕分けされたディスク１を仕分け収納装置３
の良品収容部８か不良品収容部９かのいずれか仕分けら
れた方に収容されるように搬送する。

【００３４】表面粗さセンサ５は、図２，３にも示すよ
うに、コヒーレント光束としてのレーザ光をオートパワ
ーコントロール回路５ｅによって出力レベルを安定化し
てレーザーダイオードから出力する光源５ａと、光源５
ａから出力されたレーザ光をディスク１側に照射するコ
リメータレンズ５ｂと、ディスク１から反射した散乱反
射光の一部を受光する２つの受光素子５ｃ，５ｃとを同
一のボックス５ｄの中に納め、搬送されてきたディスク
１に光源５ａからのレーザ光を照射し、その散乱反射光
を同一ボックス５ｄ内の受光素子５ｃ，５ｃの少なくと
も１つにより受光してその受光量に応じた信号を出力す
る。この実施の形態では、表面粗さセンサ５を２つ用
い、それぞれ対向する向きにしてディスクの裏表がそれ
ぞれ検出できるように配設する。光源５ａからの出力状
況はモニタ５ｆを介して演算制御装置７に通知される。
また、各受光素子５ｃの受光量は光電変換され増幅器５
ｇにより増幅されて演算制御装置７に送信される。

【００３５】位置検出センサ６は、表面粗さセンサ５の
配設位置に対してディスク搬入側の直近に発光素子６ａ
の発光面と受光素子６ｂの受光面とを対向させて配設し
た光学的位置検出センサからなり、ディスク１が表面粗
さ測定可能な位置に近づいたことを検出する。この位置
検出センサ６によりディスク１が搬送されてきたことが
検出されると、演算制御装置７が位置検出センサ６から
の出力信号に基づき表面粗さの測定開始時刻を決定し、
そして、予め設定された搬送速度より割り出した検査に
係る経過時間を加えて終了時刻を決定する。

【００３６】演算制御装置７は、図３，４にも示すよう
に、位置検出センサ６からのアナログ信号をデジタル信
号に変換するＡ／Ｄ変換器７ｄと、変換されたデジタル
信号に基づき必要な処理をするＣＰＵ（中央処理装置）
７ｅと、表面粗さセンサ５、位置検出センサ６、および
演算制御装置７の各部に必要な電力を供給する電源７ｆ
とからなり、ＣＰＵ７ｅは位置検出センサ６からの信号
を受けた時刻を表面粗さセンサ５の測定開始時刻とし、
その測定開始時刻に予め設定された搬送速度より割り出
した検査に係る経過時間を加えて終了時刻として測定時
間を決定する開始終了決定部７ａと、表面粗さセンサ５
の受光量に相応する出力信号の比、またはそれらの出力
信号から自乗平均平方根粗さＲ_rms を求める演算処理部
７ｂと、この演算処理部７ｂの演算結果に基づきディス
ク表面粗さの状態が評価基準である予め設定された許容
範囲内に入っているか否かを判定する良否判定部７ｃ
と、良否判定部７ｃで判定する基準となる評価基準を設
定する判定基準設定部７ｇとを具備する。

【００３７】この演算制御装置７では、開始終了決定部
７ａが位置検出センサ６からディスク１の搬入を検出し
た旨の通知を受けると、表面粗さセンサ５の測定開始時
刻と終了時刻を決定して表面粗さの検査を指示し、演算
処理部７ｂが測定を開始した表面粗さセンサ５の受光量
に相応する出力信号を受けると、それらの比またはそれ
らから自乗平均平方根粗さＲ_rms を求め、良否判定部７
ｃが比または自乗平均平方根粗さＲ_rms あるいは測定受
光量から、ディスク１の表面粗さが判定基準設定部７ｇ
で設定された所定の許容範囲に納まるか否かを判定し、
その判定結果に基づきシーケンス信号を各制御装置に出
力して、搬送されたディスク１を合格品または不合格と
して識別するとともにその結果により製品支持移動装置
４ｄを動作させ分岐路４ａ，４ｂを介して仕分け収納装
置３のいずれか一方へ進むようにさせる。

