(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の表面状態を光学的に検査する光学的表面検査機構において；
光源からの光を略平行な光束にする光源光学系と；
該光源光学系で平行にされた光束に非点収差を与えて、該非点収差を与えられた光束を前記被測定物の表面に焦線を生じさせるように投射する第１の光学系と；
前記光束を投射された被測定物の表面から反射された光束を直線状に収束させる第２の光学系と；
前記第２の光学系で収束された光束を検出するラインセンサであって、直線状に配置された複数の光検出素子を有し、前記第２の光学系により前記焦線と共焦点の関係に置かれるラインセンサとを備え；
前記第２の光学系は、前記焦線に垂直な方向に第１の屈折力を有し、また前記焦線方向に前記第１の屈折力よりも小さい第２の屈折力を有する第１のシリンドリカルレンズ系と、
前記焦線方向に第３の屈折力を有し、また前記焦線に垂直な方向に前記第３の屈折力よりも小さい第４の屈折力を有する第２のシリンドリカルレンズ系であって前記焦線と前記ラインセンサとを前記焦線の方向に共役な関係におく第２のシリンドリカルレンズ系を有する；
光学的表面検査機構。
【請求項２】
前記第１のシリンドリカルレンズ系は、少なくとも２つの部分に分割され、前記２つの部分の間で、光束は焦線に垂直な方向に略平行にされる、請求項１に記載の光学的表面検査機構。
【請求項３】
被測定物の表面状態を光学的に検査する光学的表面検査機構において；
光源からの光を略平行な光束にする光源光学系と；
該光源光学系で平行にされた光束に非点収差を与えて、該非点収差を与えられた光束を前記被測定物の表面に焦線を生じさせるように投射する第１の光学系と；
前記光源光学系と前記第１の光学系との間に配置された第１のビームスプリッタと；
前記焦線に垂直な方向に第５の屈折力を有し、また前記焦線方向に前記第５の屈折力よりも小さい第６の屈折力を有する第３のシリンドリカルレンズ系を有し、
前記光束を投射された被測定物の表面から反射され、前記第１の光学系を介して前記第１のビームスプリッタで反射された光束を直線状に収束させる第３の光学系と；
前記第３の光学系で収束された光束を検出するラインセンサであって、直線状に配置された複数の光検出素子を有し、前記第１の光学系と第３の光学系により前記焦線と共焦点の関係に置かれるラインセンサとを備え；
前記第３の光学系は、前記焦線の方向に第７の屈折力を有し、前記焦線に垂直な方向に前記第７の屈折力よりも小さい第８の屈折力を有する第４のシリンドリカルレンズ系であって前記焦線と前記ラインセンサとを前記焦線の方向に共役な関係におく第４のシリンドリカルレンズ系を有する；
光学的表面検査機構。
【請求項４】
被測定物の表面状態を光学的に検査する光学的表面検査機構において；
光源からの光を略平行な光束にする光源光学系と；
該光源光学系で平行にされた光束に非点収差を与えて、該非点収差を与えられた光束を前記被測定物の表面に焦線を生じさせるように投射する第１の光学系と；
前記被測定物の位置と前記第１の光学系との間に配置された第２のビームスプリッタと；
前記光束を投射された被測定物の表面から反射され、前記第２のビームスプリッタで反射された光束を収束させる第２の光学系と；
前記第２の光学系で収束された光束を検出するラインセンサであって、直線状に配置された複数の光検出素子を有し、前記第２の光学系により前記焦線と共焦点の関係に置かれるラインセンサとを備え；
前記第２の光学系は、前記焦線に垂直な方向に第１の屈折力を有し、また前記焦線方向に前記第１の屈折力よりも小さい第２の屈折力を有する第１のシリンドリカルレンズ系と、
前記焦線方向に第３の屈折力を有し、また前記焦線に垂直な方向に前記第３の屈折力よりも小さい第４の屈折力を有する第２のシリンドリカルレンズ系であって前記焦線と前記ラインセンサとを前記焦線の方向に共役な関係におく第２のシリンドリカルレンズ系を有する；
光学的表面検査機構。
【請求項５】
前記ラインセンサの前面側に、前記複数の光学検出素子の各々に対応して配置されたピンホールを備える、請求項１乃至請求項４のいずれか１項の記載の光学的表面検査機構。
【請求項６】
被測定物の表面状態を光学的に検査する光学的表面検査機構において；
光源からの光を略平行な光束にする光源光学系と；
該光源光学系で平行にされた光束に非点収差を与えて、該非点収差を与えられた光束を前記被測定物の表面に焦線を生じさせるように投射する第１の光学系と；
前記焦線に垂直な方向に第１の屈折力を有し、また前記焦線方向に前記第１の屈折力よりも小さい第２の屈折力を有する第１のシリンドリカルレンズ系を有し、前記光束を投射された被測定物の表面から反射された光束を直線状に収束させる第２の光学系と；
前記第２の光学系で収束された光束を検出するラインセンサであって、直線状に配置された複数の光検出素子を有し、前記第２の光学系により前記焦線と共焦点の関係に置かれるラインセンサと；
前記ラインセンサの前面側に、前記複数の光学検出素子の各々に対応して配置されたピンホールとを備える；
光学的表面検査機構。
【請求項７】
