JPH0412212A - 櫛形光投光器及びこれを用いた表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ｒ概要】 試料表面に櫛形光を投光する投光器及びこれを用いた表
面形状測定装置に関し、 試料表面に形成された光スポラ・トを光セン力に結像さ
せるレンズの倍率を変更しても、装置を再校正する必要
が無いようにすることを目的とし、光ファイバをある一
定間隔で帯状に東ねた光ファイババンドと、該光ファイ
ババンドの光ファイバ先端に配置した集光レンズと、該
光ファイババンドの基端に配置され、該光ファイバに光
を導入する光源とを有し、各集光レンズの光軸が互いに
平行で一平面内に存在するように配置して櫛形光投光器
を構成し、これと、該櫛形光投光器の投光により試料面
に形成された光スポツト列を撮影し映像信号を出力する
カメラと、該映像信号を受けこれをデジタル値に変換し
画素データとして出力する手段と、該画素データを受け
、隣合う該光スポツト間の画素数を求め、該画素数及び
前記一定間隔を用い、光切断法により該光スポットが形
成された位置の高さを検出して出力する手段とで表面形
状測定装置を構成する。

ｒ産業上の利用分野】 本発明は、部品未実装又は実装済のプリント配線基板等
の試料の表面に櫛形光を投光する投光器及びこれを用い
た表面形状測定装置に関する。

ｒ従来の技術】 試料表面の各点の高さを光学的に検出して表面形状を測
定する表面形状測定装置では、次のような方式のものが
ある。

■光ビームを試料表面に投光して光スポットを形成し、
この光スポットを結像レンズでＰＳＤ（光位置検出器）
に結像させて光スポットの位置の高さを検出し、この光
ビームを走査させて試料表面の形状を測定する。

■光ビームを試料表面に投光して光スポットを形成し、
この光スポットをＣＣＤカメラ等で撮影し、その映像信
号をデジタル化して画像処理を行い、光切断法により表
面形状測定する。

このような表面形状測定装置によれば、高さ数μｍ乃至
数ｍｍの凹凸形状を高精度で測定することができる。

ｒ発明が解決しようとする課題） しかし、上記いずれの方式の表面形状測定装置も、光ス
ポットを光センサに結像させるレンズの倍率を変えると
、標準試料の表面形状を測定することにより装置を校正
しなければならないた必、測定（ヱ作が煩４ｔｌ＆であ
った。

本発明の目的は、このような問題点に鑑み、試料表面に
形成された光スポットを光センサに結像させるレンズの
倍率を変更しても、装置を再校正する必要を無くするこ
とができる櫛形光投光器及びこれを用いた表面形状測定
装置を提供することにある。

１課題を解決するための手段及びその作用］実施例図面
を参照して本発明を説明する。

本発明の櫛形光投光器は、例えば第２図に示す如く、光
ファイバ２０ａをある一定間隔ｄで帯状に東ねた光ファ
イババンド２０と、光ファイババンド２０の光ファイバ
先端に配置した集光１／ンズ２６と、光ファイババンド
２０の基端に配置され光ファイバ２０ａに光を導入する
光源２４とを有し、各集光レンズ２Ｇの光軸が互いに平
行で一平面内に存在するように配置している。

このような構成の櫛形光投光装置１４によれば、光スポ
ット１７の間隔は光ファイバ２０’ａのピッチｄに等し
くなる。

例えば第５図に示す如＜、」二記描成にさらに、集光レ
ンズ２６の前方に、長手方向を集光レンズ２６の配列方
向と平行にしてシリンドリカルレンズ３５を配置した場
合、光スポット１７ｂの形状は長円形となるが、腓合う
光スポラ）１７ｂ間の距離は不変であり、光ファイバ２
０ａのピッチｄに等しい。

この櫛形光投光器１４Ａによれば、試料１０の種類によ
りその厚さが変わった場合、長い光ファイババンド２０
と一体的な集光レンズ２６を固定したままでシリンドリ
カルレンズ３５の高さを調整すればよいので、櫛形光投
光器１４Ａの調整が容易になる。

