JPH04319615A - 光学式高さ測定装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ビームを発生し該光
ビームにより物体の表面上に静止光スポットを形成する
光源ユニットと、前記光スポット内の表面で反射された
光線から反射ビームを選択する手段と、反射ビームの光
路内に配置された位置感知光検出システムとを具える物
体の表面の高さを光学的に測定する装置に関するもので
ある。

【０００２】このような装置は、例えば表面が所望の輪
郭を有するか、例えば平面板が実際に平面か、溝や突部
がないかを検出するのに使用される。この装置は、孔や
突部が基板上の正しい位置に設けられているか検査する
のに用いることもでき、更に例えば導電金属細条や電子
素子が設けられた電気絶縁板を具える電子回路を検査す
るのに用いることができる。

【０００３】

【従来の技術】上述した装置は　ＥＰ−Ａ　０１３４５
９７　号から既知である。これには三角測量を行なって
物体の表面と基準レベルとの間の距離を決定する装置が
記載されている。この既知の装置では光源から細いビー
ムを表面に入射させ、その表面上に光スポットを形成さ
せる。この光スポットを１個以上の対物レンズによりリ
ニア光感知検出器上に集束させる。対物系の入射瞳によ
り光スポットから到来する反射ビームを選択する。光ス
ポットが検出器表面上に結像する位置は物体表面への入
射光ビームが物体表面上に射突した位置を示し、従って
この表面の高さを示す。検出器表面上の入射光の位置の
変位は測定すべき物体の表面の高さの変化を表わす。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この高さ測定の感度、
即ち表面高さの変化と検出器表面上の入射光の位置の変
位との比は位置感知光検出システムの表面上の光スポッ
ト像のフォーカシングに依存する。任意の高さにおいて
このスポット像をフォーカスした状態に維持するために
は検出器表面を光が表面に入射する方向に対し傾ける必
要がある。この傾斜により検出器の電気出力信号に寄与
する光部分が減少し、従って検出システムの感度低下が
生ずる。本発明の１つの目的は、位置感知光検出システ
ムを高さ測定の感度を悪化することなく反射ビームに対
しほぼ直角に配置し得る光学式高さ測定装置を提供する
ことにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的のために、本発
明は光ビームを発生し該光ビームにより物体の表面上に
静止光スポットを形成する光源ユニットと、前記光スポ
ット内の表面で反射された光線から反射ビームを選択す
る手段と、反射ビームの光路内に配置された位置感知光
検出システムとを具える物体の表面の高さを光学的に測
定する装置において、前記反射ビームの光路内に、サブ
ビームを取り出すビームスプリッタを配置し、且つ追加
の位置感知光検出システムを前記サブビームの光路内に
、この光検出システムと前記ビームスプリッタまでの光
学距離が最初に述べた位置感知光検出システムと前記ビ
ームスプリッタとの間の光学距離と相違するように配置
したことを特徴とする。

【０００６】本発明は反射ビームの強度分布の形はこの
ビームが自由空間を進行するとき同一のままになるとい
う認識に基づくものである。換言すれば、光スポットか
ら種々の距離におけるビームの強度分布上の同一の特徴
点は光スポットを通る１つの同一の直線上に位置する。 異なる特徴点は光スポットで交差する異なる直線上に位
置する。従って、２つの位置感知光検出システムにより
光スポットから異なる距離における強度分布上の同一の
特徴点を決定することにより光スポットを通る直線を再
現することができる。これは、結像レンズの光学中心と
検出システム上の光スポットの像とを通る直線を再現す
る既知の三角測定方法と著しく相違するところである。

【０００７】本発明装置は、選択反射ビームが十分な強
度を有すると共に光スポットが位置感知光検出システム
上にフォーカスした状態で結像されない限り、入射ビー
ムが表面でどのように反射されても測定結果は殆んど影
響を受けない利点を有する。２つの位置感知光検出シス
テムを光学式高さ測定装置内に互いに異なる距離に配置
すること自体は　ＥＰ−Ａ　０２２７１３６　号から既
知である。しかし、この既知の装置では光スポットを測
定中表面に沿って動かすものであり、従って本質的に静
止スポットを用いるものでない。更に、光検出システム
上の対応する動きの振幅を決定し、強度分布の所定の特
徴点の位置を決定するものでない。

