JPS6149601B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は被検体を光束で走査し、この被検体を
反射、又は透過した光束の指向方向の前もつて定
められた規準方向からの偏倚を検出することによ
り、被検体の光束反射、又は透過に於ける光偏向
特性に関係する情報、例えば表面形状情報を得る
ようにした装置に関する。 物品の表面形状を測定する装置には大別して接
触式のものと非接触式のものとがある。 接触式の装置の主なものには探触針を物品表面
に当てて走査するようにしたものであるが、斯様
な装置は測定速度が遅く、また物品表面に傷をつ
ける恐れがある為、柔い物品表面の形状測定には
不向きである。 非接触式の装置の主なものは光学式のものであ
つて、測定波面と参照波面を重畳して干渉縞を形
成したり、米国特許第3761179号明細書に記載の
装置の如く被検体表面の起伏に起因する反射光束
の変化を検出したりして表面形状を測定するよう
にした装置等が公知である。干渉縞を利用する装
置は感度が高く、被検体表面形状の基準形状から
のわずかの変化が複雑な縞パターンの変化に結果
する。そして一般にこの縞パターンを目視観察す
るようになつている為、干渉縞が複雑に変化した
場合は被検体の表面形状の単純な判定も定量測定
も容易ではなく、測定に長い時間がかかつてしま
う。従つてIC製造工程で半導体ウエハやパター
ンマスクの平坦度（この場合高低差はλ＝6328Å
としてλ／５〜25λの範囲にある）を短時間に大
量に検査するような場合に応用するには不適であ
る。勿論、干渉縞の位相情報を光電的に検出し、
得られた信号を処理して被検体の表面形状を測定
することも可能であるが、この場合装置の光学
的、電気的、機械的諸手段の構成が複雑になつて
しまう不都合が生ずる。感度の低いモアレ縞を形
成することによつて被検体表面形状を測定する装
置もあるが（例えば米国特許第3858981号明細
書）、精密な測定の要がある時は逆に感度が低過
ぎ、更にモアレ縞パターン情報の処理に前述と同
様な欠点がある。前述の米国特許第3761179号明
細書に記載の装置は高速の測定が可能であるが、
被検体表面の起伏に簡単な形では対応しない反射
光の光量変動を利用するものである為、装置の光
学的、電気的、機械的諸手段の構成が複雑になる
という欠点がやはりある。 アイ・ビー・エム，テイニカル，デイスクロー
ジヤー，ブリテイン（IBM Technical
Disclosure Bulletin）第13巻、第３号、789〜790
頁には被検体の研磨面又は半研磨面を光束で走査
し、反射光束を入射位置検出素子で受光し、この
素子の受光面上での入射光束の位置偏倚を検出す
ることにより被検体の表面形状を測定するように
した装置が開示されている。この装置の構成は簡
単であるが、しかし走査光束に対して被検体全体
が傾いていれば得られる結果には表面形状の情報
とこの傾き情報との双方が混入してしまう為、被
検体の正確な配置が必要であり、これが高速測定
の障害となつている。またこの刊行物に記載の装
置にはただ一本の直線に沿つた表面形状の測定し
かしていないという欠点もある。従つて全表面の
測定、又それによる３次元形状を知るには時間が
かかり加えて困難である。 本発明の主な目的は、光学的に非接触で被検体
をラスター走査し、この被検体のの反射、又は透
過に於ける光偏向特性に関係する情報を得る測定
装置であつて、簡単な構成でよく、かなり高い感
度が得られるのみならず高速で測定可能な装置を
提供することである。以下図面を参照して本発明
の実施例を説明する。 第１図は本発明の一実施例の光学系の概略図で
そして第２図は第１図光学系を２−２線方向から
見た図である。図中、１０は光源である。光源と
してはタングステン球、クセノン球、発光ダイオ
ード、半導体レーザー等何でも利用できるが、第
１，２図光学系、及び後述の第４図，第５図光学
系では直線偏光光束を放射するガスレーザーが使
用されている。光源１０は紙面に垂直な偏光ベク
トルを有する細い直線偏光平行光束１１を射出す
る。光束１１は偏光ビームスプリツター１２に入
射する。このビームスプリツター１２はＳ偏光の
光を反射し、Ｐ偏光の光を透過せしめる。Ｐ偏光
とは入射光線とビームスプリツターの反射面の法
線とを含む面内に偏光ベクトルがあるもの、Ｓ偏
光とはこの面に偏光ベクトルが垂直なものを言
う。前述の如く、光束１１はＳ偏光であるから偏
光ビームスプリツター１２で全て反射され、光束
１３となる。１４は1/4波長板であり、光学軸が
入射光束の偏光方向に対し45゜の角度をとるよう
に配置されている。従つて、Ｓ偏光平行光束１３
がこれを透過すると円偏光平行光束１５となる。
この光束１５は電動モーター１７で等速回転せし
められている角柱型多面鏡１６に入射する。従つ
てこの多面鏡１６は光束１５を反射して等速で回
転移動する走査平行光束１８を形成する。光束１
８は前記の1/4波長板１４を透過するが、入射前
円偏光であるから透過した平行光束１９はＰ偏光
となり従つてビームスプリツター１２を全て透過
