JP5529829B2 - 高さ測定装置及び高さ測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料の形状分布を測定する技術であり、特に半導体基板の凹凸、圧延材の歪による凹凸などを測定する記述に関するものである。

近年、実装部品の上面に光ビームを照射し、実装部品からの正反射光をスクリーンに投影し、スポット光を観測し、スポット光の位置の変化に基づいて実装部品の高さを測定する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。そして、特許文献１では、測定した高さが基準高さと一致しない場合、実装部品の高さの公称値を用いて、測定位置をずらす技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１の手法では、実装部品の高さの公称値を予め取得しておく必要があり、公称値が未知の部品については高さを測定することができないという問題がある。

特許文献２には、板材に写った棒状光源の虚像をＸ座標及びＹ座標で規定される各ブロックに分割し、２値化処理を行い、輝線の各分割領域のデータに基づき、輝線の形態に適応した関数式（Ｙ＝ａ０＋ａ１Ｘ＋ａ２Ｘ^２＋ａ３Ｘ^３＋ａ４Ｘ^４＋ａ５Ｘ^５＋ａ６Ｘ^６）を設定する。そして、この関数式を用いて輝線の各分割領域のＸ方向位置を求め、輝線を関数式で近似し、輝線の検出精度の向上を図る技術が開示されている。

しかしながら、特許文献２では、試料に凹凸がある場合、棒状光源の虚像が曲がって観測され、試料の凹凸を精度良く検出することができないという問題がある。

特許文献３には、下記の技術が開示されている。まず、搬送されているアルミ圧延板の鏡面反射光をカメラにより連続撮像し、アルミ圧延板の凹凸を示す高輝度部を含むフレーム画像データを順次に取得する。このフレーム画像データは、圧延板の凹凸がＹ座標で示され、圧延板の幅方向がＸ座標で示されている。そして、各Ｘ座標について、連続する複数のフレーム画像データでの高輝度部のＹ座標の差を求め、高輝度部のＹ座標の最大差を特定し、特定した最大差が所定の値より大きい場合、該当するＸ座標の１ライン上に凹凸が存在すると判定する技術が開示されている。

特開２０１０−１４０９３２号公報 特開平６−９４４３９号公報 特開２０１０−１３９４５５号公報

しかしながら、特許文献３の手法では、単に、高さの変化が一定以上であるＸ座標を特定し、そのＸ座標上に凹凸が存在するか否かを判定しているにすぎず、圧延板の各位置の高さを求めるものではない。

本技術の目的は、鏡面性を持つ試料の各位置の高さを正確に求めることができる技術を提供することである。

本発明による高さ測定装置は、鏡面性を有する試料を搬送する搬送部と、前記試料に拡散光を照射する光源と、前記光源により照射された試料からの鏡面反射光を受光し、前記鏡面反射光を示す輝線を含む試料画像を順次に撮像する撮像部と、前記撮像部により順次に撮像された試料画像から輝線を抽出し、所定の基準高さ及び基準傾きを示す基準輝線に対する各輝線のずれを求める輝線抽出部と、前記基準高さからの前記試料の高さに基づく前記基準輝線からの前記輝線のずれを示す高さずれ成分と、前記基準傾きからの前記試料の傾きに基づく前記基準輝線からの前記輝線のずれを示す傾きずれ成分との一次結合で前記基準輝線に対する前記輝線のずれを表す方程式に、前記輝線抽出部により抽出された輝線のずれを代入することで、前記試料の高さを順次に算出する高さ算出部とを備え、前記高さずれ成分は、２ｓｉｎθ・ｄ（ｘ）で表され、前記傾きずれ成分は、２Ｌ・（ｄ／ｄｘ）・ｄ（ｘ）で表され、前記方程式は、ｗ（ｘ）＝２Ｌ・（ｄ／ｄｘ）・ｄ（ｘ）＋２ｓｉｎθ・ｄ（ｘ）で表される。
但し、ｘは前記搬送方向に対する前記試料の測定位置を示し、ｗ（ｘ）は前記基準輝線からの輝線のずれを示し、Ｌは前記鏡面反射光の光路長であり、ｄ（ｘ）は前記基準高さからの前記試料の高さを示し、（ｄ／ｄｘ）・ｄ（ｘ）は前記基準傾きからの前記試料の傾きを示し、θは前記鏡面反射光の反射角を示す。

