(57)【要約】【課題】  検出処理時間の短縮化を図ることができる表面形状検出装置を提供することを目的とする。【解決手段】ダブプリズム１７を、その入出射面１７Ａ，１７Ｂの反転中心線Ｒが表面Ｐ上に形成される線形像Ｉ１に対して光軸ＬＣに沿った方向において４５°傾けるようにして配置する。入射面１７Ａを正面から見た場合、入射面１７Ａに仮想的に形成される光像Ｉ２は反転中心線Ｒに対して４５°の角度で傾いている。そうすると、出射面１７Ｂを入射面１７Ａ側からみたときの、この出射面１７Ｂに仮想的に形成される光像Ｉ３は入射面１７Ａに形成される光像Ｉ２に対して９０°回転する。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光手段からの光を検出対象物の検出面上に線状に照射し、前記検出面からの反射光を２次元撮像素子にて受光して反射光像を形成し、前記２次元撮像素子の各画素を前記検出面に形成される線形像と平行方向に走査することでこれらの受光信号を出力し、これら受光信号に基づいて前記検出面の形状を検出する表面形状検出装置において、
前記反射光像と前記２次元撮像素子とを相対的に９０°回転させる像回転手段を備えたことを特徴とする表面形状検出装置。
【請求項２】
前記像回転手段は、反射部材から構成されており、その反射面を前記検出面からの反射光の光軸に対して所定の角度傾け、かつ、前記検出面上における線形像に対して４５°傾けるようにして配置したことを特徴とする請求項１に記載の表面形状検出装置。
【請求項３】
前記像回転手段を、ダブプリズム（ＤｏｖｅＰｒｉｓｍ）により構成するとともに、これを前記検出対象物と前記２次元撮像素子との間に配し、入出射面の回転中心線と前記検出面上における線形像とを光軸に沿った方向に対して４５°傾けるようにして配置したことを特徴とする請求項１に記載の表面形状検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状検出装置に係り、特に、反射光像を回転させる構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面形状検出装置は、例えばスリット板を介して出射した光を検出対象物の表面に照射させ、その反射光を２次元撮像素子にて受光するようになっている。反射光により２次元撮像素子１１０上に形成される反射光像１２０は、検出対象物の表面が平坦であれば、上記スリットの開口形と同じ形状（例えば直線状）をなす。一方、検出対象物の表面が凸凹である場合には、その凸凹に応じた形状をなす。従って、２次元撮像素子１１０での反射光像１２０に基づいて検出対象物の表面形状を検出することができる。
具体的には、２次元撮像素子１１０の各画素からの受光信号を、上記反射光像１２０の長さ方向に沿った走査線Ｌ毎に読み込み、所定の閾値と比較し、この閾値以上のレベルの受光信号に基づいて各走査線Ｌ上における受光中心位置を検出する。そして、これら走査線Ｌ毎の受光中心位置から検出対象物のうち光を照射した部位の表面形状を検出でき、検出対象物と表面測定装置とを相対的に移動させつつ同様の表面形状検出を各部位について行うことで、検出対象物全体の表面形状を検出するようになっている（図１１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２８６４２５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、２次元撮像素子１１０の走査方向は製造段階で一儀的に決められており、上記構成では、１本の走査線上に閾値を越える受光量を有する画素が複数存在することとなる。そうすると、形状検出する際には、各画素からの受光信号を一旦メモリ等の記憶手段に記憶し、その後に形状検出の処理を行なうことが必要となるから、処理時間の遅延が懸念される。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、検出処理時間の短縮化を図ることができる表面形状検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、投光手段からの光を検出対象物の検出面上に線状に照射し、前記検出面からの反射光を２次元撮像素子にて受光して反射光像を形成し、前記２次元撮像素子の各画素を前記検出面に形成される線形像と平行方向に走査することでこれらの受光信号を出力し、これら受光信号に基づいて前記検出面の形状を検出する表面形状検出装置において、
前記反射光像と前記２次元撮像素子とを相対的に９０°回転させる像回転手段を備えたところに特徴を有する。
【０００５】
請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記像回転手段は、反射部材から構成されており、その反射面を前記検出面からの反射光の光軸に対して所定の角度傾け、かつ、前記検出面上における線形像に対して４５°傾けるようにして配置したところに特徴を有する。
【０００６】
請求項３の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記像回転手段を、ダブプリズム（ＤｏｖｅＰｒｉｓｍ）により構成するとともに、これを前記検出対象物と前記２次元撮像素子との間に配し、入出射面の回転中心線と前記検出面上における線形像とを光軸に沿った方向に対して４５°傾けるようにして配置したところに特徴を有する。
