JPS5933855B2 - 表面検査方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザー光等の光ビームを用いて被検体の表面
又は透明被検体の場合にはその内部に存在する傷、局所
的な汚れ等の欠陥を検出する表面検査法に関するもので
あるｏ従来被検体の表面状態を検査する方法は、一様に
配列した複数の光電素子等の受光器又は光ビーム走査に
より被検体上の被検面領域を複数の小さな部分に分割し
、そこからの散乱反射光又は透過光を検出し、それらの
部分をお互いに比較することにより表面状態の欠陥等の
検知を行つていた。

しかし前記検査法に於ては、測定光学系又は情報処理電
気系に於て混入する雑音による影響を受けやすく又表面
欠陥の検出はできなても欠陥の種類、大きさ、方向等を
検知できないという欠点を有していた。本発明は上記の
欠点を有効に除去する方法を提供するもので、被検面の
表面状態によつて変化する散乱光束の光量分布すなわち
配光角度特性を利用して上記の小さな部分を走査ビーム
のスポット（ビームで照射されている個所）毎にーケ所
づつ単独に欠陥であるかどうかを判別する方法である。

即ち被検面の同一ケ所に於る散乱光の強度を散乱光、束
の主軸をはさんで異なつた方向から検出し前記散乱光束
の主軸位置の変化を検出することにより表面状態を判別
しようとするものである。ここにおいて走査ビームとは
ビーム自体が移動するものとビームが固定で物体が移動
するもの及びその組合わせを含む。更に散乱光束の主軸
とは、散乱、光束を横切る任意の面に於ける散乱光の強
度分布のピークを形成する光束で散乱光束の主軸方向と
は前記光束の進行方向を示す。本発明は各走査スポット
毎に表面又は透明物体の場合には内部の傷汚れ等の欠陥
又は物体又は粉・ 末中に混入した異物等を検知又は検
出することを特徴とするものである。

以下図面を用いて本発明を詳述する。第１図はその表面
に凹凸等の表面欠陥を有しない被検面１上の走査スポツ
ト２で反射される散乱光の反射特性を示す図である。

第１図Ａは表面欠陥を有しない走査スポツト２に垂直に
入射する走走ビーム３が散乱される様子を第１図Ｂは同
じく走査ビーム３が被検面に斜方から人射する場合を示
した図で散乱光束の強度は前記散乱光束の主軸４を中心
にしてほぼ回転対称となる。破線５，６は散乱光束の強
度と方向をベクトル的に表示した散乱特性曲線である。
第２図は本発明の基本原理を説明する為の図である。

第２図Ａ被検面１に入射する走査ビーム３が走査スポツ
ト２に於て散乱される主たる散乱光束領域内ｒ（斜線部
）に１個の光電素子８を設け走査スポツト２の表面欠陥
を検出しようとするものである。（表面欠陥が存在すれ
ば散乱主軸方向が変化し光電素子８に入射する光量が変
化するので）予め正常被検面で反射され、前記光電素子
８で検知される光量の大きさが分つていれば、各走査ス
ポツトから光電素子８に入射する光量の大きさと比較す
れば表面欠陥の有無が判定できる。しかしこの場合は表
面欠陥の有無だけしか判定できない。第２図Ｂは上記の
散乱光束領域内７の散乱光束の主軸をはさんだ両側の任
意の位置に２個の光電素子９，１０を設けた場合である
。

予め正常被検面で反射され前記２個の光電素子に入射す
る散乱光の光量を基準にして、各走査スポツトから光電
素子９，１０に入射する光量を比較すれば各光電素子９
，１０に於ける起電流の増減により、表面欠陥の有無と
散乱光束の主軸方向の変化が分り、従つて欠陥の方向が
判る。例えば第１図Ａで述べた表面欠陥を有さない面で
反射された散乱光束中に２個の光電素子９，１０を配置
した図を第３図Ａに、その時の各光電素子からの起電率
９′，１０′を第３図Ｂに示した。今第４図Ａに示す様
に走査スポツト２に表面欠陥がある為に散乱特性曲線が
右側に傾斜し、従つて散乱光束の主軸方向も右側に傾斜
したとする。光電素子１０で検出された起電流１０′は
増加し逆に光電素子９の起電流９′は減少することが第
４図Ｂから判る。故に散乱光束が光電素子１０の方に傾
いたことが分り表面欠陥の方向が右下りの成分を有する
ことが分る。上記の事項より光電素子を散乱光束内７に
最低２個散乱光束の主軸をはさんで設け、各光電素子に
生ずる起電流を比較することにより、表面欠陥の有無，
方向程度などが判り、更に光電素子の数を増すと表面欠
陥の形状が止確に把握でき、走査スポツトを移動してゆ
けば、きずの種類，大きさ等が検出できる。被検面の欠
陥による散乱光束の散乱形態の特殊な場合として散乱主
軸の力向は変化せずに散乱分布のみが変化する場合又は
散乱主軸が複数存在する様な散乱形態に於ても本発明は
測定可能であるが、以下の一連の記載に於ては表面欠陥
等により散乱光束の散乱主軸方向が変化する一般の散乱
形態に関して述べる。