【０００８】本発明装置の好適実施例では、前記光ビー
ムの光路の方向を前記反射ビームの光路の方向とほぼ一
致させる。本例では入射光ビームと選択反射ビームとの
間の角度が小さいため、表面の急峻な高さ変化を表面上
の陰影の悪影響を受けることなく測定することができる
。

【０００９】種々のパラメータを光分布の特徴点として
選択することができる。本発明装置の一例では、位置感
知光検出システムは光検出システムに入射する光強度分
布の最大値又は中央値の位置を決定するようにする。検
出システムが多数の個別のセルを具え、例えばフォトダ
イオードの列又は　ＣＣＤセンサを具える場合には、最
大光量が入射したセルを検出するのは著しく容易である
。また、マイクロプロセッサにより検出器を２つの部分
の入射光量が等しくなるような２つの部分に分けること
も困難でない。この２つの部分の境界線が光分布の中央
値の位置である。

【００１０】本発明装置の他の実施例では、位置感知光
検出システムは光検出システムに入射する光強度分布の
重心の位置を決定するようにする。光強度分布の重心点
も多数の個別セルから選択するたとができる。しかし、
この場合には位置感知光検出システムは２つの出力端子
を有し、各出力端子に入射光の強度及び前記出力端子か
ら入射光までの距離に比例する出力信号を発生するもの
とするのが好ましい。このような検出器の２つの出力の
正規化差信号は光強度分布の重心の位置に比例する。こ
のタイプの位置感知光検出システムは　　ＥＰ−ＡＯ０
７１６６７　号及びオランダ国特許出願　９００２２１
１号　（特願平３−２６３７０３号）　に開示されてい
る。

【００１１】実際に使用されている光検出システムは入
射光の一部を吸収するのみで、残りは反射される。光入
射面は一般に磨かれているため、入射面は部分透明ミラ
ーとして作用し、入射光ビームのかなりの部分を反射す
る。この点を利用して、本発明装置の更に他の実施例で
は２つの位置感知光検出システムの一方の光入射面を前
記ビームスプリッタとする。これにより別個のビームス
プリッタ及びその位置決めが不要になり、従ってこの高
さ測定装置は少数の素子から成り、一層容易に組立てる
ことができる。

【００１２】本発明の更に他の実施例では、結像光学系
を反射ビームの行路内に配置する。結像系を用いること
により発散反射ビームは発散ビームの強度分布と同一の
形の強度分布を有する収束ビームに変換される。この場
合、位置感知光検出システムを結像系のない場合より著
しく小さくすることができる。特に結像系は大きな開口
角を有する反射ビームを選択することができるので、使
用される総光量が大きくなる。この結像系はレンズ系と
するのが好ましいが、両端に開口を有する楕円又は放物
状の結像ミラー系とすることもできる。

【００１３】この実施例においては、更に、各位置感知
光検出システムの一端を結像光学系の光軸と一致させる
と共に、光スポットを形成する前記光ビームの光路の方
向を結像光学系の光軸と一致させるのが好ましい。この
ようにすると、如何なる物体表面位置に対しても結像光
学系の瞳に捕らえられた光の同一部分が光検出スステム
に入射する。この実施例におていは、更に、各位置感知
光検出システムを少なくとも２つの部分で構成し、結像
光学系の光軸がこれら２つの部分間を延在するようにす
ることができる。この場合には同一の光学系により複数
の測定を同時に行なうことができる。更に、特に物体表
面の急峻な高さ変化部における陰影の影響が低減される
。

【００１４】本発明は表面を走査する装置に用いて表面
上の種々の点について多数の測定を行なうことができる
。このような装置は例えば光ビームを発生し走査すべき
物体の表面上に走査スポットを形成する光源ユニットと
、走査スポットを物体に対し移動させる手段とを具える
。この物体の一層完全な像を得るためには各点の高さ測
定値のみならず検出器に入射した光の総合強度及び表面
の色又は反射係数も考慮することができる。

