(57)【要約】    【課題】  物体表面の粗面として、入射光の波長より十分に大きい数十ミクロン程度の粗さを持ち、一定以上の面積を持つ粗面について、高精度に、迅速に検出することができる表面状態検査装置を得ること。    【解決手段】  光源と、  該光源からの光を偏向する偏向器と、  該偏向器で偏向された光を被検査面に導光する走査光学系と、  該偏向器で偏向された光で被検査面上を主走査方向に走査したとき、該被検査面から生ずる回折光の一部を検出する検出器と、を有し、  該検出器は、該回折光を検出する検出開口が主走査方向に平行となるように設置されており、  副走査断面内において、被検査面の表面粗さに基づいて発生する回折光の回折分布の相対変化に対応して該検出開口の該被検査面に対する検出角度が調整できるように構成されていること。【選択図】図１
2008134128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
該光源からの光を偏向する偏向器と、
該偏向器で偏向された光を被検査面に導光する走査光学系と、
該偏向器で偏向された光で被検査面上を主走査方向に走査したとき、該被検査面から生ずる回折光の一部を検出する検出器と、を有し、
該検出器は、該回折光を検出する検出開口が主走査方向に平行となるように設置されており、
副走査断面内において、被検査面の表面粗さに基づいて発生する回折光の回折分布の相対変化に対応して該検出開口の該被検査面に対する検出角度が調整できるように構成されていることを特徴とする表面状態検査装置。
【請求項２】
前記走査光学系には、主走査断面及び副走査断面内において光が発散状態で入射しており、該走査光学系の偏向器側における主走査断面内のビームウエスト位置は、該走査光学系の該偏向手段側の焦点位置で、かつ前記偏向器の偏向面に設定されており、
副走査断面内のビームウエスト位置は、該偏向器の偏向面よりも光学的に前記光源側に設定されていることを特徴とする請求項１の表面状態検査装置。
【請求項３】
前記検出器は、主走査方向に配置した光ファイバを有し、該光ファイバは、その光入射面が前記被検査面から生ずる回折光が入射するように配置されており、
該光ファイバの出射端には、光電変換手段が配置されていることを特徴とする請求項１又は２の表面状態検査装置。
【請求項４】
前記検出器は、その検出開口側に集光部材を有していることを特徴とする請求項１、２又は３の表面状態検査装置。
【請求項５】
光源からの光を偏向器で偏向し、走査光学系を介して円筒面上に導光し、該偏向器を駆動させて円筒面上の母線方向を主走査方向として走査する光走査工程と、
該円筒面の表面状態の変化に伴って、
該円筒面から生ずる回折光の強度分布が変化したときに副走査断面内において回折光強度の相対変化が最も大きくなる角度方向に検出開口を向けて設置した検出器で該円筒面から生ずる回折光を検出する検出工程と、
該検出器で得られた信号より回折光の強度分布の変化を求めて、該円筒面上の表面粗さを求める演算工程と、
を有することを特徴とする表面状態検査方法。
【請求項６】
前記円筒面上の表面粗さである凹凸の面方向の寸法の空間周波数の平均値をＫとするとき、円筒面上の表面粗さが平均値Ｋよりも小さい領域を正常部、平均値Ｋよりも大きい領域を異常部とし、該正常部と異常部から角度θで生ずる回折光の回折光強度分布を各々Ｅｏ（θ）、Ｅｅ（θ）とし、回折光強度分布の相対強度変化をＫ（θ）とし、
Ｋ（θ）＝｜Ｅｅ（θ）／Ｅｏ（θ）−１｜
とおいたとき、前記検出器は、その検出開口が相対強度変化Ｋ（θ）が最も大きくなる角度を円筒面の法線に対する検出角度θs となるように配置されていることを特徴とする請求項５の表面状態検査方法。
【請求項７】
前記光源から放射される光の波長をλ、副走査断面内において前記走査光学系の偏向器側のビームウエスト直径をＤＳ、副走査断面内において円筒面に入射する光の主光線と円筒面との交点から副走査断面内のビームウエスト位置までの距離をＬ、副走査断面内において円筒面への光の照射領域の長さをｄ、円筒面の半径をＲ、円筒面の法線に対する副走査断面内の光の主光線の入射角をθｉとしたとき、
ＤＳ  ＝  ４λＲ／πｄ  
Ｌ  ＝  Ｒ・ｃｏｓ（ｄ／４Ｒ−θｉ）／ｃｏｓ（ｄ／４Ｒ）
を満たすことを特徴とする請求項５又は６の表面状態検査方法。
但し、直径ＤＳ、長さｄは、いずれもビーム光強度分布のピークに対する相対強度が１／ｅ２であるような直径であり、距離Ｌは光の進行方向を正とする。
【請求項８】
前記走査光学系には、主走査断面及び副走査断面内において光が発散状態で入射しており、該走査光学系の偏向器側における主走査断面内のビームウエスト位置は、該走査光学系の該偏向器側の焦点位置で、かつ前記偏向器の偏向面に設定されており、
