JPH0714308U - 表面粗さ検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構造が簡単で、組み立ても容易で、小型、軽
量で低コストの表面粗さ検査装置を提供する。 【構成】 被検面１に平行レーザ光１３を入射し、その
反射光をレンズ３で集光させ、レンズ焦点位置に設けた
ミラー６で正反射光１４を偏向させ、第１の受光素子に
入射させる。被検面１の表面粗さのために発生した散乱
光１５は、像面８に結像させ、それを第２の受光素子に
入射させる。 【作用】 被検面の表面粗さｒｍｓは｛λ／（４πcos
θ）｝√Ｉ_S／Ｉ_Tとして求められる。ただし、λはレー
ザ光波長、θは被検面への入射角、Ｉ_S，Ｉ_Tは各受光素
子の出力電流である。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、高精度な表面である被検面にレーザ光を入射し、その反射光につい て、総反射光量と被検面の表面粗さによって発生する散乱光の光量を測定して、 両者の比をとることで被検面の表面粗さを測定する表面粗さ検査装置の改良に関 する。

【０００２】

【従来の技術】

従来、この種の表面粗さ検査装置として、図４および図５に示した粗さ計が知 られている。

【０００３】 図４の粗さ計では、被検面に積分球を接触して固定し、積分球に設けた第１の 穴を通してレーザ光を被検面に入射し、その正反射光を積分球に設けた第２の穴 を通して積分球の外に逃がすことで、散乱光のみを積分球により検出し、入射光 量と比較し、表面粗さを求めている。

【０００４】 図５の粗さ計では、レーザ光が被検面に入射し、その反射光の正反射光と散乱 光の光量分布を、光検出器を走査することで測定し、全反射光量と散乱光量を演 算することで比較し、表面粗さを求めている。 いずれの場合も、被検面に入射したレーザ光の総反射光量Ｉ_T、被検面の表面 粗さにより発生する散乱光量Ｉ_Sとすると、表面粗さのｒｍｓ値σは、公知の関 係として、

【数１】 σ＝｛λ／（４πcosθ）｝√Ｉ_S／Ｉ_T から求められる。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

図４の粗さ計では、全散乱光量を検査するために、積分球を用いているが、図 ４の粗さ計の場合、全散乱光量を検査するために積分球を用いているが、正反射 光を積分球外に逃がすために第２の穴を設けている。こうした構成では、散乱光 の散乱角度（正反射光と散乱光のなす角）が大きい場合は、散乱光は積分球の内 壁に当たり、光検出器に検出されるが、散乱角度が小さい場合は、正反射光を逃 がす第２の穴から積分球外に逃げてしまい、散乱光として検出されなくなる。ち なみに、散乱角度をω、被検面の表面粗さの空間周波数をνとすれば、

【数２】 ω≒ν（cosθ／λ） （rad） として計算できる。仮に光源にＨｅ−Ｎｅレーザ（λ＝０．６３３μｍ）を用い 、入射角度θ＝３０°とすると、空間周波数が２５（sec／mm）の場合に散乱角 度は１°である。入射光の光束幅を考慮すると、この散乱光と正反射光を完全に 分離することは困難である。更に、高精度な表面である被検面では散乱光は微小 光量であるが、積分球方式では、光検出器に導かれる光量は更に減少するため、 散乱光を集めにくく、ホトマルチメータなどの高性能の検出器が必要となる。例 えば、ポリゴンミラー等の超精密切削加工面の場合、散乱光は約２％程度の微小 光量であり、集めにくい。加えて積分球自体も高価である。

【０００６】 図５の粗さ計は、検出器（受光素子）を半球状または半円状に走査して受光量 を積分する構成としているので、装置の大型化を招来し、測定するのに時間がか かり、リアルタイムの測定はできない。また、測定位置を高精度に制御する必要 がある上に、データの信頼性を得るための繰返し測定が困難であるなどの問題が あった。

【０００７】

【考案の目的】

本考案は、構造が極めて簡単で、組み立ても容易で、小型、軽量で低コストの 表面粗さ検査装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

本考案は、高精度な表面である被検面にレーザ光を入射し、その反射光につい て、総反射光量と被検面の表面粗さによって発生する散乱光の光量を測定して両 者の比をとることで被検面の表面粗さを測定する表面粗さ検査装置において、被 検面からの反射光を集光するレンズと、このレンズの焦点位置に配置され、正反 射光成分を偏向させる偏向手段と、前記正反射光成分を検出する第１の受光素子 と、前記被検面の像面に設けられた散乱光成分を検出する第２の受光素子とを有 することを要旨としている。