【００１５】図面につき本発明を詳細に説明する。図１
は本発明による光学式高さ測定装置の原理を示す略図で
ある。光ビーム１０は物体２０の表面２１に入射する。 光ビーム１０は表面上に光スポット１１を形成する。種
々の高さの表面に小さな光スポットを得るために、光ビ
ーム１０は小さなアパーチャを有し、例えばレーザーに
より放射される。ビームの光線はスポット１１内で反射
され、一般に部分的に拡散反射されると共に部分的に鏡
面反射される。 この反射光線から例えば開口３１を有する絞り３０によ
り反射ビームが選択される。選択された反射ビーム１２
は２つの位置感知光検出システム４１及び４２に入射す
る。これら検出システムは光スポット１１から互いに異
なる光学距離に配置する。これは例えば部分透明ミラー
　（図示せず）　により実現することができる。

【００１６】絞り３０による反射ビームの選択とは別に
、反射ビーム１２は異なる方法、例えば高さ測定装置の
構造の選択又は結像レンズのアパーチャを利用すること
により選択することもできる。重要なことは選択された
ビームの強度分布が２つの位置感知光検出システムに到
達するようにすることだけである。２つの位置感知光検
出システム４１及び４２はこれらシステムに入射する光
強度分布の特徴点を決定する手段を具える。これら検出
システムが多数の光感知検出セル、例えばフォトダイオ
ード又はＣＣＤの列を具える場合には、これらシステム
は例えば別個の処理ユニット５０に接続することができ
る。

【００１７】選択光ビーム１２の光強度分布の形状はビ
ームが自由空間を進行する限り同一のままである。強度
分布の特徴点、例えば最大強度点はビームの異なる横断
面に対し光スポット１１を通る一つの同一の直線上に位
置し、従って単一の光線であるものとみなせる。従って
、表面２１上の光スポット１１を通る一つの直線を、２
つの異なる横断面における特徴点の位置を決定すること
により見つけ出せる。更に、光スポット１１は入射光ビ
ーム１０が進行する直線上に位置する。この２つの直線
の交点は光スポット１１の位置及び従って表面２１の局
部的高さを示す。

【００１８】図２は本発明による高さ測定装置の動作を
示すものである。ビームの強度分布Ｉ及びＩＩは２つの
異なる位置又は横断面で測定されるものである。特徴点
として最大強度点の位置ＭＩ　及びＭＩＩ及を示してあ
り、強度分布の重心点もＧＩ　及びＧＩＩ及で示してあ
る。多数の検出セルを具える検出システムでは最大光量
を受けるセルを選択することにり最大値の位置を容易に
決定することができる。重心点の位置は次式に従ってセ
ル位置の強度加重平均値を決定することにより決定する
ことができる。

【数１】 ここで、ｘｉ　はセルｉの位置 Ｉｉ　はセルｉの入射強度 他の特徴点として中央値　（その両側の総合強度が互い
に等しい位置）　がある。強度分布の位置を特徴づける
更に他の特徴点を統計技術により決定することができる
。更に、このような技術により特徴点の位置をセルの幅
により与えられる精度より大きい精度で決定することが
できる。２以上の特徴点を用いることにより光スポット
１１を通る２本以上の直線を再現することができる。原
理的に、この場合には入射光ビームの方向を知る必要な
しに高さを測定することができる。

【００１９】

【実施例】図３は本発明装置の第１の実施例を示す。光
源ユニット１、例えばコリメータ系を具えるレーザーが
細い光ビーム１０を発生する。部分透明ミラー２がこの
光ビームを測定すべき表面２１に向け偏向させて表面２
１上に光スポット１１を形成する。このスポット内で反
射された光線は結像光学系４０、例えばレンズ系に受光
される。表面２１に対面する側及び表面２１と反射側が
開口した内部反射楕円ミラー又は放物ミラーを用いるこ
ともできる。このようなミラーは例えば回転対称又はア
ナモルフィックにすることができる。光学系４０により
選択された光ビームを第２の部分透明ミラー３により２
つのサブビームに分割してそれぞれ位置感知光検出シス
テム４１、４２に入射させる。これら２つの検出システ
ムは入射する光分布の形状が同一になるように配置する
。これは、例えば検出システムの縁を光スポット１１と
結像光学系４０の光学中心とを通る直線と一致させるこ
とにより達成される。光スポット１１が結像系４０の光
学中心及び検出システムの縁を通る直線上に位置するよ
うにするには、ビーム１０をこの直線に沿って表面２１
上に入射させる必要がある。