副走査断面内のビームウエスト位置は、該偏向器の偏向面よりも光学的に前記光源側に設定されていることを特徴とする請求項５〜７いずれかの表面状態検査方法。
【請求項９】
前記円筒面の母線位置は、前記走査光学系の主走査断面内の光学的像面位置よりも前記偏向器側にシフトして設置されており、副走査断面内については、該偏向器の偏向面と該円筒面の母線とが光学的に共役に設定されていることを特徴とする請求項５〜８いずれかの表面状態検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面状態検査装置及び表面状態検査方法に関し、例えば円筒面の表面の粗面（粗さ）の均一度を、高精度に測定する際に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体表面に存在する微小な欠損（キズや異物の付着）の有無を検出する方法として、レーザ光を微細なスポットに集光して、被検査面を照射し、そこから発生する散乱光（光回折光）を検出する方法が知られている。
【０００３】
また、物体表面の粗面の粗さ状態を検出する方法として、入射光の波長や入射角を変化させたときの、物体表面からスペックル回折像分布の相互相関関数を求める方法や、干渉計によって位相差を検出する干渉計方法などが知られている（特許文献１）。
【０００４】
また、被検査面を光で走査して表面状態を検査する走査測定方法が知られている(特許文献２、３)。これらの方法では偏向器と走査光学系の組合せで測定対象の面を走査して検査している。
【特許文献１】特開平５−５２５４０号公報
【特許文献２】特開昭６３−６４７３８号公報
【特許文献３】特開平７−２０９２００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、物体表面に存在する欠損として、入射光の波長より十分に大きい数十ミクロン程
度の粗さ（凹凸）をもち、一定以上の面積を持つ円筒面の表面状態について検査する装置が求められている。特に、円筒面上の粗面について、サブミリメートルからミリメートル単位の大きさの局所的な不均一性を高速に検出することができる装置が要請されている。また、このような条件では、細く集光したビームを走査したときに、回折パターンが乱れて安定した検出が困難となる。
【０００６】
前述したスペックルの相関関数を用いる方法は、表面の粗さが入射光の波長より短いことが前提である。このため、広い範囲において多数の点、各々において相関関数を求めることは、時間の制限から現実的でない。
【０００７】
前述した、測定方法のうち干渉計方式では、複雑で精密な光学系が必要となる。基本的に粗い表面上から生ずる可視域のレーザ光線によって生成されるスペックルパターンは、２πより大きい標準偏差のランダム位相を有する。このため、通常は得られる位相差には粗い表面のプロファイルに関して有効な情報を含んでいない。
【０００８】
また、走査測定方法は被検査面上を高速に精度良く走査することでは優れているが、走査画角によって照射点に対する入射角が異なると、被検査面の表面状態を検査することができなくなる。
【０００９】
被検査面上の表面状態を走査測定方法を用いて、高精度に検査するには、検査対象面全域のどの点においても、光の入射角が一定で、かつ粗さのオーダーに応じた所定以上の面積の光スポットを等速で、スポットサイズが一定となるようにすることが必要である。
【００１０】
本発明は、物体表面の粗面として、入射光の波長より十分に大きい数十ミクロン程度の粗さを持ち、一定以上の面積を持つ粗面について、高精度に、迅速に検出することができる表面状態検査装置及び表面状態検査方法の提供を目的とする。
【００１１】
この他本発明は、入射光の波長より十分に大きい数十ミクロン程度の粗さをもち、一定以上の面積を持つ円筒面上の粗面について、サブミリメートル〜ミリメートル単位の大きさの局所的な不均一性を、高速で高感度に精度よく検出することができる表面状態検出方式の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の表面状態検査装置は、
光源と、
該光源からの光を偏向する偏向器と、
該偏向器で偏向された光を被検査面に導光する走査光学系と、
該偏向器で偏向された光で被検査面上を主走査方向に走査したとき、該被検査面から生ずる回折光の一部を検出する検出器と、を有し、
該検出器は、該回折光を検出する検出開口が主走査方向に平行となるように設置されており、
