JPS6122762B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

近年レーザー光のようなコヒーレント光を被測
定物体の表面に照射し、その透過または反射光に
生じるスペツクルパターン（speckle pattern）
の統計的特性を調べることによつて物体表面の粗
さを測定する試みがなされている。 レーザー光のようなコヒーレントな光で紙や壁
などの粗面を照射し、その反射光や透過光を観察
すると、任意の観察面（受光面）にきらきら輝く
斑点模様が生じる。このような斑点模様がスペツ
クルパターンと呼ばれるが、本発明者らは先にこ
のようなスペツクルパターンが粗面の表面粗さに
関する情報を含んでいることに着眼してスペツク
ルパターンと粗面の表面粗さの関係について考察
し、結像面に生じたスペツクルパターンのコント
ラストを測定することによつて物体の表面粗さを
検知あるいは測定することを提案した（特開昭51
−124454号）。 表面粗さとこの表面を照射したコヒーレント光
によつて生じるスペツクルパターンの特性との理
論的関係、および表面粗さをスペツクルパターン
の平均的コントラストによつて表わすことができ
る理論的根拠については、上記特開昭51−124454
号公報に詳しいのでそれにゆずる。そしてこの先
願に基づいて被照射面と受光面との距離を変える
ことにより、被測定物体の表面粗さの比較検査を
行なうことについて提案がなされた（特開昭53−
82451号）。そしてさらに集束されたコヒーレント
光の被測定面への照射面積を変えることによつて
被測定物体の表面粗さの絶対値を測定することに
ついても提案がなされた（特開昭53−117465
号）。本発明は、先願にもとづくこれら２つの提
案を結合して、実用性のある表面粗さ測定装置を
提供するもので、すなわち被照射面とこの面から
の光を受ける受光面ないし観察面との間の距離を
変化させ、この変化によるスペツクルパターンの
平均的コントラストの変化に基づいて被照射面の
粗さを比較検査するとともにコヒーレント光の被
照射面上における照射面積を変え、この変化によ
る被照射面のフランホーフア領域の任意の受光面
におけるスペツクルパターンの平均的コントラス
トの変化に基づいて被測定表面の粗さの絶対値を
測定するための装置を提供せんとするものであ
る。本発明は、１台の装置で被測定物体の表面粗
さの比較検査と絶対値測定の両方が可能である点
に特徴がある。 以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。 第１図はこの発明の測定原理を示すもので、図
において１はレーザー光源で、この光源からのコ
ヒーレント光はミラー２によつて光路方向が変え
られた後、逆望遠鏡型光学系３，４によつて光束
が一定幅に広げられ開口５を一様に照射する。こ
の開口を通過した光は集束レンズ６によつて集束
され、この集束レンズ６の焦点面７には微小なビ
ームスポツトＰが形成される。このスポツトＰの
大きさは開口５の大きさまたは集束レンズ６の焦
点距離を調節することによつて容易にかつ任意に
変えることができる。このことは開口５としてい
ろいろな大きさの円形またはスリツトを備えた開
口を用意して可変にするとか、レンズ６として焦
点距離が可変な光学系を使用するとかして行なわ
れる。 以下の説明に用いる実験では、試料面上の照射
面積を変えるものとして可変スリツトを開口５に
設置し、集束レンズ６には焦点距離ｆ＝29.6mmの
顕微鏡対物レンズを使用することにする。 この場合、試料面上の照射ビームスポツトの有
効巾はＫ_n＝19.547／Ｄで与えられる。ここでＤ
は可変スリツトの幅である。 焦点面７に被測定試料（例えばテレビブラウン
管）８の表面を合わせて設置する。試料表面から
の反射光には被照射面のフランホーフア領域にお
いてスペツクルパターンが生じ、このスペツクル
パターンの強度分布は試料表面に応じて空間的に
ランダムにあらわれている。（すなわち、スペツ
クルボイリング現象が生じる）。 そしてこのスペツクルパターンは受光面１１に
ピンホールを有する走査板１０を経て光電子増倍
管９のごとき光電検出器によつて検知される。こ
の走査によつてスペツクルパターンの強度変動が
検出される。ピンホールは被照射面のフランホー
フア回折面１１の中に設置され、スペツクルの平
均的大きさよりも小さく作られなければならな
い。 光電子増倍管９はスペツクル強度変動に対応す
る光電流出力信号を発生し、この信号が信号解析
器１２に入力され、スペツクルパターンの平均的
コントラストＶが自動的に算出されデイジタル量
