JPS61272640A - 物体の表面状態測定装置 - 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】 本発明は表面の状態を測定する光走査装置に関する。こ
の種類の公知の装置は、物体の表面−ル　− の走査線を形成する装置と、該走査線に平行に延びろ半
面内にあって、常態の反射に対応する特定の方向または
表面欠陥の結果とじてこγしから幾分逸ｒシお一方向の
いづ７ｔかで表面状態に依存して表面を去る総ての光線
を点状集中領域に集中する光学系とを備えている。この
点状集中領域をま、光線が常態の方向を有するか、また
は角度的に該方向から幾分逸ｒしるかに依存して、透明
な光集中装置の光入口面上の常態位置または走査線の方
向で該位置に対して幾分変位￥ろかのいづｎかで配置さ
れる。

光集中装置は外側鏡付き側面を有し、集中領域から所望
の光出口面まで勾配を設けらγし、該出−ロ面では面積
光変換器、特に、光電子増倍管が配置される。暗視野ス
トップは光集中装置に対して垂直に配置さγし、好まし
くはこの垂直位置のまわりの小さい角度範囲内に配置さ
１しろ。該ストップは垂直方向に対する所定の偏向角度
以上で表面を去る光線のみが光集中装置に進入するのを
許容する。

この光走査装置は１例えばシート金属の様な鏡面反射材
料の表面検査に使用さ１しろ。この装置では、走査光線
はしっかりと束ねら几る走査光線ビードを発生する様に
金属のウェブへ斜めにレーザ光線で照射される鏡ホイー
ルによって方向づけらｉＬろ。走査光線ビードは好まし
くはウェブの移動方向に対して横方向に周期的にウェブ
土を拭掃する。この様にして、ウェブは線状に走査さＩ
しろ。ウェブから反射さｒしろ光は走査光線ビードによ
って発生さｒＬ、ろ光の線に平行な表面に接近して配置
される円筒形レンズによって捕捉さ”ｅ　総での受取っ
た反射走査光線を単一の点状集中領域に集中する球形、
放物面または円筒形、特に、ス）　ＩＪツブ状状面面鏡
方向づけらＴＬる。

この集中領域に１鏡ホイールの表面の像を示す。

しかしながら、像形成用凹面鏡の代りに、ストリップ状
の形状の対応するレンズを使用してもよい。

主として光電子増倍管から成る光電変換器装置は集中領
域に配置してもよい。しかしながら。

この配置により表面に欠陥の発生の際、集中領域が光の
線の方向におけるその常態位置から一方向または他の方
向へそｒＬ、火焦面の態様でこの移動の際に広がること
は問題になる。集中領域のこの偏向は好ましくはｓａｎ
になり、または角度で表わして約へｊ０になり、従って
、就中。

光の線の方向でこの様な大きい面積の広さを有する受光
面が設けらｒしねばならず、こｒＬ、は０通常、光電子
増倍管によって得らｒしる様になし得ない。

この理由により、集中領域と光電子増倍管の受光面との
間に透明な光集中装置が既に設置され、該光集中装置は
、外側鏡付き側面を有し円錐状に勾配のあるプリズムの
態様に構成さｒＬ。

比較的大きい九人【−１面と、約半分の大きさの光出口
面とを備えている。この構成により、光入口面は集中領
域に対して十７．７°から１−θ、６°までの角度内に
属する総ての光線を検出する光の線の方向で充分に太き
（て、光電子増倍管の配置−ヂー さ几る低減した光出口面へ出来るだけ完全に。

光集中装置の側面における反射によって光線を送るのを
可能にする様に１寸法を定めらｎる。

本発明の底流をなす主な目的は、自然な基本的制限を考
慮し、総ての入射光線を所望の光出口面へ送る有用な角
度範囲が絶対的な最大値に達する様な態様で光集中装置
の光の集中が最適化さ７′Ｌ、る最初に述べた種類の光
走査装置を提供することである。