【００３８】演算処理部７ｂでは、空間周波数ｋの複素
振幅分布Ｆ（ｋ）に基づく散乱反射光の空間周波数ｋに
おける光量Ｆ（ｋ）Ｆ^* （ｋ）、凹凸の傾斜角分布の自
乗平均平方根ｍ、および自乗平均平方根粗さＲ_rms とし
て、２つの受光素子５ｃ，５ｃからの受光量Ｆ（ｋ₁ ）
Ｆ^* （ｋ₁ ），Ｆ（ｋ₂ ）Ｆ^* （ｋ₂ ）の比、または自
乗平均平方根粗さＲ_rms を以下の式により計算する。す
なわち、受光量の比は、以下によって表されるものとす
る。

【数１０】

【００３９】また、自乗平均平方根粗さＲ_rms は、Ａ，
Ｂを

【数１１】

【数１２】 として、式を簡略化して記載すると、

【００４０】

【数１３】 なお、添字⁽²⁾ は照射光束が一定の面積を有する広がり
のある場合における２次元に拡張された値であることを
示す。

【００４１】良否判定部７ｃにおける判定方法は、判定
基準設定部７ｇで設定された判定基準の範囲内に測定光
量、測定光量の比、または自乗平均平方根粗さＲ_rms が
入ると合格、すなわちディスク１は良品であるとする。
これに対して測定光量、測定光量の比、または自乗平均
平方根粗さＲ_rms が判定基準から逸脱すれば不合格、す
なわちディスク１は不良品であるとする。

【００４２】１つの受光素子５ｃの測定光量に基づき判
定する場合では、測定結果が設定した上限Ｈと下限Ｉの
間に入れば合格とし、上限Ｈと下限Ｉのいずれか一方で
も逸脱すれば不合格とする。従って、この場合には、図
５に示す例では、Ｆ曲線の測定結果を示すディスクは測
定光量が下限Ｉよりも下側に落ち込んでいる部分がある
ため不合格品となり、また、Ｇ曲線の測定結果を示すデ
ィスクは測定光量が上限Ｈと下限Ｉとの両方ともに逸脱
した部分があるため不合格品となる。また、２つの受光
素子５ｃの測定光量に基づき判定する場合では、式２に
よって比を算出した場合には、比の値が設定された判定
基準の範囲内にあれば合格とし、また、式５によって自
乗平均平方根粗さＲ_rms を算出した場合には、自乗平均
平方根粗さＲ_rms の値が設定した判定基準の範囲内にあ
れば合格とする。

【００４３】このように構成したディスク表面検査装置
は、ディスク１を表面加工装置２にセットすると、加工
制御装置２ｃからの制御信号に基づき自動的に砥石２ａ
を動かして表面を研摩し、所定の研摩加工を終了する
と、搬送装置４に送られて製品支持移動装置４ｄによっ
て表面粗さを検査可能な状態に支持されて表面粗さセン
サ５の設置位置へ搬送される。

【００４４】表面粗さセンサ５の配設位置にディスク１
が近づくと位置検出センサ６がディスク１を検出し、演
算制御装置７に通知する。演算制御装置７では位置検出
センサ６からの検出信号を受けて開始終了決定部７ａが
表面粗さセンサ５の測定開始時刻と終了時刻を決定し
て、ディスク１が表面粗さセンサ５の配設位置に達した
時点から直ちに測定を行う。

【００４５】表面粗さセンサ５の光源５ａから出力され
たレーザ光がコリメータレンズ５ｂを介してディスク１
側に照射され、ディスク１の検査面により反射された散
乱反射光の一部が受光素子５ｃ，５ｃによって受光され
る。散乱反射光を受光した受光素子５ｃ，５ｃはその受
光量に応じた電気信号を出力し、増幅器５ｇによって増
幅されて演算制御装置７に出力される。