この構成によれば、搬送されている試料を連続撮像することで、正反射光を示す輝線を含む試料画像が順次に取得される。そして、基準高さからの試料の高さに基づく基準輝線からの輝線のずれを示す高さずれ成分と、基準傾きからの試料の傾きに基づく基準輝線からの輝線のずれを示す傾きずれ成分との一次結合によって基準輝線に対する輝線のずれを表す方程式を用いて試料の高さが求められている。そのため、鏡面性を持つ試料の高さを精度良く求めることができる。

また、搬送されている試料が連続撮像されているため、試料の搬送方向における各位置の高さを順次に求めることができ、試料の表面形状を求めることができる。
また、この構成によれば、基準輝線に対する輝線のずれｗ（ｘ）を代入し、ｄ（ｘ）について方程式を解くことで、位置ｘにおける高さｄ（ｘ）を求めることができる。

前記試料は、筋状の凹凸を持ち、前記光源は、長手方向が前記試料の凹凸の長手方向と直行するように配置された棒状光源であることが好ましい。

この構成によれば、棒状光源の長手方向が試料の凹凸の長手方向と直交するように配置されているため、例えば、太陽電池ウェハやアルミ圧延材等の筋状の凹凸を持つ試料に鏡面性を持たせることができる。

前記基準輝線は、初期の測定位置における前記試料の輝線であることが好ましい。

この構成によれば、初期位置の輝線が基準輝線とされるため、試料とは別の基準試料を別途用いて初期位置の輝線を測定することなく、基準輝線を得ることができる。

前記試料に対して光切断線を照射するレーザ光源と、前記レーザ光源により照射された光切断線を前記撮像部で撮像し、得られた光切断線画像に基づき、前記試料の幅方向の初期の各測定位置の高さを算出する基準高さ算出部とを更に備え、前記高さ算出部は、前記基準高さ算出部により算出された初期の各測定位置の高さを用いて前記試料の各位置の高さの測定位置を算出することが好ましい。

この構成によれば、（１）に示す方程式を解く際に必要となる初期値を得ることができ、試料の高さを精度良く求めることができる。また、試料の幅方向の初期の各測定位置の高さを得ることができ、以後、この初期の高さを用いて幅方向の各位置に対する搬送方向の各位置の高さを求めることができ、試料の幅方向の相対的な高さの差異を考慮に入れて試料の高さを算出することができる。

本発明によれば、搬送されている試料を連続撮像することで、正反射光を示す輝線を含む試料画像が順次に取得される。そして、基準高さからの試料の高さに基づく基準輝線からの輝線のずれを示す高さずれ成分と、基準傾きからの試料の傾きに基づく基準輝線からの輝線のずれを示す傾きずれ成分との一次結合によって基準輝線に対する輝線のずれを表す方程式を用いて試料の高さが求められている。そのため、鏡面性を持つ試料の高さを精度良く求めることができる。

また、搬送されている試料を連続撮像されているため、試料の搬送方向における各位置の高さを順次に求めることができ、試料の表面形状を示すデータを得ることができる。

本発明の実施の形態による高さ測定装置の全体構成図である。 試料画像の一例を示した図であり、（Ａ）は試料が平坦な場合の試料画像を示し、（Ｂ）は試料に凹凸がある場合の試料画像を示している。 本発明の原理を説明するための図であり、図１において、試料をｊ軸方向から見た図である。 図１に示す高さ測定装置のブロック図である。 光切断法を用いて初期の高さを算出する場合の高さ測定装置の全体構成図である。 ｘ軸方向視におけるレーザ光源５と試料Ｓとの位置関係を示した図である。 本発明の実施の形態による高さ測定装置の動作を示すフローチャートである。

図１は、本発明の実施の形態による高さ測定装置の全体構成図である。図１に示すように高さ測定装置は、光源１、撮像部２、及び搬送部３を備えている。試料Ｓは筋状の凹凸を持つ鏡面性を有する板材により構成されている。

また、試料Ｓとして、筋状の凹凸を周期的に持つ平板状の物体を採用することができる。具体的には、試料Ｓとして、円筒状のインゴットを長手方向に直行する方向に切断することで得られた太陽電池ウェハや、アルミを圧延して得られた圧延材を採用することができる。圧延材は圧延する際に筋状の圧延疵が一定方向に向けて形成される。また、太陽電池ウェハはインゴットを切断する際にソーマークと呼ばれる筋状の凹凸が一定方向に向けて形成される。本実施の形態では、このような、筋状の凹凸を持つ試料Ｓを測定対象としている。そして、試料Ｓは筋状の凹凸の長手方向が搬送方向Ａとほぼ平行になるように配置されている。

以下の説明では、試料Ｓの主面に直交する高さ方向にｙ軸を設定し、搬送方向Ａと平行な方向にｘ軸を設定し、ｘ方向及びｙ方向のそれぞれに直交する試料Ｓの幅方向にｊ軸を設定する。

