JPH0422806A - 高さ計測装置 - 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】 （目次） 概要 産業上の利用分野 従来の技術（第５図） 発明が解決しようとする課題（第６図）課題を解決する
ための手段（第１図） 作用 実施例（第２図〜第４図） 発明の効果 〔概要］ 高さ計測装置、特に半導体装部品等の被測定物にレーザ
光を照射して、その高さを計測する装置に関し、 咳被測定物の高さ情報と明るさ情報とを一つの検出手段
から取得することなく、それを別個に検出し、反射光の
輝度が低い場合であっても、精度良い高さ計測すること
目的とし、 測定光を発生する光源と、前記測定光を被測定物に照射
する光走査手段と、前記被測定物からの反射光を検出し
て検出信号を出力する光検出手段と、前記検出信号の信
号処理をする信号処理手段と、前記光源、光走査手段、
光検出手段及び信号処理手段の入出力を制御する制御手
段とを具備し、前記信号処理手段からの高さデータに基
づいて前記被測定物の高さ計測処理をする高さ計測装置
において、前記光検出手段が前記反射光の光路を分割す
る光路分割手段と、前記反射光の第１の分割光を検出し
て高さ情報信号を出力する第１の検出素子と、前記反射
光の第２の分割光を検出して明るさ情報信号を出力する
第２の検出素子から成ることを含み構成する。

（産業上の利用分野） 本発明は、高さ計測装置に関し、更に詳しく言えば半導
体装部品等の被測定物にレーザ光を照射して、その高さ
形状を計測する装置に関するものである。

近年、工場の自動化等を目的とした画像処理技術の分野
においては、例えば、半導体プリント基板の実装部品等
の３次元形状を非接触で計測する装置が要求されている
。

これは、従来目視により行われていた部品等の検査工程
やその認識工程を自動化することにより、工場の生産性
の向上とコスト削減とを図ることが可能となるためであ
る。

ところで、従来例の装置によれば、被測定物の二次元ａ
淡情報（対象の明るさ）に加えて、三次元情報（対象の
高さ）を用いた画像処理をすることによって、より信頼
度の高い計測処理を行っている。

これによれば、被測定物からの反射光が明るい場合には
、その３次元形状を再現性良く測定することができる。

しかし、その反射光が暗い場合には、それを精度良く測
定をすることができないことがある。

そこで、被測定物からの反射光の輝度が低い場合であっ
ても、その３次元形状を精度良（計測をすることができ
る装置が望まれている。

（従来の技術） 第５．第６図は、従来例に係る説明図であり、第５図は
従来例に係る高さ計測装置の構成図を示している。

回において、当該装置は、レーザ光源１．光走査手段２
．ステージ駆動装置３．光検出手段４信号処理回路５及
び制御装置６から成る。

その機能は、まず、レーザ光源１からコリメートされた
レーザ光Ｌｌｌが光走査手段２で偏向走査され、該レー
ザ光Ｌ１１がステージ駆動される被測定物７に照射され
る。

また、被測定物７からの反射光Ｌ２１は光検出手段４の
レンズ４Ａで結像され、Ｐ　Ｓ　Ｄ　（Ｐｏ５ｉｔｉｏ
ｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅ　　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　、位置検
出受光素子）４Ｂに入射される。ＰＳＤ４Ｂからの検出
信号Ｓには、被測定物７の最上部の位置を検出した反射
光に係る検出信号Ａとその最下部の位置を検出した反射
光に係る検出信号Ｂから成り、それが信号処理回路５の
減算回路５Ａと加算回路５Ｄとに入力される。