副走査断面内において、被検査面の表面粗さに基づいて発生する回折光の回折分布の相対変化に対応して該検出開口の該被検査面に対する検出角度が調整できるように構成されていることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の表面状態検査方法は、
光源からの光を偏向器で偏向し、走査光学系を介して円筒面上に導光し、該偏向器を駆動させて円筒面上の母線方向を主走査方向として走査する光走査工程と、
該円筒面の表面状態の変化に伴って、
該円筒面から生ずる回折光の強度分布が変化したときに副走査断面内において回折光強度の相対変化が最も大きくなる角度方向に検出開口を向けて設置した検出器で該円筒面から生ずる回折光を検出する検出工程と、
該検出器で得られた信号より回折光の強度分布の変化を求めて、該円筒面上の表面粗さを求める演算工程と、
を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、物体表面の粗面として、入射光の波長より十分に大きい数十ミクロン程度の粗さを持ち、一定以上の面積を持つ粗面について、高精度に、迅速に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明の実施例１の概略図である。
【００１６】
図１において、１は光源であり、Ｈｅ−Ｎｅレーザより成り、波長λが６３２．８ｎｍの光（ビーム、レーザ光）１ａを放射している。
【００１７】
３は偏向器であり、６面構成のポリゴンミラー（回転多面鏡）より成っており、モーター等の駆動手段（不図示）により回転軸３ａを回転中心として図中矢印Ａ方向に一定速度で回転している。
【００１８】
４は集光機能とｆθ特性とを有する結像光学系である。結像光学系４は、レンズ系、ミラー系、あるいはそれらの組み合わせの構成より成っている。
【００１９】
２ａは円筒部材である。２は円筒部材２ａの測定対象面としての円筒面である。円筒面２はφ（直径）４０ｍｍ、軸方向の長さが２００ｍｍである。
【００２０】
円筒面２の表面には微小な凹凸部が存在している。この凹凸部の周期の平均値は５０μｍ程度である。
【００２１】
５は円筒面２に存在する凹凸部に光が入射したときに発生する回折光である。６は検出器であり、円筒面２から生ずる回折光５の一部を検出開口より検出している。
【００２２】
尚、以下の説明において、主走査方向とは偏向器３の回転軸３ａ及び結像光学系４の光軸４ａに垂直な方向（偏向器３で光束が反射偏向（偏向走査）される方向）である。主走査方向は円筒面２の母線方向に相当している。
【００２３】
副走査方向とは偏向器３の回転軸３ａと平行な方向である。また主走査断面とは主走査方向に平行で、結像光学系４の光軸４ａを含む平面である。また副走査断面とは主走査断面と垂直な断面である。
【００２４】
光源１からの光（ビーム）１ａはビーム整形光学系（不図示）を介して偏向器３に入射される。偏向器３の偏向面３ａで、偏向された光１ａは走査光学系４を介して円筒面２に走査される。
【００２５】
偏向器３を駆動手段にて等角速度に回転させることにより、一定速度で円筒面（被走査面、被検査面ともいう）２上を主走査方向に光１ａで走査している。
【００２６】
結像光学系４は主走査断面内において光射出側がテレセントリックであり、偏向器３によって反射偏向された光束１ａを主走査断面内において円筒面２上に走査させている。
また副走査断面内においては偏向器３の偏向面３ｂと円筒面２との間を共役関係にすることにより、偏向器３の偏向面３ｂの回転軸３ａからの倒れ補償を行っている。
【００２７】
円筒面２上の照射点２ｂの凹凸部より生ずる回折光５の一部は、その一部が検出開口としての長尺の開口を持つ光ファイバ（光ファイバ束）を用いた検出器６に取り込まれファイバを伝播してファイバの出射端に光学的に結合されたフォトダイオードなどの光電変換素子へ導かれる。
【００２８】
その後、光の強度は光電変換素子で電気信号に変換された後、増幅され、円筒面２上の所望のドット間隔をビーム１ａが走査する時間に応じたクロック信号に応じて記録手段７に取り込まれる。
【００２９】
このとき、円筒面２上の走査領域外に設置された受光素子（同期検出器）９で得られる始点検出信号（同期信号）によって、光１ａが円筒面２を走査するときの主走査方向の走査同期がとられている。
【００３０】
また、円筒面２は所望の走査線ピッチとなるような角速度で定速回転される。結果として検出器６では円筒面２の状態が回折光の強度分布の２次元画像として得られる。演算手段８は記録手段７からの信号を用いて、円筒面２上の局所的な表面粗さの相対変化量を計算し、所定の量を越えた部分がある場合には、その領域が異常部であると判定している。