する。ビームスプリツター１２を透過した走査光
束１９は光学軸が光束１９の偏光方向に対して45
゜の角度となるように配置された1/4波長板２０
を透過する。従つて、回転移動する走査光束２１
は円偏光である。２２はコリメーターレンズであ
り、後側焦点がほぼ多面鏡１６の光束１５の入射
点近傍にあるように配置されている。従つてこの
レンズ２２はほぼ等速で回転移動する光束２１を
ほぼ等速で平行移動する走査光束２３に変換す
る。２４は表面で光を反射する被検体であり、走
査光束２３を反射した際その光束が再びレンズ２
２に入射するように、被検体２４はその表面の光
束２３に対する平均的な角度がほぼ垂直になるよ
う配置されることが望ましい。 ここで前記の多面鏡１６は、各反射面による反
射光束の走査線が互いに他の反射面による走査光
束の走査線とは空間的に分離するように、各反射
面の回転軸に対する角（本明細書でこれをピラミ
ツド角と称することにする）が互いに他のそれと
相異せしめられているものとする。そして各反射
面のピラミツド角は回転方向に沿つて順に小さく
又は大きくなつているものとする。斯様な多面鏡
には米国特許第3529884号明細書に記載の多面
鏡、即ち、本体と、この本体に放射状に設けられ
た複数のウエツブと、各ウエツブに設けられた反
射面ブロツクと、このブロツクの各々と本体の間
に取り付けられたビスとから成るような各反射面
のピラミツド角の調整可能な多面鏡が使用され得
る。こうして第３図に示す如く被検体２４はラス
ターパターン（raster pattern）に沿つて光束走
査される。そして被検体の全表面は多面鏡１６の
１回転で走査完了されることが可能となる。等間
隔のラスターを得られるように多面鏡１６の各反
射面のピラミツド角を調整しておくことが望まし
い。 被検体２４を反射した光束はレンズ２２によつ
て集められる。レンズ２２を前と逆向きに通過し
た光束は円偏光であり、再び1/4波長板２０を透
過することでＳ偏光となり、そして偏光ビームス
プリツター１２で全て反射する。この反射光束２
５は光電変換式入射位置検出器２６の受光面上に
入射する。被検体を入射光束と正しく逆方向に反
射した光束が受光面のほぼ同一点に入射するよう
にこの検出器２６はその受光面がレンズ２２の後
側焦点面のビームスプリツター１２に関する鏡像
位置にほぼ重なるように配置されている。そして
この検出器２６は２軸式のものであつて、受光面
への光束の入射位置の２次元座標、例えばｘ−ｙ
直交座標に対応する信号を形成するものであると
する。斯様な検出器は一般に市販されているが、
その中にユナイテツド，デイテクター，テクノロ
ジー，インコーポレーテツド（United Detector
Technology Inc.）よりPIN−SC／10なる商品名
で販売されているソリツドステート素子がある。
この素子はｘ軸、ｙ軸について夫々正方向、負方
向に関する２つの光電流出力を形成するものであ
る。この４つの出力は受光面への光束（ただし強
度が一定とする）の入射位置の変化に対応して変
化する。原点に入射すればｘ軸に関する２つの出
力、ｙ軸に関する２つの出力は夫々等しく、入射
位置が原点から移動して行けばその方向に関する
出力は増加し、逆の方向に関する出力は低下す
る。例えば光速がｘ−ｙ座標の第１象限に入射す
ればｘ軸、ｙ軸の夫々の正方向に関する出力は
夫々負方向に関する出力よりも大であり、そして
例えばｘ軸の正方向に関して入射位置が移動して
行けばその移動量に対応してｘ軸の正方向に関す
る出力と負方向に関する出力との差は増大する。
従つてｘ軸についての２つの出力の差及びｙ軸に
ついての２つの出力の差を知れば光束の入射位置
の座標がわかる。本発明の実施例には上述したよ
うな光束入射位置のｘ，ｙ座標に対応する信号を
形成する素子が使用される。 さて、第１図、第２図に於いて被検体２４の被
検面が完全に平坦であつて、かつ平行移動する走
査光束２３に対して正確に垂直であれば、反射光
束は入射光束の光路を正確に逆進し、ビームスプ
リツター１２で反射された後、検出器２６の原点
位置に入射する。しかし、被検体２４の被検面が
走査光束２３に対して平均的に垂直であつても、
この面に起伏があれば、光束２３に対して垂直な
面に対し傾斜している部分を反射した光束は入射
光束の光路を逆進しないで入射光束の逆向き光路
の方向から偏倚した方向に進行する。同様に被検
体２４の被検面が完全に平坦であつても光束２３
に対して90゜以外の角度で傾いている場合、被検
面に起伏がありかつ光束２３に対して平均的に90
゜以外の角度で傾いているような場合も被検面を
反射した光束は入射光束の逆向き光路の方向から
偏倚している。後３者の場合、光束２５の検出器
２６への入射位置は原点から変化しているが、こ
の変位の方向及び大きさは被検面を反射した光束
の方向の光束２３の逆向き方向からの偏倚に、従
つて被検面の走査光束２３の入射部分の傾き、即
ち光束２３に対する垂直な面からの傾きの方向及
び大きさに１対１に対応している。従つて検出器
２６の受光面上での光束２５の入射位置を知れ
ば、被検体２４の表面形状を知ることができる。 第４図は本発明の一実施例の光学系の他の例で
