TWI506241B - 表面形狀測量裝置 - Google Patents

Description

表面形狀測量裝置

本發明是有關於一種使用光切斷法測量物品的表面形狀的表面形狀測量裝置。

作為測量物品的表面形狀的方法之一而有光切斷法。

光切斷法為如下方法，即以切斷被測量物的表面凹凸構造的方式照射狹縫(slit)光，且拍攝凹凸構造的切斷線的像，藉此測量該凹凸構造的形狀及尺寸。藉由一面使狹縫光相對於被測量物的照射位置相對性地移動一面依序對所拍攝到的切斷線的像進行解析，而可三維測量存在於被測量物的表面上的凹凸形狀。

專利文獻1中記載有一種表面形狀測量裝置，其測量具有凹凸構造104的基板101的表面形狀。將其主要部分的構成示於圖1中。

該裝置中，自雷射(laser)光源121對基板101的表面垂直地照射狹縫光122。而且，利用配置在斜向上的反射鏡(mirror)126A反射來自基板101表面的光，並利用半反射鏡(half mirror)125A分割該光而使該光入射至在水平方向(與紙面垂直的方向) 上偏移配置的2個電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)相機113a、電荷耦合元件相機113b。又，藉由隔著狹縫光而配置在相反側的斜向上的反射鏡126B及半反射鏡125B，與上述相同地使來自基板101表面的光入射至在水平方向上偏移配置的2個CCD相機113c、CCD相機113d。如此，藉由相互偏移配置的4個CCD相機分擔視野而獲取凹凸構造104的像(圖2)。如圖2所示利用CCD相機113a受光的視野1a、利用CCD相機113b受光的視野1b、利用CCD相機113c受光的視野1c、利用CCD相機113d受光的視野1d。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開平11-37734號公報

專利文獻1記載的裝置中，藉由4個CCD相機113a~CCD相機113d在寬度方向上分擔視野而拍攝寬度方向寬且高度方向低的凹凸構造104的像。因此，無須在與像的寬度方向對應的方向上增大攝影元件的受光面。然而，由於必須使用4個CCD相機，因此裝置價格高。

本發明所欲解決的問題是提供一種表面形狀測量裝置，其使用光切斷法測量被測量物的表面形狀，可在不增大攝影單元的受光面的情況下利用1台攝影單元拍攝寬度方向寬(即切 斷線長)的凹凸構造的像。

為了解決上述課題而完成的本發明是一種表面形狀測量裝置，對測量對象物向線狀的區域照射雷射光，並自與該雷射光的照射方向不同的方向拍攝該雷射光的照射位置的圖像，藉此對上述測量對象物的表面形狀進行測量；所述表面形狀測量裝置包括：a)轉換光學系統，使用分別由3個以上的光程構成的多個轉換光程將上述雷射光的照射位置的圖像在上述區域的長邊方向上分割為多個圖像，且分割後的多個圖像以在同一平面上並排位於與上述長邊方向不同的方向上的方式依序排列配置，且上述3個以上的光程不位於由2個以上的反射鏡規定的同一平面上；以及b)攝影部，具有成像透鏡，總括拍攝藉由上述轉換光學系統而依序排列配置的多個圖像；且上述多個反射鏡以如下方式配置，即：在上述各轉換光程上配置在自上述雷射光的照射位置起的光程長最短的位置上的反射鏡，在與上述區域的長邊方向對應的方向上較上述分割後的圖像的長度長地延伸設置，並且構成與該轉換光程不同的另一轉換光程的反射鏡不位於各轉換光程的光程上。

本發明的表面形狀測量裝置中，對測量對象物向線狀區域照射雷射光，並藉由多個轉換光程而將雷射光的照射位置的圖像在線狀區域的長邊方向上分割為多個圖像，且分割後的多個圖 像以在同一平面上並排位於與上述長邊方向不同的方向上的方式依序排列配置。因此，即便為寬度方向上寬的圖像，亦可在不增大攝影部的受光面的情況下利用1個攝影單元總括拍攝。

