特開 2022-176530 レーザラスタ走査型画像取得装置及びこれを用いた画像表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022176530

(43)【公開日】2022-11-30

(54)【発明の名称】レーザラスタ走査型画像取得装置及びこれを用いた画像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20221122BHJP

   G02B 26/10 20060101ALI20221122BHJP

【ＦＩ】

G01B11/24 F

G02B26/10 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021083016

(22)【出願日】2021-05-17

(71)【出願人】

【識別番号】303035709

【氏名又は名称】株式会社オプセル

(74)【代理人】

【識別番号】100128358

【弁理士】

【氏名又は名称】木戸 良彦

(74)【代理人】

【識別番号】100086210

【弁理士】

【氏名又は名称】木戸 一彦

(72)【発明者】

【氏名】小俣 公夫

【テーマコード（参考）】

2F065

2H045

【Ｆターム（参考）】

2F065AA04

2F065AA06

2F065AA19

2F065AA54

2F065BB02

2F065CC25

2F065DD06

2F065FF10

2F065GG04

2F065GG23

2F065HH04

2F065JJ01

2F065LL20

2F065LL59

2F065LL62

2F065MM02

2F065NN06

2F065PP22

2F065QQ03

2F065QQ28

2F065QQ29

2F065UU06

2H045AA01

2H045BA13

2H045BA24

2H045BA32

2H045CA64

(57)【要約】      （修正有）

【課題】テレセントリック光学系に３波長のレーザ光を採用し、１回の走査で得た反射光量に基づいて高さ特定することにより、精密な画像データを短時間で得ることが可能なレーザラスタ走査型画像取得装置及びこれを用いた画像表示装置を提供する。
【解決手段】レーザラスタ走査画像取得手段は、赤色、緑色、青色のレーザ光を出力するレーザ光源部と、各色レーザ光を合成する光合成部と、走査光を被観察面に照射するテレセントリックｆθレンズ２６と、反射光を赤色、緑色、青色の反射光に分離する光分離部と、該光分離部でそれぞれ導かれた反射光を取り込む３つの受光部とを備え、テレセントリックｆθレンズで集光された各色レーザ光は、同一スポット径で重ね合わされ、赤色レーザ光及び青色レーザ光の両焦点位置ＰＲ，ＰＢが緑色レーザ光の焦点位置ＰＧを中心に上下に等間隔で設定されている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光源を用いた共焦点光学系を有するレーザラスタ走査画像取得手段を備え、観察対象を一定の速度で移動させながら被観察面にレーザラスタ走査光を複数回照射することによって被観察面の画像情報を取得可能なレーザラスタ走査型画像取得装置であって、
前記レーザラスタ走査画像取得手段は、赤色、緑色、青色の異なる波長の３つのレーザ光を平行光束として出力するレーザ光源部と、前記３つのレーザ光を合成する光合成部と、該光合成部からのレーザ光を反射してレーザラスタ走査用の走査光に変換する走査ポリゴンミラーと、該走査ポリゴンミラーからの走査光を前記被観察面に垂直に照射するテレセントリックｆθレンズと、前記被観察面からの反射光を前記テレセントリックｆθレンズにより平行光束に変換し、前記走査ポリゴンミラーで反射させた後に前記レーザ光源部からのレーザ光と分離するビームスプリッタと、該ビームスプリッタで分離した前記反射光を赤色、緑色、青色の異なる波長の３つの反射光に分離する光分離部と、該光分離部でそれぞれ導かれた反射光を取り込む３つの受光部とを備え、
前記受光部は、前記光分離部からの反射光を集光する結像レンズと、前記テレセントリックｆθレンズの焦点位置と共役の位置に設置した共焦点絞りと、前記結像レンズにより集光されて前記共焦点絞りを通過した前記反射光の光量情報を計測する受光素子とを有し、
前記テレセントリックｆθレンズで集光された各色レーザ光は、同一スポット径で重ね合わされ、赤色レーザ光及び青色レーザ光の両焦点位置が緑色レーザ光の焦点位置を中心に上下に等間隔で設定されていることを特徴とするレーザラスタ走査型画像取得装置。