光源１は、試料Ｓを真上から見た場合、長手方向が試料Ｓの搬送方向Ａに直行するように、つまり、ｊ軸方向を向くように配置された棒状光源で構成され、試料Ｓに対し、拡散光を照射する。具体的には光源１としては、蛍光灯が採用されている。ここで、光源１の長手方向の長さとしては、例えば、試料Ｓの幅方向の全域に対して拡散光を照射することができる長さを持つことが好ましく、具体的には、試料Ｓの幅方向よりも長い長さを持つことが好ましい。

撮像部２は、例えば所定のフレームレートで、試料Ｓの画像である試料画像を撮像する動画カメラにより構成されている。ここで、撮像部２は、光源１から照射された光Ｌ１の鏡面反射光Ｌ２を受光する。また、撮像部２は、レンズ及び受光素子（図略）を備え、受光素子はレンズを介して鏡面反射光Ｌ２を受光する。

ここで、光源１と撮像部２とは、図３に示すように、ｘ軸方向のある測定位置である位置ｘ及び光源１間の距離と、位置ｘ及び撮像部２間の距離とが共にＬとなるように配置されている。また、位置ｘにおける試料Ｓの法線Ｈ１と撮像部２とのなす角と、法線Ｈ１と光源１とのなす角とは共にθであり等しい。

したがって、撮像部２は、光Ｌ１の位置ｘにおける鏡面反射光Ｌ２が輝線として表された試料画像、つまり、光源１の試料Ｓに対する鏡像１’が輝線として表われた試料画像を得ることができる。

なお、本実施の形態では、各測定位置は、ｊ軸上に一定の間隔で配置された複数の座標と、ｘ軸上に一定の間隔で配置された複数の座標とによって規定されている。つまり、測定位置はｊ−ｘ平面おいてマトリックス状に分布している。よって、試料Ｓの主面の全域の高さを得ることができる。

図１に戻り、搬送部３は複数の搬送ローラ３１により構成される。図１では、３つの搬送ローラ３１が示されているが、これは一例であり、４，５，６つ以上であってもよく、試料Ｓを搬送方向Ａに沿ってがたつくことなく搬送するために搬送ローラ３１の間隔は試料Ｓのｘ方向の長さよりも短いことが好ましい。

搬送ローラ３１の上側には試料Ｓが載置され、図略のモータによって搬送ローラ３１が回転駆動され、試料Ｓが搬送される。ここで、搬送部３は、搬送方向Ａに向けて一定の速度で試料Ｓを搬送する。そして、試料Ｓは搬送方向Ａに向けて一定速度で搬送されながら撮像部２によって一定のフレームレートで撮像される。そのため、一定の周期で試料画像が順次に取得される。

図２は、試料画像の一例を示した図であり、（Ａ）は試料Ｓが平坦な場合の試料画像Ｇ１を示し、（Ｂ）は試料Ｓに凹凸がある場合の試料画像Ｇ１を示している。

図２（Ａ）、（Ｂ）において、ｉ軸は試料画像Ｇ１の垂直座標を示し、ｊ軸は試料画像Ｇ１の水平座標を示している。なお、ｊ軸は図１に示すｊ軸に対応しており、試料Ｓの幅方向を示している。図２（Ａ）では、試料Ｓのｊ軸方向の形状が地表面に対して平行であり平坦である。そのため、図２（Ａ）の試料画像Ｇ１において輝線ＫＬはｊ軸と平行に現れている。

一方、図２（Ｂ）の試料画像Ｇ１において、輝線ＫＬはｊ軸の中央付近で突出している。そのため、図２（Ｂ）の試料画像Ｇ１ではｊ軸の中央に向かうにつれてｉ軸の値が徐々に増大し、凸形状を有している。

図４は、図１に示す高さ測定装置のブロック図である。図４に示すように高さ測定装置は光源１、撮像部２、搬送部３、制御部４、及びレーザ光源５を備えている。制御部４は、例えばマイクロコントローラにより構成され、搬送制御部４１、光源制御部４２、輝線抽出部４３、高さ算出部４４、及び基準高さ算出部４５を備えている。

搬送制御部４１は、搬送部３を制御するものであり、例えば、搬送ローラ３１を駆動するモータに制御信号を出力し、モータを駆動させて搬送ローラ３１を駆動する。ここで、搬送制御部４１は、例えば、オペレータにより測定開始ボタンが押されることで、搬送部３の駆動を開始させる。

