(57)【要約】【課題】受光素子の数を抑制しつつ、反射光の光量分布の反射角依存に起因する、複数の受光素子の受光光量密度のばらつきが抑制された計測装置および計測方法を提供すること。【解決手段】対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、発光部から発光された照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、第１のレンズから出射された照射光を絞る開口部を備えた絞り部と、絞り部を通過した照射光を対象物に照射するように集光する第２のレンズと、予め定められた方向に配列された複数の受光素子を備え、照射光が対象物に照射されて反射した反射光を受光し予め定められた方向の受光光量分布を出力するとともに、複数の受光素子で受光される反射光の光量密度のばらつきが予め定められた範囲となるようにされた受光部と、を含む。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、
前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、
前記第１のレンズから出射された前記照射光を絞る開口部を備えた絞り部と、
前記絞り部を通過した前記照射光を前記対象物に照射するように集光する第２のレンズと、
予め定められた方向に配列された複数の受光素子を備え、前記照射光が前記対象物に照射されて反射した反射光を受光し前記予め定められた方向の受光光量分布を出力するとともに、前記複数の受光素子で受光される前記反射光の光量密度のばらつきが予め定められた範囲となるようにされた受光部と、
を含む計測装置。
【請求項２】
前記複数の受光素子は前記開口部を挟んで配列され、前記対象物から所定の反射角で広がる前記反射光の、各々前記開口部の中心を頂点とし前記開口部の中心線と交差する面内の２つの扇形の領域を受光する
請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記開口部の中心からの距離が長くなるに従って前記複数の受光素子で受光される前記反射光の光量が多くなるように補正する補正部をさらに含む
請求項２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記複数の受光素子は、前記予め定められた方向に複数列配列された
請求項３に記載の計測装置。
【請求項５】
前記複数の受光素子は、前記２つの扇形を含むように配列された
請求項４に記載の計測装置。
【請求項６】
前記複数の受光素子は１列に配列されるとともに、前記開口部の中心からの距離が長くなるに従って受光面積が大きくされた
請求項２に記載の計測装置。
【請求項７】
前記開口部の中心からの距離が長くなるに従って前記複数の受光素子で受光される前記反射光の光量が多くなるように補正する補正部をさらに含む
請求項６に記載の計測装置。
【請求項８】
前記複数の発光素子の各々の形状が円形である
請求項６または請求項７に記載の計測装置。
【請求項９】
対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、前記第１のレンズから出射された前記照射光を絞る開口部を備えた絞り部と、前記絞り部を通過した前記照射光を前記対象物の予め定められた方向から照射するように集光する第２のレンズと、予め定められた方向に配列された複数の受光素子を備え、前記照射光が前記対象物に照射されて反射した反射光を受光し前記予め定められた方向の受光光量分布を出力するとともに、前記複数の受光素子で受光される前記反射光の光量密度のばらつきが予め定められた範囲となるように構成された受光部と、を含む計測装置を用いた計測方法であって、
補正部により、前記開口部の中心からの距離が長くなるに従って前記複数の受光素子で受光される前記反射光の光量が多くなるように補正する
計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置および計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、第１のレーザ光を出射する第１の発光素子、および第１の発光素子に隣接する位置で第１のレーザ光と波長の異なる第２のレーザ光を出射する第２の発光素子を備えた光源と、第１のレーザ光が光記録媒体で反射した第１の戻り光を受光する第１の受光素子、および第２のレーザ光が光記録媒体で反射した第２の戻り光を第１の受光素子に隣接する位置で受光する第２の受光素子を備えた受光器と、光源および受光器が搭載された装置フレームとを有する光ヘッド装置において、受光器に対しては、受光器を光軸周りに回転させるときの回転中心軸線を第１の受光素子および第２の受光素子のうちのいずれか一方の受光素子を通る位置に規定する回転中心位置規定手段が構成されていることを特徴とする光ヘッド装置が開示されている。特許文献１に開示された光ヘッド装置では、位置を調整するために受光器を回転させている。
【０００３】
特許文献２には、移動経路の周囲に配置された設置位置が既知の２個以上の反射手段と、移動体に搭載されて反射手段に対し光あるいは電波もしくは音波を水平方向に投射して、その反射光あるいは反射波により移動体の進行方向と反射光あるいは反射波の入射角度との間の相対角度を計測する計測手段と、移動体に搭載されて移動体の進行方向に沿った走行距離を計測する計測手段と、移動体に搭載されて移動体の進行方向を向きとして計測する計測手段と、反射手段の設置位置、移動体から見た反射手段に対する現在およびそれより一定時間前の相対角度、一定時間前から現在に至るまでの移動体の位置の変位量と向きの変位量とから、移動体の絶対位置および向きを演算する演算手段とを備えたことを特徴とする移動体の位置計測装置が開示されている。
