JP2003177012A - 表面形状測定方法及び表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 実装回路基板等に実装された電子部品などの
被測定物表面を光走査し、その反射光に基づいて被測定
物表面の形状を測定する表面形状測定装置において、検
査速度の高速化と測定精度の改善を図り測定全体のスル
ープットを向上させる。 【解決手段】 回転するポリゴンミラー５に、複数のレ
ーザ素子からレーザ光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３を入射し、ポ
リゴンミラー５が反射偏向するレーザ光Ｌを被測定物１
０の表面１１に光を走査する。被測定物１０を移動させ
ながら、被測定物１０の表面１１から反射する反射光Ｌ
ｒを受光領域が複数の独立した領域に分割された光検出
器１４で受光し、光検出器からの信号を基に被測定物１
０の表面１１の形状を算出する演算装置１６で構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は実装回路基板上に実
装された電子部品や、半導体チップ、半導体ウエーハ等
の被測定物の所定面に光を走査して、その被測定物の所
定面から反射した散乱反射光を検知し、被測定物の形状
不良や表面の欠陥等を測定・検査するための表面形状測
定方法及び表面形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１９（ａ）、（ｂ）は、実装回路基板
上に実装された電子部品の表面を検査する装置としてよ
く知られているレーザスキャン方式の表面検査装置を示
す。

【０００３】図１９（ａ）に示すように、この種の表面
検査装置は半導体レーザ素子３１から放射されたレーザ
光Ｌをコリメータレンズ３２により平行光に揃え、アナ
モフィックプリズム３４を用いてビーム形状を整形し、
ポリゴンミラー３５の外周面３５ａに入射する。ポリゴ
ンミラー３５は鏡面から成る外周面３５ａで構成される
８面体を有し、回転軸Ｐの回りを矢印方向Ｅ、すなわち
時計回りに、たとえば３，６００ｒｐｍの速度で回転す
る。レーザ光Ｌは回転軸Ｐに対し垂直方向からポリゴン
ミラー３５の外周面３５ａに入射する。外周面３５ａで
反射するレーザ光Ｌは、ポリゴンミラー３５の回転に沿
ってレーザ光Ｌ１〜Ｌ２の範囲で偏向される。偏向され
たレーザ光Ｌ１〜Ｌ２は複数個（図では３枚の場合を例
示）のレンズ３７、３８及び３９から成る光走査用ｆθ
レンズ系３６によって偏向及び集光され、被測定物４０
の表面４１に向かって光を走査する。

【０００４】図１９（ｂ）は図１９（ａ）を矢印Ｄの方
向から見た図である。図１９（ｂ）で示すようにポリゴ
ンミラー３５で反射偏向したレーザ光Ｌ１〜Ｌ２は、光
走査用ｆθレンズ系３６を通り被測定物４０の表面４１
に向かって光を走査する。この光走査によって被測定物
４０の表面４１で反射した散乱反射光Ｌｒは、レーザ光
Ｌ１〜Ｌ２の光軸を挟んだ対称位置に配置した一対の集
光レンズ４３でそれぞれ集光され、さらに一対の光検出
器４４の受光面４５にそれぞれ入射する。光検出器４４
は受光した光の大きさや強さに応じた電気信号を演算装
置４６に出力する。被測定物４０を矢印Ａの方向に移動
させながら前記光走査を繰り返すことにより、被測定物
４０の表面４１に生じた凹凸の状態を検知し、その凹凸
を示した電気信号を得る。

【０００５】集光レンズ４３及び光検出器４４をレーザ
光Ｌ１〜Ｌ２の光軸を挟んだ両側の対称位置にそれぞれ
配置すれば、被測定物４０の表面４１の部品４２の段差
で散乱反射光Ｌｒが遮られ、一方の光検出器４４に散乱
反射光Ｌｒが入射されなくとも、他方の光検出器４４で
検出することができる。

【０００６】図２０は被測定物４０の表面４１に部品４
２が実装されている状態を示す。ポリゴンミラー３５で
レーザ光Ｌ１〜Ｌ２を反射偏光して光を走査すると、被
測定物４０の表面４１には部品４２の凹凸に対応した走
査光４９が集光する。走査光４９は被測定物４０の表面
４１でＬｒ１〜Ｌｒ２の巾を持って反射する。反射散乱
光Ｌｒ１〜Ｌｒ２は集光レンズ４３及び４８で集光さ
れ、光検出器４４の受光面４５に入射して入射散乱光４
７として集光する。したがって入射散乱光４７は被測定
物４０の表面４１に実装された部品４２の凹凸に応じた
形を示す。光検出器４４は、入射散乱光４７を光電変換
するとともに、受光面４５における入射散乱光４７の光
照射位置に対応した電気信号を演算装置４６に出力す
る。演算装置４６は、光検出器４４から入力された電気
信号に基づいて、被測定物４０の表面４１に実装された
部品４２の高さの位置を良く知られた三角測距法により
算出する。

【０００７】図２１は三角測距法によって、被測定物４
０を矢印Ａ方向に動かしながらその表面４１に向かって
光走査を繰り返し、部品４２の凹凸の高さ信号５０、５
１及び５２を求めたものを示す。

【０００８】なお、表面検査装置の他の例としては、た
とえば、特開平５−２８１１３０号公報や特開平６−３
１７５３４号公報に提案されており、これらは波長が異
なる第１、第２のレーザ光源を用いている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】実装回路基板等に実装
された電子部品などの被測定物表面の測定・検査のスル
ープットの向上を図るためには、測定・検査速度を高め
なければならない。しかし従来の測定・検査装置ではポ
リゴンミラーの高速回転化や受光センサーの高速化には
限界があった。

【００１０】さらに、測定・検査精度及びスループット
を向上させるには実装回路基板に実装された電子部品だ
けではなく、実装回路基板に実装される前の電子部品単
体での形状、たとえば半導体素子の外部端子の形状やそ
の歪みの状態を測定・検査しておくことが効果的であ
る。

【００１１】又、比較的小さな部品と比較的大きな部品
とが実装回路基板に混載されると、実装回路基板の表面
には大小の部品によって高低差が生じる。こうした高低
差は測定のスループットを低下させる。なぜならば、被
測定面側に高低差が生じると大きさ、形状の異なる被測
定物に応じて光走査手段等を再調整、再設定しなければ
ならないからである。

【００１２】そこで本発明は測定精度及び測定速度の高
速化を図って、スループットを大幅に改善することがで
きる表面形状測定方法及び表面形状測定装置を提供する
ことを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の形状測定方法は、ポリゴンミラーを介して
被測定物に複数のレーザ光を走査線が連続するように走
査させる工程と、この被測定物からの反射光を受光して
被測定物の表面形状を算出する工程とを有するものであ
る。複数のレーザ素子を用いることにより、光走査を高
速化するとともに、複数の走査線が連続した走査線を形
成し、精度の高い形状測定を可能にするものである。

【００１４】さらに本発明の形状測定方法は、ポリゴン
ミラーの回転に同期して複数のレーザ素子の照射を制御
するものである。この構成により、被検査物からの反射
光を光検出器が受光する際に、不要な部分からの反射光
を抑制し、また、大きさの異なる被測定物の形状を測定
する場合、被測定物の大きさに応じて複数のレーザ素子
の発振を切替えることにより、高速で精度の良い形状測
定が可能になるものである。

【００１５】また、本発明の形状測定装置は、複数のレ
ーザ素子からの放射レーザ光を、ポリゴンミラーの回転
軸に直交する面で互いの光軸が所定の角度を有するよう
配して、前記ポリゴンミラーにより反射偏向し、光走査
用ｆθレンズ系を通して被測定物の表面に所定の時間差
をもたせて光走査する。そして被測定物を光走査用ｆθ
レンズ系に対し相対移動させながら前記複数のレーザ光
により光走査し、被測定物表面から反射する複数のレー
ザ光を、レーザ素子の数量に応じて分割された光検出器
により、それぞれ分離して検出する。これにより、被測
定物の表面には、常に所定の時間で複数のレーザ光が光
走査することになり、被測定物の送り速度を高速にする
ことが可能になり、測定速度を改善するものである。

