JPS6149602B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は被検体を光束で走査し、この被検体を
反射、又は透過した光束の指向方向の前もつて定
められた規準方向からの偏倚を検出することによ
り、被検体の光束反射、又は透過に於ける光偏向
特性に関係する情報例えば表面形状情報を得るよ
うにした装置に関する。

物品の表面形状を測定する装置には大別して接
触式のものと非接触式のものとがある。

接触式の装置の主なものには探触針を物品表面
に当てて走査するようにしたものがあるが、斯様
な装置は測定速度が遅く、また物品表面に傷をつ
ける恐れがある為柔い物品表面等の形状測定には
不向きである。

非接触式の装置の主なものは光学式のものであ
つて、測定波面と参照波面を重畳して干渉縞を形
成したり、米国特許第3761179号明細書に記載の
装置の如く被検体表面の起伏に起因する反射光束
の変化を検出したりして表面形状を測定するよう
にした装置等が公知である。干渉縞を利用する装
置は感度が高く、被検体表面形状の規準形状の規
準形状からのわずかの変化が複雑な縞パターンの
変化に結果する。そして一般にこの縞パターンを
目視観察するようになつている為、干渉縞が複雑
に変化した場合は被検体の表面状の単純な判定も
定量測定も容易ではなく、測定に長い時間がかか
つてしまう。従つてIC製造工程で半導体ウエハ
やパターンマスクの平坦度（この場合高低差はλ
＝6328Åとしてほぼλ／５〜25λの範囲にある）
を短時間に大量に検査するような場合に応用する
には不適である。勿論干渉縞の位相情報を光電的
に検出し、得られた信号を処理して被検体の表面
形状を測定することも可能であるが、この場合装
置の光学的、電気的、機械的諸手段の構成が複雑
になつてしまう不都合が生ずる。感度の低いモア
レ縞を形成することによつて被検体表面形状を測
定する装置もあるが（例えば米国特許第3858981
号明細書）、精密な測定の要がある時は逆に感度
が低過ぎ、更にモアレ縞パターン情報の処理に前
述と同様な欠点がある。前述の米国特許第
3761179号明細書に記載の装置は高速の測定が可
能であるが、被検体表面の起伏に簡単な形では対
応しない反射光の光量変動を利用するものである
為、装置の光学的、電気的、機械的諸手段の構成
が複雑になるという欠点がやはりある。

アイ・ビー・エム，テイニカル，デイスクロー
ジヤー，ブリテイン（IBM Technical
Disclosure Bulletin）第13巻、第３号、789〜790
頁には被検体の研磨面又は半研磨面を光束で走査
し、反射光束を光束入射位置検出素子で受光し、
この素子の受光面上での入射光束の位置偏倚を検
出することにより被検体の表面形状を測定するよ
うにした装置が開示されている。

この装置の構成は簡単であるが、しかし走査光
束に対して被検体全体が傾いていれば得られる結
果には表面形状の情報とこの傾き情報との双方が
混入してしまう為被検体の正確な配置が必要であ
り、これが高速測定の障害となつている。

本発明の主な目的は、光学的に非接触で被検体
の反射、又は透過に於ける光偏向特性に関係する
情報を得る測定装置であつて、簡単な構成でよ
く、かなり高い感度が得られるのみならず高速で
測定可能な装置を提供することである。本発明の
測定装置は、基本的には、被検体を光学的に走査
する走査光学系と、受光面上に光束が入射した際
この受光面上に前もつて定められた座標軸につい
ての光束入射位置の座標に対応する信号を形成す
る光速入射位置検出手段と、前記被検体からの光
束をこの光束入射位置検出手段の受光面上に集中
させる光学系と、前記被検体の規準の配置姿勢か
らの傾きを検出してこの傾きに対応する信号を形
成する傾き信号形成手段と、前記光束入射位置検
出手段からの信号とこの傾き信号形成手段からの
信号との差に対応する信号を形成する差信号形成
手段と、被検体からの光束を通過させる一方、被
検体へ向かう走査光束を一部戻す手段と、該手段
により戻された光束を受光する第２の光束入射位
置検出手段とを備えている。こうして本発明の装
置では被検体の所定配置姿勢からの傾きが補正さ
れるようになつている為、被検体の配置に関する
正確度への要求が大幅に低減し、大量の被検体の
高速測定が可能となり、また測定の度に反復する
装置固有の誤差が補正される。

以下図面を参照して本発明を説明する。

第１図は本発明の一実施例の光学系の概略図
で、そして第２図は第１図光学系を２−２線方向
から見た図である。図中、１０は光源である。光
源としてはタングステン球、クセノン球、発光ダ
イオード、半導体レーザー等何でも利用できる
が、第１，２図光学系及び後述の第４図、第５図
光学系では最適な実施例として直線偏光光束を放
射するガスレーザーが使用されている。光源１０
は紙面に垂直な偏光ベクトルを有する細い直線偏
光平行光束１１を射出する。光束１１は偏光ビー
ムスプリツター１２に入射する。このビームスプ
リツター１２はＳ偏光の光を反射しＰ偏光の光を
透過せしめる。Ｐ偏光とは入射光線とビームスプ
リツターの反射面の法線とを含む面内に偏光ベク
トルがあるもの、Ｓ偏光とはこの面に偏光ベクト
ルが垂直なものを言う。前述の如く、光束１１は
Ｓ偏光であるから偏光ビームスプリツター１２で
全て反射され、光束１３となる。１４は1/4波長
板であり、光学軸が入射光束の偏光方向に対し45
゜の角度をとるように配置されている。従つてＳ
偏光平行光束１３がこれを透過すると円偏光平行
光束１５となる。この光束１５は電動モーター１
７で等速回転せしめられている角柱型多面鏡１６
に入射する。従つてこの多面鏡１６は光束１５を
反射して等速で回転移動する走査平行光束１８を
形成する。光束１８は前記の1/4波長板１４を透
過するが、入射前に円偏光であるから透過した平
行光束１９はＰ偏光となり、従つてビームスプリ
ツター１２を全て透過する。ビームスプリツター
１２を透過した走査光束１９は光学軸が光束１９
の偏光方向に対して45゜の角度となるように配置
された1/4波長板２０を透過する。従つて回転移
動する走査光束２１は円偏光である。２２はコリ
メーターレンズであり、後側焦点がほぼ多面鏡１
６の光束１５の入射点近傍にあるように配置され
ている。従つてこのレンズ２２はほぼ等速で回転
移動する光束２１をほぼ等速で平行移動する走査
光束３６に変換する。