【０００４】
特許文献３には、コントローラＣＴが、測定対象物にて回折したＸ線による回折環を記録した回折光受光器にレーザ光を照射して回折環を測定し、レーザ光が照射されている位置の半径値が増加するに従って大きくなる回折Ｘ線の減衰量の変化を補正するように、半径値を用いてレーザ光強度を計算して、計算したレーザ光強度のレーザ光を回折光受光器に照射するＸ線回折測定装置が開示されている。コントローラＣＴは、また、半径値が増加するに従って大きくなる測定対象物にＸ線を照射した際の回折Ｘ線が受光される面積の変化を補正するように、半径値を用いてフォーカス制御値を計算して、計算したフォーカス制御値に応じて対物レンズによるフォーカス位置を制御して、回折光受光器に形成されるレーザ光のスポット径を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４２１８６号公報
【特許文献２】特開平１１−２７１０４３号公報
【特許文献３】特開２０１３−０１５４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、受光素子の数を抑制しつつ、反射光の光量分布の反射角依存に起因する、複数の受光素子の受光光量密度のばらつきが抑制された計測装置および計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の計測装置は、対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、前記第１のレンズから出射された前記照射光を絞る開口部を備えた絞り部と、前記絞り部を通過した前記照射光を前記対象物に照射するように集光する第２のレンズと、予め定められた方向に配列された複数の受光素子を備え、前記照射光が前記対象物に照射されて反射した反射光を受光し前記予め定められた方向の受光光量分布を出力するとともに、前記複数の受光素子で受光される前記反射光の光量密度のばらつきが予め定められた範囲となるようにされた受光部と、を含むものである。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記複数の受光素子は前記開口部を挟んで配列され、前記対象物から所定の反射角で広がる前記反射光の、各々前記開口部の中心を頂点とし前記開口部の中心線と交差する面内の２つの扇形の領域を受光するものである。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記開口部の中心からの距離が長くなるに従って前記複数の受光素子で受光される前記反射光の光量が多くなるように補正する補正部をさらに含むものである。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記複数の受光素子は、前記予め定められた方向に複数列配列されたものである。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記複数の受光素子は、前記２つの扇形を含むように配列されたものである。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記複数の受光素子は１列に配列されるとともに、前記開口部の中心からの距離が長くなるに従って受光面積が大きくされたものである。
【００１３】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記開口部の中心からの距離が長くなるに従って前記複数の受光素子で受光される前記反射光の光量が多くなるように補正する補正部をさらに含むものである。
【００１４】
また、請求項８に記載の発明は、請求項６または請求項７に記載の発明において、前記複数の発光素子の各々の形状が円形であるものである。
【００１５】
上記目的を達成するために、請求項９に記載の計測方法は、対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、前記第１のレンズから出射された前記照射光を絞る開口部を備えた絞り部と、前記絞り部を通過した前記照射光を前記対象物の予め定められた方向から照射するように集光する第２のレンズと、予め定められた方向に配列された複数の受光素子を備え、前記照射光が前記対象物に照射されて反射した反射光を受光し前記予め定められた方向の受光光量分布を出力するとともに、前記複数の受光素子で受光される前記反射光の光量密度のばらつきが予め定められた範囲となるように構成された受光部と、を含む計測装置を用いた計測方法であって、補正部により、前記開口部の中心からの距離が長くなるに従って前記複数の受光素子で受光される前記反射光の光量が多くなるように補正するものである。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１および請求項９に記載の発明によれば、受光素子の数を抑制しつつ、反射光の光量分布の反射角依存に起因する、複数の受光素子の受光光量密度のばらつきが抑制された計測装置および計測方法が提供される、という効果が得られる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、面状に配列され複数の受光素子により、対象物から所定の反射角で広がる反射光の全体を受光する場合と比較して、計測装置のコストがより低減される、という効果が得られる。
