JPH03276005A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、プラスチックやカラスなどの透明な材料やそ
れを用いた製品の形状を求める形状測定装置に関するも
の゛である。

［従来の技術］ 近年、成形品の製造技術は向上し、１μｍ以下の形状精
度で量産することが可能となってきた。

従来このような微小な形状は、接触式の表面粗さ計や、
非接触式のオートフォーカス式距離計などを用いて計測
されていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来の計測方式では、測定子
が測定地点のごく近くまて接近した状態で計測しなけれ
ばならないため、穴やくぼみなどの微小な形状を計測し
たり、突起物の奥の形状を測ることはできなかった。

また、従来の計測方式では表面と裏面を２回に分けて別
個に計測する必要があるため、各測定時の測定機の経時
変化や調整不良による測定誤差が避けられなかった。

本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、
形状測定装置において、穴やくぼみなどの微小な形状や
突起物の奥の形状を計測できるようにするとともに、測
定対象の表面と裏面を同時に計測できるようにすること
にある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明の形状測定装置は、測
定対象である透明体に対し所定の明または暗部を有する
照明光を照射する手段と、この照明光に対し透明体を相
対的に移動させる手段と、この照明光の透明体表面およ
び裏面からの反射光を受光して、それら反射光に含まれ
る前記用または暗部に対応する部分の位置を得、これに
基づき透明体の裏面の形状を求める手段とを備えている
。

前記透明体の裏面形状を求める手段は、通常、前記用ま
たは暗部に対応する部分の位置と透明体の屈折率とから
透明体の表面の位置と厚さを求め、この表面の位置と厚
さを加算して裏面の形状を求める。

［作用］ この構成において、測定対象である透明体の表面から照
明光を照射してその表面及び裏面からの反射散乱光を受
光し、照明光の明または暗部の表面反射の位置と裏面反
射の位置を測定して、その位置と測定対象の屈折率より
裏面の位置が求められる。したがって、透明体を相対移
動させ照明光で走査しつつ、上記位置測定を行なうこと
により、表面の形状と同時に裏面形状が求められる。

すなわち、透明体の表面反射光より求めた表面の（厚み
方向の）位置をｄｌ、表面光と裏面光の位置差より求め
た対象の厚さをｄとしたとき裏面の位置ｄ、を ｄ２−ｄ、　＋ｄ として求め、この操作を対象又は測定装置の一部又は全
部を走査して行なってｄ２の変化を求め、これによって
裏面の形状が決められる。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施例を示し、同図において１は光源
であるところのランプ、２は光源をたて長形状にするス
リット、３はスリット２の形状を投影する光学レンズ、
４は測定すべき透明試料、５は投影光の正反射方向に光
軸を設定した結像用光学レンズ、６はレンズ５によって
結像された像を撮映するテレビカメラ、７は試料４を計
測方向に移動するステージ、８はテレビカメラ６からの
テレビ信号をデジタル化するＡＤ変換装置、９はＡＤ変
換装置８が出力するデジタルデータより資料４の形状を
求める画像処理装置、１０は画像処理装置９からの測定
結果を出力する表示装置、１１は画像処理装置１０で処
理された画像を目視する画像モニタである。

光源１より発光した光はスリット２によりたて長形状に
成形され、この光は光学レンズ３により透明試料４上に
スリット光として投影される。このとき、透明試料４の
表面反射および裏面反射光がピンボケ状態に陥いらない
ように、光学用レンズ３の開口数ＮＡは、 ＮＡ＜　　使用波長／測定厚さ のように設定する。

第２図に示すように、試料４に入射角αで入射しようと
した光は、一部は表面で反射される。

方、内部に入射した光は、スネルの法則に従って屈折さ
れ、そのときの屈折角をβ、試料の屈折率をｎとすると ｎ　　ｓｉｎβ＝　　５ｉｎａ が成り立つ。

屈折光は裏面で反射し、一部は表面まで達して表面反射
光と裏面反射光は同方向に射出することになる。表面反
射光と裏面反射光間の距離をｘ１試料４の厚みをｄとす
ると となり、Ｘを測定すれば厚さｄを求めることができる。

今、ある仮想的な基準からの表面反射光のずれをＸ、と
すると、表面の位置ｄ１はｄ＋＝　　　ｘミー−−・・
・■ ２　　ｔａｎａ　　ｃｏｓａ になるから、裏面の位置ｄ２は ｄ２巳ｄ、　＋ｄ　　　　　　・・・■となる。このｄ
２の変化を求めることによって、裏面の形状を求めるこ
とが出来る。具体的には測りはじめの表面位置をｄ、＝
Ｏとしこの時の表面反射光位置を基準（即ちＸＩ　＝Ｏ
の点）として測定を行なう。