本発明の原理を装置化する際に、表面欠陥のない被検面
によつて散乱される光束（以後正常散乱光束と呼ぶ）に
より散乱光束の軸の回りに任意に設けられた各光電素子
に生ずる起電力が総て等しくなる様にしておけば表面欠
陥の検出は容易になる。

この手段としては正常散乱光束を受ける時、各光電素子
に適切なバイアスを加えて各光電素子が生ずる電流が同
一になる様に調整するか又は正常散乱光束内の反射光量
が同一となる様な所に各光電素子を配置することである
。両手段を比較すると後の手段の方が装置化するのに簡
単となることは言うまでもない。又光電素子を多数個並
べる代りに、１個の光電素子を散乱光束内に於て連続し
て移動する様に設けてやれば光電素子は１個で良く装置
が小型化でき、かつ光電素子が連続して動くので無限個
の光電素子を並べたことに匹敵する。

更に１個の光電素子で検出するので、多数個の光電素子
を用いる場合に生ずる各光電素子間の光応答特性の差異
を除去できるのである。上述した事項は、以下に述べる
本発明の原理を用いた最適の実施例の説明により、更に
明確になるであろう。

第５図は本発明の方法を適用した装置の第１実施例を示
す斜視図である。

第５図に於て、レーザー等の光源５１からの光束５２は
、被検体５４に垂直に配された本装置光学系の光軸ＡＸ
（第５図に於けるＺ軸）上に配設された反射鏡５３で反
射され集光レンズ５６と回転板５７の中心に設けられた
孔部５６ｈ，５ｒｈを通つて被検体５４上に垂直に入射
する。走査スポツト５５からの散乱光束の一部５８は、
駆動装置５９により光軸ＡＸを中心に回転運動している
回転板５７の周辺部に設けられドーナツツ状の軌跡を描
いて回転している開口６０を通過し、集光レンズ５６に
より光軸ＡＸ上に設けられた絞り板６１上の開口部６２
を介して受光器６３に導かれる。６４は同期装置で回転
板５７の回転に伴つた同期信号を発する。

第５図に於ては、回転板５７の開口６０を通つて受光器
６３で検出される光束は光軸ＡＸ（Ｚ軸）に対して角度
αの位置に中心光束を有する様な散乱光束である。第６
図は第５図示の第１実施例を正面から見た断面図である
。

第６図に於て破線で示した６５ａは欠陥が存在しない走
査スポツト５５からの散乱光の散乱力向とその強さとの
関係即ち散乱特性をベクトル的に表示したものである。
第５図示実施例の様に光源からの光束が光軸ＡＸに沿つ
て被検体に垂直入射する様な光学系で構成された装置に
於ては、欠陥が存在しない走査スポツトからの散乱光の
散乱特性は散乱光束主軸（この場合ＡＸ軸）を中心とし
てほぼ回転対称型になる。故に光軸ＡＸとαの指向角を
なして散乱される光束６６ａ，６７ａはその強さを等し
くする。今、第６図示の如く欠陥が存在しない走査スポ
ツトで反射され回転板５７の開口６０を通つて受光器に
達する光束が光軸ＡＸとαの指向角を有する散乱光束だ
とする。

即ち第７図に示す如く回転板の開口６０の中心が光軸Ａ
Ｘと角度αを一定に保ちつつ光軸ＡＸを中心にして回転
する。それに伴う受光器６３の検出信号は、回転板５７
の開口６０が散乱光束の反射光量分布が等しい面（以下
ベクトル反射面と呼ぶ）を回転している為、第９図Ａ（
７）如く変化のない直流的出力となる。一方走査スポツ
ト５５に欠陥、傾斜等の異常がある場合、散乱光束の主
軸は異なる。この場合の散乱特性ベクトルの一例を第８
図６５ｂに示す。第８図示の６５ｂに於ては、散乱光束
の主軸が左側に傾いている為光軸ＡＸとαの指向角をも
つて散乱される光束（６６ｂ，６７ｂの強度は等しくな
らない。故にこの様な表面欠陥で散乱される散乱光を、
前記第６図示装置の回転板５７の回転により受光器６３
で検出すると、第９図Ｂに示す様に、回転板５７の回転
数と表面欠陥による周波数成分を必ず含む検出信号が得
られる。第９図Ａ，Ｂなフる信号の判別は第１０図に示
す回路によつてなされる。