【００１８】
請求項３および請求項７に記載の発明によれば、補正部を用いないで複数の受光素子で反射光を受光する場合と比較して、受光光量密度のばらつきの補正がより行いやすい、という効果が得られる。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、１列に配置された複数の受光素子を用いて受光する場合と比較して、より精度よく補正係数が設定される、という効果が得られる。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、複数の受光素子を２つの扇形と無関係に配列させる場合と比較して、補正係数の設定がより簡易になされる、という効果が得られる。
【００２１】
請求項６に記載の発明によれば、受光面積が同じ複数の受光素子を１列に配列させる場合と比較して、複数の受光素子の受光光量密度のばらつきがより抑制される、という効果が得られる。
【００２２】
請求項８に記載の発明によれば、円形以外の複数の発光素子を用いる場合と比較して、より受光領域の設定が行いやすい、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係る計測装置における反射光を示す図である。
【図３】第１の実施の形態に係る制御部の構成の一例を示すブロック図である。
【図４】第１の実施の形態に係る、（ａ）は受光器の構成の一例を示す平面図、（ｂ）は受光器と受光領域との関係を示す図である。
【図５】第１の実施の形態に係る反射光分布と受光領域との関係を説明するための斜視図である
【図６】（ａ）は比較例に係る計測装置の構成を示す図、（ｂ）は比較例に係る計測装置の受光器を示す平面図、（ｃ）は他の比較例に係る計測装置の受光器を示す平面図である。
【図７】第１の実施の形態に係る、（ａ）は反射光を説明するための図、（ｂ）は光量密度補正について説明するための図である。
【図８】（ａ）は反射角度に対する反射光強度を示すグラフ、（ｂ）は比較例に係る受光器と受光領域との関係を示す平面図である。
【図９】第１の実施の形態に係る光量密度補正処理の流れを示すフローチャートである。
【図１０】第２の実施の形態に係る受光器の構成の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
［第１の実施の形態］
図１から図９を参照して、本実施の形態について詳細に説明する。まず、図１および図２を参照して、本実施の形態に係る計測装置１０の構成の一例について説明する。図１および図２は、計測装置１０が対象物の計測を行う場合の構成を示している。
【００２５】
図１に示すように、計測装置１０は、発光器１４、光学系３０、受光器１８、および制御部２０を含んで構成されている。計測装置１０は、−Ｘ方向に移動する対象物ＯＢの微細領域にＺ軸方向から順次光を照射し、各照射光に対する反射光（散乱光）の反射角度分布（光量分布の反射角度依存性）を取得する。取得した反射角度分布を用い、対象物ＯＢの形状の変化や表面状態（シボ、エンボス、表面粗さ、表面欠陥、異物付着等）について、対象物ＯＢとの距離や対象物ＯＢの角度の変動に影響されずに計測がなされる。
【００２６】
より詳細には、図１に示すように、発光器１４は、−Ｘ方向に移動する対象物ＯＢが通過する計測領域Ｔに対して、装置上下方向（Ｚ軸方向）の上方に配置されている。また、発光器１４は、基板１４Ａ上Ｙ軸方向に並べて実装され、−Ｚ方向を発光方向とする複数の発光素子１２を備えている。換言すれば、複数の発光素子１２は、対象物ＯＢの移動方向（−Ｘ方向）に対して直交（交差）する方向に並べられている。なお、図１では、基板１４ＡのＹ軸方向の一端部（図中右端）に配置された発光素子１２を発光素子１２Ａと表記し、基板１４ＡのＹ軸方向他端部（図中左端）に配置された発光素子１２を発光素子１２Ｂと表記し、基板１４Ａの中央に配置された発光素子１２を発光素子１２Ｃと表記している。
【００２７】
本実施の形態に係る複数の発光素子１２は、発光素子１２Ａから発光素子１２Ｂまで、時間差を設けて順次発光されるように構成され、各発光素子１２からの光が対象物ＯＢの異なる位置に個別照射される。そして、対象物ＯＢが計測領域Ｔにおいて−Ｘ方向に移動する間に、発光素子１２Ａから発光素子１２Ｂまでの１周期の発光が１回または複数回繰り返されるように構成されている。図１には、発光素子１２Ｃが発光した場合の照射光ＩＦの光束を、図２には、発光素子１２Ｃから出射された照射光ＩＦが対象物ＯＢの表面２００で反射された場合の反射光ＲＦの光束を示している。
【００２８】
発光素子１２としては特に限定されないが、一例として、面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）等が用いられる。
【００２９】
光学系３０は、レンズ３２、レンズ３４、およびレンズ３２とレンズ３４との間に配置された絞り４０を含み、いわゆる両側テレセントリックレンズとして構成されている。光学系３０は、発光器１４と対象物ＯＢとの間に配置され、発光素子１２から発光された照射光を対象物ＯＢに導くと共に、対象物ＯＢで反射された反射光を受光器１８に導く。つまり、受光器１８は、レンズ３４から出射された発光素子１２からの照射光ＩＦが対象物ＯＢで反射し、再度レンズ３４を透過した光束の少なくとも一部を受光するように構成されている。また、本実施の形態では、レンズ３２の光軸とレンズ３４の光軸とが共通の光軸Ｍとされ、この光軸Ｍが、発光器１４の発光素子１２Ｃの中心、および後述する開口部４２の中心を通っている。