この目的を満足させろため１本発明は勾配付き光集中装
置の外側の鏡付ぎ側面が入口面から遠い方向で益々凸形
に彎曲し、従って、暗視野ストップの範囲内に属する少
（とも幾つかの光線か、暗視野ストップを欠くと仮定す
ｒしば、所望の光出口面に達することなく光集中装置内
で後方へ反射される稚魚な角度で凸形に彎曲する側面に
当り、暗視野ストップの横で光集中装置の光入口面に進
入する総ての光線か、所望の光出口面に総て到達する様
な浅い角度で鏡付き側面に当たることを提供する。

従って０本発明の底流をなす基本的な観念は。

暗い面によって被わγしろ領域に入射する光線が。

暗視野ストップの存在しない際、二回目に正に非常に急
な角度で反対側の側面に当たり、従って、所望の光出口
面から遠く後方へそこから反射さＴＬ、従って、光電子
増倍管ｆの利用に対して喪失さＴＬる様な態様で少（と
も部分的に反射される如（、光集中装置の側面を成形す
る着想にある。

しかしながら、光入口面の中心領域における暗視野スト
ップの実際の配置のため、こｒＬは。

常態で反射さｒＬる光線ではな（測定に影響を与える様
に意図される欠陥から発生さｔしる光線であるため、こ
ｉｔ等の光線がいづ１しにしても暗視野ストップによっ
て光電子増倍管から遠く保たｒしろために不都合ではな
い。この代りに１本発明は、光集中装置に従来可能であ
ったよりもかなり太き（なる様に有用な角度範囲を選択
することを基本的な物理的制限の考慮および該制限内の
保持によって可能にする。例えば、暗視野ストップが約
７０の角度範囲にわたって被えば。

１０から１．７°までの有用な角度範囲は、その各々の
側に設けらｒしてもよ（、光集中装置の光入口面へのこ
の角度範囲に属する総ての光線は、過度に急な角度の入
射によって後方へ反射さｒｔ、ることなく、光電子増倍
管の配置さＴしる所望の光出口面へ鏡付き面で反射さ几
ろことによって到達可能である。しかしながら、物理的
な要件は。

暗視野ストップに当る光線の条件が本発明によって達成
さＩしるため維持可能であり、こ几等の光線は、暗視野
ストップによって被わｎなけｒしは、側面におけろその
部分的な後方への反射に導かｉする。

この配置は、好ましくは、光入口面が特定の方向へ核間
から出る光線に対して中心光線に垂直に延びる様になさ
ｒＬ、ろ。

更に、所望の光出口面は光入口面に平行に延びねばなら
ない。

更に、暗視野ストップ／ｌＩが光集中装置の光入口面の
中心に対称的に配置さ１Ｌ′！−ば１便利である。

中心光線の両側での欠陥検出に対して対称的な角度範囲
を与えるため、彎曲した側面（ま中心光線に対して対称
的に延びねばならない。

彎曲した側面が所望の光出口面のはＶ背後に横たわる頂
点を有しその面に平行に並進″ｆろ放物線の形状を備え
ｌしば、特に有利である。

本発明の意図の結果として、所望の光出口面に対する先
入１」面の比が約２：１になる光集中装置を実現するこ
とは、簡単に可能である。

従って１本発明の光集中装置は、複数の光線の平面に平
行なその部分の総てが等しい回転体に同等の構造である
。従って、凸形に彎曲する側面は、一平面においてのみ
彎曲する面であり。

こ１しは１球状に彎曲する面よりも製作するのにかなり
蘭学である。

一層大ぎい利用可能な角度範囲の理想的な検出は、側面
が次の関数に従う際に達成さ１しる。

α鴫ｘ２ 一１３− こ〜に、ａ、ｂは定数であり、ａは好ましくは＋　０．
θ１２　　から十〇、／Ｆまでの範囲内にあり、ｂは好
ま【７（は−０，３から一へ〇までの範囲内にある。値
αは特に釣上〇、ＯＳであり、値すは約−ｏ、ｑである
。