【００１６】さらに本発明は、外周面がＮ面体を成すポ
リゴンミラーと、前記ポリゴンミラーの外周面にレーザ
光を入射する複数のレーザ素子と、前記ポリゴンミラー
が反射偏向するレーザ光を被測定物の所定面に光走査す
る光走査手段とを備え、前記光走査手段は焦点距離ｆｍ
ｍを有する光走査用ｆθレンズ系を含み、前記Ｎ面体の
外周面の１辺の長さをＫ、前記外周面の１辺の長さＫに
おける測定有効領域をＨ、前記被測定物の表面に光走査
するレーザ光の間隔をｙ、円周率をπとすると、前記複
数のレーザ素子の相隣接するレーザ光同士が成す光軸の
角度α１を、レーザ光の走査方向に（数４）の値に配設
し、かつ、前記レーザ光同士の光軸の間の角度α２を前
記被測定物と前記光走査手段が相対的に移動する方向
に、（数５）の値に配設する形状測定装置である。

【００１７】

【数４】

【００１８】ただし、Ｒ＝Ｈ／Ｋ、０．６≦Ｒ≦１であ
る。

【００１９】

【数５】

【００２０】ただし、Ｒ＝Ｈ／Ｋ、０．６≦Ｒ≦１であ
る。

【００２１】これによって、複数のレーザ光で安定で連
続した走査が可能となる。

【００２２】加えて本発明は、外周面がＮ面体を成すポ
リゴンミラーと、前記ポリゴンミラーの外周面にレーザ
光を入射する複数のレーザ素子と、前記ポリゴンミラー
が反射偏向するレーザ光を被測定物の所定面に光走査す
る光走査手段とを備え、前記光走査手段は焦点距離ｆｍ
ｍを有する光走査用ｆθレンズ系を含み、前記Ｎ面体の
外周面の１辺の長さＫに対する測定有効領域Ｈの割合を
Ｒ＝Ｈ／Ｋ、前記被測定物に光走査するレーザ光の間隔
をｙとすると、前記複数のレーザ素子の相隣接するレー
ザ光同士が成す光軸の角度を３６０／Ｎ（度）に配設
し、前記複数のレーザ素子の相隣接するレーザ光同士が
成す光軸のα３を前記被測定物と前記光走査手段が相対
的に移動する方向に（数６）の値だけ互いに逆方向に傾
けて配設する形状測定装置である。これによって、複数
のレーザ光で安定で連続した走査が可能となる。

【００２３】

【数６】

【００２４】ただし、Ｒ＝Ｈ／Ｋ、０．６≦Ｒ≦１であ
る。

【００２５】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）本発明の実施の
形態について、図１から図７を用いて説明する。図１は
本実施の形態に係り、レーザ光を被測定物の所定面、た
とえばその表面にレーザ光を照射して形状を測定する形
状測定装置を示す。

【００２６】本実施の形態は３個のレーザ素子１、２及
び３を用意する。測定精度を高めるにはレーザ素子が放
射するレーザ光の波長は１μｍ以下が好ましく、たとえ
ば、これら３つの波長は同一波長の７８０ｎｍに設定す
る。レーザ素子１から放射するレーザ光Ｌ１はコリメー
タレンズ４を通過して、アナモフィックプリズム（図示
せず）に入射する。アナモフィックプリズムを経てビー
ム形状を整形し、ポリゴンミラー５の外周面５ａに入射
する。

【００２７】ポリゴンミラー５の外周面５ａはたとえば
８つの鏡面から成り、その外周面５ａは、回転軸Ｐの回
りを矢印Ｅの方向、すなわち時計回り方向にたとえば、
３，６００ｒｐｍの速度で回転する。レーザ光Ｌ１はポ
リゴンミラー５の外周面５ａに入射する。これによっ
て、ポリゴンミラー５で反射するレーザ光Ｌ１は、ポリ
ゴンミラー５の回転に沿って光路ＬａからＬｂ、Ｌｃの
方向に偏向される。ここでＬａ、Ｌｂ及びＬｃはポリゴ
ンミラー５で反射する反射光が、それぞれ光走査用ｆθ
レンズ系６の入側端、中央及び出側端に入射するときの
光路を示す。

【００２８】偏向されたレーザ光Ｌ１は同軸配置された
複数枚（図では３枚の場合を例示）のレンズ７、８及び
９からなる光走査用ｆθレンズ系６によって偏向及び集
光された後、被測定物１０の表面１１をその一辺の所定
方向(矢印Ｘの方向)に光走査する。

【００２９】レーザ素子２及び３が放射するそれぞれの
レーザ光Ｌ２、Ｌ３は、レーザ光Ｌ１と同様にポリゴン
ミラー５及び光走査用ｆθレンズ系６を通り、被測定物
１０の表面１１を光走査する。レーザ素子１、２及び３
がそれぞれ放射するレーザ光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３の波長
は前に述べたようにたとえば７８０ｎｍの同一波長であ
るが、レーザ素子Ｌ１〜Ｌ３はそれぞれ異なる波長であ
ってもよい。その場合は光走査用ｆθレンズ系６として
は波長の違いによる収差を補正する色収差補正レンズを
使用する。

【００３０】被測定物１０は、形状や大きさが異なる各
種の電子部品、たとえば抵抗、コンデンサ、コイル、半
導体素子及び集積回路等が実装された実装回路基板であ
ったり、或いは個々の電子部品であったりする。また、
被測定物１０が実装回路基板である場合、実際の測定に
供されるのはそこに実装された電子部品であるが、本書
においては実装回路基板を含む全体を被測定物と称す
る。又、電子部品単体を測定する場合、その電子部品の
測定を容易かつ安定に行うためにプリント板に固定、装
着することもある。この場合には電子部品とプリント板
とが一体化された状態を被測定物と称する。又、電子部
品等が固定しやすく位置が安定しているものはそのまま
の状態で本発明の形状測定装置に供することができる。
この場合には電子部品そのものが被測定物である。又、
電子部品の中には半導体チップ、半導体ウエーハも含ま
れる。本発明の形状測定装置はたとえば、半導体ウエー
ハの表面の凹凸を測定するのにも好適である。

【００３１】図１は上記で定義された被測定物１０の形
状やその所定面に生じた凹凸１２の大きさを測定するた
めに、ポリゴンミラー５を回転させながら被測定物１０
を今、紙面の手前から奥に向かう方向（Ｙで示す方向）
に連続的に移動する状態を示す。ポリゴンミラー５の回
転速度を速くしかつ、移動距離ｙを小さく設定すれば被
測定物１０の測定精度は向上する。しかし、測定時間が
長くなることを是認しなければならない。移動距離ｙの
大きさは被測定物１０の大きさにもよるが、数十μｍが
妥当である。本実施の形態においてはポリゴンミラー５
の回転速度を３，６００ｒｐｍ、被測定物１０の移動速
度を３８．４ｍｍ／秒、移動距離ｙを４０μｍに設定し
た。

【００３２】図２は回転するポリゴンミラー５とレーザ
光との位置関係をごく簡単に示したものである。図２
（ａ）に示すように、ポリゴンミラー５の外周面５ａを
８面備え、回転軸Ｐを中心に矢印Ｅ方向、すなわち時計
回りに回転する。ポリゴンミラー５の回転は面Ａ、Ｂ及
びＣで示したように２等辺三角形がこの順序で回転して
いる状態と見なせる。又、面Ａ〜Ｃは８つの外周面５ａ
の内の１つの外周面５ａの回転軌跡を示している。

【００３３】面Ａは２等辺三角形Ｑ１の一辺とレーザ光
の放射方向Ｆとが一致したときを示す。２等辺三角形Ｑ
１の頂角θ１はポリゴンミラー５が８面体であるから４
５度になる。

【００３４】ポリゴンミラー５が面Ｂに置かれたとき、
外周面５ａ（２等辺三角形Ｑ１の底辺）に直交する方向
Ｆから図示しないレーザ光を放射すると、レーザ光は外
周面５ａのほぼ中心部にあたる。すなわち、面Ｂは外周
面５ａの底辺側のほぼ中心にレーザ光の放射方向Ｆとが
一致しているときを示す。このとき、２等辺三角形Ｑ１
の底辺と外周面５ａの一辺とが重なった状態であり、面
Ａに比べて時計回りに２２．５度遅れた位置に置かれて
いる。

【００３５】面Ｃは、面Ｂからさらに２２．５度時計回
りに回転した状態を示す。このときは、レーザ光の放射
方向Ｆと２等辺三角形Ｑ１の他の一辺とが一致したとき
である。面Ａ〜Ｃまでに要する回転角度は４５度であ
る。