【００３０】
レンズ３２は、一例として、平面視で円形状の凸レンズとされ、レンズ３２の直径は、発光素子１２Ａから発光素子１２ＢまでのＹ軸方向の寸法Ｄより長くされている。そのため、各発光素子１２から発光された光のほぼすべてはレンズ３２を透過し、レンズ３２を透過した光は発散度合を変えられ、平行光とされてレンズ３４に向かう。
【００３１】
レンズ３４は、一例として、平面視で円形状の凸レンズとされ、本実施の形態では、レンズ３４の直径は、レンズ３２の直径より長くされている。そして、レンズ３４は、レンズ３２から出射されてレンズ３４を透過する光束を対象物ＯＢの表面２００に向けて集光する。なお、レンズ３４の集光点の位置（焦点）を、必ずしも対象物ＯＢの表面２００の位置とする必要はない。集光点の位置を表面２００の位置からずらし（デフォーカスし）、表面２００上における照射光ＩＦの照射径、つまり、対象物ＯＢの照射領域の大きさを調整するようにしてもよい。なお、本実施の形態に係る照射径は、一例として数１０μｍφである。
【００３２】
絞り４０には、略円形状の開口部４２が形成されており、この開口部４２によって、発光素子１２から発光されレンズ３２を透過してレンズ３４に入射する光束を絞る。より具体的には、絞り４０は、板面をＸ−Ｙ平面に平行とされた板状とされ、絞り４０には、光軸Ｍの周囲でレンズ３４側に屈曲して先細りとされた先端部が形成されている。この先端部が、開口部４２を構成する開口縁４２Ａとされており、開口部４２によって形成される円形状は光軸Ｍを中心軸としている。なお、本実施の形態に係る開口部４２の直径は、一例として約１ｍｍである。
【００３３】
そして、Ｚ軸方向において、この開口縁４２Ａとレンズ３２との距離Ｆ１は、レンズ３２の焦点距離ｆ１と略等しくされ、開口縁４２Ａとレンズ３４との距離Ｆ２は、レンズ３４の焦点距離ｆ２と略等しくされている。
【００３４】
以上のように構成された本実施の形態に係る光学系３０は、順次発光された各発光素子１２からの光束を、発光素子１２の位置によらずに、細く絞られかつ光軸Ｍに平行な照射光ＩＦとして対象物ＯＢに照射する。換言すれば、各発光素子１２を発光させて走査することにより、細く絞られ互いに平行な略円形の光束（スポット）が対象物ＯＢに個別照射される。さらに、本実施の形態に係る計測装置１０では、照射光ＩＦの光束のレンズ３４による集光点付近に対象物ＯＢを配置することにより、対象物ＯＢにおける各照射光ＩＦの照射領域がほぼ同径の微細な領域とされている。このことにより、計測装置１０では、対象物ＯＢの位置がＺ軸方向で上下変動しても、ほぼ同じ照射径で各照射光が照射されるため、対象物ＯＢの像のボケが極めて小さくされる。
【００３５】
受光器１８は、基板１８Ａ上に配置された複数の受光素子１６を含んで構成され、対象物ＯＢで反射され光学系３０のレンズ３４を透過した反射光ＲＦを受光する。本実施の形態に係る受光器１８は、レンズ３２とレンズ３４との間に配置された絞り４０の、Ｚ軸方向下側に配置されている。受光素子１６としては、特に制限はないが、例えば、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）等が用いられる。
【００３６】
受光器１８がレンズ３２とレンズ３４との間に配置されるため、受光素子１６も同様に、レンズ３２とレンズ３４との間に配置される。ここで、受光素子１６がレンズ３２とレンズ３４との間に配置されるとは、レンズ３４の外径端を通ってＺ軸方向に延びる線で構成される円筒面に対し内側に受光素子１６が配置されることをいう。
【００３７】
さらに、計測装置１０では、受光素子１６の受光面と開口縁４２ＡとがＺ軸方向上同じ位置とされているので、受光素子１６の受光面とレンズ３４との距離Ｆ２は、レンズ３４の焦点距離ｆ２と同じ長さとされている。このため、対象物ＯＢの位置がＺ軸方向において上下に変動して、あるいは、Ｙ軸方向において左右に変動して、異なる発光素子１２からの照射光ＩＦが照射されても、対象物ＯＢの表面２００上の反射角度が同じである限り、同じ受光素子１６で受光されるので、出力分布は常に一定となる。
【００３８】
換言すれば、対象物ＯＢとして照射径程度の大きさの微小な領域を仮定すると、この対象物ＯＢがＺ軸方向において上下に、あるいは、Ｙ軸方向において左右に移動した場合、異なる発光素子１２による異なる照射光ＩＦで照射され、異なる反射光ＲＦを反射することになるが、本実施の形態に係る計測装置１０では、受光素子１６全体による出力分布は、反射光ＲＦの発生位置によらず常に同じ出力分布となる。
【００３９】
次に、図３を参照して制御部２０について説明する。制御部２０は、図３に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）１００、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）１０２、およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）１０４を含んで構成されている。ＣＰＵ１００は、計測装置１０の全体を統括、制御し、ＲＯＭ１０２は、計測装置１０の制御プログラム、あるいは後述する光量密度補正処理プログラム等を予め記憶する記憶手段であり、ＲＡＭ１０４は、制御プログラム等のプログラムの実行時のワークエリア等として用いられる記憶手段である。ＣＰＵ１００、ＲＯＭ１０２、およびＲＡＭ１０４は、バスＢＵＳによって相互に接続されている。