光束３６は平坦な反射面２４を有するビームス
プリツター２３に入射する。このビームスプリツ
ター２３としては半透膜の蒸着されたミラーや、
ガラスのような単なる透明板が使用され得る。そ
してこのビームスプリツター２３は反射面２４が
光束３６に対して垂直な面からわずかに傾くよう
に配置されている。従つてこの面２４を反射した
光束３７の指向方向は光束３６の指向方向の逆方
向からわずかに偏倚している。この光束３７はレ
ンズ２２によつて集められる。レンズ２２を前と
逆向きに通過した光束は円偏光であり、再び1/4
波長板２０を透過することでＳ偏光となり、そし
て偏光ビームスプリツター１２で全て反射する。
この反射光束２７は小ミラー２８で反射された後
光束３０となつて光電変換式入射位置検出器２９
の受光面上に入射する。この検出器２９は２軸式
のものであつて、受光面への光束の入射位置の２
次元座標、例えばｘ−ｙ直交座標に対応する信号
を形成するものであるとする。斯様な検出器は一
般に市販されているが、その中にユナイテツド，
デイテクター，テクノロジー，インコーポレーテ
ツド（United Detoctor Techfiology Inc.）より
PIN−SC／10なる商品名で販売されているソリ
ツドステート素子がある。この素子はｘ軸、ｙ軸
について夫々正方向、負方向に関する２つの光電
流出力を形成するものである。この４つの出力は
受光面への光束（ただし強度が一定とする）の入
射位置の変化に対応して変化する。原点に入射す
ればｘ軸に関する２つの出力、ｙ軸に関する２つ
の出力は夫々等しく、入射位置が原点から移動し
て行けばその方向に関する出力は増加し、逆の方
向に関する出力は低下する。例えば光束がｘ−ｙ
座標の第１象限に入射すればｘ軸、ｙ軸の夫々正
方向に関する出力は夫々負方向に関する出力より
も大であり、そして例えばｘ軸の正方向に関して
入射位置が移動して行けばその移動量に対応して
ｘ軸の正方向に関する出力と負方向に関する出力
との差は増大する。従つてｘ軸についての２つの
出力の差及びｙ軸についての２つの出力の差を知
れば光束の入射位置の座標がわかる。本発明の実
施例には上述したような光束入射位置のｘ，ｙ座
標に対応する信号を形成する素子が使用される。

上述したビームスプリツター２３、検出器２９
を含む系は、例えばレンズ２２の収差に起因する
測定誤差等、装置の光学系の各素子の品質や配列
誤差に起因し、測定の度に反復する誤差を除去す
る為のものである。そして検出器２９で形成され
る信号を用いて上記装置固有の誤差を補正するの
であるが、その為に検出器２９は、各光学系素子
に品質上の欠陥がなく、また配列上の欠陥がない
と想定した場合に、反射面２４を反射してレンズ
２２、ビームスプリツター１２、ミラー２８を通
過後入射する光束が検出器２９の受光面に集中す
るように配置されている。換言すれば検出器２９
は、上記想定の下でその受光面の位置と、面２
４、ビームスプリツター１２、ミラー２８を介し
てのレンズ２２による多面鏡１６への光束１５の
入射点の像位置とがほぼ一致するように配置され
ている。従つて検出器２９への光束入射位置が所
定位置より変位すれば装置固有の誤差因があるこ
とになる。

また、このようにビームスプリツター２３を使
用することで複雑な表面形状を規準とする被検体
の表面形状測定も容易になる。この場合はビーム
スプリツター２３の反射面２４をその規準となる
表面形状にしておけばよい。こうすることによつ
て、第８図図示の系等を利用すれば被検面の複雑
な形状の規準面よりの変形を容易に求めることが
可能になる。

次に、ビームスプリツター２３を透過した平行
移動する走査光束３１は被検体３２を走査する。
被検体３２は表面で光束３１を反射するのである
が、反射光束が再びレンズ２２に入射するよう
に、被検体３２はその表面の光束３１に対する平
均的な角度がなるべくほぼ垂直になるように配置
されることが望ましい。勿論、被検体が上記の如
き姿勢で配置されなくても本発明ではこれは補正
されるのであるが、極端に傾くと光束が後述の検
出器３５に入射しなくなる恐れがでて来る。