光源制御部４２は、光源１に駆動信号を供給して光源１を点灯させるものであり、例えば測定開始ボタンが押されることで、光源１の点灯を開始させる。

輝線抽出部４３は、撮像部２により順次に撮像された試料画像Ｇ１から輝線ＫＬを抽出し、所定の基準高さ及び基準傾きを示す基準輝線ＫＬ＿０に対する各輝線ＫＬのずれを求める。ここで、輝線抽出部４３は、例えば、図２（Ａ）に示すように、試料画像Ｇ１に対し、ｉ軸と平行に注目ラインＣＬ（ｊ）を設定し、注目ラインＣＬ（ｊ）上において、最も輝度の高い画素ｇｍａｘ（ｊ）を探索する。注目ラインＣＬ（ｊ）の探索が終了すると、次に、ｊを１インクリメントして、次の注目ラインＣＬ（ｊ）において最も輝度の高い画素ｇｍａｘ（ｊ）を探索する。そして、この探索をｊ＝０からｊ＝Ｊまで、ｊを１ずつ増大させながら、各注目ラインＣＬ（ｉ）に対して繰り返し実行する。そして、ｇｍａｘ（０）〜ｇｍａｘ（Ｊ）からなる画素群を輝線ＫＬとして抽出する。つまり、輝線抽出部４３は、１枚の試料画像Ｇ１から１本の輝線ＫＬを抽出する。なお、Ｊはｊ軸上における試料Ｓの測定位置の最大値を示している。

この場合、最も輝度の高い画素ｇｍａｘ（ｊ）をサブピクセル単位で探索してもよい。具体的には、注目ラインＣＬ（ｊ）に配列された各画素の輝度を例えばスプライン補間等の補間処理を用いて補間することで、注目ラインＣＬ（ｊ）の輝度の曲線を求め、この曲線の重心のｉ座標を例えば小数点第１位まで求め、画素ｇｍａｘ（ｊ）として探索すればよい。

そして、輝線抽出部４３は、基準輝線ＫＬ＿０に対する輝線ＫＬのずれを求める。図３に示すように、上側の試料Ｓがずれる前の試料Ｓを示し、下側の試料Ｓがｙ軸に沿って下側にｄ（ｘ）ずれた後の試料Ｓを示している。ずれる前の試料Ｓに光Ｌ１を照射したときに試料画像に現れる輝線ＫＬを基準輝線ＫＬ＿０とする。本実施の形態では、基準輝線ＫＬ＿０としてはｘ＝０の初期の測定位置における輝線ＫＬを採用する。また、基準高さはｘ＝０の試料Ｓの高さを示し、基準傾きはｘ＝０の試料Ｓの傾きを示す。

そして、輝線抽出部４３は、基準輝線ＫＬ＿０のあるｊ（＝０〜Ｊ）におけるｉ軸の値をｉ＿ＫＬ＿０（ｊ）とし、輝線ＫＬのあるｊにおけるｉ軸の値をｉ＿ＫＬ（ｊ）とすると、ｉ＿ＫＬ（ｊ）−ｉ＿ＫＬ＿０（ｊ）を基準輝線ＫＬ＿０に対する輝線ＫＬのずれｗ（ｘ）として求める。つまり、輝線抽出部４３は、基準輝線ＫＬ＿０及び輝線ＫＬにおいて、ｊを同じとするｉ軸の値の差分をとることで、基準輝線ＫＬ＿０に対する輝線ＫＬのずれを求める。これにより、高さ算出部４４は、ｊにより規定される幅方向の各位置における高さｄ（ｘ）を求めることになる。

高さ算出部４４は、基準高さからの試料Ｓの高さに基づく基準輝線ＫＬ＿０からの輝線ＫＬのずれを示す高さずれ成分と、基準傾きからの試料Ｓの傾きに基づく基準輝線ＫＬ＿０からの輝線ＫＬのずれを示す傾きずれ成分との一次結合で基準輝線ＫＬ＿０に対する輝線ＫＬのずれを表す方程式に、輝線抽出部４３により抽出された輝線ＫＬのずれを代入することで、試料Ｓの高さｄ（ｘ）を順次に算出する。

具体的には、高さずれ成分は２ｓｉｎθ・ｄ（ｘ）で表され、傾きずれ成分は２Ｌ・φ（ｘ）で表され、方程式は式（１）で表される。

ｗ（ｘ）＝２Ｌ・φ（ｘ）＋２ｓｉｎθ・ｄ（ｘ） （１）
但し、ｗ（ｘ）は基準輝線ＫＬ＿０からの輝線ＫＬのずれを示し、Ｌは鏡面反射光Ｌ２の光路長を示し、ｄ（ｘ）は基準高さからの試料Ｓの高さを示し、φ（ｘ）は基準傾きからの試料Ｓの傾きを示し、θは鏡面反射光Ｌ２の反射角を示す。