減算回路５Ａでは、検出信号ＡとＢとの差を演算して被
測定物７の高さ情報（Ａ−Ｂ）信号Ｓｌｌを出力する。

また、加算回路５Ｄでは、検出信号ＡとＢとの和を演算
して被測定物７の明るさ情報（Ａ＋Ｂ）信号５２１を出
力する。

両信号Ｓ１１．　　Ｓ２１は多段増幅回路５Ｂ、５Ｅを
介して増幅され、その後、レンジ選択回路５Ｃにより選
択出力されて、除算回路５Ｆに出力される。

除算回路５Ｆでは、デジタル化された高さ情報信号Ｓｌ
ｌと明るさ情報信号Ｓ２１とを割り算処理［（Ａ−Ｂ）
／　（Ａ＋Ｂ））して、被測定物７の高さデータＤを制
御装置６に出力する。

これにより、制御装置６で画像処理をすることで被測定
物７の高さ形状等を計測することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、従来例によれば被測定物７の明るさ情報信号
Ｓ２１は、ＰＳＤ４Ｂからの検出信号ＡＢに基づいて演
算処理されている。しかし、黒色の部品や光沢色の部品
から成る半導体装部品等が被測定物７となる場合には、
該被測定物７からの反射光Ｌ２１の輝度（反射光量）が
大きく変化をすることがある。

例えば、被測定物７が黒色の部品の場合、その反射光に
係るＰＳＤ４Ｂからの検出信号Ａ、Ｂは部品が光沢色の
場合の検出信号Ａ、Ｂに比べて微小となる。

このため、反射光Ｌ２１の輝度が低い場合には、高さ情
報（Ａ−Ｂ）信号Ｓｌｌと明るさ情報（Ａ＋Ｂ）信号Ｓ
２１とを増幅するために多段増幅回路５８　５Ｅにおい
て、高倍率のアンプを選ばざるを得ない。ここで、高さ
情報（Ａ−Ｂ）信号Ｓｌｌを高倍率のアンプにより増幅
しても、光検出手段４や減算回路５Ａのノイズやオフセ
ントは差引き相殺される。

しかし、明るさ情報（Ａ−ｔ−Ｂ）信号Ｓ２１を高倍率
のアンプにより増幅した場合には、光検出手段４や加算
回路５Ｄのノイズやオフセットが増幅された上での和が
採られる。このことで、除算回路５Ｆに入力される明る
さ情報（Ａ＋Ｂ）信号５２１が光沢色の部品の場合の明
るさ情報（Ａ＋Ｂ）信号Ｓ２１に比べてＳ／Ｎ　（信号
対ノイズ）比が悪くなる。これにより、除算回路５Ｆに
おける割り算式の分母にノイズやオフセット成分が介入
して、被測定物７の高さ演算精度の低下を招くことがあ
このことで、第６図の問題点に示すように、反射光量（
！１度）が少なくなるにつれて、高さ計測精度が悪くな
るという問題がある。

本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、
被測定物の高さ情報と明るさ情報とを一つの検出手段か
ら取得することなく、それを別個に検出し、反射光の輝
度が低い場合であっても、精度良い高さ計測することを
可能とする高さ計測装置の提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 第１図は、本発明に係る高さ計測装置の原理図を示して
いる。

その装置は、測定光Ｌ１を発生する光′ａ１１と、前記
測定光Ｌ１を被測定物１７に照射する光走査手段１２と
、前記被測定物１７の移動走査をする移動手段１３と、
前記被測定物１７からの反射光Ｌ２を検出して検出信号
Ｓｉを出力する光検出手段１４と、前記検出信号Ｓｉの
信号処理をする信号処理手段１５と、前記光源＋１．光
走査手段１２、移動手段１３．光検出手段１４及び信号
処理手段１５の入出力を制御する制御手段１６とを具備
し、前記信号処理手段１５からの高さデータＤｈに基づ
いて前記被測定物１７の高さ計測処理をする高さ計測装
置において、前記光検出手段１４が前記反射光Ｌ２の光
路を分割する光路分割手段１４Ａと、前記反射光Ｌ２の
第１の分割光Ｌ２１を検出して高さ情報信号Ｓ１を出力
する第１の検出素子１４Ｂと、前記反射光Ｌ２の第２の
分割光Ｌ２２を検出して明るさ情報信号Ｓ２を出力する
第２の検出素子１４Ｃから成ることを特徴とし、前記計
測装置において、前記間るさ情報信号Ｓ２を減衰する減
衰手段＋５Ｄが設けられていることを特徴とし、 前記計測装置において、前記第１の検出素子１４Ｂが位
置検出受光素子から成り、前記第２の検出素子１４ｃが
前記位置検出受光素子よりも高感度低ノイズの光電素子
から成ることを特徴とし、上記目的を達成する。