前記光源は、コヒーレント光を発生する光源である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光学的表面検査機構。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光学的表面検査機構と；
前記被測定物と前記光学的表面検査機構とを、前記表面に平行に且つ前記焦線に垂直な方向に相対的に移動させる、第１の移動手段と；
前記被測定物と前記焦線とを、前記表面の法線方向に相対的に移動させる第２の移動手段と；
前記第２の移動手段による前記表面の法線方向の相対的移動位置と該相対的移動位置に対応する前記ラインセンサの出力とを記録する手段とを備える；
光学的表面検査装置。
【請求項９】
前記第２の移動手段は、前記被測定物と前記第１の光学系とを相対的に移動させるように構成される、請求項８に記載の光学的表面検査装置。
【請求項１０】
前記記録する手段は、前記複数の光検出素子の各々について、出力の最大検出値を与えた、前記第２の移動手段による相対的移動位置を記憶する記憶手段を備える、請求項８または請求項９に記載の光学的表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光計測分野で利用される光学的表面検査機構及びそれを用いた光学的表面検査装置に関し、特に被測定物の表面にある傷の深さも検査することができる光学的表面検査機構及びそれを用いた光学的表面検査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、検査対象である被測定物の表面状態を検査する装置としては、図１０に示すように平行光として表面に照射されるライン光源とラインセンサにより得られる正反射光や散乱光の検出光量の変化をベースに、様々な信号処理技術により、被測定物の欠陥や色むら等の表面状態の検査を行うものがあった。そのような技術では、ラインセンサを使用することで高速な処理が可能であり、また傷や欠陥等の形状不良に対して、その大きさの情報を得ることができた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような従来の検査装置によれば、傷や欠陥等の形状不良に対して、深さ方向の情報を得ることは困難であった。また、散乱光量が、非常に微量である浅い傷や媒体等のうねり状態等の検出が困難であった。
【０００４】
そこで本発明は、傷の深さが把握できると共に、浅い傷やうねり状態の把握が可能な光学的表面検査機構及び表面検査装置を提供することを目的にしている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による光学的表面検査機構は、例えば図１に示すように、被測定物４の表面状態を光学的に検査する光学的表面検査機構において；  光源１からの光を略平行な光束にする光源光学系２と；光源光学系２で平行にされた光束に非点収差を与えて、該非点収差を与えられた光束を被測定物４の表面に焦線５を生じさせるように投射する第１の光学系３と；前記光束を投射された被測定物４の表面から反射された光束を直線状に収束させる第２の光学系６、８と；第２の光学系６、８で収束された光束を検出するラインセンサであって、直線状に配置された複数の光検出素子を有し、第２の光学系６、８により焦線５と共焦点の関係に置かれるラインセンサ９とを備え、前記第２の光学系は、焦線５に垂直な方向に第１の屈折力を有し、また前記焦線方向に前記第１の屈折力よりも小さい第２の屈折力を有する第１のシリンドリカルレンズ系６、８と、前記焦線方向に第３の屈折力を有し、また焦線５に垂直な方向に前記第３の屈折力よりも小さい第４の屈折力を有する第２のシリンドリカルレンズ系であって焦線５とラインセンサ９とを焦線５の方向に共役な関係におく第２のシリンドリカルレンズ系７を有する。
【０００７】
光源１は、光源光学系と一体であってもよいし、別途用意してもよい。第１の光学系は、好ましくはレンズであり、さらに好ましくはシリンドリカルレンズである。また例えばホログラムレンズであってもよい。またシリンドリカルレンズは、フレネルレンズのように平坦に形成されたものであってもよい。第２の光学系は、例えば凸レンズのような結像レンズであってもよいが、２つのシリンドリカルレンズの組合せとするのが好ましい。
【０００８】
このように構成すると、第１の光学系を備えるので、被測定物の表面に焦線を生じさせるように投射できる。焦線は典型的には直線状に生じる。したがって、被測定物の表面状態により、照射状態が変化する。とくに表面の凹凸の深さにより、照射状態が顕著に変わる。第２の光学系を備えるので、このように直線状に生じ、また表面状態の情報を含んだ焦線をラインセンサ上に収束させることになる。
【０００９】
また、典型的には第２の屈折力はゼロである。
【００１０】
このように構成すると、特に被測定物４の表面が鏡面状態であるとき、その上に存在する傷を明瞭に検出することができる。特に図１（ｂ）に示すように、Ｙ方向に大きい屈折力を有し、Ｘ方向の屈折力が小さい（典型的にはゼロの）ときは、鏡面状態の被測定物を検査するのに適する。
