表面検査装置
【課題】スリット光によって測定対象物に形成される光切断線における干渉縞を低減して良好に表面測定が行われる表面検査装置を構成する。
【解決手段】半導体レーザＬＤからのレーザ光ＬＢから直線状の領域に拡がるスリット光Ｓを作り出してワークに照射し、これを撮影ユニットで撮影した画像データからスリット光Ｓが照射された光切断線を抽出してワークの表面形状データを生成するように表面検査装置を構成する。半導体レーザＬＤが、ＰＮ接合型で接合面の境界部分に沿って直線方向Ｍに形成される発光層１７を有し、この直線方向Ｍが、スリット光Ｓの拡がり方向と直交するように相対的な姿勢を設定した。
【解決手段】半導体レーザＬＤからのレーザ光ＬＢから直線状の領域に拡がるスリット光Ｓを作り出してワークに照射し、これを撮影ユニットで撮影した画像データからスリット光Ｓが照射された光切断線を抽出してワークの表面形状データを生成するように表面検査装置を構成する。半導体レーザＬＤが、ＰＮ接合型で接合面の境界部分に沿って直線方向Ｍに形成される発光層１７を有し、この直線方向Ｍが、スリット光Ｓの拡がり方向と直交するように相対的な姿勢を設定した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面検査装置に関し、詳しくは、直線状の領域に拡がるスリット光を測定対象物に照射し、その測定対象物を撮像手段で撮影して取得した画像データから測定対象物の表面形状の検査を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のように構成されたとして特許文献１にはレーザタイプのスリット光源ユニットで発生させたスリット光を測定対象物に照射し、この測定対象物を撮像ユニットで撮影し、撮影された画像データからスリット光による光切断線を検出し、三角測量法により３次元断面形状を得る処理が記載されている。この特許文献１では、３次元断面形状の測定データを形状寸法データと比較することにより検査判定が行われる。
【０００３】
この特許文献１では、レーザスリット投光器からのスリット光を、シリンドリカルレンズにより光軸に平行で扇状に拡がるスリット光とする光学系を備えている。この光学系は、高コヒーレンス光からスリット光を作り出し、このスリット光を測定対象物に照射することにより、測定対象物の表面に光切断線を作り出す。そして、撮影手段で取得した画像データから画像処理によって画像データ中の光切断線を抽出し、この光切断線の座標を三角測量の原理により求めることにより測定対象物の表面形状を取得する処理が行われる。
【０００４】
また、表面検査装置ではないが、特許文献２にはレーザ光のようにコヒーレンス光の照射に伴うスペックルノイズを低減するために、偏光変調部を備えた構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９‐２２２４１８号公報
【特許文献２】特開２００９‐１９８６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような表面検査装置では、スリット光による光切断線の線幅が狭い（細い）ほど、すなわち、測定対象物上のスリット光の照射位置がレーザ光の焦点位置に近いほど、分解能が向上するため、検出精度が高くなる。しかし、スリット光の照射位置がレーザ光の焦点位置から離れた場合、光切断線の各部において光干渉が起こりやすくなり、画像データ中の輝度分布に光干渉によるノイズが発生しやすく、光切断線の抽出が困難になる。つまり、光切断線での光干渉によるスペックルノイズが発生しやすい。
【０００７】
スペックルノイズは、特許文献２にも記載されるように、明点と暗点とがランダムに分布する干渉縞として現れるものであり、光切断線にスペックルノイズが発生した場合には、このスペックルノイズが光切断線の輝度にバラツキを招くことになり、光切断線の位置を不明瞭にする不都合に繋がり、測定不能に陥ることが考えられる。つまり、表面検査装置では、光切断線での光干渉によるスペックルノイズが発生した場合、測定対象物の表面形状の検査精度が低下する虞がある。
【０００８】
本発明の目的は、スリット光によって測定対象物に形成される光切断線における干渉縞を低減して良好に表面測定が可能な装置を合理的に構成する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の特徴は、レーザ光源からのレーザ光を光学系により直線状の領域に拡がるスリット光を作り出して測定対象物に照射するレーザ投光手段と、測定対象物を撮影する撮影手段と、この撮影手段で撮影された画像データから前記スリット光が照射された光切断線を抽出して測定対象物の表面形状データを生成する形状データ生成手段とを備えると共に、前記レーザ光源が、ＰＮ接合型で接合面の境界部分に沿って直線方向に形成される発光層からレーザ光を出射する半導体レーザを備えて構成され、前記直線方向が、前記スリット光の拡がり方向と非平行姿勢となるように前記半導体レーザの姿勢を設定している点にある。
【００１０】
この場合、スリット光の拡がり方向に対して、発光層の直線方向が非平行になる。このようにすれば、この拡がり方向に対して発光層の直線方向を平行姿勢に配置したものと比較して、測定対象物表面の光切断線の所定点に着目すると、発光層の広い領域（直線方向）の各部から出射するレーザ光が所定の点に照射される。したがって、その所定点において、光路が異なる様々なレーザ光、つまり、光路長差の異なる多くのレーザ光が集光されるため、光干渉の発生が抑制できる。これにより撮影手段で撮影された画像データから形状データ生成手段が、干渉縞に起因するスペックルノイズの影響を受けない状態で光切断線を高精度で抽出して測定対象物の表面形状データを生成できる。
その結果、スリット光によって測定対象物に形成される光切断線における干渉縞を低減して高精度で表面測定が可能な装置が構成された。
【００１１】
本発明は、前記直線方向が、前記スリット光の拡がり方向に対して直交する姿勢となるように前記半導体レーザの姿勢を設定しても良い。
【００１２】
この場合、発光層の直線方向がスリット光の拡がり方向と直交する。このようにすれば発光層の広い領域の光線を、スリット光の拡がり方向と直交する方向に出射することになる。したがって、光切断線の所定の点に着目すると、光路が異なる様々なレーザ光、つまり、光路長差が異なる多くのレーザ光がさらに集光されやすくなり、光干渉の発生が抑制できる。また、このように半導体レーザの姿勢を設定することにより、発光層の直線方向がスリット光の拡がり方向と直交する方向となるため、発光層の広い領域の光線をスリット光の拡がり方向と直交する方向に出射することになり干渉縞によりスペックルノイズを招く場合でも多数のスペックルノイズを重ね合わせる状態にしてスペックルノイズを目立ち難くすることも可能となる。
【００１３】
本発明は、前記光学系が、前記レーザ光からスリット光を作り出すシリンドリカルレンズを有して構成されても良い。
【００１４】
これによると、半導体レーザからのレーザ光をシリンドリカルレンズによりスリット状に拡がる方向に射出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】表面検査装置の全体図である。
【図２】レーザ投光器の構成を示す斜視図である。
【図３】焦点位置の輝度分布と、離間位置の輝度分布とを示す図である。
【図４】比較例のレーザ投光器の構成を示す斜視図である。
【図５】比較例の焦点位置の輝度分布と、離間位置の輝度分布とを示す図である。
【図６】本発明と比較例との輝度のバラツキを示す図である。
【図７】処理形態の概要を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔全体構成〕
図１に示すように、基台１にワーク支持ユニットＡを備え、この基台１に固設されるアーチ状のフレーム２に昇降ユニットＢを介して測定ユニットＣを備えると共に、ワーク支持ユニットＡと昇降ユニットＢとの制御を行い、測定ユニットＣでのスリット光Ｓの照射と、測定ユニットＣでの画像データの取得とを行い、測定対象物としてのワークＷの表面欠陥の検査を行うコントローラＤを備えて表面検査装置が構成されている。