Ｃ作　用〕 本発明によれば、反射光Ｌ　２の光路を分割する光路分
割手段１４Ａと、該反射光Ｌ２の第１の分割光Ｌ２１を
検出して高さ情報信号Ｓ１を出力する第１の検出素子１
４Ｂと、該反射光Ｌ２の第２の分割光Ｌ２２を検出して
明るさ情報信号Ｓ２を出力する第２の検出素子１４ｃか
ら成る光検出手段１４が設けられている。

このため、黒色の部品や光沢色の部品から成る半導体装
部品等が被測定物１７となる場合であっても、該被測定
物１７からの反射光Ｌ２が光路分割手段１４Ａにより、
その光路が分割されて、第１の分割光Ｌ２１に基づく位
置検出信号Ａ、Ｂが、従来例のような位置検出受光素子
から成る第１の検出素子１４Ｂにより検出され、それが
減算処理されることで高さ情報Ａ−Ｂに係る高さ情報信
号Ｓ１として検出される。

また、被測定物１７からの反射光Ｌ２の第２の分割光Ｉ
、２２に基づく明るさ情報Ａ＋８が、位置検出受光素子
よりも高感度・低ノイズの光電素子から成る第２の検出
素子１４Ｂにより明るさ情報信号Ｓ２として検出される
。

さらに、信号処理回路１５において、高さ情報信号Ｓ１
が高倍率のアンプによりゲイン補正された場合であって
も、第２の高感度検出素子により検出された明るさ情報
信号Ｓ２が減衰手段１５Ｄにより補正演算される。

ここで、明るさ情報信号Ｓ２を減衰器により滅哀するこ
とで、光検出手段】４のノイズやオフセットも減衰され
る。このことで、信号処理回ｉｆ５における明るさ情報
信号Ｓ２が黒色で低輝度の部品であっても、従来例に比
べＳ／Ｎ　（信号対ノイズ）比が改善される。これによ
り、除算処理における割り算式の分母に従来介入してい
たノイズやオフセントを極力低減することができる。

これにより、被測定物１７の高さ演Ｘ精度の向上を図る
ことが可能となる。

〔実施例〕

次に、図を参照しながら本発明の実施例ついて説明をす
る。

第２〜４図は本発明の実施例に係る高さ計測装置の説明
図であり、第２図は、その構成図を示している。

図において、２１は光源＋１の一実施例となるレーザ発
生源であり、レーザＬ１を発生するものである。レーザ
発生＃２１には、出力４［ｍＷ）程度の半導体レーザ発
生器等を用いる。

２２は光走査手段１２の一実施例となるレーザ光走査手
段であり、レーザＬ１を被測定物２７に偏向照射するも
のである。該光走査手段２２には、ガルバノミラ−を一
定周期で偏向してレーザＬ１を走査する機構のものを用
いる。

２３は移動手段１３の一実施例となるステージ駆動装置
であり、被測定物２７を移動走査するものである。該駆
動装置２３はＸＹステージ等に載置された被測定物２７
をＸ走査、Ｙ走査するものである。

２４Ａ、２４Ｂは光検出手段１４の光路分割手段１４Ａ
、第１の検出素子１４Ｂ及び第２の検出素子１４Ｃの一
実施例となる第１のセンサユニット及び第２センサユニ
ツトである。第１のセンサユニット２４Ａは、レンズ４
１．ハーフミラ−４２及びＰＳＤ４３から成り、第２の
センサユニット２４Ｂは、ハーフミラ−４２及びホトダ
イオード４４から成る。