として表示される。 スペツクルパターンの平均的コントラストＶは
前記特開昭51−124454号公報に詳説したように、
スペツクルパターンの強度変動の標準偏差として
定義される。信号解析器１２はスペツクルパター
ンの強度変動に対応する光電流信号をＡ―Ｄ変換
し、デイジタル化された電圧Ｖ_oの平均値

【式】および自乗平均値

【式】を計算し、これによつて標準偏 差

【式】を求めるように構成されてお り、解析器１２の出力としてスペツクルパターン
の平均的コントラストＶがデジタル量として得ら
れる。 尚、スペツクルパターンの強度変動を求めるた
めの走査は、上記のように被検査面を固定し検出
側すなわち走査ピンホールを動かすか、または検
出側を固定し被測定面を動かすかして行なわれ
る。この発明はいずれでもよい。 以上のようにこの発明は光電検出器９および走
査板１０を後述の機構（第２図、第３図参照）に
よつて被測定面からの反射光の中心に位置する光
軸ｂに沿つて移動させることができ、被測定面と
受光面の間の距離（以下受光面距離という）Ｚを
可変に設定できるようになつている。この場合、
検出器９の方を被測定面に対して動かすのが機構
上簡単であるが、ミラー２と被測定物体を一対と
して光軸方向に動かすことも可能でありこの距離
可変設定機構は後述のほか種々変形例を挙げるこ
とができる。 上記被測定面の比較測定を行なう場合には開口
５と集束レンズ６は光軸ａから脱出させる。そし
て、光学系３，４からのコヒーレント光が被測定
試料８に照射されるのである。 開口５は後述するようにその大きさが調整でき
るから開口５はその大きさによつて光軸ａから脱
出しなくてよい場合もある。このような測定方法
によればコントラスト値Ｖによつていくつかの被
測定試料の表面粗さの大きさを比較検査すること
ができる。 第４図は被測定試料８として４種の異なる表面
粗さを有するブラウン管の表面ガラス板を選び、
上記測定装置において前記受光面距離Ｚを変える
ことによつてそれぞれのガラス板の表面からの反
射光に生じたスペツクルパターンの平均的コント
ラストＶの変化値をプロツトして得た曲線GA，
GB，GC，GDを示すグラフである。 曲線GAは比較的に粗い表面のガラス板から得
られ、曲線GCは比較的に滑らかな表面のガラス
板から得られ、曲線GB，GDは上記二つのガラス
板の中間の粗さの表面のガラス板から得られたも
のである。 これらの曲線は、スペツクルパターンの平均的
コントラストＶが被測定表面の近接域における受
光面距離Ｚに応じて変化し、その変化が被測定表
面の粗さ状態によつて明確に異なることを示して
いる。すなわち、被測定表面が比較的に粗い場合
（曲線GA）、得られたスペツクルパターンの平均
的コントラストＶは、距離Ｚが長くなるにつれて
急激に大きくなるが、被測定表面が比較的平坦な
場合（曲線GC）にはＺの変化にもかかわらずＶ
は比較的小さい値に限定される。上述の二つの場
合の中間で、被測定表面の粗さが中間である場合
（曲線GB，GD）は、ＶはＺが大きくなるにつれ
て徐々に大きくなる。 被測定面GBとGDの表面粗さ状態は肉眼観察で
は識別できないが、このグラフフからGDの方が
GBよりややよいことがわかる。 更に第４図のグラフから、近接域の任意の固定
された受光面に生じたスペツクルパターンの平均
的コントラストが被測定表面の粗さ状態にほぼ比
例していることがうかがえる。従つて、受光面距
離Ｚを適当に選定し、この受光面において種々の
被測定表面のスペツクルパターンの平均的コント
ラストＶを順次測定することによつてこれらの被
測定面の粗さの比較検査を行うことができる。 他方この発明によれば比較検査のみならず表面
粗さの絶対値が測定できる特徴がある。すなわち
被測定面上のコーヒーレント光の照射面積を変
え、この変化に基づくスペツクルパターンの平均
的コントラストＶの変化を求め、その変化の最大
コントラストから被測定物体の表面粗さを測定す
るようにしたことである。したがつて、開口５と
集束レンズ６を光学系に介挿させてスポツトＰの
大きさを変えるようにするのである。 第５図は四つの異なる表面粗さを有する試料を
選び、上記測定方式により照射光のスポツトＰの
幅Ｋ_nを変化させ、この変化によるフランホーフ
ア領域におけるスペツクルパターンの平均的コン
トラストＶの変化値をプロツトした曲線A₁，
A₂，A₃，A₄を示すグラフである。 開口５の径ＤとスポツトＰの幅Ｋ_nはたとえば
つぎの表のとおり設定する。 開口径Ｄmm スポツトＰの幅Ｋ_n（μｍ） 7.5 2.5 4.7 4.0 3.4 5.5 2.7 7.0 2.2 8.5 1.9 10.0 1.6 12.5 1.3 15.0 0.94 20・０ 0.75 25.0 0.63 30.0 0.54 35.0 比較のためこれらの試料の表面粗さを表面粗さ