第１０図に於て６３は受光器、１０１は受光器からの電
流を増幅する増幅回路、１０２は検出信号の周波数成分
の内、表示欠陥に起因する周波数成分のみを通過させ、
それ以外の検査に不要な雑音を取り除くフイルタ一回路
、１０３は整流回路、１０４は表示回路を示す。故に上
記回路に於て検出信号が回転板５ｒの回転数と表面欠陥
による周波数成分を持つているか否かによつて、表面欠
陥の有無を検出することができ、又受光器の出力の大き
さによつて欠陥の大きさが類推できる。更に、第５図示
Ｘ，ｙ，ｚ座標糸に於いて、回転板５７上の開口６０が
Ｘ成分の正領域を通過する時にのみ、第１１図Ａに示す
様なゲート信号を発生させる同期装置６４を設ける。今
、走査スポツト５５にある欠陥のために散乱光束の光軸
がｘ軸の正方向に傾いているとすると、受光器６３に検
知される電流の強度は第１１図Ｂに示す曲線で得られる
。この検出電流は第１２図示の電気回路に入力される。
受光器６３からの検知電流は、第１１図Ｃに示す如く、
その起電流の中間に正領域と負領域のエネルギー値が等
しくなる様に零レベルを設定した交流電流に増幅回路１
０５で交流増幅され、フイルタ一回路１０４で回転板５
γの回転数と同じ周波数以外の雑音は取り除かれて、同
期信号（第１１図Ａ）と共に検波回路１０６に入る。検
波回路１０６に於て、第１１図ｃで示す曲線は斜線の部
分，即ちＸ＞ｏの領域が整流され、正の信号が表示回路
に入力され表示される。これにより散乱光束がｘ軸の正
方向に傾斜していることが分り、従つて表面欠陥の方向
が分る。この様に同期装置を設け、その領域に於ける検
波回路からの正又は負の値により散乱の方向が分り又表
示される大きさの度合いにより、きずの程度が分る。更
に上記同期装置・同期回路を複数個設ける（第１３図示
）ことにより、同一装置で同時に走査スポツトの異状を
複数成分に分割し、検出結果を分析することにより、表
面欠陥の種類，程度をも検出できる。上述した第１実施
例に於ては被検体に照射される光束は垂直に入射してい
たが、第１４図の如く斜めの角度を持つた入射光束を用
いても良い。

この場合検出光学系の光軸６８を、入射光束５２が表面
欠陥を有しない反射面で散乱される散乱光束の主軸と等
しく設置しておけば、上述した操作が可能となる。被検
面に入射する照射光束の角度が変化すると散乱特性が変
化し、垂直照射の場合の如く散乱特性は散乱光束の主軸
を中心として回転対称とならない場合もあるので走査ス
ポツトに欠陥が存在しない場合であつても第９図Ａの如
き直流は得られない場合がある。

この場合予め各照射角度に於ける欠陥が存在しない走査
スポツトからの反射特性を検出光学系５６，５７，６１
，６３で検出しておく。第１４図に於て入射角θで照射
された光束の欠陥が存在しない走査スポツトからの散乱
光を゛検出光学系５６，５７，６１，６３で検出した場
合第１５図Ａの出力が得られたとすると、この出力と逆
の第１５図Ｂに示す様な出力を回転板５７の回転と共に
得る様な検知器６９を設ける。第１６図はこれらを処理
する回路で、受光器６３からの出力と検知器６９からの
出力は加算回路１０γで合成され増幅回路１０５へ送ら
れる。故に走査スポツトが正常な場合、受光器６３から
の出力と検知器６９からの出力は相殺され、第９図Ａの
様な直流の出力が得られ、上述した散乱光束の散乱特性
がその散乱光束の主軸を中心として回転対称の場合と同
様の測定が出来るのである。第１７図は本発明の第３実
施例を示す正面断面図である。