ある。１０は細い直線偏光平行光束１１を射出す
るガスレーザーである。光束１１の偏光ベクトル
は紙面内にあるものとする。５０は角錘台形多面
鏡であつて電動モーター１７によつて定速回転駆
動せしめられ、回転軸に沿う方向から入射する光
束１１を反射して回転移動する光束５１を形成す
る。尚、多面鏡１６の各反射面のピラミツド角は
第３図のようにラスター走査を可能とする為、互
いに他のそれと相違しているものとする。１２は
偏光ビームスプリツターである。光束５１はＰ偏
光であるから全てこのビームスプリツター１２を
透過するが、透過後光学軸が光束５１の偏光方向
に対して45゜の角度を有している1/4波長板２０
を通過するようになつている。従つてこの1/4波
長板２０を透過した光束５２は円偏光である。コ
リメーテイングレンズ２２は後側焦点が多面鏡５
０の光束１１の入射点位置にほぼ一致するように
配置されており、回転移動する走査光束５２を平
行移動する走査光束２３に変換する。この光束２
３は前述の例と同様に被検面が光束２３に対して
平均的に垂直に配置された被検体２４を走査する
が、被検体を反射した光束はビームスプリツター
１２を介し、レンズ２２によつて被出器２６上に
フオーカスされる。即ち、第１，２図と同様検出
器２６の受光面はレンズ２２の後側焦点面のビー
ムスプリツター１２に関する鏡像位置とほぼ一致
している。尚、1/4波長板２０に再入射する被検
体２４からの光束は円偏光であつて、この1/4波
長板２０によりＳ偏光に変換されるから、偏光ビ
ームスプリツター１２によつて全て反射され光束
５３となるものである。光束５３の検出器２６へ
の入射位置が被検体２４の表面形状に対応してい
ることは前述と同様である。 第５図は第４図光学系の変形例である。この光
学系は第４図と同様な光学系のビームスプリツタ
ー１２と検出器２６の間に拡大レンズ５４を配置
したものである。検出器２６は、その受光面の位
置が多面鏡５０への光束１１の入射点のビームス
プリツター１２に関する鏡像位置のレンズ５４に
関する共役位置にほぼ一致するように配置されて
いる。拡大レンズ５４を使用することで感度は向
上し、ダイナミツクレンジを減少させることなく
精度を向上させることができる。尚、このような
拡大レンズは第１，２図の光学系にも同様にして
利用できるものである。そして拡大レンズを使用
した場合にも使用しない場合にも、或いは後述の
第６，７図で説明する光学系でも、検出器２６は
上述の位置、より正確に言えば、光束２１又は５
２がレンズ２２に入射後に通過するすべての光学
部材から成る系による多面鏡への光束入射点位置
の像位置又はこの近傍に配置される。（ただし被
検面が理想形状状態にあるとして） 第４，５図では多面鏡５０として角錘台形多面
鏡を利用したが、こうすることによつて同一の速
度で回転した場合、第１，２図の角柱形多面鏡１
６を利用する場合よりも回転移動する。従つて、
平行移動する光束の走査速度を1/2に減ずること
ができるから、後述の信号処理の為の電気回路の
応答速度に対する要求が緩和できるものである。 尚、第１，２，４，５図で1/4波長板と偏光ビ
ームスプリツターを使用したのは、ビームスプリ
ツターとして通常のハーフミラーを使用した場合
に不可避のこの部分での光量ロスをなくす為であ
る。そしてビームスプリツターを利用してコリメ
ーテイングレンズ２２と多面鏡１６又は５０間の
光路を分解することにより走査光束を形成し、ま
た反射光束を集めるのにレンズ２２を軸上で使用
することが容易となるから、前述のIBM
Technical Disclosure Bulletin，Vol13，No.３，
P789〜790に記載の装置の如くコリメーテイング
レンズを軸外で使用する場合に比べ、収差の補正
などが容易となる。 第６図ａ，ｂは夫々凹球面凸球面を有する反射
性被検体の表面形状を測定する場合の光学系要部
の説明図である。第６図ａ，ｂに於いて２２は第
１，２，４，５図でのコリメーテイングレンズで
ある。 ２７はレンズ２２を射出してラスター走査をす
る平行移動走査光束２３の光路中に配置された補
助レンズであつて、平行移動する走査光束２３を
レンズ２７の焦点に指向しながら移動する光束２
８に変換する。第６図ａに於いては光束２８で凹
球面２９を走査し、第６図ｂに於いては凸球面３
０を走査するのであるが、反射した光束が再びレ
ンズ２７及び２２を通過するように被検体は夫々
球面２９，３０の曲率中心とレンズ２７の焦点が
ほぼ一致するように配置されている。被検球面に
正常な形状からの変形があつた場合はそれに対応
して検出器２６上への光束入射位置が変位する。 第７図ａ，ｂ，ｃは夫々平行平面板、三角プリ
ズム、正レンズの透過光偏向特性を測定する場合
の光学系の要部の説明図である。第７図ａ，ｂ，
ｃに於いて、２２は第１，２，４，５図のコリメ
ーテイングレンズである。第７図ａで３５は透明
な平行平面板であり、光束２３でラスター走査さ
れる。この被検体３５は光束２３に対して平均的
に垂直になるように配置されることが望ましい。
３７は平坦な反射鏡であり、被検体３５を透過し