本発明の表面形状測定装置では、例えば第１図に示す如
く、上記構成の櫛形光投光器１４と、櫛形光投光器１４
の投光により試料面１０に形成された光スポツト列１７
を撮影し映像信号を出力するカメラ１８と、該映像信号
を受け、これをデジタル値に変換し画素データとして出
力する手段、例えばＡ／Ｄ変換器２８又は２値化回路と
、該画素データを受け、隣合う光スポラ）１７ａ間の画
素数１」を求め、該画素数Ｕ及び前記一定間隔ｄを用い
、光切断法により光スポラ）１７ａが形成された位置の
高さを検出して出力する手段３０とを有している。

」二記構成において、試料１０の種類又は試料１０の領
域に応じて、カメラ１８の撮影倍率を変更すると、光ス
ポット１７の間隔ｄに対応した画素数Ｕが変わる。

しかし、この画素数Ｕは、撮影倍率に比例する。

また、画素数Ｕは隣合う光スポット１７ａ間の画素数で
あり、同一手法（同一コンピュータプログラム）でこの
画素数Ｕ（撮影倍率に比例）を求めることができる。

したがって、このような構成の表面形状測定装置によれ
ば、カメラ１８の撮影倍率を変更しても、従来のように
標準試料の表面形状を測定して装置を再校正するという
煩雑な操作をなんら行う必要がない。

本発明のもう１つの表面形状測定装置では、例えば第６
図に示す如く、上記構成の櫛形光投光器１４と、第１及
び第２のラインセンサ４０．４２と、櫛形光投光器１４
の投光により試料面１０に形成された光スポツト列を第
１及び第２のラインセンサ４０．４２に結像させる結像
光学手段３６．３８と、第１のラインセンサ４０の受光
素子４０ａ」二に配置され、受光素子４０ａの配列方向
に直角な方向に沿って透過率が単調変化しているフィル
タ４０ｂと、・第２のラインセンサ４２の出力を受け、
隣合う光スポラ）１７ａ間の画素数Ｕを求める手段４８
．２８Ｂ、２９Ｂ及び３０Δと、第１及び第２のライン
センサ４０．４２の出力を受け、両うインセンザの対応
する一対の受光素子４０ａ、４２ａの出力及び該画素数
■から、光スポラ）　１．７　ａが形成された位置の高
さを演算して出力する手段４６〜５０．２８　Ａ、、２
９　Ａ及び３０Ａとを有している。

この表面形状測定装置においても、上記同様にして、結
像レンズ３６の倍率によらず同一手法で画素数Ｕを求め
ることができるので、結像レンズ３６の倍率を変更して
も、従来のように標準試料の表面形状を測定して装置を
再校正するという煩雑な操作をなんら行う必要がない。

ｒ実施例） 以下、図面に基づいて本発朋の一実施例を説明する。

（１）第１実施例 第１図は櫛形光投光器を用いた表面形状測定装置を示す
。

試料１０は、例えば部品未実装又は実装法のプリント配
線基板であり、走査用ｘ−Ｙステージ１２上に搭載され
ている。試料１０の表面には、櫛形光投光器１４により
櫛形光１６が投光され、光スポラ）１７ａが一列に並ん
だ光スポツト列１７が形成される。この光スポット列１
７に向けて、ズームレンズ１８ａを備えたＣＣＤカメラ
１８が配置されており、光スポツト列１７を撮影しその
画像を処理することにより試料１ｏの表面形状が測定さ
れる。

櫛形光投光器１４は、第２図に示す如く、光ファイバ２
０ａを数十乃至数百μｍの一定間隔ｄで帯状に束ねた光
ファイババンド２０を備えている。

光ファイババンド２０の一端はコネクタ２２に固定され
、コネクタ２２は光源２４に接続されている。光ファイ
ババンド２０の他端には、各光ファイバ２０ａの端面に
、集光マイクロレンズ２６が一体形成されている。集光
マイクロレンズ２６は、−直線上に配置され、この−直
線が試料１ｏの表面に平行になり、かつ、光源２４から
放射された光が光ファイバ２０ａ及び集光マイクロレン
ズ２６を通って試料１０の表面に収束する高さに配置さ
れている。したがって、集光マイクロレンズ２６から放
射される光は、第２図に示すような櫛形光１６となる。