被検体３２を反射した光束はレンズ２２によつ
て集められ、1/4波長板でＳ偏光に変換され、従
つて偏光ビームスプリツター１２で全て反射され
る。この際の光束３３は、ビームスプリツター２
３の反射面２４が前述の如く傾いているから、前
記の光束２７とは空間的に分離している。次に光
束３３は小ミラー５９で光束３４として反射され
検出器２９と同様な光束入射位置検出器３５に入
射する。この検出器３５は、装置光学系に前述の
ような不都合がないと想定し、また被検体３２の
表面が平坦でありかつ光束３１に対して垂直であ
る場合を想定した時、検出器３５の受光面の座標
原点位置と、多面鏡１６への光束１５の入射点位
置の被検体３２表面、ビームスプリツター１２、
ミラー５９を介してのレンズ２２による像位置と
がほぼ一致するように配置されている。従つて装
置の光学系に前述の如き不都合がないと想定した
場合、第１図、第２図に於いて、被検体３２の被
検面が完全に平坦であつて、かつ平行移動する走
査光束３１に対して正確に垂直であれば、反射光
束は入射光束の光路を正確に逆進し、ビームスプ
リツター１２で反射された後検出器３５の原点位
置に入射する。しかし、被検体３２が前もつて定
められた姿勢に配置され被検面が走査光束３１に
対して平均的に垂直であつても、この面に起伏が
あれば、光束３１に対して垂直な面に対し傾斜し
ている部分を反射した光束は入射光束の光路を逆
進しないで入射光束の逆向き光路の方向から偏倚
した方向に進行する。同様に被検体３２の被検面
が完全に平坦であつても被検体が前もつて定めら
れた姿勢になく面が光束３１に対して90゜以外の
角度で傾いている場合、被検面に起伏がありかつ
光束２３に対して平均的に90゜以外の角度で傾い
ているような場合も被検面を反射した光束は入射
光束の逆向き光路の方向から偏倚している。後三
者の場合、光束３４の検出器３５への入射位置は
原点から変位しているが、この変位の方向及び大
きさは被検面を反射した光束の方向の光束３１の
逆向き方向からの偏倚に、従つて被検面の走査光
束３１の入射部分の傾き、即ち光束３１に対する
垂直な面からの傾きの方向及び大きさに１対１に
対応している。従つて検出器３５の受光面上での
光束３４の入射位置を知れば被検体３２の表面形
状を知ることができる。

そして前述したような光学系に固有の誤差因が
あつたとしても、これは検出器２９により信号化
されるから、検出器３５の形成する信号処理過程
に検出器２９よりの信号を利用すれば光学系固有
の誤差は容易に除去可能になり、被検体３２の表
面形状に関する正確な情報を抽出しやすくなる。
ここで前記の多面鏡１６は、各反射面による反射
光束の走査線が互いに他の反射面による走査光束
の走査線とは空間的に分離するように、各反射面
の回転軸に対する角（本明細書でこれをピラミツ
ド角と称することにする）が互いに他のそれと相
異せしめられているものとする。そして各反射面
のピラミツド角は回転方向に沿つて順に小さく又
は大きくなつているものとする。斯様な多面鏡に
は米国特許第3529884号明細書に記載の多面鏡、
即ち、本体と、この本体に放射状に設けられた複
数のウエツブと、各ウエツブに設けられた反射面
ブロツクと、このブロツクの各々と本体の間に取
り付けられたビスとから成るような各反射面のピ
ラミツド角の調整可能な多面鏡が使用され得る。
こうして第３図に示す如く被検体３２はラスター
パターン（raster pattern）に沿つて光束走査さ
れる。そして被検体の全表面は多面鏡１６の１回
転で走査完了されることが可能となる。等間隔の
ラスターを得られるように多面鏡１６の各反射面
のピラミツド角を調整しておくことが望ましい。

第４図は本発明の一実施例の光学系の他の例で
ある。１０は細い直線偏光平行光束１１を射出す
るガスレーザーである。光束１１の偏光ベクトル
は紙面内にあるものとする。１７５は角錐台形多
面鏡であつて電動モーター１７によつて定速回転
駆動せしめられ、回転軸に沿う方向から入射する
光束１１を反射して回転移動する光束５１を形成
する。尚、多面鏡１６の各反射面のピラミツド角
は第３図のようにラスター走査を可能とする為互
いに他のそれと相違しているものとする。１２は
偏光ビームスプリツターである。光束５１はＰ偏
光であるから全てこのビームスプリツター１２を
透過するが、透過後光学軸が光束５１の偏光方向
に対して45゜の角度を有している1/4波長板２０
を通過するようになつている。従つてこの1/4波
長板２０を透過した光束５２は円偏光である。コ
リメーテイングレンズ２２は後側焦点が多面鏡１
７５の光束１１の入射点位置にほぼ一致するよう
に配置されており、回転移動する走査光束５２を
平行移動する走査光束３６に変換する。

２３は前述と同様に平坦な反射面２４を有し、
この面２４が光束３６に対する垂直な面からわず
かに傾くように配置されたビームスプリツターで
ある。反射面２４を反射した光束３７はレンズ２
２、1/4波長板２０、偏光ビームスプリツター１
２、小ミラー２８を通過して光束入射位置検出器
２９に入射する。

ビームスプリツター２３を透過した光束３１は
被検体３２の表面３２をラスター走査するが、そ
の際反射された光束はレンズ２２、1/4波長板２
０、偏光ビームスプリツター１２、小ミラー５９
を通過して光束入射位置検出器３５に入射する。

上記検出器２９，３５は夫々第１，２図で説明
したと同様な位置に配置される。検出器２９の出
力は光学系の前述した誤差因に対応しており、検
出器３５の出力は被検面の形状、被検面の光束３
１に対する平均的な傾き、及び光学系の前述した
誤差因に対応している。このことは第１，２図に
て説明したと同様である。

