JPH05240607A

JPH05240607A - 光学式間隔センサ

Info

Publication number: JPH05240607A
Application number: JP4248620A
Authority: JP
Inventors: Anton Schick; シツクアントン; Richard Dr Schneider; シユナイダーリヒアルト; Michael Stockmann; シユトツクマンミヒアエル
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1991-12-04
Filing date: 1992-08-24
Publication date: 1993-09-17
Anticipated expiration: 2011-06-26
Also published as: EP0615607A1; JP2511391B2; US5448359A; EP0615607B1; WO1993011403A1; DE59202372D1

Abstract

(57)【要約】【目的】高い分解能および二次光反射に関する低い感
度と同時に高いデータレートを有する光学式間隔センサ
を提供する。【構成】測定ビーム１９の直径が照明ビーム１８の直
径にくらべてはるかに大きい。両ビームの直径が測定位
置ではほぼ等しく、その際に照明ビーム１８は測定ビー
ム１９よりも大きい焦点深度を有する。測定ビーム１９
を分割するためのビーム分割ユニット１５４を有し、そ
の後ろに分割された測定ビーム１９の方向に光学系１５
２ａ〜ｎおよびほぼ点状の光検出器２１ａ−ｎが配置さ
れており、その際に光検出器が高さ値を区別するため照
明ビーム１８の焦点深度のなかに分割された測定ビーム
１９の方向にずらされて配置されており、またそのつど
の高さ段階が最大の光強度を有する光検出器により認識
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高さ値を求めるため、
また三次元の表面測定をするための同焦点の光学的結像
原理による光学式間隔センサに関する。好ましい使用分
野は特にろう付け個所の検査およびたとえばマルチチッ
プモジュールのような密に実装された電子平形アセンブ
リにおけるモジュール性状の検査である。

【０００２】

【従来の技術】平形アセンブリのろう付け個所またはモ
ジュールの検査の際に主として導体帯狭窄、粒子による
汚れ、ろう付け個所の質、接続パッドの正しい配置、短
絡などに関して検査される。マイクロエレクトロニクス
における部品実装密度の増大により高い分解能および高
い検査速度での三次元対象物の検査が不可欠になってい
る。特に未実装または実装済みのマイクロ配線板は自動
的に検査されるべきである。

【０００３】対象物表面の三次元に存在する多数の点か
ら成る高さラスター像を撮影するためのこれまでに知ら
れている装置は主としていわゆる三角測量法に基づいて
いる。その際にレーザービームが対象物の表面を走査す
る。特定の表面点の２つの平面位置座標は走査ビームま
たは照明ビームと平形アセンブリとの間の相対的位置に
より知られている。現在測定される表面点の高さ座標は
側方に配置されている少なくとも１つの対物レンズによ
り位置敏感な検出器と結び付けて検出される。こうして
多数の表面点の三次元の位置座標が決定され得る。撮影
された表面像と理想的表面像との比較により、また特定
の誤差規準を顧慮して、平形アセンブリにおける欠陥が
自動的に認識され得る。

【０００４】上記の三角測量法は種々の観点で改良され
ているが、次のようないくつかの原理的な欠点を有す
る。−検出器が現在の衝突点に相応しない対象物の表面
点からの反射光を撮影するならば、二次光の影響の恐れ
がある。このことは表面が強く輝いている際にかなりの
測定誤差に通ずる。−非常に密に比較的大きい対象物と
並んでまたは凹みに位置する小さい対象物は陰になるの
で、あらゆる場合に検出され得ない。シャイムプルーク
（Scheimpflug)条件を守るためには、一般に検出器上へ
の拡大しない結像が必要である。このことは測定スポッ
トの大きさが小さい際に高い電力密度に通ずる。横方向
ホトダイオードの検出器表面上の高い電力密度は走査速
度を高めることを制限する。ホトダイオードアレイの使
用はデータレートを高めない。−たとえばセンサシステ
ムにおける対物レンズの簡単な交換により結像尺度、従
ってまた分解能を偏向することはこれまでに知られてい
ない。