【００１１】
ここで典型的には第４の屈折力はゼロとする。
【００１２】
このように構成すると、焦線５の方向と焦線５に垂直な方向に散乱される光がラインセンサ上に結像され、この２方向以外の方向に散乱される光は、ラインセンサ上で明瞭に結像されない。
【００１３】
また請求項２に記載のように、請求項１に記載の光学的表面検査機構では、第１のシリンドリカルレンズ系は、少なくとも２つの部分６、８に分割され、２つの部分６、８の間で、光束は焦線５に垂直な方向に略平行にされるようにしてもよい。ここで、第２のシリンドリカルレンズ系７は、２つの部分６、８の間に配置されるようにするのが好ましい。
【００１４】
前記目的を達成するために、請求項３に係る発明による光学的表面検査機構は、例えば図５に示すように、被測定物４の表面状態を光学的に検査する光学的表面検査機構において；光源１からの光を略平行な光束にする光源光学系２と；光源光学系２で平行にされた光束に非点収差を与えて、該非点収差を与えられた光束を被測定物４の表面に焦線５を生じさせるように投射する第１の光学系３と；光源光学系２と第１の光学系３との間に配置された第１のビームスプリッタ２１と；前記焦線に垂直な方向に第５の屈折力を有し、また前記焦線方向に前記第５の屈折力よりも小さい第６の屈折力を有する第３のシリンドリカルレンズ系を有し、前記光束を投射された被測定物４の表面から反射され、第１の光学系３を介して第１のビームスプリッタ２１で反射された光束を直線状に収束させる第３の光学系７、８と；第３の光学系７、８で収束された光束を検出するラインセンサであって、直線状に配置された複数の光検出素子を有し、第１の光学系３と第３の光学系７、８により焦線５と共焦点の関係に置かれるラインセンサ９とを備え；前記第３の光学系は、焦線５の方向に第７の屈折力を有し、焦線５に垂直な方向に前記第７の屈折力よりも小さい第８の屈折力を有する第４のシリンドリカルレンズ系であって前記焦線と前記ラインセンサとを前記焦線の方向に共役な関係におく第４のシリンドリカルレンズ系を有する；
【００１５】
第３の光学系７、８は、第１の光学系３と協働して、第２の光学系と同様な作用を奏する。第１の光学系３は非点収差を与えられた光を被測定物４の表面にほぼ垂直に投射するのが好ましい。
【００１６】
ここで典型的には第６の屈折力はゼロとする。さらに、第８の屈折力は、典型的にはゼロとする。
【００１７】
前記目的を達成するために、請求項４に係る発明による光学的表面検査機構は、例えば図６に示すように、被測定物４の表面状態を光学的に検査する光学的表面検査機構において；光源１からの光を略平行な光束にする光源光学系２と；光源光学系２で平行にされた光束に非点収差を与えて、該非点収差を与えられた光束を被測定物４の表面に焦線５を生じさせるように投射する第１の光学系３と；被測定物４の位置と第１の光学系３との間に配置された第２のビームスプリッタ２２と；前記光束を投射された被測定物４の表面から反射され、第２のビームスプリッタ２２で反射された光束を収束させる第２の光学系６、７、８と；第２の光学系６、７、８で収束された光束を検出するラインセンサ９であって、直線状に配置された複数の光検出素子を有し、第２の光学系６、７、８により焦線５と共焦点の関係に置かれるラインセンサ９とを備え、前記第２の光学系は、焦線５に垂直な方向に第１の屈折力を有し、また焦線５の方向に前記第１の屈折力よりも小さい第２の屈折力を有する第１のシリンドリカルレンズ系６、８と、焦線５の方向に第３の屈折力を有し、また焦線５に垂直な方向に前記第３の屈折力よりも小さい第４の屈折力を有する第２のシリンドリカルレンズ系であって焦線５とラインセンサ９とを焦線５の方向に共役な関係におく第２のシリンドリカルレンズ系７を有する。
【００１８】
第１の光学系は、非点収差を与えられた光束を、被測定物の表面にほぼ垂直に投射するのが好ましい。
【００１９】
また請求項７に記載のように、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光学的表面検査機構では、光源１は、コヒーレント光を発生する光源であるのが好ましい。
【００２０】
コヒーレント光とすると、単色光であるので、焦線の結ばれる位置が一義的に定まる。コヒーレント光にするには、レーザー光源としてもよいし、単色光源とそこから発生する光を収束させるレンズと、該レンズの焦点位置に配置したピンホールを用いてもよい。
【００２１】
さらに請求項６に記載のように、例えば図４（ｆ）に示すが、ラインセンサ９の前面側に、前記複数の光学検出素子の各々に対応して配置されたピンホール１０を備えるようにしてもよい。
【００２２】
このように構成すると、ピンホールを備えるので、合焦の場合の光量とピンぼけの場合の光量に大きな差をつけることができる。
【００２３】