第５図は第４図光学系の変形例である。この光
学系は第４図と同様な光学系のビームスプリツタ
ー１２と検出器２９，３５の間に夫々補助レンス
６１，６０を配置したものである。検出器２９，
３５は、夫々の受光面の座標原点位置が、光束５
２がレンズ２２に入射した以後の対応光学系によ
る多面鏡１７５への光束１１の入射点の像位置近
傍に存在するように配置されている。即ち例えば
レンズ２２のパワーによりビームスプリツター１
２とレンズ６１，６０の間に夫々上記入射点の像
が形成されたとすると、検出器２９，３５の上記
原点位置はこれらの像のレンズ６１，６０に関す
る共役位置に夫々ほぼ一致している。一般的に言
えば、補助レンズ６０，６１を図の如く配置する
ことによりレンズ２２との合成焦点距離レンズ２
２の焦点距離とは任意に変えることができるので
ある。

斯様に補助レンズ６０，６１を使用することで
感度を向上し、ダイナミツクレンジを減少させる
ことなく精度を向上させること又は感度を低下さ
せて被検面起伏の測定可能範囲を拡大することが
できる。尚、このような補助レンズは第１，２図
の光学系にも同様にして利用できるものである。

第４，５図では多面鏡１７５として角錐台形多
面鏡を利用したが、こうすることによつて同一の
速度で回転した場合、第１，２図の角柱形多面鏡
１６を利用する場合よりも回転移動する、従つて
平行移動する光束の走査速度を1/2に減ずること
ができるから、後述の信号処理の為の電気回路の
応答速度に対する要求が緩和できるものである。

尚、第１，２，４，５図で1/4波長板と偏光ビ
ームスプリツターを使用したのは、ビームスプリ
ツターとして通常のハーフミラーを使用した場合
に不可避のこの部分での光量ロスをなくす為であ
る。そしてビームスプリツターを利用してコリメ
ーテイングレンズ２２と多面鏡１６又は１７５間
の光路を分割することにより走査光束を形成し、
また反射光束を集めるのにレンズ２２を軸上で使
用することが容易となるから前述のIBM
Technical Disclosure Bulletin，Vol.13，No.３，
P789〜790に記載の装置の如くコリメーテイング
レンズを軸外で使用する場合に比べ、収差の補正
などが容易となる。

第６図ａ，ｂは夫々凹球面、凸球面を有する反
射性被検体の表面形状を測定する場合の光学系要
部の説明図である。第６図ａ，ｂに於いて２２は
第１，２，４，５図でコリメーテイングレンズで
ある。４２はレンズ２２を射出してラスター走査
をする平行移動走査光束３６の光路中に配置され
た補助レンズであつて、平行移動する走査光束３
６をレンズ４２の焦点に指向しながら移動する光
束３８に変換する。３９は光束３８の一部を面４
０で反射して検出器２９に入射する光束３７を形
成するビームスプリツターである。第６図の場合
このビームスプリツター３９は表面、裏面とも球
面であつてかつ互いに平行となつているものであ
る。このビームスプリツター３９の球表面の曲率
中心はレンズ４２の焦点からわずかに変位した位
置に配置され、かつ面４０は光束３８に対する垂
直な面から傾けられていて、入射光束３８の表面
での屈折はほぼ無視できるが面４０を反射した光
束３７は光束３８と空間的に分離されるようにな
つている。このビームスプリツター３９を透過し
た光束４１が被検体４３又は４４の凹又は凸球面
を走査するのであるが、その際この被検体４３，
４４は被検面を反射した光束が再びレンズ４２及
び２２を通過するように、被検面の曲率中心とレ
ンズ４２の焦点がほぼ一致するように配置されて
いる。

被検球面に正常な形状からの変形があつた場合
はそれに対応して検出器３５上への光束入射位置
が変位する。

第７図ａ，ｂ，ｃは夫々平行平面板６５、三角
プリズム４５正レンズ４８の透過偏向特性を測定
する場合の光学系の要部の説明図である。第７図
ａ，ｂ，ｃに於いて、２２，２３は夫々第１，
２，４，５図のコリメーテイングレンズとビーム
スプリツターである。第７図ａで６５は透明な平
行平面板であり、光束３１でラスター走査され
る。この被検体６５は光束３１に対してなるべく
平均的に垂直になるように配置されることが望ま
しい。６７は平坦な反射鏡であり、被検体６５を
透過した光束６６を反射する。反射光束が再びレ
ンズ２２を通過するように反射鏡６７は鏡面が光
束６６に対して平均的に垂直になるように配置さ
れている。

第７図ｂで４５は透明な三角プリズムで光束３
１によつてラスター走査される。このプリズム４
５は光束３１を４６のように偏向する。４７は平
坦な反射鏡であり、光束４６を反射する。反射光
束が再びレンズ２２を通過するように反射鏡４７
は鏡面が光束４６に対し平均的に垂直になるよう
に配置されている。

第７図ｃで４８はレンズで光束３１によつてラ
スター走査される。このレンズ４８はその光軸が
コリメーテイングレンズ２２の光軸となるべく一
致するように配置されることが望ましい。この被
検レンズ４８はラスター走査光束３１を４９のよ
うにこのレンズの焦点に向けて指向する光束に変
換する。５０は凸面鏡であり光束４９を反射する
のであるが、この凸面鏡５０は鏡面の曲率中心と
被検レンズ４８の焦点がほぼ一致するように配置
されており、従つてこの反射鏡５０を反射した光
束は再びレンズ２２を通過する。