【００３１】
尚、検出器６は回折光５を検出する検出開口が主走査方向に平行となるように設置されている。
【００３２】
また副走査断面内において、円筒面２の表面粗さに基づいて発生する回折光５の回折分布の相対変化に対応して検出開口の円筒面２に対する検出角度が調整できるように構成されている。
【００３３】
ここで、円筒面２への光１ａの照射領域内での表面の凹凸部の面方向の周波数の平均値をＫ1とする。
【００３４】
円筒面２上の表面の凹凸部の周波数の平均値Ｋが平均値Ｋ1より大きい領域（凹凸の粗密が「密」の場合）を異常部という。逆に平均値Ｋが平均値Ｋ1より小さい領域（凹凸の粗密が「粗」の場合）を正常部という。
【００３５】
図１６は本実施例の表面状態検査方法のフローチャートである。
【００３６】
図１６において、Ｓ１は光走査工程である。光走査工程Ｓ１では光源１からの光を偏向器３で偏向し、結像光学系４を介して円筒面２上に導光し、偏向器３を駆動させて円筒面２上の母線方向を主走査方向として走査する。
【００３７】
Ｓ２は検出工程である。円筒面２の表面状態の変化に伴って円筒面２から生ずる回折光５の強度分布が変化する。検出工程Ｓ２ではこのときに副走査断面内において回折光強度の相対変化が最も大きくなる角度方向に検出開口を向けて設置した検出器６で円筒面２から生ずる回折光を検出する。
【００３８】
Ｓ３は演算工程である。演算工程Ｓ３では演算手段８によって検出器６で得られた信号より回折光の強度分布の変化を求めて、円筒面２上の表面粗さを求める。
【００３９】
次に本実施例の円筒面２上の表面粗さの測定方法の詳細について各図とともに説明する。
【００４０】
本実施例では、検出器６によって円筒面２の表面（照射点）２ｂからの回折光の一部の強度を計測する。このとき光源１からの光（レーザー光）の波長よりも十分に大きい粗さを持つ円筒面２の表面粗さの均一度を、円筒面２の表面から生ずる光回折像の強度分布の変化から測定している。
【００４１】
円筒面２の表面への入射光は、その電場が主走査方向に平行な方向に振動するような光（Ｓ偏光）に設定され、主走査方向には平行ビーム、副走査方向には収束ビームとなっている。
【００４２】
検出器６は、その主走査方向の検出開口が光１ａの被走査領域と同等以上で、主走査方向に平行に設置されている。また検出器６は円筒面２の表面状態の変化に伴って回折光分布の変化が起きた際に、副走査断面内において該回折光強度の相対変化が最も大きくなる角度方向に設置されている。
【００４３】
これによって、検査対象である円筒面２の粗面からの回折光分布は、滑らかで安定したものとなる。そして、円筒面２のどの照射点に対しても、光の照射、回折光の検出に関する条件が一定となるので、表面粗さの相対的な不均一度を精度良く検出することができる。
【００４４】
主走査方向（円筒面２の母線方向）については、入射面内において境界（粗面）は直線であるので、照射域（スポットのサイズ）内で入射角を一定にするには、平行なビーム（平面波）を入射する必要がある。
【００４５】
数〜数十μｍに集光した収束ビームでは、ビームウエスト位置では平面波であるが、ウエスト位置からずれると数度から数十度の収束角が発生する。また、図３に示すように面方向に数十μｍのサイズの凹凸からなる粗面の場合、回折パターンは乱れたスペックルパターンとなり、巨視的な粗さに変化がない場合でも図４（ａ）に示すようにスペックルパターンの変化が顕著で、計測が困難となる。
【００４６】
これに対し、ビームウエスト径が０．８ｍｍ程度になると、広がり角は約０．０６度（波長を６３３ｎｍとしたとき）と小さく、ウエスト位置から１００ｍｍの位置でも１％弱しかビームは広がらず、ほぼ平行なビームとみなせる。また、凹凸のオーダーに対して十分に大きいので、図４（ｂ）に示すように回折光５のプロファイルは滑らかで安定したパターンが得られる。
【００４７】
また、走査画角によって粗面への入射角が異なると条件が変わってしまうため、結像光学系４は主走査方向に関して、テレセントリックである。これにより、図５（ａ）、（ｂ）に示すように画角中心を通るビームも、高画角のビームも、結像光学系４の光軸４ａに平行となり、円筒面２上のどの位置においても、主走査方向、副走査方向共に一定の入射角にすることができる。
【００４８】
本実施例では、円筒面２の検査対象の全域に対して、主走査断面内には図５（ａ）に示すように一様に垂直に、所望の太さの平行ビーム１ａを一様に入射し、円筒面２を走査している。
【００４９】
本実施例では偏向器３の回転数をあまり高速にせず、また走査ｄｕｔｙも確保するために、偏向器３として多面鏡を用いている。そして、副走査方向に対しては、図６に示すように偏向器３の偏向面３ｂと被走査面２は光学的に共役となっている。