図３は、本発明の原理を説明するための図であり、図１において、試料Ｓをｊ軸方向から見た図である。試料Ｓが光Ｌ１を鏡面反射する場合、撮像部２では光源１の鏡像１’が、試料画像Ｇ１における輝線ＫＬとして現れる。

以下、試料Ｓが平坦であるものとして、輝線ＫＬのずれｗ（ｘ）と、基準傾きからの試料Ｓの傾きφ（ｘ）と、基準高さからの試料Ｓの高さｄ（ｘ）との関係を説明する。

鏡像１’は、光源１を試料Ｓに対して線対称に折り返した位置に位置している。試料Ｓがｙ軸に沿って距離ｄ（ｘ）だけ下に変化した場合、鏡像１’はｙ軸に沿って２ｄ（ｘ）だけ下に移動したように観測される。そのため、鏡面反射光Ｌ２と直交する方向における鏡像１’の変化は２ｓｉｎθ・ｄと表すことができる。したがって、試料Ｓがｙ軸に沿って距離ｄ（ｘ）だけ下に変化した場合の撮像部２で観測される鏡像１’のずれｗ（ｘ）、つまり、高さずれ成分は２ｓｉｎθ・ｄとなる。

一方、試料Ｓが位置ｘを中心にφだけ傾いたとすると、鏡像１’はφが小さいとき、撮像部２において近似的に２Ｌ・φだけ回転したように観測される。そのため、鏡面反射光Ｌ２と直交する方向における鏡像１’のずれは２Ｌ・φと表すことができる。よって、傾きずれ成分は２Ｌ・φによって表される。

以上より、位置ｘにおける輝線ＫＬのずれｗ（ｘ）は、高さずれ成分と傾きずれ成分との一次結合によって表される。したがって、ｘ＝０における高さｄ（０）の値である初期値が分かれば、以降、基準輝線ＫＬ＿０に対する各輝線ＫＬのずれｗ（ｘ）から基準高さに対する試料Ｓの高さｄ（ｘ）を順次に算出することができる。

ここで、試料Ｓはｘ方向に移動するため、凹凸の影響を受け、輝線ＫＬのずれｗ（ｘ）の値が変化する。よって、輝線ＫＬのずれｗ（ｘ）が分かれば基準高さからの試料Ｓの高さｄ（ｘ）を求めることができる。

一方、傾きφ（ｘ）も同様にｘの関数であるが、この値は試料Ｓの傾きの変化であるため、ｄ（ｘ）のｘ方向の微分値と一致する。すなわち、式（１）は、下記の式（２）のように表される。

ｗ（ｘ）＝２Ｌ・（ｄ／ｄｘ）・ｄ（ｘ）＋２ｓｉｎθ・ｄ（ｘ） （２）
式（２）は、微分方程式となっており、積分定数をＣとし、ｄ（ｘ）について解くと、式（３）のように表される。

d(x)=exp(-sinθ・x/L)∫(w(x)/2L)・exp(sinθ・x/L)dx+C （３）
なお、測定にあたり試料Ｓの相対的変化がわかれば十分であり、Ｃの値は必ずしも測定する必要はない。

本実施の形態では、高さ算出部４４は、ｄ（０）＝０とし、以降、ｄ（１），ｄ（２），ｄ（３），・・・，ｄ（ｘ）を順次に算出する。よって、ｘ＝０においてｊ軸上の各測定位置の高さｄ（０）は全て０とみなされ、ｘ軸方向の相対的な高さの変化のみが観測される。

太陽電池ウェハや圧延材には筋状の凹凸が存在し、表面に粗さを持っている。このような表面粗さを持つ部材を試料Ｓとした場合、光Ｌ１は鏡面反射されないのが一般的である。一方、表面粗さを持つ試料Ｓであっても、凹凸の長手方向をｘ軸方向と直交するように配置すると、図３に示すように光Ｌ１を鏡面反射させることができる。これにより、試料Ｓに鏡面性を持たせることができる。

図２（Ａ）に示すように、試料Ｓが平面とみなせる場合、撮像部２で観測される鏡像１’は、ｊ軸と平行である。一方、試料Ｓに凹凸がある場合、撮像部２で観測される鏡像１’は、凹凸に応じてｉ軸方向に変化する。そのため、図２（Ａ）に示す輝線ＫＬに対する図２（Ｂ）に示す輝線ＫＬのずれｗ（ｘ）が分かれば、基準高さからの高さｄ（ｘ）が分かる。