【０００９】

【作用】

上記構成によれば、被検面での正反射光成分を検出する第１の受光素子の出力 と、被検面の像面に設けられた散乱光成分を検出する第２の受光素子の出力とか ら、被検面の表面粗さが求められる。

【００１０】

【実施例】

図１および図２に、本考案の一実施例を示す。 図１および図２において、１は被検体の被検面、２は被検面にレーザ光を入射 させるハーフミラー、３は被検面からの反射光を集光するレンズ、４はレンズの 焦平面５におかれた絞り板、６は絞り板の開口部にあって、集光レンズの焦点位 置に配置され、被検面からの正反射光成分を偏向させるミラー、７は正反射光成 分を検出するホトダイオードからなる第１の受光素子、８は被検面１の像面、９ は前記像面に設けられ、散乱光成分を検出するホトダイオードからなる第２の受 光素子であり、１０，１１は増幅器、１２はデータ出力回路である。

【００１１】 上記構成において、被検面１に平行レーザ光１３がハーフミラー２を介して入 射されると、その反射光はレンズ３で集光される。その反射光のうち正反射光１ ４はレンズ３の焦点位置に配置したミラー６により偏向され、第１の受光素子７ に入射する。被検面１の表面粗さのために発生した散乱光１５はレンズ焦平面５ 上では正反射光のスポットから離れた位置を通るため、ミラー６で反射されず、 像面８に被検面１の像を結像する。

【００１２】 上記構成では、レンズ３の焦平面５には、被検面１のラウンホーファ回析像（ 図２を参照）が現われる。そこで、被検面１の表面形状（起伏）の空間周波数の 極低周波成分の散乱光１６ａのみがミラー６により偏向される。ミラー６とその 保持部６ａで偏向またはけられずに像面８の結像に寄与した散乱光１６ｂは、被 検面１の表面形状の高周波数成分（表面粗さ）によるものである。したがって、 ミラー６とその保持部６ａの開口を正反射光の集光スポットに近い大きさまで、 小さくすることで、正反射光を散乱光を分離することが可能となる。なお、検出 できる空間周波数の上限は、焦平面５の絞り板４の開口で決定される。その場合 、レンズ３の開口等は、絞り板４の開口より充分大きいことが必要である。

【００１３】 ここで、正反射光１４を受ける第１受光素子７で検出された光量Ｉ_o、散乱光 を受ける第２の受光素子９で検出された光量Ｉ_Sとすれば、検出した散乱光の全 反射光に対する割合は、Ｉ_S／（Ｉ_S＋Ｉ_o）で近似的に示せる。更にＩ_Sが充分小 さい場合はＩ_S／Ｉ_oとしても実用上問題はない。

【００１４】 図３に、本考案の他の実施例を示す。この実施例は前記実施例において、レン ズ３の後方部位に、レンズ１７を設けたものである。この構成の場合、受光素子 ９に小さいものを選択できる利点がある。

【００１５】

【考案の効果】

以上に述べたように、被検面からの全反射を正反射と散乱光を分け、それぞれ を受光素子で検出しているので、下記効果が得られる。 （１）構造が極めて簡単で、組み立ても容易であり、小型軽量で低コストな表面 粗さ検査装置を提供できる。 （２）散乱光検出を、被検面の像面で行うので、絞り外周と、ミラーとその保持 部でけられずに透過してきた散乱光を全て容易に検出できる。 （３）リアルタイムの測定が可能である。 （４）２つの受光素子に同じ素子を使用でき、環境変化（温度特性）等に強い。

【提出日】平成６年２月２４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】 【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、高精度な表面である被検面にレーザ光を入射し、その反射光につい て、総反射光量と被検面の表面粗さによって発生する散乱光の光量を測定して、 両者の比をとることで被検面の表面粗さを測定する表面粗さ検査装置の改良に関 する。

【０００２】

【従来の技術】

従来、この種の表面粗さ検査装置として、図４および図５に示した粗さ計が知 られている。

【０００３】 図４の粗さ計では、被検面に積分球を接触して固定し、積分球に設けた第１の 穴を通してレーザ光を被検面に入射し、その正反射光を積分球に設けた第２の穴 を通して積分球の外に逃がすことで、散乱光のみを積分球により検出し、入射光 量と比較し、表面粗さを求めている。