以下１本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

総ての図面において、同様な符号は、同様な部分を示す
。

第１図に示す様に、鋼ウェブまたは連続的な鋼シート２
３が１本発明による光走査装置の下を矢印Ｆの方向へ連
続的に移動する。レーザ光線２５は、ウェブ２３の移動
方向Ｆに対して横方向にウェブ、２３上にアーチ状に延
びるストリップ状凹面鏡ムヘレーザによって照明さＴし
ろ鏡ホイール、２りで方向づけらＴＬる。鏡ホイールの
回転によりレーザ光線２３　ｋｌ、ス）　ＩＪツブ状凹
面鏡上の領域内を移動し０例えば−５′　で示す位置に
も達する。

鏡ホイール２弘の回転の際、走査光線りＡ、４’Ａ’は
凹面＊、ｚ６ｖｒよって発生さｒＬ、そ１し等自体に平
行に一／４’　− 変位さγし、ウェブ２３の表面、２２に夫々走査光線ビ
ード２ｔ、；１７’を発生する。

この様にして走査光線ビードは、矢印ｆの方向ヘラニブ
を定期的に横行走査し、従って、全体として、光の筋な
いし光の線バが生じろ。この様にして、矢印Ｆの方向へ
のウェブの連続的な移動の結果として、光線ビード、２
７による表面、２２の直線方向の走査が保証さＩしろ。

鏡ホイール評および凹面鏡２６を備える光伝達装置は、
走査光線４ｔ６．グ６′が表面ムの垂臓２９に対１、て
角度αでウェブに入射する態様でウェブ２３０表面−一
に対して斜めに配置′ｆろ。

円筒形レンズ（図示せず）乞、好ましくは。

表面ココに近い走査光線ら、グ乙′の通路に配置する。

反射角度αでウェブ表面２．２から反射さｌしろ光線１
９は、第１．第２図によると、好ましくは。

第２図に示さ７しろ円筒形レンズ３０を通過した後。

別のストリップ状凹面ｉｖ！３／に達する。光集中装置
１１は透明なブロックであり、その平面状入口面７．２
０１１反射光線１９の全体によって形成さｌしろ−１５
− 光３コの扇形の中心光線１８に対して垂直である。

その下端ないし後端では、光集中装置１１は、所望の光
出口面１３に接着さ７′Ｌろか、または液体を介して核
間１３に結合さ几ろ光電子増倍管３３を有し、光入口面
１２に平行に延びる光出口面１３を備えている。光電子
増倍管は、所望の光出口面１３に当たる総ての光を受け
て１図示さγしない態様で、光の入射量（光束）に比例
す７１電気信号を電子式処理回路へ伝達する。従って、
光電子増倍管が光学的に問題のない態様で一つまたはそ
ｒＬ以上の境界面なしに光集中装置１１に結合さγしろ
ことは０重要である。この結合は、接着剤により、また
は油を介して達成してもよい。

第１．第６図に示す様に、光入口面１２は第６図に破線
で示した暗視野隔禮ないしストップフグによって中心領
域にわたって被わｒＬ、従って。

通常０反射面２２によって反射される光線１９は。

暗視野ストップ／弘に入射して、光集中装置１１に進入
するのをストップ／４ｔによって阻止さ７１．ろ。

光線／？ハ暗視野ストップ／４１の中心の点状集中領域
ｌ乙において第６図によって集中さ１しる。

本発明の光集中装置１／は、第６図の側面図でははｙ放
物線の形状を有し、該形状はその中心軸線Ｊに垂直に両
端を切断さ扛、こＩＬにより、光入口面／ｊおよび光出
口面１３が形成さｉＬる。外側において益々凸形に彎曲
して鏡付きの側面１３は、デθ０よりも幾分小さい角度
で光入口面１２の両端３グから延びる。彎曲した側面１
５は、頂点２１から距離ν。において終り、光入口面１
２に平行に延びろ光出口面１３にそこで融合する。第６
図に示さｒしない光電子増倍管３３は、所望の光出口面
１３に隣接する。凸形に彎曲する端縁面１５のｍ点、２
１からの光入口面１２の距離は、第６図にｖｌで示さｎ
ろ。