被検体６５，４５，４８の表面形状が規準形状
と相違し、及び、又は、被検体６５，４５，４８
の屈折率或いはその分布が規準から変化しておれ
ば、これらの被検体を透過した光束は規準の被検
体を透過した光束の指向方向とは偏倚した方向に
指向する。従つてこの場合は先に述べたと同様光
束３４又は５７又は６２は検出器３５の原点以外
の所に入射し、そしてその位置は被検体の透過光
偏向特性に対応している。逆に言えばこの位置を
知れば被検体の透過光偏検出器２９，３５の位置
は、前述したこ同様第６，７図の如き光学系を使
用する場合も、多面鏡１６、又は１７５からの光
束がレンズ２２に入射した以後の光路中にある光
学系による、多面鏡１６又は１７５への光束１１
の入射点の像位置近傍に検出器の受光面が位置す
るように配置されている。

このように本発明によれば反射物品、透過物品
の光偏向特性を利用して反射又は透過物品の表面
形状や透過物品の屈折率分布等の物理的属性を測
定できるのであるが、簡単の為以下では反射物品
の平坦面であることを理想とする表面形状を測定
する例について述べる。透過物品の表面形状、又
は屈折率分布等の測定についても以下と原理的に
同じことが言える。

まず、光束入射位置検出器３５で形成された信
号の処理手段を説明する前に、その原理を簡単に
説明しておく、簡単の為、前述した光学系の不都
合に起因する誤差はないもの又は無視できるもの
とする。

さて、被検体は第３図に示すように光束２３で
ラスター走査されるのであるが、同図のように走
査線の方向はｙ軸に平行で、ｘ軸方向に間隔が開
いているものとする。

被検反射面の表面をＺ（ｘ，ｙ）で表わすと、
検出器３５上での光スポツトのｘ−ｙ座標は次式
で表わされる。

Ｘ（ｘ，ｙ） ＝２・ｆ・（∂_ｚ（ｘ，ｙ）／∂_ｘ＋Ｍ_x） (1) Ｙ（ｘ，ｙ） ＝２・ｆ・（∂_ｚ（ｘ，ｙ）／∂_ｙ＋Ｍ_y） (2) ここでｆはレンズ２２の焦点距離、Ｍ_x，Ｍ_y
は、被検面が理想的に平坦であるとして（即ちＺ
（ｘ，ｙ）＝定数）、その被検面の光束３１に対し
て垂直な平面からの傾き、即ち一般的に言えば被
検面の光束３１に対する平均的な垂直状態からの
平均的な傾きのｘ，ｙ成分である。Ｍ_x，Ｍ_yは装
置と被検体とが互いに相対的に固定されておれば
一定である。

前記(1)，(2)式は次のように変形できる。

∂_Ｚ（ｘ，ｙ）／∂_ｘ＝Ｘ（ｘ，ｙ）／２ｆ−Ｍ_x(3) ∂_Ｚ（ｘ，ｙ）／∂_ｙ＝Ｙ（ｘ，ｙ）／２ｆ−Ｍ_y(4) こうしてｘ，ｙ，ｆ，Ｍ_x，Ｍ_yがわかれば被検
体の表面形状Ｚ（ｘ，ｙ）を求めることができ
る。即ち(4)式を積分すれば Ｚ（ｘ，ｙ） ＝∫^ｙ _０（Ｙ（ｘ，ｙ′）／２ｆ−Ｍ_y）dy′＋K₁(5) ここでK₁は積分定数である。Mx，Myは被検体
を装置中に配置する度に変動し得るものである
が、後述の手段によつてこれは信号処理過程で補
正されるものである。

ところで平行移動走査光束３１の走査速度Vs
はVs＝Ｋ・θ〓ｍ・ｆで与えられる。ここでＫは
第１図では２、第４，５図では１であり、θ〓ｍは
多面鏡１６又は１７５の角速度である。ｔを時間
とすれば被検面上での光スポツトの座標はｙ＝
Vs.tであり、またθ〓ｍは定数であるからｄｙ／ｄｔ＝
Vs である。従つて、式(5)はｙ＝Vs・ｔ，ｄｙ／ｄｔ＝Vs
を 利用して変数ｙを変数ｔに置換され得るものであ
り、それ故、走査によつて得られた時系列的信号
を時間に関して積分しても被検体の表面形状に関
する信号を得ることができる。

さて、次に第８図は前述の光学系固有の誤差を
除去する為の信号処理手段のブロツク線図であ
り、簡単の為この処理の説明は前述のMx，Myが
０又は無視できるものとしてなされる。

２９は光束入射位置検出器であり、この検出器
は前述の如く受光面上での光束の入射位置に対応
した４つの出力７０〜７３を形成する。７０，７
１は夫々ｘ軸の正、負方向についての出力、７
２，７３は夫々ｙ軸の正，負方向についての出力
とする。信号７０，７１の差、信号７２，７３の
差は前述の如く検出器２９の受光面上での光スポ
ツトの座標に対応し、そしてこの位置は光学系の
品質や配置上の規準からの変化変形量に、即ち光
学系固有の誤差量に対応している。しかし一方、
出力７０〜７３は検出器２９への入射光の光量に
応じても変動する。従つて例えば光源の出力が変
動した場合にも出力７０〜７３は変動し、上記信
号の差も変動するから、この変動を補正する為に
第８図では夫々２つの信号の差の和に対する比の
信号を使用するようになつている。こうすれば光
量変動についての係数はキヤンセルされ、検出器
２９への入射光量が変動しても上記比信号の大き
さはその入射位置だけに対応することになる。