【請求項2】

前記レーザ光源部と前記テレセントリックｆθレンズとの間の光路上には、焦点距離を変化させる可変焦点レンズが設けられていることを特徴とする請求項１記載のレーザラスタ走査型画像取得装置。

【請求項3】

前記被観察面を１回走査する毎に、前記走査光の走査方向と直交する方向に、かつ、前記走査光の幅分だけ前記観察対象を移動させる制御手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザラスタ走査型画像取得装置。

【請求項4】

前記テレセントリックｆθレンズは、交換可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のレーザラスタ走査型画像取得装置。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか１項記載のレーザラスタ走査型画像取得装置を用いた画像表示装置であって、
画像表示手段と、前記受光部で計測された光量情報に基づいて前記被観察面の高さ情報を特定する高さ情報特定手段と、前記高さ情報と前記高さ情報に関連付けられる時刻データとに基づいて前記画像表示手段での表示対象となる３次元画像を生成する３次元画像生成手段とを備えていることを特徴とする画像表示装置。

【請求項6】

前記高さ情報に関連付けられた画素値を使用して前記画像表示手段での表示対象となる２次元画像を生成する２次元画像生成手段を備えていることを特徴とする請求項５記載の画像表示装置。

【請求項7】

前記画像表示手段に、前記３次元画像及び前記２次元画像の両方又はいずれか一方を表示可能な請求項６記載の画像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザラスタ走査型画像取得装置及びこれを用いた画像表示装置に関し、特に、被観察面の高さ情報を高速かつ高精度で取得可能なレーザラスタ走査型画像取得装置及びこれを用いた画像表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、物体表面における凸凹や傷、付着物などを検知するために、物体形状の画像データを取得して表面状況を知ろうとする光学装置が提案され、各種産業分野への使用が考えられている。例えば、顕微鏡型のものでは、ＲＧＢの波長帯を含む照明光を発生させる光源と、該光源からのライン状の照明光をスキャナにより走査する照明光学系と、検出光を波長分散させる分光プリズムを有する検出光学系と、波長分散させた検出光をＲＧＢのカラーフィルタを通して検出する検出器（ＣＣＤセンサ）とを備えている。このような光学装置では、検出光量に応じた検出信号を制御装置（ＰＣ）に出力し、演算で画素毎の検出信号を合成することにより、観察物体の高さ情報を画像的に取得することができる（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－１８５４５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

昨今、半導体を始めとする電子デバイス分野では、５Ｇ（第５世代移動通信システム）対応の回路基板の精密化や、配線パターンの複雑化に伴い、測定や検査ラインの一層の高速化が求められている。しかも、検査数量や検査領域そのものの増大も見込まれることから、従来の検査装置では実用に耐えないという問題がある。とりわけ、５Ｇの回路基板では、深さや高さの検査が重要な要素となっているが、特許文献１のような共焦点光学系を用いたものは、高さ方向の計測を行うために、焦点位置を段階的にずらし、その都度反射光量を計測してピーク位置を求める必要がある。そのため、高精度な３次元画像データを得るためには、変化させる焦点位置の段数を増やす必要があり、非常に長い計測時間がかかってしまう。