デカルトｘ−ｙＦ！Ｆ！！伸系は、頂点、２１の個所の
原点Ｏにより、第３図に鎖線で心出しさγしる。

本発明によると、この座標系の端縁面１５は、次の関数
によって形成さγしる。

α　ａ　　　Ｚ” １＋１−６＋ｌ　ａａ２．．２ ７フー パラメータのαは、杓子〇、Ｓであり、ｂは約−０，９
である。従って、こγしは楕円体関数である。

値Ｖ。、ν、は、図示の実施例では、夫々約１．２と、
ｌ１２になる。１０　　とＶ、との比は、本発明に°よ
ると、好都合に約ド１０　　である。所望の光出口面１
３は、通常の光電子増倍管３３の有効光捕捉面に適合す
る。従って、Ｘ方向での所望の光出口面１３の長さは、
約ｙ−ｓｃｍであり、こγしに垂直に約ダ、５６ｎであ
る。

次に、第６図に破線で示さＴしる暗視野ストップ／ダが
省略さｒし、従って、集中領域／６に一緒ニ来る光線１
８、／？が図示の態様で光集中装置ｌ／に進入可能であ
ると仮定する。本発明による凸形に彎曲する鏡付き側面
／ｊの構造の結果として、光線１７が非常に急な角度で
鏡付き側面１５に当たるため、こｉＬ等の光線１７のい
づγしのものも所望の光出口面１３に達しない。反対に
、こｒし等の光線１７は、正に、光入口面１２の方向へ
所望の光出口面１３から遠く側面／ｊから反射さｌして
戻される一１８一 様な角度で反対側□の側面／！ｆに二回目に当たる如（
反射さハる。従って、対応する光線は、所望の光出口面
１３の背後に光の漏らない態様で結合される光電子増倍
管による検出に対して喪失される。しかしながら、暗視
野ストップ／ダが実際には設けらＩＬるため、関連する
光線は、いづｒしにしても測定に対して評価さ１しず、
従って、本発明の光集中装置の上述の特性は、如何なる
不利な作用をも持たず、正に、損失なしに所望の光出口
面１３へ更に外方へ入射する光線を搬送するのを可能に
する。

第４、第５図の例示では、ウェブ２３の表面、２２から
反射さγしる光線／？は、表面欠陥または光の線２ｇ　
（第１図）の方向で角度βにわたるウェブの傾動の結果
として極端な態様で偏向さＩＬることが仮定さＴし、こ
ｒしは、単に中心光線１８に対して第４図に示さｉＬ、
該実施例ではれ７°に達する。

この環境の結果として、集中領域／６は、特に第５図に
示す様に光入口面１２の上側の最も外の端縁まで偏位さ
ｒし、こｉＬにより、光の扇形３コの全　　　　□−７
９一 体の光線は、光集中装置１７の内部に進入用能である。

入射光線が所望の光出口面１３に直接に到達しない限り
、入射光線は、上側鏡付き側面／ｊにおいて所定の角度
で完全に反則さｒし、該角度が非常に小さいため、入射
光線は反射後に所望の先出［１面１３に到達し、従って
、光電子増倍管３３（第１図）によって完全に検出さγ
しる。／、７゜の様な大きな偏向角度の検出は、本発明
による側面１５の構造の結果としてのみ可能であり、゛
こｒＬにより、暗視野隔膜１４によって捕捉さγしる所
望の光出口面１３への光線の入射のための条件は意識的
に満足さｒしない。