前記目的を達成するために、請求項８に係る発明による光学的表面検査装置は、例えば図７示すように、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光学的表面検査機構と；被測定物４と前記光学的表面検査機構とを、前記表面に平行に且つ焦線５に垂直な方向に相対的に移動させる、第１の移動手段３１と；被測定物４と焦線５とを、前記表面の法線方向（Ｚ方向）に相対的に移動させる第２の移動手段３２と；第２の移動手段３２による前記表面の法線方向の相対的移動位置と該相対的移動位置に対応するラインセンサ９の出力とを記録する手段４１とを備える。
【００２４】
このように構成すると、第１の移動手段を備えるので、表面全体を検査することができる。第２の移動手段を備え、また記録する手段を備えるので、表面に垂直な方向の深さを有する傷等を、深さを含めて検出することができる。第１の移動手段は、検査機構を固定して被測定物を移動させてもよいし、被測定物を固定して検査機構を移動させてもよい。第２の移動手段も同様に、検査機構と被測定物のいずれか一方を固定し、他方を移動させるように構成すればよい。また第２の移動手段は、第１の移動手段に、別の移動手段を付与して構成してもよい。また第２の移動手段を、光学的表面検査機構自体を保持する保持機構と、その保持機構を相対的に移動させるように構成してもよい。前記表面の法線方向の移動位置と該移動位置に対応する前記ラインセンサの出力とを記録する手段は、例えば、前記被測定物と前記焦線とが前記第２の移動手段で相対的に移動される前後の、前記ラインセンサの出力同士を比較する比較手段を含んでいてもよい。
【００２５】
また請求項９に記載のように、請求項８に記載の光学的表面検査装置では、第２の移動手段３２は、被測定物４と第１の光学系３とを相対的に移動させるように構成されてもよい。
【００２６】
このように構成すると、第１の光学系が移動するので、表面に対して焦線の法線方向位置が変わる。したがって、例えば深い凹部があるとき、凹部の底に焦線が結ばれるときと、凹部の周囲の表面に焦線が結ばれるときとで、凹部からの反射光の強度が変化する。
【００２７】
さらに請求項１０に記載のように、請求項８または請求項９に記載の光学的表面検査装置では、記録する手段４１は、前記複数の光検出素子の各々について、出力の最大検出値を与えた、前記第２の移動手段による相対的移動位置を記憶する記憶手段を備えるようにしてもよい。ここで、最大検出値の他に最小検出値を与える位置を記憶してもよい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２９】
図１は、本発明による第１の実施の形態である表面検査機構を、光源光学系及び第１の光学系を示す斜視図（ａ）、第２の光学系及びラインセンサを示す斜視図（ｂ）とに分けて描いたものである。
【００３０】
図１（ａ）を参照して、先ず第１の実施の形態の照射光学系を説明する。図中、単色光を発生する光源１と、光源１からの光を平行光線にする光源光学系としての、コリメータレンズである凸レンズ２、そして被測定物４の検査すべき表面に焦線を生じさせる、第１の光学系としてのシリンドリカルレンズ３がこの順番で配置されている。光源光学系と第１の光学系とを含んで照射光学系が構成されている。
【００３１】
ここで、被測定物の法線方向をＺ方向、Ｚ方向に直角で互いに直角な方向をＸ方向、Ｙ方向とする。この実施の形態では、凸レンズ２の光軸はＺ方向に向けられている。また、シリンドリカルレンズ３は、図中Ｘ方向の屈折率はゼロであり、Ｘに直角なＹ方向に正の屈折率を有する。Ｘ方向の屈折率はゼロに限らず、Ｙ方向の屈折率より小さければよい。
【００３２】
このような光学系では、光源１からの光は凸レンズ２で平行光線にされて、凸レンズ２の光軸方向に配置されたシリンドリカルレンズ３に入射する。シリンドリカルレンズ３は、入射した平行光線をＹ方向に収束して、被測定物４の表面に焦線５を生じさせる。
【００３３】
図３を参照して、被測定物４の表面上の照射状態を説明する。図３（ａ）は、図１（ａ）のＸ方向側面図であり、図３（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、図３（ａ）の焦線近傍を拡大して示した図である。先ず被測定物４の表面に傷が無い場合は、（ｂ）に示すように表面に焦線が結ばれる。一方被測定物４の表面に例えば凹部（あるいは凸部（不図示））があるときは、（ｃ）に示すように照射光は、凹部の底から浮いた箇所（凸部の内部に入り込んだ仮想位置）に焦線が結ばれ、凹部の底（凸部の頂点）には拡散した光が投射される。
【００３４】
しかしながら、被測定物４と照射光学系２、３を相対的に被測定物４の表面の法線方向（Ｚ方向）に移動すれば、被測定物４の表面の凹部の底に焦線を結ばせることができる。このとき相対的な移動量を、後述のラインセンサの検出光量と関係付けて記録しておけば、どれだけＺ方向に移動して合焦したかを判断することができる。
【００３５】
次に図１（ｂ）を参照して、第１のシリンドリカルレンズ系６、８を含んで構成される第２の光学系としての検出光学系６、８を説明する。便宜上照射光学系２、３と検出光学系６、８を分けて示しているが、実際は、図１（ａ）と（ｂ）の被測定物４、焦線５は共通である。また、図１（ａ）に示すように、照射光はＺ方向に照射するのが最も好ましいが、検出光は、必ずしも図１（ｂ）に示すようにＺ方向への光の検出に限らず、焦線を軸にして、検出光学系の光軸を傾斜させてもよい。このように、照射光学系及び検出光学系の光軸の双方、又はいずれか一方をＺ方向に対して傾斜させてもよい。
