KR20120065948A - 표면 형상의 평가 방법 및 표면 형상의 평가 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주기적인 명암을 갖는 패턴을 피평가 물체의 제1 표면에 조사하고, 상기 제1 표면에서 반사된 패턴을 수광하여 수광 화상을 얻고, 상기 제1 표면에 조사된 패턴에서의 명암 주기에 대한 수광 화상에서의 명암 주기의 어긋남을 검출하기 위하여, 상기 제1 표면에 조사된 패턴에서의 명암 주기에 대응한 수광 화상에서의 영역의 명암의 신호를 평균화하고, 평균화된 신호에 기초하여 상기 제1 표면의 표면 형상을 평가하는 표면 형상의 평가 방법이며, 상기 제1 표면에 조사되는 상기 패턴의 광의 파장이 200 내지 380nm인 표면 형상의 평가 방법에 관한 것이다.

Description

표면 형상의 평가 방법 및 표면 형상의 평가 장치 {EVALUATING METHOD AND EVALUATING DEVICE FOR SURFACE SHAPE}

본 발명은 표면 형상의 평가 방법 및 표면 형상의 평가 장치에 관한 것이다.

물체의 표면 형상을 검사하는 방법으로서, 주기적인 명암을 갖는 스트라이프 패턴(예를 들어, 직사각형의 흑색 패턴부가 일정 간격으로 배열되어 있는 패턴)을 피검사 물체에 조사하고, 피검사 물체의 표면을 반사하여 형성되는 반사상에서의 명암 주기의 어긋남에 기초하여 피검사 물체의 표면 형상을 평가하는 방법이 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 그러나, 그러한 방법을 판유리와 같은 투명판 형상체에 적용하면, 투명판 형상체의 표면에 의한 반사상 뿐만 아니라 투명판 형상체의 이면에 의한 반사상도 동시에 촬상된다. 이하, 투명판 형상체 등의 피검사 물체의 표면에 의한 반사상을 표면 반사상이라고 하고, 투명판 형상체 등의 피검사 물체의 이면에 의한 반사상을 이면 반사상이라고 한다.

도 30은 표면 반사상과 이면 반사상이 동시에 형성되는 모습을 도시하는 설명도이다. 도 30에 도시한 바와 같이, 스트라이프 패턴 상의 점(5)으로부터 발해진 것은 피평가 물체(3)의 표면(3a)에서 반사되어, 광로(8)를 통하여 렌즈 중심(30)을 거쳐 카메라의 수광면(7) 상의 촬상점(10)에 결상된다. 또한, 피평가 물체(3)를 투과한 광은 피평가 물체(3)의 이면(3b)에서 반사되어, 광로(9)를 통하여 렌즈 중심(30)을 거쳐 수광면(7) 상의 촬상점(11)에 결상된다.

여기서, 스트라이프 패턴의 주기 또는 폭에 따라서는, 촬상한 화상 신호에 이하에 나타내는 문제가 발생하는 경우가 있다. 도 31은 카메라가 출력하는 화상 신호예를 모식적으로 도시하는 파형도이다. 도 31의 (A)는 표면 반사상의 화상 신호를 나타내고, 도 31의 (B)는 이면 반사상의 화상 신호를 나타낸다. 또한, 낮은 레벨은 스트라이프 패턴에서의 암부에 기초하는 화상 신호의 레벨을 나타내고, 높은 레벨은 스트라이프 패턴에서의 명부에 기초하는 화상 신호의 레벨을 나타낸다. 스트라이프 패턴에서의 암부의 폭이 넓으면, 화상 신호에서의 낮은 레벨의 부분의 폭도 커져, 표면 반사상의 화상 신호에서의 낮은 레벨과 이면 반사상의 화상 신호에서의 낮은 레벨이 중첩하는 경우가 있다. 그러면, 카메라로부터 출력되는 화상 신호가 도 31의 (C)에 도시한 바와 같은 신호로 되어 버려, 본래 필요로 되는 표면 반사상의 화상 신호(도 31의 (A) 참조)와는 다른 신호에 기초하여 표면 형상의 검사가 행해지게 된다.

또한, 도 32에 도시한 바와 같이, 스트라이프 패턴에서의 암부의 폭이 충분히 좁아도, 표면 반사상의 화상 신호에서의 암부의 위치와 이면 반사상의 화상 신호에서의 암부의 위치의 차(T)가 스트라이프 패턴에서의 명암의 주기의 정수배에 가까울 때에는, 도 32의 (C)에 도시한 바와 같은 화상 신호가 카메라로부터 출력된다. 또한, 도 32의 (A)는 표면 반사상의 화상 신호를 나타내고, 도 32의 (B)는 이면 반사상의 화상 신호를 나타낸다. 이 경우에도 표면 반사상의 화상 신호와는 다른 신호에 기초하여 표면 형상의 검사가 행해지게 되어, 정확한 표면 형상의 평가를 행할 수 없다고 하는 문제가 발생한다.

이면 반사상의 영향을 저감하여 표면 형상의 평가의 정밀도를 저하시키지 않도록 한 표면 형상의 평가 방법이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조). 도 33은 특허문헌 2에 기재된 판유리 등의 피평가 물체의 표면의 평탄도를 평가하기 위한 평가 장치의 개요를 도시하는 모식도이다.

도 33에 도시한 바와 같이, 평가 장치는 적재대(도시하지 않음) 상에 적재된 검사 대상인 판유리 등의 피평가 물체(3)의 표면(3a)에 비추어진 스트라이프 패턴(1)을 촬상 수단으로서의 CCD 카메라(2)에 의해 촬상하도록 구성되어 있다. 스트라이프 패턴(1)은 광원(도시하지 않음)의 발광면에 설치되어 있다. 도 34는 스트라이프 패턴(1)의 일례를 도시하는 설명도이다. 도 34에 있어서, L₁은 암부의 폭을 나타내고, L₂는 명부의 폭을 나타낸다. L₁+L₂가 명암의 주기에 상당한다. 투명 수지 필름에 흑색 부분을 착색하여 스트라이프 패턴(1)을 실현하는 경우에는 명부는 투명 부분에 상당하고, 암부는 흑색 부분에 상당한다.

특허문헌 2에 기재된 표면 형상의 평가 방법에서는, 제1 스텝으로서 피평가 물체(3)에 적합한 스트라이프 패턴(1)을 결정하는 스트라이프 패턴 결정 공정이 실행되고, 계속해서 제2 스텝에서 제1 스텝에서 결정된 스트라이프 패턴(1)을 사용하여 스트라이프 패턴(1)의 피평가 물체(3)에 의한 반사상에 기초하여 화상 해석에 의해 피평가 물체(3)의 표면 형상을 평가하는 표면 형상 검사 공정이 실행된다. 또한, 제2 스텝에서는 제1 스텝에서 결정된 스트라이프 패턴(1)의 피평가 물체(3)의 표면(3a) 및 이면(3b)에 의한 반사상 중, 피평가 물체(3)의 표면(3a)에 의한 반사상만이 사용된다.

도 35는 특허문헌 2에 기재된 스트라이프 패턴을 결정하는 처리의 일례를 나타내는 흐름도이다. 그 처리에 있어서, 우선 1매마다 상이한 패턴이 인쇄된 복수의 스트라이프 패턴을 준비한다(스텝 S31). 즉, 스트라이프의 주기나 명부 및 암부의 폭이 상이한 복수의 스트라이프 패턴을 준비한다. 스트라이프 패턴은, 예를 들어 잉크젯 인쇄에 의해 투명 수지 필름에 패턴을 인쇄함으로써 형성된다. 계속해서, 1개의 스트라이프 패턴을 광원에 부착한다(스텝 S32). 그리고, 피평가 물체(3)에 의한 스트라이프 패턴의 반사상을 CCD 카메라(2)에 의해 촬상한다(스텝 S33).

이어서, 연산 장치(예를 들어, 컴퓨터)(4)가 CCD 카메라(2)에 의해 촬상된 화상의 화상 신호를 입력하고, 화상 해석 처리 프로그램에 따라 화상 신호를 해석하는 화상 해석 처리를 실행한다(스텝 S34). 화상 해석 처리에서는 CCD 카메라(2)의 출력 신호, 즉 CCD 카메라(2)로부터 입력된 화상 신호가 도 36의 (C)에 도시한 바와 같은 상태인지의 여부를 판단한다. 구체적으로는, 표면 반사상과 이면 반사상의 2개의 암부에 대응하는 패턴의 위치가 중첩하고 있지 않은 상태인지의 여부를 판단한다. 화상 신호가 그러한 상태를 나타내고 있지 않은 경우(NG의 경우)에는, 다른 스트라이프 패턴을 광원에 부착하여 스텝 S32, S33의 처리를 다시 실행한다.

연산 장치(4)가 화상 신호에 있어서 표면 반사상과 이면 반사상의 2개의 암부에 대응하는 패턴의 위치가 중첩하고 있지 않은 상태인 것을 확인하면, 그때에 광원에 부착되어 있는 스트라이프 패턴을 피평가 물체(3)의 표면 형상의 평가에 있어서 사용하는 스트라이프 패턴(1)으로서 결정한다(스텝 S37). 이상과 같이 하여 피평가 물체(3)의 표면 형상의 평가에 적합한 스트라이프 패턴(1)으로서, CCD 카메라(2)에 의해 얻어진 화상 신호에 있어서는 분리하도록 설정된 명암의 패턴을 갖는 스트라이프 패턴(1)이 결정된다.

도 36의 (C)는 제1 스텝에서 결정된 스트라이프 패턴(1)을 사용한 경우에 있어서의 CCD 카메라(2)의 출력 신호예를 도시하는 파형도이다. 또한, 도 36의 (A)는 표면 반사상의 화상 신호를 나타내고, 도 36의 (B)는 이면 반사상의 화상 신호를 나타낸다.

특허문헌 2에 기재된 발명에서는 스트라이프 패턴의 암부의 폭(신호 폭 W₁, W₂에 상당)과 명암의 주기(주기 T₁, T₂에 상당)를 최적화함으로써, CCD 카메라(2)가 출력하는 화상 신호에 있어서, 표면 반사상에서의 암부와 이면 반사상에서의 암부가 중첩하지 않도록 조정되어 있다(도 36의 (C) 참조). 그로 인해, 연산 장치(4)에 의한 화상 해석 시에 표면 반사상의 화상 신호만을 용이하게 추출할 수 있어 정밀한 표면 형상 평가를 실시할 수 있다. 즉, 저렴한 장치 구성으로 이면 반사상의 영향을 제거하여 표면 형상을 고정밀하게 평가할 수 있게 된다.