なお、各ユニット２４Ａ、　２４Ｂの動作機能は第３図
において説明をする。

２５は信号処理手段１５の一実施例となる信号処理回路
であり、減算回路２５Ａ、多段増幅回路２５Ｂ１　多段
減衰＠ｌＩｒ２５Ｃ，し７ジ選ｔＲｖｉＪａ２５Ｄ及び
除算回路２５Ｅから成る。なお、各回路の動作機能につ
いては、第３図において説明をする。

２６は制御■手段１６の一実施例となるＣＰＵ（中央演
算処理装置）であり、レーザ発生＃２ル−ザ光走査手段
２２．ステージ駆動装置２３第１．第２のセンサユニッ
ト２４Ａ、２４Ｂ及び信号処理回路２５の入出力を制御
するものである。

２７は被測定物１７となる半導体装部品等であり、当該
装置によりその高さ形状等が測定され、その実装状態の
良否が判断されるものである。

次に、当該装置の動作について、その機能を補足しなが
ら説明をする。

第３図は、本発明の実施例に係る高さ計測装置の動作を
説明する回路図を示している。

図において、４３は光路分割手段１４Ａの一実施例とな
るハーフミラ−であり、被測定物２７からの反射光Ｌ２
の光路を分割するものである。

４２は第１の検出素子１４Ｂの一実施例となるＰＳＤ　
（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　　Ｄｅｔｅ
ｃｔｏｒ　、位置検出受光素子）であり、ハーフミラ−
４２で分割された反射光Ｌ２の第１の分割光Ｌ２１を検
出して高さ情報Ａ−Ｂに係る位置検出信号Ａ、　　Ｂを
出力するものである。

４４は第２の検出素子１４Ｃの一実施例となるホトダイ
オードであり、ハーフミラ−４２で分割された反射光Ｌ
２の第２の分割光Ｌ２２を検出して明るさ情報Ａ十Ｂに
係る明るさ情報信号Ｓ２を出力するものである。なお、
本発明の実施例ではＰＳＤ４３の増幅度を１とした場合
、これよりも高感度・低ノイズの光電素子１例えば、増
幅度が１０００倍のホトダイオードを用いることとする
。

２５Ａは減算回路であり、位置検出信号Ａ、Ｂを入力し
て高さ情報Ａ−Ｂに係る高さ情報信号Ｓｌを出力するも
のである。

２５Ｂは多段増幅回路であり、畜さ情報信号Ｓ１を増幅
するアンプＡＭＰＩ〜ＡＭＰ４から成る。アンプＡＭＰ
Ｉは１倍の増幅率１アンプＡＭＰ２は１０倍の増幅率、
アンプＡＭＰ３は１００倍の増幅率、アンプＡＭＰ４は
１０００倍の増幅率である。

２５Ｃは多段減衰回路であり、明るさ情報信号Ｓ２を減
衰する減衰器ＡＴＬ〜ＡＴ４から成る。減衰器ＡＴＩは
１　／１０００倍の減衰率、減衰器ＡＴ２は１／１００
倍の減衰率１減衰器ＡＴＳは１／ＩＯ倍の減衰率減衰器
ＡＴ４は１倍の減衰率である。

２５Ｄはレンジ選択回路であり、ＣＰＵ２６からの選択
制御信号Ｓ３に基づいてアンプＡＭＰＩ〜ＡＭＰ４の出
力及び減衰器Ａ　Ｔｌ　−Ａ　Ｔ４の出力を選択するも
のである。