た光束３６を反射する。反射光束が再びレンズ２
２を通過するように反射鏡３７は鏡面が光束３６
に対して平均的に垂直になるように配置されてい
る。 第７図ｂで３９は透明な三角プリズムで光束２
３によつてラスター走査される。このプリズム３
９は光束２３を４０のように偏向する。４１は平
坦な反射鏡であり、光束４０を反射する。反射光
束が再びレンズ２２を通過するように反射鏡４１
は鏡面が光束４１に対し平均的に垂直になるよう
に配置されている。 第７図ｃで４３はレンズで光束２３によつてラ
スター走査される。このレンズ４３はその光軸が
コリメーテイングレンズ２２の光軸と一致するよ
うに配置されることが望ましい。この被検レンズ
４３はラスター走査光束２３を４４のようにこの
レンズの焦点に向けて指向する光束に変換する。
４５は凸面鏡であり光束４４を反射するのである
が、この凸面鏡４５は鏡面の曲率中心と被検レン
ズ４３の焦点が一致するように配置されており、
従つてこの反射鏡４５を反射した光束は再びレン
ズ２２を通過する。 被検体３５，３９，４３の表面形状が規準形状
と相違し、及び、又は、被検体３５，３９，４３
の屈折率或いはその分布が規準から変化しておれ
ば、これらの被検体を透過した光束は規準の被検
体を透過した光束の指向方向とは偏倚した方向に
指向する。従つてこの場合は先に述べたと同様光
束２５又は５３は検出器２６の原点以外の所に入
射し、そしてその位置は被検体の透過光偏向特性
に対応している。逆に言えばこの位置を知れば被
検体の透過光偏向特性を知ることができる。 このように本発明によれば反射物品、透過物品
の光偏向特性を利用して反射又は透過物品の表面
形状や透過物品の屈折率分布等の物理的属性を測
定できるのであるが、簡単の為以下では反射物品
の表面形状を測定する例について述べる。透過物
品の表面形状、又は屈折率分布等の測定について
も以下に述べると同じことが言える。 さて、被検体は第３図に示すように光束２３で
ラスター走査されるのであるが、同図のように走
査線の方向はｙ軸に平行で、ｘ軸方向に間隔が開
いているものとする。 被検反射面の表面をＺ（ｘ，ｙ）で表わすと、
検出器２６上での光スポツトのｘ−ｙ座標は次式
で表わされる。 Ｘ（ｘ，ｙ）＝２・・（∂Ｚ（ｘ，ｙ）／∂ｘ ＋Mx） (1) Ｙ（ｘ，ｙ）＝２・・（∂Ｚ（ｘ，ｙ）／∂ｙ ＋My） (2) ここではレンズ２２の焦点距離、Mx，My
は、被検面が理想的に平坦であるとして（即ちＺ
（ｘ，ｙ）＝定数）、その被検面の光束２３に対し
て垂直な平面からの傾き、即ち被検面の光束２３
に対する平坦的な垂直状態からの傾きのｘ，ｙ成
分である。Mx，Myは装置と被検体とが互いに相
対的に固定されておれば一定である。 ここで前記(1)，(2)式の導き方を説明する。まず
被検面が凹凸の無い理想的に平坦の場合を考える
と被検面の法線と入射光線の為す角度がMx若し
くはMyであるから被検面からの反射光線と、被
検面への入射光線の為す角度は2Mx若しくは2My
となる。被検面への入射光線とレンズ２２の光軸
は平行であり、被検面からの反射光線はレンズ２
２の光軸と2Mx若しくは2Myの角度を為し、レン
ズ２２の焦点面上で光軸より２Mx若しくは２
Myの位置に達する。 さて次に被検面が凹凸をもつと、被検面の法線
は前述の理想平面の場合の法線より ２Ｚ（ｘ，ｙ）／２ｘ若しくは２Ｚ（ｘ，ｙ）／２ｙだ
け傾く。これより被検 面への入射光線と被検面の法線の為す角度は Mx＋２Ｚ（ｘ，ｙ）／２ｘ若しくはMy＋２Ｚ（ｘ，ｙ）
／２ｙとなる。よつ て被検面からの反射光線と被検面への入射光線の
為す角度は ２（Mx＋２Ｚ（ｘ，ｙ）／２ｘ）若しくは２（My＋２Ｚ
（ｘ，ｙ）／２ｙ） となり、被検面からの反射光線は、レンズ２２の
焦点面上で光軸より ２（My＋２Ｚ（ｘ，ｙ）／２ｘ）若しくは２（My＋ ２Ｚ（ｘ，ｙ）／２ｙ）となる。 前記(1)，(2)式は次のように変形できる。 ∂Ｚ（ｘ，ｙ）／∂ｘ＝Ｘ（ｘ，ｙ）／２−Mx (3) ∂Ｚ（ｘ，ｙ）／∂ｙ＝Ｙ（ｘ，ｙ）／２−My (4) こうしてＸ，Ｙ，，Mx，Myがわかれば被検
体の表面形状Ｚ（ｘ，ｙ）を求めることができ
る。即ち(4)式を積分すれば Ｚ（ｘ，ｙ）＝∫^ｙ _０（ｙ（ｘ，ｙ′）／２ −My）dy′＋K₁ (5) ここでK₁は積分定数である。このK₁の物理的意
味は、Ｚ（ｘ，ｏ）であつて、Ｚ（ｘ，ｙ）を求
めるのに、Ｚ（ｘ，ｏ）を基準としてｙ方向に積
分しようとするものである。なおＺ（ｘ，ｏ）は
後述する(6)式に示す如くＺ（ｏ，ｏ）を基準とし
てｘ方向に積分して求められる。Mx，Myは被検
体を装置中に配置する度に変動し得るものである
が後述の手段によつてこれは信号処理過程で補正
されるものである。ところで平行移動走査光束２
３の走査速度VsはVs＝Ｋ・θ_n・で与えられ
る。ここでＫは第１図では２、第４，５図では１
であり、θ_nは多面鏡１６の角速度である。ｔを
時間とすれば被検面上での光スポツトの座標はｙ
＝Vs・ｔであり、またθ_nは定数であるからｄｙ／ｄｔ
＝ Vsである。従つて式(5)はｙ＝Vs・ｔ，ｄｙ／ｄｔ＝Vs