【００５０】
これは、偏向器３の回転軸３ａに対する反射面３ｂの倒れが、製作誤差によって各面で異なるためである。光１ａの偏向面３ｂの偏向点から反射面ごとに異なる方向に反射するビームを、結像光学系４で被走査面２上の所定の位置に戻すことにより、走査線のばらつき（ピッチずれ）を補正している。これにより、どの反射面３ｂによる光の走査線も所定の位置に入射する。
【００５１】
一方、円筒面２の全域で測定条件を一様にするために、光の照射条件のみならず計測条件に関しても、領域内の各点に対して同条件にしている。具体的には、検出器６は円筒面２の母線方向に、検査対象範囲よりも長い開口を持ち、円筒面２の軸と平行に設置している。
【００５２】
これにより、走査域内のある点にビームが照射されるとき、そこから生ずる回折光は、どの点においても照射点に対して同じ方向、同じ開口数で検出器６によって取り込まれる。回折光５は広がりを持つため、被検査領域２の両端にビーム１ａを入射したときにも同様に取り込むために、図７（ｂ）に示すよう検出器６の主走査方向の開口は被検査域よりも長くしている。
【００５３】
また、副走査断面（円筒面２の軸に垂直な断面）内における、検出器６の粗面（円筒面２）の法線２ｃに対する角度（検出角度）θＳは次のように設定している。即ち表面粗さの変化による回折光分布の相対変化が最も大きくなる角度を、実際に典型的なサンプルを測定するなどの手段により、予め把握してから設定している。
【００５４】
これにより、表面粗さの微妙な変化に対しても、より高い感度で検出することができる。異常な部分の凹凸の面方向の空間周波数、または凹凸の深さが、正常部から相対的に異なると、その回折光分布には変化が現れる。
【００５５】
本実施例では、入射光を平面波として入射しているため、回折光分布は、平面の凹凸形状のフーリエ変換像として表される。
【００５６】
一般に凹凸の周波数が高くなれば、回折光分布は広がる。このとき凹凸の粗密が密で異常部である。周波数が低くなれば分布は狭まることになる。このとき凹凸の粗密が粗である。正常部の回折分布をＥｏ（θ）、異常部のそれをＥｅ（θ）としたとき、回折光分布の相対変化
Ｋ（θ）＝｜Ｅｅ（θ）／Ｅｏ（θ）−１｜
が、最も大きくなるような角度θを検出角度θＳとしている。即ちθ＝θＳを、測定角度として用いる。
【００５７】
図８に、表面の凹凸が正常な部分の回折光分布Ｅｏ（θ）、異常な部分の回折光分布Ｅｅ（θ）、またそれらの相対比Ｋ（θ）を示す。相対比Ｋ（θ）が最も大きくなる角度θＳでは、相対比Ｋ（θ）が数十％の高い感度で測定が可能となる。
【００５８】
また、表面方向の凹凸の周波数は波長よりも十分に大きいため、相対比、Ｋ（θＳ）は、入射ビームの偏光による差異は少ない。したがって、入射ビームは測定のＳ／Ｎを考慮して、反射率のより高いＳ偏光で入射している。
【００５９】
本実施例は、結像光学系４への入射ビーム１ａが、主走査断面、副走査断面において共に発散ビームである。結像光学系４の物点側（偏向器３側）における主走査断面内のビームウエスト位置は結像光学系４の前側焦点位置で、かつ偏向面３ｂの位置に設定されている。
【００６０】
副走査断面内のビームウエスト位置は偏向面３ｂよりも像面側（光源１側）にシフトして設定されている。
【００６１】
このような条件により、結像光学系４を介したビーム１ａは、主走査断面内には一定以上の太さの平行ビームとしつつ、円筒面２上に走査されるビーム位置の、各画角に対する線形性を確保することができる。
【００６２】
円筒面２に平行ビームを照射するためには、光源１と偏向器３の間にビーム整形光学系を設置して、結像光学系４の前側焦点位置に一度、主走査断面内にビームを集光している。そして、そこからの発散ビームを結像光学系４に入射することで、射出ビームを略平行とする必要がある。
【００６３】
例えば、検査対象となる円筒面２の母線方向の長さを２００ｍｍとしたとき、片側走査角を２０°とする。このとき結像光学系４の主走査断面内の焦点距離ｆは２８６．４８ｍｍとなる。
【００６４】
今、射出（走査）するビームの主走査断面内のビーム径（ウエスト径）Ｄｍを０．８ｍｍ（１／ｅ２強度の径）としたいとき、前側焦点位置での主走査断面内ビームウエスト径Ｄｍ０は、
Ｄｍ０  ＝  Ｄｍ・ｆ／｛π・（Ｄｍ／2）2／λ｝        （λはビームの波長）
＝（0.8×297.7）／｛π×（0.8/2）２／（633×10−6）｝
＝  0.29ｍｍ
とすればよい。
【００６５】