又，以如下方式配置多個反射鏡，即在各轉換光程上配置在自雷射光的照射位置起的光程長最短的位置上的反射鏡，在與區域的長邊方向對應的方向上較分割後的圖像的長度長地延伸設置，且構成與該轉換光程不同的轉換光程的反射鏡不位於各轉換光程的光程上。藉此，本發明的表面形狀測量裝置中，可防止在藉由轉換光學系統依序排列配置的多個圖像的端部的解析度降低。

11、101、211‧‧‧工件(基板)

12、212‧‧‧載置台

12a‧‧‧移動機構

13、122、213‧‧‧狹縫光

14、214、214a、214b、214c‧‧‧狹縫光照射區域

14a、14b、14c‧‧‧分割區域

15、215‧‧‧受光面

16‧‧‧透鏡

20‧‧‧光程調整單元

21‧‧‧旁通路

104‧‧‧凹凸構造

113a~113d‧‧‧CCD相機

121‧‧‧雷射光源

125A、125B‧‧‧半反射鏡

126A、126B‧‧‧反射鏡

1a‧‧‧利用CCD相機113a受光的視野

1b‧‧‧利用CCD相機113b受光的視野

1c‧‧‧利用CCD相機113c受光的視野

1d‧‧‧利用CCD相機113d受光的視野

2a‧‧‧區域214a的切斷線的像

2b‧‧‧區域214b的切斷線的像

2c‧‧‧區域214c的切斷線的像

A、B、C‧‧‧點

d‧‧‧厚度

d1、d2‧‧‧寬度

D1~D3、D11~D13‧‧‧距離

g、g'‧‧‧長度

H1、H2、H2'、H3、H11~H 13‧‧‧高度/距離

K‧‧‧長度

L、L1、L'‧‧‧距離

△L1‧‧‧長度

M1~M6、Ma、Mb、M1a、M1b‧‧‧平面反射鏡

M1'‧‧‧假想反射面

M11~M13、M14~M16‧‧‧反射鏡

P1~P3‧‧‧光程長

Y‧‧‧法線

α、θ、β、β'‧‧‧角度

γ‧‧‧斜率/角度

γ'‧‧‧傾斜角度

△h‧‧‧高度

圖1是現有的表面形狀測量裝置的主要部分的構成圖。

圖2是說明在現有的表面形狀測量裝置中藉由4台CCD相機分擔視野的狀態的圖。

圖3是前案裝置的主要部分的構成圖。

圖4是說明前案裝置中拍攝的像的圖。

圖5(a)~圖5(b)是對前案裝置的反射鏡面進行說明的圖。

圖6是本發明的表面形狀測量裝置的實施例的主要部分的構成圖。

圖7是對本實施例的表面形狀測量裝置的反射鏡面進行說明的圖。

圖8是對本實施例的表面形狀測量裝置的反射鏡面進行說明的另一圖。

圖9是對本實施例的表面形狀測量裝置的自工件表面至第2反射單元為止的光程進行說明的圖。

圖10是對本實施例的表面形狀測量裝置的自工件表面至CCD相機的受光面為止的光程進行說明的圖。

圖11(a)~圖11(b)是對光程調整單元的構成例進行說明的圖。

圖12(a)~圖12(b)是對光程調整單元的構成例進行說明的另一圖。

圖13(a)~圖13(d)是對在本實施例的表面形狀測量裝置中形成的像進行說明的圖。

圖14(a)~圖14(b)是對光程調整單元的另一構成例進行說明的圖。

圖15(a)~圖15(b)是對本實施例的表面形狀測量裝置的光軸等進行說明的圖。

圖16是說明狹縫光照射角度與係數的相關關係的圖。

本發明者為解決上述課題而發明並申請過如下裝置(以下，稱為「前案裝置」)(日本專利特願2013-160336)，該裝置對測量對象物向線狀區域照射雷射光，並自與雷射光的照射方向不同的方向拍攝雷射光的照射位置的圖像，藉此對測量對象物的高 度進行測量，且使用分別由3個以上的光程構成的多個轉換光程來依序排列配置雷射光的照射位置的圖像，上述3個以上的光程不位於由2個以上的反射鏡規定的同一平面上。