【００３６】図２（ｂ）は図２（ａ）の状態を簡略に示
している。レーザ光の任意の方向Ｆと直交する面Ｂを中
心にして、反時計回りに２２．５度の位置に置かれた面
Ａ、時計回りの２２．５度の位置に置かれた面Ｃに向か
って後述するレーザ光が放射される状態を示す。すなわ
ち、ポリゴンミラー５の１つの外周面５ａで受容できる
レーザ光の範囲は４５度の大きさであり、この大きさは
ポリゴンミラーをＮ面体とすれば、３６０／Ｎ（度）の
大きさに等しい。

【００３７】図３はレーザ光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３がポリ
ゴンミラー５及び光走査用ｆθレンズ系６を経て、被測
定物１０の表面１１に光を走査する状態を示す。ポリゴ
ンミラー５の外周面５ａが面Ａの位置に置かれたとき、
レーザ素子２からのレーザ光Ｌ２はポリゴンミラー５の
外周面５ａで反射し、光路Ｌａを通り光走査用ｆθレン
ズ系６の入側端に入射する。ポリゴンミラー５の外周面
５ａが面Ｃの位置に置かれたときは、レーザ光Ｌ２は光
路Ｌｃを通り光走査用ｆθレンズ系６の出側端に入射す
るよう光走査用ｆθレンズ系６を配設する。したがって
外周面５ａが面Ｂの位置では、レーザ光Ｌ２は光走査用
ｆθレンズ系６の中央に入射する光路Ｌｂを通る。

【００３８】ポリゴンミラー５の外周面５ａが面Ａの位
置に置かれたとき、レーザ光Ｌ１は面Ａで反射し、光路
Ｌｂを通り被測定物１０の中央の点Ｂ１（Ｘ２，Ｙ１）
を照射する。同様にレーザ光Ｌ２は面Ａで反射し、光路
Ｌａを通り被測定物１０の右端の点Ａ１（Ｘ１，Ｙ１）
をそれぞれ照射する。ここでＸ１、Ｙ１は被測定物１０
表面のＸ方向及びＹ方向の位置を示す。レーザ光Ｌ３は
面Ａに対する入射角が大きすぎて光走査用ｆθレンズ系
６とは反対側に反射され、被測定物１０の表面上には現
れない。

【００３９】ポリゴンミラー５が回転し外周面５ａが面
Ｂの位置に置かれると、レーザ光Ｌ１は光路Ｌｃを通り
被測定物の１０の左端Ｘ３上を、レーザー光Ｌ２は光路
Ｌｂを通り被測定物１０の中央Ｘ２上を、又、レーザ光
Ｌ３は光路Ｌａを通り被測定物１０の右端Ｘ１上をそれ
ぞれ照射する。このとき、被測定物１０をＹ方向に距離
ｙだけ移動させるとレーザ光Ｌ１は点Ｃ２（Ｘ３，Ｙ
２）を、レーザ光Ｌ２は点Ｂ２（Ｘ２，Ｙ２）を、レー
ザ光Ｌ３は点Ａ２（Ｘ１，Ｙ２）をそれぞれ照射する。
したがってレーザ光Ｌ１はポリゴンミラー５が回転し、
面Ａから面Ｂの状態に移る間に点Ｂ１と点Ｃ２を結ぶ直
線上を走査し、レーザ光Ｌ２は点Ａ１と点Ｂ２を結ぶ直
線上を走査する。

【００４０】ポリゴンミラー５が面Ｂから面Ｃまで回転
する間はレーザー光Ｌ１は被測定物１０上には現れな
い。ポリゴンミラー５が回転し外周面５ａが面Ｃの状態
に置かれると、レーザ光Ｌ２は光路Ｌｃを通り、被測定
物１０の左端の点Ｃ３（Ｘ３，Ｙ３）を照射する。又、
レーザ光Ｌ３は光路Ｌｂを通り、被測定物１０の中央の
点Ｂ３（Ｘ２，Ｙ３）を照射する。したがって、ポリゴ
ンミラー５の外周面５ａが面Ｂから面Ｃまで回転する間
に、レーザ光Ｌ２は点Ｂ２から点Ｃ３まで，レーザ光Ｌ
３は点Ａ２から点Ｂ３までそれぞれ光を走査する。面Ｃ
の直後は再び面Ａの状態に戻る。

【００４１】上記の説明を要約すると次ぎの通りであ
る。すなわち、レーザ光Ｌ１は被測定物１０の表面１１
を点Ｂ１と点Ｃ２を結ぶ光走査６５上を光走査し、レー
ザ光Ｌ２は点Ａ１、点Ｂ２及び点Ｃ３を結ぶ光走査６６
を描く。同様にレーザ光Ｌ３は点Ａ２と点Ｂ３を結ぶ光
走査６７を行う。

【００４２】外周面５ａの隣りの外周面５ａが現れると
再び面Ａの状態に戻り、前記の光走査が繰り返される。
すなわち次ぎの外周面５ａが現れると、レーザ光Ｌ１は
点Ｂ３とＣ４とを結ぶ光走査を行う。レーザ光Ｌ１の光
走査によって、光走査６７と光走査６８は連続した１本
の走査線を描く。レーザ光Ｌ２は光走査６９を行い、レ
ーザＬ３は光走査７０を行う。

【００４３】以上の走査を繰り返すことにより、複数の
レーザ光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３はたとえば４０μｍの間隔
をもって被測定物１０の表面１１の一方の長さＷの間を
連続して光を走査する。その結果、従来の１個のレーザ
素子を使用する場合に比べ、被測定物１０の移動を高速
に移動することができる。

【００４４】又、実施の形態１では、図３に示すように
ポリゴンミラー５の外周面５ａの面Ｂとほぼ平行にレー
ザ光Ｌ１の光軸を配置したので、レーザ光Ｌ１が光走査
する被測定物１０の表面１１のＸ３付近の領域Ｓ１及び
レーザ光Ｌ３が光走査する被測定物１０の表面１１のＸ
１付近の領域Ｓ２は不安定に置かれる。したがって、被
測定物１０の一辺の長さをレーザ光の照射可能な長さＷ
からこれらの不安定領域（Ｓ１＋Ｓ２）を除いた長さＷ
１以下に設定するならば測定精度を高めることができ
る。又、測定精度を高める他の方法としては光走査の不
安定部分を除くために、光走査用ｆθレンズ系６の巾Ｚ
を小さくしてもよい。

【００４５】図４ないし図７は、被測定物１０の表面１
１からの反射光を検出し、被測定物１０の形状や所定面
における凹凸の大きさを求める方法を示す。図４は図１
を矢印Ｄの方向から見た本実施例の構成を示す概略図で
ある。

【００４６】レーザ素子１、２及び３からのそれぞれの
放射光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３（まとめてＬと表示）は、ポ
リゴンミラー５の外周面５ａで反射偏向され光走査用ｆ
θレンズ系６を通り、被測定物１０の表面１１を光走査
する。この光走査によって被測定物１０の表面１１で反
射した散乱反射光Ｌｒは、レーザ光Ｌの光軸を挟んだ両
側の対称な位置に配置した一対の集光レンズ１３で集光
され後、さらに一対の光検出器１４に入射する。一対の
光検出器１４はそれぞれ散乱反射光Ｌｒの走査方向に対
して受光領域がそれぞれに独立した３つの受光領域１４
ａ、１４ｂ及び１４ｃに分割されており、それぞれの領
域が受光した光の大きさに応じて電気信号を演算装置１
６ａ、１６ｂ及び１６ｃに出力する。

【００４７】演算装置１６ａ、１６ｂ及び１６ｃは前記
電気信号を受取ると、その大きさに応じて、被測定物１
０の表面１１の凹凸を表す高さ信号に変換し表示装置１
５に出力する。このとき、光検出器１４の受光領域を分
割しておくと、被測定物１０の表面１１を所定の間隔を
持って光走査する複数の走査光からの散乱反射光を、そ
れぞれ分離して検出することができる。被測定物１０を
矢印Ｙの方向に移動させながら前記光走査を繰り返すこ
とにより、被測定物１０の表面１１の形状や凹凸の状態
を表す電気信号を得ることができる。

【００４８】又、一対の集光レンズ１３及び一対の光検
出器１４をレーザ光Ｌｒの光軸を挟んだ対称の位置に配
置したので、被測定物１０の表面１１の凹凸１２の段差
で散乱反射光Ｌｒが遮られて、一方の光検出器１４に散
乱反射光Ｌｒが入射されないという不都合が生じても、
他方の光検出器１４で検出することができる。