【０００５】市場で得られる三角測量法による測定シス
テムは上記の欠点を部分的に回避し得る特定の形態を有
する。ロボティック・ビジョン・システムズ社（Roboti
c Visior Systems 、米国）は、二次反射による誤測定
を回避するため、横方向ホトダイオードの代わりに直線
ホトダイオードアレイを採用している。相応の評価ソウ
トウェアにより誤測定が認識され消去される。しかし、
全体としてシステムのデータレートが、プロセスライン
での完全な検査に適さないほどに強く減少する。

【０００６】横方向ホトダイオードの応用の際の問題を
克服するため、松下寿電気株式会社（日本）は、８つの
方向から観測されるシステムを開発した。検出器信号の
評価は適当なアルゴリズムにより実行される。輝いてい
る表面における認識の確実さはそれにより高くなる。全
体構造は高速回転する円板により走査する各８つの検出
器を有する約４つのセンサヘッドの使用により非常に高
価である。さらに、このシステムは深い孔のなかで測定
し得ない。４０μｍよりも大きい分解能はセンサヘッド
の高速回転の際の機械的および光学的調整の問題のため
に達成されない。

【０００７】名古屋電気製作所（日本）はレーザービー
ムにより実装された導体板の上を走査して、また鏡面反
射の角度を測定する。ろう付け個所または部品の表面傾
斜の評価により絶対高さが積分により決定され得る。し
かし４５°よりも大きい傾斜は検出され得ない。それに
より垂直な壁を有する対象物の高さは測定可能でない。
小さい孔のなかの測定は可能でなく、また二次反射が排
除され得ない。

【０００８】同じく公知のシステムがオムロン生命科学
研究所（日本）から提供されている。ここでは鏡面反射
された光から高さ情報が得られる。試料は種々の方向か
ら３つの異なる色で照明される。鏡面反射された光はカ
ラー写真により検出され、また試料表面の傾斜が計算さ
れる。性能範囲はほぼ名古屋電気製作所のシステムに相
当する。

【０００９】一般に、特に鏡面反射する表面を有するろ
う付け個所において生ずる二次反射は大きい検出器表面
の際に隣接するろう付け個所に誤情報および相応に誤っ
た高さ値を招くと言うことができる。従って小さい検出
器表面の使用に向かって努力されている。なぜなら、こ
れにより目下結像すべき測定位置のすぐ周囲のみが検出
されるからである。同期化された三角測量法の使用によ
り、このことが顧慮される。その際に検出ビームは２つ
の側方に取付けられた偏向装置により走査対物レンズお
よびビーム偏向ユニット（回転多面鏡）を介して検出器
表面へ向けられる。照明および測定ビーム（検出ビー
ム）の同期したビーム偏向により検出器への衝突点の高
さ運動のみが結像され、それによってこれが相応に細く
され得るし、また走査方向の二次反射が暗くされる。走
査方向に対して垂直に生ずる擾乱反射はそれにより除去
されない。システム上光の衝突点または測定位置は２つ
の空間方向からのみ観測する必要がある。密に実装され
た導体板では、このことは相当の陰影に通ずる。

【００１０】構造の三次元の測定の際に既に実証されて
いる方法は同焦点原理に基づいている。その際、通常は
絞り孔により定められる点状の光源が試料または対象物
の上に結像される。その際に最大の光強度は、対象物お
よび検出器平面が実際にそのつどの光学系の焦点に位置
している（同焦点）ならば、検出器（光検出器）にのみ
当たる。対象物が焦平面の外側に位置するならば、点状
の検出器の前で測定ビームの強い広がりが生じ、それに
よって測定可能な強度が強く減少する。