集光マイクロレンズ２６の光軸と試料１０の表面とのな
す角は、鋭角に設定されている。

試料表面形状が第２図に示すような場合には、このよう
な配置により、ＣＣＤカメラ１８による光スポツト列１
７の撮影画像は第３図に示す如くなる。光スポラ）１７
ａの中心点Ｐの基準線からの距離ｙは、光スポラｈ　１
７　ａが形成された位置の基準面に対する高さＨに比例
しており、両者の関係は、第４図から明らかなように、 Ｈ＝　ｙ　ｓｉｎθ、／５ｉｎ（θ１＋θ２）−（］、
）となる。ここに、 θ１　、櫛形光１６と試料１０との間の角θ２　：ＣＣ
Ｄカメラ１８の光軸と試料１０との間の角 である。

一方、隣合う光スポラ）　］、　７　ａ間の距離は、光
ファイバ２０ａのピッチｄに等しい。第３図において、
ｄｌｙに対応する画素数をそれぞれ１ｊ、、ｎとすると
、 ｙ　＝　ｎ　ｄ　／　ｕ　　　　　　　　　　　・・・
　（２）が成立する。

第１図において、ＣＣＤカメラ１８から出力された映像
信号は、Ａ、　／　Ｄ変換器２８に供給されてデジタル
化された後、画像メモリ２９に格納される。画像処理装
置３０は、画像メモリ２９から画像データを読み込み、
各光スポット１７　ａの中心点Ｐを決定し、次に、上式
（１）及び（２）を用いて各中心点Ｐの高さＨを算出す
ることにより、試料１０の表面形状を測定し、その結果
をプロッタ３２及びモニターＴＶ３４へ供給する。

」１記構成において、試料１０の種類又は試料１０の領
域に応じて、ＣＣＤカメラ１８のズームレンズ１８ａの
倍率を変更する。これにより、距離ｄに対応した画素数
Ｕが変わる。

しかし、この画素数Ｕは、撮影倍率に比例する。

また、画素数Ｕは隣合う光スポット１７　ａの中心点Ｐ
間の画素数であり、同一手法（同一コンピュータプログ
ラム）でこの画素数Ｕを末的ることができる。

したがって、ズームレンズ１．８　ａの倍率を変更して
も、従来のように標準試料の表面形状を測定して装置を
再校正するという煩雑な１菓作をなんら行う必要がない
。

（２）第２実施例 第５図は、第２実施例の櫛形光投光器１４Ａによる投光
状態を示す。

この櫛形光投光器１４Ａは、集光マイクロレンズ２６の
前方に、シリンドリカルレンズ３５がその長平方向を集
光マイクロレンズ２６の配列方向と平行にして配置され
ている。他の点は上記第１実施例と同一である。

本第３実施例では、集光マイクロレンズ２６の位置を固
定し、集光マイクロレンズ２６に対するシリンドリカル
レンズ３５の位置を変えることにより、櫛形光１６の収
束位置を試料１０の基準面に一致させることができる。

この場合、光スポット１７ｂの形状は長円形とな”るが
、隣合う光スポラ）１７ｂ間の距離は不変であり、光フ
ァイバ２０ａのピッチｄに等しい。

したがって、試料１０の種類によりその厚さが変わった
場合、長い光ファイババンド２０と一体］　４ になった集光マイクロレンズ２６を固定したままでシリ
ンドリカルレンズ３５の高さを調整すればよいので、櫛
形光投光器１４Δの調整が容易になる。