そして、このような高さｄ（ｘ）をｊ軸上の値ごとに求めることによって、試料Ｓの幅方向の全域の各位置における高さｄ（ｘ）を求めることができる。

式（３）は式（４）に示す積和計算によって表すことができる。

d(n,j)=(1/2sinθ)・w(n,j)-(L/sinθ)・(d/dx)d(n,j) （４）
ここで、ｘ軸方向の測定間隔をΔｘとし、ｎフレーム目における鏡像１’のずれをｗ（ｎ，ｊ）、高さをｄ（ｎ，ｊ）とすると、式（４）は式（５）で近似できる。

d(n,j)=(1/2sinθ)・w(n,j)-(L/sinθ)・((d(n-1,j)-d(n-2,j))/Δｘ) （５）
なお、式（４）、（５）で示すｄ（ｎ，ｊ）は式（２）のｄ（ｘ）に相当している。

式（５）を用いて、順次にｄ（ｎ，ｊ）を算出する際、ｄ（０，ｊ），ｄ（１，ｊ）を予め定めておく必要がある。本実施の形態では、ｄ（１，ｊ）＝ｄ（０，ｊ）＝０とおき、ｄ（２，ｊ）＝（１／２ｓｉｎθ）・ｗ（２，ｊ）を求める。以後、順次にｄ（ｎ，ｊ）を求めていく。

なお、精度を高めるためには、光切断法を用いてｄ（１，ｊ）とｄ（０，ｊ）とを求め、求めたｄ（１，ｊ）とｄ（０，ｊ）とを用いてｄ（２，ｊ）を求めても良い。

これを実現するのが、図４に示す基準高さ算出部４５である。すなわち、基準高さ算出部４５は、レーザ光源５が試料Ｓに照射した光切断線を撮像部２に撮像させ、ｎ＝０，１における光切断線画像を取得する。そして、基準高さ算出部４５は、ｎ＝０，１のそれぞれにおいて、光切断線画像に含まれる光切断線を抽出する。そして、抽出したｎ＝０，１における光切断線の座標からｄ（０，ｊ），ｄ（１，ｊ）を試料Ｓの初期の高さを算出する。

図５は、光切断法を用いて初期の高さを算出する場合の高さ測定装置の全体構成図である。図５に示す高さ測定装置は、図１に示す高さ測定装置に対して、レーザ光源５が配置されている。レーザ光源５は、例えば半導体レーザと半導体レーザから出力された光を扇状に広げる光学系とを含み、試料Ｓに光切断線ＪＬを照射する。

ここで、レーザ光源５は、試料Ｓに対して上方向から光切断線ＪＬを照射する。具体的には、レーザ光源５は、試料Ｓに対する仰角が９０度となるように配置されている。

撮像部２は、光切断線ＪＬが照射された試料Ｓを撮像し、光切断線画像を得る。基準高さ算出部４５は、光切断線画像に含まれる光切断線ＪＬを、上記の輝線ＫＬを抽出した手法と同じ手法を用いて抽出する。

具体的には、基準高さ算出部４５は、ｊ軸上の各位置における光切断線ＪＬのｉ座標の値と、レーザ光源５の仰角と、撮像部２の仰角とを用いて、ｊ軸上の各位置に対する高さｙを求める。

図６は、ｘ軸方向視におけるレーザ光源５と試料Ｓとの位置関係を示した図である。図６に示すようにレーザ光源５は、試料Ｓの幅方向の中心を通る法線Ｈ１上に設けられ、試料Ｓの真上に配置されている。

ここで、法線Ｈ１に対する撮像部２の仰角をα、法線Ｈ１に対するレーザ光源５の仰角をβ（図略）とすると、ｊ軸上の各位置に対する高さは式（６）を用いて算出される。

ｙ＝ｋ×ｉ＿ＪＬ（ｊ）×ｃｏｓβ／ｓｉｎ（α＋β） （６）
但し、ｋは撮像部２の画素分解能を示し、ｉ＿ＪＬ（ｊ）は光切断線ＪＬのｊ軸上の各位置におけるｉ軸の値を示し、βはレーザ光源５の仰角を示し、αは撮像部２の仰角を示す。また、画素分解能ｋは既知である。図５、６の例では、レーザ光源５の仰角βはβ＝０であるため、高さｙは、ｙ＝ｋ×ｇ＿ＪＬ（ｊ）／ｓｉｎ（α）により求められる。