【００４６】表面粗さセンサ５からの出力信号を受けた
演算制御装置７では演算処理部７ｂによって受光量の比
または自乗平均平方根粗さＲ_rms が求められ、その演算
結果を良否判定部７ｃに送出し、良否判定部７ｃでは入
力された演算結果と判定基準設定部７ｇにより設定され
た判定基準と比較し、許容範囲内にあれば良品であると
し許容範囲から逸脱していれば不良品として判定する。
この良否判定部７ｃでは、この判定結果に従い搬送制御
装置４ｆと仕分け収納装置３とにシーケンス信号を出力
して、ディスク１が良品であれば仕分け収納装置３の良
品収容部８に収容させ、また、不良品であれば不良品収
容部９に収容させる。

【００４７】このディスク表面検査装置では、請求項記
載の各手段については、表面粗さセンサ５と演算処理部
７ｂとにより表面粗さ計測手段を構成し、位置検出セン
サ６と開始終了決定部とにより開始終了決定手段を構成
し、良否判定部７ｃによって判定手段を構成している。

【００４８】このようなディスク表面検査装置では、図
２または６に示すように、表面粗さセンサ５に組み込ま
れた光源５ａより出射されたコヒーレント光束は、コリ
メータレンズ５ｂにより略平行光となってディスク１の
検査面に照射され、検査面の凹凸により反射光が散乱
し、正反射光は入射角度と同一の反射角度の方向へ反射
し、散乱光束は正反射光以外の領域に反射して、受光素
子５ｃ，５ｃが設けられた箇所でその一部が受光され
る。この受光素子５ｃ，５ｃからの出力信号の少なくと
も１つによって表面粗さの定性的な判定ができ、また、
出力信号の２つを利用すれば、測定光量の比によって反
射率の変化等に影響を受けずに判定ができ、さらに、自
乗平均平方根粗さＲ_rms を算出すれば定量的な表面粗さ
を判定することができて測定精度を高めることができ
る。

【００４９】このように表面粗さセンサ５の光学系全体
を、図２または６に示すように、被検査物であるディス
ク１の検査面に対して傾けて配設すると、表面の凹凸が
光源１側に向いた面の反射光以外は光源５ａに戻らない
ので、光源５ａへの戻り光が極めて少なくなり、戻り光
の影響を軽減することができる。従って、シグナル・ノ
イズ比Ｓ／Ｎの高い検出ができるようになる。

【００５０】このディスク表面検査装置では正反射光以
外の空間領域の２カ所以上で受光量を計測するので、非
常に大きな傾きの変化がなければ、正確に表面粗さを計
測することができる。このため、従来のＴＩＳ法におい
て散乱総光量と全光量との比が必要なため、正反射光の
測定が必要であったり、被検査物からの正反射光の位置
が変化しないように、被検査物が傾かないように保持す
るか、または、正反射光の位置を正確に求めるような補
正機構を特別に設ける必要があったが、このディスク表
面検査装置ではこれらの必要性がなくなるという利点が
生じる。

【００５１】なぜならば、図７で示したように、散乱反
射光の強度は、空間周波数が比較的高い領域（散乱角度
の大きい領域）では、大きく変化することはないので、
多少、被検査物であるディスク１が傾いても大きな変化
をすることがない。しかも、２つの領域で受光した光量
の比を取れば、式２に示したように、被検査物の反射率
が変化しても変化しないし、被検査物が傾いても比較的
高い周波数領域の変化は少ないので、比を取ることで、
その変化はさらに軽減される。

【００５２】ただし、比を取った場合には、式２に示し
たように、表面の粗さの自乗平均平方根粗さＲ_rms と凹
凸の傾斜角分布の自乗平均平方根ｍとに依るので、正確
な自乗平均平方根粗さＲ_rms を算出することはできない
が、例えば、Ｒ_rms ／ｍの小さいＬ₁ では、互いに異な
る空間周波数ｋ₁ ，ｋ₂ で受光する光量差は小さく、Ｒ
_rms ／ｍの大きいＬ₂ では、互いに異なる空間周波数ｋ
₁ ，ｋ₂ で受光する光量差は大きくなる。従って、表面
粗さの適否を評価基準との比較において相対的に評価す
ることができる。