【0005】

そこで本発明は、テレセントリック光学系に３波長のレーザ光を採用し、１回の走査で得た反射光量に基づいて高さを特定することにより、精密な画像データを短時間で得ることが可能なレーザラスタ走査型画像取得装置及びこれを用いた画像表示装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明のレーザラスタ走査型画像取得装置は、レーザ光源を用いた共焦点光学系を有するレーザラスタ走査画像取得手段を備え、観察対象を一定の速度で移動させながら被観察面にレーザラスタ走査光を複数回照射することによって被観察面の画像情報を取得可能なレーザラスタ走査型画像取得装置であって、前記レーザラスタ走査画像取得手段は、赤色、緑色、青色の異なる波長の３つのレーザ光を平行光束として出力するレーザ光源部と、前記３つのレーザ光を合成する光合成部と、該光合成部からのレーザ光を反射してレーザラスタ走査用の走査光に変換する走査ポリゴンミラーと、該走査ポリゴンミラーからの走査光を前記被観察面に垂直に照射するテレセントリックｆθレンズと、前記被観察面からの反射光を前記テレセントリックｆθレンズにより平行光束に変換し、前記走査ポリゴンミラーで反射させた後に前記レーザ光源部からのレーザ光と分離するビームスプリッタと、該ビームスプリッタで分離した前記反射光を赤色、緑色、青色の異なる波長の３つの反射光に分離する光分離部と、該光分離部でそれぞれ導かれた反射光を取り込む３つの受光部とを備え、前記受光部は、前記光分離部からの反射光を集光する結像レンズと、前記テレセントリックｆθレンズの焦点位置と共役の位置に設置した共焦点絞りと、前記結像レンズにより集光されて前記共焦点絞りを通過した前記反射光の光量情報を計測する受光素子とを有し、前記テレセントリックｆθレンズで集光された各色レーザ光は、同一スポット径で重ね合わされ、赤色レーザ光及び青色レーザ光の両焦点位置が緑色レーザ光の焦点位置を中心に上下に等間隔で設定されていることを特徴としている。

【0007】

また、前記レーザ光源部と前記テレセントリックｆθレンズとの間の光路上には、焦点距離を変化させる可変焦点レンズが設けられていることを特徴としている。さらに、前記被観察面を１回走査する毎に、前記走査光の走査方向と直交する方向に、かつ、前記走査光の幅分だけ前記観察対象を移動させる制御手段を備えていることを特徴としている。加えて、前記テレセントリックｆθレンズは、交換可能であることを特徴としている。

【0008】

また、本発明の画像表示装置は、前記レーザラスタ走査型画像取得装置を用いた画像表示装置であって、画像表示手段と、前記受光部で計測された光量情報に基づいて前記被観察面の高さ情報を特定する高さ情報特定手段と、前記高さ情報と前記高さ情報に関連付けられる時刻データとに基づいて前記画像表示手段での表示対象となる３次元画像を生成する３次元画像生成手段とを備えていることを特徴としている。さらに、前記高さ情報に関連付けられた画素値を使用して前記画像表示手段での表示対象となる２次元画像を生成する２次元画像生成手段を備えていることを特徴としている。加えて、前記画像表示手段に、前記３次元画像及び前記２次元画像の両方又はいずれか一方を表示可能であることを特徴としている。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、レーザラスタ走査画像取得手段において、テレセントリックな共焦点光学系に赤色、緑色、青色の異なる波長のレーザ光を出力する３つのレーザ光源部と、これに対応する３つの受光部とを備え、被観察面への走査時に、同一スポット径で重ね合わせた各色レーザ光のうちの赤色レーザ光及び青色レーザ光の両焦点位置を、緑色レーザ光の焦点位置を中心に上下に等間隔で設定しているので、最大反射光量が得られる高さ方向の基準点間を上から下まで等分した高さ距離（段数）を規定することができる。これにより、１回の走査で得た３波長の反射光量の大小と高さとの関係を導き出せば、２次元走査の任意の位置における高さを特定することが可能となり、高さ情報に基づいて生成される３次元画像から観察対象の表面状況を短時間で精度よく知ることができる。

【0010】

また、被観察面からの反射光をテレセントリックｆθレンズの焦点面と共役の位置に設置した共焦点絞りを通過させ、余分な反射光をカットしてピントの合った光だけが受光素子に受光されるので、３次元画像の高精細化、高コントラスト化に寄与するものである。とりわけ、表示色を設定する際には、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のＲＧＢ値で定義することにより、実際の色情報に限りなく近いカラー画像が得られることから、表示色の再現性にも優れている。すなわち、観察対象の判別性（識別性）を高め、例えば、基板検査においては、どこが欠陥であるかを見た目からもすぐに突き止めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一形態例におけるレーザラスタ走査型画像取得装置及び画像表示装置の全体構成を示す図である。