（３）第３実施例 第６図は櫛形光投光器１４を用いた表面形状測定装置を
示す。

この櫛形光投光器１４は、第１実施例のものと同一であ
るが、第１実施例とは配置が異なり、集光マイクロレン
ズ２６の光軸がＸ−Ｙステージ１２の表面に直角になる
ように、櫛形光投光器１４が配置されている。

光スポツト列１７の斜め上方には、一対のラインセンサ
４０及び４２が配置され、さらに、これらに光スポット
列１７の像を結像させるための結像レンズ３６及びハー
フミラ−３８が配置されている。光スポラ）・列１７か
らの反射光は、結像レンズ３６を通り、ハーフミラ−３
８で２分割され、それぞれラインセンサ４０．４２」二
に結像される。

このラインセンサ４０は、第７図に示す如く、細長のホ
トダイオード４０ａが一列に配置され、ホトダイオード
４０ａの長手方向はこの配列方向に直角な方向となって
いる。例えば、ホトダイオド４０ａの寸法は幅２０μｍ
、長さ２５００μｍであり、ラインセンサ４０にはこれ
が１０２４個配列されている。このようなラインセンサ
４０は、スペクトル測定用の市販のものを用いることが
出来る。ホトダイオード４０ａの前方には、フィルタ４
０ｂが配置され、これは、ラインセンサ４０のパッケー
ジの枠に嵌約られている。フィルタ４０ｂの透過率は、
ホトダイオード４０ａの長手方向（第７図Ｘ軸方向）に
沿って、第８図に示す如く直線的に変化している。

一方、ラインセンサ４２は、このフィルタ４０ｂの代わ
りに、透過率がほぼ１００％で均一な保護用ガラス板４
２ｂが設けられ、他の点はラインセンサ４０と同一構成
になっている。

ホトダイオード４０ａの受光強度は、光スポット１７ａ
の明るさ及びフィルタ４０ｂ上の光透過位置Ｘによるが
、ホトダイオード４０ａの出力をこれに対応するホトダ
イオード４２ａの出力で除したものは、フィルタ４０ｂ
の光透過位置Ｘのみによる。

そこで、ドライバ４４でラインセンサ４０及び４２を電
気的に走査して、対応する一対のホトダイオード４０ａ
、４２ａから蓄積電荷を取り出し、それぞれアンプ４６
．４８で増幅し電圧値Ａ、Ｂに変換して、除算回路５０
へ供給する。除算回路５０は、このＡをＢで除した高さ
信号Ａ／Ｂを出力する。高さ信号Ａ／Ｂは、第６図に示
すように試料１０の基準面の位置が試料１０の受光面の
中央に対応している場合には、上式（１）の高さＨに比
例している。高さ信号Ａ／Ｂは、Ａ、　／　Ｄ変換器２
８Ａでデジタル化された後、高さメモリ２９Δに格納さ
れる。

一方、これと同時に、アンプ４８Ａからの明るさ信号Ｂ
は、Ａ／Ｄ変換器２８Ｂでデジタル変換された後、明る
さメモ１Ｊ２９Ｂに格納される。

画像処理装置３０Δは、明るさメモＩＪ　２９　Ｂに格
納された明るさデータに基づき、第１実施例と同様にし
て」１記画素数Ｕを求める。この処理は、結像レンズ３
６の倍率変更毎に１回行なえばよい。

画像処理装置３０Ａはまた、（Ａ／Ｂ−Δ）に比例した
高さト■を求約る。ここに△は、試料１０の基準面高さ
補正値であり、例えば測定位置付近の基準面に対応した
高さ信号Ａ／Ｂの平均値により決定される。

この第３実施例においても、上記画素数Ｕを第１実施例
と同様にして求めることができるので、すなわち、同一
手法でこの画素数Ｕを求めることができので、結像レン
ズ３６の倍率を変更しても、従来のように標準試料の表
面形状を測定して装置を再校正するという煩雑な操作を
なんら行う必要がない。