일본 특허 공개 평11-148813호(단락 0082-0083, 도 24) 일본 특허 공개 제2005-345383호 공보(단락 0020-0024, 도 3)

그러나, 특허문헌 2에 기재된 표면 형상의 평가 방법에서는, 표면 반사상에 기초하는 암부와 이면 반사상에 기초하는 암부를 적절하게 이반시킬 수 있는 스트라이프 패턴을 결정하기 위하여, 한번에 결정할 수 없는 한, 스트라이프 패턴을 광원에 부착하는 작업을 복수회 행해야만 하여, 실제로 표면 형상 검사를 실시하기 전의 준비 작업에 손이 많이 간다. 또한, 도 36의 (C)에 도시된 예를 참조하면, 인접하는 2개의 저레벨의 부분 중, 보다 레벨이 낮은 쪽이 표면 반사상에 기초하는 암부에 대응하는데, 이면 반사의 광속이 많은 경우에는 2개의 저레벨의 레벨차가 작아져 표면 반사상의 화상 신호만을 추출하는 것이 어렵게 되어, 결과적으로 표면 형상의 평가의 정밀도가 저하할 가능성이 있다. 또한, 피평가 물체의 판 두께가 0.5mm 이하의 얇은 경우에는, 스트라이프 패턴에서의 인접하는 스트라이프가 중첩하여 관찰될 가능성이 있다. 표면 반사상의 화상 신호와는 다른 신호에 기초하여 표면 형상의 검사가 행해지게 되어, 정확한 표면 형상의 평가를 행할 수 없다고 하는 문제가 발생한다.

따라서, 본 발명은 준비 작업에 수고를 들이지 않고, 피평가 물체의 제1 표면에 대향하는 제2 표면에 의한 반사상의 영향을 저감하여, 피평가 물체의 표면 형상을 고정밀하게 평가할 수 있는 표면 형상의 평가 방법 및 표면 형상의 평가 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 표면 형상의 평가 방법은, 주기적인 명암을 갖는 패턴을 피평가 물체의 제1 표면에 조사하고, 제1 표면에서 반사된 패턴을 수광하여 수광 화상을 얻고, 제1 표면에 조사된 패턴에서의 명암 주기에 대한 수광 화상에서의 명암 주기의 어긋남을 검출하기 위하여, 제1 표면에 조사된 패턴에서의 명암 주기에 대응한 수광 화상에서의 영역의 명암의 신호를 평균화하고, 평균화된 신호에 기초하여 제1 표면의 표면 형상을 평가하는 표면 형상의 평가 방법이며, 상기 제1 표면에 조사되는 상기 패턴의 광의 파장이 200 내지 380nm이다.

본 발명의 표면 형상의 평가 방법에 있어서는, 평균화된 신호에 기초하여 수광 화상에서의 명암 주기의 상기 제1 표면에 조사된 패턴에서의 명암 주기로부터의 어긋남 부분을 검지하고, 상기 제1 표면에 조사된 패턴에서의 명암 주기로부터의 어긋남량을 측정하고, 측정 결과에 기초하여 상기 피평가 물체의 상기 제1 표면의 표면 형상을 평가하는 것이 바람직하다.

본 발명의 표면 형상의 평가 방법에 있어서는, 평균화된 신호 중에서 진폭이 큰 부분과 그 근방의 진폭이 작은 부분의 차에 의해 상기 피평가 물체의 상기 제1 표면의 표면 형상을 평가하는 것이 바람직하다.

본 발명의 표면 형상의 평가 방법에 있어서는, 상기 어긋남량으로서 상기 평균화된 신호의 증감의 절댓값 또는 제곱값을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 다른 형태의 표면 형상의 평가 방법은, 피평가 물체의 제1 표면의 복수의 지점에 의한 각 관측 반사상을 형성하는 것이며, 위치를 특정할 수 있고 이동 속도가 기지(旣知)인 운동하는 휘점 또는 물점인 기준체의 상기 각 관측 반사상을 카메라를 통하여 관측하고, 제1 표면이 이상적 평면인 경우의 각 이상 반사상에 대한 각 관측 반사상의 어긋남량을 얻고, 상기 어긋남량, 상기 기준체의 위치 정보 및 카메라의 렌즈 중심 위치 정보를 이용하여 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 구하고, 상기 제1 표면이 거의 평탄한 것을 구속 조건으로 하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 적분하여, 제1 표면의 굴곡 형상을 평가하는 표면 형상의 평가 방법이며, 상기 각 관측 반사상을 형성하는 광의 파장이 200 내지 380nm이다.

본 발명에 의한 다른 형태의 표면 형상의 평가 방법은, 피평가 물체의 제1 표면에서의 복수의 지점에 의한 각 관측 반사상을 형성하는 것이며, 위치를 특정할 수 있고 주기적인 명암을 갖는 패턴인 기준체의 상기 각 관측 반사상을 카메라를 통하여 관측하고, 상기 제1 표면이 이상적 평면인 경우의 각 이상 반사상에 대한 각 관측 반사상의 어긋남량을 얻고, 상기 어긋남량, 상기 기준체의 위치 정보 및 상기 카메라의 렌즈 중심 위치 정보를 이용하여 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 구하고, 상기 제1 표면이 거의 평탄한 것을 구속 조건으로 하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 적분하여, 제1 표면의 굴곡 형상을 평가하는 표면 형상의 평가 방법이며, 상기 각 관측 반사상을 형성하는 광의 파장이 200 내지 380nm이다.

본 발명에 의한 표면 형상의 평가 장치는, 주기적인 명암을 갖는 패턴을 피평가 물체의 제1 표면에 조사하는 광원과, 제1 표면에서 반사된 패턴을 수광하여 수광 화상을 얻는 수광 수단과, 상기 광원으로부터 조사되는 패턴에서의 명암 주기에 대한, 상기 수광 수단에 의한 수광 화상에서의 명암 주기의 어긋남에 기초하여 상기 제1 표면의 표면 형상을 평가하는 평가 수단을 구비하고, 상기 평가 수단은, 상기 제1 표면에 조사된 패턴에서의 명암 주기에 대응한 수광 화상에서의 영역의 명암의 신호를 평균화하는 평균화 수단과, 상기 평균화 수단이 출력하는 평균화된 신호에 기초하여 상기 제1 표면에서의 표면 형상의 변형 개소와 변형량을 특정하기 위한 신호를 출력하는 처리 수단을 포함하는 표면 형상의 평가 장치이며, 상기 제1 표면에 조사되는 상기 패턴의 광의 파장이 200 내지 380nm이다.

본 발명에 의한 다른 형태의 표면 형상의 평가 장치는, 피평가 물체의 제1 표면의 복수의 지점에 의한 각 관측 반사상을 형성하는 것이며, 위치를 특정할 수 있고 이동 속도가 기지인 운동하는 휘점 또는 물점인 기준체와, 상기 기준체의 상기 제1 표면에 의한 각 관측 반사상을 얻는 카메라와, 상기 제1 표면이 이상적 평면인 경우의 각 이상 반사상에 대한 상기 카메라가 얻은 각 관측 반사상의 어긋남량을 산출하고, 상기 어긋남량, 상기 기준체의 위치 정보 및 상기 카메라의 렌즈 중심 위치 정보를 이용하여 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 구하고, 상기 제1 표면이 거의 평탄한 것을 구속 조건으로 하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 적분하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상을 구하는 연산 수단을 포함하는 표면 형상의 평가 장치이며, 상기 각 관측 반사상을 형성하는 광의 파장이 200 내지 380nm이다.

본 발명에 의한 다른 형태의 표면 형상의 평가 장치는, 피평가 물체의 제1 표면의 복수의 지점에 의한 각 관측 반사상을 형성하는 것이며, 위치를 특정할 수 있고 주기적인 명암을 갖는 패턴인 기준체와, 상기 기준체의 상기 제1 표면에 의한 각 관측 반사상을 얻는 카메라와, 상기 제1 표면이 이상적 평면인 경우의 각 이상 반사상에 대한 상기 카메라가 얻은 각 관측 반사상의 어긋남량을 산출하고, 상기 어긋남량, 상기 기준체의 위치 정보 및 상기 카메라의 렌즈 중심 위치 정보를 이용하여 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 구하고, 상기 제1 표면이 거의 평탄한 것을 구속 조건으로 하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 적분하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상을 구하는 연산 수단을 포함하는 표면 형상의 평가 장치이며, 상기 각 관측 반사상을 형성하는 광의 파장이 200 내지 380nm이다.

본 발명에서는 피평가 물체의 제1 표면에 도래하는 광의 파장을 200 내지 380nm로 하고 있기 때문에, 피평가 물체의 내부에 진행된 광속의 대부분은 흡수된다. 또한, 피평가 물체의 제1 표면으로부터의 반사상의 광속은, 반사상을 수광하는 카메라를 구성하는 광학 부재에 의해 흡수되지 않는다. 따라서, 제1 표면에 대향하는 제2 표면에 의한 반사상의 영향을 저감하여 피평가 물체의 표면 형상을 고정밀하게 평가할 수 있다.