【図2】レーザラスタ走査画像取得手段の構成を示す図である。

【図3】観察対象の表面の拡大図である。

【図4】各色レーザ光における焦点距離と反射光量との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１乃至図４は、本発明のレーザラスタ走査型画像取得装置及び画像表示装置の一形態例を示している。レーザラスタ走査型画像取得装置１０は、図１に示すように、主に、レーザ光源を用いた共焦点光学系を有するレーザラスタ走査画像取得手段１１を基台１２上の支柱１３に上下動可能に設けたものである。使用時には、手動フォーカスノブ１４を回動操作して電動ステージ１５上に載置した観察対象の被観察面（図示せず）に焦点を合わせ、電動ステージ１５を、例えば、水平方向（図１の紙面方向）へ移動させながら、この移動方向に直交する走査方向（図１の左右方向）をもつレーザラスタ走査用の走査光を被観察面に対して複数回照射する。これにより、レーザラスタ走査画像取得手段１１では、走査光の反射光を受けて、被観察面の画像データ（画像情報）を取得することが可能になる。

【0013】

これらの各種機器を一体的に備えた装置本体１６は、制御用のクライアントＰＣ（Personal Computer）１７や前記画像データを表示するためのモニタ（画像表示手段）１８などからなる画像表示装置１９にネットワーク接続され、画像処理システムの構成要素となる。個々の配線について図示は省略するが、例えば、レーザラスタ走査画像取得手段１１及び電動ステージ１５は、システム制御ボックス２０を介してクライアントＰＣ１７のＩ／Ｏポート２１に接続されている。また、レーザラスタ走査画像取得手段１１の作動は、光学系制御ボックス２２からの指令を受けてなされ、出力信号はクライアントＰＣ１７のＡ／Ｄ変換部２３を介してコントローラ（図示せず）へ送信される。コントローラは、各種インターフェースと共にレーザラスタ走査画像取得手段１１の一要素としても機能し、システムの作動に必要な各種制御プログラム（アプリケーション）を実行するＣＰＵを中心に構成されている。

【0014】

電動ステージ１５は、モータを組み込んだ複数の移動機構部１５ａによって３次元的に移動可能である。システム制御ボックス２０は、レーザラスタ走査画像取得手段１１や電動ステージ１５の制御手段として機能するもので、コントローラからの指令を受けて、例えば、被観察面を１回走査する毎に、走査光の走査方向と直交する方向に、かつ、走査光の幅分、例えば、１μｍ分だけ観察対象を移動させる制御を行う。Ａ／Ｄ変換部２３は、被観察面の情報であるアナログ信号をデジタル信号に変換するもので、例えば、レーザラスタ走査画像取得手段１１の受光素子で計測した光量データ（光量情報）を出力する。

【0015】

付属のマウス２４やキーボード２５などを操作して装置本体１６を作動させると、制御プログラムの実行により被観察面の高さデータ（高さ情報）を１回の走査で取得する制御が行われる。そして、後述する高さ情報特定処理を行って取得した任意の位置における高さデータは、走査ごとに入力された時点の時刻データ（時刻情報）と関連付けられる。こうして、被観察面の移動方向に、つまり時系列順に全走査分つなげられた高さデータは、立体視することが可能なフルカラー３次元画像（立体画像）と、広範囲にわたって焦点の合ったフルカラー２次元画像（平面画像）とに変換され、モニタ１８の表示画面で各画像を同時に並べて、又は、各画像を１つずつ個別に確認することができる。