また、主走査断面内でテレセントリックな光学系とするとき、図９（ａ）に示すように偏向面３ｂは結像光学系４の主走査断面内の前側焦点位置となる。このため、ビームウエストは偏向器３の偏向面３ｂに設置されることになる。
【００６６】
また副走査断面内には、図９（ｂ）に示すように平面でなく凸状の円筒面２にビームを照射するため、主走査断面内と同様に平行ビームを入射すると、円筒面２に対して照射エリア内で入射角が一定にならなくなる。
【００６７】
このため、円筒面２には、収束ビーム１ａをビームウエスト位置より手前の位置において入射することで、円筒面２に対する入射角を一定になるようにし、粗面の状態による回折光の変化の感度を高めることができる。
【００６８】
次にこの理由の詳細を説明する。
【００６９】
図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように本実施例は、ビーム１ａの波長をλ、副走査断面内の像面側のビームウエスト直径をＤＳ、副走査断面内のビーム主光線１ｃと円筒面２との交点Ａから副走査断面内のビームウエスト位置ｃまでのシフト量（距離）をＬとする。副走査断面内の光の照射領域の長さをｄ、円筒面２の半径をＲ、円筒面２の法線２ｃに対する副走査断面内のビーム主光線の入射角をθｉとする。このとき、
ＤＳ  ＝  ４λＲ／（πｄ）        ‥‥‥（１）
Ｌ  ＝  Ｒ・ｃｏｓ（ｄ／４Ｒ−θｉ）／ｃｏｓ（ｄ／４Ｒ）      ‥‥‥（２）
を満たしている。
【００７０】
但し、直径ＤＳ、ｄは、いずれもビーム光強度分布のピークに対する相対強度が１／ｅ２であるような直径であり、シフト量Ｌはビームの進行方向を正とする。
【００７１】
図１０に示すように副走査断面内に対しても、主走査断面内と同様に円筒面２に平行ビーム１ａを入射する。このとき、被走査面は円筒面２であるため、一定以上の太さのビームを斜めから入射すると、ビーム照射領域内の位置１０１〜１０３によって入射角θiが異なり、反射光も大きく拡散されてしまう。
【００７２】
ビームの入射角も、粗面状態の変化に対する回折分布の変化が大きい角度を選んで設定することが必要である。しかしながら、ビームの光軸（主光線）が最適な入射角θｉを満たしていても、ビーム全体では入射角θｉから外れている成分が多く、必要な感度が得られない。
【００７３】
これに対し、本実施例では上記の条件式（１）、（２）を満たしている。これにより、副走査断面（入射面）内を入射面としたとき、円筒面２上の照射域では、常にビーム１ａの波面法線と円筒面２の法線２ｃの角度を一定とすることができ、ビーム内での入射角を一定とすることができる。
【００７４】
図１１に示すように、円筒面２上での副走査面断面内の照射領域サイズをｄ（１／ｅ２強度）としたとき、円筒面２の軸（断面の円の中心）２ｄから直径ｄを見込む角度Θは、
Θ  ＝  ｄ／Ｒ
である。照射域のどの位置に対しても入射角が一定になるためには、ビームの広がり角（１／ｅ２強度）も角度Θである必要がある。このため、副走査断面内のビームウエスト径ＤＳは、一義的に
ＤＳ  ＝２・λ／｛π・（Θ／２）｝＝２・λ／｛π・（ｄ／Ｒ／２）｝
＝４λＲ／（πｄ）                          ・・・・・（１）
となる。
【００７５】
また、円筒面２上での照射領域をｄとしたい場合、ビーム進行方向へのデフォーカス量をＬ、ビーム入射角をθｉとすると、図１１（ｃ）の△ＯＡＢにおいて、∠ＡＯＢ＝Θ／２、∠ＯＡＢ＝（π−Θ／２）／２、ＯＢ＝Ｒより、
ＡＢ／ｓｉｎ（Θ／２）＝  Ｒ／ｓｉｎ｛（π−Θ／２）／２｝
ＡＢ  ＝  Ｒ・ｓｉｎ（Θ／２）／ｃｏｓ（Θ／４）
△ＡＢＣにおいて、ＡＣ＝Ｌ、∠ＡＣＢ＝Θ／２、また
∠ＡＢＣ  ＝  π  −  （∠ＡＣＢ  ＋  ∠ＣＡＢ）
＝  π  −  ｛Θ／２＋（π−Θ／２）／２−θｉ｝
＝  π／２  −  Θ／４  ＋  θｉ
より、
Ｌ／ｓｉｎ（π／２−Θ／４＋θｉ）
＝｛Ｒ・ｓｉｎ（Θ／２）／ｃｏｓ（Θ／４）｝／ｓｉｎ（Θ／２）
Ｌ  ＝  ｛Ｒ・ｓｉｎ（Θ／２）／ｃｏｓ（Θ／４）｝／ｓｉｎ（Θ／２）
・ｓｉｎ（π／２−Θ／４＋θｉ）
＝  Ｒ・ｃｏｓ（Θ／４−θｉ）／ｃｏｓ（Θ／４）
＝  Ｒ・ｃｏｓ（ｄ／４Ｒ−θｉ）／ｃｏｓ（ｄ／４Ｒ）
・・・・・（２）
となる。
【００７６】
よって、所望の副走査断面内のビーム入射角がθｉであるとき、副走査断面内のビームウエスト径を上記ＤＳになるように光学系を設定する。また、被走査面をそのビームウエスト位置よりも上記距離Ｌだけ光学系側にシフトして配置することで、円筒面２に所望の照射サイズで、波面法線が円筒面２に対して一定とすることができる。
【００７７】
尚、入射角θｉは、表面粗さが変化したときの回折光分布の相対変化Ｋ（θ）が最も大きくなる角度を設定する。