도 1의 (A) 및 (B)는 피평가 물체에 입사하는 광과 피평가 물체의 표면 및 이면에서 반사하는 광의 관계를 나타내는 설명도.
도 2의 (A) 내지 (C)는 카메라가 출력하는 화상 신호예를 모식적으로 도시하는 파형도.
도 3의 (A) 및 (B)는 피평가 물체의 표면의 평탄도를 평가하기 위한 평가 장치를 피평가 물체와 함께 도시하는 모식도 및 사시도.
도 4의 (A) 내지 (E)는 표면 형상의 평가 방법을 설명하기 위한 설명도.
도 5는 스트라이프 패턴의 일례를 도시하는 설명도.
도 6은 연산 장치에 의해 실현되는 기능 블록의 예를 도시하는 블록도.
도 7은 스트라이프 패턴에 대응하는 촬상면의 모습을 도시하는 설명도.
도 8은 본 발명의 일 형태에 의한 표면 형상의 평가 방법을 나타내는 흐름도.
도 9의 (A) 내지 (C)는 수광 패턴의 명암을 나타내는 화상 신호 및 평균화된 신호의 일례를 도시하는 파형도.
도 10의 (A) 내지 (E)는 각 샘플의 일 단면에 대하여 편면의 표면 형상을 접촉식 측정기에 의해 측정한 결과를 나타내는 설명도.
도 11의 (A) 내지 (E)는 각 샘플에 대한 평균화 회로의 출력을 나타내는 설명도.
도 12는 형상값과 측정값의 상관을 나타내는 설명도.
도 13은 본 발명에 의한 표면 형상의 평가 장치의 다른 구성예를 도시하는 구성도.
도 14는 본 발명에 의한 표면 형상의 평가 방법의 개략 공정을 나타내는 흐름도.
도 15는 피평가물의 굴곡 형상의 측정 상황을 도시하는 설명도.
도 16은 관측된 반사상의 궤적이 이상적 평면에 의한 반사상에 대하여 선행하고 있는 상황을 도시하는 설명도.
도 17은 관측된 반사상의 궤적이 이상적 평면에 의한 반사상에 대하여 지연되고 있는 상황을 도시하는 설명도.
도 18은 관측된 반사상의 궤적이 이상적 평면에 의한 반사상에 대하여 선행하는 경우의 선행 정도와 굴곡 형상의 기울기의 관계를 나타내는 설명도.
도 19는 관측된 반사상의 궤적이 이상적 평면에 의한 반사상에 대하여 지연되는 경우의 지연 정도와 굴곡 형상의 기울기의 관계를 나타내는 설명도.
도 20은 x축 및 z축의 정의를 나타내는 설명도.
도 21은 시뮬레이션에 있어서 사용된 광학계를 도시하는 설명도.
도 22의 (A) 및 (B)는 굴곡 형상의 일례 및 본 발명에 의한 표면 형상의 평가 방법의 시뮬레이션에서 얻어진 굴곡 형상을 나타내는 설명도.
도 23의 (A) 및 (B)는 굴곡 형상의 다른 예 및 본 발명에 의한 표면 형상의 평가 방법의 시뮬레이션에서 얻어진 굴곡 형상을 나타내는 설명도.
도 24는 이동하는 휘점의 일 실현예를 도시하는 설명도.
도 25는 피평가물의 전체 표면에 걸친 굴곡 형상의 측정의 일 실시예를 도시하는 설명도.
도 26은 본 발명의 다른 실시 형태의 굴곡 형상의 측정 장치의 개략 구성예를 도시하는 구성도.
도 27의 (A)는 접촉식 측정기에 의해 피평가 물체의 표면 형상을 측정한 결과를 나타내고, (B)는 예 2에 있어서 동일한 피평가물에 대하여 본 발명에 의한 방법을 실시하여 얻어진 표면 형상을 나타내는 설명도.
도 28의 (A)는 접촉식 측정기에 의해 피평가 물체의 표면 형상을 측정하여 그 미분의 절댓값을 산출한 결과를 나타내고, (B)는 예 3에 있어서 화상을 촬상한 경우의 기본 주기로부터의 어긋남량의 절댓값을 나타내는 설명도.
도 29의 (A)는 접촉식 측정기에 의한 피평가 물체의 표면 형상의 측정 결과를 나타내고, (B)는 도 28의 (B)에 나타내어진 결과를 극소값마다 플러스 마이너스 반전시켜 그것을 적분함으로써 얻어진 형상을 나타내는 설명도.
도 30은 표면 반사상과 이면 반사상이 동시에 형성되는 모습을 도시하는 설명도.
도 31의 (A) 내지 (C)는 카메라가 출력하는 화상 신호예를 도시하는 파형도.
도 32의 (A) 내지 (C)는 카메라가 출력하는 화상 신호예를 도시하는 파형도.
도 33은 종래의 평가 장치를 검사 대상과 함께 도시하는 모식도.
도 34는 스트라이프 패턴의 일례를 도시하는 설명도.
도 35는 스트라이프 패턴을 결정하는 처리의 일례를 나타내는 흐름도.
도 36의 (A) 내지 (C)는 CCD 카메라의 출력 신호예를 도시하는 파형도.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1의 (A) 및 (B)는 피평가 물체(3)에 입사하는 광과 피평가 물체(3)의 표면(3a) 및 이면(3b)에서 반사하는 광의 관계를 나타내는 설명도이다. 여기에서는 피평가 물체(3)로서 판유리를 예로 든다. 도 1의 (A)에는 피평가 물체(3)에 입사하는 광의 파장이 400nm 내지 780nm, 즉 광이 가시광인 예가 도시되어 있다. 피평가 물체(3)에 입사한 광속은 피평가 물체(3)의 표면(3a)에서 반사하여 광(A)으로서 반사되는데, 일부는 피평가 물체(3)의 내부로 진행되고, 대부분의 광속은 피평가 물체(3)의 이면(3b)에서 반사된다. 그리고, 피평가 물체(3)의 표면(3a)으로부터 대부분의 광속이 광(B)으로서 출사된다.

또한, 여기에서는 피평가 물체(3)로서 판유리를 예시하지만, 파장 200 내지 380nm를 흡수하는 재료이면 된다. 또한, 판유리의 종류는 특별히 한정되지 않고, 알칼리 유리, 무알칼리 유리가 예시된다.

피평가 물체(3)의 표면(3a)에 도래하는 광의 파장을 가시광의 파장 영역 외인 380nm 이하로 한 경우에는, 도 1의 (B)에 도시한 바와 같이 피평가 물체(3)의 내부로 진행된 광속의 대부분은 피평가 물체(3)에서 흡수되고, 이면(3b)에는 거의 도래하지 않는다. 따라서, 광(B)의 양은 적다. 바꾸어 말하면, 피평가 물체(3)의 이면(3b)에서의 반사광은 피평가 물체(3)의 표면(3a)으로부터 거의 출사되지 않는다.

또한, 피평가 물체(3)의 표면(3a)에 도래하는 광의 파장을 200nm 이상으로 하면, 피평가 물체(3)의 표면(3a)으로부터의 반사상의 광(A)은, 광(A)을 수광하는 카메라를 구성하는 광학 부재에 의해 흡수되지 않는다.

또한, 도 1의 (A) 및 (B)에서는 두꺼운 피평가 물체(3)가 도시되어 있는데, 광(A)을 스트라이프 패턴으로부터의 광인 것으로 하면, 피평가 물체(3)가 판 두께 0.5mm 이하의 얇은 판유리인 경우에는, 도 1의 (A)에 도시된 예에서는 스트라이프 패턴에서의 인접하는 스트라이프가 중첩하여 관찰될 가능성이 있다. 즉, 피평가 물체(3)의 표면(3a)에서 반사된 광의 스트라이프 패턴과, 이면(3b)에서 반사된 광의 스트라이프 패턴이 중첩하여 관찰될 가능성이 있다. 그러나, 도 1의 (B)에 도시된 예에서는 피평가 물체(3)의 이면(3b)에서의 반사광은 피평가 물체(3)의 표면(3a)으로부터 거의 출사하지 않으므로, 인접하는 스트라이프가 중첩하여 관찰되지 않거나, 또는 피평가 물체(3)의 이면(3b)에서의 반사광의 영향, 즉 이면 반사상의 영향(중첩 정도)이 저감된다.

본 발명에서는 도 1의 (B)에 예시된 관계를 이용하여 이면 반사상의 영향을 저감함으로써 표면 형상을 고정밀하게 평가할 수 있도록 하였다.

도 2의 (A) 내지 (C)는 본 발명에서의 피평가 물체(3)에서 반사된 스트라이프 패턴을 촬상하는 카메라가 출력하는 화상 신호예를 모식적으로 도시하는 파형도이다. 도 2의 (A)는 표면 반사상의 화상 신호를 나타내고, 도 2의 (B)는 이면 반사상의 화상 신호를 나타낸다. 또한, 저레벨은 스트라이프 패턴에서의 암부에 기초하는 화상 신호의 레벨을 나타내고, 고레벨은 스트라이프 패턴에서의 명부에 기초하는 화상 신호의 레벨을 나타낸다.

또한, 도 2의 (C)는 표면 반사상과 이면 반사상이 중첩한 화상 신호를 나타낸다. 본 발명에서는 도 2의 (B)에 도시한 바와 같이, 이면 반사상에서의 고레벨과 저레벨의 차가 작아지므로, 도 2의 (C)에 도시하는 파형은 도 2의 (A)에 도시하는 파형에 근접하게 된다. 또한, 도 31에 도시된 종래예에서는, 도 31의 (C)에 도시하는 파형과 도 31의 (A)에 도시하는 파형의 차이가 크다.

즉, 본 발명에서는 카메라가 출력하는 화상 신호를 그대로 사용하여 피평가 물체(3)의 표면 형상의 평가 처리를 행하여도 이면 반사상의 영향이 배제된 평가가 실시되게 된다. 또한, 종래예에서 설명한 바와 같은 적정한 스트라이프 패턴을 결정하기 위한 처리를 행할 필요는 없다.

도 3의 (A)는 피평가 물체의 일례인 판유리 등의 피평가 물체의 표면의 평탄도를 평가하기 위한 평가 장치를 피평가 물체와 함께 도시하는 모식도이다. 도 3의 (A)에 도시한 바와 같이, 평가 장치는 평가 대상인 판유리 등의 피평가 물체(3)의 표면(3a)에 비추어진 스트라이프 패턴(1)을 촬상 수단으로서의 CCD 카메라(2)에 의해 촬상하도록 구성되어 있다. 스트라이프 패턴(1)은 광원(도시하지 않음)의 발광면에 설치되어 있다.

광원으로부터 조사되는 광의 파장이 200 내지 380nm이면, 피평가 물체(3)의 내부로 진행된 광속의 대부분은 피평가 물체(3)에 의해 흡수되고, 이면(3b)에는 거의 도래하지 않는다. 또한, 피평가 물체(3)의 표면(3a)으로부터의 반사상의 광속은, 반사상을 수광하는 CCD 카메라(2)를 구성하는 광학 부재에 의해 흡수되지 않는다. 따라서, 피평가 물체(3)의 이면(3b)에 의한 반사상의 영향을 받지 않고 피평가 물체(3)의 표면(3a)의 형상을 고정밀하게 평가할 수 있다.

광원은 크세논 램프, 수은 램프 및 메탈 할라이드 램프 등이 예시되며, 그의 발광면은 파장 200 내지 380nm의 광을 투과하는 부재로 구성된다. 또한, CCD 카메라(2)의 렌즈 및 필터 등의 광학 부재 및 스트라이프 패턴도 파장 200 내지 380nm의 광을 투과하는 부재로 구성된다. 파장 200 내지 380nm의 광을 투과하는 부재는 석영 유리, 자외선 투과 아크릴(메타크릴 수지), 불소 수지, 폴리스티렌 수지 등이 예시된다.

피평가 물체(3)의 판 두께는 특별히 한정되지 않지만, 0.5mm 이하가 바람직하고, 0.3mm 이하가 더욱 바람직하다. 피평가 물체의 판 두께가 0.5mm 초과인 경우에는, 피평가 물체(3)의 내부에 있어서 광속은 흡수되기 쉬워지거나, 또는 다중 반사에 의해 감쇠된다. 따라서, 표면(3a)의 형상 평가에서의 이면(3b)의 영향은 적다.

CCD 카메라(2)에 의해 촬상된 화상은 퍼스널 컴퓨터 등의 연산 장치(4)에 도입되어, 연산 장치(4)에 의해 화상 해석이 행해진다.

또한, 여기에서는 CCD 카메라(2)를 예시하지만, CCD 카메라(2) 대신에 에어리어 카메라, 라인 카메라, 비디오 카메라, 스틸 카메라 등 어느 방식의 카메라든 사용 가능하다. 또한, 포토 센서를 배열시킨 것 등 반사상을 특정할 수 있는 것이면 어느 수광 장치를 사용하여도 된다.

CCD 카메라(2)의 광축과 스트라이프 패턴(1)(구체적으로는 스트라이프 패턴(1)이 존재하는 평면)의 법선이 피평가 물체(3)의 표면(3a)의 법선 방향으로부터 동일한 각도 θ₁로 되도록 CCD 카메라(2)와 스트라이프 패턴(1)이 설치된다. 각도 θ₁은 45°인 것이 바람직하다.

도 3의 (B)는 도 3의 (A)에 도시된 평가 장치를 도시하는 사시도이다. 도 3의 (B)에 도시한 바와 같이, 평가 장치에 있어서 스트라이프 패턴(1)이 발광면에 설치되어 있는 광원(100)으로부터 광이 피평가 물체(3)에 조사된다.

(실시 형태 1)

우선, 본 실시 형태에서 사용되는 표면 형상의 평가 방법의 전제를 설명한다. 도 4는 표면 형상의 평가 방법을 설명하기 위한 설명도이다.