【0016】

レーザラスタ走査画像取得手段１１は、図２に示すように、各種部品を収容した筐体１１ａと、該筐体１１ａの下端部に交換可能に装着されたテレセントリックｆθレンズ（走査レンズ）２６とを有しており、具体的には、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の異なる波長の３つのレーザ光を平行光束として出力するレーザ光源部２７と、前記３つのレーザ光を合成する光合成部２８と、該光合成部２８からのレーザ光を反射してレーザラスタ走査用の走査光Ｌｓに変換する走査ポリゴンミラー２９と、該走査ポリゴンミラー２９からの走査光Ｌｓを被観察面に垂直に照射するテレセントリックｆθレンズ２６と、被観察面からの反射光をテレセントリックｆθレンズ２６により平行光束に変換し、走査ポリゴンミラー２９で反射させた後にレーザ光源部２７からのレーザ光と分離するビームスプリッタ３０と、該ビームスプリッタ３０で分離した反射光を赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の異なる波長の３つの反射光Ｌｒに分離する光分離部３１と、該光分離部３１でそれぞれ導かれた反射光Ｌｒを取り込む３つの受光部（フォトマルセンサ）３２と、該受光部３２で計測した光量データを前記クライアントＰＣ１７のＡ／Ｄ変換部２３へ出力するための出力部３３とを有している。

【0017】

光合成部２８は、全反射ミラー２８ａ、ダイクロイックミラー２８ｂ及びビームコンバイナ２８ｃを用いて構成され、赤色（Ｒ）及び緑色（Ｇ）レーザ光源部２７から射出したレーザ光は、各ミラー２８ａ，２８ｂで反射した後、ビームコンバイナ２８ｃでそれぞれ反射し、青色（Ｂ）レーザ光源部２７から射出したレーザ光と共通の光路へ導かれる。この合成光は、互いにピーク波長の異なる赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の波長帯域の光を重ね合わせた分光特性を有している。赤色（Ｒ）レーザ光は、例えば、６００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長域内にピーク波長を有することが好ましい。緑色（Ｇ）レーザ光は、例えば、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長域内にピーク波長を有することが好ましい。青色（Ｂ）レーザ光は、例えば、４５０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の波長域内にピーク波長を有することが好ましい。

【0018】

光分離部３１は、３枚のダイクロイックミラー３１ａ，３１ｂ，３１ｃを用いて構成され、ビームスプリッタ３０からの反射光を赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各色の反射光Ｌｒに分離し、分離した各色の反射光Ｌｒをこれらに対応する受光部３２に入射させる。受光部３２は、光分離部３１からの反射光を集光する結像レンズ３４と、テレセントリックｆθレンズ２６の焦点位置（結像位置）と共役の位置に設置した共焦点絞り（ピンホール）３５と、結像レンズ３４により集光されて共焦点絞り３５を通過した反射光の光量を計測する受光素子（図示せず）とを有している。

【0019】

テレセントリックｆθレンズ（走査レンズ）２６は、内蔵される複数枚のレンズを精度良く加工して組み合わせたもので、入射したレーザ光を平らな平面に対して垂直に集光するレンズである。これにより、走査ポリゴンミラー２９の反射面２９ａで反射されたレーザ光は、テレセントリック光学系に対して斜めに入射しても、テレセントリック光学系からは互いに平行な関係で出射する。また、レーザ光のスポット（集光点）は各波長によってその径が異なるため、集光された各色レーザ光が同一スポット径で重ね合わされるように設定されている。さらに、こうしたレンズ設計において、各色レーザ光は同一箇所に集光されるものの、焦点位置、すなわち図２において、ＰＲ，ＰＧ，ＰＢとして図示されている面の高さ方向（上下方向）の位置についてはそれぞれ異なるように設定されている。具体的には、赤色（Ｒ）レーザ光及び青色（Ｂ）レーザ光の両焦点位置ＰＲ，ＰＢが緑色（Ｇ）レーザ光の焦点位置ＰＧを中心に上下に等間隔で設定されている。したがって、下から赤色焦点位置ＰＲ、緑色焦点位置ＰＧ、青色焦点位置ＰＢの順で、例えば５０μｍずつ間隔をあけて設定することで、その間を上から下まで１μｍずつ１００等分した高さ距離（段数）が規定される。

【0020】

また、レーザ光源部２７とテレセントリックｆθレンズ２６との間の光路上には、焦点距離を変化させる可変焦点レンズ３６が設けられている。可変焦点レンズ３６は、例えば、液体レンズである。液体レンズは、フォーカス機構（図示せず）に印加される電圧に応じて焦点距離を変更可能な構成となっている。フォーカス機構は、液体レンズの焦点距離を調節する駆動部であって、液体レンズの所定箇所に電圧を加えるための電極を含む電気回路である。