以下の説明に於て第１，第２実施例と同じ符号が施して
ある。光源５１からの光束５２は光軸ＡＸ（Ｚ軸）上に
置かれた反射鏡５３により被検体５４の走査スポツト５
５に垂直入射後、反射散乱される。ＴＯは不透明の部材
７２より成る円板の一部を切欠き、そこにレンズの一部
切欠きｒ１を貼り付けた回路部材で駆動装置５９により
光軸ＡＸを中心として回転される。故に前記反射光束の
回転部材７０のレンズ部７１を通過する様な光束のみが
レンズ部ｒ１に関して前記走査ス ５ポツト５５と共役
な面の近傍に置かれ受光器６３へ導かれるのである。こ
の装置に於いては第１実施例に於ける回転板５ｒと集光
レンズ５６を一体にした回転部材７０を用いている為、
受光器６３に達する光束は常に同じレンズ部７１を通過
する ４ので光学測定条件は一定となり、レンズの収差
又はレンズ上に付着した埃又はキズ等による影響を受け
なくなる〇第１８図は本発明の第４実施例を示す正面断
面フ図である。

第１８図に於てＲ３は第３実施例光学系の光軸ＡＸ上に
回転中心を有し駆動機５９で回転される回転円板γ５の
周辺部に固設され走査スポツト５５からの散乱光の一部
５８を反射する様に設けられた平面反射鏡、７４は光軸
ＡＸ上に設けられた平面鏡で前記平面反射鏡Ｒ３で反射
される光束を常に集光レンズ５６に導く様に平面反射鏡
γ３に対向して回転円板Ｔ５にアームＲ５′で固設され
ている。光源５１からの光束５２は光軸ＡＸ上に設けら
れた反射鏡５３で被検面５４上の走査スポツト５５に垂
直入射し散乱する。散乱光束の内、前記平面反射鏡Ｒ３
で反射される光束は、平面反射鏡７４で光軸ＡＸ方向に
反射され集光レンズ５６を介して受光器６３に導かれる
。この場合、平面反射鏡７４の代りに凹面鏡を用い、果
光レンズ５６を除去して直接光束を受光器６３へ導いて
も良い。前述第１７図示の第３実施例、第１８図示の第
４実施例に於ては被検体照射用光束を垂直に入射させた
が第１４図に於て説明した如く斜方から入射させても良
い。

前述の第１実施例から第４実施例に於ては、一個の受光
素子を用いて光量器出を行なつている。

このことは前述した如く等ベクトル面に多数の受光素子
を配設して光量検出をする場合に比べて、各受光素子の
光に対する応答特性の相違を除去することができるので
有効である。第１９図は本発明装置の第５実施例である
。

７６は走査用ポリゴンミラーで被検体の移動方向（矢印
７８）と垂直の方向（矢印７９）に光走査を行う。

ＴＴはポリゴンミラー７６上に入射する光束の入射点と
、該光束が前記ポリゴンミラーで走査され走査スポツト
５５に入射する点とが共役点となる様に配された凹面鏡
である。光源５１から出射される光束５２は光軸ＡＸ上
に設けられた反射鏡５３により光軸ＡＸに沿つてポリゴ
ンミラー７６に入射し、ポリゴンミラーＲ６更に凹面鏡
７ｒで反射され、走査スポツト５５に垂直に入射し散乱
される。該散乱光は凹面鏡Ｒｒで捕集され、凹面鏡に関
して走査スポツト５５と共役位置にあるポリゴンミラー
７６上に集光される。故にポリゴンミラー７６上のスポ
ツトで反射されて検出光学系５６，５７，６１，６３に
入射する光束は走査スポツトで反射される光束と同一の
ものが得られ走査可能となる。回転板５Ｔはポリゴンミ
ラーＲ６に比べて非常に高速で回転するので、ポリゴン
ミラーＲ６と被検体５４の位置関係がほとんど変化しな
い内に走査スポツト５５からの反射光束を検出できる様
になつている。上述した本発明装置に於て、同期装置６
４は一般に広く用いられているロータリーエンコーダー
を利用しても良いし、回転円板５６の外縁部に一周を何
等分かに分割して所望のパターンを配置し、センサーで
検知しても良い。

又回転円板５６の回転量に応じて出力信号を出す検知器
６８は前記同期装置６４と同様に所望の信号が得られる
パターンを回転円板５６の外周部に設けてこれをセンサ
ーで検知すれば良い。

又、走査スポツトの形状および絞り板６１の開口６２の
形状は限定されず検査の目的に応じて最適な形状を選べ
ばよく、その大きさも目的に応じて任意に選べばよい。
更に上述の実施例に於ては、散乱光束の等ベタトル反射
面を円形回転対称と仮定して走査したが、実際には散乱
特性が回転対称であつても散乱光束のベクトル等位面が
円形回転対称であることは少なく、従つて反射特性に応
じて等ベクトル反射面を走査する様に回転走査を行なつ
てやる。