【００１１】同焦点原理に基づくセンサはたとえば文献
安藤他著「レーザースキャナを使用するエッチングされ
たパターンの３Ｄ輪郭検出」ＳＰＩＣ論文集、第３８９
巻、光学システムエンジニアリングIII 、米国ロサンゼ
ルス、１９８９年１月２０、２１日に記載されている。
特に第２図および第３図に、対象物平面およびセンサ平
面がそれぞれ焦点範囲内に位置することが示されてい
る。さらに、この文献には走査レンズならびにビーム偏
向ユニットとしての回転多面鏡の使用が記載されてい
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高い
分解能および二次光反射に関する低い感度と同時に高い
データレートを有する光学式間隔センサを提供すること
にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この課題は請求項１の特
徴部分により解決される。

【００１４】

【作用効果】同焦点原理で構成されるセンサは点状に対
象物の上に結像される光源により作動する。対象物から
後方散乱された光はほぼ点状の検出器の上に結像され
る。対象物および像または検出器は照明または測定ビー
ムの焦点に位置している。それと結び付けられる小さい
焦点深度は対象物の三次元測定のための表面点の撮影の
際の高い分解能と結び付けられている。

【００１５】撮影すべき高さ情報または高さ値は三角測
量法に類似して対象物表面への法線に対してできるかぎ
り大きい角度のもとで垂直な照明および観測により得ら
れる。しかし、照明ビームおよび測定ビームを同時に導
く走査対物レンズが使用されまたその際に照明ビームの
直径が測定ビームの直径よりもはるかに小さく構成され
ている場合には、対物レンズの開き円錐全体にわたり観
察が行われる。こうして、照明ビームの衝突点から対象
物表面へ出発するすべてのビームが測定の際に顧慮され
る。検出のために寄与する空間角度はそれによって三角
測量法のそれよりもはるかに大きい。

【００１６】本発明は、現在の要求に対して十分なデー
タレートが、同焦点原理の変形である光学式間隔センサ
により実現されるという認識に基づいている。ラスター
化された表面像の撮影の際の比較的遅い横方向および軸
線方向の対象物シフトを回避するため、多重に分割され
た測定ビームに相応して多くの並列に動作するほぼ点状
の光検出器が設けられている。光検出器はすべて同焦点
に配置されており、また対象物が高さを変えられないな
らば照明ビームの焦点深度により予め与えられている高
さ測定範囲の分割をなしている。この最大の高さ測定範
囲はこうして、対象物の機械的追従なしに分解可能であ
る多くの段階に分割される。そのために、種々の分割さ
れた測定ビームに関してずらされた点状の光検出器の配
置が必要である。光検出器の直径は、測定高さと共に変
化する焦点深度のなかの照明ビームの直径が正確に対応
付けられている光検出器のなかに結像されるように設計
されている。照明ビームの焦点深度のなかのそのつど適
切な高さ段階が最大の光強度を有する光検出器により認
識される。

【００１７】本発明の有利な実施態様では、ビーム分割
ユニットとして分割器鏡が使用されている。ビーム分割
器鏡は機構上費用がかかるにもかかわらず最も簡単な形
式のビーム分割ユニットである。このことは約２０の個
別ビームまで測定ビームを分割する場合にも当てはま
る。

【００１８】構造上の簡単化は単一の光回折要素の使用
により達成される。このビーム分割ユニットとして作用
する要素は測定ビームを多数の定められた方向に分割す
る。本来の検出方式は不変である。この実施態様の特殊
性は適合された光学系にある。通常のようにビーム分割
ユニットの後ろに各個の分割された測定ビームのなかに
置かれる光学系の代わりに、光回折要素の使用の際には
単一の光学系が使用可能である。これは光回折要素の前
または後に使用される。こうして、すべての測定ビーム
またはすべての分割された測定ビームはこの光学系を介
して導かれる。光回折要素としてはたとえば回折格子、
または計算機により発生された定められた強度分布を有
するホログラムが使用され得る。