【0021】

さらに、走査ポリゴンミラー２９に対応する位置に原点センサ３７及び原点レーザ発生部３８が設けられている。原点センサ３７は、原点レーザ発生部３８による投光を走査ポリゴンミラー２９の反射面２９ａを介して受光しながら、該反射面２９ａの回転位置が、反射面２９ａによるレーザ光の走査が開始可能な位置にきたときに原点信号を出力する。言い換えると、原点センサ３７は、これからレーザ光の走査を行う反射面２９ａの角度が所定の角度位置になったときに原点信号を出力する。ここで、走査ポリゴンミラー２９が１０面体からなる反射面２９ａを有する場合、原点センサ３７は、走査ポリゴンミラー２９が１回転する周期で、１０回原点信号を出力することになる。原点信号はコントローラに送られ、原点センサ３７が原点信号を出力してから時間差をもってレーザ光の走査方向に沿った走査が開始される。すなわち、原点信号は、レーザラスタ走査画像取得手段１１による走査光Ｌｓの走査開始タイミングを示す情報となる。

【0022】

以下では、レーザラスタ走査型画像取得装置１０により被観察面の画像データを取得して、これを画像表示装置１９により視覚的に表示させる手順について説明する。ここでの観察対象（図示せず）は、例えば、大きさ（直径）が８インチの電子回路基板などが挙げられる。まず、電源を投入してシステムを起動した後、キャリブレーションを行ってＸＹＺ軸の３次元座標系が設定される。このとき、可変焦点レンズ３６において焦点距離が適宜調節され、テレセントリック光学系に生じる色収差が補正される。

【0023】

観察対象を電動ステージ１５上に載置すると、被観察面はレーザラスタ走査画像取得手段１１からの走査光Ｌｓが移動方向と直交する方向に切断するように配置される。そして、所定の計測開始操作を行うと、コントローラによって装置本体１６が自動制御される。ここで、レーザラスタ走査画像取得手段１１による走査光Ｌｓは同じ位置に照射されるが、一方で、被観察面は電動ステージ１５上において一定量（数μｍ単位）で移動される。例えば、１０面体からなる反射面２９ａを有する走査ポリゴンミラー２９が秒速４００回転で高速回転されると、各反射面２９ａからの反射光を受けて被観察面に対して１秒間に４０００回、一定の走査速度を維持しながら走査が行われる。これに対応して、電動ステージ１５は、被観察面の移動速度が秒速４ｍｍで移動するように制御される。すなわち、１μｍの幅をもつ走査光Ｌｓであれば、被観察面を１回走査する毎に、その幅分（１μｍ）だけ移動させる制御がなされる。

【0024】

レーザ光の走査を行うと、被観察面の反射光Ｌｒは、戻り光として結像レンズ３４から共焦点絞り３５に集光される。共焦点絞り３５は、被観察面の焦点の範囲内の光のみを通過させるため、受光素子に取り込んで生成される赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の画像信号は、ピントの合った焦点位置の画素値として、それぞれ、例えば２５６階調（０～２５５）で表される色情報が関連付けられ、コントラストの良い共焦点画像データになる。一方、コントローラでは、こうした共焦点画像データに基づいて被観察面の高さデータを生成する。

【0025】

前記高さデータの生成は、コントローラ（高さ情報特定手段）が実行する制御プログラムの高さ情報特定処理によってなされる。高さ情報特定処理は、１回の走査で取得した光量データ、すなわち、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各波長の反射光量の大きさを比較して行われる。図３に示すように模式的に表すと、被観察面の高さ方向（Ｚ方向）において、設定基準面となる０位置に対して、緑色（Ｇ）レーザ光の焦点位置ＰＧを一致させ、ここから、例えば、赤色（Ｒ）レーザ光の焦点位置ＰＲが－５０μｍの位置、青色（Ｂ）レーザ光の焦点位置ＰＢが＋５０μｍの位置にそれぞれ設定される。このとき、赤色（Ｒ）レーザ光の焦点位置ＰＲと青色（Ｂ）レーザ光の焦点位置ＰＢとの間を上から下まで１μｍずつ１００等分した高さ距離が規定される。