【００７８】
本実施例は、被走査面である円筒面２の母線位置は、結像光学系４の主走査断面内での光学的像面位置よりも偏向器３側にシフトして設置されており、副走査断面内については、偏向面３ｂと該円筒面２の母線とが光学的に共役に設定されている。
【００７９】
主走査断面でテレセントリックな結像光学系とするとき、各画角の光線の光軸平行度、像面での光学諸性能を所望のレベルに抑えたいとき、画角はあまり大きく出来ない。この場合には焦点距離が長くなるため、全体の光学系が大きくなることが予想される。
【００８０】
ビームウエストを結像光学系の前側焦点位置に配置した場合、像側のビームウエスト位置は、後側焦点位置となる。ただし、本実施例のように像側ウエストビーム径が０．８ｍｍ程度の場合は殆ど平行ビームであるため、必ずしも被走査面２を光学的な像面位置（ビームウエスト位置）に設置する必要がない。像面位置から外れていても主走査断面内のビーム径はほぼ同等であり、画角による主走査断面内のビーム径の一様性、ビームの走査等速性も同等である。
【００８１】
従って、図１２に示すように全体の光学長を短くするため、被走査面２は光学上の像面位置よりも偏向器３側にシフトして配置し、副走査断面内に関しては、この被走査面２の位置を像面として、偏向面３と光学的に共役になるように設定する。
【００８２】
結像光学系４が主走査断面内のパワーと副走査断面内のパワーを同一の面で兼用する場合には、副走査断面内の光学系が自ずと縮小系となる。
【００８３】
円筒部材２ａの半径が１０〜２０ｍｍであると、副走査断面内の像側ビームウエスト径は１３〜２６μｍ（波長が６３３ｎｍの場合）と細くなり、偏向器３側（物点側）の副走査断面内のビームウエスト径は、これよりも大きくできる。このため、偏向面３ｂで受ける影響も小さくできる。
【００８４】
本実施例において、検出器６は複数の光ファイバが主走査断面と平行に並ぶように設置され、各々の光入射端部は回折光の一部を受光するように被走査面である円筒面２に向けられ、また光出射端は光学的に光電変換手段に結合されている。
【００８５】
図１３（Ａ）は円筒面２の母線方向に検査対象範囲よりも長い開口を持つ検出器６であり、その入射端面を円筒面２に向けた複数の光ファイバ２１が、円筒面２の母線と平行に並ぶように設置されている。
【００８６】
これにより、走査域のどの点にビームが照射された場合でも、その点からの回折光の一部を同じ条件で取り込むことが可能となる。副走査断面内にはファイバ２１の開口数にあたる範囲で取り込まれ、主走査断面内には回折光の全分布が入射する。
【００８７】
但し、光ファイバは受光角の範囲内で入射した光のみがファイバを伝播し、受光角の範囲外の大きな入射角で入射した光はファイバ内を伝播することなく内部拡散する。従って、図１３（Ｂ）に示すように主走査断面内に関しても開口数は制限されていることになり、回折光の分布の一部を測定することになる。
【００８８】
各光ファイバに入射、伝播した光は、それらの光出射端で光学的に結合されたフォトダイオードなどの光電変換素子へ導かれ、電気信号に変換、増幅される。そして、被検査面２上の所望のドット間隔をビームが走査する時間に応じたクロック信号に応じて記録手段７に取り込まれる。
【００８９】
結果として、図１４に示すように円筒面２の状態が回折光の強度分布の２次元画像として得られ、それに対して局所的な相対変化量を計算し、所定の量を越えた部分がある場合には、異常部として判定される。
【００９０】
本実施例においては、図１５（Ａ）、（Ｂ）に示すように検出器６の開口の前に、マイクロレンズアレイ２３もしくはシリンドリカルレンズ２２等の集光部材を設置しても良い。
【００９１】
測定感度やＳ／Ｎを向上させるために、取り込む開口数を大きくしたいときは、回折光の一部をレンズで集光する必要がある。副走査断面内の開口数を確保したいときは、副走査断面内にパワーを持つシリンドリカルレンズを設置し、ファイバへの結合効率をより確保したい場合には、各々のファイバの光入射端部に光学的に結合されたマイクロレンズアレイを設置するのが良い。
【００９２】
本実施例において、結像光学系４は実際には図２に示すように２つのレンズ４ａ、４ｂより成っている。図２では偏向器３で反射偏向された光が円筒面２上を矢印の方向（主走査方向）に走査する様子を示している。２ａは円筒面２上の照射点（照射領域）である。
【００９３】
次に本実施例の具体的な数値例を示す。
【００９４】
円筒面２の半径：Ｒ＝20ｍｍ
円筒面２に照射される光の主走査方向の径：φ0.8ｍｍ（相対強度13.5％）
円筒面２に照射される光の副走査方向の径：ｄ＝0.6ｍｍ（相対強度13.5％）
