JPS62197707A - 表面測定装置およびその方法 - 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、例えば、車体パネルのごとき表面の状態を測
定するために使用され得る表面測定装置および方法に関
する。

［従来技術およびその問題点］ モアレ縞表示の原理を利用し、格ｒ−像または。

それに代る平行干渉縞のパターンを、一般に、格ｒの場
合はキセノンアークランプのごとき強い白色光源装置に
より、またト渉縞の場合には水冷アルゴンレーザーのご
とき高出力レーザーにより、ＡＩ一定すべき表面１−に
傾斜方向から投射する表面形状測定装置が知られている
８次いで、この投射された格子またはＩｌｉ行Ｆ渉編の
パターンは、カメラレンズによって撮影され、これが原
板路ｆ、典型的にはｆ面、または比較される表面に要求
される表面上に焦点を結ぶようにされる。

−個の大々パターンの間ビーティング（屯なり合い）に
よりモアレ縞が形成する。これらのモアレ縞は原板表面
と試料表面との間の相対等高線を表わし、その結果とし
て試料表面の絶対等高線を得ることができる。この技術
の感度は、投射された縞パターンまたは格子の空間１．
″４波数が増大するに伴ない、また測定Ｓれる対象物に
対する投射パターンの入射角が増大するに伴なって増大
する。

必然的に、測定対象物の表面は光を散乱させてカメラで
撮影することができるようにするために。

拡散性でなくてはならない。

」；記の例にける従来のモアレ縞表示技術の多くの実用
的欠点は、カメラ系が対象物上の縞を解像しなくてはな
らず、さらにカメラレンズの焦点深度も、測定される対
象物の深度範囲に適応するに充分でなくてはならないこ
とである、ざらにト渉縞パターンまたは格子は試料表面
の全体に投射されるので、一般に高出力のレーザーまた
は白色光源が必要であるという欠点がある。このことに
より、受容できないような高レベルのコスト、または複
雑性の増大なしに効率的に測定できる表面の大きさには
実用的なＬ限がある。

［発ＩＩの目的］ 本発明の目的は、上記欠点を取り除いた表面測定装置お
よび方法を提供することである。

［発ＩＩの構成］ 本発明によって、光源、該光源からの光を測定すべき試
料表面上に傾斜方向から相対的に走査する手段、該試料
表面から拡散的に反射した走査光を原板格子（マスター
格子）Ｌに焦点を結ばせ。

継続的にモアレ型パターンを作るために用いられる光学
的手段、試料表面の個々の継続的に走査された部分の試
料信号標本を与えるためにモアレ型パターンの強度変化
を検出するための検出手段。

それと比較するための基準信号を発生する・手段、およ
び該試料の信号と基準信号の位相を比較し。

それによって走査される表面形状を意味するリアルタイ
ム信号を得るための手段とから成る表面測定装ｄが提供
される。

光源は、レーザーによりコヒーレント光をもたらすもの
であることが好ましく、このレーザーは１発生する光が
測定ずべき表面トで走査されて１発散しないので、ヘリ
ウムネオンレーザ−のごとき低出力レーザーであること
が望ましい。

光源からの光を走査するための手段は、たとえば、一対
の相互に直交する検流計的作動ミラーからなり、これは
測定すべき表面−１−で、典型的には１００ラインのラ
スター型走査にて、光を走査する。これに代わるものと
しては、測定すべき表面臼体が光源に対して相対的に動
き得る場合、例えば測定すべき表面が移動する製造ライ
ンの一部である時であり、その場合には、この表面上を
ラスター型走査で走査する必要性は、例えば試料の輪郭
を、試料が測定装置を通りすぎるにつれて筒中に測定す
ることが要求されるような場合には取り除かれる。

測定すべき表面から拡散的に反射した走査光の焦点を原
板格子上に結ばせるために使用される光学手段は、単一
または複数の實素を有ることが有利であり、もし必要な
らば、測定すべき表面の比較的大きい深度範囲に適応す
るために焦点を変動させながら結ぶことのでできるカメ
ラレンズとする。

該表面から反射する光源からの光と干渉する周囲の光を
防ぐために、フィルターを光学的手段の中またはそれに
隣接して使用することができ、この場合に、該フィルタ
ーは誘電体またはホログラフ型のバントハスフィルター
である。

原板格子は、その上にト行線が等間隔の格子パターンで
エツチングされているガラスまたは他の透ｌＪ１基体の
上に１没けられる０本装置のためにｌｉＱけられるこの
ような格子の範囲は粗から微細まで変わり、それによっ
て、必要とされる装置によって得られる測定の精度が変
えられる。

検出り段は、フォトダイオードまたはさらに一般的には
、発生した′市気信−）を増幅するための光電子増倍管
から成る。原板格子でモアレ型パターンを生ずる光学的
ｒ一段および試料信ｔ′ｆと比較するための基へら信じ
−を発生する手段は他の各種の形ｙ息をとってもよい。

その第一の形！ムは、光学Ｆ渉計が光源からの光路に配
置される配列を含み、該干渉計は二本の基本的に」２行
の光ビームを与え、該光ビームはレンズによって測定す
べき試料表面上に焦点を結んだ時、等間隔平行線の格子
の形で干渉パターンが生ずる。干渉計には、干渉計によ
って生じた干渉パターンの成分部分の位相を変調するた
めの手段が設けられてもよく、変調手段は干渉計の各ア
ームの光路中に配置され、発振方式により作動され、そ
れによって干渉計の各アームの個々の光学距離を増加お
よび減少させ、かくして干渉計の各アーム間の位相差を
周期的に変化させる光屈折面平行光学定盤の形態をとる
のが便利である０位相をそのように変調することによっ
て、測定すべき表面上に；、ｊ％点を結んだ光は、各編
が常に前のものとは、位置が完全に２π位相変化を生ず
る位置にある格子を作る４干渉編の連続横方向シフトを
有する格子パターンから成る。