図６に示すように、レーザ光源５と撮像部２とは鏡面反射条件を満たしていない。そのため、撮像部２はレーザ光源５の鏡面反射光が入射されず、光切断線ＪＬを観察し難い。しかしながら、時間をかけて光切断線ＪＬを撮像すれば、光切断線ＪＬが明確に現れた光切断線画像が得られる。

具体的には、試料Ｓを固定した状態で、試料Ｓに光切断線ＪＬを一定時間照射し、ｎ＝０における光切断線画像を取得する。同様に試料Ｓを固定した状態で、ｎ＝１における光切断線画像を取得すればよい。

このように、初期位置の高さｄ（０，ｊ）、ｄ（１，ｊ）として、光切断法を用いた高さを採用することで、ｊ軸方向の高さの相対的な差異も考慮に入れて、試料Ｓの高さを観測することができる。

図７は、本発明の実施の形態による高さ測定装置の動作を示すフローチャートである。まず、光源制御部４２は、オペレータから測定開始の指示を受け付けると光源１を点灯させる（Ｓ１）。次に、搬送制御部４１は、試料Ｓの搬送を開始させる（Ｓ２）。これにより、試料Ｓは、光源１により照射されながら搬送される。

次に、輝線抽出部４３は、撮像部２に試料Ｓを撮像させ、試料画像を取得する（Ｓ３）。これにより、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すような輝線ＫＬが示された試料画像Ｇ１が取得される。

次に、輝線抽出部４３は、試料画像Ｇ１から輝線ＫＬを抽出する（Ｓ４）。次に輝線抽出部４３は基準輝線ＫＬ＿０に対する現フレームの輝線ＫＬのずれｗ（ｎ，ｊ）を算出する（Ｓ５）。なお、ｎ＝０の輝線ＫＬが基準輝線ＫＬ＿０である。

次に、高さ算出部４４は、２フレーム前の試料Ｓの高さｄ（ｎ−２，ｊ）と１フレーム前の試料Ｓの高さｄ（ｎ−１，ｊ）と、現フレームの輝線ＫＬのずれｗ（ｎ，ｊ）とを式（５）に代入し、現フレームにおける試料Ｓの高さｄ（ｎ，ｊ）を算出する（Ｓ６）。なお、高さ算出部４４は、高さｄ（０，ｊ）＝ｄ（１，ｊ）＝０として高さｄ（ｎ，ｊ）を算出してもよいし、光切断法を用いて算出した高さｄ（０，ｊ），ｄ（１，ｊ）を用いて高さｄ（ｎ，ｊ）を算出してもよい。

次に、高さ算出部４４は、試料Ｓが搬送中であり、測定が終了していない場合（Ｓ７でＮＯ）、フレームを特定する変数ｎを１増大させ、処理をＳ３に戻す。

一方、高さ算出部４４は、試料Ｓの搬送が終了し、測定が終了した場合（Ｓ７でＹＥＳ）、処理を終了する。

このように、本実施の形態による高さ測定装置は、式（１）に示すように、試料Ｓの傾きφ（ｘ）に基づく輝線ＫＬのずれと、試料Ｓの高さｄ（ｘ）に基づく輝線ＫＬのずれｗ（ｘ）とを考慮に入れて、高さｄ（ｘ）を算出している。そのため、試料Ｓの各位置の高さを精度良く求めることができる。

＜変形例１＞
本実施の形態による高さ測定装置が測定対象とする試料Ｓの凹凸は長手方向に向けて限られた空間周波数を持って変化することが想定される。そこで、試料Ｓの高さｄ（ｎ，ｊ）を示すデータ群に対し、ｘ軸に向けてフィルタリング処理を行い、想定される空間周波数帯の高さ成分ｄ’（ｎ，ｊ）を抽出してもよい。具体的には、想定される空間周波数帯のデータを抽出するための１行×所定列の１次元フィルタを、ｘ軸に沿った１列の高さｄ（ｎ，ｊ）からなるデータ群に適用して、想定される空間周波数帯の高さ成分ｄ’（ｎ，ｊ）を抽出すればよい。これにより、高さｄ（ｄ，ｎ）に含まれるノイズ成分を除去することができる。

１’ 鏡像
１ 光源
２ 撮像部
３ 搬送部
４ 制御部
５ レーザ光源
３１ 搬送ローラ
４１ 搬送制御部
４２ 光源制御部
４３ 輝線抽出部
４４ 高さ算出部
４５ 基準高さ算出部
Ａ 搬送方向
Ｇ１ 試料画像
ＪＬ 光切断線
ＫＬ 輝線
ＫＬ＿０ 基準輝線
Ｌ１ 光
Ｌ２ 鏡面反射光
Ｓ 試料