【００１９】光検出器の点状の構成は、絞りおよび市販
の光検出器、たとえばホトダイオードの組み合わせによ
り達成される。すべてのユニットはこうして、絞りが測
定ビームの焦点範囲内に位置するならば同焦点に配置さ
れている点状の光検出器である。このことは、部分ビー
ム上に置かれているすべての絞りまたは光検出器に当て
はまる。

【００２０】本発明の別の有利な実施態様は、多くの波
長に対してことさらに色収差がひき起こされるように補
正されている走査対物レンズを使用する。照明ビームの
焦点深度により予め与えられる高さ走査範囲はこの場
合、個々の色の焦点深度範囲が順次に並ぶ個々の段階に
分割される。光が点状の光検出器の前に接続されている
絞りを通過した後、光は色に相応して分割され、また種
々のホトダイオードに導かれる。

【００２１】点状の光源は有利にはレーザーにより実現
される。レーザーは、光学系を介して対象物の表面の上
に鋭く結像される測定ビームを供給する。その際に単色
の光または多くの波長の光を有するレーザーが使用され
得る。後者は、多くの波長に対して補正された走査対物
レンズが使用される場合に必要である。レーザーの高い
電力密度は極めて有利である。

【００２２】表面ラスター像を撮影する際の高いデータ
レートを達成するためには、相応に適合されたビーム偏
向ユニットが必要である。その際に回転多面鏡を使用す
ることは非常に有利であることが判明している。なぜな
ら、機械的駆動の共同作用および高いデータレートの達
成がその際に可能になるからである。多面鏡の位置にお
ける照明ビームの小さい直径と組み合わせて多面鏡を小
さく設計すると高い回転数が可能になる。

【００２３】照明ビームと測定ビームとの間の分離は中
心に孔をあけられたアウトカップリング鏡により行われ
る。この有利な実施態様は測定ビームおよび照明ビーム
の開口数の間の予め定められた比に設計されている。

【００２４】測定ビームの開口が照明ビームの開口にく
らべて大きいことは有利である。測定開口と照明開口と
の間の比は、そのつどの高さ範囲内で測定され得る高さ
段階の数の尺度である。ほぼ等方性に散乱する対象物で
は、内挿によりこれらの高さ段階の間の高さ値を評価す
ることが可能である。測定ビームの開口が照明ビームの
開口よりもはるかに大きく設計されると、観測位置の光
は対象物の上に対象物の法線に対する大きい角度のもと
に、または大きい空間角度にわたって集められる。この
ことは高さ分解能を著しく改善する。同じく、検出開口
と照明開口との間の大きい比によりスペックルにより惹
起されるノイズが抑制されると有利である。測定ビーム
および照明ビームの開き角度の間の少なくとも所望比は
２：１とすべきであろう。

【００２５】データレートの上昇と結び付けられる光学
式間隔センサの簡単化はテレセントリックな走査対物レ
ンズの使用により達成される。その際、主として、テレ
セントリックでない走査対物レンズの設計の際に像位置
を正確に求めるために必要であった計算工程が節減され
る。

【００２６】一般に種々の光検出器への部分ビームの不
均等な強度分布が生ずるが、それらは有利には電子式補
償ユニットにより補償される。光強度の不均等な強度分
布はビーム分割ユニットの形態および絞り直径に応じて
生ずる。

【００２７】高さ測定範囲の変更は有利には走査対物レ
ンズの交換により達成される。これは顕微鏡対物レンズ
におけるのと類似の仕方で行われる。測定範囲および分
解能が相互に影響するので、これに関して電子的調整が
行われなければならない。それにより走査装置の容易な
装備変更が可能にされる。光学式間隔センサの側方傾斜
により、種々の実装技術で製作された平形アセンブリを
検査することができる（たとえば“表面取付デバイ
ス”、“Ｊ‐リード”等）。