−ト渉計の光出力を変調する他の［段が、干渉計の技術
において公知である、干渉計におけるピエゾ電気または
検流計的作動ミラーを使用することごときによって使用
できる。

−４，記の第一形態のための基準信号発生手段は、ト渉
、；ｌにより生ずる光ビームの一部を分離するための手
段およびこの光の分離部分を、分離されたノ、該基準検
出器上に焦点を結ばせるだめの焦点合わせレンズによっ
てゲえるのが便利である。該検出器は必要に応じてフォ
トダイオードまたは光電子増倍管の形をとる。後述され
る本発明の第一の実施ｊＥ、様において、基準信−ユ・
は基準検出器で、強度変化を電子的に測定することによ
って得られ、位相変調器によって作られる０次いで、こ
の基準信号は、走査される表面の形状を示すリアルタイ
ム信号を得るために試料信号−と単純に比較される。

本発明のさらに改良された第二および第三の実施態様に
おいて、基準格子は、ト渉計が基本的に表面４１１１定
装置の試料部分の縮小型である）、（準アームを有する
ような基準検出器と提携して設けられる。この場合には
測定される対象物の絶対等高線が得られる。なおより以
上の改良は１本発明の第三のｆＫｊ様でも示され、その
態様では、位相変調器は省かれ、その代わりに位相変化
は、干渉計からの光ビームを本発明の第一および第ニー
の実施態様のライン走査に基本的に直交するライン走査
で走査するための走査手段を配置することによって生じ
る。この場合に、測定すべ５表面を横切って走査された
光の焦点が結ばれたスポット内の干渉縞が、また各走査
その間同時に二つ（すなわち、原板および基準）の格子
中の格子線を効果的に横切り、そのために相対位相変化
が容易に得られる。

光学的・手段および基準信号発生り段の第二の形態は、
干渉計および基準アームの必要性を省き。

その代わりに、光源から生じる光ビームを拡げ、次いで
それを、走査手段で測定される表面上でラスター型走査
に走査できる非常に小さな光のスポットに光学的に小さ
くさせるかまたは焦点を結ばせる手段から成る。もし、
この焦点を結んだ光のスポットが十分に小さい直径にま
で減少するならば、それは、他の場合にモ渉計の手段で
生じる単一干渉縞の半分の輝度に相等どおと見なすこと
ができる。

この配ｔにおいて、モアレ型パターンは原板格子とＪ（
に、走査手段の一つの完全な走査上にも生じる。本発明
のこの形態において、ビームの一部を分離して基準格子
の上に焦点を結ぶことができる光の小さなスポットを与
えるビームスプリッタ−の手段によって、別の基準をか
えることは完全に”ｆ　ｆ＠であるけれども、それにも
かかわらず、このような基準格子の使用によって生じた
信号は単純に周期的に変化する正弦信号であることを理
解すべきである。従って、未発ＩＪＩのこの第二の形態
においては、別の基準アームを全部省き、例えば矩形波
発信器による矩形波の発生によって完全に電子−的にり
−えられる基準信号をグーえることがさらに右利である
。

本発明の第一の形ｆＬは、もし、光源からの光ビームが
それ自体充分に小さいかまたは原板格子が充分に大きく
、それでいずれの場合にも、試料表面１−の尤のスポッ
トが、光学的手段によって原板格ｆ−１−に焦点を結ん
だ時、格子の各線間隔の半分と等しいかより小さく、そ
れで巾−モ渉縞のゝトノ’５　ｒｒＸ飢１ｌＩｌ’Ｆ　
Ｌ’　ｍｌ　竿子スμ【１六−七釣ス＋／ｒ　９＜　４
　＃　士スならば、ビームエキスパンダーアンド・レデ
ューサ／フォーカッチの必要性を省略することによって
、一層簡略化される。

未発ＩＪはまた、表面測定方法に広がり、従って、未発
ＩＩは、光源からの光を測定すべき試料表面上に傾斜方
向から走査し、該試料表面から拡散的に反射した走査光
を原板格子上に焦点結びさせそれによってａ統帥にモア
レ型パターンを生じさせ、該モアレ型パターンの強度変
化を検出して該試料表面の個々の継続的走査部分の試料
信号標本を与え、該試料信号と比較するための基準信号
を発生させ、該試料信号と基準信号との位相を比較し、
そしてそれによって走査される表面の形状を示すリアル
タイム信すを得る段階を含む表面測定方法をも提供する
。

本発明を、添付図面を参照して実施例により説明する。

第１図は、本発明の第一の実施ｊＥｉ様による表面測定
装置の図式図である。

第２図は、本発明の第二の実施態様による表面測定装置
の図式図である。

第３図は、本発明の第三の実施態様による表面測定装置
の図式図である。

第４図は、第１〜３図に示される本発明の実施態様で使
用する電子回路の簡略化ダイアグラムである。

第５図は、本発明の第四の実施態様による表面測定装置
の図式図である。

第６図は、第５図に示される本発明の実施ｊ息様で使用
する電子回路の簡略化ダイアグラムである。

先ず第１図に関し１本発明の第一の実施態様による装置
は、矢印で示される干渉性の光を作るリウムネオンレー
ザーの形のト渉性光源ｌを含む。

この−「渉性光ビームは、概括的に３で示される干渉計
の一部を形成するビームスプリッタ−２を使用して２つ
の分離ビームに分離される。

ビームスプリッタ−２によって反射された光ビームは固
定ミラー４の方向に進み、そこから干渉計３の他の端部
にある焦点合せレンズ５の方向に反射される。ビームス
プリッタ−２を通過する光ビームは、また固定ミラー６
上に進み、そこからミラー４とレンズ５との間の光路に
隣接する可動ミラー７の方向に反射される。ミラー７は
、ミラー６からの光を再反射し、ミラー４からの光ビー
ムと実質的に平行してレンズ５を通過させる。

