JPH06317405A - レーザ変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】同一の受光ユニットで２方向走査に柔軟かつ高
速に対応できるレ−ザ変位計を提供する。 【構成】投光光学系では、レーザ光をスキャナ４で走査
し、所要のビーム径にビーム拡大器５で拡大し、測定ス
テージ１の測定面上でｆθレンズ６により所要のビーム
径に収束しかつ走査速度を一定にし、光路を光路切換え
機構７で直進及び９０度方向に切り換え、その二光路を
測定ステージ１の測定面に対して斜め上方から測定ステ
ージ１の直交する二軸にそれぞれ平行に第一および第二
の走査光学系１０，１３で走査させる。また、受光光学
系では、走査光学系１３の反射方向を走査光学系１０の
正反射方向と平行な向きに折り返しミラー１７で変え、
走査光学系１０の正反射方向に置かれ反射光を受光する
集光レンズ１４と集光レンズ１４の結像位置に置かれ反
射光を受光する受光素子１５とで構成される受光ユニッ
ト１６を走査光学系１０，１３の受光位置に受光位置切
換え機構１８で切り換える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ変位計に関し、
特にＩＣリードの測定等場所により走査方向をＸＹ二方
向に切り換える必要のある物の形状を測定するレーザ変
位計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザ変位計について図面を参照
して説明する。

【０００３】図４は従来例のレーザ変位計を示す光学系
の斜視図である。

【０００４】このレーザ変位計は一軸ステージを有する
測定ステージ５０に裁置された測定物５５であるＩＣを
走査する走査光学計を備えている。

【０００５】この走査光学系は、レーザ５１と、レーザ
５１のビーム径を所要のビーム径に拡大するビーム拡大
器５２と、レーザ光を測定ステ−ジ５０の真上から測定
ステ−ジ５０の送り方向と直交する方向に走査させるガ
ルバノミラー５３と、ガルバノミラー５３で走査された
レーザ光を測定ステ−ジ５０の測定面上で所要のビーム
径に集光させかつ一定速度で走査させるｆθレンズ５４
とを有する。

【０００６】走査されたレーザ光の測定対象物５５の反
射光の中で走査方向に直交する方向に反射する光の一部
を斜め上方から集光レンズ５７で集光し、集光レンズ５
７を通過したレーザ光をシリンドリカルレンズ５８で走
査方向に集光し、さらにこのレーザ光を集光レンズ５７
と、シリンドリカルレンズ５８の結像位置に置かれた受
光素子５９で受光する。

【０００７】図５は図４の測定対象物５５の高さ測定原
理を説明するための平面図である。

【０００８】測定対象物５５に真上からレーザ光を当て
測定対象物５５からの反射光をレーザの入射方向から角
度θ傾いた方向で集光レンズ５７を介して受光素子５９
で受光した場合、集光レンズ５７の倍率をｍとすると、
測定対象物５５の高さｔと受光素子５９上での距離ｄ
（高さｔからの反射光の受光位置と測定台５０の表面か
らの反射光での受光位置との間の距離）との関係は、 ｔ＝ｄ／（ｍ×ｓｉｎθ） で与えられる。従って受光素子５９上の受光位置の変位
を測ることで測定対象物５５の高さが測定できる。

【０００９】図６は図４のレーザ変位計による測定箇所
と走査方向との関係を説明するための平面図である。

【００１０】ＩＣ６１のリード形状を測定する場合、通
常リード配列方向には高分解能が必要だがリード方向は
比較的低分解能で良いため、高速測定を実現するために
リード配列方向に光学走査しリード方向にステージ送り
する方法が取られる。すなわち図６（ａ）に示すように
ＩＣ６１の上下方向のリード形状を測定する場合はＸ方
向６２に光学走査し、これと直交する方向６３にステー
ジ送りして測定する。

【００１１】また、図６（ｂ）に示すようにＩＣ６１の
左右方向のリード形状を測定する場合はＹ方向６５に光
学走査し、これと直交する方向６４にステージ送りして
測定する。

【００１２】従って、図４に示した従来のレーザ変位計
では、走査方向が一方向に限られているためＩＣ６１の
４辺を測定するために、図４に示したレーザ変位計をＸ
Ｙ２方向の測定用に２セット用いたり、測定物あるいは
レーザ変位計全体を９０度回転する回転機構を付加する
必要があった。

【００１３】尚、ＩＣのリ−ド形状測定以外にも実装部
品の形状測定においては、走査方向により隣接部品が照
射レーザ光を遮光する場合があり、走査方向を変えて再
度測定する例がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のレーザ
変位計は、走査方向が一方向に限られているためＩＣリ
ードの測定等ＸＹ二方向の走査が必要な場合は、測定物
あるいは光学ヘッド全体のいずれかを９０度回転する
か、同タイプの光学ヘッドを二つ用意する必要がある。
測定物や光学ヘッドが大きいと大型の回転機構が必要で
あり、装置が大きくなり高価となる。また、光学ヘッド
はレンズ等精密組立部品が多く、回転移動時の衝撃・振
動が位置ズレを誘発する危険があるため実用上問題があ
る。