【００２０】図３の実施例では、この条件を結像系４０
の光軸を入射ビーム１０及び検出システム４１及び４２
の縁と一致させることにより満足させている。従って、
本例では光スポット内で反射された光線のうち選択され
る部分はレンズ４０の半分と検出システム４１及び４２
の位置により決まる。この選択された反射ビームの異な
る横断面における重心点が位置する光線を図３にＧで示
してあり、これら検出システム上のこの重心点の位置を
ＧＩ　及びＧＩＩで示してある。

【００２１】重心点を特徴点として測定するには、重心
点の位置を検出システムの出力信号から直接導出するこ
とができる検出システムを用いるのが好ましい。このよ
うな検出システムは例えば　ＥＰ−Ａ００７１６６７号
及びオランダ国特許出願　９００２２１１号（特願平３
−２６３７０３号）　に開示されている。

【００２２】完全に満足なもつと簡単な実施例では、検
出システムがビーム全体を覆い、入射ビーム１０が結像
システムの光軸に対しある角度を成すようにする。この
角度はかなり大きくでき、例えば　１６０°にすること
ができる。他の実施例を図４に示す。光源ユニット１に
より発生された光ビーム１０は小さな鏡４を経て表面２
１に入射し、表面２１上に光スポット１１を形成する。 表面２１で反射された光の一部分が結像系４０により捕
えられ、次いで２つの位置感知光検出システム４３及び
４４上に入射する。各検出システムに入射するビームは
結像システムの瞳と、結像系の中心部を遮へいする鏡４
の大きさとにより決まる。位置感知検出システム４３及
び４４は平坦な磨き前面を有し、入射光のかなりの部分
、例えば２０％を反射する。 従って、これらの前面、即ち光入射面はいわば部分透明
ミラーを構成し、非吸収光を反射する。これらの光ビー
ムは次の位置感知検出システム４５及び４６にそれぞれ
入射する。

【００２３】図４にはビームの対応する特徴点を通る線
を検出システム４３及び４４に入射するビーム内にそれ
ぞれＭ及びＭ′で示してある。線Ｍが位置感知光検出シ
ステム４３及び４５に入射する位置をそれぞれＭＩ及び
ＭＩＩで示し、線Ｍ′がシステム４４及び４６に入射す
る位置をそれぞれＭ′Ｉ　及びＭ′ＩＩで示してある。

【００２４】これら４個の検出システムの各々を処理ユ
ニット５０に接続し、ここで点ＭＩ　，ＭＩＩ，　Ｍ′
Ｉ　及びＭ′ＩＩの位置が決定され、これら位置から、
高さ測定計の既知の光学的及び幾何学的パラメータを用
いて、光スポット１１の位置における表面２１の高さΔ
ｈが計算される。

【００２５】２対の検出システムの使用は、表面の急峻
な高さ変化により表面の高さについての情報が完全に失
なわれることがなくなる利点を有する。この高さ変化の
結果として生ずる陰影の影響は一般に一方の測定にのみ
影響を与えるだけである。２対の検出システムの代りに
、もっと多数対の検出システムを用いることもでき、こ
の場合にはこれら検出システムを結像系の光軸の周囲に
半径方向に配置することができる。

【００２６】図５は例えばＰＣＢ　（プリント回路板）
　を走査する本発明による走査形光学式高さ測定装置を
示す。光源ユニットは平行レーザビーム１０を発生する
レーザ１を具える。レーザビーム１０は結像レンズ４０
に入射し、このレンズがビーム１０を像面１９に集束す
る。レーザビーム１０は次いで円柱レンズ１３を通り、
折り返しミラー１４及び１５により反射され、結像レン
ズ又はレンズ５及び６を具える結像系を通り、回転多角
形ミラー７により走査すべき表面２１に向け偏向される
。補正ミラー８及び９と走査すべき幅に亘って延在する
他の円柱レンズ１２を多角形ミラー７と走査すべき表面
２１との間に配置する。最後に、レーザビームは表面２
１上に走査スポットを形成し、この走査スポットは多角
形ミラー７の回転の結果として矢印１６の方向に表面に
沿って移動する。表面で反射された光線は光学系を逆方
向に辿り、像面１９上又はその近くに像１１を形成する
。この像を上述した高さ測定装置により検出する。ＰＣ
Ｂを走査方向に対し直角方向に移動させることにより表
面２１の全面を走査する。