該前案裝置以例如圖3所示的方式構成。作為測量對象的工件211載置在載置台212上。

由高速掃描雷射光束、或利用透鏡形成為線形狀的光束等形成的狹縫光213，以切斷工件211的表面的凹凸構造的方式進行照射。狹縫光照射區域214在狹縫光切斷凹凸構造的線(切斷線)伸長的方向上被假想性地分割為3部分(214a、214b、214c)。被假想性地分割為3部分的區域的圖像藉由下述的第1反射單元與第2反射單元而依序排列配置並被總括拍攝。

構成第1反射單元的3片反射鏡M11、反射鏡M12、反射鏡M13，分別配置在各狹縫光照射區域214a、狹縫光照射區域214b、狹縫光照射區域214c的垂直上方、且相互不同的高度H11、高度H12、高度H13的位置(H11<H12<H13)，且與凹凸構造的切斷線平行地向與工件211的表面形成45度角度的方向傾斜。

又，構成第2反射單元的3片反射鏡M14、反射鏡M15、反射鏡M16，分別對應於構成第1反射單元的3片反射鏡M11、反射鏡M12、反射鏡M13的各者而設置，且在與工件211的移動方向相反的方向上配置在均離開同一距離L1的位置上。上述3片反射鏡M14、反射鏡M15、反射鏡M16均與工件211的表面垂直地向與凹凸構造的切斷線形成45度角度的方向傾斜。CCD相機的 受光面215配置在上述3片反射鏡M14、反射鏡M15、反射鏡M16的反射方向上，自各反射鏡M14、反射鏡M15、反射鏡M16至該受光面215為止的距離分別成為D11、D12、D13(D11>D12>D13)。

該前案裝置中，如圖4所示般，各狹縫光照射區域214a、狹縫光照射區域214b、狹縫光照射區域214c中的凹凸構造的切斷線的像在高度方向上重新配置，且成像在攝影單元的受光面215上。如此，前案裝置中，將凹凸構造的切斷線的像在長邊方向(橫向)上分割為多個像(區域214c的切斷線的像2c、區域214b的切斷線的像2b、區域214a的切斷線的像2a)，並使上述像在上下方向(縱向)上重新配置而成像於受光面215上，因此即便為寬度方向寬的像，亦可使上述像成像於寬度窄的1個攝影元件的受光面215上。

然而，前案裝置中，在攝影單元的受光面上成像的各像的(切斷線的長邊方向)兩端部分的解析度降低。其原因在於，在各反射鏡的兩端部分上，接收至成像透鏡的光的接收角不足。參照圖5(a)~圖5(b)對該點進行說明。

圖5(a)是自工件211的移動方向觀察構成前案裝置的第1反射單元的反射鏡M11、反射鏡M12(為了便於說明，將分割區域設為2個，且將反射鏡設為2片)的圖，圖5(b)是自切斷線的延伸方向觀察上述反射鏡M11、反射鏡M12的圖。

考慮如下的光，該光自一分割區域即狹縫光照射區域 214a的中央部的點A、另一分割區域即狹縫光照射區域214b的中央部的點B、及兩狹縫光照射區域214a、狹縫光照射區域214b的交界部的點C射向兩反射鏡M11、反射鏡M12。

在點A及點B，具有與成像透鏡的數值孔徑對應的廣度的光分別被反射鏡M11、反射鏡M12反射。另一方面，在點C，具有與成像透鏡的數值孔徑對應的廣度的光被分割為藉由反射鏡M11反射的光程與藉由反射鏡M12反射的光程。其結果，點C附近的像藉由被反射鏡M11反射並到達成像透鏡的光束中以點A或點B的接收角的一半的角度接收的光而成像，從而其解析度降低。

由此，本發明中，為擴大來自點C的光的接收角而自前案裝置的構成變更各反射鏡面的大小與配置。藉此，除解決現有的問題以外，亦同時解決前案裝置中的問題。

具體而言，以在構成第1反射單元的多個反射鏡鄰接的部分上兩側的反射鏡面交疊(overlap)的方式，將各反射鏡面較分割區域長地延伸設置。然而，如圖5(a)的單點劃線所示般，若僅是將反射鏡面分別延伸設置，則入射至在切斷線方向上鄰接配置的2片反射鏡中的一者的端部的光的光程，其一部分被另一反射鏡妨礙(參照圖5(a)的影線區域)。由此，本發明的表面形狀測量裝置中，進而以在該方向上位於鄰接位置的反射鏡依照相對於狹縫光的入射光程而不同的角度接收來自工件表面的光的方式，即以光程不相互妨礙的方式調整各反射鏡的配置。又，以使來自構成第1反射單元的多個反射鏡的反射光入射至第2反射單 元的方式，設定各反射鏡面的傾斜方向。