【００５３】実際、被検査物の表面に円周方向の加工傷
をつけた媒体の表面粗さを評価したところ、接触型のタ
リステップの中心線平均粗さＲ_a との間で高い相関が得
られている。従って、インラインにおける表面状態の検
査で、表面粗さの数値化を必要としない場合には、比を
演算して設定した判定基準との比較により判定すること
により、表面加工の良否を即座に判定することができ
る。また、表面粗さセンサ５，５によって被検査物であ
るディスク１の表面と裏面とを同時に検査することがで
きるから、非常に素早くかつ効率良く検査することがで
きる。

【００５４】〔別態様〕この実施形態の受光素子は、正
反射光を除く領域に３個以上の受光素子（図示せず）を
配置しても良い。この場合には、受光素子数をＮ個とし
た場合に、各受光素子の２つずつの組み合わせより _NＣ
₂ 個の情報を得ることができるので、これらの比あるい
は式５により、各値を計算して平均値もしくは近似曲線
より所望の値を得るようにすれば測定精度を増すことが
できる。

【００５５】また、光源１の向きは、図８に示すよう
に、コヒーレント光束が被検査物に対して垂直に出射す
るような向きに配置しても良い。この場合にはインライ
ン計測における光学系全体の占めるスペースが少なくて
すむ利点がある。なお、光源としては、コヒーレント光
源であれば、半導体レーザーのみならず、気体レーザー
や固体レーザーのような、他のどのような光源を用いて
も良いことは言うまでもない。

【００５６】この他に、表面の加工状態が、レンズの研
磨面などのように、加工傷の方向が全くランダムであっ
たり、少々方向性を有するような場合には、光の散乱方
向は、全方向に広がるので、スリットもしくは鏡等の反
射膜を蒸着してコヒーレント光束を反射させるマスク
（以下、反射型マスクという。図示せず）を設けても、
ある空間周波数の全光束を受光したことにはならないの
で、このような場合には、図９に示すように、反射光を
中心とした円環状の受光面を有する受光素子１１，１２
を配置しても良い。円環状の受光面を有する受光素子１
１，１２を使用した場合には、ある空間周波数領域を全
て包含しているので、加工方法に依らず、安定した検出
を行うことができる。従って、より汎用性の高い表面粗
さ測定ができる。

【００５７】また、同様の理由により、円環状の受光面
を有する受光素子１１，１２と被検査物１との間にスリ
ット（図示せず）を配置しても良い。加工傷が全くラン
ダムな方向を向いている場合には、散乱光は散乱角が等
しければ均一になるので、円環状の一部の光を受光して
も同様の目的を達することができる。また、スリットを
用いると、ディスク１が比較的周囲が明るい環境下に置
かれていても、単位面積当たりの光量は、コヒーレント
光束に比較して、非常に弱いので、スリットに入射され
るコヒーレント光束以外の光量は非常に弱くなり、実質
上、測定結果に影響を与えることがなくなる。従って、
インライン計測において、暗所にするなどの特別な環境
下にする必要性がなくなる。

【００５８】また、上記散乱光を透過させるスリットば
かりではなく、反射型マスクを使用しても良い。この反
射型マスクを使用したものでは、空間周波数の異なる２
つ以上の領域を各反射型マスクの反射方向を変えること
により、空間的に完全に分離させることができるので、
省スペース化を図ることができる。

【００５９】表面の加工状態が、ディスクの円周方向に
加工傷を付けた媒体のように、一方向にそろったものや
ある程度加工方向が決まったもの等においては、光の散
乱方向はその加工傷の方向に対してほぼ垂直な方向に非
常に強くなるから、加工方向に広い矩形状のスリットも
しくは反射型マスクを、受光素子５ｃとディスク１との
間に設けることにより、余計な散乱光をカットすること
ができたり、得られた信号のシグナル・ノイズ比Ｓ／Ｎ
を高くすることができ、測定誤差を少なくすることがで
きる。

【００６０】次に、図１０に示すように、被検査物１と
受光素子５ｃ，５ｃとの間に透過型の矩形状または円環
状のスリット１３，１４をそれぞれ配設し、そのスリッ
ト１３，１４と受光素子５ｃ，５ｃとの間に散乱光を集
光させるレンズ１５，１６をそれぞれ配設して、散乱反
射光を受光素子５ｃ，５ｃに集光させるようにする。さ
らに、被検査物の表面の凹凸により散乱された光を２つ
の光束に分けて、一方の光束がスリット１３および集光
レンズ１５を経て受光素子５ｃの一方に集光され、他方
の光束がスリット１４および集光レンズ１６を経て受光
素子５ｃの他方に集光されるように配置したビームスプ
リッタ１７を設けても良い。