を 利用して変数ｙを変数ｔに置換され得るものであ
り、それ故、走査によつて得られた時系列的信号
を時間に関して積分しても被検体の表面形状に関
する信号を得ることができる。 さて、第８図は前述のMx，Myが、異なつた被
検体を順次装置中に配置しても常に一定値、好し
くは０である場合に適した信号処理手段を説明す
る為のブロツク線図である。 ２６は光電変換式光入射位置検出器であり、こ
の検出器は前述の如く光束の入射位置に対応した
４つの出力６０〜６３を形成する。信号６０，６
１は夫々ｘ軸の正，負方向についての出力、信号
６２，６３は夫々ｙ軸の正，負方向についての出
力とする。信号６０，６１の差、信号６２，６３
の差は前述の如く検出器受光面上での入射光スポ
ツトの位置に対応し、この位置は被検体の表面を
反射した光束の指向方向に対応し、この指向方向
は被検体表面の走査光束２３の入射部分のこの光
束２３に対する傾き、即ち前記の関数Ｚ（ｘ，
ｙ）の１次偏微分∂Ｚ／∂ｘ，∂Ｚ／∂ｙの値に対応し
ている。 従つて前述の(5)式から解るように信号６２，６３
の差信号を積分すれば（ただし、今の場合My＝
０）被検面の形状を表わす信号を得ることができ
る。 ところで、信号電流６０〜６３の強さは光束の
入射位置ばかりでなく、入射光束の強度の変化に
も従つて変化する。それ故、光源の出力変動、及
び若しくは被検面の反射特性等の変化によつても
上記信号電流は変化する。従つてこの光量変動を
補正する為に第８図ではｘ軸及びｙ軸に関する
夫々２つの信号の差の和に対する比の信号を使用
するようになつている。こうすれば光量変動の係
数はキヤンセルされ、検出器２６への入射光量が
変動しても比信号の大きさはその入射位置だけに
対応することになる。 さて、信号６０，６１，６２，６３は夫々前段
増幅器６４，６５，６６，６７に印加される。前
段増幅器６４，６５の出力６８，６９は共に増幅
器７２，７３に、前段増幅器６６，６７の出力７
０，７１は共に増幅器７４，７５に印加される。
増幅器７２は信号６８と信号６９の差信号７６を
形成する減算器で、増幅器７３は信号６８と信号
６９の和信号７７を形成する加算器である。同様
に、増幅器７４は信号７０と信号７１の差信号７
８を形成する減算器で、増幅器７５は信号７０と
信号７１の和信号７９を形成する加算器である。
ｘ軸に関する差信号７６，和信号７７は前者の後
者に対する比信号８２を形成する除算器８０に印
加される。同様にｙ軸に関する差信号７８、和信
号７９は前者の後者に対する比信号８３を形成す
る除算器８１に印加される。 もし被検体をラスター走査せずただ一つの走査
線に沿つてのみ走査して１つの断面での表面形状
を測定するならば、上記比信号８３をそのまま積
分器に印加し、得られた信号を陰極線管
（CRT）、例えば蓄積管オシロスコープ等の表示
面に表示するようにすればよい。しかし前述の如
くラスター走査をする場合には前述の式(5)の積分
定数K₁を適宜に求める必要がある。というのは
ｙ軸方向の各走査線につき得られる積分値Ｚ
（ｘ，ｙ）を走査線と直交するｘ軸方向に互いに
関係付ける必要があるからである。即ち、被検面
の起伏は一般にｙ方向に関してのみ傾いているの
ではなくｘ方向に関する傾き成分も有している
為、各走査線ごとに得られる信号８３の積分値
（即ち∫^ｙ _０Ｙ（ｘ，ｙ′）／２dy′に対応する。た
だしMy＝０と している）にｘ方向に関する表面形状の情報を加
味しなければならない。このｘ方向に関する表面
形状の情報が積分定数K₁である。もしこの積分
定数K₁を無視すれば各走査線につき得られる情
報はｙ軸方向に関しての形状をのみ相対的に示す
だけであり、積分定数K₁を０とみなしてしまえ
ば被検面の起伏にはｘ方向成分をもつ傾きはない
とみなしたことになる。 信号処理の都合上、上記積分定数K₁には各走
査線での走査開始点又はこの近傍、即ちｙが０又
はこれに近い所でのＺ（ｘ，ｙ）の値を利用する
とよい。例えばＺ（ｘ，０）＝K₁とすると、(3)式
より次式が導かれる。 K₁＝Ｚ（ｘ，０）＝∫^ｘ _０（Ｘ（ｘ′，０）／２ −Mx）dx′＋K₂ (6) ここでK₂は積分定数であつて、前述した如く
Ｚ（ｘ，ｏ）を求める際の基準として用いられる
ものでK₂＝Ｚ（０，０）であり、簡単の為K₂＝
０とする。ところで、各走査線はｘ方向に不連続
であることを考えると

【式】dx′＝△ ｘ_o，

【式】より(6)式は次の様に書 き改められる。 ここで△ｘ_oは第（ｎ＋１）番目と第ｎ番目の
走査線の間隔であるが、等間隔ラスター走査する
場合その間隔を△ｘとすると全てのｎに対し△ｘ
_o＝△ｘとなる。ここで

【式】とな り従つて(7)式は次の様になる。 前述の如く第８図ではMx＝０と仮定してい
る。(8)式より解る様に、各走査線についての(5)式
の積分定数K₁は、原理的には各走査線について
の信号８２の走査開始時の信号を順次加算してい
けば得られる。 さて、被検体の表面の３次元形状に対応する信
号を形成し、それを表示する手段を説明する。８
４はスイツチであり、ｘ軸に関する信号８２の通
過を制御する。このスイツチ８４は、走査光学系