表面反射光及び裏面反射光は、結像用光学レンズ５によ
りテレビカメラ６の撮像面上に投影されビデオ信号化さ
れる。テレビカメラ６より出力されたビデオ信号はＡＤ
変換装置８によりデジタル化され、画像処理装置９によ
り上記ｄ、ｄ、及びｄ２が計算される。そして、この動
作を、ステージ７を計測手順に従って移動させながら繰
り返して多数のデータを得ることにより、表面及び裏面
形状が求められる。

次に、画像処理装置９における処理を第３図を用いて説
明する。同図は、エリアセンサ（テレビカメラ６）によ
って出力される、スリット光の反射像の一走査線に対応
する出力を示す。図中、縦軸は光の強度（相対値）、横
軸は画面上の位置である。２つのピークのうち、左側の
明るい方のピークが表面反射、右側が裏面反射である。

画像処理装置９においては、まず、上記テレビカメラ６
が出力するデータ上の最大値を見つけだし、その値をも
とに閾値を決定する。この閾値は第３図に示すように、
２つのピークだけをノイズから分離するように装置に対
して適当に決定される。そして、その閾値を越える部分
を、スリット光部分と判断し、２つのピークについて重
心をもとめ、それぞれ表面反射光および裏面反射光の画
面上の位置とする。表面反射光と裏面反射光の実際の位
置は、光学系の倍率によって画面上の位置より計算され
る。

上述のよう社、表面反射光の位置をＸＩ、表面反射光と
裏面反射光との距離をＸとすれば、上記■、■式より試
料表面の位置ｄ、および試料の厚さｄが求まり、裏面の
位置ｄ２が０式により得られる。

この解析を複数の試料面位置で行うことにより、エリア
センサの非走査線方向の形状が求められる。

これによれば、投光系にランプ光のスリット光を結像す
る光学系を用いているため、レーザスポット光を用いた
時にみられる、表面反射光と裏面反射光間の干渉現象が
現われない。従って、表裏面反射光が近い薄い試料も計
測可能である。また、スリット光を使用しているので、
スリット光長手方向の形状データはその方向に走査する
ことなしに得ることができる。また、ステージ７が移動
中にも計測できるので、テレビカメラ６の残像現象を利
用して、テレビカメラ６の１画面撮影期間の平均された
画像を得ることができ、試料４の広い範囲を平均化した
形状を求めることができる。

なお、通常のハロゲンランプは広い波長範囲に発光して
いるため、試料の屈折率変化による誤差が生し、また、
レンズの色収差補正が必要であるが、これは、光源１を
ナトリウムランプや水銀ランプなどの準単色光源とする
ことにより、回避可能である。

また、ステージ７をピエゾ素子駆動型のものとして、試
料４をテレビカメラ６の測定速度以上で振動させること
により、試料の表面粗さやキズなとより大きな範囲を平
均化した測定が可能となり、計測結果を安定させること
ができる。

また、通常の連続光で計測していると試料４が高速で移
動している間はテレビカメラ６の走査が間に合わず、像
が流れてしまう場合があるが、光源１としてストロボ光
を使うことにより、ある瞬間の反射像をとらえて正確な
形状が求められるようにすることができる。

さらに、部分透過のスリット２の代りに、部分反射のヘ
アラインを用いることにより、画像モニタ１１上の像の
白黒が反転するため、スリット光を用いた場合は影に隠
れていた部分が表示され、測定場所の確認が容易になる
とともに、欠陥検査などを同時に行なうことができる。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば以下の効果を奏する
。

■従来の形状測定機では試料を破壊しなければ求めるこ
とができない場合が多かった試料の裏面の形状を非破壊
で測定できる。

■従来の膜厚計では試料の厚さしか求められないのに対
し、表面形状を補正した裏面の形状まで求めることがで
きる。

■従来の接触式測定法ではあまり小さい試料は計測でき
なかったのに対し、スリット光が写る大きささえあれば
計測可能である。

■従来の接触式測定ではあまり高速で動く試料の形状を
求めることは不可能であったのに対し、動作状態でも計
測可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す装置配置図、 第２図は、第１図の装置による測定原理を説明する原理
図、そして 第３図は、エリアセンサ（テレビカメラ）の出力の一例
を示すグラフである。 １：光源、２ニスリツト、３：光学レンズ、４：試料、
５：光学レンズ、６：テレビカメラ、７；ステージ、Ｂ
：ＡＤ変換装置、９：画像処理装置、１０：結果表示装
置、１１：画像モニタ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定対象である透明体に対し照明光を照射する手
   段と、この照明光に対し透明体を相対的に移動させる手
   段と、この照明光の透明体表面および裏面からの反射光
   を受光して、表面位置情報及び透明体厚さ情報を得、こ
   れに基づき透明体の裏面の形状を求める手段とを具備す
   ることを特徴とする形状測定装置。
2. （２）前記透明体の裏面形状を求める手段は、前記反射
   光の受光位置と透明体の屈折率とから透明体の表面の位
   置と厚さを求め、この表面の位置と厚さを加算して裏面
   の形状を求めるものである、請求項１記載の形状測定装
   置。