【００６１】この場合には、スリットを円環状に形成す
ることにより円環状の受光面を有する受光素子が必要な
くなり、また、表面状態に依らず表面粗さを評価するこ
とができる。また、光源５ａからの出射光をやや収束気
味にして照射し、集光レンズ１５、１６を凸レンズとす
ることにより、平行光束を収束する場合に比較すると、
全光路長を短くすることができ、全体系をコンパクトに
できる。また、各受光素子５ｃ，５ｃの受光面の形状を
散乱光の受光したい空間周波数領域に合わせた形状にす
る必要がなくなるので、設計の自由度が増す。また、散
乱反射光を透過させるスリットばかりではなく、散乱反
射光を反射させる反射型マスクを使用しても良い。この
反射型マスクを使用したものでは、空間周波数の異なる
２つ以上の領域を各反射型マスクの反射方向を変えるこ
とにより、空間的に完全に分離させることができるの
で、省スペース化が図れる。

【００６２】さらにまた、図１１に示すように、集光レ
ンズ１８を、レンズ中心を除く円環状の２つの透光領域
Ａ，Ｂを有し、他の領域は光が透過しないようにマスク
し、この２つの透光領域Ａ，Ｂには各々別の焦点距離を
与えるようにしても良い。この場合には、マスクやスリ
ットの効果と集光レンズの効果を併せ持った複合的な素
子を用いることができる。このような集光レンズ１８を
製造するには、凸レンズの前側の曲率半径を各領域Ａ，
Ｂで異なるように研磨するか、各領域の屈折率を別々の
イオンの注入により変化させるか、あるいはホログラム
素子にする等の多くの方法が考えられるが、最も簡単な
方法としては、異なる焦点距離を有する２つの凸レンズ
を円環状に切り出し、マスク領域を平面ガラスとしては
め込むことにより実現できる。ただし、実際には、前側
で屈折した光線の高さは後側では前側よりも低くなるか
ら、各領域Ａ，Ｂは必要とする空間周波数領域よりも大
きめに円環部分を切り出す必要がある。

【００６３】このような複合的な素子を用いると、円環
状の部分を通過した光束、即ち、被検査物であるディス
ク１により散乱された光の異なる空間周波数を、異なる
焦点で検出することができ、従って、図１２に示すよう
に、集光レンズ１８、受光素子５ｃの一方、および受光
素子５ｃの他方を、それぞれ光学的に直列な配置にする
ことができる。この場合には、ビームスプリッター１７
等を用いる必要がないために、光学系が非常に簡素化さ
れる。また、図１２において、光源５ａからの出射光を
やや収束気味にして被検査物に照射すると、平行光を収
束する場合に比較して、全光路長を短くすることがで
き、全体系をコンパクトにすることができる。

【００６４】そして、集光レンズ１８の円環状領域を３
つ以上にすることもできるので、簡単な構成で３つ以上
の空間周波数領域の情報を同時に検出することもでき、
従って、正反射光を除く領域に３個以上の受光素子を配
置したのと変わりがなく、この場合には、受光素子数を
Ｎ個とした場合に、各受光素子の２つずつの組み合わせ
より _NＣ₂ 個の情報を得ることができ、測定精度を増す
ことができる。

【００６５】さらにまた、位置検出については、受光素
子自体を使用して検出するようにしても良い。この場合
には、通常、円盤状の表面加工を施した製品では面取り
加工が施されているから、面取りされた部位に表面粗さ
センサ５，５からの出射光がかかった場合には、面取り
された面での正反射光の方向が広範囲に広がり、本来散
乱反射光が受光される受光素子５ｃに正反射光成分が入
射される。