實施例

以下，對本發明的表面形狀測量裝置的實施例進行說明。

1.主要部分的構成

圖6中表示本實施例的表面形狀測量裝置的主要部分的構成。

本實施例的表面形狀測量裝置是對具有90mm寬度的工件11表面的凹凸構造的形狀及高度(最大值△h)進行測量的裝置。工件11載置在載置台12上，藉由移動機構12a向圖式右方向以規定速度移動。

由高速掃描雷射光束或利用透鏡形成為線形狀的光束等形成的狹縫光13，以沿寬度方向切斷工件11表面的凹凸構造的方式進行照射。工件11表面上的狹縫光13的照射區域(相當於本發明的「線狀區域」)的大小為例如100mm×30μm。狹縫光照射區域14在狹縫光切斷凹凸構造的線(切斷線)延伸的方向上被假想性地等分割為3個部分(分割區域14a、分割區域14b、分割區域14c)。即，切斷線延伸的方向上的各分割區域的長度K分別成為30mm。

在工件11的上方配置有6片平面反射鏡M1~平面反射鏡M6，上述平面反射鏡用以使來自狹縫光照射區域14的光入射至400萬畫素的CCD相機的受光面而使凹凸構造的切斷線的像成 像。CCD相機的受光面的大小為縱11mm×橫11mm，在該區域中二維排列有縱2048個×橫2048個畫素。

平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3分別為以反射來自分割區域14a、分割區域14b、分割區域14c的光的方式配置的矩形的平面反射鏡，上述平面反射鏡構成第1反射單元。而且，平面反射鏡M4、平面反射鏡M5、平面反射鏡M6分別為反射來自反射鏡M1、反射鏡M2、反射鏡M3的光並使該光透過透鏡16而入射至CCD相機的受光面的矩形的平面反射鏡，上述平面反射鏡構成第2反射單元。

本實施例中，分別由M1與M4、M2與M5、M3與M6構成轉換光程，藉由上述3個轉換光程而將雷射光的照射位置的圖像分割為3個部分並依序排列配置在CCD相機的受光面上。透鏡16為將切斷線的像縮小至0.37倍的透鏡，並利用CCD相機拍攝藉由該透鏡16縮小的像。

2.第1反射單元

首先，對構成第1反射單元的3片平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3進行說明。平面反射鏡M1及平面反射鏡M3分別配置在分割區域14a、分割區域14c的垂直上方、且相互不同的高度H1、高度H3的位置上。另一方面，平面反射鏡M2配置在自分割區域14b射向平面反射鏡M2的光的光軸與分割區域14b的法線(圖7中以Y表示的直線)所成的角度成為α的位置、且高度H2的位置(因此，自分割區域14b至平面反射鏡 M2為止的距離H2'=H2/cosα)。此處，3片平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3各自所處的高度為H1<H2<H3的關係。又，平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3均具有較各自對應的分割區域14a、分割區域14b、分割區域14c在切斷線延伸的方向上的長度K長地延伸設置的反射面。下文對該反射面的大小進行敍述。

以下，在本實施例的說明中使用以下參數。

切斷線延伸的方向上的分割區域14a、分割區域14b、分割區域14c的長度：K

平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3的寬度(長邊方向)：w1、w2、w3

平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3的寬度(短邊方向)：d1、d2、d3

射向平面反射鏡M2的光的光軸的傾斜角度：α

狹縫光13的照射角度：β

平面反射鏡M1、平面反射鏡M3的傾斜角度：γ

平面反射鏡M2的傾斜角度：γ'

自平面反射鏡M1、平面反射鏡M3至平面反射鏡M4、平面反射鏡M6為止的距離：L

自平面反射鏡M2至平面反射鏡M5為止的距離：L'