【０００４】 図５の粗さ計では、レーザ光が被検面に入射し、その反射光の正反射光と散乱 光の光量分布を、光検出器を走査することで測定し、全反射光量と散乱光量を演 算することで比較し、表面粗さを求めている。 いずれの場合も、被検面に入射角度θで入射した波長λのレーザ光の総反射光 量Ｉ_Ｔ、被検面の表面粗さにより発生する散乱光量Ｉ_Ｓとすると、表面粗さのｒ ｍｓ値σは、公知の関係として、

【数１】 から求められる。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

図４の粗さ計では、全散乱光量を検査するために、積分球を用いているが、図 ４の粗さ計の場合、正反射光を積分球外に逃がすために第２の穴を設けている。 こうした構成では、散乱光の散乱角度（正反射光と散乱光のなす角）が大きい場 合は、散乱光は積分球の内壁に当たり、光検出器に検出されるが、散乱角度が小 さい場合は、正反射光を逃がす第２の穴から積分球外に逃げてしまい、散乱光と して検出されなくなる。ちなみに、散乱角度をω、被検面の表面粗さの空間周波 数をνとすれば、

【数２】 として計算できる。仮に光源にＨｅ−Ｎｅレーザ（λ＝０．６３３μｍ）を用い 、入射角度θ＝３０°とすると、空間周波数が２５（ｍｍ^−１）の場合に散乱角 度は１°である。入射光の光束幅を考慮すると、この散乱光と正反射光を完全に 分離することは困難である。更に、高精度な表面である被検面では散乱光は微小 光量であるが、積分球方式では、光検出器に導かれる光量は更に減少するため、 散乱光を集めにくく、ホトマルチメータなどの高性能の検出器が必要となる。例 えば、ポリゴンミラー等の超精密切削加工面の場合、散乱光は約２％程度の微小 光量であり、集めにくい。加えて積分球自体も高価である。

【０００６】 図５の粗さ計は、検出器（受光素子）を半球状または半円状に走査して受光量 を積分する構成としているので、装置の大型化を招来し、測定するのに時間がか かり、リアルタイムの測定はできない。また、測定位置を高精度に制御する必要 がある上に、データの信頼性を得るための繰返し測定が困難であるなどの問題が あった。

【０００７】

【考案の目的】

本考案は、構造が極めて簡単で、組み立ても容易で、小型、軽量で低コストの 表面粗さ検査装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

本考案は、高精度な表面である被検面にレーザ光を入射し、その反射光につい て、総反射光量と被検面の表面粗さによって発生する散乱光の光量を測定して両 者の比をとることで被検面の表面粗さを測定する表面粗さ検査装置において、被 検面からの反射光を集光するレンズと、このレンズの焦点位置に配置され、正反 射光成分を偏向させる偏向手段と、前記正反射光成分を検出する第１の受光素子 と、前記被検面の像を結像する、前記レンズを含めた結像光学系の像面に設けら れた散乱光成分を検出する第２の受光素子とを有することを要旨としている。

【０００９】

【作用】

上記構成によれば、被検面での正反射光成分を検出する第１の受光素子の出力 と、被検面の像面に設けられた散乱光成分を検出する第２の受光素子の出力とか ら、被検面の表面粗さが求められる。

【００１０】

【実施例】

図１および図２に、本考案の一実施例を示す。 図１および図２において、１は被検体の被検面、２は被検面にレーザ光を入射 させるハーフミラー、３は被検面からの反射光を集光するレンズ、４はレンズの 焦平面５におかれた絞り板、６は絞り板の開口部にあって、集光レンズの焦点位 置に配置され、被検面からの正反射光成分を偏向させるミラー、７は正反射光成 分を検出するホトダイオードからなる第１の受光素子、８は被検面１の像面、９ は前記像面に設けられ、散乱光成分を検出するホトダイオードからなる第２の受 光素子であり、１０，１１は増幅器、１２はデータ出力回路である。

【００１１】 上記構成において、被検面１に平行レーザ光１３がハーフミラー２を介して入 射されると、その反射光はレンズ３で集光される。その反射光のうち正反射光１ ４はレンズ３の焦点位置に配置したミラー６により偏向され、第１の受光素子７ に入射する。被検面１の表面粗さのために発生した散乱光１５はレンズ焦平面５ 上では正反射光のスポットから離れた位置を通るため、ミラー６で反射されず、 像面８に被検面１の像を結像するので、そこに設置された受光素子９に全て入射 する。