【００１７】
この表面検査装置は、ワーク支持ユニットＡにワークＷ（測定対象物の一例）を載置した状態でオペレータの操作により検査が開始される。検査が開始されるとコントローラＤの制御により測定ユニットＣからワークＷにスリット光Ｓが照射され、この照射が継続する状態において、ワーク支持ユニットＡの駆動によりワークＷと測定ユニットＣとの相対的な位置関係を変化させながら、測定ユニットＣで連続的に撮影が行われる。この撮影においてスリット光Ｓは、レーザ光源としての半導体レーザＬＤからのレーザ光ＬＢが光学系により直線状の領域に拡がるように送り出され、スリット光Ｓが照射されたワーク表面には光切断線Ｐが形成される。コントローラＤは、撮影により取得した複数フレームの画像データから光切断線Ｐを抽出し、光切断線Ｐの位置情報に基づいて測定３次元データを生成し、基準３次元データ３３（マスターデータ）と比較することによりワークＷの表面形状の評価を行う。
【００１８】
ワーク支持ユニットＡは、円盤状に成形され中心位置の縦軸芯を中心に回転自在な回転テーブル４と、水平面上のＸ方向に往復移動自在なＸステージ５と、Ｘ方向と直交する水平面上のＹ方向に往復移動自在なＹステージ６とを重ね合わせた構造を有している。このワーク支持ユニットＡは、回転テーブル４とＸステージ５とＹステージ６とを独立して駆動するステッピングモータ等のアクチュエータ（図示せず）と、回転テーブル４の回転姿勢を検出する回転角センサ（図示せず）と、Ｘステージ５の位置とＹステージ６の位置とを独立して検出する位置センサ（図示せず）とを備えている。
【００１９】
これにより、ワークＷを回転テーブル４に載置した状態において、回転テーブル４の回転と、Ｘステージ５のＸ方向への直線的な移動と、Ｙステージ６のＹ方向への直線的移動とによりワークＷと測定ユニットＣとの相対的な位置関係を変化させる状態での撮影が実現する。
【００２０】
昇降ユニットＢは、フレーム２に対して測定ユニットＣを上下方向に移動自在に支持する機構を有すると共に、測定ユニットＣを上下に作動させるアクチュエータ（図示せず）と、この測定ユニットＣの位置を検出する位置センサ（図示せず）とを備えている。この昇降ユニットＢにより、測定ユニットＣとワークＷとのＺ方向（縦方向）での相対的な位置関係の変更が実現する。
【００２１】
測定ユニットＣは、スリット光Ｓの照射を行うレーザ投光器１０（レーザ投光手段の一例）と、このスリット光Ｓが照射されたワークＷを撮影する撮影ユニット２０（撮影手段の一例）とをケースに収容している。この測定ユニットＣは、レーザ投光器１０から照射されるスリット光Ｓの光軸ＳＬと、撮影ユニット２０の撮影レンズ２２の撮影軸ＴＬとが交差する角度αが１１度程度に設定されている。この角度αは撮影ユニット２０で撮影に適した任意の値に設定して良い。
【００２２】
〔レーザ投光器〕
レーザ投光器１０は、図２に示すように、単一の半導体レーザＬＤと、これからのレーザ光ＬＢを送り出す投光レンズ１１と、レーザ光ＬＢを直線状の領域に拡がるように扇状に送り出すことでスリット光Ｓを作り出すシリンドリカルレンズ１２とを有する。この投光レンズ１１とシリンドリカルレンズ１２とで光学系が構成され、半導体レーザＬＤは、高輝度のレーザ光を出射する構造を有するＳＬＤ( Super Luminescent Diode)が用いられている。半導体レーザＬＤは、Ｐ形層１５と、Ｎ形層１６との接合面の境界部分に沿って直線方向Ｍに沿って発光層１７（活性層）が形成され、Ｐ形層１５とＮ形層１６とに電圧を印加することにより、発光層１７から同図に示すように楕円ビームとなるレーザ光ＬＢが射出される。
【００２３】
半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍを縦向きに設定することで、発光層１７から射出されるレーザ光ＬＢは長軸が横向き姿勢の楕円ビームとなる。このレーザ光ＬＢは投光レンズ１１からシリンドリカルレンズ１２に送られ、このシリンドリカルレンズ１２から扇状に送り出されスリット光Ｓとして焦点位置Ｆにおいて厚さ（縦方向）が最も薄い直線状態に収束する。このように、半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍを縦向きに設定した状態でスリット光Ｓの拡がり方向が横長となり、直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向とが互いに直交する関係となる。
【００２４】
尚、この説明における縦横の関係は図面に従って便宜的に決めたものであり、発光層１７の直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向との相対的姿勢の関係が直交する関係に維持される限りにおいては、レーザ投光器１０の設置姿勢は任意に設定できる。
【００２５】
また、焦点位置Ｆを基準にして半導体レーザＬＤから離間する位置と、半導体レーザＬＤに接近する位置とにおいてスリット光Ｓは、拡がり方向の中央部が少し膨らんだ横長の楕円状となる（図面では誇張して描いている）。
【００２６】
スリット光Ｓの輝度分布を計測するためにシリンドリカルレンズ１２からの距離（Ｄｆ＝２９０ｍｍ）の位置を焦点位置Ｆとすると共に、この焦点位置Ｆより更に離間する距離（Ｄｒ＝３１３ｍｍ）の位置に離間位置Ｒを設定している。この設定において焦点位置Ｆにおけるスリット光Ｓの縦方向（厚さ方向）での輝度分布を図３（ａ）に示し、離間位置Ｒにおける輝度分布を図３（ｂ）に示している。
【００２７】
この図３（ａ）と図３（ｂ）は、ＣＭＯＳやＣＣＤ等で成る撮像素子を焦点位置Ｆと離間位置Ｒとにセットした状態で縦方向（厚さ方向）に並ぶ撮像素子のピクセル（素子の最小単位をピクセルと称している）を横軸にして、これらのピクセル（画素）の輝度を数値として表している。これらの図から明らかなように、焦点位置Ｆではスリット光Ｓの縦方向（厚さ方向）での中央位置の輝度が立ち上がるように最も高い輝度分布となる。また、離間位置Ｒでは、焦点位置Ｆにおける輝度と比較して多少輝度が低下するものであるがスリット光Ｓの縦方向（厚さ方向）での中央位置の輝度が最も高い輝度分布となり、スリット光Ｓとしての機能を有することが理解できる。
【００２８】
離間位置Ｒとして、焦点位置Ｆより半導体レーザＬＤから離間する位置に設定したものを説明しているが、焦点位置Ｆより半導体レーザＬＤに近接する近接位置Ｎにおけるスリット光Ｓの輝度分布も前述した離間位置Ｒの輝度分布と同様に現れる。
【００２９】
このレーザ投光器１０では、半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍをスリット光Ｓの拡がり方向に対して直交する姿勢に設定していたが、この発光層１７の直線方向Ｍと、スリット光Ｓの拡がり方向とは非平行姿勢であればスペックルノイズを低減できるものである。従って、これらの相対姿勢を４５度に設定する等任意の姿勢に設定しても良い。
【００３０】
〔レーザ投光器の比較例〕
図４には、比較例を示している。この比較例では、前述した（図２に示される）レーザ投光器１０と同様に単一の半導体レーザＬＤと、投光レンズ１１と、シリンドリカルレンズ１２とを有しているが、半導体レーザＬＤの姿勢が前述したレーザ投光器１０と異なっている。つまり、半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍを横向きに設定し、スリット光Ｓの拡がり方向を横長の姿勢に設定することで、直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向とが互いに平行する関係となる。
【００３１】