レンズ５によって像を作られ、ここで相対位相差を有す
る二本の実質的に平行な光ビームは、次いで、スキャナ
ー９を経由して測定すべき試料表面８」二に焦点を結ぶ
、試料表面−ヒに焦点を結んだ２つの共入射した光のス
ポットは、かくして互に光学的に干渉し、前置干渉縞を
含む単一・のスポットを与え、Ｍの間隔は２つの入射光
ビームの間の角度によって定められる。

スキャナー９は、従来型の一対の検流訂的作動相互直交
ミラー（図示せず）から成り、レンズ５からの焦点の合
った光を測定すべき表面８」−に、典型的には１００ラ
インのラスター型走査で走査する０本発明のこの実施態
様におけるライン走査（拡大して示す）は垂直であり、
測定すくき対象物の表面を掃き下げる。各ライン走査が
完結した後、焦点を結んだ光のスポットを、次いで焦点
を結んだ光スポットの幅などに大体等しい距離で測定さ
れる対象物の表面を横切って動かす、スキャナー９によ
って走査される対象物のその部分の幅は、未発１！１の
この実施態様においては、以下、スキャナー９の下“方
向走査であるライン走査に対抗してフレーム走査という
。

Ａ一定される対象物の表面上の一つの完全な走査におけ
るスキャナー９は、前記文頭に記載されたような従来の
モアレ縞等高線技術を伴なうが、−回のδ一定によって
カバーされる［１的範囲の全体を越えて格ｆまたはパタ
ーンの全体を投影するための光源ｌの必要なしに、通常
作られる大きな連続路ｒ・またはパターンの効果をＩ＋
）生ずる。

カメラレンズｌＯの形態の光学ｒ一段は、その軸を一般
にＡＸ定される表面に直交させて配置され。

透明ノ、（体から成り、ｂ；〔板格子での測定される表
面」二の光のスポットの焦点を結んだ像中にある縞の間
隔に実質的に等しい間隔を有する一連の微細層行線がエ
ツチングまたは他の方法で形成されているに（板格子１
ｌｌ−に焦点を結んだ光のスポットを結像させるために
使用される。

原板格子１１に隣接しその後に、格子１１に作られたモ
アレ縞パターンによって生じた光強度の変化を後に記載
する方法で検出するために使用される光電子増倍管１２
の形ｆ息の検出手段がある。

カメラレンズ１０と測定される表面８との間にカメラレ
ンズ１０に隣接して、狭バンド光学フィルター１３が設
けられており、フィルター１＝３はホログラフまたは誘
電体であり、実質的に光源１により放射された光の波長
バンドのみの透過を許容し、全ての他の波長バンドを反
射または吸収する。この方法で、装置の周囲の光条件は
格子１１で干渉を起こすことから防＋ｌ−される。

ビームスプリッタ−２によって作られた二つの光路が干
渉計３中で最初に交差する場所に、図示されるように、
光路の両名の交差角を大まかに一分する面平行光学板１
４の形を志で、位相変調配置上段が配置される。光学板
１４は、本出願人の出願中の英国特許出願第８５２５６
５０号（その開イくは木すＩ願書に参考として組み込ま
れる）にさらに９□Ｔ１鋪に記載された方法と同じ振動
方法で光学板１４を作動するために採用される−に気モ
ータ１５（アウトラインのみ示す）に結合されている。

この配置で、両方の光路は同じ光学板１４を共有【７、
モータ１５による振動は、一つの光路の板に対する角度
の増加を発生し、同じに他の光路の板に対する角度の減
少を起こす、その結果として。

実質的に直線状の位相変調が達成される。

この位相変調は焦点を結んだ光のスポットがスキャナー
９によって測定される表面８上を走査される時、表面８
−にの焦点を結んだ光のスポット中に存在する垂直干渉
縞の連続的横方向シフトをひき起こす、従って、板１４
が一方向に回転するとき、焦点を結んだ光のスポット中
に存在する干渉縞は形成されたパターン内で直線状に動
き、一つの縞は常に位置的に前のものに置き代わり、一
つの完全２π位相変化が生ずる。光学板１４の相対信号
および作動タイミングは、この例では、下方への谷ライ
ン走査の間１００回の完全２π位相変化を榮えるよう調
整され、かくして、測定される表面８ににＩＩ的とする
高さ変化がない場合には、各ラインが走査されるとき、
編パターンの像は原板格子ｌｌを下方に走査し、そうし
て得られるモアレパターン信号は同一の１００回の変調
を受ける。

焦点を結んだ光の中のＥ渉縞はスキャナー９によって測
定される対象物−Ｌに傾斜方向で投影されるので、高さ
変化は、原板格子１１−１−の干渉縞の像の横方向シフ
トの対応する変化を生じる。従って、高さ変化は光学板
１４によってシｊえられる１００の位相変化に加えてモ
アレパターンにおける位相変化を生じる。