광원(100)으로부터의 스트라이프 패턴(1)에 의한 광이 피평가 물체(3)에 조사되고, 피평가 물체(3)의 표면(3a)으로부터의 반사광이 CCD 카메라(2)의 촬상 소자에서 수광된다. 또한, 본 명세서에 있어서 「광원(100)으로부터의 스트라이프 패턴(1)에 의한 광」은 스트라이프 패턴(1)을 통과한 광을 의미하는데, 이하 스트라이프 패턴(1)을 통과한 광이 조사되는 것을 「스트라이프 패턴(1)이 조사된다」고 표현한다.

또한, 본 실시 형태에서는 피평가 물체(3)의 이면(3b)으로부터의 반사광은 거의 CCD 카메라(2)에 입사하지 않는다.

연산 장치(4)는 수광에 기초하는 전기 신호(화상 신호)에 기초하여 표면 형상을 평가한다. 피평가 물체(3)의 표면이 완전히 평탄하면, 화상 신호로부터 얻어지는 명암의 콘트라스트의 상태는, 기지인 스트라이프 패턴(1)의 콘트라스트의 상태에 일치한다. 도 4의 (A)에는 CCD 카메라(2)의 수광 패턴(화상), CCD 카메라(2)의 촬상 소자에서의 화소 배열 및 촬상 소자로부터의 명암을 나타내는 화상 신호의 일례가 도시되어 있다. 피평가 물체(3)에 있어서 표면 변형이 없는 경우에는, 화상 신호에서의 최초의 3개의 검출 영역에 예시되어 있는 바와 같이 콘트라스트 변화는 나타나지 않는다(도 4의 (A) 참조).

그러나, 피평가 물체(3)에서의 표면 변형 부분으로부터의 반사광에 의한 화상 신호 중에서는 콘트라스트 변화가 발생한다. 즉, 피평가 물체(3)의 표면 변형 부분으로부터의 수광에 의한 모양은, 비변형 부분으로부터의 모양에 비하여 확대되어 있거나 축소되어 있거나 한다. 예를 들어, 확대되어 있는 경우에는 콘트라스트는 커지지만, 검출 영역으로부터 모양이 밀려나오는 경우가 있다.

따라서, 도 4의 (B)에 도시한 바와 같이, 본래의 최댓값 부분(120a)과 최솟값 부분(120b)이 동일 검출 영역에 들어가지 않게 되고, 검출 영역 내에서의 콘트라스트는 커진다. 콘트라스트는 각 검출 영역에서의 화상 신호의 최댓값 a 및 최솟값 b를 이용하여 (a-b)/(a+b)로 정의된다. 또한, 축소되어 있는 경우에는 촬상 소자로 완전히 해상할 수 없게 되어, 도 4의 (C)에 도시한 바와 같이 콘트라스트가 작아진다. 따라서, 화상 신호에서의 백색 부분과 흑색 부분의 차를 기준값과 비교함으로써, 피평가 물체(3)에 표면 변형이 있는지의 여부를 평가할 수 있다.

또한, 패턴의 확대나 축소가 없는 경우에도 화상 신호에서의 명 부분의 값이 내려가거나, 암 부분의 값이 올라가거나 하는 경우가 있다. 그 경우에도 소정의 크기의 검출 영역 내의 명 부분과 암 부분의 차를 기준값과 비교함으로써, 피평가 물체에 표면 변형이 있는지의 여부를 평가할 수 있다. 도 4의 (A)에 있어서, 망 부분은 휘도가 내려간 백색 부분이며, 그 부분을 포함하는 검출 영역에서는 검출 영역 내에서의 콘트라스트가 작아진다.

그러나, 예를 들어 패턴의 확대를 발생시키는 표면 왜곡이 발생하였다고 하여도 확대의 형태와 검출 영역의 관계가 상이하면 검출 영역 내에서의 콘트라스트가 상이하다. 일례로서, 도 4의 (D)에 도시하는 패턴과 도 4의 (E)에 도시하는 패턴은 동일하게 확대되어 있지만, 검출 영역에의 진출법이 상이하므로 검출 영역 내에서의 콘트라스트에는 차이가 있다. 본래, 화상 신호가 도 4의 (D)에 도시한 바와 같이 된 경우와 도 4의 (E)에 도시한 바와 같이 된 경우에서는 마찬가지의 평가 결과가 얻어져야 하지만, 검출 영역 내의 콘트라스트의 차이에만 기초하여 표면 형상을 평가하고자 하면, 다른 결과로 되어 버릴 가능성이 있다. 즉, 검출 영역 내에서의 콘트라스트의 차이에만 기초하여 표면 형상의 평가를 행하고자 하는 데에는 한계가 있다.

본 실시 형태에서는, 이하에 설명한 바와 같이 검출 영역 내의 콘트라스트의 차이에 기초하여 높은 정밀도로 표면 형상을 평가할 수 있어, 결과적으로 왜곡의 검출 가능 범위를 확대할 수 있다.

도 5는 스트라이프 패턴(1)의 일례를 도시하는 설명도이다. 도 5에 있어서, L₁은 암부의 폭을 나타내고, L₂는 명부의 폭을 나타낸다. L₁+L₂가 명암의 주기(1/f)에 상당한다. 주기의 역수는 패턴의 공간 주파수 f이다. 이하, 공간 주파수 f를 기본 주파수, 그의 역수를 기본 주기라고 칭한다. 또한, 투명 수지 필름에 흑색 부분을 착색하여 스트라이프 패턴(1)을 실현하는 경우에는, 명부는 투명 부분에 상당하고, 암부는 흑색 부분에 상당한다. 일례로서 주기(1/f)는 1.0mm 정도이고, 암부의 폭 L₁은 100㎛ 정도이다.

도 6은 연산 장치(4)에 의해 실현되는 기능 블록의 예를 도시하는 블록도이다. 도 3에 도시하는 연산 장치(4)에 있어서, 입력 회로(41)는 CCD 카메라(2)로부터 명암을 나타내는 수광 패턴의 화상 신호를 입력하고, 그것을 메모리(42)에 저장한다. 쉐이딩 보정 회로(43)는 메모리(42) 내의 화상 신호에 대하여 쉐이딩 보정을 행하여 광원(100)의 광량 분포가 CCD 카메라(2)의 촬상에 제공한 영향을 제거한다. 평균화 회로(44)는 쉐이딩 보정 후의 각 검출 영역에서의 각 화소의 명암에 대하여 평균화 필터 처리를 행하여, 최댓값 추출 회로(45) 및 최솟값 추출 회로(46)에 평균화된 값을 출력한다.

평균화를 위한 검출 영역은 패턴의 기본 주파수의 역수(기본 주기)에 상당한다. 따라서, 평균화 회로(44)는 각 기본 주기마다 화상 신호를 평균화하는 적분형의 필터 등으로 구성된다. 최댓값 추출 회로(45)는 평균화 회로(44)의 출력의 최댓값을 출력하고, 최솟값 추출 회로(46)는 평균화 회로(44)의 출력의 최솟값을 출력한다. 그리고, 차 연산 회로(47)는 최댓값 추출 회로(45)의 출력값과 최솟값 추출 회로(46)의 출력값의 차 및 검출 영역의 위치를 나타내는 신호를 출력한다. 이들 최댓값 및 최솟값은 피평가 물체(3)에 상정되는 굴곡의 주기에 상당하는 영역에 대하여 추출된다. 예를 들어, 이 영역의 폭은 기본 주기의 2 내지 10배이다.

이어서, 도 7의 설명도, 도 8의 흐름도 및 도 9의 설명도를 참조하여 표면 형상의 평가 장치의 동작을 설명한다.

도 7은 스트라이프 패턴(1)에 대응하는 CCD 카메라(2)의 촬상면의 모습을 도시하는 설명도이다. 단, 도 7에는 CCD 카메라(2)의 촬상면의 화소 중 E0 내지 E4의 행의 화소만이 도시되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는 스트라이프 패턴(1)에서의 기본 주기가 CCD 카메라(2)에서의 5화소에 대응하도록 광학계가 설정되어 있다. 따라서, 여기에서는 평균화를 위한 검출 영역은 5화소로 구성된다.

도 8은 평가 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다. CCD 카메라(2)에 의한 촬상(구체적으로는 화상 신호)은, 연산 장치(4)에 있어서 입력 회로(41)를 통하여 메모리(42)에 입력된다. 쉐이딩 보정 회로(43)는 그 시점에서 대상으로 하고 있는 검출 영역의 전후 여러 영역(대상으로 하고 있는 검출 영역을 포함함)의 각 화소에 대한 화상 신호의 평균값을 구한다(스텝 S11). 예를 들어, 도 7에 도시하는 E1의 열의 c 영역을 검출 영역으로 하고 있는 경우에는, E1의 열의 b, c, d 영역의 각 화소의 평균값을 구한다. 이 처리에 의해 그 검출 영역 주변의 배경의 광량 분포 화상(쉐이딩 화상)에 대응한 것이 얻어진다. 물론, 평균값을 취하는 대상 영역을 더 확장하여도 되고, E1의 열의 전후의 열의 영역을 평균값을 취하는 대상 영역에 포함시켜도 된다.

쉐이딩 보정 회로(43)는 또한 얻어진 평균값으로 각 화소의 화상 신호를 제산한다(스텝 S11). 이 결과, 광원(100)의 면 위의 위치에 따라 발광량에 차이가 있었다고 하여도 발광량의 차이가 촬상에 제공하는 영향은 저감된다.

또한, 쉐이딩 보정의 방법은 상술한 방법에 한정되지 않는다. 예를 들어, 이하와 같은 방법을 이용할 수도 있다.

(1) 상술한 방법에 있어서, 각 영역에서의 각 화소의 평균을 취하는 대신에 각 영역에서의 각 화소의 화상 신호 중의 중간값을 사용한다.

(2) 상술한 방법에 있어서, 얻어진 평균값으로 각 화상 신호를 제산하는 대신에 각 화상 신호로부터 평균값을 감산한다.

(3) 각 검출 영역에 대하여 그때마다 쉐이딩 보정을 위한 평균값을 구하는 것이 아니라, 광원(100)으로부터의 광을 직접 수광하는 등의 방법에 의해 미리 쉐이딩 화상을 구해 둔다. 그리고, 각 검출 영역에 대하여 쉐이딩 보정을 행할 때에, 이미 구해져 있는 쉐이딩 화상에서의 화상 신호를 이용하여 제산 처리나 감산 처리를 행한다.

도 9의 (A) 내지 (C)는 수광 패턴의 명암을 나타내는 화상 신호 및 평균화된 신호의 일례를 도시하는 파형도이다. 도 9의 (A) 내지 (C)의 좌측에는 수광 패턴의 명암을 나타내는 화상 신호의 일례가 도시되어 있다. 본 실시 형태에서는 쉐이딩 보정 회로(43)가 설치되어 있기 때문에, 구체적으로는 쉐이딩 보정 회로(43)의 출력 신호가 나타내어져 있게 된다. 피평가 물체(3)가 평탄한 경우에는 수광 패턴에 확대나 축소가 발생하지 않으므로, 도 9의 (A)에 도시된 바와 같이 수광 패턴의 주기는 기본 주기와 일치한다.