つまり、半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍを横向きに設定することで、発光層１７から射出されるレーザ光ＬＢは長軸が縦向きとなる楕円ビームとなる。このレーザ光ＬＢは投光レンズ１１からシリンドリカルレンズ１２に送られ、このシリンドリカルレンズ１２から扇状に送り出されスリット光Ｓとして焦点位置Ｆにおいて厚さ（縦方向）が最も薄い直線状態に収束する。
【００３２】
また、焦点位置Ｆを基準にして半導体レーザＬＤから離間する位置と、半導体レーザＬＤに接近する位置とにおいてスリット光Ｓは、拡がり方向の中央部が少し膨らんだ横長の楕円状となる（図面では誇張して描いている）。
【００３３】
シリンドリカルレンズ１２からの距離（Ｄｆ＝２８０ｍｍ）の位置を焦点位置Ｆとすると共に、この焦点位置Ｆより更に離間する距離（Ｄｒ＝３１０ｍｍ）の位置に離間位置Ｒを設定している。この設定において焦点位置Ｆにおけるスリット光Ｓの縦方向（厚さ方向）での輝度分布を図５（ａ）に示し、離間位置Ｒにおける輝度分布を図５（ｂ）に示している。
【００３４】
この図５（ａ）と図５（ｂ）は、ＣＭＯＳやＣＣＤ等で成る撮像素子を焦点位置Ｆと離間位置Ｒとにセットした状態で縦方向（厚さ方向）に並ぶ撮像素子のピクセル（素子の最小単位をピクセルと称している）を横軸にして、これらのピクセル（画素）の輝度を数値として表している。これらの図から明らかなように、焦点位置Ｆてはスリット光Ｓの縦方向（厚さ方向）での中央位置の輝度が立ち上がるように最も高い輝度分布となる。また、離間位置Ｒでは、焦点位置Ｆにおける輝度のピークが低いだけではなく、複数の輝度のピークが乱れて現れる輝度分布となるため、光切断線Ｐが不鮮明になることが理解できる。このように複数の輝度のピークが乱れた状態で現れる原因としてスペックルノイズの影響を挙げることが可能である。
【００３５】
離間位置Ｒとして、焦点位置Ｆより半導体レーザＬＤから離間する位置に設定したものを説明しているが、焦点位置Ｆより半導体レーザＬＤに近接する近接位置Ｎにおけるスリット光Ｓの輝度分布も前述した離間位置Ｒの輝度分布と同様に複数の輝度のピークが乱れた状態で現れる。
【００３６】
ここで、半導体レーザＬＤの発光層１７をスリット光Ｓに対して直交（スリット光Ｓの短軸（厚さ方向）に平行）する姿勢に設定した場合のバラツキσと、半導体レーザＬＤの発光層１７をスリット光Ｓに対して平行（スリット光Ｓの長軸（長手方向）に平行）する姿勢に設定した場合の輝度のピークのバラツキσとを図６のグラフに示すことが可能である。
【００３７】
同図では、前述した距離（Ｄｆ＝２８０ｍｍ）の位置を焦点位置Ｆに設定しており、バラツキσは、半導体レーザＬＤからの距離毎のスリット光Ｓの縦方向（厚さ方向）での輝度の分布位置のバラツキを表している。従って、バラツキσが大きい値であるほど、縦方向（厚さ方向）での広い領域にレーザ光ＬＢが存在することを示している。このように広い領域にレーザ光ＬＢが存在する要因としてスペックルノイズの影響が考えられる。
【００３８】
表面検査装置では、ワークＷの凹凸部分に対しても光切断線Ｐが形成されるため、焦点位置Ｆから遠方側と接近側と何れかに外れた位置に形成される光切断線Ｐの位置を画像データから抽出する必要がある。このような理由から、図５（ｂ）に示すように複数の輝度のピークが乱れた状態で現れるスリット光Ｓを用いた場合には、ワークＷ表面の光切断線Ｐの線幅が拡大するだけでなく、光切断線Ｐの輝度が低下した状態で一定しないことになる。従って、画像データから光切断線Ｐを抽出する処理では、特定の精度を低下させることや、特定不能を招くこともある。
【００３９】
〔比較例との比較結果〕
図２に示す如く半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向とが互いに直交する関係に設定した場合には、離間位置Ｒにおいても光切断線Ｐの線幅の拡大がなく、複数の輝度のピークが現れない（明暗が発生しない）輝度分布の光切断線Ｐを形成できることになる。このように良好な輝度分布を得るスリット光Ｓを生成する理由として以下のような説明が可能である。
【００４０】
つまり、図４に示す如く半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向とが互いに平行する関係に設定した場合には、発光層１７の直線方向Ｍと垂直の方向に沿った狭い発光部分から出射したレーザ光がスリット厚方向（スリット光の拡がり方向と直交する方向）に拡がり、照射される。したがって、光切断線の所定点に着目すると、光路長差の小さいレーザ光が集光されるため、光干渉が発生する。これに対して図２に示す如く半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向とが互いに直交する関係に設定した場合には、発光層１７の直線方向Ｍの広い領域の発光部分から出射したレーザ光がスリット厚方向（スリット光の拡がり方向と直交する方向）に拡がり、照射される。したがって、光切断線Ｐに着目すると、光路長差の大きいレーザ光が多く集光されるため、光干渉の発生が抑制される。つまり、表面検査装置では、光切断線Ｐでの光干渉によるスペックルノイズの発生が抑制される。
【００４１】
このような理由から、半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向とが互いに直交する（少なくとも非平行となる）関係に設定するようにレーザ投光器１０が構成されることにより、ワークＷの表面に形成される光切断線Ｐの線幅を細い状態に維持し、スペックルノイズの影響を抑制して微細な形状も良好に判別する高精度の測定が実現することになる。
【００４２】
〔撮影ユニット〕
図１に示すように、撮影ユニット２０は、偏光フィルタ２１と、テレセントリックレンズで成る撮影レンズ２２と、ＣＭＯＳやＣＣＤ等の２次元撮像素子２３とを備えている。この撮影ユニット２０はデジタルカメラと同様の構成を有しており、２次元撮像素子２３にはカバーガラス（図示せず）を備えている。偏光フィルタ２１は、ワークＷからの光線のうちＰ偏光成分をのみ（光波の電波ベクトルがカバーガラスの表面と平行となるもの）を透過させることにより、カバーガラスの裏面反射に起因するノイズを低減している。図面には示していないが、撮影レンズ２２には合焦（ピント合わせ）を実現する合焦作動機構を備えており、この合焦作機構は、自動的に合焦作動を行うものや、オペレータの人為的な操作によって合焦作動を行うものや、コントローラＤからの制御信号によって合焦作動を行うものが備えられる。
【００４３】
この撮影ユニット２０では、撮影レンズ２２としてテレセントリックレンズを用いたことにより、被写界深度が深くなると共に、撮影されたワークＷの形状の歪みが抑制される。また、この撮影ユニット２０では、撮影軸ＴＬに対して撮影ユニット２０の全体を傾斜させるアオリ状態に設定することや、撮影レンズ２２の光軸を撮影軸ＴＬに一致させた状態で２次元撮像素子２３のみを傾斜させるアオリ状態に設定しても良い。これにより、画像データ中のワークＷの歪みを抑制することや、光切断線Ｐに対する合焦状態（ピントの状態）の向上が実現する。
【００４４】
〔制御構成〕
前述したコントローラＤは、ＣＰＵやＤＳＰ等の処理系と、情報が保存される半導体メモリとを有する汎用コンピュータで成る処理装置本体３１と、処理結果が出力されるモニタ３２とを備えている。処理装置本体３１には、キーボードやポインティングデバイスからの情報を取得し、処理系での処理結果をモニタ３２に出力するためのインタフェースを備え、処理系に対するデータのアクセスを行うデータバスや、アクセスを制御するコントロールバス等を備えるものであるが、図面では、これらを省略している。
【００４５】
処理装置本体３１の半導体メモリには制御プログラムが保存されている。この制御プログラムとして、支持ユニット制御手段３５と、昇降制御手段３６と、投光器制御手段３７と、画像データ取得手段３８と、測定実行手段３９と、３次元データ生成手段４０（形状データ生成手段の一例）と、評価演算手段４１と、出力手段４２とが備えられている。これら支持ユニット制御手段３５と、昇降制御手段３６と、投光器制御手段３７と、画像データ取得手段３８と、測定実行手段３９と、３次元データ生成手段４０と、評価演算手段４１と、出力手段４２とは制御プログラムとしてソフトウエアで構成されるものであるが、ハードウエアで構成されるものでも良く、ソフトウエアとハードウエアとの組み合わせによって構成されるものでも良い。