Claims (5)

1. 鏡面性を有する試料を搬送する搬送部と、
   前記試料に拡散光を照射する光源と、
   前記光源により照射された試料からの鏡面反射光を受光し、前記鏡面反射光を示す輝線を含む試料画像を順次に撮像する撮像部と、
   前記撮像部により順次に撮像された試料画像から輝線を抽出し、所定の基準高さ及び基準傾きを示す基準輝線に対する各輝線のずれを求める輝線抽出部と、
   前記基準高さからの前記試料の高さに基づく前記基準輝線からの前記輝線のずれを示す高さずれ成分と、前記基準傾きからの前記試料の傾きに基づく前記基準輝線からの前記輝線のずれを示す傾きずれ成分との一次結合で前記基準輝線に対する前記輝線のずれを表す方程式に、前記輝線抽出部により抽出された輝線のずれを代入することで、前記試料の高さを順次に算出する高さ算出部とを備え、
   前記高さずれ成分は、２ｓｉｎθ・ｄ（ｘ）で表され、
   前記傾きずれ成分は、２Ｌ・（ｄ／ｄｘ）・ｄ（ｘ）で表され、
   前記方程式は、ｗ（ｘ）＝２Ｌ・（ｄ／ｄｘ）・ｄ（ｘ）＋２ｓｉｎθ・ｄ（ｘ）で表される測定装置。
   但し、ｘは前記搬送方向に対する前記試料の測定位置を示し、ｗ（ｘ）は前記基準輝線からの輝線のずれを示し、Ｌは前記鏡面反射光の光路長であり、ｄ（ｘ）は前記基準高さからの前記試料の高さを示し、（ｄ／ｄｘ）・ｄ（ｘ）は前記基準傾きからの前記試料の傾きを示し、θは前記鏡面反射光の反射角を示す。
2. 前記試料は、筋状の凹凸を持ち、
   前記光源は、長手方向が前記試料の凹凸の長手方向と直行するように配置された棒状光源である請求項１記載の高さ測定装置。
3. 前記基準輝線は、初期の測定位置における前記試料の輝線である請求項１又は２記載の高さ測定装置。
4. 前記試料に対して光切断線を照射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源により照射された光切断線を前記撮像部で撮像し、得られた光切断線画像に基づき、前記試料の幅方向の初期の各測定位置の高さを算出する基準高さ算出部とを更に備え、
   前記高さ算出部は、前記基準高さ算出部により算出された初期の各測定位置の高さを用いて前記試料の各位置の高さの測定位置を算出する請求項１〜３のいずれかに記載の高さ測定装置。
5. 鏡面性を有する試料を搬送する搬送ステップと、
   前記試料に拡散光を照射する照射ステップと、
   前記光源により照射された試料からの鏡面反射光を受光し、前記鏡面反射光を示す輝線を含む試料画像を順次に撮像する撮像ステップと、
   前記撮像ステップにより順次に撮像された試料画像から輝線を抽出し、所定の基準高さ及び基準傾きを示す基準輝線に対する各輝線のずれを求める輝線抽出ステップと、
   前記基準高さからの前記試料の高さに基づく前記基準輝線からの前記輝線のずれを示す高さずれ成分と、前記基準傾きからの前記試料の傾きに基づく前記基準輝線からの前記輝線のずれを示す傾きずれ成分との一次結合で前記基準輝線に対する前記輝線のずれを表す方程式に、前記輝線抽出ステップにより抽出された輝線のずれを代入することで、前記試料の高さを順次に算出する高さ算出ステップとを備え、
   前記高さずれ成分は、２ｓｉｎθ・ｄ（ｘ）で表され、
   前記傾きずれ成分は、２Ｌ・（ｄ／ｄｘ）・ｄ（ｘ）で表され、
   前記方程式は、ｗ（ｘ）＝２Ｌ・（ｄ／ｄｘ）・ｄ（ｘ）＋２ｓｉｎθ・ｄ（ｘ）で表される高さ測定方法。
   但し、ｘは前記搬送方向に対する前記試料の測定位置を示し、ｗ（ｘ）は前記基準輝線からの輝線のずれを示し、Ｌは前記鏡面反射光の光路長であり、ｄ（ｘ）は前記基準高さからの前記試料の高さを示し、（ｄ／ｄｘ）・ｄ（ｘ）は前記基準傾きからの前記試料の傾きを示し、θは前記鏡面反射光の反射角を示す。

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