【００６６】この成分は，表面の粗さによる散乱反射光
よりも強いから、図１３に示すように、受光素子５ｃか
らの出力は、被検査物の面取り部分が照射ビームの出て
いる位置に入ってくると徐々に大きくなり、面取り部分
が照射ビームから抜け出すと本来の被検査物の表面粗さ
による散乱光強度になる。従って、図中のＤで示すピー
ク位置を演算処理部７ｃで捕捉することにより、また
は、光強度に閾値Ｅを設定し、閾値を超えてから次に閾
値より下がった時点を基準にすることにより、そこから
搬送速度より算出したタイミングだけずらして測定開始
とすることができる。次に、測定終了時は、搬送装置の
速度より割り出した必要とする検査時間より決定すれば
よい。例えば、検査を全面で行なう場合には、被検査物
の大きさと搬送速度より検査時間を算出すればよい。

【００６７】この被検査物に対する表面粗さセンサー５
を用いて位置検出する方法の場合では、表面粗さセンサ
ー以外に発光素子と受光素子との組などを用いたセンサ
ーを設ける必要がないので、表面粗さセンサー５との位
置合せ等が不要になり、構成が簡単になる。さらに、表
面用と裏面用とに個別に算出手段を設けておけば、実質
的に２つの光学系のディスクに当たっているスポットの
位置を調整する必要がないので、設置も容易となる。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
係る光学式表面粗さインライン検査装置では、ロボット
やコンベアー等の搬送装置により被検査物を搬送する途
中で、開始終了決定手段による被検査物の測定可能位置
に到達したことを検出することができて被接触式に表面
粗さを検査することができ、表面粗さ計測手段に具備さ
れた正反射光以外の空間領域の２ヶ所以上で受光量を計
測する受光素子からの出力信号の少なくとも１つを用い
て判定手段によって表面粗さの定性的な判定ができ、ま
た、２ヶ所以上からの出力信号を利用すれば、測定光量
の比によって反射率の変化等に影響を受けずに判定がで
き、さらに、自乗平均平方根粗さＲ_rmsを算出すれば定
量的な表面粗さを判定することができて、測定精度を高
めることができるとともに定量的な判定を容易にするこ
とができる。そして、２ヶ所以上の散乱反射光受光領域
における散乱反射光の一部の受光量を用いることで、簡
便に相対的な表面粗さを評価することができるから表面
粗さのインライン検査が迅速にでき、２ヶ所以上で受光
量を計測するので、非常に大きな傾きの変化がなけれ
ば、正確に表面粗さを計測することができる。従来の計
測方法においては散乱総光量と全光量との比が必要なた
め、正反射光を測定する必要があったり、被検査物から
の正反射光の位置が変化しないように、被検査物が傾か
ないように保持するか、または、正反射光の位置を正確
に求めるような補正機構を特別に設ける必要があった
が、本発明の検査装置ではこれらの必要性がなくなると
いう利点が生じる。

【００６９】請求項２に係る光学式表面粗さインライン
検査装置では、２ヶ所以上の散乱反射光受光領域におけ
る受光量の比を取ることで、簡便に相対的な表面粗さを
評価することができるとともに、検出出力の検査面に対
する傾きに依る影響を低減させることができる。また、
被検査物搬送手段を用いた被検査物の搬送において、光
軸と被検査物との角度が変化してもその影響を低減で
き、インライン検査を容易かつ迅速に実行することがで
きる。

【００７０】請求項３に係る光学式表面粗さインライン
検査装置では、２ヶ所以上の散乱反射光受光領域におけ
る受光量から被測定面の自乗平均平方根粗さＲ_rmsを求
めることで、定量的な表面粗さを評価することができる
とともに、検出出力の検査面に対する傾きに依る影響を
低減させることができる。また、被検査物搬送手段を用
いた被検査物の搬送において、光軸と被検査物との角度
が変化してもその影響を低減でき、インライン検査を容
易かつ迅速に実行することができる。

【００７１】請求項４に係る光学式表面粗さインライン
検査装置では、受光素子の受光面が散乱反射光の一部を
受光する矩形状、円環状または円環の一部からなる形状
に成形されているから、不要な散乱光をカットして、Ｓ
／Ｎを向上させることができて測定精度を向上させるこ
とができ、表面粗さの定性的な評価値や自乗平均平方根
表面粗さＲ_rmsの測定精度を高めることができる。