【００４６】
支持ユニット制御手段３５は、回転テーブル４とＸステージ５とＹステージ６とを独立して駆動する。昇降制御手段３６は、昇降ユニットＢを制御して測定ユニットＣの高さを設定する。投光器制御手段３７は、半導体レーザＬＤに電力を供給してレーザ投光器１０からスリット光Ｓを照射させる。画像データ取得手段３８は、撮影ユニット２０を制御して撮影を行い画像データを取得する。測定実行手段３９は、支持ユニット制御手段３５と画像データ取得手段３８との制御によりワークＷと撮影ユニット２０とを予め設定された相対的位置関係に設定しながら連続的な撮影を行う。形状データ生成手段として機能する３次元データ生成手段４０は、取得した複数の画像データから三角測量の原理に基づいて光切断線Ｐの位置を特定し測定３次元データを生成する。評価演算手段４１は、測定３次元データと予め保存されている基準３次元データ３３（マスターデータ）との比較により表面形状の比較を行う。出力手段４２は、評価結果をモニタ３２に出力する。
【００４７】
〔制御形態〕
処理装置本体３１の処理形態の概要を図７のフローチャートに示している。つまり、オペレータがワークＷを回転テーブル４にセットした状態で図示されていない測定開始ボタンが操作されると測定が開始される（＃０１、＃０２ステップ）。
【００４８】
測定の実行時には測定実行手段３９が制御全体の流れを管理することになり、最初に投光器制御手段３７によってレーザ投光器１０によりレーザ光源としての半導体レーザＬＤに電力が供給され、ワークＷに対してスリット光Ｓが照射される（光源ＯＮ）。これに続いて、ワークＷを測定開始位置にセットした後に、支持ユニットをＸ方向に作動させながら撮影ユニット２０によりワークＷの撮影が行われ（Ｘ方向走査）、画像データが取得される（＃０３〜＃０６ステップ）。
【００４９】
この制御では、支持ユニット制御手段３５が、回転テーブル４とＸステージ５とＹステージ６とを制御することにより、ワークＷを測定開始位置にセットし、Ｘ方向走査において、Ｘステージ５を設定速度作動させながら、所定ピッチで撮影ユニット２０による撮影が連続して行われ、撮影した複数フレームの画像データを処理装置本体３１の半導体メモリに保存する処理が行われる。
【００５０】
この撮影は、スリット光ＳがワークＷの側端に達するまで行われ、スリット光が測定対象物の側端に達すると、Ｘ方向走査を停止する（＃０７、＃８ステップ）。
【００５１】
このようにＸ方向走査が停止した状態において、複数フレームの画像データから光切断法に基づいて３次元データ生成手段４０が測定３次元データを生成し、この測定３次元データ中に設定される測定点データと、基準３次元データ３３（マスターデータ）の基準点データとから表面欠陥の有無を判定する評価演算処理が評価演算手段４１によって行われる（＃０９ステップ）。また、＃０８ステップでＸ方向走査が停止した際には、評価演算処理が実行と並行してワークＷがＹ方向にシフトされ、Ｘ軸方向の走査がまだ残っているかどうかのチェックが行われる（＃１０、＃１１ステップ）。
【００５２】
この処理では、複数の画像データに含まれる光切断線Ｐを３次元データ生成手段４０が抽出すると共に、抽出した複数の光切断線Ｐについて測定３次元データが生成される。このように、画像データから光切断線Ｐを抽出する際に、ソーベルフィルタやラプラシアンフィルタ等のエッジ検出フィルタにより光切断線Ｐのエッジの位置が特定される。また、評価演算手段４１において表面欠陥の有無を判定する際に、測定３次元データに設定される測定点データに対して、基準３次元データ３３（マスターデータ）の基準点データが近接するように、測定点データと基準点データとの少なくとも一方の平行移動変換、回転変換等の合同変換処理が行われ、合同変換処理の後に測定点データと基準点データとの誤差が求められる。
【００５３】
この評価演算手段４１の処理形態として、光切断線Ｐに基づいてワークＷの表面形状を求め、マスターデータの表面形状と比較する処理を行うものであれば、前述した処理に限るものではない。また、Ｘ方向走査を行う際には、ワークＷをブロック単位に分割して、そのブロック単位毎にＸ方向走査を行うように処理形態を設定しても良い。
【００５４】
＃１１ステップのチェックでＸ方向走査が残っている場合には、Ｘ方向走査の向きを反転し（＃１２ステップ）、＃０５ステップからＸ方向走査を再開する。また、＃１１ステップのチェックでＸ方向走査が残っていない場合には、レーザ光源としての半導体レーザＬＤへの電力が遮断され、スリット光Ｓの照射が停止する（＃１３ステップ・光源ＯＦＦ）。
【００５５】
更に、測定不能領域の測定を行う必要があると判断した場合には、回転テーブル４を９０度回転させる制御を行い、＃０３ステップから前述した測定を再度行う。なお、９０度の回転で不十分な場合には、さらに９０度毎の回転（最初の姿勢位置に対する１８０度位置と２７０度位置）が行われる。回転テーブル４を９０度回転させる必要がない場合は、欠陥評価結果に基づいて総合判定を行う（＃１４、＃１５ステップ）。
【００５６】
そして、この総合判定において、欠陥の位置を測定対象物の全体を示す全体図の上でマーキングした欠陥位置表示図を出力手段４２がモニタ３２又はプリンタを介して出力することが可能となる（＃１６ステップ）。
【００５７】
〔実施形態の作用・効果〕
このように、半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍをスリット光Ｓの拡がり方向に対して直交する姿勢に設定することにより、ワークＷの表面の光切断線Ｐの特定点に着目すると、発光層１７の広い領域（直線方向Ｍ）の各部から出射するレーザ光が特定点に照射される。したがって、その特定点において、光路が異なる様々なレーザ光、つまり、光路長差が異なる多くのレーザ光が集光されるため、光干渉の発生が抑制できる。
【００５８】
特に、このように半導体レーザＬＤの姿勢を設定することにより、焦点位置Ｆより遠方に離間する離間位置Ｒでも近接する近接位置Ｎにおいても複数の輝度のピークが現れない（明暗が発生しない）輝度分布の光切断線Ｐを形成できることになる。これにより、表面に段差部（凹凸部）を持つワークＷの表面に形成される光切断線Ｐの線幅を細い状態に維持し、スペックルノイズの影響を抑制して微細な形状も良好に判別する高精度の測定を行い、ワークＷに微細な欠陥が存在する場合でも、その微細な欠陥を良好に検出して表示できることになる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、スリット光によって測定対象物の表面形状を計測するものであれば、欠陥を検査するものに限らず検査装置全般に利用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０ レーザ投光手段（レーザ投光器）
１２ シリンドリカルレンズ
１７ 発光層
２０ 撮影手段（撮影ユニット）
４０ 形状データ生成手段（３次元データ生成手段）
ＬＢ レーザ光
ＬＤ レーザ光源・半導体レーザ
Ｐ 光切断線
Ｓ スリット光
Ｗ 測定対象物（ワーク）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面検査装置に関し、詳しくは、直線状の領域に拡がるスリット光を測定対象物に照射し、その測定対象物を撮像手段で撮影して取得した画像データから測定対象物の表面形状の検査を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のように構成されたとして特許文献１にはレーザタイプのスリット光源ユニットで発生させたスリット光を測定対象物に照射し、この測定対象物を撮像ユニットで撮影し、撮影された画像データからスリット光による光切断線を検出し、三角測量法により３次元断面形状を得る処理が記載されている。この特許文献１では、３次元断面形状の測定データを形状寸法データと比較することにより検査判定が行われる。