この相対高さ情報を解読するために、基準信号が必要と
され、モアレパターンの位相変化と比較されるが、基準
信号は位相変調器によって作られる１００の位相変化の
みを含んでいる。この基準信号は、レンズ５によって焦
点を結ぶ二本の実質的に平行な光のビームの一部をビー
ムがレンズに到達する前に分離するために使用されるビ
ームスプリッタ−１６からなる干渉計３中の基準アーム
のＬ段によってＴえられる。この分離した一対のビーム
は、次いで結像レンズ１８の手段により検出器１７にに
焦点を結ぶ、検出器１７は通常のフォトダイオードであ
り、周囲の光条件による検出器１７での干渉を防止また
は禁止する開口絞り１９が付いている。レンズ１８は検
出器１７Ｊ二に共入射し焦点を結んだ光のスポットを作
り、スポットには、測定される対象物の表面上の焦点を
結んだ光のスポット中に存在する同じ型の干渉縞パター
ンが含まれている。開［１絞り１９の直径は、縞間隔の
半分と等しいかまたはより小さくなるように選定され、
そうして縞は検出器１７によって解像呵１＠である。

操作において、モアレパターン中の強度変化は光重ｒ−
増倍管１２によって検出され、光電子増倍４ｉ？ｉｚは
便宜１．試料信ｔ；−と呼ばれる信ｔ）を発信し、この
信号は検出器１７によって発信された基べ颯・４３号と
比較され、（Ｑ相Ｘ″が基準信号の２π（Ｑ相変化毎に
一度測定される。この例においては、ライン走査当りｌ
ＯＯの位相変化があるので、測定される対象物の表面の
操作されたライン当り得られた対応する１００の高さ測
定値がある。

後記される電子回路はフレーム（即ち、測定される対象
物の幅）当りｌＯＯラインの夫々について測定し、そう
して、スキャナーによる一回の完全走査によってｔｏｏ
ｘｔｏｏの分離された測定がなされる。これは、試料表
面の完全走査当り全部で１００００点の測定イ１を与え
、測定値は通常タイプの適当なマイクロコンピュータ−
によって約５秒以内に容易に捕捉される。これらの個々
の高さ測定値は、典型的には縞のｌ／１２０の、モアレ
パターン間隔の小部分まで正確に夫々測定され、このデ
ータは解析のためにマイクロコンピュータ−メモリに貯
えられる。この方法で、走査された表面の全体について
リアルタイムに、例えばカラーテレビモニターにに表示
することができ、５秒毎に更新される地勢図の高度に正
確な絵を形成することが”ｆ　（七である。カラーテレ
ビモニタは各色がモアレパターンの縞等高間隔の各々の
部を表示する８色等高線地図のごとき多等高線地図をか
えることができるものが便利である。

測定の感Ｉｆｆを変えるために、原板格子ｌｌ上の線の
間隔は、例えば粗格子から微細格子まで変化させること
ができる。このようにするとき、移動ｎ（なミラー７は
、レンズ５によって生じた焦点を結んだスポット中の干
渉縞パターンを新しい格子の線の間隔に適合するように
調節しなくてはならず、そのようにして、モアレ型パタ
ーンが後に形成される。更に、スキャナー９のフレーム
走査の大きさを、−回の完全走査でスキャナー９により
構成される格子が原板格子１１と一致するように調節し
なくてはならない。

もし、第１図に示されるものよりも大きいサイズの対象
物を一回の走査で測定する必要があるときは、そのよう
な対象物をカメラレンズ１０からもっと離しておき、必
装に応じて、レンズ１０を適当な焦点距離を有するもの
と交換することが必要である。同様に、スキャナー９の
フレーム走査も再調整し、レンズ５を各サイズ変化に応
じ＋ｔ＋焦点合わせしなくてはならない、もちろん、第
１図に描かれたものよりも小さい対象物を測定するＢｊ
ｒは、このような対象物は、カメラレンズｌＯに近づけ
るように動かし、この場合同様の調整が再び必要になる
。

第１図に示された実施態様において、ゲえられた測定す
べき表面に有効な連続格子をゲえるために、フレーム走
査のサイズを一ト動で調節する必要があることを理解す
べきである。この必要性は第２図に示される本発明の第
二の実施態様においては取り除かれている。第２図にお
いては、便宜上類似部品については、第１図におけるも
のと同じ参照数字が付けられている。第２図において、
光源１、概括的に３で示される、光源を二つの大略等し
い部分に分離するための干渉計、二本の光のビームを測
定すべき表面８−１：で単一のスポットに焦点結びさせ
るための焦点合せレンズ５があり、光の中−スポットは
垂直の明暗のＩＺ渉縞の形の格子を有している。スキャ
ナー９は測定すべき表面、上にこの焦点を結んだ光のス
ポットを走査するために使用され、焦点を結んだ光のス
ポットは、カメラレンズ１０を通って原板格子ｌｌ上に
結像し、それによって、もう一度、光電子増倍管１２に
よって検出されるモアレ型パターンまたは等高線を生じ
させる。狭バンドフィルター１３は、第１図におけるよ
うにカメラレンズ１０に隣接して配置されている。

第２図に示される実施態様において、第１図のものとの
大きな違いは、基準アームの構造にあり、ここでは、一
般に光電子増倍管１２に隣接する原板格／−１１と同一
の基準格子２０が含まれている。この実施態様における
ビームスプリッタ１６は干渉計３により作られた二本の
平行ビームの小部分を分離するために使用される。この
分離した部分は、分離した光のビームが、レンズ５によ
って焦点を結ばれ、測定される表面８−１−を走査され
るｌ−渉計３からの元の試料ビームとオーバーラツプし
ないような角度で、ミラー２１によりレンズ２２を通っ
てスキャナー９の上に＋Ｉｒび向けられる。レンズ２２
は二本の分離した光のビームを基準格子２０の上に焦点
結びさせ、この焦点を結んだ光のスポットは、スキャナ
ー９によって、測定される表面８−ヒを走査される元の
焦点を結んだ光のスボー７トに同期して、基準格子２０
１−を走査される。

基準格子２０で作られた得られたモアレパターンはレン
ズ２３によって集束され、それによって光は第１図にお
ける光検出器１７と同様の機能の光検出器２４１−に焦
点を結ぶ。