피평가 물체(3)의 표면에 요철이 있으면, 굴절 작용에 의해 CCD 카메라(2)에 의한 수광 패턴에 있어서 패턴의 확대 또는 축소가 나타난다. 예를 들어, 표면이 볼록하게 되어 있는 부분으로부터의 투과광에서는 패턴의 확대가 발생하고, 오목하게 되어 있는 부분으로부터의 투과광에서는 패턴의 축소가 발생한다. 그 결과, 도 9의 (B) 및 (C)의 좌측에 도시되어 있는 바와 같이, 수광 패턴의 주기가 기본 주기로부터 어긋난다. 따라서, 수광 패턴에서의 패턴의 주기가 기본 주기로부터 어긋나 있는 것을 검출할 수 있으면, 피평가 물체(3)의 표면에 요철이 있는 것을 검출할 수 있다.

따라서, 평균화 회로(44)는 수광 패턴의 주기의 기본 주기로부터의 어긋남을 검출하기 위하여, 검출 영역 중의 쉐이딩 보정된 각 화소의 명암을 평균화하는 필터 처리를 행한다(스텝 S12). 본 실시 형태에서는 스트라이프 패턴(1)에서의 기본 주기에 대응하는 5화소에 의해 1개의 검출 영역이 구성되어 있으므로, 평균화 회로(44)는 5화소에 대하여 화상 신호를 평균화한다. 도 9의 (A) 내지 (C)의 우측에는 평균화 회로(44)의 출력 신호예가 도시되어 있다. 수광 패턴의 주기가 기본 주기와 일치하고 있을 때에는, 평균화 회로(44)는 1주기분의 각 신호를 평균화한 결과로서 도 9의 (A)의 우측에 도시한 바와 같이 값이 일정한 신호를 출력한다.

피평가 물체(3)의 표면에 볼록 부분이 있는 경우에는, 평균화 회로(44)의 입력 신호에 있어서, 도 9의 (B)의 좌측에 도시한 바와 같이 산 부분과 골짜기 부분이 넓어진 신호가 나타난다. 또한, 피평가 물체(3)의 표면에 오목 부분이 있는 경우에는, 도 9의 (C)의 좌측에 도시한 바와 같이 산 부분과 골짜기 부분이 좁아진 신호가 나타난다. 평균화 회로(44)는, 도 9의 (A)에 도시한 바와 같이 산 부분 및 골짜기 부분이 변화하고 있지 않은 신호가 입력되면 일정한 소정값을 출력하는 것이지만, 도 9의 (B)의 좌측에 도시한 바와 같은 수광 패턴에 확대가 있었던 경우의 신호가 입력되었을 때에는, 평균화 회로(44)는 도 9의 (B)의 우측에 도시한 바와 같이 소정값에 대하여 요철이 발생한 신호를 출력한다.

또한, 도 9의 (C)의 좌측에 도시한 바와 같은 수광 패턴에 축소가 있었던 경우의 신호가 입력되었을 때에도, 도 9의 (C)의 우측에 도시한 바와 같이 소정값에 대하여 요철이 발생한 신호를 출력한다. 평균화 회로(44)의 입력 신호에 있어서 산 부분과 골짜기 부분의 확대 또는 축소의 정도가 클수록, 즉 피평가 물체(3)의 표면(3a)에서의 요철의 정도가 클수록 평균화 회로(44)의 출력 신호에서의 요철의 정도는 크다.

본 실시 형태에서는 평균화 회로(44)의 출력을 평가하기 위하여 최댓값 추출 회로(45), 최솟값 추출 회로(46) 및 차 연산 회로(47)가 설치되어 있다. 최댓값 추출 회로(45)는 평균화 회로(44)로부터의 각 검출 영역에서의 평균화된 신호를 입력하고, 그 영역 중의 최댓값을 추출한다(스텝 S13). 최댓값 추출 회로(45)는, 예를 들어 하나의 검출 영역, 즉 기본 주기 중의 최댓값을 출력하는 필터로 구성된다. 또한, 최솟값 추출 회로(46)는 평균화 회로(44)로부터의 각 검출 영역에서의 평균화된 신호를 입력하고, 그 영역 중의 최솟값을 추출한다(스텝 S13). 최솟값 추출 회로(46)는, 예를 들어 하나의 검출 영역, 즉 기본 주기 중의 최솟값을 출력하는 필터로 구성된다.

차 연산 회로(47)는, 최댓값 추출 회로(45)의 출력과 최솟값 추출 회로(46)의 출력의 차를 연산한다(스텝 S14). 차 연산의 대상은 하나의 검출 영역 내 또는 근방의 복수의 검출 영역(유리의 굴곡의 수 파장분에 상당하는 범위)이다. 예를 들어, 인접하는 2개나 3개의 검출 영역이다. 인접하는 2개의 검출 영역을 차 연산 대상으로 한 경우에는, 2개의 검출 영역 내에서의 최댓값과 최솟값의 차가 차 연산 회로(47)로부터 출력된다.

물론, 평균화 회로(44)가 취급하는 검출 영역의 크기와 차 연산 회로(47)가 취급하는 범위의 크기는 각각 상이하게 하여도 된다. 예를 들어, 차 연산 회로(47)가, 평균화 회로(44)가 취급하는 검출 영역의 2 내지 10배의 크기의 범위에 대하여 최댓값과 최솟값의 차를 구하도록 하여도 된다. 또한, 최댓값 추출 회로(45) 및 최솟값 추출 회로(46)의 대상 영역을 평균화 회로(44)가 취급하는 검출 영역과 상이하게 하도록 하여도 된다.

그리고, 연산 결과인 차 신호와, 그때에 대상으로 하고 있던 검출 영역의 위치를 나타내는 위치 신호를 출력한다. 피평가 물체(3)의 표면(3a)에 왜곡이 없는 경우에는, 도 9의 (A)에 도시한 바와 같이 평균화 회로(44)의 출력은 일정하게 되므로, 차 연산 회로(47)가 출력하는 차 신호는 값 0을 나타낸다. 그러나, 피평가 물체(3)의 표면(3a)에 요철이 있는 경우에는 차 신호는 0이 아닌 값을 나타낸다. 나아가, 차 신호의 값은 요철의 정도에 대응하고 있다. 따라서, 차 연산 회로(47)가 출력하는 차 신호의 값 및 위치 신호에 기초하여 피평가 물체(3)의 표면(3a)의 변형량 및 변형 개소를 특정할 수 있다. 바꾸어 말하면, 차 연산 회로(47)가 출력하는 차 신호의 값 및 위치 신호에 기초하여 피평가 물체(3)의 표면 형상의 평가를 행할 수 있다(스텝 S15).

또한, 스텝 S15의 표면 형상의 평가는 검사자에 의해 실행되어도 되지만, 연산 장치(4)에 차 신호의 값과 위치 신호에 기초하는 평가 결과를 결정하여 출력하는 평가 기능을 포함시키도록 하여도 된다. 평가 기능에 의한 평가 결과의 출력은, 예를 들어 화면 표시나 인쇄 출력이다. 또한, 평가 기능은, 예를 들어 차 신호의 값을 미리 정해져 있는 임계값과 비교하여 임계값을 초과하고 있는 경우에, 결점이 있는 취지를 피평가 물체(3)의 표면(3a)에서의 대응 위치를 나타내는 데이터와 함께 출력하는 기능이다.

또한, 예를 들어 도 4의 (D) 및 (E)에 도시된 바와 같은 경우라도 차 연산 회로(47)가 근방의 복수의 검출 영역에 걸쳐 또는 검출 영역을 초과한 범위를 연산 대상의 범위로 하여 최솟값과 최댓값의 차를 출력하도록 하면, 도 4의 (D)과 (E)에 도시된 경우에서 마찬가지의 차 신호가 출력된다. 따라서, 본 발명에 의한 방법에 따르면, 요철의 검출 가능 범위를 보다 확대할 수 있다.

또한, 피평가 물체(3)의 표면 형상에 변화가 있지만 수광 패턴의 확대나 축소가 없는 경우에, CCD 카메라(2)로부터 출력되는 화상 신호에서의 명 부분의 값이 내려가거나 암 부분의 값이 올라가거나 하였을 때에도 평균화 회로(44)에 의해 평균화된 신호에는 요철이 나타난다. 따라서, 본 실시 형태의 방법에 의해 그러한 표면 형상의 변화도 검출된다.

또한, 평균화 회로(44), 최댓값 추출 회로(45), 최솟값 추출 회로(46) 및 차 연산 회로(47)는, 메모리(42)에 저장된 피평가 물체(2)의 소정 영역에서의 전체면에 대응한 화상 신호를 순차적으로 처리하여도 되고, 메모리(42) 내의 2차원 화상을 일괄 처리하도록 하여도 된다. 또한, 검출 영역 내의 명암을 나타내는 신호를 평균화하는 방법 대신에 영역 내의 명암의 표준 편차를 출력하여도 되고, 평균화 처리된 신호의 미분을 취하여 피평가 물체(3)의 표면 형상을 평가할 수도 있다.

[예 1]

이어서, 접촉식 측정기에 의한 측정 결과와, 본 실시 형태의 평가 장치에서의 평가를 비교한 결과에 대하여 설명한다. 도 10의 (A) 내지 (E)는 5매의 판유리를 샘플 A 내지 E로서 각각 하나의 단면에 대하여 편면의 표면 형상을 접촉식 측정기에 의해 측정한 결과를 나타낸다. 각 샘플 A 내지 E는 두께 0.7mm, 한 변이 300mm인 사각형의 판유리이다. 또한, 피평가 물체인 각 샘플 A 내지 E에는 절반 피치가 10 내지 15mm 정도인 굴곡이 있다.

도 11의 (A) 내지 (E)는 샘플 A 내지 E와 광축을 30°기울여 CCD 카메라(2)에 있어서 f25의 렌즈를 사용하여 조리개 F16이라고 하는 조건에서의 평균화 회로(44)의 출력을 나타낸다. 사용한 스트라이프 패턴(1)은 흑백의 1피치가 6mm(1/f=6mm)이고, 샘플면 상에서는 1화소가 1mm 조금 넘고, 화상 상에서는 1피치가 5화소 정도로 되도록 하였다. 도 11의 (A) 내지 (E)에 나타내는 결과가 얻어진 각각의 샘플 A 내지 E는, 도 10의 (A) 내지 (E)에 나타내는 결과가 얻어진 각각의 샘플 A 내지 E와 동일한 것이다.

상술한 바와 같이, 도 11의 (A) 내지 (E)에는 수광 패턴의 주기가 기본 주기와 어긋난 부분, 즉 판유리의 표면의 요철이 있는 개소에 대응한 부분에 산 부분 또는 골짜기 부분이 나타나 있다. 실제로는 판유리의 표면 형상과 패턴의 위상의 관계에 따라 판유리의 표면의 오목 부분이 도 11의 (A) 내지 (E)에서의 산 부분에 대응하거나 골짜기 부분에 대응하거나 한다. 그러나, 산 부분에 대응한 경우도 골짜기 부분에 대응한 경우도, 산 부분과 골짜기 부분의 차의 절댓값과, 판유리의 표면의 요철의 정도 사이에는 상관이 있다.