【００３６】
図中、焦線５からの散乱光をＹ方向に平行な光束にするように、Ｙ方向に正の屈折率を有し、Ｘ方向の屈折率はゼロであるシリンドリカルレンズ６、シリンドリカルレンズ６で平行にされた光を、焦線５と平行に配置されたラインセンサ９に収束させる、Ｙ方向に正の屈折率を有し、Ｘ方向の屈折率はゼロであるシリンドリカルレンズ８、そしてラインセンサ９がこの順番に配置されている。ここで、シリンドリカルレンズ６と８を２枚のレンズとして示したが、Ｙ方向に第１の屈折力としての正の屈折率を有し、Ｘ方向に第１の屈折力としてゼロの屈折率を有する１枚のシリンドリカルレンズとしてもよい。
【００３７】
このような光学系では、焦線５で反射された散乱光は、先ずシリンドリカルレンズ６に入射する。ここに入射した光は、Ｘ方向には屈折されず、Ｙ方向に屈折されＹ方向に平行な光束になる。この光束は、Ｙ方向には平行なまま、シリンドリカルレンズ８に入射する。ここでは、Ｘ方向には屈折されず、Ｙ方向に屈折され、焦線５と共焦点の関係になる位置に配置されたラインセンサ９上に投射される。
【００３８】
このとき、被測定物の表面が鏡面であると、焦線５部分で反射された光は、Ｘ方向にも平行なまま、ラインセンサ９に入射する。
【００３９】
次に図４を参照して、検出光学系６、８の作用を説明する。図４（ａ）に示されるように、焦線５からの光は、シリンドリカルレンズ６で平行光束にされる。この平行光束は、シリンドリカルレンズ８に到り、ここで収束されラインセンサ９上に焦線５からの光を収束させる。すなわちＸ方向矢視では、焦線５とラインセンサ９とは、シリンドリカルレンズ６と８の組合せに関して共役関係にある。
【００４０】
図４（ｂ）に、Ｙ方向矢視を示す。シリンドリカルレンズ６と８は、Ｘ方向の屈折率はゼロであるので、Ｙ方向矢視では、光束はそのまま通過する（平板としての作用は有する）。このとき被測定物４の表面が鏡面であると、傷のない箇所からの光は、そのまま焦線５と対応するラインセンサ９の箇所に投射されるが、焦線５が被測定物４の表面の傷Ｆに重なった箇所からの光は、散乱するので、対応するラインセンサ９にそのまま投射されず、全体に拡散する。ラインセンサ９上の各点上に散乱光は拡散するため、傷Ｆに対応するラインセンサ９の箇所には、焦線上の光はほとんど投射されないことになる。したがって、傷Ｆはラインセンサ９により明瞭に検出できる。
【００４１】
次に図２を参照して、本発明の第２の実施の形態である光学的表面検査機構を説明する。図２（ａ）に示す照射光学系は、図１（ａ）に示すものと同じであるので説明を省略する。
【００４２】
図２（ｂ）を参照して、第２の実施の形態に含まれる、第１のシリンドリカルレンズ系６、８と第２のシリンドリカルレンズ系７を含んで構成される第２の光学系としての検出光学系６、７、８を説明する。図２（ａ）と（ｂ）の被測定物４、焦線５が共通であるのは、図１（ａ）（ｂ）の場合と同様である。また、照射光学系及び検出光学系の光軸の双方、又はいずれか一方をＺ方向に対して傾斜させてもよい点も、第１の実施の形態と同様である。
【００４３】
図中、焦線５からの散乱光をＹ方向に平行な光束にするように、Ｙ方向に正の屈折率を有し、Ｘ方向の屈折率はゼロであるシリンドリカルレンズ６、焦線５をＸ方向に収束させるシリンドリカルレンズ７、シリンドリカルレンズ６で平行にされた光を、焦線５と平行に配置されたラインセンサ９に収束させるシリンドリカルレンズ８、そしてラインセンサ９がこの順番に配置されている。シリンドリカルレンズ７は、Ｘ方向に第３の屈折力としての正の屈折率を有し、第４の屈折力としてのＹ方向の屈折率はゼロである。
【００４４】
このような光学系では、焦線５で反射された散乱光は、先ずシリンドリカルレンズ６に入射する。ここに入射した光は、Ｙ方向に屈折されＹ方向に平行な光束になる。この光束は、シリンドリカルズ７に入射し、Ｙ方向には平行なまま、Ｘ方向に屈折されてシリンドリカルレンンズ８に入射する。ここでは、Ｘ方向には屈折されず、Ｙ方向に屈折され、焦線５と共焦点の関係になる位置に配置されたラインセンサ９上に投射される。
【００４５】
シリンドリカルレンズ６とシリンドリカルレンズ８との組合せでは、焦線５からの光は、先ずシリンドリカルレンズ６でＹ方向に平行な光とされ、ついでシリンドリカルレンズ８でＹ方向に収束され、ラインセンサ９上に収束する。シリンドリカルレンズ７では、焦線５からの光は、Ｘ方向に収束され、ラインセンサ９上に収束する。
【００４６】
次に再度図４を参照して、検出光学系６、７、８の作用を説明する。図４（ｃ）に示されるように、焦線５からの光は、シリンドリカルレンズ６で平行光束にされる。この平行光束はシリンドリカルレンズ７を通過する。シリンドリカルレンズ７は、Ｙ方向の屈折率はゼロであるので、図中Ｘ方向矢視では、平行光束はそのままシリンドリカルレンズ７を通過する。そしてシリンドリカルレンズ８に到り、ここで収束されラインセンサ９上に焦線５を結像する。すなわちＸ方向矢視では、焦線５とラインセンサ９とは、シリンドリカルレンズ６と８の組合せに関して共役関係にある。