【００１２】 上記構成では、レンズ３の焦平面５には、被検面１のラウンホーファ回析像（ 図２を参照）が現われる。ここでは、被検面１の表面による正反射光と、被検面 １の表面形状（起伏）の空間周波数の極低周波成分の散乱光１６ａのみがミラー ６により偏向される。ミラー６とその保持部６ａで偏向またはけられずに像面８ の結像に寄与した散乱光１６ｂは、被検面１の表面形状の高周波数成分（表面粗 さ）によるものである。したがって、ミラー６とその保持部６ａの開口を正反射 光の集光スポットに近い大きさまで、小さくすることで、正反射光と散乱光を分 離することが可能となる。なお、検出できる空間周波数の上限は、焦平面５の絞 り板４の開口で決定される。その場合、レンズ３の開口等は、絞り板４の開口よ り充分大きいことが必要である。

【００１３】 ここで、正反射光１４を受ける第１受光素子７で検出された光量Ｉ_ｏ、散乱光 を受ける第２の受光素子９で検出された光量Ｉ_Ｓとすれば、検出した散乱光の全 反射光に対する割合は、Ｉ_Ｓ／（Ｉ_Ｓ＋Ｉ_ｏ）で近似的に示せる。更にＩ_Ｓが充 分小さい場合はＩ_Ｓ／Ｉ_ｏとしても実用上問題はない。

【００１４】 図３に、本考案の他の実施例を示す。この実施例は前記実施例において、レン ズ３の後方部位に、レンズ１７を設け、レンズ３とレンズ１７による被検面１の 像面８に第２の受光素子９を 設けたものである。この構成の場合、被検面１と第 ２の 受光素子９の位置がレンズ３とレンズ１７によって共役関係になるが、この レンズ系の横倍率の絶対値を小さくすることが容易なので、 小さいものを選択で きる利点がある。

【００１５】

【考案の効果】

以上に述べたように、被検面からの全反射を正反射と散乱光を分け、それぞれ を受光素子で検出しているので、下記効果が得られる。 （１）構造が極めて簡単で、組み立ても容易であり、小型軽量で低コストな表面 粗さ検査装置を提供できる。 （２）散乱光検出を、被検面の像面で行うので、絞り外周と、ミラーとその保持 部でけられずに透過してきた散乱光を全て容易に検出できる。 （３）リアルタイムの測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例を示す表面粗さ検査装置の構
成図である。

【図２】焦平面に現われたラウンホーファン回析像の説
明図である。

【図３】本考案の他の実施例を示す表面粗さ検査装置の
構成図である。

【図４】従来の表面粗さ計の構成説明図である。

【図５】従来の他の表面粗さ計の構成説明図である。

【符号の説明】 １ 被検体の被検面 ２ ハーフミラー ３ 集光レンズ ４ 絞り板 ５ 焦平面 ６ ミラー ６ａ ミラー保持部 ７ 第１の受光素子 ８ 像面 ９ 第２の受光素子 １０，１１ 増幅器 １２ データ出力回路 １３ 平行レーザ光 １４ 正反射光 １５ 散乱光 １６ａ 極低周波成分としての散乱光 １６ｂ 高周波成分（表面粗さ）としての散乱光 １７ 第２のレンズ

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【手続補正書】

【提出日】平成６年２月２４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】 明細書

【考案の名称】 表面粗さ検査装置

【実用新案登録請求の範囲】

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例を示す表面粗さ検査装置の構
成図である。

【図２】焦平面に現われたラウンホーファン回析像の説
明図である。

【図３】本考案の他の実施例を示す表面粗さ検査装置の
構成図である。

【図４】従来の表面粗さ計の構成説明図である。

【図５】従来の他の表面粗さ計の構成説明図である。

【符号の説明】 １ 被検体の被検面 ２ ハーフミラー ３ 集光レンズ ４ 絞り板 ５ 焦平面 ６ ミラー ６ａ ミラー保持部 ７ 第１の受光素子 ８ 像面 ９ 第２の受光素子 １０，１１ 増幅器 １２ データ出力回路 １３ 平行レーザ光 １４ 正反射光 １５ 散乱光 １６ａ 極低周波成分としての散乱光 １６ｂ 高周波成分（表面粗さ）としての散乱光 １７ 第２のレンズ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検面にレーザ光を入射し、被検面の表
   面粗さによって発生する散乱光の光量を測定して被検面
   の表面粗さを測定する表面粗さ検査装置において、被検
   面からの反射光を集光するレンズと、このレンズの焦点
   位置に配置され、正反射光成分を偏向させる偏向手段
   と、前記正反射光成分を検出する第１の受光素子と、前
   記被検面に設けられた散乱光成分を検出する第２の受光
   素子とを有することを特徴とする表面粗さ検査装置。