또한, 도 11의 (A) 내지 (E)는 샘플의 띠 형상의 하나의 영역에 대한 수광 패턴의 주기가 기본 주기와 어긋난 부분의 분포를 나타내고 있는데, 그러한 분포에 기초하여 그의 단면에 대한 표면 평탄도를 즉시 평가할 수 있다. 그리고, 샘플의 전체 단면에 대한 분포를 출력하도록 하면 샘플의 전체면의 표면 평탄도를 즉시 평가할 수 있다.

도 12는 형상값과 측정값의 상관을 나타내는 설명도이다. 형상값으로서, 각 샘플의 표면 형상에서의 인접하는 볼록부와 오목부의 차 중 최댓값(실제값)을 사용하고 있다. 또한, 측정값으로서 상술한 실시 형태의 평가 장치에 있어서, 각 샘플에 대한 차 연산 회로(47)로부터 출력된 차 신호 중 최댓값을 사용하고 있다. 도 12에 도시한 바와 같이, 형상값과 측정값은 많이 상관되어 있다. 상관 계수는 0.81로 되어 있다.

(실시 형태 2)

도 13은 본 발명에 의한 표면 형상의 평가 장치의 제2 실시 형태의 구성예를 도시하는 구성도이다. 또한, 본 실시 형태에서는 표면 형상의 평가 장치로서의 굴곡 형상의 측정 장치를 나타낸다. 도 13에 도시한 바와 같이, 측정 장치는 이동하는 휘점(6)으로부터 발해져 피평가 물체(3)로서의 판유리의 표면에서 반사된 광을 수광하여 반사상을 형성하는 CCD 카메라(2)와, CCD 카메라(2)에 의한 반사상의 궤적을 입력하여 굴곡 형상을 산출하는 계산기 등의 연산 장치(4)를 포함한다.

또한, 여기에서는 CCD 카메라(2)를 예시하지만, CCD 카메라(2) 대신에 에어리어 카메라, 라인 카메라, 비디오 카메라, 스틸 카메라 등 어느 방식의 것이라도 사용 가능하다. 또한, 포토 센서를 배열시킨 것 등 휘점(6)의 반사상을 특정할 수 있는 것이면, 어느 수광 장치를 사용하여도 된다.

도 14는 본 실시 형태에서의 표면 형상의 평가 방법의 개략 공정을 나타내는 흐름도이다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 표면 형상의 평가 방법에서는, 우선, 이동 속도가 기지인 이동하는 휘점(6)의 피평가 물체(3)의 표면에서의 반사광을 CCD 카메라(2)에서 수광하여 이동하는 반사상을 얻는다(스텝 S21). 피평가 물체(3)의 표면에 굴곡이 있는 경우에는, CCD 카메라(2)에서 촬상되는 관측 반사상의 궤적은 굴곡이 전혀 없는 이상적 평면이 제공하는 이상 반사상의 궤적으로부터 어긋난다. 즉, 이상적 평면이 제공하는 이상 반사상의 궤적에 대하여 선행하거나 지연되거나 한다.

따라서, 얻어진 관측 반사상의 이상적 평면에 의한 이상 반사상에 대한 어긋남(선행 정보 또는 지연 정보)으로부터 피평가 물체(3)의 표면의 굴곡 형상의 기울기(미분값)를 산출한다(스텝 S22). 그리고, 피평가 물체(3)의 표면이 거의 평면인 것을 구속 조건으로 하여 적분 연산에 의해 굴곡 형상을 얻는다(스텝 S23).

이어서, 도 15 내지 도 20의 설명도를 참조하여 도 13에 도시된 장치 및 도 14에 도시된 표면 형상의 평가 방법에 대하여 설명한다.

도 15는 피평가물의 굴곡 형상의 측정 상황을 도시하는 설명도이다. 도 15에 도시한 바와 같이, 휘점(6)의 반사상(19)은 CCD 카메라(2)의 수광 소자에 의한 수광면(7)에 결상한다. 휘점(6)을 출사한 광은, 광로(8)를 거쳐 피평가 물체(3)의 표면에서 반사되어 수광면(7)에 도달한다. 또한, 여기에서는 휘점(6)이 소정의 일정 속도로 이동하는 경우를 예로 든다.

상술한 바와 같이, 판유리 표면에 굴곡이 있는 경우에는, 얻어진 관측 반사상(반사상(19))의 각 시각에서의 위치는, 이상적 표면에서 반사된 광에 의한 이상 반사상의 위치에 대하여 선행하거나 지연되거나 한다. 도 16은 반사상(19)의 궤적이 이상적 평면에 의한 이상 반사상(반사상(26))에 대하여 선행하고 있는 상황을 도시하는 설명도이다. 또한, 도 17은 반사상(19)의 궤적이 이상적 평면에 의한 반사상(26)에 대하여 지연되고 있는 상황을 도시하는 설명도이다. 도 16 및 도 17에 있어서, 실선으로 나타내어지는 광로(8A)는 실제의 광로를 나타내고 있다. 휘점(6)로부터 출사한 광은 판유리 표면의 반사점(12)에서 반사된 후 CCD 카메라(2)의 렌즈 중심(30)을 거쳐 수광면(7)에 도달하여 반사상(19)을 형성한다.

파선으로 나타내어지는 광로(8B)는, 판유리 표면이 이상적 평면인 경우에 있어서, 휘점(6)으로부터 출사한 광이 판유리 표면의 반사점(13)에서 반사된 후 CCD 카메라(2)의 렌즈 중심(30)을 거쳐 수광면(7)에 도달하는 광로를 나타낸다. 이 경우, 수광면(7)에 있어서, 도 16 및 도 17에 도시된 반사상(26)이 형성된다. 단, 반사상(26)은 판유리 표면이 이상적 평면이라고 가정한 경우에 있어서 형성되는 상이며, 현실에 형성되는 것은 아니다.

휘점(6)은 소정의 속도로 이동되므로, 판유리 표면이 이상적 표면이면, 반사상(26)도 수광 소자에 의한 수광면(7)에 있어서 소정의 속도로 이동한다. 휘점(6)의 이동 속도가 결정되어 있으면, 연산 장치(4)는 각 시각에 있어서 이상적 표면에서 반사된 광에 의한 반사상(26)의 위치를 인식할 수 있다. 연산 장치(4)는 이상적 표면에서 반사된 광에 의한 반사상(26)의 위치를 인식할 수 있으므로, 실제로 얻어진 반사상(19)의 위치의 반사상(26)으로부터의 어긋남량(선행량 또는 지연량)을 알 수 있다.

도 18은 반사상(19)의 궤적이 이상적 평면에 의한 반사상(26)에 대하여 선행하는 경우의 선행 정도와 굴곡 형상의 기울기(미분값)의 관계를 나타내는 설명도이다. 또한, 도 19는 반사상(19)의 궤적이 이상적 평면에 의한 반사상(26)에 대하여 지연되는 경우의 지연 정도와 굴곡 형상의 기울기(미분값)의 관계를 나타내는 설명도이다.

도 18 및 도 19에 있어서, α는 렌즈 중심(30)으로부터 광로(8B)로 연장된 벡터를 기준으로 한 경우의 렌즈 중심(30)으로부터 광로(8A)로 연장된 벡터가 형성하는 각도이다. β는 렌즈 중심(30)으로부터 광로(8B)로 연장된 벡터를 기준으로 한 경우의 렌즈 중심(30)으로부터 연직 하방으로 연장된 벡터가 형성하는 각도이다. γ는 휘점(6)으로부터 연직 하방으로 연장된 벡터를 기준으로 한 경우의 휘점(6)으로부터 광로(8A)로 연장된 벡터가 형성하는 각도이다. 그리고, δ는 반사점(12)의 수선 벡터를 기준으로 한 경우의 반사점(12)에서의 굴곡 표면의 법선 벡터가 형성하는 각도(법선 벡터의 기울기)이다.

어느 각도도 기준으로 하는 벡터로부터 반시계 방향으로 기울이는 경우에 플러스의 값을 취하는 것으로 한다. 따라서, 도 18에 도시된 상황에 있어서 α<0, δ<0이며, 도 19에 도시된 상황에 있어서 α>0, δ>0이다.

법선 벡터의 기울기 δ는 수학식 1과 같이 표시된다. 굴곡 형상을 z=f(x)인 함수로 표현하면, 굴곡 형상의 기울기(미분값)=tanδ는 수학식 2로 표시된다. x축 및 z축은 도 20에 도시한 바와 같이 취해지며, x=0의 점은 예를 들어 피평가 물체(3)의 표면의 좌측 단부에 설정된다.

따라서, 굴곡 형상 z는 수학식 3과 같이 구해진다. 수학식 3에 있어서, C는 적분 상수이다. 피평가 물체(3)로서 플랫 패널 디스플레이에 사용되는 유리 기판으로서 이용되는 판유리를 상정하면, 판유리의 표면 형상은 잔 굴곡이 있을지도 모르지만 거의 평탄하다. 따라서, 수학식 4에 나타내는 관계가 성립한다고 생각하여도 된다. 즉, 판유리 표면에서의 굴곡의 평균값은 0이라고 하는 조건을 부가한다. 그러면, 수학식 3에서의 적분 상수 C는 수학식 4의 구속 조건을 만족하도록 결정할 수 있다. 단, 수학식 4에 있어서, 이상적 표면을 z=0의 평면으로 하고 있다.

구체적으로는 이하와 같은 처리가 행해진다. 연산 장치(4)는 CCD 카메라(2)로부터 각 시각에서의 수광면(7)에서의 반사상(19)을 입력하고, 각 시각에서의 반사상(19)의 위치 정보를 얻는다. 또한, 휘점(6)의 이동 속도는 미리 정해져 있는 일정 속도이므로, 각 시각에서의 휘점(6)의 위치 및 이상적 평면에 의한 반사상(26)의 위치 정보도 인식할 수 있다. 반사상(19, 26)의 수광면(7)에서의 위치는, 판유리 표면에서의 반사점(12, 13)의 위치에 대응하고 있다.

또한, 렌즈 중심(30)의 위치도 정해진 것이다. 각 시각에서의 휘점(6)의 위치를 인식할 수 있고, 각 시각에서의 반사점(12, 13)의 위치는 반사상(19, 26)의 수광면(7)에서의 위치로부터 결정할 수 있으며, 또한 렌즈 중심(30)의 위치도 기지이므로, 연산 장치(4)는 각 시각에서의 각 각도α, β, γ를 산출할 수 있다. 따라서, 수학식 1에 기초하여 각 시각에서의 δ를 계산할 수 있다. 또한, 각 시각에서의 반사점(12)의 위치는 수학식 2 내지 수학식 4에서의 x의 값이다.

각 시각에서의 δ가 산출되었으므로, 연산 장치(4)는 용이하게 각 시각에서의 tanδ(=f'(x))의 값을 산출할 수 있다. 각 시각에서의 f'(x)가 f'(x1), f'(x2), f'(x3), …, f'(xn)과 같이 n개 얻어진 것으로 하고, Δ(x)를 이하와 같이 정의한다.

Δ(x1)=(f'(x1)+f'(x2))×(x2-x1)/2Δ(x2)=(f'(x2)+f'(x3))×(x3-x2)/2

：

Δ(x(n-1))=(f'(x(n-1))+f'(xn))×(xn-x(n-1))/2

굴곡 형상은 f'(x)를 수치 적분함으로써 구할 수 있다. 구체적으로는 연산 장치(4)는 f(xn)=Δ(x1)+Δ(x2)+…+Δ(x(n-1))을 산출함으로써, 각 x에서의 굴곡의 높이를 얻는다.