【００４７】
図４（ｄ）に、（ｃ）のＹ方向矢視を示す。シリンドリカルレンズ６と８は、Ｘ方向の屈折率はゼロであるので、Ｙ方向矢視では、光束はそのまま通過する（平板としての作用は有する）。Ｙ方向矢視では、焦線５とラインセンサ９とは、シリンドリカルレンズ７に関して、共役関係にあるので、焦線５の１点はラインセンサ９上の対応する検出素子上に像（この実施の形態では倒立像）を結ぶ。
【００４８】
図４（ｅ）に示すように、ラインセンサ９を構成する、直線状に配列された検出素子それぞれに対応させて、ラインセンサ９の前面にピンホール１０を配置してもよい。図４（ｆ）にピンホール１０と検出素子９の拡大図を示す。▲１▼は、光束がピンホール１０の手前側に収束した場合を示す。このときはかなりの光量がピンホールを通過できず遮光される。▲２▼は、光束が丁度ピンホール１０に収束した場合であり、このときはほとんどの光量がピンホールを通過して検出素子に到る。▲３▼は、光束がピンホール１０よりも検出素子側に収束する場合であり、このときもかなりの光量がピンホールを通過できず遮光される。
【００４９】
以上説明したような第２の実施の形態の光学的表面検査機構によれば、焦線５の位置にある被測定物４と、焦線５の方向に垂直な方向ではラインセンサ９の各画素が共焦点の位置関係となり、また、ライン方向に対しては、被測定物４上で平行光束が入射され、ラインセンサ９のセンサが並んでいる方向に該被測定物４からの平行反射光が入射される。したがって、焦線方向と垂直な方向では、ラインセンサの大きさのピンホールが存在するのと同等となるので共焦点光学系となり、ライン方向に対しては、魔鏡的な光学系となる。
【００５０】
この様な光学系単独で、被測定物４上にある傷や反射率のむらは、傷によって、照射された光量が散乱されたり、反射率が変動するので、対応するラインセンサ９の画素の出力変動で検出することができる。この時、被測定物４に対して、焦線５の位置で、ライン照射しているので、輝度が高い。この為に、傷に対する感度を高くすることができる。
【００５１】
ここで、第２の実施の形態では検出光学系としては２系統のシリンドリカルレンズ６、８及び７を用いたが、１系統の結像光学系例えば球面レンズである凸レンズを用いてもよい。このときは、焦線５とラインセンサ９とは完全に共役関係とすることができ、照射光学系で傷の深さに応じて、Ｙ方向の合焦状態を変えたことと相まって、深さをラインセンサ９で検出することができる（球面レンズを用いる場合は、図８、図９を参照して、後で説明する）。
【００５２】
しかしながら、前述のように、２系統のシリンドリカルレンズを用いれば、共焦点状態にはなっても、必ずしも共役状態になっているとは言えず、焦線５と角度をもったラインは検出状態が不鮮明になり、逆に言えば、焦線５を鮮明に検出することができ都合がよい。すなわち焦線５の方向とそれに垂直な方向に散乱される光以外は、ラインセンサ９上に結像されない。したがって、散乱光が微量であっても被測定物４の表面状態を鮮明に検出することができる。
【００５３】
図５を参照して、第３の実施の形態である光学的表面検査機構を説明する。図中、コリメータレンズ２とシリンドリカルレンズ３は、図１で説明したものと同様である。Ｘ方向矢視においては、コリメータレンズ２とシリンドリカルレンズ３の間では、光源１からの光は平行光束になっている。この両レンズ間に、ビームスプリッタ２１を、Ｘ方向矢視において、焦線５からの光がほぼ直角に反射されるように挿入配置してある。焦線５からの光がビームスプリッタ２１で反射される方向にシリンドリカルレンズ７が配置されている。このシリンドリカルレンズ７は、図１で説明したように、第８の屈折力としてのＹ方向の屈折率はゼロで、Ｘ方向に第７の屈折力としての正の屈折率を有する。さらにシリンドリカルレンズ８とラインセンサ９とがこの順番に配置されている。シリンドリカルレンズ７、８をもって、第３の光学系が構成されている。
【００５４】
ここでは、ビームスプリッタ２１が介在している点と、シリンドリカルレンズ３がシリンドリカルレンズ６の代わりに共用されている点を除けば、焦線５とラインセンサ９との関係は、図２（ｂ）で説明した通りである。このように構成すると、照射光学系２、３で被測定物４を照射する方向と、検出光学系３、７、８で焦線５を検出する方向とを同一にできる。特に被測定物４の表面を垂直方向に照射し、垂直方向に検出することができるので、表面のプロファイルデータ（後述）が得られやすい。
【００５５】
図６を参照して、第４の実施の形態を説明する。この実施の形態では、ビームスプリッタ２２が、図２で説明した照射光学系２、３のシリンドリカルレンズ３と被測定物４との間に挿入配置されている。そして、焦線５からの光がビームスプリッタ２２で反射される方向に、図２（ｂ）で説明した第２の光学系６、７、８及びラインセンサ９が配置されている。作用は、第３の実施の形態と同様である。シリンドリカルレンズ６、７、８をもって、第４の光学系が構成されている。
【００５６】