【００２８】

【実施例】以下に図面により同焦点原理および本発明の
実施例を説明する。

【００２９】図１には、構造化された表面の三次元測定
の際に既に実証済みの方法が示されている。これは同焦
点原理に基づいている。同焦点原理では、たとえば孔絞
りにより、または図１の場合のようにレーザー１により
形成される点状の光源が対象物の上に結像される。後方
散乱された光は再びほぼ点状の検出器の上に結像され
る。対象物および検出器表面が事実上焦点に位置してい
る場合、すなわち同焦点である場合にのみ、検出器の上
に最大の光強度が当たる。ここで注意すべきこととし
て、前記両構成要素の各々の点状の構成は同焦点絞りの
そのつどの前置により行われる。従って、光学系１１お
よび絞り３０を有するレーザー１が点状の光源とみなさ
れる。点状の検出器は絞り３１および本来の検出器２、
たとえばホトダイオードから成っている。同焦点の状況
は焦点を結ばれたビーム１６のビーム経路により示され
ている。この場合、対象物４は光学系１４に関して焦平
面内に位置している。同じことが光学系１２、１３に関
して絞り３０、３１にも当てはまる。対象物４１が焦平
面の外側に位置すると、強いビーム広がりが焦点を外さ
れたビーム１７に相応して生ずる。このことは検出器２
における強い強度低下と同じ意味である。

【００３０】同焦点の系により条件付けられて、確かに
小さい焦点深度が存在するが、高い分解能が得られてい
る。対物レンズ、ここでは光学系１４は、照明ビームの
開口に比較して測定ビームの開口に差異が全く認められ
ないように設計されている。

【００３１】図２には検出された光の強度Ｉの経過が高
さ値Ｚに関係して示されている。この曲線を撮影するた
め対象物が、その高さ値が最大の強度Ｉを有する同焦点
の設定に相応する値の両側に動かされるようにずらされ
た。評価規準は完全な半値幅Ｈである。半値幅とは、最
大値の半分への強度Ｉの低下に相当する高さ値Ｚの範囲
をいう。

【００３２】図３には、変更された同焦点原理に相応す
る本発明による構成が示されている。その際に重要なこ
とは、それぞれ光学系１５２ａ〜ｎ、絞り１５３ａ〜ｎ
および光検出器２１ａ〜ｎによる多くの個別ビームへの
測定ビームの分割により実現されている多段の同焦点の
構成である。照明ビーム１８はレーザー１０により発生
され、また孔を設けられているアウトカップリング鏡１
５０により回転多面鏡５の上に偏向される。この多面鏡
５は照明ビーム１８を対象物４０の表面の方向に反射さ
せる。さらに、照明ビーム１８および測定ビーム１９を
同時に両方向に導く走査対物レンズ６が設けられてい
る。対象物４０の表面上の測定位置において照明ビーム
１８の開口数は測定ビーム１９の開口数よりもはるかに
小さい。走査対物レンズを介して導かれた測定ビーム１
９は再び回転多面鏡５を介してアウトカップリング鏡１
５０に戻される。それに続いてビーム分割ユニット１５
４のなかで測定ビーム１９が分割される。図３中には単
に２つの分割が具体的に示されている。実際には必要に
応じて１６、２０またはそれ以上のユニットが置かれて
いてよい。ビーム分割ユニット１５４は、図３に示され
ているように、分割器鏡１５１ａ〜ｎから成っていてよ
い。しかし、機械的経費を低減するため、回折格子の使
用または計算機により発生されるホログラムの使用も可
能である。ホログラムを製作するための高い費用は、そ
れと結び付けられる重要な利点により償われ得る。すな
わち、回折された光の強度分布がたとえば相応に設計さ
れたホログラムにより要求条件に応じて予め定められた
仕方で影響され得る。回折格子の際には、また分割器鏡
の使用の際にも、電子式補償が分割された測定ビームを
均等に分布させる役割をする。