レンズ２２の焦点距離は、原板格／−１１に対するカメ
ラレンズ１０の像距離（イメージデスタンス）と等しく
なるように選定される。また、スキャナー９によって基
準格子２０を横切って走査される分離し焦点を結んだ光
のスポットに対する、基準格子２０の角度配置は、スキ
ャナー９によって回期して走査される元の焦点を結んだ
光のスポットに対する、測定される対象物８の角度配置
と同一である。

かくして、木質的に、基準アームは試料走査ア−ムの縮
小型であり、それで二つの系、即ち基準および試料アー
ムは生じた走査されたモアレパターンにおいて同じ不連
続性を有する。この結果、連続格子はもはや必須ではな
いので、本発明の第一の実施態様と対照的に、フレーム
走査があらゆるサイズで可使になり、もはや１箇は必要
ではない。また、使用される基準は事実−Ｌ格子２０の
モ板の表面であるので、対象物の絶対高さ等高線を今や
（）ることができる、他の全ての点で、第２図に示され
る実施態様の操作は、第１図に示されるものと同じであ
る。

本発明の第三の実施態様は添付図面の第３図に示され、
第３図において、再び、便宜上類似部品は第１図および
ｆＪＳＺ図の類似部品と同じに番号付けした。

図面の第３図に示す装置は、位相変：Ａｆ＝段がもはや
存在しないほかは、基本的にｉ２図に示されるものと同
一である。しかしながら、測定される信号の位相変調は
まだ必要であり、これは、図示されるようにライン走査
の方向を変えること、即ち、垂直フレーム走査を伴なう
水平ライン走査によって達成される。この改作において
、走査されたスポット内の垂直丁渉縞は、水平のライン
走査の間原板格子１１およびノ、（型格子２０の線を横
切る。かくして、格子１１および基準格子２０の１００
本の格子ラインを横切るようライン走査を改作すること
によって１００の位相変化が得られる。これは、実際に
は、もし格７−ｔｔおよび２０かより大きいまたはより
小さい感度を有する他の格子で置き換えられるなら、本
発明のこの実施態様における選択されたデータ収集速１
■に従って、また、ライン走査のサイズをライン走査九
り１００の測定値を維持するために１箇しなければなら
ないことを意味する。これは、選択される一対の格子を
、後述する装とに付属する電子回路における増幅器利得
の範囲を利用し対応するように改作することによって筒
中に達成できる。

それで、第３図に示される未発ＩＪＩの実施態様は、第
１図および第２図における実施態様のものに更に簡略化
されると思われる。

第１〜３図の実施態様に従って位相変化を測定できる電
子システムは第４図に示される。

第４図において、スキャナー９の部品は、前記のような
フレーム走査とライン走査を与えるために使用される二
個の互いに直交するミラー９ａおよび９ｂから成る。フ
レーム走査、即ち各ケースでライン走査に直交して走査
し、第１図および第２図の場合では水平て、そして第３
図の場合は垂直であるものは、増幅器Ａ、によってｑ−
えられ。

増幅２＋Ａ１は、ｉ［圧か各ライン走査の間は一定に市
まるか、１回の完全フレーム走査か完結するまで各ライ
ン走査の終って小さい増加でＬがるような、ミラ〜９ａ
を動かすための階段状電圧をかえ、フレーム走査か終っ
た後最初の状態にリセットされ、この工程か繰り返され
る。

ライン走査とのフレーム走査の同期化は、ライン走査を
リセッ１−する階段状電圧の各階段の後の適肩なパルス
によって達成される。１００ラインのフレーム走査の後
に、フレームは最初の状態にリセン１〜される。

ライン走査は、鋸歯電圧、即ち１作動電圧は、上記フレ
ーム同期化パルスが作動電圧を最初の電圧にリセットす
るまで一定速度で増加することによって達成される。ラ
イン走査は、示されるように走査ミラー９ｂに給電する
増幅器Ａ２によって榮えられる。

ライン走査同期化は、各ラインの走査の開始直後に開始
するパルスによっても達成され、このパルスは測定の開
始を位相比較器に合図する。位相比較器には、試料光゛
重子増倍管（第１〜３図の光電子増倍管１２）からの情
報もかえられる。同様に位相比較器には、基準フォトダ
イオード（第１図の検出器１７および第２および３図の
検出器２４）からの信号もかえられる。高圧直流供給電
圧の手段によって付勢される光増倍管からの上気信号は
、系からの高周波ノイズおよび低周波−Ｌ関連干渉を取
り除くバントパスフィルタのｒ段て濾波される。同様に
、フ、（準フォトタイオートからの電気信１−＞も同し
目的のためにバントパス濾波される。

位相比較器において、基準フォトタイオー１〜ｔ５よひ
試料光ｔ−ｆ−増倍管からの各信号は４夫々のケースで
矩形波の形に調ｎされ、これは、ｆｒＦ波の振幅におけ
る変動か除かれることを確実にする。それて各矩形波信
号はｒｒ純に一組のパルスと見なすことかでき、二組の
このようなパルス、即ら、基準パルスおよび試ネ１パル
スがあるので、これらを比較し位相差測定イめを得るこ
とか可能である。これは、各基準パルスの立上り線か双
安定素子または「スリップ・フロップ」をセットし、続
く各試ネ°１パルスの立上り線かこの双安定素子をリセ
ットすることを与えることによって達成される。各走査
ラインについての双安定素子出力は、それて１００パル
スの列であり、そこで、各パルスの長さは、対応する基
準および試料パルスの対の間の位相差に比例し、かくし
て走査される表面の相対高ＩＷ差を表示する。