計によつて前もつて測定した。この場合、試料の
表面粗さを現在多く用いられている中心線平均粗
さ（CLA；center line average height）によつ
て表わす。中心線平均粗さＲ_aは Ｒ_a＝１／Ｌ∫^Ｌ _０｜ｆ（ｘ）−ｈ｜dx ……(1) として定義される。ここで粗さを求める方向をｘ
とし、その方向に沿つての粗面のでこぼこをｆ
（ｘ）で表わし、かつ測定区間の長さをＬとす
る。ここでｈは ｈ＝１／Ｌ∫^Ｌ _０ｆ（ｘ）dx ……(2) で与えられる平均粗さである。 第５図における試料面の表面粗さ計による中心
線平均粗さはそれぞれＲ_a＝0.13μｍ（試料A₁）、
0.10μｍ（同A₂）、0.066μｍ（同A₃）、0.025μｍ
（同A₄）である。 第５図のグラフから明らかなように、平均的コ
ントラストＶはスポツト幅Ｋ_nが増加するとある
最大値まで増加し、スポツト幅が更に増加すると
徐々に極めてゆるやかに減少する。平均的コント
ラストの最大値Vmaxは表面粗さに比例して大き
くなる。 表面が極めて平滑であると（A₃，A₄の場合）、
スポツト幅Ｋ_nを変化させても平均的コントラス
トＶの変化がそれほど認められない。これはラツ
プ（研摩）時間が長くなると大きな凹凸が摩滅
し、その結果試料表面が極めて高い平滑な状態に
なるからである。 第５図の曲線から得られたコントラストの最大
値Vmaxを、表面粗さ計を用いて予め測定した各
試料に対する中心線平均粗さに対してプロツトし
たのが第６図のグラフである。 第５図から、コヒーレント光の試料面での照射
面積の幅Ｋ_nの変化による平均的コントラストＶ
の変化の様子は試料によつて大幅に異なり、それ
が試料表面の仕上げ方法に依存していることは明
らかである。しかし、第６図から明らかなよう
に、これらの平均的コントラストの変化曲線から
得られる最大値Vmaxと中心線平均粗さの間には
すぐれた相関関係が存在するのである。従つて、
物体表面の中心線平均粗さは、コヒーレント光の
試料面上の照射面積の変化によるフランホーフア
領域に生じるスペツクルパターンの平均的コント
ラストの変動を検知しそのコントラスト変化の最
大値を見出すことによつて、第６図のほぼ直線的
な関係（破線参照）から測定することができる。 この発明による測定方法（比較検査と絶対値測
定）の原理は以上詳述したとおりであるが、第２
図、第３図はその原理を具体化した装置の構成を
示すものである。第２図において第１図と同一符
号で示されるものは第１図と同一の部品を示して
いる。 １３は装置の機枠（ケース）を示しておりこの
内方に測定機構部が内蔵されているのである。１
４はレーザ源１を棚板２６に保持する保持枠、１
５はミラー２の保持枠である。１６は光学系３，
４の筒部で保持枠４６を介して棚板２６に保持さ
れている。１７は集束レンズ６の筒部で支え板１
８、支柱１９を介して上下駆動機構に連結されて
いる。すなわち、２０は揺動レバー２１と支柱１
９を回動自在に連結するピンで２２は揺動レバー
２１をｃ，ｄに揺動させるためのハンドルであ
る。２３はハンドル２２と一体の位置決めカムで
ローラ２４が位置決めカム２３の凹部に押圧され
ることにより位置決めされる。したがつてレバー
２１がｃの位置にあるときは集束レンズ６は光軸
ａに介挿され、図示位置ｄにあるときは集束レン
ズ６は光軸ａから脱出されるようになつている。 ２５は機枠１３の底板であり、その上方に棚板
２６，２７が組み立て構成されている。２８は開
口５が穿設されている開口板で開口５の数と大き
さは先の表で示されているとおりである。すなわ
ちこの開口５と集束レンズ６によりコヒーレント
光が試料８に集束照射されるのである。 図示例の場合開口部５は光軸ａに対して挿脱せ
ず集束レンズ６のみが挿脱するようになつてい
る。それは先の表からも明らかなとおり開口５の
大きさは最大径が7.5mmφであるからこの開口を
光軸ａに位置せしめておけば前述比較検査の測定
においては支障ないのである。 開口板２８は伝導軸２９を介して操作盤３０に
より回転操作される。操作盤３０は機枠１３の窓
１３′に一部突出しており、操作盤３０の円周面
に記された開口径表示によつて光軸ａに位置して
いる開口径の大きさを知ることができるようにな
つている。操作盤３０を開口板２８から遠く離し
て設置しているのは第２図から明らかなとおり開
口板２８を大きくして機枠１３から突出させる形
にすると試料８の設置（セツテイング）に支障を