【００４０】
バスＢＵＳには、さらに発光器１４、受光器１８、および対象物ＯＢを移動させるための移動装置（図示省略）を駆動する駆動部５２が接続されており、発光器１４、受光器１８、および駆動部５２の各々は、バスＢＵＳを介してＣＰＵ１００の制御を受ける。
【００４１】
図４および図５を参照して、本実施の形態に係る受光器１８についてより詳細に説明する。図４（ａ）は受光器１８の構成の一例を示す図であり、受光器１８を、Ｚ軸方向から見た平面図である。図４（ａ）に示すように、受光器１８は、一例として、中央に略円形の開口部１８Ｂを有する略円形の基板１８Ａの上に、複数の受光素子１６（図４（ａ）では、３０個の例が示されている）が線状（ライン状）に配置されて構成されている。
【００４２】
図４（ａ）中の反射光分布ＲＡは、対象物ＯＢの表面２００で反射された反射光ＲＦが到達する可能性のある領域を示している。反射光分布ＲＡは、表面２００の状態によっても異なるが、完全反射面である場合には反射光が等方的（放射状に）に、つまり照射点を起点として逆円錐形に分布するので、受光器１８上では円形の反射光分布ＲＡを形成する。反射光分布ＲＡで受光される反射光ＲＦの範囲は、一例として、光軸Ｍに平行な軸を中心とした角度０°〜４０°の範囲の反射光ＲＦである。
【００４３】
この反射光分布ＲＡに対し本実施の形態に係る受光器１８の受光素子１６は、図４（ａ）に示すように、３行１０列で、Ｘ軸方向の長さがＹ軸方向の長さよりも長くなるように配置されている。つまり、受光素子１６は、Ｙ軸方向に配列された発光素子１２の配列方向と交差（直交）する方向に配列されている。すなわち、受光器１８は、反射光分布ＲＡに含まれる反射光を部分的に受光するように構成されている。なお、図４（ａ）では、基板１８Ａ上に３行１０列で受光素子１６を配置した形態の受光器１８を例示しているが、これに限られず、必要な行、列だけ受光素子１６を配置した形態としてもよい。ここで、本実施の形態で受光素子１６の配列方向と発光素子１２の配列方向とを直交させるのは、主としてレンズ３２の発光器１４側の表面における反射光が発光素子１２に戻るのを抑制するためである。従って、レンズ３２の表面における反射光の程度に応じて必ずしも正確に直交させる必要はない。
【００４４】
以下、本実施の形態に係る受光器１８で受光素子１６を図４（ａ）にように配列させる理由について説明するが、まず図５を参照して、反射光分布ＲＡと実際に受光される反射光の領域との関係について説明する。上述したように、反射光分布ＲＡは反射点Ｐを起点とする逆円錐形の領域を形成するが、この反射光分布ＲＡを概念的に図示すると図５（ａ）のように表される。つまり、本実施の形態に係る計測装置１０では、反射点Ｐからの反射光ＲＦとして、図５（ａ）に示されるような逆円錐形の分布となることを想定している。この逆円錐の底面が反射光分布ＲＡである。従って、基本的には、受光器１８で反射光分布ＲＡの全領域に亘って受光することが好ましい。
【００４５】
図６を参照して、反射光分布ＲＡのほぼ全領域に亘って受光する場合の受光器の構成について説明する。図６（ａ）は、該受光器を搭載した比較例に係る計測装置を、図１と同じ方向から見た図である。図６（ａ）に示すように、発光器１４が備える発光素子１２は符号Ｈ１で示された方向に順次発光して照射光ＩＦを生成する。発光器１４で生成された照射光ＩＦは光学系３０を通過し、符号Ｈ２で示された方向に順次対象物ＯＢ上に照射される。対象物ＯＢで反射した反射光ＲＦは、レンズ３４を通過し、受光器１８の受光素子１６の各々で受光される。この際の反射光ＲＦにより、図５示すような反射光分布ＲＡが形成される。
【００４６】
図６（ｂ）は反射光分布ＲＡに含まれる反射光ＲＦのほぼ全体を受光する場合の受光器（図示省略）の構成の一例を示している。図６（ｂ）に示受光器では基板のほぼ全面に受光素子１６が敷き詰められており、このような受光器を用いれば反射光分布ＲＡに含まれる反射光ＲＦがほぼ漏れなく受光される。しかしながら、このような構成では、一般に高価な受光素子１６を大量に用いる必要がある。また、受光素子１６の後段を構成する回路（例えば、受光光を電気信号に変換する回路）は受光素子１６ごとに設ける必要があるので、コスト面で非常に不利であるのみならず、接続の引き回しの煩雑化等で実装が困難となる。
【００４７】
一方、図６（ｃ）は、受光器としてＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）等によるイメージセンサ６０を用いた形態の例を示している。このような形態でも、反射光分布ＲＡに含まれる反射光ＲＦのほぼ全体が受光される。しかしながら、イメージセンサ６０自体が高価であることを度外視しても、本発明では、図４（ａ）に示すように、絞り４０の開口部４２に対応した照射光ＩＦが通過する開口部（開口部１８Ｂに相当する）をイメージセンサ６０に設けなければならず、現実的ではない。
【００４８】
そこで、本発明では、複数の受光素子を予め定められた方向に配列するとともに、該複数の受光素子で受光される反射光の光量密度が均一になるように構成した。このことにより、受光素子の数を抑制しつつ、反射光の光量分布の反射角依存に起因する、複数の受光素子で受光される受光光量密度のばらつきが抑制された計測装置および計測方法が提供される。
【００４９】