【発明の効果】
【０００７】
＜請求項１の発明＞
本発明では、反射光像を９０°回転させる像回転手段を設けたから、線形像を走査線に対して直交するように回転させることができ、結果として撮像素子の一走査線上において閾値を越える受光量となる画素は１画素となる。これにより、各走査線上において閾値を越える画素をプロットすることにより、検出面の形状が検出することができるから、処理時間の短縮化を図ることができる。
【０００８】
＜請求項２の発明＞
請求項２の発明では、像回転手段を反射部材で構成したことにより、装置内の構成を簡素化することができる。
【０００９】
＜請求項３の発明＞
請求項３の発明では、ダブプリズムにより像回転手段を構成しているから、従来の表面形状検出装置で構成されている光路において、検出対象物と撮像素子との間に介在させるだけで良い。これにより、光学設計を簡素化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１ないし図８を参照して説明する。
図１には、本実施形態に係る表面形状検出装置の全体構成図が示されている。符号１１はレーザ光源１１で、ここからレーザ光Ｒ１（平行光）が検出対象物Ｗの表面に向けて出射される。このレーザ光源１１の前方には、所定方向（本実施形態では図１の紙面奥行き方向）に長く延びた開口断面を有するスリット板１２が配されている。従って、検出対象物Ｗの表面に向けて、スリット板１２の開口形状に対応した板状のレーザ光Ｒ１が照射されることになる。なお、スリット板１２の開口部形状は長手方向の幅（検出対象物Ｗに照射されるレーザ光の横幅寸法）が約１０ｍｍ、短手方向の幅（検出対象物Ｗに照射されるレーザ光の厚さ寸法）は約２００μｍに設定されている。
【００１１】
レーザ光源１１からスリット板１２を介して検出対象物Ｗの表面Ｐ（検出面）に照射され当該検出対象物Ｗ表面で正反射した反射光（以下、「反射光Ｒ２」という）は、ビームエキスパンダ１６及びダブプリズム１７を通過して二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａにて受光される。
【００１２】
ここで、上記レーザ反射光Ｒ２が二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａ上に形成する反射光像ＲＩは、検出対象物Ｗの表面Ｐ（照射範囲）が平坦であれば、上記スリット板１２の開口形状に対応して一直線状をなす。一方、図２に示すように、検出対象物Ｗの表面Ｐに例えば凸部が形成されている場合には、この凸部形状に応じた凸状の反射光像ＲＩとなる。従って、二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａにおける反射光像ＲＩを捉えることで検出対象物Ｗの表面形状を検出することが可能となる。
【００１３】
ビームエキスパンダ１６は反射光Ｒ２のビーム幅を拡大するためのもので、例えば、発散レンズとコリメータレンズ部とから構成されている。表面Ｐを反射した反射光Ｒ２は発散レンズにより発散光とされ、この発散光がコリメータレンズにより再び平行光とされるとともに、表面Ｐにおける反射光Ｒ２のビーム幅よりも大きくされる。
【００１４】
ダブプリズム１７（Dove Prism）はイメージローテータ（像回転器）として機能するもので、入出射面１７Ａ，１７Ｂにおける有効開口面のうち上下方向の中間に位置する反転中心線Ｒを中心として反射面１７Ｃで光を反射させることにより像を反転させることができるようになっている。尚、このダブプリズム１７は平行光に対して上記機能を発揮するものである（図６参照）。
即ち、入射面１７Ａにおいて反転中心線Ｒよりも所定寸法だけ上側に入射した光は出射面１７Ｂにおいて、その反転中心線よりも所定寸法だけ下側にオフセットした位置から出射することとなる。
【００１５】
ＣＣＤ駆動回路１４は、制御部１５からの駆動信号に基づいて二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａの各画素からの受光信号を走査線Ｌ（Ｌ１〜ＬＮ）毎に順次読み取る。本実施形態では、走査線Ｌの方向（画素のスキャン方向）は、スリット板１２を通過したレーザ光の厚さ方向と平行な方向、換言すれば、スリット板１２の開口部の延長方向と平行な方向（反射光Ｒ２による撮像面１３Ａ上の反射光像ＲＩの長さ方向）に沿っている。図４では紙面左右方向が走査線Ｌの方向である。
【００１６】
本実施形態の構成は以上であり、続いてその検出動作について説明する。
制御部１５は、レーザ光源１１に起動信号を与えて発光させ、これに同期してＣＣＤ駆動回路１４を駆動させて二次元ＣＣＤ１３からの受光信号を１〜Ｎ本の各走査線Ｌ毎に読み込む。そして、各走査線Ｌ毎に受光中心位置を求める。
【００１７】
以下、具体的制御について図３を参照しつつ説明する。
制御部１５は、レーザ光源１１に起動信号を与え、これに同期して図３のフローチャートに示す制御を実行する。まず、ステップＳ１で走査線番号Ｋを初期値１に設定し、ステップＳ２で、ＣＣＤ駆動回路１４を駆動させて走査線Ｌ１（Ｋ＝１）内の画素での受光信号が連なってなる信号を受け、各画素での受光信号レベルと所定の閾値Ｄと比較する（図５参照）。