生じるからである。４７，４８はこの開口板２
８、操作盤３０を棚板２６に対して回転自在に保
持する保持枠である。 ３１は前記受光面距離ｚを可変にしかつ設定す
るための可動板であり、案内桿３２，３３上に載
置され案内されている。可動板３１はその端部に
設けられたラツク３１′にピニオン３８が噛み合
つており、このピニオン３８が回転駆動されるこ
とにより矢印方向に変位する。ピニオン３８は伝
動軸３７に取り付けられており傘歯車系３５，３
６を介して操作軸３４の回転が伝えられて回転さ
れる。 操作軸３４の回転はつまみ４９によつて行なわ
れ、そのときの受光面距離ｚが表示器５０に表示
される。走査板１０は可動板３１上に載置されて
おりその回転用モータ３９と伝導軸４０も同様に
載置されている。この走査板１０には10μ程度の
ピンホールが回転中心からそれぞれ半径異なる位
置において一定間隔で穿設されており、そのピン
ホールを通過したスペクルパターンが光電検出器
（ホトマル）９にて検出されるのである。 他方第３図にも明らかにされているように試料
８からの反射光によるスペツクルパターンを目で
観察し、あるいは撮影するために反射側光軸ｂに
そのスペツクルパターンを上方に取り出す光学系
４１，４２，４３が設置されておりこの光学系は
ハンドル４４の操作により光軸ｂ（光路）に対し
て進退するように構成されている。すなわちスペ
ツクルパターンの状況をまず観察するためにはこ
の光学系が介入され観察窓４５から観察されまた
は撮影されその後コントラストの測定のためにこ
の光学系は退却されるのである。 ５１はミラー４１の保持枠であり、この保持枠
５１がピン５２を中心に回動することにより進退
するわけでありこの回動はハンドル４４で位置決
め枠５３を回動させることにより行なわれる。す
なわち、この位置決め枠にはその凹部にローラ５
４が押圧されているのである。 この発明の特徴は上記のとおりであるが図示例
に限定されるものではない。特に具体化して示す
第２図、第３図の構成は一例であつて、種々の変
形実施例を挙げることができよう。また原理的に
は集束可変機構すなわち開口とその可変機構は上
記の場合照射系に対して挿脱させる方式として説
明しなかつたがこれをも挿脱させるようにするこ
とは可能である。挿脱機構、距離可変設定機構な
どの構成は図示例には限定されない。 この発明は以上詳述したとおりであるから１台
の装置によつて、集束照射系の挿脱操作を行なう
だけで被測定物体の表面粗さの比較検査と絶対値
測定のいずれをも可能にした実用的な表面粗さ測
定装置を提供する。先願にもとづく提案の比較検
査技術と絶対値測定技術の単なる組み合わせでは
なく、集束照射系の挿脱方式を採用して両者を結
合したもので、構成と操作が簡略であり、実用的
な装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の原理的構成を示す図、第２
図、第３図はその具体的な構成を示す図、第４図
は比較検査測定における測定値を示す図、第５図
は絶対値測定における測定値を示す図、第６図は
絶対値測定方法を示す図である。 １……レーザー光源、２……ミラー、３，４…
…光学系、５……開口、６……集束レンズ、７…
…焦点面、８……被測定試料、９……光電子増倍
管、１０……走査板、１２……信号解析器、１３
……機枠、１６，１７……筒部、１９……支柱、
２２……ハンドル、２８……開口板、３０……操
作板、３１……可動板、３４……操作軸、３８…
…ピニオン、４１，４２，４３……光学系、４４
……ハンドル、４９……つまみ、５０……表示
器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ コヒーレント光を被検査表面に照射する照射
   系と、この照射系に介在されコヒーレント光を被
   測定面に集束照射する集束照射系と、照射された
   表面からの光によるスペツクルパターンを受光面
   にに生じさせる光学系と、受光面に生じたスペツ
   クルパターンの平均的コントラストを測定する測
   定系と、前記受光面と被測定面との間の距離を可
   変に設定する距離可変設定機構と、前記集束光束
   の前記被測定面上における照射面積を変化させる
   集束可変機構と、前記集束照射系を照射系に対し
   て介挿・脱出させる挿脱機構とを備え、この挿脱
   機構によつて集束照射系を照射系から脱出させた
   とき被測定物体の表面粗さの比較検査を可能に
   し、集束照射系を照射系に介挿させたとき被測定
   物体の表面粗さの絶対値測定を可能にしたことを
   特徴とする表面粗さ測定装置。