【００４９】図５は被測定物１０の表面１１にある凹凸
１２を高さ信号として検出する方法を示す。ここでポリ
ゴンミラー５の外周面５ａが面Ａから面Ｃまで回転する
のに要する時間を２ｔとする。時間０からｔの間で、レ
ーザ素子１のレーザ光Ｌ１は被測定物１０の表面１１に
光走査線１８で示すように点Ｂ１から点Ｃ２まで光走査
する。又レーザ素子２のレーザ光Ｌ２は光走査線１９で
示すように点Ａ１から点Ｂ２まで光走査する。被測定物
１０の表面１１から反射するレーザ光Ｌ１の散乱反射光
Ｌｒ１は集光レンズ１３で集光され、３分割された光検
出器１４上を光走査線１８ａのように走査する。すなわ
ち中央の受光領域１４ｂの真中から受光領域１４ｃの左
端に向かって光走査する。

【００５０】図６は光検出器からの信号を演算装置１６
で高さ信号に変換する状態を示す。時間０からｔ／３ま
では演算装置１６ｂから、ｔ／３からｔまでは演算装置
１６ｃから、それぞれ被測定物１０の表面１１の凹凸に
応じた信号をそれぞれ出力する。

【００５１】同様にレーザ光Ｌ２は時間０からｔの間
に、光走査線１９で示すように点Ａ１から点Ｂ２まで被
測定物１０の表面１１上を光走査する。そして被測定物
１０の表面１１から反射する散乱反射光Ｌｒ２は光走査
線１９ａで示すように受光領域１４ａの右端から、受光
領域１４ｂの中央まで光走査する。したがって時間０か
ら２ｔ／３までは演算装置１６ａから、２ｔ／３からｔ
までは演算装置１６ｂから、それぞれ被測定物１０の表
面１１の凹凸１２に応じた信号を出力する。

【００５２】時間ｔから２ｔまでも同様に、レーザ光Ｌ
１による被測定物１０の表面１１上の点Ｂ２から点Ｃ３
に至る走査光からの散乱反射光が、光検出器１４の光走
査線１８ａで示した位置を、又、レーザ光Ｌ３による被
測定物１０の表面１１上の点Ａ２から点Ｂ３に至る走査
光からの散乱反射光が、光検出器１４の光走査線１９ａ
の位置をそれぞれ光走査する。

【００５３】図６は、時間０から２ｔまでの演算装置１
６ａ、１６ｂ及び１６ｃが出力する高さ信号を示す。図
６においてＬ１００はレーザ光Ｌ１により得た被測定物
１０の高さ信号であり、Ｌ２００及びＬ３００はそれぞ
れレーザ光Ｌ２及びＬ３により得た被測定物１０の高さ
信号を示す。高さ信号Ｌ１００、Ｌ２００及びＬ３００
はレーザ光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３がそれぞれ被測定物１０
の表面１１を光走査した位置に対応して演算装置１６
ａ、１６ｂ及び１６ｃで取り出される高さ信号である
が、これらの高さ信号を並べ替えることにより、図４に
示した表示装置１５には被測定物１０の表面１１の凹凸
１２の状態を表示することができる。

【００５４】なお、本実施の形態では８面体のポリゴン
ミラー５を用いたが、８面体の形状に限定されない。ポ
リゴンミラー５をＮ面体で構成し、レーザ素子１、２及
び３の光軸をそれぞれ３６０／Ｎ（度）に配設すれば、
実施の形態１と同様の機能を奏する。たとえば図１の構
成においてポリゴンミラー５を１２面体で構成し、レー
ザー素子１、２及び３の光軸をそれぞれ３０度に構成す
れば、実施の形態１においてＸ１あるいはＸ２付近で光
走査が不安定になるという不都合を排除することができ
るから、レーザ光Ｌ１ないしＬ３が光走査する被測定物
１０の全領域にわたり精度のよい高さ信号を得ることが
できる。

【００５５】又、本実施の形態は光検出器を３分割し、
一つの光検出器に複数のレーザ素子からの反射散乱光が
入射することを防止するようにしたが、光検出器を２分
割することもできる。なぜならば、光検出器を２分割に
すれば、一つの光検出器が２つの反射散乱光を検知する
恐れが生じるのは、レーザ光がそれぞれ被測定物１０の
右端と中央、あるいは中央と左端を照射するときだけで
あり、光検出器を２分割した境界部には必ず有限長の非
動作部分があり、レーザスポットの大きさを前記非動作
部分より小さくすれば、前記不都合が生じないように構
成することができる。したがって、使用するレーザ素子
の数をｍ個とするとき、光検出器はｍ−１以上に分割し
て構成すればよい。

【００５６】（実施の形態２）本実施の形態を図８を参
照して説明する。

【００５７】本実施の形態はレーザ素子１、２及び３で
構成する第１群のレーザ素子に加えて、レーザ素子８１
及びレーザ素子８２で構成する第２群のレーザ素子を備
える。第１群のレーザ素子は第１の測定モードを構成す
る。第１群のレーザ素子及び第２群のレーザ素子の両方
を用いて第２の測定モードを構成する。もちろん第１の
測定モード及び第２の測定モードのいずれかに設定する
か又は両者を切り換えながらいずれか一方を交互に使用
することもできる。

【００５８】第１の測定モードは被測定物１０が比較的
大きく、かつ、測定精度がさほど要求されない形状測定
装置に好適である。測定精度を望む場合には測定時間を
長く設定すればよい。又、第２の測定モードは、被測定
物が比較的小さくかつ測定精度が要求される形状測定装
置に好適である。

【００５９】第１群のレーザ素子１、２及び３から放射
されるそれぞれのレーザ光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３の走査光
については既に実施の形態１の図３を用いて説明した通
りである。すなわち、図８において、被測定物１０の表
面１１上をレーザ光Ｌ１は光走査６５で示す走査軌跡を
描き、レーザ光Ｌ２は光走査６６で示す走査軌跡を、レ
ーザ光Ｌ３は光走査６７で示す走査軌跡をそれぞれ描
く。

【００６０】レーザ素子８１はレーザ素子１と２との間
に配設し、レーザ素子８１の光軸Ｌ４はレーザ素子１及
び２の光軸のなす角を２等分する位置に配置する。すな
わち光軸Ｌ２を基準にして反時計回りに２２．５度の位
置に配設する。同様にレーザ素子８２の光軸Ｌ５をレー
ザ素子２及び３の光軸のなす角を２等分する位置、すな
わち光軸Ｌ２を基準にして時計回りに２２．５度の位置
に配設する。

【００６１】第２群のレーザ素子を構成するレーザ素子
８１から放射されるレーザ光Ｌ４の光軸を、レーザ光Ｌ
１及びＬ２の光軸を２等分する位置に配置すると、ポリ
ゴンミラー５の外周面５ａが面Ａの位置にあるとき、面
Ａで反射したレーザ光Ｌ４は、光路Ｌａ及びＬｂのなす
角度を２等分する光路Ｌｄを通る。すなわち、光路Ｌｄ
は光走査用ｆθレンズ系６の入側端を通る光路Ｌａと中
央を通る光路Ｌｂを２等分する光路で、被測定物１０の
表面１１上の右端Ｘ１と中央Ｘ２の中点であるＸ４を照
射する。したがって、レーザ光Ｌ４は光走査線２０で示
すように、点Ａ１と点Ｂ１の中点（Ｘ４，Ｙ１）を起点
として光走査を開始し、被測定物１０の左端Ｘ３まで光
走査する。すなわち、レーザ光Ｌ４の走査光は、レーザ
光Ｌ１及びレーザ光Ｌ２の走査光の中央を光走査する。

【００６２】同様にレーザ光Ｌ５は、ポリゴンミラー５
の外周面５ａが面Ａと面Ｂの中間の位置まで回転する
と、光走査用ｆθレンズ系６の入側端を通る光路Ｌａを
通り被測定物１０の表面１１の右端Ｘ１を照射する。こ
のとき被測定物１０をｙ／２だけＹ方向に移動してやる
と、レーザ光Ｌ５は被測定物１０の表面１１のＸ１上
で、点Ａ１と点Ａ２の中央部を照射する。ポリゴンミラ
ー５がさらに回転し面Ｃの位置に置かれると、光路Ｌｂ
と光路Ｌｃの中間の光路Ｌｅを通り、被測定物１０の表
面１１上の中央Ｘ２と左端Ｘ３との中点であるＸ４まで
光走査する。