首先，參照圖8對平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3的反射面的長邊方向的寬度w1、寬度w2、寬度w3 進行說明。圖8是自工件11的移動方向觀察平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3的圖。平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3的反射面的長邊方向的寬度w1、寬度w2、寬度w3，以自切斷線延伸的方向上的各分割區域的兩端位置接收具有規定廣度的光並可反射該光的方式設定。規定廣度是指由物體側數值孔徑(物體側NA(numerical aperture))決定的角度，本實施例中，根據F(光圈值(F number，F值))=8、及M(倍率)=0.37倍，藉由下式(1)而計算出物體側NA=0.023。

NA=1/2F×M…(1)

根據該物體側NA的值、與各分割區域的長度K(本實施例中為30mm)、及自上述的工件11表面至平面反射鏡M11、平面反射鏡M12、平面反射鏡M13為止的距離H1、距離H2'、距離H3，平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3在切斷線延伸的方向上的長度(長邊方向的寬度)分別如以下般決定。

平面反射鏡M1的寬度：w1=K+2×NA×H1...(2)

平面反射鏡M2的寬度：w2=K+2×NA×H2'...(3)

平面反射鏡M3的寬度：w3=K+2×NA×H3...(4)

本實施例中，由於使用具有如上述般規定的寬度的平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3，因此可在切斷線延伸的方向上的各分割區域的兩端位置上，反射與物體側NA對應的廣度的光並將該光引導至構成第2反射單元的平面反射鏡M4、平面反射鏡M5、平面反射鏡M6。

本實施例中，將反射自分割區域14a、分割區域14c射向垂直上方的光的平面反射鏡M1、平面反射鏡M3的傾斜角度γ設為45度，且將平面反射鏡M2的傾斜角度γ'設為γ(45度)-1/2×α。如此，藉由平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3而將來自分割區域14a、分割區域14b、分割區域14c的光向與工件11的移動方向相反的方向反射。

如自切斷線延伸的方向觀察平面反射鏡M1、平面反射鏡M2的圖，即圖7所示般，根據狹縫光的入射角度β、工件11表面的凹凸構造的高度△h、平面反射鏡M1的斜率γ、及與上述物體側NA對應的角度θ，平面反射鏡M1、平面反射鏡M3的短邊方向的寬度d1、寬度d3以滿足下式(5)、下式(6)的條件的方式設定。

d1>(△h×tanβ+2×H1×tanθ)/sinγ…(5)

d3>(△h×tanβ+2×H3×tanθ)/sinγ…(6)

若將平面反射鏡M2配置於分割區域14b的垂直上方，則射向該平面反射鏡M2的光的一部分被平面反射鏡M1妨礙。又，自分割區域14c射向平面反射鏡M3的光的一部分被平面反射鏡M2妨礙。為了避免此情況，將光軸朝向平面反射鏡M2的傾斜角的大小α以滿足下式(7)的條件的方式設定。

α>arctan{(△h×tanβ+H1×tanθ)/(H1-1/2×d1×cosγ)}+θ…(7)

若設定平面反射鏡M2的傾斜角度α，則根據下式(8)來決定平面反射鏡M2的短邊方向的寬度d2應滿足的條件。

d2>△h/cosβ×sin(β-α)+ε…(8)

再者，上式的ε為相當於式(2)中的2×H1×tanθ/sinγ的項，且為根據物體側NA或H2'來決定的值。

3.第2反射單元

接下來，對構成第2反射單元的平面反射鏡M4、平面反射鏡M5、平面反射鏡M6進行說明。此處，參照自切斷線延伸的方向觀察平面反射鏡M1~平面反射鏡M6的圖，即圖9、及示意性地表示自狹縫光照射區域14透過透鏡16而到達CCD相機的受光面15的光程的圖10。

平面反射鏡M4、平面反射鏡M5、平面反射鏡M6分別為反射來自平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3的光並使該光入射至透鏡16的反射鏡。平面反射鏡M4、平面反射鏡M5、平面反射鏡M6的高度分別為H1、H2、H3的高度，自平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3至平面反射鏡M4、平面反射鏡M5、平面反射鏡M6為止的距離分別為L、L'(=L+H2×tanα)、L。