図４（ｃ）で説明した、ピンホール１０は、第３または第４の実施の形態にも適用できることは言うまでもない。
【００５７】
また光源１としては、レーザー光のようなコヒーレント光源を用いるのが好ましい。Ｚ方向の焦線５の位置が一義的に決まるからである。また、所定の光源の光束を収束させるレンズと該レンズの焦点位置にピンホール（不図示）を配置し、該ピンホールを光源１としてもよい。
【００５８】
次に図７を参照して、第５の実施の形態である光学的表面検査装置を説明する。この実施の形態では、光学的表面検査機構としては、図５で説明した第３の実施の形態を用いているが、もちろん第１、第２または第４の実施の形態を用いてもよい。
【００５９】
図中、被測定物４を載置する載置台３０の鉛直方向上方に第３の実施の形態である光学的表面検査機構が、焦線５を生じさせる光束を被検査物の表面に、その法線方向（Ｚ方向）に照射するように配置されている。載置台３０には、焦線５に直角な方向（Ｙ方向）に、載置台３０を移動させる、第１の移動手段としての移動機構３１が接続されている。また載置台３０を、被測定物４の表面の法線方向に移動させる、第２の移動手段としての移動機構３２が接続されている。さらに、載置台３０を焦線５の方向（Ｘ方向）に移動させる、第３の移動手段３３が、載置台３０に接続されている。
【００６０】
またラインセンサ９には、ラインセンサ９の各検出素子（画素）からの光量検出値と、各移動機構３１、３２、３３による移動量とを関係付けて記憶するメモリー４１が接続されている。
【００６１】
この光学的表面検査装置では、載置台３０を移動機構３１で焦線５に直角なＹ方向、移動機構３３により、焦線５と同じＸ方向の所定の位置に設定して、その位置で移動機構３２により載置台３０をＺ方向に少しずつ移動させ、各Ｚ方向位置に対するラインセンサ９による光量検出値をメモリー４１に記憶させる。メモリー４１では、検出値を各Ｚ方向位置に対して全て記憶し、後でそれぞれを比較し、最大光量を与えるＺ方向位置を、その最大光量の値と共にＸ方向、Ｙ方向に対応させて記憶してもよいし、Ｚ方向に移動させつつ各Ｚ方向位置における光量を、Ｚ方向に移動させる前後で比較し、大きい方の光量を与えるＺ方向位置を次々に記憶することにより、最終的に最大光量を与えるＺ方向位置を記憶するようにしてもよい。
【００６２】
Ｚ方向に所定量移動させた後、移動機構３１により載置台３０をＹ方向に移動させる。またＸ方向に移動させる。このようにして、被測定物４の検査すべき表面全域をカバーする。以上の移動検出は、一連の動作として連続的に行うのが好ましい。
【００６３】
図７では、移動機構は載置台３０を移動させるものとして説明したが、逆に載置台３０を固定して、光学的表面検査機構の方を移動させるように構成してもよい。要は、被測定物４と光学的表面検査機構を相対的に移動させればよいからである。また両者を共に移動できるようにしてもよい。例えば、Ｘ方向とＹ方向には載置台を移動させ、Ｚ方向には光学的検査機構を移動させるようにする。
【００６４】
また移動機構３１として、載置台３０の１点、特に焦線５の延長上に位置する点を通るＺ方向の軸線を中心にして載置台３０を回転させるようにしてもよい。要はＸに直角な方向に走査できればよく、このように構成すると円形の被測定物を検査するのに都合がよい。
【００６５】
光学的表面検査機構を、Ｚ方向に移動させる場合、第１のレンズ自体を移動させるように構成してもよい。例えば図３で分かるように、第１のレンズであるシリンドリカルレンズ３をＺ方向に移動すると、焦線５の被測定物４に対するＺ方向位置が変わる。
【００６６】
このようにしても、例えば図５の第３の実施の形態において、シリンドリカルレンズ３をＺ方向に移動するときは、図４で言えばシリンドリカルレンズ６を移動することになるが、シリンドリカルレンズ３とシリンドリカルレンズ８との間では、光束はＹ方向に平行なので、焦線５とラインセンサ９との共焦点関係は変わらない。
【００６７】
移動機構３１、３２、３３を、光学的表面検査機構を移動する手段とする場合、光学的表面検査機構自体を保持する保持機構を備え、その保持機構を移動させるように構成するのが好ましい。
【００６８】
以上説明したように、本発明の実施の形態による光学的表面検査機構乃至は検査装置では、焦線５の方向と垂直な方向（Ｙ方向）では、被測定物４の合焦点位置で、対応したラインセンサ９の光出力が一番大きくなる。被測定物４とラインセンサ９の相対位置を変化させ、各ラインセンサ９の検出素子（画素）出力をメモリー４１に貯え、ラインセンサ９の最大出力の位置情報を検出すれば、共焦点顕微鏡と同様な原理により、対応した被測定物４のプロファイルデーターとなる。
【００６９】
一方、焦線５の方向と同一の方向（Ｘ方向）に被測定物４がうねり等により緩い曲率を有する場合には、平行照射された光束は、緩い曲率に合った球面波となるので、ラインセンサ９のライン方向に拡散光、或いは、収束光となる。この方向に集光させるレンズを設けることにより、ライン方向に集光させる。
【００７０】
このとき、凸の曲率を有する場合と凹の曲率を有する場合があるので、ビームスプリッターを介して、それぞれ別々のレンズで集光させる。この様にすれば、、ラインセンサの方向には、うねりの情報が反映されたセンサー出力を得ることができる。