【００７２】請求項５に係る光学式表面粗さインライン
検査装置では、受光素子の被検査物側に、散乱光の一部
を透過させる矩形状、円環状または円環の一部からなる
形状のスリットを配置したことにより、光学系の構成が
非常に簡単になるとともに、不要な散乱光をカットし
て、Ｓ／Ｎを向上させることができ、測定精度を高くす
ることができる。

【００７３】請求項６に係る光学式表面粗さインライン
検査装置では、受光素子の被検査物側に、散乱光の一部
を透過させる矩形状、円環状または円環の一部からなる
形状のスリットと、このスリットを透過してきた散乱光
を集光するための集光レンズとを配置したことにより、
不要な散乱光をカットしてＳ／Ｎを向上させることがで
き、測定精度を向上させることができるとともに、不要
な光をカットできるので計測位置を暗所にする必要性が
なくなる。

【００７４】請求項７に係る光学式表面粗さインライン
検査装置では、受光素子の被検査物側に、散乱光の一部
を反射させる矩形状、円環状または円環の一部からなる
形状の反射型マスクを配置したことにより、光学系の構
成が非常に簡単になるとともに、不要な散乱光をカット
して、Ｓ／Ｎを向上させることができ、測定精度を高く
することができる。

【００７５】請求項８に係る光学式表面粗さインライン
検査装置では、受光素子の被検査物側に、散乱光の一部
を反射させる矩形状、円環状または円環の一部からなる
形状の反射型マスクと、この反射型マスクから反射して
きた散乱光を集光するための集光レンズとを配置したこ
とにより、不要な散乱光をカットしてＳ／Ｎを向上させ
ることができ、測定精度を向上させることができるとと
もに、不要な光をカットできるので計測位置を暗所にす
る必要性がなくなる。

【００７６】請求項９に係る光学式表面粗さインライン
検査装置では、受光素子の被検査物側に矩形状、円環状
または円環の一部の領域における散乱光を集光させるレ
ンズを配置したことにより、光学系の構成を非常に簡単
な構成にすることができ、コンパクト化することができ
る。

【００７７】

【００７８】

【００７９】

【００８０】

【００８１】

【００８２】

【００８３】

【００８４】

【００８５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学的表面粗さインライン検査装置お
ける実施の形態を示す全体構成図である。