又，平面反射鏡M4、平面反射鏡M5、平面反射鏡M6以上述的反射面與工件11的表面垂直且朝向相互平行的方向的方式配置，如圖6所示般，自平面反射鏡M4、平面反射鏡M5、平面反射鏡M6至透鏡16為止的距離分別為D1、D2、D3。

如自圖10所得知般，為確保切斷線的像的解析度，在平面反射鏡M4、平面反射鏡M5、平面反射鏡M6均必須反射具 有與上述物體側NA對應的廣度的光並使該光入射至透鏡16。因此，將上述平面反射鏡M4、平面反射鏡M5、平面反射鏡M6的長邊方向的寬度w4、寬度w5、寬度w6分別以如下方式設定。

平面反射鏡M4的寬度：w4=K+2×NA×(H1+L)…(9)

平面反射鏡M5的寬度：w5=K+2×NA×(H2'+L+H2×tanα)…(10)

平面反射鏡M6的寬度：w6=K+2×NA×(H3+L)…(11)

4.光程調整單元

自各分割區域14a、分割區域14b、分割區域14c到達透鏡16的光程長P1、光程長P2、光程長P3是如以下的式(12)~式(14)般計算。

P1=H1+L+D1…(12)

P2=H2'+(L+H2×tanα)+D2…(13)

P3=H3+L+D3…(14)

若藉由上式(12)~上式(14)而計算的光程長存在差異，則焦點位置在每個區域不同，因此無法利用透鏡16將焦點(focus)對準於1個攝影元件上而進行拍攝。因此，必須將光程長P1、光程長P2、光程長P3設定為同一長度。然而，H1、H2(H2')、及H3是基於使切斷線的像成像的位置而設定的參數，D1、D2、及D3是根據H1、H2、H3與透鏡16的配置而決定的參數，α為根據上述式(7)的條件而決定的參數，因此無法變更上述參數。由此，藉由在自分割區域14a、分割區域14b、分割區域14c到達 透鏡16的光程上配置光程調整單元，而以P1、P2及P3成為相同的方式調整。再者，使光程長相同是指使實質光程長相同，而並非是指使光程的物理長度相同。

由此，將構成圖6所示的表面形狀測量裝置的平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3分別替換為由2片平面反射鏡Ma、平面反射鏡Mb構成的光程調整單元20。若如圖11(b)所示般配置平面反射鏡M1a、平面反射鏡M1b，則形成長度△L1的旁通路21。旁通路的長度△L1可藉由變更平面反射鏡M1a、平面反射鏡M1b的配置而適當變更。因此，藉由分別在平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3的位置上配置光程調整單元20，且調整平面反射鏡的位置，而能以如下方式調整上述P1、P2、P3。

P1+△L1=P2+△L2=P3+△L3…(15)

此處，以分別在平面反射鏡M1、平面反射鏡M2、平面反射鏡M3的位置上配置光程調整單元20的例進行說明，但亦可代替為在平面反射鏡M4、平面反射鏡M5、平面反射鏡M6的位置上配置光程調整單元20。或者，亦可在光程上在與第1反射單元或第2反射單元不同的位置上，配置包含3片或4片以上的平面反射鏡的光程調整單元，藉由上述平面反射鏡形成旁通路。圖12(a)表示由3片平面反射鏡構成的光程調整單元的一例，圖12(b)表示由4片平面反射鏡構成的光程調整單元的一例。圖中的虛線表示未配置光程調整單元的情形的光程(原光程)。再者，在 如圖11(b)般配置有光程調整單元20的情形時，可基於來自該單元的光的前進方向而將其假想反射面規定為M1'。

本實施例的表面形狀測量裝置中，藉由使用光程調整單元20，亦可調整使切斷線的像成像的位置。具體而言，進行如下調整，即縮小與分割區域14a、分割區域14b、分割區域14c對應的3個切斷線的像的成像間隔，而將3個切斷線的像收斂於CCD相機的攝影區域內。