その選択基準は、アンプＡＭＰＩの出力を選択した場合
には減衰器ＡＴＩの出力を選択する。また、アンプＡＭ
Ｐ２の出力を選択した場合ムこは、減衰器ＡＴ２の出力
を選択する。同様にアンプＡＭＰ３に対して減衰器ＡＴ
３を、アンプＡＭＰ４に対して減衰器ＡＴ４がそれぞれ
選択される。すなわち、第１の検出素子の増幅度×選択
されたアンプの増幅率−第２の検出素子の増幅度×選択
された減衰器の減衰率の関係が常に保たれている。

２５Ｅは除算回路であり、Ａ／Ｄ変換回路（Ｉ〕５１、
Ａ／Ｄ変換回路（Ｉｉ）５２及び割り算回路５３から成
る。Ａ／Ｄ変換回路（＋）５３は、レンジ選択回路で選
択された高さ情報Ａ−Ｈに係る高さ情報信号Ｓ１をアナ
ログ／デジタル変換処理をするものである。また、Ａ／
Ｄ変換回路（ｎ）５２はレンジ選択回路で選択された明
るさ情報（Ａ＋Ｂ）に係る明るさ情報信号Ｓ２を入力し
てアナログ／デジタル変換処理をするものである。

割り算回！ｌ５５３はデジタル化された高さ情報信号Ｓ
１と明るさ情報信号Ｓ２とを入力して被測定物２７の高
さデータＤｈを出力するものである。

このようにして、本発明の実施例によれば、反射光Ｌ２
の光路を分割するハーフミラ−４２と、該反射光Ｌ２の
第１の分割光Ｌ２１を検出して高さ情報信号Ｓ１を出力
するＰＳＤ４３と、該反射光Ｌ２の第２の分割光Ｌ２２
を検出して明るさ情報信号Ｓ２を出力するホトダイオー
ド４４がら成る第１、第２のセンサユニ７　ト２４Ａ、
　２４Ｂが設けられている。

このため、黒色の部品や光沢色の部品から成る半導体装
部品等が被測定物２７となる場合であっても、該被測定
物２７からの反射光Ｌ２がハーフミラ−４２により、そ
の光路が分割されて、第１の分割光Ｌ２１に基づく位置
検出信号Ａ、Ｂが、従来例のようなＰＳＤ４３により出
力され、それが減算回路２５Ａにより高さ情報Ａ−Ｂと
なる高さ情報信号Ｓ１として検出される。

また、被測定物２７からの反射光Ｌ２の第２の分割光Ｌ
２２に基づく明るさ情報Ａ＋Ｂが、ＰＳＤ４３よりも高
感度・低ノイズの示１ダイオード４４により明るさ情報
信号Ｓ２として検出される。

さらに、信号処理回路２５において、ＣＰＵ２６の選択
制御信号Ｓ３により、高さ情報信号Ｓ】を、例えば、倍
率１０のアンプＡＭＰ２によりゲイン補正処理要求がさ
れた場合、レンジ選択回路２５Ｄは、減衰率１／１００
の減衰器ＡＴ２により補正演算がされた明るさ情報信号
Ｓ２を選択して、それを除算回路２５Ｅに出力する。

これにより、明るさ情報信号Ｓ２を１／１００倍率の減
衰器により減衰することで、もともと少ないホトダイオ
ード４４のノイズ等のオフセットも１／１００倍率に減
衰された上での和が採られる。

このことで、信号処理回路２５における明るさ情報信号
Ｓ２はＰＳＤのみを用いた場合に比べてＳ／Ｎ（信号対
ノイズ）比が改善される。これにより、除算処理におけ
る割り算式の分母に従来介入していたノイズやオフセン
トを極力低減することができる。

このことで、半導体装部品等の被測定物２７の高さ演算
精度の向上を図ることが可能となる。

第４図は、本発明の実施例に係る高さ計測装置の計測精
度特性図を示している。

図において、縦軸は高さ計測精度であり、横軸は、反射
光量（ＩＩ度）を示している。当該特性によれば、反射
光！（ｆｆ度）が少ない場合であっても、第６図の従来
例の特性曲線ように著しく垂下することがなくなる。