第８図で信号７０，７１，７２，７３は夫々前
段増幅器７４，７５，７６，７７に夫々印加さ
れ、増幅器７４，７５からの出力７８，７９は減
算器８２，加算器８３に印加される。増幅器７
６，７７からの出力８０，８１は減算器８４、加
算器８５に印加される。減算器８２，８４は夫々
信号７８から７９を、信号８０から８１を減算す
る。減算器８２の出力８６と加算器８３の出力８
７は、信号８６の信号８７に対する比信号９２を
形成する除算器９０に印加され、減算器８４の出
力８８と加算器８５の出力８９は、信号８８の信
号８９に対する比信号９３を形成する除算器９１
に印加される。信号９２は光学系固有の誤差信号
のみを形成する為の検出器２９受光面への光束入
射位置のｘ座標に、信号９３はそのｙ座標に対応
する。

被検体表面で反射した光束を受ける光束入射位
置検出器３５の出力も、上述したと同様、まず入
射光量変動に起因する出力変動を補正する為の処
理がなされる。１１０，１１１は夫々ｘ軸の正、
負方向に関する出力、１１２，１１３は夫々ｙ軸
の正、負方向に関する出力で、各出力は夫々前段
増幅器１１４〜１１７に印加される。増幅器１１
４，１１５の出力１１８，１１９は減算器１２
２，加算器１２３に印加され、増幅器１１６，１
１７の出力１２０，１２１は減算器１２４，１２
５に印加される。減算器１２２，１２４は夫々信
号１１８から１１９を、信号１２０から１２１を
減算する。減算器１２２の出力１２６、加算器１
２３の出力１２７は除算器１３０に、減算器１２
４の出力１２８、加算器１２５の出力１２９は除
算器１３１に印加される。除算器１３０，１３１
は夫々信号１２６，１２８の信号１２７，１２９
に対する比信号１３２，１３３を形成する。信号
１３２は検出器３５受光面上への光束入射位置の
ｘ座標に、そして信号１３３はそのｙ座標に対応
しているが、このｘ座標、ｙ座標は被検体表面の
起伏の傾きのｘ，ｙ方向成分と光学系固有の誤差
のｘ，ｙ方向成分との和に対応している。従つて
この光学系固有の誤差を除去する為、信号１３
２，９２は減算器９４へ、信号１３３，９３は減
算器９５に印加される。減算器９４は信号１３２
から９２を減算し、減算器９５は信号１３３から
９３を減算する。前述の如く信号９２，９３は
夫々光学系固有の誤差信号のｘ，ｙ方向成分に対
応しているから、減算器９４，９５の出力９６，
９９は、光学系に固有の誤差因が存在したとして
もそれに起因する誤差信号の除去された、ただし
被検面の起伏のｘ，ｙ方向成分にのみ対応する信
号となつている。そして信号９９を各走査線ごと
の表面形状情報を含んだ信号が得られることにな
るのであるが、しかし前述の如くラスター走査を
する場合には前述の式(5)の積分定数K₁を適宜に
求める必要がある。というのはｙ軸方向の各走査
線につき得られる積分値Ｚ（ｘ，ｙ）を走査線と
直交するｘ軸方向に互いに関係付ける必要がある
からである。即ち、被検面の起伏は一般にｙ方向
に関してのみ傾いているのではなくｘ方向に関す
る傾き成分も有している為、各走査線ごとに得ら
れる信号８３の積分値（即ち∫^ｙ _０Ｙ（ｘ，ｙ′）／２
ｆdy′に対応 する。ただしMy＝０としている）にｘ方向に関
する表面形状の情報を加味しなければならない。
このｘ方向に関する表面形状の情報が積分定数
K₁である。もしこの積分定数K₁を無視すれば各
走査線につき得られる情報はｙ軸方向に関しての
形状をのみ相対的に示すだけであり、積分定数
K₁を０とみなしてしまえば被検面の起伏にはｘ
方向成分をもつ傾きはないとみなしたことにな
る。

信号処理の都合上、上記積分定数K₁には各走
査線での走査開始点又はこの近傍、即ちｙが０又
はこれに近い所でのＺ（ｘ，ｙ）の値を利用する
とよい。例えばＺ（ｘ，０）＝K₁とすると、(3)式
より次式が導かれる。

K₁＝Ｚ（ｘ，０） ＝∫^ｘ _０（Ｘ（ｘ′，０）／２ｆ−Ｍ_x）dx′＋K₂(6) ここでK₂＝Ｚ（０，０）であり、簡単の為K₂
＝０とする。ところで、各走査線はｘ方向に不連
続であることを考えると(6)式は次のように書き改
められる。

ここで、△Xnは第（ｎ＋１）番目と第ｎ番目
の走査線の間隔であるが、等間隔ラスター走査す
る場合その間隔を△ｘとするとすべてのｎに対し
△Xn＝△Ｘとなる。従つて(7)式は次のようにな
る。

前述の如く第８図ではMx＝０と仮定してい
る。(8)式より解るように、各走査線についての(5)
式の積分定数K₁は、原理的には各走査線につい
ての信号８２の走査開始時の信号を順次加算して
行けば得られる。