ｒ発明の効果） 以上説明した如く、本発明に係る櫛形光投光器及びこれ
を用いた表面形状測定装置によれば、試料表面に形成さ
れた光スポットを光センサに結像させるレンズの倍率を
変更しても、測定装置の再校正をする必要が無いという
優れた効果を奏し、作業効率の向上に寄与するところが
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の第１実施例に係り、第１図
は櫛形光投光器を用いた表面形状測定装置の構成図、 第２図は櫛形光投光器による投光状態を示す口笛３図は
この投光状態に対応した光スポツト列の撮影画像図、 第４図は光切断法による高さ検出説明図である。 第５図は本発明の第２実施例の櫛形光投光器による投光
状態を示す図である。 第６図乃至第８図は本発明の第３実施例に係り、第６図
は櫛形光投光器を用いた表面形状測定装置の構成図、 第７図は第６図のラインセンサの一部分解斜視図、 第８図は第７図のフィルタのＸ軸方向に沿った透過率分
布図である。 図中、 １０は試料 １４．１４Ａは櫛形光投光器 １６は櫛形光 １７は光スポツト列 １７ａ、１７ｂは光スポット １８はＣＣＤカメラ １８ａはズームレンズ ２０は光ファイババンド ２０ａは光ファイバ ２４は光源 ２６は集光マイクロレンズ ２８．２８Ａ、２８ＢはΔ／Ｄ変換器 ２９は画像メモリ、 ２９Ａは高さメモリ ２９Ｂは明るさメモリ ３０．３０Ａは画像処理装置 ３５はシリンドリカルレンズ ６は結像レンズ ８はハーフミラ− ０１４２はラインセンサ Ｏａ、４２ａはホトダイオード Ｏｂはフィルタ ２ｂはガラス板

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）、光ファイバ（２０ａ）をある一定間隔（ｄ）で帯
   状に束ねた光ファイババンド（２０）と、該光ファイバ
   バンドの光ファイバ先端に配置した集光レンズ（２６）
   と、 該光ファイババンドの基端に配置され、該光ファイバに
   光を導入する光源（２４）とを有し、各集光レンズの光
   軸が互いに平行で一平面内に存在するように配置したこ
   とを特徴とする櫛形光投光器。 ２）、前記集光レンズ（２６）の前方に、長手方向を該
   集光レンズの配列方向と平行にしてシリンドリカルレン
   ズ（３５）を配置したことを特徴とする請求項１記載の
   櫛形光投光器。 ３）、請求項１又は２記載の櫛形光投光器（１４、該櫛
   形光投光器の投光により試料面（１０）に形成された光
   スポット列（１７）を撮影し、映像信号を出力するカメ
   ラ（１８）と、 該映像信号を受け、これをデジタル値に変換し画素デー
   タとして出力する手段（２８）と、該画素データを受け
   、隣合う該光スポット間の画素数（ｕ）を求め、該画素
   数及び前記一定間隔（ｄ）を用い、光切断法により該光
   スポットが形成された位置の高さを検出して出力する手
   段（３０）と、 を有することを特徴とする表面形状測定装置。 ４）、請求項１又は２記載の櫛形光投光器（１４、１４
   ａ）と、 第１及び第２のラインセンサ（４０、４２）と、該櫛形
   光投光器の投光により試料面（１０）に形成された光ス
   ポット列（１７）を該第１及び第２のラインセンサに結
   像させる結像光学手段（３６、３８）と、 該第１のラインセンサ（４０）の受光素子（４０ａ）上
   に配置され、該受光素子の配列方向に直角な方向に沿っ
   て透過率が単調変化しているフィルタ（４０ｂ）と、 該第２のラインセンサ（４２）の出力を受け、隣合う該
   光スポットの間の画素数（ｕ）を求める手段（４８、２
   ８Ｂ、２９Ｂ、３０Ａ）と、該第１及び第２のラインセ
   ンサの出力を受け、両ラインセンサの対応する一対の該
   受光素子の出力及び該画素数（ｕ）から、該光スポット
   が形成された位置の高さを演算して出力する手段（４６
   〜５０、２８Ａ、２９Ａ、３０Ａ）と、 を有することを特徴とする表面形状測定装置。