上記原理について、より詳細に説明する。発光素子１２から出射され対象物ＯＢに照射された照射光は、上述したように等方的に（放射状に）散乱することが想定されるので、受光器１８の中心付近では受光される散乱光の密度が高く、外側に向かうにつれて散乱光の密度が低下すると考えられる。つまり、受光器１８の中心に近い内側の受光素子１６と受光器１８の中心から遠い外側の受光素子１６では、対象物ＯＢから見た場合の極座標の角度が異なるため、同じ大きさの受光素子１６に入射する散乱光の光量が異なる（内側の受光素子１６の方が外側の受光素子１６に比べて多い）。このため、受光素子１６で受光された光量を取り込むと、内側の受光素子１６の出力値に比べ外側の受光素子１６の出力値が低くなる。この不均衡を是正するため、本実施の形態に係る計測装置１０では、外側の受光素子で受光された受光光量にある一定量を加え、あるいは必要な場合内側の受光素子で受光される受光光量からある一定量を減ずることで、内側、外側の位置に関係なく同等の光量が取得される。すなわち、内側、外側の位置に関係なく受光される反射光ＲＦの光量密度が極力均一になるようにしている
【００５０】
上記目的を達成するため、本実施の形態に係る計測装置１０の受光器１８では、図４（ａ）に示すように配列された受光素子１６によって、図５に示す反射光分布ＲＡのうちの符号Ｄ１、Ｄ２で示された２つの扇形の領域の反射光を受光するように構成されている。
以下では、符号Ｄ１、Ｄ２で示された領域を各々「受光領域Ｄ１」、「受光領域Ｄ２」（総称する場合は、「受光領域Ｄ」）という。
【００５１】
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す受光器１８に、図５に示す受光領域Ｄ１、Ｄ２を重ねて描いた図である。図４（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る受光器１８では、予め定められた受光領域Ｄに含まれる反射光ＲＦが受光されるように受光素子１６が配置されている。なお、受光領域Ｄのように部分的な受光によっても、受光光量分布には反射点Ｐにおいて散乱される散乱光の情報が必要なだけ含まれているので、本実施の形態に係る計測装置１０における計測の目的は十分達成される。
【００５２】
本実施の形態に係る計測装置１０では、さらに、受光光量密度の補正処理（以下、「光量密度補正処理」）を行う。本実施の形態に係る光量密度補正処理とは、図４（ｂ）に示す受光素子１６の各々において、略等しい光量密度の反射光ＲＦが受光されるように補正する処理である。つまり、図４（ｂ）に示す配置では、受光素子１６によって受光領域Ｄ１、Ｄ２に含まれる反射光ＲＦが受光されることを想定しているが、実際には受光領域Ｄ１、Ｄ２の外側に、図５に示す反射光分布ＲＡに含まれる反射光ＲＦが到達しており、受光素子１６にはその反射光ＲＦも入力される。より具体的には、例えば図４（ｂ）に示す受光素子１６−１は受光領域Ｄ１、Ｄ２に含まれていない。しかしながら、反射光分布ＲＡは、図５に示すように略円形の分布領域を有しているので、実際には受光素子１６−１にも反射光ＲＦが入力される。
【００５３】
一方、受光領域Ｄでは、反射点Ｐの反射特性をより正確に把握する観点から、受光領域Ｄにおける反射光ＲＦの光量密度が一定であることが好ましい。この点、図４（ｂ）に示すような扇形の受光領域Ｄを想定すると、上述したように、開口部１８Ｂから近い位置ほど光量密度が大きく、開口部１８Ｂから遠ざかるほど受光密度は小さくなると考えられる。そこで、本実施の形態に係る計測装置１０では、受光領域Ｄで受光される光量密度がなるべく均一になるように光量密度補正処理を行っている。
【００５４】
図７を参照して、本実施の形態に係る光量密度補正処理について説明する。図７（ａ）は図２を簡略化した図であり、反射光ＲＦと受光素子１６との配置関係を示している。図７（ａ）に示すように、一定の角度分布をもって反射される反射光ＲＦは、受光素子１６によって部分的に受光される。
【００５５】
図７（ｂ）は、本実施の形態に係る光量密度補正処理を説明する図である。本光量密度補正処理は受光領域Ｄ１、Ｄ２ごとに行われる。受光領域Ｄ１で行われる光量密度補正処理と受光領域Ｄ２で行われる光量密度補正処理とは同じであってもよいし、異なっていてもいが、本実施の形態では受光領域Ｄ１とＤ２とで同じ光量密度補正処理を行う形態を例示して説明する。従って、図７（ｂ）では、受光領域Ｄ２について光量密度補正処理を行う場合を例示して説明する。
【００５６】
説明の便宜のために、図７（ｂ）に示す列番号１、２、３、４、５と、行符号ａ、ｂ、ｃを用いて、受光領域Ｄ２に含まれる反射光ＲＦを受光する受光素子１６の各々に符号を付与する。すなわち、座標（行符号、列番号）＝（ｉ，ｊ）に配置された受光素子１６を受光素子１６ｉｊと表記する。例えば、図７（ｂ）に示す受光素子１６−１は受光素子１６ａ１である。
【００５７】
本実施の形態に係る光量密度補正処理では、受光領域Ｄ２で受光される光量密度がなるべく均一になるように、受光領域Ｄ２含まれる受光素子１６の各々に補正係数ｋを付与する。ここで、受光素子１６ａ１の補正係数ｋをｋａ１のように表記する。この補正係数ｋは、例えば受光素子１６の後段に接続される光／電気変換回路の利得によって調整するようにしてもよい。
【００５８】
本実施の形態では、各受光素子１６の補正係数ｋを以下のように設定している。なお、以下でＰＤは、補正しない場合（補正係数ｋが１の場合）の受光光量を示している。例えば、４／５ＰＤは、受光した光量を４／５倍することを意味している。
＜第１列＞
ｋａ１＝０、ｋｂ１＝４／５ＰＤ、ｋｃ１＝０
＜第２列＞
ｋａ２＝１／５ＰＤ、ｋｂ２＝ＰＤ、ｋｃ２＝１／５ＰＤ
＜第３列＞