이와 같이 하여 얻어진 굴곡 형상은 반드시 수학식 4를 만족한다고는 할 수 없지만, 연산 장치(4)는 수학식 3에서의 적분 상수 C를

C=-(f(x1)+f(x2))×(x2-x1)/2

-(f(x2)+f(x3))×(x3-x2)/2

：

-(f(x(n-1))+f(xn))×(xn-x(n-1))/2

와 같이 정함으로써, 수학식 4를 만족하는 굴곡 형상을 얻을 수 있다.

[예 2]

이어서, 본 실시 형태의 방법에 의해 피평가 물체로서 판유리를 실측한 예를 나타낸다. 이 예에서는 도 21에 도시된 광학계 위치 관계를 이용하였다. 도 21에 있어서, a는 피평가 물체(3)(이 예에서는 판유리)의 단부와 CCD 카메라(2)의 렌즈 중심(30)으로부터 내린 수선 사이의 거리, b는 피평가 물체(3)의 폭, c는 스트라이프 패턴 상의 점으로부터 내린 수선과 렌즈 중심(30)으로부터 내린 수선 사이의 거리, h는 이상적 평면(판유리의 표면의 굴곡의 평균적 평면)으로부터의 렌즈 중심(30)의 높이이다.

시뮬레이션에 있어서, 휘점(6), 이상적 평면 및 렌즈 중심(30)의 위치 관계는 기지인 것으로 하였다. 구체적으로는 a=450mm, b=250mm, c=1300mm, h=28.43mm로 하였다.

또한, 피평가 물체(3)의 표면의 굴곡 형상을 진폭 a₁, a₂, 파장 L₁, L₂를 갖는 수학식 5로 표시되는 함수로 표현하였다.

도 22의 (A)는 수학식 5에 있어서 a₁=0.00005mm, L₁=10mm, a₂=0.0mm, L₂=20.0mm로 한 경우의 굴곡 형상을 나타내는 파형도이다. 도 22의 (B)는 도 21에 나타내어진 위치 관계를 갖는 광학계 및 도 22의 (A)에 나타내어진 표면 형상을 갖는 피평가물을 대상으로 하여 상술한 측정 방법을 실시한 경우에 얻어진 굴곡 형상을 나타내는 파형도이다. 도 22의 (B)에 나타내는 굴곡 형상은 도 22의 (A)에 나타내어진 굴곡 형상과 거의 일치하고 있는, 즉 본 발명에 의한 방법에 의해 굴곡 형상을 정확하게 측정할 수 있는 것이 확인되었다.

도 23의 (A)는 수학식 5에 있어서 a₁=0.00005mm, L₁=10mm, a₂=0.00005mm, L₂=20.0mm로 한 경우의 굴곡 형상을 나타내는 파형도이다. 도 23의 (B)는 도 21에 나타내어진 위치 관계를 갖는 광학계 및 도 23의 (A)에 나타내어진 표면 형상을 갖는 피평가물을 대상으로 하여 상술한 측정 방법을 실시한 경우에 얻어진 굴곡 형상을 나타내는 파형도이다. 도 23의 (B)에 나타내는 굴곡 형상은 도 23의 (A)에 나타내어진 굴곡 형상과 거의 일치하고 있는, 즉 본 발명에 의한 방법에 의해 표면 형상을 정확하게 측정할 수 있는 것이 확인되었다.

또한, 본 발명에 의한 표면 형상의 평가 방법에서는, 관측값에 기초하는 각도 산출 계산 및 적분을 위한 가감산 처리를 행하면 되므로, 연산 장치(4)의 연산량은 그다지 많지 않다.

도 24는 이동하는 휘점(6)의 일 실현예를 도시하는 설명도이다. 이 예에서는 레이저 광원(21)으로부터의 광을 이동 가능한 미러(22)에서 반사시켜, 반사광이 스크린(23)에 조사되도록 한다. 이와 같이 한 경우, 반사광의 스크린(23)에서의 조사점을 휘점(6)으로서 사용할 수 있다. 여기서, 스크린(23) 상에서 휘점(6)이 등속으로 이동하도록 미러(22)를 이동시키면, 등속으로 이동하는 휘점(6)이 실현된다. 또한, 도 24에는 미러(22)가 이동해 가는 형태가 도시되어 있지만, 실제로 미러(22)가 이동하는 형태 대신에 폴리곤 미러와 같은 회전 미러와 보정 미러를 사용하여 미러 이동을 용이하게 실현할 수 있다.

또한, 상기의 실시 형태에서는 피평가 물체(3)의 표면에서의 복수의 지점에 의한 각 반사상(19)을 형성 가능한 기준체이며 위치가 특정될 수 있는 기준체로서, 등속으로 이동하는 휘점(6)을 사용한 예에 대하여 설명하였다. 그러나, 이동 속도가 미리 정해져 있으면, 휘점(6)의 이동 속도가 등속이 아니어도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 기준체로서 그렇게 작성된 휘점(6)에 한정되지 않고, 자신이 이동하는 물리적인 점(물점)을 사용하여도 된다.

물점으로서, 예를 들어 그 자체가 이동하는 점광원이나, 조명 환경 하에 놓여진 이동 가능한 점을 사용할 수 있다. 물점으로서 이동하는 점광원을 사용한 경우에는 반사상(19)은 명점으로 되고, 물점으로서 조명 환경 하에 놓여진 이동 가능한 점의 경우에는 반사상(19)은 암점으로 된다. 또한, 휘점 및 물점은 수학적인 의미에서의 점이 아니며, 현실에는 어느 정도의 확대를 갖는 영역으로 된다.

상기의 실시 형태에서는 일차원의 굴곡 형상을 측정하는 경우에 대하여 설명하였지만, 피평가 물체(3)의 전체 표면에 걸쳐 굴곡 형상을 측정하는 경우에는, 예를 들어 도 25에 도시한 바와 같이 피평가 물체(3)를 광로(8A)와 직교하는 방향으로 이동시키면 된다. 그리고, 연산 장치(4)는 피평가 물체(3)의 표면의 각 열(도 25에 있어서 파선간에 나타내어지는 가상적인 각 열)에 대하여 상술한 연산을 실시한다. 또한, 도 25에는 피평가 물체(3)가 이동하는 경우를 도시하였지만, 휘점(6)을 광로(8)와 직교하는 방향으로 이동시켜도 된다.

도 26은 본 발명의 다른 실시 형태의 표면 형상의 평가 장치의 개략 구성예를 도시하는 구성도이다. 본 실시 형태에서는 피평가 물체(3)로서의 판유리의 표면에서의 복수의 지점에 의한 각 반사상(19)을 형성 가능한 기준체이며 위치가 특정될 수 있는 기준체로서, 이동하는 휘점(6) 대신에 휘도 피치가 기지인 스트라이프 패턴(1)이 사용된다. 스트라이프 패턴(1)의 각 저휘도 부분(62)으로부터의 광의 판유리 표면에 의한 반사상은 CCD 카메라(2)에서 촬상된 후, 연산 장치(4)에 입력된다.

스트라이프 패턴(1)에 있어서 휘도 피치는 기지이기 때문에, 연산 장치(4)는 피평가 물체(3)의 수광면(7)에서의 이상적 평면에 의한 반사상(26)의 각 위치를 인식할 수 있다. 연산 장치(4)는 이상적 평면에 의한 반사상(26)의 각 위치로부터의 실제의 반사상(19)의 위치의 어긋남에 기초하여, 상술한 연산에 의해 굴곡 형상을 산출한다. 이와 같이 이동하는 휘점(6)의 시간 정보(각 시각에서의 반사상(19, 26)의 위치 정보) 대신에 스트라이프 패턴(1)의 공간 정보(각 저휘도 부분(62)에 대응한 반사상(19, 26)의 위치 정보)를 이용하여도 판유리 표면의 굴곡 형상을 측정할 수 있다.

[예 3]

이어서, 본 실시 형태의 방법에 의해 피평가물로서 판유리를 실측한 예를 나타낸다. 이 예에서는 도 21에 도시된 광학계 위치 관계를 이용하여, 구체적으로는 도 26에 도시된 장치를 사용하였다. 도 21에 있어서, a는 피평가 물체(3)의 단부와 렌즈 중심(30)으로부터 내린 수선 사이의 거리, b는 피평가 물체(3)의 폭, c는 휘점(6)과 렌즈 중심(30) 사이의 거리, h는 이상적 평면(피평가 물체(3)의 표면의 굴곡의 평균적 평면)으로부터의 렌즈 중심(30)의 높이이다.

스트라이프 패턴(1)의 설치 위치, 이상적 평면, 및 렌즈 중심(30)의 위치 관계는 기지인 것으로 하였다. 구체적으로는 a=225mm, b=300mm, c=750mm, h=60mm로 하였다. 또한, 사용한 스트라이프 패턴(1)의 고휘도부 및 저휘도부의 1주기를 1mm로 하였다. 따라서, 피평가 물체(3)의 중심 상에서는 1주기는 0.5mm이다. 그리고, CCD 카메라(2)에 있어서 조리개 F16, 초점 거리 55mm의 렌즈를 사용하였다. 스트라이프 패턴(1)에서의 화소 분해능은 약 0.09mm, 피평가 물체(3)의 중심 상에서 화소 분해능은 약 0.04mm로 되고, 스트라이프 패턴(1)에서의 1주기는 11 내지 12화소에 상당한다.

도 27의 (A)는 접촉식 측정기에 의해 피평가 물체(3)의 표면 형상을 측정한 결과를 나타낸다. 또한, 도 27의 (B)는 동일한 피평가 물체(3)에 대하여 본 실시 형태에 의한 방법을 실시하여 얻어진 표면 형상을 나타낸다. 도 27의 (B)에 나타내어진 표면 형상은, 도 27의 (A)에 나타내어진 표면 형상과 거의 일치하고 있으므로, 본 발명에 의해 표면 형상을 정확하게 측정할 수 있는 것을 알 수 있다.

도 10에 도시된 각 형상의 샘플의 표면 형상을 측정한 예에서는, 각 샘플에 있어서 절반 피치가 10 내지 15mm 정도인 굴곡이 있는 것에 대하여, 패턴의 흑백의 1피치가 6mm인 것 같은 비교적 양자가 근접하고 있는 조건에서 측정이 행해졌다.

그러한 조건에서는 기본 주기로부터의 어긋남량과 표면 형상 사이에 직접 상관이 있으므로 요철의 레벨에 높은 상관이 있다. 따라서, 도 10에 도시된 각 형상의 샘플의 표면 형상을 측정한 예에서는 샘플면에서 1화소가 1mm 정도로 되도록 하였지만, 그러한 해상도가 낮은 조건에서도 충분히 요철 레벨을 평가할 수 있다.