第６図は、総ての入射光線／Ｖの偏向角度βが０．６°
の場合の状態を示す。この角度では、集中領域／６’は
、暗視野ストップ／ｌの横を丁度通り、従って、総ての
光線は所望の光出口面に丁度到達する。比較のため、第
７図は、偏向角度βがθ、２°の場合を示し、従って、
集中領域７６′は破線で示した暗視野ストップｌ弘の内
側に配置される。

この場合には、暗視野ストップ／ダが省略すγＬ、７（
。

ば、光集中装置ｌ／に進入１゛る幾つかの光線１７は、
所望の先出１」面１３に達せずに端縁面１５で反射さｌ
し光出口面１３から離７Ｌる方向−＼戻る。約θ、６°
、正確には０．５７°の第６図に示す偏向角度βよりも
大きいことのみか、光集中装置に進入１−る総ての光線
の所望の先出［１面１３に達′ｆ−ることを満足させる
条件である。

最後に、第８図は集中領域７６′から光集中装置１１に
進入１−る総ての光線が所望の先出［」而１３に達する
ことを示すために偏向角度βが７０の場合である。

従って、ｏ、ｂｏから７．７°までの有用な角度範囲△
βけ、暗視野ストップ１９の両側に設けらγし、ストッ
プ／ダ自体は、約へλ０の角度範囲を占める。

暗視野ストップ／弘の両側の二つの使用可能な角度範囲
を組合わせｒＬば、全体の有用な約λ、２°の角度範囲
が結果として生じるか、と７’Ｌは、−八７゜から＋／
、７°までを考慮しない暗視野ストップの領域の中心部
分の混合の結果として効果的に延長さγし、即ち、３．
り０の全体の角度範囲の外側部分における光線は、狭く
なった所望の光出口面１３へ完全に方向づけらｌしる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による表面状態を測定する光走査装置の
一実施例の図式的な胴視図、第２図は受は入γし光線路
が単一の平面に展開さγした第１図の光走査装置の受は
入ｎ光線路の図式的な平面図、第６図は第２図の部分■
の拡大図、第４図は反射光線が表面状態によって角度へ
７０偏向さγした状態の第２図と同様な平面図、第５図
は第４図の部分■の拡大図、第６図は光集中装置に進入
する総ての光線が所望の光出口面に達する角度０．６°
偏向さｉした状態の第６、第５図と同様な図、第７図は
偏向角度Ｏ１λ０の場合の第６図と同様な図、第８図は
偏向角度１０の場合の第７図と同様な図で、図中、１１
は光集中装置、／コは光入口面、１３は光出口面、／シ
は暗視野隔膜（ストップ）、１５は鏡付き側面（端縁面
）、１４は光線、７ｇは中心光線、１９は反射光線、２
１は頂点、２２はウェブの表面な示す。 ＦＩＧ、１