さて、被検体の表面の３次元形状に対応する信
号を形成し、それを表示する手段を説明する。９
７はスイツチでありｘ軸に関する信号９６の通過
を制御する。このスイツチ９７は、走査光学系に
同期し、ラスター走査の各走査線走査開始時に信
号を発するタイミング回路１０４によつて制御さ
れ、この信号を受けた時極短時間信号９４を加算
器９８側に通加せしめる。一方加算器９８にはｙ
軸に関する信号９９が常時印加されている。この
スイツチ９７、タイミング回路１０４、加算器９
８は前述の如く各走査線についてのＺ（ｘ，ｙ）
を互いに関係付ける為のものである。加算器９８
の出力、即ち各走査線について走査開始時には
∂Ｚ／∂ｙ＋∂Ｚ／∂ｘ，それ以後は∂Ｚ／∂ｙに対応
する信号 は積 分器１０１に印加される。この積分器は(5)式及び
(8)式に対応した信号処理即ち積分を行い、被検体
の３次元表面形状Ｚ（ｘ，ｙ）に対応する信号１
０２を形成する。この信号１０２は蓄積管オシロ
スコープ１０３に印加される。このオシロスコー
プ１０３は水平方向走査をタイミング回路１０４
によつて制御されている。即ちオシロスコープ１
０３はタイミング回路８５によつてラスターの各
走査線での走査開始点で発せられた信号 を受
信することにより表示面を走査している電子ビー
ムを走査開始側位置に復帰させるようになつてい
る。オシロスコープ１０３の表示面で下から第ｎ
番目の輝線は被検面上での第ｎ番目の走査線に対
応し、この走査線に沿う表面形状はオシロスコー
プ１０３の表示面で第ｎ番目の輝線の高さと第
（ｎ−１）番目の輝線の終点位置の高さとの差に
対応している。

多面鏡１６又は１７５の回転に同期して、多面
鏡が１回転した時、即ち１ラスター走査が完了し
た時積分器１０１、オシロスコープ１０３はリセ
ツトされるようになつている。

（もし、複雑な形状の面を規準とする被検面の
表面形状を測定する場合は、前述の如くビームス
プリツター２３の反射面２４を規準形状とするの
であるが、この場合被検面の規準形状からの偏差
を測定するのに第８図の系が使用できるものであ
る。） さて、以上述べた第８図による信号処理手段で
は、前述のようなMx，Myがともに０であるとみ
なしてよい時、又は装置に順次新たな被検体を配
置して行つてもMx，Myがともに常に一定である
とみなしてよい時には有効であるが、Mx，Myが
新たな被検体を配置する度に変化するような一般
の場合には測定値に被検面の起伏情報とMx，My
の情報が同時に混入してしまう不都合が生ずる。

第９図は上述の如き不都合を除去できる信号処
理手段の概略的なブロツク線図である。

第８図に於けるｙ軸、ｘ軸に関する信号９９、
９６は夫々第９図の減算器１４０，１４１に印加
される。減算器１４０，１４１は出力９９，９６
から後述のスイツチ１５４，１５５からの出力を
減算する。そして減算器１４０の出力１４２は多
面鏡１６又は１７５の回転に同期して作動するス
イツチ１５６により、多面鏡の１回転おき、即ち
１ラスター走査サイクルおきに加算器１５８を経
て積分器１５９に伝達されるようになつている。
また減算器１４１の出力１４３は、上記の減算器
１４０からの出力１４２がスイツチ１５６の作動
によつて加算器１５８に印加されている時のラス
ター走査サイクル中に、被検面上で光束が隣りの
走査線上に移つた初期の極矩時間だけ前記加算器
１５８に印加されるようになつている。これは多
面鏡１６又は１７５の回転に同期して作動するス
イツチ１５７によつてなされる。第８図で説明し
たのと同様、スイツチ１５７、加算器１５８は各
走査線についてのＺ（ｘ，ｙ）が互いに関係付け
られるように(5)式の積分定数K₁を適宜な値に定
める為の手段である。かくして加算器１５８から
の信号は積分器１５９で積分されるが、得られた
信号は被検体の３次元的表面形状に正確に対応し
ているものとなる。

ただし、その為には加算器１５８に印加される
ｙ軸及びｘ軸に対応する信号からは前述のMy，
Mxに対応する信号が既に減算されていなければ
ならない。この処理を行う手段は次のようになつ
ている。まずｙ軸に関する信号を処理する系はア
ナログ−デジタル変換器１４４を備え、前記減算
器１４０からの信号１４２を受信するようになつ
ている。このＡ−Ｄ変換器１４２は後述のスイツ
チ１５４が開いている時は作動しないで信号を形
成せず、スイツチ１５４が閉じている時には作動
するように設けられている。そしてスイツチ１５
４はスイツチ１５６が開いている時に開くように
なつている。従つてスイツチ１５６が閉じていて
積分器１５９に信号が伝達されないラスター走査
サイクルの間、減算器１４０からの信号、即ち信
号９９はＡ−Ｄ変換器１４４でデジタル信号に転
換され、加算器１４６と除算器１４８とより成る
平均化回路に伝達される。加算器１４６からの和
信号は除算器１４８によつてＮ（Ｎは測定数例え
ばＮは走査線の本数）で除算される。平均信号は
デジタル−アナログ変換器１５０によつてアナロ
グ信号に変換され、サンプルアンドホールド回路
１５２によつて保持される。さて上述の１４４，
１４６，１４８，１５０の手段によつて得られた
信号は被検体の表面のラスター走査された面積に
ついて∂Ｚ／∂ｙの値を平均したもの、即ちMyに対応し た信号である。

ｘ軸に関する信号を処理する手段はＡ−Ｄ変換
器１４５、加算器１４７、除算器１４９（加算器
１４７からの信号をＮで除算する。）、Ｄ−Ａ変換
器１５１、サンプルアンドホールド回路１５３、
スイツチ１５５を有し、上述したｙ軸に関する信
号処理手段と同様な構成で同様な作用をし、サン
プルアンドホールド回路１５３にMxに対応した
信号を保持する。