【００３３】図４には、多数の光検出器２１ａ〜ｎに相
応して種々の光強度を処理する評価電子回路が示されて
いる。各検出器は焦点深度Ｔのなかの高さ値を表し、ま
た評価電子回路は最高の電力を有する高さ値を見い出
す。このことは、すべての強度値の和の特定の百分率に
相応する高さのしきいにより達成される。多くの信号が
しきい値を上廻ると、相応の高さ値Ｚが平均化される必
要がある。評価電子回路は光検出器２１ａ〜ｎから相応
の信号を増幅器２２ａ〜ｎを介して受け入れ、それらを
加算器２３のなかで加算し、また個別値をコンパレータ
２４ａ〜ｎのなかで和と比較する。エンコーダ２５は所
望の高さ値Ｚを供給する。高い画素処理速度を達成する
ために、この並列処理の仕方が必要である。増幅器２２
ａ〜ｎとしてはたとえばサンプル・アンド・ホールド増
幅器が使用され得る。

【００３４】図５には照明ビーム１８の焦点範囲の概要
が示されている。これはそのくびれ部分にくびれ直径Ｄ
１を有する。焦点深度Ｔは、焦点範囲内の照明ビームの
長さに相当するように定められており、その間でそれぞ
れ両方向に照明ビーム１８のビーム直径Ｄ２がＤ１の√
２倍に増されている。焦点深度Ｔにより最大の高さ走査
範囲が予め与えられている。しかし、それは走査対物レ
ンズ６の交換により変更され得る。しかしデータレート
と一致していない他の可能性は対象物の機械的運動であ
った。従って図１に相応する同焦点原理によるセンサは
光学的に十分に良好であるが、現在必要な用途に対して
はあまりに遅い。

【００３５】同焦点原理により二次反射の擾乱作用自体
は十分に排除される。しかし、これまでそれによって実
現されたデータレートは約１００〜１０００画素毎分で
あった。図３に相応する装置によりデータレートは１０
⁶画素毎分以上に高められ得る。別の利点は、十分に大
きい空間角度が検出のために利用されるかぎり、陰影が
臨界的でないことにある。光検出器の大きさが照明スポ
ットの大きさに適合されているので、対象物４０の照明
された位置のみが、光検出器２１ａ〜ｎおよびそれぞれ
前置されている絞り１５３ａ〜ｎから成る検出器の上に
結像される。図３に示されているレーザー１０はコリメ
ートされた光を供給する。対象物４０における照明ビー
ム１８の小さい直径により存在する照明の際の大きい焦
点深度は結像の際の比較的小さい焦点深度に変換され
る。個々の測定ビームへの分割により分解能または焦点
深度が小さい焦点深度範囲に分割される。設計の際に開
口、分解能、焦点距離などの間の公知の光学的関係を顧
慮する必要がある。すなわち開口の増大はより高い分解
能をもたらし、また焦点距離の増大はより大きい焦点深
度に相応してより大きい高さ測定範囲をもたらす。しか
し、測定範囲および分解能は互いに影響するので、たと
えば測定および照明ビーム１８、１９の開口比が２５、
また高さ測定範囲が０．５ｍｍの際に２０μｍの分解能
が達成され得る。分解能は高さ段階の間の適当な内挿に
より高められ得る。高さ測定範囲の変更は簡単な仕方で
走査対物レンズ６の交換により達成され得る。

【００３６】図３に相応する光学式間隔センサにより一
方向の対象物４０の遅い横方向シフトが回避され得る。
追加的な検流計鏡の使用により対象物４０の横方向シフ
トは完全に省略され得る。第２の横方向の走査方向は照
明ビームによる走査により条件付けられる。高さ値Ｚは
対象物４０の表面上の各個の測定点に対して光学式間隔
センサを介して求められる。こうして２ＭＨｚの画素レ
ートが実現され得る。データレートまたは走査速度は多
面鏡の構成に関係している。光学式間隔センサの実施例
はたとえば下記の技術データを含んでいる。測定ビーム直径：７．５ｍｍ照明ビーム直径：０．７ｍｍ多面鏡の回転速度（１２ファセット、利用率０．５）：１５０００回転／分走査長さ（横方向）：３．５ｍｍ横方向分解能：５μｍ画素／走査長さ：７００