に同期し、ラスター走査の各走査線走査開始時に
信号を発するタイミング回路８５によつて制御さ
れ、この信号を受けた時極短時間信号８２を加算
器８７側に通過せしめる。一方加算器８７にはｙ
軸に関する信号８３が常時印加されている。この
スイツチ８４、タイミング回路８５、加算器８７
は前述の如く各走査線についてのＺ（ｘ，ｙ）を
互いに関係づける為のものである。加算器８７の
出力８８、即ち各走査線について走査開始時には
∂ｚ／∂ｙ＋∂ｚ／∂ｘ、それ以後は∂ｚ／∂ｙに対応
する信号８８は積 分器８９に印加される。この積分器は(5)式及び(8)
式に対応した信号処理、即ち積分を行ない、被検
体の３次元表面形状Ｚ（ｘ，ｙ）に対応する信号
９０を形成する。この信号９０は蓄積管オシロス
コープ９１に印加される。このオシロスコープ９
１は水平方向走査をタイミング回路８５によつて
制御されている。即ち、オシロスコープ９１はタ
イミング回路８５によつてラスターの各走査線で
の走査開始点で発せられた信号９２を受信するこ
とにより表示面を走査している電子ビームを走査
開始側位置に復帰させる様になつている。オシロ
スコープ９１の表示面で下から第ｎ番目の輝線は
被検面上での第ｎ番目の走査線に対応し、この走
査線に沿う表面形状はオシロスコープ９１の表示
面で第ｎ番目の輝線の高さと第（ｎ−１）番目の
輝線の終点位置の高さとの差に対応している。 多面鏡１６、又は５０の回転に同期して、多面
鏡が１回転した時、即ち１ラスター走査が完了し
た時積分器８９，オシロスコープ９１はリセツト
される様になつている。 さて、オシロスコープ９１への表面形状信号の
表示方法は他にもある。例えば奥行き感を得るこ
とのできる表示をする為に、第９図の如く２次元
の表示面の横方向にｙ軸、縦方向にｘ軸を想定
し、そしてこれと交差する方向、例えばｙ，ｚ軸
に夫夫45゜で交差する方向にｘ軸を想定する。電
子ビームによる表示面の走査の開示点を被検面の
１ラスター走査サイクル内での走査線が移行する
度に定距離ずつｙ方向に移動させる。第９図で輝
線が鎖線の如く等間隔で平行に表示されたとすれ
ば被検面には起状がなく平坦であることになる。
実線は起伏のある被検面に対応する輝線の一例で
ある。 次に第９図の様な表示を行なう為の手段の一例
を第１０図を用いて説明する。第８図でのｘ軸に
関する信号８２はアナログ−デジタル変換器１５
０に印加される。Ａ−Ｄ変換器１５０からの信号
は、ラスターの各走査線の走査開始時に信号を発
するタイミング回路１５１によつて遅延回路１５
２を介して制御されるスイツチ１５３により、上
記時点より僅かに遅れた時に極短時間積分器１５
４側に伝達される。この積分器１５４は光束２３
が被検面を走査している間、スイツチ１５３を通
過した信号の積分信号を加算器１５５に印加しつ
づける。この積分器１５４の出力は(5)式の積分定
数に対応する。 一方、第８図でのｙ軸に関する信号８３はＡ−
Ｄ変換器１５６によりデジタル信号化される。こ
のＡ−Ｄ変換器１５６の出力は積分器１５７に印
加され、次に積分信号は前記加算器１５５に印加
される。この積分器１５７は前記タイミング回路
１５１の発する信号でリセツトされる。積分器１
５７，１５４からの２つの信号の和信号が(5)式の
Ｚ（ｘ，ｙ）に対応する。（但し今の場合、Mx，
Myは０と想定されている）加算器１５５の出力
はデジタル−アナログ変換器１５８でアナログ信
号に変換され、蓄積型オシロスコープ９１に印加
される。この際被検面での走査線の移行に従つて
表示面の輝線を順次上方にずらす為、前記加算器
１５５にはタイミング回路１５１の信号によつて
制御される階段波発生回路１５９からの信号が印
加される。この回路１５９は回路１５１からの信
号を受ける度に、即ち被検面で走査光束が順次隣
りの走査線上に移行する度に、一定の高さずつ電
圧が高まる階段状電圧信号を発生するものであ
る。また階段波発生回路１５９からの信号は、表
示面での各輝線を被検面での走査線の移行に従つ
て順次横方向にずらして行く為に、遅延回路１６
０を介してオシロスコープ９１に印加される。１
ラスター走査サイクル、即ち多面鏡１６又は５０
の１回転が終了する毎に電気的処理手段はリセツ
トされる。 さて、以上述べてきた第８，１０図による信号
処理手段では、前述の様にMx，Myが共に０であ
ると見做してよい時、又は装置に順次新たな被検
体を配置して行なつてもMx，Myが共に常に一定
であると見做してよい時には有効であるが、
Mx，Myが新たな被検体を配置する度に変化する
様な場合には測定値に被検面の起伏情報とMx，
Myの情報が同時に混入してしまう不都合が生ず
る。第１１図は上述の如き不都合を除去できる信
号処理手段の概略的なブロツク線図である。 第８図に於けるｙ軸、ｘ軸に関する信号８３，
８２は夫々減算器１００，１０１に印加される。
減算器１００，１０１は出力８３，８２から後述
のスイツチ１３２，１３３からの出力を減算す
る。そして減算器１００の出力１０２は多面鏡１
６又は５０の回転に同期して作動するスイツチ１
３０により、多面鏡の１回転おき、即ち１ラスタ