【００６３】レーザ光Ｌ５は光走査線２１で示すよう
に、被測定物１０の表面１１の右端Ｘ１上で、かつ、点
Ａ１と点Ａ２の中点を起点として光走査を開始し、レー
ザ光Ｌ２及びレーザ光Ｌ３の走査光の中央をＸ４まで光
走査する。ポリゴンミラー５の回転に沿って、レーザ光
Ｌ１ないしＬ５は前記光走査を繰り返す。

【００６４】図８で明かなように被測定物１０の表面１
１の中央部Ｘ４とＸ５の間は、実施の形態１に比較し２
倍の密度で光走査することができる。

【００６５】本実施の形態は前に述べたように被測定物
１０の大きさに応じてレーザ素子の数を切換えることを
特徴とする。すなわち、被測定物１０の一辺の長さＷが
比較的大きく、たとえば、Ｗ＝６０ｍｍ前後の場合は図
８示のようにレーザ光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３を用い、光走
査６５、６６及び６７を行って被測定物１０の表面１１
の形状や凹凸を第１の測定モードで測定する。又、被測
定物１０の大きさが比較的小さく、その一辺の長さが上
記Ｗの１／２以下のとき、すなわち、３０ｍｍ以下の場
合はレーザ光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３に加えて、Ｌ４とＬ５
も用いて第２の測定モードで被測定物１０の形状やその
表面の凹凸１２を測定する。

【００６６】図８に示すように被測定物１０の一辺の長
さＷ２がＷの１／２以下のように比較的小さい場合は、
被測定物１０の一辺の長さＷ２の間を実施の形態１に比
べて２倍の密度で光走査することができるので、被測定
物１０の表面１１の凹凸や形状の測定精度は被測定物の
一辺が比較的大きなものに比べて大幅に向上することが
できる。

【００６７】又、被測定物１０の一辺の長さがＷ２以下
で、測定・検査精度がさほど要求されない場合は、被測
定物１０の移動速度を２倍に速めても、走査光の密度は
実施の形態１とほぼ同じにすることができるので、測定
精度を低下させずに測定することができる。

【００６８】なお、本実施の形態においてもポリゴンミ
ラー５は８面体に限定されない。ポリゴンミラー５をＮ
面体で構成し、第１群のレーザ素子の光軸をそれぞれ３
６０／Ｎ（度）になるよう構成すれば、実施の形態２と
同等の機能を奏する。例えば図１の構成においてポリゴ
ンミラー５を１２面体で構成し、レーザー素子１、２及
び３の光軸を各３０度に形成し、レーザ素子４及び５を
それぞれレーザ素子１と２、及びレーザ素子２と３の間
に配置してもよい。

【００６９】さらに、本実施の形態でも実施の形態１と
同様に、第１群及び第２群で使用するレーザ素子の数の
合計をｍ個とするとき、光検出器はｍ−１以上に分割し
て構成することもできる。

【００７０】（実施の形態３）本実施の形態を図８ない
し図１０を用いて説明する。基本的な動作は図８によっ
て説明できる。図８の説明は既に前の実施の形態で述べ
た通りであるので詳細な説明は省略する。本実施の形態
は被測定物１０の一辺の長さがＷの半分程度のＷ２で示
すように比較的小さな場合の測定に好適である。被測定
物１０の中には抵抗やコンデンサ、集積回路等比較的小
型でその一辺が３０ｍｍ以下のものも少なくない。本実
施の形態ではこうした比較的小型の電子部品の形状測定
装置に好適である。

【００７１】図８示の形状測定装置、測定方法は被測定
物の一辺の長さがＷで示したように比較的大型のものま
でをカバーすることができる。しかし、小型から大型の
被測定物まで広範囲にカバーする形状測定装置において
は何らかの不都合が生じ得る。本実施の形態においては
小型の電子部品の測定を行うと次ぎのような問題点が生
じる。すなわち、対象被測定物１０の測定時に、周囲か
ら不要な反射光が光検出器１４に到来してしまうという
ことである。本実施の形態はこうした不要光を遮蔽する
測定方法を提供する。

【００７２】図８から明らかなように、被測定物１０の
一辺の長さＷ２の被測定物１０を測定する場合には、Ｘ
点はＸ４〜Ｘ５までの範囲で足りる。しかし、本発明の
形状測定装置はＸ点において、Ｘ１〜Ｘ４の間、及びＸ
５〜Ｘ３の間もレーザ光が走査されるが、これらのレー
ザ光の走査は一辺の長さがＷ２の被測定物１０の測定に
おいては不要なレーザ光となる。不要なレーザ光又は不
要な反射光が光検出器１４に到来すると本来測定に必要
な正規の信号に障害を及ぼすから好ましくない。

【００７３】そこで本実施の形態は不要な反射光等の到
来を遮断する手段を提供する。具体的には、レーザ光Ｌ
１ないしＬ５はその一辺の長さＷ２の被測定物１０の表
面１１を光走査している間だけ発光するよう構成する。

【００７４】図８において被測定物１０がＹ方向にＹ１
からＹ３まで移動するのに要する時間を２ｔとする。こ
こで時間２ｔの大きさは、ポリゴンミラー５の回転数と
外周面の構成によって決定される。たとえばポリゴンミ
ラー５の外周面が８面体で、回転数を３，６００ｒｐｍ
とすると、２ｔ＝１／（３，６００／６０）×８（秒）
となる。すなわち、１／４８０（秒）である。

【００７５】レーザ光が点Ｙ１を照射しているときの時
間を０、Ｙ３を照射しているときを時間２ｔとし、各レ
ーザ素子の発光のタイミングを同図から求めると図９に
示す通りになる。レーザ光Ｌ１ないしＬ５までを図９に
示すタイミングで発光させれば、レーザ光Ｌ１ないしＬ
５は被測定物１０の一辺の長さＷ２の測定に必要なとき
だけ発光させることができる。

【００７６】図９はレーザ素子１〜３、８１〜８２の発
光を切替えるタイミングを示す。図９に示したタイミン
グは図８から導きだせる。すなわち、図８示の点（Ｘ
４，Ｙ１）、（Ｘ４，Ｙ３）、（Ｘ５，Ｙ１）及び（Ｘ
５，Ｙ３）で囲まれた領域に着目し、Ｙ１からＹ３まで
の走査時間を２ｔとすると、レーザ素子１は時間０〜
０．５ｔの期間で点灯していることがわかる。同様にレ
ーザ素子２は時間０．５ｔ〜１．５ｔの期間で点灯して
いることを示す。同様にレーザ素子３、８１及び８２に
注目すると、それぞれ、１．５ｔ〜２ｔ、０〜１ｔ、及
び１ｔ〜２ｔの期間に点灯していることを示す。

【００７７】図１０は図９のレーザ光Ｌ１〜Ｌ５を切り
替える方法を示す。面Ａから面Ｃまで４５度回転するポ
リゴンミラー５の外周面５ａに、レーザ素子１、２、
３、８１、８２とは別個に設けたレーザ素子（図示せ
ず）からの照射光２３を入射する。

【００７８】又、面Ａからの反射光３０ａを受光する位
置に光検出器２４を配設し、面Ｃからの反射光３０ｂを
受光する位置に光検出器２８を配設する。反射光３０ａ
と３０ｂの成す角度は９０度である。光検出器２４と２
８との間に等間隔で光検出器２５、２６及び２７を配設
する。したがって、ポリゴンミラー５の外周面５ａが面
Ａから面Ｃまで回転する間に、時間０で光検出器２４か
らパルス信号が発生し、以降０．５ｔ経過するごとに光
検出器２５ないし２８が順次パルス信号を発生する。前
記パルス信号をレーザ素子１、２、３、８１及び８２の
発振を制御する制御装置２９に送り、制御装置２９によ
りレーザ素子１、２、３、８１、８２の発振を図９の通
りに制御する。