【0026】

また、図４の焦点距離と反射光量との関係を示すグラフから分かるように、各焦点位置ＰＲ，ＰＧ，ＰＢに対応して反射光量のピーク（受光量分布の最大値）が発生していることから、レーザ光の走査方向（Ｙ方向）に沿った走査が行われると、走査方向の１画素に対応する位置において、例えば、赤色（Ｒ）０％，緑色（Ｇ）１００％，青色（Ｂ）０％で、緑色が強く出たのであれば、これを高さに換算すると、０位置（高さ＝０）として高さデータが特定される。また、各反射光量が、赤色（Ｒ）１００％，緑色（Ｇ）０％，青色（Ｂ）０％で、赤色が強く出たのであれば、これを高さに換算すると、－５０μｍとして高さデータが特定される。これと逆に、各反射光量が、赤色（Ｒ）０％，緑色（Ｇ）０％，青色（Ｂ）１００％で、青色が強く出たのであれば、＋５０μｍとして高さデータが特定される。さらに、各反射光量が、赤色（Ｒ）０％，緑色（Ｇ）５０％，青色（Ｂ）５０％で、緑色及び青色の２色が同程度の強さで出たのであれば、プラスの符号が付されて、＋２５μｍとして高さデータが特定される。

【0027】

こうして、色の反射率の大きさから被観察面の高さ位置（深さ位置）を特定し、高さデータは、走査ポリゴンミラー２９の走査角度に対応する時刻データに関連付けられた後、クライアントＰＣ１７の記憶部にそれぞれ記憶される。

【0028】

ここで、３次元画像生成手段として機能するコントローラでは、自動的に、あるいはユーザ操作に応じて、時刻データに関連付けられた高さデータを記憶部から読み出し、例えば、あらかじめ規定したＸＹＺ座標空間内に時系列に従って配置することにより、３次元画像合成処理を行う。こうして被観察面の移動方向に全走査分つなげた３次元画像データは、表示上の処理がなされた後、ＲＧＢ値で表されるフルカラー３次元画像としてモニタ１８の表示画面に表示される。

【0029】

また、２次元画像生成手段としても機能するコントローラでは、高さデータを記憶部から読み出すときに、その高さ位置の画素データ（画素値）を抽出し、この画素データを、例えば、あらかじめ規定したＸＹ座標平面上に時系列に従って配置することにより、２次元画像合成処理を行う。こうして被観察面の移動方向に全走査分つなげた２次元画像データは、表示上の処理がなされた後、ＲＧＢ値で表されるフルカラー２次元画像として、前記３次元画像と同時に並べて、又は、１つずつ個別にモニタ１８の表示画面に表示される。この２次元画像は、被観察面の全ての場所に焦点の合った、いわゆる全焦点画像である。

【0030】

このように、本発明によれば、レーザラスタ走査画像取得手段１１において、テレセントリックな共焦点光学系に赤色、緑色、青色の異なる波長のレーザ光を出力する３つのレーザ光源部２７と、これに対応する３つの受光部３２とを備え、被観察面への走査時に、同一スポット径で重ね合わせた各色レーザ光（走査光Ｌｓ）のうちの赤色レーザ光及び青色レーザ光の両焦点位置ＰＲ，ＰＢを、緑色レーザ光の焦点位置ＰＧを中心に上下に等間隔で設定しているので、最大反射光量が得られる高さ方向の基準点間を上から下まで等分した高さ距離（段数）を規定することができる。これにより、１回の走査で得た３波長の反射光量の大小と高さとの関係を導き出せば、２次元走査の任意の位置における高さを特定することが可能となり、高さデータに基づいて生成される３次元画像から観察対象の表面状況を短時間で精度よく知ることができる。