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）物体の表面上に走査線を形成する装置と、該走査
   線に平行に延びる半面内にあつて、表面状態に応じて常
   態の反射に対応する特定の方向や表面欠陥の結果として
   該方向から幾分それる方向で該表面を去る総ての光線を
   点状集中領域に集中する光学系とを備え、該点状集中領
   域か、常態の方向または該方向から幾分角度においてそ
   れる方向を該光線の有するか否かに依存して透明な光集
   中装置の光入口面の常態位置または光の筋の方向で該位
   置に対して幾分変位するかのいづれかに配置され、該光
   集中装置が、外側鏡付き側面を有し、面積光変換器、特
   に、光電子増倍管の配置される所望の光出口面へ該集中
   領域から勾配を設けられ、暗視野ストップが、該光集中
   装置に対して垂直位置に、好ましくは該垂直位置のまわ
   りに小さい角度範囲内に配置され、該ストップが、該光
   集中装置に進入するのを常態方向に対する所定の偏向角
   度以上で前記先入口面を去る光線のみに許容し、表面の
   状態を測定する光走査装置において、 勾配のある前記光集中装置（１１）の外側の鏡付き側面
   （１５）が、前記先入口面から離れる方向で益々凸形に
   彎曲し、従つて、前記暗視野ストップの範囲内に属する
   少くとも幾つかの光線（１７）が、該暗視野ストップを
   無いと仮定すれば、凸形に彎曲する該側面（１５）に非
   常に急な角度で当たり、従つて、前記所望の光用口面（
   １３）に達することなく該光集中装置内を後方へ反射さ
   れ、該光集中装置（１１）の先入口面（１２）に該暗視
   野ストップ（１４）の横で進入する総ての光線が、該所
   望の光用口面（１３）に総て到達する様な浅い角度で該
   鏡付き画面（１５）に当たることを特徴とする光走査装
   置。
2. （２）特許請求の範囲（１）の光走査装置において、前
   記走査線が周期的に移動する光線ビードによつて発生さ
   れる光走査装置。
3. （３）特許請求の範囲（１）または（２）の光走査装置
   において、前記先入口面（１２）が特定の方向で表面か
   ら出る光線（１９）を伴う中心光線（１８）に対して垂
   直に延びる光走査装置。
4. （４）特許請求の範囲（１）から（３）のどれか一つの
   光走査装置において、前記所望の光出口面（１３）が前
   記先入口面（１２）に対して平行に延びる光走査装置。
5. （５）特許請求の範囲（１）から（４）のどれか一つの
   光走査装置において、前記暗視野ストップ（１４）が前
   記光集中装置（１１）の先入口面（１２）の中心に対称
   的に配置されている光走査装置。
6. （６）特許請求の範囲（１）から（５）のどれか一つの
   光走査装置において、前記彎曲した側面（１５）が前記
   中心光線（１８）に対して対称的に延びる光走査装置。
7. （７）特許請求の範囲（１）から（６）のどれか一つの
   光走査装置において、前記彎曲した側面（１３）が前記
   所望の光出口面（１３）のほゞ背後に横たわす頂点（２
   １）を有し、その平面に平行に並進する放物線の形状を
   有する光走査装置。
8. （８）特許請求の範囲（１）から（７）のどれか一つの
   光走査装置において、前記光出口面（１３）に対する前
   記先入口面（１２）の比が約２：１である光走査装置。
9. （９）特許請求の範囲（１）から（８）のどれか一つの
   光走査装置において、前記光集中装置（１１）が彎曲し
   た構造であり、複数の光線の平面に平行な該光集中装置
   （１１）の断面が総て同一である光走査装置。
10. （１０）特許請求の範囲（１）から（９）のどれか一つ
    の光走査装置において、 前記側面（１５）が、次の関数に従い、 Ｖ＝（ａ・ｘ＾２）／｛１＋√［１−（ｂ＋１）・ａ＾
    ２・ｘ＾２］｝こゝにα、ｂが定数である光走査装置。
11. （１１）特許請求の範囲（１０）に記載の光走査装置に
    おいて、 ａが、±０．０１２から±０．１４までの範囲内にあり
    、特に約±０．５である光走査装置。
12. （１２）特許請求の範囲（１０）または（１１）の光走
    査装置において、 ｂが−０．３から−１．０までの範囲内にあり、特に約
    −０．９であることを特徴とする光走査装置。
13. （１３）特許請求の範囲（１）から（２）のどれか一つ
    の光走査装置において、前記暗視野ストップ（１４）が
    １°の前記面（２２）を残す前記光線（１８、１９）の
    角度範囲を被う光走査装置。
14. （１４）特許請求の範囲（１）から（１３）のどれか一
    つの光走査装置において、各側における前記暗視野スト
    ップの外側の有用な角度範囲が、垂直方向に対して１°
    から１．７°までの範囲内にある光走査装置。