ー走査サイクルおきに加算器１０６を経て積分器
１２６に伝達される様になつている。また減算器
１０１の出力は、上記の減算器１００からの出力
１０２がスイツチ１３０の作動によつて加算器１
０６に印加されている時のラスター走査サイクル
中に、被検面上で光束が隣りの走査線上に移つた
初期の極短時間だけ前記加算器１０６に印加され
る様になつている。これは多面鏡１６又は５０の
回転に同期して作動するスイツチ１３１によつて
なされる。第８図で説明したのと同様、スイツチ
１３１、加算器１０６は各走査線についてのＺ
（ｘ，ｙ）が互いに関係づけられる様に(5)式の積
分定数K₁を適宜な値に定める為の手段である。
かくして加算器１０６からの信号１２５は積分器
１２６で積分されるが、得られた信号は被検体の
３次元的表面形状に正確に対応しているものとな
る。 但し、その為には加算器１０６に印加されるｙ
軸及びｘ軸に対応する信号からは前述のMy，Mx
に対応する信号が既に減算されていなければなら
ない。この処理を行なう手段は次の様になつてい
る。先ずｙ軸に関する信号を処理する系はアナロ
グ−デジタル変換器１０４を備え、前記減算器１
００からの信号１０２を受信する様になつてい
る。このＡ−Ｄ変換器１０４は後述のスイツチ１
３２が開いている時は作動しないで信号を形成せ
ず、スイツチ１３２が閉じている時には作動する
様に設けられている。そしてスイツチ１３２はス
イツチ１３０が開いている時に開く様になつてい
る。従つてスイツチ１３０が閉じていて積分器１
２６に信号が伝達されないラスター走査サイクル
の間、すなわち帰還の間、減算器１００への信
号、即ち信号８３はＡ−Ｄ変換器１０４でデジタ
ル信号１０８に転換され、加算器１０９と除算器
１１３とより成る平均化回路に伝達される。加算
器１０９からの和信号１１２は除算器によつてＮ
（Ｎは測定数、例えばＮは走査線の本数）で除算
される。平均信号１１５はデジタル−アナログ変
換器１１７によつてアナログ信号１２０に変換さ
れ、サンプルアンドホールド回路１２１によつて
保持される。さて上述の、１０４，１０９，１１
３，１１７の手段によつて得られた信号は被検体
の表面のラスター走査された面積について∂ｚ／∂ｙの 値を平均したもの、即ちMyに対応した信号であ
る。なお第28頁第７行目乃至第12行目に記載した
如く、一次元走査の場合にはMyを用いて式(5)よ
り、被検体の一次元の表面形状の算出が可能であ
る。 ｘ軸に関する信号を処理する手段はＡ−Ｄ変換
器１０５、加算器１１０、除算器１１４（信号１
１１をＮで除算する）、Ｄ−Ａ変換器１１８，サ
ンプルアンドホールド回路１２２，スイツチ１３
３を有し、上述したｙ軸に関する信号処理手段と
同様な構成で同様な作用をし、サンプルアンドホ
ールド回路１２２にMxに対応した信号を保持す
る。 斯様な構成によつて、スイツチ１３０が開くと
スイツチ１３２，１３３が開き、サンプルアンド
ホールド回路１２１，１２２からの信号が夫々減
算器１００，１０１に印加され、信号８３，８２
から夫々My，Mxに対応する信号が差引かれる。
従つて加算器１０６に印加される信号はＹ（ｘ，ｙ）／
２− My，Ｘ（ｘ，ｙ）／２−Mxに対応した信号となる。斯
様に して、Mx，Myが変化しても積分器１２６からの
信号１２７はそれに無関係に正確なＺ（ｘ，ｙ）
に対応せしめられる。信号１２７は蓄積型オシロ
スコープ１２８に印加されるが、表示面を走査す
る電子ビームは、多面鏡１６又は５０の回転に同
期して被検面上で光束が隣りの走査線に移行する
度に走査開始側の位置に戻される。積分器１２６
が作動する１ラスター走査サイクルが終りスイツ
チ１３０が閉じた段階、即ち多面鏡が２回転して
上述の電気系はリセツトされる。 次に装置の光学系等に起因する誤差、即ち反復
する装置固有の誤差が測定の障害となる場合があ
る。第１２図はその装置固有の誤差を除去可能に
した電気処理手段を説明する為の概略的なブロツ
ク線図である。第１２図では第１１図と同様な手
段が使用されまた同様な作動をする様になつてい
る。それに関しては重複するのでここでは説明を
省く。但し第１１図と同様な手段については同一
符号で示してある。 先ず、被検体を測定するに先立つて第１，２，
４，５図等の光学系の被検体配置位置に平坦な面
を有する規準体２４Ｍを配置する。この規準体２
４Ｍは被走査面が走査光束２３に対して正確に垂
直になる様に配置されることが望ましい。先ずス
イツチ１３０〜１３３，１４４，１４５を閉じた
まま規準体を走査する。この規準体２４Ｍを走査
した際得られるｙ軸、ｘ軸に関する信号８３，８
２を夫々Ａ−Ｄ変換器１０４，１０５を介して記
憶回路１４０，１４１に記憶させる。そしてこの
信号は操作者の所望する時までそのまま記憶に保
持される様になつている。 次に規準体２４Ｍに代えて所望の被検体２４を
配置する。走査により信号８３，８２を形成す
る。記憶回路１４０，１４１に記憶されている信
号はＤ−Ａ変換器１４２，１４３とスイツチ１３
０が開いている時に開くスイツチ１４４，１４５
とを介して減算器１００，１０１に夫々伝達され
る。この時減算器１００，１０１には夫々スイツ