【0031】

また、被観察面からの反射光Ｌｒをテレセントリックｆθレンズ２６の焦点面と共役の位置に設置した共焦点絞り３５を通過させ、余分な反射光をカットしてピントの合った光だけが受光素子に受光されるので、３次元画像の高精細化、高コントラスト化に寄与するものである。とりわけ、表示色を設定する際には、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のＲＧＢ値で定義することにより、実際の色情報に限りなく近いカラー画像が得られることから、表示色の再現性にも優れている。すなわち、観察対象の判別性（識別性）を高め、例えば、基板検査においては、どこが欠陥であるかを見た目からもすぐに突き止めることができる。

【0032】

さらに、レーザ光源部２７とテレセントリックｆθレンズ２６との間の光路上に可変焦点レンズ３６を設けているので、テレセントリック系における色収差を補正する上で好ましく、液体レンズを組み込んだ光学系では、焦点距離の変更が容易であることから、大小様々な観察対象物を最適視野で観察、解析することが可能となる。また、液体レンズを組み込んだ光学系では、高さデータの高さの変更も容易にできるので、これにより、その後の欠陥解析や製品への不良低減のための製作条件の見直し、適正な製作条件への変更指示を行なうための重要な評価結果を提供できることになる。

【0033】

また、被観察面を１回走査する毎に、走査光の走査方向と直交する方向に、かつ、走査光の幅分だけ被観察面を移動させる制御手段を備えているので、高さデータに基づいて得られた３次元画像データの解像度がより高められ、画像データ取得の高速化と高解像度化を両立させることができる。さらに、テレセントリックｆθレンズ２６が交換可能であるため、光学的なパラメータを容易に変更できることから、実用性に優れたものである。

【0034】

加えて、３次元及び２次元の各画像を生成する画像生成手段を備えているので、３次元表示（立体画像表示）による良好な視認性を確保しつつ、ユーザが直感的に把握可能な、すなわち、各焦点位置の画素値を用いて、２次元の、どこでも焦点が合った２次元表示（全焦点画像表示）が達成される。これにより、被観察面の全体にわたって鮮明なカラー画像が得られるとともに、画像データの圧縮にも対応できることから、各画像を表示させる際の表示速度や応答速度の高速化に資するものである。

【0035】

なお、本発明は、前記形態例に限定されるものではなく、テレセントリック光学系には連続している３波長のレーザ光源を用い、各反射光をそれぞれ独立の検知領域で検知する方式とすればよく、被観察面の大きさや形状などに応じて、装置本体や周辺機器などの構成を適宜に変更することができる。また、高さ情報特定処理におけるアルゴリズムも適宜に変更可能である。さらに、高さデータは、通常、走査光の幅が小さいほど高精度なものが得られるが、本実施形態例では走査ポリゴンミラーからの走査光の幅が、最小１μｍ程度になっていることから、生成される３次元画像及び２次元画像のそれぞれの画素値もミクロンオーダの精度が達成できる。

【符号の説明】

【0036】

１０…レーザラスタ走査型画像取得装置、１１…レーザラスタ走査画像取得手段、１１ａ…筐体、１２…基台、１３…支柱、１４…手動フォーカスノブ、１５…電動ステージ、１５ａ…移動機構部、１６…装置本体、１７…ＰＣ、１８…モニタ、１９…画像表示装置、２０…システム制御ボックス、２１…Ｉ／Ｏポート、２２…光学系制御ボックス、２３…Ａ／Ｄ変換部、２４…マウス、２５…キーボード、２６…テレセントリックｆθレンズ、２７…レーザ光源部、２８…光合成部、２８ａ…全反射ミラー、２８ｂ…ダイクロイックミラー、２８ｃ…ビームコンバイナ、２９…走査ポリゴンミラー、２９ａ…反射面、３０…ビームスプリッタ、３１…光分離部、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…ダイクロイックミラー、３２…受光部、３３…出力部、３４…結像レンズ、３５…共焦点絞り、３６…可変焦点レンズ、３７…原点センサ、３８…原点レーザ発生部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】