【００３７】走査のなかで、すなわち走査された行のな
かで上記のデータの際に、センサ電子回路により処理さ
れなければならない画素データレートは４．２ＭＨｚで
ある。０．５の多面鏡の利用率に基づいて有効な画素デ
ータレートは２．１ＭＨｚとなる。２×１０⁶画素／秒
の平均走査速度の際に非常に複雑な導体板ではたとえば
２５０×２５０ｍｍの面に対して試験時間は２０分とな
る。簡単に構造化された導体板では試験時間は数分の範
囲内である。

【００３８】光学式間隔センサに接続されている図４に
相応するセンサ電子回路は比検出器２１ａ〜ｎをも含ん
でいる。ここに使用されるホトダイオードおよび増幅器
２２ａ〜ｎは、対象物４０の表面により惹起される極度
に強い強度変動を検出または補償し得るように、短い上
昇時間において非常に大きいダイナミックレンジを有す
るべきである。従って、増幅器過制御を回避するため、
非線形の増幅特性を有する増幅器が使用され得る。

【００３９】本発明による間隔センサにより鏡面反射す
る面も検査され得るという事実とならんで、照明ビーム
１８の強度調節が省略され得ることも有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】同焦点原理の説明図。

【図２】対象物表面の１つの点における機械的な高さ走
査の間の光強度の経過図。

【図３】並列に動作する多数の検出器が設けられてお
り、回転多面鏡により高速走査するための同焦点の構成
を有する本発明による光学式間隔センサ。

【図４】点状の光検出器の信号の並列処理のためのセン
サエレクトロニクスに関する原理図。

【図５】照明ビームの焦点範囲または焦点深度を示す
図。

【符号の説明】

１レーザー２検出器４対象物５回転多面鏡６走査対物レンズ１０レーザー１１〜１３光学系１４対物レンズ１６焦点を結ばれたビーム１７焦点を外されたビーム１８照明ビーム１９測定ビーム２１光検出器２２増幅器２３加算器２４コンパレータ２５エンコーダ３０、３１絞り４０対象物１５０アウトカップリング鏡１５１分割器鏡１５３絞り１５４ビーム分割ユニットＨ半値幅Ｉ光の強度Ｚ高さ値