【００７９】実施の形態３の他の方法としては、図９に
示す光走査用ｆθレンズ系６と被測定物１０との間に遮
蔽板２２を設けてもよい。遮蔽板２２は矢印２２０方向
に移動可能に構成し、被測定物１０の一辺の長さＷ２の
ときは光路Ｌｄから光路Ｌｅの間を通過するレーザ光の
みを通す位置に置き、被測定物１０の一辺の長さがＷの
ときは左右に移動し、光路Ｌａから光路Ｌｃまでの全て
のレーザ光を通すよう構成する。こうした本実施の形態
３によれば、被測定物１０が小型の場合でもレーザ光を
測定対象物のみに照射することができ、正確に電子部品
等の形状測定ができる。

【００８０】（実施の形態４）図１１〜図１８は本実施
の形態を示す。

【００８１】本実施の形態はレーザ素子１、２及び３の
放射スポット径が比較的大きい場合であっても、被測定
物１０の形状等を正確に測定することができる形状測定
装置を提供する。スポット径が２０μｍ〜３０μｍの比
較的大きな光学系でよければ形状測定装置は廉価に構成
することができる。

【００８２】図１１には、外周面６１を有する１２面体
のポリゴンミラー６０が回転軸Ｐの回りを矢印Ｅの方
向、すなわち時計回りにたとえば２０，０００ｒｐｍの
高速で回転し、レーザ光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３（これらを
総称してＬと記す）がポリゴンミラー６０の外周面６１
に入射している状態を示す。ポリゴンミラー６０は１２
面体であるから、レーザ光Ｌ１とＬ２との光軸の間及び
レーザ光Ｌ２とＬ３との光軸の間をそれぞれ３０度（３
６０度／１２）の間隔をもって配置した。

【００８３】図１１は回転するポリゴンミラー６０とレ
ーザ光Ｌ１〜Ｌ３との位置関係をごく簡単に示したもの
である。外周面６１の回転は面Ａ、Ｂ及びＣで示したよ
うに２等辺三角形Ｑ２がこの順序で回転している状態と
みることができる。

【００８４】面Ａは２等辺三角形Ｑ２の一辺と、レーザ
光の放射方向Ｆとが一致したときを示す。このときは面
Ｂの状態よりもポリゴンミラー６０の回転が１５度先行
している状態である。２等辺三角形Ｑ２の頂角θ２は３
０度であるから、１５度はその１／２に相当する大きさ
である。

【００８５】ポリゴンミラー６０が面Ｂに置かれると、
外周面６１（２等辺三角形Ｑ２の底辺）に直交する方向
Ｆから図示しないレーザ光を放射すると、レーザ光は外
周面５ａのほぼ中心部にあたる。

【００８６】面Ｃは、面Ｂからさらに１５度時計回りに
回転した状態を示す。このときは、レーザ光の放射方向
Ｆと２等辺三角形Ｑ２の他の一辺とが一致したときであ
る。

【００８７】図１２は、図１１に示した１２面体のポリ
ゴンミラー６０の外周面６１を正面からみた図である。
又、レーザ光Ｌ（Ｌ１〜Ｌ３）が外周面６１を移動する
状態も示している。外周面６１が面Ａの位置では、レー
ザ光Ｌの照射スポット６２ａは外周面６１の下端部６３
付近にあり、照射スポット６２ａで示す。又、面Ｂ及び
面Ｃではそれぞれ外周面６１の中央及び上端部に、それ
ぞれ放射スポット６２ｂ及び６２ｃが形成される。しか
しながら、レーザ光Ｌのスポット径が所定の大きさ以上
なると、外周面６１の上下端にある照射スポット６２ａ
及び６２ｃは正常な円形のスポットから逸脱し、図１２
に示したようにたとえば半円状のスポット形状に変形さ
れてしまい、形状測定装置の機能を低下させる。

【００８８】又、ポリゴンミラー６０の外周面６１を鏡
面に加工するに際し、外周面６１の下端部６３及び上端
部６４は面ダレ等によって、どうしても平面性を得るの
がむずかしい。したがって本実施の形態では、レーザ光
の放射領域をこれらの外周面６１の下端部６３及び上端
部６４を避け、測定有効領域Ｈの範囲でレーザ光を利用
して被測定物１０の形状を測定しようとするものであ
る。実験的には外周面６１の一辺の長さＫに対し、測定
有効領域Ｈの割合Ｒ＝Ｈ／Ｋを６０％以上、特に７０％
程度が望ましいことを知見した。Ｒの大きさはレーザ光
の波長にもよるが、Ｒを６０％以上に設定すれば照射ス
ポット６２が５ｍｍ程度のレーザ光にも充分に適用でき
る。なお、スポット径の大きさがＫの大きさに対して無
視できる程度に小さければＲの大きさはほぼ１でもよ
い。

【００８９】ポリゴンミラー６０の大きさや形状は設計
的事項である。いま、外周面６１の数を１２面体とし、
その外周面６１の一辺の長さを１６ｍｍ、Ｒ＝Ｈ／Ｋを
７０％に設定したときを考察してみる。レーザ光Ｌが光
走査する間の外周面６１の回転角度は３０度であり、レ
ーザ光Ｌが測定有効領域Ｈを光走査する間の外周面６１
の測定有効領域としての回転角度は３０度に７０％を乗
じた値であるから２１度になる。すなわち、２１度とい
う大きさは、外周面６１が矢印Ｅ方向に３０度回転する
間の、初期の回転角４．５度と終期の４．５度を合わせ
た９度に相当する測定非有効領域を３０度から差し引い
た値である。したがって、いま、１２面体の外周面６１
の一辺の長さをたとえば１６ｍｍに設定すると、測定有
効領域Ｈは、外周面６１の下端部６３と上端部６４のそ
れぞれの２．４ｍｍを除いた１１．２ｍｍになる。

【００９０】図１３は、レーザ光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３が
被測定物１０の表面１１を光走査する状態を示す。レー
ザ光Ｌ１、Ｌ２及びＬ３のそれぞれの光走査６５、６６
及び６７で示す。図１３に表示したＸ方向の全体の目盛
は３０度である。これを６つに区分したので、１目盛は
５度の角度に相当する。又、光走査６５と６６、及び光
走査６６と６７のＹ方向の光走査の間隔はそれぞれ４０
μｍである。

【００９１】外周面６１が面Ａから面Ｂまでの１５度回
転する間に、レーザ光Ｌ１は被検査物１１のＸ方向に関
して中央のＸ２から左端のＸ３まで光走査する。しかし
ながら、光走査開始点Ｘ２から４．５度の間は測定非有
効領域である。同様にレーザ光Ｌ２による光走査６６は
光走査開始点Ｘ１からの４．５度と終了点Ｘ３までの
４．５度の間が測定非有効領域である。又、レーザ光Ｌ
３による光走査６７は点Ｘ２の前方４．５度の間が測定
非有効領域になる。したがって、レーザ光Ｌ３が外周面
６１により形成する光走査６７と、レーザ光Ｌ１が次ぎ
の外周面で形成する光走査６８が連続してつながらない
という不連続区間が生じる。前記不連続区間は、点Ｘ２
からＸ方向に４．５度の間、及びＹ方向にＹ＝０の点か
ら６μｍの間である。

【００９２】図１４は上記の不都合を克服し、連続した
光走査を奏するための１つ対策方法を示す。図１４に示
した構成の端的な特徴は図１１と比較すると明らかにな
る。すなわち、図１１ではレーザ光Ｌ１とＬ２、Ｌ２と
Ｌ３の光軸の成す角度を３０度にし、かつ、それらの光
軸は回転軸Ｐに垂直な面に配設したが、図１４の構成
は、レーザ光Ｌ１及びＬ３のそれぞれの光軸とレーザ光
Ｌ２の光軸のなす角度を変えるものである。

【００９３】図１４（ａ）に示すように、レーザ光Ｌ１
の光軸との角度３０度ではなく、レーザ光Ｌ２側に４．
５度傾け、レーザ光Ｌ１及びＬ２の光軸のなす角度α１
を２５．５度になるように構成する。同様にレーザ光Ｌ
２とＬ３の光軸間の角度α１も２５．５度になるように
配設する。

【００９４】図１４（ｂ）は前記レーザ光Ｌ１、Ｌ２及
びＬ３が外周面６１に放射する状態図１４（ａ）の斜め
右方向から見た斜視図である。レーザ光Ｌ１の光軸をＬ
１１で示すように走査方向７１に対し垂直方向、すなわ
ち副走査方向（被測定物の移動方向Ｙと同方向）に角度
α２だけシフトさせて構成する。