【００１５】さらに、一つの光学ヘッドでＸＹ二方向走
査を行った場合、通常二つの受光光学系が必要で高価と
なる上、両者で特性が異なるため両者を校正し測定値を
保証する手段が必要である。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ変位計
は、（ａ）二軸ステージを有する測定ステージと、
（ｂ）レーザと、レーザ光を走査するスキャナと、レー
ザ光を所要のビーム径に拡大するビーム拡大器と、ビー
ム拡大器で拡大されたレーザ光を測定ステージの測定面
上で所要のビーム径に収束しかつ走査速度を一定にする
ｆθレンズと、ｆθレンズを通過したレーザ光の光路を
直進及び９０度方向に切り換える光路切換え機構と、光
路切換え機構で切り換わる二光路の中で直進光を測定ス
テージの測定面に対して斜め上方から測定ステージの一
軸（以下Ｘ方向とする）と平行に走査させる複数枚のミ
ラーで構成された第一の走査光学系と、光路切換え機構
で切り換わる別光路（９０度方向）のレーザ光を第一の
走査光学系の走査方向と直行する方向（Ｙ方向とする）
に走査させる複数枚のミラーとで構成された第二の走査
光学系とを有する投光光学系と、（ｃ）第一の走査光学
系の正反射方向に置かれ反射光を受光する集光レンズ及
び集光レンズの結像位置に置かれ反射光を受光する受光
素子を合わせた受光ユニットと、測定ステ ージの上方
に置かれ第二の走査光学系で照射されたレーザ光の反射
方向を第一の走査光学系の正反射方向と平行な向きに変
える折り返しミラーと、受光ユニットを前記第一の走査
光学系の受光位置及び第二の走査光学系の受光位置に切
り換える受光位置切換え機構とを有する受光光学系と、
（ｄ）スキャナーの走査に同期し一定のサンプリング時
間で受光素子の出力を読みとり受光位置から三角測量法
で高さを算出する信号処理回路とを含むことを特徴とす
る。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１８】図１は本発明によるレーザ変位計の一実施
例を示す光学系の斜視図である。このレーザ変位計の光
学系は、二軸ステージを有する測定ステージ１に裁置さ
れた測定対象物２に対してレーザ光を走査する投光光学
系ならびにこの投光光学系により走査されたレーザ光の
測定物からの反射光を受光する受光光学系を備えてい
る。

【００１９】この投光光学系は、レーザ３と、レーザ光
を走査するスキャナ４と、レーザ光を所要のビーム径に
拡大するビーム拡大器と、ビーム拡大器５で拡大された
レーザ光を測定ステージ１の測定面上で所要のビーム径
に収束しかつ走査速度を一定にするｆθレンズ６と、ｆ
θレンズ６を通過したレーザ光の光路を直進及び９０度
方向に切り換える光路切換え機構７と、光路切換え機構
７で切り換わる二光路の中で直進光を測定ステージ１の
測定面に対して斜め上方から測定ステージ１の一軸（以
下Ｘ方向とする）と平行に走査させる二枚のミラー８，
９で構成された第一の走査光学系１０と、光路切換え機
構７で切り換わる別光路（９０度方向）のレーザ光を第
一の走査光学系１０の走査方向と直行する方向（Ｙ方向
とする）に走査させる二枚のミラー１１，１２で構成さ
れた第二の走査光学系１３とを有する。

【００２０】受光光学系は、第一の走査光学系１０の正
反射方向に置かれ反射光を受光する集光レンズ１４と、
集光レンズ１４の結像位置に置かれ反射光を受光する受
光素子１５と（以下集光レンズ１４及び受光素子１５を
合わせ受光ユニット１６とする）、測定ステージ１の上
方に置かれ第二の走査光学系１３で照射されたレーザ光
の反射方向を第一の走査光学系１０の正反射方向と平行
な向きに変える折り返しミラー１７と、受光ユニット１
６を第一の走査光学系１０の受光位置及び第二の走査光
学系１３の受光位置に切り換える受光位置切換え機構１
８とを有する。

【００２１】図２は図１の受光位置切換え機構１８を説
明するための平面図である。

【００２２】レーザ光１９は、まず光路切換え機構７で
直進光と９０度右方向に切り換えられる。直進光は、ミ
ラー８で９０度右に光路を変えさらにミラー９で反射さ
れ測定面上をＸ方向２０に走査する。Ｘ方向２０に走査
したレーザ光は右方向に反射し集光レンズ１４で受光さ
れ受光素子１５上に結像する。一方光路切換え機構７で
９０度右に光路を変えたレーザ光は、ミラー１１で下に
光路を変えさらにミラー１２で反射され測定面上をＹ方
向２１に走査する。ここで、光路切換え機構７で切り換
わる二つの光路の測定面までの光路長を等しくすること
により、第一及び第二の走査条件を同じにできる。Ｙ方
向２１に走査したレーザ光は下方向に反射するがミラー
１７で反射し光路を右に変える。すなわち第一の走査に
おける反射光の方向に平行となる。従って受光ユニット
１６を受光位置切換え機構１８により左下方に水平移動
し受光距離を等しくすることにより、第一の走査光学系
と同じ条件で受光できる。