フロントページの続き (72)発明者リヒアルトシユナイダードイツ連邦共和国 8028 タウフキルヒエンエガーレンダーシユトラーセ５ (72)発明者ミヒアエルシユトツクマンドイツ連邦共和国 8206 ブルツクミユール‐ゲツチングエンチアンヴエーク 18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高さ値を求めるため、また三次元の表面
測定をするため、特に電子平形モジュールを検査するた
めの同焦点の光学的結像原理による光学式間隔センサで
あって、表面上に結像される点状の光源と、表面をステ
ップ状に走査するためのビーム偏向ユニットと、照明ビ
ーム（１８）および測定ビーム（１９）が通される走査
対物レンズ（６）と、点状の光源に対して同焦点に配置
されている光検出器（２）とを有する間隔センサにおい
て、走査対物レンズ（６）の瞳孔のなかで測定ビーム
（１９）に比してはるかに小さい直径を有する照明ビー
ム（１８）を有し、対象物表面上の測定位置における照
明ビーム（１８）および測定ビーム（１９）のほぼ等し
い直径を有し、その際に照明ビーム（１８）が測定ビー
ム（１９）よりも大きい焦点深度（Ｔ）を有し、測定ビ
ーム（１９）を分割するためのビーム分割ユニット（１
５４）を有し、その後ろに分割された測定ビーム（１
９）の方向に光学系（１５２ａ〜ｎ）およびほぼ点状の
光検出器が配置され、その際に光検出器が高さ値を区別
するため照明ビーム（１８）の焦点深度（Ｔ）のなかに
分割された測定ビーム（１９）の方向にずらされて配置
され、またそのつどの高さ段階が最大の光強度を有する
光検出器により認識され、高さと共に変化する照明ビー
ム（１８）の直径が焦点深度（Ｔ）のなかで正確に付設
の光検出器のなかに結像されるように設計されている光
検出器の直径を有することを特徴とする光学式間隔セン
サ。
【請求項２】ビーム分割ユニット（１５４）が測定ビ
ーム（１９）のなかに相い前後して配置されている多数
の分割器鏡（１５１ａ〜ｎ）により実現されていること
を特徴とする請求項１記載の光学式間隔センサ。
【請求項３】測定ビーム（１９）を分割するため、測
定ビーム（１９）を多数の定められた方向に分割する単
一の光回折要素が設けられ、その際に点状の光検出器が
高さ直径を区別するため照明ビーム（１８）の焦点深度
（Ｔ）のなかに分割される測定ビーム（１９）の方向に
ずらされて配置され、またそのつどの高さ段階が最大の
光強度を有する光検出器により認識されることを特徴と
する請求項１記載の光学式間隔センサ。
【請求項４】光学系（１５２ａ〜ｎ）の代わりに単一
の光学系が光回折要素の前および後に配置されているこ
とを特徴とする請求項３記載の光学式間隔センサ。
【請求項５】光検出器（２１ａ〜ｎ）のほぼ点状の構
成が前置された絞り（１５３ａ〜ｎ）の使用により実現
されていることを特徴とする請求項１ないし４の１つに
記載の光学式間隔センサ。
【請求項６】多くの光波長に対する走査対物レンズ
（６）が、個々の色の焦点深度範囲が順次に並び、また
強度が絞り（１５３ａ〜ｎ）の後ろで多くの色敏感な光
検出器により色に関係して受け入れ可能であるように設
計されていることを特徴とする請求項１、２または５記
載の光学式間隔センサ。
【請求項７】点状の光源がレーザーにより実現されて
いることを特徴とする請求項１ないし６の１つに記載の
光学式間隔センサ。
【請求項８】ビーム偏向ユニットが回転多面鏡により
実現されていることを特徴とする請求項１ないし７の１
つに記載の光学式間隔センサ。
【請求項９】照明ビーム（１８）および測定ビーム
（１９）を分離するため、中央孔を有するアウトカップ
リング鏡（１５０）が使用されることを特徴とする請求
項１ないし８の１つに記載の光学式間隔センサ。
【請求項１０】測定位置における測定ビーム（１９）
および照明ビーム（１８）の開き角度の比が少なくとも
２：１であることを特徴とする請求項１ないし９の１つ
に記載の光学式間隔センサ。
【請求項１１】走査対物レンズ（６）がテレセントリ
ックに構成されていることを特徴とする請求項１ないし
１０の１つに記載の光学式間隔センサ。
【請求項１２】三次元分解能および走査対物レンズ
（６）の測定範囲を変更するため走査対物レンズ（６）
がその焦点深度を変更可能であり、または他のものと交
換可能であることを特徴とする請求項１ないし１１の１
つに記載の光学式間隔センサ。
【請求項１３】種々の光検出器への測定ビーム（１
９）の部分ビームの不均等な強度分布を補償する電子式
補償ユニットが設けられていることを特徴とする請求項
１ないし１２の１つに記載の光学式間隔センサ。
【請求項１４】電子式増幅器（２２ａないしｎ）が光
検出器（２１ａないしｎ）に相応して、過制御を回避す
るため、非線形の増幅特性曲線を有することを特徴とす
る請求項１ないし１３の１つに記載の光学式間隔セン
サ。
【請求項１５】間隔センサが、三次元の対象物を斜め
に上からも観察し得るように、対象物表面への法線に関
して傾けられていることを特徴とする請求項１ないし１
４の１つに記載の光学式間隔センサ。