【００９５】図１５はレーザ光Ｌ１の光軸を副走査方向
シフトさせる方法を説明するための図である。ポリゴン
ミラー６０の外周面６１ａで反射するレーザ光Ｌ１とＬ
１１の光軸との間に角度α２のずれをもたせた状態で光
走査用ｆθレンズ系６に入射する。そしてレーザ光Ｌ１
とＬ１１が光走査用ｆθレンズ系６を通過すると、光走
査用ｆθレンズ系６の副走査方向のテレセントリック特
性により平行光となり、被測定物１０上を照射する。光
走査用ｆθレンズ系６を通過し平行光となった前記レー
ザ光Ｌ１とＬ１１の間隔をZとすると、光走査用ｆθレ
ンズ系６の焦点距離ｆ、レーザ光Ｌ１とＬ１１のそれぞ
れの光軸のなす角度α２及び間隔Ｚとの間には、Ｚ＝ｆ
×α２なる関係がある。本実施例の場合、間隔Ｚが６μ
ｍになるよう前記レーザ光Ｌ１とＬ１１のそれぞれの光
軸のなす角度α２を配設する。すなわち本実施例の場
合、間隔Ｚ＝６μｍ、焦点距離ｆ＝８０ｍｍであるか
ら、α２＝Ｚ／ｆより、α２として７．５×１０−５ラ
ジアン（０．００４３度）に設定する。

【００９６】図１６はレーザ光Ｌ１をα２だけシフトさ
せて走査したときのレーザ光Ｌ１の走査６５を示す。す
なわち、Ｘ軸方向に４．５度だけシフトすることになる
ので、レーザ光Ｌ１による光走査６５及び６８の始点は
Ｘ２上になる。又、レーザ光Ｌ１１の光軸をＬ１１で示
すように走査方向７１に対し垂直方向（副走査方向）に
シフトさせるとＹ軸方向に６μｍシフトすることができ
る。これによって、光走査６５の始点は点（Ｘ２，０）
に設定することができる。

【００９７】同様にレーザ光Ｌ３の光軸を反時計回りに
４．５度傾け、かつ、走査方向７１に対しレーザ光Ｌ１
１とは逆方向、すなわち被測定物の移動方向Ｙとは逆方
向に、光軸を７．５×１０−５ラジアン傾けて構成す
る。この結果、レーザ光Ｌ３による光走査６７及び７０
は、前記レーザ光Ｌ１のシフト方向とは逆方向にＸ軸上
及びＹ軸上を前記レーザ光Ｌ１のシフト量と同じ量だけ
シフトする。これによって、図１４に示すように、レー
ザ光Ｌ１及びレーザ光Ｌ３による光走査６８及び６７は
連続した直線となることができる。。

【００９８】以上に述べた本実施の形態の特徴は次ぎの
通りである。光走査手段を正Ｎ面体のポリゴンミラーと
焦点距離ｆｍｍを有する光走査用ｆθレンズ系６で構成
する。前記正Ｎ面体の外周面６１の１辺の長さＫに対す
る有効領域Ｈの割合Ｈ／ＫをＲ（０．６≦Ｒ≦１）、被
測定物１０の表面に光走査する複数のレーザ光の間隔を
ｙ、円周率をπとすると、前記複数のレーザ光をＬ１、
Ｌ２及びＬ３としたとき、レーザ光Ｌ１とＬ２及びＬ２
とＬ３の光軸のなす角度を光走査方向に関してそれぞれ
α１＝３６０／Ｎ×（１＋Ｒ）／２（度）に配設する。
さらに、レーザ光Ｌ２の光軸を基準にしてレーザ光Ｌ１
及びレーザ光Ｌ３の光軸を前記被測定物と前記光走査手
段が相対的に移動する方向にα２＝１／ｆ×ｙ×（１−
Ｒ）／２×３６０／２π（度）だけ互いに逆方向に傾け
て配設するものである。

【００９９】なお、レーザ光Ｌ１の光軸を７．５×１０
−５ラジアンという微小角度傾ける操作は容易なことで
はない。しかし本発明においては、レーザ光Ｌ１の光源
位置７４と外周面６１上の照射点７２までの距離を前記
光走査用ｆθレンズ系６の焦点距離ｆと同じ値に設定
し、照射スポットの位置が副走査方向に６μｍずれた照
射点７３まで移動するよう、前記レーザ光Ｌ１の光軸を
傾ければ、レーザ光Ｌ１の光軸を７．５×１０−５ラジ
アンに設定することで、こうした難度な操作を克服して
いる。

【０１００】（実施の形態５）図１７は連続した光走査
を奏するための他の実施例を示す。本実施例でのポリゴ
ンミラー６０は１２面体である。レーザ光Ｌ２とＬ１、
レーザ光Ｌ２とＬ３の光軸同士が成す角度はそれぞれ３
０度であるが、照射スポット位置をポリゴンミラー６０
の回転方向にシフトさせることに特徴を有する。こうし
た構成は図１４で示した各レーザ光の光軸のなす角度を
２５．５度に配設したものとは相違する。

【０１０１】まず、図１７（ａ）に示すように、レーザ
光Ｌ２を中心にしてレーザ光Ｌ１及びＬ３の光軸の位置
をそれぞれ３０度の位置に配設する。ポリゴンミラー６
０は１２面の外周面６１を備えているがその１つを示
す。ポリゴンミラー６０は、回転軸Ｐを中心に矢印Ｅ方
向、すなわち時計回りにたとえば２０，０００ｒｐｍの
速度で高速回転する。外周面６１の回転は面Ａ、Ｂ及び
Ｃで示したような２等辺三角形Ｑ３がこの順序で移動し
ている状態とみなせる。

【０１０２】面Ａの状態はレーザ光Ｌ１の放射点７５が
外周面６１の測定有効領域の最下端部、すなわち放射ス
ポット６２ｄの位置に一致したときを示す。このときレ
ーザ光Ｌ２は下端部６３の位置にほぼ一致する。したが
ってレーザ光Ｌ１の放射点７５は外周面６１の測定有効
領域の最下端部、すなわち放射スポット６２ｄにくるよ
う、レーザ光Ｌ２の光軸よりも上方にシフトさせる。シ
フト量は、（Ｋ−Ｈ）／２である。シフト量は、レーザ
光Ｌ１のスポット径及び面Ａに対する入射角等により設
定する。ここで、Ｋは外周面の一辺の長さ、Ｈはその測
定有効領域である。これらは前に述べたように設計的事
項であるが本実施の形態ではＫ＝１６ｍｍ、Ｈ＝１１．
２ｍｍに設定する。こうした条件下においての、シフト
量は２．４ｍｍになる。

【０１０３】図１８は実施の形態５における光の走査状
態を示す。レーザ光Ｌ１の光走査６５はＹ＝０の線上の
照射位置７６から始まる。ただしＸ方向において照射位
置７６はＸ２上に一致しない。照射位置７６とＸ２との
間のギャップＧを角度で表すと、Ｇ＝３６０／Ｎ×（１
−Ｒ）／２（度）である。光走査６５が点（Ｘ２，０）
を通るようにするには、光走査６５を矢印Ｊの方向にシ
フトすればよい。Ｊ方向へのシフト量は、角度３６０／
Ｎ（度）で２ｙ移動することから比例計算により（１−
Ｒ）×ｙとなる。光走査６５を矢印Ｊの方向にシフトす
るには、実施の形態４と同様に、光走査用ｆθレンズ系
６のテレセントリック特性を用いる。レーザ光Ｌ１の光
軸を図１７（ｂ）のレーザ光Ｌ１２に示すように、走査
方向７１に対し垂直方向、すなわち副走査方向（被測定
物の移動方向Ｙと同方向）に角度α３だけシフトして構
成する。なお、ｆ×α３＝（１−Ｒ）×ｙの関係から、
シフトさせる角度α３は「α３＝１／ｆ×（１−Ｒ）×
ｙ（ラジアン）」として求めることができる。又、α３
の大きさは、「α３＝１／ｆ×（１−Ｒ）×ｙ×３６０
／２π（度）」でもある。α３をこうした値に設定すれ
ば、図１７において光走査６５は矢印Ｊ方向に平行移動
してＹ＝０でＸ２上を通るよう調整することができる。

【０１０４】レーザ光Ｌ２の照射スポット８０は面Ｂの
状態で外周面６１の中央に来るようその光軸を配設す
る。したがってレーザ光Ｌ２の光走査は図１３の光走査
６６と同一の光走査をする。