【００２３】図３は図１の受光素子１５にＰＳＤを用い
た場合の一般的な信号処理回路のブロック図である。

【００２４】ＰＳＤ２２の２つの出力（Ａ、Ｂとする）
をそれぞれプリアンプ２３、プリアンプ２３で増幅後、
割算器２４で正規化（（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ））演算す
ることにより、ＰＳＤ２２の受光位置を求め、受光位置
の変動量から三角測量法により測定物の高さを算出す
る。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ変
位計は、光路切換え機構により直交する二つの方向から
レーザ走査できかつ受光光学系の位置を簡単な直線移動
で切り換えることに両者の反射光を同一の受光ユニット
で受光できるため、測定場所により走査方向を変える必
要のある測定物に対しても柔軟かつ高速に対応できる
上、簡単な光路切り換えにより一つの受光ユニットで両
走査に対応できるため信号処理を含めた装置コストを安
価にできるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ変位計の一実施例を示す光
学系の斜視図である。

【図２】図１の受光位置切換え機構１８を説明するため
の平面図である。

【図３】図１の受光素子１５にＰＳＤを用いた場合の一
般的な信号処理回路のブロック図である。

【図４】従来例のレーザ変位計を示す光学系の斜視図で
ある。

【図５】図４の測定対象物５５の高さ測定原理を説明す
るための平面図である。

【図６】図４のレーザ変位計による測定箇所と走査方向
との関係を説明するための平面図である。図６（ａ）、
図６（ｂ）はそれぞれの走査方向によるリード形状の測
定を説明するための平面図である。

【符号の説明】

１，５０ 測定ステージ ２，５５ 測定対象物 ３，５１ レーザ ４ スキャナ ５，５２ ビ−ム拡大器 ６，５４ ｆθレンズ ７ 光路切換え機構 ８，９，１１，１２ ミラー １０ 第一の走査光学系 １３ 第二の走査光学系 １４，５７ 集光レンズ １５，５９ 受光素子 １６ 受光ユニット １７ 折返しミラー １８ 受光位置切換え機構 １９，６０ レ−ザ光 ２０ Ｘ方向 ２１ Ｙ方向 ２２ ＰＳＤ ２３，２３ プリアンプ ２４ 割り算器 ５３ ガルバノミラー ５８ シリンドリカルレンズ ６１ ＩＣ ６２，６５ 光学走査方向 ６３，６４ ステ−ジ送り方向

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）二軸ステージを有する測定ステージ
   と、（ｂ）レーザと、前記レーザからのレーザ光を走査
   するスキャナと、前記レーザ光を所要のビーム径に拡大
   するビーム拡大器と、前記ビーム拡大器で拡大されたレ
   ーザ光を前記測定ステージの測定面上で所要のビーム径
   に収束しかつ走査速度を一定にするｆθレンズと、前記
   ｆθレンズを通過したレーザ光の光路を直進及び９０度
   方向に切り換える光路切換え機構と、前記光路切換え機
   構で切り換わる二光路の中で直進光を前記測定ステージ
   の測定面に対して斜め上方から前記測定ステージの一軸
   （以下Ｘ方向とする）と平行に走査させる複数枚のミラ
   ーで構成された第一の走査光学系と、前記光路切換え機
   構で切り換わる別光路（９０度方向）のレーザ光を前記
   第一の走査光学系の走査方向と直交する方向（Ｙ方向と
   する）に走査させる複数枚のミラーとで構成された第二
   の走査光学系とを有する投光光学系と、（ｃ）前記第一
   の走査光学系の正反射方向に置かれ反射光を受光する集
   光レンズ及び前記集光レンズの結像位置に置かれ反射光
   を受光する受光素子を合わせた受光ユニットと、前記測
   定ステージの上方に置かれ前記第二の走査光学系で照射
   されたレーザ光の反射方向を前記第一の走査光学系の正
   反射方向と平行な向きに変える折り返しミラーと、前記
   受光ユニットを前記第一の走査光学系の受光位置及び第
   二の走査光学系の受光位置に切り換える受光位置切換え
   機構とを有する受光光学系と、（ｄ）前記スキャナーの
   走査に同期し一定のサンプリング時間で前記受光素子の
   出力を読みとり受光位置から三角測量法にて高さを算出
   する信号処理回路とを含むことを特徴とするレーザ変位
   計。