又、被検面が正常であつても反射特性が回転対称形でな
い場合、予めその散乱光の反射特性を検知して等ベクト
ル反射面を検出し、該等ベクトル反射面を検知できる様
な手段、例えば第２０図示の第６実施例如く所望の等ベ
クトル反射面のパターンを描いたスリツト８０を有する
スリツト板８１を回転板に密接して接けることにより散
乱特性が回転対称形でなくても上述の方法と同じ測定が
できる。

一方欠陥を有していない走査スポツトから反射される光
束で回転対称形の反射特性を有するにもかかわらず、回
転対称形の中心軸が散乱主軸と一致しない場合には本発
明検査光学系の光軸が前記回転対称中心軸と合致する様
に移動させれば等ベクトル反射面を走査できる。以上本
発明の実施例の六面検査装置に於ては、被検面の一走査
スポツトで反射される散乱光束を、該散乱光束内の複数
の方向に設けた光検出器で測フ光しその出力を比較する
ため、外乱等による光量変化に影響されない等の効果を
有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，Ｂは正常面に於ける散乱特性を示す図、第２
図Ａ，Ｂと第３図Ａ，Ｂと第４図Ａ，Ｂは本発明の基本
原理を説明する図、第５図は本発明装置の第１実施例を
示した斜視図、第６図は同じく正面から見た断面図、第
７図は散乱反射光の等光量分布面を説明する図、第８図
は第１実施例に於いて表面欠陥による散乱特性の一例を
示す図、第９図は第１実施例装置に於て表面状態に応じ
て得られた検出電流、第１０図は第１実施例に於ける検
出回転を示すプロツク図、第１１図は第１２図の検出回
路を説明する図、第１２図は同期回路を有する検出回路
を示すプロツク図、第１３図は複数の同期装置を有する
検出回路を示すプロツタ図、第１４図は第１実施例の変
形適用例を示す斜視図、第１５図は第１４図示実施例の
原理を説明する図、第１６図は第１４図示実施例の検出
回路を示すプロツク図、第１７図は本発明装置の第２実
施例を正面から見た断面図、第１８図は同じく第３実施
例を正面から見た断面図、第１９図は第１実施例に走査
機構を適用した状態を示す斜視図、第２０図は回転対称
性を有さない等ベクトル反射面の走査を説明する図。 １・・・・・・被検面、２・・・・・・被検領域、３・
・・・・・走査ビーム、４・・・・・・散乱光束の主軸
、５，６・・・・・・散乱特性曲線、ｒ・・・・・・主
散乱光束領域内、８，９，１０・・・・・・光電素子、
９５，１０′・・・・・・検出電流、５１・・・・・・
光源、５２・・・・・・光束、５３・・・・・・反射鏡
、５４・・・・・・被検面、５５・・・・・・被倹領域
、５６・・・・・・集光レンズ、５ｒ・・・・・・回転
板、５６ｈ，５ｒｈ・・・・・・孔、５８・・・・・・
・・・散乱光束の一部、５９・・・・・・駆動装置、６
０・・・・・・開口、６１・・・・・・絞り板、６２・
・・・・・開口部、６３・・・・・・受光器、６４・・
・・・・同期装置、６５ａ，６５ｂ・・・・・・散乱特
性曲線、６６ａ，６６ｂ，６ｒａ，６ｒｂ・・・・・・
散乱光束、６８・・・・・・光軸、６９・・・・・・検
知器、ＡＸ・・・・・・光軸、１０１・・・・ｔ・増幅
回路、１０２・・・・・・フイルタ一回路、１０３・・
・・・・整流回路、１０４・・・・・表示装置、１０５
・・・・・・交流増幅回路、１０６・・・・・・検波回
路、１０１・・・・・・加算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 物体を走査ビームで走査して走査スポットからの散
   乱光を光検出器で受け物体の表面等の欠陥等を光学的に
   検出する方法に於いて、前記散乱光束の主軸をはさんで
   走査スポットからの散乱光束を受ける実質的に複数個の
   光検出器の各出力を比較し、散乱光束の配光角度特性よ
   り前記欠陥等の有無及び方向を検出することを特徴とす
   る表面検査方法。 ２ 物体を走査ビームで走査して走査スポットからの散
   乱光を光検出器で受け物体の表面等の欠陥等を光学的に
   検出する方法に於いて、前記走査スポットからの散乱光
   束を受ける環状の軌跡を描いて走査する光検出器の軌跡
   上の所定の複数位置における各出力を比較し、散乱光束
   の配光角度特性より前記欠陥等の有無及び方向を検出す
   ることを特徴とする表面検査方法。