한편, 상기의 예(도 27의 (B)에 나타내어진 파형을 얻은 예)와 같이, 피평가 물체(3)의 중심 상에서의 1주기가 0.5mm라고 하는 굴곡의 절반 피치에 비하여 충분히 작은 경우에는, 이미 설명한 바와 같은 최댓값과 최솟값의 차를 산출할 것까지도 없이, 표면 형상의 변화의 절댓값(굴곡 형상의 기울기의 절댓값)은 기본 주기로부터의 어긋남량의 절댓값에 관해서도 상관이 있다. 따라서, 그러한 경우에는 화상으로부터 산출한 기본 주기의 어긋남량의 절댓값을 피크마다 플러스 마이너스 반전시켜 적분함으로써 표면 형상을 산출할 수 있다. 그러한 산출 방법에 의하면 계산이 간이화된다. 또한, 피크마다 플러스 마이너스 반전시키는 것은 절댓값에서 얻어지는 데이터를 본래의 요철에 관한 데이터로 복귀시키기 위해서이다. 또한, 어긋남량의 절댓값 대신에 어긋남량의 제곱값을 사용하여도 값은 상이하지만, 마찬가지의 결과가 얻어진다.

[예 4]

도 28의 (B)는 예 3과 동일한 조건에서 화상을 촬상한 경우의 명암 주기의 기본 주기로부터의 어긋남량의 절댓값을 나타낸다. 단, 이 예에서는 연산 장치(4)는 기본 주기에서 스무딩 처리를 실시하여 평균화된 값을 산출하고, 산출된 값과, 5주기분의 평균인 쉐이딩 신호의 차의 절댓값을 명암 주기의 기본 주기로부터의 어긋남량의 절댓값으로 한다. 즉, 평균화된 신호의 증감의 절댓값을 명암 주기의 기본 주기로부터의 어긋남량으로 한다.

피평가 물체(3)의 변형에 의해 기본 주기로부터의 어긋남이 발생할 때에는, 패턴의 위상에 따라 스무딩 폭에 밝은 부분이 많은 경우와 어두운 부분이 많은 경우의 어느 쪽의 가능성도 있다. 따라서, 어느 경우에도 평가할 수 있도록 절댓값을 취하고 있다. 도 28의 (A)는 접촉식 측정기에 의해 피평가 물체(3)의 표면 형상을 측정하고, 그의 미분의 절댓값을 산출한 결과를 나타낸다.

또한, 도 29의 (A)는 접촉식 측정기에 의한 피평가 물체(3)의 표면 형상의 측정 결과를 나타낸다. 도 29의 (B)는 도 29의 (A)에 나타내어진 결과를 극소값마다 플러스 마이너스 반전하고, 그것을 적분함으로써 얻어진 형상을 나타낸다. 양자의 형상은 매우 흡사하므로, 기본 주기로부터의 어긋남량의 절댓값(또는 제곱값)을 피크마다 플러스 마이너스 반전시켜 적분함으로써 표면 형상을 평가할 수 있는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 피평가 물체(3)의 표면(3a)으로부터의 반사광에 의한 수광 화상에서의 명암 주기의 기본 주기로부터의 어긋남에 기초하여 피평가 물체(3)의 표면 형상을 평가하므로, 표면 형상에서의 왜곡 등을 단시간에 보다 고정밀하게 평가할 수 있다. 또한, 수광 화상에서의 기본 주기에 대응한 영역의 명암을 평균화하고, 평균화된 신호에 기초하여 피평가 물체(3)의 표면 형상을 평가함으로써 왜곡 등의 검출 가능 범위를 확대할 수 있다.

또한, 피평가 물체(3)의 표면(3a)을 조사하는 광의 파장은 피평가 물체(3)의 내부에서 흡수되고, 또한 CCD 카메라(2)를 구성하는 광학 부재에서 흡수되지 않는 200 내지 380nm를 사용하고 있으므로, 이면 반사상의 영향이 저감된 CCD 카메라(2)로부터의 화상 신호를 이용하여 피평가 물체(3)의 표면 형상을 고정밀하게 평가할 수 있다.

본 발명을 상세하게 또한 특정한 실시 형태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 범위와 정신을 일탈하지 않고 여러 가지 수정이나 변경을 가할 수 있는 것은 당업자에게 있어서 명확하다.

본 출원은 2010년 12월 13일에 출원된 일본 특허 출원 제2010-276780호에 기초하는 것이며, 그의 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

<산업상 이용가능성>

본 발명은 피평가 물체의 표면의 평탄도를 평가할 때에 적절하게 적용된다.

1: 스트라이프 패턴
2: CCD 카메라
3: 피평가 물체
3a: 표면
3b: 이면
4: 연산 장치
5: 스트라이프 패턴 상의 점
6: 휘점
7: 수광면
8, 8A, 8B, 9: 광로
10, 11: 촬상점
12, 13: 반사점
19, 26: 반사상
21: 레이저 광원
22: 미러
23: 스크린
30: 렌즈 중심
41: 입력 회로
42: 메모리
43: 쉐이딩 보정 회로
44: 평균화 회로
45: 최댓값 추출 회로
46: 최솟값 추출 회로
47: 차 연산 회로
62: 저휘도 부분
100: 광원

Claims (9)

1. 주기적인 명암을 갖는 패턴을 피평가 물체의 제1 표면에 조사하고,
   상기 제1 표면에서 반사된 패턴을 수광하여 수광 화상을 얻고,
   상기 제1 표면에 조사된 패턴에서의 명암 주기에 대한 수광 화상에서의 명암 주기의 어긋남을 검출하기 위하여, 상기 제1 표면에 조사된 패턴에서의 명암 주기에 대응한 수광 화상에서의 영역의 명암의 신호를 평균화하고,
   평균화된 신호에 기초하여 상기 제1 표면의 표면 형상을 평가하는 표면 형상의 평가 방법이며,
   상기 제1 표면에 조사되는 상기 패턴의 광의 파장이 200 내지 380nm인
   표면 형상의 평가 방법.
2. 제1항에 있어서, 평균화된 신호에 기초하여 수광 화상에서의 명암 주기의 상기 제1 표면에 조사된 패턴에서의 명암 주기로부터의 어긋남 부분을 검지하고, 상기 제1 표면에 조사된 패턴에서의 명암 주기로부터의 어긋남량을 측정하고, 측정 결과에 기초하여 상기 피평가 물체의 상기 제1 표면의 표면 형상을 평가하는 표면 형상의 평가 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 평균화된 신호 중에서 진폭이 큰 부분과 그 근방의 진폭이 작은 부분의 차에 의해 상기 피평가 물체의 상기 제1 표면의 표면 형상을 평가하는 표면 형상의 평가 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 어긋남량으로서 상기 평균화된 신호의 증감의 절댓값 또는 제곱값을 사용하는
   표면 형상의 평가 방법.
5. 피평가 물체의 제1 표면의 복수의 지점에 의한 각 관측 반사상을 형성하는 것이며, 위치를 특정할 수 있고 이동 속도가 기지(旣知)인 운동하는 휘점 또는 물점인 기준체의 상기 각 관측 반사상을 카메라를 통하여 관측하고,
   상기 제1 표면이 이상적 평면인 경우의 각 이상 반사상에 대한 각 관측 반사상의 어긋남량을 얻고,
   상기 어긋남량, 상기 기준체의 위치 정보 및 상기 카메라의 렌즈 중심 위치 정보를 이용하여 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 구하고,
   상기 제1 표면이 거의 평탄한 것을 구속 조건으로 하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 적분하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상을 평가하는 표면 형상의 평가 방법이며,
   상기 각 관측 반사상을 형성하는 광의 파장이 200 내지 380nm인
   표면 형상의 평가 방법.
6. 피평가 물체의 제1 표면의 복수의 지점에 의한 각 관측 반사상을 형성하는 것이며, 위치를 특정할 수 있고 주기적인 명암을 갖는 패턴인 기준체의 상기 각 관측 반사상을 카메라를 통하여 관측하고,
   상기 제1 표면이 이상적 평면인 경우의 각 이상 반사상에 대한 각 관측 반사상의 어긋남량을 얻고,
   상기 어긋남량, 상기 기준체의 위치 정보 및 상기 카메라의 렌즈 중심 위치 정보를 이용하여 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 구하고,
   상기 제1 표면이 거의 평탄한 것을 구속 조건으로 하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 적분하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상을 평가하는 표면 형상의 평가 방법이며,
   상기 각 관측 반사상을 형성하는 광의 파장이 200 내지 380nm인
   표면 형상의 평가 방법.
7. 주기적인 명암을 갖는 패턴을 피평가 물체의 제1 표면에 조사하는 광원과,
   상기 제1 표면에서 반사된 패턴을 수광하여 수광 화상을 얻는 수광 수단과,
   상기 광원으로부터 조사되는 패턴에서의 명암 주기에 대한, 상기 수광 수단에 의한 수광 화상에서의 명암 주기의 어긋남에 기초하여 상기 제1 표면의 표면 형상을 평가하는 평가 수단을 구비하고,
   상기 평가 수단은, 상기 제1 표면에 조사된 패턴에서의 명암 주기에 대응한 수광 화상에서의 영역의 명암의 신호를 평균화하는 평균화 수단과,
   상기 평균화 수단이 출력하는 평균화된 신호에 기초하여 상기 제1 표면에서의 표면 형상의 변형 개소와 변형량을 특정하기 위한 신호를 출력하는 처리 수단을 포함하는 표면 형상의 평가 장치이며,
   상기 제1 표면에 조사되는 상기 패턴의 광의 파장이 200 내지 380nm인
   표면 형상의 평가 장치.
8. 피평가 물체의 제1 표면의 복수의 지점에 의한 각 관측 반사상을 형성하는 것이며, 위치를 특정할 수 있고 이동 속도가 기지인 운동하는 휘점 또는 물점인 기준체와,
   상기 기준체의 상기 제1 표면에 의한 각 관측 반사상을 얻는 카메라와,
   상기 제1 표면이 이상적 평면인 경우의 각 이상 반사상에 대한 상기 카메라가 얻은 각 관측 반사상의 어긋남량을 산출하고, 상기 어긋남량, 상기 기준체의 위치 정보 및 상기 카메라의 렌즈 중심 위치 정보를 이용하여 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 구하고, 상기 제1 표면이 거의 평탄한 것을 구속 조건으로 하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 적분하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상을 구하는 연산 수단을 포함하는 표면 형상의 평가 장치이며,
   상기 각 관측 반사상을 형성하는 광의 파장이 200 내지 380nm인
   표면 형상의 평가 장치.
9. 피평가 물체의 제1 표면의 복수의 지점에 의한 각 관측 반사상을 형성하는 것이며, 위치를 특정할 수 있고 주기적인 명암을 갖는 패턴인 기준체와,
   상기 기준체의 상기 제1 표면에 의한 각 관측 반사상을 얻는 카메라와,
   상기 제1 표면이 이상적 평면인 경우의 각 이상 반사상에 대한 상기 카메라가 얻은 각 관측 반사상의 어긋남량을 산출하고, 상기 어긋남량, 상기 기준체의 위치 정보 및 상기 카메라의 렌즈 중심 위치 정보를 이용하여 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 구하고, 상기 제1 표면이 거의 평탄한 것을 구속 조건으로 하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상의 기울기를 적분하여, 상기 제1 표면의 굴곡 형상을 구하는 연산 수단을 포함하는 표면 형상의 평가 장치이며,
   상기 각 관측 반사상을 형성하는 광의 파장이 200 내지 380nm인
   표면 형상의 평가 장치.

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