これにより、従来例に比べて低輝度における高さ測定精
度の向上を図ることが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば反射光の光路を分
割する光路分割手段と、高さ情報信号を出力する第１の
検出素子と、明るさ情報信号を出力する第２の検出素子
から成る光検出手段１４が設けられ、両信号が一定倍率
／減衰率の補正処理されている。

このため、黒色の部品や光沢色の部品から成る半導体装
部品等が被測定物となる場合であっても、該被測定物か
らの反射光に基づく高さ情報信号、明るさ情報信号が信
号処理回路において、ゲイン補正がされる。

このことで、明るさ情報信号が光沢色の位置を検出した
場合の明るさ情報信号に比べてＳ／Ｎ比が改善され、除
算処理における高さ演算精度の向上を図ることが可能と
なる。

これにより、低輝度における被測定物の高さを精度良く
測定する高さ石側装置の提供に寄与するところが大きい
。

【図面の簡単な説明】

第１ＩＩは、本発明に係る高さ計ｆ！！装置の原理図、
第２図は、本発明の実施例に係る高さ計測装置の構成図
、 第３図は、本発明の実施例に係る高さ計測装置の動作を
説明する回路図、 第４図は、本発明の実施例に係る高さ計測装置の計７１
＠精度特性図、 第５図は、従来例に係る高さ計測装置の構成図、第６図
は、従来例に係る問題点を説明する計測精度特性図であ
る。 （符号の説明） 】１・・・光源、 １２・・・光走査手段、 Ｉ３・・・移動手段、 １４・・・光検出手段、 １５・・・信号処理手段、 １６・・・制御手段、 １７・・・減衰手段、 １４Ａ・・・光路分割手段、 １４Ｂ・・第１の検出素子、 １４Ｃ・・・第２の検出素子、 Ｌｌ・・・測定光、 Ｌ２・・・反射光、 Ｓｌ・・・高さ情報信号、 Ｓ２・・・明るさ情報信号。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定光（Ｌ１）を発生する光源（１１）と、前記
   測定光（Ｌ１）を被測定物（１７）に照射する光走査手
   段（１２）と、前記被測定物（１７）からの反射光（Ｌ
   ２）を検出して検出信号（Ｓｉ）を出力する光検出手段
   （１４）と、前記検出信号（Ｓｉ）の信号処理をする信
   号処理手段（１５）と、前記光源（１１）、光走査手段
   （１２）、光検出手段（１４）及び信号処理手段（１５
   ）の入出力を制御する制御手段（１６）とを具備し、前
   記信号処理手段（１５）からの高さデータ（Ｄｈ）に基
   づいて前記被測定物（１７）の高さ計測処理をする高さ
   計測装置において、 前記光検出手段（１４）が前記反射光（Ｌ２）の光路を
   分割する光路分割手段（１４Ａ）と、前記反射光（Ｌ２
   ）の第１の分割光（Ｌ２１）を検出して高さ情報信号（
   Ｓ１）を出力する第１の検出素子（１４Ｂ）と、前記反
   射光（Ｌ２）の第２の分割光（Ｌ２２）を検出して明る
   さ情報信号（Ｓ２）を出力する第２の検出素子（１４Ｃ
   ）から成ることを特徴とする高さ計測装置。
2. （２）請求項１記載の高さ計測装置において、前記明る
   さ情報信号（Ｓ２）を減衰する減衰手段（１５Ｄ）が設
   けられていることを特徴とする高さ計測装置。
3. （３）請求項１記載の高さ計測装置において、前記第１
   の検出素子（１４Ｂ）が位置検出受光素子から成り、前
   記第２の検出素子（１４Ｃ）が前記位置検出受光素子よ
   りも高感度・低ノイズの光電素子から成ることを特徴と
   する高さ計測装置。