円筒面２への光の入射角：θｉ＝60°
検出器６の測定角（受光角）：θＳ＝15°
結像光学系４の片側の走査画角： 20°
結像光学系４の焦点距離：ｆ＝286.48ｍｍ
ＤＳ、Ｌは式（１）、（２）により、
副走査方向（像側）のビームウエスト直径：ＤＳ  ＝  4・633×10−6・20／（3.14・0.6）＝  26.9μｍ
副走査デフォーカス量：Ｌ ＝ 20・cos｛0.6／(4・20)−π／3｝／cos（0.6／(4・20)）＝  10.13ｍｍ
となる。
【００９５】
次に結像光学系４の数値実施例を示す。数値実施例において、ｉは偏向器３からの面の順番を示し、ｒｉは第ｉ番目（第ｉ面）の曲率半径、ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の間隔、ｎｄｉ、νｄｉはそれぞれｄ線を基準とした屈折率、アッベ数を示す。
【００９６】
このときのレンズデータを以下に示す。
【００９７】
面    曲率半径（主走査）    厚み      ｄ線屈折率    アッベ数
ｉ          ｒｉ             ｄｉ       ｎｄｉ      νｄｉ
1        -197.5937         11.3436     1.805181      25.4
2        -127.8919        193.7977
3       -1335.3605         31.6586     1.516798      64.2
4        -199.9235        150.0000
このときの光学特性は
【００９８】
【表１】
2008134128.tif 000003
【００９９】
となる。
【０１００】
この系で測定した結果を２次元画像化したデータを図１４に示す。これにより、肉眼で観察、あるいは撮像手段で撮影した場合には非常に視認が難しい微妙な表面粗さの差異に対しても、異常部を感度良く検出することができる。
【０１０１】
以上のように、本実施例によれば一定以上の面積の粗面について、僅かなの状態の変化を高速に感度良く、高精度で検出できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の実施例１に関する原理説明図
【図２】本発明の実施例１の一部分の具体例の説明図
【図３】検査対象の粗面への入射光の概念図
【図４ａ】微小ビーム照射時の回折像の説明図
【図４ｂ】適切な太さのビーム照射時の回折像の説明図
【図５】テレセントリックな結像光学系による被走査面上への光照射の概念図
【図６】図１の副走査断面内の概念図
【図７】検出器の検出開口に関する説明図
【図８】粗面状態が変化したときの回折像の変化の説明図
【図９】図１の主走査断面内と副走査断面内の説明図
【図１０】円筒面の副走査断面内の光の入射角の説明図
【図１１】円筒面付近の、副走査断面内の説明図
【図１２】副走査断面内の結像光学系の説明図
【図１３ａ】光ファイバ検出系の説明図
【図１３ｂ】光ファイバ検出系の説明図
【図１４】表面粗さの検出結果・判定の説明図
【図１５】検出系に設定されるレンズの概念図
【図１６】本発明の実施例１のフローチャート
【符号の説明】
【０１０３】
１・・・レーザ光源
２・・・円筒粗面
３・・・偏向器
４・・・結像光学系
５・・・回折光
６・・・検出器
７・・・シリンドリカルレンズ
８・・・マイクロレンズアレイ
７・・・記録手段
８・・・演算手段
９・・・同期検出器
【図１６】
2008134128.tif 000004
【図１】
2008134128.tif 000005
【図２】
2008134128.tif 000006
【図３】
2008134128.tif 000007
【図４ａ】
2008134128.tif 000008
【図４ｂ】
2008134128.tif 000009
【図５】
2008134128.tif 000010
【図６】
2008134128.tif 000011
【図７】
2008134128.tif 000012
【図８】
2008134128.tif 000013
【図９】
2008134128.tif 000014
【図１０】
2008134128.tif 000015
【図１１】
2008134128.tif 000016
【図１２】
2008134128.tif 000017
【図１３ａ】
2008134128.tif 000018
【図１３ｂ】
2008134128.tif 000019
【図１４】
2008134128.tif 000020
【図１５】
2008134128.tif 000021