【０００３】
この特許文献１では、レーザスリット投光器からのスリット光を、シリンドリカルレンズにより光軸に平行で扇状に拡がるスリット光とする光学系を備えている。この光学系は、高コヒーレンス光からスリット光を作り出し、このスリット光を測定対象物に照射することにより、測定対象物の表面に光切断線を作り出す。そして、撮影手段で取得した画像データから画像処理によって画像データ中の光切断線を抽出し、この光切断線の座標を三角測量の原理により求めることにより測定対象物の表面形状を取得する処理が行われる。
【０００４】
また、表面検査装置ではないが、特許文献２にはレーザ光のようにコヒーレンス光の照射に伴うスペックルノイズを低減するために、偏光変調部を備えた構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９‐２２２４１８号公報
【特許文献２】特開２００９‐１９８６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような表面検査装置では、スリット光による光切断線の線幅が狭い（細い）ほど、すなわち、測定対象物上のスリット光の照射位置がレーザ光の焦点位置に近いほど、分解能が向上するため、検出精度が高くなる。しかし、スリット光の照射位置がレーザ光の焦点位置から離れた場合、光切断線の各部において光干渉が起こりやすくなり、画像データ中の輝度分布に光干渉によるノイズが発生しやすく、光切断線の抽出が困難になる。つまり、光切断線での光干渉によるスペックルノイズが発生しやすい。
【０００７】
スペックルノイズは、特許文献２にも記載されるように、明点と暗点とがランダムに分布する干渉縞として現れるものであり、光切断線にスペックルノイズが発生した場合には、このスペックルノイズが光切断線の輝度にバラツキを招くことになり、光切断線の位置を不明瞭にする不都合に繋がり、測定不能に陥ることが考えられる。つまり、表面検査装置では、光切断線での光干渉によるスペックルノイズが発生した場合、測定対象物の表面形状の検査精度が低下する虞がある。
【０００８】
本発明の目的は、スリット光によって測定対象物に形成される光切断線における干渉縞を低減して良好に表面測定が可能な装置を合理的に構成する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の特徴は、レーザ光源からのレーザ光を光学系により直線状の領域に拡がるスリット光を作り出して測定対象物に照射するレーザ投光手段と、測定対象物を撮影する撮影手段と、この撮影手段で撮影された画像データから前記スリット光が照射された光切断線を抽出して測定対象物の表面形状データを生成する形状データ生成手段とを備えると共に、前記レーザ光源が、ＰＮ接合型で接合面の境界部分に沿って直線方向に形成される発光層からレーザ光を出射する半導体レーザを備えて構成され、前記直線方向が、前記スリット光の拡がり方向と非平行姿勢となるように前記半導体レーザの姿勢を設定している点にある。
【００１０】
この場合、スリット光の拡がり方向に対して、発光層の直線方向が非平行になる。このようにすれば、この拡がり方向に対して発光層の直線方向を平行姿勢に配置したものと比較して、測定対象物表面の光切断線の所定点に着目すると、発光層の広い領域（直線方向）の各部から出射するレーザ光が所定の点に照射される。したがって、その所定点において、光路が異なる様々なレーザ光、つまり、光路長差の異なる多くのレーザ光が集光されるため、光干渉の発生が抑制できる。これにより撮影手段で撮影された画像データから形状データ生成手段が、干渉縞に起因するスペックルノイズの影響を受けない状態で光切断線を高精度で抽出して測定対象物の表面形状データを生成できる。
その結果、スリット光によって測定対象物に形成される光切断線における干渉縞を低減して高精度で表面測定が可能な装置が構成された。
【００１１】
本発明は、前記直線方向が、前記スリット光の拡がり方向に対して直交する姿勢となるように前記半導体レーザの姿勢を設定しても良い。
【００１２】
この場合、発光層の直線方向がスリット光の拡がり方向と直交する。このようにすれば発光層の広い領域の光線を、スリット光の拡がり方向と直交する方向に出射することになる。したがって、光切断線の所定の点に着目すると、光路が異なる様々なレーザ光、つまり、光路長差が異なる多くのレーザ光がさらに集光されやすくなり、光干渉の発生が抑制できる。また、このように半導体レーザの姿勢を設定することにより、発光層の直線方向がスリット光の拡がり方向と直交する方向となるため、発光層の広い領域の光線をスリット光の拡がり方向と直交する方向に出射することになり干渉縞によりスペックルノイズを招く場合でも多数のスペックルノイズを重ね合わせる状態にしてスペックルノイズを目立ち難くすることも可能となる。
【００１３】
本発明は、前記光学系が、前記レーザ光からスリット光を作り出すシリンドリカルレンズを有して構成されても良い。
【００１４】
これによると、半導体レーザからのレーザ光をシリンドリカルレンズによりスリット状に拡がる方向に射出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】表面検査装置の全体図である。
【図２】レーザ投光器の構成を示す斜視図である。
【図３】焦点位置の輝度分布と、離間位置の輝度分布とを示す図である。
【図４】比較例のレーザ投光器の構成を示す斜視図である。
【図５】比較例の焦点位置の輝度分布と、離間位置の輝度分布とを示す図である。
【図６】本発明と比較例との輝度のバラツキを示す図である。
【図７】処理形態の概要を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔全体構成〕
図１に示すように、基台１にワーク支持ユニットＡを備え、この基台１に固設されるアーチ状のフレーム２に昇降ユニットＢを介して測定ユニットＣを備えると共に、ワーク支持ユニットＡと昇降ユニットＢとの制御を行い、測定ユニットＣでのスリット光Ｓの照射と、測定ユニットＣでの画像データの取得とを行い、測定対象物としてのワークＷの表面欠陥の検査を行うコントローラＤを備えて表面検査装置が構成されている。
【００１７】
この表面検査装置は、ワーク支持ユニットＡにワークＷ（測定対象物の一例）を載置した状態でオペレータの操作により検査が開始される。検査が開始されるとコントローラＤの制御により測定ユニットＣからワークＷにスリット光Ｓが照射され、この照射が継続する状態において、ワーク支持ユニットＡの駆動によりワークＷと測定ユニットＣとの相対的な位置関係を変化させながら、測定ユニットＣで連続的に撮影が行われる。この撮影においてスリット光Ｓは、レーザ光源としての半導体レーザＬＤからのレーザ光ＬＢが光学系により直線状の領域に拡がるように送り出され、スリット光Ｓが照射されたワーク表面には光切断線Ｐが形成される。コントローラＤは、撮影により取得した複数フレームの画像データから光切断線Ｐを抽出し、光切断線Ｐの位置情報に基づいて測定３次元データを生成し、基準３次元データ３３（マスターデータ）と比較することによりワークＷの表面形状の評価を行う。
【００１８】
ワーク支持ユニットＡは、円盤状に成形され中心位置の縦軸芯を中心に回転自在な回転テーブル４と、水平面上のＸ方向に往復移動自在なＸステージ５と、Ｘ方向と直交する水平面上のＹ方向に往復移動自在なＹステージ６とを重ね合わせた構造を有している。このワーク支持ユニットＡは、回転テーブル４とＸステージ５とＹステージ６とを独立して駆動するステッピングモータ等のアクチュエータ（図示せず）と、回転テーブル４の回転姿勢を検出する回転角センサ（図示せず）と、Ｘステージ５の位置とＹステージ６の位置とを独立して検出する位置センサ（図示せず）とを備えている。
【００１９】