【図２】実施の形態における表面粗さセンサを示す縦断
面説明図である。

【図３】実施の形態における表面粗さインライン検査装
置に係る表面粗さセンサと演算制御装置とを示すブロッ
ク図である。

【図４】実施の形態におけるＣＰＵを示すブロック図で
ある。

【図５】実施の形態における測定光量の判定条件を示す
グラフである。

【図６】実施の形態における表面粗さセンサと被検査物
との傾きを示す側面説明図である。

【図７】実施の形態における測定光量の比による評価を
説明するグラフである。

【図８】実施の形態における被検査物に対して垂直に表
面粗さセンサを設けた別態様を示す側面説明図である。

【図９】実施の形態における円環状の受光面を有する受
光素子を備えた別態様を示す側面説明図である。

【図１０】実施の形態におけるスリットを用いた別態様
を示す側面説明図である。

【図１１】実施の形態におけるスリットと集光レンズと
を併せ持つ集光レンズを示す説明図であり、（イ）は側
面図、（ロ）は正面図である。

【図１２】実施の形態におけるスリットと集光レンズと
を併せ持つ集光レンズを用いた別態様を示す側面説明図
である。

【図１３】実施の形態における位置検出に表面粗さセン
サを使用した場合の判定方法を示すグラフである。

【図１４】従来のＴＩＳ法を適用した光学式表面粗さ計
測装置を示す構成図である。

【記号の説明】

１ ディスク ２ 表面加工装置 ３ 仕分け収納装置 ４ 搬送装置 ４ｆ 搬送制御装置（仕分け手段） ５ 表面粗さセンサ（表面粗さ計測手段） ６ 位置検出センサ（開始終了決定手段） ７ 演算制御装置 ７ａ 開始終了決定部（開始終了決定手段） ７ｂ 演算処理部（表面粗さ計測手段） ７ｃ 良否判定部（判定手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 重人 千葉県船橋市豊富町585番地 住友大阪 セメント株式会社 新規技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−140904（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−318319（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−85614（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】搬送されてくる被検査物にコヒーレント光
   束を照射し，その散乱反射光を測定して、被検査物の表
   面粗さをインラインで検査する装置において、 前記被検査物の被測定面に照射したコヒーレント光束の
   散乱反射光の光量を測定して前記被測定面の表面粗さを
   計測する表面粗さ計測手段と、 前記被検査物に対する測定開始時と測定終了時とを決定
   する開始終了決定手段と、 前記表面粗さ計測手段からの計測結果と予め設定された
   評価基準とに基づき前記被検査物の表面粗さの良否を判
   定する判定手段とを具備し、 前記表面粗さ計測手段には、コヒーレント光束を出射す
   る光源と、この光源からのコヒーレント光束を前記被検
   査物に照射するレンズと、前記散乱反射光の一部を正反
   射光の占める空間領域以外の空間領域の２ヶ所以上で受
   光する受光素子と、これらの受光素子からの出力に基づ
   き被測定面の表面粗さの状況を把握する演算処理装置と
   を備え たことを特徴とする光学式表面粗さインライン検
   査装置。
2. 【請求項２】前記表面粗さ計測手段は、コヒーレント光
   束を出射する光源と、この光源からのコヒーレント光束
   を前記被検査物に照射するレンズと、前記散乱反射光の
   一部を正反射光の占める空間領域以外の空間領域の２ヶ
   所以上で受光する受光素子と、これらの受光素子からの
   出力と次式 【数１】 とに基づき散乱反射光受光領域における光量の比を求め
   る演算処理装置とを具備したことを特徴とする請求項１
   記載の光学式表面粗さインライン検査装置。
3. 【請求項３】前記表面粗さ計測手段は、コヒーレント光
   束を出射する光源と、この光源からのコヒーレント光束
   を前記被検査物に照射するレンズと、前記散乱反射光の
   一部を正反射光の占める空間領域以外の空間領域の２ヶ
   所以上で受光する受光素子と、該２ケ所以上の受光素子
   からの出力と次式 【数２】 ただし、Ａ，Ｂは次式により置き換えたものである 【数３】 【数４】 とに基づき被測定面の自乗平均平方根粗さＲ _rms を求め
   る演算処理装置とを具備したことを特徴とする請求項１
   記載の光学式表面粗さインライン検査装置。
4. 【請求項４】前記受光素子の受光面は散乱反射光の一部
   を受光する矩形状、円環状または円環の一部からなる形
   状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに
   記載の光学式表面粗さインライン検査装置。
5. 【請求項５】前記受光素子の被検査物側に散乱反射光の
   一部を透過させる矩形状、円環状または円環の一部から
   なる形状のスリットを配置することを特徴とする請求項
   １乃至３のいずれかに記載の光学式表面粗さインライン
   検査装置。
6. 【請求項６】前記受光素子の被検査物側に、散乱反射光
   の一部を透過させる矩形状、円環状または円環の一部か
   らなる形状のスリットと、該スリットを透過してきた散
   乱反 射光を集光するためのレンズとを配置することを特
   徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学式表面
   粗さインライン検査装置。
7. 【請求項７】前記受光素子の被検査物側に散乱反射光の
   一部を反射させる矩形状、円環状または円環の一部から
   なる形状の反射型マスクを配置することを特徴とする請
   求項１乃至３のいずれかに記載の光学式表面粗さインラ
   イン検査装置。
8. 【請求項８】前記受光素子の被検査物側に、散乱反射光
   の一部を反射させる矩形状、円環状または円環の一部か
   らなる形状の反射型マスクと、該反射型マスクから反射
   してきた散乱反射光を集光するためのレンズを配置する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光
   学式表面粗さインライン検査装置。
9. 【請求項９】前記受光素子の被検査物側に矩形状、円環
   状または円環の一部の領域における散乱反射光を集光さ
   せるレンズを配置することを特徴とする請求項１乃至３
   のいずれかに記載の光学式表面粗さインライン検査装
   置。