【００７１】
このとき、上記プロファイルデータ中のうねり情報を局所的な情報と区別するには、以下のようにする。即ち、画素出力の最大値が被測定物の反射率等を考慮に入れた閾値よりもかなり大きい出力値であれば、うねり情報とすることができる。なぜならば、被測定物４が照射ライン方向で完全にフラットであれば、被測定物４に対して対応する画素出力は、被測定物４の反射率に対応した出力以上にはならないが、照射ライン方向に緩い曲率を有すれば、被測定物４から反射された光量がラインセンサ９に集光されるので、ラインセンサ９の画素出力は、大きくなるからである。
【００７２】
焦線５に照射される光量、また焦線５から反射されラインセンサ９に入射する光量は、被測定物の表面状態が一様であっても、光学系の不均一性のために、不均一になることがある。特に焦線方向に沿って山形あるいは谷型に均一性を欠いた光量分布となる。そのような不均一を補正するために、光源光学系２、第１の光学系３、第２の光学系６、７、８のいずれかの位置に、逆フィルタ（不図示）を挿入配置してもよい。またその代わりに、あるいは併用してもよいが、メモリー４１中に、信号として（例えば電気的に）前記不均一性を補正するフィルタ、即ち補償機能を備えてもよい。
【００７３】
以上、光源光学系、第１、第２、第３の光学系は、レンズを用いた屈折光学系として説明したが、反射光学系としてもよい。
【００７４】
また以上の実施の形態では、第２の光学系または第３の光学系は、シリンドリカルレンズをもって構成されるものとして説明したが、これに限らず球面レンズをもって構成してもよい。
【００７５】
図８は、第２の光学系である検出光学系が凸レンズ１５で構成されている第６の実施の形態である。ここでは１枚の凸レンズで示されているが、もちろん複数のレンズで構成された組合せレンズ系であってもよい。この場合、焦線５はラインセンサ９の検出面と、検出光学系１５に関して共役関係にある。
【００７６】
先に説明した、検出光学系をシリンドリカルレンズ系で構成した場合は、鏡面の出ているもの（Ｓｉ基板、ハードディスク等）の傷等を検査するのに適しているが、図８に示すように検出光学系を球面レンズ系で構成した装置は、例えば電子回路、ＩＣ回路などのパターン像を得るのに適している。
【００７７】
図９に、図８の実施の形態と同様な効果を有する第７の実施の形態を示す。この実施の形態では、図６の場合の第４の光学系である検出光学系６、７、８を、凸レンズ１５に置き換えたものである。
【００７８】
図８、図９に示した光学的表面検査機構を、図７の光学的表面検査装置中の光学的表面検査機構に置き換えて用いることができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、第１の光学系を備えるので、被測定物の表面に焦線を生じさせるように投射できる。したがって、被測定物の表面状態により、照射状態が変化する。とくに表面の凹凸の深さにより、照射状態が顕著に変わるのを利用して、表面の凹凸の深さをも検査できる光学的表面検査機構を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である光学的表面検査機構の概念的斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態である光学的表面検査機構の概念的斜視図である。
【図３】図１の照射光学系による被測定物の照射状態を説明する概念図である。
【図４】図１の検出光学系による検出状態を説明する概念図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態である光学的表面検査機構の概念的側面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態である光学的表面検査機構の概念的側面図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態である光学的表面検査装置の概念的斜視図である。
【図８】本発明の第６の実施の形態である光学的表面検査装置の概念的斜視図である。
【図９】本発明の第７の実施の形態である光学的表面検査装置の概念的斜視図である。
【図１０】従来の光学的表面検査機構の検査状態を説明する概念図である。
【符号の説明】
１  光源
２  光源光学系（コリメータレンズ）
３  第１の光学系（シリンドリカルレンズ）
４  被測定物
５  焦線
６、７、８  シリンドリカルレンズ
９  ラインセンサ
１０  ピンホール
１５  球面レンズ
２１、２２  ビームスプリッタ
３１、３２、３３  移動機構
４１  メモリー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003634985.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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