ｋａ３＝２／５ＰＤ、ｋｂ３＝ＰＤ、ｋｃ３＝２／５ＰＤ
＜第４列＞
ｋａ４＝３／５ＰＤ、ｋｂ４＝ＰＤ、ｋｃ４＝３／５ＰＤ
＜第５列＞
ｋａ５＝４／５ＰＤ、ｋｂ５＝ＰＤ、ｋｃ５＝４／５ＰＤ
【００５９】
ここで、第ｊ列で受光される光量をＰｊで表記すると、各列で受光される光量の合計は以下のようになる。
Ｐ１＝４／５ＰＤ
Ｐ２＝７／５ＰＤ
Ｐ３＝９／５ＰＤ
Ｐ４＝１１／５ＰＤ
Ｐ５＝１３／５ＰＤ
つまり、図７（ｂ）に示す例では、受光領域Ｄ２の形状に合わせて、開口部１８Ｂから離間するにつれて受光光量が大きくなるように補正している（重み付けしている）。換言すると、受光素子１６ｂ１での受光光量の４／５倍の値を基準値とし、受光領域Ｄ２の全体で受光される光量密度がこの基準値に近づくように補正しているともいえる。このことにより、受光領域Ｄ２で受光される光量密度が極力均一になるように補正される。なお、補正係数ｋは、実機を用いた実験、あるいは実機をモデル化したシミュレーション等によって、予め設定しておいてもよい。また、予め設定された補正係数ｋは、ＲＯＭ１０２等の記憶手段に記憶させておいてもよい。
【００６０】
受光領域Ｄ２に含まれる反射光ＲＦが受光器１８で受光されると、各受光素子１６の受光光量により立体的な分布が形成される。図８（ａ）は、図４（ｂ）に示すＡ−Ａ線で示された方向の反射光強度（受光光量分布）を示している。上述したように、完全拡散面において反射された場合、反射光ＲＦの分布は等方的（放射状）なものとなり、立体的な分布を形成する。この立体的分布の、Ｚ軸を含む平面で切断した断面の形状は、図８（ａ）の曲線Ｃ１で示すように略ガウス曲線となる。ここで、受光素子１６と受光素子１６との間では反射光ＲＦが受光されないので、受光光量分布は離散的となる。
【００６１】
一方、図８（ｂ）は、受光素子１６が１列に配置された比較例に係る受光器７０を示している。光量密度補正処理を行わないで、受光器７０によって受光領域Ｄ１、Ｄ２の反射光ＲＦが受光された場合の反射光強度は、図８（ａ）の曲線Ｃ２のようになる。これは、図８（ｂ）から明らかなように、受光器７０においてより外側に位置する受光素子１６ほど受光領域Ｄに含まれる反射光ＲＦの取りこぼしが発生するからである。これに対し、曲線Ｃ１で示される本実施の形態に係る反射光強度は、曲線Ｃ２で示される比較例に係る反射光強度よりも全体的に大きくなる。特に反射強度曲線のすその部分でより多くの光量が受光されていることがわかる。換言すると、比較例に係る受光器７０では、反射角度が大きい側の反射光ＲＦ（散乱光）の取得が不十分であったことが、本実施の形態に係る受光器１８では改善され、比較例に係る受光器７０では取りこぼしていた反射光ＲＦが取り込まれていることがわかる。つまり、計測装置１０では、線的な受光が平面的な受光に改善されている。このことにより、本実施の形態に係る計測装置１０では、より多くの反射光ＲＦに関する情報が取得され、計測装置１０の計測精度が向上する。
【００６２】
次に、図９を参照して、本実施の形態に係る計測装置１０によって、光量密度の補正を行うための光量密度補正処理プログラムについて説明する。図９は、本実施の形態に係る光量密度補正処理プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。図９に示す処理は、例えば、ユーザにより図示しない入力部を介して実行開始の指示がなされると、制御部２０のＣＰＵ１００がＲＯＭ１０２等の記憶手段から本光量密度補正処理プログラムを読み込み、実行する。なお、上述したように、本実施の形態に係る計測装置１０では、対象物ＯＢを図１に示す−Ｘ方向に移動させつつ計測を行うが、以下の処理ではこの移動を省略している。
【００６３】
図９に示すように、まずステップＳ１００で、発光器１４を発光させ、対象物ＯＢに照射光ＩＦを照射する。この照射は、上述したように発光素子１２を順次発光させて行う。
【００６４】
次のステップＳ１０２では、受光器１８によって反射光ＲＦを受光する。すなわち、本実施の形態では、図４（ｂ）に示す受光素子１６の各々によって、受光領域Ｄ１、Ｄ２に含まれる反射光ＲＦが受光される。
【００６５】
次のステップＳ１０４では、本光量密度補正処理を実行するか否か判定される。つまり、本実施の形態に係る光量密度補正処理では、補正処理を行わないモードも選択されるように構成されている。本光量密度補正処理を行うか否かの選択は、計測装置１０の図示しない入力部等を介して設定してもよい。ステップＳ１０４で肯定判定となった場合はステップＳ１０６に移行し、否定判定となった場合はステップＳ１１２に移行する。
【００６６】
次のステップＳ１０６では、ＲＯＭ１０２等の記憶手段から補正係数ｋを読み出し、取得する。
【００６７】
次のステップＳ１０８では、ステップＳ１０６で取得した補正係数ｋを用いて上述した補正処理を実行する。すなわち、各受光素子１６で受光された光量に、各々の受光素子１６に設定された補正係数を乗ずる。
【００６８】
次のステップＳ１１０では、ステップＳ１０８で取得された補正後の各受光素子１６の受光光量を用いて、受光光量分布（すなわち、図８（ａ）に示す反射光強度）を生成し、本光量密度補正処理プログラムを終了する。生成された受光光量分布は、ＲＡＭ１０４等の記憶手段に記憶させてもよい。
【００６９】
一方、ステップＳ１１２では、全ての補正係数ｋを１に設定し、各受光素子１６で受光された光量の値はそのまま出力されるようにする。ステップＳ１１２の実行後ステップＳ１１０に移行し、受光光量分布を生成して、本光量密度補正処理プログラムを終了する。