【００２７】高さ測定装置は、例えば精密な測定が得ら
れると共に陰影の影響が避けられる二重構造のものとす
る。この測定装置はレーザビーム１０の主光線と一致す
る光軸を有する結像系４０を具える。この結像系４０は
光スポット１１からの光線を位置感知光検出システム４
３及び４４上に非集束状態に集中させる。これら検出シ
ステムの前面で反射された光線は次いで位置感知光検出
システム４５及び４６に入射する。光スポット１１の瞬
時高さ及び従ってＰＣＢの表面上の素子の有無がこれら
光検出システム４３，　４４　，　４５　及び４６の出
力信号から処理ユニット　（図示せず）　により決定さ
れる。円柱レンズ１２及び１３は検出システム上に走査
スポット１１の十分な光強度の像を形成するのに十分大
きな開口数を与える。走査装置及び円柱レンズについて
の詳細はオランダ国特許出願９００１００　号に開示さ
れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明光学式高さ測定装置の原理的構成図であ
る。

【図２】本発明光学式高さ測定装置の原理説明図である
。

【図３】本発明光学式高さ測定装置の第１の実施例の構
成図である。

【図４】本発明装置の第２の実施例の構成図である。

【図５】本発明による走査形光学式高さ測定装置の構成
図である。

【符号の説明】

１　　光源ユニット ２，３　　部分透明ミラー １０　　光ビーム １１　　光スポット １２　　反射ビーム ２０　　物体 ２１　　表面 ３０　　絞り ４０　　結像光学系 ４１，　４２，　４３，　４４，　４５，　４６　　位
置感知光検出システム５０　　処理ユニット

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光ビームを発生し該光ビームにより物
   体の表面上に静止光スポットを形成する光源ユニットと
   、前記光スポット内の表面で反射された光線から反射ビ
   ームを選択する手段と、反射ビームの光路内に配置され
   た位置感知光検出システムとを具える物体の表面の高さ
   を光学的に測定する装置において、前記反射ビームの光
   路内に、サブビームを取り出すビームスプリッタを配置
   し、且つ追加の位置感知光検出システムを前記サブビー
   ムの光路内に、この光検出システムと前記ビームスプリ
   ッタまでの光学距離が最初に述べた位置感知光検出シス
   テムと前記ビームスプリッタとの間の光学距離と相違す
   るように配置したことを特徴とする光学式高さ測定装置
   。
2. 【請求項２】　　前記光ビームの光路の方向を前記反射
   ビームの光路の方向と一致させたことを特徴とする請求
   項１記載の装置。
3. 【請求項３】　　前記位置感知光検出システムは該光検
   出システムに入射する光強度分布の最大値又は中央値を
   決定するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記
   載の装置。
4. 【請求項４】　　前記位置感知光検出システムは該光検
   出システムに入射する光強度分布の重心の位置を決定す
   るようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の装
   置。
5. 【請求項５】　　前記位置感知光検出システムの一方の
   光検出システムの光入射面をビームスプリッタとしたこ
   とを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. 【請求項６】　　結像光学系を前記反射ビームの光路内
   に配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに
   記載の装置。
7. 【請求項７】　　前記位置感知光検出システムは一端が
   前記結像光学系の光軸と一致した光感知表面を有し、且
   つ表面に光スポットを形成する前記光ビームの光路の方
   向を前記結像光学系の光軸と一致させたことを特徴とす
   る請求項６記載の装置。
8. 【請求項８】　　各位置感知光検出システムは少なくと
   も２つの部分から成り、前記結像光学系の光軸がこれら
   部分間を延在するようにしたことを特徴とする請求項７
   記載の装置。
9. 【請求項９】　　光ビームを発生し走査すべき物体の表
   面上に走査スポットを形成する光源ユニットと、走査ス
   ポットを物体に対し移動させる手段とを具えた走査型光
   学式高さ測定装置において、請求項１〜８の何れかに記
   載の高さ測定装置を具えたことを特徴とする走査型光学
   式高さ測定装置。
10. 【請求項１０】　　走査スポットを物体の表面上のライ
    ンに沿って移動させる偏向系と、走査スポットが位置す
    る表面部分の空間像を形成する他の光学系とを具え、前
    記表面部分は前記偏向系により選択されるようにしたこ
    とを特徴とする請求項９記載の装置。