【００１８】
そうすると、図５に示すように、連続する画素群（連続画素群）が閾値Ｄを上回ることとなり、この連続画素群のうち最大受光量の画素を受光中心位置と判断する（ステップＳ３）。
以降、上記動作を１〜Ｎ番目までの走査線Ｌについて繰り返し、受光中心位置とされた画素群を元にして表面Ｐの形状を検出する。そして、検出対象物Ｗと表面測定装置とを相対的に移動させつつ同様の表面形状検出を各部位について行うことで、検出対象物Ｗ全体の表面形状を検出することができる（ステップＳ１，Ｓ４，Ｓ５）。
【００１９】
ところで、図６に示すダブプリズム１７は、その入出射面１７Ａ，１７Ｂの反転中心線Ｒが表面Ｐ上に形成される線形像Ｉ１（直線状の光像）に対して光軸ＬＣに沿った方向において４５°傾けられるようにして配置している（図７（Ａ）及び（Ｂ）参照）。
図７（Ａ）に示すように、入射面１７Ａを正面から見た場合、入射面１７Ａに仮想的に形成される光像Ｉ２は反転中心線Ｒに対して４５°の角度で傾いている。そうすると、出射面１７Ｂを入射面１７Ａ側からみたときの、この出射面１７Ｂに仮想的に形成される光像Ｉ３は入射面１７Ａに形成される光像Ｉ２に対して９０°回転する。
【００２０】
例えば、入射面１７Ａに形成される光像Ｉ２の長さ方向における中心軸Ｃが反転中心軸Ｒに対してθ＝４５°の角度傾いていたとする。この光像Ｉ２のうち、任意の点Ａ〜Ｆに注目すると、各点Ａ〜Ｆの入射位置（高さ位置）がそれぞれ異なっている。先に説明したように、このプリズム１７は反転中心線Ｒを中心として上下反転させるようになっているから、各点Ａ〜Ｆの出射面１７Ｂにおける高さ位置は反転中心線Ｒとの相対距離に応じて上下の位置が変換される（図８参照）。すると、図７（Ｃ）に示すように、光像Ｉ２の中心軸Ｃに対して光像Ｉ３の中心軸Ｃが９０°回転し、結果として９０°光像が回転する。
従って、ＣＣＤ１３に形成される反射光像ＲＩは入射面１７Ａに形成される光像Ｉ２に対して９０°回転した光像とされる。
【００２１】
本実施形態では、ダブプリズム１７を設けて反射光像を９０°回転させ、反射光像ＲＩを形成する長さ成分を走査線Ｌに対して直交するように反射光像ＲＩを形成することができる。これにより、ＣＣＤ１３の一走査線Ｌ上において受光中心位置となる画素は１画素となるから、各走査線Ｌ上において受光中心位置の画素をプロットすることにより、表面Ｐの形状を検出することができる。従って、すべての画素の受光量のデータをメモリに格納し、そのデータから表面Ｐの形状を検出するという従来の処理に比べて処理時間の短縮化を図ることができる。
また、ダブプリズム１７により反射光像ＲＩを回転させる構成としているから、従来の表面形状検出装置で構成されている光路において、検出対象物ＷとＣＣＤ１３との間に介在させるだけで良い。これにより、光学設計を簡素化することが可能となる。
さらには、ビームエキスパンダ１６を用いて反射光Ｒ２のビーム幅を拡大するようにしているから、反射光像ＲＩが拡大され、これによって受光中心位置となる画素をより正確に特定することができ、もって、分解能（検出精度）の向上を図ることができる。
尚、反射光像ＲＩを回転させる方法としては、上記方法以外に、例えばスリット１２を回転させたり、ＣＣＤ１３を回転させるようにしても良い。
【００２２】
＜実施形態２＞
本実施形態では、イメージローテータを全反射ミラー１８により構成し、その反射面を表面Ｐからの反射光の光軸ＬＣに対して所定の角度θ１傾け、かつ、表面Ｐ上における線形像Ｉ１に対してθ２＝４５°傾けるようにして配置している。
このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、装置内の構成を簡素化することができる（図９及び図１０参照）。
【００２３】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、スリット板を介して板状のレーザビームを出射することで、検出対象物表面に（直）線状に光を照射させる構成としたが、これに限らず、例えば、比較的細い光芒の光を検出対象物の表面に照射させつつ、その照射点を所定方向に移動させることで検出対象物表面に（直）線状に光を照射させる構成としても検出対象物の表面形状の検出が可能であり、本発明の適用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１に係る表面形状検出装置の全体図
【図２】表面形状検出装置の一部全体図
【図３】制御部の検出処理を示したフローチャート
【図４】ＣＣＤと反射光像を示した図
【図５】受光中心位置の検出方法を示した概略図
【図６】ダブプリズムの斜視図
【図７】ダブプリズムの入出射面と検出面とを示した図
【図８】ダブプリズムの側面図
【図９】実施形態２の表面形状検出装置を示した図
【図１０】反射ミラーと検出面との関係を示した図
【図１１】従来の表面形状検出装置の構成を示した図
【符号の説明】
【００２５】
１７…ダブプリズム
１７Ａ…入射面
１７Ｂ…出射面
１７Ｃ…反射面
Ｉ２，Ｉ３…光像
Ａ〜Ｆ…光像を構成する任意の点
Ｒ…反転中心線
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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