如圖11(a)所示般，經由配置在距分割區域14a為高度H1的位置上的平面反射鏡M1而到達平面反射鏡M4的光程的長度為H1+L。另一方面，如圖11(b)所示般，經由配置在距分割區域14a為高度H1-△L1的位置上且形成△L1長度的旁通路的光程調整單元20(平面反射鏡M1a、平面反射鏡M1b)而到達平面反射鏡M4的光程的長度同樣亦為H1+L。如此，若使用光程調整單元20，則可於不使光程長變化的情況下將切斷線的像的成像位置變更得低。

由此，本實施例的表面形狀測量裝置中，以滿足式(15)的方式設置光程調整單元20，而且以將分割區域14b、分割區域14c中的切斷線的像的成像位置分別降低△L21、△L31地進行變更的方式調整光程調整單元20的高度與旁通路的長度。藉此，如圖13(a)~圖13(d)所示般縮小3個像的分離距離，而使分割區域14a、分割區域14b、分割區域14c中的切斷線的像成像於CCD相機的受光區域(11mm×11mm)內。其中，圖13(a)為在工件 表面上的位置，圖13(b)為反射後的像、圖13(c)為高度調整後的像，圖13(d)為縮小後的像。再者，圖13(a)表示狹縫光照射區域14中的切斷線的配置，圖13(b)是表示被第1反射單元及第2反射單元反射且變化的3個像的位置關係的圖，圖13(c)是表示藉由使用光程調整單元20而縮小3個像的分離距離的狀態的圖，圖13(d)是表示藉由透鏡16縮小且藉由CCD相機拍攝的像的圖。

作為用以進行光程長的調整的光程調整單元，亦可使用折射率構件來代替藉由2片平面反射鏡形成旁通路的光程調整單元。如自圖14(a)所示的無折射率構件的光程與圖14(b)的具有折射率構件的光程的比較所得知般，若在光程上配置折射率n、厚度d的折射率構件，則可在不改變實質光程長的情況下使物理光程長延長(1-1/n)d。因此，藉由將折射率或厚度不同的折射率構件配置在光程上，亦能以滿足上式(15)的方式構成。又，亦可使用稜鏡作為折射率構件，且將稜鏡配置在平面反射鏡M1~平面反射鏡M6的位置上。該情形時，可在稜鏡內部形成旁通路，且可利用稜鏡構件的折射率n調整光程。

5.切斷線的像的修正

如上所述，本實施例中，在射向平面反射鏡M2的光的光軸自分割區域14b的法線傾斜有角度α的位置上配置平面反射鏡M2。因此，在透過平面反射鏡M2而成像的切斷線的像中，工件11表面的凹凸構造的高度方向的尺寸，與經由其他2個平面反 射鏡(M1、M3)而形成的像的尺寸相差所傾斜的角度的貢獻量。參照圖15(a)~圖15(b)及圖16對該點進行說明。

圖15(a)表示藉由通過不使光軸傾斜而配置的平面反射鏡M1、平面反射鏡M3的光程而形成的凹凸構造的切斷線的像中與高度△h對應的長度g。又，圖15(b)表示藉由通過使光軸傾斜的平面反射鏡M2的光程而形成的凹凸構造的切斷線的像中與高度△h對應的長度g'。上述的長度g、g'分別藉由下式(16)、下式(17)計算。

g=△h×tanβ…(16)

g'=△h/cosβ×sin(β-α)…(17)

如此，對於以同一角度照射狹縫光13並藉由CCD相機拍攝的3個切斷線的像中的分割區域14b中的切斷線的像，必須修正高度方向來計算凹凸構造的尺寸。圖16表示在α=10度的情形時係數g/△h、g'/△h相對於狹縫光13的照射角度的變化。可根據該曲線圖求出分割區域14b中的切斷線的像的修正係數。例如在β=60度的情形時，可計算出g/g'=1.732/1.532=1.131。

亦可代替如上述般修正切斷線的像，而以僅對分割區域14b以角度β'照射狹縫光的方式構成光照射單元。例如，只要分別在各分割區域配置對應的光照射單元，且對分割區域14a、分割區域14c以角度β照射狹縫光，對分割區域14b以角度β'照射狹縫光即可。或者在掃描雷射光而產生狹縫光13時，亦可配置使入射至分割區域14b的光的角度變化的角度變化單元。根據圖16的曲 線圖(α=10度的情形時)，在調整狹縫光照射角度的情形時，例如若設定為β=60度、β'=62.7度，則無須變更使光軸傾斜的分割區域14b的修正係數。