これにより、ワークＷを回転テーブル４に載置した状態において、回転テーブル４の回転と、Ｘステージ５のＸ方向への直線的な移動と、Ｙステージ６のＹ方向への直線的移動とによりワークＷと測定ユニットＣとの相対的な位置関係を変化させる状態での撮影が実現する。
【００２０】
昇降ユニットＢは、フレーム２に対して測定ユニットＣを上下方向に移動自在に支持する機構を有すると共に、測定ユニットＣを上下に作動させるアクチュエータ（図示せず）と、この測定ユニットＣの位置を検出する位置センサ（図示せず）とを備えている。この昇降ユニットＢにより、測定ユニットＣとワークＷとのＺ方向（縦方向）での相対的な位置関係の変更が実現する。
【００２１】
測定ユニットＣは、スリット光Ｓの照射を行うレーザ投光器１０（レーザ投光手段の一例）と、このスリット光Ｓが照射されたワークＷを撮影する撮影ユニット２０（撮影手段の一例）とをケースに収容している。この測定ユニットＣは、レーザ投光器１０から照射されるスリット光Ｓの光軸ＳＬと、撮影ユニット２０の撮影レンズ２２の撮影軸ＴＬとが交差する角度αが１１度程度に設定されている。この角度αは撮影ユニット２０で撮影に適した任意の値に設定して良い。
【００２２】
〔レーザ投光器〕
レーザ投光器１０は、図２に示すように、単一の半導体レーザＬＤと、これからのレーザ光ＬＢを送り出す投光レンズ１１と、レーザ光ＬＢを直線状の領域に拡がるように扇状に送り出すことでスリット光Ｓを作り出すシリンドリカルレンズ１２とを有する。この投光レンズ１１とシリンドリカルレンズ１２とで光学系が構成され、半導体レーザＬＤは、高輝度のレーザ光を出射する構造を有するＳＬＤ( Super Luminescent Diode)が用いられている。半導体レーザＬＤは、Ｐ形層１５と、Ｎ形層１６との接合面の境界部分に沿って直線方向Ｍに沿って発光層１７（活性層）が形成され、Ｐ形層１５とＮ形層１６とに電圧を印加することにより、発光層１７から同図に示すように楕円ビームとなるレーザ光ＬＢが射出される。
【００２３】
半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍを縦向きに設定することで、発光層１７から射出されるレーザ光ＬＢは長軸が横向き姿勢の楕円ビームとなる。このレーザ光ＬＢは投光レンズ１１からシリンドリカルレンズ１２に送られ、このシリンドリカルレンズ１２から扇状に送り出されスリット光Ｓとして焦点位置Ｆにおいて厚さ（縦方向）が最も薄い直線状態に収束する。このように、半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍを縦向きに設定した状態でスリット光Ｓの拡がり方向が横長となり、直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向とが互いに直交する関係となる。
【００２４】
尚、この説明における縦横の関係は図面に従って便宜的に決めたものであり、発光層１７の直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向との相対的姿勢の関係が直交する関係に維持される限りにおいては、レーザ投光器１０の設置姿勢は任意に設定できる。
【００２５】
また、焦点位置Ｆを基準にして半導体レーザＬＤから離間する位置と、半導体レーザＬＤに接近する位置とにおいてスリット光Ｓは、拡がり方向の中央部が少し膨らんだ横長の楕円状となる（図面では誇張して描いている）。
【００２６】
スリット光Ｓの輝度分布を計測するためにシリンドリカルレンズ１２からの距離（Ｄｆ＝２９０ｍｍ）の位置を焦点位置Ｆとすると共に、この焦点位置Ｆより更に離間する距離（Ｄｒ＝３１３ｍｍ）の位置に離間位置Ｒを設定している。この設定において焦点位置Ｆにおけるスリット光Ｓの縦方向（厚さ方向）での輝度分布を図３（ａ）に示し、離間位置Ｒにおける輝度分布を図３（ｂ）に示している。
【００２７】
この図３（ａ）と図３（ｂ）は、ＣＭＯＳやＣＣＤ等で成る撮像素子を焦点位置Ｆと離間位置Ｒとにセットした状態で縦方向（厚さ方向）に並ぶ撮像素子のピクセル（素子の最小単位をピクセルと称している）を横軸にして、これらのピクセル（画素）の輝度を数値として表している。これらの図から明らかなように、焦点位置Ｆではスリット光Ｓの縦方向（厚さ方向）での中央位置の輝度が立ち上がるように最も高い輝度分布となる。また、離間位置Ｒでは、焦点位置Ｆにおける輝度と比較して多少輝度が低下するものであるがスリット光Ｓの縦方向（厚さ方向）での中央位置の輝度が最も高い輝度分布となり、スリット光Ｓとしての機能を有することが理解できる。
【００２８】
離間位置Ｒとして、焦点位置Ｆより半導体レーザＬＤから離間する位置に設定したものを説明しているが、焦点位置Ｆより半導体レーザＬＤに近接する近接位置Ｎにおけるスリット光Ｓの輝度分布も前述した離間位置Ｒの輝度分布と同様に現れる。
【００２９】
このレーザ投光器１０では、半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍをスリット光Ｓの拡がり方向に対して直交する姿勢に設定していたが、この発光層１７の直線方向Ｍと、スリット光Ｓの拡がり方向とは非平行姿勢であればスペックルノイズを低減できるものである。従って、これらの相対姿勢を４５度に設定する等任意の姿勢に設定しても良い。
【００３０】
〔レーザ投光器の比較例〕
図４には、比較例を示している。この比較例では、前述した（図２に示される）レーザ投光器１０と同様に単一の半導体レーザＬＤと、投光レンズ１１と、シリンドリカルレンズ１２とを有しているが、半導体レーザＬＤの姿勢が前述したレーザ投光器１０と異なっている。つまり、半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍを横向きに設定し、スリット光Ｓの拡がり方向を横長の姿勢に設定することで、直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向とが互いに平行する関係となる。
【００３１】
つまり、半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍを横向きに設定することで、発光層１７から射出されるレーザ光ＬＢは長軸が縦向きとなる楕円ビームとなる。このレーザ光ＬＢは投光レンズ１１からシリンドリカルレンズ１２に送られ、このシリンドリカルレンズ１２から扇状に送り出されスリット光Ｓとして焦点位置Ｆにおいて厚さ（縦方向）が最も薄い直線状態に収束する。
【００３２】
また、焦点位置Ｆを基準にして半導体レーザＬＤから離間する位置と、半導体レーザＬＤに接近する位置とにおいてスリット光Ｓは、拡がり方向の中央部が少し膨らんだ横長の楕円状となる（図面では誇張して描いている）。
【００３３】
シリンドリカルレンズ１２からの距離（Ｄｆ＝２８０ｍｍ）の位置を焦点位置Ｆとすると共に、この焦点位置Ｆより更に離間する距離（Ｄｒ＝３１０ｍｍ）の位置に離間位置Ｒを設定している。この設定において焦点位置Ｆにおけるスリット光Ｓの縦方向（厚さ方向）での輝度分布を図５（ａ）に示し、離間位置Ｒにおける輝度分布を図５（ｂ）に示している。
【００３４】
この図５（ａ）と図５（ｂ）は、ＣＭＯＳやＣＣＤ等で成る撮像素子を焦点位置Ｆと離間位置Ｒとにセットした状態で縦方向（厚さ方向）に並ぶ撮像素子のピクセル（素子の最小単位をピクセルと称している）を横軸にして、これらのピクセル（画素）の輝度を数値として表している。これらの図から明らかなように、焦点位置Ｆてはスリット光Ｓの縦方向（厚さ方向）での中央位置の輝度が立ち上がるように最も高い輝度分布となる。また、離間位置Ｒでは、焦点位置Ｆにおける輝度のピークが低いだけではなく、複数の輝度のピークが乱れて現れる輝度分布となるため、光切断線Ｐが不鮮明になることが理解できる。このように複数の輝度のピークが乱れた状態で現れる原因としてスペックルノイズの影響を挙げることが可能である。
【００３５】
離間位置Ｒとして、焦点位置Ｆより半導体レーザＬＤから離間する位置に設定したものを説明しているが、焦点位置Ｆより半導体レーザＬＤに近接する近接位置Ｎにおけるスリット光Ｓの輝度分布も前述した離間位置Ｒの輝度分布と同様に複数の輝度のピークが乱れた状態で現れる。