位相差はパルス幅測定によって（与られる。これは、マ
イクロ秒毎に一つ増大する各パルスの最初に計数器を開
始し、それは便利には使用されるマイクロプロセッサの
時１；１速度であり、パルスの、許りまて行なうことに
よ−〉て達成される。次いて谷パルスの５１数は、０と
２πの間の実際の位相差に相等するＯと１２０の間の位
相測定イ〆１とし°Ｃマイクロプロセッサに送られる。

マイクロプロセッサ−から得られた位相測定値は多色テ
レビジョンモニタのごとき適当なりラフイックディスプ
レイ上に表示することかできる。

システムの操作様式は、クラフィックディスプレイか絶
対等高線または相対等高線を１！一定でき。

例えば８色グラフィッつて表示され各色は高さ等高線の
範囲を示すように選択てきる。

未発ＩＪ４の第四の実施態様は、第３図の記載から続き
、簡略化されているにもかかわらず極めて右利な配とを
開示している第５図を参照して記述する。もう一度類似
の部品は、第１〜３図に示した類似の部品と同一番号を
付ける。

第５図において１本発明のこの実施態様においては、干
渉計および基準アームは除かれている。

この装置は、基本的に、光を、負のレンズ要素３１を有
し、この例ではビームを１０倍に拡大するために使用さ
れるコンバインド・ビームエキスパンダ・アント・）オ
ーカッサ３０の方向に向けるレーザーｌの形態の一ト渉
性光源およびレンズダフレット３３．３４からなり、拡
大されたモ渉性ビームをスキャナー９を経由して＾一定
される表面８−ヒに、非常に微細な焦点を結んだスポッ
トて焦点を結ばせるために使用される収束レンズ系３２
から成る。この非常に小さい焦点を結んだ尤のスポット
は、もう一度図示のようにライン走査か水ｆてフレーム
走査か垂直て１００ラインのラスター型走査て走査され
る。焦点を結んだ尤のスポットは、カメラレンズｌＯを
通って原板格子１１４１に結像する。狭ハントフィルタ
ー１３かまたカメラレンズ１０の後に隣接して設けられ
、光電子増倍管１２か格子１１に隣接して設けられてい
る。

第５図に示された実施態様の利用は、微細に焦点を結ん
だ尤のスポットかある意味て、他の方法では第１〜３図
に示されるような［渉計の手段てり、えられる？ド−の
［０渉縞のＶ：分の輝度に相等すると考えられる驚くべ
き実現化の結果として可能なった。コンバインド・ビー
ムエキスパンダ・アントフオーカッサ３０は、焦点を結
んだ尤のスポットが、この想定か有効であるために十分
に小さい直径にまで減少され得る必要な手段を与える。

本発明のこの実施態様の走査の本質に基づく第一の驚く
べき実現化は、もし、このような焦点を結んだレーザー
尤のスポットか、ラインか完全に平らな対象物上を一定
速度て走査し、それてスポットの像もまた一定速度て原
板格子１１を横切るならば、その結果として、光電ｆ増
倍管１２からの得られる同等のモアレパターン信号は一
定周波数の正弦信号であるという認識にある。電ｒ−シ
ステムで行なわれる時、このような信ｔ）は一連の等位
相測定になり、必要とされるり、（準信壮はｒＢ純に、
同一の一定周波数の矩形波である。この驚くべき実現化
のために１通常ト渉４：１の手段によって要求され得ら
れる基準信号は代りになるものてあり、この第４図の実
Ａｎ様においては、完全に電ｆ的に発生し、フレーム走
査を通して同期化を維持４−るために各ライン走査の最
初てｌＩＦ、開始する矩形波発振泰（図示せず）から１
すられる。

発生した基準信号は完全に電子的であるにもかかわらず
、第１〜３図に示された実施態様で得られた光学的基準
信号と回等であり、第５図に示されえる実施態様におけ
るモアレパターン等高線を発生する機構は第３図を参照
して記載されたものと回等であると見なすことかできる
。焦点を結んだレーザースポットは対象物ヒて傾斜して
焦点を結ぶのて、高さ変化は、スポットか試料表面上を
走査されるとき、格子ｔｉ上のスポットの像の対応する
横方向シフトを生じさせる。光電子増倍管１２によって
検出されたモアレパターンにおける強度変化は、系にお
いて相変化として翻訳され、かくして、一定周波数の電
子的に作られた基準信゛号−と比較する時に高さ変化に
対応する。

前述のように、光のスポットは上のに小さい直径のもの
でなくてはならず、実施例の場合に、もし１ミリメート
ル当り２０本のラインを有する原板格子−か使用される
なら、カメラレンズ１０によって原板格子上に焦点を結
ぶ尤のスポットは、約２５ミクロンと等しいかまたはよ
り小さくなければならず、それは、測定される表面８」
−に焦点を結ぶスポットのサイズか、典型的には１ミリ
メートルのオーダーの直径であることを意味する。Ｉｌ
ｌらかに、必要な光のスポットのサイズは、使用される
格子のあらさによって変わる。

実際に、走査されたｌラインちり１００個の測定値を得
るために、レーザースポットの像は、第３図に示される
実施態様のように、少なくとも１００本の格子ラインを
横切らなければならない。１１ｆび、これは、測定の感
度を変えるために原板格子か変えられる時、ライン走査
のサイズはｌライン当り１００個のδ一定値を維持する
ために適当に：Ａ箇しなければならないことを意味する
。

しかしながら、本発明のこの実施態様において、変える
ための格子は唯一個であるのて、交換てきる格子の範囲
と、ライン走査作動エレクトロニクスにおける切換可１
艶増輻塁利得の対応する範囲を右することによって、容
易に自動化することかてきる。残っている必要性は、ビ
ームエキスパンターとカメラレジでの二つの筒中な焦点
結び調節である。