上述實施例僅為一例，可按照本案發明的主旨而適當變更。

上述實施例中設為如下構成，即，將狹縫光照射區域等分割為3個部分，且使各狹縫光照射區域中的切斷線的像成像於CCD相機的受光面上，但可考慮受光面的形狀等而適當決定狹縫光照射區域的分割數(轉換光程數)或長度。

上述實施例中說明了如下方式，即在工件的垂直上方設置構成第1反射單元的反射鏡而使光軸旋轉90°，且利用構成第2反射單元的反射鏡進而使光軸旋轉90°，藉此將多個切斷像並排拍攝在1個攝影元件的受光面上，但未必限定於該例。即，只要可將多個切斷像並排拍攝在1個攝影元件上即可，亦可使自工件至構成第1反射單元的反射鏡為止的光程自垂直上方傾斜，又亦可使藉由各反射鏡而使光軸旋轉的角度自90°變更。

又，上述實施例中，構成為對工件表面自傾斜上方照射狹縫光，且自垂直上方接收來自該表面的光，但該位置關係亦可顛倒。即，可構成為自垂直上方照射狹縫光並自斜向受光。進而，在測量尺寸大的凹凸構造的情形時，可構成用於使像的焦點難以偏移的光學系統，即構成基於沙姆普弗魯克(Scheimpflug)原理的光學系統。

11‧‧‧工件(基板)

12‧‧‧載置台

12a‧‧‧移動機構

13‧‧‧狹縫光

14‧‧‧狹縫光照射區域

14a、14b、14c‧‧‧分割區域

16‧‧‧透鏡

D1~D3‧‧‧距離

H1、H2、H3‧‧‧高度

K‧‧‧長度

L、L'‧‧‧距離

M1~M6‧‧‧平面反射鏡

Claims (5)

1. 一種表面形狀測量裝置，對測量對象物向線狀的區域照射雷射光，並自與所述雷射光的照射方向不同的方向拍攝所述雷射光的照射位置的圖像，藉此對所述測量對象物的表面形狀進行測量，所述表面形狀測量裝置包括：a)轉換光學系統，使用分別由3個以上的光程構成的多個轉換光程將所述雷射光的照射位置的圖像在所述區域的長邊方向上分割為多個，且分割後的多個圖像以在同一平面上並排位於與所述長邊方向不同的方向上的方式依序排列配置，其中所述3個以上的光程不位於由2個以上的反射鏡規定的同一平面上；以及b)攝影部，具有成像透鏡，總括拍攝藉由所述轉換光學系統而依序排列配置的所述多個圖像；且所述多個反射鏡以如下方式配置，即：在每一所述轉換光程中配置在自所述雷射光的照射位置起的光程長最短的位置上的反射鏡，在與所述區域的長邊方向對應的方向上較所述分割後的圖像的長度長地延伸設置，並且構成與所述轉換光程不同的另一轉換光程的反射鏡不位於每一所述轉換光程的光程上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的表面形狀測量裝置，其中所述轉換光程中所包含的所述多個反射鏡各自以與所述成像透鏡的數值孔徑、及自所述雷射光的照射位置至所述反射鏡為止的光程長對應的長度，在與所述圖像的所述長邊方向對應的方向上延伸 設置。
3. 如申請專利範圍第1項所述的表面形狀測量裝置，更包括：c)光程調整部，配置在所述多個轉換光程中的至少1個轉換光程上，且調整所述轉換光程的長度。
4. 如申請專利範圍第3項所述的表面形狀測量裝置，其中所述光程調整部為具有與空氣不同的折射率的規定厚度的構件。
5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的表面形狀測量裝置，其中以在藉由所述轉換光學系統而配置的所述多個圖像中，所述測量對象物的表面形狀的高度依照相同比例擴大或縮小的方式，決定所述雷射光對在所述照射方向上分割的多個所述雷射光照射位置的各者的入射方向。