チ１３２，１３３を介してサンプルアンドホール
ド回路１２１，１２２からの信号も伝達されてお
り、信号８３，８２から夫々記憶回路１４０，１
４１、サンプルアンドホールド回路１２１，１２
２よりの信号が差し引かれる様になつている。従
つて加算器１０６に印加される減算器１００，１
０１からの信号は被検体の傾きと装置固有の誤差
の補正されたものとなつている。 一方、スイツチ１３０，１３１，１３２，１３
３，１４４，１４５が閉じているラスター走査サ
イクルの間に於ては、Ａ−Ｄ変換器１０４，１０
５が作動して夫々信号８３，８２をデジタル信号
に変換する。この信号からは、夫々加算器１０
９，１１０に伝達される前に、記憶回路１４０，
１４１によつて記憶されている信号分が減算され
る様になつている。即ち、記憶回路１４０，１４
１は加算器１０９，１１０側に対しては記憶信号
の減算器の機能を果す様に構成されているもので
ある。かくして、サンプルアンドホールド回路１
２１，１２２には装置の固有誤差の混入していな
い被検体の傾き、即ちMy，Mxに対応する信号が
保持される。或いは、装置の誤差の補正量が少な
い時にはＡ−Ｄ変換器１０４，１０５の出力を直
接加算器１０９，１１０に接続してもよい。 以上の構成により蓄積管型オシロスコープ１２
８には装置固有の反復する誤差の除去された正確
な被検体表面形状情報が表示される。前述の如く
多面鏡１６又は５０が２回転する毎に電気系はリ
セツトされるが、その際記憶回路１４０，１４１
はそのリセツト対象とならず、記憶の必要がなく
なつた時操作者によつて単独にリセツトされる様
になつている。 第１２図の手段によれば反復する装置固有の誤
差が除去されるばかりでなく、記憶手段を備えて
いる為に、所望被検体２４の表面形状の規準体２
４の被走査面よりの偏差を測定することも可能に
なる。このことは複雑な又は不規則な表面形状を
有する被検体に対して有用である。 以上主として反射性物品の表面形状を測定する
場合を中心に実施例を説明してきたが、第７図で
説明した様な光学系を使えば透過性物品の表面形
状又は透過光偏向特性の測定にも本発明の測定装
置は適用できるものである。 以上述べてきたことから明らかになる様に、本
発明によれば被検体の表面形状又は光偏向特性を
高速で正確に測定可能となる効果があり、当産業
分野に寄与する所大である。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図は本発明の一実施例の光学系の
説明図、第３図はラスター走査の説明図、第４図
は本発明の一実施例の光学系の説明図、第５図は
第４図光学系の変形例の説明図、第６図ａ，ｂは
球面状反射面を走査する光学系の要部の説明図、
第７図ａ，ｂ，ｃは透明物品を測定する際の光学
系の要部の説明図、第８図は本発明の一実施例の
電気信号処理系の説明図、第９図は信号表示の一
例の説明図、第１０図は本発明の一実施例の電気
信号処理系の要部の説明図、第１１図は本発明の
一実施例の電気信号処理系の要部の説明図、第１
２図は本発明の一実施例の電気信号処理系の要部
の説明図である。 １０はガスレーザー、１２は偏向ビームスプリ
ツター、１４は1/4波長板、１６は角柱型多面
鏡、２０は1/4波長板、２２はコリメーテイング
レンズ、２４は被検体、２６は光電変換式入射光
束２次元位置検出器、５０は角錐型多面鏡、７
２，７４は減算器、７３，７５は加算器、８０，
８１は比信号形成器、８４はスイツチ、８５はタ
イミング回路、８７は加算器、８９は積分器、９
１はオシロスコープ。１００，１０１は減算器、
１０４，１０５はＡ−Ｄ変換器、１０６は加算
器、１０９，１１０は加算器、１１３，１１４は
除算器、１１７，１１８はＤ−Ａ変換器、１２
１，１２２はサンプルアンドホールド回路、１２
６は積分器、１２８はオシロスコープ、１３０，
１３１，１３２，１３３はスイツチ、１４０，１
４１は記憶回路、１４２，１４３はＤ−Ａ変換
器、１４４，１４５はスイツチ、１５０はＡ−Ｄ
変換器、１５１はタイミング回路、１５２は遅延
回路、１５３はスイツチ、１５４は積分器、１５
５は加算器、１５６はＤ−Ａ変換器、１５７は積
分器、１５８はＡ−Ｄ変換器、１５９は階段波発
生器、１６０は遅延回路である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被検体を光学的に走査する走査手段と、前記
   被検体からの光束を集光する為の光学系と、前記
   光学系の焦点位置近傍に配され、受光面上に光束
   が入射した際、この受光面上に前もつて定められ
   た座標系についての光束入射位置の座標に対応す
   る信号を形成する光束入射位置検出手段と、前記
   被検体の規準の配置姿勢からの平均的な傾きに対
   応する信号を形成する傾き信号形成手段と、前記
   光束入射位置検出手段からの信号とこの傾き信号
   形成手段からの信号との差に対応する信号を形成
   する差信号形成手段と、この差信号形成手段から
   の信号の積分に対応する信号を形成する積分信号
   形成手段とを備えた測定装置。