べ発明の第４の実施７ｇ様に関して使用される′電子回
路は第６図て図式概略で示され、これは、第４図で示さ
れる電子回路の図式概略と基本的に同様である。その差
違は、基準フォトダイオードとバントパスフィルターか
、適当な矩形波を出す基べｒ！発振器で置換えられてい
ることである。基準発振器は、フレーム走査を通して同
期化を維持するためにライン同期パルスを使用し、各ラ
インの最初に１１１開始される。他の全ての１ｊ尺に関
し操作の記述は、第４図のものと同一てある。

これまての説明から、未発榎１は、モアレパターンを使
用し、その位相は測定される試料表面の形状を示す信号
を７１多るために基ぺ岨の位相と比較される。υ１規て
便利な表面測定方法を提供することかわかる。位相差を
測定することによって、モアレ型パターンにおける強度
変化を筒中に測定するよりも、心安な測定値を得るため
に、比較的あうい格子を利用することかでき、それは各
縞等高線間隔の間の対応する大きな増加を与え、各編向
の位相変化を典型的にはｌフリンジのｌ／１２０の小部
分まで測定することによってより大きな測定精度か得ら
れるという利点か得られる。かく１ノでこの改作は、あ
らい格子を使用てきるので、大きな焦点深度を有する光
学的手段を使用することを許容し、これは、代わって、
その表面に比較的大きな深さ範囲を有する対象物を精確
に測定できることを意味する。

記載された種ｌ／の実施５息様においては、光は光源か
らＡ一定される表面ヒに焦点を結ばれるけれども、最大
面において本発明はそのように限定されるものではなく
、例えば、十分狭い光のビームかレーザー光源から直接
表面上を走査されるような改作も含むことか理解される
であろう。