【００７０】
［第２の実施の形態］
図１０を参照して、本実施の形態に係る計測装置について説明する。本実施の形態は、上記実施の形態に係る受光器１８を受光器１９に置き換えた形態である。従って、本実施の形態に係る計測装置の構成は、上記の計測装置１０と同様なので、必要な場合には図１、２を参照することとし、詳細な説明を省略する。
【００７１】
図１０に示すように、本実施の形態に係る受光器１９は、１列に配置された複数の略円形の受光素子１７を備え、各受光素子１７は、略円形の基板１９Ａ上に配列されている。
受光器１９も、受光器１８と同様基板１９Ａの略中央に開口された開口部１９Ｂを備えている。受光器１９の受光領域Ｄは、２つの扇形の領域である受光領域Ｄ３、Ｄ４である。
【００７２】
そして、受光領域Ｄ３、Ｄ４の形状に合わせて、受光素子１７の各々は、開口部１９Ｂから遠ざかるにつれて受光面の形状が大きく（直径が大きく）なるようにされている。つまり、開口部１９Ｂから遠ざかるほど、より多くの反射光ＲＦが受光されるように構成されている。本実施の形態に係る受光器１９によっても、受光領域Ｄ３、Ｄ４で受光される反射光ＲＦの光量密度が極力均一にされる。なお、本実施の形態によれば、受光素子１７の受光面の大きさが受光領域Ｄ３、Ｄ４に合わせて変えられているので、補正係数ｋを設定する必要はない。また、受光素子の受光面は必ずしも矩形である必要はなく、受光領域Ｄの形状等に合わせた適切な形状としてよいし、また異なる形状の組み合わせとしてもよい。本実施の形態のように受光面を円形にすると、受光面が曲線を含んでいるので、受光領域Ｄの形状に合わせやすい。
【００７３】
なお、上記各実施の形態では、予め固定された補正係数ｋを用いる場合を例示して説明したが、これに限られず、計測する対象物ＯＢ等に応じて補正係数ｋを動的に変更する形態としてもよい。すなわち、上記各実施の形態では最も光量密度が高い位置（扇形の中心位置）が、受光器の中心（図４（ｂ）に示す開口部１８Ｂの中心、図１に示す光軸Ｍ）付近なることを想定していた。これは、対象物ＯＢ上の一般的な欠陥については、図４（ｂ）に示すように対称に散乱することが経験的にわかっているからである。
【００７４】
しかしながら、欠陥の種類によっては最も光量密度が高い位置（扇形の中心）が光軸Ｍの位置からずれる場合もある。具体的には、例えば図７（ｂ）における受光素子１６ｂ２の位置、あるいは受光素子１６ａ２の位置が最も光量密度が高い位置になることもある。
このような欠陥については、まず予備的な計測を行って受光光量分布のピーク強度を示す受光素子１６を特定し、その受光素子１６を中心に扇形の受光領域が形成されるように補正係数ｋを変更してもよい。この際、受光素子１６の各々の後段に接続される光／電気変換回路の利得を変えるようにすれば、容易に補正係数ｋが変更される。換言すると、本実施の形態に係る計測装置によれば、受光領域Ｄの形状に応じた受光面が容易に構成される。そのため、補正係数ｋの変更により、例えば図８（ｂ）に示す比較例に係る受光器も容易に構成される。
【００７５】
また、上記各実施の形態では、受光器に配置する受光素子について、略円形の基板の直径方向（図４におけるＡ−Ａ線の方向）に対して対称に配置させる形態を例示して説明したが、これに限られず、想定される受光領域Ｄの形状等に応じて非対称に配置させる形態としてもよい。また、上記各実施の形態では、受光素子１６を３行配列させた形態を例示して説明したが、図６（ｂ）に示すように全面に敷き詰める形態を除いて、４行以上配列させる形態としてもよい。あるいは、逆に１行でも２行であってもよい。ただし、例えば１行の場合は図８（ｂ）と異なり、１行の受光素子１６で受光されるように、受光領域Ｄはより狭く設定される。
【符号の説明】
【００７６】
１０      計測装置
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ  発光素子
１４      発光器
１４Ａ    基板
１６、１６−１  受光素子
１７      受光素子
１８      受光器
１８Ａ    基板
１８Ｂ    開口部
１９      受光器
１９Ａ    基板
１９Ｂ    開口部
２０      制御部
３０      光学系
３２      レンズ
３４      レンズ
４０      絞り
４２      開口部
４２Ａ    開口縁
５２      駆動部
６０      イメージセンサ
７０      受光器
１００    ＣＰＵ
１０２    ＲＯＭ
１０４    ＲＡＭ
２００    表面
ＢＵＳ    バス
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４  受光領域
Ｈ１、Ｈ２  方向
ＩＦ      照射光
Ｍ        光軸
ＲＦ      反射光
ＯＢ      対象物
ＲＡ      反射光分布
Ｔ        計測領域
【図１】
2019124602.tif 000003
【図２】
2019124602.tif 000004
【図３】
2019124602.tif 000005
【図４】
2019124602.tif 000006
【図５】
2019124602.tif 000007
【図６】
2019124602.tif 000008
【図７】
2019124602.tif 000009
【図８】
2019124602.tif 000010
【図９】
2019124602.tif 000011
【図１０】
2019124602.tif 000012