【００３６】
ここで、半導体レーザＬＤの発光層１７をスリット光Ｓに対して直交（スリット光Ｓの短軸（厚さ方向）に平行）する姿勢に設定した場合のバラツキσと、半導体レーザＬＤの発光層１７をスリット光Ｓに対して平行（スリット光Ｓの長軸（長手方向）に平行）する姿勢に設定した場合の輝度のピークのバラツキσとを図６のグラフに示すことが可能である。
【００３７】
同図では、前述した距離（Ｄｆ＝２８０ｍｍ）の位置を焦点位置Ｆに設定しており、バラツキσは、半導体レーザＬＤからの距離毎のスリット光Ｓの縦方向（厚さ方向）での輝度の分布位置のバラツキを表している。従って、バラツキσが大きい値であるほど、縦方向（厚さ方向）での広い領域にレーザ光ＬＢが存在することを示している。このように広い領域にレーザ光ＬＢが存在する要因としてスペックルノイズの影響が考えられる。
【００３８】
表面検査装置では、ワークＷの凹凸部分に対しても光切断線Ｐが形成されるため、焦点位置Ｆから遠方側と接近側と何れかに外れた位置に形成される光切断線Ｐの位置を画像データから抽出する必要がある。このような理由から、図５（ｂ）に示すように複数の輝度のピークが乱れた状態で現れるスリット光Ｓを用いた場合には、ワークＷ表面の光切断線Ｐの線幅が拡大するだけでなく、光切断線Ｐの輝度が低下した状態で一定しないことになる。従って、画像データから光切断線Ｐを抽出する処理では、特定の精度を低下させることや、特定不能を招くこともある。
【００３９】
〔比較例との比較結果〕
図２に示す如く半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向とが互いに直交する関係に設定した場合には、離間位置Ｒにおいても光切断線Ｐの線幅の拡大がなく、複数の輝度のピークが現れない（明暗が発生しない）輝度分布の光切断線Ｐを形成できることになる。このように良好な輝度分布を得るスリット光Ｓを生成する理由として以下のような説明が可能である。
【００４０】
つまり、図４に示す如く半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向とが互いに平行する関係に設定した場合には、発光層１７の直線方向Ｍと垂直の方向に沿った狭い発光部分から出射したレーザ光がスリット厚方向（スリット光の拡がり方向と直交する方向）に拡がり、照射される。したがって、光切断線の所定点に着目すると、光路長差の小さいレーザ光が集光されるため、光干渉が発生する。これに対して図２に示す如く半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向とが互いに直交する関係に設定した場合には、発光層１７の直線方向Ｍの広い領域の発光部分から出射したレーザ光がスリット厚方向（スリット光の拡がり方向と直交する方向）に拡がり、照射される。したがって、光切断線Ｐに着目すると、光路長差の大きいレーザ光が多く集光されるため、光干渉の発生が抑制される。つまり、表面検査装置では、光切断線Ｐでの光干渉によるスペックルノイズの発生が抑制される。
【００４１】
このような理由から、半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍとスリット光Ｓの拡がり方向とが互いに直交する（少なくとも非平行となる）関係に設定するようにレーザ投光器１０が構成されることにより、ワークＷの表面に形成される光切断線Ｐの線幅を細い状態に維持し、スペックルノイズの影響を抑制して微細な形状も良好に判別する高精度の測定が実現することになる。
【００４２】
〔撮影ユニット〕
図１に示すように、撮影ユニット２０は、偏光フィルタ２１と、テレセントリックレンズで成る撮影レンズ２２と、ＣＭＯＳやＣＣＤ等の２次元撮像素子２３とを備えている。この撮影ユニット２０はデジタルカメラと同様の構成を有しており、２次元撮像素子２３にはカバーガラス（図示せず）を備えている。偏光フィルタ２１は、ワークＷからの光線のうちＰ偏光成分をのみ（光波の電波ベクトルがカバーガラスの表面と平行となるもの）を透過させることにより、カバーガラスの裏面反射に起因するノイズを低減している。図面には示していないが、撮影レンズ２２には合焦（ピント合わせ）を実現する合焦作動機構を備えており、この合焦作機構は、自動的に合焦作動を行うものや、オペレータの人為的な操作によって合焦作動を行うものや、コントローラＤからの制御信号によって合焦作動を行うものが備えられる。
【００４３】
この撮影ユニット２０では、撮影レンズ２２としてテレセントリックレンズを用いたことにより、被写界深度が深くなると共に、撮影されたワークＷの形状の歪みが抑制される。また、この撮影ユニット２０では、撮影軸ＴＬに対して撮影ユニット２０の全体を傾斜させるアオリ状態に設定することや、撮影レンズ２２の光軸を撮影軸ＴＬに一致させた状態で２次元撮像素子２３のみを傾斜させるアオリ状態に設定しても良い。これにより、画像データ中のワークＷの歪みを抑制することや、光切断線Ｐに対する合焦状態（ピントの状態）の向上が実現する。
【００４４】
〔制御構成〕
前述したコントローラＤは、ＣＰＵやＤＳＰ等の処理系と、情報が保存される半導体メモリとを有する汎用コンピュータで成る処理装置本体３１と、処理結果が出力されるモニタ３２とを備えている。処理装置本体３１には、キーボードやポインティングデバイスからの情報を取得し、処理系での処理結果をモニタ３２に出力するためのインタフェースを備え、処理系に対するデータのアクセスを行うデータバスや、アクセスを制御するコントロールバス等を備えるものであるが、図面では、これらを省略している。
【００４５】
処理装置本体３１の半導体メモリには制御プログラムが保存されている。この制御プログラムとして、支持ユニット制御手段３５と、昇降制御手段３６と、投光器制御手段３７と、画像データ取得手段３８と、測定実行手段３９と、３次元データ生成手段４０（形状データ生成手段の一例）と、評価演算手段４１と、出力手段４２とが備えられている。これら支持ユニット制御手段３５と、昇降制御手段３６と、投光器制御手段３７と、画像データ取得手段３８と、測定実行手段３９と、３次元データ生成手段４０と、評価演算手段４１と、出力手段４２とは制御プログラムとしてソフトウエアで構成されるものであるが、ハードウエアで構成されるものでも良く、ソフトウエアとハードウエアとの組み合わせによって構成されるものでも良い。
【００４６】
支持ユニット制御手段３５は、回転テーブル４とＸステージ５とＹステージ６とを独立して駆動する。昇降制御手段３６は、昇降ユニットＢを制御して測定ユニットＣの高さを設定する。投光器制御手段３７は、半導体レーザＬＤに電力を供給してレーザ投光器１０からスリット光Ｓを照射させる。画像データ取得手段３８は、撮影ユニット２０を制御して撮影を行い画像データを取得する。測定実行手段３９は、支持ユニット制御手段３５と画像データ取得手段３８との制御によりワークＷと撮影ユニット２０とを予め設定された相対的位置関係に設定しながら連続的な撮影を行う。形状データ生成手段として機能する３次元データ生成手段４０は、取得した複数の画像データから三角測量の原理に基づいて光切断線Ｐの位置を特定し測定３次元データを生成する。評価演算手段４１は、測定３次元データと予め保存されている基準３次元データ３３（マスターデータ）との比較により表面形状の比較を行う。出力手段４２は、評価結果をモニタ３２に出力する。
【００４７】
〔制御形態〕
処理装置本体３１の処理形態の概要を図７のフローチャートに示している。つまり、オペレータがワークＷを回転テーブル４にセットした状態で図示されていない測定開始ボタンが操作されると測定が開始される（＃０１、＃０２ステップ）。
【００４８】
測定の実行時には測定実行手段３９が制御全体の流れを管理することになり、最初に投光器制御手段３７によってレーザ投光器１０によりレーザ光源としての半導体レーザＬＤに電力が供給され、ワークＷに対してスリット光Ｓが照射される（光源ＯＮ）。これに続いて、ワークＷを測定開始位置にセットした後に、支持ユニットをＸ方向に作動させながら撮影ユニット２０によりワークＷの撮影が行われ（Ｘ方向走査）、画像データが取得される（＃０３〜＃０６ステップ）。