斯様な構成によつてスイツチ１５６が開くとス
イツチ１５４，１５５が開き、サンプルアンドホ
ールド回路１５２，１５３からの信号が夫々減算
器１４０，１４１に印加され、信号９９，９６か
ら夫々My，Mxに対応する信号が差引かれる。従
つて加算器１５８に印加される信号はＹ（ｘ，ｙ）／２
ｆ− My，Ｘ（ｘ，ｙ）／２ｆ−Mxに対応した信号となる。斯
様に して、Mx，Myが変化しても積分器１５９からの
信号１６０はそれに無関係に正確なＺ（ｘ，ｙ）
に対応せしめられる。信号１６０は蓄積型オシロ
スコープ１６１に印加されるが、表示面を走査す
る電子ビームは、多面鏡１６又は１７５の回転に
同期して被検面上で光束が隣の走査線に移行する
度に走査開始側の位置にもどされる。積分器１５
９が作動する１ラスター走査サイクルが終りスイ
ツチ１５６が閉じた段階、即ち多面鏡が２回転し
て上述の電気系はリセツトされる。

第９図に示した手段で被検体の表面の走査光束
に対する平均的な傾きによる測定誤差は除去され
る。ここで、もしラスター走査をせず被検体の１
つの断面でのみの表面形状を測定するような場合
には信号９６及びその処理手段は別に必要なく、
スイツチ１５６からの信号を直接積分器１５９に
印加するようにしておけばよい。また、もし前述
の如き光学系に起因する誤差が０又は無視できる
場合は、第８図の検出器２９とそれの信号処理手
段は別に必要なく、前述の信号１３３，１３２
を、夫々直接第９図の減算器１４０，１４１に印
加するようにしておけばよい。更にまた、もし上
述の如く光学系に起因する誤差が０又は無視でき
るものであつて、かつラスター走査をせず被検体
の１つの断面についてのみの表面形状を測定する
ような場合は、第８図の検出器２９とその信号処
理系及び検出器３５のｘ軸に関する信号１１０，
１１１の処理系、第９図のｘ軸に関する信号処理
系は別に必要なく、第８図の信号１３３を第９図
の減算器１４０に直接印加し、そしてスイツチ１
５６からの信号を直接積分器１５９に印加するよ
うにしておけばよい。

以上主として反射性物品の表面形状を測定する
場合を中心に実施例を説明して来たが、第７図で
説明したような光学系を使えば透過性物品の表面
形状又は透過光偏向特性の測定にも本発明の測定
装置は適用できるものである。

以上述べて来たことから明らかになるように、
本発明によれば被検体の走査光束に対する傾きが
変動してもそれに無関係に測定できるから、被検
体の表面形状又は光偏向特性を高速で正確に測定
可能となる効果があり、また測定の度に反復する
装置固有の誤差が補正され当産業分野に寄与する
所大である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の一実施例の光学系の
説明図、第３図はラスター走査の説明図、第４図
は本発明の一実施例の光学系の説明図、第５図は
第４図光学系の変形例の説明図、第６図ａ，ｂは
球面状反射面を走査する光学系の要部の説明図、
第７図ａ，ｂ，ｃは透明物品を測定する際の光学
系の要部の説明図、第８図は装置固有の誤差を補
正する為の電気的信号処理手段の説明図、第９図
は本発明の一実施例の電気的信号処理手段の説明
図である。 １０は光源、１６，１７４は多面鏡、２２はコ
リメーテイングレンズ、２３，３９はビームスプ
リツター、３２は被検体、２９，３５は光電変換
式光束入射位置検出器、８２，８４，１２２，１
２４は減算器、８３，８５，１２３，１２５は加
算器、９０，９１，１３０，１３１は比信号形成
器、９４，９５は減算器、９７はスイツチ、９８
は加算器、１０１は積分器、１０３は表示器、１
０４はタイミング回路、１４０，１４１は減算
器、１４４，１４５はＡ−Ｄ変換器、１４６，１
４７は加算器、１４８，１４９は除算器、１５
０，１５１はＤ−Ａ変換器、１５２，１５３はサ
ンプルアンドホールド回路、１５４，１５５，１
５６，１５７はスイツチ、１５８は加算器、１５
９は積分器、１６１は表示器である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被検体を光学的に走査する走査手段と、被検
   体からの光束を通過させる一方、被検体へ向かう
   走査光束を一部戻すビームスプリツタと、前記被
   検体からの光束と前記ビームスプリツタからの光
   束を集光する為の第１及び第２の光学系と、前記
   第１及び第２の光学系の焦点位置近傍に配され、 受光面上に各々被検体、ビームスプリツタから
   の光束が入射した際、この受光面上に前もつて定
   められた座標系についての光束入射位置の座標に
   対応する信号を形成する第１及び第２の光束入射
   位置検出手段と、 被検体及びビームスプリツタからの光束を第
   １，第２の光束入射位置検出手段の受光面に集中
   させる第１，第２の光学系と、 第１，第２の光束入射位置検出手段の信号の差
   を検出する第１の差信号検出手段と、 被検体の規準の配置姿勢からの平均的な傾きに
   対応する信号を形成する傾き信号形成手段と、第
   １の差信号検出手段の信号と傾き信号形成手段の
   信号の差を検出する第２の差信号検出手段と、 該第２の差信号検出手段からの信号の積分に対
   応する信号を形成する積分信号形成手段とを備え
   た測定装置。