光源からの光は、［渉外であることか好ましいけれども
必ずしもモ渉性である必要はないことも理解されるであ
ろう。

【図面の簡単な説明】

ｉｆ図は、本発明の第一の実施態様による表面測定装置
のＩＡ式図てあり、第２図は、未発Ｑｌｉの第一の実施
態様による表面測定装置の図式［Ａであり、第３図は、
木９．榎１の第三の実施ｆＥｉ様による表面測定装置の
図式図であり、第４図は、第１〜３図に示される本９．
１１１の実施％様で使用する電子回路の簡略化ダイアク
ラムであり、第５図は、本発明の第４の実施態様による
表面測定装置の図式図であり、第６図は、第５１−Ｊに
示される未発ＩＪＩの実施ｇＥ；様で使用する電子回路
の簡略化ダイアフラムである。 ｌ：光源 ２、ビームスプリッタ− ３：干渉計 ４：固定ミラー ５：焦点合わせレンズ ６：固定ミラー ７：可動ミラー ８：試料表面 ９：スギャナー ｌＯ：カヌラレンス ｌｌ゛原板格了格 子２・光市子増倍管 １３・光学フィルター １４：光学板 １５：電気モータ １６：ビームスブリツタ １７：検出器 １８：結像レンズ １９：開口絞り ２０：基準格子 ２１：ミラー ２２：レンズ ２３：レンズ ２４：光検出器 ３０、コンバインド・ビームエキスバンク・アンド・）
オーカッサ ３１：負のレンズ要素 ３２：収束レンズ系 ３３．３４：レンズタブレット 特許出願人　ピルキントン・フラザーズ・ビー・エル・
シー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源、該光源からの光を測定すべき試料表面上に傾
   斜方向から相対的に走査する手段、該試料表面から拡散
   的に反射した走査光を原板格子上に焦点結びさせ、継続
   的にモアレ型パターンを作るために用いられる光学的手
   段、試料表面の個々の継続的に走査された部分の試料信
   号標本を与えるためのモアレ型パターンの強度変化を検
   出するための検出手段、それと比較するための基準信号
   を発生する手段、および該試料の信号と基準信号の位相
   を比較し、それによって走査される表面形状を意味する
   リアルタイム信号を得るための手段とから成る表面測定
   装置。 ２、該光源が、測定すべき表面上を相対的に走査するた
   めの干渉性光を与えるレーザーであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３、該レーザーがヘリウムネオンレーザーのごとき低出
   力レーザーであることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の装置。 ４、光源からの走査光のための手段が、測定すべき表面
   上でラスター型走査で光を走査するために採用された一
   対の相互に直交する検流計的動作ミラーから成ることを
   更に特徴とする特許請求の範囲第１〜３項のいずれかの
   項に記載の装置。 ５、該光源からの光が測定すべき表面上を走査するため
   の手段が、測定すべき表面がプロダクションラインの一
   部である時、光源に対して相対的に表面を動かすことに
   よって達成されることを更に特徴とする特許請求の範囲
   第１〜３項のいずれかの項に記載の装置。 ６、測定すべき表面から拡散的に反射した走査光を原板
   格子上に結びさせるために使用される光学的手段が、単
   一または複数の要素のカメラレンズから成り、該レンズ
   が、もし必要ならば、測定すべき表面の比較的大きい深
   度範囲に適応するために変化して焦点結びできることを
   さらに特徴とする特許請求の範囲第１〜５項のいずれか
   の項に記載の装置。 ７、該装置には、試料表面から反射する光源からの光と
   の干渉から周囲の光を防ぐために、光学的手段の中に、
   または光学的手段に隣接してフィルターが含まれている
   ことをさらに特徴とする特許請求の範囲第１〜６項のい
   ずれかの項に記載の装置。 ８、該フィルターが誘電体またはホログラフ型のバンド
   パスフィルターであることをさらに特徴とする特許請求
   の範囲第７項記載の装置。 ９、原板格子がガラスまたは他の透明基体上に設けられ
   、そこには平行線が等間隔の格子パターンでエッチング
   されていることをさらに特徴とする特許請求の範囲第１
   〜８項のいずれかの項に記載の装置。 １０、必要に応じて装置によって得られる測定の精度を
   変えるために粗から微細まで変える格子の範囲を含むこ
   とをさらに特徴とする特許請求の範囲第９項記載の装置
   。 １１、該検出手段がフォトダイオードから成ることをさ
   れに特徴とする特許請求の範囲第１〜１０項のいずれか
   の項記載の装置。 １２、該検出手段が発生した電気信号を増幅するための
   光電子増倍管から成ることをさらに特徴とする特許請求
   の範囲第１〜１０項のいずれかの項記載の装置。 １３、原板格子でモアレ型パターンを生ずる光学的手段
   、および必要により基準信号を発生する手段は、光学干
   渉計が光源の光路に配置される配列を含み、該干渉計は
   二本の基本的に平行の光ビームを与え、該光ビームはレ
   ンズによって測定すべき試料表面上に焦点を結んだ時、
   等間隔平行線の格子の形で干渉パターンを生ずることを
   更に特徴とする特許請求の範囲第１〜１２項のいずれか
   の項記載の装置。 １４、該干渉計が、該干渉計によって生じた干渉パター
   ンの成分部分の位相を変調するための手段を含むことを
   さらに特徴とする特許請求の範囲第１３項記載の装置。 １５、該変調手段が、干渉計の各アームの光路中に配置
   され、発振方法による作動手段によって作動され、それ
   によって、干渉計の各アームの個々の光学距離を増加お
   よび減少させ、かくして干渉計の各アーム間の位相差を
   周期的に変化させる光屈折面平行光学定盤から成ること
   をさらに特徴とする特許請求の範囲第１４項記載の装置
   。 １６、該作動手段がＤＣステップモーターであることを
   さらに特徴とする特許請求の範囲第１５項記載の装置。 １７、該基準信号発生手段が干渉計により生ずる光ビー
   ムの一部を分離し、光の分離部分を焦点合わせレンズの
   手段によって基準検出器上に焦点結びさせることをさら
   に特徴とする特許請求の範囲第１３〜１６項のいずれか
   の項記載の装置。 １８、該基準検出器がフォトダイオードであることをさ
   らに特徴とする特許請求の範囲第１７項記載の装置。 １９、該基準検出器が、発生した電気信号を増幅する光
   電子増倍管であることをさらに特徴とする特許請求の範
   囲第１７項記載の装置。 ２０、該基準信号が、基準検出器で位相変調手段によっ
   て生じた強度変化を電子的に測定することによって得ら
   れることをさらに特徴とする特許請求の範囲第１７〜１
   ９項のいずれかの項に記載の装置。 ２１、該基準信号が、干渉計が基本的に表面測定装置の
   試料部分の縮小型である基準アームを有するような基準
   検出器と連携して、基準格子を与えることによって得ら
   れることをさらに特徴とする特許請求の範囲第１７〜１
   ９項のいずれかの項に記載の装置。 ２２、測定すべき表面を横切って走査した時、光のビー
   ム中の干渉縞が原板および基準格子中のラインを効果的
   に横切り相対位相変化が得られるように、干渉計からの
   光のビームをライン走査で原板および基準格子中のライ
   ンに基本的に直交して走査するよう走査手段を配置する
   ことによって位相変化が生ずることをさらに特徴とする
   特許請求の範囲第１３項記載の装置。 ２３、該原板格子でモアレ型パターンを発生する光学的
   手段が、原板格子上に焦点を結んだ時その直径が原板格
   子の各ライン間隔の半分と等しいかまたはより小さい比
   較的小さい光のスポットが、試料表面上を原板格子のラ
   インに対して一般に直交する方向に走査され、それによ
   ってモアレ型パターンが生ずるような配置を含むことを
   さらに特徴とする特許請求の範囲第１〜１２項のいずれ
   かの項に記載の装置。 ２４、該比較的小さい光のスポットが光源からの光のビ
   ームを拡げ、それを試料表面上で必要な直径に光学的に
   減少させるか焦点を結ばせる手段によって与えられるこ
   とをさらに特徴とする特許請求の範囲第２３項記載の装
   置。 ２５、基準信号を発生する手段が、走査した光の一部を
   分離するビームスプリッター、該スポットの分離部分を
   基準格子上に焦点結びさせるためのレンズおよびそれに
   よって周期的に変化する基準信号を発生するための検出
   手段を含むことをさらに特徴とする特許請求の範囲第２
   ３〜２４項のいずれかの項に記載の装置。 ２６、該基準信号が直接電子信号として与えられること
   をさらに特徴とする特許請求の範囲第１〜１２項及び第
   ２３〜２４項のいずれかの項に記載の装置。 ２７、該電子信号が矩形波の発生によって得られること
   をさらに特徴とする特許請求の範囲第２６項記載の装置
   。 ２８、該矩形波が矩形波発振器によって発生されること
   をさらに特徴とする特許請求の範囲第２７項記載の装置
   。 ２９、光源からの光を測定すべき試料表面上に傾斜方向
   から走査し、該試料表面から拡散的に反射した走査光を
   原板格子上に焦点結びさせそれによって継続的にモアレ
   型パターンを生じさせ、該モアレ型パターンの強度変化
   を検出して該試料表面の個々の継続的走査部分の試料信
   号標本を与え、該試料信号と比較するための基準信号を
   発生させ、該試料信号と基準信号との位相を比較し、そ
   してそれによって走査される表面の形状を示すリアルタ
   イム信号を得る段階を含むことからなる表面測定方法。