【００４９】
この制御では、支持ユニット制御手段３５が、回転テーブル４とＸステージ５とＹステージ６とを制御することにより、ワークＷを測定開始位置にセットし、Ｘ方向走査において、Ｘステージ５を設定速度作動させながら、所定ピッチで撮影ユニット２０による撮影が連続して行われ、撮影した複数フレームの画像データを処理装置本体３１の半導体メモリに保存する処理が行われる。
【００５０】
この撮影は、スリット光ＳがワークＷの側端に達するまで行われ、スリット光が測定対象物の側端に達すると、Ｘ方向走査を停止する（＃０７、＃８ステップ）。
【００５１】
このようにＸ方向走査が停止した状態において、複数フレームの画像データから光切断法に基づいて３次元データ生成手段４０が測定３次元データを生成し、この測定３次元データ中に設定される測定点データと、基準３次元データ３３（マスターデータ）の基準点データとから表面欠陥の有無を判定する評価演算処理が評価演算手段４１によって行われる（＃０９ステップ）。また、＃０８ステップでＸ方向走査が停止した際には、評価演算処理が実行と並行してワークＷがＹ方向にシフトされ、Ｘ軸方向の走査がまだ残っているかどうかのチェックが行われる（＃１０、＃１１ステップ）。
【００５２】
この処理では、複数の画像データに含まれる光切断線Ｐを３次元データ生成手段４０が抽出すると共に、抽出した複数の光切断線Ｐについて測定３次元データが生成される。このように、画像データから光切断線Ｐを抽出する際に、ソーベルフィルタやラプラシアンフィルタ等のエッジ検出フィルタにより光切断線Ｐのエッジの位置が特定される。また、評価演算手段４１において表面欠陥の有無を判定する際に、測定３次元データに設定される測定点データに対して、基準３次元データ３３（マスターデータ）の基準点データが近接するように、測定点データと基準点データとの少なくとも一方の平行移動変換、回転変換等の合同変換処理が行われ、合同変換処理の後に測定点データと基準点データとの誤差が求められる。
【００５３】
この評価演算手段４１の処理形態として、光切断線Ｐに基づいてワークＷの表面形状を求め、マスターデータの表面形状と比較する処理を行うものであれば、前述した処理に限るものではない。また、Ｘ方向走査を行う際には、ワークＷをブロック単位に分割して、そのブロック単位毎にＸ方向走査を行うように処理形態を設定しても良い。
【００５４】
＃１１ステップのチェックでＸ方向走査が残っている場合には、Ｘ方向走査の向きを反転し（＃１２ステップ）、＃０５ステップからＸ方向走査を再開する。また、＃１１ステップのチェックでＸ方向走査が残っていない場合には、レーザ光源としての半導体レーザＬＤへの電力が遮断され、スリット光Ｓの照射が停止する（＃１３ステップ・光源ＯＦＦ）。
【００５５】
更に、測定不能領域の測定を行う必要があると判断した場合には、回転テーブル４を９０度回転させる制御を行い、＃０３ステップから前述した測定を再度行う。なお、９０度の回転で不十分な場合には、さらに９０度毎の回転（最初の姿勢位置に対する１８０度位置と２７０度位置）が行われる。回転テーブル４を９０度回転させる必要がない場合は、欠陥評価結果に基づいて総合判定を行う（＃１４、＃１５ステップ）。
【００５６】
そして、この総合判定において、欠陥の位置を測定対象物の全体を示す全体図の上でマーキングした欠陥位置表示図を出力手段４２がモニタ３２又はプリンタを介して出力することが可能となる（＃１６ステップ）。
【００５７】
〔実施形態の作用・効果〕
このように、半導体レーザＬＤの発光層１７の直線方向Ｍをスリット光Ｓの拡がり方向に対して直交する姿勢に設定することにより、ワークＷの表面の光切断線Ｐの特定点に着目すると、発光層１７の広い領域（直線方向Ｍ）の各部から出射するレーザ光が特定点に照射される。したがって、その特定点において、光路が異なる様々なレーザ光、つまり、光路長差が異なる多くのレーザ光が集光されるため、光干渉の発生が抑制できる。
【００５８】
特に、このように半導体レーザＬＤの姿勢を設定することにより、焦点位置Ｆより遠方に離間する離間位置Ｒでも近接する近接位置Ｎにおいても複数の輝度のピークが現れない（明暗が発生しない）輝度分布の光切断線Ｐを形成できることになる。これにより、表面に段差部（凹凸部）を持つワークＷの表面に形成される光切断線Ｐの線幅を細い状態に維持し、スペックルノイズの影響を抑制して微細な形状も良好に判別する高精度の測定を行い、ワークＷに微細な欠陥が存在する場合でも、その微細な欠陥を良好に検出して表示できることになる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、スリット光によって測定対象物の表面形状を計測するものであれば、欠陥を検査するものに限らず検査装置全般に利用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０ レーザ投光手段（レーザ投光器）
１２ シリンドリカルレンズ
１７ 発光層
２０ 撮影手段（撮影ユニット）
４０ 形状データ生成手段（３次元データ生成手段）
ＬＢ レーザ光
ＬＤ レーザ光源・半導体レーザ
Ｐ 光切断線
Ｓ スリット光
Ｗ 測定対象物（ワーク）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源からのレーザ光を光学系により直線状の領域に拡がるスリット光を作り出して測定対象物に照射するレーザ投光手段と、測定対象物を撮影する撮影手段と、この撮影手段で撮影された画像データから前記スリット光が照射された光切断線を抽出して測定対象物の表面形状データを生成する形状データ生成手段とを備えると共に、
前記レーザ光源が、ＰＮ接合型で接合面の境界部分に沿って直線方向に形成される発光層からレーザ光を出射する半導体レーザを備えて構成され、
前記直線方向が、前記スリット光の拡がり方向と非平行姿勢となるように前記半導体レーザの姿勢を設定している表面検査装置。
【請求項２】
前記直線方向が、前記スリット光の拡がり方向に対して直交する姿勢となるように前記半導体レーザの姿勢を設定している請求項１記載の表面検査装置。
【請求項３】
前記光学系が、前記レーザ光からスリット光を作り出すシリンドリカルレンズを有して構成されている請求項１又は２記載の表面検査装置。
【請求項１】
レーザ光源からのレーザ光を光学系により直線状の領域に拡がるスリット光を作り出して測定対象物に照射するレーザ投光手段と、測定対象物を撮影する撮影手段と、この撮影手段で撮影された画像データから前記スリット光が照射された光切断線を抽出して測定対象物の表面形状データを生成する形状データ生成手段とを備えると共に、
前記レーザ光源が、ＰＮ接合型で接合面の境界部分に沿って直線方向に形成される発光層からレーザ光を出射する半導体レーザを備えて構成され、
前記直線方向が、前記スリット光の拡がり方向と非平行姿勢となるように前記半導体レーザの姿勢を設定している表面検査装置。
【請求項２】
前記直線方向が、前記スリット光の拡がり方向に対して直交する姿勢となるように前記半導体レーザの姿勢を設定している請求項１記載の表面検査装置。
【請求項３】
前記光学系が、前記レーザ光からスリット光を作り出すシリンドリカルレンズを有して構成されている請求項１又は２記載の表面検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１２２８４４（Ｐ２０１２−１２２８４４Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７３８２１（Ｐ２０１０−２７３８２１）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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