【０１０５】レーザ光Ｌ３は面Ｃの状態で照射点７７が
測定有効領域の最上端、すなわち図１２の照射スポット
６２ｅの位置にくるよう、レーザ光Ｌ２に対し下方に移
動する。この場合の移動量も約２．４ｍｍである。この
構成により図１３におけるレーザ光Ｌ３の光走査６７は
Ｙ＝８０μｍの線上で光走査を終える。しかし、Ｘ方向
に関しては必ずしもＸ２上になるとは限らないので、前
記レーザ光Ｌ1とは逆方向に角度α３だけ光軸を傾け、
光走査６７がＹ＝８０μｍでＸ２上を通るように調整す
る。そして、レーザ光Ｌ１がＸ２から発振を開始し、レ
ーザ光Ｌ３がＸ２で発振を止めるよう制御することで、
光走査６８及び６７は連続した直線にすることができ
る。

【０１０６】以上述べたように実施の形態５は、使用す
るレーザ光Ｌのスポット径が所定の大きさ以上であって
も、あるいはポリゴンミラーの頂角付近が面ダレ等で平
面性が損なわれていても、被測定物１０の凹凸１２の高
さを正確に測定することができる。又、測定装置として
も高価な光学系を必要とせず、形状測定装置の廉価化が
図れる。

【０１０７】

【発明の効果】本発明によれば、被測定物の表面を光走
査して被測定物の形状等を測定あるいは検査する場合、
被測定物の表面には常に一定間隔を置いて複数のレーザ
光が光走査することになり、被測定物の送り速度を高速
にすることが可能になり、検査速度を改善するものであ
る。

【０１０８】又、本発明は形状が小さな被測定物を検査
するに際し、高密度で光走査する方法を提供し、被測定
物表面の凹凸や形状の測定精度を改善することができ
る。

【０１０９】さらに、被測定物が小型の場合でもレーザ
光を測定対象物のみに照射することができ、正確な検査
あるいは測定ができる。

【０１１０】さらに本発明によれば、使用するレーザ光
Ｌのスポット径が有限長の場合でも、又、ポリゴンミラ
ーの頂角付近が面ダレ等で平面性が損なわれていたとし
ても、被検査物表面の凹凸の高さを正確に測定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の形状測定装置に係わる要部構成図

【図２】（ａ）本発明のポリゴンミラーの概要図 （ｂ）本発明のポリゴンミラーの回転状態を説明するた
めの図

【図３】本発明の実施の形態１に係わる図

【図４】本発明の形状測定装置の基本構成図

【図５】本発明の被測定物の表面を測定するための図

【図６】本発明の演算装置が出力する信号を示す図

【図７】本発明の形状測定装置から出力される被測定物
表面の高さ信号を示す図

【図８】本発明の実施の形態2に係わる図

【図９】本発明の実施の形態３に係わる図

【図１０】本発明のレーザ光発振制御方法を説明するた
めの図

【図１１】本発明のポリゴンミラーの回転に沿って、レ
ーザ光の照射位置が移動する状態を示す図

【図１２】本発明の照射スポットがポリゴンミラー外周
面を移動する状態を示す図

【図１３】本発明のレーザ素子の照射スポット径が有限
長の場合の、被検査物上の光走査を示す図

【図１４】（ａ）本発明の実施の形態４に係わる図 （ｂ）図１４（ａ）の要部斜視図

【図１５】本発明の実施の形態４に係わる図

【図１６】本発明の実施の形態４に係わる図

【図１７】（ａ）本発明の実施の形態５に係わる図 （ｂ）図１７（ａ）の要部斜視図

【図１８】本発明の実施の形態５に係わる図

【図１９】（ａ）従来の表面検査装置を示す図 （ｂ）図１９（ａ）を横から見た図

【図２０】従来の表面検査装置における被測定物の表面
状態の検査方法を説明する図

【図２１】従来の表面検査装置から出力され被測定物表
面の高さ信号を示す図

【符号の説明】

１，２，３，８１，８２ レーザ素子 ４，３２ コリメータレンズ ５，３５ ポリゴン体ミラー ５ａ，６１ 外周面 ６，３６ 光走査用ｆθレンズ系 ７，８，９，３７，３８，３９ レンズ １０，４０ 被測定物 １１，４１ 表面 １２ 凹凸 １３ 集光レンズ １４，２４，２５，２６，２７，２８，４４ 光検出器 １４ａ，１４ｂ，１４ｃ 受光領域 １５ 表示装置 １６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 演算装置 １８，１８ａ，１９，１９ａ，２０，２１ 光走査線 ２２ 遮蔽板 ２３ レーザ光 ２９ 制御装置 ３０ａ，３０ｂ 反射光 ３１ 半導体レーザ素子 ３４ アナモフィックプリズム ３７，３８，３９ レンズ ４２ 部品 ４３，４８ 集光レンズ ４５ 受光面 ４６ 演算装置 ４７ 入射散乱光 ４９ 走査光 ５０，５１，５２ 高さ信号 ６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ 照射スポッ
ト ６３ 下端部 ６４ 上端部 ６５，６６，６７，６８，６９，７０ 光走査 ７１ 走査方向 ７２，７３，７５，７７ 照射点 ７４ 光源位置 ７６ 照射位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石丸 秀行 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 車谷 和道 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA49 AA53 BB05 CC01 CC25 DD06 FF01 FF42 GG04 GG14 GG22 GG23 HH04 LL15 LL47 MM03 MM14 NN02

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポリゴンミラーを介して被測定物に複数
   のレーザ光を走査線が連続するように走査させる工程
   と、この被測定物からの反射光を受光して被測定物の表
   面形状を算出する工程とを有することを特徴とする表面
   形状測定方法。
2. 【請求項２】 ポリゴンミラーの回転に同期して複数の
   レーザ素子の照射を制御することを特徴とする請求項１
   に記載の表面形状測定方法。
3. 【請求項３】 複数のレーザ素子と、このレーザ素子か
   ら出射されるレーザ光を反射させ被測定物上を走査させ
   るポリゴンミラーとを有する走査光学系と、この走査光
   学系と前記被測定物とを相対的に移動させる相対移動手
   段と、前記被測定物から反射した光を受光し、複数のレ
   ーザ光の走査に応じて設けられた複数の受光領域を有し
   た検出器とを有したことを特徴とする表面形状測定装
   置。
4. 【請求項４】 複数のレーザ素子は、被測定物の走査が
   等間隔となる位置に配置されていることを特徴とする請
   求項３に記載の表面形状測定装置。
5. 【請求項５】 ポリゴンミラーに入射する複数のレーザ
   光の光軸は、このポリゴンミラーの回転軸に垂直な面に
   配置されていることを特徴とする請求項４に記載の表面
   形状測定装置。
6. 【請求項６】 レーザ素子の数をｍとし、受光領域の数
   がｍ−１以上であることを特徴とする請求項３〜５のい
   ずれかに記載の表面形状測定装置。
7. 【請求項７】 ポリゴンミラーの面数をＮとし、隣接す
   るレーザ素子をこのポリゴンミラーに対し３６０／Ｎ度
   に配置したことを特徴とする請求項３〜６のいずれかに
   記載の表面形状測定装置。
8. 【請求項８】 走査光学系は焦点距離ｆｍｍのｆθレン
   ズを有し、ポリゴンミラーの面数をＮ、このポリゴンミ
   ラーの１辺の内、走査に使う領域の割合をＲ、被測定物
   上で走査するレーザ光の間隔をｙｍｍ、隣接するレーザ
   素子の光軸が走査方向になす角度をα１、走査方向と垂
   直方向になす角度をα２とし、α１が（数１）、α２が
   （数２）の関係を満足することを特徴とする請求項３に
   記載の表面形状測定装置。 【数１】 【数２】
9. 【請求項９】 走査光学系は焦点距離ｆｍｍのｆθレン
   ズを有し、ポリゴンミラーの面数をＮ、このポリゴンミ
   ラーの１辺の内、走査に使う領域の割合をＲ、被測定物
   上で走査するレーザ光の間隔をｙｍｍとし、隣接するレ
   ーザ素子の光軸が走査方向になす角度を３６０／Ｎ度に
   配置し、走査方向と垂直方向になす角度をα３とし、α
   ３が（数３）の関係を満足することを特徴とする請求項
   ３に記載の表面形状測定装置。 【数３】